氢化燃烧合成与机械球磨复合制备镁基储氢材料电化学性能研究

本项目在申请人前期研究工作的基础上，首次提出了氢化燃烧合成与机械球磨复合制备镁基储氢电极材料这一新工艺(HCS+MM)。该制备工艺具有省时、省能、产物纯度和活性高以及放电容量高等突出优点，并且与传统的Ni/MH二次电池负极材料是储氢合金所不同的是，采用该工艺制备的负极材料是储氢合金氢化物，以它作为负极材料则相当于电极已经充电。项目拟系统研究并阐明材料的电化学吸放氢机理和循环衰减机理；研究不同成份和不同工艺对材料结构以及电化学性能的影响规律，提出优化的材料体系和成份设计以及HCS+MM制备工艺参数；最后结合表面改性和复合材料制备等措施，研究并制备具有优良综合电化学性能的镁基储氢电极材料。本项目基于HCS+MM工艺，开展节能省时高容量镁基储氢电极材料的探索和机理研究，对于发展具有我国自主知识产权的新型高性能镁基储氢电极材料具有重要的基础研究价值和潜在的应用开发前景。

镁基储氢合金由于具有理论储氢容量大、资源丰富、环境友好以及成本低等优点而成为国内外的研究热点。本项目在申请人前期工作的基础上，提出以氢化燃烧合成复合机械球磨(HCS+MM)制备镁基储氢合金为对象，研究并提出优化的材料体系和成份设计以及HCS+MM制备工艺参数，寻找适合于改善HCS+MM产物电化学性能的有效措施，包括球磨过程中添加不同金属元素、不同纳米氧化物以及不同碳基过程控制剂。纳米镍粉和AB5型储氢合金的添加对HCS产物的电化学性能有较大影响，特别是添加纳米镍粉球磨可大大提高HCS产物Mg2NiH4的放电容量。研究不同成份与不同微观结构的镁基储氢电极合金的热力学以及动力学性能，揭示HCS+MM产物成份、制备工艺、微观结构以及电化学性能之间的内在联系，研究探索了HCS+MM产物的电化学储氢机理。HCS+MM制备镁基储氢合金可以有效提高放电容量以及高倍率放电性能，但是循环稳定性并没有得到较大改善。而多元合金化可以显著提高合金的耐腐蚀性能以及循环稳定性。研究了Al替代Mg对HCS产物结构和电化学性能的影响，其中Mg3AlNi2具有优良的循环稳定性，且球磨处理可大大提高合金的放电容量。由于机械球磨对HCS产物放电容量改善效果十分突出，探索了HCS+MM制备Mg2Ni基氢化物的循环衰退机制及电化学储氢机制。采用与CS产物对比循环稳定性发现循环衰退主要是由于合金腐蚀以及充放电过程中的粉化引起的。利用电化学阻抗谱分析了放电过程中控制步骤的变化，发现随着放电的进行控制步骤由表面电荷转移控制逐步转变为内部氢扩散步骤控制。利用各种不同的动力学机理模型拟合，判断电极放电过程适用于三维扩散模型，基于这种模型所得出的反应过程中控制步骤的变化与之前实验结果一致。本项目对于镁基储氢电极合金的研究与开发具有重要的参考价值。