[发明专利]一种钛铁钇基贮氢材料和中间合金及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于贮氢材料技术领域，特别涉及一种镍氢动力电池用钛铁钇基贮氢材料、中间合金及制备方法。

背景技术

随着风电、水电等清洁能源在电力资源中所占比例的增加，发展新能源汽车，包括纯电动、混合动力和燃料电池汽车，已经成为解决日益严重的环境问题，缓解对石油资源过度依赖的最有效途径。目前，中国已成为第一大新能源汽车市场。据中国汽车工业协会的数据，2015年中国共销售新能源汽车331092辆。然而，与日本、欧美发达国家相比，却只有数量优势，性能及质量还相距甚远。最主要的不足在于动力电池性能落后，主要表现在续航里程短、成本高以及较差的安全性等方面。

目前，国内主要的动力电池有锂离子电池和镍氢电池。虽然锂离子电池所占市场份额较大，但锂资源有限，难以支持持久、全面的新能源汽车发展。频繁出现的起火、爆炸事故，更增加了人们对锂离子电池安全性能的担忧。与之相比，镍氢电池具备极好的大电流充放电能力，更符合新能源汽车对快速充电性能的要求。并且，氢以原子形态贮存于贮氢合金中，其安全性是锂离子电池无法比拟的。

镍氢电池市场份额较低的原因在于现有的贮氢合金贮氢量较低，成本偏高。目前广泛使用的LaNi₅系贮氢合金，贮氢量仅为1.3wt.％左右，使用寿命约为500次。其主要成分为价格较高的稀土元素和镍元素，难以实现成本的大幅降低。因此，提升镍氢电池市场竞争力的重点是研发价格便宜、贮氢量高的新型贮氢合金。钛铁基贮氢合金理论贮氢量高达1.86wt.％，活化后室温下即可可逆的吸放氢。但其作为电极材料时，几乎不放电，主要原因包括：(1)钛铁基贮氢合金的压强-成分-温度(PCT)曲线斜率大，无明显PCT平台。吸放氢工作压力通常高于0.3MPa。而镍氢电池内部压力一般不超过0.1MPa，超过该压力后，会增加电池漏液的风险。贮氢合金电化学容量测试使用的开口三电极或者两电极系统，工作压力也为一个大气压。因此，在密封的镍氢电池以及开口三电极或两电极系统中，氢压达不到钛铁基贮氢合金工作所需的压力，从而导致充放电性能极差；(2)钛铁基贮氢合金表面电荷转移能力极差，电荷不能及时穿过合金表面，导致氢化物形成和分解反应不能迅速进行，从而极大的限制了合金放电能力的发挥；(3)钛铁基合金中的钛极易被氧化形成TiO₂，形成一层致密的氧化膜覆盖在合金表面，阻碍了氢原子通过合金表面进入合金体内，也在一定程度上限制了合金的放电能力。基于以上分析，减小PCT曲线平台斜率，降低平台压力至0.1MPa以下，破坏合金表面氧化层以及提高合金表面电荷转移能力是改善钛铁基贮氢合金放电能力的关键。

与其他元素合金化是改善合金贮氢性能的重要方法。在合金中加入Mg、Ni、Zn、Mn、Y等元素，可以减小合金PCT曲线平台斜率。调节添加元素比例，可以降低平台压力到镍氢电池工作所要求的压强范围内。热处理能够消除晶格畸变，增大晶胞体积，从而降低吸放氢平台压力。通过与少量纳米石墨粉混合球磨可以破坏合金表面氧化层，增加合金表面电荷转移能力，极大的改善合金的放电性能。本发明采用真空熔铸+热处理+与纳米石墨粉短时间球磨的工艺制备出具有单一相结构的钛铁钇基贮氢材料，室温下放电容量有极大提高，成本降低为LaNi₅系贮氢合金的三分之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种镍氢动力电池用钛铁钇基贮氢材料和中间合金，使钛铁基贮氢合金室温下放电能力大大改善。

本发明的另一目的在于提供一种镍氢动力电池用钛铁钇基贮氢材料的制备方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种制备钛铁钇基贮氢材料的中间合金，该贮氢材料用于镍氢动力电池，该中间合金的化学式组成为：Ti_0.8-xMg_xY_0.3Fe_1-y-m-nNi_yZn_mMn_n，式中x，y，m，n为原子比，0≤x≤0.2，0≤y≤0.4，0≤m≤0.4，0≤n≤0.4，0≤y+m+n≤0.5，且x+y+m+n≠0。

所述中间合金的成分组成为：Ti_0.65Mg_0.15Y_0.3Fe_0.5Ni_0.3Zn_0.1Mn_0.1。

所述中间合金为纳米晶-非晶结构。