圆柱锂电池行业大趋势:工具无绳化+技术降本国产电芯乘风而起

发布时间: 2022-08-06 04:33:35 来源:leyu乐鱼平台 作者:leyu乐鱼官网

  市面主流的锂离子电池根据制备形状及材料分类,可分为圆柱型硬壳、方型硬壳及软包电池。

  三条技术路线经过较长时间的历史演变,形成了目前圆柱型主流用于小型动力系统;方型主流用于国内新能源汽车;软包主要用于海外新能源汽车及 3C 端的应用图景,而在多数应用场景上也具备互相替代功能。

  相较于方型硬壳电池而言,圆柱型电池目前制备工艺已相对成熟,具备成本低、一致性程度高、放热性能优秀等优点,但也具备 PACK 后能量密度偏低、车用 BMS 要求较高等不足。

  较低的生产成本和优秀的一致性使得圆柱适配于批量生产、需求较强的小型动力系统(电动工具、轻型电动车)领域。

  圆柱型锂电池最早技术路线年,为日本 Sony 公司研制,彼时主要用于消费电子领域。

  2008年,特斯拉布局电动车领域并选择松下作为核心供货商,初步奠定了圆柱型电池于新能源电动车领域的应用。

  圆柱型电池根据应用场景不同,可分为消费电池,工具用动力电池,以及新能源车用动力电池;从性能端来看,新能源车用动力电池由于对续航和安全性的要求,对能量密度、循环性、放热性等要求更高;而工具用动力电池由于瞬时放电的需求和使用环境的复杂性,对电芯的放电能力及对恶劣环境的适应能力有所要求。

  从售价端来看,由于一致性要求更强及原材料容量更大等多个因素,车用圆柱型电池单颗售价相对偏高。

  横向比较,工具用电池相对车用电池和消费电池的成本传导能力更强,附加值相对偏高;2021H1头部企业毛利率近30%。

  电动工具适配型号为 18650 与 21700,大规格电池使用逐步提升。

  圆柱型电池型号编号为五位数,以 18650 电池为例,前两位数字代表圆柱直径,为 18mm;三四位数字代表圆柱高度,为 65mm;最后一位数字代表电池形状,0 即指圆柱型电池。

  目前市面主用的圆柱型电池型号包括 10400、14500、18500、18650、21700、26650、32650 等型号,特斯拉最新推出的 46800 电池有望引领新一代动力电池潮流。

  其中电动工具主用的电池型号为 18650 和 21700 电池:规格越大的电池由于内容材料更多,往往具备更大的标称容量;倍率性能要求未来大规格电池在使用中占比逐步提升。

  电动工具是指运用电动机或电磁铁,通过传动机构驱动工作头的机械化工具;生活中常见的电动工具主要有角磨机、冲击钻、电钻和冲击扳手等。

  我们认为的电动工具同样包括户外工具(Outdoor Power Equipment)如割草机、打草机等。

  按照电动工具的使用形式,可将其分为无绳和有绳电动工具;相比有绳工具,无绳电动工具舍弃了电力线,采取电池包供电,具备显著的安全优势和便利优势,在高空作业、恶劣环境下具备其使用优势。

  无绳工具电源可分为锂电池、镍镉电池和镍氢电池;受欧盟 2017 年禁止无绳电动工具使用 含镉电池的政策影响,无绳电动工具中锂电池电源占比迅速增加;根据 EVTank,2019 年全球锂电占比已达 87%。

  根据弗若斯特沙利文估计,2020 年无绳电动工具市场达 139 亿美元,有绳电动工具市场达 127 亿美元,无绳化渗透率为 52.3%。

  受益于行业无绳化趋势,2025年预计无绳电动工具渗透率有望达到 60.9%,整体市场规模有望达到近 220 亿美元,预期复合增长率达 9.9%。

  根据 EVTank 及伊维经济研究院数据,2020 年全球电动工具产量达 4.9 亿台,预计 2025 年将达到 7 亿台;届时无绳 化电动工具产量有望超 4.8 亿台。

  按终端用户类别分类,电动工具可分为工业级、消 费级与 OPE(户外园林工具),工业级电动工具指工业级的电锯、电钻等;消费级电动工 具则指电动螺丝刀等家用锂电设备。

  根据沙利文的数据,2020 年专业级电动工具市场规模 有望达到 202 亿美元,消费级电动工具市场规模达到 89 亿美元;至 2025 年专业级电动 工具市场规模可达 271 亿美元,复合增速近 6.1%。

  2020 年全球 OPE 市场为 85 亿美元,预计 2025 年市场规模为 112 亿美元,复合增长率达 5.3%,2025 年无绳 OPE 市场规模预计为 56 亿美元,复合增长率达 9.0%。

  据我们保守统计,单个电动工具配备两套电池 PACK:一个消费级电动工具电池 PACK 约在 12-16V 左右,需要 6-8 个锂电芯;专业级电动工具和园林工具电池 PACK 的标称电压约在 20-21V 左右,需要 10 个锂电芯,且对电芯的容量要求显著高于消费级。

  1)无绳电动工具中锂电芯成本占比近 20-30%,根据无绳电动工具市场规模我们预测锂电芯市场规模至 2025 年可达 44-66 亿美元。

  以单颗电芯单价 1-1.5 美元估计, 2025 年锂电芯需求量中位数近 44 亿颗,较 2020 年需求新增 24 亿颗。

  假设 2020 年单个无绳电动工具配备电芯数量为 8 颗,随工业级和园林工具增速加快,至 2025 年配备电芯数量为 10 颗,2025 年锂电芯需求量约为 48.9 亿颗,较 2020 新增 25 亿颗。

  至 2025 年,我们估计的新增工具用锂电池需求约 24-25 亿颗,以单颗电芯 8 元计算,释放市场增量有望达 200 亿元。

  我们估计至2025年,无绳化渗透率在 61-70%,实际无绳化进度有望加快;

  我们估计2025年单台无绳工具配备电芯数量为10颗,而含电芯较多的工业级电动工具和无绳 OPE增速显著快于消费级电动工具,实际配备电芯数量有望增加。

  海外龙头长期垄断电芯市场。根据线年,锂芯电池市场格局CR3近75%,前三名均为海外龙头厂商;作为锂电池全球龙头,三星SDI长期位于工具用锂芯市场市占率前端,2016年市占率即超50%。

  随新能源车的大幅兴起,国内外主流电池厂商转向新能源车电池研发,电动工具产能建设进入停滞;根据三星SDI公开信息,公司将集中进行小型圆柱电池中EV/ESS相关产品研发推进,并计划将 EV 产品营收占比于今年的10%提升至明年的20%。

  从2020年市场格局来看,海外厂商份额有所下滑,国产电芯如天鹏电源、亿纬锂能、海四达等市场份额显著提升。

  目前,国内主流电芯厂商已完成技术路径的基本积累,技术领衔企业如天鹏电源、长虹三杰能实现21700大规格、高倍率、高能量密度的倍率电芯产出,自动化效率同样位于业界前列。从价格端来看,国产电芯价格仍较海外厂商价格便宜近50%,性价比优势凸显。

  进入核心供应链的主要国产厂商加急进入电动工具电芯产能竞赛,蔚蓝计划于明年年底前实现 13 亿颗左右产能,长虹计划实现 7 亿颗左右产能。

  据不完全统计,截至 2021H1 国内主流厂商合计圆柱型锂芯产能供给近似为 16-18 亿颗,目前规划新增产能约为 22-23 亿颗。

  整体来看,2021 年电芯需求仍呈紧平衡状态,至 2025 年国内新增规划圆柱用锂芯产能 22-23 亿颗,仅能覆盖电动工具用锂芯部分。

  相较于新增 25 亿颗产能需求,国内主流厂商规划产能约 23 亿颗左右,我们认为在此情形下供需缺口仍将较长时间持续,其中超预期因素如下:

  工具用锂芯同样可用于轻型车和扫地机器人市场,据线 年新增轻型车和扫地机器人需求约为 10-15 亿颗。

  据弗若斯特沙利文,2020 电动工具 CR10 达 73%,而前四大品牌市占率近 60%。进入核心供应链的国产厂商目前仍偏少,实力偏弱电芯厂新增产能难以消化,而优质厂商需求持续高企。

  工具用锂芯产业上游为材料厂商,中游为电池厂商,下游为电动工具、家用智能电器厂商等等;传统电池厂商外购电池材料后生产锂电池电芯,下游电动工具厂商购置锂电芯进行模组组装形成电池 PACK。

  随着技术工艺进一步成熟,部分锂电芯厂商也转向附加值更高的电池 PACK 生产推出一体化产品。

  分拆电动工具结构来看,其主要部件可分为机械系统和电气系统,机械系统主要系传动装置(齿轮组件、皮带等)和工作头(钻夹头、锯片等),电气系统即电池、电机、电控组件。

  据真锂研究估计,三电系统成本合计占比约 40.1%,其中电源系统成本占比约 12.9%。

  从下游竞争格局来看,电动工具头部企业主要为海外企业,其中第一梯队系以 TTI、百得、博世、牧田为首的四大国际品牌,行业 CR10 约 73.3%;国内一线电动工具品牌为宝时得、泉峰,但目前市占率仍偏低。

  以 2020 年数据计算全球工具竞争格局(含电动工具、手动工具、气动工具及配件等),TTI 电动工具分部营收达87亿美元,牧田营收达55亿美元;国内电动工具领头企业泉峰控股营收达12亿美元,占全球工具市场份额近1.8%,占电动工具市场份额近3.4%。

  随全球无绳化进程持续发展,以无绳电动工具为主打的TTI、百得等头部企业市占率有望进一步提升;头部企业将贡献行业核心增量。

  电源系统作为电动工具最为重要零部件之一,海外厂商的准入门槛较高,在电芯的倍率性能、制备工艺、生产体量以及安全性能等多个方面都提出了一定要求。

  从历史上来看,国际一线电动工具品牌长期选用三星SDI、LG化学作为电芯供应商,目前能进入其供应链的国产电芯企业仍相对偏少:同时进入TTI、百得、博世、牧田供应链的国产电芯厂商仅天鹏电源一家。

  高倍率主要体现在大电流情形下电池仍能维持优质的性能稳态。一般我们把10C放电以上的电芯称为高倍率电芯,个别电芯已能做到15C与20C持续放电。

  在放热过程中,较大的放电功率会引起显著热效应、SEI膜破坏等一系列负面电化学过程,从而导致电池性能下降,体现在容量降低、循环性变弱、安全性能不稳定等特点,这也对中游电芯厂商的制成工艺提出了更高的要求。

  1)高容量和高倍率:随着电芯功率容量的不断攀升,开发兼顾高容量和高倍率的电池所适配的材料及配比比例是一大痛点。

  2)高安全性:电动工具电池 BMS 设计相对车用较为简单,在相同强振动工作条件下电池安全性要求高。

  3)高宽度温度:电池在外部环境工作时对高低温放电要求一致,需要适配宽温度窗口下的大倍率放电。

  4)一致性:高倍率条件下电池的极化会增大,微小的差异会造成 pack 中电池差异性被放大,直接影响 pack 的电性能和安全性能。

  优质的高倍率电芯产品能实现更高的放电电流、循环性能及高低温环境下容量维持率。

  以国内最早实现 21700 型号高倍率电池批量生产的企业之一长虹三杰为例,旗下产品如 18650 高倍率电池在满电态条件下容量保持率均≥92%,容量恢复率≥98%,远高于行业标准,最大持续放电电流也高于行业标准近一倍,突出的电池倍率性能是企业在行业中获得一席之地的关键。

  随着电动工具应用场景的多元化,瞬时充放电的需求日益提升,回顾历史从最初的10400再到现今最主流的18650以及正在逐步上量的21700电芯,高倍率已成行业未来确定的发展趋势。

  行业内主要围绕提升电池能量密度、功率密度、降低电池温升、提升高低温性能、提升电池滥用情况下的安全性能、提升电池的抗震性等方面继续开展项目研发,我们认为优化方向将主要集中于材料端和工艺端。

  以 2.2Ah 的 18650 电池为例,一个锂离子电池约重 45g,其中三元正极材料重量约 17.6g,石墨负极材料重量约 9.0g,电解液重量约 6.8g,隔膜重量约 0.9g;以最新价格计算,三元正极/石墨负极/电解液/隔膜的成本占比分别为 58%/7%/12%/4%。

  由于对低温状态的性能以及电池能量密度的要求,目前电动工具用圆柱型锂电池以采用三元正极材料为主,并采用石墨负极或硅基负极。

  随倍率性能的进一步提升,对容量的需求会使得电池采用品质更高的高镍三元材料如 NCM8 系或 NCA 材料。

  在对品质及结构无特殊要求前提下,国产电芯原材料多来自于国内龙头材料厂。对于品质要求较高的高镍三元材料,部分厂家会选择国外厂商为主要供应商。

  锂电池的电化学性能主要取决于体系材料的开发与结构设计,其中正负极的优化方向主要是通过缩短锂离子的传导距离以及提升电导率,从而提升倍率性能;而隔膜、电解液的优化方向则是趋向减小接触电阻以及提升 SEI 膜的稳定性。

  高镍材料如 NCM8 系等能让电池的可反应电子数增多,相比磷酸铁锂与常规三元材料能量密度显著更高,我们预计圆柱形锂电池未来也将步入高镍化发展大趋势。

  国内代表厂商如蔚蓝锂芯已形成了 NCM 与 NCA 兼具的锂电池路线体系。

  硅基材料理论比容量高达 4200mAh/g,约为现今主流材料石墨负极的 10 倍,同时在充电时可以避免表面发生的析锂现象,有着更好的安全性,未来如硅碳、氧化亚硅等材料的利用将显著提高能量密度并优化电池的高低温性能。

  锂电芯生产分为三段工艺。圆柱型锂电芯生产工艺流程主要包括正负极极片制作、电芯装配、化成、高温老化、测试、分容、分选等。

  正负极极片制作为将以嵌锂化合物为主的正极材料与粘结剂、导电剂按比例调制搅拌均匀后涂覆在金属表面正极片,将以石墨为主的负极材料按比例调制搅拌均匀后涂覆制成负极片,最后按规定尺寸分切;电芯装配是将正负极极片卷绕组合并进行焊接、注液合成电芯;化成、高温老化、测试、分容、分选等工艺是成型必备工艺,其目的是激活电芯以在正负极材料表面形成 SEI 膜并进行分类以保证电芯生产一致性。

  除材料端优化外,制备工艺同样集中于减少离子传输距离,提升 SEI 膜稳定性等方向进行创新突破,如热压化成工艺可有效提高 SEI 膜稳定性并减少厚度,波浪形涂布可有效增加极片的孔隙率,增加极耳数量也可显著降低 DCR。

  圆柱锂电芯分为 A 品、B 品、C 品,其良品率与锂电设备的精细化程度高度相关。

  海外电动工具龙头对精细化要求普遍较高,采购的前提是电芯厂商配备韩国自动化生产线。

  目前技术前端的韩国生产线ppm,从代表公司角度来看,蔚蓝锂芯具备多条 200ppm 生产线;长虹能源新增产能全面引进 200ppm 生产线,生产效率位于同业前列。

  我们认为,在三星、LG 等原电池头部厂商逐步退出产能建设的情形下,工具用锂电池行业供需剪刀差有望存续;而下游电动工具厂商以国外企业为主,存在较高供应商认证壁垒;且原材料价格持续上涨,价格传导压力较大。

  3)拥有高倍率配套技术储备的头部电池企业:蔚蓝锂芯(002245.SZ),长虹能源(836239.BJ)。

  江苏蔚蓝锂芯股份有限公司横跨金属物流配送、LED 芯片、新能源锂电三大领域,客户遍布海内外。

  蔚蓝锂芯全资子公司天鹏电源专注于圆柱型三元锂芯电池制造,目前拥有两个大型生产基地,总投资规划超过五十亿元。

  公司电芯产品经过多年大规模的应用经验积累,围绕客户的需求不断创新;其锂电池产品主要应用于小型动力系统,尤其在倍率型动力工具锂电池领域处于领先地位,是进入全球 TOP5 电动工具公司供应链的小型动力电池主要供应商。

  截至 2021Q2 公司总产能约 4 亿颗,规划产能包括张家港锂电池二期项目及淮安锂电池一期项目,同时筹划建设淮安锂电池二期项目。

  2021 年 10 月,张家港锂电池二期项目已陆续投产,新增年化产能 3 亿颗,年底总产能有望达到 7 亿颗。淮安一期锂电池项目预计于 2022Q3 投产,新增产能 6 亿颗,年底总产能有望达到 13 亿颗,较现有产能新增 225%。

  天鹏电源装备先进,具有多条 200PPM 的全自动生产线,制造过程高度自动化、智能化,效率与品质控制水平均达到三元圆柱细分领域全球先进水平。

  公司“化成分容自动化生产车间”获评 2017 年省级示范智能车间,“动力锂电池智能制造装配车间”获评 2018 年“江苏省示范智能车间”。

  公司与 BOSCH、Stanley Black&Decker、TTI、Makita、Metabo、EINHELL 等国际知名品牌工具制造商和宝时得、格力博、东成、大艺等国内第一梯队电动工具企业稳定合作,是国内高端工具类锂电池领先供应商,为国内唯一一家已进入全球 TOP5 电动工具公司供应链的锂电芯厂商。

  供应链中强势地位使公司具备充分议价能力,在原材料价格压力升高下数次提价以维持毛利 稳定。

  天鹏电源拥有 NCM 与 NCA 兼具的锂电池路线,且在高倍率领域具备充分技术积淀。

  根据国家产权网,天鹏电源目前共拥有 158 项专利,其中发明专利 115 项,围绕原材料、内部结构、制备技术、制造设备进行全面布局,支撑公司产品矩阵持续迭代。

  在高倍率领域,公司产品已可达到 45A 放电电流、4.0Ah 标称容量,处于国内领先水平;未来随高倍率 21700 电池产品稳步放量,公司营收结构有望进一步实现改善。

  长虹能源是碱锰电池和锂电池设计、开发、生产、营销的服务提供商,为诸多世界知名品牌和电动工具市场高端客户提供高性能的电池产品和优质服务。

  长虹能源控股子公司长虹三杰是全球领先的圆柱型动力锂离子电池生产商,专注于高倍率18650 及 21700 锂离子电池和电池组的研发、生产和销售,致力于为广大客户提供一流的动力电池解决方案。

  截至2021H1公司总产能约 1.8 亿颗,绵阳一期项目在造产能约 2.4 亿颗,预计2022年产能可达 5 亿颗。

  2021年10月 28 日,绵阳一期项目正式投产,预计年底产能可完全释放;且公司与绵阳高新技术产业开发区签署《项目合作意向协议》,投资约 20 亿绵阳二期项目,投资期 48 个月,建成后项目销售额可达 20 亿元,以 7-8 元电芯单价估计新增产能约 2.8-3.3 亿颗。

  据泰兴市融媒体中心报道,总投资 30 亿元的长虹三杰的四期项目已于上半年完成签约,产能扩张提上日程。

  母公司长虹能源为碱电池生产自动化领军企业,自研自动收集机、高速涂炭机、高速正极制造系统和封口体点焊、组装设备,并引进机械手、AGV 等高端智能制造装备,已具备 600 只/min 全球技术领先的生产能力,并计划自研 650 只/min 的高速生产线。

  锂电生产主体长虹三杰依托母公司雄厚财务和技术实力,于2019年全面引进韩国最先进的自动化生产线,生产效率位于国内领先水准。

  公司已于2020年进入宝时得、德国 LIDI、美的等大客户的供应链;与国内电动工具一梯队企业大艺建立了长期良好合作关系。

  电动工具第一梯队品牌如 TTI、百得等对国产电芯厂家的采购前提是必须配备韩国自动化生产线,公司前期受制于前期产能瓶颈,随产能加码及自动化水平提高,当前产品已通过百得审厂,未来有望加速头部企业认证。

  公司控股子公司长虹三杰是国内第一家批量生产 21700 高倍率锂电池的厂商,在高倍率技术上处于行业领先位置。

  根据国家产权网,长虹三杰围绕原材料的优化配置、涂布尺寸和新型材料的使用等方面进行了多方位的布局,叠加 Pack 自动化流水线的复合专利,多年的技术专精将有助于公司优先享受行业发展趋势带来的红利并持续提升在行业中的市占率。

  声明:本文由入驻搜狐公众平台的作者撰写,除搜狐官方账号外,观点仅代表作者本人,不代表搜狐立场。

leyu乐鱼

leyu乐鱼平台

leyu乐鱼官网

联系我们

网站地图

023-41405766

客户为重、服务为先、质量为根