JP2013219017A - 固体電解質セラミックス材料のイオン伝導率を回復させる方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】酸化物合成粉末の合成直後又は前記酸化物焼結体の焼結直後におけるイオン伝導率よりもイオン伝導率が低下したセラミックス材料を、不活性ガス雰囲気、酸素雰囲気及び減圧雰囲気から選択される少なくとも一種の雰囲気下において、酸素雰囲気下及び減圧雰囲気下のいずれかにおいて、650℃以上の温度域で熱処理する。
【選択図】図4
Description
前記酸化物合成粉末の合成直後又は前記酸化物焼結体の焼結直後におけるイオン伝導率よりもイオン伝導率が低下した前記セラミックス材料を、不活性ガス雰囲気、酸素雰囲気及び減圧雰囲気から選択される少なくとも一種の雰囲気下において、650℃以上の温度域で熱処理し、それによりイオン伝導率を回復させることを含む、イオン伝導率回復方法が提供される。
本発明による方法は、リチウムイオン伝導性を有する固体電解質セラミックス材料のイオン伝導率を回復させる方法である。このセラミックス材料は、少なくともLi、La、Zr及びOで構成されるガーネット型又はガーネット型類似の結晶構造を有する酸化物合成粉末又は酸化物焼結体である。したがって、このセラミック材料はガーネット型又はガーネット型類似のLLZ系固体電解質セラミックス材料であるということができるが、Li、La、Zr及びO以外の他の元素を結晶格子又はそれ以外の部分(例えば粒界)に含むものであってよい。そして、前述のとおり、このような材料を大気中に放置しておくと、合成又は焼結直後よりもイオン伝導率が低下してしまい、この材料の本来有する優れた固体電解質性能を最大限に発揮できなくなくなるという問題がある。
本発明のイオン伝導率回復方法が適用可能なセラミックス材料は、少なくともLi、La、Zr及びOで構成されるガーネット型又はガーネット型類似の結晶構造を有する酸化物合成粉末又は酸化物焼結体である。したがって、このセラミック材料はガーネット型又はガーネット型類似のLLZ系固体電解質セラミックス材料であるということができるが、Li、La、Zr及びO以外の他の元素を結晶格子又はそれ以外の部分(例えば粒界)に含むものであってよい。このような固体電解質セラミックス材料はリチウムイオン伝導性を有する。LLZ結晶構造の特徴としては、同じガーネット型結晶構造を有する材料の一例として、CSD(Cambridge Structural Database)のX線回折ファイルNo.422259(Li7La3Zr2O12)に類似のXRDパターンを有する点が挙げられる。なお、No.422259と比較すると構成元素が異なり、またセラミックス中のLi濃度などが異なる可能性があるため、回折角度や回折強度比が異なる場合もある。
焼成用原料調製のための各原料成分として、水酸化リチウム(関東化学株式会社)、水酸化ランタン(信越化学工業株式会社)、酸化ジルコニウム(東ソー株式会社)、酸化タンタルを用意した。これらの粉末を LiOH:La(OH)3:ZrO2:Ta2O5=7:3:1.625:0.1875になるように秤量及び配合し、ライカイ機にて混合して焼成用原料を得た。
ペレットのX線回折測定を行ったところ、図1及び2に示されるスペクトルが得られた(図中の「焼結体焼成直後」を参照)。また、ペレットの重量を測定した後、マイクロメーターを用いてペレットの直径を数箇所測定して平均値を算出した後、同様にペレットの厚みを測定してペレットの体積を算出し、密度を算出した。その結果、焼成したペレットの密度は5.02g/cm3であった。
ペレットのLi及びLa含有量を把握するため化学分析を行った。この分析は誘導結合プラズマ発光分析(ICP分析)により行った。その結果、焼成したペレットの組成は、Li:5.51wt%、La:50.37wt%、Li/Laモル比:2.19であった。
焼成したペレットにAuスパッタを施し、更に110℃以上で5時間以上真空乾燥させ、そのままAr雰囲気のグローブボックス内に導入し、CR2032コインセルに組み込んだ。本コインセルを大気中に取り出し、ソーラトロン社製電気化学測定システム(ポテンショ/ガルバノスタッド,周波数応答アナライザ)を用い、周波数1MHz〜0.1Hz、電圧10mVにて交流インピーダンス測定を行い、リチウムイオン伝導率を算出した。その結果、焼成したペレットのリチウムイオン伝導率は0.7mS/cmであった。
例1で得られたAr雰囲気焼成のペレットを大気中に、以下の表1に示される時間にて放置した後、交流インピーダンス測定を行い、リチウムイオン伝導率を算出した。交流インピーダンスの測定は、ソーラートロン社製の1287型ポテンショ/ガルバノスタットと1255B型周波数応答アナライザとを組み合せて用いることにより行った。その際、測定周波数は1MHzから0.1Hzまでとし、測定信号電圧10mVとした。得られた結果は、以下の表1及び図3に示されるとおりであり、大気放置時間が長いほど伝導率が低下する傾向にあることが分かる。
例1で得られたAr雰囲気焼成のペレットをアルゴン雰囲気下で以下の表2〜3に示される温度及び時間で、又は酸素雰囲気下で以下の表4に示される温度及び時間で熱処理した後、交流インピーダンス測定を行い、リチウムイオン伝導率を算出した。交流インピーダンスの測定は、ソーラートロン社製の1287型ポテンショ/ガルバノスタット(商品名)と1255B型周波数応答アナライザ(商品名)を組合せて使用することにより行った。その際、測定周波数は1MHzから0.1Hzまでとし、測定信号電圧10mVとした。得られた結果は、以下の表2、表3、図4及び図5に示されるとおりであり、ある程度高い温度で熱処理を行うことで伝導率が回復することが分かる。
例2に従い72時間大気放置したガーネット型セラミックス粉末について、示唆熱熱重量同時測定装置(TG/DTA)装置(Rigaku社製、製品名Thermo Plus2 TG8120)を用いてアルゴン雰囲気下で熱重量測定(TG)を行ったところ、図6に示される結果が得られた。同図に示される重量変化から、680℃を超えたところで重量減少が収束し、680℃以上の温度域では少なくとも983℃までの間は重量変化がほとんど無いことが分かる。983℃を超える温度域に重量減少が見受けられるが、これはリチウムの蒸散によるものと考えられる。また、ヘリウム、窒素、及び減圧雰囲気(6Pa)下においても同様の熱重量測定(TG)を行ったところ、それぞれ図7、8、及び9に示される結果が得られ、700℃を超えたところで重量減少が収束し、少なくとも800℃まで重量変化がほとんど無いことが分かった。これらの重量変化は、大気放置により大気中の水分や炭酸ガス等が吸着ないし反応して重量増を招いていたことに起因するものと考えられる。そして、これらの吸着/反応物が異相等を生成することが高抵抗の要因となっていたものと考えられる。すなわち、これらの重量増要因が本発明の熱処理によって除去された結果、伝導率が回復したものと考えられる。図6〜9に示される結果から、重量増要因を除去するのに適する熱処理温度は少なくとも680℃以上(あるいは700℃以上)であることが示唆される。また、これらの結果から、熱処理後の降温を上記同様の所定雰囲気下で行うことで大気中の水分や炭酸ガス等の吸着をも防止できるものと理解される。
Claims (15)
- リチウムイオン伝導性を有する固体電解質セラミックス材料のイオン伝導率を回復させる方法であって、該セラミックス材料が、少なくともLi、La、Zr及びOで構成されるガーネット型又はガーネット型類似の結晶構造を有する酸化物合成粉末又は酸化物焼結体であって、
前記酸化物合成粉末の合成直後又は前記酸化物焼結体の焼結直後におけるイオン伝導率よりもイオン伝導率が低下した前記セラミックス材料を、不活性ガス雰囲気、酸素雰囲気及び減圧雰囲気から選択される少なくとも一種の雰囲気下において、650℃以上の温度域で熱処理し、それによりイオン伝導率を回復させることを含む、イオン伝導率回復方法。 - 前記熱処理が、680℃以上の温度域で10分以上保持することを含む、請求項1に記載のイオン伝導率回復方法。
- 前記熱処理が、800℃以上で行われる、請求項1に記載のイオン伝導率回復方法。
- 前記熱処理が、800℃以上の温度域で10分以上保持することを含む、請求項3に記載のイオン伝導率回復方法。
- 前記熱処理が、前記合成又は前記焼結時における最高到達温度よりも低い温度域で行われる、請求項1〜4のいずれか一項に記載のイオン伝導率回復方法。
- 前記熱処理が前記不活性ガス雰囲気下で行われ、前記不活性ガス雰囲気が、アルゴンガス、窒素ガス及びヘリウムガスから選択される少なくとも一種の雰囲気である、請求項1〜5のいずれか一項に記載のイオン伝導率回復方法。
- 前記セラミックス材料が、添加元素としてAlをさらに含んでなる、請求項1〜6のいずれか一項に記載のイオン伝導率回復方法。
- Laに対するAlのモル比Al/Laが0.004〜0.12である、請求項7に記載のイオン伝導率回復方法。
- Laに対するLiのモル比Li/Laが2.0〜2.5である、請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ガーネット型又はガーネット型類似の結晶構造が、Ta及び/又はNbをさらに含む、請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。
- Laに対するTa及びNbの合計量のモル比(Ta+Nb)/Laが0.03〜0.20である、請求項10に記載の方法。
- 前記セラミックス材料が、リチウムイオン二次電池用の固体電解質として用いられる、請求項1〜11のいずれか一項に記載の方法。
- 前記セラミックス材料がリチウムイオン二次電池用の固体電解質として出荷される直前若しくはその際、又はリチウムイオン二次電池に固体電解質として組み込まれる直前若しくはその際に行われる、請求項12に記載の方法。
- 前記熱処理後に、前記セラミックス材料を不活性ガス雰囲気下、酸素雰囲気下及び減圧雰囲気下のいずれかにおいて降温させる工程をさらに含んでなる、請求項1〜13のいずれか一項に記載の方法。
- リチウムイオン伝導性を有する固体電解質セラミックス材料であって、少なくともLi、La、Zr及びOで構成されるガーネット型又はガーネット型類似の結晶構造を有する酸化物合成粉末又は酸化物焼結体であり、かつ、不活性ガス雰囲気、酸素雰囲気及び減圧雰囲気から選択される少なくとも一種の雰囲気下において、少なくとも650℃以上の温度域での再熱処理が施されてなる、固体電解質セラミックス材料。
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