基于氢负离子传导的新一代潜力电池

La2-x-ySrx+yLiH1-x+yO3-y的晶体结构（x=0，y=0，1，2）

材料牛注：东京工业大学的科学家与其日本同事合作，展示了第一个基于氧化物固态电池中氢负离子传导而发生的电化学反应，此举有望用于下一代电池。

近年来，颇多关于离子传导的研究，尤其是用于能源器件。如燃料电池，以及使用Li+、H+、Ag+、Cu+、F–、O2–等电池。而最近一项研究表明，氢负离子对于高能存储元件来说可能非常有用。

不过，金属氢化物趋向形成固定的点阵结构，这使得氢负离子传导困难，因此研究者转而研究氧、氢可共存于同一区域的氧氢化物（氢氧化物）。此外，氢负离子易分解产生质子和电子，其供电子性质优异，最终导致电子传导而非氢离子传导。

东京工业大学几位科学家团队，联合日本分子科学研究院、日本科学技术总局、京都大学、日本高能加速器研究组织（KEK）等单位的同事，寻找到了一种具有更好的供电性的正离子体系（相较于单独的氢负离子），从而展开研究。随氧氢化合物的成分与合成条件的改变，研究者检测了其结构的改变。同时他们通过研究电子结构特征，发现在氧氢化合物中有Li-H键的存在，也就是在氧化物中确实有氢负离子的存在。

纯H-传导的氧氢化物晶体结构

随后，研究者使用斜方相的La2LiHO3作为电解质，钛做阳极，氢化钛做阴极。结果发现，连续放电后，电极发生变化且Ti-H相位图显示氢负离子发生传导。由此学者表示，目前在全固态电化学电池方面取得的成绩，即发现氢负离子传导，表明其不仅仅可在氢氧化物中作为H–固态电极，再者可基于此开发电化学固态元件。

电池和燃料电池

电池和燃料电池都属于电化学元件。例如在锂电池中，锂离子从阳极移动到阴极，充电过程中再原路返回，离子通过电解质在电极间不断传递。锂电池现如今广泛用于移动设备，同时人们也在尝试通过改善能量密度、性能和环保性继续扩大其使用范围，譬如汽车。相比来说，固态电解质比液态更安全稳定，因为不存在泄露和短路的情况。

在其他电化学装置中，不同类型的离子不断地往返移动（例如燃料电池中的氢离子），此外，电荷和离子的大小也会影响运动。

氧化还原反应

离子一般通过外层或价电子轨道上的正负离子数量来描述。氧能够轻而易举和电子结合形成O2-，导致离子氧化将失去电子，增加其氧化态的积极性。离子吸收电子而减少，同时降低其化合价。

电池里原子能够被氧化形成正离子并被吸引在负极减少，反之亦然。这些氧化和还原反应被描述为氧化还原反应。

氢负离子

尽管氢负离子传导还未被用于电池，但这些离子确有潜在的优势。他们与氮和氟离子大小相似并且有很强的还原能力。H-/H2的标准氧化还原电势为（-2.3v）接近于Mg/Mg2+（-2.4v），后者早已引起了电池行业的兴趣。因此，氢离子导体很可能未来用于高能量密度存储或者转换设备。

基于氢负离子传导的氢氧化物

为了解决妨碍氢负离子传导的因素——氢负离子在氧化物晶体晶格中传播且高能氢负离子易分解成电子和原子核——研究者们对氢氧化合物进行了研究，结果发现其结构类似于K2NiF4，此类氢氧化物包括La2LiHO3 (x = y = 0), Sr2LiH3O (x = 0, y = 2), La2-xSrxLiH1-xO3 (0 ≤ x ≤ 1, y = 0), 以及La1-xSr1+xLiH2-xO2 (0 ≤ x ≤ 1, y = 1)等。

他们发现La2LiHO3有两种化学状态，分别是斜方晶系和正方晶系，二者形成区别在于反应物的比例和反应条件。对化合物的研究发现，其组成导致的空隙会让混合物更具导电性，从而也解释了粒子空隙和粒子扩散的关系。他们也表明可通过增加粒子间的空隙来提高导电性。

原文参考地址: Researchers demonstrate hydride-ion conduction for potential next-gen batteries

素材：王宇  翻译：王旗