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摘要：随着全球工业的发展，社会对能源的需求也与日俱增，不仅体现在能源的需求量越来越多，同时也体现在对能源的利用效率有着越来越高的要求。作为一种新型的绿色能源载体，储氢材料走入了人们的视线，成为社会各界研究的重点。本文围绕储氢材料在含能材料中的应用问题进行了探讨，阐述了储氢材料的分类及目前储氢的一些方式方法，对于储氢材料在含能材料中的应用进行了论述，供相关人士参考。
关键词：储氢材料、应用研究、含能材料
1引言
在新型能源的发展历程中，由于氢能的自身优势，如来源广泛、储量丰富、能量的密度高、生态环保等等，因此，基于氢能的开发和利用技术就越来越重要。然而在氢能的利用过程中，运输和储存问题是限制氢能利用效率的关键环节，为了有效解决这一问题，储氢材料应运而生。它的主要原理是能够可逆的对氢气进行吸收和释放，因此，储氢材料是一种十分重要的能量载体。
2储氢的方式以及合金储氢材料的分类
（一）储氢的方式
关于储氢方式主要分为气态储氢、低温液态储氢、固体储氢以及纳米储氢。气态储氢需要的容器设备必须符合特殊的压力和材质要求，不然容易造成氢气泄露和容器爆炸等危险事故。液态储氢的质量和储氢效率较高，但是在氢气液态转变的过程中耗能较大，因此增加了很多生产成本。固态储氢是一种更为安全高效的储氢方式，它是将氢储存在特殊的固体材料之中，因此，对于固体储氢材料的性能和应用技术就至关重要。而纳米储氢是基于纳米技术的高速发展应运而生的一种储氢方式，不仅使储氢效率大大提升，同时在安全性上也有了更多的保障。
（二）合金储氢材料的分类
合金储氢材料是目前市场上应用最为广泛的一类储氢材料，它的优点不仅在于安全可靠、储氢过程的能耗低，同时也在于材料单位体积的储氢密度较高。目前合金储氢材料的典型代表分别为：
由美国Brookhaven实验室研制出的钛铁系合金储氢材料（TiFe）。该储氢材料具有成本较低、抗栽植中毒污染性能好、对环境温度的要求不高等特点，不足之处在于活化相对困难，容易发生氧化反应。
由荷兰Philips实验室研制出的稀土镧镍系合金储氢材料（LaNi5）。该储氢材料具有容易活化、吸收—释放氢气的平衡压差小、抗杂质中毒污染性能好、对环境温度的要求不高等特点。
由日本松下公司研制出的钛/锆系合金储氢材料。该储氢材料具有容易活化、吸氢量较大、氢化物生成的热能较大等特点，不足之处在于价格较贵。
由美国Brookhaven公司研制出的镁系合金储氢材料（Mg2Ni）。该储氢材料具有储氢量较高、原料资源丰富、释放氢气的热能高等特点，不足之处在于在释放氢气的过程中动力学性能较差。而自然界中镁资源的储量丰富，因此随着储氢材料和技术的发展，该合金材料将有着更加良好的发展前景。
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3稀土储氢材料在含能材料中的应用
稀土储氢合金做成的镍氢充电电池不仅能有效的避免出现环境污染的问题而且从电池的电量来讲，镍氢充电电池电量也远高于过去传统的镍镉电池，在电量上可达到镍镉电池的1.5～2.0倍。镍氢充电电池与锂离子电池相比，具有更多的优势如安全性更高、性价比更高、更容易回收有价金属重新利用等。基于这些优势，近年来，稀土储氢材料的应用范围越来越广，较为典型的是被大量应用于电动汽车领域、小型电器领域和新能源领域的镍氢电池中。如通过准确快速的冷凝储氢合金技术制作的低钴动力电池、电子设备的充电电池、高性能的电动车动力电池等。
市面上主要的稀土储氢材料主要有两大类，一类是LaNi5型储氢合金，另一类是La-Mg-Ni型储氢合金。由于LaNi5型储氢合金的实际最大容量基本已经接近到了理论值372mAh/g，因此想要进一步提高就十分困难，La-Mg-Ni型储氢合金应运而生，它的理论容量高于400 mAh/g，因此在应用方面更有优势。行业内对镍氢电池的技术研究大多集中在体积和能量比的提高以及高低温性能的改善方面，在现阶段来说主要的实现途径一个是通过提高材料的性能，另一个是通过增加电池内填充的密度。有研究人员为了提高La-Mg-Ni型储氢合金的性能，尤其是循环稳定性，通过合金成分的调整和制备工艺的改善来实现合金性能的进一步优化。比如，利用元素替代来提高La-Mg-Ni型储氢合金的性能，通过使用原子半径较小的稀土元素，如Pr、Ce或Nd等原子来取代La元素，这样就使合金晶胞的体积进一步缩小，使吸氢过程中金属体积的变化率降低，可以有效减轻储氢合金在充放电循环过程中出现粉化的现象，不仅如此，在进行元素替代后，充放电循环的稳定性也有所增加。通过Pr和Ce替代La元素既可以实现高倍率的放电性，同时也可以实现低温放电性。在制备工艺方面，通过化学计量比的调节来优化储氢合金多相组分的比例，进而改变储氢合金的吸氢性能。比如将两个或多个储氢合金、一个储氢合金和一个金属间化合物制备成复合型的金属材料，其中的合金组分提供储氢的性能，而其他的组分提供催化作用，提高材料的活性和动力学性能，整体上实现合金性能的提升。另一种制备工艺的优化是通过采用合适的退火处理来提升组织的均匀度。在金属铸态凝固的过程中往往会发生晶格的应变缺陷，发生一定的偏析相，而采用退火处理可以减少偏析相，使组织的内应力减小，增加储氢合金的放电容量。此外，由于减少了晶格的应变缺陷，在合金吸放氢的过程中，粉化的现象得到有效控制，增强了合金在碱液中的抗氧化腐蚀能力，使合金电极的循环稳定性得到较好的改善。此外，在合金材料的制备过程中采用快淬处理技术可以使晶粒细化，大量晶界的产生不仅可以作为充放电过程中氢的扩散通道，同时也可以使合金吸氢过程中由于膨胀所产生的压力得到缓解，从而使储氢合金的循环稳定性得到提升。在快淬的过程中还可以在合金中形成一部分的非晶相，这些非晶相使合金的抗粉化能力和抗腐蚀氧化的能力得到增强，进一步提升了储氢合金电极的循环稳定性。通过持续深入的研究，目前镍氢电池的体积能量密度已经增长到400Wh/L以上，普通的AA电池容量也已经实现了2500mAh。镍氢电池的优势也更加明显，不仅放电特性更平稳，同时发热量较小，有效延长了使用时间，提升了电池使用的安全性和稳定性。
4结语
随着市场需求的变化，镍氢电池也不再限于绿色安全环保的特性，而是不断向着高容量、高功率、低自放电、长寿命的方向发展。镍氢电池产业将成为21世纪能源领域的重大产业之一，这一新型产业的发展不仅可以为现代城市环境改善带来福音，同时也可以积极推动国民经济的发展，通过以移动通讯、绿色环保电动车等的高新技术产业的发展来有效带动上下游产业的积极发展。因此储氢材料是一类十分重要且发展前景良好的含能材料，在镍氢电池领域方面，主要的技术研究和发展趋势正在朝着成本更低、性能更高、稳定性更强的储氢材料方向发展，因此科研单位及企业单位还需要继续深入研究和探索，不断提升储氢材料制成镍氢电池后的能量和功率，更好地为新型能源的广泛普及应用奠定技术基础。
参考文献
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[4]氢化镁储氢型乳化炸药的爆炸特性研究，程扬帆，马宏昊，沈兆武，《高压物理学报》，2013（01）
论文作者:郭坚强, 欧阳涛
论文发表刊物:《科技新时代》2018年5期
论文发表时间:2018/7/18
标签：合金论文; 材料论文; 镍氢电池论文; 过程中论文; 性能论文; 氢气论文; 能源论文; 《科技新时代》2018年5期论文;