JIC投资观察原创文章
中国建投成员企业建投华科
作者：戚传梅
本文3739字，阅读时间约10分钟
目前，我国锂电产业无论在电池体量还是上游材料端均已在全球市场占据重要优势地位。据公开最新季度数据显示，我国动力和储能电池合计累计产量533.7GWh，同比增长44.9%，占全球锂离子电池产量约65%；电解质、正负极等原材料出货量占全球份额均超过80%。在庞大供应链体系支撑下，我国锂电行业亦引领着产业技术革新方向。
资料来源：中国汽车动力电池产业创新联盟
在追求“更高效率、更加安全、更低成本”的极致目标中，锂电技术的每一个变革无不受到广泛关注。近期最为活跃的技术创新当属主要原材料之一的新型复合集流体技术。相关企业纷纷入局，希望抢占先机。
01
所谓集流体，是指用于承载电池正极和负极活性物质，并将正负极产生的电流汇集输出至电池外部导线的金属导电箔材。集流体是锂离子电池重要的组成部分。理想的集流体材料需要满足以下条件：导电率高，能够有效的降低锂电内阻，从而提高电池循环稳定性和倍率性能；材料本身的化学与电化学稳定性好，能够耐腐蚀；与电极活性物质兼容性和结合力好、机械强度高且廉价易得。
资料来源：网络公开信息整理
传统集流体由具有良好导电性的铝箔和铜箔充当，一般铝箔作为正极集流体，铜箔作为负极集流体。两者合计占锂离子电池总质量约16%，占全部电池成本约11%，是电池成本及能量密度考核的重要指标参数。由于铝和铜的价格经常受到金属资源价格波动影响，上游资源价格上涨将导致电池企业成本增加，利润降低。因此寻找更加轻薄、资源节约型的集流体材料替代现有铝箔和铜箔成为产业研究的重要方向，也是锂电产业竞争加剧后，各厂商重要的降本增效途径之一。
02
复合集流体是一种不同于传统金属箔材集流体的新型高分子复合材料，其概念最早在宁德时代新能源科技股份有限公司2017年6月公布的发明专利《一种集流体及其极片和电池》中提出。在高分子基膜材料上通过磁控溅射、真空蒸镀及水电镀等工艺形成极薄的铝或铜金属镀层，一方面可保持金属箔材传导电子，汇集电流的属性，实现与传统集流体同样的功能；同时使用低密度、低成本的高分子材料替代一部分昂贵金属材料，达到降本增效的诉求。
复合集流体具有“三明治”结构
资料来源：网络公开信息整理
如上图所示，复合集流体的结构为“夹心”结构：中间为高分子材料，上下两面沉积金属铜或铝，形成“金属导电层-高分子材料支撑层-金属导电层”三明治结构。中间高分子层可选择PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）、PP(聚丙烯）、PI（聚酰亚胺）等材料作为基膜。如下图所示，不同材料的物理化学性质各异。
资料来源：Wind，高工锂电（GGII）
目前主流厂商主要选择PET和PP两种，PI材料尚未进入导入阶段。PET材料的成本、硬度和热加工性能更优，但长期循环使用耐腐蚀能力较差，容易导致高温循环性能跳水。PP材料稳定性好，长循环耐腐蚀性能好，但质地软，结合力较差，加工性能较差。两者各有优劣。综合来看，PET的应用已相对成熟。PP体量较小，但加工难点正在逐步被攻克。
复合集流体可降低电池成本
复合集流体采用的高分子层厚度一般约为4微米，上下两层铜或铝层厚度只各需1微米，合计6微米。与传统的10微米厚度铝箔、6微米厚度铜箔相比，最多可节约铝材用量80%、铜材用量67%，替代后可立即实现集流体轻量化。而且高分子基材价格远远低于金属材料价格，不到铝价的40%，铜价的13%，所以同样的电池，使用复合集流体材料成本可大幅下降。当资源价格波动，尤其是较贵的铜材价格上涨时，复合集流体的降本效果更加显著。
复合集流体可提升电池能量密度
如前所述，复合集流体可大量节约金属使用量从而降低电池成本。同样，因为高分子材料（以PET材料为例）密度仅为铝密度的51%、铜密度的15%，这意味着复合集流体材料质量相较于传统金属箔材也将大幅下降。按照传统铝箔和铜箔集流体在电池中的质量占比分别为7%和9%换算，同样体积的复合集流体在电池整体质量占比可下降至２.８％（铝）和３.６％（铜），可大大降低电池质量，提升电池质量能量密度。如下图所示，PET复合铜箔替代传统铜箔集流体，可提升电池５.６％的质量能量密度，效果显著。
资料来源：高工锂电（GGII）、国信证券经济研究所
根据比亚迪早期公布的专利及国信证券数据，新型复合集流体在电池中的不同搭配方案，可不同程度提升电池质量能量密度。正极和负极均使用复合集流体可达到最好效果。
资料来源：比亚迪专利《复合集流体、电极片及电池》、
国信证券经济研究所
一直以来，各大电池企业和下游车企不惜投入大量人力、资金探索各种技术路线，以期望提升电池能量密度，改善电动汽车的续航里程。因此，复合集流体甫一出场便吸引了产业目光。
复合集流体可提升电池安全性
锂电池安全性问题是自其商业化应用以来一直高悬在广大消费者头上的达摩克里斯之剑。撞击或其他因素导致的电池内短路和热失控是锂电池着火爆炸的主要原因。如果在密闭空间中发生安全事故，短期内最高温度可迅速达到800℃以上，严重威胁使用者生命财产安全。如何降低或消除电池因撞击、过载或长期使用引发的热失控爆炸，提升电池安全性，一直是学术界和产业界的严肃课题。
目前已经证实复合集流体可有效防止电池热失控。因为复合集流体的金属导电层较薄，一旦发生意外断裂，破裂处产生的毛刺尺寸小，穿透隔膜形成短路的可能性降低。同时，高分子层高分子基材具有阻燃特性，短路时会如同保险丝一样熔断，形成“点短路”，可以有效减少电池自燃的概率。如下图所示：
资料来源：重庆金美新材料官网、国信证券经济研究所
复合集流体还被证实可减少锂枝晶问题。锂枝晶是指在电池不当使用或长期使用过程中，部分锂离子迁移过程中无法实现正常脱嵌，进而沉积在负极表面形成的高低不平的锂晶堆。锂枝晶增大也会刺穿电池隔膜导致短路，引发热失控等安全问题。因为复合集流体高分子层的存在，使得其相较于纯金属的延展性更好，发生析锂时，复合集流体表面将产生褶皱以缓解锂枝晶生长带来的局部应力，从而使锂离子沉积更加均匀，减少锂枝晶问题出现。
资料来源：《Stress-driven lithium dendrite growth mechanism and dendrite mitigation by electroplating on soft substrates》
03
复合集流体从概念提出到目前逐渐实现装车历时近7年，2023年被业内称为复合集流体产业化应用元年。今年三月，广汽埃安新发布产品“弹匣电池2.0”，宣布采用复合集流体；四月，宁德时代麒麟电池全球量产，首发车型极氪009宣布使用复合集流体；十月，有消息报道即将于本季度上市的赛力斯问界M9车型将使用复合集流体。
作为今年锂电行业最火热的细分赛道，截至9月，已经有超过15家上市公司公告进入该领域，呈现百舸争流之势。数家非上市创业企业宣布进行股权融资，与遇冷的一级PE/VC市场形成鲜明对比。
资料来源：上市公司公告，公开信息整理
04
复合集流体无疑被业内认为是锂电行业具有光明前景的技术路线之一，大规模替代传统集流体只是时间问题。但作为势头正劲的新兴技术仍有诸多难题亟待解决，对这些问题具备解决能力也将成为企业未来的核心竞争优势。
生产工艺难度高，面临产能瓶颈
复合集流体生产过程需要用到大型磁控溅射、真空蒸镀、水电镀等核心设备。目前主要生产设备已经能够实现国产化，但是设备交付更偏向于标准化，需要用户企业根据自身需求自行改装调试。同时因整体加工工序较多，不同工序节奏线速不同、良率不同，设计不当将阻碍生产线的生产效率，从而阻碍产品的高效率、高品质交付。产能瓶颈一直是行业痛点，对企业的工程设计能力、设备工况调试能力、工艺参数know-how的优化能力均提出较高要求。
下游客户集中度高，验证周期长，导入压力大
经过多年发展，全球锂电池供应商已经非常集中，前十大企业所占市场份额超过85%。而且由于前几年大规模产能扩张，很多锂电池企业正面临产能过剩、电池价格下降、车企资源争夺等严酷的竞争环境，处于生死存亡的边缘，难有多余精力和资源投入新材料和新产品的开发试用。面对强势的下游客户，复合集流体企业在获取客户、批量替代原有产品方面存在一定门槛和难度。目前最积极推动复合集流体验证、装车流程的仍然是以宁德时代、特斯拉为主的少数龙头企业。如何广泛调动客户积极性，缩短用户验证周期，早日批量上车，是复合集流体企业亟待解决的问题。
锂电技术变革从未停歇，每一次技术演进变革都带来产品成本、性能的改善，以及明星企业的更迭。复合集流体作为又一技术角逐的战场，初露头角便已经硝烟弥漫，值得我们关注。
参考文献：
1.王新东，王萌 《新能源材料与器件》
2.张玉坤，邹朝辉，张云霞 锂离子电池用先进集流体的应用研究[J], 有色金属加工，2023，52（4）
3.汪茹，刘志康等 高安全锂离子电池复合集流体的界面强化[J], 物理化学学报，2023，39（2）
4.王蔚祺 锂电池复合集流体专题研究：降本增效大趋势，产业化迎来曙光，国信证券
5.彭勇，冯旭宁 自毁电池研究进展[J]，工程热物理学报，2023，44（8）
6.Chois, Wang G. Advanced lithium-ion batteries for practical applications: Technology, development, and future perspectives[J]. Advanced Materials Technologies, 2018, 3(9)
7.Chang H, Wu Y R, Han X, et al. Recent developments in advanced anode materials for Lithium-ion batteries[J]. Energy Materials, 2021, 1(3)
8.Li J, Cai Y, Wu H, et al. Polymers in Lithium-ion and Lithium metal batteries[J]. Advanced Energy Materials, 2021, 11(15)
图片来源：unsplash.com/pexels.com
文章为作者独立观点，不代表JIC投资观察立场。