氢气还能“存”进金属里?储氢合金稳定性更高,将改变未来能源格局

材料铺子 2022-09-15
3261 字丨阅读本文需 8 分钟

呼吸,是指机体与外界环境之间气体交换的过程。世间的生物依靠呼吸来获取生命活动的动力。然而,呼吸只是生命体的专利么?其实,有些金属也能够“呼吸”,它们能吸入和呼出氢气,不必要支持生命活动,却可以储能并为航天器、潜艇、燃料电池汽车等提供动力。

储氢合金的特别之处

首先,我们来了解下氢气。氢气来源广泛,可由水制得,其在氧气中燃烧又生成水,对环境无污染,且发热值高。不管是从当前化石能源短缺问题出发,还是出于环境保护与可持续发展的考虑,氢能被认为是未来最理想的清洁能源。

与高压气瓶或低温液化等物理储氢方式不同,储氢合金通过与氢化合,以金属氢化物形式储存氢,并能在一定条件下将氢释放出来。采用储氢合金来储氢,不仅具有储氢量大、能耗低、使用方便的特点,而且可免去庞大而笨重的钢制容器,使存储与运输更为方便和安全。

合金作为储氢材料,根据不同的用途有不同的要求。一般来说,有以下几方面基本要求:首先,单位质量、单位体积吸氢量要大,这决定了可利用的能量的多少;第二,金属氢化物形成与分解的平衡压要适当,即能在适合、稳定的氢压下大量吸、放氢;第三,吸放氢速率快,可逆性好;第四,抗氧化、湿度和杂质中毒能力强,具有高的循环寿命。这就好比生物呼吸一样,要气足、呼吸平和且顺畅。

储氢合金的前世今生

储氢合金的研究起始于20世纪60年代,首先是美国布鲁克—海文国家研究室的Reilly和Wiswall发现了镁和镍比为2:1形成的Mg₂Ni合金;1970年荷兰菲利浦实验室发现了LaNi5合金,其在常温下具有良好的储氢性能;随后Reilly和Wiswall又发现了FeTi金属间化合物。此后,世界各国从未停止过新型储氢合金的研究与发展。

能与氢化合生成氢化物的金属元素通常可分为两类:一类是A侧金属,如Ti、Zr、Ca、Mg、V、Nb、稀土元素等,这类金属元素容易与氢反应,形成稳定氢化物,并放出大量的热,称为放热型金属;另一类是B侧金属, 如Fe、Co、Ni、Cr、Cu、Al等,这类金属元素与氢的亲和力小,不容易形成氢化物,氢在其间溶解时为吸热反应,因此这类金属称为吸热型金属。目前正在研究与开发应用的储氢合金基本上都是将A类金属与B类金属组合在一起,制备出在适宜温度下具有可逆吸放氢能力的储氢合金。这些储氢合金主要可分为以下几大类:AB5型(稀土系),AB₂型(锆系与钛系),AB型(铁钛系),A₂B型(镁系)储氢合金等。

固态储氢成本已接近锂电池

固态储存需要用到储氢材料,目前技术较为成熟的储氢材料主要是金属合金。

储氢合金一般由两部分组成,一部分为吸氢元素或与氢有很强亲和力的元素,它控制着储氢量的多少,是组成储氢合金的关键元素,主要包括钛、镁等;另一部分是吸氢量小或根本不吸氢的元素,常见的有铁、镍等。

这些合金材料与氢气在低温的条件下发生化学反应,氢气在其表面分解为氢原子。合金材料内部有大量细微的晶格,氢原子扩散进入到晶格内部空隙中,形成金属氢化物。

想要把氢原子“释放”出来也很简单,只需施加一定热量,储氢材料就可以析出氢气。

周少雄告诉记者,目前他们开发的低温固态储氢材料可以存储其体积上百倍的氢气,因而其储氢密度比液氢还高。这些合金材料性能非常稳定,不会燃烧爆炸,可逆性好,重复使用不低于5000次。

“以我们开发的一种新型储氢材料为例,主要成分是镁和稀土元素镧、铈等,在炉中熔化冶炼,冷却成型,再破碎成粉末就可以了。”周少雄说,镁是自然界普遍存在的一种元素,镧、铈在稀土元素中储量丰富,因此综合成本已逼近锂电池。

近年来,世界各国在固态储氢应用和新型储氢材料的研发上取得了诸多进展,成熟的储氢材料已在热电联供、储能、车载燃料电池氢源系统等多个领域得到应用,德国一家公司甚至将固态储氢系统用于燃料电池潜艇中。

据周少雄介绍,他们最新研制的含镁储氢材料,储存容量可达每立方米110千克,远超美国能源局提出的储氢“终极目标”,但是制约其应用的是放氢温度过高,需要达到250℃以上。目前,科学家正通过各种方法来调控其热力学、动力学和循环寿命性能,希望可以早日实现商用。

氢气变身“固态油箱”或改变未来能源格局

日本丰田、韩国现代等企业投入巨资、耗时数十年研发氢能源汽车,但受制于加氢站建设的瓶颈,市场推广并不顺利。

“由于氢能储运问题没有解决,燃料电池成本较高,所以氢能源汽车还处在政府补贴、示范运行的阶段。”周少雄说,当固态储氢材料得到发展后,氢能利用将会有极大地改变。

比如,将固态储氢装置与燃料电池一体化集成,可充分利用燃料电池余热,吸热放氢,降低系统热能消耗,使得整个燃料电池动力系统的能源效率得以提高。

“目前,我们已建成国内唯一一条年产800吨储氢材料的生产线,并与九号公司、永安行等企业开展合作,推出固态储氢动力系统的摩托车、电动自行车等。”周少雄告诉记者,低温固态储氢材料技术成熟,成本可控,整套装置全部实现国产化,无需政府补贴也可以实现商业化应用。

周少雄介绍,他们开发的以固态储氢为氢源的百瓦级氢燃料电池发电系统,只需55克氢气就能驱动自行车行驶80公里,而这55克氢气就储存在一个普通矿泉水瓶大小的罐子里,储氢压力仅相当于普通气球。

周少雄大胆预言:“固态储氢罐可以做成像干电池一样的产品,未来可在便利店或超市随处购买,也可以将使用完的氢能源空瓶放置存储箱,由快递员每日更换。”

未来,解决了储运难题,氢能的应用不仅是备受关注的燃料电池汽车,还包括氢能发电、工业应用及建筑应用等,不仅可以作为建筑热电联供电源、微网的可靠电源与移动基站的备用电源,还能够与数字化技术结合,让以固态储氢为氢源的氢燃料电池动力系统在无人驾驶、军用单兵、深海装备等诸多领域发挥重要作用。

打破国外技术垄断,自主构建中国首条新型储氢材料生产线

2016 年,在获悉国外实现了新型稀土储氢材料产业化,且产品已经开始用于高容量和低自放电型电池生产,韩树民教授受到了很大触动。

在他看来,储氢技术是氢能应用的一个关键核心技术,中国已经开展了系统的理论研究和技术开发,但产业化能力却仍显不足。而作为一名科技工作者,其从事科学研究的一个最大心愿是希望把自己的研究成果及时转化为生产力。“外国人能做到的,我们也能做到。”韩树民说道。

在这种情况下,凭着一颗不服输的心和一腔热血,韩树民于 2017 年在包头稀土高新区创建了包头中科轩达新能源科技有限公司(以下简称为中科轩达),开始了创业之路。

科学研究最忌脱离实际,而企业也需找准自身定位,将技术和产业化结合,如此方能践行国家重大战略需求。

近年来,中国政府不断加大力度鼓励氢能产业发展,并在电堆技术和零部件等方面取得积极进展。但不可否认的是,中国在关键的储氢材料和技术方面与国际差距依旧显著,这也导致氢能产业链各环节成本较高,商业化推广十分困难。

而中科轩达正是瞄准了这一市场需求,坚持走科技引领和绿色发展的道路,致力于打造全球技术领先、品质优异的先进储氢材料研发中心和产品供应基地。

在这种初心和使命的引领下,加上中科院包头稀土研发中心和中科创星的孵化支持,中科轩达依托韩树民团队的研究成果,迅速启动了新型稀土储氢合金电极生产线建设项目。

据了解,该项目已于 2019 年 12 月顺利完成。这也是中国第一条具有自主知识产权的新型稀土储氢材料生产线,目前产能达 300 吨/年以上,且已进入技术成熟、生产稳定和产品市场推广阶段。同时,也打破了国外在新型稀土储氢材料工业技术和产品方面对中国的垄断和封锁。

依托先进技术,固态储氢与镍氢电池齐头并进

值得注意的是,稀土储氢材料除了具有固态储氢性能外,还具有电化学储氢性能,其另一个重要用途便是作为镍氢电池的负极材料。

镍氢电池又称金属氢化物镍(MH/Ni)电池,使用氢氧化钾水溶液作为电解液,属于水系碱性电池。其具有安全性高、耐低温、可快速充电、大功率放电、绿色环保易于回收等特点,而这些恰好属于锂电池的薄弱环节,因此可在一定程度上弥补市场需求。

目前,镍氢电池在油电混合动力节能汽车、轨道交通、轮船、潜艇坦克、风电光伏储能、电动叉车、智能家电、消费电子、医疗设备、物联网、特种仪器仪表以及民用消费电池等行业领域得到了广泛应用。

而中科轩达生产的新型稀土储氢合金材料与传统 AB5 型储氢合金电极材料相比,电化学容量可提高 20% 以上,在容量性能、动力学性能、低温特性等方面均有大幅度提高,极大提高了镍氢动力电池的性价比,已在多家镍氢电池企业得到应用和推广。

“当前镍氢电池迫切需要解决的问题是重量能量密度较低,因此,研发和生产高容量的新型稀土储氢材料可极大提高 MH/Ni 电池的市场竞争力。”韩树民说。

谈及下一步发展规划,韩树民表示,中科轩达将在维持当前产能的基础上,建设一条新生产线,使新型稀土储氢材料年产能突破 1000 吨。与此同时,中科轩达还将进一步发挥新型稀土储氢材料在成本、性能以及资源储备上的优势,坚持稳步扩大电池储氢材料的同时,积极迎对氢能产业的迅猛发展,大力开发和推广固态储氢材料,打造高性能储氢材料研发中心和产品供应基地。

文章来源: DeepTech深科技,中国能源报,沐风机械

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