JP3197246B2 - Lithium ion conductive glass ceramics and batteries and gas sensors using the same - Google Patents

Lithium ion conductive glass ceramics and batteries and gas sensors using the same

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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はイオン伝導率が高
く、熱的にも化学的にも安定で、製造が容易なリチウム
イオン伝導性ガラスセラミックスに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a lithium ion conductive glass ceramic having high ionic conductivity, being thermally and chemically stable, and easy to manufacture.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年におけるエレクトロニクスの進歩は
著しく、電子機器の小型化、軽量化、高性能化が急速に
進んでいる。そこでこれらの機器用電源として、高エネ
ルギー密度で長寿命の電池の開発が強く望まれており、
中でもリチウムイオン電池への期待は日々大きいものと
なっている。
2. Description of the Related Art In recent years, the progress of electronics has been remarkable, and miniaturization, weight reduction, and high performance of electronic equipment have been rapidly progressing. Therefore, there is a strong demand for the development of batteries with high energy density and long life as power supplies for these devices.
In particular, expectations for lithium-ion batteries are increasing day by day.

【0003】リチウム元素はLi/Li+の酸化還元電
位があらゆる金属の中で最も高く、且つ、1モル当たり
の質量が非常に小さいので、リチウム電池は他の電池よ
り高エネルギー密度を得ることができる。更にリチウム
イオン伝導性固体電解質を用いることにより、電解質部
を薄くすることが可能となり、電池自体を薄型軽量化で
き、体積当たりのエネルギー密度を大きく向上させるこ
とが可能となる。
[0003] Since lithium element has the highest redox potential of Li / Li + among all metals and has a very small mass per mole, a lithium battery can obtain a higher energy density than other batteries. it can. Further, by using the lithium ion conductive solid electrolyte, the electrolyte portion can be made thinner, the battery itself can be made thinner and lighter, and the energy density per volume can be greatly improved.

【0004】現在、実用化されているリチウムイオン電
池は電解質が有機電解液であるため、電池の小型化・薄
膜化が困難であることに加えて、液漏れや発火の危険が
懸念されている。もし、それを無機固体電解質に置き換
えれば信頼性および安定性の高い全固体電池が構成でき
ると考えられる。
At present, lithium-ion batteries that have been put into practical use have an organic electrolyte, which makes it difficult to reduce the size and thickness of the battery, and in addition, there is a concern about danger of liquid leakage and ignition. . If it is replaced with an inorganic solid electrolyte, it is considered that an all solid state battery with high reliability and stability can be constructed.

【0005】また、化石燃料の燃焼によって発生する二
酸化炭素ガスは、近年問題となっている温室効果の主因
であり、このため二酸化炭素ガス濃度の連続的監視が必
要となってきている。したがって、これら検知システム
の確立は、将来の人間社会の快適な生活環境を維持する
ために、その重要性は増している。
[0005] Carbon dioxide gas generated by the combustion of fossil fuels is a major cause of the greenhouse effect, which has recently become a problem. Therefore, it is necessary to continuously monitor the concentration of carbon dioxide gas. Therefore, the establishment of these detection systems is increasing in importance in order to maintain a comfortable living environment of human society in the future.

【0006】現在、実用に供されている二酸化炭素ガス
検知システムは、赤外線吸収を利用したタイプが一般的
であるが、装置が大型で高価であり、汚染に弱いという
欠点を有する。そのため最近では、固体電解質を用い
た、コンパクトな二酸化炭素ガスセンサーの研究が盛ん
に行われている。その中で、リチウムイオン固体電解質
を用いた研究が多く報告されている。
[0006] Currently, the carbon dioxide gas detection system put into practical use is generally of the type utilizing infrared absorption, but has the disadvantage that the device is large and expensive and is susceptible to contamination. Therefore, recently, research on a compact carbon dioxide gas sensor using a solid electrolyte has been actively conducted. Among them, many studies using a lithium ion solid electrolyte have been reported.

【0007】しかし、これらを実現するためには、伝導
率が高く、化学的にも安定で、熱に強い固体電解質の開
発が必要不可欠である。現在までに固体電解質の中で伝
導率が高く、室温で10-3S/cmを超えるものとして
は、Li3N単結晶[Applied Physics
Letters,30(1977)P.621〜62
2]、LiI−Li2S−P25[Solid Sta
te Ionics,5(1981)P.663]、L
iI−Li2S−SiS4[J.Solid State
Chem.,69(1987)P.252]、LiI
−Li2S−B23[Mat.Res.Bull.,1
8(1983)P.189]系のガラスが知られている
が、これらの材料は作製が困難で、化学的安定性も良好
ではなく、熱に弱いという欠点がある。特に、固体電池
の電解質として使用する場合は、分解電圧が低いため、
高い端子電圧がとれないという致命的欠点を有してい
る。
However, in order to realize these, it is essential to develop a solid electrolyte which has high conductivity, is chemically stable, and is resistant to heat. To date, solid electrolytes having high conductivity and exceeding 10 −3 S / cm at room temperature include Li 3 N single crystals [Applied Physics].
Letters, 30 (1977) p. 621-62
2], LiI-Li 2 SP 2 S 5 [Solid Sta
te Ionics, 5 (1981) p. 663], L
iI-Li 2 S-SiS 4 [J. Solid State
Chem. , 69 (1987) p. 252], LiI
-Li 2 S-B 2 S 3 [Mat. Res. Bull. , 1
8 (1983) p. 189] -based glasses are known, but these materials have drawbacks that they are difficult to produce, have poor chemical stability, and are weak to heat. In particular, when used as an electrolyte for solid state batteries, the decomposition voltage is low,
It has a fatal disadvantage that a high terminal voltage cannot be obtained.

【0008】一方、酸化物リチウム固体電解質は上述の
ような欠点がなく、分解電圧も3Vより高いので、室温
で高い伝導率を示せば実用化の可能性が高い。酸化物ガ
ラスにおいては、リチウムイオンの濃度を増やすことに
よって、伝導率を増大させることが知られている。しか
し、ガラス化を目的として、例えば超急冷法を用いても
リチウムイオンの濃度の増加には限度があり、室温での
伝導率は高いものでも10-6S/cmに達していない。
On the other hand, since the lithium oxide solid electrolyte does not have the above-mentioned drawbacks and has a decomposition voltage higher than 3 V, there is a high possibility of practical use if it shows a high conductivity at room temperature. It is known that the conductivity of oxide glass is increased by increasing the concentration of lithium ions. However, even if a rapid quenching method is used for the purpose of vitrification, for example, the increase in the concentration of lithium ions is limited, and even if the conductivity at room temperature is high, it does not reach 10 −6 S / cm.

【0009】また特開平8−239218にはリチウム
イオン伝導性ガラス薄膜を用いたガスセンサーの記載が
あるが、これによるリチウムイオン伝導性ガラス薄膜の
伝導率は、1.7×10-7から6.1×10-7S/cm
と決して高いものではなく、より高い伝導率を持つもの
が必要となっている。
Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 8-239218 discloses a gas sensor using a lithium ion conductive glass thin film. The conductivity of the lithium ion conductive glass thin film thus obtained is from 1.7 × 10 -7 to 6 × 10 -7. .1 × 10 -7 S / cm
It is not high, but something with higher conductivity is needed.

【0010】酸化物セラミックス(焼結体)について
は、高いリチウムイオン伝導率を有する数多くの例が報
告されている。例えば、Li4GeO4−Li3VO4系が
4×10-5S/cm[Mat.Res.Bull.,1
5(1980)P.1661]、Li1-XXTi2-X(P
43(M=Al,Ga,Cr等)が7×10-4S/c
m[J.Electrochem.Soc.,137
(1990)P.1023]、Li1+XAlXGe2-X(P
43系が1.3×10-4S/cm[Proceedi
ngs of 8th international
meeting on lithium batter
ies,June 16〜21,1996,Nagoy
a,Japan,P.316〜317]という室温での
伝導率を示している。酸化物ガラスに比べて、酸化物セ
ラミックスは伝導率という点では有利であるが、製造過
程が繁雑で、成形性が悪く薄膜化が難しいという欠点を
有している。
Many examples of oxide ceramics (sintered bodies) having high lithium ion conductivity have been reported. For example, Li 4 GeO 4 —Li 3 VO 4 system is 4 × 10 −5 S / cm [Mat. Res. Bull. , 1
5 (1980) p. 1661], Li 1-X M X Ti 2-X (P
O 4 ) 3 (M = Al, Ga, Cr, etc.) is 7 × 10 −4 S / c
m [J. Electrochem. Soc. , 137
(1990) P.A. 1023], Li 1 + X Al X Ge 2-X (P
O 4 ) 3 system is 1.3 × 10 -4 S / cm [Proceedi
ngs of 8th international
meeting on lithium battery
ies, June 16-21, 1996, Nagoy
a, Japan, P .; 316 to 317] at room temperature. Compared to oxide glass, oxide ceramics are advantageous in terms of conductivity, but have the disadvantage that the manufacturing process is complicated, moldability is poor, and thinning is difficult.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】上に述べたように、従
来のリチウムイオン固体電解質は伝導率が低かったり、
取り扱いが難しかったり、薄膜化が困難であるという課
題を有していた。本発明はこれらの課題を解決し、室温
において高いリチウムイオン伝導率を持つガラスセラミ
ックスを提供し、更には、このガラスセラミックスを用
いて、高性能のリチウム電池やガスセンサーを実現する
ことを目的としている。
As described above, the conventional lithium ion solid electrolyte has low conductivity,
There were problems that handling was difficult and thinning was difficult. The present invention solves these problems, and provides a glass ceramic having a high lithium ion conductivity at room temperature, and further aims to realize a high-performance lithium battery or gas sensor using the glass ceramic. I have.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上述したように、セラミ
ックスにおいては室温で10-4S/cm台の伝導率が見
いだされている。しかし、セラミックスの内部にはどう
しても無くせない気孔と粒界が存在している。これらの
存在は伝導率の低下をもたらす。もし導電性結晶を含む
ガラスセラミックスが得られれば、気孔が無くせると共
に、粒界についても改善されることが予想されるので、
より高い伝導率を有する固体電解質を得ることが期待で
きる。更に、ガラスセラミックスの場合、ガラスの特性
を生かして各種形状および薄膜化が可能となるため、焼
結法により作製したセラミックスよりも実用上のメリッ
トが大きい。
As described above, a conductivity of the order of 10 -4 S / cm has been found in ceramics at room temperature. However, there are pores and grain boundaries that cannot be eliminated in ceramics. Their presence leads to reduced conductivity. If glass ceramics containing conductive crystals can be obtained, pores can be eliminated and grain boundaries are expected to be improved.
It can be expected to obtain a solid electrolyte having higher conductivity. Furthermore, in the case of glass ceramics, various shapes and thin films can be obtained by utilizing the properties of glass, and therefore, there are greater practical advantages than ceramics manufactured by a sintering method.

【0013】本発明者は、このような考え方に基づいて
鋭意研究を重ねた結果、P25,SiO2,GeO2,T
iO2,ZrO2,M23(但し、M=Al,Gaの中か
ら選ばれる1種または2種),Li2O成分を含有する
ガラスを作製し、熱処理工程を経て、導電性結晶Li
1+XX(Ge1-YTiY2-X(PO43(0<X≦0.
8,0≦Y<1.0)をガラスから析出させることによ
って、室温において高いリチウムイオン伝導率を有する
ガラスセラミックスを得ることに成功し、また、これを
利用したリチウム電池やガスセンサーが良好な特性を示
すことを見いだすに至った。
The inventor of the present invention has conducted intensive studies based on such a concept, and as a result, has found that P 2 O 5 , SiO 2 , GeO 2 , T
A glass containing iO 2 , ZrO 2 , M 2 O 3 (where M is one or two selected from Al and Ga) and a Li 2 O component is prepared, and subjected to a heat treatment step to form a conductive crystal. Li
1 + X M X (Ge 1 -Y Ti Y) 2-X (PO 4) 3 (0 <X ≦ 0.
8,0 ≦ Y <1.0) from the glass, succeeded in obtaining a glass ceramic having a high lithium ion conductivity at room temperature, and a lithium battery and a gas sensor using the same were excellent. It has been found that it exhibits characteristics.

【0014】すなわち、請求項1に記載の発明は、上記
リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスにおいて、m
ol%表示で、 P25 35 〜 40%、 SiO2 0 〜 15%、 GeO2 0< 〜 50%、 TiO2 0 〜<50%、 但し、GeO2+TiO2 25 〜 50%、 ZrO2 0 〜 10%、 M23 0.5 〜 15%、 但し、M=Al,Gaの中から選ばれる1種または2種 Li20 10 〜 25%、 の範囲の組成を含有する溶融ガラスをキャストし、得ら
れた原ガラスを熱処理することにより、Li1+XX(G
1-YTiY2-X(PO43(0<X≦0.8,0≦Y<
1.0)結晶相を析出させ得られることを特徴としてお
り、請求項2に記載の発明は、mol%で、 2 5 35 〜 40%、 SiO 2 0 〜 15%、 GeO 2 0< 〜 50%、 TiO 2 0 〜<50%、 但し、GeO 2 +TiO 2 25 〜 50%、 ZrO 2 0 〜 10%、 2 3 0.5 〜 15%、 但し、M=Al,Gaの中から選ばれる1種または2種 Li 2 0 10 〜 25%、 の範囲の組成を含有する原ガラスを、溶融成形後、熱処
理工程を経て、Li 1+X X (Ge 1-Y Ti Y 2-X (P
4 3 (0<X≦0.8,0≦Y<1.0)結晶相を析
出させ得られるリチウムイオン伝導性ガラスセラミック
スであって、室温における伝導率は10 -4 S/cmを越
えることを特徴とする、リチウムイオン伝導 性ガラスセ
ラミックスであることを特徴としており、 請求項3に記
載の発明は、mol%で、 2 5 35 〜 40%、 SiO 2 0 〜 15%、 GeO 2 0< 〜 50%、 TiO 2 0 〜<50%、 但し、GeO 2 +TiO 2 25 〜 50%、 ZrO 2 0 〜 10%、 2 3 0.5 〜 15%、 但し、M=Al,Gaの中から選ばれる1種または2種 Li 2 0 10 〜 25%、 の範囲の組成を含有する原ガラスを、溶融成形後、熱処
理工程を経て、Li 1+X X (Ge 1-Y Ti Y 2-X (P
4 3 (0<X≦0.8,0≦Y<1.0)結晶相を析
出させ得られるリチウムイオン伝導性ガラスセラミック
スであって、該原ガラスは、B,In,Sc,Fe,C
r等の三価金属(Al、Gaを除く)およびMg,C
a,Sr,Ba,Zn等の二価金属の量は10mol%
以下であることを特徴とするリチウムイオン伝導性ガラ
スセラミックスであることを特徴としており、
That is, according to the first aspect of the present invention, in the lithium ion conductive glass ceramic, m
ol%, P 2 O 5 35 to 40%, SiO 2 0 to 15%, GeO 2 0 <to 50%, TiO 20 to <50%, provided that GeO 2 + TiO 2 25 to 50%, ZrO 2 0 ~ 10%, M 2 O 3 0.5 ~ 15%, however, M = Al, molten glass containing composition of one or Li 2 0 10 ~ 25%, the range of selected from the Ga Cast and get
By heat-treating the raw glass, Li 1 + X M X ( G
e 1-Y Ti Y ) 2-X (PO 4 ) 3 (0 <X ≦ 0.8, 0 ≦ Y <
1.0) are characterized in that it is obtained to precipitate a crystalline phase, an invention according to claim 2, in mol%, P 2 O 5 35 ~ 40%, SiO 2 0 ~ 15%, GeO 2 0 < ~ 50%, TiO 2 0 ~ <50%, however, GeO 2 + TiO 2 25 ~ 50%, ZrO 2 0 ~ 10%, M 2 O 3 0.5 ~ 15%, however, M = Al, in the Ga One or two selected from the group consisting of Li 2 010 to 25%, a raw glass having a composition in the range of from 25% to 50 %.
Through physical process, Li 1 + X M X ( Ge 1-Y Ti Y) 2-X (P
O 4 ) 3 (0 <X ≦ 0.8, 0 ≦ Y <1.0)
Lithium ion conductive glass ceramic obtained
And the conductivity at room temperature exceeds 10 -4 S / cm.
Lithium ion conductive glass cell
It is characterized by being Lamix, and is described in claim 3.
Placing the invention, in mol%, P 2 O 5 35 ~ 40%, SiO 2 0 ~ 15%, GeO 2 0 <~ 50%, TiO 2 0 ~ <50%, however, GeO 2 + TiO 2 25 ~ 50 %, ZrO 2 0 ~ 10% , M 2 O 3 0.5 ~ 15%, where, M = Al, 1 kind or two kinds selected from among Ga Li 2 0 10 ~ 25% , the composition in the range of After melt molding the raw glass contained, heat treatment
Through physical process, Li 1 + X M X ( Ge 1-Y Ti Y) 2-X (P
O 4 ) 3 (0 <X ≦ 0.8, 0 ≦ Y <1.0)
Lithium ion conductive glass ceramic obtained
And the raw glass is B, In, Sc, Fe, C
trivalent metals such as r (except Al and Ga) and Mg, C
The amount of divalent metal such as a, Sr, Ba, Zn is 10 mol%
A lithium ion conductive glass characterized by the following:
It is characterized by being ceramics,

【0015】請求項に記載の発明は、mol%で、 P25 35 〜 40%、 SiO2 0 〜 15%、 GeO2 0< 〜 45%、 TiO2 0 〜<45%、 但し、GeO2+TiO2 25 〜 45%、 ZrO2 0 〜 10%、 Al23 0.5 〜 15%、 Li20 10 〜 25%、 の範囲の組成を含有する原ガラスを、溶融成形後、熱処
理工程を経て、Li1+XAlX(Ge1-YTiY2-X(PO
43(0<X≦0.8,0≦Y<1.0)結晶相を析出
させ得られることを特徴としており、
According to a fourth aspect of the present invention, there are provided, in mol%, 35 to 40% of P 2 O 5 , 0 to 15% of SiO 2, 0 to 45% of GeO 2 , and 20 to <45% of TiO 2 , A raw glass containing a composition in the range of GeO 2 + TiO 2 25 to 45%, ZrO 2 0 to 10%, Al 2 O 3 0.5 to 15%, and Li 2 O 10 to 25% is melt-molded. After a heat treatment step, Li 1 + X Al X (Ge 1-Y Ti Y ) 2-X (PO
4) 3 (0 <X ≦ 0.8,0 ≦ Y <1.0) has been characterized Rukoto obtained to precipitate a crystalline phase,

【0016】請求項に記載の発明は、mol%で、 P25 35 〜 40%、 SiO2 0 〜 15%、 GeO2 0< 〜 45%、 TiO2 0 〜<45%、 但し、GeO2+TiO2 25 〜 45%、 ZrO2 0 〜 10%、 Ga23 0.5 〜 15%、 Li20 10 〜 25%、 の範囲の組成を含有する原ガラスを、溶融成形後、熱処
理工程を経て、Li1+XGaX(Ge1-YTiY2-X(PO
43(0<X≦0.8,0≦Y<1.0)結晶相を析出
させ得られることを特徴としており、
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided, in mol%, 35 to 40% of P 2 O 5 , 0 to 15% of SiO 2, 0 to 45% of GeO 2 , and 20 to <45% of TiO 2 , A raw glass containing a composition of GeO 2 + TiO 2 25 to 45%, ZrO 2 0 to 10%, Ga 2 O 3 0.5 to 15%, and Li 2 O 10 to 25% is melt-formed, After a heat treatment step, Li 1 + X Ga X (Ge 1-Y Ti Y ) 2-X (PO
4) 3 (0 <X ≦ 0.8,0 ≦ Y <1.0) has been characterized Rukoto obtained to precipitate a crystalline phase,

【0017】請求項に記載の発明は、リチウム電池用
固体電解質において、請求項1からに記載のリチウム
イオン伝導性ガラスセラミックスを用いたことを特徴と
しており、
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a solid electrolyte for a lithium battery, wherein the lithium ion conductive glass ceramic according to the first to fifth aspects is used.

【0018】請求項に記載の発明は、ガスセンサー用
固体電解質において、請求項1からに記載のリチウム
イオン伝導性ガラスセラミックスを用いたことを特徴と
しており、
According to a seventh aspect of the present invention, in the solid electrolyte for a gas sensor, the lithium ion conductive glass ceramic according to the first to fifth aspects is used.

【0019】請求項に記載の発明は、リチウム電池に
おいて、固体電解質に、請求項1からに記載のリチウ
ムイオン伝導性ガラスセラミックスを用いたことを特徴
としており、
According to an eighth aspect of the present invention, in a lithium battery, the lithium ion conductive glass ceramic according to the first to fifth aspects is used as a solid electrolyte.

【0020】請求項に記載の発明は、ガスセンサーに
おいて、固体電解質に、請求項1からに記載のリチウ
ムイオン伝導性ガラスセラミックスを用いたことを特徴
としている。
According to a ninth aspect of the present invention, in the gas sensor, the lithium ion conductive glass ceramic according to the first to fifth aspects is used as a solid electrolyte.

【0021】本発明のガラスセラミックスの組成は、原
ガラスと同様に酸化物基準で表示し得る。ガラスセラミ
ックスの組成を上記のように限定した理由について、以
下に述べる。
The composition of the glass ceramic of the present invention can be expressed on an oxide basis, similarly to the original glass. The reason why the composition of the glass ceramic is limited as described above will be described below.

【0022】上記組成を含有した原ガラスを溶融冷却
後、熱処理工程を経て、Li1+XX(Ge1-YTiY
2-X(PO43(0<X≦0.8,0≦Y<1.0)結晶
相を析出させることにより、従来のセラミックスでは得
られないような、緻密なガラスセラミックスを得ること
ができ、しかも、そのガラスセラミックスは、室温で非
常に高いリチウムイオン伝導率を示す。上記以外の組成
領域でもLi1+XX(Ge1-YTiY2-X(PO43結晶
相は析出するが、その割合が非常に低いため、伝導率は
小さく実用への適用は難しい。
[0022] After melt cooling raw glass containing the composition described above through a heat treatment process, Li 1 + X M X ( Ge 1-Y Ti Y)
Precipitating 2-X (PO 4 ) 3 (0 <X ≦ 0.8, 0 ≦ Y <1.0) crystal phase to obtain dense glass ceramics that cannot be obtained with conventional ceramics In addition, the glass ceramic exhibits very high lithium ion conductivity at room temperature. In the composition region other than the Li 1 + X M X (Ge 1-Y Ti Y) 2-X (PO 4) 3 crystal phase precipitates but, since the rate is very low, to conductivity less practical Difficult to apply.

【0023】上記の成分の中でも、特にM23(M=A
l,Gaの中から選ばれる1種または2種)は、ガラス
の溶融性や熱的安定性の改善において、重要な成分であ
り、このM23成分を0.5〜15%加えることによ
り、ガラスの溶融性および熱的安定性は向上し、更に驚
くべきことに、熱処理後のガラスセラミックスの伝導率
も、広い組成範囲において10-4S/cmを超える伝導
率を示した。もしM23成分が0.5%に満たないと、
ガラス化はするものの、ガラスの溶融性および熱的安定
性が悪く、15%を超えると、かえって溶融性は低下
し、熱処理後のガラスセラミックスの伝導率も著しく低
下し、伝導率が10-6S/cm以下となる。尚、前記M
23成分はのより好ましい範囲は1〜14%,特に好ま
しい範囲は、3〜12%である。
Among the above components, M 2 O 3 (M = A
One or two selected from l and Ga) is an important component in improving the melting property and thermal stability of glass, and adding 0.5 to 15% of this M 2 O 3 component As a result, the melting property and thermal stability of the glass were improved, and more surprisingly, the conductivity of the glass ceramic after the heat treatment also showed a conductivity exceeding 10 −4 S / cm in a wide composition range. If the M 2 O 3 content is less than 0.5%,
Despite vitrification, the melting property and thermal stability of the glass are poor. If it exceeds 15%, the melting property is rather reduced, and the conductivity of the glass ceramic after the heat treatment is significantly reduced, and the conductivity is 10 -6. S / cm or less. In addition, the M
A more preferred range for the 2 O 3 component is 1 to 14%, and a particularly preferred range is 3 to 12%.

【0024】GeO2はガラスの形成に必須の成分であ
り、また導電性結晶相の構成成分でもある。GeO2
は多くなればなるほど、ガラスを形成しやすくなるが、
25mol%未満ではその効果が小さいため、所望の特
性が得られず、逆に50mol%を超えると、前記導電
性結晶相が析出しにくくなる。また、GeO2はTiO2
で置換可能であり、その置換率はほぼ100%まで可能
である。しかも置換によってLiイオン伝導率の向上も
見られる。これらのことから、GeO2=0<〜50
%,TiO2=0〜<50%,但し、GeO2+TiO2
=25〜50%でなければならない。尚、好ましい範囲
は、GeO2=0<〜45%,TiO2=0〜<45%,
但し、GeO2+TiO2=25〜45%であり、特に好
ましい範囲は、GeO2=0<〜40%,TiO2=0〜
<40%,但し、GeO2+TiO2=28〜40%であ
る。
GeO 2 is an essential component for the formation of glass and is also a constituent of the conductive crystalline phase. The higher the amount of GeO 2, the easier it is to form glass,
If the amount is less than 25 mol%, the effect is small, so that desired characteristics cannot be obtained. On the other hand, if the amount exceeds 50 mol%, the conductive crystal phase hardly precipitates. GeO 2 is TiO 2
And the substitution rate can be up to almost 100%. In addition, the substitution also improves the Li ion conductivity. From these, GeO 2 = 0 << 50
%, TiO 2 = 0 to <50%, provided that GeO 2 + TiO 2
= 25-50%. A preferable range is, GeO 2 = 0 <~45% , TiO 2 = 0~ <45%,
However, GeO 2 + TiO 2 = 25 to 45%, and particularly preferred ranges are GeO 2 = 0 <〜40% and TiO 2 = 0.
<40%, provided that GeO 2 + TiO 2 = 28 to 40%.

【0025】SiO2の添加は、原ガラスの熱的な安定
を高めることができると同時に、Si4+イオンが前記結
晶相に固溶し、Li+イオン伝導率の向上にも寄与す
る。しかしその量が15%を超えると、かえって伝導率
が低下してしまうため、15%以下にしなければならな
い。尚、好ましい範囲は13%以下であり、特に好まし
い範囲は10%以下である。
The addition of SiO 2 can enhance the thermal stability of the raw glass, and at the same time, contributes to improving the Li + ion conductivity by dissolving Si 4+ ions in the crystal phase. However, if the amount exceeds 15%, the conductivity is rather reduced, so that it must be 15% or less. Note that a preferable range is 13% or less, and a particularly preferable range is 10% or less.

【0026】ZrO2の添加は、この結晶相の生成を促
進する効果がある。しかしその量が10%を超えると、
原ガラスの耐失透性が著しく低下し、均一な原ガラスの
作成が困難となる上、伝導率も急激に低下してしまうた
め、10%以下にしなければならない。尚、好ましい範
囲は8%以下であり、特に好ましい範囲は5%以下であ
る。
The addition of ZrO 2 has the effect of promoting the formation of this crystal phase. But when the amount exceeds 10%,
The devitrification resistance of the raw glass is remarkably reduced, making it difficult to produce a uniform raw glass. In addition, the conductivity is also rapidly reduced, so that the raw glass must be 10% or less. Note that a preferable range is 8% or less, and a particularly preferable range is 5% or less.

【0027】AlまたはGa成分の一部をB,In,S
c,Fe,Cr等の三価金属およびMg,Ca,Sr,
Ba,Zn等の二価金属で、置換することも可能である
が、それらの量は10mol%以下にすべきである。そ
れ以上添加すると、原ガラスの作製が困難となったり、
あるいは、伝導率が著しく低下してしまう。
Part of the Al or Ga component is B, In, S
trivalent metals such as c, Fe, Cr, etc. and Mg, Ca, Sr,
It is possible to substitute with a divalent metal such as Ba or Zn, but their amount should be 10 mol% or less. If it is added more, the production of raw glass becomes difficult,
Alternatively, the conductivity is significantly reduced.

【0028】また、ガラスの溶融性を更に向上するため
にAs23,Sb23,Ta23,CdO,PbO等を
添加することも可能であるが、それらの量は3%以下に
制限すべきである。それ以上を添加すると、伝導率が添
加量に伴って著しく低下してしまう。
It is also possible to add As 2 O 3 , Sb 2 O 3 , Ta 2 O 3 , CdO, PbO, etc. in order to further improve the melting property of the glass, but the amount thereof is 3%. The following should be restricted: If more is added, the conductivity will decrease significantly with the amount of addition.

【0029】[0029]

【発明の実施の形態】本発明のリチウムイオン伝導性ガ
ラスセラミックスは、以下の方法により製造することが
できる。すなわち、各出発原料を所定量秤量し、均一に
混合した後、白金るつぼに入れて電気炉で加熱溶解す
る。加熱溶解に当たっては、まず700℃で原料を分解
し、ガス成分を蒸発させる。次に1300〜1450℃
に温度を上げ、その温度で1〜2時間保持し溶解する。
その後、溶融ガラスを鉄板上にキャストし、板状のガラ
スを作製する。こうして得られたガラスを、600〜1
000℃で12〜24時間熱処理する。以上の工程によ
り、Li1+XX(Ge1-YTiY2-X(PO43が主結晶
相として析出した、リチウムイオン伝導率の高い、ガラ
スセラミックスが得られる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The lithium ion conductive glass ceramic of the present invention can be produced by the following method. That is, after a predetermined amount of each starting material is weighed and uniformly mixed, it is put into a platinum crucible and heated and melted in an electric furnace. In heating and melting, first, the raw material is decomposed at 700 ° C., and the gas components are evaporated. Next, 1300-1450 ° C
Then, the temperature is raised for 1 to 2 hours to dissolve.
Thereafter, the molten glass is cast on an iron plate to produce a plate-like glass. The glass obtained in this way is
Heat treatment at 000 ° C. for 12 to 24 hours. Through the above steps, Li 1 + X M X ( Ge 1-Y Ti Y) 2-X (PO 4) 3 was precipitated as a main crystal phase, high lithium ion conductivity, the glass ceramic can be obtained.

【0030】[0030]

【実施例】以下に本発明を具体的な実施例により説明す
るが、本発明はこれら実施例によって限定されるもので
はない。
EXAMPLES The present invention will be described below with reference to specific examples, but the present invention is not limited to these examples.

【0031】[実施例1]原料としてNH42PO4
GeO2,Al(OH)3,Li2CO3を使用する。これ
らをmol%でP25=37.5%,GeO2=35.
0%,Al23=7.5%,Li2O=20.0%とい
う組成になるように秤量し、均一に混合した後、白金る
つぼに入れて電気炉で加熱溶解する。ここではまず、7
00℃で原料を分解し、CO2,NH3,H2O成分を蒸
発させる。次に1300℃まで昇温し、その温度で1.
5時間溶解する。その後、溶解ガラスを予め暖めた鉄板
上にキャストし、均一な板状のガラスを作製する。そし
てガラスの歪を取り除くために520℃で2時間アニー
ルした。こうして得られたガラスをサイズ20mm×2
0mmに切断し、両面を研磨した後、750℃で12時
間熱処理を行うことにより、緻密なガラスセラミックス
を得た。析出した結晶相は粉末X線回折法により、Li
1+XAlXGe2-X(PO43であることが確認された。こ
のガラスセラミックスのX線回折パターンの図1に示
す。そのガラスセラミックスは室温で4.0×10-4
/cmという高い伝導率を示した。
[Example 1] NH 4 H 2 PO 4 ,
GeO 2 , Al (OH) 3 , and Li 2 CO 3 are used. These P 2 O 5 = 37.5% in mol%, GeO 2 = 35.
It is weighed so as to have a composition of 0%, Al 2 O 3 = 7.5%, and Li 2 O = 20.0%, mixed uniformly, put into a platinum crucible and melted by heating in an electric furnace. Here, first, 7
The raw material is decomposed at 00 ° C. to evaporate CO 2 , NH 3 and H 2 O components. Next, the temperature was raised to 1300 ° C.
Dissolve for 5 hours. Thereafter, the molten glass is cast on a pre-warmed iron plate to produce a uniform plate-like glass. Then, annealing was performed at 520 ° C. for 2 hours to remove distortion of the glass. The glass thus obtained was sized 20 mm x 2
After cutting to 0 mm and polishing both sides, a heat treatment was performed at 750 ° C. for 12 hours to obtain a dense glass ceramic. The precipitated crystal phase was analyzed by powder X-ray diffraction to obtain Li
It was confirmed that it was 1 + X Al X Ge 2-X (PO 4 ) 3 . FIG. 1 shows an X-ray diffraction pattern of this glass ceramic. The glass ceramic is 4.0 × 10 -4 S at room temperature
/ Cm.

【0032】[実施例2]原料としてNH42PO4
GeO2,Ga23,Li2CO3を使用する。これらを
mol%でP25=37.5%,GeO2=40.0
%,Ga23=5.0%,Li2O=17.5%という
組成になるように秤量し、均一に混合した後、白金るつ
ぼに入れて電気炉で加熱溶解する。ここではまず、70
0℃で原料を分解し、CO2,NH3,H2O成分を蒸発
させる。次に1300℃まで昇温し、その温度で1.5
時間溶解する。その後、溶解ガラスを予め暖めた鉄板上
にキャストし、均一な板状のガラスを作製する。そして
ガラスの歪を取り除くために510℃で2時間アニール
した。こうして得られたガラスをサイズ20mm×20
mmに切断し、両面を研磨した後、800℃で12時間
熱処理を行うことにより、緻密なガラスセラミックスを
得た。析出した結晶相は粉末X線回折法により、Li
1+XGaXGe2-X(PO43であることが確認された。そ
のガラスセラミックスは室温で2.0×10-4S/cm
という高い伝導率を示した。
[Example 2] NH 4 H 2 PO 4 ,
GeO 2 , Ga 2 O 3 , and Li 2 CO 3 are used. These P 2 O 5 = 37.5% in mol%, GeO 2 = 40.0
%, Ga 2 O 3 = 5.0%, and Li 2 O = 17.5%, are weighed so as to be uniformly mixed, then put into a platinum crucible and melted by heating in an electric furnace. Here, first, 70
The raw material is decomposed at 0 ° C. to evaporate CO 2 , NH 3 and H 2 O components. Next, the temperature was raised to 1300 ° C.
Dissolve for time. Thereafter, the molten glass is cast on a pre-warmed iron plate to produce a uniform plate-like glass. Then, annealing was performed at 510 ° C. for 2 hours to remove distortion of the glass. The glass thus obtained was sized 20 mm × 20
After being cut into mm and polishing both sides, a heat treatment was performed at 800 ° C. for 12 hours to obtain a dense glass ceramic. The precipitated crystal phase was analyzed by powder X-ray diffraction to obtain Li
It was confirmed to be 1 + X Ga X Ge 2-X (PO 4 ) 3 . Its glass ceramics is 2.0 × 10 -4 S / cm at room temperature
High conductivity.

【0033】[実施例3]原料としてNH42PO4
GeO2,TiO2,Al23,Li2CO3を使用する。
これらをmol%でP25=37.5%,GeO2=3
0.0%,TiO2=10%,Al23=5.0%,L
2O=17.5%という組成になるように秤量し、均
一に混合した後、白金るつぼに入れて電気炉で加熱溶解
する。ここではまず、700℃で原料を分解し、C
2,NH3,H2O成分を蒸発させる。次に1400℃
まで昇温し、その温度で1.5時間溶解する。その後、
溶解ガラスを予め暖めた鉄板上にキャストし、均一な板
状のガラスを作製する。そしてガラスの歪を取り除くた
めに540℃で2時間アニールした。こうして得られた
ガラスをサイズ20mm×20mmに切断し、両面を研
磨した後、850℃で12時間熱処理を行うことによ
り、緻密なガラスセラミックスを得た。析出した結晶相
は粉末X線回折法により、Li1+XAlX(Ge2-Y
Y2-X(PO43であることが確認された。そのガラ
スセラミックスは室温で2.0×10-4S/cmという
高い伝導率を示した。
Example 3 NH 4 H 2 PO 4 ,
GeO 2 , TiO 2 , Al 2 O 3 and Li 2 CO 3 are used.
These P 2 O 5 = 37.5% in mol%, GeO 2 = 3
0.0%, TiO 2 = 10%, Al 2 O 3 = 5.0%, L
It is weighed so as to have a composition of i 2 O = 17.5%, mixed uniformly, and then placed in a platinum crucible and heated and melted in an electric furnace. Here, the raw material is first decomposed at 700 ° C.
O 2, NH 3, evaporate of H 2 O component. Then 1400 ° C
And melt at that temperature for 1.5 hours. afterwards,
The molten glass is cast on a pre-warmed iron plate to produce a uniform plate-like glass. Then, annealing was performed at 540 ° C. for 2 hours to remove distortion of the glass. The glass thus obtained was cut into a size of 20 mm × 20 mm, and both sides were polished, and then heat-treated at 850 ° C. for 12 hours to obtain a dense glass ceramic. The precipitated crystal phase was analyzed by powder X-ray diffraction to obtain Li 1 + X Al X (Ge 2-Y T
i Y ) 2-X (PO 4 ) 3 . The glass ceramic showed a high conductivity of 2.0 × 10 −4 S / cm at room temperature.

【0034】[実施例4〜10]実施例2と同様な方法
で、実施例4〜10の試料を作製した。各実施例におけ
る組成および室温での伝導率を表1,2にまとめた。
尚、ガラスセラミックスの伝導率は、交流インピーダン
スにより、10-2〜3×10+7Hzの範囲で測定し、コ
ール・コールプロットから試料の抵抗(粒子と粒界の抵
抗の和)を求め、方程式σ=(t/A)(1/R)に従
って伝導率を計算した。(σ:伝導率,t:試料の厚
さ,A:電極の面積,R:試料の抵抗)
[Examples 4 to 10] Samples of Examples 4 to 10 were produced in the same manner as in Example 2. Tables 1 and 2 show the composition and the conductivity at room temperature in each example.
The conductivity of the glass ceramic was measured in the range of 10 −2 to 3 × 10 +7 Hz by the AC impedance, and the resistance of the sample (the sum of the resistance of the particles and the grain boundary) was obtained from the Cole-Cole plot. The conductivity was calculated according to the equation σ = (t / A) (1 / R). (Σ: conductivity, t: sample thickness, A: electrode area, R: sample resistance)

【0035】[0035]

【表1】 [Table 1]

【0036】[0036]

【表2】 [Table 2]

【0037】[実施例11]リチウム電池の代表的な実
施例として、実施例4のリチウムイオン伝導性ガラスセ
ラミックスを固体電解質として用いた、扁平型電池の一
例(断面図)を図2に示す。本電池は、負極缶6、負極
集電体4(アルミニウムやステンレス等の導電性薄膜お
よび薄板等が用いられる。)、負極2、リチウムイオン
伝導性ガラスセラミックス1、正極3、正極集電体5
(アルミニウムやステンレス等の導電性薄膜および薄板
等が用いられる。)、正極缶7および絶縁充填物8(ポ
リプロピレン製)等からなる。正負各極2、3はリチウ
ムイオン伝導性ガラスセラミックスを介して対向して正
負極缶6、7が形成するケース内に納められる。正極3
は正極集電体5を介して正極缶7に、負極2は負極集電
体4を介して負極缶6に接続される。電池内部で生じた
化学エネルギーは正極缶および負極缶6、7の両端子か
ら電気エネルギーとして外部へ取り出せるようになって
いる。尚、本発明による電池を構成する部材について
は、固体電解質部分以外は上記に記載して物質以外に
も、従来使用されている種々の材料を使用することが可
能である。
[Embodiment 11] As a typical embodiment of a lithium battery, FIG. 2 shows an example (cross-sectional view) of a flat battery using the lithium ion conductive glass ceramics of Embodiment 4 as a solid electrolyte. This battery includes a negative electrode can 6, a negative electrode current collector 4 (a conductive thin film and a thin plate of aluminum or stainless steel or the like are used), a negative electrode 2, a lithium ion conductive glass ceramic 1, a positive electrode 3, and a positive electrode current collector 5.
(A conductive thin film and a thin plate of aluminum, stainless steel, etc. are used.), A positive electrode can 7, an insulating filler 8 (made of polypropylene), and the like. The positive and negative electrodes 2 and 3 face each other via a lithium ion conductive glass ceramic and are accommodated in a case where positive and negative electrode cans 6 and 7 are formed. Positive electrode 3
Is connected to the positive electrode can 7 via the positive electrode current collector 5, and the negative electrode 2 is connected to the negative electrode can 6 via the negative electrode current collector 4. Chemical energy generated inside the battery can be taken out from both terminals of the positive electrode can and the negative electrode cans 6 and 7 as electric energy. As for members constituting the battery according to the present invention, various materials conventionally used can be used other than the substances described above except for the solid electrolyte portion.

【0038】ここでリチウムイオン伝導性ガラスセラミ
ックスの厚さは薄くなければならず、少なくとも1mm
以下、好ましくは0.5mm以下とする。正極3の材料
は各種の考案や発表がなされており、代表的な一例とし
てはLiCoO2やLi1+X38等がある。また、負極
2の材料についても同様に各種の考案や発表がなされて
おり、代表的な一例としてはLi4Ti512やカーボン
等がある。
Here, the thickness of the lithium ion conductive glass ceramic must be thin, at least 1 mm.
Or less, preferably 0.5 mm or less. Various materials have been proposed and announced for the material of the positive electrode 3, and typical examples include LiCoO 2 and Li 1 + X V 3 O 8 . Similarly, various ideas and announcements have been made for the material of the negative electrode 2, and typical examples thereof include Li 4 Ti 5 O 12 and carbon.

【0039】また、リチウムイオン伝導性ガラスセラミ
ックスの対向する両面に形成される正負各極2、3や、
正負各極に形成される集電極4、5については、予め作
成しておいたこれらを順次重ね合わせて取り付ける方法
や、極および集電体をイオンスパッター法、CVD法、
スクリーン印刷法、塗布法、ゾルゲル法、イオンプレー
ティング法、イオンビーム蒸着法、MBE法、真空蒸着
法、電子ビーム蒸着法等により順次形成する方法も用い
ることができる。
The positive and negative poles 2 and 3 formed on opposite surfaces of the lithium ion conductive glass ceramic,
Regarding the collector electrodes 4 and 5 formed on the positive and negative poles, a previously prepared electrode is sequentially superimposed and attached, or the poles and the current collector are ion-sputtered, CVD,
A method of forming sequentially by a screen printing method, a coating method, a sol-gel method, an ion plating method, an ion beam evaporation method, an MBE method, a vacuum evaporation method, an electron beam evaporation method, or the like can also be used.

【0040】尚、比較例は、酸化チタン:1.7モル、
炭酸リチウム:0.7モル、リン酸アンモニウム:3.
0モル、酸化アルミニウム:0.2モルをメノウ乳鉢中
で混合し、加圧成形してペレット状にした後、900℃
で2時間焼成し、得られた焼成物を再度メノウ乳鉢で粉
砕し、400メッシュの篩を通過したものをペレット状
に加圧成形し、1000℃で2時間焼結し薄板状に加工
したものを固体電解質として用いた。図2の電池および
比較例の固体電解質を用いた電池の効率放電特性図を図
4に示す。
In the comparative examples, titanium oxide: 1.7 mol,
Lithium carbonate: 0.7 mol, ammonium phosphate: 3.
0 mol, aluminum oxide: 0.2 mol was mixed in an agate mortar, pressed and formed into pellets, and then 900 ° C.
Baked for 2 hours, and the obtained baked product was again pulverized in an agate mortar, passed through a 400-mesh sieve, pressed into a pellet, sintered at 1000 ° C. for 2 hours, and processed into a thin plate. Was used as a solid electrolyte. FIG. 4 shows an efficiency discharge characteristic diagram of the battery of FIG. 2 and a battery using the solid electrolyte of the comparative example.

【0041】[実施例12]ガスセンサーの代表的な実
施例として、実施例4のリチウムイオン伝導性ガラスセ
ラミックスを固体電解質として用いた、炭酸ガスセンサ
ーの一例(断面図)を図3に示す。上記実施例によるL
iイオン伝導性ガラスセラミックスの上下両面を、厚さ
1〜2mmまで、好ましくは1mm以下、更に好ましく
は0.5mm以下に研磨後、その研磨面の一方に金属炭
酸塩層、好ましくは炭酸リチウムあるいは炭酸リチウム
と他の炭酸塩との混合物をイオンスパッター法により形
成する。
Embodiment 12 As a typical embodiment of the gas sensor, FIG. 3 shows an example (cross-sectional view) of a carbon dioxide gas sensor using the lithium ion conductive glass ceramic of Embodiment 4 as a solid electrolyte. L according to the above embodiment
After polishing both upper and lower surfaces of the i-ion conductive glass ceramic to a thickness of 1 to 2 mm, preferably 1 mm or less, more preferably 0.5 mm or less, a metal carbonate layer, preferably lithium carbonate or A mixture of lithium carbonate and another carbonate is formed by an ion sputtering method.

【0042】次いで、この面にリード線を接続した白金
メッシュを張り付け、再度炭酸塩層を形成させて白金メ
ッシュを固定する。もう一方の面には、蒸着法で形成し
た白金薄膜を形成し、これにリード線を接続する。この
センサーは、炭酸ガス混合気体中の炭酸ガスによる炭酸
塩の解離平衡によって、炭酸ガス濃度に応じた起電力が
電極間に生じるため、この起電力を測定するより炭酸ガ
ス濃度を知ることができる。
Next, a platinum mesh connected with a lead wire is attached to this surface, and a carbonate layer is formed again to fix the platinum mesh. On the other surface, a platinum thin film formed by a vapor deposition method is formed, and a lead wire is connected to the platinum thin film. Since this sensor generates an electromotive force between the electrodes due to the dissociation equilibrium of the carbonate by the carbon dioxide in the carbon dioxide gas mixture, the carbon dioxide concentration can be known from the measurement of the electromotive force. .

【0043】尚、炭酸塩層や電極層を形成する方法は上
記以外にも、CVD法、スクリーン印刷法、塗布法、ゾ
ルゲル法、イオンプレーティング法、イオンビーム蒸着
法、MBE法、真空蒸着法、電子ビーム蒸着法等により
形成することができる。このガスセンサーの室温におけ
る炭酸ガス分圧による起電力特性を図5に示す。
The method of forming the carbonate layer and the electrode layer is not limited to the above, but may be CVD, screen printing, coating, sol-gel, ion plating, ion beam evaporation, MBE, vacuum evaporation. Can be formed by an electron beam evaporation method or the like. FIG. 5 shows the electromotive force characteristics of this gas sensor due to the partial pressure of carbon dioxide at room temperature.

【0044】[0044]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によるリチ
ウムイオン伝導性ガラスセラミックスは非常に高いリチ
ウムイオン伝導率を有すると共に、作製が簡単で化学的
に安定で熱的に強いため、電池(燃料電池も含む)やガ
スセンサーをはじめ、種々の電気化学デバイスへの応用
が可能となる。
As described above, the lithium ion conductive glass-ceramic according to the present invention has a very high lithium ion conductivity, is easy to produce, is chemically stable, and is thermally strong, and thus has a high battery (fuel) capacity. It can be applied to various electrochemical devices, including batteries and gas sensors.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】実施例1のガラスセラミックスのX線回折パタ
ーンを示したものである。
FIG. 1 shows an X-ray diffraction pattern of the glass ceramic of Example 1.

【図2】本発明の実施例2によるリチウムイオン固体電
解質を使用したリチウム電池の代表的な構造を示す図で
ある。
FIG. 2 is a view showing a typical structure of a lithium battery using a lithium ion solid electrolyte according to Embodiment 2 of the present invention.

【図3】本発明の実施例2によるリチウムイオン固体電
解質を使用したガスセンサーの代表的な構造を示す図で
ある。
FIG. 3 is a view showing a typical structure of a gas sensor using a lithium ion solid electrolyte according to Embodiment 2 of the present invention.

【図4】図2に示した電池の効率放電特性図である。4 is an efficiency discharge characteristic diagram of the battery shown in FIG.

【図5】図3に示したガスセンサーの室温における炭酸
ガス分圧による起電力特性図である。
5 is an electromotive force characteristic diagram of the gas sensor shown in FIG. 3 at a room temperature at a partial pressure of carbon dioxide gas.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、 リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス 2、 負極 3、 正極 4、 負極集電板 5、 正極集電板 6、 負極缶 7、 正極缶 8、 絶縁充填物 9、 金属炭酸塩 10、電極 11、リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス 12、電極 13、リード線 14、リード線 15、パッケージ材 1, lithium ion conductive glass ceramics 2, negative electrode 3, positive electrode 4, negative electrode current collector 5, positive electrode current collector 6, negative electrode can 7, positive electrode can 8, insulating filler 9, metal carbonate 10, electrode 11, lithium Ion conductive glass ceramics 12, electrode 13, lead wire 14, lead wire 15, package material

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01M 8/02 G01N 27/58 Z (56)参考文献 特開 平5−139781(JP,A) 特開 平3−123848(JP,A) 特開 平2−302307(JP,A) N.Imanaka,et a l.,”Lithium conduc ting amorphous sol id electrolytes ob tained by explosio n method”,Solid St ate Ionics,62(3,4), 1993,p167−171 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C03C 1/00 - 14/00 H01B 1/00 - 1/24 H01M 6/00 - 6/22 G01N 27/406 JOIS WPI INSPEC──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI H01M 8/02 G01N 27/58 Z (56) References JP-A-5-139781 (JP, A) JP-A-3-123848 ( JP, A) JP-A-2-302307 (JP, A) Imanaka, et al. , "Lithium conduc ting amorphous sol id electrolytes ob tained by explosio n method", Solid St ate Ionics, 62 (3,4), 1993, p167-171 (58) investigated the field (Int.Cl. 7, DB name) C03C 1/00-14/00 H01B 1/00-1/24 H01M 6/00-6/22 G01N 27/406 JOIS WPI INSPEC

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 mol%で、 P25 35 〜 40%、 SiO2 0 〜 15%、 GeO2 0< 〜 50%、 TiO2 0 〜<50%、 但し、GeO2+TiO2 25 〜 50%、 ZrO2 0 〜 10%、 M23 0.5 〜 15%、 但し、M=Al,Gaの中から選ばれる1種または2種 Li20 10 〜 25%、 の範囲の組成を含有する溶融ガラスをキャストし、得ら
れた原ガラスを熱処理することにより、Li1+XX(G
1-YTiY2-X(PO43(0<X≦0.8,0≦Y<
1.0)結晶相を析出させ得られることを特徴とする、
リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
1. mol%, P 2 O 5 35 to 40%, SiO 2 0 to 15%, GeO 2 0 to 50%, TiO 20 to <50%, provided that GeO 2 + TiO 2 25 to 50 %, ZrO 2 0 to 10%, M 2 O 3 0.5 to 15%, where M = one or two kinds of Li 2 010 to 25% selected from Al and Ga. Cast the molten glass containing
By heat-treating the raw glass, Li 1 + X M X ( G
e 1-Y Ti Y ) 2-X (PO 4 ) 3 (0 <X ≦ 0.8, 0 ≦ Y <
1.0) characterized in that it can be obtained by precipitating a crystal phase,
Lithium ion conductive glass ceramics.
【請求項2】 mol%で、2. In mol%, P 2Two O 5Five 35 〜 40%、 35-40%, SiOSiO 2Two 0 〜 15%、 0 to 15%, GeOGeO 2Two 0< 〜 50%、 0 <~ 50%, TiOTiO 2Two 0 〜<50%、 0 to <50%, 但し、GeOHowever, GeO 2Two +TiO+ TiO 2Two 25 〜 50%、 25-50%, ZrOZrO 2Two 0 〜 10%、 0-10%, M 2Two O 3Three 0.5 〜 15%、 0.5 to 15%, 但し、M=Al,Gaの中から選ばれる1種または2種However, M = one or two selected from Al and Ga LiLi 2Two 0 10 〜 25%、0 10 to 25%, の範囲の組成を含有する原ガラスを、溶融成形後、熱処The raw glass containing the composition in the range of
理工程を経て、LiThrough the process, Li 1+X1 + X M XX (Ge(Ge 1-Y1-Y TiTi YY ) 2-X2-X (P(P
O 4Four ) 3Three (0<X≦0.8,0≦Y<1.0)結晶相を析(0 <X ≦ 0.8, 0 ≦ Y <1.0)
出させ得られるリチウムイオン伝導性ガラスセラミックLithium ion conductive glass ceramic obtained
スであって、室温における伝導率は10And the conductivity at room temperature is 10 −4-4 S/cmをS / cm
越えることを特徴とする、リチウムイオン伝Lithium ion transmission 導性ガラスConductive glass
セラミックス。Ceramics.
【請求項3】 mol%で、3. mol%, P 2Two O 5Five 35 〜 40%、 35-40%, SiOSiO 2Two 0 〜 15%、 0 to 15%, GeOGeO 2Two 0< 〜 50%、 0 <~ 50%, TiOTiO 2Two 0 〜<50%、 0 to <50%, 但し、GeOHowever, GeO 2Two +TiO+ TiO 2Two 25 〜 50%、 25-50%, ZrOZrO 2Two 0 〜 10%、 0-10%, M 2Two O 3Three 0.5 〜 15%、 0.5 to 15%, 但し、M=Al,Gaの中から選ばれる1種または2種However, M = one or two selected from Al and Ga LiLi 2Two 0 10 〜 25%、0 10 to 25%, の範囲の組成を含有する原ガラスを、溶融成形後、熱処The raw glass containing the composition in the range of
理工程を経て、LiThrough the process, Li 1+X1 + X M XX (Ge(Ge 1-Y1-Y TiTi YY ) 2-X2-X (P(P
O 4Four ) 3Three (0<X≦0.8,0≦Y<1.0)結晶相を析(0 <X ≦ 0.8, 0 ≦ Y <1.0)
出させ得られるリチウムイオン伝導性ガラスセラミックLithium ion conductive glass ceramic obtained
スであって、該原ガラスは、B,In,Sc,Fe,CAnd the raw glass is B, In, Sc, Fe, C
r等の三価金属(Al、Gaを除く)およびMg,Ctrivalent metals such as r (except Al and Ga) and Mg, C
a,Sr,Ba,Zn等の二価金属の量は10mol%The amount of divalent metal such as a, Sr, Ba, Zn is 10 mol%
以下であることを特徴とするリチウムイオン伝導性ガラA lithium ion conductive glass characterized by the following:
スセラミックス。Ceramics.
【請求項4】 mol%で、 P25 35 〜 40%、 SiO2 0 〜 15%、 GeO2 0< 〜 45%、 TiO2 0 〜<45%、 但し、GeO2+TiO2 25 〜 45%、 ZrO2 0 〜 10%、 Al23 0.5 〜 15%、 Li20 10 〜 25%、 の範囲の組成を含有する原ガラスを、溶融成形後、熱処
理工程を経て、Li1+XAlX(Ge1-YTiY2-X(PO
43(0<X≦0.8,0≦Y<1.0)結晶相を析出
させ得られることを特徴とする、請求項1〜3に記載の
リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
4. In mol%, P 2 O 5 35 to 40%, SiO 2 0 to 15%, GeO 2 0 <to 45%, TiO 20 to <45%, provided that GeO 2 + TiO 2 25 to 45 %, ZrO 2 0 ~ 10% , Al 2 O 3 0.5 ~ 15%, Li 2 0 10 ~ 25%, a raw glass containing the composition in the range of, after melt molding, through a heat treatment process, Li 1 + X Al X (Ge 1-Y Ti Y ) 2-X (PO
4) 3 (0 <a X ≦ 0.8,0 ≦ Y <1.0), wherein Rukoto obtained to precipitate a crystalline phase, as claimed in claim 1 to 3 <br /> lithium ion conductivity Glass ceramics.
【請求項5】 mol%で、 P25 35 〜 40%、 SiO2 0 〜 15%、 GeO2 0< 〜 45%、 TiO2 0 〜<45%、 但し、GeO2+TiO2 25 〜 45%、 ZrO2 0 〜 10%、 Ga23 0.5 〜 15%、 Li20 10 〜 25%、 の範囲の組成を含有する原ガラスを、溶融成形後、熱処
理工程を経て、Li1+XGaX(Ge1-YTiY2-X(PO
43(0<X≦0.8,0≦Y<1.0)結晶相を析出
させ得られることを特徴とする、請求項1から3に記載
のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
5. In mol%, P 2 O 5 35 to 40%, SiO 2 0 to 15%, GeO 2 0 <to 45%, TiO 2 0 to <45%, provided that GeO 2 + TiO 2 25 to 45 %, ZrO 2 0 ~ 10% , Ga 2 O 3 0.5 ~ 15%, Li 2 0 10 ~ 25%, a raw glass containing the composition in the range of, after melt molding, through a heat treatment process, Li 1 + X Ga X (Ge 1-Y Ti Y ) 2-X (PO
4) 3 (0 <X ≦ 0.8,0 ≦ Y <1.0) , characterized in Rukoto obtained to precipitate a crystal phase, lithium ion conductive glass ceramics according to claims 1 3.
【請求項6】 請求項1から5に記載のリチウムイオン
伝導性ガラスセラミックスを用いたことを特徴とする、
リチウム電池用固体電解質。
6. A lithium ion conductive glass ceramic according to claim 1, wherein the lithium ion conductive glass ceramic is used.
Solid electrolyte for lithium batteries.
【請求項7】 請求項1から5に記載のリチウムイオン
伝導性ガラスセラミックスを用いたことを特徴とする、
ガスセンサー用固体電解質。
Characterized by using the 7. lithium ion conductive glass ceramics according to claims 1 to 3,
Solid electrolyte for gas sensors.
【請求項8】 固体電解質に、請求項1から5に記載の
リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを用いたこと
を特徴とする、リチウム電池。
8. A lithium battery, wherein the lithium ion conductive glass ceramic according to claim 1 is used as a solid electrolyte.
【請求項9】 固体電解質に、請求項1から5に記載の
リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを用いたこと
を特徴とする、ガスセンサー。
9. A gas sensor using the lithium ion conductive glass ceramic according to claim 1 as a solid electrolyte.
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