劉肖燕, 李欣茹, 李和興
(1.上海師范大學 生命與環境科學學院,上海 200234;2.美國加州大學洛杉磯分校 化學與生物分子工程學院,洛杉磯 90095)
稀土應用于電化學儲能的研究進展
劉肖燕1, 李欣茹2, 李和興1
(1.上海師范大學 生命與環境科學學院,上海 200234;2.美國加州大學洛杉磯分校 化學與生物分子工程學院,洛杉磯 90095)
儲能是實現清潔能源替代傳統化石能源的關鍵,其核心是開發高效儲能材料,其中稀土材料由于獨特的電子結構,在電化學儲能各領域顯示出了巨大應用的前景.主要綜述了稀土在鉛酸蓄電池、鎳氫電池、固體氧化物燃料電池(SOFC)、鋰離子電池、超級電容器和鋰硫電池中的研究和應用現狀,期望發展系統功能材料合成和組裝技術,拓展其在未來儲能中的應用.
稀土材料; 新能源; 電化學儲能
能源是社會的糧食,國民經濟發展的基石.大力開發綠色可再生能源,是解決人類社會和諧可持續發展的首要課題.而風能、水能、太陽能、潮汐能等綠色可再生能源都存在著地域限制、不連續、不穩定和不容易控制等問題.因此,實現能源的有效存儲和利用成為可再生能源應用的關鍵.電化學儲能是目前進步最快的儲能技術之一,從最初的鉛酸蓄電池到綠色的鎳氫電池、燃料電池、鋰離子電池、超級電容器、鋰硫電池,電池的能量密度不斷得到提高.
稀土元素具有特殊的4f5d電子結構,其配位數的可變性(6~12)決定了它們具有某種“后備化學鍵”或“剩余原子價”的作用.因此,稀土功能材料和稀土摻雜在電化學儲能領域得到廣泛的應用[1-2].本文作者綜述了稀土材料在電化學儲能方面應用的研究進展.
稀土在鉛蓄電池中主要應用于板柵材料.板柵是鉛酸蓄電池的重要部件之一,主要采用鉛基合金,包括鉛銻合金和鉛鈣合金來制備.但是傳統的鉛基合金板柵存在容易形成導電性差的鈍化膜、析氫/氧過電位較低、抗蠕變性能和深放電循環性能較差等問題.在鉛基合金中添加稀土元素可以起到減小鈍化膜電阻、提高析氫/氧過電位、改善合金力學性能及抗腐蝕性能的作用.
Chen等[3]制備了La摻雜的Pb-Ca-Sn-Al合金,并對不同La的摻雜量對電池性能的影響進行了研究.研究表明,La的添加量為0.01%、0.03% 和0.10%(質量分數)時,可以有效細化Pb-Ca-Sn-Al合金晶粒,抑制Pb(II)氧化物的生長,同時促進PbO2的生長,提高鈍化膜的導電性,從而減少鉛酸蓄電池早期的容量衰減,延長電池的壽命.仝明信等[4]研究表明,Ce的加入可使合金的抗拉伸強度增加10%,伸長率增加兩倍,陽極腐蝕速率下降,析氫減少.由此可說明Ce的添加不但提高了合金的強度還能增加合金的塑性,同時提高了合金的耐腐蝕性能.Liu等[5]采用電化學方法對添加Ce的Pb-Ca-Sn合金進行研究,表明Ce的添加可以抑制陽極膜中高阻抗Pb(II)化合物的生長,降低腐蝕膜的阻抗,從而提高合金的抗腐蝕性能.另外,Sm[3]、Y[6]、Yb[7]、Nd[8]、Pr、Gd、Eu等[9]稀土金屬元素添加的鉛合金作為鉛酸蓄電池的板柵材料也可以在一定程度上改善板柵的力學性能和耐腐蝕性能,提高蓄電池的電化學穩定性和壽命.
稀土儲氫合金作為鎳氫電池的負極是其在電化學儲能領域重要的應用之一.鎳氫電池是一種新型綠色電池,與傳統的鎳鎘電池相比,能量密度更高,更環保[10].稀土儲氫合金主要有LaNi5型儲氫合金(AB5型) 和 La-Mg-Ni系儲氫合金(AB3型、A2B7型)兩類.為了進一步提高鎳氫電池的電化學性能,研究者對負極稀土儲氫合金的改進主要包括合金多元化、合金表面處理和添加功能性添加劑三種途徑.

圖1 La2Mg(Ni1-xCox)9(x=0、0.05、0.10、0.15和0.20)合金的循環穩定性圖
合金多元化是提高儲氫合金電極性能的基本途徑,包括優化A側稀土元素組成和調節B側元素取代兩種方法.單相LaNi5合金的結構是CaCu5六方型,氧化物的穩定性和晶胞體積大小與體內間隙尺寸大小有關,降低氫化物的穩定性會提高相轉變的速度,合金多元化后仍保持CaCu5型單相結構,但晶胞參數和間隙大小會有變化.Adzic等[11]對不同La和Ce比例的La1-xCexB5合金材料進行了研究,結果表明,當x>0.2時,隨著Ce含量的增加,合金的單胞體積下降,造成電池容量的衰減.同時,Ce在合金表面可以形成氧化膜,減緩充放電過程中合金的腐蝕.Wang等[12]研究了(La1-xDyx)0.8Mg0.2Ni3.4Al0.1合金中加入Dy對其結構和電化學性能的影響.結果表明,微量的Dy的加入可以提高(Lax,Mg1-x)2Ni7相的含量,從而提高電極的儲氫容量.如圖1所示,當x為0.05時,電極的最高放電比容量可達到390.2 mA·h·g-1,在300 mA·g-1電流密度下循環100次后容量保持率為82.7%.Liao等[13]系統研究了AB3型合金La2Mg(Ni1-xCox)9(x=0.1~0.5)中Co含量對合金電化學性能的影響.Co含量的增加可以減小合金吸放氫過程中的體積變化,抑制合金的粉化,提高電化學容量和循環穩定性.
對稀土系儲氫合金進行表面修飾可以改善合金表面的導電性、電催化活性及耐腐蝕性,目前常見的合金表面修飾的方法主要有化學鍍、電化學鍍、真空蒸鍍、機械化處理合金、酸堿處理、氟化處理、氫化處理等.
在合金的表面包覆一層金屬膜,可以起到增加導電性、增強合金抗粉化和抗氧化能力的作用.南俊民等[14]在酸性條件下對AB5型儲氫合金進行了表面化學鍍銅,通過控制處理液中銅的含量和pH值可以調節銅的包覆量和包覆速度,從而提高電極的初期放電容量.同時,銅的包覆也提高了電極的放電電壓.熊義輝等[15]設計了一種專用的電鍍裝置,電化學方法處理可以獲得均勻的Cu鍍層,對合金電極的循環穩定性和電化學容量有良好的作用.同時,電化學鍍Cu的方法也比化學法更容易控制,廢液排放少.吳鋒等[16]采用真空蒸鍍的方法分別對儲氫合金進行了鍍銅和鍍銀的處理.研究表明,修飾后的電極內阻均可降低約30%,在5 C倍率下放電容量可提高約200 mA·h·g-1,放電平臺電壓提高了0.10 V.Ikeya等[17]通過機械球磨的方法在MmNi3.5Al0.7Co0.8(Mm為混合稀土,如:La、Ce、Nd、Pr等)合金的表面包覆了一層金屬(Co、Ni或Cu),包覆層金屬與合金顆粒之間結合緊密.包覆Co的MH-Co電極循環穩定性大大提高(MH為儲氫合金),500次循環后的放電比容量僅下降10%,而未處理的MH合金則下降了50%.
采用具有腐蝕性的酸或堿對合金進行處理,改變其表面的結構和組份,可以顯著改善電極的活化性能及倍率放電性能.陳立新等[18]采用不同pH值的緩沖溶液對Mm(NiCoMnAl)5合金進行表面改性,pH值為4.5的緩沖溶液浸漬處理2 h可以有效提高合金的活化性能、初始放電容量和循環穩定性,但對高倍率下的放電性能改善不明顯.蘇小笛等[19]研究了有機酸處理的合金表面,處理后形成催化活性較高的富Ni、Co層,增加合金比表面積,這使合金在堿液中的抗腐蝕性能和電化學反應速度得到提高.張玉潔等[20]通過電化學方法研究了儲氫合金MmNi3.8Co0.75Mn0.4Al0.2在6 mol KOH及6 mol KOH+KBH4混合液處理后的電化學性能.兩種溶液的處理后合金顆粒分布均勻,表面變得粗糙,因此電催化活性增加.尤其加入還原劑KBH4的混合液處理后的合金電極,電化學性能更優.陳衛祥等[21]分別對熱堿液中加入次亞磷酸鈉、硼氫化鉀、次磷酸鈉、氧化亞鈷等還原劑對稀土儲氫合金表面處理進行了研究,電極的放電比容量和穩定性均得到提高.另外,熱堿處理儲氫合金工藝簡單、成本低廉.
此外,采用氟化或氫化的方法對儲氫合金進行表面改性,也可以顯著改善電極的吸放氫催化活性,提高鎳氫電池的性能[22].
在儲氫合金粉末中加入功能性的添加劑也是提高電極性能的一種有效途徑.目前添加劑主要分為三類:金屬單質、過渡金屬氧化物和碳基材料.
Feng等[23]分別在AB5型儲氫合金中加入了金屬Ni粉.研究表明,Ni粉的加入可以減小合金顆粒尺寸,提高電極的導電性和抗腐蝕性,因而電極的倍率放電性能和循環穩定性均得到提高.此外,金屬Ag、MoCo3、MoNi3和WCo3合金[24]也被用作添加劑提高儲氫合金電極的電化學性能.
RuO2、Co3O4、V2O5等過渡金屬氧化物對界面反應具有良好的催化作用,可以提高合金電極吸放氫的動力學性能.Zhang等[25]研究了不同過渡金屬氧化物添加劑對La1.3CaMg0.7Ni9合金電化學性能的影響.研究發現,部分過渡金屬氧化物具有良好的催化活性,添加的TiO2、Cr2O3及ZnO與合金相互作用,不僅降低了電極的電荷轉移阻抗還促進了H2的吸放,因此電池的性能得到顯著提高.
石墨、乙炔黑及碳納米管碳基材料[26]等可以增加合金電極的導電性,提高儲氫負極合金的比表面積,改善催化活性,從而提高鎳氫電池的放電比容量和循環性能.
除了作為鎳氫電池的負極儲氫合金,稀土元素在制備高性能的鎳氫電池正極材料中也有廣泛的應用.鎳氫電池正極材料的活性物質為氫氧化鎳,是一種P型半導體,電子和離子傳導率都較低,導致充放電過程中部分活性物質無法參與反應,進而導致正極容量的損失.通過化學摻雜或者物理性的添加和包覆稀土材料可以明顯改善正極的電化學性能.研究者制備出Y元素摻雜或者Y與其他金屬共摻雜的Ni(OH)2正極材料[27-28],實驗證明,摻雜氫氧化鎳表面電阻降低,晶體缺陷擴大,可以抑制析氧副反應,提高電極的電子離子導電率.類似的,La、Sr、Nd、Ce、Lu等其他稀土元素摻雜的氫氧化鎳正極材料也表現出較優異的電化學性能[29].此外,稀土氧化物或者氫氧化物直接添加或者包覆在Ni(OH)2中也可以改善電極的導電性,提高析氧過電位.
燃料電池是一種將燃料內的化學能直接轉化為電能的裝置,按照電解質的不同可以分為堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和質子交換膜燃料電池(PEMFC).稀土作為一類具有特殊功能的材料,在SOFC、MCFC、PEMFC等燃料電池中均有一定的應用,其中在SOFC中的應用最為廣泛.本文作者重點介紹稀土元素在SOFC中的應用.
SOFC通過燃料與氧化劑氣體通過離子導電氧化物形成的電化學反應將化學能轉換為電能,其組成部分包括電解質、陰極、陽極和連接體.
電解質是SOFC的核心組成部分,其主要功能是傳導離子.稀土元素可作為電解質的主體或者摻雜部分應用于SOFC,主要應用于 ZrO2基、CeO2基和LaGaO3鈣鈦礦基等幾類電解質.
在ZrO2系電解質中,稀土元素主要用于ZrO2的摻雜,以提高電解質的導電率和穩定性,已報道的摻雜稀土元素包括:Y、Dy、Sc、Yb、Gd、Sm等[30].其中Sc摻雜可以獲得較高的離子電導率.Badwal等[31]制備了摩爾分數為17% Sc2O3摻雜的ZrO2電解質(ScSZ表示Sc2O3-ZrO2),其離子電導率可達0.12 S·cm-1.但是,ScSZ長期在高溫下工作時容易老化,且Sc的成本較高,限制了其應用.Y摻雜的氧化鋯(YSZ)離子電導率較高、電子電導率低、穩定性好、機械強度高是目前應用最為廣泛的電解質.Zhao等[32]制備了摩爾分數為8% Y2O3摻雜的ZrO2,在800 ℃下離子電導率可達到0.05 S·cm-1.Y的摻雜使材料在低溫下形成穩定的螢石結構,提高了氧離子空位濃度和間隙陽離子濃度,提高氧離子的電導率.
純的CeO2基電解質的離子電導率較低,但是其相對于陰極材料的化學穩定性高于摻雜的氧化鋯電解質.摻雜稀土元素(如:La、Gd、Sm、Y等)可以提高電解質的離子導電性,其中,Y摻雜的CeO2表現出較高的電導率.Steele等[33]研究了不同稀土元素摻雜的CeO2電解質,其電導率如表1所示,可看出Y摻雜的電解質在不同溫度下均表現出較高的電導率.Liu等[34]制備了YSZ/Gd摻雜CeO2(GDC)復合的電解質,Gd的摻雜可以提高GDC電解質的離子電導率,同時,薄層YSZ的引入是為了保護GDC電解質不被還原,防止電子導電.

表1 部分電解質材料的離子電導率
另外一類與稀土元素密切相關的電解質是以摻雜LaGaO3為典型代表的鈣鈦礦系.Ishihara等[35]研究了不同稀土離子摻雜的LaGaO3的離子導電率,研究表明(La0.9Nd0.1)0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3-δ的氧離子導電率可以達到0.5 S·cm-1.Majewski等[36]報道了 Mg、Sr雙摻雜的LaGaO3,擴大了晶格,進一步增大氧離子電導率.Sr和Mg共摻雜LaGaO3(LSGM)的氧離子電導率高于典型的YSZ和摻雜氧化鈰,是最有潛力的SOFC電解質材料之一[37].
SOFC的陰極材料主要是鈣鈦礦型的ABO3材料,其中A=La、Sr,Gd等稀土元素,B=Mn、Fe、Co、Ni等過渡金屬元素.
稀土摻雜的LaMnO3是傳統的陰極材料,摻雜可以提高材料的電導率,同時影響材料的膨脹系數等,改善其電化學性能[38].但是這類材料在高溫下的離子導電性較差,且隨電池操作溫度的降低,陰極極化嚴重.Inagaki等[39]高溫熱解制備了La0.6Sr0.4CoO3-δ陰極材料,與傳統LaMnO3材料相比,離子導電率和催化活性均得到提高,在300 mA·cm-2的電流密度下,陰極極化僅為25 mV.Lee等[40]對不同摻雜量的Nd1-xSrxCoO3-d(0 SOFC中陽極是燃料氣和從電解質中遷移過來的氧離子的反應場所,因而需要滿足對燃料氣具有良好的氧化催化活性、良好的電子導電性及多孔、耐高溫等要求.稀土摻雜氧化物作為支撐與Ni復合的金屬陶瓷是一種常用的陽極材料,比如Ni-YSZ、Ni-Cu-YSZ、Ni-Y2O3-ZrO2-TiO2等[43-44].其中,稀土的添加可以限制Ni金屬的增長和團聚,保持陽極的多孔性,同時提高陽極材料的氧離子導電性.摻雜CeO2(DCO)做支撐的Ni-DCO材料表現出較好的催化活性和穩定性,已經被廣泛應用在中低溫SOFC中[45].此外,鈣鈦礦型的導電陶瓷,如La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3等,也表現出較穩定的電化學性能[46]. SOFC的連接體主要起到導電、導熱、隔開陰極的氧化氣和陽極的燃料氣的作用,因此需要較高電子電導率、低離子電導率、高穩定性和熱導率. 目前研究較多的是摻雜的LaCrO3、摻雜YCrO3陶瓷和金屬合金.摻雜LaCrO3和摻雜YCrO3的SOFC耐高溫,在強氧化和強還原氣氛中均穩定,電子電導率較高,與電池其他組元相容性好.但不易燒結,造成加工困難,還會發生鎘蒸氣揮發毒化,導電性下降等問題[47-48].金屬合金連接材料具有較高的電導率、導熱性等優點,但是也更容易被腐蝕和氧化.因此,稀土離子及稀土氧化物也常用于金屬合金的摻雜來降低成本和提高其抗氧化性、抗腐蝕性[49]. 隨著能源存儲和利用需求的日益增長,鋰離子電池因其高能量密度、可循環利用、無記憶效應、適用溫度寬等優點已被廣泛應用于電子產品、電動車、航空航天、國防軍事等各個領域.鋰離子電池主要由正極、負極、隔膜、電解液等部分組成,其中稀土材料的應用主要集中在正極材料中. 目前鋰離子電池的正極材料主要有層狀結構的鈷酸鋰(LiCoO2)、鎳酸鋰(LiNiO2)、橄欖石結構的磷酸亞鐵鋰(LiFePO4)、尖晶石結構的錳酸鋰(LiMn2O4)以及層狀三元材料(LiNixCoyMnzO2)等.這些正極材料均存在制備時易團聚、充放過程中鋰離子脫嵌受阻、結構易變形等問題.采用微量La3+、Ce4+、Y3+、Sc3+、Gd3+、Tm3+、Ho3+、Lu3+等稀土離子對鋰離子電池的正極材料進行摻雜可以增加材料的晶胞體積、使材料形成均一的顆粒、改善鋰離子的擴散條件,從而提高電池的容量和循環穩定性[50-51].Ghosh等[52]制備了不同La3+摻雜量的LiCo1-xLaxO2,研究表明隨著摻雜量的增加,晶胞體積不斷增大,正極材料的結構得到穩定.摩爾分數為5.0%摻雜的材料容量保持率比未摻雜材料提高了10倍.Zhao等[53]通過固態法制備了LiFe1-xNdxPO4/C (x=0~0.08)正極材料,晶體結構未發生變化(圖2a),包覆碳后的LiFe0.4Nd0.6PO4/C在0.2 C時放電比容量為165 mA·h·g-1,循環100次后的容量保持率可達 92.8%,穩定性良好(圖2b).稀土離子摻雜的層狀三元材料LiNixCoyMnzO2也可以有效降低陽離子的混排程度,增加晶體結構穩定性、降低電荷轉移阻抗.Zhong等[54-55]分別制備了Ce、Y摻雜的LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2,該正極材料的層狀結構得到穩定,電化學性能也得到提高. 除了采用摻雜技術以外,采用稀土元素氧化物、氟化物等對正極材料進行表面包覆可以有效限制活性物質直接與電解液接觸,進而防止活性物質流失,提高電極材料與電解液界面的穩定性.Sivakumar等[56]制備了2%(質量分數) CeO2包覆的LiFePO4材料,增強了材料的離子和電子導電性,提高電極的倍率放電性能.類似的,La2O3、SrO/Li2O/La2O3/Ta2O5/TiO2等稀土氧化物應用于LiCoO2正極材料,電極電化學性能也得到一定程度提高.此外,研究證明YF3、LaF3等[57-58]包覆的LiNixCoyMnzO2材料離子電子導電性得到提高,促進了電荷轉移,因此電極的比容量和倍率性能均得到提高.同時,稀土化合物YPO4的包覆還有利于電極形成穩定的SEI膜,以提高電極的穩定性,延長電池使用壽命[59]. 圖2 (a) LiFePO4和LiFe0.4Nd0.6PO4的XRD圖譜和(b) 摻雜LiFe0.4Nd0.6PO4/C電極在不同倍率下的循環性能圖 超級電容器是一種常見的電化學儲能體系,具有功率密度大、循環壽命長、適用溫度寬等優點.稀土元素作為摻雜離子及作為贗電容的活性材料,在超級電容器領域也有一定的應用. Xu等[60]采用共沉淀的方法制備了Yb摻雜的α-Ni(OH)2,在0.2 C電流密度下,放電比容量為295.1 mA·h·g-1,比未摻雜材料高出60 mA·h·g-1.Lv等[61]設計制備了一種Er摻雜的新型電容器材料Er@TiO2,明顯提高了TiO2的放電容量.CeO2本身也可以作為一種電容器的電極材料來進行儲能[62],通常研究者將其與石墨烯復合來提高其導電性[63].Ji等[64]用水熱法制備CeO2/RGO作為電容器電極材料,放電比容量為265 F·g-1且循環穩定性良好.此外,研究者還將CeO2與其他贗電容電極材料復合制備成具有一定納米結構的復合電極,在充放電過程中協同作用,提高復合材料的電容量和穩定性[65-66]. 鋰硫電池理論比容量高達1 672 mA·h·g-1,是傳統鋰離子電池的10倍,因此,近年來吸引了大量的關注.將稀土材料應用于硫電極,利用稀土金屬離子與硫陰離子之間的作用來抑制多硫化鋰在正負極之間的穿梭,提高電池的性能.Sun等[67]將La2O3修飾的碳材料作為硫電極的基體,既增加了電極導電性,又可有效控制硫陰離子.如圖3所示,該電極在不同倍率下的容量和循環穩定性均有提高,其中1 C下比容量為1 043 mA·h·g-1,循環100次后仍能保持在799 mA·h·g-1.Li等[68]也將Ce摻雜的碳材料作為基體進行了鋰硫電池的組裝,同樣起到提高比容量和穩定性的效果.CeO2、Y2O3等[69-70]稀土金屬氧化物修飾的碳材料被直接用作硫電極的基體或者修飾鋰硫電池的隔膜,都對電池性能有顯著的提高. 圖3 不同La2O3含量的NMC/La2O3/S電極在不同倍率下的循環性能.(a) 0.2 C;(b) 1.0 C;(c) 3.0 C;(d) 5.0 C 隨著新能源的不斷開發,電化學儲能系統也不斷更新和進步,新型的儲能系統和儲能材料也層出不窮.稀土材料作為一類具有特殊功能的材料始終伴隨著儲能的發展,在鉛酸蓄電池的板柵材料、鎳氫電池的負極儲氫合金、正極添加劑,燃料電池的電解質、陰極、陽極,鋰離子電池正極材料、超級電容器、鋰硫電池中具有廣泛的應用.稀土合金、稀土離子或者稀土化合物的引入,對儲能材料的結構、性質及電化學性能都有顯著的影響.但是,由于稀土材料本身價格較高,在未來研究中如何降低材料的成本也是研究的重點之一.因此,通過精確掌握稀土離子或者化合物的作用機理,通過微量的摻雜或者添加,對儲能材料進行顯著改性,具有重要意義.通過最大化利用稀土材料的優勢,降低成本,使其在未來儲能領域及產業化方面的應用前景更加廣闊. [1] 陳昆峰,李宮,梁晰童,等.稀土改性電化學儲能電極材料的研究進展 [J].硅酸鹽學報,2016,44(8):1241-1247. Chen K F,Li G,Liang X T,et al.Rare earth element ion modified electrochemical energy storage electrode materials-a short review [J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2016,44(8):1241-1247. [2] 閆慧忠.稀土在化學電源中的應用 [C].稀土產業論壇專家報告集,中國包頭:中國稀土學會,2011. Yan H Z.The application of rare earth materials in electrochemical power source [C].Rare Earth Industry BBS Report,Baotou:Chinese Society of Rare Earth,2011. [3] Chen H Y,Li S,Li A J,et al.Lead-samarium alloys for positive grids of valve-regulated lead-acid batteries [J].Journal of Power Sources,2007,168(1):79-89. [4] 仝明信,林冠發.稀土鉛基板柵材料的性能研究 [J].理化檢驗(物理分冊),2006,42(02):60-62,71. Tong M X,Lin G F.The study of the properties of the lead-based grid materials with rare earth additive [J].Ptca (part:A phys test),2006,42(02):60-62,71. [5] Liu H T,Yang J,Liang H H,et al.Effect of cerium on the anodic corrosion of Pb-Ca-Sn alloy in sulfuric acid solution [J].Journal of Power Sources,2001,93(1):230-233. [6] 魏杰,王東田,欒中華,等.Addition of Ce as additive to Pb-Ca-Sn-Al grid alloy for lead acid battery [J].Journal of Harbin Institute of Technology,2003,10(1):28-30. Wei J,Wang D T,Luan Z H,et al.Addition of Ce as additive to Pb-Ca-Sn-Al grid alloy for lead acid battery [J].Journal of Harbin Institute of Technology,2003,10(1):28-30. [7] Li D G,Wang J D,Chen D R.Influence of ytterbium on the electrochemical property of PbCaSn alloy in sulfuric acid solution [J].Journal of Power Sources,2012,210:163-171. [8] 楊春曉,王會鋒,馬敏,等.鉛-鐿合金在硫酸溶液中的陽極行為 [J].復旦學報(自然科學版),2005,44(6):1023-1027,1032. Yang Ch X,Wang H F,Ma M.Anodic behavior of Lead-Ytterbium alloy in sulfuric acid solution [J].Journal of Fudan University(Natural Science),2005,44(6):1023-1027,1032. [9] Liu H T,Zhang X H,Zhou Y B,et al.The anodic films on lead alloys containing rare-earth elements as positive grids in lead acid battery [J].Materials Letters,2003,57(29):4597-4600. [10] 張懷偉,鄭鑫遙,劉洋,等.稀土元素在儲氫材料中的應用進展 [J].中國稀土學報,2016,34(1):1-10. Zhang H W,Zheng X Y,Liu Y,et al.Application and development of rare earth-based hydrogen sstorage materials [J].Journal of the Chinese Socirty of Rare Earths,2016,34(1):1-10. [11] Adzic G D,Johnson J R,Reilly J J,et al.Cerium Content and Cycle Life of Multicomponent AB5Hydride Electrodes [J].Journal of The Electrochemical Society,1995,142(10):3429-3433. [12] Wang B,Chen Y,Liu Y.Structure and electrochemical properties of (La1-xDyx)0.8Mg0.2Ni3.4Al0.1(x=0.0~0.20) hydrogen storage alloys [J].International Journal of Hydrogen Energy,2012,37(11):9082-9087. [13] Liao B,Lei Y Q,Chen L X,et al.Effect of Co substitution for Ni on the structural and electrochemical properties of La2Mg(Ni1-xCox)9(x=0.1~0.5) hydrogen storage electrode alloys [J].Electrochimica Acta,2004,50(4):1057-1063. [14] 南俊民,楊勇,林祖賡.銅包覆AB5型金屬氫化物電極的電化學性能研究 [J].電源技術,1998,22(5):6-9. Nan J M,Yang Y,Lin Z G.Investigations of electrochemical performance of copper-coated AB5type metal hydride electrodes [J].Chinese Journal of Power Sources,1998,22(5):6-9. [15] 熊義輝,沈建榮,林根文,等.用電鍍方法在貯氫合金粉末表面包覆銅的探索 [J].電源技術,1997,21(3):8-1,48. Xiong Y H,Shen J Y,Lin G W,et al.Method of plating Cu on surface of hydrogen-storage alloy powder [J].Chinese Journal of Power Sources,1997,21(3):8-10,48. [16] 吳鋒,李漢軍,楊凱.銀對貯氫合金電極表面修飾的研究 [J].電池,2005,35(1):14-16. Wu F,Li H J,Yang K.Research on the surface modification of the MH electrode with silver [J].Battery bimothly,2005,35(1):14-16. [17] Ikeya T,Kumai K,Iwahori T.Mechanical process for enhancing metal hydride for the anode of a Ni-MH secondary battery [J].Journal of the Electrochemical Society,1993,140(11):3082-3086. [18] 陳立新,徐建紅,雷永泉.緩沖溶液浸漬處理對貯氫合金Mm(NiCoMnAl)5電化學性能的影響 [J].稀有金屬材料與工程,2001,30(1):58-60. Chen L X,Xu J H,Lei Y Q.Effect of buffer solution surface treatment on electrochemical performances of Mm(NiCoMnAl)5hydrogen storage alloy [J].Rare Metal Materials and Engineerng,2001,30(1):58-60. [19] 蘇小笛,劉昭林,徐印,等.貯氫合金電極有機酸處理研究 [J].電池,1997,27(6):263-265,271. Su X D,Lin Z L,Xu Y,et al.Surfaee Treatment of Hydrogen storage alloy electrodeby organic Acids [J].Battery Bimothly,1997,27(6):263-26,271. [20] 張玉潔,楊猛,丁毅,等.表面處理對儲氫合金電化學性能的影響研究 [J].表面技術,2008,37(4):9-11,17. Zhang Y J,Yang M,Ding Yi,et al.The effect of surface treatment on electrochemical performance of hydrogen storage alloy [J].Surface Technology,2008,37(4):9-11,17. [21] 陳衛祥.MH 電極表面化學還原處理正交實驗 [J].電源技術,1998,22(5):16-18,39. Chen W X.Orthogonal experiment of chemical reducing treatment of MH electrode surface [J].Chinese Journal of Power Sources,1998,22(5):16-18,39. [22] 鄧超,史鵬飛,張森,等.LaNi5型儲氫合金表面修飾及其電化學性能研究 [J].無機化學學報,2005,21(3):446-450. Deng C,Shi P F,Zhang S,et al.Surface modification and prpperty sduty of LaNi5Hydrogen storage alloy [J].Chinese Journal of Inorganic Chemistry,2005,21(3):46-450. [23] Feng H,Liu X,Tian X,et al.Electrochemical properties of the Mm0.3Ml0.7Ni3.55Co0.75Mn0.4Al0.3alloy mixed with Ni powder [J].International Journal of Hydrogen Energy,2009,34(4):1886-1889. [24] Liu J,Wang W H,Ye S H,et al.The chemical preparation of Mo(W)Co(Ni) and their influence on hydrogen storage electrode [J].Journal of Alloys and Compounds,1999,285(1):263-266. [25] Zhang P,Wei X,Liu Y,et al.Effects of metal oxides addition on the performance of La1.3CaMg0.7Ni9hydrogen storage alloy [J].International Journal of Hydrogen Energy,2008,33(4):1304-1309. [26] Fernández P S,Filippín A N,Real S G,et al.Single walled carbon nanotubes as supports for metal hydride electrodes [J].International Journal of Hydrogen Energy,2010,35(11):5864-5868. [27] Ren J,Zhou Z,Gao X P,et al.Preparation of porous spherical α-Ni(OH)2and enhancement of high-temperature electrochemical performances through yttrium addition [J].Electrochimica Acta,2006,52(3):1120-1126. [28] Zheng H Z,Zhu Y J,Lin X R,et al.The influence of Na2CO3content and Ni2+concentration on the physicochemical properties of nanometer Y-substituted nickel hydroxide [J].Materials Science and Engineering:B,2013,178(20):1365-1370. [29] 邢春曉,劉長久,吳華斌,等.復合摻雜Nd(Ⅲ)和Zn(Ⅱ)非晶態Ni(OH)2電極活性材料的制備及其表征 [J].桂林工學院學報,2009,29(4):502-506. Xing C X,Liu C J,Wu H B.Preparation and characterization of electrode activity material Nd(III) and Zn(II) multiplex doped amorphous Ni(OH)2[J].Journal of Guilin University of Technology,2009,29(4):502-506. [30] Shao Z,Tadé M O.Electrolyte materials for IT-SOFCs,intermediate-temperature solid oxide fuel cells:Materials and applications [M].Berlin:Springer,2016:15-57. [31] Badwal S P S,Ciacchi F T.Oxygen-ion conducting electrolyte materials for solid oxide fuel cells [J].Ionics,2000,6(1):1-21. [32] Zhao F,Virkar A V.Dependence of polarization in anode-supported solid oxide fuel cells on various cell parameters [J].Journal of Power Sources,2005,141(1):79-95. [33] Steele B C H.Appraisal of Ce1-yGdyO2-y/2electrolytes for IT-SOFC operation at 500 ℃ [J].Solid State Ionics,2000,129(1):95-110. [34] Liu Q L,Khor K A,Chan S H,et al.Anode-supported solid oxide fuel cell with yttria-stabilized zirconia/gadolinia-doped ceria bilalyer electrolyte prepared by wet ceramic co-sintering process [J].Journal of Power Sources,2006,162(2):1036-1042. [35] Ishihara T,Matsuda H,Takita Y.Effects of rare earth cations doped for La site on the oxide ionic conductivity of LaGaO3-based perovskite type oxide [J].Solid State Ionics,1995,79(95):147-151. [36] Majewski P,Rozumek M,Aldinger F.Phase diagram studies in the systems La2O3-SrO-MgO-Ga2O3at 1 350~1 400 ℃ in air with emphasis on Sr and Mg substituted LaGaO3[J].Journal of Alloys and Compounds,2001,329(1):253-258. [37] Huang K,Feng M,Goodenough J B.Sol-Gel synthesis of a new oxide-ion conductor Sr-and Mg-doped LaGaO3perovskite [J].Journal of the American Ceramic Society,1996,79(4):1100-1104. [38] 夏正才,唐超群,周東祥.Sr摻雜量對La(1-x)SrxMnO(3-δ)離子導電性能的影響 [J].功能材料,2000,31(2):155-156 Xia Z C,Tang C Q,Zhou D X.The influence of Sr-dopant on ionic conducting properties of La(1-x)SrxMnO(3-δ)[J].Journal of Fountion Materails,2000,31(2):155-156. [39] Inagaki T,Miura K,Yoshida H,et al.High-performance electrodes for reduced temperature solid oxide fuel cells with doped lanthanum gallate electrolyte:II.La(Sr)CoO3cathode [J].Journal of Power Sources,2000,86(1):347-351. [40] Lee K T,Manthiram A.Characterization of Nd1-xSrxCoO3-δ(0≤x≤0.5) cathode materials for intermediate temperature SOFCs [J].Journal of The Electrochemical Society,2005,152(1):A197-A204. [41] Qiu Y,Pu J,Li J,et al.A fundamental study on the chemical stability of La1-xSrxCo0.2Fe0.8O3-δcathodes for intermediate temperature solid oxide fuel cells [J].Journal of Electrochemical Energy Conversion and Storage,2017,14(3):031002. [42] Lyu H,Zhao B Y,Wu Y J,et al.Effect of B-site doping on Sm0.5Sr0.5MxCo1-xO3-δproperties for IT-SOFC cathode material (M=Fe,Mn) [J].Materials Research Bulletin,2007,42(12):1999-2012. [43] Kuhn J N,Lakshminarayanan N,Ozkan U S.Effect of hydrogen sulfide on the catalytic activity of Ni-YSZ cermets [J].Journal of Molecular Catalysis A:Chemical,2008,282(1):9-21. [44] Tao S,Irvine J T S.Optimization of mixed conducting properties of Y2O3-ZrO2-TiO2and Sc2O3-Y2O3-ZrO2-TiO2solid solutions as potential SOFC anode materials [J].Journal of Solid State Chemistry,2002,165(1):12-18. [45] 尹艷紅,李少玉,朱威,等.鈣摻雜的氧化鈰用于中溫SOFCs陽極材料研究 [J].中國稀土學報,2005,23(3):317-320. Yin Y H,Li S Y,Zhu W,et al.Research on calcium-doped ceria used in intermediate-temperature SOFCs anodes [J].Journal of the Chinese Rare Earth Society,2005,23(3):317-320. [46] Zhu W Z,Deevi S C.A review on the status of anode materials for solid oxide fuel cells [J].Materials Science and Engineering:A,2003,362(1):228-239. [47] Kolisetty A,Fu Z,Koc R.Development of La(CrCoFeNi)O3system perovskites as interconnect and cathode materials for solid oxide fuel cells [J].Ceramics International,2017,43(10):7647-7652. [48] Mehran M T,Khan M S,Lee J W,et al.Nano-CeO2and-LaCrO3dispersed ferritic stainless steels as potential interconnect materials for solid oxide fuel cells [J].Journal of Alloys and Compounds,2017,709:453-463. [49] Yang Z.Recent advances in metallic interconnects for solid oxide fuel cells [J].International Materials Reviews,2008,53(1):39-54. [50] 李明明,張英杰,董鵬.鋰離子電池正極材料稀土摻雜的研究進展 [J].電源技術,2015,39(7):1539-1542. Li M M,Zhang Y J,Dong P.Research progress of rare earth doping cathode material for lithium ion battery [J].Chinese Journal of Power Sources,2015,39(7):1539-1542. [51] Ning F,Xu B,Shi J,et al.Structural,electronic,and Li migration properties of RE-doped (RE=Ce,La) LiCoO2for Li-ion batteries:A first-principles investigation [J].Journal of Physical Chemistry C,2016,120(33):18428-18434. [52] Ghosh P,Mahanty S,Basu R N.Lanthanum-doped LiCoO2cathode with high rate capability [J].Electrochimica Acta,2009,54(5):1654-1661. [53] Zhao X,Tang X,Zhang L,et al.Effects of neodymium aliovalent substitution on the structure and electrochemical performance of LiFePO4[J].Electrochimica Acta,2010,55(20):5899-5904. [54] Li Y,Li Y,Zhong S,et al.Synthesis and electrochemical properties of Y-doped LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2cathode materials for Li-Ion battery [J].Integrated Ferroelectrics,2011,127(1):150-156. [55] Zhong S,Wang Y,Liu J,et al.Synthesis and electrochemical properties of Ce-doped LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2cathode material for Li-ion batteries [J].Journal of Rare Earths,2011,29(9):891-895. [56] Sivakumar M,Muruganantham R,Subadevi R.Investigations on the rate performance of LiFePO4/CeO2composite materials via polyol technique for rechargeable lithium batteries [J].RSC Advances,2015,5(105):86126-86136. [57] Xie Q,Hu Z,Zhao C,et al.LaF3-coated Li[Li0.2Mn0.56Ni0.16Co0.08]O2as cathode material with improved electrochemical performance for lithium ion batteries [J].RSC Advances,2015,5(63):50859-50864. [58] Liu B,Zhang Z,Wan J,et al.Improved electrochemical properties of YF3-coated Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2as cathode for Li-ion batteries [J].Ionics,2017,23(6):1365-1374. [59] Bai Y,Chang Q,Yu Q,et al.A novel approach to improve the electrochemical performances of layered LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2cathode by YPO4surface coating [J].Electrochimica Acta,2013,112(12):414-421. [60] Xu Q,Zhu Y,Han Q,et al.Preparation of Yb-substituted α-Ni(OH)2and its physicochemical properties [J].Journal of Alloys and Compounds,2014,584:1-6. [61] Lv Y,Du W,Ren Y,et al.An integrated electrochromic supercapacitor based on nanostructured Er-containing titania using an Er(iii)-doped polyoxotitanate cage [J].Inorganic Chemistry Frontiers,2016,3(9):1119-1123. [62] Murugan R,Ravi G,Vijayaprasath G,et al.Ni-CeO2spherical nanostructures for magnetic and electrochemical supercapacitor applications [J].Physical Chemistry Chemical Physics,2017,19(6):4396-4404. [63] Deng D,Chen N,Xiao X,et al.Electrochemical performance of CeO2nanoparticle-decorated graphene oxide as an electrode material for supercapacitor [J].Ionics,2017,23(1):121-129. [64] Ji Z,Shen X,Zhou H,et al.Facile synthesis of reduced graphene oxide/CeO2nanocomposites and their application in supercapacitors [J].Ceramics International,2015,41(7):8710-8716. [65] Zhang H,Gu J,Tong J,et al.Hierarchical porous MnO2/CeO2with high performance for supercapacitor electrodes [J].Chemical Engineering Journal,2016,286:139-149. [66] Ojha G P,Pant B,Park S-J,et al.Synthesis and characterization of reduced graphene oxide decorated with CeO2-doped MnO2nanorods for supercapacitor applications [J].Journal of Colloid and Interface Science,2017,494:338-344. [67] Sun F,Wang J,Long D,et al.A high-rate lithium-sulfur battery assisted by nitrogen-enriched mesoporous carbons decorated with ultrafine La2O3nanoparticles [J].Journal of Materials Chemistry A,2013,1(42):13283-13289. [68] Li X,Pan L,Wang Y,et al.High efficiency immobilization of sulfur on Ce-doped carbon aerogel for high performance lithium-sulfur batteries [J].Electrochimica Acta,2016,190:548-555. [69] Qian X,Jin L,Zhu L,et al.CeO2nanodots decorated ketjen black for high performance lithium-sulfur battery [J].RSC Advances,2016,6(112):111190-111196. [70] Wang S,Qian X,Jin L,et al.Separator modified by Y2O3nanoparticles-ketjen black hybrid and its application in lithium-sulfur battery [J].Journal of Solid State Electrochemistry,2017,21(11):3229-3236. Researchprogressontheapplicationofrareearthmaterialsinelectrochemicalenergystorage LiuXiaoyan1,LiXinru2,LiHexing1 (1.College of Life and Environmental Sciences,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China;2.Department of Chemical and Biomolecular Engineering,University of California-Los Angeles,Los Angeles 90095,USA) The exploration of energy storage materials has been accompanied by the development of rare earth materials and their applications.Rare earth materials are widely used in various fields of electrochemical energy storage.In this paper,we review the latest applications of rare earth materials in lead-acid batteries,nickel-metal hydride batteries,solid oxide fuel cells,lithium-ion batteries,super capacitors,and lithium-sulfur batteries.Also,the important role of rare earth materials in electrochemical energy storage is introduced here.Hopefully,rare earth materials will have a wider application prospect and brighter future in energy storage. rare earth materials; green energy; electrochemical energy storage 10.3969/J.ISSN.1000-5137.2017.06.001 2017-09-29 高等學校博士學科點科研基金(20123127110006) 劉肖燕(1989-),女,博士,師資博后,主要從事新型儲能材料及化學電源方面的研究.E-mail:xyliu@shnu.edu,cn 劉肖燕,李欣茹,李和興.稀土應用于電化學儲能的研究進展 [J].上海師范大學學報(自然科學版),2017,46(6):769-779. formatLiu X Y,Li X R,Li H X.Research progress on the application of rare earth materials in electrochemical energy storage [J].Journal of Shanghai Normal University(Natural Sciences),2017,46(6):769-779. O 646.21 A 1000-5137(2017)06-0769-11 郁 慧)3.3 稀土在SOFC陽極中的應用
3.4 稀土在SOFC連接體中的應用
4 稀土在鋰離子電池中的應用

5 稀土在超級電容器中的應用
6 稀土在鋰硫電池中的應用

7 結束語