锂电池新技术专题：关注大圆柱、长电芯等创新机会

1.电池发展：超快充、安全等性能是主要方向；关注大圆柱、长电芯等结构创新

1.1电池性能趋势：电池厂布局高能比、超快充与安全等技术方向

宁德时代、比亚迪等核心电池厂均在高能量比、超级快充以及电池安全等技术方 向上进行布局，实现路径包括结构创新、材料创新等。

2）比亚迪等电池厂同样也在安全、快充、长续航等方面进行电池布局。以比亚迪 刀片电池为例，根据比亚迪官 ，“6S”技术理念打造刀片电池超级安全、超级强度、 超级续航、超级低温、超级寿命、超级功率的超级优势；此外，长 96 厘米、宽 9 厘米、 高 1.35 厘米的单体电池，通过阵列的方式排布在一起，就像“刀片”一样插入到电池包里 面，在成组时跳过模组和梁，减少了冗余零部件后，形成类似蜂窝铝板的结构等等—— 刀片电池通过一系列的结构创新，实现了电池的超级强度的同时，电池包的安全性能大 幅提升，体积利用率也提升了 50%以上。快充方面，刀片电池 33 分钟可将电量从 10% 充到 80%。

1.2新型态电池/结构创新：大圆柱、长电芯等是电池厂重要布局方向

我们对主要电池厂的电池形态、量产进度、性能指标以及优势特性进行梳理，主要电池厂在大圆柱、长电芯等新形态电池进行积极布局；具体 来看： 1）长电芯：蜂巢能源、比亚迪等电池厂对长电芯进行布局。以蜂巢能源为例，其 布局的叠片式长薄电芯第二代 L600 已经完成开发，预计将在 2022 年 Q3 实现量产； 从性能指标上看，L600 单体容量提升至 196Ah，能量密度超过 185wh/kg，体积能量密 度超 430wh/L，具有高兼容性、高适配性、高安全性与长寿命等优势特性。

2）大圆柱：特斯拉、比克、亿纬锂能等电池厂对大圆柱电池进行布局。以特斯拉 为例，4680 电池采用高镍正极+硅碳负极材料、无极耳技术，能量密度达 300Wh/kg， 电池容量较目前 2170 方案提升 5 倍、输出功率提升 6 倍，搭载该电池的电动汽车续航 里程可提高 16%，电池每千瓦时的成本可降低 14%；此外，其在能量密度、功率、充 放电效率上均有优势。

2.大圆柱：激光应用量有望加大；设备精度要求高

2.1大圆柱电池：以特斯拉 4680 为例，干法电极、无极耳等技术创新值得关注

根据论文表述，4680 圆柱电池是圆柱电池从较小的 1865 到 2170 之后，进一步做大的结构创新。相较于此前采用的 2170 电池，4680 电池显著降低发热量、解决高能量密度电芯的散热问题，并提高充放电峰值 功率，最终使 4680 电池能量是 2170 电池的 5 倍，功率是 2170 电池的 6 倍，同时成本 降低 14%，续航里程提高 16%。

在结构创新与制造工艺上，相对于此前电池，特斯拉 4680 主要的技术创新包括三 种——干法电极工艺、无极耳（全极耳）、CTC 技术，令电芯生产成本下降、性能实现 较大提升。以无极耳技术为例，4680 电芯设计把整个集流体都变成极耳，导电路径不再 依赖极耳，电流从沿极耳到集流盘横向传输变为集流体纵向传输，使得电阻降到 2mΩ， 内阻消耗由 2W 降到 0.2W。

2.2干法电极工艺：相比传统湿法成本低，核心在于电极配方和成膜挤压设备

Maxwell 干法电极技术适用于当前锂电池化学体系及先进新型电极材料，制造过程 中不使用溶剂，可拓展到卷对卷生产，核心技术是电极配方和成膜的挤压设备。

1）根据 Hieu Duong, Joon Shin & Yudi Yudi 的论文《Dry Electrode Coating Technology》所述，Maxwell 干法电极技术包括三个步骤：（i）干粉末混合，（ii）从粉 末到薄涂层成型，（iii）薄涂层与集流体压合，这三个步骤都没有溶剂；Maxwell 的干法 电极工艺具有可扩展性，能够适应当前的锂离子电池化学体系以及先进的新型电池电极 材料；具体来看，采用 Maxwell 专有的干法工艺进行粉末混合，形成由活性材料、粘合 剂和导电添加剂组成的最终粉末混合物，将该粉末混合物挤出压延以形成连续的自支撑 干涂层电极膜，电极膜还能够卷绕成卷状，调整薄涂层电极膜的加工条件，可以控制材 料负载量和涂层厚度，制备出多种干涂层电极结构。最后，薄电极层与集流体压合在一 起，形成电池极片。

此外，干法电极亦可以脉冲激光和溅射沉积等多种方法实现，相比湿法以及 Maxwell 干电极工艺，其需要增加薄膜退火工序。根据 Brandon Ludwig, Zhangfeng Zheng, Wan Shou, Yan Wang & Heng Pan 的论文《Solvent-Free Manufacturing ofElectrodes for Lithium-ion Batteries》，区别于湿法电极制备工艺，干法电极可通过脉冲 激光和溅射沉积等多种方法实现，其不需要干燥过程，但因脉冲激光沉积导致的高温而 需要增加薄膜退火工序。该论文提出的电极制备工艺具体如下：

1）湿法电极制备工艺 ①浆铸工艺：锂电池电极通过金属集流体上浇铸浆料（包含溶剂中的活性物质、导 电碳和粘结剂）。粘合剂最常见的是 PVDF（预溶解在溶剂 NMP 中），混合后产生的浆 料浇铸在集流体上，必须进行干燥步骤，使得溶剂蒸发以产生干燥的多孔电极。其中， 干燥需要较长时间，一般需要在 120℃温度下干燥 12-24 小时。同时，由于 NMP 是高 成本且具有污染性，在干燥过程中必须安装回收系统来回收蒸发的 NMP（增加大量资本 投入）。

②溶剂基静电喷雾沉积技术：采用溶剂基静电喷雾沉积技术将电极材料涂在集流体 上，即沉积材料在喷嘴雾化并被涂到集流体上；用这种方法构建的电极表现出与浆铸电 极相似的特性，也有类似的缺点，即也需要时间和能量的密集干燥过程（400℃温度下 干燥 2 小时)。锂电池亦使用喷涂技术生产，即使用 NMP 基涂料将每个电极组件喷涂到 所需表面，仍然需要溶剂蒸发。

干法电极工艺相比传统湿法工艺成本低，主要体现在人工成本、设备投入、厂房面 积。根据 Brandon Ludwig, Zhangfeng Zheng, Wan Shou, Yan Wang & Heng Pan 的论 文《Solvent-Free Manufacturing of Electrodes for Lithium-ion Batteries》，以电池设计 方案 1 为例，每年生产 10 万个电池组的假设下，干法电极相比湿法电极制 备在直接人工、设备开支与厂房面积分别减少 21.6%、14.2%、13.1%。

2.3无极耳（全极耳）技术：降低电池内阻，激光焊接量上行，设备精度 要求高无极耳

（全极耳）技术能够大幅降低电池的电阻与内阻消耗。根据赵宇龙的论文《动 力电池 4680 全极耳技术扫描》内容：1）传统圆柱体电池：正负极铜箔、铝箔隔膜叠加 起来卷绕，为了引出电极，会在铜箔和铝箔两端分别焊接一个导引线（极耳）。以 2170 电池为例，2170 电池卷绕长度约是 1000mm，电阻约 23mΩ；2）4680 电池：把整个 集流体都变成极耳，导电路径不再依赖极耳，电流从沿极耳到集流盘横向传输变为集流 体纵向传输，整个导电长度由 1860 或者 2170 铜箔长度的 800-1000mm 变成了 80mm （电池高度），使得电阻降到 2mΩ，内阻消耗由 2W 降到 0.2W，降低一个数量级。

3.长电芯：级芯压实密度更高、更薄，倍率性能好，“叠时代”渐进

3.1电芯生产趋势：将从“卷时代”进入“叠时代”

3.2叠片机：具提高极芯质量、生产效率等优势，电池倍率性能好

极芯制造技术包括卷绕工艺与叠片工艺，其中，叠片工艺的优势在于能有效避免卷 绕工艺中由于极片、隔膜折弯而产生的掉粉、缝隙等极芯缺陷；同时，在倍率性上，叠 片结构电池相比卷绕工艺的普通结构、极耳中臵结构、多极耳结构电池的倍率性能更好。 1）相较卷绕工艺，叠片工艺的优势在于能有效避免卷绕工艺中由于极片、隔膜折 弯而产生的掉粉、缝隙等极芯缺陷，比较符合锂离子均匀运动的原理，极芯质量能得到 有效提高，电池的整体能量密度也有一定提升；但相对卷绕工艺在极芯生产速率上较慢。

2）叠片结构的电池倍率性能好。根据赵彦孛、杨田丽、赵钢筋、陈安帮的论文《锂 离子电池快充技术进展》，叠片电池通过将极片裁切成特定的形状，通过正负极交替折 叠制作，每层中都有一个极耳，相比卷绕工艺的普通结构、极耳中臵结构、多极耳结构 的电池倍率性能更好。

具体从不同的叠片方式看，目前 Z 型叠片技术较为常见，但存在隔膜变形、叠片效 率较难提升等问题。根据黄持伟、阳如坤的论文《热复合式叠片机在锂离子电池中的应 用研究》，Z 形叠片技术是目前较为常见的一种叠片工艺，通过可移动叠片台拉动隔膜 在叠片平台之间来回移动，实现正极极片和负极极片的交叉堆叠。

相比 Z 型叠片技术，热复合式叠片具有极芯隔膜质量高、极芯极片质量提高与设备 效率高等优势。根据黄持伟、阳如坤的论文《热复合式叠片机在锂离子电池中的应用研 究》： 1）热复合式叠片机的工艺原理：热复合式叠片是正极卷料、负极卷料、隔膜同时 进料，在进入加热装臵前，正极片、负极片通过切刀裁切成所需尺寸的单个极片，正极 片、负极片、隔膜的组合体在辊轮的作用下进入加热系统。通过加热后，在加热装臵的 出口处进行热辊压，热辊压后的正极片、负极片、隔膜紧密贴合在一起，再通过切刀， 将隔膜切断，形成单个的叠片单元，然后通过机械装臵将单个的叠片单元堆叠在一起， 之后再对叠片堆进行热平压，形成极芯。

2）相对于传统的正、负极片单个叠片交叉堆叠的叠片方式，热复合式叠片机其最 大的特点就是实现正极、负极和隔膜一次性完全切片堆叠，等于正极、负极首先一次性 成形一个小的叠片单元，再由小的叠片单元堆叠成极芯，实现全片式叠片，有效提高了 叠片及极芯的质量和生产速率。因此，热复合式叠片具有极芯隔膜质量高、极芯极片质 量提高、设备效率高、设备拓展性强、智能化程度高等优势。

3.3技术储备与应用：设备厂积极布局叠片机技术，蜂巢等电池厂应用趋于成熟

设备厂积极布局叠片机技术，切叠一体机成趋势；部分设备厂已有批量订单与出货。 我们对设备厂的叠片机方式、指标及订单/出货量情况进行了梳理，从表 8 内容看，包 括先导智能、赢合科技、利元亨、海目星、格林晟等公司均积极布局多个型号的叠片机， 同时部分厂商拥有切叠一体机技术；以先导智能为例，先导智能同时布局了热复合与 Z 字型叠片机，其披露的单机产能为 0.45-0.6s/pcs/工位，且已有批量订单与出货，具体 来看，先导智能于 2022 年 3 月 9 日与客户签订 200+台叠片设备合作协议；截至 2022 年 3 月 9 日，先导智能累计交付量叠片机 500 多台。

从电池厂应用情况看，以比亚迪与蜂巢能源为例，叠片技术应用已逐步成熟，生产 效率提升快速，部分情形下效率超远卷绕方式。1）比亚迪：根据比亚迪官 ，比亚迪刀片电池生产过程中，将近 1 米长的极片， 能够实现公差控制在±0.3mm 以内、单片叠片效率在 0.3s/pcs 的精度和速度。 2）蜂巢能源：根据蜂巢能源官 信息，蜂巢能源在全球范围内创新性地率先将高 速叠片工艺应用在方形硬壳电池领域，生产推出方形叠片三元电池，开创并引领动力电 池行业进入叠时代；具体来看：1）相比同类型卷绕工艺电池，蜂巢能源的叠片电池能 量密度提升 5%，循环寿命提升 10%，成本降低 15%；2）蜂巢能源叠片工艺不断改进， 生产效率从 2019 年的 0.6s/片提升至 2023 年 7 月的 0.125s/片，最新技术在采用电芯 尺寸≥500mm 情形下，效率远超卷绕方式。

4.电池集成方案：CTP/CTC等技术方向明确，提升空间利用率与电池能量密度

4.1技术趋势：电池空间利用率、能量密度要求趋高，CTP/CTC成布局方向

CTP/CTC 集成方案使得电池空间利用率与电池电量更高，电池厂/整车厂积极 布局，成为发展方向。根据张涛的论文《CTC 集成技术在电动汽车电池布臵中的应 用》，空间利用率与电池电量角度看，CTC、CTP 方案较传统方案更高。具体来看， CTC 方案能够利用地板内空间，相比 CTP 方案进一步增加空间利用率，电池电量 上再增加约 5%-10%；同时，由于其集成方式是电池包独立上盖代替车身地板或者 用车身地板作为电池上盖，CTC 电池集成方案需要承载载荷。从 4.2、4.3 章节的论 述看，CTP、CTC 均是电池厂/整车厂积极布局的电池集成技术方向。

4.2 CTP 技术：对电芯质量与电池托盘等提出更高要求，焊接等技术难度加大

CTP 技术对电芯质量要求更高，同时对电池托盘提出更高的防震、气密性以及 轻量化等要求。以焊接为例，上述的良率控制与大规模制造要求对 CTP 电池焊接提 出了更高要求。根据联赢激光官 信息，CTP 技术具体情况如下： 1）制造工艺简单、周期更短：减少或去除电池“电芯-模组-整包”的三级 Pack 结构，即电芯直接集成为电池包。通过省略模组，减少零部件使用，从而达到优化 空间利用率，同时减轻电池包总重量，达到提升电池能量密度的效果，整个制造工 艺简单，制作周期更短。

2）对电芯良率要求更高：CTP 电池可看做是多个小电池组成一个大电池，所 有小电池共用一个封装，如焊接集成时单个电芯发生焊接质量故障，会涉及到更换 整个电池包，而不是之前只需更换某一个模组，造成严重损失。 3）对电池托盘及材料要求更高：CTP 技术由于是电芯直接集成为电池包，这 对电池托盘提出了更高的防震、气密性以及轻量化等要求。尤其使用材料也从钢制 →铝合金→镁铝合金/塑料及碳纤维复合材料等新材料方向不断演进。 4）总结来看，不管是良率的控制，还是大规模制造，都对 CTP 电池焊接提出了更高要求。

2）其他电池厂亦积极布局与应用 CTP 技术。我们对部分电池厂的 CTP 布局情况 进行梳理（具体内容见表 12），我们看到，除宁德时代以外，包括比亚迪、蜂巢能源、 中创新航、远景动力等电池厂均积极布局与应用 CTP 技术，以提高体积利用率、电池 续航能力等；以比亚迪“刀片电池”为例，其相较传统的有模组电池包，体积利用率提 升了 50%以上，续航里程已经达到了高能量三元锂电池的同等水平。

4.3底盘技术：创新蜂窝 状结构防爆、防冲击，使用一体化铸件工艺

我们以特斯拉的 CTC 技术为例，具体分析如下： 1）区别于 2170 电池包由四个模组组成，4680 电池包采用 CTC 技术，电池包充当 车身底板。根据 InsideEVs 官 信息，从 2021 年 10 月在 Giga Berlin 工厂参观会上展 示的新型 Model Y 结构电池组的剖面图来看，4680 电池包直接取消模组设计，采用 CTC 技术，密集排列在车辆底盘中，即搭载 4680 电池包的 Model Y 车身底部是镂空的，电 池包充当了车身底板。对比来看，2170 电池在 Model Y 上呈现的结构有四个模组—— 两个短模组和两个长模组。

2）CTC 的空间利用率、电池容量在电池集成方案中最高，并需要承载载荷，有较 多技术难点。 CTC 方案具有较多技术难点。CTC 技术对电池与车身集成、承受载荷、电池冷却 以及后续维修等方面提出了更高的要求，以电池需要承受载荷为例，技术难点在于需要 通过高性能的热熔胶冷却后形成的坚固整体结构受力，这对胶的性能提出了非常高的要 求。

目前，从特斯拉 4680 电池包来看，对于 CTC 技术难点的解决有较大突破，其中 以承受载荷、冷却、防冲击角度看，其最下层设计集成蜂窝状 络（一体化铸件）预计 是一个不错的解决方案。根据 InsideEVs 援引特斯拉 4680 电池专利信息，该专利提到 在电池包最下面一层设计一种集成蜂窝状 络，可以吸收机械冲击与电芯产生的气体 （防止电芯过热下压力增大而产生爆炸）；从结构上看，InsideEVs 官 预计该蜂窝状 络是一个完整的铸件，并可以兼做结构件，以提升电池包的整体刚度。

其他电池厂/整车厂亦积极布局 CTC/CTB 等底盘技术，比亚迪、零跑等整车厂部 分车型搭载该技术、开启预售。包括零跑、比亚迪、 蜂巢能源、沃尔沃等电池厂/整车厂积极布局 CTC/CTB 等底盘技术方向。以比亚迪为例， 其 CTB 电池车身一体化技术使得整车呈现“三明治”结构，蜂窝结构可承受 50 吨重卡 碾压；从应用情况来看，搭载 CTC/CTB 底盘技术的零跑 C01、比亚迪海豹于 2022 年 5 月开启预售。