锂电设备行业专题报告:生产工艺及竞争格局

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前言

锂电设备作为典型的专用设备,充分受益于下游新能源汽车行业的崛起。在行业发展早 期,日本韩国一直处于锂电设备行业的国际领先地位,国内电池、设备均主要依赖进口。 近年来,在补贴政策大力驱动下,新能源汽车的崛起,使得国内锂电池需求量大增。中 国的新能源汽车销量从 2013 年 1.76 万辆,快速增长到 2018 年的 125 万辆,对应全球 新能源汽车年销量占比从 15%提升至 62%。中国的动力锂电池产量也从 2012 年的不 足 1GWH,快速增长至 2018 年的 65GWH。国内动力电池需求爆发,极大促进了电池 企业对锂电池设备的投资规模。

国产锂电设备领先企业迅速发展,大部分核心设备实现了进口替代。正是在下游需求启 动的 2015 年,锂电设备行业规模领先的先导智能、赢合科技相继上市,2015~2018 年 先导和赢合收入复合增速达到 94%和 79%。2019 年锂电后段设备企业杭可科技、利元 亨也已经或即将登陆科创板,受到较高的市场关注。这些领先企业具有自主研发的核心 技术,在涂布机、卷绕机、化成分容测试系统等重点环节和关键设备已经接近甚至超过 海外设备商。随着下游大客户的认可和合作加强,进口替代势不可挡,部分企业已开始 海外扩张,成为国际一线的锂电设备供应商。

作为 2019 年锂电设备系列报告的首篇,本文主要介绍锂电池生产制造环节及价值量较 大的核心设备,行业特点和壁垒、前段-中段-后段环节的主要企业的竞争格局,并分析 锂电设备行业的格局演化方向。本报告观点认为,由于下游电池厂客户的产能提升是驱 动设备商收入增长的直接动力,绑定头部客户是稳固短期格局地位的基础;长期来看, 下游龙头客户的集中度提升叠加扩产意愿更强,以及设备的集成化,将使得领先设备商 的集中度还将继续提升。

一、锂电生产制造流程

1、生产流程及对应的核心设备

锂电设备按照电池生产制造流程,可以划分为前段设备、中段设备、后段设备。前段产 线价值占比约 40%,其中涂布机价值占 75%,辊压机价值量大于分切机。随着下游对 三元锂电池的需求增长比磷酸铁锂高,活性更强的三元材料对前段设备的性能要求更高, 前段设备价值量占比在逐步增加。中段产线价值占比约 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%,但其高端市场受到韩国 KOEM 和 日本 CKD 的竞争,国内高端市占率达 50%。后段产线价值占比约 30%,化成分容系统 占 70%,组装占 30%。

2、前段:打造涂覆有正负极活性物质的极片

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,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。

1)前段工序中价值量最高的核心设备——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,且更可能在电池循环过程中形成析锂,影响电池寿命。 涂布过程还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。因此为使得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,按照顺序依次是刮 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,尽管涂布机当前 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。

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,常用的涂布支持体为厚度 10~20 微米 的铝箔和铜箔,隔膜涂布只有几个微米,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 3 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,涂布宽幅最大为 1400mm。

2)增强活性物质与箔片的粘接强度——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。辊压过程会出现的几个典型问题是: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、传导速率则会有 所不同。当电流密度不同时,极易引起枝晶锂的析出,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是不同的,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、在光下光泽度一致、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、设备运行情况等都会引起部分问题的产生。最直接的问题是 影响后续工序中的极片分切,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。

3)将极片分切成合适大小——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,高端的分切机必须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可 以达到 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。

3、中段:完成电芯的卷绕和注液

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。 针对下游厂商生产的锂电池技术路线存在方形、圆柱、软包的差异,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;叠片机由于工艺复杂,良品率低,生产效率较低,但其生产的软包电池尺寸设 计更为灵活,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 业目前大多采用的中小尺寸卷绕机,叠片机的比例还不高。

1)中段工序中最关键的设备——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。由于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,从而使电芯材料分层或出现 S 型皱褶,严重 影响产品的一致性,并且由于隔膜、极片表面不平整起的褶皱会增大电池内阻。由于卷 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。另外,对于方形锂电池的 卷绕,由于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。当前国内行业圆柱电芯能卷绕张力波动能控制在10%左右, 方形电芯控制在 20%左右,国内领先企业能做到圆柱电池张力波动 5%以下,方形电池 张力波动 10%以下。

此外,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要小于 0.5mm,超过这一数值将对电池形变产生影响。卷绕速 度方面,目前国内厂家的圆柱电芯能达到 10 米/秒以上的高速卷绕速度,国内领先企业 能达到 18 米/秒,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,为 0.3 米/秒,国内领先企业能达到 0.8 米/秒甚至更高。

2)软包电芯需要的特殊工艺——叠片机

软包电芯只能用叠片机生产,能实现高于圆柱和方形电池的性能和安全性。叠片机的工 作目的是将正极片、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:1 由于相当于多个小极片并 联,内阻较低,且应为内阻低极化小,放电平台高;2 电芯极片隔膜之间受力面积一致, 无明显应力集中点;3 内部空间利用的较为充分,体积比容量和能量密度更高;4 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。

叠片机相对卷绕机的生产效率低。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。相比之下,尽管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。

4、后段:化成分容及测试分选设备

后段工序主要包括化成分容、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其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。

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薄层, 这 层 钝 化 膜 称 之 为 固 体 电 解 质 相 界 面 或 称 SEI 膜 (SOLID ELECTROLYTE INTERFACE), 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 状态稳定的目的,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,同时紧接着化成之后的 分容工序,需要对电芯先充电再放电,因此化成充电之后,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,通过按照一定的规范进行“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。因此,“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,但在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、锂电设备行业特点分析

1、锂电池设备的特点及趋势

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 类功能的不同型号的设备。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。对下游电池客户而言, 设备品质是制造好产品的前提,当前行业 35%~45%的平均毛利率水平虽然较除隔膜以 外的其余锂电原材料稍高,但下游客户对设备厂商溢价给予认可。从趋势来看,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在 6%左右,因此毛利率预计可以保持。

以销定产,存货中库存商品少,发出商品占比高。具体来说,生产部根据合同期及各车 间生产安排情况与研发部共同编制生产进度计划,分工实施。研发部根据购货方的技术 要求进行产品设计;采购部按采购清单协调仓库备货、联系货运单位;生产部根据生产 进度要求协调各部门保证产品及时组装、调试、出厂。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,即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)。

注重客户反馈与售后响应。领先企业强调售后和研发的配套,并将其作为重要的企业竞 争优势,在帮助客户完善工艺,满足客户不断提高要求的同时,也帮助迭代自身技术研 发水平。以涂布龙头新嘉拓为例,会从涂布机客户每天在现场发回的数据和反馈,优化 细节参数。

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(5 年累计下降约 1~2 亿)。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 大幅提升至最高 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)。

2、锂电设备行业进入门槛

前期经营性现金流净流出较多,对设备企业提出资金门槛要求。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。现在更有客户采取 “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。对 2 家以锂电设备作为主营业务的行业领先企业(先导 智能、赢合科技)的经营性现金流加总,尽管早期的季度经营现金流为负的情况较多, 但整体来看现金流情况在好转。同时再看业务规模相对较小的纳科诺尔(前段辊压机)、 星云股份(后段转配检测),两家的经营性现金流情况没有先导和赢合乐观,因此对于 中小锂电设备企业而言,面临的现金流压力更大。

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。

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,尽管下游客户采购 需求在最近几年并非具有完全的连续性,但对主要客户 LG、比克等体现出较强的粘性。

技术积累门槛。下游锂电池行业集中度不断提升,带动上游设备优质龙头行业地位越发 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, 享受相对较高的供应商地位的一定的利润水平。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。

三、锂电设备竞争格局——国产化率、集中度提升

1、行业国产化率提升,中-后段设备盈利水平相对较高

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

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。

先导智能主打中段、后段(泰坦)和部分整线业务,由于中段核心设备卷绕机的技术壁 垒高,先导智能具有与国外卷绕机龙头类似的发展路径,具备一定的先发优势,同时在 高强度研发下持续保持技术领先,行业集中度高,竞争格局好。另外,尽管先导和赢合 均开展了整线业务,但先导自制率已提升至 95%,使得扩展客户的同时盈利能力能够 较好维持。

杭可科技和星云股份等聚焦后段设备,该环节起初的技术门槛较低,零部件自制率高, 高毛利率吸引了不少本土竞争者加入,市场比较分散。随着下游动力电池企业生产和技 术要求的提升,牢牢掌握化成分容核心研发能力的杭可科技等企业脱颖而出,在自动化 程度、检测精度、高温加压等方面超越其他对手,且基于充放电设备(后段最关键单机, 也是化成分容的主体)逐步集成 pack、自动化仓储物流等,赢得了越来越多的海外客 户订单,盈利水平稳中有升。相比之下,pack 业务偏多的星云股份业务和盈利能力则 受到侵蚀,2018 年之后订单和收入开始下滑。

我们还可以分别从先导智能和利元亨这两家锂电设备商入手,拆解不同环节设备的毛利 率情况。先导智能是市场上为数不多同时有前段、中段、后段核心设备的企业,可以看 到近三年来后段设备(泰坦新动力)的毛利率是明显高于其他设备的。类似的,观察利 元亨这家中后段设备企业也能发现,随着客户拉动化成分容检测设备的产量迅速提升, 化成分容检测业务的毛利率从 2016 年 34.87%提升至 2018 年的 44.29%(2016 年规 模小),且化成分容检测设备的毛利率相较中段包膜机/极耳焊接机、后段 pack 等都要 高。后段环节尤其化成分容的盈利水平明显更高,主要是由于后段国产龙头抓住了市场 窗口,快速形成技术和性价比优势,从而在客户提质增效需求下能拿出有技术特色的产 品,我们会在接下来不同环节的竞争格局分析中详细讨论原因。

2、前段设备:追赶国外技术差距,竞争激烈

涂布机是前段核心设备,目前与国际一流存在技术差距。前段设备对电芯性能影响较大, 虽然国产化程度不断加深,但国产设备在效率、精度、稳定性等方面与国外还存在一定 差距,决定电池一致性及品质的涂布机尤为明显,目前高端涂布机仍然大量依赖进口。 搅拌机国产率较高,尤其小容量搅拌机基本实现国产化,辊压机的国产化率则已达到 80%以上。一直以来,以涂布机为核心的锂电池前段设备,在技术和市场方面长期被日 韩企业所垄断(日本东丽、日本井上、日本平野等)。尽管国产涂布机的产品性能近年 来已经不断提升,但在设备的稳定性、涂布精度、涂布效率和自动化等方面与进口设备 还存在一定的差距。

涂布机厂商集中度提升,前三陆续被上市公司收购。2015 年之前行业由大量规模较小 的企业所组成,据不完全统计,国内涂布机的生产厂家在 100 家左右,但厂家的平均规 模极小,除了前几大厂家外,大部分企业的实际年销售量在 10 台以下,销售额在不超 过 1000 万。2015 年开始,国内领先的电池厂倒逼涂布设备追赶国际最高水平,浩能、 新嘉拓、赢合科技、雅康脱颖而出。之后浩能被科恒股份收购,新嘉拓被璞泰来收购, 雅康被赢合科技收购。截止 2017 年,市场占有率前三的新嘉拓、浩能和赢合科技,集 中度超过 50%。此时涂布机国产化率达到 70%~80%,国产价格 500 万左右,但高端 产能快速扩张的主力选择仍然是国外产品,例如比亚迪 2018 年招标 16 台分别为日本 东丽和日本井上,日韩高端涂布机价格约 1500~2000 万。

3、中段设备:集中度高,龙头享有技术壁垒

1)先导智能在卷绕机市场占有率突出,格局稳定

部分国产设备已经可以与进口产品同台较量。中段工序相比于前段工序,设备具备一定 的柔性化,对精度、效率和一致性要求高,卷绕机是核心设备。国内卷绕机龙头先导智 能的设备精度和良品率已和国外竞争对手无差别。对于入壳、干燥、封口等相对技术简 单的设备,国产化率已经达到较高水平。总体上,中段设备低端市场的国产化率已经较 高,在高端市场与日韩企业存在正面竞争。

国外龙头发展路径相似。国外竞争对手韩国 Koem 与日本 Kaido 都是从电容器卷绕设 备开始做起,依靠在电容器设备行业积累的技术优势逐渐开发出适合锂电池设备行业的 卷绕设备,从而切入锂电池设备行业,发展至今一直聚焦高端卷绕机产品的研发生产。 日本 CKD 覆盖业务较广,据 2017 年报显示公司总收入约 55 亿人民币,而其中卷绕机 所属的自动化类产品总收入不超过 10.5 亿。相比之下,先导智能早期与 Koem 和 Kaido 技术发展路径相似,之后向锂电设备行业的其他环节扩展,主打优势产品卷绕机。

先导智能卷绕机已进入国际第一梯队。2014 年左右众多资质各不相同的设备厂商看好 卷绕机市场增长需求,蜂拥而入,技术水平参差不齐,彼时国内部分锂电池生产商采用手动或半自动卷绕机,自动化程度较低,生产效率不高,产出的电芯性能不稳定。高端 卷绕机市场主要被日本 CKD、KAIDO 及韩国 KOEM占据,设备价格高,且售后服务不 能及时满足国内厂家的需要,增加了企业的生产成本和维护难度,不利于规模化推广使 用。国内仅先导智能一家在高端领域占有一席之地,相比国内外竞争者,其生产精度较 高、性价比高,同时售后服务能及时满足国内厂家的需要。相比国外龙头,先导智能人 力成本、本地运输成本低于国外,为日韩企业的 80%~90%,而设备精度、良品率等指 标与国外竞争对手基本没有差距,加上日韩企业的毛利率和净利率均低于先导智能,降 价空间有限。技术上,先导智能的自动张力控制技术已较为成熟,经过长期的研发和技 术经验的沉淀积累,掌握了高速卷绕和扁形卷芯变角速度卷绕中的张力控制技术。目前 的方形卷绕机最高线速度可达 2.5 米/s,对齐度可达±0.3mm,张力波动控制 5%以内, 国内同行只能达到 10%~20%;圆形卷绕机在应用先进纠偏技术后,可将电芯卷绕对齐 度稳定在 0.2mm 以下,高于国内 0.5mm、国外 0.3mm 标准,在同行中对电芯圆度控 制是最好的。旗下产品 18650/21700 圆柱形锂电池卷绕机解决了该类型设备产品的效 率瓶颈,最高效率有望达 40ppm,远超日韩设备 28ppm 水平。

国产卷绕机市场份额集中,先导智能绝对领先。国内卷绕机企业优胜劣汰,技术不断追 赶乃至赶超国际一流水平,在高端领域的市场份额逐步扩大至 80%左右。同时,在动 力电池厂商集中度提升的带动下,卷绕机市场份额也越来越集中。GGII调研数据显示, 2018 年国产锂电卷绕机市场份额排名前五企业市场份额占比超过 90%,其中先导智能 遥遥领先,市场占比超过 60%。

赢合卷绕机紧随其后,高端卷绕机斩获 LG 订单。2018 年同电池企业 LG 化学签订了 采购协议,负责提供 19 台 MAX 品牌的圆柱电池卷绕机设备,供南京 LG 的 9/10 号线, 卷绕机单价 400 万左右,显著高于市场平均价格 200~250 万。本次采购的 MAX 品牌 采用六伺服直驱,实现了超精密控制、高速、超薄胶纸无泡贴胶、前置入片纠偏等功能, 卷绕机性能指标对标日韩产品,效率上达到 33pmm,较 16 年的 18-20ppm 提升明显, 设备尺寸为全球最小,同时在张力控制、除尘系统、长时间无需换料等方面具有明显的 技术亮点,预计能开拓大量国内外高端客户。公司 2018 年 11 月公告将在波兰设立锂 电设备子公司以加强海外市场拓展,后期有望在欧洲市场有所突破。

2)软包电池市场占有率提升,拉动叠片机需求

按照电池形态可以分为方形、圆柱、软包电池,优劣势各有不同,不同新能源汽车会警 醒差异化选择。方形电池封装壳体的保护性好,但标准化程度低,生产效率和一致性也 一般,目前在乘用车上占绝对优势,约为国内装机量 70%左右;软包凭借高能量密度 和安全性优势提升占有率,但生产工艺难,成本较高,主要在中高端车型采用较多;圆 柱生产工艺成熟,效率高成本低,但 pack 能量密度相对较低,以特斯拉和国内 A00 为 主,目前市场占比呈下滑趋势。软包对生产线的需求差异主要体现在中段设备叠片机上, 由于工艺原理不同,叠片机生产效率远低于卷绕机,未来对叠片机的需求将随着软包市 占率提升而快速增加。

叠片机市场份额小,且较卷绕机分散。目前动力电池市场销量排名靠前、技术口碑较好 的企业主要集中在格林晟、佳的、吉阳、赢合科技、中天和、超业、新宇等 10 多家主 营或包含叠片设备的装备企业。部分叠片设备企业凭借前期的技术积累、客户绑定、共 同研发,已经为其把握下游软包动力电池的风口红利打下了坚实基础,而随着市场集中 度的进一步提升,叠片设备领域 10 强之内已经开始出现分化,其中超业、佳的、格林 晟 60%-70%叠片市场。相对的,部分中小叠片设备厂商生存空间遭受挤压,囿于技术 落后、规模偏小、接不到单、资金承压等种种原因正在生死存亡的边缘挣扎。

叠片机设备的技术核心是提升生产效率。国产动力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。从工艺发展趋势来看,目前叠片设备企业有三种主攻方向:1、高速率叠片设备路 线;2、切叠一体机(五金模切/激光模切、叠片机自由组合);3、吸附式高速叠片设备。

上市公司加大叠片设备布局,对原有格局造成冲击。行业积淀较深的叠片传统公司虽然 目前占据着较大的市场份额,但是大部分公司规模体量相对较小,想要匹配未来软包动 力电池市场的发展,研发资金投入、规模扩大、后期资金周转等对于大部分叠片老牌企 业来说将比大型设备上市公司艰难。赢合科技、先导智能等上市公司在技术、资本、规 模、品牌等等硬实力加持之下,对于老牌叠片设备企业而言如临大敌。赢合科技针对性 的对于叠片设备的研发进行集中攻关,成功研发了模切叠片一体设备,已经开始逐步导 入到国内多家主流电池企业应用,实现快速稳定、连续生产。先导智能从 2017 年开始 做叠片机,凭借大力研发投入,在国产叠片机领域已位于前列,并获得部分客户的订单。

4、后段设备:形成技术特色,不乏海外客户

早期的后段设备技术门槛相对较低,国产化率超过 90%。国内锂电检测设备企业在 2000 年至 2011 年期间快速起步,之后随着数码锂电池市场竞争格局确立而区域稳定。之后 动力电池市场爆发,行业又迎来一批新的设备制造商,并且带动化成分容、检测行业整 体技术水平快速提升。由于后段工艺技术门槛相比前中段要低,因此国产化率提升迅速 已超过 90%,但同时带来行业集中度低的问题,竞争激烈。经过近两年下游动力电池 行业洗牌,化成分容检测行业当前基本形成了以传统品牌为主流,多家后来者并存的格 局。包含未上市企业,2017 年化成分容检测业务营收规模过亿的大约 5~6 家,按业务 规模看占有率较高依次是杭可科技、星云股份、泰坦新动力、利元亨、瑞能股份等。相 比之下,国外后段设备商如韩国 PNE(针对软包电池)、日本片冈(针对圆柱电池)等 虽然起步较早,积累了较好的技术优势,但主要面对日韩市场,且近年来技术上被国内 企业快速追赶,性价比和竞争优势大幅减弱。

后段工艺的集成自动化成为升级趋势,国产龙头逐渐形成技术特色。后段设备技术要求 没有前两段工序高,但柔性化要求高,提高后段设备的自动化程度是关键。过去化成分 容和 pack 以半自动化设备为主,国际先进电池企业后段自动化率约 85%,而国内一线 企业生产线自动化率不到 60%,二三线企业平均不到 30%。因此行业靠前的企业如杭 可科技、泰坦新动力、瑞能股份主打策略就是“化成分容+智能物流仓储+PACK 自动化” 的自动化集成定制方案,该策略也有助于在几近白热化的后段单机市场脱颖而出,在契 合客户提质增效需求的同时扩展更多客户。以杭可为例,以总包方式销售全自动后处理 系统生产线(含充放电设备和自动化物流线)的销售额占收入比例从 2017 年的 8.3% 提升至 2018 年 28.4%。单就充放电设备来讲,当前技术先进性的标准取决于自动化程 度、检测精度、充放电电流大小、能量回收功能、针对软包电池的高温加压功能等,杭 可目前的技术水平领先国内企业,比肩国外优秀水平。尤其是高温高压技术为国内企业 首创,主要受国内三元动力电池爆发影响,高镍三元中的材料对温度、环境要求苛刻, 倒逼了检测设备产品升级。在后段升级趋势下,高工锂电数据显示杭可在充放电市场占 比已达到 30%,前十企业已经占据近 60%市场份额,行业集中度较过去明显提升。

后段因零部件自制率高及海外客户占比高,盈利能力相比前中段要好。后段设备龙头杭 可科技由于技术相较国外技术差距小,出口比例高,近几年公司海外客户销售额逐年提 升。2018 年杭可科技主营业务充放电设备的收入结构中,为生产国产动力电池配套的 充放电设备占比仅为 37.48%,且仍在持续开拓海外动力电池客户,如已对 LG 波兰动 力电池工厂进行大批量设备供货,日本松下、日本汤浅已处于样机测试阶段,韩国 SKI、 AESC 已签订小批量订单,瑞典 NorthVolt、法国道达尔、奔驰、德国蒂森克虏伯等公 司已开展商务洽谈。于此同时,随着市场的成功开拓,杭可各类设备毛利率逐渐攀升, 约 50%的毛利率明显高于先导智能和赢合科技。

5、短期格局变化:设备龙头绑定大客户稳固地位

下游电池大客户产能提升直接拉动设备商收入增长。设备制造商受自身产品结构及商业 模式影响,客户结构和定位存在较大差异。但总体来看,能够脱颖而出的设备商下游客 户均为行业领先的电池企业。先导的卷绕机等产品定位高端,大客户相对集中,CATL、 ATL 等一线电池龙头占比高,2017-2018 对 CATL 销售额占比 34%提升至约 50%;赢 合的锂电设备种类丰富,率先开展整线业务模式,前期客户相对分散,除传统大客户国 轩,2018 年主动加强了 CATL(中标涂布机)、LG 化学(中标卷绕机)等一线电池企 业客户拓展,并与 CATL、LG、国轩、比亚迪、孚能科技等客户陆续签订合同,但整体 中标体量及份额低于先导;杭可主营的后段锂电设备国内外技术差距较小而出口比例高, 近几年公司海外客户销售额逐年提升。科恒股份子公司浩能专注于前段涂布机、辊压、 分切等设备,2018 年 CATL中标份额有所提升,但整体仍较为分散。

6、长期格局变化:锂电设备行业集中度仍会继续提升

1)下游大客户集中度提升,叠加大客户扩产意愿强

下游动力电池厂商集中度处在上升通道。从下游锂电池厂的扩产历史来看,前期扩展需 求太快,良莠不齐,后期由于产能过剩叠加政策收缩,使得锂电行业竞争恶化,整体产 能利用率下降。2017 年按照实际产量与有效产能的比值计算,行业平均产能利用率仅 有 38.8%,其中部分中小企业产能利用率不足 10%,产线大量荒废。尽管整体产能过 剩,但高端产能不足,锂电龙头企业的行业集中度明显提升,2018 年 CR3 集中度已提 升至 70%,全年设备新增需求主要集中在 CATL 约 25GWh和比亚迪约 10GWh,两家 占全行业扩产比例超过 50%,马太效应明显。

拆解下游客户的未来扩产情况,2019年及之后 CATL 和比亚迪产能规划明显提速,扩 产进程远快于其他电池企业,尤其 CATL 在 2018 下半年陆续与上汽、广汽、东风、吉 利、长安、一汽等合资电池厂,产能建设/扩产需求相当明确。

带动上游设备龙头的客户结构持续优化。整理 2018 年已知订单的供应关系,先导智能 和赢合科技出现在 CATL和比亚迪的供应名单的频率非常高。以先导智能为例,公司公 告 2017 年对 CATL 销售额为 6.16 亿元,占设备业务总营收的 34%;2018 年 9 月公告 中标 CATL设备订单 9.15亿元(对应 11 条锂电设备产线),预计 2018 年全年中标 CATL 总金额约 21 亿元(对应 25 条锂电设备产线,未包含 12 月份新招标产线订单),全年 CATL 中标订单金额占比可能达到 45%~50%。

2)设备企业横向整合加速,多工序集成设备成为亮点产品

设备企业横向整合加速,强化技术优势、扩大市场。锂电生产环节涉及的前-中-后段包 括一连串环节,大企业通过收购可以快速获得新技术或者强化现有技术和市场。例如先 导 2017 年完成并购泰坦后实现了后段设备的覆盖;赢合在 2016 年收购雅康,增厚原 有涂布机业务优势;科恒股份继前期完成并购浩能后,2019 年 3 月公告并购诚捷(卷 绕)及誉辰(中后段自动化设备)。相对应的,小企业普遍面临现金流压力大、客户获 取难等困境,同样也有被整合的意愿。

……

(报告来源:招商证券)

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