开发出氢化物超离子导体，对可持续能源的影响

超离子导体承诺清洁、可再生能源——在合适的温度下。这些导体在电池和燃料电池中用作固体电解质，由固体材料组成，其中离子的移动速度与液体中的速度一样快。一种这样的超离子导体是氢，它是一种清洁能源，在低温下迅速扩散，但在 200-400 ºC 的中间温度范围内电导率下降，在该温度范围内更容易促进化学和能量转换。

为了更好地加快中间范围内的氢电导率，一个国际研究小组开发了第一个基于带负电的氢原子(称为氢阴离子)的超离子导体。

该团队于 1 月 13 日在Nature Materials上发表了他们的结果，该结果在目标范围内产生了出色的导电性。

论文作者、日本国立自然科学研究所分子科学研究所副教授 Genki Kobayashi 说：“固体中的氢传输，应用于燃料电池和电解电池等电化学装置，是实现可持续能源社会的关键。” .“中间温度范围是燃料电池和电化学反应器的理想选择，因为它提高了反应性并消除或减少了稀有金属催化剂。它也是释放工业废热的温度，使其成为废热利用的临界温度范围。然而，没有固体电解质可以在这个温度范围内快速扩散氢气。”

由于其结构与其重量相关，氢阴离子具有低电荷密度，这会削弱化学键。因此，当氢化物离子存在于固体中时，它们会在材料中扩散。Kobayashi 表示，这种基本特性通常有利于快速离子传导，尤其是在固体中。

为了实现氢化物超离子电导率，研究人员合成了氢化物 Ba1.75LiH2.7O0.9(BLHO)，它具有钡、锂、氢和氧的层状结构。小林说，关键是通过将氢阴离子与带负电的氧离子排序以引入高度集中的空位来形成导电层。

“BLHO 具有高电导率和低活化能，这是通过相变实现的，”Kobayashi 说，并解释说这些特性仅在 BLHO 被加热到发生这种相变的足够高的阈值温度时才会出现。“一旦达到过渡态，BLHO 的电导率仍然很高，并且在 300-350°C 的中间范围内基本上独立于温度。预计在中间温度下如此显着的电导率行为将是能源和化学转化的重要一步设备。”

虽然 BLHO 的目标电导率保持在 200°C 以上，是中间温度范围的低端，但 Kobayashi 警告说，需要做更多工作才能在较低温度下稳定电导率。

“通过稳定 BLHO 的高温阶段，我们的目标是开发可以在室温到中温之间作为固体电解质运行的氢化物离子导体，”Kobayashi 说。为了他们的目标，研究人员希望创造出利用氢气充电灵活性的新型储能装置和电化学反应器。

小林还隶属于高等研究大学，SOKENDAI。其他贡献者包括分子科学研究所材料分子科学系的 Fumitaka Takeiri、Akihiro Watanabe、Kei Okamoto、Asad Ali、Yumiko Imai 和 Masako Nishikawa;Masao Yonemura、Takashi Saito、Kazutaka Ikeda、Toshiya Otomo 和 Takashi Kamiyama;高等研究大学，SOKENDAI，材料结构科学研究所，高能加速器研究组织(KEK);Ryoji Kanno，材料与化学技术学院化学科学与工程系，日本东京工业大学创新研究所全固态电池研究中心;Dominic Bresser 和 Sandrine Lyonnard，格勒诺布尔阿尔卑斯大学，CEA，CNRS，IRIG，SyMMES，法国;