近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員陳萍、曹湖軍與副研究員張煒進團隊，在氫負離子導體開發及其應用方面取得重要進展。該團隊開發出新型核殼結構氫負離子電解質，并構建出首例氫負離子原型電池。
氫被認為是未來清潔能源體系的重要組成部分，通常以氫正離子（質子）、氫負離子和氫原子三種形式存在。其中，氫負離子電子密度高，易極化、反應性強，是一種獨特且具有巨大潛力的能量載體。氫負離子電池是該領域的重要研究方向。與目前廣泛使用的鋰離子電池類似，氫負離子電池利用離子的移動來存儲和釋放能量。不同的是，這類電池的內部的“搬運工”不再是鋰離子，而是氫負離子。然而，由于缺乏能同時滿足高離子電導率、低電子電導率、優良熱穩定性和電化學穩定性，以及與電極材料良好兼容性的電解質材料，迄今為止，氫負離子電池尚處于原理概念階段，其研發具有重要的科學意義和應用前景。
2018年，該團隊啟動氫負離子傳導研究，并于2023年提出了“晶格畸變抑制電子電導”策略，研制出室溫超快氫負離子導體。在此基礎上，團隊以低電子傳導且高穩定性的氫化鋇（BaH2）薄層包覆穩定性較差的三氫化鈰（CeH3），形成了新型核殼結構復合氫化物（3CeH3@BaH2），該材料在室溫下即可展現快速的氫負離子傳導特性，兼具優異的熱穩定性與電化學穩定性，是一種理想的電解質材料。
基于上述新型氫負離子電解質材料，該團隊利用經典的儲氫材料氫化鋁鈉（NaAlH4）作正極，貧氫的二氫化鈰（CeH2）作負極，組裝出CeH2|3CeH3@BaH2|NaAlH4這一氫負離子原型電池。實驗數據顯示，該電池正極首次放電容量高達984 mAh/g，且經過20次充放電循環后，仍能保持402 mAh/g的容量。團隊進一步搭建了疊層電池，把電壓提升到1.9伏，并點亮了黃色LED燈，證明了氫負離子電池為電子設備供電的可行性。這標志著我國科研人員實現了氫負離子電池從“原理概念”到“實驗驗證”的跨越。
9月17日，相關研究成果發表在《自然》（Nature）上。
氫負離子原型電池
氫負離子原型電池示意圖
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