第IV部分 稀土在新能源電池市場的介紹
第二十五章 新能源電池中的稀土元素
稀土元素是化學元素周期表中鑭系元素的統稱，包括鑭（La）、鈰（Ce）、鐠（Pr）、釹（Nd）、钷（Pm）、釤（Sm）、銪（Eu）、釓（Gd）、鋱（Tb）、鏑（Dy）、鈥（Ho）、鉺（Er）、銩（Tm）、鐿（Yb）、镥（Lu）共15種元素，以及與鑭系元素密切相關的釔（Y）和鈧（Sc），共17種元素。這些元素因其獨特的物理和化學性，在新能源、新材料、電子信息、航空航天等多個領域具有廣泛的應用前景。
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在儲能電池領域，特別是鋰電池和太陽能電池中，稀土元素發揮著重要作用。例如，在鋰電池領域，鑭元素因其能夠與鋰離子形成穩定的配合物而備受關注。這種配合物不僅有助于構建高效的離子傳輸通道，提升電池的離子導電性能，還能在一定程度上改善電池的電化學穩定性。通過優化La元素在電池材料中的含量和分布，可以顯著增強電池的循環壽命，減少因長期充放電循環而導致的性能衰減。
鈰元素在鋰電池中應用主要體現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構穩定性，能夠在充放電過程中保持較高的活性，從而提高電池的能量密度和循環穩定性。此外，Ce元素還因其獨特的儲氫性能，在鎳氫電池等其他類型的儲能系統中也展現出了潛在的應用價值。通過合理的材料設計和工藝優化，Ce元素有望為儲能電池帶來更高的能量存儲效率和更長的使用壽命。
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型的電池或電池組件中發揮著重要作用。這些元素可能通過改善電池材料的導電性、熱穩定性或機械性能等方面來提升電池的整體性能。然而，由于它們的應用范圍和重要性相對較小，目前的研究和應用主要集中在探索其潛在價值和優化其性能表現上。
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值得一提的是，雖然鐠和釹并不直接用于電池內部材料的構建，但它們作為制造釹鐵硼永磁體的關鍵原料，對新能源汽車等應用領域的電池系統性能產生了深遠影響。釹鐵硼永磁體以其高磁能積、高矯頑力和優異的磁穩定性，成為驅動電機（如新能源汽車中的永磁同步電機）的理想選擇。通過提高電機的效率和性能，鐠和釹間接地提升了電池系統的整體效能和續航里程。隨著新能源汽車市場的不斷擴大，對高性能永磁體的需求也將持續增長，從而進一步推動鐠和釹在儲能電池相關領域的應用。
稀土元素在電池中的應用優勢包括：提高能量密度，增強循環穩定性，提高安全性，提升充放電效率等。
稀土元素以其獨特的物理化學性質，在改善電池材料晶體結構和電化學性能方面展現出巨大潛力。通過優化電池材料的配方和結構設計，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更多的電能，從而提供更長的續航時間和更高的能量輸出。這對于電動汽車、便攜式電子產品等需要高能量密度的應用場景尤為重要。
循環穩定性是衡量電池性能的重要指標之一。稀土元素能夠穩定電池材料的結構，減少在充放電過程中因體積變化或結構破壞而導致的性能衰減。這種穩定性不僅延長了電池的循環壽命，還確保了電池在長期使用過中的性能一致性。對于需要頻繁充放電的儲能系統來說，這一優勢尤為重要，因為它直接關聯到系統的可靠性和經濟性。
電池的安全性是用戶和企業共同關注的焦點。稀土元素的應用能夠顯著改善電池的熱穩定性和抗過充、過放能力。通過降低電池在極端條件下的熱失控風險，稀土元素提高了電池的安全性能。這對于保障電池系統的安全穩定運行具有重要意義，特別是在電動汽車等涉及人員安全的應用場景中更為關鍵。
稀土元素的添加還可以優化電極材料的離子傳輸通道和電化學反應速率。這有助于減少電池在充放電過程中的內阻和極化現象，提高電池的充放電效率。這意味著電池可以在更短的時間內完成充電或放電過程，從而提高了使用便利性。對于快節奏生活的現代人來說，這一優勢無疑具有巨大的吸引力。
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隨著全球對可再生能源和新能源汽車需求的不斷增加，稀土元素在電池領域的應用前景非常廣闊。
市場需求持續增長：隨著電動汽車、儲能系統、便攜式電子產品等市場的不斷擴大，對高性能、高能量密度電池的需求將持續增長。這將推動稀土元素在電池領域的應用規模不斷擴大。根據國際能源署測算，2030年全球新能源汽車需求量將達4500萬輛，是2022年的4.5倍；全球光伏新增裝機需求將達到820吉瓦，是2022年的約4倍。
技術創新推動產業升級：隨著材料科學、電化學等領域的不斷發展和技術創新，稀土元素在電池中的應用將更加廣泛和深入。例如，過優化稀土元素的配比和工藝條件，可以進一步提高電池的性能和降低成本。
環保和可持續發展：稀土元素的開采和加工過程可能對環境造成一定影響。因此，未來在稀土元素的應用過程中需要更加注重環保和可持續發展。通過采用綠色開采技術、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用的環境風險。自2024年10月1日起施行的《稀土管理條例》明確稀土資源屬于國家所有，任何組織和個人不得侵占或者破壞稀土資源；國家鼓勵和支持稀土產業新技術、新工藝、新產品、新材料、新裝備的研發和應用，持續提升稀土資源開發利用水平，推動稀土產業高端化、智能化、綠色化發展。
25.1 鑭元素
鑭（Lanthanum，La）是一種銀白色金屬，是元素周期表中第57號元素，屬于鑭系元素（也稱為稀土元素）的一員。這一名稱源自希臘文“lanthanós”，意為“隱蔽”，恰如其分地描述了稀土元素在早期被發現時因含量稀少且難以分離而“隱身”于自然界的特性。鑭的獨特物理化學性質、生產方法以及廣泛的應用領域，使其成為現代科技和工業發展中不可或缺的重要元素。
鑭的物理性質：密度：6.162g/cm3，相對較輕，但高于大多數輕金屬。熔點：920℃，相對較低，使得鑭在相對較低的溫度下即可熔化。沸點：3464℃（常壓），顯示出其高溫穩定性。質地：柔軟，具有良好的延展性，可以用刀切割。鑭的化學性質：非常活潑，容易與空氣中的氧氣反應，形成氧化膜，但此膜并不能有效阻止進一步氧化；能緩慢地與冷水反應，并在熱水中劇烈反應產生氫氣；與大多數酸能迅速反應，顯示出其強還原性。
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鑭的生產主要依賴于稀土礦物的提取和分離過程。由于稀土元素在自然界中通常以混合物的形式存在，如獨居石（主要成分為氟磷酸鈣鈰鑭）和氟碳鈰礦等，因此需要通過復雜的化學和物理方法將它們逐一分離出來。
礦石處理：將含有稀土的礦石進行破碎、磨礦和選礦，以富集稀土礦物。溶解與沉淀：采用酸溶法（如硫酸法）將稀土礦物溶解，再通過沉淀、萃取等方法初步分離出含鑭的溶液。離子交換或溶劑萃取：利用不同土元素在特定溶劑或離子交換樹脂中的選擇性吸附和解析特性，進一步純化含鑭溶液。電解或還原：通過電解法或金屬熱還原法從純化后的鑭鹽溶液中析出金屬鑭。
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隨著新能源技術的發展，鑭系元素在儲能材料中的應用也日益受到重視，如作為鎳氫電池等新型儲能設備的關鍵材料。鑭及其化合物在催化領域有廣泛應用，如作為石油裂化、重整等化學反應的催化劑，提高反應效率和產物選擇性。鑭系元素在光學領域表現出色，鑭的某些化合物可用于制造光學玻璃、激光材料等，提高光學器件的性能。鑭與鐵、等金屬形成的合金具有優異的磁性能，廣泛應用于永磁體、磁存儲介質等領域。在電子工業中，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，提高電子產品的性能和穩定性。
盡管鑭在科技和工業領域有著廣泛的應用，但其對環境和人體的潛在影響也不容忽視。鑭及其化合物在環境中的積累可能對生態系統造成破壞，而長期接觸或攝入過量鑭也可能對人體健康產生不利影響。因此，在鑭的生產、使用和處理過程中，必須采取嚴格的環保措施和安全措施，以確保環境安全和人類健康。
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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，屬于鑭系元素，原子序數為62，原子質量150.36；是一種銀白色的稀土金屬，具有類似鋅的硬度和密度。
釤的沸點為1794℃，是鐿和銪之外第三容易揮發的鑭系元素，這一屬性便于從礦石礦物中分離。在常溫常壓下，釤通常呈現三角結構（α-型）。當加熱至731℃，其轉變為六方緊密堆積（hcp結構），進一步加熱至922℃則變為體心立方（bcc結構）。
釤在空氣中容易氧化，即使在室溫下也會慢慢氧化，并在150°C下自發點燃。因此，純釤通常需要在礦物油或密封塑料中保存。釤的氧化態通常為+3，但它是少數能形成+2氧化態的鑭系元素之一。釤在室溫下為順磁性，但在冷卻至14.8K會轉變為反磁性狀態。
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釤的化合物種類豐富，如氧化釤（Sm?O?）、碳酸釤（Sm?(CO?)?）和碘化釤（Samarium(II) iodide）等。這些化合物在化學和工業應用中發揮著重要作用。
釤元素主要通過礦物提取獲得，主要來源包括獨居石和韌皮礦。提取方法包括離子交換、溶劑萃取和電解法等。例如，可以通過電解氯化鈉從其熔融氯化物中產生純釤金屬。此外，也可以通過還原稀土精礦中的氧化物來制備含釤的合金。
釤元素具有廣泛的應用領域，包括磁性材料、電子元器件、陶瓷電容器、有機合成工、電子、核工業、醫療等。
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釤是制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良的抗腐蝕性。釤用于制造電子元器件，如電容器、電阻器和傳感器等，其獨特的物理和化學性質使得這些元器件具有更高的性能和穩定性。釤元素可用于生產高介電常數和低損耗的陶瓷電容器，這些電容器在電子設備和通信系統中具有廣泛應用。釤的化合物在有機合成中作為催化劑和反應試劑，能夠促進多種化學反應的進行，提高合成效率和產率。釤的熱中子吸收截面較大，可用于核反應堆控制材料，如釤-149是一種很強的中子吸收劑，可用于核反應堆的安全控制。
盡管釤元素在電池中的直接應用相對較少，但其在電池材料中的潛在作用不容忽視。隨著新能源技術的不斷發展，釤元素可能在未來電池技術中發揮重要作用。例如，釤元素可能用于改善電池材料的電化學性能，提高電池的儲能密度和循環穩定性。此外，釤的某些化合物可能作為電池電解質或催化劑的組成部分，進一步優化電池的性能和效率。
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，屬于稀土元素系列中的鑭系元素，原子序數70，原子質量173.04。鐿的元素名來源于其發現地——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際分離出的是氧化镥和氧化鐿的混合物。
鐿的密度隨晶體結構不同而異，α-型（面心立方晶系）約為6.977克/立方厘米，β-型（體心立方晶系）約為6.54克/立方厘米，熔點約824℃，沸點約1427℃，具有良好的導電性、熱導性、延展性和光學特性。氧化性：在空氣中緩慢氧化，生成氧化物。溶解性：不溶于冷水，但可溶于酸、液氨。反應性：能與水緩慢作用，二價鹽為綠色，可溶于水并緩慢釋放氫氣；三價鹽無色。
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鐿的生產主要通過冶煉稀土礦石并經過復雜的化學分離過程來實現。主要生產方法包括：
（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后，再通過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：將金屬離子在電場作用下被還原為金屬。這種方法需要先制備出鐿離子，然后在電解槽中還原為金屬。由于工藝復雜和成本較高，應用較為有限。
（4）合金化法：將金屬鐿與其他金屬（如鐵、鉻、鎳、鋁等）合金化，以制備具有特定性能的金屬鐿合金。
鐿因其獨特的物理化學性質，在多個領域有著廣泛的應用：
電池領域：雖然鐿本身并不直接作為電池的主要活性材料，但它在某些類型的電池中可以作為添劑或改性劑，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極材料中，改善其導電性、結構穩定性和循環壽命。此外，鐿還可能在未來新型電池技術中扮演更關鍵的角色，如固態電池或金屬空氣電池等，這些技術仍處于研究和開發階段，但鐿的獨特性質使其具有潛在的應用前景。
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激光技術：鐿離子在固態激光器中被廣泛用于制造高功率激光器，這些激光器在通信、材料加工、醫療和科學研究等領域都有重要應用。高功率摻鐿雙包層光纖激光是近年來固體激光技術的一個點領域，具有光束質量好、結構緊湊、轉換效率高等優點。
時間頻率標準：鐿的離子被用于制造高精度的原子鐘，是現代導航系統、衛星通信和科學研究中的關鍵技術。
醫學影像學：鐿的某些同位素（如鐿-169）在醫學影像學中被用作放射性示蹤劑，用于診斷和治療癌癥以及其他疾病。
光學器件：鐿的化合物常用于制造光學器件，如濾光片和光學棱鏡，用于激光和光譜儀器。
25.11 镥元素
25.12 釔元素
25.13鈧元素
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