近日,中国科学院大连化学物理研究所研究员陈萍、曹湖军与副研究员张炜进团队,在氢负离子导体开发及其应用方面取得重要进展。该团队开发出新型核壳结构氢负离子电解质,并构建出首例氢负离子原型电池。
氢被认为是未来清洁能源体系的重要组成部分,通常以氢正离子(质子)、氢负离子和氢原子三种形式存在。其中,氢负离子电子密度高,易极化、反应性强,是一种独特且具有巨大潜力的能量载体。氢负离子电池是该领域的重要研究方向。与目前广泛使用的锂离子电池类似,氢负离子电池利用离子的移动来存储和释放能量。不同的是,这类电池的内部的“搬运工”不再是锂离子,而是氢负离子。然而,由于缺乏能同时满足高离子电导率、低电子电导率、优良热稳定性和电化学稳定性,以及与电极材料良好兼容性的电解质材料,迄今为止,氢负离子电池尚处于原理概念阶段,其研发具有重要的科学意义和应用前景。
2018年,该团队启动氢负离子传导研究,并于2023年提出了“晶格畸变抑制电子电导”策略,研制出室温超快氢负离子导体。在此基础上,团队以低电子传导且高稳定性的氢化钡(BaH2)薄层包覆稳定性较差的三氢化铈(CeH3),形成了新型核壳结构复合氢化物(3CeH3@BaH2),该材料在室温下即可展现快速的氢负离子传导特性,兼具优异的热稳定性与电化学稳定性,是一种理想的电解质材料。
基于上述新型氢负离子电解质材料,该团队利用经典的储氢材料氢化铝钠(NaAlH4)作正极,贫氢的二氢化铈(CeH2)作负极,组装出CeH2|3CeH3@BaH2|NaAlH4这一氢负离子原型电池。实验数据显示,该电池正极首次放电容量高达984 mAh/g,且经过20次充放电循环后,仍能保持402 mAh/g的容量。团队进一步搭建了叠层电池,把电压提升到1.9伏,并点亮了黄色LED灯,证明了氢负离子电池为电子设备供电的可行性。这标志着我国科研人员实现了氢负离子电池从“原理概念”到“实验验证”的跨越。
9月17日,相关研究成果发表在《自然》(Nature)上。
氢负离子原型电池
氢负离子原型电池示意图
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