日本研究團隊發現的一種可以徹底改變燃料電池的材料

由於這項發現，氫基固態電池和燃料電池的優勢觸手可及，包括提高安全性、效率和能量密度，這對於實現基於氫的能源經濟至關重要。這項研究發表在科學期刊《先進能源材料》。

為了使儲能和氫燃料變得更加普及，它們需要安全、高效且盡可能簡單。目前電動車中使用的氫燃料電池的工作原理是讓氫質子透過聚合物薄膜從燃料電池的一端傳遞到另一端以產生能量。

這些燃料電池中氫的高效、高速移動需要水，這意味著膜必須持續水合以防止其乾燥。這項限制增加了電池和燃料電池設計的複雜性和成本，限制了下一代氫能源經濟的可行性。

為了克服這個問題，科學家一直在努力尋找一種透過固體材料傳導負氫負離子的方法，特別是在室溫下。

小林說：「我們已經達到了一個真正的里程碑。我們的成果首次展示了在室溫下傳導氫陰離子的固體電解質。”

該團隊對氫化鑭（LaH3-δ）進行實驗有幾個原因：氫可以相對容易地釋放和捕獲，氫負離子的傳導性非常高，它們可以在低於100°C的溫度下工作，並且它們具有晶體結構。

然而，在室溫下，與鑭鍵結的氫原子數量在 2 至 3 之間波動，因此無法實現有效傳導。這個問題被稱為氫非化學計量，是新研究中克服的主要障礙。

當研究人員用鍶 (Sr) 取代部分鑭並添加少量氧（基本式為 La1-xSrxH3-x-2yOy）時，他們得到了預期的結果。

該團隊使用一種稱為球磨的工藝製備了材料的晶體樣品，然後進行退火。然後他們在室溫下研究了這些樣品，發現它們能夠高速傳導氫負離子。

然後，他們在由新材料和鈦製成的固態燃料電池中測試了其性能，並改變了配方中鍶和氧的含量。在至少 0.2 鍶的最佳值下，他們觀察到鈦 100% 完全轉化為氫化鈦或 TiH2。這意味著幾乎零氫陰離子被浪費。非凡的導電性使燃料電池更有效率。

小林說：「從短期來看，我們的研究結果為傳導氫負離子的固體電解質材料的設計提供了指導。從長遠來看，我們相信這是氫電池、燃料電池和電解質電池發展的轉折點。”

下一步將是提高性能並創造能夠可逆吸收和釋放氫氣的電極材料。這將使「蓄電池」能夠充電並儲存氫氣，然後在需要時輕鬆釋放——這是使用氫基能源的必要要求。

這是使燃料電池更加實用的一個顯著的進步，但還有一些實際問題有待解決：這種類型的燃料電池永遠不能低於冰點，即使是短時間，甚至不能部分地，否則會受到不可逆衰減的懲罰氫傳導晶體。這是一個尚未解決的問題，但無論如何，這是燃料電池技術的一大進步。

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