東京工業大學(Tokyo Institute of Technology)的研究人員首次展示在基於氧化物的固態電池中以氫負離子(H-)為基礎的電化學反應,期望使其展現成為下一代電池基礎的潛力。

東京工業大學教授小林玄器(Genki Kobayashi)與菅野了次(Ryoji Kanno)以及來自分子科學研究所(ISM)、日本科學技術振興機構(JST)、京都大學(Kyoto University)與高能量加速器研究機構(KEK)的研究人員們推論,氫負離子(H-)可望用於高能量密度儲存元件。利用氧氫化物固態電池,研究人員首次展示了純氫負離子(H-)可在氧化物中傳導。

金屬氫化物的晶格往往不夠靈活,使得氫負離子(H-)難以傳送,這也就是為什麼研究人員轉而求助於氧氫化物——氧與氫共用相同晶格位置。另一項挑戰是氫的供電子(electron-donating)特性高,這表示電子將會從氫負離子(H-)解離而產生質子與電子,導致電子(而非氫化物離子)遷移。因此,研究團隊只得尋求另一套包含陽離子的系統,在該陽離子中的供電子較氫更多。

![20160325 battery NT02P1](//images.contentful.com/15mr7p4rjmth/YAYR04JvkkWImicuKmoiA/423bb175282f6adbda87cc78e9d9a871/20160325_battery_NT02P1.jpg)La2-x-ySrx+yLiH1-x+yO3-y (x = 0, y = 0, 1, 2)的晶體結構

研究人員檢視其氧氫化合物結構如何隨著組成與合成條件而變化,同時也研究了電子結構的特徵,結果發現了化合物中的離子Li-H鍵,亦即在氧化物中存在氫負離子(H–)。

![20160325 battery NT02P2](//images.contentful.com/15mr7p4rjmth/2I4AH52vqo4cEYsSWsyqAo/95e10a0762ba5fedebbece8795be7779/20160325_battery_NT02P2.jpg)全固態氫負離子(H–)電池:具有Ti/o-La2LiHO3/TiH2結構的固態電池放電曲線。中間插圖是電池及其可能導致的電化學反應示意圖

接著,研究人員們在正交結構相位(o- La 2LiHO3)使用La 2LiHO3,作為電池(具有鈦陽極與氫化物陰極)的電解質。因為放電造成的電極相位變化與Ti-H相位一致,顯示氫負離子的遷移。研究人員的結論是:「成功建構一種具有氫負離子(H–)擴散的全固態電化學電池,不僅展現氧氫化物可作為氫負離子(H–)固態電極的能力,同時也有助於開發基於氫負離子(H–)傳導的電化學固態元件。」

編譯:Susan Hong

(參考原文:Will hydride-ion conduction power next-generation batteries,by Paul Buckley)