JP6200169B2 - Method for producing lithium ion conductive oxide - Google Patents
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Description
本発明は、リチウムイオン伝導性酸化物の製造方法に関する。更に詳しくは、本発明は、従来よりも簡便に、リチウムイオン伝導性酸化物を製造することができるリチウムイオン伝導性酸化物の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a lithium ion conductive oxide. More specifically, the present invention relates to a method for producing a lithium ion conductive oxide, which can produce a lithium ion conductive oxide more simply than before.
近年では、全固体Li二次電池における固体電解質として、Li7La3Zr2O12等の、リチウム、ランタン及びジルコニウムを含むガーネット型構造系のリチウムイオン伝導性酸化物を用いることが検討されている(特許文献1〜3等を参照)。
そして、上記Li7La3Zr2O12は、通常、Li2CO3等のリチウム原料と、La2O3等のランタン原料と、ZrO2等のジルコニウム原料との混合物を、900〜1250℃の高温で12〜24時間ほど焼成する焼成工程を、複数回、繰り返して行うことにより製造されている。
In recent years, the use of garnet-structured lithium ion conductive oxides including lithium, lanthanum and zirconium, such as Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , has been studied as a solid electrolyte in an all-solid-state Li secondary battery. (See Patent Documents 1-3).
The Li 7 La 3 Zr 2 O 12 is usually a mixture of a lithium raw material such as Li 2 CO 3 , a lanthanum raw material such as La 2 O 3 and a zirconium raw material such as ZrO 2 at 900 to 1250 ° C. It is manufactured by repeatedly performing a baking step of baking at a high temperature for about 12 to 24 hours.
上述したように、Li7La3Zr2O12を製造する場合には、高温且つ長時間の焼成工程が複数回必要である。更に、各焼成工程の間には、高温において蒸散し易いリチウム原料を補充する必要があり、その補充には、各段階における焼成物を破砕し、リチウム原料と混合する工程も必要となっている。
そのため、このようなリチウムイオン伝導性酸化物をより簡便に製造する方法が求められているのが現状であり、特に、焼成工程における焼成温度の低温化と、焼成時間の短時間化が求められている。
As described above, when producing Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , a high-temperature and long-time firing step is required a plurality of times. Furthermore, it is necessary to replenish the lithium raw material that easily evaporates at a high temperature between each firing step, and the replenishment also requires a step of crushing the fired product in each stage and mixing it with the lithium raw material. .
Therefore, there is currently a demand for a method for producing such a lithium ion conductive oxide more easily, and in particular, lowering the firing temperature in the firing step and shortening the firing time are required. ing.
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、従来よりも簡便に、リチウムイオン伝導性酸化物を製造することができるリチウムイオン伝導性酸化物の製造方法を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the said situation, and it aims at providing the manufacturing method of the lithium ion conductive oxide which can manufacture a lithium ion conductive oxide more simply than before. .
本発明は以下のとおりである。
[1](X)ランタン及びジルコニウムを含むパイロクロア型構造を有する複合酸化物と、(Y)リチウム化合物と、(Z)ランタン化合物(但し、上記成分(X)を除く)とを、リチウムとランタンとジルコニウムとの含有割合[Li:La:Zr(モル比)]を、7:3:2で含む混合原料を730〜900℃で焼成する焼成工程を備え、リチウムとランタンとジルコニウムとの含有割合[Li:La:Zr(モル比)]が、7:3:2であるリチウムイオン伝導性酸化物を製造することを特徴とするリチウムイオン伝導性酸化物の製造方法。
[2]上記リチウムイオン伝導性酸化物がガーネット型構造を有する上記項1に記載のリチウムイオン伝導性酸化物の製造方法。
[3]上記成分(X)がLa 2 Zr 2 O 7 である上記項1又は2に記載のリチウムイオン伝導性酸化物の製造方法。
[4]上記成分(Y)が、Li 2 CO 3 、LiOH及びLi 2 Oから選ばれた少なくとも1種であり、上記成分(Z)が、La 2 O 3 、La(OH) 3 、La(COOH) 3 、La(NO) 3 、La 2 (SO 4 ) 3 及びLa(C 5 H 7 O 2 ) 3 から選ばれた少なくとも1種である上記項1乃至3のいずれか一項に記載のリチウムイオン伝導性酸化物の製造方法。
The present invention is as follows.
[1] (X) a composite oxide having a pyrochlore structure containing lanthanum and zirconium, (Y) a lithium compound, (Z) a lanthanum compound (excluding the above component (X)) , lithium and lanthanum And a zirconium content ratio [Li: La: Zr (molar ratio)] of 7: 3: 2 provided with a firing step of firing a mixed raw material at 730 to 900 ° C., and a content ratio of lithium, lanthanum and zirconium A method for producing a lithium ion conductive oxide, comprising producing a lithium ion conductive oxide having [Li: La: Zr (molar ratio)] of 7: 3: 2 .
[2] The method for producing a lithium ion conductive oxide according to Item 1, wherein the lithium ion conductive oxide has a garnet structure .
[3] The method for producing the component (X) is lithium ion conductive oxide according to Item 1 or 2 is a La 2 Zr 2 O 7.
[4] The component (Y) is at least one selected from Li 2 CO 3 , LiOH and Li 2 O, and the component (Z) is La 2 O 3 , La (OH) 3 , La ( COOH) 3, La (NO) 3, La 2 (SO 4) 3 and La (C 5 H 7 O 2 ) according to any one of the above items 1 to 3 is at least one selected from 3 A method for producing a lithium ion conductive oxide.
本発明のリチウムイオン伝導性酸化物の製造方法によれば、特定の混合原料を用いているため、高温且つ長時間の焼成工程を何度も繰り返して行う必要がなく、従来よりも簡便にリチウムイオン伝導性酸化物を製造することができる。
また、特定の温度範囲での焼成が行われる場合には、リチウム原料の蒸散を抑制することができ、生産効率を向上させることができる。
According to the method for producing a lithium ion conductive oxide of the present invention, since a specific mixed raw material is used, there is no need to repeatedly perform a high-temperature and long-time firing step over and over, and lithium can be more easily produced than before. An ion conductive oxide can be produced.
Moreover, when baking in a specific temperature range is performed, transpiration of a lithium raw material can be suppressed and production efficiency can be improved.
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明のリチウムイオン伝導性酸化物の製造方法は、(X)ランタン及びジルコニウムを含むパイロクロア型構造を有する複合酸化物(以下、単に「複合酸化物(X)」ともいう)と、(Y)リチウム化合物と、(Z)ランタン化合物(但し、上記成分(X)を除く)とを、リチウムとランタンとジルコニウムとの含有割合[Li:La:Zr(モル比)]を、7:3:2で含む混合原料を焼成する焼成工程を備え、リチウムとランタンとジルコニウムとの含有割合[Li:La:Zr(モル比)]が、7:3:2であるリチウムイオン伝導性酸化物を製造することを特徴とする。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The method for producing a lithium ion conductive oxide of the present invention comprises: (X) a complex oxide having a pyrochlore structure containing lanthanum and zirconium (hereinafter also simply referred to as “composite oxide (X) ” ); Lithium compound, (Z) Lanthanum compound (excluding the above component (X)), Li: La: Zr (molar ratio) content ratio of Li: La: Zr (molar ratio): 7: 3: 2 And a lithium ion conductive oxide having a content ratio [Li: La: Zr (molar ratio)] of lithium: lanthanum: zirconium of 7: 3: 2 is provided. It is characterized by that.
上記混合原料は、複合酸化物(X)と、リチウム化合物(Y)と、ランタン化合物(Z)とを含むものである。
この混合原料における上記複合酸化物(X)は、具体的には、[A2−xB2+xO7−δ(但し、x及びδは、−1.667≦x≦1.667、−0.335≦δ≦0.335を満たす。)]で表すことができる。
このパイロクロア型構造を有する複合酸化物(X)におけるAサイトは、ランタン(La)、又は、一部が他の元素によって置換されたLaで構成される。AサイトにおけるLaを置換する他の元素としては、例えば、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb等から選ばれる1種又は2種以上が挙げられる。
一方、この複合酸化物(X)におけるBサイトは、ジルコニウム(Zr)、又は、一部が他の元素によって置換されたZrで構成される。BサイトにおけるZrを置換する他の元素としては、例えば、Hf、Ti等から選ばれる1種又は2種以上が挙げられる。
The mixed raw material contains the composite oxide (X) , the lithium compound (Y), and the lanthanum compound (Z) .
Specifically, the composite oxide (X) in the mixed raw material is [A 2−x B 2 + x O 7−δ, where x and δ are −1.667 ≦ x ≦ 1.667, −0 .335 ≦ δ ≦ 0.335))].
The A site in the composite oxide (X) having the pyrochlore structure is composed of lanthanum (La) or La partially substituted with other elements. Examples of other elements substituting La at the A site include one or more selected from Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and the like. It is done.
On the other hand, the B site in this composite oxide (X) is composed of zirconium (Zr) or Zr partially substituted with other elements. Examples of other elements that substitute Zr at the B site include one or more selected from Hf, Ti, and the like.
上記式[A2−xB2+xO7−δ]におけるxは、−1.667≦x≦1.667を満たし、好ましくは−1.333≦x≦1.333、より好ましくは−1.1≦x≦1.1の範囲を満たす。
また、δは、−0.335≦δ≦0.335を満たし、好ましくは−0.2≦δ≦0.2、より好ましくは−0.1≦δ≦0.1の範囲を満たす。尚、このδは、パイロクロア型構造における酸素欠陥分を示すための値である。
X in the above formula [A 2-x B 2 + x O 7-δ] satisfies -1.667 ≦ x ≦ 1.667, preferably -1.333 ≦ x ≦ 1.333, more preferably -1. The range of 1 ≦ x ≦ 1.1 is satisfied.
Further, δ satisfies −0.335 ≦ δ ≦ 0.335, preferably −0.2 ≦ δ ≦ 0.2, and more preferably −0.1 ≦ δ ≦ 0.1. Note that δ is a value for indicating oxygen defects in the pyrochlore structure.
上記リチウム化合物(Y)としては、例えば、Li2CO3、LiOH、Li2O等が挙げられる。尚、これらのリチウム化合物(Y)は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 Examples of the lithium compound (Y), for example, Li 2 CO 3, LiOH, Li 2 O , and the like. In addition, these lithium compounds (Y) may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.
上記ランタン化合物(Z)としては、例えば、La 2 O 3 、La(OH) 3 、La(COOH) 3 、La(NO) 3 、La 2 (SO 4 ) 3 、La(C 5 H 7 O 2 ) 3 等が挙げられる。尚、これらのランタン化合物(Z)は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
また、上記混合原料には、目的のリチウムイオン伝導性酸化物の組成に合わせて、上記複合酸化物(X)、リチウム化合物(Y)及びランタン化合物(Z)以外の他の化合物を配合することができる。
上記他の化合物としては、ジルコニウム化合物、アルミニウム化合物、ケイ素化合物、ニオブ化合物等を挙げることができる。尚、これらの他の化合物は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
上記ジルコニア化合物としては、ZrO2、Zr(OH)4、Zr(NO)4、Zr(SO4)2、Zr(C5H7O2)4等が挙げられる。
上記アルミニウム化合物としては、Al2O3、Al(OH)3、AlCl3、Al(COOH)3、Al(NO)3、Al2(SO4)3、Al(C5H7O2)3等が挙げられる。
上記ケイ素化合物としては、SiO2、Si(OH)4、Si(C2H5O)4等が挙げられる。
上記ニオブ化合物としては、Nb2O5、NbCl5、Nb(C5H7O2)5等が挙げられる。
Examples of the lanthanum compound (Z) include La 2 O 3 , La (OH) 3 , La (COOH) 3 , La (NO) 3 , La 2 (SO 4 ) 3 , and La (C 5 H 7 O 2. ) 3 etc. are mentioned. In addition, these lanthanum compounds (Z) may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.
In addition, the mixed raw material is blended with a compound other than the composite oxide (X), lithium compound (Y) and lanthanum compound (Z) in accordance with the composition of the target lithium ion conductive oxide. Can do.
Examples of the other compounds include zirconium compounds, aluminum compounds, silicon compounds, niobium compounds and the like. In addition, these other compounds may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.
Examples of the zirconia compound include ZrO 2 , Zr (OH) 4 , Zr (NO) 4 , Zr (SO 4 ) 2 , Zr (C 5 H 7 O 2 ) 4 and the like.
Examples of the aluminum compound include Al 2 O 3 , Al (OH) 3 , AlCl 3 , Al (COOH) 3 , Al (NO) 3 , Al 2 (SO 4 ) 3 , Al (C 5 H 7 O 2 ) 3. Etc.
As the silicon compound, SiO 2, Si (OH) 4, Si (C 2 H 5 O) 4 , and the like.
Examples of the niobium compound include Nb 2 O 5 , NbCl 5 , Nb (C 5 H 7 O 2 ) 5 and the like.
また、上記混合原料における、リチウムとランタンとジルコニウムとの含有割合[Li:La:Zr(モル比)]は、目的のリチウムイオン伝導性酸化物の組成に合わせて調整される。例えば、リチウムとランタンとジルコニウムとの含有割合[Li:La:Zr(モル比)]は、(6〜8):(4〜2):(3〜1)[特に(6.5〜7.5):(2.5〜3.5):(1.5〜2.5)、更には(6.8〜7.2):(2.8〜3.2):(1.8〜2.2)]とすることができるが、本発明では、7:3:2とする。 In addition, the content ratio [Li: La: Zr (molar ratio)] of lithium, lanthanum, and zirconium in the mixed raw material is adjusted according to the composition of the target lithium ion conductive oxide. For example, the content ratio [Li: La: Zr (molar ratio)] of lithium, lanthanum, and zirconium is (6-8) :( 4-2) :( 3-1) [particularly (6.5-7. 5): (2.5-3.5): (1.5-2.5), and further (6.8-7.2): (2.8-3.2): (1.8- 2.2)], but in the present invention, it is 7: 3: 2 .
上記混合原料を製造する方法は特に限定されない。具体的には、例えば、ランタン及びジルコニウムを含むパイロクロア型構造を有する複合酸化物(X)からなる粉末と、リチウム化合物(Y)からなる粉末と、ランタン化合物(Z)からなる粉末と、必要に応じて上記他の化合物からなる粉末と、を湿式混合等により混合することにより得ることができる。尚、これらの化合物を製造する方法は特に限定されず、市販品を用いることもできる。 The method for producing the mixed raw material is not particularly limited. Specifically, for example, a powder composed of a composite oxide (X) having a pyrochlore structure containing lanthanum and zirconium, a powder composed of a lithium compound (Y) , a powder composed of a lanthanum compound (Z), and Accordingly, it can be obtained by mixing the powder composed of the above-mentioned other compound by wet mixing or the like. In addition, the method to manufacture these compounds is not specifically limited, A commercial item can also be used.
また、上記混合原料には、本発明の効果を損なわない範囲において、各種の添加剤が含まれていてもよい。具体的な添加剤としては、例えば、焼結助剤、組織制御剤、成型助剤等が挙げられる。これらの添加剤は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 Moreover, the said mixed raw material may contain various additives in the range which does not impair the effect of this invention. Specific examples of the additive include a sintering aid, a structure control agent, and a molding aid. These additives may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.
上記焼成工程では、上記混合原料が焼成される。
この焼成工程における焼成温度は、730〜900℃である。焼成温度がこの範囲である場合には、原料同士を十分に反応させることができるとともに、リチウム原料の蒸散を十分に抑制することができる。
また、焼成時間は、1〜20時間であることが好ましく、より好ましくは2〜12時間、更に好ましくは3〜8時間、特に好ましくは4〜6時間である。焼成時間がこの範囲である場合には、原料同士を十分に反応させることができるとともに、リチウム原料の蒸散を十分に抑制することができる。
更に、焼成雰囲気は特に限定されず、大気雰囲気や、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気等とすることができる。
In the firing step, the mixed raw material is fired.
The firing temperature in this firing step is 730 to 900 ° C. When the firing temperature is within this range, the raw materials can be sufficiently reacted with each other, and the evaporation of the lithium raw material can be sufficiently suppressed.
The firing time is preferably 1 to 20 hours, more preferably 2 to 12 hours, still more preferably 3 to 8 hours, and particularly preferably 4 to 6 hours. When the firing time is within this range, the raw materials can be sufficiently reacted with each other, and the evaporation of the lithium raw material can be sufficiently suppressed.
Furthermore, the firing atmosphere is not particularly limited, and may be an air atmosphere or an inert gas atmosphere such as nitrogen gas or argon gas.
また、本発明においては、上記焼成工程の前に、上記混合原料を仮焼する仮焼工程を備えていてもよい。仮焼工程を備える場合、仮焼工程後に再粉砕または再混合工程を備えることが原料粉同士の反応の観点から好ましい。
この仮焼工程における仮焼温度は、90℃以上であることが好ましく、より好ましくは100〜700℃、更に好ましくは300〜600℃である。
また、仮焼時間は、1〜10時間であることが好ましく、より好ましくは2〜8時間、更に好ましくは3〜6時間である。
更に、仮焼雰囲気は特に限定されず、大気雰囲気や、窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気等とすることができる。
Moreover, in this invention, you may provide the calcining process of calcining the said mixed raw material before the said baking process. When the calcination step is provided, it is preferable to provide a regrinding or remixing step after the calcination step from the viewpoint of reaction between the raw material powders.
The calcination temperature in this calcination step is preferably 90 ° C. or higher, more preferably 100 to 700 ° C., still more preferably 300 to 600 ° C.
Moreover, it is preferable that calcination time is 1 to 10 hours, More preferably, it is 2 to 8 hours, More preferably, it is 3 to 6 hours.
Furthermore, the calcining atmosphere is not particularly limited, and may be an air atmosphere or an inert gas atmosphere such as nitrogen gas or argon gas.
また、本発明により製造される上記リチウムイオン伝導性酸化物は、ランタン、ジルコニウム及びリチウムを含んでいる限り特に限定されない。具体的には、例えば、ガーネット型構造を有するリチウムイオン伝導性酸化物とすることができる。更には、リチウムとランタンとジルコニウムとの含有割合[Li:La:Zr(モル比)]が、7:3:2であるリチウムイオン伝導性酸化物とすることができる。 The lithium ion conductive oxide produced according to the present invention is not particularly limited as long as it contains lanthanum, zirconium and lithium. Specifically, for example, a lithium ion conductive oxide having a garnet structure can be used. Furthermore, it can be set as the lithium ion conductive oxide whose content ratio [Li: La: Zr (molar ratio)] of lithium, lanthanum, and zirconium is 7: 3: 2.
以下、実施例を挙げて、本発明の実施の形態を更に具体的に説明する。但し、本発明は、これらの実施例に何ら制約されるものではない。 Hereinafter, the embodiment of the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.
実施例1、実施例2及び比較例1
(1)原料混合粉の調製
ランタン−ジルコニウム複合酸化物[ジルコン酸ランタン(La2Zr2O7)]と、リチウム含有化合物[炭酸リチウム(Li2CO3)]と、ランタン化合物[水酸化ランタン(La(OH)3)]とを準備し、La2Zr2O7:Li2CO3:La(OH)3のモル比が1:3.5:1となるように混合した。即ち、リチウム元素、ランタン元素及びジルコニウム元素のモル比が、Li:La:Zr=7:3:2になるように混合した。
次いで、得られた混合物を、湿式ボールミル(溶媒;アルコール)にて24時間混合したのち、100℃で5時間乾燥することによって、原料混合粉(混合原料)を調製した。
Example 1 , Example 2 and Comparative Example 1
(1) Preparation of raw material mixed powder Lanthanum-zirconium composite oxide [lanthanum zirconate (La 2 Zr 2 O 7 )], lithium-containing compound [lithium carbonate (Li 2 CO 3 )], and lanthanum compound [lanthanum hydroxide] (La (OH) 3 )] was prepared and mixed so that the molar ratio of La 2 Zr 2 O 7 : Li 2 CO 3 : La (OH) 3 was 1: 3.5: 1. That is, they were mixed so that the molar ratio of lithium element, lanthanum element and zirconium element was Li: La: Zr = 7: 3: 2.
Next, the obtained mixture was mixed in a wet ball mill (solvent: alcohol) for 24 hours, and then dried at 100 ° C. for 5 hours to prepare a raw material mixed powder (mixed raw material).
(2)焼成工程
得られた原料混合粉をるつぼに入れ、電気炉で12時間加熱した後、自然冷却して生成物を得た。尚、加熱温度は、700℃(比較例1)、750℃(実施例1)、800℃(実施例2)とした。
(2) Firing step The obtained raw material mixed powder was put in a crucible, heated in an electric furnace for 12 hours, and then naturally cooled to obtain a product. The heating temperatures were 700 ° C. (Comparative Example 1) , 750 ° C. (Example 1) , and 800 ° C. (Example 2) .
(3)X線回折及びその結果
得られた各生成物から、その一部を取り出し、X線回折を行った。その結果を、原料混合粉のX線回折結果とともに、図1に示した。尚、図1において、●で示した回折ピークは、ガーネット型化合物のピークを示す。
その結果、図1によれば、実施例1及び2で加熱して得られた生成物は、ガーネット型化合物(Li7La3Zr2O12)であることがわかった。
(3) X-ray diffraction and results thereof A part of each product was taken out and subjected to X-ray diffraction. The results are shown in FIG. 1 together with the X-ray diffraction result of the raw material mixed powder. In FIG. 1, the diffraction peak indicated by ● represents the peak of the garnet type compound.
As a result, according to FIG. 1, it was found that the product obtained by heating in Examples 1 and 2 was a garnet-type compound (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ).
本発明のリチウムイオン伝導性酸化物の製造方法は、リチウム二次電池等の電気化学デバイス分野等において好適に利用することができる。 The method for producing a lithium ion conductive oxide of the present invention can be suitably used in the field of electrochemical devices such as lithium secondary batteries.
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