综述：可充电氢电池在可再生能源存储中的应用

这篇综述系统探讨了氢电池(HBs)作为可再生能源存储解决方案的最新进展，重点分析了其通过氢析出反应(HER)/氢氧化反应(HOR)实现的可逆电化学储能机制。文章全面比较了镍氢(Ni-H2)、锰氢(Mn-H2)、钒氢(V-H2)等电池体系的结构特点、性能优劣及产业化前景，特别强调了非贵金属催化剂开发对降低成本的突破性贡献，为大规模储能(LSES)提供了重要参考。

　　

氢电池：可再生能源存储的绿色革命

工作原理解密

氢电池(HBs)通过氢电极(H₂电极)上发生的可逆氢析出反应(HER)/氢氧化反应(HOR)实现能量存储。其核心结构包含涂覆双功能HER/HOR催化剂的气体扩散层(GDL)，这些催化剂分为贵金属和镍基两大类。在充电过程中，阴极发生氧化反应同时阳极产生H₂；放电时则逆向进行，这种"呼吸式"储能机制使其具有独特优势。

传统镍氢电池的航天传奇

上世纪70年代为满足航天需求开发的镍氢(Ni-H₂)电池，凭借超长寿命(>10年)、全气候适应性和免维护特性，成为卫星和空间站的标准电源。其典型结构采用烧结镍正极、铂/碳负极和氢氧化钾电解质，工作压力高达3-8 MPa。2018年Cui团队开发的非贵金属催化剂使成本大幅降低，推动EnerVenue公司实现吉瓦时级商业化生产，为电网级储能带来新选择。

锂插层化合物氢电池的创新突破

结合锂离子电池(LIBs)高能量密度特点，锂插层化合物-H₂电池采用"摇椅式"工作机制：充电时Li⁺从正极脱嵌，同时HER产氢；放电时Li⁺重新嵌入正极，HOR消耗氢气。这种设计既保留了LIBs的高电压特性，又通过气固相转变解决了传统LIBs的枝晶和热失控问题。

液流电池家族的氢成员

借鉴全钒液流电池(VRFB)技术开发的V-H₂电池，利用VO²⁺/VO₂⁺液态正极的快速动力学特性，配合超长寿命氢负极，展现出优异的循环稳定性。其电化学反应涉及VO²⁺?VO₂⁺的可逆转变，能量效率(EE)可达80%以上，特别适合长时间储能场景。

卤素氢电池的高效路径

基于Cl₂/Cl^-电对(1.36 V vs SHE)开发的Cl₂-H₂电池，具有反应动力学快、理论电压高的特点。通过电解氯化钠溶液现场产氯，实现了"制储一体化"设计。但氯气的腐蚀性和逸散问题仍需通过新型膜材料和密封技术解决。

有机氢电池的绿色革命

采用醌类、聚酰亚胺等有机正极的氢电池，利用其结构可调性和生物降解性，实现了环境友好型储能。这类电池通过"离子配位"机制存储电荷，避免了无机材料的体积膨胀问题，但其导电性和能量密度仍有提升空间。

固态储氢电池的安全之道

镍金属氢化物(Ni-MH)电池将氢以固态形式存储在AB₅型或AB₂型合金中，工作压力<2 MPa，显著提高了安全性。虽然能量密度(60-120 Wh/kg)低于气态储氢系统，但其成熟的制造工艺和回收体系使其在消费电子领域持续占据重要地位。

锂氢电池的能量密度突破

通过将锂负极(理论比容量3860 mAh/g)与氢正极结合，锂氢电池突破了水系电解质的电压窗口限制，能量密度可达300 Wh/kg以上。采用固体电解质界面(SEI)稳定技术和三维集流体设计，有效缓解了锂枝晶生长问题。

产业化发展的多维考量

从实验室走向市场，氢电池需要平衡安全、寿命、成本、环境友好等关键参数。镍氢电池已实现商业化突破，而锰氢、有机氢等新型体系仍需解决催化剂活性、材料稳定性等科学问题。未来发展方向包括：开发非贵金属双功能催化剂、优化电极/电解质界面、探索常压储氢材料，以及建立标准化评价体系。