基于高分辨中子粉末衍射原位技术研究La-Mg-Ni合金体系的相平衡和相转变

Earlier studies of the La-Mg-Ni alloys showed their great potential as anode materials for the metal hydride batteries. In this research project, we aims at solving the phase equilibrium and transformations of La-Mg-Ni system in the temperature range of 300-1273 K. Initial La-Mg-Ni alloys were prepared by intermediate frequency induction melting under argon atmosphere from the starting element metals. As-cast alloy ingots were crushed and collected in a stainless steel cylindrical cell for annealing at 1233 K for 6-12 h before being quenched into the cold water. Studies of the mechanism and kinetics of the phase-structural transformations during the temperature-driven interaction in the two samples were performed using in situ NPD. The annealed alloys with different Mg contents were measured isotherms of hydrogen absorption/desorption and electrochemical performance. . We have performed the present project aimed at:. A. In situ neutron diffraction studies of the temperature-dependent phase-structural transformations in the La-Mg-Ni system with different Mg contents;. B. Characterization of the electrochemical performance of the La-Mg-Ni alloys and studies of hydrogen absorption/desorption properties in these alloys.. C. Characterization of the occupancies of H/D atoms in the metal hydrides.. We expect to have a deep knowledge on phase transformation of La-Mg-Ni alloys, and then get the detailed information of La-Mg-Ni ternary phase diagram. We hope to explore the influences of phase structure on the electrochemical performance of electrode materials, which can help us to develop the excellent La-Mg-Ni compounds with highly effective and practical properties.

本项目拟以La3-xMgxNi9 (x=0.1-2.0)体系合金材料为研究对象，利用原位高分辨中子粉末衍射技术观察该材料体系在300 K到1273 K温度范围下，体系相平衡状态和组成相的结构信息，获得相结构转变与温度之间的关系规律；研究不同Mg元素含量对体系和组成相结构参数的影响，对体系材料中相平衡的影响；最终确定La-Mg-Ni体系的三元相图信息。同时利用中子衍射对体系材料的氢（氘）在吸放氢过程中的结构进行探测。结合电化学和吸放氢性能测试，获得不同Mg含量对La-Mg-Ni电极材料的放电容量，高电流放电容量，循环稳定性，吸放氢总量，吸放氢动力学等性能的影响，获得材料结构与材料性能之间的关系规律，获得不同Mg含量的体系材料中氢（氘）原子占位情况进行研究。通过本项目的研究，有望从实验上确定La-Mg-Ni体系中各种金属间化合物的熔点，形成和分解温度，以及不同Mg元素含量对体系平衡状态和组成相的影响，最终确定La-Mg-Ni三元体系的相图信息和氢化物结构信息。为制备性能良好的镍氢电池负极材料提供准确的实验基础和理论依据。

本项目以本项目拟以La3-xMgxNi9 (x=1.0, 1.1, 1.2) 体系合金材料为研究对象, 利用原位高分辨粉末中子衍射技术观察该材料体系在300 K到1273 K温度范围下，合金体系的相组成和金属化合物的结构信息。项目研究了相结构变化和温度之间的关系，相结构变化和Mg元素含量之间的关系。项目获得了合金体系材料在不同温度下的包晶反应过程，以及不同金属间化合物的熔点信息，合金中Mg含量的不同会导致金属间化合物的熔点变化。合金中Mg含量的增加导致A2B4相熔点的增加，A2B7相熔点的降低。同时结合性能测试和常规测试手段，电化学和吸放氢性能测试等，获得了La-Mg-Ni电极材料的放电容量，高电流放电性能，循环稳定性能，吸放氢总量，吸放氢平台压，吸放氢动力性性能的影响，获得材料结构与材料性能之间的关系。储氢合金在常温下可以存储大约1.5wt.%的氢气，Mg含量较高的合金具有较高的吸放氢平台压，0.5bar左右，适合在常温常压下进行吸放氢反应。La-Mg-Ni合金可以具有340-350 mAh/g的放电容量，而且活化过程容易完成，在保证充放电充分的前提下，3-5个循环即可完成活化。同时为了研究氢元素在合金中的扩散过程，项目利用第一性原理进行模拟计算，获得了氢团簇在W合金中的演化行为。间歇He原子更倾向于暂居晶格中的八面体位，间歇H原子更倾向于暂居晶格中的四面体位。多个He和H原子均可以形成较大的He团簇，特别时在存在缺陷的情况下。项目顺利完成了预定的目标和内容，该项目的完成为制备性能良好的镍氢电池负极材料提供准确的实验基础和预测理论。

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