[發明專利]具有改進的激活和高倍率性能的金屬氫化物合金

在審

• 申請號: 201380020576.8
• 申請日: 2013-04-18
• 公開（公告）號: CN104302795A
• 公開（公告）日: 2015-01-21
• 發明（設計）人: K·揚;B·瑞克曼;M·A·菲特岑口
• 申請（專利權）人: 奧佛電池公司
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00;C22C18/00;C22C19/00;H01M8/02
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 趙蓉民;張全信

發明領域

本發明涉及合金材料及其制造方法。特別是，本發明涉及能夠吸收和解吸氫的金屬氫化物合金材料。特別是，本發明涉及其中包含改性劑元素(modifier?element)的多相金屬氫化物型合金材料。

發明背景

如在本領域中知道的，某些合金材料能夠吸收和解吸氫。這些材料可作為氫存儲介質和/或作為金屬氫化物電池、燃料電池、金屬氫化物空氣電池系統等的電極材料。這樣的材料一般被稱為金屬氫化物材料。

關于其成員組成元素占據的結晶位，在金屬氫化物電池系統中具有應用的一類特定的金屬氫化物材料被稱為AB_x類材料。AB_x型材料例如在美國專利5,536,591和美國專利6,210,498中公開，二者的公開內容都通過引用并入本文。目前，強烈關注的是將被稱為AB₂合金的特定組AB_x材料應用在金屬氫化物電池系統中。這是由于下述事實：不同于很多目前使用的AB₅合金材料，AB₂型合金材料一般不加入大量昂貴、稀土元素。此外，包含AB₂材料的電池一般表現出高的電荷存儲容量。

如在本領域中知曉的，在使用前，金屬氫化物電池必須經歷激活過程。該過程典型地包括：讓電池通過一次或多次特別勾畫(profiled)的充/放電周期，并且該過程是必要的以確保電池顯示其最大電荷存儲容量。高倍率(high-rate)性能是任何電池系統的另一個重要參數，并且是電池以高倍率傳遞能量的能力的量度。高倍率性能在大功率應用中是非常重要的參數，例如電動汽車、電動工具等，其中必須迅速提供大量電力。

在此之前，AB₂材料在金屬氫化物電池系統中的應用受到限制，這是由于下述事實：與AB₅等材料相比，AB₂材料往往難以激活并表現出低的高放電率性能。如將在下文詳細解釋的，本發明認識到，如果AB₂金屬氫化物合金包含催化第二相，那些合金的激活和高倍率性能將顯著提升。進一步，依據本發明，已經發現，這些相可以通過將改性劑元素引入合金材料中形成。

本發明的材料至少包括第一相和第二相。第一相(其可包含相組)具有AB₂型晶體結構并且也被稱為“主相”。第二相包含顯著高于第一相中濃度的改性劑元素濃度。本發明材料成本相對低，并且當其并入金屬氫化物電池系統中時將表現出大電荷存儲容量，連同顯著地改進的激活和高倍率放電性能。本發明的這些和其他優勢將從接下來的附圖、討論和描述中顯現出來。

發明概述

公開的是其中包含改性劑元素的金屬氫化物合金材料。該合金包含具有AB_x型晶體結構的第一相或相組，以及第二相，該第二相中的改性劑元素濃度高于第一相或相組中改性劑元素的濃度。該合金能夠可逆地吸收和解吸氫。在具體實例中，第一主相或相組具有AB₂型晶體結構。在具體實例中，第二相中改性劑元素的濃度比第一相組中改性劑元素濃度高至少10倍，并且在一些實例中高至少50倍或100倍。在某些實施方式中，第二相是非晶體相，或者如果它是晶體，則其晶體結構不同于主相的晶體結構。

在某些實例中，合金體相中改性劑元素的濃度大于0且等于或小于4原子百分比。改性劑元素可以是例如釔的輕稀土元素。在某些實例中，該合金可包含Ti、Zr、B、Ni和改性劑元素。在具體實例中，第一相或相組可包括一個或多個萊夫斯(Laves)相，比如C14、C15和/或C36相。

在具體實例中合金具有通式：

Ti_AZr_B-XY_XV_CNi_DM_E

其中A、B、C和D各自獨立地大于0且小于或等于50原子百分比；X大于0且小于或等于4原子百分比；M是選自Co、Cr、Sn、Al和Mn中的一種或多種金屬；并且E在0-30原子百分比的范圍內。

還公開了包含該合金材料的電池。

附圖簡述

圖1是本發明原理說明性十種合金系列的X射線衍射數據的描繪；

圖2是對于根據本發明的一系列合金，晶胞體積變化作為改性劑元素濃度的函數的描繪；