JP7392231B2 - ガラスフリット、結晶化ガラス、結晶化ガラスの製造方法、固体電解質およびリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
B、Si、P、GeおよびTeからなる群より選ばれる少なくとも1種と、
Oと、
F、Cl、BrおよびIからなる群より選ばれる少なくとも1種と、
を含有するガラスからなるガラスフリットであって、
前記ガラスは、ガラス転移点以上ガラス結晶化点以下の温度の熱処理により結晶相が析出して非晶質相と結晶相からなる結晶化ガラスとなるガラスであり、
前記結晶化ガラスは、Cu-Kα線を用いた粉末X線回折パターンにおいて、2θ=22.8±0.5°、2θ=32.1±0.5°および2θ=39.6±0.5°に回折ピークを示すことを特徴とするガラスフリット。
[3] 前記結晶相は、逆ペロブスカイト型構造を有する[1]または[2]記載のガラスフリット。
[4] 前記結晶相は、Li3OX(ただし、Xは、F、Cl、BrおよびIからなる群より選ばれる少なくとも1種である。)を含有する[1]~[3]のいずれかに記載のガラスフリット。
[5] 前記ガラスは、カチオン%表記で、
Li+を50%以上75%以下、ならびに
B3+、Si4+、P5+、Ge4+およびTe4+からなる群より選ばれる少なくとも1種を25%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92%以下、ならびに
F-、Cl-、Br-およびI-からなる群より選ばれる少なくとも1種を8%以上30%以下、
含有する[1]~[4]のいずれかに記載のガラスフリット。
[6] 前記ガラスはさらにMg、Ca、SrおよびBaからなる群より選ばれる少なくとも1種を含有し、前記結晶相は、Li3OXおよび/またはLi3-2yMyOX(ただし、Xは、F、Cl、BrおよびIからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、MはMg、Ca、SrおよびBaからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、yは0.001以上0.02以下の正数である。)を含有する[1]~[5]のいずれかに記載のガラスフリット。
[7] 前記ガラスにおける前記Mg、Ca、SrおよびBaからなる群より選ばれる少なくとも1種の含有量は、カチオン%表記で、0.0005%以上0.02%以下である[6]記載のガラスフリット。
[8] 累積粒度分布における体積基準の50%粒径をD50としたときに、D50が0.01μm以上20μm以下である[1]~[7]のいずれかに記載のガラスフリット。
[9] 非晶質相と結晶相とからなり、
Liと、B、Si、P、GeおよびTeからなる群より選ばれる少なくとも1種と、Oと、F、Cl、BrおよびIからなる群より選ばれる少なくとも1種と、を含有し、
Cu-Kα線を用いた粉末X線回折パターンにおいて、2θ=22.8±0.5°、2θ=32.1±0.5°および2θ=39.6±0.5°に回折ピークを示すことを特徴とする結晶化ガラス。
[10] 前記粉末X線回折パターンにおいて、LiX(ただし、Xは、F、Cl、BrおよびIからなる群より選ばれる少なくとも1種である。)の(111)面に由来する回折ピークの強度は、前記3つの回折ピークの中で最も強度の高い回折ピークの強度の5倍以下である[9]記載の結晶化ガラス。
[11] 前記結晶相は、逆ペロブスカイト型構造を有する[9]または[10]記載の結晶化ガラス。
[12] 前記結晶相は、Li3OX(ただし、Xは、F、Cl、BrおよびIからなる群より選ばれる少なくとも1種である。)を含有する[9]~[11]のいずれかに記載の結晶化ガラス。
[13] 前記結晶化ガラスにおける前記結晶相の体積分率は10体積%以上95体積%以下である[9]~[12]のいずれかに記載の結晶化ガラス。
[14] カチオン%表記で、
Li+を50%以上75%以下、ならびに
B3+、Si4+、P5+、Ge4+およびTe4+からなる群より選ばれる少なくとも1種を25%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92%以下、ならびに
F-、Cl-、Br-およびI-からなる群より選ばれる少なくとも1種を8%以上30%以下、
含有する[9]~[13]のいずれかに記載の結晶化ガラス。
[15] さらに、Mg、Ca、SrおよびBaからなる群より選ばれる少なくとも1種を含有し、前記結晶相は、Li3OXおよび/またはLi3-2yMyOX(ただし、Xは、F、Cl、BrおよびIからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、MはMg、Ca、SrおよびBaからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、yは0.001以上0.02以下の正数である。)を含有する[9]~[14]のいずれかに記載の結晶化ガラス。
[16] 前記Mg、Ca、SrおよびBaからなる群より選ばれる少なくとも1種の含有量は、カチオン%表記で、0.0005%以上0.02%以下である[15]記載の結晶化ガラス。
[17] 前記結晶化ガラスはフリット状であり、累積粒度分布における体積基準の50%粒径をD50としたときに、D50が0.01μm以上20μm以下である[9]~[16]のいずれかに記載の結晶化ガラス。
[18] 前記結晶化ガラスが含有する成分を含む原料組成物を800℃以上1100℃以下の温度で溶解した後、急冷して、結晶化ガラス前駆体を得る工程、および
前記結晶化ガラス前駆体を、不活性ガス雰囲気下または乾燥雰囲気下、温度200℃以上500℃以下で5分以上2時間以下、熱処理する工程
を有する[9]~[17]のいずれかに記載の結晶化ガラスの製造方法。
[19] 前記不活性ガスは、窒素、アルゴンおよびヘリウムからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、乾燥雰囲気中の酸素濃度は0.1体積%以上100体積%以下である[18]記載の結晶化ガラスの製造方法。
[20] 前記原料組成物および/または前記結晶化ガラス前駆体は種結晶を含む[18]または[19]記載の結晶化ガラスの製造方法。
[21] 前記種結晶は逆ペロブスカイト型構造を有する[20]に記載の結晶化ガラスの製造方法。
[22] 前記種結晶はLi3OX(ただし、Xは、F、Cl、BrおよびIからなる群より選ばれる少なくとも1種である。)を含む[20]または[21]記載の結晶化ガラスの製造方法。
[23] [9]~[17]のいずれかに記載の結晶化ガラスを含有することを特徴とする固体電解質。
[24] 正極、負極、および前記正極と前記負極の間に配置された固体電解質層を有するリチウムイオン二次電池であり、前記固体電解質層は、[23]に記載の固体電解質からなることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
本明細書において、ガラスの「カチオン%」および「アニオン%」とは、以下のとおりの単位である。まず、ガラスの構成成分をカチオン成分とアニオン成分とに分ける。そして、「カチオン%」とは、ガラス中に含まれる全カチオン成分の合計含有量を100モル%としたときに、各カチオン成分の含有量を百分率(モル%)で表記した単位である。「アニオン%」とは、ガラス中に含まれる全アニオン成分の合計含有量を100モル%としたときに、各アニオン成分の含有量を百分率(モル%)で表記した単位である。本明細書において、ガラス成分の含有量を示す「%」は、特に断りのない限り、カチオン%表記またはアニオン%表記におけるモル%である。
本発明のガラスフリット(以下、「本ガラスフリット」ともいう。)は、以下の(1)~(3)を満足するガラス(以下、「ガラスA」ともいう。)からなる。
(2)ガラスAは、ガラス転移点以上ガラス結晶化点以下の温度の熱処理により結晶相が析出して非晶質相と結晶相からなる結晶化ガラス(以下、「結晶化ガラスB」ともいう。)となる。
(3)結晶化ガラスBは、Cu-Kα線を用いた粉末X線回折パターンにおいて、2θ=22.8±0.5°、2θ=32.1±0.5°および2θ=39.6±0.5°に回折ピークを示す。
ガラスAは(1)に示す成分を必須成分として含有する。ガラスAにおいて、Liと、B、Si、P、GeおよびTeからなる群より選ばれる少なくとも1種はカチオン成分であり、Oと、F、Cl、BrおよびIからなる群より選ばれる少なくとも1種は、アニオン成分である。
<カチオン成分>
ガラスAはLiを含有することで、得られる結晶化ガラスBがイオン伝導性を有する。カチオン成分におけるLi+の含有量はカチオン%表記で50%以上75%以下が好ましい。Li+の含有量が50%以上であることで高い導電率が実現可能であり、75%以下とすることでガラスとしての安定性が保持されやすい。Li+の含有量は、より好ましくは53%以上72%以下、さらに好ましくは55%以上70%以下である。
ガラスAは、アニオン成分として、Oと、F、Cl、BrおよびIからなる群より選ばれる少なくとも1種(以下、「アニオン成分X」ともいう。)を含有する。アニオン成分が、Oとアニオン成分Xを含有することで、結晶化ガラスBにおける結晶相が好ましい成分としてLi3OX(ただし、Xは、F、Cl、BrおよびIからなる群より選ばれる少なくとも1種である。)を含有できる。さらに、カチオン成分がカチオン成分Mを含有する場合には、結晶化ガラスBにおける結晶相が好ましい成分として、Li3-2yMyOX(ただし、Xは、F、Cl、BrおよびIからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、MはMg、Ca、SrおよびBaからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、yは0.001以上0.02以下の正数である。)を含有できる。
本発明の結晶化ガラス(以下、「本結晶ガラス」ともいう。)は、非晶質相と結晶相とからなり、以下の(11)および(12)の要件を満たすことを特徴とする。
(11)Liと、B、Si、P、GeおよびTeからなる群より選ばれる少なくとも1種と、Oと、F、Cl、BrおよびIからなる群より選ばれる少なくとも1種と、を含有する。
(12)Cu-Kα線を用いた粉末X線回折パターンにおいて、2θ=22.8±0.5°、2θ=32.1±0.5°および2θ=39.6±0.5°に回折ピークを示す。
本結晶化ガラスは、例えば、以下の(I)および(II)の工程を有する本発明の製造方法で製造できる。
(I)本結晶化ガラスが含有する成分を含む原料組成物を800℃以上1100℃以下の温度で溶解した後、急冷して、結晶化ガラス前駆体を得る工程(以下、工程(I)ともいう。)
(II)(I)で得られた結晶化ガラス前駆体を、不活性ガス雰囲気下または乾燥雰囲気下、温度200℃以上500℃以下で5分以上2時間以下、熱処理する工程(以下、工程(II)ともいう。)
本発明の固体電解質は、本結晶化ガラスを含有する。固体電解質は、必要に応じて、本発明の効果を損なわない範囲で本結晶化ガラス以外の成分を含んでいてもよい。含有可能なその他の成分としては、リチウムイオン伝導性結晶等が挙げられる。固体電解質における本発明の本結晶化ガラスの含有割合は、40~100体積%が好ましく、より好ましくは80~100体積%、さらに好ましくは100体積%である。
本発明のリチウムイオン二次電池は、正極、負極、および該正極と負極の間に配置された上記本発明の固体電解質からなる固体電解質層を有するリチウムイオン二次電池である。本発明のリチウムイオン二次電池は、本発明の固体電解質からなる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を有する限り、その他の構成は特に制限されない。リチウムイオン二次電池は、求められる電池性能に応じて上記積層体を1単位として(以下、「積層ユニット」ともいう)、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であってもよい。
図1に、リチウムイオン二次電池の構成の一例として多層全固体型でありかつ直列型のリチウムイオン二次電池を概略的に示す。
電子伝導体層15は、電子伝導性の材料、例えば、アルミニウム、銅ニッケル、銀、パラジウム、金、白金等からなる層であり、複数の積層ユニット14を直列に接続する機能を有する。
本発明のリチウムイオン二次電池の製造方法としては、固体電解質層を有するリチウムイオン二次電池における公知の製造方法が特に制限なく適用できる。本発明においては、通常、固体電解質層に用いる本結晶化ガラスの(12)の特徴が損なわれない方法が適用される。
リチウムイオン二次電池10は、例えば、これを構成する正極11、負極12、固体電解質層13、電子伝導体層15の各層を別々に製造した後に、図1に示す順に積層し加熱圧着等により一体化することで製造できる。
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、B2O3、Li2O、Li2CO3、LiCl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、800℃~1100℃で10~60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。
(1)D50
上記で得られた各例のガラスフリットについて、粒度分布測定装置(日機装製、商品名:Microtrac MT3000EXII)を用いてD50を測定した。
上記で得られた各例のガラスフリットについて、示差熱分析計(リガク社製、商品名:TG8110)を用いてDTA測定を行い、得られたDTA曲線から、Tg、Tcをそれぞれ求めた。結果を表1に示す。
得られた各例のガラスフレーク両面に、蒸着法により金電極(直径6mm)を形成した。次いで、前記金電極に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、1Hz~1MHz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。なお、該ガラスフレークで測定されるイオン伝導度は、ガラスフリット1~3のイオン伝導度と同じである。
上記で得られた各例のガラスフレーク(表2中、ガラスフリット番号で示す)を表2に示す温度、時間で熱処理して、例4~6の結晶化ガラスを作製した。熱処理温度は、各例のガラスのTg以上Tc以下であった。
(1)X線回折パターン
上記で得られたフレーク状の結晶化ガラスを粉砕して、X線回折装置(リガク社製、商品名:SmartLab)を用いて、Cu-Kα線を用いた粉末X線回折パターンを測定し、統合粉末X線解析ソフトウェアPDXL(リガク社製)により、2θ=22.8±0.5°、2θ=32.1±0.5°、および2θ=39.6±0.5°の各範囲における回折ピークの有無を確認した。さらに、上記3つの回折ピークのうちの最も高い強度に対する、LiX(ただし、各例においてXはClである。)の(111)面に由来する回折ピークの強度の比を算出した。
得られたフレーク状の結晶化ガラスについて、上記と同様の方法でイオン伝導度を測定した。結果を表2に示す。
Claims (22)
- Liと、
B、Si、P、GeおよびTeからなる群より選ばれる少なくとも1種と、
Oと、
F、Cl、BrおよびIからなる群より選ばれる少なくとも1種と、
を含有するガラスからなるガラスフリットであって、
前記ガラスは、ガラス転移点以上ガラス結晶化点以下の温度の熱処理により結晶相が析出して非晶質相と結晶相からなる結晶化ガラスとなるガラスであり、
前記結晶相は、逆ペロブスカイト型構造を有し、
前記結晶化ガラスは、Cu-Kα線を用いた粉末X線回折パターンにおいて、2θ=22.8±0.5°、2θ=32.1±0.5°および2θ=39.6±0.5°に回折ピークを示すことを特徴とするガラスフリット。 - 前記粉末X線回折パターンにおいて、LiX(ただし、Xは、F、Cl、BrおよびIからなる群より選ばれる少なくとも1種である。)の(111)面に由来する回折ピークの強度は、前記3つの回折ピークの中で最も強度の高い回折ピークの強度の5倍以下である請求項1記載のガラスフリット。
- 前記結晶相は、Li3OX(ただし、Xは、F、Cl、BrおよびIからなる群より選ばれる少なくとも1種である。)を含有する請求項1または2に記載のガラスフリット。
- 前記ガラスは、カチオン%表記で、
Li+を50%以上75%以下、ならびに
B3+、Si4+、P5+、Ge4+およびTe4+からなる群より選ばれる少なくとも1種を25%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92%以下、ならびに
F-、Cl-、Br-およびI-からなる群より選ばれる少なくとも1種を8%以上30%以下、
含有する請求項1~3のいずれかに記載のガラスフリット。 - 前記ガラスはさらにMg、Ca、SrおよびBaからなる群より選ばれる少なくとも1種を含有し、前記結晶相は、Li3OXおよび/またはLi3-2yMyOX(ただし、Xは、F、Cl、BrおよびIからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、MはMg、Ca、SrおよびBaからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、yは0.001以上0.02以下の正数である。)を含有する請求項1~4のいずれかに記載のガラスフリット。
- 前記ガラスにおける前記Mg、Ca、SrおよびBaからなる群より選ばれる少なくとも1種の含有量は、カチオン%表記で、0.0005%以上0.02%以下である請求項5記載のガラスフリット。
- 累積粒度分布における体積基準の50%粒径をD50としたときに、D50が0.01μm以上20μm以下である請求項1~6のいずれかに記載のガラスフリット。
- 非晶質相と結晶相とからなり、
Liと、B、Si、P、GeおよびTeからなる群より選ばれる少なくとも1種と、Oと、F、Cl、BrおよびIからなる群より選ばれる少なくとも1種と、を含有し、
前記結晶相は、逆ペロブスカイト型構造を有し、
Cu-Kα線を用いた粉末X線回折パターンにおいて、2θ=22.8±0.5°、2θ=32.1±0.5°および2θ=39.6±0.5°に回折ピークを示すことを特徴とする結晶化ガラス。 - 前記粉末X線回折パターンにおいて、LiX(ただし、Xは、F、Cl、BrおよびIからなる群より選ばれる少なくとも1種である。)の(111)面に由来する回折ピークの強度は、前記3つの回折ピークの中で最も強度の高い回折ピークの強度の5倍以下である請求項8記載の結晶化ガラス。
- 前記結晶相は、Li3OX(ただし、Xは、F、Cl、BrおよびIからなる群より選ばれる少なくとも1種である。)を含有する請求項8または9に記載の結晶化ガラス。
- 前記結晶化ガラスにおける前記結晶相の体積分率は10体積%以上95体積%以下である請求項8~10のいずれかに記載の結晶化ガラス。
- カチオン%表記で、
Li+を50%以上75%以下、ならびに
B3+、Si4+、P5+、Ge4+およびTe4+からなる群より選ばれる少なくとも1種を25%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92%以下、ならびに
F-、Cl-、Br-およびI-からなる群より選ばれる少なくとも1種を8%以上30%以下、
含有する請求項8~11のいずれかに記載の結晶化ガラス。 - さらに、Mg、Ca、SrおよびBaからなる群より選ばれる少なくとも1種を含有し、前記結晶相は、Li3OXおよび/またはLi3-2yMyOX(ただし、Xは、F、Cl、BrおよびIからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、MはMg、Ca、SrおよびBaからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、yは0.001以上0.02以下の正数である。)を含有する請求項8~12のいずれかに記載の結晶化ガラス。
- 前記Mg、Ca、SrおよびBaからなる群より選ばれる少なくとも1種の含有量は、カチオン%表記で、0.0005%以上0.02%以下である請求項13記載の結晶化ガラス。
- 前記結晶化ガラスはフリット状であり、累積粒度分布における体積基準の50%粒径をD50としたときに、D50が0.01μm以上20μm以下である請求項8~14のいずれかに記載の結晶化ガラス。
- 前記結晶化ガラスが含有する成分を含む原料組成物を800℃以上1100℃以下の温度で溶解した後、急冷して、結晶化ガラス前駆体を得る工程、および
前記結晶化ガラス前駆体を、不活性ガス雰囲気下または乾燥雰囲気下、温度200℃以上500℃以下で5分以上2時間以下、熱処理する工程
を有する請求項8~15のいずれかに記載の結晶化ガラスの製造方法。 - 前記不活性ガスは、窒素、アルゴンおよびヘリウムからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、乾燥雰囲気中の酸素濃度は0.1体積%以上100体積%以下である請求項16記載の結晶化ガラスの製造方法。
- 前記原料組成物および/または前記結晶化ガラス前駆体は種結晶を含む請求項16または17記載の結晶化ガラスの製造方法。
- 前記種結晶は逆ペロブスカイト型構造を有する請求項18に記載の結晶化ガラスの製造方法。
- 前記種結晶はLi3OX(ただし、Xは、F、Cl、BrおよびIからなる群より選ばれる少なくとも1種である。)を含む請求項18または19記載の結晶化ガラスの製造方法。
- 請求項8~15のいずれかに記載の結晶化ガラスを含有することを特徴とする固体電解質。
- 正極、負極、および前記正極と前記負極の間に配置された固体電解質層を有するリチウムイオン二次電池であり、前記固体電解質層は、請求項21に記載の固体電解質からなることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
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