Mg-Ca-Ni合金储氢性能及电化学性能研究

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Mg基储氢合金由于其资源丰富、储氢容量大、价格便宜等优点被认为是极具应用前景的一类储氢合金。在化石能源日益枯竭和环境污染日益严重的现代社会中,开发镁基合金作为清洁能源氢的储备和运输载体意义重大,但缓慢的吸放氢动力学和高的工作温度严重阻碍它的实际应用。本文采用感应熔炼、甩带、机械球磨(MA)制备了熔炼+球磨和熔炼+甩带+球磨两种工艺下的Mg67-xCaxNi3(3x=0, 5, 10, 15,20,at%)储氢合金。运用P-C-T测试仪测试了合金在523K、573K和623K三种温度下吸放氢曲线;采用DC-5电化学测试仪测试了合金的放电曲线,并利用XRD、SEM等研究了合金各阶段的物相组成和微观形貌,认识了Ca含量、温度及制备工艺对合金相结构,电化学性能和储氢性能的影响。研究表明:1、制备工艺对合金物相组成几乎没有影响。Mg67Ni33合金主要由Mg2Ni相和少量的Mg相组成。随着Ca元素含量的增加,合金中MgNi2相和Mg2Ca相增多,而Mg2Ni相的含量相应相降低。当Ca含量达到20at%时,Mg47Ca20Ni33合金几乎完全由MgNi2相和Mg2Ca相组成。吸氢后,Mg67Ni33合金主要由Mg2NiH4相组成;含Ca的Mg-Ca-Ni三元合金在吸氢后主要形成Mg2NiH4和CaH2氢化物,并随着Ca含量的增加,Mg2NiH4含量降低,MgNi2相和CaH2相逐渐增加。放氢后,Mg67Ni33合金仍主要由Mg2Ni相组成;含Ca的Mg-Ca-Ni三元合金在放氢后主要Mg2Ni相和MgNi2相和CaH2相组成。2、Ca含量和制备工艺对合金最大吸氢量都有影响。Ca能够减少合金中能与氢反应的Mg2Ni相而降低了合金最大吸氢量,同时Ca具有促使Mg-Ca-Ni三元合金形成非晶的能力,Ca含量越多,形成的非晶能力越强,非晶化能够提高合金的储氢量,但吸放、氢后不再保持氢化反应前的非晶结构。3、Ca含量和制备工艺对合金电化学性能影响各异。Ca能极大地提高合金的电化学循环稳定性能,但是降低了合金的放电容量。30次充放电循环后,合金放电容量保持率提高分别由原来12.11%到82%和12.62%到60%,放电容量由Mg67Ni33的88.64 mA·h·g-1到25 mA·h·g-1左右。熔炼+球磨工艺制备的Mg67-xCaxNi33合金放电容量随着Ca含量的增加下降;熔炼+甩带+球磨工艺制备出的Mg67-xCaxNi33合金放电容量随着Ca含量的增加,放电容量先下降再上升,甩带处理提高了含Ca合金Mg67-xCaxNi33的初次放电容量,但降低了放电循环稳定性。此外,Ca元素降低了合金的活化性能。Mg67Ni33合金初次放电就达到最大放电容量,而加Ca的Mg67-xCaxNi33合金需要经过7次循环才达到最大放电容量。4、制备工艺和温度对合金吸、放氢平台压有影响。甩带处理能提高合金的吸、放氢平衡压。此外,吸、放氢平台压随着温度的升高而升高5、Ca能提高Mg67-xCaxNi33合金氢化物生成焓,Ca含量越多,生成焓越大,说明含钙的氢化物稳定性提高,不利于充放氢。熔炼+甩带+球磨工艺制备的合金的负焓值要比熔炼+球磨工艺制备的合金负焓值要小,说明甩带处理有利于降低氢化物的稳定性。6、加Ca和进行甩带处理都能粗化合金颗粒,减慢合金的吸氢速率;同时温度越高,合金的吸氢速率越慢。
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