稀土储氢合金未来能否迎来新的发展与突破

文/ 刘小芳 杨 丽 张晓雨

当前，新一轮科技革命与产业变革蓄势待发，全球新材料产业竞争格局正在发生重大调整。新材料与信息、能源、生物等高技术加速融合，大数据、数字仿真等技术在新材料研发设计中作用不断突出，“互联网+”、材料基因组计划、增材制造等新技术新模式蓬勃兴起，新材料创新步伐持续加快，国际市场竞争将日趋激烈。根据工信部发布的《稀土行业发展规划（2016-2020年）》，近年来稀土应用产业规模不断扩大，稀土磁性、发光、储氢等主要功能材料产量占全球总产量70%以上。随着高端制造、绿色发展理念的进一步落实，稀土储氢合金前景如何？是否能契合于国家未来改革发展方向迎来新的发展与突破？

我国稀土储氢合金粉需求下降

回顾储氢合金的发展历程，我们可以看到从20世纪60年代后期开始，荷兰菲利浦公司和美国布鲁克海文国家实验室分别发现了LaNi5，其具有良好的储氢性能，但将其用在镍氢电池负极材料时，其循环稳定性却较差。到20世纪80年代初，研究人员用Ce部分替代镧，Co部分替代Ni，提高了合金的循环稳定性，国内外工作者开始对这一新型功能材料进行应用研究。1982年，ECD Ovonic申请将储氢合金用于镍氢电池的专利。1984年，东芝公布采用储氢合金用于镍镉电池的负极，可以大幅度提高能量密度。1990年，松下、三洋的镍氢电池上市，采用AB5型稀土储氢合金。1997年，京都议定书，温室气体减排协议。丰田搭载镍氢电池的普锐斯上市。90年代初期，我国也开始研发、销售AB5储氢合金，并于90年代末形成大规模化生产。直到2005年，国内由于锂电的兴起，镍氢电池增长速度开始放缓。

在今年召开的一次学术交流会上，内蒙古稀奥科贮氢合金有限公司总经理李冰介绍， 近年来我国储氢合金粉市场需求量整体上呈下降趋势：2008年欧美金融危机导致了2009年需求量大幅度减少，2011年国内稀土价格大涨及锂电进一步挤压镍氢空间，合金粉需求下降到了1万吨以下，2012年以后镍氢民品电池每年都以5%的速度萎缩，虽然车载镍氢电池在国内逐步兴起，抵消了一部分萎缩量，但由于稀土的价格大幅上涨，再加上锂电技术的成熟，锂电不断吞噬镍氢电池的市场，整体上需求量仍在减少。自2012年到2017年，国内合金粉市场需求量徘徊在8500多吨（见图1）。

图1 2002年至2017年国内储氢合金粉市场需求量

稀土储氢合金市场供应过剩、价格竞争激烈

从全球市场来看，目前合金粉市场整体产能为3万吨，全球稀土储氢合金95%由中国和日本供应：日本的三井金属（HEV）、日本重化学（民品）、中央电工（HEV）合计产能1万吨左右。中国产能2万吨左右。

国内方面，合金粉厂家主要分布在国有上市公司等资金实力强的公司，其中厦钨、江钨、稀奥科、微山钢研这几家国有公司的市场份额占到60%以上。但据李冰介绍目前各家公司都没有满产，产能发挥率大多在50%左右，产大于销，竞争非常激烈。（国内合金粉市场产能情况见表1）

李冰指出，目前国内稀土储氢合金市场呈现出以下几个特点：1.民品市场严重供大于求；2.AB5型储氢合金已发展10多年，技术已经非常成熟，行业产品同质化严重，造成价格竞争激烈；3.多年来，储氢产品的销售为赊销，面对客户多为民营企业，资金实力较弱，造成资金风险很大。

稀土储氢合金未来发展方向

随着环境污染程度的不断加重以及化石能源的日益枯竭，开发利用新的可再生、清洁能源已成为世界各国关注的热点。稀土储氢合金是能源环保领域重要的功能材料之一。稀土储氢合金中稀土的重量百分含量约为33%，主要以La、Ce轻稀土为主，是La、Ce轻稀土的主要应用领域之一。发展稀土储氢合金产业既有利于社会和经济的可持续发展，又能促进我国稀土资源的高效高值均衡开发利用。那么稀土储氢合金未来能否迎来新的发展与突破

李冰总经理分析，当前我国稀土储氢合金应发展方向集中在以下几个方面：

1.原有市场的民用、工业配套电池领域需求稳定

因锂离子电池以其较好的性能逐渐在某些领域取代镍氢电池，镍氢电池的需求量逐年减少，但是由于镍氢电池更加稳定、安全、耐过充、高低温性能好等特点，在民用、工业配套、应急灯、扫地机等市场镍氢电池仍将有一席之地。镍氢电池近几年需求量将趋于稳定，预计还会维持在8000吨左右。

2.镍镉电池即将退出市场，镍氢电池将逐渐替代

随着欧盟开始执行镍镉电池的限制，我国也开始限制镍镉电池的生产，和镍镉电池有相似电压和尺寸的镍氢电池，还有部分军品电池会取代部分镍镉电池市场。2015年10月欧盟强制要求新出厂的乘用车和小型货车必须加装车用GPS—ECALL(紧急求救系统），从目前看该系统电源除了镍隔外，镍氢将主导该市场。

3.新能源动力汽车用动力电池市场广阔

（1）混合动力汽车（D型和方型电池）

目前方形电池、D型动力电池是镍氢电池的发展方向，在这两个方向上应用的储氢合金粉要求具备两个性能：一是宽温性能：汽车在户外使用，需要适应不同季节的温度，所以要求电池具备较好的宽温性能。二是合金粉的均质性和稳定性高：由于车用电池一般都是组成电池模块或电池包使用，对每节电池的稳定性和一致性要求比较苛刻。所以对储氢合金粉的结构均匀性和性能稳定性要求也相对较高。需要从材料和工艺方面同时进行研发改进，才能不断满足车载电池的性能要求。

（2）纯电动公交车（电容型镍氢动力电池）

目前由山东淄博国利新电源科技有限公司生产的电容型镍氢动力电池，其特点是：寿命长、安全性好、宽温域、回收价值高。自2012年2月以来，淄博市先后投入4条公交线路、日照市投入1条公交线路、包头市投入5辆公交车，共计100多台镍氢电池纯电动公交车上线运行。电容型镍氢动力电池其低温性、安全性优于锂离子电池，特别适合“三北地区”—东北、华北、西北地区。一辆12米长公交车使用合金粉数量约1吨，其中每吨含稀土La、Ce含量为330kg。

目前全国有各类公交车约70万辆，其中西北、华北、和东北地区大约30万辆，将此“三北”区域30%的公交车发展为纯电动公交车，即9万辆的市场规模，可谓是市场巨大，同时消耗9万吨合金粉。纯电动公交车的发展，使储氢合金发展前景巨大，同时带动稀土La、Ce的使用量，促进我国稀土资源的高效高值均衡开发利用。

4. 储能电池方向

近年来，国家大力发展和解决三北地区能源问题，提高风能、太阳能等各种能源的储存和利用，锂离子电池在安全和低温性能方面具有局限性，而镍氢电池储能具有能量转化率高，适用温度范围宽的优势。

储能用合金粉要求合金粉的克容量要高，宽温区性能好，最大限度的提高储能性能和利用率。另外还要根据不同的储能环境和充放电要求开发不同性能特点的储氢合金粉，在风能发电调峰电源和地铁、轻轨的储能备用电源领域有巨大的潜在市场。

5. 燃料电池方向

燃料电池的推广发展离不开合理科学的储氢方式。目前常见的储氢方式主要有液化储氢、高压储氢和金属氢化物（储氢合金）储氢等。

燃料电池是近期研究的热点，燃料电池用储氢合金的开发除了需要提高储氢的容量以外，还必须要结合燃料电池的氧化还原反应的速率来优化设计，做到储氢合金粉的储氢、放氢与燃料电池的氧化还原反应的平衡匹配。

利用金属氢化物（储氢合金）可逆吸放氢的特性，为氢气的储存提供了一种新方式。采用金属氢化物储氢罐具有氢气纯度高、储氢密度大、安全可靠和寿命长的优点。但已开发出的各种储氢材料，其储氢密度均小于 3%(质量分数 )，还达不到IEA提出的储氢材料储氢密度大于5%(质量分数) 的要求。所以仍需要研发新型的高容量储氢材料才能满足燃料电池的应用需求。

表1 国内合金粉市场产能情况