目前使用的电池能充电的电量有限，另外，随着反复进行充电和放电，性能还会降低，这些因素成为电池普及的障碍。因此，需要对电池中存储电力的核心部位——电极材料进行改良，使其可以存储更多的电力，并且能无数次反复充放电。
东京大学的研究小组发现了具备“自我修复能力”的电极材料，通过存储电力能对结构进行修复。众所周知，以往的电极材料存储太多电力的话会变得不稳定，导致结构发生变化，性能明显劣化，但此次发现的电极材料通过充电能变成稳定的结构，因此每次充电都会自我修复，性能不会降低。
研究小组解析发现，这种自我修复现象是由物质内部的离子与空位的强烈库仑吸引力引起的，成功验证了能无数次存储大量电力的新机制（图1）。
图1：可长时间充放电
研究小组发现，对电池的电极材料Na2MO3（此次M=Ru）进行充电（钠离子解吸）时，名为堆垛层错的结构错乱会逐渐消失，充满电后，会自我修复至完全没有结构错乱的状态（图2）。
图2：以往的材料LiMO2、Li1+xM1-xO2和NaMO2（M=Co、Ni、Mn等）在充电（离子解吸）时会发生结构破坏，但新发现的自我修复材料Na2MO3（此次M=Ru）会在充电过程中修复结构，能延长电池寿命。
研究小组利用X射线衍射法测量了具有层状结构的Na2RuO3充电前的状态，显示出较宽的衍射线，表明积层结构存在严重的错乱（堆垛层错）。但解吸钠离子进行充电后发现，衍射线逐渐变得尖锐，积层的错乱自发消失（图3）。
另外还发现，这种自发进行的自我修复功能在反复充放电后也依然存在。该现象与以往的电极材料LiMO2、Li1+xM1-xO2和NaMO2（M=Co、Ni、Mn等）存在的情况完全不同，在以往的材料中，离子大量解吸后，结构会变得混乱，导致性能大幅劣化（图3）。实际上，Na2RuO3每次充电都会进行自我修复，因此即使反复进行会给电极材料造成巨大负荷的长时间充电和放电，性能也几乎不会劣化。
图3：在以往的材料LiMO2、Li1+xM1-xO2和NaMO2（M=Co、Ni、Mn等）中，随着充电（离子解吸）的进行，X射线衍射线会变宽，发生结构劣化，但新发现的自我修复材料Na2MO3（此次M=Ru），越进行充电，X射线衍射线越尖锐，结构进行了自我修复。
研究小组利用同步辐射X射线衍射法更详细地调查了充电过程中的结构变化，发现钠离子解吸后产生的空位与结构中残留的钠离子之间形成了强烈的库伦吸引力，这在自我修复现象中发挥了重要作用。也就是说，随着离子与空位之间彼此强烈吸引，自发变成了没有错乱的结构，实现了自我修复。
通过将这种库伦吸引力导入其他电极材料也有望实现自我修复能力，有助于延长电池的寿命。
相关研究成果已发布在2019年5月16日的英国学术杂志《自然通讯》（Nature Communications）网络版上。（日文发布全文）
文：JST客观日本编辑部
