JPH02162605A - リチウムイオン導電性固体電解質およびその製法 - Google Patents

リチウムイオン導電性固体電解質およびその製法

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JPH02162605A
JPH02162605A JP31580088A JP31580088A JPH02162605A JP H02162605 A JPH02162605 A JP H02162605A JP 31580088 A JP31580088 A JP 31580088A JP 31580088 A JP31580088 A JP 31580088A JP H02162605 A JPH02162605 A JP H02162605A
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lithium ion
solid electrolyte
ion conductive
conductive solid
lithium
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Hiromichi Aono
宏通 青野
Eisuke Sugimoto
杉本 榮佑
Yoshihiko Sadaoka
芳彦 定岡
Nobuhito Imanaka
信人 今中
Kinya Adachi
吟也 足立
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M6/00Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/14Cells with non-aqueous electrolyte
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はリチウムイオン導電性固体電解質およびその製
法に関し、さらに詳しくは室温で高いリチウムイオン導
電率を有し、固体マイクロ電池等の固体電気化学素子に
好適な新規なリチウムイオン導電性固体電解質およびそ
の製法に関する。
(従来の技術) 電子産業における近年の技術的進歩は著しく、あらゆる
分野にIC,LSI等の電子部品が多く用いられている
が、例えば電池の分野においても、小型化、薄型化が図
られ、カード型電卓用電源、カメラ用電源、腕時計用電
源等として多量に使用されつつある。
これらの用途に用いられる電池は、アルカリ電池または
リチウム電池がほとんどであり、使用される電解質はい
ずれも液体電解質である。これら液体電解質を使用した
電池は、電池の封口方法に高度の加工技術を必要とし、
現在ではガスケットを介したクリンプシールを用いた封
口技術が主流であるが、電池が薄くなるほど封口部材の
電池容積に占める割合が増大し、要求される電池容量を
提供し難くなり、電池の薄型化に限界がある。
このような状況において、電池の小型化、薄型化等のた
めにリチウムイオン導電性に優れた固体電解質が研究さ
れている。
このような固体電解質としては、高分子電解質の応用が
試みられており、代表的なものとしてはポリ(メタクリ
ル酸オリゴオキシエチレン)−アルカリ金属塩系が挙げ
られる。しかしながら、そのイオン導電性は最も優れた
ものでも室温で10−’S/cm程度であり、また移動
イオンの選択性が悪く、カチオン(例えばLi”)のみ
ならずアニオン(例えばCjICL−)の移動を生ずる
等の問題があり、実用段階に到っていない。
一方、ハロゲン化リチウム、ハロゲン化リチウムと酸化
アルミニウムの混合系、窒化リチウム、窒化リチウム誘
導体、7H−Liz PO4型構造を有するリチウムの
酸素酸塩などの無機固体電解質粉の研究も盛んに進めら
れている。しかしながら、ハロゲン化リチウムまたはハ
ロゲン化リチウムと酸化アルミニウムの混合系は、化学
的安定性に劣り、また導電率σが10−h−10−7S
 7cmと低い欠点がある。また窒化リチウムまたはそ
の誘導体は、導電率σは10−37cmと高いが、化学
的安定性が悪いという問題がある。さらに11B−Li
PO,型構造を有する酸素酸塩は、化学的安定性には優
れるが、導電率σが低く10−’S/cm程度である。
従って、これらの固体電解質を広範囲な分野へ応用する
ことは困難である。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明の目的は、前記従来技術の問題点を解決し、室温
で高い導電率を有し、リチウムイオン輸率の高い、化学
的に安定な新規なリチウムイオン導電性固体電解質およ
びその製法を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、化学式L i lax Mx T i z−
x(P 0n)s(ただし、Mは/lおよび希土類から
選ばれた少なくとも1種の元素、Xは0.1〜1.9を
示す)で表わされるリチウムイオン導電性固体電解質に
関する。
本発明のリチウムイオン導電性固体電解質は、TiO□
、リチウム塩(例えばLi2coff、Li2O等)、
リン酸塩(例えば(N H4)2HP Os、(NH4
)H2PO4等)およびM、O,(MはA1および希土
類(例えばSc、Y、La等)から選ばれた少なくとも
1種の元素を示す)を混合した後、加熱による固相反応
を行うことによって製造することができる。
本発明のリチウムイオン導電性固体電解質の組成は、前
記化学式中のXが0.1〜1.9であるが、好ましくは
0.2〜0.5、より好ましくは0.2〜0゜4である
。このXが0.1未満または1.9を超えると充分な導
電率を得ることが困難である。
前記リチウムイオン導電性固体電解質の原料であるTi
O□、リチウム塩、リン酸塩およびM2O、は、市販品
をそのまま用いることができるが、精製および真空乾燥
して用いることが好ましい。
これらの原料を混合する方法は特に限定されず、例えば
所定量を秤量した後、乳ばち等を用いて粉末状で混合す
る。
この際の各原料の好ましい使用割合は、TiO□/L 
it CO3/ (NH4)z HPO4/M20!=
20〜30/10〜17155/1〜8(モル%)であ
る。
前記混合物の加熱による固相反応は、例えば電気炉で空
気中または不活性ガス中、900〜1200°Cの温度
で1〜10時間反応させることによって行なうことがで
きる。また固相反応後には、通常、固相反応物の粉砕を
行うことが、この場合はボールミル等を用いて5〜15
時間程度行なうことが好ましい。加熱による固相反応お
よび固相反応物の粉砕は、通常、少なくとも1回は行う
が、固相反応を充分に進行させるためには、数回繰返し
て行なうのが好ましい。
固相反応後の粉砕物は、通常、加圧成型し、これを焼結
する。
前記加圧成型の方法は特に限定されず、例えばプレス等
を用いてit/c+f1以上の圧力で行なうことができ
る。この際、加圧成型時の成型性を高めるためにポリビ
ニルアルコール等のバインダーまたは成型助剤を添加す
ることができる。
また得られた加圧成型物の焼結方法は特に限定されず、
例えば電気炉で空気中または不活性ガス中、850〜1
300°Cの温度で1〜5時間程度加熱することによっ
て行なうことができる。
〔作用〕
リチウムイオン導電性固体電解質であるLiTiz(P
O4)、は三次元構造を有するが、緻密な焼結体を得る
ことができず、またリチウムイオン導電率も低いもので
ある。しかし、可動Li゛を増加させる目的でTi”を
3価の金属イオンで置換した本発明のL I I+xM
xT 1 z−x(P O4) zで表されるリチウム
イオン導電性固体電解質は、焼結体の緻密さを著しく向
上させることができる。すなわち、3価の金属イオンに
よる置換を全くしないL i T i z(P 04)
3の場合、かなりの高温で焼結しても緻密な焼結体は得
られず、気孔率約34%と非常に大きい値を示すが、3
価の金属イオンで置換を行った本発明のリチウムイオン
導電性固体電解質は3価の金属イオンの増大に伴い気孔
率が著しく低下(気孔率5%以下)し、緻密さが大きく
向上し、さらに3価の金属イオンの増加に伴い、導電率
を上昇させることができる。
第1図は、L 11−X Mx T i t−x  (
P 04)z ノ置換盟xと導電率σ(25°C)の関
係を示す。図中、OはL i T i z(P 0n)
i(X = O) 、・はLi、、えA E−xT i
 t−x (P O4L 、ムはl、 i l +X 
S c、T 1 z−*(PO4)+、口はL i l
+XYXT 1 z−x (P OJi 、◇はL 1
 ++xL a x T 12−x(P 04)ffを
示す。
〔実施例〕
実施例l Ti0□、L 1zcOx 、(NH4)2HPO4お
よびAl2O,+をモル比でT i Ox  : L 
it COz:  (NH4)zHPo4 : Aj!
t 03 =1.7 : 0.65 : 3 : 0.
15の割合となるように秤量した。
前記各原料を、P2O,を乾燥剤としたデシケータ中、
室温で真空乾燥させ、これら成分を乳ばちで粉末状で混
合した。その後、電気炉内の白金るつぼ中で900°C
で2時間反応させ、徐冷し、ボールミルで6時間粉砕し
た。得られた粉砕物を100℃で真空乾燥し、再度電気
炉内の白金るつぼ中で900°Cで2時間反応させ、徐
冷し、ボールミルで12時間粉砕した。
該粉砕物を100°Cで真空乾燥した後、成形用バイン
ダーとして3重量%ポリビニルアルコール水溶液を該粉
砕物1gに対して0.1 m lの割合で加え、プレス
でIt/c4の圧力によって直径10薗、厚さ1mmの
錠剤状に加圧成型した。次いで得られた加圧成型物を電
気炉内の白金ボート上で1200°C72時間焼結した
。この焼結体は元素分析によってLi、、、All!。
、x Tit、y  (PO4)zであることが確認さ
れた。なお、元素分析は蛍光X線分析および原子吸光法
によって行った。
また、この焼結体の全イオン導電率、リチウムイオン輸
率および化学的安定性を次の方法によって調べ、その結
果を第1表に示した。
全イオン導電率の測定は、焼結体の両面に金を蒸着して
電極とし、インピーダンスメータを用いて交流法で行な
った。
リチウムイオン輸率は、焼結体を2枚のリチウム金属板
で挟み、直流電圧をO〜2■まで徐々に変化させ、通電
電流量を評価することにより得られる直流導電率と上記
全導電率の比として求めた。
化学的安定性は、焼結体を25°Cで50%相対湿度の
空気中に12時間放置した後の全イオン導電率を求める
ことによって評価した。
実施例2 実施例1において、TiO□、LilCo、、(NL)
zHpo、およびLa、O,をモル比でTi0z: L
 1zcOn: (NH4)zHPO4: LazOz
=1.7 :0.65 :3 :o、i5の割合となる
ように用いた以外は実施例1と同様にして焼結体を得た
得られた焼結体は元素分析によってLil、3L a 
0.3T 11.7 P 04)zであることが確認さ
れた。また、この焼結体の試験をを実施例1と同様にし
て行い、その結果を第1表に示した。
実施例3 実施例1において、TiO□、Li、Co、、(N H
4)2HP 04およびY2O,をモル比でTiQ2:
 Lit CO3:  (NH4)2HPO4:Y2O
3=1.6 : 0.7 : 3 : 0.2の割合と
なるように用いた以外は実施例1と同様にして焼結体を
得た。得られた焼結体は元素分析によってL i +、
a Yll、4T it、t、(P 04):Iである
ことが確認された。また二の焼結体の試験を実施例1と
同様にして行い、その結果を第1表に示した。
実施例4 実施例1において、TiO□、Li2CO3、(NH,
)、HPO,および5czO=をモル比でTiO□ :
 L i! CO3:  (NH4)2HPO4: 5
czCh =1.8  : 0.6  : 3 : 0
.1の割合となるように用いた以外は実施例1と同様に
して焼結体を得た。
得られた焼結体は元素分析によってL i+、zS C
0,2T i +、s(P 04):Iであることが確
認された。またこの焼結体の試験を実施例1と同様にし
て行い、その結果を第1表に示した。
比較例1 実施例1において、TiCh 、Liz COzおよび
(N H4) 2 HP Oaをモル比”?”TiO,
:Li。
CO3: (NH4)2HP04 =2 :0.5 :
 3の割合となるように用いた以外は実施例1と同様に
して焼結体を得た。得られた焼結体は元素分析によって
LiTi、(PO,)、であることが確認された。また
この焼結体の試験を実施例1と同様にして行い、 その結果を第1表に示した。
以下余白 〔発明の効果〕 本発明の新規なリチウムイオン導電性固体電解質は、室
温で高いイオン導電率を有し、リチウムイオン輸率も高
く、化学的に安定であるので、固体マイクロ電池等の固
体電気化学素子材料として有用である。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明のL i、、XM、 T I!−x 
 (p04)、で表されるリチウムイオン導電性固体電
解質における置換量Xとイオン導電率σの関係を示す図
である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)化学式Li_1_+_xM_xTi_2_−_x
    (PO_4)_3(ただし、MはAlおよび希土類から
    選ばれた少なくとも1種の元素、xは0.1〜1.9を
    示す)で表わされるリチウムイオン導電性固体電解質。
  2. (2)TiO_2、リチウム塩、リン酸塩およびM_2
    O_3(MはAlおよび希土類から選ばれた少なくとも
    1種の元素を示す)を混合した後、加熱による固相反応
    を行うことを特徴とする請求項1記載のリチウムイオン
    導電性固体電解質の製法。
JP31580088A 1988-11-30 1988-12-14 リチウムイオン導電性固体電解質およびその製法 Pending JPH02162605A (ja)

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