近日，大連化物所氫能與先進材料研究部氫化物能源化學研究中心（DNL1901組群）陳萍研究員、曹湖軍研究員、張煒進副研究員團隊在氫負離子導體開發(fā)及其應用方面取得重要進展，開發(fā)出新型核殼結構氫負離子電解質，并構建了首例氫負離子原型電池。
氫負離子（H?）是氫原子獲得一個電子后形成的陰離子，具有質量輕、氧化還原電位高（H?/H2，–2.3 V vs SHE）等特性，被認為是發(fā)展新型電化學器件的重要載流子，在推動二次電池、燃料電池、電解池等技術革新方面展現(xiàn)出重要應用潛力。然而，由于缺乏能同時滿足高離子電導率、低電子電導率、優(yōu)良熱穩(wěn)定性和電化學穩(wěn)定性，以及與電極材料良好兼容性的電解質材料，迄今為止，氫負離子二次電池技術始終未能實現(xiàn)突破。因此，開發(fā)綜合性能優(yōu)異的氫負離子導體材料被視為固態(tài)離子學和氫能領域的前沿課題。
陳萍團隊聚焦于氫化物能源化學研究二十余年，在儲氫（Nature，2002；Nature Mater.，2008）、催化固氮（Angew. Chem. Int. Ed.，2015；Nature Chem.，2017；Nature Energy，2018；Nature Catal.，2022；Nature Chem.，2024）、氫負離子傳導（Nature，2023；Angew. Chem. Int. Ed.，2024）等領域持續(xù)深入探索，并解決了多項關鍵科學問題，為推動相關學科發(fā)展和技術突破奠定了堅實基礎。
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，研制出稀土氫化物基低溫超快氫負離子導體（Nature，2023）。在本工作中，為克服上述材料熱穩(wěn)定性不足的問題，團隊以大帶寬高穩(wěn)定性的BaH2薄層包覆穩(wěn)定性較差的CeH3，形成了一種新型核殼結構復合氫化物3CeH3@BaH2，該材料在室溫下即可展現(xiàn)快速的氫負離子傳導特性，并具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和寬的電化學窗口，是一種理想的電解質材料，為全固態(tài)電池的研發(fā)奠定了基礎。
基于上述新型氫負離子電解質，團隊利用經(jīng)典儲氫材料NaAlH4和CeH2分別作為正、負極活性物質，構建了CeH2|3CeH3@BaH2|NaAlH4全固態(tài)氫負離子原型電池，即氫負離子二次電池實驗室驗證實物。實驗數(shù)據(jù)顯示，該電池正極在室溫下首次放電容量達984 mAh g?1，且經(jīng)過20次充放電循環(huán)后，仍能保持402 mAh g?1的可逆容量。進一步，團隊搭建了疊層電池，把工作電壓提升到1.9 V，并點亮了黃色LED燈，證明了該電池為電子設備供電的可行性。全固態(tài)H?二次電池以氫元素作為載流子，原理上能有效規(guī)避金屬枝晶引起的短路問題。此外，儲氫領域已研發(fā)了大量的氫化物，這為氫負離子二次電池的研發(fā)提供了充足的材料選擇和性能優(yōu)化的空間，未來，氫負離子二次電池有望在清潔能源存儲與轉換領域開辟更多應用場景。
相關研究成果以“A room temperature rechargeable all-solid-state hydride ion battery”為題，于近日發(fā)表在《自然》（Nature）上。該工作的共同第一作者為DNL1901組群崔繼榮博士和中國科學技術大學-大連化物所聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生鄒韌。本工作中的理論計算工作得到吉林大學劉靖堯教授的支持；電鏡工作得到大連化物所劉偉研究員的支持；同步輻射XRD及EXAFS實驗與上海同步輻射光源王偉瑋、甘濤、李炯等合作完成。上述工作得到了國家自然科學基金、遼寧濱海實驗室、遼寧省科技重大專項、大連化物所創(chuàng)新基金等項目的支持。
