CeO2基固溶体对Mg2Ni合金储氢动力学性能的影响研究

采用水热法合成纳米Ce_1-x(Eu_0.5La_0.5)_xO₂及Ce_1-x(Fe_0.5La_0.5)_xO₂固溶体, 通过结构及光谱性能分析表征了掺杂效应。与纯CeO₂--相比, CeO₂基固溶体的晶胞参数变大, 紫外漫反射的吸收边发生移动, 拉曼光谱的F_2g特征振动峰向低波数方向移动。将掺杂固溶体作为添加剂与Mg₂Ni合金混合进行球磨处理, 对得到的复合材料进行结构及储氢动力学表征。XRD结果表明, 复合材料的纳米晶比例升高。储氢动力学测试结果表明, 固溶体添加剂使材料表面反应的可逆程度得到优化, Mg₂Ni合金体内的氢原子扩散速率及氢扩散系数也得到了提高。     

镁基Mg2Ni储氢合金的制备及其性能改善研究进展

镁基Mg_2Ni储氢合金由于具有理论储氢容量高、资源丰富、价格廉价、质量轻等突出优点而备受关注。然而,该类合金因制备困难、吸放氢动力学性能差,实际应用受到了极大的限制。对近几十年来镁基Mg_2Ni储氢合金的制备和性能改善方面的研究进行了系统综述。在此基础上,指出了该类合金存在的问题及今后的发展方向。     

具可变价态稀土氧化物对Mg2Ni合金储氢性能的催化作用

采用球磨法制备Mg2Ni-Ni-5%RExOy(CeO2,Nd2O3,Tb4O7)复合材料。通过XRD,SEM,面扫描能谱分析,电化学及动力学测试系统研究材料的组织及储氢性能。结果表明:添加稀土氧化物后复合材料的结晶程度降低,稀土氧化物催化剂在合金表面分布均匀。复合材料的最大放电容量明显提高,含Tb4O7样品室温下最大放电容量达871mAh·g-1,且具有较高循环稳定性。CeO2及Tb4O7催化剂可有效提高合金电极表面电荷转移能力,增大氢原子在合金内部的传输速率。稀土氧化物催化剂还可提高复合材料的气态吸氢容量,其中含Tb4O7样品的吸氢量最高,在250℃时吸氢量达到2.02%(质量分数),但在较低温度时吸氢速率稍慢。稀土氧化物的催化作用主要与稀土离子的变价特性有关,离子的易变价性越强,则催化活性越高。催化活性由大到小的顺序为Tb4O7>CeO2>Nd2O3。     

Mg2Ni系储氢合金的制备及其性能研究

采用感应熔炼法制备出两种镁基储氢合金,即Mg2Ni和Mg2Ni0.9Zr0.1;对两种合金进行扩散退火处理,并对退火处理前后的金相显微组织进行了比较研究;最后对这两种合金进行了X射线衍射实验和吸放氢性能测试实验.研究结果表明该方法制备出的镁基储氢合金活化性能优良;扩散退火能显著改善镁基储氢合金的显微组织和储氢性能.     

(Mg2Si1-xSbx)0.4-（Mg2Sn）0.6固溶体合金的制备及热电输运特性

以Mg、Si、Sn、Sb块体为原料,采用熔炼结合放电等离子烧结(SPS)技术制备了n型(Mg2Si1-xSbx)0.4-(Mg2Sn)0.6(0≤x≤0.0625)系列固溶体合金.结构及热电输运特性分析结果表明:当Mg原料过量8wt%时,可以弥补熔炼过程中Mg的挥发损失,形成单相(Mg2Si1-xSbx)0.4-(Mg2Sn)0.6固溶体.烧结样品的晶胞随Sb掺杂量的增加而增大;电阻率随Sb掺杂量的增加先减小后增大,当样品中Sb掺杂量x≤0.025时,样品电阻率呈现出半导体输运特性,Sb掺杂量x>0.025时,样品电阻率呈现为金属输运特性.Seebeck系数的绝对值随Sb掺杂量的增加先减小后增大;热导率κ在Sb掺杂量x≤0.025时比未掺杂Sb样品的热导率低,在Sb掺杂量x>0.025时高于未掺杂样品的热导率,但所有样品的晶格热导率明显低于未掺杂样品的晶格热导率.实验结果表明Sb的掺杂有利于降低晶格热导率和电阻率,提高中温区Seebeck系数绝对值;其中(Mg2Si0.95Sb0.05)0.4-(Mg2Sn)0.6合金具有最大ZT值,并在723 K附近取得最大值约为1.22.     

纳米晶-非晶Mg2Ni型合金的贮氢动力学

在合金中添加Cu及Nd,用真空快淬技术制备纳米晶-非晶Mg2Ni型(Mg24Ni10Cu2)100-xNdx(x=0,5,10,15,20)合金,研究了淬速及Nd含量对合金结构及贮氢动力学性能的影响。XRD及TEM分析结果表明,铸态合金具有多相结构,包括主相Mg2Ni和第二相Nd5Mg41、Mg6Ni和Nd Ni。快淬无Nd合金具有完全的纳米晶结构,而含Nd合金则具有纳米晶-非晶结构,表明添加Nd提高了合金的非晶形成能力。贮氢动力学测试结果表明,快淬和添加Nd显著提高了合金的气态及电化学贮氢动力学。合金的高倍率放电能力(HRD)随着淬速和Nd含量的增加先增加而后减小,这主要归因于快淬及添加Nd显著提高了合金的氢扩散系数(D)和极限电流密度(IL),同时增大了电荷转移阻抗(Rct)。     

Mn替代Ni对(La0.8Nd0.2)2Mg(Ni0.9-xCo0.1Mnx)9合金储氢及电化学性能的影响

在Ar保护下采用磁悬浮感应熔炼制备(La0.8Nd0.22)Mg(Ni0.9-xCo0.1Mnx)9(x=0,0.05,0.1,0.15)合金,系统研究了元素替代及退火处理对合金相结构、吸放氢性能及电化学性能的影响。结果表明,合金相主要由(La,Nd)Ni5相、LaMg2Ni9相和(La,Nd2)Ni7相组成,当x=0.15时,(La,Nd)2Ni7相消失。随着Mn取代量的增加,合金的储氢量、放电容量先增加后减小,Mn的添加提高了合金的充放电循环稳定性。经1073K退火处理后合金的放电容量得到提高,循环稳定性能得到明显改善。     

Cu合金化Mg2NiH4储氢体系的组织结构与解氢性能

基于机械反应球磨技术在氢气气氛下成功合成了Mg2NiH4及Cu掺杂Mg2NiH4储氢体系,并采用XRD、SEM、DSC及TGA检测手段对其组织结构与解氢性能进行表征。结果显示,适当提高氢压、延长球磨时间均有助于2Mg-Ni混合物氢化反应的完全化及产物结构的纳米化;Cu掺杂可进一步加快混合物的氢化反应速率,但其产物结构的团聚现象却因MgCu2相的出现而趋于严重;综合热分析表明Cu掺杂不仅降低了Mg2NiH4的解氢温度,还加快了体系的解氢速率;研究结果很好地证实Cu元素是改善Mg2NiH4储氢体系解氢性能最理想的合金化元素之一。     

Ti0.4Zr0.1V1.1Mn0.5Ni0.4Crx（x=0,0.1,0.2,0.3）储氢合金的微观结构和电化学性能

采用XRD、SEM-EDS等方法对Ti0.4Zr0.1V1.1Mn0.5Ni0.4Crx(x=0,0.1,0.2,0.3)储氢合金的微观结构及电化学性能进行了表征。XRD分析结果表明Ti0.4Zr0.1V1.1Mn0.5Ni0.4Crx(x=0,0.1,0.2,0.3)储氢合金由BCC结构的V基固溶体主相和少量的C14Laves第二相组成。SEM-EDS分析结果表明,V基固溶体主相为树枝晶结构,C14Laves相呈网格状沿着主相晶界析出。电化学测试结果表明,Ti0.4Zr0.1V1.1Mn0.5Ni0.4Crx(x=0,0.1,0.2,0.3)氢化物电极在303K下,随Cr含量的增加,最大放电容量分别为574.6mAh/g、418.8mAh/g、368.8mAh/g和322.9mAh/g。当x=0.3时,合金电极在333K下的最大放电容量达到了824.1mAh/g。Cr的添加显著提高了合金电极的高倍率放电性能和循环寿命,40次充放电循环后Ti0.4Zr0.1V1.1Mn0.5Ni0.4Cr0.3合金电极的容量保持率为62.3%。     

快淬对MlNi3.55Co0.75Mn0.4Al0.3/5wt% Mg2Ni复合储氢合金电化学性能的影响

为了改善AB5型储氢合金的放电容量和循环稳定性,研究了快淬速度对MlNi3.55Co0.75Mn0.4Al0.3/5wt%Mg2Ni复合储氢合金结构和电化学性能的影响.电感耦合等离子发射光谱(ICP)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM/EDS)和透射电子显微镜(TEM)分析表明,铸态复合合金由LaNi5相和少量的Mg2Ni相组成,而快淬态复合合金却由(La,Mg)Ni3新相和LaNi5相组成.当快淬速度≥15 m/s时,复合合金中形成明显的纳米晶组织并伴有部分非晶化倾向.电化学性能测试表明,快淬态复合合金的最大放电容量和容量保持率随快淬速度的增大呈现出先增大后减少的变化规律,其中快淬速度为20 m/s时合金电极的最大放电容量达最大值344 mAh/g,经100次充放电循环后该电极的容量保持率为93.9%.     

La1.5Mg0.5Ni7-xCux(x=0.1～1.2)贮氢合金电化学性能的研究

研究了Ce2Ni7型贮氢合金La1.5Mg0.5Ni7-xCux（x=0.1-1.2）的组织结构和电化学性能。当X=0．1—0．6时Cu元素部分替代Ni后可形成La2Ni7型相，x≥0．9时，合金中则有少量的未知相析出。合金MH电极电化学研究表明，随Cu元素量的增加，合金电极的最大放电容量从380mAh／g（x=0．1）下降至340mAh／g（x=1．2）；当x=0．3～0．9时合金电极的循环寿命较x=0．1时有一定的改善，合金电极交换电流密度（I0）和极限电流密度（I1）均以x=0．6为转折点先减小后增大。电极反应的动力学性能依Cu0．1〉Cu0．3〉Cu1．2〉Cu0．9〉Cu0．6的次序递减。     

球磨La2Mg17与Ni复合合金的电化学贮氢性能研究

利用机械合金化法制备了La2Mg17+200%(质量分数)Ni复合储氢合金,并对不同球磨时间时合金的微观结构和电化学性能进行研究。结果发现,在球磨过程中Ni粉诱导了La-Mg-Ni非晶/纳米晶结构的形成。XRD和HRTEM结果共同表征了球磨80h时,合金中有Ni金属的存在,且XRD衍射峰强度较低,宽化严重,SAD为宽化的多环,表明形成非晶结构。电化学及其反应动力学测试结果发现,不同球磨时间的电化学反应的动力学控制机理是不同的。球磨60和80h后合金中不仅存在La-Mg-Ni非晶相,同时也有催化剂金属Ni,使合金的表面电荷转移反应电阻较小,氢在合金体相内的扩散系数D和极限电流密度I L均最大,最终导致80h的放电容量为最大值948.3mAh/g。然而,当合金的球磨时间为100和120h时,合金粉化到纳米级,100h的电荷转移反应电阻R ct最大,合金表面电化学反应缓慢,且合金体相内的极限电流密度和氢扩散系数均最小,属于合金电解液表面间的电荷转移和氢向体相内扩散联合控制的过程,必然导致其放电比容量较小。     

快淬纳米晶Mg2Ni1-xCux(x=0～0.4)合金的贮氢动力学

用快淬工艺制备了纳米晶Mg2Ni型Mg2Ni(1-x)Cux(x=0、0.1、0.2、0.3、0.4)合金,研究了快淬工艺对合金结构及贮氢动力学的影响.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设备测试了合金的吸氢动力学性能,用程控电池测试仪测试了合金的高倍率放电性能(H...     

Mg2Ni纳米储氢合金结构及电化学性能研究

利用高能球磨方法制备纳米Mg2Ni储氢合金,用于高容量MH／Ni电池氢化物电极电化学性能研究。XRD和TEM测试结果表明,机械合金化方法制备Mg2Ni合金的历程为合金化——非晶化——纳米晶化,球磨时间直接影响Mg2Ni合金的结构。高能球磨20h可以制备非晶态Mg2Ni合金,比普通的机械合金化方法制备非晶态Mg2Ni合金的时间减少了约5倍之多;高能球磨30h可以制备纳米晶态Mg2Ni合金,粒径在10nm以下,有团聚现象。研究了Mg2Ni纳米氢化物电极在不同温度下的电化学性能,并从热力学角度就Mg2Ni纳米氢化物电极的某些高温电化学性能进行了解释和推测。实验结果表明：在30～70℃范围内,随着温度增加,氢化物电极的电化学容量逐渐增加,在70℃时电化学容量可达530．5mAh／g,约为30℃放电容量273．2mAh／g的2倍,Mg2Ni纳米氢化物电极具有较好的高倍率放电性能及大电流充放电性能,这表明机械合金化方法制备的Mg2Ni纳米氢化物电极具备电动车用大型MH／Ni电池负极材料的初步条件,但容量衰减严重。     

熔体快淬对纳米晶和非晶Mg20Ni10-xCox(x≈0～4)合金电化学贮氢性能的影响

为了改善Mg2Ni型合金的电化学贮氢性能,用Co部分替代合金中的Ni.用快淬工艺制备了纳米晶和非晶Mg20Ni10-xCox(x=0、1、2、3、4)贮氢合金,分析了铸态及快淬态合金的微观结构,测试了合金的电化学贮氢性能.研究了Co替代Ni及快淬工艺对合金电化学贮氢性能的影响.结果表明,Co替代Ni不改变合金的Mg2Ni主相,但形成了第二相MgCo2.在快淬(x=0)合金中没有发现非晶相,但快淬(x=4)合金显示了纳米晶、非晶结构,表明Co替代Ni提高了Mg2Ni型舍金的非晶形成能力.熔体快淬显著的改善了合金的电化学贮氢性能,合金放电容量和电化学循环稳定性均随淬速的增加而增加.     

退火温度对La0.8Mg0.2Ni3.3Co0.2Six（x=0、0.1）合金电化学贮氢性能的影响

采用真空感应熔炼制备了La0.8Mg0.2Ni3.3Co0.2Si x(x=0、0.1)电极合金,并将铸态合金进行真空退火处理,退火温度为900、950、1000和1050℃,保温时间为8h。用XRD分析了铸态及退火态合金的相结构,测试了铸态及退火态合金的电化学贮氢性能。结果表明,铸态及退火态合金均具有多相结构,包括两个主相(La,Mg)2Ni7和LaNi5以及一个残余相LaNi3。退火处理未改变合金的相组成,但使两个主相的含量发生明显改变。合金主相的晶格常数及晶胞体积随退火温度的增加而增加。铸态及退火态合金均具有良好的活化性能,第1次循环即可达到最大放电容量。退火处理明显改善了合金的电化学循环稳定性,合金的放电容量随退火温度的升高先增加后减小。合金的高倍率放电性能(HRD)、电化学交流阻抗谱(EIS)以及氢扩散系数(D)的测试表明,合金的电化学动力学随退火温度的升高先上升后降低。     

La2Mg4-xCaxNi13贮氢合金的相结构与电化学性能

以La2Mg4-xCaxNi13合金为基础，研究了Ca部分替代Mg对合金相结构和电化学性能的影响。XRD和Rietveld分析表明，随ca替代量的增加，合金中MgNi2相含量逐渐减少，（La，Ca，Mg）Ni3相含量则先增加后减少；同时，ca的添加改变了La2Mg4-xCaxNi13合金中主相的晶格常数。电化学测试表明，ca部分替代Mg能够大幅提高合金电极的放电容量，其中La2Mg4-xCaxNi13合金具有最大的放电容量350．5mAh／g。     

La0.67Mg0.33Ni3.0-xAlx(x=0～0.3)贮氢合金的相结构及电化学性能的研究

研究了Al元素对合金La0．67Mg0．33Ni3．0中Ni的替代对舍金的微观组织结构及电化学性能的影响。X射线衍射(XRD)分析结果表明La0．67Mg0．33Ni3．0合金由PuNi3型(La，Mg)Ni3相和Ce2Ni2型(La，Mg)2Ni7相组成，Al元素加入后，开始出现CaCu5型LaNi5相，随着Al含量的增加，LaNi5相逐渐增多，当x=0．3时，LaNi5相成为合金的主相，合金La0．67Mg0．33Ni3．0中Al的X荧光元素面分布图像表明了Al元素主要进入LaNi5相中，说明Al是一种LaNi5相形成元素；电化学测试表明，随着Al含量的增加，合金的最大放电容量依次下降，4种合金的最大放电量分别为392、324、267和252mAh／g，活化次数变化不大(2～3次即可活化)，循环稳定性先增加后下降。