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「工業(yè)之美」這種電極材料在充電中能自我修復(fù)，電池壽命有望大大延長了
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由東京大學(xué)研究生院的山田淳夫教授、大久保將史副教授、西村真一主任研究員組成的研究小組，發(fā)現(xiàn)了一種具備自我修復(fù)能力的電極材料。
5月16日，英國學(xué)術(shù)雜志《自然通訊》（Nature Communications）網(wǎng)絡(luò)版刊發(fā)了這一電極材料的最新研究成果。
該電極材料在充電過程中能形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，每次充電都可進(jìn)行自我修復(fù)，將有助于延長電池的壽命。
研究人員發(fā)現(xiàn)，這種自我修復(fù)現(xiàn)象是由材料內(nèi)部的離子與空位間產(chǎn)生的強(qiáng)烈?guī)靵鲆σ鸬?。簡單地說，就是在充電過程中，由于離子與空位之間彼此強(qiáng)烈吸引，自發(fā)地形成了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)。
新電極材料長時(shí)間充電放電的形象圖。圖片來源：Nature Communications隨著電動(dòng)汽車、風(fēng)電和光伏等技術(shù)的發(fā)展，人們對電池存儲能力的需求在持續(xù)增長。但目前使用的電池，存儲的電量有限，且隨著反復(fù)的充電和放電，性能會(huì)逐漸降低，這一定程度上阻礙了新能源技術(shù)的廣泛應(yīng)用。
電池性能劣化，是導(dǎo)致電池壽命縮短的主要原因，也是限制二次電池儲能的重要因素。
二次電池，又被稱為充電電池或蓄電池，這種電池放電后又可通過充電的方式，使活性物質(zhì)激活，繼續(xù)使用，比如手機(jī)電池。
電極材料是二次電池的核心部件，其電力儲存主要是通過電極材料解吸離子實(shí)現(xiàn)。因此，若想要儲存更多的電力，就需要大量的離子從電極材料中脫離。但目前二次電池使用的電極材料，在儲電過程中結(jié)構(gòu)往往會(huì)發(fā)生劣化，降低電池性能。
例如，目前廣泛使用的鋰電池，鋰離子從電極材料鈷酸鋰（LiCoO2）中脫離后，將會(huì)形成一定的空位，導(dǎo)致層疊紊亂，材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)因此變得不穩(wěn)定。該空位需要由過渡金屬來進(jìn)行填補(bǔ)，例如鈷酸鋰中的鈷，從而穩(wěn)定其結(jié)構(gòu)。但由于嵌入鋰離子的空位逐漸減少，電池性能會(huì)大幅下降。
此次東京大學(xué)研究小組新發(fā)現(xiàn)的電極材料名為Na2MO3，它在儲電時(shí)，結(jié)構(gòu)中的積層錯(cuò)亂現(xiàn)象會(huì)逐漸消失，在充滿電后，甚至能自我修復(fù)至完全沒有結(jié)構(gòu)錯(cuò)亂的狀態(tài)。
以往的材料LiMO2等在充電時(shí)會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，但自我修復(fù)材料Na2MO3會(huì)在充電過程中修復(fù)堆疊缺陷。（圖片來源：Nature Communications）研究小組用X射線衍射法測量了該電極材料充電前的狀態(tài)，其顯示出了較寬的衍射線，表明它的結(jié)構(gòu)中存在一定的積層錯(cuò)亂現(xiàn)象。但當(dāng)鈉離子脫離充電時(shí)，其顯示出的衍射線逐漸變得尖銳，積層的錯(cuò)亂自發(fā)地消失了。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，在反復(fù)充放電后，這種材料的自我修復(fù)能力依舊存在。這說明，該電極材料可進(jìn)行巨大負(fù)荷的長時(shí)間充電和放電。
以往的材料充電時(shí)，X射線衍射線會(huì)變寬，發(fā)生結(jié)構(gòu)劣化，但可自我修復(fù)材料充電時(shí)，X射線衍射線會(huì)變得尖銳，其結(jié)構(gòu)能進(jìn)行自我修復(fù)。圖片來源：Nature Communications通過X射線衍射法，研究小組更詳細(xì)地研究了充電過程中電極材料的結(jié)構(gòu)變化。他們發(fā)現(xiàn)，鈉離子帶正電荷，但當(dāng)鈉離子脫離后，產(chǎn)生的空位又帶負(fù)電荷，因此結(jié)構(gòu)中殘留的鈉離子與空位之間產(chǎn)生了強(qiáng)烈的庫侖吸引力。
正是這種緊密拉扯的引力，在電極材料的自我修復(fù)中起到了重要的作用。
研究人員表示，該新材料的發(fā)現(xiàn)，解決了長期以來困擾人們的“存儲大量電力時(shí)電極材料劣化”的難題。如果將這種庫侖吸引力導(dǎo)入其它電極材料，或許也能實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)能力，從而延長二次電池的使用壽命。
