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新能源储能领域稀土又立一功

2021年01月13日 00:00 来源:中国能源报

到2050年,全球氢能占能源比重约为18%,氢能产业链产值将超过2.5万亿美元,且随着技术研发和产业资本的持续投入,未来10-20年,全球氢能产业将迎来快速发展的重大机遇期。全球氢能布局加速,从能源发展规律和影响变量来看,氢能产业已进入新发展阶段。“十四五”期间,我国将加速发展绿氢制取、储运和应用等氢能产业链技术装备,促进氢能燃料电池技术链、氢燃料电池汽车产业链发展,氢能产业将迎来重要的机遇期。


记者1月10日从包头稀土高新区获悉,该区中科轩达新能源科技有限公司(以下简称中科轩达)建立了我国具有自主知识产权的新型稀土储氢合金电极材料连续稳定的生产工艺和产品控制体系,产品受到多家国内知名动力电池生产厂家的高度重视,并已初步形成规模供应。


“目前我们建立的生产线产能为200吨,材料选用燕山大学自主知识产权的合金制备技术,通过稀土镁镍基储氢合金相结构与电化学储氢性能间的匹配关系,优化合金结构特性,开发出不同优势性能的RE-Mg-Ni基储氢合金新产品。”中科轩达生产技术部部长肖明介绍。


燕山大学教授韩树民表示,新型稀土储氢合金电极材料生产线的投入运营,是新材料研发制备技术与氢能源应用结合的一次重要尝试和突破,为未来我国氢能源发展指明了一个重要方向。


绿色发展:储能材料将成“刚需”


能源危机是本世纪中叶即将面临的巨大挑战。据统计,若按目前的水平开采世界已探明的能源,煤炭资源尚可开采100年,石油30-40年,天然气50~60年。


另一方面,生态危机已经成为当今社会已经面临的巨大挑战。石化能源燃料燃烧时所产生的有害物质,严重污染了环境,导致温室效应、全球气候变暖、生物物种多样性降低、荒漠化等诸多生态问题,严重影响着国家的资源安全和社会经济持续发展,威胁着人类的生存。


“事实上,目前的新能源交通工具,主要还是来自基于火力发电的电能。下一步,按照‘绿色发展’的要求,发展氢能尤其是氢燃料电池汽车的推广,成为发展零污染低碳交通的必然选择。”包头稀土研究院技术专家、正高级工程师闫慧忠说道。


据闫慧忠介绍,氢作为一种来源广泛、清洁无碳、灵活高效的二次能源,在汽车、轨道交通、船舶、航天、物流、供电供暖等领域,有着丰富而广泛的应用前景,被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源,代表着未来新能源的发展方向。


我国氢气资源丰富,发展氢能源具有先天优势。目前国内氢气产量已经位居世界第一位,而且我国煤炭资源丰富,已经开始发展煤制氢产业,还有丰富的风电、光电、水电资源,未来都可以用来进行水电解制氢。


“我国氢能源产业相关技术,尤其是燃料电池技术与发达国家差距仍然较大,相关政策法规还不够完善,加氢站基础设施建设滞后,国家和省级层面正在对此进行统筹规划,推进我国氢能源产业发展。”肖明坦言,储氢材料技术创新面临着重要发展机遇,而稀土系储氢材料是目前生产工艺最为成熟、产业规模最大的固态储氢材料,稀土储氢材料可作为氢能实现产业化过程中的关键技术手段。


稀土材料:储氢合金中独树一帜


在氢能源从生产到利用的过程中,储氢技术无疑是必不可少的“桥梁”,没有这个“桥梁”,氢能的利用就是一句空话。


据肖明介绍,目前国内运用的主要储氢方式为固态储氢,即通过物理或者化学吸附的方式将氢气存储于固态储氢材料介质中。这种新型储氢技术因具有体积储氢密度高、储运方便、安全性能好等优点,被认为是最有发展前景的储氢方式。


稀土镁镍基储氢合金电池是以贮氢合金为负极材料的新型二次电池,被誉为无污染的“绿色能源”,具有比能量高、循环寿命长、耐过充放电、安全性能好等优点,广泛应用于各种小型便携设备上。然而,自放电率较高,为电池的实际应用造成了一定困难。


依托丰富的稀土资源和雄厚的产业技术基础,中科轩达自2000年开始对稀土镁镍基储氢合金的制备技术、相结构和电化学性能等进行了系统和深入研究,揭示了这类合金的特殊超堆垛结构的生成机理和电化学特性,指出了不同类型相结构的AB3型、A2B7型、A5B19型和AB4型稀土镁镍基储氢合金在吸/放氢过程中氢原子的存在状态、分布和进出行为的差异,以及对其结构稳定性及其电化学性能的影响规律。


“正是由于这类合金晶体结构的多样性,使其表现出多样性的优良储氢性能,从而更加明确了La-Mg-Ni基储氢合金作为新一代Ni/MH电池负极材料的潜力。”技术研发带头人、燕山大学教授韩树民表示,近几年来,相关研究成果已在SCI各类期刊发表论文130余篇,出版专著1部,授权国家发明专利18项,获得河北省技术发明二等奖。


在揭示了稀土镁镍基储氢合金相结构转变规律、生成条件及其对储氢性能影响的基础上,研发团队通过改进金属Mg加料方式和生产工艺,实现了合金规模化生产要求的精确控制和安全操作,所制备合金电化学容量大于360mAh/g、寿命可达到500次循环以上,并且合金在功率性能、低温性能和低自放电性能等方面表现出优异的特性,比目前已商业化的混合稀土AB5合金电极材料具有更加优良的性能和高的性价比。


以上结果表明,新型稀土镁镍基储氢合金可以显著提高Ni/MH动力电池的性能和市场竞争力,表现出良好的市场应用前景,可用于新能源汽车、智能电网储能、通信基站储备电源等领域。


高性价比:助力储氢电池产业发展


内蒙古自治区关于“十四五”能源规划的具体步骤中,氢能和储能位列“四大产业集群”之列。“我们将引进行业领军企业开展新能源制氢,配套发展氢能装备制造、建设加氢设施、推广氢燃料电池汽车,推进氢能产业链一体化发展,同时统筹全区储能发展,推动正负极关键材料以及隔膜、电解液、逆变器等核心组件的装备制造,推进储能全产业链发展,打造千亿级储能产业集群。”内蒙古能源局局长助理李理表示。


韩树民分析说,随着国家和各地相关产业的拉动及国际电池生产厂商在华投资的增多,中国电池产业发展步伐加快,近年来增长速度超过30%以上;同时随着国际市场需求的不断增加,中国也成为世界上最大的电池出口国之一。因此,电池产业是二十一世纪最有发展前途和应用前景的新型绿色能源体系。在此背景下,稀土型储氢材料大有可为、风光无限。


据韩树民表示,某些过渡族金属、合金以及金属间化合物,在常温常压(附近)下与氢反应,成为合金氢化物,这种材料可以贮存比其体积大1000~3000倍的氢,通过加热或减压将贮存的氢气放出:通过冷却或加压又再次吸收于合金中。


“生产线建成之后,这种拥有我国自主知识产权的新型储氢合金将迅速应用于储氢材料中,较以往的储氢合金最大的优势是容量提高,每克提高30%左右,可达到每克400毫克安。同时具备良好的安全性,以及良好的低温性和较宽的温差范围可实现在零下40摄氏度正常使用。”肖明介绍。


这种新型材料主要以镍和稀土金属为生产原料,使用的生产原料中有三分之一左右是轻稀土金属、也就是我国在全球储量最为丰富的镧、铈元素。因此,该材料实现国产化,不仅价格优势明显,而且就地消化了我国北方稀土生产的镧铈,提高稀土材料的附加值。

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