淺析新能源汽車電池用新型鎂基儲氫合金的組織與效能論文
新型的清潔能源備受業界關注，其中氫能是人們普遍認為極具應用前景的新型能源之一。儲氫合金是促使氫能大規模應用的有效途徑。在新能源汽車電池中，鎂基儲氫合金由於輕便、安全性好、儲氫容量大和價格相對較低等優點被譽為新一代極具競爭力的儲氫合金。但是，現有的Mg2Ni 鎂基儲氫合金存在電化學迴圈穩定性不好，限制了鎂基儲氫合金的商業化程序，迫切需要對現有的鎂基儲氫合金進行改性。鑑於此，筆者在Mg2Ni 鎂基儲氫合金中複合新增合金元素V和Co，採用超聲振動輔助感應熔鍊法制備了Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05 新型鎂基儲氫合金，並進行了顯微組織觀察、X 射線衍射分析、吸放氫效能和電化學穩定性的測試與分析。
1 試驗材料與方法
採用工業級金屬原料Mg、V、Ni 和Mg-10Co、Mg-5Mn 中間合金，在自制的超聲振動輔助感應熔煉爐中進行Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05 新型鎂基儲氫合金的製備。熔鍊溫度為(705依5)℃、超聲振動頻率為35Hz。製備出的合金試樣，經DM2300 型能量彌散X 射線熒光分析儀測試的化學成分(質量分數，%) 為院9.047V、49.778Ni、2.614Co、0.187Mn、0.011Fe、餘量Mg。合金中新增Mn 主要起到除雜的作用。採用PG18 型金相顯微鏡和EVO18 型掃描電鏡進行顯微組織觀察曰採用D8ADVANCE 型X 射線衍射儀進行XRD 分析曰採用H-Sorb2600 型全自動PCT 儲氫材料測試儀進行吸放氫效能測試，測試溫度為室溫曰採用CHI660E 型電化學工作站進行電化學迴圈穩定性測試，充電電流為120mAh/g、充電時間3 h、放電電流60 mAh/g、放電截止電位-0.4V。
2 試驗結果及討論
2.1 XRD 分析
試驗製備的Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05 新型鎂基儲氫合金的XRD 圖譜，可看出，該合金由Mg2Ni 基體相和少量V3Ni 相組成。在XRD圖譜中，未發現含Co 的化合物相，主要是因為合金元素Co的新增量較少。
2.2 顯微組織分析
試驗製備的Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05 新型鎂基儲氫合金的顯微組織金相(OM)照片和掃描電鏡(SEM)照片，可看出，該新型鎂基儲氫合金無明顯的氣孔、孔洞和夾雜等缺陷，組織較為均勻，晶粒較為細小，平均晶粒尺寸約為19滋m。結合XRD 圖譜和SEM 照片，可以看出灰色部分是Mg2Ni 基體相，彌散分佈的白色顆粒狀物質是V3Ni 相。彌散分佈的V3Ni 相有助於改善鎂基儲氫合金的電化學迴圈穩定性。
2.3 吸放氫效能測試與分析
試驗製備的Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05 新型鎂基儲氫合金的吸氫效能和放氫效能測試結果，該新型鎂基儲氫合金在室溫下具有較佳的吸放氫效能。在吸氫過程中，上述新型鎂基儲氫合金的吸氫量約在50min 達到飽和，最大吸氫量達到2.3wt%，具有較佳的吸氫效能。在放氫過程中，上述新型鎂基儲氫合金具有明顯的'放氫平臺，平臺壓力約為0.6MPa，具有較好的放氫效能。這主要得益於Mg2Ni 合金中元素用微量的合金元素Co 替代Ni，這更有利於氫原子進出通道的形成，從而使得試驗製備的Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05 新型鎂基儲氫合金具有較佳的吸放氫效能。
2.4 電化學迴圈穩定性測試分析
試驗製備的Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05 新型鎂基儲氫合金，在充放電迴圈後的放電容量變化。可看出，與相同方法制備的Mg2Ni 儲氫合金相比，該新型鎂基儲氫合金具有更大的放電容量，最大放電容量從100.7mAh/g 增加至132.5mAh/g，增加了31.6%。最重要的是，該新型鎂基合金的放電容量衰減速度明顯低於Mg2Ni 合金，其電化學迴圈穩定性明顯優於Mg2Ni 合金。經過20 次充放電迴圈後，Mg2Ni 合金的放電容量從最大放電容量100.7 mAh/g 降至9.6 mAh/g，衰減了90.5%曰而該新型鎂基儲氫合金的放電容量從最大放電容量132.5 mAh/g 降至108.4 mAh/g，僅衰減了18.2%。與Mg2Ni 合金相比，該新型合金經20 次充放電迴圈後的放電容量衰減率減小了72.3%。由此可看出，該新型鎂基儲氫合金的電化學迴圈穩定性得到了顯著改善。這主要得益於Mg2Ni 合金A 側用少量的合金元素V 替代Mg，在Mg2Ni 基體相中形成彌散分佈的V3Ni 相，顯著提高了鎂基儲氫合金在電化學迴圈過程中抵抗電化學腐蝕的能力，從而改善了鎂基儲氫合金的電化學迴圈穩定性，使得Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05 新型鎂基儲氫合金具有較好的實用性。
3 結論
(1) 採用超聲振動輔助感應熔鍊法，可製備出具有較佳吸放氫效能和充放電迴圈穩定性的Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05新型鎂基儲氫合金，合金由Mg2Ni基體相和少量彌散分佈的V3Ni 相組成。
(2) 超聲振動輔助感應熔鍊法制備的Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05 新型鎂基儲氫合金的室溫最大吸氫量達到2.3wt%，放氫平臺壓力為0.6MPa，具有較好的吸放氫效能。
(3) 與Mg2Ni 合金相比，Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05 新型鎂基儲氫合金經過20 次充放電迴圈後的放電容量衰減率減小了72.3%，顯著改善了鎂基儲氫合金的充放電迴圈穩定性。
