稀土储氢材料
稀土储氢材料
姓名：何磊学号：3091161029 班级：金属材料0901
学院：京江学院江苏大学
摘要：稀土储氢材料以其活化容易，平衡压力适中且平坦,吸放氢平衡压差小，抗杂质
气体中毒性能好，适合室温操作等优点，在氢燃料电池领域作为安全高效的储氢材料为人们
所重视，稀土储氢材料具有卓越的储氢性能及多方面的实用价值，结合我国的丰富稀土资源，
在我国大力进行稀土储氢材料研究具有重要意义和巨大价值。
关键词：氢能储氢材料稀土燃料电池LaNi5
1.引言
随着全球经济的快速发展，能源需求与日俱增，同时，传统的煤炭、石油和天然气等化
石燃料带来了环境污染、温室效应等诸多问题，因此清洁、可再生能源的开发已迫在眉睫。
在众多新能源中，氢能被视作连接化石能源和可再生能源的重要桥梁。在氢能利用过程中，
氢气的储存和运输是其发展和应用中遇到的难点之一。
氢气传统储氢方法中因存在储存氢气密度小，体积大，具有较大安全隐患，储存成本高,
使用条件苛刻等不足之处,所以这些传统储氢方法根本无法满足现代社会对氢能利用的要
求。开发新型高效的储氢材料和安全的储氢技术是当务之急。随着研究的深入进展, 在储氢
材料领域中逐渐出现了多样化,自20 世纪60 年代后期荷兰菲利浦公司发现LaNi5【1】以及美
国布鲁克海文国家实验室发现Mg2Ni、TiFe 等金属间化合物的储氢特性后,世界各国都在竞
相研究开发不同的储氢材料。新型储氢材料层出不穷,性能在不断提高,应用领域也在不断扩
大。储氢材料在电池领域的产业化,更激起了人们对储氢材料的高度重视。其中稀土储氢材
料是一种活化容易，平衡压力适中且平坦,吸放氢平衡压差小，抗杂质气体中毒性能好，适
合室温操作等优点的储氢材料【2】。
2.主要稀土储氢材料
稀土储氢材料主要有两类：LaNi5型储氢合金（AB5型）和La-Mg-Ni系储氢合金（AB3型、
A2B7型），祥见下表1：
（1）
2.1 LaNi5系合金
LaNi5是稀土系储氢合金典型代表，由荷兰菲利浦实验室首先研制。LaNi5的最大优点是
活化容易，平衡压力适中、平坦，吸放氢平衡压力差小以及良好的动力学和抗杂质气体中毒
特性。LaNi5吸氢形成LaNi5H6.5，贮氢量约1.4wt％，25°C的分解压力（放氢平衡压力）约
0.2MPa，分解热-30.1kJ／mo1H2，非常适合于环境温度下操作。LaNi5的最大缺点是成本较
高，吸氢后体积膨胀大（约23．5％）【3】。LaNi5型储氢电极合金已于上世纪90年代初在日本
和中国先后实现了产业化。目前，国内外稀土系储氢合金主要产品为LaNi5型，全球稀土储
氢合金的年产量大约为3万吨【4】。
2.2 MmNi5系合金。
Mm是指富含Ce（≥40wt％）的混合稀土金属，其价格比纯稀土低得多，以其替代La可显著降低成本。MmNi5可在室温和6.0MPa氢压下活化，生成MmNi5H6，贮氢量约1.3wt％。该合金的缺点是活化性能远比LaNi5差和室温吸氢平衡压力太高（～3.0MPa）。多元合金化可有效克服上述缺点，其中以Mn和Al部分取代Ni效果最佳。 Mn与Al是最强的降低吸氢平衡压力元素，其中Mn的置换可以较好保持原合金的储氢容量，而Al元素则显著缩小吸放氢滞后压力差和改变乙H值。
2.3 MINi5系合金
MINi5合金首先由浙江大学开发，它是一种利用我国丰富稀土资源的新型储氢合金。Ml 是提取Ce后的富含La（≥40wt％）与Nd的混合稀土金属。以Ml取代La组成的MINi5不仅保持了LaNi5所具有的许多优良特性，而且在储氢容量和动力学性能方面优于LaNi5。由于Ml价格仅为纯La的约1/3，因此更具实用性。 MINi5可在室温下一次活化，形成MINi5H6.7氢化物，20°C分解压为0.38MPa，滞后小于0.1MPa，从性能和价格考虑，可作为金属氢化物储运氢的首选材料。
为满足不同应用场合需要，进一步发展了MlNi5-x M x系列（M：Mn、A1、Cr、Cu、Fe，≤1.0)。其中MINi4.5Mn0.5和MlNi4.75A10.25非常适合于氢气的大规模集装箱输送。近年来在MlNi5基础上又发展了一种Ml1-x、Ca x Ni5系三元合金。Ca也是一种吸氢元素，由于其重量轻、价格便宜、资源丰富，以其部分取代Ml目的在于进一步提高贮氢容量和降低成本。研究表明，当x=0.1-0.9范围，所有合金组成的贮氢量均达到1.6wt％，而20℃的分解压为0.1-1.0MPa，处于工业应用的最佳范围。该系列合金已成功地选用于氢能汽车氢燃料箱和便携式燃料电池氢燃料箱。
3.我国稀土储氢材料研发
国内外规模型企业的传统LaNi5型储氢合金的技术、工艺水平和产品性能没有明显的差距。稀土储氢材料仍处于开发试验阶段。稀土储氢材料应用于国民经济中的冶金、石油化工、光学、磁学、电子、生物医疗和原子能工业的各大领域的30多个行业。2008年，包头稀土研究院自主开发出新型La-Fe-B系储氢合金，与传统LaNi5型储氢合金相比，具有成本低、功率和低温放电性能好的特点。我国包头市具有较强稀土资源优势的高科技产品，发展稀土储氢电极材料有利于民族工业的进步，将稀土材料应用于氢燃料电池的研制与开发^既能改善电池产品的性能和使用寿命，又可拓宽稀土在高新技术领域的应用，开发高附加值产品。促进氢能与燃料电池领域的快速发展【5】。
4.稀土储氢材料存在的问题
稀土系储氢合金材料存在价格贵，密度大，吸收一定量的氢后重量太大等缺点。一方面，人们将它与镁系储氢材料联系起来，以便同时克服梅西储氢材料与氢气反应慢，氢化物分解温度高等缺点；另一方面，人们用回合稀土来代替纯稀土元素，以便降低储氢材料的价格，达到实际应用的目的。
5.展望：
稀土功能材料已列入我国“十二五”期间的战略性新型产业。由于稀土储氢材料具有卓越的储氢性能及多方面的实用价值，结合我国的丰富稀土资源，在我国大力进行稀土储氢材料研究很有意义和价值。努力建成比较完善的创新体系，培育出一批具有世界水平的稀土专家和研究团队，取得一批具有重大影响的创新成果，造就一批自主知名品牌产品。使我国稀土材料的生产技术进入世界先进水平行列。
致谢：袁志钟老师舍友陈昱泌组员吴云亮孟季盛
参考文献：
【1】Vucht J H N ， Kuijpers F A ，Bruning H C A M. Philips ResRep.25 ,133(1970)
【2】王静，稀土在功能材料中的应用和新进展. 化学推进剂与高分子材料.1 (5) ,29～33(2003)
【3】王景儒，制氢方法及储氢材料研制进展.化学推进剂及高分子材料.2，13（2004）
【4】陈长聘，王启东，金属氢化物贮氢技术研究与发展 .（浙江大学，杭州丑0027）
【5】冯治库，杨宏秀，焦玉琏，马忠乾，稀土储氢材料研究的进展.稀有金属材料与工程.1，59(1990)
研制出集多种单一储氢材料储氢优点于一体的复合储氢材料是未来储氢材料发展的一个方向。