鎳氫電池負極貯氫合金的研究進展

同艷維 錢英強 陳志杰

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

【關(guān)鍵詞】鎳氫電池 負極材料 貯氫合金 電化學性能

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自行車、電動汽車及混合電動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，鎳氫電池的負極材料就成了人們研究鎳氫電池的首選目標，而貯氫合金是作為鎳氫電池負極的主要材料，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。釩基固溶體合金因為具bcc結(jié)構(gòu)，所以它們的理論儲氫量十分高，理論上可以高達3.8wt%的理論儲氫量，但是，雖然其理論儲氫量很高，但是目前技術(shù)還不夠發(fā)達，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%的儲氫量要高許多。目前關(guān)于鎳氫電池負極材料的研究越來越多，并取得了一定的成果。

1貯氫合金發(fā)展狀況

在19世界70年代中期，科學家Thomas Graham首次嘗試用金屬鈀進行貯氫實驗，貯氫合金在世界上首次誕生也由此而來。經(jīng)過了一百多年的歷程，全世界各國對貯氫合金的研究得到了飛快發(fā)展，取得不斷進步，截至目前，已經(jīng)被開發(fā)出來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?？斓臄U散速度，而且在抗粉化方面的性能也很好等優(yōu)點。因此，V基固溶體貯氫合金對于人們來說擁有非常巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2鎳氫電池負極貯氫合金基本特性

在19世界70年代中期，科學家Thomas Graham首次嘗試用金屬鈀進行貯氫實驗，貯氫合金在世界上首次誕生也由此而來。經(jīng)過了一百多年的歷程，全世界各國對貯氫合金的研究得到了飛快發(fā)展，取得不斷進步，截至目前，已經(jīng)被開發(fā)出來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散速度，而且在抗粉化方面的性能也很好等優(yōu)點。于是經(jīng)過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于人們來說擁有非常巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3鎳氫電池負極貯氫合金種類

AB。系列稀土貯氫合會生物立體結(jié)構(gòu)是如同CaCu5樣式的一種六方結(jié)構(gòu)，最常見經(jīng)典的是LaNi5貯氫合金。LaNi5貯氫合金的主要特點是電化學貯氫容量比較大、有良好的吸放氫動力學性能等，但合金吸收氫后會導致自身晶胞體積膨脹變得比較大，在充放電循環(huán)的時候，其容量衰減嚴重。不太適合當做鎳氫電池的負極材料。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并進行實驗，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極材料。

ABz系列Laves相是拓撲結(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)勢是有很強的抗腐蝕能力和放電容量很高。美國的Ovonic公司是第一個開發(fā)的ABz系列合金，而且他們公司發(fā)明了放電容量能夠達到350～400mA·h·g-1的Ti-zr-V-Ni-cr合金，該合金具有一個很好的應(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AB2合金存在的一些缺陷，但是與應(yīng)用在實際生活中的AB5系列稀土貯氫合金對比起來仍然還有很大的進步空間。

V能夠和Ti、cr等形成的固溶體在吸氫的時候會反應(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產(chǎn)生兩個分別相對應(yīng)的壓力平臺。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型氫化物由于過于穩(wěn)定而無法被人們利用，但是就高平臺而言，從與之相對的MH2→MH+H吸放氫特性來看，合金的可逆貯氫量能夠達到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、無污染及高倍率性能等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用，但是作為鎳氫電池負極的貯氫合金在電池充放電過程中還存在一些問題，后期研究的重點是提高電池的循環(huán)壽命及動力學性能。