渗锂高熵变Ti基准晶材料的储氢性能研究

Ti-based icosahedral quasicrystalline has excellent hydrogen storage properties, which can be used as Ni-MH negative electrode materials for batteries; Nevertheless, electrochemical hydrogen storage performance of Ti-based quasicrystals required to be enhanced on the basis of our previous work. Lithium metal can bring the entropy change of hydrogen storage alloy and improve electrochemical hydrogen storage performance of the alloy electrode. This project intends to apply molten salt electro osmosis method to realize the infiltration of high entropy change element Li into the Ti-based quasicrystalline voids based on the characteristics of entropy change of hydrogen storage alloy. We plan to synthetize Ti-based quasicrystals alloy exhibiting high-entropy characteristics using LiCl and KCl as molten salt to electrolyze infiltrating lithium in order to enhance the discharge capacity and cycle stability at room temperature. With a variety of microscopic characterization techniques, we research the lithium content and distribution in high-entropy Ti-based quasicrystalline alloy; In accordance with electrochemical basic theory such as Fick diffusion and Einstein diffusion, we plan to explore the dynamic mechanism of Ti-based quasicrystalline alloy electrode materials with infiltration of lithium element in cycle process, to illuminate the anode protection mechanism in the cycling process of high-entropy Ti-based quasicrystalline with infiltration of lithium element. Ultimately, we would prepare a novel type of Ti-based quasicrystalline materials with fantastic thermodynamic stability, which promote the research progress of electrochemical hydrogen storage performance and mechanism of quasicrystalline electrode materials.

Ti基正二十面体准晶具有优良的储氢性能，可作为Ni-MH电池负极材料；但前期工作表明该类材料的电化学储氢性能仍有待提高；金属锂能引起储氢合金的熵变，改善了合金电极的电化学储氢性能。本项目基于储氢合金熵变特性，采用熔盐电渗的方法，以LiCl和KCl的混合物为熔盐进行Ti基准晶电解渗锂，实现高熵变元素Li在Ti基准晶中的渗入，制备出具有高熵特性的Ti基准晶合金，从而提升Ti基准晶合金电极的室温放电容量及循环稳定性。借助多种微观表征手段，研究高熵Ti基准晶合金内锂的含量与分布；基于菲克扩散和爱因斯坦扩散等电化学基础理论，探寻渗锂Ti基准晶合金电极材料在循环过程中的动力学机制，阐明渗锂高熵Ti基准晶在循环过程中的正极保护机理；最终制备出具有高度热力学稳定性的新型Ti基准晶材料，推进准晶电极材料电化学储氢性能与机理的研究进展。

Ti基准晶由正二十面体旋转对称点群构成，理论计算表明具备较高的储氢能力,相关储氢特性的研究一直受到关注。其储氢机理被认为是氢可以进入正二十面体准晶结构的构成单元--大量的四面体空隙中，从而表现出较高的储氢性能。本项目采用熔盐电渗的方法制备渗锂高熵合金，研究电化学储氢性能并对机理进行解析；重点研究渗锂后的准晶合金材料在电解质(6M KOH)溶液中作为Ni-MH二次电池负极的储氢性能，包括电池负极材料制备、模拟电池组装、电极电化学放电容量测定、活化性能、荷电性能、高倍率放电性能、循环稳定性、循环伏安等。机理解析围绕电荷转移反应由电极/电解质界面的电荷转移反应电阻和交换电流密度表征，主要反映电极的催化活性。块体合金中氢的扩散速率由氢在合金中的扩散系数表征，主要反映氢在电极中的传质性能；所以主要研究二次电池的交换电流密度，电极界面的电荷转移反应；对Ti55V10Ni35进行渗锂研究，电化学性能表明渗锂之前，电极需要一个充放电循环进行活化，在第二个充放电循环能达到最大放电容量，渗锂之后，电极不需要活化，第一个充放电循环即可达到最大放电容量，分别为257.7 mAh/g（I=0.3A），301.8 mAh/g（I=0.6A）和238.7 mAh/g（I=0.9A），高于渗锂之前的219.8 mAh/g；循环30次之后，容量保持率也提高，最高可达90.6%（I=0.6A）。研究了Ti1.4V0.6Ni准晶渗锂前后的电化学性能，基于数据总结，选择电流密度为I=0.6A，研究发现渗锂之后合金电极的放电容量为307.1 mAh/g（30 mA/g放电），高于渗锂前的276.8 mAh/g；30个充放电循环之后，容量保持率86.2%，高于渗锂前的77.3%。同时发现渗锂之后，在放电电流密度为240 mA/g条件下，最大放电容量为265.9 mAh/g，渗锂之前为209.8 mAh/g。室温放电容量和循环寿命的提升对获得容量与寿命双高的新型高性能准晶型储氢合金材料，丰富和发展Ti基准晶材料相关的理论与应用基础研究具有重要意义。