稀土在高性能电池开发中的应用

稀土亦即稀土元素（RareEarth），是指化学元素周期表中的镧系元素（La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu），以及与镧系元素的化学性质相似的钪（Sc）和钇（Y），共计17种元素。由于稀土元素最早是从瑞典产的比较稀少且类似“土”状物的矿物中发现的，故而得名。其实，稀土并不“稀”，它们在地壳中的丰度要比人们最初认为的丰富得多，即使丰度最少的稀土元素也比铂族元素多；它们也不是“土”，而是典型的金属元素，金属活泼性仅次于碱金属和碱土金属元素。由于稀土所具有的独特的化学性质，它们已经被广泛地应用于钢铁、冶金、电子、化学、玻璃等行业，因此常被冠以“世间神奇之土”和“工业味精”的美誉。稀土电池是稀土应用于高新技术产业而产生的高附加值产品之一。本文以铅酸蓄电池和镍氢电池为例，简要介绍稀土在电池研发中的应用。

铅酸蓄电池在各类电池中所占的比重最大，据统计，其约占二次电池市场75%的份额。在美国、欧洲、日本等发达国家，铅酸蓄电池的使用范围非常广泛，2003年全球销售额为198亿美元。中国是全球铅酸蓄电池的产销大国，2003年全年产量达6亿只，销售额达100亿人民币，而且需求量正以每年15～40%的速度增长。国内研究者对稀土铅酸蓄电池的研究表明，稀土的加入有利于提高电极板铅基合金的抗拉强度、硬度、耐腐蚀性能和析氧过电位，活性组分中添加稀土可减少正极氧气析出量，提高正极活性物质的利用率，从而改善蓄电池的性能和使用寿命。中国专利CN1221991报道了一种电动车用高比能量铅酸蓄电池的制备方法，其正极板栅采用含0.01～1.0%Ag或Ce或La的铅基合金材料。CN1309434介绍的长寿命密封铅酸蓄电池，除采用含0.005～0.12%RE的铅钙合金作为正极板栅材料外，正极活性物质含0.005～0.5%RESO4。CN1423354报道了一种含混合稀土的蓄电池用8元系铅基板栅合金新材料，用该材料制备的铅酸蓄电池的水耗比铅钙系蓄电池减少4倍，寿命延长2倍多。CN1476118公开的一种铅酸蓄电池正极用深循环板栅合金配方，通过在铅钙锡铝合金中添加钇和铈等稀土金属而改变板栅合金的晶体结构，增强了电极板栅的耐腐蚀性、导电性和电化学稳定性，从而使铅酸蓄电池深循环寿命明显提高。国外也有专利涉及稀土铅酸蓄电池的研究，JP2003221633公开的铅酸蓄电池板栅，通过在Pb-Ca-Nn-Al合金中添加一定量的Ce，获得较好的耐腐蚀性能和机械强度。US6180286和US5874186介绍的铅酸蓄电池，其优选的正极板铅基合金中添加混合稀土金属，混合稀土中含50%Ce，15～30%La，其余为其它各种稀土元素。

镍氢电池具有比容量高、大电流、充放电性能好、无公害等优点，因而被称为“绿色电池”，并在笔记本电脑、手机等便携式小型电器中得到广泛应用。专家认为，镍氢电池是稀土在高新技术产业中的五大应用焦点之一，其余四大分别是磁性材料、发光材料、光通讯用材料和汽车尾气催化剂。中国专利CN1312594报道的一种大容量混合稀土镍氢电极合金材料，采用混合稀土与镍(Ni)、钴(Co)、镁(Mg)、铝(Al)、钛(Ti)经真空感应熔炼方式制取。CN1392622涉及高温镍氢电池用贮氢镍基合金材料及制备方法，该贮氢合金含镧、铈、镨、钕等稀土，在高温条件下能快速充电并具有高电容量。日本专利JP2004127549介绍的镍氢电池，能够在保持优良的高速放电特征的同时抑制电池使用寿命的衰减，其负极由稀土-镁-镍基储氢合金组成。JP2003317712报道的一种镍氢电池，即使长期不使用仍具有很好的冲放电循环特性，其负极合金材料含La、Ce、Pr、Nd等稀土元素的混合物。美国专利US6248475和US6200705公开的镍氢二次电池，负极合金材料含有至少一种的稀土元素

我国素有稀土王国之称，稀土资源的储量约占全球总储量的70%，稀土企业有上百家，分布在二十多个省市。就稀土的生产状况而言，北方以稀土高科和甘肃稀土公司为轴心，构成了以包头资源为主、四川资源为辅的轻稀土产品生产体系；南方以上海跃龙有色金属公司为龙头，构成了以江西、广东两省离子型稀土资源为主的中重稀土生产体系。经过几十年不懈的努力，我国从稀土大国逐渐发展成为稀土强国，稀土产业在生产规模、生产量、出口量和消费量上均越居全球第一。为更好地发展这一优势产业，开发稀土的新应用和新市场是关键。将稀土材料用于铅酸蓄电池和镍氢电池的研制开发，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科技领域的应用，开发高附加值产品，因而具有重要的现实意义。