高中化学视野里的科学前沿|一块“会呼吸”的电池——高中化学的氧化还原如何让储氢和发电合二为一

2026年5月13日，中科院大连化物所陈萍研究员团队在《焦耳》（Joule）上发表研究成果，构建了全球首例以氢气和金属为电极的气—固氢负离子原型电池，以“氢电共储”方式为实现常温、常压、高效储氢提供了原型验证。

核心数据：

• 充氢时初始放电容量高达1526 mAh/g

• 施加0.3 V电压时，室温下可释放重量比约6.0%的氢气

• 循环60次后容量保持率超过70%

• 工作温度范围：-20°C至90°C

• 能量利用效率达93.9%，比传统热储氢提升了三分之一

该电池以金属镁为负极活性物质，氢气为正极活性物质。放电时，氢气在正极被还原为氢负离子（H⁻），金属镁在负极被氧化为Mg²⁺并形成金属氢化物（MgH₂）；充电时，两极分别释放氢气分子和再生金属，实现了边充放电、边储放氢。

研究团队自2018年起开展氢负离子传导研究，2023年构建出新型氢负离子电解质材料，2025年开发出首例全固态氢负离子原型电池，最终在2026年实现了气–固结构的突破。

高中化学讲离子键时，你熟悉的离子是Na⁺、Cl⁻、Mg²⁺、O²⁻。但氢元素其实也能形成离子——氢负离子（H⁻） 。

氢原子核外有1个电子。如果它再得到一个电子，就变成了H⁻。用高中化学的语言来说：H⁻的电子构型是1s²，与氦相同，是一个闭壳层结构。它不是一个“缺电子”的阳离子，而是一个“富电子”的阴离子。氢负离子是氢的“富电子”态，以氢负离子作为载流子，能够兼具高反应性和高能量等特征。

2. 放电：氢气做氧化剂，金属镁做还原剂

高中化学必修一讲过氧化还原反应：有元素化合价升高（被氧化），就一定有元素化合价降低（被还原）。

放电时，这个电池里发生了两个半反应：

正极：氢气（H₂）得到电子，被还原为氢负离子（H⁻）

负极：金属镁（Mg）失去电子，被氧化为Mg²⁺，与H⁻结合生成氢化镁（MgH₂）

用高中化学的语言写出来：

正极：H₂ + 2e⁻ → 2H⁻（还原反应）

负极：Mg → Mg²⁺ + 2e⁻（氧化反应）

电子从镁“流向”氢气。H⁻穿过中间的电解质，跑到负极与Mg²⁺结合，生成MgH₂，同步完成储氢。研究团队利用金属镁和氢气分别作为负极和正极活性物质，组装出首例可在宽温域工作的气—固氢负离子原型电池。

注意这里的巧妙之处：发电的过程，本身就是储氢的过程。电池放电时，氢气被“吃掉”变成了MgH₂，电能输出了，氢气也被储存起来了。

3. 充电：把“存进去的氢”再放出来

高中化学选择性必修一讲电解池时，核心逻辑是：充电是放电的逆过程。

气固电池的充电过程正好相反：

施加电压后，MgH₂分解释放出H⁻

H⁻回到正极，失去电子，重新变成H₂排出

用高中化学的语言：

负极：MgH₂ → Mg + 2H⁻（释放H⁻）

正极：2H⁻ → H₂ + 2e⁻（氧化）

充电时“吐出氢气”，再生金属镁。研究证实，充电时两极分别释放氢气分子和再生金属，实现了边充放电、边储放氢。

4. H⁻为什么能“跑”起来？

H⁻之所以能在电池中稳定“穿梭工作”，关键在于中间的氢负离子电解质。在此前的研究中，陈萍团队通过机械化学方法，在氢化镧晶格中故意制造大量的缺陷和纳米微晶，形成了大量的晶格缺陷。这些晶格缺陷可以显著抑制电子传导，同时“维持”氢负离子的快速传输。

晶格缺陷改变了离子迁移路径上的能量分布，降低了氢负离子迁移的能垒。这正是“结构决定性质”在材料科学中最直接的体现。

5. 为什么这个电池“颠覆”了传统储氢？

高中化学教材讲“化学与可持续发展”时，会提到能源储存的重要性。

传统储氢要么用700个大气压的高压钢瓶，要么用零下253°C的极低温液化。设备成本高、能耗大，还有安全隐患。

而这个气固电池，在常温常压下就能高效储氢发电。它能工作的温度范围是零下20°C到零上90°C，能量利用效率达到93.9%。用高中化学选择性必修一“电化学”的语言翻译：这个电池把“储氢”和“发电”这两个原本分开的过程，合并成了一个可逆的电化学反应。储氢罐和电池不再是“两张皮”，而是同一个装置。

课本上说：氧化还原反应中有电子得失，原电池和电解池是可逆的。

前沿研究说：利用H⁻的得失，可以把“发电”和“储氢”两个看似不相关的功能，合并成一个可逆的氧化还原反应——放电时吃氢气发电，充电时吐氢气储能。

课本上说：导电的本质是自由移动带电微粒的定向移动。

前沿研究说：通过在晶格中故意制造缺陷，可以“抑制电子、放过离子”，让氢负离子成为高效载流子。

储氢和发电，从此不再是两件事。