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第IV部分稀土在新能源電池市場(chǎng)的介紹
第二十八章稀土元素在鎳氫電池中的應(yīng)用

鎳氫電池（Ni-MH）作為一種環(huán)保、高效且能量密度較高的電池，其性能在很大程度上得益於稀土元素的加入。稀土元素主要指鈰（Ce）、鑭（La）、釹（Nd）、釤（Sm）、鋱（Tb）、釓（Gd）、鉺（Er）、銪（Eu）等，它們?cè)陔姵刂兄饕缪莘€(wěn)定劑的角色，調(diào)節(jié)電池電壓並提升電池的整體性能。

稀土元素的加入顯著提高了鎳氫電池的迴圈壽命和電池容量。例如，鈰元素能夠穩(wěn)定電池的電化學(xué)穩(wěn)定性，從而提高充放電效率和電池容量。實(shí)驗(yàn)資料顯示，含有鈰的鎳氫電池在多次充放電迴圈後，其容量衰減率明顯低於不含鈰的電池。此外，鑭和釹元素通過增加電池的水合氫離子數(shù)，提高了電池的倍率性能，使得電池在高功率放電時(shí)表現(xiàn)出色。

稀土礦山圖片

在鎳氫電池的負(fù)極材料中，稀土元素與鎳、鎂等元素形成的合金（如La-Mg-Ni系合金）具有優(yōu)異的儲(chǔ)氫性能。這些合金通過稀土元素的加入，不僅提高了吸氫和放氫的速率，還增強(qiáng)了合金的迴圈穩(wěn)定性。例如，用Ce、Pr或Nd等原子半徑較小的稀土元素部分取代La，可以減小合金晶胞體積，降低充放電迴圈過程中的體積變化，從而減輕合金的粉化現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)表明，這種元素替代顯著提高了合金的迴圈穩(wěn)定性，同時(shí)增強(qiáng)了其高倍率放電性和低溫放電性。

稀土元素的加入還有助於降低鎳氫電池的內(nèi)阻和自放電率。內(nèi)阻的降低意味著電池在充放電過程中的能量損失減少，從而提高了電池的能效。自放電率的降低則保證了電池在長(zhǎng)時(shí)間靜置後仍能保持較高的電量，延長(zhǎng)了電池的使用壽命。

據(jù)中鎢線上瞭解，稀土儲(chǔ)氫合金占鎳氫電池材料成本的40%以上，其中Ni、Co等元素占比較大，但稀土元素的加入對(duì)整體性能的提升至關(guān)重要。研究表明，用Ce、Pr和Nd分別替代La後，合金的迴圈穩(wěn)定性均有顯著增加；例如，採(cǎi)用Ce替代La的合金，在1000次充放電迴圈後，容量保持率可達(dá)90%以上。加入稀土元素的鎳氫電池，其倍率放電性能可提升至普通電池的1.5倍以上，同時(shí)低溫放電性能也得到顯著改善。

ce元素圖片

目前，全球85%的混合動(dòng)力汽車（HEV）採(cǎi)用鎳氫電池作為其動(dòng)力源，這些電池多數(shù)以AB5型稀土貯氫合金為負(fù)極材料。稀土元素的加入使得這些電池具有高電容量、長(zhǎng)壽命和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

隨著鎳氫電池的大量使用，廢舊電池的回收處理成為了一個(gè)重要的環(huán)保問題。稀土元素作為寶貴的資源，其回收再利用具有重要意義。目前，已有多種技術(shù)被用於廢舊鎳氫電池中稀土元素的回收，如濕法冶金技術(shù)等。研究表明，通過優(yōu)化回收工藝，稀土元素的回收率可達(dá)到較高水準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)資源的迴圈利用。

綜上所述，稀土元素在鎳氫電池中的應(yīng)用極大地提升了電池的性能表現(xiàn)，包括迴圈壽命、電池容量、倍率性能以及降低內(nèi)阻和自放電率等方面。這些性能的提升不僅推動(dòng)了鎳氫電池在新能源汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用，也為全球能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和可持續(xù)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。同時(shí)，隨著稀土資源的緊缺和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，未來還需要在稀土元素的回收再利用方面進(jìn)行深入研究和探索，以實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)利用和環(huán)境保護(hù)的雙重目標(biāo)。

鎳氫電池圖片

28.1 鑭元素在鎳氫電池中的應(yīng)用

鑭元素是一種銀白色金屬，化學(xué)符號(hào)La，原子序數(shù)57，原子量138.91，密度6.162g/cm3，熔點(diǎn)920℃，沸點(diǎn)3464℃（常壓）質(zhì)軟易切割；在空氣中易氧化，暴露後很快失去金屬光澤生成一層藍(lán)色的氧化膜，但此膜不能保護(hù)金屬，會(huì)進(jìn)一步氧化生成白色的氧化物粉末；遇熱、明火、氧化劑等物質(zhì)接觸有引起燃燒的危險(xiǎn)，一般封存於固體石蠟或浸於煤油中以防止氧化。鑭元素有三種晶型：α型（六方晶系）、β型（面心立方堆積，350℃穩(wěn)定存在）、γ型（>868℃穩(wěn)定存在）。

金屬鑭圖片

一、鑭元素的用途

鑭被廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)能器件中，如太陽能電池和氟化物電池。在太陽能電池中，鑭可以作為摻雜元素提高電池的發(fā)電效率；在氟化物電池中，鑭的加入可以提高電池的電荷和釋放速度，增加電池容量。

鑭在催化領(lǐng)域也有重要應(yīng)用，如作為汽車廢氣淨(jìng)化劑將廢氣轉(zhuǎn)化為無害氣體；在化學(xué)、石化、製藥等工業(yè)中作為催化劑的活性成分促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)。

電子工業(yè)：鑭和其他稀土元素的化合物具有磁光、發(fā)光、磁電、超導(dǎo)等特殊性質(zhì)，可用於製造磁控管、顯示器、雷射器等電子元器件。

電動(dòng)汽車：在電動(dòng)汽車電池的生產(chǎn)中，鑭也發(fā)揮著重要作用，如用於製造鎳氫電池等。

其他領(lǐng)域：鑭還被用於製造精密光學(xué)玻璃、高折射光學(xué)纖維板等光學(xué)材料；作為添加劑用於鋼鐵冶金以提高鋼的性能；在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域用於廢水處理和汽車尾氣淨(jìng)化等。

鑭元素圖片

二、鑭元素對(duì)鎳氫電池性能的提升

鑭元素作為稀土元素的一員，具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，這些性質(zhì)使得它在鎳氫電池中能夠發(fā)揮關(guān)鍵作用。在鎳氫電池中，鑭元素常被用作合金化元素，與鎳（Ni）等金屬形成複合合金，作為電池的負(fù)極材料。這種合金化不僅提高了負(fù)極材料的儲(chǔ)氫能力，還優(yōu)化了電池的電化學(xué)性能。

鑭元素對(duì)鎳氫電池性能的提升包括提高儲(chǔ)氫能力，增強(qiáng)電化學(xué)穩(wěn)定性，延長(zhǎng)迴圈壽命，優(yōu)化放電性能等。

提高儲(chǔ)氫能力：鑭元素的加入可以顯著提高鎳氫電池負(fù)極材料的儲(chǔ)氫能力。儲(chǔ)氫能力是衡量鎳氫電池性能的重要指標(biāo)之一，它直接決定了電池的容量和能量密度。研究表明，通過合理的合金化設(shè)計(jì)，含有鑭元素的負(fù)極材料能夠吸附更多的氫原子，從而在相同體積或品質(zhì)下存儲(chǔ)更多的能量。

增強(qiáng)電化學(xué)穩(wěn)定性：鑭元素能夠增強(qiáng)鎳氫電池負(fù)極材料的電化學(xué)穩(wěn)定性。在充放電過程中，負(fù)極材料需要經(jīng)歷多次的氫吸附和解吸反應(yīng)，這些反應(yīng)會(huì)對(duì)材料的結(jié)構(gòu)造成一定的破壞。而鑭元素的加入可減緩這種破壞過程，使負(fù)極材料在長(zhǎng)時(shí)間使用後仍能保持較好的性能。

延長(zhǎng)迴圈壽命：迴圈壽命是鎳氫電池的重要指標(biāo)之一，它反映了電池在反復(fù)充放電過程中的耐用性。實(shí)驗(yàn)資料顯示，含有鑭元素的鎳氫電池在經(jīng)歷多次充放電迴圈後，其容量衰減率明顯低於不含鑭元素的電池。這得益於鑭元素對(duì)負(fù)極材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定作用以及其對(duì)電池內(nèi)部副反應(yīng)的抑制作用。

鎳氫電池圖片

優(yōu)化放電性能：鑭元素的加入還可以優(yōu)化鎳氫電池的放電性能。在放電過程中，電池需要快速釋放存儲(chǔ)的能量以滿足負(fù)載需求。而含有鑭元素的負(fù)極材料具有更高的氫擴(kuò)散速率和更低的內(nèi)阻，使得電池在放電過程中能夠更快地釋放能量並保持穩(wěn)定的電壓輸出。

以La-Ni合金為例，該合金是鎳氫電池中常用的負(fù)極材料之一。研究表明，通過調(diào)整La-Ni合金中鑭元素的含量和合金化工藝，可以顯著提高電池的儲(chǔ)氫能力和迴圈壽命。例如，某研究團(tuán)隊(duì)製備了一種La0.8Nd0.2Ni2.5Co2.4Si0.1合金並應(yīng)用於鎳氫電池中，該電池在4000次充放電迴圈後仍保持其84%的充電容量。這一資料充分證明了鑭元素在提高鎳氫電池迴圈壽命方面的有效性。

此外，鑭元素在燃料電池領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。作為燃料電池的陽極催化劑或陰極材料的一部分，鑭元素能夠促進(jìn)氫氣的分解和氧氣的還原反應(yīng)，提高燃料電池的效率和穩(wěn)定性。這些研究成果為鑭元素在鎳氫電池中的應(yīng)用提供了有益的借鑒和啟示。

鑭元素圖片

28.2 鈰元素在鎳氫電池中的應(yīng)用

28.3 鐠元素在鎳氫電池中的應(yīng)用

28.4 釹元素在鎳氫電池中的應(yīng)用

28.5 釤元素在鎳氫電池中的應(yīng)用

28.6 銪元素在鎳氫電池中的應(yīng)用

銪元素（Eu）作為稀土元素之一，在鎳氫電池中的應(yīng)用雖然不如其他稀土元素（如鈰、鑭、釹等）那樣廣泛和直接，但其獨(dú)特的理化性質(zhì)為電池性能的改進(jìn)提供了一定的可能性。

銪是一種稀土元素，具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)。它是稀土元素中最軟和最易揮發(fā)的元素，熔點(diǎn)為822°C，沸點(diǎn)為1597°C，密度為5.2434g/cm3。銪在室溫下極易被氧化，與冷水反應(yīng)劇烈生成氫氣，且能與多種元素（如硼、碳、硫、磷、氫、氮等）發(fā)生反應(yīng)。此外，銪還具有放射性，其中151Eu會(huì)進(jìn)行α衰變，半衰期為5.14×101?年，即在1公斤自然銪樣本中大約每2分鐘發(fā)生一次α衰變事件。然而，這種放射性在電池應(yīng)用中的影響通常被控制在安全範(fàn)圍內(nèi)。

銪元素圖片

銪元素在鎳氫電池中的潛在作用有哪些？

（1）電化學(xué)穩(wěn)定性：銪元素可能通過某種方式參與電池的電化學(xué)反應(yīng)，提高電池的電化學(xué)穩(wěn)定性。雖然具體機(jī)制尚不完全清楚，但稀土元素在電池中常作為穩(wěn)定劑使用，有助於減少電池內(nèi)部的不穩(wěn)定因素，從而提高電池的迴圈壽命和安全性。

（2）改善高溫性能：鎳氫電池在高溫環(huán)境下的性能往往受到挑戰(zhàn)，如充電效率降低、內(nèi)阻增加等。銪元素可能通過其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，對(duì)電池在高溫下的性能產(chǎn)生積極影響。例如，通過摻雜銪元素，可能能夠改善電池在高溫下的充電效率，減少熱量積累，提高電池的整體性能。然而，這一領(lǐng)域的研究尚需進(jìn)一步深入。

（3）催化作用：銪元素可能作為催化劑或催化劑的組成部分，在鎳氫電池的電化學(xué)反應(yīng)中發(fā)揮作用。催化劑能夠降低電化學(xué)反應(yīng)的活化能，提高反應(yīng)速率，從而改善電池的性能。

鎳氫電池圖片

隨著新能源汽車、儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅茈姵匦枨蟮牟粩嘣鲩L(zhǎng)，鎳氫電池作為一種成熟且可靠的電池技術(shù)，其性能的提升對(duì)於滿足市場(chǎng)需求具有重要意義。銪元素作為潛在的電池性能提升材料，其應(yīng)用前景值得期待。

不過，銪元素在鎳氫電池中的應(yīng)用仍存在一定的挑戰(zhàn)：研究不足：目前關(guān)於銪元素在鎳氫電池中具體應(yīng)用的研究相對(duì)較少，缺乏詳細(xì)的資料和深入的機(jī)理研究。成本問題：稀土元素包括銪元素在內(nèi)，其價(jià)格相對(duì)較高且供應(yīng)不穩(wěn)定，這可能增加電池的生產(chǎn)成本。安全性與環(huán)保性：銪元素具有放射性，雖然其放射性在電池應(yīng)用中的影響通常被控制在安全範(fàn)圍內(nèi)，但仍需關(guān)注其對(duì)環(huán)境和人體健康的潛在影響。