稀土儲(chǔ)氫合金未來(lái)能否迎來(lái)新的發(fā)展與突破

文/ 劉小芳 楊 麗 張曉雨

當(dāng)前，新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革蓄勢(shì)待發(fā)，全球新材料產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局正在發(fā)生重大調(diào)整。新材料與信息、能源、生物等高技術(shù)加速融合，大數(shù)據(jù)、數(shù)字仿真等技術(shù)在新材料研發(fā)設(shè)計(jì)中作用不斷突出，“互聯(lián)網(wǎng)+”、材料基因組計(jì)劃、增材制造等新技術(shù)新模式蓬勃興起，新材料創(chuàng)新步伐持續(xù)加快，國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)將日趨激烈。根據(jù)工信部發(fā)布的《稀土行業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》，近年來(lái)稀土應(yīng)用產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，稀土磁性、發(fā)光、儲(chǔ)氫等主要功能材料產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量70%以上。隨著高端制造、綠色發(fā)展理念的進(jìn)一步落實(shí)，稀土儲(chǔ)氫合金前景如何？是否能契合于國(guó)家未來(lái)改革發(fā)展方向迎來(lái)新的發(fā)展與突破？

我國(guó)稀土儲(chǔ)氫合金粉需求下降

回顧儲(chǔ)氫合金的發(fā)展歷程，我們可以看到從20世紀(jì)60年代后期開(kāi)始，荷蘭菲利浦公司和美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室分別發(fā)現(xiàn)了LaNi5，其具有良好的儲(chǔ)氫性能，但將其用在鎳氫電池負(fù)極材料時(shí)，其循環(huán)穩(wěn)定性卻較差。到20世紀(jì)80年代初，研究人員用Ce部分替代鑭，Co部分替代Ni，提高了合金的循環(huán)穩(wěn)定性，國(guó)內(nèi)外工作者開(kāi)始對(duì)這一新型功能材料進(jìn)行應(yīng)用研究。1982年，ECD Ovonic申請(qǐng)將儲(chǔ)氫合金用于鎳氫電池的專(zhuān)利。1984年，東芝公布采用儲(chǔ)氫合金用于鎳鎘電池的負(fù)極，可以大幅度提高能量密度。1990年，松下、三洋的鎳氫電池上市，采用AB5型稀土儲(chǔ)氫合金。1997年，京都議定書(shū)，溫室氣體減排協(xié)議。豐田搭載鎳氫電池的普銳斯上市。90年代初期，我國(guó)也開(kāi)始研發(fā)、銷(xiāo)售AB5儲(chǔ)氫合金，并于90年代末形成大規(guī)?；a(chǎn)。直到2005年，國(guó)內(nèi)由于鋰電的興起，鎳氫電池增長(zhǎng)速度開(kāi)始放緩。

在今年召開(kāi)的一次學(xué)術(shù)交流會(huì)上，內(nèi)蒙古稀奧科貯氫合金有限公司總經(jīng)理李冰介紹， 近年來(lái)我國(guó)儲(chǔ)氫合金粉市場(chǎng)需求量整體上呈下降趨勢(shì)：2008年歐美金融危機(jī)導(dǎo)致了2009年需求量大幅度減少，2011年國(guó)內(nèi)稀土價(jià)格大漲及鋰電進(jìn)一步擠壓鎳氫空間，合金粉需求下降到了1萬(wàn)噸以下，2012年以后鎳氫民品電池每年都以5%的速度萎縮，雖然車(chē)載鎳氫電池在國(guó)內(nèi)逐步興起，抵消了一部分萎縮量，但由于稀土的價(jià)格大幅上漲，再加上鋰電技術(shù)的成熟，鋰電不斷吞噬鎳氫電池的市場(chǎng)，整體上需求量仍在減少。自2012年到2017年，國(guó)內(nèi)合金粉市場(chǎng)需求量徘徊在8500多噸（見(jiàn)圖1）。

圖1 2002年至2017年國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氫合金粉市場(chǎng)需求量

稀土儲(chǔ)氫合金市場(chǎng)供應(yīng)過(guò)剩、價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)激烈

從全球市場(chǎng)來(lái)看，目前合金粉市場(chǎng)整體產(chǎn)能為3萬(wàn)噸，全球稀土儲(chǔ)氫合金95%由中國(guó)和日本供應(yīng)：日本的三井金屬（HEV）、日本重化學(xué)（民品）、中央電工（HEV）合計(jì)產(chǎn)能1萬(wàn)噸左右。中國(guó)產(chǎn)能2萬(wàn)噸左右。

國(guó)內(nèi)方面，合金粉廠家主要分布在國(guó)有上市公司等資金實(shí)力強(qiáng)的公司，其中廈鎢、江鎢、稀奧科、微山鋼研這幾家國(guó)有公司的市場(chǎng)份額占到60%以上。但據(jù)李冰介紹目前各家公司都沒(méi)有滿產(chǎn)，產(chǎn)能發(fā)揮率大多在50%左右，產(chǎn)大于銷(xiāo)，競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。（國(guó)內(nèi)合金粉市場(chǎng)產(chǎn)能情況見(jiàn)表1）

李冰指出，目前國(guó)內(nèi)稀土儲(chǔ)氫合金市場(chǎng)呈現(xiàn)出以下幾個(gè)特點(diǎn)：1.民品市場(chǎng)嚴(yán)重供大于求；2.AB5型儲(chǔ)氫合金已發(fā)展10多年，技術(shù)已經(jīng)非常成熟，行業(yè)產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，造成價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)激烈；3.多年來(lái)，儲(chǔ)氫產(chǎn)品的銷(xiāo)售為賒銷(xiāo)，面對(duì)客戶多為民營(yíng)企業(yè)，資金實(shí)力較弱，造成資金風(fēng)險(xiǎn)很大。

稀土儲(chǔ)氫合金未來(lái)發(fā)展方向

隨著環(huán)境污染程度的不斷加重以及化石能源的日益枯竭，開(kāi)發(fā)利用新的可再生、清潔能源已成為世界各國(guó)關(guān)注的熱點(diǎn)。稀土儲(chǔ)氫合金是能源環(huán)保領(lǐng)域重要的功能材料之一。稀土儲(chǔ)氫合金中稀土的重量百分含量約為33%，主要以La、Ce輕稀土為主，是La、Ce輕稀土的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。發(fā)展稀土儲(chǔ)氫合金產(chǎn)業(yè)既有利于社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，又能促進(jìn)我國(guó)稀土資源的高效高值均衡開(kāi)發(fā)利用。那么稀土儲(chǔ)氫合金未來(lái)能否迎來(lái)新的發(fā)展與突破

李冰總經(jīng)理分析，當(dāng)前我國(guó)稀土儲(chǔ)氫合金應(yīng)發(fā)展方向集中在以下幾個(gè)方面：

1.原有市場(chǎng)的民用、工業(yè)配套電池領(lǐng)域需求穩(wěn)定

因鋰離子電池以其較好的性能逐漸在某些領(lǐng)域取代鎳氫電池，鎳氫電池的需求量逐年減少，但是由于鎳氫電池更加穩(wěn)定、安全、耐過(guò)充、高低溫性能好等特點(diǎn)，在民用、工業(yè)配套、應(yīng)急燈、掃地機(jī)等市場(chǎng)鎳氫電池仍將有一席之地。鎳氫電池近幾年需求量將趨于穩(wěn)定，預(yù)計(jì)還會(huì)維持在8000噸左右。

2.鎳鎘電池即將退出市場(chǎng)，鎳氫電池將逐漸替代

隨著歐盟開(kāi)始執(zhí)行鎳鎘電池的限制，我國(guó)也開(kāi)始限制鎳鎘電池的生產(chǎn)，和鎳鎘電池有相似電壓和尺寸的鎳氫電池，還有部分軍品電池會(huì)取代部分鎳鎘電池市場(chǎng)。2015年10月歐盟強(qiáng)制要求新出廠的乘用車(chē)和小型貨車(chē)必須加裝車(chē)用GPS—ECALL(緊急求救系統(tǒng)），從目前看該系統(tǒng)電源除了鎳隔外，鎳氫將主導(dǎo)該市場(chǎng)。

3.新能源動(dòng)力汽車(chē)用動(dòng)力電池市場(chǎng)廣闊

（1）混合動(dòng)力汽車(chē)（D型和方型電池）

目前方形電池、D型動(dòng)力電池是鎳氫電池的發(fā)展方向，在這兩個(gè)方向上應(yīng)用的儲(chǔ)氫合金粉要求具備兩個(gè)性能：一是寬溫性能：汽車(chē)在戶外使用，需要適應(yīng)不同季節(jié)的溫度，所以要求電池具備較好的寬溫性能。二是合金粉的均質(zhì)性和穩(wěn)定性高：由于車(chē)用電池一般都是組成電池模塊或電池包使用，對(duì)每節(jié)電池的穩(wěn)定性和一致性要求比較苛刻。所以對(duì)儲(chǔ)氫合金粉的結(jié)構(gòu)均勻性和性能穩(wěn)定性要求也相對(duì)較高。需要從材料和工藝方面同時(shí)進(jìn)行研發(fā)改進(jìn)，才能不斷滿足車(chē)載電池的性能要求。

（2）純電動(dòng)公交車(chē)（電容型鎳氫動(dòng)力電池）

目前由山東淄博國(guó)利新電源科技有限公司生產(chǎn)的電容型鎳氫動(dòng)力電池，其特點(diǎn)是：壽命長(zhǎng)、安全性好、寬溫域、回收價(jià)值高。自2012年2月以來(lái)，淄博市先后投入4條公交線路、日照市投入1條公交線路、包頭市投入5輛公交車(chē)，共計(jì)100多臺(tái)鎳氫電池純電動(dòng)公交車(chē)上線運(yùn)行。電容型鎳氫動(dòng)力電池其低溫性、安全性優(yōu)于鋰離子電池，特別適合“三北地區(qū)”—東北、華北、西北地區(qū)。一輛12米長(zhǎng)公交車(chē)使用合金粉數(shù)量約1噸，其中每噸含稀土La、Ce含量為330kg。

目前全國(guó)有各類(lèi)公交車(chē)約70萬(wàn)輛，其中西北、華北、和東北地區(qū)大約30萬(wàn)輛，將此“三北”區(qū)域30%的公交車(chē)發(fā)展為純電動(dòng)公交車(chē)，即9萬(wàn)輛的市場(chǎng)規(guī)模，可謂是市場(chǎng)巨大，同時(shí)消耗9萬(wàn)噸合金粉。純電動(dòng)公交車(chē)的發(fā)展，使儲(chǔ)氫合金發(fā)展前景巨大，同時(shí)帶動(dòng)稀土La、Ce的使用量，促進(jìn)我國(guó)稀土資源的高效高值均衡開(kāi)發(fā)利用。

4. 儲(chǔ)能電池方向

近年來(lái)，國(guó)家大力發(fā)展和解決三北地區(qū)能源問(wèn)題，提高風(fēng)能、太陽(yáng)能等各種能源的儲(chǔ)存和利用，鋰離子電池在安全和低溫性能方面具有局限性，而鎳氫電池儲(chǔ)能具有能量轉(zhuǎn)化率高，適用溫度范圍寬的優(yōu)勢(shì)。

儲(chǔ)能用合金粉要求合金粉的克容量要高，寬溫區(qū)性能好，最大限度的提高儲(chǔ)能性能和利用率。另外還要根據(jù)不同的儲(chǔ)能環(huán)境和充放電要求開(kāi)發(fā)不同性能特點(diǎn)的儲(chǔ)氫合金粉，在風(fēng)能發(fā)電調(diào)峰電源和地鐵、輕軌的儲(chǔ)能備用電源領(lǐng)域有巨大的潛在市場(chǎng)。

5. 燃料電池方向

燃料電池的推廣發(fā)展離不開(kāi)合理科學(xué)的儲(chǔ)氫方式。目前常見(jiàn)的儲(chǔ)氫方式主要有液化儲(chǔ)氫、高壓儲(chǔ)氫和金屬氫化物（儲(chǔ)氫合金）儲(chǔ)氫等。

燃料電池是近期研究的熱點(diǎn)，燃料電池用儲(chǔ)氫合金的開(kāi)發(fā)除了需要提高儲(chǔ)氫的容量以外，還必須要結(jié)合燃料電池的氧化還原反應(yīng)的速率來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)，做到儲(chǔ)氫合金粉的儲(chǔ)氫、放氫與燃料電池的氧化還原反應(yīng)的平衡匹配。

利用金屬氫化物（儲(chǔ)氫合金）可逆吸放氫的特性，為氫氣的儲(chǔ)存提供了一種新方式。采用金屬氫化物儲(chǔ)氫罐具有氫氣純度高、儲(chǔ)氫密度大、安全可靠和壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。但已開(kāi)發(fā)出的各種儲(chǔ)氫材料，其儲(chǔ)氫密度均小于 3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù) )，還達(dá)不到IEA提出的儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫密度大于5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 的要求。所以仍需要研發(fā)新型的高容量?jī)?chǔ)氫材料才能滿足燃料電池的應(yīng)用需求。

表1 國(guó)內(nèi)合金粉市場(chǎng)產(chǎn)能情況