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由于La-Mg-Ni系储氢合金具有易活化、放电容量高、常温下可逆吸放氢、吸放氢平台压适中以及环保等优点成为近十年来储氢研究的重点方向之一。但在Ni/MH二次电池应用中,此类合金负电极在碱性电解液中容易被腐蚀,电化学循环稳定性较差,不能满足电池实际应用的性能要求,影响了其产业化的进程。为了进一步提高此类合金电极的循环稳定性,改善其综合电化学性能,本文采用元素替代和退火工艺处理两种方式来改进合金的储氢性能,应用XRD分析、P-C-T测试和电化学性能测试等手段具体分析这两种方法对于合金气态储氢性能和合金电极电化学性能的影响。
在Ar气保护下利用高频感应熔炉制备La(Ni0.85Co0.15)5-x(Mn0.4Al0.3)x(x=0,0.3,0.6)合金和Mg2Ni合金,随后混合熔炼两种合金,制备复合合金材料75%La(Ni0.85Co0.15)5-x(Mn0.4Al0.3)x(x=O,0.3,0.6)+12.5%Mg2Ni(mol比率),通过测试合金的储氢性能,研究分析Mn、Al元素组合对合金储氢性能的影响。结果发现:合金均由多相组成,其中主相分别是CaCu5型的LaNi5相和PuNi3型的(La,Mg)Ni3相。P-C-T测试表明,随着(Mn,Al)含量的增加,合金的最大气态吸氢量呈现先增加后减小的趋势,其量从x=0.1时的1.22%增加到x=0.3时的1.58%,后又减小到x=0.6时的1.53%;电化学测试结果显示合金的最大放电容量也是先增大后减小,X=0.3时合金的最大放电容量为332mAh/g;此外,随着(Mn,Al)含量的增大合金电极的循环稳定性有一定地改善,80次循环放电容量保持率从x=0时的59.1%提高到x=0.6时的74.5%。
在前一价段实验的基础上,进一步研究退火工艺处理对于合金储氢性能的影响。本实验中选用前阶段实验效果较好的合金75%La(Ni0.85Co0.15)4.7(Mn0.4Al0.3)0.3+12.5%Mg2Ni(x=0.3)进行退火处理,退火温度分别为673K、923K和1173K。XRD分析结果显示,各合金均由多项组成,其中,铸态合金的主相是LaNi5相、LaMg2Ni9相和La2Ni7相;合金在673K温度下退火处理后Al原子进入LaNi5晶格取代一个Ni原子形成了新的LaNi4Al相,另外还有一定量的LaNi5相、LaMg2Ni9相和La2Ni7相;合金在923K温度下退火处理后LaMg2Ni9相含量减少,主相有LaNi4Al相、LaNi5相和La2Ni7相;合金在1173K温度下退火后主相为LaMg2Ni9相、LaNi5相和La2Ni7相;P-C-T测试表明,铸态合金和在673K、923K下退火后合金的最大气态吸氢量几乎没有差别,其值约为1.27%,而在1173K下退火后合金的最大气态吸氢量减小到0.9%;电化学测试结果显示,退火工艺可以有效的提高合金电极的最放电容量,在673K退火后合金的最大放大容量达到380mAh/g,但最大放电容量会随着退火温度的增加而略有减小,在1173K退火下合金的最大放电容量减小到308mAh/g;80次循环后容量保持率随退火温度的增加有增大的趋势,在1173K退火后达到最大为74.8%;
以上结果显示元素替代和退火处理工艺都可以明显改善合金电极的循环稳定性能,但放电容量同时会有一定程度的降低,相较之下所以,在673K下退火后的75%La(Ni0.85Co0.15)4.7(Mn0.4Al0.3)0.3+12.5%Mg2Ni(x=0.3)合金电化学综合性能较好,最大放电容量较高,循环稳定性能也相对较好。元素替代的元素和量的选择以及退火工艺的具体参数设定对合金的综合电化学性能的影响还有待进一步研究,以期得到最优性能的合金。此外,也可寻求其他工艺的帮助,例如将铸态合金进行机械化球磨,获得颗粒更小的粉状合金进行相关研究。