JP2015093828A - Al置換ガーネットの合成方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ガーネット系物質のうち、イオン伝導度に優れたLiLaZr12(以下、LLZ)にAlを添加する場合、リチウムサイトにAlが置換されて立方構造を製造する方法を提供する。
【解決手段】本発明によるAl置換ガーネットの合成方法は、室温で立方相として存在するLLZにAlを添加し、Alがリチウムサイトに置換されて立方構造を安定化させ、液相焼結効果により密度が上昇してLLZの物性を向上させる方法を特徴とする。
【選択図】図9

Description

本発明は、ガーネット系物質のうち、イオン伝導度に優れたLiLaZr12(以下、LLZ)にAlを添加する場合、リチウムサイトにAlが置換されて立方構造を製造方法に関する。
より詳細には、室温で立方相として存在するLLZにAlを添加し、前記Alがリチウムサイトに置換されて立方構造を安定化させ、液相焼結効果により密度が上昇してLLZの物性を向上させる方法に関する。
無機物系固体電解質は、化学的に酸化物と硫化物に分けられ、酸化物系固体電解質のうち、伝導度に優れた候補としてペロブスカイト、ガーネットが挙げられる。本発明は、ガーネット系物質のうちLLZに限定する。
素材研究は、合成、分析、評価の3段階に分類することができる。この中、合成段階は素材の物性を決め、今後の独自の素材開発に大きな影響を及ぼす重要な段階である。図1にLLZ合成過程を図式化した。
LLZに関する合成過程または分析結果に関する特許及び非特許文献は次の通りである。
特許文献1は、ガーネット系物質のLiLaZr12にAlが含まれており、Al含有量によるLi伝導率との関係を分析した方法を開示する。
非特許文献1では、ガーネット系物質のLiLaZr12の立方相を製造する場合、温度及び酸素の量による電解質の合成に関する方法を開示する。
非特許文献2では、ガーネット系物質のLiLaZr12にAlが含まれており、Al含有量によるLi伝導率との関係を分析したことを開示する。
特許文献2は、バッテリ、蓄電池、エレクトロクロミック装置、及びその他の電気化学的電池におけるガーネット型構造を有する化学的に安定している固体イオン伝導体の用途及びその用途に適する新たな化合物を開示する。
ヨーロッパ公開特許第2159867 A1号 大韓民国公開特許第10−2010−53543 A号
論文[Synthesis of garnet structuredLi7+ x La3Y x Zr2−x O12(x=0−0.4)by modified sol−gel method] 論文[Synthesis of cubic Li7La3Zr2O12 by modified sol−gel process]
本発明は、上記先行技術に加えて、リチウムと置換され、LiLaZr12の立方構造を安定化させるAlを添加する方法と、前記ALの量によって、発生する立方構造の密度及び焼結の変化に関する分析結果をさらに提供する。
本発明は、
LiCO、La、ZrO及びAlを1次乾式混合する段階と、
800〜1000℃で5〜7時間1次焼成する段階と、
自然冷却した後2次乾式混合する段階と、
120〜150MPaで8〜12mmのペレットを製作する段階と、
1000〜1250℃で20〜36時間2次焼成する段階と、
を含む、立方相(cubic phase)のLLZ(LiLaZr12)を製造する方法を提供する。
また、前記立方相のLLZはLiがAlで置換される方法を提供する。
また、前記置換されたAlは0.52mol〜0.80molのものであって、LLZ内にAlが2.5wt%〜3.76wt%ドープされる方法を提供する。
本発明は、リチウムと置換され、LiLaZr12の立方構造を安定化させるAlを添加する方法と、前記ALの量によって、発生する立方構造の密度及び焼結の変化に関する分析を実現した。
LLZ(LiLaZr12)の合成過程を図式化したものである。 LLZ合成過程によるXRD相変化グラフである。 最終焼成方法及び焼成後のサンプル写真である。 相(phase)によるLLZのXRDグラフである。 LLZ組成分析のためのICP−MS分析プロセスを図式化したものである。 LLZにAuスパッタで電極を形成した後、インピーダンス測定用ジグに挿入して伝導度を測定する写真である。 LLZインピーダンスの測定結果グラフである。 AlドープLLZ(Al添加量5wt%〜20wt%)のXRD測定結果である。 AlドープLLZのラマン(Raman)測定結果である。 AlドープLLZのICP−MS測定結果である。 AlドープLLZ(Al添加量0wt%〜4wt%)のXRD測定結果である。 LLZの焼成時、BNプレートの使用及びMgOるつぼの使用に関する写真である。 Al 4wt%までのLLZインピーダンスの評価結果である。
本発明は、
LiCO、La、ZrO及びAlを1次乾式混合する段階と、
800〜1000℃で5〜7時間1次焼成する段階と、
自然冷却した後2次乾式混合する段階と、
120〜150MPaで8〜12mmのペレットを製作する段階と、
1000〜1250℃で20〜36時間2次焼成する段階と、
を含む、立方相(cubic phase)のLLZ(LiLaZr12)を製造する方法を提供する。
また、本発明では、前記立方相のLLZはLiがAlで置換されたものであり、前記置換されたAlは0.52mol〜0.80molのものであって、LLZ内にAlが2.5wt%〜3.76wt%ドープされたものである。前記LiCO:La:ZrO:Alの乾式混合比率は7mol:3mol:4mol:0.813molであることが好ましい。
2次焼成段階の前に、乾式混合物の10〜80%でペレットを製作し、残り乾式混合物の粉末でペレットを覆う過程をさらに含むことが好ましい。
一方、本発明は、製造されたLLZを分析する段階をさらに含み、分析する段階はXRD(X−Ray Diffraction)、ラマン分光法(Raman Spectroscopy)またはICP−MS(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry)で行われる。
先ず、前記XRDを用いてLLZの相(phase)及び不純物を確認する段階を含む。
次に、ラマン分光法を用いて、XRDでは判断できない数百マイクロ以下の領域の相(phase)及び不純物を確認することを含む。
また、ICPを用いて、LLZ内の各元素組成比率と、目標とする組成比率とを比較することを含み、前記三分析段階は優先順位がない。
LLZの相は、立方及び正方(Tetragonal)の2種類がある。伝導度は、立方相は約10−4/Ωcm、正方相は約10−6/Ωcmで、立方相が100倍以上伝導度に優れていると報告されている。したがって、立方相(六面体相)だけ存在し、不純物及び二次相あるいは正方相がないように合成することが物性の向上に効果的である。LLZの原料のうち、Laは吸湿性があるため、使用時に900℃、24時間乾燥工程を経て使用した。また、物性の向上のためにAlが微量使用される。混合方法は、乾式、湿式があるが、湿式混合は、工程時間の増加(乾燥まで1日以上増加)及び溶媒による副反応が生じる虞があるので、保有している遊星ミル(planetary mill、以下、P.M.)を用いて乾式混合を実施した。乾式混合条件は、各段階別の粉末及びP.M.時間帯別のサンプルを分析(SEMイメージ)して最小時間で最適の粉末の大きさ(数マイクロ水準)を確保できる条件を選定した。LLZの合成時、一般的に2次に亘って焼成過程を行う。図2を参照する。1次焼成によって、LLZの形成及び不安定相(LaZr、Pyrochlore)と原料の一部分が共存するようになり、2次焼成によって、不純物が反応に全て参加するか、消えてしまい、所望の立方構造のLLZしか存在しないようにする。特に、2次焼成時の焼成温度及び時間の変化に伴って、相の結晶に大きな影響を及ぼす。1250℃以上の温度では不安定相の生成、1150℃未満では正方の形成に効果的であるため、本合成プロセスの温度及び時間を決めるようになった。
焼成過程によって、伝導性に影響を与えるリチウムの組成も変わるようになる。特に、2次焼成過程で高温(1200℃)に長時間(20時間)晒されてLLZ内のリチウムの揮発が発生する。これを防止し、所望のリチウム組成を得るための方法として、初期に揮発を考慮したLiCOの過剰使用(10%excess)及び最終焼成(約1200℃/20時間)前の乾式混合物の10〜80%でペレットを製作し、乾式混合物の残り粉末でペレットを覆う過程を追加する。図3を参照する。
次に、分析によって、所望の六面体相(Cubic phase)を有するLLZが合成されたか否かを判断する。LLZを分析する方法は、3つ(XRD、Raman、ICP−MS)の方法を行うことができる。XRDを用いてLLZ相及び不純物を確認でき、ラマン分光法を用いてXRDで判断できない数百マイクロ以下の領域の相及び不純物を確認できる。また、ICPを用いてLLZの各元素組成の比率を確認して目標組成と合成組成との差を比較する。
初期合成では、LLZのXRDデータがなかったため、文献に報告されているLLZのXRDデータを収集して比較判断した。図4を参照する。
モルタルを用いて最終焼結されたペレットを粉末に粉砕して測定する。測定装備はBruker D8 ADVANCE、測定範囲は10°〜60°、測定速度3°/分で行うことができる。図4に示すように、正方LLZ(以下、T−LLZ)のピークが立方LLZ(以下、C−LLZ)のピークに比べて広く分布し、分かれている。T−LLZの低結晶性による。さらにAlが微量添加されると、同じ立方相であっても、さらに急な(sharp)ピークを観察することができる。すなわち、結晶性がさらに良くなることを確認することができる。一般的にLLZの立方結晶性が良くなると、リチウムの移動が円滑になるため、高イオン伝導度が測定される。
合成時の原料の秤量誤差と高温焼結によるリチウムの揮発、アルミナるつぼによるペレット内のAlドープ現象などによって、所望の組成の合成が困難である。合成されたLLZの精密組成を分析するために、ICP−MS評価法を活用することができる。他の物質とは異なり、LLZはセラミック材質であるため、ICP分析のための一般的な前処理工程では粉末を完全に溶解し難い。
図5は、LLZ組成をICP分析するプロセスである。完全溶解のために王水(塩酸:硝酸=3:1Vol%)を用意し、170℃に沸かして粉末を完全溶解させ、希釈して組成を確認する。同一サンプルの再現性評価結果、La、Zr、Alの誤差は約3%以下であるが、Liの誤差は約12%である。
固体電解質の開発のために、液相とは異なる固体相の物性評価が必要である。装備設置と評価法に関する規定、評価結果の解析は固体電解質開発の必須条件である。LLZの面積、電極形成材料、厚さ及び面積、電極ペアリング(pairing)、測定ジグの設計、インピーダンス分析装備の条件による実験結果に基づいて評価条件に関する最適化を行う。この過程では、商用化された物質とは異なる、自らの合成で必然的に発生する問題点の克服方案に関する集中的な研究が行われる。LLZはペレット状に製作され、厚さ1〜2mm、Auスパッタリング100nm、電極面積は約63mmでインピーダンス評価結果を信頼する。
図6に示すように、LLZにAuスパッタで電極を形成した後、インピーダンス測定用ジグに挿入して伝導度を測定した。伝導度の測定は物質によって、測定される振動数領域と電圧の強度が異なるようになる。LLZは、ソーラトロン1260装備を用いて振動数20MHz〜1Hz、電圧30mVの条件で測定した。
測定されたインピーダンス結果を等価回路(−RC−単一回路)に入力して抵抗値を算出した後(Z−VIEWソフトウェアを使用)、伝導度値を導き出す(図7を参照)。また、イオン伝導度と電子伝導度を分離して測定するための非対称セル(Au/LLZ/Li)のDC評価、または、リチウムとLLZの整合性(compatibility)を確認するための対称セル(Li/LLZ/Li)のDC評価も可能である。
LLZの物性を向上させるためには、焼結密度の上昇及び室温で立方相として存在することが効果的である。この2条件を同時に満足させる方法としてAlをLLZに添加する。Alの添加時、リチウムサイトにAlが置換されて立方構造を安定化させ、液相焼結効果によって密度上昇を期待することができる。この時、リチウムの揮発を考慮してLiCOを10%excessで行うことが好ましい。アルミナるつぼを使用し、添加するAlの比率を0、0.5、1、2、3、4、5、10、15、20wt%置換した実施例の結果は次の表1の通りである。合成プロセスをそのまま行い、分析はXRD、ラマン分光法、ICPを行い、評価はインピーダンス分析をした。
Figure 2015093828
前記表1を考慮すると、合成時のAlの添加量が増加するにつれて相対密度が減少する傾向がある。特に、3wt%以上添加する場合、密度80%以下で観察され、これは伝導度に不利な条件を提供する。
図8のXRD分析結果、Alを5wt%以上添加する場合、不純物が生成され始め、10wt%以上を添加場合、LLZを観察することができなくなる。各研究機関ではLLZ内にAlがLiあるいはZrに置換されるという報告があるが、どの限界量まで置換が可能であるかに関する研究は行われたことがない。本発明の結果に基づいてAlが約4wt%まで置換可能であると判断され、それによって最高物性が得られるAlの添加量を判断することができる。
図9のラマン測定結果もXRD相(phase)の分析結果と同様に観察される。Alを0〜4wt%添加する水準では全てC−LLZが観察されるが、5wt%以上添加する場合は異なるピークと強度(intensity)が観察される。
図10のICP結果、Alを添加しない場合にもアルミナるつぼによって2.5wt%Alドープ現象が観察される。Al微量添加時(0〜3wt%)、るつぼによるAlの検出量が大きく増加するが、Alを4wt%以上置換する場合、添加量とほぼ同様の水準の量が検出される。このような現象のためにアルミナ添加量の制御が難しくなる。本発明ではアルミナるつぼとサンプルとの直接接触を防いでAlの流入を防止するための方法をさらに提供する。詳細には、焼成時にBN(Boron Nitride)プレートあるいはMgOるつぼを用いてAlの流入を防止する。
図12は、アルミナるつぼ上にBNプレートを用いた評価とアルミナるつぼの代わりにMgOるつぼを用いた評価結果である。BNプレートを用いて1200℃で焼成する場合、BNプレートのバインダ成分の溶出によってサンプルと共に融解される現象が発生し、サンプルの確保が不可能である。MgOるつぼを用いて最終焼成をしてもペレットが形成されず、粉末間の焼結(sintering)現象が全く発生しないことを確認することができる。
一方、インピーダンスの評価結果、Al4wt%まではほぼ同様の伝導度(σは約10−4/Ωcm)が観察(図13参照)されるが、5wt%以上添加する場合、不純物が生成され、急激に伝導度が低くなる(σは約10−7/Ωcm)。
したがって、LLZに、Al置換によってLLZの立方相を維持し、物性を向上することはできるが、Alを4.6wt%以上添加する場合は不純物相の生成によって物性が低くなる。

Claims (9)

  1. LiCO、La、ZrO及びAlを1次乾式混合する段階と、
    800〜1000℃で5〜7時間1次焼成する段階と、
    自然冷却した後2次乾式混合する段階と、
    120〜150MPaで8〜12mmのペレットを製作する段階と、
    1000〜1250℃で20〜36時間2次焼成する段階と、
    を含む、立方相(cubic phase)のLLZ(LiLaZr12)を製造することを特徴とする方法。
  2. 前記立方相のLLZは、LiがAlで置換されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 前記置換されたAlは、0.52mol〜0.80molのものであって、LLZ内にAlが2.5wt%〜3.76wt%ドープされたことを特徴とする請求項2に記載の方法。
  4. 前記LiCO:La:ZrO:Alの乾式混合比率は7mol:3mol:4mol:0.7〜0.9molであることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  5. 2次焼成段階前の乾式混合物10〜80%でペレットを製作し、残りの乾式混合物の粉末でペレットを覆う過程をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
  6. 製造されたLLZを分析する段階をさらに含み、分析する段階はXRD(X−Ray Diffraction)、ラマン分光法(Raman Spectroscopy)またはICP−MS(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry)で行われることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  7. XRDを用いてLLZの相(phase)及び不純物を確認する段階であることを特徴とする請求項6に記載の方法。
  8. ラマン分光法を用いてXRDで判断できない数百マイクロ以下の領域の相(phase)及び不純物を確認することを特徴とする請求項6に記載の方法。
  9. ICPを用いてLLZ内の各元素組成比率と、目標とする組成比率と、を比較することを特徴とする請求項6に記載の方法。
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