近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所陳萍研究員、曹湖軍研究員、張煒進(jìn)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(jìn)展。團隊開發(fā)出新型核殼結(jié)構(gòu)氫負(fù)離子電解質(zhì)，并成功構(gòu)建了首例氫負(fù)離子原型電池。相關(guān)成果于北京時間2025年9月17日發(fā)表在國際權(quán)威期刊《自然》（Nature）上。
氫被認(rèn)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(zhì)子）、氫負(fù)離子和氫原子三種形式存在。其中，氫負(fù)離子電子密度最高，易極化、反應(yīng)性最強，是一種獨特且具有巨大潛力的能量載體。氫負(fù)離子電池是該領(lǐng)域的一個重要研究方向。與目前廣泛使用的鋰離子電池類似，氫負(fù)離子電池利用離子的移動來存儲和釋放能量。不同的是，這類電池內(nèi)部的“搬運工”不再是鋰離子，而是氫負(fù)離子。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，氫負(fù)離子電池長期處于原理概念階段。
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，研制出室溫超快氫負(fù)離子導(dǎo)體。在此基礎(chǔ)上，以低電子傳導(dǎo)且高穩(wěn)定性的氫化鋇薄層包覆穩(wěn)定性較差的三氫化鈰，形成了一種新型核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合氫化物。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，同時兼具優(yōu)異的熱穩(wěn)定性與電化學(xué)穩(wěn)定性，是一種理想的電解質(zhì)材料。
基于上述新型氫負(fù)離子電解質(zhì)材料，組裝出氫負(fù)離子原型電池。實驗數(shù)據(jù)顯示，該電池正極首次放電容量高達(dá)984mAh/g（毫安時/克），且經(jīng)過20次充放電循環(huán)后，仍能保持402mAh/g的容量。研究團隊進(jìn)一步搭建了疊層電池，把電壓提升到1.9伏，并成功點亮了黃色LED燈，證明了氫負(fù)離子電池為電子設(shè)備供電的可行性。這標(biāo)志著我國科研人員實現(xiàn)了氫負(fù)離子電池從“原理概念”到“實驗驗證”的跨越。
氫負(fù)離子電池代表了一種全新的儲能技術(shù)路徑，有望在大規(guī)模儲能、儲氫、移動電源、特種電源等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。未來，研究團隊將聚焦氫負(fù)離子電池核心材料的研制和性能的優(yōu)化，積極拓展應(yīng)用場景，為我國綠色能源發(fā)展提供有力技術(shù)支撐。
