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研究生:許信凱
研究生(外文):shin-kai hsu
論文名稱:AB2型儲氫合金的製程處理及其電化學性質之研究
指導教授:陳建瑞陳建瑞引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:材料科學工程學系
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:67
中文關鍵詞:鎳氫電池熱處理機械球磨
外文關鍵詞:Zr0.5Ti0.5 (V0.25Mn0.15Ni0.6)2
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摘要
鎳氫電池的使用中,通常都是以儲氫合金來當作負極。本研究以電弧熔煉法來製備AB2 型儲氫合金Zr0.5Ti0.5 (V0.25Mn0.15Ni0.6)2,並分別加以機械球磨、混Ni機械球磨、熱處理及NaOH 處理,並藉由P-C-T 、XRD、SEM、BET 分析以及充放電測試來探討其相關特性,包括其基本性質、熱處理及、機械球磨、混Ni機械球磨、NaOH 處理對合金所造成的影響、及其電化學特性等。
實驗結果顯示經熱處理過後的合金其吸放氫曲線斜率變小,使得其工作電壓更穩定。這可能是經熱處理後內應力釋放、差排回復、提高了合金之結晶性及經高溫熱處理後使得晶粒粗大化,晶界變少而提高其導電性所產生之結果、且合金經高溫熱處理後合金表面氧化物的形成使其催化活性降低。
經機械球磨處理過後的合金其粉末有效表面積的增加,使反應位置增多而促進氫分子的分解,使其催化活性有一明顯的改善。由於球磨過程中合金聚積大量內應力、材料缺陷遽增、內部結構受破壞而形成非結晶性,而使合金電容量明顯降低。
經 NaOH 表面處理後合金之其表面會有微孔洞存在分佈著,而
形成了多孔性結構,並使得有效表面積增大,此多孔狀富鎳層使反應位置增多而促進氫分子的分解,而明顯改善其催化活性。

目錄
摘要……………………………………………………………... …………Ⅰ
總目錄………………………………………………………………………Ⅱ
表目錄…………………………………….. ……………………………….Ⅲ
圖目錄……………………………………………………………………....Ⅶ
第一章 前言…………………………………………………………………1
第二章 理論基礎與文獻回顧……………………………………………....4
2-1 儲氫合金簡介…………………………………………………………...4
2-2 儲氫合金的分類…………………………………………………………5
2-2-1 AB型儲氫合金…………………………………….. …………………5
2-2-2 A2B型儲氫合金………………………………….. …………………...6
2-2-3 AB2型儲氫合金…………………………... ……………………….….6
2-2-4 AB5型儲氫合金……………………….……………………………….8
2-3 儲氫合金的發展…..………………………………………………….10
2-4 儲氫合金的吸放氫特性……………………………….. ……………..12
2-4-1 氫在金屬中的特性……………….. ……………………………..…12
2-4-2 吸放氫動力學……………………………………………………….12
2-4-3 Van’t Hoff 方程式………………………………………….……...15
2-4-4 P-C-T曲線…………..………………………………….……..…16
2-4-4-1 平台區斜率…………. ……………….……………………………18
2-4-4-2 遲滯………. ………………………………………………………..18
2-4-4-3 含氫量………….. ……………………………………….…………19
2-5 儲氫合金的電化學性質………………………………………..………21
2-6 鎳氫電池的自放電機構……………………………………….….……22
2-7 鎳氫電池的結構……………………………………………….……….23
2-8 機械化合金(Mechanical Alloying,MA) 的介紹…………….………28
2-9 電池的分類…………………………………. ………………….……...30
2-9-1 一次電池 ( primary cell )………………………………………..….. 30
2-9-2 二次電池 ( secondary battery )……………………... ……….…....…31
2-9-2-1 鎳鎘電池( nickel cadmium battery )…………………………..……31
2-9-2-2 鎳氫電池 ( nickel hydrogen battery)………………………….…... 32
2-9-2-3 鉛酸電池 ( lead acid battery )……………………………….…..…32
2-9-2-4 鋰離子電池 ( lithium ion battery )…………….…………….. ……33
2-9-2-5 高分子鋰電池 ( polymer lithium battery )………………..….….…33
2-9-3 燃料電池 ( fuel cell )…... …………………………………………….34
2-9-4 太陽電池……………………... …………………………………...….34.
第三章 實驗方法與步驟……………………………………………………35
3-1 實驗流程圖……………………………………………………….……..36
3-2 試樣之製備與電池之組裝…………………………………………...... 36
3-2-1 合金的製備…………………………………………... …………...….37.
3-2-2 合金粉末製作……………………... ………………………….….…..37
3-2-3 合金的球磨處理…………………………... ………………….…...…38
3-2-4 合金的熱處理……………………………………... ………….…...…39
3-2-5 合金的表面處理…………………... ……………………………..…..39
3-2-6 極片製作與電池組裝…………………………... ……………………39
3-3 實驗量測…………………………………………………………………40
3-3-1 P-C-T 曲線量測………………………………………………..…….40
3-3-2 X-ray 繞射分析……………………………………. ……………….42
3-3-3 SEM 表面型態觀測……………………………….. ……….………42
3-3-4 電化學性質量測…………………………………... …………….….42
3-3-5 BET 表面積分析………………………... ……………….…….……42
第四章 結果與討論……………………………………………….…………43
4-1 儲氫合金之XRD 晶體結構分析………………………………..………43
4-2 儲氫合金之SEM 表面型態觀測………………………………………..50
4-3 儲氫合金之P-C-T 吸放氫曲線分析……………………………………53
4-4 儲氫合金之BET 表面積分析…………………………………………....62
4-5 儲氫合金之電化學特性分析…………………………………... ………62
第五章 結論……………………………………………... ………………….71
參考文獻………………………………………………………………… …..74
表目錄
表1-1. 市售二次電池基本特性的比較………... …………………….1
表2-1. Laves phase儲氫合金與混稀土系儲氫合金性能比較………...7
表4-1. Zr0.5Ti0.5 (V0.25Mn0.15Ni0.6)2合金經不同製程處理後P-C-T曲線吸放氫比較表……………………………………………….…..54
表4-2. 不同製程處理合金粉末之有效表面積比較….……………..62
圖目錄
圖2-1.氫化物家族樹枝圖……………………………………………....4
圖2-2. AB2-Laves phase structure………………………………….7
圖2-3. LaNi5的基本結晶結構………………………………………….9
圖2-4 儲氫合金 (a )吸氫 (b )放氫的過程.…………………………14
圖2-5. Van’t Hoff 關係圖…………………………………………..…15
圖2-6. P-C-T 曲線……………………………………………………..16
圖2-7. 等溫情形的P-C-T 曲線………..………………………….…17
圖2-8. 典型圓柱形鎳氫電池之結構圖………………………….……27
圖2-9. 機械合金化的過程………………………………………...…..29
圖2-10. 電池的種類與分類…………………………………………..30
圖3-1. 實驗流程圖……………………………………………………35
圖3-2. SPEX Mixer 8000 M 球磨機、球磨罐………………….…41
圖3-3. Sievert 吸放氫系統…………………………………………42
圖4-1. Ni的XRD繞射圖…………………………………………….45
圖4-2. Zr0.5Ti0.5 (V0.25Mn0.15 Ni0.6)2的XRD繞射圖……………………45
圖4-3. AB2合金不同球磨時間XRD繞射圖………………………….46
圖4-4. AB2合金混Ni球磨XRD繞射圖………………………….…….47
圖4-5. AB2合金混Ni球磨比較圖………………………………….…..48
圖4-6. AB2合金經熱處理後XRD繞射圖……………………………..49
圖4-7. AB2合金未經機械球磨的SEM照片………………….…..……51
圖4-8. AB2合金經NaOH 表面處理的SEM照片…………….…….…51
圖4-9. AB2合金機械球磨60分鐘的SEM照片……………….…….….52
圖4-10. AB2合金機械球磨120分鐘的SEM照片………………..….…52
圖4-11. 未球磨合金之P-C-T圖……………………………….…...….56
圖4-12. 球磨120分終鐘後合金之P-C-T圖……………………..…….57
圖4-13. 混鎳球磨120分終鐘後合金之P-C-T圖……………….……..58
圖4-14 經熱處理後合金之P-C-T圖………...………………….……..59
圖4-15 經NaOH處理後合金之P-C-T圖………………………………60
圖4-16 經熱處理及NaOH處理後合金之P-C-T圖……………….…...61
圖4-17 Zr0.5Ti0.5 (V0.25Mn0.15Ni0.6)2合金未經任何處理之充放電循環壽命圖…...………………………………………………………..….…66
圖4-18 AB2合金經球磨處理後之充放電循環壽命圖…...…………...66
圖4-19 AB2合金未處理及球磨20分後之充放電循環壽命圖………67
圖4-20AB2合金經混鎳球磨處理後之充放電循環壽命圖…….……..67
圖4-21 AB2合金未處理及混鎳球磨20分後之充放電循環壽命圖…68
圖4-22 AB2合金球磨20分及混鎳球磨20分之充放電循環壽命圖..68
圖4-23 AB2合金經熱處理後之充放電循環壽命圖…………………..69
圖4-24 AB2合金經NaOH處理後之充放電循環壽命圖……………..69
圖4-25 AB2合金經熱處理及NaOH處理後之充放電循環壽命圖.….70

參考文獻
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