氫的另一面：科學家研發(fā)出首例氫負離子原型電池

在能源轉型的浪潮中，電池技術的每一次突破都可能重塑未來的能源格局。當鋰離子電池已經深入我們生活的每個角落時，科學家們正在探索另一種更為奇特的能量載體——氫負離子。2025年10月，中國科學院大連化學物理研究所研究員陳萍、曹湖軍與副研究員張煒進團隊在《自然》（Nature）雜志上發(fā)表的一項研究，標志著人類首次實現(xiàn)了室溫下可充電的全固態(tài)氫負離子電池。這個看似簡單的突破，背后是對氫元素特性的深刻理解，以及材料科學領域的巧妙設計。

氫負離子原型電池

（圖片來源：中國科學院大連化學物理研究所）

氫的隱秘面孔：從正離子到負離子

我們對氫并不陌生。作為宇宙中最豐富的元素，氫通常以三種形式存在：氫正離子（質子）、氫負離子和氫原子。在化學課本中，我們熟知的是失去電子的氫正離子——那個在酸堿反應中扮演關鍵角色的粒子。然而，當氫原子獲得一個額外的電子時，它便轉變?yōu)闅湄撾x子，展現(xiàn)出截然不同的個性。

氫負離子是一種獨特的存在。與常見的正離子相比，它擁有更高的電子密度，更容易被極化，反應性也更強。這些特性使它成為一種極具潛力的能量載體。想象一下，如果能夠駕馭這些微小而活躍的離子，讓它們在電池的正負極之間有序穿梭，我們或許能夠開啟清潔能源存儲的新篇章。

然而，理想與現(xiàn)實之間總是橫亙著技術的鴻溝。要構建一個以氫負離子為載體的電池，首先需要解決一個核心問題：如何找到合適的電解質材料？這種材料必須同時滿足多個苛刻的條件——它要能夠讓氫負離子快速通過，卻要阻擋電子的流動；它要在常溫下保持穩(wěn)定，在充放電過程中不發(fā)生分解；它還要與電極材料和諧共處，不發(fā)生有害的化學反應。這樣的材料，在2018年之前幾乎不存在。

核殼結構的智慧：當鈰遇見鋇

大連化物所團隊的突破始于2023年提出的一個巧妙策略：晶格畸變抑制電子電導。這個看似抽象的概念，實際上蘊含著材料設計的精妙哲學。

三氫化鈰（CeH3）是一種在室溫下展現(xiàn)出優(yōu)異氫負離子傳導性能的材料，但它有一個致命的缺陷——它同時也是良好的電子導體。這意味著在電池中使用它時，電子會“抄近路”直接通過電解質，而不是老老實實地通過外部電路做功。更糟糕的是，三氫化鈰的熱穩(wěn)定性較差，在略高于室溫的溫度下就會開始分解釋放氫氣。

如何馴服這個“桀驁不馴”的材料？研究團隊想到了異質結的構建策略——用一層寬帶隙、低電子電導的材料將三氫化鈰包裹起來。他們選擇的包裹材料是氫化鋇（BaH2），這是一種帶隙達3.85電子伏特的材料，電子很難在其中自由移動。更重要的是，氫化鋇的分解溫度高達660攝氏度以上，熱穩(wěn)定性極佳。

通過球磨這種看似粗暴的機械處理方法，研究團隊實現(xiàn)了精妙的微觀結構調控。高能量的剪切和沖擊力誘導了表面重構，形成了三氫化鈰核心與氫化鋇殼層的異質結。由于氫化鋇具有較小的楊氏模量和剪切模量——分別為43.1吉帕和17.1吉帕，而三氫化鈰的相應數(shù)值為95.8吉帕和37.6吉帕——較軟的氫化鋇趨向于非晶化并包覆在較硬的三氫化鈰表面。這個過程創(chuàng)造出的核殼結構3CeH3@BaH2，殼層厚度不到2納米，卻發(fā)揮著關鍵作用。

在這個精心設計的異質結界面上，鋇原子和鈰原子共享氫原子，形成了扭曲的配位構型。電子結構分析顯示，氫化鋇薄層向鈰化物一側的界面轉移了電子，形成了富電子界面。這個電子密度的重新分布，加上氫化鋇層的寬帶隙特性，有效地阻止了電子穿越異質結的通道。實驗測量證實，核殼結構材料的電子電導率降至3.2×10??西門子每厘米，比結晶良好的三氫化鈰低了約四個數(shù)量級。

氫負離子原型電池示意圖

（圖片來源：參考文獻1）

從實驗室到原型：電池的組裝藝術

有了優(yōu)異的電解質材料，下一步就是構建完整的電池體系。氫負離子電池的工作原理與我們熟悉的鋰離子電池類似，都是通過離子在正負極之間的往返運動來存儲和釋放能量。但關鍵的差異在于，這里的“搬運工”不再是金屬離子，而是帶負電荷的氫離子。

在電池的正極（陰極），富氫材料在充電過程中接受來自外電路的電子，同時釋放氫負離子進入電解質。放電時過程反向，氫負離子回到正極，電子流向外電路做功。在負極（陽極），貧氫材料或金屬在放電時接納氫負離子，同時釋放電子；充電時則相反。這種設計原理上可以避免困擾鋰離子電池的金屬枝晶生長問題，因為氫離子不會在電極表面沉積形成危險的樹枝狀結構。

研究團隊選擇的正極材料是氫化鋁鈉（NaAlH4），這是一種在氫能研究領域久負盛名的儲氫材料。它可以按照3NaAlH4 = Na3AlH6 + 2Al + 3H2的反應可逆地存儲3.7重量百分比的氫氣，理論比容量高達993毫安時每克。負極則采用了二氫化鈰（CeH2），這是一種混合的電子和氫負離子導體，可以在充放電過程中可逆地改變氫含量。

將CeH2負極、3CeH3@BaH2電解質和NaAlH4正極層層疊加，壓制成直徑10毫米的圓餅狀結構，一個全固態(tài)氫負離子電池就誕生了。這個看起來樸素的裝置，卻承載著能源技術的新可能。

性能的驗證：從數(shù)字到光明

真正的考驗來自性能測試。在室溫（約25攝氏度）下，這個原型電池在0.1安培每克的恒定電流下進行充放電測試。首次放電過程中，電池展現(xiàn)出984毫安時每克的比容量，相當于氫化鋁鈉到六氫化三鋁鈉轉化率達到99.1%。這意味著電池的正極材料幾乎被完全利用，電化學反應進行得相當徹底。

更重要的是可逆性。經過20次充放電循環(huán)后，電池容量保持在402毫安時每克。雖然相比初始容量有所衰減，但這個結果證明了氫負離子在電池體系中的可逆穿梭是可行的。衰減的原因主要來自正負極材料的不完全反應——核磁共振分析顯示，放電后的正極中出現(xiàn)了明顯的Na3AlH6和鋁的信號，而充電后雖然NaAlH4的信號增強，但鋁和Na3AlH6并未完全轉化回去。類似地，負極的氫含量在充放電過程中也未能完全恢復到初始狀態(tài)。

研究團隊還測試了電池在不同充放電速率下的表現(xiàn)。即使將電流密度提高到1.0安培每克，電池仍能正常工作。循環(huán)伏安測試在不同掃描速率下顯示出清晰的氧化還原峰，峰面積幾乎相等，表明電極反應的可逆性良好。動力學分析表明，電池的工作機制主要由擴散過程主導，這符合固態(tài)電解質電池的特征。

為了展示實際應用潛力，研究團隊將多個單體電池串聯(lián)成疊層結構，將輸出電壓提升至1.9伏特。這個電壓足以驅動一個黃色LED燈發(fā)光。當燈珠亮起的那一刻，氫負離子電池從原理概念真正邁向了實驗驗證——它不僅在實驗室儀器上表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能，還能為實際的電子設備供電。

展望未來：氫能的另一種可能

氫負離子電池的成功研制，為清潔能源存儲開辟了一條新的技術路徑。與傳統(tǒng)的氫能利用方式不同，例如燃燒或燃料電池，這種電池將氫以離子形式束縛在固態(tài)材料中，無需高壓儲氫罐，也不涉及氫氣的產生和消耗，安全性顯著提升。

當然，從原型電池到實用化產品，道路依然漫長。當前電池的容量衰減問題需要通過優(yōu)化電極材料和界面設計來改善。研究團隊提到，可以借鑒氫儲存領域積累的豐富知識和方法來提升電極反應的可逆性。電解質材料雖然已經取得突破，但其機械強度、大規(guī)模制備工藝等工程問題仍待解決。此外，整個電池體系對環(huán)境的敏感性也是一個挑戰(zhàn)——所有操作都需要在充滿純化氬氣、氧氣和水分含量低于0.01ppm的手套箱中進行。

然而，這些技術挑戰(zhàn)并不能掩蓋這項研究的開創(chuàng)性意義。它證明了氫負離子可以作為電池中的電荷載體，打開了一扇通往新型能源存儲技術的大門。隨著材料科學和電化學的不斷進步，我們有理由期待，未來某一天，氫負離子電池可能會與鋰離子電池、鈉離子電池并列，成為清潔能源時代的支柱技術之一。

在能源轉型的宏大敘事中，每一種新技術的誕生都像是拼圖的一塊。氫負離子電池這塊拼圖，或許還很小，但它代表了人類對物質世界認知的深化，以及對更清潔、更安全能源技術的不懈追求。從氫正離子到氫負離子，從概念到原型，這條看似簡單的科研路徑，實際上凝聚了中國科學家多年的堅守與創(chuàng)新。當黃色的LED燈在實驗室中亮起時，照亮的不僅是一個小小的電路，更是通向可持續(xù)能源未來的一條可能之路。

參考文獻：

【1】Cui J, Zou R, Zhang W, Wen H, Liu J, Wang S, Liu S, Chen H, Liu W, Ju X, Wang W, Gan T, Li J, Guo J, He T, Cao H, Chen P. A room temperature rechargeable all-solid-state hydride ion battery. Nature. 2025 Oct;646(8084):338-342. doi: 10.1038/s41586-025-09561-3. Epub 2025 Sep 17. Erratum in: Nature. 2025 Nov;647(8088):E2. doi: 10.1038/s41586-025-09701-9. PMID: 40963026.

出品：科普中國

作者：李瑞（半導體工程師）

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