基于氫負離子傳導的新一代潛力電池

La2-x-ySrx+yLiH1-x+yO3-y的晶體結構（x=0，y=0，1，2）

材料牛注：東京工業大學的科學家與其日本同事合作，展示了第一個基于氧化物固態電池中氫負離子傳導而發生的電化學反應，此舉有望用于下一代電池。

近年來，頗多關于離子傳導的研究，尤其是用于能源器件。如燃料電池，以及使用Li+、H+、Ag+、Cu+、F–、O2–等電池。而最近一項研究表明，氫負離子對于高能存儲元件來說可能非常有用。

不過，金屬氫化物趨向形成固定的點陣結構，這使得氫負離子傳導困難，因此研究者轉而研究氧、氫可共存于同一區域的氧氫化物（氫氧化物）。此外，氫負離子易分解產生質子和電子，其供電子性質優異，最終導致電子傳導而非氫離子傳導。

東京工業大學幾位科學家團隊，聯合日本分子科學研究院、日本科學技術總局、京都大學、日本高能加速器研究組織（KEK）等單位的同事，尋找到了一種具有更好的供電性的正離子體系（相較于單獨的氫負離子），從而展開研究。隨氧氫化合物的成分與合成條件的改變，研究者檢測了其結構的改變。同時他們通過研究電子結構特征，發現在氧氫化合物中有Li-H鍵的存在，也就是在氧化物中確實有氫負離子的存在。

純H-傳導的氧氫化物晶體結構

隨后，研究者使用斜方相的La2LiHO3作為電解質，鈦做陽極，氫化鈦做陰極。結果發現，連續放電后，電極發生變化且Ti-H相位圖顯示氫負離子發生傳導。由此學者表示，目前在全固態電化學電池方面取得的成績，即發現氫負離子傳導，表明其不僅僅可在氫氧化物中作為H–固態電極，再者可基于此開發電化學固態元件。

電池和燃料電池

電池和燃料電池都屬于電化學元件。例如在鋰電池中，鋰離子從陽極移動到陰極，充電過程中再原路返回，離子通過電解質在電極間不斷傳遞。鋰電池現如今廣泛用于移動設備，同時人們也在嘗試通過改善能量密度、性能和環保性繼續擴大其使用范圍，譬如汽車。相比來說，固態電解質比液態更安全穩定，因為不存在泄露和短路的情況。

在其他電化學裝置中，不同類型的離子不斷地往返移動（例如燃料電池中的氫離子），此外，電荷和離子的大小也會影響運動。

氧化還原反應

離子一般通過外層或價電子軌道上的正負離子數量來描述。氧能夠輕而易舉和電子結合形成O2-，導致離子氧化將失去電子，增加其氧化態的積極性。離子吸收電子而減少，同時降低其化合價。

電池里原子能夠被氧化形成正離子并被吸引在負極減少，反之亦然。這些氧化和還原反應被描述為氧化還原反應。

氫負離子

盡管氫負離子傳導還未被用于電池，但這些離子確有潛在的優勢。他們與氮和氟離子大小相似并且有很強的還原能力。H-/H2的標準氧化還原電勢為（-2.3v）接近于Mg/Mg2+（-2.4v），后者早已引起了電池行業的興趣。因此，氫離子導體很可能未來用于高能量密度存儲或者轉換設備。

基于氫負離子傳導的氫氧化物

為了解決妨礙氫負離子傳導的因素——氫負離子在氧化物晶體晶格中傳播且高能氫負離子易分解成電子和原子核——研究者們對氫氧化合物進行了研究，結果發現其結構類似于K2NiF4，此類氫氧化物包括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。

他們發現La2LiHO3有兩種化學狀態，分別是斜方晶系和正方晶系，二者形成區別在于反應物的比例和反應條件。對化合物的研究發現，其組成導致的空隙會讓混合物更具導電性，從而也解釋了粒子空隙和粒子擴散的關系。他們也表明可通過增加粒子間的空隙來提高導電性。

原文參考地址:?Researchers demonstrate hydride-ion conduction for potential next-gen batteries

素材：王宇 ?翻譯：王旗