文/ 劉小芳 楊 麗 張曉雨

當(dāng)前，新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革蓄勢待發(fā)，全球新材料產(chǎn)業(yè)競爭格局正在發(fā)生重大調(diào)整。新材料與信息、能源、生物等高技術(shù)加速融合，大數(shù)據(jù)、數(shù)字仿真等技術(shù)在新材料研發(fā)設(shè)計中作用不斷突出，“互聯(lián)網(wǎng)+”、材料基因組計劃、增材制造等新技術(shù)新模式蓬勃興起，新材料創(chuàng)新步伐持續(xù)加快，國際市場競爭將日趨激烈。根據(jù)工信部發(fā)布的《稀土行業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》，近年來稀土應(yīng)用產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大，稀土磁性、發(fā)光、儲氫等主要功能材料產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量70%以上。隨著高端制造、綠色發(fā)展理念的進一步落實，稀土儲氫合金前景如何？是否能契合于國家未來改革發(fā)展方向迎來新的發(fā)展與突破？

我國稀土儲氫合金粉需求下降

回顧儲氫合金的發(fā)展歷程，我們可以看到從20世紀(jì)60年代后期開始，荷蘭菲利浦公司和美國布魯克海文國家實驗室分別發(fā)現(xiàn)了LaNi5，其具有良好的儲氫性能，但將其用在鎳氫電池負(fù)極材料時，其循環(huán)穩(wěn)定性卻較差。到20世紀(jì)80年代初，研究人員用Ce部分替代鑭，Co部分替代Ni，提高了合金的循環(huán)穩(wěn)定性，國內(nèi)外工作者開始對這一新型功能材料進行應(yīng)用研究。1982年，ECD Ovonic申請將儲氫合金用于鎳氫電池的專利。1984年，東芝公布采用儲氫合金用于鎳鎘電池的負(fù)極，可以大幅度提高能量密度。1990年，松下、三洋的鎳氫電池上市，采用AB5型稀土儲氫合金。1997年，京都議定書，溫室氣體減排協(xié)議。豐田搭載鎳氫電池的普銳斯上市。90年代初期，我國也開始研發(fā)、銷售AB5儲氫合金，并于90年代末形成大規(guī)模化生產(chǎn)。直到2005年，國內(nèi)由于鋰電的興起，鎳氫電池增長速度開始放緩。

在今年召開的一次學(xué)術(shù)交流會上，內(nèi)蒙古稀奧科貯氫合金有限公司總經(jīng)理李冰介紹， 近年來我國儲氫合金粉市場需求量整體上呈下降趨勢：2008年歐美金融危機導(dǎo)致了2009年需求量大幅度減少，2011年國內(nèi)稀土價格大漲及鋰電進一步擠壓鎳氫空間，合金粉需求下降到了1萬噸以下，2012年以后鎳氫民品電池每年都以5%的速度萎縮，雖然車載鎳氫電池在國內(nèi)逐步興起，抵消了一部分萎縮量，但由于稀土的價格大幅上漲，再加上鋰電技術(shù)的成熟，鋰電不斷吞噬鎳氫電池的市場，整體上需求量仍在減少。自2012年到2017年，國內(nèi)合金粉市場需求量徘徊在8500多噸（見圖1）。

圖1 2002年至2017年國內(nèi)儲氫合金粉市場需求量

稀土儲氫合金市場供應(yīng)過剩、價格競爭激烈

從全球市場來看，目前合金粉市場整體產(chǎn)能為3萬噸，全球稀土儲氫合金95%由中國和日本供應(yīng)：日本的三井金屬（HEV）、日本重化學(xué)（民品）、中央電工（HEV）合計產(chǎn)能1萬噸左右。中國產(chǎn)能2萬噸左右。

國內(nèi)方面，合金粉廠家主要分布在國有上市公司等資金實力強的公司，其中廈鎢、江鎢、稀奧科、微山鋼研這幾家國有公司的市場份額占到60%以上。但據(jù)李冰介紹目前各家公司都沒有滿產(chǎn)，產(chǎn)能發(fā)揮率大多在50%左右，產(chǎn)大于銷，競爭非常激烈。（國內(nèi)合金粉市場產(chǎn)能情況見表1）

李冰指出，目前國內(nèi)稀土儲氫合金市場呈現(xiàn)出以下幾個特點：1.民品市場嚴(yán)重供大于求；2.AB5型儲氫合金已發(fā)展10多年，技術(shù)已經(jīng)非常成熟，行業(yè)產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，造成價格競爭激烈；3.多年來，儲氫產(chǎn)品的銷售為賒銷，面對客戶多為民營企業(yè)，資金實力較弱，造成資金風(fēng)險很大。

稀土儲氫合金未來發(fā)展方向

隨著環(huán)境污染程度的不斷加重以及化石能源的日益枯竭，開發(fā)利用新的可再生、清潔能源已成為世界各國關(guān)注的熱點。稀土儲氫合金是能源環(huán)保領(lǐng)域重要的功能材料之一。稀土儲氫合金中稀土的重量百分含量約為33%，主要以La、Ce輕稀土為主，是La、Ce輕稀土的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。發(fā)展稀土儲氫合金產(chǎn)業(yè)既有利于社會和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，又能促進我國稀土資源的高效高值均衡開發(fā)利用。那么稀土儲氫合金未來能否迎來新的發(fā)展與突破

李冰總經(jīng)理分析，當(dāng)前我國稀土儲氫合金應(yīng)發(fā)展方向集中在以下幾個方面：

1.原有市場的民用、工業(yè)配套電池領(lǐng)域需求穩(wěn)定

因鋰離子電池以其較好的性能逐漸在某些領(lǐng)域取代鎳氫電池，鎳氫電池的需求量逐年減少，但是由于鎳氫電池更加穩(wěn)定、安全、耐過充、高低溫性能好等特點，在民用、工業(yè)配套、應(yīng)急燈、掃地機等市場鎳氫電池仍將有一席之地。鎳氫電池近幾年需求量將趨于穩(wěn)定，預(yù)計還會維持在8000噸左右。

2.鎳鎘電池即將退出市場，鎳氫電池將逐漸替代

隨著歐盟開始執(zhí)行鎳鎘電池的限制，我國也開始限制鎳鎘電池的生產(chǎn)，和鎳鎘電池有相似電壓和尺寸的鎳氫電池，還有部分軍品電池會取代部分鎳鎘電池市場。2015年10月歐盟強制要求新出廠的乘用車和小型貨車必須加裝車用GPS—ECALL(緊急求救系統(tǒng)），從目前看該系統(tǒng)電源除了鎳隔外，鎳氫將主導(dǎo)該市場。

3.新能源動力汽車用動力電池市場廣闊

（1）混合動力汽車（D型和方型電池）

目前方形電池、D型動力電池是鎳氫電池的發(fā)展方向，在這兩個方向上應(yīng)用的儲氫合金粉要求具備兩個性能：一是寬溫性能：汽車在戶外使用，需要適應(yīng)不同季節(jié)的溫度，所以要求電池具備較好的寬溫性能。二是合金粉的均質(zhì)性和穩(wěn)定性高：由于車用電池一般都是組成電池模塊或電池包使用，對每節(jié)電池的穩(wěn)定性和一致性要求比較苛刻。所以對儲氫合金粉的結(jié)構(gòu)均勻性和性能穩(wěn)定性要求也相對較高。需要從材料和工藝方面同時進行研發(fā)改進，才能不斷滿足車載電池的性能要求。

（2）純電動公交車（電容型鎳氫動力電池）

目前由山東淄博國利新電源科技有限公司生產(chǎn)的電容型鎳氫動力電池，其特點是：壽命長、安全性好、寬溫域、回收價值高。自2012年2月以來，淄博市先后投入4條公交線路、日照市投入1條公交線路、包頭市投入5輛公交車，共計100多臺鎳氫電池純電動公交車上線運行。電容型鎳氫動力電池其低溫性、安全性優(yōu)于鋰離子電池，特別適合“三北地區(qū)”—東北、華北、西北地區(qū)。一輛12米長公交車使用合金粉數(shù)量約1噸，其中每噸含稀土La、Ce含量為330kg。

目前全國有各類公交車約70萬輛，其中西北、華北、和東北地區(qū)大約30萬輛，將此“三北”區(qū)域30%的公交車發(fā)展為純電動公交車，即9萬輛的市場規(guī)模，可謂是市場巨大，同時消耗9萬噸合金粉。純電動公交車的發(fā)展，使儲氫合金發(fā)展前景巨大，同時帶動稀土La、Ce的使用量，促進我國稀土資源的高效高值均衡開發(fā)利用。

4. 儲能電池方向

近年來，國家大力發(fā)展和解決三北地區(qū)能源問題，提高風(fēng)能、太陽能等各種能源的儲存和利用，鋰離子電池在安全和低溫性能方面具有局限性，而鎳氫電池儲能具有能量轉(zhuǎn)化率高，適用溫度范圍寬的優(yōu)勢。

儲能用合金粉要求合金粉的克容量要高，寬溫區(qū)性能好，最大限度的提高儲能性能和利用率。另外還要根據(jù)不同的儲能環(huán)境和充放電要求開發(fā)不同性能特點的儲氫合金粉，在風(fēng)能發(fā)電調(diào)峰電源和地鐵、輕軌的儲能備用電源領(lǐng)域有巨大的潛在市場。

5. 燃料電池方向

燃料電池的推廣發(fā)展離不開合理科學(xué)的儲氫方式。目前常見的儲氫方式主要有液化儲氫、高壓儲氫和金屬氫化物（儲氫合金）儲氫等。

燃料電池是近期研究的熱點，燃料電池用儲氫合金的開發(fā)除了需要提高儲氫的容量以外，還必須要結(jié)合燃料電池的氧化還原反應(yīng)的速率來優(yōu)化設(shè)計，做到儲氫合金粉的儲氫、放氫與燃料電池的氧化還原反應(yīng)的平衡匹配。

利用金屬氫化物（儲氫合金）可逆吸放氫的特性，為氫氣的儲存提供了一種新方式。采用金屬氫化物儲氫罐具有氫氣純度高、儲氫密度大、安全可靠和壽命長的優(yōu)點。但已開發(fā)出的各種儲氫材料，其儲氫密度均小于 3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù) )，還達不到IEA提出的儲氫材料儲氫密度大于5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 的要求。所以仍需要研發(fā)新型的高容量儲氫材料才能滿足燃料電池的應(yīng)用需求。

表1 國內(nèi)合金粉市場產(chǎn)能情況