JP2022115833A - Solid electrolyte film made of lithium-containing garnet crystal and its manufacturing method, as well as lithium ion secondary battery with the solid electrolyte film - Google Patents

Solid electrolyte film made of lithium-containing garnet crystal and its manufacturing method, as well as lithium ion secondary battery with the solid electrolyte film Download PDF

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尚樹 浜尾
Naoki Hamano
孝一 濱本
Koichi Hamamoto
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Abstract

To provide a solid electrolyte film that is made of a lithium-containing garnet crystal, dense and robust due to an improvement of relative density and capable of realizing high ionic conductivity by decreasing a resistant component in a particle interface.SOLUTION: A solid electrolyte film made of a lithium-containing garnet crystal characterized by having a composition of LiaM1bM2cOd (5.0≤a≤8.0, 2.5≤b≤3.5, 1.0≤c≤2.5, 10≤d≤14, M1 is an element of one or more kinds selected from Al, Ga, La, Y, Pr, Mg, Ca, Sr, or Ba, and M2 is one or more elements selected from Zr, Hf, Ta, or Nb) that shows a garnet type structure and configured of particles having an average particle size of 30 to 250 μm.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、リチウム含有ガーネット結晶体からなる固体電解質膜およびその製造方法、並びに該固体電解質膜を備えたリチウムイオン二次電池に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a solid electrolyte membrane made of lithium-containing garnet crystals, a method for producing the same, and a lithium ion secondary battery having the solid electrolyte membrane.

リチウムイオン二次電池は、ニッカド電池やニッケル水素電池などの他の二次電池に比較してエネルギー密度が高く、高電位で作動させることができるため、携帯電話やノートパソコンなどの小型機器をはじめ、ハイブリッド自動車や電気自動車用の二次電池として需要が高まっている。 Lithium-ion secondary batteries have a higher energy density than other secondary batteries such as nickel-cadmium batteries and nickel-metal hydride batteries, and can be operated at high potentials. Demand is increasing as secondary batteries for hybrid and electric vehicles.

また近年、安全性を考慮して、電解質として電解液の代わりに固体電解質膜を用いた全固体リチウムイオン電池の研究開発が盛んに行われている。そして、ガーネット型構造を有する酸化物は、酸化物系リチウムイオン伝導体の中で高いリチウムイオン伝導性を有するため、全固体電池等の次世代蓄電池用固体電解質として期待されている。 In recent years, in consideration of safety, research and development of all-solid-state lithium-ion batteries using a solid electrolyte membrane as an electrolyte instead of an electrolytic solution have been actively carried out. Oxides having a garnet-type structure have high lithium-ion conductivity among oxide-based lithium-ion conductors, and are therefore expected as solid electrolytes for next-generation storage batteries such as all-solid-state batteries.

このガーネット型リチウムイオン伝導性酸化物には、イオン伝導性の乏しい正方晶系の低温相と、高イオン伝導を有する立方晶系の高温相が存在する。この立方晶系のガーネット型リチウムイオン伝導性酸化物を得るためには、一般的な酸化物原料にて合成した場合、1000℃以上の焼成温度にて合成を行い、さらに高温にて焼結を行い、緻密化させ、固体電解質を作製する。 The garnet-type lithium ion conductive oxide has a tetragonal low-temperature phase with poor ion conductivity and a cubic high-temperature phase with high ion conductivity. In order to obtain this cubic garnet-type lithium ion conductive oxide, when synthesizing with a general oxide raw material, synthesis is performed at a firing temperature of 1000 ° C. or higher, and then sintering at a high temperature. and densify to produce a solid electrolyte.

特許文献1では、平均粒径5~100μmの結晶性酸化物系固体電解質粒子を多孔質膜に一層に担持することで、加工性に優れ、高いイオン伝導性を発現するセパレータに関する発明について言及されている。また、特許文献2では、そのイオン伝導性を高めた固体電解質を組み込んだリチウムイオン電池が開示され、特許文献3では、低温において安定的に伝導可能なリチウムイオン伝導膜が開示されている。 Patent Document 1 mentions an invention relating to a separator that exhibits excellent processability and high ionic conductivity by supporting crystalline oxide-based solid electrolyte particles having an average particle size of 5 to 100 μm in a single layer on a porous membrane. ing. Further, Patent Document 2 discloses a lithium ion battery incorporating a solid electrolyte with enhanced ion conductivity, and Patent Document 3 discloses a lithium ion conductive membrane capable of stably conducting at low temperatures.

また、非特許文献1では、一般的なテープキャスティング法を用いてガーネット型酸化物の薄層電解質膜を作製したことが報告されている。 In addition, Non-Patent Document 1 reports that a thin-layer electrolyte membrane of a garnet-type oxide was produced using a general tape casting method.

特開2017-183111号公報JP 2017-183111 A 特開2017-183115号公報JP 2017-183115 A 特開2018-6297号公報JP 2018-6297 A

R.A. Jonson and P.J. McGinn, Solid State Ionics, 323 (2018) 49-55.R.A. Jonson and P.J. McGinn, Solid State Ionics, 323 (2018) 49-55.

リチウムイオン二次電池において、固体電解質は正極と負極を隔てるセパレータとしての役割を有している。そのため、固体電解質は、短絡防止の観点から緻密かつ堅牢であることが求められる。また、固体電解質の抵抗を低減するため、薄くすることが望まれる。さらに、高いイオン伝導率材料で構成されることが望ましいが、一般的にイオン伝導率を低くするため、固体電解質粒子界面の抵抗成分を低減させることが望まれている。そのため、固体電解質粒子は電解質の断面方向に対して薄くかつ少ないことが望ましい。 In a lithium ion secondary battery, the solid electrolyte serves as a separator separating the positive electrode and the negative electrode. Therefore, the solid electrolyte is required to be dense and robust from the viewpoint of short circuit prevention. Also, in order to reduce the resistance of the solid electrolyte, it is desirable to make it thin. Furthermore, although it is desirable to be made of a material with high ionic conductivity, it is generally desired to reduce the resistance component at the solid electrolyte particle interface in order to lower the ionic conductivity. Therefore, it is desirable that the solid electrolyte particles are thin and few in the cross-sectional direction of the electrolyte.

特許文献1~3に開示された技術では、固体電解質膜の断面方向に単一粒子が担持されているため、上記のような固体電解質粒子界面の抵抗成分を低減させる課題は解決されている。しかしながら、上記特許文献1~3に開示された技術では、酸化物系固体電化質粒子を電気抵抗の高いポリオレフィン微多孔質膜または不織布に担持されているため、部分的にイオン伝導を阻害する電解質となってしまうという問題があった。 In the techniques disclosed in Patent Documents 1 to 3, since single particles are supported in the cross-sectional direction of the solid electrolyte membrane, the problem of reducing the resistance component of the solid electrolyte particle interface as described above is solved. However, in the techniques disclosed in Patent Documents 1 to 3, since the oxide-based solid electrolyte particles are supported on a polyolefin microporous membrane or nonwoven fabric having high electrical resistance, the electrolyte partially inhibits ion conduction. There was a problem of becoming

また、非特許文献1のように、一般的なテープキャスティング法を用いてガーネット型酸化物の薄層電解質膜を作製する技術では、ガーネット型リチウムイオン伝導性酸化物は難焼結性であるため、一般的なテープキャスティング法を用いて薄層電解質膜を作製する場合、これまで緻密かつ堅牢な薄層電解質膜を得ることは困難であり、固体電解質粒子界面に抵抗成分が生じてしまい、高いイオン伝導率を実現することを妨げるという問題があった。 In addition, as in Non-Patent Document 1, in the technique of producing a garnet-type oxide thin-layer electrolyte membrane using a general tape casting method, garnet-type lithium ion conductive oxides are difficult to sinter. However, when fabricating a thin-layer electrolyte membrane using a general tape casting method, it has been difficult to obtain a dense and robust thin-layer electrolyte membrane. There have been problems that prevent achieving ionic conductivity.

本発明は、このような事情に鑑みてなされてものであり、相対密度が向上した緻密かつ堅牢で、粒子界面の抵抗成分を低減させて高いイオン伝導率を実現することができるリチウム含有ガーネット結晶体からなる固体電解質膜およびその製造方法、並びに該固体電解質膜を備えたリチウムイオン二次電池を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a lithium-containing garnet crystal that is dense and robust with an improved relative density and can reduce the resistance component at the particle interface to achieve high ionic conductivity. An object of the present invention is to provide a solid electrolyte membrane composed of a solid, a method for producing the same, and a lithium ion secondary battery having the solid electrolyte membrane.

本発明者らは、上記課題を解決すべく、ガーネット型リチウムイオン伝導性酸化物の緻密化プロセスの検討を行った結果、緻密化しない要因として、電解質粉末を粉砕する際に分散溶媒と分解反応が生じ、分解生成物が粒子表面を覆うためであると考察した。そして、微粒子の電解質粉末を合成し、これを用いてテープキャスティング法にて固体電解質膜を作製することにより、固体電解質粉末の粒成長と固体電解質膜の焼結密度の向上が観察されたことを確認し、本発明を完成するに至った。 In order to solve the above problems, the present inventors investigated a densification process of a garnet-type lithium ion conductive oxide. is generated, and the decomposition product covers the particle surface. Then, by synthesizing a fine-particle electrolyte powder and fabricating a solid electrolyte membrane using the tape casting method, grain growth of the solid electrolyte powder and an improvement in the sintering density of the solid electrolyte membrane were observed. After confirming this, the present invention was completed.

すなわち、本発明によれば、下記の発明が提供される。
〔1〕ガーネット型構造を示すLi (5.0≦a≦8.0、2.5≦b≦3.5、1.0≦c≦2.5、10≦d≦14、MはAl、Ga、La、Y、Pr、Mg、Ca、SrまたはBaから選択される一種以上の元素、MはZr、Hf、TaまたはNbから選択される一種以上の元素)の組成であって、30~250μmの粒子径を有する粒子にて構成されていることを特徴とするリチウム含有ガーネット結晶体からなる固体電解質膜。
〔2〕前記組成が、Li6.00Ga0.150Al0.100La3.00Zr1.75Ta0.25012.0であることを特徴とする請求項1に記載のリチウム含有ガーネット結晶体からなる固体電解質膜。
〔3〕ガーネット型構造を示すLi (5.0≦a≦8.0、2.5≦b≦3.5、1.0≦c≦2.5、10≦d≦14、MはAl、Ga、La、Y、Pr、Mg、Ca、SrまたはBaから選択される一種以上の元素、MはZr、Hf、TaまたはNbから選択される一種以上の元素)の組成の固体電解質を合成した後、粉砕して固解質粉末を作製する第1工程、
得られた微粒子電解質粉末を溶媒に溶解させてスラリーとする第2工程、
該スラリーを基材上に塗工してグリーンシートを作製する第3工程、および、
得られたグリーンシートを一対の焼成基材の間に挟み、焼成することにより30~250μmの粒子径を有する粒子にて構成されている固体電解質膜を作製する第4工程
を含み、
前記第1工程は、Li原料を除く金属原料を含む前駆体酸化物を合成する工程と、前記前駆体酸化物にLi原料を加えて焼成して前記固体電解質を合成する工程とを含む、リチウム含有ガーネット結晶体からなる固体電解質膜の製造方法。
〔4〕前記組成が、Li6.00Ga0.150Al0.100La3.00Zr1.75Ta0.25012.0であることを特徴とする請求項3に記載のリチウム含有ガーネット結晶体からなる固体電解質膜の製造方法。
〔5〕請求項1または2に記載の固体電解質膜をセパレータとして用い、その両面に正極および負極を設けてなるリチウムイオン二次電池。
That is, according to the present invention, the following inventions are provided.
[1] Li a M 1 b M 2 c O d (5.0≦a≦8.0, 2.5≦b≦3.5, 1.0≦c≦2.5, 10 ≤ d ≤ 14, M1 is one or more elements selected from Al, Ga, La, Y, Pr, Mg, Ca, Sr or Ba, M2 is one or more elements selected from Zr, Hf, Ta or Nb A solid electrolyte membrane composed of lithium-containing garnet crystals, characterized in that it is composed of particles having a particle diameter of 30 to 250 μm.
[2] The lithium -containing material according to claim 1, wherein the composition is Li6.00Ga0.150Al0.100La3.00Zr1.75Ta0.250O12.0 . A solid electrolyte membrane made of garnet crystals.
[3] Li a M 1 b M 2 c O d (5.0≦a≦8.0, 2.5≦b≦3.5, 1.0≦c≦2.5, 10 ≤ d ≤ 14, M1 is one or more elements selected from Al, Ga, La, Y, Pr, Mg, Ca, Sr or Ba, M2 is one or more elements selected from Zr, Hf, Ta or Nb A first step of synthesizing a solid electrolyte having a composition of (element of) and then pulverizing it to produce a solid powder,
a second step of dissolving the obtained particulate electrolyte powder in a solvent to form a slurry;
A third step of coating the slurry on a substrate to produce a green sheet, and
A fourth step of sandwiching the obtained green sheet between a pair of firing substrates and firing to produce a solid electrolyte membrane composed of particles having a particle diameter of 30 to 250 μm,
The first step includes a step of synthesizing a precursor oxide containing a metal raw material excluding a Li raw material, and a step of adding a Li raw material to the precursor oxide and sintering it to synthesize the solid electrolyte. Lithium A method for producing a solid electrolyte membrane comprising garnet crystals contained therein.
[4] The lithium -containing material according to claim 3 , wherein the composition is Li6.00Ga0.150Al0.100La3.00Zr1.75Ta0.250O12.0 . A method for producing a solid electrolyte membrane composed of garnet crystals.
[5] A lithium ion secondary battery comprising the solid electrolyte membrane according to claim 1 or 2 as a separator, and a positive electrode and a negative electrode provided on both sides of the separator.

本発明によれば、上記構成を採用したので、理論密度が5.30g・cm-1に対して、固体電解質膜の質量と実測の体積から算出される相対密度が90%以上に向上した緻密かつ堅牢で、粒子界面の抵抗成分を低減させて高いイオン伝導率を実現することができるリチウム含有ガーネット結晶体からなる固体電解質膜およびその製造方法、並びに該固体電解質膜を備えたリチウムイオン二次電池を提供することができる。 According to the present invention, since the above configuration is adopted, the relative density calculated from the mass of the solid electrolyte membrane and the measured volume is improved to 90% or more with respect to the theoretical density of 5.30 g cm −1 . A solid electrolyte membrane made of lithium-containing garnet crystals that is robust and capable of reducing the resistance component at the particle interface and realizing high ionic conductivity, a method for producing the same, and a lithium ion secondary comprising the solid electrolyte membrane Batteries can be provided.

実施例1に記載の固体電解質の粉末のSEM像である。4 is an SEM image of the solid electrolyte powder described in Example 1. FIG. 実施例1に記載の固体電解質膜の断面のSEM像である。4 is a SEM image of a cross section of the solid electrolyte membrane described in Example 1. FIG. 実施例1に記載の固体電解質膜の断面のSEM画像および元素マッピング分析の結果である。4 shows a cross-sectional SEM image of the solid electrolyte membrane described in Example 1 and the results of elemental mapping analysis. 比較例1に記載の固体電解質の粉末のSEM像である。4 is an SEM image of the solid electrolyte powder described in Comparative Example 1. FIG. 比較例1で作製した固体電解質膜の断面のSEM像である。4 is a SEM image of a cross section of a solid electrolyte membrane produced in Comparative Example 1. FIG. 実施例1に記載の固体電解質膜の断面のSEM画像および元素マッピング分析の結果である。4 shows a cross-sectional SEM image of the solid electrolyte membrane described in Example 1 and the results of elemental mapping analysis. 実施例1で作製した固体電解質膜のインピーダンス測定結果を比較例1で作製した固体電解質膜のインピーダンス測定結果と比較して示す図である。FIG. 2 is a diagram showing impedance measurement results of a solid electrolyte membrane produced in Example 1 in comparison with impedance measurement results of a solid electrolyte membrane produced in Comparative Example 1; 実施例2に記載の固体電解質の断面のSEM像である。4 is a SEM image of a cross section of the solid electrolyte described in Example 2. FIG. 比較例2に記載の固体電解質の断面のSEM像である。4 is a SEM image of a cross section of the solid electrolyte described in Comparative Example 2. FIG. 実施例2で作製した固体電解質膜のインピーダンス測定結果を比較例2で作製した固体電解質膜のインピーダンス測定結果と比較して示す図である。FIG. 10 is a diagram showing impedance measurement results of a solid electrolyte membrane produced in Example 2 in comparison with impedance measurement results of a solid electrolyte membrane produced in Comparative Example 2; 実施例3に記載の固体電解質の断面のSEM像である。4 is a SEM image of a cross section of the solid electrolyte described in Example 3. FIG. 比較例3に記載の固体電解質の断面のSEM像である。4 is a SEM image of a cross section of the solid electrolyte described in Comparative Example 3. FIG. 実施例3で作製した固体電解質膜のインピーダンス測定結果を比較例3で作製した固体電解質膜のインピーダンス測定結果と比較して示す図である。FIG. 11 is a diagram showing impedance measurement results of a solid electrolyte membrane produced in Example 3 in comparison with impedance measurement results of a solid electrolyte membrane produced in Comparative Example 3; 実施例4に記載の固体電解質の断面のSEM像である。4 is a SEM image of a cross section of the solid electrolyte described in Example 4. FIG. 比較例4に記載の固体電解質の断面のSEM像である。4 is a SEM image of a cross section of the solid electrolyte described in Comparative Example 4. FIG. 実施例4で作製した固体電解質膜のインピーダンス測定結果を比較例4で作製した固体電解質膜のインピーダンス測定結果と比較して示す図である。FIG. 10 is a diagram showing impedance measurement results of a solid electrolyte membrane produced in Example 4 in comparison with impedance measurement results of a solid electrolyte membrane produced in Comparative Example 4;

以下、本発明を実施形態に基づき詳細に説明する。
本発明のリチウム含有ガーネット結晶体からなる固体電解質膜は、ガーネット型構造を示すLi (5.0≦a≦8.0、2.5≦b≦3.5、1.0≦c≦2.5、10≦d≦14、MはAl、Ga、La、Y、Pr、Mg、Ca、SrまたはBaから選択される一種以上の元素、MはZr、Hf、TaまたはNbから選択される一種以上の元素)の組成であって、30~250μmの粒子径を有する粒子にて構成されていることを特徴とする。該固体電解質膜の粒子径は、所期の目的を達成するためには、40~150μmであることがより好ましく、50~100μmであることが更に好ましい。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described in detail below based on embodiments.
The solid electrolyte membrane comprising the lithium-containing garnet crystals of the present invention has a garnet-type structure of Li a M 1 b M 2 c O d (5.0≦a≦8.0, 2.5≦b≦3.5). , 1.0≤c≤2.5, 10≤d≤14, M1 is one or more elements selected from Al, Ga, La, Y, Pr, Mg, Ca, Sr or Ba, M2 is Zr , Hf, Ta or Nb), and is composed of particles having a particle diameter of 30 to 250 μm. The particle size of the solid electrolyte membrane is more preferably 40 to 150 μm, still more preferably 50 to 100 μm, in order to achieve the intended purpose.

本発明の固体電解質膜は、Mとして、Al、Ga、La、Y、Pr、Mg、Ca、SrまたはBaから選択される一種以上の元素が選択されるが、これらのうちAl、Ga、Laを含むことが好ましい。 In the solid electrolyte membrane of the present invention, M1 is selected from one or more elements selected from Al, Ga, La, Y, Pr, Mg, Ca, Sr and Ba. It preferably contains La.

また、本発明の固体電解質膜は、Mとして、Zr、Hf、TaまたはNbから選択される一種以上の元素が選択されるが、これらのうちZr、Taを含むことが好ましい。 In addition, in the solid electrolyte membrane of the present invention, one or more elements selected from Zr, Hf, Ta and Nb are selected as M2 , and among these, Zr and Ta are preferably included.

本発明のリチウム含有ガーネット結晶体からなる固体電解質膜は、前記した組成を有するが、好ましい典型的な材料としては、Li6.00Ga0.150Al0.100La3.00Zr1.75Ta0.25012.0、Li6.00Ga0.150Al0.100La3.00Zr1.75Nb0.25012.0等を挙げることができる。 The solid electrolyte membrane made of the lithium - containing garnet crystals of the present invention has the above-described composition . Ta 0.250 O 12.0 , Li 6.00 Ga 0.150 Al 0.100 La 3.00 Zr 1.75 Nb 0.250 O 12.0 and the like.

本発明のリチウム含有ガーネット結晶体からなる固体電解質膜は、断面方向に単一粒子にて構成されていることが特徴である。これにより、理論密度に対して、固体電解質膜の質量と実測の体積から算出される相対密度が90%以上に向上した緻密かつ堅牢で、粒子界面の抵抗成分を低減させて高いイオン伝導率を実現することができる。 The solid electrolyte membrane comprising the lithium-containing garnet crystals of the present invention is characterized by being composed of single particles in the cross-sectional direction. As a result, the relative density calculated from the mass of the solid electrolyte membrane and the measured volume has improved to 90% or more of the theoretical density, which is dense and robust, and the resistance component at the particle interface is reduced to achieve high ionic conductivity. can be realized.

本発明のリチウム含有ガーネット結晶体からなる固体電解質膜は、リチウムイオン二次電池のセパレータとして好適に使用することができる。この場合、リチウムイオン二次電池は、前記固体電解質膜からなるセパレータの両側に、それぞれ正極および負極を設けた概略構成となる。もちろん、それ以外の従来からリチウム二次電池に使用されていた各種部材を必要に応じて用いることができる。 The solid electrolyte membrane comprising the lithium-containing garnet crystals of the present invention can be suitably used as a separator for lithium ion secondary batteries. In this case, the lithium ion secondary battery has a general configuration in which a positive electrode and a negative electrode are provided on both sides of the separator made of the solid electrolyte film. Of course, other various members conventionally used in lithium secondary batteries can be used as needed.

次に、本発明の固体電解質膜の製造方法について説明する。
本発明のリチウム含有ガーネット結晶体からなる固体電解質は、ガーネット型構造を示すLi (5.0≦a≦8.0、2.5≦b≦3.5、1.0≦c≦2.5、10≦d≦14、MはAl、Ga、La、Y、Pr、Mg、Ca、SrまたはBaから選択される一種以上の元素、MはZr、Hf、TaまたはNbから選択される一種以上の元素)の組成の固体電解質を合成した後、粉砕して固体電解質粉末を作製し、得られた微粒子電解質粉末を溶媒に溶解させてスラリーとし、該スラリーをキャリア基材上に塗工してグリーンシートを作製し、得られたグリーンシートを一対の焼成基材の間に挟み、焼成することにより製造することができる。
Next, the method for manufacturing the solid electrolyte membrane of the present invention will be described.
The solid electrolyte comprising a lithium-containing garnet crystal of the present invention has a garnet-type structure of Li a M 1 b M 2 c O d (5.0≦a≦8.0, 2.5≦b≦3.5, 1.0≤c≤2.5, 10≤d≤14, M1 is one or more elements selected from Al, Ga, La, Y, Pr, Mg, Ca, Sr or Ba, M2 is Zr, (one or more elements selected from Hf, Ta, and Nb) is synthesized, pulverized to prepare a solid electrolyte powder, and the obtained fine particle electrolyte powder is dissolved in a solvent to form a slurry. It can be produced by coating a slurry on a carrier substrate to produce a green sheet, sandwiching the obtained green sheet between a pair of firing substrates, and firing.

(微粒子電解質粉末の合成(第1工程))
本発明の固体電解質膜を製造する場合、まず、各金属原料を所望のモル比となるように秤量する。
(Synthesis of particulate electrolyte powder (first step))
When producing the solid electrolyte membrane of the present invention, first, each metal raw material is weighed so as to obtain a desired molar ratio.

ここで、本発明で用いられる各金属原料について述べる。 Here, each metal raw material used in the present invention will be described.

リチウム原料としては、リチウムを含有するものであれば特に制限されず、LiO、LiCO等が挙げられる。 The lithium raw material is not particularly limited as long as it contains lithium, and examples thereof include Li 2 O and Li 2 CO 3 .

アルミニウム原料としては、アルミニウムを含有するものであれば特に制限されず、例えば、Al(NO・9HO、Al等が挙げられる。 The aluminum raw material is not particularly limited as long as it contains aluminum, and examples thereof include Al(NO 3 ) 3.9H 2 O and Al 2 O 3 .

ガリウム原料としては、ガリウムを含有するものであれば特に限定されず、例えば、Ga(NO・nHO、GaO、GaCl,GaN等が挙げられる。 The gallium source is not particularly limited as long as it contains gallium, and examples thereof include Ga(NO 3 ) 3.nH 2 O, Ga 2 O, GaCl 2 and GaN.

ランタン原料としては、ランタンを含有するものであれば特に限定されず、例えば、La(NO・6HO、La、La(CO等が挙げられる。 The lanthanum raw material is not particularly limited as long as it contains lanthanum, and examples thereof include La(NO 3 ) 3.6H 2 O, La 2 O 3 and La 2 (CO 3 ) 3 .

イットリウム原料としては、イットリウムを含有するものであれば特に限定されず、例えば、Y、YCl等が挙げられる。 The yttrium raw material is not particularly limited as long as it contains yttrium, and examples thereof include Y 2 O 3 and YCl 3 .

プラセオジウム原料としては、プラセオジウムを含有するものであれば特に限定されず、例えば、PrO、Pr、PrCl等が挙げられる。 The praseodymium raw material is not particularly limited as long as it contains praseodymium, and examples thereof include PrO, Pr 2 O 3 and PrCl 3 .

マグネシウム原料としては、マグネシウムを含有するものであれば特に限定されず、例えば、MgO、MgCl、MgF等が挙げられる。 The magnesium raw material is not particularly limited as long as it contains magnesium, and examples thereof include MgO, MgCl 2 and MgF 2 .

カルシウム原料としては、カルシウムを含有するものであれば特に限定されず、例えば、CaO、CaO、Ca(OH)等が挙げられる。 The calcium raw material is not particularly limited as long as it contains calcium, and examples thereof include CaO, CaO 2 , Ca(OH) 2 and the like.

ストロンチウム原料としては、ストロンチウムを含有するものであれば特に限定されず、例えば、SrO、SrCl、Sr(OH)等が挙げられる。 The strontium raw material is not particularly limited as long as it contains strontium, and examples thereof include SrO, SrCl 2 and Sr(OH) 2 .

バリウム原料としては、バリウムを含有するものであれば特に限定されず、例えば、BaO、BaO、BaCO等が挙げられる。 The barium raw material is not particularly limited as long as it contains barium, and examples thereof include BaO, BaO 2 , BaCO 3 and the like.

ジルコニウム原料としては、ジルコニウムを含むものであれば特に限定されず、例えば、ZrOCl・8HO、ZrO、ZrC、ZrN等が挙げられる。 The zirconium raw material is not particularly limited as long as it contains zirconium, and examples thereof include ZrOCl 2 .8H 2 O, ZrO 2 , ZrC and ZrN.

ハフニウム原料としては、ハフニウムを含むものであれば特に限定されず、例えば、HfO、HfCl等が挙げられる。 The hafnium raw material is not particularly limited as long as it contains hafnium, and examples thereof include HfO 2 and HfCl 4 .

タンタル原料としては、タンタルを含むものであれば特に限定されず、例えば、TaCl、Ta等が挙げられる。 The tantalum raw material is not particularly limited as long as it contains tantalum, and examples thereof include TaCl 4 and Ta 2 O 5 .

ニオブ原料としては、ニオブを含むものであれば特に限定されず、例えば、NbO、Nb、NbCl等が挙げられる。 The niobium raw material is not particularly limited as long as it contains niobium, and examples thereof include NbO, Nb 2 O 5 and NbCl 5 .

各金属原料を秤量した後、リチウム原料以外の金属原料をエタノール等の有機溶媒に溶解し、撹拌機(スターラー)で混合する。ここで、クエン酸等のキレート錯体配位子およびエチレングリコールなどのキレート重合剤を用いてもよい。 After weighing each metal raw material, the metal raw materials other than the lithium raw material are dissolved in an organic solvent such as ethanol and mixed with a stirrer. Here, a chelate complex ligand such as citric acid and a chelate polymerizing agent such as ethylene glycol may be used.

次に、これらの混合物を徐々に140~150℃程度まで上げながら4~5時間撹拌し高分子化(ゲル化)させる。十分にゲル化が進行した段階で、電気炉等の加熱装置にて300~400℃程度の温度で仮焼成し、C-C結合鎖またはC-H結合鎖を切断する。 Next, these mixtures are stirred for 4 to 5 hours while gradually increasing the temperature to about 140 to 150° C. to polymerize (gelate). When the gelation has sufficiently progressed, it is calcined at a temperature of about 300 to 400° C. in a heating device such as an electric furnace to break the C—C bond chain or C—H bond chain.

その後、メノウ乳鉢等にて仮焼粉末を粉砕した後に、電気炉等の加熱装置にて900~1000℃程度の温度で焼成し、前駆体となる酸化物を合成する。 Thereafter, after pulverizing the calcined powder in an agate mortar or the like, it is fired at a temperature of about 900 to 1000° C. in a heating device such as an electric furnace to synthesize an oxide as a precursor.

次に、得られた前駆体に所定比となるようにリチウム原料(例えば、LiO)を加え、メノウ乳鉢等を用いて乾式混合を行った後、Ar等の不活性ガス雰囲気をフローさせた管状電気炉等で450~600℃、6~15時間焼成を行い、目的の固体電解質粉末を得る。 Next, a lithium raw material (for example, LiO 2 ) was added to the obtained precursor so as to have a predetermined ratio, dry-mixed using an agate mortar or the like, and then an atmosphere of an inert gas such as Ar was allowed to flow. Firing is performed at 450 to 600° C. for 6 to 15 hours in a tubular electric furnace or the like to obtain the desired solid electrolyte powder.

(スラリーの調製(第2工程))
まず、バインダーを調製する。バインダーとしては、例えば、ポリビニルブチラール系バインダー、ジアミン、アジピン酸ビス(2-エチルヘキシル)をそれぞれ固体電解質粉末に対して所定の質量割合となるように調製する。バインダーに用いる材料はこれに限定されない。
(Preparation of slurry (second step))
First, a binder is prepared. As the binder, for example, a polyvinyl butyral-based binder, diamine, and bis(2-ethylhexyl) adipate are prepared so as to have a predetermined mass ratio with respect to the solid electrolyte powder. The material used for the binder is not limited to this.

次に、バインダーを、例えばトルエンとブタノールを所定の体積割合で混合した溶媒に溶解させ、上記で作製した固体電解質膜を加え、混練機にて撹拌、分散させる。その後、例えば0.2kPa程度に減圧しながら撹拌を続け、スラリーを濃縮し、目的のスラリーを得る。 Next, a binder is dissolved in a solvent in which toluene and butanol are mixed at a predetermined volume ratio, for example, and the solid electrolyte membrane prepared above is added and stirred and dispersed by a kneader. Thereafter, stirring is continued while reducing the pressure to, for example, about 0.2 kPa to concentrate the slurry to obtain the target slurry.

(グリーンシートの作製(第3工程))
上記で得たスラリーを、PET等のキャリアフィルム上に、例えばドクターブレード法を用いて成形し、グリーンシートを作製する。
(Preparation of green sheet (third step))
The slurry obtained above is formed on a carrier film such as PET using, for example, a doctor blade method to produce a green sheet.

このグリーンシートを、後述の実施例に示すような特定の焼結基材の間に挟んで、例えば電気炉にて1000~1100℃、3~5時間焼成を行う(第4工程)。 This green sheet is sandwiched between specific sintering base materials as shown in Examples below, and sintered, for example, in an electric furnace at 1000 to 1100° C. for 3 to 5 hours (fourth step).

以上のようにして、本発明のリチウム含有ガーネット結晶体からなる固体電解質膜が得られる。 As described above, a solid electrolyte membrane comprising the lithium-containing garnet crystals of the present invention is obtained.

以下に、実施例を示し、本発明の特徴とするところをより詳細に説明するが、本発明はここに記載の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The features of the present invention will be described in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to the examples described herein.

[実施例1]
(固体電解質粉末Li6.00Ga0.150Al0.100La3.00Zr1.75Ta0.25012.0の合成(第1工程))
まず、Ga:Al:La:Zr:Ta=0.150:0.100:3.00:1.75:0.250のモル比となるようにGa原料、Al原料、La原料、Zr原料、Ta原料を秤量し、これらの原料をエタノール中に溶解させ、スターラーで混合した。
[Example 1]
( Synthesis of solid electrolyte powder Li6.00Ga0.150Al0.100La3.00Zr1.75Ta0.250O12.0 ( first step))
First, Ga raw material, Al raw material, La raw material, Zr raw material, Ta raw materials were weighed, these raw materials were dissolved in ethanol, and mixed with a stirrer.

各金属原料として、Ga(NO・nHO(高純度化学製、99.9%、このときnは8.5とした)、Al(NO・9HO(富士フィルム和光純薬製、99.9%)、La(NO・6HO(富士フィルム和光純薬製、99.9%)、ZrOCl・8HO(富士フィルム和光純薬製、99.0%)、TaCl(レアメタリック社製、99.9%)を使用した。また、キレート錯体配位子としてクエン酸(富士フィルム和光純薬製、98%)、キレート重合剤としてエチレングリコール(富士フィルム和光純薬製、99.5%)を使用した。 Ga(NO 3 ) 3.nH 2 O (manufactured by Kojundo Chemical Co., Ltd., 99.9%, at this time n was 8.5), Al(NO 3 ) 3.9H 2 O (Fuji Film Wako Pure Chemical, 99.9%), La(NO 3 ) 3.6H 2 O (Fuji Film Wako Pure Chemical, 99.9%), ZrOCl 2.8H 2 O (Fuji Film Wako Pure Chemical, 99 .0%) and TaCl 5 (manufactured by Rare Metallic, 99.9%) were used. In addition, citric acid (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 98%) was used as a chelate complex ligand, and ethylene glycol (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 99.5%) was used as a chelate polymerization agent.

これらの混合物を、徐々に温度を140℃程度まで上げながら4~5時間程度撹拌し、高分子化(ゲル化)させた。十分にゲル化が進行した段階で、電気炉にて350℃で仮焼成を行い、炭化させた。すなわち、C-C結合鎖またはC-H結合鎖を切った。 The mixture was stirred for about 4 to 5 hours while gradually raising the temperature to about 140° C. to polymerize (gelate). At the stage when gelation has sufficiently progressed, calcination was performed at 350° C. in an electric furnace to carbonize. That is, the C--C bond chain or the C--H bond chain was cut.

その後、メノウ乳鉢にて仮焼粉末を軽く粉砕し、再び電気炉で1000℃にて4時間、焼成を行い、前駆体となる酸化物Ga0.150Al0.100La3.00Zr1.75Ta0.2509.00を合成した。 After that, the calcined powder was lightly pulverized in an agate mortar and fired again in an electric furnace at 1000° C. for 4 hours to obtain oxide Ga 0.150 Al 0.100 La 3.00 Zr as a precursor . 75 Ta 0.250 O 9.00 was synthesized.

この前駆体に所定比となるようにLiO(富士フィルム和光純薬製、99.9%)加え、めのう乳鉢を用いて乾式混合を行った後、Arをフローさせた管状電気炉で600℃、24時間焼成を行い、目的の固体電解質粉末を得た。 Li 2 O (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 99.9%) was added to this precursor at a predetermined ratio, and after dry-mixing using an agate mortar, the mixture was heated to 600 in a tubular electric furnace in which Ar was flowed. C. for 24 hours to obtain the desired solid electrolyte powder.

(スラリーの調製(第2工程))
まず、ポリビニルブチラール系バインダー(BM-S、積水化学工業製)、ジアミン(花王株式会社製)、アジピン酸ビス(2-エチルヘキシル)(富士フィルム和光純薬製、一級試薬)を上記にて作製した固体電解質粉末に対してそれぞれ6wt%、2wt%、1wt%となるように調整した。
(Preparation of slurry (second step))
First, a polyvinyl butyral binder (BM-S, manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd.), diamine (manufactured by Kao Corporation), and bis(2-ethylhexyl) adipate (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, first grade reagent) were prepared as described above. They were adjusted to 6 wt %, 2 wt %, and 1 wt % with respect to the solid electrolyte powder.

その後、これを、トルエン:ブタノールを85:15の体積比率で混合した溶媒に溶解させた。溶解を確認した後、固体電解質粉末を加え、YSZボール(ニッカトー製)ともに混練機(シンキー製、ARV-310LED)にて1000rpmにて撹拌を行い、分散させた。その後、YSZボールを取り除き、0.2kPaに減圧しながら撹拌を続け、スラリーを濃縮し、目的のスラリーを得た。 After that, this was dissolved in a solvent in which toluene:butanol was mixed at a volume ratio of 85:15. After confirming dissolution, the solid electrolyte powder was added and dispersed by stirring with a kneader (ARV-310LED, manufactured by Thinky) at 1000 rpm together with YSZ balls (manufactured by Nikkato). Thereafter, the YSZ balls were removed, and stirring was continued while the pressure was reduced to 0.2 kPa to concentrate the slurry and obtain the target slurry.

(グリーンシートの作製(第3工程))
上記にて得られたスラリーを用いて幅10cm、長さ30cmにドクターブレード法で成形した。ブレードギャップ400μm、成形速度1cm/secにて自動塗工機(テスター産業株式会社製、PI-1210型)によってPETフィルム上へ塗工を行った。
(Preparation of green sheet (third step))
Using the slurry obtained above, a 10 cm wide and 30 cm long piece was formed by a doctor blade method. Coating was performed on the PET film using an automatic coating machine (Model PI-1210 manufactured by Tester Sangyo Co., Ltd.) at a blade gap of 400 μm and a molding speed of 1 cm/sec.

(グリーンシートの焼成(第4工程))
グリーンシートの焼成には特定の焼成基材を用いた。焼成基材を作製するため、粉体から合成を行った。Li:La:Zr=7:3:2のモル比となるように炭酸リチウム(富士フィルム和光純薬製、試薬特級)、酸化ランタン(関東化学工業株式会社、特級試薬)、酸化ジルコニウム(関東化学工業株式会社、特級試薬)を秤量した。これらを混合した後、アルミナるつぼ(ニッカトー製、C5型)に充填し、電気炉にて850℃、3時間焼成を行った。得られた焼成物を簡単に粉砕した後、一軸加圧プレスを用いてペレット状にした後、電気炉にて1100℃、3時間焼成し、焼成基材を得た。前述のグリーンシートを一対の焼成基材の間に挟み、電気炉にて1100℃、4時間焼成を行い、目的の固体電解質膜を得た。固体電解質膜の厚さは70μmであった。
(Firing of green sheet (fourth step))
A specific firing substrate was used for firing the green sheet. In order to prepare a sintered base material, synthesis was performed from powder. Li: La: Zr = 7: 3: 2 molar ratio lithium carbonate (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical, reagent special grade), lanthanum oxide (Kanto Chemical Industry Co., Ltd., special grade reagent), zirconium oxide (Kanto Chemical Kogyo Co., Ltd., special grade reagent) was weighed. After mixing these, it was filled in an alumina crucible (manufactured by Nikkato Co., Ltd., C5 type) and fired in an electric furnace at 850° C. for 3 hours. The obtained fired product was simply pulverized, pelletized using a uniaxial pressure press, and fired in an electric furnace at 1100° C. for 3 hours to obtain a fired base material. The aforementioned green sheet was sandwiched between a pair of firing substrates and fired in an electric furnace at 1100° C. for 4 hours to obtain the desired solid electrolyte membrane. The thickness of the solid electrolyte membrane was 70 μm.

図1に実施例1で作製した固体電解質の粉末の走査型電子顕微鏡像(SEM像)を示す。図1から明らかなように、凝集によって数μmの二次粒子が観察されるが、サブミクロンオーダーの一次粒子径を有する固体電解質の粉末である。 FIG. 1 shows a scanning electron microscope image (SEM image) of the solid electrolyte powder produced in Example 1. As shown in FIG. As is clear from FIG. 1, although secondary particles of several μm are observed due to agglomeration, they are solid electrolyte powders having primary particle diameters on the order of submicrons.

図2に実施例1で作製した固体電解質膜の断面の走査型電子顕微鏡像(SEM像)を示す。図2から明らかなように、固体電解質膜が断面方向に単一粒子にて構成されていることがわかる。断面方向の固体電解質膜を構成する粒子の粒径はSEM像の観察により、測定した。粒子の粒子径は70μmであった。また、固体電解質膜の理論密度(5.30g・cm-1)に対する実施例1の固体電解質膜の質量と体積の実測値より求められる相対密度は91%であった。 FIG. 2 shows a scanning electron microscope image (SEM image) of a cross section of the solid electrolyte membrane produced in Example 1. As shown in FIG. As is clear from FIG. 2, the solid electrolyte membrane is composed of single particles in the cross-sectional direction. The particle size of the particles forming the solid electrolyte membrane in the cross-sectional direction was measured by observing the SEM image. The particle diameter of the particles was 70 μm. Further, the relative density obtained from the measured values of the mass and volume of the solid electrolyte membrane of Example 1 was 91% with respect to the theoretical density (5.30 g·cm −1 ) of the solid electrolyte membrane.

図3に実施例1で作製した固体電解質膜の断面のSEM画像(SEI)およびエネルギー分散型X線分光器(EDS)による元素マッピング分析((Al、Ga)及び(La、ZrとTa))の図を示す。図3から明らかなように、固体電解質膜のLiを除く各金属元素が偏析することなく粒子内に均一に分散していることがわかる。 FIG. 3 shows an SEM image (SEI) of the cross section of the solid electrolyte membrane prepared in Example 1 and elemental mapping analysis ((Al, Ga) and (La, Zr and Ta)) by an energy dispersive X-ray spectrometer (EDS). shows a diagram of As is clear from FIG. 3, each metal element other than Li in the solid electrolyte membrane is uniformly dispersed in the particles without segregation.

[比較例1]
(固体電解質粉末Li6.00Ga0.150Al0.100La3.00Zr1.75Ta0.25012.0の合成)
まず、Li:Ga:Al:La:Zr:Ta=6.00:0.150:0.100:3.00:1.75:0.250のモル比となるようにLi原料、Ga原料、Al原料、La原料、Zr原料、Ta原料を秤量し、混合した。
[Comparative Example 1]
( Synthesis of Solid Electrolyte Powder Li6.00Ga0.150Al0.100La3.00Zr1.75Ta0.250O12.0 )
First, Li raw material, Ga raw material, Al raw material, La raw material, Zr raw material, and Ta raw material were weighed and mixed.

各金属原料として、Ga(富士フィルム和光純薬製、99.9%)、Al(OH)(高純度化学製、99.9%)、LiCO(富士フィルム和光純薬製、99.9%)、La(富士フィルム和光純薬製、99.99%)、ZrO(高純度化学製、99.9%)、Ta(富士フィルム和光純薬製、99.9%)を使用した。 Ga 2 O 3 (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 99.9%), Al(OH) 3 (manufactured by Kojundo Chemical Co., Ltd., 99.9%), Li 2 CO 3 (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as each metal raw material 99.9%), La 2 O 3 (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical, 99.99%), ZrO 2 (manufactured by Kojundo Chemical, 99.9%), Ta 2 O 5 (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical 99.9%) was used.

これらの原料を遊星型ボールミル(フリッチュ製、P-7)にて直径5mmのYSZボール(ニッカトー製)とエタノールともに容器に入れ500rpmにて1時間混合した。 These raw materials were placed in a container together with YSZ balls (manufactured by Nikkato) having a diameter of 5 mm and ethanol in a planetary ball mill (manufactured by Fritsch, P-7) and mixed at 500 rpm for 1 hour.

この混合物をアルミナるつぼ(ニッカトー製、C5型)に充填し、電気炉で850℃にて3時間、焼成を行い、固体電解質粉末Li6.00Ga0.150Al0.100La3.00Zr1.75Ta0.25012.0を合成した。 This mixture was filled in an alumina crucible (manufactured by Nikkato, C5 type) and fired in an electric furnace at 850° C. for 3 hours to obtain solid electrolyte powder Li 6.00 Ga 0.150 Al 0.100 La 3.00 Zr. 1.75 Ta 0.250 O 12.0 was synthesized.

得られた固体電解質の粉末を遊星型ボールミル(フリッチュ製、P-7)にて直径5mmのYSZボール(ニッカトー製)とエタノールともに容器に入れふたたび、500rpmにて1時間混合した。 The obtained solid electrolyte powder was placed in a container together with YSZ balls (manufactured by Nikkato) having a diameter of 5 mm and ethanol in a planetary ball mill (manufactured by Fritsch, P-7) and mixed again at 500 rpm for 1 hour.

(スラリーの調製、グリーンシートの作製、グリーンシートの焼成)
実施例1と同様に、スラリーを作製した後、グリーンシートを作製した。その後、実施例1で使用した焼成基材の間にこのグリーンシートを挟み、電気炉にて1100℃、4時間焼成を行い、目的の固体電解質膜を得た。
(Preparation of slurry, preparation of green sheet, firing of green sheet)
After preparing the slurry in the same manner as in Example 1, a green sheet was prepared. Thereafter, this green sheet was sandwiched between the firing substrates used in Example 1 and fired in an electric furnace at 1100° C. for 4 hours to obtain the desired solid electrolyte membrane.

図4に比較例1で作製した固体電解質の粉末の走査型電子顕微鏡像(SEM像)を示す。図4から明らかなように、数μmの一次粒子径を有する固体電解質の粉末である。 FIG. 4 shows a scanning electron microscope image (SEM image) of the solid electrolyte powder produced in Comparative Example 1. As shown in FIG. As is clear from FIG. 4, it is a solid electrolyte powder having a primary particle size of several μm.

図5に比較例1で作製した固体電解質膜の断面の走査型電子顕微鏡像を示す。比較例1の固体電解質膜は粒径5μm以下であった。また、固体電解質膜の理論密度(5.30g・cm-1)に対する実施例1の固体電解質膜の質量と体積の実測値より求められる相対密度は73%であった。 FIG. 5 shows a scanning electron microscope image of a cross section of the solid electrolyte membrane produced in Comparative Example 1. As shown in FIG. The solid electrolyte membrane of Comparative Example 1 had a particle size of 5 μm or less. The relative density obtained from the measured values of the mass and volume of the solid electrolyte membrane of Example 1 was 73% with respect to the theoretical density (5.30 g·cm −1 ) of the solid electrolyte membrane.

図6に比較例1で作製した固体電解質膜の断面のSEM画像(SEI)およびエネルギー分散型X線分光器(EDS)による元素マッピング分析((Al、Ga)及び(La、ZrとTa))の図を示す。図6から明らかなように、固体電解質膜のAl、Gaが粒子界面の一部で局在化しているのが観察できる。また、ZrおよびTaは粒子内部で濃度に差が生じており、不均一に分散していることがわかる。 FIG. 6 shows an SEM image (SEI) of the cross section of the solid electrolyte membrane prepared in Comparative Example 1 and elemental mapping analysis ((Al, Ga) and (La, Zr and Ta)) by an energy dispersive X-ray spectrometer (EDS). shows a diagram of As is clear from FIG. 6, it can be observed that Al and Ga in the solid electrolyte membrane are localized at part of the particle interface. In addition, it can be seen that Zr and Ta have different concentrations inside the particles and are non-uniformly dispersed.

実施例1と比較例1の固体電解質膜のインピーダンスを電気化学測定システム(バイオロジック社製、SP-300-AH-2CH)により測定した。その測定結果を図7に示す。まずLiを含まない前駆体を作製した後にLiを含有させるプロセスで作製した実施例1と、はじめからLiを含む原料で作製した比較例1では、実施例1の固体電解質膜は断面方向に単一の粒子で構成されているため、粒界界面の抵抗が観察されなかった。しかし、比較例1の固体電解質膜は粒子界面の抵抗が大きくなる粒界が数多く観察される。 The impedance of the solid electrolyte membranes of Example 1 and Comparative Example 1 was measured by an electrochemical measurement system (manufactured by Biologic, SP-300-AH-2CH). The measurement results are shown in FIG. In Example 1, in which a Li-free precursor was first prepared and then Li was added, and in Comparative Example 1, in which a raw material containing Li was used from the beginning, the solid electrolyte membrane of Example 1 was formed as a single layer in the cross-sectional direction. Since it is composed of one grain, no grain boundary resistance was observed. However, in the solid electrolyte membrane of Comparative Example 1, many grain boundaries that increase the resistance of the grain interface are observed.

[実施例2]
(固体電解質粉末Li5.0Ga0.10Al0.10La3.0Zr0.60Ta1.412の合成)
実施例1と同様に、Ga:Al:La:Zr:Ta=0.10:0.10:3.0:0.60:1.4のモル比となるようにGa原料、Al原料、La原料、Zr原料、Ta原料を秤量し、これらの原料をエタノール中に溶解させ、スターラーで混合した。
[Example 2]
( Synthesis of Solid Electrolyte Powder Li5.0Ga0.10Al0.10La3.0Zr0.60Ta1.4O12 )
As in Example 1, Ga raw material, Al raw material, La A raw material, a Zr raw material, and a Ta raw material were weighed, dissolved in ethanol, and mixed with a stirrer.

各金属原料として、Ga(NO・nHO(高純度化学製、99.9%、このときnは8.5とした)、Al(NO・9HO(富士フィルム和光純薬製、99.9%)、La(NO・6HO(富士フィルム和光純薬製、99.9%)、ZrOCl・8HO(富士フィルム和光純薬製、99.0%)、TaCl(レアメタリック社製、99.9%)を使用した。また、キレート錯体配位子としてクエン酸(富士フィルム和光純薬製、98%)、キレート重合剤としてエチレングリコール(富士フィルム和光純薬製、99.5%)を使用した。 Ga(NO 3 ) 3.nH 2 O (manufactured by Kojundo Chemical Co., Ltd., 99.9%, at this time n was 8.5), Al(NO 3 ) 3.9H 2 O (Fuji Film Wako Pure Chemical, 99.9%), La(NO 3 ) 3.6H 2 O (Fuji Film Wako Pure Chemical, 99.9%), ZrOCl 2.8H 2 O (Fuji Film Wako Pure Chemical, 99 .0%) and TaCl 5 (manufactured by Rare Metallic, 99.9%) were used. In addition, citric acid (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 98%) was used as a chelate complex ligand, and ethylene glycol (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 99.5%) was used as a chelate polymerization agent.

これらの混合物を、徐々に温度を140℃程度まで上げながら4~5時間程度撹拌し、高分子化(ゲル化)させた。十分にゲル化が進行した段階で、電気炉にて350℃で仮焼成を行い、炭化させた。すなわち、C-C結合鎖またはC-H結合鎖を切った。 The mixture was stirred for about 4 to 5 hours while gradually raising the temperature to about 140° C. to polymerize (gelate). At the stage when gelation has sufficiently progressed, calcination was performed at 350° C. in an electric furnace to carbonize. That is, the C--C bond chain or the C--H bond chain was cut.

その後、メノウ乳鉢にて仮焼粉末を軽く粉砕し、再び電気炉で1000℃にて4時間、焼成を行い、前駆体となる酸化物Ga0.10Al0.10La3.0Zr0.6Ta1.49.5を合成した。 After that, the calcined powder was lightly pulverized in an agate mortar and fired again in an electric furnace at 1000° C. for 4 hours to obtain oxides Ga 0.10 Al 0.10 La 3.0 Zr 0.10 as a precursor . 6 Ta 1.4 O 9.5 was synthesized.

この前駆体に所定比となるようにLiO(富士フィルム和光純薬製、99.9%)加え、めのう乳鉢を用いて乾式混合を行った後、Arをフローさせた管状電気炉で600℃、24時間焼成を行い、目的の固体電解質粉末を得た。 Li 2 O (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 99.9%) was added to this precursor at a predetermined ratio, and after dry-mixing using an agate mortar, the mixture was heated to 600 in a tubular electric furnace in which Ar was flowed. C. for 24 hours to obtain the desired solid electrolyte powder.

(スラリーの調製、グリーンシートの作製、グリーンシートの焼成)
実施例1と同様に、スラリーを作製した後、グリーンシートを作製した。その後、実施例1で使用した焼成基材の間にこのグリーンシートを挟み、電気炉にて1100℃、4時間焼成を行い、目的の固体電解質膜を得た。
(Preparation of slurry, preparation of green sheet, firing of green sheet)
After preparing the slurry in the same manner as in Example 1, a green sheet was prepared. Thereafter, this green sheet was sandwiched between the firing substrates used in Example 1 and fired in an electric furnace at 1100° C. for 4 hours to obtain the desired solid electrolyte membrane.

図8に実施例2で作製した固体電解質膜の断面の走査型電子顕微鏡像(SEM像)を示す。図8から明らかなように、固体電解質膜が断面方向に単一粒子にて構成されていることがわかる。断面方向の固体電解質膜を構成する粒子の粒径はSEM像の観察により、測定した。粒子の粒子径は80.9μmであった。また、固体電解質膜の理論密度(6.16g・cm-1)に対する実施例2の固体電解質膜の質量と体積の実測値より求められる相対密度は93%であった。 FIG. 8 shows a scanning electron microscope image (SEM image) of a cross section of the solid electrolyte membrane produced in Example 2. As shown in FIG. As is clear from FIG. 8, the solid electrolyte membrane is composed of single particles in the cross-sectional direction. The particle size of the particles forming the solid electrolyte membrane in the cross-sectional direction was measured by observing the SEM image. The particle diameter of the particles was 80.9 μm. Also, the relative density obtained from the actual measurements of the mass and volume of the solid electrolyte membrane of Example 2 was 93% with respect to the theoretical density (6.16 g·cm −1 ) of the solid electrolyte membrane.

[比較例2]
(固体電解質粉末Li5.0Ga0.10Al0.10La3.0Zr0.60Ta1.412の合成)
比較例1と同様に、まず、Li:Ga:Al:La:Zr:Ta=5.0:0.10:0.10:3.00:0.60:1.4のモル比となるようにLi原料、Ga原料、Al原料、La原料、Zr原料、Ta原料を秤量し、混合した。
[Comparative Example 2]
( Synthesis of Solid Electrolyte Powder Li5.0Ga0.10Al0.10La3.0Zr0.60Ta1.4O12 )
As in Comparative Example 1, first, the molar ratio of Li: Ga: Al: La: Zr: Ta = 5.0: 0.10: 0.10: 3.00: 0.60: 1.4 Li raw material, Ga raw material, Al raw material, La raw material, Zr raw material and Ta raw material were weighed and mixed.

各金属原料として、Ga(富士フィルム和光純薬製、99.9%)、Al(OH)(高純度化学製、99.9%)、LiCO(富士フィルム和光純薬製、99.9%)、La(富士フィルム和光純薬製、99.99%)、ZrO(高純度化学製、99.9%)、Ta(富士フィルム和光純薬製、99.9%)を使用した。 Ga 2 O 3 (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 99.9%), Al(OH) 3 (manufactured by Kojundo Chemical Co., Ltd., 99.9%), Li 2 CO 3 (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as each metal raw material 99.9%), La 2 O 3 (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical, 99.99%), ZrO 2 (manufactured by Kojundo Chemical, 99.9%), Ta 2 O 5 (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical 99.9%) was used.

これらの原料を遊星型ボールミル(フリッチュ製、P-7)にて直径5mmのYSZボール(ニッカトー製)とエタノールともに容器に入れ500rpmにて1時間混合した。 These raw materials were placed in a container together with YSZ balls (manufactured by Nikkato) having a diameter of 5 mm and ethanol in a planetary ball mill (manufactured by Fritsch, P-7) and mixed at 500 rpm for 1 hour.

この混合物をアルミナるつぼ(ニッカトー製、C5型)に充填し、電気炉で850℃にて3時間、焼成を行い、固体電解質粉末Li5.0Ga0.10Al0.10La3.0Zr0.60Ta1.412を合成した。 This mixture was filled in an alumina crucible (manufactured by Nikkato, C5 type) and fired in an electric furnace at 850° C. for 3 hours to obtain solid electrolyte powder Li 5.0 Ga 0.10 Al 0.10 La 3.0 Zr. 0.60 Ta 1.4 O 12 was synthesized.

得られた固体電解質の粉末を遊星型ボールミル(フリッチュ製、P-7)にて直径5mmのYSZボール(ニッカトー製)とエタノールともに容器に入れふたたび、500rpmにて1時間混合した。 The obtained solid electrolyte powder was placed in a container together with YSZ balls (manufactured by Nikkato) having a diameter of 5 mm and ethanol in a planetary ball mill (manufactured by Fritsch, P-7) and mixed again at 500 rpm for 1 hour.

(スラリーの調製、グリーンシートの作製、グリーンシートの焼成)
比較例1と同様に、スラリーを作製した後、グリーンシートを作製した。その後、比較例1で使用した焼成基材の間にこのグリーンシートを挟み、電気炉にて1100℃、4時間焼成を行い、目的の固体電解質膜を得た。
(Preparation of slurry, preparation of green sheet, firing of green sheet)
After preparing the slurry in the same manner as in Comparative Example 1, a green sheet was prepared. Thereafter, this green sheet was sandwiched between the firing substrates used in Comparative Example 1, and fired in an electric furnace at 1100° C. for 4 hours to obtain the intended solid electrolyte membrane.

図9に比較例2で作製した固体電解質膜の断面の走査型電子顕微鏡像を示す。比較例2の固体電解質膜は粒径5μm以下であった。また、固体電解質膜の理論密度(6.16g・cm-1)に対する比較例2の固体電解質膜の質量と体積の実測値より求められる相対密度は74%であった。 FIG. 9 shows a scanning electron microscope image of a cross section of the solid electrolyte membrane produced in Comparative Example 2. As shown in FIG. The solid electrolyte membrane of Comparative Example 2 had a particle size of 5 μm or less. The relative density obtained from the measured values of the mass and volume of the solid electrolyte membrane of Comparative Example 2 was 74% with respect to the theoretical density (6.16 g·cm −1 ) of the solid electrolyte membrane.

実施例2と比較例2の固体電解質膜のインピーダンスを電気化学測定システム(バイオロジック社製、SP-300-AH-2CH)により測定した。その測定結果を図10に示す。まずLiを含まない前駆体を作製した後にLiを含有させるプロセスで作製した実施例2と、はじめからLiを含む原料で作製した比較例2では、実施例2の固体電解質膜は断面方向に単一の粒子で構成されているため、粒界界面の抵抗が観察されなかった。しかし、比較例2の固体電解質膜は粒子界面の抵抗が大きくなる粒界が数多く観察される。 The impedance of the solid electrolyte membranes of Example 2 and Comparative Example 2 was measured by an electrochemical measurement system (manufactured by Biologic, SP-300-AH-2CH). The measurement results are shown in FIG. In Example 2, in which a Li-free precursor was first prepared and then Li was added, and in Comparative Example 2, in which a raw material containing Li was used from the beginning, the solid electrolyte membrane of Example 2 was formed in a single plane in the cross-sectional direction. Since it is composed of one grain, no grain boundary resistance was observed. However, in the solid electrolyte membrane of Comparative Example 2, many grain boundaries that increase the resistance of the grain interface are observed.

[実施例3]
(固体電解質粉末Li6.8La3.0Zr1.8Ta0.212の合成)
実施例1と同様に、La:Zr:Ta=3.0:1.8:0.2のモル比となるようにLa原料、Zr原料、Ta原料を秤量し、これらの原料をエタノール中に溶解させ、スターラーで混合した。
[Example 3]
( Synthesis of solid electrolyte powder Li6.8La3.0Zr1.8Ta0.2O12 )
In the same manner as in Example 1, the La raw material, the Zr raw material, and the Ta raw material were weighed so that the molar ratio of La:Zr:Ta=3.0:1.8:0.2, and these raw materials were added to ethanol. Allow to dissolve and mix with a stirrer.

各金属原料として、La(NO・6HO(富士フィルム和光純薬製、99.9%)、ZrOCl・8HO(富士フィルム和光純薬製、99.0%)、TaCl(レアメタリック社製、99.9%)を使用した。また、キレート錯体配位子としてクエン酸(富士フィルム和光純薬製、98%)、キレート重合剤としてエチレングリコール(富士フィルム和光純薬製、99.5%)を使用した。 La(NO 3 ) 3.6H 2 O (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 99.9%), ZrOCl 2.8H 2 O (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 99.0%), TaCl 5 (manufactured by Rare Metallic, 99.9%) was used. In addition, citric acid (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 98%) was used as a chelate complex ligand, and ethylene glycol (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 99.5%) was used as a chelate polymerization agent.

これらの混合物を、徐々に温度を140℃程度まで上げながら4~5時間程度撹拌し、高分子化(ゲル化)させた。十分にゲル化が進行した段階で、電気炉にて350℃で仮焼成を行い、炭化させた。すなわち、C-C結合鎖またはC-H結合鎖を切った。 The mixture was stirred for about 4 to 5 hours while gradually raising the temperature to about 140° C. to polymerize (gelate). At the stage when gelation has sufficiently progressed, calcination was performed at 350° C. in an electric furnace to carbonize. That is, the C--C bond chain or the C--H bond chain was cut.

その後、メノウ乳鉢にて仮焼粉末を軽く粉砕し、再び電気炉で1000℃にて4時間、焼成を行い、前駆体となる酸化物La3.0Zr1.8Ta0.28.6を合成した。 After that, the calcined powder was lightly pulverized in an agate mortar, and fired again in an electric furnace at 1000° C. for 4 hours to obtain oxides La 3.0 Zr 1.8 Ta 0.2 O 8 . 6 was synthesized.

この前駆体に所定比となるようにLiO(富士フィルム和光純薬製、99.9%)加え、めのう乳鉢を用いて乾式混合を行った後、Arをフローさせた管状電気炉で600℃、24時間焼成を行い、目的の固体電解質粉末を得た。 Li 2 O (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 99.9%) was added to this precursor at a predetermined ratio, and after dry-mixing using an agate mortar, the mixture was heated to 600 in a tubular electric furnace in which Ar was flowed. C. for 24 hours to obtain the desired solid electrolyte powder.

(スラリーの調製、グリーンシートの作製、グリーンシートの焼成)
実施例1と同様に、スラリーを作製した後、グリーンシートを作製した。その後、実施例1で使用した焼成基材の間にこのグリーンシートを挟み、電気炉にて1100℃、4時間焼成を行い、目的の固体電解質膜を得た。
(Preparation of slurry, preparation of green sheet, firing of green sheet)
After preparing the slurry in the same manner as in Example 1, a green sheet was prepared. Thereafter, this green sheet was sandwiched between the firing substrates used in Example 1 and fired in an electric furnace at 1100° C. for 4 hours to obtain the desired solid electrolyte membrane.

図11に実施例3で作製した固体電解質膜の断面の走査型電子顕微鏡像(SEM像)を示す。図11から明らかなように、固体電解質膜が断面方向に単一粒子にて構成されていることがわかる。断面方向の固体電解質膜を構成する粒子の粒径はSEM像の観察により、測定した。粒子の粒子径は50.2μmであった。また、固体電解質膜の理論密度(5.23g・cm-1)に対する実施例3の固体電解質膜の質量と体積の実測値より求められる相対密度は90%であった。 FIG. 11 shows a scanning electron microscope image (SEM image) of a cross section of the solid electrolyte membrane produced in Example 3. As shown in FIG. As is clear from FIG. 11, the solid electrolyte membrane is composed of single particles in the cross-sectional direction. The particle size of the particles forming the solid electrolyte membrane in the cross-sectional direction was measured by observing the SEM image. The particle diameter of the particles was 50.2 μm. The relative density obtained from the measured values of the mass and volume of the solid electrolyte membrane of Example 3 was 90% with respect to the theoretical density (5.23 g·cm −1 ) of the solid electrolyte membrane.

[比較例3]
(固体電解質粉末Li6.8La3.0Zr1.8Ta0.212の合成)
比較例1と同様に、まず、Li:La:Zr:Ta=6.8:3.0:1.8:0.2のモル比となるようにLi原料、La原料、Zr原料、Ta原料を秤量し、混合した。
[Comparative Example 3]
( Synthesis of solid electrolyte powder Li6.8La3.0Zr1.8Ta0.2O12 )
As in Comparative Example 1, first, Li raw material, La raw material, Zr raw material, and Ta raw material were used so that the molar ratio of Li:La:Zr:Ta=6.8:3.0:1.8:0.2 was obtained. was weighed and mixed.

各金属原料として、LiCO(富士フィルム和光純薬製、99.9%)、La(富士フィルム和光純薬製、99.99%)、ZrO(高純度化学製、99.9%)、Ta(富士フィルム和光純薬製、99.9%)を使用した。 Li 2 CO 3 (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 99.9%), La 2 O 3 (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 99.99%), ZrO 2 (manufactured by Kojundo Chemical Co., Ltd., 99%) as each metal raw material .9%) and Ta 2 O 5 (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 99.9%).

これらの原料を遊星型ボールミル(フリッチュ製、P-7)にて直径5mmのYSZボール(ニッカトー製)とエタノールともに容器に入れ500rpmにて1時間混合した。 These raw materials were placed in a container together with YSZ balls (manufactured by Nikkato) having a diameter of 5 mm and ethanol in a planetary ball mill (manufactured by Fritsch, P-7) and mixed at 500 rpm for 1 hour.

この混合物をアルミナるつぼ(ニッカトー製、C5型)に充填し、電気炉で850℃にて3時間、焼成を行い、固体電解質粉末Li6.8La3.0Zr1.8Ta0.212を合成した。 This mixture was filled in an alumina crucible (manufactured by Nikkato Co., Ltd., C5 type) and fired in an electric furnace at 850 ° C. for 3 hours to obtain a solid electrolyte powder Li 6.8 La 3.0 Zr 1.8 Ta 0.2 O 12 was synthesized.

得られた固体電解質の粉末を遊星型ボールミル(フリッチュ製、P-7)にて直径5mmのYSZボール(ニッカトー製)とエタノールともに容器に入れふたたび、500rpmにて1時間混合した。 The obtained solid electrolyte powder was placed in a container together with YSZ balls (manufactured by Nikkato) having a diameter of 5 mm and ethanol in a planetary ball mill (manufactured by Fritsch, P-7) and mixed again at 500 rpm for 1 hour.

(スラリーの調製、グリーンシートの作製、グリーンシートの焼成)
実施例1と同様に、スラリーを作製した後、グリーンシートを作製した。その後、実施例1で使用した焼成基材の間にこのグリーンシートを挟み、電気炉にて1100℃、4時間焼成を行い、目的の固体電解質膜を得た。
(Preparation of slurry, preparation of green sheet, firing of green sheet)
After preparing the slurry in the same manner as in Example 1, a green sheet was prepared. Thereafter, this green sheet was sandwiched between the firing substrates used in Example 1 and fired in an electric furnace at 1100° C. for 4 hours to obtain the desired solid electrolyte membrane.

図12に比較例3で作製した固体電解質膜の断面の走査型電子顕微鏡像を示す。比較例3の固体電解質膜は粒径5μm以下であった。また、固体電解質膜の理論密度(5.23g・cm-1)に対する比較例3の固体電解質膜の質量と体積の実測値より求められる相対密度は68%であった。 FIG. 12 shows a scanning electron microscope image of a cross section of the solid electrolyte membrane produced in Comparative Example 3. As shown in FIG. The solid electrolyte membrane of Comparative Example 3 had a particle size of 5 μm or less. The relative density obtained from the measured values of the mass and volume of the solid electrolyte membrane of Comparative Example 3 was 68% with respect to the theoretical density (5.23 g·cm −1 ) of the solid electrolyte membrane.

実施例3と比較例3の固体電解質膜のインピーダンスを電気化学測定システム(バイオロジック社製、SP-300-AH-2CH)により測定した。その測定結果を図13に示す。まずLiを含まない前駆体を作製した後にLiを含有させるプロセスで作製した実施例1と、はじめからLiを含む原料で作製した比較例3では、実施例3の固体電解質膜は断面方向に単一の粒子で構成されているため、粒界界面の抵抗が観察されなかった。しかし、比較例3の固体電解質膜は粒子界面の抵抗が大きくなる粒界が数多く観察される。 The impedance of the solid electrolyte membranes of Example 3 and Comparative Example 3 was measured by an electrochemical measurement system (manufactured by Biologic, SP-300-AH-2CH). The measurement results are shown in FIG. In Example 1, in which a Li-free precursor was first prepared and then Li was added, and in Comparative Example 3, in which a raw material containing Li was used from the beginning, the solid electrolyte membrane of Example 3 was formed in a single plane in the cross-sectional direction. Since it is composed of one grain, no grain boundary resistance was observed. However, in the solid electrolyte membrane of Comparative Example 3, many grain boundaries that increase the resistance of the grain interface are observed.

[実施例4]
(固体電解質粉末Li6.9Mg0.10Ca0.10Sr0.10Ba0.10La2.6Zr1.50Nb0.512の合成)
実施例1と同様に、Mg:Ca:Sr:Ba:La:Zr:Nb=0.10:0.10:0.10:0.10:2.6:1.5:0.5のモル比となるようにMg原料、Ca原料、Sr原料、Ba原料、La原料、Zr原料、Nb原料を秤量し、これらの原料をエタノール中に溶解させ、スターラーで混合した。
[Example 4]
( Synthesis of Solid Electrolyte Powder Li6.9Mg0.10Ca0.10Sr0.10Ba0.10La2.6Zr1.50Nb0.5O12 ) _
As in Example 1, Mg:Ca:Sr:Ba:La:Zr:Nb = 0.10:0.10:0.10:0.10:2.6:1.5:0.5 moles Mg raw material, Ca raw material, Sr raw material, Ba raw material, La raw material, Zr raw material, and Nb raw material were weighed so as to have the same ratio, and these raw materials were dissolved in ethanol and mixed with a stirrer.

各金属原料として、Mg(NO・6HO(富士フィルム和光純薬製、99.5%)、Ca(NO・4HO(富士フィルム和光純薬製、99.9%)、Sr(NO(富士フィルム和光純薬製、試薬特級)、Ba(NO(富士フィルム和光純薬製、99.9%)、La(NO・6HO(富士フィルム和光純薬製、99.9%)、ZrOCl・8HO(富士フィルム和光純薬製、99.0%)、NbCl(富士フィルム和光純薬製、95.0%)を使用した。また、キレート錯体配位子としてクエン酸(富士フィルム和光純薬製、98%)、キレート重合剤としてエチレングリコール(富士フィルム和光純薬製、99.5%)を使用した。 As each metal raw material, Mg(NO 3 ) 2.6H 2 O (manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical, 99.5%), Ca(NO 3 ) 2.4H 2 O ( manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical, 99.9 %), Sr(NO 3 ) 2 (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, reagent special grade), Ba(NO 3 ) 2 (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, 99.9%), La(NO 3 ) 3 6H 2 O (manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical, 99.9%), ZrOCl 2 8H 2 O (manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical, 99.0%), NbCl 5 (manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical, 95.0%) It was used. In addition, citric acid (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 98%) was used as a chelate complex ligand, and ethylene glycol (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 99.5%) was used as a chelate polymerization agent.

これらの混合物を、徐々に温度を140℃程度まで上げながら4~5時間程度撹拌し、高分子化(ゲル化)させた。十分にゲル化が進行した段階で、電気炉にて350℃で仮焼成を行い、炭化させた。すなわち、C-C結合鎖またはC-H結合鎖を切った。 The mixture was stirred for about 4 to 5 hours while gradually raising the temperature to about 140° C. to polymerize (gelate). At the stage when gelation has sufficiently progressed, calcination was performed at 350° C. in an electric furnace to carbonize. That is, the C--C bond chain or the C--H bond chain was cut.

その後、メノウ乳鉢にて仮焼粉末を軽く粉砕し、再び電気炉で1000℃にて4時間、焼成を行い、前駆体となる酸化物Mg0.10Ca0.10Sr0.10Ba0.10La2.6Zr1.50Nb0.58.55を合成した。 After that, the calcined powder was lightly pulverized in an agate mortar and fired again in an electric furnace at 1000° C. for 4 hours to obtain the precursor oxide Mg 0.10 Ca 0.10 Sr 0.10 Ba 0.10 . 10La2.6Zr1.50Nb0.5O8.55 was synthesized . _

この前駆体に所定比となるようにLiO(富士フィルム和光純薬製、99.9%)加え、めのう乳鉢を用いて乾式混合を行った後、Arをフローさせた管状電気炉で600℃、24時間焼成を行い、目的の固体電解質粉末を得た。 Li 2 O (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 99.9%) was added to this precursor at a predetermined ratio, and after dry-mixing using an agate mortar, the mixture was heated to 600 in a tubular electric furnace in which Ar was flowed. C. for 24 hours to obtain the desired solid electrolyte powder.

(スラリーの調製、グリーンシートの作製、グリーンシートの焼成)
実施例1と同様に、スラリーを作製した後、グリーンシートを作製した。その後、実施例1で使用した焼成基材の間にこのグリーンシートを挟み、電気炉にて1100℃、4時間焼成を行い、目的の固体電解質膜を得た。
(Preparation of slurry, preparation of green sheet, firing of green sheet)
After preparing the slurry in the same manner as in Example 1, a green sheet was prepared. Thereafter, this green sheet was sandwiched between the firing substrates used in Example 1 and fired in an electric furnace at 1100° C. for 4 hours to obtain the desired solid electrolyte membrane.

図14に実施例4で作製した固体電解質膜の断面の走査型電子顕微鏡像(SEM像)を示す。図14から明らかなように、固体電解質膜が断面方向に単一粒子にて構成されていることがわかる。断面方向の固体電解質膜を構成する粒子の粒径はSEM像の観察により、測定した。粒子の粒子径は54.7μmであった。また、固体電解質膜の理論密度(5.80g・cm-1)に対する実施例4の固体電解質膜の質量と体積の実測値より求められる相対密度は90%であった。 FIG. 14 shows a scanning electron microscope image (SEM image) of a cross section of the solid electrolyte membrane produced in Example 4. As shown in FIG. As is clear from FIG. 14, the solid electrolyte membrane is composed of single particles in the cross-sectional direction. The particle size of the particles forming the solid electrolyte membrane in the cross-sectional direction was measured by observing the SEM image. The particle diameter of the particles was 54.7 μm. Further, the relative density obtained from the measured values of the mass and volume of the solid electrolyte membrane of Example 4 with respect to the theoretical density (5.80 g·cm −1 ) of the solid electrolyte membrane was 90%.

[比較例4]
(固体電解質粉末Li6.9Mg0.10Ca0.10Sr0.10Ba0.10La2.6Zr1.50Nb0.512の合成)
比較例1と同様に、まず、Li:Mg:Ca:Sr:Ba:La:Zr:Nb=6.9:0.10:0.10:0.10:0.10:2.6:1.5:0.5のモル比となるようにLi原料、Mg原料、Ca原料、Sr原料、Ba原料、La原料、Zr原料、Nb原料を秤量し、混合した。
[Comparative Example 4]
( Synthesis of Solid Electrolyte Powder Li6.9Mg0.10Ca0.10Sr0.10Ba0.10La2.6Zr1.50Nb0.5O12 ) _
As in Comparative Example 1, Li:Mg:Ca:Sr:Ba:La:Zr:Nb=6.9:0.10:0.10:0.10:0.10:2.6:1 Li raw material, Mg raw material, Ca raw material, Sr raw material, Ba raw material, La raw material, Zr raw material, and Nb raw material were weighed and mixed so as to have a molar ratio of 5:0.5.

各金属原料として、MgO(富士フィルム和光純薬製、99.9%)、CaCO(富士フィルム和光純薬製、99.95%)、SrCO(富士フィルム和光純薬製、99.9%)、BaCO(富士フィルム和光純薬製、99%)、LiCO(富士フィルム和光純薬製、99.9%)、La(富士フィルム和光純薬製、99.99%)、ZrO(高純度化学製、99.9%)、Nb(富士フィルム和光純薬製、99.9%)を使用した。 As each metal raw material, MgO (manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical, 99.9%), CaCO 3 (manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical, 99.95%), SrCO 3 (manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical, 99.9% ), BaCO 3 (manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical, 99%), Li 2 CO 3 (manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical, 99.9%), La 2 O 3 (manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical, 99.99% ), ZrO 2 (manufactured by Kojundo Chemical Co., Ltd., 99.9%), and Nb 2 O 5 (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 99.9%).

これらの原料を遊星型ボールミル(フリッチュ製、P-7)にて直径5mmのYSZボール(ニッカトー製)とエタノールともに容器に入れ500rpmにて1時間混合した。 These raw materials were placed in a container together with YSZ balls (manufactured by Nikkato) having a diameter of 5 mm and ethanol in a planetary ball mill (manufactured by Fritsch, P-7) and mixed at 500 rpm for 1 hour.

この混合物をアルミナるつぼ(ニッカトー製、C5型)に充填し、電気炉で850℃にて3時間、焼成を行い、固体電解質粉末Li6.9Mg0.10Ca0.10Sr0.10Ba0.10La2.6Zr1.50Nb0.512を合成した。 This mixture was filled in an alumina crucible (manufactured by Nikkato, C5 type) and fired in an electric furnace at 850° C. for 3 hours to obtain solid electrolyte powder Li 6.9 Mg 0.10 Ca 0.10 Sr 0.10 Ba. 0.10La2.6Zr1.50Nb0.5O12 was synthesized . _

得られた固体電解質の粉末を遊星型ボールミル(フリッチュ製、P-7)にて直径5mmのYSZボール(ニッカトー製)とエタノールともに容器に入れふたたび、500rpmにて1時間混合した。 The obtained solid electrolyte powder was placed in a container together with YSZ balls (manufactured by Nikkato) having a diameter of 5 mm and ethanol in a planetary ball mill (manufactured by Fritsch, P-7) and mixed again at 500 rpm for 1 hour.

(スラリーの調製、グリーンシートの作製、グリーンシートの焼成)
比較例1と同様に、スラリーを作製した後、グリーンシートを作製した。その後、比較例1で使用した焼成基材の間にこのグリーンシートを挟み、電気炉にて1100℃、4時間焼成を行い、目的の固体電解質膜を得た。
(Preparation of slurry, preparation of green sheet, firing of green sheet)
After preparing the slurry in the same manner as in Comparative Example 1, a green sheet was prepared. Thereafter, this green sheet was sandwiched between the firing substrates used in Comparative Example 1, and fired in an electric furnace at 1100° C. for 4 hours to obtain the intended solid electrolyte membrane.

図15に比較例4で作製した固体電解質膜の断面の走査型電子顕微鏡像を示す。比較例4の固体電解質膜は粒径5μm以下であった。また、固体電解質膜の理論密度(5.80g・cm-1)に対する比較例4の固体電解質膜の質量と体積の実測値より求められる相対密度は72%であった。 FIG. 15 shows a scanning electron microscope image of a cross section of the solid electrolyte membrane produced in Comparative Example 4. As shown in FIG. The solid electrolyte membrane of Comparative Example 4 had a particle size of 5 μm or less. The relative density obtained from the measured values of the mass and volume of the solid electrolyte membrane of Comparative Example 4 was 72% with respect to the theoretical density (5.80 g·cm −1 ) of the solid electrolyte membrane.

実施例4と比較例4の固体電解質膜のインピーダンスを電気化学測定システム(バイオロジック社製、SP-300-AH-2CH)により測定した。その測定結果を図16に示す。まずLiを含まない前駆体を作製した後にLiを含有させるプロセスで作製した実施例4と、はじめからLiを含む原料で作製した比較例4では、実施例4の固体電解質膜は断面方向に単一の粒子で構成されているため、粒界界面の抵抗が観察されなかった。しかし、比較例4の固体電解質膜は粒子界面の抵抗が大きくなる粒界が数多く観察される。 The impedance of the solid electrolyte membranes of Example 4 and Comparative Example 4 was measured by an electrochemical measurement system (manufactured by Biologic, SP-300-AH-2CH). The measurement results are shown in FIG. In Example 4, in which a Li-free precursor was first prepared and then Li was added, and in Comparative Example 4, in which a raw material containing Li was used from the beginning, the solid electrolyte membrane of Example 4 was formed in a single plane in the cross-sectional direction. Since it is composed of one grain, no grain boundary resistance was observed. However, in the solid electrolyte membrane of Comparative Example 4, many grain boundaries that increase the resistance of the grain interface are observed.

Claims (5)

ガーネット型構造を示すLi (5.0≦a≦8.0、2.5≦b≦3.5、1.0≦c≦2.5、10≦d≦14、MはAl、Ga、La、Y、Pr、Mg、Ca、SrまたはBaから選択される一種以上の元素、MはZr、Hf、TaまたはNbから選択される一種以上の元素)の組成であって、30~250μmの粒子径を有する粒子にて構成されていることを特徴とするリチウム含有ガーネット結晶体からなる固体電解質膜。 Li a M 1 b M 2 c O d (5.0≦a≦8.0, 2.5≦b≦3.5, 1.0≦c≦2.5, 10≦d≦ 14, M1 is one or more elements selected from Al, Ga, La, Y, Pr, Mg, Ca, Sr or Ba, M2 is one or more elements selected from Zr, Hf, Ta or Nb) and having a particle diameter of 30 to 250 μm. 前記組成が、Li6.00Ga0.150Al0.100La3.00Zr1.75Ta0.25012.0であることを特徴とする請求項1に記載のリチウム含有ガーネット結晶体からなる固体電解質膜。 The lithium-containing garnet crystal according to claim 1 , wherein the composition is Li6.00Ga0.150Al0.100La3.00Zr1.75Ta0.250O12.0 . A solid electrolyte membrane comprising: 以下の工程:
ガーネット型構造を示すLi (5.0≦a≦8.0、2.5≦b≦3.5、1.0≦c≦2.5、10≦d≦14、MはAl、Ga、La、Y、Pr、Mg、Ca、SrまたはBaから選択される一種以上の元素、MはZr、Hf、TaまたはNbから選択される一種以上の元素)の組成の固体電解質を合成した後、粉砕して微粒子電解質粉末を作製する第1工程、
得られた微粒子電解質粉末を溶媒に溶解させてスラリーとする第2工程、
該スラリーを基材上に塗工してグリーンシートを作製する第3工程、および、
得られたグリーンシートを一対の焼成基材の間に挟み、焼成することにより30~250μmの粒子径を有する粒子にて構成されている固体電解質膜を作製する第4工程
を含み、
前記第1工程は、Li原料を除く金属原料を含む前駆体酸化物を合成する工程と、前記前駆体酸化物にLi原料を加えて焼成して前記固体電解質を合成する工程とを含む
ことを特徴とするリチウム含有ガーネット結晶体からなる固体電解質膜の製造方法。
The following steps:
Li a M 1 b M 2 c O d (5.0≦a≦8.0, 2.5≦b≦3.5, 1.0≦c≦2.5, 10≦d≦ 14, M1 is one or more elements selected from Al, Ga, La, Y, Pr, Mg, Ca, Sr or Ba, M2 is one or more elements selected from Zr, Hf, Ta or Nb) A first step of synthesizing a solid electrolyte having the composition of and then pulverizing it to prepare a fine particle electrolyte powder,
a second step of dissolving the obtained particulate electrolyte powder in a solvent to form a slurry;
A third step of coating the slurry on a substrate to produce a green sheet, and
A fourth step of sandwiching the obtained green sheet between a pair of firing substrates and firing to produce a solid electrolyte membrane composed of particles having a particle diameter of 30 to 250 μm,
The first step includes a step of synthesizing a precursor oxide containing a metal raw material excluding the Li raw material, and a step of adding a Li raw material to the precursor oxide and sintering it to synthesize the solid electrolyte. A method for producing a solid electrolyte membrane comprising lithium-containing garnet crystals.
前記組成が、Li6.00Ga0.150Al0.100La3.00Zr1.75Ta0.25012.0であることを特徴とする請求項3に記載のリチウム含有ガーネット結晶体からなる固体電解質膜の製造方法。 The lithium-containing garnet crystal according to claim 3 , wherein the composition is Li6.00Ga0.150Al0.100La3.00Zr1.75Ta0.250O12.0 . A method for producing a solid electrolyte membrane comprising: 請求項1または2に記載の固体電解質膜をセパレータとして用い、その両面に正極および負極を設けてなるリチウムイオン二次電池。 A lithium ion secondary battery comprising the solid electrolyte membrane according to claim 1 or 2 as a separator, and a positive electrode and a negative electrode provided on both sides of the separator.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4365148A1 (en) * 2022-11-01 2024-05-08 Samsung Electronics Co., Ltd. Low-cost multi-cationic li-garnet as a solid-state ionic conductor for lithium batteries

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP4365148A1 (en) * 2022-11-01 2024-05-08 Samsung Electronics Co., Ltd. Low-cost multi-cationic li-garnet as a solid-state ionic conductor for lithium batteries

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