JP4090148B2 - リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの製造方法 - Google Patents
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Description
【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の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年のエレクトロニクスの進歩は、電子機器の小型化、軽量化、高性能化を伴い、それらの機器の電源として、特に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いる。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、かつ、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。さらに、リチウムイオン伝導性固体電解質を用いる場合、それを薄くすることが可能であるので電池を薄膜化でき、体積当たりのエネルギー密度を大きく向上することができる。
【０００３】
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、それを無機電解質に置き換えれば信頼性の高い全固体電池が構成できると考えられる。
【０００４】
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、その重要度が増している。
【０００５】
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数多く報告されている。
【０００６】
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。
【０００７】
現在までに固体電解質の中で最も伝導率が高く、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）６２１−６２２．］、ＬｉＩ−Ｌｉ2Ｓ−Ｐ2Ｓ5［Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｉｏｎｉｃｓ，５（１９８１）６６３．］、ＬｉＩ−Ｌｉ2Ｓ−Ｂ2Ｓ3［Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｂｕｌｌ．，１８（１９８３）１８９．］およびＬｉＩ−Ｌｉ2Ｓ−ＳｉＳ4［Ｊ．Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｈｅｍ．，６９（１９８７）２５２．］系のガラスが知られている。
【０００８】
しかし、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。
【０００９】
一方、酸化物系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、ガラス化するために、たとえ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。
【００１０】
また特開平８−２２３９２１８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。
【００１１】
酸化物セラミックス（焼結体）の中で最も伝導率の高いのはＬｉ1+XＡｌXＴｉ2-X（ＰＯ4）3であり、その値は（Ｘ＝０．３の時）室温で７×１０-4Ｓ／ｃｍである［Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，１３７（１９９０）１０２３．］。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。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上に述べたように従来のイオン伝導性固体電解質は伝導率が低かったり、小型化、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、室温で１．５×１０-3Ｓ／ｃｍに達するという非常に高いイオン伝導率をも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、高性能の固体電池やガスセンサーを実現することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
Ｌｉ1+XＡｌXＴｉ2-X（ＰＯ4）3セラミックスが室温で１０-4Ｓ／ｃｍ台の伝導率を示すことは上で述べた。しかし、これらのセラミックス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を低下させる働きをする。もし、上記のような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を無くせるし、粒界も改善される可能性があるので、より高い伝導率をもつ固体電解質が得られることが期待できる。さらに、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にすることもできるので、実用上、焼結法で作製したセラミックスよりメリットが大きい。
【００１４】
本発明者は、このような考え方に基づいて研究を重ねた結果、Ｐ2Ｏ5、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ｍ2Ｏ3（但し、Ｍ＝Ａｌ、Ｇａ）、Ｌｉ2Ｏ成分を含むガラスを作製し、熱処理法を用いて導電性結晶Ｌｉ1+X+YＭXＴｉ2-XＳｉYＰ3-YＯ12をガラスから析出させることによって室温で１．５×１０-3Ｓ／ｃｍに達するという非常に高いリチウムイオン伝導率をもつガラスセラミックスを得ることに成功し、本発明をなすに至った。
【００２４】
請求項１の発明は、リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの製造方法において、ガラスを熱処理することにより、Ｌｉ1+X+YＭXＴｉ2-XＳｉYＰ3-YＯ12（但し、Ｍ＝Ａｌ、Ｇａ、０≦Ｘ≦０．４、０＜Ｙ≦０．６）を主結晶相として析出させることを特徴とする。
【００２５】
請求項２の発明は、リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの製造方法において、ガラス融液をキャストしてガラスを作製し、そのガラスを熱処理することにより、Ｌｉ1+X+YＭXＴｉ2-XＳｉYＰ3-YＯ12（但し、Ｍ＝Ａｌ、Ｇａ、０≦Ｘ≦０．４、０＜Ｙ≦０．６）を主結晶相として析出させることを特徴とする。
【００２６】
請求項３の発明は、請求項２に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの製造方法において、ガラス融液をキャストしてガラスを作製し、そのガラスを６８０〜８００℃で熱処理した後、引き続きそれよりさらに２００〜３５０℃高い温度で熱処理することを特徴とする。
【００２７】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの製造方法において、ｍｏｌ％表示で、Ｐ2Ｏ5 ２６ 〜４０％、ＳｉＯ2 ０．５〜１２％、ＴｉＯ2 ３０ 〜４５％、Ｍ2Ｏ3（但し、Ｍ＝Ａｌ、Ｇａ） ５ 〜１０％、Ｌｉ2Ｏ １０ 〜１８％、を含有するガラスを作製し、このガラスを熱処理することにより、Ｌｉ1+X+YＭXＴｉ2-XＳｉYＰ3-YＯ12（但し、０≦Ｘ≦０．４、０＜Ｙ≦０．６）を主結晶相として析出させることを特徴とする。
【００２８】
請求項５の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの製造方法において、ｍｏｌ％表示で、Ｐ2Ｏ5 ２６ 〜４０％、ＳｉＯ2 ０．５〜１２％、ＴｉＯ2 ３２ 〜４５％、Ａｌ2Ｏ3 ５ 〜１０％、Ｌｉ2Ｏ １０ 〜１８％、を含有するガラスを作製し、このガラスを熱処理することにより、Ｌｉ1+X+YＡｌXＴｉ2-XＳｉYＰ3-YＯ12（但し、０≦Ｘ≦０．４、０＜Ｙ≦０．６）を主結晶相として析出させることを特徴とする。
【００２９】
請求項６の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの製造方法において、 ｍｏｌ％表示で、Ｐ2Ｏ5 ２６ 〜４０％、ＳｉＯ2 ０．５〜１２％、ＴｉＯ2 ３２ 〜４５％、Ｇａ2Ｏ3 ５ 〜１０％、Ｌｉ2Ｏ １０ 〜１８％、を含有するガラスを作製し、このガラスを熱処理することにより、Ｌｉ1+X+YＧａXＴｉ2-XＳｉYＰ3-YＯ12（但し、０≦Ｘ≦０．４、０＜Ｙ≦０．６）を主結晶相として析出させることを特徴とする。
【００３０】
本発明のガラスセラミックスの組成は、原ガラスと同様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は、溶融冷却後、熱処理によりＬｉ1+X+YＭXＴｉ2-XＳｉYＰ3-YＯ12（但し、０≦Ｘ≦０．４、０≦Ｙ≦０．６）が主結晶として析出した緻密なガラスセラミックスを得ることができ、そのガラスセラミックスが室温で非常に高いリチウムイオン伝導性を示すことにある。上記以外の組成範囲にもＬｉ1+X+YＭXＴｉ2-XＳｉYＰ3-YＯ12が析出するが、その割合は低いため伝導率が小さい。
【００３１】
上記の成分の中でＳｉＯ2の効果が特に重要である。ＳｉＯ2を加えることによってガラス化範囲が広くなるだけではなく、ガラスの溶融性と熱的な安定性も向上した。さらに、熱処理後、広い組成範囲で１０-3Ｓ／ｃｍを超える伝導率を示した。
【００３２】
ＡｌまたはＧａ成分の一部をＢ、Ｉｎ、Ｓｃ、Ｆｅ、Ｃｒ等の三価金属およびＭｇ、Ｚｎ等の二価金属で、Ｔｉの一部をＺｒで、Ｓｉの一部をＧｅで置き換えることも可能である。しかし、それらの量は５ｍｏｌ％以下にすべきであり、それ以上添加すると伝導率は大幅に低下してしまう。
【００３３】
ガラスの溶融性を向上するためにＡｓ2Ｏ3、Ｓｂ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5、ＣｄＯ、ＰｂＯ等を添加することも可能であるが、それらの量は３ｍｏｌ％以下に制限すべきであり、それ以上添加すると添加量の増大と共に伝導率が次第に小さくなる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
本発明のイオン伝導性ガラスセラミックスは次の方法により作製することができる。すなわち、出発原料を所定の比で秤量し、均一に混合した後、白金るつぼに入れて電気炉で加熱溶融する。まず、７００℃で原料を分解し、ガス成分を蒸発させ、次に１４００〜１５００℃まで温度を上げてその温度で１〜２時間溶融する。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について６８０〜８００℃で１２時間、引き続きそれよりさらに２００〜３５０℃高い温度で２４時間熱処理することによって、Ｌｉ1+X+YＭXＴｉ2-XＳｉYＰ3-YＯ12が主結晶相として析出する、高いイオン伝導性ガラスセラミックスが得られる。
【００３５】
熱処理条件については上述のような二段熱処理を用いずに一段熱処理を用いても同様な結果が得られる。しかし、この場合に試料に亀裂を発生させないため、熱処理温度までかなり遅いスピードで昇温しなければならない。この場合には非常に長時間を要するので効率的ではない。したがって、上述の二段熱処理法が望ましい。また、本発明のガラスセラミックスは溶融された状態からゆっくり冷却することによってガラス状態を経ずに作製することも可能である。しかし、この場合には亀裂のない緻密な試料を得るために冷却速度を組成ごとに調整し、精密に制御しなければならない。
【００３６】
【実施例】
以下、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限定されるものではない。
【００３７】
［実施例１］ 原料として、ＮＨ4Ｈ2ＰＯ4、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ａｌ（ＯＨ）3、Ｌｉ2ＣＯ3を使用し、これらをｍｏｌ％で、３２Ｐ2Ｏ5−８ＳｉＯ2−４１ＴｉＯ2−５Ａｌ2Ｏ3−１４Ｌｉ2Ｏ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融した。まず、７００℃で原料を分解し、ＣＯ2、ＮＨ3、Ｈ2Ｏ成分を蒸発させ、次に１４５０℃まで昇温し、その温度で１．５時間溶融した。その後、ガラス融液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した。ガラスの歪みを取り除くために５５０℃で２時間アニールした。こうして得られたガラスを２０ｍｍ×２０ｍｍのサイズに切断し、両面を研磨した後、８００℃で１２時間、次いで１０００℃で２４時間の熱処理を行うことにより、緻密なガラスセラミックスが得られた。析出した結晶相は粉末Ｘ線回折法により、Ｌｉ1+X+YＡｌXＴｉ2-XＳｉYＰ3-YＯ12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１．５×１０-3Ｓ／ｃｍという非常に高い伝導率を示した。
【００３８】
［実施例２〜６］ 実施例１と同様な方法で実施例２〜６までの試料を作製した。各々の室温での伝導率を表１にまとめた。なお、全ての実施例による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の範囲で測定した。コールコールプロットから試料の抵抗（粒子と粒界抵抗の和）を求め、方程式σ＝（ｔ／Ａ）（１／Ｒ）に従って伝導率を計算した。（但し、σ：伝導率、ｔ：試料の厚さ、Ａ：電極の面積、Ｒ：試料の抵抗）
【００３９】
【表１】
【００４０】
［実施例７］ リチウム電池の代表的な実施例として、へん平型電池の一例（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及び薄膜等が用いられる。）、負極２、Ｌｉ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及び薄膜等が用いられる。）、正極缶７および絶縁充填物８（ポリプロピレン等）から構成される。正負各極２、３はＬｉ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。
【００４１】
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た物質以外にも、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。
【００４２】
ここでＬｉ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+XＶ3Ｏ8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Ｌｉ4Ｔｉ5Ｏ12やカーボン等がある。
【００４３】
また、Ｌｉ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、あらかじ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。
【００４４】
尚、比較例は、固体電解質に酸化チタン：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再度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。
【００４５】
［実施例８］ ガスセンサーの代表的な実施例として、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Ｌｉ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。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ことにより炭酸ガス濃度を知ることができる。
【００４６】
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。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によるイオン伝導性ガラスセラミックスは非常に高い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。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、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。
【図２】本発明によるＬｉ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。尚、本発明はこの図面によって制限されるものではない。
【図３】本発明によるＬｉ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。尚、本発明はこの図面によって制限されるものではない。
【図４】図３に示した電池の効率放電特性図である。
【図５】図４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。
【符号の説明】
１． Ｌｉ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 Ｌｉ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
【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の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年のエレクトロニクスの進歩は、電子機器の小型化、軽量化、高性能化を伴い、それらの機器の電源として、特に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いる。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、かつ、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。さらに、リチウムイオン伝導性固体電解質を用いる場合、それを薄くすることが可能であるので電池を薄膜化でき、体積当たりのエネルギー密度を大きく向上することができる。
【０００３】
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、それを無機電解質に置き換えれば信頼性の高い全固体電池が構成できると考えられる。
【０００４】
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、その重要度が増している。
【０００５】
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数多く報告されている。
【０００６】
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。
【０００７】
現在までに固体電解質の中で最も伝導率が高く、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）６２１−６２２．］、ＬｉＩ−Ｌｉ2Ｓ−Ｐ2Ｓ5［Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｉｏｎｉｃｓ，５（１９８１）６６３．］、ＬｉＩ−Ｌｉ2Ｓ−Ｂ2Ｓ3［Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｂｕｌｌ．，１８（１９８３）１８９．］およびＬｉＩ−Ｌｉ2Ｓ−ＳｉＳ4［Ｊ．Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｈｅｍ．，６９（１９８７）２５２．］系のガラスが知られている。
【０００８】
しかし、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。
【０００９】
一方、酸化物系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、ガラス化するために、たとえ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。
【００１０】
また特開平８−２２３９２１８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。
【００１１】
酸化物セラミックス（焼結体）の中で最も伝導率の高いのはＬｉ1+XＡｌXＴｉ2-X（ＰＯ4）3であり、その値は（Ｘ＝０．３の時）室温で７×１０-4Ｓ／ｃｍである［Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，１３７（１９９０）１０２３．］。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。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上に述べたように従来のイオン伝導性固体電解質は伝導率が低かったり、小型化、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、室温で１．５×１０-3Ｓ／ｃｍに達するという非常に高いイオン伝導率をも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、高性能の固体電池やガスセンサーを実現することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
Ｌｉ1+XＡｌXＴｉ2-X（ＰＯ4）3セラミックスが室温で１０-4Ｓ／ｃｍ台の伝導率を示すことは上で述べた。しかし、これらのセラミックス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を低下させる働きをする。もし、上記のような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を無くせるし、粒界も改善される可能性があるので、より高い伝導率をもつ固体電解質が得られることが期待できる。さらに、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にすることもできるので、実用上、焼結法で作製したセラミックスよりメリットが大きい。
【００１４】
本発明者は、このような考え方に基づいて研究を重ねた結果、Ｐ2Ｏ5、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ｍ2Ｏ3（但し、Ｍ＝Ａｌ、Ｇａ）、Ｌｉ2Ｏ成分を含むガラスを作製し、熱処理法を用いて導電性結晶Ｌｉ1+X+YＭXＴｉ2-XＳｉYＰ3-YＯ12をガラスから析出させることによって室温で１．５×１０-3Ｓ／ｃｍに達するという非常に高いリチウムイオン伝導率をもつガラスセラミックスを得ることに成功し、本発明をなすに至った。
【００２４】
請求項１の発明は、リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの製造方法において、ガラスを熱処理することにより、Ｌｉ1+X+YＭXＴｉ2-XＳｉYＰ3-YＯ12（但し、Ｍ＝Ａｌ、Ｇａ、０≦Ｘ≦０．４、０＜Ｙ≦０．６）を主結晶相として析出させることを特徴とする。
【００２５】
請求項２の発明は、リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの製造方法において、ガラス融液をキャストしてガラスを作製し、そのガラスを熱処理することにより、Ｌｉ1+X+YＭXＴｉ2-XＳｉYＰ3-YＯ12（但し、Ｍ＝Ａｌ、Ｇａ、０≦Ｘ≦０．４、０＜Ｙ≦０．６）を主結晶相として析出させることを特徴とする。
【００２６】
請求項３の発明は、請求項２に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの製造方法において、ガラス融液をキャストしてガラスを作製し、そのガラスを６８０〜８００℃で熱処理した後、引き続きそれよりさらに２００〜３５０℃高い温度で熱処理することを特徴とする。
【００２７】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの製造方法において、ｍｏｌ％表示で、Ｐ2Ｏ5 ２６ 〜４０％、ＳｉＯ2 ０．５〜１２％、ＴｉＯ2 ３０ 〜４５％、Ｍ2Ｏ3（但し、Ｍ＝Ａｌ、Ｇａ） ５ 〜１０％、Ｌｉ2Ｏ １０ 〜１８％、を含有するガラスを作製し、このガラスを熱処理することにより、Ｌｉ1+X+YＭXＴｉ2-XＳｉYＰ3-YＯ12（但し、０≦Ｘ≦０．４、０＜Ｙ≦０．６）を主結晶相として析出させることを特徴とする。
【００２８】
請求項５の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの製造方法において、ｍｏｌ％表示で、Ｐ2Ｏ5 ２６ 〜４０％、ＳｉＯ2 ０．５〜１２％、ＴｉＯ2 ３２ 〜４５％、Ａｌ2Ｏ3 ５ 〜１０％、Ｌｉ2Ｏ １０ 〜１８％、を含有するガラスを作製し、このガラスを熱処理することにより、Ｌｉ1+X+YＡｌXＴｉ2-XＳｉYＰ3-YＯ12（但し、０≦Ｘ≦０．４、０＜Ｙ≦０．６）を主結晶相として析出させることを特徴とする。
【００２９】
請求項６の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの製造方法において、 ｍｏｌ％表示で、Ｐ2Ｏ5 ２６ 〜４０％、ＳｉＯ2 ０．５〜１２％、ＴｉＯ2 ３２ 〜４５％、Ｇａ2Ｏ3 ５ 〜１０％、Ｌｉ2Ｏ １０ 〜１８％、を含有するガラスを作製し、このガラスを熱処理することにより、Ｌｉ1+X+YＧａXＴｉ2-XＳｉYＰ3-YＯ12（但し、０≦Ｘ≦０．４、０＜Ｙ≦０．６）を主結晶相として析出させることを特徴とする。
【００３０】
本発明のガラスセラミックスの組成は、原ガラスと同様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は、溶融冷却後、熱処理によりＬｉ1+X+YＭXＴｉ2-XＳｉYＰ3-YＯ12（但し、０≦Ｘ≦０．４、０≦Ｙ≦０．６）が主結晶として析出した緻密なガラスセラミックスを得ることができ、そのガラスセラミックスが室温で非常に高いリチウムイオン伝導性を示すことにある。上記以外の組成範囲にもＬｉ1+X+YＭXＴｉ2-XＳｉYＰ3-YＯ12が析出するが、その割合は低いため伝導率が小さい。
【００３１】
上記の成分の中でＳｉＯ2の効果が特に重要である。ＳｉＯ2を加えることによってガラス化範囲が広くなるだけではなく、ガラスの溶融性と熱的な安定性も向上した。さらに、熱処理後、広い組成範囲で１０-3Ｓ／ｃｍを超える伝導率を示した。
【００３２】
ＡｌまたはＧａ成分の一部をＢ、Ｉｎ、Ｓｃ、Ｆｅ、Ｃｒ等の三価金属およびＭｇ、Ｚｎ等の二価金属で、Ｔｉの一部をＺｒで、Ｓｉの一部をＧｅで置き換えることも可能である。しかし、それらの量は５ｍｏｌ％以下にすべきであり、それ以上添加すると伝導率は大幅に低下してしまう。
【００３３】
ガラスの溶融性を向上するためにＡｓ2Ｏ3、Ｓｂ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5、ＣｄＯ、ＰｂＯ等を添加することも可能であるが、それらの量は３ｍｏｌ％以下に制限すべきであり、それ以上添加すると添加量の増大と共に伝導率が次第に小さくなる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
本発明のイオン伝導性ガラスセラミックスは次の方法により作製することができる。すなわち、出発原料を所定の比で秤量し、均一に混合した後、白金るつぼに入れて電気炉で加熱溶融する。まず、７００℃で原料を分解し、ガス成分を蒸発させ、次に１４００〜１５００℃まで温度を上げてその温度で１〜２時間溶融する。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について６８０〜８００℃で１２時間、引き続きそれよりさらに２００〜３５０℃高い温度で２４時間熱処理することによって、Ｌｉ1+X+YＭXＴｉ2-XＳｉYＰ3-YＯ12が主結晶相として析出する、高いイオン伝導性ガラスセラミックスが得られる。
【００３５】
熱処理条件については上述のような二段熱処理を用いずに一段熱処理を用いても同様な結果が得られる。しかし、この場合に試料に亀裂を発生させないため、熱処理温度までかなり遅いスピードで昇温しなければならない。この場合には非常に長時間を要するので効率的ではない。したがって、上述の二段熱処理法が望ましい。また、本発明のガラスセラミックスは溶融された状態からゆっくり冷却することによってガラス状態を経ずに作製することも可能である。しかし、この場合には亀裂のない緻密な試料を得るために冷却速度を組成ごとに調整し、精密に制御しなければならない。
【００３６】
【実施例】
以下、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限定されるものではない。
【００３７】
［実施例１］ 原料として、ＮＨ4Ｈ2ＰＯ4、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ａｌ（ＯＨ）3、Ｌｉ2ＣＯ3を使用し、これらをｍｏｌ％で、３２Ｐ2Ｏ5−８ＳｉＯ2−４１ＴｉＯ2−５Ａｌ2Ｏ3−１４Ｌｉ2Ｏ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融した。まず、７００℃で原料を分解し、ＣＯ2、ＮＨ3、Ｈ2Ｏ成分を蒸発させ、次に１４５０℃まで昇温し、その温度で１．５時間溶融した。その後、ガラス融液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した。ガラスの歪みを取り除くために５５０℃で２時間アニールした。こうして得られたガラスを２０ｍｍ×２０ｍｍのサイズに切断し、両面を研磨した後、８００℃で１２時間、次いで１０００℃で２４時間の熱処理を行うことにより、緻密なガラスセラミックスが得られた。析出した結晶相は粉末Ｘ線回折法により、Ｌｉ1+X+YＡｌXＴｉ2-XＳｉYＰ3-YＯ12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１．５×１０-3Ｓ／ｃｍという非常に高い伝導率を示した。
【００３８】
［実施例２〜６］ 実施例１と同様な方法で実施例２〜６までの試料を作製した。各々の室温での伝導率を表１にまとめた。なお、全ての実施例による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の範囲で測定した。コールコールプロットから試料の抵抗（粒子と粒界抵抗の和）を求め、方程式σ＝（ｔ／Ａ）（１／Ｒ）に従って伝導率を計算した。（但し、σ：伝導率、ｔ：試料の厚さ、Ａ：電極の面積、Ｒ：試料の抵抗）
【００３９】
【表１】
［実施例７］ リチウム電池の代表的な実施例として、へん平型電池の一例（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及び薄膜等が用いられる。）、負極２、Ｌｉ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及び薄膜等が用いられる。）、正極缶７および絶縁充填物８（ポリプロピレン等）から構成される。正負各極２、３はＬｉ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。
【００４１】
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た物質以外にも、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。
【００４２】
ここでＬｉ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+XＶ3Ｏ8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Ｌｉ4Ｔｉ5Ｏ12やカーボン等がある。
【００４３】
また、Ｌｉ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、あらかじ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。
【００４４】
尚、比較例は、固体電解質に酸化チタン：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再度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。
【００４５】
［実施例８］ ガスセンサーの代表的な実施例として、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Ｌｉ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。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ことにより炭酸ガス濃度を知ることができる。
【００４６】
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。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によるイオン伝導性ガラスセラミックスは非常に高い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。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、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。
【図２】本発明によるＬｉ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。尚、本発明はこの図面によって制限されるものではない。
【図３】本発明によるＬｉ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。尚、本発明はこの図面によって制限されるものではない。
【図４】図３に示した電池の効率放電特性図である。
【図５】図４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。
【符号の説明】
１． Ｌｉ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 Ｌｉ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
Claims (6)
- ガラスを熱処理することにより、Ｌｉ1+X+YＭXＴｉ2-XＳｉYＰ3-YＯ12（但し、Ｍ＝Ａｌ、Ｇａ、０≦Ｘ≦０．４、０＜Ｙ≦０．６）を主結晶相として析出させ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の製造方法。
- ガラス融液をキャストしてガラスを作製し、そのガラスを熱処理することにより、Ｌｉ1+X+YＭXＴｉ2-XＳｉYＰ3-YＯ12（但し、Ｍ＝Ａｌ、Ｇａ、０≦Ｘ≦０．４、０＜Ｙ≦０．６）を主結晶相として析出させ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の製造方法。
- ガラス融液をキャストしてガラスを作製し、そのガラスを６８０〜８００℃で熱処理した後、引き続きそれよりさらに２００〜３５０℃高い温度で熱処理することを特徴とする、請求項２に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの製造方法。
- ｍｏｌ％表示で、Ｐ2Ｏ5 ２６ 〜４０％、ＳｉＯ2 ０．５〜１２％、ＴｉＯ2 ３０ 〜４５％、Ｍ2Ｏ3（但し、Ｍ＝Ａｌ、Ｇａ） ５ 〜１０％、Ｌｉ2Ｏ １０ 〜１８％、を含有するガラスを作製し、このガラスを熱処理することにより、Ｌｉ1+X+YＭXＴｉ2-XＳｉYＰ3-YＯ12（但し、０≦Ｘ≦０．４、０＜Ｙ≦０．６）を主結晶相として析出させることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの製造方法。
- ｍｏｌ％表示で、Ｐ2Ｏ5 ２６ 〜４０％、ＳｉＯ2 ０．５〜１２％、ＴｉＯ2 ３２ 〜４５％、Ａｌ2Ｏ3 ５ 〜１０％、Ｌｉ2Ｏ １０ 〜１８％、を含有するガラスを作製し、このガラスを熱処理することにより、Ｌｉ1+X+YＡｌXＴｉ2-XＳｉYＰ3-YＯ12（但し、０≦Ｘ≦０．４、０＜Ｙ≦０．６）を主結晶相として析出させることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの製造方法。
- ｍｏｌ％表示で、Ｐ2Ｏ5 ２６ 〜４０％、ＳｉＯ2 ０．５〜１２％、ＴｉＯ2 ３２ 〜４５％、Ｇａ2Ｏ3 ５ 〜１０％、Ｌｉ2Ｏ １０ 〜１８％、を含有するガラスを作製し、このガラスを熱処理することにより、Ｌｉ1+X+YＧａXＴｉ2-XＳｉYＰ3-YＯ12（但し、０≦Ｘ≦０．４、０＜Ｙ≦０．６）を主結晶相として析出させることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの製造方法。
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