JP2021038099A - リチウムイオン伝導性酸化物 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
リチウムイオン伝導性酸化物は、少なくとも、リチウム、タンタル、M1、リンおよび酸素を構成元素として有し、前記M1は、4族、5族、6族、13族および14族の元素からなる群(ただし、タンタルを除く)から選ばれる少なくとも一種の金属元素であり、リチウム、タンタル、M1、リンおよび酸素の各構成元素の原子数の比が、1:2−x:x:1:8であり、前記xが0より大きく1未満であり、単斜晶を含有する。
【選択図】なし
Description
上記の従来の技術においては、リチウム、タンタル、リンおよび酸素を構成元素として有するリチウムイオン伝導性酸化物において、結晶粒内と結晶粒界の両方において、バランスしつつ、さらなるイオン伝導度を向上させる記載や示唆はない。
リチウムイオン伝導性酸化物であって、
少なくとも、リチウム、タンタル、M1、リンおよび酸素を構成元素として有し、
M1は、4族、5族、6族、13族および14族の元素からなる群(ただし、タンタルを除く)から選ばれる少なくとも一種の金属元素であり、
リチウム、タンタル、M1、リンおよび酸素の各構成元素の原子数の比が、1:2−x:x:1:8であり、
前記xが0より大きく1未満であり、
単斜晶を含有するリチウムイオン伝導性酸化物。
[2]
前記M1が、Nb、Zr、Ga、Sn、Hf、WおよびMoからなる群から選ばれるいずれか一種以上の金属元素である前項1に記載のリチウムイオン伝導性酸化物。
[3]
単斜晶の含有量の合計が70%以上である前項1または2に記載のリチウムイオン伝導性酸化物。
[4]
結晶粒界でのリチウムイオン伝導度σgb(25℃)が1.90×10−4(S/cm)以上である前項1〜3のいずれか1項に記載のリチウムイオン伝導性酸化物。
[5]
前項1〜4のいずれか1項に記載のリチウムイオン伝導性酸化物を固体電解質として含むリチウムイオン二次電池。
本発明の好ましい実施態様におけるリチウムイオン伝導性酸化物は、LiTa2PO8のTaの一部が金属元素M1で置換されたものを基本構成とし、X線回折測定において単斜晶の結晶系を有することが確認される。単斜晶の結晶系が確認されるLiTa2PO8は、格子定数a、b、cがそれぞれ9.712Å、11.532Å、10.695Åであり、βの角度が90.03°であり、理論密度は、5.85(g/cm3)である。これらの格子定数とβの角度は、実施例において後述するリートベルト解析を行うことによって算出することができる。本発明の好ましい実施態様におけるリチウムイオン伝導性酸化物は、金属元素M1がTa位置に置換してドープされており、金属元素M1の元素種およびドープ量に応じて格子定数とβの角度が変動するが、単斜晶の結晶系は保たれる。より具体的には、単斜晶であっても、ドープ量によってβの角度が変化して90°に近くなると、直方晶になるということもできる。
本発明の好ましい実施態様におけるリチウムイオン伝導性酸化物は、少なくとも、リチウム、タンタル、M1、リンおよび酸素を構成元素として有し、M1は、4族、5族、6族、13族および14族の元素からなる群(ただし、タンタルを除く)から選ばれる少なくとも一種の金属元素であり、リチウム、タンタル、M1、リンおよび酸素の各構成元素の原子数の比が、1:2−x:x:1:8であり、前記xが0より大きく1未満である。本発明の好ましい実施態様におけるリチウムイオン伝導性酸化物は、リチウムを含有する特定の酸化物からなるリチウムイオン伝導性酸化物ともいえる。ただ、このことは、リチウムイオン伝導性酸化物における不純物の存在を厳密に排除するものでなく、原料および/または製造過程などに起因する不可避不純物、その他、リチウムイオン伝導性を劣化させない範囲内において他の結晶系を有する不純物がリチウムイオン伝導性酸化物に含まれることは差し支えない。
本発明の好ましい実施態様におけるリチウムイオン伝導性酸化物を構成するリチウム、タンタル、金属元素M1、リンおよび酸素の各構成元素の原子数の比は、例えば、LiCoO2等のリチウム含有遷移金属酸化物として、Mn、Co、Niが1:1:1の割合で含有されている標準粉末試料を用いて、オージェ電子分光法(AES:Auger Electron Spectroscopy)により絶対強度定量法を用いて行うことができる。
本発明の好ましい実施態様におけるリチウムイオン伝導性酸化物は、下記式(1)で表すことができる。
LiTa2―xM1xPO8 …式(1)
上記式(1)においてxで表される、リチウムイオン伝導性酸化物が含む金属元素M1の含有量は、0より大きく1未満である。この含有量の範囲は、タンタルと金属元素M1の元素の合計原子数に対する金属元素M1の原子数の百分率で表すと、0.0より大きく50.0未満である。上記式(1)のxで表すとき、金属元素M1含有量の下限は、好ましくは0.01である。上記式(1)のxで表すとき、金属元素M1含有量の上限は、好ましくは0.95であり、より好ましくは0.90であり、さらに好ましくは0.85であり、よりさらに好ましくは0.80であり、特に好ましくは0.75である。金属元素M1含有量が上記の範囲であると、後述する結晶粒界のリチウムイオン伝導度が大きい傾向がある。金属元素M1含有量は、タンタルと金属元素M1との合計原子数に対する金属元素M1の原子数の百分率として、従来公知の定量分析により求めることができる。例えば、試料に酸を加えて熱分解後、熱分解物を定容し、高周波誘導結合プラズマ(ICP)発光分析装置を用いて求めることができる。後述するリチウムイオン伝導性酸化物の製造方法において、タンタルと金属元素M1は系外に流出しないので、金属元素M1のドープ量として、タンタルと金属元素M1との合計原子数に対する金属元素M1の原子数の百分率としては、簡易的に原材料の仕込み量から算出することができる。
リチウムイオン伝導性酸化物が含む金属元素M1は、4族、5族、6族、13族および14族の元素からなる群(ただし、タンタルを除く)から選ばれる少なくとも一種の金属元素である。金属元素M1は、Nb、Zr、Ga、Sn、Hf,WおよびMoからなる群から選ばれるいずれか1種以上であることが好ましい。結晶粒界におけるリチウムイオン伝導度が大きくなることから、金属元素M1は、Nb、WおよびMoがより好ましく、NbおよびWがさらに好ましい。これらの金属元素M1は、2種以上を併せて用いてもよい。
リチウムイオン伝導性酸化物の構成元素の価数に着目したとき、ドープされる金属元素M1とタンタルの価数が異なると、電化中性のバランスをとるため、リチウムイオン伝導性酸化物に含有されるリチウムが増減することが考えられる。金属元素M1が、Zr、Ga、Sn、Hf,WおよびMoのいずれかの場合に、タンタルと価数が異なる。例えば、リチウムの増減量をαで表すと、リチウムイオン伝導性酸化物は、下記式(2)で表すことができる。
Li1+αTa2―xM1xPO8 …式(2)
リチウムイオン伝導性酸化物がX線回折測定において確認される単斜晶の含有率は、70%以上であることが好ましい。単斜晶の含有率は、実施例において後述する、リートベルト解析を用いた方法で求めることができる。単斜晶の含有率の合計は、より好ましくは80%以上であり、さらに好ましくは90%以上である。単斜晶の含有率が上述した範囲であると、結晶粒内と結晶粒界との両方においてイオン伝導度が大きくなる傾向がある。
リチウムイオン伝導性酸化物は、後述する製造方法において焼成が不十分な場合、原材料が残存すると、X線回折測定において原材料に由来する回折ピークが確認される場合がある。原材料として用いる、炭酸リチウム(Li2CO3)、五酸化タンタル(Ta2O5)、金属元素M1の酸化物、およびリン酸一水素二アンモニウム((NH4)2HPO4)の存在は、X線回折測定により確認することができる。これらの原材料化合物はリチウムイオン伝導性を有しないので含まないことが好ましい。また、焼成が不十分な場合に、副生成物の存在がX線回折測定において副生成物に由来する回折ピークとして確認される場合がある。タンタル酸リチウム(LiTaO3)、Li3PO4、TaPO5などが観測される場合があり、これらの副生成物はリチウムイオン伝導性が小さいため含まないことが好ましい。
リチウムイオン伝導性酸化物の結晶粒界におけるリチウムイオン伝導度は、例えば、後述する実施例において記載するイオン伝導度評価のインピーダンス測定で求めることができる。リチウムイオン伝導性酸化物は、好ましくは、25℃において測定される結晶粒界でのリチウムイオン伝導度σgb(25℃)が1.90×10−4(S/cm)以上である。より好ましくは2.30×10−4(S/cm)以上であり、さらに好ましくは2.50×10−4(S/cm)以上であり、特に好ましくは2.95×10−4(S/cm)以上である。上述した本発明の好ましい実施態様におけるリチウムイオン伝導性酸化物は、特に用途に制限があるわけではないが、特にリチウムイオン二次電池の固体電解質として好適に用いることができる。
リチウムイオン伝導性酸化物が含む結晶粒のメジアン径は、好ましくは結晶粒径の算術平均が6.0μm以下であり、より好ましくは3.0μm以下であり、さらに好ましくは1.5μm以下である。リチウムイオン伝導性酸化物が含む結晶粒のメジアン径は、後述する方法で作製したリチウムイオン伝導性酸化物のペレットを、電子線後方散乱回折(EBSD)検出器を備えた走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて1000倍以上の倍率でEBSD画像を得、任意の100μm四方の領域において少なくとも100個の結晶粒の粒径を計測して求める。結晶粒は完全な球形ではないので、最長径を結晶粒の粒径とする。本明細書においては、結晶粒の最長径とは、以下のようにして求められる結晶粒の輪郭を構成する多角形が有する最長の対角線の長さを意味する。
本発明の好ましい実施態様におけるリチウムイオン伝導性酸化物の製造方法は、上記の構成の範囲内のリチウムイオン伝導性酸化物が得られる限り特に限定されない。固相反応、液相反応等が採用可能である。以下、固相反応による製造方法について詳細に説明する。
混合工程では、リチウム原子、タンタル原子、金属元素M1をそれぞれ含む化合物およびリン酸塩を混合する。
リチウム原子を含有する化合物としては、特に限定はされないが、扱いやすさから無機化合物が好ましく、リチウム原子を含有する無機化合物としては、炭酸リチウム(Li2CO3)、酸化リチウム(Li2O)などのリチウム化合物を挙げることができる。これらのリチウム化合物は1種単独でもよく、2種以上併用してもよい。分解、反応させやすいことから炭酸リチウム(Li2CO3)を用いることが好ましい。
タンタル原子を含有する化合物としては、特に限定はされないが、扱いやすさから無機化合物が好ましく、五酸化タンタル(Ta2O5)、硝酸タンタル(Ta(NO3)5)などのタンタル化合物を挙げることができる。これらのタンタル化合物は1種単独でもよく、2種以上併用してもよい。コストの点から五酸化タンタル(Ta2O5)を用いることが好ましい。
金属元素M1を含有する化合物としては、特に限定はされないが、扱いやすさから無機化合物が好ましく、金属元素M1の酸化物、硝酸塩などの化合物を挙げることができる。これらの化合物は1種単独でもよく、2種以上併用してもよい。コストの点から酸化物を用いることが好ましい。
金属元素M1がNb、GaおよびSnである場合には、酸化物としてそれぞれ、五酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化ガリウム(Ga2O3)、および酸化スズ(SnO2)が挙げられる。
金属元素M1がZr、Hf、WおよびMoである場合には、それぞれ、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化タングステン(WO3)、および酸化モリブデン(MoO3)が挙げられる。他に反応のさせやすさから、それぞれ、水酸化ジルコニウム(Zr(OH)4)、水酸化ハフニウム(Hf(OH)4)、タングステン酸(H2WO4)、およびモリブデン酸(H2MoO4)が挙げられる。
リン酸塩としては、特に限定はされないが、分解、反応させやすいことからリン酸一水素二アンモニウム((NH4)2HPO4)、リン酸二水素一アンモニウム(NH4H2PO4)などのリン酸塩を挙げることができる。これらのリン酸塩は1種単独でもよく、2種以上併用してもよい。
上述した原材料の混合方法としては、ロール転動ミル、ボールミル、小径ボールミル(ビーズミル)、媒体撹拌ミル、気流粉砕機、乳鉢、自動混練乳鉢、槽解機またはジェットミルなどの方法を用いることができる。混合する原材料の比率は、簡便には、上述した式(1)の組成となるよう化学量論比で混合する。より具体的には、後述する焼成工程において、リチウム原子が系外へ流出しやすいので、上述したリチウム原子を含有する化合物を1〜2割程度過剰に加えて調節されてもよい。
混合雰囲気は、大気下で行ってもよい。酸素ガス含有量の調整された窒素ガスおよび/またはアルゴンガスのガス雰囲気であることがより好ましい。
焼成工程では、混合工程で得た混合物を焼成する。焼成工程を、例えば低温焼成と高温焼成の2段階の工程とするように複数回行う場合には、焼成工程間に、一次焼成物を解砕し、または小粒径化することを目的として、ボールミルや乳鉢を用いた解砕工程を設けてもよい。
焼成工程は大気下で行ってもよい。酸素ガス含有量の調整された窒素ガスおよび/またはアルゴンガスのガス雰囲気であることがより好ましい。
焼成温度としては、800〜1200℃の範囲が好ましく、950〜1100℃の範囲がより好ましく、950〜1000℃の範囲がさらに好ましい。800℃以上で焼成すると金属元素M1の固溶が十分に行われてイオン伝導度が向上し、1200℃以下にすると、リチウム原子が系外へ流出しにくく好ましい。焼成時間は、1〜16時間が好ましく、3〜12時間が好ましい。焼成時間が前述の範囲であると、結晶粒内と結晶粒界との両方において、バランスよくイオン伝導度が大きくなりやすく好ましい。焼成時間が前述の範囲より長いと、リチウム原子が系外へ流出しやすい。焼成の時間と温度は互いに合わせて調整される。
焼成工程を、例えば低温焼成と高温焼成の2段階の工程とする場合、低温での仮焼成は、400〜800℃で、2〜12時間行ってもよい。
また、副生成物の残存を抑えるために、高温焼成を2回行ってもよい。2回目の焼成工程では、焼成温度としては、800〜1200℃の範囲が好ましく、950〜1100℃の範囲がより好ましく、950〜1000℃の範囲がさらに好ましい。各焼成工程の焼成時間は1〜8時間が好ましく、2〜6時間が好ましい。
焼成後に得られる焼成物は、大気中に放置すると、吸湿したり二酸化炭素と反応したりして変質することがある。焼成後に得られる焼成物は、焼成後の降温において200℃より下がったところで除湿した不活性ガス雰囲気下に移して保管することが好ましい。
このようにして本願発明のリチウムイオン伝導性酸化物を得ることができる。
リチウムイオン伝導性酸化物の好適な実施態様の1つとして、固体電解質として、リチウム二次電池に利用することが挙げられる。リチウム二次電池の構造は、特に限定されないが、例えば、固体電解質層を備える固体電池の場合、正極集電体、正電極層、固体電解質層、負電極層および負極集電体がこの順に積層された構造を成している。
正極集電体および負極集電体は、その材質が電気化学反応を起こさずに電子を導電するものであれば特に限定されない。例えば、銅、アルミニウム、鉄等の金属の単体および合金、またはアンチモンドープ酸化スズ(ATO)、スズドープ酸化インジウム(ITO)などの導電性金属酸化物などの導電体で構成される。なお、導電体の表面に導電性接着層を設けた集電体を用いることもできる。導電性接着層は、粒状導電材や繊維状導電材などを含んで構成することができる。
負電極用の活物質としては、リチウム合金、金属酸化物、グラファイト、ハードカーボン、ソフトカーボン、ケイ素、ケイ素合金、ケイ素酸化物SiOn(0<n≦2)、ケイ素/炭素複合材、多孔質炭素の細孔内にケイ素を内包する複合材、チタン酸リチウム、チタン酸リチウムで被覆されたグラファイトからなる群から選ばれる少なくとも一つを含有するものを挙げることができる。ケイ素/炭素複合材や多孔質炭素の細孔内にケイ素ドメインを内包する複合材は、比容量が高く、エネルギー密度や電池容量を高めることができるので好ましい。より好ましくは、多孔質炭素の細孔内にケイ素ドメインを内包する複合材であり、ケイ素のリチウム吸蔵/放出に伴う体積膨張の緩和性に優れ、複合電極材料または電極層において、マクロ導電性、ミクロ導電性およびイオン伝導性のバランスを良好に維持することができる。特に好ましくは、ケイ素ドメインが非晶質であり、ケイ素ドメインのサイズが10nm以下であり、ケイ素ドメインの近傍に多孔質炭素由来の細孔が存在する、多孔質炭素の細孔内にケイ素ドメインを内包する複合材である。
(1)リチウムイオン伝導性酸化物の作製
まず、炭酸リチウム(Li2CO3)(シグマアルドリッチ製、純度99.0%以上)、五酸化タンタル(Ta2O5)(富士フイルム和光純薬製、純度99.9%)、五酸化ニオブ(Nb2O5)(富士フイルム和光純薬製、純度99.9%)、リン酸一水素二アンモニウム((NH4)2HPO4)(シグマアルドリッチ製、純度98%以上)を、タンタルとニオブの元素の合計原子数に対するニオブの原子数の百分率が0.5%となるよう五酸化タンタルと五酸化ニオブとを秤量し、タンタルとニオブの元素の合計原子数に対してリンの原子数が1/2倍量となるようリン酸一水素二アンモニウムを秤量し、タンタルとニオブの元素の合計原子数に対してリチウムの原子数が1.1/2倍量となるよう炭酸リチウムを秤量した。
秤量した各粉末を、適量のトルエンを加え得てジルコニアボールミル(ジルコニアボール:直径1mm)を用いて3時間混合した。
得られた混合物をアルミナボートに入れ、回転焼成炉(モトヤマ社製)を用いて空気(ガス流量100mL/分)の雰囲気下で昇温速度10℃/分で1000℃まで昇温し、1000℃において4時間焼成を行った。
焼成して得られた一次焼成物に、適量のトルエンを加えてジルコニアボールミル(ジルコニアボール:直径1mm)を用いて3時間解砕した。
得られた解砕物をアルミナボートに入れ、回転焼成炉(モトヤマ社製)を用いて空気(ガス流量100mL/分)の雰囲気下で昇温速度10℃/分で1000℃まで昇温し、1000℃において4時間焼成を行った。
得られた二次焼成物を降温後、室温で取り出し、200Pa以下の真空に保たれたデシケーターに移し、リチウムイオン伝導性酸化物(1)を得た。
粉末X線回折測定装置パナリティカルMPD(スペクトリス株式会社製)を用いて、リチウムイオン伝導性酸化物(1)の粉末X線回折測定を行った。X線回折測定条件としては、Cu−Kα線(出力45kV、40mA)を用いて回折角2θ=10〜50°の範囲で測定を行い、リチウムイオン伝導性酸化物(1)のX線回折(XRD)図形を得た。得られたXRD図形を図1に示す。XRD図形において、後述する比較例1において図9に示す未ドープのLiTa2PO8とほぼ同じ単斜晶の結晶構造のみが確認された。
得られたXRD図形に対し、公知の解析ソフトウェアRIETAN−FP(作成者;泉富士夫のホームページ「RIETAN-FP・VENUS システム配布ファイル」(http://fujioizumi.verse.jp/download/download.html)から入手することができる。)を用いてリートベルト解析を行い、格子定数а、b、c、および角度βを算出し、それぞれ9.7125Å、11.5321Å、10.6957Å、および90.031°であった。RIETAN−FPを用いてリートベルト解析により、確認された結晶の結晶量を算出することができる。下記式(3)を用いて単斜晶の含有率を算出した。
(単斜晶含有率)(%)=(単斜晶の結晶量)/{(単斜晶の結晶量)+(単斜晶以外の結晶の合計量)×100 …式(3)
ここで、単斜晶以外の結晶とは、LiTa2PO8に由来しない単斜晶の結晶系の結晶を含む。
図1においては、LiTa2PO8とほぼ同じ単斜晶の回折パターンのみが観測され、リチウムイオン伝導性酸化物(1)の単斜晶含有率は100%であった。
(測定ペレット作製)
リチウムイオン伝導性酸化物のイオン伝導度評価用の測定ペレットの作製は、次のように行った。得られたリチウムイオン伝導性酸化物(1)を、錠剤成形機を用いて直径10mm、厚さ1mmの円盤状に成形し、1100℃で大気下3時間焼成した。得られた焼成物の、理論密度に対する相対密度は93%であった。得られた焼成物の両面に、スパッタ機を用いて金層を形成して、イオン伝導度評価用の測定ペレットを得た。
(インピーダンス測定)
リチウムイオン伝導性酸化物(1)のイオン伝導度評価を次のように行った。前述の方法で作製した測定ペレットを、測定前に2時間25℃に保持した。次いで、25℃においてインピーダンスアナライザー(ソーラトロンアナリティカル製、型番:1260A)を用いて振幅25mVで周波数1Hz〜10MHzの範囲でACインピーダンス測定を行った。得られたインピーダンススペクトルを装置付属の等価回路解析ソフトウェアZViewを用いて等価回路でフィッティングして、結晶粒内および結晶粒界における各イオン伝導度をそれぞれ得た。求められたイオン伝導度を併せて表1に示す。
(リチウムイオン伝導性酸化物の作製)
LiTa2PO8に対して、ドープされるニオブの量、すなわち、タンタルとニオブの元素の合計原子数に対するニオブの原子数の百分率が、表1記載の含有量となるよう五酸化タンタルと五酸化ニオブの混合量を変更した以外は、実施例1と同様にしてそれぞれリチウムイオン伝導性酸化物(2)〜(8)を得た。
(XRD測定、イオン伝導度評価)
XRD測定およびイオン伝導度評価は、それぞれ実施例1と同様に測定および分析を行った。リチウムイオン伝導性酸化物(2)〜(8)のXRD図形を図2〜図8にそれぞれ示す。図2〜図6のXRD図形においては、図1と同様のピークのみが観測され、単斜晶の結晶系のみが確認された。図7および図8においては、図1と同様のピークが確認されるとともに、○印で示す位置にタンタル酸リチウム(LiTaO3)の三方晶系の結晶に由来する回折ピークが確認された。
リチウムイオン伝導性酸化物(2)〜(8)の、単斜晶含有率、結晶粒内および結晶粒界におけるイオン伝導度をそれぞれ表1に示す。
(リチウムイオン伝導性酸化物の作製)
LiTa2PO8に対して、ニオブをドープせず、すなわち五酸化ニオブ(Nb2O5)を用いず五酸化タンタルの混合量を変更した以外は、実施例1と同様にしてリチウムイオン伝導性酸化物(c1)を得た。
(XRD測定、イオン伝導度評価)
XRD測定およびイオン伝導度評価は、実施例1と同様に測定および分析を行った。リチウムイオン伝導性酸化物(c1)のXRD図形を図9に示す。図9のXRD図形においては、LiTa2PO8に同定される単斜晶の結晶構造のみが確認された。
リチウムイオン伝導性酸化物(c1)の単斜晶含有率、結晶粒内および結晶粒界におけるイオン伝導度をそれぞれ表1に示す。
(リチウムイオン伝導性酸化物の作製)
LiTa2PO8に対して、タンタルとニオブの元素の合計原子数に対するニオブの原子数の百分率が50.0%(x=1.00)となるよう五酸化タンタルと五酸化ニオブとの混合量を変更した以外は、実施例1と同様にしてそれぞれリチウムイオン伝導性酸化物(c2)を得た。
(XRD測定、イオン伝導度評価)
XRD測定およびイオン伝導度評価は、それぞれ実施例1と同様に測定および分析を行った。得られたXRD図形を図10に示す。図10においては、図1と同様のピークが確認されるとともに、○印で示す位置にタンタル酸リチウム(LiTaO3)の三方晶系の結晶に由来する回折ピークが確認された。
リチウムイオン伝導性酸化物(c2)の単斜晶含有率、結晶粒内および結晶粒界におけるイオン伝導度をそれぞれ表1に示す。
実施例2で作製したリチウムイオン伝導性酸化物(2)の結晶粒のメジアン径を次の手順で求めた。
(メジアン径測定用試料の作製)
メジアン径測定用試料は、前述した測定ペレット作製方法で作製したペレットを用いて、次のようにペレットの断面を観察する試料を作製した。リチウムイオン伝導性酸化物(2)を用いて作製したペレットを樹脂に包埋し、研磨して面出しを行い、クロスセクションポリッショナー(CP)加工装置を用いて、加速電圧6kVで8時間、さらに加速電圧3kVで15分加工して、メジアン径測定用試料を得た。
(EBSD画像とメジアン径の算出)
EBSD検出器を備えたSEM装置を用いて、作製したメジアン径測定用試料の断面のEBSD画像を得た。
測定装置等;
SEM装置:JSM-7800F prime(日本電子社製)
EBSD検出器:Symmetry(Oxford Instruments社製)
測定ソフト:AZtec (Oxford Instruments社製)
解析ソフト:HKL CHANNEL5(Oxford Instruments社製)
測定条件は、加速電圧15kV、照射電流10nA、ステップサイズ0.1μm、真空度50Paで行い、装置付属の測定ソフトと解析ソフトを用いた。図11にEBSD画像の一例を示す(バンドコントラスト:BC、結晶方位マップ:IPF)。図11のEBSD画像において、白いものはメジアン径測定用試料の作製時に混入した不可避不純物であり、その他の黒から灰色の粒子が全てリチウムイオン伝導性酸化物(2)の結晶粒である。前述した方法で求められたリチウムイオン伝導性酸化物(2)の結晶粒のメジアン径は、1.4μmであった。
(リチウムイオン伝導性酸化物の作製)
五酸化ニオブに替えて酸化モリブデン(MoO3)(富士フイルム和光純薬製、純度99.9%)を用いた以外は、実施例3と同様にしてそれぞれリチウムイオン伝導性酸化物(9)を得た。
(XRD測定、イオン伝導度評価)
XRD測定およびイオン伝導度評価は、それぞれ実施例1と同様に測定および分析を行った。XRD図形では図1と同様のピークが確認され、未ドープのLiTa2PO8とほぼ同じ単斜晶の結晶構造のみが確認された。
リチウムイオン伝導性酸化物(9)の結晶粒内および結晶粒界におけるイオン伝導度をそれぞれ表2に示す。
(リチウムイオン伝導性酸化物の作製)
五酸化ニオブに替えて酸化タングステン(WO3)(富士フイルム和光純薬製、純度99.9%)を用いた以外は、実施例3と同様にしてそれぞれリチウムイオン伝導性酸化物(10)を得た。
(XRD測定、イオン伝導度評価)
XRD測定およびイオン伝導度評価は、それぞれ実施例1と同様に測定および分析を行った。XRD図形では図1と同様のピークが確認され、未ドープのLiTa2PO8とほぼ同じ単斜晶の結晶構造のみが確認された。
リチウムイオン伝導性酸化物(10)の結晶粒内および結晶粒界におけるイオン伝導度をそれぞれ表2に示す。
Claims (5)
- リチウムイオン伝導性酸化物であって、
少なくとも、リチウム、タンタル、M1、リンおよび酸素を構成元素として有し、
M1は、4族、5族、6族、13族および14族の元素からなる群(ただし、タンタルを除く)から選ばれる少なくとも一種の金属元素であり、
リチウム、タンタル、M1、リンおよび酸素の各構成元素の原子数の比が、1:2−x:x:1:8であり、
前記xが0より大きく1未満であり、
単斜晶を含有するリチウムイオン伝導性酸化物。 - 前記M1が、Nb、Zr、Ga、Sn、Hf、WおよびMoからなる群から選ばれるいずれか一種以上の金属元素である請求項1に記載のリチウムイオン伝導性酸化物。
- 単斜晶の含有率の合計が70%以上である請求項1または2に記載のリチウムイオン伝導性酸化物。
- 結晶粒界でのリチウムイオン伝導度σgb(25℃)が1.90×10−4(S/cm)以上である請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウムイオン伝導性酸化物。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウムイオン伝導性酸化物を固体電解質として含むリチウムイオン二次電池。
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