近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡稱大連化物所）在氫負(fù)離子導(dǎo)體開發(fā)，及其應(yīng)用方面取得進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)開發(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。
氫負(fù)離子原型電池示意圖
驅(qū)動(dòng)未來電池的“搬運(yùn)工”
氫被認(rèn)為是未來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)離子電子密度高，易極化、反應(yīng)性強(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)來存儲和釋放能量。不同的是，這類電池內(nèi)部的“搬運(yùn)工”不再是鋰離子，而是氫負(fù)離子。
但由于缺乏能同時(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，此前氫負(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。
電解質(zhì)材料獲突破
2018年，大連化物所研究團(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，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），形成了一種新型核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合氫化物（3CeH3@BaH2）。
新材料在室溫下即可展現(xiàn)快速的氫負(fù)離子傳導(dǎo)特性，兼具優(yōu)異的熱穩(wěn)定性與電化學(xué)穩(wěn)定性，是理想的電解質(zhì)材料。
原型電池成功驗(yàn)證
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。
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20次充放電循環(huán)后，仍能保持402 mAh/g的容量。
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。
氫負(fù)離子原型電池
未來展望
氫負(fù)離子電池原型研制成功，標(biāo)志著我國科研人員實(shí)現(xiàn)了從“原理概念”到“實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的跨越。
氫負(fù)離子電池未來有望在大規(guī)模儲能、儲氫、移動(dòng)電源、特種電源等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
