前瞻新技术之五：既生“叠”，何生“卷”

www.hczq.com 前瞻新技术之五：既生“叠”，何生“卷” 首席分析师：黄麟 邮箱：huanglin1@hcyjs.com执业编号：S0360522080001 @2021华创版权所有 2022-12-29 联系人：苏千叶 邮箱：suqianye@hcyjs.com 前瞻新技术之五：既生“叠”，何生“卷” ┃摘要 •叠片/卷绕是锂电池生产的重要工序，对电池性能影响极大。锂电池封装分为软包、圆柱和方形，叠片适用于软包和方形电池，卷绕适用于圆柱和方形电池，卷绕/叠片是锂电池生产中段的核心环节，在分切、模切、极组成型等方面均存在较大差异，其中叠片电池的裁切次数更多，对五金模具的需求量更高。 •叠片电池生产效率短板持续改善，性能更优异。叠片机早期生产效率极低，但通过提升叠片速度、极片面积、极片面密度等方式，单机产能提升约60倍。叠片电池的性能更优异：1）相同尺寸下，叠片电池极耳数量是卷绕的两倍，内阻更小；2）电池包空间利用率更优，相同尺寸的麒麟电池空间利用率低于刀片电池；3）结构稳定性、循环寿命、安全性能、快充性能更优异。 •刀片化、快充化带动叠片渗透率提升：主流叠片机有z型叠片机、切叠一体机、热复合叠片机、卷叠一体机等。Z叠存在效率低、隔膜变形等问题，卷叠一体机存在专利壁垒，国内主流发展方向是切叠一体机和热复合叠片机。22H1全球动力电池装机量前十的企业中仅3家（宁德、松下、SDI）依然坚守卷绕，其余7家均布局叠片：1）LG、SK坚守软包叠片；2）比亚迪、蜂巢能源、中创新航onestop电芯、国轩高科UC电芯均为刀片+叠片方案；3）欣旺达4C超充电芯采用叠片方案。 •投资建议：叠片渗透率持续提升，对裁切模具的需求量更大，建议关注德新科技； •风险提示：新能车销量不及预期，新车上市进程不及预期，原材料上涨过快削弱企业盈利，行业扩产过快加剧行业竞争，地缘政治、贸易摩 擦阻碍海外供应链，安全事故影响企业产销，新技术落地不及预期。 此页包含机密资料，其全部或任何部分不可被复制或再发送。本页不构成对任何产品的要约出售/购买、招揽或建议。关于免责声明全文，详见本PPT最后部分。 2 01 卷绕/叠片简介 锂电池封装分类锂电池生产环节工艺差异 目录 02 叠片效率持续提升，性能更优异 02 03 叠片渗透率有望持续提升市场空间与投资建议 ┃圆柱电池仅用卷绕，软包电池仅用叠片，方形电池是两种工艺的重叠领域 •锂电池封装方式可以分为方形、圆柱以及软包。根据GGII数据，截至2022年第三季度，方形动力电池装机量约156.47GWh，同比增长125%；软包动力电池装机量约9.32GWh，同比增长47%；圆柱形动力电池装机量约5.99GWh，同比下降10%。 •方形电池可塑性较强，成组效率高，是目前主流整车厂商的首选。但行业内生产工艺不统一，单体差异性较大。方形电池可同时应用卷绕、叠片两种工艺进行生产。 •圆柱电池生产工艺最成熟，一致性较高，市场上主流型号包括1865、2170和4680。圆柱电池容量较低，结构件等分摊成本高，电芯数量远高于方形和软包电池，系统集成难度大，仅能通过卷绕工艺进行生产。 •软包电池在同容量下重量最轻，定制化程度高，界面均一性好，快充性能好。但铝塑膜依赖进口，生产成本高，行业内的生产标准并未统一，电池一致性较差。主流软包电池采用叠片工艺。 电池性能对比 项目 软包电池 方形电池 圆柱电池 壳体 铝塑膜 钢壳或铝壳 钢壳或铝壳 制造工艺 叠片 卷绕、叠片 卷绕 能量密度 高 中 中 成组效率 中 高 中 安全性 好 差 中 生产效率 低 中 高 标准化程度 低 低 高 一致性 高 低 低 充放电倍率 高 中 低 代表车型 日产Leaf 宝马i3 特斯拉Model3 优势 能量密度高、安全性能好、重量轻、外形及定制设计灵活 对电芯保护作用强、成组效率高 生产工艺成熟、电池包成本低、一致性高 劣势 成本高、一致性差、制造工艺要求高 整体重量轻、一致性差、型号多 整体重量重、成组效率低、能量密度相对较低 资料来源：孚能科技招股说明书，华创证券 ┃锂电池生产的中段设备价值量占比30-35%，其中叠片/卷绕机占中段设备价值量70% •锂电池的生产共分为四大工序，分别对应极片生产、电芯组装、电芯激活检测和电池封装。 •极片生产是锂电池制造的基础，对极片制造设备的性能、精度、稳定性、自动化水平和生产效能等有着很高的要求，主要分为浆料搅拌、极片涂布、极片辊压、极片分切四个步骤。在极片分切后会根据电芯的要求分别采取制片或模切工艺，将窄极片制成适合卷绕或叠片的第一工序段半成品。 •电芯组装是锂电池生产的中段环节，对精度、效率、一致性要求较高，主要包含电芯卷绕或叠片、电芯预封装以及电芯注液三个步骤，卷绕是将极片卷成极组，叠片是将极片叠成极组。根据GGII测算，中段环节的设备采购金额占全流程设备总价值的30%-35%，其中，卷绕机、叠片机的采购金额约占中段环节的70%，是最核心的生产设备。 •电芯激活检测、封装是锂电池生产的后段环节，化成和分容是其中最重要的部分。化成是对注液封装后的电芯充电进行活化，分容是在电池活化后测试电池容量及其他电性能参数并进行分级。 圆柱电池 锂电池生产流程 资料来源：赢合科技招股说明书，华创证券 方形电池 软包电池 此页包含机密资料，其全部或任何部分不可被复制或再发送。本页不构成对任何产品的要约出售/购买、招揽或建议。关于免责声明全文，详见本PPT最后部分。5 资料来源：新�行-电动汽车观察家、陈岳松 ┃卷绕是通过控制极片的速度、张力、尺寸、偏差等要素，将正负极片、隔膜、胶带等原料分条后按尺寸卷成极芯。 •卷绕要求极片、隔膜在卷的过程中始终保持齐整，因此对纠偏技术要求较高。行业通常要求卷后正负极片和隔膜的上下偏差均小于0.5mm。 •国内领先企业的圆柱电芯卷绕速度能达到18m/s；方形卷绕由于要保持线速度稳定，因此变角速度较慢，目前国内领先企业的生产速度约为0.8m/s。 •通过卷绕工艺制成的圆柱形或方形半成品，最终会被放入对应的钢壳/铝壳形成不同形态的电芯。目前4680大圆柱电池采用卷绕工艺进行标准化生产，被特斯拉、宝马等主流整车厂商大力推广。 ┃叠片是先根据电芯的层数要求确定极片数量，然后将正、负极片裁切成相同大小后间隔堆叠到隔膜上。 •通过叠片工艺制成的软包或方形半成品，最终会被放入铝塑膜或钢壳/铝壳制成软包或方形电芯。方形电池可通过叠片工艺向长刀、短刀电池发展，且目前已被比亚迪、蜂巢能源等公司应用；主流软包电池通过叠片工艺生产。 •叠片电池能量密度更高、内部结构更稳定、寿命长的同时安全性更好，但目前叠片设备的生产效率较低、设备投资成本更大且产成品良率不如卷绕。国内企业目前大多采用中小尺寸卷绕机，叠片机的比例还不高。 卷绕工艺示意图叠片工艺示意图 资料来源：极简主义怪@bilibili资料来源：工控--HB@bilibili 卷绕和叠片的模切方式、产品物料、极耳间距、冲切定位方式等存在差异性。 ┃卷绕 ┃模切方式：双边五金/激光模切 ┃物料差异：下料时为卷绕 ┃极耳间距：间距不等内圈小，外圈大 ┃冲切定位：有Mark孔定位，检测到时进行切断 卷绕工艺示意图 ┃叠片 ┃模切方式：单边五金/激光模切 ┃物料差异：下料时为片状 ┃极耳间距：等间距 ┃冲切定位：按片数计数 卷上料 定位 叠片工艺示意视频 卷上料 等间距a=b=c=d 片下料 卷下料 不等间距a>b>c>d Mark 下料为 卷装 下料为 片状 资料来源：锂电联盟会长，华创证券资料来源：锂电联盟会长，华创证券 卷绕和叠片在极片连续性、控制方式、裁断次数等存在差异性。 ┃卷绕┃叠片 ┃正负极：极片连续 ┃控制方式：控制极片的长度 ┃裁断次数：仅需对每片极片进行一次截断，极片数量少，质量可控； 分条圆刀 裁切工艺 ┃正负极：极片不连续、呈现片状 ┃控制方式：控制叠片数量 极耳成型 ┃裁断次数：多次裁断形成成百上千的小极片，工艺控制难度大，且易产生粉尘、毛刺等问题 工艺类型 分条（料区） 极耳成 型 V角 裁切 裁断切片 卷绕正极-铝 圆刀 五金/激光 （日韩） 无 无 卷绕负极-铜 圆刀 激光 无 无 叠片正极-铝 圆刀 五金/激光 五金 五金 叠片负极-铜 圆刀 五金/激光 五金/激光 五金 圆刀 分条 极片分条 极耳成型 模具 资料来源：super锂电池，华创证券 资料来源：王老板的十二橙子@bilibili 资料来源：王老板的十二橙子@bilibili 卷绕VS叠片---工艺差异---五金模切VS激光密切 五金模切VS激光模切 五金模切仍是当下最主流的裁断切片方式 项目 五金模切 激光模切 原理 使用五金刀具物理裁切 使用激光将极片融化切割分离 对涂覆区的影响 小物理形状加工，主要是掉粉风险 大会有热影响区、金属烟遗留问题，正极铝的熔点低会放大缺点 极片尺寸精度（一致性） 较好主要是毛刺风险 较差•边缘有熔珠•极片在运动过程中会产生漂移现象会影响切片精度 采购成本 较低 较高 维护成本 高定期更换刀具 几乎无 制片效率 制片效率低 制片效率高 材料兼容性 好 较差（激光对不同材料热影响未充分验证） 拉线调整 尺寸变化需重新更换刀具及吃刀间隙 调整激光头位置 切割厚度兼容性 大 小 ┃极片裁切边缘的质量对电池性能和品质具有重要的影响 ┃毛刺和杂质： •会造成电池内短路，引起自放电甚至热失控 ┃尺寸精度差： •无法保证负极完全包裹正极，或者隔膜完全隔离正负极极片，引起电池安全问题 ┃材料热损伤、涂层脱落等： •会造成电池内短路，引起自放电甚至热失控 ┃切边不平整 •引起极片充放电过程的不均匀性 ┃五金模具受益于叠片技术发展 ┃模具定期更换： •模切模具每3个月更换一次，模具在使用过程中可能会出现疲劳，卷刃需要磨刀刃，磨了十次就要更换 ┃模具要求更高 •叠片对毛刺要求更高：消费电子是5微米左右，动力电是10~15微米左右， 数据来源：super锂电池，华创证券研究所 卷绕VS叠片---工艺差异---极组成型 卷绕和叠片在极组成型上存在工艺差异 ┃4680圆柱电池卷绕过程 ┃卷绕：单卷轴方式，中间空心 ┃全极耳：采用高速气体吹折弯极耳 ┃方形电池卷绕过程 ┃卷绕：双卷轴，速度慢于单卷轴 ┃极耳：极耳平齐 方形电芯卷绕 特斯拉4680圆柱电芯卷绕 资料来源：极简主义怪@bilibili资料来源：亿鑫丰锂电池设备销售 目录 02 叠片效率持续提升，性能更优异 效率对比性能对比 01 02 03 卷绕/叠片简介 叠片渗透率有望持续提升市场空间与投资建议 生产效率与成本是叠片技术路线的核心瓶颈，目前单台叠片机/卷绕机均无法满足产线需求，均采用多台设备并行方案 ┃成本及生产效率 ┃卷绕机：当前主流卷绕机单台300~400万，单线10台卷绕机价值量3000~4000万 ┃叠片机：当前普通叠片机单台~600万，单线10台叠片机价值量~6000万 叠片机年化产能估算 ┃叠片机产能快速速提升，通过提升1）叠片速度、2）极片面积、3）极片面密度等。 VDA+0.6s /片 一代刀片 +0.3s/片 一代刀片 +0.2s/片 一代刀片 +0.15s/片 一代刀片 +0.125s/ 片 一代刀片 +0.1s/片 二代刀片 +0.1s/片 商用车刀片+0.1s/片 叠片速度s/片 0.6 0.3 0.2 0.15 0.125 0.1 0.1 0.1 正极片面容量mAh/mm2（双面） 0.049 0.049 0.049 0.049 0.049 0.049 0.062 0.062 单片正极极片面积mm2（单面） 12816 72120 72120 72120 72120 72120 83076 102690 稼动率 65% 70% 70% 70% 70% 70% 70% 70% 年产能Gwh 0.03