La-Mg-Ni系A2B7与A5B19型储氢合金的相结构与电化学性能研究

本文在对国内外La-Mg-Ni系储氢合金相结构和储氢性能的研究进展进行全面综述的基础上,以La-Mg-Ni系A2B7、A5B19型储氢合金为研究对象,运用XRD、SEM、EPMA等材料研究方法和电化学测试方法对合金进行了结构与电化学性能的研究。本文目的是通过热处理得到单相的A2B7型与A5B19型储氢合金,试图从相结构来提高合金电极的循环稳定性。 对于La0.83Mg0.17Ni3.25Al0.15Mn0.1合金,系统研究了覆盖剂法退火热处理对合金相结构与电化学性能的影响。结果表明,铸态及退火合金均由Ce2Ni7、Gd2Co7、LaNi5、LaNi3多相组成。合金采用覆盖剂保护Mg元素挥发的方法退火后合金并没有得到单一的A2B7型相结构,在1173K退火8h后合金的电化学性能都比较好,最大放电容量为362.60mAh/g,循环稳定性S100=79.14%。合金电极的高倍率放电性能HRD900为75.6%,合金电极的高倍率放电性能主要由合金电极表面的电催化活性所控制。合金经过覆盖剂法退火热处理后并没有得到单一的A2B7型相结构合金,但此时合金的电化学性能要优于铸态合金的,因此可见单一的A2B7型相结构对储氢合金的电化学性能影响很重要。因此,退火工艺和合金化元素有待进一步改善。 采用覆盖剂保护Mg元素挥发的方法和常规法及二步退火法对熔铸La0.83Mg0.17Ni3.25Al0.15Mn0.1合金退火处理,研究表明,合金电极的相结构没有发生变化只是各相相丰度有所变化,前两种退火工艺合金的相分布基本相同电化学性能也基本相同,二步退火法合金中的CaCu5型相相丰度明显增加,通过三种退火工艺合金任没得到单一的A2B7型相结构。考虑到合金化元素的影响设计了La0.83Mg0.17Ni3.4Mn0.1合金,采用覆盖剂保护Mg元素挥发的方法和常规法及二步退火法对熔铸La0.83Mg0.17Ni3.4Mn0.1合金退火处理,研究表明,合金采用三种方法退火处理,其相结构均由CaCu5型LaNi5相、Ce2Ni7型和Gd2Co7型（La,Mg）2Ni7相组成,采用覆盖剂保护Mg元素挥发的退火方法的合金中LaNi5相相丰度为8.48%,比常规法退火合金中的LaNi5相相丰度4.39%大的多。二步退火法合金中的CaCu5_型相相丰度为6.81%,比La0.83Mg0.17Ni3.25Al0.15Mn0.1合金采用二步退火法后合金中CaCu5型相相丰度增加量少。常规法退火La0.83Mg0.17Ni3.4Mn0.1合金中的LaNi5相相丰度仅为4.39%,比La0.83Mg0.17Ni3.25Al0.15Mn0.1合金退火后LaNi5相相丰度大幅度减少。La0.83Mg0.17Ni3.4Mn0.1合金采用常规法在1173K退火处理8h,合金电极的电化学性能最好,最大放电容量为386.12 mAh/g,合金100次循环容量保持率S100为89.10%,其电化学性能都好于La0.83Mg0.17Ni3.25Al0.15Mn0.1合金的。由此可看出单一型相对储氢合金的电化学性能影响非常重要。 在优化合金成份的基础上,研究了热处理对La0.83Mg0.17NixMn0.1（x=3.4,3.6）储氢合金相结构和电化学性能的影响。研究表明,La0.83Mg0.17NixMn0.1（x=3.4,3.6）合金在1173K退火8h分别可得到较单一的A2B7与A5B19型物相组成。两类合金在1173K退火8h时CaCu5型相相丰度都很小,但是没有得到完全单一的A2B7与A5B19型物相组成。A2B7型相结构储氢合金的活化次数与A5B19型相结构储氢合金的活化次数基本相同,A2B7型相结构合金的最大放电容量（386.12 mAh/g）高于A5B19型相结构合金的最大放电容量（371.38 mAh/g）。A2B7与A5B19型相结构合金电极100个循环容量保持率都在85%以上,且差别不大。A5B19型相结构合金的高倍率放电性能（HRD900=85%）高于A2B7型相结构合金的高倍率放电性能（HRD900=76.6%）。合金电极的高倍率放电性能主要由发生在电极表面的电荷转移速率所控制。 采用快速凝固方法制备了La0.83Mg0.17Ni3.25Al0.15Mn0.1储氢合金。系统研究了不同冷却速率下制备合金的相结构、微观组织及电化学性能。XRD分析表明,随着冷却速率的增加,La0.83Mg0.17Ni3.25Al0.15Mn0.1合金的物相组成没有发生变化,但是合金中各相相丰度发生明了显变化,随着冷却速度的增加,合金中的LaNi3相和Ce2Ni7型αLa2Ni7相在不断减小,而LaNi5相和Gd2Co7型βLa2Ni7相在不断增加。快速凝固方法制备的La0.83Mg0.17Ni3.25Al0.15Mn0.1储氢合金为柱状晶且晶粒细小。随着冷却速度的增加,合金电极的活化性能呈下降趋势,合金的最大放电容量减少,但是循环稳定性提高了。