【科学背景】
近年来，氢负离子导体的材料开发已取得一定进展，包括碱金属、碱土金属和/或稀土金属的氢化物、氮氢化物、氧氢化物和卤氢化物等。其中，热稳定性较好的材料通常在300 °C 以上才表现出快速 H⁻ 传导，适用于同时需要热能和电能的化学转化过程。然而，在近室温条件下实现纯 H⁻ 传导的材料仍极为稀缺，这限制了全固态氢负离子电池和燃料电池的发展。稀土三氢化物（如 CeH₃）虽在室温下具有较高的 H⁻ 电导率，却存在严重的电子传导问题，尤其是具有未成键 f 电子的 CeH₃，其电子传导难以通过现有方法完全抑制。该研究通过构建 CeH₃ 与宽禁带氢化物 BaH₂ 的异质结，成功抑制了电子传导，同时保留了高离子电导率，为实现室温氢负离子电池提供了关键材料基础。
【创新成果】
针对以上难题，中国科学院大连化学物理研究所的张炜进、曹湖军、陈萍等研究者开发了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氢负离子（H⁻）传导性能，并在 60 °C 以上转变为超离子导体。基于该材料，研究构建了一种全固态可充电氢负离子电池 CeH₂ | 3CeH₃@BaH₂ | NaAlH₄，该电池在常温条件下运行，分别以 NaAlH₄ 和 CeH₂ 作为正极和负极材料。该电池的初始比容量为 984 mAh g⁻¹，循环 20 次后仍保持 402 mAh g⁻¹。使用氢作为电荷载体可避免有害的金属枝晶形成，这为清洁能源存储与转换开辟了新的研究路径。该成果以“A room temperature rechargeable all-solid-state hydride ion battery”为题发表在国际学术期刊《Nature》。
【图文简介】
图1 3CeH₃@BaH₂ 样品的微观结构特征© 2025 Springer Nature Limited
图2 3CeH₃@BaH₂ 异质结的电子性质与氢负离子传导性能© 2025 Springer Nature Limited
图3 全固态可充电氢负离子电池 CeH₂ | 3CeH₃@BaH₂ | NaAlH₄ 的电化学性能© 2025 Springer Nature Limited
【科学启迪】
使用氢作为电池中的电荷载体可避免锂/钠离子二次电池中常见的金属枝晶问题。凭借丰富的氢化物材料可供选择和优化，可充电氢负离子电池将为清洁能源存储与转换领域的多种应用提供更多可能性。该研究开发的 CeH₂ | 3CeH₃@BaH₂ | NaAlH₄ 电池系统在常温下表现出良好的电化学性能，并通过多层堆叠成功驱动了LED器件，证明了其实际应用的潜力。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09561-3
