新能源鋰電池電芯疊片技術分析

電池是新能源車的核心，是價值含量最高的零部件，占比40%。動力電池企業(yè)價值主要取決于技術、行業(yè)份額、未來的成長空間。寧德時代2022年動力電池的裝機142GWh，國內(nèi)市場占比為48.2%，在國內(nèi)和全球都排名第一，萬億市值。2023年即將量產(chǎn)上市麒麟電池，CTP技術、體積利用率達到了72%，在續(xù)航、快充、安全、壽命、效率及低溫性能等全面提升。比亞迪已布局新能源汽車全產(chǎn)業(yè)鏈，打通閉環(huán)。2022年電池裝機量為69GWh，市占率23.5%，排名第二。得益于新能源整車的市場優(yōu)勢、電池出海戰(zhàn)略，其動力電池等業(yè)務正從自供走向外供，未來市場份額有望繼續(xù)上升，成長性較高。動力電池領域的競爭格局并非一成不變，在潛力巨大的賽道上不斷有優(yōu)質企業(yè)脫穎而出：2022年，中創(chuàng)新航裝機量達到19.24Gwh，增速高達112%，成為國內(nèi)第三大、世界第七大動力電池供應商。其高壓電池技術帶來的能量密度提升遠超行業(yè)平均水平。工信部數(shù)據(jù)顯示，中創(chuàng)新航的電池系統(tǒng)能量密度高達225Wh/kg。截止2022年年中，市場上電池系統(tǒng)能量密度在180Wh/kg以上的新能源車型只有不到5%。國軒高科、欣旺達、億緯鋰能的鋰電產(chǎn)品憑借能量密度優(yōu)勢，2022年裝機量分別為13.3GWh、3.7GWh、3.2GWh，市占率分別排第四到六位，正在積極拓展國際市場業(yè)務。電池封裝制造的疊片技術，在空間利用與內(nèi)阻放熱表現(xiàn)更優(yōu)，隨著工藝逐漸成熟，優(yōu)勢凸顯。

蜂巢能源是疊片技術創(chuàng)新代表，也是動力電池領域的后起之秀，蜂巢的第三代高速疊片技術將疊片效率提升至0.125秒/片，超越前一代技術200%。此外，進入前十梯隊的瑞普蘭鈞和捷威動力也值得關注。捷威動力是復星高科領投的科技企業(yè)。瑞普蘭鈞背靠“鎳王”青山控股，動力電池高鎳化，擁有上游原料的供應優(yōu)勢。新能源汽車的高速增長，帶動上游碳酸鋰需求擴張，對于鋰資源的爭奪愈演愈烈，擁有資源儲備的企業(yè)有競爭優(yōu)勢。2020年1月至2022年12月，碳酸鋰市場價格從4萬元/噸漲到超51萬元/噸，漲幅10倍以上。贛鋒鋰業(yè)、天齊鋰業(yè)等上游企業(yè)受益，部分布局了國內(nèi)外鋰礦的電池企業(yè)也間接獲利。2023年初開始，上游產(chǎn)能擴張效果開始顯現(xiàn)。截止3月，電池級碳酸鋰價格已回落到32萬元/噸，較高點跌去37%。未來三年，電池上游供需再平衡、供給不再緊缺，電池行業(yè)有可能面臨產(chǎn)能過剩，也將迎來新階段的競爭。

在新型電力系統(tǒng)中，儲能可以用在發(fā)電側、電網(wǎng)側、用戶側。 電化學儲能產(chǎn)業(yè)鏈分為：上游設備，主要為電池組、儲能變流器，電池管理系統(tǒng)。中游，系統(tǒng)集成加工程總承包；下游，發(fā)電端、電網(wǎng)端、戶用商用端、通信場景。多數(shù)企業(yè)參與其中1至2個細分領域，少數(shù)企業(yè)從電池到系統(tǒng)集成甚至EPC 環(huán)節(jié)全參與。上游核心企業(yè)包括寧德時代、億緯鋰能、國軒高科、贛鋒鋰電等；中游核心企業(yè)包括鵬輝能源、比亞迪、南都電源等。2022年中國儲能鋰電池出貨量達到130GWh，同比增速達170%；其中，電力儲能應用占比超70%，風光伏配儲是大趨勢。類似動力電池市場，儲能市場也呈現(xiàn)出頭部集中、尾部競爭激烈的行業(yè)特征。排名前兩位企業(yè)市占率CR2為49.3%，前五企業(yè)市場占有率合計68.6%，市場份額競爭較為激烈。寧德時代2022年全年儲能鋰電池出貨量排名第一、遙遙領先。2022年全年儲能鋰電池出貨量50GWh，市占率38.5%。根據(jù)2022年報，儲能業(yè)務正在成為寧德時代的第二增長極。儲能電池系統(tǒng)產(chǎn)品營收449億元，同比增長230%，占總營收比重提升至13.7%。同時儲能系統(tǒng)毛利率也在不斷提升，提升至25%。二至五名分別為：比亞迪、億緯鋰能、國軒高科和贛鋒鋰電。出貨量分別為：14GWh、10GWh、8GWh、7GWh。

國內(nèi)儲能電池龍頭企業(yè)正在加速出海。比亞迪涉足海外集中式儲能和戶用儲能，目前儲能產(chǎn)品已覆蓋全球6大洲、70多個國家和地區(qū)，儲能系統(tǒng)累計出貨量超6.5GWh。2022年以來，比亞迪儲能全球訂單總量超14GWh。寧德時代2022年公司境外收入769億元，同比增長176%。2022年與美國公用事業(yè)和分布式光伏、儲能開發(fā)運營商Primergy Solar LLC達成協(xié)議，為Gemini“光伏+儲能”項目獨家供應電池，是美國最大的光伏儲能項目之一。海外系列產(chǎn)品還應用于美國的FlexGen、意大利國家電力公司ENEL、英國Gresham House等全球大型項目。億緯鋰能和國軒高科屬于老牌動力電池企業(yè)，如今也尋求在儲能行業(yè)中找到成長新機。億緯鋰能儲能電池收入在電池收入中占比已達60%；國軒高科從2022年中開始同時單獨成立儲能部門、單獨披露儲能電池業(yè)績。

電芯疊片是鋰電池中段生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)：

鋰電池制造可統(tǒng)一分為極片制作、電芯組裝、電芯激活檢測和模組/Pack 封裝四大工序，其中，電芯組裝屬于中段生產(chǎn)環(huán)節(jié)，主要包括卷繞或疊片、電芯預封裝、電芯注液等工序。卷繞是指將制片工序或收卷式模切機制作的極片卷繞成電芯，疊片指的是將模切工序中制作的單體極片疊成電芯。通常來說，卷繞用于方形和圓柱電池，疊片用于方形和軟包電池。根據(jù) GGII 測算數(shù)據(jù)，在鋰電設備中，中段設備價值量占比約為 35%，其中，卷繞/疊片機是中段設備的核心，價值量占比約 70%。

1

疊片與卷繞的工藝差別

主要在模切和極組成型

在模切工序，傳統(tǒng)卷繞采用雙邊模切，模切極耳間距不等，沖切位置有 Mark 孔進行定位；而疊片采用單邊模切，極耳間距相同，會進行等間距切斷。在極組成型工序，卷繞正負極片連續(xù)，疊片是片狀物料，在層數(shù)相同的情況下，相較于卷繞電池，疊片電池的極耳數(shù)量多一倍，同時隔膜張力幾乎為零，孔隙率和原材料保持一致。目前市場上主流疊片機設備路線主要有 Z 字型疊片機、切疊一體機、熱復合疊片機和卷繞一體機四種，其中 Z 型疊片目前在國內(nèi)應用最廣泛，熱復合疊片機技術難度更高，卷疊一體機涉及到日韓專利，國內(nèi)應用較少。

2

疊片顯著提升電池能量密度和安全性

劣勢在于效率和工藝控制等方面

和卷繞電池相比，疊片電池具有一定優(yōu)勢：

1）更高的體積能量密度上限：在相同體積的電芯設計情況下，疊片電芯的能量密度高出約 5%左右

2）更穩(wěn)定的內(nèi)部結構和更高的安全性：不存在拐角內(nèi)應力不均勻問題，每層膨脹力接近，因此可以保持界面平整，內(nèi)部結構更穩(wěn)定，同時拐角處受力均勻，斷裂風險降低

3）更長的循環(huán)壽命：極耳數(shù)量是卷繞電池的 2 倍，內(nèi)阻相應降低 10%以上，循環(huán)壽命比卷繞高 10%左右

4）更適合做高倍率、大尺寸和異型電池。但疊片也存在生產(chǎn)效率較低、良率較低、設備投資大、工藝難度大等劣勢，是此前制約大批量生產(chǎn)的主要因素。

3

方形大尺寸電池成為趨勢之下

疊片有望得到大規(guī)模應用

在三種不同形態(tài)的鋰電池中，圓柱電池僅使用卷繞工藝，軟包工藝僅使用疊片工藝，方形電池既可以使用卷繞也可以使用疊片工藝。目前，全球頭部電池企業(yè)未來產(chǎn)品規(guī)劃逐漸向疊片電池切換。鑒于疊片電池在能量密度以及安全性等方面優(yōu)于卷繞電池，伴隨疊片技術的不斷發(fā)展，我們預計未來方形電池中疊片工藝有望得到大規(guī)模使用。我們預測，到 2027 年采用疊片設備的電池產(chǎn)能達到 845GWh，對應疊片機設備空間約 319 億元，折合未來 5 年 CAGR 達到 35%。

4

電芯疊片：鋰電池中段生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)

疊片與卷繞為鋰電池中段生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)，GGII 測算價值量占中段設備約 70%。各類鋰電池的制造可統(tǒng)一分為極片制作、電芯組裝、電芯激活檢測和模組/Pack 封裝四大工序。其中，電芯組裝屬于鋰電池電芯生產(chǎn)的中段環(huán)節(jié)，主要包括卷繞或疊片、電芯預封裝、電芯注液等工序，卷繞是指將制片工序或收卷式模切機制作的極片卷繞成電芯，疊片指的是將模切工序中制作的單體極片疊成電芯。通常來說，卷繞用于方形和圓柱電池，疊片用于方形和軟包電池。根據(jù) GGII 測算數(shù)據(jù)，在鋰電設備中，中段設備價值比重約為 35%，其中，卷繞/疊片機是中段設備的核心，價值占中段設備約 70%。
疊片與卷繞的主要差別在于模切和極組成型兩道工序。傳統(tǒng)方形電池卷繞工藝與疊片工藝流程差異主要在模切工序和極組成型工序，其他工序的加工方法差別不大。模切工序主要差異：1）模切方式，傳統(tǒng)卷繞采用雙邊五金或者激光模切方式，模切完成后分切收卷，以卷料形式流向極組成型工序，疊片則大多采用單邊五金或者激光模切方式，模切后以片狀物料流向極組成型工序。
2）極耳間距，卷繞的模切極耳間距不等，內(nèi)圈間距小，外圈間距大，極耳的間距依據(jù)卷繞每圈的周長差進行設計，這樣可以保證卷繞后的極組極耳落在同一位置，疊片的極耳則是等間距的。
3）沖切位置，卷繞會根據(jù)電芯要求在片長位置設置 Mark 定位孔，卷繞時檢測到 Mark 孔時會進行切斷，而疊片極耳間距相同，會進行等間距切斷。極組成型工序主要差異：1）極片狀態(tài)，卷繞的正負極片連續(xù)，疊片的正負極片是片狀物料。
2）極組完成判定，卷繞檢測到 Mark 孔時進行裁斷，完成極組卷繞，疊片則按照正負極片的設定數(shù)量進行疊片，達到設定值時完成一個電池的疊片。
3）極組形態(tài)，在層數(shù)相同條件下，疊片電池的極耳數(shù)較卷繞電池多一倍。
4）隔膜張力控制，卷繞在高速卷繞過程中隔膜會產(chǎn)生一定的張力，孔隙率會發(fā)生微小的變化，而疊片在極組成型時張力幾乎為零，孔隙率和原材料保持一致。目前市場上主流疊片機設備路線主要有四種，分別為 Z 字型疊片機、切疊一體機、熱復合疊片機和卷繞一體機。其中，Z 字型疊片機和切疊一體機本質上都屬于 Z 型疊片，目前在國內(nèi)應用最廣泛。熱復合疊片機是將烘烤后的正負極片與隔膜熱復合，隨后經(jīng)輥壓，裁切成復合單元再進行疊片，相較于 Z 字型疊片多熱復合和輥壓等工序，技術難度更高。卷疊一體機是指將正負極片裁切成單元，分別貼在隔膜上，然后用卷繞的方式，實現(xiàn)兩組正負極片相間疊放；卷疊一體機設計牽扯到國外日韓專利，例如 LG 新能源使用的是德國MANZ 制造的卷疊一體機鋰電設備。

5

疊片優(yōu)劣勢分析：

提升電池能量密度和安全性

受限于效率和工藝問題

總結：疊片工藝能更好提升電池性能，但是存在生產(chǎn)效率低、設備投資大等問題。和卷繞電池相比，疊片電池在理論上具有更高的體積能量密度上限、更穩(wěn)定的內(nèi)部結構和更長的循環(huán)壽命等優(yōu)點，同時更適合生產(chǎn)高倍率電池、大尺寸電池和異型電池，但也存在生產(chǎn)效率較低、良率較低、設備投資大、工藝難度大等缺點。疊片空間利用率較高，有利于提升電池能量密度。卷繞電池在卷繞拐角部有弧度，在空間利用率上要低于疊片電池，而疊片結構可以充分利用電池的邊角空間，根據(jù)《中國車規(guī)級動力高速疊片電池發(fā)展白皮書》數(shù)據(jù)，從卷繞到疊片，VDA 容量提升約 2.5%，在相同體積的電芯設計情況下，疊片電芯的能量密度高出約 5%左右。疊片電池不存在拐角內(nèi)應力不均勻問題，內(nèi)部結構更加穩(wěn)定。在電池循環(huán)過程中，伴隨鋰離子的嵌入，正負極片均有膨脹，卷繞電池由于拐角處內(nèi)外層內(nèi)應力不一致，容易產(chǎn)生波浪狀變形，導致電池界面變差，電流分布不均勻，內(nèi)部結構不穩(wěn)定。而疊片電池不存在拐角內(nèi)應力不均勻問題，每層膨脹力接近，因此可以保持界面平整，內(nèi)部結構更穩(wěn)定。疊片電池安全性更高。在電池循環(huán)過程中，卷繞電池拐角處內(nèi)應力無法充分釋放，可能導致拐角處斷裂，進而產(chǎn)生脫粉、毛刺等問題，甚至引發(fā)電池內(nèi)短路，帶來熱失控風險。而疊片電池拐角處受力均勻，大大降低電池安全風險問題。