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(lǐng)域，都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磥硇履茉吹陌l(fā)展方向。

閆慧忠 包頭稀土研究院技術(shù)專家

記者1月10日從內(nèi)蒙古包頭稀土高新區(qū)獲悉，該區(qū)中科軒達(dá)新能源科技有限公司(以下簡稱中科軒達(dá))建立了我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型稀土儲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)品受到多家國內(nèi)知名動力電池生產(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)線年產(chǎn)能為200噸，材料選用燕山大學(xué)自主知識產(chǎn)權(quán)的合金制備技術(shù)，通過稀土鎂鎳基儲氫合金相結(jié)構(gòu)與電化學(xué)儲氫性能間的匹配關(guān)系，優(yōu)化合金結(jié)構(gòu)特性，開發(fā)出不同優(yōu)勢性能的稀土鎂鎳合金新產(chǎn)品。”中科軒達(dá)生產(chǎn)技術(shù)部部長肖明介紹。

技術(shù)研發(fā)帶頭人、燕山大學(xué)教授韓樹民表示，新型稀土儲氫合金電極材料生產(chǎn)線的投入運(yùn)營，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，也是未來我國氫能源發(fā)展的一個重要方向。

發(fā)展氫能源應(yīng)對生態(tài)危機(jī)

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)，若按目前的水平開采世界已探明的能源，煤炭資源可開采100年，石油可開采30—40年，天然氣可開采50—60年。

另一方面，生態(tài)危機(jī)已經(jīng)成為當(dāng)今社會面臨的巨大挑戰(zhàn)。石化能源燃料燃燒時所產(chǎn)生的有害物質(zhì)，嚴(yán)重污染了環(huán)境，導(dǎo)致全球氣候變暖、生物物種多樣性降低、荒漠化等諸多生態(tài)問題，嚴(yán)重影響國家資源安全和社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，甚至威脅人類的生存。

“事實(shí)上，目前的新能源交通工具，主要還是來自基于火力發(fā)電的電能。下一步，按照‘綠色發(fā)展’的要求，發(fā)展氫能尤其是推廣氫燃料電池汽車，將成為發(fā)展零污染低碳交通的必然選擇。”包頭稀土研究院技術(shù)專家閆慧忠說。

據(jù)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(lǐng)域，都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磥硇履茉吹陌l(fā)展方向。

我國氫氣資源豐富，發(fā)展氫能源具有先天優(yōu)勢。目前國內(nèi)氫氣產(chǎn)量已位居世界第一位，同時，我國煤炭資源豐富，已經(jīng)開始發(fā)展煤制氫產(chǎn)業(yè);此外，豐富的風(fēng)電、光電、水電等資源，未來都可以用來進(jìn)行水電解制氫。

“我國氫能源產(chǎn)業(yè)相關(guān)技術(shù)，尤其是燃料電池技術(shù)與發(fā)達(dá)國家差距仍然較大，加氫站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后，國家及相關(guān)部門正在對此進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，以推進(jìn)我國氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展。”肖明說，儲氫材料技術(shù)創(chuàng)新面臨重要發(fā)展機(jī)遇，而稀土系儲氫材料是目前生產(chǎn)工藝最成熟、產(chǎn)業(yè)規(guī)模最大的固態(tài)儲氫材料，稀土儲氫材料可作為氫能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化過程中的關(guān)鍵技術(shù)手段。

儲氫技術(shù)高歌猛進(jìn)

氫能源從生產(chǎn)到利用的過程中，儲氫技術(shù)無疑是必不可少的橋梁。

肖明介紹，目前國內(nèi)運(yùn)用的主要儲氫方式為固態(tài)儲氫，即通過物理或者化學(xué)吸附的方式將氫氣存儲于固態(tài)儲氫材料介質(zhì)中。這種新型儲氫技術(shù)因具有體積儲氫密度高、儲運(yùn)方便、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的儲氫方式。

稀土鎂鎳基儲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)為無污染的綠色能源，具有比能量高、循環(huán)壽命長、耐過充放電、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各種小型便攜設(shè)備上。然而，自放電率較高的問題，也給這種電池的實(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年開始對稀土鎂鎳基儲氫合金的制備技術(shù)、相結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能等進(jìn)行系統(tǒng)、深入的研究，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)的稀土鎂鎳基儲氫合金在吸/放氫過程中氫原子的存在狀態(tài)、分布和進(jìn)出行為的差異，以及對其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其電化學(xué)性能的影響規(guī)律。

韓樹民表示，近幾年來，130余篇相關(guān)研究成果論文已在各類核心期刊發(fā)表，相關(guān)成果獲國家發(fā)明專利授權(quán)量18件，獲得河北省技術(shù)發(fā)明獎二等獎。

在揭示了稀土鎂鎳基儲氫合金相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變規(guī)律、生成條件及其對儲氫性能影響的基礎(chǔ)上，研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過改進(jìn)金屬鎂加料方式和生產(chǎn)工藝，還實(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360毫安/每克、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)化的混合稀土合金電極材料具有更加優(yōu)良的性能和更高的性價比。

業(yè)內(nèi)專家表示，新型稀土鎂鎳基儲氫合金可以顯著提高鎳氫電池的性能和市場競爭力，有良好的市場應(yīng)用前景，可用于新能源汽車、智能電網(wǎng)儲能、通信基站儲備電源等領(lǐng)域。

創(chuàng)新儲氫材料提高性價比

儲氫技術(shù)創(chuàng)新高歌猛進(jìn)，儲氫材料的創(chuàng)新也在大步奔跑。

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，氫能和儲能均位列“四大產(chǎn)業(yè)集群”。“我們將引進(jìn)行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)開展新能源制氫，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，同時統(tǒng)籌全區(qū)儲能發(fā)展，推動正負(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)儲能全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，打造千億級儲能產(chǎn)業(yè)集群。”內(nèi)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(guān)產(chǎn)業(yè)的拉動及國際電池生產(chǎn)廠商在中國投資的增多，中國電池產(chǎn)業(yè)發(fā)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(chǎn)業(yè)是21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，稀土型儲氫材料大有可為、風(fēng)光無限。

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(yīng)，成為合金氫化物，這種材料可以貯存比自身體積大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將氫氣吸收于合金中。

“生產(chǎn)線建成之后，這種擁有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的新型儲氫合金將迅速應(yīng)用于儲氫材料中，它較以往的儲氫合金最大的優(yōu)勢是容量提高，同時具備良好的安全性，以及低溫性和較寬的溫差范圍，可在零下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,也就是我國在全球儲量最為豐富的鑭、鈰元素。因此，該材料實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，不僅價格優(yōu)勢明顯，而且就地消化了我國北方稀土生產(chǎn)的鑭、鈰，提高了稀土材料的附加值。

產(chǎn)業(yè)背景

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2.5萬億美元，且隨著技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)資本的持續(xù)投入，未來10—20年，全球氫能產(chǎn)業(yè)將迎來快速發(fā)展的重大機(jī)遇期。

全球氫能布局正在加速，從能源發(fā)展規(guī)律和影響變量來看，氫能產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入新發(fā)展階段。“十四五”期間，我國將加速發(fā)展綠氫制取、儲運(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)將迎來重要的機(jī)遇期。