自称科研界“扫地僧”，3张图，再发Nature!

她曾在新加坡国立大学一路从研究员、高级研究员到助理教授、任副教授，先后斩获淡马锡青年科学家奖、新加坡国立大学杰出青年科学家奖，被誉为氢能领域冉冉升起的“新星”。就在那一年，应化物所前任所长包信和院士与张涛院士之邀，她毅然放弃高薪回国， 带领自称“扫地僧”的年轻徒弟们，开辟出一片全新的“武林世界”。

十五年磨一剑，她和团队在温和条件下研制出首例超快氢负离子导体，并提出抑制混合导体中电子电导的新策略。相关成果于北京时间4月5日发表于《Nature》，论文第一作者为大连化物所博士后、“扫地僧”张炜进与博士研究生崔继荣。

两年之后，今日，中国科学院大连化学物理研究所陈萍研究员、曹湖军副研究员与张炜进博士再度在《Nature》以题为“A room temperature rechargeable all-solid-state hydride ion battery”的论文发布重磅成果，“武林世界”的新篇章由此展开。

氢负离子（H⁻）作为一种负电荷载体，具有比阳离子更高的能量、更强的极化和反应活性，其介导的电化学过程与传统电池系统有本质区别，为开发新一代电化学设备（如可充电电池、燃料电池、电解池和气体分离膜）提供了新思路。然而，实现室温下纯H⁻传导仍面临巨大挑战：现有的H⁻导体往往需在高温（>300°C）下运行，或在室温下电子电导过高，导致电池短路和性能衰减。尤其是像CeH₃这类具有未成键f电子的稀土氢化物，电子电导极为显著，难以通过现有方法完全抑制。

研究人员成功开发出一种核壳结构的氢化物材料3CeH₃@BaH₂，其在室温下表现出快速的H⁻传导能力，并在60°C以上转变为超离子导体。基于该材料，研究团队构建了首例室温全固态可充电氢负离子电池CeH₂|3CeH₃@BaH₂|NaAlH₄，以NaAlH₄为正极、CeH₂为负极。该电池初始比容量达984 mAh g⁻¹，20次循环后仍保持402 mAh g⁻¹。使用氢作为电荷载体可避免有害金属枝晶的形成，为清洁能源存储与转换开辟了新途径。

【结构表征】

通过球磨CeH₃与BaH₂制备的3CeH₃@BaH₂复合材料表现出明显的核壳结构。高分辨透射电镜（HRTEM）和电子能量损失谱（EELS） mapping显示（图1a），CeH₃为核心，外层为厚度小于2 nm的BaH₂壳层。飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）进一步证实了Ba元素富集在颗粒外层（图1b,c）。这种结构通过机械球磨过程中的表面重构形成，得益于BaH₂较低的杨氏模量和剪切模量（分别为43.1 GPa和17.1 GPa），使其更容易包覆在较硬的CeH₃表面。

图 1. 3CeH3 @BaH2 样品的微观结构

【性能】

密度泛函理论（DFT）计算揭示了CeH₃(111)/BaH₂(010)异质结的电子结构（图2a）。界面处Ba和Ce与H形成扭曲的BaH₅和CeH₆配位结构，电子从BaH₂层向CeH₃转移，导致界面处电子富集。XPS和X射线吸收谱（XAS）结果显示，3CeH₃@BaH₂中的Ba电子密度低于纯BaH₂，与理论计算一致。该异质结有效抑制了电子传导：3CeH₃@BaH₂的电子电导率仅为3.2×10⁻⁶ S cm⁻¹，比结晶良好的CeH₃低四个数量级（图2b）。

电化学阻抗谱（EIS）显示，3CeH₃@BaH₂在室温下的H⁻电导率超过10⁻⁴ S cm⁻¹，离子迁移数大于0.99。其H⁻电导率在60°C和180°C分别达到1.4×10⁻³ S cm⁻¹和1.9×10⁻² S cm⁻¹，表观迁移活化能仅为0.30 eV，表现出超离子行为。此外，BaH₂包覆显著提高了材料的热稳定性和电化学稳定性：3CeH₃@BaH₂在200°C以上才开始明显释放H₂，而纯CeH₃在室温以上即开始分解（图2d）。其电化学窗口在室温下约为1.0 V。

图 2. 3CeH3 @BaH2 中的电子特性和氢负离子传导

【全固态氢负离子电池】

基于3CeH₃@BaH₂优异的H⁻传导性能和稳定性，研究团队构建了全固态氢负离子电池CeH₂|3CeH₃@BaH₂|NaAlH₄（图3b）。NaAlH₄因其高理论容量（993 mAh g⁻¹）和温和条件下的可逆储氢性能被选为正极。电池在25°C、0.1 A g⁻¹电流下首次放电容量达984 mAh g⁻¹，相当于NaAlH₄向Na₃AlH₆转化的99.1%（图3c）。20次循环后容量保持402 mAh g⁻¹。差分电容曲线显示主要容量贡献来自>0.2 V的平台（图3d），循环伏安（CV）曲线出现明显的氧化还原峰，且反应过程以扩散控制为主（b值接近0.5）。

通过²⁷Al-NMR分析正极在不同状态下的组成（图3e），放电后出现Na₃AlH₆和Al信号，而NaAlH₄信号减弱；充电后NaAlH₄信号增强，但反应不完全。阳极CeH₂的氢含量在放电后增加，充电后部分氢残留，表明容量衰减主要源于电极反应的不完全可逆性。研究者提出电池反应如下：

正极：3NaAlH₄ + 6e⁻ = Na₃AlH₆ + 2Al + 6H⁻
负极：CeH₂ + H⁻ = CeH₃ + e⁻

此外，研究还成功构建了串联电池，输出电压达1.9 V，可点亮黄色LED（图3f），展示了其实际应用的潜力。

图 3. 全固态可充电氢离子电池

【总结】

该研究首次实现了室温下全固态氢负离子电池的构建与循环，通过核壳异质结设计成功抑制了电子传导并提升了H⁻传导与稳定性，为发展无枝晶、高安全性的新一代电池提供了新思路。尽管当前电池的循环稳定性仍有提升空间，但通过进一步优化电极材料与界面结构，氢负离子电池有望在清洁能源存储与转换领域发挥重要作用。

来源：高分子科学前沿

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