炒股配资178论坛网氢的另一面：科学家研发出首例氢负离子原型电池

在能源转型的浪潮中炒股配资178论坛网，电池技术的每一次突破都可能重塑未来的能源格局。当锂离子电池已经深入我们生活的每个角落时，科学家们正在探索另一种更为奇特的能量载体——氢负离子。2025年10月，中国科学院大连化学物理研究所研究员陈萍、曹湖军与副研究员张炜进团队在《自然》（Nature）杂志上发表的一项研究，标志着人类首次实现了室温下可充电的全固态氢负离子电池。这个看似简单的突破，背后是对氢元素特性的深刻理解，以及材料科学领域的巧妙设计。

氢负离子原型电池

（图片来源：中国科学院大连化学物理研究所）

氢的隐秘面孔：从正离子到负离子

我们对氢并不陌生。作为宇宙中最丰富的元素，氢通常以三种形式存在：氢正离子（质子）、氢负离子和氢原子。在化学课本中，我们熟知的是失去电子的氢正离子——那个在酸碱反应中扮演关键角色的粒子。然而，当氢原子获得一个额外的电子时，它便转变为氢负离子，展现出截然不同的个性。

氢负离子是一种独特的存在。与常见的正离子相比，它拥有更高的电子密度，更容易被极化，反应性也更强。这些特性使它成为一种极具潜力的能量载体。想象一下，如果能够驾驭这些微小而活跃的离子，让它们在电池的正负极之间有序穿梭，我们或许能够开启清洁能源存储的新篇章。

然而，理想与现实之间总是横亘着技术的鸿沟。要构建一个以氢负离子为载体的电池，首先需要解决一个核心问题：如何找到合适的电解质材料？这种材料必须同时满足多个苛刻的条件——它要能够让氢负离子快速通过，却要阻挡电子的流动；它要在常温下保持稳定，在充放电过程中不发生分解；它还要与电极材料和谐共处，不发生有害的化学反应。这样的材料，在2018年之前几乎不存在。

核壳结构的智慧：当铈遇见钡

大连化物所团队的突破始于2023年提出的一个巧妙策略：晶格畸变抑制电子电导。这个看似抽象的概念，实际上蕴含着材料设计的精妙哲学。

三氢化铈（CeH3）是一种在室温下展现出优异氢负离子传导性能的材料，但它有一个致命的缺陷——它同时也是良好的电子导体。这意味着在电池中使用它时，电子会“抄近路”直接通过电解质，而不是老老实实地通过外部电路做功。更糟糕的是，三氢化铈的热稳定性较差，在略高于室温的温度下就会开始分解释放氢气。

如何驯服这个“桀骜不驯”的材料？研究团队想到了异质结的构建策略——用一层宽带隙、低电子电导的材料将三氢化铈包裹起来。他们选择的包裹材料是氢化钡（BaH2），这是一种带隙达3.85电子伏特的材料，电子很难在其中自由移动。更重要的是，氢化钡的分解温度高达660摄氏度以上，热稳定性极佳。

通过球磨这种看似粗暴的机械处理方法，研究团队实现了精妙的微观结构调控。高能量的剪切和冲击力诱导了表面重构，形成了三氢化铈核心与氢化钡壳层的异质结。由于氢化钡具有较小的杨氏模量和剪切模量——分别为43.1吉帕和17.1吉帕，而三氢化铈的相应数值为95.8吉帕和37.6吉帕——较软的氢化钡趋向于非晶化并包覆在较硬的三氢化铈表面。这个过程创造出的核壳结构3CeH3@BaH2，壳层厚度不到2纳米，却发挥着关键作用。

在这个精心设计的异质结界面上，钡原子和铈原子共享氢原子，形成了扭曲的配位构型。电子结构分析显示，氢化钡薄层向铈化物一侧的界面转移了电子，形成了富电子界面。这个电子密度的重新分布，加上氢化钡层的宽带隙特性，有效地阻止了电子穿越异质结的通道。实验测量证实，核壳结构材料的电子电导率降至3.2×10⁻⁶西门子每厘米，比结晶良好的三氢化铈低了约四个数量级。

氢负离子原型电池示意图

（图片来源：参考文献1）

从实验室到原型：电池的组装艺术

有了优异的电解质材料，下一步就是构建完整的电池体系。氢负离子电池的工作原理与我们熟悉的锂离子电池类似，都是通过离子在正负极之间的往返运动来存储和释放能量。但关键的差异在于，这里的“搬运工”不再是金属离子，而是带负电荷的氢离子。

在电池的正极（阴极），富氢材料在充电过程中接受来自外电路的电子，同时释放氢负离子进入电解质。放电时过程反向，氢负离子回到正极，电子流向外电路做功。在负极（阳极），贫氢材料或金属在放电时接纳氢负离子，同时释放电子；充电时则相反。这种设计原理上可以避免困扰锂离子电池的金属枝晶生长问题，因为氢离子不会在电极表面沉积形成危险的树枝状结构。

研究团队选择的正极材料是氢化铝钠（NaAlH4），这是一种在氢能研究领域久负盛名的储氢材料。它可以按照3NaAlH4 = Na3AlH6 + 2Al + 3H2的反应可逆地存储3.7重量百分比的氢气，理论比容量高达993毫安时每克。负极则采用了二氢化铈（CeH2），这是一种混合的电子和氢负离子导体，可以在充放电过程中可逆地改变氢含量。

将CeH2负极、3CeH3@BaH2电解质和NaAlH4正极层层叠加，压制成直径10毫米的圆饼状结构，一个全固态氢负离子电池就诞生了。这个看起来朴素的装置，却承载着能源技术的新可能。

性能的验证：从数字到光明

真正的考验来自性能测试。在室温（约25摄氏度）下，这个原型电池在0.1安培每克的恒定电流下进行充放电测试。首次放电过程中，电池展现出984毫安时每克的比容量，相当于氢化铝钠到六氢化三铝钠转化率达到99.1%。这意味着电池的正极材料几乎被完全利用，电化学反应进行得相当彻底。

更重要的是可逆性。经过20次充放电循环后，电池容量保持在402毫安时每克。虽然相比初始容量有所衰减，但这个结果证明了氢负离子在电池体系中的可逆穿梭是可行的。衰减的原因主要来自正负极材料的不完全反应——核磁共振分析显示，放电后的正极中出现了明显的Na3AlH6和铝的信号，而充电后虽然NaAlH4的信号增强，但铝和Na3AlH6并未完全转化回去。类似地，负极的氢含量在充放电过程中也未能完全恢复到初始状态。

研究团队还测试了电池在不同充放电速率下的表现。即使将电流密度提高到1.0安培每克，电池仍能正常工作。循环伏安测试在不同扫描速率下显示出清晰的氧化还原峰，峰面积几乎相等，表明电极反应的可逆性良好。动力学分析表明，电池的工作机制主要由扩散过程主导，这符合固态电解质电池的特征。

为了展示实际应用潜力，研究团队将多个单体电池串联成叠层结构，将输出电压提升至1.9伏特。这个电压足以驱动一个黄色LED灯发光。当灯珠亮起的那一刻，氢负离子电池从原理概念真正迈向了实验验证——它不仅在实验室仪器上表现出优异的电化学性能，还能为实际的电子设备供电。

展望未来：氢能的另一种可能

氢负离子电池的成功研制，为清洁能源存储开辟了一条新的技术路径。与传统的氢能利用方式不同，例如燃烧或燃料电池，这种电池将氢以离子形式束缚在固态材料中，无需高压储氢罐，也不涉及氢气的产生和消耗，安全性显著提升。

当然，从原型电池到实用化产品，道路依然漫长。当前电池的容量衰减问题需要通过优化电极材料和界面设计来改善。研究团队提到，可以借鉴氢储存领域积累的丰富知识和方法来提升电极反应的可逆性。电解质材料虽然已经取得突破，但其机械强度、大规模制备工艺等工程问题仍待解决。此外，整个电池体系对环境的敏感性也是一个挑战——所有操作都需要在充满纯化氩气、氧气和水分含量低于0.01ppm的手套箱中进行。

然而，这些技术挑战并不能掩盖这项研究的开创性意义。它证明了氢负离子可以作为电池中的电荷载体，打开了一扇通往新型能源存储技术的大门。随着材料科学和电化学的不断进步，我们有理由期待，未来某一天，氢负离子电池可能会与锂离子电池、钠离子电池并列，成为清洁能源时代的支柱技术之一。

在能源转型的宏大叙事中，每一种新技术的诞生都像是拼图的一块。氢负离子电池这块拼图，或许还很小，但它代表了人类对物质世界认知的深化，以及对更清洁、更安全能源技术的不懈追求。从氢正离子到氢负离子，从概念到原型，这条看似简单的科研路径，实际上凝聚了中国科学家多年的坚守与创新。当黄色的LED灯在实验室中亮起时，照亮的不仅是一个小小的电路，更是通向可持续能源未来的一条可能之路。

参考文献：

【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：科普中国

作者：李瑞（半导体工程师）

监制：中国科普博览