目前使用的電池能充電的電能有限，另外，隨着反復進行充電和放電，性能還會降低，這些因素成爲電池普及的障礙。因此，需要對電池中存儲電力的核心部位——電極材料進行改良，使其可以存儲更多的電力，並且能無數次反復充放電。
東京大學的研究小組發現了具備「自我開墾能力」的電極材料，透過存儲電力能對結構進行開墾。衆所周知，以往的電極材料存儲太多電力的話會變得不穩定，導致結構發生變化，性能明顯劣化，但此次發現的電極材料透過充電能變成穩定的結構，因此每次充電都會自我開墾，性能不會降低。
研究小組解析發現，這種自我開墾現象是由物質内部的離子與空艙的強烈庫侖吸引力引起的，成功驗證了能無數次存儲大量電力的新機制（圖1）。
圖1：可長時間充放電
研究小組發現，對電池的電極材料Na2MO3（此次M=Ru）進行充電（鈉離子解吸）時，名爲疊差的結構錯亂會逐漸消失，充滿電後，會自我開墾至完全沒有結構錯亂的狀態（圖2）。
圖2：以往的材料LiMO2、Li1+xM1-xO2和NaMO2（M=Co、Ni、Mn等）在充電（離子解吸）時會發生結構破壞，但新發現的自我開墾材料Na2MO3（此次M=Ru）會在充電程序中開墾結構，能延長電池壽命。
研究小組利用X射線繞射法測量了具有層狀結構的Na2RuO3充電前的狀態，顯示出較寬的繞射線，表明積層結構存在嚴重的錯亂（疊差）。但解吸鈉離子進行充電後發現，繞射線逐漸變得尖銳，積層的錯亂自發消失（圖3）。
另外還發現，這種自發進行的自我開墾功能在反復充放電後也依然存在。該現象與以往的電極材料LiMO2、Li1+xM1-xO2和NaMO2（M=Co、Ni、Mn等）存在的情況完全不同，在以往的材料中，離子大量解吸後，結構會變得混亂，導致性能大幅劣化（圖3）。實際上，Na2RuO3每次充電都會進行自我開墾，因此即使反復進行會給電極材料造成巨大負荷的長時間充電和放電，性能也幾乎不會劣化。
圖3：在以往的材料LiMO2、Li1+xM1-xO2和NaMO2（M=Co、Ni、Mn等）中，隨着充電（離子解吸）的進行，X射線繞射線會變寬，發生結構劣化，但新發現的自我開墾材料Na2MO3（此次M=Ru），越進行充電，X射線繞射線越尖銳，結構進行了自我開墾。
研究小組利用同步輻射X射線繞射法更詳細地調查了充電程序中的結構變化，發現鈉離子解吸後產生的空艙與結構中殘留的鈉離子之間形成了強烈的庫倫吸引力，這在自我開墾現象中發揮了重要作用。也就是說，隨着離子與空艙之間彼此強烈吸引，自發變成了沒有錯亂的結構，實施了自我開墾。
透過將這種庫倫吸引力導入其他電極材料也有望實施自我開墾能力，有助於延長電池的壽命。
相關研究成果已發佈在2019年5月16日的英國學術雜誌《自然通訊》（Nature Communications）網路版上。（日文發佈全文）
文：JST客觀日本編輯部
