JP2016009626A - Composite solid electrolyte body - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a composite solid electrolyte free from the generation of cleavage and cracks, and in which flexibility and ion conductivity are made consistent.SOLUTION: Provided is a composite solid electrolyte body having the first face and the second face and in which lithium ions are conducted in a space between the first face and the second face, a plurality of inorganic solid electrolyte bodies having lithium ion conductivity are bound with a binder other than the inorganic solid electrolyte, some of a plurality of the inorganic solid electrolyte bodies being conductive passage constituting inorganic solid electrolyte bodies composing a lithium ion conductive passage continuous from the first face to the second face, and the ratio of the area of a plurality of the inorganic solid electrolyte bodies exposed to the first face to the area of the binder exposed to the first face is 0.25 to 500.

Description

本発明は、リチウムイオン伝導性の固体電解質体に関する。   The present invention relates to a lithium ion conductive solid electrolyte body.

リチウムイオン伝導性の無機固体電解質は、リチウムイオン二次電池、リチウム空気電池その他の電気化学デバイスにおいて、有機電解液に代わる電解質として、使用が検討されている。無機固体電解質は、有機電解液のように、電池からの漏液や発火の危険が無いためである。
例えば、リチウムイオン伝導性の無機固体電解質を薄板状に成形した固体電解質体は、電池の正極と負極の間に配置されることにより、正極と負極間のリチウムイオンの伝導を担いつつ、電子伝導を断つセパレータとして機能させることが可能である。
固体電解質からなる電池のセパレータは、リチウムイオン伝導抵抗をできるだけ小さくするため、その厚さを可能な限り薄くすることが求められる。しかし、無機固体電解質は脆性材料であるため、無機固体電解質からなるセパレータは、薄くすればするほど、割れたり、クラックが発生しやすくなったりするという課題がある。
特許文献1には、複数のイオン伝導性固体セグメントからなり、前記各固体セグメントが変形可能な電気絶縁材料により連結されていることを特徴とするセパレータが開示されている。
Lithium ion conductive inorganic solid electrolytes are being studied as an alternative to organic electrolytes in lithium ion secondary batteries, lithium air batteries and other electrochemical devices. This is because the inorganic solid electrolyte has no risk of leakage from the battery or ignition unlike the organic electrolyte.
For example, a solid electrolyte body in which a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte is formed into a thin plate shape is disposed between the positive electrode and the negative electrode of a battery, thereby conducting the conduction of lithium ions between the positive electrode and the negative electrode, while conducting the electrons. It is possible to function as a separator that cuts off.
A battery separator made of a solid electrolyte is required to be as thin as possible in order to make lithium ion conduction resistance as small as possible. However, since the inorganic solid electrolyte is a brittle material, the separator made of the inorganic solid electrolyte has a problem that the thinner the separator is, the easier it is to crack or to generate a crack.
Patent Document 1 discloses a separator comprising a plurality of ion conductive solid segments, wherein each solid segment is connected by a deformable electrically insulating material.

特表2014−510363号公報Special table 2014-510363 gazette

特許文献1に記載のセパレータのように、例えば、固体電解質体を無機固体電解質と変形可能なポリマーの複合固体電解質体とすれば、無機固体電解質からなる固体電解質体と比較して柔軟性が増し、割れやクラックの発生を低減することが可能となる。しかし、イオン伝導性が無いポリマーが複合固体電解質体中の一定割合の体積を占めるため、全体としてイオン伝導性は低下することとなる。また、イオン伝導性が無いポリマーの割合を少なくした場合、固体電解質体の柔軟性が十分に得られず、割れやクラックの発生を十分に抑制できない。
本発明の課題は、柔軟性とイオン伝導性が両立した複合固体電解質を提供することにある。
As in the separator described in Patent Document 1, for example, if the solid electrolyte body is a composite solid electrolyte body of an inorganic solid electrolyte and a deformable polymer, the flexibility increases as compared with a solid electrolyte body made of an inorganic solid electrolyte. It is possible to reduce the occurrence of cracks and cracks. However, since the polymer having no ion conductivity occupies a certain proportion of the volume in the composite solid electrolyte body, the ion conductivity as a whole decreases. Moreover, when the ratio of the polymer without ion conductivity is reduced, the flexibility of the solid electrolyte body cannot be obtained sufficiently, and the generation of cracks and cracks cannot be sufficiently suppressed.
An object of the present invention is to provide a composite solid electrolyte having both flexibility and ionic conductivity.

本願発明者は、上記の課題に鑑みて、複合電解質体を無機固体電解質とこれらを結合する結合材料で構成し、これらの構成を特定のものとすることによって、柔軟性とイオン伝導性が両立した複合固体電解質を見出した。
具体的には、本願発明は、以下に記載の構成である。
In view of the above problems, the inventor of the present application configures a composite electrolyte body with an inorganic solid electrolyte and a binding material that binds these, and by making these configurations specific, both flexibility and ion conductivity are achieved. The composite solid electrolyte was found.
Specifically, the present invention has the following configuration.

(構成1)
第一面と第二面を有し、前記第一面と前記第二面間においてリチウムイオンを伝導させるための複合固体電解質体であって、
リチウムイオン伝導性を有する複数の無機固体電解質体が、前記無機固体電解質以外の結合材料で結合されており、
前記複数の無機固体電解質体の幾つかは、第一面から第二面まで連続してリチウムイオン伝導経路を構成する伝導経路構成無機固体電解質体であり、
第一面に露出する複数の無機固体電解質体の面積の、第一面に露出する前記結合材料の面積に対する比は、0.25以上500以下である複合固体電解質体。
(構成2)
前記結合材料が、オレフィン系、フッ素系、エポキシ系、ポリエステル系およびポリウレタン系から選ばれるいずれかの樹脂である構成1に記載の複合固体電解質体。
(構成3)
前記結合材料は、JIS K6253に規定されるタイプAデュロメータ硬さが30以上90以下の材料である構成1または2に記載の複合固体電解質体。
(構成4)
前記無機固体電解質体が、結晶を含む酸化物リチウムイオン伝導性固体電解質の材料からなる構成1から3のいずれかに記載の複合固体電解質体。
(構成5)
前記第一面に露出する、前記無機固体電解質体の一の面積が、30×10−6mm以上500mm以下である構成1から4のいずれかに記載の複合固体電解質体。
(構成6)
第一面に露出する無機固体電解質体のうち、伝導経路構成無機固体電解質体の個数の割合が80%以上である構成1から5のいずれかに記載の複合固体電解質体。
(構成7)
前記第一面と前記第二面の間の距離は、0.05mm以上5mm以下である構成1から6のいずれかに記載の複合固体電解質体。
(構成8)
前記複合固体電解質体は、板状である構成1から7のいずれかに記載の複合固体電解質体。
(構成9)
前記複合固体電解質体は、円筒状である構成1から7のいずれかに記載の複合固体電解質体。
(Configuration 1)
A composite solid electrolyte body having a first surface and a second surface for conducting lithium ions between the first surface and the second surface;
A plurality of inorganic solid electrolyte bodies having lithium ion conductivity are bonded with a binding material other than the inorganic solid electrolyte,
Some of the plurality of inorganic solid electrolyte bodies are conductive path constituting inorganic solid electrolyte bodies that constitute a lithium ion conduction path continuously from the first surface to the second surface,
The composite solid electrolyte body, wherein the ratio of the area of the plurality of inorganic solid electrolyte bodies exposed on the first surface to the area of the binding material exposed on the first surface is 0.25 or more and 500 or less.
(Configuration 2)
The composite solid electrolyte body according to Configuration 1, wherein the binding material is any resin selected from olefin, fluorine, epoxy, polyester, and polyurethane.
(Configuration 3)
The composite solid electrolyte body according to Configuration 1 or 2, wherein the binding material is a material having a type A durometer hardness of 30 or more and 90 or less as defined in JIS K6253.
(Configuration 4)
The composite solid electrolyte body in any one of the structures 1 to 3 in which the said inorganic solid electrolyte body consists of the material of the oxide lithium ion conductive solid electrolyte containing a crystal | crystallization.
(Configuration 5)
The exposed on the first surface, wherein the inorganic solid one area of the electrolyte body, the composite solid electrolyte body according to any one of the 30 × 10 -6 mm 2 or more 500 mm 2 or less is constituted from 1 to 4.
(Configuration 6)
6. The composite solid electrolyte body according to any one of configurations 1 to 5, wherein a ratio of the number of inorganic solid electrolyte bodies constituting a conduction path is 80% or more of the inorganic solid electrolyte body exposed on the first surface.
(Configuration 7)
The composite solid electrolyte body according to any one of configurations 1 to 6, wherein a distance between the first surface and the second surface is 0.05 mm or more and 5 mm or less.
(Configuration 8)
The composite solid electrolyte body according to any one of configurations 1 to 7, wherein the composite solid electrolyte body has a plate shape.
(Configuration 9)
The composite solid electrolyte body according to any one of configurations 1 to 7, wherein the composite solid electrolyte body is cylindrical.

本発明の複合固体電解質体の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the composite solid electrolyte body of this invention. 本発明の複合固体電解質体の製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of the composite solid electrolyte body of this invention. 本発明の複合固体電解質体の製造方法を示す図である。灰色部分が結合材料であり、白色部分が無機固体電解質体である。It is a figure which shows the manufacturing method of the composite solid electrolyte body of this invention. A gray part is a binding material and a white part is an inorganic solid electrolyte body. 本発明の複合固体電解質体の製造方法を示す図である。灰色部分が結合材料であり、白色部分が無機固体電解質体である。It is a figure which shows the manufacturing method of the composite solid electrolyte body of this invention. A gray part is a binding material and a white part is an inorganic solid electrolyte body.

本発明の複合固体電解質体は、複数の無機固体電解質体が、結合材料で結合されることによって、一つの複合固体電解質体となる。   The composite solid electrolyte body of the present invention becomes one composite solid electrolyte body by combining a plurality of inorganic solid electrolyte bodies with a binding material.

複合固体電解質体は、第一面と第二面の2つの面を少なくとも有する。第一面及び第二面は、平面であってよく、曲面であってもよい。複合固体電解質体は、第一面及び第二面以外の面を有していてもよい。本発明においては、複合固体電解質体の表面に現れる稜線で区切られた領域を、複合固体電解質の一つの面と定義する。複合固体電解質体の形態としては、四角い板、円板等の板状、円筒状が例示されるが、これに限らない。複合固体電解質体の第一面及び第二面は、面積が大きい上位2つの面であることが好ましい。   The composite solid electrolyte body has at least two surfaces, a first surface and a second surface. The first surface and the second surface may be flat surfaces or curved surfaces. The composite solid electrolyte body may have a surface other than the first surface and the second surface. In this invention, the area | region divided by the ridgeline which appears on the surface of a composite solid electrolyte body is defined as one surface of a composite solid electrolyte. Examples of the form of the composite solid electrolyte body include a plate shape such as a square plate and a circular plate, and a cylindrical shape, but are not limited thereto. The first surface and the second surface of the composite solid electrolyte body are preferably the upper two surfaces having a large area.

複合固体電解質体がリチウムイオン電池、リチウム空気電池その他の電気化学デバイスに使用される場合、第一面と第二面の間をリチウムイオンが伝導する。結合材料は、複数の無機固体電解質体以外の材料からなる。複合固体電解質体を構成する複数の無機固体電解質体は、その幾つかが複合固体電解質体の第一面から第二面まで連続してリチウムイオン伝導経路を構成している。本発明においては、複合固体電解質体の第一面から第二面まで連続してリチウムイオン伝導経路を構成している無機固体電解質体を、伝導経路構成無機固体電解質体と呼ぶ。伝導経路構成無機固体電解質体は、複合固体電解質体の第一面及び第二面に露出している。   When the composite solid electrolyte body is used for a lithium ion battery, a lithium air battery, or other electrochemical devices, lithium ions are conducted between the first surface and the second surface. The binding material is made of a material other than a plurality of inorganic solid electrolyte bodies. Some of the plurality of inorganic solid electrolyte bodies constituting the composite solid electrolyte body continuously form a lithium ion conduction path from the first surface to the second surface of the composite solid electrolyte body. In the present invention, an inorganic solid electrolyte body that continuously forms a lithium ion conduction path from the first surface to the second surface of the composite solid electrolyte body is referred to as a conduction path configuration inorganic solid electrolyte body. The conduction path constituting inorganic solid electrolyte body is exposed on the first surface and the second surface of the composite solid electrolyte body.

本発明の複合固体電解質体においては、上述の通り、複数の無機固体電解質体のうち、その幾つかが、複合固体電解質体の第一面から第二面まで連続してリチウムイオン伝導経路を構成している。したがって、リチウムイオン二次電池等の電気化学デバイスにおいて、第一面と第二面間でリチウムイオンが伝導するように本発明の複合固体電解質体を使用することにより、高いリチウムイオン伝導性を有する無機固体電解質体のみを伝導経路として、第一面と第二面間をリチウムイオンが伝導する。そのため、複合固体電解質体は、高いリチウムイオン伝導度を有するセパレータとして使用することができる。   In the composite solid electrolyte body of the present invention, as described above, some of the plurality of inorganic solid electrolyte bodies continuously form a lithium ion conduction path from the first surface to the second surface of the composite solid electrolyte body. doing. Therefore, in an electrochemical device such as a lithium ion secondary battery, it has high lithium ion conductivity by using the composite solid electrolyte body of the present invention so that lithium ions are conducted between the first surface and the second surface. Lithium ions are conducted between the first surface and the second surface using only the inorganic solid electrolyte body as a conduction path. Therefore, the composite solid electrolyte body can be used as a separator having high lithium ion conductivity.

本発明の複合固体電解質体を構成する複数の無機固体電解質体に対する、伝導経路構成無機固体電解質体の個数の割合は、80%以上であると高いリチウムイオン伝導度が得られるために好ましく、85%以上であることがより好ましく、90%以上であることが最も好ましい。当該個数の割合の好ましい上限値は100%である。
複数の無機固体電解質体に対する、伝導経路構成無機固体電解質体の個数の割合は、複合固体電解質体の第一面と第二面の最短経路を含む断面を観察し、無機固体電解質体の個数と伝導経路構成無機固体電解質体の個数を数えて算出する。観察する領域は、伝導経路構成無機固体電解質体が少なくとも10個観察される領域を選ぶ。
なお、本発明における当該個数の割合とは、上記算出方法で得られる確かさの限度における、複合固体電解質体における伝導経路構成無機固体電解質体の存在確率の割合を意味しており、発明の効果を得るにあっては、当該存在確率を充足すれば十分である。複合固体電解質体中に存在する真の個数を計測する必要はない。
The ratio of the number of conduction path constituting inorganic solid electrolyte bodies to the plurality of inorganic solid electrolyte bodies constituting the composite solid electrolyte body of the present invention is preferably 80% or more, because high lithium ion conductivity is obtained, 85 % Or more is more preferable, and 90% or more is most preferable. A preferable upper limit of the number ratio is 100%.
The ratio of the number of conduction path constituting inorganic solid electrolyte bodies to the plurality of inorganic solid electrolyte bodies is determined by observing the cross section including the shortest path of the first surface and the second surface of the composite solid electrolyte body, The number is calculated by counting the number of conduction path constituting inorganic solid electrolyte bodies. As the region to be observed, a region in which at least ten conduction path constituting inorganic solid electrolyte bodies are observed is selected.
Note that the ratio of the number in the present invention means the ratio of the existence probability of the conductive path constituting inorganic solid electrolyte body in the composite solid electrolyte body in the limit of certainty obtained by the above calculation method, and the effect of the invention Is sufficient to satisfy the existence probability. There is no need to count the true number present in the composite solid electrolyte body.

本発明の複合固体電解質体において、第一面に露出する複数の無機固体電解質体の面積の、第一面に露出する前記結合材料の面積に対する比を、0.25以上500以下とする。当該比の値が0.25未満であると、複合固体電解質体における第一面と第二面間の単位面積あたりのリチウムイオン伝導度が低くなってしまう。当該比の値は、高いリチウムイオン伝導度を得るために、1以上であるとより好ましく、3以上であると最も好ましい。また、当該比の値が500を超える場合、複合固体電解質体の柔軟性が十分に確保できず、電気化学デバイスで使用する場合に割れやクラックが生じやすくなる。当該比の値は、電気化学デバイスに使用した場合に割れやクラックの発生を生じにくくするために、400以下であるとより好ましく、300以下であると最も好ましい。
当該比の値を前述の範囲とすることにより、複合固体電解質体における第一面と第二面間の単位面積あたりのリチウムイオン伝導度を高くしつつ、複合固体電解質体の柔軟性を確保して、電気化学デバイスにおけるリチウムイオン伝導度と柔軟性のバランスを最適なものとすることが可能となる。
なお、第一面に露出する複数の無機固体電解質体の面積とは、第一面に露出する各々の無機固体電解質体の第一面への投影面積の合計をいう。複合固体電解質体の面積が大きい上位2つの面のうち、どちらを第一面とするかは、測定者の任意である。また、第一面に露出する複数の無機固体電解質体の面積の、第一面に露出する前記結合材料の面積に対する比を求めるにあっては、任意の領域において、第一面の画像を撮影し、当該画像を、厚みと比重が一定の紙またはフィルムに印刷し、結合材料の部分と無機固体電解質体の部分を切り離し、当該紙またはフィルムの重量をそれぞれ測定し、その重量比を面積比として求めることにより算出する。
ここで、本発明における、当該面積の比は、上記の算出方法で得られる確かさの限度における、面積の比を意味しており、本発明の効果を得るためには、当該確かさの限度における面積の比を充足すれば十分である。複合固体電解質体の第一面における真の面積比を計測する必要はない。
In the composite solid electrolyte body of the present invention, the ratio of the area of the plurality of inorganic solid electrolyte bodies exposed on the first surface to the area of the binding material exposed on the first surface is 0.25 or more and 500 or less. When the value of the ratio is less than 0.25, the lithium ion conductivity per unit area between the first surface and the second surface in the composite solid electrolyte body becomes low. The value of the ratio is more preferably 1 or more and most preferably 3 or more in order to obtain high lithium ion conductivity. Moreover, when the value of the ratio exceeds 500, the composite solid electrolyte body cannot be sufficiently flexible, and cracks and cracks are likely to occur when used in an electrochemical device. The value of the ratio is more preferably 400 or less, and most preferably 300 or less in order to make it difficult for cracks and cracks to occur when used in an electrochemical device.
By setting the value of the ratio in the above-mentioned range, the lithium ion conductivity per unit area between the first surface and the second surface in the composite solid electrolyte body is increased, and the flexibility of the composite solid electrolyte body is ensured. Thus, it is possible to optimize the balance between lithium ion conductivity and flexibility in the electrochemical device.
The area of the plurality of inorganic solid electrolyte bodies exposed on the first surface refers to the sum of the projected areas on the first surface of the respective inorganic solid electrolyte bodies exposed on the first surface. It is up to the measurer to decide which of the upper two surfaces having the larger area of the composite solid electrolyte body is the first surface. Further, in determining the ratio of the area of the plurality of inorganic solid electrolyte bodies exposed on the first surface to the area of the binding material exposed on the first surface, an image of the first surface is taken in an arbitrary region. Then, the image is printed on a paper or film having a constant thickness and specific gravity, the binding material portion and the inorganic solid electrolyte body portion are separated, the weight of the paper or film is measured, and the weight ratio is calculated as the area ratio. It calculates by calculating | requiring as.
Here, the ratio of the area in the present invention means the ratio of the area in the limit of certainty obtained by the above calculation method, and in order to obtain the effect of the present invention, the limit of the certainty It is sufficient to satisfy the area ratio. It is not necessary to measure the true area ratio on the first surface of the composite solid electrolyte body.

結合材料は、無機固体電解質体との強い結合が生じる材料であると好ましい。結合材料はオレフィン系、フッ素系、エポキシ系、ポリエステル系、ポリウレタン系から選ばれる樹脂のいずれかであると、無機固体電解質体と強い結合が生じ、強い機械的強度を有する複合固体電解質体が得られるので好ましい。オレフィン系樹脂としては、例えば、ポリプロピレンが例示される。   The binding material is preferably a material that causes a strong bond with the inorganic solid electrolyte body. When the binding material is a resin selected from olefin, fluorine, epoxy, polyester, and polyurethane, a strong bond occurs with the inorganic solid electrolyte body, and a composite solid electrolyte body having strong mechanical strength is obtained. This is preferable. Examples of the olefin resin include polypropylene.

複合固体電解質に高いリチウムイオン伝導性を付与するために、結合材料自体にリチウムイオン伝導性を付与してもよい。例えば、LiBF、LiCFSO、LiSOCH、LiN(SOCF、LiN(SO、LiC(SOCF、有機イオン性のポリスルフィド、Li[B(C]、Li[B(CFO]、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド等のLi塩を上述の樹脂に溶解させることにより、結合材料自体にリチウムイオン伝導性を付与させることができる。 In order to impart high lithium ion conductivity to the composite solid electrolyte, lithium ion conductivity may be imparted to the binding material itself. For example, LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiSO 3 CH 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , organic ionic polysulfide, By dissolving Li salt such as Li [B (C 6 H 4 O 2 ) 2 ], Li [B (C 6 H 3 FO 2 ) 2 ], lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide in the above resin, Lithium ion conductivity can be imparted to the binding material itself.

結合材料は、複合固体電解質体の柔軟性を高め、複合固体電解質体に割れやクラックの発生を抑制するために、JIS K6253に規定されるタイプAデュロメータ硬さが90以下であることが好ましく、90以下であることがより好ましく、80以下であることが最も好ましい。
また、結合材料は、電池製造時に混入する異物や釘などの鋭利な金属に対する複合固体電解質体の強度を高めるために、JIS K6253に規定されるタイプAデュロメータ硬さが30以上であることが好ましく、30以上であることがより好ましく、40以上であることが最も好ましい。
JIS K6253に規定されるタイプAデュロメータ硬さの測定は、複合固体電解質体を構成する結合材料のみで、複合固体電解質体と略同じ厚さのシートを作製し、そのシートをJIS K6253に準拠したタイプAデュロメータで硬さを測定する。
The binding material preferably has a type A durometer hardness of 90 or less as defined in JIS K6253 in order to increase the flexibility of the composite solid electrolyte body and suppress the occurrence of cracks and cracks in the composite solid electrolyte body. More preferably, it is 90 or less, and most preferably 80 or less.
Further, the binding material preferably has a type A durometer hardness of 30 or more as defined in JIS K6253 in order to increase the strength of the composite solid electrolyte body against sharp metals such as foreign matter and nails mixed during battery manufacture. 30 or more is more preferable, and 40 or more is most preferable.
The measurement of the type A durometer hardness specified in JIS K6253 is made only with the binding material constituting the composite solid electrolyte body, and a sheet having the same thickness as that of the composite solid electrolyte body is produced, and the sheet conforms to JIS K6253. Measure hardness with a Type A durometer.

複合固体電解質体を構成する無機固体電解質体は、結晶を含む酸化物リチウムイオン伝導性固体電解質の材料からなることが好ましい。その理由は、高いリチウムイオン伝導性を有しつつ、化学的耐久性及び機械的強度が高い複合固体電解質体を得ることができるためである。
結晶を含む酸化物リチウムイオン伝導性固体電解質の材料は、リチウムイオン伝導性のペロブスカイト型の結晶、ガーネット型の結晶、NASICON型のいずれかの結晶からなる多結晶体、またはこれら結晶のうちいずれかを結晶相として含むガラスセラミックスが例示される。
リチウムイオン伝導性のペロブスカイト型の結晶としては、例えばLa0.55Li0.35TiO(いわゆるLLT)がある。
リチウムイオン伝導性のガーネット型の結晶としては、LiLaZr12(いわゆるLLZ)がある。
リチウムイオン伝導性のNASICON型の結晶としては、Li1+x+z(Ge1−yTi2−xSi3−z12(但し、0≦x≦0.8、0≦y≦1.0、0≦z≦0.6、M=Al、Gaから選ばれる一つ以上)がある。
The inorganic solid electrolyte constituting the composite solid electrolyte is preferably made of a material of oxide lithium ion conductive solid electrolyte containing crystals. The reason is that it is possible to obtain a composite solid electrolyte body having high lithium ion conductivity and high chemical durability and mechanical strength.
The material of the oxide lithium ion conductive solid electrolyte containing a crystal is a lithium ion conductive perovskite crystal, a garnet crystal, a polycrystal composed of any NASICON crystal, or any of these crystals Glass ceramics containing as a crystal phase are exemplified.
As a lithium ion conductive perovskite crystal, there is La 0.55 Li 0.35 TiO 3 (so-called LLT), for example.
Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (so-called LLZ) is given as a lithium ion conductive garnet-type crystal.
As a lithium ion conductive NASICON-type crystal, Li 1 + x + z M x (Ge 1-y Ti y ) 2−x Si z P 3−z O 12 (however, 0 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ y ≦ 1.0, 0.ltoreq.z.ltoreq.0.6, one or more selected from M = Al, Ga).

結晶を含む酸化物リチウムイオン伝導性固体電解質の材料としては、高い化学的耐久性とイオン伝導性を有し、製造も容易なLi1+x+z(Ge1−yTi2−xSi3−z12(但し、0≦x≦0.8、0≦y≦1.0、0≦z≦0.6、M=Al、Gaから選ばれる一つ以上)の結晶相を含むガラスセラミックスが最も好ましい。
このガラスセラミックスは、以下の方法で製造することができる。
まず、HPO、Al(PO、LiCO、SiO、TiO、Ga、GeO、ZrO等の原料を適宜選択し、酸化物基準のモル%で、
LiOを10%〜25%、
AlとGaの1種以上を合計で0.5%〜15%、
TiOとGeOの1種以上を合計で25%〜50%、
SiOを0%〜15%、
を26%〜50%
ZrOを0%〜10%の各成分を含有する組成となるように、原料を調合し、白金坩堝で溶融し、ガラス融液を得る。次に、得られたガラス融液を金型や水中にキャストすることによって急冷し、アモルファス状の母ガラスを得る。
次に、アモルファス状のガラスを熱処理し、結晶を析出させる。熱処理の最高温度は、800℃以上1100℃以下の範囲内であることが好ましい。
以上の工程によって、Li1+x+z(Ge1−yTi2−xSi3−z12(但し、0≦x≦0.8、0≦y≦1.0、0≦z≦0.6、M=Al、Gaから選ばれる一つ以上)の結晶相を含むガラスセラミックスを製造することができる。
As a material of the oxide lithium ion conductive solid electrolyte containing crystals, Li 1 + x + z M x (Ge 1-y Ti y ) 2−x Si z having high chemical durability and ion conductivity and easy to manufacture. Including a crystal phase of P 3-z O 12 (where 0 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ y ≦ 1.0, 0 ≦ z ≦ 0.6, M = Al, Ga). Glass ceramics are most preferred.
This glass ceramic can be manufactured by the following method.
First, raw materials such as H 3 PO 4 , Al (PO 3 ) 3 , Li 2 CO 3 , SiO 2 , TiO 2 , Ga 2 O 3 , GeO 2 , and ZrO 2 are appropriately selected, and in mol% based on the oxide. ,
Li 2 O from 10% to 25%,
0.5% to 15% in total of at least one of Al 2 O 3 and Ga 2 O 3 ,
25% to 50% in total of at least one of TiO 2 and GeO 2 ,
SiO 2 from 0% to 15%,
P 2 O 5 from 26% to 50%
A raw material is prepared so that ZrO 2 has a composition containing each component of 0% to 10%, and is melted in a platinum crucible to obtain a glass melt. Next, the obtained glass melt is quenched by casting into a mold or water to obtain an amorphous mother glass.
Next, the amorphous glass is heat-treated to precipitate crystals. The maximum temperature of the heat treatment is preferably in the range of 800 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower.
Through the above steps, Li 1 + x + z M x (Ge 1−y Ti y ) 2−x Si z P 3−z O 12 (however, 0 ≦ x ≦ 0.8, 0 ≦ y ≦ 1.0, 0 ≦ z It is possible to produce glass ceramics including a crystal phase of ≦ 0.6, one or more selected from M = Al and Ga.

複合固体電解質体の第一面に露出する、無機固体電解質体の一の面積は、30×10−6mm以上500mm以下であると、リチウム空気電池やリチウムイオン二次電池等の電気化学デバイスで使用した場合、複合固体電解質体の面内のリチウムイオン伝導性が一定程度均一となり、電池寿命の点で好ましく、また、複合固体電解質体の面内の柔軟性が一定程度均一となり、好ましい。複合固体電解質体の第一面に露出する、無機固体電解質体の一の面積は、30×10−4mm以上がより好ましく、100×10−4mm以上が最も好ましい。複合固体電解質体の第一面に露出する、無機固体電解質体の一の面積は、300mm以下がより好ましく、200mm以下が最も好ましい。なお、無機固体電解質体の一の面積とは、一つの無機固体電解質体の第一面に露出する部分の、第一面への投影面積である。 Exposed on the first surface of the composite solid electrolyte body, an inorganic solid one area of the electrolyte body, if it is 30 × 10 -6 mm 2 or more 500 mm 2 or less, electrochemical such as lithium air batteries and lithium ion secondary batteries When used in a device, the lithium ion conductivity in the surface of the composite solid electrolyte body becomes uniform to a certain degree, which is preferable in terms of battery life, and the flexibility in the surface of the composite solid electrolyte body becomes uniform to a certain degree, which is preferable. . Exposed on the first surface of the composite solid electrolyte body, one area of the inorganic solid electrolyte body, more preferably 30 × 10-4mm 2 or more, most preferably 100 × 10 -4 mm 2 or more. Exposed on the first surface of the composite solid electrolyte body, one area of the inorganic solid electrolyte body, more preferably 300 mm 2 or less, 200 mm 2 or less being most preferred. In addition, one area of the inorganic solid electrolyte body is a projected area on the first surface of a portion exposed on the first surface of one inorganic solid electrolyte body.

複合固体電解質体を構成する無機固体電解質体は、次の方法で作製することができる。
第1は、結晶を含む酸化物リチウムイオン伝導性固体電解質の材料の塊(バルク体)を、切断、切削、研削、研磨等の機械的加工を施すことにより所望の形状とする方法である。
第2は、結晶を含む酸化物リチウムイオン伝導性固体電解質の材料を粉砕し、粉粒体とする方法である。粉粒体の一つ一つが無機固体電解質体となる。この場合、必要に応じて粉砕後の粉粒体の粒径を一定範囲内のものに選別しても良い。
第3は、結晶を含む酸化物リチウムイオン伝導性固体電解質の材料の粉末を、バインダー、溶媒等と混合してペーストまたはスラリーを作製し、これらを所望の形状に成形したのち焼結する方法である。
The inorganic solid electrolyte body which comprises a composite solid electrolyte body can be produced with the following method.
The first is a method in which a lump (bulk body) of an oxide lithium ion conductive solid electrolyte material containing crystals is formed into a desired shape by performing mechanical processing such as cutting, cutting, grinding, and polishing.
The second method is a method of pulverizing a material of oxide lithium ion conductive solid electrolyte containing crystals to form a granular material. Each of the powder particles becomes an inorganic solid electrolyte body. In this case, if necessary, the particle size of the pulverized powder particles may be selected within a certain range.
Third, a powder of oxide lithium ion conductive solid electrolyte material containing crystals is mixed with a binder, a solvent, etc. to prepare a paste or slurry, which is molded into a desired shape and then sintered. is there.

無機固体電解質体の形状は、三角柱、四角柱その他の角柱、または円柱であって良いが、そのような幾何学的な形状に限られない。上述の通り、粉砕後の粉粒体をそのまま無機固体電解質体の形状としても良い。ただし、第一面および第二面に露出する部分は当該面にならうように加工されていても良い。   The shape of the inorganic solid electrolyte body may be a triangular prism, a quadrangular prism, other prisms, or a cylinder, but is not limited to such a geometric shape. As described above, the pulverized powder particles may be used as the shape of the inorganic solid electrolyte body as they are. However, the portions exposed on the first surface and the second surface may be processed so as to follow the surfaces.

複合固体電解質体の第一面と第二面間の距離は、リチウムイオン二次電池等の電気化学デバイスに使用するために十分な機械的強度を得つつ、リチウムイオン伝導抵抗を小さくするために、0.001mm以上5mm以下であることが好ましい。0.001mmより小さいと十分な機械的強度が得難くなる。5mmより大きいと、リチウムイオン二次電池等の電気化学デバイスで使用するために必要なリチウムイオン伝導度が得難くなる。複合固体電解質体の第一面と第二面間の距離の下限は、より好ましくは0.005mm、最も好ましくは0.01mmである。複合固体電解質体の第一面と第二面間の距離の上限は、より好ましくは0.1mm、最も好ましくは0.5mmである。
ここで、複合固体電解質体の第一面と第二面間の距離とは、当該第一面の任意の点から第ニ面に向かう最短距離をいう。例えば、複合固体電解質体の形状が板の場合は板の厚さをいい、円筒の場合は円筒の外径と内径の差の半分の距離、すなわち肉厚をいう。
The distance between the first surface and the second surface of the composite solid electrolyte body is to reduce the lithium ion conduction resistance while obtaining sufficient mechanical strength for use in electrochemical devices such as lithium ion secondary batteries. It is preferable that it is 0.001 mm or more and 5 mm or less. When it is smaller than 0.001 mm, it is difficult to obtain sufficient mechanical strength. When it is larger than 5 mm, it becomes difficult to obtain lithium ion conductivity necessary for use in an electrochemical device such as a lithium ion secondary battery. The lower limit of the distance between the first surface and the second surface of the composite solid electrolyte body is more preferably 0.005 mm, and most preferably 0.01 mm. The upper limit of the distance between the first surface and the second surface of the composite solid electrolyte body is more preferably 0.1 mm, and most preferably 0.5 mm.
Here, the distance between the first surface and the second surface of the composite solid electrolyte body refers to the shortest distance from any point on the first surface toward the second surface. For example, when the shape of the composite solid electrolyte body is a plate, it refers to the thickness of the plate, and when it is a cylinder, it refers to a distance that is half the difference between the outer diameter and the inner diameter of the cylinder, that is, the thickness.

複合固体電解質体の製造方法は、以下の方法を用いることができる。
[第1の方法]
複数の無機固体電解質体を角柱または円柱に成形する。図1(a)のように、これらの無機固体電解質体1の向きを揃えて積層し、結合材料2で結合する。図1(b)のように、結合材料と無機固体電解質体の複合体を、結合材料と無機固体電解質体を横断するようにスライスし、図1(c)の複合固体電解質体を製造することができる。必要に応じて、第一面、第二面を研削・研磨してもよい。
The following method can be used as the method for producing the composite solid electrolyte body.
[First method]
A plurality of inorganic solid electrolyte bodies are formed into prisms or cylinders. As shown in FIG. 1 (a), these inorganic solid electrolyte bodies 1 are laminated with their orientations aligned and bonded with a bonding material 2. As shown in FIG. 1B, the composite of the binding material and the inorganic solid electrolyte body is sliced so as to cross the binding material and the inorganic solid electrolyte body, and the composite solid electrolyte body of FIG. 1C is manufactured. Can do. You may grind and polish the 1st surface and the 2nd surface as needed.

[第2の方法]
図1(c)で作製した複合固体電解質体を、さらに、図2(a)のように積層して結合材料で結合する。積層の際には、図2(a)のように、無機固体電解質体の位置がずれるように複合固体電解質体を積層しても良い。図2(a)では、積層された複合固体電解質体の左右側面端部を研削して、積層後の端部が一面となるように加工してある。このようにして積層したものを図2(b)のようにスライスし、図2(c)の複合固体電解質体を製造することができる。
[Second method]
The composite solid electrolyte body produced in FIG. 1C is further laminated as shown in FIG. 2A and bonded with a bonding material. When stacking, the composite solid electrolyte body may be stacked so that the position of the inorganic solid electrolyte body is shifted as shown in FIG. In FIG. 2 (a), the left and right side end portions of the laminated composite solid electrolyte body are ground so that the end portions after lamination become one surface. The laminated body can be sliced as shown in FIG. 2B to produce the composite solid electrolyte body shown in FIG.

[第3の方法]
複数の無機固体電解質の粉粒体を無機固体電解質体とする。粉粒体の粒子径は、複合固体電解質体の狙いとする厚さとほぼ同等に調整しておく。当該粉粒体、結合材料、溶媒等を混合し、スラリーを作製する。テープキャスティング法等により、当該スラリーを所望の厚さに成形する。成形したスラリーから溶媒を揮発させ乾燥させる。この時、無機固体電解質体の多くは、図3(a)のように、第一面および第二面まで連続した状態となる。
その後、必要に応じ、図3(b)のように、第一面、第二面を研削または研磨を施して、平滑面としても良い。
また、図4(a)のように、粉粒体の粒子径よりも厚くスラリーを成形し、図4(b)のように、第一面、第二面を研削または研磨を施して、第一面および第二面に無機固体電解質体が露出した複合固体電解質体を得ることができる。
[Third method]
A plurality of inorganic solid electrolyte powders are used as inorganic solid electrolyte bodies. The particle diameter of the powder is adjusted to be approximately equal to the target thickness of the composite solid electrolyte body. The powder, the binding material, the solvent and the like are mixed to prepare a slurry. The slurry is formed to a desired thickness by a tape casting method or the like. The solvent is evaporated from the formed slurry and dried. At this time, most of the inorganic solid electrolyte bodies are in a continuous state up to the first surface and the second surface as shown in FIG.
Thereafter, as shown in FIG. 3B, the first surface and the second surface may be ground or polished as necessary to form a smooth surface.
Further, as shown in FIG. 4A, the slurry is formed to be thicker than the particle diameter of the granular material, and the first surface and the second surface are ground or polished as shown in FIG. A composite solid electrolyte body in which the inorganic solid electrolyte body is exposed on one surface and the second surface can be obtained.

(実施例1)
[無機固体電解質体の作製]
原料として、HPO、Al(PO、LiCO、SiOおよびTiOを用いた。これらの原料を、製造後の無機固体電解質の組成が酸化物基準のモル%で、P=33.8%、Al=7.6%、LiO=14.5%、SiO=2.8%、TiO=41.3%となるように秤量し、均一に混合し、混合物を得た。当該混合物を、白金ポットに入れ、これを電気炉中で1450℃で3時間加熱した。当該混合物は、溶解してガラス融液となった。前記3時間の加熱中には、ガラス融液が均質となるように、数回撹拌を行った。
得られたガラス融液を流水中に滴下し、フレーク状のガラスを得た。このガラスを950℃で12時間の熱処理により結晶化を行うことにより、リチウムイオン伝導性のガラスセラミックスを得た。析出した結晶相は粉末X 線回折法により、Li1+x+yAlxTi2−xSiyP3−yO12(0≦x≦0.4、0<y≦0.6)が主結晶相であることが確認された。
得られたガラスセラミックスのフレークをボールミルにより粉砕し、粉砕した粒子をふるいにかけ、平均粒径42μmのガラスセラミックスの粉末を得た。また、インピーダンス測定を行って求めたフレーク状のリチウムイオン伝導度は25℃で9.4×10−4Scm−1であった。
Example 1
[Preparation of inorganic solid electrolyte]
H 3 PO 4 , Al (PO 3 ) 3 , Li 2 CO 3 , SiO 2 and TiO 2 were used as raw materials. These raw materials were prepared in such a manner that the composition of the inorganic solid electrolyte after production was mol% based on oxide, P 2 O 5 = 33.8%, Al 2 O 3 = 7.6%, Li 2 O = 14.5% , SiO 2 = 2.8%, TiO 2 = 41.3% were weighed and mixed uniformly to obtain a mixture. The mixture was placed in a platinum pot, which was heated in an electric furnace at 1450 ° C. for 3 hours. The mixture melted into a glass melt. During the heating for 3 hours, stirring was performed several times so that the glass melt became homogeneous.
The obtained glass melt was dropped into running water to obtain flaky glass. The glass was crystallized by heat treatment at 950 ° C. for 12 hours to obtain lithium ion conductive glass ceramics. The precipitated crystal phase was confirmed to be Li1 + x + yAlxTi2-xSiyP3-yO12 (0 ≦ x ≦ 0.4, 0 <y ≦ 0.6) as the main crystal phase by powder X-ray diffraction.
The obtained glass ceramic flakes were pulverized by a ball mill, and the pulverized particles were sieved to obtain glass ceramic powder having an average particle size of 42 μm. Further, the flaky lithium ion conductivity obtained by impedance measurement was 9.4 × 10 −4 Scm −1 at 25 ° C.

[複合固体電解質体の作製]
エチレン・ビニルアルコール樹脂と上記ガラスセラミックスの粉末を体積比で20:80になるように調整し、混練した。混練した複合固体電解質を熱間プレスして厚さ60μmのシート状に成型した。同シートを50mm角に切断して、研削加工にて、両面を削り厚さ30μmに仕上げた。同シートにおいては、ガラスセラミックスの粉末が無機固体電解質体となり、エチレン・ビニルアルコール樹脂が結合材料を構成する。
同シートの50mm角の一方の面を第一面とするとき、第一面の400×200μmの領域のSEM像を撮影し、第一面に露出する複数の無機固体電解質体の面積の、第一面に露出する結合材料の面積に対する比を求めたところ、4であった。また、同観察において、前記第一面に露出する、前記無機固体電解質体の一の面積は、個数平均で、3×10−4mmであった。また、同シートの断面を100×50μmの視野でSEMで観察したところ、当該領域で観察される無機固体電解質体に対する、伝導経路構成無機固体電解質体の個数の割合は、87%であった。
インピーダンス測定を行い求めたリチウムイオン伝導度は、25℃で5.6×10−4Scm−1であった。
同シートに用いたエチレン・ビニルアルコール樹脂のみを30μmに仕上げ、JIS K6253に準拠したタイプAデュロメータで硬さを測定したところ、タイプAデュロメータ硬さは90であった。
[Production of composite solid electrolyte]
The ethylene / vinyl alcohol resin and the glass ceramic powder were adjusted to a volume ratio of 20:80 and kneaded. The kneaded composite solid electrolyte was hot-pressed and formed into a sheet having a thickness of 60 μm. The sheet was cut into 50 mm squares, and both sides were ground by grinding to a thickness of 30 μm. In the sheet, the glass ceramic powder becomes an inorganic solid electrolyte, and the ethylene / vinyl alcohol resin constitutes the binding material.
When one surface of 50 mm square of the sheet is the first surface, an SEM image of a 400 × 200 μm region of the first surface is taken, and the areas of the plurality of inorganic solid electrolyte bodies exposed on the first surface are measured. The ratio to the area of the bonding material exposed on one side was calculated to be 4. In the same observation, one area of the inorganic solid electrolyte body exposed on the first surface was 3 × 10 −4 mm 2 in number average. Further, when the cross section of the sheet was observed with a SEM in a field of 100 × 50 μm, the ratio of the number of the conductive path constituting inorganic solid electrolyte bodies to the inorganic solid electrolyte bodies observed in the region was 87%.
The lithium ion conductivity obtained by impedance measurement was 5.6 × 10 −4 Scm −1 at 25 ° C.
Only the ethylene / vinyl alcohol resin used in the sheet was finished to 30 μm, and the hardness was measured with a type A durometer in accordance with JIS K6253. As a result, the type A durometer hardness was 90.

(実施例2)
原料として、HPO、Al(PO、LiCO、SiO、TiO、GeOおよびZrOを用いた。これらの原料を、製造後の無機固体電解質の組成が酸化物換算のモル%で、LiO=14.4%、Al=O8.1%、SiO=1.7%、P=37.9%、TiO=17.0%、GeO=19.8%、ZrO=1.1%となるように秤量し、均一に混合し、混合物を得た。当該混合物を、白金ポットに入れ、これを電気炉中で1350℃で3時間加熱した。当該混合物は、溶解してガラス融液となった。前記3時間の加熱中には、ガラス融液が均質となるように、数回撹拌を行った。その後、得られたガラス融液を、ポットに取り付けた白金製のパイプから、300℃に加熱した金属の型に流し込んだ。白金製のパイプは、ガラス融液の温度を調整するため、加熱している。金属に型に流しこんだガラスの表面温度が600℃以下になるまで放冷した後、550℃に加熱した電気炉中に入れ、室温まで徐冷することにより、熱的な歪を取り除いたガラスブロックを作製した。
ガラスブロックを100mm×5mm×1.2mmに切断加工した後に、900℃にて、12時間の熱処理により結晶化を行うことにより、目的のガラスセラミックスを得た。
析出した結晶相は粉末X線回折法により、Li1+x+yAlx(Ti+Ge)2−xSiyP3−yO12(0≦x≦0.4、0<y≦0.6)が主結晶相であることが確認された。また、インピーダンス測定を行って求めたそのガラスセラミックスのイオン伝導度は25℃で1.2×10−4Scm−1であった。
同ガラスセラミックスをPFAフィルム(25μm)を用いて熱圧着により張り合わせ、厚さ38mmの複合固体電解質体を作成した。ワイヤーソーにて厚さ0.6mmに切断して、38×100×0.6mmのシート状に成型した。
同シートにおいては、0.6mm×1.2mm×100mmのガラスセラミックスが無機固体電解質体となり、PFAが結合材料を構成する。同シートの100mm×38mmの面の一方を第一面とするとき、第一面の5×2.5mmの領域のSEM像を撮影し、第一面に露出する複数の無機固体電解質体の面積の、第一面に露出する結合材料の面積に対する比を求めたところ、99であった。また、同観察において、前記第一面に露出する、前記無機固体電解質体の一の面積は、また、同シートの断面の固体電解質の領域を1×0.5mmの視野でSEMで観察したところ、当該領域で観察される無機固体電解質体に対する、伝導経路構成無機固体電解質体の個数の割合は、100%であった。
インピーダンス測定により求めたイオン伝導度は、25℃で0.9×10−4Scm−1であった。
同シートに用いたPFAフィルムのみを厚さが0.6mmとなるまで複数枚積層し、JIS K6253に準拠したタイプAデュロメータで硬さを測定したところ、タイプAデュロメータ硬さは60であった。
(Example 2)
As raw materials, H 3 PO 4 , Al (PO 3 ) 3 , Li 2 CO 3 , SiO 2 , TiO 2 , GeO 2 and ZrO 2 were used. These raw materials are composed of mol% in terms of oxides of the inorganic solid electrolyte after production, Li 2 O = 14.4%, Al 2 = O 3 8.1%, SiO 2 = 1.7%, P 2 O 5 = 37.9%, TiO 2 = 17.0%, GeO 2 = 19.8%, ZrO 2 = 1.1% were weighed and mixed uniformly to obtain a mixture. The mixture was placed in a platinum pot, which was heated in an electric furnace at 1350 ° C. for 3 hours. The mixture melted into a glass melt. During the heating for 3 hours, stirring was performed several times so that the glass melt became homogeneous. Thereafter, the obtained glass melt was poured from a platinum pipe attached to a pot into a metal mold heated to 300 ° C. The platinum pipe is heated to adjust the temperature of the glass melt. Glass that has been poured into a mold and allowed to cool until the surface temperature reaches 600 ° C. or lower, then placed in an electric furnace heated to 550 ° C., and slowly cooled to room temperature to remove thermal strain. A block was made.
The glass block was cut into 100 mm × 5 mm × 1.2 mm and then crystallized by heat treatment at 900 ° C. for 12 hours to obtain the target glass ceramic.
The precipitated crystal phase was confirmed to be Li1 + x + yAlx (Ti + Ge) 2-xSiyP3-yO12 (0 ≦ x ≦ 0.4, 0 <y ≦ 0.6) as the main crystal phase by powder X-ray diffraction. Moreover, the ionic conductivity of the glass ceramic obtained by measuring impedance was 1.2 × 10 −4 Scm −1 at 25 ° C.
The glass ceramic was laminated by thermocompression bonding using a PFA film (25 μm) to prepare a 38 mm thick composite solid electrolyte body. It was cut into a thickness of 0.6 mm with a wire saw and molded into a 38 × 100 × 0.6 mm sheet.
In the sheet, 0.6 mm × 1.2 mm × 100 mm glass ceramics becomes the inorganic solid electrolyte body, and PFA constitutes the binding material. When one of the 100 mm × 38 mm surfaces of the sheet is the first surface, an SEM image of a 5 × 2.5 mm region of the first surface is taken, and the areas of the plurality of inorganic solid electrolyte bodies exposed on the first surface Of the area of the bonding material exposed on the first surface was 99. Further, in the same observation, one area of the inorganic solid electrolyte body exposed on the first surface was observed by SEM in a 1 × 0.5 mm field of view of the solid electrolyte region of the cross section of the sheet. The ratio of the number of conduction path constituting inorganic solid electrolyte bodies to the inorganic solid electrolyte bodies observed in the region was 100%.
The ionic conductivity determined by impedance measurement was 0.9 × 10 −4 Scm −1 at 25 ° C.
When only a PFA film used for the sheet was laminated to a thickness of 0.6 mm and the hardness was measured with a type A durometer in accordance with JIS K6253, the type A durometer hardness was 60.

(実施例3)
原料としてHPO、GeO、Al(PO、LiCOを使用した。これらを酸化物換算のmol%でP=37.5%、GeO=35.0%、Al=7.5%、LiO=20.0%という組成になるように秤量し、均一に混合した後、白金るつぼに入れて電気炉で加熱溶解した。電気炉で1300℃まで昇温し、その温度で3時間溶解した。その後、溶解ガラスを予め300℃に暖めた鉄板上にキャストし、均一な板状のガラスを作製した。そして、ガラスの歪を取り除くために520℃で2時間アニールした。こうして得られたガラスをサイズ50mm×50mm×2mmに切断し、800℃で12時間熱処理を行うことにより、緻密なガラスセラミックスを得た。
析出した結晶相は粉末X線回折法により、Li1+XAlGe2−X(POであることが確認された。そのガラスセラミックスは25℃で4.0×10−4S/cmという高いリチウムイオン伝導率を示した。
同ガラスセラミックスをエポキシ樹脂を熱圧着により張り合わせ、厚さ40mmの複合固体電解質体を作成した。ワイヤーソーにて厚さ0.8mmに切断して、40×50×0.8mmのシート状に成型した
同シートにおいては、0.6mm×2mm×50mmのガラスセラミックスが無機固体電解質体となり、エポキシ樹脂が結合材料を構成する。同シートの50mm×40mmの面の一方を第一面とするとき、第一面の5×2.5mmの領域のSEM像を撮影し、第一面に露出する複数の無機固体電解質体の面積の、第一面に露出する結合材料の面積に対する比を求めたところ、99であった。また、同シートの断面を2×1mmの視野でSEMで観察したところ、当該領域で観察される無機固体電解質体に対する、伝導経路構成無機固体電解質体の個数の割合は、100%であった。
インピーダンス測定により求めたイオン伝導度は、25℃で0.9×10−4Scm−1であった。
同シートに用いたエポキシ樹脂のみを0.8mmに仕上げ、JIS K6253に準拠したタイプAデュロメータで硬さを測定したところ、タイプAデュロメータ硬さは20であった。
(Example 3)
H 3 PO 4 , GeO 2 , Al (PO 3 ) 3 , and Li 2 CO 3 were used as raw materials. The composition is such that P 2 O 5 = 37.5%, GeO 2 = 35.0%, Al 2 O 3 = 7.5%, Li 2 O = 20.0% in mol% in terms of oxide. The mixture was weighed and mixed uniformly, and then placed in a platinum crucible and dissolved by heating in an electric furnace. The temperature was raised to 1300 ° C. in an electric furnace, and melting was performed at that temperature for 3 hours. Thereafter, the molten glass was cast on an iron plate previously heated to 300 ° C. to produce a uniform plate-like glass. And it annealed at 520 degreeC for 2 hours in order to remove the distortion of glass. The glass thus obtained was cut into a size of 50 mm × 50 mm × 2 mm and heat treated at 800 ° C. for 12 hours to obtain a dense glass ceramic.
The precipitated crystal phase was confirmed to be Li 1 + X Al X Ge 2-X (PO 4 ) 3 by powder X-ray diffraction. The glass ceramic exhibited a high lithium ion conductivity of 4.0 × 10 −4 S / cm at 25 ° C.
The glass ceramic was bonded to an epoxy resin by thermocompression bonding to prepare a composite solid electrolyte body having a thickness of 40 mm. Cut to a thickness of 0.8 mm with a wire saw and molded into a 40 x 50 x 0.8 mm sheet. In the same sheet, 0.6 mm x 2 mm x 50 mm glass ceramic becomes an inorganic solid electrolyte body, and epoxy Resin constitutes the binding material. When one of the 50 mm × 40 mm surfaces of the sheet is the first surface, an SEM image of a 5 × 2.5 mm region of the first surface is taken, and the areas of the plurality of inorganic solid electrolyte bodies exposed on the first surface Of the area of the bonding material exposed on the first surface was 99. Moreover, when the cross section of the sheet was observed with a SEM in a field of 2 × 1 mm, the ratio of the number of the inorganic solid electrolyte bodies constituting the conduction path to the inorganic solid electrolyte bodies observed in the region was 100%.
The ionic conductivity determined by impedance measurement was 0.9 × 10 −4 Scm −1 at 25 ° C.
Only the epoxy resin used for the sheet was finished to 0.8 mm, and the hardness was measured with a type A durometer in accordance with JIS K6253. As a result, the type A durometer hardness was 20.

(比較例1)
実施例1のガラスフレークを、ボールミルにて粉砕して、平均粒子径18μm、最大粒子径29μmに調整した。同粉末を用いて実施例1と同様に25μmシート状の複合電解質体を得た。同シートの50mm角の一方の面を第一面とするとき、第一面の400×200μmの領域のSEM像を撮影し、第一面に露出する複数の無機固体電解質体の面積の、第一面に露出する結合材料の面積に対する比を求めたところ、2であった。また、同観察において、前記第一面に露出する、前記無機固体電解質体の一の面積は、個数平均で、1.0×10−3mmであった。また、同シートの断面を100×50μmの視野でSEMで観察したところ、当該領域で観察される無機固体電解質体に対する、伝導経路構成無機固体電解質体の個数の割合は、1%未満であった。インピーダンス測定から求めたイオン伝導度は、2×10−8Scm−1であった。
(Comparative Example 1)
The glass flakes of Example 1 were pulverized by a ball mill and adjusted to an average particle size of 18 μm and a maximum particle size of 29 μm. Using this powder, a 25 μm sheet composite electrolyte was obtained in the same manner as in Example 1. When one surface of 50 mm square of the sheet is the first surface, an SEM image of a 400 × 200 μm region of the first surface is taken, and the areas of the plurality of inorganic solid electrolyte bodies exposed on the first surface are measured. The ratio to the area of the bonding material exposed on one side was determined to be 2. In the same observation, one area of the inorganic solid electrolyte body exposed on the first surface was 1.0 × 10 −3 mm 2 in number average. Further, when the cross section of the sheet was observed with a SEM in a field of view of 100 × 50 μm, the ratio of the number of the conductive path constituting inorganic solid electrolyte bodies to the inorganic solid electrolyte bodies observed in the region was less than 1%. . The ionic conductivity obtained from the impedance measurement was 2 × 10 −8 Scm −1 .

1 無機固体電解質体
2 結合材料
1 Inorganic solid electrolyte body 2 Binding material

Claims (9)

第一面と第二面を有し、前記第一面と前記第二面間においてリチウムイオンを伝導させるための複合固体電解質体であって、
リチウムイオン伝導性を有する複数の無機固体電解質体が、前記無機固体電解質以外の結合材料で結合されており、
前記複数の無機固体電解質体の幾つかは、第一面から第二面まで連続してリチウムイオン伝導経路を構成する伝導経路構成無機固体電解質体であり、
第一面に露出する複数の無機固体電解質体の面積の、第一面に露出する前記結合材料の面積に対する比は、0.25以上500以下である複合固体電解質体。
A composite solid electrolyte body having a first surface and a second surface for conducting lithium ions between the first surface and the second surface;
A plurality of inorganic solid electrolyte bodies having lithium ion conductivity are bonded with a binding material other than the inorganic solid electrolyte,
Some of the plurality of inorganic solid electrolyte bodies are conductive path constituting inorganic solid electrolyte bodies that constitute a lithium ion conduction path continuously from the first surface to the second surface,
The composite solid electrolyte body, wherein the ratio of the area of the plurality of inorganic solid electrolyte bodies exposed on the first surface to the area of the binding material exposed on the first surface is 0.25 or more and 500 or less.
前記結合材料が、オレフィン系、フッ素系、エポキシ系、ポリエステル系およびポリウレタン系から選ばれるいずれかの樹脂である請求項1に記載の複合固体電解質体。   2. The composite solid electrolyte body according to claim 1, wherein the binding material is a resin selected from olefin, fluorine, epoxy, polyester, and polyurethane. 前記結合材料は、JIS K6253に規定されるタイプAデュロメータ硬さが30以上90以下の材料である請求項1または2に記載の複合固体電解質体。   The composite solid electrolyte body according to claim 1 or 2, wherein the binding material is a material having a type A durometer hardness of 30 or more and 90 or less as defined in JIS K6253. 前記無機固体電解質体が、結晶を含む酸化物リチウムイオン伝導性固体電解質の材料からなる請求項1から3のいずれかに記載の複合固体電解質体。   The composite solid electrolyte body according to any one of claims 1 to 3, wherein the inorganic solid electrolyte body is made of an oxide lithium ion conductive solid electrolyte material containing crystals. 前記第一面に露出する、前記無機固体電解質体の一の面積が、30×10−6mm以上500mm以下である請求項1から4のいずれかに記載の複合固体電解質体。 The exposed on the first surface, wherein the inorganic one area of the solid electrolyte body, a composite solid electrolyte body according to any one of the 30 × 10 -6 mm 2 or more 500 mm 2 from the claim 1 or less 4. 第一面に露出する無機固体電解質体のうち、伝導経路構成無機固体電解質体の個数の割合が80%以上である請求項1から5のいずれかに記載の複合固体電解質体。   The composite solid electrolyte body according to any one of claims 1 to 5, wherein, of the inorganic solid electrolyte body exposed on the first surface, the ratio of the number of inorganic solid electrolyte bodies constituting the conduction path is 80% or more. 前記第一面と前記第二面の間の距離は、0.05mm以上5mm以下である請求項1から6のいずれかに記載の複合固体電解質体。   The composite solid electrolyte body according to any one of claims 1 to 6, wherein a distance between the first surface and the second surface is 0.05 mm or more and 5 mm or less. 前記複合固体電解質体は、板状である請求項1から7のいずれかに記載の複合固体電解質体。   The composite solid electrolyte body according to claim 1, wherein the composite solid electrolyte body has a plate shape. 前記複合固体電解質体は、円筒状である請求項1から7のいずれかに記載の複合固体電解質体。   The composite solid electrolyte body according to claim 1, wherein the composite solid electrolyte body is cylindrical.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2016024947A (en) * 2014-07-18 2016-02-08 富士通株式会社 All-solid type secondary battery and manufacturing method thereof
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