电气设备行业专题研究：4680量产在即，相关设备有望放量

电气设备行业专题研究 / 4680量产在即，相关设备有望放量 挖掘价值投资成长 / 2023年10月20日 【投资要点】 4680性能提升明显，整车厂和电池厂积极布局。得益于高镍硅基材料、干电极技术和全极耳技术，4680电池突破传统圆柱电池的限制，相较于2170电池，4680电池能量密度提升5倍，续航里程提升16%，输出功率提升6倍，成本降低14%。目前，特斯拉对4680电池产能规划已达221GWh。此外，多家整车厂和电池厂对4680电池产能规划陆续落地，总产能规划已达310GWh，充分彰显其对4680电池的信心。 4680电池新增多段工序，对设备提出更高要求。4680电池生产流程主要新增极耳模切、极耳揉平、集流盘焊接等工序，同时对壳体生产设备提出更高的要求。1）极耳模切：激光模切工序需使用激光切割技术，同时4680的无极耳结构对激光切割设备提出了更高的要求，需要克服毛刺、金属碎屑和极片抖动等难点；2）极耳揉平：目前国内设备厂商主要采用揉平工艺，主要有超声波揉平、机械揉平和行星式揉平三种形式，需克服揉平面出现凹坑、金属碎屑进入电池内部等难点；3）集流盘焊接：集流盘焊接工序需要激光焊接设备支持，同时需要避免虚焊和焊接穿孔等问题；4）壳体：由于4680采用镀镍钢壳，对壳体生产设备提出了更高的要求，既要避免冲压力度过大破坏模具，又要防止金属碎屑进入内部。 25年4680模切+揉平+焊接设备市场规模将达46.50亿元。根据我们的测算，预计25年4680模切+揉平+焊接设备市场规模将达46.50亿元，其中极耳模切设备/极耳揉平设备/激光焊接设备市场规模将达到8.06/15.50/22.94亿元，CAGR=193.13%/202.49%/206.08%，发展空间广阔。 【配置建议】 4680电池的规模化量产将带动极耳模切设备、极耳揉平设备、集流盘焊接设备和壳体生产设备的需求。 建议关注：联赢激光（集流盘焊接）、逸飞激光（极耳揉平、集流盘焊接）、海目星（极耳模切）、骄成超声（超声波揉平）、斯莱克（壳体成型）、宁波精达（壳体成型） 【风险提示】 新能源汽车下游需求不及预期； 4680量产不及预期； 竞争格局恶化。 强于大市（维持） 东方财富证券研究所 证券分析师：周旭辉 证书编号：S1160521050001 联系人：李京波电话：13127673698 相对指数表现 11.25% 3.62% -4.01% -11.64% -19.27% -26.90%10/2012/202/204/206/208/20 电气设备沪深300 相关研究 《固态电池专题研究：产业链初步成形，产业化稳步推进》 2023.10.16 《IEA发布《全球氢能评论2023》，行业加速发展》 2023.09.27 《风电海缆专题研究：乘海风发展之势，迎来高速成长期》 2023.09.25 《热扩散标准趋严，细分领域受益》 2023.08.29 《绿证核发全覆盖，绿电消费再提速》 2023.08.04 行业研究 电气设备 证券研究报告 正文目录 1.全新电池概念，4680量产在即4 1.1.电池性能再上新台阶，4680降本增效明显4 1.2.市场需求一触即发，4680量产在即8 2.4680电池需要高精度设备支持，对应市场空间广阔10 2.1.4680电池生产工序复杂，对设备提出更高要求10 2.2.25年4680模切+揉平+焊接设备市场规模将达46.50亿元16 3.投资建议：4680设备产业链18 3.1.海目星18 3.2.逸飞激光19 3.3.骄成超声20 3.4.联赢激光20 3.5.斯莱克21 3.6.宁波精达21 4.风险提示23 图表目录 图表1：4680/2170/1865电池外观对比图4 图表2：4680电池性能提升明显4 图表3：热稳定性随着镍含量上升而降低5 图表4：高镍/硅碳是正/负极的未来发展趋势5 图表5：干法和湿法电极技术对比5 图表6：干法电极制备带来18%的成本降低6 图表7：单极耳示意图7 图表8：全极耳示意图7 图表9：1C放电60秒后全极耳平均温度明显降低7 图表10：1C放电60秒后全极耳放热量减少30%7 图表11：特斯拉4680电池的生产现状（不完全统计）8 图表12：大圆柱电池产能规划（不完全统计）9 图表13：4680电池生产流程10 图表14：4680极耳模切示意图11 图表15：特斯拉切叠工艺示意图12 图表16：极耳揉平实际效果图12 图表17：机械揉平头与超声波揉平头12 图表18：行星式揉平示意图12 图表19：集流盘焊接工序流程图13 图表20：壳体材料对能量密度的影响14 图表21：预镀镍和后镀镍均匀性对比15 图表22：DWI工艺示意图16 图表23：4680电池模切/揉平/焊接设备市场规模测算16 图表24：4680受益环节及对应公司18 图表25：海目星高速激光制片机（极耳飞行切割技术）19 图表26：逸飞激光圆柱全极耳电池揉平机19 图表27：逸飞激光圆柱全极耳电池集流盘焊接机19 图表28：联赢激光大圆柱电池高速转塔焊接台20 图表29：斯莱克壳体生产设备所生产的预镀镍钢壳、镀镍钢壳和圆柱铝壳21 图表30：宁波精达4680电池壳伺服压力机22 图表31：4680设备产业链重点关注公司22 1.全新电池概念，4680量产在即 1.1.电池性能再上新台阶，4680降本增效明显 1.1.1.4680突破传统圆柱电池瓶颈 4680电池性能提升明显。2020年9月，马斯克在特斯拉电池日上发布了一款直径46mm，高度80mm的圆柱电芯，并宣称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。 4680电池突破传统圆柱电池限制。相比于方形和软包电池，圆柱电池工艺生产成本较低，其弧形表面可有效限制热量传递从而抑制热失控问题，但其单体容量较低，能量密度较低。得益于高镍硅基材料、干电极技术和全极耳技术，4680电池能够突破传统圆柱电池的限制。相较于2170电池，4680电池能量密度提升5倍，续航里程提升16%，输出功率提升6倍，成本降低14%。随着体积和能量密度的提升，所需电池单体数量减少，BMS控制难度大幅降低。此外，4680电池标准化程度高，规模化量产可能性大，成长空间广阔。 图表1：4680/2170/1865电池外观对比图图表2：4680电池性能提升明显 资料来源：起点锂电公众号,东方财富证券研究所资料来源：特斯拉电池日，EV视界官方公众号，东方财富证券研究所 1.1.2.高镍/硅基+干法电极兼顾能量密度和降本 4680电池采用高镍正极材料。锂电池正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料四种技术路线，三元正极材料优势在于克容量较高，但受制于镍资源匮乏，其生产成本较高。高镍材料是指镍的摩尔分数大于0.6的三元材料，镍含量的增加可提升能量密度，钴含量的降低可实现大幅降本，以NCM811为例，NCM811的钴用量为0.091kg/kwh，相较于NCM523，钴用量占比下降近6%，生产成本大大降低。然而，镍含量的提升易引起热稳定性下降的问题，而4680电池的圆柱电池弧面结构可较好应对热失控问题从而弥补高镍正极材料的劣势。4680电池将镍含量最大化，采用新型涂层和掺杂物，仅通过正极材料可将单位成本降低12%，续航里程提高4%。 4680电池采用硅基负极材料。目前锂电池负极材料以石墨为主，石墨负极理论克容量为372mAh/g，随着下游对快充和高续航的诉求增强，传统石墨负极将难以满足需求。而硅基负极理论克容量高达4200mAh/g，且快充性能优于石墨，其缺陷在于：负极膨胀率高达300%，充放电过程中易粉末化，电池循环寿命较短。在4680电池采用硅基材料，由于圆柱构造耐压承受能力较强，能够应对高膨胀体系。此外，4680电池选用冶金级硅材料，通过增加弹性离子聚合物涂层以稳定硅表面结构，仅通过负极材料可使续航里程增加20%，成本降低5%。 图表3：热稳定性随着镍含量上升而降低图表4：高镍/硅碳是正/负极的未来发展趋势 资料来源：《Energies》2020年13(23)期《NCA,NCM811,andtheRoutetoNi-RicherLithium-IonBatteries》，东方财富证券研究所 资料来源：2017年5月《recentprogressinthedesignofadvancedcathodematerialsandbatterymodelsforhigh-performancelithium-X》，东方财富证券研究所 干法电极优势明显。传统湿法电极制作过程中需要用到有毒溶剂NMP，NMP回收设备昂贵且能耗大，成本较高。相较于湿法电极，干法电极技术具备以下优势：1）不使用溶剂，设备投资成本和能耗成本大大降低；2）由于粘结剂以纤维状态存在，活性材料颗粒接触紧密，干法电极导电性好、容量高；3）干法电极中PTFE的三维包覆网络结构能够增强电极材料稳定性，其中活性材料产生裂纹较少，循环性能优于湿法电极。 图表5：干法和湿法电极技术对比 类别 优点 缺点 干法电极 1）无溶剂，无需涂覆烘箱和NMP回收装置，设备投资低，能耗小2）电极面密度和容量高，倍率和循环性能较好 3）极片内阻低 1)技术尚不成熟，存在专利壁垒 湿法电极 1）工艺发展成熟、上下游供应链完善2）技术门槛低 1)设备投资大，烘箱能耗高，设备占地面积大2)涂覆面密度受限，极片易开裂 资料来源：2022年8月《干法电极制备技术的研究现状》，东方财富证券研究所 4680电池已应用干法负极。2019年特斯拉收购Maxwell，Maxwell拥有一系列干电极生产专利。目前，干法电极工艺已被特斯拉应用于4680电池负极，由于正极材料纤维化后自支撑膜制作难度较高，正极尚未应用。根据特斯拉，干法电极如若量产，可降低34%投资成本、70%电极生产占地和18%生产成本。 图表6：干法电极制备带来18%的成本降低 资料来源：特斯拉电池日，EV视界官方公众号，东方财富证券研究所 1.1.3.全极耳技术可增强快充能力和热稳定性 减少内阻，4680超快充得到验证。区别于传统极耳工艺，全极耳工艺将整个集流体变成极耳，将集流体与电池壳体或集流盘进行全面积连接，电流从原来的沿极耳到集流盘横向传输变为集流体纵向传输，整个导电长度由1860或者2170电池铜箔长度的800-1000mm变成了80mm，电阻从1860电池的20mΩ和2170电池的23mΩ降到2mΩ，内阻消耗由2W降到0.2W。在全极耳结构中，电子更容易在电池内部移动，电池倍率得以提高。4680电池采用了全极耳技术，比克发布的4680电芯已被证实能够在11分53秒内将电池电量从10%充到80% （20度环境下）。随着下游对超快充诉求增强，4680电池产业化有望加快。 图表7：单极耳示意图图表8：全极耳示意图 资料来源：《汽车工艺师》2022年(Z1)期《动力电池4680全极耳技术扫描》，东方财富证券研究所 资料来源：《汽车工艺师》2022年(Z1)期《动力电池4680全极耳技术扫描》，东方财富证券研究所 4680能够有效解决散热问题。由于4680电池极耳面积大幅增加，热量传输通道宽阔，散热效果和热稳定性得以大幅改善。根据ShenLi等人对全极耳和单极耳电池的模拟仿真测试，从温度方面来看，当电池在1C强度下放电60秒后，单极耳电池的平均温度为26.08℃，全极耳电池的平均温度为25.78℃，温度明显降低。从产生热量方面来看，单极耳电池放热量接近6000J，全极耳电池放热量接近4200J，放热量减少30%，热稳定性得到极大改善。 图表9：1C放电60秒后全极耳平均温度明显降低图表10：1C放电60秒后全极耳放热量减少30% 资料来源：《JournalofPowerSources》2021年4月《Optimalcelltabdesignandcoolingstrategyforcylindrica