JP6870572B2 - Manufacturing method of solid electrolyte sheet - Google Patents

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Description

本発明は、固体電解質シートの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a solid electrolyte sheet.

リチウムイオン二次電池は、モバイル機器や電気自動車等の分野において、高容量で軽量な電池として用いられている。しかしながら、リチウムイオン二次電池においては、電解質として、可燃性の有機系電解液が主に用いられている。有機系電解液は、高いイオン伝導性を示すものの、液体であり可燃性であることから、蓄電デバイスに用いた場合に、発火や漏液等の安全性上の問題がある。このような安全性の問題を解決するために、有機系電解液に代えて固体電解質を使用した全固体リチウムイオン二次電池の開発が進められている(特許文献1)。 Lithium-ion secondary batteries are used as high-capacity and lightweight batteries in fields such as mobile devices and electric vehicles. However, in the lithium ion secondary battery, a flammable organic electrolyte is mainly used as the electrolyte. Although the organic electrolytic solution exhibits high ionic conductivity, it is a liquid and flammable, so that there are safety problems such as ignition and leakage when used in a power storage device. In order to solve such a safety problem, the development of an all-solid-state lithium-ion secondary battery using a solid electrolyte instead of the organic electrolytic solution is underway (Patent Document 1).

ところで、全固体リチウムイオン二次電池に用いられるリチウムは、世界的な原材料の高騰や枯渇問題等が懸念されている。そこで、リチウムイオンの代替として、ナトリウムイオンが注目されており、固体電解質にβ−アルミナやNASICON型の結晶を用いた全固体ナトリウムイオン二次電池の開発も進められている(特許文献2)。 By the way, lithium used in an all-solid-state lithium-ion secondary battery is concerned about the soaring price of raw materials and the problem of depletion in the world. Therefore, sodium ions are attracting attention as an alternative to lithium ions, and development of an all-solid-state sodium-ion secondary battery using β-alumina or NASICON type crystals as a solid electrolyte is also underway (Patent Document 2).

しかしながら、全固体ナトリウムイオン二次電池では、全固体リチウムイオン二次電池と比較して、基準電位が0.3V上昇するため作動電圧が低下したり、あるいは原子量の増加に伴い電極活物質の重量当たりの容量が低下したりすることから、結果としてエネルギー密度が低下するという問題がある。 However, in the all-solid-state sodium-ion secondary battery, as compared with the all-solid-state lithium-ion secondary battery, the reference voltage rises by 0.3 V, so that the operating voltage decreases, or the weight of the electrode active material increases as the atomic weight increases. There is a problem that the energy density is lowered as a result because the per-capacity is lowered.

従って、単位体積当たりのエネルギー密度向上の観点から、固体電解質は薄い方が望ましく、またシート化して固体電解質シートとして用いることが望ましい。 Therefore, from the viewpoint of improving the energy density per unit volume, it is desirable that the solid electrolyte is thin, and it is desirable that the solid electrolyte is made into a sheet and used as a solid electrolyte sheet.

固体電解質シートは、例えば、固体電解質の原料粉末をスラリー化してグリーンシートを得た後、焼成する、グリーンシート法により製造することができる(特許文献3)。 The solid electrolyte sheet can be produced, for example, by a green sheet method in which a raw material powder of a solid electrolyte is slurried to obtain a green sheet and then calcined (Patent Document 3).

特開平5−205741号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 5-205741 特開2010−15782号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-15782 特開2017−37769号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2017-37769

しかしながら、特許文献3のようなグリーンシート法では、グリーンシートを焼成する際にアルカリ金属イオンが蒸発し、表面にアルカリ金属イオンが存在しない、アルカリ金属イオン欠乏層が形成されることがある。そのため、得られた固体電解質シートのイオン伝導性が低下するという問題がある。 However, in the green sheet method as in Patent Document 3, alkali metal ions may evaporate when the green sheet is fired, and an alkali metal ion deficient layer in which alkali metal ions do not exist may be formed on the surface. Therefore, there is a problem that the ionic conductivity of the obtained solid electrolyte sheet is lowered.

特に、固体電解質にβ−アルミナやβ”−アルミナを用いる場合、焼成温度が高くなるため、イオン伝導性の低下が起こり易い。また、固体電解質シートの厚みが薄くなるほど、体積当たりの表面積が大きくなるため、焼成時にアルカリ金属イオンの蒸発が起こり易く、イオン伝導性の低下が起こり易い。 In particular, when β-alumina or β ″ -alumina is used as the solid electrolyte, the firing temperature becomes high, so that the ionic conductivity tends to decrease. Further, the thinner the solid electrolyte sheet, the larger the surface area per volume. Therefore, the alkali metal ions are likely to evaporate during firing, and the ionic conductivity is likely to be lowered.

さらに、固体電解質シートは、シート状であり機械的強度が低いため、アルカリ金属イオン欠乏層の除去が困難である。特に、ナトリウムイオン伝導性の固体電解質は、イオン伝導性に優れる一方、吸湿により表面に炭酸ナトリウムが形成され、イオン伝導性が低下することがある。そのため、水洗や湿式での研磨が難しく、アルカリ金属イオン欠乏層の除去が困難であるという問題がある。 Further, since the solid electrolyte sheet is in the form of a sheet and has low mechanical strength, it is difficult to remove the alkali metal ion-deficient layer. In particular, a solid electrolyte having sodium ion conductivity is excellent in ion conductivity, but sodium carbonate may be formed on the surface due to moisture absorption, and the ion conductivity may decrease. Therefore, there is a problem that it is difficult to wash with water or polish in a wet state, and it is difficult to remove the alkali metal ion-deficient layer.

本発明の目的は、アルカリ金属イオンの蒸発を抑制することができる、固体電解質シートの製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for producing a solid electrolyte sheet capable of suppressing evaporation of alkali metal ions.

本発明の固体電解質シートの製造方法は、ナトリウムイオン伝導性酸化物からなる第1の固体電解質の原料粉末のスラリーを基材上に塗布し、乾燥させることにより、第1のグリーンシートを用意する用意工程と、前記第1のグリーンシートの少なくとも一方側の主面上に、ナトリウムイオン伝導性酸化物からなる第2の固体電解質の粉末を含む拘束層を積層し、圧着することにより積層体を形成する積層体形成工程と、前記積層体を焼成する焼成工程と、焼成後の前記積層体から、焼成後の前記拘束層の全部または一部を取り除く除去工程と、を備えることを特徴としている。 In the method for producing a solid electrolyte sheet of the present invention, a first green sheet is prepared by applying a slurry of a raw material powder of a first solid electrolyte composed of a sodium ion conductive oxide onto a substrate and drying it. In the preparation step and on the main surface on at least one side of the first green sheet, a restraining layer containing a powder of a second solid electrolyte made of a sodium ion conductive oxide is laminated and pressure-bonded to form a laminate. It is characterized by including a laminate forming step of forming, a firing step of firing the laminate, and a removing step of removing all or a part of the restraint layer after firing from the fired laminate. ..

本発明の固体電解質シートの製造方法では、前記拘束層が、前記第2の固体電解質の粉末を含むスラリーを基材上に塗布し、乾燥させることにより用意した第2のグリーンシートであることが好ましい。 In the method for producing a solid electrolyte sheet of the present invention, the restraint layer is a second green sheet prepared by applying a slurry containing the powder of the second solid electrolyte onto a substrate and drying it. preferable.

本発明の固体電解質シートの製造方法では、前記用意工程の前に、前記第1の固体電解質の原料粉末を仮焼成することが好ましい。 In the method for producing a solid electrolyte sheet of the present invention, it is preferable to tentatively calcin the raw material powder of the first solid electrolyte before the preparation step.

本発明の固体電解質シートの製造方法では、前記積層体形成工程において、前記第1のグリーンシートの両側の主面上に、それぞれ、前記拘束層を積層し、圧着することが好ましい。 In the method for producing a solid electrolyte sheet of the present invention, it is preferable that the restraint layers are laminated and pressure-bonded on the main surfaces on both sides of the first green sheet in the laminate forming step.

本発明の固体電解質シートの製造方法では、前記積層体形成工程において、前記第1のグリーンシートと前記拘束層との圧着が、等方圧プレスにより行われることが好ましい。 In the method for producing a solid electrolyte sheet of the present invention, it is preferable that the first green sheet and the restraint layer are pressure-bonded by an isotropic pressure press in the laminate forming step.

本発明の固体電解質シートの製造方法では、前記除去工程において、焼成後の前記拘束層のうち、焼成後の前記第1のグリーンシートに付着していない部分を取り除くことが好ましい。 In the method for producing a solid electrolyte sheet of the present invention, it is preferable to remove a portion of the restraint layer after firing that does not adhere to the first green sheet after firing in the removal step.

本発明の固体電解質シートの製造方法では、前記第1の固体電解質と前記第2の固体電解質とが同じ組成を有することが好ましい。 In the method for producing a solid electrolyte sheet of the present invention, it is preferable that the first solid electrolyte and the second solid electrolyte have the same composition.

本発明の固体電解質シートの製造方法では、前記第1の固体電解質及び前記第2の固体電解質が、それぞれ、β−アルミナ、β”−アルミナ及びNASICON型結晶のうち少なくとも1種を含むことが好ましい。 In the method for producing a solid electrolyte sheet of the present invention, it is preferable that the first solid electrolyte and the second solid electrolyte contain at least one of β-alumina, β ″ -alumina and NASICON type crystals, respectively. ..

本発明の固体電解質シートの製造方法では、前記固体電解質シートの厚みが500μm以下であることが好ましい。 In the method for producing a solid electrolyte sheet of the present invention, the thickness of the solid electrolyte sheet is preferably 500 μm or less.

本発明の固体電解質シートの製造方法では、前記固体電解質シートが、全固体ナトリウムイオン二次電池に用いられることが好ましい。 In the method for producing a solid electrolyte sheet of the present invention, it is preferable that the solid electrolyte sheet is used for an all-solid-state sodium-ion secondary battery.

本発明によれば、アルカリ金属イオンの蒸発を抑制することができる、固体電解質シートの製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a method for producing a solid electrolyte sheet capable of suppressing evaporation of alkali metal ions.

本発明の一実施形態に係る固体電解質シートの製造方法を説明するための模式的断面図である。It is a schematic sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the solid electrolyte sheet which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る固体電解質シートの製造方法を説明するための模式的断面図である。It is a schematic sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the solid electrolyte sheet which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る固体電解質シートの製造方法を説明するための模式的断面図である。It is a schematic sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the solid electrolyte sheet which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る固体電解質シートの製造方法を説明するための模式的断面図である。It is a schematic sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the solid electrolyte sheet which concerns on one Embodiment of this invention.

以下、好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照する場合がある。 Hereinafter, preferred embodiments will be described. However, the following embodiments are merely examples, and the present invention is not limited to the following embodiments. Further, in each drawing, members having substantially the same function may be referred to by the same reference numerals.

本発明の固体電解質シートの製造方法は、第1の固体電解質の原料粉末のスラリーを基材上に塗布し、乾燥させることにより、第1のグリーンシートを用意する用意工程と、第1のグリーンシートの少なくとも一方側の主面上に、第2の固体電解質の粉末を含む拘束層を積層し、圧着することにより積層体を形成する積層体形成工程と、積層体を焼成する焼成工程と、焼成後の積層体から、焼成後の拘束層を取り除く除去工程と、を備える。 The method for producing a solid electrolyte sheet of the present invention includes a preparation step of preparing a first green sheet by applying a slurry of raw material powder of the first solid electrolyte on a substrate and drying it, and a first green. A laminate forming step of forming a laminate by laminating a restraint layer containing a powder of a second solid electrolyte on the main surface of at least one side of the sheet and crimping the sheet, and a firing step of firing the laminate. It includes a removing step of removing the restraining layer after firing from the laminated body after firing.

以下、図1〜図4を参照して、本発明の一実施形態に係る固体電解質シートの製造方法における各工程についてより詳細に説明する。 Hereinafter, each step in the method for producing a solid electrolyte sheet according to an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 1 to 4.

(用意工程)
図1に示す第1のグリーンシート2の用意工程では、まず、第1の固体電解質の原料粉末5をスラリー化し、スラリーを得る。次に、得られたスラリーをポリエチレンテレフタレート等の基材上に塗布し、乾燥させることにより、第1のグリーンシート2を得ることができる。
(Preparation process)
In the preparation step of the first green sheet 2 shown in FIG. 1, first, the raw material powder 5 of the first solid electrolyte is slurried to obtain a slurry. Next, the first green sheet 2 can be obtained by applying the obtained slurry on a substrate such as polyethylene terephthalate and drying it.

第1の固体電解質の原料粉末5のスラリーは、例えば、第1の固体電解質の原料粉末5に、必要に応じてバインダー、可塑剤、溶媒を添加し、撹拌することにより得ることができる。また、スラリーの塗布は、例えば、ドクターブレードや、ダイコーター等により行うことができる。 The slurry of the raw material powder 5 of the first solid electrolyte can be obtained, for example, by adding a binder, a plasticizer, and a solvent to the raw material powder 5 of the first solid electrolyte, if necessary, and stirring the mixture. Further, the slurry can be applied by, for example, a doctor blade, a die coater, or the like.

第1の固体電解質;
第1の固体電解質は、ナトリウムイオン伝導性酸化物からなる。本発明において「ナトリウムイオン伝導性酸化物」とは、25℃における交流インピーダンス法により求められるナトリウムイオン伝導度が10−5S/cm以上である酸化物をいう。ナトリウムイオン伝導性酸化物としては、Al、Y、Zr、Si及びPから選ばれる少なくとも1種、Na、並びにOを含有する化合物が挙げられる。その具体例としては、β−アルミナ、β”−アルミナ、又はNASICON型結晶が挙げられる。好ましくは、ナトリウムイオン伝導性酸化物が、β−アルミナ又はβ”−アルミナである。これらは、ナトリウムイオン伝導性により一層優れている。
First solid electrolyte;
The first solid electrolyte consists of a sodium ion conductive oxide. In the present invention, the "sodium ion conductive oxide" refers to an oxide having a sodium ion conductivity of 10-5 S / cm or more, which is determined by the AC impedance method at 25 ° C. Examples of the sodium ion conductive oxide include compounds containing at least one selected from Al, Y, Zr, Si and P, Na, and O. Specific examples thereof include β-alumina, β ”-alumina, and NASICON type crystals. The sodium ion conductive oxide is preferably β-alumina or β” -alumina. These are even better due to sodium ion conductivity.

第1の固体電解質がβ−アルミナやβ”−アルミナである場合、第1の固体電解質の原料粉末5としては、例えば、モル%で、Al:65%〜98%、NaO:2%〜20%、MgO+LiO:0.3%〜15%を含有するものが挙げられる。組成をこのように限定した理由を以下に説明する。なお、以下の説明において、特に断りのない限り、「%」は「モル%」を意味する。また、「○+○+・・・」は該当する各成分の合量を意味する。 When the first solid electrolyte is β-alumina or β "-alumina, the raw material powder 5 of the first solid electrolyte is, for example, in mol%, Al 2 O 3 : 65% to 98%, Na 2 O. : 2% ~20%, MgO + Li 2 O:.. include those containing 0.3% to 15% of the composition will be described a reason for limiting thus the following in the following description, especially of otherwise Unless otherwise noted, "%" means "mol%". In addition, "○ + ○ + ..." Means the total amount of each corresponding component.

Alは、β−アルミナ及びβ”−アルミナを構成する主成分である。Alの含有量は、好ましくは65%〜98%、より好ましくは70%〜95%である。Alが少なすぎると、ナトリウムイオン伝導性が低下しやすくなる。一方、Alが多すぎると、ナトリウムイオン伝導性を有さないα−アルミナが残存し、ナトリウムイオン伝導性が低下しやすくなる。 Al 2 O 3 is a main component constituting β-alumina and β ″ -alumina. The content of Al 2 O 3 is preferably 65% to 98%, more preferably 70% to 95%. If the amount of Al 2 O 3 is too small, the sodium ion conductivity tends to decrease. On the other hand, if the amount of Al 2 O 3 is too large, α-alumina having no sodium ion conductivity remains and the sodium ion conductivity becomes poor. It tends to decrease.

NaOは、第1の固体電解質にナトリウムイオン伝導性を付与する成分である。NaOの含有量は、好ましくは2%〜20%、より好ましくは3%〜18%、さらに好ましくは4%〜16%である。NaOが少なすぎると、上記効果が得られにくくなる。一方、NaOが多すぎると、余剰のナトリウムがNaAlO等のナトリウムイオン伝導性に寄与しない化合物を形成するため、ナトリウムイオン伝導性が低下しやすくなる。 Na 2 O is a component that imparts sodium ion conductivity to the first solid electrolyte. The content of Na 2 O is preferably 2% to 20%, more preferably 3% to 18%, still more preferably 4% to 16%. If the amount of Na 2 O is too small, it becomes difficult to obtain the above effect. On the other hand, if the amount of Na 2 O is too large, the excess sodium forms a compound such as NaAlO 2 that does not contribute to the sodium ion conductivity, so that the sodium ion conductivity tends to decrease.

MgO及びLiOは、β−アルミナ及びβ”−アルミナの構造を安定化させる成分(安定化剤)である。MgO+LiOの含有量は、好ましくは0.3%〜15%、より好ましくは0.5%〜10%、さらに好ましくは0.8%〜8%である。MgO+LiOが少なすぎると、第1の固体電解質中にα−アルミナが残存してナトリウムイオン伝導性が低下しやすくなる。一方、MgO+LiOが多すぎると、安定化剤として機能しなかったMgO又はLiOが第1の固体電解質中に残存して、ナトリウムイオン伝導性が低下しやすくなる。 MgO and Li 2 O is, beta-alumina and beta "- content of .MgO + Li 2 O is a component to stabilize the structure of alumina (stabilizing agent), preferably 0.3% to 15%, more preferably 0.5% to 10%, more preferably when the .MgO + Li 2 O is 0.8% to 8% is too small, the sodium ion conductivity α- alumina in the first solid electrolyte remained in reduced On the other hand, if the amount of MgO + Li 2 O is too large, Mg O or Li 2 O that did not function as a stabilizer remains in the first solid electrolyte, and the sodium ion conductivity tends to decrease.

第1の固体電解質の原料粉末5は、上記成分以外にも、ZrOやYを含有することが好ましい。ZrO及びYは、原料を焼成して第1の固体電解質を作製する際のβ−アルミナ及び/またはβ”−アルミナの異常粒成長を抑制し、β−アルミナ及び/またはβ”−アルミナの各粒子の密着性をより一層向上させる効果がある。ZrOの含有量は、好ましくは0%〜15%、より好ましくは1%〜13%、さらに好ましくは2%〜10%である。また、Yの含有量は、好ましくは0%〜5%、より好ましくは0.01%〜4%、さらに好ましくは0.02%〜3%である。ZrO又はYが多すぎると、β−アルミナ及び/またはβ”−アルミナの生成量が低下して、ナトリウムイオン伝導性が低下しやすくなる。 The raw material powder 5 of the first solid electrolyte preferably contains ZrO 2 and Y 2 O 3 in addition to the above components. ZrO 2 and Y 2 O 3 suppress the abnormal grain growth of β-alumina and / or β ”-alumina when the raw materials are calcined to prepare the first solid electrolyte, and β-alumina and / or β”. -It has the effect of further improving the adhesion of each particle of alumina. The content of ZrO 2 is preferably 0% to 15%, more preferably 1% to 13%, still more preferably 2% to 10%. The content of Y 2 O 3 is preferably 0% to 5%, more preferably 0.01% to 4%, and even more preferably 0.02% to 3%. If the amount of ZrO 2 or Y 2 O 3 is too large, the amount of β-alumina and / or β ”-alumina produced decreases, and the sodium ion conductivity tends to decrease.

第1の固体電解質がNASICON型結晶である場合、一般式NaA1A2(A1はAl、Y、Yb、Nd、Nb、Ti、Hf及びZrから選択される少なくとも1種、A2はSi及びPから選択される少なくとも1種、s=1.4〜5.2、t=1〜2.9、u=2.8〜4.1、v=9〜14)で表される結晶を含有するものが挙げられる。なお、上記結晶の好ましい形態としては、A1はY、Nb、Ti及びZrから選択される少なくとも1種、s=2.5〜3.5、t=1〜2.5、u=2.8〜4、v=9.5〜12である。この場合、ナトリウムイオン伝導性により一層優れた結晶を得ることができる。特に、単斜晶系又は三方晶系のNASICON型結晶であれば、ナトリウムイオン伝導性にさらに一層優れるため好ましい。 At least one first solid electrolyte when a NASICON-type crystal, the general formula Na s A1 t A2 u O v (A1 Al, Y, Yb, Nd, Nb, Ti, are selected from Hf and Zr, A2 Is represented by at least one selected from Si and P, s = 1.4 to 5.2, t = 1 to 2.9, u = 2.8 to 4.1, v = 9 to 14). Those containing crystals can be mentioned. In addition, as a preferable form of the said crystal, A1 is at least one selected from Y, Nb, Ti and Zr, s = 2.5 to 3.5, t = 1 to 2.5, u = 2.8. ~ 4, v = 9.5-12. In this case, more excellent crystals can be obtained due to the sodium ion conductivity. In particular, monoclinic or trigonal NASICON type crystals are preferable because they are even more excellent in sodium ion conductivity.

上記一般式NaA1A2で表される結晶の具体例としては、NaZrSiPO12、Na3.2Zr1.3Si2.20.810.5、NaZr1.6Ti0.4SiPO12、NaHfSiPO12、Na3.4Zr0.9Hf1.4Al0.6Si1.21.812、NaZr1.7Nb0.24SiPO12、Na3.6Ti0.20.8Si2.8、NaZr1.880.12SiPO12、Na3.12Zr1.880.12SiPO12、Na3.6Zr0.13Yb1.67Si0.112.912等が挙げられる。 The general formula Na s A1 t A2 Specific examples of u O v represented by the crystal, Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12, Na 3.2 Zr 1.3 Si 2.2 P 0.8 O 10. 5 , Na 3 Zr 1.6 Ti 0.4 Si 2 PO 12 , Na 3 Hf 2 Si 2 PO 12 , Na 3.4 Zr 0.9 Hf 1.4 Al 0.6 Si 1.2 P 1.8 O 12 , Na 3 Zr 1.7 Nb 0.24 Si 2 PO 12 , Na 3.6 Ti 0.2 Y 0.8 Si 2.8 O 9 , Na 3 Zr 1.88 Y 0.12 Si 2 PO 12 , Na 3.12 Zr 1.88 Y 0.12 Si 2 PO 12 , Na 3.6 Zr 0.13 Yb 1.67 Si 0.11 P 2.9 O 12 and the like.

第1の固体電解質の原料粉末5の平均粒子径は、15μm以下であることが好ましく、10μm以下であることがより好ましく、5μm以下であることがさらに好ましい。第1の固体電解質の原料粉末5の平均粒子径が大きすぎると、第1の固体電解質の原料粉末5同士の接触面積が低下するため、焼成による固相反応が進行し難くなる場合がある。そのため、負極活物質粉末と固体電解質粉末との間のナトリウムイオン伝導パスが減少し、放電容量が低下しやすくなる。また、固体電解質シート1を薄型化し難しくなる場合がある。さらに、ナトリウムイオン伝導に要する距離が長くなりナトリウムイオン伝導性が低下する傾向がある。第1の固体電解質の原料粉末5の平均粒子径の下限は、特に限定されないが、例えば、0.01μm以上であることが好ましく、0.05μm以上であることがより好ましく、0.1μm以上であることがさらに好ましい。 The average particle size of the raw material powder 5 of the first solid electrolyte is preferably 15 μm or less, more preferably 10 μm or less, and further preferably 5 μm or less. If the average particle size of the raw material powder 5 of the first solid electrolyte is too large, the contact area between the raw material powders 5 of the first solid electrolyte decreases, so that the solid phase reaction by firing may be difficult to proceed. Therefore, the sodium ion conduction path between the negative electrode active material powder and the solid electrolyte powder is reduced, and the discharge capacity is likely to decrease. In addition, it may be difficult to make the solid electrolyte sheet 1 thinner. Further, the distance required for sodium ion conduction becomes long, and the sodium ion conductivity tends to decrease. The lower limit of the average particle size of the raw material powder 5 of the first solid electrolyte is not particularly limited, but is preferably 0.01 μm or more, more preferably 0.05 μm or more, and 0.1 μm or more, for example. It is more preferable to have.

なお、本発明において、平均粒子径は、D50(体積基準の平均粒子径)を意味し、レーザー回折散乱法により測定された値を指すものとする。 In the present invention, the average particle size means D50 (volume-based average particle size) and refers to a value measured by a laser diffraction / scattering method.

また、第1の固体電解質の原料粉末5は、予め仮焼成した後に用いてもよい。第1の固体電解質の原料粉末5を仮焼成する場合、後述の本焼成において、アルカリ金属イオンの蒸発をより一層抑制することができる。また、脱ガスやアルカリ金属イオンの蒸発に伴う固体電解質シート1の膨張をより一層抑制することができる。仮焼成の温度としては、例えば、1000℃以上1400℃未満とすることができる。また、仮焼成の時間としては、例えば、1時間〜20時間とすることができる。 Further, the raw material powder 5 of the first solid electrolyte may be used after being calcined in advance. When the raw material powder 5 of the first solid electrolyte is tentatively fired, the evaporation of alkali metal ions can be further suppressed in the main firing described later. Further, the expansion of the solid electrolyte sheet 1 due to degassing and evaporation of alkali metal ions can be further suppressed. The temperature of the tentative firing can be, for example, 1000 ° C. or higher and lower than 1400 ° C. The time for temporary firing can be, for example, 1 hour to 20 hours.

バインダー;
バインダーとしては、特に限定されず、例えば、(メタ)アクリル樹脂、ポリビニルブチラール樹脂などを用いることができる。これらは、単独で用いてもよく、複数を併用してもよい。
binder;
The binder is not particularly limited, and for example, a (meth) acrylic resin, a polyvinyl butyral resin, or the like can be used. These may be used alone or in combination of two or more.

可塑剤;
可塑剤としては、特に限定されず、例えば、フタル酸ジブチル、フタル酸ベンジルブチルなどを用いることができる。これらは、単独で用いてもよく、複数を併用してもよい。可塑剤を用いることにより、乾燥速度をコントロールしたり、得られた膜に柔軟性を付与したりすることができる。
Plasticizer;
The plasticizer is not particularly limited, and for example, dibutyl phthalate, benzyl butyl phthalate, and the like can be used. These may be used alone or in combination of two or more. By using a plasticizer, it is possible to control the drying rate and impart flexibility to the obtained film.

溶媒;
また、溶媒としては、例えば、水、あるいはエタノール、アセトン、N−メチルピロリドンなどの有機溶媒を用いることができる。もっとも、溶媒として、水を用いた場合、ナトリウム成分が第1の固体電解質の原料粉末5から溶出してスラリーのpHが上昇し、第1の固体電解質の原料粉末5が凝集するおそれがある。そのため、溶媒としては、有機溶媒を用いることが好ましい。
solvent;
Further, as the solvent, for example, water or an organic solvent such as ethanol, acetone or N-methylpyrrolidone can be used. However, when water is used as the solvent, the sodium component may elute from the raw material powder 5 of the first solid electrolyte, the pH of the slurry rises, and the raw material powder 5 of the first solid electrolyte may aggregate. Therefore, it is preferable to use an organic solvent as the solvent.

第1のグリーンシート2の厚みは、好ましくは20μm以上、より好ましくは60μm以上、好ましくは1000μm以下、より好ましくは800μm以下、さらに好ましくは600μm以下、特に好ましくは400μm以下である。第1のグリーンシート2の厚みが薄すぎると、固体電解質シート1の機械的強度が低下することがある。また、第1のグリーンシート2の厚みが厚すぎると、得られる固体電解質シート1の厚みも厚くなる。そのため、固体電解質シート1中のイオン伝導に要する距離も長くなり、単位体積当たりのエネルギー密度が低下し易くなる。 The thickness of the first green sheet 2 is preferably 20 μm or more, more preferably 60 μm or more, preferably 1000 μm or less, more preferably 800 μm or less, still more preferably 600 μm or less, and particularly preferably 400 μm or less. If the thickness of the first green sheet 2 is too thin, the mechanical strength of the solid electrolyte sheet 1 may decrease. Further, if the thickness of the first green sheet 2 is too thick, the thickness of the obtained solid electrolyte sheet 1 also becomes thick. Therefore, the distance required for ion conduction in the solid electrolyte sheet 1 also becomes long, and the energy density per unit volume tends to decrease.

(積層体形成工程)
積層体形成工程においては、図2に示すように、まず、第1のグリーンシート2の第1の主面2a上に、第1の拘束層3を積層する。また、第1のグリーンシート2の第2の主面2b上に、第2の拘束層4を積層する。なお、第1のグリーンシート2の第1の主面2a及び第2の主面2bは、互いに対向している。
(Laminate body forming process)
In the laminate forming step, as shown in FIG. 2, first, the first restraint layer 3 is laminated on the first main surface 2a of the first green sheet 2. Further, the second restraint layer 4 is laminated on the second main surface 2b of the first green sheet 2. The first main surface 2a and the second main surface 2b of the first green sheet 2 face each other.

第1の拘束層3及び第2の拘束層4は、それぞれ、第2の固体電解質の粉末6を含んでいる。第2の固体電解質の粉末6は、第2の固体電解質の原料粉末を焼成することにより得られた焼成後の粉末である。そのため、第1の拘束層3及び第2の拘束層4は、難焼結性の拘束層である。 The first restraint layer 3 and the second restraint layer 4 each contain a second solid electrolyte powder 6. The powder 6 of the second solid electrolyte is a powder after firing obtained by firing the raw material powder of the second solid electrolyte. Therefore, the first restraint layer 3 and the second restraint layer 4 are difficult-to-sinter restraint layers.

第2の固体電解質としては、例えば、ナトリウムイオン伝導性酸化物を用いることができる。ナトリウムイオン伝導性酸化物としては、Al、Y、Zr、Si及びPから選ばれる少なくとも1種、Na、並びにOを含有する化合物が挙げられる。その具体例としては、β−アルミナ、β”−アルミナ、又はNASICON型結晶が挙げられる。好ましくは、ナトリウムイオン伝導性酸化物が、β−アルミナ又はβ”−アルミナである。これらは、ナトリウムイオン伝導性により一層優れている。 As the second solid electrolyte, for example, a sodium ion conductive oxide can be used. Examples of the sodium ion conductive oxide include compounds containing at least one selected from Al, Y, Zr, Si and P, Na, and O. Specific examples thereof include β-alumina, β ”-alumina, and NASICON type crystals. The sodium ion conductive oxide is preferably β-alumina or β” -alumina. These are even better due to sodium ion conductivity.

第2の固体電解質がβ−アルミナやβ”−アルミナである場合、例えば、モル%で、Al:65%〜98%、NaO:2%〜20%、MgO+LiO:0.3%〜15%を含有するものが挙げられる。組成をこのように限定した理由を以下に説明する。なお、以下の説明において、特に断りのない限り、「%」は「モル%」を意味する。また、「○+○+・・・」は該当する各成分の合量を意味する。 When the second solid electrolyte is β-alumina or β "-alumina, for example, in mol%, Al 2 O 3 : 65% to 98%, Na 2 O: 2% to 20%, MgO + Li 2 O: 0. Examples include those containing 3% to 15%. The reason for limiting the composition in this way will be described below. In the following description, unless otherwise specified, "%" is "mol%". means. In addition, "○ + ○ + ..." Means the total amount of each corresponding component.

Alは、β−アルミナ及びβ”−アルミナを構成する主成分である。Alの含有量は、好ましくは65%〜98%、より好ましくは70%〜95%である。Alが少なすぎると、ナトリウムイオン伝導性が低下しやすくなる。一方、Alが多すぎると、ナトリウムイオン伝導性を有さないα−アルミナが残存し、ナトリウムイオン伝導性が低下しやすくなる。 Al 2 O 3 is a main component constituting β-alumina and β ″ -alumina. The content of Al 2 O 3 is preferably 65% to 98%, more preferably 70% to 95%. If the amount of Al 2 O 3 is too small, the sodium ion conductivity tends to decrease. On the other hand, if the amount of Al 2 O 3 is too large, α-alumina having no sodium ion conductivity remains and the sodium ion conductivity becomes poor. It tends to decrease.

NaOは、第2の固体電解質にナトリウムイオン伝導性を付与する成分である。NaOの含有量は、好ましくは2%〜20%、より好ましくは3%〜18%、さらに好ましくは4%〜16%である。NaOが少なすぎると、上記効果が得られにくくなる。一方、NaOが多すぎると、余剰のナトリウムがNaAlO等のナトリウムイオン伝導性に寄与しない化合物を形成するため、ナトリウムイオン伝導性が低下しやすくなる。 Na 2 O is a component that imparts sodium ion conductivity to the second solid electrolyte. The content of Na 2 O is preferably 2% to 20%, more preferably 3% to 18%, still more preferably 4% to 16%. If the amount of Na 2 O is too small, it becomes difficult to obtain the above effect. On the other hand, if the amount of Na 2 O is too large, the excess sodium forms a compound such as NaAlO 2 that does not contribute to the sodium ion conductivity, so that the sodium ion conductivity tends to decrease.

MgO及びLiOは、β−アルミナ及びβ”−アルミナの構造を安定化させる成分(安定化剤)である。MgO+LiOの含有量は、好ましくは0.3%〜15%、より好ましくは0.5%〜10%、さらに好ましくは0.8%〜8%である。MgO+LiOが少なすぎると、第2の固体電解質中にα−アルミナが残存してナトリウムイオン伝導性が低下しやすくなる。一方、MgO+LiOが多すぎると、安定化剤として機能しなかったMgO又はLiOが第2の固体電解質中に残存して、ナトリウムイオン伝導性が低下しやすくなる。 MgO and Li 2 O is, beta-alumina and beta "- content of .MgO + Li 2 O is a component to stabilize the structure of alumina (stabilizing agent), preferably 0.3% to 15%, more preferably 0.5% to 10%, more preferably when the .MgO + Li 2 O is 0.8% to 8% is too small, the sodium ion conductivity α- alumina in the second solid electrolyte remained in reduced On the other hand, if the amount of MgO + Li 2 O is too large, Mg O or Li 2 O that did not function as a stabilizer remains in the second solid electrolyte, and the sodium ion conductivity tends to decrease.

第2の固体電解質は、上記成分以外にも、ZrOやYを含有することが好ましい。ZrO及びYは、原料を焼成して第2の固体電解質を作製する際のβ−アルミナ及び/またはβ”−アルミナの異常粒成長を抑制し、β−アルミナ及び/またはβ”−アルミナの各粒子の密着性をより一層向上させる効果がある。ZrOの含有量は、好ましくは0%〜15%、より好ましくは1%〜13%、さらに好ましくは2%〜10%である。また、Yの含有量は、好ましくは0%〜5%、より好ましくは0.01%〜4%、さらに好ましくは0.02%〜3%である。ZrO又はYが多すぎると、β−アルミナ及び/またはβ”−アルミナの生成量が低下して、ナトリウムイオン伝導性が低下しやすくなる。 The second solid electrolyte preferably contains ZrO 2 and Y 2 O 3 in addition to the above components. ZrO 2 and Y 2 O 3 suppress the abnormal grain growth of β-alumina and / or β ”-alumina when the raw material is fired to prepare a second solid electrolyte, and β-alumina and / or β”. -It has the effect of further improving the adhesion of each particle of alumina. The content of ZrO 2 is preferably 0% to 15%, more preferably 1% to 13%, still more preferably 2% to 10%. The content of Y 2 O 3 is preferably 0% to 5%, more preferably 0.01% to 4%, and even more preferably 0.02% to 3%. If the amount of ZrO 2 or Y 2 O 3 is too large, the amount of β-alumina and / or β ”-alumina produced decreases, and the sodium ion conductivity tends to decrease.

第2の固体電解質がNASICON型結晶である場合、一般式NaA1A2(A1はAl、Y、Yb、Nd、Nb、Ti、Hf及びZrから選択される少なくとも1種、A2はSi及びPから選択される少なくとも1種、s=1.4〜5.2、t=1〜2.9、u=2.8〜4.1、v=9〜14)で表される結晶を含有するものが挙げられる。なお、上記結晶の好ましい形態としては、A1はY、Nb、Ti及びZrから選択される少なくとも1種、s=2.5〜3.5、t=1〜2.5、u=2.8〜4、v=9.5〜12である。この場合、ナトリウムイオン伝導性により一層優れた結晶を得ることができる。特に、単斜晶系又は三方晶系のNASICON型結晶であれば、ナトリウムイオン伝導性にさらに一層優れるため好ましい。 At least one second solid electrolyte when a NASICON-type crystal, the general formula Na s A1 t A2 u O v (A1 Al, Y, Yb, Nd, Nb, Ti, are selected from Hf and Zr, A2 Is represented by at least one selected from Si and P, s = 1.4 to 5.2, t = 1 to 2.9, u = 2.8 to 4.1, v = 9 to 14). Those containing crystals can be mentioned. In addition, as a preferable form of the said crystal, A1 is at least one selected from Y, Nb, Ti and Zr, s = 2.5 to 3.5, t = 1 to 2.5, u = 2.8. ~ 4, v = 9.5-12. In this case, more excellent crystals can be obtained due to the sodium ion conductivity. In particular, monoclinic or trigonal NASICON type crystals are preferable because they are even more excellent in sodium ion conductivity.

上記一般式NaA1A2で表される結晶の具体例としては、NaZrSiPO12、Na3.2Zr1.3Si2.20.810.5、NaZr1.6Ti0.4SiPO12、NaHfSiPO12、Na3.4Zr0.9Hf1.4Al0.6Si1.21.812、NaZr1.7Nb0.24SiPO12、Na3.6Ti0.20.8Si2.8、NaZr1.880.12SiPO12、Na3.12Zr1.880.12SiPO12、Na3.6Zr0.13Yb1.67Si0.112.912等が挙げられる。 The general formula Na s A1 t A2 Specific examples of u O v represented by the crystal, Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12, Na 3.2 Zr 1.3 Si 2.2 P 0.8 O 10. 5 , Na 3 Zr 1.6 Ti 0.4 Si 2 PO 12 , Na 3 Hf 2 Si 2 PO 12 , Na 3.4 Zr 0.9 Hf 1.4 Al 0.6 Si 1.2 P 1.8 O 12 , Na 3 Zr 1.7 Nb 0.24 Si 2 PO 12 , Na 3.6 Ti 0.2 Y 0.8 Si 2.8 O 9 , Na 3 Zr 1.88 Y 0.12 Si 2 PO 12 , Na 3.12 Zr 1.88 Y 0.12 Si 2 PO 12 , Na 3.6 Zr 0.13 Yb 1.67 Si 0.11 P 2.9 O 12 and the like.

なお、第1の固体電解質と、第2の固体電解質とは、同じ組成を有することが好ましい。この場合、後述するアルカリ金属イオンの蒸発をより一層抑制することができる。 The first solid electrolyte and the second solid electrolyte preferably have the same composition. In this case, the evaporation of alkali metal ions, which will be described later, can be further suppressed.

第2の固体電解質の粉末6の平均粒子径は、0.01μm以上であることが好ましい。第2の固体電解質の粉末6の平均粒子径が小さすぎると、第1のグリーンシート2と第1の拘束層3及び第2の拘束層4との界面において、第1の固体電解質の原料粉末5と第2の固体電解質の粉末6とが反応し、反応生成物が形成され、その結果固着状態が強固となる場合がある。この場合、後述する第1の拘束層3及び第2の拘束層4の除去や、反応生成物の除去が困難なる場合がある。第2の固体電解質の粉末6の平均粒子径の上限は、特に限定されないが、例えば、15μm以下であることが好ましい。 The average particle size of the powder 6 of the second solid electrolyte is preferably 0.01 μm or more. If the average particle size of the powder 6 of the second solid electrolyte is too small, the raw material powder of the first solid electrolyte is formed at the interface between the first green sheet 2 and the first restraint layer 3 and the second restraint layer 4. The 5 and the powder 6 of the second solid electrolyte may react with each other to form a reaction product, and as a result, the fixed state may be strengthened. In this case, it may be difficult to remove the first restraint layer 3 and the second restraint layer 4, which will be described later, or to remove the reaction product. The upper limit of the average particle size of the powder 6 of the second solid electrolyte is not particularly limited, but is preferably 15 μm or less, for example.

本実施形態において、第1の拘束層3及び第2の拘束層4は、いずれも第2の固体電解質の粉末6を含む第2のグリーンシートである。 In the present embodiment, the first restraint layer 3 and the second restraint layer 4 are both second green sheets containing the powder 6 of the second solid electrolyte.

第2のグリーンシートを用意するに際しては、まず、第2の固体電解質の粉末6を含むスラリーを、ポリエチレンテレフタレート等の基材上に塗布し、乾燥させることにより得ることができる。なお、第2の固体電解質の粉末6のスラリーは、例えば、第2の固体電解質の粉末6に、必要に応じてバインダー、可塑剤、溶媒を添加し、撹拌することにより得ることができる。バインダー、可塑剤、溶媒に関しては、上述の第1のグリーンシート2の用意工程で例示したものを用いることができる。また、スラリーの塗布は、例えば、ドクターブレードや、ダイコーター等により行うことができる。 When preparing the second green sheet, it can be obtained by first applying a slurry containing the powder 6 of the second solid electrolyte on a substrate such as polyethylene terephthalate and drying it. The slurry of the powder 6 of the second solid electrolyte can be obtained, for example, by adding a binder, a plasticizer, and a solvent to the powder 6 of the second solid electrolyte, if necessary, and stirring the mixture. As for the binder, the plasticizer, and the solvent, those exemplified in the above-mentioned preparation step of the first green sheet 2 can be used. Further, the slurry can be applied by, for example, a doctor blade, a die coater, or the like.

次に、第1のグリーンシート2上に、第2のグリーンシートである第1の拘束層3及び第2の拘束層4を積層させた状態で圧着することにより一体化させ、積層体10を得る。第1のグリーンシート2と、第1の拘束層3及び第2の拘束層4との圧着は、等方圧プレスにより行うことが好ましい。このように、第1のグリーンシート2を含む積層体10を焼成する前に等方圧プレスを行なう場合、固体電解質の各粒子の密着性がより一層向上し、イオン伝導性をより一層高めることができる。 Next, the first restraint layer 3 and the second restraint layer 4, which are the second green sheets, are laminated on the first green sheet 2 and then crimped to be integrated to form the laminated body 10. obtain. The pressure bonding between the first green sheet 2 and the first restraint layer 3 and the second restraint layer 4 is preferably performed by an isotropic pressure press. As described above, when the isotropic pressure press is performed before firing the laminate 10 including the first green sheet 2, the adhesion of each particle of the solid electrolyte is further improved, and the ionic conductivity is further enhanced. Can be done.

等方圧プレスの圧力は、特に限定されないが、好ましくは5MPa以上、より好ましくは10MPa以上であることが望ましい。等方圧プレス時の圧力が低すぎると、原料粉末同士の密着が不十分となり、焼成時に固相反応が生じ難くなる場合がある。また、固体電解質の各粒子の密着性が不十分となり、イオン伝導性が低下することがある。 The pressure of the isotropic press is not particularly limited, but is preferably 5 MPa or more, more preferably 10 MPa or more. If the pressure during isotropic pressing is too low, the raw material powders may not adhere to each other sufficiently, and a solid-phase reaction may not easily occur during firing. In addition, the adhesion of each particle of the solid electrolyte may be insufficient, and the ionic conductivity may be lowered.

なお、本実施形態では、第1のグリーンシート2の両側の主面2a,2b上に、それぞれ、第1の拘束層3及び第2の拘束層4を設けたが、本発明においては第1の拘束層3及び第2の拘束層4のどちらか一方が設けられていればよい。もっとも、後述するアルカリ金属イオンの蒸発をより一層抑制する観点からは、第1のグリーンシート2の両側の主面2a,2b上に、それぞれ、第1の拘束層3及び第2の拘束層4が設けられていることが好ましい。 In the present embodiment, the first restraint layer 3 and the second restraint layer 4 are provided on the main surfaces 2a and 2b on both sides of the first green sheet 2, respectively, but in the present invention, the first restraint layer 4 is provided. Either one of the restraint layer 3 and the second restraint layer 4 may be provided. However, from the viewpoint of further suppressing the evaporation of alkali metal ions, which will be described later, the first restraint layer 3 and the second restraint layer 4 are placed on the main surfaces 2a and 2b on both sides of the first green sheet 2, respectively. Is preferably provided.

また、本実施形態では、第1の拘束層3及び第2の拘束層4が、いずれも第2の固体電解質の粉末6を含む第2のグリーンシートであったが、第1の拘束層3及び第2の拘束層4は、実質的に第2の固体電解質の粉末6のみからなり、バインダーなどを含んでいなくともよい。また、第1の拘束層3及び第2の拘束層4は、第2の固体電解質の粉末6を含むペーストであってもよい。また、第1の拘束層3及び第2の拘束層4上(第1のグリーンシート2とは反対側の表面上)にさらにα−アルミナを含む層を設けてもよい。 Further, in the present embodiment, the first restraint layer 3 and the second restraint layer 4 are both the second green sheet containing the powder 6 of the second solid electrolyte, but the first restraint layer 3 And the second restraint layer 4 is substantially composed of only the powder 6 of the second solid electrolyte, and does not have to contain a binder or the like. Further, the first restraint layer 3 and the second restraint layer 4 may be a paste containing the powder 6 of the second solid electrolyte. Further, a layer containing α-alumina may be further provided on the first restraint layer 3 and the second restraint layer 4 (on the surface opposite to the first green sheet 2).

(焼成工程)
次に、積層体10を焼成する。本実施形態では、第1のグリーンシート2の両側の主面2a,2bに、それぞれ、第1の拘束層3及び第2の拘束層4を圧着した状態で、焼成する。
(Baking process)
Next, the laminate 10 is fired. In the present embodiment, the first restraint layer 3 and the second restraint layer 4 are crimped to the main surfaces 2a and 2b on both sides of the first green sheet 2, respectively, and then fired.

具体的に、本実施形態では、まず、脱バインダーのための焼成を行う。そして、脱バインダーのための焼成を行った後に、本焼成を行なう。この場合、脱バインダーのための焼成によりバインダーが消失し、図3に示すように、第1のグリーンシート2は、実質的に第1の固体電解質の原料粉末5のみからなる層となる。また、第1の拘束層3及び第2の拘束層4は、実質的に第2の固体電解質の粉末6のみからなる層となる。そして、この状態でさらに本焼成を行うことにより、第1の固体電解質の原料粉末5の固相反応が進行し、第1の固体電解質の粉末となる。なお、脱バインダーのための焼成は、本焼成の温度より低温で一定時間行うものとする。 Specifically, in the present embodiment, first, firing for debindering is performed. Then, after firing for removing the binder, the main firing is performed. In this case, the binder disappears by firing for debinder, and as shown in FIG. 3, the first green sheet 2 becomes a layer substantially composed of only the raw material powder 5 of the first solid electrolyte. Further, the first restraint layer 3 and the second restraint layer 4 are substantially formed of only the powder 6 of the second solid electrolyte. Then, by further performing the main firing in this state, the solid-phase reaction of the raw material powder 5 of the first solid electrolyte proceeds, and the powder of the first solid electrolyte is obtained. The firing for removing the binder shall be performed at a temperature lower than the temperature of the main firing for a certain period of time.

脱バインダーのための焼成温度としては、例えば、350℃〜800℃とすることができる。脱バインダーのための焼成時間は、例えば、30分〜120分とすることができる。また、本焼成の焼成温度としては、例えば、1200℃〜1750℃、さらには1400〜1750℃とすることができる。本焼成の焼成時間は、例えば、10分〜120分とすることができる。 The firing temperature for removing the binder can be, for example, 350 ° C. to 800 ° C. The firing time for debindering can be, for example, 30 minutes to 120 minutes. Further, the firing temperature of the main firing can be, for example, 1200 ° C to 1750 ° C, and further 140 to 1750 ° C. The firing time of the main firing can be, for example, 10 minutes to 120 minutes.

本実施形態のように、積層体10の焼成は、脱バインダーのための焼成と、本焼成の二段階に分けて行なうことが好ましい。この場合、後述するアルカリ金属イオンの蒸発をより一層抑制することができる。もっとも、本発明においては、脱バインダーのための焼成と本焼成を同時に一段階で行ってもよい。 As in the present embodiment, the firing of the laminated body 10 is preferably performed in two stages, a firing for removing the binder and a main firing. In this case, the evaporation of alkali metal ions, which will be described later, can be further suppressed. However, in the present invention, the firing for removing the binder and the main firing may be performed at the same time in one step.

(除去工程)
次に、図4に示すように、焼成後の積層体から、焼成後の第1の拘束層3A及び第2の拘束層4Aを分離し、除去する。それによって、固体電解質シート1を得ることができる。
(Removal process)
Next, as shown in FIG. 4, the first restraint layer 3A and the second restraint layer 4A after firing are separated and removed from the fired laminate. Thereby, the solid electrolyte sheet 1 can be obtained.

なお、焼成後の第1の拘束層3A及び第2の拘束層4Aを除去するに際しては、焼成後の第1の拘束層3A及び第2の拘束層4Aのうち、全部または一部を取り除く。焼成後の第1の拘束層3A及び第2の拘束層4Aのうち一部を取り除く場合は、例えば、焼成後の第1のグリーンシート2Aに付着していない部分を取り除くことが望ましい。特に、焼成後の第1のグリーンシート2Aに付着していない部分のみを取り除くことが望ましい。すなわち、第1の拘束層3A及び第2の拘束層4Aのうち、第1のグリーンシート2Aに付着している部分は、取り除かずにそのまま残しておくことが望ましい。 When removing the first restraint layer 3A and the second restraint layer 4A after firing, all or part of the first restraint layer 3A and the second restraint layer 4A after firing is removed. When removing a part of the first restraint layer 3A and the second restraint layer 4A after firing, it is desirable to remove, for example, the portion that does not adhere to the first green sheet 2A after firing. In particular, it is desirable to remove only the portion that does not adhere to the first green sheet 2A after firing. That is, it is desirable that the portion of the first restraint layer 3A and the second restraint layer 4A that is attached to the first green sheet 2A is left as it is without being removed.

第1の拘束層3A及び第2の拘束層4Aの除去方法としては、特に限定されないが、例えば、高圧エアーを吹き付けることにより除去することができる。 The method for removing the first restraint layer 3A and the second restraint layer 4A is not particularly limited, but can be removed by, for example, blowing high-pressure air.

以上のように、本実施形態の製造方法では、ナトリウムイオン伝導性酸化物からなる第1の固体電解質の原料粉末5を含む第1のグリーンシート2の両側の主面2a,2bに、それぞれ、ナトリウムイオン伝導性酸化物からなる第2の固体電解質の粉末6を含む難焼結性の第1の拘束層3及び第2の拘束層4を圧着した状態で、積層体10を焼成する。そのため、第1の拘束層3及び第2の拘束層4により、第1のグリーンシート2におけるアルカリイオンの蒸発を抑制することができる。従って、得られた固体電解質シート1では、アルカリ金属イオン欠乏層が形成され難く、イオン伝導性を高めることができる。 As described above, in the production method of the present embodiment, the main surfaces 2a and 2b on both sides of the first green sheet 2 containing the raw material powder 5 of the first solid electrolyte composed of the sodium ion conductive oxide are respectively. The laminate 10 is fired in a state where the first restraint layer 3 and the second restraint layer 4 which are difficult to sinter and contain the powder 6 of the second solid electrolyte made of sodium ion conductive oxide are pressure-bonded. Therefore, the first restraint layer 3 and the second restraint layer 4 can suppress the evaporation of alkaline ions in the first green sheet 2. Therefore, in the obtained solid electrolyte sheet 1, it is difficult for the alkali metal ion-deficient layer to be formed, and the ion conductivity can be enhanced.

また、第1の拘束層3及び第2の拘束層4により第1のグリーンシート2の上下主面2a,2bを圧着した状態で焼成する際に、第1の拘束層3及び第2の拘束層4は、実質的には焼結しない。従って、第1の拘束層3及び第2の拘束層4は、焼成により第1のグリーンシート2が収縮する際に、第1のグリーンシート2の上下主面2a,2bに拘束力を及ぼす。その結果、第1のグリーンシート2の平面方向への収縮が抑制され、厚み方向にのみ収縮することとなる。そのため、平坦性に優れた固体電解質シート1を得ることができる。なお、得られた固体電解質シート1の平坦性をより一層高める観点から、本実施形態のように、第1の拘束層3及び第2の拘束層4がグリーンシートであることが好ましい。 Further, when firing in a state where the upper and lower main surfaces 2a and 2b of the first green sheet 2 are crimped by the first restraint layer 3 and the second restraint layer 4, the first restraint layer 3 and the second restraint layer 3 and the second restraint layer 4 are fired. Layer 4 is substantially non-sintered. Therefore, the first restraint layer 3 and the second restraint layer 4 exert a binding force on the upper and lower main surfaces 2a and 2b of the first green sheet 2 when the first green sheet 2 contracts due to firing. As a result, the shrinkage of the first green sheet 2 in the plane direction is suppressed, and the first green sheet 2 shrinks only in the thickness direction. Therefore, the solid electrolyte sheet 1 having excellent flatness can be obtained. From the viewpoint of further improving the flatness of the obtained solid electrolyte sheet 1, it is preferable that the first restraint layer 3 and the second restraint layer 4 are green sheets as in the present embodiment.

また、本実施形態の製造方法で得られた固体電解質シート1は、平坦性に優れることから、固体電解質シート1上に電極層をより一層均一に塗布することができる。そのため、電極層の厚みにムラが生じ難く、局所的に内部抵抗が大きい箇所が生じ難い。よって、得られた固体電解質シート1を用いた場合、全固体ナトリウムイオン二次電池のレート特性を高めることができる。 Further, since the solid electrolyte sheet 1 obtained by the production method of the present embodiment is excellent in flatness, the electrode layer can be applied more uniformly on the solid electrolyte sheet 1. Therefore, the thickness of the electrode layer is unlikely to be uneven, and a portion having a large internal resistance is unlikely to occur locally. Therefore, when the obtained solid electrolyte sheet 1 is used, the rate characteristics of the all-solid-state sodium-ion secondary battery can be improved.

また、本実施形態においては、積層体10の焼成により、第1の固体電解質の結晶が生成する際、第1のグリーンシート2の表面で第1の固体電解質と第2の固体電解質とが反応する。そのため、第1の拘束層3及び第2の拘束層4を除去する際に、第1の固体電解質と反応した第2の固体電解質が、固体電解質シート1の表面に残存することとなる。その結果、固体電解質シート1の表面が粗面化されることとなる。特に、本実施形態の製造方法では、表面に残存した第2の固体電解質により粗面化することができるので、乾式研磨やサンドブラストで粗面化した場合とは異なり、割れを生じることなく粗面化することができる。 Further, in the present embodiment, when the crystals of the first solid electrolyte are formed by firing the laminate 10, the first solid electrolyte and the second solid electrolyte react on the surface of the first green sheet 2. To do. Therefore, when the first restraint layer 3 and the second restraint layer 4 are removed, the second solid electrolyte that has reacted with the first solid electrolyte remains on the surface of the solid electrolyte sheet 1. As a result, the surface of the solid electrolyte sheet 1 is roughened. In particular, in the production method of the present embodiment, the surface can be roughened by the second solid electrolyte remaining on the surface, so that the surface is roughened without cracking, unlike the case where the surface is roughened by dry polishing or sandblasting. Can be transformed into.

このように、本実施形態の製造方法では、固体電解質シート1の表面を粗面化することができるので、比表面積を大きくすることができる。そのため、固体電解質シート1の表面上に電極層を形成したときに、電極層とのイオンのやり取りが増加し、全固体ナトリウムイオン二次電池のレート特性を高めることができる。 As described above, in the production method of the present embodiment, the surface of the solid electrolyte sheet 1 can be roughened, so that the specific surface area can be increased. Therefore, when the electrode layer is formed on the surface of the solid electrolyte sheet 1, the exchange of ions with the electrode layer is increased, and the rate characteristics of the all-solid-state sodium-ion secondary battery can be improved.

(固体電解質シート)
本発明の固体電解質シートは、例えば、上述した固体電解質シート1の製造方法により得ることができる。
(Solid electrolyte sheet)
The solid electrolyte sheet of the present invention can be obtained, for example, by the method for producing the solid electrolyte sheet 1 described above.

固体電解質シート1の厚みは、特に限定されないが、好ましくは10μm以上、より好ましくは50μm以上、さらに好ましくは150μm以上、好ましくは2000μm以下、より好ましくは500μm以下、さらに好ましくは200μm以下である。固体電解質シート1の厚みが薄すぎると、機械的強度が低下して破損しやすくなり、また内部短絡が起こりやすくなる。一方、固体電解質シート1の厚みが厚すぎると、充放電に伴うナトリウムイオン伝導距離が長くなるため内部抵抗が大きくなり、放電容量及び作動電圧が低下しやすくなる。また、全固体ナトリウムイオン二次電池の単位体積当たりのエネルギー密度も低下することがある。 The thickness of the solid electrolyte sheet 1 is not particularly limited, but is preferably 10 μm or more, more preferably 50 μm or more, still more preferably 150 μm or more, preferably 2000 μm or less, more preferably 500 μm or less, still more preferably 200 μm or less. If the thickness of the solid electrolyte sheet 1 is too thin, the mechanical strength is lowered and the solid electrolyte sheet 1 is liable to be damaged, and an internal short circuit is liable to occur. On the other hand, if the thickness of the solid electrolyte sheet 1 is too thick, the sodium ion conduction distance associated with charging and discharging becomes long, so that the internal resistance becomes large, and the discharge capacity and the operating voltage tend to decrease. In addition, the energy density per unit volume of the all-solid-state sodium-ion secondary battery may also decrease.

固体電解質シート1の算術平均粗さRaは、好ましくは0.05μm以上、より好ましくは0.1μm以上、さらに好ましくは0.5μm以上、好ましくは5.5μm以下、より好ましくは2μm以下である。算術平均粗さRaが上記下限以上である場合、固体電解質シート1から電極層がより一層剥離し難く、充放電容量をより一層高めることができる。また、算術平均粗さRaが上記上限以下である場合、固体電解質シート1と電極層との間に空隙が生じ難く、充放電容量をより一層高めることができる。なお、算術平均粗さRaは、JIS B 0633−2001に準拠して測定することができる。 The arithmetic mean roughness Ra of the solid electrolyte sheet 1 is preferably 0.05 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, still more preferably 0.5 μm or more, preferably 5.5 μm or less, and more preferably 2 μm or less. When the arithmetic mean roughness Ra is at least the above lower limit, the electrode layer is more difficult to peel off from the solid electrolyte sheet 1, and the charge / discharge capacity can be further increased. Further, when the arithmetic mean roughness Ra is not more than the above upper limit, voids are less likely to be generated between the solid electrolyte sheet 1 and the electrode layer, and the charge / discharge capacity can be further increased. The arithmetic mean roughness Ra can be measured in accordance with JIS B 0633-2001.

(全固体ナトリウムイオン二次電池)
本発明の製造方法で得られた固体電解質シートは、全固体ナトリウムイオン二次電池に用いられることが好ましい。全固体ナトリウムイオン二次電池は、固体電解質シートの一方の面に正極層が形成され、他方の面に負極層が形成されてなる。
(All-solid-state sodium-ion secondary battery)
The solid electrolyte sheet obtained by the production method of the present invention is preferably used for an all-solid-state sodium-ion secondary battery. An all-solid-state sodium-ion secondary battery has a positive electrode layer formed on one surface of a solid electrolyte sheet and a negative electrode layer formed on the other surface.

正極層;
正極層は、ナトリウムを吸蔵・放出可能な正極活物質を含み、正極層として機能するものであれば特に限定されない。正極活物質は、例えば、ガラス粉末等の正極活物質前駆体粉末を焼成して形成してもよい。正極活物質前駆体粉末を焼成することにより、正極活物質結晶が析出し、この正極活物質結晶が正極活物質として作用する。
Positive electrode layer;
The positive electrode layer is not particularly limited as long as it contains a positive electrode active material capable of occluding and releasing sodium and functions as a positive electrode layer. The positive electrode active material may be formed by firing, for example, a positive electrode active material precursor powder such as glass powder. By firing the positive electrode active material precursor powder, positive electrode active material crystals are precipitated, and the positive electrode active material crystals act as the positive electrode active material.

正極活物質として作用する正極活物質結晶としては、Na、M(MはCr、Fe、Mn、Co、V及びNiから選ばれる少なくとも1種の遷移金属元素)、P及びOを含むナトリウム遷移金属リン酸塩結晶が挙げられる。具体例としては、NaFeP、NaFePO、Na(PO、NaNiP、Na3.64Ni2.18(P、NaNi(PO(P)、NaCoP、Na3.64Co2.18(P等が挙げられる。当該ナトリウム遷移金属リン酸塩結晶は、高容量で化学的安定性に優れるため好ましい。なかでも空間群P1またはP−1に属する三斜晶系結晶、特に一般式Na(1.2≦x≦2.8、0.95≦y≦1.6、6.5≦z≦8)で表される結晶がサイクル特性に優れるため好ましい。その他に正極活物質として作用する正極活物質結晶としては、NaCrO、Na0.7MnO、NaFe0.2Mn0.4Ni0.4等の層状ナトリウム遷移金属酸化物結晶が挙げられる。なお、正極層に含まれる正極活物質結晶は、1種類の結晶のみが析出した単相であってもよく、複数種類の結晶が析出した混相であってもよい。 Examples of the positive electrode active material crystal that acts as the positive electrode active material include Na, M (M is at least one transition metal element selected from Cr, Fe, Mn, Co, V, and Ni), P, and a sodium transition metal containing O. Phosphate crystals can be mentioned. Specific examples include Na 2 FeP 2 O 7 , NaFePO 4 , Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 , Na 2 NiP 2 O 7 , Na 3.64 Ni 2.18 (P 2 O 7 ) 2 , Na 3 Examples thereof include Ni 3 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ), Na 2 CoP 2 O 7 , Na 3.64 Co 2.18 (P 2 O 7 ) 2. The sodium transition metal phosphate crystal is preferable because it has a high capacity and excellent chemical stability. Among them triclinic crystals belonging to the space group P1 or P1, particularly the general formula Na x M y P 2 O z (1.2 ≦ x ≦ 2.8,0.95 ≦ y ≦ 1.6,6 The crystal represented by .5 ≦ z ≦ 8) is preferable because it has excellent cycle characteristics. Other examples of positive electrode active material crystals that act as positive electrode active materials include layered sodium transition metal oxide crystals such as NaCrO 2 , Na 0.7 MnO 2 , and NaFe 0.2 Mn 0.4 Ni 0.4 O 2. Be done. The positive electrode active material crystal contained in the positive electrode layer may be a single phase in which only one type of crystal is precipitated, or may be a mixed phase in which a plurality of types of crystals are precipitated.

正極活物質前駆体粉末としては、(i)Cr、Fe、Mn、Co、Ni、Ti及びNbから選択される少なくとも1種の遷移金属元素、(ii)P、Si及びBから選択される少なくとも1種の元素、並びに(iii)Oを含むものが挙げられる。 The positive electrode active material precursor powder includes at least one transition metal element selected from (i) Cr, Fe, Mn, Co, Ni, Ti and Nb, and at least one selected from (ii) P, Si and B. Examples include one element and one containing (iii) O.

正極活物質前駆体粉末としては、特に酸化物換算のモル%で、NaO:8%〜55%、CrO+FeO+MnO+CoO+NiO:10%〜70%、P+SiO+B:15%〜70%を含有するものが挙げられる。各成分をこのように限定した理由を以下に説明する。なお、以下の各成分の含有量に関する説明において、特に断りのない限り、「%」は「モル%」を意味する。また、「○+○+・・・」は該当する各成分の合量を意味する。 As the positive electrode active material precursor powder, especially in terms of oxide equivalent mol%, Na 2 O: 8% to 55%, CrO + FeO + MnO + CoO + NiO: 10% to 70%, P 2 O 5 + SiO 2 + B 2 O 3 : 15% Those containing 70% can be mentioned. The reason for limiting each component in this way will be described below. In the following description of the content of each component, "%" means "mol%" unless otherwise specified. In addition, "○ + ○ + ..." Means the total amount of each corresponding component.

NaOは、充放電の際に正極活物質と負極活物質との間を移動するナトリウムイオンの供給源となる。NaOの含有量は、好ましくは8%〜55%、より好ましくは15%〜45%、さらに好ましくは25%〜35%である。NaOが少なすぎると、吸蔵及び放出に寄与するナトリウムイオンが少なくなるため、放電容量が低下する傾向にある。一方、NaOが多すぎると、NaPO等の充放電に寄与しない異種結晶が析出しやすくなるため、放電容量が低下する傾向にある。 Na 2 O serves as a source of sodium ions that move between the positive electrode active material and the negative electrode active material during charging and discharging. The content of Na 2 O is preferably 8% to 55%, more preferably 15% to 45%, and even more preferably 25% to 35%. If the amount of Na 2 O is too small, the amount of sodium ions that contribute to occlusion and release is small, so the discharge capacity tends to decrease. On the other hand, if the amount of Na 2 O is too large, dissimilar crystals such as Na 3 PO 4 that do not contribute to charging / discharging tend to precipitate, so that the discharge capacity tends to decrease.

CrO、FeO、MnO、CoO、NiOは、充放電の際に各遷移元素の価数が変化してレドックス反応を起こすことにより、ナトリウムイオンの吸蔵及び放出の駆動力として作用する成分である。なかでも、NiO及びMnOは酸化還元電位を高める効果が大きい。また、FeOは充放電において特に構造を安定化させやすく、サイクル特性を向上させやすい。CrO+FeO+MnO+CoO+NiOの含有量は、好ましくは10〜70%、より好ましくは15%〜60%、さらに好ましくは20%〜55%、さらに好ましくは23%〜50%、特に好ましくは25%〜40%、最も好ましくは26%〜36%である。CrO+FeO+MnO+CoO+NiOが少なすぎると、充放電に伴うレドックス反応が起こりにくくなり、吸蔵及び放出されるナトリウムイオンが少なくなるため放電容量が低下する傾向にある。一方、CrO+FeO+MnO+CoO+NiOが多すぎると、異種結晶が析出して放電容量が低下する傾向にある。 CrO, FeO, MnO, CoO, and NiO are components that act as a driving force for the occlusion and release of sodium ions by causing a redox reaction by changing the valence of each transition element during charging and discharging. Among them, NiO and MnO have a large effect of increasing the redox potential. In addition, FeO is particularly easy to stabilize the structure during charging and discharging, and is easy to improve the cycle characteristics. The content of CrO + FeO + MnO + CoO + NiO is preferably 10 to 70%, more preferably 15% to 60%, still more preferably 20% to 55%, still more preferably 23% to 50%, particularly preferably 25% to 40%, most. It is preferably 26% to 36%. If the amount of CrO + FeO + MnO + CoO + NiO is too small, the redox reaction associated with charging and discharging is less likely to occur, and the amount of sodium ions occluded and released is reduced, so that the discharge capacity tends to decrease. On the other hand, if the amount of CrO + FeO + MnO + CoO + NiO is too large, dissimilar crystals tend to precipitate and the discharge capacity tends to decrease.

、SiO及びBは3次元網目構造を形成するため、正極活物質の構造を安定化させる効果を有する。特に、P、SiOがナトリウムイオン伝導性に優れるために好ましく、Pがより好ましい。P+SiO+Bの含有量は、好ましくは15%〜70%、より好ましくは20%〜60%、さらに好ましくは25%〜45%である。P+SiO+Bが少なすぎると、繰り返し充放電した際に放電容量が低下しやすくなる傾向にある。一方、P+SiO+Bが多すぎると、P等の充放電に寄与しない異種結晶が析出する傾向にある。なお、P、SiO及びBの各成分の含有量は各々好ましくは0%〜70%、より好ましくは15%〜70%、さらに好ましくは20%〜60%、特に好ましくは25%〜45%である。 Since P 2 O 5 , SiO 2 and B 2 O 3 form a three-dimensional network structure, they have the effect of stabilizing the structure of the positive electrode active material. In particular, P 2 O 5 and SiO 2 are preferable because they have excellent sodium ion conductivity, and P 2 O 5 is more preferable. The content of P 2 O 5 + SiO 2 + B 2 O 3 is preferably 15% to 70%, more preferably 20% to 60%, and even more preferably 25% to 45%. If the amount of P 2 O 5 + SiO 2 + B 2 O 3 is too small, the discharge capacity tends to decrease during repeated charging and discharging. On the other hand, if the amount of P 2 O 5 + SiO 2 + B 2 O 3 is too large, heterogeneous crystals such as P 2 O 5 that do not contribute to charging / discharging tend to precipitate. The content of each component of P 2 O 5 , SiO 2 and B 2 O 3 is preferably 0% to 70%, more preferably 15% to 70%, still more preferably 20% to 60%, and particularly preferably. Is 25% to 45%.

また、正極活物質としての効果を損なわない範囲で、上記成分に加えて種々の成分を含有させることでガラス化を容易にすることができる。このような成分としては、酸化物表記でMgO、CaO、SrO、BaO、ZnO、CuO、Al、GeO、Nb、TiO、ZrO、V、Sbが挙げられ、特に網目形成酸化物として働くAlや活物質成分となるVが好ましい。上記成分の含有量は、合量で、好ましくは0%〜30%、より好ましくは0.1%〜20%、さらに好ましくは0.5%〜10%である。 Further, vitrification can be facilitated by containing various components in addition to the above components as long as the effect as the positive electrode active material is not impaired. Examples of such components, MgO oxide notation, CaO, SrO, BaO, ZnO , CuO, Al 2 O 3, GeO 2, Nb 2 O 5, TiO 2, ZrO 2, V 2 O 5, Sb 2 O 5 is particularly preferable, and Al 2 O 3 which acts as a network-forming oxide and V 2 O 5 which is an active material component are preferable. The content of the above components, in total, is preferably 0% to 30%, more preferably 0.1% to 20%, and even more preferably 0.5% to 10%.

正極活物質前駆体粉末は、焼成により、正極活物質結晶とともに非晶質相が形成されるものであることが好ましい。非晶質相が形成されることにより、正極層内及び正極層と固体電解質シート1との界面におけるナトリウムイオン伝導性を向上させることができる。 The positive electrode active material precursor powder is preferably one in which an amorphous phase is formed together with the positive electrode active material crystals by firing. By forming the amorphous phase, the sodium ion conductivity in the positive electrode layer and at the interface between the positive electrode layer and the solid electrolyte sheet 1 can be improved.

正極活物質前駆体粉末の平均粒子径は、好ましくは0.01μm〜15μm、より好ましくは0.05μm〜12μm、さらに好ましくは0.1μm〜10μmである。正極活物質前駆体粉末の平均粒子径が小さすぎると、正極活物質前駆体粉末同士の凝集力が強くなり、ペースト化した際に分散性に劣る傾向がある。その結果、電池の内部抵抗が高くなり作動電圧が低下しやすくなる。また、電極密度が低下して電池の単位体積あたりの容量が低下する傾向がある。一方、活物質前駆体粉末の平均粒子径が大きすぎると、ナトリウムイオンが拡散しにくくなるとともに、内部抵抗が大きくなる傾向がある。また、電極の表面平滑性に劣る傾向がある。 The average particle size of the positive electrode active material precursor powder is preferably 0.01 μm to 15 μm, more preferably 0.05 μm to 12 μm, and even more preferably 0.1 μm to 10 μm. If the average particle size of the positive electrode active material precursor powder is too small, the cohesive force between the positive electrode active material precursor powders becomes strong, and the dispersibility tends to be poor when made into a paste. As a result, the internal resistance of the battery becomes high and the operating voltage tends to decrease. In addition, the electrode density tends to decrease, and the capacity per unit volume of the battery tends to decrease. On the other hand, if the average particle size of the active material precursor powder is too large, sodium ions are difficult to diffuse and the internal resistance tends to increase. In addition, the surface smoothness of the electrode tends to be inferior.

なお、本発明において、平均粒子径は、D50(体積基準の平均粒子径)を意味し、レーザー回折散乱法により測定された値を指すものとする。 In the present invention, the average particle size means D50 (volume-based average particle size) and refers to a value measured by a laser diffraction / scattering method.

正極層の厚みは、3μm〜300μmの範囲であることが好ましく、10μm〜150μmの範囲であることがより好ましい。正極層の厚みが薄すぎると、全固体ナトリウムイオン二次電池自体の容量が小さくなることから、エネルギー密度が低下する場合がある。正極層の厚みが厚すぎると、電子伝導に対する抵抗が大きくなるため放電容量及び作動電圧が低下する傾向にある。 The thickness of the positive electrode layer is preferably in the range of 3 μm to 300 μm, and more preferably in the range of 10 μm to 150 μm. If the thickness of the positive electrode layer is too thin, the capacity of the all-solid-state sodium-ion secondary battery itself becomes small, so that the energy density may decrease. If the thickness of the positive electrode layer is too thick, the resistance to electron conduction increases, so that the discharge capacity and the operating voltage tend to decrease.

正極層には、必要に応じて、固体電解質粉末が含まれていてもよい。従って、正極層は、正極活物質と、固体電解質粉末との合材である正極合材であってもよい。固体電解質粉末としては、上述の固体電解質シート1と同様の材料の粉末を用いることができる。固体電解質粉末を含むことにより、正極層内及び正極層と固体電解質シート1との界面におけるナトリウムイオン伝導性を向上させることができる。固体電解質粉末の平均粒子径は、好ましくは0.01μm〜15μm、より好ましくは0.05μm〜10μm、さらに好ましくは0.1μm〜5μmである。 The positive electrode layer may contain a solid electrolyte powder, if necessary. Therefore, the positive electrode layer may be a positive electrode mixture which is a mixture of the positive electrode active material and the solid electrolyte powder. As the solid electrolyte powder, a powder of the same material as the above-mentioned solid electrolyte sheet 1 can be used. By containing the solid electrolyte powder, the sodium ion conductivity in the positive electrode layer and at the interface between the positive electrode layer and the solid electrolyte sheet 1 can be improved. The average particle size of the solid electrolyte powder is preferably 0.01 μm to 15 μm, more preferably 0.05 μm to 10 μm, and even more preferably 0.1 μm to 5 μm.

固体電解質粉末の平均粒子径が大きすぎると、ナトリウムイオン伝導に要する距離が長くなりナトリウムイオン伝導性が低下する傾向がある。また、正極活物質粉末と固体電解質粉末との間のナトリウムイオン伝導パスが減少する傾向がある。結果として、放電容量が低下しやすくなる。一方、固体電解質粉末の平均粒子径が小さすぎると、ナトリウムイオンの溶出や炭酸ガスとの反応による劣化が起こってナトリウムイオン伝導性が低下しやすくなる。また、空隙が形成されやすくなるため電極密度も低下しやすくなる。結果として、放電容量が低下する傾向がある。 If the average particle size of the solid electrolyte powder is too large, the distance required for sodium ion conduction becomes long and the sodium ion conductivity tends to decrease. Also, the sodium ion conduction path between the positive electrode active material powder and the solid electrolyte powder tends to decrease. As a result, the discharge capacity tends to decrease. On the other hand, if the average particle size of the solid electrolyte powder is too small, deterioration due to elution of sodium ions and reaction with carbon dioxide gas occurs, and sodium ion conductivity tends to decrease. In addition, since voids are likely to be formed, the electrode density is also likely to decrease. As a result, the discharge capacity tends to decrease.

正極活物質前駆体粉末と固体電解質粉末の体積比は、好ましくは20:80〜95:5、より好ましくは30:70〜90:10、さらに好ましくは35:65〜88:12である。 The volume ratio of the positive electrode active material precursor powder to the solid electrolyte powder is preferably 20:80 to 95: 5, more preferably 30:70 to 90:10, and even more preferably 35:65 to 88:12.

また、正極層には、必要に応じて、カーボン粉末等の導電助剤やバインダーが含まれていてもよい。導電助剤が含まれることにより、正極層の内部抵抗を低減することができる。導電助剤は、正極層中に0質量%〜20質量%で含有させることが好ましく、1質量%〜10質量%の割合で含有させることがより好ましい。 Further, the positive electrode layer may contain a conductive auxiliary agent such as carbon powder or a binder, if necessary. By including the conductive auxiliary agent, the internal resistance of the positive electrode layer can be reduced. The conductive auxiliary agent is preferably contained in the positive electrode layer in an amount of 0% by mass to 20% by mass, and more preferably in a proportion of 1% by mass to 10% by mass.

バインダーとしては、不活性雰囲気で低温分解するポリプロピレンカーボネート(PPC)が好ましい。また、ナトリウムイオン伝導性に優れるカルボキシメチルセルロース(CMC)が好ましい。 As the binder, polypropylene carbonate (PPC), which decomposes at low temperature in an inert atmosphere, is preferable. Further, carboxymethyl cellulose (CMC) having excellent sodium ion conductivity is preferable.

負極層;
負極層は、ナトリウムを吸蔵・放出可能な負極活物質を含み、負極層として機能するものであれば特に限定されない。負極活物質は、例えば、ガラス粉末等の負極活物質前駆体粉末を焼成して形成してもよい。負極活物質前駆体粉末を焼成することにより、負極活物質結晶が析出し、この負極活物質結晶が負極活物質として作用する。
Negative electrode layer;
The negative electrode layer is not particularly limited as long as it contains a negative electrode active material capable of occluding and releasing sodium and functions as a negative electrode layer. The negative electrode active material may be formed by firing, for example, a negative electrode active material precursor powder such as glass powder. By firing the negative electrode active material precursor powder, negative electrode active material crystals are precipitated, and the negative electrode active material crystals act as the negative electrode active material.

負極活物質として作用する負極活物質結晶としては、例えば、Nb及びTiから選ばれる少なくとも1種及びOを含む結晶、Sn、Bi及びSbから選ばれる少なくとも1種の金属結晶、またはSn、Bi及びSbから選ばれる少なくとも1種を含む合金結晶を挙げることができる。 Examples of the negative electrode active material crystal that acts as the negative electrode active material include at least one selected from Nb and Ti and a crystal containing O, at least one metal crystal selected from Sn, Bi and Sb, or Sn, Bi and An alloy crystal containing at least one selected from Sb can be mentioned.

Nb及びTiから選ばれる少なくとも1種及びOを含む結晶は、サイクル特性に優れるため好ましい。さらに、Nb及びTiから選ばれる少なくとも1種及びOを含む結晶が、Na及び/又はLiを含むと、充放電効率(充電容量に対する放電容量の比率)が高まり、高い充放電容量を維持することができるため好ましい。なかでも、Nb及びTiから選ばれる少なくとも1種及びOを含む結晶が、斜方晶系結晶、六方晶系結晶、立方晶系結晶又は単斜晶系結晶、特に空間群P2/mに属する単斜晶系結晶であれば、大電流で充放電しても容量の低下が起こりにくいため、より好ましい。 Crystals containing at least one selected from Nb and Ti and O are preferable because they have excellent cycle characteristics. Further, when the crystal containing at least one selected from Nb and Ti and O contains Na and / or Li, the charge / discharge efficiency (ratio of the discharge capacity to the charge capacity) is increased, and a high charge / discharge capacity is maintained. It is preferable because it can be discharged. Among them, crystals containing at least one selected from Nb and Ti and O belong to oblique crystal crystals, hexagonal crystals, cubic crystals or monoclinic crystals, particularly the space group P2 1 / m. A monoclinic crystal is more preferable because the capacity is unlikely to decrease even when charged and discharged with a large current.

斜方晶系結晶としては、NaTi等が挙げられる。六方晶系結晶としては、NaTiO、NaTi13、NaTiO、LiNbO、LiNbO、LiNbO、LiTi等が挙げられる。立方晶系結晶としては、NaTiO、NaNbO、LiTi12、LiNbO等が挙げられる。単斜晶系結晶としては、NaTi13、NaTi、NaTiO、NaTi12、NaTi、NaTi19、NaTi、NaTi、Li1.7Nb、Li1.9Nb、Li12Nb1333、LiNb等が挙げられる。空間群P2/mに属する単斜晶系結晶としては、NaTi等が挙げられる。 Examples of the orthorhombic crystal include NaTi 2 O 4 and the like. Examples of the hexagonal crystal include Na 2 TiO 3 , NaTi 8 O 13 , NaTIO 2 , LiNbO 3 , LiNbO 2 , Li 7 NbO 6 , Li 2 Ti 3 O 7, and the like. Examples of cubic crystals include Na 2 TiO 3 , NaNbO 3 , Li 4 Ti 5 O 12 , Li 3 NbO 4, and the like. As monoclinic crystals, Na 2 Ti 6 O 13 , Na Ti 2 O 4 , Na 2 Ti O 3 , Na 4 Ti 5 O 12 , Na 2 Ti 4 O 9 , Na 2 Ti 9 O 19 , Na 2 Ti 3 Examples thereof include O 7 , Na 2 Ti 3 O 7 , Li 1.7 Nb 2 O 5 , Li 1.9 Nb 2 O 5 , Li 12 Nb 13 O 33 , and Li Nb 3 O 8. Examples of the monoclinic crystal belonging to the space group P2 1 / m include Na 2 Ti 3 O 7 .

Nb及びTiから選ばれる少なくとも1種及びOを含む結晶は、さらに、B、Si、P及びGeから選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましい。これらの成分は、負極活物質結晶とともに非晶質相を形成させやすくし、ナトリウムイオン伝導性をより一層向上させる効果を有する。 It is preferable that the crystal containing at least one selected from Nb and Ti and O further contains at least one selected from B, Si, P and Ge. These components have the effect of facilitating the formation of an amorphous phase together with the negative electrode active material crystal and further improving the sodium ion conductivity.

その他に、Na金属結晶、または少なくともNaを含む合金結晶(例えばNa−Sn合金、Na−In合金)や、Sn、Bi及びSbから選ばれる少なくとも1種の金属結晶、Sn、Bi及びSbから選ばれる少なくとも1種を含む合金結晶(例えばSn−Cu合金、Bi−Cu合金、Bi−Zn合金)、Sn、Bi及びSbから選ばれる少なくとも1種を含有するガラスを用いることができる。これらは、高容量であり、大電流で充放電しても容量の低下が起こりにくいため好ましい。 In addition, it is selected from Na metal crystals, alloy crystals containing at least Na (for example, Na—Sn alloy, Na—In alloy), and at least one metal crystal selected from Sn, Bi and Sb, Sn, Bi and Sb. Alloy crystals containing at least one of these (for example, Sn—Cu alloy, Bi—Cu alloy, Bi—Zn alloy), and glass containing at least one selected from Sn, Bi, and Sb can be used. These are preferable because they have a high capacity and the capacity is unlikely to decrease even when charged and discharged with a large current.

負極活物質前駆体粉末としては、酸化物換算のモル%で、SnO:0%〜90%、Bi:0%〜90%、TiO:0%〜90%、Fe:0%〜90%、Nb:0%〜90%、SiO+B+P:5%〜75%、NaO:0%〜80%を含有することが好ましい。上記構成にすることにより、負極活物質成分であるSnイオン、Biイオン、Tiイオン、Feイオン又はNbイオンが、Si、B又はPを含有する酸化物マトリクス中により均一に分散した構造が形成される。また、NaOを含有することにより、ナトリウムイオン伝導性により一層優れた材料となる。結果として、ナトリウムイオンを吸蔵及び放出する際の体積変化を抑制でき、サイクル特性により一層優れた負極活物質を得ることが可能となる。 As the negative electrode active material precursor powder, in mol% in terms of oxide, SnO: 0% to 90%, Bi 2 O 3 : 0% to 90%, TiO 2 : 0% to 90%, Fe 2 O 3 : It preferably contains 0% to 90%, Nb 2 O 5 : 0% to 90%, SiO 2 + B 2 O 3 + P 2 O 5 : 5% to 75%, and Na 2 O: 0% to 80%. With the above configuration, a structure is formed in which Sn ions, Bi ions, Ti ions, Fe ions or Nb ions, which are negative electrode active material components, are more uniformly dispersed in an oxide matrix containing Si, B or P. Ion. Further, by containing Na 2 O, the material becomes more excellent in sodium ion conductivity. As a result, it is possible to suppress the volume change when occluding and releasing sodium ions, and it is possible to obtain a negative electrode active material having more excellent cycle characteristics.

負極活物質前駆体粉末の組成を上記の通り限定した理由を以下に説明する。なお、以下の説明において、特に断りのない限り、「%」は「モル%」を意味する。また、「○+○+・・・」は該当する各成分の合量を意味する。 The reason for limiting the composition of the negative electrode active material precursor powder as described above will be described below. In the following description, unless otherwise specified, "%" means "mol%". In addition, "○ + ○ + ..." Means the total amount of each corresponding component.

SnO、Bi、TiO、Fe及びNbは、アルカリイオンを吸蔵及び放出するサイトとなる負極活物質成分である。これらの成分を含有させることにより、負極活物質の単位質量当たりの放電容量がより大きくなり、かつ、初回充放電時の充放電効率(充電容量に対する放電容量の比率)がより向上しやすくなる。但し、これらの成分の含有量が多すぎると、充放電時のナトリウムイオンの吸蔵及び放出に伴う体積変化を緩和できずに、サイクル特性が低下する傾向がある。以上に鑑み、各成分の含有量範囲は以下の通りとすることが好ましい。 SnO, Bi 2 O 3 , TiO 2 , Fe 2 O 3 and Nb 2 O 5 are negative electrode active material components that serve as sites for occluding and releasing alkaline ions. By containing these components, the discharge capacity per unit mass of the negative electrode active material becomes larger, and the charge / discharge efficiency (ratio of the discharge capacity to the charge capacity) at the time of initial charge / discharge tends to be further improved. However, if the content of these components is too large, the volume change associated with the occlusion and release of sodium ions during charging and discharging cannot be alleviated, and the cycle characteristics tend to deteriorate. In view of the above, the content range of each component is preferably as follows.

SnOの含有量は、好ましくは0%〜90%、より好ましくは45%〜85%、さらに好ましくは55%〜75%、特に好ましくは60%〜72%である。 The SnO content is preferably 0% to 90%, more preferably 45% to 85%, still more preferably 55% to 75%, and particularly preferably 60% to 72%.

Biの含有量は、好ましくは0%〜90%、より好ましくは10%〜70%、さらに好ましくは15%〜65%、特に好ましくは25%〜55%である。 The content of Bi 2 O 3 is preferably 0% to 90%, more preferably 10% to 70%, still more preferably 15% to 65%, and particularly preferably 25% to 55%.

TiOの含有量は、好ましくは0%〜90%、より好ましくは5%〜72%、さらに好ましくは10%〜68%、さらに好ましくは12%〜58%、特に好ましくは15%〜49%、最も好ましくは15%〜39%である。 The content of TiO 2 is preferably 0% to 90%, more preferably 5% to 72%, still more preferably 10% to 68%, still more preferably 12% to 58%, and particularly preferably 15% to 49%. , Most preferably 15% to 39%.

Feの含有量は、好ましくは0%〜90%、より好ましくは15%〜85%、さらに好ましくは20%〜80%、特に好ましくは25%〜75%である。 The content of Fe 2 O 3 is preferably 0% to 90%, more preferably 15% to 85%, still more preferably 20% to 80%, and particularly preferably 25% to 75%.

Nbの含有量は、好ましくは0%〜90%、より好ましくは7%〜79%、さらに好ましくは9%〜69%、さらに好ましくは11%〜59%、特に好ましくは13%〜49%、最も好ましくは15%〜39%である。なお、SnO+Bi+TiO+Fe+Nbは、好ましくは0%〜90%、より好ましくは5%〜85%、さらに好ましくは10%〜80%である。 The content of Nb 2 O 5 is preferably 0% to 90%, more preferably 7% to 79%, still more preferably 9% to 69%, still more preferably 11% to 59%, and particularly preferably 13% to. It is 49%, most preferably 15% to 39%. In addition, SnO + Bi 2 O 3 + TiO 2 + Fe 2 O 3 + Nb 2 O 5 is preferably 0% to 90%, more preferably 5% to 85%, and further preferably 10% to 80%.

また、SiO、B及びPは、網目形成酸化物であり、上記負極活物質成分におけるナトリウムイオンの吸蔵及び放出サイトを取り囲み、サイクル特性をより一層向上させる作用がある。なかでも、SiO及びPは、サイクル特性をより一層向上させるだけでなく、ナトリウムイオン伝導性に優れるため、レート特性をより一層向上させる効果がある。 Further, SiO 2 , B 2 O 3 and P 2 O 5 are network-forming oxides, which surround the occlusion and release sites of sodium ions in the negative electrode active material component, and have an effect of further improving the cycle characteristics. Among them, SiO 2 and P 2 O 5 not only further improve the cycle characteristics, but also have an excellent sodium ion conductivity, so that they have an effect of further improving the rate characteristics.

SiO+B+Pは、好ましくは5%〜85%、より好ましくは6%〜79%、さらに好ましくは7%〜69%、さらに好ましくは8%〜59%、特に好ましくは9%〜49%、最も好ましくは10%〜39%である。SiO+B+Pが少なすぎると、充放電時のナトリウムイオンの吸蔵及び放出に伴う負極活物質成分の体積変化を緩和できず構造破壊を起こすため、サイクル特性が低下しやすくなる。一方、SiO+B+Pが多すぎると、相対的に負極活物質成分の含有量が少なくなり、負極活物質の単位質量当たりの充放電容量が小さくなる傾向がある。 SiO 2 + B 2 O 3 + P 2 O 5 is preferably 5% to 85%, more preferably 6% to 79%, still more preferably 7% to 69%, still more preferably 8% to 59%, and particularly preferably. It is 9% to 49%, most preferably 10% to 39%. If SiO 2 + B 2 O 3 + P 2 O 5 is too small, the volume change of the negative electrode active material component due to occlusion and release of sodium ions during charging and discharging cannot be mitigated and structural destruction occurs, so the cycle characteristics tend to deteriorate. Become. On the other hand, if the amount of SiO 2 + B 2 O 3 + P 2 O 5 is too large, the content of the negative electrode active material component tends to be relatively small, and the charge / discharge capacity per unit mass of the negative electrode active material tends to be small.

なお、SiO、B及びPの各々の含有量の好ましい範囲は以下の通りである。 The preferable ranges of the contents of SiO 2 , B 2 O 3 and P 2 O 5 are as follows.

SiOの含有量は、好ましくは0%〜75%、より好ましくは5%〜75%、さらに好ましくは7%〜60%、さらに好ましくは10%〜50%、特に好ましくは12%〜40%、最も好ましくは20%〜35%である。SiOの含有量が多すぎると、放電容量が低下しやすくなる。 The content of SiO 2 is preferably 0% to 75%, more preferably 5% to 75%, still more preferably 7% to 60%, still more preferably 10% to 50%, and particularly preferably 12% to 40%. , Most preferably 20% to 35%. If the content of SiO 2 is too large, the discharge capacity tends to decrease.

の含有量は、好ましくは5%〜75%、より好ましくは7%〜60%、さらに好ましくは10%〜50%、特に好ましくは12%〜40%、最も好ましくは20%〜35%である。Pの含有量が少なすぎると、上記の効果が得られにくくなる。一方、Pの含有量が多すぎると、放電容量が低下しやすくなるとともに、耐水性が低下しやすくなる。また、水系電極ペーストを作製した際に、望まない異種結晶が生じてPネットワークが切断されるため、サイクル特性が低下しやすくなる。 The content of P 2 O 5 is preferably 5% to 75%, more preferably 7% to 60%, still more preferably 10% to 50%, particularly preferably 12% to 40%, and most preferably 20% to 20%. It is 35%. If the content of P 2 O 5 is too small, it becomes difficult to obtain the above effect. On the other hand, if the content of P 2 O 5 is too large, the discharge capacity tends to decrease and the water resistance tends to decrease. Further, in the case of preparing a water-based electrode paste, because unwanted heterologous crystals are P 2 O 5 network is cut occurs, the cycle characteristics are easily lowered.

の含有量は、好ましくは0%〜75%、より好ましくは5%〜75%、さらに好ましくは7%〜60%、さらに好ましくは10%〜50%、特に好ましくは12%〜40%、最も好ましくは20%〜35%である。Bの含有量が多すぎると、放電容量が低下しやすくなるとともに、化学的耐久性が低下しやすくなる。 The content of B 2 O 3 is preferably 0% to 75%, more preferably 5% to 75%, still more preferably 7% to 60%, still more preferably 10% to 50%, and particularly preferably 12% to. It is 40%, most preferably 20% to 35%. If the content of B 2 O 3 is too large, the discharge capacity tends to decrease and the chemical durability tends to decrease.

負極活物質前駆体粉末は、焼成により、負極活物質結晶とともに非晶質相が形成されるものであることが好ましい。非晶質相が形成されることにより、負極層内及び負極層と固体電解質シートとの界面におけるナトリウムイオン伝導性を向上させることができる。 The negative electrode active material precursor powder is preferably one in which an amorphous phase is formed together with the negative electrode active material crystals by firing. By forming the amorphous phase, the sodium ion conductivity in the negative electrode layer and at the interface between the negative electrode layer and the solid electrolyte sheet can be improved.

負極活物質前駆体粉末の平均粒子径は、好ましくは0.01μm〜15μm、より好ましくは0.05μm〜12μm、さらに好ましくは0.1μm〜10μmである。負極活物質前駆体粉末の平均粒子径が小さすぎると、負極活物質前駆体粉末同士の凝集力が強くなり、ペースト化した際に分散性に劣る傾向がある。その結果、電池の内部抵抗が高くなり作動電圧が低下しやすくなる。また、電極密度が低下して電池の単位体積あたりの容量が低下する傾向がある。一方、負極活物質前駆体粉末の平均粒子径が大きすぎると、ナトリウムイオンが拡散しにくくなるとともに、内部抵抗が大きくなる傾向がある。また、電極の表面平滑性に劣る傾向がある。 The average particle size of the negative electrode active material precursor powder is preferably 0.01 μm to 15 μm, more preferably 0.05 μm to 12 μm, and even more preferably 0.1 μm to 10 μm. If the average particle size of the negative electrode active material precursor powder is too small, the cohesive force between the negative electrode active material precursor powders becomes strong, and the dispersibility tends to be poor when made into a paste. As a result, the internal resistance of the battery becomes high and the operating voltage tends to decrease. In addition, the electrode density tends to decrease, and the capacity per unit volume of the battery tends to decrease. On the other hand, if the average particle size of the negative electrode active material precursor powder is too large, sodium ions are difficult to diffuse and the internal resistance tends to increase. In addition, the surface smoothness of the electrode tends to be inferior.

なお、本発明において、平均粒子径は、D50(体積基準の平均粒子径)を意味し、レーザー回折散乱法により測定された値を指すものとする。 In the present invention, the average particle size means D50 (volume-based average particle size) and refers to a value measured by a laser diffraction / scattering method.

負極層の厚みは、0.3μm〜300μmの範囲であることが好ましく、3μm〜150μmの範囲であることがより好ましい。負極層の厚みが薄すぎると、負極の絶対容量(mAh)が低下する傾向にある。負極層の厚みが厚すぎると、抵抗が大きくなるため容量(mAh/g)が低下する傾向にある。 The thickness of the negative electrode layer is preferably in the range of 0.3 μm to 300 μm, and more preferably in the range of 3 μm to 150 μm. If the thickness of the negative electrode layer is too thin, the absolute capacity (mAh) of the negative electrode tends to decrease. If the thickness of the negative electrode layer is too thick, the resistance tends to increase and the capacity (mAh / g) tends to decrease.

負極層には、固体電解質粉末、導電助剤、バインダー等が含有されていてもよい。固体電解質粉末を含有させ負極合材とすることにより、負極活物質と固体電解質粉末の接触界面が増加し、充放電に伴うナトリウムイオンの吸蔵・放出が行いやすくなり、その結果レート特性をより一層向上させることができる。 The negative electrode layer may contain a solid electrolyte powder, a conductive auxiliary agent, a binder and the like. By containing the solid electrolyte powder to form a negative electrode mixture, the contact interface between the negative electrode active material and the solid electrolyte powder is increased, and it becomes easier to occlude and release sodium ions during charging and discharging, and as a result, the rate characteristics are further improved. Can be improved.

固体電解質粉末としては、上述の固体電解質シート1における第1及び第2の固体電解質と同様の材料の粉末を用いることができる。固体電解質粉末の平均粒子径は、好ましくは0.01μm〜15μm、より好ましくは0.05μm〜10μm、さらに好ましくは0.1μm〜5μmである。 As the solid electrolyte powder, powder of the same material as the first and second solid electrolytes in the above-mentioned solid electrolyte sheet 1 can be used. The average particle size of the solid electrolyte powder is preferably 0.01 μm to 15 μm, more preferably 0.05 μm to 10 μm, and even more preferably 0.1 μm to 5 μm.

固体電解質粉末の平均粒子径が大きすぎると、ナトリウムイオン伝導に要する距離が長くなりナトリウムイオン伝導性が低下する傾向がある。また、負極活物質粉末と固体電解質粉末との間のナトリウムイオン伝導パスが減少する傾向がある。結果として、放電容量が低下しやすくなる。一方、固体電解質粉末の平均粒子径が小さすぎると、ナトリウムイオンの溶出や炭酸ガスとの反応による劣化が起こってナトリウムイオン伝導性が低下しやすくなる。また、空隙が形成されやすくなるため電極密度も低下しやすくなる。結果として、放電容量が低下する傾向がある。 If the average particle size of the solid electrolyte powder is too large, the distance required for sodium ion conduction becomes long and the sodium ion conductivity tends to decrease. Also, the sodium ion conduction path between the negative electrode active material powder and the solid electrolyte powder tends to decrease. As a result, the discharge capacity tends to decrease. On the other hand, if the average particle size of the solid electrolyte powder is too small, deterioration due to elution of sodium ions and reaction with carbon dioxide gas occurs, and sodium ion conductivity tends to decrease. In addition, since voids are likely to be formed, the electrode density is also likely to decrease. As a result, the discharge capacity tends to decrease.

負極活物質前駆体粉末と固体電解質粉末の体積比は、好ましくは20:80〜95:5、より好ましくは30:70〜90:10、さらに好ましくは35:65〜88:12である。 The volume ratio of the negative electrode active material precursor powder to the solid electrolyte powder is preferably 20:80 to 95: 5, more preferably 30:70 to 90:10, and even more preferably 35:65 to 88:12.

導電助剤としては、例えば、カーボン粉末等が挙げられる。導電助剤が含まれることにより、負極層の内部抵抗を低減することができる。導電助剤は、負極層中に0質量%〜20質量%で含有させることが好ましく、1質量%〜10質量%の割合で含有させることがより好ましい。 Examples of the conductive auxiliary agent include carbon powder and the like. By including the conductive auxiliary agent, the internal resistance of the negative electrode layer can be reduced. The conductive auxiliary agent is preferably contained in the negative electrode layer in an amount of 0% by mass to 20% by mass, and more preferably in a proportion of 1% by mass to 10% by mass.

バインダーとしては、不活性雰囲気で低温分解するポリプロピレンカーボネート(PPC)が好ましい。また、イオン伝導性に優れるカルボキシメチルセルロース(CMC)が好ましい。 As the binder, polypropylene carbonate (PPC), which decomposes at low temperature in an inert atmosphere, is preferable. Further, carboxymethyl cellulose (CMC) having excellent ionic conductivity is preferable.

以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described based on examples, but the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
(a)第1のグリーンシート用のスラリー作製
炭酸ナトリウム(NaCO)、酸化アルミニウム(Al)及び酸化マグネシウム(MgO)を原料とし、モル%で、NaO:13.0%、Al:80.2%、MgO:6.8%となるように原料粉末を調製した。なお、原料粉末を1250℃で4時間仮焼成した後、粉砕、分級したものを使用した(仮焼原料)。次に、原料粉末と、バインダーとしてアクリル酸エステル系共重合体(共栄社化学社製、「オリコックス1700」)、可塑剤としてフタル酸ベンジルブチルを用い、原料粉末:バインダー:可塑剤=83.5:14:2.5(質量比)となるように秤量し、N−メチルピロリドンに分散させた後、自転・公転ミキサーで十分に撹拌してスラリー化し、第1のグリーンシート用のスラリーを作製した。
(Example 1)
(A) Preparation of slurry for the first green sheet Using sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and magnesium oxide (Mg O) as raw materials, in mol%, Na 2 O: 13.0 %, Al 2 O 3 : 80.2%, MgO: 6.8%, the raw material powder was prepared. The raw material powder was calcined at 1250 ° C. for 4 hours, then crushed and classified (the calcined raw material). Next, the raw material powder, an acrylic ester-based copolymer (manufactured by Kyoeisha Chemical Co., Ltd., "Oricox 1700") as a binder, and benzyl butyl phthalate as a plasticizer were used, and the raw material powder: binder: plasticizer = 83.5. Weighed to a ratio of 14: 2.5 (mass ratio), dispersed in N-methylpyrrolidone, and then sufficiently stirred with a rotation / revolution mixer to form a slurry to prepare a slurry for the first green sheet. did.

(b)第2のグリーンシート(拘束用グリーンシート)用の固体電解質粉末の作製
仮焼原料を用いてΦ30mmのプレス金型に充填し、40MPaでプレスして圧粉体を作製した。次に、この圧粉体を1600℃で30分間焼成して、β”−アルミナの焼結体を得た。この焼結体を粉砕、分級することでD50:2.0μmの固体電解質粉末を得た。
(B) Preparation of Solid Electrolyte Powder for Second Green Sheet (Restricting Green Sheet) A compact was prepared by filling a Φ30 mm press die with a calcining raw material and pressing at 40 MPa. Next, this green compact was fired at 1600 ° C. for 30 minutes to obtain a β "-alumina sintered body. By crushing and classifying this sintered body, a solid electrolyte powder of D50: 2.0 μm was obtained. Obtained.

(c)第2のグリーンシート(拘束用グリーンシート)用のスラリー作製
上記と同様に、得られた固体電解質粉末を、固体電解質粉末:バインダー:可塑剤=83.5:14:2.5(質量比)となるように秤量し、N−メチルピロリドンに分散させた後、自転・公転ミキサーで十分に撹拌してスラリー化し、第2のグリーンシート用のスラリーを作製した。
(C) Preparation of Slurry for Second Green Sheet (Restricting Green Sheet) In the same manner as described above, the obtained solid electrolyte powder is used as a solid electrolyte powder: binder: plasticizer = 83.5: 14: 2.5 ( Weighed so as to have a mass ratio), dispersed in N-methylpyrrolidone, and then sufficiently stirred with a rotating / revolving mixer to form a slurry to prepare a slurry for a second green sheet.

(d)第1のグリーンシート及び第2のグリーンシートの作製
PETフィルム上に、ドクターブレードを用いて上記で得られた第1のグリーンシート用のスラリーを塗布し、70℃で乾燥することにより第1のグリーンシートを得た。また、PETフィルム上に、ドクターブレードを用いて上記で得られた第2のグリーンシート用のスラリーを塗布し、70℃で乾燥することにより第2のグリーンシートを得た。
(D) Preparation of First Green Sheet and Second Green Sheet By applying the slurry for the first green sheet obtained above using a doctor blade on a PET film and drying at 70 ° C. Obtained the first green sheet. Further, the slurry for the second green sheet obtained above was applied onto the PET film using a doctor blade and dried at 70 ° C. to obtain a second green sheet.

(e)グリーンシート積層体
得られた第1のグリーンシート及び第2のグリーンシートをそれぞれ15mm角に切断し、第1のグリーンシートの両主面に、第2のグリーンシートを重ね合わせて、等方圧プレス装置を用いて90℃、40MPaで、5分間プレスし積層体を得た。プレス後の積層体をMgOセッター上に設置し、500℃で1時間脱バインダーのための焼成を行い、さらに1600℃で30分間本焼成を行った。
(E) Laminated green sheet The obtained first green sheet and the second green sheet are each cut into 15 mm squares, and the second green sheet is superposed on both main surfaces of the first green sheet. A laminate was obtained by pressing at 90 ° C. and 40 MPa for 5 minutes using an isotropic pressure press device. The laminated body after pressing was placed on an MgO setter, calcined at 500 ° C. for 1 hour for debindering, and further calcined at 1600 ° C. for 30 minutes.

(f)拘束層の除去
拘束層として表面に積層している固体電解質粉末を高圧エアーで吹き飛ばして除去し、固体電解質シートを得た。なお、得られた固体電解質シートの表面には、拘束層由来の固体電解質粉末が付着していた。
(F) Removal of Restraint Layer The solid electrolyte powder laminated on the surface as the restraint layer was blown off with high-pressure air and removed to obtain a solid electrolyte sheet. The solid electrolyte powder derived from the restraint layer was attached to the surface of the obtained solid electrolyte sheet.

(g)表面粗さRaの測定
得られた固体電解質シートの表面粗さRaは、接触式表面形状測定器(小坂研究所製、品番「ET4000A」)を用いて、JIS B 0633−2001(ISO 4288−1966)の手順に記載されている方法で測定することにより求めた。
(G) Measurement of Surface Roughness Ra The surface roughness Ra of the obtained solid electrolyte sheet was measured by JIS B 0633-2001 (ISO) using a contact type surface shape measuring instrument (manufactured by Kosaka Laboratory, product number "ET4000A"). It was determined by measuring by the method described in the procedure of 4288-1966).

(h)全固体ナトリウムイオン二次電池の作製
(h−1)正極活物質結晶前駆体粉末の作製
メタリン酸ナトリウム(NaPO)、酸化第二鉄(Fe)及びオルソリン酸(HPO)を原料とし、モル%で、NaO:40%、Fe:20%、P:40%となるように原料粉末を調合し、1250℃にて45分間、大気雰囲気中にて溶融を行った。その後、一対のロールに溶融ガラスを流し込み、急冷しながらフィルム状に成形することにより、正極活物質結晶前駆体を作製した。
(H) Preparation of all-solid sodium ion secondary battery (h-1) Preparation of positive electrode active material crystal precursor powder Sodium metaphosphate (NaPO 3 ), ferric oxide (Fe 2 O 3 ) and orthophosphoric acid (H 3) Using PO 4 ) as a raw material, the raw material powder was prepared so as to have Na 2 O: 40%, Fe 2 O 3 : 20%, and P 2 O 5: 40% in mol%, and at 1250 ° C. for 45 minutes. Melting was performed in the air atmosphere. Then, the molten glass was poured into a pair of rolls and molded into a film while being rapidly cooled to prepare a positive electrode active material crystal precursor.

得られた正極活物質結晶前駆体について、φ20mmのZrO玉石を使用したボールミル粉砕を5時間行い、目開き120μmの樹脂製篩に通過させ、平均粒子径3〜15μmのガラス粗粉末を得た。次いで、このガラス粗粉末に対し、粉砕助剤にエタノールを用い、φ3mmのZrO玉石を使用したボールミル粉砕を80時間行うことで、平均粒子径0.7μmの正極活物質結晶前駆体粉末を得た。 The obtained positive electrode active material crystal precursor was pulverized by a ball mill using a ZrO 2 ball stone having a diameter of 20 mm for 5 hours and passed through a resin sieve having an opening of 120 μm to obtain a coarse glass powder having an average particle diameter of 3 to 15 μm. .. Next, the crude glass powder was pulverized by a ball mill using ethanol as a pulverizing aid and a ZrO 2 ball stone having a diameter of 3 mm for 80 hours to obtain a positive electrode active material crystal precursor powder having an average particle diameter of 0.7 μm. It was.

析出される活物質結晶を確認するため、質量%で、得られた正極活物質結晶前駆体粉末:93%、アセチレンブラック(TIMCAL社製、「SUPER C65」):7%を十分に混合した後、窒素と水素の混合ガス雰囲気(窒素:96体積%、水素:4体積%)中、550℃にて1時間熱処理を行った。熱処理後の粉末について粉末X線回折パターンを確認したところ、空間群P−1に属する三斜晶系結晶(NaFeP)由来の回折線が確認された。なお、粉末X線回折パターンは、X線回折装置(RIGAKU社、「RINT2000」)を用いて測定した。 In order to confirm the precipitated active material crystals, after sufficiently mixing the obtained positive electrode active material crystal precursor powder: 93% and acetylene black (manufactured by TIMCAL, “SUPER C65”): 7% in mass%. , Heat treatment was performed at 550 ° C. for 1 hour in a mixed gas atmosphere of nitrogen and hydrogen (nitrogen: 96% by volume, hydrogen: 4% by volume). When the powder X-ray diffraction pattern of the powder after the heat treatment was confirmed, diffraction lines derived from triclinic crystals (Na 2 FeP 2 O 7) belonging to the space group P-1 were confirmed. The powder X-ray diffraction pattern was measured using an X-ray diffractometer (RIGAKU, "RINT2000").

(h−2)試験電池の作製
質量%で、正極活物質結晶前駆体粉末:72%、固体電解質粉末:25%、アセチレンブラック(TIMCAL社製、「SUPER C65」):3%となるように秤量し、メノウ製の乳鉢及び乳棒を用いて30分間混合した。混合した粉末100質量部に、10質量%のポリプロピレンカーボネート(住友精化株式会社製)を含有したN−メチルピロリドンを20質量部添加して、自転公転ミキサーを用いて十分に撹拌し、スラリー化した。なお、上記の操作はすべて露点−40℃以下の環境で行った。
(H-2) Preparation of test battery The positive electrode active material crystal precursor powder: 72%, solid electrolyte powder: 25%, acetylene black (manufactured by TIMCAL, "SUPER C65"): 3% by mass%. Weighed and mixed for 30 minutes using an agate mortar and pestle. To 100 parts by mass of the mixed powder, 20 parts by mass of N-methylpyrrolidone containing 10% by mass of polypropylene carbonate (manufactured by Sumitomo Seika Chemical Co., Ltd.) was added, and the mixture was sufficiently stirred using a rotation / revolution mixer to form a slurry. did. All of the above operations were performed in an environment with a dew point of −40 ° C. or lower.

表面に開口部10mm角、厚さ100μmのマスキングシールを貼り付けた上記の固体電解質シートに対し、スキージを用いてスラリーを塗布し、70℃にて3時間乾燥させた。次に、窒素と水素の混合ガス雰囲気(窒素96体積%、水素4体積%)中、550℃にて1時間焼成することで固体電解質シートの一方の表面に正極層を形成した。得られた正極層についてX線回折パターンを確認したところ、活物質結晶である空間群P−1に属する三斜晶系結晶(NaFePO7)及びナトリウムイオン伝導性結晶である空間群R−3mに属する三方晶系結晶(β”−アルミナ[(Al10.32Mg0.6816)(Na1.68O)])由来の回折線が確認された。 A slurry was applied to the above-mentioned solid electrolyte sheet having a masking seal having an opening of 10 mm square and a thickness of 100 μm attached to the surface using a squeegee, and dried at 70 ° C. for 3 hours. Next, a positive electrode layer was formed on one surface of the solid electrolyte sheet by firing at 550 ° C. for 1 hour in a mixed gas atmosphere of nitrogen and hydrogen (96% by volume of nitrogen, 4% by volume of hydrogen). When the X-ray diffraction pattern of the obtained positive electrode layer was confirmed, it was found that the triclinic crystal system (Na 2 FeP 2 O7) belonging to the space group P-1 which is an active material crystal and the space group R which is a sodium ion conductive crystal. Diffraction lines derived from triclinic crystals belonging to -3 m (β "-alumina [(Al 10.32 Mg 0.68 O 16 ) (Na 1.68 O)]) were confirmed.

正極層の表面にスパッタ装置(サンユー電子株式会社製、「SC−701AT」)を用いて厚み300nmの金電極からなる集電体を形成した。その後、露点−60℃以下のアルゴン雰囲気中にて、対極となる金属ナトリウムを固体電解質シートの正極層が形成された層とは反対の表面に圧着し、コインセルの下蓋に載置した後、上蓋を被せてCR2032型試験電池を作製した。 A current collector composed of a gold electrode having a thickness of 300 nm was formed on the surface of the positive electrode layer using a sputtering device (“SC-701AT” manufactured by Sanyu Electronics Co., Ltd.). Then, in an argon atmosphere with a dew point of -60 ° C. or lower, the counter electrode metal sodium was crimped to the surface opposite to the layer on which the positive electrode layer of the solid electrolyte sheet was formed, and placed on the lower lid of the coin cell. A CR2032 type test battery was produced by covering it with an upper lid.

(h−3)充放電試験
得られた試験電池を用いて30℃で充放電試験を行い、放電容量を測定した。結果を表1に示す。充放電試験において、充電(正極活物質からのナトリウムイオン放出)は、開回路電圧(OCV)から4.3VまでのCC(定電流)充電により行い、放電(正極活物質へのナトリウムイオン吸蔵)は、4.3Vから2VまでCC放電により行った。Cレートは0.01Cとした。
(H-3) Charge / Discharge Test A charge / discharge test was performed at 30 ° C. using the obtained test battery, and the discharge capacity was measured. The results are shown in Table 1. In the charge / discharge test, charging (release of sodium ions from the positive electrode active material) is performed by CC (constant current) charging from the open circuit voltage (OCV) to 4.3 V, and discharge (storage of sodium ions in the positive electrode active material). Was carried out by CC discharge from 4.3V to 2V. The C rate was 0.01 C.

なお、表1中の平均電圧及び放電容量は、Cレート0.01Cで評価した初回の平均電圧及び放電容量を意味し、急速充放電特性は、Cレート0.01Cの初回放電容量に対する0.1Cの初回放電容量の割合((0.1C/0.01C)×100(%))をそれぞれ示している。 The average voltage and discharge capacity in Table 1 mean the initial average voltage and discharge capacity evaluated at a C rate of 0.01C, and the rapid charge / discharge characteristics are 0. The ratio of the initial discharge capacity of 1C ((0.1C / 0.01C) × 100 (%)) is shown respectively.

(比較例1)
比較例1では、実施例1の拘束用グリーンシート(第2のグリーンシート)の代わりに、α−アルミナ粉末からなるグリーンシートを用いた。具体的には、平均粒径0.4μmのα−アルミナ粉末を、α−アルミナ:バインダー:可塑剤=84:14:2(質量比)となるように秤量し、N−メチルピロリドンに分散させた後、自転・公転ミキサーで十分に撹拌してスラリー化し、ドクターブレード法により厚み120μmのα−アルミナ粉末からなるグリーンシートを作製した。次に、得られたα−アルミナ粉末からなるグリーンシートを、実施例1と同じ基材用のグリーンシート(第1のグリーンシート)の両主面に、重ね合わせて、等方圧プレス装置を用いて90℃、40MPaで、5分間プレスし積層体を得た。その他の点は、実施例1と同様にして固体電解質シートを得た。また、得られた固体電解質シートについて実施例1と同様の評価を行った。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, a green sheet made of α-alumina powder was used instead of the restraining green sheet (second green sheet) of Example 1. Specifically, α-alumina powder having an average particle size of 0.4 μm is weighed so that α-alumina: binder: plasticizer = 84: 14: 2 (mass ratio) and dispersed in N-methylpyrrolidone. After that, the mixture was sufficiently stirred with a rotating / revolving mixer to form a slurry, and a green sheet made of α-alumina powder having a thickness of 120 μm was prepared by the doctor blade method. Next, the obtained green sheet made of α-alumina powder was superposed on both main surfaces of the same green sheet for the base material (first green sheet) as in Example 1, and an isotropic pressure press device was installed. It was pressed at 90 ° C. and 40 MPa for 5 minutes to obtain a laminate. In other respects, a solid electrolyte sheet was obtained in the same manner as in Example 1. Moreover, the obtained solid electrolyte sheet was evaluated in the same manner as in Example 1.

結果を下記の表1に示す。 The results are shown in Table 1 below.

Figure 0006870572
Figure 0006870572

表1に示すように、実施例1では、拘束層によりアルカリ金属イオンの蒸発が抑制され、充放電試験において良好な結果が得られた。一方、比較例1においては、電池が作動しなかった。これは、グリーンシートを焼成する際にナトリウムイオンが蒸発し、表面にナトリウムイオンが存在しない、ナトリウムイオン欠乏層が形成され、それによって、イオン伝導性が低下したためであると考えられる。また、焼成により得られた固体電解質シートの表面にα−アルミナが付着し、α−アルミナのナトリウムイオン欠乏層が形成され、それによって、イオン伝導性が低下したためであると考えられる。 As shown in Table 1, in Example 1, the restraint layer suppressed the evaporation of alkali metal ions, and good results were obtained in the charge / discharge test. On the other hand, in Comparative Example 1, the battery did not work. It is considered that this is because the sodium ions evaporate when the green sheet is fired to form a sodium ion-deficient layer in which no sodium ions are present on the surface, thereby reducing the ionic conductivity. It is also considered that this is because α-alumina adheres to the surface of the solid electrolyte sheet obtained by firing and a sodium ion-deficient layer of α-alumina is formed, thereby reducing the ionic conductivity.

1…固体電解質シート
2a…第1の主面
2b…第2の主面
2…第1のグリーンシート
2A…焼成後の第1のグリーンシート
3…第1の拘束層
3A…焼成後の第1の拘束層
4…第2の拘束層
4A…焼成後の第2の拘束層
5…第1の固体電解質の原料粉末
6…第2の固体電解質の粉末
10…積層体
1 ... Solid electrolyte sheet 2a ... First main surface 2b ... Second main surface 2 ... First green sheet 2A ... First green sheet after firing 3 ... First restraint layer 3A ... First after firing Restraint layer 4 ... Second restraint layer 4A ... Second restraint layer after firing 5 ... Raw material powder of first solid electrolyte 6 ... Powder of second solid electrolyte 10 ... Laminated body

Claims (10)

ナトリウムイオン伝導性酸化物からなる第1の固体電解質の原料粉末のスラリーを基材上に塗布し、乾燥させることにより、第1のグリーンシートを用意する用意工程と、
前記第1のグリーンシートの少なくとも一方側の主面上に、ナトリウムイオン伝導性酸化物からなる第2の固体電解質の粉末を含む拘束層を積層し、圧着することにより積層体を形成する積層体形成工程と、
前記積層体を焼成する焼成工程と、
焼成後の前記積層体から、焼成後の前記拘束層の全部または一部を取り除く除去工程と、
を備える、固体電解質シートの製造方法。
A preparation step of preparing a first green sheet by applying a slurry of a raw material powder of a first solid electrolyte composed of a sodium ion conductive oxide onto a base material and drying it.
A laminated body in which a restraining layer containing a powder of a second solid electrolyte composed of a sodium ion conductive oxide is laminated on at least one main surface of the first green sheet and pressure-bonded to form a laminated body. The formation process and
A firing step of firing the laminate and
A removal step of removing all or a part of the restraining layer after firing from the laminated body after firing.
A method for producing a solid electrolyte sheet.
前記拘束層が、前記第2の固体電解質の粉末を含むスラリーを基材上に塗布し、乾燥させることにより用意した第2のグリーンシートである、請求項1に記載の固体電解質シートの製造方法。 The method for producing a solid electrolyte sheet according to claim 1, wherein the restraining layer is a second green sheet prepared by applying a slurry containing the powder of the second solid electrolyte onto a substrate and drying the slurry. .. 前記用意工程の前に、前記第1の固体電解質の原料粉末を仮焼成する、請求項1又は2に記載の固体電解質シートの製造方法。 The method for producing a solid electrolyte sheet according to claim 1 or 2, wherein the raw material powder of the first solid electrolyte is calcined before the preparation step. 前記積層体形成工程において、前記第1のグリーンシートの両側の主面上に、それぞれ、前記拘束層を積層し、圧着する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体電解質シートの製造方法。 The solid electrolyte sheet according to any one of claims 1 to 3, wherein in the laminate forming step, the restraint layer is laminated and pressure-bonded on the main surfaces on both sides of the first green sheet, respectively. Production method. 前記積層体形成工程において、前記第1のグリーンシートと前記拘束層との圧着が、等方圧プレスにより行われる、請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体電解質シートの製造方法。 The method for producing a solid electrolyte sheet according to any one of claims 1 to 4, wherein in the laminate forming step, the pressure bonding between the first green sheet and the restraint layer is performed by an isotropic pressure press. 前記除去工程において、焼成後の前記拘束層のうち、前記焼成後の第1のグリーンシートに付着していない部分を取り除く、請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体電解質シートの製造方法。 The production of the solid electrolyte sheet according to any one of claims 1 to 5, wherein in the removing step, a portion of the restraint layer after firing that is not attached to the first green sheet after firing is removed. Method. 前記第1の固体電解質と前記第2の固体電解質とが同じ組成を有する、請求項1〜6のいずれか1項に記載の固体電解質シートの製造方法。 The method for producing a solid electrolyte sheet according to any one of claims 1 to 6, wherein the first solid electrolyte and the second solid electrolyte have the same composition. 前記第1の固体電解質及び前記第2の固体電解質が、それぞれ、β−アルミナ、β”−アルミナ及びNASICON型結晶のうち少なくとも1種を含む、請求項1〜7のいずれか1項に記載の固体電解質シートの製造方法。 The invention according to any one of claims 1 to 7, wherein the first solid electrolyte and the second solid electrolyte contain at least one of β-alumina, β "-alumina and NASICON type crystals, respectively. A method for producing a solid electrolyte sheet. 前記固体電解質シートの厚みが500μm以下である、請求項1〜8のいずれか1項に記載の固体電解質シートの製造方法。 The method for producing a solid electrolyte sheet according to any one of claims 1 to 8, wherein the thickness of the solid electrolyte sheet is 500 μm or less. 前記固体電解質シートが、全固体ナトリウムイオン二次電池に用いられる、請求項1〜9のいずれか1項に記載の固体電解質シートの製造方法。 The method for producing a solid electrolyte sheet according to any one of claims 1 to 9, wherein the solid electrolyte sheet is used in an all-solid-state sodium ion secondary battery.
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