稀土元素改善快淬非晶Mg2Ni型合金电极过程动力学性能的机理研究

目前快淬非晶态Mg2Ni型镁基贮氢合金因其贮氢量高、资源丰富、低成本、制备简便等优点而成为研究的热点，但其存在的电化学动力学性能低、容量衰减较为严重等问题亟待解决。本项目拟采用高丰度稀土元素La、Ce、Pr、Nd、Sm替代快淬非晶Mg2Ni型合金中的Mg侧元素，研究稀土元素对电极合金的微结构、吸放氢性能、电化学动力学性能和腐蚀行为的影响规律；同时用电偶腐蚀理论来进一步研究非晶快淬Mg2Ni型合金电极容量衰减问题。通过阐明稀土元素对快淬非晶Mg2Ni型电极合金微结构和抗腐蚀性能的作用机理，揭示电极合金的微结构变化与电化学循环稳定性的内在联系；明确非晶快淬Mg2Ni型合金电极充放电过程中的速度控制步骤，建立快淬非晶Mg2Ni型合金电极的电化学腐蚀行为机制；为寻求探索提高非晶态镁基贮氢合金抗腐蚀性能和抑制容量衰减的有效方法提供理论基础。

本项目以Mg2-xRxNi1-yBy（R=La、Nd，B=Cu、Co；x=0~0.6，y=0~0.4）合金为研究对象，采用元素替代结合真空熔炼、快淬技术的研究思路开展课题研究。同时，采用XRD/SEM/EDS/HRTEM/ED/DSC物理测试、恒电流充放电/恒电位阶跃/Tafel极化/电化学阻抗等电化学测试方法，研究元素替代和制备工艺对快淬Mg2Ni型合金的微结构、电化学动力学性能和电化学循环稳定性的影响规律及作用机制，探索电极合金的微结构与电化学循环稳定性的内在联系，明确快淬Mg2Ni型合金电极充放电过程中的速度控制步骤。以期达到优化Mg2Ni基合金的成分和组织结构，进一步提高其贮氢性能的目的。对于铸态和快淬态Mg2-xRxNi1-yBy（R=La、Nd，B=Cu、Co；x=0~0.6，y=0~0.4）合金（R和B不同时替代），结果发现：（1）La替代Mg显著提高了快淬合金的非晶形成能力，La含量的增加导致快淬合金的高倍率放电性能（HRD）的下降；而随淬速的增加，La含量为0.2的合金HRD值随之逐渐增加，La0.6合金的HRD值则随之逐渐降低。快淬含La合金电极的动力学性能受电化学反应和氢扩散速率混合控制。La替代Mg显著改善了快淬态合金的电化学循环稳定性。（2）Nd替代Mg改变了铸态合金的相组成和相结构,Nd替代Mg显著提高快淬Mg2Ni合金的非晶形成能力,合金的高倍率放电性能（HRD）随Nd含量的增加而先增后降。含Nd的快淬合金电极的动力学性能主要受氢扩散速率控制。快淬态合金的电化学循环稳定性随Nd含量的增加而显著提高。（3）Mg2Ni1-xCux（x=0~0.4）合金，铸态合金为典型的枝晶结构。Cu替代Ni导致快淬合金的晶粒细化。合金电极的高倍率放电性能随Cu替代量及淬速的增加而明显提高。Cu替代Ni的快淬合金的电化学动力学性能受电化学反应和氢扩散混合控制。(4）Mg2Ni1-xBx (B=Co、Mn，x=0~0.4)合金，随Co或Mn含量的增加，快淬合金的非晶形成能力明显增强。Co或Mn替代Ni的快淬态合金电极的动力学性能受氢扩散和电化学反应混合控制。Co或Mn替代Ni能显著提高快淬态合金电极的动力学性能。