JP2763486B2 - ベータアルミナ質焼結体の原料粉体およびそれを使用した焼結体の製造法 - Google Patents

ベータアルミナ質焼結体の原料粉体およびそれを使用した焼結体の製造法

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JP2763486B2 JP5328669A JP32866993A JP2763486B2 JP 2763486 B2 JP2763486 B2 JP 2763486B2 JP 5328669 A JP5328669 A JP 5328669A JP 32866993 A JP32866993 A JP 32866993A JP 2763486 B2 JP2763486 B2 JP 2763486B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、固体電解質であるベー
タアルミナ質焼結体の製造に用いる原料粉体およびそれ
に使用した焼結体の製造法に関するもので、特にナトリ
ウム−硫黄二次電池に用いるベータアルミナ質焼結体の
製造に用いる原料粉体およびそれを使用した焼結体の製
造法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】ベータアルミナ質焼結体は高いナトリウ
ムイオン伝導性を有するため、例えばナトリウム−硫黄
二次電池において、陽極物質である溶融硫黄と陰極物質
である溶融ナトリウムとを隔離するための固体電解質と
して利用できる。そして、このナトリウム−硫黄二次電
池では内部抵抗の大部分を固体電解質が占めている。従
って、電池の出力低下および充電時の電力損失を小さく
抑えるためには、固体電解質であるベータアルミナ質焼
結体の比抵抗を低くすることが望ましい。
【0003】図1は典型的なナトリウム−硫黄二次電池
の一例の構造を示す図である。図1において、1はナト
リウムイオン伝導性のあるベータアルミナ質焼結体、2
は陽極となる金属製容器、3は硫黄または多硫化ナトリ
ウム、4は陰極となる金属製容器、5はナトリウム、6
はαアルミナ等の絶縁体、7は金属製の蓋、8は溶接部
である。上述した構造のナトリウム−硫黄二次電池で
は、ベータアルミナ質焼結体1は図1に示すように管状
の形状で陽極2と陰極4との間を隔てている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来、このようなベー
タアルミナ質焼結体の製造方法としては、Na2O、Al2O3
等の酸化物の粉末を混合し、仮焼してベータアルミナ質
の原料粉体を得た後、この粉体を成形、焼成する固相法
が用いられている。この方法で得られるベータアルミナ
質の原料粉体の一次粒子は、図2に示すような典型的な
板状粒子になる。すなわち、ベータアルミナ質粒子は平
衡形が板状の形態をしており、粒子の中でNa+ イオンが
伝導する方向はC軸に垂直な面、すなわち伝導面に沿う
方向であり、異方性がある。
【0005】そのため、図1に示した管状のベータアル
ミナ質焼結体1を得るために、この板状粒子を管状に例
えばプレス成形すると、図3(a) 〜(d) に示すようにプ
レス方向に対して粒子が垂直に配向する現象が生じ、両
極物質間のイオン伝導が困難になり、ベータアルミナ質
焼結体1の径方向のイオン伝導抵抗が軸方向に比べて非
常に高くなる問題があった。
【0006】この問題を解決する一方法として、特開平
5−148012号公報は、非晶質のゲルを粉砕し粉末
とした後、成形、焼成することを特徴とするベータ−ア
ルミナ質焼結体の製造方法を開示している。この方法に
より作製したベータ−アルミナ質焼結体は配向を低減す
ることは可能であるが、粉体原料として一度非晶質のゲ
ルを作製しなければならない。非晶質のゲルを作製でき
る塩の種類とその組み合わせは限られており、また原料
となる塩は高価なものが多い。このため、低コスト化に
対応しにくく工業的に難がある。
【0007】本発明の目的は上述した課題を解消して、
粒子配向させずにベータアルミナ質焼結体を緻密に製造
することができるベータアルミナ質焼結体の原料粉体お
よびそれを使用した焼結体の製造法を提供しようとする
ものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明のベータアルミナ
質焼結体の原料粉体は、噴霧熱分解法によって製造され
た原料粉末であって、酸化物組成に換算して、酸化ナト
リウム8〜10重量%、酸化マグネシウム3〜5.5重
量%および/または酸化リチウム0.1〜2重量%、お
よび残部が酸化アルミニウムから成り、少なくとも酸化
アルミニウム成分が非晶質であって、酸化アルミニウム
以外の成分のうち少なくとも1種類以上が結晶質である
ことを特徴とするものである。また、本発明のベータア
ルミナ質焼結体の製造法は、上記原料粉体を成形し、焼
結することを特徴とするものである。
【0009】
【作用】上述した構成において、それぞれ所定量の酸化
ナトリウム、酸化マグネシウムおよび/または酸化リチ
ウム、および残部を酸化アルミニウムから構成させ、さ
らに少なくとも酸化アルミニウム成分が非晶質であっ
て、酸化アルミニウム以外の成分のうち少なくとも1種
類以上が結晶質であるようにした粉体を成形、焼成すれ
ば、粒子配向のない緻密なベータアルミナ質焼結体から
なる袋管を製造することができ、粒子配向による抵抗上
昇のない高効率のナトリウム−硫黄電池に用いるのに好
適なベータアルミナ焼結体を製造することができる。す
なわち、本発明は、原料粉体中の結晶質の酸化アルミニ
ウムが特に配向に影響していることが明らかとなったこ
とから、ベータアルミナ質焼結体の原料粉体として少な
くとも酸化アルミニウム成分が非晶質であれば他の成分
の少なくとも1種類以上はいかなる塩を用いても良いこ
とを見出したことにある。そのため本発明によれば工業
的にも低コストなプロセスが可能である。
【0010】本発明において化学組成の範囲を上記の様
に限定した理由は、酸化ナトリウムが8重量%未満であ
ると十分に焼結せず、10重量%を超えると結晶相中に
過剰のアルミン酸ナトリウムが残存し、比抵抗が高くな
るからである。また、酸化マグネシウムが3重量%未満
の場合、高抵抗のベータアルミナ相が増えて比抵抗が高
くなり、5.5重量%を超えると結晶相中にスピネルが
生じ、緻密化を阻害し比抵抗も高くなるからである。さ
らに、酸化リチウムが0.1重量%未満であると、高抵
抗のベータアルミナ相が増えて比抵抗が高くなり、2重
量%を超えると粒成長し易くなり強度が低下するからで
ある。
【0011】
【実施例】以下、実際の例について説明する。以下に示
すA、BおよびCの製造方法に従って、本発明例および
比較例の原料粉体を準備し、この原料粉体の結晶相をX
RD回折法により測定した。その結果を以下の表1に示
す。
【0012】製造方法A:Na、Al、Mgの硝酸塩N
aNO3 、Al(NO33 ・9H2 O、Mg(NO
32 ・6H2 Oをそれぞれ酸化物組成に換算して9.
0wt%Na2 O、4.0wt%MgO、87wt%A
2 3 組成になるように秤量し、その秤量物をベータ
アルミナのモル数に換算して0.2mol/lになるよ
うに蒸留水を加え水溶液を調製した。この水溶液を超音
波霧化機で液滴化して、キャリアガスを空気として炉内
に送り込み、炉内温度800℃で噴霧熱分解を行った。
熱分解した粉末はアルミナるつぼを用いてさらに800
℃で仮焼処理を行った。その後、粉末を乾式(溶媒無
し)ボールミル粉砕し、Na成分、Al成分およびMg
成分のすべての組成が非晶質(結晶質でない)の原料粉
体を得た。
【0013】製造方法B:Al(NO33 ・9H2
の1mol/lの硝酸塩水溶液を調製し、製造方法Aと
同様な方法で噴霧熱分解を行い、800℃で仮焼したの
ち、ベータアルミナ組成となるようにMgO、Na2
3 を加え、乾式ボールミルにより混合粉砕し、Na成
分およびMg成分が結晶質で、Al成分が結晶質でない
原料粉体を得た。
【0014】製造方法C:比較例として、所定量のNa
2 CO3 、α−Al23 、およびMgOまたはLi2
CO3 からなる酸化物の粉末を混合し、仮焼して、Na
成分、Al成分、およびMg成分またはLi成分のすべ
てが結晶質の原料粉体を得た。
【0015】次に、得られた原料粉体を使用して、図4
に示す形状の片方が閉じた管を2.5ton/cm2
静水圧成形した。さらにこの管形状の成形体をMgOサ
ヤをかぶせて1620℃で1時間保持して焼成を行っ
た。そして、最終的に外径:d1 =20.0mm、内
径:d2 =17.6mm、長さL=140mm、表面積
S=165cm2 のベータアルミナ管を製造した。その
後、製造したベータアルミナ管の粒子配向度と、径方向
のイオン伝導抵抗を測定した。
【0016】ここで、粒子配向度は、ベータアルミナ管
の表面をX線回折測定し、回折チャート上の、C軸に対
して0゜の面回折線(006)と、C軸に対して90゜
の面回折線(110)とのピーク強度の比から求められ
る。すなわち、配向度の式D=I(006) /I(110) から
配向度Dを求めて比較した。そのため、配向度Dが大き
ければ成形による粒子配向の度合いが強いことによる。
この配向度Dが0.8〜1.2の範囲が無配向と考えら
れる。
【0017】また、径方向のイオン伝導抵抗は、図5に
示すNa/Na通電試験装置を作製して350℃におけ
る値として求めた。図5において、Na/Na通電試験
装置は、測定すべきベータアルミナ管15、αアルミナ
からなる絶縁支持体16、17、ステンレス製の電極1
9および電極取り出し口20、21から構成され、容器
18およびベータアルミナ管15中に溶融ナトリウム2
2を供給して電極取り出し口20、21間に一定の電流
を通電することにより、測定すべきベータアルミナ管の
イオン伝導抵抗率を測定した。測定結果を、以下の表1
に示す。
【0018】
【表1】
【0019】表1の結果から明らかなように、結晶化し
た酸化アルミニウム相を含まない本発明例試料No.1〜3
は、結晶化した酸化アルミニウム相を含む比較例試料N
o.1〜2 と比べて、無配向で比抵抗が小さく緻密なベー
タアルミナ管を得ることができることがわかる。また、
本発明例試料No.1〜3と比較例試料No.3〜4とを比較す
ると、結晶化した酸化アルミニウム相を含まない原料粉
体のなかでも、酸化ナトリウム成分が8〜10重量%の
範囲でなければ、無配向で比抵抗が小さく緻密なベータ
アルミナ管を得ることができないことがわかる。
【0020】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のベータアルミナ質焼結体の原料粉体およびそれを使用
した焼結体の製造法によれば、それぞれ所定量の酸化ナ
トリウム、酸化マグネシウムおよび/または酸化リチウ
ム、および残部が酸化アルミニウムから構成するととも
に、結晶化した酸化アルミニウム相を含ませないように
しているため、この原料粉体を使用してベータアルミナ
質焼結体を製造すれば、粒子配向させずに緻密なベータ
アルミナ質焼結体からなるベータアルミナ管を製造する
ことができる。その結果、粒子配向による抵抗上昇がな
い、高効率のナトリウム−硫黄二次電池に用いるための
ベータアルミナ管の原料粉体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】典型的なナトリウム−硫黄二次電池の一例の構
成を示す図である。
【図2】従来のベータアルミナ粒子の形状を模式的に示
す図である。
【図3】従来のベータアルミナ粒子を成形したときの状
態を示す図である。
【図4】本発明の原料から作製したベータアルミナ管の
形状を示す図である。
【図5】Na−Na通電試験装置の一例の構成を示す図
である。
【符号の説明】
1 ベータアルミナ質焼結体、2 金属製容器、3 硫
黄・多硫化ナトリウム、4 金属製容器、5 ナトリウ
ム、6 絶縁体、7 蓋、8 溶接部、15 ベータア
ルミナ管、16、17 絶縁支持体、18 容器、19
電極、20、21 電極取り出し口、22 溶融ナト
リウム

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】噴霧熱分解法によって製造された原料粉末
    であって、酸化物組成に換算して、酸化ナトリウム8〜
    10重量%、酸化マグネシウム3〜5.5重量%および
    /または酸化リチウム0.1〜2重量%、および残部が
    酸化アルミニウムから成り、少なくとも酸化アルミニウ
    ム成分が非晶質であって、酸化アルミニウム以外の成分
    のうち少なくとも1種類以上が結晶質であることを特徴
    とするベータアルミナ質焼結体の原料粉体。
  2. 【請求項2】請求項1記載の原料粉末を成形し、焼結す
    ることを特徴とするベータアルミナ質焼結体の製造法。
JP5328669A 1993-12-24 1993-12-24 ベータアルミナ質焼結体の原料粉体およびそれを使用した焼結体の製造法 Expired - Lifetime JP2763486B2 (ja)

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