镍氢电池负极贮氢合金的研究进展

同艳维 钱英强 陈志杰

【摘要】镍氢电池具有高能量密度、无记忆效应、较长的循环寿命及环境兼容性好等一系列的优点，本论文主要分析了镍氢电池的研究现状，重点阐述了作为镍氢电池负极材料的性能要求，贮贮氢合金的特点及贮氢合金的分类。

【关键词】镍氢电池 负极材料 贮氢合金 电化学性能

引言：镍氢电池由于其特殊的性能得到广泛的应用，但是镍氢电池要作为电动自行车、电动汽车及混合电动车等的电源还是有许多不足的地方，其能量密度和功率密度距离人们对它的要求还有一段距离。为了能够改善镍氢电池的综合性能，镍氢电池的负极材料就成了人们研究镍氢电池的首选目标，而贮氢合金是作为镍氢电池负极的主要材料，贮氢合金的发展到目前为止经历了三代，分别是：第一代LaNi5系，第二代以ZrMn2为代表的钛锆系及第三代具有bcc结构的钒基固溶体贮氢合金。钒基固溶体合金因为具bcc结构，所以它们的理论储氢量十分高，理论上可以高达3.8wt%的理论储氢量，但是，虽然其理论储氢量很高，但是目前技术还不够发达，能够利用的仅有1.9wt%左右，仍然要比AB5与ABz型合金1.3wt%和1.8wt%的储氢量要高许多。目前关于镍氢电池负极材料的研究越来越多，并取得了一定的成果。

1贮氢合金发展状况

在19世界70年代中期，科学家Thomas Graham首次尝试用金属钯进行贮氢实验，贮氢合金在世界上首次诞生也由此而来。经过了一百多年的历程，全世界各国对贮氢合金的研究得到了飞快发展，取得不断进步，截至目前，已经被开发出来了非常多的贮氢合金不同类型，在各式各样类型的贮氢合金中，具有bcc结构的钒基系列贮氢合金（bcc固溶体型）吸放氢的条件是最温和的，并且可以贮存大量的氢能，还能使得氢可以在它的氢化物里拥有非常快的扩散速度，而且在抗粉化方面的性能也很好等优点。因此，V基固溶体贮氢合金对于人们来说拥有非常巨大的发展潜力。

2镍氢电池负极贮氢合金基本特性

在19世界70年代中期，科学家Thomas Graham首次尝试用金属钯进行贮氢实验，贮氢合金在世界上首次诞生也由此而来。经过了一百多年的历程，全世界各国对贮氢合金的研究得到了飞快发展，取得不断进步，截至目前，已经被开发出来了非常多的贮氢合金不同类型，在各式各样类型的贮氢合金中，具有bcc结构的钒基系列贮氢合金（bcc固溶体型）吸放氢的条件是最温和的，并且可以贮存大量的氢能，还能使得氢可以在它的氢化物里拥有非常快的扩散速度，而且在抗粉化方面的性能也很好等优点。于是经过人们的深入研究和发展使得钒基系列贮氢合金（bce固溶体型）应用在氢气的贮存、深度提纯、热能系统以及二次电池等相关领域，并且该系列合金能够与氢发生反应产生两种氢化物，分别就是VH和VH2，而且氢化物VH2在理论上拥有非常巨大的贮氢量，并且能够达到3.8wt%，比LaNi5等系列稀土合金超出了许多。因此，V基固溶体贮氢合金对于人们来说拥有非常巨大的发展潜力。

3镍氢电池负极贮氢合金种类

AB。系列稀土贮氢合会生物立体结构是如同CaCu5样式的一种六方结构，最常见经典的是LaNi5贮氢合金。LaNi5贮氢合金的主要特点是电化学贮氢容量比较大、有良好的吸放氢动力学性能等，但合金吸收氢后会导致自身晶胞体积膨胀变得比较大，在充放电循环的时候，其容量衰减严重。不太适合当做镍氢电池的负极材料。在此之后，人们逐渐使用多元化合金以及混合式稀土合金取代里面的成分Ni并进行实验，结果表明合金的循环使用寿命及它的放电容量明显得到了提升，现在已慢慢用作镍氢电池的主要负极材料。

ABz系列Laves相是拓扑结构相的一种。合金相基本上是由C14Laves相（呈六方结构）和c15相（呈立方体结构）组合而成，其中最典型的代表是ZrVx、ZrMnz、ZrCrz。ABz系列它的主要优势是有很强的抗腐蚀能力和放电容量很高。美国的Ovonic公司是第一个开发的ABz系列合金，而且他们公司发明了放电容量能够达到350～400mA·h·g-1的Ti-zr-V-Ni-cr合金，该合金具有一个很好的应用前景。但是该系列合金初期活化较困难、高倍率放电能力很差以及合金的原材料成本较贵。多元化合金等方法即使能够在一定程度上改进AB2合金存在的一些缺陷，但是与应用在实际生活中的AB5系列稀土贮氢合金对比起来仍然还有很大的进步空间。

V能够和Ti、cr等形成的固溶体在吸氢的时候会反应产生两种不同类型的氢化物（MH、MH2），在压力一浓度一温度的三线图上会产生两个分别相对应的压力平台。V基固溶体贮氢合金的贮氢量是十分巨大的（约3.8wt%），其特性是气态吸放氢。根据研究表明，尽管V基固溶体在氢化反应生成的MH型氢化物由于过于稳定而无法被人们利用，但是就高平台而言，从与之相对的MH2→MH+H吸放氢特性来看，合金的可逆贮氢量能够达到1.9wt%左右，依然高于AB5及AB2系列合金的貯氢量。

结论：综上所述，镍氢电池以其高容量、无污染及高倍率性能等优点得到了广泛的应用，但是作为镍氢电池负极的贮氢合金在电池充放电过程中还存在一些问题，后期研究的重点是提高电池的循环寿命及动力学性能。