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稀土储氢材料助力能源绿色发展

2021年01月27日 00:00 来源:中国有色金属报

日前,中科轩达新能源科技有限公司(以下简称“中科轩达”)相关信息显示,该公司已建成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,产品受到国内知名动力电池生产厂家的高度重视并初步形成规模供应。


“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。


稀土系储氢材料大有可为


业内人士预测,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,石油资源可开采30~40年,天然气资源可开采50~60年。生态危机是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,影响了国家的资源安全和社会经济持续发展。为满足社会发展对能源的需求,实现资源的可持续利用,维持和促进资源、环境、社会经济的协调发展,必须寻找新能源。


“在这种形势下,发展氢能尤其是氢燃料电池助力汽车的推广,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。


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。


众所周知,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很大,相关政策法规还不够完善,加氢站基础设施建设滞后,还需要进一步在国家和省级层面进行统筹规划,推进我国氢能源产业发展。”肖明坦言,稀土系储氢材料面临着重要发展机遇。


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。


稀土材料为储氢提供新方向


储氢技术作为氢气从生产到利用过程中的桥梁,是指将氢气以稳定形式的能量储存起来,以方便使用的技术。


据肖明介绍,目前大部分运用的是固态储氢的方式,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,这种新型储氢技术具有体积储氢密度高、储运方便、安全性能好等优点,因而被认为是最有发展前景的储氢方式。


目前,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”,它具有比能量高、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。但值得注意的是,其自放电率较高,给电池的实际应用造成了一定困难。


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。”燕山大学教授韩树民说,相关研究成果发表SCI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,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。


稀土储氢合金材料


未来大有可为


2006年,美国十大科技计划中有两项为电池项目,电池行业销售总额的三分之一与电力、交通、信息等产业发展息息相关,在汽车、叉车等运输工具和大型不间断供电电源系统中处于控制地位,是社会生产经营活动和人类生活中不可或缺的产品。


电池由于材料廉价、工艺技术成熟、自放电低、免维护要求等特性,在未来几十年里,依然会在市场中占主导地位,在国家产业发展中仍将占主流地位。


随着国家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,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21世纪最有发展前途和应用前景的新型绿色能源体系。也关系到国家可持续发展战略的实现。


据韩树民介绍,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。


近年来,R-Mg-Ni系超晶格的贮氢合金已成功应用于电池中,用这类合金制成的电池的电化学容量达到了2500mAh。由于镁的加入使得这种合金形成了稳定的金属氢化物从而抑制了氢的脱附。所以在贮存过程中有相对较少的H原子从金属氢化物中析出,降低了合金电极的自放电率,因此,这类合金也被看做是高贮存性能电池极具希望的一种负极材料。


“我们制备的新型储氢合金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度正常使用。”肖明表示。


中科轩达生产的稀土系储氢材料相较于镍镉电池更环保,相较于锂电池更安全,能够大范围应用于汽车的混合动力电池,以及固态储氢及氢燃料电池当中。


此外,该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、也就是储量最为丰富的镧、铈元素,该生产线稀土储氢材料的市场应用,对推动我国轻稀土资源的充分利用起到积极促进作用。


该材料实现国产化,不仅价格优势明显,而且就地消化了北方稀土生产的镧铈,提高稀土材料的附加值。该项目已获得国家授权发明专利3项,申报国际发明专利1项。

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