鎳氫電池負(fù)極貯氫合金的研究進(jìn)展

同艷維 錢英強(qiáng) 陳志杰

【摘要】鎳氫電池具有高能量密度、無(wú)記憶效應(yīng)、較長(zhǎng)的循環(huán)壽命及環(huán)境兼容性好等一系列的優(yōu)點(diǎn)，本論文主要分析了鎳氫電池的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)闡述了作為鎳氫電池負(fù)極材料的性能要求，貯貯氫合金的特點(diǎn)及貯氫合金的分類。

【關(guān)鍵詞】鎳氫電池 負(fù)極材料 貯氫合金 電化學(xué)性能

引言：鎳氫電池由于其特殊的性能得到廣泛的應(yīng)用，但是鎳氫電池要作為電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車及混合電動(dòng)車等的電源還是有許多不足的地方，其能量密度和功率密度距離人們對(duì)它的要求還有一段距離。為了能夠改善鎳氫電池的綜合性能，鎳氫電池的負(fù)極材料就成了人們研究鎳氫電池的首選目標(biāo)，而貯氫合金是作為鎳氫電池負(fù)極的主要材料，貯氫合金的發(fā)展到目前為止經(jīng)歷了三代，分別是：第一代LaNi5系，第二代以ZrMn2為代表的鈦鋯系及第三代具有bcc結(jié)構(gòu)的釩基固溶體貯氫合金。釩基固溶體合金因?yàn)榫遙cc結(jié)構(gòu)，所以它們的理論儲(chǔ)氫量十分高，理論上可以高達(dá)3.8wt%的理論儲(chǔ)氫量，但是，雖然其理論儲(chǔ)氫量很高，但是目前技術(shù)還不夠發(fā)達(dá)，能夠利用的僅有1.9wt%左右，仍然要比AB5與ABz型合金1.3wt%和1.8wt%的儲(chǔ)氫量要高許多。目前關(guān)于鎳氫電池負(fù)極材料的研究越來(lái)越多，并取得了一定的成果。

1貯氫合金發(fā)展?fàn)顩r

在19世界70年代中期，科學(xué)家Thomas Graham首次嘗試用金屬鈀進(jìn)行貯氫實(shí)驗(yàn)，貯氫合金在世界上首次誕生也由此而來(lái)。經(jīng)過(guò)了一百多年的歷程，全世界各國(guó)對(duì)貯氫合金的研究得到了飛快發(fā)展，取得不斷進(jìn)步，截至目前，已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)了非常多的貯氫合金不同類型，在各式各樣類型的貯氫合金中，具有bcc結(jié)構(gòu)的釩基系列貯氫合金（bcc固溶體型）吸放氫的條件是最溫和的，并且可以貯存大量的氫能，還能使得氫可以在它的氫化物里擁有非常快的擴(kuò)散速度，而且在抗粉化方面的性能也很好等優(yōu)點(diǎn)。因此，V基固溶體貯氫合金對(duì)于人們來(lái)說(shuō)擁有非常巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2鎳氫電池負(fù)極貯氫合金基本特性

在19世界70年代中期，科學(xué)家Thomas Graham首次嘗試用金屬鈀進(jìn)行貯氫實(shí)驗(yàn)，貯氫合金在世界上首次誕生也由此而來(lái)。經(jīng)過(guò)了一百多年的歷程，全世界各國(guó)對(duì)貯氫合金的研究得到了飛快發(fā)展，取得不斷進(jìn)步，截至目前，已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)了非常多的貯氫合金不同類型，在各式各樣類型的貯氫合金中，具有bcc結(jié)構(gòu)的釩基系列貯氫合金（bcc固溶體型）吸放氫的條件是最溫和的，并且可以貯存大量的氫能，還能使得氫可以在它的氫化物里擁有非常快的擴(kuò)散速度，而且在抗粉化方面的性能也很好等優(yōu)點(diǎn)。于是經(jīng)過(guò)人們的深入研究和發(fā)展使得釩基系列貯氫合金（bce固溶體型）應(yīng)用在氫氣的貯存、深度提純、熱能系統(tǒng)以及二次電池等相關(guān)領(lǐng)域，并且該系列合金能夠與氫發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生兩種氫化物，分別就是VH和VH2，而且氫化物VH2在理論上擁有非常巨大的貯氫量，并且能夠達(dá)到3.8wt%，比LaNi5等系列稀土合金超出了許多。因此，V基固溶體貯氫合金對(duì)于人們來(lái)說(shuō)擁有非常巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3鎳氫電池負(fù)極貯氫合金種類

AB。系列稀土貯氫合會(huì)生物立體結(jié)構(gòu)是如同CaCu5樣式的一種六方結(jié)構(gòu)，最常見(jiàn)經(jīng)典的是LaNi5貯氫合金。LaNi5貯氫合金的主要特點(diǎn)是電化學(xué)貯氫容量比較大、有良好的吸放氫動(dòng)力學(xué)性能等，但合金吸收氫后會(huì)導(dǎo)致自身晶胞體積膨脹變得比較大，在充放電循環(huán)的時(shí)候，其容量衰減嚴(yán)重。不太適合當(dāng)做鎳氫電池的負(fù)極材料。在此之后，人們逐漸使用多元化合金以及混合式稀土合金取代里面的成分Ni并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明合金的循環(huán)使用壽命及它的放電容量明顯得到了提升，現(xiàn)在已慢慢用作鎳氫電池的主要負(fù)極材料。

ABz系列Laves相是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相的一種。合金相基本上是由C14Laves相（呈六方結(jié)構(gòu)）和c15相（呈立方體結(jié)構(gòu)）組合而成，其中最典型的代表是ZrVx、ZrMnz、ZrCrz。ABz系列它的主要優(yōu)勢(shì)是有很強(qiáng)的抗腐蝕能力和放電容量很高。美國(guó)的Ovonic公司是第一個(gè)開(kāi)發(fā)的ABz系列合金，而且他們公司發(fā)明了放電容量能夠達(dá)到350～400mA·h·g-1的Ti-zr-V-Ni-cr合金，該合金具有一個(gè)很好的應(yīng)用前景。但是該系列合金初期活化較困難、高倍率放電能力很差以及合金的原材料成本較貴。多元化合金等方法即使能夠在一定程度上改進(jìn)AB2合金存在的一些缺陷，但是與應(yīng)用在實(shí)際生活中的AB5系列稀土貯氫合金對(duì)比起來(lái)仍然還有很大的進(jìn)步空間。

V能夠和Ti、cr等形成的固溶體在吸氫的時(shí)候會(huì)反應(yīng)產(chǎn)生兩種不同類型的氫化物（MH、MH2），在壓力一濃度一溫度的三線圖上會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)分別相對(duì)應(yīng)的壓力平臺(tái)。V基固溶體貯氫合金的貯氫量是十分巨大的（約3.8wt%），其特性是氣態(tài)吸放氫。根據(jù)研究表明，盡管V基固溶體在氫化反應(yīng)生成的MH型氫化物由于過(guò)于穩(wěn)定而無(wú)法被人們利用，但是就高平臺(tái)而言，從與之相對(duì)的MH2→MH+H吸放氫特性來(lái)看，合金的可逆貯氫量能夠達(dá)到1.9wt%左右，依然高于AB5及AB2系列合金的貯氫量。

結(jié)論：綜上所述，鎳氫電池以其高容量、無(wú)污染及高倍率性能等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，但是作為鎳氫電池負(fù)極的貯氫合金在電池充放電過(guò)程中還存在一些問(wèn)題，后期研究的重點(diǎn)是提高電池的循環(huán)壽命及動(dòng)力學(xué)性能。