镁基储氢为镁行业提供新机遇

2023年10月10日 9:49 8156次浏览 来源:   分类: 镁资讯

固体储氢是近年来新能源领域研究和发展的热点及难点,镁基储氢被学术界认为是极具商业价值的储氢技术路线之一。镁基储氢具有储氢容量大、吸放氢可逆性好、成本低、资源丰富等优点,其理论储氢量为7.6wt%,体积储氢密度110kg/m3,被认为是极具应用前景的一类固态储氢材料。但由于其高热力学稳定性和较差的动力学性质,MgH2只能在高温下(≥300℃)才有优异的吸附氢性能,且在放氢循环中,MgH2/Mg颗粒的团聚和长大导致循环稳定性差,仍具有相对苛刻的释放场景。

固态储氢百花齐放

镁基储氢优势显著

在目前的储氢方式中,固态储氢系统是最可靠、最安全、最高体积效率的储氢方式。

相比于高压气态储氢和低温液态储氢,固体材料储氢能很好地解决传统储氢技术储氢密度低和安全系数差的问题。具体来讲,固态储氢可以大幅提高体积储氢密度,在常温常压下安全性好、氢气纯度高,可长距离运输、跨季节安全存储。

物理吸附类储氢材料脱附氢能力强,但条件严格。在特定条件下对氢气具有良好、可逆的热力学吸附、脱附性能,但大多在常温下储氢量低,低温下才能表现出良好的氢吸附能力,不适合氢能规模化应用。

金属基储氢材料储氢密度大,安全指数高。金属基储氢材料是研究较早的一类固体储氢材料,制备技术和制备工艺均已成熟。金属基储氢材料储氢性能高,操作安全,过程清洁无污染。金属储氢种类很多,不同金属在吸放氢过程中反应条件不同,对于反应条件苛刻的金属,学者们正在通过不同的方式调整其性能,日后反应效率将会得到进一步提升。

镁基储氢密度高

成本下降空间巨大

镁基储氢是新型储能技术的重要选择,被广泛认为是最具发展潜力的储氢材料。对于固体储氢材料的实际应用来讲,金属基储氢材料目前是极具有应用优势的。镁基储氢材料作为金属基储氢材料的一种,有着独特的优势。镁基储氢具有性能优势,储氢密度高,安全性强;具有技术优势,化学反应简单,研究团队实力雄厚;具有资源优势,镁资源丰富,成本低;具有环境优势,反应过程绿色安全,符合“双碳”目标。因此,镁基储氢材料是目前综合性能最为优异的储氢材料。

镁基储氢材料储氢密度高。镁储氢密度是气态氢的1000倍、液态氢的1.5倍。具体而言,MgH2储氢重量密度可达7.6%,体积储氢密度可达105kg/m3,同其他类金属储氢材料相比具有明显优势。

镁基储氢运营成本低。与高压气态储氢和低温液态储氢相比,镁基储氢无需低温或高压装置,大幅降低运营成本。从原料气开始,到最后的加氢站,考虑过程中每个环节的设备折旧和能耗,3种储运氢方式在100千米、300千米、500千米3个运输半径的经济性情况有较大差异。根据氢储科技测算,3种距离下,镁基固态储氢的单位运营成本均低于高压气态储氢和低温液态储氢。镁基固态储氢运营成本包括充装设备、固态储氢车、放气及增压设备的投入折旧和能耗。与高压气氢和液氢不同点在于,原料气没有加压或液化的过程,镁基储氢最大的成本支出为加氢站放气增压。

镁基储氢安全性高。氢气从气态变为固态后,氢气可以被储存在镁合金材料里,在常温常压下进行长距离运输,安全性大幅提高。2023年4月,全国首台镁基固态储运氢车发布,该辆镁基固态储运氢车搭载12个储氢罐,40尺大小,可以储存1吨氢气,是目前主流20MPa高压长管拖车的3倍以上,是常规(气态储氢)3~4倍的存储量,经济效益十分明显。车辆在常温常压下储运,安全性高;能够适应铁路、公路、水路等不同的运输方式,适合长距离、大规模氢运输。

镁基储氢化学反应简单,无副产物,控制性良好。单质镁可以在高温条件下与氢气反应生成MgH2,化学反应方程式简单,反应过程中没有其他产物。

镁基储氢相关研究团队近年研究成果频出。镁基储氢研究团队主要包括上海交通大学丁文江院士团队、重庆大学潘复生院士团队、上海交通大学邹建新教授团队。

镁资源丰富

可满足镁基储氢大规模应用

中国镁资源丰富,原料对外依存度低。镁资源主要来源于菱镁矿、含镁白云岩、盐湖区镁盐以及海水等,我国镁资源类型全,分布广泛。中国菱镁矿储量仅次于俄罗斯,位居全球第二。在国内,菱镁矿储量相对集中且大型矿床多。中国含镁白云石储量也很丰富,现已探明储量40亿吨以上,遍及我国各省区。盐湖镁主要分布在西藏自治区的北部和青海省柴达木盆地,其中柴达木盆地的镁盐储量占全国已探明储量的99%。根据USGS数据,2022年我国菱镁矿产量1700万吨,占全球总产量的63%。

进口依赖度低,相较于铝土矿石而言优势明显。我国镁锭产量90万吨,占全球总产量的90%。

中国是镁资源和原镁生产大国,镁合金的应用推广有着先天优势。当前,国资和民营资本逐步进入镁合金行业,国内核心整车厂也开始不断尝试镁合金产品的应用和开发。

镁基储能材料可回收,对环境友好,反应过程中无“三害”产生。国家发展改革委、国家能源局关于推动新型储能发展的指导意见指出,“新型储能是支撑新型电力系统的重要技术和基础装备,对推动能源绿色转型有重要意义”,要求“以需求为导向,探索开展储氢、储热及其他创新储能技术的研究和示范应用”。新型储能材料与装备的发展是实现“双碳”目标的关键途径和刚性需求,更是国家未来竞争力的重要体现,镁基储氢是新型储能技术的重要选择。

降低吸附氢所需温度

是镁基储氢发展关键

降低吸附氢所需的温度是镁基储氢发展的关键。MgH2热力学稳定性高但动力学性质差,只有在高温下才有优质的吸附氢性能,且在吸放氢循环中,MgH2/Mg颗粒的团聚和长大导致循环稳定性差。因此,为了使MgH2在储氢应用中得到广泛应用,必须调整其热力学和动力学性能,以降低镁基储氢吸附氢所需的温度,放宽反应条件。目前在改善MgH2/Mg体系储氢性能方面,多使用纳米化、合金化、添加催化剂、复合轻金属配位氢化物等方法。

MgH2尺寸的纳米化可以调控热力学和动力学性能,有利于氢分子的吸附和扩散。

当块体MgH2尺寸被减小至纳米级别时,材料的比表面积、表面能、晶界密度都将发生显著改变。高的表面能有利于氢分子的解离,纳米颗粒表面与H2反应的活性位点大量增加;由于尺寸的减小,H原子的扩散距离随之缩短,避免了H的长程扩散;大量的晶界为H原子的快速扩散提供了通道。

合金化能有效降低镁基储氢材料吸附氢所需温度,但是与过渡金属合金化后材料的储氢量会有明显的降低。通过将Mg与过渡金属复合,能够制备出含有单相或多相的镁基储氢合金,合金的存在可以促进氢的解离和吸附,添加的金属元素与Mg和H结合生成次稳定的氢化物而降低MgH2的稳定性,多相边界也可以为吸/放氢反应提供大量的活性位点,从而改善Mg/MgH2储氢体系的储氢性能。

添加催化剂改性是最简单,最高效的方法。添加催化剂能在Mg/MgH2吸放氢过程中的H吸附、解离和H2分子的扩散提供活性位点,改善其动力学性能。目前,常用于改善Mg/MgH2体系性能的催化剂,主要是过渡金属单质、金属氧化物、其他过渡金属化合物和碳基材料等。

用轻金属配位氢化物与MgH2构建复合材料可以显著增加体系的储氢容量,改善热力学性能,但动力学性能仍有不足,仍需进一步调整。轻金属配位氢化物由于都是由轻质元素组成,其理论储氢容量要比其他传统的固体储氢合金高很多,学者使用多种材料进行尝试,实现了更高的吸放氢容量。

责任编辑:叶倩

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