[发明专利]用于可再充电电池中的无序金属氢化物合金

说明书

提供结构上和组成上无序的电化学活性合金材料，其具有卓越的容量和循环寿命，以及优异的高倍率放电能力。该合金采用无序A₂B₄+x(AB₅)结构，其中x是1和4之间的数字。结合特制量的电化学活性AB₅二次相材料的此晶体结构产生优异的电化学性质。

相关申请的交叉引用

本申请依赖于2013年6月25日提交的美国专利申请号13/926,093并要求其优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及合金材料和其制造方法。具体而言，本发明涉及能够吸附和解吸氢的金属氢化物合金材料。提供了显现改进的高倍率放电能力的无序金属氢化物合金材料。

发明背景

某些金属氢化物(MH)合金材料能够吸附和解吸氢。这些材料可用作储氢介质和/或可用作燃料电池和包括镍/金属氢化物(Ni/MH)与金属氢化物/空气电池系统的金属氢化物电池的电极材料。

当在MH电池中的阴极和MH阳极之间施加电势时，负极材料(M)通过氢的电化学吸附充电以形成金属氢化物(MH)和电化学放出氢氧离子。一旦放电，储存的氢释放以形成水分子并放出电子。在镍MH电池的正极处发生的反应也是可逆的。大多数MH电池使用氢氧化镍正极。在氢氧化镍正极处发生以下充电和放电反应。

在具有氢氧化镍正极和储氢负极的MH电池中，电极通常被非机织物、毛毡、尼龙或聚丙烯分离器隔开。电解质通常是碱性水性电解质，例如，20至45重量百分比的氢氧化钾。

参考其成员组成元素占据的结晶位点，在MH电池系统中具有效用的MH材料的一个具体分组被称为AB_x类材料。例如，在美国专利5,536,591和美国专利6,210,498中公开了AB_x型材料。这样的材料可以包括但不限于改性的LaNi₅型(AB₅)以及莱夫斯相基的活性材料(AB₂)。为了储存氢，这些材料可逆地形成氢化物。这样的材料利用通用的Ti--Zr--Ni组成，其中至少Ti、Zr和Ni与Cr、Mn、Co、V和Al中的至少一种或多种共同存在。材料是多相材料，其可包含但不限于一种或多种莱夫斯相晶体结构。

这些现有AB₅MH材料承受不足的氢吸附能力，其等同于低的能量密度。这已经使得增加采用这些材料的系统的容量极其困难。另一方面，AB₂合金通常承受高成本和低的高倍率性能。

部分地由于其高容量，基于稀土(RE)镁的AB₃或A₂B₇型MH合金是将作为Ni/MH电池中的负极替换当前使用的AB₅MH合金的有希望的候选物。虽然大多数RE-Mg-Ni MH合金基于作为稀土金属的纯La(La-only)，但最近已经报道了一些纯Nd A₂B₇(AB₃)合金。在这些材料中，AB_3.5化学计量被认为在储存容量、激活、高倍率放电能力(HRD)、荷电保持能力和循环稳定性之间提供最佳整体平衡。一个纯Nd A₂B₇合金的压力-浓度-温度(PCT)等温线在α相处显示了非常尖锐的离源角[K.Young等，Alloys Compd.2010；506：831]，其可以在低的荷电状态条件期间维持相对高的电压。与可商业获得的AB₅MH合金相比，纯Nd A₂B₇在60℃储存期间展现了更高的正极利用率和更小的电阻增加，但是也在循环期间承受更高的容量衰减[K.Young等，Int.J.Hydrogen Energy，2012；37：9882]。已知的A₂B₇合金的另一个问题是相对于现有AB₅合金系统其承受更差的HRD。