固态锂电池产业化及其影响深度研究报告

（报告出品方/作者：安信证券，邓永康、朱凯、王瀚、郭彦辰）

报告综述：

从三个问题，深度解析固态锂电池当前产业化进度。 本篇报告我们将 深度解析市场最关注的三个问题：

1、半固态锂电池产业化对现有产业 链的影响？

2、全固态锂电池体系的产业化进程如何？

3、全固态锂电池产业化后对现有锂电池体系的冲击有多大？

解析一：半固态锂电池产业化对现有电池产业链的影响几何？ 蔚来发布150KWh 固态电池，预计采用原位固化固液电解质制备一种全新的 半固态锂电池，主要解决无机固体电解质与电极固/固界面阻抗大的问 题，与传统凝胶电解质制备的半固态锂电池有所区别。半固态锂电池 对现有四大材料体系以及电池制备工艺没有太大的改变，只是一种过 渡产品，并非解决安全性、提高能量密度的最终方案。

解析二：全固态锂电池体系的产业化进程如何？ 预计 2020-2025 年 期间将逐步推出全固态锂电池产品。2007 年后研究进展显著加速，其 中日本丰田在固态锂电池的专利技术布局最深，国内起步时间晚。从 产品结构来看，聚合物体系已经有初步商业化产品面世，薄膜氧化物 体系实现小微电池领域商业化应用，硫化物体系电导率高，潜力大， 界面性能和工艺技术突破成为商业化关键。

解析三：全固态锂电池产业化后对现有锂电池体系的冲击有多大？ 从生产工艺来看，聚合物路线可以兼容卷绕/叠片工艺路线；薄膜氧化物体系采用磁控溅射生产，设备壁垒高；硫化物体系有望兼容叠片工艺 路线。从材料兼容性来看，正极兼容性最强，高电压复合正极潜力最大；负极有望逐步过渡到金属锂；电解液中有机溶剂被取代，新型锂盐在聚合物体系需求潜力大；隔膜将逐步被固态电解质取代。

1. 解析一：半固态锂电池的产业化道路进展如何？

全固态锂电池具备能量密度高、安全性高、柔性化等优势，同时又存在离子电导率低、界面阻抗大等问题短期无法商业化，这个已经得到市场普遍的认可，我们不再赘诉。

我们本篇报告将深度解析市场最关注的三个问题：

1、半固态锂电池对现有产业链的影响？

2、 全固态锂电池体系的产业化进程如何？

3、全固态锂电池产业化后对现有液态锂电池的材料体系和制备工艺有多大的冲击？

1.1. 脚踏实地，半固态锂电池先行

蔚来发布 150KWh 固态电池，预计 2022 年四季度推出。 2021 年 1 月 9 日，蔚来汽车举行 NIO DAY 发布会，发布 150kwh 固态电池包，预计将于 2022 年第四季度正式推出，能量密 度达到 360wh/kg。其中，固态电池主要采用了“原位固化固液电解质”，该技术的创新在于原 位聚合涂覆技术，即在基膜上进行的涂覆是由原位聚合反应实现，可以改善正负极界面接触， 预计原位聚合涂覆用了 LLZTO、LATP 等陶瓷固态电解质成分。

我们认为原位固化固液技术主要为了解决无机电解质/电极的界面阻抗问题。 目前市场上无机 固体电解质的研究主要集中在两大类，硫化物体系与氧化物体系，其中氧化物体系 LLZTO、 LATP 等存在界面阻抗高、制备的电解质膜机械性能差、离子电导率低等短期无法有效解决 的问题。采用原位固化技术，能够实现固体电极片与电解质膜在分子层面的紧密接触，降低 固/固界面阻抗，有效提升电池的倍率性能。同时，参考最新的学术研究成果，目前氧化物电 解质的离子电导率仍处于 10-4 S/cm 左右的较低水平，暂时达不到商业化（>10-2 S/cm）要求， 因此我们预计仍需要加入电解液来解决离子电导率。

传统半固态锂电池，主要是指采用凝胶电解质制备的锂电池。 凝胶电解质，是以聚合物为电 解质“基膜”，加入锂盐，同时加入碳酸二乙酯/碳酸乙烯酯等低分子有机溶剂作为增塑剂， 经过浸泡活化后，得到离子电导率指标介于固体电解质和传统电解液之间的凝胶电解质。

凝胶电解质具备固体和液体的双重优势，同时具备粘结性和液体快速传输性质。 凝胶电解质 是针对目前聚合物固体电解质离子电导率低，而采取的一种折中方式。凝胶电解质既不是固 体，也不是液体，反过来讲既是液体，也是固体，因此同时兼备两者的优势。凝胶电解质种 类：目前研究较为成熟，已经商业化的有 PEO（聚环氧乙烯）基、PVDF-HFP（聚氯乙烯六氟丙烯）基、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）基、PAN（聚丙烯腈）基。

其优点在于：1、离子电导率比聚合物固体电解质高，一般在 10-3S/cm 数量级，基本满足商 业化应用需求。2、基本形态为固态，没有流动的液体，封装简单，形状可以多样化，适用 于软包电池中。3、界面相容性较好，循环性能和倍率性能均较好。

半固态锂电池只是一种过渡产品，并非最终解决方案。 由于凝胶电解质还是含有少量低闪点 的有机溶剂，并没有从根本上解决电解液造成的安全性能问题，采用金属锂做负极仍有一定 的安全隐患，因此对能量密度的提升程度有限，是短期全固态锂电池没有实现商业化情况下 的一种折中解决方案，并非最终形态。

1.2. 半固态锂电池商业化进展及制备工艺兼容性？

珈伟股份实现第一期快充类固态锂电池投产。 根据公司 2017 年 12 月 20 日公司，其控股子 公司珈伟龙能固态储能科技如皋第一期快充类固态锂电池生产线正式投产，规模 1 亿 Wh。 公司通过引入离子液体或者凝胶电解质，改善电解质的界面浸润性和稳定性，降低界面阻抗， 达到类固态的标准，未来公司主要面向 4 种类型的电池：1、高镍电池，配套物流车、乘用 车等，能量密度达到 120-130Wh/kg，循环寿命 7000 次以上；2、磷酸铁锂电池，配套公家 车，客车；3、钛酸锂电池，配套卡车、拉煤车、轨道车等，循环寿命 20000 次以上；4、高能量密度锂电池，配套乘用车，能量密度到 230Wh/kg，循环寿命 2000 次以上。

赣锋锂业一期项目固液混合的半固态锂电池实现规模化生产能力。 公司与中科院许晓雄课题 组合作，设立全资子公司浙江锋锂新能源科技有限公司，开展固态锂电池方面的产业化工作。 根据公司 2018 年 8 月 3 日投资者关系活动记录表资料显示，公司项目一期中样品电芯属于 混合固液电解质类型的半固态锂电池；按照产品设计的要求，该款电池是综合具备了较高比 能量、优异的功率特性及良好的循环寿命，同时易于规模化制备。按照现有循环测试数据推 算，预计该类电池可循环 3000 次，容量保持 80%（1C 充电/1C 放电，100%DOD，室温条件）。

半固态锂电池制备工艺流程可兼容传统锂电池生产工艺。 半固态锂电池的正极、负极极片的制备工艺可兼容传统锂电池卷绕和叠片的制备工艺。凝胶电解质制备工艺相对复杂，主要有 两种：1、传统工艺：基于分子间作用力形成物理交联，再吸入电解液。需要经过聚合物成 膜、造孔剂萃出、电解液浸渍等步骤，制备出凝胶电解液后再通过叠片、卷绕的方式与正负极组装成电池。2、现场聚合工艺，其中热引发现场聚合是目前主流的技术。加入一定比例 的单体、热引发剂、交联剂、电解液混合均匀，制备前驱体溶液，注入电池壳中，臵于 50-120℃ 下加热 0.5-1 小时，在不改变现有锂电池工艺的基础上，制备半固态锂电池。目前中科院物 理研究所、比亚迪、三洋株式会社、三星 SDI 均有相关的技术研究和专利储备。

半固态锂电池对现有四大材料体系冲击较小。

1、正极材料：可延续现有锂电池的正极材料 体系，磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、三元 NCM 等。

2、负极材料：目前主流的石墨系，钛酸 锂等、以及未来的硅碳系均可适用，由于存在电解液以及隔膜，不适用于金属锂负极。

3、 电解液：仍需要少量的有机溶剂浸渍，目前主流的商业化锂盐 LiFP6，以及新型锂盐 LiTFSI/LiFSI 等需要添加。

4、隔膜：由于仍有部分电解液存在，凝胶电解质不能起到电子绝 缘的作用，仍需要隔膜隔绝正负极防止短路。

2. 解析二：全固态锂电池的产业化现状如何？

业内预计全固态锂电池有望在 2020-2025 年期间实现小批量生产。早在 1978 年 Michel Armand 首次 报道了固态金属锂电池的相关研究，随后 40 年内固态锂电池被全球广泛研究，固体电解质离子电 导率低，界面相容性差等技术瓶颈制约了商业化进程，全固态锂电池的研究停滞于 20 世纪末，2007 年开始，全固态锂电池的研究开发复苏，2017 年中国电动汽车百人论坛上，业界预计 2020-2025 年全固态锂电池有望实现小批量生产。

固体电解质按照体系主要分为两大类：有机体系和无机体系固体电解质。有机电解质相对简单一 些，主要以 PEO 为主，无机体系又可以细分为氧化物体系和硫化物体系。氧化物电解质体系又可 以细分为非晶态氧化物（薄膜氧化物）体系，以及晶态氧化物体系；硫化物体系也属于非晶态体 系的固体电解质。

2.1. 从全球研究机构看全固态锂电池的产业化进程

日本固态电池研究体系成熟，计划 2022 年全面掌握全固态电池相关技术。日本在硫化物全 固态锂电池方面的研究成果较为突出。法国 Bolloré公司是全球第一个将聚合物全固态锂电池 运用于电动车的公司。海外申请专利前 10 名中，日本公司占有 9 家，韩国公司占 1 家。其 中日本丰田株式会社申请的专利数最多，达到 218 件，占总申请数的 20.15%。2018 年 6 月，日本新能源产业技术综合开发机构宣布，将于未来五年内联合学术机构和企业共同开发 下一代电动车全固态锂电池。该项目预计总投资额 100 亿日元（5.8 亿元人民币），丰田、 本田、日产、松下等 23 家汽车、电池和材料企业，以及京都大学、日本理化学研究所等 15 家学术机构将共同参与研究，计划将于 2022 年全面掌握全固态电池相关技术。

丰田的固态电池专利申请居全球之首，80%集中在无机固体电解质领域。 丰田进入无机固体 电解质的时间相对较晚，但进行了持续性的专利布局，主要分布在氧化物电解质和硫化物电 解质方面。其中氧化物电解质只集中在 2010-2011 年期间，占比逐渐减少，丰田对硫化物电 解质的重视程度逐渐加大，重心主要放在如何减少硫化氢的产生，以及如何提高固体电解质的离子电导率方面。

全球固态锂电池专利申请数量呈现加速提升趋势。 据德温特数据库检索数据显示，在 1995-2015 年期间，海外全固体锂电池领域，共申请专利 1082 项。2007 年后，海外对全固态锂电池的专利申请年均复合增速达到 35.3%。1996-2007 年期间，液态锂电池实现商业化 生产固态锂电池的研究持续低迷。2007 年后液态锂电池的技术趋于成熟，在安全性能和能量密度上的天花板也逐渐显露出来，海外主流研究机构加大对固态锂电池的研究力度。

国内对固态锂电池的研究起步相对较晚。 国内关于全固态锂电池专利申请数量相对较少， 1996-2015年期间共申请专利170项。通过检索国家知识产权局检索数据，查询了1996-2015 年期间公开的全固态锂电池专利申请数据，期间共申请专利 170 项。

国内全固态锂电池仍处于基础性研究阶段。 主要两部分机构在做相关研究：

1、国内知名高 校及科研院所，具有代表性的团队有：清华大学南策文院士团队、中南大学刘业祥院士团队、 中科院物理所陈立泉院士团队、中科院宁波材料所许晓雄团队、中科院青岛能源所崔光磊教 授团队等。

2、国内锂电池产业链上优秀企业，比如宁德时代、赣锋锂业、中航锂电、贝特瑞、力神、台湾辉能等等。

2.2. 聚合物全固态锂电池：已有初步商业化产品面世

聚合物电解质基体可类比于固态溶剂。聚合物电解质主要有三大体系，其中最早发现可以导锂， 研究相对成熟的是 PEO 基固体电解质体系，其次还包括聚碳酸酯基体系、聚硅氧烷基体系以及聚 合物锂单离子导体基体系。其优点在于工艺流程简单，原材料价格低廉，缺点在于离子电导率低， 常温电导率在 10-6~10-7S/cm。

2011 年法国 Bolloré 公司实现聚合物固态锂电池商业化，核心点要采用高温加热。法国 Bolloré 制 备的全固态锂电池，是国际上最早将聚合物全固态锂电池运用于电动汽车的案例，运用于市内租 赁电动车中。法国 Bolloré 公司旗下子公司 Batscap 公司生产的聚合物全固态锂电池，用于 Autolib 项目，采用磷酸铁锂为正极，带电量 30KWh，测试数据表明，电池在 60-80℃期间工作，以 1/3C 的倍率循环 1200 圈后，容量保持率在 80%左右，单体电芯的能量密度为 230Wh/kg，续航里程达到250km，最高时速 130km/h，能够满足城市居民的临时用车需求。2011-2015 年期间，博罗雷共计投 入 3000 辆电动汽车，租赁站点 1150 个，充电桩 6000 个，服务巴黎 12000 平方公里的 1300 万市民。 聚合物全固态锂电池的最大问题在于离子电导率低，法国 Bolloré 公司采用安装加热装臵的方式给 电池加热实现正常使用，一方面带来安全隐患，另一方面也造成成本抬升。

中国科学院青岛能源所突破高能量密度固态锂电池技术。 青岛能源所研发的“刚柔并济”固体 电解质，复合刚性的多孔骨架材料和柔性的聚合物离子传输材料，改善电池的固固界面相容 性和抑制锂枝晶产生，成功研制能量密度 300Wh/Kg、循环寿命超过 500 次的全固态锂电池。 通过了多次穿钉测试，固体电池体现出了一定的自修复功能，安全性很好，并通过了国家深 海中心的 11000 米深海压力舱检测。2017 年 3 月，青能所开发的“青能-Ⅰ”固体电池随中科 院深渊科考队远赴马里亚纳海沟，为“万泉”号着陆器控制系统及 CCD 传感器提供能源，累计 完成 9 次下潜，深度均大于 7000 米，其中 6 次超过 10000 米，最大工作水深 10901 米，累 计水下工作时间 134 小时，最大连续作业时间达 20 小时，顺利完成万米全深海示范应用。 相关成果已申请中国发明专利 29 项，国际 PCT 专利 3 项。

其他大部分机构的聚合物全固态锂电池仍处于中试阶段。 1、日本电力研究所采用卷对卷工艺，制备输出电压 12V 的三层单体聚合物全固态锂电池，正极材料 NCM111，负极材料石 墨，固体电解质聚醚材料，正极表面涂覆无机物材料防止界面氧化，降低界面阻抗，室温电 导率 10-5S/cm，未来设想通过与热泵、储热槽组成的热水器结合，使其在较高温度下正常工作。2、日本三重县产业支援中心，同样采用卷对卷的生产工艺，制备了超薄可弯曲的聚合 物固态锂电池。正极材料是磷酸铁锂与碳的复合材料，负极是钛酸锂/硅/石墨的复合材料， 电解质是交联型聚氧乙烯结构。该电池能在 0℃正常工作，未来有望与太阳能电池、电子纸、 柔性底板等大面积元件相结合使用。3、SEEO 公司主攻聚合物固态锂电池。SEEO 的研发 技术主要来自于美国能源部所属的劳伦斯伯克利国家实验室，主要研究方向是嵌段共聚物为 聚合物电解质。目前样品供货的电池组能量密度达到 130-150Wh/kg。

2.3. 氧化物薄膜全固态锂电池：小微型电池领域实现商业化应用

薄膜全固态锂电池主要通过磁控溅射方式商业化。 薄膜全固态锂电池主要是指以 LiPON 为 电解质的锂电池，工作原理与传统锂电池相同，是重点研究的氧化物全固态锂电池体系，1992 年由美国橡树岭实验室通过射频磁控溅射 Li3PO4 靶材制备。由于 LiPON 离子电导率较低， 制备工艺苛刻，难以生产大电池，一般只能做成小微型电池，可用于微芯片、微机电系统、 微型存储器、植入式医疗器械、无线传感器等低能量供电领域。美国 Sakti3 公司研究较为深 入，技术相对成熟，此外 Cymbet Enerchips, Excellatron, Front Edge Technology, Infinite Power Solutions 等公司均初步具备商业化生产能力。

美国 Sakti3 生产薄膜全固态锂电池的技术相对成熟。 1、美国 Sakti3 采用真空沉积法制备电池，预计为氧化物体系，成本可控。Sakti3 自 2007 年成立以来，获得了包括通用汽车 320 万美元在内的 3000 万美元风险投资，采用真空沉积法制备，公司已经在密西根的小型示范 生产线上做小批量生产，未来有望在 1-2 年内实现商业化。2、韩国 GS Caltex 采用层层溅 射的方法制造出了超薄、邮票大小的固体锂离子电池。并在日本发行了样品。其正极材料为 LiCoO2，负极材料为锂，电解质材料为 LiPON。虽然其容量只有 0.5mAh，但是体积能量密 度超过 800wh/L，是普通锂离子电池的 1.2 倍，最高充电倍率可达 50 C，这款电池被用作无 线传送测试数据的小型温度感应器上,并可采用太阳能电池对其充电。

国内率先商业化的是天津瑞晟晖能，产品性能稳定，能量密度超过 200Wh/kg。 根据钜大锂电资料报道，公司已开发多款柔性薄膜全固态锂电池，目前已经在实验室小试，近期将筹建 1 万块薄膜全固态锂电池的连续化生产中试线。据公司官网介绍：公司电池产品体系为钴酸 锂/LiPON 电解质/Li，公司采用多层薄膜电池堆垛结构提升单体电池能量密度，能量密度大 于 200Wh/kg。公司电池循环性能稳定，能稳定循环 1000 次，容量衰减率小于 5%，年自放 电率不超过 10%，工作温度范围-40~160℃。应用领域包括军事工业、医疗电子、消费电子、 超级智能卡、微电子器件、可穿戴设备等等。

空间测算：中短期应用领域以小微型电池领域为主，2020-2022 年预计维持高增速。 根据 NanoMarkets 公司发布的 2015—2022 年薄膜电池和印刷电池市场报告显示，随着智能卡、 包装、消费类电子产品、可穿戴设备以及物联网的迅速发展，薄膜电池在这些领域的市场将 从 2015 年的 3400 万美元增长到 2018 年的 1.83 亿美元，于 2022 年最终将达到 11 亿美元， 2018-2020 年的年均复合增速达到 56.6%。在微电子领域，薄膜型全固态锂电池是微机电系 统唯一匹配的能源形式，随着微机电系统的发展，其需求也将进一步增大。

柔性电池市场空间增速大，预计 2015-2020年维持 46.6%的年均复合增速。根据 Markets and Markets 发布的全球柔性电池市场预测研究报告显示，2015-2020 年期间，全球柔性电池市 场以 46.6%的复合年增长率增长，到 2020 年预计将达 9.58 亿美元，为薄膜锂电池的市场化 带来了新的市场空间。

中长期离子电导率进一步改善，薄膜全固态锂电池有望用于大型电池领域。 在手机、笔记本 电脑，以及电动汽车领域对电池的能量密度、倍率性能都提出更高的要求。目前已有企业在 手机市场做薄膜全固态锂电池的商业化开发。2013 年被苹果收购的 Infinite Power Solution 开发出多层堆垛统一密封结构的薄膜型全固态锂电池。其中，1.3mm 厚的电池容量高达 1360mAh，可以满足手机使用需求，并且各项性能远优于当前商业化的锂离子电池，而制造 成本相当，都是 0.8 美元/Wh 的制造成本。表明高容量的薄膜型全固态锂电池具有巨大的发 展潜力和应用前景。

2.4. 硫化物全固态锂电池：界面性能和工艺技术突破成为商业化关键

无机全固态锂电池的开发研究目前主要集中在硫化物电解质体系。材料端，离子电导率已经 接近电解液水平，是该类全固态锂电池最大的优势。

丰田的商业化进展较快，有望率先实现硫化物全固态锂电池的产业化。

1）2010 年，公司生产了一款 10cm× 10cm 大小的全固态电池产品原型,采用层叠串联结构,平均电压 为 14.4V,正极采用 LiCoO2,负极采用石墨,电解质采用硫化物材料.2012 年采用层叠串联结构,以 NCM 三元材料为正极,石墨为负极,得到了单体电压达 28V 的电池原型,其能量密度相对于液态电解液电 池提高了 5 倍。2014 年其实验原型能量密度达到 400Wh/kg。截止到 2017 年 2 月，丰田固态电池专 利数量达到 30 件，同时，公司计划在 2020 年实现硫化物固态电池的产业化，推出 10 款全固态电 池汽车。

2）2010 年,日本 Idemitsu Kosan(出光兴产)开发了一款采用 Li2S-P2S5 电解质 A6 尺寸的层叠串联结构 固态锂离子电池单元,其电解质室温导电率达到4× 10-3S/cm以上,厚度为100μm,单体输出电压为14～ 16V。室温下，其放电容量为 136 mAh/g(30℃),低温下容量为 55mAh/g(－20℃)。

3）美国 Planar Energy 公司于 2010 年得到美国能源部先进研究计划署(ARPA-E)400 万美元的资助。 该公司拟采用印刷—卷对卷工艺实现大面积电池生产。其关键技术在于通过化学沉积制备无机固 体电解质膜，采用印刷模式制备无机全固态锂电池。目前实验室已制备出容量为 5Ah 电池原型, 其体积能量密度达到 1200Wh/L(400Wh/kg)。

4）三星日本横滨研究所也取得了一定成果，利用硫化物类固体电解质试制出 2000mAh、175Wh/kg 的压层型全固态二次电池，300 次循环保持 85%的容量。

5）国内企业：CATL 在硫化物固态电池方面比较成熟，改性后的 LiCoO2/硫化物电解质/Li 电池，在 0.1C 倍率下，能做到 200 周以上，容量保持率在 80%以上，处于行业领先水平。清陶能源：公司 核心在于高固含量的全陶瓷隔膜和无机固体电解质的开发和生产。目前团队已经和北汽开展合作 进行中试，未来可能作为北汽电动车的重要组件。

3. 解析三：全固态锂电池产业化对现有电池体系的冲击有多大？

3.1. 全固态锂电池&液态锂电池生产工艺对比

3.1.1 聚合物全固态生产技术可以兼容现有产线

聚合物全固态锂电池未来有望兼容传统液态锂电池生产工艺。聚合物电解质具备较好的韧性和机 械强度，成膜性能较好，可以直接生成厚度均匀的薄膜。日本电力研究所设想采用卷对卷生产工 艺制备聚合物全固态锂电池。基本工艺流程为：1、溶胶-凝胶法制备聚合物固体电解质溶液，2、 分别在正、负极极片上涂布或印刷上已制备好的电解质溶液，3、紫外线照射挥发制备聚合物电 解质的溶剂，使电解质与电极固化粘合，4、卷对卷压实正极/电解质/负极，5、裁剪、抽气、封装。

聚合物固态锂电池与液态锂电池生产工艺异同。 目前主流的电池制备工艺有叠片工艺和卷绕工艺。 聚合物全固态锂电池对现有电池制备工艺大部分可以兼容，只需要在少部分环节做调整。1、电极极片制备工艺保持现有工艺不变；2、采用溶胶-凝胶法制备电解质溶液，需要烘烤蒸发溶剂， 得到固体电解质薄膜，工艺上增加电解质涂覆、紫外照射烘烤工艺；3、由于没有电解液，不需 要注液工序。

3.1.2 LiPON 薄膜全固态锂电池：工艺设备壁垒高，成本管控是关键

极片及电解质薄膜工艺壁垒高。薄膜型全固态锂电池由致密的正极薄膜、负极薄膜和电解质薄膜 组成。1、电极制备方法与传统搅拌、涂覆法不一样，由于需要制备非常薄的电极膜，通常也是采用磁控溅射、脉冲激光沉积、热蒸发镀膜等方法，或者化学气相沉积、溶胶-凝胶等方法来成膜。 以上制备工艺导致薄膜型全固态锂电池的电极薄膜非常致密，材料利用率大幅提升，其循环性能、 界面相容性均大幅提升。2、LiPON 固体电解质薄膜制备方法与电极类似。

电池制备工艺上，可以采用多层堆垛提升能量密度。由于采用磁控溅射等方式制备的极片厚度很 薄，电池能量密度比较低，在电芯制备工艺上可以采用多层串联紧密堆垛的方式，来提高电芯能 量密度。

3.1.3 硫化物全固态锂电池：制备工艺有望兼容传统锂电池叠片工艺

极片及电解质薄膜工艺壁垒高。薄膜型全固态锂电池由致密的正极薄膜、负极薄膜和电解质薄膜 组成。1、电极制备方法与传统搅拌、涂覆法不一样，由于需要制备非常薄的电极膜，通常也是 采用磁控溅射、脉冲激光沉积、热蒸发镀膜等方法，或者化学气相沉积、溶胶-凝胶等方法来成膜。 以上制备工艺导致薄膜型全固态锂电池的电极薄膜非常致密，材料利用率大幅提升，其循环性能、 界面相容性均大幅提升。2、LiPON 固体电解质薄膜制备方法与电极类似。

工艺流程： 硫化物全固态锂电池的制备工艺关键在于电解质的制备，正、负极材料的制备可以兼 容液态锂电池的现有工艺流程。制备硫化物电解质浆料，搅拌涂覆在已经制备完成的正极极片上， 经过干燥、压延等工序，制备固/固界面接触良好的正极/硫化物电解质薄层材料，切割、裁剪后 再与金属锂单层叠片，最后串联堆垛，焊接极耳，完成单体电芯的制备。大部分的设备仍可以沿 用现有锂电池生产设备，只是由于硫化物电解质对水分、氧气的敏感度比较高，在生产环境上有 了更高的要求，需要在更高级别的干燥间内进行生产，最好能在全封闭的充满氩气氛围的条件下 生产。同时，目前考虑到硫化物无机固体电解质膜的柔韧性不佳，在制备全固态锂二次电池时更 多的采用叠片工艺，至于具体是分别制备电解质与正负极膜片后叠合，还是采用双层或多层一次 涂布制备电解质和正极的复合层，更适合规模化生产的技术路线还有待进一步的研究。

3.2. 全固态锂电池&液态锂电池的电池材料体系对比

全固态时代下，四大材料中正极和导电箔影响较小。我们对比全固态锂电池与现有液态锂电池的 材料体系，其中现有正极材料体系可以完全兼容，固态电解质高电化学窗口，可能兼容更高电压 的正极材料。电解液体系中，现有液态溶剂会被取代，聚合物路线中新型锂盐 LiTFSI、LiFSI 等应 用潜力巨大。负极材料可以兼容现有材料体系，也能逐步衍变到能量密度更高的金属锂，铜箔和 铝箔目前来看仍是最好的导电载体材料，隔膜可能会被逐步取代。

3.2.1. 正极材料体系：兼容性较强，高电压复合电极材料有望成为主流

现有材料体系未颠覆，复合电极有望成为解决方案。全固态锂电池只是改变了正负极之间传导锂 离子的方式，对正极材料体系并没有出现颠覆性的改变。目前市场主流的磷酸铁锂、钴酸锂、锰 酸锂、以及未来高能量密度的 NCM811、NCA 等正极体系，均可用于全固态锂电池。在制备方法上， 为了解决固/固界面相容性的问题，未来可能会采取使用复合电极材料，包括：正极材料、导电剂、 固体电解质，在电极中同时起到导离子和导电子的作用。

高电压正极材料在全固态时代下发展空间更大。目前电解液的电化学窗口较低，对于高电压的正 极材料，需要添加高电压添加剂等方式，来配套使用。由于固体电解质大部分具备电化学稳定性 能好、电压高的特点，可配套高电压的正极材料，未来有望在现有体系下，发展高镍层状氧化物、 富锂锰基、高电压镍锰尖晶石型的正极材料。

3.2.2. 负极材料体系：金属锂有望逐渐替代当前石墨、硅碳负极材料

固体电解质由于具备致密性和高稳定性，以及足够高的机械强度，能量密度更高的金属锂负极也 可以用做负极材料，能够有效阻挡锂枝晶的穿透。未来金属锂有望成为全固态锂电池的主流负极 材料。

全固态锂电池向下兼容现有的石墨负极以及硅碳负极、硅基负极，均可以直接兼容配套。但由于 能量密度较低，首次充放电会出现较明显的衰减现象，可以配合预锂化技术，补充首次充放电过 程中损耗的锂。实际上大规模使用金属锂的节奏一方面取决于固态锂电池电化学体系的发展进程，另一方面取决于现有生产环境的配套升级情况，金属锂对水氧的敏感度高，操作过程需要在保护 气氛下进行，对生产环境的要求苛刻。

3.2.3. 电解液体系：有机溶剂将被替代，新型锂盐有望导入聚合物全固态锂电池

溶剂方面：对于半固态锂电池，仍需要少量有机溶剂改善聚合物电解质的离子电导率。进入全固 态锂电池时代后，将对电解液的有机溶剂完全取代。

锂盐方面：聚合物电解质仍需要新型锂盐做溶质，无机电解质可以完全取代溶剂和溶质。聚合物 电解质以 PEO 或类 PEO 聚合物为“固体溶剂”，同样需要像电解液一样，添加锂盐充当“锂源”。 锂盐在电解质中离解出游离锂离子的能力，同样影响聚合物电解质的离子电导率。与聚合物进行 络合的锂盐，其阴离子的半径越大，越有利于解离锂离子，从而得到更高的离子电导率和锂离子 迁移数。

类 LiTFSI/LiFSI 等新兴锂盐有望成为聚合物全固态锂电池的主流溶质。 目前电解液的主流溶质是六 氟磷酸锂，但其耐高温性能较差，也是液态锂电池高温性能差的原因之一。类似于双（三氟磺酸） 亚胺锂（LiTFSI）、LiFSI、LiBOB 等具有较高的耐热性、良好的化学和电化学稳定性。同时，LiTFSI 具备较大的阴离子基团，其晶格能最低，相对其他几种锂盐而言在聚合物中容易解离，同样能够 起到提升聚合物电解质离子电导率的作用。相对而言，其他几种目前主流采用的锂盐：六氟磷酸 锂、四氟硼酸锂、六氟砷酸锂均有热稳定性差，容易水解的问题。在聚合物全固态时代，LiTFSI/LiFSI， 或者根据不同聚合物基体，新合成的容易解离的大阴离子基团型锂盐，有望成为未来聚合物全固 态锂电池的主流溶质锂盐。

无机固体电解质完全替代传统电解液的溶质和溶剂。 无机固体电解质通常采用溶胶凝胶法、高温 固相法、高温烧结法等来制备电解质材料，不需要传统电解液的溶质和溶剂。比如石榴石型氧化 物电解质（LLZO），采用高温固相法制备，以碳酸锂、La(OH)2、ZrO2 为原料，在 1000℃下烧结三 小时。LiPON 无机电解质，采用气相沉积法制备，以 Li(C11H19O2)、(C2H5)3PO4 以及氨气为原料。 硫化物电解质，大部分以硫化锂、P2S5 为原材料，再通过高能球磨、高温烧结等方法制备得到。

3.2.4. 对其他零部件的影响

隔膜：当前在半固态锂电池体系下没有变化，但全固态时代下将被逐步替代。 隔膜在锂电池中存 在的价值即为隔绝正、负极材料，防止电池短路。固体电解质具备电子绝缘性和离子导电性，可 以逐步替代现有体系下的隔膜。

4. 重点企业分析（详见原报告）

锂行业和固态电池研究居前的公司 ：赣锋锂业（有色组覆盖）、天齐锂业（有色组覆盖）、宁德时代、比亚迪（汽车组覆盖）等。

优质二线电池厂逐步放量，即将出现业绩拐点，有望迎来价值重估 ：孚能科技、亿纬锂能、欣旺达、国轩高科。

部分中上游材料环节供需格局反转，六氟磷酸锂环节： 新宙邦、多氟多、天 际股份、永太科技。

材料环节： 璞泰来、恩捷股份、科达利、当升科技、中科电气、宏发股份、三花智控、法拉电子、翔丰华、星源材质、容百科技等。

锂电铜箔环节： 嘉元科技、诺德股份。

磷酸铁锂材料环节： 德方纳米、龙蟠科技、湘潭电化。

5. 风险提示

固态锂电池技术进步超预期、新能源汽车需求增速不及预期等。

（报告观点属于原作者，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）

精选报告来源：【未来智库官网】。

智能制造系列研究 锂电设备二十年进化史

在《智能制造走向深水区》一文中，我们重点阐述了装备和工艺在制造业中的重要性。装备对于终端产品制造的品质起着决定性的作用，产品越是品质要求高、一致性要求严、强调安全性，装备的重要性就越发凸显。装备通常是支撑起一个产业的发展，而产业也只有通过持续的技术创新才能带动装备制造企业向前发展，微观上就体现为装备承载工艺，工艺引领装备。

本文希望通过对中国锂电产业发展历史的回顾与总结，带领读者朋友们体会锂电设备二十多年来的进化历程、锂电设备是如何支撑我国锂电池行业一步步从手工作坊式的生产走向智能制造的，以及新形势下锂电产业还存在哪些数字化智能化的机会。文章最后总结了装备制造业发展的几点规律。

产业初期靠人工取胜

锂电池的产业化发源于日本，具体是从1991年索尼生产18650圆柱电池开始的，锂电池一开始的应用领域是数码玩具市场，后续锂电池在消费电子领域的应用可以说横跨了传统手机和智能手机两个时代。

产业发展初期，锂电池市场几乎被松下、三洋电气、东芝等少数几个日资企业控制。这些企业在材料、电池工艺方面都建立了深厚的壁垒，与产业链上下游企业进行紧密合作，生产上已然高度自动化。在2000年以前，日本的锂电池企业占据全球95%以上的市场份额。

国内锂电池行业的起步则开始于比亚迪，1998年比亚迪进入手机锂电池市场，凭借国内低廉的劳动力和技术改造后形成的成本优势，比亚迪的电池价格可以比日本三洋平均低40%。由此比亚迪产能和市场份额迅速扩大，陆续为摩托罗拉、诺基亚等主流手机厂供货，2005年日本东芝抵挡不住中国锂电池企业的价格战，直接宣布退出锂电池市场。

这一阶段国内锂电池生产模式主要是将低成本人力与自动化设备结合，锂电池制造商通常只在几道精密工序上使用单台的自动化设备，其他精度要求较低的环节以及中间物料运送都是人工操作。相较于日本的全自动化产线，这种以人力为主的生产线投资成本很低，柔性生产能力也很强。

这种生产模式的成功之处在于当时中国的劳动力价格非常之低，2003年我国制造业员工的平均工资水平大约仅为日本的1/23[1]。

锂电设备重要性提升

这种劳动密集型的发展方式不可能一直持续下去，一方面2007年之后日本三洋电机在北京、天津新建生产基地，松下和索尼在无锡投资建厂，以求削弱国内厂商的成本优势，另一方面站在2007-2009年的时间节点上看，市场已经开始预计笔记本电脑和电动汽车将成为锂电池未来主要的应用领域，这两个市场对于锂电池品质要求更高，同时中高端手机锂电池的份额也将增长。高端锂电产品对生产工艺精度的要求更加严格，我国锂电池生产商需要提高设备比重和自动化程度以满足锂电生产工艺的技术提升需求。这意味着依靠人工生产中低端锂电池的企业将丧失竞争优势，自动化锂电设备将成为未来高端电池大规模生产的关键环节。

图片来源：2009年ITT锂电池市场预测报告[1]

国内电池生产企业开始转变观念，对锂电设备的重视程度逐步提高，很多企业开始更多引进日韩高端锂电设备，同时也有自建团队开发自动化设备和装配线。但是国外设备价格较高，也不适配国内厂商的原材料（浆料和基片，基片时为铝箔和铜箔）。而且日韩出于技术保护的考虑，对我国锂电企业出售的基本都是相对落后的设备产线，买家也仅限于比亚迪、力神和比克等少数几个头部企业。

这些市场变化和特点为国内设备企业创造了良好的市场条件。国内头部锂电企业的转向将提高国内锂电设备的市场空间。国内锂电设备厂商也开始充分利用自身优势争夺市场份额。

首先，国内锂电设备厂商会根据国内电池厂商的原材料情况和各环节工序状况来个性化开发设备、制定设备状态，例如在极片有蛇形弯、厚薄不齐的情况下提升生产自动化程度。第二，国内设备价格普遍较低，大概是日韩设备的一半或三分之一。此外，国内设备厂商售后服务响应速度更快，很多设备厂商都能在48小时内到达客户现场解决问题，对于ATL一类的大客户，甚至可以达到4小时之内的响应速度。而很多进口设备售后服务需要提前一个月甚至是三个月预约，零部件更换价格也很高昂[2]。于是，众多电池厂商开始放弃进口设备，引进国产设备。

国产替代进行到2013年时，锂电设备国产化率已经逐步上升至30%以上。当时的力神除了关键性的如检测设备主要使用进口外，其它比如化成等环节，国产设备发展较为成熟的基本都已实现国产化。ATL的生产检测设备也主要使用了国产设备。

但是在2007-2013年期间，大多数锂电设备企业规模仍然较小，产品单一，技术能力普遍较弱，即使到了2013 年，国内锂电池设备行业中产值在1-3亿元之间的企业也只有13家，其他265 家锂电池设备企业营收均不超过1亿元[3]。下图为2014年国内部分锂电设备企业锂电设备的营收情况。

图片来源：中国化学与物理电源协会（单位：亿元）

其中原因主要是很多锂电池厂商是跟随产业政策风向而来，先前并不具备锂电池的制造基础，这些企业数量较多，大多数为了追风口赚快钱，所以不使用性能高价格贵的设备，进而带动了一些技术能力较低的锂电池设备企业进入市场。此时整个锂电行业还处在低价竞争的状态，国内60%-70%的锂电池都属于中低端产品。

国内很多主要的锂电设备制造企业也都是在2005年前后才进入锂电设备行业，技术、管理水平也制约了企业的发展，设备企业之间抄袭压价之风也很厉害。

总体上看，这一时期国产锂电设备与国外先进设备还存在一定的差距，自动化程度不高，比如工人使用半自动卷绕机时通常需要拉着隔膜边踩边卷绕，设备稳定性相对较低，测控系统落后，生产效率较低等。设备还不能完全满足高标准动力锂电池的工艺要求。

此时，进口设备仍然占据着锂电的高端市场，全自动化生产线依然以进口为主。以涂布机为例，2013年国产涂布设备的涂布宽度仍无法达到日韩设备的水平。国内企业还未掌握高端精密设备的核心控制技术及零部件，比如涂布机测厚装置基本都是进口产品，锂电设备的核心零部件如控制器及伺服驱动系统，大多采用的是日本安川、松下的产品，涂布头也多为进口。此时的国产伺服电机还都处于小批量试用阶段，无法替代国外产品。

同时期，国内有一些锂电设备企业在充分借鉴国外锂电设备制造技术的基础上，开始自主研发全自动化锂电设备，部分国产锂电设备自动化程度和技术精度逐渐接近国际水准。国内进行设备国产替代的同时也开始向海外小批量出口，例如2010年浩能科技研发生产的锂电池间歇式挤压涂布机在国内外获得13台订单，其中日本TDK就订购了3台[4]。先导智能在2012年开始接触ATL动力电池研发团队，得到了ATL的认可，开始进入动力锂电池设备行业。先导智能研发的18650电池卷绕机可以达到每分钟30个电芯的生产速度，超过了当时特斯拉电池供应商松下的设备生产效率。

在即将到来的产业扩张时期，这些对技术、管理水平要求高的企业将会抓住机遇发展壮大，而其他瞄准中低端客户的设备企业将被产业浪潮所吞噬，这一点我们后续会谈到。

据中国化学与物理电源行业协会统计，2012年我国锂电池市场规模达到 317 亿元，同比增长约40%左右。我国锂电池产量已经占全球锂离子电池总产量约40%左右，并且逐年增加。根据高工锂电统计，2013年中国锂电池设备产值达到了29亿元，同比增长 21%，其中设备更新占比为24%。

动力锂电池在2012年和2013年的产量分别为2.1亿只、2.9亿只，增长平稳。在波澜不惊的水面之下，一场被市场期待已久的产业扩张正在孕育，并将给锂电及锂电设备行业带来翻天覆地的变化。

下游新能源汽车需求首次爆发，带动上游锂电设备国产替代

其实早在2006年，北京七星华创电子股份有限公司（后被战略重组为北方华创科技集团）就已经开始研发动力锂电池的制造设备[5]，但是动力锂电池真正的爆发要等到8年之后。2014年我国动力锂电池产量达到7.1亿只，仅隔一年就翻了一番，2015年的增长更为夸张，产量直接达到了29.1亿只，即在短短两年时间里动力锂电池产量就增长为2013年的10倍，一举超过消费型锂电池，市场占比达到52%[6]。

图片来源：中国电池工业年鉴2016

动力锂电池产量暴增的背后是下游市场新能源汽车销量开始增长，根据中汽协统计，2013年我国新能源汽车销量仅有1.76万辆，2014年我国新能源汽车销量就增长到7.48万辆，同比增长324%，2015年产量和销量分别达到了34.04万辆和33.1万辆，同比增长3.3倍和3.4倍，是2013年的30多倍。

随着动力锂电池需求大幅增长，动力电池迎来了真正意义上的产能扩张期。首先是现有动力电池企业通过定增募资、增加投资等方式扩大产能，2015年6月，比亚迪投资60.23亿元进行动力锂电池扩产。其次，一些消费锂电池企业开始转向动力电池市场，如亿纬锂能等。还有一些整车企业也开始向上游延伸，如北汽、吉利等。此外，国外锂动力电池巨头也加入扩产大军，如彼时全球排名第一的锂动力电池供应商松下以及三星SDI、LG化学纷纷在中国投资建厂。

2015-2017年成为动力电池新产线上线的密集期，动力电池供不应求使得电池企业迫切需要快速形成产能，这就对锂电设备交付周期的要求大大提高。前文中我们提到国产锂电设备企业快速响应和个性化开发能力此时就展现出了优势，加上国产锂电设备经过前几年的发展，性能上已经十分接近国外设备，价格也相对较低，国内锂电设备企业就在这一轮产能扩张周期中加速进入下游锂电池企业的供应体系。锂电生产设备国产化率迅速提高，2016年国产化率已然从2013年的30%左右上升至50%左右。锂电设备企业在2016年普遍感受到订单激增且一直延续到2017年。

产能扩张带来设备需求激增最终体现在锂电设备企业的营收上，先导智能锂电设备营业收入2013年、2014年和2015年分别为2296万元、15179万元和35950万元，分别同比增长643%、561%和137%。赢合科技锂电设备营业收入2013年、2014年和2015年分别为20468万元、21525万元和36517万元，分别同比增长26.64%、5.16%和62%。赢合科技和先导智能也先后在深交所上市。

到2016年，国内锂电设备企业大约有150家，年产值在1亿元以上的企业就有近40家。国内锂电设备产值2017年突破了150亿元，国产化率达到85%，2015～2017年我国锂电设备产值平均复合增速高达58.04%。

行业集中度上升，龙头企业初现锋芒

由于动力锂电池行业本身对企业技术、资金壁垒要求更高，大企业产线规模效应更为明显，设备企业订单日益向大企业集中，锂电设备企业明显感受到订单增长已经由过去锂电池企业数量增长转变为大客户采购集中度上升。

2016年11月22日工信部发布的《汽车动力电池行业规范条件》（2017年）的意见稿对动力电池企业的年产能门槛提出更高要求（≥8GWh），这一要求是之前的40倍，明确了产业政策提质培优的战略目的。

在市场机制和产业政策的双重影响下，动力锂电池行业集中度进一步上升，优质企业市场份额获得提升，与头部锂电企业合作的设备厂商更多享受到了这一轮产能扩张的红利。

这一时期宁德时代凭借自身在三元和磷酸铁锂上的技术储备、以客车为利基市场以及外供第三方的优势，在2017年超过比亚迪成为当年动力锂电池出货量第一的企业。而和宁德时代紧密合作的先导智能收入在2017年达到了21.77亿元，同比增长101.75%，进一步拉开了与赢合科技之间的差距。

图片来源：高工锂电，中国锂电新能源产业投资发展报告[7]

享受增长红利的同时，锂电设备企业，特别是头部企业在自动化技术、业务扩张和信息化数字化建设等三方面下足了功夫。

技术方面， 锂电企业为了追求规模效应和更高品质对锂电设备企业提出了更高要求，于是锂电设备开始呈现高精度、全自动化、一体化的发展趋势。

在动力锂电池等大容量电池领域，车用锂电池通常是上千个电芯串联成组以保证能量密度。每个电芯规格统一、性能稳定决定了整体电池组的性能和质量，因此对电芯的一致性要求很高。

设备加工精度和自动化程度将直接影响锂电池的性能和一致性。锂电池制造中的主要工序、设备及其功能作用见以下图表。

图片来源：公司公告、公开资料整理

图片来源：公开资料整理

每个环节的加工设备都会影响电池的宏观性能表现，例如前段设备中搅拌机会影响浆料的批次稳定性，涂布和辊压会影响极片集流作用、能量密度等性能，中段的卷绕和叠片精度会决定电池容量和一致性等，后段的模组和PACK设计会影响电池包的散热性。锂电池良品率会受到每一道工序工艺效果的影响，因此锂电设备是保障电池性能和电池企业产出收益的关键[8]。

锂电设备企业需要将锂电池制造的工艺细节、工艺参数融入到设备的设计和制造中，以此确保锂电池制造精度。由此研制的全自动化的锂电池生产设备可在实现锂电池生产工艺的基础上，使制造的锂电池具有较好的一致性，从而保证锂电池具有较高的安全性。

锂电池生产过程中的关键工序为卷绕和叠片，其中卷绕的核心技术包括张力控制、卷绕控制和自动纠偏等。如果张力控制不好，会使材料分层或出现 S 型皱褶，严重影响产品的一致性。而锂电池的容量与卷绕的圈数和长度密切相关，精度控制技术就至关重要。部分锂电设备企业在这方面开始超越国外同行，例如先导智能卷绕技术可将张力波动范围控制在5%以内，对齐偏差度小于0.3mm，韩国KOEM同时期张力波动范围控制在8%以内。

一体化方面主要是指将不同工序集成为一台机器进行，例如先导智能根据各类客户需求总结研制开发了集锂电池生产过程不同工艺流程的多功能机器，比如焊接卷绕一体机是将极片的焊接和卷绕两道工序在一台机器上实现，可为锂电池企业缩短工艺流程，节省成本。先导智能、赢合科技及利元亨等锂电设备企业又陆续开发出辊压分条一体机、涂辊分一体机、激光卷绕一体机、激光模切分切一体机和切叠一体机等设备。

此外，锂电池设备厂商开始从专注于生产单一环节的设备，向其他环节延伸形成整线方案。

从技术方面来说 ，这种延伸可以降低锂电池生产线的调试成本、提高锂电池生产的自动化水平，因为不同厂商的单机设备之间工艺交互并不顺畅，各环节设备的控制软件之间协同性不高，企业需要反复调试，导致整线产能爬坡较慢，而整线设备可以衔接更为紧密，自动化水平进一步提升，因此不同环节间设备的融合符合发展趋势。

从业务扩张角度来看 ，设备企业持续追求更大的市场规模空间和更高的规模效应，覆盖其他生产环节设备可以扩大设备企业自身市场空间和发展规模，整线方案也有利于设备企业和锂电池的新入局者们建立紧密合作。

因此，在技术发展趋势和业务驱动的双重作用下，这一时期锂电设备头部企业如赢合科技和先导智能在解决关键生产设备基础上，向整线设备方案供应商迈进，纷纷并购其他工序领域的设备厂商。例如，赢合科技率先提出要为客户提供整条生产线解决方案及其服务，打造锂电设备生产线订单交付的“交钥匙” 模式。赢合科技2015年收购新浦自动化，补齐电芯化成检测设备，打通了电芯生产设备线，2017年又收购了涂布机设备商东莞雅康，打通前中段设备。先导智能则在2017年收购后端设备供应商泰坦新动力。

锂电设备厂商的收购基本都是围绕着增强公司在锂电行业核心竞争力和议价权展开的。不同设备厂商之间上游供应商趋同、下游客户重叠，业务上具有较高的协同性，所以这些并购基本上都形成了较好的规模效应。

除了技术和业务方面的精进和拓展，锂电设备企业也开始注重修炼自身的“内功”。 由于锂电设备是一个典型的非标自动化行业，下游产能扩张会非常考验设备厂商的交付能力和柔性生产能力，对于产品质量、成本和交付的要求会进一步提升。因此为了提升自身生产管理和制造水平，头部锂电设备厂商开始陆续加快自身信息化、数字化建设。

先导智能2015年开始与IBM合作建立“先导云”和大数据中心，推进ERP系统建设，集成应用数字化协同平台，同时还自主开发MES生产执行管理系统，实现与PDM、ERP系统等综合集成，依托“先导云”平台，使设计高效协同、生产过程精准反馈、工厂生产实现智能化，增强自身竞争力。赢合科技也在2018年研发建设云平台，并自主开发MES生产制造执行系统，以实现企业装备研发设计协同和生产管控集成，同时研发利用数字化仿真技术，建立动力电池生产装备数据库和整线模型，以缩短产品研发周期。

产能过剩，产业进入调整期

产能扩张不是持续的，到2018年，产能扩张的好日子已经持续了3年，锂电行业产能过剩的问题愈发凸显。其实在2017年末，国内动力电池实际有效产能达到了110GWh，而产能利用率只有40%左右。2018年国内动力电池有效产能约在150-160 GWh，而2018年全年产量为70.6GWh，产能利用率低于50%，需求侧装机量虽然同比增长56.88%，但是总量仅为56.89GWh，远小于产量。锂电行业供过于求的程度进一步加深。（2017年动力电池装机量36.43GWh，产量44.5GWh）

行业竞争格局演变持续到2018年时，前五大动力电池厂商装机量已高达93%，产能占比却只有53%，行业中头部企业的优势和产能结构性过剩已经十分明显。2018年部分锂电池企业利润甚至转负，一些企业或因难以承受成本压力或因技术路线问题，纷纷出局。当年锂电池企业数量急剧减少，整个行业产能扩张开始停顿。锂电池企业毛利率的下降也传导至上游，锂电设备企业承受议价压力，毛利率也随之下降。2019年，新能源汽车政策补贴退坡，行业整体进入调整期，当年锂电设备企业的营收普遍仅有10%左右的增长。那些和头部锂电企业保持紧密合作关系的锂电设备企业则在风浪中站稳了脚跟，等待下一轮产能扩张周期的到来。

2014-2020锂电设备行业营业收入（亿元）及同比增速 数据来源：Wind，招商证券整理[9]

2020年Q3开始新能源汽车渗透率提升，引导锂电产业第二次产能扩张

2020年第三季度开始，新能源乘用车单月销量和渗透率已经开始抬升。2021 年新能源车开年销量更是大超预期。2021 年1-2 月，新能源乘用车零售销量分别达到15.5 万、9.7 万辆，同比大幅上涨3 倍、8 倍。2021 年1-2 月新能源乘用车的渗透率分别为8%、9%，远超去年同期水平。这一上升势头一直持续整个2021年，到2021年年末，12月新能源车国内零售渗透率达到22.6%，全年渗透率14.8%，相较2020年5.8%的渗透率大幅提升。新能源汽车从导入期正式迈入成长期，这一轮成长期引发的上游产能扩张自然也要比上一轮更为迅猛。

图片来源：乘联会

2020年下半年新能源汽车的增长趋势在2021年开年得到确认后，2021年1月动力电池企业纷纷宣布新的扩产计划，国内新增动力电池产能规划超过35 GWh，2021Q1动力电池新增产能规划超过470GWh。国外动力锂电池扩产潜力也非常巨大，欧洲本土产能不足也促使国内锂电池及设备企业纷纷出海。

这一次扩产上不仅是宁德时代、比亚迪和国轩高科等一线厂商加速，中创新航、蜂巢能源和亿纬锂能等锂电新势力也纷纷加入扩产大军。宁德时代规划到2025年公司产能至少达到520GWh，国轩高科2025年产能规模要达到300GWh，蜂巢能源规划2025年总产能要达到600 GWh。

除了产能方面电池企业纷纷向更高产能目标冲锋，这一回各家锂电池企业包括整车企业在电池材料、工艺和结构上都搞起了技术创新。首先是比亚迪高调推出刀片电池，宣告能量密度提升的磷酸铁锂又杀了回来，2020年三元和磷酸铁锂的装机量占比上也已经体现了这一点。蜂巢能源采用叠片技术替代普遍应用的卷绕技术，并推出自主研发的短刀电池系列。特斯拉推出4680圆柱大电池并实现单月100万块的量产水平。还有材料方面如高镍三元、无钴等正极材料，系统集成方面的CTP/CTC技术等等层出不穷。虽然目前看这些创新还不具备非常强的颠覆性，但是为锂电行业带来了新的活力。这些电池技术创新也将引领锂电设备企业研发适配新工艺的新型锂电设备，旧有的落后产能将被淘汰。

锂电设备企业在新一轮产能扩张中呈现出新的发展趋势：

技术方面注重提升设备智能化水平

相较上一轮产能扩张时国内锂电设备还在向全自动化迈进，新时期锂电设备企业开始将智能控制技术融入装备之中。例如，先导智能的叠片设备采用多重闭环控制技术确保叠片精度，并能完成自适应智能程序优化使得整机综合稼动率可达到80%以上，节省调试时间。叠片机还采用AI算法技术以实现叠片过程包覆的全监控；支持不良极片自动剔除。先导智能还将机器视觉技术融入叠片设备，实现了从制片缺陷、叠片overhang到电芯外观的全过程智能化检测。先导自研的卷绕机配置伺服闭环低张力精密控制系统和卷绕张力实时测量监控功能，将张力波动控制在≤±3%的水平。科瑞技术也在叠片精度控制方面和高校合作展开研发，采用神经近似内模和迭代学习控制相结合的方法来改进叠片工艺中隔膜纠偏效果[10]。

整线交付方案作用更为突出，头部设备企业加大新技术投入

由于一、二线电池厂商均在加速扩产，整线产品交付速度更快、价格较低、整体自动化程度更高的优势显现出来，整线交付有助于锂电池企业快速形成新产能。锂电设备企业则需要考虑产线整体的工序连接、上下游设备匹配和厂内物流等问题，特别是需要考虑整线的设计布局。整线不是简单把前端、中端、后端的设备进行拼凑，需要专业技术团队深入了解锂电池生产工艺，通过工序优化、前后产能平衡设计、加大新技术运用等，为下游企业提供稳定、可靠、效率高的整线方案。

整线生产除了设备自动化，还要实现中间物料转运的自动化柔性化。设备企业针对厂内物流开发智能物流系统，例如在锂电生产的涂布、模切和卷绕工序，设计开发相应的AMR，实现卷料的自动搬运和自动上下料和锂电前段工序的无人化物流，提升生产线整体协同性。再比如建立智能化、自动化立体库实现智能仓储，并通过堆垛机和立体仓完成原料处理、成品收发货、成品存储管理等，可提高空间利用率，提升仓储物流效率。先导智能和赢合科技都在AMR技术领域开展了相应研发，赢合科技还在软包590组装线上研发应用了高速磁悬浮物流技术。

设备企业开始由硬件销售切入软件服务

为了满足下游需求、提高客户粘性，锂电设备企业开始由单纯的硬件装备供应商开始转变为同时交付软硬件产品的整体智能制造解决方案供应商，软件的作用日益凸显。如先导智能2021年定向增发募集资金用于投建锂电智能制造数字化整体解决方案研发及产业化项目，该项目包括了机器视觉、智能物流、数字孪生和MES软件四部分，这意味着锂电设备企业的数字化、智能化投入已经从内生发展到外延，成为提升客户粘性、增强产品竞争力的一部分 。

机器视觉部分，先导智能希望通过自主研发深度学习算法模块，实现低对比度、形状多变缺陷目标的像素及精度提取，提高分类检测效率，减少人员参与，进而提高整线生产效率和质检精度。

先导智能希望开发适用于下游锂电池和新能源汽车企业的数字孪生解决方案，通过生产线设备的仿真测试及虚拟调试等功能实现智能工艺规划设计，即在虚拟调试中根据客户需要不断优化于涂布、辊压、分切等设备的工艺参数，优化物料流控制策略，从而缩短项目交付周期、提升设备性能及可靠性，以满足下游客户快速形成实际产能的迫切需求。

赢合科技早在2015年就成立子公司慧合智能专营锂电行业MES软件。利元亨在2021年成立海葵智造，将自研的MES软件系统与工业物联网等技术结合，整体构建为锂电行业的数字化工厂解决方案，帮助锂电企业提升生产管理水平。

可以看出，锂电设备企业不再单单把销售硬件设备收入作为唯一的收入来源，开始形成软硬结合和虚实融合的整体智能制造解决方案，希望以此深度绑定下游客户并形成新的增长曲线。

加强自身数字化建设

为了应对日益紧迫的交付压力，锂电设备企业开始进一步加强自身数字化建设，赢合科技2020年开始推动数字化管理升级，将数字化管理升级列入三年重要发展战略之一，力图形成全流程可追溯管理、数据透明、指标量化、管理闭环的数字化管理体系。在产品设计阶段，赢合科技运用仿真技术模拟产品全生命周期状态，缩短产品开发周期，降低试错成本。先导智能则开启工业互联网平台建设，希望以此打破非标装备制造企业生产管控难、产能规模提升难的瓶颈，满足锂电设备多品种小批量的柔性化生产研发需求。

图 先导智能工业互联网平台建设体系

出海国外

市场拓展方面，国内锂电设备企业产品已经从实现国产替代发展到出口海外市场，比如先导智能2021年海外营收已经超过14.78亿元，订单占比超过30%，已经落地的海外客户包括宝马和Northvolt等。

和下游锂电池企业绑定更为紧密

外部合作上，锂电设备企业与下游电池厂商的战略合作更为紧密，原因在于这一轮扩产对于头部电池厂商来说也并不轻松，为了守住市场份额必须保障上游供应链的稳定。

比如LG新能源和赢合科技2021年开展共享专利和前沿技术成果的研发活动，已共同开发了七项核心技术专利，赢合具有三年的使用期限。

宁德时代在2020年与先导智能签订战略合作协议，宁德时代鼓励先导智能在未来新电池技术研发流程的 DVT（Design Verification Test，设计验证测试）阶段，参与联合研发并提供设备的研发和配套。依托宁德时代在前沿电池技术路线上的指引和设备研发使用的反馈，先导智能将深入理解锂电生产工艺，对电池前沿技术将具备更加敏锐的感知力，节约大量的研发资源，有助于先导设备快速优化设备工艺。宁德时代还将为先导智能开拓汽车客户销售PACK产线产品提供渠道便利。

两次产能扩张对比

从两次产能扩张周期对比来看 ，锂电设备企业在技术、业务、自身数字化水平、外部合作等方面在两次产业浪潮来临后都迈上了一个新台阶、不断深化。

技术方面 ，第一次产能扩张时期，锂电设备从半自动化走向自动化。第二次产能扩张，锂电设备开始加强智能化。 这背后其实都是锂电池企业提升电池制造技术水平的需求所决定的。

本轮锂电设备企业智能化外延的动力就来源于锂电池企业对实现智能制造的迫切需求 。首先，这一轮扩产使锂电行业从GWh时代走进了TWh时代。锂电行业产能建设周期为6-9个月，真正形成产能还需要爬坡3个月左右。下游需求又日益呈现出多种型号混产的趋势。所以锂电池企业需要智能制造技术来满足自身快速形成产能、规模效应以及柔性生产的需求。

近年来锂电池企业推进智能制造动作频频，宁德时代在2021年投资入股工业智能化企业安脉盛，成立子公司宁德时代润智软件，在AI技术应用方面先后与腾讯云、英特尔等大厂展开合作。蜂巢能源为保障实现大规模高效率生产，建设了车规级动力电池AI智能工厂，AI智能制造成为其四大支撑战略之一，将AI技术应用于容量预测、焊接技术、自放电检出等工艺环节。

数字化方面 ，每一次产能扩张都会促使设备企业加强自身数字化建设，数字化投入的动力来源主要是需要形成更强的交付能力来应对业务的快速增长，这种数字化建设需求更为刚性。而且在第二次产能扩张中，锂电设备企业更是将数字化能力从内生推向外延，希望通过交付软件技术帮助下游客户实现数字化和智能制造，打造新的盈利点。

业务拓展方面 ，锂电设备企业在第一次产能扩张时开始出现整线路线，到近期整线方式又得到进一步完善，补充了机器视觉、AMR等新技术。客户上，锂电设备企业不只是向海外拓展，也向产业链下游的汽车企业延伸，未来整车厂甚至将参与电池生产，锂电设备客户将是电池厂与整车厂并存。

外部合作方面 ，在早年发展时期，国内锂电设备企业和锂电池企业研发上的合作可以说是几乎没有，设备企业不懂电池，电池厂也很难找到匹配自己需求的设备。第一次产能扩张后，几个和锂电池厂商合作紧密的设备企业快速增长，双方合作程度日益加深。到第二次产能扩张来临后，双方的合作更是上升至战略合作关系。

对于装备企业来说，绑定大客户本身既是其技术产品品质的体现，可以为市场提供一种信号效应，又是企业发展良性循环的开始。 因为头部大客户对于产品技术的要求会更为严苛、理念会领先行业，装备企业在为大客户供货过程中会不断学习前沿的工艺要求提升自身装备产品质量，将形成产品品质-销量的良性循环。而这一切的起点恰恰在于装备企业对于自身技术的严格要求。

产业发展规律浅析

从产业发展的角度来看，锂电产业发展从最初的劳动密集型逐渐转变为技术密集型、资本密集型产业，折射出我国从最初依靠低价劳动力的经济发展方式，正在逐渐转变为以技术创新为主导的发展方式。我国锂电产业逐步掌握全球产业链话语权的背后是无数市场主体在吸收借鉴国外产品基础上坚持自主研发锂电池产品，而不是单纯依靠国外的技术路线和供应链体系，逐步从产业链中低端迈向高端领域，证明了产业的比较优势是可以锻造出来的，并不是一成不变的。

锂电池行业发展壮大的背后是锂电设备行业的鼎力支持，锂电设备行业也在锂电池第一次产能扩张时期抓住时机实现了国产替代，在第二次产能扩张周期走出国门赢得海外订单。

可以看出，锂电及其设备行业带有明显的周期性。下游行业需求增长传导至上游，产能错配供给不平衡将带动上游产能扩张，每一次产能扩张也都会带动上游原材料的大涨。判断产能周期可以从产能供需状况、产能扩张速度、锂电池价格以及锂电池企业利润水平等维度入手 。

锂电设备行业的发展也体现出装备制造业的一些发展共性 ：一是设备企业会逐步从单机设备到覆盖多环节乃至整线；二是设备企业会逐步从单纯销售硬件设备转变为同时软硬件产品；三是装备制造企业要把握住新兴细分市场产品的高速增长期，在产业混沌的初期就要寻找有对产品有高品质要求的优质客户，因为装备制造企业的增长取决于下游终端产品的增长。以上这些也在其他装备制造行业上演过类似的故事。

我们可以体会到设备企业的核心竞争力不只是表面上的硬件设备，而是对电池制造工艺的深刻理解和产线整合及服务能力，其实产线整合及服务能力本身也是建立在对制造工艺的熟稔程度之上。 无论是整线交付，还是后来的智能物流、机器视觉和MES以及数字孪生，都是锂电设备企业基于工艺理解提升自身的服务能力进而提升客户粘性的手段。一整套生产线从头到尾都交付得有始有终，客户又怎么会轻易更换供应商呢？快速形成实际产能不就得靠这样的设备供应商么？

综合以上对发展历程的回顾，我们发现锂电池及其设备行业已经进入了数字化和智能化的新发展阶段，那么新阶段下的行业又有哪些新机会？其实不难看出，我国锂电行业硬件设备已颇为成熟，但是软件侧仍很薄弱，设备企业和电池厂商也都在加强软件的研发，这其实也是初创公司在锂电行业的机会点。

初创公司机会侧重在软件算法侧，硬件装备也具有一定机会，比如工业机器人和AMR等，但AMR厂商也需要注重调度算法层面的技术储备，如此可以更深入地介入锂电池企业和整车厂客户，提高客户粘性。

软件侧的机会主要有以下几个方面：

智能化焊接技术和锂电池多尺度设计仿真在学界和业界的前沿进展具体在《智能制造走向深水区》一文中已有较为详细的论述，此处不再展开。

掌握新技术的初创企业可以与设备企业、锂电池企业合作，深入生产场景中共同开发智能制造技术，相信越来越多的初创企业将为行业带来新的活力。

写在最后

锂电池制造工艺引领锂电设备的发展，而锂电设备承载着电池制造工艺。行业内有句话，电池生产的工艺技术水平有多高，设备产品的技术水平就有多高。两者是紧密结合的。锂电技术在材料、结构及系统工艺方不断涌现创新，锂电设备才能持续发展。

产业浪潮起起伏伏，没有无缘无故的扩张兴起，也没有无缘无故的过剩淘汰。回归制造业本源，只有立足技术创新，企业才能抓住稍纵即逝的时机勇立潮头，才能在潮水退去时稳如磐石。产业的生机勃勃，靠的也正是技术创新这一股源头活水。

参考资料：

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