[发明专利]具有高孔隙率表层的储氢合金

说明书

本申请是分案申请，其母案的申请日为2004年3月23日、申请号为200480014559.4，名称为“具有高孔隙率表层的储氢合金”。

技术领域

本发明涉及储氢合金以及使用这些合金的电化学电池、电池组和燃料电池。具体地讲，本发明涉及具有微结构的储氢合金，所述微结构具有高度的渗透性和/或包含高浓度的催化活性金属或金属合金粒子。更具体地讲，本发明涉及适合用作金属氢化物电池阴极材料的储氢合金，所述电池在低温运行时具有高功率以及高放电速率。

背景技术

消费者以及工业应用不断要求新的高效电池作为能源。重要目标包括以环保方式从日渐变小的电池包中获得更多的能量。电池的预期应用包括从移动式电子产品到电动汽车的所有方面。便携性、再充电次数高、低成本、高功率、重量轻以及在大范围载荷变化下具有稳定性能都属于电池必须的关键属性。根据不同的预定应用，电池性能要求的具体组合变化也很大，通常电池组件及材料也据此优化。

对于可再充电电池，开发中的重要应用领域是电动汽车(EV)和混合动力电动汽车(HEV)。在这些应用中为了获得有效的加速度，电池必须能够在短时间内提供高电流。因此必须有高的放电速率。同样需要在长时间内保持高的电池功率，这样在无需再充电情况下，适当大小、重量的汽车能够行驶足够长的时间。还应该可以使用容易获得的电源进行反复快速充电。优选的循环寿命特征还要求在低放电深度(而不是高放电深度)具有很多次充电/放电周期。在用于HEV的电池开发方面已经取得进展，美国公众已能够获得最近生产的两款HEV汽车。尽管如此，但在这些汽车中使用的电池折衷、牺牲了相关性能参数，需要新的开发以增强HEV和EV产品的性能。

在HEV、EV、42V SLI和其它应用中，可再充电电池相对很少被关注的一个方面是低温运行。对于HEV和EV产品，需要能够在冬季气候环境运行良好的电池。类似地，能够在室外寒冷气候以及室内寒冷环境下使用的可再充电电池还需要实现便携性以及能源稳定性。实际上，所有电池技术的根本限制是在低温条件下功率及性能的降低。温度的危害作用在冷冻温度以下时尤其明显。

镍氢电池已经成为领先的可再充电电池类型，并且在许多应用中替代早期的镍镉电池。目前的HEV和EV产品利用例如镍氢电池，预计未来HEV和EV产品性能的提高很大程度上取决于镍氢电池的性能。就像其它可再充电电池一样，镍氢电池的功率和性能在低温下也会显著下降。改善低温性能需要考虑镍氢电池的基本组件以及运行原理。

镍氢电池通常包括氢氧化镍阳极、结合含储氢合金的金属的阴极、隔板以及碱性电解水溶液。阳极和阴极封装在两个相邻电池盒中，通常由熔喷(felled)无纺的尼龙或聚丙烯隔板分隔。几个电池也可串连组合成更大的电池组，它能够提供更高的功率、电压或放电速率。

本领域已经阐述了镍氢电池的充电和放电反应，可以总结如下：

充电：

阳极：Ni(OH)₂+OH^-→NiOOH+H₂O+e

阴极：M+H₂O+e^-→MH+OH^-

放电

阳极：NiOOH+H₂O+e^-→Ni(OH)₂+OH^-

阴极：MH+OH^-→M+H₂O+e^-

在过去十年作了大量的研究以改善镍氢电池的性能。电池的优化最终取决于对充电和放电反应的速率、程度及效率的调控。与电池性能有关的因素包括阳极和阴极材料的物理状态、化学成分、催化活性及其它特性、电解液的成分和浓度、隔板、运行条件以及外部环境因素。已对氢氧化镍阳极性能有关的各种因素进行了考察，例如本受让人的美国专利5,348,822；5,637,423；5,905,003；5,948,564和6,228,535，它们公开的内容全部通过引用结合到本文。

自从20世纪50年代后期发现化合物TiNi可逆地吸收、释放氢后，对合适阴极材料的研究已经集中在作为储氢合金的金属间化合物。随后的研究证实：具有通式AB、AB₂、A₂B和AB₅的金属间化合物能够可逆地吸收、释放氢，其中A为氢化物形成元素，B为弱氢化物形成或无氢化物形成元素。因此，阴极开发中大部分的研究集中于式AB、AB₂、AB₅和A₂B类型的储氢合金。