浅析新能源汽车电池用新型镁基储氢合金的组织与性能

　　新型的清洁能源备受业界关注，其中氢能是人们普遍认为极具应用前景的新型能源之一。储氢合金是促使氢能大规模应用的有效途径。在新能源汽车电池中，镁基储氢合金由于轻便、安全性好、储氢容量大和价格相对较低等优点被誉为新一代极具竞争力的储氢合金。但是，现有的Mg2Ni 镁基储氢合金存在电化学循环稳定性不好，限制了镁基储氢合金的商业化进程，迫切需要对现有的镁基储氢合金进行改性。鉴于此，笔者在Mg2Ni 镁基储氢合金中复合添加合金元素V和Co，采用超声振动辅助感应熔炼法制备了Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05 新型镁基储氢合金，并进行了显微组织观察、X 射线衍射分析、吸放氢性能和电化学稳定性的测试与分析。
　　1 试验材料与方法
　　采用工业级金属原料Mg、V、Ni 和Mg-10Co、Mg-5Mn 中间合金，在自制的超声振动辅助感应熔炼炉中进行Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05 新型镁基储氢合金的制备。熔炼温度为(705依5) 、超声振动频率为35Hz。制备出的合金试样，经DM2300 型能量弥散X 射线荧光分析仪测试的化学成分(质量分数，%) 为院9.047V、49.778Ni、2.614Co、0.187Mn、0.011Fe、余量Mg。合金中添加Mn 主要起到除杂的作用。采用PG18 型金相显微镜和EVO18 型扫描电镜进行显微组织观察曰采用D8ADVANCE 型X 射线衍射仪进行XRD 分析曰采用H-Sorb2600 型全自动PCT 储氢材料测试仪进行吸放氢性能测试，测试温度为室温曰采用CHI660E 型电化学工作站进行电化学循环稳定性测试，充电电流为120mAh/g、充电时间3 h、放电电流60 mAh/g、放电截止电位-0.4V。
　　2 试验结果及讨论
　　2.1 XRD 分析
　　试验制备的Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05 新型镁基储氢合金的XRD 图谱，可看出，该合金由Mg2Ni 基体相和少量V3Ni 相组成。在XRD图谱中，未发现含Co 的化合物相，主要是因为合金元素Co的添加量较少。
　　2.2 显微组织分析
　　试验制备的Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05 新型镁基储氢合金的显微组织金相(OM)照片和扫描电镜(SEM)照片，可看出，该新型镁基储氢合金无明显的气孔、孔洞和夹杂等缺陷，组织较为均匀，晶粒较为细小，平均晶粒尺寸约为19滋m。结合XRD 图谱和SEM 照片，可以看出灰色部分是Mg2Ni 基体相，弥散分布的白色颗粒状物质是V3Ni 相。弥散分布的V3Ni 相有助于改善镁基储氢合金的电化学循环稳定性。
　　2.3 吸放氢性能测试与分析
　　试验制备的Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05 新型镁基储氢合金的吸氢性能和放氢性能测试结果，该新型镁基储氢合金在室温下具有较佳的吸放氢性能。在吸氢过程中，上述新型镁基储氢合金的吸氢量约在50min 达到饱和，最大吸氢量达到2.3wt%，具有较佳的吸氢性能。在放氢过程中，上述新型镁基储氢合金具有明显的放氢平台，平台压力约为0.6MPa，具有较好的放氢性能。这主要得益于Mg2Ni 合金中元素用微量的合金元素Co 替代Ni，这更有利于氢原子进出通道的形成，从而使得试验制备的Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05 新型镁基储氢合金具有较佳的吸放氢性能。
　　2.4 电化学循环稳定性测试分析
　　试验制备的Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05 新型镁基储氢合金，在充放电循环后的放电容量变化。可看出，与相同方法制备的Mg2Ni 储氢合金相比，该新型镁基储氢合金具有更大的放电容量，最大放电容量从100.7mAh/g 增加至132.5mAh/g，增加了31.6%。最重要的是，该新型镁基合金的放电容量衰减速度明显低于Mg2Ni 合金，其电化学循环稳定性明显优于Mg2Ni 合金。经过20 次充放电循环后，Mg2Ni 合金的放电容量从最大放电容量100.7 mAh/g 降至9.6 mAh/g，衰减了90.5%曰而该新型镁基储氢合金的放电容量从最大放电容量132.5 mAh/g 降至108.4 mAh/g，仅衰减了18.2%。与Mg2Ni 合金相比，该新型合金经20 次充放电循环后的放电容量衰减率减小了72.3%。由此可看出，该新型镁基储氢合金的电化学循环稳定性得到了显著改善。这主要得益于Mg2Ni 合金A 侧用少量的合金元素V 替代Mg，在Mg2Ni 基体相中形成弥散分布的V3Ni 相，显著提高了镁基储氢合金在电化学循环过程中抵抗电化学腐蚀的能力，从而改善了镁基储氢合金的电化学循环稳定性，使得Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05 新型镁基储氢合金具有较好的实用性。
　　3 结论
　　(1) 采用超声振动辅助感应熔炼法，可制备出具有较佳吸放氢性能和充放电循环稳定性的Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05新型镁基储氢合金，合金由Mg2Ni基体相和少量弥散分布的V3Ni 相组成。
　　(2) 超声振动辅助感应熔炼法制备的Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05 新型镁基储氢合金的室温最大吸氢量达到2.3wt%，放氢平台压力为0.6MPa，具有较好的吸放氢性能。
　　(3) 与Mg2Ni 合金相比，Mg1.8V0.2Ni0.95Co0.05 新型镁基储氢合金经过20 次充放电循环后的放电容量衰减率减小了72.3%，显著改善了镁基储氢合金的充放电循环稳定性。