名古屋大学(名大)は、あいちシンクロトロン光センターを利用して、マグネタイトを正極活物質とするリチウム電池の充放電過程を詳細に解明するとともに、電池反応に伴うマグネタイトの大きな磁性変化を発見したと発表した。

同成果は、同大大学院 理学研究科 物質科学国際研究センターの山田哲也博士研究員、吉川浩史助教、阿波賀邦夫教授らによるもの。詳細は、英国王立化学会誌「Journal of Materials Chemistry C」に掲載された。

マグネタイト(磁鉄鉱:Fe3O4)は最古の磁石として知られ、今日ではHDDなど磁気記録媒体として身の回りで用いられる一方、鉄イオンの酸化還元反応を利用した2次電池の正極活物質への応用も試みられている。しかし、その電池(電気化学)反応は詳細には検討されていなかった。

今回、その反応機構を解明するために、特殊な電池セルを用いてFe3O4を正極活物質とするリチウム電池を作製し、あいちシンクロトロン光センターでX線吸収分光法を用いて、電池反応中のFe3O4の鉄イオンの価数変化を調べることに成功した。その結果、4.2Vから0.1Vまで放電することで、Fe3O4は還元されて最終的にはFeナノ粒子になることを突き止めた。さらにこの実験により、1.3V以上の電圧範囲で2次電池として機能し、1.8Vと1.3Vの間で、その磁化(磁石としての強さ)を最大13%可逆的に変化させることに成功した。このことは、電池反応を利用して磁石の強さを室温でコントロールできたこと(磁気スイッチング現象の観測)を意味する。

今回の発見をもとに、電磁石のように電流を流し続けることなく、室温で電気化学的に永久磁化を誘起することができれば、電磁石に取って代わる電力消費量の少ないクリーンな電気化学磁石の開発が期待されるとコメントしている。

マグネタイトの放電過程におけるX線吸収スペクトルおよび状態変化

電気化学反応による室温磁化スイッチング