作為一種負電荷載體，氫負離子 (H?)相比陽離子具有更高的能量、極化率和反應活性。基于 H?的電化學過程與現有系統有著根本性的不同，這為開發創新型電化學器件（如可充放電池、燃料電池、電解池和氣體分離膜）提供了可能。本文在 H?導體材料開發方面取得了重大突破，他們研發了一種具有核殼結構的氫化物3CeH?@BaH?，該材料在室溫下展現出快速的 H?傳導能力，并在 60°C 以上轉變為快離子導體。基于此，研究團隊成功構建了全固態可充放 H?電池CeH?|3CeH?@BaH?|NaAlH?，利用NaAlH?和CeH?分別作為正極和負極材料，實現了室溫下的穩定運行。該電池的初始比容量高達 984 mAh g?1，循環 20 次后仍保持 402 mAh g?1的容量。原則上，使用氫作為電荷載體可以避免有害金屬枝晶的形成，為清潔能源存儲和轉化開辟了新的研究途徑。

異質結調控

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近年來，H?導體材料的研發主要集中在堿金屬、堿土金屬和/或稀土金屬的氫化物、氮氫化物、氧氫化物和鹵氫化物上。然而，這些材料往往需要在 300°C 以上才能表現出快速的 H?傳導，難以滿足室溫應用的需求。稀土三氫化物 (REHx)雖然在室溫下具有高 H?電導率，但其伴隨的電子導電性是一個棘手的問題。特別是對于具有未成鍵 f 電子的CeH?，電子導電尤為嚴重。

受半導體異質結（如 PN 結和肖特基結）調控電荷輸運的啟發，研究團隊提出了一種通過包覆薄層寬帶隙 H?導體材料來調控稀土三氫化物表面或界面的策略。BaH?因其寬帶隙 (3.85 eV)、高熱穩定性（分解溫度 > 660°C）和相變后較高的 H?電導率，被選為包覆材料。

通過球磨CeH?和BaH?，研究團隊制備了nCeH?-BaH?復合材料。結構表征顯示，該復合材料具有明顯的核殼結構，即3CeH?@BaH?。高分辨透射電子顯微鏡觀察表明，顆粒內部為結晶良好的CeH?核心，外部包裹著厚度小于 2 nm 的BaH?殼層。電子能量損失譜和飛行時間二次離子質譜進一步證實了這種核殼構型。密度泛函理論計算表明，CeH?(111)面與BaH?(010)面形成的異質結具有有利的結合能，且界面處存在從BaH?向CeH?的電子轉移，這種富電子界面和寬帶隙BaH?層有效抑制了電子穿過異質結的傳輸。

3CeH?@BaH?樣品的微觀結構

優異的電化學性能與穩定性

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電化學測試表明，BaH?納米涂層不僅顯著抑制了電子導電，還保留了CeH?的快速 H?傳導特性。3CeH?@BaH?在室溫下的電子電導率僅為 3.2 × 10??S cm?1，比結晶良好的CeH?低了約四個數量級。同時，其 H?電導率超過 10??S cm?1，離子遷移數大于 0.99。在 60°C 和 180°C 時，H?電導率分別達到 1.4 × 10?3S cm?1和 1.9 × 10?2S cm?1，表現出快離子導體行為，活化能僅為 0.30 eV。此外，3CeH?@BaH?還表現出優異的熱穩定性和電化學穩定性，其電化學窗口約為 1.0 V。

3CeH?@BaH?的電子性質和氫負離子傳導

全固態氫負離子電池的構建與機理

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基于3CeH?@BaH?電解質，研究團隊構建了CeH?|3CeH?@BaH?|NaAlH?全固態電池。NaAlH?具有高理論容量（993 mAh g?1，基于轉化為Na?AlH?），被選為正極；CeH?作為混合電子/H?導體，被用作負極。在正極側，放電過程中NaAlH?釋放 H?并轉化為Na?AlH?和Al；在負極側，H?注入CeH?晶格。

該電池在室溫下展現出優異的性能。在 0.1 A g?1的恒定電流下，首次放電比容量達到 984 mAh g?1，相當于NaAlH?向Na?AlH?轉化的 99.1%。循環 20 次后，容量仍保持在 402 mAh g?1。固體核磁共振分析證實了正極材料在充放電過程中的可逆轉化，即NaAlH?與Na?AlH?+Al之間的相互轉換。負極側的X射線衍射結果也顯示了氫含量的可逆變化。動力學分析表明，該電池遵循擴散控制過程。

此外，研究團隊還構建了多層堆疊電池，電壓提升至 1.9 V，成功點亮了黃色 LED 燈，驗證了氫負離子電池作為電源驅動電子設備的潛力。

全固態可充放氫負離子電池

使用氫作為電池中的電荷載體，為解決傳統鋰/鈉離子電池中金屬枝晶生長問題提供了全新的思路。基于豐富的氫化物材料庫，可充放氫負離子電池在清潔能源存儲和轉化領域具有廣闊的應用前景。未來的研究將致力于進一步優化電極材料的可逆性，提高電池的循環壽命和能量密度，推動這一新興技術的實用化進程。