近日，大連化物所氫能與先進材料研究部氫化物能源化學(xué)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(fù)離子導(dǎo)體開發(fā)及其應(yīng)用方面取得重要進展，開發(fā)出新型核殼結(jié)構(gòu)氫負(fù)離子電解質(zhì)，并構(gòu)建了首例氫負(fù)離子原型電池。
氫負(fù)離子（H?）是氫原子獲得一個電子后形成的陰離子，具有質(zhì)量輕、氧化還原電位高（H?/H2，–2.3 V vs SHE）等特性，被認(rèn)為是發(fā)展新型電化學(xué)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(shù)革新方面展現(xiàn)出重要應(yīng)用潛力。然而，由于缺乏能同時滿足高離子電導(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，迄今為止，氫負(fù)離子二次電池技術(shù)始終未能實現(xiàn)突破。因此，開發(fā)綜合性能優(yōu)異的氫負(fù)離子導(dǎo)體材料被視為固態(tài)離子學(xué)和氫能領(lǐng)域的前沿課題。
陳萍團隊聚焦于氫化物能源化學(xué)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(fù)離子傳導(dǎo)（Nature，2023；Angew. Chem. Int. Ed.，2024）等領(lǐng)域持續(xù)深入探索，并解決了多項關(guān)鍵科學(xué)問題，為推動相關(guān)學(xué)科發(fā)展和技術(shù)突破奠定了堅實基礎(chǔ)。
2018年，該團隊啟動氫負(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，研制出稀土氫化物基低溫超快氫負(fù)離子導(dǎo)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(jié)構(gòu)復(fù)合氫化物3CeH3@BaH2，該材料在室溫下即可展現(xiàn)快速的氫負(fù)離子傳導(dǎo)特性，并具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和寬的電化學(xué)窗口，是一種理想的電解質(zhì)材料，為全固態(tài)電池的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
基于上述新型氫負(fù)離子電解質(zhì)，團隊利用經(jīng)典儲氫材料NaAlH4和CeH2分別作為正、負(fù)極活性物質(zhì)，構(gòu)建了CeH2|3CeH3@BaH2|NaAlH4全固態(tài)氫負(fù)離子原型電池，即氫負(fù)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(dá)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(shè)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(lǐng)域已研發(fā)了大量的氫化物，這為氫負(fù)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(fù)離子二次電池有望在清潔能源存儲與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域開辟更多應(yīng)用場景。
相關(guān)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(xué)技術(shù)大學(xué)-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(xué)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(xué)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。
