非晶态Mg-Ni系储氢合金的制备及性能研究

论文摘要

Mg基储氢合金拥有储氢量大、密度低、含量丰富和价格低廉等优点,是最有前景的储氢材料之一,但其苛刻的吸放氢条件（吸放氢温度高,速度慢）阻碍了它在实际中的应用。将晶态Mg基合金制备成为非晶后,有望提高其动力学性能,降低其吸放氢温度。但具有非晶结构的Mg基合金在用作电极材料时,仍然面临着循环容量衰退过快,难以实用化的问题。如何解决这一系列难题是目前研究的重点。本文通过机械合金化方法制备出二元的Mg-Ni非晶储氢合金和三元的Mg-Al-Ni、Mg-Ti-Ni非晶储氢合金。并对所制备的合金进行了X射线衍射分析、SEM分析、PCT吸放氢性能分析与电化学性能分析（包括放电容量分析与循环稳定性分析）,试验结果表明:①采用机械合金化方法,当球磨机转速大于一定值并且球料比也足够大,即当引入足够多的能量时,球磨一定时间即能获得Mg-Ni系非晶合金,缩短球磨时间能够获得纳米晶合金或非晶与纳米晶的复合物。将晶态的合金制备为非晶合金之后,无须活化就能进行吸氢,且吸放氢温度显著降低,吸放氢动力学性能明显提高,二元MgNi非晶合金的最低吸放氢温度仅为70℃。球磨工艺参数的选择和Ni含量的多少对Mg-Ni非晶合金的形成和吸放氢性能都有影响。②尽管Al和Ti的加入都会在不同程度上降低Mg-Ni系合金的非晶形成能力,但采用机械合金化方法仍然能够制备出Mg1-xAlxNi（x=0.1,0.2,0.3）系列和Mg1-xTixNi（x=0.1,0.2,0.3）系列三元非晶合金。Al和Ti的加入都显著改善了合金的循环稳定性,Mg0.8Al0.2Ni和Mg0.9Ti0.1Ni在10次充放电循环后分别保有最大放电容量的80.1%和79.1%。但Al的加入会降低合金的放电容量,Ti的负面影响则较小,Mg0.9Ti0.1Ni的最大放电容量更高达206.2mAh/g。因此,本文通过将Mg-Ni合金制备为非晶,成功降低了合金的吸放氢温度,提高了合金的动力学性能,又通过在Mg-Ni合金中添加Al和Ti制备出三元非晶合金,成功改善了合金的循环稳定性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 氢能系统的开发意义及应用前景
• 1.2 储氢材料的开发现状
• 1.2.1 储氢材料的简介
• 1.2.2 储氢合金的种类
• 1.2.3 储氢合金的吸氢机理
• 1.2.4 储氢合金吸氢过程的热力学机理
• 1.2.5 储氢合金充放电过程的电化学机理
• 1.3 镁基储氢材料研究历史及研究现状
• 1.3.1 镁基储氢材料研究历史概况
• 1.3.2 Mg-Ni 系晶态储氢合金的研究情况
• 1.3.3 Mg-Ni 系非晶储氢合金的研究情况
• 1.3.4 镁基储氢合金的应用前景
• 1.4 本课题的研究目的、研究内容及研究方法
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 研究方法
• 2 试验方法
• 2.1 机械合金化法制备非晶镁基储氢合金
• 2.1.1 机械合金化法形成非晶的机制
• 2.1.2 试验用原料
• 2.1.3 球磨工艺参数
• 2.1.4 制备过程
• 2.2 X 射线衍射试验
• 2.3 SEM 组织形貌观察试验
• 2.4 吸放氢性能测试试验
• 2.5 电化学性能测试试验
• 2.5.1 电池负极的制备
• 2.5.2 模拟电池体系
• 2.5.3 放电容量测试
• 2.5.4 循环稳定性测试
• 3 MG-NI 系二元非晶储氢合金的制备与性能研究
• 3.1 球磨工艺参数对非晶合金形成的影响
• 3.1.1 球磨机转速的影响
• 3.1.2 球料比的影响
• 3.1.3 球磨时间的影响
• 3.2 球磨工艺参数对合金储氢性能的影响
• 3.2.1 球磨机转速的影响
• 3.2.2 球料比和球磨时间的影响
• 3.3 NI 含量对非晶合金形成和储氢性能的影响
• 3.3.1 Ni 含量对非晶合金形成的影响
• 3.3.2 Ni 含量对非晶合金储氢性能的影响
• 4 MG-NI 系三元非晶储氢合金的制备与性能研究
• 4.1 MG-AL-NI 系三元非晶储氢合金
• 4.1.1 Mg-Al-Ni 系三元非晶合金的制备
• 4.1.2 Mg-Al-Ni 系三元非晶合金的电化学性能研究
• 4.2 MG-TI-NI 系三元非晶储氢合金
• 4.2.1 Mg-Ti-Ni 系三元非晶合金的制备
• 4.2.2 Mg-Ti-Ni 系三元非晶合金的电化学性能研究
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录