中國粉體網訊 近日，從白云鄂博稀土資源研究與綜合利用國家重點實驗室（白云鄂博實驗室）傳出消息，儲氫合金材料研發團隊經過產業化技術攻關，已成功研制出高容量、長壽命、寬溫域、低自放電四個系列新一代鑭釔鎳系稀土儲氫合金，經過測試，在半電池狀態下壽命可達到500周以上，同時可在零下40度到零上60度這個范圍內正常使用，可應用于極寒和高溫地區，可以顯著提高鎳氫電池的性能和市場競爭力。
用該材料制造的電池屬于環保安全二次電池，所有有價元素可實現完全回收。可用于新能源汽車、智能電網儲能、通信基站儲備電源等領域，具有良好的市場應用前景。
攻克稀土儲氫合金材料世界性難題
眾所周知，20世紀60年末，荷蘭飛利浦公司發現LaNi5等金屬間化合物的儲氫性能。自此，世界各國開始研究和開發儲氫材料。
據教授級高工熊瑋介紹，儲氫材料發展大體經歷三代材料更迭。由于CaCu5結構所限，第一代稀土儲氫合金材料AB5型儲氫材料其比容量提高空間不大，難以滿足日益發展的鎳氫電池追求高能量密度的需求。第二代儲氫材料由于鎂元素易揮發、易氧化，使得產品組成難以控制，而且制造工藝復雜，成本高，此外，材料的應用壽命也因Mg的活性而下降，成為需要解決的主要問題之一。而第一代稀土儲氫合金和第二代高容量稀土儲氫合金的基礎專利屬于美國、日本等發達國家。
為了突破LaNi5合金的理論容量，同時解決La-Mg-Ni系合金在制造和使用過程中存在的問題，也為了打破了國外在稀土儲氫合金材料領域的技術壟斷，2014年，儲氫合金材料研發團隊經過多次試驗研究發現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，并達到同樣的高儲氫量。由于不含活潑金屬元素，完全克服了鑭鎂鎳系稀土儲氫材料存在的問題。我們還自主開發了新一代高容量鑭釔鎳系儲氫合金材料，同時解決了前兩代儲氫合金產品存在的問題。相關科技成果在Int J Hydrogen Energy期刊連續發表了3篇研究論文，引起了本領域研發人員的廣泛關注，北京有研工程技術研究院、上海大學、蘭州理工大學、斯德哥爾摩大學等國內外研究機構相繼開展此項技術研究。
2017年以來，此項研究成果分別獲得中國、日本、美國發明專利授權，稀土儲氫合金材料體系的創新使我國在該領域從“跟跑”狀態進入“并跑”階段，通過快速推進基礎研究與產業開發工作，期望形成“引領”態勢。
以共享技術完善稀土儲氫材料基礎理論
鑭釔鎳合金材料的應用研發雖已經取得了一些進展，但儲氫合金材料研發團隊對材料的結構以及結構與性能的關系還未系統和深入的研究，成為制約成果轉化的技術瓶頸和核心科學問題。
通過開展基礎研究工作，構建含氫的鑭釔鎳體系熱力學相圖數據庫，實驗分析具有優異儲氫性能的鑭釔鎳合金吸放氫動力學機理，為鑭釔鎳型儲氫合金的實用研究提供理論基礎。
研發團隊還研究鑭釔鎳儲氫合金的主要組成元素、制備技術和工藝條件對形成合金相結構的影響規律、合金的組織結構及其對材料性能的影響規律、合金材料容量衰減機理，通過組成設計和合成技術可控制備目標合金，為高效開發鑭釔鎳系儲氫合金材料產品提供科學基礎和理論指導。
此外，依托白云鄂博實驗室積極組織學術交流和研討活動，邀請國內外專家指導研發工作，充分利用學術會議匯報研究鑭釔鎳技術的進展、宣傳研發成果，促進了鑭釔鎳系儲氫合金材料的基礎研究與產業開發。
為了促進鑭釔鎳儲氫材料產業化工作，針對稀土儲氫合金材料主要應用領域，啟動了金屬氫化物-氫壓縮機的研發。與俄羅斯莫斯科大學、印度卡努爾通訊技術設計與制造研究院合作，使用低品位熱源（溫度<100℃）開發具有大范圍輸出壓力（直到80兆帕）的先進氫儲存和供應系統，滿足車載70 兆帕高壓氫氣瓶的穩定加注需求。
與電池企業合作，以鑭釔鎳系儲氫合金作為負極材料研制電容型鎳氫動力電池、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線上試制AA型鎳氫電池，重點試驗低自放電合金材料在成品鎳氫電池中的應用效果。
以完備工藝加快稀土儲氫材料產業化
雖然我國擁有豐富的釔資源，氧化釔的價格很低，但通常采用鈣熱還原法制備的金屬釔（Y）的成本較高。為了降低鑭釔鎳儲氫合金的原材料成本，控制儲氫合金性價比，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，滿足儲氫材料的市場價格預期。
基于基礎研究得出的結果，在白云鄂博實驗室建成年產300噸儲氫合金材料的工業性試驗生產線，分別利用200Kg中頻感應爐采用澆鑄工藝、300 Kg中頻感應爐采用快淬工藝研制合金產品，探索和優化工藝條件，研究了化學計量比、組成元素、成分控制、澆鑄和快淬制備工藝、熱處理工藝、組織結構、測試方法及其相互關系和影響規律。
300Kg/爐中頻感應爐生產的合金性能達到實驗樣品指標，電化學容量超過370毫安時每克，試制的AA型電池表現出優異的充/放電循環穩定性，這些實驗結果也得益于白云鄂博實驗室里具備的完善的儲氫材料制備、結構表征、性能測試、中試生產、材料應用評價等相關基礎條件。
新型高容量鑭釔鎳系儲氫材料，實際放電容量達到390毫安時每克以上，超過了傳統LaNi5型儲氫合金的理論容量，解決了高容量La-Mg-Ni系儲氫合金難以制備的問題，綜合性能滿足市場需求，突破了國外的專利限制。
下一步，研發團隊在研發鎳氫電池負極儲氫材料的同時，致力于開發固/H2體系儲氫合金、固態儲氫裝置、風/光電制氫和燃料電池示范系統，助推氫能大規模融入能源生產和消費體系。目前在國家重點研發計劃—國際科技創新合作重點專項“利用低品位熱源在寬壓（直到80MPa）范圍輸出氫壓的氫儲存和供給系統”的資助下，已經研發出室溫輸出20MPa氫壓的儲氫材料。
（中國粉體網編輯整理/茜茜）
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