新材料可实现更好的氢基电池和燃料电池

日本RIKEN先锋研究集群的GenkiKobayashi领导的研究人员开发出了一种在室温下传输氢负离子(H−)的固体电解质。

这一突破意味着氢基固态电池和燃料电池的优势触手可及，包括提高安全性、效率和能量密度，这对于推进实用的氢基能源经济至关重要。该研究发表在《先进能源材料》杂志上。

为了使氢基能源储存和燃料变得更加广泛，它需要安全、非常高效且尽可能简单。目前电动汽车中使用的氢基燃料电池的工作原理是在产生能量时允许氢质子通过聚合物膜从燃料电池的一端传递到另一端。

这些燃料电池中高效、高速的氢运动需要水，这意味着膜必须不断水合以免干燥。这种限制增加了电池和燃料电池设计的复杂性和成本，限制了下一代氢能源经济的实用性。为了克服这个问题，科学家们一直在努力寻找一种通过固体材料传导负氢负离子的方法，特别是在室温下。

等待已经结束。“我们已经实现了一个真正的里程碑，”小林说。“我们的成果首次展示了室温下氢阴离子传导固体电解质。”

该团队一直在对氢化镧(LaH3-δ)进行实验，原因如下：氢可以相对容易地释放和捕获，氢负离子传导性非常高，它们可以在100°C以下工作，并且具有晶体结构。

但是，在室温下，镧上附着的氢的数量在2到3之间波动，因此不可能进行有效的传导。这个问题被称为氢非化学计量，是新研究中克服的最大障碍。当研究人员用锶(Sr)代替部分镧并仅添加少量氧(基本式为La1-xSrxH3-x-2yOy)时，他们得到了预期的结果。

该团队使用球磨工艺制备了材料的晶体样品，然后进行退火。他们在室温下研究了这些样品，发现它们可以高速传导氢负离子。然后，他们在由新材料和钛制成的固态燃料电池中测试了其性能，并改变了配方中锶和氧的含量。在至少0.2锶的最佳值下，他们观察到钛完全100%转化为氢化钛或TiH2。这意味着几乎零氢阴离子被浪费。

小林说：“从短期来看，我们的结果为氢阴离子导电固体电解质提供了材料设计指南。”“从长远来看，我们相信这是使用氢运行的电池、燃料电池和电解电池发展的拐点。”

下一步将是提高性能并创造可以可逆吸收和释放氢的电极材料。这将使电池能够充电，并且能够储存氢气并在需要时轻松释放它，这是氢能源使用的要求。