稀土镁基AB2型LaMgNi4系贮氢合金电化学性能及气态储氢性能的研究

摘要

伴随着经济的飞速发展,环境污染日益加剧。2012年冬天开始,全国很多地方陆续受到了霾天气的影响,严重危害人类健康。霾天气产生的主要根源在于大量汽车尾气的排放。虽然中国的汽车市场增速有所减缓,但需求仍十分巨大。为了解决由此造成的环境问题,积极研发新能源汽车替代传统的燃料汽车已成为热门途径。国家已经实行了诸多政策促进新能源汽车市场的发展。目前,镍氢电池(Ni/MH)广泛应用在国内外众多品牌、车系的新能源汽车上。但是,镍氢电池的核心部分,也就是负极材料所广泛采用的AB5型贮氢合金,由于受到容量的限制已经难以满足市场需要。AB2型LaMgNi4系贮氢合金的理论容量达到了480mAh/g,是LaNi5型合金的1.3-1.4倍,引起了广泛的关注。
　　本文采用感应熔炼法制备稀土镁基AB2型LaMgNi4系贮氢合金。为了抑制Mg和稀土元素的挥发,向真空中频感应熔炼炉内通入0.04MPa的氦气。另外,多加入10％的Mg和5%的稀土以弥补感应熔炼所造成的Mg和稀土元素的挥发和烧损。在LAND模拟程控电池测试仪上测试合金的放电容量、循环稳定性、高倍率放电性能等电化学性能;在美国产PARSTAT2273型电化学工作站上测试合金的电荷转移阻抗Rct、交换电流密度I0、极限电流密度IL、氢扩散系数D等动力学性能。
　　对合金电化学性能的研究发现,合金均具有较好的活化性能,只需1到2次充放电循环即可达到最大放电容量。但是,Ce、Pr、Nd、Sm元素替代La后导致了合金的最大放电容量不同程度的下降。替代前合金的最大放电容量达到了313.7mAh/g,而Ce0.4、Pr0.4、Nd0.4、Sm0.4合金的最大放电容量只有81.4、274.5、269.9、233.8mAh/g。元素替代不同程度上改善了合金的循环稳定性。例如,替代前合金下降到最大放电容量的60%时所需的循环次数n为41次,替代后Ce0.4、Pr0.4、Nd0.4、Sm0.4合金下降到最大放电容量60%时的循环次数n分别为668、125、287、236次。元素替代对合金的高倍率性能影响比较复杂,与合金电极表面与电解液界面间的电荷转移阻抗以及氢在合金体内的扩散有关。
　　替代元素不同,合金的气态吸氢性能与吸氢速率变化趋势不同。Ce元素替代La后,合金的吸氢量逐渐下降,吸氢速率逐渐上升。而Sm元素替代La后,合金的吸氢量先上升后下降,在Sm0.3时达到最大值。对含Pr合金10次吸放氢后的微观结构以及吸氢量的研究表明元素替代对抑制合金的氢致非晶化趋势有一定的作用。

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引言

1 文献综述

1.1 镍氢（Ni/MH）二次电池简介

1.2 贮氢合金简介

1.3 课题研究意义及难点

2 实验设计与方法

2.1 合金成分及制备

2.2 合金的电化学及动力学性能测试

2.3 合金的气态性能测试

2.4合金的微观结构表征

3 Ce替代La对La1-xCexMgNi4(x=0-0.4)合金贮氢性能的影响

3.1 合金的相组成

3.2 合金的扫描电镜组织

3.3 合金的电化学性能

3.4 合金的动力学性能

3.5 合金的气态性能

3.6 本章小结

4 Pr替代La对La1-xPrxMgNi4(x=0-0.4)合金贮氢性能的影响

4.1 合金的相组成

4.2 合金的扫描电镜组织

4.3 合金的电化学性能

4.4 合金的动力学性能

4.5 合金的气态性能

4.6 本章小结

5 Nd替代La对La1-xNdxMgNi4 (x=0-0.4) 合金贮氢性能的影响

5.1 合金的相组成

5.2 合金的扫描电镜组织

5.3 合金的电化学性能

5.4 合金的动力学性能

5.5 合金的气态性能

5.6 本章小结

6 Sm替代La对La1-xSmxMgNi4(x=0-0.4)合金贮氢性能的影响

6.1 合金的相组成

6.2 合金的扫描电镜组织

6.3 合金的电化学性能

6.4 合金的动力学性能

6.5 合金的气态性能

6.6 本章小结

结论

参考文献

在学研究成果

致谢