CN110265655B - 镍氢动力电池用高性能低成本储氢合金粉及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种镍氢动力电池用高性能低成本储氢合金粉，其组成成分包括La、Ce、Y、Ni、Co、Mn和Al，其中La的质量占比为25％～27％，Ce的质量占比为4.5％～6.5％，Y的质量占比为0.1％～1％，Ni的质量占比为58％～60％，Co的质量占比为2％～3％，Mn的质量占比为4％～6％，Al的质量占比为1.5％～2％。还提供本发明镍氢动力电池用高性能低成本储氢合金粉的制备方法。本发明的镍氢动力电池用高性能低成本储氢合金粉，不含Pr、Nd元素，且Co含量也较低，其制备方法优良可行，使用其制作的镍氢动力电池在满足高功率大电流放电、长寿命需求的同时，降低镍氢动力电池的成本，从而提高镍氢动力电池的市场竞争力。

Description

镍氢动力电池用高性能低成本储氢合金粉及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种镍氢动力电池用高性能低成本储氢合金粉及其制备方法。
背景技术
镍氢电池以其有较高比容量，可快速充电、耐过充、无污染循环寿命长等优点在移动电话、笔记本电脑、电动汽车等领域得到广泛的应用。尤其是作为动力电池的使用在日本丰田及国内吉利等公司的混合动力车上已经广泛的使用。随着稀土价格的持续升高，尤其是镨、钕金属的大幅度提高，给镍氢动力电池的生产成本带来了极大的压力。目前现有储氢合金粉多为含镨、钕型，其成本相对较高。故研究无镨钕型镍氢动力电池用低成本储氢合金粉为目前的研究方向之一。
发明内容
本发明旨在提供一种成本较低、PCT平台压合理、性能较高的镍氢动力电池用高性能低成本储氢合金粉，同时还提供本发明镍氢动力电池用高性能低成本储氢合金粉的制备方法。
本发明通过以下方案实现：
一种镍氢动力电池用高性能低成本储氢合金粉，其组成成分包括镧La、铈Ce、钇Y、镍Ni、钴Co、锰Mn和铝Al，其中La的质量占比为25％～27％，Ce的质量占比为4.5％～6.5％，Y的质量占比为0.1％～1％，Ni的质量占比为58％～60％，Co的质量占比为2％～3％，Mn的质量占比为4％～6％，Al的质量占比为1.5％～2％。
进一步地，所述组成成分中的La、Ce和Y规定为A侧元素，所述组成成分中的Ni、Co、Mn和Al规定为B侧元素，B侧元素的摩尔总数与A侧元素的摩尔总数的比值为5.26～5.35。
一种如上所述的镍氢动力电池用高性能低成本储氢合金粉的制备方法，具体按以下步骤进行：
(1)按组成成分中各金属元素的质量占比称取各金属原料，将称好的原料按底层为镍金属、中下层为钴和锰金属、中上层为镧、铈和钇金属、顶层为铝金属的方式顺序放入铸片式真空熔炼炉的坩埚中；
(2)将真空熔炼炉抽真空至≤3Pa，使用低频加热功率提高真空熔炼炉温度至150～300℃，之后持续抽真空一定时间，直至去除原料中的杂质及水汽；持续抽真空时间一般控制为20～30min即可；
(3)真空熔炼炉停止加热，往真空熔炼炉内充入氩气，直至真空熔炼炉内压力为30～40KPa，之后分三阶段加热进行原料熔化，第一阶段调节真空熔炼炉的功率为额定功率的20％～30％，直至原料开始缓慢熔化，第二阶段调节真空熔炼炉的功率为额定功率的50％～60％，直至原料完全熔化形成熔体，第三阶段调节真空熔炼炉的功率为额定功率的80％～90％，直至真空熔炼炉温度提高至1300～1400℃，之后粗抽真空直至真空熔炼炉内压力为4～5KPa，以除去真空熔炼炉内部的杂质气体；
(4)真空熔炼炉停止加热，再次往真空熔炼炉内充入氩气，直至真空熔炼炉内压力为30～40KPa，通过调节真空熔炼炉的功率为额定功率的80％～90％以提高真空熔炼炉温度至1450～1500℃，之后将熔体浇铸水冷甩带成型为0.28～0.35mm厚度的合金薄片；水冷辊即为循环水冷保护的旋转铜辊；
(5)将合金薄片在充有保护气体且温度为1010～1050℃的条件下热处理保温5～7h，合金薄片在冷却后经冲击磨制粉，制成的粉经过筛后制得平均粒径为40～50μm的储氢合金粉。
所述步骤(5)中，保护气体为氮气、惰性气体中的一种，所述惰性气体为氦气、氩气中的一种。
本发明的镍氢动力电池用高性能低成本储氢合金粉，不含Pr、Nd元素，且Co含量也较低，其成本较低，PCT平台压、c轴长均较为合理，性能较高，可在满足镍氢动力电池的高功率大电流放电、长寿命的需求的同时，降低镍氢动力电池的成本，从而提高镍氢动力电池的市场竞争力。本发明的镍氢动力电池用高性能低成本储氢合金粉的制备方法，工艺优良可行。
附图说明
图1为实施例1中镍氢动力电池用高性能低成本储氢合金粉的PCT曲线图；
图2为本发明实例中Mn含量对储氢合金粉c轴长的影响曲线图；
图3为本发明实例中Mn含量对储氢合金粉平衡氢压的影响曲线图；
图4为本发明实例中B/A值对储氢合金粉c轴长的影响曲线图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于实施例之表述。
实施例1～15中的镍氢动力电池用高性能低成本储氢合金粉，其组成成分中各金属元素的质量含量如表1所示。
表1
Figure BDA0002109202100000041
实施例1～15中的镍氢动力电池用高性能低成本储氢合金粉，具体按以下步骤制备得到：
(1)分别按表1中各实施例中的组成成分中各金属元素的质量占比称取各金属原料，将称好的原料按底层为镍金属、中下层为钴和锰金属、中上层为镧、铈和钇金属、顶层为铝金属的方式顺序放入铸片式真空熔炼炉的坩埚中；
(2)将真空熔炼炉抽真空至≤3Pa，使用低频加热功率提高真空熔炼炉温度至150～300℃，之后持续抽真空20～30min，去除原料中的杂质及水汽；
(3)真空熔炼炉停止加热，往真空熔炼炉内充入氩气，直至真空熔炼炉内压力为30～40KPa，之后分三阶段加热进行原料熔化，第一阶段调节真空熔炼炉的功率为额定功率的20％～30％，直至原料开始缓慢熔化，第二阶段调节真空熔炼炉的功率为额定功率的50％～60％，直至原料完全熔化形成熔体，第三阶段调节真空熔炼炉的功率为额定功率的80％～90％，直至真空熔炼炉温度提高至1300～1400℃，之后粗抽真空直至真空熔炼炉内压力为4～5KPa，以除去真空熔炼炉内部的杂质气体；
(4)真空熔炼炉停止加热，再次往真空熔炼炉内充入氩气，直至真空熔炼炉内压力为30～40KPa，通过调节真空熔炼炉的功率为额定功率的80％～90％以提高真空熔炼炉温度至1450～1500℃，之后将熔体浇铸水冷甩带成型为0.28～0.35mm厚度的合金薄片；水冷辊即为循环水冷保护的旋转铜辊；
(5)将合金薄片在充有保护气体且温度为1010～1050℃的条件下热处理保温5～7h，保护气体为氮气、惰性气体中的一种，惰性气体为氦气、氩气中的一种，合金薄片在冷却后经冲击磨制粉，制成的粉经过筛后制得平均粒径为40～50μm的储氢合金粉。
将实施例1～15中的镍氢动力电池用高性能低成本储氢合金粉，采用日本铃木公司生产PCT测试仪，在测试环境为45℃下进行PCT测试，测试结果具体如表1所示，从表1中可知，实施例1～15中的镍氢动力电池用高性能低成本储氢合金粉，其PCT平衡氢压、c轴长都能满足要求。图1为实施例1中镍氢动力电池用高性能低成本储氢合金粉的PCT曲线图，其中“◆”表示吸氢曲线，“■”表示放氢曲线。
将实施例1～15中的镍氢动力电池用高性能低成本储氢合金粉，使用德国布鲁克D8Advance X射线衍射仪进行XRD C轴长测试，测试结果具体如表1所示。图2为实施例1、实施例12、实施例13、实施例14、实施例15中Mn含量对储氢合金粉c轴长的影响曲线图，从图2中可看出，随Mn含量的增加储氢合金粉的c轴长呈上升的趋势。
图3为实施例1、实施例12、实施例13、实施例14、实施例15中Mn含量对储氢合金粉平衡氢压的影响曲线图，从图3中可看出，随Mn含量的增加储氢合金粉的平衡氢压呈下降的趋势。
图4为实施例1、实施例6、实施例7、实施例8、实施例9、实施例10、实施例11、实施例13中B/A值对储氢合金粉c轴长的影响曲线图，从图4中可看出，随B/A值的增加储氢合金粉的c轴长呈上升的趋势。
使用实施例1～15中的镍氢动力电池用高性能低成本储氢合金粉制成镍氢动力电池D8000，将镍氢动力电池D8000按0.2C充12h、0.2C放电至1.0V/10C放电至0.7V进行电性能测试，按1C充72min、1C放电至1.0V进行循环测试至容量为初始容量的80％，其测试结果具体如表2所示。
表2
Figure BDA0002109202100000061
Figure BDA0002109202100000071
从表2中可知，使用实施例1～15中的镍氢动力电池用高性能低成本储氢合金粉制成的镍氢电池D8000，其0.2C放电比容量、10C放电比容量及1C充放循环寿命均能满足动力电池要求，与使用目前现有动力电池用低钴合金粉制成的镍氢电池D8000的0.2C放电比容量(320mAh/g左右)、10C放电比容量(245mAh/g左右)及1C充放循环寿命(345次左右)差不多。

Claims (3)

1.一种镍氢动力电池用高性能低成本储氢合金粉的制备方法，其特征在于：具体按以下步骤进行，
(1)按组成成分中各金属元素的质量占比称取各金属原料，将称好的原料按底层为镍金属、中下层为钴和锰金属、中上层为镧、铈和钇金属、顶层为铝金属的方式顺序放入铸片式真空熔炼炉的坩埚中；组成成分包括La、Ce、Y、Ni、Co、Mn和Al，其中La的质量占比为25％～27％，Ce的质量占比为4.5％～6.5％，Y的质量占比为0.1％～1％，Ni的质量占比为58％～60％，Co的质量占比为2％～3％，Mn的质量占比为4％～6％，Al的质量占比为1.5％～2％；
(2)将真空熔炼炉抽真空至≤3Pa，提高真空熔炼炉温度至150～300℃，之后持续抽真空一定时间，直至去除原料中的杂质及水汽；
(3)真空熔炼炉停止加热，往真空熔炼炉内充入氩气，直至真空熔炼炉内压力为30～40KPa，之后分三阶段加热进行原料熔化，第一阶段调节真空熔炼炉的功率为额定功率的20％～30％，直至原料开始缓慢熔化，第二阶段调节真空熔炼炉的功率为额定功率的50％～60％，直至原料完全熔化形成熔体，第三阶段调节真空熔炼炉的功率为额定功率的80％～90％，直至真空熔炼炉温度提高至1300～1400℃，之后粗抽真空直至真空熔炼炉内压力为4～5KPa；
(4)真空熔炼炉停止加热，再次往真空熔炼炉内充入氩气，直至真空熔炼炉内压力为30～40KPa，提高真空熔炼炉温度至1450～1500℃，之后将熔体浇铸水冷甩带成型为0.28～0.35mm厚度的合金薄片；
(5)将合金薄片在充有保护气体且温度为1010～1050℃的条件下热处理保温5～7h，合金薄片在冷却后经冲击磨制粉，制成的粉经过筛后制得平均粒径为40～50μm的储氢合金粉。
2.如权利要求1所述的镍氢动力电池用高性能低成本储氢合金粉的制备方法，其特征在于：所述组成成分中的La、Ce和Y规定为A侧元素，所述组成成分中的Ni、Co、Mn和Al规定为B侧元素，B侧元素的摩尔总数与A侧元素的摩尔总数的比值为5.26～5.35。
3.如权利要求1或2所述的镍氢动力电池用高性能低成本储氢合金粉的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中，保护气体为氮气、惰性气体中的一种。
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