锂电行业深度系列十二：大圆柱电池，电池技术新发展，量产推动相关材料需求共振

证券研究报告|2023年06月26日 核心观点行业研究·行业专题 46系大圆柱电池设计兼顾性能与经济性，预计2023年大规模量产。圆柱电池自商业化之初，直径尺寸经历了18mm、21mm再到现在46mm的持续升级。2020年9月特斯拉正式发布4680大圆柱电池。该电池具有：电芯材料单位用量减少、BMS控制难度降低；较高的能量密度与成组效率；优异的倍率性能以及较低的成本等优势。实际上尺寸扩大也会增加电池在安全、寿命等方面的风险，46mm直径是当前工艺水平下兼顾性能与经济性的优选方案之一。 动力电池率先应用，储能场景打开发展空间。大圆柱电池拥有高能量密度、强快充、高安全、长寿命等相对优势，与中高端乘用车对于长续航和超快充的需求较为契合。特斯拉在电动车行业率先引入大圆柱电池，宝马、蔚来等车企快速跟进布局。同时，大圆柱电芯具有高安全、高倍率以及灵活性强等优势，有望在户储市场发力。2021年，亿纬锂能推出40系列圆柱产品并应用于户储领域；鹏辉能源40系列圆柱电芯在2022年开始量产交付给公牛集团等客户；2023年初，马斯克表示特斯拉未来或将大圆柱电池应用于储能领域。我们预计2023年全球大圆柱电池可匹配的市场需求为23GWh，其中储能 /动力分别为0.3/22.4GWh；2026年我们预计全球大圆柱电池需求有望达到238GWh，2023-2026年年均复合增速为119%。 电池企业布局加速，松下、亿纬锂能等量产进度行业领先。2023年初特斯拉宣布扩建内华达州工厂，计划将大圆柱电池年产能提升至100GWh。松下2024年开始大规模量产大圆柱电池，现有规划年产能超40GWh。亿纬锂能大圆柱电池产能规划超80GWh，其中荆门20GWh基地预计2023年下半年开始向国内车企出货。三星SDI、LG新能源、宁德时代、中创新航也在建设产能。我们预计2026年全球大圆柱电池产能有望达到400GWh。 大圆柱电池推动材料体系与工艺升级，结构件与辅材优化明显。大圆柱电池使用高镍正极、硅负极、LISFI等高性能材料，推动电池性能朝向高能量密度、强快充方向发展。针对硅负极导电性差、体积膨胀率高等问题，碳纳米管、补锂剂等优质辅材需求有望快速提升。同时，大圆柱电池壳体增厚、采用热电分离设计新增集流盘等，对于结构件提出更高要求，头部企业有望凭借工艺和客户优势改善竞争格局。此外，预镀镍能够优化电池壳体性能，龙头企业份额有望持续提升。 风险提示：需求不及预期；行业竞争格局恶化；产品验证不及预期。 投资建议：关注在大圆柱电池产业链布局领先的电池与材料企业：亿纬锂能、宁德时代、中创新航、鹏辉能源、容百科技、当升科技、华友钴业、璞泰来、天赐材料、新宙邦、天奈科技、德方纳米、厦钨新能等。 重点公司盈利预测及投资评级 公司 公司 投资 昨收盘 总市值 EPS PE 代码 名称 评级 （元） （亿元） 2023E 2024E 2023E 2024E 300750.SZ 宁德时代 增持 224.91 9888 10.05 12.38 22.38 18.17 300014.SZ 亿纬锂能 买入 58.99 1207 2.97 4.42 19.87 13.36 300073.SZ 当升科技 买入 49.04 248 4.39 4.98 11.18 9.84 688116.SH 天奈科技 增持 43.50 101 1.88 3.01 23.09 14.47 资料来源：Wind、国信证券经济研究所预测 电力设备·电池超配·维持评级 证券分析师：王蔚祺联系人：李全010-88005313021-60375434 wangweiqi2@guosen.com.cnliquan2@guosen.com.cnS0980520080003 市场走势 资料来源：Wind、国信证券经济研究所整理 相关研究报告 《锂电产业链周评（6月第4周）-新能源车购置税减免政策延期，钠电乘用车型获工信部公示》——2023-06-24 《锂电产业链周评（6月第3周）-锂电企业出海进展向好，新能源车下乡助力需求提振》——2023-06-17 《锂电产业链周评（6月第2周）-6月产业链生产有望持续回暖，比亚迪加速钠电产业化》——2023-06-10 《锂电产业链周评（6月第1周）-新能源车购置税减免政策延续，储能电芯报价短期上行》——2023-06-03 《锂电产业链周评（5月第4周）-电池企业加快储能产品布局，锂盐报价略有回调》——2023-05-28 锂电行业深度系列十二：大圆柱电池 电池技术新发展，量产推动相关材料需求共振 超配 请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容 内容目录 大圆柱电池推动技术升级，产业化持续加速6 圆柱电池技术成熟、一致性高，海外市场应用广泛6 大圆柱电池的尺寸设计兼顾性能与经济性7 大圆柱电池在设计与工艺实现全面升级8 动力市场率先应用，储能场景打开发展空间11 电动车渗透率稳步提升，储能迎来爆发式增长11 电动车市场：特斯拉先发布局，国内外车企快速跟进16 储能市场：企业加速布局，助力大圆柱需求提升18 2026年全球大圆柱电池需求有望达到238GWh18 大圆柱电池推动电化学体系优化与迭代20 正极：助力高镍与超高镍材料需求快速增长20 负极：硅负极产业化加速21 电解液：新型锂盐LiFSI用量有望稳步提升22 结构件：龙头地位稳固，预镀镍加速渗透23 导电剂：单壁碳管更适配高镍+硅负极体系27 补锂剂：提升能量密度，改善首圈效率28 投资建议：关注产业链布局领先的公司30 图表目录 图1：报告框架图5 图2：圆柱电池发展历程7 图3：全球动力电池形状占比7 图4：圆柱电池续航性能与成本变化8 图5：全极耳示意图8 图6：全极耳设计使得产热更均匀且各部分产热率更低8 图7：干电极与湿法电极容量循环周次图9 图8：干电极与湿法电极容量循环周次以及库伦效率对比9 图9：21700电池与4680电池生产工艺对比10 图10：特斯拉大圆柱电池CTC设计10 图11：全球新型储能新增装机规模（GW）12 图12：2021年全球电化学储能各场景装机功率占比12 图13：2023年5月全国各地代理电价峰谷价差（元/kWh）14 图14：2022年全球户用储能新增装机分布情况15 图15：德国电价指数KWK-Preis（EUR/MWh）15 图16：美国主要州际交易所电力加权平均价格（USD/MWh）15 图17：部分电池企业大圆柱电池产能规划（GWh）18 图18：全球大圆柱电池产能布局情况（GWh）18 图19：大圆柱电池产业链示意图20 图20：大圆柱电池结构爆炸图23 图21：比克电池大圆柱电池顶盖结构示意图23 图22：亿纬锂能大圆柱电池结构示意图24 图23：比克电池大圆柱电池顶盖结构示意图24 图24：预镀镍钢基带与后镀镍钢壳的生产流程25 图25：预镀镍钢基带与后镀镍钢壳的性能对比25 图26：单壁碳纳米管能提高NCM811电池的倍率性能27 图27：单壁碳纳米管能提高搭载硅基负极电池循环寿命27 图28：补锂剂作用机理图28 表1：不同封装形态电池特点6 表2：全球及主要国家或地区新能源车销量情况（万辆）11 表3：全球及主要国家或地区动力电池装机量（GWh）12 表4：储能电池细分应用领域介绍13 表5：部分省份强制配储政策13 表6：全球新型储能市场装机情况（GWh）16 表7：部分车企大圆柱电池应用情况16 表8：部分电池企业在动力大圆柱电池布局情况17 表9：部分电池企业在储能大圆柱电池应用展望18 表10：全球大圆柱电池需求量（GWh）19 表11：部分正极或前驱体企业高镍产品布局情况20 表12：不同负极材料性能情况21 表13：部分负极企业硅负极布局情况22 表14：不同锂盐性能对比22 表15：部分企业LiFSI产能规划（万吨）23 表16：部分企业大圆柱结构件产品布局进展24 表17：全球预镀镍需求测算26 表18：部分镀镍钢带生产企业情况26 表19：预镀镍钢带性能对比27 表20：各企业单壁碳纳米管粉体性能情况28 表21：正极补锂剂主要产品29 表22：部分企业补锂剂布局情况29 表23：产业链部分公司盈利预测及估值（2023.6.25）30 图1：报告框架图 资料来源：中汽协，特斯拉官网，国信证券经济研究所整理 大圆柱电池推动技术升级，产业化持续加速 圆柱电池技术成熟、一致性高，海外市场应用广泛 按照封装形式来划分，锂电池可以分为方形、圆柱与软包三种形态。 1）方形电池：多采用卷绕或叠片工艺制造，封装材料采用方形铝壳或钢壳制得的电池。方形电池具有强度高、内阻小、寿命长、空间利用率高等优点；但其生产工艺难以统一、且散热难度大。 2）软包电池：使用铝塑膜作为封装材料的聚合物锂电池。软包电池具有形状灵活、能量密度高、安全性高等优势；但其制造难度较大、一致性相对较低。 3）圆柱电池：多采用圆柱钢壳来进行封装的电池。圆柱电池起步较早、技术成熟度高、成本低、产品一致性高；但其能量密度较低、产品的成组效率较低。 表1：不同封装形态电池特点 软包电池 方形电池 圆柱电池 壳体 铝塑膜 钢壳或者铝壳 钢壳或者铝壳 制造工艺 叠片或卷绕 叠片或卷绕 卷绕 能量密度 高 中 中 充放电倍率 高 中 低 成组效率 中 高 中 安全性 高 低 中 生产效率 低 中 高 标准化程度 低 低 高 散热性 高 高 中 一致性 低 低 高 优点能量密度高、安全性能好、重量轻、设对电芯保护作用强、成组效率高生产工艺成熟、电池包成本低、一致性 计灵活性好高 生产效率低，一致性差，成本高，机械设计外观固定，单体密度低，成本较高， 不足强度低 边角处化学活性低长期使用电池性能下降明显，PACK散热效果较差 成组能量效率低，充电功率不足，循环 寿命短 资料来源：中国汽车技术研究中心、国信证券经济研究所整理 圆柱电池由索尼公司发明，早期应用于消费电池，特斯拉将其在电动车领域普及。1991年索尼公司发明全球首款商业化锂电池-18650圆柱电池，开启锂电池商业化进程。早期圆柱电池多用于笔记本电脑等消费类产品。2008年，特斯拉Roadster上市，搭载松下生产的近7000颗圆柱电池，开创电动汽车应用圆柱电池的先河。 2017年，特斯拉与松下联合推出21700圆柱电池并搭载于Model3中，该电池采用NCA+少量掺硅负极方案，单体容量较18650电池提升约50%。2020年9月，特斯拉正式发布4680大圆柱电池，单体容量较21700电池提升5倍，并且成本实现进一步优化。 图2：圆柱电池发展历程 资料来源：中国汽车技术研究中心，特斯拉官网，国信证券经济研究所整理 圆柱电池在海外电动车市场应用广泛。国内宁德时代、比亚迪等企业长期以方形电池作为主要路线，2022年圆柱电池在国内装机占比仅为3.4%。海外市场松下坚持圆柱电池路线，韩国三星SDI、LG新能源在圆柱电池方面也具备连贯成熟的技术布局。车企方面，特斯拉、Rivian、捷豹路虎等海外车企均搭载圆柱电池。2020年全球动力电池中圆柱电池需求占比达到23%，同期国内市场中圆柱占比仅为13%。 图3：全球动力电池形状占比 资料来源：SNEResearch，智研咨询，国信证券经济研究所整理 大圆柱电池的尺寸设计兼顾性能与经济性 圆柱电池持续呈现大型化趋势。圆柱电池先后进行了直径18mm、21mm再到现在46mm的持续升级。大圆柱电池优势在于：1）电芯用量减少、BMS控制难度降低。 2）能量密度与成组效率提升：电池直径增加使得电池支架板和集流片孔径增大、重量减轻，并且电池包内结构件用量减少，能量密度与成组效率有望提升。3）倍率性能提升：全极耳设计缩短电子传输路径、提高传输速度，降低内阻、提高快充性能。4）低成本：在高能量密度材料与结构件用量减少推动下，据特斯拉发布会数据，4680电池组层面单Wh成本较21700电池能够降低14%。 直径46mm左右的尺寸设计是当前兼顾