稀土储氢材料技术应用方向及专利趋势

刘思德 匡露 赵丽莎/文

包头稀土研究院 横琴国际知识产权交易中心有限公司

1 稀土储氢材料概述

能源危机成为人类社会面临的共同问题，对氢能的开发和利用受到了公众的广泛关注。储氢材料是指能够在适当的温度和压力下可逆地吸收和放出氢的材料。稀土储氢材料凭借优良的动力学性能和稳定性，以及较高的储氢容量，成为储氢材料研发的关注重点。

图1 镍氢电池产品

目前，稀土储氢材料主要包括镍氢电池负极储氢材料和固态储氢材料两大类。其中，镍氢电池负极储氢材料作为镍氢电池的关键材料之一，具有储氢能力强、放电性能稳定、寿命长等优点，其性能直接影响电池的循环寿命和性能稳定性。开发具有更高容量的新型储氢合金是当前的研究重点。

2 固态储氢材料

固态储氢材料可分为两类，第一类是通过吸附作用，如分子筛、活性炭、碳纳米管、新型吸附剂等来吸附储氢，该类吸附材料可以掺杂稀土元素来提高性能；第二类是稀土固态储氢材料通过化学反应可以把氢气变成金属氢化物固体储存起来，储氢体积密度超过到液态氢密度，实现了常温、常压、安全储氢。

利用储氢材料的特性可做成稀土固态储氢装置。储氢装置具有无机械部件、无噪声、低耗能的优势，用于加氢站和移动加氢站，推动氢能和燃料电池应用。固态储氢装置就像一个大容量充电宝，可以把光伏、风电等不稳定的可再生能源高密度存储起来，既解决了风光发电波动性强、利用难的问题，也将改变目前过度依赖煤炭、石油等化石能源制氢的现状，助力实现碳达峰碳中和目标。

图2 固态储氢系统示范装置

3 主要技术应用方向及趋势

本文用于分析的专利数据来源于incoPat 全球专利数据库，通过不同的关键字和分类号组合进行检索，数据公开（公告）时间截至 2022 年 7 月。

全球稀土储氢材料专利的技术构成可以分为镍氢电池负极储氢材料、固态储氢材料及其他方向（制备装置/催化作用/添加剂）三大分支，本文重点介绍镍氢电池负极储氢材料、固态储氢材料。其中，镍氢电池可以用于绿色交通、电化学储能、电源等领域；固态储氢材料及其装置一方面可用于氢燃料动力方向，另一方面可用于氢气升压（替代加氢压的膜压机）、氢气回收角度的应用，其技术分支可进一步划分为化学可逆反应类、物理吸附类和固态储氢装置等。

在稀土储氢材料全球专利中，镍氢电池负极储氢材料方向专利共10951 件；固态储氢材料共有7877 件，其中化学反应类储氢材料共有专利6557 件，物理吸附类固态储氢材料共有专利525 件，此外还有1599 件固态储氢装置类的专利。由此可知，在稀土储氢材料的应用方向上，以镍氢电池方面的应用研究最为热门，已有较多专利和技术积累。从固态储氢材料的专利申请趋势来看，固态储氢材料的专利申请尚处于萌芽期，近20 年的专利申请量趋于稳定，年专利申请量在200-300 件之间。固态储氢材料的发展历史较短，因此专利较少；固态储氢材料的技术分支中，以化学反应类储氢材料的研究最为热门，其次是固态储氢装置，带稀土基的吸附类固体储氢材料的专利较少。

由图3 可知，稀土储氢材料全球专利技术主要应用方向的专利申请趋势特点，这与各技术的发展趋势与动态密切相关。

图3 稀土储氢材料全球专利主要技术方向专利分布

由图4 可知，稀土镍氢电池负极储氢材料的专利自2009 年起大体上呈先增后降的趋势，2018 年达到专利申请的最高峰，2019 年至今专利申请略有下降。由于随着锂电池技术的快速发展及普及，部分使用镍氢电池产品逐步被锂电池替代，市场的研究重心向锂电池技术偏移，影响了镍氢电池及镍氢电池负极储氢材料的市场和开发热情。

图4 稀土储氢材料主要技术应用方向专利申请趋势

虽然镍氢电池的充电速度和能量密度低于锂电池，但镍氢电池具有技术成熟、电池制造成本低、安全性高等优点，仍会广泛应用于混合动力汽车、专业电子设备、照明、通讯、数码产品等多个领域。虽然稀土储氢电极材料未能得到大规模发展和应用，近几年产业专利申请情况未能呈现良好的增长趋势，但随着全球其他国家也开始关注稀土储氢电池，中国也加快了稀土储氢电池的研发与发展，未来几年镍氢电池负电极储氢材料将继续保持高质量发展步伐，不断获得技术突破，加快实现镍氢电池的国产化。但长远来看，该技术的发展潜力巨大，值得重点关注。改变目前过度依赖煤炭、石油等化石能源制氢的现状，助力实现碳达峰碳中和目标。