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新能源儲能領域稀土又立一功

發布時間:2021年01月13日 瀏覽次數:
    到2050年,全球氫能占能源比重約為18%,氫能產業鏈產值將超過2.5萬億美元,且隨著技術研發和產業資本的持續投入,未來10-20年,全球氫能產業將迎來快速發展的重大機遇期。全球氫能布局加速,從能源發展規律和影響變量來看,氫能產業已進入新發展階段。“十四五”期間,我國將加速發展綠氫制取、儲運和應用等氫能產業鏈技術裝備,促進氫能燃料電池技術鏈、氫燃料電池汽車產業鏈發展,氫能產業將迎來重要的機遇期。
    記者1月10日從包頭稀土高新區獲悉,該區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權的新型稀土儲氫合金電極材料連續穩定的生產工藝和產品控制體系,產品受到多家國內知名動力電池生產廠家的高度重視,并已初步形成規模供應。
    “目前我們建立的生產線產能為200噸,材料選用燕山大學自主知識產權的合金制備技術,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,優化合金結構特性,開發出不同優勢性能的RE-Mg-Ni基儲氫合金新產品。”中科軒達生產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線的投入運營,是新材料研發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展指明了一個重要方向。
    綠色發展: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。據統計,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,生態危機已經成為當今社會已經面臨的巨大挑戰。石化能源燃料燃燒時所產生的有害物質,嚴重污染了環境,導致溫室效應、全球氣候變暖、生物物種多樣性降低、荒漠化等諸多生態問題,嚴重影響著國家的資源安全和社會經濟持續發展,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電的電能。下一步,按照‘綠色發展’的要求,發展氫能尤其是氫燃料電池汽車的推廣,成為發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世紀最具發展潛力的清潔能源,代表著未來新能源的發展方向。
    我國氫氣資源豐富,發展氫能源具有先天優勢。目前國內氫氣產量已經位居世界第一位,而且我國煤炭資源豐富,已經開始發展煤制氫產業,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。
    “我國氫能源產業相關技術,尤其是燃料電池技術與發達國家差距仍然較大,相關政策法規還不夠完善,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籌規劃,推進我國氫能源產業發展。”肖明坦言,儲氫材料技術創新面臨著重要發展機遇,而稀土系儲氫材料是目前生產工藝最為成熟、產業規模最大的固態儲氫材料,稀土儲氫材料可作為氫能實現產業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。
    據肖明介紹,目前國內運用的主要儲氫方式為固態儲氫,即通過物理或者化學吸附的方式將氫氣存儲于固態儲氫材料介質中。這種新型儲氫技術因具有體積儲氫密度高、儲運方便、安全性能好等優點,被認為是最有發展前景的儲氫方式。
    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、循環壽命長、耐過充放電、安全性能好等優點,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業技術基礎,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、分布和進出行為的差異,以及對其結構穩定性及其電化學性能的影響規律。
    “正是由于這類合金晶體結構的多樣性,使其表現出多樣性的優良儲氫性能,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各類期刊發表論文130余篇,出版專著1部,授權國家發明專利18項,獲得河北省技術發明二等獎。
    在揭示了稀土鎂鎳基儲氫合金相結構轉變規律、生成條件及其對儲氫性能影響的基礎上,研發團隊通過改進金屬Mg加料方式和生產工藝,實現了合金規模化生產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出優異的特性,比目前已商業化的混合稀土AB5合金電極材料具有更加優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,表現出良好的市場應用前景,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。
    高性價比:助力儲氫電池產業發展
    內蒙古自治區關于“十四五”能源規劃的具體步驟中,氫能和儲能位列“四大產業集群”之列。“我們將引進行業領軍企業開展新能源制氫,配套發展氫能裝備制造、建設加氫設施、推廣氫燃料電池汽車,推進氫能產業鏈一體化發展,同時統籌全區儲能發展,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,推進儲能全產業鏈發展,打造千億級儲能產業集群。”內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業的拉動及國際電池生產廠商在華投資的增多,中國電池產業發展步伐加快,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,電池產業是二十一世紀最有發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。
    “生產線建成之后,這種擁有我國自主知識產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原料,使用的生產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,該材料實現國產化,不僅價格優勢明顯,而且就地消化了我國北方稀土生產的鑭鈰,提高稀土材料的附加值。
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