JP2012121789A - Ionic conductive glass ceramics, manufacturing method therefor and all-solid-state secondary battery containing the same - Google Patents

Ionic conductive glass ceramics, manufacturing method therefor and all-solid-state secondary battery containing the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ionic conductive glass ceramics at low cost against the backdrop of abundant sodium resources.SOLUTION: The ionic conductive glass ceramics is represented by general formula (I): NaS-MS(M is selected from P, Si, Ge, B and Al, x and y are integers providing stoichiometric ratio corresponding to the kinds of M, and NaS is contained at more than 67 mol% and less than 80 mol%).

Description

本発明は、イオン伝導性ガラスセラミックス、その製造方法及びそれを含む全固体二次電池に関する。更に詳しくは、本発明は、豊富なナトリウム資源を背景に低コストで提供可能なイオン伝導性ガラスセラミックス、その製造方法及びそれを含む全固体二次電池に関する。   The present invention relates to an ion conductive glass ceramic, a method for producing the same, and an all solid state secondary battery including the same. More specifically, the present invention relates to an ion conductive glass ceramic that can be provided at a low cost against a background of abundant sodium resources, a method for producing the same, and an all solid state secondary battery including the same.

リチウム二次電池は、高電圧、高容量を有するため、携帯電話、デジタルカメラ、ビデオカメラ、ノートパソコン、電気自動車等の電源として多用されている。一般に流通しているリチウム二次電池は、電解質として、電解塩を非水系溶媒に溶解した液状電解質を使用している。非水系溶媒には、可燃性の溶媒が多く含まれているため、安全性の確保が望まれている。
安全性を確保するために、非水系溶媒を使用せずに、電解質を固体材料であるLi2S−P25から形成する、いわゆる固体電解質を使用した全固体二次電池が提案されている(非特許文献1)。
Lithium secondary batteries have high voltage and high capacity, and are therefore widely used as power sources for mobile phones, digital cameras, video cameras, notebook computers, electric vehicles and the like. Generally, lithium secondary batteries in circulation use a liquid electrolyte in which an electrolytic salt is dissolved in a non-aqueous solvent as an electrolyte. Since non-aqueous solvents contain a lot of flammable solvents, it is desired to ensure safety.
In order to ensure safety, an all-solid secondary battery using a so-called solid electrolyte in which an electrolyte is formed from a solid material Li 2 S—P 2 S 5 without using a non-aqueous solvent has been proposed. (Non-Patent Document 1).

M.Tatsumisago et.al.,Funct.Mater.Lett.,1(2008)31M. Tatsumisago et.al., Funct. Mater. Lett., 1 (2008) 31

近年、電気自動車、ハイブリッド自動車等の自動車、太陽電池、風力発電等の発電装置等において、電力を貯蔵するためにリチウム二次電池の需要が増大している。しかし、リチウム二次電池は、埋蔵量が少なく、かつ産出地が偏在しているリチウムを使用するため、需要に供給が追いつかないという懸念があると共に、高コストであるという課題があった。   In recent years, demand for lithium secondary batteries has been increasing in order to store electric power in automobiles such as electric vehicles and hybrid vehicles, power generation devices such as solar cells and wind power generation. However, since the lithium secondary battery uses lithium that has a small reserve and is unevenly distributed, there are concerns that supply cannot catch up with demand, and there is a problem of high cost.

本発明の発明者等は、上記懸念及び課題が全固体二次電池においても生じると考えている。そこで資源量が豊富なナトリウムを使用した電池が、ポストリチウム二次電池として挙げられる。ナトリウムを使用した電池には、ナトリウムイオン伝導性固体が使用されるが、そのナトリウムイオン伝導性固体としては、β-アルミナが広く知られている。この材料は室温で10-3 S cm-1以上のナトリウムイオン伝導性を示す[文献:X. Lu et al., Journal of Power Sources, 195 (2010) 2431-2442.]。しかしながら、この材料の合成には1600℃以上での高温焼成が必要であり、電極活物質との固体界面接合が困難であるという課題があった。高温での焼成を必要とせず、プレスのみで得られる粉末成形体として高い導電率を示す材料が、室温作動型全固体電池の電極-電解質界面構築には重要となる。発明者等は既存の文献を調査したが、室温において粉末成形体として十分なナトリウムイオン伝導性を有する固体材料に関する文献を見い出せていない。 The inventors of the present invention believe that the above concerns and problems also occur in all-solid secondary batteries. Therefore, a battery using sodium, which has abundant resources, can be cited as a post lithium secondary battery. A sodium ion conductive solid is used for a battery using sodium, and β-alumina is widely known as the sodium ion conductive solid. This material exhibits a sodium ion conductivity of 10 −3 S cm −1 or more at room temperature [Reference: X. Lu et al., Journal of Power Sources, 195 (2010) 2431-2442.]. However, the synthesis of this material requires high-temperature firing at 1600 ° C. or higher, and there is a problem that solid interface bonding with the electrode active material is difficult. A material exhibiting high electrical conductivity as a powder molded body obtained only by pressing without requiring firing at a high temperature is important for constructing an electrode-electrolyte interface of a room temperature operation type all solid state battery. The inventors investigated existing literatures, but have not found literatures on solid materials having sufficient sodium ion conductivity as a powder compact at room temperature.

そこで、発明者等は、Li2Sに代えてNa2Sの使用を試みたが、イオン伝導性の観点で更なる改善の余地があると考えた。そのため、発明者等は、更に鋭意検討した結果、Na2Sを含む固体材料の原料をメカニカルミリング処理に付すことでガラスを得、次いで、ガラスをそのガラス転移点以上の温度で熱処理することで変換したガラスセラミックスであれば、イオン伝導性が大幅に改善されることを見出し本発明に至った。 Therefore, the inventors tried to use Na 2 S instead of Li 2 S, but thought that there was room for further improvement from the viewpoint of ion conductivity. Therefore, as a result of further intensive studies, the inventors obtained a glass by subjecting a raw material of a solid material containing Na 2 S to a mechanical milling process, and then heat-treating the glass at a temperature equal to or higher than its glass transition point. It was found that the ion conductivity is greatly improved with the converted glass ceramics, and the present invention has been achieved.

かくして本発明によれば、一般式(I):Na2S−Mxy(MはP、Si、Ge、B、Alから選択され、x及びyは、Mの種類に応じて、化学量論比を与える整数であり、Na2Sが67モル%より大きく、80モル%未満含まれる)で示されるイオン伝導性ガラスセラミックスが提供される。 Thus, according to the present invention, the general formula (I): Na 2 S—M x S y (M is selected from P, Si, Ge, B, Al, and x and y are chemicals depending on the type of M, An ion-conducting glass-ceramic represented by an integer giving a stoichiometric ratio and containing Na 2 S of greater than 67 mol% and less than 80 mol% is provided.

更に、本発明によれば、上記イオン伝導性ガラスセラミックスの製造方法であって、
前記一般式(I):Na2S−Mxyを与えるNa2SとMxyとを所定割合で含む原料混合物をメカニカルミリング処理に付してガラスを得る工程と、前記ガラスをそのガラス転移点以上の温度で熱処理することでイオン伝導性ガラスセラミックスに変換する工程とを含むことを特徴とするイオン伝導性ガラスセラミックスの製造方法が提供される。
Furthermore, according to the present invention, there is provided a method for producing the ion conductive glass ceramic,
Formula (I): a step of obtaining a glass denoted by the raw material mixture containing Na 2 S-M x S give y Na 2 S and M x S y in predetermined proportions to the mechanical milling process, the glass There is provided a method for producing an ion conductive glass ceramic characterized by including a step of converting to an ion conductive glass ceramic by heat treatment at a temperature equal to or higher than the glass transition point.

また、本発明によれば、正極、負極、及び前記正極と前記負極間に位置する固体電解質層とを少なくとも備え、前記固体電解質層が、上記イオン伝導性ガラスセラミックスを含むことを特徴とする全固体二次電池が提供される。   In addition, according to the present invention, there is provided at least a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer positioned between the positive electrode and the negative electrode, and the solid electrolyte layer includes the ion conductive glass ceramics. A solid secondary battery is provided.

本発明によれば、リチウムの資源量に依存しない、高いイオン伝導性を有するガラスセラミックスを提供できる。
また、Na2S−Mxyが、Na2S−P25である場合、より高いイオン伝導性を有するガラスセラミックスを提供できる。
本発明のガラスセラミックスの製造方法によれば、メカニカルミリング処理と熱処理という簡便な方法で、リチウムの資源量に依存しない、高いイオン伝導性を有するガラスセラミックスを提供できる。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the glass ceramics which have high ion conductivity independent of the amount of resources of lithium can be provided.
Further, Na 2 S-M x S y is the case of Na 2 S-P 2 S 5 , can provide a glass ceramic having a higher ionic conductivity.
According to the method for producing glass ceramics of the present invention, it is possible to provide glass ceramics having high ion conductivity that does not depend on the amount of lithium resources by a simple method of mechanical milling and heat treatment.

メカニカルミリング処理が、遊星型ボールミルを用いて、50〜600回転/分、0.1〜50時間、1〜100kWh/原料混合物1kgの条件下で行われる場合、より高いイオン伝導性を有するガラスセラミックスを提供できる。
本発明の全固体二次電池は、ナトリウムを含む固体電解質層を使用するため、豊富なナトリウム資源を背景に低コストで提供可能である。
When the mechanical milling process is performed using a planetary ball mill under conditions of 50 to 600 revolutions / minute, 0.1 to 50 hours, and 1 to 100 kWh / kg of raw material mixture, glass ceramics having higher ion conductivity Can provide.
Since the all-solid-state secondary battery of the present invention uses a solid electrolyte layer containing sodium, it can be provided at a low cost against the background of abundant sodium resources.

実施例1のガラスのXRDパターンである。2 is an XRD pattern of the glass of Example 1. FIG. 実施例1のガラスのDTA曲線である。2 is a DTA curve of the glass of Example 1. 実施例1のガラスのラマンスペクトルである。It is a Raman spectrum of the glass of Example 1. 図3の要部拡大図である。It is a principal part enlarged view of FIG. 実施例1のガラスの31PMAS−NMRスペクトルである。3 is a 31 PMAS-NMR spectrum of the glass of Example 1. 実施例1のガラス及びガラスセラミックスの導電率の温度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature dependence of the electrical conductivity of the glass of Example 1, and glass ceramics. 実施例1のガラス及びガラスセラミックスの室温における導電率及び伝導の活性化エネルギーを示すグラフである。It is a graph which shows the electrical conductivity in room temperature of glass and glass ceramics of Example 1, and the activation energy of conduction. 実施例1のガラスセラミックスのXRDパターンである。2 is an XRD pattern of the glass ceramic of Example 1. FIG. 実施例1のガラスセラミックスの31PMAS−NMRスペクトルである。3 is a 31 PMAS-NMR spectrum of the glass ceramic of Example 1. 実施例3のガラス及びガラスセラミックスの周波数に対するインピーダンスの絶対値|Z|の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship of the absolute value | Z | of the impedance with respect to the frequency of the glass of Example 3, and glass ceramics. 実施例4に示す様々な焼結体、ガラス及びガラスセラミックスの温度に対する導電率の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship of the electrical conductivity with respect to the temperature of various sintered compacts shown in Example 4, glass, and glass ceramics.

(イオン伝導性ガラスセラミックス)
ガラスセラミックスは、非晶質状態のガラス成分中に、結晶質部が分散した状態であってもよい。結晶質部の割合は、ガラスセラミックス全体に対して、50重量%以上であることが好ましく、80重量%以上であることがより好ましい。なお、結晶質部の割合は固体NMRにより測定可能である。
更に、ガラスセラミックスは、対応するガラスに存在していたガラス転移点が存在しないものであることが好ましい。
(Ion conductive glass ceramics)
The glass ceramics may be in a state in which a crystalline part is dispersed in an amorphous glass component. The ratio of the crystalline part is preferably 50% by weight or more, and more preferably 80% by weight or more with respect to the entire glass ceramic. The proportion of the crystalline part can be measured by solid state NMR.
Furthermore, the glass ceramics preferably have no glass transition point present in the corresponding glass.

本発明のイオン伝導性ガラスセラミックスは、一般式(I):Na2S−Mxy(MはP、Si、Ge、B、Alから選択され、x及びyは、Mの種類に応じて、化学量論比を与える整数であり、Na2Sが67モル%より大きく、80モル%未満含まれる)で表される。具体的には、Na2S−P25、Na2S−SiS2、Na2S−GeS2、Na2S−B23、Na2S−Al23が挙げられる。この内、Na2S−P25が特に好ましい。更に、NaI、Na3PO4等の他のイオン伝導性材料を加えてもよい。
更に、Na2S−Mxyは、67モル%より大きく、80モル%未満のNa2Sを含む。この範囲であれば、対応するガラスより、イオン伝導性を向上できる。また、70モル%より大きく、80モル%未満のNa2Sを含むことがより好ましく、73〜77モル%のNa2Sを含むことが更に好ましい。
The ion conductive glass ceramic of the present invention is represented by the general formula (I): Na 2 S—M x S y (M is selected from P, Si, Ge, B, Al, and x and y depend on the type of M. And an integer giving a stoichiometric ratio, and Na 2 S is contained in an amount greater than 67 mol% and less than 80 mol%. Specific examples include Na 2 S—P 2 S 5 , Na 2 S—SiS 2 , Na 2 S—GeS 2 , Na 2 S—B 2 S 3 , and Na 2 S—Al 2 S 3 . Of these, Na 2 S—P 2 S 5 is particularly preferred. Furthermore, other ion conductive materials such as NaI and Na 3 PO 4 may be added.
Furthermore, Na 2 S-M x S y contains greater than 67 mol% and less than 80 mol% Na 2 S. If it is this range, ion conductivity can be improved rather than corresponding glass. Moreover, greater than 70 mole%, more preferably containing Na 2 S of less than 80 mol%, more preferably containing 73 to 77 mol% of Na 2 S.

(イオン伝導性ガラスセラミックスの製造方法)
イオン伝導性ガラスセラミックスの製造方法は、
(i)一般式(I):Na2S−Mxyを与えるNa2SとMxyとを所定割合で含む原料混合物をメカニカルミリング処理に付してガラスを得る工程、
(ii)ガラスをそのガラス転移点以上の温度で熱処理することでイオン伝導性ガラスセラミックスに変換する工程
とを含んでいる。
(Production method of ion conductive glass ceramics)
The manufacturing method of ion conductive glass ceramics is:
(I) the general formula (I): Na 2 S- M x S and Na 2 S and M x S y giving y obtain a glass denoted by the raw material mixture to the mechanical milling process including at a predetermined ratio step,
(Ii) converting the glass into ion conductive glass ceramics by heat-treating the glass at a temperature equal to or higher than its glass transition point.

(1)工程(i)
工程(i)におけるメカニカルミリング処理は、原料を十分混合・反応できさえすれば、処理装置及び処理条件には特に限定されない。
処理装置としては、通常ボールミルが使用できる。ボールミルは、大きな機械的エネルギーが得られるため好ましい。ボールミルの中でも、遊星型ボールミルは、ポットが自転回転すると共に、台盤が公転回転するため、高い衝撃エネルギーを効率よく発生させることができるので、好ましい。
(1) Step (i)
The mechanical milling process in the step (i) is not particularly limited to the processing apparatus and the processing conditions as long as the raw materials can be sufficiently mixed and reacted.
As a processing apparatus, a ball mill can be used normally. A ball mill is preferable because large mechanical energy can be obtained. Among the ball mills, the planetary ball mill is preferable because the pot rotates and the base plate revolves and high impact energy can be generated efficiently.

処理条件は、使用する処理装置に応じて適宜設定できる。例えば、ボールミルを使用する場合、回転速度が大きいほど及び/又は処理時間が長いほど、原料を均一に混合・反応できる。なお、「及び/又は」は、A及び/又はBで表現すると、A、B又は、A及びBを意味する。具体的には、遊星型ボールミルを使用する場合、50〜600回転/分の回転速度、0.1〜50時間の処理時間、1〜100kWh/原料混合物1kgの条件が挙げられる。より好ましい処理条件としては、200〜500回転/分の回転速度、1〜20時間の処理時間、6〜50kWh/原料混合物1kgが挙げられる。   The processing conditions can be appropriately set according to the processing apparatus to be used. For example, when a ball mill is used, the raw materials can be mixed and reacted more uniformly as the rotational speed is higher and / or the treatment time is longer. Note that “and / or” means A, B, or A and B when expressed as A and / or B. Specifically, when a planetary ball mill is used, conditions of a rotation speed of 50 to 600 revolutions / minute, a treatment time of 0.1 to 50 hours, and 1 kg of raw material mixture of 1 to 100 kWh are exemplified. More preferable processing conditions include a rotation speed of 200 to 500 rotations / minute, a processing time of 1 to 20 hours, and 1 to 6 kg of a raw material mixture.

(2)工程(ii)
上記工程(i)で得られたガラスを、熱処理に付すことで、イオン伝導性ガラスセラミックスに変換する。この熱処理は、ガラスのガラス転移点以上の温度で行われる。
ガラス転移点(Tg)は、Na2SとMxyの割合によって相違するが、例えば、Na2S−P25の場合、180〜200℃の範囲にある。また第一結晶化温度(Tc)は190〜240℃の範囲にある。熱処理温度の上限は、特に限定されないが、通常、第一結晶化温度+100℃である。
熱処理時間は、ガラスをイオン伝導性ガラスセラミックスに変換し得る時間であり、熱処理温度が高いと短く、低いと長くなる。熱処理時間は、通常、0.1〜10時間の範囲である。
(2) Step (ii)
The glass obtained in the above step (i) is subjected to a heat treatment to be converted into ion conductive glass ceramics. This heat treatment is performed at a temperature equal to or higher than the glass transition point of the glass.
The glass transition point (T g ) varies depending on the ratio of Na 2 S and M x S y , but is, for example, in the range of 180 to 200 ° C. in the case of Na 2 S—P 2 S 5 . The first crystallization temperature (T c ) is in the range of 190 to 240 ° C. Although the upper limit of heat processing temperature is not specifically limited, Usually, it is 1st crystallization temperature +100 degreeC.
The heat treatment time is a time during which glass can be converted into ion conductive glass ceramics, and is short when the heat treatment temperature is high and long when the heat treatment temperature is low. The heat treatment time is usually in the range of 0.1 to 10 hours.

(イオン伝導性ガラスセラミックスの用途)
イオン伝導性ガラスセラミックスは、イオン伝導性が求められる用途であれば、いずれの用途にも使用できる。例えば、全固体二次電池及び全固体キャパシタの固体電解質層、センサーの導電層等が挙げられる。この内、全固体二次電池の固体電解質層に使用することが好ましい。
全固体二次電池は、特に限定されないが、通常、正極、負極、及び正極と負極間に位置する固体電解質層とを少なくとも備えている。
(Use of ion conductive glass ceramics)
Ion conductive glass ceramics can be used for any application as long as ion conductivity is required. For example, the solid electrolyte layer of an all-solid-state secondary battery and an all-solid capacitor, the conductive layer of a sensor, etc. are mentioned. Among these, it is preferable to use for the solid electrolyte layer of an all-solid-state secondary battery.
The all solid state secondary battery is not particularly limited, but usually includes at least a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer located between the positive electrode and the negative electrode.

(1)固体電解質層
固体電解質層には、上記イオン伝導性ガラスセラミックス(Na2S−Mxy)が含まれる。上記イオン伝導性ガラスセラミックス以外に、全固体二次電池に通常使用される電解質(例えば、NaI、Na3PO4等)が含まれていてもよい。なお、固体電解質層中、上記イオン伝導性ガラスセラミックスが占める割合は、90重量%以上であることが好ましく、全量であることがより好ましい。固体電解質層の厚さは、1〜1000μmであることが好ましく、1〜200μmであることがより好ましい。固体電解質層は、例えば、その原料をプレスすることで、ペレット状として得ることができる。
(1) Solid electrolyte layer The solid electrolyte layer contains the ion conductive glass ceramics (Na 2 S-M x S y ). In addition to the ion conductive glass ceramic, an electrolyte (for example, NaI, Na 3 PO 4 or the like) that is usually used in an all-solid secondary battery may be included. The proportion of the ion conductive glass ceramics in the solid electrolyte layer is preferably 90% by weight or more, and more preferably the total amount. The thickness of the solid electrolyte layer is preferably 1 to 1000 μm, and more preferably 1 to 200 μm. The solid electrolyte layer can be obtained as a pellet by pressing the raw material, for example.

(2)正極
正極は、特に限定されない。負極は、負極活物質のみからなっていてもよく、結着剤、導電剤、電解質等と混合されていてもよい。
正極活物質としては、Na0.44MnO2、NaNi0.5Mn0.52、FeS、TiS2、NaCoO2、NaFeO2、Na32(PO4)3、NaMn24等の種々の遷移金属化合物等が挙げられる。
結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン等が挙げられる。
導電剤としては、天然黒鉛、人工黒鉛、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、デンカブラック、カーボンブラック、気相成長カーボンファィバ(VGCF)等が挙げられる。
電解質としては、固体電解質層に使用される電解質が挙げられる。
正極は、例えば、正極活物質及び、任意に結着剤、導電剤、電解質等を混合し、得られた混合物をプレスすることで、ペレット状として得ることができる。
正極は、アルミニウム又は銅等の集電体の上に形成されていてもよい。
(2) Positive electrode A positive electrode is not specifically limited. The negative electrode may be composed of only the negative electrode active material, and may be mixed with a binder, a conductive agent, an electrolyte, and the like.
As the positive electrode active material, various transition metal compounds such as Na 0.44 MnO 2 , NaNi 0.5 Mn 0.5 O 2 , FeS, TiS 2 , NaCoO 2 , NaFeO 2 , Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 , NaMn 2 O 4 Etc.
Examples of the binder include polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate, polymethyl methacrylate, and polyethylene.
Examples of the conductive agent include natural graphite, artificial graphite, acetylene black, ketjen black, Denka black, carbon black, vapor grown carbon fiber (VGCF) and the like.
Examples of the electrolyte include an electrolyte used for a solid electrolyte layer.
The positive electrode can be obtained as a pellet by, for example, mixing a positive electrode active material and optionally a binder, a conductive agent, an electrolyte, and the like, and pressing the obtained mixture.
The positive electrode may be formed on a current collector such as aluminum or copper.

(3)負極
負極は、特に限定されない。負極は、負極活物質のみからなっていてもよく、結着剤、導電剤、電解質等と混合されていてもよい。
負極活物質としては、Na、In、Sn等の金属、Na合金、グラファイト、ハードカーボン、Li4/3Ti5/34、Na32(PO4)3、SnO等の種々の遷移金属酸化物等が挙げられる。
結着剤、導電剤及び電解質は、上記正極の欄で挙げた物をいずれも使用できる。
負極は、例えば、負極活物質及び、任意に結着剤、導電剤、電解質等を混合し、得られた混合物をプレスすることで、ペレット状として得ることができる。また、負極活物質として金属又はその合金からなる金属シート(箔)を使用する場合、をそのまま使用可能である。
負極は、アルミニウム又は銅等の集電体の上に形成されていてもよい。
(3) Negative electrode A negative electrode is not specifically limited. The negative electrode may be composed of only the negative electrode active material, and may be mixed with a binder, a conductive agent, an electrolyte, and the like.
As the negative electrode active material, various transitions such as metals such as Na, In, Sn, Na alloys, graphite, hard carbon, Li 4/3 Ti 5/3 O 4 , Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 , SnO, etc. A metal oxide etc. are mentioned.
As the binder, the conductive agent, and the electrolyte, any of those mentioned in the column of the positive electrode can be used.
The negative electrode can be obtained in the form of pellets by, for example, mixing a negative electrode active material and optionally a binder, a conductive agent, an electrolyte, and the like, and pressing the obtained mixture. Moreover, when using the metal sheet (foil) which consists of a metal or its alloy as a negative electrode active material, can be used as it is.
The negative electrode may be formed on a current collector such as aluminum or copper.

(4)全固体二次電池の製造法
全固体二次電池は、例えば、正極と、電解質層と、負極とを積層し、プレスすることにより得ることができる。
(4) Manufacturing method of all-solid-state secondary battery An all-solid-state secondary battery can be obtained by, for example, laminating and pressing a positive electrode, an electrolyte layer, and a negative electrode.

以下、実施例によって本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらによりなんら制限されるものではない。
実施例1
工程(i):メカニカルミリング処理
Na2S(アルドリッチ社製純度99%)及びP25(アルドリッチ社製純度99%)を67:33、70:30、75:25及び80:20のモル比でそれぞれ遊星型ボールミルに投入した。投入後、メカニカルミリング処理することで、67Na2S−33P25、70Na2S−30P25、75Na2S−25P25及び80Na2S−20P25を得た。
遊星型ボールミルは、Fritsch社製Pulverisette P−7を使用し、ポット及びボールはZrO2製であり、45mlのポット内に直径4mmのボールが500個入っているミルを使用した。メカニカルミリング処理は、510rpmの回転速度、室温、乾燥窒素グローブボックス内で20時間行った。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
Example 1
Step (i): Mechanical milling treatment Na 2 S (purity 99%, manufactured by Aldrich) and P 2 S 5 (purity 99%, manufactured by Aldrich) were added at 67:33, 70:30, 75:25 and 80:20 moles. Each was put into a planetary ball mill. After the addition, 67Na 2 S-33P 2 S 5 , 70Na 2 S-30P 2 S 5 , 75Na 2 S-25P 2 S 5 and 80Na 2 S-20P 2 S 5 were obtained by mechanical milling.
As the planetary ball mill, Pulverisette P-7 manufactured by Fritsch was used, and the pot and balls were made of ZrO 2 , and a mill containing 500 balls of 4 mm in diameter in a 45 ml pot was used. The mechanical milling process was performed for 20 hours in a dry nitrogen glove box at a rotation speed of 510 rpm, room temperature.

なお、上記製造法は、Akitoshi Hayashi et al., Journal of Non−Crystalline Solids 356 (2010) 2670−2673のExperimentalの記載に準じている。
上記4種のNa2S−P2580mgをプレス(圧力370MPa/cm2)することで直径10mm、厚さ約1mmのペレットを得た。
The above production method is described in Akito Hayashi et al. , Journal of Non-Crystalline Solids 356 (2010) 2670-2673.
The above four kinds of Na 2 S—P 2 S 5 80 mg were pressed (pressure 370 MPa / cm 2 ) to obtain pellets having a diameter of 10 mm and a thickness of about 1 mm.

得られたガラス粉末のXRDパターンを図1に、DTA曲線を図2に、ラマンスペクトルを図3に、図3の要部拡大図を図4に、31PMAS−NMRを図5にそれぞれ示す。
図1から、67Na2S−33P25、70Na2S−30P25及び75Na2S−25P25では、アモルファス材料が得られたことが示されており、80Na2S−20P25では、アモルファスに加えて一部Na2Sが残存していることが示されている。
図2から、67Na2S−33P25、70Na2S−30P25、75Na2S−25P25及び80Na2S−20P25全てにおいてガラス転移点が確認されており、これらアモルファス材料がガラス状態であることが判る。なお、ガラス転移点は180〜200℃の間である。
FIG. 1 shows an XRD pattern of the obtained glass powder, FIG. 2 shows a DTA curve, FIG. 3 shows a Raman spectrum, FIG. 4 shows an enlarged view of a main part of FIG. 3, and FIG. 5 shows 31 PMAS-NMR.
From FIG. 1, it is shown that 67Na 2 S-33P 2 S 5 , 70Na 2 S-30P 2 S 5 and 75Na 2 S-25P 2 S 5 obtained an amorphous material, and 80Na 2 S-20P. 2 S 5 indicates that some Na 2 S remains in addition to amorphous.
From FIG. 2, glass transition points were confirmed in all of 67Na 2 S-33P 2 S 5 , 70Na 2 S-30P 2 S 5 , 75Na 2 S-25P 2 S 5 and 80Na 2 S-20P 2 S 5 , It can be seen that these amorphous materials are in a glass state. In addition, a glass transition point is between 180-200 degreeC.

図3及び4から、67Na2S−33P25では、P27 4-に由来するピークが主として見られる。70Na2S−30P25では、Na2Sの割合の増加につれて、P27 4-に由来するピークが減少し、そのピークに代わって、PS4 3-に由来するピークが増加し、75Na2S−25P25及び80Na2S−20P25では、PS4 3-に由来するピークが主として見られることが示されている。なお、図3及び4の図中のピークの帰属が、PS4 3-、P27 4-及びP26 4-にそれぞれ由来していることは、Na2S−P25の系でのデータが入手できなかったため、Li2S−P25の系でのデータから類推している。具体的には、PS4 3-が419cm-1、P27 4-が406cm-1、P26 4-が382cm-1であるとしている。
図5においても、図3及び4と同様の傾向が見られる。
3 and 4, 67Na 2 S-33P 2 S 5 mainly shows a peak derived from P 2 S 7 4- . In 70Na 2 S-30P 2 S 5 , as the proportion of Na 2 S increases, the peak derived from P 2 S 7 4- decreases, and the peak derived from PS 4 3- increases instead of the peak. 75Na 2 S-25P 2 S 5 and 80Na 2 S-20P 2 S 5 , it is shown that a peak derived from PS 4 3− is mainly observed. 3 and 4 are attributed to PS 4 3− , P 2 S 7 4−, and P 2 S 6 4− , respectively, that Na 2 S—P 2 S 5 Since the data in the system of ( 2) could not be obtained, it is inferred from the data in the system of Li 2 S—P 2 S 5 . Specifically, PS 4 3- is 419cm -1, P 2 S 7 4- is 406cm -1, is set to P 2 S 6 4- is 382cm -1.
In FIG. 5, the same tendency as in FIGS. 3 and 4 is observed.

工程(ii):熱処理
上記4種のガラスからなるペレットを、室温(25℃)から結晶化温度以上の280℃に向かって加熱し、ガラスをガラスセラミックス化した。更に、280℃に達してから、室温に向かってガラスセラミックスのペレットを冷却した。この加熱及び冷却サイクル中、約15℃毎に、ペレットの導電率を測定した。測定結果を図6(a)〜(d)に示す。図中、黒丸はガラスセラミックスを、白丸はガラスを意味する。
Step (ii): Heat treatment The pellets composed of the above four types of glass were heated from room temperature (25 ° C.) toward 280 ° C., which is equal to or higher than the crystallization temperature, to convert the glass into glass ceramics. Further, after reaching 280 ° C., the glass ceramic pellets were cooled toward room temperature. During this heating and cooling cycle, the conductivity of the pellet was measured about every 15 ° C. The measurement results are shown in FIGS. In the figure, black circles indicate glass ceramics, and white circles indicate glass.

図6(a)から、67Na2S−33P25では、ガラス状態とガラスセラミックス状態での導電率に差が殆どないことが示されている。図6(b)〜(d)から、70Na2S−30P25、75Na2S−25P25及び80Na2S−20P25では、ガラス状態とガラスセラミックス状態での導電率に差が生じていることが示されている。特に、前2者の場合、ガラスセラミックス状態の方が、ガラス状態より高い導電率を示している。
また、ガラスとガラスセラミックスのペレットの伝導の活性化エネルギー(Ea)を測定した結果を、室温での導電率の値と合わせて表1に示す。表1中、Gはガラス、GCはガラスセラミックスを意味する。また、表1の結果を、図7にまとめて示す。図7中、黒丸及び黒三角はガラスセラミックスを、白丸及び白三角はガラスを意味する。
FIG. 6A shows that 67Na 2 S-33P 2 S 5 has almost no difference in electrical conductivity between the glass state and the glass ceramic state. 6 (b) to (d), 70Na 2 S-30P 2 S 5 , 75Na 2 S-25P 2 S 5 and 80Na 2 S-20P 2 S 5 show the conductivity in the glass state and the glass ceramic state. It is shown that there is a difference. In particular, in the former two cases, the glass ceramic state shows higher conductivity than the glass state.
The results of measuring the activation energy (Ea) of the conduction between the glass and glass ceramic pellets are shown in Table 1 together with the conductivity values at room temperature. In Table 1, G means glass and GC means glass ceramics. Moreover, the result of Table 1 is put together in FIG. In FIG. 7, black circles and black triangles indicate glass ceramics, and white circles and white triangles indicate glass.

Figure 2012121789
Figure 2012121789

図7及び表1から、導電率及び伝導の活性化エネルギーが、ガラス状態とガラスセラミックス状態とで差を生じていることが判る。
熱処理後の67Na2S−33P25、70Na2S−30P25、75Na2S−25P25及び80Na2S−20P25のXRDパターンを図8に、31PMAS−NMRを図9にそれぞれ示す。図8には、下記文献Aに掲載されているNa3PS4結晶(正方晶)のXRDパターンも示す。
文献A:M.Jansen et al., Journal of Solid State Chemistry, 92(1992)110.
From FIG. 7 and Table 1, it can be seen that there is a difference in the conductivity and the activation energy of conduction between the glass state and the glass ceramic state.
The XRD pattern of 67Na 2 S-33P 2 S 5 , 70Na 2 S-30P 2 S 5, 75Na 2 S-25P 2 S 5 and 80Na 2 S-20P 2 S 5 after the heat treatment in FIG. 8, 31 PMAS-NMR Are shown in FIG. FIG. 8 also shows an XRD pattern of a Na 3 PS 4 crystal (tetragonal crystal) published in Document A below.
Reference A: M. Jansen et al. , Journal of Solid State Chemistry, 92 (1992) 110.

図8から、図1と比較して、結晶構造に由来するピークが存在していることから、4種のNa2S−P25が、ガラスセラミック状態であることがわかる。また、図8から、80Na2S−20P25では、Na3PS4結晶と同様のピークパターンであるが、Na2Sのモル%が小さくなるに従って、Na3PS4結晶と異なるパターンの存在が観測されるため、Na3PS4結晶とは異なる結晶の析出が考えられる。特に75Na2S−25P25では、正方晶Na3PS4のパターンに類似する2θ位置にパターンを示すが、ピークの分裂が見られないことから立方晶Na3PS4が存在していると考えられる。また67Na2S−33P25では、結晶の同定ができず、未知の結晶の析出が考えられる。また70Na2S−30P25では、67Na2S−33P25と75Na2S−25P25のパターンを足し合わせたパターンとなっていることがわかる。 From FIG. 8, it can be seen that four types of Na 2 S—P 2 S 5 are in a glass-ceramic state because there are peaks derived from the crystal structure as compared with FIG. Further, from FIG. 8, the 80Na 2 S-20P 2 S 5 , is a similar peak pattern and Na 3 PS 4 crystal, according mol% of Na 2 S is decreased, the different patterns and Na 3 PS 4 crystal Since the presence is observed, precipitation of a crystal different from the Na 3 PS 4 crystal is considered. In particular 75Na 2 S-25P 2 S 5 , shows a pattern in 2θ position similar to the pattern of tetragonal Na 3 PS 4, there exists a cubic Na 3 PS 4 resulted in no splitting of peaks it is conceivable that. In addition, in 67Na 2 S-33P 2 S 5 , the crystal cannot be identified, and the precipitation of an unknown crystal is considered. It can also be seen that 70Na 2 S-30P 2 S 5 is a pattern obtained by adding the patterns of 67Na 2 S-33P 2 S 5 and 75Na 2 S-25P 2 S 5 .

図9から、75Na2S−25P25及び80Na2S−20P25では、PS4 3-に由来するピークが主として見られ、67Na2S−33P25では、P27 4-に由来するピークが主として見られる。70Na2S−30P25では、PS4 3-とP27 4-に由来するピークが両方見られる。 From FIG. 9, in 75Na 2 S-25P 2 S 5 and 80Na 2 S-20P 2 S 5 , a peak mainly derived from PS 4 3- is seen, and in 67Na 2 S-33P 2 S 5 , P 2 S 7 The peak derived from 4- is mainly seen. In 70Na 2 S-30P 2 S 5 , both peaks derived from PS 4 3- and P 2 S 7 4- are observed.

実施例2
正極活物質としてNa0.44MnO2を、電解質として実施例2の75Na2S−25P25からなるガラスセラミックス、導電剤としてアセチレンブラックを、40:60:6の重量比(全重量15.5mg)で秤量し、次いで混合し、プレスすることで正極を得た。
実施例2の75Na2S−25P25のガラスセラミックス70mgをプレスすることで固体電解質層を得た。
負極部分にはステンレススチールを用いた。より具体的には、初期充電時にステンレススチール上に金属ナトリウムを析出させることで負極とした。
正極、固体電解質層及び負極を積層し、プレスすることで、全固体二次電池を得た。得られた全固体二次電池は、十分な充放電特性を有していた。
Example 2
Na 0.44 MnO 2 as the positive electrode active material, the glass ceramic made of 75Na 2 S-25P 2 S 5 of Example 2 as the electrolyte, and acetylene black as the conductive agent in a weight ratio of 40: 60: 6 (total weight 15.5 mg ), And then mixed and pressed to obtain a positive electrode.
A solid electrolyte layer was obtained by pressing 70 mg of 75Na 2 S-25P 2 S 5 glass ceramic of Example 2.
Stainless steel was used for the negative electrode portion. More specifically, a negative electrode was obtained by precipitating metallic sodium on stainless steel during initial charging.
A positive electrode, a solid electrolyte layer, and a negative electrode were laminated and pressed to obtain an all-solid secondary battery. The obtained all solid state secondary battery had sufficient charge / discharge characteristics.

実施例3
75Na2S−25P25のガラスセラミックスのペレットを製造するに際して、対応するガラスの熱処理の温度を280℃から270℃にしたこと以外は、実施例1と同様にして、75Na2S−25P25のガラスセラミックスのペレットを得た。
また、典型的なナトリウムイオン伝導性固体電解質であるβ−アルミナ80mgをプレス(圧力370MPa/cm2)することで直径10mm、厚さ約1mmのペレットを得た。このペレットには、電解質用途の従来のβ−アルミナのペレットに付される1800℃以上での高温焼結を行っていない。
Example 3
In 75Na 2 S-25P 2 to produce pellets of a glass ceramics S 5, except that the temperature of the heat treatment of the corresponding glass from 280 ° C. to 270 ° C., in the same manner as in Example 1, 75Na 2 S-25P 2 to obtain a pellet of glass ceramics of S 5.
Further, 80 mg of β-alumina, which is a typical sodium ion conductive solid electrolyte, was pressed (pressure 370 MPa / cm 2 ) to obtain pellets having a diameter of 10 mm and a thickness of about 1 mm. This pellet is not subjected to high-temperature sintering at 1800 ° C. or higher which is applied to a conventional β-alumina pellet for use as an electrolyte.

得られた75Na2S−25P25のガラスセラミックスのペレットの室温(約25℃)での周波数に対するインピーダンスの絶対値|Z|を測定した。測定結果を図10に示す。また、図10には、ガラスセラミックスに変換前の75Na2S−25P25のガラスのペレットの室温でのインピーダンスの絶対値|Z|も示す。更に、図10には、β−アルミナのペレットの70℃及び120℃で加温時のインピーダンスの絶対値|Z|も示す。β−アルミナのペレットの室温でのインピーダンスの絶対値|Z|の測定を試みたが、インピーダンスが大きすぎて測定不能であり、図10にはプロットしていない。
なお、インピーダンスは、測定機器としてSolartron社製の品番1260を使用し、乾燥アルゴンガス中、0.1Hz〜8MHzの範囲内の周波数で測定された値である。
The resulting 75Na 2 S-25P 2 absolute value of the impedance for the frequency of the S glass ceramics 5 pellets at room temperature (about 25 ℃) | Z | were measured. The measurement results are shown in FIG. FIG. 10 also shows the absolute value | Z | of room temperature impedance of 75Na 2 S-25P 2 S 5 glass pellets before conversion into glass ceramics. Further, FIG. 10 also shows the absolute value | Z | of impedance when the β-alumina pellets are heated at 70 ° C. and 120 ° C. Attempts were made to measure the absolute value | Z | of the β-alumina pellet at room temperature, but the impedance was too large to be measured, and is not plotted in FIG.
The impedance is a value measured at a frequency in the range of 0.1 Hz to 8 MHz in dry argon gas using a Solartron product number 1260 as a measuring instrument.

図10から以下のことが分かる。
インピーダンスの絶対値|Z|は、大きいほど抵抗が高く(導電率が低く)、小さいほど抵抗が低い(導電率が高い)ことを意味している。また、一定のインピーダンスの絶対値|Z|を示す周波数の範囲では、周波数に対応するイオンの移動が生じているため、この範囲では、周波数が大きいほど、イオン伝導が速い、即ち導電率が高いことになる。具体的には、
(1)ガラスセラミックスのペレットは、全ての周波数において、他のどのペレットよりも抵抗が低いことが示されており、より導電率の高い電解質層を提供できる。
(2)ほぼ一定のインピーダンスの絶対値|Z|を示す周波数の領域が、ガラスセラミックのペレットは104〜107Hzの範囲内であり、β−アルミナ(70℃)及び(120℃)は0.1〜10Hzである。ガラスセラミックのペレットの方が、β−アルミナより、高い周波数でインピーダンスの絶対値|Z|が一定になるため、高い導電率を得られる。
(3)ほぼ一定のインピーダンスの絶対値|Z|を示す周波数の領域において、ガラスセラミックのペレットは103オーダの絶対値|Z|を示し、β−アルミナ(70℃)及び(120℃)は107〜109のオーダの絶対値|Z|を示す。つまり、ガラスセラミックのペレットは、β−アルミナより、104〜106低い絶対値|Z|を有しているため、高い導電率を得られる。
(4)β−アルミナのインピーダンスの絶対値|Z|は、室温におけるプレス成形体の方が、70℃及び120℃でのプレス成形体より極めて大きい。ガラスセラミックのペレットは、β−アルミナ(70℃)及び(120℃)より低い絶対値|Z|を有している。従って、室温でのプレスで高い導電率を得ることができる観点で、ガラスセラミックスの成形性の容易さは、プレス成形のみで作製する全固体二次電池用の固体電解質として極めて有利な点となる。
ことが分かる。
The following can be understood from FIG.
The larger the absolute value | Z | of the impedance, the higher the resistance (lower conductivity), and the smaller the impedance, the lower the resistance (high conductivity). In addition, in the frequency range where the absolute value | Z | of the constant impedance is shown, ion movement corresponding to the frequency occurs. In this range, the higher the frequency, the faster the ion conduction, that is, the higher the conductivity. It will be. In particular,
(1) Glass ceramic pellets are shown to have lower resistance than any other pellet at all frequencies, and can provide an electrolyte layer with higher conductivity.
(2) The frequency region showing the absolute value | Z | of almost constant impedance is within the range of 10 4 to 10 7 Hz for the glass ceramic pellets, and β-alumina (70 ° C.) and (120 ° C.) are 0.1 to 10 Hz. Since the absolute value | Z | of the impedance of the glass ceramic pellet is constant at a higher frequency than β-alumina, high conductivity can be obtained.
(3) In the frequency region where the absolute value | Z | of the substantially constant impedance is shown, the glass ceramic pellets show an absolute value | Z | on the order of 10 3 , and β-alumina (70 ° C.) and (120 ° C.) are The absolute value | Z | on the order of 10 7 to 10 9 is shown. That is, since the glass ceramic pellet has an absolute value | Z | lower by 10 4 to 10 6 than β-alumina, high electrical conductivity can be obtained.
(4) The absolute value | Z | of the impedance of β-alumina is much larger in the press-molded body at room temperature than in the press-molded body at 70 ° C and 120 ° C. The glass ceramic pellets have absolute values | Z | lower than β-alumina (70 ° C.) and (120 ° C.). Therefore, from the viewpoint that high electrical conductivity can be obtained by pressing at room temperature, the ease of moldability of glass ceramics is extremely advantageous as a solid electrolyte for an all-solid-state secondary battery produced only by press molding. .
I understand that.

実施例4
実施例3で得た75Na2S−25P25のガラスセラミックスのペレット及び75Na2S−25P25のガラスペレットの温度に対する導電率の変化を図11に示す。図11中、黒丸はガラスセラミックスの、白丸はガラスの測定結果である。
更に、図11に、β−アルミナ(焼結体)、Na3Zr2Si2PO12(NASICON)(焼結体)、60Na2S−40(0.9GeS2・0.1Ga23)のガラス、Na3PS4結晶(正方晶)、50Na2S−50SiS2のガラス、60Na2S−40GeS2のガラス及び50Na2S−50P25のガラスのペレットの温度に対する導電率の変化の測定結果も示す。
Example 4
FIG. 11 shows changes in conductivity with respect to the temperatures of the 75Na 2 S-25P 2 S 5 glass ceramic pellets and 75Na 2 S-25P 2 S 5 glass pellets obtained in Example 3. In FIG. 11, black circles are measurement results for glass ceramics, and white circles are measurement results for glass.
Further, FIG. 11 shows β-alumina (sintered body), Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 (NASICON) (sintered body), 60Na 2 S-40 (0.9 GeS 2 .0.1Ga 2 S 3 ). In conductivity of glass, Na 3 PS 4 crystal (tetragonal), 50Na 2 S-50SiS 2 glass, 60Na 2 S-40GeS 2 glass and 50Na 2 S-50P 2 S 5 glass pellet The measurement results are also shown.

β−アルミナ(1800℃で焼成して得られた焼結体)のペレットは、J.Phys.D:Appl.Phys.、10、1487−1496(1977)に記載された方法で得られたものである。
Na3Zr2Si2PO12(NASICON)(焼結体)のペレットは、Solid State Ionics、122、127−136(1999)に記載された方法で得られたものである。
60Na2S−40(0.9GeS2・0.1Ga23)のガラスは、Solid State Ionics、178、1777−1784(2008)に記載された方法で得られたものである。
Na3PS4結晶(正方晶)は、M.Jansen et al., Journal of Solid State Chemistry, 92(1992)110.に記載された方法で得られたものである。
50Na2S−50SiS2のガラス及び60Na2S−40GeS2のガラス及び50Na2S−50P25のガラスはJ.Non−Cryst.Solids、38&39、271−276(1980)に記載された方法で得られたものである。
The pellet of β-alumina (sintered body obtained by firing at 1800 ° C.) Phys. D: Appl. Phys. 10, 1487-1496 (1977).
The pellets of Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 (NASICON) (sintered body) were obtained by the method described in Solid State Ionics, 122, 127-136 (1999).
The glass of 60Na 2 S-40 (0.9GeS 2 .0.1Ga 2 S 3 ) is obtained by the method described in Solid State Ionics, 178, 1777-1784 (2008).
Na 3 PS 4 crystals (tetragonal crystals) Jansen et al. , Journal of Solid State Chemistry, 92 (1992) 110. It was obtained by the method described in 1.
Glass of 50Na 2 S-50SiS 2 and glass of 60Na 2 S-40GeS 2 and glass of 50Na 2 S-50P 2 S 5 are described in J. Org. Non-Cryst. Solids, 38 & 39, 271-276 (1980).

図11から以下のことが分かる。
75Na2S−25P25のガラスセラミックスのペレットは、75Na2S−25P25のガラス、60Na2S−40(0.9GeS2・0.1Ga23)のガラス、Na3PS4結晶(正方晶)、50Na2S−50SiS2のガラス、60Na2S−40GeS2のガラス及び50Na2S−50P25のガラスのペレットよりも高い導電率を有していることが分かる。
例えば、75Na2S−25P25のガラスセラミックスのペレットは、室温(25℃)で2×10-4Scm-1の導電率を有し、27kJmol-1の伝導の活性化エネルギーを有している。75Na2S−25P25のガラスのペレットは、室温で6×10-6Scm-1の導電率を有し、47kJmol-1の活性化エネルギーを有している。Na3PS4結晶(正方晶)は、室温で1×10-6Scm-1の導電率を有している。
The following can be seen from FIG.
75Na 2 S-25P 2 S 5 glass ceramic pellets are 75Na 2 S-25P 2 S 5 glass, 60Na 2 S-40 (0.9 GeS 2 .0.1Ga 2 S 3 ) glass, Na 3 PS. It has a higher conductivity than 4 crystal (tetragonal), 50Na 2 S-50SiS 2 glass, 60Na 2 S-40GeS 2 glass and 50Na 2 S-50P 2 S 5 glass pellets. .
For example, pellets of the glass ceramics of 75Na 2 S-25P 2 S 5 has a conductivity of 2 × 10 -4 Scm -1 at room temperature (25 ° C.), having an activation energy of conduction 27KJmol -1 ing. Glass pellets 75Na 2 S-25P 2 S 5 has a conductivity of 6 × 10 -6 Scm -1 at room temperature, and has an activation energy of 47kJmol -1. Na 3 PS 4 crystal (tetragonal crystal) has a conductivity of 1 × 10 −6 Scm −1 at room temperature.

Na3Zr2Si2PO12(NASICON)焼結体は、75Na2S−25P25のガラスセラミックスのペレットと同等の、β−アルミナ焼結体は、75Na2S−25P25のガラスセラミックスのペレットより高い導電率(10-3Scm-1)を示している。しかし、β−アルミナ(焼結体)及びNa3Zr2Si2PO12(NASICON)(焼結体)のペレットは、その製造に、1000℃以上の高温焼結が必要であり、環境負荷が大きく、製造コストが高くつく。また、高温処理により、焼結体が脆くなり、充放電の繰り返し可能数が低下する。更に、高温処理が必要なため、電極と電解質層とを一体形成できず、電解質層単独では高い導電率が得られるものの、電極と電解質層との一体での導電率は低下することになる。 The Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 (NASICON) sintered body is equivalent to 75Na 2 S-25P 2 S 5 glass ceramic pellets, and the β-alumina sintered body is 75Na 2 S-25P 2 S 5 . The conductivity (10 −3 Scm −1 ) is higher than that of glass ceramic pellets. However, pellets of β-alumina (sintered body) and Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 (NASICON) (sintered body) need to be sintered at a high temperature of 1000 ° C. or higher, and have an environmental impact. Large and expensive to manufacture. Further, the sintered body becomes brittle due to the high-temperature treatment, and the number of charge / discharge repetitions is reduced. Furthermore, since high temperature treatment is required, the electrode and the electrolyte layer cannot be integrally formed, and the high conductivity can be obtained by the electrolyte layer alone, but the conductivity of the electrode and the electrolyte layer as a whole is lowered.

Claims (5)

一般式(I):Na2S−Mxy(MはP、Si、Ge、B、Alから選択され、x及びyは、Mの種類に応じて、化学量論比を与える整数であり、Na2Sが67モル%より大きく、80モル%未満含まれる)で示されるイオン伝導性ガラスセラミックス。 General formula (I): Na 2 S- M x S y (M is P, Si, Ge, B, is selected from Al, x and y, depending on the type of M, an integer that gives the stoichiometric ratio An ion-conducting glass ceramic represented by Na 2 S greater than 67 mol% and less than 80 mol%. 前記Na2S−Mxyが、Na2S−P25である請求項1に記載のイオン伝導性ガラスセラミックス。 The ion conductive glass ceramic according to claim 1, wherein the Na 2 S—M x S y is Na 2 S—P 2 S 5 . 請求項1又は2に記載のイオン伝導性ガラスセラミックスの製造方法であって、
前記一般式(I):Na2S−Mxyを与えるNa2SとMxyとを所定割合で含む原料混合物をメカニカルミリング処理に付してガラスを得る工程と、前記ガラスをそのガラス転移点以上の温度で熱処理することでイオン伝導性ガラスセラミックスに変換する工程とを含むことを特徴とするイオン伝導性ガラスセラミックスの製造方法。
It is a manufacturing method of the ion conductive glass ceramics according to claim 1 or 2,
Formula (I): a step of obtaining a glass denoted by the raw material mixture containing Na 2 S-M x S give y Na 2 S and M x S y in predetermined proportions to the mechanical milling process, the glass A method of converting to ion conductive glass ceramics by heat treatment at a temperature equal to or higher than the glass transition point.
前記メカニカルミリング処理が、遊星型ボールミルを用いて、50〜600回転/分、0.1〜50時間、1〜100kWh/原料混合物1kgの条件下で行われる請求項3に記載のイオン伝導性ガラスセラミックスの製造方法。   The ion-conductive glass according to claim 3, wherein the mechanical milling treatment is performed using a planetary ball mill under conditions of 50 to 600 rotations / minute, 0.1 to 50 hours, and 1 to 100 kWh / kg of a raw material mixture. Manufacturing method of ceramics. 正極、負極、及び前記正極と前記負極間に位置する固体電解質層とを少なくとも備え、前記固体電解質層が、請求項1又は2に記載のイオン伝導性ガラスセラミックスを含むことを特徴とする全固体二次電池。   An all-solid material comprising at least a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer positioned between the positive electrode and the negative electrode, wherein the solid electrolyte layer includes the ion-conductive glass ceramic according to claim 1. Secondary battery.
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