[发明专利]纳米晶-非晶高容量贮氢电极合金及其制备方法

说明书

 

技术领域

本发明属于贮氢合金材料技术领域，特别是提供了一种Ni-MH二次电池用具有纳米晶-非晶结构的Mg-Zr-Ni-Co-Nd系Mg₂Ni型高容量贮氢电极合金及其制备方法。

背景技术

作为贮氢材料，由于其具有高的吸氢量、低的密度以及低的制备成本，镁及镁基合金已经引起研究者极大的兴趣。特别是Mg₂Ni型合金，其电化学容量高达1000mAh/g，就其容量而言特别适合作为Ni-MH电池的负极材料。

然而，由于这些材料的氢化物具有很高的热稳定性，导致它们的吸放氢动力学极差，极大地限制了这些材料的实际应用。

因此，如何降低合金氢化物的热稳定性及提高合金吸放氢动力学成为研究者面临的严峻挑战。

大量研究表明，元素添加或替代以及结构改善能显著降低镁基合金氢化物的热稳定性，并大幅度提高合金的吸放氢动力学。用稀土、锆、钛等元素替代镁以及用过渡族金属替代镍能显著提高合金的电化学贮氢能力和循环稳定性。

研究表明，合金的吸放氢能力对结构非常敏感，具有纳米晶-非晶结构的Mg₂Ni型合金在室温下具有很高的电化学贮氢能力。浙江大学雷永泉教授用机械合金化法制备了Mg₂Ni型合金，在电流密度为20 mA/g时其放电容量达到500 mAh/g。

然而，机械合金化制备的Mg₂Ni型贮氢合金循环稳定性很差，并且机械球磨有一些难以克服的缺点，比如需要很长的时间制备非晶，很难进行批量化生产，在球磨过程中不可避免的造成球及罐对材料的污染。

快淬技术是大批量制备纳米晶、非晶材料的有效方法，而且可以避免机械合金化的缺点。Spassov等人用熔体快淬技术制备了Mg₂(Ni,Y)型Mg₆₃Ni₃₀Y₇贮氢合金，合金的最大吸氢量约为3.0 wt.%，且具有优良的循环稳定性。

发明内容

本发明需要解决的技术问题就在于克服现有技术的缺陷，提供一种纳米晶-非晶高容量贮氢电极合金及其制备方法，它是一种高容量Mg-Zr-Ni-Co-Nd系Mg₂Ni型Ni-MH电池用贮氢合金及其制备方法，通过本发明，使合金的室温电化学贮氢性能得到大幅度改善，从而提供一种具有高贮氢容量的纳米晶-非晶Mg₂Ni型贮氢合金以及相应的制备工艺。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种纳米晶-非晶高容量贮氢电极合金，所述合金具有纳米晶-非晶结构，其化学式为 (Mg_24-xZr_xNi_12-yCo_y)_1-zNd_z，式中x，y，z为原子比，0<x<2, 1<y<4，0.05<z<0.20。

优选地，本发明所述化学式组成的原子比为： x=0.5，y=2，z=0.10。

本发明同时提供了一种所述的纳米晶-非晶高容量贮氢电极合金的制备方法，所述制备方法是在惰性气体保护下采用感应加热熔融，将熔融合金注入铜铸模，获得圆柱状铸锭；将铸锭装入石英管，感应加热融化后，通过石英管底部的狭缝喷嘴连续喷落在以旋转的水冷铜辊的表面，获得具有纳米晶-非晶结构的快淬态合金薄带。

具体制备步骤为：

（1）、按化学式(Mg_24-xZr_xNi_12-yCo_y)_1-zNd_z进行配料, 式中x，y，z为原子比，0<x<2, 1<y<4，0.05<z<0.20；所述化学式组成中的镁和稀土在配比时增加5%-10%比例的烧损量，原材料的金属纯度≥99.5%；

（2）、将称好的原材料采用感应加热方法，其加热熔融条件为：熔融环境为1×10^-2到5×10^-4 Pa的真空度，或0.01到0.1 MPa的保护气体，得到熔融的(Mg_24-xZr_xNi_12-yCo_y)_1-zNd_z合金；将熔融的合金浇注到铜模中，获得铸态母合金铸锭；