铸态及退火态La-Mg-Ni系A2B7型贮氢合金的相结构及电化学性能研究

摘要

Re-Mg-Ni系贮氢合金是近10年来发展起来的新一代高性能稀土贮氢材料，并且已经于高端镍氢电池中得到初步应用。为了提高我国稀土贮氢材料在高端市场中的竞争力，开发新型稀土镁基贮氢合金及其在高端镍氢电池中的应用技术已成为我国近年稀土贮氢材料的研发重点，但至今仍未取得突破性进展，尤其在合金产业化和电池应用技术方面进展缓慢。针对Re-Mg-Ni系贮氢合金循环稳定性差这一现状，结合元素替代以及热处理工艺的改进，本文以La-Mg-Ni系A2B7型贮氢合金为研究对象，通过X射线衍射(XRD)，扫描电子显微镜(SEM)等分析测试方法研究了铸态贮氢合金以及退火后合金的微观相组织特性，并且以兰电测试系统和电化学工作站分析测试了贮氢合金在熔炼后以及退火工艺后的电化学特性和动力学性能。研究结果为日后突破产业化关键技术提供了一定的理论依据，对日后电池应用技术具有指导意义。
　　本文利用真空中频感应熔炼的方法，制备了La0.6Nd0.1Re0.1Mg0.2Ni3.35Al0.15(Re=Pr,Sm,Ce, Y)贮氢合金，经X射线衍射分析和扫描电镜显微分析得出，贮氢合金由多相组成，包括CaCu5型LaNi5相，Ce2Ni7型(La, Mg)2Ni7主相以及少量其他杂相。我们发现A侧不同元素替代对于主相只有相丰度上的变化，使用元素Sm部分替代La后的合金组织中形成Ce2Ni7型(La, Mg)2Ni7相相对较多,而使用元素Y部分替代La后的合金组织中形成CaCu5型LaNi5相相对较多。使用元素Pr和Ce部分替代La后的合金，两相的比例介于前面的两个合金之间。合金经过电化学测试，得出不同的元素替代对于各贮氢合金的活化性能影响不大，添加元素为Sm时，最大放电容量较高，添加Y元素后合金的循环寿命较长；借助电化学交流阻抗，动电位极化，恒电位阶跃和循环伏安法等电化学测试法探讨了合金电极的动力学，得出合金的极限电流密度IL和氢扩散系数D呈现出与此相对应的规律，由交流阻抗拟合得出的研究电极与溶液间的电荷传递电阻R3变化规律与极限电流密度IL以及氢扩散系数D规律不一致，但是由于合金的高倍率性能由合金电极的表面电荷迁移速率和内部氢扩散的能力共同决定的，因而呈现出高倍率放电性能由高到低排序为：Ce、Pr、Y、Sm。
　　对La0.6Nd0.1Re0.1Mg0.2Ni3.35Al0.15(Re=Pr,Sm,Ce,Y)贮氢合金施加退火处理，本实验得出适当的退火处理使得Ce2Ni7型(La, Mg)2Ni7相相丰度增加，过高的退火温度1273K则使得Ce2Ni7型(La, Mg)2Ni7相发生相变生成CaCu5型LaNi5相。适当的退火温度使得合金的最大放电容量增加，循环稳定性改善，各合金的最大放电容量分别为: Pr:377.3mAh/g(1173K)，Sm:372.0mAh/g(1223K)，Ce:376.2mAh/g(1223K)，Y:420.2mAh/g(1223K)。退火处理对合金的循环稳定性也有明显的改善作用，各合金的最佳容量保持率S100分别为：Pr:95.56％(1223K)，Sm:94.96%(1173K)，Ce:88.80%(1223K)，Y:92.46%(1173K)，而过高的退火温度，会导致合金的放电容量明显下降，同时合金的循环稳定性也显著降低。此外，适当的退火还不同程度的改善了合金的高倍率放电性能。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

引言

1 文献综述

1.1 La-Mg-Ni型贮氢合金的研究现状

1.2 La-Mg-Ni系贮氢合金的发展史

1.3 La-Mg-Ni系贮氢合金相图

1.4 La-Mg-Ni系贮氢合金相结构

1.5 La-Mg-Ni系贮氢合金氢化物

1.6 La-Mg-Ni系贮氢合金电化学性能研究

1.7 改善La-Mg-Ni系贮氢合金循环稳定性的措施

1.8 课题的目的和意义

2 实验方法

2.1 合金设计方案

2.2 合金的制备

2.3 热处理工艺

2.4 贮氢合金结构及形貌研究

2.5 贮氢合金电极电化学性能研究

3 铸态La0.6Nd0.1Re0.1Mg0.2Ni3.35Al0.15(Re=Pr, Sm, Ce, Y)贮氢合金

3.1 铸态合金的相结构与相组成

3.2 铸态合金的电化学性能

3.3 铸态合金的动力学性能

3.4 本章小结

4 退火处理对铸态 La0.6Nd0.1Re0.1Mg0.2Ni3.35Al0.15(Re=Pr, Sm, Ce, Y)贮氢合金相结构及其电化学性能的影响

4.1 引言

4.2 退火态合金相结构及相组成

4.3 退火态合金的电化学性能

4.4 退火态合金的动力学性能

4.5 本章小结

结论

参考文献

在学研究成果

致谢