东京科学大学研发低温氢电池 能克服储氢障碍

盖世汽车讯 据外媒报道，日本东京科学大学（Institute of Science Tokyo）研究人员研发出一种工作温度仅为90°C的氢电池，突破了以往方法的高温和低容量限制。

图片来源： 东京科学大学

该装置的工作原理是氢负离子在固体电解质中移动，使作为阳极的氢化镁能够反复储存和释放满容量的氢气。这种电池提供了一种实用的氢燃料储存方法，为氢动力汽车和清洁能源系统铺平了道路。

氢气使用面临的最紧迫挑战之一是其储存，这通常需要极低的温度（-252.8°C）和高压（350至700 bar）。与其将氢气以气体或液体形式储存，更有效的方法是将其储存在诸如氢化镁 （MgH2）等具有高理论储存容量的固体材料中。

这种材料可以集成到类似电池的系统中，其中不仅移动电子，氢气本身也会在充电和放电过程中储存和释放。

直到最近，这种方法仍受到以下限制：需要300°C以上的高工作温度、氢吸收和解吸的可逆性差以及降低性能的不良副反应。

这项研究的相关论文发表在期刊《科学（Science）》上，由东京科学大学全固态电池研究中心（the Research Center for All-Solid-State Battery, Institute of Science, Tokyo）的研究员Takashi Hirose博士、助理教授Naoki Matsui和Ryoji Kanno教授领导的研究团队完成。

Matsui表示：“我们展示了Mg–H2电池作为安全高效的氢能存储装置的运行性能，实现了高容量、低温以及可逆的氢气吸收和释放。”

这种电池的创新之处在于其固体电解质Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85，它可以高效地传输氢离子，特别是氢负离子（H-）。这种材料具有反α-AgI型晶体结构，该结构以超强的离子导电性著称。在该结构中，钡、钙和钠占据体心位，而H–则通过面共享四面体与八面体间隙位移动，进而实现自由迁移。测试表明，该材料在室温下具有较高的离子电导率（2.1 × 10-5 S cm-1）和电化学稳定性，使该系统能够有效地长期储存和释放氢气。

该电池设计采用MgH2作为阳极，氢气（H2）作为阴极。充电时，MgH2释放H–，H–穿过Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85电解质迁移到H2阴极，在那里被氧化释放出H2气体。放电时，情况正好相反：阴极的H2气体被还原为H–，H–穿过电解质迁移到阳极并与Mg反应生成MgH2。这一过程使得电池能够在需要时储存和释放氢气，且所有过程均在低于100°C的可控温度下进行。利用该电池，研究人员能够在反复循环中达到MgH2的全部理论储存容量，约为2,030 mAh g-1，相当于7.6 wt.%（质量百分比）的氢气。

传统的固态储氢方法面临着巨大的局限性。热驱动的吸脱附过程需在300至400°C的极高温度下进行，以实现氢气的释放或捕获，这使得该过程能耗高，不适用于日常应用。另一种方法是在较低温度下使用液态电解质进行电化学储氢，但氢离子传输性能较差，这意味着这些材料无法达到接近其理论储氢容量的水平。因此，这两种方法都未能提供高效、可逆且低温的储氢解决方案。

Hirose解释道：“我们储氢电池的这些特性以前是传统的热方法或液态电解质无法实现的，这为构建适用于作为氢能载体的高效储氢系统奠定了基础。”

这种电池可能是氢动力未来的关键，能够推动氢动力汽车和零碳排放工业的发展。