镍支撑网
摘要
随着全球能源结构加速向清洁、低碳方向转型，氢能作为一种高效、环保的二次能源，正日益受到各国政府与产业界的高度重视。在氢气制备、储运与利用的全产业链中，关键材料的性能直接决定了系统的效率与安全性。镍基合金因其优异的耐腐蚀性、导电性与高温稳定性，在电解水制氢领域中扮演着不可或缺的角色。其中，制氢镍冲压支撑网作为一种结构性功能材料，广泛应用于电解槽电极支撑、气体扩散层强化及电流集流等关键环节。本文系统梳理了制氢镍冲压支撑网的材料特性、制造工艺、功能作用及其在绿氢产业中的应用价值，并展望其未来发展趋势。
一、引言：氢能时代的材料基石
在全球“碳达峰、碳中和”战略目标驱动下，氢能被视为实现能源系统深度脱碳的重要路径。根据国际能源署（IEA）预测，到2030年，全球绿氢（即通过可再生能源电解水制得的氢气）产量将增长至目前的百倍以上。电解水制氢技术的核心在于电解槽，其性能不仅依赖于电极催化剂的活性，更受制于电极结构材料的稳定性与导电性。在这一背景下，镍冲压支撑网作为电解槽关键结构部件，其材料选择与制造工艺成为决定系统效率与寿命的关键因素。
二、材料特性：镍的优势与合金化设计
镍（Ni）是一种过渡金属，具有面心立方晶体结构，具备以下显著优势：
- 优异的耐腐蚀性：在碱性电解液（如30% KOH溶液）中，镍表面可形成稳定的钝化膜，有效抑制析氢副反应；
- 高导电性与导热性：电导率约为14.3×10⁶ S/m，显著优于不锈钢与钛材；
- 良好的机械加工性：可通过冷轧、冲压、拉伸等工艺制成高孔隙率、三维联通的网状结构；
- 高温稳定性：在200–300°C工况下仍保持结构完整，适用于高温碱性电解（HT-AWE）系统。
为进一步提升性能，工业上常采用镍基合金化设计，如Ni-Cr、Ni-Mo、Ni-Co等体系，以增强抗点蚀能力、降低析氢过电位，并提高机械强度。例如，添加2–3 wt%的钼（Mo）可显著提升在含硫碱性环境中的耐蚀性。
三、制造工艺：从箔材到功能化支撑网
制氢镍支撑网的制造过程融合了精密冲压成形与表面功能化处理两大核心技术，其典型工艺流程如下：
1. 原材料准备 
选用高纯电解镍箔（纯度≥99.9%，厚度50–200 μm），通过多道次冷轧控制晶粒尺寸与力学性能，确保后续冲压成形性。
2. 精密冲压成形 
采用数控级进模冲压技术，在镍箔上连续冲制出规则排列的通孔（孔径0.5–2.0 mm，孔隙率40–70%），并通过拉伸或膨胀工艺形成三维立体网状结构。该结构需满足以下要求：
高孔隙率：确保电解液与气体的高效传质；
均匀孔径分布：避免局部电流密度集中，防止电极极化；
足够机械强度：在电解槽装配压力下不发生塌陷或断裂。
3. 表面功能化处理 
为提升电催化活性与长期稳定性，需对镍网进行原位活化处理，包括：
电化学粗化：通过阳极氧化在表面构建微米级粗糙结构，增大真实表面积； 电沉积改性：沉积Ni-Fe、Ni-Co等合金层，降低析氢过电位（HER overpotential < 100 mV @ 100 mA/cm²）；
亲水涂层：涂覆聚苯胺或氧化石墨烯层，增强电解液润湿性，减少气泡附着。
四、功能作用：电解槽中的“隐形英雄”
在碱性电解水（AWE）系统中，镍冲压支撑网并非直接参与催化反应，但其结构功能至关重要：
功能模块 作用机制 性能要求 
电极支撑 为多孔镍电极（如Ni foam或Ni felt）提供机械支撑，防止在高压差下塌陷 高抗压强度（>5 MPa），低接触电阻 
电流集流 作为阴极/阳极的集流体，将外部电流均匀分配至整个电极表面 低电阻率（<10 μΩ·cm），高焊接可靠性 
气体扩散 其三维孔道结构促进H₂/O₂气泡脱离，降低传质极化 高孔隙率（>60%），孔径梯度设计 
热管理 通过高导热性将局部焦耳热快速导出，防止热点形成 导热系数 > 90 W/(m·K) 
实验表明，采用优化设计的镍支撑网可使电解槽的单位能耗降低3–5%，在1 A/cm²电流密度下稳定运行超过8000小时，显著优于传统不锈钢支撑结构。
五、技术优势与挑战
（一）技术优势
1. 材料-结构一体化设计：通过冲压成形实现结构功能化，避免后续组装误差；
2. 可扩展性强：适合卷对卷（roll-to-roll）连续生产，满足GW级电解槽制造需求；
3. 成本可控：镍原料价格相对稳定（约为钛材的1/3），且冲压工艺成熟，良品率>95%；
4. 可回收性高：镍支撑网可在电解槽退役后通过酸洗再生，镍回收率>98%，符合循环经济理念。

（二）现存挑战
1. 长期腐蚀疲劳：在周期性启停工况下，镍网边缘易出现微裂纹，导致局部电阻升高；
2. 析氢副反应抑制不足：尽管镍耐碱蚀，但在高过电位下仍可能发生Ni → Ni(OH)₂溶解；
3. 焊接界面失效：与极板焊接时易形成脆性Ni-Fe金属间化合物，影响长期可靠性；
4. 标准化缺失：目前行业缺乏统一的孔径、厚度与力学性能标准，制约规模化应用。
六、发展与展望
面向未来10年绿氢产业规模化发展，制氢镍冲压支撑网的技术演进将呈现以下趋势：
1. 纳米结构化表面工程 
通过模板法或电化学沉积在镍网表面构建Ni-Mo-S、Ni-Fe-P等纳米催化层，实现“支撑-催化”一体化，进一步降低系统复杂度。
2. 梯度孔径设计 
采用多步冲压与激光打孔结合工艺，构建从微米级（靠近电极）到毫米级（靠近极板）的梯度孔径结构，优化气液两相流分布。
3. 智能监测集成 
在镍网中嵌入微传感器（如光纤布拉格光栅），实时监测局部温度、应变与电阻变化，实现电解槽健康状态预测性维护。
4. 绿色制造流程 
开发无氰电镀、低温等离子体清洗等环保工艺，减少制造过程中的重金属排放与能耗，支撑氢能全生命周期碳足迹降低。
七、结语：材料创新引领氢能未来
制氢镍冲压支撑网虽为电解槽中的“静默部件”，却以其独特的结构功能，支撑着绿氢产业的稳健前行。从材料科学到制造工程，从表面化学到系统优化，其技术进步凝聚了多学科智慧的结晶。随着电解槽向高电流密度、高压力、长寿命方向发展，镍支撑网必将持续演进，成为连接“材料基因”与“能源转型”的关键桥梁。可以预见，在不远的未来，每一立方米的绿氢背后，都将有一张精密而坚韧的镍网，在无声中守护着清洁能源的流动。