砂石厂与居民区仅一路之隔!江苏灌南港被指环评造假

时至今日,李雷才得知灌南港本不该建在刘庄村。

2019年,江苏省连云港市灌南县灌南港里建了几家砂石厂。刘庄村村民李雷一家经常在深夜听到机器破碎石块的声音。他不解的是,灌南港厂区与居民区只有一路之隔,为什么可以建砂石厂。

在探寻原因过程中,李雷意外发现,灌南港实际位置在环评报告所示位置约3公里外,涉嫌环评造假。更令他不解的是,环评民意调查不问刘庄村村民,却去征询其他村村民意见。

此外,刘庄村多名村民反映,灌南港内多家砂石厂存在噪声、扬尘污染。

2021年10月上旬,记者走访发现,灌南港厂区内多处砂石物料露天堆放。其中一家砂石厂进料口紧贴灌河防洪堤,不远处的地泵就在防洪堤上。在灌南港附近,另有多家企业圈占防洪堤。多名村民向记者证实,灌南港环评未征集他们意见。

江苏灌河半岛临港产业区管委会表示,灌南港环评位置和实际位置均在刘庄村,未发生过变更。

     噪声扰民     

深受噪声和扬尘困扰的,不止李雷家。“砂石厂有时加班生产,从晚上8点到早晨,吵得人没法睡觉。”刘庄村村民杨世勋说,“窗户根本没法开,一开就进灰尘,鼻孔里都是灰。穿颜色亮一点的衣服,上面的灰尘很明显。”

还有村民因无法忍受搬了家,报了警。“警察来说说会好点儿,过后还是老样子。”村民称,他们之所以有此遭遇,是因为附近的灌南港内多了几家砂石厂。

村民口中的灌南港为江苏灌河国际港务有限公司(以下简称灌河国际)所有。据当地媒体报道,2019年底,灌河国际将厂内闲置土地租赁给4家砂石厂。砂石厂物料露天堆放,现场扬尘明显,未见洒水车、雾炮机和洗轮设备,砂石运输车辆车身也未覆盖。

灌河国际工作人员向记者证实,公司确实把场地租给了4家砂石厂。记者梳理发现,2020年,灌河国际及其厂区内两家砂石厂均被环保部门处罚过。灌河国际违反大气污染防治管理制度,两家砂石厂违反环评管理制度、建设项目和大气污染防治管理制度,被连云港市生态环境局处罚。

2021年10月上旬,记者在灌河国际厂区门前看到货车陆续进出。出厂货车装着砂石,车身无一苫盖。村民称,平日里车辆驶过厂区门前道路时,“灰大得睁不开眼。”

大气污染防治法规定,运输砂石等散装、流体物料的车辆应当采取密闭或者其他措施防止物料遗撒造成扬尘污染。

灌河国际厂区内部设有围挡,围挡内有厂房、生产设备及砂石堆料。绕行厂区一周,记者发现,有些砂石堆料做了苫盖,有些则没有,还有一些散落着绿色防尘网。紧邻灌河国际的连云港和港建筑材料有限公司(以下简称和港建材)也存在堆料露天堆放未苫盖情况。

“露天堆场基本上是要盖的,因为有一个操作过程,装车或装船要掀开,生产过程中,铲子往前推又要掀开。”和港建材相关负责人杨怀德说,“我们产品出来是经过水洗的,没有粉尘。”

大气污染防治法规定,贮存砂土等易产生扬尘的物料应当密闭;不能密闭的,应当设置不低于堆放物高度的严密围挡,并采取有效覆盖措施防治扬尘污染。

2021年4月,因堆放、装卸易产生扬尘的石子、沙等物料环节,未采取密闭、围挡、遮盖、洒水等防尘措施,和港建材被连云港市生态环境局处罚。

和港建材一期项目环境影响报告表提到,机制砂存放于堆场,堆场为封闭式建筑,不设置露天原料仓,项目码头区域也不设置露天原料堆场。

对此,杨怀德称,和港建材一期项目堆场是全封闭的,不够用,正在完善,二期项目堆场不是全封闭的,尚未投用。记者在厂区内看到大片砂石堆料露天堆放,且未苫盖,现场未见车船装货和机器作业。

灌南县生态环境局工作人员王一新表示,如果环评要求建封闭式堆场,那就不能露天堆放,即使周边有围挡也不可以。

     环评“造假”     

杨世勋说,媒体曝光后,砂石厂装了隔音墙,声音比以前小点儿,但治标不治本。在刘庄村村民看来,灌河国际厂区内的4家砂石厂之所以对他们生活造成这么大影响,是因为距离太近。

灌南港是灌河国际连云港港灌河港区九队作业区一期工程项目。公开资料显示,该项目2011年开始建设。其2013年的环境影响报告书显示,“项目位于江苏省连云港市灌南县堆沟港镇9队,灌河下游左岸凹岸段”。

江苏灌河半岛临港产业区管委会(以下简称临港产业区管委会)表示,灌南港环评位置和实际位置均在刘庄村,未发生过变更。其提供的土地证也显示为刘庄村。

李雷质疑灌南港涉嫌环评造假,“明明其位置是在刘庄村境内,给造假挪到了约3公里外。”

2003年开始实施的环评法规定,建设项目的环境影响评价文件经批准后,地点发生重大变动的,建设单位应当重新报批环境影响评价文件。

刘庄村多名村民表示,灌南港环评并未征求他们意见。记者注意到,灌南港环评民意调查人员中无刘庄村村民。

灌南港的环境影响报告书提到,综合考虑卫生及噪声防护需求,在厂界外设置200米防护距离,此范围内禁止建设集中居住区等环境敏感目标。

“若按实际位置做环评,无法达到200米的防护距离要求,可能面临几十户村民拆迁的成本。”李雷说。

记者在现场实际测量发现,灌河国际厂界距离居民区约50米,名为江苏俊昇置业有限公司的砂石厂依厂界而建。俊昇置业隔壁在建的水泥厂厂界距离最近居民区只有十几米。

     选址冲突     

更令村民们担忧的是,灌河国际东侧水泥厂今年5月份也开始施工建设了。村民拍摄的照片记录了水泥厂开挖围墙根基沟和打桩现场。杨世勋说:“水泥厂施工打桩,吵得睡不着觉。”他担心,水泥厂与居民区距离太近,项目建成后,扬尘和噪声污染会更加严重。

灌南县政府官网公示信息显示,江苏旭腾新材料科技有限公司(以下简称旭腾新材料)位于灌南县临港产业园区灌河国际东侧地块,拟建年生产100万吨超细粉及200万吨水泥粉磨站项目。

10月上旬,记者来到该水泥厂时,现场正在施工。裸露的土地上堆放着数十根地桩,打桩设备正在作业。

该公司负责人说:“地址不是我们选的,是政府给找的。当时周边有几户村民离得近,都在拆迁范围内。现在企业没有获得施工许可证,尚未施工。”

上述水泥厂2021年4月的环评提到,临港产业区管委会承诺,厂界外50米范围内8户居民住宅于2021年10月开始拆迁。然而,距离水泥厂厂界十几米的两户村民告诉记者,他们至今没听说要拆迁,附近村民家也未见拆迁迹象。

对此,临港产业区管委会称,旭腾新材料原计划10月实现竣工投产,因未取得施工许可一直未开工建设,目前只允许进行土地平整和试桩,做开工前的准备工作,投产前完成防护距离内居民拆迁。

李雷认为,根据2012年8月开始实施的《非金属矿物制品业卫生防护距离第1部分:水泥制造业》,上述水泥厂卫生防护距离应为300米。该标准已被2021年6月起实施的《大气有害物质无组织排放卫生防护距离推导技术导则》(以下简称《导则》)替代。多名业内人士介绍,按照现有规定,企业周边卫生防护距离虽无最低限制,但要根据《导则》测算。

王一新表示,砂石厂、水泥厂等建材项目布局,一方面根据《导则》测算安全防护距离,另一方面应远离聚集的居民区。“这类企业噪声和粉尘污染比较大,一般选址在比较空旷的地方。”

村民们质疑,灌河国际及其周边规划建设建材厂是否合理。11月9日,临港产业区管委会回复称,由于历史原因,产业区部分企业与住宅区相距较近,新引进项目需严格控制卫生防护距离。近期附近部分居民反映砂石厂生产扬尘和噪音污染,目前灌南县生态环境局及临港产业区已下达整改通知,砂石厂现已停产整改。

《江苏灌河半岛临港产业区产业规划环境影响报告书》(以下简称《规划环评报告书》)已于2019年4月二次公示。“《规划环评报告书》编制周期较长,部分数据过期需补测,至今尚未取得审批意见。”王一新表示,“正常情况下,产业园区的规划环评指导建设项目。但在规划环评取得审批意见前,只要建设项目不在负面清单内,也可以引进,我们这边都是这么上的。”

2020年11月出台的《关于进一步加强产业园区规划环境影响评价工作的意见》指出,编制产业园区开发建设规划时应依法开展规划环评,规划环评是入园建设项目环评工作的重要依据。

在甘肃政法大学民商经济法学院教授冯嘉看来,根据环评法要求,无论有无负面清单,产业园区规划环评未通过,建设项目环评则缺乏依据,无法通过,不能开工建设。“实际上,由于规划环评审批周期较长,一些地方在规划环评通过前就已经引进建设项目了。”

     圈占堤防     

灌河沿岸分布着多家砂石企业。在杨世勋看来,当地砂石企业聚集,与灌河密不可分。

《灌南县志(1984-2005)》记载,灌南境内河流众多,利通航,特别是灌河,万吨海轮可长驱直入。灌南向来有“洪水走廊”之称,加之常受台风潮汐影响,极易发生旱涝灾害。灌河在排涝泄洪、航运方面发挥一定工程效益,对全县人民生命财产安全和工农业生产发展起到举足轻重的作用。

近几年,围绕灌河治理,灌南县出台一系列举措。2018年,灌南县取缔一批严重影响生态安全、供水安全、航运安全和防洪安全的非法码头,建设一批符合规划的砂石集散中心。
2019年,和港建材成立,灌河国际厂区内4家砂石厂在此建厂。同年,灌河堤顶防汛道路工程竣工,灌南县河道和水利工程管理范围划定工程通过验收,确定有堤防的河道,以修侧后的堤脚线向河道外侧平移5米为管理范围。
然而,当地村民反映,灌河沿岸多家企业圈占防洪堤,影响河道生态和行洪安全。去年,有媒体报道称,灌河国际厂区内3家砂石厂因影响堤坝安全被灌南县水利局责令整改。记者走访发现,灌河国际、和港建材、江苏延展金属制品有限公司(以下简称延展金属)和江苏海中洲船业有限公司(以下简称海中洲船业)等灌河沿岸企业,存在圈占防洪堤问题。
在和港建材厂区内防洪堤背水坡,记者看到植被大面积枯黄或消失,只有几株灌木及其周边草丛依然葱茏。植被消失区域地面,机器作业痕迹清晰可见。防洪堤临水坡部分植被被掀开,泥土裸露。《连云港市水利工程管理办法》规定,禁止在堤坝、渠道上扒口、取土、挖坑和毁坏块石护坡、林木草皮,禁止擅自在水利工程管理范围内圈围墙、堆放物料、埋设管道或者兴建其他建筑物。确因生产、工作需要,必须在水利工程管理范围内兴建工程设施和建筑物的,建设项目的工程建设方案应当经县(区)级以上水行政主管部门审查同意。
“厂区内防洪大堤我们不可能改动。”和港建材相关负责人杨怀德表示,拓宽防洪堤背水坡,打造绿化景观的想法已经灌南县水利局同意,“如果水利上不允许,那我恢复原状。”改动防洪堤临水坡,作为施工便道,是与灌南县水利局签订了滩涂占用协议,码头建好会恢复原貌。
一家砂石厂进料口,紧贴灌河国际厂区内防洪堤,不远处有个地泵建在防洪堤上。临水坡植被被掀开,泥土裸露。

灌南县水利局11月10日回复称,没有批准和港建材修建景观,经实地查看,也未见其修建。和港建材在施工期损坏部分防洪堤,目前已整改到位。灌河国际厂区内地磅紧靠防洪堤北侧,目前已责令企业自行拆除;砂石厂进料口紧贴防洪堤,较防洪堤高,对防洪安全无不良影响。
防洪法规定,任何单位和个人不得破坏、侵占、毁损水库大坝、堤防、护岸等防洪工程。河海大学水利水电学院教授高玉琴表示,圈占防洪堤破坏了建筑物整体稳定性,可能造成堤防渗透变形,甚至引发溃堤。“植被系统可以减缓雨水和洪水对坡体的冲击力,起到固坡防护作用,破坏堤坡植被会降低堤防稳定性。”

海中洲船业作业区与灌河隔着一个土堆,土堆上零星散落着防汛沙袋。船厂工作人员称,防洪堤位于厂区内。隔壁的连云港美尔美图船业有限公司(以下简称美尔美图船业)作业区与灌河隔着水泥台。船厂工作人员表示,防洪堤不在厂区内。对于防洪堤位置,该工作人员说:“它建在该建的地方。”

灌南县水利局表示,海中洲船业厂区在防洪墙前方,土堆临时保护厂区安全;美尔美图船业厂区在防洪墙后方,水泥台为防洪墙,可以保证防洪安全。
江苏延展金属圈占的防洪堤上,敷设着8根管道,其中3根管道连接着一台机器。管道两端分别是厂区和灌河。王一新表示,该行为存在偷排嫌疑。

灌南县水利局称,延展金属厂区未占用水利工程管理范围,无需进行防洪影响评价。经现场检查,其在厂区灌河堤两端设置大门和堤顶上敷设跨堤汛期排涝临时管道,均未取得批复,不影响大堤安全。目前已责令企业限期拆除。

多名专家认为,河道管理范围内的建设项目是否合规需结合防洪影响评价判定。灌南县水利局表示,由于多种原因,不便提供上述企业的防洪影响评价报告。

李雷、杨世勋、王一新均化名
来源:人民网

无模组技术的推出将增强电池环节的议价,将改变产业格局

龙头企业推出 CTP 以来,正在影响产业生态的变化。对于模组概念的淡化,意味着动力电池 企业向电池包层面的深入渗透,而此前的产业模式主要是整车企业向电池企业购买电芯或模 组,电池包的设计主导权在整车企业手中。因此 CTP 技术的理念也体现电池企业对提升产业 话语权的诉求;同时 CTP 技术本身的降本增效较为显著,能够较好的弥补铁锂等较低比能电 池的短板,发挥其成本优势,从而增强铁锂电池的竞争优势,影响产业格局。

技术升级正在增强对下游议价。宁德时代意在提升下游议价权,CTP 将有利于工艺渗透、 稳定合作,但对较多应用软包的海外车企推广有难度。CATL 所开发的 CTP 技术在电芯 成本不增加的情况下实现一定的系统成本降幅,提升与整车企业的议价能力。在此过程 中,议价权能够提高的原因在于,技术渗透到电池包的设计、制造和售后维修方面。因 此,从商业合作角度看,将有利于和下游整车企业保持长期稳定的合作。但对部分海外 车企的推广较难,主要系车企较多采用软包三元,而软包在 CTP 技术中的固定有难度。然而 CTP 的竞争力或将吸引部分整车企业采纳方形产品。

集成大势所趋,是做减法,更是做加法

演进之中,简化环节减少用料是做减法,但本质是为了开发更加高效高性能的系统。在 CTP 的设计理念中,更高的成组效率是目标,因此开展去模组化,减少辅件;降本诉求下,冗余 功能、材料的去除也是重要的手段,特斯拉是具备竞争力的代表企业。在做减法的过程中, 能够发现产品的性能也在持续改善,更加集成化的系统代表着更先进的管控方式,是集成大 势之下做加法的体现。

高集成的下一步:CTC 技术

无模组技术仍然存在待改善的缺陷。1)模组做大,在制造层面的吊装、固定、维修方面难度 提高;2)单电芯的问题需要返回整个电池包,因此需考验电池稳定性和一致性;3)刀片电 池的制造环节到最终的成品率仍然需要观察和改进,商业成熟度较差。

渐进集约化,无模组后 CTC 技术已在酝酿。通过工艺的持续精进,使新能源汽车成本逐渐接 近燃油车,提升竞争力。在此过程中动力电池系统的设计至关重要。从电芯到模组,再到电 池包,在电池的结构设计上行业不断取得进步。CATL 基于整合理念,又推出 CTC 设计理念, 即 Cell to Chassis(电芯到整车底盘)。CTC 技术不仅会进行电池的重新布置,还会将三电 系统纳入,并通过智能化动力域控制器优化动力分配和降低能耗。通过系统集成,使得成本 下降,重量减轻而提升续航(800-1000km),乘坐空间更大。CATL 项延火预计 2025 年前后 推出高度集成化 CTC 技术,2028 年前后有望升级为智能化 CTC 电动底盘系统。

电池与整车的集成,在应用层面挑战仍存。CTC 技术并非新概念,如电动车初创企业 Canoo 已开发滑板式独立底盘(仍有模组概念),而特斯拉的 S-平台、3-平台及大众的 MEB 平台也 有集成化的理念(仍保留电池系统 Pack)。但 CTC 在应用层面仍面临技术和商业难点:

技术上,电芯与底盘的集成过程中需要解决的关键问题之一是安全。电池包在底盘碰撞 中的承力演变至少历经 3 代,从不受力到纵向受力,再到纵向+横向受力。在 CTC 中, 碰撞中电芯与底盘均直接参与受力并发生形变,因此在保证安全的前提下实现集成的难 度进一步提升;

商业上,设计主导权存在博弈,而底盘行业望迎新模式。集约化的理念意味着产业链的 合作需要加强,在底盘之前,Pack 的设计主导便经历主导权的博弈,主动权逐渐回到整 车企业。在底盘设计上,整车企业历来是主导地位,电池企业的优势更小。因此电池企 业更好的方式是收购或控股底盘公司,而集成之下“电底盘“的出现有望重塑底盘行业, 通过底盘的独立开发,集成整车所需的大部分硬件,底盘的价值将进一步凸显。

集约化的代表:特斯拉优秀的垂直整合理念与实力

从特斯拉的电池系统升级窥探其优秀的产品竞争力,处处体现集约化理念。在新能源车与燃 油车的 PK 中,新能源车成本较高是一大劣势,因此特斯拉在推进产业发展的过程中注重降 本,而电池系统成本占整车比例高,所以是聚焦改善的部分。特斯拉主要的降本思想是不断做减法,以集成化的理念去除多余的零件,简化工艺,减少中间商环节:

技术升级时的大减法:持续的集成使得系统能够得到升级,并在升级过程中去掉冗余的 功能,例如 Model Y 的后车身铸造件、热泵系统等组件;

同一技术框架内的小减法:细小的创新持续积累,也能够发挥价值。电芯层面,切换到 具备成本竞争力的供应商,未来可能从外购转为自制;系统辅助器件层面,论证后进行 设计的变更,减少器件数量或重量,例如单模组配备两个柔性电路板(FPC)的原有方 案经改进后减少为一个 FPC。

特斯拉“电池日”展现其正向降本、垂直整合的决心与实力。在 2020 年 9 月 23 日召开的“电池 日”上,特斯拉充分展示了其在动力电池系统开发整合方面的技艺,公司预计 3 年内使每 kWh 电池成本下降 56%,续航里程提升 54%,单 GWh 产能投资成本减少 69%。公司的正向降 本垂直整合理念贯穿于材料改性与工艺精进之中:

电芯设计:开发无极耳技术,与常规的设计相比,能够减少电阻,降低整个电极长度上 的电流偏差,减少焦耳热,并提高散热能力。在此基础上能够缓解大圆柱带来的产热增 加问题,进而推出 4680 大圆柱电芯,能量增加 5 倍,续航可提升 16%;

电芯制造:优化各个工序,包括干电极技术、高速连续组装工艺、电子系统管理等,改 造后的单 GWh 投资将减少 75%,并且单 GWh 的产线占地面积将为原有的 1/10;

负极材料:采用冶金硅原料,表面使用弹性离子导电聚合物涂覆,并以高弹性粘结剂+电 极设计方式形成高强度网络,降低硅负极体积膨胀带来的循环性能下降等影响;

正极材料:高镍正极为趋势,2/3 的镍与 1/3 的锰认为是较合适的配比,同时根据不同 出行场景开发不同的正极产品。材料改性之外,以优化传统正极材料处理流程(无硫酸、 0 废水产出)+北美锂资源开发+正极金属回收循环利用模式进一步降本;

系统集成:在电芯集成到整车环节,应用大模组形式使结构更加紧凑,减重减零提升续 航;高度集成的电池+车身工厂将使单 GWh 投资成本下降 55%。

来源:DT新材料

新材料智库

负极突破主基调:研制更高比容低成本的材料

负极的格局相比正极的格局更加清晰,传统的石墨负极仍然是主流的应用产品。但是更高比 容负极的开发对于未来先进电池体系的推进仍然是有必要的,硅基负极、金属锂负极是研发 的热点。总体来说,负极的开发方向是低成本、高比容。

我们认为,碳材料无论是当下还是未来,仍然是重要的负极基体,在实现更高比容负极的过 渡阶段,碳材料的加入不仅能够起到提升导电性的作用,也是重要的承载物质。在中期的产 业应用上,硅基负极则具备较大的推广可能性,特斯拉的硅碳负极已经实现商用,但并非完 全的硅负极,为将硅的性能更完全的释放,仍然需要通过材料改性等手段持续开发;长期来 看,金属锂负极因高比容低电位而具有应用潜力,但是在动力领域所面临的困难需要较长时 间来解决,如锂枝晶带来的安全风险等,因此金属锂负极可能中短期在无人机等细分领域进 行推广商用,在渐进式的演进前提下,在车用动力领域预计还需 5-10 年的产业化过程。

负极当下格局:碳基是商用主流,钛酸锂因高安全应用于细分领域

负极是储锂的主体,其中碳材料是负极商业化应用中的首选与主流。锂二次电池负极材料在 充放电过程中实现锂离子的脱嵌,选用时遵循比容高、电势低、循环性能好、兼容性强、稳 定性好与价格低廉等原则。理论上,金属锂因低电势和高比容是理想的负极,但活性锂与锂 枝晶等带来的安全问题阻碍其发展。碳材料因价格低廉、为层状晶体带来较高比容量(LiC6 理论比容为 372mAh/g)、循环性及安全性好,取代金属锂作负极,推动锂二次电池商业化。

碳基材料种类繁多,当下负极材料中人造石墨和天然石墨是主流产品。若按照结构划分锂离 子电池碳材料,包括石墨、非石墨与掺杂型碳,石墨类又可分为天然石墨、人工石墨、中间 相碳微球等。天然石墨成本低、技术成熟度高,但首效较低、倍率性能较差,主要用于消费 类电池。人造石墨则一般采用致密的石油焦或针状焦作前驱体制成,避免天然石墨的表面缺 陷,首次效率与倍率性能提升,因此在动力领域份额不断扩大。据 GGII,2020 年中国锂电 池负极材料出货量 36.5 万吨,同比稳健增长,其中人造石墨占比 84%,份额逐年提升。

石墨类产品应用中存在缺陷,通过改性来提高产品性能。如天然石墨存在表面缺陷多、各向 异性容易析锂等问题:(1)针对其表面缺陷多、电解液耐受性差的问题,采用表面活性剂、 包覆等方式进行改性,提高部分性能;(2)针对其强烈各向异性的问题,工业生产中常采用 机械处理的手段对颗粒形貌进行球形化整形,处理后粒径 D50 范围 15~20μm,首效和循环 性能明显改善。人造石墨因各向异性导致倍率性能、低温性能差,充电易析锂的问题,其改 性不同于天然石墨,一般通过颗粒结构重组降低石墨晶粒取向度。

具备某方面突出性能优势的负极材料如钛酸锂,可满足特定需求,适合在部分细分领域应用。嵌锂碳材料因本身理化性质具有以下缺陷:(1)形成 SEI 膜,循环过程中造成 Li+损耗与碳 材料结构的破坏;(2)析出锂枝晶,增加安全隐患。在公共交通领域电动化进程中对安全性 的诉求落实到负极材料,需要负极电位稍正于碳、更加安全可靠。尖晶石型钛酸锂(Li4Ti5O12) 因具备突出的安全性能优势,在公共交通领域有一定应用:

“零应变材料”,结构稳定。在循环过程中,锂离子逐渐嵌入,最终形成深蓝色的岩盐相 Li7Ti5O12,晶胞参数由 0.836nm 变为 0.837nm,体积变化小于 0.2%,“零应变”下材料 结构稳定,循环性好;
嵌锂电位高,不易引起锂枝晶。钛酸锂嵌锂电位为 1.55V,高于锂离子的还原电位,因 此不易产生锂枝晶,提升安全性;

不生成 SEI 膜,再次提高安全性。因高于电解液的分解电压而不会生成 SEI 膜,没有 SEI 膜被破坏脱落的隐患;

循环过程中锂离子扩散系数也高于碳负极体系,因此是具备高循环优安全的负极材料。

钛酸锂劣势明显,克容量低、倍率性能差、成本高等问题限制更大范围的使用。(1)材料理 论克容量 175mAh/g,电压平台较低,因此比能量较低;(2)导电性能差,导致其在大电流 放电条件下极化严重,容量衰减快,倍率性能差;(3)吸湿性强,导致高温产气严重,高温 循环性能差;(4)材料制备工艺复杂,成本高,电芯成本是相同能量 LFP 电池的 3 倍以上。

钛酸锂改性方法多样,但往往无法保持综合性能,有待更深入开发。(1)改善材料形貌尺寸, 如颗粒纳米化、球化、多孔化等,缩短锂离子进出路径,提高比容量,但易造成与电解液的反应而形成 SEI 膜;(2)金属掺杂后的改性材料导电性提高,但循环稳定性可能会降低;(3) 表面改性如碳包覆技术,可以提高电子电导率,但包覆后锂离子会在脱嵌过程中受到一定阻 碍。综合看,寻找合适的离子、适当的掺杂比例、改性技术的结合是未来工作的重点。

现有负极比容已接近上限,高比容潜力负极中硅基优势显著

高比能诉求下,现有商用负极难以满足需求,需要以更高比容的材料替代。(1)市场上的高 端石墨比容可达 360-365mAh/g,已接近理论上限,而钛酸锂等本身理论比容较小,因此均 难以满足更高比能的需求。(2)商业化负极尤其是碳负极材料,因嵌锂电位低,在循环过程 中可能会形成锂枝晶而引起电池短路。需针对问题开发更高比容的新型负极材料。

在众多可选的新型负极材料中,硅基材料是较具开发潜力的类型。高比容非碳负极包括锡基、 硅基、氧化物、过渡金属氮化物以及金属锂负极等。比较理化性质,硅基具备应用优势:(1) 按照理论比容排序,硅基负极可达 4200mAh/g,而其他负极大部分在 900mAh/g 左右;(2) Si 的嵌锂电位高于碳,析锂风险小;(3)Si 与普遍应用的电解液反应活性低,嵌锂过程中不 会引起溶剂分子与 Li+共嵌入的问题;(4)Si 是地壳中第二丰富元素,价格低廉。

硅基负极的规模应用需解决体积效应等关键问题:(1)巨大的体积变化带来材料的粉化与电 极的破坏。硅与锂的合金化反应使硅发生 1-3 倍的体积膨胀,材料产生裂纹直至粉化,带来 容量的快速衰减,较大的应力下影响结构稳定性,安全风险提高;(2)体积的变化使 SE I 膜 出现破裂与生成的交替,消耗活性物质与电解液,导致电池的内阻增加和容量的迅速衰减;(3)硅的导电性差,在高倍率下不利于电池容量的有效释放。

针对硅基负极的改性研究集中在解决体积效应、维持 SEI 膜稳定和提高首效三个方面。优化的方向包括:(1)硅源的改性研究。即通过制备纳米硅、多孔硅或合金硅的方式改善电化学 性能,但同时也会面临工艺的复杂性等问题;(2)制备复合材料。如制备结构稳定的硅碳负 极,提高导电性,增强机械强度。在开发过程中,碳源选择和结构设计是造成性能差异的关 键;(3)制备氧化亚硅(SiOx)材料。作为石墨与硅的折中方案(比容 1500mAh/g 左右), 材料体积膨胀大大减小,循环性能提升,但首效较低也限制在全电池中的应用。

硅基负极产业化持续铺开,“硅基时代”临近

硅基负极研发集中度高,中国、日本、美国和韩国为主要申请国。统计 2000-2019 年 6 月与 锂离子电池硅基负极相关的专利数量,共计 28131 件,其中中国、日本、美国、韩国分列前 4 位。但日本、韩国和美国注重海外专利布局,中国申请人主要在国内进行专利布局。

日本申请人具有一定优势,中国申请数量大,但仍需进一步发展。统计前 100 名国际申请人 的国别,日本共有 35 家,且不同排名阶段的数量都占据绝对优势,主要有松下、索尼、日立 等。韩国则主要由三星和 LG 化学申请。中美分别有 23 家和 18 家申请人进入前 100 名。在 中国国内专利申请排名前 20 的申请人中,国外申请人依然占据较大比重,尤其是日本。中 国的企业中,比亚迪、贝特瑞、ATL 和万向集团进入前 20 名。

硅基负极产业化持续铺开,推动电池产品性能提升。特斯拉已将硅碳负极应用于 Model 3, 在人造石墨中加入 10%的硅,负极容量提升至 550mAh/g,单体能量密度达 300Wh/kg;日 本 GS 汤浅公司的硅基负极已成功应用在三菱汽车上。中国方面,宁德时代、国轩高科、万 向集团、比亚迪等正在加紧硅负极体系的研发和试生产。负极企业贝特瑞已实现硅碳负极量 产并为松下配套部分材料,杉杉股份、江西紫宸等具备小量试产能力。CATL 的高镍三元+硅 碳负极电芯比能达到 304Wh/kg,力神的 NCA+硅碳负极电芯也已达到 303Wh/kg。

产业化进程中,材料成本和生产工艺是两大制约因素。尽管硅基负极材料的性能在持续提高, 但在优化材料性能之外,还要考虑到制约产业化的其他因素:(1)材料成本:各家工艺差别较大,产品尚未达到标准化,导致价格较高。此外制备过程中常用到纳米硅粉,其生产对设 备要求高、能耗大,因此增加成本;(2)生产工艺:制备工艺较为复杂,有待成熟,并且所 匹配的主辅材对负极性能发挥影响大,相应的工艺也需要进行优化改善。

广汽应用新型硅负极材料,推动续航再上台阶。2020 年 7 月 28 日,广汽集团宣布采用新型 硅负极材料的方形硬壳电芯比能达到 275Wh/kg,将使电动车续航突破 1000km。2021 年 4 月 9 日的广汽科技日再次强调长续航技术将于 2021 年量产,采用海绵硅负极片电池技术使 电芯比能超过 280Wh/kg(未来提升至 315Wh/kg),同时解决硅材料膨胀问题。这将是全球 首次将新型硅负极材料应用到大型动力电池电芯产品,使硅材料的动力领域实用化更进一步。

来源:DT新材料

新材料智库


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