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国海证券研究所 请务必阅读正文后免责条款部分 2022年03月30日 行业研究 评级：推荐(维持) 研究所 证券分析师： 李航 S0350521120006 证券分析师： 邱迪 S0350522010002 产业技术前瞻系列之一：大圆柱路径确定，关注产业链相关机会 新能源汽车行业深度研究 最近一年走势 相对沪深300表现 表现 1M 3M 12M 电气设备 -7.6% -14.2% 31.6% 沪深300 -7.1% -13.6% -16.5% 相关报告 投资要点： 电芯大型化趋势明确，大圆柱路线前景可期。相较于上一代2170圆柱电池，4680大圆柱电池采用更大的46mm*80mm电芯，并采用内阻更小的无极耳技术，使得4680在2170的基础上能量提升5倍、里程提高16%、功率提高6倍、生产成本下降14%。大圆柱电池延续了圆柱电池一致性高、安全性好和兼容高能量密度材料的特点，电芯大型化同时带来了成组效率高、BMS 难度低和高电压平台适配性的优点。大圆柱电池可以兼容高能量密度材料和高电压快充系统，是解决新能源汽车里程焦虑的重要技术路线。 电池厂商加速布局大圆柱电池，大圆柱多重优势助力圆柱份额提升。目前特斯拉明确表示将4680大圆柱电池用于高端长续航乘用车，并在Semi卡车和Cybertruck上使用4680电池，预期第一款搭载大圆柱电池的车型将于2022年初生产。为满足大圆柱电池需求量，除特斯拉自己的电池工厂布局大圆柱电池外，国内外电池厂商如亿纬锂能、松下和LG化学等也在加速扩产布局大圆柱电池。大圆柱电池的放量有望成为圆柱份额提升的重要支撑，大圆柱电池将凭借高性价比，对现有电池结构体系产生影响。我们预计2025年圆柱动力电池全球占比有望达到27%，圆柱动力电池需求量将达318.2GWh。 大圆柱电池需求增加，有望提升高能量密度材料应用潜力。圆柱电池在一致性、结构件强度、散热性能方面均优于方形电池和软包电池，且大圆柱电池特有的无极耳设计可以减少大圆柱电池在充电过程中的产生的热效应，因此大圆柱电池对热稳定性较差的高镍正极和体积膨胀率较高的硅基负极包容性较好，大圆柱电池的放量将提升对高镍正极和硅基负极的需求。此外，由于高镍正极热稳定较差，高温会加剧过渡金属的溶解，恶化电池状态，高镍电池对电解液匹配性提出更高要求。使用热稳定性好的LiFSI作为电解质可以显著提升电池性能，高镍正极商业化加速推进将提升对LiFSI的需求。 大圆柱电池为相关材料厂商和结构件厂商带来机会。4680大圆柱电池有望明年开始量产配套特斯拉部分车型，关注布局大圆柱电池产能的电池厂商，由于 4680 大圆柱电池与高能量密度材料适配性较高，关注大圆柱电池产能扩张带来的锂电产业链中高镍正极、硅基 -0.2181-0.03080.15640.34360.53080.718121/3 21/5 21/6 21/7 21/8 21/9 21/1021/1121/12 22/1 22/2 22/3电气设备 沪深300证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 2 重点关注公司及盈利预测 重点公司 股票 2022-03-30 EPS PE 投资 代码 名称 股价 2020 2021E 2022E 2020 2021E 2022E 评级 300014.SZ 亿纬锂能 83.00 0.87 1.62 1.88 93.67 51.17 44.10 增持 300919.SZ 中伟股份 123.72 0.74 1.64 3.02 99.66 75.44 40.95 增持 002340.SZ 格 林 美 8.62 0.09 0.24 0.38 81.06 36.33 22.81 未评级 603799.SH 华友钴业 99.85 1.02 3.01 4.22 77.69 33.17 23.65 未评级 688005.SH 容百科技 139.87 0.48 2.03 4.10 107.23 56.84 34.08 未评级 300073.SZ 当升科技 79.38 0.85 1.97 2.60 76.43 40.32 30.51 未评级 002709.SZ 天赐材料 99.17 0.98 2.30 4.74 106.38 49.83 20.90 未评级 688116.SH 天奈科技 144.89 0.46 1.29 2.70 134.03 116.04 53.66 未评级 002850.SZ 科 达 利 153.40 0.77 2.30 4.77 122.55 66.74 32.14 未评级 300382.SZ 斯 莱 克 13.97 0.11 0.21 0.45 68.58 66.65 31.24 未评级 688559.SH 海 目 星 62.29 0.39 0.54 1.73 85.30 110.59 35.95 未评级 资料来源：Wind资讯，国海证券研究所（注：未评级公司盈利预测取自万得一致预期） 负极、LiFSI 和碳纳米管环节的增长机会，以及 4680 大圆柱电池放量对圆柱结构件的需求提升。此外，由于大圆柱全极耳技术采用激光切与激光焊接，将有利于激光焊接、切割设备。 投资建议 随着电池技术进步、产品力提升和基础设施不断完善，新能源汽车渗透率加速提升，带动动力电池需求释放，动力电池规模化发展将进一步推动行业成本下降，使得新能源汽车发展形成正向反馈。长期来看，我们持续看好符合“双碳”趋势的新能源汽车的发展前景，基此我们给出新能源汽车行业“推荐”评级。具体标的上，重点关注：（1）电池环节：布局 20GWh/年乘用车用大圆柱电池产能的【亿纬锂能】；（ 2）高镍正极环节：一体化布局的前驱体企业【中伟股份】、【格林美】和【华友钴业】，拥有高镍正极技术储备和量产能力且通过客户认证的【容百科技】和【当升科技】；（ 3）LiFSI环节：拥有产业链循环和成本优势的【天赐材料】；（ 4）碳纳米管环节：专注碳纳米管产品的龙头企业【天奈科技】；（ 5）结构件环节：精密结构件龙头企业【科达利】和借易拉罐领域优势拓展动力电池结构件业务的【斯莱克】；（ 6）设备环节：对激光技术和工艺有深刻理解的高速激光制片机设备厂商【海目星】。 风险提示 新能源车产销量不及预期；46800电池产能推进和市场化不及预期；高镍三元需求不及预期；硅碳负极技术进步和成本下降不及预期；LiFSI产业化进程不及预期；碳纳米管需求不及预期；产业链原料价格大幅波动；锂电行业竞争加剧；重点关注公司业绩不及预期。 证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 3 内容目录 1、 电芯大型化趋势明确，大圆柱路线前景可期 . 6 1.1、 186502170046800，圆柱电池大型化趋势明确 . 6 1.2、 圆柱电池在一致性、安全性、材料应用等方面优势明显 . 8 1.3、 受益于大圆柱电池的高成组效率、低 BMS难度和高电压平台适配性，大圆柱电池路线前景可期 . 9 2、 电池环节：电池厂商布局大圆柱电池，大圆柱多重优势助力圆柱份额提升 . 12 2.1、 动力电池行业集中度高，国内外技术路线布局有所差异 . 12 2.2、 大圆柱电池产能即将放量，多重优势助力圆柱电池份额提升 . 13 3、 材料环节：大圆柱电池需求增加，有望提升高能量密度材料应用潜力 . 15 3.1、 高镍正极：圆柱大型化趋势下迎高镍扩产高峰，一体化布局铸就高镍正极材料龙头 . 15 3.1.1、 高镍材料能量密度优势明显，里程需求驱动NCM811占比提升 . 15 3.1.2、 高镍三元与圆柱电池优缺点互补，高镍大圆柱电池优势明显 . 17 3.1.3、 大圆柱放量提升高镍材料需求，三元前驱体和正极材料龙头企业受益 . 19 3.2、 硅基负极：硅基负极需求向上，商业化进程有望加速 . 25 3.2.1、 石墨负极接近理论比容上限，高比容硅材料备受关注 . 25 3.2.2、 硅基负极适配大圆柱电池，硅基负极规模商业化进程加速 . 28 3.3、 LiFSI：大圆柱带动LiFSI需求提升，国内企业大规模布局加速 . 31 3.3.1、 LiFSI性能优势明显，高镍化助力提升LiFSI需求 . 31 3.3.2、 LiFSI需求有望大幅提升，龙头公司强者恒强 . 34 3.4、 碳纳米管：大圆柱助力碳纳米管渗透率提升，龙头企业技术优势加深护城河 . 37 3.4.1、 碳纳米管性能优越，大圆柱电池助力碳纳米管渗透率提升 . 37 3.4.2、 技术与性能构筑核心竞争力，龙头公司产能扩张强者恒强 . 40 4、 结构件环节：大圆柱需求放量，打开圆柱结构件增量空间 . 44 4.1、 大圆柱电池前景广阔，圆柱结构件市场快速扩张 . 44 4.2、 技术壁垒构筑行业护城河，易拉盖生产设备龙头技术升级趋势明显 . 46 5、 投资建议 . 51 6、 风险提示 . 52 证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 4 图表目录 图1：圆柱、方形、软包电池结构对比 . 6 图2：2170圆柱电池较1865圆柱电池能量提升50% . 6 图3：4680圆柱电池较2170圆柱电池能量提升5倍. 6 图4：大圆柱电池具有低成本优势 . 7 图5：电池设计是特斯拉降本增效的重要手段之一 . 7 图6：圆柱的弧形表面一定程度抑制了侧向热传递 . 9 图7：随着电芯直径增加，动力电池支架板和集流片的孔径变大 . 9 图8：极耳是电池在进行充放电时的接触点 . 10 图9：46800电池采用无极耳技术 . 10 图10：全极耳设计可缩短电子传输路径，降低电池内阻 . 10 图11：无极耳设计能够有效的降低产热速率 . 11 图12：无极耳设计可以保证大圆柱电池的充电效率 . 11 图13：2020年全球动力电池企业装机情况 . 12 图14：2021年全球动力电池企业装机情况 . 12 图15：国内方形、圆柱、软包电池出货量占比 . 13 图16：全球方形、圆柱、软包电池出货量占比 . 13 图17：三元材料性能与镍钴锰元素比例关系 . 16 图18：中国锂电池三元正极材料产品结构 . 16 图19：锂电池热失控产生原因 . 17 图20：NCM811的热稳定性比NCM622差 . 18 图21：NCM811放热峰的放热量是NCM622的三倍 . 18 图22：过充电和过放电易导致电池热失控 . 18 图23：2020年国内三元前驱体企业出货占比 . 20 图24：三元前驱体成本构成 . 21 图25：2020年国内前驱体公司直接材料成本占比 . 21 图26：2021年国内三元材料市场份额 . 22 图27：2021年1-10月国内高镍市场竞争格局 . 22 图28：高镍三元正极材料制备工艺流程 . 23 图29：负极材料分类 . 25 图30：2021H1负极市场占比 . 25 图31：嵌锂生成Li-Si合金的体积膨胀率高达320% . 26 图32：硅基负极失效机制示意图 . 26 图33：硅碳复合负极循环稳定性好 . 27 图34：硅纳米管中铿离子通道示意图 . 27 图35：特斯拉生硅负极将使制造成本降至 1.2美元/kWh . 27 图36：特斯拉生硅负极示意图 . 28 图37：硅碳负极材料生产流程 . 28 图38：电解液由有机溶剂、电解质锂盐和添加剂组成 . 32 图39：正极过渡金属溶解对电池性能的危害 . 32 图40：LiFSI分子式 . 33 图41：LiFSI具有更好的抗水解性能 . 33 图42：LiFSI在高温下具有更好的电池循环性能 . 34 图43：LiPF6价格走势 . 35 图44：硫酸在天赐材料产业链循环中的示意图 . 36 证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 5 图45：不同接触类型导电剂示意图 . 37 图46：导电剂接触形式. 37 图47：2016-2021年中国锂电池导电剂出货量情况 . 40 图48：2020年中国碳纳米管导电浆料市场竞争格局 . 40 图49：天奈科技生产碳纳米管的工艺流程 . 41 图50：天奈科技生产碳纳米管导电浆料的工艺流程 . 41 图51：动力电池结构件主要为壳体和顶盖 . 44 图52：圆柱和方形壳体示意图 . 45 图53：圆柱电池顶盖（安全阀）示意图 . 45 图54：精密级进冲压模具示意图 . 47 图55：动力锂电池顶盖主要生产工艺及模式 . 48 图56：动力锂电池壳体的主要生产工艺及模式 . 48 表1：圆柱电池一致性和标准化程度高 . 8 表2：国内外电池厂商大圆柱电池布局情况 . 13 表3：圆柱电池需求量预测 . 14 表4：正极材料对比 . 15 表5：不同三元材料性能对比 . 17 表6：大圆柱电池对高镍三元正极需求预测 . 19 表7：全球高镍三元正极需求预测 . 19 表8：三元前驱体材料组成 . 21 表9：三元前驱体企业一体化布局情况 . 21 表10：三元正极材料企业高镍技术储备情况 . 23 表11：国内龙头三元正极企业高镍产能规划（万吨） . 24 表12：负极材料对比 . 26 表13：不同制备方式制备的硅基负极材料的技术特征对比 . 29 表14：国内硅基负极产业化进度 . 29 表15：三类电解质锂盐的技术指标对比 . 33 表16：动力电池高镍化对LiFSI需求影响测算 . 35 表17：LiFSI主要厂商产能情况. 36 表18：导电剂优缺点对比 . 38 表19：碳纳米管在力学、电学、热学、化学性能方面优势明显 . 38 表20：天奈科技三代产品生产技术和产品性能对比 . 41 表21：主流碳纳米管公司产品性能对比 . 42 表22：主要碳纳米管企业产能情况 . 43 表23：天奈科技新增碳纳米管导电浆料产能明细（单位：吨） . 43 表24：圆柱结构件市场空间测算 . 46 表25：动力电池精密结构件是冲压件 . 46 表26：国内外锂电池结构件厂商情况 . 48 表27：科达利主要客户情况（销售金额单位：亿元） . 49 表28：斯莱克结构件产能情况 . 50 证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 6 1、 电芯大型化趋势明确，大圆柱路线前景可期 1.1、 186502170046800，圆柱电池大型化趋势明确 动力电池根据封装形式的不同，主要分为圆柱电池、方形电池和软包电池。三种形态电池中，圆柱电池以正极、隔膜、负极的一端为轴心进行卷绕，封装在圆柱金属外壳之中；方形电池采用卷绕或叠片工艺制造，不同于圆柱电池，方形电池卷绕工艺通常有两个轴心，将正极、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；软包电池是典型的“三明治”层状堆垒结构，由正极片、隔膜、负极片依次层叠起来，外部用铝塑膜包装。 图1：圆柱、方形、软包电池结构对比 资料来源：Promise and reality of post-lithium-ion batteries with high energy densities，国海证券研究所 圆柱电池的发展时间最长，技术最为成熟，且标准化程度较高。最早的圆柱电池是由日本 SONY 公司于 1992 年发明的 18650 锂电池，其中 18 表示直径为18mm，65 表示长度为 65mm，0 表示为圆柱形电池。由于 18650 圆柱电池历史悠久，所以市场普及率较高，是目前市面上最为常见的电池型号，被广泛应用于消费电子领域。 图2：2170圆柱电池较1865圆柱电池能量提升50% 图3：4680圆柱电池较2170圆柱电池能量提升5倍 资料来源：特斯拉电池日官方材料，国海证券研究所 资料来源：特斯拉电池日官方材料，国海证券研究所 证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 7 由于圆柱电池的技术最为成熟、一致性较好，特斯拉将圆柱电池引入动力电池领域。2008年特斯拉首次使用松下的18650圆柱电池电芯作为车辆的动力电池，并在Roadster上试验过之后，开始在Model S上大规模使用。为提高电芯能量密度和降低成本，2017年特斯拉推出了与松下共同研发的21700圆柱电池，并将该电池应用在Model 3车型上。21700圆柱电池直径为21mm，长度为70mm，电池能量较18650圆柱电池提升了50%。此后特斯拉进一步将圆柱电池向大型化升级，2019年特斯拉申请46800大圆柱专利，并于 2020年电池日对46800大圆柱电池进行宣传，46800 大圆柱采用无极耳、新型硅材料和无钴技术，较21700 圆柱电池的性能有较大提升，预计 46800 大圆柱电池能量将提升 5 倍、续航里程提升16%、功率提升6倍。 相较于小圆柱电池，大圆柱电池具有高能量密度和低成本优势。圆柱电池尺寸从21700升级到46800，电芯体积增加448%，而表面积仅增加180%，这表明随着圆柱电池直径的增大，结构件质量占电池包总重量的比例下降，大圆柱电池的电池能量密度将有所提升，从而降低电池单 Wh 生产成本。从 21700 圆柱电池升级到46800大圆柱可以降低14%的单位生产成本。电芯大型化是特斯拉降本增效的重要手段之一，圆柱电池大型化趋势明确。 图4：大圆柱电池具有低成本优势 资料来源：特斯拉电池日官方材料，国海证券研究所 图5：电池设计是特斯拉降本增效的重要手段之一 资料来源：特斯拉电池日官方材料，国海证券研究所 证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 8 1.2、 圆柱电池在一致性、安全性、材料应用等方面优势明显 圆柱电池制造工艺较为成熟，生产效率高，产品一致性高。由于圆柱电池在镍氢电池和消费类电子产品（3C）锂离子电池上得到了长期的应用，业界积累了大量的生产设计经验，因此有较为成熟的自动生产线及设备。此外，圆柱电池是以卷绕的方式进行制造，卷绕工艺可以通过加快转速从而提高电芯生产效率，而叠片工艺的效率提高受限，圆柱电池生产效率较高。在卷绕过程中，为保证电芯组装成的电池具有高一致性，需要对卷绕张力进行控制，张力波动会使得卷绕出的电芯产生不均匀的拉伸形变，严重影响产品的一致性。目前国内领先企业圆柱电池张力波动控制在3%以下，大批量生产的圆柱电池产品一致性高。 表1：圆柱电池一致性和标准化程度高 项目 软包电池 方形电池 圆柱电池 壳体 铝塑膜 钢壳或铝壳 钢壳或铝壳 制造工艺 方形叠片 方形卷绕 圆柱卷绕 能量密度 高 中 中 成组效率 中 高 中 安全性 好 差 中 生产效率 低 中 高 标准化程度 低 低 高 一致性 低 低 高 优势 能量密度高、安全性能好、重量轻、外设计灵活 对电芯保护作用强、成组效率高 生产工艺成熟、电池包成本低、一致性高 劣势 成本高、一致性差、制造工艺要求高 整体重量重、一致性差、型号多 整体重量重、成组效率低、能量密度相对较低 资料来源：孚能科技招股说明书，GGII，国海证券研究所 受益于圆柱电池热失控传播阻断特性、密封性好和产品一致性高，圆柱电池在安全性方面优势明显。由于方形、软包电池具有平直表面，其组成模组后平面常处于紧密接触状态，在热失控时，侧向方向上热量传递明显，而圆柱电池由于其弧形表面，在充分接触时仍存在较大间隙，一定程度上抑制了电池之间热量传递，因此圆柱电池可以在一定程度上阻止热失控蔓延。同时，由于圆柱电池单体能量低，可以减少热失控蔓延初期的能量释放总量，且圆柱电池的密封性较软包好，不易发生漏液现象，因此圆柱电池在安全性方面优势明显。此外，圆柱电池一致性高，可以一定程度上避免由于电池不一致导致的过充、过放和局部过热的危险。 受益于圆柱结构体本身的材料力学性能，圆柱电池和高镍材料、硅碳负极材料兼容性良好，对材料应用具有包容性。为提高电池能量密度，高镍正极材料和硅碳负极材料被应用到电池材料体系，但高镍材料较差的热稳定性和硅碳材料较高的体积膨胀率对动力电池的安全性带来了考验。相较于方形电池和软包电池，圆柱电池结构体本身强度更高，对硅碳负极膨胀的容忍度较高，且圆柱电池的热失控传播阻断特性可以在一定程度上弥补高镍材料热稳定性差的缺点，因此在应用高镍材料和硅碳负极材料方面，圆柱电池优势明显。 证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 9 图6：圆柱的弧形表面一定程度抑制了侧向热传递 资料来源：汽车电子设计，国海证券研究所 1.3、 受益于大圆柱电池的高成组效率、低 BMS 难度和高电压平台适配性，大圆柱电池路线前景可期 圆柱大型化可以提高成组效率，弥补小圆柱电池成组效率低的不足。根据钜大锂电数据，目前行业内圆柱形电池的模组成组效率约为87%，系统成组约为65%，而方形电池则分别为 89%和 70%，圆柱电池成组效率较低。圆柱电池直径变大后，动力电池支架板和集流片的孔径变大，相应重量减轻，此外，动力电池包中电芯数量的减少可以减少结构件用量，在提高电池能量密度的同时提高成组效率。 图7：随着电芯直径增加，动力电池支架板和集流片的孔径变大 资料来源：Astroys，国海证券研究所 圆柱路线对车企的BMS技术要求较高，大圆柱路线可降低BMS控制难度。单体圆柱电芯容量小，要达到一定的动力性能，需要的电芯数量众多。一款75KWh的电动车动力电池组大约需要 7000 个 18650 电池，即使是 21700 电池也需要4400个，对BMS提出极高要求，对于在BMS领域积累薄弱的车企来说难度较大，而换成 46800 电池仅需要 950 个电池，所需电池数量显著减少，从而降低BMS控制难度。因此，大圆柱路线可降低车企对中游电池企业的技术依赖程度。 46800 电池无极耳设计缩短电子传输路径，从而降低电池内阻。极耳是从电芯中将正负极引出来的金属导电体，是电池在进行充放电时的接触点。传统圆柱电池通过单极耳来实现电流收集，由于电阻的存在，电池在充放电的过程中，特别证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 10 是大电流充放电的过程中会产生显著的欧姆热，引起电池温度的升高，随着电芯尺寸的变大，卷绕长度更长，会加剧内部电流和温度分布的不均匀性，在极耳处产生局部高温。为降低电池内阻，减少充放电过程中欧姆热，特斯拉对 46800大圆柱电池采用无极耳技术，即整个集流体都变成极耳，导电路径不再依赖极耳，因此无极耳技术也称全极耳技术。无极耳技术将电子的传输路径从沿极耳到集流盘的横向传输变为集流体纵向传输，将电子传输路径平均长度从铜箔长度（21700 电池铜箔长度约 1000mm）降低到电池高度（80mm），从而将电池内阻降低一个数量级。 图8：极耳是电池在进行充放电时的接触点 图9：46800电池采用无极耳技术 资料来源：特斯拉电池日官方材料，国海证券研究所 资料来源：特斯拉电池日官方材料，国海证券研究所 图10：全极耳设计可缩短电子传输路径，降低电池内阻 资料来源：GGII，国海证券研究所 大圆柱无极耳电池设计保证了电池充电效率。英国帝国理工大学的Shen Li等人通过模拟仿真对单极耳电池和无极耳电池进行充放电过程发热对比，计算得到无极耳设计能够有效的降低局部的电流密度，且产热速率要比单极耳电池低两个数量级。研究表明无极耳设计可以减少大圆柱电池在充电过程中的产生的热效应，从而保证大圆柱电池的一致性、安全性和充电效率。 证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 11 图11：无极耳设计能够有效的降低产热速率 资料来源：Optimal cell tab design and cooling strategy for cylindrical lithium-ion batteries，国海证券研究所 受益于大圆柱电池内阻小、一致性高，大圆柱电池和高能量密度材料及高电压快充系统适配度高。为解决消费者“里程焦虑”问题，大部分厂商通过增加电池容量提升续航里程、增加充电速度减少充电时间这两种方式解决该问题。为增加电池容量，需使用能量密度更高的高镍正极材料和硅碳负极材料；为减少充电时间，需要提高电动车充电功率，即通过提高充电电流或提高充电电压来增加充电速度，而在功率相同的情况下，提高电压可以减少线路电流，从而减少能量损失。由于高能量密度材料和快充都容易在充电时产生析锂、膨胀等副反应，因此一般情况下高能量密度材料和快充系统不能兼容。目前电动汽车普遍使用的是400V电压系统，由于单个锂离子电池电压只有34V，因此需要100个左右电池串联才能达到400V电压要求，而800V高电压快充系统则需要200个左右电池串联，800V高电压快充系统对电池一致性提出了更高的要求。由于大圆柱电池具有内阻小的特点，同时兼具圆柱电池自身一致性高、对高能量密度材料兼容的优点，因此大圆柱电池可以兼容高能量密度材料和高电压快充系统。 图12：无极耳设计可以保证大圆柱电池的充电效率 资料来源：特斯拉电池日官方材料，国海证券研究所 证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 12 2、 电池环节：电池厂商布局大圆柱电池，大圆柱多重优势助力圆柱份额提升 2.1、 动力电池行业集中度高，国内外技术路线布局有所差异 动力电池行业集中度有所提升，2021年中日韩企业市占率超过90%。根据SNE Research和起点研究统计，动力电池行业CR3由2017年的45.9%提升至2021年的65.1%，CR5由2017年的58.3%提升至2021年的79.5%，行业集中度大幅提升。2021 年全球动力电池企业装机量前 10 名均为中日韩企业，占整体装机量的91.2%，中国、日本、韩国企业数量分别为6家、1家和3家。 图13：2020年全球动力电池企业装机情况 图14：2021年全球动力电池企业装机情况 资料来源：SNE Research，国海证券研究所 资料来源：SNE Research，国海证券研究所 国内外电池厂商对圆柱、方形、软包三种技术路线布局有所差异。日本企业以圆柱路线为主，1998年松下生产的18650圆柱电池已经批量装配在世界多个品牌的笔记本电脑里，由于松下对圆柱电池的技术积累较多，松下与特斯拉合作，共同开创了圆柱形锂电池应用在纯电动汽车上的时代。韩国企业LG化学和SKI以软包路线为主，LG化学依靠在消费类电子的软包电池领域的积累，将软包电池应用到电动汽车上，软包电池由于其体积和形状的灵活多变性，尤其受到插电式混合动力车的偏爱。国内企业在刚起步时，考虑到日本和韩国分别在圆柱和软包电池的技术积累，且圆柱电池非常考验车企电池管理水平，软包电池的铝塑膜国产化率低，因此以宁德时代和比亚迪为首的国内企业以方形路线为主。 25%23%18%7%6%5%3% 2%2%9%宁德时代 LG新能源 松下 比亚迪三星SDI SK On 远景动力 中航创新国轩高科 其他33%20%12%9%6%4%3% 2%1% 1%9%宁德时代 LG新能源 松下 比亚迪SK On 三星SDI 中创新航 国轩高科远景动力 蜂巢能源 其他证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 13 2017年至2020年，国内圆柱电池市场份额大幅下降，海外市场份额略有下降。从国内市场看，2017 年后受补贴退坡影响，初期配套圆柱电池的短续航低端车型无法得到补贴，圆柱电池市场份额从2017年的27.2%下降至2020年的9.7%，其市场份额主要被方形电池所取代，在此期间，以圆柱路线为主的比克、沃特玛等企业破产倒闭。从全球市场看，受欧洲新能源车渗透率快速提升的影响，海外软包电池出货量增加，挤占一定圆柱电池市场份额，圆柱电池市场份额从 2018年的29%下降至2020年的23 %。 图15：国内方形、圆柱、软包电池出货量占比 图16：全球方形、圆柱、软包电池出货量占比 资料来源：GGII，国海证券研究所 资料来源：SNE Research，国海证券研究所 2.2、 大圆柱电池产能即将放量，多重优势助力圆柱电池份额提升 目前，特斯拉明确表示将大圆柱电池用于高端长续航乘用车，此外，特斯拉确认在 Semi 卡车和 Cybertruck 上使用 46800 电池。特斯拉把大圆柱作为核心量产工艺的突破点，预期第一款搭载 46800 的车型将于 2022 年生产，特斯拉的弗里蒙特产线的46800良率已提升至92%左右。 电池企业加速布局 46800，大圆柱电池产能即将放量。为满足大圆柱电池需求量，除特斯拉自己的电池工厂布局 46800 外，国内外电池厂商也加速扩产布局46800：海外企业松下和LG化学正在进行产品设计与研发以期达到特斯拉的要求；国内电池企业亿纬锂能、宁德时代、比克等也在积极布局相关技术。目前来看，仅有特斯拉电池工厂和松下可以在2022年逐步量产大圆柱电池，亿纬锂能和LG化学计划于2023年实现量产。 表2：国内外电池厂商大圆柱电池布局情况 国家 电池厂商 大圆柱电池布局情况 日本 松下 2021 年 10 月 26 日，松下首次展示了其为特斯拉打造的新型 4680 电池试制品；计划 2022年3月在日本的一家工厂试生产新型4680电池 韩国 LG化学 2021年3月已开始为特斯拉4680电池建造一条试点生产线，最早有望在年内开始运营；正在考虑在美国和欧洲设立4680工厂，以便为特斯拉供货 三星SDI 据韩国媒体 TheElec 报道，宝马将于三星 SDI 合作开发新的圆柱电池，尺寸介于 21700 和0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%2017 2018 2019 2020方形 圆柱 软包0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%2018 2020方形 圆柱 软包证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 14 46800之间 中国 亿纬锂能 2021 年 11 月 6 日公告将投资 20GWh 乘用车用大圆柱电池生产线及辅助设施项目总额约为32 亿元，建成达产后预计可形成 20GWh/年的乘用车用大圆柱电池产能；公司于 2021 年 4月与 StoreDot 签订协议，双方就电动汽车 4680 电池分三个阶段进行合作，有效期至 2024年12月31日；目前亿纬锂能已布局了46800和46950两大型号 江淮汽车 2021 年 2 月，江淮汽车与 CBAK 能源科技签署了一项为期三年的联合产品开发战略协议，双方将联合开发4680锂电池及电池组 比克 国内首发4680全极耳大圆柱电池的电池企业。比克电池于2021年3月透露，正与国内外多个客户合作进行全极耳大圆柱电池的开发，4680电芯样品预计年内实现批量下线 蜂巢能源 蜂巢能源董事长表示2021年蜂巢能源将切入大圆柱领域；蜂巢能源在上海车展创新日展示了展示了46800电芯研发成果，采用了与特斯拉相同的无极耳结构 资料来源：各公司公告，电动汽车观察家，电池中国网，thelec，国海证券研究所 46800 大圆柱电池的放量有望成为圆柱份额提升的重要支撑。根据特斯拉电池日官方材料，如果未来46800电池成功量产，从21700电池升级到46800电池可以降低14%的单位生产成本，缩小三元电池和磷酸铁锂电池之间的成本差距，大圆柱电池将凭借高性价比，对现有电池结构体系产生影响。未来在大圆柱电池持续技术优化的背景下，我们预计2025年圆柱动力电池全球占比有望达到27%，圆柱动力电池需求量将达318.2 GWh。 表3：圆柱电池需求量预测 2017A 2018A 2019A 2020A 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E 中国新能源乘用车（万辆） 57.1 105.3 106.2 124.6 333.4 500.0 665.8 852.6 1062.5 欧洲新能源乘用车（万辆） 30.6 38.6 56.4 136.7 221.9 251.1 280.3 309.5 338.7 美国新能源乘用车（万辆） 19.6 36.1 32.7 32.2 65.2 145.3 230.3 320.4 415.4 其他地区新能源乘用车（万辆） 15.1 21.8 25.7 19.0 34.0 42.3 57.7 82.5 107.3 全球新能源乘用车（万辆） 122.4 201.8 221.0 312.5 654.5 938.6 1234.2 1565.1 1923.9 中国新能源商用车（万辆） 19.8 20.3 14.6 12.1 18.6 18.0 18.9 19.5 19.8 全球新能源汽车（万辆） 142.2 222.1 235.6 324.6 673.1 956.6 1253.1 1584.6 1943.7 全球动力电池需求量（GWh） 83.5 126.1 141.0 190.5 389.4 557.2 739.1 947.4 1178.7 YOY 51.0% 11.8% 35.1% 104.4% 43.1% 32.6% 28.2% 24.4% 圆柱动力电池占比 28.1% 29.0% 27.1% 23.1% 20.0% 21.0% 23.0% 25.0% 27.0% 圆柱动力电池需求量（GWh） 23.4 36.6 38.2 43.9 77.9 117.0 170.0 236.8 318.2 YOY 56.4% 4.4% 14.9% 77.4% 50.2% 45.3% 39.3% 34.4% 资料来源：Statista，中汽协，T&E analysis，Marklines，国海证券研究所 证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 15 3、 材料环节：大圆柱电池需求增加，有望提升高能量密度材料应用潜力 3.1、 高镍正极：圆柱大型化趋势下迎高镍扩产高峰，一体化布局铸就高镍正极材料龙头 3.1.1、 高镍材料能量密度优势明显，里程需求驱动 NCM811 占比提升 正极材料是锂离子电池的重要组成部分，决定整个电池的性能，其成本约占电池的 30%-40%。目前常见的正极材料有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料。三元材料一般为镍钴锰酸锂（NCM），由于镍、钴、锰元素均在元素周期表第四周期的相邻位置，离子态的化学性质及半径相似，能够按照任意比例形成固溶体，因此可以通过调整材料中镍钴锰元素的比例来选择性的放大材料某方面的优点，来满足不同电池性能要求： （1）镍元素：充放电过程中的氧化还原反应主要依靠镍元素的变价，因此正极材料中镍元素的含量决定了电池的能量密度，但是过高的镍元素比例又会导致严重的阳离子混排现象（指在放电时锂离子大量脱出的时候，受到外界因素作用，二阶Ni离子占据Li离子晶格中位置的现象），影响材料性能； （2）钴元素：钴元素能够抑制阳离子混排，稳定层状结构，起到提升电导率降低阻抗的作用，但是钴元素存在价格昂贵等问题； （3）锰元素：锰有良好的电化学惰性，使材料始终保持稳定的结构，并且廉价的锰也能够起到降低电池成本的作用，但锰含量过高会对层状结构产生一定破坏。 表4：正极材料对比 项目 钴酸锂（LCO） 锰酸锂（LMO） 磷酸铁锂（LFP） 三元材料 镍钴锰酸锂（NCM） 镍钴铝酸锂（NCA） 比容量（mAh/g） 140-150 100-120 130-140 150-220 180-220 循环寿命（次） 500-1000 500-1000 2000 1500-2000 1500-2000 安全性 适中 较好 好 较好 较好 成本 高 低 低 较低 较低 优点 充放电稳定、工艺简单 锰资源丰富、成本低、安全性能好 成本低、高温性能好 电化学性能好、循环性能好、能量密度高 高能量密度、低温性能好 缺点 钴价格昂贵 能量密度低 低温性能差 部分金属价格昂贵 部分金属价格昂贵 电池产品相关影响 体积能量密度高，成本高，安全性较差，适用高端数码 成本低，能量密度低，适用低端数码、电动自行车 安全性好，循环寿命长，适用客车电池 综合性能较好，适用各类数码产品与乘用车电池 综合性能较好，适用各类数码和乘用车电池 资料来源：容百科技招股说明书，国海证券研究所 证券研究报告 请务必阅读正文后免责条款部分 16 在三元正极材料中，行业主流的NCM型号包括523、622和811 三种型号，高镍正极通常指镍相对含量在0.6以上的材料型号。随着镍含量的升高、钴含量的降低，三元材料的能量密度逐渐提高，但材料的容量保持率和热稳定性都会降低，氧气析出现象会更加明显。目前，正极材料厂家主要通过离子掺杂和表面包覆来对高镍三元材料进行改性，从而改善高镍NCM和
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