低成本AB5型贮氢合金的制备及电化学性能研究-材料物理与化学专业论文.docxVIP

摘 摘 要 I I 摘 要 本文利用真空电弧熔炼法制备了 AB5 型 LaNi4.5-xMnxCo0.2Al0.3 (x=0-0.3)以及 La1-xPrxNi4.2Mn0.3Al0.3Cu0.15Fe0.05 (x=0-0.3)贮氢合金，采用 X 射线衍射(XRD)、扫描 电子显微镜(SEM)和 X 射线能量色散谱(EDS)等材料表征手段研究了系列合金的组 成及组织结构变化；采用模拟电池法测试了合金负极的综合电化学性能，探索 Mn 替代 Ni、Pr 替代 La 对低 Co、无 Co 贮氢合金的性能影响规律；利用电化学阻抗(EIS)、 线性扫描(LS)测试技术分析了合金动力学性能，探索合金高倍率性能(HRD)影响机 理，以期开发出性能良好且成本低廉的 MH/Ni 电池负极材料。 低 Co 含量的 LaNi4.5-xMnxCo0.2Al0.3 (x=0, 0.1, 0.2, 0.3)合金随着 Mn 含量的增加， 其 晶 胞 体 积 和 单 胞 轴 比 (c/a) 逐 渐 增 大 ， 303K 最 大 放 电 量 Cmax 由 初 始 的 307.98mAh/g(x=0)逐渐增大到 323.18mAh/g(x=0.3), 100 次循环后的容量保持率 S100 从初始的 60.33% 逐渐降低至 49.91%(x=0.3)。303K 和 323K 时，合金的高倍率性 能随着 Mn 含量的增加，先增加后减小，x=0.2 时，合金电极的高倍率放电性能最 好， 其 HRD1800 分别达到 57.40%(303K)和 54.08%(323K)。303K 和 323K 的电化学 阻抗和线性扫描测试表明：合金电极的交换电流密度 I0 先增大后减小，x=0.2 时 I0 高达 1179.37mA/g，温度升高有利于合金表面的电荷转移；合金电极的氢扩散系数 DH 都在 10-8cm2/s 数量级，x=0.1 和 0.2 的 DH 值较大，温度升高合金电极的氢扩散 系数 DH 明显增大，x=0.2 时 DH 由 1.74×10-8cm2/s (303K)增大到 3.84×10-8cm2/s(323K)。 以放电容量最好的 LaNi4.2Mn0.3Co0.2Al0.3 合金为基础，采用 Cu 和 Fe 联合替代 Co 制备了 LaNi4.2Mn0.3Al0.3Cu0.15Fe0.05 合金，测试表明所制备合金仍为单一的 CaCu5 结构，合金的晶胞体积和单胞轴比(c/a)减小。活化次数由 2 次增加到 4 次，最大容 量由 323.18mAh/g 减为 317.57mAh/g，循环稳定性 S100 从 49.91%降到 47.28%。合 金电极的高倍率放电效率 HRD1800 由 42.79%增加至 45.13%。电化学阻抗和线性扫 描测试表明：Cu 和 Fe 联合替代改善了合金电极表面的电催化性能，交换电流密度 I0 增加，但氢扩散系数 DH 下降。 对无 Co 的 LaNi4.2Mn0.3Al0.3Cu0.15Fe0.05 合金 A 侧采用 Pr 替代 La 制备了 La1-xPrxNi4.2Mn0.3Al0.3Cu0.15Fe0.05 (x=0, 0.1, 0.2, 0.3)合金。随着 Pr 含量的增加，合金 电极的最大容量有所下降，而循环稳定性则逐渐改善，S100=54.47%。高倍率性能也 逐渐改善， HRD1800 由 45.13%(x=0)增加到 56.19%(x=0.3)。合金电极的交换电流密 度 I0 随 Pr 含量的增加而逐渐增大，而合金电极的氢扩散系数 DH 没有明显变化。 综合分析可知，本文在低 Co 的 LaNi4.5-xMnxCo0.2Al0.3 合金基础上，采用 Cu 和 Fe 联 合 替 代 Co 并 进 一 步 用 Pr 少 量 替 代 La 制 得 了 成 本 低 廉 的 La1-xPrxNi4.2Mn0.3Al0.3Cu0.15Fe0.05 贮氢电极合金，其具有较好的电容量，同时其循环 低成本 低成本 AB5 型贮氢合金的制备及电化学性能研究 稳定性和高倍率放电效率都非常接近于含 Co 的 AB5 型贮氢合金，是一种有商业价 值的贮氢合金。 关键词：AB5 型贮氢合金；无 Co；高倍率性能；电化学阻抗 ﹡本文为国家自然科学基金（No；广西自然科学基金（2011jjD60012; LD12028B）。 Ab Abstract I III Abstract The AB5-type hydrogen storage alloys of LaNi4.1-xMnxCo0.2Al0.3 (x=0-0.3) and La1-xPr