“電池家族”喜添新丁，全球首塊氫負(fù)離子原型電池來(lái)了。這項(xiàng)創(chuàng)新充分利用了氫負(fù)離子的獨(dú)特特性，將為傳統(tǒng)鋰離子和鈉離子電池提供一種卓越的替代方案。

近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡(jiǎn)稱大連化物所）在氫負(fù)離子導(dǎo)體開(kāi)發(fā)，及其應(yīng)用方面取得重要進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了氫負(fù)離子電池從原理概念到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的跨越。

陳萍研究員、曹湖軍研究員、張煒進(jìn)副研究員團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出新型核殼結(jié)構(gòu)氫負(fù)離子電解質(zhì)，并構(gòu)建出首例氫負(fù)離子原型電池。名為“室溫可充電全固態(tài)氫離子電池”的研究成果已于北京時(shí)間9月17日發(fā)表在權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）上。

該研究團(tuán)隊(duì)成功研制的電池?fù)碛惺覝爻祀x子傳導(dǎo)特性，初始比容量高達(dá)984 mAh/g，并在 20 次循環(huán)后保持402 mAh/g，遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有商用鋰離子電池100 至250 mAh/g 的表現(xiàn)。

研究人員表示：“原則上，使用氫作為電荷載體可以避免有害金屬枝晶的形成，這為清潔能源的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換開(kāi)辟了新的研究途徑?！?/span>

圖說(shuō)：我國(guó)成功開(kāi)發(fā)出首例氫負(fù)離子原型電池

來(lái)源：央視新聞

氫是未來(lái)清潔能源體系的重要組成部分，通常以三種形態(tài)存在：氫正離子、氫原子和氫負(fù)離子。其中，氫負(fù)離子反應(yīng)活性強(qiáng)、電子密度高，是一種潛力巨大的能量載體，氫負(fù)離子電池也成為了該領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。

與傳統(tǒng)電化學(xué)系統(tǒng)中使用的金屬離子相比，氫負(fù)離子具有顯著的優(yōu)勢(shì)。它們帶負(fù)電荷且尺寸較小，使其能夠在電極-電解質(zhì)界面快速傳導(dǎo)并易于反應(yīng)。然而，尋找能夠在常溫下維持高效氫負(fù)離子傳輸?shù)墓腆w電解質(zhì)一直是氫負(fù)離子電池走向?qū)嶋H應(yīng)用的一大挑戰(zhàn)。

為了解決這個(gè)難題，由大連化物所陳萍研究員領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)于2018年啟動(dòng)氫負(fù)離子傳導(dǎo)研究，并于2023年提出了“晶格畸變抑制電子電導(dǎo)”策略，研制出室溫超快氫負(fù)離子導(dǎo)體。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)以低電子傳導(dǎo)且高穩(wěn)定性的氫化鋇（BaH2）薄層，包覆穩(wěn)定性較差的三氫化鈰（CeH3），開(kāi)發(fā)出了一種新型核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合氫化物（3CeH3@BaH2）。

這種結(jié)構(gòu)充分利用了 CeH3 的高氫負(fù)離子電導(dǎo)率和 BaH2 的穩(wěn)定性。它能夠在室溫下實(shí)現(xiàn)氫負(fù)離子的快速傳導(dǎo)，并在 60 攝氏度以上成為超離子導(dǎo)體從而實(shí)現(xiàn)超離子傳導(dǎo)，同時(shí)具有較高的熱穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性，成為了氫負(fù)離子電池的理想電解質(zhì)。

高氫負(fù)離子遷移率源于內(nèi)部三氫化鈰（CeH3）相與氫化鋇（BaH2）殼層之間復(fù)雜的協(xié)同作用，這種協(xié)同作用促進(jìn)了離子路徑的連續(xù)性，而不會(huì)造成嚴(yán)重的晶格畸變或結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。

與目前廣泛使用的鋰離子電池類似，氫負(fù)離子電池利用離子的移動(dòng)來(lái)存儲(chǔ)和釋放能量。與當(dāng)今依賴液體電解質(zhì)的鋰離子電池不同的是，新設(shè)備使用通過(guò)這種新型核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合氫化物來(lái)移動(dòng)氫離子。

圖說(shuō)：氫負(fù)離子原型電池充放電示意圖

來(lái)源：央視新聞

基于新型氫負(fù)離子電解質(zhì)材料，研究團(tuán)隊(duì)利用經(jīng)典的儲(chǔ)氫材料氫化鋁鈉（NaAlH4）作正極，貧氫的二氫化鈰（CeH2）作負(fù)極，組裝出CeH2|3CeH3@BaH2|NaAlH4氫負(fù)離子原型電池。

這種結(jié)構(gòu)獨(dú)特地利用氫負(fù)離子作為電荷載體，在室溫下實(shí)現(xiàn)可逆電化學(xué)反應(yīng)，而無(wú)需依賴揮發(fā)性液體電解質(zhì)或易受影響的金屬枝晶（這些因素通常會(huì)影響金屬基系統(tǒng)中電池的壽命和安全性）。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該電池正極首次放電容量高達(dá)984 mAh/g（毫安時(shí)/克），且經(jīng)過(guò)20次充放電循環(huán)后，仍能保持402 mAh/g的容量。這表明其穩(wěn)定性良好，并具有進(jìn)一步優(yōu)化的潛力。

與鋰離子電池相比，使用固體氫化物電解質(zhì)還確保了更高的機(jī)械強(qiáng)度和更低的可燃性，解決了液體電解質(zhì)電池普遍存在的關(guān)鍵安全問(wèn)題，并降低了火災(zāi)和災(zāi)難性熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步搭建了疊層電池，把電壓提升到1.9伏，并點(diǎn)亮了LED燈，證明了氫負(fù)離子電池為電子設(shè)備供電的可行性。

圖說(shuō)：氫負(fù)離子原型電池供電實(shí)驗(yàn)

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氫負(fù)離子電池原型研制成功，標(biāo)志著我國(guó)科研人員實(shí)現(xiàn)了從“原理概念”到“實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的跨越。

這項(xiàng)研究也標(biāo)志著氫化學(xué)在能源轉(zhuǎn)換中作用的范式轉(zhuǎn)變。氫負(fù)離子傳統(tǒng)上僅用于氣體燃料或電解槽原料，如今正逐漸成為先進(jìn)電池系統(tǒng)中用途廣泛的固相電荷載體。氫化物獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)使其能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)特的電化學(xué)存儲(chǔ)方法，有望彌合氫燃料技術(shù)與固態(tài)電池創(chuàng)新之間的差距。

展望未來(lái)，這些發(fā)現(xiàn)為探索進(jìn)一步的混合氫化物材料、可擴(kuò)展的制造技術(shù)以及將氫負(fù)離子傳導(dǎo)與高容量電極相結(jié)合的全電池架構(gòu)提供了一個(gè)充滿希望的平臺(tái)。

完善氫化物電池的工程工具包，需要應(yīng)對(duì)長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性、界面工程和可制造性等挑戰(zhàn)，才能將這項(xiàng)新興技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室的奇思妙想轉(zhuǎn)化為可投入市場(chǎng)的產(chǎn)品。尤其是需要解決循環(huán)穩(wěn)定性問(wèn)題，目前測(cè)試顯示電池性能在20 次充放電循環(huán)后有明顯下降。

氫負(fù)離子電池代表了一種全新的儲(chǔ)能技術(shù)路徑，有望在大規(guī)模儲(chǔ)能、儲(chǔ)氫、移動(dòng)電源、特種電源等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。