铜替代镍对AB5型贮氢合金性能的影响

论文摘要

本文在全面综述国内外AB5型稀土系贮氢合金研究进展的基础上,确定以MlNi4.0-xCo0.4Mn0.3Al0.3Cux型贮氢合金为研究对象。采用XRD、SEM等分析方法以及恒电流放电、电化学阻抗、线性极化、阳极极化和恒电位阶跃等电化学测试技术,分析Cu含量的变化及热处理对合金相结构和电化学性能的影响,揭示合金的成份、结构与电化学性能的关系,力求开发出一种低成本、长寿命稀土系贮氢合金。本文首先研究了Cu替代Ni对MlNi4.0-xCo0.4Mn0.3Al0.3Cux（x=0.0,0.1,0.2,0.3,0.4）合金相结构及电化学性能的影响,研究表明:所有合金晶体结构均为六方LaNi5结构,随着Cu含量的增加,c/a轴比逐渐增大,晶胞参数和晶胞体积也逐渐增大,合金电极的吸氢平台随着Cu含量的增加而逐渐升高。随着Cu含量的增加,合金电极的最大放电容量逐渐降低,从x=0时的330.6 mAh/g逐渐下降到x=0.4时的290.7mAh/g。但是,合金电极的循环性能随着Cu含量的增加而显著提高,经100次充放电循环后,当x=0.4时容量保持率达到86.5%。测试表明合金中加入Cu可以降低显微硬度,从而提高了合金电极的循环稳定性。对合金电极的高倍率放电能力、电化学反应阻抗、交换电流密度、极限电流密度的研究表明,随着Cu含量的增加,高倍率性能逐渐降低,电化学反应阻抗逐渐增加,交换电流密度和极限电流密度逐渐减小。研究了热处理（t=4.5 h,T=1123 K）对MlNi4.0-xCo0.4Mn0.3Al0.3Cux（x=0.0,0.1,0.2,0.3,0.4）合金的电化学综合性能的影响规律。结果表明,随着铜含量的增加,P-C-T曲线平台逐渐增加。与未处理合金相比较,热处理可以降低合金P-C-T曲线的吸氢平台,减小平台的倾斜度而趋于平坦。经热处理后,合金电极的最大放电容量下降,活化性能降低。当x=0.4时,Cmax=282.6 mAh/g。但是,热处理显著提高了合金电极的循环稳定性,容量保持率随Cu含量的增加而增加,循环效率大大高于未处理合金。经100次充放电循环后,当x=0.4时容量保持率高达R100=94.3%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 Ni/MH电池的发展历史
• 1.2 Ni/MH电池的工作原理
• 1.3 贮氢合金的研究现状
• 5型稀土系贮氢电极合金'>1.3.1 AB₅型稀土系贮氢电极合金
• 2型Laves相贮氢电极合金'>1.3.2 AB₂型Laves相贮氢电极合金
• 2B型贮氢电极合金'>1.3.3 AB/A₂B型贮氢电极合金
• 1.3.4 V基固溶体型贮氢电极合金
• 5型稀土系贮氢电极合金'>1.3.5 非AB₅型稀土系贮氢电极合金
• 第二章 文献综述
• 2.1 实用金属贮氢材料的特征
• 5型稀土系贮氢合金'>2.2 AB₅型稀土系贮氢合金
• 5型贮氢合金晶体结构'>2.2.1 AB₅型贮氢合金晶体结构
• 5型贮氢合金的气态贮氢性能'>2.2.2 AB₅型贮氢合金的气态贮氢性能
• 2.3 合金成分的优化设计
• 2.3.1 A侧优化
• 2.3.2 B侧优化
• 2.4 合金的制备工艺
• 2.4.1 常规熔炼方法
• 2.4.2 机械合金化
• 2.4.3 还原扩散法
• 2.4.4 共沉淀还原法
• 2.4.5 氢化燃烧合成法
• 2.5 退火处理对合金微结构和贮氢性能的影响
• 2.6 非化学计量比对贮氢合金性能的影晌
• 2.7 本论文的研究内容及意义
• 第三章 实验原理与方法
• 3.1 实验试剂与仪器
• 3.2 合金的制备
• 3.3 合金的热处理参数
• 3.4 电化学性能测试方法
• 3.4.1 电化学测试装置
• 3.4.2 电化学性能测试
• 3.5 电化学方法测试P-C-T曲线
• 3.5.1 电化学方法测试P-C-T曲线的原理
• 3.5.2 电化学方法测定P-C-T曲线
• 3.6 XRD分析
• 5的标准XRD图谱及其衍射线参数'>3.6.1 LaNi₅的标准XRD图谱及其衍射线参数
• 3.6.2 晶胞参数和晶胞体积的计算
• 5贮氢合金相结构和电化学性能的影响'>第四章 Cu替代Ni对AB₅贮氢合金相结构和电化学性能的影响
• 4.0-xCo_0.4Mn_0.3Al_0.3Cu_x贮氢合金相结构的影响'>4.1 Cu添加量对MlNi_4.0-xCo_0.4Mn_0.3Al_0.3Cu_x贮氢合金相结构的影响
• 4.2 Cu不同含量对贮氢合金P-C-T曲线的影响
• 4 0-xCo_0.4Mn_0.3Al_0.3Cu_x贮氢合金电极的电化学性能'>4.3 MlNi_{4 0-x}Co_0.4Mn_0.3Al_0.3Cu_x贮氢合金电极的电化学性能
• 4.3.1 活化性能和最大放电容量
• 4.3.2 放电电压特性
• 4.3.3 循环性能
• 4.0-xCo_0.4Mn_0.3Al_0.3Cu_x贮氢合金电极的动力学性能'>4.4 MlNi_4.0-xCo_0.4Mn_0.3Al_0.3Cu_x贮氢合金电极的动力学性能
• 4.4.1 高倍率放电性能
• 4.4.2 电化学反应阻抗谱
• 4.4.3 线性极化
• 4.4.4 阳极极化
• 4.4.5 氢原子扩散系数
• 4.5 本章小结
• 第五章 热处理对贮氢合金电极电化学性能的影响
• 5.1 热处理后合金电极的PCT曲线
• 4.0-xCo_0.4Mn_0.3Al_0.3CU_x贮氢合金电极电化学性能'>5.2 热处理MlNi_4.0-xCo_0.4Mn_0.3Al_0.3CU_x贮氢合金电极电化学性能
• 5.2.1 活化性能和最大放电容量
• 5.2.2 循环稳定性能
• 4.0-xCo_0.4Mn_0.3Al_0.3CU_x贮氢合金电极的动力学性能'>5.3 热处理MlNi_4.0-xCo_0.4Mn_0.3Al_0.3CU_x贮氢合金电极的动力学性能
• 5.3.1 高倍率放电性能
• 5.3.2 电化学反应阻抗与交换电流密度
• 5.3.3 极限电流密度与氢的扩散系数
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文