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近日，從白云鄂博稀土資源研究與綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（白云鄂博實(shí)驗(yàn)室）傳出消息，儲(chǔ)氫合金材料研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)產(chǎn)業(yè)化技術(shù)攻關(guān)，已成功研制出高容量、長(zhǎng)壽命、寬溫域、低自放電四個(gè)系列新一代鑭釔鎳系稀土儲(chǔ)氫合金，經(jīng)過(guò)測(cè)試，在半電池狀態(tài)下壽命可達(dá)到500周以上，同時(shí)可在零下40度到零上60度這個(gè)范圍內(nèi)正常使用，可應(yīng)用于極寒和高溫地區(qū)，可以顯著提高鎳氫電池的性能和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

用該材料制造的電池屬于環(huán)保安全二次電池，所有有價(jià)元素可實(shí)現(xiàn)完全回收?？捎糜谛履茉雌?chē)、智能電網(wǎng)儲(chǔ)能、通信基站儲(chǔ)備電源等領(lǐng)域，具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

攻克稀土儲(chǔ)氫合金材料世界性難題

眾所周知，20世紀(jì)60年末，荷蘭飛利浦公司發(fā)現(xiàn)LaNi5等金屬間化合物的儲(chǔ)氫性能。自此，世界各國(guó)開(kāi)始研究和開(kāi)發(fā)儲(chǔ)氫材料。

據(jù)教授級(jí)高工熊瑋介紹，儲(chǔ)氫材料發(fā)展大體經(jīng)歷三代材料更迭。由于CaCu5結(jié)構(gòu)所限，第一代稀土儲(chǔ)氫合金材料AB5型儲(chǔ)氫材料其比容量提高空間不大，難以滿(mǎn)足日益發(fā)展的鎳氫電池追求高能量密度的需求。第二代儲(chǔ)氫材料由于鎂元素易揮發(fā)、易氧化，使得產(chǎn)品組成難以控制，而且制造工藝復(fù)雜，成本高，此外，材料的應(yīng)用壽命也因Mg的活性而下降，成為需要解決的主要問(wèn)題之一。而第一代稀土儲(chǔ)氫合金和第二代高容量稀土儲(chǔ)氫合金的基礎(chǔ)專(zhuān)利屬于美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家。

為了突破LaNi5合金的理論容量，同時(shí)解決La-Mg-Ni系合金在制造和使用過(guò)程中存在的問(wèn)題，也為了打破了國(guó)外在稀土儲(chǔ)氫合金材料領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，2014年，儲(chǔ)氫合金材料研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)釔元素能夠抑制二元鑭鎳合金的氫致非晶化。

用釔元素替代鑭鎂鎳系儲(chǔ)氫合金中的鎂元素，可起到抑制鑭鎳合金氫致非晶化的作用，并達(dá)到同樣的高儲(chǔ)氫量。由于不含活潑金屬元素，完全克服了鑭鎂鎳系稀土儲(chǔ)氫材料存在的問(wèn)題。我們還自主開(kāi)發(fā)了新一代高容量鑭釔鎳系儲(chǔ)氫合金材料，同時(shí)解決了前兩代儲(chǔ)氫合金產(chǎn)品存在的問(wèn)題。相關(guān)科技成果在Int J Hydrogen Energy期刊連續(xù)發(fā)表了3篇研究論文，引起了本領(lǐng)域研發(fā)人員的廣泛關(guān)注，北京有研工程技術(shù)研究院、上海大學(xué)、蘭州理工大學(xué)、斯德哥爾摩大學(xué)等國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)相繼開(kāi)展此項(xiàng)技術(shù)研究。

2017年以來(lái)，此項(xiàng)研究成果分別獲得中國(guó)、日本、美國(guó)發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)，稀土儲(chǔ)氫合金材料體系的創(chuàng)新使我國(guó)在該領(lǐng)域從“跟跑”狀態(tài)進(jìn)入“并跑”階段，通過(guò)快速推進(jìn)基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)工作，期望形成“引領(lǐng)”態(tài)勢(shì)。

以共享技術(shù)完善稀土儲(chǔ)氫材料基礎(chǔ)理論

鑭釔鎳合金材料的應(yīng)用研發(fā)雖已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但儲(chǔ)氫合金材料研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)材料的結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系還未系統(tǒng)和深入的研究，成為制約成果轉(zhuǎn)化的技術(shù)瓶頸和核心科學(xué)問(wèn)題。

通過(guò)開(kāi)展基礎(chǔ)研究工作，構(gòu)建含氫的鑭釔鎳體系熱力學(xué)相圖數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)驗(yàn)分析具有優(yōu)異儲(chǔ)氫性能的鑭釔鎳合金吸放氫動(dòng)力學(xué)機(jī)理，為鑭釔鎳型儲(chǔ)氫合金的實(shí)用研究提供理論基礎(chǔ)。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)還研究鑭釔鎳儲(chǔ)氫合金的主要組成元素、制備技術(shù)和工藝條件對(duì)形成合金相結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律、合金的組織結(jié)構(gòu)及其對(duì)材料性能的影響規(guī)律、合金材料容量衰減機(jī)理，通過(guò)組成設(shè)計(jì)和合成技術(shù)可控制備目標(biāo)合金，為高效開(kāi)發(fā)鑭釔鎳系儲(chǔ)氫合金材料產(chǎn)品提供科學(xué)基礎(chǔ)和理論指導(dǎo)。

此外，依托白云鄂博實(shí)驗(yàn)室積極組織學(xué)術(shù)交流和研討活動(dòng)，邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家指導(dǎo)研發(fā)工作，充分利用學(xué)術(shù)會(huì)議匯報(bào)研究鑭釔鎳技術(shù)的進(jìn)展、宣傳研發(fā)成果，促進(jìn)了鑭釔鎳系儲(chǔ)氫合金材料的基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)。

為了促進(jìn)鑭釔鎳儲(chǔ)氫材料產(chǎn)業(yè)化工作，針對(duì)稀土儲(chǔ)氫合金材料主要應(yīng)用領(lǐng)域，啟動(dòng)了金屬氫化物-氫壓縮機(jī)的研發(fā)。與俄羅斯莫斯科大學(xué)、印度卡努爾通訊技術(shù)設(shè)計(jì)與制造研究院合作，使用低品位熱源（溫度<100°C）開(kāi)發(fā)具有大范圍輸出壓力（直到80兆帕）的先進(jìn)氫儲(chǔ)存和供應(yīng)系統(tǒng)，滿(mǎn)足車(chē)載70 兆帕高壓氫氣瓶的穩(wěn)定加注需求。

與電池企業(yè)合作，以鑭釔鎳系儲(chǔ)氫合金作為負(fù)極材料研制電容型鎳氫動(dòng)力電池、通信基站鎳氫電池電源/備用電源。在小型圓柱形鎳氫電池試驗(yàn)線(xiàn)上試制AA型鎳氫電池，重點(diǎn)試驗(yàn)低自放電合金材料在成品鎳氫電池中的應(yīng)用效果。

以完備工藝加快稀土儲(chǔ)氫材料產(chǎn)業(yè)化

雖然我國(guó)擁有豐富的釔資源，氧化釔的價(jià)格很低，但通常采用鈣熱還原法制備的金屬釔（Y）的成本較高。為了降低鑭釔鎳儲(chǔ)氫合金的原材料成本，控制儲(chǔ)氫合金性?xún)r(jià)比，需要利用電解法制備釔鎳和鑭釔中間合金，再采用電解釔鎳和鑭釔中間合金代替釔可顯著降低釔的單價(jià)，滿(mǎn)足儲(chǔ)氫材料的市場(chǎng)價(jià)格預(yù)期。

基于基礎(chǔ)研究得出的結(jié)果，在白云鄂博實(shí)驗(yàn)室建成年產(chǎn)300噸儲(chǔ)氫合金材料的工業(yè)性試驗(yàn)生產(chǎn)線(xiàn)，分別利用200Kg中頻感應(yīng)爐采用澆鑄工藝、300 Kg中頻感應(yīng)爐采用快淬工藝研制合金產(chǎn)品，探索和優(yōu)化工藝條件，研究了化學(xué)計(jì)量比、組成元素、成分控制、澆鑄和快淬制備工藝、熱處理工藝、組織結(jié)構(gòu)、測(cè)試方法及其相互關(guān)系和影響規(guī)律。

300Kg/爐中頻感應(yīng)爐生產(chǎn)的合金性能達(dá)到實(shí)驗(yàn)樣品指標(biāo)，電化學(xué)容量超過(guò)370毫安時(shí)每克，試制的AA型電池表現(xiàn)出優(yōu)異的充/放電循環(huán)穩(wěn)定性，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果也得益于白云鄂博實(shí)驗(yàn)室里具備的完善的儲(chǔ)氫材料制備、結(jié)構(gòu)表征、性能測(cè)試、中試生產(chǎn)、材料應(yīng)用評(píng)價(jià)等相關(guān)基礎(chǔ)條件。

新型高容量鑭釔鎳系儲(chǔ)氫材料，實(shí)際放電容量達(dá)到390毫安時(shí)每克以上，超過(guò)了傳統(tǒng)LaNi5型儲(chǔ)氫合金的理論容量，解決了高容量La-Mg-Ni系儲(chǔ)氫合金難以制備的問(wèn)題，綜合性能滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，突破了國(guó)外的專(zhuān)利限制。

下一步，研發(fā)團(tuán)隊(duì)在研發(fā)鎳氫電池負(fù)極儲(chǔ)氫材料的同時(shí)，致力于開(kāi)發(fā)固/H2體系儲(chǔ)氫合金、固態(tài)儲(chǔ)氫裝置、風(fēng)/光電制氫和燃料電池示范系統(tǒng)，助推氫能大規(guī)模融入能源生產(chǎn)和消費(fèi)體系。目前在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃—國(guó)際科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)“利用低品位熱源在寬壓（直到80MPa）范圍輸出氫壓的氫儲(chǔ)存和供給系統(tǒng)”的資助下，已經(jīng)研發(fā)出室溫輸出20MPa氫壓的儲(chǔ)氫材料。