石墨烯修饰的新型轻质稀土金属间化合物及其高容量储能特性研究

The study of rare earth-based energy storage alloys with high performance is of critical importance to solve the comprehensive utilization of rare earth resources and energy crisis. In order to meet the needs of industrialization of rare earth-based energy storage materials and development of society, this project explores a new type of light rare earth (La, Y, Ce)-based intermetallic compounds with low cost. By analyzing the phase diagram and theoretical arithmetic, the component designation is optimized for aim at pursuing a material with a high capacity both in hydrogen storage and electron storage. Furthermore, graphene is applied to modify the surface of the alloys for the first time. The modification can increase the electric conduction, anti-pulverization and anti-oxidation of the alloys contributing to the improvement of charge-discharge efficient，activation and cyclic stability. By double plasma reaction method and plasma assisted ball milling method, the preparation of rare earth-based intermetallic compounds and modification of graphene can be completed in one step. Acquiring graphene-modified light rare earth-based intermetallic compounds with excellent hydrogen storage and electron storage properties is the aim of the project. The results are expected to promote the industrialization of rare earth-based energy storage materials and the comprehensive utilization of rare earth resources.

我国稀土资源综合利用和能源危机均面临严重问题，开发高性能稀土储能金属间化合物是有望解决该问题的一项紧迫研究任务。本项目立足于低成本、高品质新型稀土储能材料开发，通过相图分析和理论计算进行成分优化设计，开展Y、La、Ce等轻质稀土金属间化合物的探索研究，实现稀土储能材料在高储氢和高储电容量方面的双向重大突破。项目创新性地采用石墨烯作为表面修饰材料，探索用低温双等离子体法和等离子体辅助球磨法完成纳米晶稀土金属间化合物和表面修饰的同步制备，以期改善合金导电性、抗粉化性、抗氧化性和耐腐蚀特性，进而提高合金的充放电效率、活化特性和循环稳定性，最终获得具有高储氢储电容量、循环稳定性好、操作温度低、动力学性能优异的石墨烯修饰稀土储能合金，这对于实现新型轻质稀土储能金属间化合物的产业化和我国稀土资源的综合利用具有重要的战略意义。

我国稀土资源综合利用和能源危机均面临严重问题，开发高性能稀土储能金属间化合物是有望解决该问题的一项紧迫研究任务。本项目的研究目的是立足于低成本、高品质新型稀土储能材料开发，通过相图分析和理论计算进行成分优化设计，开展轻质稀土金属间化合物的探索研究，实现稀土储能材料在高储氢和高储电容量方面的双向重大突破。.我们重点开展了相图分析和理论计算研究、新型稀土金属间化合物的探索和储能性质研究、稀土金属与石墨烯和复合工艺及性能研究、高能量密度储电Mg-Y合金的制备和储能性能研究、稀土氢化物在其他形式储氢领域的应用等5个方面的研究。.探明了RE-Mg-M(M=过渡金属)、RE-M-Ti合金、Mg-Yi合金、A2B7型稀土基储氢合金、新型稀土铝氢化物储氢性能、稀土基AB2型合金等一系列稀土金属间化合物的结构、热稳定性、储氢储电性质及其规律，实现储氢容量和储电容量的双突破。发展了低温串联等离子体法和等离子体辅助球磨法，为解决稀土金属与石墨烯符合与表面包覆提供了新的方法。提出了不同于A-B型经典设计原则的金属氢化物电极材料设计策略，并在实验上获得了验证。.开发了两种高容量、低成本、电化学性能优异的A2B7型稀土基储氢合金，其中La13.9Sm24.7Mg1.5Ni58Al1.7Zr0.14Ag0.07合金的5C放电容量达到247.3mAh/g，1C放电200周后容量保持率达到86.2%，400周后为71.5%。此外发现Mg24Y5合金的充放电容量高达1500 mAhg-1 (相当于57.7 H/Mg24Y5或者5.6 wt%)的电化学可逆储氢容量，超过了常规假设的2H/Mg和1H/Y的理论值，为商用LaNi5材料的4倍多。这些数据都是让我们很振奋的数据。.为此我们提出了不同于A-B型经典设计原则的金属氢化物电极材料设计策略，并在实验上获得了验证，对于稀土储能材料的开发具有很好的指导意义。.除了在储氢和储电方面取得了一些突破以外，我们还发现稀土氢化物在锂离子电池、燃料电池、吸放氢催化过程中的优异特性，我们的研究拓展了稀土氢化物在这些领域的应用，在科学理论和商业应用方面都具有较高价值。