锂电正负极材料设备行业研究：聚焦正负极材料生产设备

锂电正负极材料设备行业研究：聚焦正负极材料生产设备1锂电正负极材料介绍及需求测算1.1锂离子电池简介锂离子电池：利用锂离子在电场的作用下的定向运动来完成电荷的传递（氧化还原反应），其正负极均为化学势随着锂离子含量变化的化合物。粒子总是从高化学势向低化学势区域、相或组元转移，直到两者相等才相互处于化学平衡。使用领域较为广泛：锂电池在动力电池市场、消费电池市场和储能电池市场应用广泛。锂离子电池的原材料：主要由正极、负极、隔膜、电解液、铜铝箔、结构件等构成。正极材料：为层状过渡金属氧化物，正极是整个电池中可嵌脱锂离子的来源；负极材料：一般为碳素材料（石墨等）和非碳材料，负极是锂离子的受体。成本拆分：根据真理研究数据，正极材料成本约占总成本的35%，负极材料占总成本的比例约12%。1.2正极材料：用途与分类正极是电池中可嵌脱锂离子来源，基本要求包括：

放电反应应该有较负的吉布斯自由能（较高的放电电压）；

基本结构的分子量要低且能插入大量的Li+（高质量比热容）；

主体结构的Li+扩散和电子迁移速度必须快（高功率密度）；

Li+嵌入与脱出可逆，嵌脱过程中主体结构变化要小（长循环寿命）；

化学稳定性要好，无毒，廉价；

材料制备容易。主流的正极材料包括磷酸铁锂、三元锂、钴酸锂、锰酸锂等。其中，三元锂和磷酸铁锂在性能、寿命、安全性等方面综合优势相对于钴酸锂、锰酸锂较大。磷酸铁锂和三元并驾齐驱磷酸铁锂和三元材料各有优势。凭借磷酸铁锂低成本、循环寿命长、安全性较高等优势，其装机量不断提升，磷酸铁锂电池的装机量于2021年7月实现了对三元锂电池的反超。而三元材料具有成本高、循环寿命短、安全性差的缺陷，但在能量密度、低温性能方面更具优势。正极材料产量&装机量快速增长。2021年我国正极材料产量约111.17万吨，产量同比增加约100.78%，2021年我国动力电池装机量也出现大幅增长。我们预计，2025年，我国新能源汽车销量有望达到1000万辆以上，全球新能源汽车销量达到2000万辆以上，催生巨大正极材料需求。各企业加码正极材料产能布局。2021年厦门新能、容百科技等及新进入者如海螺创业等也在积极加码磷酸铁锂产能布局。1.3负极材料：用途与分类碳类材料是传统的锂电池负极材料。根据材料性能可以再细分为天然石墨、人造石墨、中间相碳微球与石墨烯等。碳类材料合成方法简单、循环寿命长等优点，是现阶段应用最广泛的负极材料。根据转化为石墨的容易程度，可以将非石墨电极分为硬碳和软碳。软碳与电解液相性很好，但首次充放电不可逆容量高，输出电压较低，所以一般不直接做负极材料。人造石墨负极占比不断提升根据高工锂电数据，2016-2020年，我国负极材料出货量逐年上升，2020年我国负极材料出货量36.5万吨。其中，人造石墨出货量由2016年的8.03万吨上升至2020年的30.7万吨，年均复合增长率近40%。根据鑫椤资讯数据显示，2021年中国负极材料产量为81.59万吨，同比增长76%。随着新能源汽车渗透率不断提升，对负极材料需求也不断增大，主要负极材料生产企业纷纷加大产能规划，并不断有新进入者如杰瑞股份等加快负极材料布局。从负极产品结构来看，2020年人造石墨产品占比进一步提升，市场占比达到84%。以硅基负极为代表的其他负极材料，市场占比有所下滑。天然石墨占比出现下降，主要是因为2020年主流电池企业采购天然与人造石墨混合材料，降低纯天然石墨的采购。1.4全球正负极材料需求测算2正极材料生产工艺及关键设备2.1正极材料常用工艺：高温固相反应在锂离子电池无机电极材料的制备中，最常使用的是高温固相反应。高温固相反应：指包括固相物质的反应物在一定的温度下经过一段时间的反应，通过各种元素之间的相互扩散，发生化学反应，生成一定温度下结构最稳定的化合物的过程，包括固—固相反应、固—气相反应和固—液相反应等。即使是采用溶胶-凝胶法、共沉淀法、水热法和溶剂热法等，通常仍需要在较高的温度下进行固相反应或固相烧结。这是因为锂离子电池的工作原理要求其电极材料能够反复地嵌入和脱出Li+，因此其晶格结构必须有足够的稳定性，这就要求活性材料的结晶度要高，晶体结构要规整。这是低温条件下很难达到的，因此目前实际所用的锂离子电池的电极材料基本上都是经过高温固相反应获得的。2.2正极材料生产线组成及设备投资市场规模正极材料加工生产线主要包括配混系统、烧结系统、粉碎系统、水洗系统（仅高镍）、包装系统、粉体输送系统和智能化控制系统等。设备投资额较高。以常州当升科技二期工程年产5万吨的高镍正极项目为例，其设备购置费约11亿元，其中辊道窑价值量占比接近36%。核心假设：1）磷酸铁锂凭借低成本、循环寿命长、安全性较高等优势，产量增速预计保持高速增长，三元材料其次。2）2021年由于产能供应紧张，产能利用率有所提升，假设65%。2022-2025年各品种产能利用率随着产能扩张我们预计会有所下降，假设分别为60%/55%/50%/50%；3）高镍三元锂设备投资额约2亿元/万吨，磷酸铁锂设备投资额约1.2亿元/万吨，钴酸锂设备投资额约1.7亿元/万吨，差异较大。因此，为方便计算，暂不考虑品种，假设正极材料生产设备投资额为1.5亿元/万吨。测算结果：预计2021-2025年正极材料设备合计市场规模（不含前驱体生产设备市场规模）约811亿元。另外，前驱体生产设备投资额约1亿元/万吨，按照前驱体和正极材料约1:1对应关系，产能扩张节奏或与正极材料相似。因此，预计2021-2025年正极前驱体生产设备市场规模约406亿元。2.3正极材料生产工艺流程及关键设备计量与配料系统锂离子电池正极材料在原料输送、储存、配料、混料、破碎粉磨、除尘以及包装等方面采用了称重计量作为工艺过程中的检测与控制手段。称重计量的主要设备是电子衡器。应用场景：各种储存料仓的称重计量、配料过程中的定量称重、成品物料包装计量。目前工艺上采用的料仓称重、混合机称重系统、配料秤以及自动定量秤都是重力式装料衡器，它们的共同结构都是包含供料装置、称重计量、显示装置、控制装置以及具有产能统计和通信等功能。最后由中央控制将各部分连成一体，构成闭环自动控制系统。仓称重系统：能够显示出整个料仓的空仓重量，又可以显示料仓内物料的净重。配料秤：是电池正极材料生产中关键设备，既要求每一种料有独立的定量值，又要求投入其中的料比例必须正确。混合设备为了提高高温固相反应的速率与材料结构的均匀性，物料的均匀混合是必要条件。物料的混合分湿法混合与干法混合，湿法混合主要有搅拌球磨机和砂磨机，干法混合主要有高速混合机、高效循环混合机和机械融合机等。干燥设备当锂离子电池正极材料生产过程中采用湿法混料工艺时，经常遇到干燥问题，湿法混料所用溶剂不同，所采用的干燥工艺和设备也就不同。湿法混料工艺所用的溶剂目前主要有两种：非水溶剂即有机溶剂如乙醇、丙酮等；水溶剂。锂离子电池正极材料湿法混料的干燥设备主要有：真空回转干燥机、真空耙式干燥机、喷雾干燥机、真空带式干燥机。、2.4不同正极材料具体工艺流程介绍磷酸铁锂磷酸铁锂价格低廉、对环境友好、安全性能较高、高温性能较好，使其已形成了较广泛的市场应用。但其能量密度较低、低温性能较差，目前主要使用在商用车（客车）领域，在下游乘用车动力电池领域的应用不及能量密度更高的三元正极材料。随着比亚迪刀片电池推广，磷酸铁锂应用市场或打开。磷酸铁锂粉体的制备在一定程度上会影响其作为正极材料的性能。目前制备磷酸铁锂的方法较多，如高温固相反应法、碳热还原法以及尚末规模化（或实验室研究阶段）的水热法、喷雾热解法、溶胶-凝胶法、共沉淀法等。目前，磷酸铁锂生产线设备投资额（不含前驱体）大致为1亿元/万吨（不同厂家投资额有所差异）。钴酸锂钴酸锂也称氧化钴锂或锂钴氧，钴酸锂因其合成方法简单、循环寿命长、工作电压高、倍率性能好等优点成为最早用于商品化的锂离子电池的正极材料，在小型充电电池中应用广泛。钴酸锂正极材料成本高（金属钴价格昂贵）、循环性能差、安全性能差，近年来逐步被三元正极材料替代。在超薄电子产品领域，因钴酸锂正极材料体积能量密度及倍率性能好等优势还无法实现替代。钴酸锂生产以四氧化三钴、碳酸锂及其他掺杂元素为原料，进行计量、配料、混合、烧结、粉碎分级、除铁、包装等工序。目前，钴酸锂生产线设备投资额（不含前驱体）大致为1.7亿元/万吨（不同厂家投资额有所差异）。3负极材料生产工艺及关键设备3.1负极材料工艺流程及设备本章以人造石墨为例进行阐述。人造石墨基本的工序流程是一致的，但具体到每家企业的制备工艺，又都会有些许的差异，主要步骤包括预处理、热解、磨球、石墨化（即热处理，使原本分布杂乱无章的碳原子整齐排列，关键技术环节）、混料、包覆、混料筛分、计重、包装入库，所有的操作是精细且复杂的。部分设备与正极材料设备通用或原理相似。3.2国内负极材料设备市场规模负极产能测算：根据鑫椤资讯统计，2020年国内负极产能约90万吨。1）据EVTank预计，预计到2025年我国负极材料出货量将达到145万吨，若按照产能利用率50%计算，则2025年产能预计达到250万吨。2）若根据单GWh正极材料:负极材料耗量约2:1测算，2025年负极材料产能需要达到约322万吨。因此我们预计2025年国内负极材料产能约286万吨。根据璞泰来、中科电气公告推测，负极设备投资额约1亿元/万吨（若石墨一体化生产设备投资为约2亿元/万吨），这里假设负极设备投资额约1.5亿元/万吨。测算结果：2021-2025年预计国内新增负极材料产能约196万吨，合计设备需求超过294亿元。4重点企业分析4.1

百利科技：锂电业务订单充足，设备自制率有望提高公司主营业务为新能源和传统能源行业的智慧工厂，提供包括工程咨询设计、专有设备制造、智能产线集成与EPC总承包服务等整体解决方案。公司主要服务于新能源锂电池核心材料、氢燃料电池材料和有机合成材料，包括锂电池正极、负极。百利锂电采取设计与产供销一体化的全流程运营模式，主要产品包括为三元材料自动生产线、钴酸锂自动生产线、磷酸铁锂全自动粉体生产线、窑炉外轨自动线、三元材料智能粉体集成系统、自动上钵、装钵装置等。百利锂电先后参与了国内第一条负极材料全自动生产线、第一条钴酸锂正极材料全自动生产线、第一条磷酸铁锂正极材料全自动生产线以及国内第一座锂电池高镍正极材料智慧工厂项目。协同效应凸显，在手订单饱满。自2019年以来，公司与当升科技、四川新锂想、湖南杉杉、安徽海创、华友钴业、成都巴莫、富临精工等公司新签订了多个EPC订单项目。仅2021年，公司锂电业务已经签订超23亿元订单。其中包括：杉杉能源长沙项目8亿元，江苏贝特瑞项目1.1亿元，成都巴莫项目2.3亿元，四川锂源项目0.9亿元、安徽海创8.74亿元等。截至2021年年底，预计在手订单30亿元以上。积极完善关键设备布局，增强自身竞争力。按价值量计算，公司设备自供率30-40%，公司计划参控股方式逐步向关键设备进行布局。2021年2月，经第四届董事会第五次会议审议通过，公司拟以现金方式收购苏州兮然工业设备有限公司60%的股权，并与苏州兮然股东王京旭签订《股权转让意向书》。苏州兮然是一家从事锂电材料的粉碎，球磨，混合，干燥等机械设备的公司。其破碎机采用先进的陶瓷对辊技术，陶瓷对辊破碎机在国内锂电正极材料行业占有较高的市场份额，并与国内主要正负极材料企业建立了良好合作关系。公司将以收购苏州兮然为契机，推进产线关键设备整合，