霍知節(jié)

1 人類的能源有哪些

1.1 傳統(tǒng)化石能源

我們的日常生活以及國(guó)家經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，都離不開能源。人類在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，一直以傳統(tǒng)化石能源為主，八百多年前已經(jīng)就將“煤”作為主要的生活燃料。煤的資源分布范圍廣、儲(chǔ)量豐富、易于開采。18世紀(jì)末期，工業(yè)革命興起后，全球進(jìn)入蒸汽時(shí)代，隨著蒸汽機(jī)的使用和逐步普及，大量的煤，為人類的發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)。煤——被廣泛地用于工業(yè)生產(chǎn)，推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的大發(fā)展，尤其促進(jìn)了煤炭、采礦、鋼鐵、冶金、化工等行業(yè)的快速發(fā)展。

19世紀(jì)中期，美國(guó)賓夕法尼亞采用鉆井的方法，打出了人類歷史上的第一桶石油，于是石油取代了煤的主導(dǎo)地位，一躍成為全世界的主要能源，成為經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的“發(fā)動(dòng)機(jī)”。煤，也被譽(yù)為“黑金”和“工業(yè)的血液”。20世紀(jì)早期，美國(guó)成功鋪設(shè)了第一條天然氣運(yùn)輸管道，標(biāo)志著天然氣正式成為現(xiàn)代工業(yè)利用的新能源，同時(shí)也成為現(xiàn)代日常生活中的重要能源。

傳統(tǒng)化石能源的優(yōu)點(diǎn)是易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，且為濃縮能源。缺點(diǎn)主要是破壞自然環(huán)境，且為不可再生資源。

1.2 最具吸引力的清潔新能源——?dú)淠?img src="https://cimg.fx361.com/images/2021/04/15/qkimagesclcyclcy201904clcy20190414-1-l.jpg"/>

現(xiàn)今，全球傳統(tǒng)化石能源即將耗盡，很多國(guó)家不同程度地出現(xiàn)了能源危機(jī)，于是發(fā)展新的節(jié)能技術(shù)迫在眉睫，新能源的開發(fā)利用更是勢(shì)在必行。目前，全球普遍開發(fā)利用的新能源有太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮埽▓D1）、海洋能（圖2）以及核能（圖3）等，以上都屬于新型一次能源。需要將其先變?yōu)殡娔苋缓笤倮?，可是電能?chǔ)存不便，且輸送成本很高。因此必須開發(fā)利用新型二次能源，如激光、微波、合成燃料、高功能電池、氫能源等。

在上述眾多的二次能源中，氫能以其高能量和高密度，以及清潔無(wú)污染的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)脫穎而出，成為最具吸引力的新能源。氫的燃燒發(fā)熱值非常高，燃燒熱量約為汽油的3倍、焦炭的4.5倍，且其燃燒產(chǎn)物為水，完全沒有環(huán)境污染。加之，氫的生產(chǎn)原料——水資源，非常豐富，因此高效和清潔的氫能備受青睞。世界各國(guó)競(jìng)相研發(fā)氫能產(chǎn)品，如鎳氫電池、氫燃料電池汽車等，顯見，“氫能經(jīng)濟(jì)（hydrogen economy）時(shí)代”已然來(lái)臨，21世紀(jì)是被公認(rèn)的“氫能世紀(jì)”[1]。

2 “氫能”概況

2.1 氫能的“儲(chǔ)氫”技術(shù)難題

“氫經(jīng)濟(jì)”應(yīng)運(yùn)而生，氫能產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展。氫作為新型的二次能源，其開發(fā)利用主要包括3大環(huán)節(jié)：第1個(gè)環(huán)節(jié)是生產(chǎn)氫氣，通過(guò)電解水制取氫氣的上游產(chǎn)業(yè)；第2個(gè)環(huán)節(jié)是氫儲(chǔ)存，通過(guò)化學(xué)方法儲(chǔ)存氫氣的中游產(chǎn)業(yè)；第3個(gè)環(huán)節(jié)是氫氣的應(yīng)用，主要通過(guò)制作為燃料電池的下游產(chǎn)業(yè)。雖然氫能的開發(fā)利用可謂是突飛猛進(jìn)，但其技術(shù)的關(guān)鍵在于能否低成本生產(chǎn)氫氣，而且采用高密度、安全制取和儲(chǔ)運(yùn)氫氣。換言之，無(wú)論哪個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都存在很大的技術(shù)壁壘和難題，但是儲(chǔ)存和運(yùn)輸氫是最讓科研專家頭疼的技術(shù)難題，因常溫常壓下，氫為氣態(tài)且最輕，密度僅為0.0899kg/m3，為水的萬(wàn)分之一，所以說(shuō)如何安全地解決氫氣的高密度儲(chǔ)存為世界技術(shù)難題。

2.2 3種“儲(chǔ)氫”技術(shù)

現(xiàn)今，儲(chǔ)氫主要有3種技術(shù)：第1種氣態(tài)氫儲(chǔ)存技術(shù)，將氫氣壓縮后存儲(chǔ)于高壓容器，如高壓氣瓶（圖4），缺點(diǎn)儲(chǔ)氫量小，且有爆炸的危險(xiǎn)性。第2種液態(tài)氫儲(chǔ)存技術(shù)，必須在-253℃超低溫度下，將氫氣液化后，裝于耐高壓的絕熱特制容器?？蓪⑵溆糜诤教旎鸺陌l(fā)動(dòng)機(jī)（圖5） 、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和洲際飛行器等動(dòng)力設(shè)備。缺點(diǎn)儲(chǔ)氫設(shè)備體積龐大，絕熱裝置繁雜，而且容易滲漏。第3種固體氫儲(chǔ)存技術(shù)，也就是通常所說(shuō)的儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)存法?！皟?chǔ)氫材料儲(chǔ)氫”是指在一定條件下，氫氣與儲(chǔ)氫材料發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)金屬氫化物，當(dāng)條件改變時(shí)，氫化物就可分解釋放出氫氣，亦稱“固相儲(chǔ)氫”。這是目前最好的儲(chǔ)氫方法，具有儲(chǔ)量大、易操作、便于安全運(yùn)輸，以及生產(chǎn)成本相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，完全克服了高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫和低溫液態(tài)儲(chǔ)氫的主要缺點(diǎn)，“儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫”成為最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N儲(chǔ)氫方式，于是儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)存法，成為當(dāng)下的熱點(diǎn)研究對(duì)象。

2.3 氫能的“載體”——儲(chǔ)氫材料

儲(chǔ)氫材料顧名思義是一種能夠儲(chǔ)存氫的材料。實(shí)際上，它必須是能夠在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫ο拢罅靠赡娴匚?、釋放氫的材料。此處“材料”特指“合金或金屬間化合物”[2]。儲(chǔ)氫材料作為一種新型功能材料，用專業(yè)領(lǐng)域的話來(lái)解釋，該材料是生產(chǎn)高容量鎳—?dú)浠镫姵氐年P(guān)鍵材料，其中的各成分需要維持一定的比值，否則會(huì)對(duì)其儲(chǔ)氫性能產(chǎn)生極大的影響，從而大幅度降低電池的電容量或縮短使用壽命[3]。儲(chǔ)氫材料最大的優(yōu)勢(shì)就在于儲(chǔ)氫的體積密度大，占用的儲(chǔ)存空間最少。

儲(chǔ)氫材料性能優(yōu)劣的認(rèn)定，主要依據(jù)以下幾個(gè)重要參數(shù)和衡量標(biāo)準(zhǔn)：體積密度，即系統(tǒng)單位體積內(nèi)儲(chǔ)存氫氣的質(zhì)量；儲(chǔ)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即系統(tǒng)儲(chǔ)存氫氣的質(zhì)量與系統(tǒng)質(zhì)量的比值。衡量的標(biāo)準(zhǔn)是儲(chǔ)氫材料性充放氫的可逆性，以及充放氫的速率，當(dāng)然循環(huán)使用的壽命也很關(guān)鍵。

2.4 “儲(chǔ)氫材料家族”的挑大梁者——金屬氫化物

儲(chǔ)氫材料由于儲(chǔ)氫方法種類繁多，儲(chǔ)氫材料也有多種分類方法。通常認(rèn)定“儲(chǔ)氫材料家族”的主要成員有金屬儲(chǔ)氫材料、非金屬儲(chǔ)氫材料（多孔吸附儲(chǔ)氫材料）及有機(jī)液體儲(chǔ)氫材料等幾大類[4]。趨于成熟和具備實(shí)用價(jià)值的儲(chǔ)氫材料，主要是金屬氫化物。換言之，“儲(chǔ)氫材料家族”眼下主要由金屬氫化物來(lái)挑大梁。

金屬氫化物就是金屬與氫形成離子型化合物或共價(jià)型等金屬氫化物，在特定的條件下，能夠?qū)溽尫懦鰜?lái)。但是一定要滿足儲(chǔ)氫材料的要求，金屬氫化物生成的熱量要適度，如果在反應(yīng)過(guò)程中，生成的熱量太低，則吸收氫氣就會(huì)很困難；反之，如果生成熱量太高，生成的反應(yīng)物化學(xué)性質(zhì)就會(huì)太過(guò)穩(wěn)定，只有在較高的溫度下才能夠釋放出氫氣來(lái)。此外，氫化物的平衡壓也要恰到好處，最適宜的條件是靠近室溫，且只有幾個(gè)大氣壓，才易于快速吸放氫。再有，金屬氫化物受水、氧和二氧化碳等雜質(zhì)的外部條件影響要盡可能小，才能不會(huì)因反復(fù)吸放氫，而導(dǎo)致儲(chǔ)氫材料的性能漸弱。

2.5 金屬氫化物的“家族史”

“金屬氫化物家族”主要由4大“族系”構(gòu)成，分別是鎂系、稀土系、鈦系和鋯系等金屬氫化物?！敖饘贇浠锛易濉眱?chǔ)氫特點(diǎn)是反應(yīng)可逆，氫以原子形式儲(chǔ)存，即固態(tài)儲(chǔ)氫，安全可靠，較高的儲(chǔ)氫體積密度。因其存儲(chǔ)和運(yùn)輸高安全性，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且無(wú)污染，所以“金屬氫化物家族”顯赫于當(dāng)下。

金屬氫化物家族的發(fā)展已歷經(jīng)3代，20世紀(jì)60年代，儲(chǔ)氫材料被發(fā)現(xiàn)，且其應(yīng)用研究日漸興盛。1960年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)金屬鎂（Mg）通過(guò)化學(xué)變化生成氫化鎂（MgH2），不僅是儲(chǔ)氫材料鎂系金屬氫化物的典型代表，而且是可供工業(yè)利用的重要二元化合物，吸氫量最高可以達(dá)到7.6%，MgH2儲(chǔ)氫材料釋放氫氣速度較慢，而且具有最大的儲(chǔ)氫量。因地殼中金屬鎂的藏量較豐富，價(jià)格較便宜。最大缺點(diǎn)為釋放氫所需溫度很高，釋放氫的速度較緩慢，且抗腐蝕能力也較差。

改進(jìn)的方法可采用機(jī)械合金化，加入鐵鈦合金（TiFe）和銅鈣合金（CaCu5）進(jìn)行球磨或復(fù)合。經(jīng)技術(shù)創(chuàng)新后，研發(fā)的新鎂系儲(chǔ)氫合金比MgH2的性能更好。1964年由美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Brookhaven），最早研發(fā)出具有使用價(jià)值的儲(chǔ)氫材料鎳鎂合金（Mg2Ni），儲(chǔ)氫容量很高，吸氫量最高可達(dá)3.6%，且能在室溫下吸氫和放氫，釋放氫的溫度范圍為250～300℃，250℃時(shí)放氫壓力約0.1MPa。Mg2Ni雖然價(jià)格相對(duì)低廉，但是釋放氫的動(dòng)力學(xué)性能較差。目前，Mg2Ni系合金在二次電池負(fù)極方面的應(yīng)用，已成為一個(gè)重要的研究方向。

儲(chǔ)氫材料稀土系金屬氫化物，實(shí)則為稀土儲(chǔ)氫材料，其典型代表為鎳鑭合金（LaNi5），1964年研究稀土化合物時(shí)，發(fā)現(xiàn)了LaNi5具有優(yōu)異的吸氫特性能。1974年，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)新儲(chǔ)氫材料TiFe，而且LaNi5和TiFe是目前性能最好的儲(chǔ)氫材料。儲(chǔ)氫材料鈦系合金的典型代表為TiNi、Ti2Ni、Ti—Fe等，實(shí)用性很強(qiáng)，價(jià)格均較便宜，儲(chǔ)氫量很大。在室溫時(shí)，氫分解壓僅需幾個(gè)大氣壓。存在的弊端是活化困難，較容易中毒。如Ti—Mn粉化嚴(yán)重，中毒再生性差。儲(chǔ)氫材料鋯系合金的典型代表為鉻鋯合金（ZrCr2）、錳鋯合金（ZrMn2）等，儲(chǔ)氫量比AB5型合金大，平衡分解壓低，反應(yīng)速度快、易活化，且無(wú)滯后效應(yīng)。但存在的弊端是氫化物生成熱量較大，吸放氫平臺(tái)壓力較低，價(jià)格較高，限制了它的實(shí)際應(yīng)用。

3 稀土儲(chǔ)氫材料的“容氫之量”

3.1 稀土儲(chǔ)氫材料

科學(xué)家們很早就發(fā)現(xiàn)，稀土金屬與氫氣反應(yīng)后，生成稀土氫化物（REH2），而且當(dāng)加熱到1000℃以上時(shí)，稀土氫化物才會(huì)分解，放出氫氣。如果在稀土金屬中，加入某些特殊金屬后生成新的合金，則在較低溫度下，就可吸放氫氣，此種合金稱通常稱其為稀土儲(chǔ)氫合金，即稀土儲(chǔ)氫材料。其主要有2類：LaNi5型儲(chǔ)氫合金（AB5型）和 La—Mg—Ni 系儲(chǔ)氫合金（AB3型、A2B7型）[5]。其結(jié)構(gòu)組成模式為AB5，A指可與氫形成穩(wěn)定氫化物的防熱型金屬，B指難與氫形成氫化物具有催化活性的金屬。

3.2稀土儲(chǔ)氫材料的“容氫之量”

稀土儲(chǔ)氫材料的典型代表，為稀土鑭鎳系儲(chǔ)氫合金LaNi5 （圖6），1969年荷蘭菲利浦 （Philips）公司首先研發(fā)成功，LaNi5晶胞 （圖7）是由3個(gè)十二面體，9個(gè)八面體 （圖8），6個(gè)六面體，和36個(gè)四方四面體組成。其中前3組多面體的晶格間隙半徑大于氫原子半徑，故有足夠的空間儲(chǔ)存氫原子。最后一組多面體的晶格間隙半徑較小，無(wú)法儲(chǔ)存氫原子 （圖9）。一個(gè)LaNi5晶胞內(nèi)，共計(jì)可以儲(chǔ)存18個(gè)氫原子，儲(chǔ)氫量的最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.379%?？梢姡琇aNi5合金有很多間隙空間固溶大量的氫，氫化反應(yīng)較快速且容易。在溫度20℃時(shí)，氫分解壓僅需幾個(gè)大氣壓，吸—放氫性能很是優(yōu)良，因而LaNi5被認(rèn)為是應(yīng)用性能最好的一類儲(chǔ)氫合金。

LaNi5合金易粉化，且密度大，使用后期吸—放氫循環(huán)性能會(huì)嚴(yán)重退化，最大的弊端是稀土元素鑭的價(jià)格較高?？茖W(xué)家采用含有鑭 （La）、鈰 （Ce）、釤 （Sm）等元素的混合稀土替代鑭，雖然有效地將LaNi5合金的成本降低，但是氫的分解壓會(huì)大幅升高，滯后壓差增大，造成使用極不方便。于是又采用第3組分元素，如鉻（Cr）、銅 （Cu）、銥（Ir）鋁（Al）、鎵（Ga）、鉑 （Pt）、鈷 （Co）、鐵 （Fe）、銦（In）、鈀（Pd）替代部分鎳（Ni），以改善LaNi5合金及其混合稀土替代鑭的合金儲(chǔ)氫性能。

3.3 稀土儲(chǔ)存材料的制備

目前，工業(yè)上生產(chǎn)稀土儲(chǔ)氫材料主要有以下幾種方法。合金熔煉法，采用電弧爐、真空感應(yīng)爐、高頻感應(yīng)爐等設(shè)備，嚴(yán)格按照儲(chǔ)氫合金成分配料，熔煉純度≥99%的各種合金進(jìn)行熔煉。通常反應(yīng)條件在真空500Pa，充氬氣后進(jìn)行精煉后，再將熔融合金澆注在水冷銅模中。制得合金錠經(jīng)破碎后，還要經(jīng)過(guò)機(jī)械磨細(xì)，還可以是在高壓容器中吸氫粉化后，最后獲得小于300mm細(xì)粉，這便是經(jīng)過(guò)合金熔煉法制得的儲(chǔ)氫材料。

化學(xué)合成法，以鑭鎳混合溶液與草酸乙醇溶液反應(yīng)為例，生成草酸鑭鎳共沉淀，經(jīng)脫水處理后，再加入適量的氫化鈣（CaH2），并且在氫氣（H2）氛圍中，溫度為950℃進(jìn)行反應(yīng)。所得固相產(chǎn)物，先用蒸餾水洗去氫氧化鈣〔Ca（OH）2〕和氧化鈣 （CaO），再用8%醋酸洗去殘留的微量鈣化合物，即制得LaNi5。

物理氣相沉積法，主要是通過(guò)濺射或者蒸發(fā)等方法，使金屬原子和離子能夠沉積或者凝聚。以離子束濺射法為例，將稀土金屬磨光和除油后，并將其浸于所要求的一定濃度硫酸（H2SO4）溶液中，再以電化學(xué)活化的金屬片作為襯底，由純鎳和混合稀土金屬共同制成濺射靶，然后采用高能量的離子束，對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)10 min的預(yù)濺射，目的在于徹底清除掉金屬表面的氧化物等雜質(zhì)，然后再繼續(xù)進(jìn)行濺射沉積。通過(guò)此法所制得的稀土金屬合金薄膜，為非晶態(tài)或者微晶結(jié)構(gòu)，該合金薄膜具有極其優(yōu)良的電化學(xué)穩(wěn)定性能。同時(shí)具有高電流密度下，所具有的強(qiáng)抗氫脆和粉化能力。通過(guò)此法制得稀土儲(chǔ)氫合金薄膜，性能指標(biāo)非常好。通過(guò)還原擴(kuò)散法、鋁熱法等制取的稀土儲(chǔ)氫材料，其成本大幅度下降，性能指標(biāo)更好。

4 稀土儲(chǔ)氫材料的發(fā)展

4.1 稀土儲(chǔ)氫材料的主要用途

氫能源主要有2個(gè)應(yīng)用方向，一是用作內(nèi)燃機(jī)的直接燃料，二是用作燃料電池。由于氫內(nèi)燃機(jī)的工作效率和綜合性能遠(yuǎn)不及燃料電池，所以燃料電池發(fā)展很快，且以此為基礎(chǔ)的應(yīng)用研究不斷擴(kuò)大，故其發(fā)展?jié)摿颓熬盁o(wú)限。尤其是稀土系儲(chǔ)氫材料因其具有優(yōu)良的動(dòng)力學(xué)性能，而且穩(wěn)定性和儲(chǔ)氫容量均較高，其應(yīng)用已擴(kuò)大到能源、電子、化工、軍事、宇航及民用等諸多領(lǐng)域。

稀土系儲(chǔ)氫材料，首先將其用于蓄熱泵，因?yàn)閮煞N物性不同的稀土儲(chǔ)氫合金，當(dāng)其吸放氫時(shí)反應(yīng)熱量值較高，所以兩者通過(guò)相互交換氫氣，以實(shí)現(xiàn)吸收或放出熱量，這就是金屬氫化物蓄熱泵的制熱原理（圖10）。通過(guò)稀土儲(chǔ)氫材料可以將工廠的廢熱或低質(zhì)熱能，加以回收利用，從而開辟了能源高效利用的新途徑。其次利用稀土儲(chǔ)氫材料吸收或放出氫時(shí)，所產(chǎn)生的壓力效應(yīng)，可以用作熱驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力，還可用做機(jī)器人內(nèi)部系統(tǒng)的動(dòng)力源。加之，該合金體積小、質(zhì)量輕、輸出功率大，可用于制動(dòng)器升降裝置和溫度傳感器、激發(fā)器或控制器等。再有用于稀土儲(chǔ)氫電池，這是一種新型的化學(xué)電源，如高性能充電鎳氫電池。

鎳氫電池（ 圖11）是在1983年研發(fā)出來(lái)的，該電池具有氫容量高，充電速度快，無(wú)記憶效應(yīng)，而且使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，一躍成為二次電池家族中環(huán)保清潔的新寵。鎳氫電池的工作原理：以氧化鎳或者多孔金屬鎳作為電池的正極，以LaNi5型儲(chǔ)氫合金作為電池的負(fù)極，以氫氧化鉀作為電池的電解液。于是LaNi5在堿性電解液中，作為可逆的氫電極，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)吸收和釋放收大量的氫氣，再由金屬氫化物負(fù)極與鎳正極實(shí)現(xiàn)充電和放電。在整個(gè)電化反應(yīng)過(guò)程中，沒有活性物質(zhì)的沉淀和溶解反應(yīng)發(fā)生，從而也不會(huì)消耗和產(chǎn)生水。

鎳氫電池正在以其清潔高效強(qiáng)力推進(jìn)，橫掃汽車、發(fā)電和儲(chǔ)能等諸多能源領(lǐng)域。當(dāng)下正過(guò)渡到無(wú)人機(jī)的能源領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)主要以鋰電池提供能源，鋰電池容量和密度直接影響無(wú)人機(jī)自身的質(zhì)量。再有，無(wú)人機(jī)連續(xù)飛行約0.5～1h，就需較長(zhǎng)時(shí)間的充電。氫燃料電池則完全可以突破上述弊端，不僅可延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間，而且?guī)追昼娂纯赏瓿沙潆姡醇幼錃?，而且該電池性能衰減較小，使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)，成為無(wú)人機(jī)功能研發(fā)的重點(diǎn)項(xiàng)目。

鎳氫電池具有高密度能量，動(dòng)力學(xué)性能良好，環(huán)保且安全性高，循環(huán)使用壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)良品質(zhì)。廣泛地應(yīng)用于混合電動(dòng)車以及電動(dòng)工具，還被用于便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域。就目前各類動(dòng)力電池的發(fā)展情況來(lái)看，鎳氫電池的綜合優(yōu)勢(shì)最為卓越，而且其應(yīng)用前景在整個(gè)稀土儲(chǔ)氫材料中獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。

4.2 我國(guó)稀土儲(chǔ)氫材料的發(fā)展概況

20世紀(jì)70年代，儲(chǔ)氫材料作為新型功能材料得以迅速發(fā)展。1974年日本成立了儲(chǔ)氫材料的專門研發(fā)機(jī)構(gòu)。20世紀(jì)80年代初期，我國(guó)才開始進(jìn)行儲(chǔ)氫材料的科學(xué)研究，并將其列入國(guó)家“八五”攻關(guān)項(xiàng)目和國(guó)家“863”高科技項(xiàng)目。20世紀(jì)90年代初，我國(guó)和日本先后均完全實(shí)現(xiàn)了LaNi5型儲(chǔ)氫電極合金的產(chǎn)業(yè)化，而且全球稀土儲(chǔ)氫合金的年產(chǎn)量大為3萬(wàn)t左右，數(shù)量還是非?？陀^的。

我國(guó)和日本為全世界提供了95%的稀土儲(chǔ)氫材料，自2005年以來(lái)，我國(guó)的儲(chǔ)氫合金生產(chǎn)企業(yè)達(dá)到十多家，儲(chǔ)氫合金產(chǎn)量約為2.4萬(wàn)t。我國(guó)的稀土儲(chǔ)氫材料產(chǎn)量已經(jīng)完全超過(guò)日本，而且我國(guó)總產(chǎn)量占到全球的7成之多。2008年我國(guó)儲(chǔ)氫合金總產(chǎn)量為1.73萬(wàn)t，2009年總產(chǎn)量為1.75萬(wàn)t，較上一年增加了1.16%。2008年我國(guó)儲(chǔ)氫合金應(yīng)用量為6 160t，2009年為6 200t，顯見2年的應(yīng)用量相差不大。我國(guó)儲(chǔ)氫合金產(chǎn)量約占全球總產(chǎn)量的6成以上，一躍成為全球最大的生產(chǎn)國(guó)，而且我國(guó)稀土儲(chǔ)氫材料和鎳氫電池的產(chǎn)量遠(yuǎn)超過(guò)了日本。我國(guó)的傳統(tǒng)鎳氫電池生產(chǎn)，主要使用LaNi5型儲(chǔ)氫合金為生產(chǎn)原料。2009年11月，我國(guó)出臺(tái)了《金屬氫化物—鎳電池負(fù)極用稀土系A(chǔ)B5型儲(chǔ)氫合金粉》的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)主要產(chǎn)品牌號(hào)及電化學(xué)性能做了嚴(yán)格明確的規(guī)定，使我國(guó)的稀土儲(chǔ)氫材料生產(chǎn)更加規(guī)范化合理化。

4.3 我國(guó)稀土儲(chǔ)氫材料研發(fā)的新成果和新趨勢(shì)

我國(guó)儲(chǔ)氫材料的科學(xué)研究雖然起步較晚，卻后來(lái)居上，尤其是稀土儲(chǔ)氫材料的發(fā)展。除了國(guó)家科技政策的支持外，主要得力于我國(guó)專業(yè)科研團(tuán)隊(duì)實(shí)力的增強(qiáng)。如包頭稀土研究院儲(chǔ)氫材料團(tuán)隊(duì)是我國(guó)最早儲(chǔ)氫材料研究的團(tuán)隊(duì)之一，從2004年開始就致力于稀土儲(chǔ)氫材料的創(chuàng)新，不斷研發(fā)出具有特定結(jié)構(gòu)和組成的新產(chǎn)品，以及新生產(chǎn)工藝。最具代表性的稀土系列儲(chǔ)氫合金產(chǎn)品有Mg基、La—Mg—Ni系、La—Y—Ni型等。2008年自主研發(fā)的La—Fe—B系儲(chǔ)氫合金，在功率和低溫放電性能上完全優(yōu)于LaNi5型儲(chǔ)氫合金，最關(guān)鍵的是生產(chǎn)成本降低兩成之多。La—Fe—B系儲(chǔ)氫合金作為我國(guó)完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新產(chǎn)品，將成為鎳氫電池新一代的儲(chǔ)氫負(fù)極材料。2010年我國(guó)的稀土儲(chǔ)氫材料研發(fā)團(tuán)隊(duì)與瑞典斯德哥爾摩大學(xué)合作，研發(fā)出金屬氫化物—空氣電池，取得了單體電池的循環(huán)壽命已突破100次[8]驕人戰(zhàn)績(jī)。2014年我國(guó)開始深入研究新型La—Y—Ni系儲(chǔ)氫合金，其電化學(xué)容量已達(dá)到380mAh/g以上的可喜成績(jī)。

尤其是進(jìn)入“十二五”期間，我國(guó)將稀土功能材料作為戰(zhàn)略性新型產(chǎn)業(yè)，加強(qiáng)并建立具有世界先進(jìn)水平的科研團(tuán)隊(duì)，一大批重大創(chuàng)新成果問世，使我國(guó)主要功能材料的生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)入世界先進(jìn)行列。我國(guó)稀土儲(chǔ)氫材料的新技術(shù)不斷增強(qiáng)，新產(chǎn)品的成果轉(zhuǎn)化不斷加速，極大推動(dòng)了儲(chǔ)氫材料及電池技術(shù)的飛速發(fā)展。最為典型的代表是鎳氫動(dòng)力電池，其性能指標(biāo)非常好，尤其是在某些軍工和特殊行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，如-40℃低溫環(huán)境下，所需求的特殊功能的電池，對(duì)儲(chǔ)氫負(fù)極合金比容量性能指標(biāo)要求更高。近年我國(guó)鎳氫電池技術(shù)及生產(chǎn)發(fā)展迅猛，其產(chǎn)銷量與鎘鎳電池相當(dāng)，將會(huì)進(jìn)一步取代有毒的鎘鎳電池。

我國(guó)鎳氫電池的生產(chǎn)所使用的傳統(tǒng)LaNi5型儲(chǔ)氫合金，在其生產(chǎn)技術(shù)和工藝水平上，以及產(chǎn)品性能等產(chǎn)品方面，國(guó)內(nèi)外規(guī)模型企業(yè)并無(wú)明顯差距。國(guó)內(nèi)混合動(dòng)力汽車所使用的儲(chǔ)氫合金粉的某些性能，尚需繼續(xù)改進(jìn)。低自放電鎳氫電池所使用的La—Mg—Ni系儲(chǔ)氫合金，仍然處于研發(fā)和試驗(yàn)階段。儲(chǔ)氫合金的生產(chǎn)技術(shù)，發(fā)達(dá)國(guó)家在技術(shù)上領(lǐng)先之處，主要在于通過(guò)快速冷凝熔煉鑄造工藝控制相結(jié)構(gòu)均一穩(wěn)定性，通過(guò)合金粉后期表面處理得到低內(nèi)阻、高活性表面的儲(chǔ)氫合金負(fù)極材料[9]。我國(guó)的科研團(tuán)隊(duì)正在不斷刻苦專研，全力趕超。

我國(guó)逐步由稀土資源大國(guó)向稀土技術(shù)強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)型，汽車、新能源行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，尤其是混合動(dòng)力汽車、燃料電池汽車以及氫能的飛速發(fā)展，推動(dòng)了稀土儲(chǔ)氫材料的技術(shù)創(chuàng)新，同時(shí)不斷提升我國(guó)稀土儲(chǔ)氫材料研究的國(guó)際影響力。

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