中金公司：锂电设备还有哪些超预期因素？
受益于新能源汽车渗透率提升以及电池制造技术进步，我们预计锂电设备需求景气将在较长周期内维持高位，本篇报告我们将重点讨论锂电设备可能超预期的因素，包括新能源车渗透率超预期提升、钠离子储能电池需求增长、设备智能化需求提升等。
摘要
超预期因素之一：新能源汽车渗透率超预期提升。此前中汽协预测2021年我国新能源汽车销量约220万辆，同比增长64.6%；从近期行业出货数据来看，我们预计2021年销售量可能达到250~300万辆，渗透率达到12%左右，同比提升约6ppt，有望带动动力锂电池出货量超预期。中金汽车组预期，2025年我国新能源汽车渗透率将有望达到25%，年销售量突破700万台。我们按照2025年全球新能源汽车不同的渗透率和单车带电量计算，预计2021~2025年全球动力锂电池设备需求将实现25.8%~35.5%的复合增长。
超预期因素之二：钠离子电池可能派生新的需求？2020年7月28日，宁德时代发布钠离子电池，电芯单体能量密度高达160Wh/kg，常温下充电15分钟，电量可达到80%以上，目前处于全球最高水平，解决了以往钠离子电池的能量密度短板，使用场景扩展至新能源车领域，不再局限于储能领域。钠离子电池的生产工艺与锂电池类似，但该技术的推广可能带来新的设备需求。
超预期因素之三：新技术新工艺的变化带来新的设备需求。新的电池材料和生产工艺可能带来新的设备需求，例如正负极材料变化带动前道工序变革；电芯成型工艺例如卷绕、叠片工艺改进，切叠一体化/切卷一体化技术，带动中道设备更迭；而CTP(Cell To Pack)将简化模组、PACK组装工艺，带来新的自动化组装方案。
超预期因素之四：智能化需求日益增长。随着电池生产效率要求日益提升，涂布宽幅、卷绕速度、充放电效率等指标都在明显进步；此外，生产过程当中机器视觉应用比例增加，数字化率提升，特别是海外电池工厂对于智能化水平要求更高，都将进一步拉动电池设备行业需求增长
风险
下游需求不及预期。
正文
新能源车渗透率：超预期提升
未来五年全球锂电设备需求超过5,000亿元
锂电设备市场规模较大，寡头竞争。据我们测算，锂电设备2021-2025年全球市场规模超5,000亿元，市场规模较大，而优质设备产能稀缺，当前主要锂电设备厂商均面临严峻的产能瓶颈。
新能源汽车渗透率仍在低位，中长期增长确定。全球电动车行业渗透率仍在低位，长期成长空间仍然广阔。根据Markline统计，2020年全球汽车电动化率仅为4.27%。中汽协预测2021年我国新能源汽车销量约为220万辆，同比增长64.6%。根据中金汽车组的预计，到2025年全球新能源乘用车渗透率将会达到21.28%，2030年全球新能源乘用车渗透率为39.76%；2025年中国新能源汽车渗透率将有望达25%，年销售量突破700万台。2020-2025年，电动车行业年化增速将超过40%，成为未来几年高速成长的黄金赛道。
单车带电量提升，动力电池需求未来五年复合增长率有望超过50%。动力电池方面，随着单车带电量的提高，动力电池需求将会持续高于新能源汽车需求增长。我们预计2025年动力电池装机容量将超过1,430GWh，年复合增速达50%以上；其中中国市场将达到428GWh，海外市场合计1,052GWh，海外需求占比达到七成，2021~2025年海外市场动力锂电池装机复合增长率64%，中国国内动力锂电池装机复合增长率38%。这将会带动锂电池设备新增需求的持续高增长，并且我们预计双位数增长将持续到至少2025年。
敏感性分析：不同新能源汽车渗透率和单车带电量下锂电设备需求测算
根据我们此前预测，在2025年新能源汽车渗透率20.6%及单车带电量69Kwh的情况下，2025年锂电设备市场规模为1431亿元，对应2020年至2025年CAGR为30.9%。由于新能源汽车行业或将超预期发展及技术进步，我们对2025年锂电设备需求量进行敏感性分析。据我们测算，在新能源汽车渗透率为18.6%及单车带电量65Kwh的情况下，锂电设备需求为927亿元，对应5年CAGR为20.0%；新能源汽车渗透率为22.6%及单车带电量73Kwh的情况下，锂电设备需求为1,973亿元，对应5年CAGR将达到39.6%。
根据上述分析，2021~2025年全球新能源汽车动力锂电池设备年复合需求增长率将有望达到25.8%~35.5%，更高置信区间在20.0%~39.6%。
图表：敏感性分析：2025年锂电设备需求量
图表：敏感性分析：2020年-2025年锂电设备需求量年复合增速
钠离子电池或将超预期发展
钠离子电池存在超预期可能
钠离子电池(Sodium-ion battery)，是一种二次电池，主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作，与锂离子电池工作原理相似。
图表：钠离子电池工作原理
资料来源：Advanced Energy Materials，中金公司研究部
钠离子电池应用领域多为储能。钠电池没有过放电性质，允许放电至0伏，且成本较低，在寒冷条件下仍能正常运行，又由于其能量密度较锂电池更低，相同带电量的情况下钠电池较锂电池更重，不易携带，但是储能电池的理想材料，可在全球全气候条件下使用。
安全性：钠离子电池有更高的安全性。电池的过充电与过放电都会对锂电池正负极造成不可逆的损伤。钠离子没有过放电性质，可以将钠离子的电池放电到零伏而不受损伤。并且，钠电池还通过了过充、针刺、挤压等安全测试。
成本：钠电池和锂电池的原材料分别为钠元素和锂元素。钠元素产地遍布世界，且钠元素产量较高；锂元素产量较少，原料大多集中于美洲，有一定的运输成本。此外，钠离子电池正负极均为铝箔，成本低于锂电池负极的铜箔。因此，我们预计钠电池成本将比锂电池少30%到40%。
能量密度：钠电池的能量密度较低。锂电池主要由三元锂电池和磷酸铁锂电池构成。以国产特斯拉为例，Model 3的磷酸铁锂电池能量密度为125Wh/kg，三元锂145Wh/kg。据《Na-lon Batteries—Approaching oldand New Challenges》总结：18650型的钠离子电池能量密度约为90Wh/kg；而根据宁德时代所发布的钠离子电池，其能量密度可以达到160Wh/kg。
极限工况：在寒冷条件下，钠电池放电性好。温度较低时，锂离子电池放电特性变差；钠离子电池在低至-30℃、高至80℃的环境中，放电特性良好。
充电时间：钠离子充电时间较锂电池较短。
2021-2025年储能电池年复合增长率将达52.5%，钠离子电池可能带来更大增量。根据起点研究院的统计数据，2020年全球锂电池出货量为260GWh，同比+33.6%；其中，储能电池出货量为10GWh。起点研究院预计，2025年储能锂电池出货量将达到168GWh，年复合增长率将达到54.5%。而我们预计，钠离子电池的推广可能带来储能电池的超预期放量。
宁德时代将钠离子电池推向动力时代
2020年7月28日，宁德时代发布钠离子电池，使动力钠电池成为可能。宁德时代电芯单体能量密度高达160Wh/kg，常温下充电15分钟，电量可达到80%以上，目前处于全球最高水平，解决了以往钠离子电池的能量密度短板，使用场景扩展至新能源车领域，不再局限于储能领域。
钠离子电池在架构、封装工艺上与锂电池高度相似，锂电设备企业可在少量资本投入的情况下进行钠离子电池生产。所以，即使钠电池在未来替代部分锂电池，锂电设备企业的下游需求仍将维持高位，加之储能电池的高速增长，锂电设备或将超预期增长。
技术进步：新工艺带来新的设备要求
电池制作工艺流程分为前道、中道和后道。前道为极片制作，流程包括正极/负极匀浆、涂布、辊压、分切。前道技术核心为材料化学，生产流程中所使用的设备包括搅拌机、涂布机、辊压机、分切机。中道为电芯装配，流程包括制片、模切、卷绕/叠片。中道技术核心为自动化，生产流程中所使用的设备包括模切机、卷绕机/叠片机。后道为电池组装，流程为封装、注液、化成、分容等环节。后道技术核心为电化学，生产流程中所使用的设备包括注液机、封焊机、化成测试设备等。
图表：锂电池生产工艺流程设备
资料来源：万得资讯，公司公告，中金公司研究部
正负极材料变化带动前道工序变革
三元电池相对于磷酸铁锂电池对前段设备的性能，例如真空、除湿的要求更高。三元聚合物锂电池的正极材料使用镍钴锰酸锂或者镍钴铝酸锂，主要来自于Ni2+/Ni4+氧化还原。对于镍基材料，颗粒表面会发生自发反应，Ni3+转变为Ni2+会释放O2-，当镍含量高的材料暴露在空气中时，更容易吸收空气中的二氧化碳和水，该过程会在颗粒表面形成Li2CO3和LiOH层。为使材料容量提高，Ni含量提升，从而PH值也越高，而Li2CO3和LiOH消耗了材料中的Li，并且不具备电化学活性，因此会造成容量衰减。且颗粒表面致密的Li2CO3层阻碍Li的扩散，影响电池性能。为满足真空、除湿等要求，新的设备需求增加，从而带动整体锂电设备市场空间的扩张。
三元材料将影响正极浆料制备。在高镍正极浆料制备过程中，PVDF溶解于NMP中，材料表面的碱性基团会攻击相邻的C-F、C-H键，使PVDF发生双分子消去反应，在分子链上形成一部分的碳碳双键。当PVDF内双键増加时，其粘结力也将増加，从而导致浆料粘度増加，甚至形成凝胶状态，影响涂布过程进行；另一方面，极片脆性也将增加，在辊压、分切等工艺流程中，易造成极片断裂。
三元材料使涂布面临更大的挑战。涂布生产的效率瓶颈本就在于烘干干燥，而三元电池对涂布过程中水分控制的要求更高。且如果水分与材料已经发生了反应，常规的干燥过程无法去除水分的影响。所以，为保证涂布过程湿度要求，材料的切换对风场、温度场和布局形式由更高的要求。
电池封装带动中道工序变革
锂电池封装类型分为方形、圆柱、软包三类。方形电池主要采用卷绕工艺，抗冲击力强、电池循环寿命长、容量大，外壳通常采用方形钢壳或铝壳；圆柱电池主要采用叠片工艺，一致性好、工艺成熟，外壳采用钢壳或铝壳；软包电池主要采用叠片工艺，能量密度高、安全性与散热性好、设计较为灵活，外包装多采用铝塑膜。其中，软包电池多用于消费锂电领域。
图表：不同类型锂电池包装差异对比
方形电池主导市场。2020年方形电池市占率为80.8%，圆柱电池为9.7%，软包电池为9.5%。我们预计未来方形电池占比略有下降，而圆柱电池和软包电池占比逐步上升，平分方形电池外的剩余市场。
图表：2017年-2025年中国动力电池市场电池封装方式渗透率
资料来源：GGII，中金公司研究部
电芯封装方式渗透率变化将影响中道工序，叠片需求上升。卷绕工艺多用于方形电池和圆柱电池，而叠片工艺用于软包电池。随着未来软包电池在中国动力电池市场的渗透率上升，叠片设备的市场需求将有所上升。并且，方形叠片工艺正在进入市场。叠片对于电芯尺寸和性能有明显优势。一方面，叠片工艺可以使动力电池规则排布、有效利用空间；另一方面，根据我们调研信息，相同条件下，叠片工艺可以使电池能量密度提高5%，循环寿命提高10%，成本降低5%。此前方形叠片技术受制于生产效率、技术及投资门槛较高，未大规模应用于方形电池。但随着LG化学、三星SDI等国际电池头部企业开始布局叠片技术，叠片技术未来将应用于方形电池，从而带动叠片设备需求进一步上升。
新组装工艺带动后道工序变革
CTP或将改变后道工序，但仍需自动化锂电设备。CTP是指Cell To Pack，通过简化模组结构，使得电池包体积利用率提升15%-20%，零部件数量减少40%，生产效率提升50%。虽然制造过程由电芯-模组-PACK简化为电芯-PACK，但制作工艺仍需要采用机器人、机械手、输送线等多种自动化设备，实现单块电池到电池包的堆叠、焊装、测试，形成最终的电池包。以比亚迪刀片电池为例，虽然取消模组，但仍需要自动将组盘后电池通过滚筒线、提升机或堆垛机送入不同库位或设备，自动完成化成、充放电、分容、自放电等后端的工艺操作。所以，CTP技术可能使后道各工序的价值量发生改变，但对自动化锂电设备需求仍将维持高位。
图表：CTP方案图
资料来源：太平洋汽车网，中金公司研究部
PACK自动化率提升，后道工序设备升级。根据我们调研信息，行业PACK自动化率为5%-20%，自动化率较低。由于下游锂电需求剧增、劳动力供给不足、手动生产经济性下降、自动化经济型提升，PACK线自动化需求显著增长；往前看，PACK线将迎来新一轮的迭代需求，锂电设备企业需加大锂电设备投资。根据我们调研信息，目前行业领先企业自动化率可达80~90%。
设备升级：效率和智能化要求提升
设备效率提升和工艺改进带动更新替代
涂布速度提升，宽幅拓展。随着下游锂电需求量大幅提升，在保证涂布技术、张力技术、纠偏技术和干燥技术的前提下，对涂布效率的要求提升。提高涂布效率的主要手段包括提升涂布机运行速度和涂布宽度，根据我们调研信息，领先企业的涂布速度可达到120米/分钟，涂布宽幅最大为1600毫米。
卷绕机速率显著提升。动力电池大规模生产需求对卷绕机生产效率的提升提出高要求，PPM提升的直接影响因素是卷绕速度的提升和辅助时间的缩短，其中辅助时间的缩短可通过辅助动作时间并联完成，例如卷绕、卷芯下料和贴胶三个动作同时进行。根据我们调研信息，目前国内领先锂电卷绕设备企业卷绕速度可达500毫米/秒。
叠片设备顺应降本增效、高能量密度、高安全性趋势。叠片机主要分为Z字型叠片机、切叠一体机、热复合一体机、卷叠一体机，其中Z字型叠片机和切叠一体机均采用Z字型叠片工艺。目前叠片设备集中度低，未来主流叠片设备将是性价比高、高能量密度、高安全性设备。随着不断验证，叠片机将更新迭代，产生新的设备需求。
图表：叠片机主要有4种类型
资料来源：GGII，中金公司研究部
图表：热复合高速叠片机
资料来源：吉阳智能官网，中金公司研究部
图表：Z字型叠片和卷绕式叠片工序
资料来源：先导智能官网，中金公司研究部
智能化水平提升刺激设备需求
机器视觉应用比例增加，智能化水平提升。机器视觉在锂电生产流程应用渗透率上升。机器视觉通过瑕疵提取法、分类算法、焊点测算法等实现精准化检测。例如模切工艺中，上下两个相机以120-260片/分钟的速度，对极片的两面分别进行扫描拍照，并将结果反馈给打料机构进行调整，从而满足极片各类瑕疵、长宽等检测需求。使电池良率提升的同时，能够相应降低检测时使用的人力成本。 机器视觉的应用使单机设备价值量提升，带动设备需求增加。
海外动力锂电池装机量高双位数增长，高端自动化装备需求大。根据我们测算，2021-2025年海外市场动力锂电池装机复合增长率为64%，中国国内动力锂电池装机复合增长率为38%。由于海外装机需求量大、人工成本高、安全性要求高，对自动化需求高于国内，单GW投资更高，我们预计从而有望进一步刺激锂电设备需求增长。
投资建议：优选核心龙头，关注细分赛道
综合前文关于行业市场空间及竞争格局的分析，我们建议投资者重点关注以下三个方向：
1) 对于电池电芯良率影响关键的中后道制程设备厂商；
2) 关注目前自动化率仍低，当前需求增长加速的模派段自动化设备厂商；
3) 关注与电池装机量同步增长的结构件厂商等。
（文章来源：中金点睛）