淺析新能源汽車電池用新型鎂基儲氫合金的組織與性能論文

　　新型的清潔能源備受業(yè)界關注，其中氫能是人們普遍認為極具應用前景的新型能源之一。儲氫合金是促使氫能大規(guī)模應用的有效途徑。在新能源汽車電池中，鎂基儲氫合金由于輕便、安全性好、儲氫容量大和價格相對較低等優(yōu)點被譽為新一代極具競爭力的儲氫合金。但是，現(xiàn)有的Mg2Ni 鎂基儲氫合金存在電化學循環(huán)穩(wěn)定性不好，限制了鎂基儲氫合金的商業(yè)化進程，迫切需要對現(xiàn)有的鎂基儲氫合金進行改性。鑒于此，筆者在Mg2Ni 鎂基儲氫合金中復合添加合金元素V和Co，采用超聲振動輔助感應熔煉法制備了Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05 新型鎂基儲氫合金，并進行了顯微組織觀察、X 射線衍射分析、吸放氫性能和電化學穩(wěn)定性的測試與分析。

　　1 試驗材料與方法

　　采用工業(yè)級金屬原料Mg、V、Ni 和Mg-10Co、Mg-5Mn 中間合金，在自制的超聲振動輔助感應熔煉爐中進行Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05 新型鎂基儲氫合金的制備。熔煉溫度為(705依5)℃、超聲振動頻率為35Hz。制備出的合金試樣，經(jīng)DM2300 型能量彌散X 射線熒光分析儀測試的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%) 為院9.047V、49.778Ni、2.614Co、0.187Mn、0.011Fe、余量Mg。合金中添加Mn 主要起到除雜的作用。采用PG18 型金相顯微鏡和EVO18 型掃描電鏡進行顯微組織觀察曰采用D8ADVANCE 型X 射線衍射儀進行XRD 分析曰采用H-Sorb2600 型全自動PCT 儲氫材料測試儀進行吸放氫性能測試，測試溫度為室溫曰采用CHI660E 型電化學工作站進行電化學循環(huán)穩(wěn)定性測試，充電電流為120mAh/g、充電時間3 h、放電電流60 mAh/g、放電截止電位-0.4V。

　　2 試驗結果及討論

　　2.1 XRD 分析

　　試驗制備的Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05 新型鎂基儲氫合金的XRD 圖譜，可看出，該合金由Mg2Ni 基體相和少量V3Ni 相組成。在XRD圖譜中，未發(fā)現(xiàn)含Co 的化合物相，主要是因為合金元素Co的添加量較少。

　　2.2 顯微組織分析

　　試驗制備的Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05 新型鎂基儲氫合金的顯微組織金相(OM)照片和掃描電鏡(SEM)照片，可看出，該新型鎂基儲氫合金無明顯的氣孔、孔洞和夾雜等缺陷，組織較為均勻，晶粒較為細小，平均晶粒尺寸約為19滋m。結合XRD 圖譜和SEM 照片，可以看出灰色部分是Mg2Ni 基體相，彌散分布的白色顆粒狀物質(zhì)是V3Ni 相。彌散分布的V3Ni 相有助于改善鎂基儲氫合金的電化學循環(huán)穩(wěn)定性。

　　2.3 吸放氫性能測試與分析

　　試驗制備的Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05 新型鎂基儲氫合金的吸氫性能和放氫性能測試結果，該新型鎂基儲氫合金在室溫下具有較佳的吸放氫性能。在吸氫過程中，上述新型鎂基儲氫合金的吸氫量約在50min 達到飽和，最大吸氫量達到2.3wt%，具有較佳的吸氫性能。在放氫過程中，上述新型鎂基儲氫合金具有明顯的放氫平臺，平臺壓力約為0.6MPa，具有較好的放氫性能。這主要得益于Mg2Ni 合金中元素用微量的合金元素Co 替代Ni，這更有利于氫原子進出通道的形成，從而使得試驗制備的Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05 新型鎂基儲氫合金具有較佳的吸放氫性能。

　　2.4 電化學循環(huán)穩(wěn)定性測試分析

　　試驗制備的Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05 新型鎂基儲氫合金，在充放電循環(huán)后的放電容量變化。可看出，與相同方法制備的Mg2Ni 儲氫合金相比，該新型鎂基儲氫合金具有更大的放電容量，最大放電容量從100.7mAh/g 增加至132.5mAh/g，增加了31.6%。最重要的是，該新型鎂基合金的放電容量衰減速度明顯低于Mg2Ni 合金，其電化學循環(huán)穩(wěn)定性明顯優(yōu)于Mg2Ni 合金。經(jīng)過20 次充放電循環(huán)后，Mg2Ni 合金的放電容量從最大放電容量100.7 mAh/g 降至9.6 mAh/g，衰減了90.5%曰而該新型鎂基儲氫合金的放電容量從最大放電容量132.5 mAh/g 降至108.4 mAh/g，僅衰減了18.2%。與Mg2Ni 合金相比，該新型合金經(jīng)20 次充放電循環(huán)后的放電容量衰減率減小了72.3%。由此可看出，該新型鎂基儲氫合金的電化學循環(huán)穩(wěn)定性得到了顯著改善。這主要得益于Mg2Ni 合金A 側(cè)用少量的合金元素V 替代Mg，在Mg2Ni 基體相中形成彌散分布的V3Ni 相，顯著提高了鎂基儲氫合金在電化學循環(huán)過程中抵抗電化學腐蝕的能力，從而改善了鎂基儲氫合金的電化學循環(huán)穩(wěn)定性，使得Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05 新型鎂基儲氫合金具有較好的實用性。

　　3 結論

　　(1) 采用超聲振動輔助感應熔煉法，可制備出具有較佳吸放氫性能和充放電循環(huán)穩(wěn)定性的Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05新型鎂基儲氫合金，合金由Mg2Ni基體相和少量彌散分布的V3Ni 相組成。

　　(2) 超聲振動輔助感應熔煉法制備的Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05 新型鎂基儲氫合金的室溫最大吸氫量達到2.3wt%，放氫平臺壓力為0.6MPa，具有較好的吸放氫性能。

　　(3) 與Mg2Ni 合金相比，Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05 新型鎂基儲氫合金經(jīng)過20 次充放電循環(huán)后的放電容量衰減率減小了72.3%，顯著改善了鎂基儲氫合金的充放電循環(huán)穩(wěn)定性。