JP2014096352A

JP2014096352A - セラミック正極−固体電解質複合体

Info

Publication number: JP2014096352A
Application number: JP2013157936A
Authority: JP
Inventors: Ryuta Sugiura; 隆太杉浦; Nobuyuki Kobayashi; 伸行小林; Tsutomu Nanataki; 七瀧　　努; Yoshihiko Yamamura; 嘉彦山村
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2012-11-07
Filing date: 2013-07-30
Publication date: 2014-05-22
Anticipated expiration: 2033-07-30
Also published as: JP6109673B2

Abstract

【課題】低抵抗の正極−固体電解質複合体を提供する。
【解決手段】層状岩塩型構造を有する正極活物質を含むセラミックス焼結体からなる板状正極と、リチウムイオン伝導性を有するセラミックスからなる固体電解質と、板状正極及び前記固体電解質の間に介在し、（Ｌａ_ｘＬｉ_ｙ）ＴｉＯ_３（式中、３ｘ＋ｙ＝２、０．５０≦ｘ≦０．６０、及び０．２０≦ｙ≦０．５０である）の化学式で表されるペロブスカイト複合酸化物からなる界面層とを備えた、セラミック正極−固体電解質複合体。
【選択図】図１

Description

本発明は、正極−固体電解質複合体に関するものであり、より詳しくは全固体蓄電素子用の正極−固体電解質複合体に関する。

近年、リチウムイオン二次電池が高いエネルギー密度の観点から注目されている。しかしながら、現在広く使用されているリチウムイオン二次電池は、可燃性の有機溶媒にリチウム塩を溶解した有機電解液が主流であるため、液漏れ等に対する安全性の確保が重要な課題となっている。これに対して、電解液の代わりに固体電解質を用いた全固体電池が、可燃性の有機溶媒を使用する必要が無い安全性の高い電池として提案されている。

特許文献１（国際公開第２０１１／１３２６２７号公報）には、正極層、負極層及び固体電解質層の焼結によって一体化された全固体二次電池が開示されている。この全固体二次電池は、正極層、負極層及び固体電解質層の各々のグリーンシートを積層し、その積層体を同時焼結して作製されている。このような同時焼結製法で、密着性の高い界面を形成するためには熱処理温度を高くせざるを得ない。その結果、各層間で元素拡散により組成変動が生じたり、界面層に非常に抵抗の高い反応層が形成されるなど、各部材が本来有する良好な機能を最大限に発揮させることが困難であった。

非特許文献１（加藤健久、外８名、「界面制御によるＬｉ_７Ｌａ_３Ｚｒ_２Ｏ_１２／ＬｉＣｏＯ_２の抵抗低減」、電気化学会第７９回大会、大会予稿集Ｐ９３、３Ｃ１３、２０１２年３月）には、それら熱処理時の元素拡散を抑制する手段として、Ｌｉ−Ｎｂ−Ｏ系材料を正極と固体電解質の界面に形成することが開示されている。しかしながら、Ｌｉ−Ｎｂ−Ｏ系材料は、組成の制御が難しく、かつ、組成のずれに抵抗値が敏感である。このため、低抵抗な界面を安定的に形成することが難しく、更なる界面の制御が望まれている。

一方、リチウムイオン伝導性を有する固体電解質として、Ｌｉ_７Ｌａ_３Ｚｒ_２Ｏ_１２（以下、ＬＬＺという）系の組成を有するガーネット型のセラミックス材料が注目されている。例えば、特許文献２（特開２０１１−０５１８００号公報）には、ＬＬＺの基本元素であるＬｉ，Ｌａ及びＺｒに加えてＡｌを加えることで、緻密性やリチウムイオン伝導率を向上できることが開示されている。特許文献３（特開２０１１−０７３９６２号公報）には、ＬＬＺの基本元素であるＬｉ、Ｌａ及びＺｒに加えてＮｂ及び／又はＴａを加えることで、リチウムイオン伝導率を更に向上できることが開示されている。特許文献４（特開２０１１−０７３９６３号公報）には、Ｌｉ、Ｌａ、Ｚｒ及びＡｌを含み、Ｌａに対するＬｉのモル比を２．０〜２．５とすることで、緻密性を更に向上できることが開示されている。

国際公開第２０１１／１３２６２７号公報特開２０１１−０５１８００号公報特開２０１１−０７３９６２号公報特開２０１１−０７３９６３号公報

加藤健久、外８名、「界面制御によるＬｉ７Ｌａ３Ｚｒ２Ｏ１２／ＬｉＣｏＯ２の抵抗低減」、電気化学会第７９回大会、大会予稿集Ｐ９３、３Ｃ１３、２０１２年３月

本発明者らは、今般、正極と固体電解質の接合に際し、特定組成の界面を意図的に形成することにより、低抵抗の正極−固体電解質複合体を提供できるとの知見を得た。

したがって、本発明の目的は、低抵抗の正極−固体電解質複合体を提供することにある。

本発明の一態様によれば、
層状岩塩型構造を有する正極活物質を含むセラミックス焼結体からなる板状正極と、
リチウムイオン伝導性を有するセラミックスからなる固体電解質と、
前記板状正極及び前記固体電解質の間に介在し、（Ｌａ_ｘＬｉ_ｙ）ＴｉＯ_３（式中、３ｘ＋ｙ＝２、０．５０≦ｘ≦０．６０、及び０．２０≦ｙ≦０．５０である）の化学式で表されるペロブスカイト複合酸化物からなる界面層と、
を備えた、セラミック正極−固体電解質複合体が提供される。

本発明によるセラミック正極−固体電解質複合体の構成を示す模式断面図である。

正極−固体電解質複合体
図１に、本発明によるセラミック正極−固体電解質複合体の一例を模式的に示す。図１に示されるセラミック正極−固体電解質複合体１０は、板状正極１２と固体電解質１４とを備えてなる。板状正極１２は層状岩塩型構造を有する正極活物質を含むセラミックス焼結体からなる一方、固体電解質１４はリチウムイオン伝導性を有するセラミックスからなる。板状正極１２と固体電解質１４の間には、（Ｌａ_ｘＬｉ_ｙ）ＴｉＯ_３（式中、３ｘ＋ｙ＝２、０．５０≦ｘ≦０．６０、及び０．２０≦ｙ≦０．５０である）の化学式で表されるペロブスカイト複合酸化物からなる界面層１６が存在する。すなわち、板状正極１２と固体電解質１４は上記組成の界面層１６を介して間接的に接合されており、直接的には接合されていない。板状正極１２と固体電解質１４が直接的に接合される場合には、焼成等の処理を経ることで、これらの界面に意図していない組成の高抵抗な層が形成されてしまい、界面抵抗を上昇させてしまう。このような界面抵抗の高い正極−固体電解質複合体を用いて電池として構成すると、電池の内部抵抗が高くなるため、高速充放電を実現する上で不利となる。この点、本発明にあっては、上記組成の界面層１６を板状正極１２と固体電解質１４の間に意図的に形成することで、意図していない組成の高抵抗な層の形成を効果的に回避することができる。

界面層１６は、（Ｌａ_ｘＬｉ_ｙ）ＴｉＯ_３（式中、３ｘ＋ｙ＝２、０．５０≦ｘ≦０．６０、及び０．２０≦ｙ≦０．５０である）の化学式で表されるペロブスカイト複合酸化物からなる。この数値範囲を満たす複合酸化物は、リチウムイオンの拡散経路が連続的に繋がった結晶構造を採りやすく、物質自体のリチウムイオン伝導率が高く、しかも正極−固体電解質間の接合性も良いという優れた利点をもたらす。そして、このような組成の界面層を意図的に形成させつつ正極活物質と固体電解質を一体化接合してリチウムイオン二次電池を構成すると、良好な界面形成を実現しながら、内部抵抗が低く、かつ、高出力の電池が得られる。

界面層１６は１０ｎｍ〜１００ｎｍの厚さを有するのが好ましく、より好ましくは１０ｎｍ〜７０ｎｍ、さらに好ましくは１０ｎｍ〜５０ｎｍである。これらの範囲内であると化学的にも物理的にも安定した界面層を形成できる。１０ｎｍ以上の厚さであると、複合酸化物の層として欠陥が発生しにくくなり、正極活物質と固体電解質との間の元素拡散を優位に抑制することができ、その結果、界面抵抗の低減を効果的に実現することができる。また、１００ｎｍ以下の厚さであると、拡散距離の増大に伴う界面抵抗の上昇を抑制できる。

板状正極１２は、層状岩塩構造を有する正極活物質を含むセラミックス焼結体からなる板状物である。層状岩塩構造を有する正極活物質はリチウム−遷移金属系複合酸化物であるのが好ましい。層状岩塩構造は、リチウムイオンの吸蔵により酸化還元電位が低下し、リチウムイオンの脱離により酸化還元電位が上昇する性質がある。中でもＮｉを多く含む組成は特に好ましい。ここで、層状岩塩構造とは、リチウム以外の遷移金属系層とリチウム層とが酸素原子の層を挟んで交互に積層された結晶構造、すなわち、リチウム以外の遷移金属等のイオン層とリチウムイオン層とが酸化物イオンを挾んで交互に積層された結晶構造（典型的にはα−ＮａＦｅＯ_２型構造：立方晶岩塩型構造の［１１１］軸方向に遷移金属とリチウムとが規則配列した構造）をいう。層状岩塩構造を有するリチウム−遷移金属系複合酸化物の典型例としては、ニッケル酸リチウム、マンガン酸リチウム、ニッケル・マンガン酸リチウム、ニッケル・コバルト酸リチウム、コバルト・ニッケル・マンガン酸リチウム、コバルト・マンガン酸リチウム等が挙げられ、これらの材料にＭｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｃａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｓｒ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ａｇ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｔｅ，Ｂａ，Ｂｉ等の元素が１種以上更に含まれていてもよい。好ましい正極活物質は、コバルト酸リチウム、ニッケル−マンガン−コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、及びニッケル−コバルト−アルミニウム酸リチウムからなる群から選択される化合物を主成分として含んでなる。正極−固体電解質複合体の内部抵抗の低さから高出力が得られることに加え、これらの好ましい化合物を用いることで、負極としてのリチウムに対する平均電位を高くすることができ、高容量密度も得られる。

典型的には、正極活物質は、複数の結晶粒子からなる多結晶体であり、これら複数の結晶粒子が配向されてなるのが好ましい。この配向は、層状岩塩構造の（００３）面が板状正極の板面（主面（principal surface））と交差するように配向しているのが好ましく、より好ましくは（００３）以外の面（例えば（１０４）面）が板状正極の板面と平行に配向しているのが好ましい。このような配向により、リチウムイオン等のイオンの挿脱が容易となりイオン伝導度が上がるとともに、蓄電素子を構成した場合におけるレート特性が向上する。このような板状正極における配向度は、板状正極の板面からのＸ線回折における、（１０４）面による回折強度に対する（１０３）面による回折強度（ピーク強度）の比率［００３］／［１０４］で評価することができ、好ましい［００３］／［１０４］比は２以下であり、より好ましくは１以下であり、さらに好ましくは０．５以下である。なお、このような低い［００３］／［１０４］比は、板状正極の板面や内部において板面と平行に（００３）面が出現している割合が減っていることを意味する。

板状正極１２は、正極活物質を含むセラミックス焼結体からなる。このセラミックス焼結体は正極活物質以外にも導電動剤等の任意成分を含むものであってもよいが、このような任意成分を実質的に含まない構成とすることも可能である。例えば、結晶粒子が配向されてなる正極活物質を用いる場合には、導電助剤等を使用することなくイオン移動度を向上させることができるので、活物質充填率を最大限に高めることができる。したがって、板状正極１２は正極活物質のみから実質的になる（consisting essential1y of）のが好ましく、より好ましくは正極活物質のみからなる（consisting of）。

板状正極１２及びそれを構成する正極活物質は気孔を有するのが好ましい。板状正極中に気孔が存在することで、充放電によるリチウムイオンの挿脱に伴う膨張ないし収縮によって生じうる応力を緩和することができる。さらに、接合時に生じる熱膨張係数の違いに起因する割れやクラックの発生を抑制する。これにより、緻密な板同士の接合で起こりうる界面での剥離も効果的に防止することができる。正極活物質は３〜３０％の空隙率を有するのが好ましく、より好ましくは５〜２５％であり、さらに好ましくは１０〜２０％である。空隙率（voidage）は、板状正極における気孔（開気孔及び閉気孔を含む）の体積比率であり、気孔率（porosity）と称されることもあり、板状正極の嵩密度と真密度とから算出可能である。

板状正極１２の寸法は特に限定されないが、厚さは単位面積当りの活物質容量の観点から、０．１〜３００μｍが好ましく、より好ましくは１０〜２００μｍ、さらに好ましくは５０〜１００μｍであり、板面の大きさは板面内の反り抑制と電極作製の容易さの観点から、２ｍｍ平方〜５ｍｍ平方が好ましく、より好ましくは０．５ｍｍ平方〜２ｍｍ平方である。

本発明の好ましい態様によれば、板状正極が複数用意され、これら複数の板状正極が板状固体電解質上にタイル状に配列されてなる。これにより、電極内で活物質をより高密度に充填可能になるという利点がある。

板状正極１２には固体電解質１４と反対側に集電体がさらに設けられていてもよい。集電体としては、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル等で形成された膜や箔であってよく、例えばスパッタリング法により形成される。

固体電解質１４は、リチウムイオン伝導性を有するセラミックスからなる。リチウムイオン伝導性無機固体電解質の好ましい例としては、ガーネット型又はガーネット類似型セラミックス材料、ＮＡＳＩＣＯＮ型リン酸系セラミックスないしガラスセラミックス材料、窒化物系セラミックス材料からなる群から選択される少なくとも一種が挙げられる。中でも、ガーネット型、ＮＡＳＩＣＯＮ型が好ましい。ガーネット系セラミックス材料の例としては、Ｌｉ−Ｌａ−Ｚｒ−Ｏ系材料（具体的には、Ｌｉ_７Ｌａ_３Ｚｒ_２Ｏ_１２など）、Ｌｉ−Ｌａ−Ｔａ−Ｏ系材料（具体的には、Ｌｉ_７Ｌａ_３Ｔａ_２Ｏ_１２など）、特許文献２〜４に記載されているものも用いることができる。そのなかでも、Ｌｉ_７Ｌａ_３Ｚｒ_２Ｏ_１２を主成分とする材料が好ましい。負極としてのリチウム金属と反応せず、高いイオン伝導度が得られるからである。リン酸系セラミックス材料の例としては、Ｌｉ−Ａｌ−Ｔｉ−Ｐ−Ｏ，Ｌｉ−Ａｌ−Ｇｅ−Ｐ−Ｏ、及びＬｉ−Ａｌ−Ｔｉ−Ｓｉ−Ｐ−Ｏ（具体的には、Ｌｉ_{１＋ｘ＋ｙ}Ａｌ_ｘＴｉ_２−ｘＳｉ_ｙＰ_３−ｙＯ_１２（０≦ｘ≦０．４、０＜ｙ≦０．６）など）が挙げられる。中でもＬｉ_１．５Ａｌ_０．５Ｇｅ_１．５（ＰＯ_４）_３がイオン伝導度が高く好ましい。窒化物系セラミックス材料の例としては、Ｌｉ_１３Ｎ、ＬｉＰＯＮなどが挙げられる。

特に好ましい固体電解質１４は、（ｉ）少なくともＬｉ，Ｌａ，Ｚｒ及びＯで構成され、ガーネット型又はガーネット類似結晶構造を有する複合酸化物、及び（ｉｉ）少なくともＬｉ，Ａｌ，Ｇｅ，Ｐ及びＯで構成され、ＮＡＳＩＣＯＮ型結晶構造を有する複合酸化物からなる群から選択される。これらの固体電解質は、高いリチウムイオン伝導率を有し、界面層の効果でその材料特性を損なうことなく正極−固体電解質複合体を構成できる。最も好ましい固体電解質は、少なくともＬｉ，Ｌａ，Ｚｒ及びＯで構成され、ガーネット型又はガーネット類似結晶構造を有する複合酸化物であって、添加物としてＡｌ及びＭｇから選ばれる少なくとも一種の元素を含み、かつ、Ｚｒの一部がＴａ及びＮｂから選択される少なくとも一種の元素で置換されている。この組成の固体電解質は、高いリチウムイオン伝導度とともに緻密なセラミックスが得られ、かつ負極との化学的安定性にも優れる。

Ｌｉ，Ｌａ，Ｚｒ及びＯを含んで構成されるガーネット型又はガーネット類似の結晶構造はＬＬＺ結晶構造と呼ばれ、ＣＳＤ（Cambridge Structural Database）のＸ線回折ファイルＮｏ．４２２２５９（Ｌｉ_７Ｌａ_３Ｚｒ_２Ｏ_１２）に類似のＸＲＤパターンを有する。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。Ｌａに対するＬｉのモル数の比Ｌｉ／Ｌａは２．０以上２．５以下であることが好ましく、Ｌａに対するＺｒのモル比Ｚｒ／Ｌａは０．５以上０．６７以下であるのが好ましい。このガーネット型又はガーネット類似型の結晶構造はＮｂ及び／又はＴａをさらに含んで構成されるものであってもよい。すなわち、ＬＬＺのＺｒの一部がＮｂ及びＴａのいずれか一方又は双方で置換されることにより、置換前に比べて伝導率を向上させることができる。ＺｒのＮｂ及び／又はＴａによる置換量（モル比）は、（Ｎｂ十Ｔａ）／Ｌａのモル比が０．０３以上０．２０以下となる量にすることが好ましい。また、このガーネット系酸化物焼結体はＡｌ及び／又はＭｇをさらに含んでいるのが好ましく、これらの元素は結晶格子に存在してもよいし、結晶格子以外に存在していてもよい。Ａｌの添加量は焼結体の０．０１〜１質量％とするのが好ましく、Ｌａに対するＡｌのモル比Ａｌ／Ｌａは、０．００８〜０．１２であるのが好ましい。Ｍｇの添加量は０．０１〜１質量％以上が好ましく、より好ましくは０．０５〜０．３０質量％である。Ｌａに対するＭｇのモル比Ｍｇ／Ｌａは、０．００１６〜０．０７であるのが好ましい。このようなＬＬＺ系セラミックスの製造は、特許文献２〜４に記載されるような公知の手法に従って又はそれを適宜修正することにより行うことができる。

固体電解質１４の形状及び寸法は特に限定されず、例えば板状であってもよく、その厚さは充放電レート特性と機械的強度の観点から、０．００５ｍｍ〜５ｍｍが好ましく、より好ましくは０．００５ｍｍ〜２ｍｍ、さらに好ましくは０．０１〜１ｍｍであり、板面の大きさは充放電容量と機械的強度の観点から、０．２ｍｍ平方〜５００ｍｍ平方が好ましく、より好ましくは０．５ｍｍ平方〜１００ｍｍ平方である。

製造方法
本発明のセラミック正極−固体電解質複合体は、（Ｌａ_ｘＬｉ_ｙ）ＴｉＯ_３の化学式で表されるリチウムイオン伝導性複合酸化物からなる界面層が界面に形成されるように、板状正極を固体電解質と接合させる任意の手法によって製造することができる。

例えば、界面層の形成は、所望組成のセラミックスのバルク体を作製し、このバルク体をスパッタリングターゲットとして用いてスパッタリングを行うことにより、正極又は固体電解質に上記組成の界面層を成膜することにより好ましく行うことができる。あるいは、Ｌｉ及びＬａを含有する固体電解質上にスパッタリング等でＴｉ金属膜を成膜し、酸化雰囲気下、固体電解質の分解温度以下の温度で熱処理して上記組成の界面層を得る方法によっても界面形成を行うことができ、この場合、固体電解質の表面組成のみが（Ｌａ_ｘＬｉ_ｙ）ＴｉＯ_３に変わるため固体電解質の特性を劣化させることはない。

板状正極と固体電解質の接合は、正極又は固体電解質に形成された（Ｌａ_ｘＬｉ_ｙ）ＴｉＯ_３なる組成の界面層を挟むように正極及び固体電解質をスタックし、ホットプレス法により接合することにより好ましく行うことができる。通常、界面層を意図的に形成させることなくホットプレス接合を試みると、正極及び固体電解質の構成元素が相互拡散してしまい高抵抗の界面をもたらしてしまうが、本発明による界面層を介在させることにより、それらの望ましくない拡散が抑制され、正極活物質と固体電解質の間に良好な低抵抗な界面が形成される。

界面層の形成を板状正極及び固体電解質の接合と同時に行うことも可能である。例えば、板状正極上にＴｉ金属膜を形成し、このＴｉ金属膜を酸化雰囲気で酸化させ、得られたＴｉ酸化膜上にエアロゾルデポジション法、パウダージェットデポジション法、溶射法等の手法によりＬｉ及びＬａを含有する固体電解質の膜をバルク状に形成し、熱処理を行うことで、板状正極を固体電解質と接合しながら（Ｌａ_ｘＬｉ_ｙ）ＴｉＯ_３なる組成の界面層を同時に形成することができる。

本発明を以下の例によってさらに具体的に説明する。

例１：ＮＣＡセラミックス板の作製
本発明において板状正極として用いられるＮＣＡセラミックス板を以下の手順で作製した。

（１）スラリー調製
Ｎｉ（ＯＨ）_２粉末（株式会社高純度化学研究所製）８１．６重量部、Ｃｏ（ＯＨ）_２粉末（和光純薬工業株式会社製）１５．０重量部、及びＡｌ_２Ｏ_３・Ｈ_２Ｏ粉末（ＳＡＳＯＬ社製）３．４重量部を秤量して、原料粉末を用意した。次に、純水９７．３重量部、分散剤（日油株式会社製：品番ＡＫＭ−０５２１）０．４重量部、消泡剤としての１−オクタノール（片山化学株式会社製）０．２重量部、及びバインダー（日本酢ビ・ポバール株式会社製：品番ＰＶ３）２．０重量部からなるビヒクルを作製した。こうして得られたビヒクルと原料粉末を湿式で混合及び粉砕することで、スラリーを調製した。この混合及び粉砕は、直径２ｍｍのジルコニアボールを用いたボールミルで２４時間処理した後、直径０．１ｍｍのジルコニアビーズを用いたビーズミルで４０分間処理することによって行った。

（２）造粒
得られたスラリーを二流体ノズル方式のスプレードライヤーに投入することにより、造粒体を形成した。スプレードライヤーの噴出圧力、ノズル径、循環風量等のパラメータを適宜調整することで、種々の大きさの造粒体を形成することが可能である。

（３）熱処理（仮焼成）
得られた造粒体を１１００℃で３時間（大気雰囲気）熱処理して、ニッケル、コバルト、及びアルミニウムの複合酸化物（（Ｎｉ_０．８，Ｃｏ_０．１５，Ａｌ_０．０５）Ｏ）の粒子である、正極活物質前駆体粒子を得た。得られた正極活物質前駆体粒子を以下に示されるとおり分析したところ、平均粒径Ｄ５０（体積基準）は２．３μｍであり、比表面積は１２ｍ^２／ｇであり、相対タップ密度は０．３であった。
＜平均粒径Ｄ５０＞
水を分散媒として正極活物質前駆体粒子の粉末試料を分散させたものを、レーザ回折／散乱式粒度分布測定装置（株式会社堀場製作所製型番「ＬＡ−７００」）に投入することで、平均粒径Ｄ５０（体積基準）を測定した。
＜相対タップ密度＞
正極活物質前駆体粒子の粉末試料を入れたメスシリンダを市販のタップ密度測定装置を用いて２００回タッピングした後、（粉末重量）／（粉末のかさ体積）を算出することによって、タップ密度を求めた。その後、得られたタップ密度を理論密度で除することで、相対タップ密度［無次元値］を算出した。

（４）成形
得られた正極活物質前駆体粒子粉末１００重量部、分散媒（キシレン：ブタノール＝１：１）５０重量部、バインダーとしてのポリビニルブチラール（積水化学工業株式会社製：品番ＢＭ−２、）１０重量部、可塑剤としてのＤＯＰ（Ｄｉ（２−ｅｔｈｙｌｈｅｘｙｌ）ｐｈｔｈａｌａｔｅ：黒金化成株式会社製）４．５重量部、及び分散剤（花王株式会社製製品名「レオドールＳＰＯ−３０」）３重量部を秤量し、乳鉢で予備混練した後、トリロールを用いて混練することで、（ブルックフィールド社製ＬＶＴ型粘度計を用いて測定して）２０００〜３０００ｃＰの粘度を有する成形用スラリーを調製した。こうして得られた成形用スラリーを用いて、ドクターブレード法により、厚さ５０μｍのシートを形成した。乾燥後のシートに対して打ち抜き加工を施すことによって、１ｍｍ平方のグリーンシート成形体を得た。

（５）焼成（リチウム導入）
上述のようにして得られた１ｍｍ平方のグリーンシート成形体を、大気雰囲気中で９００℃にて熱処理することで、成形体の脱脂及び仮焼成を行った。かかる成形体仮焼成の温度は、上述の熱処理（造粒体仮焼成）温度よりも低い。これは、成形体の仮焼成時に内部の粒子間の焼結の進行を抑制することで、後続する本焼成時にリチウムが均一に拡散及び反応するようにするためである。

一方、水酸化リチウムのエタノール分散液を以下のようにして調製した。まず、ＬｉＯＨ・Ｈ_２Ｏ粉末（和光純薬工業株式会社製）を、ジェットミルを用いて、電子顕微鏡観察による目視粒径で１〜５μｍになるように粉砕した。この粉末をエタノール（片山化学株式会社製）１００重量部に対し１重量部の割合で加えたものを、超音波により、粉末が目視によって確認することができなくなるまで分散させた。

上記仮焼成成形体の両面に対して、上記水酸化リチウムのエタノール分散液をエアブラシによって所定量スプレーしたものを、７５０℃で１０時間（酸素雰囲気）熱処理することで、Ｌｉ（Ｎｉ_０．８，Ｃｏ_０．１５，Ａｌ_０．０５）Ｏ_２の組成を有するＮＣＡセラミックス板を板状正極として得た。得られた板状正極を以下に示される手順で分析したところ、空隙率は１５％、開気孔比率は９５％、回折強度（ピーク強度）の比率［００３］／［１０４］は０．５であった。
＜空隙率＞
空隙率は、相対密度から計算される値（空隙率＝１−相対密度）である。相対密度は、アルキメデス法で求めた嵩密度を、ピクノメータを用いて求めた真密度で除して求めた値である。嵩密度の測定では、空隙中に存在する空気を十分に追い出すために、試料を水中で煮沸処理をした。
＜開気孔比率＞
開気孔比率は、閉気孔率と全気孔率から計算によって求められる値（開気孔比率＝開気孔／全気孔＝開気孔／（開気孔＋閉気孔））である。閉気孔率は、アルキメデス法で測定した見かけ密度より求められる。また、全気孔率は、同じくアルキメデス法で測定した嵩密度より求められる。
＜回折強度（ピーク強度）比率＞
回折強度（ピーク強度）比率の測定は、φ５〜１０ｍｍ程度の大きさに加工した正極活物質層用セラミックス板を、ＸＲＤ測定用の試料フォルダに載せ、ＸＲＤ装置（株式会社リガク製製品名「ＲＩＮＴ-ＴＴＲIII」）を用いて、板状正極の表面に対してＸ線を照射したときのＸＲＤプロファイルを測定し、（１０４）面による回折強度（ピーク高さ）に対する（００３）面による回折強度（ピーク高さ）の比率を求めることにより行った。この測定方法によれば、板面の結晶面に平行に存在する結晶面、すなわち板面方向に配向する結晶面による回折プロファイルが得られる。

例２：ＬＬＺセラミックスの作製
本発明において固体電解質として用いられるＬＬＺセラミックスを以下の手順で作製した。

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：ＺｒＯ_２：Ｔａ_２Ｏ_５＝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。

第一の焼成工程として、上記焼成用原料をアルミナ坩堝に入れて大気雰囲気で６００℃／時間にて昇温し９００℃にて６時間保持した。

第二の焼成工程として、第一の焼成工程で得られた粉末に対しγ−Ａｌ_２Ｏ_３をＡｌ濃度が０．０８ｗｔ％となるように添加し、この粉末と玉石を混合し振動ミルを用いて３時間粉砕した。この粉砕粉を篩通しした後、得られた粉末を、金型を用いて約１００ＭＰａにてプレス成形してペレット状にした。得られたペレットをマグネシア製のセッター上に乗せ、セッターごとマグネシア製のサヤ内に入れて、Ａｒ雰囲気にて２００℃／時間で昇温し、１０００℃で３６時間保持することにより、３５ｍｍ×１８ｍｍのサイズで厚さ１１ｍｍの焼結体を得て、そこから１０ｍｍ×１０ｍｍのサイズで厚さ１ｍｍのＬＬＺセラミックス板を固体電解質として得た。なお、Ａｒ雰囲気は、事前に容量約３Ｌの炉内を減圧し、純度９９．９９％以上のＡｒガスで置換した後、２Ｌ／分の流量で電気炉内にＡｒを導入することにより作製した。

得られた焼結体試料の上下面を研磨した後、以下に示される各種の評価ないし測定を行った。焼結体試料のＸ線回折測定を行ったところ、ＣＳＤ（Cambridge Structural Database）のＸ線回折ファイルＮｏ．４２２２５９（Ｌｉ_７Ｌａ_３Ｚｒ_２Ｏ_１２）類似の結晶構造が得られた。このことから、得られた試料がＬＬＺ結晶構造の特徴を有することが確認された。また、焼結体試料のＡｌ及びＭｇ含有量を把握するため、誘導結合プラズマ発光分析（ＩＣＰ分析）により化学分析を行ったところ、Ａｌ含有量は０．０８ｗｔ％、Ｍｇ含有量は０．０７ｗｔ％であった。

例３：界面層の作製
酸化ランタン（関東化学製）、炭酸リチウム（本荘ケミカル製）及び酸化チタン（石原産業製）粉末を（Ｌａ_０．５５Ｌｉ_０．３５）ＴｉＯ_３の組成となるように秤量し、乾式で混合した。得られた混合粉末をペレットに成形し、大気雰囲気１１００℃で４時間焼成して（Ｌａ_０．５５Ｌｉ_０．３５）ＴｉＯ_３焼結体を作製した。合成した焼結体をターゲットとして、マグネトロンスパッタリングにより、固体電解質上に０．０５μｍの膜を界面層として形成した。こうして界面層付きＬＬＺセラミックス板（固体電解質）を得た。

例４：ホットプレスによるＮＣＡ／ＬＬＺ複合体の作製
例３で得られた１０ｍｍ平方に加工した厚さ１ｍｍの界面層付きＬＬＺセラミックス板の界面層上に、例１で作製された１ｍｍ平方の厚さ５０μｍのＮＣＡセラミックス板を３行３列となるように９枚配列した。この配列体の上下面を焼成冶具との癒着防止用Ｐｔ箔で挟み、焼成条件７００℃で５時間、２０００ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力でホットプレスにより焼成して、ＮＣＡ／ＬＬＺ複合体（界面層あり）を得た。得られた複合体において、ＮＣＡセラミックス板（板状正極）とＬＬＺセラミックス板（固体電解質）との界面には剥がれ等が観察されず、極めて密着性が高いことが確認された。また、ＮＣＡセラミックス板（板状正極）が多数の気孔を有することも確認された。

また、比較のため、界面層付きＬＬＺセラミックス板の代わりに、例２で作製されたままの界面層を有しないＬＬＺセラミックス板を用いたこと以外は上記同様にして、比較試料としてのＮＣＡ／ＬＬＺ複合体（界面層なし）を作製した。

例５：コインセルの作製及び内部抵抗の評価
例４において製造されたＮＣＡ／ＬＬＺ複合体のＮＣＡセラミックス板の板面にＡｕ膜をスパッタリングにより形成して正極集電体（厚さ：５００オングストローム）を形成した。次に、Ａｒ雰囲気のグローブボックス内で、ＬＬＺセラミックス板の板面にリチウム金属を２００℃で溶融圧着して負極とした。こうして得られたＡｕ／ＮＣＡ／界面層／ＬＬＺ／Ｌｉ接合体及びＡｕ／ＮＣＡ／ＬＬＺ／Ｌｉ接合体をステンレス製ＣＲ２０３２ケースに組み込み、コインセルとした。

抵抗を測定するために、コインセルを大気中に取り出し、電気化学測定システム（ソーラトロン社製、ポテンショ／ガルバノスタッド及び周波数応答アナライザの組合せ）を用い、周波数１ＭＨｚ〜０．０１Ｈｚ、電圧１０ｍＶにて交流インピーダンス測定を行った。得られたインピーダンスカーブの円弧を解析ソフト（Scribner Associates, Inc.社製、Zview2）を用いてフィッティングし、界面抵抗値を算出した。その結果、界面層を有しない比較試料の抵抗値を１００（相対値）とした場合、本発明による（Ｌａ_０．５５Ｌｉ_０．３５）ＴｉＯ_３なる組成の界面層を有する試料の界面抵抗値は０．０５（相対値）であった。このように、正極と固体電解質とを単に接合するのではなく、元素拡散を抑制できるリチウムイオン伝導性材料を意図的に界面に形成することにより、内部抵抗の低い正極−固体電解質複合体、更には固体電池を実現することができる。

Claims

層状岩塩型構造を有する正極活物質を含むセラミックス焼結体からなる板状正極と、
リチウムイオン伝導性を有するセラミックスからなる固体電解質と、
前記板状正極及び前記固体電解質の間に介在し、（Ｌａ_ｘＬｉ_ｙ）ＴｉＯ_３（式中、３ｘ＋ｙ＝２、０．５０≦ｘ≦０．６０、及び０．２０≦ｙ≦０．５０である）の化学式で表されるペロブスカイト複合酸化物からなる界面層と、
を備えた、セラミック正極−固体電解質複合体。
前記界面層が、１０ｎｍ〜１００ｎｍの厚さを有する、請求項１に記載のセラミック正極−固体電解質複合体。
前記正極活物質が、コバルト酸リチウム、ニッケル−マンガン−コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、及びニッケル−コバルト−アルミニウム酸リチウムからなる群から選択される化合物を主成分として含んでなる、請求項１に記載のセラミック正極−固体電解質複合体。
前記正極活物質が、複数の結晶粒子からなる多結晶体であり、該複数の結晶粒子が配向されてなる、請求項１〜３のいずれか一項に記載のセラミック正極−固体電解質複合体。
前記固体電解質が、少なくともＬｉ，Ｌａ，Ｚｒ及びＯで構成され、ガーネット型又はガーネット類似結晶構造を有する複合酸化物、及び少なくともＬｉ，Ａｌ，Ｇｅ，Ｐ及びＯで構成され、ＮＡＳＩＣＯＮ型結晶構造を有する複合酸化物からなる群から選択される、請求項１〜４のいずれか一項に記載のセラミック正極−固体電解質複合体。
前記固体電解質が、少なくともＬｉ，Ｌａ，Ｚｒ及びＯで構成され、ガーネット型又はガーネット類似結晶構造を有する複合酸化物であって、添加物としてＡｌ及びＭｇから選ばれる少なくとも一種の元素を含み、かつ、Ｚｒの一部がＴａ及びＮｂから選択される少なくとも一種の元素で置換されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のセラミック正極−固体電解質複合体。