[发明专利]一种长寿命高容量钒基储氢合金及其氢化制粉方法

说明书

本发明公开了属于固态储氢材料与技术领域的一种长寿命高容量钒基储氢合金及其氢化制粉方法。所述合金组成为V_xTi_yAl_zM_{100‑x‑y‑z}‑1～3at％Ce，其中x、y、z分别表示V、Ti、Al的原子数，x＝70‑90，y＝2‑10，z＝1‑5；M为Fe、Cu、Zn、Mn和Cr中的一种或两种以上的组合，采用真空电弧翻身熔炼3‑5遍后在1000‑1200℃下热处理24h，随后快冷至室温。本发明的合金室温可逆储氢量可达2.30wt％以上，所述氢化制粉获得的合金颗粒大小均匀，避免了不均匀吸氢引起的鳞片状颗粒，可直接用于储氢合金床体制备，为燃料电池提供安全高效的固态氢源。

技术领域

本发明属于固态储存材料与技术领域，尤其涉及一种长寿命高容量钒基储氢合金及其氢化制粉方法。

背景技术

钒基储氢合金相比稀土LaNi₅、TiFe、TiMn₂系等应用较多的储氢合金，具有储氢容量高的优势，其室温最大吸氢量高于3.0wt％。但根据现有报导，钒基储氢合金在室温条件下的可逆储氢容量普遍在1.8-2.0wt％之间，相比现已规模应用的稀土系、钛系储氢合金优势不够，且金属钒的价格高，因此，综合考虑合金性价比，钒基储氢合金在实际应用过程中并不具有优势。

在进一步提升钒基储氢合金室温可逆容量方面，通过合金化的方式调控合金晶格参数及电负性等参数是较为有效的方法。同时，为保证合金吸放氢循环稳定性，需提升合金中钒含量，本研究组前期已开展高钒含量的V-Fe系合金研究，其中优化获得的(V_0.835Fe_0.165)₈₈Ti₁₂-La₃可逆储氢量可达2.0wt％，100次循环容量衰减1％，但其可逆储氢容量仍偏低。

此外，由于钒基合金具有体积立方结构表现出良好的强韧性，尤其是钒含量较高时，通过常规的机械破碎的方式难以获得合金粉末，而采用常规的氢化方法获得的合金普遍呈现鳞片状，影响合金吸放氢过程中的氢气扩散，对后续固态储氢系统传热传质造成严重影响。

现有技术TiV系储氢材料仍然存在以下问题：一是储氢容量仍偏低，由于固溶体合金的储氢性能受晶胞体积、电子浓度、电负性等多重因素影响，目前已开发出的合金很难同时满足较高的储氢容量和良好的循环性能；二是合金制粉困难，由于固溶体合金呈体心立方结构，且受固溶强化的作用，钒基固溶体合金表现出良好的强韧性，采用普通的机械制粉方法很难获得粉末状合金，难以实现储氢合金的规模应用。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种长寿命高容量钒基储氢合金，所述储氢合金的化学式为V_xTi_yAl_zM_100-x-y-z-1～3at％Ce，其中x、y、z分别表示V、Ti、Al的原子数，x＝70-90，y＝2-10，z＝1-5；M为Fe、Cu、Zn、Mn和Cr中的一种或两种以上的组合。

所述储氢合金呈体心立方结构相和少量沿晶界弥散分布的金属Ce相。

其中Al的加入能够减少合金吸放氢过程中因晶体结构转变引起的晶格畸变，对于合金循环稳定性的提升有良好的促进作用；元素M的添加能够有效调控合金吸放氢平台压力，从而根据应用需求获得相应满足储氢要求的合金。

通过引入大原子半径非过渡金属元素Al以及少量过渡族金属元素Fe、Mn等元素，利用Al与过渡金属对氢气作用的差异性以及合金晶胞参数、电子浓度的调控，提升并调控固溶体合金的综合储氢性能。

一种长寿命高容量钒基储氢合金的制备方法，包括以下步骤：

1)将原料金属按照储氢合金中合金元素之间的化学计量比配料；

2)采用真空非自耗电弧炉或真空感应炉，将原料金属在氩气保护下熔炼3-5遍，得到铸态合金；