关键词：
AB5型合金
元素取代
相组成
储氢性能
电化学性能
摘要：
随着社会经济的工业化发展,化石能源消耗速度加快,预计在两百年内将消耗殆尽,同时排放大量有害气体。因此,转向绿色可再生能源至关重要。氢能作为一种清洁、高效的能源,备受关注。在氢能产业链中,储运是关键环节,因而高密度储氢方式的储氢合金成为了研究热点。目前,稀土系AB5型储氢合金应用广泛,但储氢容量和寿命仍需进一步提升。研究人员正通过多种方式改善其性能,以提高循环稳定性。
在众多性能改善方法中,元素选择性取代被认为是改善合金储氢性能最有效的方法,因为通过元素取代可以深层次的改变合金的晶体结构和相组成,从而改变合金的储氢性能。本文采取了与Ni原子半径相近且化学性质相似的Fe元素,通过感应熔炼法制备了LaNi5-xFex（x=0,0.5,1）合金,并通过XRD、SEM、TEM和UTM等结构表征手段对合金进行了结构表征测试,将结构表征结果结合合金的储氢性能、长周期下的储氢性能和电化学性能进行了总结分析,以此来揭示Fe元素取代合金的性能的影响机理,研究结果如下所示:
首先,对熔炼好后的LaNi5-xFex（x=0,0.5,1）合金进行了结构表征测试,研究发现,随着Fe元素替代量的增加,合金中出现了主相Ca Cu5相以外的（Fe,Ni）次级相,该相不仅可以加快氢气解离成氢原子的速率,还可以为氢的扩散提供相界,加快氢的转移。此外,Fe的添加,增大了LaNi5晶胞中12o和6m两个晶格间隙的大小,消除了吸氢后12o间隙对6m晶格间隙的膨胀,从而剔除了LaNi5型储氢合金的平台分裂现象,增大了合金可实际应用的储氢容量。
对LaNi5-xFex（x=0,0.5,1）合金进行了长达1000周的循环性能测试,研究发表明,Fe元素的加入,具有长期稳定的消除合金中平台分裂的现象,这将有利于合金的实际应用。并且,通过结构表征测试可知,柔韧性较好的（Fe,Ni）次级相具有良好的延展性,这可以缓解合金在长周期吸放氢过程中的微应变和塑性变形,使得合金经过1000周循环后仍然保持较好的晶体结构,从而提高了合金长周期下的循环稳定性,使得合金经过1000周后的容量保持率从x=0时的82.5%提高到x=0.5时的86.9%。
最后对LaNi5-xFex（x=0,0.5,1）合金进行了电化学性能测试,研究发现随着Fe含量的增加,合金电极的活化性能有在改善,且因为Fe略大的原子半径,晶格间隙有所膨胀,从而增大了合金电极的电化学容量。此外,合金中的（Fe,Ni）次级相缓解了合金吸放氢过程中产生的微应变,从而提高了合金电极的循环稳定性,使得x=0合金时的容量保持率提高到了x=1合金时的。（Fe,Ni）次级相的出现,不仅可以加快氢气解离成氢原子的速率,还可以为氢的扩散提供了相界,加快了氢原子的转移速率,从而提高了合金电极的动力学性能。但是据循环伏安法研究发现,合金电极内的氢原子转移需先转移至合金电极表面,再转移到正极,因此合金电极的动力学性能应是由氢原子的扩散速率所控制的。
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