高电化学储氢性能纳米材料

成果拥有单位：哈尔滨工程大学

成果简介：

随着电子信息产业飞速发展，电子产品趋于功能复杂化、尺寸小型化、重量轻型化，这对提供电力的电池提出了更高的要求。电子信息产业发展带来的市场需要，以及能源危机和环境危机带来的紧迫感，极大地推动了新型绿色环保电池技术的发展及其产业化进程。新型金属氢化物镍电池是我国具有较强资源优势的高科技产品，在国际市场具有较强的竞争优势。2009年工信部公布新能源汽车以镍氢电池为主导；该规则首次指出镍氢电池的重要性超越锂电池，成为未来我国新能源汽车的发展方向。2011年通用汽车决定在锂电池的技术尚没有取得跨越式突破之前将镍氢电池列为电动汽车的主要发展目标。我国在纯电池(驱动)电动车(BEV)、混合型电动车(HEV)用高容量镍氢电池领域的研究和开发亟待展开。本项目将在申请人以往研究基础上重点开发及研制新型高容量镍氢电池关键材料，即高容量电化学储氢合金材料。

该项目的实施符合2006-2020年国家中长期科学和技术发展规划纲要（第五条前沿技术、第六条基础研究）及相关大力发展高效，清洁，环保的产业政策，可建成国内高性能镍氢电池关键材料的研发和产业化基地，为国内镍氢电池产业的快速发展和传统产业的升级，起到良好的示范作用。项目中研制的新型材料将直接占据镍氢电池产业链的源头位置，可有力推动我国相关领域发展。

基于电化学储氢材料发展在镍氢电池和储氢材料的重要应用，本项目采用物理化学方法开发低成本、高效能纳米结构电化学储氢材料（包括金属基纳米结构材料、无机过渡金属化合物纳米材料等），并对其性能进行优化，改善材料微观结构并进一步提高材料储氢性能。

技术特点：

在以下两个层面上开展相应的技术及产品开发：

(1) 原子和分子水平层面：从量子化学理论出发，开展氢与材料相互作用的计算模拟，建立储氢材料的成分结构设计理论，指导新型电化学储氢材料的设计开发。

(2) 组织结构层面：利用先进的成分、结构测试技术，揭示储氢材料成分、结构和储氢性能的关系，阐明储氢材料的吸/放氢反应机理，实现对储氢材料性能的调控。

关键技术：

(1) 采用高能物理化学方法，结合低温水热或溶剂热、超声辅助、气相沉积等合成制备技术，合成M-C-B纳米结构材料，降低它们的晶粒尺寸；根据晶体学晶格匹配及晶体生长理论，通过调整反应时间、温度、压力、添加表面活性剂等工艺参数控制一维阵列结构的生长。

(2) 考察生长环境（能量场、水相、醇相、有机相、气相）和工艺参数（表面活性剂、反应温度、反应时间、压力等）对纳米结构生长的影响，对其形成机制作进一步深入的研究，建立相应的生长模型。

(3) 采用正交法研究不同充放电流（0.1C~10C）下材料的储氢参数，包括：储氢量大小，循环寿命，充放氢速率，开路电压等。结合比表面分析将材料的组成-形貌-尺寸-储氢性能有机地联系起来，建立相关模型，探索其储氢性能的最优点。

(4) 采用对比法，利用红外光谱仪、荧光光谱仪、拉曼光谱仪、紫外吸收光谱仪等测量其光学特性的改变，利用气敏元件测量系统、场发射测量系统、晶体管特性测试系统等表征结构的电学特性改变；根据半导体价带理论、密度泛函理论以及相关理论，在试验数据的基础上，分析材料结构缺陷、电子缺陷及晶粒尺寸对一维氧化物结构储氢特性的影响，明确氢在材料中的状态：键心氢、反键心氢、空隙氢、晶格氢等。