钨钼稀土在新能源电池领域的应用与市场研究（二十八）
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- 分类：钨业新闻
- 发布于 2024年9月06日 星期五 10:39
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第IV部分 稀土在新能源电池市场的介绍
第二十八章 稀土元素在镍氢电池中的应用
镍氢电池（Ni-MH）作为一种环保、高效且能量密度较高的电池，其性能在很大程度上得益于稀土元素的加入。稀土元素主要指铈（Ce）、镧（La）、钕（Nd）、钐（Sm）、铽（Tb）、钆（Gd）、铒（Er）、铕（Eu）等，它们在电池中主要扮演稳定剂的角色，调节电池电压并提升电池的整体性能。
稀土元素的加入显著提高了镍氢电池的循环寿命和电池容量。例如，铈元素能够稳定电池的电化学稳定性，从而提高充放电效率和电池容量。实验数据显示，含有铈的镍氢电池在多次充放电循环后，其容量衰减率明显低于不含铈的电池。此外，镧和钕元素通过增加电池的水合氢离子数，提高了电池的倍率性能，使得电池在高功率放电时表现出色。
在镍氢电池的负极材料中，稀土元素与镍、镁等元素形成的合金（如La-Mg-Ni系合金）具有优异的储氢性能。这些合金通过稀土元素的加入，不仅提高了吸氢和放氢的速率，还增强了合金的循环稳定性。例如，用Ce、Pr或Nd等原子半径较小的稀土元素部分取代La，可以减小合金晶胞体积，降低充放电循环过程中的体积变化，从而减轻合金的粉化现象。实验表明，这种元素替代显著提高了合金的循环稳定性，同时增强了其高倍率放电性和低温放电性。
稀土元素的加入还有助于降低镍氢电池的内阻和自放电率。内阻的降低意味着电池在充放电过程中的能量损失减少，从而提高了电池的能效。自放电率的降低则保证了电池在长时间静置后仍能保持较高的电量，延长了电池的使用寿命。
据中钨在线了解，稀土储氢合金占镍氢电池材料成本的40%以上，其中Ni、Co等元素占比较大，但稀土元素的加入对整体性能的提升至关重要。研究表明，用Ce、Pr和Nd分别替代La后，合金的循环稳定性均有显著增加；例如，采用Ce替代La的合金，在1000次充放电循环后，容量保持率可达90%以上。加入稀土元素的镍氢电池，其倍率放电性能可提升至普通电池的1.5倍以上，同时低温放电性能也得到显著改善。
目前，全球85%的混合动力汽车（HEV）采用镍氢电池作为其动力源，这些电池多数以AB5型稀土贮氢合金为负极材料。稀土元素的加入使得这些电池具有高电容量、长寿命和环保等优点。
随着镍氢电池的大量使用，废旧电池的回收处理成为了一个重要的环保问题。稀土元素作为宝贵的资源，其回收再利用具有重要意义。目前，已有多种技术被用于废旧镍氢电池中稀土元素的回收，如湿法冶金技术等。研究表明，通过优化回收工艺，稀土元素的回收率可达到较高水平，从而实现资源的循环利用。
综上所述，稀土元素在镍氢电池中的应用极大地提升了电池的性能表现，包括循环寿命、电池容量、倍率性能以及降低内阻和自放电率等方面。这些性能的提升不仅推动了镍氢电池在新能源汽车等领域的应用，也为全球能源结构的优化和可持续发展做出了重要贡献。同时，随着稀土资源的紧缺和环保意识的增强，未来还需要在稀土元素的回收再利用方面进行深入研究和探索，以实现资源的可持续利用和环境保护的双重目标。
28.1 镧元素在镍氢电池中的应用
镧元素是一种银白色金属， 化学符号La，原子序数57，原子量138.91，密度6.162g/cm³，熔点920℃，沸点3464℃（常压）质软易切割；在空气中易氧化，暴露后很快失去金属光泽生成一层蓝色的氧化膜，但此膜不能保护金属，会进一步氧化生成白色的氧化物粉末；遇热、明火、氧化剂等物质接触有引起燃烧的危险，一般封存于固体石蜡或浸于煤油中以防止氧化。镧元素有三种晶型：α型（六方晶系）、β型（面心立方堆积，350℃稳定存在）、γ型（>868℃稳定存在）。
一、镧元素的用途
镧被广泛应用于储能器件中，如太阳能电池和氟化物电池。在太阳能电池中，镧可以作为掺杂元素提高电池的发电效率；在氟化物电池中，镧的加入可以提高电池的电荷和释放速度，增加电池容量。
镧在催化领域也有重要应用，如作为汽车废气净化剂将废气转化为无害气体；在化学、石化、制药等工业中作为催化剂的活性成分促进化学反应。
电子工业：镧和其他稀土元素的化合物具有磁光、发光、磁电、超导等特殊性质，可用于制造磁控管、显示器、激光器等电子元器件。
电动汽车：在电动汽车电池的生产中，镧也发挥着重要作用，如用于制造镍氢电池等。
其他领域：镧还被用于制造精密光学玻璃、高折射光学纤维板等光学材料；作为添加剂用于钢铁冶金以提高钢的性能；在环境保护领域用于废水处理和汽车尾气净化等。
二、镧元素对镍氢电池性能的提升
镧元素作为稀土元素的一员，具有独特的物理化学性质，这些性质使得它在镍氢电池中能够发挥关键作用。在镍氢电池中，镧元素常被用作合金化元素，与镍（Ni）等金属形成复合合金，作为电池的负极材料。这种合金化不仅提高了负极材料的储氢能力，还优化了电池的电化学性能。
镧元素对镍氢电池性能的提升包括提高储氢能力，增强电化学稳定性，延长循环寿命，优化放电性能等。
提高储氢能力：镧元素的加入可以显著提高镍氢电池负极材料的储氢能力。储氢能力是衡量镍氢电池性能的重要指标之一，它直接决定了电池的容量和能量密度。研究表明，通过合理的合金化设计，含有镧元素的负极材料能够吸附更多的氢原子，从而在相同体积或质量下存储更多的能量。
增强电化学稳定性：镧元素能够增强镍氢电池负极材料的电化学稳定性。在充放电过程中，负极材料需要经历多次的氢吸附和解吸反应，这些反应会对材料的结构造成一定的破坏。而镧元素的加入可减缓这种破坏过程，使负极材料在长时间使用后仍能保持较好的性能。
延长循环寿命：循环寿命是镍氢电池的重要指标之一，它反映了电池在反复充放电过程中的耐用性。实验数据显示，含有镧元素的镍氢电池在经历多次充放电循环后，其容量衰减率明显低于不含镧元素的电池。这得益于镧元素对负极材料结构的稳定作用以及其对电池内部副反应的抑制作用。
优化放电性能：镧元素的加入还可以优化镍氢电池的放电性能。在放电过程中，电池需要快速释放存储的能量以满足负载需求。而含有镧元素的负极材料具有更高的氢扩散速率和更低的内阻，使得电池在放电过程中能够更快地释放能量并保持稳定的电压输出。
以La-Ni合金为例，该合金是镍氢电池中常用的负极材料之一。研究表明，通过调整La-Ni合金中镧元素的含量和合金化工艺，可以显著提高电池的储氢能力和循环寿命。例如，某研究团队制备了一种La0.8Nd0.2Ni2.5Co2.4Si0.1合金并应用于镍氢电池中，该电池在4000次充放电循环后仍保持其84%的充电容量。这一数据充分证明了镧元素在提高镍氢电池循环寿命方面的有效性。
此外，镧元素在燃料电池领域也有广泛应用。作为燃料电池的阳极催化剂或阴极材料的一部分，镧元素能够促进氢气的分解和氧气的还原反应，提高燃料电池的效率和稳定性。这些研究成果为镧元素在镍氢电池中的应用提供了有益的借鉴和启示。
28.2 铈元素在镍氢电池中的应用
28.3 镨元素在镍氢电池中的应用
28.4 钕元素在镍氢电池中的应用
28.5 钐元素在镍氢电池中的应用
28.6 铕元素在镍氢电池中的应用
铕元素（Eu）作为稀土元素之一，在镍氢电池中的应用虽然不如其他稀土元素（如铈、镧、钕等）那样广泛和直接，但其独特的理化性质为电池性能的改进提供了一定的可能性。
铕是一种稀土元素，具有独特的物理和化学性质。它是稀土元素中最软和最易挥发的元素，熔点为822°C，沸点为1597°C，密度为5.2434g/cm³。铕在室温下极易被氧化，与冷水反应剧烈生成氢气，且能与多种元素（如硼、碳、硫、磷、氢、氮等）发生反应。此外，铕还具有放射性，其中151Eu会进行α衰变，半衰期为5.14×10¹⁸年，即在1公斤自然铕样本中大约每2分钟发生一次α衰变事件。然而，这种放射性在电池应用中的影响通常被控制在安全范围内。
铕元素在镍氢电池中的潜在作用有哪些？
（1）电化学稳定性：铕元素可能通过某种方式参与电池的电化学反应，提高电池的电化学稳定性。虽然具体机制尚不完全清楚，但稀土元素在电池中常作为稳定剂使用，有助于减少电池内部的不稳定因素，从而提高电池的循环寿命和安全性。
（2）改善高温性能：镍氢电池在高温环境下的性能往往受到挑战，如充电效率降低、内阻增加等。铕元素可能通过其独特的物理化学性质，对电池在高温下的性能产生积极影响。例如，通过掺杂铕元素，可能能够改善电池在高温下的充电效率，减少热量积累，提高电池的整体性能。然而，这一领域的研究尚需进一步深入。
（3）催化作用：铕元素可能作为催化剂或催化剂的组成部分，在镍氢电池的电化学反应中发挥作用。催化剂能够降低电化学反应的活化能，提高反应速率，从而改善电池的性能。
随着新能源汽车、储能系统等领域对高性能电池需求的不断增长，镍氢电池作为一种成熟且可靠的电池技术，其性能的提升对于满足市场需求具有重要意义。铕元素作为潜在的电池性能提升材料，其应用前景值得期待。
不过，铕元素在镍氢电池中的应用仍存在一定的挑战：研究不足：目前关于铕元素在镍氢电池中具体应用的研究相对较少，缺乏详细的数据和深入的机理研究。成本问题：稀土元素包括铕元素在内，其价格相对较高且供应不稳定，这可能增加电池的生产成本。安全性与环保性：铕元素具有放射性，虽然其放射性在电池应用中的影响通常被控制在安全范围内，但仍需关注其对环境和人体健康的潜在影响。
28.7 钆元素在镍氢电池中的应用
28.8 铽元素在镍氢电池中的应用
28.9 镝元素在镍氢电池中的应用
28.10 铒元素在镍氢电池中的应用
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