能源材料综述

1、储氢合金材料 能源材料定义和分类 广义上说，凡是能源工业及能源技术所需的材料都可称 为能源材料。 新材料领域，能源材料往往指那些正在发展的、可能支 持建立新能源系统满足各种新能源及节能技术的特殊要求 的材料。 分类分类 按材料种类，可分为燃料、能源结构材料、能源功能材料等 几大类。 按其使用目的，又可以把能源材料分成能源工业材料、新能 源材料、节能材料、储能材料等大类。 定义定义 目前比较重要的新能源材料 新能源 材料 裂变反 应堆材 料 聚变堆 材料 高能推 进剂 燃料电 池材料 氢能源 材料 超导材 料 太阳能 电池材 料 其它新 能源材 料 世界能源的消耗 德国能源消耗分布图 世界能源消

2、耗分布图 氢能源 氢是理想的二次能源 u氢是自然界中存在最普遍的元素 u氢本身无毒 u氢与其它燃料比较，单位质量发出的能量最高。 氢气存储 氢气存储 物理存储 化学存储 液气存储 高压氢气存储 活性炭吸附存储 碳纤维和碳纳米管存储 玻璃微球存储 地下岩洞存储 金属氢化物存储 有机液态氢化物存储 无机物存储 铁磁性材料存储 密度高，安全 性好，不需要 高压容器和隔 热容器，可得 到高纯度氢。 金属氢化物储氢 在一定温度和氢气压力下，能可逆的大量吸收、储存 和释放氢气的金属键化合物。 储氢量大、无污染、安全可靠、可重复使用而且制 备技术和工艺成熟 储氢合金的能量转换功能 金属储氢原理 合金合金氢系

3、的理想等温线氢系的理想等温线 横轴表示固相中的氢与金横轴表示固相中的氢与金 属原子比；纵轴为氢气压属原子比；纵轴为氢气压 力。力。 显然显然, ,高温生成的氢化物具高温生成的氢化物具 有高的平台压力有高的平台压力, ,同时有效同时有效 贮氢容量减小。贮氢容量减小。 储氢合金吸氢机理图 H2H2传质传质 化学吸附化学吸附 氢的解离氢的解离 表面迁移表面迁移 吸附的氢转吸附的氢转 化为吸收氢化为吸收氢 氢在氢在 相的稀固相的稀固 态溶液中扩散态溶液中扩散 相转变为相转变为 相相 氢在氢化物氢在氢化物 相中扩散相中扩散 储氢合金的研究现状 目前研究较多的储氢合金分有以下种类： p 镁基储氢材料 p

4、稀土储氢材料 p 钛系储氢材料 p 锆系储氢材料 镁基储氢材料 镁及镁基合金具有储氢量大（MgH2的含氢量达 7.6%,而 Mg2NiH4 的含氢量也达到 3.6%）、重量轻（密度仅为 1.74g/cm3）、资源 丰富、价格低廉等优点。 Mg 表面易氧化生成氧化膜, Mg 吸放氢的条件比较苛刻。 目前通过合金化改善 Mg 基合金氢化反应的动力学和热力学； 加入镍对镁氢化物的形成起催化作用, 加快了氢化反应速度。 稀土储氢材料 稀土储氢材料初期氢化容易，反应速度快，吸-放氢 性能优良，氢分解压仅所需气压低。 循环退化严重，易粉化，采用可有效降低成 本，给使用带来困难 采用M(Al，Cu，Fe，M

5、n, Ga，In，Sn，B， Pt，Pd，Co，Cr，Ag，Ir) 是改善LaNi5和 MmNi5储氢性能的重要方法。 钛系储氢材料 钛系合金的优点是资源丰富，成本低，TiFe合金是钛系 储氢合金的代表，理论储氢密度为 1.86%，室温下平衡氢 气压为 0.3MPa，具有 CsCl 型结构 不易被活化， 吸放氢需要在较高温度和压力下进行、 易受到H2O和O2等气体杂质毒化、滞后现象严重以及循环寿 命短等。 现在多采用 Ni 等金属部分取代Fe形成多元元合金以实 现常温活化，用 Mn、Cr、Zr 和 Ni 等过渡元素取代 TiFe 合金中部分Fe就可以明显改善合金的活化性能。 锆系储氢材料 锆系

6、储氢合金主要有 Zr-V、Zr-Cr 和 Zr-Mn 系 列, 以 ZrV2、ZrCr2、ZrMn2 等为代表 ,可用通式 AB2 表示,具有 C14、C15、C36 等Laves 相结构,吸氢量大、反应速度快以 及易活化、没有滞后效应 稳定性较差 添加 Ni、Mn、Cr、V 等元素,合金的相结构由 ZrMn2 的 纯C14 相结构转变为 C15 或两者的混相结构, 同时合金中 出现一系列的Zr-Ni 相，提高合金的综合电化学性能。 储氢合金的应用领域 储氢材料应用于国民经济中的冶金、石油化工、光学、磁 学、电子、生物医疗和原子能工业的各大领域的30 多个 行业，但主要应用领域是高性能充电电池镍氢电池。 镍氢电池具有能量密度高、循环寿命长、动力学性能良 好、环境友好和安全性好等优点，广泛应用于便携式电子设 备、电动工具、混合电动车 （HEV），HEV从2004年起,得到 迅速发展。每年以2既的速度递增,到2008年累计销售1 70万 辆。 尽管上述高容量储氢材料表现出良好的应用发展前景, 但现有的主要储氢材料均存在不同程度的适用性问题，离 氢能技术的规模化应用尚有相当的距离。 金属合金氢化物加氢或脱氢只能在较高温度下进行， 使用成本高，热交换困难。 u 提高储氢材料的重量和体积储氢密度提高储氢材料的重量和体积储氢密度, ,