新能源儲(chǔ)能領(lǐng)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(guò)2.5萬(wàn)億美元，且隨著技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)資本的持續(xù)投入，未來(lái)10-20年，全球氫能產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)快速發(fā)展的重大機(jī)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(lái)看，氫能產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入新發(fā)展階段。“十四五”期間，我國(guó)將加速發(fā)展綠氫制取、儲(chǔ)運(yùn)和應(yīng)用等氫能產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)裝備，促進(jìn)氫能燃料電池技術(shù)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(lái)重要的機(jī)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(dá)新能源科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱中科軒達(dá)）建立了我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型稀土儲(chǔ)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(guó)內(nèi)知名動(dòng)力電池生產(chǎn)廠家的高度重視，并已初步形成規(guī)模供應(yīng)。
“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(xué)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的合金制備技術(shù)，通過(guò)稀土鎂鎳基儲(chǔ)氫合金相結(jié)構(gòu)與電化學(xué)儲(chǔ)氫性能間的匹配關(guān)系，優(yōu)化合金結(jié)構(gòu)特性，開(kāi)發(fā)出不同優(yōu)勢(shì)性能的RE-Mg-Ni基儲(chǔ)氫合金新產(chǎn)品。”中科軒達(dá)生產(chǎn)技術(shù)部部長(zhǎng)肖明介紹。
燕山大學(xué)教授韓樹(shù)民表示，新型稀土儲(chǔ)氫合金電極材料生產(chǎn)線的投入運(yùn)營(yíng)，是新材料研發(fā)制備技術(shù)與氫能源應(yīng)用結(jié)合的一次重要嘗試和突破，為未來(lái)我國(guó)氫能源發(fā)展指明了一個(gè)重要方向。
綠色發(fā)展：儲(chǔ)能材料將成“剛需”
能源危機(jī)是本世紀(jì)中葉即將面臨的巨大挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，若按目前的水平開(kāi)采世界已探明的能源，煤炭資源尚可開(kāi)采100年，石油30-40年，天然氣50～60年。
另一方面，生態(tài)危機(jī)已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)已經(jīng)面臨的巨大挑戰(zhàn)。石化能源燃料燃燒時(shí)所產(chǎn)生的有害物質(zhì)，嚴(yán)重污染了環(huán)境，導(dǎo)致溫室效應(yīng)、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(wèn)題，嚴(yán)重影響著國(guó)家的資源安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，威脅著人類的生存。
“事實(shí)上，目前的新能源交通工具，主要還是來(lái)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(shù)專家、正高級(jí)工程師閆慧忠說(shuō)道。
據(jù)閆慧忠介紹，氫作為一種來(lái)源廣泛、清潔無(wú)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(lǐng)域，有著豐富而廣泛的應(yīng)用前景，被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉矗碇磥?lái)新能源的發(fā)展方向。
我國(guó)氫氣資源豐富，發(fā)展氫能源具有先天優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)氫氣產(chǎn)量已經(jīng)位居世界第一位，而且我國(guó)煤炭資源豐富，已經(jīng)開(kāi)始發(fā)展煤制氫產(chǎn)業(yè)，還有豐富的風(fēng)電、光電、水電資源，未來(lái)都可以用來(lái)進(jìn)行水電解制氫。
“我國(guó)氫能源產(chǎn)業(yè)相關(guān)技術(shù)，尤其是燃料電池技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家差距仍然較大，相關(guān)政策法規(guī)還不夠完善，加氫站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后，國(guó)家和省級(jí)層面正在對(duì)此進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，推進(jìn)我國(guó)氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展。”肖明坦言，儲(chǔ)氫材料技術(shù)創(chuàng)新面臨著重要發(fā)展機(jī)遇，而稀土系儲(chǔ)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(chǔ)氫材料，稀土儲(chǔ)氫材料可作為氫能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)手段。
稀土材料：儲(chǔ)氫合金中獨(dú)樹(shù)一幟
在氫能源從生產(chǎn)到利用的過(guò)程中，儲(chǔ)氫技術(shù)無(wú)疑是必不可少的“橋梁”，沒(méi)有這個(gè)“橋梁”，氫能的利用就是一句空話。
據(jù)肖明介紹，目前國(guó)內(nèi)運(yùn)用的主要儲(chǔ)氫方式為固態(tài)儲(chǔ)氫，即通過(guò)物理或者化學(xué)吸附的方式將氫氣存儲(chǔ)于固態(tài)儲(chǔ)氫材料介質(zhì)中。這種新型儲(chǔ)氫技術(shù)因具有體積儲(chǔ)氫密度高、儲(chǔ)運(yùn)方便、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的儲(chǔ)氫方式。
稀土鎂鎳基儲(chǔ)氫合金電池是以貯氫合金為負(fù)極材料的新型二次電池，被譽(yù)為無(wú)污染的“綠色能源”，具有比能量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、耐過(guò)充放電、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種小型便攜設(shè)備上。然而，自放電率較高，為電池的實(shí)際應(yīng)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(shù)基礎(chǔ)，中科軒達(dá)自2000年開(kāi)始對(duì)稀土鎂鎳基儲(chǔ)氫合金的制備技術(shù)、相結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能等進(jìn)行了系統(tǒng)和深入研究，揭示了這類合金的特殊超堆垛結(jié)構(gòu)的生成機(jī)理和電化學(xué)特性，指出了不同類型相結(jié)構(gòu)的AB3型、A2B7型、A5B19型和AB4型稀土鎂鎳基儲(chǔ)氫合金在吸/放氫過(guò)程中氫原子的存在狀態(tài)、分布和進(jìn)出行為的差異，以及對(duì)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其電化學(xué)性能的影響規(guī)律。
“正是由于這類合金晶體結(jié)構(gòu)的多樣性，使其表現(xiàn)出多樣性的優(yōu)良儲(chǔ)氫性能，從而更加明確了La-Mg-Ni基儲(chǔ)氫合金作為新一代Ni/MH電池負(fù)極材料的潛力。”技術(shù)研發(fā)帶頭人、燕山大學(xué)教授韓樹(shù)民表示，近幾年來(lái)，相關(guān)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(quán)國(guó)家發(fā)明專利18項(xiàng)，獲得河北省技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。
在揭示了稀土鎂鎳基儲(chǔ)氫合金相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變規(guī)律、生成條件及其對(duì)儲(chǔ)氫性能影響的基礎(chǔ)上，研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)改進(jìn)金屬M(fèi)g加料方式和生產(chǎn)工藝，實(shí)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(xué)容量大于360mAh/g、壽命可達(dá)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(jià)比。
以上結(jié)果表明，新型稀土鎂鎳基儲(chǔ)氫合金可以顯著提高Ni/MH動(dòng)力電池的性能和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，表現(xiàn)出良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景，可用于新能源汽車、智能電網(wǎng)儲(chǔ)能、通信基站儲(chǔ)備電源等領(lǐng)域。
高性價(jià)比：助力儲(chǔ)氫電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展
內(nèi)蒙古自治區(qū)關(guān)于“十四五”能源規(guī)劃的具體步驟中，氫能和儲(chǔ)能位列“四大產(chǎn)業(yè)集群”之列。“我們將引進(jìn)行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)開(kāi)展新能源制氫，配套發(fā)展氫能裝備制造、建設(shè)加氫設(shè)施、推廣氫燃料電池汽車，推進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)鏈一體化發(fā)展，同時(shí)統(tǒng)籌全區(qū)儲(chǔ)能發(fā)展，推動(dòng)正負(fù)極關(guān)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(jìn)儲(chǔ)能全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，打造千億級(jí)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)集群。”內(nèi)蒙古能源局局長(zhǎng)助理李理表示。
韓樹(shù)民分析說(shuō)，隨著國(guó)家和各地相關(guān)產(chǎn)業(yè)的拉動(dòng)及國(guó)際電池生產(chǎn)廠商在華投資的增多，中國(guó)電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展步伐加快，近年來(lái)增長(zhǎng)速度超過(guò)30%以上；同時(shí)隨著國(guó)際市場(chǎng)需求的不斷增加，中國(guó)也成為世界上最大的電池出口國(guó)之一。因此，電池產(chǎn)業(yè)是二十一世紀(jì)最有發(fā)展前途和應(yīng)用前景的新型綠色能源體系。在此背景下，稀土型儲(chǔ)氫材料大有可為、風(fēng)光無(wú)限。
據(jù)韓樹(shù)民表示，某些過(guò)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(yīng)，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(guò)加熱或減壓將貯存的氫氣放出：通過(guò)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(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型儲(chǔ)氫合金將迅速應(yīng)用于儲(chǔ)氫材料中，較以往的儲(chǔ)氫合金最大的優(yōu)勢(shì)是容量提高，每克提高30%左右，可達(dá)到每克400毫克安。同時(shí)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(shí)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(guó)在全球儲(chǔ)量最為豐富的鑭、鈰元素。因此，該材料實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，不僅價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯，而且就地消化了我國(guó)北方稀土生產(chǎn)的鑭鈰，提高稀土材料的附加值。
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