JP7171487B2 - Method for producing perovskite-type ion-conducting oxide - Google Patents

Method for producing perovskite-type ion-conducting oxide Download PDF

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Description

本発明は、ペロブスカイト型イオン伝導性酸化物の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a perovskite-type ion-conducting oxide.

イオン伝導性酸化物を電解質にした全固体二次電池は、耐熱性が高く、電解質が不燃性のため、従来のリチウムイオン二次電池より、冷却機構、安全機構を簡略化することができる。そのため、セルのモジュール化が容易であり、エネルギー密度の高い電池を容易に作製することができる。 An all-solid-state secondary battery that uses an ion-conductive oxide as an electrolyte has high heat resistance and is non-flammable, so the cooling mechanism and safety mechanism can be simplified compared to conventional lithium-ion secondary batteries. Therefore, the cells can be easily modularized, and a battery with high energy density can be easily produced.

全固体二次電池に適用できるイオン伝導性酸化物としては、例えば、Li、Sr及びZr元素を含む原材料から作製し、ペロブスカイト型結晶構造である、ペロブスカイト型イオン伝導性酸化物が知られている。このイオン伝導性酸化物は化学的に安定なことから、全固体二次電池用の酸化物固体電解質に好適な材料であり、例えば、Taを含む、
Lix/2Sr1-3x/4x/4TaZr1-x
の組成式(□は原子空孔)のイオン伝導性酸化物が知られている。このイオン伝導性酸化物は、例えば、1300℃の焼結で高密度に作製できることが知られている(例えば、非特許文献1)。
As ion-conductive oxides that can be applied to all-solid secondary batteries, for example, perovskite-type ion-conductive oxides that are produced from raw materials containing Li, Sr, and Zr elements and have a perovskite-type crystal structure are known. . Since this ion-conductive oxide is chemically stable, it is a suitable material for an oxide solid electrolyte for an all-solid secondary battery.
Li x/2 Sr 1-3 x/4x/4 Ta x Zr 1-x O 3
(□ represents an atomic vacancy). It is known that this ion-conducting oxide can be produced with high density by sintering at 1300° C. (for example, Non-Patent Document 1).

Solid State Ionics 261 (2014) 95-99Solid State Ionics 261 (2014) 95-99

しかし、上記組成式のイオン伝導性酸化物は、1300℃の焼結が必要なため、Liの揮発が起こりやすく、材料の組成がずれて、所望の特性を示さなくなることがあった。また、Liの揮発を抑制するために、焼結温度を低くすると、高密度に作製できなくなることがあった。 However, since the ion-conducting oxide having the above composition formula requires sintering at 1300° C., Li tends to volatilize, and the composition of the material deviates, sometimes failing to exhibit desired characteristics. Moreover, if the sintering temperature is lowered in order to suppress the volatilization of Li, it may not be possible to produce a high density.

そこで、本発明では、Liの揮発を抑制しつつ、高密度のペロブスカイト型イオン導電性酸化物を製造可能な、ペロブスカイト型イオン伝導性酸化物の製造方法を提供する。 Therefore, the present invention provides a method for producing a perovskite-type ion-conducting oxide that can produce a high-density perovskite-type ion-conducting oxide while suppressing volatilization of Li.

本発明のペロブスカイト型イオン伝導性酸化物の製造方法は、
Li、Sr及びZr元素を含む原料を混合して混合粉とする混合工程と、
前記混合粉を仮焼して仮焼粉とする仮焼工程と、
前記仮焼粉に、B、GaまたはBiの少なくとも一種以上の元素を含む焼結助剤を混合して焼結助剤混合粉とする焼結助剤混合工程と、
前記焼結助剤混合粉の成形体を焼結してペロブスカイト型イオン伝導性酸化物の焼結体とする焼結工程と、を有する
ことを特徴とする。
The method for producing a perovskite-type ion-conducting oxide of the present invention comprises:
A mixing step of mixing raw materials containing Li, Sr and Zr elements to form a mixed powder;
A calcining step of calcining the mixed powder to obtain a calcined powder;
A sintering aid mixing step of mixing the calcined powder with a sintering aid containing at least one element selected from B, Ga, and Bi to obtain a sintering aid mixed powder;
and a sintering step of sintering the molded body of the sintering aid mixed powder to obtain a sintered body of perovskite-type ion-conductive oxide.

また、本発明のペロブスカイト型イオン伝導性酸化物の製造方法は、
前記混合工程において、前記原料を分散させる溶媒に有機溶剤を用いた湿式混合を用いる
ことが好ましい。
In addition, the method for producing a perovskite-type ion-conductive oxide of the present invention comprises:
In the mixing step, wet mixing using an organic solvent as a solvent for dispersing the raw materials is preferably used.

また、本発明のペロブスカイト型イオン伝導性酸化物の製造方法は、
前記仮焼工程において、仮焼温度を800℃以上1300℃以下とする
ことが好ましい。
In addition, the method for producing a perovskite-type ion-conductive oxide of the present invention comprises:
In the calcination step, the calcination temperature is preferably 800° C. or higher and 1300° C. or lower.

本発明によれば、Liの揮発を抑制しつつ、高密度のペロブスカイト型イオン伝導性酸化物を製造することができる。 According to the present invention, it is possible to produce a high-density perovskite-type ion-conductive oxide while suppressing volatilization of Li.

実施例1の仮焼粉のXRDパターンである。4 is an XRD pattern of the calcined powder of Example 1. FIG. 実施例1の焼結体のXRDパターンである。4 is an XRD pattern of the sintered body of Example 1. FIG. 実施例1の焼結体の断面SEM写真である。1 is a cross-sectional SEM photograph of a sintered body of Example 1. FIG. 比較例1の焼結体の断面SEM写真である。4 is a cross-sectional SEM photograph of a sintered body of Comparative Example 1. FIG. 実施例15の仮焼粉のXRDパターンである。15 is an XRD pattern of the calcined powder of Example 15. FIG. 実施例15の焼結体のXRDパターンである。15 is an XRD pattern of the sintered body of Example 15. FIG. 実施例15の焼結体の断面SEM写真である。10 is a cross-sectional SEM photograph of the sintered body of Example 15. FIG.

以下、本発明である、ペロブスカイト型イオン伝導性酸化物の製造方法について、実施形態を説明する。なお、以下の説明では、「ペロブスカイト型イオン伝導酸化物」を、単に「イオン伝導酸化物」と称することもある。 Hereinafter, embodiments of the method for producing a perovskite-type ion-conducting oxide, which is the present invention, will be described. In the following description, "perovskite-type ion-conducting oxide" may be simply referred to as "ion-conducting oxide".

(秤量工程)
まず、秤量工程では、Li、Sr、Me、Ta、Zr元素を含む原料を、これら元素比が組成式(1)の元素比と同じになるように秤量する。
Lix/2Sr1-3x/4x/4MeTaZr1-x-y3-y/2(Me=Al,Ga,Yb,Lu)・・・(1)
(Weighing process)
First, in the weighing step, raw materials containing the elements Li, Sr, Me, Ta, and Zr are weighed so that the ratio of these elements is the same as the ratio of elements in composition formula (1).
Li x/2 Sr 1-3x/4x/4 Me y Ta x Zr 1-xy O 3-y/2 (Me=Al, Ga, Yb, Lu) (1)

ここで、Li、Sr、Me、Ta、Zrを含む原料には、これら金属元素の炭酸塩や酸化物、硝酸塩やアルコキシドなどを用い、特に、純度や原料コストなどの観点から炭酸塩や酸化物を用いることが好ましい。また、これら原料は、後に説明する混合工程で混合粉にすることを考慮して、粉末にすることが好ましい。なお、原料粉末の粒径は、小さくすると、焼結工程における固相反応を速やかに進行させることができ、大きくすると、後に説明する混合工程で凝集を抑制することができる。このことから、原料粉末の粒径は、メジアン径(D50)において、0.1μm以上10μm以下にするのが好ましい。 Here, as raw materials containing Li, Sr, Me, Ta, and Zr, carbonates, oxides, nitrates, alkoxides, and the like of these metal elements are used. is preferably used. Moreover, it is preferable to powder these raw materials in consideration of making a mixed powder in a mixing step to be described later. If the particle size of the raw material powder is made small, the solid-phase reaction in the sintering process can proceed rapidly. For this reason, the particle diameter of the raw material powder is preferably 0.1 μm or more and 10 μm or less in median diameter (D 50 ).

そして、Li、Sr、Ta及びZrを含む原料は、xの範囲が、0.65≦x≦0.75となる元素比に秤量する。この範囲にすることで、最終的に製造されるイオン伝導酸化物を、ペロブスカイト相の単相にすることができ、導電率を十分に高くすることができる。また、Me及びZrを含む原料は、yの範囲が、0.01≦y≦0.15となるような元素比にて秤量する。この範囲にすることで、置換元素Meがペロブスカイト相に固溶でき、最終的に製造されるイオン伝導酸化物を、ペロブスカイト相の単相にすることができるため好ましい。 The raw materials containing Li, Sr, Ta, and Zr are weighed so that the range of x is 0.65≦x≦0.75. By setting the content within this range, the finally produced ion-conducting oxide can be a single perovskite phase, and the conductivity can be sufficiently increased. In addition, raw materials containing Me and Zr are weighed at an elemental ratio such that the range of y is 0.01≤y≤0.15. This range is preferable because the substitution element Me can dissolve in the perovskite phase, and the finally produced ion-conducting oxide can have a single perovskite phase.

(混合工程)
次に、混合工程では、秤量工程で秤量した原料を混合して混合粉とする。混合は、乾式混合でもよいが、原料を溶媒中に分散させて混合する、湿式混合法が好ましい。湿式混合法を用いることで、混合後の原料を高い収率にて回収でき、溶媒にエタノールなどのアルコール類やジメチルエーテルなどのエーテル類、酢酸エチルなどのエステル類、などの有機溶剤を用いれば、原料と水との反応を抑制しながら混合できる。湿式混合法としては、ボールミルやビーズミルなどを、目的に応じて自由に選定することができる。
(Mixing process)
Next, in the mixing step, the raw materials weighed in the weighing step are mixed to form a mixed powder. Mixing may be dry mixing, but a wet mixing method in which the raw materials are dispersed in a solvent and mixed is preferred. By using a wet mixing method, the raw materials after mixing can be recovered at a high yield. It is possible to mix while suppressing the reaction between the raw materials and water. As the wet mixing method, a ball mill, a bead mill, or the like can be freely selected depending on the purpose.

(仮焼工程)
次に、仮焼工程では、混合工程で得られた混合粉を仮焼して仮焼粉とする。この工程は、混合粉を固相反応により酸化物の仮焼粉にする工程であり、原料の炭酸塩を後に説明する焼結工程の前に熱分解して、焼結工程での炭酸ガスの発生を抑制し、焼結体の割れ・膨れを抑制することができる。仮焼には、静置式バッチ炉や管状炉、エレベーター炉、コンベア炉など様々な炉を用いることができ、混合粉の保持には、アルミナやジルコニア製の、るつぼやセッターを用いることができる。
(calcination process)
Next, in the calcining step, the mixed powder obtained in the mixing step is calcined to obtain a calcined powder. In this step, the mixed powder is turned into a calcined powder of oxide by a solid-phase reaction, and the raw material carbonate is thermally decomposed before the sintering step to be described later, and carbon dioxide gas is generated in the sintering step. It is possible to suppress the occurrence of cracks and swelling of the sintered body. Various furnaces such as a stationary batch furnace, a tubular furnace, an elevator furnace, and a conveyor furnace can be used for calcination, and a crucible or setter made of alumina or zirconia can be used to hold the mixed powder.

仮焼温度は、原料の炭酸塩を熱分解するために、800℃以上にすることが好ましいが、温度が高すぎると、混合粉に含まれるLiが揮発する可能性がある。そこで、仮焼温度は、800℃以上1300℃以下とするのが好ましく、Liの揮発をより抑制するためには、800℃以上900℃以下とするのがより好ましい。また、上記温度の保持時間は、処理量によって、1時間以上24時間以下にするのが好ましい。上記仮焼温度、保持時間とすることで、混合粉に含まれるLiの揮発を抑制しつつ、混合粉に含まれる炭酸塩を確実に熱分解することができる。 The calcination temperature is preferably 800° C. or higher in order to thermally decompose the raw material carbonate, but if the temperature is too high, Li contained in the mixed powder may volatilize. Therefore, the calcination temperature is preferably 800° C. or higher and 1300° C. or lower, and more preferably 800° C. or higher and 900° C. or lower in order to further suppress the volatilization of Li. Further, the holding time at the above temperature is preferably 1 hour or more and 24 hours or less depending on the amount of treatment. By setting the calcining temperature and holding time as described above, it is possible to reliably thermally decompose the carbonate contained in the mixed powder while suppressing volatilization of Li contained in the mixed powder.

(焼結助剤混合工程)
次に、焼結助剤混合工程では、仮焼工程で得られた仮焼粉に、焼結助剤を混合して焼結助剤混合粉とする。焼結助剤には、B、Ga、またはBiの少なくとも一種以上の元素を含む、炭酸塩、酸化物、硝酸塩、アルコキシド及びLi塩などを用いることができる。焼結助剤は、焼結工程の焼結可能温度を低くしてLiの揮発を抑制できるが、過度に混合すると、焼結体に過度の焼結助剤が残留してイオン伝導の妨げとなり、イオン伝導酸化物としての特性が悪くなってしまうことがある。そこで、焼結助剤の添加量は、仮焼粉に対して1mol%以上10mol%以下にすることが好ましい。
なお、仮焼粉と焼結助剤との混合には、混合工程と同様に、湿式混合を用いるのが収率の観点から好ましく、溶媒としては、エタノールなどのアルコール類やジメチルエーテルなどのエーテル類、酢酸エチルなどのエステル類、などの有機溶剤を用いるのが好ましい。溶媒に有機溶剤を用いると、仮焼粉と水との反応を抑制することができる。湿式混合法としては、ボールミルやビーズミルなどを、目的に応じて自由に選定することができる。また、焼結助剤混合工程では、仮焼粉と焼結助剤とを混合する際に、仮焼粉を粉砕するようにしてもよい。
(Sintering aid mixing step)
Next, in the sintering aid mixing step, the calcined powder obtained in the calcining step is mixed with a sintering aid to obtain a sintering aid mixed powder. As the sintering aid, carbonates, oxides, nitrates, alkoxides and Li salts containing at least one element selected from B, Ga, and Bi can be used. The sintering aid can suppress the volatilization of Li by lowering the sinterable temperature in the sintering process. , the properties as an ion-conducting oxide may deteriorate. Therefore, the amount of the sintering aid to be added is preferably 1 mol % or more and 10 mol % or less with respect to the calcined powder.
It should be noted that, as in the mixing step, wet mixing is preferably used for mixing the calcined powder and the sintering aid from the viewpoint of yield, and the solvent includes alcohols such as ethanol and ethers such as dimethyl ether. , esters such as ethyl acetate, and the like are preferably used. If an organic solvent is used as the solvent, the reaction between the calcined powder and water can be suppressed. As the wet mixing method, a ball mill, a bead mill, or the like can be freely selected depending on the purpose. In addition, in the sintering aid mixing step, the calcined powder may be pulverized when mixing the calcined powder and the sintering aid.

(成型工程)
次に、成型工程では、焼結助剤混合工程で得られた焼結助剤混合粉を成形する。成形には、一軸加圧成形や冷間等方圧プレス(CIP)などの加圧成形や、焼結助剤混合粉にバインダを加えたスラリーをグリーンシートに成形するシート成形法を用いることができる。
(Molding process)
Next, in the molding step, the sintering aid mixed powder obtained in the sintering aid mixing step is molded. For molding, it is possible to use pressure molding such as uniaxial pressure molding and cold isostatic pressing (CIP), and a sheet molding method in which a slurry obtained by adding a binder to a mixed powder of sintering aids is molded into a green sheet. can.

シート成形法の場合、まず、バインダとして、例えばポリビニルブチラール(PVB)などの溶液を調製し、この溶液に対して前記仮焼粉の含有量が、例えば5質量%以上20質量%以下となるように混合する。また、この溶液には可塑剤(例えばジオクチルフタレート(DOP)など)を混合してもよい。そして、得られた混合体を、ボールミルを用いて十分に混合し、グリーンシート用のスラリーとする。このスラリーは、減圧下で脱泡と溶媒の一部揮発などを行い、粘度を調整してもよい。作製したスラリーは、ブレード法によりポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムなどに塗工して全体を乾燥し、乾燥後、フィルムから剥がし、所望の大きさ及び形状に切断して、グリーンシートとする。 In the case of the sheet molding method, first, a solution of, for example, polyvinyl butyral (PVB) is prepared as a binder, and the content of the calcined powder with respect to this solution is, for example, 5% by mass or more and 20% by mass or less. to mix. In addition, this solution may be mixed with a plasticizer (for example, dioctyl phthalate (DOP), etc.). Then, the resulting mixture is sufficiently mixed using a ball mill to obtain a slurry for a green sheet. The viscosity of this slurry may be adjusted by defoaming and partially volatilizing the solvent under reduced pressure. The prepared slurry is coated on a polyethylene terephthalate (PET) film or the like by a blade method, dried as a whole, peeled off from the film after drying, and cut into a desired size and shape to obtain a green sheet.

(焼結工程)
最後に、焼結工程では、成形工程で得られた成形体を焼結してイオン伝導性酸化物の焼結体とする。焼結工程では静置式バッチ炉や管状炉、エレベーター炉、コンベア炉など様々な炉を用いることができ、成型体の保持には、アルミナやジルコニア製の、るつぼやセッターを用いることができる。焼結工程は通常は大気中で実施されるが、その雰囲気をArやNなど酸素を含まない雰囲気としたり、大気よりも酸素を高濃度で含む雰囲気中で実施してもよい。また、焼結体がペロブスカイト相も単相であるか否かは、XRD等の手法により確認することができる。
本発明では、焼結助剤混合工程にて、B、GaまたはBiの少なくとも一種以上の元素を含む焼結助剤を添加している。これにより、焼結工程において、粒子間のネック成長を、より低い温度にて開始させることができ、Liの揮発を抑制可能な焼結温度、具体的には、1300℃以下の焼結温度にて、Liの揮発を抑制しつつ、高密度のペロブスカイト型イオン伝導性酸化物を製造することができる。
(Sintering process)
Finally, in the sintering step, the molded body obtained in the molding step is sintered to obtain a sintered body of the ion conductive oxide. Various furnaces such as a stationary batch furnace, a tubular furnace, an elevator furnace, and a conveyor furnace can be used in the sintering process, and a crucible or setter made of alumina or zirconia can be used to hold the compact. The sintering process is usually carried out in the atmosphere, but the atmosphere may be an atmosphere containing no oxygen such as Ar or N2 , or an atmosphere containing oxygen at a higher concentration than the atmosphere. Whether or not the perovskite phase of the sintered body is also a single phase can be confirmed by a technique such as XRD.
In the present invention, a sintering aid containing at least one element selected from B, Ga, and Bi is added in the sintering aid mixing step. As a result, in the sintering step, neck growth between particles can be started at a lower temperature, and the sintering temperature that can suppress the volatilization of Li, specifically, a sintering temperature of 1300 ° C. or less. Thus, a high-density perovskite-type ion-conductive oxide can be produced while suppressing the volatilization of Li.

以下に、実施例について説明する。まず、以下の表1に、各実施例の組成(Meとして選択した元素、組成式(1)のx,yの値)、および成型前の粉末のd50、焼結助剤混合工程において添加した焼結助剤の組成と添加量、後述する熱機械分析装置で測定して求めた焼結開始温度と、焼結助剤なし1300℃焼結体と同等の収縮率となる焼結温度、さらに、以下に説明する各実施例で得た焼結体の相対密度、及び導電率の実験結果を一覧にして示す。 Examples are described below. First, Table 1 below shows the composition of each example (the element selected as Me, the values of x and y in the composition formula (1)), the d 50 of the powder before molding, and the addition in the sintering aid mixing step. The composition and amount of the sintering aid added, the sintering start temperature obtained by measurement with a thermomechanical analyzer described later, and the sintering temperature at which the shrinkage rate is equivalent to that of a 1300 ° C. sintered body without a sintering aid, Furthermore, the experimental results of the relative density and electrical conductivity of the sintered bodies obtained in each example described below are listed.

Figure 0007171487000001
Figure 0007171487000001

実施例1は以下のように実施した。
秤量工程は、組成式(1)においてx=0.75、y=0(Meなし)となるように化学量論的に秤量した。この際、原料はLiCO、SrCO、Ta、ZrOの粉末を使用した。混合工程はボールミルによる湿式混合を行い、秤量した原料をエタノールおよびジルコニアボールとともにボールミルで20時間混合し、エタノールを蒸発させた。
仮焼工程では、この原料混合粉をアルミナるつぼに入れ、1300℃で4時間仮焼した。仮焼後には、アルミナるつぼと接触する面を収率が50%となるように廃棄し、仮焼粉にるつぼからのAl混入がないようにした。このようにして得た仮焼粉のXRDパターンを図1に示す。矢印で示したペロブスカイト相のみが検出されることがわかる。
焼結助剤混合工程では、仮焼粉を3時間自動乳鉢で粉砕したのちに、仮焼粉の5mol%のGaの粉末を添加し、さらに30分自動乳鉢で混合した。
成形工程では、φ14mmのダイスで9.8kN・m-2で一軸プレスしペレットを作製した。焼結工程では、焼結するペレットの周囲を2倍の重量のマザーパウダ(1100℃4h焼結した仮焼粉)で覆うようにし、1200℃で4時間焼結した。このようにして得た焼結体は図2に示したXRDパターンのようにペロブスカイト相に加えて三角印で示したLiTaOが検出される。また、この焼結体は図3で示した断面SEMから緻密に作製できていることがわかる。
Example 1 was carried out as follows.
In the weighing process, stoichiometric weighing was performed so that x=0.75 and y=0 (no Me) in composition formula (1). At this time, powders of Li 2 CO 3 , SrCO 3 , Ta 2 O 5 and ZrO 2 were used as raw materials. In the mixing step, wet mixing was performed using a ball mill, and the weighed raw materials were mixed together with ethanol and zirconia balls for 20 hours using a ball mill to evaporate the ethanol.
In the calcining step, this raw material mixed powder was placed in an alumina crucible and calcined at 1300° C. for 4 hours. After the calcination, the surface in contact with the alumina crucible was discarded so that the yield was 50%, and the calcination powder was prevented from being mixed with Al from the crucible. FIG. 1 shows the XRD pattern of the calcined powder thus obtained. It can be seen that only the perovskite phase indicated by the arrow is detected.
In the sintering aid mixing step, the calcined powder was pulverized with an automatic mortar for 3 hours, then 5 mol % of Ga 2 O 3 powder was added to the calcined powder, and the mixture was further mixed with an automatic mortar for 30 minutes.
In the molding process, pellets were produced by uniaxial pressing with a die of φ14 mm at 9.8 kN·m −2 . In the sintering step, the pellets to be sintered were covered with twice the weight of mother powder (calcined powder sintered at 1100° C. for 4 hours) and sintered at 1200° C. for 4 hours. In the sintered body thus obtained, LiTaO 3 indicated by a triangle is detected in addition to the perovskite phase as shown in the XRD pattern shown in FIG. Moreover, it can be seen from the cross-sectional SEM shown in FIG.

導電率は、以下のように測定した。焼結工程で得られたペレットの両面を研磨し、Au蒸着した。このペレットをIn箔で挟み込み、電気化学セル内に入れた。このセルの抵抗(R)は、インピーダンスアナライザ(Solartron1260)を用いて交流インピーダンス法により測定した。ペレットの直径(r)から面積(S)を算出し、ペレットの面積(S)とペレットの厚み(t)を用いて、導電率(σ)を以下の式により決定した。 Conductivity was measured as follows. Both surfaces of the pellet obtained in the sintering process were polished and Au vapor-deposited. This pellet was sandwiched between In foils and placed in an electrochemical cell. The resistance (R) of this cell was measured by the AC impedance method using an impedance analyzer (Solartron 1260). The area (S) of the pellet was calculated from the diameter (r) of the pellet, and the area (S) of the pellet and the thickness (t) of the pellet were used to determine the electrical conductivity (σ) by the following formula.

Figure 0007171487000002
Figure 0007171487000002

相対密度は以下のように測定した。仮焼粉の真密度を、ピクノメーター(ULTRAPYC 1200e)で求めた。前述のように測定した厚み、面積とペレット重量とからペレット密度を求め、真密度に対する割合を相対密度とし、百分率で算出した。 Relative density was measured as follows. The true density of the calcined powder was determined with a pycnometer (ULTRAPYC 1200e). The pellet density was obtained from the thickness, area, and pellet weight measured as described above, and the ratio to the true density was defined as the relative density, which was calculated as a percentage.

焼結開始温度及び焼結温度は熱機械分析装置(Thermo plus EVO2)により行った。熱機械分析には、焼結助剤混合粉をφ5mmのダイスで9.8kN・m-2で一軸加圧成形プレスしペレットを作製した。圧縮荷重49mNで昇温速度10℃/minで1300℃まで測定を行った。収縮率を以下の式で決定した。 The sintering start temperature and sintering temperature were determined by a thermomechanical analyzer (Thermo plus EVO2). For the thermomechanical analysis, the sintering aid mixed powder was uniaxially pressed with a die of φ5 mm at 9.8 kN·m −2 to prepare pellets. The measurement was performed up to 1300°C at a compression load of 49 mN and a heating rate of 10°C/min. Shrinkage was determined by the following formula.

Figure 0007171487000003
Figure 0007171487000003

収縮率が2%となる温度を焼結開始温度とし、焼結助剤がない場合の1300℃で焼結した収縮率と同等の収縮率が得られる温度を焼結温度とした。
尚、試料の良・不良の判定については、焼結体の相対密度が70%を超える場合に良(〇)とし、70%未満の場合については不良(×)とした。
The temperature at which the shrinkage rate becomes 2% was taken as the sintering start temperature, and the temperature at which the same shrinkage rate as that obtained by sintering at 1300° C. in the absence of the sintering aid was obtained was taken as the sintering temperature.
Regarding the determination of whether the sample was good or bad, a sintered body with a relative density exceeding 70% was evaluated as good (o), and a sample with a relative density of less than 70% was evaluated as defective (x).

実施例2は、焼結助剤混合工程において焼結助剤をBiとし、仮焼粉に対し3mol%となるように秤量したこと以外は実施例1と同様に実施した。 Example 2 was carried out in the same manner as in Example 1, except that Bi 2 O 3 was used as the sintering aid in the sintering aid mixing step and was weighed so as to be 3 mol % with respect to the calcined powder.

実施例3は、焼結助剤混合工程において焼結助剤をHBOとし、仮焼粉に対し1mol%となるように秤量したこと以外は実施例1と同様に実施した。 Example 3 was carried out in the same manner as in Example 1 except that H 3 BO 3 was used as the sintering aid in the sintering aid mixing step and was weighed so as to be 1 mol % with respect to the calcined powder.

実施例4は、秤量工程において、組成式(1)のMe=Alとし、Alの原料としてはAlを使用し、x=0.750、y=0.020となるように化学量論比で原料を秤量したこと以外は実施例1と同様に実施した。 In Example 4, in the weighing step, Me=Al in the composition formula (1), Al 2 O 3 was used as the Al raw material, and the chemical amounts were adjusted so that x=0.750 and y=0.020. It was carried out in the same manner as in Example 1, except that the raw materials were weighed in stoichiometric proportions.

実施例5は、焼結助剤混合工程において焼結助剤をBiとし、仮焼粉に対し3mol%となるように秤量したこと以外は実施例4と同様に実施した。 Example 5 was carried out in the same manner as in Example 4 except that Bi 2 O 3 was used as the sintering aid in the sintering aid mixing step and was weighed so as to be 3 mol % with respect to the calcined powder.

実施例6は、焼結助剤混合工程において焼結助剤をHBOとし、仮焼粉に対し1mol%となるように秤量したこと以外は実施例4と同様に実施した。 Example 6 was carried out in the same manner as in Example 4, except that H 3 BO 3 was used as the sintering aid in the sintering aid mixing step, and was weighed so as to be 1 mol % with respect to the calcined powder.

実施例7は、秤量工程において、組成式(1)のMe=Gaとし、Gaの原料としてはGaを使用し、x=0.750、y=0.050となるように化学量論比で原料を秤量したこと以外は実施例2と同様に実施した。 In Example 7, in the weighing step, Me=Ga in the composition formula (1), Ga 2 O 3 was used as the raw material for Ga, and the chemical amounts were adjusted so that x=0.750 and y=0.050. It was carried out in the same manner as in Example 2, except that the raw materials were weighed in stoichiometric proportions.

実施例8は、焼結助剤混合工程において焼結助剤をHBOとし、仮焼粉に対し1mol%となるように秤量したこと以外は実施例7と同様に実施した。 Example 8 was carried out in the same manner as in Example 7, except that H 3 BO 3 was used as the sintering aid in the sintering aid mixing step, and was weighed so as to be 1 mol % with respect to the calcined powder.

実施例9は、秤量工程において、組成式(1)のMe=Ybとし、Ybの原料としてはYbを使用し、x=0.750、y=0.030となるように化学量論比で原料を秤量したこと以外は実施例1と同様に実施した。 In Example 9, in the weighing process, Me=Yb in the composition formula (1), Yb 2 O 3 was used as the raw material of Yb, and the chemical amounts were adjusted so that x=0.750 and y=0.030. It was carried out in the same manner as in Example 1, except that the raw materials were weighed in stoichiometric proportions.

実施例10は、焼結助剤混合工程において焼結助剤をBiとし、仮焼粉に対し3mol%となるように秤量したこと以外は実施例9と同様に実施した。 Example 10 was carried out in the same manner as in Example 9 except that Bi 2 O 3 was used as the sintering aid in the sintering aid mixing step and was weighed so as to be 3 mol % with respect to the calcined powder.

実施例11は、焼結助剤混合工程において焼結助剤をHBOとし、仮焼粉に対し1mol%となるように秤量したこと以外は実施例9と同様に実施した。 Example 11 was carried out in the same manner as in Example 9, except that H 3 BO 3 was used as the sintering aid in the sintering aid mixing step, and was weighed so as to be 1 mol % with respect to the calcined powder.

実施例12は、秤量工程において、組成式(1)がx=0.650、y=0となるように化学量論比で原料を秤量したこと以外は実施例1と同様に実施した。 Example 12 was carried out in the same manner as in Example 1, except that in the weighing step, the raw materials were weighed in a stoichiometric ratio so that x=0.650 and y=0 in composition formula (1).

実施例13は、焼結助剤混合工程において焼結助剤をHBOとし、仮焼粉に対し1mol%となるように秤量したこと以外は実施例12と同様に実施した。 Example 13 was carried out in the same manner as in Example 12 except that H 3 BO 3 was used as the sintering aid in the sintering aid mixing step and was weighed so as to be 1 mol % with respect to the calcined powder.

比較例1は、焼結助剤混合工程において、焼結助剤を添加しないこと以外は実施例1と同様に実施した。すなわち、焼結助剤を含まない場合である。このように作製した焼結体の断面SEM像を図4に示す。 Comparative Example 1 was carried out in the same manner as in Example 1 except that no sintering aid was added in the sintering aid mixing step. That is, it is the case where the sintering aid is not included. A cross-sectional SEM image of the sintered body thus produced is shown in FIG.

比較例2は、焼結助剤混合工程において、焼結助剤を添加しないこと以外は実施例4と同様に実施した。すなわち、焼結助剤を含まない場合である。 Comparative Example 2 was carried out in the same manner as in Example 4, except that no sintering aid was added in the sintering aid mixing step. That is, it is the case where the sintering aid is not included.

比較例3は、焼結助剤混合工程において、焼結助剤を添加しないこと以外は実施例9と同様に実施した。すなわち、焼結助剤を含まない場合である。 Comparative Example 3 was carried out in the same manner as in Example 9, except that no sintering aid was added in the sintering aid mixing step. That is, it is the case where the sintering aid is not included.

比較例4は、焼結助剤混合工程において、焼結助剤を添加しないこと以外は実施例12と同様に実施した。すなわち、焼結助剤を含まない場合である。 Comparative Example 4 was carried out in the same manner as in Example 12 except that no sintering aid was added in the sintering aid mixing step. That is, it is the case where the sintering aid is not included.

実施例1~13より、仮焼粉の組成によらず、焼結助剤を適用することで1200℃焼結によって相対密度が70%を超え、焼結が進行することがわかった。TMAから決定した焼結開始温度および焼結温度は特にHBOを焼結助剤とした場合で低く、その中でも特に仮焼粉がGaを含む場合で焼結温度が1025℃と最低だった。一方、比較例1~5に示した焼結助剤を含まない場合では相対密度が70%未満であり、ほとんど焼結しないことが示された。
以上から、焼結助剤を適用することによって焼結温度が低温化できることが示された。
From Examples 1 to 13, it was found that the relative density exceeded 70% by sintering at 1200° C. by applying a sintering aid regardless of the composition of the calcined powder, and sintering proceeded. The sintering start temperature and sintering temperature determined from TMA were particularly low when H 3 BO 3 was used as the sintering aid. rice field. On the other hand, when the sintering aid was not contained as shown in Comparative Examples 1 to 5, the relative density was less than 70%, indicating almost no sintering.
From the above, it was shown that the sintering temperature can be lowered by applying a sintering aid.

以下の表2に表(1)と同じ項目の結果を一覧にして示す。 Table 2 below lists the results of the same items as in Table (1).

Figure 0007171487000004
Figure 0007171487000004

実施例14は、焼結助剤混合工程において仮焼粉を酢酸ブチルを溶媒とした湿式ボールミルで4時間粉砕したこと以外は実施例1と同様に実施した。 Example 14 was carried out in the same manner as in Example 1, except that in the sintering aid mixing step, the calcined powder was pulverized for 4 hours with a wet ball mill using butyl acetate as a solvent.

実施例15は、仮焼工程において焼結温度を1100℃としたこと以外は実施例12と同様に実施した。このように調製した仮焼粉のXRDを図5に示す。この場合にもほとんどペロブスカイト相に帰属でき、三角印で示したLiTaO3も見られた。図6、7には焼結体のXRDおよび断面SEM像を示す。ペロブスカイト相単相が得られており、緻密な焼結体となっていることがわかる。 Example 15 was carried out in the same manner as in Example 12, except that the sintering temperature was set to 1100°C in the calcination step. FIG. 5 shows the XRD of the calcined powder thus prepared. In this case also, most of the crystals could be attributed to the perovskite phase, and LiTaO3 indicated by triangles was also observed. 6 and 7 show XRD and cross-sectional SEM images of the sintered body. It can be seen that a single perovskite phase is obtained and the compact is a dense sintered body.

実施例14、15はそれぞれ仮焼粉を粉砕する、または仮焼温度を低下する、ことによって仮焼粉の粒子径を小さくした場合である。いずれの場合でも相対密度が90%を超えており、それぞれ実施例1、実施例12と比べて緻密な電解質となっていることがわかる。以上から、焼結助剤を添加することに加え、粒子径を小さくすることによって焼結温度を低温化しさらに相対密度を増大できることが示された。また、実施例15の場合では、x=0.65とすることで焼結体の異相生成が抑制されたことがわかった。


In Examples 14 and 15, the particle size of the calcined powder was reduced by pulverizing the calcined powder or lowering the calcining temperature. In any case, the relative density exceeds 90%, and it can be seen that the electrolytes are denser than those of Examples 1 and 12, respectively. From the above, it was shown that the sintering temperature can be lowered and the relative density can be increased by reducing the particle size in addition to adding a sintering aid. Moreover, in the case of Example 15, it was found that the formation of a heterogeneous phase in the sintered body was suppressed by setting x=0.65.


Claims (3)

Li、Sr及びZr元素を含む原料を混合して混合粉とする混合工程と、
前記混合粉を仮焼して仮焼粉とする仮焼工程と、
前記仮焼粉に、B、GaまたはBiの少なくとも一種以上の元素を含む焼結助剤を混合して焼結助剤混合粉とする焼結助剤混合工程と、
前記焼結助剤混合粉の成形体を焼結してペロブスカイト型イオン伝導性酸化物の焼結体とする焼結工程と、を有する
ことを特徴とするペロブスカイト型イオン伝導性酸化物の製造方法。
A mixing step of mixing raw materials containing Li, Sr and Zr elements to form a mixed powder;
A calcining step of calcining the mixed powder to obtain a calcined powder;
A sintering aid mixing step of mixing the calcined powder with a sintering aid containing at least one element selected from B, Ga, and Bi to obtain a sintering aid mixed powder;
a sintering step of sintering the molded body of the sintering aid mixed powder to obtain a sintered body of the perovskite ion conductive oxide. .
前記混合工程において、前記原料を分散させる溶媒に有機溶剤を用いた湿式混合を用いる
ことを特徴とする請求項1に記載のペロブスカイト型イオン伝導性酸化物の製造方法。
2. The method for producing a perovskite-type ion-conductive oxide according to claim 1, wherein in said mixing step, wet mixing using an organic solvent is used as a solvent for dispersing said raw materials.
前記仮焼工程において、仮焼温度を800℃以上1300℃以下とする
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のペロブスカイト型イオン伝導性酸化物の製造方法。

3. The method for producing a perovskite-type ion-conductive oxide according to claim 1, wherein the calcination temperature is 800[deg.] C. or more and 1300[deg.] C. or less in the calcination step.

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