JP5536996B2 - 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
このガラスセラミックスのイオン伝導性や緻密性は、ガラスの組成や均質性に影響されるが、原ガラスの結晶化を行なう熱処理条件によっても大きく影響される。特に一般的な結晶化ガラスと比較して、リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスについては原ガラスと原ガラスから析出する結晶の比重や熱膨張の差が大きい場合、結晶化の際には大きな歪が生じてしまい割れてしまうことが多くあった。また、原ガラスの組成が同じであっても、結晶化後の状態を観察するとセラミックスなどと比較すれば非常に少ないものの、理想的に作製されたガラスセラミックスよりも空孔が多く生成されてしまい、結晶そのものが有するイオン伝導度よりも低いリチウムイオン伝導度を示すことも多くあった。
このように、高いリチウムイオン伝導性を示すガラスセラミックスを高い歩留まりで安定して取得することは困難であった。
ガラスを熱処理し結晶化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であって、結晶化を行なう熱処理において、結晶化開始温度の昇温速度が5℃/h〜50℃/h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の製造方法。
(構成2)
結晶化を行なう熱処理の最高温度は、800〜1,000℃であることを特徴とする構成1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。
(構成3)
前記ガラスは、厚み10mm以下であることを特徴とする構成1または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。
(構成4)
前記ガラスは平板状であり、その主表面の面積をS、厚みをtとするとき、S1/2・t−1の値を10以上500未満とする構成1から3のいずれか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。
(構成5)
前記結晶化を行う熱処理において、前記ガラスをセラミックス製のセッターに挟んで結晶化の熱処理を行なうことを特徴とする構成1から4のいずれか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。
(構成6)
前記結晶化を行う熱処理において、前記ガラスを熱処理する炉内の温度の分布の幅を熱処理時の最高温度にて、20℃以内とする構成1から5のいずれか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。
(構成7)
前記ガラスは酸化物基準の質量%で、ZrO2成分を0.5%〜2.5%含有する構成1から6のいずれか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。
(構成8)
前記ガラスは結晶化をおこなう熱処理においてLi1+X+ZMX(Ge1−YTiY)2−XP3−ZSiZO12(0<X≦0.6,0.2≦Y<0.8,0≦Z≦0.5、M=Al、Ga)の結晶相を析出する構成1から7のいずれか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。
(構成9)
前記ガラスは酸化物基準の質量%で、
Li2O 3.5%〜5.0%
P2O5 50%〜55%、
GeO2 10%〜30%
TiO2 8%〜22%、
M2O3 5%〜12%、但し、M=Al,Gaの中から選ばれる1種または2種
の各成分を含有する構成1から8のいずれか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。
(構成10)
前記ガラスは酸化物基準の質量%で、
SiO2 0%〜2.5%、
の成分を含有する構成1から9のいずれか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。
(構成11)
構成1から10のいずれに記載の製造方法で得られたリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを研削する工程と研磨する工程とを有するリチウム電池用固体電解質の製造方法。
まず、結晶化開始温度の昇温速度が50℃/hよりも速い場合は、結晶の析出が激しく起こり、また結晶の成長も速くなってしまうため、ガラス内に大きな歪が生じてしまい、これが結晶化工程中の割れの原因となっている。
次に、結晶化開始温度の昇温速度が5℃/hよりも遅い場合、結晶核の生成が多く、小さな微細結晶が多く析出する。その後徐々に結晶が成長するため、原ガラス内には歪が入りにくく、熱処理中に割れることは昇温速度が速い場合と比較して少ない。しかし、原ガラスの大部分が結晶核となり、残留するガラス分が少ない状態でこの結晶核が成長すると、成長する際に必要なガラスマトリックスが不足してしまうため、結果として成長した結晶粒界に空孔が生成し、結晶化ガラスの緻密性を低下させている。
以上の知見から、本発明は作製したリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの原ガラスを熱処理することにより結晶化する工程において、結晶化開始温度の昇温速度を5℃/h〜50℃/hとする。
原ガラス内の大きな歪みの生成の抑制効果をより得やすくするためには前記昇温速度の上限を45℃/h以下とすることがより好ましく、40℃/h以下とすることが最も好ましい。 また、結晶化ガラスの緻密性を高める効果を得やすくするためには前記昇温速度の下限を7℃/h以上とすることがより好ましく、10℃/h以上とすることが最も好ましい。
結晶化開始温度(Tx)を測定する際には、ガラスを約0.5mm程度のサイズに砕いてサンプルとする。熱分析装置を用いて、昇温速度10℃/minで室温から1000℃まで示差熱測定を行なうことで、ガラス転移に伴う吸発熱や結晶化に伴う発熱が測定できる。結晶化に伴う発熱開始温度を求めることで、ガラスの結晶化開始温度(Tx)が測定できる。発熱開始温度は、図1に示すように、ベースラインとピーク曲線の接線同士の交点の温度とする。
前記セッターとしては石英、アルミナ、ジルコニア、サファイア、窒化ホウ素等が好ましい。
炉内の温度分布の幅は、JFCC(財団法人ファインセラミックスセンター)の標準物質である共通熱履歴センサー(リファサーモL1)を有効体積内に100mm間隔で3次元的に配置し、熱処理を行なう事で測定する。リファサーモのユーザーズマニュアルに指定されている加熱処理評価条件に従い、大気中、昇温速度200℃/h、保持時間2h、降温速度300℃/hにて測定対象の炉を稼動し、室温まで冷却されたリファサーモの指定された長さをマイクロメーターにて測定し、ロット毎に管理されている長さ−温度対照表により、リファサーモを置いた箇所の温度を算出する。炉の有効体積内に配置した全てのリファサーモの指示した最高温度から最低温度を差し引いた温度を温度分布の幅とする。
次に原ガラスについて説明する。熱処理をすることでリチウムイオン伝導性の結晶が析出しリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスとなるガラスは、Li2S、P2S5等から製造される硫化物系ガラスや、酸化物系ガラスを用いることができる。酸化物系ガラスは大気中でも安定で扱いが容易であることから有利であり、特にLi1+X+ZMX(Ge1−YTiY)2−XP3−ZSiZO12(0<X≦0.6,0.2≦Y<0.8,0≦Z≦0.5、M=Al、Ga)の結晶相を析出するガラスは結晶化後に高いリチウムイオン伝導性を有するので好ましい。
一般的にガラスの熱的な安定性の評価はTx[℃](ガラスの結晶化温度)とTg[℃](ガラスの転移温度)との差であるTx−Tgの値で評価され、この値が大きいほどガラスの熱的な安定性が良好となる。上記の構成により本発明のガラスセラミックスは原ガラスの熱的安定性が大幅に向上し、Tx−Tgの値が70℃以上であり、リチウムイオン伝導性は若干劣るものの最大で160℃の値を得ることができる。リチウムイオン伝導度なども考慮した総合的により好ましい態様においても72℃以上、最も好ましい態様においては74℃以上の値を得ることができる。
また、ガラスフォーマーであるP2O5成分の量に対して、ZrO2成分の量が少ないと結晶化時の核生成が良好に生じず、微細な結晶ではなく大きな結晶となってしまい、イオン伝導度も緻密性も低くなってしまう。そのため、P2O5成分とZrO2成分の質量%の比P2O5/ZrO2の値は、25以上であることが好ましく、30以上であることがより好ましく、35以上であることが最も好ましい。
P2O5成分の量に対して、ZrO2成分の量が多すぎると、ガラスの融点が上がり、かつガラス成形時に失透が生じやすくなってしまう。そのため、P2O5成分とZrO2成分の質量%の比P2O5/ZrO2の値は、100以下であることが好ましく、90以下であることがより好ましく、75以下であることが最も好ましい。
作製したガラスの組成と測定された結晶化開始温度(Tx)を表1に示した。
結晶化処理において割れてしまったサンプルについては、Φ10mm以上の欠片が取得できたサンプルのみ、上記と同様にリチウムイオン伝導度を算出した。
表2に参考例と比較例の結晶化開始温度と、結晶化開始温度の昇温速度(表中では単に昇温速度と表記)、結晶化を行う熱処理の最高温度(表中では単に結晶化最高温度と表記)結晶化後の割れの有無、25℃でのイオン伝導度、微構造観察による空孔の有無を示す。結晶化後の割れは10枚中何枚割れやクラックが存在したかを百分率で表した。またイオン伝導度に関してはそれぞれn=10のサンプルを測定し、平均の伝導度を算出した。
Claims (5)
- 酸化物基準の質量%で、Li2O 3.5%〜5.0%、P2O5 50%〜55%、GeO2 10%〜30%、TiO2 8%〜22%、M2O3 5%〜12%(但し、M=Al,Gaの中から選ばれる1種または2種)、ZrO2 0.5%〜2.5%、SiO2 0%〜2.5%の各成分を含有するガラスを熱処理し結晶化することにより、Li1+X+ZMX(Ge1−YTiY)2−XP3−ZSiZO12(0<X≦0.6,0.2≦Y<0.8,0≦Z≦0.5、M=Al、Ga)の結晶相を析出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であって、結晶化を行なう熱処理において、結晶化開始温度の昇温速度が5℃/h〜50℃/hであり、最高温度を800〜1,000℃とし、前記ガラスを熱処理する炉内の温度の分布の幅を熱処理時の最高温度にて20℃以内とす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。
- 前記ガラスは、厚み10mm以下であることを特徴とする請求項1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。
- 前記ガラスは平板状であり、その主表面の面積をS、厚みをtとするとき、S1/2・t−1の値を10以上500未満とする請求項1または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。
- 前記結晶化を行う熱処理において、前記ガラスをセラミックス製のセッターに挟んで結晶化の熱処理を行なうことを特徴とする請求項1から3のいずれか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。
- 請求項1から4のいずれかに記載の製造方法で得られたリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを研削する工程と研磨する工程とを有するリチウム電池用固体電解質の製造方法。
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