JP6201569B2 - Solid electrolyte material and all solid state battery - Google Patents

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Description

本発明は固体電解質材料、及び全固体電池に関し、より詳しくは全固体電池の固体電解質層や電極層に含有される固体電解質材料、及びこの固体電解質材料を使用した全固体電池に関する。   The present invention relates to a solid electrolyte material and an all-solid battery, and more particularly to a solid electrolyte material contained in a solid electrolyte layer and an electrode layer of the all-solid battery, and an all-solid battery using the solid electrolyte material.

近年、携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラ等の携帯用電子機器の市場拡大に伴い、これら電子機器のコードレス電源として二次電池の開発が盛んに行なわれている。また、地球温暖化や石油資源の枯渇化等を背景に二次電池を動力源とした電気自動車やハイブリッド自動車の開発も盛んに行われている。   In recent years, with the expansion of the market for portable electronic devices such as mobile phones, notebook computers, and digital cameras, secondary batteries have been actively developed as cordless power sources for these electronic devices. In addition, with the background of global warming and the depletion of petroleum resources, development of electric vehicles and hybrid vehicles using secondary batteries as a power source is also actively conducted.

このような状況下、リチウムイオンを荷電担体とし、その電荷授受に伴う電気化学反応を利用したリチウムイオン二次電池が既に普及している。   Under such circumstances, lithium ion secondary batteries using lithium ions as charge carriers and utilizing an electrochemical reaction associated with charge exchange are already in widespread use.

しかしながら、この種のリチウムイオン二次電池では、イオンを移動させるための媒体として、通常、有機化合物を主体とした液体電解質(電解液)が使用されているが、この液体電解質は二次電池の缶体から外部に漏出するおそれがある。また、液体電解質として通常使用される有機化合物は可燃性物質であるため、十分な安全性を確保することができず、高温安定性や耐久性にも劣る。   However, in this type of lithium ion secondary battery, a liquid electrolyte (electrolytic solution) mainly composed of an organic compound is usually used as a medium for transferring ions. There is a risk of leakage from the can. Moreover, since the organic compound normally used as a liquid electrolyte is a combustible substance, sufficient safety cannot be ensured, and high temperature stability and durability are also inferior.

このため、今日では、液体電解質に代えて固体電解質を使用した二次電池の研究が盛んに行われている。   For this reason, research on secondary batteries using solid electrolytes instead of liquid electrolytes has been actively conducted today.

固体電解質に関する技術しては、従来より、特許文献1に記載されているように、一般式Na1+xZr3-xSi12(0≦x≦3)で表されるナシコン型構造を有するNaイオン伝導性固体電解質薄膜の形成方法が提案されている。 As a technique related to a solid electrolyte, as described in Patent Document 1, a NASICON structure represented by a general formula Na 1 + x Zr 2 P 3−x Si x O 12 (0 ≦ x ≦ 3) has been conventionally used. A method of forming a Na + ion conductive solid electrolyte thin film having a hydrogen atom has been proposed.

この特許文献1では、耐熱性基体上に原料の混合溶液の薄膜を形成する工程と、上記薄膜を乾燥する工程と、上記乾燥薄膜を酸化性雰囲気中で焼成する工程とを含む工程を経てNaイオン伝導性固体電解質薄膜を形成している。この特許文献1では、Naイオン伝導性固体電解質薄膜は、組成式:NaZrPO(SiOで、結晶系は単斜晶系となり、Naのイオン伝導度が最大になるとされている。 In Patent Document 1, Na is passed through a process including a process of forming a thin film of a mixed solution of raw materials on a heat-resistant substrate, a process of drying the thin film, and a process of firing the dry thin film in an oxidizing atmosphere. + An ion conductive solid electrolyte thin film is formed. According to Patent Document 1, the Na + ion conductive solid electrolyte thin film has a composition formula: NaZr 2 PO 4 (SiO 4 ) 2 , the crystal system is monoclinic, and the ion conductivity of Na + is maximized. ing.

また、特許文献2には、リチウム金属と他の金属からなる複合酸化物から構成される二次電池用固体電解質において、該複合酸化物が金属アルコキシドおよび少なくとも一種類のリチウム化合物を原料として生成したゾルを焼成して得られた酸化物からなる二次電池用固体電解質が提案されている。   Further, in Patent Document 2, in a solid electrolyte for a secondary battery composed of a composite oxide composed of lithium metal and another metal, the composite oxide was produced using a metal alkoxide and at least one lithium compound as raw materials. A solid electrolyte for a secondary battery made of an oxide obtained by firing a sol has been proposed.

この特許文献2では、一般式Li1-x2-xM'x(PO(但し、xは0≦x<1を示し、M、M’はAl、TiまたはZrを示す。)で表される複合酸化物、例えばLiZr(POを固体電解質層に使用した実施例が記載されている。 In Patent Document 2, the general formula Li 1-x M 2-x M ′ x (PO 4 ) 3 (where x represents 0 ≦ x <1 and M and M ′ represent Al, Ti, or Zr. ), For example, LiZr 2 (PO 4 ) 3 is used for the solid electrolyte layer.

特開平2−188803号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2-188803 特開2001−143753号公報(請求項7、段落番号〔0051〕〜〔0053〕、表1等)JP 2001-143753 A (Claim 7, paragraph numbers [0051] to [0053], Table 1 etc.)

しかしながら、特許文献1は、Naイオン伝導体のイオン伝導度を単結晶系の結晶構造とすることにより、最大となるようにしているが、Liイオン伝導体については記載されていない。また、本発明者らの研究結果により、ナシコン型構造を有するLiイオン伝導体を単結晶系の結晶構造にすると、イオン伝導度が極めて低いことが分かった。 However, Patent Document 1 attempts to maximize the ionic conductivity of the Na ion conductor by adopting a single crystal system crystal structure, but does not describe the Li + ion conductor. Further, as a result of research by the present inventors, it has been found that when a Li + ion conductor having a NASICON structure is made to have a single crystal system, the ionic conductivity is extremely low.

一方、固体電解質材料としては、中心金属に耐還元性を有するZrを含有したナシコン型構造が有望視されているが、本発明者らの研究結果により、Zrを含有したナシコン型構造の固体電解質材料を使用し、全固体電池を焼結式で作製しようとした場合、緻密に焼結させるのが困難であり、したがって安定した良好なイオン伝導性を得るのが困難であることが分かった。   On the other hand, as a solid electrolyte material, a NASICON-type structure containing Zr having reduction resistance as a central metal is considered promising. However, according to the research results of the present inventors, a solid electrolyte having a NASICON-type structure containing Zr is proposed. It has been found that when materials are used and an all-solid battery is manufactured by a sintering method, it is difficult to sinter densely, and thus it is difficult to obtain stable and good ion conductivity.

しかしながら、特許文献2は、LiZr(POを固体電解質層に使用しているものの、Zr含有酸化物の焼結性については記載されておらず、また、イオン伝導度と結晶系とは密接な関係を有するが、斯かる点についての言及もない。したがって、特許文献2では、前記固体電解質材料を緻密に焼結させ、安定して良好なイオン伝導性を有する全固体電池を得るのが困難であると考えられる。 However, although Patent Document 2 uses LiZr 2 (PO 4 ) 3 for the solid electrolyte layer, it does not describe the sinterability of the Zr-containing oxide, and the ionic conductivity and the crystal system are not described. Have a close relationship, but there is no mention of this point. Therefore, in Patent Document 2, it is considered difficult to obtain an all-solid-state battery having a stable and good ion conductivity by densely sintering the solid electrolyte material.

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、Zrを含有していても良好な焼結性を有し、かつ良好なイオン伝導性を有する固体電解質材料、及びこの固体電解質材料を使用した焼結式の全固体電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and has solid sinterability and good ionic conductivity even if it contains Zr, and this solid electrolyte material It aims at providing the sintering-type all-solid-state battery which uses this.

本発明者らは、上記目的を達成するために中心金属としてZrを主成分として含有したナシコン型構造の化合物について鋭意研究を行ったところ、室温では菱面体晶系を主体とする結晶系を有する一方で、室温から焼成温度に至る温度範囲で、他の結晶系との間で可逆的な転移を起こさせることにより、焼成温度で緻密に焼結させることができ、かつ良好なイオン伝導性を確保できるという知見を得た。   In order to achieve the above object, the present inventors have conducted intensive research on a compound having a nasicon structure containing Zr as a main component as a central metal, and have a crystal system mainly composed of a rhombohedral system at room temperature. On the other hand, by causing a reversible transition with other crystal systems in the temperature range from room temperature to the firing temperature, it can be densely sintered at the firing temperature and has good ion conductivity. The knowledge that it can secure was acquired.

本発明はこのような知見に基づきなされたものであって、本発明に係る固体電解質材料は、結晶構造の基本骨格がナシコン型構造を有する固体電解質材料であって、主成分が、中心金属としてZrを含有する一般式Li Zr (PO (ただし、xは1.1≦x≦2.0)で表され、室温では菱面体晶系を主体とする第1の結晶系を有すると共に、前記室温から焼成温度に至る温度範囲で、前記第1の結晶系とは異なる第2の結晶系との間で可逆的な転移が生じ、前記焼成温度で焼結されてなることを特徴としている。 The present invention has been made based on such knowledge, and the solid electrolyte material according to the present invention is a solid electrolyte material in which the basic skeleton of the crystal structure has a NASICON structure, and the main component is as a central metal. Zr-containing general formula Li x Zr 2 (PO 4 ) 3 (where x is 1.1 ≦ x ≦ 2.0), and the first crystal system mainly composed of rhombohedral system is used at room temperature. And having a reversible transition between the second crystal system different from the first crystal system in the temperature range from the room temperature to the firing temperature, and being sintered at the firing temperature. It is a feature.

また、本発明の固体電解質材料は、前記第2の結晶系は、単斜晶系、斜方晶系、及び三斜晶系のうちのいずれか一種以上を含むのが好ましい。   In the solid electrolyte material of the present invention, it is preferable that the second crystal system includes one or more of a monoclinic system, an orthorhombic system, and a triclinic system.

さらに、本発明の固体電解質材料は、前記第2の結晶系は、前記菱面体晶系との混晶系を含むことができる。   Further, in the solid electrolyte material of the present invention, the second crystal system may include a mixed crystal system with the rhombohedral system.

この場合、本発明の固体電解質材料は、前記Liの一部がNa及びKのうちの少なくともいずれか一方で置換されるのも好ましい。   In this case, in the solid electrolyte material of the present invention, it is also preferable that a part of the Li is replaced with at least one of Na and K.

さらに、本発明の固体電解質材料は、前記Zrの一部が、Ca、Mg、Ba、Sr、Al、Sc、Y、In、Ti、Ge、Ga、及びHfの中から選択された少なくとも一種の元素Mで置換されていることを特徴としている。   Furthermore, in the solid electrolyte material of the present invention, a part of the Zr is at least one selected from Ca, Mg, Ba, Sr, Al, Sc, Y, In, Ti, Ge, Ga, and Hf. It is characterized by being substituted with the element M.

また、本発明に係る全固体電池は、固体電解質層の一方の主面に正極層を有し、前記固体電解質層の他方の主面に負極層を有する全固体電池であって、少なくとも前記固体電解質層が、上記いずれかに記載の固体電解質材料を主成分としていることを特徴としている。   An all solid state battery according to the present invention is an all solid state battery having a positive electrode layer on one main surface of a solid electrolyte layer and a negative electrode layer on the other main surface of the solid electrolyte layer, and at least the solid state battery. The electrolyte layer is characterized by having the solid electrolyte material described above as a main component.

また、本発明の全固体電池は、前記固体電解質層と正極層及び負極層のうちの少なくとも一方とが焼結により一体的に接合されているのも好ましい。   In the all solid state battery of the present invention, it is also preferable that the solid electrolyte layer and at least one of the positive electrode layer and the negative electrode layer are integrally joined by sintering.

これにより焼結温度で緻密に焼結させることができ、かつ良好なイオン伝導性を確保できる焼結式の全固体電池を得ることができる。   As a result, it is possible to obtain a sintered all-solid battery that can be densely sintered at the sintering temperature and that can ensure good ion conductivity.

さらに、本発明に係る全固体電池は、固体電解質層の一方の主面に正極層を有し、前記固体電解質層の他方の主面に負極層を有する全固体電池であって、少なくとも前記固体電解質層及び前記負極層が、上記いずれかに記載の固体電解質材料を含有し、かつ少なくとも前記固体電解質層及び前記負極層が焼結により一体的に接合されていることを特徴としている。   Furthermore, the all-solid-state battery according to the present invention is an all-solid-state battery having a positive electrode layer on one main surface of the solid electrolyte layer and a negative electrode layer on the other main surface of the solid electrolyte layer, The electrolyte layer and the negative electrode layer contain any of the solid electrolyte materials described above, and at least the solid electrolyte layer and the negative electrode layer are integrally joined by sintering.

また、本発明の全固体電池は、前記固体電解質層と前記正極層との間にゲル電解質層が介在されているのも好ましい。   In the all solid state battery of the present invention, it is also preferable that a gel electrolyte layer is interposed between the solid electrolyte layer and the positive electrode layer.

本発明の固体電解質材料によれば、結晶構造の基本骨格がナシコン型構造を有する固体電解質材料であって、主成分が、中心金属としてZrを含有する一般式Li Zr (PO (ただし、xは1.1≦x≦2.0)で表され、室温では菱面体晶系を主体とする第1の結晶系を有すると共に、前記室温から焼成温度に至る温度範囲で、前記第1の結晶系とは異なる第2の結晶系との間で可逆的な転移が生じ、前記焼成温度で焼結されてなるので、焼成温度で緻密に焼結させることができ、かつ良好なイオン伝導性を確保できる固体電解質材料を得ることができる。 According to the solid electrolyte material of the present invention, the basic structure Li x Zr 2 (PO 4 ) 3 in which the basic skeleton of the crystal structure has a NASICON structure and the main component contains Zr as a central metal. (Where x is 1.1 ≦ x ≦ 2.0), and has a first crystal system mainly composed of rhombohedral system at room temperature, and in the temperature range from the room temperature to the firing temperature, Since a reversible transition occurs between the second crystal system different from the first crystal system and is sintered at the firing temperature, it can be densely sintered at the firing temperature and is excellent. A solid electrolyte material capable of ensuring ion conductivity can be obtained.

すなわち、固体電解質材料のイオン伝導性は、固体電解質の結晶粒界に起因する抵抗、及び固体電解質材料の結晶粒子内の抵抗の影響を受ける。そして、室温から焼成温度に至る温度範囲で、第2の結晶系に転移し、焼成温度で緻密に焼結させることによって、結晶粒界に起因する抵抗を低減させることができる。また、室温まで冷却される過程でイオン伝導性に優れた菱面体晶系に可逆的な転移が生じることから、結晶粒子内の抵抗を低減させることができる。   That is, the ionic conductivity of the solid electrolyte material is affected by the resistance caused by the crystal grain boundaries of the solid electrolyte and the resistance within the crystal particles of the solid electrolyte material. Then, transition to the second crystal system in a temperature range from room temperature to the firing temperature and dense sintering at the firing temperature can reduce the resistance caused by the crystal grain boundaries. In addition, since the reversible transition occurs in the rhombohedral system having excellent ion conductivity during the process of cooling to room temperature, the resistance in the crystal grains can be reduced.

このように本発明では、焼成温度で緻密に焼結させることができ、かつ良好なイオン伝導性を確保できる固体電解質材料を得ることができる。   As described above, in the present invention, a solid electrolyte material that can be densely sintered at a firing temperature and can ensure good ion conductivity can be obtained.

また、本発明の全固体電池によれば、固体電解質層の一方の主面に正極層を有し、前記固体電解質層の他方の主面に負極層を有する全固体電池であって、少なくとも前記固体電解質層が、上記いずれかに記載の固体電解質材料を主成分としているので、焼結温度で緻密に焼結させることができ、かつ良好なイオン伝導性を確保できる全固体電池を得ることができる。   The all solid state battery of the present invention is an all solid state battery having a positive electrode layer on one main surface of a solid electrolyte layer and a negative electrode layer on the other main surface of the solid electrolyte layer, Since the solid electrolyte layer is mainly composed of any of the solid electrolyte materials described above, it is possible to obtain an all-solid battery that can be densely sintered at a sintering temperature and that can ensure good ion conductivity. it can.

また、本発明の全固体電池は、固体電解質層の一方の主面に正極層を有し、前記固体電解質層の他方の主面に負極層を有する全固体電池であって、少なくとも前記固体電解質層及び前記負極層が、上記いずれかに記載の固体電解質材料を含有しているので、焼結温度で緻密に焼結させることができ、より一層良好なイオン伝導性を確保できる全固体電池を得ることができる。   The all solid state battery of the present invention is an all solid state battery having a positive electrode layer on one main surface of a solid electrolyte layer and a negative electrode layer on the other main surface of the solid electrolyte layer, and at least the solid electrolyte Since the layer and the negative electrode layer contain any one of the solid electrolyte materials described above, an all solid state battery that can be densely sintered at a sintering temperature and can secure even better ion conductivity. Can be obtained.

本発明に係る固体電解質材料を使用して作製された全固体電池の一実施の形態(第1の実施の形態)を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically one Embodiment (1st Embodiment) of the all-solid-state battery produced using the solid electrolyte material which concerns on this invention. 本発明に係る固体電解質材料を使用して作製された全固体電池の第2の実施の形態を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically 2nd Embodiment of the all-solid-state battery produced using the solid electrolyte material which concerns on this invention. 第2の実施の形態の積層焼結体を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the laminated sintered body of 2nd Embodiment. 固体電解質材料Aの25℃〜1000℃におけるX線スペクトルを基準パターンと共に示す図である。It is a figure which shows the X-ray spectrum in 25 degreeC-1000 degreeC of the solid electrolyte material A with a reference | standard pattern. 固体電解質材料Dの25℃〜1000℃におけるX線スペクトルを基準パターンと共に示す図である。It is a figure which shows the X-ray spectrum in 25 degreeC-1000 degreeC of the solid electrolyte material D with a reference pattern. 固体電解質材料Fの25℃〜1000℃におけるX線スペクトルを基準パターンと共に示す図である。It is a figure which shows the X-ray spectrum in 25 degreeC-1000 degreeC of the solid electrolyte material F with a reference | standard pattern. 固体電解質材料Gの25℃〜1000℃におけるX線スペクトルを基準パターンと共に示す図である。It is a figure which shows the X-ray spectrum in 25 degreeC-1000 degreeC of the solid electrolyte material G with a reference | standard pattern.

次に、本発明の実施の形態を詳説する。   Next, an embodiment of the present invention will be described in detail.

本発明に係る固体電解質材料は、結晶構造の基本骨格が、ナシコン型構造を有している。   In the solid electrolyte material according to the present invention, the basic skeleton of the crystal structure has a NASICON structure.

ナシコン型構造は、一般式Y(XOで表すことができ、正八面体YOの頂点と正四面体XOの頂点とが共有されて三次元的に配列された構造を有し、結晶構造中に大きな空隙を有し、Liイオン等の陽イオンが容易に移動することから、陽イオンを移動させるための媒体として優れている。特に、ナシコン型構造のうち、正四面体XOのポリアニオンがPOで形成されたリン酸系化合物は固体電解質及び電極層を緻密に一体焼結できることから好ましい。 The NASICON structure can be represented by the general formula Y 2 (XO 4 ) 3 and has a structure in which the vertex of the regular octahedron YO 6 and the vertex of the regular tetrahedron XO 4 are shared and arranged three-dimensionally. Since it has a large void in the crystal structure and cations such as Li ions move easily, it is excellent as a medium for moving cations. Particularly, among the NASICON structure, a phosphoric acid compound in which the polyanion of regular tetrahedron XO 4 is formed of PO 4 is preferable because the solid electrolyte and the electrode layer can be densely and integrally sintered.

そして、本実施の形態では、ナシコン型構造の中心元素YがZrを主成分として含有している。Zrは耐還元性が良好であることから、中心金属としてZrを主成分として含有した固体電解質材料を負極層又は負極層の近傍に使用した場合は、固体電解質が負極層の電位で還元されることを回避することができ、全固体電池の充放電特性が損なわれるのを抑制することができる。   And in this Embodiment, the central element Y of a NASICON type structure contains Zr as a main component. Since Zr has good reduction resistance, when a solid electrolyte material containing Zr as a main component as a main component is used near the negative electrode layer or the negative electrode layer, the solid electrolyte is reduced at the potential of the negative electrode layer. This can be avoided, and damage to the charge / discharge characteristics of the all-solid-state battery can be suppressed.

さらに、本実施の形態では、室温では菱面体晶系を主体とする第1の結晶系を有し、かつ室温から焼成温度に至る温度範囲で、第1の結晶系とは異なる第2の結晶系と第1の結晶系との間で可逆的な転移が生じ、前記焼成温度で焼結されてなる。そしてこれにより焼成温度で緻密に焼結させることができ、かつ良好なイオン伝導性を確保できる固体電解質材料を得ることができる。   Further, in the present embodiment, the second crystal having the first crystal system mainly composed of a rhombohedral system at room temperature and different from the first crystal system in a temperature range from room temperature to the firing temperature. A reversible transition occurs between the system and the first crystal system and is sintered at the firing temperature. As a result, a solid electrolyte material that can be densely sintered at the firing temperature and can ensure good ion conductivity can be obtained.

固体電解質材料のイオン伝導性は、固体電解質の結晶粒界に起因する抵抗、及び固体電解質材料の結晶粒子内の抵抗の双方の影響を受ける。そして、本実施の形態では、室温では結晶系はイオン伝導性が良好な菱面体晶系を主体とする第1の結晶系を有し、室温から焼成温度に至る温度範囲で、第1の結晶系とは異なる焼結性の良好な第2の結晶系に転移させ、焼成温度で緻密に焼結させている。   The ionic conductivity of the solid electrolyte material is affected by both the resistance caused by the crystal grain boundaries of the solid electrolyte and the resistance within the crystal particles of the solid electrolyte material. In this embodiment mode, the crystal system at room temperature has a first crystal system mainly composed of a rhombohedral system having good ion conductivity, and the first crystal is in a temperature range from room temperature to the firing temperature. It is transferred to a second crystal system having good sinterability different from that of the system and densely sintered at the firing temperature.

すなわち、Zrを含有したZr含有化合物の焼成温度は一般に高く、緻密に焼結させるのは困難である。   That is, the firing temperature of the Zr-containing compound containing Zr is generally high, and it is difficult to sinter densely.

しかしながら、本発明者らが鋭意研究を行ったところ、Zr含有化合物であっても結晶系に応じて焼結性の難易に差異があり、菱面体晶系以外の結晶系では焼結性が向上し、緻密な焼結が可能であることが分かった。   However, as a result of intensive studies by the present inventors, there is a difference in the difficulty of sinterability depending on the crystal system even if it is a Zr-containing compound, and the sinterability is improved in crystal systems other than the rhombohedral system. And it was found that dense sintering is possible.

そこで、本実施の形態では、室温から焼成温度に至る温度範囲で、菱面体晶系を主体とした第1の結晶系とは異なる焼結性の良好な第2の結晶系に転移させ、焼成温度で緻密に焼結させている。そしてこれにより結晶粒界に起因する抵抗を低減させることができ、良好なイオン伝導性を得ている。   Therefore, in the present embodiment, in the temperature range from room temperature to the firing temperature, the second crystal system having good sinterability different from the first crystal system mainly composed of the rhombohedral system is transferred and fired. Sintered densely at temperature. As a result, the resistance caused by the grain boundaries can be reduced, and good ion conductivity is obtained.

また、焼成温度から室温に冷却される過程で第2の結晶系から元の菱面体晶系を主体とする第1の結晶系に転移させることにより、結晶粒子内の抵抗を低減させることができ、したがって室温から高温に至るまでの広範な温度範囲で良好なイオン伝導性を得ることが可能となる。   In addition, the resistance in the crystal grains can be reduced by transferring from the second crystal system to the first crystal system mainly composed of the original rhombohedral system in the process of cooling from the firing temperature to room temperature. Therefore, it is possible to obtain good ionic conductivity in a wide temperature range from room temperature to high temperature.

このように本発明では、焼成温度で緻密に焼結させることができ、かつ良好なイオン伝導性を確保できる固体電解質材料を得ることができる。   As described above, in the present invention, a solid electrolyte material that can be densely sintered at a firing temperature and can ensure good ion conductivity can be obtained.

そして、このような第2の結晶系としては、焼成温度で緻密に焼結するのであれば特に限定されるものではなく、菱面体晶系以外の結晶系、例えば、単斜晶系、斜方晶系、及び三斜晶系のうちのいずれか一種以上を含むことができ、さらに菱面体晶系とこれら結晶系との混晶系であってもよい。   Such a second crystal system is not particularly limited as long as it is densely sintered at the firing temperature. Crystal systems other than rhombohedral systems, such as monoclinic systems, orthorhombic systems, etc. Any one or more of a crystal system and a triclinic system may be included, and a rhombohedral system and a mixed crystal system of these crystal systems may be used.

また、上述したように室温で上記第1の結晶系を有し、室温から焼成温度に至る温度範囲で、第2の結晶系との間で可逆的な転移が生じ、焼成温度で焼結するのであれば、固体電解質材料の組成は、特に限定されるものではないが、主成分が一般式LiZr(PO(ただし、xは1.1≦x≦2.0)で表される化合物を好んで使用することができる。 In addition, as described above, the first crystal system is included at room temperature, a reversible transition occurs between the second crystal system in the temperature range from room temperature to the firing temperature, and sintering is performed at the firing temperature. In this case, the composition of the solid electrolyte material is not particularly limited, but the main component is the general formula Li x Zr 2 (PO 4 ) 3 (where x is 1.1 ≦ x ≦ 2.0). The compounds represented can be used with preference.

Liはイオン伝導性が良好であることから、全固体電池では、通常はLiイオンを荷電担体として好適に使用されるが、Liの含有モル比xが1.1未満になると、焼成温度付近に温度を上昇させても結晶系の転移が困難となる。また、Liの含有モル比xが2.0を超えると、室温で菱面体晶系以外の結晶系となるおそれがある。   Since Li has good ionic conductivity, Li ions are normally used as a charge carrier in all solid batteries. However, when the molar ratio x of Li is less than 1.1, the Li is close to the firing temperature. Even if the temperature is raised, the transition of the crystal system becomes difficult. On the other hand, if the Li molar ratio x exceeds 2.0, a crystal system other than the rhombohedral system may be formed at room temperature.

尚、Liの一部をNaやK等の他のアルカリ金属元素と置換しても、上述した本発明の作用効果を得ることができる。   Even if a part of Li is replaced with another alkali metal element such as Na or K, the above-described effects of the present invention can be obtained.

さらに、Zrの一部を、Ca、Mg、Ba、Sr、Al、Sc、Y、In、Ti、Ge、Ga、及びHfの中から選択された少なくとも一種の元素Mで置換することにより、結晶系を容易に菱面体晶系とすることができる。   Furthermore, by replacing a part of Zr with at least one element M selected from Ca, Mg, Ba, Sr, Al, Sc, Y, In, Ti, Ge, Ga, and Hf, The system can easily be rhombohedral.

図1は、本発明に係る全固体電池の一実施の形態を模式的に示す断面図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an embodiment of an all solid state battery according to the present invention.

この全固体電池は、積層焼結体1の一方の主面に正極集電体2が形成され、前記積層焼結体1の他方の主面に負極集電体3が形成されている。   In this all-solid-state battery, a positive electrode current collector 2 is formed on one main surface of the laminated sintered body 1, and a negative electrode current collector 3 is formed on the other main surface of the laminated sintered body 1.

正極集電体2及び負極集電体3を形成する集電体材料としては、電子伝導性が良好で積層焼結体1との密着性が良好な導電性材料であれば特に限定されるものではなく、例えばPt、Au、Ag、Al、Cu、ステンレス、ITO(酸化インジウムスズ)等を使用することができる。   The current collector material for forming the positive electrode current collector 2 and the negative electrode current collector 3 is particularly limited as long as it is a conductive material having good electron conductivity and good adhesion to the laminated sintered body 1. Instead, for example, Pt, Au, Ag, Al, Cu, stainless steel, ITO (indium tin oxide), or the like can be used.

積層焼結体1は、固体電解質層4の一方の主面には正極集電体2に接合された正極層5が形成されると共に、固体電解質層4の他方の主面には負極集電体3に接合された負極層6が設けられている。   In the laminated sintered body 1, a positive electrode layer 5 joined to the positive electrode current collector 2 is formed on one main surface of the solid electrolyte layer 4, and a negative electrode current collector is formed on the other main surface of the solid electrolyte layer 4. A negative electrode layer 6 bonded to the body 3 is provided.

固体電解質層4は、固体電解質材料を主成分として含有している。また、正極層5は、正極活物質、固体電解質材料、導電剤を含有し、さらに負極層6は、負極活物質、固体電解質材料、及び導電剤を含有している。   The solid electrolyte layer 4 contains a solid electrolyte material as a main component. The positive electrode layer 5 contains a positive electrode active material, a solid electrolyte material, and a conductive agent, and the negative electrode layer 6 contains a negative electrode active material, a solid electrolyte material, and a conductive agent.

本実施の形態では、上述した本発明の固体電解質材料が固体電解質層4及び負極層6に使用されており、これにより、焼成温度で緻密に焼結させることができ、かつ良好なイオン伝導性を確保できる固体電解質材料を得ることができる。   In the present embodiment, the above-described solid electrolyte material of the present invention is used for the solid electrolyte layer 4 and the negative electrode layer 6, whereby it can be densely sintered at a firing temperature and has good ion conductivity. Can be obtained.

次に、本全固体電池の製造方法を詳述する。   Next, the manufacturing method of this all-solid-state battery is explained in full detail.

まず、本発明の固体電解質材料、ポリビニルアセタール樹脂等のバインダ樹脂、及びエタノール等の有機溶媒を用意し、これら固体電解質材料、バインダ樹脂、及び有機溶媒が所定の重量比率となるように秤量する。   First, a solid electrolyte material of the present invention, a binder resin such as a polyvinyl acetal resin, and an organic solvent such as ethanol are prepared, and weighed so that the solid electrolyte material, the binder resin, and the organic solvent have a predetermined weight ratio.

そして、バインダ樹脂を有機溶媒に溶解して有機ビヒクルを作製した後、固体電解質材料及びPSZ(部分安定化ジルコニア)ボール等の粉砕媒体と共にボールミルに投入し、十分に混合・粉砕し、固体電解質スラリーを作製する。   Then, after dissolving the binder resin in an organic solvent to produce an organic vehicle, it is put into a ball mill together with a solid electrolyte material and a grinding medium such as PSZ (partially stabilized zirconia) balls, and sufficiently mixed and pulverized to obtain a solid electrolyte slurry. Is made.

次に、負極活物質、導電剤、及び本発明の固体電解質材料を用意し、これら負極活物質、導電剤、及び固体電解質材料を所定量秤量し、負極材料を得る。   Next, a negative electrode active material, a conductive agent, and the solid electrolyte material of the present invention are prepared, and a predetermined amount of these negative electrode active material, conductive agent, and solid electrolyte material is weighed to obtain a negative electrode material.

ここで、負極活物質としては、特に限定されるものではなく、例えばNb、TiO、SiO、SnO、MoO、Cr、Fe、NiO、MnO、CoO、CuO、CuO、WO、V、RuO等を単独で或いは組み合わせて使用することができる。 Here, the negative electrode active material is not particularly limited. For example, Nb 2 O 5 , TiO 2 , SiO, SnO, MoO 2 , Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 , NiO, MnO, CoO, Cu 2 O, CuO, WO, V 2 O 5 , RuO 2 and the like can be used alone or in combination.

また、導電剤としては、特に限定されるものではなく、例えば、グラファイト、カーボンブラック、アセチレンブラック等の炭素質微粒子、気相成長炭素繊維、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等の炭素繊維、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアセン等の導電性高分子などを使用することができる。   In addition, the conductive agent is not particularly limited, for example, carbonaceous fine particles such as graphite, carbon black, acetylene black, carbon fibers such as vapor grown carbon fiber, carbon nanotube, carbon nanohorn, polyaniline, polypyrrole, Conductive polymers such as polythiophene, polyacetylene, and polyacene can be used.

そして、この負極材料を粉砕媒体及び上記有機ビヒクルと共にポットミルに投入し、十分に混合・粉砕し、負極スラリーを作製する。   Then, this negative electrode material is put into a pot mill together with the pulverization medium and the organic vehicle, and sufficiently mixed and pulverized to prepare a negative electrode slurry.

次に、正極活物質、導電剤、及び固体電解質材料を用意し、これら正極活物質、導電剤、及び固体電解質材料を所定量秤量し、正極材料を得る。   Next, a positive electrode active material, a conductive agent, and a solid electrolyte material are prepared, and a predetermined amount of these positive electrode active material, conductive agent, and solid electrolyte material is weighed to obtain a positive electrode material.

そして、この正極材料を粉砕媒体及び上記有機ビヒクルと共にポットミルに投入し、十分に混合・粉砕し、正極スラリーを作製する。   Then, this positive electrode material is put into a pot mill together with the pulverization medium and the organic vehicle, and sufficiently mixed and pulverized to produce a positive electrode slurry.

ここで、正極活物質としては、特に限定されるものではなく、例えばLi(PO、LiFePO、LiMnPO等のリン酸化合物、LiCoO、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3等のコバルト化合物、LiMnO、LiNi0.5Mn1.5等のスピネル型構造の化合物を単独で或いはこれらを組み合わせて使用することができる。 Here, the positive electrode active material is not particularly limited. For example, phosphoric acid compounds such as Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 , LiFePO 4 , LiMnPO 4 , LiCoO 2 , LiCo 1/3 Ni 1/3. Cobalt compounds such as Mn 1/3 O 2 and spinel type compounds such as LiMnO 4 and LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 can be used alone or in combination.

また、正極層5に含有される固体電解質材料は、特に限定されるものではなく、上述した本発明の固体電解質材料を使用してもよく、本発明の固体電解質材料とは異なる固体電解質材料を使用してもよい。ただし、正極層5は負極層6に比べて高電位であるため、耐還元性を考慮する必要性は少なく、したがってLiTi(POやLi1.2Ti1.8Al0.2(PO等の伝導性が良好なTiを中心金属として使用したナシコン型構造の化合物を使用するのが好ましい。 In addition, the solid electrolyte material contained in the positive electrode layer 5 is not particularly limited, and the solid electrolyte material of the present invention described above may be used, and a solid electrolyte material different from the solid electrolyte material of the present invention may be used. May be used. However, since the positive electrode layer 5 has a higher potential than the negative electrode layer 6, there is little need to consider reduction resistance. Therefore, LiTi (PO 4 ) 3 , Li 1.2 Ti 1.8 Al 0.2 (PO 4 ) 3, etc. It is preferable to use a compound having a NASICON structure using Ti having good conductivity as a central metal.

尚、導電剤としては、負極材料で使用したものと同様のものを使用することができる。   In addition, as a electrically conductive agent, the thing similar to what was used with the negative electrode material can be used.

次に、上述のようにして作製された固体電解質スラリー、負極スラリー、及び正極スラリーに対しドクターブレード法、ダイコータ法、コンマコーター法、スクリーン印刷法等を使用してベースフィルム上に塗布して成形加工を施し、それぞれ所定厚みの固体電解質層用グリーンシート、負極層用グリーンシート、及び正極層用グリーンシートを作製する。   Next, the solid electrolyte slurry, the negative electrode slurry, and the positive electrode slurry prepared as described above are applied onto a base film using a doctor blade method, a die coater method, a comma coater method, a screen printing method, and the like, and then molded. Processing is performed to produce a solid electrolyte layer green sheet, a negative electrode layer green sheet, and a positive electrode layer green sheet, each having a predetermined thickness.

次に、前記固体電解質層用グリーンシート、前記負極層用グリーンシート、及び前記正極層用グリーンシートをそれぞれベースフィルムから剥離させ、正極層用グリーンシート、固体電解質層用グリーンシート、及び負極層用グリーンシートを順次積層し、所定圧力で熱圧着した後、フィルム容器に封入し、熱間等方圧プレス、冷間等方圧プレス、静水圧プレス等を使用して加圧し、これにより固体電解質層グリーンシートが正極層用グリーンシート及び負極層用グリーンシートで挟持された積層構造体を作製する。   Next, the solid electrolyte layer green sheet, the negative electrode layer green sheet, and the positive electrode layer green sheet are peeled off from the base film, respectively, and the positive electrode layer green sheet, the solid electrolyte layer green sheet, and the negative electrode layer The green sheets are laminated one after another, thermocompression bonded at a predetermined pressure, sealed in a film container, and pressurized using a hot isostatic press, a cold isostatic press, a hydrostatic press, etc., thereby solid electrolyte A laminated structure in which the layer green sheet is sandwiched between the positive electrode layer green sheet and the negative electrode layer green sheet is prepared.

次いで、この積層構造体を所定温度で脱脂処理した後、焼成処理を行い、これにより固体電解質4の両主面に正極層5及び負極層6が形成された積層焼結体1を作製する。   Next, the laminated structure is degreased at a predetermined temperature and then subjected to a firing treatment, thereby producing a laminated sintered body 1 in which the positive electrode layer 5 and the negative electrode layer 6 are formed on both main surfaces of the solid electrolyte 4.

最後に、スパッタリング法、真空蒸着法等の薄膜形成法を使用し、積層焼結体1の両主面に正極集電体2及び負極集電体3を形成し、その後、これを乾燥させて雰囲気中から吸着した水分を除去した後、電池缶に封入し、これにより全固体電池が作製される。   Finally, a positive electrode current collector 2 and a negative electrode current collector 3 are formed on both main surfaces of the laminated sintered body 1 using a thin film forming method such as a sputtering method or a vacuum vapor deposition method, and then dried. After removing the adsorbed moisture from the atmosphere, it is sealed in a battery can, thereby producing an all-solid battery.

このように本全固体電池は、固体電解質層4の一方の主面に正極層5を有し、前記固体電解質層4の他方の主面に負極層6を有し、固体電解質層4及び負極層6が、上記固体電解質材料を含有しているので、焼結温度で緻密に焼結させることができ、かつより一層良好なイオン伝導性を確保できる全固体電池を得ることができる。   Thus, this all solid state battery has the positive electrode layer 5 on one main surface of the solid electrolyte layer 4 and the negative electrode layer 6 on the other main surface of the solid electrolyte layer 4. Since the layer 6 contains the solid electrolyte material, it is possible to obtain an all-solid battery that can be densely sintered at the sintering temperature and that can secure even better ion conductivity.

図2は、本発明に係る全固体電池の第2の実施の形態を模式的に示す断面図である。   FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a second embodiment of the all solid state battery according to the present invention.

この第2の実施の形態は、金属リチウム等の正極層11の表面にはポリアクリル酸メチル樹脂(以下、「PMMA」という。)等の高分子有機材料を含有したゲル電解質層12が形成されている。そして、このゲル電解質層12の表面には積層焼結体13が形成され、さらに該積層焼結体13の表面にはPt等からなる負極集電体14が形成されている。   In the second embodiment, a gel electrolyte layer 12 containing a polymer organic material such as polymethyl acrylate resin (hereinafter referred to as “PMMA”) is formed on the surface of the positive electrode layer 11 such as metallic lithium. ing. A laminated sintered body 13 is formed on the surface of the gel electrolyte layer 12, and a negative electrode current collector 14 made of Pt or the like is further formed on the surface of the laminated sintered body 13.

また、積層焼結体13は、固体電解質層15と負極層16が焼結により一体的に接合され、固体電解質層15がゲル電解質層12に接合され、負極層16が負極集電体層14に接合されている。   In the laminated sintered body 13, the solid electrolyte layer 15 and the negative electrode layer 16 are integrally joined by sintering, the solid electrolyte layer 15 is joined to the gel electrolyte layer 12, and the negative electrode layer 16 is joined to the negative electrode current collector layer 14. It is joined to.

このようにイオン伝導性のより良好なゲル電解質層12を固体電解質層15に接合することにより、より大きなイオン伝導度を得ることができる。   Thus, by bonding the gel electrolyte layer 12 having better ion conductivity to the solid electrolyte layer 15, larger ionic conductivity can be obtained.

本第2の実施の形態の全固体電池は、以下のようにして容易に製造することができる。   The all solid state battery of the second embodiment can be easily manufactured as follows.

すなわち、第1の実施の形態と同様の方法・手順で固体電解質層用グリーンシート及び負極層用グリーンシートを作製し、両者を積層して積層構造体を作製した後、該積層構造体を焼成し、図3に示すように、固体電解質層15と負極層16とが一体的に接合された積層焼結体13を得る。   That is, a green sheet for a solid electrolyte layer and a green sheet for a negative electrode layer are produced by the same method and procedure as in the first embodiment, and a laminated structure is produced by laminating both, and then the laminated structure is fired. Then, as shown in FIG. 3, the laminated sintered body 13 in which the solid electrolyte layer 15 and the negative electrode layer 16 are integrally joined is obtained.

次いで、スパッタリング等の薄膜形成法を使用して積層焼結体13の負極層16上に負極集電体層14を形成した後、正極層11上にLiイオン等の陽イオンを含むゲル電解質を塗布してゲル電解質層12を形成し、ゲル電解質層12と固体電解質層15とを接合し、電池缶に封入し、これにより全固体電池が製造される。   Next, after forming the negative electrode current collector layer 14 on the negative electrode layer 16 of the laminated sintered body 13 using a thin film forming method such as sputtering, a gel electrolyte containing a cation such as Li ion is formed on the positive electrode layer 11. The gel electrolyte layer 12 is formed by coating, the gel electrolyte layer 12 and the solid electrolyte layer 15 are joined, and sealed in a battery can, whereby an all-solid battery is manufactured.

尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。例えば、上記実施の形態では、固体電解質層4、15は、1層の固体電解質層用グリーンシートで形成されているが、2層構造以上の多層構造としてもよい。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible in the range which does not deviate from a summary. For example, in the above embodiment, the solid electrolyte layers 4 and 15 are formed of a single green sheet for a solid electrolyte layer, but may have a multilayer structure of two or more layers.

上記各実施の形態では、本発明の固体電解質材料を固体電解質層4、15及び負極層6、16の双方に使用しているが、負極層6、16近傍を構成する材料に使用すればよく、負極層6、16近傍に配される固体電解質層4、15のみに使用してもよく、或いは負極層6、16のみに使用しても、本発明の所期の目的を達成することができる。   In each of the above embodiments, the solid electrolyte material of the present invention is used for both the solid electrolyte layers 4 and 15 and the negative electrode layers 6 and 16, but it may be used as a material constituting the vicinity of the negative electrode layers 6 and 16. Even if it is used only for the solid electrolyte layers 4 and 15 disposed in the vicinity of the negative electrode layers 6 and 16, or it is used only for the negative electrode layers 6 and 16, the intended object of the present invention can be achieved. it can.

また、固体電解質スラリー、正極スラリー及び負極スラリーの作製方法についても、上記実施の形態では、ボールミルを使用して作製しているが、ビスコミル法、サンドミル法、高圧ホモジナイザー法、ニーダー分散法等を使用してもよい。また、これら各スラリーにフタル酸ジオクチル、フタル酸ジイソノニル等のフタル酸エステルなどを可塑剤として添加してもよい。   In addition, the solid electrolyte slurry, the positive electrode slurry, and the negative electrode slurry are prepared using a ball mill in the above embodiment, but a viscomill method, a sand mill method, a high-pressure homogenizer method, a kneader dispersion method, or the like is used. May be. Moreover, you may add phthalic acid esters, such as dioctyl phthalate and diisononyl phthalate, as a plasticizer to each of these slurries.

次に、本発明の実施例を具体的に説明する。   Next, examples of the present invention will be specifically described.

〔固体電解質材料の評価〕
(固体電解質材料の作製)
素原料としてLiCO、NaCO、ZrO、CaCO、及びNHPOを用意し、これら素原料を表1に示す組成A〜Gとなるように所定量秤量した。
[Evaluation of solid electrolyte materials]
(Production of solid electrolyte material)
Li 2 CO 3 , Na 2 CO 3 , ZrO 2 , CaCO 3 , and NH 4 H 2 PO 4 were prepared as raw materials, and predetermined amounts of these raw materials were weighed so as to have compositions A to G shown in Table 1. .

次に、これら秤量物をポリエチレン製のポットミルに投入し、16時間混合処理を行い、混合粉末を得た。   Next, these weighed products were put into a polyethylene pot mill and mixed for 16 hours to obtain a mixed powder.

そして、大気雰囲気下、温度500℃で1時間熱処理を行い、さらに800℃で6時間熱処理を行い、原料粉末中の揮発成分を除去した。   Then, a heat treatment was performed at a temperature of 500 ° C. for 1 hour in an air atmosphere, and further a heat treatment was performed at 800 ° C. for 6 hours to remove volatile components in the raw material powder.

次いで、これら揮発成分が除去された原料粉末を純水及びPSZボールと共に、ポリエチレン製のポットミルに投入し、該ポットミルを回転数150rpmで回転させて16時間粉砕処理を行い、その後、120℃に加熱されたホットプレート上で乾燥させて水分を除去し、乾燥粉を得た。   Next, the raw material powder from which these volatile components have been removed is put into a polyethylene pot mill together with pure water and PSZ balls, and the pot mill is rotated at a rotation speed of 150 rpm for 16 hours, and then heated to 120 ° C. The dried water was removed by drying on the hot plate to obtain a dry powder.

次いで、この乾燥粉を、大気雰囲気下、温度1200℃で20時間熱処理を行い、熱処理粉末A〜Gを作製した。   Subsequently, this dry powder was heat-treated at a temperature of 1200 ° C. for 20 hours in an air atmosphere to prepare heat-treated powders A to G.

次いで、この熱処理粉末A〜Gを50kN/cmの圧力で加圧し、直径10mm、厚み500〜1000μmの成形体を作製した。 Next, the heat treated powders A to G were pressed at a pressure of 50 kN / cm 2 to produce a molded body having a diameter of 10 mm and a thickness of 500 to 1000 μm.

次いで、この成形体を窒素雰囲気中で1000℃の温度で2時間焼成処理を行い、固体電解質材料A〜Gを作製した。   Next, this molded body was subjected to a firing treatment in a nitrogen atmosphere at a temperature of 1000 ° C. for 2 hours to produce solid electrolyte materials A to G.

尚、この固体電解質材料A〜Gは焼成後に粉状に崩れることはなく、成形体の形状を維持した状態で焼結したことから、これら固体電解質材料A〜Gの焼結温度は1000℃以下であることが確認された。   In addition, since these solid electrolyte materials A to G are not collapsed into powder after firing and sintered while maintaining the shape of the molded body, the sintering temperature of these solid electrolyte materials A to G is 1000 ° C. or less. It was confirmed that.

(結晶系の同定)
固体電解質材料A〜Gの各試料をPt製容器に封入し、X線回折装置を使用し、走査速度4.0°/minの速度で10°〜50°の測角範囲で、温度25℃から温度1000℃まで昇温し、その後、温度1000℃から温度25℃まで降温させ、昇温時は25℃、500℃、及び1000℃におけるX線回折スペクトルを測定し、降温時は900℃、25℃のX線回折スペクトルを測定した。
(Identification of crystal system)
Each sample of the solid electrolyte materials A to G is sealed in a Pt container, and an X-ray diffractometer is used. The scanning speed is 4.0 ° / min and the angular range is 10 ° to 50 °, and the temperature is 25 ° C. The temperature is raised from 1000 ° C. to 1000 ° C., then the temperature is lowered from 1000 ° C. to 25 ° C., X-ray diffraction spectra at 25 ° C., 500 ° C., and 1000 ° C. are measured at the time of temperature rise, An X-ray diffraction spectrum at 25 ° C. was measured.

図4は固体電解質材料Aの各温度におけるX線回折スペクトルを基準パターンと共に示している。横軸は回折角2θ(°)、縦軸はX線強度(a.u.)である。   FIG. 4 shows an X-ray diffraction spectrum of the solid electrolyte material A at each temperature together with a reference pattern. The horizontal axis represents the diffraction angle 2θ (°), and the vertical axis represents the X-ray intensity (au).

図中、A1〜A3はそれぞれ昇温時の25℃、500℃、及び1000℃におけるX線回折スペクトル、A4及びA5はそれぞれ降温時の900℃、及び25℃におけるX線回折スペクトルを示している。   In the figure, A1 to A3 indicate X-ray diffraction spectra at 25 ° C., 500 ° C., and 1000 ° C. when the temperature is raised, and A4 and A5 indicate X-ray diffraction spectra at 900 ° C. and 25 ° C. when the temperature is lowered, respectively. .

また、基準パターンは、JCPDS(Joint Committee on Power Diffraction Standards)カードの結晶系パターンを示し、基準パターンLZPrはLiZr(POの菱面体晶系パターン(No.01−072−7742)、基準パターンLZPmはLiZr(POの単斜晶系パターン(No.01−070−5819)、基準パターンPtはPtパターン(No.08−004−0802)である。 Further, the reference pattern is a crystal pattern of a JCPDS (Joint Committee on Power Diffraction Standards) card, and the reference pattern LZPr is a rhombohedral pattern (No. 01-072-7742) of LiZr 2 (PO 4 ) 3 , The reference pattern LZPm is a monoclinic pattern (No. 01-070-5819) of LiZr 2 (PO 4 ) 3 , and the reference pattern Pt is a Pt pattern (No. 08-004-0802).

この図4から明らかなように、パターンA1及びパターンA2は、LZPrの菱面体晶系パターン(基準パターンLZPr)と略一致しており、昇温時の25℃及び500℃では結晶系は菱面体晶系であることが分かった。   As is apparent from FIG. 4, the patterns A1 and A2 substantially coincide with the rhombohedral pattern (reference pattern LZPr) of LZPr, and the crystal system is rhombohedral at 25 ° C. and 500 ° C. when the temperature is raised. It was found to be crystalline.

また、パターンA3は菱面体晶系パターンに比べるとX線強度が小さくなり、LZPmの単斜晶系パターン(基準パターンLZPm)と略一致しており、1000℃では結晶系は単斜晶系に転移している。   In addition, the pattern A3 has a lower X-ray intensity than the rhombohedral pattern, and almost coincides with the monoclinic pattern (reference pattern LZPm) of LZPm. At 1000 ° C., the crystal system becomes monoclinic. It has metastasized.

そして、パターンA4及びパターンA5は、LZPrの菱面体晶系パターン(基準パターンLZPr)と略一致しており、降温時の900℃及び25℃では結晶系は再び菱面体晶系になっている。   The patterns A4 and A5 substantially coincide with the rhombohedral pattern (reference pattern LZPr) of LZPr, and the crystal system is again rhombohedral at 900 ° C. and 25 ° C. when the temperature is lowered.

すなわち、固体電解質材料Aは室温では菱面体晶系であるが、焼成温度に至る過程で単斜晶系に転移し、さらに焼成温度から室温に降温すると可逆的に菱面体晶系に戻っていることが分かった。   That is, the solid electrolyte material A has a rhombohedral system at room temperature, but transitions to a monoclinic system in the course of reaching the firing temperature, and reversibly returns to the rhombohedral system when the temperature is lowered from the firing temperature to room temperature. I understood that.

また、図示は省略するが固体電解質材料B及びCも、固体電解質材料Aと同様、室温では菱面体晶系であるが、焼成温度に至る過程で単斜晶系に転移し、さらに焼成温度から室温に降温すると可逆的に菱面体晶系に戻っていることを確認した。   Although not shown, the solid electrolyte materials B and C are rhombohedral at room temperature as well as the solid electrolyte material A, but transition to a monoclinic system in the course of reaching the firing temperature. It was confirmed that the rhombohedral system reversibly returned to room temperature.

図5は固体電解質材料Dの各温度におけるX線回折スペクトルを基準パターンと共に示している。横軸は回折角2θ(°)、縦軸はX線強度(a.u.)である。   FIG. 5 shows an X-ray diffraction spectrum of the solid electrolyte material D at each temperature together with a reference pattern. The horizontal axis represents the diffraction angle 2θ (°), and the vertical axis represents the X-ray intensity (au).

図中、D1〜D3はそれぞれ昇温時の25℃、500℃、及び1000℃におけるX線回折スペクトル、D4及びD5はそれぞれ降温時の900℃、及び25℃におけるX線回折スペクトルを示している。尚、基準パターンは、図4と同様である。   In the figure, D1 to D3 indicate X-ray diffraction spectra at 25 ° C., 500 ° C., and 1000 ° C. when the temperature is raised, and D4 and D5 indicate X-ray diffraction spectra at 900 ° C. and 25 ° C. when the temperature is lowered, respectively. . The reference pattern is the same as in FIG.

この図5から明らかなように、パターンD1及びパターンD2は、LZPrの菱面体晶系パターン(基準パターンLZPr)と略一致しており、昇温時の25℃及び500℃では結晶系は菱面体晶系であることが分かった。   As is apparent from FIG. 5, the patterns D1 and D2 substantially coincide with the rhombohedral pattern (reference pattern LZPr) of LZPr, and the crystal system is rhombohedral at 25 ° C. and 500 ° C. when the temperature is raised. It was found to be crystalline.

また、パターンD3は、固体電解質材料AのパターンA3に比べると、程度に差異があるものの菱面体晶系パターンに対しX線強度が小さくなり、LZPmの単斜晶系パターン(基準パターンLZPm)と略一致しており、1000℃では結晶系は単斜晶系に転移している。   Further, the pattern D3 has a lower X-ray intensity than the rhombohedral pattern, although the degree of difference is different from the pattern A3 of the solid electrolyte material A, and is different from the monoclinic pattern (reference pattern LZPm) of LZPm. The crystal system is almost coincident, and at 1000 ° C., the crystal system transitions to a monoclinic system.

そして、パターンD4及びパターンD5は、LZPrの菱面体晶系パターン(基準パターンLZPr)と略一致しており、降温時の900℃及び25℃では結晶系は再び菱面体晶系になっている。すなわち、固体電解質材料Dは、固体電解質材料Aと同様、室温では菱面体晶系であるが、焼結温度に至る過程で単斜晶系に転移し、さらに焼結温度から室温に降温すると可逆的に菱面体晶系に戻っていることが分かった。   The pattern D4 and the pattern D5 substantially coincide with the rhombohedral pattern (reference pattern LZPr) of LZPr, and the crystal system is again rhombohedral at 900 ° C. and 25 ° C. when the temperature is lowered. That is, like the solid electrolyte material A, the solid electrolyte material D is rhombohedral at room temperature, but transitions to a monoclinic system in the course of reaching the sintering temperature, and reversible when the temperature is lowered from the sintering temperature to room temperature. It turned out that it returned to rhombohedral system.

図6は固体電解質材料Fの各温度におけるX線回折スペクトルを基準パターンと共に示している。横軸は回折角2θ(°)、縦軸はX線強度(a.u.)である。   FIG. 6 shows an X-ray diffraction spectrum of the solid electrolyte material F at each temperature together with a reference pattern. The horizontal axis represents the diffraction angle 2θ (°), and the vertical axis represents the X-ray intensity (au).

図中、F1〜F3はそれぞれ昇温時の25℃、500℃、及び1000℃におけるX線回折スペクトル、F4及びF5はそれぞれ降温時の900℃、及び25℃におけるX線回折スペクトルを示している。尚、基準パターンは、図4と同様である。   In the figure, F1 to F3 indicate X-ray diffraction spectra at 25 ° C., 500 ° C., and 1000 ° C. at the time of temperature increase, respectively, and F4 and F5 indicate X-ray diffraction spectra at 900 ° C. and 25 ° C. at the time of temperature decrease, respectively. . The reference pattern is the same as in FIG.

この図6から明らかなように、パターンF1〜F3は、LZPrの菱面体晶系パターン(基準パターンLZPr)と略一致しており、パターンF4及びパターンF5でも、LZPrの菱面体晶系パターン(基準パターンLZPr)と略一致している。   As is apparent from FIG. 6, the patterns F1 to F3 substantially coincide with the rhombohedral pattern (reference pattern LZPr) of LZPr, and the rhombohedral pattern (reference) of the patterns F4 and F5 also. The pattern LZPr) is substantially the same.

すなわち、固体電解質材料Fは、室温から焼結温度に至るまで菱面体晶系を維持し、結晶系の転移は生じないことが分かった。   That is, it was found that the solid electrolyte material F maintains the rhombohedral system from room temperature to the sintering temperature, and no crystal system transition occurs.

図7は固体電解質材料Gの各温度におけるX線回折スペクトルを基準パターンと共に示している。横軸は回折角2θ(°)、縦軸はX線強度(a.u.)である。   FIG. 7 shows the X-ray diffraction spectrum of the solid electrolyte material G at each temperature together with a reference pattern. The horizontal axis represents the diffraction angle 2θ (°), and the vertical axis represents the X-ray intensity (au).

図中、G1〜G3はそれぞれ昇温時の25℃、500℃、及び1000℃におけるX線回折スペクトル、G4及びG5はそれぞれ降温時の900℃、及び25℃におけるX線回折スペクトルを示している。尚、基準パターンは、図4と同様である。   In the figure, G1 to G3 indicate X-ray diffraction spectra at 25 ° C., 500 ° C., and 1000 ° C. when the temperature rises, respectively, and G4 and G5 indicate X-ray diffraction spectra at 900 ° C. and 25 ° C. when the temperature decreases, respectively. . The reference pattern is the same as in FIG.

この図7から明らかなように、パターンG1及びパターンG2は、LZPrの三斜晶系パターン(基準パターンLZPt)と略一致しており、昇温時の25℃及び500℃では結晶系は三斜晶系であることが分かった。   As is apparent from FIG. 7, the patterns G1 and G2 substantially coincide with the triclinic pattern of LZPr (reference pattern LZPt), and the crystal system is triclinic at 25 ° C. and 500 ° C. when the temperature is raised. It was found to be crystalline.

また、パターンG3は、三斜晶系パターンに対しX線強度が小さくなり、LZPmの単斜晶系パターン(基準パターンLZPm)と略一致しており、1000℃では結晶系は単斜晶系に転移している。そして、パターンG4及びパターンG5は、LZPrの三斜晶系パターン(基準パターンLZPt)と略一致しており、降温時の900℃及び25℃では結晶系は再び三斜晶系になっている。   Further, the pattern G3 has a lower X-ray intensity than the triclinic pattern and substantially matches the monoclinic pattern (reference pattern LZPm) of LZPm. At 1000 ° C., the crystal system becomes monoclinic. It has metastasized. The patterns G4 and G5 substantially coincide with the triclinic pattern of LZPr (reference pattern LZPt), and the crystal system is again triclinic at 900 ° C. and 25 ° C. when the temperature is lowered.

すなわち、固体電解質材料Fは、室温では三斜晶系であるが、焼結温度に至る過程で単斜晶系に転移し、さらに焼結温度から室温に降温すると可逆的に三斜晶系に戻っていることが分かった。   That is, the solid electrolyte material F is triclinic at room temperature, but transitions to the monoclinic system in the course of reaching the sintering temperature, and reversibly becomes triclinic when the temperature is lowered from the sintering temperature to room temperature. I found it back.

(焼結性の評価)
固体電解質材料A〜Fについて、数式(1)に基づき、焼成前の成形体体積X及び焼成後の焼結体体積Yから焼結前後の体積収縮率ηを求め、焼結性を評価した。
(Sinterability evaluation)
About solid electrolyte material A-F, based on Numerical formula (1), volume shrinkage ratio (eta) before and behind sintering was calculated | required from the molded object volume X before baking, and the sintered compact volume Y after baking, and sinterability was evaluated.

η={(X−Y)/X}×100 …(1)
(イオン伝導性の評価)
Ptをターゲット物質にして固体電解質材料A〜Gの両主面にスパッタリングを行って上下一対の電極を形成した。
η = {(X−Y) / X} × 100 (1)
(Ion conductivity evaluation)
Sputtering was performed on both main surfaces of the solid electrolyte materials A to G using Pt as a target material to form a pair of upper and lower electrodes.

次いで、インピーダンス・アナライザ(ソーラトロン社製、、1255B)を使用し、周波数0.1〜1MHz、100mVの電圧を印加し、室温(25℃)におけるインピーダンスZを測定し、このインピーダンスZからイオン伝導度σを求め、イオン伝導性を評価した。   Then, using an impedance analyzer (Solartron, 1255B), applying a voltage of 0.1 to 1 MHz and a voltage of 100 mV, measuring the impedance Z at room temperature (25 ° C.), and measuring the impedance Z from this impedance Z σ was determined and the ionic conductivity was evaluated.

表1は、固体電解質材料A〜Gの各試料の組成、体積収縮率η、イオン伝導度σ、及び結晶系を示している。   Table 1 shows the composition, volume shrinkage η, ionic conductivity σ, and crystal system of each sample of the solid electrolyte materials A to G.

Figure 0006201569
Figure 0006201569

試料番号Fは、室温から焼成温度に至る温度範囲で固体電解質材料の結晶系が転移しておらず、このため体積収縮率ηが10%と低く、焼結性に劣り、イオン伝導度σも1×10-7S/cmと低く、イオン伝導性に劣ることが分かった。 In Sample No. F, the crystal system of the solid electrolyte material has not changed in the temperature range from room temperature to the firing temperature. Therefore, the volume shrinkage η is as low as 10%, the sinterability is poor, and the ionic conductivity σ is also low. It was found to be as low as 1 × 10 −7 S / cm and poor in ionic conductivity.

試料番号Gは、体積収縮率ηは30%であり、結晶系は焼成温度では焼結性の良好な単斜晶系になっているが、室温ではイオン伝導性に劣る三斜晶系であるため、イオン伝導度σが1.0×10-8S/cmと低くなった。 Sample No. G has a volume shrinkage η of 30%, and the crystal system is a monoclinic system that has good sinterability at the firing temperature, but is triclinic that has poor ion conductivity at room temperature. Therefore, the ionic conductivity σ was as low as 1.0 × 10 −8 S / cm.

これに対し試料番号A〜Eは、室温から焼成温度に至る温度範囲で固体電解質材料の結晶系が、菱面体晶系と単斜晶系との間で可逆的な転移が生じていることから、体積収縮率ηは24〜32%となって良好な焼結性を得ることができ、イオン伝導度σが3.0×10-6〜8×10-6S/cmとイオン伝導度σも大きく、内部抵抗が小さいことが分かった。 In contrast, sample numbers A to E have a reversible transition between the rhombohedral system and the monoclinic system in the crystal system of the solid electrolyte material in the temperature range from room temperature to the firing temperature. The volume shrinkage η is 24 to 32% and good sinterability can be obtained, and the ionic conductivity σ is 3.0 × 10 −6 to 8 × 10 −6 S / cm and the ionic conductivity σ. It was found that the internal resistance was small.

すなわち、室温から焼結温度に至る過程で可逆的な転移が生じることで焼結性が向上し、かつ結晶系が室温で菱面体晶系であるので、イオン伝導度σが大きく内部抵抗を低くすることができることが分かった。   That is, a reversible transition occurs in the process from room temperature to the sintering temperature, so that the sinterability is improved, and since the crystal system is a rhombohedral system at room temperature, the ionic conductivity σ is large and the internal resistance is low. I found out that I can do it.

〔全固体電池の評価〕
(固体電解質層用グリーンシートの作製)
まず、固体電解質材料A〜Gを用意し、さらにバインダ樹脂としてポリビニルアセタール樹脂、有機溶媒としてエタノールを用意した。
[All-solid battery evaluation]
(Preparation of green sheet for solid electrolyte layer)
First, solid electrolyte materials A to G were prepared, polyvinyl acetal resin as a binder resin, and ethanol as an organic solvent.

そして、これら固体電解質材料A〜G、ポリビニルアセタール樹脂及びエタノールが重量比率で固体電解質材料:ポリビニルアセタール樹脂:エタノール=100:15:140となるように秤量した。   Then, these solid electrolyte materials A to G, polyvinyl acetal resin and ethanol were weighed so that solid electrolyte material: polyvinyl acetal resin: ethanol = 100: 15: 140 by weight ratio.

次いで、ポリビニルアセタール樹脂をエタノールに溶解させて有機ビヒクルを作製した後、該有機ビヒクルを上記固体電解質材料及びPSZボールと共にボールミルに投入し、十分に混合し、PSZボールを除去し、試料番号1〜7の固体電解質スラリーを作製した。   Next, after the polyvinyl acetal resin was dissolved in ethanol to prepare an organic vehicle, the organic vehicle was put into a ball mill together with the solid electrolyte material and the PSZ balls, mixed well, and the PSZ balls were removed. 7 solid electrolyte slurry was prepared.

次いで、ドクターブレード法を使用し、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム上に各固体電解質スラリーを塗工し、40℃の温度に加熱したホットプレート上で乾燥し、10μmの厚みとなるように成形加工し、縦:25mm、横:25mmに切断し、これにより試料番号1〜7の固体電解質層用グリーンシートを作製した。   Next, using the doctor blade method, each solid electrolyte slurry was coated on a polyethylene terephthalate (PET) film, dried on a hot plate heated to a temperature of 40 ° C., and molded to a thickness of 10 μm. The sample was cut into length: 25 mm and width: 25 mm, thereby producing solid electrolyte layer green sheets of sample numbers 1 to 7.

(負極層用グリーンシートの作製)
負極活物質としてP0.2Nb1.80、導電剤としてアセチレンブラック、及び固体電解質材料A〜Gを用意した。
(Preparation of negative electrode layer green sheet)
P 0.2 Nb 1.80 O 5 was prepared as a negative electrode active material, acetylene black and solid electrolyte materials A to G were prepared as a conductive agent.

次いで、負極活物質、ポリビニルアセタール樹脂及びエタノールが重量比率で負極材料:ポリビニルアセタール樹脂:エタノール=100:15:140となるように、上述と同様、有機ビヒクルを作製した後、前記負極材料を粉砕媒体及び上記有機ビヒクルと共にポットミルに投入し、十分に混合・粉砕し、試料番号1〜7の負極活物質スラリーを作製した。   Next, an organic vehicle was prepared in the same manner as described above so that the negative electrode active material, polyvinyl acetal resin, and ethanol were in a weight ratio of negative electrode material: polyvinyl acetal resin: ethanol = 100: 15: 140, and then the negative electrode material was pulverized. The medium and the organic vehicle were put together in a pot mill and mixed and pulverized sufficiently to prepare negative electrode active material slurries of sample numbers 1 to 7.

次に、導電剤としてカーボンブラックを用意し、導電剤、ポリビニルアセタール樹脂及びエタノールが重量比率で導電材:ポリビニルアセタール樹脂:エタノール=100:15:140となるように、上述と同様、有機ビヒクルを作製した後、前記負極材料を粉砕媒体及び上記有機ビヒクルと共にポットミルに投入し、十分に混合・粉砕し、導電剤スラリーを作製した。   Next, carbon black is prepared as a conductive agent, and the organic vehicle is prepared in the same manner as described above so that the conductive agent, polyvinyl acetal resin, and ethanol are in a weight ratio of conductive material: polyvinyl acetal resin: ethanol = 100: 15: 140. After the production, the negative electrode material was put into a pot mill together with a grinding medium and the organic vehicle, and sufficiently mixed and ground to prepare a conductive agent slurry.

次に、負極活物質スラリー、上述した試料番号1〜7の固体電解質スラリー、及び導電剤が、重量比率で負極活物質スラリー:固体電解質スラリー:導電剤スラリー=60:35:5となるように、負極活物質スラリー、固体電解質スラリー、導電剤スラリーを秤量し、これら秤量物を粉砕媒体及び上記有機ビヒクルと共にポットミルに投入し、十分に混合・粉砕し、試料番号1〜7の負極スラリーを作製した。   Next, the negative electrode active material slurry, the solid electrolyte slurries of Sample Nos. 1 to 7 described above, and the conductive agent are negative electrode active material slurry: solid electrolyte slurry: conductive agent slurry = 60: 35: 5 by weight ratio. , Negative electrode active material slurry, solid electrolyte slurry, conductive agent slurry are weighed, and these weighed materials are put into a pot mill together with a grinding medium and the above organic vehicle, and sufficiently mixed and pulverized to produce negative electrode slurries of sample numbers 1 to 7 did.

その後は上述と同様のドクターブレード法を使用し、試料番号1〜7の負極スラリーに成形加工を施し、厚みが10μmの試料番号1〜7の負極層用グリーンシートを作製した。   Thereafter, using the same doctor blade method as described above, the negative electrode slurry of Sample Nos. 1 to 7 was subjected to a molding process, and negative electrode layer green sheets of Sample Nos. 1 to 7 having a thickness of 10 μm were produced.

(積層焼結体の作製)
前記固体電解質層用グリーンシート、及び前記負極層用グリーンシートをそれぞれPETフィルムから剥離させ、20枚の固体電解質層用グリーンシートの上に3枚の負極層用グリーンシートを順次積層した。そして、これを60℃に加熱した2枚のステンレス製板で挟持し、98MPa(1000kg/cm)の圧力で熱圧着した後、ポリエチレン製フィルム容器に封入し、180MPaの静水圧で等方圧プレスで加圧し、これにより固体電解質層グリーンシート上に負極層用グリーンシートが積層された試料番号1〜7の積層構造体を作製した。
(Production of laminated sintered body)
The solid electrolyte layer green sheet and the negative electrode layer green sheet were each peeled from the PET film, and three negative electrode layer green sheets were sequentially laminated on the 20 solid electrolyte layer green sheets. This was sandwiched between two stainless steel plates heated to 60 ° C., thermocompression bonded at a pressure of 98 MPa (1000 kg / cm 2 ), sealed in a polyethylene film container, and isotropically pressurized at a hydrostatic pressure of 180 MPa. The laminate structure of sample numbers 1 to 7 in which the green sheet for the negative electrode layer was laminated on the solid electrolyte layer green sheet was produced by pressing with a press.

次いで、この積層構造体を縦10mm、横10mmに切断し、2枚の多孔性セッターで挟持し、0.2MPa(2kg/cm)の圧力で加圧した状態で焼成処理を行った。すなわち、1vol%の酸素を含有した窒素雰囲気中で500℃の温度で脱脂処理を行った後、窒素雰囲気下、1000℃の温度で2時間、焼成処理を行い、これにより試料番号1〜7の積層焼結体を作製した。 Next, this laminated structure was cut into a length of 10 mm and a width of 10 mm, sandwiched between two porous setters, and fired in a state of being pressurized at a pressure of 0.2 MPa (2 kg / cm 2 ). That is, after performing a degreasing process at a temperature of 500 ° C. in a nitrogen atmosphere containing 1 vol% oxygen, a baking process was performed at a temperature of 1000 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere. A laminated sintered body was produced.

(全固体電池の完成)
Ptをターゲット物質として積層焼結体の負極上にスパッタリングを行い、積層焼結体の一方の主面に負極集電体を作製した。
(Completion of all-solid battery)
Sputtering was performed on the negative electrode of the laminated sintered body using Pt as a target material, and a negative electrode current collector was produced on one main surface of the laminated sintered body.

一方、正極層となる金属Liの表面にLiイオンを含有したPMMAからなるゲル電解質を塗布し、ゲル電解質と固体電解質とを接合し、その後直径20mm、厚み3.2mmの電池缶に封入し、これにより試料番号1〜7の全固体電池を作製した。   On the other hand, a gel electrolyte made of PMMA containing Li ions is applied to the surface of the metal Li serving as the positive electrode layer, the gel electrolyte and the solid electrolyte are joined, and then sealed in a battery can having a diameter of 20 mm and a thickness of 3.2 mm. Thus, all solid state batteries of sample numbers 1 to 7 were produced.

(放電容量の評価)
試料番号1〜7の各試料を40μAの定電流で1.4Vの電圧になるまで充電し、5時間保持した後、電圧が一定となるまで数時間放置し、この充放電サイクルを2回繰り返し、第2回目の充放電サイクルが終了した後、放電容量を測定した。
(Evaluation of discharge capacity)
Each sample No. 1-7 is charged with a constant current of 40 μA until it reaches a voltage of 1.4 V, held for 5 hours, then left for several hours until the voltage becomes constant, and this charge / discharge cycle is repeated twice. After the second charge / discharge cycle, the discharge capacity was measured.

表2は、試料番号1〜7の各試料の固体電解質層及び負極層に含有される固体電解質材料、及び放電容量を示している。   Table 2 shows the solid electrolyte materials contained in the solid electrolyte layer and the negative electrode layer of each sample Nos. 1 to 7 and the discharge capacity.

Figure 0006201569
Figure 0006201569

この表2から明らかなように、試料番号6は、固体電解質層及び負極層が、室温及び焼成温度の双方で菱面体晶系であるため、焼結性に劣ることから放電容量は5mAh/gと極端に低くなり、実用的に使用困難であることが分かった。   As is apparent from Table 2, sample No. 6 has a rhombohedral crystal system at both room temperature and firing temperature, so that the discharge capacity is 5 mAh / g. It became extremely low and proved difficult to use practically.

また、試料番号7は、固体電解質層及び負極層が、室温の結晶系がイオン伝導性に劣る三斜晶系であるため、放電容量は2mAh/gと極端に低くなり、実用的に使用困難であることが分かった。   In Sample No. 7, since the solid electrolyte layer and the negative electrode layer are triclinic crystals whose room temperature crystal system is inferior in ionic conductivity, the discharge capacity becomes extremely low at 2 mAh / g, making it difficult to use practically. It turns out that.

これに対し試料番号1〜5は、結晶系は室温で菱面体晶系であり、室温から焼成温度に至る温度範囲で菱面体晶系と単斜晶系との間で可逆的な転移が生じているので、固体電解質材料は、焼結性が良好でかつイオン伝導性が良好であり、その結果、90mAh/g以上の大きな放電容量が得られることが分かった。   In contrast, Sample Nos. 1 to 5 have a rhombohedral system at room temperature, and a reversible transition occurs between the rhombohedral system and the monoclinic system in the temperature range from room temperature to the firing temperature. Therefore, it was found that the solid electrolyte material has good sinterability and good ion conductivity, and as a result, a large discharge capacity of 90 mAh / g or more can be obtained.

中心金属にZrを含有していても良好な焼結性を有し、かつ良好なイオン伝導性を有する固体電解質材料、及びこの固体電解質材料を使用した焼結式の全固体電池を実現する。   A solid electrolyte material having good sinterability and good ionic conductivity even if Zr is contained in the central metal, and a sintered all-solid battery using this solid electrolyte material are realized.

4 固体電解質層
5 正極層
6 負極層
11 正極層
12 ゲル電解質層
15 固体電解質層
16 負極層
4 Solid Electrolyte Layer 5 Positive Electrode Layer 6 Negative Electrode Layer 11 Positive Electrode Layer 12 Gel Electrolyte Layer 15 Solid Electrolyte Layer 16 Negative Electrode Layer

Claims (9)

結晶構造の基本骨格がナシコン型構造を有する固体電解質材料であって、
主成分が、中心金属としてZrを含有する一般式Li Zr (PO (ただし、xは1.1≦x≦2.0)で表され、
室温では菱面体晶系を主体とする第1の結晶系を有すると共に、前記室温から焼成温度に至る温度範囲で、前記第1の結晶系とは異なる第2の結晶系との間で可逆的な転移が生じ、
前記焼成温度で焼結されてなることを特徴とする固体電解質材料。
A solid electrolyte material in which the basic skeleton of the crystal structure has a NASICON structure,
The main component is represented by the general formula Li x Zr 2 (PO 4 ) 3 (where x is 1.1 ≦ x ≦ 2.0) containing Zr as a central metal ,
It has a first crystal system mainly composed of a rhombohedral system at room temperature and is reversible between a second crystal system different from the first crystal system in a temperature range from the room temperature to the firing temperature. Metastasis occurs,
A solid electrolyte material obtained by sintering at the firing temperature.
前記第2の結晶系は、単斜晶系、斜方晶系、及び三斜晶系のうちのいずれか一種以上を含むことを特徴とする請求項1記載の固体電解質材料。   The solid electrolyte material according to claim 1, wherein the second crystal system includes at least one of a monoclinic system, an orthorhombic system, and a triclinic system. 前記第2の結晶系は、前記菱面体晶系との混晶系を含むことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の固体電解質材料。   The solid electrolyte material according to claim 1, wherein the second crystal system includes a mixed crystal system with the rhombohedral system. 前記Liの一部がNa及びKのうちの少なくともいずれか一方で置換されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の固体電解質材料。 The solid electrolyte material according to any one of claims 1 to 3, wherein a part of the Li is substituted with at least one of Na and K. 前記Zrの一部が、Ca、Mg、Ba、Sr、Al、Sc、Y、In、Ti、Ge、Ga、及びHfの中から選択された少なくとも一種の元素Mで置換されていることを特徴とする請求項1乃至請求項のいずれかに記載の固体電解質材料。 A part of the Zr is substituted with at least one element M selected from Ca, Mg, Ba, Sr, Al, Sc, Y, In, Ti, Ge, Ga, and Hf. The solid electrolyte material according to any one of claims 1 to 4 . 固体電解質層の一方の主面に正極層を有し、前記固体電解質層の他方の主面に負極層を有する全固体電池であって、
少なくとも前記固体電解質層が、請求項1乃至請求項のいずれかに記載の固体電解質材料を主成分としていることを特徴とする全固体電池。
An all-solid battery having a positive electrode layer on one main surface of the solid electrolyte layer and a negative electrode layer on the other main surface of the solid electrolyte layer,
An all-solid-state battery characterized in that at least the solid electrolyte layer is composed mainly of the solid electrolyte material according to any one of claims 1 to 5 .
前記固体電解質層と正極層及び負極層のうちの少なくとも一方が焼結により一体的に接合されていることを特徴とする請求項記載の全固体電池。 The all solid state battery according to claim 6 , wherein at least one of the solid electrolyte layer, the positive electrode layer, and the negative electrode layer is integrally joined by sintering. 固体電解質層の一方の主面に正極層を有し、前記固体電解質層の他方の主面に負極層を有する全固体電池であって、
少なくとも前記固体電解質層及び前記負極層が、請求項1乃至請求項のいずれかに記載の固体電解質材料を含有し、かつ少なくとも前記固体電解質層及び前記負極層が焼結により一体的に接合されていることを特徴とする全固体電池。
An all-solid battery having a positive electrode layer on one main surface of the solid electrolyte layer and a negative electrode layer on the other main surface of the solid electrolyte layer,
At least the solid electrolyte layer and the negative electrode layer contain the solid electrolyte material according to any one of claims 1 to 7 , and at least the solid electrolyte layer and the negative electrode layer are integrally joined by sintering. All-solid-state battery characterized by having.
前記固体電解質層と前記正極層との間にゲル電解質層が介在されていることを特徴とする請求項記載の全固体電池。 9. The all solid state battery according to claim 8 , wherein a gel electrolyte layer is interposed between the solid electrolyte layer and the positive electrode layer.
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