JP2022100362A - Electrode-attached solid electrolyte sheet - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode-attached solid electrolyte sheet by which superior battery characteristics can be achieved even with a reduced thickness.
SOLUTION: A solid electrolyte sheet comprises at least one kind of sodium ion-conducting crystal selected from β''-alumina and NASICON crystal, of which the thickness is 500 μm or less and the flatness is 200 μm or less.
SELECTED DRAWING: Figure 1
COPYRIGHT: (C)2022,JPO&INPIT

Description

本発明は、ナトリウムイオン二次電池等の蓄電デバイスに用いられるナトリウムイオン伝導性結晶含有固体電解質シートに関する。 The present invention relates to a sodium ion conductive crystal-containing solid electrolyte sheet used in a power storage device such as a sodium ion secondary battery.

リチウムイオン二次電池は、モバイル機器や電気自動車等に不可欠な、高容量で軽量な電源としての地位を確立している。しかし、現行のリチウムイオン二次電池には、電解質として可燃性の有機系電解液が主に用いられているため、発火等の危険性が懸念されている。この問題を解決する方法として、有機系電解液に代えて固体電解質を使用したリチウムイオン全固体電池の開発が進められている(例えば特許文献1参照)。 Lithium-ion secondary batteries have established themselves as a high-capacity, lightweight power source that is indispensable for mobile devices and electric vehicles. However, since a flammable organic electrolytic solution is mainly used as an electrolyte in the current lithium ion secondary battery, there is a concern about the risk of ignition and the like. As a method for solving this problem, a lithium ion all-solid-state battery using a solid electrolyte instead of an organic electrolyte is being developed (see, for example, Patent Document 1).

しかしながら、リチウムは世界的な原材料の高騰の懸念がある。そこで、リチウムに代わる材料としてナトリウムが注目されており、固体電解質としてNASICON型のNaZrSiPO12からなるナトリウムイオン伝導性結晶を使用したナトリウムイオン全固体電池が提案されている(例えば特許文献2参照)。その他、β-アルミナやβ’’-アルミナといったベータアルミナ系固体電解質も高いナトリウムイオン伝導性を示すことが知られており、これらの固体電解質はナトリウム-硫黄電池用固体電解質としても使用されている。 However, lithium is a concern for soaring prices of raw materials worldwide. Therefore, sodium is attracting attention as an alternative material to lithium, and a sodium ion all-solid-state battery using a sodium ion conductive crystal composed of NASICON type Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 as a solid electrolyte has been proposed (for example). See Patent Document 2). In addition, beta-alumina-based solid electrolytes such as β-alumina and β''-alumina are also known to exhibit high sodium ion conductivity, and these solid electrolytes are also used as solid electrolytes for sodium-sulfur batteries. ..

全固体電池において、固体電解質の厚みが薄いほど電池内のイオン移動抵抗が減少し、体積当たりのエネルギー密度も向上するため好ましい。そのため、固体電解質の薄型化が求められている。 In an all-solid-state battery, the thinner the solid electrolyte, the lower the ion transfer resistance in the battery and the higher the energy density per volume, which is preferable. Therefore, it is required to reduce the thickness of the solid electrolyte.

特開平5-205741号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 5-205741 特開2010-15782号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-15782

固体電解質の厚みを小さくすると、電池の内部抵抗が大きくなる傾向があり、放電容量や作動電圧等の電池特性が低下するという問題がある。 When the thickness of the solid electrolyte is reduced, the internal resistance of the battery tends to increase, and there is a problem that the battery characteristics such as the discharge capacity and the operating voltage are deteriorated.

従って、本発明の目的は、厚みを小さくしても優れた電池特性を得ることが可能な電極付き固体電解質シートを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a solid electrolyte sheet with an electrode capable of obtaining excellent battery characteristics even if the thickness is reduced.

本発明の電極付き固体電解質シートは、β’’-アルミナ及びNASICON結晶から選ばれる少なくとも1種のナトリウムイオン伝導性結晶を含有し、厚みが500μm以下かつ平面度が200μm以下である固体電解質シート及び前記固体電解質シートの一方の面に形成されてなる正極層又は負極層を含むことを特徴とする。 The solid electrolyte sheet with electrodes of the present invention contains at least one sodium ion conductive crystal selected from β''-alumina and NASICON crystals, and has a thickness of 500 μm or less and a flatness of 200 μm or less. It is characterized by including a positive electrode layer or a negative electrode layer formed on one surface of the solid electrolyte sheet.

本発明者等の調査の結果、固体電解質の厚みを小さくした際に、電池の内部抵抗が大きくなるのは、固体電解質の平面度が原因であることをわかった。平面度とは、JISでは「平面形体の幾何学的に正しい平面からの狂いの大きさ」と定義されている。図1は、固体電解質シートの平面度を説明するための模式的断面図である。図1に示すように、固体電解質シートの平面度は、シートの一方の面を、平行な平面で挟んだときにできる隙間の値を示す。固体電解質の平面度の値が大きいと、固体電解質表面に電極材料を均一に塗布できず、電極の厚みにムラが生じ、局所的に内部抵抗が大きい箇所が生じる。そこで、固体電解質の平面度を上記の通り小さくすることにより、電極の厚みを均一にすることができ、電池の内部抵抗を小さくすることができる。その結果、放電容量や作動電圧等の電池特性を向上させることができる。また、固体電解質の平面度が小さい場合、ハンドリング性が向上し、電池作製時におけるクラックの発生等を抑制することができる。 As a result of the investigation by the present inventors, it was found that the increase in the internal resistance of the battery when the thickness of the solid electrolyte is reduced is due to the flatness of the solid electrolyte. Planarity is defined in JIS as "the magnitude of deviation from a geometrically correct plane of a plane shape". FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining the flatness of the solid electrolyte sheet. As shown in FIG. 1, the flatness of the solid electrolyte sheet indicates the value of the gap formed when one surface of the sheet is sandwiched between parallel planes. If the flatness value of the solid electrolyte is large, the electrode material cannot be uniformly applied to the surface of the solid electrolyte, the thickness of the electrode becomes uneven, and there are places where the internal resistance is locally large. Therefore, by reducing the flatness of the solid electrolyte as described above, the thickness of the electrodes can be made uniform, and the internal resistance of the battery can be reduced. As a result, battery characteristics such as discharge capacity and operating voltage can be improved. Further, when the flatness of the solid electrolyte is small, the handleability is improved and the generation of cracks during the production of the battery can be suppressed.

本発明の電極付き固体電解質シートでは、固体電解質シートが、モル%で、Al 65~95%、NaO 2~20%、MgO+LiO 0.3~15%、ZrO 0~20%、Y 0~5%を含有することが好ましい。なお本明細書において、「○+○+・・・」は記載された各成分の含有量の合量を意味する。 In the solid electrolyte sheet with electrodes of the present invention, the solid electrolyte sheet is mol%, Al 2O 3 65 to 95%, Na 2 O 2 to 20%, MgO + Li 2 O 0.3 to 15%, ZrO 20 to. It preferably contains 20 % and Y2O 30-5%. In the present specification, "○ + ○ + ..." Means the total amount of the contents of each of the described components.

本発明の電極付き固体電解質シートでは、固体電解質シートが、一般式NaA1A2(A1はAl、Y、Yb、Nd、Nb、Ti、Hf及びZrから選択される少なくとも1種、A2はSi及びPから選択される少なくとも1種、s=1.4~5.2、t=1~2.9、u=2.8~4.1、v=9~14)で表される結晶を含有することが好ましい。 In the solid electrolyte sheet with an electrode of the present invention, the solid electrolyte sheet is at least one selected from the general formula Nas A1 t A2 uO v (A1 is Al, Y, Yb, Nd, Nb, Ti, Hf and Zr). , A2 is at least one selected from Si and P, s = 1.4 to 5.2, t = 1 to 2.9, u = 2.8 to 4.1, v = 9 to 14). It is preferable to contain the crystals to be formed.

本発明の電極付き固体電解質シートは、全固体ナトリウムイオン二次電池用として好適である。 The solid electrolyte sheet with electrodes of the present invention is suitable for an all-solid-state sodium ion secondary battery.

本発明によれば、厚みを小さくしても優れた電池特性を得ることが可能な電極付き固体電解質シートを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a solid electrolyte sheet with an electrode capable of obtaining excellent battery characteristics even if the thickness is reduced.

固体電解質シートの平面度を説明するための模式的断面図である。It is a schematic sectional view for demonstrating the flatness of a solid electrolyte sheet. 実施例における固体電解質シートの原料粉末の粉末X線回折パターンを示す図である。It is a figure which shows the powder X-ray diffraction pattern of the raw material powder of the solid electrolyte sheet in an Example. 実施例における仮焼成後の原料粉末の粉末X線回折パターンを示す図である。It is a figure which shows the powder X-ray diffraction pattern of the raw material powder after the calcination in an Example. 実施例において得られた固体電解質シートの粉末X線回折パターンを示す図である。It is a figure which shows the powder X-ray diffraction pattern of the solid electrolyte sheet obtained in an Example.

本発明の固体電解質シートは、β’’-アルミナ及びNASICON結晶から選ばれる少なくとも1種のナトリウムイオン伝導性結晶を含有し、厚みが500μm以下かつ平面度が200μm以下であることを特徴とする。β’’-アルミナ及びNASICON結晶はナトリウムイオン伝導性に優れ、電子絶縁性が高く、さらに安定性に優れるため好ましい。 The solid electrolyte sheet of the present invention contains at least one sodium ion conductive crystal selected from β ″ -alumina and NASICON crystals, and is characterized in that the thickness is 500 μm or less and the flatness is 200 μm or less. β ″ -alumina and NASICON crystals are preferable because they have excellent sodium ion conductivity, high electron insulation, and excellent stability.

固体電解質シートの厚みが小さいほど固体電解質中のイオン伝導に要する距離が短くなり、イオン伝導性が向上するため好ましい。また、全固体電池用固体電解質として用いた場合、全固体電池の単位体積当たりのエネルギー密度が高くなる。具体的には、本発明の固体電解質シートの厚みは500μm以下であり、400μm以下、300μm以下、特に200μm以下であることが好ましい。ただし、固体電解質シートの厚みが小さすぎると、機械的強度が低下したり、正極と負極が短絡するおそれがあるため、5μm以上、10μm以上、20μm以上、30μm以上、特に50μm以上であることが好ましい。 The smaller the thickness of the solid electrolyte sheet, the shorter the distance required for ionic conduction in the solid electrolyte, and the better the ionic conductivity, which is preferable. Further, when used as a solid electrolyte for an all-solid-state battery, the energy density per unit volume of the all-solid-state battery becomes high. Specifically, the thickness of the solid electrolyte sheet of the present invention is preferably 500 μm or less, preferably 400 μm or less, 300 μm or less, and particularly preferably 200 μm or less. However, if the thickness of the solid electrolyte sheet is too small, the mechanical strength may decrease or the positive and negative electrodes may be short-circuited. Therefore, the thickness may be 5 μm or more, 10 μm or more, 20 μm or more, 30 μm or more, especially 50 μm or more. preferable.

固体電解質シートの平面度は200μm以下であり、150μm以下、100μm以下、特に50μm以下であることが好ましい。平面度の値が大きすぎると、固体電解質表面に電極材料を均一に塗布できず、電極の厚みにムラが生じ、局所的に内部抵抗が大きい箇所が生じる。その結果、放電容量や作動電圧、さらにはレート特性等の電池特性が低下する傾向がある。平面度の値の下限は特に限定されないが、現実的には1μm以上、さらには5μm以上である。 The flatness of the solid electrolyte sheet is 200 μm or less, preferably 150 μm or less, 100 μm or less, and particularly preferably 50 μm or less. If the flatness value is too large, the electrode material cannot be uniformly applied to the surface of the solid electrolyte, the thickness of the electrode becomes uneven, and there are places where the internal resistance is locally large. As a result, battery characteristics such as discharge capacity, operating voltage, and rate characteristics tend to deteriorate. The lower limit of the flatness value is not particularly limited, but in reality, it is 1 μm or more, and further 5 μm or more.

β’’-アルミナの具体例としては、三方晶の(Al10.35Mg0.6516)(Na1.65O)、(Al8.87Mg2.1316)(Na3.13O)、Na1.67Mg0.67Al10.3317、Na1.49Li0.25Al10.7517、Na1.72Li0.3Al10.6617、Na1.6Li0.34Al10.6617が挙げられる。なお、β’’-アルミナ以外にもβ-アルミナを含有していてもよい。β-アルミナとしては、六方晶の(Al10.35Mg0.6516)(Na1.65O)、(Al10.37Mg0.6316)(Na1.63O)、NaAl1117、(Al10.32Mg0.6816)(Na1.68O)が挙げられる。 Specific examples of β''-alumina include trigonal (Al 10.35 Mg 0.65 O 16 ) (Na 1.65 O) and (Al 8.87 Mg 2.13 O 16 ) (Na 3. 13 O), Na 1.67 Mg 0.67 Al 10.33 O 17 , Na 1.49 Li 0.25 Al 10.75 O 17 , Na 1.72 Li 0.3 Al 10.66 O 17 , Na 1.6 Li 0.34 Al 10.66 O 17 can be mentioned. In addition to β''-alumina, β-alumina may be contained. As β-alumina, hexagonal (Al 10.35 Mg 0.65 O 16 ) (Na 1.65 O), (Al 10.37 Mg 0.63 O 16 ) (Na 1.63 O), NaAl Examples thereof include 11 O 17 and (Al 10.32 Mg 0.68 O 16 ) (Na 1.68 O).

本発明の固体電解質シートがβ’’-アルミナを含有する場合の具体的な組成としては、モル%で、Al 65~98%、NaO 2~20%、MgO+LiO 0.3~15%、ZrO 0~20%、Y 0~5%を含有するものが挙げられる。組成を上記のように限定した理由を以下に説明する。 When the solid electrolyte sheet of the present invention contains β''-alumina, the specific composition is, in mol%, Al 2 O 3 65 to 98%, Na 2 O 2 to 20%, MgO + Li 2 O 0. Examples thereof include those containing 3 to 15%, ZrO 20 to 20%, and Y2O 30 to 5%. The reason for limiting the composition as described above will be described below.

Alはβ’’-アルミナを構成する主成分である。Alの含有量は65~98%、特に70~95%であることが特に好ましい。Alが少なすぎると、固体電解質のイオン伝導性が低下しやすくなる。一方、Alが多すぎると、ナトリウムイオン伝導性を有さないα-アルミナが残存し、固体電解質のイオン伝導性が低下しやすくなる。 Al 2 O 3 is the main component constituting β''-alumina. The content of Al 2 O 3 is particularly preferably 65 to 98%, particularly 70 to 95%. If the amount of Al 2 O 3 is too small, the ionic conductivity of the solid electrolyte tends to decrease. On the other hand, if the amount of Al 2 O 3 is too large, α-alumina having no sodium ion conductivity remains, and the ion conductivity of the solid electrolyte tends to decrease.

NaOは固体電解質にナトリウムイオン伝導性を付与する成分である。NaOの含有量は2~20%、3~18%、特に4~16%であることが好ましい。NaOが少なすぎると、上記効果が得られにくくなる。一方、NaOが多すぎると、余剰のナトリウムがNaAlO等のイオン伝導性に寄与しない化合物を形成するため、イオン伝導性が低下しやすくなる。 Na 2 O is a component that imparts sodium ion conductivity to the solid electrolyte. The Na 2 O content is preferably 2 to 20%, 3 to 18%, and particularly preferably 4 to 16%. If the amount of Na 2 O is too small, it becomes difficult to obtain the above effect. On the other hand, if the amount of Na 2 O is too large, the excess sodium forms a compound such as NaAlO 2 that does not contribute to the ionic conductivity, so that the ionic conductivity tends to decrease.

MgO及びLiOはβ’’-アルミナの構造を安定化させる成分(安定化剤)である。MgO+LiOの含有量は、0.3~15%、0.5~10%、特に0.8~8%であることが好ましい。MgO+LiOが少なすぎると、固体電解質中にα-アルミナが残存してイオン伝導性が低下しやすくなる。一方、MgO+LiOが多すぎると、安定化剤として機能しなかったMgOまたはLiOが固体電解質中に残存して、イオン伝導性が低下しやすくなる。 MgO and Li 2O are components (stabilizers) that stabilize the structure of β''-alumina. The content of MgO + Li 2O is preferably 0.3 to 15%, 0.5 to 10%, and particularly preferably 0.8 to 8%. If the amount of MgO + Li 2O is too small, α-alumina remains in the solid electrolyte and the ionic conductivity tends to decrease. On the other hand, if the amount of MgO + Li 2O is too large, MgO or Li 2O that did not function as a stabilizer remains in the solid electrolyte, and the ionic conductivity tends to decrease.

ZrO及びYは、焼成時におけるβ’’-アルミナの異常粒成長を抑制し、β’’-アルミナの各粒子の密着性を向上させる効果がある。その結果、固体電解質シートのイオン伝導度が向上しやすくなる。ZrOの含有量は0~15%、1~13%、特に2~10%であることが好ましい。また、Yの含有量は0~5%、0.01~4%、特に0.02~3%であることが好ましい。ZrOまたはYが多すぎると、β’’-アルミナの生成量が低下して、固体電解質のイオン伝導性が低下しやすくなる。 ZrO 2 and Y 2 O 3 have the effect of suppressing the abnormal grain growth of β''-alumina during firing and improving the adhesion of each particle of β''-alumina. As a result, the ionic conductivity of the solid electrolyte sheet is likely to be improved. The content of ZrO 2 is preferably 0 to 15%, 1 to 13%, and particularly preferably 2 to 10%. The content of Y 2 O 3 is preferably 0 to 5%, 0.01 to 4%, and particularly preferably 0.02 to 3%. If the amount of ZrO 2 or Y 2 O 3 is too large, the amount of β ″ -alumina produced decreases, and the ionic conductivity of the solid electrolyte tends to decrease.

NASICON結晶としては、一般式NaA1A2(A1はAl、Y、Yb、Nd、Nb、Ti、Hf及びZrから選択される少なくとも1種、A2はSi及びPから選択される少なくとも1種、s=1.4~5.2、t=1~2.9、u=2.8~4.1、v=9~14)で表される化合物からなることが好ましい。ここで、A1はY、Nb、Ti及びZrから選択される少なくとも1種であることが好ましい。このようにすることでイオン伝導性に優れた結晶を得ることができる。 As the NASICON crystal, the general formula Na s A1 t A2 uO v (A1 is at least one selected from Al, Y, Yb, Nd, Nb, Ti, Hf and Zr, and A2 is selected from Si and P. It is preferably composed of at least one compound represented by s = 1.4 to 5.2, t = 1 to 2.9, u = 2.8 to 4.1, v = 9 to 14). Here, A1 is preferably at least one selected from Y, Nb, Ti and Zr. By doing so, a crystal having excellent ionic conductivity can be obtained.

なお、上記一般式における各係数の好ましい範囲は以下の通りである。 The preferable range of each coefficient in the above general formula is as follows.

sは1.4~5.2、2.5~3.5、特に2.8~3.1であることが好ましい。sが小さすぎると、ナトリウムイオンが少なくなるためイオン伝導性が低下しやすくなる。一方、sが大きすぎると、余剰のナトリウムがリン酸ナトリウムやケイ酸ナトリウム等のイオン伝導に寄与しない化合物を形成するため、イオン伝導性が低下しやすくなる。 The s is preferably 1.4 to 5.2, 2.5 to 3.5, and particularly preferably 2.8 to 3.1. If s is too small, the number of sodium ions is small, so that the ion conductivity tends to decrease. On the other hand, if s is too large, excess sodium forms compounds such as sodium phosphate and sodium silicate that do not contribute to ionic conduction, so that ionic conductivity tends to decrease.

tは1~2.9、1~2.5、特に1.3~2であることが好ましい。tが小さすぎると、結晶中の三次元網目構造が減少するためイオン伝導性が低下しやすくなる。一方、tが大きすぎると、ジルコニアやアルミナ等のイオン伝導に寄与しない化合物を形成するため、イオン伝導性が低下しやすくなる。 t is preferably 1 to 2.9, 1 to 2.5, and particularly preferably 1.3 to 2. If t is too small, the three-dimensional network structure in the crystal is reduced, so that the ionic conductivity tends to decrease. On the other hand, if t is too large, compounds such as zirconia and alumina that do not contribute to ionic conduction are formed, so that ionic conductivity tends to decrease.

uは2.8~4.1、2.8~4、2.9~3.2、特に2.95~3.1であることが好ましい。uが小さすぎると、結晶中の三次元網目構造が減少するためイオン伝導性が低下しやすくなる。一方、uが大きすぎると、イオン伝導に寄与しない結晶を形成するためイオン伝導性が低下しやすくなる。 u is preferably 2.8 to 4.1, 2.8 to 4, 2.9 to 3.2, and particularly preferably 2.95 to 3.1. If u is too small, the three-dimensional network structure in the crystal is reduced, so that the ionic conductivity tends to decrease. On the other hand, if u is too large, crystals that do not contribute to ionic conduction are formed, so that ionic conductivity tends to decrease.

vは9~14、9.5~12、特に11~12であることが好ましい。vが小さすぎると、A1(例えばアルミニウム成分)が低価数になるため電気絶縁性が低下しやすくなる。一方、vが大きすぎると、過酸化状態となってナトリウムイオンが酸素原子の孤立電子対から束縛されるため、イオン伝導性が低下しやすくなる。 v is preferably 9 to 14, 9.5 to 12, particularly preferably 11 to 12. If v is too small, A1 (for example, an aluminum component) has a low valence, so that the electrical insulating property tends to decrease. On the other hand, if v is too large, the sodium ion is bound from the lone electron pair of the oxygen atom in a peroxidized state, so that the ionic conductivity tends to decrease.

上記NASICON結晶は、単斜晶系結晶、六方晶系結晶または三方晶系結晶、特に単斜晶系または三方晶系であればイオン伝導性に優れるため好ましい。 The NASICON crystal is preferable if it is a monoclinic crystal, a hexagonal crystal or a trigonal crystal, particularly a monoclinic crystal or a trigonal crystal because it has excellent ionic conductivity.

NASICON結晶の具体例としては、NaZrSiPO12、Na3.2Zr1.3Si2.20.810.5、NaZr1.6Ti0.4SiPO12、NaHfSiPO12、Na3.4Zr0.9Hf1.4Al0.6Si1.21.812、NaZr1.7Nb0.24SiPO12、Na3.6Ti0.20.8Si2.8、NaZr1.880.12SiPO12、Na3.12Zr1.880.12SiPO12、Na3.6Zr0.13Yb1.67Si0.112.912、NaYSi12等の結晶が挙げられる。特にNa3.12Zr1.880.12SiPO12がナトリウムイオン伝導性に優れるため好ましい。 Specific examples of NASICON crystals include Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 , Na 3.2 Zr 1.3 Si 2.2 P 0.8 O 10.5 , and Na 3 Zr 1.6 Ti 0.4 Si 2 . PO 12 , Na 3 Hf 2 Si 2 PO 12 , Na 3.4 Zr 0.9 Hf 1.4 Al 0.6 Si 1.2 P 1.8 O 12 , Na 3 Zr 1.7 Nb 0.24 Si 2 PO 12 , Na 3.6 Ti 0.2 Y 0.8 Si 2.8 O 9 , Na 3 Zr 1.88 Y 0.12 Si 2 PO 12 , Na 3.12 Zr 1.88 Y 0.12 Crystals such as Si 2 PO 12 , Na 3.6 Zr 0.13 Yb 1.67 Si 0.11 P 2.9 O 12 , Na 5 YSi 4 O 12 and the like can be mentioned. In particular, Na 3.12 Zr 1.88 Y 0.12 Si 2 PO 12 is preferable because it has excellent sodium ion conductivity.

次に、本発明の固体電解質シートの製造方法について説明する。本発明の固体電解質シートは、(a)原料粉末を仮焼成する工程、(b)前記仮焼成後の原料粉末をスラリーにする工程、(c)前記スラリーを基材上に塗布、乾燥してグリーンシートを得る工程、及び、(d)前記グリーンシートを焼成することによりナトリウムイオン伝導性結晶を生成する工程、を含む方法により製造することができる。 Next, the method for producing the solid electrolyte sheet of the present invention will be described. The solid electrolyte sheet of the present invention has (a) a step of tentatively firing the raw material powder, (b) a step of making the raw material powder after the tentative firing into a slurry, and (c) applying the slurry onto a substrate and drying it. It can be produced by a method including a step of obtaining a green sheet and (d) a step of producing sodium ion conductive crystals by firing the green sheet.

固体電解質シートがβ’’-アルミナを含有する場合、原料粉末は主成分としてAlを含有する。具体的には、原料粉末は、モル%で、Al 65~98%、NaO 2~20%、MgO+LiO 0.3~15%、ZrO 0~20%、Y 0~5%を含有することが好ましい。このように組成を限定した理由は既述の通りであるため、説明を割愛する。 When the solid electrolyte sheet contains β''-alumina, the raw material powder contains Al 2 O 3 as a main component. Specifically, the raw material powder is mol%, Al 2 O 3 65 to 98%, Na 2 O 2 to 20%, MgO + Li 2 O 0.3 to 15%, ZrO 20 to 20%, Y 2 O. It preferably contains 30 to 5%. Since the reason for limiting the composition in this way is as described above, the explanation is omitted.

固体電解質シートがNASICON結晶を含有する場合、原料粉末は、モル%で、NaO 17.5~50%、Al+Y+Yb+Nd+Nb+TiO+HfO+ZrO 12~45%、SiO+P 24~54%を含有することが好ましい。このように組成を限定することにより、所望のNASICON結晶を析出させることが可能となる。 When the solid electrolyte sheet contains NASICON crystals, the raw material powder is mol%, Na 2 O 17.5 to 50%, Al 2 O 3 + Y 2 O 3 + Yb 2 O 3 + Nd 2 O 3 + Nb 2 O 5 + TIO. It preferably contains 2 + HfO 2 + ZrO 2 12 to 45% and SiO 2 + P 2 O 5 24 to 54%. By limiting the composition in this way, it becomes possible to precipitate desired NASICON crystals.

原料粉末の平均粒子径(D50)は10μm以下であることが好ましい。原料粉末の平均粒子径が大きすぎると、原料粉末同士の接触面積が低下するため固相反応が十分に進行しにくくなる。また、固体電解質シートの薄型化が困難になる傾向がある。原料粉末の平均粒子径の下限は特に限定されないが、現実的には0.1μm以上である。 The average particle size (D 50 ) of the raw material powder is preferably 10 μm or less. If the average particle size of the raw material powder is too large, the contact area between the raw material powders decreases, and it becomes difficult for the solid phase reaction to proceed sufficiently. In addition, it tends to be difficult to reduce the thickness of the solid electrolyte sheet. The lower limit of the average particle size of the raw material powder is not particularly limited, but is practically 0.1 μm or more.

原料粉末を仮焼成することにより前駆体である複合酸化物(例えばβ-アルミナ)が生成し、その後の本焼成で複合酸化物をナトリウムイオン伝導性結晶に変化させる(例えばβ-アルミナをβ’’-アルミナに相転移させる)ことにより、本焼成時における収縮を抑制でき、固体電解質シートの平面度の悪化を抑制することができる。また、原料粉末を予め仮焼成しておくことで、後の本焼成時において、炭酸塩原料からの炭酸ガスの放出やナトリウム成分等の揮発が少なくなるため、グリーンシートの体積収縮が小さくなり、固体電解質シートの平面度の悪化や亀裂の発生を抑制することができる。固体電解質シートがβ’’-アルミナを含有する場合、仮焼成の温度は1000~1400℃未満、1100~1350℃、特に1200~1300℃であることが好ましい。固体電解質シートがNASICON結晶を含有する場合、仮焼成の温度は900~1200℃未満、1000~1180℃、特に1050~1160℃であることが好ましい。仮焼成の温度が低すぎると、上記効果が得にくくなる。一方、仮焼成の温度が高すぎると、本焼成時に焼結しにくくなるため固体電解質シートが緻密になりにくくなる。 Preliminary firing of the raw material powder produces a composite oxide (eg β-alumina) as a precursor, and subsequent main firing changes the composite oxide into sodium ion conductive crystals (eg β-alumina β'. By (phase transition to alumina), shrinkage during the main firing can be suppressed, and deterioration of the flatness of the solid electrolyte sheet can be suppressed. In addition, by temporarily firing the raw material powder in advance, the volume shrinkage of the green sheet is reduced because the release of carbonic acid gas from the carbonate raw material and the volatilization of sodium components are reduced during the subsequent main firing. It is possible to suppress deterioration of flatness and generation of cracks in the solid electrolyte sheet. When the solid electrolyte sheet contains β ″ -alumina, the temperature of the preliminary firing is preferably less than 1000 to 1400 ° C, 1100 to 1350 ° C, and particularly preferably 1200 to 1300 ° C. When the solid electrolyte sheet contains NASICON crystals, the temperature of the calcination is preferably 900 to less than 1200 ° C., 1000 to 1180 ° C., particularly preferably 1050 to 1160 ° C. If the temperature of the tentative firing is too low, it becomes difficult to obtain the above effect. On the other hand, if the temperature of the temporary firing is too high, it becomes difficult to sinter during the main firing, so that the solid electrolyte sheet becomes difficult to become dense.

仮焼成の時間は、上記効果が得られるように適宜調整すればよい。具体的には、仮焼成の時間は1~20時間、2~18時間、2~15時間、2~10時間、特に3~8時間であることが好ましい。なお、仮焼成により原料粉末が凝集した場合は、所望の粒径となるように粉砕することが好ましい。 The time for calcination may be appropriately adjusted so that the above effect can be obtained. Specifically, the time for temporary firing is preferably 1 to 20 hours, 2 to 18 hours, 2 to 15 hours, 2 to 10 hours, and particularly preferably 3 to 8 hours. When the raw material powder is aggregated by the temporary firing, it is preferable to pulverize the raw material powder so as to have a desired particle size.

なお、仮焼成によりβ-アルミナ以外にβ’’-アルミナが生成しても構わない。あるいは、それ以外の複合酸化物が生成しても構わない。そのような複合酸化物として以下のものが挙げられる。 In addition to β-alumina, β ″ -alumina may be produced by calcination. Alternatively, other composite oxides may be produced. Examples of such a composite oxide include the following.

六方晶としては、NaAl、NaAl11、NaAl5.99.4、NaAl2234、Na2.58Al21.8134、NaAl2335、NaAl2233、Na1.5Al10.8317、Na1.22Al1117。11、Na2.74Al2238、NaLi0.35Al12.219.475、Na0.45Li0.57Al1117、Na0.47Li0.75Al1117.11、NaMgAl1525、NaMgAl1017、NaMgAl3050、Na0.47Mg0.75Al1117.11が挙げられる。 As hexagonal crystals, NaAl 5O 8 , NaAl 7O 11 , NaAl 5.9 O 9.4 , Na 2 Al 22 O 34 , Na 2.58 Al 21.81 O 34 , NaAl 23 O 35 , Na 2 Al. 22 O 33 , Na 1.5 Al 10.83 O 17 , Na 1.22 Al 11 O 17.11 , Na 2.74 Al 22 O 38 , Na 2 Li 0.35 Al 12.2 O 19.475 , Na 0.45 Li 0.57 Al 11 O 17 , Na 0.47 Li 0.75 Al 11 O 17.11 , Namg 2 Al 15 O 25 , Na 2 MgAl 10 O 17 , Na 2 Mg 4 Al 30 O 50 , Na 0.47 Mg 0.75 Al 11 O 17.11 .

三方晶としては、Na1.77Al1117、Na1.71Al1117、NaMgAl1017、が挙げられる。 Examples of the trigonal crystal include Na 1.77 Al 11 O 17 , Na 1.71 Al 11 O 17 , and Na 2 MgAl 10 O 17 .

正方晶としては、NaAlが挙げられる。 Examples of the tetragonal crystal include Na 2 Al 2 O 4 .

立方晶としては、NaAlが挙げられる。 Examples of the cubic crystal include Na 2 Al 2 O 4 .

斜方晶としては、NaAl9.5、Na0.67Al9.33、NaAlO、が挙げられる。 Examples of the orthorhombic crystal include NaAl 6 O 9.5 , Na 0.67 Al 6 O 9.33 , and Na 5 AlO 4 .

単斜晶としては、Na17Al16、Na14Al13が挙げられる。 Examples of the monoclinic crystal include Na 17 Al 5 O 16 and Na 14 Al 4 O 13 .

三斜晶としては、NaAlが挙げられる。 Examples of the triclinic crystal include Na 7 Al 3 O 8 .

固体電解質シートがNASICON結晶を含有する場合、前駆体である複合酸化物として以下のものが挙げられる。 When the solid electrolyte sheet contains NASICON crystals, the following may be mentioned as the composite oxide as a precursor.

立方晶としては、NaZrO、(ZrO0.92(NaO)0.04、(ZrO0.95(NaO)0.025、Na2.47Zr0.13POが挙げられる。 Cubic crystals include Na 2 ZrO 3 , (ZrO 2 ) 0.92 (Na 2 O) 0.04 , (ZrO 2 ) 0.95 (Na 2 O) 0.025 , Na 2.47 Zr 0.13 . PO 4 can be mentioned.

六方晶としてはNaZrOが挙げられる。 Examples of the hexagonal crystal include Na 2 ZrO 3 .

単斜晶としてはNaSi19、NaSi、NaSi19、NaSi、NaSi(Si)、NaZrO、NaZr(POが挙げられる。 As monoclinic crystals, Na 6 Si 8 O 19 , Na 6 Si 2 O 7 , Na 6 Si 8 O 19 , Na 2 Si 3 O 7 , Na 2 Si (Si 3 O 9 ), Na 2 ZrO 3 , NaZr 5 (PO 4 ) 7 is mentioned.

斜方晶としては(NaPO、Na、NaSi、Na14ZrSi1031が挙げられる。 Examples of the orthorhombic crystal include (NaPO 3 ) 4 , Na 3 P 3 O 9 , Na 2 Si 4 O 9 , and Na 14 Zr 2 Si 10 O 31 .

三斜晶としてはNaSiOが挙げられる。 Examples of the triclinic crystal include Na 4 SiO 4 .

三方晶としてはNa1.3Zr1.832(PO、NaSi(Si18)、NaZr(PO、NaZr(PO、NaZr1.88(POが挙げられる。 As trigonal crystals, Na 1.3 Zr 1.832 (PO 4 ) 3 , Na 8 Si (Si 6 O 18 ), NaZr 2 (PO 4 ) 3 , Na 5 Zr (PO 4 ) 3 , NaZr 1.88 ( PO 4 ) 3 can be mentioned.

その他、Na、Na(PO、NaPO、NaPO、Na10、Na、(NaPO、Na、NaSiO、NaSi、NaSi、NaSi、NaZrSiO、Na14ZrSi1031、Na2.8Zr6.5Si17.8が挙げられる。 In addition, Na 4 P 2 O 7 , Na (PO 3 ) 3 , NaPO 3 , Na 3 PO 4 , Na 5 P 3 O 10 , Na 4 P 2 O 7 , (NaPO 3 ) 6 , Na 4 P 2 O 6 , Na 2 SiO 3 , Na 2 Si 4 O 9 , Na 2 Si 3 O 7 , Na 2 Si 2 O 5 , Na 2 ZrSiO 5 , Na 14 Zr 2 Si 10 O 31 , Na 2.8 Zr 6.5 Si 2 O 17.8 can be mentioned.

仮焼成後の原料粉末に、バインダー、可塑剤、溶媒等を添加して混錬することによりスラリー化する。 A binder, a plasticizer, a solvent, etc. are added to the raw material powder after calcination and kneaded to form a slurry.

溶剤は水あるいはエタノールやアセトン等の有機溶媒のいずれでも構わない。ただし、溶剤として水を用いた場合、ナトリウム成分が原料粉末から溶出してスラリーのpHが上昇し、原料粉末が凝集するおそれがある。そのため、有機溶媒を用いることが好ましい。 The solvent may be water or an organic solvent such as ethanol or acetone. However, when water is used as the solvent, the sodium component may elute from the raw material powder, the pH of the slurry may rise, and the raw material powder may aggregate. Therefore, it is preferable to use an organic solvent.

次に、得られたスラリーをPET(ポリエチレンテレフタレート)等の基材上に塗布、乾燥することによりグリーンシートを得る。スラリーの塗布はドクターブレードやダイコータ等により行うことができる。グリーンシートの厚みは0.01~1mm、0.02~1mm、特に0.05~0.9mmであることが好ましい。グリーンシートの厚みが小さすぎると、固体電解質シートの機械的強度が低下したり、正極と負極が短絡するおそれがある。一方、グリーンシートの厚みが大きすぎると、固体電解質シートの厚みが大きくなって、固体電解質シート中のイオン伝導に要する距離が長くなり、単位セル当たりのエネルギー密度が低下しやすくなる。 Next, the obtained slurry is applied onto a substrate such as PET (polyethylene terephthalate) and dried to obtain a green sheet. The slurry can be applied with a doctor blade, a die coater, or the like. The thickness of the green sheet is preferably 0.01 to 1 mm, 0.02 to 1 mm, and particularly preferably 0.05 to 0.9 mm. If the thickness of the green sheet is too small, the mechanical strength of the solid electrolyte sheet may decrease, or the positive electrode and the negative electrode may be short-circuited. On the other hand, if the thickness of the green sheet is too large, the thickness of the solid electrolyte sheet becomes large, the distance required for ion conduction in the solid electrolyte sheet becomes long, and the energy density per unit cell tends to decrease.

さらに、グリーンシートを焼成することによりβ’’-アルミナが生成し、固体電解質シートを得る。具体的には、焼成によりβ-アルミナはイオン伝導性に優れるβ’’-アルミナへ相変化する。あるいは、グリーンシートを焼成することによりNASICON結晶が生成し、固体電解質シートを得る。 Further, by firing the green sheet, β ″ -alumina is generated to obtain a solid electrolyte sheet. Specifically, β-alumina undergoes a phase change to β ″ -alumina, which has excellent ionic conductivity, by firing. Alternatively, by firing the green sheet, NASICON crystals are generated to obtain a solid electrolyte sheet.

固体電解質シートがβ’’-アルミナを含有する場合、焼成温度は1400℃以上、1450℃以上、特に1500℃以上であることがより好ましい。焼成温度が低すぎると、固体電解質シート中において、β’’-アルミナの各粒子の焼結が不十分になり、緻密なシートになりにくいためイオン伝導度が低下しやすくなる。また、β-アルミナからβ’’-アルミナへの相変化も起きにくく、イオン伝導度が低下しやすくなる。一方、焼成温度の上限は、1750℃以下、特に1700℃以下であることが好ましい。焼成温度が高すぎるとナトリウム成分等の蒸発量が多くなり、異種結晶が析出したり、緻密性が低下する傾向がある。その結果、固体電解質シートのイオン伝導性が低下しやすくなる。なお、焼成時間は、生成したβ’’-アルミナが十分焼結されるよう適宜調整される。具体的には、10~120分間、特に20~80分間であることが好ましい。 When the solid electrolyte sheet contains β ″ -alumina, the firing temperature is more preferably 1400 ° C. or higher, 1450 ° C. or higher, and particularly preferably 1500 ° C. or higher. If the firing temperature is too low, the sintering of each particle of β ″ -alumina becomes insufficient in the solid electrolyte sheet, and it is difficult to form a dense sheet, so that the ionic conductivity tends to decrease. In addition, the phase change from β-alumina to β ″ -alumina is unlikely to occur, and the ionic conductivity tends to decrease. On the other hand, the upper limit of the firing temperature is preferably 1750 ° C. or lower, particularly preferably 1700 ° C. or lower. If the calcination temperature is too high, the amount of evaporation of sodium components and the like increases, and dissimilar crystals tend to precipitate or the denseness tends to decrease. As a result, the ionic conductivity of the solid electrolyte sheet tends to decrease. The firing time is appropriately adjusted so that the produced β ″ -alumina is sufficiently sintered. Specifically, it is preferably 10 to 120 minutes, particularly 20 to 80 minutes.

固体電解質シートがNASICON結晶を含有する場合、焼成温度は1200℃以上、特に1210℃以上であることがより好ましい。焼成温度が低すぎると、緻密な固体電解質シートが得られずイオン伝導度が低下しやすくなる。また、NASICON結晶が析出しにくく、イオン伝導度が低下しやすくなる。一方、焼成温度の上限は、1400℃以下、特に1300℃以下であることが好ましい。焼成温度が高すぎるとナトリウム成分等の蒸発量が多くなり、異種結晶が析出したり、緻密性が低下する傾向がある。その結果、固体電解質シートのイオン伝導性が低下しやすくなる。なお、焼成時間は、緻密な焼結体が得られるよう適宜調整される。 When the solid electrolyte sheet contains NASICON crystals, the firing temperature is more preferably 1200 ° C. or higher, particularly preferably 1210 ° C. or higher. If the firing temperature is too low, a dense solid electrolyte sheet cannot be obtained and the ionic conductivity tends to decrease. In addition, NASICON crystals are less likely to precipitate, and ionic conductivity tends to decrease. On the other hand, the upper limit of the firing temperature is preferably 1400 ° C. or lower, particularly preferably 1300 ° C. or lower. If the calcination temperature is too high, the amount of evaporation of sodium components and the like increases, and dissimilar crystals tend to precipitate or the denseness tends to decrease. As a result, the ionic conductivity of the solid electrolyte sheet tends to decrease. The firing time is appropriately adjusted so that a dense sintered body can be obtained.

なお、グリーンシートを焼成する前に等方圧プレス等のプレス処理を行うことにより、焼成後の固体電解質シートにおけるβ’’-アルミナやNASICON結晶等の各粒子の密着性が向上し、イオン伝導度が向上しやすくなる。 By performing a press treatment such as an isotropic pressure press before firing the green sheet, the adhesion of each particle such as β''-alumina and NASICON crystals in the fired solid electrolyte sheet is improved, and ion conduction is achieved. It becomes easier to improve the degree.

また、グリーンシートを上セッター及び下セッターの間に設置し、かつ、グリーンシートと上セッターとの間に隙間を設けた状態で焼成を行うことが好ましい。このようにすれば、焼成時におけるグリーンシートの収縮に伴う平面度の悪化及び亀裂の発生をより一層抑制することができる。グリーンシートと上セッターとの隙間は1~500μm、2~400μm、特に5~300μmであることが好ましい。当該隙間が小さすぎると、上記効果が得にくくなる。一方、当該隙間が大きすぎると、焼成時におけるグリーンシートの収縮に起因するうねりが発生し、固体電解質シートの平面度の値が大きくなる傾向がある。 Further, it is preferable that the green sheet is installed between the upper setter and the lower setter, and firing is performed with a gap between the green sheet and the upper setter. By doing so, it is possible to further suppress deterioration of flatness and generation of cracks due to shrinkage of the green sheet during firing. The gap between the green sheet and the upper setter is preferably 1 to 500 μm, 2 to 400 μm, and particularly preferably 5 to 300 μm. If the gap is too small, it becomes difficult to obtain the above effect. On the other hand, if the gap is too large, waviness due to shrinkage of the green sheet during firing tends to occur, and the flatness value of the solid electrolyte sheet tends to increase.

本発明の固体電解質シートはナトリウムイオン全固体二次電池用として好適である。ナトリウムイオン全固体二次電池は、本発明の固体電解質シートの一方の面に正極層、他方の面に負極層が形成されてなる。正極層及び負極層には活物質が含まれる。活物質は、正極活物質または負極活物質として作用するものであり、充放電の際には、ナトリウムイオンの吸蔵・放出を行うことができる。 The solid electrolyte sheet of the present invention is suitable for a sodium ion all-solid-state secondary battery. The sodium ion all-solid-state secondary battery has a positive electrode layer formed on one surface of the solid electrolyte sheet of the present invention and a negative electrode layer formed on the other surface. The positive electrode layer and the negative electrode layer contain an active material. The active material acts as a positive electrode active material or a negative electrode active material, and can occlude and release sodium ions during charging and discharging.

正極活物質としては、NaCrO、Na0.7MnO、NaFe0.2Mn0.4Ni0.4等の層状ナトリウム遷移金属酸化物結晶やNaFeP、NaFePO、Na(PO等の、Na、M(MはCr、Fe、Mn、Co及びNiから選ばれる少なくとも1種の遷移金属元素)、P、Oを含むナトリウム遷移金属リン酸塩結晶等の活物質結晶を挙げることができる。 Examples of the positive electrode active material include layered sodium transition metal oxide crystals such as NaCrO 2 , Na 0.7 MnO 2 , NaFe 0.2 Mn 0.4 Ni 0.4 O 2 , Na 2 FeP 2 O 7 , and NaFePO 4 . Sodium transition metal phosphate containing Na, M (M is at least one transition metal element selected from Cr, Fe, Mn, Co and Ni), P, O, such as Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 . Examples include active material crystals such as crystals.

特に、Na、M、P及びOを含む結晶は、高容量で化学的安定性に優れるため好ましい。なかでも、空間群P1またはP-1に属する三斜晶系結晶、特に一般式NaMyP(1.20≦x≦2.80、0.95≦y≦1.60)で表される結晶が、サイクル特性に優れるため好ましい。 In particular, crystals containing Na, M, P and O are preferable because they have a high capacity and excellent chemical stability. Among them, the triclinic crystals belonging to the space group P1 or P-1 are particularly represented by the general formula Na x MyP 2 O 7 (1.20 ≦ x ≦ 2.80, 0.95 ≦ y ≦ 1.60). The crystals to be formed are preferable because they have excellent cycle characteristics.

負極活物質としては、Nb及びTiから選ばれる少なくとも1種及びOを含む結晶、Sn、Bi及びSbから選ばれる少なくとも1種の金属結晶等の活物質結晶を挙げることができる。 Examples of the negative electrode active material include active material crystals such as a crystal containing at least one selected from Nb and Ti and O, and at least one metal crystal selected from Sn, Bi and Sb.

Nb及びTiから選ばれる少なくとも1種及びOを含む結晶は、サイクル特性に優れるため好ましい。さらに、Nb及びTiから選ばれる少なくとも1種及びOを含む結晶が、Na及び/またはLiを含むと、充放電効率(充電容量に対する放電容量の比率)が高まり、高い充放電容量を維持することができるため好ましい。なかでも、Nb及びTiから選ばれる少なくとも1種及びOを含む結晶が、斜方晶系結晶、六方晶系結晶、立方晶系結晶または単斜晶系結晶、特に空間群P21/mに属する単斜晶系結晶であれば、大電流で充放電しても容量の低下が起こりにくいため好ましい。斜方晶系結晶としては、NaTi等が、六方晶系結晶としては、NaTiO、NaTi13、NaTiO、LiNbO、LiNbO、LiNbO、LiNbO、LiTi等が、立方晶系結晶としては、NaTiO、NaNbO、LiTi12、LiNbO等が、単斜晶系結晶としては、NaTi13、NaTi、NaTiO、NaTi12、NaTi、NaTi19、NaTi、NaTi、Li1.7Nb、Li1.9Nb、Li12Nb1333、LiNb等が、空間群P21/mに属する単斜晶系結晶としては、NaTi等が挙げられる。 Crystals containing at least one selected from Nb and Ti and O are preferable because they have excellent cycle characteristics. Further, when the crystal containing at least one selected from Nb and Ti and O contains Na and / or Li, the charge / discharge efficiency (ratio of the discharge capacity to the charge capacity) is increased, and a high charge / discharge capacity is maintained. It is preferable because it can be discharged. Among them, the crystal containing at least one selected from Nb and Ti and O is a monoclinic crystal, a hexagonal crystal, a cubic crystal or a monoclinic crystal, particularly a monoclinic crystal belonging to the space group P21 / m. A cubic crystal is preferable because the capacity does not easily decrease even when charged and discharged with a large current. The orthoclinic crystals include NaTi 2 O 4 , and the hexagonal crystals include Na 2 TiO 3 , NaTi 8 O 13 , NaTIO 2 , LiNbO 3 , LiNbO 2 , Li 7 NbO 6 , LiNbO 2 , and Li. 2 Ti 3 O 7 and the like are Na 2 TiO 3 , NaNbO 3 , Li 4 Ti 5 O 12 , Li 3 NbO 4 and the like as cubic crystals, and Na 2 Ti 6 O as a monoclinic crystal. 13 , NaTi 2 O 4 , Na 2 TIO 3 , Na 4 Ti 5 O 12 , Na 2 Ti 4 O 9 , Na 2 Ti 9 O 19 , Na 2 Ti 3 O 7 , Na 2 Ti 3 O 7 , Li 1. 7 Nb 2 O 5 , Li 1.9 Nb 2 O 5 , Li 12 Nb 13 O 33 , LiNb 3 O 8 and the like are Na 2 Ti 3 O 7 as monoclinic crystals belonging to the space group P21 / m. And so on.

Nb及びTiから選ばれる少なくとも1種及びOを含む結晶は、さらに、B、Si、P及びGeから選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましい。これらの成分は、活物質結晶とともに非晶質相を形成させやすくし、ナトリウムイオン伝導性を向上させる効果を有する。 The crystal containing at least one selected from Nb and Ti and O is preferably further contained at least one selected from B, Si, P and Ge. These components have the effect of facilitating the formation of an amorphous phase together with the active material crystals and improving the sodium ion conductivity.

その他に、Sn、Bi及びSbから選ばれる少なくとも1種の金属結晶、またはSn、Bi及びSbから選ばれる少なくとも1種を含有するガラスを使用することができる。これらは、高容量であり、大電流で充放電しても容量の低下が起こりにくいため好ましい。 In addition, glass containing at least one metal crystal selected from Sn, Bi and Sb, or at least one selected from Sn, Bi and Sb can be used. These are preferable because they have a high capacity and the capacity is unlikely to decrease even when charged and discharged with a large current.

正極層及び負極層は、活物質と固体電解質とのコンポジットからなる電極合材層としてもよい。固体電解質は電極合材中のナトリウムイオン伝導パスとして作用し、電池の放電容量や電圧を向上させることができる。 The positive electrode layer and the negative electrode layer may be an electrode mixture layer made of a composite of an active material and a solid electrolyte. The solid electrolyte acts as a sodium ion conduction path in the electrode mixture, and can improve the discharge capacity and voltage of the battery.

固体電解質としては、上述の固体電解質シートを粉末状にしたものを使用することができる。 As the solid electrolyte, a powder of the above-mentioned solid electrolyte sheet can be used.

正極層及び負極層はさらに導電助剤を含有することが好ましい。導電助剤は、電極の高容量化やハイレート化を達成するために添加される成分である。導電助剤の具体例としては、アセチレンブラックやケッチェンブラック等の高導電性カーボンブラック、黒鉛、コークス等や、Ni粉末、Cu粉末、Ag粉末等の金属粉末等が挙げられる。なかでも、極少量の添加で優れた導電性を発揮する高導電性カーボンブラック、Ni粉末、Cu粉末のいずれかを用いることが好ましい。 It is preferable that the positive electrode layer and the negative electrode layer further contain a conductive auxiliary agent. The conductive auxiliary agent is a component added to achieve high capacity and high rate of the electrode. Specific examples of the conductive auxiliary agent include highly conductive carbon black such as acetylene black and ketjen black, graphite, coke and the like, and metal powder such as Ni powder, Cu powder and Ag powder. Among them, it is preferable to use any of highly conductive carbon black, Ni powder, and Cu powder, which exhibit excellent conductivity with the addition of a very small amount.

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples, but the present invention is not limited to these examples.

表1は実施例1~6、表2は比較例1~5を示す。 Table 1 shows Examples 1 to 6, and Table 2 shows Comparative Examples 1 to 5.

Figure 2022100362000002
Figure 2022100362000002

Figure 2022100362000003
Figure 2022100362000003

(a-1)固体電解質シートAの作製
(スラリーの作製)
炭酸ナトリウム(NaCO)、酸化アルミニウム(Al)及び酸化マグネシウム(MgO)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化イットリウム(Y)を原料とし、モル%で、NaO 14.2%、Al 75.4%、MgO 5.4%、ZrO 4.9%、Y 0.1%となるように原料粉末を調製した。図2に原料粉末の粉末X線回折パターンを示す。なお、粉末X線回折パターンは、X線回折装置(RIGAKU社 RINT2000)を用いて測定した。実施例1~3、5については、原料粉末を1250℃で4時間仮焼成した後、粉砕、分級したものを使用した。仮焼成後の原料粉末について粉末X線回折パターンを確認したところ、空間群P63に属する六方晶系結晶(β-アルミナ=(Al10.35Mg0.6516)(Na1.65O))及び空間群R-3mに属する三方晶系結晶(β’’-アルミナ=(Al10.35Mg0.6516)(Na1.65O))由来の回折線が確認された。図3に粉末X線回折パターンを示す。また、X線回折パターンからβ’’化率を求めたところ54%であった。なお、β’’化率は以下のようにして求めた。
(A-1) Preparation of solid electrolyte sheet A (preparation of slurry)
Made from sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and magnesium oxide (MgO), zirconium oxide (ZrO 2 ), and yttrium oxide (Y 2 O 3 ), in mol%, Na 2 O Raw material powders were prepared so as to be 14.2%, Al 2 O 3 75.4%, Mg O 5.4%, ZrO 2 4.9%, and Y 2 O 3 0.1%. FIG. 2 shows a powder X-ray diffraction pattern of the raw material powder. The powder X-ray diffraction pattern was measured using an X-ray diffractometer (RIGKU RINT2000). For Examples 1 to 3 and 5, raw material powders were calcined at 1250 ° C. for 4 hours, crushed and classified. When the powder X-ray diffraction pattern of the raw material powder after tentative firing was confirmed, hexagonal crystals belonging to the space group P63 (β-alumina = (Al 10.35 Mg 0.65 O 16 ) (Na 1.65 O). ) And trigonal crystals belonging to the space group R-3m (β ″ -alumina = (Al 10.35 Mg 0.65 O 16 ) (Na 1.65 O)) were confirmed. FIG. 3 shows a powder X-ray diffraction pattern. Moreover, when the β'' conversion rate was obtained from the X-ray diffraction pattern, it was 54%. The β'' conversion rate was calculated as follows.

β’’化率=Iβ’’/(Iβ+Iβ’’)×100%
Iβ:β-アルミナ相のピーク強度
Iβ’’: β’’-アルミナ相のピーク強度
β'' conversion rate = Iβ'' / (Iβ + Iβ'') × 100%
Peak intensity of Iβ: β-alumina phase Iβ'': Peak intensity of β''-alumina phase

Iβはβ-アルミナ相の(1,0,7)面の強度を4.5倍、Iβ’’はβ’’-アルミナ相の(0,2,10)面のピーク強度を4.2倍にしたものを用いた。なお、比較例1、2、4については、原料粉末に対して仮焼成を行わずにそのまま使用した。次に、エタノールを媒体として、原料粉末を4時間湿式混合した。エタノールを蒸発させた後、バインダーとしてアクリル酸エステル系共重合体(共栄社化学製オリコックス1700)、可塑剤としてフタル酸ベンジルブチルを用い、原料粉末:バインダー:可塑剤=83.5:15:1.5(質量比)となるように秤量し、N-メチルピロリドンに分散させた後、自転・公転ミキサーで十分に撹拌してスラリー化した。 Iβ is 4.5 times the intensity of the (1,0,7) plane of the β-alumina phase, and Iβ'' is 4.2 times the peak intensity of the (0,2,10) plane of the β''-alumina phase. I used the one that was made. In Comparative Examples 1, 2 and 4, the raw material powder was used as it was without calcining. Next, the raw material powder was wet-mixed for 4 hours using ethanol as a medium. After evaporating ethanol, an acrylic acid ester-based copolymer (Oricox 1700 manufactured by Kyoeisha Chemical Co., Ltd.) was used as a binder, and benzyl butyl phthalate was used as a plasticizer. Raw material powder: Binder: Plasticizer = 83.5: 15: 1. The mixture was weighed to a mass ratio of .5 (mass ratio), dispersed in N-methylpyrrolidone, and then sufficiently stirred with a rotation / revolution mixer to form a slurry.

(グリーンシートの作製)
PETフィルム上に、ドクターブレードを用いて上記で得られたスラリーを塗布し、70℃で乾燥することによりグリーンシートを得た。
(Making a green sheet)
The slurry obtained above was applied onto a PET film using a doctor blade and dried at 70 ° C. to obtain a green sheet.

(グリーンシートのプレス及び焼成)
得られたグリーンシートを15mm角に切断し、等方圧プレス装置を用いて90℃、40MPaで5分間プレスした。プレス後のグリーンシートを上セッター及び下セッター(いずれもMgOシート)の間に設置し、かつ、グリーンシートと上セッターとの間に10μmの隙間を設けた状態で、1600℃で30分間焼成することにより固体電解質シートAを得た。固体電解質シートAについて粉末X線回折パターンを確認したところ、空間群P63に属する六方晶系結晶(β-アルミナ=(Al10.35Mg0.6516)(Na1.65O))及び空間群R-3mに属する三方晶系結晶(β’’-アルミナ=(Al10.35Mg0.6516)(Na1.65O))由来の回折線が確認された。及び図4に粉末X線回折パターンを示す。X線回折パターンからβ’’化率を求めたところ82%であった。
(Pressing and firing of green sheet)
The obtained green sheet was cut into 15 mm squares and pressed at 90 ° C. and 40 MPa for 5 minutes using an isotropic pressure pressing device. The pressed green sheet is placed between the upper setter and the lower setter (both are MgO sheets), and is fired at 1600 ° C. for 30 minutes with a gap of 10 μm between the green sheet and the upper setter. As a result, a solid electrolyte sheet A was obtained. When the powder X-ray diffraction pattern of the solid electrolyte sheet A was confirmed, hexagonal crystals belonging to the space group P63 (β-alumina = (Al 10.35 Mg 0.65 O 16 ) (Na 1.65 O)) and Diffraction lines derived from trigonal crystals (β ″ -alumina = (Al 10.35 Mg 0.65 O 16 ) (Na 1.65 O)) belonging to the space group R-3m were confirmed. And FIG. 4 shows a powder X-ray diffraction pattern. The β'' conversion rate was calculated from the X-ray diffraction pattern and found to be 82%.

(a-2)固体電解質シートBの作製
(スラリーの作製)
炭酸ナトリウム(NaCO)、イットリア安定化ジルコニア((ZrO0.97(Y0.03))、二酸化ケイ素(SiO)、メタリン酸ナトリウム(NaPO)を用いて、モル%で、NaO 25.3%、ZrO 31.6%、Y 1%、SiO 33.7%、P 8.4%の組成となるように原料粉末を調合した。実施例4、6については、原料粉末を1100℃で8時間仮焼成した後、粉砕、分級したものを使用した。比較例3、5については、原料粉末に対して仮焼成を行わずにそのまま使用した。次に、エタノールを媒体として、原料粉末を4時間湿式混合した。エタノールを蒸発させた後、バインダーとしてアクリル酸エステル系共重合体(共栄社化学製オリコックス1700)、可塑剤としてフタル酸ベンジルブチルを用い、原料粉末:バインダー:可塑剤=83.5:15:1.5(質量比)となるように秤量し、N-メチルピロリドンに分散させた後、自転・公転ミキサーで十分に撹拌してスラリー化した。
(A-2) Preparation of solid electrolyte sheet B (preparation of slurry)
Using sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), yttrium stabilized zirconia ((ZrO 2 ) 0.97 (Y 2 O 3 ) 0.03 )), silicon dioxide (SiO 2 ), sodium metaphosphate (NaPO 3 ) Raw material powder having a composition of Na 2 O 25.3%, ZrO 2 31.6%, Y 2 O 3 1%, SiO 2 33.7%, P 2 O 5 8.4% in mol%. Was formulated. For Examples 4 and 6, the raw material powder was calcined at 1100 ° C. for 8 hours, then pulverized and classified. Comparative Examples 3 and 5 were used as they were without calcination of the raw material powder. Next, the raw material powder was wet-mixed for 4 hours using ethanol as a medium. After evaporating ethanol, an acrylic acid ester-based copolymer (Oricox 1700 manufactured by Kyoeisha Chemical Co., Ltd.) was used as a binder, and benzyl butyl phthalate was used as a plasticizer. Raw material powder: Binder: Plasticizer = 83.5: 15: 1. The mixture was weighed to a mass ratio of .5 (mass ratio), dispersed in N-methylpyrrolidone, and then sufficiently stirred with a rotation / revolution mixer to form a slurry.

(グリーンシートの作製)
PETフィルム上に、ドクターブレードを用いて上記で得られたスラリーを塗布し、70℃で乾燥することによりグリーンシートを得た。
(Making a green sheet)
The slurry obtained above was applied onto a PET film using a doctor blade and dried at 70 ° C. to obtain a green sheet.

(グリーンシートのプレス及び焼成)
得られたグリーンシートを15mm角に切断し、等方圧プレス装置を用いて90℃、40MPaで5分間プレスした。プレス後のグリーンシートを上セッター及び下セッター(いずれもPt板)の間に設置し、かつ、グリーンシートと上セッターとの間に10μmの隙間を設けた状態で、1220℃で40時間焼成することにより固体電解質シートBを得た。固体電解質シートBについて粉末X線回折パターンを確認したところ、NASICON結晶が確認された。
(Pressing and firing of green sheet)
The obtained green sheet was cut into 15 mm squares and pressed at 90 ° C. and 40 MPa for 5 minutes using an isotropic pressure pressing device. The pressed green sheet is placed between the upper setter and the lower setter (both are Pt plates), and is fired at 1220 ° C. for 40 hours with a gap of 10 μm between the green sheet and the upper setter. As a result, a solid electrolyte sheet B was obtained. When the powder X-ray diffraction pattern was confirmed for the solid electrolyte sheet B, NASICON crystals were confirmed.

(b)平面度の測定
得られた固体電解質シートの中央部10mm角の範囲の表面形状をSURFCORDER ET4000AK(株式会社小坂研究所製)を用いて以下の条件で測定した。測定により得られた固体電解質シート表面の高さの最大値と最小値の差を平面度とした。
(B) Measurement of flatness The surface shape of the obtained solid electrolyte sheet in the central portion of 10 mm square was measured using SURFCORDER ET4000AK (manufactured by Kosaka Laboratory Co., Ltd.) under the following conditions. The difference between the maximum value and the minimum value of the height of the surface of the solid electrolyte sheet obtained by the measurement was defined as the flatness.

・X測定長さ:10mm
・X送り速さ:0.1mm/s
・Y送りピッチ:200μm
・Yライン数:51
・ X measurement length: 10 mm
・ X feed speed: 0.1 mm / s
・ Y feed pitch: 200 μm
・ Number of Y lines: 51

(c)ナトリウムイオン全固体二次電池の作製
(c-1)正極活物質結晶前駆体粉末の作製
メタリン酸ナトリウム(NaPO)、酸化第二鉄(Fe)及びオルソリン酸(HPO)を原料とし、モル%で、NaO 40%、Fe 20%、P 40%となるように原料粉末を調合し、1250℃にて45分間、大気雰囲気中にて溶融を行った。その後、一対のロールに溶融ガラスを流し込み、急冷しながらフィルム状に成形することにより、正極活物質結晶前駆体を作製した。
(C) Preparation of sodium ion all-solid secondary battery (c-1) Preparation of positive electrode active material crystal precursor powder Sodium metaphosphate (NaPO 3 ), ferric oxide (Fe 2 O 3 ) and orthophosphate (H 3 ) Using PO 4 ) as a raw material, the raw material powder was prepared so as to have Na 2 O 40%, Fe 2 O 3 20%, and P 2 O 5 40% in mol%, and in an air atmosphere at 1250 ° C. for 45 minutes. It was melted at. Then, the molten glass was poured into a pair of rolls and molded into a film while being rapidly cooled to prepare a positive electrode active material crystal precursor.

得られた正極活物質結晶前駆体について、φ20mmのZrO玉石を使用したボールミル粉砕を5時間行い、目開き120μmの樹脂製篩に通過させ、平均粒子径3~15μmのガラス粗粉末を得た。次いで、このガラス粗粉末に対し、粉砕助剤にエタノールを用い、φ3mmのZrO玉石を使用したボールミル粉砕を80時間行うことで、平均粒子径0.7μmの正極活物質結晶前駆体粉末を得た。 The obtained positive electrode active material crystal precursor was pulverized by a ball mill using a ZrO 2 ball stone having a diameter of 20 mm for 5 hours and passed through a resin sieve having an opening of 120 μm to obtain a coarse glass powder having an average particle diameter of 3 to 15 μm. .. Next, the crude glass powder was pulverized by a ball mill using ethanol as a pulverizing aid and a ZrO2 ball stone having a diameter of 3 mm for 80 hours to obtain a positive electrode active material crystal precursor powder having an average particle diameter of 0.7 μm. rice field.

析出される活物質結晶を確認するため、質量%で、得られた正極活物質結晶前駆体粉末 93%、アセチレンブラック(TIMCAL社製 SUPER C65) 7%を十分に混合した後、窒素と水素の混合ガス雰囲気(窒素96体積%、水素4体積%)中450℃にて1時間熱処理を行った。熱処理後の粉末について粉末X線回折パターンを確認したところ、空間群P-1に属する三斜晶系結晶(NaFeP)由来の回折線が確認された。 In order to confirm the precipitated active material crystals, 93% of the obtained positive electrode active material crystal precursor powder and 7% of acetylene black (SUPER C65 manufactured by TIMCAL) were sufficiently mixed in mass%, and then nitrogen and hydrogen were added. Heat treatment was performed at 450 ° C. for 1 hour in a mixed gas atmosphere (96% by volume nitrogen, 4% by volume hydrogen). When the powder X-ray diffraction pattern of the powder after the heat treatment was confirmed, diffraction lines derived from triclinic crystals (Na 2 FeP 2 O 7 ) belonging to the space group P-1 were confirmed.

(c-2)固体電解質粉末Aの作製
炭酸ナトリウム(NaCO)、酸化アルミニウム(Al)及び酸化マグネシウム(MgO)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化イットリウム(Y)を原料とし、モル%で、NaO 14.2%、Al 75.4%、MgO 5.4%、ZrO 4.9%、Y 0.1%となるように原料粉末を調合し、大気雰囲気中1250℃にて4時間焼成を行った。焼成後の粉末について、φ20mmのAl玉石を使用したボールミル粉砕を24時間行った。その後、空気分級することにより、平均粒子径D50 2.0μmの粉末を得た。得られた粉末は成形金型を用いて11MPaの圧力でφ30mmの円柱に成形した後、大気雰囲気中1600℃にて30分間熱処理を行うことにより、ナトリウムイオン伝導性結晶(β’’-アルミナ)を得た。得られたナトリウムイオン伝導性結晶は、アルミナ乳鉢、乳棒を用いて粉砕し、目開き300μmのメッシュを通過させた。得られた粉末を、φ5mmのZrO玉石を投入したFritsch社製遊星ボールミルP6を用いて300rpm-30分間(15分毎に15分間休止)粉砕し、目開き20μmのメッシュを通過させた。その後、空気分級機を使用して分級することにより、β’’-アルミナを含有する固体電解質粉末Aを得た。なお、ナトリウムイオン伝導性結晶、及びナトリウムイオン伝導性結晶粉末の作製は露点-40℃以下の環境で行った。
(C-2) Preparation of solid electrolyte powder A Sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and magnesium oxide (MgO), zirconium oxide (ZrO 2 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ) As a raw material, Na 2 O 14.2%, Al 2 O 3 75.4%, MgO 5.4%, ZrO 2 4.9%, Y 2 O 3 0.1% in mol%. The raw material powder was prepared and baked in an air atmosphere at 1250 ° C. for 4 hours. The powder after firing was pulverized by a ball mill using Al 2 O 3 boulders having a diameter of 20 mm for 24 hours. Then, by air classification, a powder having an average particle diameter of D50 of 2.0 μm was obtained. The obtained powder is formed into a cylinder having a diameter of 30 mm at a pressure of 11 MPa using a molding die, and then heat-treated at 1600 ° C. for 30 minutes in an air atmosphere to obtain sodium ion conductive crystals (β ″ -alumina). Got The obtained sodium ion conductive crystals were pulverized using an alumina mortar and pestle and passed through a mesh having an opening of 300 μm. The obtained powder was pulverized at 300 rpm for 30 minutes (rested for 15 minutes every 15 minutes) using a planetary ball mill P6 manufactured by Fritzch, which was charged with ZrO 2 boulders having a diameter of 5 mm, and passed through a mesh having an opening of 20 μm. Then, by classifying using an air classifier, a solid electrolyte powder A containing β ″ -alumina was obtained. The sodium ion conductive crystals and the sodium ion conductive crystal powder were prepared in an environment with a dew point of −40 ° C. or lower.

(c-3)固体電解質粉末Bの作製
炭酸ナトリウム(NaCO)、イットリア安定化ジルコニア((ZrO0.97(Y0.03))、二酸化ケイ素(SiO)、メタリン酸ナトリウム(NaPO)を用いて、モル%で、NaO 25.3%、ZrO 31.6%、Y 1%、SiO 33.7%、P 8.4%の組成となるように原料粉末を調合した。次に、エタノールを媒体として、原料粉末を4時間湿式混合した。その後エタノールを蒸発させ、原料粉末を1100℃で8時間仮焼成した後、粉砕し空気分級機(日本ニューマチック工業株式会社製 MDS-3型)を使用して分級した。分級した粉末をφ30mmの金型を用いて11MPaで一軸プレスにより成型し、1220℃、40時間熱処理を行うことでナトリウムイオン伝導性結晶(NASICON結晶)を含有する固体電解質を得た。
(C-3) Preparation of solid electrolyte powder B Sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), Itria stabilized zirconia ((ZrO 2 ) 0.97 (Y 2 O 3 ) 0.03 )), Silicon dioxide (SiO 2 ) , Sodium metaphosphate (NaPO 3 ), in mol%, Na 2 O 25.3%, ZrO 2 31.6%, Y 2 O 3 1%, SiO 2 33.7%, P 2 O 5 8 The raw material powder was prepared so as to have a composition of .4%. Next, the raw material powder was wet-mixed for 4 hours using ethanol as a medium. After that, ethanol was evaporated, and the raw material powder was calcined at 1100 ° C. for 8 hours, pulverized, and classified using an air classifier (MDS-3 type manufactured by Nippon Pneumatic Industries Co., Ltd.). The classified powder was molded by a uniaxial press at 11 MPa using a mold having a diameter of 30 mm, and heat-treated at 1220 ° C. for 40 hours to obtain a solid electrolyte containing sodium ion conductive crystals (NASICON crystals).

得られた固体電解質をアルミナ製の乳鉢及び乳棒を用いて粉砕し、目開き300μmのメッシュを通過させた。得られた粉末を、φ5mmのZrO玉石を投入したFritsch社製遊星ボールミルP6を用いて300rpm-30分間(15分毎に15分間休止)粉砕し、目開き20μmのメッシュを通過させた。その後、空気分級機を使用して分級することにより、ナトリウムイオン伝導性結晶(NASICON結晶)を含有する固体電解質粉末Bを得た。なお、ナトリウムイオン伝導性結晶、及びナトリウムイオン伝導性結晶粉末の作製は露点-40℃以下の環境で行った。 The obtained solid electrolyte was pulverized using an alumina mortar and pestle and passed through a mesh having an opening of 300 μm. The obtained powder was pulverized at 300 rpm for 30 minutes (rested for 15 minutes every 15 minutes) using a planetary ball mill P6 manufactured by Fritzch, which was charged with ZrO 2 boulders having a diameter of 5 mm, and passed through a mesh having an opening of 20 μm. Then, by classifying using an air classifier, a solid electrolyte powder B containing sodium ion conductive crystals (NASICON crystals) was obtained. The sodium ion conductive crystals and the sodium ion conductive crystal powder were prepared in an environment with a dew point of −40 ° C. or lower.

(c-4)試験電池の作製
質量%で、正極活物質結晶前駆体粉末 72%、固体電解質粉末A 25%、アセチレンブラック(TIMCAL社製 SUPER C65) 3%となるように秤量し、メノウ製の乳鉢及び乳棒を用いて約30分間混合した。混合した粉末100質量部に、10質量%のポリプロピレンカーボネート(住友精化株式会社製)を含有したN-メチルピロリドンを20質量部添加して、自転公転ミキサーを用いて十分に撹拌し、スラリー化した。なお、上記の操作はすべて露点-40℃以下の環境で行った。
(C-4) Preparation of test battery Weighed to be 72% of positive electrode active material crystal precursor powder, 25% of solid electrolyte powder A, and 3% of acetylene black (SUPER C65 manufactured by TIMCAL) by mass%, and manufactured by Menou. Mixing was performed for about 30 minutes using a mortar and pestle. To 100 parts by mass of the mixed powder, 20 parts by mass of N-methylpyrrolidone containing 10% by mass of polypropylene carbonate (manufactured by Sumitomo Seika Chemical Co., Ltd.) was added, and the mixture was sufficiently stirred using a rotation / revolution mixer to form a slurry. did. All of the above operations were performed in an environment with a dew point of −40 ° C. or lower.

表面に開口部10mm角、厚さ100μmのマスキングシールを張り付けた表に示す厚みを有する固体電解質シートAに対し、スキージを用いてスラリーを塗布し、70℃にて3時間乾燥させた。次に、窒素と水素の混合ガス雰囲気(窒素96体積%、水素4体積%)中450℃にて1時間焼成することで固体電解質シートの一方の表面に正極層を形成した。得られた正極層についてX線回折パターンを確認したところ、活物質結晶である空間群P-1に属する三斜晶系結晶(NaFeP)及びナトリウムイオン伝導性結晶である空間群P63に属する六方晶系結晶(β-アルミナ=(Al10.35Mg0.6516)(Na1.65O))及び空間群R-3mに属する三方晶系結晶(β’’-アルミナ=(Al10.35Mg0.6516)(Na1.65O))由来の回折線が確認された。 A slurry was applied to the solid electrolyte sheet A having an opening of 10 mm square and a thickness of 100 μm and having the thickness shown in the table on the surface using a squeegee, and dried at 70 ° C. for 3 hours. Next, a positive electrode layer was formed on one surface of the solid electrolyte sheet by firing at 450 ° C. for 1 hour in a mixed gas atmosphere of nitrogen and hydrogen (96% by volume of nitrogen, 4% by volume of hydrogen). When the X-ray diffraction pattern of the obtained positive electrode layer was confirmed, the trigonal crystal system crystal (Na 2 FeP 2 O 7 ) belonging to the space group P-1 which is an active material crystal and the space group which is a sodium ion conductive crystal. Hexagonal crystals belonging to P63 (β-alumina = (Al 10.35 Mg 0.65 O 16 ) (Na 1.65 O)) and trigonal crystals belonging to the space group R-3m (β ″ -alumina) = (Al 10.35 Mg 0.65 O 16 ) (Na 1.65 O))-derived diffraction lines were confirmed.

正極層の表面にスパッタ装置(サンユー電子株式会社製 SC-701AT)を用いて厚み300nmの金電極からなる集電体を形成した。その後、露点-60℃以下のアルゴン雰囲気中にて、対極となる金属ナトリウムを固体電解質シートの正極層が形成された層とは反対の表面に圧着し、コインセルの下蓋に載置した後、上蓋を被せてCR2032型試験電池を作製した。 A current collector made of a gold electrode having a thickness of 300 nm was formed on the surface of the positive electrode layer using a sputtering device (SC-701AT manufactured by Sanyu Electronics Co., Ltd.). Then, in an argon atmosphere with a dew point of -60 ° C. or lower, the counter electrode metal sodium was crimped to the surface opposite to the layer on which the positive electrode layer of the solid electrolyte sheet was formed, and placed on the lower lid of the coin cell. A CR2032 type test battery was manufactured by covering it with an upper lid.

なお、実施例4及び比較例3では、固体電解質シートAの代わりに表に示す厚みを有する固体電解質シートBを使用した以外は上記と同様にして試験電池を作製した。また、実施例5及び比較例4では、固体電解質粉末Aの代わりに固体電解質粉末Bを使用した以外は上記と同様にして試験電池を作製した。さらに、実施例6及び比較例5では、固体電解質シートAの代わりに表に示す厚みを有する固体電解質シートBを使用し、固体電解質粉末Aの代わりに固体電解質粉末Bを使用した以外は上記と同様にして試験電池を作製した。 In Example 4 and Comparative Example 3, a test battery was produced in the same manner as above except that the solid electrolyte sheet B having the thickness shown in the table was used instead of the solid electrolyte sheet A. Further, in Example 5 and Comparative Example 4, a test battery was produced in the same manner as described above except that the solid electrolyte powder B was used instead of the solid electrolyte powder A. Further, in Example 6 and Comparative Example 5, the solid electrolyte sheet B having the thickness shown in the table was used instead of the solid electrolyte sheet A, and the solid electrolyte powder B was used instead of the solid electrolyte powder A. A test battery was prepared in the same manner.

(c-5)充放電試験
得られた試験電池を用いて30℃で充放電試験を行い、放電容量を測定した。結果を表1、2に示す。充放電試験において、充電(正極活物質からのナトリウムイオン放出)は、開回路電圧(OCV)から4.3VまでのCC(定電流)充電により行い、放電(正極活物質へのナトリウムイオン吸蔵)は、4.3Vから2VまでCC放電により行った。Cレートは0.01Cとした。
(C-5) Charge / Discharge Test A charge / discharge test was performed at 30 ° C. using the obtained test battery, and the discharge capacity was measured. The results are shown in Tables 1 and 2. In the charge / discharge test, charging (release of sodium ions from the positive electrode active material) is performed by CC (constant current) charging from the open circuit voltage (OCV) to 4.3 V, and discharge (storage of sodium ions in the positive electrode active material). Was carried out by CC discharge from 4.3V to 2V. The C rate was 0.01C.

なお、表1、2中の平均電圧及び放電容量は、Cレート0.01Cで評価した初回の平均電圧及び放電容量を意味し、急速充放電特性は、Cレート0.01Cの初回放電容量に対する0.1Cの初回放電容量の割合((0.1C/0.01C)×100(%))をそれぞれ示している。 The average voltage and discharge capacity in Tables 1 and 2 mean the initial average voltage and discharge capacity evaluated at a C rate of 0.01C, and the rapid charge / discharge characteristics refer to the initial discharge capacity at a C rate of 0.01C. The ratio of the initial discharge capacity of 0.1C ((0.1C / 0.01C) × 100 (%)) is shown respectively.

実施例1~6では、平均電圧が2.5~2.8V、放電容量が61~73mAh/g、急速充放電特性が64~82%、エネルギー密度が37.4~82.3mWh/cmと各特性に優れていた。一方、比較例1、3~5では、平均電圧が2.5V以下、放電容量が52mAh/g以下、急速充放電特性が46%以下、エネルギー密度が32.0mWh/cm以下と劣っていた。なお、固体電解質シートの平面度が487μmと著しく大きい比較例2では、電池作製時に固体電解質シートが割れたため、電池特性を測定できなかった。 In Examples 1 to 6, the average voltage is 2.5 to 2.8 V, the discharge capacity is 61 to 73 mAh / g, the rapid charge / discharge characteristics are 64 to 82%, and the energy density is 37.4 to 82.3 mWh / cm 3 . And each characteristic was excellent. On the other hand, in Comparative Examples 1 and 3 to 5, the average voltage was 2.5 V or less, the discharge capacity was 52 mAh / g or less, the rapid charge / discharge characteristics were 46% or less, and the energy density was 32.0 mWh / cm 3 or less, which were inferior. .. In Comparative Example 2, in which the flatness of the solid electrolyte sheet was remarkably large at 487 μm, the battery characteristics could not be measured because the solid electrolyte sheet was cracked during the production of the battery.

本発明の固体電解質シートは、ナトリウムイオン全固体二次電池、ナトリウム-硫黄電池等の電池用途の他、COセンサやNOセンサ等のガスセンサ用の固体電解質としても好適である。 The solid electrolyte sheet of the present invention is suitable not only for battery applications such as sodium ion all-solid secondary batteries and sodium-sulfur batteries, but also as solid electrolytes for gas sensors such as CO 2 sensors and NO 2 sensors.

Claims (5)

β’’-アルミナ及びNASICON結晶から選ばれる少なくとも1種のナトリウムイオン伝導性結晶を含有し、厚みが500μm以下かつ平面度が200μm以下である固体電解質シートと、
前記固体電解質シートの一方の面に形成されてなる正極層又は負極層を含むことを特徴とする電極付き固体電解質シート。
A solid electrolyte sheet containing at least one sodium ion conductive crystal selected from β''-alumina and NASICON crystals, having a thickness of 500 μm or less and a flatness of 200 μm or less.
A solid electrolyte sheet with an electrode, comprising a positive electrode layer or a negative electrode layer formed on one surface of the solid electrolyte sheet.
さらに、前記正極層又は前記負極層の固体電解質側とは反対側の面に形成されてなる集電体を含むことを特徴とする請求項1に記載の電極付き固体電解質シート。 The solid electrolyte sheet with an electrode according to claim 1, further comprising a current collector formed on the surface of the positive electrode layer or the negative electrode layer opposite to the solid electrolyte side. 前記固体電解質シートが、モル%で、Al 65~95%、NaO 2~20%、MgO+LiO 0.3~15%、ZrO 0~20%、Y 0~5%を含有することを特徴とする請求項1又は2に記載の電極付き固体電解質シート。 The solid electrolyte sheet is mol%, Al 2 O 3 65 to 95%, Na 2 O 2 to 20%, MgO + Li 2 O 0.3 to 15%, ZrO 20 to 20%, Y 2 O 30 to. The solid electrolyte sheet with an electrode according to claim 1 or 2, wherein the solid electrolyte sheet contains 5%. 前記固体電解質シートが、一般式NaA1A2(A1はAl、Y、Yb、Nd、Nb、Ti、Hf及びZrから選択される少なくとも1種、A2はSi及びPから選択される少なくとも1種、s=1.4~5.2、t=1~2.9、u=2.8~4.1、v=9~14)で表される結晶を含有することを特徴とする請求項1又は2に記載の電極付き固体電解質シート。 The solid electrolyte sheet is selected from the general formula Nas A1 t A2 uO v (A1 is at least one selected from Al, Y, Yb, Nd, Nb, Ti, Hf and Zr, and A2 is selected from Si and P. It is characterized by containing at least one crystal represented by s = 1.4 to 5.2, t = 1 to 2.9, u = 2.8 to 4.1, v = 9 to 14). The solid electrolyte sheet with an electrode according to claim 1 or 2. 全固体ナトリウムイオン二次電池用であることを特徴とする請求項1~4のいずれかに記載の電極付き固体電解質シート。 The solid electrolyte sheet with an electrode according to any one of claims 1 to 4, which is for an all-solid-state sodium-ion secondary battery.
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