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近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所陳萍研究員、曹湖軍研究員、張煒進(jìn)副研究員團(tuán)隊(duì)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。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)，并成功構(gòu)建了首例氫負(fù)離子原型電池。相關(guān)成果于北京時(shí)間9月17日發(fā)表在《自然》（Nature）上。
氫被認(rèn)為是未來(lái)清潔能源體系的重要組成部分，通常以氫正離子（質(zhì)子）、氫負(fù)離子和氫原子三種形式存在。其中，氫負(fù)離子電子密度最高，易極化、反應(yīng)性最強(qiáng)，是一種獨(dú)特且具有巨大潛力的能量載體。氫負(fù)離子電池是該領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。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。不同的是，這類電池的內(nèi)部的“搬運(yùn)工”不再是鋰離子，而是氫負(fù)離子。然而，由于缺乏能同時(shí)滿足高離子電導(dǎo)率、低電子電導(dǎo)率、優(yōu)良熱穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性，以及與電極材料良好兼容性的電解質(zhì)材料，迄今為止，氫負(fù)離子電池尚處于原理概念階段，其研發(fā)具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。
2018年，該團(tuán)隊(duì)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，本研究中團(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），形成了一種新型核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合氫化物（3CeH3@BaH2），該材料在室溫下即可展現(xiàn)快速的氫負(fù)離子傳導(dǎo)特性，并同時(shí)兼具優(yōu)異的熱穩(wěn)定性與電化學(xué)穩(wěn)定性，是一種理想的電解質(zhì)材料。
基于上述新型氫負(fù)離子電解質(zhì)材料，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這一氫負(fù)離子原型電池。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。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步搭建了疊層電池，把電壓提升到1.9伏，并成功點(diǎn)亮了黃色LED燈，證明了氫負(fù)離子電池為電子設(shè)備供電的可行性。這標(biāo)志著我國(guó)科研人員實(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。
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。未來(lái)，團(tuán)隊(duì)將聚焦氫負(fù)離子電池核心材料的研制和性能的優(yōu)化，積極拓展應(yīng)用場(chǎng)景，為我國(guó)綠色能源發(fā)展提供有力技術(shù)支撐。
