机械合金化非晶态Ti-Cu基储氢合金的制备与电化学性能研究

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本文在对国内外机械合金化非晶/纳米晶储氢电极材料的研究进展以及Ti-Cu基合金的非晶化制备技术研究进行综述的基础上,选择非晶态Ti-Cu基储氢合金为研究对象,探索通过机械球磨合金化途径制备合成Ti-Cu基非晶合金的可行性,并采用XRD、SEM和EDX等材料分析方法以及恒电流充放电、线性极化和阳极极化等电化学测试技术,系统地研究了机械球磨Ti-Cu基合金、加Ni复合球磨Ti-Cu基合金以及(Ti-Cu)+(Mg-Ni)球磨复合物的相结构和电化学性能。首先探索研究了通过单质粉末直接球磨合成和先熔炼(Ti2Cu/TiCu)再加Ni粉球磨两种工艺方法制备(Ti-Cu)+x wt%Ni(x=0,25,50,100)非晶合金,并比较研究了制备工艺和Ni粉添加量对合金相结构及电化学储氢性能的影响。结果表明:制备工艺和Ni粉添加量对合金的电化学性能有显著影响。其中,采用单质粉末(Ti粉和Cu粉)直接球磨合成工艺(30—120 h)时,不能得到完全非晶化的Ti2Cu二元合金,球磨样品的放电容量均低于30 mAh/g;当加入100 wt%Ni粉一起球磨80 h后即可得到完全非晶态的Ti2Cu+100 wt%Ni复合物,其最大放电容量达到100 mAh/g。另一方面,采用先熔炼Ti2Cu再加Ni粉球磨工艺时,熔铸的Ti2Cu晶态合金的放电容量仅为3.7 mAh/g;当加入Ni粉复合球磨120 h形成非晶结构后其放电容量得到明显提高,其中Ti2Cu+100 wt%Ni非晶复合物的放电容量最高可达168 mAh/g。研究还表明,增加镍粉添加量和球磨时间有助于合金形成非晶结构,同时复合物中的Ni元素还起到良好的电催化作用,改善了合金的电化学性能。对机械球磨(Ti-Cu)+(Mg-Ni)复合体系的相结构和电化学性能的研究表明:当铸态Ti2Cu与非晶MgNi一起复合球磨120 h后,可以提高合金的放电容量和循环稳定性,其中Ti2Cu+200 wt%MgNi非晶复合物的最大放电容量可达326 mAh/g,20次充放电循环的容量保持率为53.3%;Ti2Cu+100 wt%MgNi非晶复合物的最大放电容量为202mAh/g,20次充放电循环的容量保持率为64.4%。当铸态Ti2Cu/TiCu与铸态Mg2Ni一起复合球磨120 h时,产物不能完全非晶化,球磨产物Ti2Cu+100 wt%Mg2Ni和TiCu+100 wt%Mg2Ni的放电容量分别为129 mAh/g和47 mAh/g;当加入Ni粉复合球磨120h后,球磨产物的非晶化程度和电化学性能得到明显提高,其中Ti2Cu+Mg2Ni+50 wt%Ni非晶复合物的放电容量可达215 mAh/g,TiCu+Mg2Ni+50 wt%Ni非晶复合物的放电容量可达269mAh/g。
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