动力电池用镧铈稀土储氢材料制备及性能研究

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镍氢电池是目前国内外混合动力汽车的首选电池,但随着稀土价格的不断上涨,稀土元素占其成本的比例约由14%逐步提升到55%。开发无镨、钕的高丰度镧铈稀土元素AB5型储氢材料,将有助降低混合动力车用镍氢电池负极材料的成本。本文在分析与总结无镨钕AB5型储氢合金研究进展的基础上,采用中频感应熔炼配合快淬甩带工艺制备了一系列高丰度镧铈稀土AB5型储氢合金,通过对合金的ICP、XRD、P-C-T曲线,恒电流充放电等测试结果的研究,探讨了元素掺杂与退火热处理工艺对合金结构、储氢性能及电化学性能的影响。研究表明,LaxCe1-x(NiCoMnAl)5(x=0.8,0.6,0.4),La0.6Ce0.4(NiCo0.22-yMnyAl)5(y=0.08,0.1,0.12)和La0.6Ce0.4(NiCo0.16-zMn0.1Alz)5(z=0.04,0.06,0.08)合金均具有单一的CaCu5型LaNi5相结构。随着LaxCe1-x(NiCoMnAl)5(x=0.8,0.6,0.4)中x的降低,合金的储氢量和放电容量逐渐降低。当x=0.6时,合金电极具有较好的综合电化学性能,最大放电容量达到332.80mAh/g(250mA/g,下同),充放电循环寿命达(715mA/g,80%容量保持率,下同)215次,高倍率放电性能(Id=1200mA/g,下同)为94.08%。对该合金B侧Mn、Al含量进行优化后,减少了原材料中的Co含量,合金的最高电化学容量可达316mAh/g,循环寿命为205次,高倍率放电性能为70.92%。LaxCe1-x(NiCoMnAl)5(x=0.8,0.6,0.4)合金在氩气氛保护下进行退火处理后,在保温时间2h的条件下,随热处理温度从850℃增加至950℃,合金的结晶度和均匀性上升,电化学容量有所降低,但循环稳定性得到明显改善。其中,经950℃/2h退火处理的La0.8Ce0.2(NiCoMnAl)5合金的最大放电容量达328.07mAh/g,充放电循环寿命达364次。但在加热温度为950℃时,随退火时间的从2h延长至4h,合金的结晶度与均匀性变差,储氢量与放电容量略为下降,而循环寿命的衰减则更为明显,经950/4h退火热处理的循环次数只有293次。结果表明,La0.8Ce0.2(NiCoMnAl)5合金最佳的热处理工艺参数为:加热温度950℃,保温时间2h。采用上述实验所优化的工艺参数对La0.6Ce0.4(NiCoMn0.1Al0.08)5合金进行退火热处理,退火后的合金也获得到了良好的综合电化学性能,放电容量为320.85mAh/g,循环次数达到357次。
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