固态储氢有助于避免与高压气罐相关的安全隐患。然而，这种方法的广泛应用受到限制，主要原因是缺乏能够在低温下工作的高性能材料。 东京科学技术研究院的团队探索了通过氢负离子（H⁻）介导的电化学氢储存方法，并从类三元体系——钡、钙、钠氢化物系统中，发现了一种有前景的氢负离子导电固体电解质。这种电解质具备优异的电化学稳定性，可以灵活地与多种金属氢化物电极耦合。在使用该电解质和氢化镁电极的镁-氢电池中，在相对较低的 90°C 下，实现了 2030 毫安时/克的高可逆容量。

 摘  要 

固态储氢中的氢吸收与释放是电池与氢储能装置中的关键反应。 然而，常规高容量材料的热力学与电化学氢储存往往面临氢解吸温度过高以及电解质不稳定的问题。 在新研究中，研究团队探索了由氢负离子（H⁻）驱动的电化学氢储存，并开发了一种新型固体电解质——反α-AgI 型 Ba₀.₅Ca₀.₃₅Na₀.₁₅H₁.₈₅。 

该电解质展现出优异的 H⁻ 导电性与电化学稳定性，并且能够与多种金属-氢电极（如氢化钛、氢化镁 MgH₂）兼容，从而实现低温下的高容量、可逆氢储存。 特别是，作为氢储能器件的 Mg–H₂ 电池（Mg + H₂ ⇌ MgH₂），在 90°C下实现了 2030 毫安时/克的可逆容量，为安全高效的氢-电能转换与氢储能器件提供了新的途径 这一突破解决了氢经济中最严峻的障碍之一：安全、高效且实用的氢存储。 

传统氢存储方法需要接近-253°C的低温或超过35兆帕的高压，这带来了重大的安全、经济和物流挑战。金属氢化物的固态存储，特别是氢化镁(MgH₂)，由于其理论氢容量高而成为诱人的替代方案。然而，在实际设备中利用这种材料，一直受到必须在300°C左右高温下进行热吸收和脱附，这既耗能又会对设备造成机械损耗。

 技术创新核心 

东京科学技术研究院的团队巧妙地将MgH₂整合到电池式电池架构中，利用新开发的化学式为Ba₀.₅Ca₀.₃₅Na₀.₁₅H₁.₈₅的固态电解质。该电解质通过反α-AgI型晶格结构表现出氢离子的超离子传导性——这种结构通过面共享的四面体和八面体位点促进了H⁻离子的快速迁移。值得注意的是，该材料在室温下表现出显著的离子传导性(2.1 × 10⁻⁵ S cm⁻¹)，并在重复循环过程中保持电化学稳定性。这些特性使电池能够在远低于先前认为必要的温度下高效地在电极间传输氢离子。 

 工作原理 

在操作上，MgH₂作为负极，在充电过程中释放氢离子，这些离子通过固态电解质传输到由氢气组成的正极。在正极处，氢离子被氧化，释放出分子氢。在放电过程中，过程逆转，正极的氢气被还原回氢离子，这些离子通过电解质迁移与负极的金属镁反应，重新形成MgH₂。这种可逆电化学机制有效地按需存储和释放氢燃料，全程在100°C以下的热管理范围内进行。 

 性能表现 

实验评估表明，这种固态储氢装置达到了MgH₂的完整理论容量，约为2,030 mAh g⁻¹，相当于7.6wt%‌（重量百分比的氢存储）。这一性能超越了早期受离子传输差和可逆性有限阻碍的电化学尝试，为耐用、高容量的氢存储解决方案奠定了基础。该装置能够进行重复充放电循环而无显著容量衰减，突显了其稳健性和应用潜力。 

 技术优势 

此前氢化镁氢存储的方法涉及在300°C左右高温下的热吸收和脱附。这些方法由于高能耗、缓慢动力学以及影响寿命的不良副反应而本质上效率低下。或者，在较低温度下使用液态电解质的电化学存储受到氢离子迁移率不足的限制，无法达到理论存储极限。研究人员的创新通过整合结合了高离子传导性、化学稳定性和与氢化镁兼容性的固态电解质来规避这些问题。 

 研究团队与发表 

广濑崇博士与同事松井直树助理教授和菅野了次教授在全固态电池研究中心主导了这项研究。他们的工作计划于9月18日在《科学》杂志上发表，标志着向实用氢能系统迈出的关键一步。团队成功地在保持容量和可逆性的同时降低了工作温度，挑战了关于温度与存储性能权衡的长期假设。 

 应用前景 

 从应用角度来看，新型固态储氢装置可能会彻底改变各行业的能源载体模式。目前，氢存储难限制了氢动力车辆推广，并阻碍了氢燃料电池的广泛采用。能够在低温和适中压力下安全存储大量氢气，为将氢能更无缝地集成到交通、固定发电和电网存储中开辟了道路。此外，避免使用有害液态电解质，同时依靠固态材料，增强了设备的安全性能。当然，尽管取得了这一飞跃，商业化道路还需要进一步验证，包括放大规模、与现实世界系统集成，以及在各种环境条件下的长期耐久性测试。