一、锂电池生产制造流程及核心设备

　　(一)生产流程

　　锂电池的生产工艺分为前、中、后三个阶段，前段工序的目的是将原材料加工成为极片，核心工序为涂布;中段目的是将极片加工成为未激活电芯;后段工序是检测封装，核心工序是化成、分容。

　　锂电设备按照电池生产制造流程，划分为前段设备、中段设备、后段设备。

　　前段设备价值占比约40%，其中涂布机价值占75%，辊压机价值大于分切机。三元材料对前段设备的性能要求更高，前段设备价值占比会逐步增加。

　　中段设备价值占比约30%，其中卷绕机价值占比70%。目前卷绕机市场集中度较高，CR3达到60%-70%。卷绕机高端市场受到韩国KOEM和日本CKD的竞争，国内高端市占率50%。

　　后段设备价值占比约30%，其中化成分容系统占70%，组装占30%。

　　(二)前段：打造涂覆有正负极活性物质的极片

　　1、前段工序

　　前段工序主要包括浆料搅拌、正负极涂布、辊压、分切、极片制作和模切。

　　搅拌：先使用锂电池真空搅拌机，在专用溶剂和黏结剂的作用下，混合粉末状的正负极活性物质，经过高速搅拌均匀后，制成完全没有气泡的浆状正负极物质。

　　涂布：将制成的浆料均匀涂覆在金属箔的表面，烘干，分别制成正、负极极片。

　　辊压：辊压机通过上下两辊相向运行产生的压力，对极片的涂布表面进行挤压加工，极片受到高压作用由原来蓬松状态变成密实状态的极片，辊压对能量密度的明显相当关键。

　　分切：将辊压好的电极带按照不同电池型号，切成装配电池所需的长度和宽度，要求在切割时不出现毛刺。

　　2、涂布机

　　涂布的主要目的是将稳定性好、粘度好、流动性好的浆料，均匀地涂覆在正负极表面上。其对锂电池的重要意义主要体现在一致性、循环寿命、安全性三方面。在涂布过程中，若极片前、中、后三段位置正负极浆料涂层厚度不一致，或者极片前后参数不一致，则容易引起电池容量过低或过高，且可能在电池循环过程中形成析锂，影响电池寿命。涂布过程要严格确保没有颗粒、杂物、粉尘等混入极片中，如果混入杂物会引起电池内部微短路，严重时导致电池起火爆炸。因此为使中段的卷绕工艺能尽可能粗细均匀、紧密，要求正负极的涂布误差尽可能小，涂布机的先进程度会直接影响电池化学性能的优劣，以及最终产品的良品率(电池厂家通常要求在99%以上)。

　　涂布机是前段工序的核心设备。涂布机经历了三种结构类型的演化，依次是刮刀式、转移式、狭缝挤压式涂布。刮刀式主要应用于实验室条件下;转移式涂布主要应用于3C电池的生产;狭缝式挤压涂布主要应用于动力电池，近几年该类型由于动力电池生产需求的爆发而快速增加。挤压涂布技术作为这三种中最先进的技术，可以用于较高粘度流体涂布，获得较高精度的涂层。将涂布机的结构分拆来看，涂布头的设计对涂布精度有极为重要的影响，这类高精度控制的核心零部件尚需要进口。涂布机当前的国产化率较高，达到70%-80%以上，但高端产品的涂布头仍主要有国外提供，如龙头新嘉拓的涂布头曾主要由松下提供。公众号《机械工程文萃》，工程师的加油站!

　　涂布机设备的技术先进程度主要考察四个方面：涂布技术，张力技术，纠偏技术，干燥技术。涂布技术需要满足不同厚度的生产要求，现在正极锂电铝箔厚度已经薄至6-8微米，负极锂电铜箔厚度已经薄至4.5-6微米，隔膜涂布也只有几个微米，石墨烯涂布甚至更薄，不同的厚度还需要针对客户开发不同的涂布方法，保证对浆料的涂布厚度精度控制在2微米以下。张力技术，由于幅材沿着涂布方向运动不可避免地出现张力不均匀状态，导致涂布质量缺乏一致性，因此需要确保片路运行过程中各段均有良好的张力控制。纠偏技术，由于涂布设备长度多在数十米，片路运行过程中会出现位置偏差，为了保证无论是铜膜铝膜还是很薄的隔膜都能在片路上平稳有效地运行，并实现精密涂布，需要选用不同的驱动形式配合响应的控制系统来纠偏。干燥技术，涂布生产的速度瓶颈在于烘干干燥，最直接的手段是加长风箱，但会带来成本和占地增加，加强之后还需要增强纠偏和张力控制，要想进一步改善干燥效率就需要改进风场的控制，温度场的控制，布局形式，尽量在保证涂布速度的情况下减小风箱长度。

　　涂布效率是领先企业进一步比拼技术实力的重要标准。当前领先的涂布机设备在保证上述技术的前提下，主攻提升涂布效率，主要的手段包括提升涂布机运行速度和涂布宽度，领先企业的涂布速度能达到120m/min，涂布宽幅达1400mm。

　　3、辊压机

　　辊压的意义在于压实极片，提高电池的能量密度。极片在完成上一工序的涂布、干燥后，活性物质与箔片的剥离强度很低，此时需要对其进行辊压，增强活性物质与箔片的粘接强度，以防在电解液浸泡、电池使用过程中剥落。合适的压实密度可增大电池的放电容量、减小内阻、减小极化损失、延长电池的循环寿命、提高锂离子电池的利用率。极片辊压一般由双辊压机完成，双辊压机是由两个铸钢压实辊以及电机和传动轴组成。开启辊压模式后，电机带动上下辊同时转动，收卷机构拉动极片将稳步穿过辊压间隙，最终被压到所需压实密度。

　　辊压过程对电芯性能影响很大。辊压过程会出现几个典型问题：①极片厚度不一致。厚度不一致，意味着活物质密度不一致，锂离子和电子在极片中传输、传导速率会有所不同。当电流密度不同时，极易引起锂枝晶的析出，对电芯性能不利。此外，极片厚度不同时，活性物质与集流体之间的接触电阻也不同，极片越厚内阻越大，电池极化也就越严重，影响电芯容量。②极片部分位置出现过压。由于涂布时部分位置厚度过厚，辊压后则有可能出现过压的现象。过压的位置活物质颗粒出现破碎，活物质颗粒间接触紧密，在电芯充放电过程中，电子导电性增强，但离子移动通道减小或堵塞，不利于容量发挥，放电过程中极化增大，电压下降，容量减小。同时，过压后影响电解液的浸润效果，对电芯的性能也有很大的影响。

　　从工艺流程上看，辊压质量还会直接影响后续的极片加工效果。辊压后极片的理想状态是极片表面平整、光泽度一致、留白部分无明显波浪、极片无大程度翘曲。但是在实际生产中，操作熟练度、设备运行情况等不可避免会产生一些问题，影响后续工序中的极片分切，导致分切极片宽度不一致，极片出现毛刺。辊压结果还会影响极片的卷绕，严重的翘曲会造成极片卷绕过程中极片、隔膜间产生较大的空隙，在热压后会形成某些部分多层隔膜叠加，成为应力集中点，影响电芯性能。

　　衡量辊压机技术先进程度，主要看面密度、压实密度。当前领先设备能使得磷酸铁锂正极材料比容量达到200毫安时/克，磷酸铁锂正极材料压实密度达到1.5克/立方厘米。

　　4、分切机

　　分切机的功能是将辊压后的极片分切到需要的宽度，是卷绕的前一道关键工序。低端的分切机机械精度低，张力控制简单，不能适应超薄膜材料的分切。随着用户对于分切效率和分切质量要求的提高，高端的分切机逐渐具备波浪边分切功能，并且拥有较好的张力控制技术，优化分切速度和分切质量。据浩能收购书中介绍，国内高端分切速度已达到70米/秒。

　　极片分切工艺的主要技术难点在于处理毛刺、波浪边和掉粉。毛刺，特别是金属毛刺对锂电池的危害巨大，尺寸较大的金属毛刺直接刺穿隔膜，导致正负极之间短路。而极片分切工艺是锂离子电池制造工艺中毛刺产生的主要过程。通常要求毛刺在12微米以下，如下图工艺缺陷形成的集流体毛刺，尺寸达到100微米。波浪边和掉粉：下图是极片分切时存在的掉料和波浪边缺陷。出现波浪边时，极片分切和卷绕时会出现边缘纠偏抖动，从而降低工艺精度，另外对电池最终的厚度和形貌也会出现不良影响。极片出现掉粉会影响电池性能，正极掉粉时，电池容量减小，而负极掉粉时出现负极无法包裹住正极的情形，容易造成析锂。

　　(三)中段：完成电芯的卷绕和注液

　　1、工序

　　中段工序主要包括电芯的卷绕/叠片和电芯注液，涉及的设备为卷绕机、叠片机、注液机。卷绕机对电芯进行卷绕时，可根据下游厂商需要进一步分为圆柱形卷绕和方形卷绕。叠片机在正、负极料盒中拾取极片，经过二次定位，交替将正、负极片放在叠片台上。隔膜主动放卷，叠片台带动隔膜左右往复移动形成Z字形叠绕。叠片完成后，按照设定长度切断，自动送出人工贴胶。通过注液机，将电解液注入卷绕或叠片后的电芯中。

　　锂电池的中段设备较前段更加强调个性化，对工序的精度、效率、一致性要求非常高。针对方形、圆柱、软包电池，中段设备会分别使用卷绕机或者叠片机。目前卷绕机应用更为普遍，突出的优势在于生产速度快，产品一致性高;叠片机工艺复杂，良品率低，生产效率较低，但其生产的软包电池尺寸更为灵活，散热设计合理，能量密度高，具有圆柱和方形不具备的诸多优势。国内企业目前大多采用中小尺寸卷绕机，叠片机的比例还不高。

　　2、卷绕机

　　张力控制是影响卷绕机先进程度的核心技术。在整个卷绕过程中，为了保证电芯组装成的电池具有高一致性，需要尤其注意卷绕的张力控制。张力波动导致的松紧差异会使得卷绕出的电芯产生不均匀的拉伸形变，使电芯材料分层或出现S型皱褶，严重影响产品的一致性，隔膜、极片表面不平整起的褶皱会增大电池内阻。卷绕张力控制是一个高速的动态平衡过程，卷绕机在电气和软件控制方面要求很高，要求伺服控制系统快速反应，软件的编程也需要独到的经验水平。对于方形锂电池的卷绕，需要保持卷绕的线速度不变，角速度需要自动调整，因此方形锂电池卷绕的张力控制对技术要求更高。当前国内领先企业能做到圆柱电池张力波动控制在5%以下，方形电池张力波动控制在10%以下。

　　卷绕机的自动纠偏技术和卷绕速度也比较关键。纠偏系统能保证电池卷绕过程中极片隔膜卷绕整齐，正极/负极/隔膜之间相对位置准确，目前行业通常要求卷后正负极片或隔膜的上下偏差均小于0.5mm，超过这一数值将对电池形变产生影响。目前国内领先企业的圆柱电芯能达到18米/秒以上的高速卷绕速度，方形电芯由于需要保证线速度恒定，因此变角速度卷绕较慢，国内领先企业能达到0.8米/秒以上。

　　3、叠片机

　　叠片机用于软包电芯生产，能实现高于圆柱和方形电池的性能和安全性。叠片机是将正极片、隔膜、负极极片按照顺序叠合成小电芯单体，然后将小电芯单体叠放并联起来组成大电芯。叠片工艺生产出的电芯优点在于：由于相当于多个小极片并联，内阻较低，放电平台高;电芯极片隔膜之间受力面积一致，无明显应力集中点;内部空间利用较为充分，体积比容量和能量密度更高;叠片工艺相当于多极片并联，更容易在短时间内完成大电流放电，倍率性能佳。

　　叠片工艺的缺点在于操作要求高，生产控制繁琐，次品率高，最大的瓶颈在于生产效率低。目前国产动力电池用叠片机的效率相比韩国差距较大，国产设备以双工位居多，效率普遍在0.5-0.8秒/片，而进口叠片机效率为0.17-0.2秒/片。卷绕式工艺生产的电芯在电化学性能上略差于叠片式，但优势在于自动化程度高，制成容易，适合大规模生产，因此市场上的方形电池，尤其是圆柱电池一般都是卷绕式工艺生产。

　　(四)后段：化成分容及测试分选设备

　　1、工序

　　后段工序主要包括封装、化成分容、测试分选、模块装配及PACK等。

　　封装是将电芯放入金属或软包外壳中。

　　化成是通过充放电方式，将电池内部正负极物质激活，使得电池充电活化。

　　分容在化成之后，对电池进行充放电循环并检测电池各项参数，根据测量参数对电池进行配组。

　　模块装配及PACK包括对电池模组上线检测、电池包PACK装配、电池包下线检测等，该工序之后电池基本就达到了出厂要求。

　　2、化成分容

　　化成分容及检测系统是后段工序中最关键的环节。锂电池电芯的化成分容是通过充放电的方式实现电池的初使化，使电芯的活性物质激活，是一个能量转换的过程。锂电芯的化成分容原理比较复杂，但同时也是影响电池性能很重要的一道工序，因为在Li+第一次充电时，Li+第一次插入到石墨中，会在电池内发生电化学反应，在电池首次充电过程中不可避免地要在碳负极与电解液的相界面上、形成覆盖在碳电极表面的钝化膜或SEI膜（固体电解质界面(膜))。SEI膜的性能直接决定了电池的倍率、自放电等性能。为了达到使电池状态稳定，通常化成分容过程中会进行多次的充放电、60℃以下的恒温静置等。锂电池化成分容系统可以对单体锂电池进行恒流充电，当电压达到锂电池的充电上限电压时，转为恒压充电，直至充电电流逐渐降为0。然后再对电池进行恒流放电，直至电池电压达到放电截止电压。

　　化成和分容原理上略有区别，但均可用充放电机完成。化成只是充电的过程，不需要对电芯进行放电，所以化成的时候，可以使用单独的充电机，因而充电机也常常被称为化成机，又因为充电机的外表往往是方正的柜子形态，充电机又被称为化成柜。虽然化成不需要放电，但有些电芯的化成工艺需要进行一次以上的充电，紧接着化成之后的分容工序，需要对电芯先充电再放电，化成充电之后，还必须对电芯进行放电，这种工艺上的需要也导致很多电池生产厂家，直接使用带有充电和放电功能的充放电机来进行化成。

　　分容的意义在于筛选出合格电池并进行分组。由于电池制造过程中的工艺原因使得电池的实际容量不可能完全一致，通过一定规范进行“充满电-放完电”循环，循环时间乘以放电电流就是电池的容量。只要测试得到的容量满足或大于设计容量，电池就是合格的。通过对不同容量的电池进行分类，可以优化电池组的一致性。锂电池的化成分容过程中，对充放电电压和电流的要求非常严格，电压的高精度控制可以避免电池过充过放情况的出现。在分容过程中，需要使用到的主要设备是锂电池充放电机。具有“能量回馈”技术的充放电机可以较好解决分容充放电模块的散热问题，相比传统化成分容系统节电60%-80%。

　　充放电机是化成分容中的重点设备，也是后段使用量最多的设备。充放电机的最小工作单位是“通道”。一个通道可以为一个电芯进行充电或放电。在充放电机实际使用中，一个“单元”由一定数量(如24个、32个、64个等)的通道组合而成。“单元”包含了若干个“通道”，是充放电机制造和安装时的最小单位，日韩企业将此单位称为BOX。从原理上说，一台充放电机可以由无数个BOX组成，国内较多采用手工操作的习惯影响下，一般一台充放电机的BOX数量并不大，一条生产线后段往往需要十几台到上百台充放电机。

　　二、锂电设备行业特点

　　(一)定制化研发，毛利率普遍较高

　　锂电设备厂商的研发模式主要是客户提需求，由设备厂商成立专项研发小组定制化开发。由于各个客户生产设备差异较大，设备厂商需开发同类功能不同型号的设备。部分大型设备企业会根据各类客户需求总结研制开发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。

　　当前锂电设备行业平均毛利率为35%-45%，除隔膜以外，比其他锂电原材料稍高。设备品质是制造好产品的前提，下游电池厂商对设备厂商溢价给予认可。考虑到锂电池产品和设备均处在技术升级过程中，且设备折旧成本占电池生产成本的比例仅在6%左右，下一步预计锂电设备高毛利率可以保持。

　　(二)以销定产，存货中库存商品少，发出商品占比高

　　为了降低生产成本，大部分大型设备企业持续推进产品标准化工作，在满足客户个性化需求的基础上提高设备的标准化水平，逐步实现所产设备由“标准构件”与“客户非标构件”组成。针对部分市场需求大的设备，在取得客户订单后，对于标准构件部分的生产会适当增加投料量，从而实现标准构件的规模化生产，这样既能够降低采购成本和生产成本，同时又能提高公司的生产效率，向客户实现更快交付(通常在2-6个月交付)。

　　以后处理系统设备为例，锂电设备作为锂离子电池生产线的一部分，在新建或改造生产线时，需要与整条锂离子电池生产线一起试生产，从发货至验收的时间间隔较长。后段设备商制造的设备运达电池厂后，需先进行安装、调试和试生产，在能够稳定地满足客户生产需求后，经电池厂验收合格方能确认收入，时间普遍在9个月到1年左右。期间，形成后端设备商的存货。存货金额较大，一方面占用了后端设备商的大量资金，降低了资金使用效率，另一方面也增加了后端设备商管理、成本控制等方面的压力。

　　(三)高效率、一体化趋势增强

　　随着各工艺环节设备的效率提升，同样单体设备的产能增加，导致每GWh设备价值量不断下降。以涂布机为例，2018年高速双层涂布机渗透率快速提升，涂布速度从原先的50-60m/min大幅提升至120m/min，150m/min涂布机产品也正在研发中。一体化方面，通过将几个相邻工序的锂电设备集成可以提升产线生产效率，例如先导和赢合分别推出了激光切卷绕一体机(模切机及卷绕机集成)及涂辊分一体机(涂布、辊压及分切机集成)等产品，优势体现在节省空间与时间(占地面积更小，减少收放卷及上下料耗时)、降低人力成本及原材料损耗(自动化率提升)。

　　(四)锂电设备行业进入门槛较高

　　1、资金门槛

　　从商业模式上讲，锂电设备业务大多采用“3331”的收款模式，导致付款周期可能较长。所谓“3331”，是指客户签订合同时仅付款30%，发货后付款30%，客户安装调试并试运行后验收并付款30%，质保期(通常为一年)结束后付款10%。客户在付款时间点的选择上较为自由，在合同允许的范围内，可视自身现金流状况来确定何时验收并付款。现在有客户采取“163”模式，即一成付款，验收付六成，质保期后付剩下三成。因此锂电设备厂在处理业务时常需要做大量垫款，而业务回款趋缓，导致企业现金流紧张，对新进入企业的资金实力均提出了较高的要求。

　　2、自动化率门槛

　　一方面，政府不断提高锂电池行业准入标准，对锂电池产品的安全性和一致性有更高要求，另一方面各电池厂商产能不断扩大，规模化生产必须依赖高度自动化、智能化设备。目前国内锂电池一线厂商自动化率约为50%，二线厂商仅为20%，对比国际一流厂商近80%的自动化率，仍有较大差距。新进入的锂电设备企业如果无法具备较高自动化率水平，将难以立足。

　　3、客户粘性门槛

　　锂电池厂商对设备供应商的粘性极大，在前期选择设备供应商时极为谨慎，着重考察供应商的研发设计水平、生产工艺掌握程度、售后服务能力、产品销售记录、产品质量记录等是否达到标准。设备开发成功后又须经过用户现场操作、安装调试以及样机使用等多个环节，最终才能得到客户认可。为保证锂电池产品质量的一致性，一旦形成供货关系，除非技术更新较大或扩张过快，客户一般不会轻易更换供应商，而是优先考虑原供应商的设备。以后段设备领先供应商杭可科技为例，其对主要客户LG等体现出较强的粘性。

　　4、技术积累门槛

　　下游锂电池行业集中度不断提升，带动上游设备龙头行业地位越发稳固。要想成为优质供应商，其主打产品必须经过长时间的技术改良和Knowhow积累。以前段工序最重要的涂布机设备为例，国内龙头新嘉拓、浩能、雅康均专注涂布设备研发十多年，逐渐接近日韩企业水平，吸引了希望覆盖整线的大型锂电设备企业的收购，享受相对较高的毛利率。相比之下，多数技术水平较低的设备生产企业，集中在高度同质化的低端产品市场，竞争激烈，利润率逐年下降。

　　(五)行业国产化率提升，中后段设备盈利水平相对较高

　　1、行业国产化率提升

　　近年来锂电设备国产化率不断提升，从2008年的20%提升到2016年的50%左右。从2016年开始，国内设备替代进口进程开始加快，少数国内企业立足长期的技术积累，在卷绕机、分切机、化成分容系统等高端设备领域形成了一定的优势地位，逐步赶超国外巨头。国内企业产品性能在不断提升的同时，价格和服务优势相比国外巨头优势明显。据高工锂电研究所调研，1GWh锂电池建设项目，若采用国产设备，则大概需要5-6亿元，其中设备价值占比50%-60%，对应国产设备成本约2.5-3.6亿元，而同等设备国外价格约在4.8-5.4亿元，部分重要设备国外的价格是国内的两倍以上。

　　2、中后段设备盈利水平相对较高

　　技术领先的国产设备享有更高的议价能力，前段、中段、后段设备的盈利水平依次提升。

　　前段设备厂商中，新嘉拓和浩能主打产品为涂布机，赢合科技前段业务占一定比例，纳克诺尔主打前段辊压机，这些企业或业务的毛利率相对较低。原因有三个方面：一是国产前段设备目前与国外差距较大，主要欠缺高端精密设备和控制技术，比如涂布头等关键部件依赖进口、控制系统和电气控制软件部分需要加强，导致国产设备偏向中低端，精度和稳定性弱于国外;二是由于高端产品的关键部件依赖进口，客户往往指定PLC、伺服、涂布头等零部件的供应商品牌清单，导致这些部件进口比例较高，压缩了利润空间;三是前段设备偏标准化，而中段和后段设备的柔性化程度较高，客户会对定制化方案设计给予高溢价，但对标准化且偏组装性质的前段设备给的溢价少。

　　前段设备，以璞泰来(新嘉拓)为例，2019-2020年锂电设备毛利率分别为27.35%、26.97%。

　　中段设备，以赢合科技为例，2019-2020年毛利率分别为35.42%、30.92%。

　　后段设备，以杭可科技为例，2019-2020年毛利率分别为49.36%、48.44%。

　　(六)未来市场空间

　　1、目前的市场规模

　　据GGII统计：2018年中国锂电设备产值约186亿元，后处理设备产值约62亿元，杭可市占率约20%;2019年中国锂电生产设备需求同比增长10.5%，达228.5亿元。

　　根据智研咨询数据：2020年全球锂电池设备市场规模为532亿元，同比增长4%。2020年中国锂电池设备市场规模265亿元。

　　2、远期市场空间

　　(1)智研咨询预测

　　智研咨询发布的《2021-2027中国锂电池设备行业市场全景评估及投资策略研究报告》显示：2020全球锂电池出货量为259.5GWh，同比增长34%，预计到2025年将达1135.4gwh，相比2020年增长337.5%。到2030年为6486.6GWH。

　　从细分领域动力电池来看，2020年全球动力锂电池(含汽车、电动自行车等动力类)出货量为190.5GWH，同比增长36.95%。预计到2025年为873.6GWH，2030年为4704.1GWH。

　　从储能电池出货量来看，2020年全球应用于电力电网、工业储能、家庭储能和通信储能等储能领域的锂电池出货量为19GWH，同比增长52%。预计到2025年全球锂电池出货量为167.5GWH，2030年全球锂电池出货量为1566.7GWH。

　　从3C数码类电池来看，2020年全球3C数码类的锂电池出货量为50GWH，同比增长17%。预计到2025年全球3C数码类的锂电池出货量为94.6GWH，2030年全球3C数码类的锂电池出货量为215.8GWH。

　　2020年全球锂电池设备市场规模为532亿元，同比增长4%。预计到2023年，全球锂电池设备市场规模将达912亿元。2020年中国锂电池设备市场规模265亿元，预计到2023年中国锂电池设备市场规模将达512亿元。公众号《机械工程文萃》，工程师的加油站!

来源：机械工程文萃公众号