在能源轉(zhuǎn)型的浪潮中，電池技術(shù)的每一次突破都可能重塑未來(lái)的能源格局。當(dāng)鋰離子電池已經(jīng)深入我們生活的每個(gè)角落時(shí)，科學(xué)家們正在探索另一種更為奇特的能量載體——?dú)湄?fù)離子。2025年10月，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員陳萍、曹湖軍與副研究員張煒進(jìn)團(tuán)隊(duì)在《自然》（Nature）雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究，標(biāo)志著人類首次實(shí)現(xiàn)了室溫下可充電的全固態(tài)氫負(fù)離子電池。這個(gè)看似簡(jiǎn)單的突破，背后是對(duì)氫元素特性的深刻理解，以及材料科學(xué)領(lǐng)域的巧妙設(shè)計(jì)。

氫負(fù)離子原型電池

（圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所）

氫的隱秘面孔：從正離子到負(fù)離子

我們對(duì)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(zhì)子）、氫負(fù)離子和氫原子。在化學(xué)課本中，我們熟知的是失去電子的氫正離子——那個(gè)在酸堿反應(yīng)中扮演關(guān)鍵角色的粒子。然而，當(dāng)氫原子獲得一個(gè)額外的電子時(shí)，它便轉(zhuǎn)變?yōu)闅湄?fù)離子，展現(xiàn)出截然不同的個(gè)性。

氫負(fù)離子是一種獨(dú)特的存在。與常見(jiàn)的正離子相比，它擁有更高的電子密度，更容易被極化，反應(yīng)性也更強(qiáng)。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?cè)陔姵氐恼?fù)極之間有序穿梭，我們或許能夠開(kāi)啟清潔能源存儲(chǔ)的新篇章。

然而，理想與現(xiàn)實(shí)之間總是橫亙著技術(shù)的鴻溝。要構(gòu)建一個(gè)以氫負(fù)離子為載體的電池，首先需要解決一個(gè)核心問(wèn)題：如何找到合適的電解質(zhì)材料？這種材料必須同時(shí)滿足多個(gè)苛刻的條件——它要能夠讓氫負(fù)離子快速通過(guò)，卻要阻擋電子的流動(dòng)；它要在常溫下保持穩(wěn)定，在充放電過(guò)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(xué)反應(yīng)。這樣的材料，在2018年之前幾乎不存在。

核殼結(jié)構(gòu)的智慧：當(dāng)鈰遇見(jiàn)鋇

大連化物所團(tuán)隊(duì)的突破始于2023年提出的一個(gè)巧妙策略：晶格畸變抑制電子電導(dǎo)。這個(gè)看似抽象的概念，實(shí)際上蘊(yùn)含著材料設(shè)計(jì)的精妙哲學(xué)。

三氫化鈰（CeH3）是一種在室溫下展現(xiàn)出優(yōu)異氫負(fù)離子傳導(dǎo)性能的材料，但它有一個(gè)致命的缺陷——它同時(shí)也是良好的電子導(dǎo)體。這意味著在電池中使用它時(shí)，電子會(huì)“抄近路”直接通過(guò)電解質(zhì)，而不是老老實(shí)實(shí)地通過(guò)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(huì)開(kāi)始分解釋放氫氣。

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

通過(guò)球磨這種看似粗暴的機(jī)械處理方法，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了精妙的微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控。高能量的剪切和沖擊力誘導(dǎo)了表面重構(gòu)，形成了三氫化鈰核心與氫化鋇殼層的異質(zhì)結(jié)。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(yīng)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(gè)過(guò)程創(chuàng)造出的核殼結(jié)構(gòu)3CeH3@BaH2，殼層厚度不到2納米，卻發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

在這個(gè)精心設(shè)計(jì)的異質(zhì)結(jié)界面上，鋇原子和鈰原子共享氫原子，形成了扭曲的配位構(gòu)型。電子結(jié)構(gòu)分析顯示，氫化鋇薄層向鈰化物一側(cè)的界面轉(zhuǎn)移了電子，形成了富電子界面。這個(gè)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(zhì)結(jié)的通道。實(shí)驗(yàn)測(cè)量證實(shí)，核殼結(jié)構(gòu)材料的電子電導(dǎo)率降至3.2×10??西門子每厘米，比結(jié)晶良好的三氫化鈰低了約四個(gè)數(shù)量級(jí)。

氫負(fù)離子原型電池示意圖

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

從實(shí)驗(yàn)室到原型：電池的組裝藝術(shù)

有了優(yōu)異的電解質(zhì)材料，下一步就是構(gòu)建完整的電池體系。氫負(fù)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(guò)離子在正負(fù)極之間的往返運(yùn)動(dòng)來(lái)存儲(chǔ)和釋放能量。但關(guān)鍵的差異在于，這里的“搬運(yùn)工”不再是金屬離子，而是帶負(fù)電荷的氫離子。

在電池的正極（陰極），富氫材料在充電過(guò)程中接受來(lái)自外電路的電子，同時(shí)釋放氫負(fù)離子進(jìn)入電解質(zhì)。放電時(shí)過(guò)程反向，氫負(fù)離子回到正極，電子流向外電路做功。在負(fù)極（陽(yáng)極），貧氫材料或金屬在放電時(shí)接納氫負(fù)離子，同時(shí)釋放電子；充電時(shí)則相反。這種設(shè)計(jì)原理上可以避免困擾鋰離子電池的金屬枝晶生長(zhǎng)問(wèn)題，因?yàn)闅潆x子不會(huì)在電極表面沉積形成危險(xiǎn)的樹枝狀結(jié)構(gòu)。

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

將CeH2負(fù)極、3CeH3@BaH2電解質(zhì)和NaAlH4正極層層疊加，壓制成直徑10毫米的圓餅狀結(jié)構(gòu)，一個(gè)全固態(tài)氫負(fù)離子電池就誕生了。這個(gè)看起來(lái)樸素的裝置，卻承載著能源技術(shù)的新可能。

性能的驗(yàn)證：從數(shù)字到光明

真正的考驗(yàn)來(lái)自性能測(cè)試。在室溫（約25攝氏度）下，這個(gè)原型電池在0.1安培每克的恒定電流下進(jìn)行充放電測(cè)試。首次放電過(guò)程中，電池展現(xiàn)出984毫安時(shí)每克的比容量，相當(dāng)于氫化鋁鈉到六氫化三鋁鈉轉(zhuǎn)化率達(dá)到99.1%。這意味著電池的正極材料幾乎被完全利用，電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行得相當(dāng)徹底。

更重要的是可逆性。經(jīng)過(guò)20次充放電循環(huán)后，電池容量保持在402毫安時(shí)每克。雖然相比初始容量有所衰減，但這個(gè)結(jié)果證明了氫負(fù)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(lái)自正負(fù)極材料的不完全反應(yīng)——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(hào)，而充電后雖然NaAlH4的信號(hào)增強(qiáng)，但鋁和Na3AlH6并未完全轉(zhuǎn)化回去。類似地，負(fù)極的氫含量在充放電過(guò)程中也未能完全恢復(fù)到初始狀態(tài)。

研究團(tuán)隊(duì)還測(cè)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(cè)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(yīng)的可逆性良好。動(dòng)力學(xué)分析表明，電池的工作機(jī)制主要由擴(kuò)散過(guò)程主導(dǎo)，這符合固態(tài)電解質(zhì)電池的特征。

為了展示實(shí)際應(yīng)用潛力，研究團(tuán)隊(duì)將多個(gè)單體電池串聯(lián)成疊層結(jié)構(gòu)，將輸出電壓提升至1.9伏特。這個(gè)電壓足以驅(qū)動(dòng)一個(gè)黃色LED燈發(fā)光。當(dāng)燈珠亮起的那一刻，氫負(fù)離子電池從原理概念真正邁向了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證——它不僅在實(shí)驗(yàn)室儀器上表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，還能為實(shí)際的電子設(shè)備供電。

展望未來(lái)：氫能的另一種可能

氫負(fù)離子電池的成功研制，為清潔能源存儲(chǔ)開(kāi)辟了一條新的技術(shù)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(wú)需高壓儲(chǔ)氫罐，也不涉及氫氣的產(chǎn)生和消耗，安全性顯著提升。

當(dāng)然，從原型電池到實(shí)用化產(chǎn)品，道路依然漫長(zhǎng)。當(dāng)前電池的容量衰減問(wèn)題需要通過(guò)優(yōu)化電極材料和界面設(shè)計(jì)來(lái)改善。研究團(tuán)隊(duì)提到，可以借鑒氫儲(chǔ)存領(lǐng)域積累的豐富知識(shí)和方法來(lái)提升電極反應(yīng)的可逆性。電解質(zhì)材料雖然已經(jīng)取得突破，但其機(jī)械強(qiáng)度、大規(guī)模制備工藝等工程問(wèn)題仍待解決。此外，整個(gè)電池體系對(duì)環(huán)境的敏感性也是一個(gè)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(jìn)行。

然而，這些技術(shù)挑戰(zhàn)并不能掩蓋這項(xiàng)研究的開(kāi)創(chuàng)性意義。它證明了氫負(fù)離子可以作為電池中的電荷載體，打開(kāi)了一扇通往新型能源存儲(chǔ)技術(shù)的大門。隨著材料科學(xué)和電化學(xué)的不斷進(jìn)步，我們有理由期待，未來(lái)某一天，氫負(fù)離子電池可能會(huì)與鋰離子電池、鈉離子電池并列，成為清潔能源時(shí)代的支柱技術(shù)之一。

在能源轉(zhuǎn)型的宏大敘事中，每一種新技術(shù)的誕生都像是拼圖的一塊。氫負(fù)離子電池這塊拼圖，或許還很小，但它代表了人類對(duì)物質(zhì)世界認(rèn)知的深化，以及對(duì)更清潔、更安全能源技術(shù)的不懈追求。從氫正離子到氫負(fù)離子，從概念到原型，這條看似簡(jiǎn)單的科研路徑，實(shí)際上凝聚了中國(guó)科學(xué)家多年的堅(jiān)守與創(chuàng)新。當(dāng)黃色的LED燈在實(shí)驗(yàn)室中亮起時(shí)，照亮的不僅是一個(gè)小小的電路，更是通向可持續(xù)能源未來(lái)的一條可能之路。

參考文獻(xiàn)：

【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(guó)

作者：李瑞（半導(dǎo)體工程師）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽