La4MgNi19贮氢合金的结构与性能研究

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通过对La-Mg-Ni系贮氢合金综合分析,选取La4MgNi19合金为本文的研究对象,采用X射线衍射仪以及扫描电镜等仪器分析合金的相结构及表面形貌,用CS310电化学测试仪测试合金的电化学性能。选用Co、Fe和Mn元素部分替代Ni对La4MgNi19-xRx(x=02.0)合金的相结构以及电化学贮氢性能的影响,退火处理以及环境测试温度对合金结构以及电化学性能的影响进行了详细的研究。研究发现,La4MgNi19-xRx(R=Co,Fe,Mn,x=02.0)合金主要由LaNi5相和La4MgNi19相所组成。随着R含量的增加,R=Co合金中LaNi5相的丰度有所下降,同时La4MgNi19相的丰度则增加;而R=Fe,Mn合金则相反,且La4MgNi17Mn2合金中出现了LaNi2新相。显微组织观察表明,合金均为树枝晶结构,且随着R含量的增加,树枝晶组织变细。电化学测试表明,La4MgNi19-xRx合金活化性能和高倍率放电性能良好(HRD900>85%),但是循环稳定性有待提高(S100<60%)。随着R含量的增加,R=Co合金中,最大放电容量基本呈增大趋势,从x=0时的359.23mAh/g增大到x=2的380.85mAh/g,循环寿命则下降,从x=0的61.46%降低到x=2的59.56%;R=Fe合金,最大放电容量基本呈现降低的趋势,从x=0的359.23mAh/g减小到x=2的333.77mAh/g,循环寿命则是先升降低后升高;R=Mn合金,最大放电容量先升高后降低,而循环寿命一直呈现降低趋势,从x=0的61.46%降低到x=2的39.97%。研究认为,合金中La4MgNi19相丰度的增减和新相的形成是影响合金电极最大放电容量和循环寿命的重要因素。通过对合金的动力学性能研究发现,R=Co合金具有较好高倍率放电性能主要是合金具有较好的表面催化活性和较高的扩散系数;R=Fe合金电极表面的电荷转移阻力占主导因素;R=Mn合金体内氢的扩散速率是影响合金高倍率放电性能的主要因素。综合比较发现,Co部分替代Ni具有良好的电化学性能。对铸态和退火态La4MgNi17.5Co1.5合金的研究表明,所有合金主要由LaNi5相和La4MgNi19相两个相组成。热处理可以有效的改善合金的综合电化学性能,随着温度增加,合金的最大放电容量和循环稳定性呈现出现上升后下降的趋势。研究认为,热处理可以使合金成分均匀化,减少组分的偏析相,从而使合金的最大放电容量和循环寿命随着退火温度的升高而增加,当退火温度继续升高时合金中Mg元素挥发严重,出现吸放氢容量较低的相,从而降低了合金的最大放电容量和循环稳定性。综合比较,1123K退火热处理后的合金具有较好的综合电化学性能:Cmax=375.33mAh/g,HRD900=94.83%,S200=65.52%。对La4MgNi17.5Co1.5合金在不同温度下(283K308K)的电化学性能进行了系统的研究。结果表明,随着温度由283K升高到308K,合金的活化性能以及高倍率放电性能均得到改善,合金的最大放电容量增大,并在308K时达到最大值(379.25mAh/g),但是合金的循环寿命S100从283K时的80.19%降低到308K时的52.04%。研究认为,随温度的升高使合金的循环寿命变差是因为温度的升高加快了合金的腐蚀速率和颗粒的粉化。
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