合金成分及快凝处理对贮氢电极合金相结构和电化学性能的影响

摘要

本文在对国内外PuNi<,3>型La-Mg-Ni系贮氢电极合金的研究进展进行全面综述的基础上，选择具有高放电容量的La<,2>Mg(Ni<,0.85>Co<,0.15>)<,9>合金为研究对象，通过XRD、SEM、EDS分析以及恒电流充放电、线性极化、阳极极化等电化学测试技术，分别系统研究了添加元素Cu和Si对La<,2>Mg(Ni<,0.85>Co<,0.15>)<,9>M<,x>(M=Cu，Si；x=0，0.1，0.3，0.5)合金的相结构和电化学贮氢性能的影响，以及快速凝固制备工艺(快凝速度v=10，20，30 m/s)对La<,2>Mg(Nj<,0.85>Co<,0.15>)<,9>M<,0.3>(M=Cu，Si)合金相结构和电化学贮氢性能的影响，力求进一步提高该类合金的综合电化学性能，尤其是改善其充放电循环稳定性。 对添加Cu元素的La<,2>Mg(Ni<,0.85>Co<,0.15>)<,9>Cu<,x>(x=0-0.5)合金的相结构和电化学性能的研究表明：所有合金均含有大量的(La,Mg)Ni<,3>相和LaNi<,5>相，另含有少量的LaNi<,2>相；同时，随着Cu含量的增多，合金中LaNi<,3>相也逐渐增多，表明添加Cu元素有利于LaNi<,3>相的形成。电化学测试表明，随着Cu添加量x的增加，合金的最大放电容量逐渐降低，从x=0时的388.1 mAh/g降至x=0.5时的355.4 mAh/g：但合金的充放电循环稳定性随着Cu添加量x的增加得到明显改善，其50次充放电循环的容量保持率S<,50>从x=0时的50.4％提高至x=0.5时的58.7％。在所研究的合金中，当x=0.3时合金具有相对较好的综合性能，最大放电容量为369.1 mAh/g，800 mA/g电流放电的高倍率放电能力HmD<,800>为78.5％，50次循环容量保持率S<,50>为55.9％。 在上述研究基础上，选择La2Mg(Ni<,0.85>Co<,0.15>)<,9>Cu<,0.3>合金为研究对象，进一步研究了快速凝固制备工艺(快凝速度v=10-30 m/s)对La<,2>Mg(Ni<,0.85>Co<,0.15>)<,9>Cu<,0.3>合金相结构和电化学性能的影响。结果表明：所有快凝合金La<,2>Mg(Ni<,0.85>Co<,0.15>)<,9>Cu<,0.3>均含有大量的(La,Mg)Ni<,3>相和LaNi<,5>相及微量的LaNi<,2>相；与铸态合金相比，经快凝处理后合金中的LaNi<,2>相含量明显减少。电化学测试表明，快凝处理使La2Mg(Ni<,0.85>Co<,0.15>)<,9>Cu<,0.3>合金电极的最大放电容量略微降低，从铸态合金的369.1 mAh/g降低至30 m/s快凝合金的349.4 mAh/g，但合金的充放电循环稳定性得到了明显改善，其50次充放电循环容量保持率S<,50>。从铸态合金的55.9％提高为30 m/s快凝合金的64.6％。 对添加Si元素的La<,2>Mg(Ni<,0.85>Co<,0.15>)<,9>Si<,x>(x=0-0.5)合金的相结构和电化学性能的研究表明：所有合金都含有大量的(La,Mg)Ni<,3>相和LaNi<,5>相，另含有少量的LaNi<,2>相；从合金XRD图谱中衍射峰强度的变化可知，随着合金中Si含量的增多，合金中的LaNi<,2>相也逐渐增多。电化学测试表明，随着Si添加量x的增加，合金的最大放电容量逐渐降低，从x=0时的388.1 mAh/g降低至x=0.5时的293.4 mAh/g：但合金电极的充放电循环稳定性得到了明显改善，其50次充放电循环的容量保持率S<,50>从x=0时的50.4％提高至x=0.5时的73.9％。在所研究的合金中，当x=0.3时合金具有相对较好的综合性能，最大放电容量为335.1 mAh/g，800 mA/g电流放电的高倍率放电能力nRD<,800>为79.8％，50次循环容量保持率S<,50>为62.1％。在上述研究基础上，进一步研究了快速凝固制备工艺(快凝速度v=10-30 m/s)对La<,2>Mg(Ni<,0.85>Co<,0.15>)<,9>Si<,0.3>合金相结构和电化学性能的影响。结果表明：所有快凝合金La<,2>Mg(Ni<,0.85>Co<,0.15>)<,9>Si<,0.3>均含有大量的(La,Mg)Ni<,3>相和LaNi<,5>相及微量的LaNi<,2>相；与铸态合金相比，经快凝处理后，合金中的：LaNi<,2>相含量明显减少。电化学测试表明，快速凝固处理使La<,2>Mg(Ni<,0.85>Co<,0.15>)<,9>Si<,0.3>合金的最大放电容量逐渐降低，由铸态合金的335.1 mAh/g降为30 m/s快凝合金的297.8 mAh/g，但合金的充放电循环稳定性得到了明显改善，La<,2>Mg(Ni<,0.85>Co<,0.15>)<,9>Si<,0.3>合金的50次充放电循环容量保持率S<,50>从铸态合金的62.1％提高为30 m/s快凝合金的84.2％。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1 Ni/MH电池的研究发展概况

1.2 Ni/MH电池的工作原理

1.3贮氢电极合金的分类及开发概况

1.3.1 AB5型混合稀土系贮氢电极合金

1.3.2 AB2型Laves相贮氢电极合金

1.3.3 AB/A2B型Mg-Ni系贮氢电极合金

1.3.4 V-Ti-Ni系双相贮氢电极合金

第二章文献综述：合金成分及快凝处理对AB3型La-Mg-Ni系贮氢合金相结构和电化学性能的影响

2.1快速凝固技术简介

2.2 PuNi3型La-Mg-Ni系贮氢电极合金的研究进展

2.2.1 La-Mg-Ni系合金的成分优化研究

2.2.2 La-Mg-Ni系合金的快凝制备研究

2.3本文的研究思路及主要研究内容

第三章实验方法

3.1贮氢合金样品的制备

3.1.1合金成分设计

3.1.2合金熔炼

3.1.3快速凝固处理

3.2贮氢合金相结构分析

3.2.1 XRD分析

3.2.2 SEM/EDS分析

3.3电化学性能测试

3.3.1合金电极的制备

3.3.2电化学测试装置

3.3.3电化学性能测试方法

第四章La2Mg(Ni0.85Co0.15)9Cux(x=0～0.5)合金的相结构与电化学性能

4.1常规熔铸La2Mg(Ni0.85Co0.15)9Cux(x=0～0.5)合金的相结构

4.2常规熔铸La2Mg(Ni0.85Co0.15)9Cux(x=0～0.5)合金的电化学性能

4.2.1活化性能和最大放电容量

4.2.2循环稳定性

4.2.3高倍率放电性能

4.3快速凝固对La2Mg(Ni0.85Co0.15)9Cu0.3合金相结构和电化学性能的影响

4.3.1相结构

4.3.2电化学性能

4.4本章小结

第五章La2Mg(Ni0.85Co0.15)9Six(x=0～0.5)合金的相结构与电化学性能

5.1常规熔铸La2Mg(Ni0.85Co0.15)9Six(x=0～0.5)合金的相结构

5.2常规熔铸La2Mg(Ni0.85Co0.15)9Six(x=0～0.5)合金的电化学性能

5.2.1活化性能和最大放电容量

5.2.2循环稳定性

5.2.3高倍率放电性能

5.3快速凝固对La2Mg(Ni0.85Co0.15)9Si0.3合金相结构和电化学性能的影响

5.3.1相结构

5.3.2电化学性能

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1常规熔铸La2Mg(Ni0.85Co0.15)9Cux(x=0～0.5)合金的相结构与电化学性能

6.2常规熔铸La2Mg(Ni0.85Co0.15)9Six(x=0～0.5)合金的相结构与电化学性能

6.3快速凝固对La2Mg(Ni0.85Co0.15)9M0.3(M=Cu，Si)合金相结构与电化学性能的影响

6.4对今后研究工作的建议

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢