摘要：氢能被誉为未来清洁能源的重要支柱，但如何安全、高效地存储氢气，始终是制约其大规模应用的关键瓶颈。传统高压储氢罐或液氢方案存在安全隐患，而基于固体的热力学或电化学储氢虽然更安全，却普遍受限于高温操作或材料不稳定性。

低温也能高效储氢！全固态电解质打破储氢瓶颈

氢能被誉为未来清洁能源的重要支柱，但如何安全、高效地存储氢气，始终是制约其大规模应用的关键瓶颈。传统高压储氢罐或液氢方案存在安全隐患，而基于固体的热力学或电化学储氢虽然更安全，却普遍受限于高温操作或材料不稳定性。

新材料的设计与结构特征

研究团队从BaH₂–CaH₂–NaH体系出发，系统探索了成分空间。最终，他们锁定了Ba₀.₅Ca₀.₃₅Na₀.₁₅H₁.₈₅，这是一种具有反α-AgI型结构的固态氢化物电解质。X射线衍射（图1a）显示，该材料不再是端元BaH₂和CaH₂的正交结构，而是形成了立方Im3m框架（图1b），为氢化物离子传输提供了三维通道。电导率测试结果（图1c）表明，其在50°C下的离子电导率达到4.8×10⁻⁵ S cm⁻¹，已远超此前报道的大多数固态氢化物导体。为了进一步解析氢的位置和迁移路径，团队利用中子衍射和分子动力学模拟进行深入分析。结果显示，氢（或氘）原子不仅分布在四面体位点（12d），还可占据八面体位点（6b）（图1d、1e），形成多通道迁移网络。模拟揭示，氢化物离子在四面体与八面体之间跃迁，构成三维导电路径（图1f–i）。这一结构特征与经典的超离子导体如α-AgI相呼应，解释了其优异的离子传导性能。

图1：BaH₂–CaH₂–NaH体系的结构解析

电化学性能：低温下的高导电性

电化学阻抗谱测试（图2a）显示，该材料在室温下的总体离子电导率为2.1×10⁻⁵ S cm⁻¹，而电子电导率仅为1.3×10⁻⁹ S cm⁻¹，证明其几乎是“纯氢化物离子导体”。与其他典型的氢化物或质子导体对比（图2b），Ba₀.₅Ca₀.₃₅Na₀.₁₅H₁.₈₅展现出更高的电导率，甚至超过传统氧化物或无机固体酸类质子导体。这种表现归因于其高极化性的阳离子骨架，以及bcc框架为离子迁移提供的宽阔空间。核磁共振结果进一步证明，随着温度升高，氢的运动性显著增强。这表明在优化烧结和致密化工艺后，该电解质的性能还有进一步提升空间。

图2：Ba₀.₅Ca₀.₃₅Na₀.₁₅H₁.₈₅的离子电导率及对比分析，展示其优于常见氢化物/质子导体

拓展电化学窗口与可逆电池运行

线性扫描伏安测试显示，该固态电解质的稳定电化学窗口在−0.13 V至0.53 V（vs Ti/TiH₂）之间（图3a），兼容多种金属氢化物电极。值得注意的是，在更高电位下检测到氢气析出信号，证实了H⁻离子的氧化反应。当这一电解质与Ti/TiH₂电极配合时，电池在60°C下可逆运行，达到84%以上的理论容量（1075 mAh g⁻¹），并保持稳定循环（图3b）。这是首次实现全固态氢化物电池在低温下展现出如此高的容量与可逆性。更令人振奋的是，在金属氢化物筛选中，镁氢化物（MgH₂）展现了最优性能（图3c、3d）。其可在90°C下实现接近理论的2037 mAh g⁻¹容量，且具有优异的可逆性——远优于传统需要>300°C的热力学方法。

图3：固态电解质的电化学稳定窗口，Ti/TiH₂电池的可逆运行曲线，以及不同金属氢化物的电化学性能

Mg–H₂电池：全固态高容量储氢

基于上述发现，研究团队设计了一个Mg–H₂电池：负极为Mg/MgH₂，正极则引入了具有优异氢交换能力的LaHx作为催化剂（图4a）。在90°C下，该电池不仅实现了理论容量（2030 mAh g⁻¹），而且在充放电过程中展现出高度可逆的氢吸放反应（图4b）。X射线衍射测试（图4c）清晰地捕捉到氢化/脱氢过程中的Mg ↔ MgH₂相变，进一步确认了反应的可逆性。比较不同储氢方式（图4d）可以发现，这种基于H⁻离子驱动的Mg–H₂电池，在中等温度下就能实现高达7.7 wt%的储氢密度，远优于传统热驱动或质子驱动储氢。这不仅解决了高温、高能耗的难题，也为储氢与电能转换一体化提供了全新思路。

图4：Mg–H₂电池的工作原理与性能，包括电池示意图、充放电曲线、相变验证和储氢方式对比

总结与展望

这一研究首次提出并验证了H⁻导体为核心的全固态氢存储体系。通过设计新型反α-AgI型电解质，研究团队实现了在低温下稳定、高容量、可逆的储氢过程，特别是镁基氢化物电池达到2030 mAh g⁻¹的突破性容量，成为氢能技术的重要里程碑。未来，随着电解质致密化和界面工程的进一步优化，这类全固态氢化物电池有望实现更高效率与更长寿命。同时，这一策略为发展新一代氢能电池、固态氢存储系统乃至氢能社会的实现，提供了坚实基础。

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来源：高分子科学前沿一点号1