JP2024058258A - Ion conductor, ion conductive sintered body, precursor solution, precursor powder, and methods for producing the same - Google Patents

Ion conductor, ion conductive sintered body, precursor solution, precursor powder, and methods for producing the same Download PDF

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順二 秋本
邦光 片岡
陸人 藤田
かおり 杉井
幸治 田上
英史 藤田
大介 阿部
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Abstract

【課題】β-Li3PO4型の結晶構造を基本とする酸化物において、リチウムイオン伝導性を改善したイオン伝導体を提供する。【解決手段】Li、Si、Pを結晶格子中に含むβ-Li3PO4型構造の結晶相を主相に持ち、Si/(Si+P)原子比が0.05以上0.40以下である、イオン伝導体。このイオン伝導体は、水系溶媒中で、Li、Si、P組成比が所定範囲に調整された水溶性リチウム化合物、ケイ素アルコキシド、および水溶性リン化合物を混合して得られるコロイド溶液に由来する前駆体を、例えば150~550℃で焼成することによって得ることができる。【選択図】図1[Problem] To provide an ionic conductor having improved lithium ion conductivity in an oxide based on a β-Li3PO4 type crystal structure. [Solution] An ionic conductor having a β-Li3PO4 type structure crystal phase containing Li, Si, and P in the crystal lattice as the main phase, with a Si/(Si+P) atomic ratio of 0.05 to 0.40. This ionic conductor can be obtained by baking a precursor derived from a colloidal solution obtained by mixing a water-soluble lithium compound, a silicon alkoxide, and a water-soluble phosphorus compound in an aqueous solvent, the Li, Si, and P composition ratios of which are adjusted to a predetermined range, at a temperature of, for example, 150 to 550°C. [Selected Figure] Figure 1

Description

本発明は、リチウムイオン伝導性を示す酸化物系のイオン伝導体、イオン伝導性焼結体に関する。また、上記イオン伝導体、イオン伝導性焼結体の合成に適した前駆体溶液、前駆体粉体に関する。また、それらの製造方法に関する。 The present invention relates to an oxide-based ion conductor and an ion conductive sintered body that exhibit lithium ion conductivity. It also relates to a precursor solution and precursor powder suitable for synthesizing the ion conductor and the ion conductive sintered body. It also relates to a method for producing them.

全固体リチウムイオン二次電池への適用が検討されている酸化物系のイオン伝導物質の1つとして、γ-LiPO型の結晶構造を持つLISICONと呼ばれる酸化物が挙げられる。γ-LiPO自体のイオン伝導性は低いが、γ-LiPO型の結晶構造中に例えばLiSiOを固溶させた、一般式γ-Li3+xSi1-x(ここで0<x<1)で表されるタイプの酸化物とすることにより、リチウムイオン伝導性が向上することが知られている(例えば非特許文献1)。 One of the oxide-based ion-conductive materials being considered for application to all-solid-state lithium-ion secondary batteries is an oxide called LISICON, which has a γ-Li 3 PO 4 type crystal structure. Although the ionic conductivity of γ-Li 3 PO 4 itself is low, it is known that the lithium ion conductivity can be improved by forming an oxide of the type represented by the general formula γ-Li 3 +x Si x P 1-x O 4 (where 0<x<1), in which Li 4 SiO 4 is dissolved in the γ-Li 3 PO 4 type crystal structure (for example, Non-Patent Document 1).

特許文献1には、Si源としてSiOを用い、170℃、1.0MPaの水熱反応により前駆体混合物を合成し、その前駆体混合物の乾燥物を700℃で焼成することにより、Li3.5Si0.50.5単相(実施例1)、Li3.9Si0.90.1単相(実施例2)、およびLi3.1Si0.10.9単相(実施例3)のLISICON型結晶粒子を得たことが記載されている(実施例1)。これらの粒子を固体電解質層に用いてハンドプレスにより成形した全固体リチウムイオン二次電池(負極はリチウム箔)において、放電容量が測定されている(段落0059、0060)。 Patent Document 1 describes that a precursor mixture was synthesized by hydrothermal reaction at 170° C. and 1.0 MPa using SiO 2 as a Si source, and the dried precursor mixture was fired at 700° C. to obtain LISICON-type crystal particles of Li 3.5 Si 0.5 P 0.5 O 4 single phase (Example 1), Li 3.9 Si 0.9 P 0.1 O 4 single phase (Example 2), and Li 3.1 Si 0.1 P 0.9 O 4 single phase (Example 3) (Example 1). The discharge capacity was measured for an all-solid-state lithium ion secondary battery (negative electrode is lithium foil) molded by hand pressing using these particles as a solid electrolyte layer (paragraphs 0059 and 0060).

一方、LiPO酸化物には、高温相であるγ-LiPOの他に、低温相であるβ-LiPOがあることが知られている。
非特許文献2には、40℃での湿式反応で合成したβ-LiPOと、リチウム化合物、リン化合物を含む775℃の混合融体を急冷する乾式法で合成したγ-LiPOとについて、X線回折により結晶構造解析を行ったことが記載されている。イオン伝導性については、γ-LiPOの方がβ-LiPOより高いという。
非特許文献3には、室温での湿式反応で合成したβ-LiPOを種々の温度に加熱することによって、γ-LiPOへの相転移を調べた実験が記載されている。それによると、上記の相転移は概ね450℃付近で起こり、Cu-Kα線によるX線回折パターンの特徴点として、γ-LiPO相では2θ=20度付近に回折ピーク(Fig.7の矢印)が観測されることが指摘されている。また、β-LiPOからγ-LiPOへの相転移は連続的な構造変化として起こることが示されている(Fig.8)。
On the other hand, it is known that Li 3 PO 4 oxide exists not only in the high-temperature phase γ-Li 3 PO 4 but also in the low-temperature phase β-Li 3 PO 4 .
Non-Patent Document 2 describes that crystal structure analysis was performed by X-ray diffraction on β-Li 3 PO 4 synthesized by a wet reaction at 40° C. and γ-Li 3 PO 4 synthesized by a dry method in which a mixed melt containing a lithium compound and a phosphorus compound at 775° C. was quenched. It is said that γ-Li 3 PO 4 has higher ionic conductivity than β-Li 3 PO 4 .
Non-Patent Document 3 describes an experiment in which β-Li 3 PO 4 synthesized by a wet reaction at room temperature was heated to various temperatures to investigate the phase transition to γ-Li 3 PO 4. According to the experiment, the above phase transition occurs at approximately 450°C, and it is pointed out that a diffraction peak (arrow in Fig. 7) is observed near 2θ = 20 degrees as a characteristic point of the X-ray diffraction pattern using Cu-Kα radiation in the γ-Li 3 PO 4 phase. It is also shown that the phase transition from β-Li 3 PO 4 to γ-Li 3 PO 4 occurs as a continuous structural change (Fig. 8).

特開2020-102374号公報JP 2020-102374 A

Yue Deng, et al. Structural and Mechanistic Insights into Fast Lithium-Ion Conduction in Li4SiO4-Li3PO4 Solid Electrolytes. Journal of the American Chemical Society 2015, 137, 9136-9145.Yue Deng, et al. Structural and Mechanistic Insights into Fast Lithium-Ion Conduction in Li4SiO4-Li3PO4 Solid Electrolytes. Journal of the American Chemical Society 2015, 137, 9136-9145. Nur I. P. Ayu, et al. Crystal structure analysis of Li3PO4 powder prepared by wet chemical reaction and solid-state reaction by using X-ray diffraction (XRD). Ionics, DOI 10.1007/s11581-016-1643-z, published online: 25 January 2016.Nur I. P. Ayu, et al. Crystal structure analysis of Li3PO4 powder prepared by wet chemical reaction and solid-state reaction by using X-ray diffraction (XRD). Ionics, DOI 10.1007/s11581-016-1643-z, published online: 25 January 2016. Norikazu Ishigaki, et al. Room temperature synthesis and phase transformation of lithium phosphate Li3PO4 as solid electrolyte. Journal of Asian Ceramic Societies 2021, Vol. 9, No. 2, 452-458.Norikazu Ishigaki, et al. Room temperature synthesis and phase transformation of lithium phosphate Li3PO4 as solid electrolyte. Journal of Asian Ceramic Societies 2021, Vol. 9, No. 2, 452-458.

全固体二次電池において、イオン伝導体は固体電解質層の構成材料として使用される他、例えば正極活物質粒子間のイオン伝導を担う材料としても使用される。酸化物系のイオン伝導体には、硫化物系で問題となる有毒ガスの発生リスクが回避できるというメリットがある。酸化物の粉体は硬質であるため、酸化物系のイオン伝導体を使用した全固体リチウムイオン二次電池の工業的な製造過程では、一般的に、焼結の工程を実施することが想定される。その焼結工程では、電極活物質と反応するなどの悪影響を防止する必要などから加熱温度が制限され、例えば550℃程度以下、あるいは更に低温域の450℃以下といった温度域で焼結させることが望まれる。γ-LiPO型の結晶構造中にLiSiOを固溶させてイオン伝導性を改善したLISICONと呼ばれる上述のイオン伝導物質は、結晶性の良い酸化物構造を得るために例えば600℃以上といった高温で合成、焼結させる必要がある。したがって、γ-LiPO型構造を基本とする酸化物を用いた全固体リチウムイオン二次電池の工業的な普及は、現時点では難しいとされる。 In all-solid-state secondary batteries, ion conductors are used as materials for the solid electrolyte layer, and are also used as materials for ion conduction between positive electrode active material particles. Oxide-based ion conductors have the advantage of being able to avoid the risk of toxic gas generation, which is a problem with sulfide-based ion conductors. Since oxide powders are hard, it is generally assumed that a sintering process is carried out in the industrial manufacturing process of all-solid-state lithium-ion secondary batteries using oxide-based ion conductors. In the sintering process, the heating temperature is limited due to the need to prevent adverse effects such as reaction with the electrode active material, and it is desirable to sinter at a temperature range of, for example, about 550°C or less, or even lower, such as 450°C or less. The above-mentioned ion conductive material called LISICON, which has improved ion conductivity by dissolving Li 4 SiO 4 in a γ-Li 3 PO 4 type crystal structure, needs to be synthesized and sintered at a high temperature, for example, 600°C or more, in order to obtain an oxide structure with good crystallinity. Therefore, it is considered difficult at present to industrially spread all-solid-state lithium ion secondary batteries using oxides based on the γ-Li 3 PO 4 type structure.

一方、低温相であるβ-LiPOはイオン伝導性に乏しい。
本発明は、β-LiPO型の結晶構造を基本とする酸化物において、リチウムイオン伝導性を改善したイオン伝導体を提供することを目的とする。
On the other hand, the low temperature phase, β-Li 3 PO 4 , has poor ionic conductivity.
An object of the present invention is to provide an ion conductor having improved lithium ion conductivity in an oxide based on a β-Li 3 PO 4 type crystal structure.

上述のように、LiPO酸化物のうち高温相であるγ-LiPOでは、その結晶中にLiSiOを固溶させたタイプの酸化物とすることによりリチウムイオン伝導性を改善することができる。しかし、低温相であるβ-LiPOに関しては、上記のような固溶を実現させる酸化物合成手法は確立されていない。また、そのような固溶タイプのβ-LiPO型結晶構造を持つ酸化物のイオン伝導挙動についても知られていない。 As described above, in the high-temperature phase of Li 3 PO 4 oxide, γ-Li 3 PO 4 , the lithium ion conductivity can be improved by forming an oxide in which Li 4 SiO 4 is dissolved in the crystal. However, for the low-temperature phase β-Li 3 PO 4 , an oxide synthesis method that realizes the above-mentioned solid solution has not been established. In addition, the ion conduction behavior of such oxides having a solid-solution type β-Li 3 PO 4 type crystal structure is not known.

発明者らは研究の結果、Si供給源としてケイ素アルコキシドを使用した湿式反応プロセス(水溶液合成)で生成させたLi、Si、P含有物質を前駆体として用いることによって、例えば550℃以下といった低い焼成温度で、Li、Si、Pを結晶格子中に含むβ-LiPO型構造の結晶相が合成可能になることを見出した。そして、この種の酸化物は、全固体リチウムイオン二次電池の固体電解質に適用可能と考えられるリチウムイオン伝導性を呈することが確認された。本発明はこのような知見に基づくものである。
本明細書では以下の発明を開示する。
As a result of research, the inventors have found that by using as a precursor a Li, Si, P-containing substance produced by a wet reaction process (aqueous solution synthesis) using silicon alkoxide as a Si supply source, it is possible to synthesize a crystal phase of β-Li 3 PO 4 type structure containing Li, Si, and P in the crystal lattice at a low firing temperature, for example, 550° C. or lower. It has also been confirmed that this type of oxide exhibits lithium ion conductivity that is considered to be applicable to the solid electrolyte of an all-solid-state lithium ion secondary battery. The present invention is based on such findings.
This specification discloses the following inventions.

[1]Li、Si、Pを結晶格子中に含むβ-LiPO型構造の結晶相を主相に持ち、Si/(Si+P)原子比が0.05以上0.40以下である、イオン伝導体。
[2]上記[1]に記載のイオン伝導体を用いたイオン伝導性焼結体。
[3]Li、Si、Pを含むコロイド粒子が懸濁した水溶液からなる前駆体溶液であって、当該水溶液を70℃で蒸発乾固させたのち150℃で2時間加熱して得た固形分に、空気中400℃で12時間加熱する熱処理を施したとき、Li、Si、Pを結晶格子中に含むβ-LiPO型構造の結晶相が形成される性質を有する、イオン伝導体の前駆体溶液。
[4]前記コロイド粒子は、水系溶媒、水溶性リチウム化合物、ケイ素アルコキシド、水溶性リン化合物の混合生成物である、上記[3]に記載のイオン伝導体の前駆体溶液。
[5]Li、Si、Pを含む粒子からなる前駆体粉体であって、当該粉体に空気中400℃で12時間加熱する焼成を施したとき、Li、Si、Pを結晶格子中に含むβ-LiPO型構造の結晶相が形成される性質を有する、イオン伝導体の前駆体粉体。
[6]前記前駆体粉体は、Li、Si、Pを含むコロイド粒子が懸濁した水溶液の、溶媒除去成分である、上記[5]に記載のイオン伝導体の前駆体粉体。
[7]前記前駆体粉体は、Li、Si、Pの含有量において、下記(1)式および(2)式を満たすものである、上記[5]または[6]に記載のイオン伝導体の前駆体粉体。
0.05≦Si/(Si+P)≦0.40 …(1)
0.90(4Si+3P)≦Li≦0.10(4Si+3P) …(2)
ここで、(1)式、(2)式の元素記号Si、PおよびLiの箇所には、それぞれ粉体中に存在するSi原子、P原子、Li原子の合計量(モル)に対するSi原子、P原子およびLi原子の量(モル)の比の値(原子割合)が代入される。
[8]水系溶媒中で、水溶性リチウム化合物、ケイ素アルコキシド、水溶性リン化合物を混合して得られたコロイド粒子の懸濁液から、溶媒成分を除去する手法により形成させた前駆体粉体を、酸化性雰囲気中120℃以上550℃以下の温度域で加熱保持することにより、Li、Si、Pを結晶格子中に含むβ-LiPO型構造の結晶相を生成させる、イオン伝導体の製造方法。
[9]前記前駆体粉体は、Li、Si、Pの含有量において、下記(1)式および(2)式を満たすものである、上記[8]に記載のイオン伝導体の製造方法。
0.05≦Si/(Si+P)≦0.40 …(1)
0.90(4Si+3P)≦Li≦0.10(4Si+3P) …(2)
ここで、(1)式、(2)式の元素記号Si、PおよびLiの箇所には、それぞれ粉体中に存在するSi原子、P原子、Li原子の合計量(モル)に対するSi原子、P原子およびLi原子の量(モル)の比の値(原子割合)が代入される。
[10]水系溶媒中で、水溶性リチウム化合物、ケイ素アルコキシド、水溶性リン化合物を混合して得られたコロイド粒子の懸濁液から、溶媒成分を除去する手法により形成させた前駆体粉体の粒子を含む粉体の成形体を、酸化性雰囲気中120℃以上550℃以下の温度域で加圧力を付与しながら加熱保持することにより、Li、Si、Pを結晶格子中に含むβ-LiPO型構造の結晶相を生成させるとともに焼結体を得る、イオン伝導性焼結体の製造方法。
[11]水系溶媒中で、水溶性リチウム化合物、ケイ素アルコキシド、水溶性リン化合物を混合して得られたコロイド粒子の懸濁液から、溶媒成分を除去する手法により形成させた前駆体粉体を、酸化性雰囲気中120℃以上550℃以下の温度域で加熱保持することにより、Li、Si、Pを結晶格子中に含むβ-LiPO型構造の結晶相を生成させてイオン伝導体粉体を得る、焼成工程と、
前記イオン伝導体粉体の粒子を含む粉体の成形体を、120℃以上550℃以下の温度域で加圧力を付与しながら加熱保持することにより焼結体を得る、焼結工程と、
を有する、イオン伝導性焼結体の製造方法。
[12]前記焼成工程での最高到達温度をT(℃)、前記焼結工程での最高到達温度をT(℃)とするとき、T≧T-50、かつ120≦T≦550を満たす条件で焼成工程および焼結工程を行う、上記[11]に記載のイオン伝導性焼結体の製造方法。
[13]水系溶媒中で、Li、Si、Pの組成が下記(3)式および(4)式を満たす量的割合の水溶性リチウム化合物、ケイ素アルコキシド、および水溶性リン化合物を混合することによりコロイド溶液を形成させる工程を有する、イオン伝導体の前駆体溶液の製造方法。
0.05≦x≦0.45 …(3)
1.05A≦Si≦1.50A …(4)
ここで、(3)式中のx値および(4)式中のA値は、それぞれ下記(5)式および(6)式により定まる。
x=1-4P/(Li+P) …(5)
A=xP/(1-x) …(6)
ただし、(4)式、(5)式、(6)式の元素記号Si、PおよびLiの箇所には、それぞれ粉体中に存在するSi原子、P原子、Li原子の合計量(モル)に対するSi原子、P原子およびLi原子の量(モル)の比の値(原子割合)が代入される。
[14]水系溶媒中で、Li、Si、Pの組成が下記(3)式および(4)式を満たす量的割合の水溶性リチウム化合物、ケイ素アルコキシド、および水溶性リン化合物を混合することによりコロイド溶液を形成させる、前駆体溶液作製工程と、
前記コロイド溶液から溶媒成分を除去して固形分を得る、前駆体粉体合成工程と、
を有する、イオン伝導体の前駆体粉体の製造方法。
0.05≦x≦0.45 …(3)
1.05A≦Si≦1.50A …(4)
ここで、(3)式中のx値および(4)式中のA値は、それぞれ下記(5)式および(6)式により定まる。
x=1-4P/(Li+P) …(5)
A=xP/(1-x) …(6)
ただし、(4)式、(5)式、(6)式の元素記号Si、PおよびLiの箇所には、それぞれ粉体中に存在するSi原子、P原子、Li原子の合計量(モル)に対するSi原子、P原子およびLi原子の量(モル)の比の値(原子割合)が代入される。
[1] An ionic conductor having a crystal phase of a β-Li 3 PO 4 type structure containing Li, Si, and P in the crystal lattice as a main phase, and having a Si/(Si+P) atomic ratio of 0.05 or more and 0.40 or less.
[2] An ion-conductive sintered body using the ion conductor according to the above [1].
[3] A precursor solution of an ionic conductor, which is made of an aqueous solution in which colloidal particles containing Li, Si, and P are suspended, and which has the property of forming a crystalline phase with a β-Li3PO4 structure containing Li, Si, and P in the crystal lattice when the aqueous solution is evaporated to dryness at 70°C and then heated at 150°C for 2 hours to obtain a solid, and then heat-treated in air at 400 °C for 12 hours.
[4] The precursor solution of an ionic conductor according to the above [3], wherein the colloidal particles are a mixture product of an aqueous solvent, a water-soluble lithium compound, a silicon alkoxide, and a water-soluble phosphorus compound.
[5] A precursor powder of an ion conductor, which is composed of particles containing Li, Si, and P, and has the property of forming a crystalline phase having a β- Li3PO4 type structure containing Li, Si, and P in the crystal lattice when the powder is calcined by heating in air at 400 °C for 12 hours.
[6] The precursor powder of the ionic conductor according to the above [5], which is a solvent-removed component of an aqueous solution in which colloidal particles containing Li, Si, and P are suspended.
[7] The precursor powder of the ionic conductor according to the above [5] or [6], wherein the precursor powder satisfies the following formulas (1) and (2) in terms of the contents of Li, Si, and P:
0.05≦Si/(Si+P)≦0.40 ... (1)
0.90(4Si+3P)≦Li≦0.10(4Si+3P) ... (2)
Here, the element symbols Si, P, and Li in formulas (1) and (2) are substituted with the ratios (atomic ratios) of the amounts (moles) of Si atoms, P atoms, and Li atoms to the total amount (moles) of Si atoms, P atoms, and Li atoms present in the powder.
[8] A method for producing an ionic conductor, comprising the steps of: mixing a water-soluble lithium compound, a silicon alkoxide, and a water-soluble phosphorus compound in an aqueous solvent to obtain a suspension of colloidal particles; removing the solvent components from the resulting suspension; and heating and holding the resulting precursor powder in an oxidizing atmosphere at a temperature range of 120°C to 550°C to produce a crystal phase having a β- Li3PO4 structure that contains Li, Si , and P in the crystal lattice.
[9] The method for producing an ionic conductor according to the above [8], wherein the precursor powder satisfies the following formulas (1) and (2) in terms of the Li, Si, and P contents:
0.05≦Si/(Si+P)≦0.40 ... (1)
0.90(4Si+3P)≦Li≦0.10(4Si+3P) ... (2)
Here, the element symbols Si, P, and Li in formulas (1) and (2) are substituted with the ratios (atomic ratios) of the amounts (moles) of Si atoms, P atoms, and Li atoms to the total amount (moles) of Si atoms, P atoms, and Li atoms present in the powder.
[10] A method for producing an ion-conductive sintered body, comprising the steps of: mixing a water-soluble lithium compound, a silicon alkoxide, and a water-soluble phosphorus compound in an aqueous solvent to obtain a suspension of colloidal particles; removing the solvent components from the resulting suspension; heating and holding the powder compact containing precursor powder particles in an oxidizing atmosphere at a temperature range of 120°C to 550°C while applying pressure, thereby generating a crystal phase having a β - Li3PO4 structure containing Li, Si, and P in the crystal lattice, and obtaining a sintered body.
[11] A firing process in which a precursor powder is formed by removing the solvent components from a suspension of colloidal particles obtained by mixing a water-soluble lithium compound, a silicon alkoxide, and a water-soluble phosphorus compound in an aqueous solvent, and the precursor powder is heated and held at a temperature range of 120°C to 550°C in an oxidizing atmosphere to generate a crystal phase having a β-Li 3 PO 4 structure containing Li, Si, and P in the crystal lattice, thereby obtaining an ion conductor powder;
a sintering step of heating and holding the powder compact containing the ion conductor powder particles at a temperature range of 120° C. to 550° C. while applying pressure to obtain a sintered body;
The present invention relates to a method for producing an ion-conductive sintered body having an ion-conductive sintered body.
[12] The method for producing an ion-conductive sintered body according to the above [ 11 ], wherein the firing step and the sintering step are carried out under conditions that satisfy T 1 ≧T 0 -50 and 120≦T 1 ≦550, where T 0 is the maximum temperature reached in the firing step (°C) and T 1 is the maximum temperature reached in the sintering step (°C).
[13] A method for producing a precursor solution of an ion conductor, comprising a step of forming a colloidal solution by mixing, in an aqueous solvent, a water-soluble lithium compound, a silicon alkoxide, and a water-soluble phosphorus compound in quantitative proportions such that the composition of Li, Si, and P satisfies the following formulas (3) and (4):
0.05≦x≦0.45 ... (3)
1.05A≦Si≦1.50A (4)
Here, the value of x in formula (3) and the value of A in formula (4) are determined by the following formulas (5) and (6), respectively.
x = 1-4P / (Li + P) ... (5)
A = xP / (1-x) ... (6)
However, the element symbols Si, P, and Li in formulas (4), (5), and (6) are substituted with the ratios (atomic ratios) of the amounts (moles) of Si atoms, P atoms, and Li atoms to the total amount (moles) of Si atoms, P atoms, and Li atoms present in the powder.
[14] A precursor solution preparation step of forming a colloidal solution by mixing a water-soluble lithium compound, a silicon alkoxide, and a water-soluble phosphorus compound in an aqueous solvent in a quantitative ratio such that the composition of Li, Si, and P satisfies the following formulas (3) and (4);
a precursor powder synthesis step of removing a solvent component from the colloidal solution to obtain a solid content;
The present invention relates to a method for producing a precursor powder of an ion conductor.
0.05≦x≦0.45 ... (3)
1.05A≦Si≦1.50A (4)
Here, the value of x in formula (3) and the value of A in formula (4) are determined by the following formulas (5) and (6), respectively.
x = 1-4P / (Li + P) ... (5)
A = xP / (1-x) ... (6)
However, the element symbols Si, P, and Li in formulas (4), (5), and (6) are substituted with the ratios (atomic ratios) of the amounts (moles) of Si atoms, P atoms, and Li atoms to the total amount (moles) of Si atoms, P atoms, and Li atoms present in the powder.

本発明によれば、β-LiPO型の結晶構造を基本とする酸化物において、リチウムイオン伝導性を改善したイオン伝導体が提供可能となった。このイオン伝導体や、それを用いた焼結体は、例えば120~550℃といった比較的低温の温度域で得ることができる。また、このイオン伝導体は酸化物系であるため、従来の硫化物系イオン伝導体で問題となる有毒ガスの発生リスクが回避できる。そのため、本発明のイオン伝導体は全固体リチウムイオン二次電池の構成材料としての有用性が高い。 According to the present invention, it is possible to provide an ionic conductor having improved lithium ion conductivity in an oxide based on a β-Li 3 PO 4 type crystal structure. This ionic conductor and a sintered body using the same can be obtained in a relatively low temperature range, for example, 120 to 550°C. In addition, because this ionic conductor is an oxide system, the risk of generating toxic gases, which is a problem with conventional sulfide-based ionic conductors, can be avoided. Therefore, the ionic conductor of the present invention is highly useful as a constituent material for all-solid-state lithium ion secondary batteries.

前駆体粉体(公称x値=0.2)に、空気中150~700℃の種々の温度水準で12時間保持する焼成を施すことによって得られた焼成粉体についてのX線回折パターンを例示した図。FIG. 1 illustrates X-ray diffraction patterns of calcined powders obtained by calcining a precursor powder (nominal x value=0.2) at various temperature levels between 150 and 700° C. in air for 12 hours.

[イオン伝導体]
本発明の対象である「イオン伝導体」は、リチウムイオン伝導性を有する物質であり、前駆体物質を焼成することによって合成することができる。このイオン伝導体は、Li、Si、Pを結晶格子中に含むβ-LiPO型構造の結晶相を主相に持つ。「β-LiPO型構造の結晶相」は、X線回折パターンにおいてβ-LiPO酸化物結晶の回折ピークに対応する結晶面からの回折ピークが観測される結晶相を意味する。本発明の対象であるイオン伝導体を構成する「Li、Si、Pを結晶格子中に含むβ-LiPO型構造の結晶相」は、Li、Pに加え、Siを結晶格子中に含んでいる。発明者らの検討によると、同じ温度で焼成して得られたβ-LiPO型構造の結晶相同士の比較において、Si含有量の増加に伴って、Si/(Si+P)原子比が0.4程度までは単位格子(ユニットセル)の体積が増加する傾向が認められた。また、後述の手法で合成した酸化物粉体のLi、Si、P組成比は、Li3+xSi1-x(ただし0<x<1)に近いものであった。これらから、Siを含有する本発明対象の「β-LiPO型構造の結晶相」は、β-LiPOの結晶中にLiSiOが固溶したタイプの酸化物相であると推察される。
[Ionic Conductor]
The "ionic conductor" of the present invention is a material having lithium ion conductivity, and can be synthesized by firing a precursor material. This ionic conductor has a β-Li 3 PO 4 type structure crystal phase containing Li, Si, and P in the crystal lattice as a main phase. The "β-Li 3 PO 4 type structure crystal phase" means a crystal phase in which a diffraction peak from a crystal plane corresponding to the diffraction peak of β-Li 3 PO 4 oxide crystal is observed in an X-ray diffraction pattern. The "β-Li 3 PO 4 type structure crystal phase containing Li, Si, and P in the crystal lattice" constituting the ionic conductor of the present invention contains Si in addition to Li and P in the crystal lattice. According to the inventors' study, in a comparison between crystal phases of the β-Li 3 PO 4 type structure obtained by firing at the same temperature, a tendency was observed in which the volume of the unit cell increases with increasing Si content up to a Si/(Si+P) atomic ratio of about 0.4. In addition, the Li, Si, and P composition ratio of the oxide powder synthesized by the method described below was close to Li3 +xSixP1 - xO4 ( where 0<x<1). From this, it is presumed that the "crystalline phase of β- Li3PO4 type structure" containing Si that is the subject of the present invention is an oxide phase in which Li4SiO4 is dissolved in β- Li3PO4 crystals .

「Li、Si、Pを結晶格子中に含むβ-LiPO型構造の結晶相」の質量割合が、イオン伝導体である物質の総質量のうち少なくとも50%を占める場合には、Li、Si、Pを結晶格子中に含むβ-LiPO型構造の結晶相を「主相に持つ」と言うことができる。その主相以外の残部を「異相」と呼ぶとき、本発明の効果(特にイオン伝導性や有毒ガスの発生リスク回避)を阻害しない範囲で異相の混在は許容されるが、異相の存在量は少ない方が好ましい。例えば異相の質量割合は10%以下であることが好ましい。異相の質量割合が10%以下である1態様として、Li、Si、Pを結晶格子中に含むβ-LiPO型構造の結晶相を主相に持ち、残部が製造上不可避的に混入する不純物相からなるイオン伝導体が挙げられ、そのようなイオン伝導体は後述の製造方法によって得ることができる。 When the mass ratio of the "β-Li 3 PO 4 type crystal phase containing Li, Si, and P in the crystal lattice" accounts for at least 50% of the total mass of the substance that is an ion conductor, it can be said that the β-Li 3 PO 4 type crystal phase containing Li, Si, and P in the crystal lattice is the "main phase". When the remainder other than the main phase is called the "heterogeneous phase", the presence of the heterogeneous phase is permitted within a range that does not impair the effects of the present invention (especially ion conductivity and avoidance of the risk of generating toxic gas), but it is preferable that the amount of the heterogeneous phase is small. For example, the mass ratio of the heterogeneous phase is preferably 10% or less. As an embodiment in which the mass ratio of the heterogeneous phase is 10% or less, an ion conductor having a β-Li 3 PO 4 type crystal phase containing Li, Si, and P in the crystal lattice as the main phase and an impurity phase that is inevitably mixed in during production as the remainder can be mentioned, and such an ion conductor can be obtained by the production method described below.

本発明の対象である「イオン伝導体」は、ケイ素とリンの合計量に対するケイ素量の原子割合を表すSi/(Si+P)原子比が0.05以上0.40以下である。このSi/(Si+P)原子比は異相も含めたイオン伝導体中のSi含有量、P含有量に基づくものである。β-LiPO型構造の結晶相を主相に持つ物質において、Si/(Si+P)原子比が0.05以上になると、イオン伝導性の明確な向上が認められるようになる。一方、β-LiPO型構造の結晶中におけるLiSiOの固溶量には限界があると考えられる。発明者らのこれまでの知見によれば、β-LiPO型構造の結晶相を主相に持つ物質中のSi/(Si+P)原子比が0.40を超えて高くなる場合には、異相の混在量が多くなり、使用した原料から供給されるLiやSiが異相の形成にかなり消費されてしまうことがわかった。そこで、ここではイオン伝導体中のSi/(Si+P)原子比を0.05以上0.40以下に規定する。イオン伝導体中のSi/(Si+P)原子比は0.15以上0.35以下であることがより好ましい。 The "ionic conductor" of the present invention has an atomic ratio of Si/(Si+P) between 0.05 and 0.40, which represents the atomic ratio of silicon to the total amount of silicon and phosphorus. This atomic ratio of Si/(Si+P) is based on the Si content and P content in the ionic conductor including heterogeneous phases. In a material having a crystal phase of β-Li 3 PO 4 type structure as the main phase, when the atomic ratio of Si/(Si+P) is 0.05 or more, a clear improvement in ionic conductivity is observed. On the other hand, it is considered that there is a limit to the amount of Li 4 SiO 4 dissolved in the crystal of β-Li 3 PO 4 type structure. According to the findings of the inventors, when the atomic ratio of Si/(Si+P) in a material having a crystal phase of β-Li 3 PO 4 type structure as the main phase is higher than 0.40, the amount of heterogeneous phases increases, and it was found that Li and Si supplied from the raw materials used are considerably consumed in the formation of the heterogeneous phase. Therefore, the Si/(Si+P) atomic ratio in the ionic conductor is specified here as being 0.05 or more and 0.40 or less, and more preferably 0.15 or more and 0.35 or less.

本発明の対象であるイオン伝導体の好ましい1態様として、Li、Si、Pの含有量において、下記(1)式および(2)式を満たすものが例示できる。
0.05≦Si/(Si+P)≦0.40 …(1)
0.90(4Si+3P)≦Li≦0.10(4Si+3P) …(2)
ここで、(1)式、(2)式の元素記号Si、PおよびLiの箇所には、それぞれ粉体中に存在するSi原子、P原子、Li原子の合計量(モル)に対するSi原子、P原子およびLi原子の量(モル)の比の値(原子割合)が代入される。
(1)式は上述のSi/(Si+P)原子比を規定したものである。
(2)式中の「4Si+3P」は、組成式Li3+xSi1-x(ただし0<x<1)に該当する化学量論組成におけるLi量(モル)を、Si量(モル)とP量(モル)の関数で表したものに相当する。具体的に示すと、組成式Li3+xSi1-xを満たすとき、Li量(モル):Si量(モル)=(3+x):xであるから、Li量(モル)=(3+x)×Si量(モル)/xとなる。ここでx=Si量(モル)/(Si量(モル)+P量(モル))を上式に代入して整理すると、Li量(モル)=4×Si量(モル)+3×P量(モル)となる。すなわち、上記(2)式は、イオン伝導体中のLi量について、Si量とP量から定まる化学量論的な量に対し±10%の範囲での変動が許容されることを表している。
なお、前駆体粉体を焼成する手法でβ-LiPO型構造の結晶相を主相に持つ酸化物粉体を得る場合は、前駆体粉体と、それに由来する酸化物粉体とでは、Li、Si、Pの組成比がほぼ同じになる。したがって、上記(1)式および(2)式を満たす好ましい1態様のイオン伝導体を前駆体粉体から得る場合は、上記(1)式および(2)式を満たす組成の前駆体粉体を適用すればよい。
As a preferred embodiment of the ionic conductor of the present invention, the Li, Si and P contents satisfy the following formulae (1) and (2).
0.05≦Si/(Si+P)≦0.40 ... (1)
0.90(4Si+3P)≦Li≦0.10(4Si+3P) ... (2)
Here, the element symbols Si, P, and Li in formulas (1) and (2) are substituted with the ratios (atomic ratios) of the amounts (moles) of Si atoms, P atoms, and Li atoms to the total amount (moles) of Si atoms, P atoms, and Li atoms present in the powder.
Formula (1) defines the above-mentioned Si/(Si+P) atomic ratio.
In formula (2), "4Si+3P" corresponds to the Li amount (moles) in the stoichiometric composition corresponding to the composition formula Li 3+x Si x P 1-x O 4 (where 0<x<1) expressed as a function of the Si amount (moles) and the P amount (moles). Specifically, when the composition formula Li 3+x Si x P 1-x O 4 is satisfied, the Li amount (moles):Si amount (moles)=(3+x):x, so the Li amount (moles)=(3+x)×Si amount (moles)/x. Here, by substituting x=Si amount (moles)/(Si amount (moles)+P amount (moles)) into the above formula and rearranging, the Li amount (moles)=4×Si amount (moles)+3×P amount (moles). That is, the above formula (2) indicates that the Li amount in the ionic conductor is allowed to vary within a range of ±10% with respect to the stoichiometric amount determined from the Si amount and the P amount.
When an oxide powder having a β-Li 3 PO 4 type structure crystal phase as the main phase is obtained by a method of firing a precursor powder, the precursor powder and the oxide powder derived therefrom have approximately the same composition ratio of Li, Si, and P. Therefore, when a preferred embodiment of an ion conductor satisfying the above formulas (1) and (2) is obtained from a precursor powder, a precursor powder having a composition satisfying the above formulas (1) and (2) may be used.

Li、Si、Pを結晶格子中に含むβ-LiPO型構造の結晶相が合成できる前駆体物質を使用した場合であっても、焼成温度を600℃程度に高めると、Cu-Kα線によるX線回折パターンにはγ-LiPO型構造の結晶に特有な2θ=20度付近の回折ピーク(非特許文献3参照)が観測されるようになる。β-LiPO型構造からγ-LiPO型構造への相転移は連続的な構造変化として現れるものと考えられるので、γ-LiPO型構造への構造変化が起こり始める極めて初期の段階では、2θ=20度付近に非常に小さいピーク、あるいはピークと呼べるかどうか紛らわしい程度の微小な強度変化が観測され得る。Siを結晶格子中に含むγ-LiPO型構造の酸化物は、本来、イオン伝導性を呈することが知られており、良好なイオン伝導性を享受する観点からは、γ-LiPO型構造への構造変化が起こり始める段階であっても不都合は生じない。したがって、Cu-Kα線によるX線回折パターンにおいてβ-LiPO酸化物結晶の回折ピークに対応する結晶面からの回折ピークが観測されると同時に、2θ=20度付近に非常に小さいピーク、あるいはピークと呼べるかどうか紛らわしい程度の微小な強度変化が観測される場合は、β-LiPO型構造を有するとみなすことができる。より具体的には、後述の前駆体を550℃以下の温度域に保持して形成された酸化物相からなる結晶相は、Li、Si、Pを結晶格子中に含むβ-LiPO型構造の結晶相であるとみなされる。 Even when a precursor substance capable of synthesizing a crystal phase of β-Li 3 PO 4 type structure containing Li, Si, and P in the crystal lattice is used, a diffraction peak (see Non-Patent Document 3) specific to crystals of γ-Li 3 PO 4 type structure is observed in the X-ray diffraction pattern by Cu-Kα radiation when the firing temperature is increased to about 600° C. Since the phase transition from the β-Li 3 PO 4 type structure to the γ-Li 3 PO 4 type structure is considered to appear as a continuous structural change, at the very early stage when the structural change to the γ-Li 3 PO 4 type structure begins to occur, a very small peak may be observed near 2θ=20 degrees, or a minute intensity change so small that it is unclear whether it can be called a peak. It is known that oxides of the γ-Li 3 PO 4 type structure containing Si in the crystal lattice inherently exhibit ionic conductivity, and from the viewpoint of enjoying good ionic conductivity, there is no inconvenience even at the stage where the structural change to the γ-Li 3 PO 4 type structure begins to occur. Therefore, when a diffraction peak from a crystal plane corresponding to the diffraction peak of the β-Li 3 PO 4 oxide crystal is observed in the X-ray diffraction pattern by Cu-Kα rays, and at the same time, a very small peak or a minute intensity change that is confusingly small as to whether it can be called a peak is observed in the vicinity of 2θ = 20 degrees, it can be considered to have a β-Li 3 PO 4 type structure. More specifically, a crystal phase consisting of an oxide phase formed by holding the precursor described below in a temperature range of 550 ° C or less is considered to be a crystal phase of the β-Li 3 PO 4 type structure containing Li, Si, and P in the crystal lattice.

図1に、後述する実施例5~8で用いた前駆体粉体(公称x値=0.2)に、空気中150~700℃の種々の温度水準で12時間保持する焼成を施すことによって得られたイオン伝導体である焼成粉体についてのX線回折パターンを例示する。公称x値の意味は後述する。X線回折測定は以下の方法で行った。 Figure 1 shows an example of the X-ray diffraction pattern of the calcined powder, which is an ion conductor, obtained by calcining the precursor powder (nominal x value = 0.2) used in Examples 5 to 8 described later at various temperature levels between 150 and 700°C in air for 12 hours. The meaning of the nominal x value will be described later. X-ray diffraction measurements were performed as follows.

(X線回折パターンの測定)
焼成粉体の試料について、X線回折装置(リガク社製、SmartLab)により、Cu-Kα線、管電圧40kV、管電流30mA、測定ステップ0.01度、スキャン速度2度/分の条件でX線回折パターンを測定した。
(Measurement of X-ray diffraction pattern)
The X-ray diffraction pattern of the sintered powder sample was measured using an X-ray diffractometer (Rigaku Corporation, SmartLab) under conditions of Cu-Kα radiation, tube voltage of 40 kV, tube current of 30 mA, measurement step of 0.01 degree, and scan speed of 2 degrees/min.

図1からわかるように、焼成温度が600℃以上の場合には、2θ=20度付近にγ-LiPO型構造の(011)結晶面に起因すると考えられるピークが観測された。焼成温度がそれより低い場合に、β-LiPO型構造を有する酸化物が得られていることが確認された。また、各温度で焼成された焼成粉体にはLiCO相と考えられる少量の異相の存在が認められた。
なお、図1中に例示したX線回折パターンのうち焼成温度150℃、300℃、400℃、500℃および600℃の例は、それぞれ後述の実施例5、実施例6、実施例7、実施例8および比較例1に対応する。
As can be seen from Figure 1, when the sintering temperature was 600°C or higher, a peak thought to be due to the (011) crystal plane of the γ-Li 3 PO 4 type structure was observed near 2θ = 20 degrees. It was confirmed that when the sintering temperature was lower than that, an oxide having a β-Li 3 PO 4 type structure was obtained. In addition, the presence of a small amount of a different phase thought to be a Li 2 CO 3 phase was observed in the sintered powders sintered at each temperature.
Among the X-ray diffraction patterns illustrated in FIG. 1, the examples of firing temperatures of 150° C., 300° C., 400° C., 500° C., and 600° C. correspond to Example 5, Example 6, Example 7, Example 8, and Comparative Example 1, respectively, which will be described later.

(公称x値)
公称x値は、前駆体の合成に用いた水溶液中のLiとPの仕込み量から組成式Li3+xSi1-x(ただし0<x<1)を満たすx値として一義的に定まる値である。すなわち、公称x値は、Li3+xSi1-x(ただし0<x<1)で表される化学量論組成を満たすときの、LiとPの仕込み量から定まるSi/(Si+P)原子比に相当する。Siの仕込み量は、揮発による減少分を考慮して上記化学量論組成に対して過剰量(実施例5~8では1.3倍量)に設定する場合があるので、公称x値の算定にはLiとPの仕込み量を使用する。具体的に実施例5~8の公称x値の求め方を例示する。
組成式Li3+xSi1-xは、y=1-xとすると、Li4-ySi1-yで表される。LiとPのモル比はLi:P=(4-y):yであるから、y=4P/(Li+P)となる。表1に示されるように、実施例3~8の仕込み組成において、モル比Li:P=0.751:0.188であるから、y=4×0.188/(0.751+0.188)=0.80となる。したがって、この場合の公称x値は、x=1-y=0.20と求まる。
(nominal x value)
The nominal x value is a value that is uniquely determined as an x value that satisfies the composition formula Li 3+x Si x P 1-x O 4 (where 0<x<1) from the amounts of Li and P charged in the aqueous solution used in the synthesis of the precursor. That is, the nominal x value corresponds to the Si/(Si+P) atomic ratio determined from the amounts of Li and P charged when the stoichiometric composition represented by Li 3+x Si x P 1- x O 4 (where 0<x<1) is satisfied. The amount of Si charged may be set to an excess amount (1.3 times the amount in Examples 5 to 8) relative to the above stoichiometric composition in consideration of the amount of Si reduced by volatilization, so the amounts of Li and P charged are used to calculate the nominal x value. A specific example of how to determine the nominal x value in Examples 5 to 8 will be shown below.
The composition formula Li 3+x Si x P 1-x O 4 is expressed as Li 4-y Si 1-y P y O 4 when y=1-x. The molar ratio of Li to P is Li:P=(4-y):y, so y=4P/(Li+P). As shown in Table 1, in the charged compositions of Examples 3 to 8, the molar ratio Li:P=0.751:0.188, so y=4×0.188/(0.751+0.188)=0.80. Therefore, the nominal x value in this case is calculated as x=1-y=0.20.

(イオン伝導体の製造方法)
本発明の対象である上記のイオン伝導体は、後述の前駆体粉体を、酸化性雰囲気中120℃以上550℃以下の温度域で加熱保持する手法によって製造することができる。本明細書では、この加熱処理を「焼成」と呼んでいる。前駆体粉体としては、水系溶媒中で、水溶性リチウム化合物、ケイ素アルコキシド、水溶性リン化合物を撹拌混合して得られたコロイド粒子の懸濁液から、溶媒成分を除去する手法により形成させたものを使用することができる。また、本発明の対象である上記のイオン伝導体は、前記の懸濁液(すなわち後述の前駆体溶液)を直接、酸化性雰囲気中120℃以上550℃以下の温度域で加熱保持する製造態様によっても得ることができる。この製造態様では、上記温度域での加熱保持の途中段階で溶媒成分が除去された前駆体粉体が形成されるとみなすことができる。したがって、この製造態様も、「前駆体粉体を、酸化性雰囲気中120℃以上550℃以下の温度域で加熱保持する」場合の1態様に含まれる。活物質粒子の表面に本発明の対象である上記のイオン伝導体の層を形成させる場合には、例えば、活物質粉体と前記の前駆体粉体との混合粉、あるいは活物質粉体と前記の懸濁液(すなわち後述の前駆体溶液)との混合物を上記の温度域での焼成に供する手法が適用できる。
(Method of manufacturing ionic conductor)
The above-mentioned ionic conductor, which is the subject of the present invention, can be produced by a method of heating and holding a precursor powder described later in an oxidizing atmosphere at a temperature range of 120° C. to 550° C. In this specification, this heat treatment is called "calcination". The precursor powder can be formed by removing the solvent component from a suspension of colloidal particles obtained by stirring and mixing a water-soluble lithium compound, a silicon alkoxide, and a water-soluble phosphorus compound in an aqueous solvent. The above-mentioned ionic conductor, which is the subject of the present invention, can also be obtained by a manufacturing mode in which the suspension (i.e., the precursor solution described later) is directly heated and held at a temperature range of 120° C. to 550° C. in an oxidizing atmosphere. In this manufacturing mode, it can be considered that a precursor powder from which the solvent component has been removed is formed during the heating and holding in the above temperature range. Therefore, this manufacturing mode is also included in one embodiment of the case where "the precursor powder is heated and held at a temperature range of 120° C. to 550° C. in an oxidizing atmosphere". When forming a layer of the above-mentioned ion conductor, which is the subject of the present invention, on the surface of an active material particle, for example, a method can be used in which a mixed powder of an active material powder and the above-mentioned precursor powder, or a mixture of an active material powder and the above-mentioned suspension (i.e., a precursor solution described below), is subjected to firing in the above-mentioned temperature range.

焼成の酸化性雰囲気としては、大気圧下の空気が利用できる。Siを含有しないβ-LiPO酸化物は常温での湿式プロセスで合成することが可能であるが、Siを結晶格子中に含むタイプのβ-LiPO型構造の酸化物を合成するためには、120℃以上に加熱することが望ましい。一方、全固体リチウムイオン二次電池の工業的生産を考慮すると、焼成温度は低い方が良い。発明者らの検討によれば、550℃以下の温度域でLi、Si、Pを結晶格子中に含むβ-LiPO型構造の結晶相を生成させることができる。上述のように、加熱温度が600℃程度に高くなると、γ-LiPO型構造の結晶相が形成されるようになる。 Air under atmospheric pressure can be used as the oxidizing atmosphere for the firing. Although it is possible to synthesize β-Li 3 PO 4 oxide that does not contain Si by a wet process at room temperature, it is desirable to heat to 120°C or higher in order to synthesize an oxide having a β-Li 3 PO 4 type structure that contains Si in the crystal lattice. On the other hand, in consideration of industrial production of all-solid-state lithium ion secondary batteries, it is better to have a low firing temperature. According to the inventors' study, a crystal phase having a β-Li 3 PO 4 type structure that contains Li, Si, and P in the crystal lattice can be generated in a temperature range of 550°C or less. As described above, when the heating temperature is increased to about 600°C, a crystal phase having a γ-Li 3 PO 4 type structure is formed.

焼成は複数回の加熱過程に分けて行ってもよい。また、120~550℃の範囲における保持温度を多段階に変動させるヒートパターンで行ってもよい。これらの多段階の焼成を行う態様としては、例えば、まず120℃以上200℃以下といった比較的低温域で1時間以上3時間以下といった比較的短時間の保持による第1段目の焼成を行い、その後、一旦室温まで冷却したのち必要に応じて粉砕を行い、第1段目より高温長時間の第2段目の焼成を施すヒートパターンや、前記の第1段目の焼成に引き続いて昇温して第1段目より高温長時間の第2段目の焼成を施すヒートパターンなどが例示できる。このような、焼成の初期段階で比較的低温短時間の加熱履歴を付与する多段階のヒートパターンは、例えば前駆体粉体に含まれる揮発成分などを焼成の初期段階で十分に除去したのちに結晶化の反応を進行させることができ、異相の少ない焼成粉体を得る上で有効である。 The firing may be divided into multiple heating steps. It may also be performed using a heat pattern in which the holding temperature in the range of 120 to 550°C is changed in multiple steps. Examples of the manner in which such multi-step firing is performed include a heat pattern in which the first stage firing is performed by holding the material at a relatively low temperature range of 120°C to 200°C for a relatively short time, such as 1 hour to 3 hours, and then the material is cooled to room temperature, crushed as necessary, and then the second stage firing is performed at a higher temperature and for a longer time than the first stage, and a heat pattern in which the temperature is raised following the first stage firing and the second stage firing is performed at a higher temperature and for a longer time than the first stage. Such a multi-step heat pattern that imparts a relatively low temperature and short heating history in the initial stage of firing can, for example, sufficiently remove volatile components contained in the precursor powder in the initial stage of firing before proceeding with the crystallization reaction, and is effective in obtaining a fired powder with few heterogeneous phases.

焼成の最高到達温度は180℃以上520℃以下の範囲とすることがより好ましく、280℃以上420℃以下の範囲とすることが更に好ましい。焼成時間、すなわち、120℃以上550℃以下の温度範囲に保持されるトータルの時間は、2時間以上とすることが好ましく、10時間以上とすることがより好ましい。ただし、経済性を考慮すると、焼成時間は30時間以下の範囲で設定することが好ましく、20時間以下に管理してもよい。焼成後には、必要に応じて解砕処理行い、均質な焼成粉体とすることができる。 The maximum firing temperature is preferably in the range of 180°C to 520°C, and even more preferably in the range of 280°C to 420°C. The firing time, i.e., the total time during which the temperature is maintained in the range of 120°C to 550°C, is preferably 2 hours or more, and more preferably 10 hours or more. However, from the perspective of economy, the firing time is preferably set in the range of 30 hours or less, and may be controlled to 20 hours or less. After firing, a crushing process can be performed as necessary to obtain a homogeneous fired powder.

[イオン伝導性焼結体]
上記のイオン伝導体を全固体リチウムイオン二次電池の構成材料に用いる際の好ましい態様として、焼結体が挙げられる。例えば、上記のイオン伝導体である粉体粒子の焼結体は、正極層と負極層の間に介在させる固体電解質層を構成する部材として有用である。また、上記のイオン伝導体に被覆された正極活物質粒子の焼結体や、正極活物質粒子とそれらの間を埋める上記のイオン伝導体の粒子との焼結体は、正極層を構成する部材として有用である。なお、負極層と、正極層と、その間の固体電解質層とが焼結により一体化したタイプの全固体リチウムイオン二次電池では、上記のイオン伝導体がいずれかの層に含まれている場合、当該電池は上記のイオン伝導体を用いた焼結体に該当する。
[Ion-conductive sintered body]
A preferred embodiment of the ion conductor used as a constituent material of an all-solid-state lithium ion secondary battery is a sintered body. For example, a sintered body of powder particles of the ion conductor is useful as a member constituting a solid electrolyte layer interposed between a positive electrode layer and a negative electrode layer. In addition, a sintered body of positive electrode active material particles coated with the ion conductor, or a sintered body of positive electrode active material particles and particles of the ion conductor filling the gap therebetween, is useful as a member constituting a positive electrode layer. In an all-solid-state lithium ion secondary battery in which the negative electrode layer, the positive electrode layer, and the solid electrolyte layer therebetween are integrated by sintering, if the ion conductor is contained in any of the layers, the battery corresponds to a sintered body using the ion conductor.

(イオン伝導性焼結体の製造方法)
上記のイオン伝導性焼結体は、(i)後述の前駆体粉体の粒子を含む粉体を焼結させる方法、(ii)上記のイオン伝導体の粉体(焼成粉体)の粒子を含む粉体を焼結させる方法、などよって得ることができる。
(i)前駆体粉体の粒子を含む粉体を焼結させる方法
この場合は、焼結のための加熱が、酸化物合成のための焼成を兼ねている。具体的には、後述の前駆体粉体の粒子を含む粉体の成形体を、酸化性雰囲気中120℃以上550℃以下の温度域で加圧力を付与しながら加熱保持することにより、Li、Si、Pを結晶格子中に含むβ-LiPO型構造の結晶相を生成させるとともに焼結体を得る手法が適用できる。酸化性雰囲気としては大気圧下の空気が利用できる。焼結を効率的に進行させるために、加熱温度は300℃以上とすることがより効果的である。また、成形体が120℃以上550℃以下の温度範囲に保持される時間は、2時間以上とすることが好ましく、10時間以上とすることがより好ましい。ただし、経済性を考慮すると、加熱時間は30時間以下の範囲で設定することが好ましく、20時間以下に管理してもよい。全固体電池の固体電解質層に適用する焼結体を構築する場合には、前記の成形体として前駆体粉体からなるものを適用すればよい。電極層を構築する場合には、前記の成形体として例えば活物質粉体と前駆体粉体とを含む混合粉体からなるものを適用することができる。
(Method for producing ion-conductive sintered body)
The above-mentioned ion conductive sintered body can be obtained by (i) a method of sintering a powder containing particles of a precursor powder described below, or (ii) a method of sintering a powder containing particles of the above-mentioned ion conductor powder (sintered powder), or the like.
(i) A method of sintering a powder containing particles of a precursor powder In this case, the heating for sintering also serves as the firing for oxide synthesis. Specifically, a method can be applied in which a molded body of a powder containing particles of the precursor powder described below is heated and held in an oxidizing atmosphere at a temperature range of 120°C to 550°C while applying pressure, thereby generating a crystal phase of a β-Li 3 PO 4 type structure containing Li, Si, and P in the crystal lattice and obtaining a sintered body. Air under atmospheric pressure can be used as the oxidizing atmosphere. In order to efficiently proceed with sintering, it is more effective to set the heating temperature to 300°C or higher. In addition, the time during which the molded body is held in a temperature range of 120°C to 550°C is preferably 2 hours or more, more preferably 10 hours or more. However, in consideration of economic efficiency, the heating time is preferably set in a range of 30 hours or less, and may be controlled to 20 hours or less. When constructing a sintered body to be applied to the solid electrolyte layer of an all-solid-state battery, it is sufficient to apply a molded body made of the precursor powder. When constructing an electrode layer, the above-mentioned molded body may be made of a mixed powder containing, for example, an active material powder and a precursor powder.

(ii)イオン伝導体粉体の粒子を含む粉体を焼結させる方法
この場合は、上述のイオン伝導体の粉体(焼成粉体)の粒子を含む粉体の成形体を、120℃以上550℃以下の温度域で加圧力を付与しながら加熱保持することにより焼結体を得る手法が適用できる。酸化物の合成は既に終えているので、この加熱は焼結を進行させる目的で行われる。120℃以上550℃以下の温度域での保持時間は30分以上15時間以下の範囲とすればよく、1時間以上10時間以下の範囲とすることがより好ましい。焼結を効率的に進行させるためには粉体が粒成長する条件が必要であることを考慮すると、加熱温度は当該焼成粉体を合成したときの焼成温度を大きく下回らない温度域とすることが効果的である。具体的には、焼成工程での最高到達温度をT(℃)、この焼結工程での最高到達温度をT(℃)とするとき、T≧T-50、かつ120≦T≦550を満たす条件とすることが好ましい。全固体電池の固体電解質層に適用する焼結体を構築する場合には、前記の成形体として上記のイオン伝導体の粉体(焼成粉体)からなるものを適用すればよい。電極層を構築する場合には、前記の成形体として例えば活物質粉体と上記のイオン伝導体の粉体(焼成粉体)とを含む混合粉体からなるものを適用することができる。
焼結工程で加熱中の材料に付与する圧力は、例えば125MPa以上1000MPa以下の範囲で設定すればよい。
(ii) A method of sintering a powder containing particles of an ion conductor powder In this case, a method of obtaining a sintered body by heating and holding a molded body of a powder containing particles of the above-mentioned ion conductor powder (sintered powder) while applying pressure in a temperature range of 120°C to 550°C can be applied. Since the synthesis of the oxide has already been completed, this heating is performed for the purpose of promoting sintering. The holding time in the temperature range of 120°C to 550°C may be in the range of 30 minutes to 15 hours, and more preferably in the range of 1 hour to 10 hours. Considering that conditions for grain growth of the powder are necessary to efficiently promote sintering, it is effective to set the heating temperature to a temperature range that is not significantly lower than the sintering temperature when the sintered powder was synthesized. Specifically, when the maximum temperature reached in the sintering process is T 0 (°C) and the maximum temperature reached in this sintering process is T 1 (°C), it is preferable to set the conditions to satisfy T 1 ≧T 0 -50 and 120≦T 1 ≦550. When constructing a sintered body to be applied to a solid electrolyte layer of an all-solid-state battery, the above-mentioned molded body may be made of the above-mentioned ion conductor powder (sintered powder).When constructing an electrode layer, the above-mentioned molded body may be made of a mixed powder containing, for example, an active material powder and the above-mentioned ion conductor powder (sintered powder).
The pressure applied to the material being heated in the sintering step may be set, for example, in the range of 125 MPa to 1000 MPa.

[前駆体溶液]
本発明で対象とする上記のイオン伝導体は、後述の前駆体粉体を焼成することによって得ることができる。その前駆体粉体を得るための中間製品として、Li、Si、Pを含むコロイド粒子が懸濁した水溶液を挙げることができる。この水溶液を本明細書では「前駆体溶液」と呼んでいる。この前駆体溶液は、例えば、Li、Si、Pを含むコロイド粒子が懸濁している水溶液である点、および当該水溶液を70℃で蒸発乾固させたのち150℃で2時間加熱して得た固形分に、空気中400℃で12時間加熱する熱処理を施したとき、Li、Si、Pを結晶格子中に含むβ-LiPO型構造の結晶相が形成される性質を有する点、によって特定される。前記コロイド粒子は、例えば水系溶媒、水溶性リチウム化合物、ケイ素アルコキシド、水溶性リン化合物の混合生成物として特定される。
[Precursor solution]
The ion conductor of the present invention can be obtained by calcining a precursor powder described later. An intermediate product for obtaining the precursor powder can be an aqueous solution in which colloidal particles containing Li, Si, and P are suspended. This aqueous solution is referred to as a "precursor solution" in this specification. The precursor solution is specified by, for example, being an aqueous solution in which colloidal particles containing Li, Si, and P are suspended, and by having a property of forming a β-Li 3 PO 4 type structure crystal phase containing Li, Si, and P in the crystal lattice when the aqueous solution is evaporated to dryness at 70° C. and then heated at 150° C. for 2 hours to obtain a solid, and then subjected to a heat treatment of heating at 400 ° C. for 12 hours in air. The colloidal particles are specified as, for example, a mixed product of an aqueous solvent, a water-soluble lithium compound, a silicon alkoxide, and a water-soluble phosphorus compound.

(前駆体溶液の製造方法)
発明者らは研究の結果、水系溶媒中で、水溶性リチウム化合物、ケイ素アルコキシド、および水溶性リン化合物を撹拌混合する手法によって、Li、Si、Pを結晶格子中に含むβ-LiPO型構造の結晶相を形成させることが可能な前駆体物質を得ることができることを見出した。この手法は、Siの供給源であるケイ素アルコキシドによる加水分解縮合プロセス(ゾル-ゲル法)を利用した水溶液合成である。水系溶媒とは、水を主成分とする(すなわち水の質量割合が50%以上である)液状媒体である。
(Preparation method of precursor solution)
As a result of research, the inventors have found that a precursor substance capable of forming a crystal phase of β-Li 3 PO 4 type structure containing Li, Si, and P in the crystal lattice can be obtained by a method of stirring and mixing a water-soluble lithium compound, a silicon alkoxide, and a water-soluble phosphorus compound in an aqueous solvent. This method is an aqueous solution synthesis that utilizes a hydrolysis condensation process (sol-gel method) using silicon alkoxide, which is a source of Si. An aqueous solvent is a liquid medium whose main component is water (i.e., the mass ratio of water is 50% or more).

上記の撹拌混合は、以下の手順で行うことが好適である。
まず、水溶性リチウム化合物が溶解している水溶液を作る。この水溶液に、ケイ素アルコキシドを添加し、十分に撹拌する。この撹拌は常温付近の温度(例えば15℃以上45℃以下)で行うことが好ましい。撹拌時の液が接する気相の雰囲気は、大気圧下の空気とすることができる。ケイ素アルコキシドは水に溶解しにくいが、水溶液中にリチウムイオンが存在することによってケイ素アルコキシドの加水分解が進むと、活性なケイ素コロイド(SiOが水和したものと考えられる)とリチウムイオンの溶液が生成する。ケイ素アルコキシドと水の混合が不十分であると不純物相が形成されやすい。できるだけ均一性の高い溶液とするために、この段階での撹拌は15分以上行うことが望ましい。その後、液中に水溶性リン化合物を添加して溶解させる。なお、水溶性リン化合物は、ケイ素アルコキシドを添加する前に、液中に溶解させておいてもよいが、LiPOの生成を抑制する観点からは、ケイ素アルコキシドを混合した後に水溶性リン化合物を添加することが好ましい。
The above stirring and mixing is preferably carried out in the following manner.
First, an aqueous solution in which a water-soluble lithium compound is dissolved is prepared. Silicon alkoxide is added to this aqueous solution and thoroughly stirred. This stirring is preferably performed at a temperature near room temperature (for example, 15°C or higher and 45°C or lower). The atmosphere of the gas phase in contact with the liquid during stirring can be air under atmospheric pressure. Silicon alkoxide is difficult to dissolve in water, but when the hydrolysis of silicon alkoxide progresses due to the presence of lithium ions in the aqueous solution, a solution of active silicon colloid (presumably SiO x hydrated) and lithium ions is generated. If the silicon alkoxide and water are not mixed sufficiently, an impurity phase is likely to be formed. In order to obtain a solution with as high homogeneity as possible, it is desirable to stir at this stage for 15 minutes or more. Thereafter, a water-soluble phosphorus compound is added to the liquid and dissolved. The water-soluble phosphorus compound may be dissolved in the liquid before adding the silicon alkoxide, but from the viewpoint of suppressing the generation of Li 3 PO 4 , it is preferable to add the water-soluble phosphorus compound after mixing the silicon alkoxide.

次に、上記の撹拌によって得られた溶液を加温し、撹拌することにより、溶液とリン化合物を反応させる。この反応を進行させるとコロイド粒子を含む白色の懸濁液が生成する。この懸濁液が前述のイオン伝導体を得るための前駆体溶液として利用できる。反応を十分に進行させるために、例えば、撹拌中の液温は50~95℃とすることが好ましい。撹拌時間は30分以上とすることが好ましい。経済性を考慮すると、撹拌時間は通常120分以下の範囲で設定すればよい。撹拌時の液が接する気相の雰囲気は、大気圧下の空気とすることができる。この反応で生成するコロイド粒子の構造は現時点で明らかにされていないが、LiとSiとPとOの化合物がこの段階で形成されている可能性がある。 Next, the solution obtained by the above stirring is heated and stirred to react with the phosphorus compound. As this reaction proceeds, a white suspension containing colloidal particles is produced. This suspension can be used as a precursor solution for obtaining the ionic conductor described above. To allow the reaction to proceed sufficiently, for example, the liquid temperature during stirring is preferably 50 to 95°C. The stirring time is preferably 30 minutes or more. Considering economy, the stirring time is usually set to a range of 120 minutes or less. The gas phase atmosphere that the liquid comes into contact with during stirring can be air under atmospheric pressure. The structure of the colloidal particles produced by this reaction has not yet been clarified, but it is possible that compounds of Li, Si, P, and O are formed at this stage.

上記の撹拌混合に供するために使用する水溶性リチウム化合物、ケイ素アルコキシド、および水溶性リン化合物の量(仕込み量)は、Li、Si、Pの組成(仕込み組成)が下記(3)式および(4)式を満たす量的割合とすることが好ましい。
0.05≦x≦0.45 …(3)
1.05A≦Si≦1.50A …(4)
ここで、(3)式中のx値および(4)式中のA値は、それぞれ下記(5)式および(6)式により定まる。
x=1-4P/(Li+P) …(5)
A=xP/(1-x) …(6)
ただし、(4)式、(5)式、(6)式の元素記号Si、PおよびLiの箇所には、それぞれ粉体中に存在するSi原子、P原子、Li原子の合計量(モル)に対するSi原子、P原子およびLi原子の量(モル)の比の値(原子割合)が代入される。
The amounts (charge amounts) of the water-soluble lithium compound, silicon alkoxide, and water-soluble phosphorus compound used for the above stirring and mixing are preferably set so that the composition of Li, Si, and P (charge composition) satisfies the following quantitative ratios (3) and (4).
0.05≦x≦0.45 ... (3)
1.05A≦Si≦1.50A (4)
Here, the value of x in formula (3) and the value of A in formula (4) are determined by the following formulas (5) and (6), respectively.
x = 1-4P / (Li + P) ... (5)
A = xP / (1-x) ... (6)
However, the element symbols Si, P, and Li in formulas (4), (5), and (6) are substituted with the ratios (atomic ratios) of the amounts (moles) of Si atoms, P atoms, and Li atoms to the total amount (moles) of Si atoms, P atoms, and Li atoms present in the powder.

Li、Si、Pを結晶格子中に含むβ-LiPO型構造の結晶相は、組成式Li3+xSi1-x(ただし0<x<1)で表されると考えられる。そのため、焼成に供する前駆体のLi、Si、P組成比は、Li3+xSi1-xの化学量論組成にできるだけ近いことが、異相の少ない焼成物を得る上で有利になると考えられる。上述の水溶液合成においては、Si源となるケイ素アルコキシドあるいはそれに由来する物質の一部は揮発等によって液中から消失することがある。そのため、Siについては上記の化学量論組成に対して過剰の仕込み量とすることが好ましい。 The crystal phase of the β-Li 3 PO 4 type structure containing Li, Si, and P in the crystal lattice is considered to be represented by the composition formula Li 3+x Si x P 1-x O 4 (where 0<x<1). Therefore, it is considered to be advantageous in obtaining a fired product with few heterogeneous phases if the Li, Si, and P composition ratio of the precursor to be fired is as close as possible to the stoichiometric composition of Li 3+ x Si x P 1-x O 4. In the above-mentioned aqueous solution synthesis, the silicon alkoxide serving as the Si source or a part of the substance derived therefrom may disappear from the liquid due to volatilization or the like. Therefore, it is preferable to charge Si in an amount in excess of the above-mentioned stoichiometric composition.

上記(5)式は、LiとPの仕込み組成から組成式Li3+xSi1-xを満たすx値を導出するものである。Siの仕込み量を化学量論組成に対して過剰量とすることが好ましいことに鑑み、仕込み組成におけるx値はLiとPの仕込み組成から定める。このx値が上記(3)式を満たすように水溶性リチウム化合物と水溶性リン化合物の仕込み量を決定することが好ましい。
上記(6)式のA値は、上記(5)式から定まるx値を採用した場合の化学量論組成における、Li、Si、Pの合計に対するSiの原子割合を表すものである。発明者らの検討によれば、Siの仕込み組成は、A値(すなわち化学量論組成におけるSiの割合)に対して1.05倍以上1.50倍以下の範囲の過剰量とすることが効果的である。したがって、Si供給源であるケイ素アルコキシドの仕込み量は、上記(4)式を満たすように決定することが好ましい。
ケイ素アルコキシドの仕込み量は、下記(4)’式を満たすように決定することがより好ましい。
1.20A≦Si≦1.40A …(4)’
The above formula (5) derives the x value that satisfies the composition formula Li 3+x Si x P 1-x O 4 from the charged compositions of Li and P. Considering that it is preferable to charge an amount of Si in excess of the stoichiometric composition, the x value in the charged composition is determined from the charged compositions of Li and P. It is preferable to determine the charged amounts of the water-soluble lithium compound and the water-soluble phosphorus compound so that this x value satisfies the above formula (3).
The A value in the above formula (6) represents the atomic ratio of Si to the total of Li, Si, and P in the stoichiometric composition when the x value determined from the above formula (5) is adopted. According to the inventors' studies, it is effective to set the Si charge composition to an excess amount in the range of 1.05 to 1.50 times the A value (i.e., the ratio of Si in the stoichiometric composition). Therefore, it is preferable to determine the charge amount of silicon alkoxide, which is the Si supply source, so as to satisfy the above formula (4).
It is more preferable to determine the amount of silicon alkoxide to be charged so as to satisfy the following formula (4)'.
1.20A≦Si≦1.40A ... (4)'

水溶性リチウム化合物としては、水酸化リチウム一水和物、酢酸リチウム、炭酸リチウム、硝酸リチウムなどが例示できる。
ケイ素アルコキシドとしては、テトラエトキシシラン、トリメトキシシラン、テトラメトキシシラン、トリエトキシシラン、トリプロポキシシラン、テトラプロポキシシラン、トリブトキシシランなどが例示できる。
水溶性リン化合物としては、リン酸二水素アンモニウム、リン酸水素二アンモニウム、リン酸などが例示できる。
Examples of the water-soluble lithium compound include lithium hydroxide monohydrate, lithium acetate, lithium carbonate, and lithium nitrate.
Examples of silicon alkoxides include tetraethoxysilane, trimethoxysilane, tetramethoxysilane, triethoxysilane, tripropoxysilane, tetrapropoxysilane, and tributoxysilane.
Examples of the water-soluble phosphorus compound include ammonium dihydrogen phosphate, diammonium hydrogen phosphate, and phosphoric acid.

[前駆体粉体]
本発明で対象とする上記のイオン伝導体を合成するための好適な前駆体粉体は、例えば、Li、Si、Pを含む粒子からなる前駆体粉体であって、当該粉体に空気中400℃で12時間加熱する焼成を施したとき、Li、Si、Pを結晶格子中に含むβ-LiPO型構造の結晶相が形成される性質を有するものとして特定される。より具体的には、Siの供給源がケイ素アルコキシドである場合のLi、Si、Pを含むコロイド粒子が懸濁した水溶液の、溶媒除去成分として特定されるものが例示できる。「水溶液の、溶媒除去成分」は、水溶液の構成成分のうち溶媒成分を除いた成分であり、例えば蒸発乾固生成物、固液分離(濾過や遠心分離)により回収される固形成分などがこれに該当する。本発明で対象とする上記のイオン伝導体のLi、Si、P組成比は、前駆体粉体のLi、Si、P組成比をほぼ反映したものとなる。したがって、前駆体粉体の好ましい1態様として、Li、Si、Pの含有量において、上述の(1)式および(2)式を満たすものが例示できる。
[Precursor powder]
A suitable precursor powder for synthesizing the above-mentioned ionic conductor of the present invention is, for example, a precursor powder consisting of particles containing Li, Si, and P, and is specified as having a property of forming a β-Li 3 PO 4 type structure crystal phase containing Li, Si, and P in the crystal lattice when the powder is calcined by heating at 400° C. in air for 12 hours. More specifically, an example of the precursor powder is a precursor powder specified as a solvent-removed component of an aqueous solution in which colloidal particles containing Li, Si, and P are suspended when the Si source is silicon alkoxide. The "solvent-removed component of an aqueous solution" refers to the components of the aqueous solution excluding the solvent component, and includes, for example, an evaporated to dryness product and solid components recovered by solid-liquid separation (filtration or centrifugation). The Li, Si, and P composition ratio of the above-mentioned ionic conductor of the present invention almost reflects the Li, Si, and P composition ratio of the precursor powder. Therefore, an example of a preferred embodiment of the precursor powder is one in which the contents of Li, Si, and P satisfy the above-mentioned formulas (1) and (2).

(前駆体粉体の製造方法)
上記の前駆体粉体を得るための好ましい態様として、以下の製造方法を挙げることができる。
水系溶媒中で、Li、Si、Pの組成が前述の(3)式および(4)式を満たす量的割合の水溶性リチウム化合物、ケイ素アルコキシド、および水溶性リン化合物を撹拌混合することによりコロイド溶液を形成させる、前駆体溶液作製工程と、
前記コロイド溶液から溶媒成分を除去して固形分を得る、前駆体粉体合成工程と、
を有する、イオン伝導体の前駆体粉体の製造方法。
ここで、コロイド溶液から溶媒成分を除去して固形分を得る手法としては、例えば、蒸発乾固法、フィルトレーション法、遠心分離法などが挙げられる。
(Method for producing precursor powder)
As a preferred embodiment for obtaining the above precursor powder, the following production method can be mentioned.
a precursor solution preparation step of forming a colloidal solution by stirring and mixing in an aqueous solvent a water-soluble lithium compound, a silicon alkoxide, and a water-soluble phosphorus compound in a quantitative ratio such that the composition of Li, Si, and P satisfies the above-mentioned formulas (3) and (4);
a precursor powder synthesis step of removing a solvent component from the colloidal solution to obtain a solid content;
The present invention relates to a method for producing a precursor powder of an ion conductor.
Examples of the method for removing the solvent component from the colloidal solution to obtain a solid content include evaporation to dryness, filtration, and centrifugation.

[実施例1]
(前駆体溶液)
水溶性リチウム化合物として水酸化リチウム一水和物LiOH・HO(高純度化学研究所製、純度99%以上)、ケイ素アルコキシドとしてテトラエトキシシランSi(OC)(富士フイルム和光純薬社製、試薬特級)、水溶性リン化合物としてリン酸二水素アンモニウムNHPO(富士フイルム和光純薬社製、試薬特級)をそれぞれ用意した。
前述の公称x値(組成式Li3+xSi1-xにおけるLiとPの仕込み組成から定まるx値)が0.3となり、Siの仕込み量が化学量論組成に対し1.3倍量となるように、原料物質の仕込み量を、水酸化リチウム一水和物3.462g、テトラエトキシシラン2.032g、リン酸二水素アンモニウム2.013gとした。
[Example 1]
(Precursor solution)
The following water-soluble lithium compound was prepared: lithium hydroxide monohydrate LiOH.H2O (manufactured by Kojundo Chemical Laboratory, purity 99% or more); the silicon alkoxide was tetraethoxysilane Si( OC2H5 ) 4 (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, special reagent grade); and the water-soluble phosphorus compound was ammonium dihydrogen phosphate NH4H2PO4 (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, special reagent grade).
The amounts of the raw materials charged were 3.462 g of lithium hydroxide monohydrate, 2.032 g of tetraethoxysilane , and 2.013 g of ammonium dihydrogen phosphate so that the aforementioned nominal x value (x value determined from the charged composition of Li and P in the composition formula Li3+xSixP1-xO4) was 0.3 and the charged amount of Si was 1.3 times the stoichiometric composition.

まず、50mLのイオン交換水に水酸化リチウム一水和物を溶解させ、水酸化リチウム水溶液を得た。この水酸化リチウム水溶液に、テトラエトキシシランを加え、スターラーにより室温で30分撹拌した。次に、前記撹拌後の液にリン酸二水素アンモニウムを加え、液温を70℃に昇温し、70℃で1時間撹拌した。このようにしてコロイド溶液(前駆体溶液)を得た。
表1に、仕込み組成を示す(以下の各例において同じ)。表1中には前述の(3)式、(4)式の充足性について、充足するものを○、充足しないものを×で示した。
First, lithium hydroxide monohydrate was dissolved in 50 mL of ion-exchanged water to obtain an aqueous solution of lithium hydroxide. Tetraethoxysilane was added to this aqueous solution of lithium hydroxide, and the solution was stirred at room temperature for 30 minutes using a stirrer. Next, ammonium dihydrogen phosphate was added to the solution after stirring, and the solution temperature was raised to 70° C. and stirred at 70° C. for 1 hour. In this way, a colloidal solution (precursor solution) was obtained.
Table 1 shows the composition of the mixture (the same applies to each of the following examples). In Table 1, the sufficiency of the above-mentioned formulas (3) and (4) is indicated by ◯ if the formula is satisfied, and by × if the formula is not satisfied.

(前駆体粉体)
70℃1時間の撹拌を終えた上記のコロイド溶液から撹拌子を取り出し、70℃で15時間加熱し、蒸発乾固させることにより、蒸発乾固生成物からなる粉体試料(前駆体粉体)を回収した。
(Precursor Powder)
After stirring at 70° C. for 1 hour, the stirrer was removed from the colloidal solution, which was then heated at 70° C. for 15 hours to evaporate to dryness, and a powder sample (precursor powder) made of the evaporated to dryness product was collected.

(焼成粉体)
回収した上記の粉体試料(前駆体粉体)を空気中150℃で2時間加熱したのち、 メノウ乳鉢で軽く粉砕し、その後、アルミナるつぼに入れ、電気炉(ヤマト科学製FP102)を用いて、空気中400℃で12時間保持する方法で焼成工程を行い、白色の粉体(以下これを「焼成粉体」と言う。)を得た。本例における焼成の最高到達温度は400℃であり、トータルの焼成時間は14時間である。
(Fired powder)
The collected powder sample (precursor powder) was heated in air at 150°C for 2 hours, then lightly crushed in an agate mortar, and then placed in an alumina crucible and calcined in an electric furnace (FP102, manufactured by Yamato Scientific) at 400°C for 12 hours to obtain a white powder (hereinafter referred to as the "calcined powder"). The maximum calcination temperature in this example was 400°C, and the total calcination time was 14 hours.

得られた焼成粉体について、上掲の「X線回折パターンの測定」に記載した条件でX線回折測定を行った。測定されたX線回折パターンから、この焼成粉体はβ-LiPO型構造の結晶相を主相に持つものであることが確認された。異相として少量のLiCO相の混在が認められた。
表2に、これらの結果を示す(以下の各例において同じ。)。表2中に記載の「焼成温度」は最高到達温度である。本例および以下の各例とも、表2に記載の焼成温度(最高到達温度)に維持しながら前述の第2段目の焼成に相当する加熱保持を行った。また、X線回折パターンから求めたβ-LiPO型結晶の格子定数および単位格子の体積を表2中に併記した(比較例1を除く後述の各例において同じ。)。
The obtained sintered powder was subjected to X-ray diffraction measurement under the conditions described in the above-mentioned "Measurement of X-ray diffraction pattern". From the measured X-ray diffraction pattern, it was confirmed that this sintered powder has a crystal phase of β-Li 3 PO 4 type structure as the main phase. A small amount of Li 2 CO 3 phase was found to be mixed in as a different phase.
The results are shown in Table 2 (the same applies to each of the following examples). The "firing temperature" shown in Table 2 is the maximum temperature reached. In this example and each of the following examples, heating and holding equivalent to the above-mentioned second stage firing was performed while maintaining the firing temperature (maximum temperature reached) shown in Table 2. In addition, the lattice constant and unit lattice volume of the β-Li 3 PO 4 type crystal obtained from the X-ray diffraction pattern are also shown in Table 2 (the same applies to each of the examples described below except Comparative Example 1).

得られた焼成粉体の化学組成を、ICP-AES分析装置(Agilent社製、Agilent720-ES)によって調べた。
表3に、その測定結果に基づくLi、Si、Pの組成比を示す(一部の比較例を除き以下の各例において同じ。)。また、表3中には前述の(1)式、(2)式の充足性について、充足するものを○、充足しないものを×で示した。
本例の焼成粉体は、(2)式を充足し、組成式Li3+xSi1-xの化学量論組成に近いLi、Si、P組成比を有する結晶相を主相に持つものであると評価できる。
The chemical composition of the resulting sintered powder was examined using an ICP-AES analyzer (Agilent 720-ES, manufactured by Agilent).
Table 3 shows the composition ratios of Li, Si, and P based on the measurement results (the same applies to each of the following examples except for some comparative examples). In addition, in Table 3, the sufficiency of the above-mentioned formulas (1) and (2) is shown with ◯ when it is satisfied, and with × when it is not satisfied.
The sintered powder of this example satisfies formula (2) and can be evaluated as having a crystal phase in the main phase having a Li, Si, and P composition ratio close to the stoichiometric composition of the composition formula Li 3+x Si x P 1-x O 4 .

(焼結体)
上記の焼成粉体を材料に用いて、熱プレス装置(アズワン社製)により、圧力375MPaを付加した状態で、空気中400℃で2時間加熱することによって、焼結体を作製した。
(Sintered body)
The above-mentioned sintered powder was used as a material and heated in air at 400° C. for 2 hours under a pressure of 375 MPa using a heat press machine (manufactured by AS ONE Corporation) to produce a sintered body.

得られた焼結体について、周波数応答アナライザ(FRA)(ソーラトロン社製、1260型)を用いて、周波数32MHz~100Hz、振幅電圧100mVの条件で200℃のインピーダンスを測定し、ナイキストプロットの円弧より抵抗値を求め、この抵抗値から導電率を算出した。なお、ブロッキング電極にはAu電極を使用した。
表4に、200℃の導電率を示す(以下の実施例2、3、4、7、比較例3において同じ。)。
本例の焼結体は200℃で3.022×10-6S/cmの導電性(リチウムイオン伝導性)を呈した。すなわち、本例で得られた上記の焼成粉体は、イオン伝導体であることが確認された。
The impedance of the obtained sintered body was measured at 200°C using a frequency response analyzer (FRA) (Solartron, Model 1260) under the conditions of a frequency of 32 MHz to 100 Hz and an amplitude voltage of 100 mV, and the resistance value was obtained from the arc of the Nyquist plot, from which the conductivity was calculated. Note that an Au electrode was used as the blocking electrode.
Table 4 shows the electrical conductivity at 200° C. (the same applies to the following Examples 2, 3, 4, and 7, and Comparative Example 3).
The sintered body of this example exhibited an electrical conductivity (lithium ion conductivity) of 3.022×10 −6 S/cm at 200° C. In other words, it was confirmed that the sintered powder obtained in this example was an ion conductor.

[実施例2]
焼結体の作製において、加熱温度を400℃から500℃に変更したことを除き、実施例1と同様の実験を行った。
本例の焼結体は200℃で7.745×10-6S/cmの導電性(リチウムイオン伝導性)を呈した。すなわち、本例で得られた焼成粉体は、イオン伝導体であることが確認された。
[Example 2]
An experiment similar to that in Example 1 was carried out, except that in the preparation of the sintered body, the heating temperature was changed from 400°C to 500°C.
The sintered body of this example exhibited an electrical conductivity (lithium ion conductivity) of 7.745×10 −6 S/cm at 200° C. In other words, it was confirmed that the sintered powder obtained in this example was an ion conductor.

[実施例3]
前駆体溶液の作製において、公称x値が0.4となり、Siの仕込み量が化学量論組成に対し1.3倍量となるように、原料物質の仕込み量を、水酸化リチウム一水和物3.567g、テトラエトキシシラン2.709g、リン酸二水素アンモニウム1.726gとした。それ以外は実施例1と同様の条件として実験を行った。
X線回折パターンから、本例で得られた焼成粉体はβ-LiPO型構造の結晶相を主相に持つものであることが確認された。異相として少量のLiCO相とLiSiO相の混在が認められた。ICP-AES分析の結果、本例の焼成粉体は、(2)式を充足し、組成式Li3+xSi1-xの化学量論組成に近いLi、Si、P組成比を有する結晶相を主相に持つものであると評価できる。
本例の焼結体は200℃で7.703×10-6S/cmの導電性(リチウムイオン伝導性)を呈した。すなわち、本例で得られた焼成粉体は、イオン伝導体であることが確認された。
[Example 3]
In preparing the precursor solution, the amounts of the raw materials were set to 3.567 g of lithium hydroxide monohydrate, 2.709 g of tetraethoxysilane, and 1.726 g of ammonium dihydrogen phosphate so that the nominal x value was 0.4 and the amount of Si charged was 1.3 times the stoichiometric composition. Except for this, the experiment was carried out under the same conditions as in Example 1.
From the X-ray diffraction pattern, it was confirmed that the sintered powder obtained in this example has a β-Li 3 PO 4 type structure crystal phase as the main phase. Small amounts of Li 2 CO 3 phase and Li 2 SiO 3 phase were found to be mixed as heterogeneous phases. As a result of ICP-AES analysis, it can be evaluated that the sintered powder of this example satisfies formula (2) and has a crystalline phase having a Li, Si, and P composition ratio close to the stoichiometric composition of the composition formula Li 3+x Si x P 1-x O 4 as the main phase.
The sintered body of this example exhibited an electrical conductivity (lithium ion conductivity) of 7.703×10 −6 S/cm at 200° C. In other words, it was confirmed that the sintered powder obtained in this example was an ion conductor.

[実施例4]
前駆体溶液の作製において、公称x値が0.1となり、Siの仕込み量が化学量論組成に対し1.3倍量となるように、原料物質の仕込み量を、水酸化リチウム一水和物3.252g、テトラエトキシシラン0.677g、リン酸二水素アンモニウム2.589gとした。それ以外は実施例1と同様の条件として実験を行った。
X線回折パターンから、本例で得られた焼成粉体はβ-LiPO型構造の結晶相を主相に持つものであることが確認された。異相の混在は認められなかった。ICP-AES分析の結果、本例の焼成粉体は、(2)式を充足し、組成式Li3+xSi1-xの化学量論組成に近いLi、Si、P組成比を有する結晶相を主相に持つものであると評価できる。
本例の焼結体は200℃で2.859×10-7S/cmの導電性(リチウムイオン伝導性)を呈した。すなわち、本例で得られた焼成粉体は、イオン伝導体であることが確認された。
[Example 4]
In preparing the precursor solution, the amounts of the raw materials were set to 3.252 g of lithium hydroxide monohydrate, 0.677 g of tetraethoxysilane, and 2.589 g of ammonium dihydrogen phosphate so that the nominal x value was 0.1 and the amount of Si charged was 1.3 times the stoichiometric composition. Except for this, the experiment was carried out under the same conditions as in Example 1.
From the X-ray diffraction pattern, it was confirmed that the sintered powder obtained in this example has a β-Li 3 PO 4 type structure crystal phase as the main phase. No other phases were observed to be present. As a result of ICP-AES analysis, the sintered powder of this example can be evaluated as having a crystalline phase as the main phase, which satisfies formula (2) and has a Li, Si, and P composition ratio close to the stoichiometric composition of the composition formula Li 3+x Si x P 1-x O 4 .
The sintered body of this example exhibited a conductivity (lithium ion conductivity) of 2.859×10 −7 S/cm at 200° C. In other words, it was confirmed that the sintered powder obtained in this example was an ion conductor.

[実施例5]
前駆体溶液の作製において、公称x値が0.2となり、Siの仕込み量が化学量論組成に対し1.3倍量となるように、原料物質の仕込み量を、水酸化リチウム一水和物3.357g、テトラエトキシシラン1.355g、リン酸二水素アンモニウム2.301gとした。また、焼成温度を150℃とした。上記以外は実施例1と同様の条件で焼成粉体を作製し、実施例1と同様の方法でX線回折測定および組成分析を行った。
X線回折パターンから、本例で得られた焼成粉体はβ-LiPO型構造の結晶相を主相に持つものであることが確認された。異相として少量のLiCO相の混在が認められた。ICP-AES分析の結果、本例の焼成粉体は、(2)式を充足し、組成式Li3+xSi1-xの化学量論組成に近いLi、Si、P組成比を有する結晶相を主相に持つものであると評価できる。
[Example 5]
In the preparation of the precursor solution, the amounts of the raw materials were set to 3.357 g of lithium hydroxide monohydrate, 1.355 g of tetraethoxysilane, and 2.301 g of ammonium dihydrogen phosphate so that the nominal x value was 0.2 and the amount of Si was 1.3 times the stoichiometric composition. The firing temperature was set to 150° C. A fired powder was prepared under the same conditions as in Example 1 except for the above, and X-ray diffraction measurement and composition analysis were performed in the same manner as in Example 1.
From the X-ray diffraction pattern, it was confirmed that the sintered powder obtained in this example has a β-Li 3 PO 4 type structure crystal phase as the main phase. A small amount of Li 2 CO 3 phase was found to be mixed in as a different phase. As a result of ICP-AES analysis, the sintered powder of this example can be evaluated as having a crystalline phase as the main phase that satisfies formula (2) and has a Li, Si, and P composition ratio close to the stoichiometric composition of the composition formula Li 3+x Si x P 1-x O 4 .

[実施例6]
前駆体溶液の作製において、公称x値が0.2となり、Siの仕込み量が化学量論組成に対し1.3倍量となるように、原料物質の仕込み量を、水酸化リチウム一水和物3.357g、テトラエトキシシラン1.355g、リン酸二水素アンモニウム2.301gとした。また、焼成温度を300℃とした。上記以外は実施例1と同様の条件で焼成粉体を作製し、実施例1と同様の方法でX線回折測定および組成分析を行った。
X線回折パターンから、本例で得られた焼成粉体はβ-LiPO型構造の結晶相を主相に持つものであることが確認された。異相として少量のLiCO相の混在が認められた。ICP-AES分析の結果、本例の焼成粉体は、(2)式を充足し、組成式Li3+xSi1-xの化学量論組成に近いLi、Si、P組成比を有する結晶相を主相に持つものであると評価できる。
[Example 6]
In the preparation of the precursor solution, the amounts of the raw materials were set to 3.357 g of lithium hydroxide monohydrate, 1.355 g of tetraethoxysilane, and 2.301 g of ammonium dihydrogen phosphate so that the nominal x value was 0.2 and the amount of Si was 1.3 times the stoichiometric composition. The firing temperature was set to 300° C. A fired powder was prepared under the same conditions as in Example 1 except for the above, and X-ray diffraction measurement and composition analysis were performed in the same manner as in Example 1.
From the X-ray diffraction pattern, it was confirmed that the sintered powder obtained in this example has a β-Li 3 PO 4 type structure crystal phase as the main phase. A small amount of Li 2 CO 3 phase was found to be mixed in as a different phase. As a result of ICP-AES analysis, the sintered powder of this example can be evaluated as having a crystalline phase as the main phase that satisfies formula (2) and has a Li, Si, and P composition ratio close to the stoichiometric composition of the composition formula Li 3+x Si x P 1-x O 4 .

[実施例7]
前駆体溶液の作製において、公称x値が0.2となり、Siの仕込み量が化学量論組成に対し1.3倍量となるように、原料物質の仕込み量を、水酸化リチウム一水和物3.357g、テトラエトキシシラン1.355g、リン酸二水素アンモニウム2.301gとした。それ以外は実施例1と同様の条件として実験を行った。
X線回折パターンから、本例で得られた焼成粉体はβ-LiPO型構造の結晶相を主相に持つものであることが確認された。異相として少量のLiCO相の混在が認められた。ICP-AES分析の結果、本例の焼成粉体は、(2)式を充足し、組成式Li3+xSi1-xの化学量論組成に近いLi、Si、P組成比を有する結晶相を主相に持つものであると評価できる。
本例の焼結体は200℃で9.963×10-7S/cmの導電性(リチウムイオン伝導性)を呈した。すなわち、本例で得られた焼成粉体は、イオン伝導体であることが確認された。
[Example 7]
In preparing the precursor solution, the amounts of the raw materials were set to 3.357 g of lithium hydroxide monohydrate, 1.355 g of tetraethoxysilane, and 2.301 g of ammonium dihydrogen phosphate so that the nominal x value was 0.2 and the amount of Si charged was 1.3 times the stoichiometric composition. Except for this, the experiment was carried out under the same conditions as in Example 1.
From the X-ray diffraction pattern, it was confirmed that the sintered powder obtained in this example has a β-Li 3 PO 4 type structure crystal phase as the main phase. A small amount of Li 2 CO 3 phase was found to be mixed in as a different phase. As a result of ICP-AES analysis, the sintered powder of this example can be evaluated as having a crystalline phase as the main phase that satisfies formula (2) and has a Li, Si, and P composition ratio close to the stoichiometric composition of the composition formula Li 3+x Si x P 1-x O 4 .
The sintered body of this example exhibited a conductivity (lithium ion conductivity) of 9.963×10 −7 S/cm at 200° C. In other words, it was confirmed that the sintered powder obtained in this example was an ion conductor.

[実施例8]
前駆体溶液の作製において、公称x値が0.2となり、Siの仕込み量が化学量論組成に対し1.3倍量となるように、原料物質の仕込み量を、水酸化リチウム一水和物3.357g、テトラエトキシシラン1.355g、リン酸二水素アンモニウム2.301gとした。また、焼成温度を500℃とした。上記以外は実施例1と同様の条件で焼成粉体を作製し、実施例1と同様の方法でX線回折測定および組成分析を行った。
X線回折パターンから、本例で得られた焼成粉体はβ-LiPO型構造の結晶相を主相に持つものであることが確認された。異相として少量のLiCO相の混在が認められた。ICP-AES分析の結果、本例の焼成粉体は、(2)式を充足し、組成式Li3+xSi1-xの化学量論組成に近いLi、Si、P組成比を有する結晶相を主相に持つものであると評価できる。
[Example 8]
In the preparation of the precursor solution, the amounts of the raw materials were set to 3.357 g of lithium hydroxide monohydrate, 1.355 g of tetraethoxysilane, and 2.301 g of ammonium dihydrogen phosphate so that the nominal x value was 0.2 and the amount of Si was 1.3 times the stoichiometric composition. The firing temperature was set to 500° C. A fired powder was prepared under the same conditions as in Example 1 except for the above, and X-ray diffraction measurement and composition analysis were performed in the same manner as in Example 1.
From the X-ray diffraction pattern, it was confirmed that the sintered powder obtained in this example has a β-Li 3 PO 4 type structure crystal phase as the main phase. A small amount of Li 2 CO 3 phase was found to be mixed in as a different phase. As a result of ICP-AES analysis, the sintered powder of this example can be evaluated as having a crystalline phase as the main phase that satisfies formula (2) and has a Li, Si, and P composition ratio close to the stoichiometric composition of the composition formula Li 3+x Si x P 1-x O 4 .

[比較例1]
前駆体溶液の作製において、公称x値が0.2となり、Siの仕込み量が化学量論組成に対し1.3倍量となるように、原料物質の仕込み量を、水酸化リチウム一水和物3.672g、テトラエトキシシラン3.387g、リン酸二水素アンモニウム1.438gとした。また、焼成温度を600℃とした。上記以外は実施例1と同様の条件で焼成粉体を作製し、実施例1と同様の方法でX線回折測定を行った。
X線回折パターンから、本例で得られた焼成粉体はγ-LiPO型構造の結晶相を主相に持つものであると判定された。異相として少量のLiCO相の混在が認められた。
[Comparative Example 1]
In preparing the precursor solution, the amounts of the raw materials were set to 3.672 g of lithium hydroxide monohydrate, 3.387 g of tetraethoxysilane, and 1.438 g of ammonium dihydrogen phosphate so that the nominal x value was 0.2 and the amount of Si was 1.3 times the stoichiometric composition. The firing temperature was set to 600° C. A fired powder was prepared under the same conditions as in Example 1 except for the above, and X-ray diffraction measurement was performed in the same manner as in Example 1.
From the X-ray diffraction pattern, it was determined that the sintered powder obtained in this example had a crystal phase of γ-Li 3 PO 4 type structure as the main phase. A small amount of Li 2 CO 3 phase was found to be mixed in as a different phase.

[比較例2]
前駆体溶液の作製において、公称x値が0.5となり、Siの仕込み量が化学量論組成に対し1.3倍量となるように、原料物質の仕込み量を、水酸化リチウム一水和物3.357g、テトラエトキシシラン1.355g、リン酸二水素アンモニウム2.301gとした。それ以外は実施例1と同様の条件で焼成粉体を作製し、実施例1と同様の方法でX線回折測定および組成分析を行った。
X線回折パターンから、本例で得られた焼成粉体はβ-LiPO型構造の結晶相を主相に持つものであることが確認された。異相としてLiCO相とLiSiO相の混在が認めら、それらの量は前述の実施例3より多かった。ICP-AES分析の結果、本例の焼成粉体は、Si/(Si+P)が0.45であり、(1)式を充足していない。
[Comparative Example 2]
In the preparation of the precursor solution, the amounts of the raw materials were set to 3.357 g of lithium hydroxide monohydrate, 1.355 g of tetraethoxysilane, and 2.301 g of ammonium dihydrogen phosphate so that the nominal x value was 0.5 and the amount of Si charged was 1.3 times the stoichiometric composition. A sintered powder was prepared under the same conditions as in Example 1, and X-ray diffraction measurements and composition analysis were performed in the same manner as in Example 1.
From the X-ray diffraction pattern, it was confirmed that the sintered powder obtained in this example had a β-Li 3 PO 4 type structure crystal phase as the main phase. The presence of Li 2 CO 3 and Li 2 SiO 3 phases as heterophases was observed, and the amount of these phases was greater than that of Example 3. As a result of ICP-AES analysis, the sintered powder of this example had a Si/(Si+P) of 0.45, which does not satisfy formula (1).

[比較例3]
ここでは前述の公称x値が0であるSi無添加のβ-LiPO粉体を以下のようにして室温下で合成した。
原料物質の仕込み量が組成式LiPOを満たすLi:Pの比率になるように、水酸化リチウム一水和物3.147g、リン酸二水素アンモニウム2.876gを秤量した。50mLのイオン交換水に上記の量の水酸化リチウム一水和物を溶解させ、水酸化リチウム水溶液を得た。この水酸化リチウム水溶液に、上記の量のリン酸二水素アンモニウムを加え、液温を70℃に昇温し、70℃で1時間撹拌した。このようにしてコロイド溶液(前駆体溶液)を得た。さらに、70℃1時間の撹拌を終えた上記のコロイド溶液から撹拌子を取り出し、70℃で15時間加熱し、蒸発乾固させた。その蒸発乾固生成物を空気中150℃で2時間加熱し、粉体試料を回収した。
[Comparative Example 3]
Here, the aforementioned β-Li 3 PO 4 powder with no added Si and a nominal x value of 0 was synthesized at room temperature as follows.
3.147 g of lithium hydroxide monohydrate and 2.876 g of ammonium dihydrogen phosphate were weighed out so that the amount of the raw materials charged would be the Li:P ratio that satisfies the composition formula Li 3 PO 4. The above amount of lithium hydroxide monohydrate was dissolved in 50 mL of ion-exchanged water to obtain an aqueous lithium hydroxide solution. The above amount of ammonium dihydrogen phosphate was added to this aqueous lithium hydroxide solution, the liquid temperature was raised to 70°C, and the solution was stirred at 70°C for 1 hour. In this way, a colloidal solution (precursor solution) was obtained. Furthermore, the stirrer was removed from the above colloidal solution after stirring at 70°C for 1 hour, and the solution was heated at 70°C for 15 hours to evaporate and dry. The evaporated and dried product was heated in air at 150°C for 2 hours, and a powder sample was collected.

得られた粉体について実施例1と同様の条件でX線回折を行った。その結果、当該粉体はβ-LiPO結晶からなるものであることが確認された。この結晶は、上記の蒸発乾固により生成している可能性があるが、表2中の「焼成温度」の欄には付与した熱履歴の最高到達温度である150℃を記載してある。
この粉体を材料に用いて、焼結温度を300℃としたことを除き、実施例1と同様の方法で焼結体を作製し、200℃の導電率を測定した。その結果、本例の焼結体の200℃の導電率は3.5×10-8S/cmであった。本例と、上述の実施例1~4、7との対比から、β-LiPO結晶(本例)はリチウムイオン伝導性に乏しいが、Siを固溶させてLi、Si、Pを結晶格子中に含むβ-LiPO型構造の結晶とすることにより、リチウムイオン伝導性が顕著に改善されることが分かる。
The obtained powder was subjected to X-ray diffraction under the same conditions as in Example 1. As a result, it was confirmed that the powder was composed of β-Li 3 PO 4 crystals. The crystals may have been formed by the evaporation to dryness described above, but the "calcination temperature" column in Table 2 lists 150°C, which is the maximum temperature reached by the applied thermal history.
Using this powder as the material, a sintered body was produced in the same manner as in Example 1, except that the sintering temperature was 300°C, and the conductivity at 200°C was measured. As a result, the conductivity of the sintered body of this example at 200°C was 3.5 x 10-8 S/cm. Comparing this example with the above-mentioned Examples 1 to 4 and 7, it is found that although the β-Li 3 PO 4 crystal (this example) has poor lithium ion conductivity, the lithium ion conductivity is significantly improved by dissolving Si to form a crystal with a β-Li 3 PO 4 type structure containing Li, Si and P in the crystal lattice.

Figure 2024058258000002
Figure 2024058258000002

Figure 2024058258000003
Figure 2024058258000003

Figure 2024058258000004
Figure 2024058258000004

Figure 2024058258000005
Figure 2024058258000005

Claims (14)

Li、Si、Pを結晶格子中に含むβ-LiPO型構造の結晶相を主相に持ち、Si/(Si+P)原子比が0.05以上0.40以下である、イオン伝導体。 An ionic conductor having a crystal phase of β-Li 3 PO 4 type structure containing Li, Si and P in the crystal lattice as a main phase, and having a Si/(Si+P) atomic ratio of 0.05 or more and 0.40 or less. 請求項1に記載のイオン伝導体を用いたイオン伝導性焼結体。 An ion-conductive sintered body using the ion conductor according to claim 1. Li、Si、Pを含むコロイド粒子が懸濁した水溶液からなる前駆体溶液であって、当該水溶液を70℃で蒸発乾固させたのち150℃で2時間加熱して得た固形分に、空気中400℃で12時間加熱する熱処理を施したとき、Li、Si、Pを結晶格子中に含むβ-LiPO型構造の結晶相が形成される性質を有する、イオン伝導体の前駆体溶液。 A precursor solution for an ionic conductor, which is made of an aqueous solution in which colloidal particles containing Li, Si and P are suspended, and which has the property of forming a crystalline phase with a β-Li3PO4 type structure containing Li, Si and P in the crystal lattice when the aqueous solution is evaporated to dryness at 70°C and then heated at 150°C for 2 hours to obtain a solid matter, which is then subjected to a heat treatment in air at 400°C for 12 hours. 前記コロイド粒子は、水系溶媒、水溶性リチウム化合物、ケイ素アルコキシド、水溶性リン化合物の混合生成物である、請求項3に記載のイオン伝導体の前駆体溶液。 The precursor solution of the ionic conductor according to claim 3, wherein the colloidal particles are a mixture product of an aqueous solvent, a water-soluble lithium compound, a silicon alkoxide, and a water-soluble phosphorus compound. Li、Si、Pを含む粒子からなる前駆体粉体であって、当該粉体に空気中400℃で12時間加熱する焼成を施したとき、Li、Si、Pを結晶格子中に含むβ-LiPO型構造の結晶相が形成される性質を有する、イオン伝導体の前駆体粉体。 A precursor powder of an ion conductor, which is composed of particles containing Li, Si, and P, and has the property of forming a crystal phase with a β-Li 3 PO 4 type structure containing Li, Si, and P in the crystal lattice when the powder is calcined by heating at 400°C in air for 12 hours. 前記前駆体粉体は、Li、Si、Pを含むコロイド粒子が懸濁した水溶液の、溶媒除去成分である、請求項5に記載のイオン伝導体の前駆体粉体。 The precursor powder of the ionic conductor according to claim 5, wherein the precursor powder is a solvent-removed component of an aqueous solution in which colloidal particles containing Li, Si, and P are suspended. 前記前駆体粉体は、Li、Si、Pの含有量において、下記(1)式および(2)式を満たすものである、請求項5に記載のイオン伝導体の前駆体粉体。
0.05≦Si/(Si+P)≦0.40 …(1)
0.90(4Si+3P)≦Li≦0.10(4Si+3P) …(2)
ここで、(1)式、(2)式の元素記号Si、PおよびLiの箇所には、それぞれ粉体中に存在するSi原子、P原子、Li原子の合計量(モル)に対するSi原子、P原子およびLi原子の量(モル)の比の値(原子割合)が代入される。
6. The precursor powder of an ionic conductor according to claim 5, wherein the precursor powder satisfies the following formulas (1) and (2) in terms of the contents of Li, Si and P:
0.05≦Si/(Si+P)≦0.40 ... (1)
0.90(4Si+3P)≦Li≦0.10(4Si+3P) ... (2)
Here, the element symbols Si, P, and Li in formulas (1) and (2) are substituted with the ratios (atomic ratios) of the amounts (moles) of Si atoms, P atoms, and Li atoms to the total amount (moles) of Si atoms, P atoms, and Li atoms present in the powder.
水系溶媒中で、水溶性リチウム化合物、ケイ素アルコキシド、水溶性リン化合物を混合して得られたコロイド粒子の懸濁液から、溶媒成分を除去する手法により形成させた前駆体粉体を、酸化性雰囲気中120℃以上550℃以下の温度域で加熱保持することにより、Li、Si、Pを結晶格子中に含むβ-LiPO型構造の結晶相を生成させる、イオン伝導体の製造方法。 A method for producing an ionic conductor, comprising the steps of: mixing a water-soluble lithium compound, a silicon alkoxide, and a water-soluble phosphorus compound in an aqueous solvent to obtain a suspension of colloidal particles; removing the solvent components from the resulting suspension; and heating and holding the resulting precursor powder in an oxidizing atmosphere at a temperature range of 120°C to 550°C, thereby generating a crystal phase having a β- Li3PO4 structure that contains Li, Si , and P in the crystal lattice. 前記前駆体粉体は、Li、Si、Pの含有量において、下記(1)式および(2)式を満たすものである、請求項8に記載のイオン伝導体の製造方法。
0.05≦Si/(Si+P)≦0.40 …(1)
0.90(4Si+3P)≦Li≦0.10(4Si+3P) …(2)
ここで、(1)式、(2)式の元素記号Si、PおよびLiの箇所には、それぞれ粉体中に存在するSi原子、P原子、Li原子の合計量(モル)に対するSi原子、P原子およびLi原子の量(モル)の比の値(原子割合)が代入される。
The method for producing an ionic conductor according to claim 8 , wherein the precursor powder satisfies the following formulas (1) and (2) in terms of the contents of Li, Si, and P:
0.05≦Si/(Si+P)≦0.40 ... (1)
0.90(4Si+3P)≦Li≦0.10(4Si+3P) ... (2)
Here, the element symbols Si, P, and Li in formulas (1) and (2) are substituted with the ratios (atomic ratios) of the amounts (moles) of Si atoms, P atoms, and Li atoms to the total amount (moles) of Si atoms, P atoms, and Li atoms present in the powder.
水系溶媒中で、水溶性リチウム化合物、ケイ素アルコキシド、水溶性リン化合物を混合して得られたコロイド粒子の懸濁液から、溶媒成分を除去する手法により形成させた前駆体粉体の粒子を含む粉体の成形体を、酸化性雰囲気中120℃以上550℃以下の温度域で加圧力を付与しながら加熱保持することにより、Li、Si、Pを結晶格子中に含むβ-LiPO型構造の結晶相を生成させるとともに焼結体を得る、イオン伝導性焼結体の製造方法。 A method for producing an ion-conductive sintered body, comprising the steps of: mixing a water-soluble lithium compound, a silicon alkoxide, and a water-soluble phosphorus compound in an aqueous solvent to obtain a suspension of colloidal particles; removing the solvent components from the resulting suspension; heating and holding the powder compact containing precursor powder particles in an oxidizing atmosphere at a temperature range of 120°C to 550°C while applying pressure, thereby generating a crystal phase having a β- Li3PO4 structure containing Li, Si, and P in the crystal lattice, and obtaining a sintered body. 水系溶媒中で、水溶性リチウム化合物、ケイ素アルコキシド、水溶性リン化合物を混合して得られたコロイド粒子の懸濁液から、溶媒成分を除去する手法により形成させた前駆体粉体を、酸化性雰囲気中120℃以上550℃以下の温度域で加熱保持することにより、Li、Si、Pを結晶格子中に含むβ-LiPO型構造の結晶相を生成させてイオン伝導体粉体を得る、焼成工程と、
前記イオン伝導体粉体の粒子を含む粉体の成形体を、120℃以上550℃以下の温度域で加圧力を付与しながら加熱保持することにより焼結体を得る、焼結工程と、
を有する、イオン伝導性焼結体の製造方法。
a calcination step in which a precursor powder is formed by removing the solvent from a suspension of colloidal particles obtained by mixing a water-soluble lithium compound, a silicon alkoxide, and a water-soluble phosphorus compound in an aqueous solvent, and the precursor powder is heated and held at a temperature range of 120°C to 550°C in an oxidizing atmosphere to generate a crystal phase having a β- Li3PO4 structure containing Li, Si , and P in the crystal lattice, thereby obtaining an ion conductor powder;
a sintering step of heating and holding the powder compact containing the ion conductor powder particles at a temperature range of 120° C. to 550° C. while applying pressure to obtain a sintered body;
The present invention relates to a method for producing an ion-conductive sintered body having an ion-conductive sintered body.
前記焼成工程での最高到達温度をT(℃)、前記焼結工程での最高到達温度をT(℃)とするとき、T≧T-50、かつ120≦T≦550を満たす条件で焼成工程および焼結工程を行う、請求項11に記載のイオン伝導性焼結体の製造方法。 The method for producing an ion-conductive sintered body according to claim 11, wherein the firing step and the sintering step are carried out under conditions that satisfy T 1 ≧T 0 -50 and 120≦T 1 ≦550, where T 0 is the maximum temperature reached in the firing step (°C) and T 1 is the maximum temperature reached in the sintering step (°C). 水系溶媒中で、Li、Si、Pの組成が下記(3)式および(4)式を満たす量的割合の水溶性リチウム化合物、ケイ素アルコキシド、および水溶性リン化合物を混合することによりコロイド溶液を形成させる工程を有する、イオン伝導体の前駆体溶液の製造方法。
0.05≦x≦0.45 …(3)
1.05A≦Si≦1.50A …(4)
ここで、(3)式中のx値および(4)式中のA値は、それぞれ下記(5)式および(6)式により定まる。
x=1-4P/(Li+P) …(5)
A=xP/(1-x) …(6)
ただし、(4)式、(5)式、(6)式の元素記号Si、PおよびLiの箇所には、それぞれ粉体中に存在するSi原子、P原子、Li原子の合計量(モル)に対するSi原子、P原子およびLi原子の量(モル)の比の値(原子割合)が代入される。
A method for producing a precursor solution of an ion conductor, comprising the step of forming a colloidal solution by mixing, in an aqueous solvent, a water-soluble lithium compound, a silicon alkoxide, and a water-soluble phosphorus compound in quantitative proportions such that the composition of Li, Si, and P satisfies the following formulas (3) and (4):
0.05≦x≦0.45 ... (3)
1.05A≦Si≦1.50A (4)
Here, the value of x in formula (3) and the value of A in formula (4) are determined by the following formulas (5) and (6), respectively.
x = 1-4P / (Li + P) ... (5)
A = xP / (1-x) ... (6)
However, the element symbols Si, P, and Li in formulas (4), (5), and (6) are substituted with the ratios (atomic ratios) of the amounts (moles) of Si atoms, P atoms, and Li atoms to the total amount (moles) of Si atoms, P atoms, and Li atoms present in the powder.
水系溶媒中で、Li、Si、Pの組成が下記(3)式および(4)式を満たす量的割合の水溶性リチウム化合物、ケイ素アルコキシド、および水溶性リン化合物を混合することによりコロイド溶液を形成させる、前駆体溶液作製工程と、
前記コロイド溶液から溶媒成分を除去して固形分を得る、前駆体粉体合成工程と、
を有する、イオン伝導体の前駆体粉体の製造方法。
0.05≦x≦0.45 …(3)
1.05A≦Si≦1.50A …(4)
ここで、(3)式中のx値および(4)式中のA値は、それぞれ下記(5)式および(6)式により定まる。
x=1-4P/(Li+P) …(5)
A=xP/(1-x) …(6)
ただし、(4)式、(5)式、(6)式の元素記号Si、PおよびLiの箇所には、それぞれ粉体中に存在するSi原子、P原子、Li原子の合計量(モル)に対するSi原子、P原子およびLi原子の量(モル)の比の値(原子割合)が代入される。
a precursor solution preparation step of forming a colloidal solution by mixing, in an aqueous solvent, a water-soluble lithium compound, a silicon alkoxide, and a water-soluble phosphorus compound in a quantitative ratio such that the composition of Li, Si, and P satisfies the following formulas (3) and (4);
a precursor powder synthesis step of removing a solvent component from the colloidal solution to obtain a solid content;
The present invention relates to a method for producing a precursor powder of an ion conductor.
0.05≦x≦0.45 ... (3)
1.05A≦Si≦1.50A (4)
Here, the value of x in formula (3) and the value of A in formula (4) are determined by the following formulas (5) and (6), respectively.
x = 1-4P / (Li + P) ... (5)
A = xP / (1-x) ... (6)
However, the element symbols Si, P, and Li in formulas (4), (5), and (6) are substituted with the ratios (atomic ratios) of the amounts (moles) of Si atoms, P atoms, and Li atoms to the total amount (moles) of Si atoms, P atoms, and Li atoms present in the powder.
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