Ti-Al系储氢电极合金制备及电化学性能研究

【摘要】本文对国内外储氢电极合金进行了全面详细的综述,确定以理论容量远高于商业用稀土系合金的Ti-Al合金作为研究对象。本文首先通过悬浮熔炼法制备得到晶态的Ti3Al1-xNix(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.45)合金；然后采用球磨法将Ti3Al合金与过渡族金属Ni粉或者Co、Fe粉进行机械球磨,制备得到非晶态合金；最后通过将Ti3Al0.55Ni0.45与金属Ni粉进行球磨,制备得到非晶合金,改善合金的性能。通过采用XRD、SEM等分析方法以及恒电流充放电、电化学阻抗谱、线性极化和阳极极化等电化学测试方法,比较系统地研究了：(1)Ni替代Al元素对Ti3Al1-xNix铸态合金相结构以及电化学性能的影响；(2)Ni粉添加量和球磨时间对Ti3A1+xwt%Ni复合合金微结构和电化学性能的影响,Co或Fe的添加对T13A1+200wt%M(M=Co、Fe)结构和电化学性能的影响；(3)Ni粉添加量和球磨时间对Ti3Al0.55Ni0.45+xwt%Ni复合合金微结构和电化学性能的影响,添加少量氧化物Ti02、Mn02对Ti3Al0.55Ni0.45+200wt%Ni合金微结构和电化学性能的影响。首先研究了Ni替代Al元素对悬浮熔炼法制备的Ti3Al1-xNix(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.45)合金相结构和电化学性能的影响。研究发现,利用Ni替代Al元素后,合金的放电容量显著提高,当x=0.45时合金的放电容量达到最大222mAh/g。同时,随着Ni替代量的增加,合金的电荷转移反应电阻Rct逐渐减小,交换电流密度Io以及极限电流密度IL逐渐增加,Rct最小为1.156Ω,I0和IL最大分别达到64.9mA/g和1090mA/g。经过分析发现,Ni替代Al元素后,合金中产生了二次相Ti2Ni,Ti2Ni相本身具有催化活性,同时二次相的产生伴随产生了很多晶界,使得H的扩散通道增多。这两方面因素共同作用使得合金的放电容量增加,并且合金的动力学性能提高。对机械球磨Ti3Al-Ni复合体系的微结构和电化学性能的研究表明：未添加Ni粉球磨后,Ti3Al合金不发生非晶态转变,而添加Ni粉球磨后,Ti3Al合金由晶态转变为非晶态。电化学测试表明未添加Ni粉的Ti3Al合金最大放电容量仅为100.7mAh/g当添加Ni粉与合金进行球磨之后,随着Ni粉添加量的增加,合金最大放电容量先增加后减小；当Ni粉添加量为200wt%时,合金最大放电容量达到最大值476.7mAh/g。对Ti3Al+200wt%Ni合金的进一步研究表明,随着球磨时间的增加,其最大放电容量先增加后减小。总之,Ni促进了Ti-Al合金的非晶转变,改善了合金的电化学性能,Ni粉的添加量和球磨时间对合金的电化学性能有显著影响。Ti3Al+200wt%Co/Fe粉球磨90h后,合金非晶化程度较低,其最大放电容量以及动力学性能均低于添加200wt%Ni球磨后的合金。对机械球磨Ti3Al0.55Ni0.45-Ni复合体系的微结构和电化学性能的研究分析表明：未添加Ni球磨时,合金仍然是由Ti3Al和Ti2Ni相组成。当添加Ni球磨后,Ti3Al和Ti2Ni的衍射峰全部消失,合金发生了非晶化转变。电化学测试表明随着Ni粉添加量的增加,合金的最大放电容量逐渐增加,当Ni添加量为250wt%时,合金放电容量达到最大498.7mAh/g。但添加250wt%Ni时,合金的放电容量衰退较快,添加200wt%Ni球磨后合金的循环稳定性较好。动力学性能分析表明,添加200wt%Ni球磨后合金的高倍率放电性能最好,说明合金表面的电荷转移反应速率以及H在合金内的扩散速率最快。综合放电容量和动力学性能,Ti3Al0.55Ni0.45+200wt%Ni球磨90h后的合金性能最优。当添加少量氧化物Ti02或MnO2球磨后,合金中仍然存在比较明显的Ti3Al和Ti2Ni峰,合金未发生非晶化转变,合金的放电容量提高较少。
【作者】印龙；
【导师】王新华；
【作者基本信息】浙江大学，材料科学与工程，2014，硕士
【关键词】储氢电极合金；Ti-Al合金；非晶合金；机械球磨；电化学性能；

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