JP2019119627A - Method of producing sintered body of oxide electrolyte, and garnet type ion conductive oxide for use in the production method - Google Patents

Method of producing sintered body of oxide electrolyte, and garnet type ion conductive oxide for use in the production method Download PDF

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Abstract

To provide a production method having excellent molding capability, for producing a sintered body of an oxide electrolyte, and a garnet type ion conductive oxide for use in the production method.SOLUTION: The production method comprises a process of preparing crystal particles of a garnet type ion conductive oxide represented by the following general formula (1), a process of preparing a flux containing lithium, a process of preparing a composite by mixing the crystal particles of a garnet type ion conductive oxide and the flux, and a process of sintering the composite by heating. General formula (1): (Li, E, H)LMO[in the general formula (1), E is at least one kind of element selected from the group consisting of Al, Ga, Fe, and Si, L is at least one kind of element selected from the group consisting of alkali earth metal and lanthanoid, and M is at least one kind of element selected from the group consisting of transition elements and typical elements belonging to Group 12 to 15 of the periodic table, which can take hexa-coordination with oxygen].SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本開示は酸化物電解質焼結体の製造方法、及び、その製造方法に用いるガーネット型イオン伝導性酸化物に関する。   The present disclosure relates to a method for producing an oxide electrolyte sintered body, and a garnet-type ion conductive oxide used in the method for producing the same.

Liイオン電池に使用する固体電解質の材料として、少なくともLi、La、Zr及びOの元素で構成されるガーネット型イオン伝導性酸化物が、Liイオン伝導性の高さ等から注目されている。
例えば、特許文献1には、基本組成LiLa3−YZr2−Z12(式中、元素Aは、Sr,Ba,Ca,MgおよびYからなる群より選ばれた1種類以上の元素であり、元素Bは、Sc,Ti,V,Y,Nb,Hf,Ta,Al,Si,GaおよびGeからなる群より選ばれた1種類以上の元素であり、Xは、(La3−Y)の平均価数をa、(Zr2−Z)の平均価数をbとしたとき、X=24−3×a−2×bを満たし、且つ0<Y≦1.0,0<Z≦1.0を満たす)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物が開示されている。特許文献1には、上記基本組成のガーネット型イオン伝導性酸化物を焼結する場合において、伝導度の低下をできるだけ抑えると共に、焼成エネルギーをより低減することができる旨記載されている。
また、特許文献2には、Liの一部をHで置換したガーネット型イオン伝導性酸化物が開示されている。
Garnet-type ion conductive oxides composed of at least elements of Li, La, Zr and O have attracted attention as materials of solid electrolytes used for Li ion batteries because of their high Li ion conductivity and the like.
For example, Patent Document 1 has a basic composition Li x La 3-Y A Y Zr 2-Z B Z O 12 (wherein the element A is selected from the group consisting of Sr, Ba, Ca, Mg and Y) One or more elements, the element B is one or more elements selected from the group consisting of Sc, Ti, V, Y, Nb, Hf, Ta, Al, Si, Ga and Ge, and X is , And when the average valence of (La 3-YA Y ) is a and the average valence of (Zr 2-Z B Z ) is b, X = 24-3 × a−2 × b is satisfied, and 0 A garnet type ion conductive oxide represented by <Y ≦ 1.0, 0 <Z ≦ 1.0) is disclosed. Patent Document 1 describes that when sintering the garnet type ion conductive oxide having the above basic composition, the decrease in conductivity can be suppressed as much as possible, and the firing energy can be further reduced.
Further, Patent Document 2 discloses a garnet type ion conductive oxide in which a part of Li is replaced with H.

特開2013−032259号公報JP, 2013-032259, A 特開2012−096940号公報JP 2012-096940 A

特許文献1に記載されているように、ガーネット型イオン伝導性酸化物は、通常、結晶粒子を焼結して成形した焼結体の状態で使用する。しかしながら、従来使用されてきたガーネット型イオン伝導性酸化物は硬度が高く、成形性に劣るという問題があった。
本開示は、上記実情を鑑みなされたものであって、ガーネット型イオン伝導性酸化物を用いる成形性の高い酸化物電解質焼結体の製造方法を提供することを目的とする。
As described in Patent Document 1, the garnet type ion conductive oxide is generally used in the state of a sintered body formed by sintering crystal particles. However, the garnet-type ion conductive oxide conventionally used has a problem that the hardness is high and the formability is poor.
This indication is made in view of the said situation, Comprising: It aims at providing the manufacturing method of a highly formable oxide electrolyte sintered compact using garnet type ion conductive oxide.

本開示の酸化物電解質焼結体の製造方法は、
下記一般式(1)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子を準備する工程と、
リチウムを含有するフラックスを準備する工程と、
前記ガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子と前記フラックスとを混合して複合体とする工程と、
前記複合体を加熱して焼結する工程と、を有することを特徴とする。
一般式(1)(Lix−3y−z,E,H)Lαβγ
(上記一般式(1)中、
EはAl、Ga、Fe及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
Lはアルカリ土類金属及びランタノイド元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
Mは酸素と6配位をとることが可能な遷移元素及び第12族〜第15族に属する典型元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
x、y、zは、3≦x−3y−z≦7、0≦y<0.22、0.75≦z≦3.4、を満たす実数である。
α、β、γは、それぞれ、2.5≦α≦3.5、1.5≦β≦2.5、11≦γ≦13の範囲内にある実数である。)
The method for producing an oxide electrolyte sintered body of the present disclosure is
Preparing crystal particles of a garnet-type ion conductive oxide represented by the following general formula (1):
Preparing a flux containing lithium;
Mixing the crystal particles of the garnet ion conductive oxide with the flux to form a complex;
Heating and sintering the composite.
Formula (1) (Li x-3y -z, E y, H z) L α M β O γ
(In the above general formula (1),
E represents at least one element selected from the group consisting of Al, Ga, Fe and Si.
L represents at least one element selected from the group consisting of alkaline earth metals and lanthanoid elements.
M represents at least one element selected from the group consisting of a transition element capable of having six coordination with oxygen and a typical element belonging to Groups 12 to 15.
x, y and z are real numbers satisfying 3 ≦ x−3y−z ≦ 7, 0 ≦ y <0.22, and 0.75 ≦ z ≦ 3.4.
α, β, and γ are real numbers within the range of 2.5 ≦ α ≦ 3.5, 1.5 ≦ β ≦ 2.5, and 11 ≦ γ ≦ 13, respectively. )

本開示の酸化物電解質焼結体の製造方法において、前記一般式(1)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子を準備する工程が、
下記一般式(2)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物が得られる化学量論比となるように原料を混合し加熱することにより下記一般式(2)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子を得る工程と、
得られた一般式(2)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子中のLiをプロトンで置換することにより前記一般式(1)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物とする工程と、を有していてもよい。
一般式(2)(Lix−3y,E)Lαβγ
(上記一般式(2)中、
EはAl、Ga、Fe及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
Lはアルカリ土類金属及びランタノイド元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
Mは酸素と6配位をとることが可能な遷移元素及び第12族〜第15族に属する典型元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
x、yは、3≦x−3y≦7、0≦y<0.22を満たす実数である。
α、β、γは、それぞれ、2.5≦α≦3.5、1.5≦β≦2.5、11≦γ≦13の範囲内にある実数である。)
In the method for producing an oxide electrolyte sintered body of the present disclosure, the step of preparing crystal particles of the garnet-type ion conductive oxide represented by the general formula (1) is
Garnet-type ion conduction represented by the following general formula (2) by mixing raw materials and heating so that it may become the stoichiometry which can obtain the garnet-type ion conductive oxide represented by the following general formula (2) Obtaining crystalline oxide crystal particles,
By substituting Li in the garnet type ion conductive oxide crystal particle represented by the obtained general formula (2) with a proton, the garnet type ion conductive oxide represented by the above general formula (1) is obtained And a process may be included.
General formula (2) (Li x -3 y , E y ) L α M β O γ
(In the above general formula (2),
E represents at least one element selected from the group consisting of Al, Ga, Fe and Si.
L represents at least one element selected from the group consisting of alkaline earth metals and lanthanoid elements.
M represents at least one element selected from the group consisting of a transition element capable of having six coordination with oxygen and a typical element belonging to Groups 12 to 15.
x and y are real numbers satisfying 3 ≦ x−3 y ≦ 7 and 0 ≦ y <0.22.
α, β, and γ are real numbers within the range of 2.5 ≦ α ≦ 3.5, 1.5 ≦ β ≦ 2.5, and 11 ≦ γ ≦ 13, respectively. )

本開示の酸化物電解質焼結体の製造方法において、前記一般式(1)中、EがAlであり、0≦y≦0.13であってもよい。   In the method for producing an oxide electrolyte sintered body of the present disclosure, in the general formula (1), E may be Al, and 0 ≦ y ≦ 0.13.

本開示の酸化物電解質焼結体の製造方法において、前記一般式(1)中、0.8≦z≦3.4であってもよい。   In the method for producing an oxide electrolyte sintered body of the present disclosure, 0.8 ≦ z ≦ 3.4 may be in the general formula (1).

本開示のガーネット型イオン伝導性酸化物は、一般式(1)(Lix−3y−z,E,H)Lαβγで表されることを特徴とする。
(上記一般式(1)中、
EはAl、Ga、Fe及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
Lはアルカリ土類金属及びランタノイド元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
Mは酸素と6配位をとることが可能な遷移元素及び第12族〜第15族に属する典型元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
x、y、zは、3≦x−3y−z≦7、0≦y<0.22、0.75≦z≦3.4、を満たす実数である。
α、β、γは、それぞれ、2.5≦α≦3.5、1.5≦β≦2.5、11≦γ≦13の範囲内にある実数である。)。
Garnet ion conductive oxide of the present disclosure, the general formula (1) (Li x-3y -z, E y, H z) , characterized by being represented by L α M β O γ.
(In the above general formula (1),
E represents at least one element selected from the group consisting of Al, Ga, Fe and Si.
L represents at least one element selected from the group consisting of alkaline earth metals and lanthanoid elements.
M represents at least one element selected from the group consisting of a transition element capable of having six coordination with oxygen and a typical element belonging to Groups 12 to 15.
x, y and z are real numbers satisfying 3 ≦ x−3y−z ≦ 7, 0 ≦ y <0.22, and 0.75 ≦ z ≦ 3.4.
α, β, and γ are real numbers within the range of 2.5 ≦ α ≦ 3.5, 1.5 ≦ β ≦ 2.5, and 11 ≦ γ ≦ 13, respectively. ).

本開示のガーネット型イオン伝導性酸化物は、前記一般式(1)中、EがAlであり、0≦y≦0.13であってもよい。   In the garnet type ion conductive oxide of the present disclosure, E in the general formula (1) may be Al, and 0 ≦ y ≦ 0.13.

本開示のガーネット型イオン伝導性酸化物は、前記一般式(1)中、0.8≦z≦3.4でであってもよい。   The garnet type ion conductive oxide of the present disclosure may satisfy 0.8 ≦ z ≦ 3.4 in the general formula (1).

本開示の複合体は、酸化物電解質の結晶粒子とリチウムを含有するフラックスとの複合体であって、前記酸化物電解質の結晶粒子は、前記一般式(1)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子であることを特徴とする。   The complex of the present disclosure is a complex of crystal particles of an oxide electrolyte and a flux containing lithium, and the crystal particles of the oxide electrolyte have a garnet-type ion conduction represented by the general formula (1). It is characterized in that it is a crystal particle of a crystalline oxide.

本開示によれば、ガーネット型イオン伝導性酸化物を用いる酸化物電解質焼結体の成形性が高い製造方法、及び、当該製造方法に用いられるガーネット型イオン伝導性酸化物を提供することができる。   According to the present disclosure, it is possible to provide a method for producing an oxide electrolyte sintered body using a garnet-type ion conductive oxide with high formability, and a garnet-type ion conductive oxide used in the production method. .

本開示の製造方法の焼結工程の概要を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the outline | summary of the sintering process of the manufacturing method of this indication. 本開示の製造方法得られる酸化物電解質焼結体の粒界三重点のSEM画像である。It is a SEM image of the grain boundary triple point of the oxide electrolyte sintered compact obtained by the manufacturing method of this indication. 0.1MのHCl溶液に長時間浸漬した組成式LiLaZr12のガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子のSEM画像である。It is a SEM image of the crystal particle of the garnet type ion conductive oxide of the composition formula Li 7 La 3 Zr 2 O 12 immersed in a 0.1 M HCl solution for a long time. ガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子中のLiサイト等を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows Li site etc. in the crystal particle of garnet type ion conductive oxide. ガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子中のH含有量比zと得られる酸化物電解質焼結体の相対密度の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between H content ratio z in the crystal particle of garnet type ion conductive oxide, and the relative density of the obtained oxide electrolyte sintered compact. 実施例1(Z=0.75)で得られた酸化物電解質焼結体のプレス表面のSEM観察画像である。It is a SEM observation image of the press surface of the oxide electrolyte sintered compact obtained in Example 1 (Z = 0.75). 実施例3(Z=0.91)で得られた酸化物電解質焼結体のプレス表面のSEM観察画像である。It is a SEM observation image of the press surface of the oxide electrolyte sintered compact obtained in Example 3 (Z = 0.91). 実施例5(Z=3.4)で得られた酸化物電解質焼結体のプレス表面のSEM観察画像である。It is a SEM observation image of the press surface of the oxide electrolyte sintered compact obtained in Example 5 (Z = 3.4). 比較例2(Z=0.13)で得られた酸化物電解質焼結体のプレス表面のSEM観察画像である。It is a SEM observation image of the press surface of the oxide electrolyte sintered compact obtained by the comparative example 2 (Z = 0.13). 比較例3(Z=0.4)で得られた酸化物電解質焼結体のプレス表面のSEM観察画像である。It is a SEM observation image of the press surface of the oxide electrolyte sintered compact obtained by the comparative example 3 (Z = 0.4).

1.酸化物電解質焼結体の製造方法
本開示の酸化物電解質焼結体の製造方法は、
下記一般式(1)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子を準備する工程と、
リチウムを含有するフラックスを準備する工程と、
前記ガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子と前記フラックスとを混合して複合体とする工程と、
前記複合体を加熱して焼結する工程と、を有することを特徴とする。
一般式(1)(Lix−3y−z,E,H)Lαβγ
(上記一般式(1)中、
EはAl、Ga、Fe及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
Lはアルカリ土類金属及びランタノイド元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
Mは酸素と6配位をとることが可能な遷移元素及び第12族〜第15族に属する典型元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
x、y、zは、3≦x−3y−z≦7、0≦y<0.22、0.75≦z≦3.4、を満たす実数である。
α、β、γは、それぞれ、2.5≦α≦3.5、1.5≦β≦2.5、11≦γ≦13の範囲内にある実数である。)
1. Method for Producing Oxide Electrolyte Sintered Body The method for producing an oxide electrolyte sintered body according to the present disclosure is
Preparing crystal particles of a garnet-type ion conductive oxide represented by the following general formula (1):
Preparing a flux containing lithium;
Mixing the crystal particles of the garnet ion conductive oxide with the flux to form a complex;
Heating and sintering the composite.
Formula (1) (Li x-3y -z, E y, H z) L α M β O γ
(In the above general formula (1),
E represents at least one element selected from the group consisting of Al, Ga, Fe and Si.
L represents at least one element selected from the group consisting of alkaline earth metals and lanthanoid elements.
M represents at least one element selected from the group consisting of a transition element capable of having six coordination with oxygen and a typical element belonging to Groups 12 to 15.
x, y and z are real numbers satisfying 3 ≦ x−3y−z ≦ 7, 0 ≦ y <0.22, and 0.75 ≦ z ≦ 3.4.
α, β, and γ are real numbers within the range of 2.5 ≦ α ≦ 3.5, 1.5 ≦ β ≦ 2.5, and 11 ≦ γ ≦ 13, respectively. )

上述のように、従来、酸化物電解質焼結体の材料として用いられてきたLiLaZr12の組成式で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物は、高いLiイオン伝導度を有するが、硬く脆いため、成形性が低いという問題があった。 As described above, the garnet-type ion conductive oxide represented by the composition formula of Li 7 La 3 Zr 2 O 12 conventionally used as a material of an oxide electrolyte sintered body has high Li ion conductivity. Although it is hard and brittle, there is a problem that the formability is low.

本研究者らは、LiLaZr12の組成式で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物中のLiイオンを、一定量以上プロトン(水素イオン)で置換した前記一般式(1)(Lix−3y−z,E,H)Lαβγで表されるガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子と、リチウムを含有するフラックスとを混合した複合体を用いて焼結することにより、得られる酸化物電解質焼結体のLiイオン伝導度を損なうことなく、焼結時の成形性を向上できることを見出した。 The present inventors have found that the Li ion in the garnet type ion conductive oxide represented by the composition formula of Li 7 La 3 Zr 2 O 12 is replaced with the above-mentioned general formula (1) ) (Li x -3 y -z , E y , H z ) L α M β O γ A complex of crystal particles of a garnet-type ion conductive oxide represented by γ and a flux containing lithium is used. It has been found that, by sintering and sintering, the formability at the time of sintering can be improved without impairing the Li ion conductivity of the obtained oxide electrolyte sintered body.

前記一般式(1)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子とリチウムを含有するフラックスとの複合体を用いることにより、焼結時の成形性を向上することができる理由は定かではないが、以下のように推測している。   The reason why the formability at the time of sintering can be improved by using a complex of crystal particles of the garnet type ion conductive oxide represented by the above general formula (1) and a flux containing lithium is clear Although not, I guess it as follows.

本開示の製造方法で得られた酸化物電解質焼結体中のガーネット型イオン伝導性酸化物を分析すると、原料として使用した前記一般式(1)(Lix−3y−z,E,H)Lαβγで表されるガーネット型イオン伝導性酸化物よりも、Li元素の含有量比が増加し、プロトンの含有量比が減少することが分かる。
そのため、本開示の製造方法では、焼結工程で原料である前記一般式(1)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子中のプロトンと、フラックス中のLiイオンが置換していることが分かる。
本研究者らは以前の検討で、Liイオンが少量のプロトンと置換したガーネット型イオン伝導性酸化物(一般式(1)において0≦zの範囲である)の結晶粒子と、リチウムを含有するフラックスとを混合して得られた複合体を加熱することで、低いエネルギー(低温)でガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子同士の接合が可能となることを知見した。
比較的低いエネルギーでガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子同士の接合が可能となる理由を、図1を参照しながら説明する。
図1の左側の図は、Liイオン(Li)の一部を水素イオン(H)に置換したガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子(図1においてLLZ粒子と表記)と、固体状態のフラックスとの複合体の「加熱前」の状態を示す図である。
そして、図1の中央の図は、上記複合体の「加熱初期」の状態を示す図である。図1の中央の図に示されるように、フラックスの融点まで混合体を加熱すると、フラックス中のLiイオン(Li)とアニオン(X)の結合、及び、ガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子中の水素イオン(H)と他の構成元素との結合は弱くなる。この時、ガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子中の水素イオン(H)とフラックスのLiイオン(Li)の置換が起こる。
最後に、図1の右側の図は、上記混合体の「加熱末期」の状態を示す図である。図1の右側の図に示されるように、フラックスのLiイオン(Li)は、ガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子の結晶内に取り込まれる。ガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子の結晶内から出た水素イオン(H)は、フラックスのアニオン(X)と結合し、反応生成物を形成し、ガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子中には残らない。なお、焼結工程に用いられたフラックス、及び、水素イオン(H)とフラックスのアニオン(X)と結合した反応生成物は、焼結工程時の加熱によりその大部分が蒸発するが、図2に示すように、酸化物電解質焼結体の粒界三重点には、焼結工程に用いられたフラックス、及び、水素イオン(H)とフラックスのアニオン(X)と結合した反応生成物が残存する。
Analysis of the garnet-type ion conductive oxide in the resulting oxide electrolyte sintered body in the manufacturing method of the present disclosure, the general formula was used as the raw material (1) (Li x-3y -z, E y, H z ) It can be seen that the content ratio of Li element increases and the content ratio of protons decreases compared to the garnet type ion conductive oxide represented by L α M β O γ .
Therefore, in the production method of the present disclosure, protons in crystal particles of the garnet-type ion conductive oxide represented by the above general formula (1), which is a raw material in the sintering step, and Li ions in the flux are substituted. I understand that
In the previous study, the present inventors contain crystal particles of garnet-type ion conductive oxide (in the general formula (1), in the range of 0 ≦ z) in which Li ions are substituted by a small amount of protons and lithium. It has been found that by heating a complex obtained by mixing with a flux, it is possible to join crystal particles of garnet-type ion conductive oxide with low energy (low temperature).
The reason why bonding of crystal particles of garnet-type ion conductive oxide is possible with relatively low energy will be described with reference to FIG.
The figure on the left side of FIG. 1 shows solid particles of crystalline particles of garnet type ion conductive oxide (denoted as LLZ particles in FIG. 1) in which a part of Li ions (Li + ) is replaced with hydrogen ions (H + ). It is a figure which shows the state of the "before heating" of a complex with the flux of (1).
And the figure of the center of FIG. 1 is a figure which shows the state of "the heating initial stage" of the said complex. As shown in the middle of FIG. 1, when the mixture is heated to the melting point of the flux, the combination of Li ions (Li + ) and anions (X ) in the flux and the garnet type ion conductive oxide The bond between hydrogen ions (H + ) in the crystal grains and the other constituent elements is weakened. At this time, substitution of hydrogen ions (H + ) in crystal particles of garnet-type ion conductive oxide and Li ions (Li + ) of the flux occurs.
Finally, the figure on the right side of FIG. 1 is a view showing the “end of heating” state of the mixture. As shown in the right side of FIG. 1, Li ions (Li + ) of the flux are incorporated into the crystals of garnet-type ion conductive oxide crystal particles. The hydrogen ions (H + ) emitted from the crystal particles of garnet-type ion conductive oxide combine with anions (X ) of the flux to form a reaction product, and garnet-type ion conductive oxide It does not remain in the crystal grains. Most of the flux used in the sintering step and the reaction product obtained by combining hydrogen ions (H + ) and anions (X ) of the flux are evaporated by heating in the sintering step, As shown in FIG. 2, at the grain boundary triple point of the oxide electrolyte sintered body, the flux used in the sintering step, and the reaction combined with hydrogen ion (H + ) and anion (X ) of the flux The product remains.

しかし、上記一般式(1)において0≦z<0.75の範囲では、成形性を向上することはできなかった。
ここで、プロトンを含まない組成式LiLaZr12のガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子を0.1MのHCl溶液に長時間浸漬して経過を観察すると、ある時点で図3に示すように、粒子に割れが生じる。なお、図3において割れが生じた面は、特定の結晶面であった。
プロトンを含まない組成式LiLaZr12のガーネット型イオン伝導性酸化物の粒子を、プロトンを含有する溶液に浸漬すると、ガーネット型イオン伝導性酸化物の粒子中のLiイオンがプロトンに置換されることが知られている。また、組成式LiLaZr12のガーネット型イオン伝導性酸化物では、Liイオンがプロトンに置換される量が一定量を超えると、結晶構造を維持できなくなることが知られている。
このような理由から、図3に示すように粒子中の特定の結晶面に沿って割れが生じた理由は、特定の結晶面においてLiイオンが一定量を超えてプロトンで置換されたことにより、当該結晶面に沿って結晶構造を維持できなくなったためであると推定される。
However, in the range of 0 ≦ z <0.75 in the general formula (1), the formability could not be improved.
Here, when the crystal particles of the garnet type ion conductive oxide of the composition formula Li 7 La 3 Zr 2 O 12 which does not contain protons are immersed in a 0.1 M HCl solution for a long time and the progress is observed, As shown in 3, cracks occur in the particles. In addition, the plane which the crack produced in FIG. 3 was a specific crystal plane.
When the particles of garnet type ion conductive oxide of composition formula Li 7 La 3 Zr 2 O 12 not containing protons are immersed in a solution containing protons, the Li ions in the garnet type ion conductive oxide particles become protons It is known to be replaced by In addition, it is known that in the garnet type ion conductive oxide of the composition formula Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , the crystal structure can not be maintained when the amount of substitution of Li ions with protons exceeds a certain amount. .
For this reason, as shown in FIG. 3, the reason for cracking along a specific crystal plane in the particle is that Li ions have been replaced by protons in a specific crystal plane in excess of a certain amount. It is presumed that this is because the crystal structure can not be maintained along the crystal plane.

本開示の製造方法の焼結工程のように、ガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子中のプロトンとLiイオンが置換することが可能な環境では、Liイオン又はプロトンと他の構成元素との結合が一時的に切断される。このような状態で結晶粒子に荷重を加えると、Liイオンとプロトンの交換が生じている粒子内の特定の結晶面にすべりが生じ、結晶構造を維持したまま塑性変形すると推定される。
ここで、一般式(1)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子において、0≦z<0.75の範囲では、プロトンは粒子表面に存在するが、特定の結晶面におけるプロトン含有量が少ないため、焼結工程で結晶面にすべりが生じにくく、成形性を向上することができないと考えられる。
これに対し、本開示の製造方法で使用する0.75≦z≦3.4の範囲の前記一般式(1)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子では、表面のみならず、前記特定の結晶面にもプロトンが存在していることから、焼結工程で粒子中の特定の結晶面に存在するプロトンがフラックス中のLiと再置換する際に、当該結晶面ですべりが生じやすくなるため、成形性が向上すると推定される。
As in the sintering step of the production method of the present disclosure, in an environment in which protons and Li ions in the garnet-type ion conductive oxide crystal particles can be substituted, bonding of Li ions or protons with other constituent elements Is temporarily disconnected. When a load is applied to the crystal particles in such a state, it is presumed that a specific crystal plane in the particle in which exchange of Li ions and protons occurs is slipped, and plastic deformation occurs while maintaining the crystal structure.
Here, in the garnet type ion conductive oxide crystal particle represented by the general formula (1), protons exist on the particle surface in the range of 0 ≦ z <0.75, but the proton content in a specific crystal plane Since the amount is small, it is considered that the crystal face is unlikely to slip in the sintering step, and the formability can not be improved.
In contrast, garnet-type ion conductive oxide crystal particles represented by the above general formula (1) in the range of 0.75 ≦ z ≦ 3.4 used in the manufacturing method of the present disclosure have not only the surface, Since protons are also present in the specific crystal face, when protons present in the specific crystal face in the particles are replaced with Li in the flux in the sintering step, slip occurs in the crystal face. Since it becomes easy, it is estimated that moldability improves.

(1)ガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子準備工程
本開示の製造方法は、一般式(1)(Lix−3y−z,E,H)Lαβγで表されるガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子を準備する工程を有する。
一般式(1)(Lix−3y−z,E,H)Lαβγ
(上記一般式(1)中、
EはAl、Ga、Fe及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
Lはアルカリ土類金属及びランタノイド元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
Mは酸素と6配位をとることが可能な遷移元素及び第12族〜第15族に属する典型元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
x、y、zは、3≦x−3y−z≦7、0≦y<0.22、0.75≦z≦3.4、を満たす実数である。
α、β、γは、それぞれ、2.5≦α≦3.5、1.5≦β≦2.5、11≦γ≦13の範囲内にある実数である。)
(1) A method of manufacturing a garnet-type ion conductive oxide crystal particles preparation process The present disclosure, the general formula (1) (Li x-3y -z, E y, H z) represented by L α M β O γ It has the process of preparing the crystal particle of garnet type ion conductive oxide.
Formula (1) (Li x-3y -z, E y, H z) L α M β O γ
(In the above general formula (1),
E represents at least one element selected from the group consisting of Al, Ga, Fe and Si.
L represents at least one element selected from the group consisting of alkaline earth metals and lanthanoid elements.
M represents at least one element selected from the group consisting of a transition element capable of having six coordination with oxygen and a typical element belonging to Groups 12 to 15.
x, y and z are real numbers satisfying 3 ≦ x−3y−z ≦ 7, 0 ≦ y <0.22, and 0.75 ≦ z ≦ 3.4.
α, β, and γ are real numbers within the range of 2.5 ≦ α ≦ 3.5, 1.5 ≦ β ≦ 2.5, and 11 ≦ γ ≦ 13, respectively. )

本開示の製造方法において、Liイオンを、後述するE元素イオン又はプロトンで置換した前記一般式(1)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物を用いる。Liイオンをプロトンで特定量置換することで、成形性を向上することが可能となる。
ここで、図4に示すように、ガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶構造では、24dと96hに、Liイオンが存在する。本開示では、このLiサイトを、E元素又はプロトンで特定量置換したガーネット型イオン伝導性酸化物を用いる。
本開示の製造方法では、図4に示す24dと96hサイトにおけるLi、E元素、及びプロトンの各組成比から求められるx−3y−zの値が、3≦x−3y−z≦7の範囲であるガーネット型イオン伝導性酸化物を用いる。x−3y−z>7である場合は、ガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶構造が立方晶から正方晶に変化し、結晶の対称性が損なわれ、Liイオン伝導率が低下する場合がある。また、上記一般式中のLiの組成がx−3y−z<3である場合は、ガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶構造中のLiが入る特有のサイトである96hサイトのポテンシャルが高くなり、結晶中にLiが入りにくくなることで、Li占有率が低下し、Liイオン伝導率が低下する場合がある。
In the production method of the present disclosure, a garnet-type ion conductive oxide represented by the above general formula (1) in which Li ion is replaced with E element ion or proton described later is used. It is possible to improve formability by substituting a specific amount of Li ions with protons.
Here, as shown in FIG. 4, in the crystal structure of the garnet-type ion conductive oxide, Li ions exist at 24 d and 96 h. In the present disclosure, a garnet-type ion conductive oxide is used in which this Li site is substituted with a specific amount of E element or proton.
In the manufacturing method of the present disclosure, the value of x-3y-z determined from the composition ratio of Li, E elements and protons at 24d and 96h sites shown in FIG. 4 is in the range of 3 ≦ x-3y-z ≦ 7. The garnet type ion conductive oxide is used. When x-3 y-z> 7, the crystal structure of the garnet-type ion conductive oxide changes from cubic to tetragonal, the symmetry of the crystal is lost, and the Li ion conductivity may decrease. . In addition, when the composition of Li in the above general formula is x-3y-z <3, the potential of the 96h site which is a unique site into which Li enters in the crystal structure of the garnet type ion conductive oxide is increased. Because Li is less likely to enter the crystal, the Li occupancy rate may decrease and the Li ion conductivity may decrease.

本開示の製造方法において、上記一般式(1)中、元素Eとして、Liと同じ配位数である4配位をとり、且つ、Liと近いイオン半径(Li:0,59Å)を有する元素である、Al、Ga、Fe及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素が含まれるガーネット型イオン伝導性酸化物を用いる。
本開示の製造方法において、元素EイオンによるLiイオンの置換量を示すyが、0≦y<0.22の範囲であるガーネット型イオン伝導性酸化物を用いる。yを0以上とすることで結晶構造の安定性を向上させることができるが、yを0.22以上とすると、粒子が硬くなりすぎて成形性に影響が生じる場合がある。
また、結晶構造の安定性と成形性のバランスの観点から、上記一般式(1)中、EがAlである場合には、0≦y≦0.13の範囲としてもよい。
In the production method of the present disclosure, in the above general formula (1), an element having four coordinations having the same coordination number as Li as the element E and having an ion radius (Li: 0, 59 Å) close to Li A garnet type ion conductive oxide is used which contains at least one element selected from the group consisting of Al, Ga, Fe and Si.
In the manufacturing method of the present disclosure, a garnet-type ion conductive oxide in which y representing the substitution amount of Li ion by the element E ion is in the range of 0 ≦ y <0.22 is used. The stability of the crystal structure can be improved by setting y to 0 or more, but when y is set to 0.22 or more, the particles may become too hard to affect the formability.
Further, from the viewpoint of the balance between the stability of the crystal structure and the formability, when E in the general formula (1) is Al, it may be in the range of 0 ≦ y ≦ 0.13.

本開示の製造方法において、上記一般式(1)中、プロトンによるLiイオンの置換量を示すzが、0.75≦z≦3.4の範囲であるガーネット型イオン伝導性酸化物を用いる。上記一般式(1)中、zが、0.75≦z≦3.4の範囲であれば、結晶構造を大きく変化させることなく、成形性を向上することができるためである。
成形性を高める観点から、0.8≦z≦3.4であってもよいし、0.91≦z≦3.4であってもよい。
上記一般式(1)中、プロトンによるLiイオンの置換量を示すzの測定方法に特に制限はなく、公知の方法を用いることができる。
In the production method of the present disclosure, a garnet type ion conductive oxide in which z representing the substitution amount of Li ion by proton in the above general formula (1) is in the range of 0.75 ≦ z ≦ 3.4 is used. If z is in the range of 0.75 ≦ z ≦ 3.4 in the general formula (1), the formability can be improved without largely changing the crystal structure.
From the viewpoint of enhancing the formability, 0.8 ≦ z ≦ 3.4 may be satisfied, or 0.91 ≦ z ≦ 3.4.
There is no restriction | limiting in particular in the measuring method of z which shows substitution amount of Li ion by a proton in said General formula (1), A well-known method can be used.

例えば、後述するように、プロトンを含有しないガーネット型イオン伝導性酸化物中のLiイオンをプロトンで置換して製造する場合には、当該置換処理前後のガーネット型イオン伝導性酸化物について誘導結合プラズマ(ICP)分析を行うことによって、間接的にzを算出することができる。
すなわち、ICP分析では、ガーネット型イオン伝導性酸化物中のプロトン量を直接定量することはできないが、プロトン置換処理前後のガーネット型イオン伝導性酸化物中のLiイオン量は定量できる。
置換処理前後のLiイオンの定量値の変化量は、プロトンによるLiイオンの置換量を示すため、置換処理前の分析値から置換処理後の分析値を減じた値を、zの値とすることができる。
For example, as described later, when manufacturing by substituting Li ions in a proton-free garnet-type ion conductive oxide with a proton, inductively coupled plasma is generated for the garnet-type ion conductive oxide before and after the substitution treatment. By performing (ICP) analysis, z can be calculated indirectly.
That is, in ICP analysis, the amount of protons in the garnet-type ion conductive oxide can not be directly quantified, but the amount of Li ions in the garnet-type ion conductive oxide before and after the proton substitution treatment can be quantified.
Since the amount of change in the quantitative value of Li ion before and after substitution treatment indicates substitution amount of Li ion by proton, let the value obtained by subtracting the analysis value after substitution treatment from the analysis value before substitution treatment be the value of z. Can.

また、例えば、質量分析(MS)装置と熱重量測定(Tg)装置を使用する方法によって、ガーネット型イオン伝導性酸化物試料中のz値を直接測定することもできる。   It is also possible to measure z-values directly in garnet-type ion-conductive oxide samples, for example by means of mass spectrometry (MS) and thermogravimetry (Tg) devices.

本開示の製造方法において、上記一般式(1)中、元素Lとして、アルカリ土類金属及びランタノイド元素のうち少なくとも1種の元素が、2.5≦α≦3.5の範囲で含まれるガーネット型イオン伝導性酸化物を用いる。前記一般式(1)中、前記元素Lの含有量比を示すαが、2.5≦α≦3.5の範囲であれば、結晶構造の安定性とイオン伝導性が高い酸化物電解質の焼結体が得られるためである。なお、本開示において、アルカリ土類金属とは、Ca、Sr、Ba、Raを含む概念である。より高いイオン伝導性を有する酸化物電解質の焼結体が得られる観点から、元素LはLaであってもよい。   In the production method of the present disclosure, a garnet in which at least one of alkaline earth metal and lanthanoid elements is contained as the element L in the general formula (1) in the range of 2.5 ≦ α ≦ 3.5. Type ion conductive oxide is used. In the general formula (1), when α indicating the content ratio of the element L is in the range of 2.5 ≦ α ≦ 3.5, the oxide electrolyte has high stability of the crystal structure and high ion conductivity. It is because a sintered compact is obtained. In the present disclosure, the alkaline earth metal is a concept including Ca, Sr, Ba, and Ra. From the viewpoint of obtaining a sintered body of an oxide electrolyte having higher ion conductivity, the element L may be La.

本開示の製造方法において、前記一般式(1)中、元素Mとして、酸素と6配位をとることが可能な遷移元素及び第12族〜第15族に属する典型元素のうち少なくとも1種の元素が1.5≦β≦2.5の範囲で含まれるガーネット型イオン伝導性酸化物を用いる。一般式(1)中、前記元素Mの含有量比を示すβが、1.5≦β≦2.5の範囲であれば、結晶構造の安定性とイオン伝導性が高い酸化物電解質の焼結体が得られるためである。
元素Mとしては、Sc、Y、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Cd、Al、Ga、Ge、Sn、Sb、及びBi等が挙げられる。
上記元素Mの中でも、より高い結晶構造の安定性とイオン伝導性を有する酸化物電解質の焼結体が得られる観点から、元素Mは、Zr、Nb、及び、Taからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であってもよく、ZrとNb又はTaとの組み合わせであってもよい。
元素Mが、ZrとNb又はTaとの組み合わせである場合の上記組成中のZrの量は1.4〜1.75、Nb又はTaの量は0.25〜0.6であってもよい。
In the production method of the present disclosure, in the general formula (1), as the element M, at least one of a transition element capable of taking six coordination with oxygen and a typical element belonging to Groups 12 to 15 A garnet type ion conductive oxide is used in which the element is contained in the range of 1.5 ≦ β ≦ 2.5. In the general formula (1), when β indicating the content ratio of the element M is in the range of 1.5 ≦ β ≦ 2.5, the burning of the oxide electrolyte having high stability of the crystal structure and ion conductivity It is because a body is obtained.
As the element M, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Al, Ga, Ge, Sn, Sb And Bi and the like.
Among the elements M, at least the element M is selected from the group consisting of Zr, Nb, and Ta from the viewpoint of obtaining a sintered body of an oxide electrolyte having higher crystal structure stability and ion conductivity. It may be a single element, or may be a combination of Zr and Nb or Ta.
When the element M is a combination of Zr and Nb or Ta, the amount of Zr in the above composition may be 1.4 to 1.75, and the amount of Nb or Ta may be 0.25 to 0.6. .

本開示の製造方法において、前記一般式(1)中、酸素Oの含有比を示すγが、11≦γ≦13の範囲で含まれるガーネット型イオン伝導性酸化物を用いる。γが上記範囲外である場合には、結晶構造が不安定になるためである。結晶構造安定化の観点からγ=12であってもよい。   In the production method of the present disclosure, a garnet-type ion conductive oxide is used in which γ indicating the content ratio of oxygen O is included in the range of 11 ≦ γ ≦ 13 in the general formula (1). When γ is out of the above range, the crystal structure becomes unstable. From the viewpoint of crystal structure stabilization, γ may be 12.

本開示の製造方法において、通常、常温で結晶として存在し、粒子形状である前記一般式(1)のガーネット型イオン伝導性酸化物を用いる。
本開示の製造方法において、前記一般式(1)のガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子の平均粒径は、特に限定されないが、0.1〜100μmの範囲内であってもよく、0.1〜3.0μmの範囲内であってもよい。
In the production method of the present disclosure, a garnet-type ion conductive oxide of the general formula (1), which is usually present as crystals at a normal temperature and is in the form of particles, is used.
In the production method of the present disclosure, the average particle diameter of the crystal particles of the garnet-type ion conductive oxide of the general formula (1) is not particularly limited, but may be in the range of 0.1 to 100 μm. It may be in the range of 1 to 3.0 μm.

本開示における粒子の平均粒径は、常法により算出される。粒子の平均粒径の算出方法の例は以下の通りである。まず、適切な倍率(例えば、5万〜100万倍)の透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope;以下、TEMと称する。)画像又は走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope;以下、SEMと称する。)画像において、ある1つの粒子について、当該粒子を球状と見なした際の粒径を算出する。このようなTEM観察又はSEM観察による粒径の算出を、同じ種類の10〜100個の粒子について行い、これらの粒子の平均を平均粒径とする。   The average particle size of the particles in the present disclosure is calculated by a conventional method. The example of the calculation method of the average particle diameter of particle | grains is as follows. First, a transmission electron microscope (Transmission Electron Microscope; hereinafter referred to as TEM) image or scanning electron microscope (hereinafter referred to as SEM) of an appropriate magnification (for example, 50,000 to 1,000,000 times). In the image, for one particle, the particle diameter when the particle is regarded as spherical is calculated. The calculation of the particle size by such TEM observation or SEM observation is performed for 10 to 100 particles of the same type, and the average of these particles is taken as the average particle size.

本開示の製造方法では、前記一般式(1)のガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子を準備する工程において、前記一般式(1)のガーネット型イオン伝導性酸化物は、市販の結晶粒子を使用してもよいし、合成した結晶粒子を用いてもよい。
合成した結晶粒子を使用する場合には、前記一般式(1)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子を準備する工程が、下記一般式(2)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物が得られる化学量論比となるように原料を混合し加熱することにより下記一般式(2)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子を得る工程と、得られた一般式(2)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子中のLiをプロトンで置換することにより前記一般式(1)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物とする工程を有していてもよい。
一般式(2)(Lix−3y,E)Lαβγ
(上記一般式(2)中、
EはAl、Ga、Fe及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
Lはアルカリ土類金属及びランタノイド元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
Mは酸素と6配位をとることが可能な遷移元素及び第12族〜第15族に属する典型元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
x、yは、3≦x−3y≦7、0≦y<0.22を満たす実数である。
α、β、γは、それぞれ、2.5≦α≦3.5、1.5≦β≦2.5、11≦γ≦13の範囲内にある実数である。)
In the production method of the present disclosure, in the step of preparing crystal particles of the garnet type ion conductive oxide of the general formula (1), the garnet type ion conductive oxide of the general formula (1) is a commercially available crystal particle May be used, or synthesized crystal particles may be used.
When using the synthesized crystal particle, the process of preparing the crystal particle of the garnet type ion conductive oxide represented by the said General formula (1) is the garnet type ion represented by following General formula (2) A process of obtaining crystal particles of a garnet-type ion conductive oxide represented by the following general formula (2) by mixing and heating the raw materials so as to obtain a stoichiometric ratio at which the conductive oxide is obtained; Converting the Li in the garnet type ion conductive oxide crystal particle represented by the general formula (2) with a proton to obtain the garnet type ion conductive oxide represented by the general formula (1) You may have.
General formula (2) (Li x -3 y , E y ) L α M β O γ
(In the above general formula (2),
E represents at least one element selected from the group consisting of Al, Ga, Fe and Si.
L represents at least one element selected from the group consisting of alkaline earth metals and lanthanoid elements.
M represents at least one element selected from the group consisting of a transition element capable of having six coordination with oxygen and a typical element belonging to Groups 12 to 15.
x and y are real numbers satisfying 3 ≦ x−3 y ≦ 7 and 0 ≦ y <0.22.
α, β, and γ are real numbers within the range of 2.5 ≦ α ≦ 3.5, 1.5 ≦ β ≦ 2.5, and 11 ≦ γ ≦ 13, respectively. )

前記一般式(2)(Lix−3y,E)Lαβγで表されるガーネット型イオン伝導性酸化物は、前記一般式(1)(Lix−3y−z,E,H)Lαβγで表されるガーネット型イオン伝導性酸化物のプロトンがすべてLiイオンに置換されたプロトンを含まない化合物である。プロトンを含まないこと以外に関する説明は、前記一般式(1)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物の説明と重複するため、ここでは記載を省略する。
一般式(2)(Lix−3y,E)Lαβγで表されるガーネット型イオン伝導性酸化物としては、例えば、LiLaZr12、Li6.4LaZr1.4Nb0.612、Li6.5LaZr1.7Nb0.312、Li6.8LaZr1.7Nb0.312、(Li6.2Al0.2)LaZr1.7Nb0.312、(Li5.8Al0.2)La(Zr1.4Nb0.6)O12、(Li6.1Al0.13)La(Zr1.4Nb0.6)O12、(Li6.3Al0.02)La(Zr1.4Nb0.6)O12、(Li6.2Ga0.2)LaZr1.7Nb0.312等が挙げられる。
本開示の製造方法において前記一般式(2)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物中のLiイオンをプロトンに置換する方法は、一般式(1)(Lix−3y−z,E,H)Lαβγで表されるガーネット型イオン伝導性酸化物を得ることができれば、特に限定されないが、置換量の制御を容易にする観点から、例えば、前記一般式(2)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物の粉末を室温下、数分〜5日間、純水中で撹拌及び/又は純水中に浸漬する方法等を用いてもよい。
上述のように、Liイオンがプロトンに置換した量は、当該置換処理前後のガーネット型イオン伝導性酸化物中のLiイオン量から推定することができる。
The garnet type ion conductive oxide represented by the general formula (2) (Li x -3 y , E y ) L α M β O γ is a compound represented by the general formula (1) (L x-3 y -z , E y , H z ) It is a compound which does not contain a proton in which all the protons of the garnet type ion conductive oxide represented by L α M β O γ are substituted by Li ions. The description other than the absence of a proton overlaps with the description of the garnet-type ion conductive oxide represented by the general formula (1), and thus the description is omitted here.
Examples of garnet type ion conductive oxides represented by the general formula (2) (Li x -3 y , E y ) L α M β O γ include, for example, Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , Li 6.4 La 3 Zr 1.4 Nb 0.6 O 12 , Li 6.5 La 3 Zr 1.7 Nb 0.3 O 12 , Li 6.8 La 3 Zr 1.7 Nb 0.3 O 12 , (Li 6. 6 2 Al 0.2 ) La 3 Zr 1.7 Nb 0.3 O 12 , (Li 5.8 Al 0.2 ) La 3 (Zr 1.4 Nb 0.6 ) O 12 , (Li 6.1 Al) 0.13) La 3 (Zr 1.4 Nb 0.6) O 12, (Li 6.3 Al 0.02) La 3 (Zr 1.4 Nb 0.6) O 12, (Li 6.2 Ga 0.2) La 3 Zr 1.7 Nb 0.3 O 12 , and the like.
How to replace the Li ion garnet-type ion-conductive oxide represented by the general formula In the production method of the present disclosure (2) the proton of the general formula (1) (Li x-3y -z, E y H z ) L α M β O γ There is no particular limitation as long as a garnet type ion conductive oxide can be obtained, but from the viewpoint of facilitating control of the substitution amount, for example, the general formula (2) The method of stirring and / or immersing the powder of the garnet-type ion conductive oxide represented by 1.) in pure water at room temperature for several minutes to 5 days may be used.
As described above, the amount of substitution of Li ions by protons can be estimated from the amount of Li ions in the garnet-type ion conductive oxide before and after the substitution treatment.

(2)フラックス準備工程
本開示の製造方法は、リチウムを含有するフラックスを準備する工程(フラックス準備工程)を有する。
本開示で使用するフラックスは、リチウムを含有するものであれば、特に限定されないが、前記一般式(1)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子からプロトンが離脱する温度付近に融点を持つものが好ましく、例えば、LiOH(融点:462℃)、LiNO(融点:260℃)、LiSO(融点:859℃)等が挙げられる。焼結温度を低温化する観点から、比較的融点が低いフラックスであるLiOH、LiNOであってもよい。
(2) Flux preparation process The manufacturing method of this indication has the process (flux preparation process) of preparing the flux containing lithium.
The flux used in the present disclosure is not particularly limited as long as it contains lithium, but it is around the temperature at which protons are released from the crystal particles of the garnet-type ion conductive oxide represented by the general formula (1). Those having a melting point are preferable, and examples thereof include LiOH (melting point: 462 ° C.), LiNO 3 (melting point: 260 ° C.), Li 2 SO 4 (melting point: 859 ° C.) and the like. From the viewpoint of lowering the sintering temperature, a flux having a relatively low melting point, such as LiOH or LiNO 3 , may be used.

(3)ガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子とフラックスとを混合して複合体とする工程
本開示の製造方法では、前記一般式(1)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子と前記Liを含有するフラックスとを混合して複合体とする工程を有する。
ガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子とフラックスとを混合する方法に、特に制限はなく、公知の方法を採用することができる。
本工程で得られるガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子とフラックスとの複合体にも特に制限はないが、ガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子とフラックスが均一に混合された複合体としてもよいし、ガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子の表面がフラックスで被覆された複合体としてもよい。
ガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子とフラックスとの混合比は、特に限定されないが、所望の酸化物電解質焼結体を効率よく得られるので、50:50(体積%)〜95:5(体積%)であってもよい。
(3) Step of mixing crystal particles of garnet-type ion conductive oxide with flux to form a complex In the production method of the present disclosure, garnet-type ion conductive oxide represented by the general formula (1) It has a process of mixing crystal particles and the flux containing Li to form a complex.
There is no restriction | limiting in particular in the method to mix the crystal particle of garnet type ion conductive oxide, and a flux, A well-known method is employable.
There is no particular limitation on the complex of garnet type ion conductive oxide crystal particles and flux obtained in this process, but as a complex in which garnet type ion conductive oxide crystal particles and flux are mixed uniformly. Alternatively, it may be a complex in which the surface of the garnet-type ion conductive oxide crystal particle is coated with a flux.
The mixing ratio of crystal particles of garnet type ion conductive oxide to flux is not particularly limited, but a desired oxide electrolyte sintered body can be efficiently obtained, so 50: 50 (volume%) to 95: 5 ( It may be volume%).

(4)焼結工程
本開示の製造方法は、前記一般式(1)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子と前記Liを含有するフラックスとの複合体を加熱して焼結する工程を有する。
焼結温度は、フラックスの融点温度以上であればよく、前記一般式(1)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子中のプロトンとフラックス中のLiイオンの置換を促進して、粒子間の結着及び形成性を向上する観点から、350℃以上であってもよく、400℃以上であってもよく、ガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶安定性を維持できれば、1000℃以下であってもよく、850℃以下であってもよい。
焼結時にガーネット型イオン伝導性酸化物とフラックス以外の材料を含む場合には、当該材料とガーネット型イオン伝導性酸化物が反応しない温度を選択すればよく、650℃以下であってもよく、550℃以下であってもよい。
本開示によれば、従来よりも低温(例えば350℃)での焼結であっても、所望の形状とLiイオン伝導率を有する酸化物電解質焼結体を得ることができる。
(4) Sintering step The manufacturing method of the present disclosure heats and sinters a composite of crystal particles of the garnet-type ion conductive oxide represented by the general formula (1) and a flux containing the Li. Process.
The sintering temperature may be equal to or higher than the melting point temperature of the flux, and promotes substitution of protons in the garnet type ion conductive oxide crystal particles represented by the general formula (1) and Li ions in the flux, From the viewpoint of improving the binding and formation between particles, it may be 350 ° C. or higher, or 400 ° C. or higher. If the crystal stability of the garnet type ion conductive oxide can be maintained, the temperature is 1000 ° C. or lower Or 850.degree. C. or less.
When a material other than the garnet ion conductive oxide and the flux is contained at the time of sintering, a temperature at which the material and the garnet ion conductive oxide do not react may be selected, and may be 650 ° C. or less It may be 550 ° C. or less.
According to the present disclosure, it is possible to obtain an oxide electrolyte sintered body having a desired shape and Li ion conductivity even when sintering is performed at a lower temperature (for example, 350 ° C.) than conventional.

焼結工程において、複合体または焼結体に付与する圧力に、特に限定はないが、成形性及び酸化物電解質焼結体のLiイオン伝導率を向上とさせる観点から、大気圧を超える加圧条件下で加熱してもよい。加熱時の圧力の上限値は特に限定されないが、例えば、6ton/cm(≒588MPa)以下としてもよい。
焼結工程における、雰囲気は、特に限定されない。
The pressure applied to the composite or the sintered body in the sintering step is not particularly limited, but from the viewpoint of improving the formability and the Li ion conductivity of the oxide electrolyte sintered body, a pressure exceeding atmospheric pressure is applied. It may be heated under conditions. Although the upper limit of the pressure at the time of heating is not particularly limited, it may be, for example, 6 ton / cm 2 (≒ 588 MPa) or less.
The atmosphere in the sintering step is not particularly limited.

焼結工程において焼結は、ホットプレス処理により行ってもよい。
ここで、ホットプレス処理とは、雰囲気調整された炉内で一軸方向に加圧しながら熱処理を行う方法である。
ホットプレス処理することで、ガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子が塑性変形するため、成形性が向上するとともに、得られる酸化物電解質焼結体が緻密化し密度が向上する。結果として、酸化物電解質焼結体粒子同士の接合が向上するため、Liイオン伝導率が向上する。
ホットプレス処理の圧力は、1〜6ton/cm(≒98〜588MPa)であってもよい。また、ホットプレス処理の処理時間は、1〜600分であってもよい。
Sintering in the sintering step may be performed by hot pressing.
Here, hot pressing is a method of performing heat treatment while uniaxially pressing in a furnace in which the atmosphere is adjusted.
By hot pressing, crystal particles of the garnet-type ion conductive oxide are plastically deformed, so that the formability is improved, and the obtained oxide electrolyte sintered body is densified to improve the density. As a result, since the bonding between the oxide electrolyte sintered particles is improved, the Li ion conductivity is improved.
The pressure of hot pressing may be 1 to 6 ton / cm 2 (≒ 98 to 588 MPa). Moreover, the processing time of the hot press processing may be 1 to 600 minutes.

2.本開示の製造方法により得られる酸化物電解質焼結体
本開示の酸化物電解質焼結体は、ガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子間に結晶粒子同士が焼結した粒界を有し、この粒界においても高いLiイオン伝導性を有する。上述のように、本開示の製造方法は、成形性に優れていることから、得られる酸化物電解質焼結体の形状を自由に設計できるため、本開示の製造方法で得られる酸化物電解質焼結体は、電極材料、電解質材料として広い用途で使用することができる。
2. Oxide Electrolyte Sintered Body Obtained by the Manufacturing Method of the Present Disclosure The oxide electrolyte sintered body of the present disclosure has grain boundaries between crystal grains of garnet-type ion conductive oxide, and the crystal grains are sintered, It also has high Li ion conductivity at this grain boundary. As described above, since the manufacturing method of the present disclosure is excellent in moldability, the shape of the obtained oxide electrolyte sintered body can be freely designed, and therefore the oxide electrolyte sintered body obtained by the manufacturing method of the present disclosure The body can be used in a wide range of applications as an electrode material and an electrolyte material.

3.一般式(1)のガーネット型イオン伝導性酸化物
本開示の酸化物電解質焼結体製造用ガーネット型イオン伝導性酸化物は、前記一般式(1)(Lix−3y−z,E,H)Lαβγで表される。
本開示の前記一般式(1)のガーネット型イオン伝導性酸化物は、酸化物電解質の焼結体を得るための原料としてLiを含有するフラックスと共に用いることにより、焼結時の成形性を向上することができる。前記一般式(1)のガーネット型イオン伝導性酸化物については、1.酸化物電解質焼結体の製造方法において詳細に説明したことから、ここでは記載を省略する。
本開示の前記一般式(1)のガーネット型イオン伝導性酸化物は、通常、常温で結晶として存在し、上記本開示の酸化物電解質の焼結体の製造方法に用いる場合には、当該結晶は粒子形状であってもよい。
本開示の前記一般式(1)のガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子の平均粒径は、特に限定されないが、0.1〜100μmの範囲内であってもよく、0.1〜3.0μmの範囲内であってもよい。
3. Garnet-Type Ion-Conductive Oxide of General Formula (1) The garnet-type ion-conductive oxide for producing an oxide electrolyte sintered body according to the present disclosure has the general formula (1) (Li x -3y-z , E y , H z ) is represented by L α M β O γ .
The garnet type ion conductive oxide of the general formula (1) of the present disclosure improves formability at the time of sintering by using it with a flux containing Li as a raw material for obtaining a sintered body of an oxide electrolyte. can do. With regard to the garnet-type ion conductive oxide of the general formula (1), Since the method for producing the oxide electrolyte sintered body has been described in detail, the description is omitted here.
The garnet type ion conductive oxide of the general formula (1) of the present disclosure usually exists as a crystal at normal temperature, and when used in the method for producing a sintered body of the oxide electrolyte of the present disclosure, the crystal May be in the form of particles.
The average particle size of the crystal particles of the garnet-type ion conductive oxide of the general formula (1) of the present disclosure is not particularly limited, but may be in the range of 0.1 to 100 μm, 0.1 to 3 It may be in the range of 0.1 μm.

本開示のガーネット型イオン伝導性酸化物は、種々の電池の電極材料、及び、電解質材料等として用いることができ、全固体電池の電極材料、及び、電解質材料等として用いることができる。   The garnet type ion conductive oxide of the present disclosure can be used as an electrode material of various batteries, an electrolyte material, and the like, and can be used as an electrode material of an all-solid battery, an electrolyte material, and the like.

4.酸化物電解質の結晶粒子と、リチウムを含有するフラックスとの複合体
本開示の酸化物電解質焼結体製造に用いる、酸化物電解質の結晶粒子とリチウムを含有するフラックスとの複合体は、前記一般式(1)のガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子とLiを含有するフラックスとの複合体である。
本開示の複合体は、前記一般式(1)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子とLiを含有するフラックスとを含有するものであれば、特に制限はないが、ガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子とフラックスが均一に混合された複合体であってもよいし、ガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子の表面がフラックスで被覆されたフラックスであってもよい。
前記一般式(1)のガーネット型イオン伝導性酸化物、及び、前記Liを含有するフラックス、については、1.酸化物電解質焼結体の製造方法において詳細に説明したことから、ここでは記載を省略する。
ガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子とフラックスとの混合比も特に限定されないが、所望の酸化物電解質焼結体を効率よく得られるので、50:50(体積%)〜95:5(体積%)であってもよい。
4. Complex of Crystal Particle of Oxide Electrolyte and Flux Containing Lithium A complex of crystal particle of oxide electrolyte and a flux containing lithium, which is used for producing the oxide electrolyte sintered body of the present disclosure, is the above-mentioned general It is a complex of the crystal particle of garnet type ion conductive oxide of a formula (1), and the flux containing Li.
The composite of the present disclosure is not particularly limited as long as it contains crystal particles of the garnet-type ion conductive oxide represented by the general formula (1) and a flux containing Li, but the garnet-type It may be a complex in which crystal particles of the ion conductive oxide and the flux are uniformly mixed, or it may be a flux in which the surface of the crystal particle of the garnet type ion conductive oxide is coated with the flux.
About the garnet type ion conductive oxide of said General formula (1), and the flux containing said Li, 1. Since the method for producing the oxide electrolyte sintered body has been described in detail, the description is omitted here.
The mixing ratio of crystal particles of garnet type ion conductive oxide to flux is not particularly limited either, but a desired oxide electrolyte sintered body can be efficiently obtained, so 50: 50 (volume%) to 95: 5 (volume %).

(1)酸化物電解質の焼結体の製造
(実施例1)
[ガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子準備工程]
Li6.75LaZr1.4Nb0.612の組成を有するガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子が得られるように、出発原料としてLiOH(HO)(Sigma−Aldrich社製)、La(OH)(株式会社高純度化学研究所製)、ZrO(株式会社高純度化学研究所製)、Nb(株式会社高純度化学研究所製)を化学量論量秤量し、各原料を混合し、混合物を得た。
フラックス中に溶融する上記混合物が2.5モル%となるように、上記混合物をフラックス(NaCl)とともに8時間かけて室温から950℃まで加熱し、950℃で20時間保持して、組成がLi6.75LaZr1.4Nb0.612であるガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子を得た。得られた結晶粒子の個数平均粒径は2.8μmであった。
上述のように得られたガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子2.0gを室温下、純水100mL中に60分浸漬させ、Liイオンとプロトンとの置換を行い、実施例1のガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子を得た。
水素イオン部分置換前後の結晶粒子についてICP分析を実施したところ、水素イオン部分置換前に6.75であったLiイオン含有量比は水素イオン部分置換前に6.00であったことから、ガーネット型イオン伝導性酸化物の組成中のLiがHと置換した量は0.75であると考えられた。
以上より、実施例1のガーネット型イオン伝導性酸化物粒子は、Li6.00.75LaZr1.4Nb0.612の組成を有することが明らかとなった。
(1) Production of sintered body of oxide electrolyte (Example 1)
[Garnet-type ion conductive oxide crystal particle preparation process]
LiOH (H 2 O) (Sigma-Aldrich) as a starting material so as to obtain garnet-type ion conductive oxide crystal particles having a composition of Li 6.75 La 3 Zr 1.4 Nb 0.6 O 12 ), La (OH) 3 (manufactured by High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd.), ZrO 2 (manufactured by High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd.), Nb 2 O 5 (manufactured by High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd.) Weighed and mixed each raw material to obtain a mixture.
The mixture is heated from room temperature to 950 ° C. over 8 hours with flux (NaCl) such that the mixture melted in the flux is 2.5 mol%, and held at 950 ° C. for 20 hours, the composition is Li Garnet-type ion conductive oxide crystal particles of 6.75 La 3 Zr 1.4 Nb 0.6 O 12 were obtained. The number average particle diameter of the obtained crystal particles was 2.8 μm.
The garnet ion ion of Example 1 is subjected to substitution of Li ion and proton by immersing 2.0 g of garnet ion conductive oxide crystal particles obtained as described above in 100 mL of pure water at room temperature for 60 minutes. Conductive oxide crystal particles were obtained.
As a result of performing ICP analysis on crystal particles before and after hydrogen ion partial substitution, the Li ion content ratio was 6.75 before hydrogen ion partial substitution was 6.00 before hydrogen ion partial substitution, so garnet The amount of Li replaced with H in the composition of the type ion conductive oxide was considered to be 0.75.
Thus, the garnet type ion conductive oxide particles of Example 1 was found to have a composition of Li 6.0 H 0.75 La 3 Zr 1.4 Nb 0.6 O 12.

[フラックス準備工程]
260℃に融点を持つLiNOをフラックスとして用いた。
[ガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子とフラックスとの混合工程]
実施例1のガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子とLiNO粉末を体積比が75:25となるように秤量した後、乾式で乳鉢にて混合することにより、実施例1のガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子とフラックスとの複合体を得た。
[Flux preparation process]
LiNO 3 having a melting point of 260 ° C. was used as a flux.
[Mixing process of garnet type ion conductive oxide crystal particles and flux]
Garnet-type ion conduction of Example 1 by weighing the garnet-type ion conductive oxide crystal particles of Example 1 and LiNO 3 powder so as to have a volume ratio of 75:25 and then mixing them in a dry mortar. A complex of crystalline oxide crystal particles and flux was obtained.

[焼結工程]
実施例1のガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子とフラックスとの複合体を室温で圧粉し(荷重1ton/cm(≒98MPa))、得られた圧粉体に対して、ホットプレス(400℃、荷重3.2ton/cm(≒313MPa)、4時間)を行い実施例1の酸化物電解質の焼結体を得た。
[Sintering process]
A complex of garnet-type ion conductive oxide crystal particles of Example 1 and a flux is compressed at room temperature (load: 1 ton / cm 2 (≒ 98 MPa)), and the obtained green compact is hot-pressed ( A sintered body of the oxide electrolyte of Example 1 was obtained at 400 ° C. and a load of 3.2 ton / cm 2 (≒ 313 MPa) for 4 hours.

(実施例2)
以下のようにガーネット型イオン伝導性酸化物粒子を準備したこと以外は、実施例1と同様の方法で、実施例2のガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子とフラックスとの複合体及び実施例2の酸化物電解質の焼結体を得た。
実施例1と同様の方法で、個数平均粒径は2.8μm、組成がLi6.4LaZr1.4Nb0.612であるガーネット型イオン伝導性酸化物粒子を得た。
得られたガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子2.0gを室温下、純水200mL中に60分浸漬させ、水素イオンとLiイオンの部分置換を行い、実施例2のガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子を得た。
実施例1と同様に水素イオン部分置換前後の結晶粒子についてICP分析を実施したところ、実施例2のガーネット型イオン伝導性酸化物粒子は、Li5.60.80LaZr1.4Nb0.612の組成を有することが明らかとなった。
(Example 2)
Composite of garnet-type ion conductive oxide crystal particles and flux of Example 2 and Example by the same method as Example 1 except that garnet-type ion conductive oxide particles were prepared as follows: A sintered body of the oxide electrolyte of 2 was obtained.
In the same manner as in Example 1, the number average particle diameter is 2.8 .mu.m, the composition to obtain a garnet-type ion conductive oxide particles are Li 6.4 La 3 Zr 1.4 Nb 0.6 O 12.
The garnet ion conductive oxide of Example 2 was subjected to partial substitution of hydrogen ions and Li ions by immersing 2.0 g of the obtained garnet ion conductive oxide crystal particles in 200 mL of pure water at room temperature for 60 minutes. Crystal particles were obtained.
When ICP analysis was performed on crystal particles before and after partial replacement of hydrogen ions in the same manner as in Example 1, the garnet-type ion conductive oxide particles of Example 2 were Li 5.6 H 0.80 La 3 Zr 1.4 it has been found that having a composition of nb 0.6 O 12.

(実施例3)
以下のようにガーネット型イオン伝導性酸化物粒子を準備したこと以外は、実施例1と同様の方法で、実施例3のガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子とフラックスとの複合体及び実施例3の酸化物電解質の焼結体を得た。
実施例1と同様の方法で、個数平均粒径は2.8μm、組成がLi6.4LaZr1.4Nb0.612であるガーネット型イオン伝導性酸化物粒子を得た。
得られたガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子2.0gを室温下、純水300mL中に60分浸漬させ、水素イオンとLiイオンの部分置換を行い、実施例3のガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子を得た。
実施例1と同様に水素イオン部分置換前後の結晶粒子についてICP分析を実施したところ、実施例3のガーネット型イオン伝導性酸化物粒子は、Li5.480.91LaZr1.4Nb0.612の組成を有することが明らかとなった。
(Example 3)
Composite of garnet-type ion conductive oxide crystal particles and flux of Example 3 and Example by the same method as Example 1 except that garnet-type ion conductive oxide particles were prepared as follows: A sintered body of the oxide electrolyte of 3 was obtained.
In the same manner as in Example 1, the number average particle diameter is 2.8 .mu.m, the composition to obtain a garnet-type ion conductive oxide particles are Li 6.4 La 3 Zr 1.4 Nb 0.6 O 12.
The garnet ion conductive oxide of Example 3 was subjected to partial substitution of hydrogen ions and Li ions by immersing 2.0 g of the obtained garnet ion conductive oxide crystal particles in 300 mL of pure water at room temperature for 60 minutes. Crystal particles were obtained.
When ICP analysis was performed on crystal particles before and after partial replacement of hydrogen ions in the same manner as in Example 1, the garnet-type ion conductive oxide particles in Example 3 were Li 5.48 H 0.91 La 3 Zr 1.4 it has been found that having a composition of nb 0.6 O 12.

(実施例4)
以下のようにガーネット型イオン伝導性酸化物粒子を準備したこと以外は、実施例1と同様の方法で、実施例4のガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子とフラックスとの複合体及び実施例4の酸化物電解質の焼結体を得た。
実施例1と同様の方法で、個数平均粒径は2.8μm、組成がLi6.4LaZr1.4Nb0.612であるガーネット型イオン伝導性酸化物粒子を得た。
得られたガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子2.0gを室温下、純水400mL中に60分浸漬させ、水素イオンとLiイオンの部分置換を行い、実施例4のガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子を得た。
実施例1と同様に水素イオン部分置換前後の結晶粒子についてICP分析を実施したところ、実施例4のガーネット型イオン伝導性酸化物粒子は、Li4.61.8LaZr1.4Nb0.612の組成を有することが明らかとなった。
(Example 4)
Composite of garnet type ion conductive oxide crystal particle and flux of Example 4 and Example by the same method as Example 1 except that garnet type ion conductive oxide particles were prepared as follows. A sintered body of 4 was obtained.
In the same manner as in Example 1, the number average particle diameter is 2.8 .mu.m, the composition to obtain a garnet-type ion conductive oxide particles are Li 6.4 La 3 Zr 1.4 Nb 0.6 O 12.
The garnet ion conductive oxide of Example 4 was subjected to partial substitution of hydrogen ions and Li ions by immersing 2.0 g of the obtained garnet ion conductive oxide crystal particles in 400 mL of pure water at room temperature for 60 minutes. Crystal particles were obtained.
When ICP analysis was performed on crystal particles before and after partial replacement of hydrogen ions in the same manner as in Example 1, the garnet-type ion conductive oxide particles of Example 4 were Li 4.6 H 1.8 La 3 Zr 1.4 it has been found that having a composition of nb 0.6 O 12.

(実施例5)
以下のようにガーネット型イオン伝導性酸化物粒子を準備したこと以外は、実施例1と同様の方法で、実施例5のガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子とフラックスとの複合体及び実施例5の酸化物電解質の焼結体を得た。
実施例1と同様の方法で、個数平均粒径が2.8μm、組成がLi6.4LaZr1.4Nb0.612であるガーネット型イオン伝導性酸化物粒子を得た。
得られたガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子2.0gを室温下、純水500mL中に48時間浸漬させ、水素イオンとLiイオンの部分置換を行い、実施例5のガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子を得た。
実施例1と同様に水素イオン部分置換前後の結晶粒子についてICP分析を実施したところ、実施例5のガーネット型イオン伝導性酸化物粒子は、Li3.03.4LaZr1.4Nb0.612の組成を有することが明らかとなった。
(Example 5)
Composite of garnet-type ion conductive oxide crystal particles and flux of Example 5 and Example by the same method as Example 1 except that garnet-type ion conductive oxide particles were prepared as follows: A sintered body of the oxide electrolyte of 5 was obtained.
In the same manner as in Example 1, the number average particle size of 2.8 .mu.m, a composition was obtained garnet ion conductive oxide particles are Li 6.4 La 3 Zr 1.4 Nb 0.6 O 12.
The garnet ion conductive oxide of Example 5 was subjected to partial replacement of hydrogen ions and Li ions by immersing 2.0 g of the obtained garnet ion conductive oxide crystal particles in 500 mL of pure water at room temperature for 48 hours. Crystal particles were obtained.
When ICP analysis was performed on crystal particles before and after partial replacement of hydrogen ions in the same manner as in Example 1, the garnet-type ion conductive oxide particles of Example 5 were Li 3.0 H 3.4 La 3 Zr 1.4 it has been found that having a composition of nb 0.6 O 12.

(比較例1)
以下のようにガーネット型イオン伝導性酸化物粒子を準備したこと以外は、実施例1と同様の方法で、比較例1のガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子とフラックスとの複合体及び比較例1の酸化物電解質の焼結体を得た。
実施例1と同様の方法で組成がLi6.4LaZr1.4Nb0.612のガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子を得た。得られたガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子は、水素置換を行わず、そのまま比較例1のガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子として用いた。
(Comparative example 1)
Composite of garnet-type ion conductive oxide crystal particles and flux of Comparative Example 1 and Comparative Example in the same manner as Example 1 except that garnet-type ion conductive oxide particles were prepared as follows. A sintered body of the oxide electrolyte of 1 was obtained.
The composition in the same manner as in Example 1 to obtain a garnet-type ion conductive oxide crystal grains of Li 6.4 La 3 Zr 1.4 Nb 0.6 O 12. The obtained garnet-type ion conductive oxide crystal particles were used as the garnet-type ion conductive oxide crystal particles of Comparative Example 1 without hydrogen substitution.

(比較例2)
以下のようにガーネット型イオン伝導性酸化物粒子を準備したこと以外は、実施例1と同様の方法で、比較例2のガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子とフラックスとの複合体及び比較例2の酸化物電解質の焼結体を得た。
実施例1と同様の方法で、個数平均粒径は2.8μm、組成がLi6.4LaZr1.4Nb0.612であるガーネット型イオン伝導性酸化物粒子を得た。
得られたガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子2.0gを室温下、純水50mL中に30分浸漬させ、水素イオンとLiイオンの部分置換を行い、比較例2のガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子を得た。
実施例1と同様に水素イオン部分置換前後の結晶粒子についてICP分析を実施したところ、比較例2のガーネット型イオン伝導性酸化物粒子は、Li6.270.13LaZr1.4Nb0.612の組成を有することが明らかとなった。
(Comparative example 2)
Composite of garnet-type ion conductive oxide crystal particles and flux of Comparative Example 2 and Comparative Example in the same manner as Example 1 except that garnet-type ion conductive oxide particles were prepared as follows: A sintered body of the oxide electrolyte of 2 was obtained.
In the same manner as in Example 1, the number average particle diameter is 2.8 .mu.m, the composition to obtain a garnet-type ion conductive oxide particles are Li 6.4 La 3 Zr 1.4 Nb 0.6 O 12.
2.0 g of the obtained garnet-type ion conductive oxide crystal particles are immersed in 50 mL of pure water at room temperature for 30 minutes to perform partial substitution of hydrogen ions and Li ions, and garnet-type ion conductive oxidation of Comparative Example 2 Crystal particles were obtained.
When ICP analysis was performed on crystal particles before and after partial replacement of hydrogen ions in the same manner as in Example 1, the garnet-type ion conductive oxide particles of Comparative Example 2 were Li 6.27 H 0.13 La 3 Zr 1.4 it has been found that having a composition of nb 0.6 O 12.

(比較例3)
以下のようにガーネット型イオン伝導性酸化物粒子を準備したこと以外は、実施例1と同様の方法で、比較例3のガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子とフラックスとの複合体及び比較例3の酸化物電解質の焼結体を得た。
実施例1と同様の方法で、個数平均粒径が2.8μm、組成がLi6.4LaZr1.4Nb0.612であるガーネット型イオン伝導性酸化物粒子を得た。
得られたガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子2.0gを室温下、純水100mL中に60分浸漬させ、水素イオンとLiイオンの部分置換を行い、比較例3のガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子を得た。
実施例1と同様に水素イオン部分置換前後の結晶粒子についてICP分析を実施したところ、比較例3のガーネット型イオン伝導性酸化物粒子は、Li6.00.4LaZr1.4Nb0.612の組成を有することが明らかとなった。
(Comparative example 3)
Composite of garnet-type ion conductive oxide crystal particles and flux of Comparative Example 3 and Comparative Example in the same manner as in Example 1 except that garnet-type ion conductive oxide particles were prepared as follows. A sintered body of the oxide electrolyte of 3 was obtained.
In the same manner as in Example 1, the number average particle size of 2.8 .mu.m, a composition was obtained garnet ion conductive oxide particles are Li 6.4 La 3 Zr 1.4 Nb 0.6 O 12.
2.0 g of the obtained garnet-type ion conductive oxide crystal particles are immersed in 100 mL of pure water at room temperature for 60 minutes to perform partial substitution of hydrogen ions and Li ions, and garnet-type ion conductive oxidation of Comparative Example 3 Crystal particles were obtained.
When ICP analysis was performed on crystal particles before and after partial replacement of hydrogen ions in the same manner as in Example 1, the garnet-type ion conductive oxide particles of Comparative Example 3 were Li 6.0 H 0.4 La 3 Zr 1.4 it has been found that having a composition of nb 0.6 O 12.

(2)酸化物電解質の焼結体の評価
(2−1)相対密度の測定
実施例1〜5、比較例1〜3の酸化物電解質の焼結体の密度を測定し、一般的なガーネット酸化物の真密度である5.10g/cmを100%とした場合の相対密度を算出した。
相対密度が高いほど、酸化物電解質が塑性変形しやすく、成形性が高いと評価することができる。
(2−2)電子顕微鏡観察
実施例1〜5、比較例1〜3の酸化物電解質の焼結体表面に対し、SEM観察を行った。
SEM観察では、粒子の形状による塑性変形の度合いを評価した。
(2−3)X線結晶回折(XRD)
実施例1〜5、比較例1〜3の酸化物電解質の焼結体に対し、X線結晶回折を行った。X線結晶回折では、結晶性を評価した。
(2) Evaluation of Sintered Body of Oxide Electrolyte (2-1) Measurement of Relative Density The density of the sintered body of the oxide electrolyte of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 was measured, and a general garnet The relative density was calculated when the true density of oxide, 5.10 g / cm 3, was 100%.
As the relative density is higher, the oxide electrolyte is more likely to be plastically deformed and it can be evaluated that the formability is higher.
(2-2) Electron Microscope Observation SEM observation was performed with respect to the sintered compact surface of the oxide electrolyte of Examples 1-5 and Comparative Examples 1-3.
In SEM observation, the degree of plastic deformation due to the shape of particles was evaluated.
(2-3) X-ray crystal diffraction (XRD)
X-ray crystal diffraction was performed on the sintered bodies of the oxide electrolytes of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3. The crystallinity was evaluated by X-ray crystal diffraction.

表1に、原料として用いたガーネット型酸化物電解質結晶粒子の特性と酸化物電解質の焼結体の評価結果とまとめて示す。また、図5には原料として用いた一般式(1)(Lix−3y−z,E,H)Lαβγで表されるガーネット型酸化物電解質結晶粒子中のHの含有量比であるzと得られた酸化物電解質の焼結体の相対密度の関係を示す。 Table 1 summarizes the characteristics of garnet-type oxide electrolyte crystal particles used as raw materials and the evaluation results of the sintered body of the oxide electrolyte. Further, FIG. 5 shows that H in the garnet-type oxide electrolyte crystal particles represented by the general formula (1) (Li x -3 y -z , E y , H z ) L α M β O γ used as the raw material The relation between the content ratio z and the relative density of the obtained sintered body of the oxide electrolyte is shown.

表1及び図5に示すように、(Lix−3y−z,E,H)Lαβγで表されるガーネット型酸化物電解質結晶粒子のうち、Hを含有していない比較例1のガーネット型酸化物電解質結晶粒子を原料として用いた、比較例1の焼結体は相対密度が70%と低かった。また、Hの含有量比zが0.13であるガーネット型酸化物電解質結晶粒子を用いた比較例2、及び、zが0.4であるガーネット型酸化物電解質結晶粒子を用いた比較例3の焼結体も相対密度が80%未満と低かった。図9及び図10に示すように比較例2及び比較例3の焼結体のプレス表面のSEM画像から、ガーネット型酸化物電解質結晶粒子がほとんど変形しておらず、空隙が大きいことが分かる。
従って、(Lix−3y−z,E,H)Lαβγで表されるガーネット型酸化物電解質結晶粒子では、zが0.4以下では、成形性に劣ることが明らかとなった。
これに対し、表1及び図5に示すように、(Lix−3y−z,E,H)Lαβγで表されるガーネット型酸化物電解質結晶粒子のうち、Hの含有量比が0.75≦z≦3.4の範囲であるガーネット型酸化物電解質結晶粒子を用いた実施例1〜5の焼結体は相対密度が85%以上と高かった。図6〜8に示すように実施例1〜5の焼結体のプレス表面のSEM画像から、ガーネット型酸化物電解質結晶粒子が程よく変形し、空隙が狭いことが分かる。また、結晶構造も維持されていた。
以上より、一般式(1)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子を準備する工程と、リチウムを含有するフラックスを準備する工程と、前記ガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子と前記フラックスとを混合して複合体とする工程と、前記複合体を加熱して焼結する工程と、を有する本開示の酸化物電解質焼結体の製造方法は成形性に優れていることが明らかとなった。
As shown in Table 1 and Figure 5, does not contain (Li x-3y-z, E y, H z) L α M β O of the garnet-type oxide electrolyte crystal grains represented by the gamma, H The sintered body of Comparative Example 1 using the garnet-type oxide electrolyte crystal particles of Comparative Example 1 as a raw material had a relative density as low as 70%. In addition, Comparative Example 2 using garnet-type oxide electrolyte crystal particles having a content ratio z of H of 0.13 and Comparative Example 3 using garnet-type oxide electrolyte crystal particles having az of 0.4. The sintered body also had a low relative density of less than 80%. As shown in FIGS. 9 and 10, SEM images of the press surfaces of the sintered bodies of Comparative Example 2 and Comparative Example 3 show that the garnet-type oxide electrolyte crystal particles are hardly deformed and the voids are large.
Thus, in (Li x-3y-z, E y, H z) L α M β O garnet-type oxide electrolyte crystal grains represented by the gamma, the z is 0.4 or less, clear that poor moldability It became.
In contrast, as shown in Table 1 and Figure 5, out of (Li x-3y-z, E y, H z) L α M β O γ represented by garnet-type oxide electrolyte crystal grains, the H The sintered bodies of Examples 1 to 5 using garnet-type oxide electrolyte crystal particles having a content ratio of 0.75 ≦ z ≦ 3.4 had a high relative density of 85% or more. As shown in FIGS. 6-8, SEM images of the press surfaces of the sintered bodies of Examples 1-5 show that the garnet-type oxide electrolyte crystal particles are deformed moderately and the gaps are narrow. In addition, the crystal structure was also maintained.
As mentioned above, the process of preparing the crystal particle of the garnet type ion conductive oxide represented by General formula (1), the process of preparing the flux containing lithium, the crystal particle of the said garnet type ion conductive oxide The method for producing an oxide electrolyte sintered body according to the present disclosure, which comprises the steps of: mixing the above and the flux to form a composite; and heating and sintering the composite, the formability is excellent. It became clear.

Claims (8)

酸化物電解質焼結体の製造方法であって、
下記一般式(1)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子を準備する工程と、
リチウムを含有するフラックスを準備する工程と、
前記ガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子と前記フラックスとを混合して複合体とする工程と、
前記複合体を加熱して焼結する工程と、を有することを特徴とする酸化物電解質焼結体の製造方法。
一般式(1)(Lix−3y−z,E,H)Lαβγ
(上記一般式(1)中、
EはAl、Ga、Fe及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
Lはアルカリ土類金属及びランタノイド元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
Mは酸素と6配位をとることが可能な遷移元素及び第12族〜第15族に属する典型元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
x、y、zは、3≦x−3y−z≦7、0≦y<0.22、0.75≦z≦3.4、を満たす実数である。
α、β、γは、それぞれ、2.5≦α≦3.5、1.5≦β≦2.5、11≦γ≦13の範囲内にある実数である。)
A method of producing an oxide electrolyte sintered body, comprising
Preparing crystal particles of a garnet-type ion conductive oxide represented by the following general formula (1):
Preparing a flux containing lithium;
Mixing the crystal particles of the garnet ion conductive oxide with the flux to form a complex;
And heating the complex to sinter the composite.
Formula (1) (Li x-3y -z, E y, H z) L α M β O γ
(In the above general formula (1),
E represents at least one element selected from the group consisting of Al, Ga, Fe and Si.
L represents at least one element selected from the group consisting of alkaline earth metals and lanthanoid elements.
M represents at least one element selected from the group consisting of a transition element capable of having six coordination with oxygen and a typical element belonging to Groups 12 to 15.
x, y and z are real numbers satisfying 3 ≦ x−3y−z ≦ 7, 0 ≦ y <0.22, and 0.75 ≦ z ≦ 3.4.
α, β, and γ are real numbers within the range of 2.5 ≦ α ≦ 3.5, 1.5 ≦ β ≦ 2.5, and 11 ≦ γ ≦ 13, respectively. )
前記一般式(1)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子を準備する工程が、
下記一般式(2)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物が得られる化学量論比となるように原料を混合し加熱することにより下記一般式(2)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子を得る工程と、
得られた一般式(2)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物結晶粒子中のLiをプロトンで置換することにより前記一般式(1)で表されるガーネット型イオン伝導性酸化物とする工程と、を有する請求項1に記載の酸化物電解質焼結体の製造方法。
一般式(2)(Lix−3y,E)Lαβγ
(上記一般式(2)中、
EはAl、Ga、Fe及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
Lはアルカリ土類金属及びランタノイド元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
Mは酸素と6配位をとることが可能な遷移元素及び第12族〜第15族に属する典型元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
x、yは、3≦x−3y≦7、0≦y<0.22を満たす実数である。
α、β、γは、それぞれ、2.5≦α≦3.5、1.5≦β≦2.5、11≦γ≦13の範囲内にある実数である。)
The process of preparing the crystal particle of the garnet type ion conductive oxide represented by the said General formula (1),
Garnet-type ion conduction represented by the following general formula (2) by mixing raw materials and heating so that it may become the stoichiometry which can obtain the garnet-type ion conductive oxide represented by the following general formula (2) Obtaining crystalline oxide crystal particles,
By substituting Li in the garnet type ion conductive oxide crystal particle represented by the obtained general formula (2) with a proton, the garnet type ion conductive oxide represented by the above general formula (1) is obtained A process for producing an oxide electrolyte sintered body according to claim 1, comprising the steps of:
General formula (2) (Li x -3 y , E y ) L α M β O γ
(In the above general formula (2),
E represents at least one element selected from the group consisting of Al, Ga, Fe and Si.
L represents at least one element selected from the group consisting of alkaline earth metals and lanthanoid elements.
M represents at least one element selected from the group consisting of a transition element capable of having six coordination with oxygen and a typical element belonging to Groups 12 to 15.
x and y are real numbers satisfying 3 ≦ x−3 y ≦ 7 and 0 ≦ y <0.22.
α, β, and γ are real numbers within the range of 2.5 ≦ α ≦ 3.5, 1.5 ≦ β ≦ 2.5, and 11 ≦ γ ≦ 13, respectively. )
前記一般式(1)中、EがAlであり、0≦y≦0.13である請求項1又は2に記載の酸化物電解質焼結体の製造方法。   The method for producing an oxide electrolyte sintered body according to claim 1 or 2, wherein in the general formula (1), E is Al, and 0 ≦ y ≦ 0.13. 前記一般式(1)中、0.8≦z≦3.4で請求項1又は3に記載の酸化物電解質焼結体の製造方法。   The manufacturing method of the oxide electrolyte sintered compact of Claim 1 or 3 in 0.8 <= z <= 3.4 in said General formula (1). 一般式(1)(Lix−3y−z,E,H)Lαβγで表されることを特徴とするガーネット型イオン伝導性酸化物。
(上記一般式(1)中、
EはAl、Ga、Fe及びSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
Lはアルカリ土類金属及びランタノイド元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
Mは酸素と6配位をとることが可能な遷移元素及び第12族〜第15族に属する典型元素からなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
x、y、zは、3≦x−3y−z≦7、0≦y<0.22、0.75≦z≦3.4、を満たす実数である。
α、β、γは、それぞれ、2.5≦α≦3.5、1.5≦β≦2.5、11≦γ≦13の範囲内にある実数である。)
Formula (1) (Li x-3y -z, E y, H z) L α M β O garnet characterized by being represented by γ ion conductive oxide.
(In the above general formula (1),
E represents at least one element selected from the group consisting of Al, Ga, Fe and Si.
L represents at least one element selected from the group consisting of alkaline earth metals and lanthanoid elements.
M represents at least one element selected from the group consisting of a transition element capable of having six coordination with oxygen and a typical element belonging to Groups 12 to 15.
x, y and z are real numbers satisfying 3 ≦ x−3y−z ≦ 7, 0 ≦ y <0.22, and 0.75 ≦ z ≦ 3.4.
α, β, and γ are real numbers within the range of 2.5 ≦ α ≦ 3.5, 1.5 ≦ β ≦ 2.5, and 11 ≦ γ ≦ 13, respectively. )
前記一般式(1)中、EがAlであり、0≦y≦0.13である請求項5に記載のガーネット型イオン伝導性酸化物。   The garnet type ion conductive oxide according to claim 5, wherein in the general formula (1), E is Al, and 0 ≦ y ≦ 0.13. 前記一般式(1)中、0.8≦z≦3.4である請求項5又は6に記載のガーネット型イオン伝導性酸化物。   The garnet type ion conductive oxide according to claim 5 or 6, wherein 0.8 ≦ z 中 3.4 in the general formula (1). 酸化物電解質の結晶粒子と、リチウムを含有するフラックスとの複合体であって、
前記酸化物電解質の結晶粒子は、請求項5乃至7に記載のガーネット型イオン伝導性酸化物の結晶粒子であることを特徴とする複合体。
A complex of oxide electrolyte crystal particles and a lithium-containing flux,
The crystal particle of the said oxide electrolyte is a crystal particle of the garnet type ion conductive oxide of Claim 5 thru | or 7, The composite characterized by the above-mentioned.
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