金美(中金前沿科技系列：金美新材——复合集流体领先制造商)

复合集流体是新型集流体材料，具有高能量密度、高安全性等优势。复合集流体不同于传统的集流体采用纯金属箔，而是在轻质的高分子基底上通过磁控溅射或真空蒸馏的方式镀铜或镀铝，是一种类似三明治的夹层结构。由于高分子材料质量小于金属，因此在相同体积的情况下，复合集流体能拥有更轻的质量，电池总重占比减轻，能显著提升电池的能量密度。另外，内部高分子材料能在一定程度上控制短路情况的发生，穿刺短路时又可以避免电池进一步发热、燃烧和爆炸，具有更高的安全性，使用寿命更长。

复合集流体位于电池产业链中游位置。产业链上游为原材料与设备厂商，原材料主要包括金属铝、铜，以及pp或pet基膜。在设备方面主要分为磁控设备和电镀设备，目前金美正在开发二代机，公司预计若研发成功产品良品率有望进一步提升。另外，下游方面主要包括动力电池、储能电池和消费电池等厂商。

储能电站爆炸事故频发，电池安全性制约储能场景渗透率。电化学储能设备中的电池滥用情况易导致电池内部热量积累，达到热失控起始温度时，会导致电池内部短时间释放较多能量，迅速引起热失控，在电池模块、电池柜、乃至整个储能电池区域引起燃烧，甚至爆炸，后果严重。据中国应急管理报，2021年“4.16”北京一公司光储充一体化项目火灾爆炸事故造成人员伤亡，直接财产损失1660.81万元，事故发生原因是磷酸铁锂电池内部短路引发电池热失控起火。正因如此，国家能源局出台相关意见对中大型电化学储能电站的安全性做出进一步要求，电池安全性制约其在储能场景的渗透率。

复合箔材提升电池安全性优势明显

集流体在电池安全失效中占据关键位置。电池安全性失效的诱因主要分为两类，一类是以制造缺陷为代表的内部因素，另一类是机械滥用、电滥用、热滥用的外部因素。在制造缺陷中，集流体与金属极耳间通过焊接与电池正负端子相连，焊接过程会产生毛刺，会穿透相邻电极层之间的隔膜，从而引起电池内短路。在电池运输或工作过程中，由于颠簸等原因可能造成传统金属箔材集流体断裂产生毛刺，刺穿隔膜，发生短路。

复合箔材集流体提升电池安全性优势明显。传统箔材金属层较厚，不易熔断，在电池短路时由于无法断开电流回路，导致热失控进一步发生，而复合箔材金属层较薄，短路时金属层易熔断，且中间高分子材料层是电子的不良导体，避免了温度大幅升高，阻止电池起火燃烧等现象发生。复合箔材中的高分子材料还会在一定温度下远离热源收缩，并带着表面金属层一起移动，避免短路。

复合箔材有助于提升电池制造良率，并有潜力降低锂电池制造成本。传统纯金属箔材减薄空间有限，在减薄到4.5μm时断裂风险提高，由于PET、PP等高分子材料抗拉强度高，断裂延伸率远高于纯箔材，其减薄后可避免出现电池组装环节断带问题。

复合箔材抗拉强度好，或将提高下游电池厂良率。电池制造过程中，集流体相当于“传送带”，正负极活性物质通过搅拌、涂布在集流体上，最终经过辊压、分切、制片等完成电极极片制作，电芯制作过程包括叠片/卷绕等过程。传统箔材依靠金属键结合力，强度较弱，尤其在厚度减薄后，传统箔材易断裂。复合箔材中间的高分子材料层以分子间作用力结合，抗拉强度和张力性能较好，卷绕时不易断裂，我们认为或将提高流水线制造效率，提高下游电池厂良率。

复合箔材能缓和锂枝晶生长，提高电池循环寿命。由于锂枝晶会不可逆地造成锂电池的容量和循环寿命，同时易导致短路引发热失控等安全性问题，减缓锂枝晶的形成与生长能有效提高电池安全性与总体性能。文献[1]指出，由于传统铜箔无法释放电镀锂过程中产生的压缩应力，促进锂枝晶形成。而复合铜箔中较软的基底则可以释放压缩应力，从而减缓锂枝晶的生长，进而改善电池的循环性能。实验1表明，在相同循环条件下，使用软基底复合铜箔的电池在100次循环后仍有85.6%的容量保持率与大于99.5%的库伦效率，而使用传统铜箔的电池仅有55.3%的容量保持率，使用功能软基底复合铜箔的电池的循环性能显著优于使用传统铜箔的电池的循环性能。

PP需增强耐高温性能，PET需减薄及增强耐腐蚀性。当前市场主流PET薄膜厚度在4μm以上，而PP膜已实现2μm产品的生产，我们认为主要因为PP膜已在薄膜电容器行业中实现大量应用，生产工艺的研发与迭代领先PET薄膜。理论上，PET同样能薄至2μm；考虑到PET材料市场价明显低于PP材料，且具有更佳的耐高温性能与绝缘性能，我们认为PET拉伸工艺的发展与迭代或将为复合集流体的发展带来新的机遇。

复合集流体特殊结构使得极片焊接工艺需要改进。当前行业常用的复合集流体焊接方式为超声焊接，但超声波能量有限，传统工艺难以将由数十层的复合集流体做成的电芯极耳焊接在一起，易导致焊接不牢固；同时复合集流体表面的金属层较薄，易导致焊接结合力差，进而容易引起复合集流体外接金属极耳的虚焊现象，增大电池的内阻，后续电池充放电过程中温度易升高。如何对复合集流体实现高效焊接并解决虚焊、结合力差等问题决定了复合集流体的产业化与应用速度。部分下游电池公司也针对此痛点进行了相关研发。

真空反应镀膜工序与真空镀铝工序原理几乎一致，区别在于真空反应镀膜工序中将铝丝气化后通入氧气，使基体表面沉积氧化铝，作为致密性好的抗蚀辅助层；真空镀铝工序则将气态铝直接沉积至基体表面，完成复合铝箔的生产。同时，复合铜箔的生产工艺与已相对成熟的薄膜电容器金属化蒸镀工艺流程十分类似。与电容器薄膜金属化蒸镀工艺相比，复合铝箔的生产工艺在真空度的要求上相对更低、蒸镀温度也更低，规模化量产及产能推进障碍较小。

►针对现有磁控溅射设备辊系较多、靶材易溅射到薄膜以外的地方造成浪费等增加生产成本的痛点，公司提出了一种新型的磁控溅射装置，通过少量的冷却辊配合弧形的靶材完成对薄膜的磁控溅射镀膜工艺，结构简单，辊系数量大大减少，节约了设备成本；同时采用弧形结构的靶材能防止磁控溅射镀膜过程中靶材上的材料溅射到非目标区域，避免造成靶材的浪费。

►当前水电镀工艺中导电辊与薄膜基材接触，导致辊体上的镀铜颗粒刺破薄膜基材，大幅降导电薄膜产品的良品率、严重影响了生产效率。针对此痛点，公司提出了水电镀设备的改进方式，在主辊外周设计环形凹槽，使得薄膜基材与第一阳极板之间形成空隙，解决上述问题的同时提高了导电薄膜的良品率。

►进一步地，为解决当前复合集流体“两步法”生产工艺存在的转运过程中半成品薄膜氧化问题并进一步地实现降本，公司提出了将蒸镀工艺与磁控溅射工艺结合的创新设备，在提高金属膜的性价比的同时避免了开炉、闭炉及薄膜运输过程中薄膜被氧化的风险，并有效提升了先蒸镀后磁控溅射的镀膜层的结合力。

►公司依托领先的设备与生产工艺经验积累，坚持自行设计关键设备，并适度分散供应链，一方面确保了技术的保密性，另一方面可摆脱关键设备生产受限问题。公司于2017年成立启动复合铜箔设备的合作研发工作，当前设备已实现由1代线向2代线的更新，生产效率得到提升；自2019年起，公司也开始研制、安装复合铝箔的生产设备，并已于2022年11月11日正式启动了8μm复合铝箔的量产；公司2022年7月安装的设备已具备以4.5μm薄膜作为基材的生产能力。