La-Mg-Ni-Co基合金储氢与电化学性能研究

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在氩气保护下采用电磁悬浮感应方法制备La0.7-xPrxZr0.1Mg0.2Ni3.05Co0.35Fe0.1(x=0,0.05,0.10,0.15)合金,并用通过X-射线衍射(XRD)、吸放氢测试(PCT)和电化学测试等手段对合金进行表征。XRD分析结果表明,La0.7-xPrxZr0.1Mg0.2Ni3.05Co0.35Fe0.1(x=0,0.05,0.10,0.15)合金的主相为LaNi5以及La2MgNi9相,添加Pr后有利于合金中La2Ni7相形成。主相LaNi5的晶胞体积随着Pr含量的增加而减小,而La2MgNi9相的晶胞体积则先增加后减小。La0.7-xPrxZr0.1Mg0.2Ni3.05Co0.35Fe0.1(x=0,0.05,0.10,0.15)合金电极的最大放电容量分别为330(x=0.0)、330(x=0.05)、323.0(x=0.10)和340.0(x=0.15),合金电极的容量保持率分别为73.5%(x=0.0)、75.6%(x=0.05)、74.7%(x=0.10)和76.6%(x=0.15),当x=0.15时,合金具有较好的充放电性能。La0.7-xPrxZr0.1Mg0.2Ni3.05Co0.35Fe0.1(x=0,0.05,0.10,0.15)合金电极的高倍率放电性能HRD1200先从74.7%(x=0.0)增加到77.3%(x=0.05),然后再降低到68.6%(x=0.15),其变化规律与合金主相中La2MgNi9相体积的变化规律基本一致的。在La-Pr-Mg-Co体系中添加Nd和A1后,合金中出现的相结构较为复杂,当x=0时,合金中主要的合金相为(La,Pr)Ni5,La2Ni7和La2MgNi9相。当x=0.05时,合金中除了La2Ni7和La2MgNi9相外,还出现了LaAlNi4以及(Nd,Pr)Co5的固溶体相;当x=0.10时,此时合金主要的吸氢相仅仅为LaNi相和La2Ni3相。La0.55Pr0.15Mg0.2Ni3.05Co0.35(NdAl)x合金电极的最大放电容量分别为:394mAh/g(x=0.0),405mAh/g(x=0.05),166mAh/g(x=0.10),363mAh/g(x=0.15)以及336mAh/g(x=0.20),由于吸氢相较为单一导致当x=0.10时,合金的放电平台压宽度最小,其放电性能最差。添加A1和Nd后,合金电极的极化电阻都相应增加。La0.55Pr0.15Mg0.2Ni3.05Co0.35(NdAl)x合金电极极化电阻分别为154.8mΩ,311.0mΩ2,255.7mΩ,440.1mΩ和222.5mΩ,添加少量的Al和Nd,在合金电极表面电化学活性降低,导致氢原子的扩散能力下降,但随着Al和Nd含量的增加,合金电极的电化学活性增强,因此合金电极的极限电流密度IL从538.6mA/g (x=0.0)先减小到178.2mA/g(x=0.15),然后再增大到351.8mA/g(x=0.20)。为了进一研究La-Pr-Mg-Co体系的储氢性能以及电化学性能,采用感应熔炼制备的La0.55Pr0.15Mg0.2Ni3.05Co0.35(AlFe)x (x=0.05,0.10,0.15,0.20,0.25)合金,经研究发现,合金主要由LaNi5,Pr(Ni,Co)5、LaAlNi5以及Pr2MgNi9相组成。由于Al(1.43)和Fe(1.27)的原子半径均大于Co(1.26)的原子半径,导致随着(AlFe)替代Co含量的增加,LaNi5相的晶胞体积逐渐增大。La0.55Pr0.15Mg0.2Ni3.05Co0.35-x(AlFe)x (x=0.05,0.10,0.15,0.20,0.25)合金电极放电平台压宽度变化的顺序是:(AlFe)0.05>(AlFe)0.10>(AlFe)0.15>(AlFe)0.20>(AlFe)0.25。La0.55Pr0.15Mg0.2Ni3.05Co0.35(AlFe)x合金电极的最大放电容量分别为:366.6mAh/g(x=0.05),377.6mAh/g(x=0.10),356.7mAh/g(x=0.15),336.7mAh/g(x=0.20)以及323.3mAh/g(x=0.25),当x=0.10时,合金电极的放电容量最大。La0.55Pr0.15Mg0.2Ni3.05Co0.35-x(ALFe)x合金电极的氢原子扩散系数D值分别为6.78×10-11、10.29×10-11、6.38×10-11.9.96×10-11、7.20×10-11cm2·s-1,当x=0.15时,氢原子在合金电极体内的扩散能力最弱,最大放电容量以及扩散系数数值表明,当x=0.10时,合金的电化学储氢性能最好。
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