稀土储氢合金及其应用的发展状况

稀土储氢合金及其应用的发展状况

稀土与过度元素的合金是一种在较低温度下也可吸放氢气，通常将这种合金称为储氢合金。在已开发的一系列储氢材料中，稀土系储氢材料性能最佳，应用也最为广泛。其应用领域已扩大到能源、化工、电子、宇航、军事及民用各个方面。

1969年荷兰菲利浦公司发现典型的稀土储氢合金LaNi5，从而引发了人们对稀土系储氢材料的研究热潮。从上世纪九十年代开始在镍氢二次电池中得到大量应用。石油和煤炭是人类两大主要能源燃料，但由于它们储量有限，使用过程中产生环境污染等问题，因此解决能源短缺和环境污染成为当今研究的重点之一。氢是一种完全无污染的理想能源材料，具有单位质量热量高于汽油两倍以上的高能量密度，可从水中提取。氢能源开发应用的关键在于能否经济地生产和高密度安全制取和贮运氢。稀土储氢合金可以常温低压高密度贮存氢，是一种理想的储氢介质，在未来的氢能时代具有很大的应用潜力。

一、稀土储氢合金在镍氢二次电池中的应用

1. Ni-MH电池的现状与发展方向

镍氢电池于1988年进入实用化阶段，1990年在日本开始规模生产，此后产量成倍增加。2000年日本镍氢电池产量达到7亿只左右，中国的产量不足1亿只。近年由于在手机、笔记本电脑和数码相机等领域受到锂离子电池强有力的竞争和中国同行的崛起，日本镍氢电池产量下降到5亿只左右，中国企业的产量也上升到5亿只左右，90%以上的镍氢电池产自中国和日本。

镍氢电池为了应对锂离子电池的挤压，近年来致力于体积比能量的提高，功率特性和高低温性能的改善。提高材料性能和增加电池内填充密度，镍氢电池体积能量密度从1990年的180W h/L增长到400Wh/L以上，AA电池的容量从1000mAh提升到2300mAh，三洋公司报道已开发出容量达2500mAh的AA型镍氢电池。镍氢电池的能量比的提高使其在通讯和便携家电等领域内仍具有一定的竞争力。

近年来，人们对城市空气质量及地球石油资源危机等问题日趋重视，保护环境，节约能源的呼声日益高涨，促使人们高度重视电动车及其相关技术的发展，美国、法国、中国的上海市等均相继通过立法限制燃油车，大力发展电动车。受国情影响，欧美等发达国家如美国、德国、法国、日本等国家开发的电动车以电动汽车为主，发展中国家尤其是中国内地以及中国的台湾、香港地区，近期的电动车市场主要为电动摩托车和电动自行车。据统计，国内已有200家公司、企业着手小型电动车的开发、生产和应用。十五“863”计划将电动汽车列为重大专项，组织由各大汽车制造集团牵头研发团体致力于电动汽车的开发，其中混合动力汽车要在十五期间实现产业化。

根据美国USABC和日本公司对各种电动车用电池的性能以及发展潜力比较论证，综合考虑电池的可靠性、安全性、电池材料的资源与环境问题以及电池性能的发展趋势，确定镍氢电池是近期和中期电动车用首选动力电池。目前，美国Ovonic公司已与通用公司、日本松下已与丰田公司合作计划实现电动车用Ni-MH 动力电池的产业化。在“863”计划的牵

引下，北京有色金属研究总院，北京理工大学，天津和平海湾，春兰集团等单位对电动车用Ni-MH动力电池及其相关材料进行了大量研究电池比能量均达到50～70Wh/kg。我国开发的系列小型圆柱型动力电池已装配电动助力车投放市场。

混合型电动车(HEV)的发展促进了高功率Ni-MH动力电池的发展。混合型电动车被认为是目前最实用、最具有前景的清洁车型。日本松下与丰田合资生产的混合型电动汽车采用1.4L高效发动机，6.5Ah电池240只串联，电池组总重40kg，耗油下降1倍，行程700多公里，排污为汽油机的1/20。该混合型电动汽车于1997年上市，现月产5000辆，售价每辆215万日元。据估计到2010年，将生产150万辆电动汽车，其中95%将为混合型电动汽车。美国能源部调查结果也表明，HEV将成为市场的主流产品。估计2020年HEV将占世界汽车总数的50%。据日本野村综合研究所分析，镍氢电池由于技术成熟，今后5年内(2005年前)，HEV所用电池将以镍氢电池为主(占95%)，从2006年至2020年锂离子电池的应用比例将上升至40%，镍氢电池仍将占60%，高功率Ni-MH电池成为今后发展的趋势。

电动工具市场长期以来被具有高倍率放电特性的镍镉电池垄断。中国电动工具生产量占世界总产量的30%。而且每年对欧美均有大量的出口。2008年欧洲不再允许使用镍镉电池，这给镍氢电池提供了一个良好机会。由于该电池负极材料镉有毒，对环境造成污染，世界各国将禁止使用。镍氢电池功率特性在保持镍镉电池1.5倍的能量密度前提下，放电性能从5C 率提高到20C率。现在，高功率镍氢电池已经进入长期被镍镉电池垄断的电动工具市场。环境保护对镍镉电池的限制给镍氢电池提供了一个很好的进军电动工具市场的机会。这个市场大约需电池5亿只/年。电动工具电池市场不久的将来会被镍氢电池所挤占。

表1 镍氢电池的现状与发展

2上海市镍氢电池产业发展的现状

上海镍氢电池生产企业有全能电池（上海）有限公司，上海华尊电池有限公司和默特克电源（上海）有限公司。其中全能电池公司和上海华尊电池公司以生产高容量镍氢电池为

主，AA型镍氢电池容量达2300mAh/g。默特克电源（上海）有限公司是一家瞄准动力镍氢电池的大型企业，注册资金4500万美圆，具有日产10万只Sc型和D型的产能，在美国和英国建有研发中心和销售分部，计划2004年第三季度投产。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所与春兰集团一起承担“863”电动汽车专项的子课题HEV用镍氢电池系统的开发。通过项目的牵引微系统所在动力镍氢电池和高功率稀土储氢合金的产业化方进展很大，开发出能10C以上倍率放电的20Ah方型镍氢电池，长寿命的高功率稀土储氢合金粉已实现产业化，被多家客户用于生产电动玩具用镍氢电池。

3稀土储氢合金的现状与上海稀土储氢合金的发展建议

镍氢电池的发展与储氢合金的进展分不开，储氢合金的容量由280mAh/g提高到340mAh/g。三洋公司报道已开发出容量超过400mAh/g的新型稀土储氢合金，该类型合金晶型由AB2型晶体结构与AB5型晶体结构组成，稀土含量更高。在动力学性能方面储氢合金的改善也很明显，10C放电容量已超过200mAh/g，通过快冷等工艺储氢合金的循环稳定性也得以提高，这可以很好地满足HEV电动车高功率长寿命的要求。

2003年储氢合金的产量在8000吨左右，中国和日本的产量已相当。由于镍氢电池在电动工具和电动玩具中的用量增大，稀土储氢合金的需求将会有大副度的增长，特别是高功率型合金。

新型稀土储氢合金的开发是高端镍氢电池发展的重要支柱，开发出容量高、寿命长和功率特性好的稀土储氢合金成为当务之急。上海各研究团队有较好的研究基础和平台，应致力于面向电动车镍氢电池及稀土储氢合金的研发。

二、稀土储氢合金在氢能中的应用发展状况

由于环境污染日益严重和传统能源危机的产生，世界上许多国家大规模地开展了新型能源的研究和开发工作，氢能是研究的重要能源之一。各国学者都认为21世纪将是氢能世纪，并出现了“氢经济”这一新概念。氢是一种清洁能源，其燃烧产物是水，不会污染环境。氢能的开发利用包括三大环节：氢的生产、氢的储存和氢的应用。

燃料电池是氢能开发利用的最有效方式之一，它是一种全新的绿色电池，通过氢和氧起化学反应获得电能，产物是水，具有能量转换效率高、静声和低排放等其它二次电池所无法比拟的优点。从20世纪90年代起国内外掀起了一股研究燃料电池的热潮，特别是质子交换膜燃料电池，它将成为部分电动汽车和电动助动车的动力。

储氢合金的储氢密度要高于液态氢甚至固态氢，使用时占用空间小，作为储氢介质是非常合适的。燃料电池的氢源可以通过金属氢化物的储氢罐来提供。用金属氢化物储氢罐供氢有如下特点：氢气纯度高，储氢密度高、安全性好和寿命长。

国外专家从20世纪50年代开始不断推出有实际利用价值的稀土储氢合金。经过半个世纪的研究，储氢合金的储氢容量不断提高，吸放氢的循环稳定性不断改进。日本、德国和美国在这方面居于领先地位。