锂电新技术：大圆柱虽迟但到，产业链或乘风起

行业报告|行业投资策略 证券研究报告 2023年1月10日 电气设备 锂电新技术：大圆柱虽迟但到，产业链或乘风起 分析师孙潇雅SAC执业证书编号：S1110520080009 作者： 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 行业评级：强于大市（维持评级）上次评级：强于大市 大圆柱产业趋势明确：特斯拉率先提出，宝马跟进，电池厂宁德、亿纬、LG、松下等全面响应 从当前时间点看，动力电池形状技术路线方形是主流。18-19年全球方形电池占比达57%，20年略有下降，21、22年未有全球数据，我们根据头部电池厂市占率预计方形占比超60%（宁德+比亚迪+三星+中航等)。从性能看，方形成组效率最高，软包单体能量密度最高，圆柱生产效率和一致性最高。往未来看，我们认为大圆柱是大势所趋： 提出：特斯拉在20年电池日首次提出4680电池，并规划自产电池。特斯拉2008年开始采用18650电池，后升级为2170，到2020年发布了 4680电池。4680与2170电池相比，单体带电量提升5倍，减少结构件等非活性物质占用体积，整体续航里程提升16%，无极耳（全极耳）设计大幅提升了电池功率，带来更快充电速度。 跟进：车企和电池厂全面布局、响应。车企方面宝马、保时捷、江淮、东风岚图等多家主流车企积极布局，电池厂方面宁德时代、亿纬 锂能、LG新能源、松下电池、三星SDI、远景动力、比克电池、国轩高科、蜂巢能源等多家头部企业积极响应。 大圆柱火热的背后是高安全性和高经济性驱动，我们预计23/25年全球大圆柱电池出货33/280GWh，在动力电池渗透率4.0%/19%。 高安全性：圆柱的形状热扩散性能较好，因此可以搭配高镍、硅负极等高性能材料。 高经济性：生产效率可以做到非常高，制造成本会大幅下降。亿纬锂能董事长表示大圆柱电池（46系列圆柱电池）制造效率可提升30%，宝马基于当前市场环境的预判，第六代电池相较于第五代产品，成本可降低多达50%。 大圆柱产业链变化：大圆柱电池有望带动锂电主材体系升级，圆柱辅材国产替代加速 主材升级包括正极高镍化，负极硅基化，碳管三代化+单壁化，结构件等强度要求提升。 高镍化：大圆柱的优势是不易热失控，高镍三元优势是能量密度高，劣势是成本高+热稳定性差，大圆柱搭配高镍三元是优劣势互补，故大圆柱的应用加速会促进正极高镍化。 硅基化：圆柱天生更适合用硅负极，其各向同性的特点使得圆柱电池更耐膨胀（硅负极最大问题是膨胀），此外特斯拉4680电池明确表 示使用硅，我们预计25年全球硅基负极市场空间有望达300亿，21-25年复合增速136%。 电解液LiFSi使用加速：大圆柱电池体系一般匹配高电压、高镍材料，而高倍率电池对电池材料有较高要求。LiFSi具有较好的热稳定性、电化学稳定性、更高电导率，能更好的配合高电压、高镍、高倍率电池。 碳管三代化+单壁化：在大圆柱体系中，正极高镍化将加速三代碳管的应用，负极硅基化将加速单壁碳管的应用。 结构件强度升级：相较于2170圆柱电池，大圆柱4680电池的容量及输出功率更高，对安全以及电流输出装置要求更为严格，需要的零件也更多，其产品结构更为复杂，对制造工艺要求也更高，对生产设备的要求也不一样，我们预计单GWh价值量有望提升（宁德方形在3000万元出头）。 辅材0-1国产替代包括预镀镍、芳纶涂覆。 预镀镍：预镀镍应用于圆柱电池，此前多为日韩企业垄断，我们认为随着大圆柱产业趋势加速，有望实现国产替代。预镀镍建议关注国产替代供应商东方电热，其在技术、客户进展端领先。 芳纶涂覆：芳纶涂覆与传统陶瓷涂覆相比优势在于高安全性、强快充和循环性能，劣势在于成本高，此前多为海外企业垄断，目前泰和 新材正致力于国产替代，我们认为能率先突破的应用场景为3C和圆柱，我们认为随着在大圆柱产业趋势下，国产替代有望加速。 投资建议 1、电池：首推【宁德时代】、【亿纬锂能】。 2、材料主产业链：重点推荐高镍化产业趋势下的【中伟股份】、【当升科技】（化工组联合覆盖），硅负极进展领先的【贝特瑞】，LiFSi 领先的【天赐材料】，三代碳管占比提升+单壁碳管放量的【天奈科技】，大圆柱结构件客户、量产领先的【科达利】。 3、国产替代：建议关注预镀镍【东方电热】、芳纶涂覆【泰和新材】。 风险提示：电动车销量不及预期、大圆柱进展不及预期、测算存在主观性 1 大圆柱产业趋势明确 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明4 方形是动力电池的主流，主要系国内以宁德为首的均选择的是方形路线。18-19年全球方形电池占比达57%，20年略有下降，21、22年未有全球数据，我们根据头部电池厂市占率预计方形占比超60%（宁德+比亚迪+三星+中航等)。 图：全球动力电池形状占比（%） 圆柱软包方形 图：全球主要电池厂市占率 宁德时代LGES松下比亚迪SKOn其他 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 49% 28% 23% 21% 20% 24% 6% 13% 8% 14% 21% 2020年 57% 57% 14% 16% 29% 27% 2018年 2019年 100% 90% 6% 6% 70% 7% 9% 60% 18% 12% 80% 图：国内动力电池形状占比（%） 方形软包圆柱 50% 40% 30% 20% 10% 0% 23% 25% 2020年 33% 2021年 35% 2022年Q1-3 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 7% 9% 85% 2019年 80% 6% 13% 2020年 6% 7% 86% 2021年 方形成组效率最高。根据2020年1月数据，行业内圆柱电芯的模组成组效率约为87%，系统成组效率约为65%；软包电芯模组成组效率约为85%，系统成组效率约为60%；方形电芯的模组成组效率约为89%，系统成组效率约为70%。 软包单体能量密度最高。软包电池单体能量密度在常见三种锂电池封装形式中，最容易做高。 圆柱生产效率和标准化程度最高。圆柱电芯由于其自身结构特点，也由于其型号的标准化，圆柱电芯生产的自动化水平，在3种主要电芯形式中为最高。这就使得高度一致性成为可能，成品率相应得到提高。 表：三种形状动力电池的主要技术指标对比 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 方形叠片 方形卷绕 圆柱卷绕 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 低 低 高 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 整体重量重、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 1.2-3.6AhLCO/NCA+石墨 3-4.8Ah NCA+硅碳 30Ah NMx+硅碳 硅基负极 干电极 从2008年开始，特斯拉一直将18650圆柱电池作为主流产品，然而在规格提升至21700之后，产品持续5年时间很难进行迭代，直到2020年，特斯拉发布了4680全极耳电池之后，产品从规格、性能、成本、安全、使用寿命等方面实现了全新的突破。 2020年，特斯拉在电池日上推出4680电池。4680大圆柱路线与2170电池相比，单体带电量提升5倍，减少结构件等非活性物质占用体积，整体续航里程提升16%，无极耳（全极耳）设计大幅提升了电池功率，带来更快充电速度。 图：特斯拉4680大圆柱电池构想 •功率提升6倍 • • 容量提升5倍 整车续航增加16% •度电成本降低14% 无极耳 无钴技术 •单体容量提升35% •系统能量密度提升20% •系统成本下降9% •系统重量下降10% 图：三种形状动力电池的主要技术指标对比 特斯拉认为46mm以后整车的续航开始下降，同时降本的边际效益变得非常低，因此46mm是圆柱电池高度最优解。从材料方面看，直径46mm较2170每Wh所需电池壳数量及面积减少，因为电池直径增加降低了比表面积；从生产工艺看，pack空间利用率提升、生产组装时间减少、对BMS的要求更低，因为电池单体数量减少，18650需要7000+个电芯，2170圆柱需要4400+个电芯，而新型电池4680仅需950个电芯。 对于电芯高度，目前业界还没有定论，主要因各家底盘设计而异。比如宝马采用的是4695方案。 图：圆柱电池尺寸对续航里程（黄线）和成本（红线）的影响 车企方面，特斯拉提出，宝马跟进，保时捷、江淮、东风岚图等多家主流车企也在布局。除特斯拉是大圆柱的忠实拥趸，在其“电池日”上首次公开亮相了46系列大圆柱电池，随后其在美国和德国工厂开始布局大圆柱电池外，宝马同样是圆柱电池的积极推进者，22年9月，宝马集团发布消息称，将从2025年起率先在“新世代”车型中使用圆柱电芯，据宝马集团介绍，全新圆柱电芯（宝马称第六代电池）具有46mm的标准直径，和95mm和120mm两种不同的高度。此外，包括保时捷、江淮、东风岚图等多 家主流车企也在跟进大圆柱电池。 电池厂方面，国内外主流企业均在布局。已经有宁德时代、亿纬锂能、LG新能源、松下电池、三星SDI、远景动力、比克电池、国轩高科、蜂巢能源等多家头部企业，另外，根据比亚迪此前公布的专利信息，电池中国推测其貌似也已经在研发“大圆柱”电 池。 表：电池厂大圆柱布局 大圆柱电池的高安全性从技术上是可以做得到的，它可以避免热扩散，这是一个最基本的前提。大圆柱因为安全性高，可以使用高镍、硅负极、碳纳米管、高端铜箔等前沿材料，使得其性能要明显优于现有电池材料体系。 大圆柱电池的生产效率可以做到非常高，制造成本会大幅下降。亿纬锂能董事长表示大圆柱电池（46系列圆柱电池）制造效率可提升30%，宝马基于当前市场环境的预判，第六代电池相较于第五代产品，成本可降低多达50%。 此外，大圆柱电池也非常适合整车的集成设计，在CTP、CTC等方面拥有优势。 图：亿纬锂能大圆柱 自特斯拉20年提出4680大圆柱以来，产业链车企、电池厂纷纷跟进，车企典型系宝马，电池厂典型系松下、LG、三星、宁德时代、亿纬锂能、比克，各家大圆柱进展如下： 特斯拉自产：22年规划产能100GWh，根据公司给产业链的订单，我们预计22、23年特斯拉自产电池量在5、20GWh。 松下：23年起开始供应特斯拉4680，年产能在10GWh，我们预计23年产量8GWh； LG新能源：23年下半年9GWh产线投产，我们预计24年开始贡献。 三星：23年在马来西亚建设8-12GWh，我们预计23年开始贡献。 表：大圆柱市场空间测算（GWh） 2 大圆柱产业链变化？ 【大圆柱电池有望带动锂电主材体系升级，圆柱辅材国产替代加速】 主材升级包括正极高镍化，负极硅基化，电解液LiFSi使用加速，碳管三代化+单壁化，结构件等强度要求提升； 辅材0-1国产替代包括预镀镍、芳纶涂覆，这两个产品此前多应用在圆柱电池，尚处于海外垄断阶段，我们认为随着全球大圆柱趋势的盛行，有望国产替代。 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明12 大圆柱的优势是不易热失控和弧形表面更耐膨胀。高镍三元优势是能量密度高，劣势是成本高+热稳定性差，成本高的改变可依赖三元一体化镍冶炼投放降低镍的成本，热稳定性差可搭配圆柱封装形式改善。 未来三元高镍成本大头是镍，随着前驱体厂商红土镍矿冶炼项目路线在22年将迎来密集投产期，23年大规模量产，三元高镍正极成本有望显著降低。 圆柱天生更适合用硅负极，其各向同性的特点使得圆柱电