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A2B7型超晶格合金

/A2B7-type superlattice alloy/
条目作者韩树民

韩树民

最后更新 2022-12-23
浏览 142
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超晶格稀土–镁–镍(RE–Mg–Ni)系合金。

英文名称
A2B7-type superlattice alloy
所属学科
材料科学与工程

A2B7型超晶格合金具有层状结构,即[REMgNi4]亚单元和[RENi5]亚单元沿着c轴方向以1∶2的比例有序堆垛形成一个周期(晶胞)。根据结构中[REMgNi4]亚单元类型不同,A2B7型超晶格合金可以分为两种晶体结构类型,即Ce2Ni7型(2H型)和Gd2Co7型(3R型),其中2H型中[REMgNi4]亚单元为MgZn2型Laves相结构,而3R型中[REMgNi4]亚单元为MgCu2型Laves相结构(见图)。

合金层状结构合金层状结构

A2B7型超晶格(RE–Mg–Ni)合金源于二元RE2Ni7合金。当加入镁(Mg)后,Mg只占据Laves相[RE2Ni4]亚单元中RE原子位置,形成[REMgNi4]亚单元,从而造成氢化物晶格产生非均点阵膨胀,使得原本不吸氢的[RENi5]亚单元开始能够吸氢,且降低了合金吸/放氢后氢化物的稳定性,增强了合金吸/放氢可逆性,同时也降低了合金在吸/放氢循环过程中的非晶化程度,有助于稳定合金的堆垛结构。

A2B7型超晶格合金中A侧元素除金属元素Mg外,主要为镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)等稀土元素或金属元素钙(Ca),B侧主要为镍(Ni),部分含有钴(Co)、铝(Al)、锰(Mn)等过渡金属元素或无机非金属元素硅(Si)。A2B7型超晶格合金的结构在很大程度上受到元素组成的影响,例如,当合金中稀土元素的原子半径较大时,其主相结构为Ce2Ni7型结构;而原子半径较小时,主相多为Gd2Co7型结构。同样,B侧元素半径变化也会出现上述类似的结果。通常通过改变制备条件和热处理条件,可以促使Ce2Ni7型与Gd2Co7型结构之间的转化。

A2B7型超晶格合金可根据其RE组分主要分为3类:La系、Nd系、La–Pr–Nd系。La系合金具有较高的放电容量,但是由于La易被氧化,其循环稳定性较差;Nd系合金具有较好的荷电保持率和循环稳定性,但是容量不高;La–Pr–Nd系合金性能介于两者之间。另外,A2B7型合金根据B/A数值还可以分为整化学计量比和非化学计量比两类。例如,2000年,首次被研制的非化学计量比的A2B7型La0.7Mg0.3Ni2.7Co0.5合金,其放电容量就高达410毫安时/克,高出商业化AB5型合金近30%。具有高能量密度和高功率密度的La–Mg–Ni系储氢合金也作为新一代新型镍/金属氢化物(Ni/MH)电池负极材料引起了广泛关注。

A2B7型超晶格合金作为Ni/MH电池负极材料具有良好的综合电化学性能,它不仅具有较高的放电容量,而且具有较好的循环稳定性和高倍率放电性能;同时,与传统AB5型合金相比,A2B7型合金表现出非常低的自放电性能,例如,以AB5型合金为负极材料的Ni/MH电池满电状态下保存一年后,其剩余电量几乎为零,而以A2B7型超晶格合金为负极材料的Ni/MH电池即使存放两年后,其剩余电量仍可保持在80%左右。

随着混合动力汽车(HEV)用镍氢电池的轻型化、高能量密度化、高功率化等性能指标的演化,AB5型合金已不能满足其要求,A2B7型超晶格合金凭借其高容量和高荷电保持率等优点已逐渐成为新一代Ni/MH负极材料,并被广泛应用。

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