新能源电池行业新技术之四：大圆柱电池，巨头推动，高镍和硅负极搭配

行业深度 新能源电池 证券研究报告 大圆柱电池：巨头推动，高镍和硅负极搭配 2023年08月11日 新能源电池新技术之四 评级领先大市 重点股票 2022A 2023E 2024E 评级 EPS（元）PE（倍）EPS（元）PE（倍）EPS（元）PE（倍） 宁德时代 6.99 34.01 10.45 22.75 13.81 17.22 买入 东方电热 0.21 26.67 0.35 16.10 0.44 12.77 买入 科达利 3.86 33.59 5.70 22.76 7.96 16.30 买入 新坐标 1.15 22.15 1.33 19.15 1.47 17.33 买入 亿纬锂能 1.84 32.20 3.02 19.63 4.50 13.18 买入 评级变动：维持 行业涨跌幅比较 新能源电池沪深300 12% 2% -8% -18% -28% -38% 2022-08 2022-11 2023-02 2023-05 % 1M 3M 12M 新能源电池 0.91 -4.17 -35.56 沪深300 3.92 -1.29 -4.34 周策分析师 执业证书编号:S0530519020001 zhouce67@hnchasing.com 杨鑫研究助理 yangxin13@hnchasing.com 相关报告 1新能源电池行业7月份月报：复合集流体进展较快，下半年进入密集催化期2023-07-17 26月电池数据点评：动力电池产量60.1GWh， 环比增长6.3%2023-07-11 3新能源电池行业6月份月报：需求端开始复苏新能源渗透率稳步提升2023-06-19 资料来源：iFinD，财信证券 投资要点： 巨头推动，大圆柱电池大规模量产在即：圆柱电池自商业化之初，直径经历了18mm、21mm的设计。2020年9月特斯拉正式发布4680大 圆柱电池，宝马、宁德时代、亿纬锂能等企业纷纷布局大圆柱电池，综合考虑电池的整体性能和经济性两方面，46mm外径是当前技术水平下的最优解。大圆柱电池较普通圆柱电池有能量密度高、功率性好能等优势，较市场主流的方形电池有功率性能好、一致性高、强度高等优势。 预计2026年大圆柱电池需求超381GWh：预计2026年全球大圆柱电池装机量有望达到381GWh，若以2026年大圆柱电池均价为0.5元/Wh 来计算，则对应总体市场规模将达到1905亿元。 预镀镍环节受益大圆柱放量，市场空间近百亿：由于对耐压强度的要求，大圆柱通常采用钢壳作为封装壳体，而锂电池钢壳的原材料钢带 需要进行预镀镍处理来增强耐腐蚀性。当前预镀镍环节主要被新日铁、东洋钢板等日本厂商所垄断，未来随着国内龙头厂商的验证和扩产完成，有望逐步实现国产替代。预计2025年全球大圆柱电池对应的实际 预镀镍需求约为38万吨，加上消费类和碱性电池需求差不多在15万 吨，总需求约在53万吨左右，市场空间超98亿元。 硅负极与大圆柱结构更适配，碳纳米管环节有望受益：硅基负极材料在能量密度方面有明显优势，但是硅基负极材料的膨胀较大，极片易 受到损坏从而导致循环寿命下降。与方形卷绕电池相比，大圆柱电池的极片为受力均匀的圆柱形，在极片发生膨胀时不易受到损伤，因此更兼容硅负极。碳纳米管本身具有的一维线状结构，其能够在硅颗粒表面及硅颗粒之间建立点线接触式的高度导电、紧密的连接，在硅负极颗粒体积膨胀并开始出现裂缝时可通过碳纳米管保持良好连接，减少材料破裂，维持负极的稳定，因此有望受益于大圆柱电池放量。 投资建议：特斯拉率先量产大圆柱电池，宝马、宁德时代、亿纬锂能等车企和电池企业纷纷推动大圆柱电池研发和工业化，我们预计2024 此报告考请务必阅读正文之后的免责条款部分 年开始大圆柱电池会开始迎来爆发元年。推荐4680布局领先的电池龙头企业：【宁德时代】、【亿纬锂能】；推荐受益大圆柱电池爆发需求提升的预镀镍供应商：【东方电热】、【甬金股份】；推荐其他主辅材供应商：【德方纳米】（补锂剂）、【科达利】（结构件）、【天奈科技】（碳纳米管）、【新坐标】（端子）。 风险提示：大圆柱电池研发及工业化进展不及预期；技术路线发生重大变化；供应链降本不及预期；新能源汽车销量不及预期。 内容目录 1大圆柱电池：巨头推进，2026年需求超381GWh5 1.1电池三种封装形式各有优劣势5 1.2目前方形电池是主流路线，圆柱市场份额较低6 1.3特斯拉推出4680电池，性能与经济性同步提升7 1.4各大车企和电池企业跟进大圆柱设计方案9 1.5市场潜力大：预计2026年大圆柱电池需求超381GWh11 2大圆柱电池产业链变化：结构设计变化较大，预镀镍为新增量11 2.1结构件：大圆柱提高技术壁垒，预镀镍成为新的增量11 2.2正极材料：高镍与高压体系是未来趋势14 2.3负极材料：更适配掺硅负极，碳纳米管搭配使用15 2.4电池结构和工艺设计：全极耳设计，工艺难度加大18 3投资建议19 4风险提示20 图表目录 图1：三种电池封装结构5 图2：2022国内电芯封装形式占比情况7 图3：2022H1全球电芯封装形式占比情况7 图4：2022年电池厂商全球动力电池装车辆市场份额情况7 图5：21700电池与18650比较8 图6：特斯拉圆柱电池8 图7：特斯拉4680大圆柱电池性能提升情况8 图8：大圆柱电池外径变化对续航和降本的影响曲线9 图9：结构件在锂电池产业链的位置12 图10：大圆柱电池结构件示意图12 图11：圆柱壳体类型13 图12：镀镍流程13 图13：特斯拉对于硅负极体积膨胀的描述16 图14：特斯拉硅负极方案17 图15：补锂技术分类17 图16：21700和4680设计方案对比18 图17：4680全极耳极片设计18 图18：常规设计和全极耳设计电子传输路径对比18 图19：圆柱电池极耳设计和热分布对比18 图20：特斯拉4680电池19 图21：集流体边沿折弯工艺：预折弯再卷绕19 表1：各封装形式的锂电池特点对比情况6 表2：车企布局大圆柱电池情况10 表3：电池企业大圆柱电池规划情况10 表4：全球大圆柱电池需求量测算11 表5：全球预镀镍需求测算14 表6：中镍三元和高镍三元材料对比15 表7：石墨负极材料和硅基负极材料对比15 1大圆柱电池：巨头推进，2026年需求超381GWh 1.1电池三种封装形式各有优劣势 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。封装形式是指单体锂电池的封装结构，不同的封装形式对应不同的工艺制程，也对应了不同形态的电池精密结构件。目前，锂电池封装形式技术路线主要包括圆柱、方形、软包三种形式。 （1）方形：通常采用卷绕或者叠片工艺进行裸电芯的制作，以方形的铝壳或者钢壳作为封装材料。方形电池有成组效率高、单体容量大、结构简单的优点，但其一致性较低、散热难度大。 （2）软包：软包动力电池采用铝塑膜作为外壳，通常采用叠片工艺进行裸电芯的制 作。软包电池有单体能量密度高、电化学性能良好、安全性高、设计灵活等优点，但其产品一致性要求更高、成组效率相对较低、成本相对较高。 （3）圆柱：圆柱电池通常采用圆柱形的钢壳进行封装，裸电芯制作采用卷绕工艺。圆柱电池具有一致性好、生产效率高、系统层面散热能力强，尺寸升级后可一定程度上 改善其原本的单体能量密度低、模组所需电芯多及其导致的寿命差、管理复杂等问题。但总的来说，其能量密度较低、产品的成组效率较低仍然是较为明显的劣势。 图1：三种电池封装结构 资料来源：锂想生活，财信证券 表1：各封装形式的锂电池特点对比情况 类别 圆柱锂电池 方形锂电池 软包锂电池 生产良率 高 较高 一般 电芯一致性 高 较高 较高 机械强度 高 较高 一般 生产自动化程度 高 较高 一般 对电池管理系统要求 高 一般 一般 电池成组效率 较高 高 一般 形状灵活性 较高 一般 高 应用领域 电动汽车、电动轻型车、电动工具、消费电子、新型储能等 电动汽车、电动轻型车、新型储能等 电动汽车、消费电子等 主要锂电池企业 LG化学、松下、三星SDI、力神电池、亿纬 锂能、比克电池 宁德时代、比亚迪、三星SDI、国轩高科 孚能科技、国能电池、万向A123、卡耐新能 源 主要终端企业 未来技术发展趋势 特斯拉、现代、大众、通用、奥迪、保时捷、捷豹等 持续提高电池性能和降低成本；进一步提高自动化程度和生产效率；针对不同应用场景推出新的型号，丰富产品系列，如特斯拉提出的46800型号大圆柱电池。 特斯拉、蔚来、小鹏、宇通、理想、上汽、长城、北汽、吉利、奔驰、宝马、大众、本田、现代等 持续提高电池性能和降低成本；提高产品的标准化程度和生产过程的自动化程度；储电量大的应用领域逐渐向无模组化发展。 别克VELITE5、日产轩逸、北汽EU等 持续提高电池性能和降低成本；提高生产过程的自动化程度；储电量大的应用领域逐渐向无模组化发展。 资料来源：金杨股份招股说明书，财信证券 1.2目前方形电池是主流路线，圆柱市场份额较低 2022年上半年方形电池占全球动力电池装车量65.00%，圆柱占比14.00%。 2018-2019年全球方形电池占比超过50%，由于宁德时代、比亚迪等方形电池厂商全球市场份额的扩大，2022H1方形电池占比已达到65.00%。 2022年方形电池占国内动力电池装车量93.20%，圆柱占比仅4.50%。由于宁德时代、比亚迪等方形电池厂商在国内的统治性地位，20222年方形电池在国内的份额达到了 93.20%，相对其他两种封装形式的电池拥有绝对的优势。 图2：2022国内电芯封装形式占比情况图3：2022H1全球电芯封装形式占比情况 2.30%4.50% 93.20% 方形软包圆柱 14.00% 20.00% 65.00% 方形软包圆柱 资料来源：乘联会，财信证券资料来源：财联社，财信证券 图4：2022年电池厂商全球动力电池装车辆市场份额情况 三星SDI SKOn 其他 宁德时代LG新能源比亚迪松下 中创新航国轩高科欣旺达孚能科技 37.00% 资料来源：同花顺iFinD，SNEResearch，财信证券 1.3特斯拉推出4680电池，性能与经济性同步提升 索尼发明圆柱电池并在早期将其应用于消费领域，特斯拉联合松下将其在动力电池领域普及。1991年索尼公司发明全球首款商业化锂电池-18650圆柱电池，推动锂电池开始商用，早期圆柱电池主要用于笔记本电脑等消费类电子产品。2008年，特斯拉Roadster 上市，搭载松下生产的近7000颗圆柱电池，开创圆柱电池在动力电池领域的应用先河。 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，特斯拉在电池日上正式发布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5：21700电池与18650比较图6：特斯拉圆柱电池 资料来源：特斯拉电池日，财信证券资料来源：特斯拉电池日，财信证券 圆柱电池向大直径发展，能量密度得到提升：特斯拉21700电池较18650电池实现 了单体能量50%的提升；4680电池较21700电池能量提升了5倍，功率提升了6倍，续航对应提升16%。随着电池尺寸的增大，电池不贡献能量密度的结构件等重量或体积占比会减小，从而电池的能量密度可以得到提升。此外，单体电池尺寸和容量提升后，整体电池包的空间利用率和成组效率得到相应提升，从而带来电池包的能量密度提升以及成本的下降（4680电池相比于21700电池单KWh成本降低14%）。 图7：特斯拉4680大圆柱电池性能提升情况 资料来源：特斯拉电池日，财信证券 46mm外径是兼顾续航和经济性的设计方案：在动力领域，圆柱电池尺寸增大虽然 能够提升能量密度、减少整车使用的电芯节数，降低电池管理系统的管理难度，然而也会