具有改进的激活和高倍率性能的金属氢化物合金制造技术

一种多相金属氢化物合金材料，其能够可逆地吸收和解吸氢，包括具有ABx型晶体结构的第一主相或相组，以及第二相，第二相中改性剂元素的浓度大于第一相或相组中改性剂元素的浓度。改性剂元素的作用在于促进第二相的形成，并且可包含轻稀土元素，例如钇。第一相或相组可包含一个或多个莱夫斯相，例如C14、C15和/或C36相。还进一步公开了包含该合金的金属氢化物电池。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利
本专利技术涉及合金材料及其制造方法。特别是，本专利技术涉及能够吸收和解吸氢的金属氢化物合金材料。特别是，本专利技术涉及其中包含改性剂元素(modifier element)的多相金属氢化物型合金材料。专利技术背景如在本领域中知道的，某些合金材料能够吸收和解吸氢。这些材料可作为氢存储介质和/或作为金属氢化物电池、燃料电池、金属氢化物空气电池系统等的电极材料。这样的材料一般被称为金属氢化物材料。关于其成员组成元素占据的结晶位，在金属氢化物电池系统中具有应用的一类特定的金属氢化物材料被称为ABx类材料。ABx型材料例如在美国专利5,536,591和美国专利6,210,498中公开，二者的公开内容都通过引用并入本文。目前，强烈关注的是将被称为AB2合金的特定组ABx材料应用在金属氢化物电池系统中。这是由于下述事实：不同于很多目前使用的AB5合金材料，AB2型合金材料一般不加入大量昂贵、稀土元素。此外，包含AB2材料的电池一般表现出高的电荷存储容量。如在本领域中知晓的，在使用前，金属氢化物电池必须经历激活过程。该过程典型地包括：让电池通过一次或多次特别勾画(profiled)的充/放电周期，并且该过程是必要的以确保电池显示其最大电荷存储容量。高倍率(high-rate)性能是任何电池系统的另一个重要参数，并且是电池以高倍率传递能量的能力的量度。高倍率性能在大功率应用中是非常重要的参数，例如电动汽车、电动工具等，其中必须迅速提供大量电力。在此之前，AB2材料在金属氢化物电池系统中的应用受到限制，这是由于下述事实：与AB5等材料相比，AB2材料往往难以激活并表现出低的高放电率性能。如将在下文详细解释的，本专利技术认识到，如果AB2金属氢化物合金包含催化第二相，那些合金的激活和高倍率性能将显著提升。进一步，依据本专利技术，已经发现，这些相可以通过将改性剂元素引入合金材料中形成。本专利技术的材料至少包括第一相和第二相。第一相(其可包含相组)具有AB2型晶体结构并且也被称为“主相”。第二相包含显著高于第一相中浓度的改性剂元素浓度。本专利技术材料成本相对低，并且当其并入金属氢化物电池系统中时将表现出大电荷存储容量，连同显著地改进的激活和高倍率放电性能。本专利技术的这些和其他优势将从接下来的附图、讨论和描述中显现出来。专利技术概述公开的是其中包含改性剂元素的金属氢化物合金材料。该合金包含具有ABx型晶体结构的第一相或相组，以及第二相，该第二相中的改性剂元素浓度高于第一相或相组中改性剂元素的浓度。该合金能够可逆地吸收和解吸氢。在具体实例中，第一主相或相组具有AB2型晶体结构。在具体实例中，第二相中改性剂元素的浓度比第一相组中改性剂元素浓度高至少10倍，并且在一些实例中高至少50倍或100倍。在某些实施方式中，第二相是非晶体相，或者如果它是晶体，则其晶体结构不同于主相的晶体结构。在某些实例中，合金体相中改性剂元素的浓度大于0且等于或小于4原子百分比。改性剂元素可以是例如钇的轻稀土元素。在某些实例中，该合金可包含Ti、Zr、B、Ni和改性剂元素。在具体实例中，第一相或相组可包括一个或多个莱夫斯(Laves)相，比如C14、C15和/或C36相。在具体实例中合金具有通式：TiAZrB-XYXVCNiDME其中A、B、C和D各自独立地大于0且小于或等于50原子百分比；X大于0且小于或等于4原子百分比；M是选自Co、Cr、Sn、Al和Mn中的一种或多种金属；并且E在0-30原子百分比的范围内。还公开了包含该合金材料的电池。附图简述图1是本专利技术原理说明性十种合金系列的X射线衍射数据的描绘；图2是对于根据本专利技术的一系列合金，晶胞体积变化作为改性剂元素浓度的函数的描绘；图3a-3h是一系列显微照片，示出了本专利技术说明性的一系列合金的反向散射电子图像(BEI)；图4a和4b是描绘本专利技术说明性的合金的组成作为其改性剂元素浓度的函数的图；图5a至5d描绘本专利技术说明性的一系列合金的储氢等温线；图6a和6b是对于含有本专利技术说明性的合金的一系列金属氢化物电池描绘满放电容量对周期数的图；图6c和6d是对于含有本专利技术说明性的合金的一系列金属氢化物电池描绘满放电容量作为周期数的函数的图；和图7是对于本专利技术说明性的合金描绘电荷转移电阻和双层电容的乘积作为改性剂浓度的函数的图。优选实施方式详述本专利技术涉及表现出改进的激活和高倍率放电性能的多相AB2合金。如在本领域知道的，AB2型金属氢化物合金材料在其中可通常包含几个不同的相，例如本领域中已知的C14和C15相。但是，应当指出这些相均表现出AB2晶体结构。因此，在本公开内容中，该合金的AB2主相组分被称为“第一相或相组”。不同于现有技术，本专利技术合金在其中包含改性剂元素，其促进形成了不同的相，被称为“催化相”或“第二相”。如将在下文详细说明的，该第二相中改性剂元素的浓度显著高于具有AB2晶体结构的第一主相或相组中的。虽然不希望受到推测的限制，但申请人提出第二催化相的存在引起了本专利技术合金改进的激活和高倍率性能。如在本领域知道的，有大量元素可被用于形成AB2型金属氢化物材料，并且这些元素可包括但不限于Ti、Zr、V、Cr、Mn、Co、Ni、Sn、Si、B、Al以及较少量的其它金属和非金属。有许多元素可被用作本专利技术中的改性剂。选择改性剂元素以便占据AB2晶体结构中的A位，并取代该AB2结构上正常存在于那个位点上的一个或多个元素。虽然不希望受到推测的限制，但申请人认为改性剂元素的存在可能破坏或扭曲AB2材料的部分的晶体结构，从而有益地改变其电化学性能。由于本文提供的教导，本领域普通技术人员能够基于其原子半径和电负性的知识容易选择合适的改性剂元素，使其取代AB2合金中的特定A位元素。在本专利技术中具有应用的一组改性剂元素包括稀土元素，特别是例如钇(Y)的轻稀土元素。通常，改性剂元素存在于本专利技术合金体相中的浓度至多为10原子百分比，在特定实例中至多为5原子百分比。在一些特定实例中，已经发现最佳浓度位于2-4原子百分比的范围内。如将在下文详细说明的，分析本发明材料表明，本专利技术材料的第二催化相中改性剂元素的浓度显著高于主AB2结构相或相组中。在许多实例中，第二相中改性剂的浓度比第一相或相组中的高至少10倍；在具体实例中，第二相中的浓度至少是第一相或相组中的50倍；并且在一些实例中，第二相中的浓度比第一相或相组中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多相金属氢化物合金材料，其中包括改性剂元素，所述合金材料包含：具有ABx型晶体结构的第一主相或相组；和第二相，所述第二相中所述改性剂元素的浓度大于所述第一相或相组中所述改性剂元素的浓度，所述合金能够可逆地吸收和解吸氢。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.04.19 US 13/450,7631.一种多相金属氢化物合金材料，其中包括改性剂元素，所述合金材
料包含：
具有ABx型晶体结构的第一主相或相组；和
第二相，所述第二相中所述改性剂元素的浓度大于所述第一相或
相组中所述改性剂元素的浓度，所述合金能够可逆地吸收和解吸氢。
2.根据权利要求1所述的合金，其中所述第二相中所述改性剂元素的
浓度比所述第一相或相组中所述改性剂元素的浓度高至少10倍。
3.根据权利要求1所述的合金，其中所述第二相中所述改性剂元素的
浓度比所述第一相或相组中所述改性剂元素的浓度高至少50倍。
4.根据权利要求1所述的合金，其中所述第二相中所述改性剂元素的
浓度比所述第一相或相组中所述改性剂元素的浓度高至少100倍。
5.根据权利要求1所述的合金，其中所述第二相是非晶体或不具有与
所述主相相同的晶体结构。
6.根据权利要求1所述的合金，其中在其体相中所述改性剂元素的浓
度大于0且等于或小于4原子百分比。
7.根据权利要求1所述的合金材料，其中所述改性剂元素为轻稀土元
素。
8.根据权利要求1所述的合金材料，其中所述改性剂元素为钇。
9.根据权利要求1所述的合金，其中所述合金包括Ti、Zr、V、Ni和
所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·扬，B·瑞克曼，M·A·菲特岑口，
申请(专利权)人：奥佛电池公司，
类型：发明
国别省市：美国;US