La-Fe-B系贮氢电极合金中硼对动力学性能的影响研究

为了改善镍氢电池的大电流放电能力，很有必要开发新型的贮氢负极材料。La-Fe-B系贮氢合金是一类与已有贮氢合金完全不同的新型贮氢合金，与传统的LaNi5型贮氢合金相比，基本性能相近，但动力学性能却明显优于LaNi5型合金，很适合研制电动汽车等使用的镍氢动力电池。研究表明，在LaNi5型合金中添加硼可明显改善合金的动力学性能，而在La-Fe-B系三元贮氢合金中，硼元素作为合金的一元，其既非传统的强键合氢化物元素（如La），也非弱键合氢化物元素（如Fe），因此其作用急需进一步的探究。鉴于以上分析，本项目拟以La-Fe-B系贮氢合金中组成为La15Fe77B8型的合金为研究对象，通过研究硼元素在合金中的存在形式、分布特点及其含量对合金微观组织的影响来探究硼对合金电化学动力学特性参数（合金电极的交换电流密度、合金内部氢原子的扩散系数等）的影响规律，从而进一步揭示硼对合金大电流放电性能的影响机理。

新型La-Fe-B系贮氢合金的动力学性能明显优于LaNi5型合金，很适合研制电动汽车等使用的镍氢动力电池。研究表明，在LaNi5型合金中添加硼可明显改善合金的动力学性能，而在La-Fe-B系三元贮氢合金中，硼作为合金的一元，其作用也有必要进一步的研究。本项目以La15Fe77B8型和La17Fe76B7型合金为研究对象，通过研究硼元素在合金中的存在形式、分布特点及其含量对合金微观组织的影响探究了硼对合金电化学动力学特性参数（合金电极的交换电流密度I0、合金内部氢原子的扩散系数D等）的影响，进一步揭示了硼对合金大电流放电性能的影响机理。研究结果表明，B在合金中不会进入到主相当中，而主要以La3Ni13B2相的形式存在。在La15Fe10-xNi70Mn5Bx(x=0,1,1.5,2,3)合金中，随着B含量的增加，La0.99Mn0.32Ni4.71相和La3Ni13B2相的a轴增加，c轴减小，La3Ni13B2相逐渐增加，（Fe,Ni）相逐渐发生了团聚。合金电极的高倍率放电能力（HRD）在x=0-1.5范围内单调增加，而在x=1.5-3又逐渐减小，当放电电流密度为300 mA/g时，x=1.5的合金较不加B的HRD略有增加，增加幅度不大，但当放电电流密度为3000 mA/g时，增加的幅度非常明显，表明适量的B有利于改善合金的大电流放电能力。I0随着B含量的增加先增大后减小，x=1时具有最大值，这主要是由于La3Ni13B2相的增加和（Fe,Ni）相的逐渐团聚共同作用的结果，而D值则逐渐增大，这是由于La3Ni13B2相逐渐增加，大量的相界为氢原子的扩散提供了更多的通道。合金电极的HRD在x=0-1.5时由氢在合金中的扩散速率控制，而当x=1.5-3时由合金表面的电荷转移速率所控制。对于La17Fe3Mn5Al2Ni73-xBx(x=0,1,3,5)合金，随着B含量的增加，合金中LaNi5相和La2Ni7相减少，La3Ni13B2相逐渐增加，合金主相的a轴、c轴均略有增加，晶胞体积变大。HRD随着B含量的增加先增大后减小，x=1时最大， I0的变化趋势与HRD的完全一致，而D则逐渐增大，表明合金的HRD主要取决于合金表面的电荷转移能力。