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超晶格La-Mg-Ni系储氢合金的研究

2020-11-23阅读(813)

超晶格La-Mg-Ni系储氢合金的研究

论文摘要

超晶格La-Mg-Ni系储氢合金自问世以来便以其高容量、易活化的优势受到人们的广泛关注。该类合金的容量高达400mAh／g，高出AB5型储氢合金容量近20％。该类合金之所以具有高容量，原因是在该类合金相结构晶格单元中包含储氢量高的AB2亚结构单元，可以把La-Mg-Ni系储氢合金的主相晶格单元看作是AB5亚结构单元和AB2亚结构元交替层叠排列而成，因此La-Mg-Ni系储氢合金被称作是超晶格储氢合金。该类合金具有高的电化学容量已被国内外研究者证实，但是它的充放电循环寿命差的缺点一直没有明显改善，限制了该合金的商业应用。本文以提高合金循环稳定性能为目的，通过优化合金成分和退火热处理等方法，运用XRD、DC5、P-C-T等测试手段，对超晶格La-Mg-Ni系储氢合金的结构和性能进行了系统研究，希望促进该类合金的商业应用。在研究现代X射线衍射仪实验条件、参数和数据处理方法对衍射线峰位、强度和半高宽的影响之后，提出了测定和表征AB5储氢合金微观结构参数的X射线衍射（XRD）方法，并用这些方法表征初始AB5粉末的结构特征。并将此方法应用在La-Mg-Ni系储氢合金的X射线衍射分析中。为优化合金中基本元素Co的含量，设计了La0.7Mg0.3(Ni1-xCox)3.5（x=0.00-0.20）合金。研究表明合金由La2Ni7和LaNi5两相组成，其容量随Co的含量的增加而增加，由x=0.00时的260mAh／g上升到x=0.20时的394.5mAh／g；同时Co的加入改善了合金的循环性能，使合金在250次充放电后的放电量由x=0.00时的30％上升到x=0.20时的65％。Mg元素是合金中另一个基本元素，设计的La1-xMgxNi2.8Co0.7（x=0.10-0.25）合金在退火处理后，其相结构仍是由La2Ni7和LaNi5两相组成，放电容量随Mg含量的增加先增大后减小，由x=0.10时的350.9mAh／g增大到x=0.20时的388.7mAh／g，而后又降低到x=0.25时的369.9mAh／g，合金的衰减速率不随Mg含量的变化而变化；当x≤0.2时，不同Mg含量合金的高倍率性能相差不多，当x＞0.2时，高倍率性能急剧下降，当x=0.2时低温性能最好；当温度为-40℃时该合金的0.2C放电容量可达常温时最大容量的70％以上。通过正交实验研究了各元素对合金结构和性能的影响。取代元素的加入没有改变合金的相结构。La是储氢合金中基本元素之一，合金的容量随La的减少而降低，La含量的增多使合金的衰减速率有增大的趋势。Pr、Nd元素的加入，降低了合金的容量。Pr的加入衰减速率变小，而Nd的加入使合金的衰减速率呈现增大的趋势。Mg是合金中的关键元素，合金容量随Mg含量的增大而增大，但是衰减速率却呈现降低的趋势。Ni是储氢合金中的一种基本元素，随Ni含量的减少合金的容量增大，衰减速率随Ni含量的增多先增大后减小。当Ni的原子比为0.9时衰减速率最大；Co是储氢合金的有益元素，它的加入不仅提高了合金的容量，而且还延长了使用寿命。合金的容量随B／A值的增大先增大后减小，当x=3.5时合金的容量最大，同时合金在此时的衰减速率也最小。正交法所得合金的最优成分为La0.5Pr0.2Nd0.1Mg0.2(Ni0.85Co0.15)3.5。设计了La0.5Pr0.2Nd0.1Mg0.2(Ni0.85-xCo0.15Alx)3.5（x=0.01-0.04）合金以研究Al对合金结构和性能的影响。结果表明，合金相组成是La2Ni7相，晶轴比c／a随着Al含量的增大而增大，容量随着Al含量的增大而减小，由x=0.01时的394.6mAh／g下降到x=0.04时的380.6mAh／g，衰减速率由x=0.01时的-0.32mAh／g降为x=0.04的-0.20mAh／g，合金的倍率性能随着Al含量的增大而降低，当放电电流密度为1200mA／g时，HRD（其容量与1C的容量比）由x=0.01时的61％降为x=0.04的35％。在Mn、Mo、Ce元素对合金性能影响的研究方面，分别设计了La0.4Pr0.3Nd0.1Mg0.2(Ni1-xCo0.15Al0.02Mnx)3.5（x=0.01-0.04）、La0.50Pr0.22Nd0.06Mg0.22(Ni0.84-yCo0.15Al0.01Moy)3.5（y=0.00-0.04）、La0.50-zCezPr0.2Nd0.1Mg0.2(Ni0.84Co0.15Al0.01)3.5（z=0.00-0.06）三组合金。结果表明，Mn、Mo、Ce元素均会使合金的容量降低，但是Mn不会影响合金的循环性能，而Mo、Ce元素则会使合金的循环寿命缩短；当y≤0.01、z≤0.04时会使合金的高倍率性能得以改善，随着Mo、Ce元素含量的进一步增加，高倍率性能下降。合金粉末的粒度越小，合金的初始容量越大，同时衰减速率越大，在循环初期，合金被腐蚀是其衰减的主要因素；在循环后期粉化是合金容量衰减的主要原因。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第1章 前言
  • 1.1 储氢合金的发展及其应用
  • 1.2 储氢合金的分类
  • 5型稀土系储氢合金'>1.2.1 AB5型稀土系储氢合金
  • 2型Laves相储氢合金'>1.2.2 AB2型Laves相储氢合金
  • 2B型储氢合金'>1.2.3 A2B型储氢合金
  • 1.2.4 AB型储氢合金
  • 3型La-Mg-Ni系储氢合金'>1.2.5 AB3型La-Mg-Ni系储氢合金
  • 1.3 La-Mg-Ni系储氢合金的研究进展
  • 1.3.1 La-Mg-Ni系储氢合金的结构
  • 1.3.2 La-Mg-Ni系储氢合金的电化学性能
  • 1.4 论文的研究目的及思路
  • 第2章 实验设计
  • 2.1 合金设计
  • 2.2 合金的制备
  • 2.2.1 母合金的制备
  • 2.2.2 磁悬浮感应熔炼法
  • 2.2.3 合金的热处理
  • 2.3 测试手段
  • 2.3.1 ICP-AES分析
  • 2.3.2 XRD物相分析
  • 2.3.3 P-C-T测试
  • 2.3.4 电化学性能测试
  • 第3章 基本元素含量的确立
  • 0.7Mg0.3(Ni1-xCox)3.5 （x=0.00-0.20）合金的结构与性能'>3.1 La0.7Mg0.3(Ni1-xCox)3.5（x=0.00-0.20）合金的结构与性能
  • 0.7Mg0.3(Ni1-xCox)3.5 （x=0.00-0.20）合金的结构'>3.1.1 La0.7Mg0.3(Ni1-xCox)3.5（x=0.00-0.20）合金的结构
  • 0.7Mg0.3(Ni1-xCox)3.5（x=0.00-0.20）合金的电化学性能'>3.1.2 La0.7Mg0.3(Ni1-xCox)3.5（x=0.00-0.20）合金的电化学性能
  • 1-xMgxNi2.8Co0.7（x=0.10-0.25）合金的与性能'>3.2 La1-xMgxNi2.8Co0.7（x=0.10-0.25）合金的与性能
  • 1-xMgxNi2.8Co0.7（x=0.10-0.25）合金的结构'>3.2.1 La1-xMgxNi2.8Co0.7（x=0.10-0.25）合金的结构
  • 0.8Mg0.2Ni2.8Co0.7合金的P-C-T性能'>3.2.2 La0.8Mg0.2Ni2.8Co0.7合金的P-C-T性能
  • 1-xMgxNi2.8Co0.7（x=0.10-0.25）合金的电化学性能'>3.2.3 La1-xMgxNi2.8Co0.7（x=0.10-0.25）合金的电化学性能
  • 3.3 本章结论
  • 第4章 应用正交法优化合金成分
  • 4.1 采用5因素4水平的正交表设计合金成分
  • 1-m-n-yPrmNdnMgy(Ni1-zCoz)x合金的结构分析'>4.2 La1-m-n-yPrmNdnMgy(Ni1-zCoz)x合金的结构分析
  • 1-m-n-yPrmNdnMgy(Ni1-zCoz)x合金中各元素对电化学性能的影响'>4.3 La1-m-n-yPrmNdnMgy(Ni1-zCoz)x合金中各元素对电化学性能的影响
  • 4.4 本章结论
  • 第5章 掺杂对合金性能的影响
  • 0.5Pr0.2Nd0.1Mg0.2(Ni0.85-xCo0.15Alx)3.5（x=0.01-0.04）合金的结构与性能'>5.1 La0.5Pr0.2Nd0.1Mg0.2(Ni0.85-xCo0.15Alx)3.5（x=0.01-0.04）合金的结构与性能
  • 0.5Pr0.2Nd0.1Mg0.2(Ni0.85-xCo0.15Alx)3.5（x=0.01-0.04）合金的结构'>5.1.1 La0.5Pr0.2Nd0.1Mg0.2(Ni0.85-xCo0.15Alx)3.5（x=0.01-0.04）合金的结构
  • 0.5Pr0.2Nd0.1Mg0.2(Ni0.85-xCo0.15Alx)3.5（x=0.01-0.04）合金的电化学性能'>5.1.2 La0.5Pr0.2Nd0.1Mg0.2(Ni0.85-xCo0.15Alx)3.5（x=0.01-0.04）合金的电化学性能
  • 0.5Pr0.2Nd0.1Mg0.2(Ni0.85-xCo0.15Alx)3.5（x=0.01-0.04）合金的P-C-T曲线'>5.1.3 La0.5Pr0.2Nd0.1Mg0.2(Ni0.85-xCo0.15Alx)3.5（x=0.01-0.04）合金的P-C-T曲线
  • 0.4Pr0.3Nd0.1Mg0.2(Ni1-xCo0.15Al0.02Mnx)3.5（x=0.01-0.04）合金的结构与性能'>5.2 La0.4Pr0.3Nd0.1Mg0.2(Ni1-xCo0.15Al0.02Mnx)3.5（x=0.01-0.04）合金的结构与性能
  • 0.4Pr0.3Nd0.1Mg0.2(Ni1-xCo0.15Al0.02Mnx)3.5（x=0.01-0.04）合金的结构'>5.2.1 La0.4Pr0.3Nd0.1Mg0.2(Ni1-xCo0.15Al0.02Mnx)3.5（x=0.01-0.04）合金的结构
  • 0.4Pr0.3Nd0.1Mg0.2(Ni1-xCo0.15Al0.02Mnx)3.5（x=0.01-0.04）合金的电化学性能'>5.2.2 La0.4Pr0.3Nd0.1Mg0.2(Ni1-xCo0.15Al0.02Mnx)3.5（x=0.01-0.04）合金的电化学性能
  • 0.50Pr0.22Nd0.06Mg0.22(Ni0.84-xCo0.15Al0.01Mox)3.5（x=0.00-0.04）合金的结构与性能'>5.3 La0.50Pr0.22Nd0.06Mg0.22(Ni0.84-xCo0.15Al0.01Mox)3.5（x=0.00-0.04）合金的结构与性能
  • 0.50Pr0.22Nd0.06Mg0.22(Ni0.84-xCo0.15Al0.01Mox)3.5（x=0.00-0.04）合金的结构'>5.3.1 La0.50Pr0.22Nd0.06Mg0.22(Ni0.84-xCo0.15Al0.01Mox)3.5（x=0.00-0.04）合金的结构
  • 0.50Pr0.22Nd0.06Mg0.22(Ni0.84-xCo0.15Al0.01Mox)3.5（x=0.00-0.04）合金的P-C-T曲线'>5.3.2 La0.50Pr0.22Nd0.06Mg0.22(Ni0.84-xCo0.15Al0.01Mox)3.5（x=0.00-0.04）合金的P-C-T曲线
  • 0.50Pr0.22Nd0.06Mg0.22(Ni0.84-xCo0.15Al0.01Mox)3.5（x=0.00-0.04）合金的电化学性能'>5.3.3 La0.50Pr0.22Nd0.06Mg0.22(Ni0.84-xCo0.15Al0.01Mox)3.5（x=0.00-0.04）合金的电化学性能
  • 0.50-xCexPr0.2Nd0.1Mg0.2(Ni0.84Co0.15Al0.01)3.5（x=0.00-0.06）合金的结构与性能'>5.4 La0.50-xCexPr0.2Nd0.1Mg0.2(Ni0.84Co0.15Al0.01)3.5（x=0.00-0.06）合金的结构与性能
  • 0.50-xCexPr0.2Nd0.1Mg0.2(Ni0.84Co0.15Al0.01)3.5（x=0.00-0.06）合金的结构'>5.4.1 La0.50-xCexPr0.2Nd0.1Mg0.2(Ni0.84Co0.15Al0.01)3.5（x=0.00-0.06）合金的结构
  • 0.50-xCexPr0.2Nd0.1Mg0.2(Ni0.84Co0.15Al0.01)3.5（x=0.00-0.06）合金的电化学性能'>5.4.2 La0.50-xCexPr0.2Nd0.1Mg0.2(Ni0.84Co0.15Al0.01)3.5（x=0.00-0.06）合金的电化学性能
  • 5.5 合金粒度对合金性能的影响
  • 5.6 本章结论
  • 第6章 结论与展望
  • 6.1 结论
  • 6.2 展望
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间发表文章
  • 作者简介
  • 致谢

    • 相关论文文献

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