第IV部分 稀土在新能源电池市场的介绍
第二十五章 新能源电池中的稀土元素
稀土元素是化学元素周期表中镧系元素的统称，包括镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu）共15种元素，以及与镧系元素密切相关的钇（Y）和钪（Sc），共17种元素。这些元素因其独特的物理和化学性质，在新能源、新材料、电子信息、航空航天等多个领域具有广泛的应用前景。
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在储能电池领域，特别是锂电池和太阳能电池中，稀土元素发挥着重要作用。例如，在锂电池领域，镧元素因其能够与锂离子形成稳定的配合物而备受关注。这种配合物不仅有助于构建高效的离子传输通道，提升电池的离子导电性能，还能在一定程度上改善电池的电化学稳定性。通过优化La元素在电池材料中的含量和分布，可以显著增强电池的循环寿命，减少因长期充放电循环而导致的性能衰减。
铈元素在锂电池中的应用主要体现在其氧化物作为电极材料的组成部分。铈的氧化物具有较高的理论比容量和良好的结构稳定性，能够在充放电过程中保持较高的活性，从而提高电池的能量密度和循环稳定性。此外，Ce元素还因其独特的储氢性能，在镍氢电池等其他类型的储能系统中也展现出了潜在的应用价值。通过合理的材料设计和工艺优化，Ce元素有望为储能电池带来更高的能量存储效率和更长的使用寿命。
除了上述几种主要稀土元素外，如钐、铕、钆等也在某些特定类型的电池或电池组件中发挥着重要作用。这些元素可能通过改善电池材料的导电性、热稳定性或机械性能等方面来提升电池的整体性能。然而，由于它们的应用范围和重要性相对较小，目前的研究和应用主要集中在探索其潜在价值和优化其性能表现上。
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值得一提的是，虽然镨和钕并不直接用于电池内部材料的构建，但它们作为制造钕铁硼永磁体的关键原料，对新能源汽车等应用领域的电池系统性能产生了深远影响。钕铁硼永磁体以其高磁能积、高矫顽力和优异的磁稳定性，成为驱动电机（如新能源汽车中的永磁同步电机）的理想选择。通过提高电机的效率和性能，镨和钕间接地提升了电池系统的整体效能和续航里程。随着新能源汽车市场的不断扩大，对高性能永磁体的需求也将持续增长，从而进一步推动镨和钕在储能电池相关领域的应用。
稀土元素在电池中的应用优势包括：提高能量密度，增强循环稳定性，提高安全性，提升充放电效率等。
稀土元素以其独特的物理化学性质，在改善电池材料晶体结构和电化学性能方面展现出巨大潜力。通过优化电池材料的配方和结构设计，稀土元素的加入能够有效提升电池的能量密度。这意味着在相同的体积或重量下，含有稀土元素的电池能够存储更多的电能，从而提供更长的续航时间和更高的能量输出。这对于电动汽车、便携式电子产品等需要高能量密度的应用场景尤为重要。
循环稳定性是衡量电池性能的重要指标之一。稀土元素能够稳定电池材料的结构，减少在充放电过程中因体积变化或结构破坏而导致的性能衰减。这种稳定性不仅延长了电池的循环寿命，还确保了电池在长期使用过程中的性能一致性。对于需要频繁充放电的储能系统来说，这一优势尤为重要，因为它直接关联到系统的可靠性和经济性。
电池的安全性是用户和企业共同关注的焦点。稀土元素的应用能够显著改善电池的热稳定性和抗过充、过放能力。通过降低电池在极端条件下的热失控风险，稀土元素提高了电池的安全性能。这对于保障电池系统的安全稳定运行具有重要意义，特别是在电动汽车等涉及人员安全的应用场景中更为关键。
稀土元素的添加还可以优化电极材料的离子传输通道和电化学反应速率。这有助于减少电池在充放电过程中的内阻和极化现象，提高电池的充放电效率。这意味着电池可以在更短的时间内完成充电或放电过程，从而提高了使用便利性。对于快节奏生活的现代人来说，这一优势无疑具有巨大的吸引力。
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随着全球对可再生能源和新能源汽车需求的不断增加，稀土元素在电池领域的应用前景非常广阔。
市场需求持续增长：随着电动汽车、储能系统、便携式电子产品等市场的不断扩大，对高性能、高能量密度电池的需求将持续增长。这将推动稀土元素在电池领域的应用规模不断扩大。根据国际能源署测算，2030年全球新能源汽车需求量将达4500万辆，是2022年的4.5倍；全球光伏新增装机需求将达到820吉瓦，是2022年的约4倍。
技术创新推动产业升级：随着材料科学、电化学等领域的不断发展和技术创新，稀土元素在电池中的应用将更加广泛和深入。例如，通过优化稀土元素的配比和工艺条件，可以进一步提高电池的性能和降低成本。
环保和可持续发展：稀土元素的开采和加工过程可能对环境造成一定影响。因此，未来在稀土元素的应用过程中需要更加注重环保和可持续发展。通过采用绿色开采技术、提高资源利用率和回收利用率等措施，可以降低稀土元素应用的环境风险。自2024年10月1日起施行的《稀土管理条例》明确稀土资源属于国家所有，任何组织和个人不得侵占或者破坏稀土资源；国家鼓励和支持稀土产业新技术、新工艺、新产品、新材料、新装备的研发和应用，持续提升稀土资源开发利用水平，推动稀土产业高端化、智能化、绿色化发展。
25.1 镧元素
镧（Lanthanum，La）是一种银白色金属，是元素周期表中第57号元素，属于镧系元素（也称为稀土元素）的一员。这一名称源自希腊文“lanthanós”，意为“隐蔽”，恰如其分地描述了稀土元素在早期被发现时因含量稀少且难以分离而“隐身”于自然界的特性。镧的独特物理化学性质、生产方法以及广泛的应用领域，使其成为现代科技和工业发展中不可或缺的重要元素。
镧的物理性质：密度：6.162g/cm³，相对较轻，但高于大多数轻金属。熔点：920℃，相对较低，使得镧在相对较低的温度下即可熔化。沸点：3464℃（常压），显示出其高温稳定性。质地：柔软，具有良好的延展性，可以用刀切割。镧的化学性质：非常活泼，容易与空气中的氧气反应，形成氧化膜，但此膜并不能有效阻止进一步氧化；能缓慢地与冷水反应，并在热水中剧烈反应产生氢气；与大多数酸能迅速反应，显示出其强还原性。
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镧的生产主要依赖于稀土矿物的提取和分离过程。由于稀土元素在自然界中通常以混合物的形式存在，如独居石（主要成分为氟磷酸钙铈镧）和氟碳铈矿等，因此需要通过复杂的化学和物理方法将它们逐一分离出来。
矿石处理：将含有稀土的矿石进行破碎、磨矿和选矿，以富集稀土矿物。溶解与沉淀：采用酸溶法（如硫酸法）将稀土矿物溶解，再通过沉淀、萃取等方法初步分离出含镧的溶液。离子交换或溶剂萃取：利用不同稀土元素在特定溶剂或离子交换树脂中的选择性吸附和解析特性，进一步纯化含镧溶液。电解或还原：通过电解法或金属热还原法从纯化后的镧盐溶液中析出金属镧。
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随着新能源技术的发展，镧系元素在储能材料中的应用也日益受到重视，如作为镍氢电池等新型储能设备的关键材料。镧及其化合物在催化领域有广泛应用，如作为石油裂化、重整等化学反应的催化剂，提高反应效率和产物选择性。镧系元素在光学领域表现出色，镧的某些化合物可用于制造光学玻璃、激光材料等，提高光学器件的性能。镧与铁、钴等金属形成的合金具有优异的磁性能，广泛应用于永磁体、磁存储介质等领域。在电子工业中，镧及其化合物被用作电子陶瓷、电容器、电阻器等元器件的原料，提高电子产品的性能和稳定性。
尽管镧在科技和工业领域有着广泛的应用，但其对环境和人体的潜在影响也不容忽视。镧及其化合物在环境中的积累可能对生态系统造成破坏，而长期接触或摄入过量镧也可能对人体健康产生不利影响。因此，在镧的生产、使用和处理过程中，必须采取严格的环保措施和安全措施，以确保环境安全和人类健康。
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25.2 铈元素
25.3 镨元素
25.4 钕元素
25.5 钐元素
钐（Samarium，Sm），是一种金属元素，属于镧系元素，原子序数为62，原子质量150.36；是一种银白色的稀土金属，具有类似锌的硬度和密度。
钐的沸点为1794℃，是镱和铕之外第三容易挥发的镧系元素，这一属性便于从矿石矿物中分离。在常温常压下，钐通常呈现三角结构（α-型）。当加热至731℃，其转变为六方紧密堆积（hcp结构），进一步加热至922℃则变为体心立方（bcc结构）。
钐在空气中容易氧化，即使在室温下也会慢慢氧化，并在150°C下自发点燃。因此，纯钐通常需要在矿物油或密封塑料中保存。钐的氧化态通常为+3，但它是少数能形成+2氧化态的镧系元素之一。钐在室温下为顺磁性，但在冷却至14.8K时会转变为反磁性状态。
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钐的化合物种类丰富，如氧化钐（Sm₂O₃）、碳酸钐（Sm₂(CO₃)₃）和碘化钐（Samarium(II) iodide）等。这些化合物在化学和工业应用中发挥着重要作用。
钐元素主要通过矿物提取获得，主要来源包括独居石和韧皮矿。提取方法包括离子交换、溶剂萃取和电解法等。例如，可以通过电解氯化钠从其熔融氯化物中产生纯钐金属。此外，也可以通过还原稀土精矿中的氧化物来制备含钐的合金。
钐元素具有广泛的应用领域，包括磁性材料、电子元器件、陶瓷电容器、有机合成工业、电子、核工业、医疗等。
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钐是制造高性能永磁材料的重要元素，如钐钴磁体，这些磁体具有高磁能积和优良的抗腐蚀性。钐用于制造电子元器件，如电容器、电阻器和传感器等，其独特的物理和化学性质使得这些元器件具有更高的性能和稳定性。钐元素可用于生产高介电常数和低损耗的陶瓷电容器，这些电容器在电子设备和通信系统中具有广泛应用。钐的化合物在有机合成中作为催化剂和反应试剂，能够促进多种化学反应的进行，提高合成效率和产率。钐的热中子吸收截面较大，可用于核反应堆的控制材料，如钐-149是一种很强的中子吸收剂，可用于核反应堆的安全控制。
尽管钐元素在电池中的直接应用相对较少，但其在电池材料中的潜在作用不容忽视。随着新能源技术的不断发展，钐元素可能在未来电池技术中发挥重要作用。例如，钐元素可能用于改善电池材料的电化学性能，提高电池的储能密度和循环稳定性。此外，钐的某些化合物可能作为电池电解质或催化剂的组成部分，进一步优化电池的性能和效率。
25.6 铕元素
25.7 钆元素
25.8 钬元素
25.9 铥元素
25.10 镱元素
镱（Ytterbium，Yb）是一种银白色软金属，属于稀土元素系列中的镧系元素，原子序数70，原子质量173.04。镱的元素名来源于其发现地——瑞典的伊特比（Ytterby）村。1878年，马里尼亚克从铒土中首次分离出镱的氧化物，但直到1907年，于尔班和韦耳斯才指出马里尼亚克实际分离出的是氧化镥和氧化镱的混合物。
镱的密度随晶体结构不同而异，α-型（面心立方晶系）约为6.977克/立方厘米，β-型（体心立方晶系）约为6.54克/立方厘米，熔点约824℃，沸点约1427℃，具有良好的导电性、热导性、延展性和光学特性。氧化性：在空气中缓慢氧化，生成氧化物。溶解性：不溶于冷水，但可溶于酸、液氨。反应性：能与水缓慢作用，二价盐为绿色，可溶于水并缓慢释放氢气；三价盐无色。
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镱的生产主要通过冶炼稀土矿石并经过复杂的化学分离过程来实现。主要生产方法包括：
（1）氢气还原法：将镱化合物与适量的氢气混合加热至高温，镱化合物还原为金属镱后，再通过精炼纯化等步骤得到高纯度的金属镱。
（2）碘化物热还原法：将镱碘化合物在350℃下热分解，得到金属镱和氮化镱等化合物。
（3）电解法：将金属离子在电场作用下被还原为金属。这种方法需要先制备出镱离子，然后在电解槽中还原为金属。由于工艺复杂和成本较高，应用较为有限。
（4）合金化法：将金属镱与其他金属（如铁、铬、镍、铝等）合金化，以制备具有特定性能的金属镱合金。
镱因其独特的物理化学性质，在多个领域有着广泛的应用：
电池领域：虽然镱本身并不直接作为电池的主要活性材料，但它在某些类型的电池中可以作为添加剂或改性剂，以提升电池的性能。例如，在锂离子电池中，微量的镱元素可以掺杂到正极材料或负极材料中，改善其导电性、结构稳定性和循环寿命。此外，镱还可能在未来新型电池技术中扮演更关键的角色，如固态电池或金属空气电池等，这些技术仍处于研究和开发阶段，但镱的独特性质使其具有潜在的应用前景。
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激光技术：镱离子在固态激光器中被广泛用于制造高功率激光器，这些激光器在通信、材料加工、医疗和科学研究等领域都有重要应用。高功率掺镱双包层光纤激光是近年来固体激光技术的一个热点领域，具有光束质量好、结构紧凑、转换效率高等优点。
时间频率标准：镱的离子被用于制造高精度的原子钟，是现代导航系统、卫星通信和科学研究中的关键技术。
医学影像学：镱的某些同位素（如镱-169）在医学影像学中被用作放射性示踪剂，用于诊断和治疗癌症以及其他疾病。
光学器件：镱的化合物常用于制造光学器件，如滤光片和光学棱镜，用于激光和光谱仪器。
25.11 镥元素
25.12 钇元素
25.13钪元素
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