第一情报 ---材料工业

2018年镍氢电池材料发展动向

供稿人:温一村  供稿时间:2020-6-9   关键字:镍氢电池材料  负极材料  

镍氢电池是20世纪90年代发展起来的一种新型绿色电池,制造成本低,对环境无污染,目前混合动力车(HEV)搭载的电池85%以上都是镍氢动力电池,主要原因在于:一是镍氢电池在混动系统的充放电模式下(一般在40%~80%之间),可以获得比锂电池更久的使用寿命,如丰田汽车上配装的镍氢动力电池在使用十年后依然处于正常使用状态,二是混合动力车电池瞬间功率输出高,电流也高,而大功率充放电是镍氢电池相比锂电池的一个重要优势,所以混合动力汽车的首选是镍氢动力电池,受到锂离子电池以及氢燃料电池技术进步的影响,镍氢电池市场有可能被逐渐压缩,未来发展方向尚不明确,在电池技术未有重大突破之前,镍氢电池依旧是对电池电量要求不高的混合动力汽车的最佳配置。

负极材料研发取得突破

在关键材料上,镍氢电池主要由正极、负极、隔膜和电解质构成:正极为镍电极(Ni(OH)2);电解质主要为液体,主要成份是氢氧化钾(KOH);负极材料体系主要包括:AB5型、AB2型、AB型、A2B7型、BCC固溶体型合金等,其中A金属(La、Ti、Zr等)可以大量吸进氢气,形成稳定的氢化物,而B金属(Ni、Co、Fe、Mn)不能形成稳定的氢化物,但氢很容易在其中移动,也就是说,A金属控制着氢的吸藏量,而B金属控制着吸放氢气的可逆性,各类合金都存在优缺点,因此它们在实际中都有一定的适用范围:

AB5型以其优异的倍率性能及循环寿命,成为目前使用最广的镍氢电池负极材料,研究表明,AB5型合金成分的优化、表面处理等方式均会大大影响其功率输出,最初研究使用的是LaNi5合金,由于价格上的问题,在实用化过程中通常采用混合稀土取代单一的稀土元素,制备成贮氢合金。

近年来,A2B7型储氢合金的研究取得突飞猛进的进展,它是一种计量比介于 AB5型和AB2型之间的新结构储氢合金,一般而言,A2B7型储氢合金的A侧主要由稀土元素和镁元素组成,B侧一般为过渡族金属元素,组成结构一般为RE-Mg-Ni,A2B7型储氢合金具有超堆垛结构,与传统AB5型合金相比结构更加复杂,A2B7工艺控制水平要求更高,具有更好的低自放电性能和更高的储氢容量,最初制约该类型合金产业化应用瓶颈主要是循环寿命问题,随着研究深入,通过元素替代和热处理工艺改善等措施,基本解决循环寿命差这一瓶颈,使该合金逐步开始在镍氢电池领域得到应用。A2B7型储氢合金的研究热点之一是采用廉价金属替代价格昂贵的Nd稀土金属及改进合金制备工艺。由于具有超堆垛结构的 A2B7型储氢合金在制造过程中容易形成多相,导致材料的稳定性下降,材料组成中含有低蒸汽压的镁元素,使得成分难以保证且存在安全隐患,因此开发新的工艺技术破解上述难题业已成为A2B7型储氢合金研究重点。

镍氢电池回收利用备受业界关注

镍氢电池作为车用电池投放市场已超过十年,随着汽车报废,对应的镍氢电池如何处理引起业界广泛关注,虽然镍氢电池对环境影响要小于镍镉电池,但是考虑到废旧镍氢电池的回收经济价值很高,电池内部含有大量的镍,钻以及稀土等珍贵矿产资源,因此加大废旧镍氢电池的回收力度,不仅有益于减少电池成本,还能够有效促进社会经济效益的提升,国际上通用做法多由汽车公司出面,对自身品牌汽车上的废旧镍氢电池进行回收处理,例如丰田,其对废旧镍氢电池的处理历程如下(表1):

表1:丰田的废旧镍氢电池处理发展历程

时间

措施

涵盖范围

1998年

启动废旧镍氢电池回收计划

逐步推进

2009年

建立回收指导

全球范围内销售混合动力车辆的国家

2010年

延长电池回收协议

在有条件的地区确保100%回收

2012年

回收电机稀土材料

逐步推进

2013年

梯次利用镍氢电池

试点

资料来源:上海科学技术情报研究所收集整理

 

整体来看,丰田在不同地区执行的政策并不相同,回收都是从销量较大、实施较易的地区开始,先回收,实现有效储存,然后达到一定量之后再进行处理利用,主要分为三类:一是进入维修体系:对电池进行充放电试验和相关信息的读取,如电池整体状况良好,只是个别单体到达使用寿命,则对这些单体更换后重新组装电池包,可以作为置换电池重新应用于新汽车上。二是梯次利用:通过检测,如果回收电池还剩余规定容量,则可以进行梯次利用,应用于分布式储能电池系统,用来平抑、稳定风能、太阳能等间歇式可再生能量发电的输出功率;或者应用于微电网,实施削峰填谷,减轻用电负荷供需矛盾。三是拆解:对于完全丧失再利用价值的电池,则对电池进行拆解和化学处理,完全回收镍、钴等金属,用于生产新的电池,实现循环利用。与此同时,国内针对于废旧镍氢电池的回收仍然处于起步阶段,回收利用水平与西方等发达国家仍然存在着一定的差距。


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