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镁是工业应用中最轻的金属结构材料,广泛应用于空间技术、航空航天、交通运输等行业,实现轻量化、并减少能源消耗。此外,镁具有高的储氢能力(7.6wt.％)、低的电极电位(-2.37V vs.SHE)、高的比容量(2205mAh/g)、无环境污染等能源相关特性,使其成为一种新型的能源材料。镁在能源材料方面的开发应用得到了越来越多的关注。
本报告对镁在一次电池、储氢材料和二次电池中的应用进行了初步探索。研究了NZ30K、AZ31合金在不同浓度MgCl2、MgSO4、Mg(COOCH3)2、MgBr2和Mg(ClO4)2溶液中的腐蚀行为和电化学性能,组装了镁锰一次电池;采用等离子体电弧法制备了纳米Mg粉、利用快速凝固方法制备了Mg67-xCaxNi33非晶,研究了纳米Mg粉和非晶的物相组成和储氢性能;同时考查了镁合金作为镁二次电池负极材料时的电化学性能,以达到抑制枝晶生长、改善长期循环性能的目的。
镁一次电池的研究结果表明,NZ30K合金在MgSO4溶液中的腐蚀速率最大,其在MgBr2溶液中的耐蚀性能最好,而AZ31合金在MgCl2溶液中的耐蚀性能最差,而在Mg(ClO4)2溶液中的耐蚀性能最佳。本研究中所使用合金在各种电解液中的腐蚀速率均随着电解液浓度的增加而增大,且其腐蚀电流随电解液浓度的增加而增大,电化学阻抗谱中高频端容抗环的半径随电解液浓度的增加而减小。采用AZ31镁合金为负极,Mg(ClO4)2溶液为电解液的镁锰电池的连续放电和间歇性放电的容量仍低于相应的锌锰电池容量,这主要是由于电解液中缺少合适的缓蚀剂等。仍需要加强镁锰电池电解液的改性研究。
镁基储氢材料的研究结果表明,采用直流电弧等离子体法可以制备出Mg纳米粉,其颗粒呈球形或六边形,平均粒径在150nm左右。纳米镁粉经过活化后可以在10min内达到最大吸氢量,大大改善了镁基储氢合金的动力学性能,其最大吸氢量可达6.24wt.%。经过快速凝固后的Mg67-xCaxNi33(x=5,10,15,20,at.%)能够形成非晶,并且Ca的加入降低了Mg2Ni相的含量,合金中逐渐出现了MgNi2相和Mg2Ca相。Mg67-xCaiNi33合金的最大吸放氢量随着Ca元素含量的增加而降低,非晶化能够提高合金的储氢量。
镁二次电池负极材料的研究结果表明,用作镁二次电池的负极材料时,AZ31合金与工业纯镁相比其初始稳定性较差,但AZ31合金可以有效地抑制枝晶生长,比纯Mg具有更高的库仑效率和循环稳定性。随着合金中Al含量的增加,合金的过电位有升高的趋势,并且合金的长期稳定性能有所下降。Mg-Nd合金都具有良好的溶解.沉积循环特性,虽然起始循环稳定性较差,但很快能进入稳定状态,过电位也随之下降。Mg-Nd合金的长期循环稳定性优于Mg-Al系合金。