4860电池结构与设计工艺
针对当今节能和环保研究开发领域中很前沿的课题之一，环保设备即电动汽车动力电池梯次利用与回收处理基础科学问题的研究和关键应用技术的开发，以过去几年工作中积累的靠前手实验数据为素材，以风―光―储微电网示范工程历史运行数据和电池回收处理试验验证数据为依据，全面系统地介绍了电动汽车及动力电池的原理及发展趋势、国家电网公司电动汽车与智能电网发展思路、动力电池梯次利用与回收处理技术及应用实例、梯次利用与回收处理安全共性问题探讨等。
行业总览：圆柱、方形、软包三大封装方式，方形最为主流
动力电池封装方式可分为圆柱、方形、软包
方形、圆柱、软包是主流的动力电池三大封装方式。圆柱电池：通常将正负极与隔膜被卷绕到负极柱上，以钢壳或铝壳进行封装，之后注入电解液，再封口；方形电池：通常使用卷绕或者叠片制造，是目前市场占比最高的产品结构；软包电池：通常采用铝塑膜包装，即在液态锂离子电池套上一层聚合物外壳。常使用卷绕或者叠片制造。目前圆柱卷绕应用的车型有TeslaModel3等；方形卷绕应用的车型有大众ID4等；方形叠片应用的车型有比亚迪（002594）汉等；软包卷绕应用的车型有奔驰EQC等；软包叠片应用的车型有通用VELITE6等。
不同形式各有优劣：圆柱应用易，方形综合佳，软包性能优
三种封装形式的电池各有优劣。圆柱单体能量密度较低，模组需要电芯较多，重量较高，突出特点是一致性好、生产效率高和成本低；方形电池是国内的主流封装形式，能量密度较高，突出特点是成组效率为三种形式中最高，但一致性低；软包电池的性能最好，但其在国内应用较少，主要因一致性低、铝塑膜依赖进口、成本高。
三类电池发展复盘：软包韩系主导，方形国产布局，圆柱日系为王
软包时代：LG化学为集大成者。1999-2000年：软包电池开始在汽车上试用；2007年：AESC将用于手机产品的软包电池做到了车规级标准；2009年：LG化学与现代共同推出首款现代Avante以及Forte电动车；2010年：搭载软包电池的纯电动车日产聆风畅销，通用推出雪佛兰Volt，配备LG软包电池；2017年：雪佛兰Volt和Bolt突破5万的装机量；2020年：LG软包电池配套的雷诺Zoe、现代Kona等车型畅销；2021年：雷诺集团发布全新车型Limo，搭载孚能科技软包电池。
方形时代：三星SDI开启，国内宁德、比亚迪接棒发扬光大。1999年：三星SDI进入电池领域；2000年：三星SDI布局动力电池；2008年：比亚迪全球首款量产的PHEV在中国上市，搭载方形铁电池；2009年：宝马推出Megacity，搭载三星SDI的方形电池；2013年：第二代普锐斯将圆柱电池换成方形镍氢电池；2014年：华晨宝马为中高端第一款，搭载宁德时代（300750）的方壳电池；2016年：搭载SDI方形电池的宝马i系列在全球的热销；2020年：比亚迪推出刀片电池，首次用在比亚迪汉EV，连续月销破万。圆柱时代：索尼最先，松下绑定特斯拉为王。1994年：索尼生产圆柱18650；1997年：全球首辆混合动力汽车丰田普锐斯搭载松下圆柱镍氢电池；1998年：松下18650圆柱电池装配全球笔记本电脑；2008年：松下为特斯拉独家提供18650圆柱锂电池。2015年：特斯拉全球销量超过5万，拉动松下圆柱电池出货量达4.5GWh；2017年：特斯拉年销量突破10万辆，为松下贡献10GWh的圆柱电池订单；2020年后：特斯拉model3、modelY为爆款，带动圆柱电池份额提升。
各大厂商封装技术多元化，多以硬壳形式为主
亿纬锂能（300014）：14年开始布局三元圆柱、方形铁锂方形三元；20年，公司软包产能达9GWh。三元方形产能2GWh。三元方形获宝马订单，三元软包获小鹏订单；21年，公司软包产能达10GWh。三元方形产能超30GWh。比亚迪：16年，动力锂电池出货量为6.72GWh，位列全球第三；20年3月，发布刀片电池；21年，第二代锂电池产能达到60GWh，与北美大客户合作顺利后续放量。宁德时代：18年，方形铝壳产能达到31.5GWh，开始布局三元软包；19年，已落地18665圆柱产线；21年，正为特斯拉建造4680大圆柱产线。
三类封装形式发展趋势：软包圆柱占比提升，但方形仍为主导
预计未来方形电池为封装形式主流。根据高工锂电数据显示，2020年，软包、圆柱、方形三类封装形式的市场分别为：9.50%、9.70%、80.80%；预计2025年，软包、圆柱、方形三类封装形式占比将分别达到：15.0%、25.0%、60.0%。我们预计2025年软包、圆柱、方形电池三者全球出货量将分别达到：180GWH、300GWH、718GWH。
产品核心竞争力壁垒
方形电池
方形电池：性能适应市场需求，安全性较高适合搭载于中高端车型方形电池在性能方面更加适合市场需求。方形电池具有内阻小、循环寿命长、封装可靠度高、耐受性好、成组相对简单、系统能量相对高等优势，凭借这些优势，方形电池在目前阶段更加能适应市场需求。但其也具备一些劣势包括：型号多，工艺难统一，生产自动化水平不高，单体差异大等。方形电池安全性高，适合中高端车型。方形锂离子电池由于安全性高，能够通用于乘用车和商用车，无论纯电动还是混合电动。主机厂在中高端车型上也更倾向于采用方形电池。
方形电池壳体带电以防腐蚀。负极与壳体之间有0.6-0.7V的电压。壳体带电的原因是防止腐蚀，当负极耳与铝壳内壁接触，此时铝壳与负极之间的电压较低，锂离子与铝金属会发生嵌入反应。一般情况下电池壳电压低于0.4V时会存在腐蚀隐患，应避免壳电压低于0.4V的电池，并对电芯增加绝缘层、对铝壳氧化处理等。
方形电池：结构较为简单，铝壳体为主流
典型的方形锂电池主要包括：顶盖，壳体，正极板、负极板、隔膜、绝缘件和安全组件等。安全组件中包括NSD和OSD。针刺安全保护装置(NSD)是指在卷芯的外面加上金属层，例如铜薄片，可以防止针刺位置局部过热，缓减电池热失控发生。过充安全保护装置(OSD)一般是一个金属薄片，配合保险丝使用。保险丝设计到正极集流体上，过充时电池内部产生的压力使得OSD触发内部短路，产生瞬间大电流使Fuse熔断，从而切断电池内部电流回路。方形电池的结构较为简单，铝壳体为主流。不像圆柱电池采用强度较高的镀镍钢作为壳体，因此整体附件重量要轻，相对能量密度较高。
方形电池：刀片电池占据优势
刀片电池采用长电芯，结构借鉴蜂窝铝板。刀片电池采用长电芯，省去中间模组环节，直接把电芯装到电池系统里面，从而重量和成本都有效下降。结构上，借鉴了蜂窝铝板的原理，通过结构胶把电芯固定在两层铝板之间，让电芯本身充当结构件，来增加整个系统的强度。刀片电池安全性优于三元，其他性能与三元接近。安全性方面：通过针刺实验，刀片电池表现为无明火、无烟；能量密度方面：刀片电池空间利用率高，能量密度比传统铁锂电池提升50%；循环性能方面：刀片电池具备超过4500次的充电循环寿命。
比亚迪刀片电池长度可以在600—2000mm之间。由于刀片电池长度和电池包宽度一致，因此覆盖几乎所有乘用车的电池包宽度尺寸。其中长刀片（1000-2000mm）主要用于老款的BEV，短刀片用于新款PHEV，并计划渗透到新款BEV。比亚迪长刀比蜂巢短刀片的空间利用率和系统成本更优。蜂巢能源的L600短刀片相较于比亚迪的长刀片在循环寿命方面更具优势，且其支持切换590标准模组，实现串并联方案灵活变化，以高标准化和高灵活性降低电池包设计难度。而长刀片则在空间利用率、Pack零部件数量和电池系统总成本上占据优势。
宁德CTP和比亚迪“刀片”各有千秋。比亚迪刀片电池把单个电芯宽度无限拉长，厚度做薄，然后直接把电芯放在整个PACK里面进行安装，尽可能简化模组。宁德时代CTP在模组和模组间采用一种套筒的连接方式紧贴在一起，同时套筒下游固定装置和整车相连，从而简化了结构。宁德CTP功率密度更高，成组效率更高，对大多数整车厂成本控制更为友善；而比亚迪“刀片”电池在空间利用率上表现更好，结构灵活性和耐久性上更具有价值和想象空间。
圆柱电池
圆柱电池：能量密度、成组效率低但一致性、安全性较好
圆柱电池能量密度相对较低。目前圆柱关键以磷酸铁锂电池为主导，其容量高、输出电压高、优异的充放电循环安全性能、输出电压比较稳定、能大电流量放电、操作安全稳定、对环境无污染。圆柱电池封装的优势有：其生产工艺成熟；单个一致性较好；电池包成本低，使用范围广；耐高温，不易爆炸，安全性较好；内阻小，不易自耗电，有望替代镍氢电池的企业产品。其劣势包括：整体重量重；空间利用率低；成组效率低；能量密度低；径向导热差；单位容量较小；电池管理复杂度较大。
圆形电池：结构与方壳类似，PTC热敏电阻为独有
常规的圆柱电池除形状外，结构与方壳电池类似。典型的圆柱电池结构包括外壳、盖帽、正极、负极、隔膜、电解液、PTC元件、垫圈和安全阀等。一般电池外壳为电池的负极，盖帽为电池的正极。PTC热敏电阻为独有结构：PTC热敏电阻是大多数商用圆柱形电池中的保护装置，而在方形或软包电池少有。PTC热敏电阻是可被动复位的装置，可以抑制高电流浪涌并防止过电流。
圆柱电池：4680为最新突破
4680全极耳设计主要为了过流和热扩散。极耳的主要作用是作为极片与极柱的导电通路，决定了电池内阻和电池发热量。与立式极耳相比，全极耳设计把导电通路从局部小块，变成了整个平面的线形焊接，使发热量减少同时强化了快充性能。对称型的圆形产品让成型工艺有更多的可能。壳体由于产品热扩散的要求，需要使用钢材进行加工，同时为了规避钢材锈蚀的问题，需要在表面进行镀镍合金化处理。壳体、导流盘、盖板都需要进行圆形加工，双侧出极耳相应的导流盘和盖板都需要进行位置调整。4680性能突破。4680大幅提升了电池功率（6倍于2170电池），降低了电池成本（14%于2170电池），优化了散热性能、生产效率、充电速度、能量密度、循环性能等。
硬壳电池
硬壳电池：顶盖与外壳与软包不同
硬壳电池与软包电池的差异主要在结构件。硬壳（圆柱和方形）结构件为盖板和外壳，软包电池结构件为铝塑膜。圆柱方面，5号、18650等小体积电池外壳采用镀镍钢，21700中铝壳和镀镍钢外壳均有使用，4680计划采用镀镍钢，电池外壳耐压高，使用和运输过程中不会出现膨胀现象。方形电池主要是铝壳。顶盖主要包括防爆片、反转片和极柱。功能主要有：1）作为正负极引出端；2）泄压保护：动力电池内部温度达到热失控状态时，内压继续上升，排气口翻转，盖帽防爆膜将被冲破，电池内物质随高压气体喷出；3）温度保护：当达到一定温度时，PTC保护元件电阻大幅增加，切断电流；3）密封功能：防水气入侵，防电解液蒸发。
硬壳电池：采用卷封或焊接工艺，核心结构件为转接片、顶盖、壳体
钢壳电池外壳坚硬，不易别尖锐的物体刺穿。5号、18650等小结构电池采用卷封工艺，21700是焊接工艺。对于圆柱钢壳，激光焊会出现非常多火花和炸点，因此卷封是发展方向。方形铝壳主要采取激光焊。铝壳要求轻薄化，在卷封时强度会小于等于防爆阀的最低值，安全性较差。转接片是连接电池盖板与电芯的关键部件。转接片必须同时考虑到电池的过流、强度和低飞溅的要求。作为负极材料的铜，属于低吸收率的高反材料，在焊接时需要更高的能量密度去焊接。Tablead需被焊接在极耳上，从而对极耳进行加长，方便后面的顶侧封将sealant融化进行侧封，Tablead采用超声波进行焊接，并且在焊接处贴上绝缘胶带防治短路。Mylar电池膜结构用于包覆方形锂电池的裸电芯，其具备优良的抗撕裂强度、耐温性、耐潮性、耐化学腐蚀性和强的电绝缘性能。顶盖的生产工艺包括冲压、焊接、注塑等。壳体的制造相对简单，主要采用立式冲压+拉伸工艺。（报告来源：未来智库）
软包电池
软包电池：性能优异，但成本高可靠性挑战大
软包电池电容量和能量密度均较高。软包电池容量大都在30Ah-70Ah，其能量密度大多在220V-300V，并且能量密度上最大的优势就是轻，即便是运用了相同的电芯，三元软包电池的能量密度也会比钢壳三元锂电池高出40%。软包电池优势还包括：其安全性能好；重量轻，比能量高；内阻小，从而降低电池的自耗；电池容量大，充放电倍率高；外观设计灵活。其劣势包括：成本较高，国内多为进口；一致性差，标准化程度低，生产效率低；成组效率低；容易漏液；壳体机械强度低。
软包电池结构：外壳为铝塑膜且无顶盖
软包电池的基本结构与圆柱和方形类似，包括正极、负极、隔膜、绝缘材料、正负极极耳和壳体，但软包电池的壳体是铝塑膜，且没有顶盖。铝塑膜是由外层尼龙层(ON)、中间层铝箔(Al)、内层热封层(一般用CPP)、粘合剂构成的多层膜。电池用铝塑膜特点具备极高的阻隔性、良好的热封性能、延展性、柔韧性，并且材料耐电解液及强酸腐蚀。加压工艺是软包电池成型工艺中独特环节。铝塑膜封装结构决定了极片不能紧密排列，极片之间容易出现空隙，从而影响电池性能，所以在化成两次充电之间采用滚压工艺将极片之间的气体排除。
铝塑膜制造工艺分为干法和热法两种，干法是铝和聚丙烯用粘合剂粘结后直接压合而成，冲深成型效果和外观一致性好，但其耐电解液性较差，以日本昭和电工为代表；热法是铝和聚丙烯之间用MPP粘结，再缓慢升温升压热压合而成，能提高Al层与PP层之间的粘附力，使内表层防电解液溶胀脱落能力大大提升，但容易出现向内卷曲，以DNP为代表。铝塑膜依赖进口，但正加快国产替代进程。以明冠科技为例，其干热复合法吸收了干法工艺优势的同时，兼顾了热法在耐电解液和抗水方面具有的优势，使得铝塑膜在冲深成型、耐电解液、及阻水性能等方面的综合性得到了全面的提升，产品质量比肩进口产品。
软包电池：出货量带动铝塑膜增长
软包锂电池主要增长动力来自于：以LG化学，AESC和SKI等为代表的软包动力电池出货量快速增长，在小型电池领域，尤其在3C领域，软包电池的渗透率快速提升；其部分软包产品已经逐步在电动自行车、电动工具等小动力领域展开应用。铝塑膜出货量高速增长，市场规模持续扩大。据EVTank数据，2020年全球铝塑膜出货量达到2.4亿平米，同比增长23.7%，按照2020年平均时长价格22元/平米计算，整体市场规模达到52.8亿元。
异形锂电池：几何形状，常见于消费电池
异形锂电池由包装膜、正极片、负极片、绝缘隔膜，极耳以及电解液构成，正极耳和负极耳可以分别设置于电池极组的相同或者不同侧面，特点在于形状可以呈规则或者不规则的几何形状。性能：属于消费电池阵列，主要应用于电子电动产品、无线通信产品上，因此能量密度、循环寿命、容量等方面低于动力电池，但机械稳定性、耐用性、空间利用率和安全性较好。
三类电池总结：系统性能与单体性能不完全一致，方形综合较好
圆柱电池：优点是一致性好、生产效率高、单体成本低，但能量密度较低，模组需要电芯较多，成组后成本优势削弱，寿命较差，电池管理复杂度大;方形电池：是国内的主流封装形式，能量密度优于圆柱，优点是对电芯保护强、成组效率高，不足是大电池对制造工艺挑战大;软包电池：外形设计灵活，单体的能量密度较高，封装工艺长期可靠性有挑战、铝塑膜加工和使用成本高。单体性能上，1）能量密度：软包>方形>圆柱，主要考虑机械件重量在质量中的占比，随电池尺寸变大，差异变小；2）散热能力：软包、方形>圆柱；圆柱电池的散热能力在系统层级，因为电池间隙更大得到改善；3）循环寿命：软包>方形>圆柱，圆柱的电解液量相对少；4）安全性：圆柱>软包>方形；此时大圆柱需要使用镀镍钢，此处安全是个相对概念。安全阈值的绝对值在电池热失控的峰值能量下，差异不明显；5）充放电倍率：圆柱>方形>软包；6）成本优势：圆柱>方形>软包。系统性能上，1）成组效率：圆柱、方形>软包，圆柱、方形、软包模组/系统成组效率分别为87%/65%、89%/70%、85%/60%；2）可靠性:方形>圆柱>软包；软包封口边漏液是主要的市场失效表现；3）生产效率：圆柱>方形>软包；4）一致性：圆柱>方形>软包；5）成本优势：模块、电池包成组后圆柱成本优势逐渐削弱。
在能量密度方面，软包电池具有优势。该维度上国内领先的软包电池有宁德时代、孚能科技等，圆柱电池有力神、比克等，方形电池有宁德时代、亿纬锂能等。国内外产品在能量密度的差距上，圆柱、软包电池较大，方形电池基本没有差距，该维度上国外第一梯队多为日韩企业，如LG化学、三星SDI、松下、远景动力等。在循环寿命上，方形、软包电池远优于圆柱电池。圆柱电池的寿命可靠性较低与内阻较大、散热能力较弱有关。圆柱卷绕式电池在使用过程中的一种老化失效形式是卷绕极片发生翘曲，翘曲发生的来源可能是电极各层在循环中的体积变化步调不一致。
安全性上，软包优于硬壳，软包电池由于铝塑复合膜自身的特性使其在针刺和外短路两项测试中表现出优异的安全性能，而18650型圆柱钢壳电池由于自身具有安全阀的保护作用使其在过充测试中表现出较好的安全性能。
三种封装形式与模组PACK方案的适配性
三类电池集成方案：MTP-CTP-CTC，集成化程度不断提高
MTP（ModuletoPack）：包括模组控制、电芯、导电连接件、绝缘板、塑料框架、采样PCBA、冷板、压板和紧固件等。优点：1.电池包由多个模组组成，每个模组都有单独壳体保护和控制单元，便于电池的控制和热管理；2.电池模组可以单独更换，维修成本低和便利性高。缺点：1.由于模组间的壳体和安全间隙，整体的重量较大，空间利用率较低；2.每个模组都配置了单独的控制单元，导致成本相对较高。CTP（CelltoPack）电池集成方案：CTP电池集成方案是减少或去除电池“电芯-模组-整包”的三级Pack结构的技术。CTP电池包即是电芯直接集成到电池包内，这种电池由于省去了电池模组，电池包集成到车身地板上作为整车结构件的一部分。优点：1.省去了模组之间的布置间隙，增加了电芯的数量；2.省去了模组结构，降低了整体电池包的重量。缺点：电池包需要作为结构件的一部分承载载荷，对电池的结构设计要求更高。
CTC（Celltochassis）电池集成方案：CTC电池集成方案是直接将电芯集成在地板框架内部，将地板上下板作为电池壳体。它是CTP方案的进一步集成，完全使用地板的上下板代替电池壳体和盖板，与车身地板和底盘一体化设计，从根本上改变了电池的安装形式。优点：1.极大提高车身空间利用率，可容纳电芯的数量更多，续航里程将增加15%-25%；2.取消了电池包的结构件，降低了重量；3.集成化和模块化程度更高。缺点：1.电芯作为结构件的一部分承载载荷，电芯与上下结构件固定起来，需应对较为苛刻的剪切力，对电池的结构设计要求更高；2.需要更高的制造工艺，制造过程中出现问题可能导致电池整体报废，制造成本高可维修性低。
发展路径：电池包逐渐集成化的过程，主要是非化学类的零件减重集成
传统模组改进方向为CTP、CTC技术，达到空间利用率的提升。CTP指电芯直接集成到电池包内，省去电池模组；CTC为CTP的延伸，在省去模组的基础上进一步省去打包过程，将电芯直接集成到汽车底盘上，实现更高程度集成化。根据宁德时代的数据，CTP相比于传统电池包，可以使体积利用率提升15%-20%，零件数量减少40%，生产效率提升50%并降低动力电池的制造成本。CTC电池技术的空间利用率最高，对于电池电量的提升有显著的效果。
比亚迪CTP技术-刀片电池：比亚迪电池组的CTP技术能将电池容量提高20%～30%，电池寿命延20%～30%。刀片电池也首次用于比亚迪的汉EV电动汽车。比亚迪刀片电池的制作依赖于CTP技术。刀片电池基于磷酸铁锂技术的创新，具有启动放热温度高、温升慢、产热少、不释氧等优点。此外，刀片电池变长变薄，表面积也增加，整体散热更好。电池的短路电路相对较长，产生的热量较少，所以刀片电池的安全性能是非常出色的。
蜂巢新能源CTP技术：采用无模组方案可以有效缩短生产线，减少生产过程中的浪费。电芯在线堆叠，测试后直接放入电池盒，大大减少了流动过程，减少了模块传统的框架焊接过程。与传统590模组相比，CTP第一代减少24％的零部件，第二代成组效率提升5－10％，空间利用率提升5％，零部件数量再减少22％。
宁德时代CTP技术：将一个大的模块通过若干个塑料散热片分割成小空间，这些塑料散热片可以像电脑硬盘一样插入小空间。去掉电池模块，将电池直接集成到电池组中，可以提高电池组的空间利用率，减轻电池组的质量，提高能量密度，降低成本。根据官方数据，与传统的电池相比，CTP电池组的容量利用率增加15%～20%，零部件的数量减少了40%，生产效率提升了50%，电池的能量密度提高10%～15%，这将大大降低动力电池的制造成本。电池组由至少两个大模块组成，每个模块通过紧固件连接到电池托盘上，最后将电池组固定到不同的横梁上。宁德时代CTP3.0麒麟电池：根据官方发布信息，我们的总结为：1）热管理系统集成，电池倒置强化安全：1.多功能弹性夹层：将横纵梁、水冷板与隔热垫集成为多功能弹性夹层，提高系统集成效率至72%，承载功能向箱体、胶体、水冷板转换；2.电池倒置：通过箱体卡槽和CCS扣板的结构设计变化，让出电池正放时6%的空间，重新定义电池开阀方向，提高极端情况乘员舱安全。2)化学体系强目标，高镍高硅CNT：1.系统能量密度255Wh/kg：单体能量密度来到300水平，明确高镍高硅方向；2.续航1000km：预计高镍高硅CNT方案，使单电包电量来到100度电水平；3.4C快充&循环寿命：水冷板的缓冲作用减少电池单体挤压，加速推动硅氧负极的产业化，加速高电导材料的用量提升。
宁德时代CTC技术计划于2025年推出。CTC技术将进一步高度集成。未来的电芯底盘一体化CTC设计，根据官方数据，通过这个技术整车减重8%以上，动力系统成本降低20%以上，续航提升40%以上，行驶里程可达1000公里，百公里电耗降低12度以下。宁德时代的CTC开发分三步走，第一步是集成底盘，低压、高压多合一。第二步是智能底盘，采用悬挂、制动、独轮驱动技术，AI自适应控制系统。第三步是自动底盘，自动驾驶是发展的必趋势，所以提出了自动底盘的概念。
软包电池不易设计成强度件，硬壳电池与电池包集成方向更匹配
目前圆柱和方形与CTP已有多种适配方案。根据宁德时代专利，其CTP技术的PACK由至少两个大模组构成，大模组被若干散热板分割成小空间，减少连接线束、侧板、底板等零部件。刀片电池无模组模式下，电芯本身承担一部分模组功能；有模组模式下，模组结构不包含端板和侧板等结构，比传统模组有所提升。4680电池与CTC适配性好。以特斯拉公布的4680CTC方案为例：1）电池包上盖与电芯粘接，并与座椅等车辆结构件集成；2）电芯上下和电芯之间填充树脂材料，用来热保护和结构性支撑；3）将铝丝连接改为Busbar连接；4）热失控管理方面，在电池包一侧配置8个泄压阀。该CTC方案大幅提升电池系统能量密度，减少整车重量，提升生产效率，并优化乘坐空间。
软包电池成组复杂，铝塑膜需要金属层和模组的保护，无模组方案仍在探索中。CTP、刀片电池、JTM适用于方形电池，蜂窝电池适用于圆柱，软包电池CTP较少。聚创新能源提出LBP方案，省去大量的铜排连接及常规模组结构附件，软包电池系统体积集成效率从30~40%提升至50~60%，减少约20%的结构件数量。固态电池更适合软包封装。国内固态电解质以氧化物路线为主，电解质的柔韧性较差，预计固态电池主要采用叠片工艺。软包封装的能量密度更高，且有较为丰富的胶状物质封装，是有望率先率先搭载固态电池的封装形式。（报告来源：未来智库）
制造环节：极片成组和电池封装是主要的差异工序
方形电池生产：卷绕效率高，生产效率是核心追求
卷绕和焊接为瓶颈工序。方形电池制作中，前段的涂布、中段的卷绕/叠片，焊接（激光焊）为核心生产工序。涂布设备的模头和激光设备的激光器主要依赖进口，其中三菱、松下和美国EDI等国外企业占据国内涂布模头70%的份额。方形电池单产线投资额约在4亿元左右。根据宁德时代招股书，单产线投资额约4.1亿元，单产线的设备投资额约2.8亿元。根据宁德时代2021年定增项目，单Gwh投资额在3.06-4.00亿元之间。
卷绕效率更高，为主流工序
双轴心卷绕：方形硬壳电池通常有两个轴心，正极、隔膜、负极叠层围绕着两个轴心进行卷绕，然后以间隙直入方式装入方形铝壳之中，外部喷绝缘漆或套塑料膜。部分厂家（如比亚迪）使用叠片，叠片相对于卷绕电池，能量密度会增加5%、循环寿命增加10%、成本减少5%，且更加安全，缺点是生产效率仅为卷绕的1/5-1/3。
叠片设备国产率与集中度高。超业、佳的、格林晟占据60%-70%的叠片市场。赢合科技（300457）成功研发了模切叠片一体设备，已逐步推广到国内多家主流电池企业；先导智能（300450）从2017年开始做叠片机，凭借大力的研发投入，在国产叠片机领域已位于前列。
生产效率是影响电极生产工艺选择的核心要素，通过涂布和模切的前置工序影响卷绕和叠片两种制备工艺的选择。高能量电芯需要更厚的浆料涂布量以获得更高的比容量，而箔材上湿涂太厚的浆料干后会开裂，涂布变厚本身有一定技术难度。目前的涂布厚度卷绕可以适用，但过厚时卷绕式电池拐角处可能发生破裂，需要改成叠片式。前提是叠片的生产效率提升使商业化有经济性，否则可能选择临界厚度做卷绕加工。综上，我们认为接下来主流技术仍以卷绕为主，参考主流公司所投产线3-5年的折旧周期，若无实质性的冲击，在设备寿命结束前不会替换产线。
激光模切和机械模切相比速度较快（机械40-50m/s，激光60-70m/s），但前者成本较高、可切厚度较低、可能烧蚀极片等问题比叠片提速容易解决。目前比亚迪等公司用叠片加机械模切，是因为现在生产效率的瓶颈是叠片工序，其生产速度还不需匹配激光膜切。一旦叠片单机速度提升，激光膜切在生产速度上就有明显优势。出于效率匹配，选择机械模切对厂房和设备的投入更大。若未来涂布厚度提高、毛刺能有较好改善，机械模切可能仍存在一定市场份额。目前从商业化过程中核心的生产效率来看，未来技术方向是卷绕加激光膜切。
圆柱的极片成组工艺需使用卷绕
圆柱电池为单轴心卷绕：圆柱电池卷绕是指使用卷绕机将分条后的极片固定在卷针上，随着卷针转动，以正极极片、负极极片和隔膜的一端为轴心卷成电芯，封装在圆柱金属外壳之中，注液封顶盖，外部套上塑料绝缘胶皮。卷绕机是中道核心设备，对卷绕张力波动、纠偏和卷绕速度都有较高的要求。通常要求卷后正负极片或隔膜的上下偏差均小于0.5mm，方形电池需要自动调整角速度，因此张力控制技术的要求高于圆柱电池，卷绕速度要大幅低于圆柱电池。目前国内圆柱电芯能达18米/秒以上的高速卷绕速度，方形电芯能达到3米/秒。卷绕机市场集中度较高，CR3在60%-70%之间，国内高端市场占有率约为50%。
激光焊接是大圆柱生产的难点，对极耳交叉抚平要求高
动力电池激光焊接通常采用铝合金、紫铜等材料，以拼接焊和叠焊两种方式为主。圆柱形和方形电池需要焊接的部位包括防爆阀、极柱、软连接、外壳封口、注液孔以及模组。铝合金材料的电池壳占整个动力电池的90%以上，电芯通常会采用较“轻”的铝材质，同时要求壳、盖、底基本都要求达到1.0mm以下。目前主流厂家基本材料厚度均在0.8mm左右。激光焊接利用激光束优异的方向性和高功率密度等特性，通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内，在极短的时间内使被焊处形成一个能量高度集中的热源区，从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。脉冲焊接和连续焊接。优点是材料契合度高、自动化集成、能量集中，焊接效率高、加工精度高，焊缝深宽比大。
激光焊接工艺难点：铝合金对激光的反射率极高,焊接过程中气孔敏感性高,焊接问题主要的是气孔、热裂纹和炸火。此外，软包极耳焊接要求高水平的焊接工装，压牢极耳，保证焊接间隙。圆柱电芯的焊接主要是正极的焊接，采用激光焊接。负极的部分壳体薄，容易焊穿，采用负极免焊接的方式。方形电池的焊接主要分为侧焊和顶焊，侧焊对电芯内部的影响较小，飞溅物不会轻易进入壳盖内侧，但对激光器的稳定性、材料的洁净度等要求极高。
软包电池生产工序：卷绕叠片都适用，热熔封口可靠性持续提高
软包电池制作的前段搅拌、涂布、制片、模切等工艺与圆柱/方形电池相同，差异点在于中段。1）叠片工艺：通常是Z型叠片；2）冲坑：在铝塑膜上冲出装卷芯的坑；3）顶侧封：封装时极耳胶中的PP与铝塑膜的PP层熔化黏结，形成有效的封装结构；4）注液、预封：注液后，对气袋边进行预封；5）静置、化成、夹具整形：化成后有些电芯由于内部应力可能会产生变形，需要夹具整形；6）二封、分容和后续工序。
软包电池叠片工艺存在应用差异，Z型叠片为国内主流
大众采用单片叠片工艺进行电芯装配，将隔膜和正负极片交替堆叠形成叠片电池；LG化学较多使用卷叠复合工艺，先将正负极片裁切成单元，并通过转台与升降吸盘分别贴在隔膜上。然后用卷绕的方式，将正负极片分别包裹起来，实现两组正负极片相间叠放。速度和效率最高。Z型叠片：隔膜主动放卷，经过度辊，张力机构引入主叠片台。主叠片台带动隔膜前后往复运动，呈Z字型折叠并放置裁切好的正负极片。叠放至设定片数后停止叠片，完成隔膜裁切，贴胶。Z型叠片为国内主流工艺，并逐渐切换到切叠一体。
软包电池常见为叠片+热封工艺，设备供应商和方壳有一定区别
软包内部结构由正极片，隔膜，负极片依次层叠起来，外部用铝塑膜包装，然后焊接正负极极耳，注电解液并封口，最后化成分容形成软包电池。封装工艺的核心要素是温度、压力和时刻。封装强度随封装温度升高而升高，热封较佳时刻与温度有关，当温度足够高时，热封时刻与热封强度呈正相关。封装压力会影响封装厚度封装的较佳状况是PP膜抵达熔点后，粘结到一同，封装外观超卓无气泡无褶皱，封装强度高，密封性和绝缘性好。所涉及的设备主要包括：叠片机和封装设备，其中封装设备中包括冲压机、热封模具、高温夹具、焊接机等。
异形电池：基本以制袋叠片工艺为主
由于形状限制，异形电池采用制袋叠片工艺。异形锂电池的前端制浆、涂布、轧片相同和普通叠片锂电池基本相同，差别在于制片模切到抽气之间，并且普通的模切和Z字叠片无法适用。制造工艺如下：1）异形模切；2）制袋：用隔膜将正极极片包裹，制袋后极片位置固定方便后续叠片；3）异形叠片：将正负极片按负极-正极-负极的顺序叠放；4）焊接极耳：要解决电池定位和极耳定位的问题；5）顶侧封：异型电池大多较小，顶侧封可一次完成。
斯莱克：设备制造商发力电池壳
聚焦制罐设备制造，发力新能源领域
深耕制罐专用设备，电池壳业务新秀
公司聚焦于专用成套设备的设计制造。主导产品是高速易拉盖、易拉罐生产设备及系统改造，除主要产品外，公司产品还包括易拉罐/盖高速生产设备零备件、智能检测设备、光伏发电和新能源汽车电池壳等。凭借在金属包装制品生产设备领域积累的研发成果及生产经验，近年公司将易拉罐独有的DWI技术应于新能源电池壳的领域，目前已设立新乡盛达、安徽斯翔和常州莱胜等子公司，并拟全资收购东莞阿李下属方壳业务。公司股权结构稳定，实控人持股比例集中。截至2022年一季报，公司前三大股东为科菜思有限公司、香港中央結算有限公司，全国社保基金114組合，分别持股50.46%、3.12%、1.21%，安旭持有科菜思有限公司100%股权，为公司实际控制人，股权结构稳定，前十大股东共计持有公司59.31%股权。
公司营收增长稳健，21年盈利能力回升。21年公司营收10.03亿元，同比增长13.66%，17-21年营收从5.49亿元提升到10.03亿元，CAGR为16.26%。21年公司归母净利润1.07亿元，同比增长67.95%，扣非归母净利润1.04亿元，同比增长86.67%，盈利能力的回升主要得益于传统专业设备制造业务的毛利率随疫情得到控制而恢复。公司产品丰富，专用设备制造占比较大：1）专用设备制造：包括易拉罐高速生产设备及系统改造、易拉盖高速生产设备及系统改造、易拉盖生产设备零备件及其他、智能检测设备，21年营收分别为3.65/2.93/1.15/0.72亿元，占比36.36%/29.18%/11.48%/7.15%。17-21年，专用设备制造贡献公司总营收在逐步下降，但21年仍占比84.17%。2）新能源电池壳：目前公司电池壳制造业务收入主要来自于孙公司新乡盛达，从20年开始批量供货，21年营收为0.78亿元，占比7.81%，是公司未来的主要增长方向。3）光伏发电及其他：主要由子公司苏州能源发展和白城江鼎提供光伏发电项目开发、管理服务等，21年营收0.80亿，占比8.02%。
受益于行业整体上涨和公司一季度业绩增长，公司股价回升，截至22年7月7日为16.02元。21年5月至9月，虽偶有回落，但股价总体持续性上涨。7月22日公司公告正在筹划定增事项。第三期员工持股计划于8月27日至9月7日通过集中竞价方式全部出售完毕，9月7日收盘价31.67元。11月9日股价达到最高点31.75元，此后开始回调。22年4月26日触底达到8.62元。4月26日-7月7日，食品饮料设备行业涨幅45.40%，金属结构件行业涨幅78.57%。4月27日公司发布一季报，业绩增长显著，股价开始反弹，7月7日收盘价为16.02元，4月26日-7月7日公司股价涨幅为85.85%，股价驱动因素主要是公司独特技术能够在行业放量过程支撑订单需求。
盈利预测
新能源电池壳：21年该业务营收0.78亿元，公司已经和相关客户签订了战略合作协议，未来几年伴随电池放量，需求有望快速增长。根据下游市场需求测算和公司产能规划，预计22-24年出货量分别为小圆柱钢壳5.13/6.51/7.11亿支、大圆柱钢壳0.20/0.80/3.00亿支、圆柱铝壳2.10/6.00/7.14亿支、方形铝壳0.70/1.01/1.13亿支；考虑到规模化量产后价格下降，上述四类产品单价22-24年价格逐年降低2%，分别为小圆柱钢壳0.40/0.39/0.38元/支、大圆柱钢壳3.00/2.94/2.88元/支、圆柱铝壳1.00/0.98/0.96元/支、方形铝壳6.00/5.88/5.76元/支，预计22-24年合计营收8.95/17.00/24.73亿元，参考可比公司科达利（002850）26%毛利率，且DWI技术相比传统技术更适合大规模生产，约有10pct的毛利提升，随着规模效应带来折旧等固定成本的摊薄，假设22-24年毛利率分别为25%/30%/35%。
专用设备制造：19-21年，专用设备制造业务营收分别为7.15/7.68/8.45亿元，毛利率分别为41.66%/35.57%/41.06%。考虑到下游全球消费市场用罐需求回升，于22年一次性释放较多，根据21年年报披露的在手订单量同比增长27%，由于生产周期较长将体现在次年营收中，预期22年营收增速为27%，并且该领域未来国产替代趋势显著，假设23-24年营收增速为20-22年平均水平14%，22-24年将实现10.7/12.23/13.94亿元的营收。剔除20年疫情冲击影响，预计毛利率水平保持在19和21年业务稳定期的平均水平，即22-24年毛利率假设为41%。
光伏发电及其他：19-21年该业务营收分别为0.77/1.15/0.80亿元，21年前电池壳业务未独立核算，故21年光伏发电及其他收入同比增长显示为负，实际YoY为67.65%。该业务17-21年营收CAGR为35.63%，非公司未来主要战略方向，参考Wind数据显示21年光伏电站行业营收同比增长20.80%，我们假设22-24的营收增速均为20%，预计22-24年营收0.97/1.16/1.39亿元，毛利率水平保持在21年除去电池壳业务核算的27.50%的水平。（报告来源：未来智库）
和胜股份：弄潮CTP技术，箱体龙头乘风而起
和胜股份：加速布局电池封装业务，巩固国内领先地位
专注工业铝材十七年，电池托盘业务高速增长
和胜股份（002824）为动力电池封装行业龙头企业。公司成立于2005年，成立之初就专注于工业铝材，主营业务包括消费电子品、耐用消费品和新能源汽车零部件三大业务。公司2015年开始向下游拓展动力电池pack模组下托盘业务，行业起初处于导入期，造成新增固定资产周转效率低下，2020年下半年随着新能源汽车行业爆发，公司前期资源投入进入收获期，新能源汽车业务尤其是动力电池托盘业务开始放量并实现正盈利，有望带动公司业绩大幅提升。公司持股比例集中，股权结构稳定。公司控股股东及实控人为李建湘，截至22年一季度末，公司前七大股东合计持股59.96%，比例较为集中。公司共有6家一级子公司和2家二级子公司。2021年7月，公司实施股权激励计划，向公司中层及核心技术人员授予367.8万股股票期权和限制性股票，有效激发员工积极性。
公司专注工业铝材，产品线持续拓展：公司主营业务包括电子消费品、耐用消费品和汽车零部件三大业务，其中应用于消费类电子领域的产品主要包括电脑硬盘用HDE铝挤压材、电视机边框用铝、移动电源外壳，2021年营收达6.94亿元，占整体营收达28.78%；耐用品消费类主要包括卫浴、厨房设备及婴儿车用铝材，2021年营收达3.27亿元，占整体营收达13.55%；应用于汽车零部件类产品众多，如电池包下箱体托盘、电池方形铝壳、电池模组结构件、电池包冷却扁管、汽车水冷部件等，2021年营收达11.79亿元，营收占比达48.92%。
传统业务稳定增长，汽车零部件业务开始放量：在传统业务的支撑下，公司业绩稳步增长，营收从2016年7.67亿元稳步增长至2021年24.10亿元。2016年-2019年是公司的战略转型期，公司加速布局新能源汽车零部件业务，前期投入较大导致利润率有所下滑。2020年公司转型成功后，新能源汽车电池托盘业务加速放量，近两年实现业绩高增长。
股价回落后持续上升，截至2022年7月7日为56.05元。21年7月，公司公示459.75万股股权激励名单，股权激励计划目标设置合理，股价开始显著爬升。2021年9月30日，公司两大股东提前终止减持计划，充分彰显股东对公司未来快速发展的信心，10月开始股价持续上涨。2022年3月，公司获得预估交易额36-40亿的项目定点意向书，体现了下游客户对公司的认可，拉动公司股价有所上升。受新冠疫情影响，公司股价有所回落，4月28日晚，公司发布一季度业绩公告，公司2022年第一季度营收与净利润均大增，带动公司股价持续上升，6月24日股价达到最高点61.21元；截止2022年7月7日，收盘价为56.05元。
盈利预测
耐用消费品业务：19-21年该业务营收2.68/2.92/3.27亿元。受益于三胎政策和消费升级带动，母婴零售行业增长,据未来智库预计，未来三年母婴市场平均增速17%。考虑公司该业务占比不高，我们给予婴儿车和卫浴市场10%的营收增长率，预计22-24年营收为3.59/3.95/4.35亿元。19-21年毛利率为7.64%/15.45%/20.69%,参考21年玩具及儿童用品毛利率23.74%、厨卫用品毛利率21.97%，预计22-24年毛利率与21年接近，给予21%假设。
电子消费品业务：19-21年该业务营收5.03/5.46/6.94亿元。据灼识咨询报告，未来五年中国消费电子市场预计将保持6.2%的年化复合增长率，随着5G手机渗透率增加，公司所覆盖的中高端旗舰机铝制品配套供应将稳中有升，给予公司电子消费品业务8%营收增长率，预计22-24年营收为7.49/8.09/8.74亿元。公司近三年毛利率稳中有升，分别为18.58%/19.58%/19.30%，预计22-24年毛利率维持近两年平均水平，给予19.45%假设。
汽车零部件业务：19-21年该业务营收3.82/4.94/11.79亿元，未来几年有望快速增长，公司于2017年开始布局该业务，2020年随着新能源汽车行业爆发，21年迎来高营收和高毛利，预计22-24年维持高景气，实现营收22.85/38.28/55.48亿元。21年公司产品开始上量，前期投入开始进入收获期，公司毛利水平将随着CTP技术的成熟达到较高水平，预计22-24年毛利率略高于21年水平，给予21.0%/21.5%/22.0%假设。
费用率：乘新能源之风，我们预计未来随着营收增长和规模效应逐步发挥，销售费率和管理费率将低于21年的0.75%和4.57%，假设22-24年销售费率为0.70%/0.70%/0.70%，管理费率为4.50%/4.40%/4.30%。我们预计公司未来会保持21年的研发投入水平，假设22-24年研发费率为4.20%/4.20%/4.20%。根据公司的短长期借款和利息支出情况，假设22-24年财务费率为0.68%/0.93%/0.98%。
