改善钒基储氢合金性能的途径

钒基固溶体贮氢合金理论上吸氢量可达到3.8%（质量分数），远大于AB5型（1.4%）和AB型（1.86%）储氢合金；而且在常温下就可以快速可逆吸放氢，非常有利于实际应用，因此受到广泛关注。但是，钒基合金作为实用储氢材料的最大缺点是：合金吸氢饱和后，在常温常压下只能可逆地释放一部分氢气。

从目前的研究成果看，元素的添加或替代是改善钒基合金储氢性能的有效途径。试验表明，合金化可以改变钒氢化物的稳定性，尤其是过渡金属元素的添加。在同一周期中，钒氢化物的稳定性会随着加入元素原子序数的增加而先降低后升高；合金元素Ti,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zr,Pd,Hf,Al,Si等的加入均会改变钒氢化物的稳定性。合金元素对钒基储氢材料性能的改善起着至关重要的作用。在V-Ti合金中添加Cr,Fe,Mn,Ni等元素可以升高V-Ti基合金的平台压力，减小点阵常数，降低合金氢化物的稳定性，使第二平台增宽，从而达到增加有效储氢量的目的。Ni元素的添加可以提高钒基储氢合金的电化学活性，其原因是Ni的添加形成了具有电化学活性的TiNi第二相，呈网状分布于能吸收大量氢的VTi相基体上，起着导电和催化的作用。但是在充放电循环过程中TiNi第二相会逐渐溶解消失，使容量迅速衰减，最终失去充放电能力。通过添加Nb,Ta,Co等元素，可有效提高合金的循环寿命和电化学性能而不影响电极容量和活性。由此开发出了一系列三元、四元或更多元的相储氢合金，明显改善了金属钒的吸放氢性能，使得合金的综合储氢性能有明显提高。

我国学者还发现，在钒基合金中添加稀土元素后，合金的活化性能明显得到提高，使得合金在室温下无需活化经过短暂的孕育期后即可快速吸氢，且稀土元素的添加对合金的吸放氢容量无明显的影响。

另一方面，研究发现，钒基固溶体合金在制备和应用的过程中，合金表面和内部会存在少量的C,O等非金属杂质，它们会占据固溶氢的位置，从而影响氢原子的吸收和扩散，影响合金的储氢性能。其中，O以金属氧化物的形式存在，成为吸氢的阻挡层。当氧含量较高时，氧会侵入钒基固溶体主相，占据应由氢原子占有的空穴位置，还会改变主相的组成和晶格常数。C会与氢反应形成碳氢化合物，对氢起到强烈的固化作用，加上碳氧化合物的物理吸附和化学吸附减少了合金表面的吸氢特性，从而导致合金储氢能力下降。因此，在钒基固溶体合金的制备和应用过程中，不能忽视非金属杂质元素对合金储氢性能的影响。

当多组分合金经电弧或感应熔炼炉熔炼铸锭后，由于冷却速度不够快，会造成某些组分的偏析，从而对合金的吸氢性能产生不利的影响。研究表明，快速凝固可以提高合金吸放氢性能，并能很好地改善合金电极的循环稳定性。（钢研）