镍氢电池与锂离子电池相比,具有高安全性、高性价比、大倍率放电等特点,是混合动力汽车首选电池。二次镍氢电池的发展在很大程度上依赖于其负极材料贮氢合金的发展。稀土镁基La-Mg-Ni系合金因具有高容量和良好活化性能,成为镍氢电池负极材料的研究热点之一。随着节能环保的要求越来越高,高性能稀土镁基La-Mg-Ni系合金储氢材料的研发日益受到重视。

虽然La-Mg-Ni合金在室温下具有良好的吸氢性能,但由于其氢化物稳定性强而放氢性能较差,经过改进后,该系列合金的循环寿命仍不能令人满意。为了提高La-Mg-Ni系合金性能,尤其是其循序稳定性,研发工作在成分调整与制备工艺方面采取了以下一些优化措施。

一、合金成分调整。

镍氢电池用稀土镁基合金的研发

元素替代是提高La-Mg-Ni系合金性能非常有效的方法,用Ce、Pr或Nd等原子半径较小的稀土元素部分取代La,合金晶胞体积减小,吸氢时造成的体积变化变小,可以减轻合金充放电循环过程中的粉化。实验表明,用Ce,Pr和Nd分别替代La,其循环稳定性均有所增加,Ce和Pr的取代同时提高了其高倍率放电性和低温放电性。许多研究结果还表明,采用合适的元素对材料进行多元替代,是改善合金综合性能非常有效的途径之一。另外,研究还表明,通过调节化学计量比,使合金出现恰当比例的多相组分,也可以改变合金的吸氢性能。另据报道,将两个或多个贮氢合金,或一个贮氢合金和一个金属间化合物,通过一定的制备工艺,形成复合材料,有利于性能提高,其中主要合金组分提供良好的贮氢性能,而少量组分则主要为提高其活性和动力学性能提供催化作用。例如,将La0.7Mg0.3Ni3.5和Ti0.17Zr0.8V0.35Cr0.1Ni0.3经球磨形成一种新型复合合金,可以提高合金在碱液中的抗腐蚀氧化能力,从而使合金的循环稳定性提高。

二、制备工艺优化。

试验证明,采取合适的退火处理可以减少由铸态凝固时引入的晶格应变和缺陷,减少偏析相,使组织变得均匀,并使内应力减小,从而使得合金放电容量有较大幅度的增加,并可减少合金吸放氢过程中由于晶格体积膨胀收缩引起的粉化,增强了合金在碱液中的抗氧化腐蚀能力,从而改善合金电极的循环稳定性。另外,采取快淬处理能细化晶粒,合金中大量的晶界可作为充放电时氢的扩散通道,同时缓解了合金吸氢过程膨胀所产生的压力,因此,快淬态合金的循环稳定性得以提高。同时,快淬能促进形成一定的非晶相,使其抗粉化及抗腐蚀氧化能力均增加,从而可以提高贮氢合金电极的循环稳定性。由于合金表面化学状态影响氢原子的吸附、氢在晶体间隙中的扩散及氢化物的形成,所以恰当的表面处理能有效的提高贮氢性能。

镍氢电池

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