Nature：变形三氢化镧可实现超离子导电

一、 【导读】 

Li⁺、Na⁺、H⁺、O^2- 等固体离子导体广泛应用于电池、燃料电池、分离膜和传感器等领域。在一定条件下，一些材料会进入超离子状态，其离子传导率大于 10^-3 S cm^-1，扩散势垒低于 0.3 eV，为固态电解质提供了优势。近年来，研究者开始关注氢化物离子 (H^-) 导体。这些材料具有与O^2-类似的离子半径，但是具有更高的还原电位 (-2.3 V(H^-/H₂))。这些材料有望被应用于开发一种新型的氢化物离子电池和燃料电池以进行能量存储和转换，以及独特的电化学电池用于将 CO₂和N₂等分子还原为燃料。已经开发出多种 H^-导体，包括碱土金属氢化物、氢氧化物/卤化物-碱金属、碱土金属和/或稀土金属的氧化氢化物。然而，迄今为止，尚未有任何材料在常温常压下表现出超离子导电性。此外，以快速H迁移著称的稀土三氢化物也表现出有害的电子导电性。

二、【成果掠影】

近日，中科院大连化物所陈萍研究员和曹湖军副研究员联合展示了通过在晶格中创造纳米级晶粒和缺陷，可以将LaH_x的电导率抑制超过5个数量级。这将LaH_x转变为一种超离子导体，使得在-40℃下具有创纪录的高H^-导电率1.0×10^-2 S cm^-1和低扩散势垒0.12 eV。同时在这个基础上还演示了一种室温全固态氢化物电池。相关成果以“Deforming lanthanum trihydride for superionic conduction”发表在Nature上。

 三、【核心创新点】

该研究通过在晶格中创造纳米级晶粒和缺陷，成功实现了室温下全固态氢化物电池的开发。

 四、【数据概览】

图1 LaH_x样品的结构和形态  © 2023 Springer Nature

a不同条件下制备的LaH_x样品的XRD图谱；

b BM-LaD_x-700样品的NPD图案的Rietveld拟合；

c，d  La粉末和BM-LaH_x的SEM图像；

e， f BM-LaH_x和BM-LaH_x-700的代表性HRTEM图像。

图2 REH_x的电导率 © 2023 Springer Nature

a展示了BM-LaH_x、BM-LaH_x-700和LaH_x-P-700电导率随温度的变化情况；

b比较了不同方法制备的REH_x在室温下的电导率。

图3 LaH_x的氢化物离子导电性  © 2023 Springer Nature

a BM-LaH_x在-40℃下的EIS图；

b BM-LaH_x和BM-LaH_x-700的离子电导率随温度的变化关系；

c 在Pnma结构的LaH_2.98中，从P1到P1通过P30的氢离子迁移路径的模拟。

图4 全固态氢化物电池及氢化物离子传导 © 2023 Springer Nature

a 在25℃下，以10μA恒定电流放电的Ti/BM-LaH_x/TiH₂电池放电曲线；

b 一些典型材料的氢化物离子导电性总结；

c 变形的REH_x中H^-和电子的输运的示意图。

五、【成果启示】

总言之，该研究表明晶格变形对抑制REH_x中电子传导的有效性。另一方面，电子在晶界、颗粒表面和其他陷阱处遇到大量散射，从而使其电导率比其完整结晶的同类材料低三至五个数量级，而且许多氢化物材料都是混合H^-离子和电子导体。将本研究所开发的方法推广到其他氢化物材料中，将拓宽纯H^-离子导体的材料范围。

原文详情：Zhang, W., Cui, J., Wang, S. et al. Deforming lanthanum trihydride for superionic conduction. Nature 616, 73–76 (2023).

 https://doi.org/10.1038/s41586-023-05815-0

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