专利名称：：一种改善稀土系镍氢电池负极倍率性能的方法和装置的制作方法
技术领域：
：本发明属于金属功能材料
技术领域：
，特别涉及一种改善稀土系镍氢电池负极倍率性能的方法和装置。
背景技术：
：由于环境污染日益严重和传统能源危机的产生，世界上许多国家大规模地开展了新型能源的研究和开发工作，氢能是研究的重要能源之一。各国学者都汄为21世纪将是氢能世纪，并出现了"氢经济"这一新概念。镍氢电池以其优越的性能和环保特性而在近期得到迅速的发展，各种小型和动力电池已经在民用、军事和宇航等领域得到广泛应用并发挥重要的作用。镍氢电池的进一步发展依赖于其负极材料一一储氢合金的研制水平，而稀土系储氢合金是当前和今后的主导产品，继续根据需要进行稀土系储氢合金的研发具有重要的理论和现实意义。镍氢电池相对于锂离子电池在以下方面有明显的优势环境友好，在使用过程中不产生任何污染；安全性能好，有较强的抗过充过放能力，大电流放电能力优越。但作为混合动力和纯电动车的电源，要求更高的大电流放电能力，即快速充电，启动的瞬间大电流放电的能力。现有的镍氢电池与车用的性能要求还有一定的差距。各国科学家在无外场的作用下进行了深入研究，主要包括元素替代、不同化学剂量比、添加合金组元、制备复合材料、热处理、表面改性和使用熔体快淬等工艺方法。通过上述方法，不同程度的改善了材料的热力学性能和合金电极的循环寿命，但对合金的大倍率放电性能改善不大，而且成本较高。从而影响了它的广泛应用，也有报道采用合金在凝固过程中加外场改善合金的循环性能，但不能改善合金电极的大电流放电能力。而强磁场能够将高强度的能量无接触地传递到物质的原子尺度，改变原子和分子的排列、匹配和迁移等行为，从而对材料的组织和性能产生巨大而深刻的影响，强磁场加工已成为开发新型材料的一种重要技术手段。特别是随着新型超导磁体技术的发展，强磁场的产生和使用变得比较方便，从而为强磁场下材料制备和改性的研究提供了技术基础。
发明内容本发明的目的是提供一种改善稀土系镍氢电池负极倍率性能的方法和装置。一种改善稀土系镍氢电池负极倍率性能的方法，其特征在于，该方法采用以下步骤，(1)制备合金，选用低频、中频或高频感应熔炼制备合金，合金原料的纯度大于99%;(2)将稀土系合金采用氩气保护氛围，在磁场中的直流电源热处理炉中进行磁场热处理，合金铸锭放置在与磁场平行的柱状晶方向，施加磁场强度110T，然后以10°C/min的升温速率升温至100650°C，到温后保温05h;(S)将合金保温后，在磁场中随炉冷却、水淬或油淬-,(4)打掉氧化皮或清洗至表面清洁、干燥后，采用干法制粉工艺制粉、分级，真空封装后待用。一种改善稀土系镍氢电池负极倍率性能的装置，其特征在于，合金铸锭5放置于位于装置屮心的陶瓷支持架7上，热电偶1置于炉体内壁2和合金铸锭5之间，冷却水4置于炉体内壁和外壁之间，直流线圈加热丝3置于炉体内壁2和冷却水4之间，炉体外设置超导磁体6。本发明的有益效果为将强磁场的高强度的能量无接触的无接触地传递到物质的原子尺度，改变原子和分子的排列、匹配和迁移等行为，从而对材料的组织和性能产生巨大而深刻的影响，在不改变合金成分和制备方法的条件下，通过采用磁场热处理的方法可以大幅改变合金电极的倍率性能，该方法操作简单，成本较低，可以使得储氢合金电极广泛的使用在混合动力和纯电动车的电源上。图1为磁场热处理装置示意图2为铸态、热处理、实施例1制备的磁场热处理三种状态储氢合金负极的活化性能、容量和倍率性能对比示意图3为铸态、热处理、实施例1制备的磁场热处理三种状态储氢合金的室温磁滞回线对比示意图4为铸态、热处理、实施例1制备的磁场热处理三种状态储氢合金的X射线衍射图谱对比示意图5为铸态、实施例2制备的不同热处理温度下处理的磁场热处理储氢合金负极的活化性能、容量和倍率性能对比示意图6为铸态、实施例2制备的不同热处理温度下处理的磁场热处理储氢合金的室温磁滞回线对比示意图7为铸态合金、实施例3制备的不同磁场下磁场热处理储氢合金负极的活化性能、容量和倍率性能对比示意图8为铸态合金、实施例3制备的不同磁场下磁场热处理储氢合金的室温磁滞回线对比示意图中标号l-热电偶；2-炉体内壁；3-直流线圈加热丝；4-冷却水；5-合金铸锭；6-超导磁体；7-陶瓷支持架。具体实施方式一种改善稀土系镍氢电池负极倍率性能的装置，如图1所示，合金铸锭5放置于位于装置中心的陶瓷支持架7上，热电偶1置于炉体内壁2和合金铸锭5之间，冷却水4置于炉体内壁和外壁之间，直流线圈加热丝3置于炉体内壁2和冷却水4之间，炉体外设置超导磁体6。采用上述装置制备合金，下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明实施例1一种改善稀土系镍氢电池负极倍率性能的方法，该方法采用以下歩骤，(1)制备合金，通过中频感应熔炼、铜模浇注制备出Nd-Mg-Ni-Co系A2B7型储氢合金，合金原料的纯度大于99%;(2)将稀土系合金铸锭采用氩气保护氛围，将试样固定在磁场中的炉体中心位置，在磁场屮的直流电源热处理炉中进行磁场热处理，合金铸锭放置在与磁场平行的柱状晶方向，施加磁场强度IOT，然后以10°C/min的升温速率升温至650°C，到温后保温3h;(3)将合金保温后，在磁场中随炉冷却；")清洗至表面清洁、干燥后，采用干法制粉工艺制粉、分级，真空封装后待用。将制备的合金分别进行电化学性能、磁性能测试和组织结构表征。图2所示为电化学性能测试结果，为铸态、热处理、实施例1制备的储氧合金负极的活化性能、容量和倍率性能对比示意图，从图的左侧可以看出三种状态下合金电极的活化性能基本不变，三次可以活化；但合金的最大放电容量发生了明显的变化，与铸态合金电极相比，磁场热处理后合金电极的最大放电容量略有增加，从329mAh/g增加到339mAh/g，而处理后的合金电极的最大放电容量降低到271mAh/g;从图2的右侧可以看出，不同的放电电流下合金的放电容量的变化，可以看出，磁场热处理大幅提高了合金电极的大电流放电能力，在放电电流达到1200mA7g时，仍然可以放出大概90%的容量，而相同温度热处理下的倍率性能略有提高。图3示出了合金的室温磁滞回线，可以看出磁场热处理后合金的饱和磁化强度大幅增加，相同温度热处理后的合金略有增加，而矫顽力基本不变。图4示出了合金的X射线衍射图谱，从图中可以看出，合金在磁场热处理和热处理过程屮并没有新相的生成和原有相的消失，但从峰位的偏移可以看出，磁场热处理使得合金中的Ce2Ni7型主相的峰位发生偏移，晶格参数发生了变化；从表1可以看出，合金中的CaCu5相的晶格参数基本不变，而Ce2Ni7型主相的晶格参数a基本不变，而晶格参数c由于磁场热处理合金的晶格参数增大，晶胞体积和轴比(c/a)增大，由于六面体中的吸氢间隙(四面体和八面体间隙)是沿c轴方向，即间隙尺寸增大，氢吸入和脱出的扩散通道尺寸增大，所以合金的大电流放电能力大幅提高。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>实施例2一种改善稀土系镍氢电池负极倍率性能的方法，该方法采用以下步骤，(1)制备合金，通过中频感应熔炼、铜模浇注制备出Nd-Mg-Ni-Co系A2B7型储氢合金，合金原料的纯度大于99%;(2)将稀土系合金铸锭采用氩气保护氛围，将试样固定在磁场中的炉体中心位置，在磁场中的直流电源热处理炉中进行磁场热处理，合金铸锭放置在与磁场平行的柱状晶方向，施加磁场强度IOT，然后以10°C/min的升温速率升温至650°C，到温后保温5h;(3)将合金保温后，在磁场中进行水淬；(4)打掉氧化皮后，采用干法制粉工艺制粉、分级，真空封装后待用，得到磁场热处理合金。采用相同的制备方法，只改变热处理温度，将合金升温至50(TC、25(TC和100°C，得到热处理温度分别为100°C、25(TC、50(TC和650'C时处理的磁场热处理合金。取铸态合金、IO(TC、250°C、50(TC和650。C磁场热处理合金分别进行电化学性能、磁性能测试和组织结构表征。图5所示为电化学性能测试结果，为铸态、实施例2制备的储氢合金负极的活化性能、容量和倍率性能对比示意图，从图的左侧可以看出，不同的磁场热处理温度对合金电极的活化性能影响不大，但合金的最大放电容量发生了明显的变化，随着温度的升高，合金电极的最大放电容量逐渐略有增加；从图5的右侧的不同放电电流条件下，合金的倍率性能也发生有规律的变化，磁场热处理温度越高，合金的大电流放电能力增加越明显，但有一点，只要进行了磁场热处理，合金电极的倍率性能都明显增加，温度因素影响不是很明显。图6为不同热处理温度下处理的磁场热处理合金和铸态合金的室温磁滞冋线，同样可以看出，随着磁场热处理温度的增加，合金的饱和磁化强度也逐渐增加，在50(TC和650'C磁场热处理效果明显，倍率性能大幅提高的机理与实施例1-致。从应用的角度低温磁场热处理也可以大幅提高合金的倍率性能。实施例3一种改善稀土系镍氢电池负极倍率性能的方法，该方法采用以下步骤，(1)制备合金，通过中频感应熔炼、铜模浇注制备出Nd-Mg-Ni-Co系A2B7型储氢合金，合金原料的纯度大于99%;(2)将稀土系合金铸锭采用氩气保护氛围，将试样固定在磁场中的炉体中心位置，在磁场中的直流电源热处理炉屮进行磁场热处理，合金铸锭放置在与磁场平行的柱状晶方向，施加磁场强度2T，然后以10°C/min的升温速率升温至500°C，到温后保温lh;(3)将合金保温后，在磁场中进行油淬；④打掉氧化皮后，采用干法制粉工艺制粉、分级，真空封装后待用。采用相同的制备方法，只改变磁场强度为6T、IOT，得到磁场强度分别为2T、6T、IOT时处理的磁场热处理合金。取铸态合金和2T、6T和10T磁场热处理合金分别进行电化学性能、磁性能测试和组织结构表征。图7所示为电化学性能测试结果，为铸态合金、实施例3制备的储氢合金负极的活化性能、容量和倍率性能对比示意图，从图的左侧可以看出，不同的磁场强度对合金电极的活化性能影响不大；但合金的最大放电容量发生/明显的变化，随着磁场强度的升高，合金电极的最大放电容量先逐渐略有增加后降低；从图7的右侧的不同放电电流条件下，合金的倍率性能也发生有规律的变化，随着磁场强度的升高，合金的大电流放电能力先增加后减小，合金只要进行了磁场热处理，合金电极的倍率性能都明显增加，磁场强度对磁场热处理有一定的影响。图8示出了不同磁场强度下热处理合金和铸态合金的室温磁滞回线，同样可以看出，随着磁场热处理温度的增加，合金的饱和磁化强度也是先增加后减小，在磁场强度为6特斯拉、50(TC磁场热处理效果明显，倍率性能人幅提高的机理与实施例1一致。权利要求1、一种改善稀土系镍氢电池负极倍率性能的方法，其特征在于，该方法采用以下步骤，(1)制备合金，选用低频、中频或高频感应熔炼制备合金，合金原料的纯度大于99％；(2)将稀土系合金采用氩气保护氛围，在磁场中的直流电源热处理炉中进行磁场热处理，合金铸锭放置在与磁场下行的柱状晶方向，施加磁场强度1～10T，然后以10℃/min的升温速率升温至100～650℃，到温后保温0～5h；(3)将合金保温后，在磁场中随炉冷却、水淬或油淬；(4)打掉氧化皮或清洗至表面清洁、干燥后，采用干法制粉工艺制粉、分级，真空封装后待用。2、一种改善稀土系镍氢电池负极倍率性能的装置，其特征在于，合金铸锭(5)放置于位于装置中心的陶瓷支持架(7)上，热电偶(1)置于炉体内壁(2)和合金铸锭(5)之间，冷却水(4)置于炉体内壁和外壁之间，直流线圈加热丝(3)置于炉体内壁(2)和冷却水(4)之间，炉体外设置超导磁体(6)。全文摘要本发明公开了金属功能材料
技术领域：
的一种改善稀土系镍氢电池负极倍率性能的方法和装置。制备合金，选用低频、中频或高频感应熔炼制备合金，将稀土系合金采用氩气保护氛围，在磁场中的直流电源热处理炉中进行磁场热处理，合金铸锭放置在与磁场平行的柱状晶方向，施加磁场强度，然后升温，到温后保温，将合金保温后，在磁场中随炉冷却、水淬或油淬，打掉氧化皮或清洗至表面清洁、干燥后，采用干法制粉工艺制粉、分级，真空封装。本发明在不改变合金成分和制备方法的条件下，通过采用磁场热处理的方法可以大幅改变合金电极的倍率性能，该方法操作简单，成本较低，可以使得储氢合金电极广泛的使用在混合动力和纯电动车的电源上。文档编号H01M4/04GK101420027SQ20081022467公开日2009年4月29日申请日期2008年10月23日优先权日2008年10月23日发明者于荣海,潘崇超申请人:清华大学