可以在环境条件下传导带负电荷的氢原子的材料可以为先进的清洁能源储存和电化学转换技术铺平道路。中国科学院大连化学物理研究所的研究团队展示了一种通过引入和利用稀土晶格结构中的缺陷实现室温全固态氢化物电池的技术氢化物。他们的研究于4月5日发表在《自然》杂志上。

传导锂、钠和氢阳离子的固体材料已用于电池和燃料电池中。在某些条件下，一些材料会转变为超离子状态，在这种状态下，离子通过跳过刚性晶体结构以与在液体中一样快的速度移动。这种现象有利于化学和能量转换，因为它允许离子在没有液体或软膜分离电极的情况下移动。然而，很少有固态材料可以在环境条件下达到这种状态。

“在环境条件下表现出超离子传导的材料将为构建全新的全固态氢化物电池、燃料电池和电化学电池以储存和转换清洁能源提供巨大的机会，”来自DICP的研究作者陈平教授说。.

具有强还原性和高氧化还原电位的氢阴离子(H-)导体已成为该技术的有前途的候选者。近年来已经开发了几种H-导体，包括碱土金属氢化物以及碱土金属和稀土金属的氢氧化物，它们以快速氢迁移而闻名。但是，在DICP团队采用新方法之前，所开发的材料都无法在环境条件下实现超离子传导。

DICP研究团队针对特定稀土元素(REHx)的三氢化物(每个分子含有三个氢原子的氢化物)的结构和形态，包括镧(La)。

增强电子电导率的策略通常寻求减少金属纳米线互连和纳米结构光伏半导体等应用的晶体学缺陷。然而，在这项研究中，研究团队有意制造了大量离散的纳米级晶粒和晶格缺陷，以扰乱REHx中的电子传输路径并抑制电子电导率。这不同于用于离子传导的工程常规材料，后者依赖于高结晶度的一致结构。

研究小组观察了H-离子如何通过在晶体中的八面体和四面体位点之间跳跃以及跨越界面或晶界而在REHx晶格中轻松扩散。另一方面，电子在晶界、粒子表面和其他陷阱处遇到大量散射，这使电子电导率比结晶良好的电子电导率降低三到五个数量级。

“通过在已知的离子电子混合导体中创建纳米级晶粒、缺陷和其他晶体失配区，我们证明了LaHx(x'2.94)的电子电导率可以在很大程度上抑制五个数量级，”陈说.“设计这种材料可以将LaHx转化为纯氢阴离子导体，在-40℃至80℃的温度范围内具有创纪录的高电导率。”

研究人员通过高能球磨降低粒径和扭曲晶格，有效地抑制了LaHx的电子传导，这涉及使材料经受高能碰撞。凭借快速的H-传导和高离子转移数，变形的LaHx材料将使氢离子电池能够在室温或更低温度下运行。

“这项工作证明了晶格变形在抑制REHx中电子传导方面的有效性，”陈说。

研究人员计划探索这一现象背后的物理原理，并将本研究中开发的方法扩展到其他氢化物材料，以拓宽纯H-导体的材料范围。

“我们的近期目标是展示一种具有实用潜力的全新全固态氢阴离子电池，”陈说。