第IV部分 稀土在新能源電池市場的介紹
第二十八章 稀土元素在鎳氫電池中的應用
鎳氫電池（Ni-MH）作為一種環保、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，它們在電池中主要扮演穩定劑的角色，調節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，鈰元素能夠穩定電池的電化學穩定性，從而提高充放電效率和電池容量。實驗資料顯示，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，提高了電池的倍率性能，使得電池在高功率放電時表現出色。
稀土礦山圖片
在鎳氫電池的負極材料中，稀土元素與鎳、鎂等元素形成的合金（如La-Mg-Ni系合金）具有優異的儲氫性能。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，還增強了合金的迴圈穩定性。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象。實驗表明，這種元素替代顯著提高了合金的迴圈穩定性，同時增強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阻和自放電率。內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時間靜置後仍能保持較高的電量，延長了電池的使用壽命。
據中鎢線上瞭解，稀土儲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整體性能的提升至關重要。研究表明，用Ce、Pr和Nd分別替代La後，合金的迴圈穩定性均有顯著增加；例如，採用Ce替代La的合金，在1000次充放電迴圈後，容量保持率可達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%的混合動力汽車（HEV）採用鎳氫電池作為其動力源，這些電池多數以AB5型稀土貯氫合金為負極材料。稀土元素的加入使得這些電池具有高電容量、長壽命和環保等優點。
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重要的環保問題。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，已有多種技術被用於廢舊鎳氫電池中稀土元素的回收，如濕法冶金技術等。研究表明，通過優化回收工藝，稀土元素的回收率可達到較高水準，從而實現資源的迴圈利用。
綜上所述，稀土元素在鎳氫電池中的應用極大地提升了電池的性能表現，包括迴圈壽命、電池容量、倍率性能以及降低內阻和自放電率等方面。這些性能的提升不僅推動了鎳氫電池在新能源汽車等領域的應用，也為全球能源結構的優化和可持續發展做出了重要貢獻。同時，隨著稀土資源的緊缺和環保意識的增強，未來還需要在稀土元素的回收再利用方面進行深入研究和探索，以實現資源的可持續利用和環境保護的雙重目標。
鎳氫電池圖片
28.1 鑭元素在鎳氫電池中的應用
鑭元素是一種銀白色金屬， 化學符號La，原子序數57，原子量138.91，密度6.162g/cm³，熔點920℃，沸點3464℃（常壓）質軟易切割；在空氣中易氧化，暴露後很快失去金屬光澤生成一層藍色的氧化膜，但此膜不能保護金屬，會進一步氧化生成白色的氧化物粉末；遇熱、明火、氧化劑等物質接觸有引起燃燒的危險，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℃穩定存在）、γ型（>868℃穩定存在）。
金屬鑭圖片
一、鑭元素的用途
鑭被廣泛應用于儲能器件中，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。
鑭在催化領域也有重要應用，如作為汽車廢氣淨化劑將廢氣轉化為無害氣體；在化學、石化、製藥等工業中作為催化劑的活性成分促進化學反應。
電子工業：鑭和其他稀土元素的化合物具有磁光、發光、磁電、超導等特殊性質，可用於製造磁控管、顯示器、雷射器等電子元器件。
電動汽車：在電動汽車電池的生產中，鑭也發揮著重要作用，如用於製造鎳氫電池等。
其他領域：鑭還被用於製造精密光學玻璃、高折射光學纖維板等光學材料；作為添加劑用於鋼鐵冶金以提高鋼的性能；在環境保護領域用於廢水處理和汽車尾氣淨化等。
鑭元素圖片
二、鑭元素對鎳氫電池性能的提升
鑭元素作為稀土元素的一員，具有獨特的物理化學性質，這些性質使得它在鎳氫電池中能夠發揮關鍵作用。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，作為電池的負極材料。這種合金化不僅提高了負極材料的儲氫能力，還優化了電池的電化學性能。
鑭元素對鎳氫電池性能的提升包括提高儲氫能力，增強電化學穩定性，延長迴圈壽命，優化放電性能等。
提高儲氫能力：鑭元素的加入可以顯著提高鎳氫電池負極材料的儲氫能力。儲氫能力是衡量鎳氫電池性能的重要指標之一，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計，含有鑭元素的負極材料能夠吸附更多的氫原子，從而在相同體積或品質下存儲更多的能量。
增強電化學穩定性：鑭元素能夠增強鎳氫電池負極材料的電化學穩定性。在充放電過程中，負極材料需要經歷多次的氫吸附和解吸反應，這些反應會對材料的結構造成一定的破壞。而鑭元素的加入可減緩這種破壞過程，使負極材料在長時間使用後仍能保持較好的性能。
延長迴圈壽命：迴圈壽命是鎳氫電池的重要指標之一，它反映了電池在反復充放電過程中的耐用性。實驗資料顯示，含有鑭元素的鎳氫電池在經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。這得益於鑭元素對負極材料結構的穩定作用以及其對電池內部副反應的抑制作用。
鎳氫電池圖片
優化放電性能：鑭元素的加入還可以優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的能量以滿足負載需求。而含有鑭元素的負極材料具有更高的氫擴散速率和更低的內阻，使得電池在放電過程中能夠更快地釋放能量並保持穩定的電壓輸出。
以La-Ni合金為例，該合金是鎳氫電池中常用的負極材料之一。研究表明，通過調整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氫能力和迴圈壽命。例如，某研究團隊製備了一種La0.8Nd0.2Ni2.5Co2.4Si0.1合金並應用於鎳氫電池中，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域也有廣泛應用。作為燃料電池的陽極催化劑或陰極材料的一部分，鑭元素能夠促進氫氣的分解和氧氣的還原反應，提高燃料電池的效率和穩定性。這些研究成果為鑭元素在鎳氫電池中的應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用
28.3 鐠元素在鎳氫電池中的應用
28.4 釹元素在鎳氫電池中的應用
28.5 釤元素在鎳氫電池中的應用
28.6 銪元素在鎳氫電池中的應用
銪元素（Eu）作為稀土元素之一，在鎳氫電池中的應用雖然不如其他稀土元素（如鈰、鑭、釹等）那樣廣泛和直接，但其獨特的理化性質為電池性能的改進提供了一定的可能性。
銪是一種稀土元素，具有獨特的物理和化學性質。它是稀土元素中最軟和最易揮發的元素，熔點為822°C，沸點為1597°C，密度為5.2434g/cm³。銪在室溫下極易被氧化，與冷水反應劇烈生成氫氣，且能與多種元素（如硼、碳、硫、磷、氫、氮等）發生反應。此外，銪還具有放射性，其中151Eu會進行α衰變，半衰期為5.14×10¹⁸年，即在1公斤自然銪樣本中大約每2分鐘發生一次α衰變事件。然而，這種放射性在電池應用中的影響通常被控制在安全範圍內。
銪元素圖片
銪元素在鎳氫電池中的潛在作用有哪些？
（1）電化學穩定性：銪元素可能通過某種方式參與電池的電化學反應，提高電池的電化學穩定性。雖然具體機制尚不完全清楚，但稀土元素在電池中常作為穩定劑使用，有助於減少電池內部的不穩定因素，從而提高電池的迴圈壽命和安全性。
（2）改善高溫性能：鎳氫電池在高溫環境下的性能往往受到挑戰，如充電效率降低、內阻增加等。銪元素可能通過其獨特的物理化學性質，對電池在高溫下的性能產生積極影響。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，這一領域的研究尚需進一步深入。
（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反應中發揮作用。催化劑能夠降低電化學反應的活化能，提高反應速率，從而改善電池的性能。
鎳氫電池圖片
隨著新能源汽車、儲能系統等領域對高性能電池需求的不斷增長，鎳氫電池作為一種成熟且可靠的電池技術，其性能的提升對於滿足市場需求具有重要意義。銪元素作為潛在的電池性能提升材料，其應用前景值得期待。
不過，銪元素在鎳氫電池中的應用仍存在一定的挑戰：研究不足：目前關於銪元素在鎳氫電池中具體應用的研究相對較少，缺乏詳細的資料和深入的機理研究。成本問題：稀土元素包括銪元素在內，其價格相對較高且供應不穩定，這可能增加電池的生產成本。安全性與環保性：銪元素具有放射性，雖然其放射性在電池應用中的影響通常被控制在安全範圍內，但仍需關注其對環境和人體健康的潛在影響。
銪元素圖片
28.7 釓元素在鎳氫電池中的應用
28.8 鋱元素在鎳氫電池中的應用
28.9 鏑元素在鎳氫電池中的應用
28.10 鉺元素在鎳氫電池中的應用
更多內容請閱讀/下載請下列pdf檔：
