“电池家族”喜添新丁，全球首块氢负离子原型电池来了。这项创新充分利用了氢负离子的独特特性，将为传统锂离子和钠离子电池提供一种卓越的替代方案。

近日，中国科学院大连化学物理研究所（以下简称大连化物所）在氢负离子导体开发，及其应用方面取得重要进展，实现了氢负离子电池从原理概念到实验验证的跨越。

陈萍研究员、曹湖军研究员、张炜进副研究员团队开发出新型核壳结构氢负离子电解质，并构建出首例氢负离子原型电池。名为“室温可充电全固态氢离子电池”的研究成果已于北京时间9月17日发表在权威学术期刊《自然》（Nature）上。

该研究团队成功研制的电池拥有室温超快离子传导特性，初始比容量高达984 mAh/g，并在 20 次循环后保持402 mAh/g，远超过现有商用锂离子电池100 至250 mAh/g 的表现。

研究人员表示：“原则上，使用氢作为电荷载体可以避免有害金属枝晶的形成，这为清洁能源的存储和转换开辟了新的研究途径。”

图说：我国成功开发出首例氢负离子原型电池

来源：央视新闻

氢是未来清洁能源体系的重要组成部分，通常以三种形态存在：氢正离子、氢原子和氢负离子。其中，氢负离子反应活性强、电子密度高，是一种潜力巨大的能量载体，氢负离子电池也成为了该领域的一个重要研究方向。

与传统电化学系统中使用的金属离子相比，氢负离子具有显著的优势。它们带负电荷且尺寸较小，使其能够在电极-电解质界面快速传导并易于反应。然而，寻找能够在常温下维持高效氢负离子传输的固体电解质一直是氢负离子电池走向实际应用的一大挑战。

为了解决这个难题，由大连化物所陈萍研究员领导的团队于2018年启动氢负离子传导研究，并于2023年提出了“晶格畸变抑制电子电导”策略，研制出室温超快氢负离子导体。

在此基础上，研究团队以低电子传导且高稳定性的氢化钡（BaH2）薄层，包覆稳定性较差的三氢化铈（CeH3），开发出了一种新型核壳结构复合氢化物（3CeH3@BaH2）。

这种结构充分利用了 CeH3 的高氢负离子电导率和 BaH2 的稳定性。它能够在室温下实现氢负离子的快速传导，并在 60 摄氏度以上成为超离子导体从而实现超离子传导，同时具有较高的热稳定性和电化学稳定性，成为了氢负离子电池的理想电解质。

高氢负离子迁移率源于内部三氢化铈（CeH3）相与氢化钡（BaH2）壳层之间复杂的协同作用，这种协同作用促进了离子路径的连续性，而不会造成严重的晶格畸变或结构不稳定。

与目前广泛使用的锂离子电池类似，氢负离子电池利用离子的移动来存储和释放能量。与当今依赖液体电解质的锂离子电池不同的是，新设备使用通过这种新型核壳结构复合氢化物来移动氢离子。

图说：氢负离子原型电池充放电示意图

来源：央视新闻

基于新型氢负离子电解质材料，研究团队利用经典的储氢材料氢化铝钠（NaAlH4）作正极，贫氢的二氢化铈（CeH2）作负极，组装出CeH2|3CeH3@BaH2|NaAlH4氢负离子原型电池。

这种结构独特地利用氢负离子作为电荷载体，在室温下实现可逆电化学反应，而无需依赖挥发性液体电解质或易受影响的金属枝晶（这些因素通常会影响金属基系统中电池的寿命和安全性）。

实验数据显示，该电池正极首次放电容量高达984 mAh/g（毫安时/克），且经过20次充放电循环后，仍能保持402 mAh/g的容量。这表明其稳定性良好，并具有进一步优化的潜力。

与锂离子电池相比，使用固体氢化物电解质还确保了更高的机械强度和更低的可燃性，解决了液体电解质电池普遍存在的关键安全问题，并降低了火灾和灾难性热失控的风险。

研究团队进一步搭建了叠层电池，把电压提升到1.9伏，并点亮了LED灯，证明了氢负离子电池为电子设备供电的可行性。

图说：氢负离子原型电池供电实验

来源：央视新闻

氢负离子电池原型研制成功，标志着我国科研人员实现了从“原理概念”到“实验验证”的跨越。

这项研究也标志着氢化学在能源转换中作用的范式转变。氢负离子传统上仅用于气体燃料或电解槽原料，如今正逐渐成为先进电池系统中用途广泛的固相电荷载体。氢化物独特的化学性质使其能够实现独特的电化学存储方法，有望弥合氢燃料技术与固态电池创新之间的差距。

展望未来，这些发现为探索进一步的混合氢化物材料、可扩展的制造技术以及将氢负离子传导与高容量电极相结合的全电池架构提供了一个充满希望的平台。

完善氢化物电池的工程工具包，需要应对长期循环稳定性、界面工程和可制造性等挑战，才能将这项新兴技术从实验室的奇思妙想转化为可投入市场的产品。尤其是需要解决循环稳定性问题，目前测试显示电池性能在20 次充放电循环后有明显下降。

氢负离子电池代表了一种全新的储能技术路径，有望在大规模储能、储氢、移动电源、特种电源等领域发挥重要作用。