JP6272229B2 - Solid electrolyte ceramic materials - Google Patents

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Description

本発明は、リチウムイオン伝導性を有する固体電解質セラミックス材料に関する。   The present invention relates to a solid electrolyte ceramic material having lithium ion conductivity.

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、更にはハイブリッド車、電気自動車等の低公害車(エコカー)等の開発に伴い、それらの電源としての二次電池の需要が急速に拡大している。このような用途に用いられる二次電池においては、液状電解質(電解液)が広く用いられているが、安全性向上の観点から、液状電解質の代わりに固体電解質を用いて全ての電池要素を固体で構成した全固体二次電池等の開発が現在進められている。このような全固体二次電池は、電解質がセラミックス焼結体で構成されるため、発火や漏液の恐れが無い上、腐食による電池性能の劣化等の問題も生じにくいといった利点がある。特に、リチウム金属を電極に用いた全固体リチウム二次電池は、高エネルギー密度を実現しやすい二次電池として期待されている。   In recent years, with the development of portable devices such as personal computers and mobile phones, as well as low-emission vehicles (eco-cars) such as hybrid vehicles and electric vehicles, the demand for secondary batteries as their power source has been rapidly expanding. . In secondary batteries used for such applications, liquid electrolytes (electrolytic solutions) are widely used. From the viewpoint of improving safety, all battery elements are solidified using solid electrolytes instead of liquid electrolytes. Development of all-solid-state secondary batteries composed of is currently underway. Such an all-solid-state secondary battery is advantageous in that since the electrolyte is composed of a ceramic sintered body, there is no risk of ignition or leakage, and problems such as deterioration of battery performance due to corrosion are less likely to occur. In particular, an all-solid lithium secondary battery using lithium metal as an electrode is expected as a secondary battery that easily achieves a high energy density.

二次電池の電池特性の向上には、正負極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重要となる。特に負極材料については、リチウム金属やリチウム合金類の使用が特性向上に大きく寄与することが知られている。しかしながら、リチウム金属を負極に用いると、充放電に伴い負極にデンドライト(樹枝状結晶)が析出して、最悪の場合はセパレータを突き破り、正負極間の短絡を引き起こす。その結果、短絡部に電流集中が起こり発熱することで電池の熱暴走の引き金になるため、安全性の問題が懸念されている。この点、電解質部分が固体電解質で形成される全固体電池は、析出物が固体電解質を突き破ることができないため、安全性がより高いものとして期待されている。   In order to improve the battery characteristics of the secondary battery, it is important to increase the potential difference between the positive and negative electrode materials and to improve the capacity density of each material used for the positive and negative electrodes. Particularly for negative electrode materials, it is known that the use of lithium metal or lithium alloys greatly contributes to the improvement of characteristics. However, when lithium metal is used for the negative electrode, dendrites (dendritic crystals) are deposited on the negative electrode along with charge and discharge, and in the worst case, the separator is broken through, causing a short circuit between the positive and negative electrodes. As a result, current concentration occurs in the short-circuit portion and heat generation triggers thermal runaway of the battery, so there is a concern about safety issues. In this regard, an all-solid battery in which the electrolyte portion is formed of a solid electrolyte is expected to have higher safety because the deposit cannot penetrate the solid electrolyte.

一方で、電気自動車向けなど高容量電池への期待も高く、そのような候補の一つとしてリチウム空気電池が挙げられる。リチウム空気電池は、正極活物質として大気中の酸素を用い、負極活物質をリチウム金属とした、理論上最大容量が期待できる電池である。しかしながら、このような空気電池においても上記デンドライトの問題があり、上記同様、その解決が強く望まれている。   On the other hand, there are high expectations for high-capacity batteries such as those for electric vehicles, and one of such candidates is a lithium air battery. The lithium-air battery is a battery that can be expected to have a theoretical maximum capacity by using atmospheric oxygen as a positive electrode active material and lithium metal as a negative electrode active material. However, such an air battery also has the problem of the dendrite, and as described above, the solution is strongly desired.

固体電解質として、ガーネット型のセラミックス材料が注目されている。例えば、非特許文献1(Ramaswamy Murugan et al., Angew. Chem. Int. Ed.2007, 46, 1-5)には、LiLaZr12(以下、LLZという)が耐リチウム性に優れており、全固体リチウム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ている。As a solid electrolyte, a garnet-type ceramic material has attracted attention. For example, in Non-Patent Document 1 (Ramaswamy Murugan et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 1-5), Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (hereinafter referred to as LLZ) is lithium-resistant. It has been reported that it can be used as a solid electrolyte of an all-solid lithium secondary battery.

また、特許文献1(特表2007−528108号公報)には、L5+x12の組成を有するガーネット型の固体イオン伝導体が開示されている。特許文献2(特開2011−051800号公報)には、LLZの基本元素であるLi,La及びZrに加えてAlを加えることで、緻密性やリチウムイオン伝導率を向上できることが開示されている。特許文献3(特開2011−073962号公報)には、LLZの基本元素であるLi,La及びZrに加えてNb及び/又はTaを加えることで、リチウムイオン伝導率を更に向上できることが開示されている。特許文献4(特開2011−073963号公報)には、Li、La、Zr及びAlを含み、Laに対するLiのモル比を2.0〜2.5とすることで、緻密性を更に向上できることが開示されている。特許文献5(特開2012−031025号公報)には、LiLn(M )O(式中、Lnは、La,Pr,Nd,Sm,Lu,Y,K,Mg,Ba,Ca,Srからなる群より選ばれた1種以上の元素、Mは、Si,Sc,Ti,V,Ga,Ge,Y,Zr,Nb,In,Sb,Te,Hf,Ta,W,Biからなる群より選ばれた1種以上の元素、Mは、Mとは異なる元素であって、Sc,Ti,V,Y,Nb,Hf,Ta,Si,Ga及びGeからなる群より選ばれた1種以上の元素)で表される骨格中にAlを含有するガーネット型リチウムイオン伝導性酸化物が開示されている。非特許文献2(Materials Science and Engineering B 143 (2007) 14-20)にはLiLaBi12が開示されており、粒内のイオン伝導率に関して0.04mS/cmという値が報告されている。しかしながら、これらの固体電解質は伝導率が十分に高いとはいえず、更なる高伝導率化が望まれている。Patent Document 1 (Japanese Patent Publication No. 2007-528108) discloses a garnet-type solid ion conductor having a composition of L 5 + x A y G z M 2 O 12 . Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2011-051800) discloses that the addition of Al in addition to Li, La and Zr, which are basic elements of LLZ, can improve the denseness and lithium ion conductivity. . Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2011-073962) discloses that lithium ion conductivity can be further improved by adding Nb and / or Ta in addition to Li, La, and Zr, which are basic elements of LLZ. ing. Patent Document 4 (Japanese Patent Laid-Open No. 2011-073963) includes Li, La, Zr, and Al, and the density can be further improved by setting the molar ratio of Li to La to 2.0 to 2.5. Is disclosed. Patent Document 5 (Japanese Patent Laid-Open No. 2012-031025) describes Li x Ln 3 (M 1 y M 2 z ) O t (where Ln is La, Pr, Nd, Sm, Lu, Y, K, mg, Ba, Ca, 1 or more elements selected from the group consisting of Sr, M 1 is, Si, Sc, Ti, V , Ga, Ge, Y, Zr, Nb, in, Sb, Te, Hf, One or more elements selected from the group consisting of Ta, W, Bi, M 2 is an element different from M 1, and is Sc, Ti, V, Y, Nb, Hf, Ta, Si, Ga, and A garnet-type lithium ion conductive oxide containing Al in a skeleton represented by one or more elements selected from the group consisting of Ge is disclosed. Non-Patent Document 2 (Materials Science and Engineering B 143 (2007) 14-20) discloses Li 5 La 3 Bi 2 O 12 and reports a value of 0.04 mS / cm for the ionic conductivity in the grains. Has been. However, these solid electrolytes cannot be said to have sufficiently high conductivity, and further higher conductivity is desired.

特表2007−528108号公報Special table 2007-528108 gazette 特開2011−051800号公報JP 2011-051800 A 特開2011−073962号公報JP 2011-073962 A 特開2011−073963号公報JP 2011-073963 A 特開2012−031025号公報JP 2012-031025 A

Ramaswamy Murugan et al., Angew.Chem. Int. Ed.2007, 46, 1-5Ramaswamy Murugan et al., Angew.Chem. Int. Ed.2007, 46, 1-5 Materials Science and Engineering B 143 (2007) 14-20Materials Science and Engineering B 143 (2007) 14-20

本発明者らは、今般、ガーネット型又はガーネット型類似のLLZ系固体電解質セラミックス材料において、少なくともBiを含む置換元素を共存させる組成とすることで、更なる高伝導率化を実現できるとの知見を得た。   The present inventors have recently found that in a garnet-type or garnet-like LLZ-based solid electrolyte ceramic material, a higher conductivity can be realized by using a composition in which a substitution element containing at least Bi coexists. Got.

したがって、本発明の目的は、ガーネット型又はガーネット型類似のLLZ系固体電解質セラミックス材料において、更なる高伝導率化を実現することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to achieve further higher conductivity in a garnet-type or garnet-type-like LLZ-based solid electrolyte ceramic material.

本発明の一態様によれば、リチウムイオン伝導性を有する固体電解質セラミックス材料であって、
前記セラミックス材料が、Li、La、Zr及びOである主要構成元素と、少なくともBiを含む置換元素とを含んでなる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酸化物焼結体からなる、セラミックス材料が提供される。
According to one aspect of the present invention, a solid electrolyte ceramic material having lithium ion conductivity,
Ceramics comprising the ceramic material comprising an oxide sintered body having a garnet-type or garnet-type similar crystal structure containing a main constituent element of Li, La, Zr and O and a substitution element containing at least Bi Material is provided.

固体電解質セラミックス材料
本発明によるセラミックス材料は、リチウムイオン伝導性を有する固体電解質セラミックス材料である。このセラミックス材料は、Li、La、Zr及びOである主要構成元素と、少なくともBiを含む置換元素とを含んでなる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酸化物焼結体からなる。置換元素はTa又はNbを更に含むのが好ましい。典型的には、この結晶構造は、少なくともLi、La、Zr及びOで構成される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)において、Zrのサイトの一部がBi及び所望によりTa又はNbを含む置換元素で置換されたものである。このような置換により、LLZ結晶構造におけるZrのサイトが複数の所定の元素で構成されることになる。本発明者らの今般の知見によれば、Zrのサイトが複数の所定の元素で構成されることで、イオン伝導率を向上させることができる。置換元素によるZrの一部置換量は、Zrサイトを構成する元素の総モル数に対して、5〜30mol%であるのが好ましく、より好ましくは5〜20mol%であり、更に好ましくは10〜20mol%である。このような本発明のセラミックス材料はガーネット型又はガーネット型類似のLLZ系固体電解質セラミックス材料であるということができるが、Li、La、Zr、Bi、Ta、Nb及びO以外の他の元素(例えばAl)を結晶格子又はそれ以外の部分(例えば粒界)に含むものであってよい。なお、所望により存在しうるTa及びNbは、同じ5価の元素としてZrサイトに置換するが、イオン半径が同等であるため、結晶構造の変化、ひいてはイオン伝導率の変化において同等の効果をもたらす。したがって、Bi及びTaの組合せ、Bi及びNbの組合せ、あるいはBi、Ta及びNbの組合せのいずれでZrサイトを置換しても同等の効果を奏する。
Solid electrolyte ceramic material The ceramic material according to the present invention is a solid electrolyte ceramic material having lithium ion conductivity. This ceramic material is made of an oxide sintered body having a garnet-type or garnet-type crystal structure containing a main constituent element such as Li, La, Zr, and O and a substitution element containing at least Bi. The substitution element preferably further contains Ta or Nb. Typically, this crystal structure is a garnet-type or garnet-type crystal structure composed of at least Li, La, Zr and O (hereinafter referred to as LLZ crystal structure), and a part of the Zr site is Bi and It is optionally substituted with a substitution element containing Ta or Nb. By such substitution, the Zr site in the LLZ crystal structure is composed of a plurality of predetermined elements. According to the present knowledge of the present inventors, the ionic conductivity can be improved because the Zr site is composed of a plurality of predetermined elements. The partial substitution amount of Zr by the substitution element is preferably 5 to 30 mol%, more preferably 5 to 20 mol%, still more preferably 10 to 10 mol%, based on the total number of moles of elements constituting the Zr site. 20 mol%. Such a ceramic material of the present invention can be said to be a garnet-type or garnet-type-like LLZ-based solid electrolyte ceramic material, but other elements other than Li, La, Zr, Bi, Ta, Nb and O (for example, Al) may be included in the crystal lattice or other portions (for example, grain boundaries). Although Ta and Nb which may exist if desired are substituted into the Zr site as the same pentavalent element, since the ionic radii are equivalent, the same effect is brought about in the change of the crystal structure and hence the ionic conductivity. . Therefore, even if the Zr site is replaced with any of the combination of Bi and Ta, the combination of Bi and Nb, or the combination of Bi, Ta and Nb, the same effect can be obtained.

本発明のセラミックス材料は、ガーネット型又はガーネット型類似のLLZ系固体電解質セラミックス材料である。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、CSD(Cambridge Structural Database)のX線回折ファイルNo.422259(LiLaZr12)に類似のXRDパターンを有する点が挙げられる。なお、No.422259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。The ceramic material of the present invention is a garnet-type or garnet-type similar LLZ-based solid electrolyte ceramic material. As a feature of the LLZ crystal structure, as an example of a material having the same garnet crystal structure, an X-ray diffraction file No. of CSD (Cambridge Structural Database) is used. It includes that it has a similar XRD pattern to 422259 (Li 7 La 3 Zr 2 O 12). In addition, No. Compared to 422259, 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.

主要構成元素及び置換元素の各含有量は、LLZ結晶構造が得られている限り特に限定されない。本発明のセラミックス材料におけるLi:La:(Zr+Bi+Ta+Nb)の各モル比は、非特許文献1に記載のLiLaZr12における各元素のモル比であるLi:La:Zr=7:3:2とは必ずしも一致せず、むしろそれよりもずれる傾向がある。The contents of the main constituent element and the substitution element are not particularly limited as long as the LLZ crystal structure is obtained. Each molar ratio of Li: La: (Zr + Bi + Ta + Nb) in the ceramic material of the present invention is a molar ratio of each element in Li 7 La 3 Zr 2 O 12 described in Non-Patent Document 1, Li: La: Zr = 7: It does not necessarily match 3: 2, but rather tends to deviate.

本発明のセラミックス材料におけるガーネット型又はガーネット型類似の結晶構造は、一般式:
Li7−x−yLa(Zr2−x−y,M,Bi)O12−δ
(式中、0≦x<0.6、0.03≦y≦0.6(例えば0.05≦y≦0.6)、0.1≦x+y≦0.6であり、MはTa又はNbを含み、δは酸素欠損量を示すが0でありうる)
で表される組成を含むのが好ましく、より好ましくは0≦x<0.4、0.05≦y≦0.4、0.1≦x+y≦0.4であり、更に好ましくは0<x<0.4、0.1≦y≦0.4、0.1≦x+y≦0.4であり、特に好ましくは0.1≦x<0.4、0.1≦y≦0.4、0.2≦x+y≦0.4である。このような範囲であるとイオン伝導率が特に向上する。なお、最新の装置を用いても酸素欠損量(δ)を定量分析できない実情に照らして、上記一般式は慣習上Li7−x−yLa(Zr2−x−y,M,Bi)O12と略記されてもよいものである。いずれにせよ0≦δ<1であれば問題無いものと考えられる。また、上記一般式は主要構成元素及び置換元素の組成比を規定するものであって、それ以外の他の元素(例えばAlやMg)の結晶格子又はそれ以外の部分(例えば粒界)での含有の可能性を何ら排除するものではない。
The garnet-type or garnet-like crystal structure in the ceramic material of the present invention has the general formula:
Li 7-xy La 3 (Zr 2 -xy , M x , Bi y ) O 12-δ
(Where 0 ≦ x <0.6, 0.03 ≦ y ≦ 0.6 (eg, 0.05 ≦ y ≦ 0.6), 0.1 ≦ x + y ≦ 0.6, and M is Ta or Nb is included, and δ represents the amount of oxygen deficiency but may be 0)
Is preferably included, more preferably 0 ≦ x <0.4, 0.05 ≦ y ≦ 0.4, 0.1 ≦ x + y ≦ 0.4, and further preferably 0 <x. <0.4, 0.1 ≦ y ≦ 0.4, 0.1 ≦ x + y ≦ 0.4, particularly preferably 0.1 ≦ x <0.4, 0.1 ≦ y ≦ 0.4, 0.2 ≦ x + y ≦ 0.4. In such a range, the ionic conductivity is particularly improved. In light of the fact that the amount of oxygen deficiency (δ) cannot be quantitatively analyzed using the latest apparatus, the above general formula is conventionally Li 7-xy La 3 (Zr 2-xy , M x , Bi is abbreviated y) O 12 it is permissible. In any case, it is considered that there is no problem if 0 ≦ δ <1. Further, the above general formula defines the composition ratio of the main constituent element and the substitution element, and the crystal lattice of other elements (for example, Al and Mg) or other parts (for example, grain boundaries). This does not exclude the possibility of inclusion.

酸化物焼結体は、焼結助剤用の添加元素としてAlを含むのが好ましい。Alは、LLZ結晶構造を有するセラミックス材料をハンドリング可能な緻密性の高い焼結体ペレットとして得る上で有効な元素であり、リチウムイオン伝導率も向上させる。Alの存在形態は特に限定されず、LLZ結晶構造を確認できるかぎり、Alは結晶格子に存在してもよいし、結晶格子以外に存在してもよい。Alの存在は、例えば、ICP(高周波誘導結合プラズマ)発光分光分析やEPMA(電子線マイクロアナライザ)等により検出することができ、また、その含有量を決定することができる。Alの添加量は、LLZ系固体電解質セラミックス材料の基本特性を損なうことなく密度及びリチウムイオン伝導率を改善できる量とすればよく特に限定されるものではないが、最終的に得られるLLZ−Al系セラミックス粉末や焼結体ペレットの全重量に対して、0.01〜1質量%とするのが好ましく、より好ましくは0.05質量%以上である。このような量でアルミニウムが含有されているとき、改善された密度及びリチウムイオン伝導率が得られる。また、Al含有量は2質量%を大きく超えると粒成長が著しくなり気孔が残留して密度が低下し、結果的にリチウムイオン伝導率が低下する傾向にあり、好ましくは1.2質量%以下である。   The oxide sintered body preferably contains Al as an additive element for the sintering aid. Al is an element effective in obtaining a highly compact sintered pellet capable of handling a ceramic material having an LLZ crystal structure, and also improves lithium ion conductivity. The form of Al is not particularly limited. As long as the LLZ crystal structure can be confirmed, Al may exist in the crystal lattice or may exist in other than the crystal lattice. The presence of Al can be detected by, for example, ICP (high frequency inductively coupled plasma) emission spectroscopic analysis, EPMA (electron beam microanalyzer) or the like, and the content thereof can be determined. The amount of Al added is not particularly limited as long as it is an amount that can improve the density and lithium ion conductivity without impairing the basic properties of the LLZ-based solid electrolyte ceramic material, but is finally limited to LLZ-Al It is preferable to set it as 0.01-1 mass% with respect to the total weight of a system ceramic powder or a sintered compact pellet, More preferably, it is 0.05 mass% or more. When aluminum is contained in such amounts, improved density and lithium ion conductivity are obtained. On the other hand, when the Al content exceeds 2% by mass, grain growth becomes remarkable and pores remain, resulting in a decrease in density, resulting in a decrease in lithium ion conductivity, preferably 1.2% by mass or less. It is.

酸化物焼結体は、添加元素としてMgを更に含んでもよい。Mgは、好ましくはAlと共に添加されることで、焼成ムラ、クラック、空孔等の欠陥、異常粒成長等の発生を抑制又は回避して、密度及び強度を向上させる元素である。Mgの存在形態は特に限定されず、LLZ結晶構造を確認できるかぎり、Mgは結晶格子に存在してもよいし、結晶格子以外に存在してもよい。Mgの存在は、例えば、ICP(高周波誘導結合プラズマ)発光分光分析やEPMA(電子線マイクロアナライザ)等により検出することができ、また、その含有量を決定することができる。Mgの添加量は、LLZ系固体電解質セラミックス材料の基本特性を損なうことなく密度及び強度を改善できる量とすればよく特に限定されるものではないが、酸化物焼結体の総重量に対して、0.01質量%以上マグネシウムが含有されているとき、改善された密度及びリチウムイオン伝導率が得られる。また、置換元素以外の添加元素としてのMg含有量は1質量%を大きく超えるとリチウムイオン伝導率が低下する傾向にあり、好ましくは0.50質量%以下である。より好ましいMg含有量は0.05〜0.30質量%である。   The oxide sintered body may further contain Mg as an additive element. Mg is an element that improves density and strength, preferably by adding together with Al to suppress or avoid the occurrence of defects such as uneven firing, cracks, vacancies, and abnormal grain growth. The form of Mg is not particularly limited. As long as the LLZ crystal structure can be confirmed, Mg may exist in the crystal lattice or may exist in other than the crystal lattice. The presence of Mg can be detected by, for example, ICP (high frequency inductively coupled plasma) emission spectroscopic analysis, EPMA (electron beam microanalyzer) or the like, and the content thereof can be determined. The amount of Mg added is not particularly limited as long as it is an amount that can improve the density and strength without impairing the basic characteristics of the LLZ-based solid electrolyte ceramic material, but is not limited to the total weight of the oxide sintered body. When 0.01% by mass or more of magnesium is contained, improved density and lithium ion conductivity are obtained. Further, when the Mg content as an additive element other than the substitution element greatly exceeds 1% by mass, the lithium ion conductivity tends to decrease, and is preferably 0.50% by mass or less. A more preferable Mg content is 0.05 to 0.30 mass%.

本発明の特に好ましい態様によれば、この酸化物焼結体は、添加元素としてAl及びMgの両方を含んでなる。このようにAl及びMgを複合添加することにより、焼成ムラ、クラック、空孔等の欠陥、異常粒成長等の発生を抑制又は回避して、高密度及び高強度を実現することができる。その意味で、Al及びMgは焼結助剤及び/又は粒子成長抑制剤として添加されているといえる。ガーネット型又はガーネット型類似のLLZ系固体電解質セラミックス材料を実用化に向けて大型化しようすると、焼成ムラ、クラック、空孔等の欠陥、異常粒成長等が発生して、緻密性や強度が低下しやすくなるとの問題があったが、Al及びMgの複合添加によってこのような問題が解消される。したがって、本発明のセラミックス材料は、実験室レベルの小型のものに留まらず、実用化ないし量産化に適した大型のものであっても、焼成ムラ、クラック、空孔等の欠陥、異常粒成長等を低減又は回避して、高密度及び高強度を実現することができる。本発明のセラミックス材料は、焼結体サイズとして20mm×20mmを超える大きさを有するものが好ましく、より好ましくは25mm×25mmを超える大きさであり、更に好ましくは50mm×50mmを超える大きさである。また、本発明のセラミックス材料の厚さは電池適用時の内部抵抗低減の観点から、1mm以下が好ましく、より好ましくは0.5mm以下であり、更に好ましくは0.2mm以下である。   According to a particularly preferred embodiment of the present invention, the oxide sintered body comprises both Al and Mg as additive elements. Thus, by adding Al and Mg in combination, generation of defects such as uneven firing, cracks, vacancies, abnormal grain growth and the like can be suppressed or avoided, and high density and high strength can be realized. In that sense, it can be said that Al and Mg are added as a sintering aid and / or a particle growth inhibitor. When a garnet-type or garnet-like LLZ-based solid electrolyte ceramic material is increased in size for practical use, defects such as uneven firing, cracks, vacancies, abnormal grain growth, etc. occur, resulting in a decrease in denseness and strength. However, such a problem is solved by the combined addition of Al and Mg. Therefore, the ceramic material of the present invention is not limited to a laboratory-sized small material, and even if it is a large material suitable for practical use or mass production, defects such as uneven firing, cracks, voids, and abnormal grain growth Etc. can be reduced or avoided to achieve high density and high strength. The ceramic material of the present invention preferably has a sintered body size of more than 20 mm × 20 mm, more preferably more than 25 mm × 25 mm, and still more preferably more than 50 mm × 50 mm. . The thickness of the ceramic material of the present invention is preferably 1 mm or less, more preferably 0.5 mm or less, and further preferably 0.2 mm or less, from the viewpoint of reducing internal resistance when the battery is applied.

本発明のセラミックス材料は、4.8g/cm以上の密度を有するのが好ましく、より好ましくは5.0g/cm以上であり、更に好ましくは5.1g/cm以上である。特に5.0g/cm以上の密度であると、ハンドリング性が良好でかつ良好なリチウムイオン伝導率を得ることができる上に、薄板化した場合でも空孔等の欠陥に起因する貫通孔の生成が抑制でき、リチウムデンドライト短絡の抑制に効果的である。セラミックス材料の密度は、例えば、ペレットの重量と体積を測定し算出することができる。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を数箇所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複数箇所測定して平均値として、これらの数値から体積を算出して、それぞれの値から密度を測定する方法又はそれと同等又はそれ以上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。また、本発明のセラミックス材料は、JIS R1601(2008)に準拠して測定される4点曲げ強度が70MPa以上であるのが好ましく、より好ましくは100MPa以上である。The ceramic material of the present invention preferably has a density of 4.8 g / cm 3 or more, more preferably 5.0 g / cm 3 or more, and still more preferably 5.1 g / cm 3 or more. In particular, when the density is 5.0 g / cm 3 or more, the handling property is good and good lithium ion conductivity can be obtained, and even when the plate is thinned, the through holes caused by defects such as vacancies can be obtained. Generation can be suppressed, and it is effective for suppressing lithium dendrite short-circuiting. The density of the ceramic material can be 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, the diameter of the pellet was measured several times with a micrometer to obtain an average value, and the thickness was also measured with a micrometer at several places as an average value. It is preferable that the volume is calculated from a numerical value, and the density is measured from each value or measured by a method that can obtain an accuracy and accuracy equivalent to or higher than that. The ceramic material of the present invention preferably has a 4-point bending strength measured in accordance with JIS R1601 (2008) of 70 MPa or more, more preferably 100 MPa or more.

本発明のセラミックス材料のリチウムイオン伝導率は、0.70mS/cm以上であることが好ましく、より好ましくは0.80mS/cm以上、より好ましくは0.880mS/cm以上であり、更に好ましくは0.890mS/cm以上である。リチウムイオン伝導率は、例えば、交流インピーダンス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 lithium ion conductivity of the ceramic material of the present invention is preferably 0.70 mS / cm or more, more preferably 0.80 mS / cm or more, more preferably 0.880 mS / cm or more, and still more preferably 0. 890 mS / cm or more. The lithium ion conductivity is preferably measured by, for example, an AC impedance method or a method that can obtain the same accuracy and accuracy.

本発明のセラミックス材料は、その伝導率や緻密性を利用して各種用途の固体電解質材料として用いられるものである。例えば、リチウム二次電池等のリチウム電池や、SOx、NOx、炭酸ガス及び酸素等の各種ガスセンサ材料に用いることができるが、全固体リチウム二次電池の固体電解質として用いるのが特に好ましい。例えば、電解液を用いる通常のリチウムイオン二次電池のセパレータ部分に本発明によるセラミックス材料を重ねる又は置換することで、正極側と負極側の電解液を完全に分離することができる。また、正極に硫黄を用いる電池(例えば負極リチウムとの組合せによるLiS電池)においても、セパレータの少なくとも一部を本発明によるセラミックス材料で置換して正負極の電解液を完全に分離することで、正極多硫化物の電解液への溶出に起因する電池容量低下を回避又は抑制することができる。さらに、リチウム空気電池等の空気二次電池においても、液状電解質の少なくとも一部を本発明によるセラミックス材料で置換することで、有機電解液の使用を回避又は抑制でき、電池構造を簡素化すると同時に有機電解液に起因する副反応を抑制することが可能となる。   The ceramic material of the present invention is used as a solid electrolyte material for various applications by utilizing its conductivity and denseness. For example, it can be used for a lithium battery such as a lithium secondary battery and various gas sensor materials such as SOx, NOx, carbon dioxide gas and oxygen, but is particularly preferably used as a solid electrolyte of an all-solid lithium secondary battery. For example, the electrolyte solution on the positive electrode side and the negative electrode side can be completely separated by overlaying or replacing the ceramic material according to the present invention on the separator portion of a normal lithium ion secondary battery using the electrolyte solution. In addition, even in a battery using sulfur as a positive electrode (for example, a LiS battery in combination with negative electrode lithium), at least a part of the separator is replaced with the ceramic material according to the present invention to completely separate the positive and negative electrode electrolytes, Battery capacity reduction due to elution of the positive electrode polysulfide into the electrolyte can be avoided or suppressed. Furthermore, even in an air secondary battery such as a lithium-air battery, the use of an organic electrolyte can be avoided or suppressed by replacing at least a part of the liquid electrolyte with the ceramic material according to the present invention, and at the same time the battery structure is simplified. It is possible to suppress side reactions caused by the organic electrolyte.

このように、本発明で対象とするセラミックス材料の適用が想定される電池には、リチウム金属を負極に用いることを想定したリチウム空気電池やリチウム硫黄電池をはじめ、全固体電池や現状のリチウムイオン電池に至るまで様々な電池が挙げられ、これらを本明細書ではリチウム電池と総称する。これらの電池のいずれにおいても、デンドライト短絡を本質的に防止する手段として、セラミックス製の緻密な固体電解質を正負極間の隔壁として用いる方法が有効と考えられる。この点、過去において、リチウム金属を負極に用いた二次電池では、デンドライト(樹脂状結晶)析出物による正負極の短絡事故が多発していた。デンドライト短絡が起こると、その短絡部に電流集中して過剰発熱を起こし電池の熱暴走を誘発して発熱・発火する事故に発展したため、現在ではリチウム金属を負極に用いた電池は一次電池用以外では使われていない。このような現状において、本発明で対象とするセラミックス材料には、このデンドライト短絡を本質的に防止して、上記各種の電池を二次電池として利用可能にできるとの利点がある。従って、本発明の好ましい態様によれば、正極と、負極と、正極及び負極の間に設けられるセラミックス材料からなる固体電解質とを備えたリチウム電池、特に好ましくはリチウム二次電池が提供され、負極は好ましくはリチウム金属又はリチウム合金からなる。   As described above, batteries that are expected to be applied with the ceramic material targeted by the present invention include all-solid-state batteries and current lithium ions, including lithium-air batteries and lithium-sulfur batteries that are assumed to use lithium metal for the negative electrode. Various types of batteries can be mentioned up to the battery, and these are collectively referred to as a lithium battery in this specification. In any of these batteries, as a means for essentially preventing a dendrite short circuit, it is considered effective to use a dense solid electrolyte made of ceramics as a partition between positive and negative electrodes. In this regard, in the past, secondary batteries using lithium metal as the negative electrode have frequently suffered short-circuit accidents between the positive and negative electrodes due to dendrite (resin-like crystal) precipitates. When a dendrite short-circuit occurs, current has concentrated in the short-circuited part, causing excessive heat generation, leading to a thermal runaway of the battery, resulting in an accident that generates heat and ignites.Currently, batteries using lithium metal as the negative electrode are not for primary batteries In not used. Under such circumstances, the ceramic material which is the subject of the present invention has an advantage that the various types of batteries can be used as secondary batteries by essentially preventing this dendrite short circuit. Therefore, according to a preferred aspect of the present invention, there is provided a lithium battery, particularly preferably a lithium secondary battery, comprising a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte made of a ceramic material provided between the positive electrode and the negative electrode. Is preferably made of lithium metal or a lithium alloy.

製造方法
上述したような本発明による固体電解質セラミックス材料は、次のような手順で製造することができる。まず、ガーネット型又はガーネット型類似の結晶構造を与えることが可能な配合比でLi、La及びZrである主要構成元素と、Bi及び所望によりTa又はNbを含む置換元素と含む原料粉末を用意する。次いで、原料粉末を一段階又は多段階で焼成して、置換元素で部分置換された主要構成元素で構成される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酸化物焼結体をセラミックス材料として合成する。そして、原料粉末を用意する工程及び/又は合成工程において所望により添加元素としてAl及び/又はMgを添加する。以下、これらの工程について具体的に説明する。
Manufacturing Method The solid electrolyte ceramic material according to the present invention as described above can be manufactured by the following procedure. First, a raw material powder is prepared that includes main constituent elements that are Li, La, and Zr in a mixing ratio capable of giving a garnet-type or garnet-like crystal structure, and a substitution element that contains Bi and optionally Ta or Nb. . Next, the raw material powder is fired in one step or in multiple steps, and an oxide sintered body having a garnet-type or garnet-type similar crystal structure composed of the main constituent elements partially substituted with substitution elements is synthesized as a ceramic material. To do. Then, Al and / or Mg is added as an additional element as desired in the step of preparing the raw material powder and / or the synthesis step. Hereinafter, these steps will be specifically described.

(1)原料粉末の用意
まず、ガーネット型又はガーネット型類似の結晶構造を与えることが可能な配合比で主要構成元素Li,La及びZr、置換元素Bi及び所望によりTa又はNb、並びに所望により添加元素としてのAl及び/又はMgを含む原料粉末、すなわち焼成用原料の粉砕粉を用意する。これらの構成金属元素は、Li成分、La成分、Zr成分、Bi成分、所望によりTa成分又はNb成分、並びに所望によりAl成分及び/又はMg成分として焼成用原料に含有されていればよい。本発明のセラミックス材料はOを含有するが、Oはこれらの構成金属元素の化合物中に構成元素として含まれるものであってよい。これらの各種原料成分は、それぞれの金属元素を含む金属酸化物、金属水酸化物、金属炭酸塩等の各種金属塩等の任意の形態であることができ、特に限定されない。例えば、Li成分としてはLiCO又はLiOHを用い、La成分としてはLa(OH)又はLaを用い、Zr成分としてはZrOを用い、Bi成分としてはBiを用い、Ta成分としてはTaを用い、Nb成分としてはNbを用いることができる。
(1) Preparation of raw material powder First, the main constituent elements Li, La and Zr, substitution element Bi, and optionally Ta or Nb, and optionally added at a blending ratio capable of giving a garnet-type or garnet-like crystal structure. A raw material powder containing Al and / or Mg as an element, that is, a pulverized powder of a raw material for firing is prepared. These constituent metal elements may be contained in the firing raw material as a Li component, a La component, a Zr component, a Bi component, a Ta component or Nb component as required, and an Al component and / or Mg component as desired. Although the ceramic material of the present invention contains O, O may be contained as a constituent element in a compound of these constituent metal elements. These various raw material components can be in any form such as various metal salts such as metal oxides, metal hydroxides, and metal carbonates containing the respective metal elements, and are not particularly limited. For example, Li 2 CO 3 or LiOH is used as the Li component, La (OH) 3 or La 2 O 3 is used as the La component, ZrO 2 is used as the Zr component, and Bi 2 O 3 is used as the Bi component. It is possible to use Ta 2 O 5 as the Ta component and Nb 2 O 5 as the Nb component.

原料粉末は、固相反応等によりLLZ結晶構造が得られる程度に、主要構成元素Li,La、Zr及び置換元素を含むことができる。Li成分、La成分、及びZr成分+置換元素成分(すなわちBi成分及び所望によりTa成分又はNb成分)は、LLZの化学量論組成に従えば、7:3:2あるいは組成比に近似した組成で用いることができる。熱処理時におけるLiの揮発等によるLi成分の消失を考慮する場合には、Li成分は、LLZにおけるLiの化学量論に基づくモル比相当量よりも若干(例えば約10%)増量した量を含み、La成分及びZr成分は、それぞれLLZモル比に相当する量となるように含有することができる。例えば、Li:La:(Zr+Bi+Ta+Nb)のモル比が7.7:3:2となるように配合することができる。   The raw material powder can contain main constituent elements Li, La, Zr and a substitution element to such an extent that an LLZ crystal structure can be obtained by solid phase reaction or the like. Li component, La component, and Zr component + substitution element component (ie Bi component and optionally Ta component or Nb component) are 7: 3: 2 or a composition close to the composition ratio according to the stoichiometric composition of LLZ. Can be used. When considering the disappearance of the Li component due to the volatilization of Li during heat treatment, the Li component includes an amount slightly increased (for example, about 10%) from the molar ratio equivalent amount based on the stoichiometry of Li in LLZ. The La component and the Zr component can be contained in amounts corresponding to the LLZ molar ratio, respectively. For example, it can mix | blend so that the molar ratio of Li: La: (Zr + Bi + Ta + Nb) may be 7.7: 3: 2.

Bi成分、Ta成分及びNb成分は、それぞれの金属成分を含む、金属酸化物、金属水酸化物、金属炭酸塩等の任意の形態であることができ、特に限定されない。Bi成分の例としては、酸化ビスマス(Bi)、次硝酸ビスマス(BiO(OH)(NO)、炭酸酸化ビスマス(Bi(CO)O)、水酸化ビスマス(Bi(OH))等が挙げられる。Nb成分の例としては、Nb、NbCl、Nb、プロポキシニオブ等を含んだニオブアルコキシド等が挙げられる。Ta成分の例としては、Ta、TaCl、Ta、タンタルエトキシド等を含んだタンタルアルコキシド等が挙げられる。The Bi component, the Ta component, and the Nb component can be in any form such as a metal oxide, a metal hydroxide, and a metal carbonate containing the respective metal components, and are not particularly limited. Examples of Bi components include bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), bismuth hyponitrite (Bi 5 O (OH) 9 (NO 3 ) 4 ), bismuth carbonate oxide (Bi 2 (CO 3 ) O 2 ), hydroxide Bismuth (Bi (OH) 3 ) etc. are mentioned. Examples of the Nb component include niobium alkoxide containing Nb 2 O 5 , NbCl 5 , Nb, propoxyniobium and the like. Examples of the Ta component include Ta 2 O 5 , TaCl 5 , Ta, tantalum alkoxide containing tantalum ethoxide, and the like.

Alの添加を原料粉末の用意の際に行ってもよい。すなわち、原料粉末にAl含有粉末を含有させることができる。Al成分は、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、金属単体等の任意の形態であることができ、特に限定されない。Al成分の例としては、Al、Al(NO・9HO、Al(OH)、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、硫酸アルミニウム、ヨウ化アルミニウムなどが挙げられる。Alの添加は、酸化物焼結体がAlを0.01〜1質量%の量で含むように行われるのが好ましく、より好ましくは0.05〜1.2質量%である。この場合、酸化物焼結体におけるAl/Laのモル比が0.008以上0.12以下であるのが好ましく、より好ましくは0.10以下である。Al may be added when preparing the raw material powder. That is, the raw material powder can contain Al-containing powder. The Al component can be in any form such as a metal oxide containing Al, a metal hydroxide, a metal nitrate, a metal organic substance, or a simple metal, and is not particularly limited. Examples of Al component, 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, tri Examples include isobutylaluminum, aluminum sulfate, and aluminum iodide. The addition of Al is preferably performed so that the oxide sintered body contains Al in an amount of 0.01 to 1% by mass, and more preferably 0.05 to 1.2% by mass. In this case, the molar ratio of Al / La in the oxide sintered body is preferably 0.008 or more and 0.12 or less, more preferably 0.10 or less.

Mgの添加を原料粉末の用意の際に行ってもよい。すなわち、原料粉末にはMg含有粉末を含有させることができる。Mg成分は、Mgを含む金属酸化物、金属水酸化物、金属硝酸塩、金属有機物、金属単体等の任意の形態であることができ、特に限定されない。Mg成分の例としては、MgO、MgO、Mg(OH)、MgCl、MgBr、MgI、MgH、MgB、Mg、MgCO、Mg(NO、MgClO、Mg(CHCOO)、C1410MgO、Mg(CH(CH16COO)などが挙げられる。Mgの添加は、酸化物焼結体がMgを0.01〜1質量%の量で含むように行われるのが好ましく、より好ましくは0.05〜0.30質量%である。Mg may be added when preparing the raw material powder. That is, the raw material powder can contain Mg-containing powder. The Mg component can be in any form such as a metal oxide containing Mg, a metal hydroxide, a metal nitrate, a metal organic substance, or a simple metal, and is not particularly limited. Examples of Mg component, MgO, MgO 2, Mg ( OH) 2, MgCl 2, MgBr 2, MgI 2, MgH 2, MgB 2, Mg 3 N 2, MgCO 3, Mg (NO 3) 2, MgClO 4 Mg (CH 3 COO) 2 , C 14 H 10 MgO 4 , Mg (CH 3 (CH 2 ) 16 COO) 2 and the like. Mg is preferably added so that the oxide sintered body contains Mg in an amount of 0.01 to 1% by mass, and more preferably 0.05 to 0.30% by mass.

上記各成分は、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ることなく使用可能であるが、好ましくは純度95%以上のものであり、より好ましくは純度98%以上のものである。また、各成分における水分は1%以下であることが好ましく、必要に応じて乾燥を行ってもよい。   Each of the above components can be used without particular limitation as long as it is industrially produced and available, but preferably has a purity of 95% or more, and more preferably has a purity of 98% or more. It is. Moreover, it is preferable that the water | moisture content in each component is 1% or less, and you may dry as needed.

焼成用原料の調製においては、公知のセラミックス粉末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焼成用原料を均一に混合することができる。このような焼成用原料の調製条件は、後続の合成工程に応じて適宜決定されるものである。すなわち、本発明のセラミックス材料に必要な全ての原料成分を含んだ焼成用原料を一度に調製してもよいし、あるいは、原料成分の一部(例えば、Li成分、La成分、Zr成分、Bi成分、Ta成分、Nb成分、Al成分及びMg成分のうちの一部の成分又は部分量)を含む焼成用原料をまず調製しておき、合成工程の直前でこの焼成用原料の焼成粉末(仮焼粉末)に、残余の成分や残余の量(例えばAl成分及び/又はMg成分の全量又はその一部等)を添加して最終的な焼成用原料を得てもよい。   In the preparation of the raw material for firing, a known raw material powder preparation method in ceramic powder synthesis can be appropriately employed. For example, the raw materials for firing can be uniformly mixed by putting them into a reiki machine or an appropriate ball mill. The preparation conditions of such a raw material for firing are appropriately determined according to the subsequent synthesis step. That is, a raw material for firing containing all the raw material components necessary for the ceramic material of the present invention may be prepared at once, or a part of the raw material components (for example, Li component, La component, Zr component, Bi) First, a raw material for firing containing a component, Ta component, Nb component, Al component, and Mg component) is prepared, and the fired powder (temporary) of the raw material for firing is prepared immediately before the synthesis step. The final component for firing may be obtained by adding the remaining components and the remaining amount (for example, the total amount of Al component and / or Mg component or a part thereof) to (baked powder).

(2)合成工程
原料粉末は一段階又は多段階で焼成されて、少なくともLi、La、Zr、Bi及びOで構成される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酸化物焼結体がセラミックス材料として合成される。そして、この合成工程においてAl及び/又はMgが添加されてもよい。
(2) Synthesis process The raw material powder is fired in one or multiple stages, and an oxide sintered body having a garnet-type or garnet-like crystal structure composed of at least Li, La, Zr, Bi, and O is a ceramic. Synthesized as a material. In this synthesis step, Al and / or Mg may be added.

この合成工程の少なくとも一つの段階において、原料粉末が充填されたMg含有材料製の焼成用容器(以下、焼成サヤという)中で焼成を行って、この容器からMgを拡散させることによりMgの添加が行われるのが特に好ましい。これにより組成ムラの発生を効果的に抑制して、焼成ムラ、クラック、空孔等の欠陥、異常粒成長等をより効果的に防止することができる。Mg含有材料は焼成に伴いMgを焼結体中に拡散可能に含有する材料であれば特に限定されないが、MgOであるのが好ましい。もっとも、前述したように原料粉末にMg含有粉末を添加させた場合においてはMg含有材料製の焼成サヤの使用は必須ではなく、その場合は、アルミナ製等の他の材質の焼成サヤを使用してもよい。また、焼成サヤからMgを拡散させる態様においても、原料粉末へのMg含有粉末の添加を併せて行ってもよい。いずれにしても、置換元素以外の添加元素としてのMgの添加は、酸化物焼結体がMgを0.01〜1質量%の量で含むように行われるのが好ましく、より好ましくは0.05〜0.30質量%である。   In at least one stage of this synthesis process, firing is performed in a firing container made of an Mg-containing material (hereinafter referred to as a firing sheath) filled with raw material powder, and Mg is diffused from this container to add Mg. It is particularly preferred that Thereby, the occurrence of uneven composition can be effectively suppressed, and defects such as uneven firing, cracks, vacancies, abnormal grain growth, and the like can be more effectively prevented. The Mg-containing material is not particularly limited as long as it is a material that contains Mg so that it can diffuse into the sintered body as it is fired, but MgO is preferred. However, as described above, when Mg-containing powder is added to the raw material powder, it is not essential to use a fired sheath made of Mg-containing material. In that case, a fired sheath made of other materials such as alumina is used. May be. Further, in the aspect in which Mg is diffused from the fired sheath, addition of the Mg-containing powder to the raw material powder may also be performed. In any case, the addition of Mg as an additional element other than the substitution element is preferably performed so that the oxide sintered body contains Mg in an amount of 0.01 to 1% by mass, and more preferably, 0.8%. It is 05-0.30 mass%.

合成工程における焼成雰囲気は、酸素を含む酸化雰囲気又はArなどの不活性ガスからなる不活性雰囲気であってもよく、特に限定されない。不活性ガス雰囲気中でセラミックス材料の合成を行うことで、より高い密度が得られやすくなるとともに、焼成用原料における(合成時に損失しにくい元素である)Laに対する(合成時に損失しやすい元素である)Liのモル数の比が焼結体においても保持されやすくなる。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O成分を含有する粉末となっていることが好ましい。また、酸化雰囲気中でセラミックス材料の合成を行った場合でも、高い密度及びイオン伝導率を実現できる。したがって、後述する第一の焼成工程と第二の焼成工程とでは、第二の焼成工程を不活性ガス雰囲気又は酸化雰囲気中で行うことが好ましい。不活性ガス種の例としては、ヘリウム(He)、アルゴン(Ar)、窒素(N)、から選択される1種又は2種以上が挙げられ、好ましくはArである。合成のための焼成温度は、特に限定されないが、800℃以上であることが好ましく、より好ましくは850℃以上1250℃以下である。酸化雰囲気の例としては大気雰囲気、酸素雰囲気等が挙げられるが、好ましくは酸素雰囲気であり、より好ましくは酸素約100%の酸素雰囲気である。   The firing atmosphere in the synthesis step may be an oxidizing atmosphere containing oxygen or an inert atmosphere made of an inert gas such as Ar, and is not particularly limited. By synthesizing the ceramic material in an inert gas atmosphere, it becomes easier to obtain a higher density, and it is an element that tends to be lost during synthesis with respect to La (an element that is difficult to lose during synthesis) in the raw material for firing. ) The ratio of the number of moles of Li is easily maintained even in the sintered body. When heat treatment is performed in an inert gas atmosphere, the raw material is preferably a powder containing an O component such as an oxide. Moreover, even when the ceramic material is synthesized in an oxidizing atmosphere, high density and ionic conductivity can be realized. Therefore, it is preferable to perform the second baking step in an inert gas atmosphere or an oxidizing atmosphere in the first baking step and the second baking step described later. Examples of the inert gas species include one or more selected from helium (He), argon (Ar), and nitrogen (N), preferably Ar. The firing temperature for synthesis is not particularly limited, but is preferably 800 ° C. or higher, and more preferably 850 ° C. or higher and 1250 ° C. or lower. Examples of the oxidizing atmosphere include an air atmosphere and an oxygen atmosphere, but an oxygen atmosphere is preferable, and an oxygen atmosphere of about 100% oxygen is more preferable.

本発明の好ましい態様によれば、合成工程は、上述した原料粉末を焼成して前駆粉末を得る第一の焼成工程と、得られた前駆粉末を粉砕及び焼成して酸化物焼結体を得る第二の焼成工程とを含んでなる。このような焼成工程の組み合わせにより、LLZ結晶構造が得られやすくなる。この態様において前述したMgの拡散による添加を行う場合には、第二の焼成工程において行われるのが好ましく、この場合、前駆粉末が充填されたMg含有材料製の焼成用容器(焼成サヤ)中で焼成を行って、この容器からMgを拡散させることによりMgの添加を行えばよい。   According to a preferred embodiment of the present invention, the synthesis step includes a first firing step of firing the raw material powder described above to obtain a precursor powder, and pulverizing and firing the obtained precursor powder to obtain an oxide sintered body. A second firing step. By such a combination of firing steps, an LLZ crystal structure is easily obtained. In this embodiment, when the above-described addition by diffusion of Mg is performed, it is preferably performed in the second firing step. In this case, in the firing container (firing sheath) made of the Mg-containing material filled with the precursor powder. And adding Mg by diffusing Mg from this container.

第一の焼成工程は、少なくともLi成分、La成分、Zr成分及びBi成分等の熱分解を行うことで第二の焼成工程でLLZ結晶構造を形成しやくするための前駆粉末を得る工程である。前駆粉末は、LLZ結晶構造を既に有している場合もある。焼成温度は、好ましくは、850℃以上1150℃以下の温度である。第一の焼成工程は、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、第二の焼成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一の焼成工程を実施するときには、各焼成ステップ終了後、ライカイ機、ボールミル、及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、第二の焼成工程により一層均一なLLZ相を得ることができる。そして、Mgの添加が、粉砕時又はその前後に前駆粉末にMg含有粉末を添加することにより行われてもよい。   The first firing step is a step of obtaining a precursor powder for easily forming an LLZ crystal structure in the second firing step by performing thermal decomposition of at least a Li component, a La component, a Zr component, and a Bi component. . The precursor powder may already have an LLZ crystal structure. The firing temperature is preferably 850 ° C. or higher and 1150 ° C. or lower. The first baking 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 firing step. When carrying out the first firing step in such a plurality of steps, it is preferable to knead and pulverize after completion of each firing step by using a reiki machine, a ball mill, a vibration mill or the like. Further, it is desirable that the pulverization method is dry. By doing so, a more uniform LLZ phase can be obtained by the second firing step. And addition of Mg may be performed by adding Mg containing powder to a precursor powder at the time of a grinding | pulverization, or before and after that.

第一の焼成工程は、大気等の酸化性の雰囲気で行ってもよいし、不活性雰囲気で行ってもよく、原料に応じた雰囲気が適宜選択されるのが好ましい。熱分解を考慮すると、酸化雰囲気が好ましい。また、第一の焼成工程は、850℃以上1150℃以下の熱処理を1回から2回で構成されるのが好ましく、900℃以上1000℃以下(更に好ましくは約950℃)の熱処理ステップ2回から構成されるのがより好ましい。この場合、第一の焼成工程は、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15時間以上25時間以下程度することが好ましい。   The first firing step may be performed in an oxidizing atmosphere such as the air, or may be performed in an inert atmosphere, and it is preferable that an atmosphere according to the raw material is appropriately selected. Considering thermal decomposition, an oxidizing atmosphere is preferable. Further, the first baking step is preferably composed of heat treatment of 850 ° C. or higher and 1150 ° C. or lower once to twice, and heat treatment step of 900 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower (more preferably about 950 ° C.) twice. More preferably, it is comprised. In this case, it is preferable that the first baking step is performed for 15 hours to 25 hours in total as the total heating time at the maximum temperature set as the heating temperature as a whole.

第一の焼成工程で用いる焼成用原料は、Al成分及び/又はMg成分を含んでいないものであってよい。この場合には、必要に応じて、第二の焼成工程において、Al成分及び/又はMg成分を添加して焼成すればよい。このAl成分及び/又はMg成分の添加は、Al含有粉末及び/又はMg含有粉末の添加により行われてもよいし、焼成サヤやセッターからのAl及び/又はMgの拡散によって行われてもよい。   The firing raw material used in the first firing step may not contain an Al component and / or a Mg component. In this case, if necessary, in the second firing step, an Al component and / or an Mg component may be added and fired. The addition of the Al component and / or Mg component may be performed by addition of Al-containing powder and / or Mg-containing powder, or may be performed by diffusion of Al and / or Mg from a fired sheath or setter. .

第一の焼成工程中で用いる焼成用原料は、Al成分及び/又はMg成分を含むものであってもよい。この場合には、Al及び/又はMgを含む前駆粉末を得ることができることから、後続の第二の焼成工程において、別途Al成分及び/又はMg成分を前駆粉末に添加しなくてもよい。すなわち、前駆粉末中にAl及び/又はMgが内在するため、第二の焼成工程がAl及び/又はMgの存在下で行われることになる。なお、第一の焼成工程で用いる焼成用原料がAl成分及び/又はMg成分の必要量の一部を含むようにし、第二の焼成工程において前駆粉末に残余のAl成分及び/又はMg成分を追加するようにしてもよい。このAl成分及び/又はMg成分の添加は、Al含有粉末及び/又はMg含有粉末の添加により行われてもよいし、焼成サヤからのAl及び/又はMgの拡散によって行われてもよい。   The firing raw material used in the first firing step may include an Al component and / or a Mg component. In this case, since the precursor powder containing Al and / or Mg can be obtained, it is not necessary to separately add the Al component and / or Mg component to the precursor powder in the subsequent second firing step. That is, since Al and / or Mg are inherent in the precursor powder, the second firing step is performed in the presence of Al and / or Mg. The firing raw material used in the first firing step includes a part of the necessary amount of the Al component and / or Mg component, and the remaining Al component and / or Mg component is added to the precursor powder in the second firing step. You may make it add. The addition of the Al component and / or Mg component may be performed by addition of Al-containing powder and / or Mg-containing powder, or may be performed by diffusion of Al and / or Mg from the fired sheath.

第二の焼成工程は、第一の焼成工程で得られた前駆粉末を950℃以上1250℃以下の温度で加熱する工程とするのが好ましい。第二の焼成工程によれば、第一の焼成工程で得た前駆粉末を焼成して、最終的に複合酸化物であるLLZ結晶構造を有するセラミックス材料を得ることができる。第二の焼成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系セラミックスの形成が十分ではなく、50時間よりも長い場合、埋め粉を介してセッターと反応しやすくなるほか、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、30時間以上である。第二の焼成工程は、不活性ガス雰囲気中で行ってもよいし、酸化雰囲気中で行ってもよい。   The second baking step is preferably a step of heating the precursor powder obtained in the first baking step at a temperature of 950 ° C. to 1250 ° C. According to the second firing step, the precursor powder obtained in the first firing step can be fired to finally obtain a ceramic material having an LLZ crystal structure that is a composite oxide. The heating time at the heating temperature in the second firing step is preferably about 18 hours or more and 50 hours or less. When the time is shorter than 18 hours, the formation of the LLZ ceramics is not sufficient. When the time is longer than 50 hours, it becomes easy to react with the setter via the filling powder, and the crystal growth is not able to maintain the strength as a sample. Because. Preferably, it is 30 hours or more. The second baking step may be performed in an inert gas atmosphere or in an oxidizing atmosphere.

第二の焼成工程は、前駆粉末を含む成形体とした上で行われるのが好ましい。例えば、前駆粉末又は前駆粉末にAl成分やMg成分等を追加した粉末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、二次電池の固体電解質やセパレータ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、容易に焼結体を得ることができる。なお、第二の焼成工程後に、第二の焼成工程で得られたセラミックス粉末を成形体として、第二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。第二の焼成工程で前駆粉末の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二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、第二の焼成工程においてLi原料としてLiOHを用いるなどして低温化した場合、前駆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、第二の焼成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。   The second firing step is preferably performed after forming a molded body containing the precursor powder. For example, a precursor powder or a powder obtained by adding an Al component or Mg component to a precursor powder is pressure-molded using a known press technique and can be used as a desired three-dimensional shape (for example, as a solid electrolyte or separator for a secondary battery) It is preferable to carry out after forming a molded body having a suitable shape and size). By using a molded body, a solid phase reaction is promoted, and a sintered body can be easily obtained. In addition, you may implement separately a sintering process at the temperature similar to the heating temperature in a 2nd baking process by using the ceramic powder obtained by the 2nd baking process as a molded object after a 2nd baking process. When the precursor powder compact is fired and sintered in the second firing step, the compact is preferably embedded in the same powder. By doing so, the loss of Li can be suppressed and the change in the 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 temperature is lowered by using LiOH as the Li raw material in the second firing step, the precursor powder compact 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 firing step.

第二の焼成工程をAl及び/又はMgの存在下で実施するには、既に説明したように、Al成分及び/又はMg成分を含む焼成用原料を用いて第一の焼成工程を実施して得られた前駆粉末をそのまま第二の焼成工程で用いる形態のほか、Al成分及び/又はMg成分を含まない焼成用原料を用いて第一の焼成工程を実施し、得られた前駆粉末にAl成分及び/又はMg成分を追加し混合して第二の焼成工程を実施する形態、更にはAl及び/又はMgを含有する焼成サヤを用いて第二の焼成工程を実施する形態が挙げられる。Al及び/又はMgの存在下に第二の焼成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。   In order to carry out the second firing step in the presence of Al and / or Mg, as already explained, the first firing step is carried out using the firing raw material containing the Al component and / or the Mg component. In addition to the form in which the obtained precursor powder is used as it is in the second firing step, the first firing step is performed using a raw material for firing that does not contain an Al component and / or an Mg component, and the obtained precursor powder is made of Al. The form which adds and mixes a component and / or Mg component, and implements a 2nd baking process, and also the form which implements a 2nd baking process using the baking sheath containing Al and / or Mg are mentioned. In order to perform the second firing step in the presence of Al and / or Mg, any of these forms may be used, or these forms may be appropriately combined.

上述したような合成工程を経て、本発明のセラミックス材料を酸化物焼結体として得ることができる。   Through the synthesis process as described above, the ceramic material of the present invention can be obtained as an oxide sintered body.

本発明を以下の例によって更に具体的に説明する。   The present invention is more specifically described by the following examples.

例1:第二の焼成工程でAr雰囲気を用いた酸化物焼結体の作製及び評価
焼成用原料調製のための各原料成分として、水酸化リチウム(関東化学株式会社)、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)、酸化タンタル及び酸化ビスマスを用意した。これらの粉末を表1に示される組成となるように秤量及び配合し、さらに、γ−Alをガーネット組成式に対するAlのモル比率で0.025となる量添加して、ライカイ機にて混合して焼成用原料を得た。なお、表1に示される組成は仕込み組成であって、焼成時にLiが損失することを考慮して狙いの組成よりも多めに含有させている。従って、仕込み組成はガーネット型結晶構造の電荷補償を満たしていない組成ではあるが、Liの損失及び/又は酸素欠損が生じることで焼成後には電荷補償を満たした組成になるものと解される。なお、Li以外の元素については焼成時における損失は実質的に無く、表1に示される組成比で焼成後も基本的に保持される。
Example 1 : Production and Evaluation of Oxide Sintered Body Using Ar Atmosphere in the Second Firing Process As raw material components for preparing a raw material for firing, lithium hydroxide (Kanto Chemical Co., Ltd.), lanthanum hydroxide (Shin-Etsu) Chemical Industry Co., Ltd.), zirconium oxide (Tosoh Corporation), tantalum oxide and bismuth oxide were prepared. These powders were weighed and blended so as to have the composition shown in Table 1, and γ-Al 2 O 3 was added in an amount of 0.025 in terms of the molar ratio of Al to the garnet composition formula. And mixed to obtain a raw material for firing. In addition, the composition shown in Table 1 is a preparation composition, and is included in a larger amount than the target composition in consideration of loss of Li during firing. Therefore, although the charged composition is a composition that does not satisfy the charge compensation of the garnet-type crystal structure, it is understood that a composition that satisfies the charge compensation is obtained after firing due to loss of Li and / or oxygen deficiency. It should be noted that elements other than Li have substantially no loss during firing, and are basically retained after firing at the composition ratio shown in Table 1.

第一の焼成工程として、上記焼成用原料をマグネシア坩堝に入れて大気雰囲気で600℃/時間にて昇温し、試料1〜7については950℃、試料8については900℃にて、保持する条件で合計20時間焼成を行った。   In the first firing step, the firing raw material is placed in a magnesia crucible and heated at 600 ° C./hour in the air, and held at 950 ° C. for samples 1 to 7 and 900 ° C. for sample 8. Firing was performed under the conditions for a total of 20 hours.

第二の焼成工程として、第一の焼成工程で得られた粉末と玉石を混合し振動ミルを用いて3時間粉砕して、表1の試料1〜8に対応する粉砕粉を得た。この粉砕粉を篩通しした後、得られた粉末を、金型を用いて約100MPaにてプレス成形し、所望の形状の成形体を得た。得られた成形体をマグネシア製のセッター上に乗せ、セッターごとマグネシア製のサヤ内に入れて、Ar雰囲気にて、200℃/時間で昇温し、試料1〜7については1030℃、試料8については1050℃で、36時間保持することにより焼結体を得て、そこから10mm平方×厚さ1mm又は直径12mm×厚さ1mmの試料1〜8を得た。なお、Ar雰囲気を用いる場合、事前に容量約3Lの炉内を真空引きした後、純度99.99%以上のArガスを電気炉に1L/分で流した。   As a 2nd baking process, the powder obtained by the 1st baking process and a cobblestone were mixed, and it grind | pulverized for 3 hours using the vibration mill, and the pulverized powder corresponding to the samples 1-8 of Table 1 was obtained. After sieving this pulverized powder, the obtained powder was press-molded at about 100 MPa using a mold to obtain a molded body having a desired shape. The obtained molded body was placed on a magnesia setter, and the setter was put in a magnesia sheath and heated at 200 ° C./hour in an Ar atmosphere. Was obtained by holding at 1050 ° C. for 36 hours, from which samples 1 to 8 of 10 mm square × thickness 1 mm or diameter 12 mm × thickness 1 mm were obtained. In the case of using an Ar atmosphere, the inside of a furnace having a capacity of about 3 L was evacuated in advance, and then Ar gas having a purity of 99.99% or more was allowed to flow through the electric furnace at 1 L / min.

Figure 0006272229
Figure 0006272229

試料1〜8の上下面を研磨した後、以下に示される各種の評価ないし測定を行った。   After polishing the upper and lower surfaces of Samples 1 to 8, various evaluations and measurements shown below were performed.

構造評価
試料1〜8のX線回折測定を行ったところ、CSD(Cambridge Structural Database)のX線回折ファイルNo.422259(LiLaZr12)類似の結晶構造が得られた。このことから、得られた全ての試料がLLZ結晶構造の特徴を有することが確認された。
When the X-ray diffraction measurement of the structural evaluation samples 1 to 8 was performed, the X-ray diffraction file No. of CSD (Cambridge Structural Database) was obtained. A crystal structure similar to 422259 (Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ) was obtained. From this, it was confirmed that all the obtained samples have the characteristics of the LLZ crystal structure.

リチウムイオン伝導率の測定
試料の両面にAuスパッタで電極を形成した後、Ar雰囲気のグローブボックス内に導入し、CR2032コインセルに組み込んだ。本コインセルを大気中に取り出し、ソーラトロン社製電気化学測定システム(ポテンショ/ガルバノスタッド,周波数応答アナライザ)を用い、周波数0.1Hz〜1MHz、電圧10mVにて交流インピーダンス測定を行い、リチウムイオン伝導率を算出した。その結果、各試料のリチウムイオン伝導率は表1に示されるとおりであった。本発明による試料1〜7は比較試料8よりも高い伝導率を示した。
Electrodes were formed on both surfaces of a sample for measuring lithium ion conductivity by Au sputtering, and then introduced into a glove box in an Ar atmosphere and incorporated into a CR2032 coin cell. The coin cell is taken out into the atmosphere, and AC impedance measurement is performed at a frequency of 0.1 Hz to 1 MHz and a voltage of 10 mV using a Solartron electrochemical measurement system (potentiometer / galvano stud, frequency response analyzer), and the lithium ion conductivity is measured. Calculated. As a result, the lithium ion conductivity of each sample was as shown in Table 1. Samples 1-7 according to the present invention showed higher conductivity than comparative sample 8.

密度の測定
試料1〜8の重量を測定した後、マイクロメーターを用いて試料1〜8の各辺の長さ若しくは直径及び厚さを数箇所測定して平均値を算出した後、試料1〜8の体積を算出し、密度を算出した。その結果、各試料の密度は表1に示されるとおりであった。試料1〜8はいずれも高い焼結体密度を示した。
Density measurement After measuring the weight of samples 1 to 8, the length or diameter and thickness of each side of samples 1 to 8 were measured several times using a micrometer, and the average value was calculated. The volume of 8 was calculated and the density was calculated. As a result, the density of each sample was as shown in Table 1. Samples 1 to 8 all showed high sintered body density.

例2:第二の焼成工程で酸素雰囲気を用いた酸化物焼結体の作製及び評価
焼成用原料調製のための各原料成分として、水酸化リチウム(関東化学株式会社)、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)、酸化タンタル及び酸化ビスマスを用意した。これらの粉末を表2に示される組成となるように秤量及び配合し、さらに、γ−Alをガーネット組成式に対するAlのモル比率で0.1となる量(試料9〜11)又はAlのモル比率で0.025となる量(試料12)添加して、ライカイ機にて混合して焼成用原料を得た。なお、表2に示される組成は仕込み組成であって、焼成時にLiが損失することを考慮して狙いの組成よりも多めに含有させている。従って、仕込み組成はガーネット型結晶構造の電荷補償を満たしていない組成ではあるが、Liの損失及び/又は酸素欠損が生じることで焼成後には電荷補償を満たした組成になるものと解される。なお、Li以外の元素については焼成時における損失は実質的に無く、表2に示される組成比で焼成後も基本的に保持される。
Example 2: Production and evaluation of oxide sintered body using oxygen atmosphere in second firing step As raw material components for preparing raw materials for firing, lithium hydroxide (Kanto Chemical Co., Ltd.), lanthanum hydroxide (Shin-Etsu) Chemical Industry Co., Ltd.), zirconium oxide (Tosoh Corporation), tantalum oxide and bismuth oxide were prepared. These powders are weighed and blended so as to have the composition shown in Table 2, and further γ-Al 2 O 3 is an amount (samples 9 to 11) in which the molar ratio of Al to the garnet composition formula is 0.1 or An amount (sample 12) of 0.025 in terms of the molar ratio of Al was added and mixed with a lyker machine to obtain a firing raw material. In addition, the composition shown in Table 2 is a charged composition, and is included in a larger amount than the target composition in consideration of loss of Li during firing. Therefore, although the charged composition is a composition that does not satisfy the charge compensation of the garnet-type crystal structure, it is understood that a composition that satisfies the charge compensation is obtained after firing due to loss of Li and / or oxygen deficiency. It should be noted that elements other than Li have virtually no loss during firing, and are basically retained after firing at the composition ratio shown in Table 2.

第一の焼成工程として、上記焼成用原料をマグネシア坩堝に入れて大気雰囲気で600℃/時間にて昇温し、試料9〜11については950℃、試料12については900℃にて保持する条件で合計20時間焼成を行った。   As a first firing step, the firing raw material is put in a magnesia crucible and heated at 600 ° C./hour in an air atmosphere, and the conditions of holding at 950 ° C. for samples 9 to 11 and 900 ° C. for sample 12 Then, baking was performed for a total of 20 hours.

第二の焼成工程として、第一の焼成工程で得られた粉末と玉石を混合し振動ミルを用いて3時間粉砕して、表2の試料9〜12に対応する粉砕粉を得た。この粉砕粉を篩通しした後、得られた粉末を、金型を用いて約100MPaにてプレス成形し、所望の形状の成形体を得た。得られた成形体をマグネシア製のセッター上に乗せ、セッターごとマグネシア製のサヤ内に入れて、酸素約100%の酸素雰囲気にて、200℃/時間で昇温し、試料9〜11については1030℃で、試料12については1050℃で36時間保持することにより焼結体を得て、そこから10mm平方×厚さ1mm又は直径12mm×厚さ1mmの試料9〜12を得た。なお、酸素雰囲気を用いる場合、事前に容量約3Lの炉内を真空引きした後、純度99.99%以上の酸素ガスを電気炉に1L/分で流した。   As a 2nd baking process, the powder obtained by the 1st baking process and cobblestone were mixed, and it grind | pulverized for 3 hours using the vibration mill, and the pulverized powder corresponding to the samples 9-12 of Table 2 was obtained. After sieving this pulverized powder, the obtained powder was press-molded at about 100 MPa using a mold to obtain a molded body having a desired shape. The obtained molded body was placed on a magnesia setter, and the setter was put in a magnesia sheath and heated at 200 ° C./hour in an oxygen atmosphere of about 100% oxygen. At 1030 ° C., the sample 12 was held at 1050 ° C. for 36 hours to obtain a sintered body, from which samples 9 to 12 of 10 mm square × thickness 1 mm or diameter 12 mm × thickness 1 mm were obtained. In the case of using an oxygen atmosphere, the inside of a furnace having a capacity of about 3 L was evacuated in advance, and then an oxygen gas having a purity of 99.99% or more was flowed into the electric furnace at 1 L / min.

試料9〜12の上下面を研磨した後、例1の場合と同様、各種の評価ないし測定を行った。その結果は表2に示されるとおりであり、Biを含まない試料12を除いて、いずれの試料において比較的高い密度及びリチウムイオン伝導率が得られた。   After polishing the upper and lower surfaces of Samples 9 to 12, various evaluations and measurements were performed in the same manner as in Example 1. The results are as shown in Table 2. A relatively high density and lithium ion conductivity were obtained in any sample except for the sample 12 containing no Bi.

Figure 0006272229
Figure 0006272229

Claims (12)

リチウムイオン伝導性を有する固体電解質セラミックス材料であって、
前記セラミックス材料が、Li、La、Zr及びOである主要構成元素と、少なくともBiを含む置換元素とを含んでなる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酸化物焼結体からなる、セラミックス材料。
A solid electrolyte ceramic material having lithium ion conductivity,
Ceramics comprising the ceramic material comprising an oxide sintered body having a garnet-type or garnet-type similar crystal structure containing a main constituent element of Li, La, Zr and O and a substitution element containing at least Bi material.
前記置換元素がTa又はNbを更に含む、請求項1に記載のセラミックス材料。   The ceramic material according to claim 1, wherein the substitution element further contains Ta or Nb. 前記置換元素が、前記結晶構造のZrを一部置換してなる、請求項1又は2に記載のセラミックス材料。   The ceramic material according to claim 1 or 2, wherein the substitution element partially substitutes Zr of the crystal structure. 前記置換元素によるZrの一部置換量が、Zrサイトを構成する元素の総モル数に対して、5〜30mol%である、請求項3に記載のセラミックス材料。   The ceramic material according to claim 3, wherein the amount of partial substitution of Zr by the substitution element is 5 to 30 mol% with respect to the total number of moles of elements constituting the Zr site. 前記結晶構造が、一般式:
Li7−x−yLa(Zr2−x−y,M,Bi)O12−δ
(式中、0≦x<0.6、0.03≦y≦0.6、0.1≦x+y≦0.6であり、MはTa又はNbを含み、δは酸素欠損量を示すが0でありうる)
で表される組成を含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載のセラミックス材料。
The crystal structure has the general formula:
Li 7-xy La 3 (Zr 2 -xy , M x , Bi y ) O 12-δ
(In the formula, 0 ≦ x <0.6, 0.03 ≦ y ≦ 0.6, 0.1 ≦ x + y ≦ 0.6, M includes Ta or Nb, and δ indicates the amount of oxygen deficiency. Can be 0)
The ceramic material as described in any one of Claims 1-4 containing the composition represented by these.
前記酸化物焼結体が、Alを添加元素として含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載のセラミックス材料。   The ceramic material according to claim 1, wherein the oxide sintered body contains Al as an additive element. 前記酸化物焼結体におけるAl/Laのモル比が、0.008以上0.12以下である、請求項6に記載のセラミックス材料。   The ceramic material according to claim 6, wherein a molar ratio of Al / La in the oxide sintered body is 0.008 or more and 0.12 or less. 前記酸化物焼結体が、Mgを添加元素として更に含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載のセラミックス材料。   The ceramic material according to claim 1, wherein the oxide sintered body further contains Mg as an additive element. リチウム電池用の固体電解質として用いられる、請求項1〜8のいずれか一項に記載のセラミックス材料。   The ceramic material according to any one of claims 1 to 8, which is used as a solid electrolyte for a lithium battery. 前記セラミックス材料のリチウムイオン伝導率が0.70mS/cm以上である、請求項1〜9のいずれか一項に記載のセラミックス材料。The ceramic material according to any one of claims 1 to 9, wherein the lithium ion conductivity of the ceramic material is 0.70 mS / cm or more. 正極と、負極と、前記正極及び負極の間に設けられる請求項1〜10のいずれか一項に記載のセラミックス材料からなる固体電解質とを備えた、リチウム電池。 Comprising a positive electrode, a negative electrode, and said positive electrode and is disposed between the negative electrode made of a ceramic material according to any one of claims 1-10 solid electrolyte, a lithium battery. 前記負極が、リチウム金属又はリチウム合金からなる、請求項11に記載のリチウム電池。 The lithium battery according to claim 11 , wherein the negative electrode is made of lithium metal or a lithium alloy.
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