◆內蒙古成功研發(fā)出鎳氫電池負極材料 攻克新能源動力汽車國產化技術難題

近期，國家火炬計劃重點項目承擔單位內蒙古稀奧科貯氫合金有限公司打破國外技術壁壘，研發(fā)出的具有完全自主知識產權的混合動力汽車用鎳氫電池負極材料，通過內蒙古自治區(qū)科技廳組織的專家驗收。項目開發(fā)的鎳氫電池貯氫合金，解決了因較高的比表面積而特別易于氧化和接觸不良導致導電和導熱性能進一步下降的難題，為新能源動力汽車國產化攻克了一項關鍵技術。

內蒙古稀奧科貯氫合金有限公司于2014年開始實施火炬計劃——“混合電動汽車用鎳氫電池貯氫合金的產業(yè)化”項目，經過三年的研究、設計和開發(fā)，生產出2款功率型貯氫合金，并在動力型鎳氫電池上應用，使動力型鎳氫電池高溫60℃時放電容量達到常溫的84.4%；循環(huán)使用800周后容量保持率達到85.3%。

該項目在AB5型動力貯氫合金研發(fā)方面，通過對合金中輕稀土鑭、鈰比例的調整，提高和改善了合金的倍率放電性能以及低溫放電性能；通過化學計量比來改善合金的組織結構、相組成、平衡氫壓、放電容量、活化性能、循環(huán)壽命及高倍率放電性能；通過調整合金中錳的含量，得到適合于動力性貯氫合金所需的PCT平臺壓力。在貯氫合金粉末表面處理技術方面，科技人員在國內外率先采用真空蒸發(fā)鍍膜的方法對貯氫合金粉末進行了鍍膜金屬鎳、銅、鋁的表面處理研究。結果表明真空蒸發(fā)鍍膜金屬技術，可以在不破壞合金原有成分和結構的條件下于合金粉末表面獲得均勻的具有良好防腐性能和導電導熱性能的金屬鍍層，可以克服溶液鍍膜對合金的腐蝕和氧化破壞問題，明顯改善合金的容量、高倍率性能，提高合金循環(huán)壽命。

項目在研發(fā)A2B7型儲氫合金方面，科技人員優(yōu)化了能夠穩(wěn)定控制A2B7型儲氫合金中鎂含量及相結構的生產工藝，使合金中A2B7型相的相豐度達到88%以上，并且合金中鎂含量與設計值偏差不超過5%。在此基礎上，進一步開發(fā)具有超堆垛結構、低成本、低自放電、高容量的A2B7型儲氫合金，用于生產高容量鎳氫電池。通過該項目的研發(fā)，開發(fā)出適合此類合金的生產工藝及生產設備，實現(xiàn)了A2B7型儲氫合金的產業(yè)化；分別開發(fā)出以高倍率低自放電性能為主的A2B7型儲氫合金，進一步擴大鎳氫電池的應用范圍。

內蒙古稀奧科貯氫合金有限公司利用現(xiàn)有設備和生產工藝，通過對貯氫合金成分和結構的優(yōu)化設計和控制、熔煉和后處理設備及工藝的改造，試驗篩選可用于 900 公斤以上真空中頻感應熔煉爐生產高功率型貯氫合金的配方和工藝參數(shù)，以及開發(fā)貯氫合金粉末表面處理技術和電沉積表面處理的中試設備和工藝條件，建立一套可單次處理 100 公斤以上合金粉末的電沉積金屬薄膜表面處理裝備，最終可實現(xiàn)年產 300 噸以上可用于混合電動汽車動力鎳氫電池的負極貯氫合金粉材料。

（內蒙古自治區(qū)人民政府）

中科院物理所等首次在含稀土離子的單分子磁體中觀察到磁介電效應

單分子磁體（single-molecule magnet）是由分立的、無磁性相互作用的納米尺寸分子單元構成的一類特殊磁體，每個分子都是一個獨立的磁性功能單元，其在高溫下表現(xiàn)為超順磁性，在低溫下出現(xiàn)磁滯和磁化量子隧穿行為。單分子磁體有望作為信息存儲單元，用于實現(xiàn)超高密度信息存儲。同時，對單分子磁體的磁化量子隧穿效應的研究也有利于揭示量子力學行為是如何在宏觀尺度上起作用，并可能應用于量子計算。自1993年發(fā)現(xiàn)第一個單分子磁體Mn12以來，人們已經合成出大量基于過渡金屬磁性離子和稀土磁性離子的單分子磁體，并對其磁性開展了深入的研究。然而，對于單分子磁體的電學性質的研究還鮮有報道。近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學國家重點實驗室研究員孫陽指導博士生馬怡妮娜與南開大學化學系博士王玉霞、教授師唯、程鵬等合作，研究了單分子磁體的介電性質，首次在一種含稀土離子Dy的單分子磁體中，觀察到顯著的磁介電效應。

王玉霞等利用溶液緩慢蒸發(fā)法合成出一種[Dy(L)2(C2H5OH)Cl3]·C2H5OH單分子磁體單晶樣品，尺寸可以達到毫米量級，為電學測量打下了基礎。在該晶體中，強自旋-軌道耦合的Dy離子處于輕微畸變的八面體配位場中，具有單軸各向異性，有利于形成單分子磁體。通過交流磁化率和直流磁化強度的測量，確定了該單分子磁體的低溫磁性弛豫行為和磁各向異性。在此基礎上，馬怡妮娜利用孫陽研究組自主研制的多功能磁電耦合測量系統(tǒng)，仔細測量了該單分子磁體不同晶向的介電常數(shù)隨溫度和磁場的變化。在低溫下（2—40 K），其介電常數(shù)隨磁場增加而上升，到8T磁場時依然沒有飽和，表現(xiàn)出顯著的磁介電效應。該效應被認為是來源于高自旋態(tài)的三價Dy離子，具有較強的自旋-晶格耦合，外加磁場導致局域晶格的收縮，進而產生電容的變化。這是首次在單分子磁體中觀察到磁介電/磁電容效應，預示著在單分子磁體中也有望實現(xiàn)本征磁電耦合效應。未來，研究者將通過結構設計，嘗試在單分子磁體中通過打破空間反演對稱引入鐵電極化，從而進一步增強單分子磁體中的磁電耦合效應，最終實現(xiàn)電場對單分子磁體磁性的調控。

以上研究結果已發(fā)表于《美國化學會志》（J.Am.Chem.Soc.140, 7795-7798 (2018)）。馬怡妮娜為論文的共同第一作者，孫陽為論文的共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金重點項目（11534015）的支持。

[Dy(L)2(C2H5OH)Cl3]·C2H5OH單分子磁體的晶體結構

Dy-基單分子磁體的交流磁化率

Dy-基單分子磁體的磁化曲線和磁介電效應

（中科院物理所）

寧波材料所在高豐度釔混合稀土永磁材料研發(fā)和產業(yè)化方面取得新進展

近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所稀土磁性功能材料實驗室針對南方離子型中、高釔礦的特點，在高豐度釔混合稀土永磁材料研發(fā)和產業(yè)化方面取得系列進展，通過對硬磁主相的結構設計與界面分布的優(yōu)化調控，開發(fā)出具有優(yōu)異耐溫特性的高矯頑力磁體，突破了高豐度稀土元素在永磁領域的應用瓶頸。

燒結Nd-Fe-B永磁體的磁性能取決于磁體的相組成及微觀結構，而磁體相組成和微觀結構主要由制備過程中合金元素冶金行為控制，研究人員首先系統(tǒng)研究了高豐度稀土元素La/Ce/Y在磁體制備過程中的分布及遷移特征，澄清其對合金成相及微觀組織結構的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)在速凝過程中，La和Ce在合金的晶界相中大量富集，Y主要富集于合金的2:14:1主相中，分析表明Y的引入可以穩(wěn)定四方相，避免La、Ce對硬磁相結構的破壞。在后續(xù)工藝過程中，Y則進一步從晶界向主相晶粒內部偏聚。

基于對該冶金行為特征及磁體反磁化機理的認識，研究人員進一步提出了Y在主相內部偏聚的結構設計思路，并獲得了Y偏聚于主相晶粒核心的核殼結構，晶粒表層的較低的Y含量使得主相晶粒具有更高各向異性場的殼層區(qū)域，能夠有效抑制晶粒表面的反磁化形核過程，增強磁體的矯頑力。進一步通過合理設計晶界成分，利用晶界相區(qū)域的溶解析出作用，解決由于晶粒生長及稀土釔元素強烈的遷移偏聚行為造成的晶粒黏連、晶界相缺失及偏聚的難題，成功實現(xiàn)了連續(xù)均勻的晶界相對核殼結構硬磁相的包覆，有效增強了晶粒間的磁隔離效應，使得高豐度釔混合稀土磁體表現(xiàn)出較高的室溫矯頑力及優(yōu)異的耐溫特性，在Y替代Nd40%之內均可獲得最大磁能積大于40MGOe的磁性能，Y替代15%Nd獲得矯頑力大于17kOe的磁性能，綜合性能優(yōu)于Ce取代磁體。該研究結合主相結構調控及晶界增強技術，解決了高豐度稀土磁體成相難及結構不均勻的問題。

相關研究成果相繼發(fā)表在IEEE Trans.Magn.(2015, 51(8): 1-4)、Appl.Phys.Lett.(2017, 110(17): 172405)、Acta Mater.(154(2018) 343-354) 等學術期刊上，受到國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金等項目的支持。該團隊正與中國稀土六大集團之一的中國鋁業(yè)進行合作，開發(fā)高豐度釔混合稀土磁體產業(yè)化技術，在中鋁集團的生產基地初步實現(xiàn)了技術轉移和批量牌號的生產，并在2018年6月于常州舉辦的江蘇稀土新材料產業(yè)發(fā)展論壇上進行了相關成果推介，受到稀土產業(yè)鏈相關單位的廣泛關注。

（中科院寧波材料所）