近年来,由于传统能源消耗量的迅速增加以及环境污染问题的日趋严重,许多国家大规模地开展了新能源的研究工作,其中氢能作为重要的二次能源,引起了人们广泛的关注。
氢是一种清洁能源,燃烧时不产生污染环境的烟尘和SO2,其燃烧生成物是水,不破坏地球的物质循环。人们对氢能技术的开发寄予了很大的期望。氢能系统的开发主要包括氢气的制备、贮存、运输和应用等几个方面。其中氢的储存及输送是其中的关键之一。
早在上世纪60年代,由于石油危机,人们提出了用储氢合金作为二次能源的设想。最
初的研究发现:Mg具有储氢性能,储氢重量达7.6%。19年美国布鲁克-海文国家实验室Reilly和Wisqull合成了Mg2Ni合金,这就是历史上最早的储氢合金,储氢量3.6wt%,但常压下250℃才能析出氢。对于实际应用,释放氢的温度仍显过高。
1968年荷兰菲利浦实验室Zijlstra和Wester-drop在研究永磁材料SmCo5时意外发现了稀土贮氢合金。SmCo5合金表面用酸洗过后磁性减弱,查其原因发现吸入大量的氢。用气体氢进一步验证时发现,在氢压2MPa时吸氢,氢压降低时又释放出来。进一步的研究发现,在稀土储氢合金中,LaNi5具有特别理想的贮氢性能。
1970年,Reilly等人发现了金属钒能够在室温下贮存大量的氢气,但是只有一半的氢气能够释放出来,而且吸氢动力学性能较差,活化比较困难。而后对钒的二元合金、三元合金进行广泛深入的研究。
八十年代,发现用富铈混合稀土(Mm)或富镧混合稀土(Ml)取代LaNi5中的La,用Co、 Mn、 Al部分取代LaNi5中的Ni,制成的贮氢合金具有优异的电化学性能,使镍氢电池得到了迅猛发展。
九十年代后期,开发V-Ti-Cr合金,当Ti/Cr=5/8时,V35Ti25Cr40合金具有2.5wt%的可逆吸氢量,热处理后,合金的可逆吸氢量进一步增加到2.6wt%。
目前针对燃料电池的需要,世界各国正在对各种新的贮氢材料进行全方位的研发。
除了氢气的储存以外,贮氢材料还可广泛应用于以下领域:
(1) 氢气的回收、提纯
利用贮氢材料可逆吸/释氢特性,使其吸收含氢混合气体中的氢气,加热使其释放即可进行氢气的回收、分离、净化(纯度为99.999%以上)。
(2) 氢化物热泵
利用两种不同贮氢材料吸/释氢时所产生的热量差可制备出金属氢化物热泵,它具有无运动部件、无磨损、无噪声、不破坏大气臭氧层的优点。
(3) 加氢、脱氢反应的催化剂
利用贮氢材料可有效地催化加氢、脱氢反应。如采用LaNi4.8Cu0.2合金作为油酸硬化的催化剂,可以在90℃、0.5MPa的条件下硬化油酸,其效率是常规方法的15~20倍。
(4) 贮氢电池的负极材料
贮氢电池具有比能量高、不污染环境、无记忆效应、循环寿命长、与镍镉电池有互换性等优点,可广泛应用于电动汽车、电动摩托车、电动工具、数字处理机、通讯、夜视器、
摄像装置等。
(5) 氢气吸收剂和氢浓度传感器
贮氢材料能够在很低的氢分压下选择性地吸收氢气形成金属氢化物,可用于除去少量的氢。还可利用其吸氢时电阻的变化检测氢气的浓度,制成便携式氢浓度探测器。
(6) 致动器
利用贮氢材料吸/放氢时所产生的压力差可制成机械手的致动器、缓慢的升降装置等,具有重量轻、体积小、
无噪音、结构简单、可操作等优点
1.2.4储氢合金在镍氢电池中应用的发展概况
金属氢化物-镍(Ni-MH)电池是利用金属氢化物电替代镉-镍电池的镉电极而发展起来的一种高功率新型碱性电池。近年来,由于计算机、通讯设备、家电、音像设备等对小型化高容量二次电池的需求迅速增长,传统的镉-镍电池在比容量等方面已不能适应新的要求,并且镉会造成严重的环境污染问题。与镉-镍电池相比,Ni-MH电池有很显著的优点:(1)有较高的比容量,可达同型号的镉-镍电池的1.5~2.0倍;(2)无镉的公害;(3)无记忆效应;(4)耐过充及过放性较好等。
Ni-MH电池是利用储氢材料的电化学吸附氢特性和电催化活性原理制成的。正极采用镍化合物,负极采用储氢合金M,正负极板都浸在氢氧化钾电解液中构成电池。充电时,负极上不断析出氢气并被储氢合金吸收生成金属氢化物,即氢化物电极阴极储氢。逆反应
是放电过程,氢化物释出的氢又在同一电极(氢化物电极)上进行阴极氧化,电子沿导线移向正极。从正负极的反应来看,发生在两个电极上的反应均属固相转变机制,不涉及任何可溶性金属离子的中间产物,从而使电池的正、负电极都有很高的结构稳定性。在电池的工作过程中没有电解质组元(如OH-及H2O)的额外的生成,同时也不存在净的消耗。故可将电池的充放电过程看作只是氢原子(或质子)从一个电极转移到另一个电极的往复过程。
氢化物-镍电池的设计采用负极容量过剩的配置方式,当过充电时正极上生成氧(2OH-→H2O+1/2O2+2e-);负极上消耗氧(2MH+1/2O2→2M+2e-+ H2O)。过放电时正极上生成氢(2H2O+2e-→H 2+2 e-),负极上消耗氢(H2+2OH-→2H2O+2e-)。这样可抑制池内压的上升,使氢化物-镍电池具有良好的耐过充、过放电性能。
储氢合金电极材料是决定Ni-MH电池的性能的关键材料。对其性能的主要要求是高电化学容量、长寿命、易活化等。目前主要采用稀土-镍系AB5型和锆系AB2合金作储氢合金电极。稀土-镍系合金的综合性能好,但其电极容量已接近其理论值的水平。锆系AB2合金电极的稳定性好、容量约高于稀土-镍系30%,但难活化、成本高。因此、随着更高能量密度的锂离子电池的发展,NI-MH电池面临新的挑战,必须发展更高性能的储氢合金电极材料。
因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容
Copyright © 2019- igat.cn 版权所有 赣ICP备2024042791号-1
违法及侵权请联系:TEL:199 1889 7713 E-MAIL:2724546146@qq.com
本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务