La-Mg-Ni系储氢合金结构与电化学性能研究

论文摘要

随着人们环保意识的加强,移动电子产品的日益小型、轻质化,要求小型高容量Ni/MH电池配套。众所周知AB5型贮氢合金的容量已接近其理论值,进一步提升空间较小。这就促使开发有更高能量密度的新一代贮氢电极合金。对于提高容量来说,最具希望的合金之一是La-Mg-Ni系（PuNi3型）合金,但此类贮氢合金存在的主要问题是电化学循环稳定性较差。因此,开展对此系列合金的系统研究,具有重要的学术价值和良好的应用前景。本文在国内外La-Mg-Ni系贮氢合金研究进展的基础上,确定了以La-Mg-Ni系贮氢合金作为研究对象,采用XRD、SEM、电化学测试、动力学测试以及真空快淬工艺、退火工艺技术,全面系统的研究了元素替代及快淬、退火等工艺对La-Mg-Ni系贮氢合金相结构及电化学性能的影响,得到一些主要结论。对La0.75-xPrxMg0.25Ni2.9Co0.4Al0.2（x=0,0.1,0.2,0.3,0.4）系列合金的研究结果表明,随着替代元素Pr含量的增加,合金主相由LaNi3相向LaNi5相转变。合金最大放电容量、高倍率放电能力、放电电压特性均随着Pr含量的增加而降低,但合金的循环稳定性随着Pr含量的增加稳定增强。Pr含量x=0.4时的合金具有最好的循环稳定性。快淬工艺促进了合金中LaNi5相的形成,虽然降低了合金容量,但提高了合金的循环稳定性。SEM分析结果表明合金表面的氧化腐蚀和粉化是导致容量迅速衰退的主要原因。研究了Zr替代La对La0.75-xZrxMg0.25Ni2.9Co0.4Al0.2（x=0,0.05,0.1,0.15,0.2,）系列合金结构与电化学性能的影响。研究发现,Zr替代La后虽然降低了合金的放电容量和放电电压特性,但合金的高倍率放电性能和循环稳定性得到了大大的改善。Zr的替代量为x=0.2时,合金具有最佳的循环稳定性,x=0.1时合金具有最佳的高倍率放电性能。快淬促进了合金中出现非晶相,导致合金容量下降而寿命增强。合金表面的氧化腐蚀和粉化是导致容量迅速衰退的主要原因。对La0.75Mg0.25Ni3.1-xCo0.4Alx（x=0,0.05,0.1,0.15,0.2）系列合金进行了详细的研究,并采取退火工艺提高其综合性能。结果表明Al替代Ni虽然降低了合金的高倍率放电性能,但是大幅提高了合金的活化性能和放电电压特性,尤其是合金的循环寿命得到改善。x=0.2时的合金的具有最佳的循环稳定性。Al在合金表面形成一层致密的Al2O3薄膜,抑制了合金的氧化腐蚀是合金循环稳定性得到改善主要原因。退火工艺有利于LaNi3相生成和合金组织均匀化,显著提高了合金最大放电容量、放电电压特性和循环寿命。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 镍氢电池（NI/MH）
• 1.2.1 镍氢电池（Ni/MH）发展概况
• 1.2.2 镍氢电池（Ni/MH）工作原理
• 1.2.3 储氢合金电极的电化学反应过程
• 1.3 贮氢电极合金
• 1.3.1 贮氢电极合金吸放氢反应机理
• 1.3.2 贮氢电极合金的种类及研发现状
• 1.4 LA-MG-NI 系（PUN13型）贮氢合金
• 3型）贮氢合金的发展概况'>1.4.1 La-Mg-Ni 系（PuNi₃型）贮氢合金的发展概况
• 3型）合金的电化学贮氢性能'>1.4.2 La-Mg-Ni 系（PuNi₃型）合金的电化学贮氢性能
• 3型）合金的发展方向'>1.4.3 La-Mg-Ni 系（PuNi₃型）合金的发展方向
• 1.5 选题背景和思路
• 2 实验方法
• 2.1 实验预期目标
• 2.2 合金成分设计及制备
• 2.3 贮氢合金相结构及形貌分析
• 2.3.1 XRD 分析
• 2.3.2 SEM 分析
• 2.4 合金的电化学性能测量
• 2.4.1 贮氢合金电极的制备
• 2.4.2 电化学测试仪器
• 2.4.3 电化学性能测试
• 3 Pr 替代 La 及快淬工艺对 La-Mg-Ni 系贮氢合金结构与电化学性能的影响
• 3.1 前言
• 3.2 试验方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 相组成与相结构
• 3.3.2 电化学性能
• 3.3.3 动力学性能
• 3.4 本章小结
• 4 Zr 替代 La 及快淬工艺对 La-Mg-Ni 系贮氢合金结构与电化学性能的影响
• 4.1 前言
• 4.2 试验方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 相结构与相组成
• 4.3.2 电化学性能
• 4.3.3 动力学性能
• 4.4 本章小结
• 5 Al 替代 La 及退火工艺对 La-Mg-Ni 系贮氢合金结构与电化学性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 试验方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 相结构与相组成
• 5.3.2 电化学性能
• 5.3.3 动力学性能
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢