專利名稱：：一種改善稀土系鎳氫電池負(fù)極倍率性能的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于金屬功能材料
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種改善稀土系鎳氫電池負(fù)極倍率性能的方法和裝置。
背景技術(shù)：
：由于環(huán)境污染日益嚴(yán)重和傳統(tǒng)能源危機(jī)的產(chǎn)生，世界上許多國(guó)家大規(guī)模地開展了新型能源的研究和開發(fā)工作，氫能是研究的重要能源之一。各國(guó)學(xué)者都?xì)驗(yàn)?1世紀(jì)將是氫能世紀(jì)，并出現(xiàn)了"氫經(jīng)濟(jì)"這一新概念。鎳氫電池以其優(yōu)越的性能和環(huán)保特性而在近期得到迅速的發(fā)展，各種小型和動(dòng)力電池已經(jīng)在民用、軍事和宇航等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用并發(fā)揮重要的作用。鎳氫電池的進(jìn)一步發(fā)展依賴于其負(fù)極材料一一儲(chǔ)氫合金的研制水平，而稀土系儲(chǔ)氫合金是當(dāng)前和今后的主導(dǎo)產(chǎn)品，繼續(xù)根據(jù)需要進(jìn)行稀土系儲(chǔ)氫合金的研發(fā)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。鎳氫電池相對(duì)于鋰離子電池在以下方面有明顯的優(yōu)勢(shì)環(huán)境友好，在使用過程中不產(chǎn)生任何污染；安全性能好，有較強(qiáng)的抗過充過放能力，大電流放電能力優(yōu)越。但作為混合動(dòng)力和純電動(dòng)車的電源，要求更高的大電流放電能力，即快速充電，啟動(dòng)的瞬間大電流放電的能力?，F(xiàn)有的鎳氫電池與車用的性能要求還有一定的差距。各國(guó)科學(xué)家在無外場(chǎng)的作用下進(jìn)行了深入研究，主要包括元素替代、不同化學(xué)劑量比、添加合金組元、制備復(fù)合材料、熱處理、表面改性和使用熔體快淬等工藝方法。通過上述方法，不同程度的改善了材料的熱力學(xué)性能和合金電極的循環(huán)壽命，但對(duì)合金的大倍率放電性能改善不大，而且成本較高。從而影響了它的廣泛應(yīng)用，也有報(bào)道采用合金在凝固過程中加外場(chǎng)改善合金的循環(huán)性能，但不能改善合金電極的大電流放電能力。而強(qiáng)磁場(chǎng)能夠?qū)⒏邚?qiáng)度的能量無接觸地傳遞到物質(zhì)的原子尺度，改變?cè)雍头肿拥呐帕?、匹配和遷移等行為，從而對(duì)材料的組織和性能產(chǎn)生巨大而深刻的影響，強(qiáng)磁場(chǎng)加工已成為開發(fā)新型材料的一種重要技術(shù)手段。特別是隨著新型超導(dǎo)磁體技術(shù)的發(fā)展，強(qiáng)磁場(chǎng)的產(chǎn)生和使用變得比較方便，從而為強(qiáng)磁場(chǎng)下材料制備和改性的研究提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種改善稀土系鎳氫電池負(fù)極倍率性能的方法和裝置。一種改善稀土系鎳氫電池負(fù)極倍率性能的方法，其特征在于，該方法采用以下步驟，(1)制備合金，選用低頻、中頻或高頻感應(yīng)熔煉制備合金，合金原料的純度大于99%;(2)將稀土系合金采用氬氣保護(hù)氛圍，在磁場(chǎng)中的直流電源熱處理爐中進(jìn)行磁場(chǎng)熱處理，合金鑄錠放置在與磁場(chǎng)平行的柱狀晶方向，施加磁場(chǎng)強(qiáng)度110T，然后以10°C/min的升溫速率升溫至100650°C，到溫后保溫05h;(S)將合金保溫后，在磁場(chǎng)中隨爐冷卻、水淬或油淬-,(4)打掉氧化皮或清洗至表面清潔、干燥后，采用干法制粉工藝制粉、分級(jí)，真空封裝后待用。一種改善稀土系鎳氫電池負(fù)極倍率性能的裝置，其特征在于，合金鑄錠5放置于位于裝置屮心的陶瓷支持架7上，熱電偶1置于爐體內(nèi)壁2和合金鑄錠5之間，冷卻水4置于爐體內(nèi)壁和外壁之間，直流線圈加熱絲3置于爐體內(nèi)壁2和冷卻水4之間，爐體外設(shè)置超導(dǎo)磁體6。本發(fā)明的有益效果為將強(qiáng)磁場(chǎng)的高強(qiáng)度的能量無接觸的無接觸地傳遞到物質(zhì)的原子尺度，改變?cè)雍头肿拥呐帕小⑵ヅ浜瓦w移等行為，從而對(duì)材料的組織和性能產(chǎn)生巨大而深刻的影響，在不改變合金成分和制備方法的條件下，通過采用磁場(chǎng)熱處理的方法可以大幅改變合金電極的倍率性能，該方法操作簡(jiǎn)單，成本較低，可以使得儲(chǔ)氫合金電極廣泛的使用在混合動(dòng)力和純電動(dòng)車的電源上。圖1為磁場(chǎng)熱處理裝置示意圖2為鑄態(tài)、熱處理、實(shí)施例1制備的磁場(chǎng)熱處理三種狀態(tài)儲(chǔ)氫合金負(fù)極的活化性能、容量和倍率性能對(duì)比示意圖3為鑄態(tài)、熱處理、實(shí)施例1制備的磁場(chǎng)熱處理三種狀態(tài)儲(chǔ)氫合金的室溫磁滯回線對(duì)比示意圖4為鑄態(tài)、熱處理、實(shí)施例1制備的磁場(chǎng)熱處理三種狀態(tài)儲(chǔ)氫合金的X射線衍射圖譜對(duì)比示意圖5為鑄態(tài)、實(shí)施例2制備的不同熱處理溫度下處理的磁場(chǎng)熱處理儲(chǔ)氫合金負(fù)極的活化性能、容量和倍率性能對(duì)比示意圖6為鑄態(tài)、實(shí)施例2制備的不同熱處理溫度下處理的磁場(chǎng)熱處理儲(chǔ)氫合金的室溫磁滯回線對(duì)比示意圖7為鑄態(tài)合金、實(shí)施例3制備的不同磁場(chǎng)下磁場(chǎng)熱處理儲(chǔ)氫合金負(fù)極的活化性能、容量和倍率性能對(duì)比示意圖8為鑄態(tài)合金、實(shí)施例3制備的不同磁場(chǎng)下磁場(chǎng)熱處理儲(chǔ)氫合金的室溫磁滯回線對(duì)比示意圖中標(biāo)號(hào)l-熱電偶；2-爐體內(nèi)壁；3-直流線圈加熱絲；4-冷卻水；5-合金鑄錠；6-超導(dǎo)磁體；7-陶瓷支持架。具體實(shí)施方式一種改善稀土系鎳氫電池負(fù)極倍率性能的裝置，如圖1所示，合金鑄錠5放置于位于裝置中心的陶瓷支持架7上，熱電偶1置于爐體內(nèi)壁2和合金鑄錠5之間，冷卻水4置于爐體內(nèi)壁和外壁之間，直流線圈加熱絲3置于爐體內(nèi)壁2和冷卻水4之間，爐體外設(shè)置超導(dǎo)磁體6。采用上述裝置制備合金，下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明實(shí)施例1一種改善稀土系鎳氫電池負(fù)極倍率性能的方法，該方法采用以下歩驟，(1)制備合金，通過中頻感應(yīng)熔煉、銅模澆注制備出Nd-Mg-Ni-Co系A(chǔ)2B7型儲(chǔ)氫合金，合金原料的純度大于99%;(2)將稀土系合金鑄錠采用氬氣保護(hù)氛圍，將試樣固定在磁場(chǎng)中的爐體中心位置，在磁場(chǎng)屮的直流電源熱處理爐中進(jìn)行磁場(chǎng)熱處理，合金鑄錠放置在與磁場(chǎng)平行的柱狀晶方向，施加磁場(chǎng)強(qiáng)度IOT，然后以10°C/min的升溫速率升溫至650°C，到溫后保溫3h;(3)將合金保溫后，在磁場(chǎng)中隨爐冷卻；")清洗至表面清潔、干燥后，采用干法制粉工藝制粉、分級(jí)，真空封裝后待用。將制備的合金分別進(jìn)行電化學(xué)性能、磁性能測(cè)試和組織結(jié)構(gòu)表征。圖2所示為電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，為鑄態(tài)、熱處理、實(shí)施例1制備的儲(chǔ)氧合金負(fù)極的活化性能、容量和倍率性能對(duì)比示意圖，從圖的左側(cè)可以看出三種狀態(tài)下合金電極的活化性能基本不變，三次可以活化；但合金的最大放電容量發(fā)生了明顯的變化，與鑄態(tài)合金電極相比，磁場(chǎng)熱處理后合金電極的最大放電容量略有增加，從329mAh/g增加到339mAh/g，而處理后的合金電極的最大放電容量降低到271mAh/g;從圖2的右側(cè)可以看出，不同的放電電流下合金的放電容量的變化，可以看出，磁場(chǎng)熱處理大幅提高了合金電極的大電流放電能力，在放電電流達(dá)到1200mA7g時(shí)，仍然可以放出大概90%的容量，而相同溫度熱處理下的倍率性能略有提高。圖3示出了合金的室溫磁滯回線，可以看出磁場(chǎng)熱處理后合金的飽和磁化強(qiáng)度大幅增加，相同溫度熱處理后的合金略有增加，而矯頑力基本不變。圖4示出了合金的X射線衍射圖譜，從圖中可以看出，合金在磁場(chǎng)熱處理和熱處理過程屮并沒有新相的生成和原有相的消失，但從峰位的偏移可以看出，磁場(chǎng)熱處理使得合金中的Ce2Ni7型主相的峰位發(fā)生偏移，晶格參數(shù)發(fā)生了變化；從表1可以看出，合金中的CaCu5相的晶格參數(shù)基本不變，而Ce2Ni7型主相的晶格參數(shù)a基本不變，而晶格參數(shù)c由于磁場(chǎng)熱處理合金的晶格參數(shù)增大，晶胞體積和軸比(c/a)增大，由于六面體中的吸氫間隙(四面體和八面體間隙)是沿c軸方向，即間隙尺寸增大，氫吸入和脫出的擴(kuò)散通道尺寸增大，所以合金的大電流放電能力大幅提高。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實(shí)施例2一種改善稀土系鎳氫電池負(fù)極倍率性能的方法，該方法采用以下步驟，(1)制備合金，通過中頻感應(yīng)熔煉、銅模澆注制備出Nd-Mg-Ni-Co系A(chǔ)2B7型儲(chǔ)氫合金，合金原料的純度大于99%;(2)將稀土系合金鑄錠采用氬氣保護(hù)氛圍，將試樣固定在磁場(chǎng)中的爐體中心位置，在磁場(chǎng)中的直流電源熱處理爐中進(jìn)行磁場(chǎng)熱處理，合金鑄錠放置在與磁場(chǎng)平行的柱狀晶方向，施加磁場(chǎng)強(qiáng)度IOT，然后以10°C/min的升溫速率升溫至650°C，到溫后保溫5h;(3)將合金保溫后，在磁場(chǎng)中進(jìn)行水淬；(4)打掉氧化皮后，采用干法制粉工藝制粉、分級(jí)，真空封裝后待用，得到磁場(chǎng)熱處理合金。采用相同的制備方法，只改變熱處理溫度，將合金升溫至50(TC、25(TC和100°C，得到熱處理溫度分別為100°C、25(TC、50(TC和650'C時(shí)處理的磁場(chǎng)熱處理合金。取鑄態(tài)合金、IO(TC、250°C、50(TC和650。C磁場(chǎng)熱處理合金分別進(jìn)行電化學(xué)性能、磁性能測(cè)試和組織結(jié)構(gòu)表征。圖5所示為電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，為鑄態(tài)、實(shí)施例2制備的儲(chǔ)氫合金負(fù)極的活化性能、容量和倍率性能對(duì)比示意圖，從圖的左側(cè)可以看出，不同的磁場(chǎng)熱處理溫度對(duì)合金電極的活化性能影響不大，但合金的最大放電容量發(fā)生了明顯的變化，隨著溫度的升高，合金電極的最大放電容量逐漸略有增加；從圖5的右側(cè)的不同放電電流條件下，合金的倍率性能也發(fā)生有規(guī)律的變化，磁場(chǎng)熱處理溫度越高，合金的大電流放電能力增加越明顯，但有一點(diǎn)，只要進(jìn)行了磁場(chǎng)熱處理，合金電極的倍率性能都明顯增加，溫度因素影響不是很明顯。圖6為不同熱處理溫度下處理的磁場(chǎng)熱處理合金和鑄態(tài)合金的室溫磁滯冋線，同樣可以看出，隨著磁場(chǎng)熱處理溫度的增加，合金的飽和磁化強(qiáng)度也逐漸增加，在50(TC和650'C磁場(chǎng)熱處理效果明顯，倍率性能大幅提高的機(jī)理與實(shí)施例1-致。從應(yīng)用的角度低溫磁場(chǎng)熱處理也可以大幅提高合金的倍率性能。實(shí)施例3一種改善稀土系鎳氫電池負(fù)極倍率性能的方法，該方法采用以下步驟，(1)制備合金，通過中頻感應(yīng)熔煉、銅模澆注制備出Nd-Mg-Ni-Co系A(chǔ)2B7型儲(chǔ)氫合金，合金原料的純度大于99%;(2)將稀土系合金鑄錠采用氬氣保護(hù)氛圍，將試樣固定在磁場(chǎng)中的爐體中心位置，在磁場(chǎng)中的直流電源熱處理爐屮進(jìn)行磁場(chǎng)熱處理，合金鑄錠放置在與磁場(chǎng)平行的柱狀晶方向，施加磁場(chǎng)強(qiáng)度2T，然后以10°C/min的升溫速率升溫至500°C，到溫后保溫lh;(3)將合金保溫后，在磁場(chǎng)中進(jìn)行油淬；④打掉氧化皮后，采用干法制粉工藝制粉、分級(jí)，真空封裝后待用。采用相同的制備方法，只改變磁場(chǎng)強(qiáng)度為6T、IOT，得到磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為2T、6T、IOT時(shí)處理的磁場(chǎng)熱處理合金。取鑄態(tài)合金和2T、6T和10T磁場(chǎng)熱處理合金分別進(jìn)行電化學(xué)性能、磁性能測(cè)試和組織結(jié)構(gòu)表征。圖7所示為電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，為鑄態(tài)合金、實(shí)施例3制備的儲(chǔ)氫合金負(fù)極的活化性能、容量和倍率性能對(duì)比示意圖，從圖的左側(cè)可以看出，不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)合金電極的活化性能影響不大；但合金的最大放電容量發(fā)生/明顯的變化，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的升高，合金電極的最大放電容量先逐漸略有增加后降低；從圖7的右側(cè)的不同放電電流條件下，合金的倍率性能也發(fā)生有規(guī)律的變化，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的升高，合金的大電流放電能力先增加后減小，合金只要進(jìn)行了磁場(chǎng)熱處理，合金電極的倍率性能都明顯增加，磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)磁場(chǎng)熱處理有一定的影響。圖8示出了不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下熱處理合金和鑄態(tài)合金的室溫磁滯回線，同樣可以看出，隨著磁場(chǎng)熱處理溫度的增加，合金的飽和磁化強(qiáng)度也是先增加后減小，在磁場(chǎng)強(qiáng)度為6特斯拉、50(TC磁場(chǎng)熱處理效果明顯，倍率性能人幅提高的機(jī)理與實(shí)施例1一致。權(quán)利要求1、一種改善稀土系鎳氫電池負(fù)極倍率性能的方法，其特征在于，該方法采用以下步驟，(1)制備合金，選用低頻、中頻或高頻感應(yīng)熔煉制備合金，合金原料的純度大于99％；(2)將稀土系合金采用氬氣保護(hù)氛圍，在磁場(chǎng)中的直流電源熱處理爐中進(jìn)行磁場(chǎng)熱處理，合金鑄錠放置在與磁場(chǎng)下行的柱狀晶方向，施加磁場(chǎng)強(qiáng)度1～10T，然后以10℃/min的升溫速率升溫至100～650℃，到溫后保溫0～5h；(3)將合金保溫后，在磁場(chǎng)中隨爐冷卻、水淬或油淬；(4)打掉氧化皮或清洗至表面清潔、干燥后，采用干法制粉工藝制粉、分級(jí)，真空封裝后待用。2、一種改善稀土系鎳氫電池負(fù)極倍率性能的裝置，其特征在于，合金鑄錠(5)放置于位于裝置中心的陶瓷支持架(7)上，熱電偶(1)置于爐體內(nèi)壁(2)和合金鑄錠(5)之間，冷卻水(4)置于爐體內(nèi)壁和外壁之間，直流線圈加熱絲(3)置于爐體內(nèi)壁(2)和冷卻水(4)之間，爐體外設(shè)置超導(dǎo)磁體(6)。全文摘要本發(fā)明公開了金屬功能材料
技術(shù)領(lǐng)域：
的一種改善稀土系鎳氫電池負(fù)極倍率性能的方法和裝置。制備合金，選用低頻、中頻或高頻感應(yīng)熔煉制備合金，將稀土系合金采用氬氣保護(hù)氛圍，在磁場(chǎng)中的直流電源熱處理爐中進(jìn)行磁場(chǎng)熱處理，合金鑄錠放置在與磁場(chǎng)平行的柱狀晶方向，施加磁場(chǎng)強(qiáng)度，然后升溫，到溫后保溫，將合金保溫后，在磁場(chǎng)中隨爐冷卻、水淬或油淬，打掉氧化皮或清洗至表面清潔、干燥后，采用干法制粉工藝制粉、分級(jí)，真空封裝。本發(fā)明在不改變合金成分和制備方法的條件下，通過采用磁場(chǎng)熱處理的方法可以大幅改變合金電極的倍率性能，該方法操作簡(jiǎn)單，成本較低，可以使得儲(chǔ)氫合金電極廣泛的使用在混合動(dòng)力和純電動(dòng)車的電源上。文檔編號(hào)H01M4/04GK101420027SQ20081022467公開日2009年4月29日申請(qǐng)日期2008年10月23日優(yōu)先權(quán)日2008年10月23日發(fā)明者于榮海,潘崇超申請(qǐng)人:清華大學(xué)