“電池家族”喜添新丁，全球首塊氫負離子原型電池來了。這項創新充分利用了氫負離子的獨特特性，將為傳統鋰離子和鈉離子電池提供一種卓越的替代方案。

近日，中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱大連化物所）在氫負離子導體開發，及其應用方面取得重要進展，實現了氫負離子電池從原理概念到實驗驗證的跨越。

陳萍研究員、曹湖軍研究員、張煒進副研究員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。名為“室溫可充電全固態氫離子電池”的研究成果已于北京時間9月17日發表在權威學術期刊《自然》（Nature）上。

該研究團隊成功研制的電池擁有室溫超快離子傳導特性，初始比容量高達984 mAh/g，并在 20 次循環后保持402 mAh/g，遠超過現有商用鋰離子電池100 至250 mAh/g 的表現。

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和轉換開辟了新的研究途徑?！?/span>

圖說：我國成功開發出首例氫負離子原型電池

來源：央視新聞

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

與傳統電化學系統中使用的金屬離子相比，氫負離子具有顯著的優勢。它們帶負電荷且尺寸較小，使其能夠在電極-電解質界面快速傳導并易于反應。然而，尋找能夠在常溫下維持高效氫負離子傳輸的固體電解質一直是氫負離子電池走向實際應用的一大挑戰。

為了解決這個難題，由大連化物所陳萍研究員領導的團隊于2018年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，研究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），開發出了一種新型核殼結構復合氫化物（3CeH3@BaH2）。

這種結構充分利用了 CeH3 的高氫負離子電導率和 BaH2 的穩定性。它能夠在室溫下實現氫負離子的快速傳導，并在 60 攝氏度以上成為超離子導體從而實現超離子傳導，同時具有較高的熱穩定性和電化學穩定性，成為了氫負離子電池的理想電解質。

高氫負離子遷移率源于內部三氫化鈰（CeH3）相與氫化鋇（BaH2）殼層之間復雜的協同作用，這種協同作用促進了離子路徑的連續性，而不會造成嚴重的晶格畸變或結構不穩定。

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。與當今依賴液體電解質的鋰離子電池不同的是，新設備使用通過這種新型核殼結構復合氫化物來移動氫離子。

圖說：氫負離子原型電池充放電示意圖

來源：央視新聞

基于新型氫負離子電解質材料，研究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氫負離子原型電池。

這種結構獨特地利用氫負離子作為電荷載體，在室溫下實現可逆電化學反應，而無需依賴揮發性液體電解質或易受影響的金屬枝晶（這些因素通常會影響金屬基系統中電池的壽命和安全性）。

實驗數據顯示，該電池正極首次放電容量高達984 mAh/g（毫安時/克），且經過20次充放電循環后，仍能保持402 mAh/g的容量。這表明其穩定性良好，并具有進一步優化的潛力。

與鋰離子電池相比，使用固體氫化物電解質還確保了更高的機械強度和更低的可燃性，解決了液體電解質電池普遍存在的關鍵安全問題，并降低了火災和災難性熱失控的風險。

研究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LED燈，證明了氫負離子電池為電子設備供電的可行性。

圖說：氫負離子原型電池供電實驗

來源：央視新聞

氫負離子電池原型研制成功，標志著我國科研人員實現了從“原理概念”到“實驗驗證”的跨越。

這項研究也標志著氫化學在能源轉換中作用的范式轉變。氫負離子傳統上僅用于氣體燃料或電解槽原料，如今正逐漸成為先進電池系統中用途廣泛的固相電荷載體。氫化物獨特的化學性質使其能夠實現獨特的電化學存儲方法，有望彌合氫燃料技術與固態電池創新之間的差距。

展望未來，這些發現為探索進一步的混合氫化物材料、可擴展的制造技術以及將氫負離子傳導與高容量電極相結合的全電池架構提供了一個充滿希望的平臺。

完善氫化物電池的工程工具包，需要應對長期循環穩定性、界面工程和可制造性等挑戰，才能將這項新興技術從實驗室的奇思妙想轉化為可投入市場的產品。尤其是需要解決循環穩定性問題，目前測試顯示電池性能在20 次充放電循環后有明顯下降。

氫負離子電池代表了一種全新的儲能技術路徑，有望在大規模儲能、儲氫、移動電源、特種電源等領域發揮重要作用。