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稀土系AB5型储氢合金

/rare-earth-based AB5-type hydrogen storage alloy/
条目作者程宏辉

程宏辉

最后更新 2023-07-21
浏览 255
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以LaNi5为基础发展起来的,吸氢量在1wt%左右的储氢合金

英文名称
rare-earth-based AB5-type hydrogen storage alloy
所属学科
材料科学与工程

具有六方CaCu5型晶格结构的金属间化合物,其中A组分由一种或多种容易形成稳定氢化物的发热型镧系稀土元素(如La、Ce、Pr、Nd等)和Ca、Ti、Zr、Y等金属元素组成;B组分由一种或多种难于形成氢化物的吸热型金属元素(如Ni、Fe、Co、Mn、Cu、Al、Sn、Si、Cr、Zn等)组成,具有易活化、滞后小、不易中毒、动力学性能优良等特点。是整个储氢材料家族中实际应用最为广泛的类型,主要用于镍氢电池、气固储氢、氢气压缩、热泵、氢纯化、氢同位素分离等。

稀土系AB5型储氢合金的吸放氢特性(PCT特性、活化性能、动力学性能、抗粉化性能、循环稳定性)是材料的主要性能指标。由于使用条件不同,还必须考虑环境因素如温度、杂质、腐蚀介质等对材料的特殊要求。对不同的功能用途有不同的性能要求,例如,对于镍氢电池,要求材料在电解液中化学性质稳定,在较大的温度范围内电化学容量大,电催化活性好,电极反应的可逆性好、过电压小,长期充放电循环容量稳定等。对于固定式储氢,由于材料的使用量较大,合金的制造成本是需要重点关注的问题,而对于车载储氢则要求很高的重量储氢密度。两者均要求良好的抗杂质气体毒化性能和合适的温度压力特性,以利用环境或者引擎的废热来实现氢气的释放。对于氢气压缩则要求材料具有良好的抗杂质气体毒化性能、动力学性能、导热性能以及较高的储氢容量。对于热泵等的内循环系统,抗杂质气体毒化性能则相对没有那么重要,而较高的储氢容量,低的滞后和平台斜率,良好的循环稳定性和动力学性能则非常重要。对于氢纯化,则要求材料具有良好的抗毒化性能和可调控的PCT特性。对于氢同位素分离,则要求材料对氕、氘和氚在动力学和PCT特性方面有显著的差异。对于氚储存,除能够大量可逆吸放氚和合适的平衡压等基本特征外,主要是要求氚的衰变产物3He必须绝大部分保持在材料中,以保证释氚的高纯度。

稀土系AB5型储氢合金的发展经历了从低级到高级,从简单到复杂的发展过程。1968年荷兰飞利浦实验室在研究磁性材料时,无意中发现SmCo5具有很大的可逆吸放氢能力,随后在1970年研制出LaNi5储氢合金。1973年首次采用电化学方法使LaNi5合金可逆吸放氢,从此开始了储氢合金应用于镍氢电池负极材料的研究。稀土系AB5型储氢合金成功商业化应用领域是镍氢电池,其典型组成为MmNi3.55Co0.75Mn0.4Al0.3。由于Co元素价格昂贵,占材料成本费30%以上,因此发展低钴或无钴合金是其主要方向,达到这一目的的主要途径是:①使构成元素的成分配比最优化;②用Cu、Fe、Si、Zn等廉价金属代替Co;③制备工艺上采用熔体快淬,结合热处理及表面处理等手段控制合金组织及相结构。在其他领域,稀土系AB5储氢合金的应用仍处于研究发展中,或者只在小范围特殊条件下获得成熟的应用,如用于燃料电池摩托车的低压储氢罐,便携式仪器氢源,氚的中短期储存和加压泵送等。

稀土系AB5型储氢合金一般采用纯度99.9%以上的金属原料按化学计量比进行配制,对某些易挥发,易烧损元素应考虑过量,然后通过感应熔炼法、电弧熔炼法、熔体快淬法、气体雾化法等进行生产制备,最后一般需要在真空或氩气下对其进行高温热处理使合金均质化,以获得优良的储氢性能。

  • 唐有根.镍氢电池.北京:化学工业出版社,2007.
  • 大角泰章.金属氢化物的性质与应用.吴永宽,苗艳秋,译.北京:化学工业出版社,1990.
  • BROOM D P.Hydrogen storage materials: The characterisation of their storage properties.London:Springer,2011.

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