锂电行业大圆柱电池专题研究报告

锂电行业大圆柱电池专题研究报告（报告出品方/作者：国信证券，王蔚祺、李全）大圆柱电池推动技术升级，产业化持续快速圆柱电池技术明朗、一致性高，海外市场应用领域广为按照PCB形式回去划分，锂电池可以分为方形、圆柱与软包三种形态。1）方形电池：多采用一维或叠片工艺生产，PCB材料采用方形铝壳或钢壳制备的电池。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、且散热器难度大。2）软包电池：使用铝塑膜作为PCB材料的聚合物锂电池。软包电池具有形状有效率、能量密度高、安全性高等优势；但其生产难度很大、一致性相对较低。3）圆柱电池：多采用圆柱钢壳回去进行PCB的电池。圆柱电池起步较晚、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。圆柱电池由索尼公司发明者，早期应用于消费电池，特斯拉将其在电动车领域普及。1991年索尼公司发明者全球首款商业化锂电池-18650圆柱电池，关上锂电池商业化进程。早期圆柱电池多用做笔记本电脑等消费类产品。2008年，特斯拉Roadster上市，搭载松下生产的将近7000颗圆柱电池，创造电动汽车应用领域圆柱电池的先河。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+少量煮硅负极方案，单体容量较18650电池提升约50%。2020年9月，特斯拉正式宣布正式宣布发布4680大圆柱电池，单体容量较21700电池提升5倍，并且成本同时同时实现进一步优化。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%。大圆柱电池的尺寸设计兼有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再至现在46mm的持续升级。大圆柱电池优势就是：1）电芯用量减少、BMS掌控难度增加。2）能量密度与成组效率提升：电池直径增加并使电池支架板和集流片孔径增大、重量降低，并且电池包内结构件用量减少，能量密度与成组效率料提升。3）倍率性能提升：全极舌设计缩短电子传输路径、提高传输速度，增加内阻、提高快补授性能。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电池能够增加14%。直径46mm左右的尺寸设计就是当前兼有性能与经济性的优先方案之一。尺寸的持续增大可以提高电池的安全性、循环寿命风险。从直径46mm已经已经开始，整车的续航已经已经开始下降，同时降本的边际效益递减，因此从电池包的整体性能和成本两方面去来衡量，46mm直径的圆柱电池就是当前工艺水平下兼有性能与经济性的优先方案之一。从高度上而言，46大圆柱电池具有80/95/120mm等多种设计。由于高度变化不影响圆柱电芯的径向散热器，故而电池企业可以根据客户仍须有效率设计产品。大圆柱电池在设计与工艺同时同时实现全面升级大圆柱电池采用全极舌技术提升快补授性能、增大散热器面积。极耳从圆柱电芯中将正负极点出的金属导电体，主要成分为铝和铜，就是电池充放电的接触点。全极舌技术就是将电子的传输路径从沿极耳至集流盘的横向传输变为集流体纵向传输。全极舌技术优势就是：1）提高安全性：电子流通在路径缩短，电池发热量料明显下降。同时全极舌设计增大了极耳端面的散热器面积，进一步进一步增强电池的热稳定性。2）提升倍率性能：全极舌设计增加电池内阻，提高电子流喊叫速度，提高快补授性能。特斯拉明确提出吃饭电极技术，精简工艺、降低成本。吃饭电极技术就是所指将PTFE（聚四氟乙烯）粘合剂与负极/负极活性材料混合，再通过喷涂或者高温冲刷等方式形成材料提着，然后将电极材料提着层压至集流体上形成电极。吃饭电极技术优势就是：1）精简工艺：省却了传统湿法工艺中将具有粘合剂的溶剂与负极/负极粉末混合后，将浆料涂抹在集流体上干燥的环节。2）降低成本：节省了溶剂的原料成本与溶剂使用、加热、回收的设备成本。3）电极性能不好：粘合剂以纤维状存，并使电极活性物质与导电剂颗粒触碰更为紧密，电极的导电性不好、容量高、充放电速度快。4）兼容负极补锂工艺：吃饭电极技术无须使用有机溶剂，因而负极补锂时可以轻而易举使用锂粉，以此优化首效低的问题。大圆柱电池生产流程主要涵盖：电极制备、电芯一维、加装、注液、化成、选矿等几大工序。大圆柱电池与21700电池生产工艺差别之处主要就是：极耳铝门窗与揉元显恭、集流盘冲压等工序。而大圆柱电池中的工艺出现发生改变对于良率和生产效率明确提出挑战：1）涂敷环节：全极舌电池涂敷时，负极仍须给全极舌外框，对涂布机的一致性以及已已连续涂敷建议更高。2）极耳揉元显恭：大圆柱电池采用全极舌设计，仍须对极片的外框激光铝门窗。而后将电芯一维后，对极耳进行揉元显恭。极耳揉元显恭就是为了平缓端部，以免划伤电池壳内壁。极耳在揉元显恭过程中难产生金属碎屑，可以导致电芯自放电、甚至发生内短路；另若揉平后端面较为球状，电解液则难以步入电芯内部。3）集流盘冲压：将揉后北的负极/负极极耳与各自的集流盘二者冲压。大圆柱电池从传统两个极耳的点焊转型为全极耳与集流盘面冲压，冲压工序和冲压量都变大多，激光强度和焦距不难掌控，难造实冲压或者温度过高损坏隔膜等问题。电池包结构设计方面，部分大圆柱电池采用CTC（电芯内置至汽车底盘）设计。圆柱电池壳体可以提供更多更多一定的结构刚性，因而能够在受到外部冲击后更好防止形变影响电芯内部结构，与CTC设计具有更高契合度。特斯拉终止了大圆柱电池阵列的电池盖板，电池上表面零件与车身结构相连接内置而后充分发挥了座椅套管及车身横梁的功能，进而提高了空间利用率。根据特斯拉研究，采用CTC与一体化电镀技术后，电池单Wh成本能够下降7%左右。动力市场率先应用领域，储能场景关上发展空间电动车渗透率稳步提升，储能迎接爆发式快速增长全球新能源车市场在政策、供给、市场需求推动下仍料保持可观增长速度。1）政策：全球新能源车产业步入内生式蓬勃发展阶段，各国强化服务设施基础设施建设，同时美国、欧洲部分国家仍对电动车产业提供更多更多极具有吸引力的补贴政策，促进新能源车渗透率稳步提升。2）供给：国内外车企持续强化研发资金投入，产品力不断提升，新能源车型持续多样。市场需求：我们预计2023年全球新能源车销量料达致1383万辆，同比+27%；其中中国/欧洲/美国销量分别料达致863/295/163万辆，同比+25%/16%/64%。我们预计2025年全球新能源车销量料达致2100万辆，2023-2025年均无机增长速度为23%。新能源车单车带电量有望持续提升。国内来看，自主品牌车企持续完善产品矩阵，突破更高端市场。比亚迪、吉利等持续推出新车型，完善产品布局；长安汽车加快中高端车型布局，推出深蓝和阿维塔、零跑推出C01、小鹏推出G9、广汽发布AionLX等，自主品牌车企逐步上探，推出中高端车型扩大覆盖领域。美国市场，SUV、皮卡市场占总市场的73%左右，未来伴随该细分市场电动化率的持续提升，单车带电量显著提升。新能源车销量快速增长与单车带电量提升下，动力电池增速有望高于整车销量增速。我们预计2023年全球动力电池装机量为704GWh，同比+36%；其中中国/欧洲/美国装机量分别有望达到446/146/81GWh，同比+33%/26%/77%。我们预计2025年全球动力电池装机量为1156GWh，2023-2025年均复合增速为28%。全球电化学储能市场规模持续增长。电化学储能凭借建设周期短、能量转换效率高、产业链相对明朗等优势，近年来呈现高速发展态势。根据CNESA数据，2022年全球新型储能新增装机量为20.4GW，同比快速增长强于80%。根据应用领域场景相同，储能可以分为电源两端储能、电网两端储能、用户两端储能等。根据CESA数据，2021年全球电化学储能中电源两端/电源两端辅助服务/电网两端/分布式及微网/用户两端等场景装机规模占比分别为30.9/32.1/26.6/4.2/6.2%。表前储能（电源两端储能（不不含辅助服务）+电网两端储能）：政策助推行业快速发展中国：强制性配储政策提振表前储能市场发展，商业模式演变优化储能经济性。根据CNESA数据，2022年国内电化学储能新增装机规模为7.3GW/15.9GWh，同比+200%/+280%；其中新增表前储能装机比重强于92%。储能布局优化新能源发电灵活性，强制性配储政策大力大力推进国内表前储能发展。从电源两端来看，布局储能能够有效率减少废光赐死风率、扁平输出功率曲线，提高新能源项目经济效益；从电网两端来看，储能产品能够有效率参与电力市场辅助服务（涵盖调频调峰、不克调节等）。2021年以来，国家在储能政策持续加码。2021年8月发改委、能源局发布《关于鼓励可以再生能源发电企业自营或出售调峰能力增加并网规模的通告》，鼓励发电企业自建好储能或调峰能力增加并网规模，多于电网企业保障性并网以外的规模初期按照功率15%的挂勾比例（时长4小时以上）配建调峰能力，按照20%以上挂勾比例进行配建的优先并网，国家强制性配储政策正式宣布正式宣布面世。随后各地方政府分别面世适度配储政策，国内表前储能市场步入快速发展期。商业模式优化，增益储能项目经济性。在强配政策背景下，各地方政府纷纷明确提出政策补贴优化储能项目经济性。同时，共享资源储能等商业模式的明确提出，通过服务多个发电项目的模式，减少新能源项目初始建设资本开支、提高资源利用效率，优化配储经济性。美国：补贴鞭策行业发展。根据CNESA数据，2022年美国新型储能新增装机规模达致将近4.9GW，同比+39%；其中表前储能装机比重强于90%。联邦政策和地方政策对行业发展具有积极主动影响。2022年8月，美国正式宣布正式宣布发布IRA法案，针对储能明确提出延长ITC税收免征有效率时间且趋紧免征建议：1）免征有效期延长：此前版本2022年免征比例已经已经开始滑坡，现行版本2033年之后再滑坡。2）免征力度增加：税收免征由基础免征+额外免征构成，其中基础免征额度由过去最高的26%提升至30%、融合额外免征后最高可以免征税收的70%。3）单一制储能列为ITC补贴范围。用户两端储能：刚仍须+电价高企助推发展国内峰谷价差拉动工商业储能发展。据中关村储能产业技术联盟统计，2023年6月全国各地代理电价峰谷价差均值为0.69元/KWh，低于2022全年价差0.70/kWh，与2023年5月价差略有降低；已有16个地区峰谷价差达到工商业储能实现经济性的门槛价差0.70元/kWh；较2023年5月，仅广西价差下降至0.70元/kWh以下。随着部分区域的尖峰电价机制建立，给工商业储能带来了更大应用空间。户储市场高速快速增长，美国&欧洲助推发展。根据EVTank数据，2022年全球户用储能新增装机量为15.6GWh，同比+136%；其中欧洲占赵静仪少于36%以上。电价偏高+用电稳定性推动户储市场发展：1）灾害频发下用电稳定性市场需求推动户储发展。美国的电力设施相对老旧且各州电网相对单一制，相互之间难以调度协同，在飓风、暴风雪等自然灾害频发影响下，居民可以出现用电中断等问题。户储能有效率保证居民用电的稳定性。2）居民用电偏高，户储经济性明显。近年来通货膨胀影响下能源价格持续居高不下，海外居民电价高、玩游戏电价低，政策给予税收优惠及资金补贴下户储具有较低经济性。我们预计2023年全球新型储能装机料达致133GWh，2026年全球新型储能新增装机量料达致810GWh，2023-2026年均无机增长速度达致82%。分后地区来看，2026年美国/欧洲/中国新增装机量分别为197/185/310GWh；分后应用领域场景回去看一看，表前储能/工商业储能/户用储能2026年新增装机分别为548/75/187GWh。电动车市场：特斯拉先发布局，国内外车企快速干预大圆柱电池的高能量密度、强快充、高安全、长寿命等特点，使得其与中高端乘用车对于长续航和超快充的需求具有较高契合度。电动车市场，特斯拉率先引入大圆柱电池，宝马、蔚来等快速跟进。国外车企方面，特斯拉、宝马、通用、沃尔沃等均积极布局大圆柱电池。2022年宝马宣布在2025年开始搭载46系列电池，并且已于宁德时代、亿纬锂能、远景动力达成合作；通用汽车或将携手三星SDI推进大圆柱电池量产等。国内车企方面，小鹏、蔚来、江淮等亦积极跟进布局，蔚来自研大圆柱电池，有望自产供应于自身车型中；江淮汽车计划在2023年推出的全新电动汽车平台上使用46系列电池。电池企业方面，特斯拉、松下、亿纬锂能、宁德时代等亦跟随客户需求积极布局大圆柱产品。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，初步规划年产能为10GWh。宁德时代规划8条12GWh的4680电池产线，并为宝马在中国和欧洲各建设20GWh产能配套产能。亿纬锂能年产20GWh大圆柱电池工厂已经建成，预计在2023年下半年开始给国内客户供货。储能市场：企业快速布局，助力大圆柱市场需求提升户用储能及便携式储能方面，多采用10-100Ah电芯产品，主要系：1）小电芯产品推出时间早、成熟度高。2）灵活性强：电芯单体容量小，能够提高电池与其他零部件的适配性和灵活性，模组形态和带电量也更加多样化。3）优化放电效率：电芯数量多能够通过串联提升系统电压，降低电流，降低对系统的干扰程度，提升放电效率。大圆柱电芯具有高安全、高倍率以及灵活性强等优势，有望在户储市场获取的可观市场份额。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。2026年全球大圆柱电池市场需求料达致238GWh我们预计2023年全球大圆柱电池需求量为22.7GWh，其中储能/动力需求量分别为0.3/22.4GWh；2026年我们预计全球大圆柱电池市场需求料达致238GWh，2023-2026年年均无机增长速度为119%。大圆柱电池推动电化学体系优化与运算负极：助力高镍与极高镍材料市场需求快速增长大圆柱电池与高镍/超高镍正极材料更为适配：1）大圆柱电池安全性高，能够更好兼容安全性相对较差的高镍/超高镍（镍8系、9系正极）材料；2）圆柱电池相较方形电池成组率较低，需搭载更高能量密度的高镍/超高镍材料保障其成组后保持可观的能量密度。目前大圆柱电池多采用NCM811的正极体系，后续有望向Ni90以上以及NCA等产品发展。高镍材料需求持续增长，容百科技、当升科技等公司布局领先。根据鑫椤锂电数据，2022年国内三元正极产量60.2万吨，同比+51%；其中高镍与超高镍材料占比达到44.7%以上。前驱体来看，芳源股份积极布局高镍三元前驱体，NCM8系/NCA前驱体等产品优势明显，积极携手松下等客户。容百科技是国内高镍正极龙头，2022年市占率超33%，高镍低钴、超高镍等先进产品出货量已超千吨。当升科技高镍、超高镍产品已向欧美著名电池厂及车厂批量出货，Ni93产品通过多家电池厂测试。此外，长远锂科、巴莫科技等在高镍正极方面亦有布局。负极：硅负极产业化快速圆柱体系能够适应环境硅材料的极容易膨胀问题。硅理论比容量高达4200mAh/g，就是目前石墨类负极材料的十倍以上，其优势就是：1）电位低、克容量高，能量密度高；2）地壳中含量高，理论成本低；未来其料变成关键的负极材料方案。但是，其大规模应用领域还遭遇一些挑战：1）体积膨胀率高达300%（碳材料仅有16%），材料极容易过氧化苯甲酰、并使部分活性材料完全失去电化学活性；2）体积变化可能会引致活性物质脱落；3）SEI膜反反复复脱落和分解成，持续消耗活性锂离子，且使SEI膜厚度增加，并使电阻增大。圆柱电池的形状设计有利于硅材料各向同性膨胀、减少开裂；同时可以为硅基负极提供更高的外部应力，改善界面阻力。目前，部分企业的大圆柱电池产品负极会采用石墨掺硅的方案，掺硅比例一般在5-10%左右。企业硅负极产能持续扩张，产业化快速推进。贝特瑞硅负极年产能达到5000吨，在建4万吨，硅碳负极比容量达到1800mAh/g以上，多款氧化亚硅已完成技术开发和量产，比容量达到1400mAh/g。杉杉股份2022年实现硅负极百吨级出货，现有产能近千吨，2023年产能有望扩至1万吨以上。璞泰来前期研发布局的硅基负极产品已获得客户认可，2023年5月公告投资22亿元建设年产1.2万吨硅基负极产线。电解液：新型锂盐LiFSI用量料稳步提升新型锂盐LiFSI更加贴近大圆柱电池低电压、高倍率的特点。与传统的六氟磷酸锂较之，LiFSI在导电性、化学稳定性、热稳定性等方面均具有更出众的整体整体表现，进而能够进一步进一步增强电池的阔温性、高安全等性能。根据鑫椤锂电数据，LiFSI现报价在24万元/吨，弥漫与六氟报价逐步发散，其凭借稳定性、导电性等优势，料进一步提高在电解液中的内嵌比例。LiFSI企业产能加速扩张，有望加快渗透率提升。天赐材料2023年将着重推广LiFSI在铁锂高能量密度体系和长循环体系应用；其现有LiFSI产能1万吨，远期规划12万吨。多氟多、时代思康、新宙邦等企业亦有万吨级产能，并有望在2023年开始密集落地。结构件：龙头地位稳固，进度表镀镍快速蔓延圆柱电池结构件主要涵盖：壳体、顶盖等，其中顶盖则由安全检查片、密封圈、相连接片、钢帽等共同共同组成。电池的结构件主要充分发挥着传输能量、横跨电解液、保护安全性、套管车轴电池等促进作用。大圆柱电池与传统圆柱电池结构的差别就是：1）壳体变薄：部分大圆柱电池设计采用并并无模组结构，仍须充分发挥更多的结构提振等促进作用，部分企业大圆柱产品壁厚由21700电池的0.12-0.25mm变薄至0.5-0.6mm。2）正负极各新增一个集流盘：21700电池卷芯两侧防止正负极绝缘片，极耳冲压至负极顶盖和负极底盖上；而大圆柱电池采用全极舌设计，两侧轻而易举冲压在集流盘上。3）热电分拆、安全检查阀放到电芯底部：21700电池安全检查阀座落在电芯顶部，与汽车电气相连接区域相连，电芯热失控时喷发物难对电气区域产生二次危害。大圆柱电池则就是将安全检查阀设计在电芯底部，同时同时实现热电分拆。大圆柱电池结构件性能建议高，且相同企业设计方案存差异。大圆柱电池的结构件强度、抗拉建议更高，结构复杂度高且精密度建议高。同时，相同企业针对大圆柱电池的结构设计，比如盖帽边线、集流盘设计等存差异，进而并使结构件产品仍须针对各家企业方案有效率生产。头部结构件企业料受益大圆柱电池量产。与现有圆柱产品较之，大圆柱电池在结构、工艺等设计上均存明显变化，仍须企业进行再次研发。同时，结构件环节产品认证周期较长、客户粘性较强，因而头部企业特别就是存圆柱电池结构件生产经验的企业来说，料凭借工艺和客户优势，快速抢占市场大圆柱结构件市场份额。进度表镀镍能够优化电池壳体性能，高端大圆柱电池材料建议高，料快速进度表镀镍蔓延。圆柱电池多采用物理稳定性强、强度高的钢材作为壳体的主要材料。同时，为了保护钢壳里的铁基体不被负极材料等活性物质水解，钢壳多进行镀镍以保护壳体。电池壳镀镍工艺主要分为两种：1）后镀镍：电池壳体冲制顺利完成后，再进行滚镀等。2）进度表镀镍：在壳体冲压之前，基础钢材上进行电镀，而后通过淬火工艺，并使镀层与基材相互蔓延形成镍铁合金层。进度表镀镍工艺优势就是：1）镀层结合力高、瑕疵较太太少，铁元素乳化较太太少且生产过程中镍粉残存太太少，耐腐蚀性与安全性持续提升。2）镀层厚度THF1且光滑性高，提升壳体一致性。因而在大圆柱电池等高端电池产品中，料广为采用进度表镀镍壳体，以此回去提升电池的一致性、寿命与稳定性。海外头部进度表镀镍钢带企业布局较晚，但复产步伐陡峭。海外进度表镀镍主要企业涵盖日本东洋、日本新日铁、韩国TCC等。目前海外企业短期暂未大幅追加新增产能膨胀计划，预计主要系则小圆柱电池回调还仍须一定时间，海外企业复产较为谨慎。国内企业产品性能持续改善，产能加速建设抢占市场份额。性能来看，东方电热与新日铁等海外企业产品在力学性能、防腐蚀等方面基本没有差别。产能方面，东方电热、甬金股份均有20万吨以上长期产能规划。客户方面，东方电热已与金杨股份、东山精密签订预镀镍供应合同，并通过了科达利、亿纬锂能等客户测试。导电剂：单壁碳管更内置高镍+硅负极体系高镍负极和硅基负极助推碳纳米管（CNT）市场需求。高镍负极导电性能差，CNT更贴近市场需求。硅基负极理论比容量高但应用领域遭遇非常大挑战：1）硅材料体积膨胀率少于300%（碳材料为16%），材料极容易过氧化苯甲酰；2）负极活性物质极容易脱落；3）SEI膜处于损毁复原动态阶段，厚度持续增加，界面电阻提高，活性物质消耗。碳纳米管（特别就是单壁碳纳米管）就是硅基负极的理想导电剂之一：1）导电性能出众：二者较石墨烯，其一维结构更容易构筑有效率导电网络，弥补硅基负极导电性低的问题；2）弹性高、机械性能强：特别就是单壁碳管弹性更优（就是多壁碳管及的3-10倍），能够在硅材料体积追尾时紧密连接各颗粒，提高结构稳定性、减少活性物质脱落；3）比表面积大、中空结构优，能够减低硅基负极在充放电过程中的体积变化的应力，减少材料坍塌、提高循环寿命；4）提高倍率特性、高低温性能等。HYPERLINK"/SH688116