CN1528939A - 系列RE-Mg-Ni三元或三元以上体系储氢合金及其非晶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明介绍了用稀土粉、镁粉、镍粉为主要原料制备系列RE-Mg-Ni三元或三元以上体系储氢合金及其非晶的方法,制备方法是将原料按比例混合后,先进行适当球磨以使原料的颗粒细化和均匀混合,然后混合粉压制成块状样,在石英管内充氩气封装经升温、恒温再快速冷却至室温,制得所需合金,然后将制得的RE-Mg-Ni三元或三元以上体系储氢合金在氩气保护下进行,球磨制得REMgNi4非晶合金,利用本方法还可制备出含有添加元素(Ti,Co,Mn,V,Cr,A1,Cu,Fe等)的以RE-Mg-Ni为主组元的三元以上体系的合金及其非晶,该制备方法工序简单,易于操作,无需特殊设备和条件,可制备出具有潜在应用前景的高性能储氢材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种以稀土RE(RE=La,Ce,Pr,Nd,Y)、镁粉和镍粉为主要原料,制备系列RE-Mg-Ni三元或三元以上体系储氢合金及其非晶的方法。
背景技术
储氢合金是二十世纪60年代中期发展起来的一种安全、经济而有效的固态储氢方法,储氢合金氢化时吸收氢,氢化物分解时释放出氢。储氢合金不仅具有储氢特性,而且具有将化学能与热能或机械能相互转化的机能,从而能实现热能的化学储存与运送。它的应用范围涉及到太阳能、风能等的储存与转化,高容量充电电池,燃料电池,催化剂,余热、废热利用与再发电,机器人动力及制动器、真空绝热及吸气剂、高性能杜瓦瓶及液氢储罐等,其中很多涉及宇航和国防部门。因此,储氢合金的研究一直受到人们的高度重视。目前正在开发的储氢合金主要有以下系列:1)镁系合金,其中Mg2Ni型储氢合金研究最多,其理论储氢量达3.6%,不足之处是氢吸放动力学性能差(吸放氢温度较高,在250℃以上,反应速度慢,氢化困难),其二是抗腐蚀能力差,特别是作为阴极储氢合金材料;2)稀土系合金,以LaNi5为代表,开发出了两类混合稀土的AB5型合金,一类是采用富铈的混合稀土(Mm),另一类是采用富镧的混合稀土(MB),该类储氢合金已大规模商业化应用在金属氢化物-镍氢电池上;3)钛系和锆系合金,钛、锆系合金有AB和AB2型两类金属间化合物。AB型Ti-Fe系是开发最早的钛系合金,Ti-Fe系的最大特点是价格便宜,储氢量大,氢分解压在室温附近只有几个大气压,很合乎实用要求,但活化困难和易于中毒限制了它的实际应用;锆系AB2型合金(例如ZrMn2)储氢量大一般比AB5型合金大,平衡分解压较低,但因易形成稳定的氢化物,使其放氢性差。在上述各类型的储氢合金中,镁系储氢合金的储氢容量最大。如用作电池材料,Mg2Ni储氢合金电极的理论容量为999mAh.g-1,是LaNi5储氢合金容量的2.7倍,且原料来源广泛,成本低,是很有开发前景的负极材料。特别是近年来机械合金化(MA)和非晶制备方法的采用,镁系储氢合金成为储氢材料研究和开发的热点之一。这是因为MA在镁基储氢合金的微结构中引入了大量的缺陷,甚至形成了纳米晶和非晶,这通常使镁系合金的吸放氢性能得到显著的提高。如薛建设等人利用固态扩散法和机械球磨法制备出Mg2Ni合金,室温在KOH电解液中进行电极性能测试,在200mA.g-1的放电电流密度下循环充放电50次,容量仍保持200mAh.g-1以上。本发明人多年从事镁系储氢合金的研究和开发,通过大量的试验研究和分析对比,研制出系列RE-Mg-Ni三元或以上体系的储氢合金材料。我们采用模拟电池法测试了该类合金的电极性能。测试结果表明,同Mg2Ni型储氢合金相比,该类储氢合金的放电容量大致相当(大于400mAh/g),但其电极循环性能得到明显改善,开发研究具有潜在的应用前景。目前国外与之相关的研究报道甚少,而国内还未查阅到相应的研究报道。
技术内容
本发明人经过研究和试验,成功地得到了一种工序简单、易操作的制备Re-Mg-Ni三元或以上体系合金及其非晶的方法。
本发明的系列RE-Mg-Ni三元或以上体系合金材料的成分和质量含量如下:
稀土RE 25~36%
镁粉Mg 5~10%
镍粉Ni 56~69%
以上所述的RE-Mg-Ni三元体系中的稀土元素RE,在La,Ce,Pr,Nd,Y中选取,可以选择一种或多种,其中一种为主要稀土元素,其余为添加元素,添加元素的质量含量为0-5%;
以上所述的RE-Mg-Ni三元体系中可以将部分元素替代Ni,替代Ni的元素在Ti,Co,Mn,V,Cr,Al,Cu,Fe中选取,替代量为0~15%;
以上所述的RE-Mg-Ni三元体系中可以将部分元素替代Mg,替代Mg的元素在Al,Co,Ti,Si,Sn中选取,替代量为0~0.5%;
以上所述的制备系列新型RE-Mg-Ni三元或三元以上体系储氢合金的方法,是将原料按比例混合后,先进行球磨使原料的颗粒细化和均匀混合,然后混合粉压制成块状样,在石英管内充氩气封装。烧结条件为:653K~683K,2h→853K~913K,2h→973K~993K,2h。,升温、恒温结束后快速冷却至室温,即制得所需合金。该制备方法大致由配料—球磨混合—压样—封装—烧结工序构成。
系列RE-Mg-Ni三元或以上体系的非晶合金的制备:
制得系列RE-Mg-Ni三元或以上体系的合金后,利用高能球磨法可进一步制得相应的非晶合金。制备工艺如下:球料比15~25∶1,转速250~400r/min,不锈钢球磨罐和不锈钢磨球,轮换正负反转,如每30分钟正负反转一次,球磨过程在氩气保护下进行,球磨25-80小时可制得REMgNi4非晶合金。
以上所述的制备系列新型RE-Mg-Ni三元或三元以上体系非晶合金的方法,是高能球磨的工艺参数。
以下再叙述RE-Mg-Ni三元或以上体系合金的详细制备工艺如下:
1.1原料混合过程
根据原料配比混合稀土RE、镁粉和镍粉,原料纯度大于99.8%。混合粉进一步球磨处理,球磨的目的是使颗粒细化,各种原料能够达到充分的均匀混合,保证后续过程的顺利进行。球磨过程需在氩气保护下进行,球磨4-10小时,以不粘球磨罐壁和磨球为宜。长时间的球磨会引起配料的部分损失,再者考虑到后续烧结过程中镁易在高温下挥发而导致镁量的减少,预配料时镁粉宜追加计算量的5-10%。
1.2混合粉压制和封装
烧结前,经球磨已均匀混合的原料粉需要压制和封装处理。原料粉压制在液压机上进行,粉末压制成块状样。压制好的样品封装于石英管内,并充入气压为0.03~0.06Mpa的氩气。充入氩气的作用有二:1)氩气充当保护气体,避免高温下原料粉与氧的直接作用;2)同真空状态相比,石英管内一定量的氩气存在,可有效降低高温烧结时镁的挥发。
1.3烧结处理
该过程是制备的关键。封装于石英管的样品放入箱式电阻炉内进行烧结处理,测温精度为±2℃。烧结过程可分为三个阶段,具体表示如下:653K~683K,2h→853K~913K,2h→973K→993K,2h。即由低温升至高温,各个温度下恒温2小时,升温、恒温结束后快速冷至室温,即制得所需合金材料。
基于各温度下样品的X衍射分析结果。我们大致认为,所需合金的相和结构的形成是与烧结温度密切相关的,这极有可能是与固态扩散反应进行所需一定的原子扩散速率有关。烧结温度较低时,易形成中间过渡相,而随烧结温度的提高,原子扩散速率增大,中间过渡相可进一步转化为所需的合金相。
本发明制备系列RE-Mg-Ni三元或以上体系的合金及其非晶合金。无需特殊的条件和专用设备,按比例混合好原料后,经过球磨均匀、压样、封装、烧结处理步骤,可获得所需的类型和相结构的储氢合金及其非晶。
本发明的突出特点在于:
1.系列RE-Mg-Ni合金属于新型的三元体系或多组元的镁基储氢合金,其制备和性能研究的报道国内外甚少,国内未检索到相应的制备文献和专利。
2.本发明提供了一种工序简单、易于操作的制备系列RE-Mg-Ni三元或以上体系的合金及其非晶合金的制备方法。
3.以RE-Mg-Ni三元体系合金及其非晶合金的制备为基础,通过添加元素少量部分替换三元体系中的三个组成元素,利用本发明提供的制备方法也可制备出以RE-Mg-Ni为基的多组元体系合金。RE-Mg-Ni三组元可同时或部分地被不同的添加元素替换。
4.样品的X衍射分析结果表明,通过原料成分的不同配比,可控制所形成合金的相及其相构成,该制备方法可制得单相合金,也可制得有一主组成相的两相或两相以上的多相合金。
5.模拟电池测试结果表明,同Mg2Ni型储氢合金和LaNi5型储氢合金相比,该系列RE-Mg-Ni三元或以上体系的非晶合金具有较高放电容量(400mAh/g以上)和好的电极循环性能。具有潜在的应用开发价值。
以下是本发明的实施例:
实施例1
按质量比分别为稀土Nd(35.6%),镁粉(6.4%),镍粉(58.0%)配比混合粉共计10g,装入不锈钢球磨罐内,球料比为10∶1,大、中、小磨球合理搭配,磨球共计中100g,球磨机转速200r/min,球磨过程在氩气保护下进行,每30分钟正负反转,球磨6小时后取出压制成块状样,块状样规格为:28×6×6mm,压力55~60千牛力。块状样在氩气保护下封装于石英管内,管内氩气压强为0.04~0.05Mpa。封装样品的石英管放入电阻炉内烧结处理,烧结工序为:673K,2h→873K,2h→973K,2h。由低温升至高温,各个温度下恒温2小时,升温、恒温结束后快速冷至室温,可制得单相的Nd-Mg-Ni三元体系合金。
实施例2
将实施例1中制得的单相NdMgNi4合金进行高能球磨磨处理,可制得NdMgNi4非晶合金。高能球磨的工艺如下:称取单相NdMgNi4合金7g,并机械破碎至粒径为2~5mm,球料比25∶1,不锈钢磨球重175g,大、中、小磨球合理搭配。磨球和粉料装入不锈钢球罐内,并充入氩气保护,球磨机转速为400r/min,每30分钟正负反转,高能球磨50小时可制得单相的Nd-Mg-Ni三元体系非晶合金。
实施例3
按质量比分别为稀土La(34.85%),镁粉(6.54%),镍粉(56.92%),钛粉(2.00%)配比混合粉共计10g,球料比为10∶1,大、中、小磨球合理搭配,磨球共计中100g,球磨机转速200r/min,球磨过程在氩气保护下进行,每30分钟正负反转,球磨6小时后取出压制成块状样,块状样规格为:28×6×6mm,压力55~60千牛力。块状样在氩气保护下封装于石英管内,管内氩气压强为0.04~0.05Mpa。封装样品的石英管放入电阻炉内烧结处理,烧结工序为:683K,2h→883K,2h→983K,2h。由低温升至高温,各个温度下恒温2小时,升温、恒温结束后快速冷至室温,可制得以La-Mg-Ni为主组元的四元体系的单相合金。
实施例4
按质量比分别为稀土Ce(25%),镁粉(7%),铝粉(1.0%)铜粉(2.0%),其余为镍粉,配比混合粉共计10g,球料比为10∶1,大、中、小磨球合理搭配,磨球共计中100g,球磨机转速200r/min,球磨过程在氩气保护下进行,每30分钟正负反转,球磨6小时后取出压制成块状样,块状样规格为:28×6×6mm,压力55~60千牛力。块状样在氩气保护下封装于石英管内,管内氩气压强为0.04~0.05Mpa。封装样品的石英管放入电阻炉内烧结处理,烧结工序为:683K,2h→883K,2h→983K,2h。由低温升至高温,各个温度下恒温2小时,升温、恒温结束后快速冷至室温,可制得以Ce-Mg-Ni为主组元的体系的单相合金。然后再按实施例2的方法制备非晶合金。
实施例5
按质量比分别为稀土Y(30%),La(3.0%),镁粉(10%),铁粉(1.5%),钴粉(3.0%),其余为镍粉,配比混合粉共计10g,球料比为10∶1,大、中、小磨球合理搭配,磨球共计中100g,球磨机转速200r/min,球磨过程在氩气保护下进行,每30分钟正负反转,球磨6小时后取出压制成块状样,块状样规格为:28×6×6mm,压力55~60千牛力。块状样在氩气保护下封装于石英管内,管内氩气压强为0.04~0.05Mpa。封装样品的石英管放入电阻炉内烧结处理,烧结工序为:683K,2h→883K,2h→983K,2h。由低温升至高温,各个温度下恒温2小时,升温、恒温结束后快速冷至室温,可制得以Y-Mg-Ni为主组元的体系的单相合金。然后再按实施例2的方法制备非晶合金。
实施例6
按质量比分别为稀土Pr(32%),Nd(3.0%),镁粉(9%),铁粉(1.5%),钴粉(3.0%),其余为镍粉,配比混合粉共计10g,球料比为10∶1,大、中、小磨球合理搭配,磨球共计中100g,球磨机转速200r/min,球磨过程在氩气保护下进行,每30分钟正负反转,球磨6小时后取出压制成块状样,块状样规格为:28×6×6mm,压力55~60千牛力。块状样在氩气保护下封装于石英管内,管内氩气压强为0.04~0.05Mpa。封装样品的石英管放入电阻炉内烧结处理,烧结工序为:683K,2h→883K,2h→983K,2h。由低温升至高温,各个温度下恒温2小时,升温、恒温结束后快速冷至室温,可制得以Pr-Mg-Ni为主组元的体系的单相合金。然后再按实施例2的方法制备非晶合金。
实施例7
按质量比分别为稀土La(27%),Y(4.0%),镁粉(6.5%),铬粉(1.5%),钒(3.0%),其余为镍粉,配比混合粉共计10g,球料比为10∶1,大、中、小磨球合理搭配,磨球共计中100g,球磨机转速200r/min,球磨过程在氩气保护下进行,每30分钟正负反转,球磨6小时后取出压制成块状样,块状样规格为:28×6×6mm,压力55~60千牛力。块状样在氩气保护下封装于石英管内,管内氩气压强为0.04~0.05Mpa。封装样品的石英管放入电阻炉内烧结处理,烧结工序为:683K,2h→883K,2h→983K,2h。由低温升至高温,各个温度下恒温2小时,升温、恒温结束后快速冷至室温,可制得以Pr-Mg-Ni为主组元的体系的单相合金。然后再按实施例2的方法制备非晶合金。
实施例8
按质量比分别为稀土La(27%),Y(4.0%),镁粉(6.5%),Sn(2.0%),Mn(3.0%),其余为镍粉,配比混合粉共计10g,球料比为10∶1,大、中、小磨球合理搭配,磨球共计中100g,球磨机转速200r/min,球磨过程在氩气保护下进行,每30分钟正负反转,球磨6小时后取出压制成块状样,块状样规格为:28×6×6mm,压力55~60千牛力。块状样在氩气保护下封装于石英管内,管内氩气压强为0.04~0.05Mpa。封装样品的石英管放入电阻炉内烧结处理,烧结工序为:683K,2h→883K,2h→983K,2h。由低温升至高温,各个温度下恒温2小时,升温、恒温结束后快速冷至室温,可制得以Pr-Mg-Ni为主组元的体系的单相合金。然后再按实施例2的方法制备非晶合金。
Claims (6)
1、一种RE-Mg-Ni三元或三元以上体系储氢合金及其非晶合金,其特征在于:体系合金材料的成分和质量含量如下:
稀土RE 25~36%
镁粉Mg 5~10%
镍粉Ni 56~69%
2、根据权利要求1所述的合金,其特征在于:所述的RE-Mg-Ni三元体系中的稀土元素Re,在La,Ce,Pr,Nd,Y中选取,其中一种为主要稀土元素,其余为添加元素。
3、根据权利要求1所述的合金,其特征在于:所述的RE-Mg-Ni三元体系中可以将部分元素替代Ni,替代Ni的元素在Ti,Co,Mn,V,Cr,Al,Cu,Fe中选取,替代量为0~15%。
4、根据权利要求1所述的合金,其特征在于:所述的RE-Mg-Ni三元体系中可以将部分元素替代Mg,替代Mg的元素在Al,Co,Ti,Si,Sn中选取,替代量为0~0.5%。
5、一种如权利要求1所述的RE-Mg-Ni三元或三元以上体系储氢合金的制备方法,其特征在于:是将原料按比例混合后,先进行适当球磨以使原料的颗粒细化和均匀混合,然后混合粉压制成块状样,在石英管内充氩气封装。烧结条件为:653K~683K,2h→853K~913K,2h→973K~993K,2h,升温、恒温结束后快速冷却至室温,制得所需合金。
6、一种如权利要求1所述的REe-Mg-Ni三元或三元以上体系非晶合金的制备方法,其特征在于:将制得的RE-Mg-Ni三元或三元以上体系储氢合金按球料比15~25∶1,转速250~400r/min,不锈钢球磨罐和不锈钢磨球,轮换正负反转,球磨过程在氩气保护下进行,球磨25~80小时可制得REMgNi4非晶合金。
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