具有高孔隙率表层的储氢合金制造技术

本发明专利技术涉及具有高孔隙率表层的储氢合金。本发明专利技术提供具有优异性能的电化学和热储氢合金组合物，包括具有优异的低温放电特性的电化学储氢合金。所述合金组合物包括界面区的微结构，在界面区高度多孔并且包含催化金属粒子。微结构包括大体积分数的球形或槽状孔隙，并且是足够开放的结构，使得微结构内催化金属粒子附近的活性组分有更大活动性。由此更容易到达反应活性位点。更大活动性的活性组分和／或更大密度的催化粒子导致反应更快，性能更好（更高的功率），在低温运行时尤其如此。可以如下形成所述微结构：在合金组合物中掺杂微结构调节元素、调控加工条件和／或在储氢合金形成后的加工过程中增加蚀刻步骤。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及储氢合金以及使用这些合金的电化学电池、电池组和燃料电池。具体 地讲，本专利技术涉及具有微结构的储氢合金，所述微结构具有高度的渗透性和/或包含高浓 度的催化活性金属或金属合金粒子。更具体地讲，本专利技术涉及适合用作金属氢化物电池阴 极材料的储氢合金，所述电池在低温运行时具有高功率以及高放电速率。
技术介绍
消费者以及工业应用不断要求新的高效电池作为能源。重要目标包括以环保方式 从日渐变小的电池包中获得更多的能量。电池的预期应用包括从移动式电子产品到电动汽 车的所有方面。便携性、再充电次数高、低成本、高功率、重量轻以及在大范围载荷变化下具 有稳定性能都属于电池必须的关键属性。根据不同的预定应用，电池性能要求的具体组合 变化也很大，通常电池组件及材料也据此优化。对于可再充电电池，开发中的重要应用领域是电动汽车(EV)和混合动力电动汽 车(HEV)。在这些应用中为了获得有效的加速度，电池必须能够在短时间内提供高电流。因 此必须有高的放电速率。同样需要在长时间内保持高的电池功率，这样在无需再充电情况 下，适当大小、重量的汽车能够行驶足够长的时间。还应该可以使用容易获得的电源进行反 复快速充电。优选的循环寿命特征还要求在低放电深度(而不是高放电深度)具有很多次 充电/放电周期。在用于HEV的电池开发方面已经取得进展，美国公众已能够获得最近生 产的两款HEV汽车。尽管如此，但在这些汽车中使用的电池折衷、牺牲了相关性能参数，需 要新的开发以增强HEV和EV产品的性能。在HEV、EV、42V SLI和其它应用中，可再充电电池相对很少被关注的一个方面是低 温运行。对于HEV和EV产品，需要能够在冬季气候环境运行良好的电池。类似地，能够在室 外寒冷气候以及室内寒冷环境下使用的可再充电电池还需要实现便携性以及能源稳定性。 实际上，所有电池技术的根本限制是在低温条件下功率及性能的降低。温度的危害作用在 冷冻温度以下时尤其明显。镍氢电池已经成为领先的可再充电电池类型，并且在许多应用中替代早期的镍镉 电池。目前的HEV和EV产品利用例如镍氢电池，预计未来HEV和EV产品性能的提高很大 程度上取决于镍氢电池的性能。就像其它可再充电电池一样，镍氢电池的功率和性能在低 温下也会显著下降。改善低温性能需要考虑镍氢电池的基本组件以及运行原理。镍氢电池通常包括氢氧化镍阳极、结合含储氢合金的金属的阴极、隔板以及碱性 电解水溶液。阳极和阴极封装在两个相邻电池盒中，通常由熔喷(felled)无纺的尼龙或聚 丙烯隔板分隔。几个电池也可串连组合成更大的电池组，它能够提供更高的功率、电压或放 电速率。4本领域已经阐述了镍氢电池的充电和放电反应，可以总结如下充电阳极Ni (OH) 2+0r — Ni00H+H20+e"阴极:M+H20+e_ — MH+0r放电阳极Ni00H+H20+e- — Ni (OH) 2+0F阴极MH+0IT — M+H20+e"在过去十年作了大量的研究以改善镍氢电池的性能。电池的优化最终取决于对充 电和放电反应的速率、程度及效率的调控。与电池性能有关的因素包括阳极和阴极材料的 物理状态、化学成分、催化活性及其它特性、电解液的成分和浓度、隔板、运行条件以及外部 环境因素。已对氢氧化镍阳极性能有关的各种因素进行了考察，例如本受让人的美国专利 5，348，822 ；5，637，423 ；5，905，003 ；5，948，564 和 6，228，535，它们公开的内容全部通过引 用结合到本文。自从20世纪50年代后期发现化合物TiNi可逆地吸收、释放氢后，对合适阴极材 料的研究已经集中在作为储氢合金的金属间化合物。随后的研究证实具有通式AB、AB2、 A2B和AB5的金属间化合物能够可逆地吸收、释放氢，其中A为氢化物形成元素，B为弱氢化 物形成或无氢化物形成元素。因此，阴极开发中大部分的研究集中于式AB、AB2、A2B 类型的储氢合金。储氢合金所需的特性包括优良的储氢容量，以获得高能量密度和高电池容量； 适于可逆吸收和释放氢的热力学特性；低氢平衡压力；高电化学活性；用于高速性能的快 速放电动力学特性；高抗氧性；自放电趋势较弱；多次循环再生性。现有技术已经研究并 报道了镍氢电池中作为阴极材料的储氢合金的化学成分、物理状态、电极结构以及电池构 造。部分这类研究的描述参见本受让人的美国专利4，716，088 ；5, 277,999 ；5，536，591 ； 5，616，432 ；和6，270，719，公开的内容全部通过引用结合到本文。迄今的研究表明金属间化合物能够在可再充电电池中有效用作阴极材料，但是难 于同时优化各种重要特性。例如，储氢合金通常具有高初始激活性能、良好的充电稳 定性以及相对长的充电-放电循环寿命，但同时放电容量低。此外，尝试提高循环寿命通常 导致初始激活性能降低。另一方面，储氢合金通常具有高的放电容量，但是初始激活 性能低并且循环寿命相对较短。改善初始激活性能的努力通常以牺牲循环寿命为代价。其 它重要的特性包括放电速率、放电电流以及长时间输出恒定。已经证实在大多数应用中很 难同时优化所有需要的电池属性，由此，常常采取折衷办法，依靠牺牲其它性能来提高某些 性能。要普遍改善储氢合金的尽可能多的所需性能属性就需要考虑用作储氢合金的材 料在分子水平上的结构及原子的相互作用。本专利技术专利技术人之一 s. R. Ovshinsky制定了新的 通用策略用于设计具有新功能和/或扩展功能的材料。Ovshinsky提出的关键概念是评价 由物质的无序及无定形状态提供的各种新的自由度。Ovshinsky认识到有序的晶格对材料 的结构和特性产生很多限制，因为原子刚性固定在规定结构的晶格上，而不象无序及无定 形状态，在化学键接、分子内作用以及它们提供的结构构型方面有很大的柔性。Ovshinsky 就局部组成结构方面考察无序及无定形材料，每个局部结构都根据化学元素和拓扑结构而具有独特的特性，它们的共同及协同作用产生具有新的结构和特性的宏观物质。通过对适 当定制的局部组成结构进行明智地装配有可能实现迄今无法获得的宏观特性。根据该观点，Ovshinsky发现、阐明并发展了原子工程、化学改性、完全交互环境的 原理，这些原理彻底改变了人们对材料及其特性的认识、理解方式。根据这些原理，材料的 结构与特性紧密相关，新的材料特性必然源自新结构的自由度。Ovshinsky认识到具有它们 的规定刚性结构的结晶固体完全不适合设计具有新功能的新材料的目标。相反，只有无序 及无定形状态通过调控局部化学成分、拓扑结构以及局部组成结构的装配而允许结构上的 柔性，这是实现广泛新概念材料的设计所必需的。现有技术在实现Ovshinsky原理中强调无定形及无序的无机材料，例如四面体的 无定形半导体(例如Si、Ge)、元素周期表V族元素(例如As)形成的三价片状体系、以及 元素周期表VI族元素(例如Se、Te、S)形成的二价链状和/或环状体系。Ovshinsky原 理对基于IV、V和VI族元素的材料的代表性应用包括在Ovshinsky的美国专利4，177，473 和4，177,474中；它们公开的内容全部通过引用结合到本文。在这些专利中，Ovshinsky 公开了利用改性材料调本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有主体区和界面区的储氢合金，所述界面区包含由支撑基体支撑的催化金属粒子和孔隙，所述催化金属粒子的直径小于１００＊，所述催化金属粒子和所述孔隙分布于整个所述界面区，其中所述界面区中孔隙的体积分数超过５％。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：MA费琴科，SR奥夫辛斯基，杨国雄，B赖奇曼，T欧持，J科赫，W迈斯，
申请(专利权)人：双向电池公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]