來源：中國之聲
發(fā)布時間：2023-04-10
氫負(fù)離子是一種頗具潛力的氫載體和能量載體。近期，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所陳萍研究員、曹湖軍副研究員團(tuán)隊通過機(jī)械化學(xué)方法研發(fā)出首例室溫條件下可以超快傳輸?shù)臍湄?fù)離子導(dǎo)體。相關(guān)科研成果近日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志發(fā)表。
據(jù)了解，這種氫負(fù)離子導(dǎo)體未來可以用于開發(fā)與傳統(tǒng)鋰離子電池不同的新型環(huán)保電池，有望為能量儲存與轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域帶來系列技術(shù)變革。此次研究突破了怎樣的技術(shù)難關(guān)？將來還有哪些廣闊的應(yīng)用前景？
氫負(fù)離子電導(dǎo)率性能對比圖
氫負(fù)離子具有強(qiáng)還原性和高氧化還原電勢等特點(diǎn)，是一種頗具潛力的氫載體和能量載體。而氫負(fù)離子導(dǎo)體是在一定條件下具有優(yōu)異氫負(fù)離子傳導(dǎo)能力的材料，通俗來講，就是能夠?qū)崿F(xiàn)快速導(dǎo)電，在充電電池、燃料電池等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，是潔凈能源領(lǐng)域的前沿課題。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員陳萍介紹，由于氫負(fù)離子導(dǎo)體的研究面臨著材料體系少、操作溫度高、溫和條件下離子電導(dǎo)率低等問題，目前僅有極少的國外團(tuán)隊專注這項研究。
陳萍：氫負(fù)離子是一個帶有負(fù)電荷的氫原子，它的能量密度是比較高的，是很容易進(jìn)行反應(yīng)的一種物質(zhì)，活性很高，一般存在于金屬化合物中。國際上這方面的研究是近幾年才開始的，目前取得的進(jìn)展也比較少，難點(diǎn)之一就是很難找到一個材料能夠只傳導(dǎo)氫負(fù)離子，往往是既傳導(dǎo)電子，也傳導(dǎo)氫負(fù)離子，所以就不能夠單純地傳導(dǎo)氫負(fù)離子。
氫負(fù)離子導(dǎo)體的材料開發(fā)始終是最大的難點(diǎn)，也是此次研究的主攻方向，一次偶然的嘗試，研究團(tuán)隊將目標(biāo)鎖定在稀土氫化物——?dú)浠|上。早在上世紀(jì)的變色玻璃研究中，研究者就發(fā)現(xiàn)氫化鑭具有快速的氫遷移能力，但同時它的電子電導(dǎo)也很高，也就是說，電子的傳導(dǎo)會影響到氫離子傳導(dǎo)性能的充分發(fā)揮。那么，如何“消滅”掉這一干擾因素？陳萍介紹，研究團(tuán)隊創(chuàng)新地采用了機(jī)械球磨制備方法，來抑制材料中電子的傳導(dǎo)。
陳萍：我們用了機(jī)械球磨法，也就是機(jī)械化學(xué)方法去合成氫化鑭。我們把材料放在一個罐子里，罐子里面放很多不銹鋼小球，然后讓這些小球和罐子高速旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)過程中，小球和罐壁就會發(fā)生很強(qiáng)的碰撞，而且能跟樣品之間發(fā)生很強(qiáng)烈的剪切，就能把樣品打碎變形，變成了一個具有晶格畸變的氫化鑭材料，物理性質(zhì)就發(fā)生了變化，呈現(xiàn)了非常好的氫負(fù)離子傳導(dǎo)的特性。
科研人員正在進(jìn)行實驗操作
通過實驗，研究團(tuán)隊驚喜地發(fā)現(xiàn)，物理性質(zhì)發(fā)生變化的氫化鑭材料，在抑制電子傳導(dǎo)的同時，并沒有對氫負(fù)離子的傳導(dǎo)造成太大干擾，可以在“震”住電子轉(zhuǎn)移的同時，仍舊“維持”氫負(fù)離子快速傳輸，最終獲得了優(yōu)異的氫負(fù)離子傳導(dǎo)特性。
陳萍：超快氫負(fù)離子傳導(dǎo)特性是一個非常特殊的狀態(tài)，就是氫負(fù)離子傳導(dǎo)的時候，幾乎沒有太大的阻力，就可以在晶格中很快地“跑”。目前報道的研究中溫度一般都是在300℃以上，此次這個材料能在-40℃至80℃區(qū)間之內(nèi)，也就是在室溫區(qū)間內(nèi)具有超快氫負(fù)離子傳導(dǎo)的能力，這是目前任何材料都沒達(dá)到的狀態(tài)。
氫負(fù)離子導(dǎo)體潛在的應(yīng)用場景
與此同時，研究團(tuán)隊首次實現(xiàn)了室溫全固態(tài)氫負(fù)離子電池的放電，證實了這種全新的二次電池的可行性。陳萍介紹，由于氫能的環(huán)保特性，這種氫負(fù)離子導(dǎo)體未來可以用于開發(fā)與傳統(tǒng)鋰離子電池不同的新型環(huán)保電池，還將有望為能量儲存與轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域帶來系列技術(shù)變革。
陳萍：氫負(fù)離子導(dǎo)體可以用作很多方面，可以作為電池的組成部分。我們在鋰電池里面，以前用的都是電解液來傳導(dǎo)鋰離子，現(xiàn)在如果用氫負(fù)離子導(dǎo)體作為電解質(zhì)的話，就可以構(gòu)建一個全固態(tài)的氫負(fù)離子電池，會使電池的電荷能量密度更高，而且安全性更強(qiáng)。除了新型電池以外，可以用氫負(fù)離子導(dǎo)體構(gòu)筑一種全新的氫負(fù)離子燃料電池，還可以用它做一個電化學(xué)轉(zhuǎn)化池。氫負(fù)離子導(dǎo)體最大的一個優(yōu)勢就是使用氫作為介質(zhì)，能夠比較潔凈環(huán)保，另外我們國家稀土還是比較豐富的，就不用依賴其他比較貴的一些物質(zhì)。
研究團(tuán)隊集體照
陳萍表示，由于許多已知的氫化物材料都是類似的離子和電子混合導(dǎo)體，此次研究建立的這種材料結(jié)構(gòu)調(diào)變的方法具有一定的普適性，將為氫負(fù)離子導(dǎo)體的研發(fā)打開新局面。當(dāng)前，研究團(tuán)隊已經(jīng)進(jìn)行了氫負(fù)離子電池的組裝嘗試，接下來，計劃研發(fā)性能更優(yōu)的下一代材料，使其更具備實用性。
陳萍：我覺得這個研究其實是打開了一扇門，可以形成一個材料研發(fā)的策略。電池肯定是首先要做的東西，我們前段時間只做到放電，能不能把它做成充放電，做成一個可以循環(huán)利用的電池，這一方面我們現(xiàn)在已經(jīng)在進(jìn)行探索。希望能夠與更多做電池領(lǐng)域的專家合作，因為他們有更多的技術(shù)專長，材料性能好并不足夠，需要跟電極以及整個系統(tǒng)匹配好，所以這里面還有很多大家可以共同研究的有趣的事情。
