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日本理化学研究所开发出新材料可用于更好的氢基电池和燃料电池

盖世汽车钟群 2023-12-27 09:39:18

盖世汽车讯据外媒报道，由日本理化学研究所（RIKEN Cluster for Pioneering Research）Genki Kobayashi领导的研究团队已经开发出可在室温下用于传输氢离子（H−）的固体电解质。这一突破意味着氢基固态电池和燃料电池取得切实可行的优势，能够提高安全性、效率和能量密度，对于推动氢能源经济发展至关重要。目前，该研究成果发表在期刊《Advanced Energy Materials》上。

图片来源：RIKEN

为了使氢基能源存储和燃料更加普遍，研究人员必须使之安全、高效和尽可能简单。电动汽车中的氢基燃料电池的工作原理是在产生能量时允许氢质子通过聚合物膜从燃料电池的一端传递到另一端。

这些燃料电池中高效、高速的氢运动需要水，这意味着必须保持膜的水合状态以防止干燥。这一条件增加了电池和燃料电池设计的复杂性和成本，限制了下一代氢能源经济的发展。为了解决这个问题，Kobayashi的团队一直在努力寻找一种通过固体材料传导氢负离子的方法，尤其是在室温下进行。

Kobayashi的团队一直在研究镧系氢化物（LaH3-δ）的原因有几个：氢可以相对容易地释放和捕获，氢离子传导性非常高，可以在100°C以下工作，并且具有晶体结构。

但是在室温下，镧上附着的氢的数量在2和3之间波动，无法实现高效传导。这个问题被称为氢非化学计量，也是新研究中突破的最大难题。当研究人员用锶（Sr）替代部分镧，并添加少量氧气（基本公式为La1-xSrxH3-x-2yOy），就得到了他们希望的结果。

该团队使用一种被称为球磨（ball-milling）的工艺制备了材料的结晶样品，然后进行了退火处理（annealing）。他们在室温下研究了该样品，发现其能够以较高的速率传导氢负离子。然后，他们在由该材料和钛制成的固体燃料电池中测试了其性能，并改变了配方中的锶和氧气的数量。在最佳值（至少0.2锶）的情况下，他们观察到钛完全转化为钛氢化物（TiH2），这意味着几乎没有浪费任何氢负离子。

Kobayashi表示：“短期内，我们的研究成果为以氢负离子导电固体电解质材料设计提供了指导方针，从长远来看，我们认为这是使用氢来运作的电池、燃料电池和电解电池发展的一个拐点。”