JP7346884B2 - ガラス - Google Patents
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Description
リチウムを含有するガラスは、例えば機能性セラミックス粉体と混合して、高密度回路基板における誘電体層(絶縁体層)を形成するための材料として用いられることが期待される。また、金属などの導電性粉体と混合して、導電性層を形成する材料として用いられることも期待される。
したがって、軟化時の流動性が高いガラスが望まれていた。
本発明のガラスの一態様においては、結晶化開始温度Tc1-onとガラス転移点Tgとの差((Tc1-on)-Tg)が30℃以上であってもよい。
本発明のガラスの一態様においては、ガラス転移点Tgが200℃以上450℃以下であってもよい。
本発明のガラスの一態様においては、イオン伝導度が7.0×10-7S/cm以上であってもよい。
本発明のガラスの一態様においては、下記方法により測定した軟化流動性が10%以上であってもよい。
(軟化流動性の測定方法)
前記ガラス乳鉢を用いて粉砕し、300メッシュの篩を通してガラス粉末を得る。得られたガラス粉末100mgを内径5mm深さ5mmのDTAセルに充填する。この際、充填されたガラス粉末群の径をR1とする。続いて、ガラス粉末群を加熱し、ガラス粉末群の径が最小になった際の径をR2とする。これらを用いて下記式により軟化流動性を求める。
軟化流動性(%)={(R1-R2)/R1}×100
また、本発明の固体電解質は、本発明のガラスを含む。
また、本発明の結着用バインダーは、本発明のガラスを含む。
ガラス中に含まれる各カチオン成分の含有量は、得られたガラスの誘導結合プラズマ発光分光分析(ICP-AES:Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectroscopy)の結果から求められる。
ガラス中に含まれる各アニオン成分の含有量は石英管燃焼イオンクロマトグラフ法の結果から求められる。
本実施形態のガラスは、カチオン%表記で、Li+を50%以上90%未満、および、B3+を10%超50%以下、含有するとともに、アニオン%表記で、O2-を30%以上100%未満、SO4 2-を0%超60%以下、および、Cl-を0%超30%以下含有する。
以下、本実施形態のガラスについて詳細に説明する。
Li+はガラスのTgを低下させ、さらに、イオン伝導度を向上させる元素である。
本実施形態のガラスのカチオン成分におけるLi+の含有量が少なすぎると、Tgを十分に低下させることができず、また、十分なイオン伝導度を得ることができない。したがって、本実施形態のガラスのカチオン成分におけるLi+の含有量は50%以上、好ましくは53%以上、より好ましくは55%以上とする。
一方、本実施形態のガラスのカチオン成分におけるLi+の含有量が多すぎると、ガラス形成元素であるB3+の含有量が相対的に少なくなるため、ガラスの安定性が低下する。したがって、本実施形態のガラスのカチオン成分におけるLi+の含有量は90%未満、好ましくは85%以下、より好ましくは80%以下とする。
本実施形態のガラスのカチオン成分におけるB3+の含有量が少なすぎると、ガラスの安定性が低下する。したがって、本実施形態のガラスのカチオン成分におけるB3+の含有量は10%超、好ましくは20%以上、より好ましくは30%以上とする。
一方、本実施形態のガラスのカチオン成分におけるB3+の含有量が多すぎると、イオン伝導度の向上に寄与するLi+の含有量が相対的に少なくなるため、イオン伝導度が低下する。したがって、本実施形態のガラスのカチオン成分におけるB3+の含有量は50%以下、好ましくは45%以下、より好ましくは43%以下とする。
本実施形態のガラスのカチオン成分におけるSi4+の含有量は0%であってもよいが、ガラスの安定性の観点から好ましくは0.3%以上、より好ましくは0.5%以上、さらに好ましくは0.8%以上である。
一方、本実施形態のガラスのカチオン成分におけるSi4+の含有量が多すぎると、イオン伝導度の向上に寄与するLi+の含有量が相対的に少なくなり、Liイオンを拘束する酸素(O)が多くなり、また、LiとSiとOから構成されるケイ酸リチウム系の結晶を析出させるポテンシャルが上がるため、イオン伝導度が低下したり、熱処理での安定性を損ねたりする。したがって、本実施形態のガラスのカチオン成分におけるSi4+の含有量は、7%以下、好ましくは6%以下、より好ましくは5%以下とする。
酸化物を主体とするガラス(以下「酸化物系ガラス」とも記載する)は、化学的安定性が高い。しかし、酸化物系ガラスのアニオン成分であるO2-はLi+を強く拘束するので、酸化物系ガラスはイオン電導度が低い。酸化物系ガラスのO2-を、Li+の拘束力が弱いアニオン成分に交換することにより、化学的安定性が高く、イオン伝導度も高いガラスが得られると考えられる。
一方、本実施形態のガラスのアニオン成分におけるSO4 2-の含有量が多すぎると結晶が析出しやすくなり、また、O2-の含有量が相対的に少なくなってガラスの安定性が悪化する恐れがある。更に、Cl-の含有量が相対的に少なくなり、イオン伝導度が低下する。したがって、本実施形態のガラスのアニオン成分におけるSO4 2-の含有量は60%以下、好ましくは55%以下、より好ましくは30%以下とする。
一方、本実施形態のガラスのアニオン成分におけるCl-の含有量が多すぎると熱処理によりLiClの結晶が析出しやすくなり、また、SO4 2-やO2-の含有量が相対的に少なくなる。したがって、本実施形態のガラスのアニオン成分におけるCl-の含有量は30%以下、好ましくは25%以下、より好ましくは20%以下とする。
一方、本実施形態のガラスのアニオン成分におけるO2-の含有量が少なすぎるとガラスの安定性が悪化する。したがって、本実施形態のガラスのアニオン成分におけるO2-の含有量は30%以上、好ましくは70%以上、より好ましくは75%以上とする。
本実施形態のガラスを結着用バインダーとして用いる際には、本実施形態のガラスと結着する粉末等を混合し、また、必要に応じて樹脂材料を混合してペースト化し、それを加熱して焼結させる。この際の加熱温度は、通常は、焼結を十分に進行させて緻密な焼結体を得るためにガラス転移点Tg以上とし、結晶の析出を抑制するために結晶化開始温度Tc1-on以下とする。
ここで、当該焼結時の加熱温度が高すぎると、結着する粉末(例えば電極材料粉末など)とガラスとが反応してしまう恐れがある。この反応を抑制する観点からは、ガラスは低温で焼結できることが好ましく、すなわちTgが低いことが好ましい。したがって、本実施形態のガラスのTgは450℃以下が好ましく、430℃以下がより好ましく、400℃以下が更に好ましい。
一方、当該焼結時の加熱温度が低すぎると、ペースト化に用いた樹脂材料が十分に熱分解せず、得られる焼結体の内部に樹脂材料が残留し、緻密な焼結体が得られにくくなる恐れがある。したがって、緻密な焼結体を得るためには、樹脂材料の熱分解が十分に進行する温度で焼結を行うことが好ましい。本実施形態のガラスのTgが200℃以上であれば、焼結時の温度は樹脂材料が十分に熱分解する温度となり、緻密な焼結体が得られるため好ましい。
したがって、本実施形態のガラスのTgとTc1-onの差((Tc1-on)-Tg)は30℃以上が好ましく、50℃以上がより好ましい。
(軟化流動性の測定方法)
まず、乳鉢を用いてガラスを粉砕し、粉砕されたガラスフレークを300メッシュの篩を通してガラス粉末を得る。次いで、得られたガラス粉末を100mg秤量し、図1(A)に示すように内径5mm深さ5mmのDTAセル1に充填する。この際の充填されたガラス粉末群2の径を初期径R1とする。続いて、ガラス粉末群2が加熱されて焼結が進むと、ガラス粉末群2が収縮し、その径が小さくなる。図1(B)に示すようにガラス粉末群2の径が最小になった際の径をR2とする。求められたR1及びR2を用いて下記式により軟化流動性を求めることができる。
軟化流動性(%)={(R1-R2)/R1}×100
本実施形態のガラスの製造方法は、特に限定されないが、例えば、以下に示す方法が挙げられる。
本実施形態のガラスに結晶体を添加して複合体として用いてもよい。
本実施形態のガラスに結晶体を添加することで、強度、熱膨張係数、化学耐久性、光学機能、イオン伝導度、電子伝導度、電極機能など、各種の性質を調節することが可能である。
複合体における結晶体の含有量は、焼結性の観点から、複合体全量に対して合計で70体積%以下が好ましく、50体積%以下がより好ましい。
複合体における本実施形態のガラスの含有量は、焼結性の観点から、複合体全量に対して30体積%以上が好ましく、50体積%以上が好ましい。
複合体における本実施形態のガラスの含有量は複合体全量に対して100体積%未満であればよいが、99体積%以下が好ましい。
本実施形態のガラスは低温で焼結が可能なことから、粉末材料の結着用バインダーとして有用である。以下に本実施形態のガラスを含む結着用バインダー(以下「本実施形態の結着用バインダー」ともいう)について説明する。
本実施形態の結着用バインダーは本実施形態のガラスのみからなってもよいが、他の成分を含んでもよい。例えば、本実施形態の結着用バインダーは、結晶体を含んでもよい。すなわち、本実施形態の結着用バインダーは上記の複合体であってもよい。また、本実施形態の結着用バインダーは複数種類の本実施形態のガラスを含有してもよく、また、本実施形態のガラスに加えて本実施形態のガラス以外のガラスを含んでもよい。
本実施形態のガラスは、積層セラミックスコンデンサを製造する際の結着用バインダーとして有用である。低温で焼結できる本実施形態のガラスを用いると、高温で劣化しやすい機能性セラミックスや電極材料を用いても安定的に緻密な積層セラミックスコンデンサが得られる。
以下に、本実施形態のガラスを用いて製造された積層セラミックスコンデンサについて説明する。
ポリビニルブチラール樹脂はペースト、スラリーの安定性を高めるのに好適であり、グリーンシートの強度、柔軟性、積層時の熱圧着性を得やすいが、熱分解性に乏しく、特に低温焼成した場合、熱分解残渣が残りやすく、グリーンシートの焼結性を損ねたり、焼結体にその熱分解ガスによる膨れを生じたりする恐れがある。
アクリル、メタアクリル系樹脂は、熱分解性が良好であり、特に低温焼成した場合に良好な焼結体を得るために好適である。反面、グリーンシートの強度、柔軟性、積層時の熱圧着性を得にくいが、各種官能基を付与したものを共重合させることにより、その欠点を抑制することができる。
ペーストもしくはスラリーをフィルム基材上にシート状に成型する方法は特に限定されないが、例えばスクリーン印刷、転写、ドクターブレード法等が挙げられる。
上記のようにし得てられたグリーンシートは、混合粉末が樹脂材料などで粘結されたものである。
圧着時の加熱温度は、例えば40~80℃とする。
このように、積層シートの一括焼成により積層セラミックスコンデンサを形成すると、各層間の密着性に優れ、誘電性能や経時安定性に優れる積層セラミックスコンデンサを得ることができる。
この導電性ペーストにも本実施形態のガラスを添加することにより、層間接着性を向上することができる。
本実施形態のガラスは、低温同時焼成セラミックス多層基板を製造する際の結着用バインダーとして有用である。低温で焼結できる本実施形態のガラスを用いると、高温で劣化しやすい機能性セラミックスや電極材料を用いても安定的に緻密な低温同時焼成セラミックス多層基板が得られる。
以下に、本実施形態のガラスを用いて製造された低温同時焼成セラミックス多層基板について説明する。
このような低温同時焼成セラミックス多層基板20において、本実施形態のガラスは、例えば、誘電体層21の形成に用いられる。軟化時の流動性が高い本実施形態のガラスを用いると、緻密で薄い誘電体層が得られやすいので、小型でありながら複雑な配線基板を容易に得ることができる。低温同時焼成セラミックス多層基板の形成方法としては、印刷法、グリーンシート法があるが以下にグリーンシート法を簡単に説明する。
これらのペーストを塗布する方法は特に限定されず、例えばスクリーン印刷やグラビア印刷が挙げられる。
その後、これらのシートを複数枚積層して、適宜、熱や圧力を加えて圧着し一体化し、積層シートを得る。圧着時の加熱温度は、例えば40~80℃とする。
このように、積層シートの一括焼成に低温同時焼成セラミックス多層基板を製造することで、各層間の密着性に優れ、信頼性の高い経時安定性に優れる低温同時焼成セラミックス多層基板を得ることができる。
本実施形態のガラスは、固体電解質の材料として有用である。低温で焼結でき、軟化時の流動性が高い本実施形態のガラスを用いると、高温で劣化しやすい材料を用いても安定的に特に緻密な固体電解質が得られる。また、本実施形態のガラスはイオン伝導度が高いため、本実施形態のガラスを用いると、イオン伝導度が高い固体電解質が得られる。以下に、本実施形態のガラスを含む固体電解質(以下「本実施形態の固体電解質」ともいう)について説明する。
なお、本実施形態の固体電解質の材料として本実施形態のガラスと結晶体とを含む複合体を用いてもよい。ただし、該複合体がすでにイオン伝導性結晶等の固体電解質用の結晶成分を十分な量含む場合には、固体電解質にさらにそのような結晶成分を添加する必要はない。
本実施形態の固体電解質は高いイオン伝導性を有するため、全固体リチウムイオン二次電池の固体電解質層に好適である。以下に、本実施形態の固体電解質を備える全固体リチウムイオン二次電池について説明する。
リチウムイオン二次電池は、固体電解質層を挟んで正極および負極が配置された積層体(以下「積層ユニット」という。)を1単位として、これを1個有する構成であってもよく、2個以上の積層ユニットが積層された構成(以下、「多層構造」ともいう)であってもよい。固体電解質層を薄くして、電極層間の距離を小さくすること、また、積層ユニットを多く積層することで、エネルギー密度が大きなリチウムイオン二次電池を得ることができる。
ペースト化の方法は、特に限定されないが、例えば、ビヒクルに各材料の粉末を混合する方法が挙げられる。ペーストもしくはスラリーの塗布方法は、特に限定されず、ダイコート、スクリーン印刷、転写、ドクターブレード法等の公知の方法を採用することができる。なお、平面のパターンを形成したい時は、グリーンシートにパンチングや切断を施す、ペーストを基材にスクリーン印刷やグラビア印刷する等の手法をとればよい。
上記圧着時の加熱温度は、例えば、40~80℃とする。
上記焼成時の加熱温度は、本実施形態のガラスのTgより30℃以上高く、かつ該ガラスのTc1-on未満の温度範囲とするのが好ましく、具体的には280~600℃が好ましく、焼成の促進、製造コストの低減の点で、280~550℃の範囲がより好ましい。焼成時の加熱時間は、例えば1~3時間とする。
表1に示す仕込み組成となるように、各原料粉末を秤量し混合した。原料には、Li2CO3、SiO2、B2O3、MgO、CaCO3、SrCO3、BaCO3、LiPO3、BPO4、MgP2O6、CaP2O6、SrP2O6、BaP2O6、Y2O3、ZrO2、ZrSiO4、LiCl、Li2SO4を組み合わせて使用した。次に、混合した原料を白金るつぼに入れ、900℃で30分間加熱して原料を溶融させた後、溶融した原料をロールアウトマシンにより急冷し、フレーク(薄片)状にして、各例のガラス(以下、ガラスフレークという。)を作製した。得られた各例のガラスフレークを顕微鏡で観察したところ、いずれのガラスフレークにおいても結晶体は見られなかった。
得られた各例のガラスフレークを乳鉢で粉砕して300メッシュの篩を通してDTA測定用のガラス粉末を作製した。このガラス粉末の重量が100±15mgとなるように計量して、内径5±0.5mmφ、深さ5±0.5mmのアルミニウム製DTAセルに詰めてDTA測定を行った。DTAの測定は、示差熱分析計(リガク社製、商品名:Themo plus EVO2 試料観察TG-DTA)を使用して行った。得られたDTA曲線から、Tg、Tc1-on、及びTc1pを求めた。これらの結果を表1に示す。
また、昇温過程のDTAセル内のサンプル(ガラス粉末群)の画像を記録し、焼結収縮が最大になった温度(サンプルの径が最小になった温度)を特定し、その時点でのサンプルの径R2を画像上で計測し、同様に画像上で計測した収縮前のサンプルの径R1(初期径)との差から、下記式により軟化流動性を算出した。
軟化流動性(%)={(R1-R2)/R1}×100
ガラスフレークの両面に、蒸着法により金電極(直径6mm)を形成した。次いで、両面の金電極の間に50mVの測定電圧を印加し、交流インピーダンス法により、ガラスフレークのインピーダンスを測定した。測定には、FRA(周波数応答アナライザ)を備えるソーラトロンSI1287(Solartron社製)を使用し、測定周波数は、107Hz~0.1Hzとした。Nyquistプロットで求められる円弧径より、イオン伝導度を求めた。測定結果を表1に示す。
一方、実施例1~9、11~17のガラスは、イオン伝導度が高く、更に軟化流動性も高かった。
2 ガラス粉末群
10 積層セラミックスコンデンサ
11 誘電体層
12 内部電極層
13 外部電極
20 低温同時焼成セラミックス多層基板
21 誘電体層
22 平面電極
23 内部垂直電極
24 表面実装部品
25 内部実装部品
26 放熱ビア
27 給電ワイヤ
30 リチウムイオン二次電池
31 正極
32 負極
33 固体電解質層
34 積層ユニット
35 電子伝導体層
Claims (7)
- カチオン%表記で、
Li+を50%以上70%以下、および、
B3+を30%以上50%以下、
含有するとともに、
アニオン%表記で、
O2-を70%以上100%未満、
SO4 2-を0%超6.8%以下、および、
Cl-を5%以上30%未満含有するガラス。 - 結晶化開始温度Tc1-onとガラス転移点Tgとの差((Tc1-on)-Tg)が30℃以上である請求項1に記載のガラス。
- ガラス転移点Tgが200℃以上450℃以下である請求項1又は2に記載のガラス。
- イオン伝導度が7.0×10-7S/cm以上である請求項1~3のいずれか1項に記載のガラス。
- 下記方法により測定した軟化流動性が10%以上である請求項1~4のいずれか1項に記載のガラス。
(軟化流動性の測定方法)
前記ガラスを乳鉢を用いて粉砕し、300メッシュの篩を通してガラス粉末を得る。得られたガラス粉末100mgを内径5mm深さ5mmのDTAセルに充填する。この際、充填されたガラス粉末群の径をR1とする。続いて、ガラス粉末群を加熱し、ガラス粉末群の径が最小になった際の径をR2とする。これらを用いて下記式により軟化流動性を求める。
軟化流動性(%)={(R1-R2)/R1}×100 - 請求項1~5のいずれか1項に記載のガラスを含む固体電解質。
- 請求項1~5のいずれか1項に記載のガラスを含む結着用バインダー。
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