JP2003012372A - 固体イオン導電体の製造方法 - Google Patents
固体イオン導電体の製造方法Info
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Abstract
に酸素イオン導電性を高めた固体イオン導電体を製造す
る方法の提供 【解決手段】 固体電解質からなるイオン導電体を構成
する各金属の配位化合物の溶液を該最終固体電解質から
なるイオン導電体を構成する金属が化学量論量となるよ
うに配合し、重合剤を加え溶液中において該配位化合物
を高分子化し、得られた高分子を、乾燥、焼成、粉砕
後、該粉砕物から所望の厚さの膜〜板状態を成形し、該
成型物の2θ=30度付近のX線回折パターンの半値幅
が0.2−5度の範囲となる焼成温度にて焼成すること
を特徴とする固体イオン導電体の製造方法。
Description
例えばアクセプタとなる元素(ドーパント)などを添加
することなく、イオン導電性、特に酸素イオン導電性を
高めた固体イオン導電体、特に固体酸素イオン導電体を
製造する方法に関する。本発明の固体酸素イオン導電体
は可動イオン空孔濃度が、従来の固体イオン導電体では
理論的に達成できない程度に高い点、すなわち、可動イ
オン濃度が熱力学的に平衡以上に高い点で新規な固体イ
オン導電体である。
高温(1300℃)で焼成した試料は、十分に結晶化し
熱力学的に平衡状態にある。この試料を700℃に保持
した場合に得られる可動イオン濃度を熱力学的に平衡な
濃度という。図3に示したように、この1300℃焼成
試料ではイオン導電率は確認できなかったので、熱力学
的に平衡な可動イオン濃度は測定限界以下である。しか
し、700℃焼成試料では、イオン導電率が観測された
ので、可動イオン濃度は有限の値をとっている。その値
は通常の酸素イオンの移動度を仮定すると全酸素イオン
サイトの0.1%程度と見積もられる。この0.1%分
が熱力学的に平衡以上な可動イオン濃度である。換言す
ると、この700℃焼成試料のイオン導電率を確認後、
一度1300℃に昇温し(完全に結晶化させる=熱力学
的に平衡状態にする)、再び700℃に戻して同一の測
定をしたところ、1300℃焼成試料と同様にイオン導
電率は消失した。これは、熱力学的に平衡以上に高かっ
た可動イオン濃度が平衡濃度に減少したためである。換
言すると、図3において、両試料において酸素イオンの
移動度が同一であると仮定すると(比較的妥当な仮
定)、縦軸のプラトー部の導電率は酸素イオン空孔濃度
に読み替えることができる。そうした場合、700℃焼
成試料において、その濃度が熱力学的に平衡に達してい
る1300℃焼成試料よりも増加している(非平衡状態
にある)ことが見て取れる。
(超イオン導電体と呼ばれることもある)は固体電池の
電解質やエレクトロクロミック表示デバイスの電解質と
して、また、ガス濃度やイオン濃度を測定するためのセ
ンサーなどにも広く応用されている。このためには、イ
オン導電度が高いほうがよい。特に前者の用途において
は、導電度が10-2Ω-1・cm-1程度以上であることが
望ましいとされている。また、後者の電流を取り出さな
いセンサーなどへの用途にはイオン導電性が認められさ
えすれば利用しうる。
能を付与するためには、 1、構成元素より価数の低い元素を微量(数%〜数10
%)導入しイオンがジャンプしうるサイト(空孔)を結
晶中に導入する方法(アクセプタードープ)(例:イッ
トリア安定化ジルコニア、La−Sr−Ga−Mg系ペ
ロブスカイトなど)、 2、構成元素のイオン半径比を変化させることに上り、
元来、結晶中に存在する動かない空孔を可動とする方法
(例:不規則型パイロクロア型酸化物)、 3、結晶構造中に元来、イオンの充填密度の低い経路
(トンネル構造、イオン伝導面)を有する物質を利用す
る方法〔例:β−アルミナ(Na2O・11Al2O
3)、ナシコン(NASICON)(Na1+xZr2Si
xP3-xO12、またはNa1+xZr2-x/3SixP3-xO
12-2/3、1.5<x<2.2)、前記ナシコンのNaを
Liで置き換えたリシコン(LISICON)な
ど)〕、
スと総称されるもの)などが利用されている。しかし何
れの方法においても、ドーパント量や結晶構造の制約か
ら高いイオン導電性を発現する物質は限られていた。
で作製することの提案は、例えば、ゾルーゲル法を用い
て作る技術がある。該方法により最初に作られたイオン
電導体膜はβ一アルミナ(β−Al2O3)の薄膜であ
り、該方法はAlのアルコキシドとNaのアルコキシド
の混合溶液に基板を浸して引き上げ、加熱して結晶質の
コーティング膜をつくり、それをさらに1300℃まで
加熱して、微細なβ−Al2O3からなる膜を形成するも
のである。室温の電導度が10-2Ω-1・cm-1に近い固
体イオン導電体材料にはα−AgI、β−アルミナ(N
a2O・11Al2O3)、ナシコン(NASICON)
(Na1+xZr2SixP3-xO12またはNa1 +xZr2-x/3
SixP3-xO12-2/3、1.5<x<2.2)、Li3N
などの結晶固体およびAgI−Ag2O−P2O5ガラス
などがある。
では、焼成温度は従来の合成法によって焼結するのに必
要な焼成温度1700℃に比べて遙かに低い温度であ
る。更に、これらを改良した技術として、ゾルーゲル法
を用いて合成した酸化物微粉末を用いてプレート状物な
どに作製し、それを950〜1050℃の比較的低い温
度で焼結させると、イオン電導度を持つ固体イオン導電
体が製造できることも報告されている。しかし、この技
術でもイオン電導性を付与するドーパント量や結晶構造
の制御の制約からイオン導電を示す物質およびイオン導
電の機能をもたらす欠陥導入量には限界があった。
は、ドーパント量や結晶構造による限界を受けることと
なく、イオン導電性を高めることができる固体イオン導
電体、とりわけ固体酸素イオン導電体を提供することに
ある。本発明者は前記従来技術とは異なる方法により固
体中に可動イオン空孔を導入する方法を検討し、従来以
上に結晶化の程度を制御すること、および結晶粒径を小
さくすることにより結晶配列の乱れた部分(粒界)を多
数導入することが可能であると考え、この発想に基づい
て、該構造を実現する固体イオン導電体の製造方法を鋭
意検討する中で、酸化微粉末の製造方法および焼成温度
を工夫することで、前記発想を実現できることを見出し
前記本発明の課題を解決した。
らなるイオン導電体を構成する各金属の配位化合物の溶
液を該最終固体電解質からなるイオン導電体を構成金属
の化学量論量となるように配合し、重合剤を加えて溶液
中において該配位化合物を高分子化し、得られた高分子
を、乾燥、焼成、粉砕後、該粉砕物から所望の厚さの膜
〜板状態を成形し、該成型物の2θ=30度付近のX線
回折パターンの半値幅が0.2−5度の範囲となる焼成
温度にて焼成することを特徴とする固体イオン導電体の
製造方法、特に酸素イオン導電体の製造方法である。好
ましくは、配位化合物を形成する化合物がエステル化反
応により3次元ネットワーク構造の高分子を形成する前
駆体であり、形成される高分子は金属イオンを均一に分
散するものであることを特徴とする前記固体酸素イオン
導電体の製造方法であり、より好ましくは、配位化合物
が多価のカルボン酸であり、重合剤が多価のアルコール
であることを特徴とする前記固体酸素イオン導電体の製
造方法である。
させる原子価の低いアクセプターが配合する、該配合を
アクセプターと配位化合物を形成する化合物との錯体化
合物として配合することを特徴とする前記固体酸素イオ
ン導電体の製造方法である。一層好ましくは、生成する
固体酸素イオン導電体は、結晶相としてパイロクロア相
を呈し、かつ粒径が50nmより小さいことを特徴とす
る前記固体酸素イオン導電体の製造方法である。
X線回折パターンの半値幅が、高温焼成により完全結晶
化したときの半値幅の約2倍程度の範囲となる低温での
焼成をすることに特徴を有する。また、該半値幅から、
Scherrerの式により粒径を求めることができ、焼成温度
と粒径との間には、焼成温度700℃、1000℃、1
300℃の場合それぞれ41、57、および70nmと
なり、焼成温度を制御することにより粒径を制御するこ
とができ、これにより酸素イオン導電性を改善した固体
イオン導電体を製造することができる。
は、微粒子金属酸化物を作る方法として知られている、
金属錯体重合体を用いる方法を採用するのが好ましいこ
とが分かった。本発明は、このような金属錯体重合体を
微粒子を製造する方法と組み合わせることにより、イオ
ン導電性の優れた固体電解質が得られること発見したと
ころに技術的な意味がある。特に、元来、結晶構造中に
可動イオンとなり得る空孔を含むが、その空孔の位置が
固定されている(規則化されている)ために該空孔サイ
トはイオン伝導に寄与できない化合物、例えば、図1か
ら理解される様にLa2Ti2O7は結晶構造中に元来の
酸素イオン空孔サイトを含んでいるが、従来の作製方法
では空孔位置が規則化されているために該空孔サイトは
イオン伝導に寄与できない。しかしながら、本発明の製
造方法によるとLa2Ti2O7の結晶構造がルーズにな
るために空孔サイトを不規則に配置させることが可能と
なり、イオン導電性に寄与できる空孔サイトが多量に生
成し、イオン導電体化することができることを見出し
た。すなわち本発明の製造方法によると、La−Ti系
酸化物に限定されることなく、結晶構造中に可動イオン
となり得る空孔を有するものの、その空孔が固定または
規則化されているために移動することができない物質全
般をイオン導電体化することが可能である。
れる錯体類は、例えば、錯体形成配位子として無水クエ
ン酸、一水和クエン酸などを挙げることができる。ま
た、錯体形成配位子に言及している以下の文献を、本発
明の固体イオン導電体を作製するための配位子を示す参
考資料として引用する。 1,垣花真人、八島正知、吉村昌弘、間崎啓匡、安岡
宏、総説「錯体重合法による超伝導体の合成と物性」、
粉体および粉末冶金 40(1993), 137-145. 2,Maria M. Milanova, Masato Kakihana, Momoko Ari
ma, Masatomo Yashima,Masahiro Yoshimura, A simple
solution route to the synthesis of pure La2Ti2O7
and Nd2Ti2O7 at 700-800℃ by polymerized complex m
ethod, J. Alloys. Comp. 242 (1996) , 6-10. 3、O. Van der Biest, J. Kwarciak and D. Dierickx,
M. Dhalle, W. Boonand Y. Bruynseraede, Ceramic su
perconductors synthesized by sol-gel methods, Phys
ica C 190 (1991), 119-121. など。また、重合剤とし
ては、エチレングリコール、エチレンジアミン四酢酸
(EDTA)のような前記錯体形成配位子とエステル結
合により重合、部分架橋により3次元に高分子化して高
分子ゲル(以下、複合高分子錯体という。)を形成し金
属イオンを高分子マトリックスに固定的に均一に分散さ
れたものが得られる。これにより、その後の熱処理工程
において、金属元素が偏析することがかなり抑制され、
分子レベルでの均一な混合、微細な結晶粉末、不純物侵
入の抑制、精密な組成制御を可能にしていることが推測
される。
えば電気炉中、大気中にて完全に炭化させる。粉砕後、
仮焼し酸化物とする。得られた酸化物から所望の形状に
成形後、X線回折の半値幅が所望の範囲の値になるよう
に本焼成する。仮称の温度、本焼成の温度は、得ようと
する固体イオン導電体の化学組成により異なるが、50
0℃〜1200℃の範囲である。
成する金属よりも原子価の低い金属、例えば、アルカリ
またはアルカリ土類金属をアクセプタとして添加するこ
とができる。その際、前記固体イオン導電体を作製する
のと同様に、アクセプタとなる金属を、該金属を適当な
配位子と錯体化合物を作り、その溶液として配合し、固
体イオン導電体を構成する錯体化合物と複合高分子錯体
を形成させて配合するのが好ましい。
製,純度99.5%)、重合剤としてエチレングリコー
ル(Aldrich社製,純度99.5%)、金属元素として
La(NO3)3・3.7H2O(高純度化学,純度9
9.9%)、Ti(O−i−C3H7)4(高純度化学・
純度99.9%)を使用した。得られる複合高分子錯体
は、溶液の金属種、pH、混合比(金属カチオン:クエ
ン酸:エチレングリコール)及び調合温度に依存する。
gのクエン酸を加え、スターラーで温度を40℃に保ち
撹拌した。30分撹拌した後、80.6mLのエチレン
グリコールを加え温度を50℃に調整しながら、さらに
30分撹拌した。クエン酸水溶液とエチレングリコール
がよく混合されたところで、97gのLa(NO3)3・
4.5H2Oを数gずつゆっくり加えた。溶液は、La
(NO3)3・4.5H2Oの添加後間もなくキレート化
が起こり透明となった。均一に混合するために一晩撹拌
を続けた。Ti溶液:125mLのTi(O−i−C3
H7)4を250mLのエチレングリコールに加えた後に
200gのクエン酸を添加し温度を70℃に調整しなが
ら撹拌した。クエン酸添加後2時間程でキレート化は完
了し、透明な液体が得られた。均一に混合するため1日
撹拌を続けた。
La2Ti2O7となるよう配合割合を決定し、原料溶液
を秤量し、撹拌機で混合した。徐々に温度を上げながら
4〜5時間程度撹拌し、高分子化させた。十分に粘性が
高くなるまで高分子化させた。
成。 前記高分子化が十分進行した段階で、電気炉にて400
℃で有機成分を完全に炭化させた。その後粉砕器で軽く
粉砕し、再び電気炉で700℃にて仮焼し、酸化物相を
得た。得られた粉末は油圧式ハンドプレスにてφ10m
m×約1mmのぺレット状に成型され、700℃および
1300℃の温度で大気中において2時間本焼成され
た。図2に700℃と1300℃で焼成したLa2Ti2
O7の粉末のX線回折図形を示す。θ=30゜近傍の回
折スペクトルの半値幅は、表1のとおりである。
ほぼ完全な結晶化の程度を示す鋭い回折線が得られてい
るが、700℃では十分に結晶化が進行せず、回折線が
幅広く、結晶の乱れと微細な結晶粒径となっていること
が確認された。また、回折線幅および電子顕微鏡観察か
ら700℃焼成された試料は40nm程度の微細粒子で
あることが確認された。因みに、1300℃の焼成では
70nm程度であった。得られた固体酸素イオン導電体
は3×10-6S/cmを示した。また、酸素イオン導電率の温
度依存性から活性化エネルギーは1.2eVであること
が判明した。この活性化エネルギーより、得られた固体
酸素イオン導電体の1000℃における酸素イオン導電
率は1×10-4S/cmとなり、この値は、この固体酸
素イオン導電体を酸素センサーとして利用するに十分な
イオン導電率を持っていることが分かった。
で焼成された試料の電気伝導度の酸素分圧依存性(測定
温度:700℃)を示す。十分に結晶化が進行し平衡状
態にある1300℃焼成試料では高酸素分圧下(log
P(O2)=0〜−5付近)で電気伝導度の酸素分圧依
存性が正の傾き、また低酸素分圧下(logP(O2)
=−5〜−16付近)では負の傾きを示している。すな
わち、その傾きは各々1/5と−1/5であったが、こ
の傾きを与える欠陥種としては格子間位置に侵入したT
iイオン〔 Tii ....〕(本来ならイオンが存在しない
格子間位置(i)にTiが存在することにより、+4の
電荷を有している欠陥種)が知られており、各々の領域
で正孔(ホール)と電子のみが電荷担体であることを示
している。いずれにしても、酸素イオン導電性に寄与す
る酸素イオン空孔〔Vo ..〕(本来なら酸素イオンが存
在する位置(o)が空孔(V)となることにより、+2
の電荷を有している欠陥種)は測定限界以下であり、高
温焼成され熱力学的に平衡状態にある場合には、従来か
ら知られているようにLa2Ti2O7は酸素イオン導電
性を有しないことが判明した。これに対して、700℃
で焼成した試料では、高酸素分圧logP(O2)=0
〜−5付近にプラトー領域が出現している。また、それ
より低い酸素分圧領域では上述の1300℃焼成試料と
は異なり、傾きが−1/4となっている。これは、この
試料中の主たる欠陥種が酸素イオン導電性に寄与する酸
素イオン空孔〔Vo ..〕であることを示し、そのプラト
ー領域においては、主たる電荷担体が酸素イオンであり
この物質がイオン導電体となっていることを示してい
る。
0.1)2Ti2O7- δの化学組成の化合物を作製した。 Sr原料溶液の調製。 306.8mLのイオン交換水に612.9gのクエン
酸を加え、温度を40℃に保ち攪拌した。30分撹拌し
た後、178.8mLのエチレングリコールを加え温度
を54℃に調整しながら30分撹拌した。クエン酸水溶
液とエチレングリコールがよく混合されたところで、6
5gのSr(OH)2を数gずつゆっくり加えた。添加
後、溶液中にはSr(OH)2が粒子状に散在している
が、時間の経過とともに溶解し数時間後にキレート化が
完了され透明な液体が得られる。均一に混合するために
一晩撹拌を続けた。他原料溶液、複合高分子錯体の調
製、炭化、粉砕、仮焼成、成型、および本焼成は実施例
1と同じ。ただ、本焼成温度を1000℃とした場合も
実験した。
粉末を用いた場合を実験した。得られた本焼成後のX線
回折スペクトルを図4に示す。固相法を用いた場合には
目的化合物の生成は確認されず、700℃では原料粉末
の回折スペクトルのみが確認されている。また、130
0℃においても目的とする(La0.9Sr0.1)2Ti2O
7- δを得ることはできなかった。しかし、本発明の方法
においては、700℃の焼成においても目的化合物以外
の異相は確認されなかった。また、La 2Ti2O7の場
合よりもさらに結晶化の程度が抑制され、2θ=30度
の近傍の回折スペクトルの半値幅は5度となっている。
また、焼成温度の増加に伴い、結晶化の程度が向上し、
回折スペクトルが鋭くなることが確認できる。試料(7
00℃焼成、○)の電気伝導度の酸素分圧依存性(測定
温度:700℃)を図5に示す。因みに、1300℃、
●の場合も示す。固相法では目的化合物が得られず測定
に供することができなかった。1300℃焼成試料で
は、高酸素分圧領域(logP(O2)=0〜−5付
近)では正の傾き、すなわち正孔(ホール)が電荷担体
となっており、イオン導電性は確認できなかった。しか
し、700℃焼成試料ではLa2Ti2O7と同様に酸素
イオン導電性に起因するプラトー領域が確認された。
り、原子価の異なる、例えばアクセプタとなる元素(ド
ーパント)などを添加することなく、固体酸素イオン電
導体として有用な化合物を製造することができる、とい
う優れた効果がもたらされる。
7の結晶構造
7の粉末のX線回折図形と、1300℃で焼成された試
料の場合も示す。
7試料の電気伝導度の酸素分圧依存性(測定温度:70
0℃)○と、1300℃で焼成された試料●の場合も示
す。
r0.1)2Ti2O7- δのX線回折図形と、1000℃お
よび1300℃で焼成された試料および固相法により7
00℃、1000℃、1300℃で焼成された試料のX
線回折図形
r0.1)2Ti2O7- δの電気伝導度の酸素分圧依存性
(測定温度:700℃)○と1300℃で焼成された試
料●の場合も示す。
Claims (6)
- 【請求項1】 固体電解質からなるイオン導電体を構成
する各金属の配位化合物の溶液を、該最終固体電解質か
らなるイオン導電体を構成する金属が化学量論量となる
ように配合し、重合剤を加え溶液中において該配位化合
物を高分子化し、得られた高分子を、乾燥、焼成、粉砕
後、該粉砕物から所望の厚さの膜〜板状態を成形し、該
成型物の2θ=30度付近のX線回折パターンの半値幅
が0.2−5度の範囲となる焼成温度にて焼成すること
を特徴とする固体イオン導電体の製造方法。 - 【請求項2】 イオン導電体が酸素イオン導電体である
ことを特徴とする請求項1に記載の固体イオン導電体の
製造方法。 - 【請求項3】 配位化合物を形成する化合物が重合剤と
エステル化反応により3次元ネットワーク構造の高分子
を形成する前駆体であり、形成される高分子は金属イオ
ンを均一に分散するものであることを特徴とする請求項
1または2に記載の固体酸素イオン導電体の製造方法。 - 【請求項4】 配位化合物が多価のカルボン酸であり重
合剤が多価のアルコールであることを特徴とする請求項
3に記載の固体酸素イオン導電体の製造方法。 - 【請求項5】 固体イオン導電性を向上させる原子価の
低いアクセプターが配合されていることを特徴とする請
求項1、2、3または4に記載の固体酸素イオン導電体
の製造方法。 - 【請求項6】 結晶がパイロクロア相を呈し、かつ粒径
が50nmより小さいことを特徴とする請求項1、2、
3、4または5に記載の固体酸素イオン導電体の製造方
法。
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