锂电池历史 智能制造系列研究 锂电设备二十年进化史

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：

锂离子电池漫长而曲折的诞生之路

可充电锂离子电池诞生至今已有50年， 其价值显而易见。可充电锂离子电池被用于数不胜数的笔记本电脑、手机、电动工具和汽车中，全球销售额每年逾450亿美元，未来10年将超过1000亿美元。

然而，这项变革性的发明却用了近20年时间才走出实验室，虽然美国、欧洲和亚洲的多家公司都曾考虑过这项技术，但这些公司并未能认识到它的潜力。

1972年，埃克森公司的M.斯坦利•惠廷汉姆（M. Stanley Whittingham）开发了初代版本的锂离子电池，但并未持续发展多长时间。埃克森公司进行了小批量生产，1977年，电池在芝加哥的一个电动车展上亮相，随后短暂地充当了纽扣电池的角色。但后来埃克森放弃了该产品。

之后世界各地的科学家纷纷开始研究这一技术，但在近15年的时间里均未取得成功。直到最后，合适的公司在恰当的时间成功完成了研发，使其最终踏上了占领电池世界之路。

20世纪70年代初，埃克森公司的科学家预测全球石油产量将在2000年达到峰值，之后开始稳步下降。该公司鼓励研究人员寻找石油的替代品，追求一切非石油相关的能源形式。

1972年秋，新泽西州埃克森研究与工程公司一名年轻的英国化学家惠廷汉姆加入了这项工作。圣诞节前夕，他开发了一种电池，该电池以二硫化钛作为阴极，使用锂离子作为电解液。

惠廷汉姆的电池与之前的任何电池都不同。其工作原理是将离子插入电极材料主体的原子晶格中，该过程称为嵌入。其性能也前所未有：既可充电，又具有很高的能量输出。在此之前，最好的可充电电池是镍镉电池，其最大输出电压为1.3伏。与之相比，惠廷汉姆的新化学电池的输出达到了惊人的2.4伏。

1973年冬，经理把惠廷汉姆叫到公司的纽约办公室，让他出席埃克森公司董事会一个小组委员会的会议。“我进去做了说明——5分钟，最多10分钟。”2020 年1 月惠廷汉姆这样对我说，“不到一周，他们就说，好，他们想投资这个项目。”

这似乎是某个大事件的开始。惠廷汉姆在《科学》杂志上发表了论文；埃克森公司开始生产纽扣型锂电池，瑞士手表制造商Ebauches将此种电池用于了太阳能充电手表。

不过20世纪70年代末，埃克森公司对石油替代品的兴趣减弱。此外，该公司高管认为惠廷汉姆的概念不太可能获得广泛成功。他们放弃了二硫化钛锂电池技术，将该技术授权给了分别在亚洲、欧洲和美国的3家电池公司。

“我理解公司这样做的理由。”惠廷汉姆说，“这个市场还不够大。我们的发明太超前了。”

在可充电锂电池的众多错误的开端中， 这是第一个。牛津大学的约翰•B.古迪纳夫（John B. Goodenough）是接过接力棒的下一名科学家。古迪纳夫熟悉惠廷汉姆的工作，部分原因是惠廷汉姆在牛津大学获得了博士学位。1978年，惠廷汉姆发表了一篇题为《嵌入型化合物的化学性质：硫属主体中的金属客体》的论文，这篇论文让古迪纳夫确信，锂是电池研究的前沿课题。（古迪纳夫于2023年6月25日去世，享年100岁。）

古迪纳夫和研究员水岛公一（Koichi Mizus-hima）开始研究嵌入型锂电池。1980年，两人改进了惠廷汉姆的设计，用钴酸锂代替二硫化钛。新的化学物质将电池的电压提高了2/3，达到了4伏。

2008年，古迪纳夫在回忆录《见证恩典》（Witness to Grace）中回忆道，自己给美国、英国和欧洲大陆的电池企业写了信，希望找到一家合作伙伴。但他未能如愿。

古迪纳夫还要求牛津大学支付专利费用，但牛津大学拒绝了。像当时的许多大学一样，牛津大学并不愿涉足知识产权，认为此类问题仅限于商业领域。

尽管如此，古迪纳夫对自己的电池化学技术仍然信心十足。他参观了英国原子能研究所（AERE），这是一家政府实验室，位于距牛津大学约20公里的哈维尔。该实验室同意为其专利提供资金，前提是这位59岁的科学家和他的共同发明人水岛签署协议，放弃其财务权利。两人同意了这一条件。实验室于1981年获得专利；古迪纳夫从未得到过有关原始电池的任何收益。

对于英国原子能研究所而言，这应该是最大的意外收获。它没有做任何研究，现在却拥有了一项专利，其价值将是天文数字。但实验室的管理人员并未预见到这一点。专利归档后，管理人员便将其束之高阁。

可充电锂电池的下一个支持者是日本朝日化学公司34岁的化学家吉野彰（Akira Yoshino）。 吉野当时已开始独立研究在电池中使用塑料阳极（由导电的聚乙炔制成），并在寻找与之匹配的阴极。吉野在自传《锂离子电池打开未来之门，发明家背后的故事》（Lithium-Ion Batteries Open the Door to the Future,Hidden Stories by the Inventor）中回忆道，1982年的最后一天，在整理办公桌的时候，他发现了一篇1980年以古迪纳夫为联合作者的技术论文。这篇论文介绍了一种锂钴氧化物阴极，吉野拿到文章后一直没时间阅读。这种阴极能与他的塑料阳极结合使用吗？

吉野和一些同事将古迪纳夫的阴极与塑料阳极搭配。他们还尝试将阴极与其他各种阳极材料搭配，这些材料大多由不同类型的碳制成。最终，他和同事们选定了由石油焦制成的碳基阳极。

选择石油焦是一个重大的进步。惠廷汉姆和古迪纳夫使用的阳极由金属锂制成，金属锂易挥发，甚至有危险。通过改用碳基材料，吉野和同事们制造的电池远比之前安全。

不过问题依然存在。首先，朝日化学是一家化学公司而非电池制造商。朝日化学没有人知道如何以商业规模生产电池，该公司也不具备生产电池所需的涂层或缠绕设备。研究人员只制造了粗糙的实验室原型。

随后，朝日化学的研究主管栗林功（Isao Kuribayashi）登场，他曾是该电池制造团队的一员。在他所著的《无名电池不为人知的故事》（A Nameless Battery with Untold Stories）一书中，栗林讲述了他和一位同事如何在美国寻找顾问以帮助制造电池。一位顾问推荐了一家名为电池工程（Battery Engineering）的小公司，该公司位于波士顿海德公园地区的一个改装卡车车库，由一小群博士科学家经营，这些科学家是制造特殊电池的专家。他们制造的电池用途广泛，包括战斗机、导弹发射井和井下钻探平台等。

于是1986年6月，栗林和同事带着3个分别装有阴极、阳极和电解质浆体的罐子飞往波士顿，突然出现在了电池工程公司的会议上。他们请该公司的联合创始人尼古拉•马林奇科（Nikola Marincic）把这些浆体变成圆柱形电池，就像人们能买到的手电筒那样。

“他们说：‘如果你想制造电池，那就别再问问题了。’”马林奇科在2020年的一次采访中告诉我，“他们没有告诉我东西是谁送来的，我也不想问。”

栗林和他的同事还要求马林奇科不能将他们的电池告诉任何人。直到2020年，就连马林奇科的员工也不知道自己参与了世界上第一批锂离子电池的预生产。

马林奇科公司生产一批电池要价3万美元（相当于今天的8.3万美元）。两周后，栗林和同事带着一盒200个C型电芯启程前往日本。

然而，即使手头有了可以工作的电池，栗林仍遭到了朝日化学董事局的抵制，他们还是畏惧进入一个未知的行业。

栗林并不打算放弃。 1987年1月21日，他访问了索尼公司的摄像机部门，做了一场关于朝日化学新电池的演示。他拿起一个C型电芯，在会议室的桌子上将电池滚到了该部门的与会代表面前。

栗林并未在书中透露更多细节，只是简单地写道，自己希望通过访问索尼公司来“确认电池技术”。

然而，索尼公司不仅仅是“确认”了这项技术。根据该公司历史记录，索尼当时正考虑自行开发可充电锂电池。看到旭化成的电池时，该公司的高管层意识到了它的巨大价值。索尼公司既是消费电子产品制造商又是电池制造商，因此其管理团队会从客户和供应商的角度来理解电池。

时机也恰到好处。索尼公司的工程师正在研发一款新型便携式摄像机（后来被称为数码摄像机），这款产品迫切需要更小、更轻的电池。对工程师们而言，栗林展示的电池仿佛从天而降的礼物。

随后，两方开了几次会。栗林表示，索尼公司的部分科学家被允许进入旭化成的实验室，反之亦然。最终，索尼提出合作，但朝日化学拒绝了这一提议。

由此开始，锂离子电池的商业化之路不明朗了。索尼公司的研究人员继续致力于开发可充电锂电池，索尼在其企业历史中声称此过程所使用的化学物质是该公司内部制造的。但索尼公司的电池使用了与朝日化学相同的基本化学物质。阴极是锂钴氧化物；阳极是石油焦；电解液中含有锂离子。

可以确定的是，从1987年到1989年这两年间，索尼公司的工程师们付出了艰辛，他们把粗糙的原型设计变成了产品。在电池工程师吉尾西（Yoshio Nishi）的带领下，索尼团队与供应商合作开发了粘合剂、电解质、分离器和添加剂。他们自主开发了阳极热处理工艺和大量生产阴极粉末的工艺。值得称赞的是，他们创造了真正的商业化产品。

到此，只剩下最后一步了。1989年，索尼公司的一位高管致电英国哈维尔的原子能研究所。这位高管问起了该实验室一项尘封8年的专利——古迪纳夫的阴极技术，表示索尼公司有兴趣获得该技术的授权。

哈维尔实验室的科学家和高管们都摸不着头脑。他们不理解为什么会有人对“新型快速离子导体电化学电池”的专利感兴趣。

当时的英国原子能研究所科学家比尔•麦克林（Bill Macklin）告诉我：“当时还不清楚这个市场会是什么样子，也不清楚市场会有多大。”一些年长的科学家甚至高声质疑英国原子能研究所与日本公司分享秘密是否合适，因为在二战中，日本是英国的敌国。不过，双方最终还是达成了协议。

1991年， 索尼公司推出了这款电池，并将其命名为“锂离子”这个人们如今耳熟能详的名字。很快，锂离子电池开始应用于便携式摄像机，然后是手机。

此时，距离惠廷汉姆的发明已经过去了19年。很多公司都曾有机会利用这项技术，但最终都以放弃告终。

首先是埃克森公司，该公司的高管做梦也想不到，锂离子电池最终会让电动汽车与石油能源汽车展开激烈竞争。部分观察人士后来表示，埃克森放弃此项技术是在合谋打压石油能源的挑战者。但埃克森公司也曾将该技术授权给另外3家公司，却未能有一家公司取得成功。

然后是拒绝支付专利费用的牛津大学。

最后是朝日化学，该公司高管层对是否决定进入电池市场犹豫不决。（1993年，朝日化学终于涉足该领域，与东芝公司合作生产锂离子电池。）

索尼公司和英国原子能研究所从电池业务中获利最多，双方的成功均得益于运气。英国原子能研究所只为一项后来被证明有价值的专利支付了法律费用，却经人提醒才想起自己拥有这项专利。虽然英国原子能研究所从专利中具体获利多少尚不清楚，但大多数观察人士认为，在专利到期之前，英国原子能研究所至少获利5000万美元，甚至可能超过1亿美元。

同时，索尼公司也幸运地接待了朝日化学的栗林，从而让索尼公司走上了电池商业化的道路。索尼销售了数千万块电池，然后将英国原子能研究所的专利再授权给其他20多家亚洲电池制造商，这些制造商又生产了数十亿块电池。2016年，索尼公司以175亿日元（约合今天的1.26亿美元）的价格将其电池业务出售给了日本村田制造公司。

惠廷汉姆、古迪纳夫和吉野这3位最初的研究者均未从这些利润中分得一杯羹。不过，这3位科学家获得了2019年的诺贝尔化学奖。索尼公司的吉尾西当时已经退休，并未入选诺贝尔奖，据日本每日新闻社报道，他在新闻发布会上抨击了这一结果。

回想起来，锂离子的早期历史现在看起来像是两个世界的故事。一个科学的世界，一个商业的世界，两者很少重叠。化学家、物理学家和材料学家默默工作，在技术出版物和会议上分享各自的成果。与此同时，商业世界并未期待科学家的突破，也并未发现新电池化学技术的潜力，即使是其自己的研究人员取得的进步也未得到重视。

如果不是索尼公司，可充电锂电池的光芒可能还会被掩盖多年。几乎可以肯定的是，这家公司之所以成功，是因为其特殊环境使它能够理解并欣赏栗林的原型设计。索尼公司当时已经进入了电池行业，需要为自己的新型摄像机提供更好的电池，并且一直在尝试开发自己的可充电锂电池。索尼的工程师和高管们清楚地知道这个难题的走向，认识到了许多人忽视的事实。正如一个多世纪前路易斯•巴斯德（Louis Pasteur）的名言所说的那样：“机遇青睐有准备的人。”

锂离子电池的故事表明，巴斯德说的没错。

作者：Charles J. Murray

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来源：悦智网

编辑：鱼非我

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