JP5273732B2 - Manufacturing method of ceramic material - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a ceramic material providing such the density and dense structure that are available for use in a solid electrolyte material of a lithium secondary battery or the like. <P>SOLUTION: This ceramic material having a crystallographic structure of garnet type or pseudo-garnet type, and containing Li, La, Zr, Al and O is synthesized by firing an Li component, La component, Zr component and Al component in an inert gas atmosphere. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、セラミックス材料の製造方法に関し、特に、全固体リチウム二次電池に適した固体電解質用のセラミックス材料の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a ceramic material, and more particularly to a method for manufacturing a ceramic material for a solid electrolyte suitable for an all-solid lithium secondary battery.

近年、パーソナルコンピュータ、携帯電話等のポータブル機器の開発に伴い、その電源としての二次電池の需要が大幅に拡大している。このような用途に用いられる二次電池においては、イオンを移動させる媒体として有機溶媒等の液状の電解質(電解液)が汎用されている。このような電解液を用いた電池においては、電解液の漏洩等、発火、爆発等の問題を生ずる可能性がある。   In recent years, with the development of portable devices such as personal computers and mobile phones, the demand for secondary batteries as a power source has been greatly expanded. In secondary batteries used for such applications, liquid electrolytes (electrolytic solutions) such as organic solvents are widely used as a medium for moving ions. A battery using such an electrolytic solution may cause problems such as ignition and explosion, such as leakage of the electrolytic solution.

そこで、本質的な安全性確保の観点から、液状電解質に替えて固体電解質を使用するとともに、他の電池要素を全て固体で構成した全固体二次電池の開発が進められている。このような全固体二次電池は、電解質が焼結したセラミックスであるため、発火や漏液の恐れもないうえ、腐食により電池性能の劣化等の問題も生じにくいという利点がある。なかでも、電極にリチウム金属を用いる全固体リチウム二次電池は、容易に高エネルギー密度とすることが可能な二次電池と考えられる。   Therefore, from the standpoint of securing intrinsic safety, development of an all-solid secondary battery in which a solid electrolyte is used instead of a liquid electrolyte and all other battery elements are made of solid is being promoted. Since such an all-solid secondary battery is a ceramic in which an electrolyte is sintered, there are advantages that there is no risk of ignition or leakage, and that problems such as deterioration of battery performance due to corrosion hardly occur. Especially, the all-solid-state lithium secondary battery which uses a lithium metal for an electrode is considered as a secondary battery which can be easily made into a high energy density.

二次電池の電池特性の向上には、正極及び負極に用いる材料間の電位差拡大と、正負極に用いる各材料の容量密度の向上がポイントとなる。特に負極材料について、Li金属やLi合金類を用いることが、特性向上に寄与が大きいことがわかっている。しかしながら、Li金属には、インターカーレーション反応に伴い、デンドライトというLi金属の析出現象が生じるため、電解質部分に電解液を用いた電池の場合には、デンドライト析出したLi金属がセパレーターを突き破り、電池内部でショートを引き起こすため、安全性の問題から使用できなかった。電解質部分が固体で形成される全固体電池においては、析出物が固体電解質を突き破ることはできないため、安全に使用することができると期待されている。しかしながら、このLi金属は電位が最も卑であるとともに反応性も高いため適用できる固体電解質が未だ見つかっていない。   In order to improve the battery characteristics of the secondary battery, it is important to increase the potential difference between the materials used for the positive electrode and the negative electrode and to improve the capacity density of each material used for the positive and negative electrodes. In particular, it has been found that using a Li metal or a Li alloy as a negative electrode material greatly contributes to improvement in characteristics. However, in Li metal, a phenomenon of precipitation of Li metal called dendrite occurs due to the intercalation reaction. Therefore, in the case of a battery using an electrolyte solution in the electrolyte portion, the Li metal deposited in the dendrite breaks through the separator, and the battery It could not be used due to safety issues because it caused a short inside. In an all-solid-state battery in which the electrolyte portion is formed of a solid, it is expected that the deposit cannot penetrate the solid electrolyte and can be used safely. However, since this Li metal has the lowest potential and high reactivity, no applicable solid electrolyte has been found yet.

近年、ガーネット型のセラミックス材料であるLi7La3Zr212(以下、LLZという。)が耐リチウム性に優れており、全固体Li二次電池の固体電解質として利用できる可能性が報告された(非特許文献1)。 In recent years, Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (hereinafter referred to as LLZ), which is a garnet-type ceramic material, has excellent lithium resistance and has been reported to be usable as a solid electrolyte for an all-solid Li secondary battery. (Non-Patent Document 1).

Ramaswamy Murugan etal., Angew.Chem. Int. Ed.2007, 46, 1-5Ramaswamy Murugan etal., Angew.Chem. Int. Ed. 2007, 46, 1-5

しかしながら、本発明者らが上記非特許文献に基づいてLLZペレットの作製を試みたところ、全固体リチウム二次電池の固体電解質として使用可能なLLZペレットを得ることができず、全固体リチウム二次電池の固体電解質材料として実用可能な材料とはいえなかった。   However, when the present inventors tried to produce an LLZ pellet based on the above non-patent document, it was not possible to obtain an LLZ pellet that could be used as a solid electrolyte of an all-solid lithium secondary battery. It could not be said that the material was practical as a solid electrolyte material for batteries.

そこで、本発明は、リチウム二次電池の固体電解質材料等として使用可能な程度の密度及び緻密構造を備えることのできるセラミックス材料の製造方法を提供することを一つの目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing a ceramic material having a density and a dense structure that can be used as a solid electrolyte material of a lithium secondary battery.

本発明者らは、LLZ系セラミックスの原料や熱処理条件を含む各種操作及び最終的に得られるセラミックスにつき、種々の検討を行ったところ、上記LLZ成分以外にアルミニウムを含有する原料を、Ar雰囲気で焼成することにより、良好な密度及び緻密構造が得られるという知見を得た。本発明によれば以下の手段が提供される。   The present inventors have made various studies on various operations including the raw materials of LLZ ceramics and heat treatment conditions and finally obtained ceramics, and found that raw materials containing aluminum in addition to the above LLZ components are contained in an Ar atmosphere. The knowledge that a good density and a dense structure can be obtained by firing was obtained. According to the present invention, the following means are provided.

本発明によれば、セラミックス材料の製造方法であって、Li成分、La成分、Zr成分、Al成分及びO成分を、不活性ガス雰囲気中で焼成して、Li、La、Zr、Al及びOを含み、ガーネット型又はガーネット型類似の結晶構造を有するセラミックス材料を合成する工程、を備える、製造方法が提供される。   According to the present invention, there is provided a method for producing a ceramic material, in which a Li component, a La component, a Zr component, an Al component, and an O component are baked in an inert gas atmosphere to obtain Li, La, Zr, Al, and O. And a step of synthesizing a ceramic material having a garnet-type or a garnet-type-like crystal structure.

前記製造方法において、前記不活性ガスのガス種としては、例えば、ヘリウム(He)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)及びラドン(Rn)から選択される1種又は2種以上を含むことができる。好ましくはArである。また、前記合成工程は、少なくともLi成分、La成分及びZr成分を含有する一次焼成粉末を得る第1の熱処理工程と、Al成分の存在下、前記一次焼成粉末を焼成して、前記セラミックス材料を得る第2の熱処理工程と、を備えることができる。   In the manufacturing method, the gas type of the inert gas is selected from, for example, helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe), and radon (Rn). 1 type (s) or 2 or more types can be included. Ar is preferable. Further, the synthesis step includes a first heat treatment step for obtaining a primary fired powder containing at least a Li component, a La component, and a Zr component, and firing the primary fired powder in the presence of an Al component to obtain the ceramic material. And obtaining a second heat treatment step.

Ar雰囲気中及び大気雰囲気中で焼成したLi−La−Zr−Al系セラミックスの緻密構造の電子顕微鏡観察結果を示す図である。It is a figure which shows the electron microscope observation result of the dense structure of the Li-La-Zr-Al type | system | group ceramic baked in Ar atmosphere and air atmosphere. Ar雰囲気中で焼成したLi−La−Zr−Al系セラミックスのX回折スペクトルを示す図である。マークはICDD粉末回折ファイルの045−0109に同定されるピークに相当するピークを示す。It is a figure which shows the X-diffraction spectrum of the Li-La-Zr-Al type | system | group ceramic baked in Ar atmosphere. The mark indicates a peak corresponding to the peak identified at 045-0109 of the ICDD powder diffraction file.

本発明は、セラミックス材料の製造方法、セラミックス材料及び全固体リチウム二次電池及に関する。本発明のセラミックス材料の製造方法によれば、セラミックス合成原料にAl成分を含有し、さらにこうした原料を不活性雰囲気中で焼成することにより、密度が高く緻密構造のLLZ結晶構造を有する複合酸化物系セラミックス材料を得ることができる。このセラミックス材料によれば、耐リチウム性に優れる固体電解質及び当該固体電解質を備える全固体二次電池を提供することができる。   The present invention relates to a method for producing a ceramic material, a ceramic material, and an all solid lithium secondary battery. According to the method for producing a ceramic material of the present invention, a composite oxide having an LLZ crystal structure having a high density and a dense structure by containing an Al component in a ceramic synthesis raw material and further firing such raw material in an inert atmosphere. -Based ceramic materials can be obtained. According to this ceramic material, it is possible to provide a solid electrolyte excellent in lithium resistance and an all-solid-state secondary battery including the solid electrolyte.

以下、本発明のセラミックス材料及びその製造方法について説明し、当該セラミックス材料を固体電解質材料として用いた全固体リチウム二次電池について説明する。   Hereinafter, the ceramic material of the present invention and the manufacturing method thereof will be described, and an all-solid lithium secondary battery using the ceramic material as a solid electrolyte material will be described.

(セラミックス材料)
本発明のセラミックス材料は、Li、La、Zr及びAlを構成金属元素とし、さらにOを含有し、ガーネット型又はガーネット型類似の結晶構造(以下、LLZ結晶構造という。)を有する複合酸化物セラミックスである。LLZ結晶構造は、実質的に、Li、La、Zr及びOからなっていてもよい。
(Ceramic materials)
The ceramic material of the present invention contains Li, La, Zr and Al as constituent metal elements, further contains O, and has a garnet-type or garnet-type similar crystal structure (hereinafter referred to as LLZ crystal structure). It is. The LLZ crystal structure may consist essentially of Li, La, Zr and O.

本発明のセラミックス材料の有するLLZ結晶構造の特徴としては、同じガーネット型結晶構造を有する材料の一例として以下に挙げるICDD(International Centre for Diffraction Data)の粉末回折ファイル、045−0109(Li5La3Nb212)に類似のXRD回折パターンを有する点が挙げられる。なお、045−0109と比較すると、構成元素が異なり、またセラミックス中のLi濃度などが異なる可能性があるため、回折角度や回折強度比が異なる場合もある。本発明のセラミックス材料は、LLZ結晶構造を有するように、非特許文献1に記載のLi7La3Zr212(LLZ)の化学量論比又はそれに近似するものである。 As a feature of the LLZ crystal structure of the ceramic material of the present invention, as an example of a material having the same garnet-type crystal structure, a powder diffraction file of ICDD (International Center for Diffraction Data) shown below, 045-0109 (Li 5 La 3 Nb 2 O 12 ) has a similar XRD diffraction pattern. Note that, compared with 045-0109, the constituent elements are different and the Li concentration in the ceramics may be different, so the diffraction angle and the diffraction intensity ratio may be different. The ceramic material of the present invention has a stoichiometric ratio of Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZ) described in Non-Patent Document 1 or approximates it so as to have an LLZ crystal structure.

本発明のセラミックス材料は、Li、La、Zr、Al及びOを含有している。本発明者らによれば、Alを含有していることで、LLZ結晶構造を有するセラミックスを初めてハンドリング可能な焼結体ペレットとして取得できることがわかった。アルミニウムの含有量は、焼結性(焼結体の密度)が改善される範囲で含まれていることが好ましい。なお、密度は、たとえば、ペレットの重量と体積を測定し算出する。例えば円柱状のペレットの場合、重量を測定した後、マイクロメーターにてペレットの直径数箇所を測定して平均値とし、厚みも同様にマイクロメーターにて測定し体積を算出して、それぞれの値から密度を測定する方法又はそれと同等の精度と正確性が得られる方法で測定することが好ましい。   The ceramic material of the present invention contains Li, La, Zr, Al, and O. According to the present inventors, it has been found that by containing Al, a ceramic having an LLZ crystal structure can be obtained as a sintered pellet that can be handled for the first time. It is preferable that the aluminum content is included within a range in which the sinterability (density of the sintered body) is improved. The density is calculated, for example, by measuring the weight and volume of the pellet. For example, in the case of a cylindrical pellet, after measuring the weight, several parts of the pellet diameter are measured with a micrometer to obtain an average value, and the thickness is similarly measured with the micrometer to calculate the volume. It is preferable to measure by the method of measuring the density from the above or the method of obtaining the same accuracy and accuracy.

このような特性改善が得られるAl含有量は、当業者であれば、LLZの理論量及び当該理論量に基づく適切なモル比で混合したLi成分、La成分及びZr成分に対して適当量のAl成分の存在下で焼成工程を行って焼結体を取得し、その特性を測定することで、用途に応じたAl含有量を容易に決定することができる。一例として、最終的に得られるセラミックス粉末や焼結体ペレットの全重量に対して0.1質量%以上Alが含有されているとき、改善された密度が得られることがわかっている。また、同2質量%を大きく超える密度が低下する傾向にあることもわかっており、好ましくは、同1.5質量%以下である。より好ましくは、Al含有量は、全重量に対して0.31質量%以上1.38質量%以下であり、さらに好ましくは、0.45質量%以上1.32質量%以下である。さらに好ましくは、約0.73質量%である。   Those skilled in the art will know that the Al content at which such property improvement can be obtained is an appropriate amount for the Li component, La component, and Zr component mixed in an appropriate molar ratio based on the theoretical amount of LLZ and the theoretical amount. By performing a firing step in the presence of an Al component to obtain a sintered body and measuring its characteristics, it is possible to easily determine the Al content according to the application. As an example, it has been found that an improved density can be obtained when 0.1 mass% or more of Al is contained with respect to the total weight of the finally obtained ceramic powder and sintered pellets. Moreover, it has also been found that the density greatly exceeding 2% by mass tends to decrease, and preferably 1.5% by mass or less. More preferably, Al content is 0.31 mass% or more and 1.38 mass% or less with respect to the total weight, More preferably, it is 0.45 mass% or more and 1.32 mass% or less. More preferably, it is about 0.73 mass%.

本発明のセラミックス材料におけるAlの存在形態は特に問わないが、単相のLLZ結晶を観察でき、かつICP発光分光分析によりアルミニウムを含有していることが確認できるものであればよい。なお、本発明者らによれば、Alは結晶粒内に存在することがわかっている。   The form of Al in the ceramic material of the present invention is not particularly limited as long as it can observe a single-phase LLZ crystal and can be confirmed to contain aluminum by ICP emission spectroscopic analysis. In addition, according to the present inventors, it is known that Al exists in crystal grains.

本発明のセラミックス材料におけるAlは、例えば、ICP(高周波誘導結合プラズマ)発光分光分析等により検出し、その含有量を決定することができる。   Al in the ceramic material of the present invention can be detected, for example, by ICP (high frequency inductively coupled plasma) emission spectroscopic analysis and the content thereof can be determined.

本発明のセラミックス材料は、Li、La、Zr、Al及びOを含有しLLZ結晶構造を有する限り、セラミックス粉末であってもよいし、焼結体であってもよい。全固体リチウム二次電池の固体電解質としては、焼結体であることが好ましい。また、こうした固体電解質を得るための材料としては、粉末であることが好ましい。   The ceramic material of the present invention may be a ceramic powder or a sintered body as long as it contains Li, La, Zr, Al and O and has an LLZ crystal structure. The solid electrolyte of the all-solid lithium secondary battery is preferably a sintered body. A material for obtaining such a solid electrolyte is preferably a powder.

アルミニウムを含有し焼結体における焼結性(密度)が改善された本発明のセラミックス材料は、全固体リチウム二次電池用の固体電解質材料として好ましい。また、伝導率を利用した酸素センサ材料に好ましく用いることができる。   The ceramic material of the present invention containing aluminum and having improved sinterability (density) in the sintered body is preferable as a solid electrolyte material for an all-solid lithium secondary battery. Moreover, it can use preferably for the oxygen sensor material using conductivity.

本発明のセラミックス材料は高い密度を有することができる。例えば、4.6g/cm3以上の密度を備えることができる。高い密度を備えることにより、ハンドリング性も向上する。より好ましくは4.7g/cm3以上である。 The ceramic material of the present invention can have a high density. For example, a density of 4.6 g / cm 3 or more can be provided. By providing a high density, handling is also improved. More preferably, it is 4.7 g / cm 3 or more.

(セラミックス材料の製造方法)
本発明のセラミックス材料の製造方法は、Li成分、La成分、Zr成分、Al成分及びO成分を、不活性ガス雰囲気で焼成して、Li、La、Zr、Al及びOを含み、ガーネット型又はガーネット型類似の結晶構造を有するセラミックス材料を合成する工程を、備えることができる。
(Manufacturing method of ceramic material)
The method for producing a ceramic material of the present invention includes a Li component, a La component, a Zr component, an Al component, and an O component fired in an inert gas atmosphere, and includes Li, La, Zr, Al, and O. A step of synthesizing a ceramic material having a garnet-like crystal structure can be provided.

(原料の準備)
本発明のセラミックス材料の原料としては、Li成分、La成分、Zr成分、Al成分及びO成分が挙げられる。なお、O成分は、通常、構成金属元素成分の一部として含まれる。
(Preparation of raw materials)
Examples of the raw material for the ceramic material of the present invention include a Li component, a La component, a Zr component, an Al component, and an O component. The O component is usually included as a part of the constituent metal element component.

(Li成分、La成分及びZr成分)
これらの各種成分は、特に限定されないで、それぞれの金属成分を含む、金属酸化物、金属水酸化物、金属炭酸塩など各種金属塩を適宜選択して用いることができる。例えば、Li成分としてはLi2CO3又はLiOHを用い、La成分としてはLa(OH)3又はLa23を用い、Zr成分としてはZrO2を用いることができる。
(Li component, La component and Zr component)
These various components are not particularly limited, and various metal salts such as metal oxides, metal hydroxides, and metal carbonates containing the respective metal components can be appropriately selected and used. For example, Li 2 CO 3 or LiOH can be used as the Li component, La (OH) 3 or La 2 O 3 can be used as the La component, and ZrO 2 can be used as the Zr component.

(Al成分)
Al成分は、特に限定されないで、Alを含む金属酸化物、金属水酸化物、金属硝酸塩、金属有機物、金属単体など各種金属塩を適宜選択して用いることができる。例えば、Al23、Al(NO3・9HO、Al(OH)3、Al、アルミニウムアセチルアセトナート、アルミニウムトリエトキシド、アルミニウムブトキシド、アルミニウムプロポキシド、アルミニウムメトキシド、塩化アルミニウム、塩化アルウミニウム六水和物、塩化ジエチルアルミニウム、オレイン酸アルミニウム、酢酸アルミニウムn水和物、シュウ酸アルミニウム、臭化アルミニウム六水和物、ステアリン酸アルミニウム、トリエチルアルミニウム、トリメチルアルミニウム、トリイソブチルアルミニウム、硫酸アルウミニウム、ヨウ化アルミニウムなどを用いることができる。Al成分はAlが含まれていることにより焼結性に改善が得られる範囲でLi成分、La成分及びZr成分に対して存在される。また、好ましくは、本発明のセラミックス材料においてLLZ結晶構造を得ることができる範囲で調合される。
(Al component)
The Al component is not particularly limited, and various metal salts such as metal oxides, metal hydroxides, metal nitrates, metal organics, and simple metals containing Al can be appropriately selected and used. For example, Al 2 O 3 , Al (NO 3 ) 3 · 9H 2 O, Al (OH) 3 , Al, aluminum acetylacetonate, aluminum triethoxide, aluminum butoxide, aluminum propoxide, aluminum methoxide, aluminum chloride, Aluminum chloride hexahydrate, diethyl aluminum chloride, aluminum oleate, aluminum acetate n hydrate, aluminum oxalate, aluminum bromide hexahydrate, aluminum stearate, triethyl aluminum, trimethyl aluminum, triisobutyl aluminum, aluminum sulfate Aluminum iodide or the like can be used. The Al component is present with respect to the Li component, the La component, and the Zr component within a range where improvement in sinterability can be obtained by including Al. Moreover, it is preferable that the ceramic material of the present invention is prepared in a range where an LLZ crystal structure can be obtained.

本発明のセラミックス材料を得るためのこれらの成分は、非特許文献1に記載のLi7La3Zr212(LLZ)の理論量比に基づき、Li成分、La成分、及びZr成分を調合することができる。例えば、Li成分、La成分及びZr成分を、LLZの化学量論組成に従って、Li成分:La成分:Zr成分=7:3:2又は当該組成に近似した組成で用いることができる。各成分の調合にあたり、熱処理時のLiの揮発を考慮してLi成分は10%程度まで増量してもよい。また、本発明のセラミックス材料においては、合成粉末の粉砕、回収時のロス等が生じるため、Li、La、Zr及びOの各元素とも非特許文献1の化学式の組成からずれる場合があることがわかっている。 These components for obtaining the ceramic material of the present invention are prepared by mixing Li component, La component, and Zr component based on the theoretical amount ratio of Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZ) described in Non-Patent Document 1. can do. For example, the Li component, La component, and Zr component can be used in accordance with the stoichiometric composition of LLZ, Li component: La component: Zr component = 7: 3: 2 or a composition that approximates the composition. In preparing each component, the Li component may be increased to about 10% in consideration of the volatilization of Li during heat treatment. Further, in the ceramic material of the present invention, the loss of the powder during the pulverization and recovery of the synthetic powder occurs, so that each element of Li, La, Zr and O may deviate from the composition of the chemical formula of Non-Patent Document 1. know.

原料におけるAl成分は、特に限定しない。焼結性の向上が得られるAl成分の含有量は、当業者であれば、LLZの理論量及び当該理論量に基づく適切なモル比で混合したLi成分、La成分及びZr成分に対して適当量のAl成分の存在下で焼成工程を行って焼結体を取得し、その特性を測定することで、用途に応じたAl含有量を容易に決定することができる。一例として、既に記載のように最終的に得られる本セラミックス材料の全重量に対する好ましいAl含有量(例えば、0.1質量%以上0.2質量%以下、より好ましくは、同1.5質量%以下である。さらに好ましくは、同0.31質量%以上1.38質量%以下であり、一層好ましくは、0.45質量%以上1.32質量%以下であり、もっと好ましくは約0.73質量%である。)が得られるようにAl成分を用いる。   The Al component in the raw material is not particularly limited. The content of the Al component that can improve the sinterability is appropriate for those skilled in the art to the theoretical amount of LLZ and the Li component, La component, and Zr component mixed at an appropriate molar ratio based on the theoretical amount. By performing the firing step in the presence of an amount of Al component to obtain a sintered body and measuring its characteristics, the Al content corresponding to the application can be easily determined. As an example, a preferable Al content with respect to the total weight of the present ceramic material finally obtained as described above (for example, 0.1% by mass to 0.2% by mass, more preferably 1.5% by mass) More preferably, it is 0.31 mass% or more and 1.38 mass% or less, More preferably, it is 0.45 mass% or more and 1.32 mass% or less, More preferably, it is about 0.73. The Al component is used so as to obtain (mass%).

これらのそれぞれの成分は、工業的に生産されて入手可能なものであれば特に限定されないで使用できる。好ましくは純度が95%以上であり、より好ましくは、98%以上である。また、水分が1%以下であることが好ましく、必要に応じて乾燥してもよい。   Each of these components can be used without particular limitation as long as it is industrially produced and available. The purity is preferably 95% or more, and more preferably 98% or more. Moreover, it is preferable that a water | moisture content is 1% or less, and you may dry as needed.

また、原料の調製にあたっては、公知のセラミックス粉末の合成における原料粉末調製方法を適宜採用することができる。例えば、ライカイ機等や適当なボールミル等に投入して均一に混合することができる。   In preparing the raw material, a known raw material powder preparation method in the synthesis of ceramic powder can be appropriately employed. For example, the mixture can be mixed uniformly by putting it into a reiki machine or a suitable ball mill.

(合成工程)
合成工程は、構成金属元素としてLi成分、La成分、Zr成分、及びAl成分の他O成分を含む原料を、不活性ガス雰囲気中で焼成して、Li、La、Zr、Al及びOを含み、ガーネット型又はガーネット型類似の結晶構造を有するセラミックス材料を合成する工程である。この合成工程は、これらの成分を含む原料から本発明のセラミックス材料を一挙に合成してもよい。合成方法は、公知の各種のセラミックス合成方法を採用することができる。合成のための焼成温度は、特に限定しないが、1000℃以上であることが好ましく、より好ましくは1125℃以上1250℃以下の温度で熱処理することが好ましい。本セラミックス材料を合成のための熱処理を不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましいが、その前段階の原料の分解反応など仮焼処理は、酸化性雰囲気で行ってもよい。
(Synthesis process)
The synthesis step includes firing Li, La, Zr, and Al components as constituent metal elements in a inert gas atmosphere, and containing Li, La, Zr, Al, and O. This is a step of synthesizing a ceramic material having a garnet type or garnet type-like crystal structure. In this synthesis step, the ceramic material of the present invention may be synthesized all at once from a raw material containing these components. As the synthesis method, various known ceramic synthesis methods can be employed. The firing temperature for synthesis is not particularly limited, but is preferably 1000 ° C. or higher, more preferably heat treatment at a temperature of 1125 ° C. or higher and 1250 ° C. or lower. The ceramic material is preferably subjected to a heat treatment for synthesis in an inert gas atmosphere, but calcination treatment such as a decomposition reaction of the raw material in the previous stage may be performed in an oxidizing atmosphere.

また、合成工程は、2以上の熱処理工程を組み合わせたものであってもよい。すなわち、合成工程は、少なくとも構成金属元素としてLi成分、La成分及びZr成分他O成分を含有する一次焼成粉末を得る第1の熱処理工程と、Al成分の存在下、前記一次焼成粉末を焼成して、前記セラミックス材料を得る第2の熱処理工程と、を備えることができる。このような熱処理工程の組み合わせにより、高い密度が得られやすく、また、LLZ結晶構造が得られやすくなる。   Further, the synthesis process may be a combination of two or more heat treatment processes. That is, the synthesis step includes a first heat treatment step for obtaining a primary firing powder containing at least a Li component, a La component, a Zr component and other O components as constituent metal elements, and firing the primary firing powder in the presence of an Al component. And a second heat treatment step for obtaining the ceramic material. Such a combination of heat treatment steps makes it easy to obtain a high density and an LLZ crystal structure.

本発明のセラミックス材料の合成工程を、不活性ガス雰囲気中で実施することができる。本発明のセラミックス材料の合成に際しては、不活性ガス雰囲気中で熱処理することでより高い密度が得られる。不活性ガス雰囲気中で熱処理する場合には、原料が酸化物等の粉末となっていることが好ましい。したがって、後述する第1の熱処理工程と第2の熱処理工程とでは、少なくとも第2の熱処理工程を不活性ガス中で行うことが好ましい。不活性ガス種としては、例えば、ヘリウム(He)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)及びラドン(Rn)から選択される1種又は2種以上を含むことができる。好ましくはArである。   The synthesis process of the ceramic material of the present invention can be performed in an inert gas atmosphere. In synthesizing the ceramic material of the present invention, a higher density can be obtained by heat treatment in an inert gas atmosphere. When heat-treating in an inert gas atmosphere, the raw material is preferably a powder such as an oxide. Therefore, it is preferable to perform at least the second heat treatment step in an inert gas in the first heat treatment step and the second heat treatment step described later. Examples of the inert gas species include one or more selected from helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe), and radon (Rn). be able to. Ar is preferable.

(第1の熱処理工程)
第1の熱処理工程は、少なくともLi成分やLa成分等の熱分解を行い第2の熱処理工程でセラミックス材料を合成しやすくするための一次焼成粉末を得る工程である。焼成温度は、好ましくは、850℃以上1150℃以下の温度である。第1の熱処理工程は、上記温度範囲内において、より低い加熱温度で加熱するステップとより高い加熱温度で加熱するステップとを備えていてもよい。こうした加熱ステップを備えることで、より均一な状態なセラミックス粉末を得ることができ、第2の熱処理工程によって良質な焼結体を得ることができる。このような複数ステップで第1の熱処理工程を実施するときには、各加熱ステップ終了後、ライカイ機、ボールミル、および振動ミルなどを用いて混練・粉砕することが好ましい。また粉砕手法は乾式で行うことが望ましい。こうすることで、第2の熱処理工程により一層均一なLLZ相を得られやすくなる。なお、第1の熱処理工程の条件によっては、一次焼成粉末は、LLZ結晶構造をすでに有している場合もある。
(First heat treatment step)
The first heat treatment step is a step of obtaining a primary fired powder for making it easy to synthesize a ceramic material in the second heat treatment step by thermally decomposing at least a Li component or a La component. The firing temperature is preferably 850 ° C. or higher and 1150 ° C. or lower. The first heat treatment step may include a step of heating at a lower heating temperature and a step of heating at a higher heating temperature within the above temperature range. By providing such a heating step, a more uniform ceramic powder can be obtained, and a high-quality sintered body can be obtained by the second heat treatment step. When the first heat treatment step is performed in such a plurality of steps, it is preferable to knead and pulverize using a raikai machine, a ball mill, a vibration mill, or the like after completion of each heating step. Further, it is desirable that the pulverization method is dry. This makes it easier to obtain a more uniform LLZ phase by the second heat treatment step. Depending on the conditions of the first heat treatment step, the primary fired powder may already have an LLZ crystal structure.

第1の熱処理工程は、大気など酸化性の雰囲気で実施してもよいし、不活性雰囲気で実施してもよい。原料によっても好ましい雰囲気が相違する。熱分解を考慮すると、酸化性雰囲気が好ましい。   The first heat treatment step may be performed in an oxidizing atmosphere such as air or in an inert atmosphere. The preferable atmosphere varies depending on the raw material. Considering thermal decomposition, an oxidizing atmosphere is preferable.

第1の熱処理工程を構成する加熱ステップは、好ましくは850℃以上950℃以下の加熱ステップと1075℃以上1150℃以下の加熱ステップを実施することが好ましい。さらに好ましくは875℃以上925℃以下(約900℃であることがより好ましい)の加熱ステップと、1100℃以上1150℃以下(約1125℃であることがより好ましい。)の加熱ステップとする。   The heating step constituting the first heat treatment step is preferably performed by a heating step of 850 ° C. or higher and 950 ° C. or lower and a heating step of 1075 ° C. or higher and 1150 ° C. or lower. More preferably, a heating step of 875 ° C. or more and 925 ° C. or less (more preferably about 900 ° C.) and a heating step of 1100 ° C. or more and 1150 ° C. or less (more preferably about 1125 ° C.) are used.

第1の熱処理工程は、全体で加熱温度として設定した最高温度での加熱時間の合計として10時間以上15時間以下程度することが好ましい。第1の熱処理工程を2つの熱処理ステップで構成する場合には、それぞれ最高温度での加熱時間を5〜6時間程度することが好ましい。
一方、原料を変更することにより第1の熱処理工程を短縮化することができる。例えば、LiOHをLi成分に用いる場合、LLZ結晶構造を得るには、Li成分、La成分及びZr成分を含む原料を850℃以上950℃以下の熱処理ステップで最高温度での加熱時間を10時間以下にすることができる。これは、原料に用いたLiOHが低温で液相を形成するため、より低温で他の原料と反応しやすくなるからである。
In the first heat treatment step, the total heating time at the highest temperature set as the heating temperature as a whole is preferably about 10 hours to 15 hours. When the first heat treatment step is composed of two heat treatment steps, it is preferable to set the heating time at the maximum temperature to about 5 to 6 hours.
On the other hand, the first heat treatment step can be shortened by changing the raw material. For example, when LiOH is used for the Li component, in order to obtain an LLZ crystal structure, the raw material containing the Li component, La component and Zr component is heated at a maximum temperature of 10 hours or less in a heat treatment step of 850 ° C. or more and 950 ° C. or less. Can be. This is because LiOH used as a raw material forms a liquid phase at a low temperature, and thus easily reacts with other raw materials at a lower temperature.

第1の熱処理工程で用いる原料中に、Al成分を含んでいてもよい。原料にAl成分を含有する場合には、Alを含む一次焼成粉末を得ることができる。このため、後段の第2の焼成工程において、別途Al成分を一次焼成粉末に添加しなくても、一次焼成粉末中にAl成分が内在することになり、一次焼成粉末を熱処理する第2の焼成工程を実施することで、Al成分を別途追加しなくても、Al成分の存在下で一次焼成粉末を熱処理することになる。   The raw material used in the first heat treatment step may contain an Al component. When the raw material contains an Al component, a primary fired powder containing Al can be obtained. For this reason, in the subsequent second firing step, the Al component is inherent in the primary fired powder without separately adding an Al component to the primary fired powder, and the second fired heat treatment is performed on the primary fired powder. By carrying out the process, the primary fired powder is heat-treated in the presence of the Al component without adding an additional Al component.

(第2の熱処理工程)
第2の熱処理工程は、前記第1の熱処理工程で得られた一次焼成粉末を950℃以上1250℃以下の温度で加熱する工程とすることができる。第2の熱処理工程によれば、第1の熱処理工程で得た一次焼成粉末を焼成し最終的に本発明のセラミックス材料を得ることができる。
(Second heat treatment step)
The second heat treatment step can be a step of heating the primary fired powder obtained in the first heat treatment step at a temperature of 950 ° C. or higher and 1250 ° C. or lower. According to the second heat treatment step, the primary fired powder obtained in the first heat treatment step can be fired to finally obtain the ceramic material of the present invention.

第2の熱処理工程は、一次焼成粉末を1125℃以上1250℃以下の温度で熱処理するようにすることが好ましい。こうすることでLLZ結晶構造が得られやすくなる。Li成分としてLiCO3を用いたときには、1125℃以上1250℃以下で熱処置することが好ましい。1125℃未満であるとLLZの単相が得られにくくLi伝導率が小さく、1250℃を超えると、異相(LaZrなど)の形成が見られるようになりLiイオン伝導率が小さく、また結晶成長が著しくなるため、固体電解質としての強度を保つことが難しくなる傾向があるからである。より好ましくは、約1180℃から1230℃である。
一方、原料成分を変更することにより第2の熱処理工程を低温化することができる。例えば、Li成分としてLiOHを用いた場合、LLZ結晶構造を得るには、一次焼成粉末を950℃以上1125℃未満の温度でも熱処理することができる。これは、Li成分に用いたLiOHが低温で液相を形成するため、より低温で他の原料成分と反応しやすくなるからである。
In the second heat treatment step, the primary fired powder is preferably heat treated at a temperature of 1125 ° C. or higher and 1250 ° C. or lower. This makes it easier to obtain an LLZ crystal structure. When LiCO 3 is used as the Li component, heat treatment is preferably performed at 1125 ° C. or higher and 1250 ° C. or lower. When the temperature is lower than 1125 ° C., it is difficult to obtain a single phase of LLZ, and the Li conductivity is small. When the temperature exceeds 1250 ° C., formation of a different phase (such as La 2 Zr 2 O 7 ) is observed and the Li ion conductivity is low. In addition, since crystal growth becomes remarkable, it tends to be difficult to maintain the strength as a solid electrolyte. More preferably, it is about 1180 to 1230 ° C.
On the other hand, the temperature of the second heat treatment step can be lowered by changing the raw material components. For example, when LiOH is used as the Li component, the primary fired powder can be heat-treated at a temperature of 950 ° C. or higher and lower than 1125 ° C. to obtain an LLZ crystal structure. This is because LiOH used for the Li component forms a liquid phase at a low temperature, and thus easily reacts with other raw material components at a lower temperature.

第2の熱処理工程における上記加熱温度での加熱時間は18時間以上50時間以下程度であることが好ましい。時間が18時間よりも短い場合、LLZ結晶構造の形成が十分ではなく、50時間よりも長い場合、結晶成長が著しくサンプルとして強度を保てなくなるからである。好ましくは18時間よりも長く、さらに好ましくは30時間以上である。   The heating time at the heating temperature in the second heat treatment step is preferably about 18 hours to 50 hours. This is because when the time is shorter than 18 hours, the formation of the LLZ crystal structure is not sufficient, and when the time is longer than 50 hours, the crystal growth is not able to maintain the strength as a sample. It is preferably longer than 18 hours, more preferably 30 hours or longer.

第2の熱処理工程は、大気雰囲気中で実施することもできるが、不活性ガス雰囲気中で実施することが好ましい。不活性ガス雰囲気中で一次焼成粉末を加熱することで、高い密度を得ることができる。   The second heat treatment step can be performed in an air atmosphere, but is preferably performed in an inert gas atmosphere. A high density can be obtained by heating the primary fired powder in an inert gas atmosphere.

第2の熱処理工程は、一次焼成粉末を含む材料を周知のプレス手法を用いて加圧成形して所望の三次元形状(例えば、全固体二次電池の固体電解質として使用可能な形状及びサイズ)を付与した成形体とした上で実施することが好ましい。成形体とすることで固相反応が促進されるほか、緻密な焼結体が得られやすくなる。なお、第2の熱処理工程後に、第2の熱処理工程で得られたセラミックス粉末を成形体として、第2の焼成工程における加熱温度と同様の温度で焼結工程を別途実施してもよい。   In the second heat treatment step, a material containing the primary fired powder is pressure-molded by using a known press technique to obtain a desired three-dimensional shape (for example, a shape and size that can be used as a solid electrolyte of an all-solid secondary battery). It is preferable to carry out after forming a molded body to which is provided. By using a molded body, a solid phase reaction is promoted, and a dense sintered body is easily obtained. In addition, after the second heat treatment step, the sintering step may be separately performed at the same temperature as the heating temperature in the second firing step using the ceramic powder obtained in the second heat treatment step as a molded body.

第2の焼成工程で一次焼成粉末を含む成形体を焼成して焼結させる場合、成形体を同じ粉末内に埋没させるようにして実施することが好ましい。こうすることでLiの損失を抑制して第2の焼成工程前後における組成の変化を抑制できる。また、必要に応じて成形体を埋め粉の上下からセッターで押さえ込むことにより、焼結体の焼成時の反りを防止することができる。
一方、第2の熱処理工程を、Li成分としてLiOHを用いるなどして低温化した場合、一次焼成粉末の成形体を同じ粉末内に埋没させなくても焼結させることができる。これは、第2の熱処理工程が低温化したことで、Liの損失が比較的抑制されるからである。
When the molded body containing the primary fired powder is fired and sintered in the second firing step, it is preferable to carry out the process so that the molded body is buried in the same powder. By doing so, the loss of Li can be suppressed and the change in composition before and after the second firing step can be suppressed. Moreover, the curvature at the time of baking of a sintered compact can be prevented by pressing a molded object with a setter from the upper and lower sides of a filling powder as needed.
On the other hand, when the second heat treatment step is performed at a low temperature by using LiOH as a Li component, the molded body of the primary fired powder can be sintered without being embedded in the same powder. This is because the loss of Li is relatively suppressed by lowering the temperature of the second heat treatment step.

第2の熱処理工程をAl成分の存在下で実施するには、Al成分の存在下で第1の熱処理工程を実施して得られた一次焼成粉末をそのまま第2の熱処理工程で用いる形態のほか、Al成分の非存在下で第1の熱処理工程を実施して得られた一次焼成粉末にAl成分を追加し混合して第2の熱処理工程を実施する形態が挙げられる。Al成分の存在下に第2の熱処理工程を実施するには、これらの形態のいずれかであってもよいし、これらの形態を適宜組み合わせてもよい。好ましくは、Al成分は、第2の熱処理工程、特に焼結を伴う工程において存在するようにする。こうすることで、良好な焼結性を得ることができる。   In order to perform the second heat treatment step in the presence of the Al component, the primary fired powder obtained by performing the first heat treatment step in the presence of the Al component is used as it is in the second heat treatment step. An embodiment in which the second heat treatment step is performed by adding and mixing the Al component to the primary fired powder obtained by performing the first heat treatment step in the absence of the Al component. In order to perform the second heat treatment step in the presence of the Al component, any of these forms may be used, or these forms may be appropriately combined. Preferably, the Al component is present in the second heat treatment step, particularly in the step involving sintering. By doing so, good sinterability can be obtained.

以上の合成工程によれば、本発明のセラミックス材料を得ることができる。また、セラミックス材料としては、粉末又は焼結体等として得ることができる。本発明のセラミックス材料の製造方法では、LLZ結晶構造に含まれるLi成分、La成分及びZr成分に加えてAl成分を、不活性雰囲気中で焼成するため、焼結性が向上するため、高い密度で緻密な構造の焼結体を得ることができる。さらに、従来に比して加熱温度も低くなるため、全固体リチウム二次電池の固体電解質材料を得るためのエネルギーコストを低減できるものとなっている。さらに、第1の熱処理工程と第2の熱処理工程とを実施することで確実に本発明のセラミックス材料を得ることができる。   According to the above synthesis process, the ceramic material of the present invention can be obtained. Moreover, as a ceramic material, it can obtain as a powder or a sintered compact. In the method for producing a ceramic material of the present invention, since the Al component is baked in an inert atmosphere in addition to the Li component, La component, and Zr component contained in the LLZ crystal structure, the sinterability is improved, so that the high density A sintered body having a dense structure can be obtained. Furthermore, since the heating temperature is also lower than in the prior art, the energy cost for obtaining the solid electrolyte material of the all-solid lithium secondary battery can be reduced. Furthermore, the ceramic material of the present invention can be obtained reliably by carrying out the first heat treatment step and the second heat treatment step.

(全固体リチウム二次電池)
本発明の全固体リチウム二次電池は、正極と、負極と、Li、La、Zr、Al及びOを含みLLZ結晶構造を有する固体電解質と、を備えることができる。本発明の全固体リチウム二次電池は、耐リチウム性に優れる固体電解質を備えており従来に比して実用的な二次電池となっている。
(All-solid lithium secondary battery)
The all-solid lithium secondary battery of the present invention can include a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte containing Li, La, Zr, Al, and O and having an LLZ crystal structure. The all-solid lithium secondary battery of the present invention includes a solid electrolyte excellent in lithium resistance, and is a practical secondary battery as compared with the prior art.

本発明の二次電池においては、好ましくは、本発明のセラミックス材料の製造方法によって得られる焼結体をそのまま、あるいは粉砕することなく適宜加工して固体電解質として用いることが好ましい。なお、第2の焼成工程において粉末状態で焼成した粉末を用いて本発明のセラミックス材料及び他の成分を含有する成形体を得て、この成形体を固体電解質としてもよい。成形体の製造方法は、従来公知のセラミックス成形体の製造方法を適用できる。例えば、プレス法、ドクターブレード法、ロールコーター法等の成形方法等が挙げられる。   In the secondary battery of the present invention, it is preferable to use the sintered body obtained by the method for producing a ceramic material of the present invention as it is or without being pulverized and used as a solid electrolyte. In addition, the molded object containing the ceramic material of this invention and another component may be obtained using the powder baked in the powder state in the second baking step, and this molded object may be used as a solid electrolyte. A conventionally known method for producing a ceramic molded body can be applied to the method for producing the molded body. Examples thereof include molding methods such as a press method, a doctor blade method, and a roll coater method.

本発明の全固体リチウム二次電池の正極及び負極は、リチウム二次電池に使用されている従来公知の正極活物質及び負極活物質を含むことができ、常法により製造される。   The positive electrode and negative electrode of the all solid lithium secondary battery of the present invention can contain conventionally known positive electrode active materials and negative electrode active materials used in lithium secondary batteries, and are produced by a conventional method.

(正極活物質)
正極活物質としては特に制限はなく、従来公知の全固体電池に用いられる正極活物質を用いることができる。特に、正極活物質として金属酸化物が用いられる場合には、二次電池の焼結を酸素雰囲気下で行うことが可能となる。こうした正極活物質の具体例としては、二酸化マンガン(MnO)、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケル、リチウムマンガン複合酸化物(例えば、LiMn又はLiMnO)、リチウムニッケル複合酸化物(例えば、LiNiO)、リチウムコバルト複合酸化物(例えば、LiCoO)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(例えば、LiNi1−yCo)、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(例えば、LiMnCo1−y)、リチウムマンガンコバルトニッケル複合酸化物(例えば、LiMnCoNi) 、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物(例えば、LiMn2−yNi)、オリビン構造を有するリチウムリン酸化合物(例えば、LiFePO、LiFe1−yMnPO、LiCoPO)、ナシコン構造を有するリチウムリン酸化合物(例えば、Li(PO)、硫酸鉄(Fe(SO)、バナジウム酸化物(例えば、V)などを挙げることができる。これらは1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用して用いてもよい。なお、これらの化学式中、x,yは1<x<5,0<y<1の範囲であることが好ましい。これらのなかでは、LiCoO2、LixNiO、Li2(PO43、LiNPO4、LiFePO4が好ましい。
(Positive electrode active material)
There is no restriction | limiting in particular as a positive electrode active material, The positive electrode active material used for a conventionally well-known all-solid-state battery can be used. In particular, when a metal oxide is used as the positive electrode active material, the secondary battery can be sintered in an oxygen atmosphere. Specific examples of such a positive electrode active material include manganese dioxide (MnO 2 ), iron oxide, copper oxide, nickel oxide, lithium manganese composite oxide (for example, Li x Mn 2 O 4 or Li x MnO 2 ), and lithium nickel composite. Oxide (for example, Li x NiO 2 ), lithium cobalt composite oxide (for example, Li x CoO 2 ), lithium nickel cobalt composite oxide (for example, LiNi 1-y Co y O 2 ), lithium manganese cobalt composite oxide (e.g., LiMn y Co 1-y O 2), lithium manganese cobalt nickel complex oxide (e.g., LiMn x Co y Ni z O 2), spinel type lithium-manganese-nickel composite oxide (e.g., Li x Mn 2-y Ni y O 4), lithium phosphate compounds having an olivine structure (for example, i x FePO 4, Li x Fe 1-y Mn y PO 4, Li x CoPO 4), lithium phosphate compounds having a NASICON structure (e.g., Li x V 2 (PO 4 ) 3), iron sulfate (Fe 2 ( SO 4 ) 3 ), vanadium oxide (for example, V 2 O 5 ) and the like. These may be used alone or in combination of two or more. In these chemical formulas, x and y are preferably in the range of 1 <x <5, 0 <y <1. Among these, LiCoO 2 , Li x NiO 2 , Li x V 2 (PO 4 ) 3 , LiNPO 4 , and LiFePO 4 are preferable.

(負極活物質)
負極活物質としては特に制限はなく、従来公知の全固体電池に用いられる負極活物質を用いることができる。例えば、カーボン、金属リチウム(Li)、金属化合物、金属酸化物、Li金属化合物、Li金属酸化物(リチウム−遷移金属複合酸化物を含む)、ホウ素添加炭素、グラファイト、ナシコン構造を有する化合物などを挙げることができる。これらは1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用して用いてもよい。例えば、上記金属リチウム(Li)を用いた場合には、全固体電池の容量を拡大させることができる。上記カーボンとしては、例えば、グラファイトカーボン、ハードカーボン、ソフトカーボンなど、従来公知のカーボン材料を挙げることができる。上記金属化合物としては、LiAl、LiZn、LiBi、LiCd、LiSd、LiSi、Li4.4Pb、Li4.4Sn、Li0.17C(LiC)等を挙げることができる。上記金属酸化物としては、SnO、SnO、GeO、GeO、InO、In、PbO、PbO、Pb、Pb、AgO、AgO、Ag、Sb、Sb、Sb、SiO、ZnO、CoO、NiO、TiO、FeO等を挙げることができる。Li金属化合物としては、LiFeN、Li2.6Co0.4N、Li2.6Cu0.4N等を挙げることができる。Li金属酸化物(リチウム−遷移金属複合酸化物)としては、LiTi12で表されるリチウム−チタン複合酸化物等を挙げることができる。上記ホウ素添加炭素としては、ホウ素添加カーボン、ホウ素添加グラファイト等を挙げることができる。好ましくは、金属リチウムである。
(Negative electrode active material)
There is no restriction | limiting in particular as a negative electrode active material, The negative electrode active material used for a conventionally well-known all-solid-state battery can be used. For example, carbon, metal lithium (Li), metal compound, metal oxide, Li metal compound, Li metal oxide (including lithium-transition metal composite oxide), boron-added carbon, graphite, compound having NASICON structure, etc. Can be mentioned. These may be used alone or in combination of two or more. For example, when the metal lithium (Li) is used, the capacity of the all solid state battery can be increased. Examples of the carbon include conventionally known carbon materials such as graphite carbon, hard carbon, and soft carbon. Examples of the metal compound include LiAl, LiZn, Li 3 Bi, Li 3 Cd, Li 3 Sd, Li 4 Si, Li 4.4 Pb, Li 4.4 Sn, and Li 0.17 C (LiC 6 ). be able to. The metal oxides, SnO, SnO 2, GeO, GeO 2, In 2 O, In 2 O 3, PbO, PbO 2, Pb 2 O 3, Pb 3 O 4, Ag 2 O, AgO, Ag 2 O 3 , Sb 2 O 3 , Sb 2 O 4 , Sb 2 O 5 , SiO, ZnO, CoO, NiO, TiO 2 and FeO. Examples of the Li metal compound include Li 3 FeN 2 , Li 2.6 Co 0.4 N, Li 2.6 Cu 0.4 N, and the like. Examples of the Li metal oxide (lithium-transition metal composite oxide) include a lithium-titanium composite oxide represented by Li 4 Ti 5 O 12 . Examples of the boron-added carbon include boron-added carbon and boron-added graphite. Preferably, it is metallic lithium.

なお、正極及び負極を得るためには、上記した各活物質のほか、適宜電子伝導助剤やバインダを含んだ正極材料又は負極材料を予め調製してもよい。電子伝導助剤としては、例えば、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト、種々炭素繊維、カーボンナノチューブ等が挙げられる。バインダとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、SBR、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン、などが挙げられる。また、正極には、こうした各種活物質を1種又は2種以上組み合わせて用いることができる。   In addition, in order to obtain a positive electrode and a negative electrode, in addition to the above-described active materials, a positive electrode material or a negative electrode material containing an electron conduction assistant or a binder may be prepared in advance. Examples of the electron conduction aid include acetylene black, carbon black, graphite, various carbon fibers, and carbon nanotubes. Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVDF), SBR, polyimide, polytetrafluoroethylene, and the like. Moreover, these active materials can be used alone or in combination of two or more for the positive electrode.

全固体リチウム二次電池が備える正極及び負極は、二次電池として機能する限りどのような形態であってもよい。上記した正極活物質若しくは正極材料又は負極活物質若しくは負極材料をプレス法、ドクターブレード法、ロールコーター法等の公知の成形方法を用いて成形体とすることができる。プレス法では、正極活物質粉末又は負極活物質粉末を金型等に充填し、加圧することで成形体を得ることができる。一方、ドクターブレード法、ロールコーター法では、先ず、正極活物質又は負極活物質とポリビニルアルコール等のバインダを混合して混合物を得る。なお、混合物には、必要に応じて固体電解質を適当量添加されていてもよい。次に、得られた混合物にトルエン等の有機溶剤を添加して正極スラリーを調製する。調製した正極スラリーを、ドクターブレード法、ロールコーター法等の成形方法によって所定厚みの薄膜状又はシート状に成形する。乾燥後、必要に応じて切断等の加工を施し、焼成することにより、正極及び負極を作製することができる。また、正極及び負極として、上記各種活物質と本発明のセラミックス材料の粉末を適宜含めた成形体としてもよい。   The positive electrode and the negative electrode included in the all solid lithium secondary battery may be in any form as long as it functions as a secondary battery. The above-described positive electrode active material or positive electrode material or negative electrode active material or negative electrode material can be formed into a molded body using a known molding method such as a press method, a doctor blade method, or a roll coater method. In the pressing method, a molded body can be obtained by filling a positive electrode active material powder or negative electrode active material powder in a mold or the like and pressurizing it. On the other hand, in the doctor blade method and the roll coater method, first, a positive electrode active material or a negative electrode active material and a binder such as polyvinyl alcohol are mixed to obtain a mixture. An appropriate amount of solid electrolyte may be added to the mixture as necessary. Next, an organic solvent such as toluene is added to the obtained mixture to prepare a positive electrode slurry. The prepared positive electrode slurry is formed into a thin film or sheet having a predetermined thickness by a forming method such as a doctor blade method or a roll coater method. After drying, the positive electrode and the negative electrode can be produced by performing processing such as cutting as necessary and firing. Moreover, it is good also as a molded object which included the said various active materials and the powder of the ceramic material of this invention suitably as a positive electrode and a negative electrode.

本発明の全固体リチウム二次電池のセルは、以上のようにして準備された正極材料又は正極、負極材料又は負極に固体電解質を組み合わせることにより作製される。セルの作製は、最終的に得ようとする電池形態によっても異なるが、例えば、固体電解質の片面に対して正極材料を付与して正極とし、固体電解質の他方の面に負極材料を付与して負極等とすることができる。なお、本発明の全固体二次電池のセル構造は、特に限定されない。例えば、コイン型のほか、円筒型や箱型といった各種電池形態であってもよい。   The cell of the all-solid lithium secondary battery of the present invention is produced by combining a solid electrolyte with the positive electrode material or positive electrode, negative electrode material or negative electrode prepared as described above. Production of the cell differs depending on the battery form to be finally obtained. For example, a positive electrode material is applied to one surface of the solid electrolyte to form a positive electrode, and a negative electrode material is applied to the other surface of the solid electrolyte. It can be a negative electrode or the like. In addition, the cell structure of the all-solid-state secondary battery of the present invention is not particularly limited. For example, in addition to a coin type, various battery types such as a cylindrical type and a box type may be used.

なお、以上説明したことから、本発明は、上記原料粉末を熱処理してLLZ焼結体を得る工程と、前記焼結体を固体電解質として正極及び負極と組み合わせて前記全固体リチウム二次電池のセルを作製する工程と、を備える、全固体リチウム二次電池の製造方法としても実施することができる。   In addition, from the above description, the present invention provides a process for obtaining an LLZ sintered body by heat-treating the raw material powder, and combining the positive electrode and the negative electrode with the sintered body as a solid electrolyte. It can implement also as a manufacturing method of an all-solid-state lithium secondary battery provided with the process of producing a cell.

以下、本発明を、実施例を挙げて説明する。以下の実施例は本発明を説明するためのものであって、本発明を限定するものではない。   Hereinafter, the present invention will be described with reference to examples. The following examples are provided to illustrate the present invention and are not intended to limit the present invention.

(Al含有Li−La−Zr系セラミックスの合成)
(実施例試料の原料の調製)
出発原料として、水酸化リチウム、水酸化ランタン(信越化学工業株式会社)、酸化ジルコニウム(東ソー株式会社)、を用いた。これらの粉末をそれぞれモル比にて、LiOH:La(OH)3:ZrO2:=7:3:2となるように秤量した。これらの粉末をライカイ機にて混合して原料粉末とした。この原料粉末におけるLi、La及びZrの調合を組成式で表すと、Li7La3Zr2となる。
(Synthesis of Al-containing Li-La-Zr ceramics)
(Preparation of raw materials for Example samples)
As starting materials, lithium hydroxide, lanthanum hydroxide (Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.), and zirconium oxide (Tosoh Corporation) were used. These powders were weighed in molar ratios such that LiOH: La (OH) 3 : ZrO 2 : = 7: 3: 2. These powders were mixed with a lykai machine to obtain raw material powders. When the composition of Li, La, and Zr in the raw material powder is expressed by a composition formula, Li 7 La 3 Zr 2 is obtained.

(第1の熱処理工程)
原料粉末を坩堝に入れて大気中600℃/hにて昇温し900℃にて6h保持した。
(第2の熱処理工程)
先の熱処理後、熱処理後の粉末と玉石を混合し振動ミルを用いて3h粉砕した。粉砕後、本粉末を篩通しした後、本粉末に対しγ−Al23を粉末の全重量の1.5質量%となるように添加した。
(First heat treatment process)
The raw material powder was put in a crucible, heated in the atmosphere at 600 ° C./h, and held at 900 ° C. for 6 h.
(Second heat treatment process)
After the previous heat treatment, the heat-treated powder and cobblestone were mixed and pulverized for 3 hours using a vibration mill. After pulverization, the powder was passed through a sieve, and γ-Al 2 O 3 was added to the powder so as to be 1.5 mass% of the total weight of the powder.

これらの各種粉末を、金型を用いてプレス成形した後、そのペレットをセッター上に乗せ、セッターごとサヤ内に入れて、200℃/hで昇温し、大気雰囲気及びAr雰囲気(純度99.999%)にて1000℃にて36h保持することにより焼結体ペレットを得た。焼結体ペレットにつき、その上下面を研磨した上で、以下のとおり、構造評価を行った。   After these various powders were press-molded using a mold, the pellets were placed on a setter, the setter was placed in a sheath, and the temperature was raised at 200 ° C./h, and an air atmosphere and an Ar atmosphere (purity 99.99). 999%) for 36 hours at 1000 ° C. to obtain sintered pellets. The upper and lower surfaces of the sintered pellets were polished, and the structure was evaluated as follows.

(構造評価)
各ペレットを電子顕微鏡により微構造を観察した。結果を図1に示す。また、各ペレットのX線回折測定を行った。結果を図2に示す。さらに、ペレットの重量を測定した後、マイクロメーターを用いてペレットの直径を数箇所測定して平均値を算出した後、同様にペレットの厚みを測定してペレットの体積を算出し、密度を算出した。
(Structural evaluation)
The microstructure of each pellet was observed with an electron microscope. The results are shown in FIG. Moreover, the X-ray diffraction measurement of each pellet was performed. The results are shown in FIG. Furthermore, after measuring the weight of the pellet, measure the pellet diameter using a micrometer and calculate the average value, then measure the pellet thickness in the same way to calculate the volume of the pellet, and calculate the density did.

大気雰囲気中で焼成して得たペレットの密度は、4.54g/cm3であったのに対し、Ar雰囲気中で焼成した得たペレットの密度は、4.71g/cm3であった。すなわち、Ar雰囲気中で焼成することにより、焼結性が向上し、より高い密度のペレットを得ることができた。また、図1に示すように、微構造もAr雰囲気中で焼成することにより緻密化していることがわかった。 The density of the pellet obtained by firing in the air atmosphere was 4.54 g / cm 3 , whereas the density of the pellet obtained by firing in the Ar atmosphere was 4.71 g / cm 3 . That is, by firing in an Ar atmosphere, the sinterability was improved, and higher density pellets could be obtained. Moreover, as shown in FIG. 1, it turned out that the microstructure is also densified by baking in Ar atmosphere.

さらに、図2に示すように、Ar雰囲気焼成のペレットについてX線回折測定によりICDD粉末回折ファイルの045−0109に類似の回折パターンを得ることができ、これらのペレットがLLZ結晶構造を有していることがわかった。   Furthermore, as shown in FIG. 2, a diffraction pattern similar to ICDD powder diffraction file 045-0109 can be obtained by X-ray diffraction measurement for pellets fired in an Ar atmosphere, and these pellets have an LLZ crystal structure. I found out.

以上のことから、Li成分、La成分、Zr成分に加えてAl成分を含む原料を、Ar雰囲気中で焼成することにより、高密度で緻密質なLLZ結晶構造が得られることがわかった。   From the above, it was found that a high-density and dense LLZ crystal structure can be obtained by firing a raw material containing an Al component in addition to a Li component, a La component, and a Zr component in an Ar atmosphere.

Claims (3)

セラミックス材料の製造方法であって、
Li成分、La成分、Zr成分、Al成分及びO成分を、不活性ガス雰囲気中で焼成して、Li、La、Zr、Al及びOを含み、ガーネット型又はガーネット型類似の結晶構造を有するセラミックス材料を合成する工程、
を備える、製造方法。
A method of manufacturing a ceramic material,
Ceramics containing Li, La, Zr, Al and O and having a garnet-type or similar garnet-type crystal structure by firing Li, La, Zr, Al and O components in an inert gas atmosphere Synthesizing materials,
A manufacturing method comprising:
前記不活性ガスのガス種はArである、請求項1に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 1, wherein a gas type of the inert gas is Ar. 前記合成工程は、少なくともLi成分、La成分、Zr成分及びO成分を含有する一次焼成粉末を得る第1の熱処理工程と、Al成分の存在下、前記一次焼成粉末を焼成して、前記セラミックス材料を得る第2の熱処理工程と、を含む、請求項1又は2に記載の製造方法。   In the synthesis step, a first heat treatment step for obtaining a primary fired powder containing at least a Li component, a La component, a Zr component, and an O component, and firing the primary fired powder in the presence of an Al component, the ceramic material The manufacturing method of Claim 1 or 2 including the 2nd heat treatment process of obtaining.
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