深度解读锂电池制造设备！

锂电设备分类：前道+中道＋后道

锂电设备是锂电池生产的基础，锂电池制作工艺复杂，整个生产过程涉及30多道工序，需多种设备配套完成，因此，锂电设备的工艺水平及其运行情况直接影响锂电池的性能及质量，是决定锂电池品质的关键因素之一。

从具体生产环节来看，锂电池的生产可分电芯制造和模组/PACK 两大环节，其中电芯制造包含极片制作（前段）、电芯装配（中段）和电芯激活测试（后段）三大工序：前道工序即正极、负极的制作；中道工序将电解液注入锂电池；后道工序为激活检测组装，即密封、质检、分选阶段。根据在锂电池生产环节中应用情况，锂电设备可分为前道设备、中道设备、后道设备。

图1 锂电池生产过程及所需设备

数据来源：民生证券研究院

在锂电池生产线中，前道工序成本占40%左右，中道和后道工序大致各占30%。在单个设备成本投入方面，涂布机占30%左右，卷绕机占20%左右，活化分容检测类设备占20%左右。

图2 锂电池生产线工序成本结构及各设备成本占比

数据来源：GGII，上海证券研究所

前道工序—电极制作及其相关设备

前道工序是基础，成本占比高达40%，其流程为：匀浆(搅拌)→涂布→烘干→辊压→分切

搅拌是将活性材料（钴酸锂、磷酸铁锂、三元材料 NCM 或 NCA 等）、溶剂等通过真空搅拌机搅拌成浆状，力求均匀、控制粉尘，对混料步骤、搅拌时间等有较高要求。涂布是搅拌好的浆料以均匀的速度抹到铜箔（负极载体）、铝箔（正极载体）上，以制作正极、负极。涂布需要保证正极、负极的厚度与重量一致，没有粉尘、杂物等混入。烘干的目的是将溶剂挥发出来。辊压是通过辊，将附着有正极、负极材料的极片进行碾压，让涂覆的正负极材料与铜箔（正负极载体）更加紧密，提升电池的实际能量密度，也可进一步保证正极、负极的厚度一致。分切包括极耳模切与分条。极耳模切是将压好的极片切割成导电极耳。导电极耳是将正负极引出来的金属导电体，通俗称为电池正负两极的耳朵，是电池充放电的接触点。分条是将压好的极片根据电池的尺寸进行切割。如特斯拉使用的 18650 电池，是指直径为 18mm、长度为65mm 的电池，最后的“0”代表圆柱形电池，则在生产 18650 电池时，应按照最终电池的尺寸，分切极片大小。极耳与正负极分切好后，还要进行点焊，将极耳焊接到正负极上。分切要求管控毛刺，由于锂电池的内部构造十分精密，正极、负极若毛刺过长，可能会扎穿隔膜，导致正负极直接接触（即短路）。

前道设备被运用在电极制作的各项生产工艺中，包括用于搅拌的真空搅拌机、用于涂布的涂布机、用于辊压的辊压机和用于分切的全自动分切机等。

涂布机是 前道核心设备，价值量最高

涂布设备具有较高的技术壁垒，为前段价值量最高的设备，占锂电设备价值量15-18% 。随着当代各类新型材料的发展、机械加工精度的提高、电气及自动化程度的普及、各种在线检测仪器的应用以及计算机在线控制等技术的发展，极大促进了涂布机技术的革新。同时下游行业技术不断进步，市场对涂布机的高速度、高均匀度、高稳定性、高生产效率、智能化要求不断提升，国内涂布机企业需要尽快提升技术工艺，攻克高精密涂布机领域，并与国际技术慢慢接轨，扩大国内涂布机行业在高端市场的占有率。

图3 锂电涂布设备市场规模

涂布机按照结构类型可划分为刮刀式、转移式和挤压式，挤压涂布应用于3C 、动力及储能电池。刮刀式主要应用于实验室，转移式涂布主要应用于3C电池的生产，挤压涂布主要应用于高端 3C 电池、动力电池、储能电池。其中，挤压涂布是这三种中最先进的技术，涂布速度快、精度高、面密度均匀，近年来由于动力电池生产需求高涨，挤压式涂布市场规模不断扩大，预计将保持较高增长率。

图4 不同涂布机产品

数据来源：信宇人招股说明书

中道工序—电芯装配及其相关设备

电芯装配的工艺流程为：卷绕或叠片→入壳→点焊或封装→注液或焊盖帽。

卷绕与叠片的目的均是将制作好的正负极片、隔膜组合起来，是完全相互替代的工艺。卷绕是指以卷绕的方式排列正极片、负极片、隔膜，叠片是将正极、负极、隔膜一层层叠起来。卷绕型工艺应用时间长，技术成熟、速度快、效率高、电芯一致性有保证，但对涂布要求高，且要求极片层有一定的弹性，否则在弯折处易脱落或断裂。叠片尺寸灵活、内阻比卷绕低（如采用同样材料）、内部散热性优良，可制作成各种形状的电池。

图5 卷绕、叠片工艺对比

数据来源：民生证券研究院

入壳是卷绕或叠片的下一步工艺。锂电池的包装分为两大类，一是以铝塑包装膜作为包装材料的软包电芯，二是金属外壳电芯，一般使用钢壳或铝壳，也有部分特殊用途的电芯采用塑料外壳。软包电芯采用热封装，而金属外壳电芯一般采用焊接（激光焊）。点焊是将极耳与外壳焊接，封装是将铝塑膜预留的用于密封的封头部分加热，使得熔化黏合在一起，再降温以固化黏结。注液将电解液注入到点焊好或封装好的电池中。注液后焊接好盖帽，锂电池电芯到此步已制作完成。

表 1 中道设备及其国内主要供应商

数据来源：各公司官网，东吴证券研究所

卷绕机vs叠片机

中道设备有一定的个性化需要，并且对精度、效率、一致性要求非常高。根据GGII数据，2022年中国锂电卷绕设备市场规模为125亿元，同比增长56.3%。市场集中度较高，销售额CR3达到60%-70%，先导智能是国内卷绕机龙头，其高速卷绕技术领先全球。卷绕机在国内发展了已有10年，通过近两三年运动控制技术的介入，有了很大的提升。比如，通过数学建模设计卷针的形状，再通过程序计算得到卷针的轨迹来实现变转速曲线。这样曲线的细节可以很清晰的体现出来，未来定向曲线优化，实现扁平卷针的高速变转速卷绕将更容易实现。

国家补贴政策对续航里程、电池能量密度要求越来越高，所以能量比更高的软包电池将逐渐受到市场的青睐，应用于软包电池制作的叠片机受到了更多的关注。2022年中国锂电叠片设备市场规模达到47亿元，同比增长68%；前五大厂商市场占有率合计达59%，市场集中度进一步上升，叠片机在未来具有广阔的发展前景。

表 2 不同叠片机对比

数据来源：各公司官网，东吴证券研究所

从二者的对比来说，卷绕机在效率和成本上占据优势。从效率上分析，卷绕机只要开始卷了，工艺是很快的，大约20秒完成。但叠片是一片一片往上放同时Z型摇摆，需要64秒，二者效率相差2.2倍。从成本上分析，卷绕机一般300-400万/台，12ppm方形需要3台卷绕机，对应1000万元成本；叠片机600-800万/台，12ppm软包需要4台叠片机，对应2400-3200万元成本，二者成本相差3倍。

后道工序及其相关设备

后道工序基本流程为：化成→分容→检测。

化成是给予锂离子电池的第一次充放电、形成稳定 SEI 膜的过程，使电池具有充放电能力。组装好的电池，第一次充放电时，会在负极石墨上形成一层 SEI（solid electrolyte interface）膜，该层 SEI 膜是负极嵌入锂离子的结构。而锂离子电池充放电的原理即为锂离子在正负极的嵌入与脱离，因此，SEI 膜的形成对锂离子电池的性能而言至关重要。分容为将生产好的锂离子电池根据不同的容量，挑选出来，以保证组成电池包的电池其电容量具备一致性。分容包括将化成好的电池进行恒流充电、恒压充电、静止、恒流放电等，测试多次循环充放电后的容量和电压情况。由于分容与化成原理相近，故化成、分容多在一个设备内完成。检测包括 X-ray 检测、焊接质量检测，绝缘检测等，是锂离子电池的最后一道工序。

后道设备主要由充放电设备、电压/内阻测试设备、分选设备、PACK生产线、自动化物流设备及相应的系统整体控制软件等组成。锂电池的关键参数（电池容量）是在化成中活化而形成，在分容中测定，因此充放电设备是后处理系统中的关键设备。不仅数量庞大而且直接关系到电池产品的合格率和批次的一致性。充放电设备的小工作单位是“通道”，一个通道可以为一个电芯进行充放电，多个通道组成一个单元（BOX），若干个BOX组合在一起（为合理利用空间），就构成了一台充放电设备。

表3 后道设备及其国内主要供应商

数据来源：各公司官网，东吴证券研究所

我国锂电设备行业虽起步较晚，现已基本完成进口替代

日本、韩国等锂电池制造设备行业起步较早，技术较成熟。1990年，日本皆藤公司成功研发出第一台方形锂电池卷绕机；1999 年，韩国 KOEM（高丽机电）公司开发出锂一次电池卷绕机和锂一次电池装配机。在随后的锂电池设备发展过程中，日、韩的技术水平一直处于较为领先地位。国内锂电企业起步晚，但进步快。1998 年，我国锂电池设备制造开始起步，锂电生产线关键设备依赖进口。进口设备虽然自动化程度较高、稳定性较好，但价格昂贵、操作系统复杂、售后服务不便。

这一时期，国内锂电池生产以手工生产为主，生产效率低下，质量一致性较差。2003 年，我国开始批量生产一些简单的锂电设备，连续式极片分条机于当年在国内面市。2004 年，国内研发成功双面间隙式涂布机，各研究所也相继开发出转移式锂电极片涂布机等设备。2006 年，国内已出现一批锂电池专业设备制造企业，但此时设备的技术水平还相对较弱，自动化程度不高，大部分电池厂商仍以手工生产为主，部分电池厂商因批量生产需求仍需进口国外设备。

近年来，随着我国锂电池行业市场需求快速增长，以及锂电池生产企业大规模扩张产能的需要，国内涌现了以先导智能、赢合科技、信宇人等为代表的一批研发和制造能力较强的锂电池专用设备制造商。国内锂电设备企业在主要设备的技术参数、生产效率等实现对国外厂商的追赶和反超，同时凭借较低的价格、更好地本地化服务等实现国产替代，并逐步形成了较为稳定的竞争格局。据头豹研究所统计，中国锂电设备整体国产化率达 90%以上，其中前段设备相较中后段设备略低，前段设备中的核心设备涂布机部分高端机型仍需依赖进口，中后段工艺相对简单，因此基本完成进口替代。

差异化竞争：国外产品单一 Vs 国内整线布局

国外企业主打单一产品。从产品构成来看，国外锂电设备制造企业专业分工较细，很多企业从事单一设备的研发生产。例如，日本的皆藤制作所、CKD 以及韩国高丽机电主打锂电卷绕设备；日本的东芝、富士、东丽、平野等主要生产涂布设备；日本西村等以生产分条设备见长。

国内头部企业进行差异化竞争，构建丰富的产品线。国内企业通过布局锂电前中后各道工序所需设备，切入到提供自动化生产线整体解决方案领域。国内大型锂电设备企业先导智能、赢合科技等产品种类齐全，为集成自动化生产线提供有利条件，使得锂电池生产的整线交付模式成为可能。

整线交付有利于提升锂电池企业扩产效率。以前，锂电池客户扩产时大多是分段采购多个供应商的设备，投入人力物力和时间成本自主拼线，其建设周期长，技术对接任务重，商务沟通繁琐。即使投产后，由于各供应商仅考虑自己单机设备，往往造成产线前后段工艺交互不顺畅，瓶颈工序多、提产慢、稳定性低等问题，且由于各家设备的工业软件之间集成度低，限制了后期产线的信息化、智能化升级改造。这对于急需进入并实现快速扩产的大多数锂电池企业来说，极为不便，锂电池设备智能化整线交付成为必然趋势。

竞争壁垒：技术优势、资金优势经过时间积淀累积成为客户优势

锂电设备属于技术密集型产品，综合运用机械、材料、电子、自动控制等技术，不同核心设备间技术差异大，技术迭代快。技术壁垒导致了锂电设备行业的两个现象，一是专注于细分核心单品的设备商持续获得订单，二是整线设备商的新开发的核心设备各项指标优良，但距离国产顶尖水平有差距。

锂电设备为订制品，在接到客户订单后，需要根据客户的需求定制化生产，再发货到客户处，进行安装、调试、产能爬坡等步骤。一般在合同签订后，6个月内可完成设备的生产，6个月内可完成客户处的安装调试及产能爬坡。锂电设备行业的付款模式一般为3331，即合同签订后，客户先预付30%的定金，发货前再付30%，验收合格付30%，验收合格 365 天后无异常付10%。锂电设备的回款周期较长，这也导致资金实力成为锂电设备商竞争的壁垒之一。

锂离子电池对产品质量和安全性要求高，要求锂电制造设备具备高精度、高稳定性和高自动化水平，外加设备的定制化特征，设备商要经过多个环节、长周期认证，认证成本高，锂电池厂商不会轻易更换主要的设备商。另外，生产设备经过长期的问题反馈和细节精进，形成了对口下游电池厂商技术路径下的设备解决方案，设备商与下游锂电龙头的共同成长下形成的问题反馈机制，也为设备商带来了技术壁垒。因此，预计未来与锂电池龙头合作较为紧密的锂电设备厂商将拥有更确定性的发展趋势。

锂电设备行业发展趋势

（1）高效、高精度、高稳定性锂电设备市场需求增加

新能源汽车的快速普及导致动力电池市场需求急速增加，现有动力电池产能已无法满足市场需求，为提高产品交付能力，包括宁德时代、比亚迪、国轩高科、LG 在内的行业内主要动力电池企业纷纷提出扩产计划。锂电池产能扩张一方面通过新建厂房、增加产线数量，另一方面也通过提高产线的生产效率来实现。下游客户对锂电池交付速度的要求导致高效率锂电设备市场需求增加。

锂电设备的精度和稳定性直接影响电池的生产效率和品质。一方面，锂电池制作工艺复杂，涉及设备类别较多，尽管目前大部分设备单一环节良品率较高，但整线良品率仍然差强人意。进一步提高锂电设备的精度和稳定性，有利于提高整线良品率，进而提高生产效率。另一方面，精度低、稳定性差的锂电设备将直接影响电池的性能、品质，甚至安全性，高精度、高稳定性设备成为行业内主要企业的首选。

综上所述，为提高生产效率、保证产品质量，高效率、高精度、高稳定性锂电设备的市场需求呈增加趋势。

（2）锂电设备智能化趋势明显

在产能快速扩张和安全性要求不断提高的背景下，传统的设备和制造工艺已经无法满足锂电池行业的发展需求，实现设备智能化，是提高生产效率和良品率的必要前提。因此，锂电制造设备呈现出明显的智能化趋势。

（3）动力电池为锂离子电池需求迅速增长的主要拉动力

受益于国家补贴政策及双积分政策，我国新能源汽车发展十分迅猛，2015年我国成为了全球最大的新能源汽车市场。2021年我国新能源汽车产业发展步入“快车道”，在产品性能持续提升、基础设施不断完善下，行业由政策驱动转向了市场驱动，全年产销分别完成354.5万辆和352.1万辆，同比均增长1.6倍。2022年我国新能源汽车产业延续高速增长态势，全年产销量分别为705.8万辆和688.7万辆，同比分别增长96.9%和93.4%，渗透率达25.6%。新能源汽车蓬勃发展拉动我国动力电池装车量激增，2022年我国动力电池装车量达294.6GWh，同比增长90.7%，新能源汽车代替传统燃油车已成为全球各国的共识，未来我国将继续推进汽车电动化变革，提升新能源汽车渗透率，动力电池需求量也将进一步扩张，目前电池厂商纷纷加快产能扩张步伐，将对锂电设备产生强劲需求。

（4）储能将成为锂电设备另一增长点

“双碳”目标下，国家大力发展清洁能源，风电、水电等新能源装机规模不断提升，同时也带来了“弃风弃光”现象严重，发电设备不稳定性增强等问题，调峰调频需求与日俱增。储能能灵活调节与调动电力资源，成为解决“弃风弃光”和满足调峰调频需求的有效手段。目前，储能行业处于多项技术共同发展阶段，包括抽水储能，压缩空气储能、电化学储能等。新型储能具备建设周期短、响应速度快、配置灵活等优势，成为国家重点研发技术，政府部门在2022年相继发布了《“十四五”新型储能发展实施方案》、《加快电力装备绿色低碳创新发展行动计划》等政策推动新型储能发展。

目前我国新兴储能还处于发展初期，截至2022年年底，我国已投运新型储能项目装机规模达8.7GW，在2022年新增装机中，锂离子电池技术占据绝对的主导地位，占比达94.5%。GGII数据显示：2022年全年我国储能锂电池出货量达130GWh，实现了1.7倍增幅。锂电池在储能领域推广应用最大制约因素为成本偏高，未来随着技术创新，锂电池成本有望继续下行，叠加国家政策推动，锂电池在储能领域渗透率将持续提升，推动锂电池需求量进一步扩张，进而带动整个锂电设备行业。

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锂电制备设备——辊压机

辊压是将涂布完成的产品，经过一定间隙和一定压力下的两个钢辊，将极片压实到指定厚度的过程 。辊压工艺能够使极片的表面保持光滑和平整，从而可以防止因极片表面的毛刺刺穿隔膜而引起的电池短路隐患，提高电池的能量密度。辊压工艺可对涂覆在极片集流体的电极材料进行压实，从而使极片的体积减小，提高电池的能量密度，提高锂电池的循环寿命和安全性能。

辊压设备主机结构形式：①按轧辊形式划分，根据客户不同工艺要求，辊压机主机轧辊分为有弯辊和无弯辊两种形式 。无弯辊结构轴承座内部设有消除主轴承径向游隙及轴向定位机构。有弯辊结构通过弯辊缸消除主轴承径向游隙及减小或消除辊面挠度变形。

②按驱动方式划分，可以分为单电机驱动结构和双电机驱动结构 。单电机驱动结构采用驱动电机-减速机-分速箱-万向联轴器-轧辊传动形式，通过分速箱实现轧辊机械同步。双电机驱动结构采用驱动电机-减速机-万向联轴器-轧辊传动形式，采用同步电机通过电控实现轧辊机械同步。

③按施压方式划分，可以分为机械螺杆压紧结构和液压油缸压紧结构 。机械螺杆压紧结构设备主要通过设定辊缝值使轧辊在极片上加载压力，没有额外的加压装置。因此一般实际压力比较小，辊压极片压实密度受到限制。液压油缸压紧结构液压缸安装于下辊系两端的轴承座下部，置于口字形机架内部下面。采用柱塞缸向上顶起施压，在柱塞缸的作用下实现下辊系向上移动，并施加辊压力，通过顶紧液压缸施压，压力稳定，可以施加较大的压力，是目前主流使用的施压方式。

辊压机基本结构：标准配置高精度辊压机为立式安装口字形机架、两辊上下水平布置、下置液压缸向上施压，伺服电机减速器调整辊缝、整体底座、双输出轴减速机分速器通过万向联轴器传动的高精度电池极片辊压机。辊压机主要由机架、轧辊、主传动等部分组成 。机架为整个系统的基础，需要有足够的刚度和强度以减小变形。液压装置通过轴承座将辊压力施加到轧辊上，电机和减速机使两轧辊实现同步转动，为轧辊提供扭矩，保证连续辊压过程的实现。辊缝调整机构由两个调隙斜铁组成，调整两轧辊之间的缝隙，满足不同极片的厚度要求。

辊压机组成主要包括机械主体、液压系统、电气控制系统等 。机械主体是指压机的主要机械部分，主要包括支架、轧辊、机座以及其他辅助元件。机械主体的弹性变形、相互运动部件之间的摩擦力等对控制精度有一定的影响。液压系统主要是由冷却循环系统、阀控缸动力元件、伺服缸有杆腔油压控制阀组、平衡缸压力控制阀组、油箱及其他辅助元件组成 。

系统油源采用恒压变量泵比采用定量泵加溢流阀的方式节能，伺服液压缸的无杆腔连接伺服阀。辊压过程中有杆腔通过减压阀、溢流阀和蓄能器的组合保持一个恒定低压。上下轴承座之间有四个柱塞缸，通过减压阀和溢流阀的组合保持恒压以平衡上辊系的重量。

电气控制系统主要由低压供电系统、信号测量反馈系统、信号处理显示控制系统和控制信号的转换放大系统组成。低压供电系统主要是一些直流电源，分别给位移传感器、液压伺服放大器、滤波器、液压阀电磁铁等供电。信号反馈系统主要是位移传感器和压力传感器，用于检测液压伺服缸的位置和系统中各个部分的油压。

动力锂电池设备深度解读锂电池制造设备！

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©文章来源于锂电派，部分内容参考自民生证券研究所报告、东吴证券研究所报告、易普咨询集团等）

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