Ti-Al系储氢电极合金制备及电化学性能研究

发布时间：2020-11-03 17:41

　　 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+x wt%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。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2014
【中图分类】：TG139.7
【文章目录】：
摘要
Abstract
目录
第一章 绪论
    1.1 Ni/MH电池发展概况
    1.2 Ni/MH电池工作原理
    1.3 储氢电极合金的研究现状
        1.3.1 稀土系储氢电极合金的研究现状
2型拉夫斯相储氢电极合金'>        1.3.2 AB₂型拉夫斯相储氢电极合金
        1.3.3 钒系固溶体型储氢电极合金
        1.3.4 镁系储氢电极合金
        1.3.5 钛系储氢电极合金
            1.3.5.1 Ti-Fe系储氢电极合金
            1.3.5.2 Ti-Cu系储氢电极合金
            1.3.5.3 Ti-Al系储氢电极合金
    1.4 本课题的研究目的及主要内容
第二章 实验方法
    2.1 合金成分的设计
    2.2 晶态和非晶样品的制备
        2.2.1 晶态样品的制备
        2.2.2 非晶态合金的制备
    2.3 合金的电化学性能测试
        2.3.1 合金电极的制备
        2.3.2 电化学测试装置
        2.3.3 电化学性能测试的方法
    2.4 仪器分析
        2.4.1 X射线衍射（XRD）分析
        2.4.2 扫描电镜（SEM）/能谱（EDS）分析
第三章 晶态Ti-Al储氢电极合金结构及电化学性能
3Al_1-xNi_x（x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.45）合金的相结构与电化学性能'>    3.1 Ti₃Al_1-xNi_x（x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.45）合金的相结构与电化学性能
        3.1.1 合金相结构分析
        3.1.2 合金的电化学性能
            3.1.2.1 合金的放电容量和循环稳定性
            3.1.2.2 高倍率放电性能（HRD）
            3.1.2.3 电化学阻抗谱（EIS）
            3.1.2.4 线性极化（LP）
            3.1.2.5 阳极极化（AP）
    3.2 本章总结
3Al-Ni系复合合金的制备及电化学性能'>第四章 Ti₃Al-Ni系复合合金的制备及电化学性能
3Al+x wt%Ni系合金的微结构与电化学性能'>    4.1 Ti₃Al+x wt%Ni系合金的微结构与电化学性能
        4.1.1 合金微结构
        4.1.2 合金形貌
        4.1.3 合金电化学性能
            4.1.3.1 放电容量和循环稳定性
            4.1.3.2 合金的高倍率放电性能
            4.1.3.3 电化学阻抗谱
            4.1.3.4 线性极化
            4.1.3.5 阳极极化
3Al+200wt%Ni合金微结构及电化学性能的影响'>    4.2 球磨时间对Ti₃Al+200wt%Ni合金微结构及电化学性能的影响
        4.2.1 合金微结构
        4.2.2 合金形貌
        4.2.3 合金电化学性能
            4.2.3.1 放电容量和循环稳定性
            4.2.3.2 合金的高倍率放电性能
            4.2.3.3 电化学阻抗谱
            4.2.3.4 交换电流密度和极限电流密度
3Al+200 wt%M（Ni,Co,Fe）球磨90 h后合金微结构与电化学性能'>    4.3 Ti₃Al+200 wt%M（Ni,Co,Fe）球磨90 h后合金微结构与电化学性能
        4.3.1 合金微结构
        4.3.2 合金电化学性能
            4.3.2.1 放电容量和循环稳定性
            4.3.2.2 合金的高倍率放电性能
            4.3.2.3 线性极化和阳极极化
    4.4 本章小结
3Al_0.55Ni_0.45-Ni系复合合金的制备及电化学性能'>第五章 Ti₃Al_0.55Ni_0.45-Ni系复合合金的制备及电化学性能
3Al_0.55Ni_0.45+x wt%Ni系合金的微结构与电化学性能'>    5.1 Ti₃Al_0.55Ni_0.45+x wt%Ni系合金的微结构与电化学性能
        5.1.1 合金微结构
        5.1.2 合金电化学性能
            5.1.2.1 最大放电容量和循环稳定性
            5.1.2.2 合金的高倍率放电性能
            5.1.2.3 线性极化和阳极极化
3Al_0.55Ni_0.45+200 wt%Ni合金微结构及电化学性能的影响'>    5.2 球磨时间对Ti₃Al_0.55Ni_0.45+200 wt%Ni合金微结构及电化学性能的影响
        5.2.1 合金微结构
        5.2.2 合金形貌
        5.2.3 合金电化学性能
            5.2.3.1 放电容量
            5.2.3.2 合金的高倍率放电性能
            5.2.3.3 交换电流密度和极限电流密度
3Al_0.55Ni_0.45+200 wt%Ni合金微结构和电化学性能的影响'>    5.3 氧化物对Ti₃Al_0.55Ni_0.45+200 wt%Ni合金微结构和电化学性能的影响
        5.3.1 合金微结构
        5.3.2 合金的放电容量
    5.4 本章总结
第六章 总结与展望
3Al_1-xNi_x储氢电极合金'>    6.1 Ti₃Al_1-xNi_x储氢电极合金
3Al-Ni系非晶合金'>    6.2 Ti₃Al-Ni系非晶合金
3Al_0.55Ni_0.45-Ni系非晶合金'>    6.3 Ti₃Al_0.55Ni_0.45-Ni系非晶合金
    6.4 对今后工作的建议和展望
参考文献
致谢
个人简历
攻读学位期间发表的学术论文

【参考文献】

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本文编号：2868890