JP2019067511A - Solid electrolyte and method for manufacturing the same - Google Patents

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浩成 南
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Abstract

To provide a solid electrolyte which has at least a satisfying mechanical strength and a lithium ion conductivity for use in a mobile such as a motor vehicle over a long time, and a method for manufacturing the solid electrolyte.SOLUTION: A solid electrolyte satisfies the following formula (I): LiM1M2Ti(PO)(I) (where M1 is one or more element selected from a group consisting of Al, Cu, Co, Fe, Ni, Ga, Crand Sc; M2 is one or more element selected from a group consisting of Si, Ge, Sn, Hfand Zr; and X and Y are each a real number that satisfies X+Y≤1). The solid electrolyte has NASICON type crystal structure, and comprises at least one metal oxide selected from a group consisting of TiO, SiO, ZrO, MgO and AlOat a grain boundary of NASICON type crystal structure.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、固体電解質及び固体電解質の製造方法に関する。   The present invention relates to a solid electrolyte and a method of producing a solid electrolyte.

電気自動車の普及のために、リチウムイオン電池よりもはるかに大きいエネルギー密度を有する空気電池に期待が寄せられている。空気電池は、空気中の酸素を正極活物質に使用する。その中でも、負極活物質に金属リチウム、リチウムを主成分とする合金、又はリチウムを主成分とする化合物を使用するリチウム空気電池は、エネルギー密度が高く、本格的な電気自動車の普及に必要とされる700Wh/kgのエネルギー密度を得られる電池として期待されている。このエネルギー密度は現在車載が始まっているリチウムイオン電池を3倍以上上回るものである。   Due to the widespread use of electric vehicles, air batteries having much higher energy density than lithium ion batteries are expected. An air battery uses oxygen in air as a positive electrode active material. Among them, a lithium air battery using metal lithium, an alloy containing lithium as a main component, or a compound containing lithium as a main component to the negative electrode active material has a high energy density and is required for full-fledged widespread use of electric vehicles. It is expected as a battery that can obtain an energy density of 700 Wh / kg. This energy density is more than three times higher than that of lithium-ion batteries currently in vehicles.

電解質の種類に着目すると、リチウム空気電池は水系電解質、及び非水系電解質を用いたものの2つに大別される。
非水系電解質のリチウム空気電池は、空気極以外についてリチウムイオン電池の技術を利用できるために研究開発の主流となっている。
他方、未だ少数ではあるものの、水系電解質のリチウム空気電池の研究開発も進められている。水系電解質のリチウム空気電池は、非水系電解質のリチウム空気電池に比べて、空気中の水分の影響を受けず、電解質が安価かつ不燃である等の長所がある。
ただし、負極活物質である金属リチウムは、直接酸素や水に接触すると反応してしまう。そこで、水系電解質のリチウム空気電池では、金属リチウムを大気や水溶液から保護するために、リチウムイオンの伝導性を有する固体電解質を用いて保護層としている。
Focusing on the types of electrolytes, lithium-air batteries are roughly classified into two types, those using water-based electrolytes and non-water-based electrolytes.
Non-aqueous electrolyte lithium air batteries are the mainstream of research and development because they can utilize the technology of lithium ion batteries other than the air electrode.
On the other hand, research and development of water-based electrolyte lithium-air batteries are also in progress, though the number is still small. A water-based electrolyte lithium-air battery is less susceptible to moisture in the air than a non-water-based electrolyte lithium-air battery, and has the advantage that the electrolyte is inexpensive and incombustible.
However, metal lithium, which is a negative electrode active material, reacts when coming into direct contact with oxygen or water. Therefore, in a lithium-air battery of a water-based electrolyte, in order to protect metal lithium from the air or an aqueous solution, a protective layer is formed using a solid electrolyte having conductivity of lithium ions.

このような固体電解質として、NASICON型Li1+XTi2−X(POリチウムイオン伝導性固体電解質(以下、NASICON型固体電解質という)が知られている。NASICON型固体電解質は、水分に対して安定なので、開放空気中で調製することができ、電解液であるLiCl飽和水溶液と接触させても安定である。また、リチウムイオン伝導性も良好である。 Such solid electrolyte, NASICON type Li 1 + X A X Ti 2 -X (PO 4) 3 lithium ion conductive solid electrolyte (hereinafter, referred to as NASICON type solid electrolyte) is known. Since the NASICON type solid electrolyte is stable to moisture, it can be prepared in open air, and is stable even in contact with a LiCl saturated aqueous solution which is an electrolytic solution. In addition, lithium ion conductivity is also good.

ここで、非特許文献1に示されるようにLi1.4Al0.4Ge0.2Ti1.4(POは、高いリチウムイオン伝導性を持つ固体電解質である。この固体電解質を利用したリチウム空気電池が非特許文献2に開示されている。しかしながら、実際に空気電池を製作し長期間かつ自動車のような移動体に使用するためには、固体電解質の強度が大きな課題となる。強度の指標の一つに3点曲げ強度があるが、公知となっている高リチウムイオン伝導性の固体電解質の3点曲げ強度は最大でも65Nmmしかない。この曲げ強度は手でストレスを掛ければ容易に割れてしまう程度のものであり、前記用途に使用するための固体電解質としては全く不十分である。 Here, as shown in Non-Patent Document 1, Li 1.4 Al 0.4 Ge 0.2 Ti 1.4 (PO 4 ) 3 is a solid electrolyte having high lithium ion conductivity. Non-Patent Document 2 discloses a lithium-air battery using this solid electrolyte. However, in order to actually manufacture an air battery and use it for a long time and in a mobile body such as an automobile, the strength of the solid electrolyte becomes a major issue. One of the strength indexes is 3-point bending strength, but the known 3-point bending strength of the high lithium ion conductive solid electrolyte is only 65 Nmm 2 at the maximum. This bending strength is such that it is easily broken if stressed by hand, and it is completely insufficient as a solid electrolyte for use in the above-mentioned application.

一方で強度を向上した固体電解質がオハラ株式会社より市販されている。その強度は約140Nmm−2と実用的なレベルにあるが、この固体電解質はリチウムイオン伝導率が約1.0×10−4Scm−1しかなく空気電池の出力を損なっている。 On the other hand, solid electrolytes having improved strength are commercially available from OHARA CORPORATION. Its strength is in practical level of about 140Nmm -2, the solid electrolyte is mar output of the air battery have only the lithium ion conductivity of about 1.0 × 10 -4 Scm -1.

また、非特許文献3では、Li1+xAlGeTi2−x−y(PO(LAGTP)おいてAlの組成比が最適化されており、Al=0.45の場合最も高い導電率が得られると記載されている。その導電率は約1.0×10−3Scm−1と非常に高いが、機械的強度は約90Nmm−2であり少し不十分である。
以上のように、従来技術においては、機械的強度とリチウムイオン伝導率をともに満足できる固体電解質が得られていない。
Further, Non-Patent Document 3, Li 1 + x Al x Ge y Ti 2-x-y (PO 4) 3 (LAGTP) composition ratio of Oite Al have been optimized, the highest case of Al = 0.45 It is stated that conductivity is obtained. The conductivity is very high at about 1.0 × 10 −3 Scm −1 , but the mechanical strength is about 90 N mm −2 and is somewhat insufficient.
As mentioned above, in the prior art, the solid electrolyte which can satisfy both mechanical strength and lithium ion conductivity is not obtained.

Zhang et.al. Journal of The Electrochemical Society 162(7) A1265-A1271(2015)「Tape-Cast Water-Stable NASICON-Type High Lithium Ion Conducting Solid Electrolyte Films for Aqueous Lithium-Air Batteries」Zhang et al. Journal of the Electrochemical Society 162 (7) A 1265-A1271 (2015) “Tape-Cast Water-Stable NASICON-Type High Lithium Ion Conducting Solid Electrolyte Films for Aqueous Lithium-Air Batteries” 武田、今西、山本 GS Yuasa Technical Report 2010年6月第7巻第1号 「水溶液系リチウム/空気電池の現状と課題」Takeda, Imanishi, Yamamoto GS Yuasa Technical Report June 2010, Volume 7, No. 1 "Current Status and Challenges of Aqueous Lithium / Air Battery" S. Xuefu, et al. High Lithium-Ion-Conducting NASICON-Type Li1+xAlxGeyTi2-x-y(PO4)3Solid Electrolyte. Front. Energy Res. 4:12. (2016)S. Xuefu, et al. High Lithium-Ion-Conducting NASICON-Type Li1 + xAlxGeyTi2-x-y (PO4) 3Solid Electrolyte. Front. Energy Res. 4:12. (2016)

本発明は、前記事情に鑑みて、自動車のような移動体に長時間使用するために、十分な機械的強度及びリチウムイオン伝導率を少なくとも備える固体電解質及びその製造方法を提供することを目的とする。   In view of the above-described circumstances, it is an object of the present invention to provide a solid electrolyte having at least sufficient mechanical strength and lithium ion conductivity for use in a mobile body such as an automobile for a long time, and a method of manufacturing the same. Do.

前記課題に対し、本発明者らは鋭意検討を重ね、固体電解質の製造時にTiO等の金属酸化物を添加することで導電率を良好としつつ、物理的強度を向上させ、リチウム空気電池等に使用できる固体電解質を得られることに想到した。 In order to solve the above-mentioned problems, the inventors of the present invention have conducted intensive studies, and by adding a metal oxide such as TiO 2 at the time of production of a solid electrolyte, the conductivity is improved while improving the physical strength. It was conceived to be able to obtain a solid electrolyte that can be used for

すなわち、前記目的を達成するために、本発明に係る固体電解質は、下式(I)を満たす固体電解質であって、
Li1+XM1M2Ti2−X−Y(PO (I)
(但し、式中、M1は、Al3+、Cu3+、Co3+、Fe3+、Ni3+、Ga3+、Cr3+及びSc3+から成る群から選ばれた一以上の元素、M2は、Si4+、Ge4+、Sn4+、Hf4+及びZr4+から成る群から選ばれた一以上の元素であり、
X及びYは、X+Y≦1を満たす実数である。)
該固体電解質がNASICON型結晶構造を備え、
NASICON型結晶構造の粒界に金属酸化物を備え、該金属酸化物が、TiO、SiO、ZrO、MgO及びAlから成る群から選ばれた一の金属酸化物、又はTiOと、SiO、ZrO、MgO及びAlから成る群から選ばれた少なくとも一の金属酸化物との混合物である。
That is, in order to achieve the above object, the solid electrolyte according to the present invention is a solid electrolyte satisfying the following formula (I),
Li 1 + X M1 X M2 Y Ti 2-X-Y (PO 4) 3 (I)
(Wherein, M 1 is one or more elements selected from the group consisting of Al 3+ , Cu 3+ , Co 3+ , Fe 3+ , Ni 3+ , Ga 3+ , Cr 3+ and Sc 3+ , M 2 is Si 4+ , At least one element selected from the group consisting of Ge 4+ , Sn 4+ , Hf 4+ and Zr 4+ ,
X and Y are real numbers that satisfy X + Y ≦ 1. )
The solid electrolyte has a NASICON type crystal structure,
A metal oxide is provided at grain boundaries of the NASICON type crystal structure, and the metal oxide is one metal oxide selected from the group consisting of TiO 2 , SiO 2 , ZrO 2 , MgO and Al 2 O 3 , or TiO. 2 and a mixture of at least one metal oxide selected from the group consisting of SiO 2 , ZrO 2 , MgO and Al 2 O 3 .

本発明に係る固体電解質は、その一実施の形態で、リチウムイオン導電率が1.0×10−3Scm−1以上、かつ、3点曲げ強度が100Nmm−2以上である。 The solid electrolyte according to the present invention, in one embodiment, has a lithium ion conductivity of 1.0 × 10 −3 Scm −1 or more, and a three-point bending strength of 100 N mm −2 or more.

また、本発明は、他の側面で固体電解質の製造方法であり、下式(I)を満たす固体電解質の製造方法であって、
Li1+XM1M2Ti2−X−Y(PO (I)
(但し、式中、M1は、Al3+、Cu3+、Co3+、Fe3+、Ni3+、Ga3+、Cr3+及びSc3+から成る群から選ばれた一以上の元素、M2は、Si4+、Ge4+、Sn4+、Hf4+及びZr4+から成る群から選ばれた一以上の元素であり、
X及びYは、X+Y≦1を満たす実数である。)
前記固体電解質と、金属酸化物との粉体混合物を得る混合工程であって、該金属酸化物がTiO、SiO、ZrO、MgO及びAlから成る群から選ばれた一の金属酸化物、又はTiOと、SiO、ZrO、MgO及びAlから成る群から選ばれた少なくとも一の金属酸化物との混合物である、混合工程と、
前記粉体混合物を加圧成形して圧粉体を形成する成形工程と、
前記圧粉体をアニールする工程とを含む。
Another aspect of the present invention is a method of producing a solid electrolyte, which is a method of producing a solid electrolyte satisfying the following formula (I),
Li 1 + X M1 X M2 Y Ti 2-X-Y (PO 4) 3 (I)
(Wherein, M 1 is one or more elements selected from the group consisting of Al 3+ , Cu 3+ , Co 3+ , Fe 3+ , Ni 3+ , Ga 3+ , Cr 3+ and Sc 3+ , M 2 is Si 4+ , At least one element selected from the group consisting of Ge 4+ , Sn 4+ , Hf 4+ and Zr 4+ ,
X and Y are real numbers that satisfy X + Y ≦ 1. )
A mixing step of obtaining a powder mixture of the solid electrolyte and a metal oxide, wherein the metal oxide is selected from the group consisting of TiO 2 , SiO 2 , ZrO 2 , MgO and Al 2 O 3 A mixing step of a metal oxide or a mixture of TiO 2 and at least one metal oxide selected from the group consisting of SiO 2 , ZrO 2 , MgO and Al 2 O 3 ;
A forming step of pressure forming the powder mixture to form a green compact;
Annealing the green compact.

本発明に係る固体電解質の製造方法は、その一実施の形態で、前記金属酸化物の混合量を前記粉体混合物中4〜8wt%とする。   In the method for producing a solid electrolyte according to the present invention, in one embodiment, the mixing amount of the metal oxide is 4 to 8 wt% in the powder mixture.

本発明によれば、自動車のような移動体に長時間使用するために、十分な機械的強度及びリチウムイオン伝導率を少なくとも備える固体電解質及びその製造方法が提供される。   According to the present invention, there is provided a solid electrolyte having at least sufficient mechanical strength and lithium ion conductivity, and a method of manufacturing the same, for long-term use in mobile vehicles such as automobiles.

NASICON型結晶構造を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining a NASICON type | mold crystal structure. 本発明に係る固体電解質の実施例1について、得られたLAGTPのXRD測定結果を示す図である。It is a figure which shows the XRD measurement result of the obtained LAGTP about Example 1 of the solid electrolyte which concerns on this invention. 本発明に係る固体電解質の実施例1について、TiOの添加量とLAGTPの導電率の関係を示すグラフである。For Example 1 of the solid electrolyte of the present invention, it is a graph showing the relationship between the added amount and LAGTP conductivity of TiO 2. 本発明に係る固体電解質の実施例1について、TiOの添加量とLAGTPの最大応力の関係を示すグラフである。For Example 1 of the solid electrolyte of the present invention, it is a graph showing the relationship between the maximum stress of the addition amount of TiO 2 and LAGTP. 本発明に係る固体電解質の実施例1について、TiOの添加量とLAGTPの相対密度の関係を示すグラフである。For Example 1 of the solid electrolyte of the present invention, it is a graph showing the relationship between the relative density of the additive amount of TiO 2 and LAGTP.

以下、本発明に係る固体電解質及びその製造方法の好適な実施の形態について、さらに詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the solid electrolyte according to the present invention and the method for producing the same will be described in more detail.

本発明に係る固体電解質は、下式(I)を満たす固体電解質である。
Li1+XM1M2Ti2−X−Y(PO (I)
式(I)中、M1は、金属元素であって、Al3+、Cu3+、Co3+、Fe3+、Ni3+、Ga3+、Cr3+及びSc3+から成る群から選ばれた一以上の金属元素である。ここで、付された価数は、対象となるNASICON型固体電解質を形成した際に、金属元素M1が担う価数である。これらのうち、Al3+が特に好適である。
また、M2は、金属元素であって、Si4+、Ge4+、Sn4+、Hf4+、Zr4+から成る群から選ばれた一以上の元素である。ここで、付された価数は、対象となるNASICON型固体電解質を形成した際に金属元素M2が担う価数である。これらのうち、Ge4+が特に好適である。
The solid electrolyte according to the present invention is a solid electrolyte satisfying the following formula (I).
Li 1 + X M1 X M2 Y Ti 2-X-Y (PO 4) 3 (I)
In the formula (I), M1 is a metal element, and one or more metal elements selected from the group consisting of Al 3+ , Cu 3+ , Co 3+ , Fe 3+ , Ni 3+ , Ga 3+ , Cr 3+ and Sc 3+ It is. Here, the assigned valences are the valences that the metal element M1 bears when forming the target NASICON-type solid electrolyte. Of these, Al 3+ is particularly preferred.
M2 is a metal element and is one or more elements selected from the group consisting of Si 4+ , Ge 4+ , Sn 4+ , Hf 4+ , and Zr 4+ . Here, the assigned valences are the valences that the metal element M2 bears when forming the target NASICON-type solid electrolyte. Of these, Ge 4+ is particularly preferred.

式(I)中、X及びYは、X+Y≦1を満たす実数である。X+Y≦1とすれば、固体電解質の強度やリチウムイオン導電率を向上できる。また、0<Y<Xであることが好ましい。3価の金属原子(M1)を含むことにより、固体電解質中のキャリアイオンを増加させることができ、リチウムイオン導電率を向上できる。そして、Y<Xとすることにより、固体電解質の結晶格子定数を適切に設定できる。結果的に固体電解質の相対密度も高めることができる。   In formula (I), X and Y are real numbers satisfying X + Y ≦ 1. If X + Y ≦ 1, then the strength of the solid electrolyte and the lithium ion conductivity can be improved. Further, it is preferable that 0 <Y <X. By including a trivalent metal atom (M1), carrier ions in the solid electrolyte can be increased, and lithium ion conductivity can be improved. Then, by setting Y <X, the crystal lattice constant of the solid electrolyte can be set appropriately. As a result, the relative density of the solid electrolyte can also be increased.

本発明に係る第1の固体電解質は、NASICON型結晶構造を備える。さらに詳しくは、本発明に係る固体電解質は、空間群R−3cで表される菱面(六方)構造を備えている。この結晶構造を、図1に示す。図1の結晶構造は、LiM(POに簡略化して示している。
図1中Li(1)で示したものは、イオン伝導と無関係の固定されたLiを示し、Li(2)は、イオン伝導に関係する移動可能なLiである。
なお、空間群の表記であるR−3cのうち、「R」は菱面構造であることを示す。「−3」は、120度回反(xyzに−を付ける)する対称操作を示している。cはc軸方向にc/2映進する(ずらす)ことを示している。
図中、a軸についての長さをaとし(図中、x軸、y軸方向)、c軸についての長さをcとしている(図中z軸方向)。
The first solid electrolyte according to the present invention has a NASICON type crystal structure. More specifically, the solid electrolyte according to the present invention has a rhombohedral (hexagonal) structure represented by space group R-3c. The crystal structure is shown in FIG. The crystal structure of FIG. 1 is simplified to LiM 2 (PO 4 ) 3 .
What is shown by Li (1) in FIG. 1 indicates fixed Li unrelated to ion conduction, and Li (2) is mobile Li related to ion conduction.
In addition, "R" shows that it is a rhombohedral structure among R-3c which is description of space group. “−3” indicates a symmetric operation that reverses 120 degrees (adds − to xyz). c indicates that c / 2 is moved (shifted) in the c axis direction.
In the figure, the length of the a axis is a (in the figure, x axis, y axis direction), and the length of the c axis is c (z axis direction in the figure).

本発明に係る固体電解質は、NASICON型結晶構造の粒界に金属酸化物を備える。ここで、本明細書及び特許請求の範囲で、「NASICON型結晶構造の粒界に金属酸化物を備え」とは、NASICON型結晶構造を構成する粒子同士の界面及び粒子同士が集まってできた隙間に金属酸化物が存在している状態をいう。
前記金属酸化物は、TiO、SiO、ZrO、MgO及びAlから成る群から選ばれた一の金属酸化物、又はTiOと、SiO、ZrO、MgO及びAlから成る群から選ばれた少なくとも一の金属酸化物との混合物である。
The solid electrolyte according to the present invention comprises a metal oxide at grain boundaries of the NASICON type crystal structure. Here, in the present specification and claims, “a metal oxide is provided at grain boundaries of NASICON type crystal structure” means that an interface between particles constituting the NASICON type crystal structure and particles are gathered. The state in which metal oxide exists in the gap.
The metal oxide is one metal oxide selected from the group consisting of TiO 2 , SiO 2 , ZrO 2 , MgO and Al 2 O 3 , or TiO 2 and SiO 2 , ZrO 2 , MgO and Al 2 O A mixture with at least one metal oxide selected from the group consisting of 3 .

本発明に係る固体電解質は、リチウムイオン導電率が1.0×10−3 Scm−1以上、かつ、3点曲げ強度が100Nmm−2以上であることが好適である。これらの特性を備えることにより、自動車のような移動体に長時間使用することができる。 The solid electrolyte according to the present invention preferably has a lithium ion conductivity of 1.0 × 10 −3 Scm −1 or more and a three-point bending strength of 100 N mm −2 or more. With these characteristics, it can be used for a long time in a mobile such as a car.

本発明に係る固体電解質は、前記した固体電解質と、前記した金属酸化物との粉体混合物を得る混合工程と、前記粉体混合物を加圧成形して圧粉体を形成する成形工程と、前記圧粉体をアニールする工程とを実施することにより製造することができる。すなわち、本発明に係る固体電解質の製造方法は、これらの工程を少なくとも含む。   The solid electrolyte according to the present invention comprises: a mixing step of obtaining a powder mixture of the solid electrolyte described above and the metal oxide described above; a forming step of pressure forming the powder mixture to form a green compact; It can manufacture by implementing the process of annealing the said green compact. That is, the method for producing a solid electrolyte according to the present invention at least includes these steps.

具体的に、例えばゾル−ゲル法で本発明に係る固体電解質を調製する方法についてその一実施の形態を説明する。なお、前記式(I)のM1をAl、M2をGeとした場合について説明する。もっとも、M1、M2を他の元素に置き換えても以下の説明は、成立する。   Specifically, one embodiment of a method for preparing a solid electrolyte according to the present invention by, for example, a sol-gel method will be described. The case where M1 in the formula (I) is Al and M2 is Ge will be described. However, even if M1 and M2 are replaced with other elements, the following explanation holds.

所定の酸水溶液にTi及びGeのアルコキシドを溶解し、加熱撹拌の後、LiNO、Al(NO、NHPO及びエチレングリコール等の溶媒を添加し、さらに十分撹拌することにより、原料塩を含むゲルを得る。各構成元素の比率は、目的とするNASICON型Li1+XAlGeTi2−X−Y(POリチウムイオン伝導性固体電解質に対応する量として調製する。また、各原料は、化学試薬グレードとすることが好適である。
得られたゲルを500〜600℃で3時間以上加熱し、その後さらに、750℃〜850℃で3〜5時間仮焼成を行う。この仮焼成は、最適には、800℃で4時間行う。
Dissolve alkoxides of Ti and Ge in a predetermined aqueous acid solution, and after heating and stirring, add a solvent such as LiNO 3 , Al (NO 3 ) 3 , NH 4 H 2 PO 4 and ethylene glycol, and further sufficiently stir Thus, a gel containing the raw material salt is obtained. The ratio of the respective elements is prepared as an amount which corresponds to the NASICON type Li 1 + X Al X Ge Y Ti 2-X-Y (PO 4) 3 lithium ion conductive solid electrolyte of interest. Moreover, it is preferable that each raw material be a chemical reagent grade.
The obtained gel is heated at 500 to 600 ° C. for 3 hours or more, and then it is further calcined at 750 ° C. to 850 ° C. for 3 to 5 hours. The calcination is optimally performed at 800 ° C. for 4 hours.

仮焼成後の生成物に金属酸化物の粉末を混ぜ、イソプロパノール等の溶媒を加え、遊星ボールミル等の粉砕手段で粉砕する。これによって固体電解質と、金属酸化物との粉体混合物を得る(混合工程)。前記金属酸化物は、TiO、SiO、ZrO、MgO及びAlから成る群から選ばれた一の金属酸化物、又はTiOと、SiO、ZrO、MgO及びAlから成る群から選ばれた少なくとも一の金属酸化物との混合物である
その後、粉末を加圧成形し(成形工程)、焼成すること(アニールする工程)により、目的とする固体電解質を得る。
A powder of metal oxide is mixed with the calcined product, a solvent such as isopropanol is added, and the mixture is pulverized by a pulverizing means such as a planetary ball mill. Thereby, a powder mixture of a solid electrolyte and a metal oxide is obtained (mixing step). The metal oxide is one metal oxide selected from the group consisting of TiO 2 , SiO 2 , ZrO 2 , MgO and Al 2 O 3 , or TiO 2 and SiO 2 , ZrO 2 , MgO and Al 2 O The powder is a mixture with at least one metal oxide selected from the group consisting of 3. Thereafter, the powder is compacted (forming process) and fired (annealing process) to obtain a target solid electrolyte.

本発明に係る固体電解質は、他にも以下のようにしても得ることができる。ここでも、前記式(I)のM1をAl、M2をGeとした場合について説明する。なお、M1、M2を他の元素に置き換えても以下の説明は、成立する。
NASICON型Li1+XAlGeTi2−X−Y(POリチウムイオン伝導性固体電解質に対応する量の化学試薬グレードのLiCO、TiO、GeO、Al、及びNHPOを、ジルコニア容器内のジルコニアボール等でボールミリングして混合粉末を得る。
The solid electrolyte according to the present invention can also be obtained as follows. Here also, the case where M1 in the formula (I) is Al and M2 is Ge will be described. The following explanation is valid even if M1 and M2 are replaced with other elements.
NASICON-type Li 1 + X Al X Ge Y Ti 2-X-Y (PO 4) 3 The amount of chemical reagent grade corresponding to the lithium ion conductive solid electrolyte Li 2 CO 3, TiO 2, GeO 2, Al 2 O 3, And NH 4 H 2 PO 4 are ball milled with zirconia balls in a zirconia container to obtain a mixed powder.

次いで、混合粉末を圧縮成形してペレットとし、仮焼を比較的低温(500〜800℃、例えば600℃)で行う。
次いで仮焼済みペレットに金属酸化物の粉末を加えて粉砕し直し、再度ボールミリングする(混合工程)。なお、ここで、前記金属酸化物は、TiO、SiO、ZrO、MgO及びAlから成る群から選ばれた一の金属酸化物、又はTiOと、SiO、ZrO、MgO及びAlから成る群から選ばれた少なくとも一の金属酸化物との混合物である
得られた粉末を、ペレットに静水圧で圧縮成形する(圧粉体の形成、成形工程)。
その後、さらに900〜1200℃で焼結する(アニールする工程)。
The mixed powder is then compression molded into pellets and calcination is performed at a relatively low temperature (500-800 ° C., eg 600 ° C.).
Next, metal oxide powder is added to the calcined pellets, reground, and ball milling again (mixing step). Here, the metal oxide is one metal oxide selected from the group consisting of TiO 2 , SiO 2 , ZrO 2 , MgO and Al 2 O 3 , or TiO 2 and SiO 2 , ZrO 2 , The obtained powder, which is a mixture with at least one metal oxide selected from the group consisting of MgO and Al 2 O 3 , is compression-molded into pellets by means of hydrostatic pressure (forming of green compact, molding step).
Thereafter, sintering is further performed at 900 to 1200 ° C. (annealing step).

実施例1
クエン酸水溶液にTi及びGeのアルコキシド[Ti(OC及びGe(OC]を溶解し、加熱撹拌した後、LiNO、Al(NO、NHPO及びエチレングリコールを添加し、さらに十分撹拌することにより、原料塩を含むゲルを得た。各構成元素の比率は、Li1+xAlGeTi2−x−y(PO(本明細書中で、LAGTPとも指称する。)において、Al=0.45、Ge=0.2の組成比になるように調整した。
Example 1
After dissolving alkoxides of Ti and Ge [Ti (OC 4 H 9 ) 4 and Ge (OC 2 H 5 ) 4 ] in a citric acid aqueous solution and heating and stirring, LiNO 3 , Al (NO 3 ) 3 and NH 4 H By adding 2 PO 4 and ethylene glycol and further stirring sufficiently, a gel containing a raw material salt was obtained. The ratio of each constituent element, Li 1 + x Al x Ge y Ti 2-x-y (PO 4) 3 ( herein, also LAGTP referred to finger.) In, Al = 0.45, Ge = 0.2 It adjusted so that it might become the composition ratio of.

得られたゲルを580℃で4時間加熱し、その後さらに800℃で4時間仮焼成を行った。仮焼成後の生成物にTiO粉末を混ぜ、イソプロパノールを加え、遊星ボールミルで6時間300rpmの条件にて十分粉砕した。その後、粉末を加圧成型し、950℃で7時間焼成することで、前記のLAGTPを作製した。 The obtained gel was heated at 580 ° C. for 4 hours, and then calcined at 800 ° C. for 4 hours. The pre-calcined product was mixed with TiO 2 powder, isopropanol was added, and sufficiently ground in a planetary ball mill for 6 hours at 300 rpm. Thereafter, the powder was press-molded and fired at 950 ° C. for 7 hours to produce the LAGTP.

図2に得られたLAGTPのXRD測定結果を示す。得られたLAGTPのXRDパターンを求めることにより、目的とするNASICON型構造の固体電解質が得られていることを確認した。なお、図2で、wt%で示したものは、Tiの添加量であり、Ref.は、LAGTPの標準データを示す。   The XRD measurement result of LAGTP obtained by FIG. 2 is shown. By determining the XRD pattern of the obtained LAGTP, it was confirmed that the target solid electrolyte of NASICON type structure was obtained. In addition, what was shown by wt% in FIG. 2 is the addition amount of Ti, Ref. Shows the standard data of LAGTP.

図3と図4に、得られたLAGTPの導電率、物理的強度(最大応力)を測定した結果をそれぞれ示す。
リチウムイオン導電率については、金がスパッタリングされた電極を持つ焼結済みペレット(直径約12mm及び厚さ1mm)を、0.1Hzから1MHzの周波数範囲及び10mVのバイアス電圧で、インピーダンス位相分析器(Solartron1260)を使用して測定した。
最大応力については、JISの定めるところによる3点曲げ試験により測定した。
The results of measurement of the conductivity and physical strength (maximum stress) of the obtained LAGTP are shown in FIGS. 3 and 4, respectively.
For lithium ion conductivity, sintered phased pellets (about 12 mm in diameter and 1 mm thick) with gold sputtered electrodes, impedance phase analyzer (in a frequency range of 0.1 Hz to 1 MHz and a bias voltage of 10 mV) It measured using Solartron 1260).
The maximum stress was measured by a three-point bending test as defined by JIS.

図3より、LAGTPの導電率はTiOの添加量が3≦x≦8 wt%のとき、1.0×10−3Scm−1以上となった。一方で図4より、LAGTPの最大応力はTiOの添加量が4wt%以上のとき約100Nmm−2以上となり、TiOの添加量が多いほど増加する傾向があった。以上の結果より、LAGTPに4≦x≦8 wt%のTiOを添加することで導電率と機械的強度を兼ね備えた固体電解質を得ることができることがわかった。 From FIG. 3, the conductivity of LAGTP was 1.0 × 10 −3 Scm −1 or more when the additive amount of TiO 2 was 3 ≦ x ≦ 8 wt%. On the other hand, according to FIG. 4, the maximum stress of LAGTP was about 100 N mm −2 or more when the addition amount of TiO 2 was 4 wt% or more, and tended to increase as the addition amount of TiO 2 was large. From the above results, it was found that a solid electrolyte having both conductivity and mechanical strength can be obtained by adding 4 ≦ x ≦ 8 wt% of TiO 2 to LAGTP.

図5に、得られたLAGTPの相対密度を求めた結果を示す。
相対密度については、焼結済みサンプルの相対密度を、格子定数から計算された密度と、焼結済み本体の体積及び重量から計算された密度との比から推定した。
図5から3wt%以上のTiOを添加することで十分な相対密度を得ることができ、好適な遮水性を得られることが分かった。
The result of having calculated | required the relative density of the obtained LAGTP in FIG. 5 is shown.
For relative density, the relative density of the sintered sample was estimated from the ratio of the density calculated from the lattice constant to the density calculated from the volume and weight of the sintered body.
It was found from FIG. 5 that a sufficient relative density can be obtained by adding 3 wt% or more of TiO 2, and a suitable water barrier can be obtained.

本発明に係る固体電解質は、十分な機械的強度及びリチウムイオン伝導率を少なくとも備え、自動車のような移動体に長時間使用することができる。   The solid electrolyte according to the present invention has at least sufficient mechanical strength and lithium ion conductivity, and can be used for a long time in a mobile vehicle such as an automobile.

Claims (4)

下式(I)を満たす固体電解質であって、
Li1+XM1M2Ti2−X−Y(PO (I)
(但し、式中、M1は、Al3+、Cu3+、Co3+、Fe3+、Ni3+、Ga3+、Cr3+及びSc3+から成る群から選ばれた一以上の元素、M2は、Si4+、Ge4+、Sn4+、Hf4+及びZr4+から成る群から選ばれた一以上の元素であり、
X及びYは、X+Y≦1を満たす実数である。)
該固体電解質がNASICON型結晶構造を備え、
NASICON型結晶構造の粒界に金属酸化物を備え、該金属酸化物がTiO、SiO、ZrO、MgO及びAlから成る群から選ばれた一の金属酸化物、又はTiOと、SiO、ZrO、MgO及びAlから成る群から選ばれた少なくとも一の金属酸化物との混合物である、
固体電解質。
A solid electrolyte satisfying the following formula (I),
Li 1 + X M1 X M2 Y Ti 2-X-Y (PO 4) 3 (I)
(Wherein, M 1 is one or more elements selected from the group consisting of Al 3+ , Cu 3+ , Co 3+ , Fe 3+ , Ni 3+ , Ga 3+ , Cr 3+ and Sc 3+ , M 2 is Si 4+ , At least one element selected from the group consisting of Ge 4+ , Sn 4+ , Hf 4+ and Zr 4+ ,
X and Y are real numbers that satisfy X + Y ≦ 1. )
The solid electrolyte has a NASICON type crystal structure,
One metal oxide selected from the group consisting of TiO 2 , SiO 2 , ZrO 2 , MgO and Al 2 O 3 provided with metal oxides at grain boundaries of NASICON type crystal structure, or TiO 2 And a mixture of at least one metal oxide selected from the group consisting of SiO 2 , ZrO 2 , MgO and Al 2 O 3 ,
Solid electrolyte.
リチウムイオン導電率が1.0×10−3Scm−1以上、かつ、3点曲げ強度が100Nmm−2以上である、請求項1に記載の固体電解質。 The solid electrolyte according to claim 1, having a lithium ion conductivity of 1.0 × 10 -3 Scm -1 or more and a three-point bending strength of 100 N mm 2 or more. 下式(I)を満たす固体電解質の製造方法であって、
Li1+XM1M2Ti2−X−Y(PO (I)
(但し、式中、M1は、Al3+、Cu3+、Co3+、Fe3+、Ni3+、Ga3+、Cr3+及びSc3+から成る群から選ばれた一以上の元素、M2は、Si4+、Ge4+、Sn4+、Hf4+及びZr4+から成る群から選ばれた一以上の元素であり、
X及びYは、X+Y≦1を満たす実数である。)
前記固体電解質と、金属酸化物との粉体混合物を得る混合工程であって、該金属酸化物がTiO、SiO、ZrO、MgO及びAlから成る群から選ばれた一の金属酸化物、又はTiOと、SiO、ZrO、MgO及びAlから成る群から選ばれた少なくとも一の金属酸化物との混合物である、混合工程と、
前記粉体混合物を加圧成形して圧粉体を形成する成形工程と、
前記圧粉体をアニールする工程とを含む、
固体電解質の製造方法。
A method for producing a solid electrolyte satisfying the following formula (I),
Li 1 + X M1 X M2 Y Ti 2-X-Y (PO 4) 3 (I)
(Wherein, M 1 is one or more elements selected from the group consisting of Al 3+ , Cu 3+ , Co 3+ , Fe 3+ , Ni 3+ , Ga 3+ , Cr 3+ and Sc 3+ , M 2 is Si 4+ , At least one element selected from the group consisting of Ge 4+ , Sn 4+ , Hf 4+ and Zr 4+ ,
X and Y are real numbers that satisfy X + Y ≦ 1. )
A mixing step of obtaining a powder mixture of the solid electrolyte and a metal oxide, wherein the metal oxide is selected from the group consisting of TiO 2 , SiO 2 , ZrO 2 , MgO and Al 2 O 3 A mixing step of a metal oxide or a mixture of TiO 2 and at least one metal oxide selected from the group consisting of SiO 2 , ZrO 2 , MgO and Al 2 O 3 ;
A forming step of pressure forming the powder mixture to form a green compact;
Annealing the green compact.
Method of producing a solid electrolyte
前記金属酸化物の混合量を前記粉体混合物中4〜8wt%とする請求項3に記載の固体電解質の製造方法。   The method for producing a solid electrolyte according to claim 3, wherein a mixed amount of the metal oxide is 4 to 8 wt% in the powder mixture.
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