DE10053734C2 - Hydrogen storage alloy based on zirconium - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Wasserstoffspeicherlegierung auf Zirconiumbasis und insbesondere eine nichtstöchiometrische Wasserstoffspeicherlegierung auf Zr-Ni-Basis für ein Kathoden material für eine Nickel/Metallhydrid-Sekundärzelle zur Stei gerung der Kapazität und Leistung.The invention relates to a hydrogen storage alloy Zirconium based and especially a non stoichiometric one Zr-Ni-based hydrogen storage alloy for a cathode material for a nickel / metal hydride secondary cell for stei capacity and performance.
Die meisten laufenden Forschungen auf dem Gebiet der Ni/MH- Sekundärzellen befassen sich mit dem Erreichen einer hohen Kapazität und hohen Leistung einschließlich der Eigenschaften einer hochgradigen Entladung und einer langen Lebensdauer der Ni/MH-Sekundärzelle. Diese Eigenschaften der Zelle werden hauptsächlich durch die Eigenschaften einer Wasserstoffspei cherlegierung bestimmt, die die negative Elektrode bzw. Katho de bildet. Das Erreichen einer hohen Kapazität und hohen Leistung der Ni/MH-Sekundärzelle ist direkt mit der Kapazität und der Leistungsfähigkeit der negativen Elektrode aus der Wasserstoffspeicherlegierung verbunden. Deshalb ist die For schung in wesentlichem Ausmaß auf die Steigerung der Leistungsfähigkeit des Kathodenmaterials aus der Wasserstoff speicherlegierung gerichtet. Vor kurzem wurde berichtet, daß Wasserstoffspeicherlegierungen mit einem nichtstöchiometri schen Zusammensetzungsverhältnis eine hochgradige Entladungs charakteristik und eine längere Lebensdauer haben, so daß derartige Legierungen nun in den Vordergrund als wirksames Material für negative Elektroden bzw. Kathoden gerückt werden.Most ongoing research in the field of Ni / MH Secondary cells are concerned with achieving high levels Capacity and high performance including properties a high degree of discharge and a long life of the Ni / MH secondary cell. These properties of the cell will be mainly due to the properties of hydrogen spit cher alloy determines the negative electrode or Katho de forms. Achieving high capacity and high Ni / MH secondary cell performance is directly related to capacity and the performance of the negative electrode from the Hydrogen storage alloy connected. Therefore the For to a significant extent on increasing the Performance of the cathode material from the hydrogen storage alloy directed. Recently it was reported that Hydrogen storage alloys with a non-stoichiometry a high degree of discharge characteristics and have a longer life, so that such alloys now come to the fore as effective Material for negative electrodes or cathodes are moved.
Eine Ni/MH-Sekundärzelle, welche eine Wasserstoffspeicherle
gierung als aktives Kathodenmaterial verwendet, hat folgendes
elektro-chemisches Reaktionsprinzip:
Beim Entladen der Zelle setzt die Wasserstoffspeicherlegierung
ein gespeichertes Wasserstoffatom frei, das sich mit einem
Hydroxylion OH- in einem KOH-Elektrolyten unter Bildung eines
Wassermoleküls zusammentut, während ein Elektron zu einer
positiven Elektrode bzw. Anode über einen äußeren Stromkreis
bewegt wird. Andererseits wird beim Laden der Zelle das Wasser
in ein Wasserstoffion H+ und ein Hydroxylion OH- zersetzt. Das
Hydroxylion bleibt in dem Elektrolyten, während das Wasser
stoffion mit dem von außen kommenden Ion zur Bildung eines
Wasserstoffatoms kombiniert wird, das sich dann seinerseits
mit der Wasserstoffspeicherlegierung kombiniert und in ihr
gespeichert wird. Dieses Reaktionsprinzip verwendet inhärente
reversible Eigenschaften der Wasserstoffspeicherlegierung,
d. h. ihre Stabilität in der wässerigen Alkalilösung und ihre
Fähigkeit, Wasserstoff schnell zu absorbieren/abzugeben.A Ni / MH secondary cell which uses a hydrogen storage alloy as the active cathode material has the following electro-chemical reaction principle:
When the cell is discharged, the hydrogen storage alloy releases a stored hydrogen atom, which combines with a hydroxyl ion OH - in a KOH electrolyte to form a water molecule, while an electron is moved to a positive electrode or anode via an external circuit. On the other hand, when the cell is charged, the water is decomposed into a hydrogen ion H + and a hydroxyl ion OH - . The hydroxyl ion remains in the electrolyte, while the hydrogen ion is combined with the ion coming from outside to form a hydrogen atom, which in turn combines with and is stored in the hydrogen storage alloy. This principle of reaction uses inherent reversible properties of the hydrogen storage alloy, ie its stability in the aqueous alkali solution and its ability to absorb / release hydrogen quickly.
Damit die Wasserstoffspeicherlegierung als wirksames Kathoden material der Ni/MH-Sekundärzelle verwendet werden kann, muß sie im wesentlichen den folgenden beiden Vorbedingungen genü gen: (1) Sie muß gute Wasserstoffanlagerungseigenschaften zusammen mit einem geeigneten Absorbtions/Abgabe-Druck für Wasserstoff in einer Gas-Feststoff-Reaktion (im allgemeinen 0,01 bis 1 atm bei Zimmertemperatur), eine große Wasserstoff speicherkapazität (die theoretische Entladungskapazität der Elektrode ist proportional zur Wasserstoffspeicherkapazität (CH Gew.-%), eine theoretische Entladungskapazität (mAh/g = 268 .CH) und eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit haben. (2) Eine Ladungsübertragungsreaktion in Zuordnung zu der Zersetzung und Synthese von Wasserstoff an einer Trennfläche zwischen der Legierung und dem Elektrolyten, wenn die Legierung in eine elektrochemische Reaktion mit dem Elektrolyten gebracht wird, muß leicht durchführbar sein. Das bedeutet, daß nur eine solche Wasserstoffspeicherlegierung als Kathode der Ni/MH- Sekundärzelle verwendet werden kann, deren Oberfläche als Katalysator für die Ladungsübertragungsreaktion wirkt.In order for the hydrogen storage alloy to be used as an effective cathode material of the Ni / MH secondary cell, it must essentially satisfy the following two conditions: (1) It must have good hydrogen attachment properties together with a suitable absorption / release pressure for hydrogen in a gas Solid reaction (generally 0.01 to 1 atm at room temperature), a large hydrogen storage capacity (the theoretical discharge capacity of the electrode is proportional to the hydrogen storage capacity (C H wt .-%), a theoretical discharge capacity (mAh / g = 268 .C H ) and have a high reaction rate. (2) A charge transfer reaction associated with the decomposition and synthesis of hydrogen at an interface between the alloy and the electrolyte when the alloy is brought into an electrochemical reaction with the electrolyte must be easy to carry out. That means that only one such hydrogen Storage alloy can be used as the cathode of the Ni / MH secondary cell, the surface of which acts as a catalyst for the charge transfer reaction.
Es sind bereits verschiedene Wasserstoffspeicherlegierungen bekannt, die diesen Anforderungen genügen, wobei typische Legierungen dieser Art sich folgendermaßen definieren lassen: (1) AB5-Typ mit La-Nd-Ni-Co-Al mit hexagonaler Struktur nach der US-A-4,488,817 und Mischmetall (Mm)-Mn-Ni-Co-Al mit hexo gonaler Struktur nach den JPs 61-1,132,501 und 61-214,361, sowie (2) AB2-Typ mit Ti-V-Ni-Cr mit einem C14, 15-hexagona len, kubischraumzentriertem Mehrphasenaufbau nach der US-A- 4,551,400 und mit Zr-V-Ni mit C14 Aufbau nach dem "Journal of the Less-Common Metals, 172-174: 1219 (1991).Various hydrogen storage alloys are already known which meet these requirements, and typical alloys of this type can be defined as follows: (1) AB 5 type with La-Nd-Ni-Co-Al with a hexagonal structure according to US Pat. No. 4,488,817 and Mixed metal (Mm) -Mn-Ni-Co-Al with hexagonal structure according to JPs 61-1,132,501 and 61-214,361, as well as (2) AB 2 type with Ti-V-Ni-Cr with a C14, 15-hexagon len, cubic space-centered multi-phase structure according to US-A-4,551,400 and with Zr-V-Ni with C14 structure according to the "Journal of the Less-Common Metals, 172-174: 1219 (1991).
Von diesen Legierungen zeigt die Wasserstoffspeicherlegie rungselektrode auf La-Ni-Basis vom AB5-Typ eine beträchtliche Reduktion in der Elektrodenkapazität mit Lade/Entlade-Zyklen in dem Alkalielektrolyten, wie es in "Journal of the Less- Common Metals, 161: 193 (1990) und 155: 119 (1989) angegeben ist, wobei auf das Phänomen insgesamt als Abbau Bezug genommen wird. Beispielsweise ist in der US-A-4,488,817 offenbart, daß die Zykluslebensdauer der Legierung auf La-Ni-Basis verlängert werden kann, indem Co und Al in kleinen Mengen für ein Ni- Element und Nd in kleinen Mengen für ein La-Element ersetzt werden, wobei das Problem der Kapazitätsreduzierung weiterhin vorhanden ist.Of these alloys, the AB 5 -type La-Ni-based hydrogen storage alloy electrode shows a substantial reduction in electrode capacity with charge / discharge cycles in the alkali electrolyte, as described in "Journal of the Less-Common Metals, 161: 193 ( 1990) and 155: 119 (1989), the overall phenomenon of which is referred to as degradation, For example, US-A-4,488,817 discloses that the cycle life of the La-Ni based alloy can be extended by Co and Al are replaced in small amounts for a Ni element and Nd in small amounts for a La element, the problem of capacity reduction still being present.
Eine Wasserstoffspeicherlegierung auf Zr-Basis, die wenigstens 30 Atomprozent Zr und wenigstens 40 Atomprozent Ni enthält, wie es in der US-A-4,946,646 offenbart ist, ist ebenfalls auf eine Entladungskapazität von nur 300 bis 270 mAh/g begrenzt.A Zr-based hydrogen storage alloy, at least Contains 30 atomic percent Zr and at least 40 atomic percent Ni, as disclosed in US-A-4,946,646 is also on a discharge capacity of only 300 to 270 mAh / g is limited.
Die US-A-4,849,205, 4,728,586 und 4,551,400 offenbaren Ti-Zr- V-Ni-Cu-Mn-M (M ist Al, Co, Fe usw.)-Wasserstoffspeicherlegie rungen mit Kapazitäten von nicht mehr als 300 bis 380 mAh/g.US-A-4,849,205, 4,728,586 and 4,551,400 disclose Ti-Zr- V-Ni-Cu-Mn-M (M is Al, Co, Fe, etc.) - hydrogen storage alloy with capacities of not more than 300 to 380 mAh / g.
Die bisher entwickelten Wasserstoffspeicherlegierungen für Ni/MH-Sekundärzellen können grob in zwei Arten aufgeteilt werden, nämlich (1) in den AB5-Typ mit Legierungen aus Misch metall (Mm)-Ni-Basis, wobei A ein Element mit einer starken Affinität für Wasserstoff, beispielsweise ein seltenes Erdme tall, wie La, Ti, Zr, Ce, Pr, Nd usw. und B ein Übergangs element, wie Ni, Mn, Co, Fe, Al usw. ist, und (2) in den AB2- Typ mit Legierungen auf Zr-Ni- und Ti-Ni-Basis. Die erste Legierung vom AB5-Typ hat jedoch den Nachteil einer geringen Energiespeicherdichte, während der zweite AB2-Typ in fast allen Leistungsprofilen schlecht ist. Die weitere Entwicklung von Ni/MH-Skundärzellen mit hoher Kapazität und hoher Leistung wird auf die Herstellung von Wasserstoffspeicherlegierungen vom AB2-Typ mit hoher Leistungsfähigkeit gerichtet sein, die eine höhere Kapazität als die AB5-Wasserstoffspeicherlegierun gen haben.The previously developed hydrogen storage alloys for Ni / MH secondary cells can be roughly divided into two types, namely (1) in the AB 5 type with alloys made of mixed metal (Mm) -Ni base, where A is an element with a strong affinity for Hydrogen, for example a rare earth metal such as La, Ti, Zr, Ce, Pr, Nd etc. and B is a transition element such as Ni, Mn, Co, Fe, Al etc., and (2) in AB 2 - Type with alloys based on Zr-Ni and Ti-Ni. However, the first alloy of the AB 5 type has the disadvantage of a low energy storage density, while the second AB 2 type is poor in almost all performance profiles. The further development of Ni / MH secondary cells with high capacity and high performance will be directed towards the production of high-performance hydrogen storage alloys of the AB 2 type, which have a higher capacity than the AB 5 hydrogen storage alloys.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, die vorstehenden Probleme zu überwinden und eine Wasserstoffspei cherlegierung auf Zirconium-Basis bereitzustellen, die ein nichtstöchiometrisches Zusammensetzungsverhältnis hat, d. h. eine ABZ-Wasserstoffspeicherlegierung mit hoher Kapazität und Leistung zu entwickeln.The object underlying the invention is that to overcome the above problems and a hydrogen spit To provide zirconium-based alloy, the one has non-stoichiometric composition ratio, d. H. an ABZ high capacity hydrogen storage alloy and Develop performance.
Diese Aufgabe wird mit einer Wasserstoffspeicherlegierung auf
Zirconium-Basis gelöst, die durch die folgende allgemeine
Formel darstellbar ist:
This task is solved with a hydrogen storage alloy based on zirconium, which can be represented by the following general formula:
Zr1-XTiX(MnUVVCrYNi1-U-V-Y)Z
Zr 1-X Ti X (Mn U V V Cr Y Ni 1-UVY ) Z
wobei X, U, V, Y und Z ein Atomanteil jedes Legierungszusammensetzungselements ist und 0 < X ≦ 0,4; 0,3 ≦ U ≦ 0,4; 0,1 ≦ V ≦ 0,2; 0,0 ≦ Y ≦ 0,2; 0,45 ≦ U + V + Y ≦ 0,65 und 1,6 ≦ Z ≦ 1,9 gilt.where X, U, V, Y and Z are atomic proportions of each alloy composition element and is 0 <X ≦ 0.4; 0.3 ≦ U ≦ 0.4; 0.1 ≦ V ≦ 0.2; 0.0 ≦ Y ≦ 0.2; 0.45 ≦ U + V + Y ≦ 0.65 and 1.6 ≦ Z ≦ 1.9 applies.
Bei der erfindungsgemäßen Wasserstoffspeicherlegierung ist Zr ein Basislegierungs-Zusammensetzungselement mit einem optima len Zusammensetzungsverhältnis von wenigstens 0,6 bis weniger als 1 Atomanteil unter Berücksichtigung des Zusammensetzungs verhältnisses von Ti als Substitutions-Metallelement.In the hydrogen storage alloy according to the invention, Zr a base alloy composition element with an optima len composition ratio of at least 0.6 to less as 1 atomic part taking into account the composition ratio of Ti as a substitution metal element.
Ti ist ein Element, welches eine Steigerung der Entladungs kapazitätsrate der erfindungsgemäßen Wasserstoffspeicherlegie rung verursacht, wobei sein optimales Zusammensetzungsverhält nis auf von mehr als 0 bis 0,4 oder weniger Atomanteil be grenzt ist. Wenn das Zusammensetzungsverhältnis von Ti au ßerhalb seines optimalen Bereichs liegen würde, würde die Entladungskapazität auf etwa 300 mAh reduziert und die Elek trodenlebensdauer verkürzt werden. Der Grund, warum Ti als Ersatz für Zr bei den Legierungszusammensetzungselementen verwendet wird, besteht darin, daß im Falle einer Legierung mit einer stöchiometrischen Zusammensetzung die Legierungs elemente in der A-Stelle eine stärkere Affinität für Wasser stoff als diejenigen in der B-Stelle haben und somit die Legierung dazu neigt, einen niedrigeren Gesamt-Wasserstoff gleichgewichtsdruck aufzuweisen. Deshalb wird Zr durch Ti ersetzt, das ähnliche kristallographische Eigenschaften mit Ausnahme einer geringeren Affinität für Wasserstoff hat, um einen geeigneten Wasserstoffgleichgewichtsdruck bereitzustel len und so die reversible Wasserstoffspeicherkapazität zu steigern.Ti is an element that increases discharge capacity rate of the hydrogen storage alloy according to the invention tion, whereby its optimal composition ratio nis on from more than 0 to 0.4 or less atomic content is bordered. If the composition ratio of Ti au would be outside its optimal range, the Discharge capacity reduced to about 300 mAh and the elec trode life can be shortened. The reason why Ti as Replacement for Zr in the alloy composition elements is used is that in the case of an alloy the alloy with a stoichiometric composition elements in the A position have a stronger affinity for water substance than those in the B-position and thus the Alloy tends to have a lower total hydrogen to have equilibrium pressure. Therefore Zr is replaced by Ti which has similar crystallographic properties Exception has a lower affinity for hydrogen to to provide a suitable hydrogen equilibrium pressure len and thus the reversible hydrogen storage capacity increase.
Das optimale Mn-Zusammensetzungsverhältnis in der erfindungs gemäßen Wasserstoffspeicherlegierung ist auf wenigstens 0,3 bis 0,4 oder weniger Atomanteil begrenzt, da der Entladungswirkungsgrad der Legierung stark reduziert wird, wenn das Verhältnis weniger als 0,3 ist, und eine Reduzierung des Ladewirkungsgrads und eine Verschlechterung der katalytischen Funktion auftreten, wenn das Verhältnis mehr als 0,4 beträgt.The optimal Mn composition ratio in the fiction According to hydrogen storage alloy is at least 0.3 limited to 0.4 or less atomic part because of the discharge efficiency the alloy is greatly reduced if that Ratio is less than 0.3, and a reduction in Charging efficiency and deterioration of the catalytic Function occur when the ratio is more than 0.4.
Ein optimales Zusammensetzungsverhältnis für V bei der erfin dungsgemäßen Wasserstoffspeicherlegierung ist auf wenigstens 0,1 bis 0,2 oder weniger Atomanteil begrenzt. Ein optimales Zusammensetzungsverhältnis von Cr, welches zur Steigerung der Wasserstoffspeicherkapazität und zur Vergrößerung der Elek trodenlebensdauer beiträgt, ist auf 0,2 oder weniger Atom anteil begrenzt. Da Cr eine starke Affinität zu Wasserstoff hat und einer Lösung von V entgegenwirkt, wird es dazu ver wendet, den Abbau der Legierungselektrode, die durch Ti sub stituiert ist, zu verhindern und die Entladungskapazität zu verbessern. Bei der erfindungsgemäßen Legierung ist Ni ein Element, welches für eine katalytische Funktion der Legierung in einem KOH-Elektrolyten sorgt. Sein optimales Zusammenset zungsverhältnis liegt vorzugsweise zwischen wenigstens 0,35 und 0,55 oder weniger Atomanteil.An optimal composition ratio for V at the erfin hydrogen storage alloy according to the invention is at least Limited 0.1 to 0.2 or less atomic proportion. An optimal one Composition ratio of Cr, which is used to increase the Hydrogen storage capacity and to enlarge the elec electrode life is up to 0.2 or less atom limited share. Because Cr has a strong affinity for hydrogen has and counteracts a solution of V, it becomes ver applies the degradation of the alloy electrode by Ti sub is prevented and the discharge capacity increases improve. In the alloy according to the invention, Ni is one Element which is responsible for a catalytic function of the alloy in a KOH electrolyte. Its optimal composition ratio is preferably at least 0.35 and 0.55 or less atomic fraction.
Die erfindungsgemäße, den obigen Bedingungen genügende Wasser stoffspeicherlegierung hat eine höhere Entladungsdichte von 370 bis 425 mAh/g und ihr Entladungswirkungsgrad ist 80% bei 400 mAh/g bezogen auf eine Entladungskapazität bei 25 mAh/g.The water according to the invention which meets the above conditions material storage alloy has a higher discharge density of 370 to 425 mAh / g and their discharge efficiency is 80% at 400 mAh / g based on a discharge capacity at 25 mAh / g.
Nachstehend werden Herstellungsverfahren für die erfindungs gemäße Wasserstoffspeicherlegierung und für das Verfahren zur Messung ihrer Wasserstoffanlagerungscharakteristika in einer Gas-Feststoff-Reaktion und ihrer Wasserstoffspeichereigen schaften in dem Elektrolyten beschrieben.Below are manufacturing methods for the Invention appropriate hydrogen storage alloy and for the process for Measurement of their hydrogen deposition characteristics in one Gas-solid reaction and its hydrogen storage described in the electrolyte.
Zunächst werden entsprechende Mengen der Legierungs-Zusammen setzungselemente so festgelegt und abgewogen, daß sie mit ihrem entsprechenden Zusammensetzungsverhältnis in der Legie rung übereinstimmen und das Gesamtgewicht der Elemente 5 g beträgt. Dann werden die Legierungs-Zusammensetzungselemente unter einer Argonatmosphäre mit einem Lichtbogen geschmolzen und zu einer Probe verfestigen gelassen. Im vorliegenden Fall wird das Verfahren der Umsetzung und Neuerschmelzung der verfestigten Probe wenigstens viermal wiederholt, um die Homogenität der Probe zu verbessern.First, appropriate amounts of the alloy are put together Settlement elements determined and weighed so that they with their corresponding compositional relationship in the alloy tion and the total weight of the elements 5 g is. Then the alloy composition elements melted with an arc under an argon atmosphere and solidified into a sample. In the present case is the process of implementing and remelting the solidified sample repeated at least four times to obtain the To improve the homogeneity of the sample.
Die erhaltene Probe wird dann fein zerkleinert und das Pulver mit einer Größe von 100 bis 200 mesh entsprechend einer lich ten Siebmaschenweite von 0,15 mm bis 0,07 mm, wird in ein Reaktorrohr eingeführt, das mit einer Hochdruck-Wasserstoffin jektionsvorrichtung in der Bauweise nach Sievert verbunden wird. Dann erfolgt ein Aktivierungsprozess ohne jegliche thermische Behandlung, indem der Innenraum des Reaktors 30 Minuten auf einem Druck von etwa 102 Torr gehalten wird, worauf Wasserstoff mit 20 atm zugeführt wird. Gewöhnlich wird der Wasserstoff in einer Stunde vollständig absorbiert.The sample obtained is then minced and the powder with a size of 100 to 200 mesh corresponding to a Lich sieve mesh size from 0.15 mm to 0.07 mm, is in one Reactor tube introduced with a high pressure hydrogen injection device in the design according to Sievert becomes. Then there is an activation process without any thermal treatment by the interior of the reactor 30 Minutes at a pressure of about 102 torr whereupon hydrogen is supplied at 20 atm. Usually becomes the hydrogen is completely absorbed in one hour.
Nach dem Abschluß der Wasserstoffabsorption wird das Reaktor rohr wieder unter ein Vakuum gehalten, um den Wasserstoff vollständig aus dem Inneren des Reaktorrohrs abzuführen. Dieser Prozess der Wasserstoffabsorption/Wasserstoffabführung wurde innerhalb mehrerer Minuten abgeschlossen. Die Wasser stoffinjektionsvorrichtung mit dem Reaktorrohr wird auf einer konstanten Temperatur unter Verwendung eines automatischen Thermostaten während des ganzen Aktivierungsprozesses gehal ten. Man erhält bei einer vorgegebenen Temperatur Wasserstoff gleichgewichtsdruck-Zusammensetzungs- bzw. Konzentrations- Kurven, sogenannte PCT-Isothermen, um die thermodynamischen Eigenschaften der Legierung aus diesen Kurven zu bestimmen. Bei den PCT-Isothermen geben die Abszisse die Anzahl der Wasserstoffmoleküle bezogen auf die Legierungssphäre und die Ordinate einen Wasserstoffpartialdruck an.After completion of the hydrogen absorption, the reactor tube again held under a vacuum to the hydrogen completely from the inside of the reactor tube. This process of hydrogen absorption / removal was completed within several minutes. The water substance injection device with the reactor tube is on a constant temperature using an automatic Thermostats during the whole activation process Hydrogen is obtained at a given temperature equilibrium pressure composition or concentration Curves, so-called PCT isotherms, around the thermodynamic Determine properties of the alloy from these curves. For the PCT isotherms, the abscissa gives the number of Hydrogen molecules related to the alloy sphere and the Ordinates a hydrogen partial pressure.
Für die Untersuchung der Eigenschaften der Wasserstoffspei cherlegierung in dem Alkalielektrolyten werden zunächst bei der Prüfung zu verwendende Legierungen auf Zr-Ti-Mn-V-Cr-Ni- Basis (Atomanteil X = 0,0; 0,2; 0,4 und 0,6) mittels Licht bogenschmelzung unter einer Argonatmosphäre hergestellt. Die erhaltenen Legierungen werden mechanisch in Luft feinzerklei nert, um die PCT-Isotherme und somit die thermodynamischen Eigenschaften der Legierungen unter Verwendung einer automati schen PCt-Isothermen-Meßvorrichtung zu messen. Es werden ferner röntgenspektroskopische Analysen (XRD-Analysen) durch geführt, um den Aufbau zu analysieren und um eine Gitterkon stante der hergestellten Legierung zu erhalten. Von den fein zerkleinerten Legierungen werden Legierungspulver mit einer Teilchengröße von bis 400 mesh, entsprechend einer lichten Siebmaschenweite von bis 0,07 mm genommen, und mit 300 Ge wichtsprozent Nickelpulver gemischt und bei einem Druck von 10 t/cm2 kaltgepreßt, um Tablettenelektroden zu erhalten, die dann einer Halbzellenprüfung unterworfen werden. Bei der Prüfung nach der Erfindung betragen die Stromdichten beim Laden/Entladen jeweils 100 mA/g. Die Zellen werden 6 h geladen und dann entladen, bis sie bei einer Endspannung von mindestens -0,75 V (gegenüber Hg/HgO) abbgeschaltet werden. Die Elek troden werden nach ausreichender Aktivierung der Messung der Entladekapazitäten, des Entladewirkungsgrades und der Elek trodenlebensdauer unterworfen.In order to investigate the properties of the hydrogen storage alloy in the alkali electrolyte, alloys based on Zr-Ti-Mn-V-Cr-Ni-based (atomic content X = 0.0; 0.2; 0.4 and 0 , 6) produced by arc melting under an argon atmosphere. The alloys obtained are mechanically finely comminuted in air in order to measure the PCT isotherm and thus the thermodynamic properties of the alloys using an automatic PCt isotherm measuring device. X-ray spectroscopic analyzes (XRD analyzes) are also carried out in order to analyze the structure and to obtain a lattice constant of the alloy produced. Of the finely comminuted alloys, alloy powders with a particle size of up to 400 mesh, corresponding to a mesh size of up to 0.07 mm, were taken, mixed with 300% by weight of nickel powder and cold-pressed at a pressure of 10 t / cm 2 to obtain tablet electrodes which are then subjected to a half-cell test. In the test according to the invention, the current densities during charging / discharging are 100 mA / g each. The cells are charged for 6 hours and then discharged until they are switched off at a final voltage of at least -0.75 V (compared to Hg / HgO). After sufficient activation of the measurement of the discharge capacities, the discharge efficiency and the electrode life, the electrodes are subjected.
Erfindungsgemäß wird somit eine Wasserstoffspeicherlegierung mit hoher Leistung und hoher Kapazität für Ni/MH-Sekundärzel len entwickelt, welche die herkömmlichen handelsübliche Co enthaltenden Wasserstoffspeicherzellen (Wasserstoffspeicher zellen auf Mischmetall (Mm)-Ni-Basis) ersetzen können. Durch Erhöhung ihrer Leistung und ihrer Energiedichte vergrößert sich der Markt für die Ni/MH-Seklundärzellen und wird die Entwicklung von Elektrofahrzeugen beschleunigt, deren Leistung hauptsächlich durch die Leistungsfähigkeit und die Kapazität der Sekundärzelle bestimmt werden.A hydrogen storage alloy is thus according to the invention with high performance and high capacity for Ni / MH secondary cells len developed, which the conventional commercial Co containing hydrogen storage cells (hydrogen storage cells based on mixed metal (Mm) -Ni) can replace. By Increasing their performance and increasing their energy density the market for the Ni / MH secondary cells and becomes the Development of electric vehicles accelerated their performance mainly through the performance and the capacity the secondary cell can be determined.
Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to drawings.
Fig. 1 zeigt in einem Diagramm atomanteilsabhängige Entladungspotentiale einer Zr1-XTiX(Mn0,2V02Ni0,6)1,8 (X = 0,0; 0,2; 04 oder 0,6)-Legierung, die über der Entla dungskapazität in mAh/g bei einer Temperatur von 30°C und einer Entladestromdichte von 50 mA/g aufgetragen sind. Fig. 1 is a diagram showing atomic proportion dependent discharge potential of a Zr 1-X Ti X (Mn 0.2 V 02 Ni 0.6) 1.8 (X = 0.0, 0.2, 04 or 0.6) alloy , which are plotted against the discharge capacity in mAh / g at a temperature of 30 ° C and a discharge current density of 50 mA / g.
Fig. 2 zeigt in einem Diagramm atomanteilsabhängig Ände rungen der Entladekapazität aufgetragen als Kapazitätsverhält nis C/Cmax in % einer Zr1-XTi(Mn.0,2V0,2Ni0,6)1,8 (X = 0,0; 0,2; 0,4 oder 0,6)-Legierung, die über der Entladestromdichte in mA/g bei einer Temperatur von 30°C aufgetragen ist. Fig. 2 is a diagram showing atomic proportion depending Ände approximations of the discharge capacity plotted as behaves nis C / C max in% of a Zr 1-X Ti (Mn. 0.2 V 0.2 Ni 0.6) 1.8 (X = 0 , 0; 0.2; 0.4 or 0.6) alloy, which is plotted against the discharge current density in mA / g at a temperature of 30 ° C.
Fig. 3 zeigt in einem Diagramm atomanteilsabhängig PCT- Isothermen einer Zr1-XTi-X(Mn0,2V0,2Ni0,6)1,8 (X = 0, 0; 0, 2; 04 oder 0,6)-Legierung, die bei einer Temperatur von 30°C aufge tragen sind. Fig. 3 is a diagram showing atomic proportion depending PCT isotherms of a Zr 1-X Ti X (Mn 0.2 V 0.2 Ni 0.6) 1.8 (X = 0, 0; 0, 2, 04 or 0 , 6) alloy, which are worn at a temperature of 30 ° C.
Fig. 4 zeigt in einem Diagramm atomanteilsabhängige Änderungen der Entladekapazität aufgetragen als Kapazitätsver hältnis C/Cmax in % einer Zr1-XTi-X(Mn0,2V0,2Ni0,6)1,8 (X = 0,0; 0,2; 0,4 oder 0,6)-Legierung, die über der Anzahl der Lade- und Entladezyklen bei einer Temperatur von 30°C und einer Entladestromdichte von 100 mA/g aufgetragen sind. Fig. 4 is a diagram showing atomic proportion dependent changes of discharge capacity plotted as Kapazitätsver ratio C / C max in% of a Zr 1-X Ti X (Mn 0.2 V 0.2 Ni 0.6) 1.8 (X = 0 , 0, 0.2, 0.4 or 0.6) alloy, which are plotted against the number of charge and discharge cycles at a temperature of 30 ° C. and a discharge current density of 100 mA / g.
Fig. 5 zeigt in einem Diagramm atomanteilsabhängige PCT- Isothermen einer Zr0,7Ti0,3(Mn0,2V0,2CrYNi0,6-Y)1,8 (Y = 0,0; 0,05 oder 0,15)-Legierung bei teilweisem Ersatz durch Cr, die bei einer Temperatur von 30°C aufgetragen sind. Fig. 5 is a diagram showing atomic proportion dependent PCT isotherms of a Zr 0.7 Ti 0.3 (Mn 0.2 V 0.2 Cr 0.6 Ni Y-Y) 1.8 (Y = 0.0 0, 05 or 0.15) alloy with partial replacement by Cr, which are applied at a temperature of 30 ° C.
Fig. 6 zeigt in einem Diagramm atomanteilsabhängige Änderungen der Entladepotentiale einer Zr0,7Ti0,3(Mn0,2V0,2CrY Ni0,6-Y)1,8 (Y = 0,0; 0,05 oder 0,15)-Legierung bei einem teil weisen Ersatz durch Cr, die bei einer Temperatur von 30°C und einer Stromdichte von 50 mA/g aufgetragen sind. Fig. 6 is a diagram showing atomic proportion dependent changes in the discharging potentials of a Zr 0.7 Ti 0.3 (Mn 0.2 V 0.2 Cr 0.6 Ni Y-Y) 1.8 (Y = 0.0 0, 05 or 0.15) alloy with a partial replacement with Cr, which are applied at a temperature of 30 ° C and a current density of 50 mA / g.
Fig. 7 zeigt in einem Diagramm atomanteilsabhängige PCT- Isothermen einer Zr0,65Ti0,35(Mn0,3V0,14Cr0,11Ni0,45)1,76-Legierung die bei einer Temperatur von 30°C aufgetragen sind. FIG. 7 shows in a diagram atomic fraction-dependent PCT isotherms of a Zr 0.65 Ti 0.35 (Mn 0.3 V 0.14 Cr 0.11 Ni 0.45 ) 1.76 alloy which is at a temperature of 30 ° C are plotted.
Fig. 8 zeigt in einem Diagramm atomanteilsabhängige Ent ladungspotentiale einer Zr0,65Ti0,35(Mn0,3V0,14Cr0,11Ni0,45)1,76- Legierung, die über der Entladungskapazität in mAh/g bei einer Temperatur von 30°C und einer Entladestromdichte von 50 mA/g aufgetragen sind. Fig. 8 is a diagram showing atomic proportion dependent Ent charge potentials of a Zr 0.65 Ti 0.35 (Mn 0.3 V 0.14 Cr 0.11 Ni 0.45) 1.76 - alloy above the discharge capacity in mAh / g are applied at a temperature of 30 ° C and a discharge current density of 50 mA / g.
Fig. 9 zeigt in einem Diagramm atomanteilsabhängige Änderungen der Entladekapazität aufgetragen als Kapazitäts verhältnis C/Cmax in % einer Zr0,65Ti0,35(Mn0,3V0,14Cr0,11 Ni0,45)1,76-Legierung, die über der Entladungsstromdichte in mA/g bei einer Temperatur von 30°C aufgetragen sind. Fig. 9 is a diagram showing atomic proportion dependent changes of discharge capacity plotted as a ratio C / C max in% of a Zr 0.65 Ti 0.35 (Mn 0.3 V 0.14 Cr 0.11 Ni 0.45) 1 76 alloy, which are plotted against the discharge current density in mA / g at a temperature of 30 ° C.
Fig. 10 zeigt in einem Diagramm atomanteilsabhängige Änderungen der Entladekapazität in mAh/g einer Zr0,65Ti0,35 (Mn0,3V0,15Cr0,11Ni0,45)1,76-Legierung und eine bekannte Legie rung, die über der Anzahl der Lade- und Entladezyklen bei einer Temperatur von 30°C aufgetragen sind. Fig. 10 is a diagram showing atomic proportion dependent changes of discharge capacity in mAh / g of Zr 0.65 Ti 0.35 (Mn 0.3 V 0.15 Cr 0.11 Ni 0.45) 1.76 alloy and a known Alloy plotted against the number of charge and discharge cycles at a temperature of 30 ° C.
Die ZrX-1TiX(Mn0,2V0,2Ni0,6)1,8-Legierung wird als Basislegie rung verwendet. Es werden alle Eigenschaftsänderungen der Legierung aufgrund des Ti-Austausches festgestellt, wenn ein Atomanteil von Ti von 0,0 auf 0,2; 04 und 0,6 geändert wird, wobei die Ergebnisse in Fig. 1 bis Fig. 4 gezeigt sind.The Zr X-1 Ti X (Mn 0.2 V 0.2 Ni 0.6 ) 1.8 alloy is used as the base alloy. All changes in the properties of the alloy due to the Ti exchange are determined when an atomic proportion of Ti from 0.0 to 0.2; 04 is changed to 0.6, with the results in Fig. 1 to Fig. 4 are shown.
Ferner wird eine Zr0,7Ti0,3(Mn0,2V0,2CrYNi0,6-Y)1,8-Legierung als Basislegierung verwendet, und es werden alle Eigenschaftsände rungen der Legierung aufgrund des Cr-Austausches festgestellt, wenn ein Atomanteil von Cr von 0,0 auf 0,05 und 0,15 geändert wird, wobei die Ergebnisse in Fig. 5 und 6 gezeigt sind.Furthermore, a Zr 0.7 Ti 0.3 (Mn 0.2 V 0.2 Cr Y Ni 0.6-Y ) 1.8 alloy is used as the base alloy, and all changes in the properties of the alloy due to the Cr- Exchanges found when an atomic fraction of Cr is changed from 0.0 to 0.05 and 0.15, the results being shown in FIGS. 5 and 6.
Die Erfindung wird anhand der nachstehenden Beispiele weiter erläutert.The invention is further illustrated by the examples below explained.
Es werden die Eigenschaften einer Zr1-XTiX(Mn0,2V0,2Ni0,6)1,8 (X = 0,0; 0,2; 0,4 und 0,6)-Legierung analysiert.The properties of a Zr 1-X Ti X (Mn 0.2 V 0.2 Ni 0.6 ) 1.8 (X = 0.0, 0.2, 0.4 and 0.6) alloy are analyzed ,
Es wird eine Zr(Mn0,2V0,2Ni0,6)1,8-Wasserstoffspeicherlegierung als Basislegierung gewählt, da sie eine relativ große Wasser stoffspeicherkapazität und einen geeigneten Gleichgewichts wasserstoffdruck hat. Bei Verwendung dieser Legierung erhält man eine Wasserstoffspeicherlegierung mit einem nichtstöchio metrischen Zusammensetzungverhältnis durch teilweises Sub stituieren eines Ti-Elements für ein Zr-Element der Basis legierung. Es werden die thermodynamischen und Entladungs eigenschaften der sich ergebenden nichtstöchiometrischen Legierung geprüft, während die Menge von Ti in der nichtstö chimetrischen Legierung Schritt für Schritt erhöht wird.A Zr (Mn 0.2 V 0.2 Ni 0.6 ) 1.8 hydrogen storage alloy is chosen as the base alloy, since it has a relatively large hydrogen storage capacity and a suitable equilibrium hydrogen pressure. Using this alloy, a hydrogen storage alloy with a non-stoichiometric composition ratio is obtained by partially substituting a Ti element for a Zr element of the base alloy. The thermodynamic and discharge properties of the resulting non-stoichiometric alloy are tested, while the amount of Ti in the non-stoichiometric alloy is increased step by step.
Fig. 1 zeigt ein Meßergebnis der Änderung der Entladungskapa zität der Legierungselektrode mit der Zunahme von Ti. Man sieht aus der Zeichnung, daß sich für einen bestimmten Ti- anteil ein Maximum ergibt. Fig. 1 shows a measurement result of the change in the discharge capacity of the alloy electrode with the increase in Ti. It can be seen from the drawing that there is a maximum for a certain titanium portion.
Fig. 3 zeigt die Änderung der PCT-Kennlinie mit der Zunahme von Ti. Man sieht, daß der Wasserstoffgleichgewichtsdruck zunimmt und die gesamte Wasserstoffspeicherkapazität abnimmt, wenn der Atomanteil von Ti zunimmt. Die Entladungskapazität zeigt jedoch, wie aus Fig. 2 zu sehen ist, die oben erwähnte Tendenz, da der Entladungswirkungsgrad der Legierungselektrode zunimmt, wenn die Menge von Ti erhöht wird. Im Gegensatz dazu sieht man aus Fig. 4, daß die kürzere Lebensdauer der Legie rungselektrode wächst, je mehr Ti ausgetauscht wird. Der Grund dafür ist, daß die Porosität eines auf der Oberfläche der Legierungselektrode gebildeten Oxydfilms mit der Erhöhung des ausgetauschten Ti zunimmt und so die Penetration von sauer stoff und die Lösung von V in dem Elektrolyten ebenfalls steigen mit der Folge, daß der gebildete Oxydfilm dicker wird. Fig. 3 shows the change in the PCT characteristic with the increase in Ti. It can be seen that the hydrogen equilibrium pressure increases and the total hydrogen storage capacity decreases as the atomic proportion of Ti increases. However, as can be seen from Fig. 2, the discharge capacity shows the above-mentioned tendency because the discharge efficiency of the alloy electrode increases as the amount of Ti is increased. In contrast, it can be seen from Fig. 4 that the shorter life of the alloy electrode grows the more Ti is exchanged. The reason for this is that the porosity of an oxide film formed on the surface of the alloy electrode increases with the increase of the exchanged Ti, and thus the penetration of oxygen and the solution of V in the electrolyte also increase, with the result that the oxide film formed becomes thicker ,
Es werden die Eigenschaften einer Zr0,7Ti0,3(Mn0,2V0,2 CRYNi0,6-Y)1,8 (Y = 0,0; 0,05; 0,15)-Legierung analysiert.The properties of a Zr 0.7 Ti 0.3 (Mn 0.2 V 0.2 CR Y Ni 0.6-Y ) 1.8 (Y = 0.0, 0.05, 0.15) - Alloy analyzed.
Fig. 5 zeigt die Änderung einer PCT-Isotherme einer Zr0,7Ti0,3 (Mn0,2V0,2CrYNi0,6-Y)1,8-Legierung mit dem Austausch von Cr. Die PCT-Isotherme ist bei einer Temperatur von 30°C aufgetragen. Aus der Isothermenkurve wird bestätigt, daß die Wasserstoff speicherkapazität der Legierungselektrode mit Erhöhung des ausgetauschten Cr zunimmt. Um den Abbau und die Entladungs kapazität der Legierungselektrode mit ausgetauschtem Ti zu verbessern, wird das Ni der Legierung teilweise durch Cr ausgetauscht, das eine stärkere Affinität zu Wasserstoff hat und die Lösung von V verhindern kann. Die Wasserstoffspeicher kapazität der Legierungselektrode wird somit gesteigert, wenn das ausgetauschte Cr erhöht wird. Aus Fig. 6 sieht man auch, daß die Entladungsskapazität der Legierungselektrode gesteigert wird, wenn das ausgetauschte Cr zunimmt. Fig. 5 shows the change of a PCT isotherm shows a Zr 0.7 Ti 0.3 (Mn 0.2 V 0.2 Cr 0.6 Ni Y-Y) 1.8 alloy with the exchange of Cr. The PCT isotherm is plotted at a temperature of 30 ° C. From the isothermal curve it is confirmed that the hydrogen storage capacity of the alloy electrode increases with an increase in the exchanged Cr. In order to improve the degradation and the discharge capacity of the alloy electrode with exchanged Ti, the Ni of the alloy is partly replaced by Cr, which has a stronger affinity for hydrogen and can prevent the dissolution of V. The hydrogen storage capacity of the alloy electrode is thus increased when the exchanged Cr is increased. From Fig. 6 it can also be seen that the discharge capacity of the alloy electrode increases as the exchanged Cr increases.
Es werden die Eigenschaften einer Zr0,65Ti0,35(Mn0,3V0,14Cr0,11 Ni0,45)1,76-Legierung analysiert.The properties of a Zr 0.65 Ti 0.35 (Mn 0.3 V 0.14 Cr 0.11 Ni 0.45 ) 1.76 alloy are analyzed.
Fig. 7 und 8 zeigen eine PCT-Isotherme bzw. eine Entladungs kurve einer Zr0,65Ti0,35(Mn0,3V0,14Cr0,11Ni0,45)1,76-Legierung, die bei einer Temperatur von 30°C aufgetragen sind. Die Legierung erhält man durch Optimieren der Mengen von ausgetauschtem Ti und ausgetauschtem Cr und des stöchiometrischen Verhältnisses auf der Basis der obigen Legierungsauslegungsmaßnahmen. Wie aus den Diagrammen zu sehen ist, beträgt die reversible Was serstoffspeicherkapazität (0,01 bis 1 atm) der Legierung 1,6 Gewichtsprozent. Die Legierung hat eine sehr hohe Entladungs kapazität von 425 mA/h, die um 45% verglichen mit den bekann ten Legierungen gesteigert ist. FIGS. 7 and 8 show a PCT isotherm or a discharge curve of a Zr 0.65 Ti 0.35 (Mn 0.3 V 0.14 Cr 0.11 Ni 0.45) 1.76 alloy, wherein the a temperature of 30 ° C are applied. The alloy is obtained by optimizing the amounts of exchanged Ti and Cr and the stoichiometric ratio based on the above alloy design measures. As can be seen from the diagrams, the reversible hydrogen storage capacity (0.01 to 1 atm) of the alloy is 1.6 percent by weight. The alloy has a very high discharge capacity of 425 mA / h, which is increased by 45% compared to the known alloys.
Fig. 9 und 10 zeigen Änderungen der Entladungskapazität mit der Entladungsstromdichte bzw. den Lade- und Entladezyklen. Die Zeichnungen bestätigen, daß alle anderen Leistungen der Legierung, wie die Elektrodenlebensdauer, der Entladungswir kungsgrad usw. genau so gut sind wie oder besser sind als die der bekannten Legierungen. FIGS. 9 and 10 show changes of the discharge capacity with the discharge current density and the charging and discharging cycles. The drawings confirm that all other performances of the alloy, such as electrode life, discharge efficiency, etc., are as good as or better than that of the known alloys.
Claims (1)
Zr1-XTiX(MnUVVCrYNi1-U-V-Y)Z
wobei X, U, V, Y und Z Atomanteile eines jeden Legierungs zusammensetzungselements sind und
0 < X ≦ 0,4;
0,3 ≦ U ≦ 0,4;
0,1 ≦ V ≦ 0,2;
0,0 ≦ Y ≦ 0,2;
0,45 ≦ U + V + Y ≦ 0,65; und
1,6 ≦ Z ≦ 1,9 gilt.Zirconium-based hydrogen storage alloy with the following general formula
Zr 1-X Ti X (Mn U V V Cr Y Ni 1-UVY ) Z
where X, U, V, Y and Z are atomic proportions of each alloy composition element and
0 <X ≦ 0.4;
0.3 ≦ U ≦ 0.4;
0.1 ≦ V ≦ 0.2;
0.0 ≦ Y ≦ 0.2;
0.45 ≦ U + V + Y ≦ 0.65; and
1.6 ≦ Z ≦ 1.9 applies.
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