La0.55Pr0.05NdxMg0.4-xNi3.3Al0.1(x = 0.10～0.20)储氢合金的研究Ⅱ:电化学性能

研究了La0.55Pr0.05NdxMg0.4-xNi3.3Al0.1(x=0.10,0.15,0.20)储氢合金的电化学性能.随着合金中Nd/Mg比的增加,合金电极的放电平台逐渐降低,电极极化减小.x=0.15的合金具有较高的电化学容量(372mAh·g-1),而x=0.10的合金具有较好的倍率放电能力(HRD1800=73.1%).合金电极的循环寿命随着Nd含量的增加而逐渐改善.合金电极的电化学阻抗谱(EIS)表明,随Nd含量减小,合金电极的电荷迁移电阻逐渐减小,动力学性能增强.线性极化测试表明,随着Nd/Mg比的减小,合金电极表面的电化学反应速率增加.通过合金电极阳极电流对时间响应的半对数曲线计算的氢扩散系数随着Nd/Mg比降低而增加,说明合金内部的氢扩散能力也提高.     

RE(RE=Nd,Sm,Pr)部分替代La对A_2B_7型合金电化学贮氢性能的影响

La-Mg-Ni系A2B7型合金由于其高的放电容量被认为是最具希望的Ni-MH电池负极材料,然而,低的电化学循环稳定性制约着合金的实际应用。为了改善La-Mg-Ni系A2B7型合金的电化学贮氢性能,用RE(RE=Nd,Sm,Pr)部分替代合金中的La,用感应熔炼及退火工艺制备了La0.8-xRExMg0.2Ni3.35Al0.1Si0.05(RE=Nd,Sm,Pr;x=0,0.2)电极合金。为了抑制Mg在熔炼过程中的挥发,熔炼过程中采用氦气作为保护气氛。用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)分析了铸态及退火态合金的微观结构,并测试了铸态及退火态合金的电化学贮氢性能,比较了不同稀土元素替代La对合金电化学性能的影响。结果表明,铸态及退火态合金包含两个主相,具有Ce2Ni7型结构的(La,Mg)2Ni7相以及Ca Cu5型结构的La Ni5相。RE(RE=Nd,Sm,Pr)部分替代La未影响合金的相组成,但使合金的相含量发生明显改变。此外,元素替代使铸态及退火态合金的组织明显细化。RE(RE=Nd,Sm,Pr)部分替代La显著改善了合金的电化学贮氢性能,包括电化学循环稳定性、放电容量及电化学动力学性能。     

稀土含量对La0.7)(Pr0.75Nd0.25)xMg0.3Ni3.3(Co0.7Al0.3)0.3（x=0.0～0.3）合金电极电化学性能影响

在氩气保护条件下用高频感应悬浮熔炼法制备La0.7(Pr0.75Nd0.25)xMg0.3Ni3.3(Co0.7Al0.3)0.3(x=0.0,0.1,0.2,0.3)合金,研究混合稀土含量对合金储氢和电化学性能的影响。合金XRD相分析结果表明,合金相主要由LaNi5,(La,Pr)Mg2Ni9,(La,Nd)2Ni7和LaNi3相组成。随着Pr和Nd含量的增加,合金吸氢量先增加后减小,最大吸氢量为1.42%(质量分数)(x=0.2),放氢平台变短坪斜增加。合金电极电化学测试表明,电极最大放电容量为378 mAh·g-1(x=0.2),放电容量保持率S100从53.2%(x=0.0)增加到56.2%(x=0.3),增加Pr和Nd的含量可以提高电极的循环稳定性。合金电极电化学阻抗谱、线性极化、Tafel极化和循环伏安特性研究表明,添加适量的Pr和Nd可以提高电极动力学性能。当x=0.1时,合金电极电荷传递电阻Rct和极化电阻Rp较小,交换电流密度I0、极限电流密度IL以及阳极峰电流密度Ip较大,合金电极动力学性能较好。     

La0.8Mg0.2(Ni2.7Co0.6Al0.1Mn0.1)x贮氢合金的电化学性能分析

采用恒电位法、EIS分析及双电极系统对La0.8Mg0.2(Ni2.7Co0.6Al0.1Mn0.1)x(x=0.9～1.10)系列合金进行电化学性能分析。结果表明,x=1.05的合金具有较好的自放电性能(CR=97.3%),而x=1.10的合金有较高的电化学容量(369 mAh.g-1)。合金电极的电化学阻抗谱(EIS)表明,随着化学计量比x的增大,合金电极的电荷迁移电阻先减小后增大,动力学性能先增强后减弱。线性极化测试表明,随着化学计量比x的增大,合金电极表面的电化学反应速率先增大后减小。通过合金电极阳极电流对时间响应的半对数曲线计算的氢扩散系数D随着化学计量比x的增大先增大后降低,说明合金内部的氢扩散能力先增强后降低。     

La_(15-x)Nd_xFe_(14)Ni_(64)Mn_5B_2(x=0～6)储氢合金的结构和电化学性能

采用中频感应熔炼-快淬炉制备了La15-xNdxFe14Ni64Mn5B2(x=0、2、4、6)储氢合金。扫描电镜(SEM)及能谱(EDS)分析表明,这些合金由(La,Nd)Ni5相、(Fe,Ni)相和(La,Nd)3Ni13B2相组成。X射线衍射(XRD)分析表明,Nd含量对合金的相组成没有影响,但随Nd含量的增加,衍射峰向高角度方向轻微位移。电化学测试表明,随x值的增大,合金电极的放电容量及高倍率放电能力(HRD)先增加后减小,x=2时的放电容量(302mAh.g-1)最高,HRD值(1050 mA.g-1放电时为65.6%)最大。充放电循环稳定性随x值的增大而增加。适量的Nd替代La有利于改善LaFeNiMnB储氢合金的综合电化学性能。     

Mn含量对La0.65Mg0.35Ni3.1-xMnx(x=0.0～0.4)贮氢合金高温电化学性能的影响

研究了Mn含量对La0.65Mg0.35Ni3.1-xMnx(x=0.0,0.1,0.2,0.3,0.4)贮氢电极合金高温(333K)放电性能的影响.随Mn含量的增加,该系列合金电极在70 mA·g-1放电电流密度下的高温容量保持率从93.9%(x=0.0)增加到119.4%(x=0.4),而且,x＞0.1合金的高温容量保持率几乎相同.333K的电化学P-C-T曲线测试结果表明,Mn对Ni的部分代替明显降低了合金的放氢平台压,x＞0.1合金的吸/放氢平台滞后相对较小,说明x＞0.1合金的高温特性有所改善.腐蚀曲线测量结果表明,由于合金中Mn的存在,合金电极的腐蚀电流Icorr减小,腐蚀电位Ecorr正移,表明合金的耐腐蚀性能增强.     

粉末冶金法制备La_(0.75)Mg_(0.25)Ni_(3.5-x)Mn_x(x=0-0.4)合金及其电化学贮氢性能研究

为了改善稀土系A_2B_7型贮氢合金的电化学贮氢性能,采用粉末冶金方法制备的La_(0.75)Mg_(0.25)Ni_(3.5-x)Mn_x(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4)贮氢合金,研究少量Mn替代Ni对合金相结构和电化学性能的影响。结果表明:合金由La Ni5、La2Ni7两相组成,随着Mn含量的增加,两相晶胞逐渐膨胀。Mn的加入能显著改善合金的电化学性能,然而过高的Mn含量会对合金的放电性能带来不利影响。其中La_(0.75)Mg_(0.25)Ni_(3.2)Mn_(0.3)合金电极的最大放电容量为362.3m Ah/g,经过100次循环后容量保持率为69.5%。此外,合金电极的高倍率放电性能、线性极化曲线以及电化学交流阻抗谱的测试均表明合金的电化学动力学性能随着Mn含量的增加先增大而后减小。     

La0.55Pr0.05NdxMg0.4-xNi3.3Al0.1(x=0.10～0.20)储氢合金的研究Ⅰ:相结构和气相吸放氢性能

中频感应熔炼法制备了La0.55Pr0.05NdxMg0.4-xNi3.3Al0.1(x=0.10、0.15、0.20)储氢合金.通过X射线衍射(XRD)和Rietveld方法分析了每个合金的相结构,分析结果表明,由于Nd/Mg比不同,三个合金的相组成不完全相同.同时应用扫描电镜(SEM)察了合金的形貌并结合能谱(EDS)方法测定了各相的组成,测定结果与XRD分析结果有所不同.La0.55Pr0.05NdxMg0.4-xNi3.3Al0.1(x=0.10、0.15、0.20)合金在313 K第一次吸放氢的P-C-T曲线显示出两个平台压力,分别对应于(La,Mg)2(Ni,Al)7相和La(Ni,Al)5相.合金的储氢容量随X值的增大先增加后减小,这种变化规律可能与合金中储氢相的丰度以及晶胞体积有关.该系列合金的吸/放氢动力学曲线表明,Nd含量适中的合金的吸/放氢动力学性能相对较好.     

A_2B_7型La_(0.64)Gd_(0.2)Mg_(0.16(1+x))Ni_(3.1)Co_(0.3)Al_(0.1)储氢合金微观组织和电化学性能

以综合电化学性能较佳的低镁含量合金La0.64Gd0.2Mg0.16Ni3.1Co0.3Al0.1为基础,通过改变Mg元素含量的添加方式,用感应熔炼方法与热处理制备了La0.64Gd0.2Mg0.16(1+x)Ni3.1Co0.3Al0.1系列合金,系统研究了该条件下镁元素成分波动(Mg过量值x)对La-Mg-Ni系A2B7型合金微观结构和电化学性能的影响规律。合金相结构分析表明,合金退火组织由主相Ce2Ni7(Gd2Co7)型以及Pr5Co19型、Pu Ni3型和Ca Cu5型多相组成,随Mg过量值x增加,合金中主相Ce2Ni7型相丰度呈现先增加后减小的趋势;当Mg过量值0x≤50%时,合金组织的Ce2Ni7型主相相丰度达到81.04%~87.18%;x=0,80%时,Ce2Ni7型主相丰度减小至76.3%以下。电化学测试结果表明,随Mg过量值x增加,合金电极最大放电容量呈先增加后降低趋势,x=10%时合金具有最高电化学放电容量(384.6 m Ah·g-1);当Mg过量值x在5%~50%范围内变化时,其电极循环稳定性均保持在S100≥90%,此时镁元素成分波动变化对合金电极循环稳定性的影响不敏感。合金电极的高倍率放电性能(HRD)随Mg过量值的增加呈先增大后减小趋势,其中电极表面的电荷转移速率是影响合金电化学反应动力学性能的主要控制步骤。     

镁含量对稀土-镁-镍系A2B7型储氢合金电极自放电性能的影响

系统研究了Mg元素对退火态A2B7型储氢合金La0.7-xY0.1Gd0.2MgxNi3.35Al0.15(x=0～0.4)电极自放电性能的影响。结果表明,退火态合金主要由Ce2Ni7(或Gd2Co7)型、Pr5Co19型、CaCu5型和PuNi3型相组成,Mg含量对合金组成和相结构有重要的影响,低镁含量有利于提高合金组织中Ce2Ni7型相的丰度,高镁含量易出现大量的CaCu5型和PuNi3型相。电化学测试表明,循环稳定性及电化学放电容量随Mg含量的增加而呈现先降低后升高的趋势,x=0.15,0.17合金电极具有最高的循环稳定性(S100=90%)和最大的电化学放电容量(368mAh.g-1)。Mg含量对合金电极的荷电保持率和开路电位影响显著,搁置7 d后的电极荷电保持率从7.9%(x=0)增加到59.7%(x=0.17),然后又降低到1.8%(x=0.4),表明适量的Mg含量可以改善合金的自放电性能,其中合金电极自放电时的可逆容量损失占97.5%以上,不可逆损失仅占0.4%～2.5%。合金电极的荷电保持率随合金PCT曲线放氢平台压力的升高而减小,其中氢致非晶态(x=0)和具有较高放氢平台压力的多相组织合金电极(x=0.4)的自放电率较大,荷电保持率最小。合金的腐蚀电流Icorr与电极的不可逆容量损失存在一定对应关系,当x=0.15～0.17时,合金的耐腐电流较小,其自放电时的不可逆容量损失最低,循环寿命也较佳。     

Effect of praseodymium substitution for lanthanum on structure and properties of La0.65-xPrxNd0.12Mg0.23Ni3.4Al0.1（X=0.00-0.20） hydrogen storage alloys

In order to investigate the effect of substituting La with Pr on structural and hydrogen storage properties of La-Mg-Ni system (AB3.5-type) hydrogen storage alloys, a series of La0.65-xPrxNd0.12Mg0.23Ni3.4Al0.1(x=0, 0.10, 0.15, 0.2) hydrogen storage alloys were prepared. X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectrometer (EDS) analyses revealed that two alloys (x=0.0 and 0.10) were composed of (La, Mg)2(Ni,Al)7 phase, La(Ni,Al)5 phase and (La,Mg)Ni2 phase, while other alloys (x=0.15 and 0.20) consisted of (La,Mg)2(Ni,Al)7 phase, La(Ni,Al)5 phase, (La,Mg)Ni2 phase and (La, Mg)(Ni,Al)3 phase. All alloys showed, however, only one pressure plateau in P-C isotherms. The Pr/La ratio in alloy composition influenced hydrogen storage capacity and kinetics properties. Elec-trochemical studies showed that the discharge capacity decreased from 360 mAh/g (x=0.00) to 335 mAh/g (x=0.20) as x increased. But the high-rate dischargeability (HRD) of alloy electrodes increased from 26% (x=0.00) to 56% (x=0.20) at a discharge current density of Id=1800 mA/g. Anode polarization measurements were done to further understand the electrochemical kinetics properties after Pr substitution.     

A study on hydrogen storage and electrochemical properties of La_（0.55）Pr_（0.05）Nd_（0.15）Mg_（0.25）Ni_（3.5） （Co_（0.5）Al_（0.5））_x （x=0.0, 0.1, 0.3, 0.5） alloys

The La0.55Pr0.05Nd0.15Mg0.25Ni3.5(Co0.5Al0.5)x(x=0.0, 0.1, 0.3, 0.5) alloys were prepared by magnetic levitation melting under an Ar atmosphere, and the effects of Co and Al on the hydrogen storage and electrochemical properties were systematically investigated by pressure composition isotherms, cyclic voltammetry, Tafel polarization and electrochemical impedance spectroscopy testing. The results showed that the alloy phases were mainly consisted of (La,Pr)(Ni,Co)5, LaMg2Ni9, (La,Nd)2Ni7 and LaNi3 phases, and the cell volumes of (La,Pr)(Ni,Co)5, LaMg2Ni9, (La,Nd)2Ni7 and LaNi3 phases expanded with Co and Al element added. The hydrogen storage capacity initially increased from 1.36 (x=0) to 1.47 wt.% (x=0.3) and then decreased to 1.22 wt.% (x=0.5). The discharge capacity retention and cycle stability of the alloy electrodes were improved with the increase of Co and Al contents. The La0.55Pr0.05Nd0.15Mg0.25Ni3.5(Co0.5Al0.5)0.3 alloy electrode possessed better electrochemical kinetic characteristic.     

Effects of Fe-substitution for cobalt on electrochemical properties of La-Mg-Ni-based alloys

In order to improve electrochemical properties,especially cycling stability,Co was partially substituted by Fe in A2B7-type La-Mg-Ni-based alloys.The La0.74Mg0.26Ni2.55Co0.65-xFex(x=0,0.10,0.20,0.30) alloys were prepared by inductive melting,and their phase structure and electrochemical properties were studied.The XRD and SEM results showed that the alloys consisted mainly of(La,Mg)2Ni7 phase,(La,Mg)5Ni19 phase and LaNi5 phase,except for absence of LaNi5 phase in the non-substituted alloy.The(La,Mg)5Ni19 ph...     

Hydriding and dehydriding characteristics of nanocrystalline and amorphous Mg20-xLaxNi10（X=0-6） alloys prepared by melt-spinning

In order to improve the hydrogenation and dehydrogenation performances of the Mg2Ni-type alloys, Mg was partially substituted by La in the alloy, and melt spinning technology was used for the preparation of the Mg20-xLaxNi10 (x=0, 2, 4, 6) hydrogen storage alloys. The structures of the alloys were studied by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM). It was found that no amorphous phase formed in the as-spun La-free alloy, but the as-spun alloys containing La held a major amorphous phase. When La content x≤2, the major phase in the as-cast alloys was Mg2Ni phase, but with further increase of La content, the major phase of the as-cast alloys changed into LaNi5+LaMg3 phase. Thermal stability of the as-spun alloys was studied by differential scanning calorimetry (DSC), showing that spinning rate was a negligible factor on the crystallization temperature of the amor-phous phase. The hydrogen absorption and desorption kinetics of the as-cast and as-spun alloys were measured using an automatically con-trolled Sieverts apparatus, confirming that the hydrogen absorption and desorption capacities and kinetics of the as-cast alloys clearly in-creased with rising La content. For La content x=2, the as-spun alloy displayed optimal hydrogen desorption kinetics at 200 ℃.     

快淬纳米晶/非晶Mg2-xLaxNi (x=0～0.6)合金的贮氢动力学

为了改善Mg2Ni型合金气态及电化学贮氢动力学性能,用La部分替代合金中的Mg,用快淬技术制备了Mg2-xLaxNi(x=0,0.2,0.4,0.6)合金,用XRD,SEM,HRTEM分析了铸态及快淬态合金的微观结构;用自动控制的Sieverts设备测试了合金的气态贮氢动力学性能,用程控电池测试仪测试了合金的电化学贮氢动力学.结果发现,快淬无La合金具有典型的纳米晶结构,而快淬含La合金显示了以非晶相为主的结构,表明La替代Mg提高Mg2Ni型合金的非晶形成能力.La替代Mg明显地改变Mg2Ni型合金的相组成.当La替代量x=0.4时,合金的主相改变为(La,Mg) Ni3+ LaMg3.合金的气态及电化学吸放氢动力学对La含量及快淬工艺敏感,La替代使合金的吸氢动力学降低,但适量的La替代可以明显改善合金的放氢动力学及高倍率放电能力.适当的快淬处理可以提高合金的气态及电化学贮氢动力学,但获得最佳贮氢动力学的快淬工艺与合金的成分密切相关.     

放电等离子烧结制备Mg2-xNdxNi(x=0~0.3)储氢合金

采用放电等离子烧结(SPS)工艺制备了Mg_2-xNd_xNi(x=0,0.1,0.2,0.3)储氢合金.通过X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)研究了合金的相结构和表面形貌,利用等容压差法分析测试了合金的压力-组成-温度(PCT)曲线和吸放氢动力学性能,研究了烧结温度、稀土元素Nd对储氢合金微观组织结构和储氢性能的影响,比较了SPS技术与真空感应熔炼法制备的Mg基合金组织结构和储氢性能的异同.结果表明:SPS制备的Mg_2-xNd_xNi(x=0~0.3)系列储氢合金具有多相结构,储氢合金的吸放氢动力学性能良好;Nd元素有利于Mg合金化,不利于储氢量;烧结温度对储氢量、PCT曲线平台性能有明显影响;当Mg_2-xNd_xNi系合金中含有Mg和NdMg₁₂相,PCT曲线出现双平台现象;与铸态合金相比,SPS制备的Mg_1.7Nd_0.3Ni储氢合金的吸放氢动力学性能较好,但储氢容量、放氢率和PCT曲线平台性能更差.     

Nd含量对稀土储氢合金REB5性能的影响

设计了用Ｎｄ替代Ｌａ的系列Ｌａ１－ｘＮｄｘＢ５合金，并分析测试了不同含量Ｎｄ的储氢合金的性能。实验发现，Ｌａ１－ｘＮｄｘＢ５合金的晶胞体积与ｘ呈线性关系；平衡氢压与ｘ呈曲线关系；吸氢量与放电容量在ｘ＝０．２最高；循环寿命随Ｎｄ含量增加呈增加的趋势     

La0.65RE0.10Mg0.25Ni3.5Si0.15(RE=La,Ce,Pr,Nd,Sm)储氢合金的电化学性能及EIS分析

通过感应熔炼制备La0.65RE0.10Mg0.25Ni3.55i0.15(RE =La,Ce,Pr,Nd,Sm)合金.采用X射线衍射方法分析了合金的相结构,研究了其电化学性能,并采用电化学阻抗谱分析了合金电极的放氢动力学特性.研究结果表明,合金是以LaNi5、LaNi3为主相的多相结构,同时合金中少量的Si元素与Mg和Ni元素形成了少量的Mg2 Si相和Ni2Si相.Ce,Pr,Nd,Sm部分替代La以后,合金的放电容量下降,Ce的替代使合金容量大幅度降低.对于本系列合金,La被其他稀土元素部分替代后,合金经过100次循环后的容量保持率略有下降,但除了Pr元素以外,变化值均较小.合金电极的电化学阻抗谱分析表明,中低频区的容抗弧半径依次为Ce ＞La＞ Nd ＞Sm ＞Pr,这表明采用Nd、Sm、Pr替代La后合金电极在碱液中放电过程电荷传递电阻Rct减小,即合金表面活性增加,但Ce替代却导致Ret急剧增大,这可能与Ce在碱液中易形成氧化物降低了合金的表面活性有关.