掺杂CeO2与Ni对Mg2Ni储氢合金的结构与电化学性能的影响

摘要

Mg2Ni合金由于其良好的电化学储氢性能而备受关注。Mg2Ni储氢合金具有充电容量大，充电性能好等优点，作为镍氢电池的负极是极为理想的材料，不足之处是放电条件苛刻，导致放电性能较差，放电容量较低，而且放电循环稳定性也较差，这些不足导致其在电池领域的应用受到极大的限制。因此，改善Mg2Ni储氢合金的电化学性能是我们目前亟待解决的问题。本文针对合金电化学性能差的问题，提出了一些改善方法，从优化制备工艺与掺杂氧化物以及金属Ni两方面进行研究，并得到了一些有价值的研究成果：
　　(1)掺杂不同的稀土氧化物（CeO2、La2O3与Pr6O11）于Mg2Ni储氢合金中并进行球磨，发现稀土氧化物的掺杂不仅提高了合金的最大放电容量，同时还提高了容量保持率。掺杂CeO2时，合金的改善效果最明显，放电容量最大，为163.58mAh/g。进一步改善合金的制备工艺（球磨环境、转速、球料比）发现，在真空中球磨，且转速与球料比分别为400r/min和20∶1时，Mg2Ni+1wt.%CeO2合金整体的放电性能最好，放电容量最大，为172.90mAh/g
　　(2)在合金中掺杂不同含量的CeO2，发现CeO2含量少于5wt%催化效果不明显，随掺杂含量的增加，合金的最大放电容量表现出先增大后减小的现象。在掺杂7wt.%CeO2的Mg2Ni合金中，掺杂少量的金属Ni球磨5h可明显提高合金的放电性能，但是掺杂量超过5wt.%合金的放电容量反而会降低。合金Mg2Ni+7wt.%CeO2+5wt.%Ni的最高放电容量达224.60mAh/g，且容量保持率最大为13.56%。将电极充满电后在6mol/L的KOH溶液中开路放置7×24h后，CRT仍可高达68.93%。
　　(3)改变Mg2Ni+7wt.%CeO2+5wt.%Ni合金电极的充放电电流，发现充电、放电电流分别为100mA/g和60mA/g时，合金的放电容量最大。
　　(4)研究了Mg2Ni+7wt.%CeO2+5wt.%Ni合金随不同球磨时间性能的变化，球磨10h时，合金的放电容量最大为233.80mAg/h，容量保持率最低，球磨5h和20h的合金放电容量均低于233.80mAh/g，但是容量保持率均高于10h。球磨5h的合金CRT最高，为68.93%，20h的最低，只有62.75%。
　　(5)SEM图像与XPS图谱表明：随球磨时间增加，合金颗粒不断减小，并出现团聚现象；随球磨时间增加，电极的HRD逐渐增大，但是随电流的增加，HRD迅速减小，球磨5h的合金减小最明显。

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第一章绪论

1.1 引言

1.2 储氢材料

1.3 储氢合金的分类及机理

1.3.1 储氢合金分类

1.3.2 储氢合金的动力学储氢机理

1.3.3 储氢合金的热力学特性

1.3.4 储氢合金的电化学储氢机理

1.3.5 储氢合金电极的失效机理

1.4 Mg2Ni储氢合金的制备及改性研究

1.4.1 Mg2Ni储氢合金的制备方法

1.4.2 Mg2Ni储氢合金的改性研究

1.5 本文研究目的及内容

第二章 实验方法

2.1 实验材料及电极制备

2.1.1 实验材料及设备

2.1.2 电极片制备

2.2合金的结构与性能测试

2.2.1 合金的结构测试

2.2.2 合金表面形貌测试

2.2.3 合金表面元素与电子价态测试

2.2.4 合金电化学性能测试

储氢合金性能的影响

3.1 Mg2Ni储氢合金的性能测试

3.2掺杂不同氧化物对Mg2Ni储氢合金性能的影响

3.2.1合金的相结构

3.2.2 合金电极的电化学性能

3.3 制备工艺对Mg2Ni+1wt.%CeO2合金电极电化学性能的影响

3.3.1 球磨氛围

3.3.2 球磨机转速

3.3.3 球料比

3.4本章小结

第四章 Mg2Ni+xwt.%CeO2+ywt.%Ni合金电极性能的研究

4.1 Mg2Ni+xwt.%CeO2 (x=1, 3, 5, 7, 9)合金的性能

4.1.1 合金的相结构

4.1.2 合金电极的放电容量

4.1.3 合金电极的放电特性

4.1.4 合金电极的自放电性能

4.2 Mg2Ni+7wt.%CeO2+ywt%Ni (y=0, 5, 10, 20)储氢合金

电极性能的研究

4.2.1合金的相结构

4.2.2合金电极的放电容量

4.2.3合金电极的放电特性

4.2.4 合金电极的自放电性能

4.3本章小结

第五章 Mg2Ni+7wt.%CeO2+5wt.%Ni合金电极性能的研究

5.1 充放电电流对Mg2Ni+7wt.%CeO2+5wt.%Ni

合金电化学性能的影响

5.1.1充电电流对合金电化学性能的影响

5.1.2放电电流对合金电化学性能的影响

5.2 球磨时间对Mg2Ni+7wt.%CeO2+5wt.%Ni合金结构、形貌

及表面成分的影响

5.2.1 合金的相结构

5.2.2合金颗粒的表面形貌

5.2.3合金元素的表面成分

5.3球磨时间对Mg2Ni+7w.t%CeO2+5wt.%Ni

合金电化学性能的影响

5.3.1合金电极的放电容量

5.3.2合金电极的放电特性

5.3.3合金电极的自放电性能

5.3.4合金电极的高倍率放电性能

5.4本章小结

第六章结论与展望

参考文献