第IV部分 稀土在新能源電池市場(chǎng)的介紹
第二十五章 新能源電池中的稀土元素介紹
稀土元素是化學(xué)元素週期表中鑭系元素的統(tǒng)稱(chēng)，包括鑭（La）、鈰（Ce）、鐠（Pr）、釹（Nd）、鉕（Pm）、釤（Sm）、銪（Eu）、釓（Gd）、鋱（Tb）、鏑（Dy）、鈥（Ho）、鉺（Er）、銩（Tm）、鐿（Yb）、鑥（Lu）共15種元素，以及與鑭系元素密切相關(guān)的釔（Y）和鈧（Sc），共17種元素。這些元素因其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，在新能源、新材料、電子資訊、航空航太等多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
稀土元素圖片
在儲(chǔ)能電池領(lǐng)域，特別是鋰電池和太陽(yáng)能電池中，稀土元素發(fā)揮著重要作用。例如，在鋰電池領(lǐng)域，鑭元素因其能夠與鋰離子形成穩(wěn)定的配合物而備受關(guān)注。這種配合物不僅有助於構(gòu)建高效的離子傳輸通道，提升電池的離子導(dǎo)電性能，還能在一定程度上改善電池的電化學(xué)穩(wěn)定性。通過(guò)優(yōu)化La元素在電池材料中的含量和分佈，可以顯著增強(qiáng)電池的迴圈壽命，減少因長(zhǎng)期充放電迴圈而導(dǎo)致的性能衰減。
鈰元素在鋰電池中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在其氧化物作為電極材料的組成部分。鈰的氧化物具有較高的理論比容量和良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，能夠在充放電過(guò)程中保持較高的活性，從而提高電池的能量密度和迴圈穩(wěn)定性。此外，Ce元素還因其獨(dú)特的儲(chǔ)氫性能，在鎳氫電池等其他類(lèi)型的儲(chǔ)能系統(tǒng)中也展現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)合理的材料設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化，Ce元素有望為儲(chǔ)能電池帶來(lái)更高的能量存儲(chǔ)效率和更長(zhǎng)的使用壽命。
除了上述幾種主要稀土元素外，如釤、銪、釓等也在某些特定類(lèi)型的電池或電池組件中發(fā)揮著重要作用。這些元素可能通過(guò)改善電池材料的導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性或機(jī)械性能等方面來(lái)提升電池的整體性能。然而，由於它們的應(yīng)用範(fàn)圍和重要性相對(duì)較小，目前的研究和應(yīng)用主要集中在探索其潛在價(jià)值和優(yōu)化其性能表現(xiàn)上。
值得一提的是，雖然鐠和釹並不直接用於電池內(nèi)部材料的構(gòu)建，但它們作為製造釹鐵硼永磁體的關(guān)鍵原料，對(duì)新能源汽車(chē)等應(yīng)用領(lǐng)域的電池系統(tǒng)性能產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。釹鐵硼永磁體以其高磁能積、高矯頑力和優(yōu)異的磁穩(wěn)定性，成為驅(qū)動(dòng)電機(jī)（如新能源汽車(chē)中的永磁同步電機(jī)）的理想選擇。通過(guò)提高電機(jī)的效率和性能，鐠和釹間接地提升了電池系統(tǒng)的整體效能和續(xù)航里程。隨著新能源汽車(chē)市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，對(duì)高性能永磁體的需求也將持續(xù)增長(zhǎng)，從而進(jìn)一步推動(dòng)鐠和釹在儲(chǔ)能電池相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。
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稀土元素在電池中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)包括：提高能量密度，增強(qiáng)迴圈穩(wěn)定性，提高安全性，提升充放電效率等。
稀土元素以其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，在改善電池材料晶體結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能方面展現(xiàn)出巨大潛力。通過(guò)優(yōu)化電池材料的配方和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，稀土元素的加入能夠有效提升電池的能量密度。這意味著在相同的體積或重量下，含有稀土元素的電池能夠存儲(chǔ)更多的電能，從而提供更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間和更高的能量輸出。這對(duì)於電動(dòng)汽車(chē)、可擕式電子產(chǎn)品等需要高能量密度的應(yīng)用場(chǎng)景尤為重要。
迴圈穩(wěn)定性是衡量電池性能的重要指標(biāo)之一。稀土元素能夠穩(wěn)定電池材料的結(jié)構(gòu)，減少在充放電過(guò)程中因體積變化或結(jié)構(gòu)破壞而導(dǎo)致的性能衰減。這種穩(wěn)定性不僅延長(zhǎng)了電池的迴圈壽命，還確保了電池在長(zhǎng)期使用過(guò)程中的性能一致性。對(duì)於需要頻繁充放電的儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這一優(yōu)勢(shì)尤為重要，因?yàn)樗苯雨P(guān)聯(lián)到系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。
電池的安全性是用戶和企業(yè)共同關(guān)注的焦點(diǎn)。稀土元素的應(yīng)用能夠顯著改善電池的熱穩(wěn)定性和抗過(guò)充、過(guò)放能力。通過(guò)降低電池在極端條件下的熱失控風(fēng)險(xiǎn)，稀土元素提高了電池的安全性能。這對(duì)於保障電池系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義，特別是在電動(dòng)汽車(chē)等涉及人員安全的應(yīng)用場(chǎng)景中更為關(guān)鍵。
稀土元素的添加還可以優(yōu)化電極材料的離子傳輸通道和電化學(xué)反應(yīng)速率。這有助於減少電池在充放電過(guò)程中的內(nèi)阻和極化現(xiàn)象，提高電池的充放電效率。這意味著電池可以在更短的時(shí)間內(nèi)完成充電或放電過(guò)程，從而提高了使用便利性。對(duì)於快節(jié)奏生活的現(xiàn)代人來(lái)說(shuō)，這一優(yōu)勢(shì)無(wú)疑具有巨大的吸引力。
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隨著全球?qū)稍偕茉春托履茉雌?chē)需求的不斷增加，稀土元素在電池領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊。
市場(chǎng)需求持續(xù)增長(zhǎng)：隨著電動(dòng)汽車(chē)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、可擕式電子產(chǎn)品等市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，對(duì)高性能、高能量密度電池的需求將持續(xù)增長(zhǎng)。這將推動(dòng)稀土元素在電池領(lǐng)域的應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大。根據(jù)國(guó)際能源署測(cè)算，2030年全球新能源汽車(chē)需求量將達(dá)4500萬(wàn)輛，是2022年的4.5倍；全球光伏新增裝機(jī)需求將達(dá)到820吉瓦，是2022年的約4倍。
技術(shù)創(chuàng)新推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)：隨著材料科學(xué)、電化學(xué)等領(lǐng)域的不斷發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新，稀土元素在電池中的應(yīng)用將更加廣泛和深入。例如，通過(guò)優(yōu)化稀土元素的配比和工藝條件，可以進(jìn)一步提高電池的性能和降低成本。
環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展：稀土元素的開(kāi)採(cǎi)和加工過(guò)程可能對(duì)環(huán)境造成一定影響。因此，未來(lái)在稀土元素的應(yīng)用過(guò)程中需要更加注重環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展。通過(guò)採(cǎi)用綠色開(kāi)採(cǎi)技術(shù)、提高資源利用率和回收利用率等措施，可以降低稀土元素應(yīng)用的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。自2024年10月1日起施行的《稀土管理?xiàng)l例》明確稀土資源屬於國(guó)家所有，任何組織和個(gè)人不得侵佔(zhàn)或者破壞稀土資源；國(guó)家鼓勵(lì)和支持稀土產(chǎn)業(yè)新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品、新材料、新裝備的研發(fā)和應(yīng)用，持續(xù)提升稀土資源開(kāi)發(fā)利用水準(zhǔn)，推動(dòng)稀土產(chǎn)業(yè)高端化、智慧化、綠色化發(fā)展。
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25.1 鑭元素
鑭（Lanthanum，La）是一種銀白色金屬，是元素週期表中第57號(hào)元素，屬於鑭系元素（也稱(chēng)為稀土元素）的一員。這一名稱(chēng)源自希臘文“l(fā)anthanós”，意為“隱蔽”，恰如其分地描述了稀土元素在早期被發(fā)現(xiàn)時(shí)因含量稀少且難以分離而“隱身”於自然界的特性。鑭的獨(dú)特物理化學(xué)性質(zhì)、生產(chǎn)方法以及廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，使其成為現(xiàn)代科技和工業(yè)發(fā)展中不可或缺的重要元素。
鑭的物理性質(zhì)：密度：6.162g/cm3，相對(duì)較輕，但高於大多數(shù)輕金屬。熔點(diǎn)：920℃，相對(duì)較低，使得鑭在相對(duì)較低的溫度下即可熔化。沸點(diǎn)：3464℃（常壓），顯示出其高溫穩(wěn)定性。質(zhì)地：柔軟，具有良好的延展性，可以用刀切割。鑭的化學(xué)性質(zhì)：非常活潑，容易與空氣中的氧氣反應(yīng)，形成氧化膜，但此膜並不能有效阻止進(jìn)一步氧化；能緩慢地與冷水反應(yīng)，並在熱水中劇烈反應(yīng)產(chǎn)生氫氣；與大多數(shù)酸能迅速反應(yīng)，顯示出其強(qiáng)還原性。
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鑭的生產(chǎn)主要依賴於稀土礦物的提取和分離過(guò)程。由於稀土元素在自然界中通常以混合物的形式存在，如獨(dú)居石（主要成分為氟磷酸鈣鈰鑭）和氟碳鈰礦等，因此需要通過(guò)複雜的化學(xué)和物理方法將它們逐一分離出來(lái)。
礦石處理：將含有稀土的礦石進(jìn)行破碎、磨礦和選礦，以富集稀土礦物。溶解與沉澱：採(cǎi)用酸溶法（如硫酸法）將稀土礦物溶解，再通過(guò)沉澱、萃取等方法初步分離出含鑭的溶液。離子交換或溶劑萃取：利用不同稀土元素在特定溶劑或離子交換樹(shù)脂中的選擇性吸附和解析特性，進(jìn)一步純化含鑭溶液。電解或還原：通過(guò)電解法或金屬熱還原法從純化後的鑭鹽溶液中析出金屬鑭。
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隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，鑭系元素在儲(chǔ)能材料中的應(yīng)用也日益受到重視，如作為鎳氫電池等新型儲(chǔ)能設(shè)備的關(guān)鍵材料。鑭及其化合物在催化領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，如作為石油裂化、重整等化學(xué)反應(yīng)的催化劑，提高反應(yīng)效率和產(chǎn)物選擇性。鑭系元素在光學(xué)領(lǐng)域表現(xiàn)出色，鑭的某些化合物可用於製造光學(xué)玻璃、鐳射材料等，提高光學(xué)器件的性能。鑭與鐵、鈷等金屬形成的合金具有優(yōu)異的磁性能，廣泛應(yīng)用於永磁體、磁存儲(chǔ)介質(zhì)等領(lǐng)域。在電子工業(yè)中，鑭及其化合物被用作電子陶瓷、電容器、電阻器等元器件的原料，提高電子產(chǎn)品的性能和穩(wěn)定性。
儘管鑭在科技和工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但其對(duì)環(huán)境和人體的潛在影響也不容忽視。鑭及其化合物在環(huán)境中的積累可能對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成破壞，而長(zhǎng)期接觸或攝入過(guò)量鑭也可能對(duì)人體健康產(chǎn)生不利影響。因此，在鑭的生產(chǎn)、使用和處理過(guò)程中，必須採(cǎi)取嚴(yán)格的環(huán)保措施和安全措施，以確保環(huán)境安全和人類(lèi)健康。
25.2 鈰元素
25.3 鐠元素
25.4 釹元素
25.5 釤元素
釤（Samarium，Sm），是一種金屬元素，屬於鑭系元素，原子序數(shù)為62，原子品質(zhì)150.36；是一種銀白色的稀土金屬，具有類(lèi)似鋅的硬度和密度。
釤的沸點(diǎn)為1794℃，是鐿和銪之外第三容易揮發(fā)的鑭系元素，這一屬性便於從礦石礦物中分離。在常溫常壓下，釤通常呈現(xiàn)三角結(jié)構(gòu)（α-型）。當(dāng)加熱至731℃，其轉(zhuǎn)變?yōu)榱骄o密堆積（hcp結(jié)構(gòu)），進(jìn)一步加熱至922℃則變?yōu)轶w心立方（bcc結(jié)構(gòu)）。
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釤在空氣中容易氧化，即使在室溫下也會(huì)慢慢氧化，並在150°C下自發(fā)點(diǎn)燃。因此，純釤通常需要在礦物油或密封塑膠中保存。釤的氧化態(tài)通常為+3，但它是少數(shù)能形成+2氧化態(tài)的鑭系元素之一。釤在室溫下為順磁性，但在冷卻至14.8K時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉创判誀顟B(tài)。
釤的化合物種類(lèi)豐富，如氧化釤（Sm?O?）、碳酸釤（Sm?(CO?)?）和碘化釤（Samarium(II) iodide）等。這些化合物在化學(xué)和工業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。
釤元素主要通過(guò)礦物提取獲得，主要來(lái)源包括獨(dú)居石和韌皮礦。提取方法包括離子交換、溶劑萃取和電解法等。例如，可以通過(guò)電解氯化鈉從其熔融氯化物中產(chǎn)生純釤金屬。此外，也可以通過(guò)還原稀土精礦中的氧化物來(lái)製備含釤的合金。
氧化釤圖片
釤元素具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，包括磁性材料、電子元器件、陶瓷電容器、有機(jī)合成工業(yè)、電子、核工業(yè)、醫(yī)療等。
釤是製造高性能永磁材料的重要元素，如釤鈷磁體，這些磁體具有高磁能積和優(yōu)良的抗腐蝕性。釤用於製造電子元器件，如電容器、電阻器和感測(cè)器等，其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)使得這些元器件具有更高的性能和穩(wěn)定性。釤元素可用于生產(chǎn)高介電常數(shù)和低損耗的陶瓷電容器，這些電容器在電子設(shè)備和通信系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用。釤的化合物在有機(jī)合成中作為催化劑和反應(yīng)試劑，能夠促進(jìn)多種化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，提高合成效率和產(chǎn)率。釤的熱中子吸收截面較大，可用於核反應(yīng)爐的控制材料，如釤-149是一種很強(qiáng)的中子吸收劑，可用于核反應(yīng)爐的安全控制。
儘管釤元素在電池中的直接應(yīng)用相對(duì)較少，但其在電池材料中的潛在作用不容忽視。隨著新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，釤元素可能在未來(lái)電池技術(shù)中發(fā)揮重要作用。例如，釤元素可能用於改善電池材料的電化學(xué)性能，提高電池的儲(chǔ)能密度和迴圈穩(wěn)定性。此外，釤的某些化合物可能作為電池電解質(zhì)或催化劑的組成部分，進(jìn)一步優(yōu)化電池的性能和效率。
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25.6 銪元素
25.7 釓元素
25.8 鈥元素
25.9 銩元素
25.10 鐿元素
鐿（Ytterbium，Yb）是一種銀白色軟金屬，屬於稀土元素系列中的鑭系元素，原子序數(shù)70，原子品質(zhì)173.04。鐿的元素名來(lái)源於其發(fā)現(xiàn)地——瑞典的伊特比（Ytterby）村。1878年，馬里尼亞克從鉺土中首次分離出鐿的氧化物，但直到1907年，于爾班和韋耳斯才指出馬里尼亞克實(shí)際分離出的是氧化鑥和氧化鐿的混合物。
鐿的密度隨晶體結(jié)構(gòu)不同而異，α-型（面心立方晶系）約為6.977克/立方釐米，β-型（體心立方晶系）約為6.54克/立方釐米，熔點(diǎn)約824℃，沸點(diǎn)約1427℃，具有良好的導(dǎo)電性、熱導(dǎo)性、延展性和光學(xué)特性。氧化性：在空氣中緩慢氧化，生成氧化物。溶解性：不溶於冷水，但可溶於酸、液氨。反應(yīng)性：能與水緩慢作用，二價(jià)鹽為綠色，可溶于水並緩慢釋放氫氣；三價(jià)鹽無(wú)色。
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鐿的生產(chǎn)主要通過(guò)冶煉稀土礦石並經(jīng)過(guò)複雜的化學(xué)分離過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。主要生產(chǎn)方法包括：
（1）氫氣還原法：將鐿化合物與適量的氫氣混合加熱至高溫，鐿化合物還原為金屬鐿後，再通過(guò)精煉純化等步驟得到高純度的金屬鐿。
（2）碘化物熱還原法：將鐿碘化合物在350℃下熱分解，得到金屬鐿和氮化鐿等化合物。
（3）電解法：將金屬離子在電場(chǎng)作用下被還原為金屬。這種方法需要先製備出鐿離子，然後在電解槽中還原為金屬。由於工藝複雜和成本較高，應(yīng)用較為有限。
（4）合金化法：將金屬鐿與其他金屬（如鐵、鉻、鎳、鋁等）合金化，以製備具有特定性能的金屬鐿合金。
鐿因其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，在多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用：
電池領(lǐng)域：雖然鐿本身並不直接作為電池的主要活性材料，但它在某些類(lèi)型的電池中可以作為添加劑或改性劑，以提升電池的性能。例如，在鋰離子電池中，微量的鐿元素可以摻雜到正極材料或負(fù)極材料中，改善其導(dǎo)電性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和迴圈壽命。此外，鐿還可能在未來(lái)新型電池技術(shù)中扮演更關(guān)鍵的角色，如固態(tài)電池或金屬空氣電池等，這些技術(shù)仍處?kù)堆芯亢烷_(kāi)發(fā)階段，但鐿的獨(dú)特性質(zhì)使其具有潛在的應(yīng)用前景。
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雷射技術(shù)：鐿離子在固態(tài)雷射器中被廣泛用於製造高功率雷射器，這些雷射器在通信、材料加工、醫(yī)療和科學(xué)研究等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。高功率摻鐿雙包層光纖鐳射是近年來(lái)固體雷射技術(shù)的一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域，具有光束品質(zhì)好、結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)。
時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)：鐿的離子被用於製造高精度的原子鐘，是現(xiàn)代導(dǎo)航系統(tǒng)、衛(wèi)星通信和科學(xué)研究中的關(guān)鍵技術(shù)。
醫(yī)學(xué)影像學(xué)：鐿的某些同位素（如鐿-169）在醫(yī)學(xué)影像學(xué)中被用作放射性示蹤劑，用於診斷和治療癌癥以及其他疾病。
光學(xué)器件：鐿的化合物常用於製造光學(xué)器件，如濾光片和光學(xué)棱鏡，用於鐳射和光譜儀器。
25.11 鑥元素
25.12 釔元素
25.13鈧元素
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《鎢鉬稀土在新能源電池領(lǐng)域的應(yīng)用與市場(chǎng)研究（二十五）》
《鎢鉬稀土在新能源電池領(lǐng)域的應(yīng)用與市場(chǎng)研究（二十二）》
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《鎢鉬稀土在新能源電池領(lǐng)域的應(yīng)用與市場(chǎng)研究（二，下）》
《鎢鉬稀土在新能源電池領(lǐng)域的應(yīng)用與市場(chǎng)研究（二，中）》
《鎢鉬稀土在新能源電池領(lǐng)域的應(yīng)用與市場(chǎng)研究（二，上）》
