[发明专利]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，具体地提供了一种用于Ni-MH电的高容量Mg-Y-Ti-Ni-Mn基A₂B型贮氢电极合金及其制备方法。

背景技术

Mg基A₂B型合金由于其储量丰富、密度小并且吸氢容量大而被广泛地研究，例如Mg₂NiH₄为3.6wt.%，Mg₂CoH₅为4.5wt.%，Mg₂FeH₆为5.4wt.%。Mg₂Ni合金的电化学理论容量高达1000 mAh/g。这些氢化物极有希望用作燃料电池的贮氢材料或Ni-MH电池的负极材料。然而，由于这些氢化物存在一些缺点如极低的吸放氢动力学、很高的热稳定性以及极低的电化学循环稳定性，因而限制了这些材料的实际应用。研究表明，具有纳米晶或纳米晶/非晶结构的Mg基合金在室温下具有良好的电化学吸氢性能。材料性能的改进归因于纳米晶/非晶结构，这是因为这种结构能够为氢提供了大量的有利位置。各种非平衡处理技术，特别是机械合金化（MA）以及熔体快淬（RQ），被认为是获得纳米晶/非晶结构非常有效的方法。尤其是高能球磨，已经被证实能够显著地提高Mg基合金的吸放氢动力学。然而，经过球磨的Mg基合金的吸放氢循环稳定性很差，这已成为其实际应用难以克服的瓶颈。与高能球磨技术相比，快淬技术能够克服上述缺点。此外，熔体快淬是获得纳米晶/非晶结构的有效方法，且非常适合于批量化制备纳米晶-非晶镁基合金。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高容量Mg-Y-Ti-Ni-Mn基A₂B型贮氢电极合金及其制备方法。本发明在成分设计上采用稀土钇及钛部分替代A侧元素镁并且采用锰部分替代B侧元素镍，在制备方法上首先用快淬技术制备出具有纳米晶-非晶结构的合金，然后对快淬态合金进行球磨，从而进一步改善合金颗粒的表面特性，并且显著改善合金的室温电化学贮氢性能。本发明的高容量Mg-Y-Ti-Ni-Mn基A₂B型贮氢电极合金具有纳米晶-非晶结构，在室温下能够可逆电化学吸放氢，具有高放电容量和良好的电化学循环稳定性。本发明通过下面的技术方案来实现上述目的。

本发明的一方面提供了一种高容量Mg-Y-Ti-Ni-Mn基A₂B型贮氢电极合金，所述贮氢电极合金的化学式组成为：Mg_20-x-yY_xTi_yNi_10-zMn_z，其中x、y和z为原子比，1≤x≤4，0.2≤y≤1，1≤z≤4。

优选地，x：y：z=2：0.5：2。

本发明的另一方面提供了一种高容量Mg-Y-Ti-Ni-Mn基A₂B型贮氢电极合金的制备方法，其包括以下制备步骤：

（1）按化学式组成Mg_20-x-yY_xTi_yNi_10-zMn_z称取金属原料，其中x、y和z为原子比，1≤x≤4，0.2≤y≤1，1≤z≤4；

（2）采用真空感应炉将称量好的金属原料熔炼，首先抽真空至1×10^-2-5×10^-5 Pa，然后通入0.01-0.1 MPa的惰性气体，所述惰性气体为纯氦气或者体积比为1:1的氦气和氩气的混合气体，随后加热至1500-1700℃以获得熔融的液态母合金，保持5分钟后直接注入铜铸模中，获得母合金铸锭；

（3）将上述步骤（2）制备的母合金铸锭置于底部具有狭缝的石英管内，采用感应加热使母合金铸锭完全熔融，然后在保护气体的压力作用下使液态合金喷射到线速度为10-40 m/s旋转的水冷铜辊表面上，获得快淬态合金薄片；

（4）将快淬态合金薄片机械破碎并过200目筛，装入不锈钢球磨罐，抽真空后充入高纯氩气，球料比为40:1；转速为350转/分，在全方位行星式高能球磨机中球磨2-5小时，从而获得高容量Mg-Y-Ti-Ni-Mn基A₂B型贮氢电极合金粉末。

优选地，x：y：z=2：0.5：2。

优选地，所述化学式组成中的镁和稀土钇在配料时增加5wt%-10wt%比例的烧损量，

优选地，所述金属原料的纯度≥99.5%。