新能源儲能領域稀土又立一功
到2050年，全球氫能占能源比重約為18%，氫能產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值將超過2.5萬億美元，且隨著技術研發(fā)和產(chǎn)業(yè)資本的持續(xù)投入，未來10-20年，全球氫能產(chǎn)業(yè)將迎來快速發(fā)展的重大機遇期。全球氫能布局加速，從能源發(fā)展規(guī)律和影響變量來看，氫能產(chǎn)業(yè)已進入新發(fā)展階段。“十四五”期間，我國將加速發(fā)展綠氫制取、儲運和應用等氫能產(chǎn)業(yè)鏈技術裝備，促進氫能燃料電池技術鏈、氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，氫能產(chǎn)業(yè)將迎來重要的機遇期。
記者1月10日從包頭稀土高新區(qū)獲悉，該區(qū)中科軒達新能源科技有限公司（以下簡稱中科軒達）建立了我國具有自主知識產(chǎn)權的新型稀土儲氫合金電極材料連續(xù)穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品控制體系，產(chǎn)品受到多家國內(nèi)知名動力電池生產(chǎn)廠家的高度重視，并已初步形成規(guī)模供應。
“目前我們建立的生產(chǎn)線產(chǎn)能為200噸，材料選用燕山大學自主知識產(chǎn)權的合金制備技術，通過稀土鎂鎳基儲氫合金相結構與電化學儲氫性能間的匹配關系，優(yōu)化合金結構特性，開發(fā)出不同優(yōu)勢性能的RE-Mg-Ni基儲氫合金新產(chǎn)品。”中科軒達生產(chǎn)技術部部長肖明介紹。
燕山大學教授韓樹民表示，新型稀土儲氫合金電極材料生產(chǎn)線的投入運營，是新材料研發(fā)制備技術與氫能源應用結合的一次重要嘗試和突破，為未來我國氫能源發(fā)展指明了一個重要方向。
綠色發(fā)展：儲能材料將成“剛需”
能源危機是本世紀中葉即將面臨的巨大挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計，若按目前的水平開采世界已探明的能源，煤炭資源尚可開采100年，石油30-40年，天然氣50～60年。
另一方面，生態(tài)危機已經(jīng)成為當今社會已經(jīng)面臨的巨大挑戰(zhàn)。石化能源燃料燃燒時所產(chǎn)生的有害物質，嚴重污染了環(huán)境，導致溫室效應、全球氣候變暖、生物物種多樣性降低、荒漠化等諸多生態(tài)問題，嚴重影響著國家的資源安全和社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展，威脅著人類的生存。
“事實上，目前的新能源交通工具，主要還是來自基于火力發(fā)電的電能。下一步，按照‘綠色發(fā)展’的要求，發(fā)展氫能尤其是氫燃料電池汽車的推廣，成為發(fā)展零污染低碳交通的必然選擇。”包頭稀土研究院技術專家、正高級工程師閆慧忠說道。
據(jù)閆慧忠介紹，氫作為一種來源廣泛、清潔無碳、靈活高效的二次能源，在汽車、軌道交通、船舶、航天、物流、供電供暖等領域，有著豐富而廣泛的應用前景，被視為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉矗碇磥硇履茉吹陌l(fā)展方向。
我國氫氣資源豐富，發(fā)展氫能源具有先天優(yōu)勢。目前國內(nèi)氫氣產(chǎn)量已經(jīng)位居世界第一位，而且我國煤炭資源豐富，已經(jīng)開始發(fā)展煤制氫產(chǎn)業(yè)，還有豐富的風電、光電、水電資源，未來都可以用來進行水電解制氫。
“我國氫能源產(chǎn)業(yè)相關技術，尤其是燃料電池技術與發(fā)達國家差距仍然較大，相關政策法規(guī)還不夠完善，加氫站基礎設施建設滯后，國家和省級層面正在對此進行統(tǒng)籌規(guī)劃，推進我國氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展。”肖明坦言，儲氫材料技術創(chuàng)新面臨著重要發(fā)展機遇，而稀土系儲氫材料是目前生產(chǎn)工藝最為成熟、產(chǎn)業(yè)規(guī)模最大的固態(tài)儲氫材料，稀土儲氫材料可作為氫能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化過程中的關鍵技術手段。
稀土材料：儲氫合金中獨樹一幟
在氫能源從生產(chǎn)到利用的過程中，儲氫技術無疑是必不可少的“橋梁”，沒有這個“橋梁”，氫能的利用就是一句空話。
據(jù)肖明介紹，目前國內(nèi)運用的主要儲氫方式為固態(tài)儲氫，即通過物理或者化學吸附的方式將氫氣存儲于固態(tài)儲氫材料介質中。這種新型儲氫技術因具有體積儲氫密度高、儲運方便、安全性能好等優(yōu)點，被認為是最有發(fā)展前景的儲氫方式。
稀土鎂鎳基儲氫合金電池是以貯氫合金為負極材料的新型二次電池，被譽為無污染的“綠色能源”，具有比能量高、循環(huán)壽命長、耐過充放電、安全性能好等優(yōu)點，廣泛應用于各種小型便攜設備上。然而，自放電率較高，為電池的實際應用造成了一定困難。
依托豐富的稀土資源和雄厚的產(chǎn)業(yè)技術基礎，中科軒達自2000年開始對稀土鎂鎳基儲氫合金的制備技術、相結構和電化學性能等進行了系統(tǒng)和深入研究，揭示了這類合金的特殊超堆垛結構的生成機理和電化學特性，指出了不同類型相結構的AB3型、A2B7型、A5B19型和AB4型稀土鎂鎳基儲氫合金在吸/放氫過程中氫原子的存在狀態(tài)、分布和進出行為的差異，以及對其結構穩(wěn)定性及其電化學性能的影響規(guī)律。
“正是由于這類合金晶體結構的多樣性，使其表現(xiàn)出多樣性的優(yōu)良儲氫性能，從而更加明確了La-Mg-Ni基儲氫合金作為新一代Ni/MH電池負極材料的潛力。”技術研發(fā)帶頭人、燕山大學教授韓樹民表示，近幾年來，相關研究成果已在SCI各類期刊發(fā)表論文130余篇，出版專著1部，授權國家發(fā)明專利18項，獲得河北省技術發(fā)明二等獎。
在揭示了稀土鎂鎳基儲氫合金相結構轉變規(guī)律、生成條件及其對儲氫性能影響的基礎上，研發(fā)團隊通過改進金屬Mg加料方式和生產(chǎn)工藝，實現(xiàn)了合金規(guī)模化生產(chǎn)要求的精確控制和安全操作，所制備合金電化學容量大于360mAh/g、壽命可達到500次循環(huán)以上，并且合金在功率性能、低溫性能和低自放電性能等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的特性，比目前已商業(yè)化的混合稀土AB5合金電極材料具有更加優(yōu)良的性能和高的性價比。
以上結果表明，新型稀土鎂鎳基儲氫合金可以顯著提高Ni/MH動力電池的性能和市場競爭力，表現(xiàn)出良好的市場應用前景，可用于新能源汽車、智能電網(wǎng)儲能、通信基站儲備電源等領域。
高性價比：助力儲氫電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展
內(nèi)蒙古自治區(qū)關于“十四五”能源規(guī)劃的具體步驟中，氫能和儲能位列“四大產(chǎn)業(yè)集群”之列。“我們將引進行業(yè)領軍企業(yè)開展新能源制氫，配套發(fā)展氫能裝備制造、建設加氫設施、推廣氫燃料電池汽車，推進氫能產(chǎn)業(yè)鏈一體化發(fā)展，同時統(tǒng)籌全區(qū)儲能發(fā)展，推動正負極關鍵材料以及隔膜、電解液、逆變器等核心組件的裝備制造，推進儲能全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，打造千億級儲能產(chǎn)業(yè)集群。”內(nèi)蒙古能源局局長助理李理表示。
韓樹民分析說，隨著國家和各地相關產(chǎn)業(yè)的拉動及國際電池生產(chǎn)廠商在華投資的增多，中國電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展步伐加快，近年來增長速度超過30%以上；同時隨著國際市場需求的不斷增加，中國也成為世界上最大的電池出口國之一。因此，電池產(chǎn)業(yè)是二十一世紀最有發(fā)展前途和應用前景的新型綠色能源體系。在此背景下，稀土型儲氫材料大有可為、風光無限。
據(jù)韓樹民表示，某些過渡族金屬、合金以及金屬間化合物，在常溫常壓（附近）下與氫反應，成為合金氫化物，這種材料可以貯存比其體積大1000～3000倍的氫，通過加熱或減壓將貯存的氫氣放出：通過冷卻或加壓又再次吸收于合金中。
“生產(chǎn)線建成之后，這種擁有我國自主知識產(chǎn)權的新型儲氫合金將迅速應用于儲氫材料中，較以往的儲氫合金最大的優(yōu)勢是容量提高，每克提高30%左右，可達到每克400毫克安。同時具備良好的安全性，以及良好的低溫性和較寬的溫差范圍可實現(xiàn)在零下40攝氏度正常使用。”肖明介紹。
這種新型材料主要以鎳和稀土金屬為生產(chǎn)原料，使用的生產(chǎn)原料中有三分之一左右是輕稀土金屬、也就是我國在全球儲量最為豐富的鑭、鈰元素。因此，該材料實現(xiàn)國產(chǎn)化，不僅價格優(yōu)勢明顯，而且就地消化了我國北方稀土生產(chǎn)的鑭鈰，提高稀土材料的附加值。
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