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第4章金氢化物电极材料
第4章 金属氢化物电极材料
金属氢化物又称贮氢合金。贮氢合金的性能直接决定了MH-Ni电池的性能。许多金属及合金能可逆地吸收大量的氢形成金属氢化物相。1968年荷兰Philips实验室在研究磁性材料时,无意中发现了SmCo5具有很大的可逆吸放氢能力,随后,在1970年,开发出了LaNi5贮氢合金;1973年H.H.Ewe等将LaNi5合金用于贮氢合金电极的研究;1978年T.L.Markin等又将LaNi5合金电极用MH-Ni电池实验,由于在反复吸放氢过程中,合金晶胞体积膨胀,导致合金粉化,比表面积随之增大,加大合金氧化的机会,使得合金过早失去吸放氢能力。1984年J.J.G.Willems采用钴部分取代镍,钕取代少量镧得到多元合金La0.7Nd0.3Ni2.3Co2.4Al0.3,其晶胞结构与LaNi5相似,但合金吸氢后晶胞体积膨胀比LaNi5要少的多,使贮氢合金电极循环寿命大大延长,从而制出了抗氧化性能高的实用MH-Ni电池。从此贮氢合金的研究和利用得到了较大发展。
4.1 贮氢合金的特性
氢气的储存形式对氢气的应用有直接影响,储氢形式可分为物理储氢和化学储氢两种方法,也可以分为容器储氢和材料储氢。各种氢气储存方法和特点见表4-1。
表4-1 氢气的储存方法及特点
储氢分类方法
性能和特点描述
物理储氢
化学储氢
容器储氢
高压储氢
氢气体积可以缩小50倍;优点是操作方便和能耗低;缺点是需要高压容器和存在安全隐患。
液化储氢
氢气体积可以缩小至1/800以内;仅从质量和体积上考虑,液化储氢是一种极为理想的储存方式;缺点是氢液化能耗大(约占液化氢能的30%左右)、对储罐的绝热要求极高和维持低温。
储氢材料
储氢
吸附材料储氢
吸附储氢材料包括分子筛、碳素材料(一般活性炭、高比表面活性碳、石墨片、碳纤维和碳纳米管等)和其他新型吸附剂。其中,活性炭是较墨理想的储氢材料。碳纳米管的储氢密度为0.01%~61%(质量),当储氢密度小于1%(质量)时,碳纳米管并不是合适的储氢材料。其他储氢材料包括有机液态储氢、玻璃徽球储氢、无机物储氢和地下岩洞储氢等。
离子型氢化物储氢
是较早的储氢材料,最早的应用是直接用作还原剂;离子型氢化物包括碱金属与氢直接反应生成的离子型氢化物和LiAlH4:NaBH4等的络合物等。如用Ti修饰的NaAlH4的储氢量高达3.1%~3.4%(质量),其循环性能也较好。
合金储氢
金属或合金储氢是目前比较有前途的储氢方式,可使氢气体积缩小至1/1000以上;优点是储氢密度高、运输、储存和使用方便安全;缺点是:①储氢密度不高,无法满足像燃料电池电动车储氢密度为62Kg/cm3或6.5%(质量)的要求;②金属氢化物在室温下具有较高的热力学稳定性,虽然储氢量高,室温下析氢速度太慢。
图4—1中比较了氢气、液氢、合金氢化物的氢密度与氢含量。吸氢合金的氢密度比氢气和液氢的氢密度还高,故可用于贮氢。作为贮氢用合金,因是致密的固体,是比较安全的贮氢手段。
图4
图4-1 氢气、液氢、合金氢化物的氢密度与含氢率
*包括瓶重。
4.1.1 贮氢合金的基本类型
贮氢合金是氢气的一种贮存形式,属于贮氢材料化学贮氢。贮氢合金是指在一定温度和压力下,能可逆吸收、贮存和释放氢气的金属间化合物。
我们知道,周期表中所有金属元素都能与氢化合生成氢化物。不过这些金属元素与氢的反应有2种性质,一种容易与氢反应,能大量吸氢,形成稳定的氢化物,并放出大量的热,这些金属主要是IA~VB族金属,如Ti、Zr、Ca、Mg、V、Nb、RE—稀土元素等,它们与氢的反应为放热反应(△H0);另一种金属与氢的亲和力小,但氢很容易在其中移动,氢在这些元素中的溶解度小,通常条件下不生成氢化物。这些元素主要是ⅥB~ⅧB族(Pd除外)过渡金属,如Fe、Co、Ni、Cr、Cu、Al等,氢溶于这些金属时为吸热反应(△H0)。我们把氢在一定条件下溶解度随温度上升而减小的金属(如前者)称为放热型金属,相反的则称为吸热型金属(如后者)。把前者与氢生成的氢化物称为强键合氢化物,这些元素称为氢稳定因素;氢与后一种金属生成的氢化物称为弱键合氢化物,这些元素称氢不稳定因素。前者控制着贮氢量,是组成贮氢合金的关键元素。后者控制着吸放氢的可逆性,起调节生成热与分解压力的作用。
目前所开发的贮氢合金,基本上都是将放热型金属与吸热型金属组合在一起。两者合理配合,就能制备出在室温下具有可逆地吸放氢能力的贮氢材料。某种特定的合金,在常温常压(附近)下与氢反应,成为合金氢化物。通过加热或减压将贮存的氢气放出;通过冷却或加压又再次吸收于合金中。
常用的贮氢合金分类方法见表4-2。
表4-2 储氢合金的分类
分类方法
储氢合金类别
举
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