CN101078094A - 一种高容量Mg2Ni型贮氢合金非晶带材及其制备方法 - Google Patents

一种高容量Mg2Ni型贮氢合金非晶带材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于贮氢合金材料技术领域,特别是提供了一种高容量Mg2Ni型贮氢合金非晶带材及其制备方法。该非晶带材的化学式为Mg20-xLaxNi10-yZry;其式中:0.5≤x≤10,0≤y≤5。上述非晶带材的制备方法为:(1)按化学式Mg20-xLaxNi10-yZry称料;(2)将称好的原材料加热至熔融,得到Mg20-xLaxNi10-yZry合金;(3)采用快淬喷带技术,制备成厚度在20-35μm之间,宽度在1-20mm之间的Mg2Ni型贮氢合金快淬薄带。本发明非晶Mg2Ni型贮氢合金薄带材料与现有技术相比具有高电化学容量和良好的贮放氢循环稳定性;制备工艺稳定,易操作,效率高,适合批量化生产;制备的非晶态薄带材料厚度具有均匀,长度连续的优点。

Description

一种高容量Mg2Ni型贮氢合金非晶带材及其制备方法
技术领域
本发明属于贮氢合金材料技术领域,特别是提供了一种高容量Mg2Ni型贮氢合金非晶带材及其制备方法。
背景技术
镁基合金具有重量轻、贮氢密度高、资源丰富等特点,是目前公认为最具有极大应用开发前景的贮氢材料。特别是Mg2Ni型贮氢合金具有极高的理论电化学容量(达999mAh/g),但晶态的Mg2Ni合金在室温下几乎没有可逆吸放氢的能力。用机械合金化的方法可以获得非晶态的Mg2Ni粉末,使合金的贮氢动力学性能得到大幅度改善。但机械合金化的制备效率很低,获得的粉末粒度不符合Ni-MH电池的使用要求,合金的电化学循环稳定性极差,远远不能满足实用化的要求。另外,机械合金化获得的超细粉末极易氧化而使合金的其它电化学性能降低。国内外已有用快淬方法制备Mg2Ni合金非晶薄片的报道,其合金的成分主要是加入Mm,Y,Nd等稀土元素,但都没有形成厚度均匀的连续的非晶态薄带,主要是合金的成分设计及喷制工艺没有很好的匹配。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高电化学容量和良好贮放氢循环稳定性的非晶Mg2Ni型贮氢合金薄带材料,以及制备工艺稳定,易操作,效率高,适合批量化生产;制备厚度均匀,长度连续的非晶态薄带材料的快淬喷带方法。
根据上述目的,本发明整体的技术方案工作原理为:在合金的成分设计方面,以La部分替代合金中的Mg,以Zr部分替代合金中的Ni。由于在稀土元素中,La具有最大的原子半径和吸氢能力。加入La可以增加合金中元素间原子半径差,在提高合金的非晶形成能力的同时,尽可能不降低合金的吸氢量;加入Zr的作用与La相似,并且Zr本身具有很强的非晶形成能力,同时,Zr还是吸氢元素。总的思想是在保证形成非晶的前提下,尽可能不降低合金的吸氢能力。
根据上述目的和工作原理,本发明具体的技术方案为:该高容量Mg2Ni型贮氢合金非晶带材化学式为Mg20-xLaxNi10-yZry,其式中:0.5≤x≤10,0≤y≤5。
制备上述高容量Mg2Ni型贮氢合金非晶带材的方法的具体步骤为:(1)按化学式Mg20-xLaxNi10-yZry称料;其式中:0.5≤x≤10,0≤y≤5;(2)将称好的原材料加热至熔融,得到Mg20-xLaxNi10-yZry合金,其加热温度为1000-1500℃,熔融环境为1×10-2到5×10-3Pa的真空度,或0.01到0.1Mpa负压力的氦气保护气体,在熔融条件下保持1-5分钟;然后将融化的合金浇注到水冷铜模中,获得铸态母合金铸锭;(3)快淬喷带技术:将上述步骤(2)制备的铸锭置于底部具有狭缝的石英管内,再次加热到熔融状态,利用保护气体氦气的压力将其从石英管狭缝喷出,连续喷射在以20-40m/s线速率旋转的铜辊的光滑表面上,在氦气保护气氛中采用5-2000℃/s的冷速冷却至室温,形成厚度在20-35μm之间,宽度在1-20mm之间,长度大于10m的Mg2Ni型贮氢合金快淬薄带。
上述步骤(2)中所述的加热方式包括:电弧熔炼或感应加热熔炼。
上述步骤(3)中所述的快淬加热方式包括:用50-245KHz的射频加热或电阻加热。
本发明非晶Mg2Ni型贮氢合金薄带材料与现有技术相比具有高电化学容量和良好循环贮放氢稳定性的优点,以及制备工艺稳定,易操作,效率高,适合批量化生产,制备的非晶态薄带材料厚度具有均匀,长度连续的优点。
上述优点具体如下:1、应用中频感应炉熔炼时加氦气保护,基本上避免了金属镁的挥发损失,保证了符合设计组份摩尔配比的Mg2Ni型贮氢合金。
2、与机械合金化比较,本发明生产效率更高,获得非晶态合金的电化学循环稳定性更高。主要是由于合金是具有非晶结构的连续带材,提高了合金在碱性电解液中的耐腐蚀性能。
3、本发明制备工艺稳定,易操作,效率高,适合批量化生产。
4、本发明制备的厚度均匀长度连续的非晶带,满足制备“三明治式”叠片电极的需要。
附图说明
图1为本发明的快淬Mg2Ni型贮氢合金的XRD衍射谱。
具体实施方式
实施例1:选取纯度≥99.8%的块体金属镁,金属镍,金属镧。按化学式Mg18La2Ni10的化学剂量比称重。称取金属镁369.6g,金属镍405.8g,金属镧224g,置于设制中频感应炉的氧化镁坩埚中,然后盖好炉盖,抽真空大约40分钟至真空度5×10-3Pa以上,再充入氦气保护气体至气压达到0.04MPa负压力,调节功率为4.5kw,温度控制在650℃,使金属Mg熔化,然后调节功率至25kw,温度控制在1000℃,使金属镍及镧熔化。金属熔化完毕,在熔融条件下保持5分钟,最后将熔液浇入锭模,在注入锭模时,将功率调节到8.2kw。在氦气保护气氛下冷却20分钟后出炉。
将铸态合金棒材约100g放入直径为30mm、底部具有狭缝的石英管中,狭缝的尺寸为0.05mm×20mm;用245千赫兹的射频加热至熔融,在氦气氛保护下,加热功率为1-15kW;在氦气压力为1.05atm下将熔融合金喷射到表面线速度为30m/s的水冷铜辊表面上,获得长度为大于10m,厚度约为30μm,宽度为20mm均一的薄带;然后分析其非晶带材的化学成分,XRD测试结果表明合金具有非晶结构,结果见图1;测试了合金的电化学容量及循环稳定性,结果如表1。
实施例2:制备组成为:Mg16La4Ni10的Mg2Ni型贮氢合金非晶态带材;称取金属镁279.4g,金属镍383.2g,金属镧380.8g,置于设制中频感应炉的氧化镁坩埚中,然后盖好炉盖,抽真空大约40分钟至真空度5×10-3Pa以上,再充入氦气保护气体至气压达到0.04MPa负压力,调节功率为4.5kw,温度控制在650℃,使金属Mg熔化,然后调节功率至25kw,温度控制在1000℃,使金属镍及镧熔化。金属熔化完毕,在熔融条件下保持5分钟,最后将熔液浇入锭模,在注入锭模时,将功率调节到8.2kw。在氦气保护气氛下冷却20分钟后出炉将铸态合金棒材约100g放入直径为30mm、底部具有狭缝的石英管中,狭缝的尺寸为0.05mm×20mm;用245千赫兹的射频加热至熔融,在氦气氛保护下,加热功率为1-15kW;在氦气压力为1.05atm下将熔融合金喷射到表面线速度为20m/s的水冷铜辊表面上,获得长度为大于10m,厚度约为30μm,宽度为20mm均一的薄带;然后分析其非晶带材的化学成分,XRD测试结果表明合金具有非晶结构,结果见图1;测试了合金的电化学容量及循环稳定性,结果如表1。
实施例3:制备组成为:Mg14La6Ni10的Mg2Ni型贮氢合金非晶态带材;称取金属镁212.6g,金属镍333.4g,金属镧569g,置于设制中频感应炉的氧化镁坩埚中,然后盖好炉盖,抽真空大约40分钟至真空度5×10-3Pa以上,再充入氦气保护气体至气压达到0.04MPa负压力,调节功率为4.5kw,温度控制在650℃,使金属Mg熔化,然后调节功率至25kw,温度控制在1000℃,使金属镍及镧熔化。金属熔化完毕,在熔融条件下保持5分钟,最后将熔液浇入锭模,在注入锭模时,将功率调节到8.2kw。在氦气保护气氛下冷却20分钟后出炉将铸态合金棒材约100g放入直径为30mm、底部具有狭缝的石英管中,狭缝的尺寸为0.05mm×25mm;用245千赫兹的射频加热至熔融,在氦气氛保护下,加热功率为1-15kW;在氦气压力为1.05atm下将熔融合金喷射到表面线速度为30m/s的水冷铜辊表面上,获得长度为大于10m,厚度约为30μm,宽度为20mm均一的薄带;然后分析其非晶带材的化学成分,XRD测试结果表明合金具有非晶结构,结果见图1;测试了合金的电化学容量及循环稳定性,结果如表1。
实施例4:制备组成为:Mg16La4Ni9.5Zr0.5的Mg2Ni型贮氢合金非晶态带材;称取金属镁276.4g,金属镍360.3g,金属镧376.9g,金属锆29.5g,按照实施例1的方法制备非晶态带材,所不同的是采用的石英管底部狭缝的尺寸为0.05mm×10mm。XRD测试结果表明合金具有非晶结构,结果见图1,用模拟电池测试了合金的电化学吸放氢性能,结果见表1。
实施例5:制备组成为:Mg16La4Ni9Zr1的Mg2Ni型贮氢合金非晶态带材;称取金属镁273.5g,金属镍337.8g,金属镧373g,金属锆58.3g,置于设制中频感应炉的氧化镁坩埚中,然后盖好炉盖,抽真空大约40分钟至真空度5×10-3Pa以上,再充入氦气保护气体至气压达到0.04MPa负压力,调节功率为4.5kw,温度控制在650℃,使金属Mg熔化,然后调节功率至25kw,温度控制在1000℃,使金属镍及镧熔化。金属熔化完毕,在熔融条件下保持5分钟,最后将熔液浇入锭模,在注入锭模时,将功率调节到8.2kw。在氦气保护气氛下冷却20分钟后出炉。
将铸态合金棒材约100g放入直径为30mm、底部具有狭缝的石英管中,狭缝的尺寸为0.05mm×10mm;用245千赫兹的射频加热至熔融,在氦气氛保护下,加热功率为1-15kW;在氦气压力为1.05atm下将熔融合金喷射到表面线速度为30m/s的水冷铜辊表面上,获得长度为大于10m,厚度约为26μm,宽度为10mm均一的薄带;然后分析其非晶带材的化学成分,XRD测试结果表明合金具有非晶结构,结果见图1;测试了合金的电化学容量及循环稳定性,结果如表1。
实施例6:制备组成为:Mg16La4Ni8.5Zr1.5的Mg2Ni型贮氢合金非晶态带材;称取金属镁270.7g,金属镍315.7g,金属镧369.2g,金属锆86.6g,置于设制中频感应炉的氧化镁坩埚中,然后盖好炉盖,抽真空大约40分钟至真空度5×10-3Pa以上,再充入氦气保护气体至气压达到0.05MPa负压力,调节功率为4.5kw,温度控制在650℃,使金属Mg熔化,然后调节功率至25kw,温度控制在1000℃,使金属镍及镧熔化。金属熔化完毕,在熔融条件下保持5分钟,最后将熔液浇入锭模,在注入锭模时,将功率调节到8.2kw。在氦气保护气氛下冷却20分钟后出炉。
将铸态合金棒材约100g放入直径为30mm、底部具有狭缝的石英管中,狭缝的尺寸为0.05mm×20mm;用245千赫兹的射频加热至熔融,在氦气氛保护下,加热功率为1-15kW;在氦气压力为1.05atm下将熔融合金喷射到表面线速度为25m/s的水冷铜辊表面上,获得长度为大于10m,厚度约为29μm,宽度为20mm均一的薄带;然后分析其非晶带材的化学成分,XRD测试结果表明合金具有非晶结构,结果见图1;测试了合金的电化学容量及循环稳定性,结果如表1。
实施例7:制备组成为:Mg16La4Ni8Zr2的Mg2Ni型贮氢合金非晶态带材;称取金属镁267.9g,金属镍294.1g,金属镧365.4g,金属锆114.2g,置于设制中频感应炉的氧化镁坩埚中,然后盖好炉盖,抽真空至真空度5×10-3Pa以上,再充入氦气保护气体至气压达到0.04MPa负压力,调节功率为4.5kw,温度控制在650℃,使金属Mg熔化,然后调节功率至25kw,温度控制在1000℃,使金属镍及镧熔化。金属熔化完毕,在熔融条件下保持5分钟,最后将熔液浇入锭模,在注入锭模时,将功率调节到8.2kw。在氦气保护气氛下冷却20分钟后出炉。
将铸态合金棒材约100g放入直径为30mm、底部具有狭缝的石英管中,狭缝的尺寸为0.05mm×20mm;用245千赫兹的射频加热至熔融,在氦气氛保护下,加热功率为1-15kW;在氦气压力为1.05atm下将熔融合金喷射到表面线速度为20m/s的水冷铜辊表面上,获得长度为大于10m,厚度为34μm,宽度为20mm均一的薄带;然后分析其非晶带材的化学成分,XRD测试结果表明合金具有非晶结构,结果见图1;测试了合金的电化学容量及循环稳定性,结果如表1。
实施例8:制备组成为:Mg19.5La0.5Ni9Zr1的Mg2Ni型贮氢合金非晶态带材;称取金属镁448.3g,金属镍454.3g,金属镧62.7g,金属锆78.4g,置于设制中频感应炉的氧化镁坩埚中,然后盖好炉盖,抽真空至真空度4.8×10-3Pa以上,再充入氦气保护气体至气压达到0.03MPa负压力,调节功率为4.5kw,温度控制在650℃,使金属Mg熔化,然后调节功率至25kw,温度控制在1000℃,使金属镍及镧熔化。金属熔化完毕,在熔融条件下保持5分钟,最后将熔液浇入锭模,在注入锭模时,将功率调节到8.2kw。在氦气保护气氛下冷却20分钟后出炉。
将铸态合金棒材约100g放入直径为30mm、底部具有狭缝的石英管中,狭缝的尺寸为0.05mm×25mm;用245千赫兹的射频加热至熔融,在氦气氛保护下,加热功率为1-15kW;在氦气压力为1.05atm下将熔融合金喷射到表面线速度为25m/s的水冷铜辊表面上,获得长度为大于10m,厚度为32μm,宽度为20mm均一的薄带;然后分析其非晶带材的化学成分,XRD测试结果表明合金具有非晶结构,结果见图1;测试了合金的电化学容量及循环稳定性,结果如表1。
实施例9:制备组成为:Mg10La10Ni7Zr3的Mg2Ni型贮氢合金非晶态带材;称取金属镁115.4g,金属镍177.3g,金属镧629.5g,金属锆118.1g,置于设制中频感应炉的氧化镁坩埚中,然后盖好炉盖,抽真空至真空度4.8×10-3Pa以上,再充入氦气保护气体至气压达到0.05MPa负压力,调节功率为4.5kw,温度控制在650℃,使金属Mg熔化,然后调节功率至25kw,温度控制在1000℃,使金属镍及镧熔化。金属熔化完毕,在熔融条件下保持5分钟,最后将熔液浇入锭模,在注入锭模时,将功率调节到8.2kw。在氦气保护气氛下冷却20分钟后出炉。
将铸态合金棒材约100g放入直径为30mm、底部具有狭缝的石英管中,狭缝的尺寸为0.05mm×10mm;用245千赫兹的射频加热至熔融,在氦气氛保护下,加热功率为1-15kW;在氦气压力为1.05atm下将熔融合金喷射到表面线速度为30m/s的水冷铜辊表面上,获得长度为大于10m,厚度为30μm,宽度为10mm均一的薄带;然后分析其非晶带材的化学成分,XRD测试结果表明合金具有非晶结构,结果见图1;测试了合金的电化学容量及循环稳定性,结果如表1。
实施例10:制备组成为:Mg12La8Ni5Zr5的Mg2Ni型贮氢合金非晶态带材;称取金属镁149g,金属镍136.3g,金属镧542.1g,金属锆211.9g,置于设制中频感应炉的氧化镁坩埚中,然后盖好炉盖,抽真空至真空度5×10-3Pa以上,再充入氦气保护气体至气压达到0.05MPa负压力,调节功率为4.5kw,温度控制在650℃,使金属Mg熔化,然后调节功率至25kw,温度控制在1000℃,使金属镍及镧熔化。金属熔化完毕,在熔融条件下保持5分钟,最后将熔液浇入锭模,在注入锭模时,将功率调节到8.2kw。在氦气保护气氛下冷却20分钟后出炉。
将铸态合金棒材约100g放入直径为30mm、底部具有狭缝的石英管中,狭缝的尺寸为0.05mm×25mm;用245千赫兹的射频加热至熔融,在氦气氛保护下,加热功率为1-15kW;在氦气压力为1.05atm下将熔融合金喷射到表面线速度为20m/s的水冷铜辊表面上,获得长度为大于10m,厚度为26μm,宽度为20mm均一的薄带;然后分析其非晶带材的化学成分,XRD测试结果表明合金具有非晶结构,结果见图1;测试了合金的电化学容量及循环稳定性,结果如表1。
表1不同成分Mg2Ni贮氢合金的电化学贮氢容量及循环稳定性
(*Journal of Power Sources 87(2000)118-124)C60,max-当充放电流密度为60mA/g时,合金的最大放电容量(mAh/g);S50/100=C100,50/C100,max×100%,其中C100,50为充放电流密度为100mA/g,第50次循环时的放电容量;C100,max为充放电流密度为100mA/g时的最大放电容量。
应用本发明制备的连续均匀带材满足了制备“三明治式叠片电极”的要求,在电化学性能方面,比机械合金化法制备的成分相近的材料具有更优良的电化学性能,特别是合金的吸氢动力学性能及循环稳定性显著提高。

Claims (4)

1.一种高容量Mg2Ni型贮氢合金非晶带材,其特征在于该非晶带材的化学式为Mg20-xLaxNi10-yZry,其式中:0.5≤x≤10,0≤y≤5。
2.一种高容量Mg2Ni型贮氢合金非晶带材的制备方法,其特征在于,该方法具体步骤为:(1)按化学式Mg20-xLaxNi10-yZry称料;其式中:0.5≤x≤10,0≤y≤5;(2)将称好的原材料加热至熔融,得到Mg20-xLaxNi10-yZry合金,其加热温度为1000-1500℃,熔融环境为1×10-2到5×10-3Pa的真空度,或0.01到0.1Mpa负压力的氦气保护气体,在熔融条件下保持1-5分钟;然后将融化的合金浇注到水冷铜模中,获得铸态母合金铸锭;(3)快淬喷带技术:将上述步骤(2)制备的铸锭置于底部具有狭缝的石英管内,再次加热到熔融状态,利用保护气体氦气的压力将其从石英管狭缝喷出,连续喷射在以20-40m/s线速率旋转的铜辊的光滑表面上,在氦气保护气氛中采用5-2000℃/s的冷速冷却至室温,形成厚度在20-35μm之间,宽度在1-20mm之间的Mg2Ni型贮氢合金快淬薄带。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:步骤(2)中所述的加热方式包括:电弧熔炼或感应加热熔炼。
4.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:步骤(3)中所述的快淬加热方式包括:用50-245KHz的射频加热或电阻加热。
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