来源：中国之声
发布时间：2023-04-10
氢负离子是一种颇具潜力的氢载体和能量载体。近期，中国科学院大连化学物理研究所陈萍研究员、曹湖军副研究员团队通过机械化学方法研发出首例室温条件下可以超快传输的氢负离子导体。相关科研成果近日在国际学术期刊《自然》杂志发表。
据了解，这种氢负离子导体未来可以用于开发与传统锂离子电池不同的新型环保电池，有望为能量储存与转化等领域带来系列技术变革。此次研究突破了怎样的技术难关？将来还有哪些广阔的应用前景？
氢负离子电导率性能对比图
氢负离子具有强还原性和高氧化还原电势等特点，是一种颇具潜力的氢载体和能量载体。而氢负离子导体是在一定条件下具有优异氢负离子传导能力的材料，通俗来讲，就是能够实现快速导电，在充电电池、燃料电池等领域具有广阔的应用前景，是洁净能源领域的前沿课题。中国科学院大连化学物理研究所研究员陈萍介绍，由于氢负离子导体的研究面临着材料体系少、操作温度高、温和条件下离子电导率低等问题，目前仅有极少的国外团队专注这项研究。
陈萍：氢负离子是一个带有负电荷的氢原子，它的能量密度是比较高的，是很容易进行反应的一种物质，活性很高，一般存在于金属化合物中。国际上这方面的研究是近几年才开始的，目前取得的进展也比较少，难点之一就是很难找到一个材料能够只传导氢负离子，往往是既传导电子，也传导氢负离子，所以就不能够单纯地传导氢负离子。
氢负离子导体的材料开发始终是最大的难点，也是此次研究的主攻方向，一次偶然的尝试，研究团队将目标锁定在稀土氢化物——氢化镧上。早在上世纪的变色玻璃研究中，研究者就发现氢化镧具有快速的氢迁移能力，但同时它的电子电导也很高，也就是说，电子的传导会影响到氢离子传导性能的充分发挥。那么，如何“消灭”掉这一干扰因素？陈萍介绍，研究团队创新地采用了机械球磨制备方法，来抑制材料中电子的传导。
陈萍：我们用了机械球磨法，也就是机械化学方法去合成氢化镧。我们把材料放在一个罐子里，罐子里面放很多不锈钢小球，然后让这些小球和罐子高速旋转。在旋转过程中，小球和罐壁就会发生很强的碰撞，而且能跟样品之间发生很强烈的剪切，就能把样品打碎变形，变成了一个具有晶格畸变的氢化镧材料，物理性质就发生了变化，呈现了非常好的氢负离子传导的特性。
科研人员正在进行实验操作
通过实验，研究团队惊喜地发现，物理性质发生变化的氢化镧材料，在抑制电子传导的同时，并没有对氢负离子的传导造成太大干扰，可以在“震”住电子转移的同时，仍旧“维持”氢负离子快速传输，最终获得了优异的氢负离子传导特性。
陈萍：超快氢负离子传导特性是一个非常特殊的状态，就是氢负离子传导的时候，几乎没有太大的阻力，就可以在晶格中很快地“跑”。目前报道的研究中温度一般都是在300℃以上，此次这个材料能在-40℃至80℃区间之内，也就是在室温区间内具有超快氢负离子传导的能力，这是目前任何材料都没达到的状态。
氢负离子导体潜在的应用场景
与此同时，研究团队首次实现了室温全固态氢负离子电池的放电，证实了这种全新的二次电池的可行性。陈萍介绍，由于氢能的环保特性，这种氢负离子导体未来可以用于开发与传统锂离子电池不同的新型环保电池，还将有望为能量储存与转化等领域带来系列技术变革。
陈萍：氢负离子导体可以用作很多方面，可以作为电池的组成部分。我们在锂电池里面，以前用的都是电解液来传导锂离子，现在如果用氢负离子导体作为电解质的话，就可以构建一个全固态的氢负离子电池，会使电池的电荷能量密度更高，而且安全性更强。除了新型电池以外，可以用氢负离子导体构筑一种全新的氢负离子燃料电池，还可以用它做一个电化学转化池。氢负离子导体最大的一个优势就是使用氢作为介质，能够比较洁净环保，另外我们国家稀土还是比较丰富的，就不用依赖其他比较贵的一些物质。
研究团队集体照
陈萍表示，由于许多已知的氢化物材料都是类似的离子和电子混合导体，此次研究建立的这种材料结构调变的方法具有一定的普适性，将为氢负离子导体的研发打开新局面。当前，研究团队已经进行了氢负离子电池的组装尝试，接下来，计划研发性能更优的下一代材料，使其更具备实用性。
陈萍：我觉得这个研究其实是打开了一扇门，可以形成一个材料研发的策略。电池肯定是首先要做的东西，我们前段时间只做到放电，能不能把它做成充放电，做成一个可以循环利用的电池，这一方面我们现在已经在进行探索。希望能够与更多做电池领域的专家合作，因为他们有更多的技术专长，材料性能好并不足够，需要跟电极以及整个系统匹配好，所以这里面还有很多大家可以共同研究的有趣的事情。
