JPH0432779B2 - - Google Patents

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JPH0432779B2
JPH0432779B2 JP22201186A JP22201186A JPH0432779B2 JP H0432779 B2 JPH0432779 B2 JP H0432779B2 JP 22201186 A JP22201186 A JP 22201186A JP 22201186 A JP22201186 A JP 22201186A JP H0432779 B2 JPH0432779 B2 JP H0432779B2
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JP
Japan
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glass
ion conductivity
mol
composition
present
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JP22201186A
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JPS6379735A (ja
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Shigeki Morimoto
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Central Glass Co Ltd
Original Assignee
Central Glass Co Ltd
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Publication date
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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03CCHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C3/00Glass compositions
    • C03C3/04Glass compositions containing silica
    • C03C3/062Glass compositions containing silica with less than 40% silica by weight

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Glass Compositions (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は各種のナトリウムを含む電池に使用さ
れる固体電解質、あるいはナトリウムを濃縮、精
製する電解槽における固体電解質として有効に利
用し得るものである。一例を挙げればNa−S電
池は陰極物質としての液体ナトリウム、陽極物質
としてのカーボンフエルトに含浸させたサルフア
ー、および両者間を仕切る固体電解質、たとえば
β−アルミナにより形成され、ナトリウムが固体
電解質を経てサルフアーと接触し多硫化ナトリウ
ム(Na2Sx)を生成したり、また逆にそれが解
離することによる放、充電反応特性を利用したも
のであつて、電気自動車の動力源電池あるいは電
力貯蔵用電池への応用が期待されているものであ
るが、前記固体電解質として本発明の組成物が好
適である。
〔従来の技術〕
固体電解質として公知のβ−アルミナはNa+
オン伝導性に優れたものであるが、出発原料とし
て焼結性に劣るα−アルミナに高温での揮発性に
富むナトリウム化合物を組合せ、反応、焼結させ
たものであつて、均質物が得難いこと、成型が困
難なこと、結晶方向によりNa+イオン伝導度に著
しい差があること、さらに焼結体の機械的強度や
耐食、耐久性が不充分なことに難点を有する。
特公昭56−5687号には化学式Na1+xZr2SixP3
−xO12よりなり、Na2O25mol%、ZrO233mol%、
SiO233mol%、P2O58mol%、で代表される焼結
体(Nasiconと称する)が提唱されている。これ
はβ−アルミナと同等のNa+イオン伝導度を示
し、かつ該伝導度は結晶方向による差異が生じな
いことに特徴を有するが、ZrO2分を多量に含有
した焼結困難なものであり、したがつて成型性も
不充分である。
特開昭55−7593号にはNa2O−B2O3−Al2O3
においてZrO2および/またはP2O5を含有したガ
ラスが提唱されているが、Na+イオン伝導度に劣
り、したがつて機能的に充分とはいえない。
特開昭59−107942号には既述したNasiconに替
るものとして化学式Na1+xZr2−x/3SixP3
xO122x/3よりなり、Na2O29.5〜33.3mol%、
ZrO216.7〜22.7mol%、SiO240.9〜50mol%、
P2O50〜6.8mol%の領域のガラス(Nasiglasと称
する)が提唱されておりNa+イオン伝導度は
Nasiconよりやや劣るものの良好な伝導性を示
し、またガラスであるため種々の形状に成型し
得、溶融ナトリウム等に対しても耐食性を示すと
しているが、前記化学式に限定され、P2O5分の
少ない極めて狭い組成領域に特定されたものであ
つてその調製が容易ではない。
〔発明の目的〕
本発明は既述した従来技術の問題点を解消する
ものであり、調製、加熱溶融、ガラス化、ガラス
セラミツクス化が容易であり、したがつて均質
性、成型性に富みかつ良好なNa+イオン伝導性を
示す組成物を提供するものである。
〔発明の構成〕
本発明はNa+イオン伝導性ガラス質組成物に関
し、Na2O15〜30mol%、ZrO215〜25mol%、
P2O510〜20mol%、SiO220〜60mol%を含有した
ことを特徴とするものである。
ガラス質組成物とは透明あるいは不透明のガラ
スまたはガラスセラミツクスをいう。本発明にお
ける組成物はきわめて易溶性でガラス化し易く、
得られたガラスはNasiglasと同等のNa+イオン
伝導性を示す。さらに熱処理により容易に堅固な
ガラスセラミツクスが得られ、そのNa+イオン伝
導度は元のガラスに比べ101ないし102オーダー
(Scm-1)も増加する。
本発明の成分系においてZrO2の含有料が高い
程Na+イオン伝導性が良好であり、またガラスセ
ラミツクス化が容易である。Na+イオン伝導性を
有効に発現するためには15mol%以上が必要であ
るが、25mol%を超えるとガラス化し難い。
P2O5はNasiglasに比較して多量に導入するこ
とにより、ガラス化領域が拡大され、かつ良好な
Na+イオン伝導性を与える。P2O5が10mol%未満
では効果的なNa+イオン伝導度が得られず、一方
20mol%を超えるとガラス化し難くなる。
SiO2は均質なガラス質物を与えるうえで必要
不可欠のものであつて、20mol%未満であるとガ
ラス化し難くなり、60mol%を超えるとNa+イオ
ン伝導性が不充分となり、また、ガラスセラミツ
クス化が困難となる。
Na2OはNa+イオン伝導性を効果的に発現し、
かつ原料の溶融を容易とするものであるが、
15mol%未満であるとこれら作用を充分に為し得
ず、30mol%を超えると耐食、耐久性が不充分と
なる。
Nasiconの場合、既述したようにZrO2含有量
が高くガラス化し得ないため焼結体を形成したも
のであるが、それは必然的に成型を困難なものと
し、また成分領域によつてはNasiconを形成する
結晶が150℃付近で単斜晶系→六方晶形の転移が
あり、その際の異常膨張により焼結体自体の強度
を脆化している。またNasiglasの場合極めて狭
い成分領域にあつてその調製を困難なものとして
いるのに対し、本発明はより多量にP2O5を導入
したことによりガラス化領域を広め、かつ該領域
において良好なNa+イオン伝導性のものが得られ
る。加えて容易に堅固なガラスセラミツクスと為
し得、かつ該ガラスセラミツクスは元のガラスよ
りさらに高いNa+イオン伝導性を得ることができ
る。
本発明において出発原料は特定せず、各成分の
酸化物またはそれらの前駆物質、好適にはSiO2
ZrSiO4、ZrO2、Na2H4PO4、H3PO4、Na2CO3
NaOH等を用いる。これらは所定目標組成に沿
つて調合するが、若干の不純物の存在は本発明を
妨げるものではなく、すなわりNa+イオン伝導度
その他に大きく影響することはなく、ために調製
をきわめて容易とする。次いで白金、アルミナ等
のルツボに充填し、通例の加熱手段、たとえば抵
抗加熱炉中において1500℃〜1650℃、2〜4Hr溶
融することにより容易にガラスが得られる。溶融
後黒鉛板上に流し出し800℃以下の温度域で徐冷
する。本発明の組成物の一部は乳白化するが、そ
れは分相によるものであつて成型上何等悪影響を
及ぼすものではない。むしろガラスセラミツクス
化を容易とするものである。
ガラスセラミツクスを得るには通例の手法によ
りガラスをガラス転移点以上、ただしガラスが軟
化しない温度範囲で適宜時間熱処理すればよい。
好適には、ガラス組成により若干異なるが大むね
750℃〜850℃で1〜3Hr熱処理して核形成させ、
次いで900℃〜1000℃で1〜3Hr熱処理して結晶
析出させることにより、結晶相が60ないし90%以
上の緻密なガラスセラミツクスとなる。
Na+イオン伝導度は試料を所定厚み、所定サイ
ズに切出し両面を研摩したうえで金をスパツタリ
ングして電極とし、LCZ(インダクタンス・キヤ
ンパシタンス・インピーダンス)メーターを用い
て交流1KHzの条件下で温度を変化させて測定す
る。
通例交流周波数も変化させて周波数−Na+イオ
ン伝導度曲線より周波数無限大における伝導度を
外挿して算定するもので、この場合周波数の増加
とともに伝導度も漸増し、したがつて高い伝導度
値が得られるが、本測定においては便宜上1KHz
に固定し実測値を得ている。ちなみに特開昭59−
107942号に開示したNasiglasのNa+イオン伝導
度は10-3オーダー(S.cm-1)〔於300℃、以下、同
じ〕であるが、後述するように本測定法によれば
10-4オーダー(S.cm-1)となり本発明のガラス組
成物とほぼ同等となる。なお、本発明のガラス組
成物をさらにガラスセラミツクス化することによ
り10-2〜10-3オーダー(S.cm-1)の伝導度を得る
ことができる。
Na+イオンの良導体であるためにはNa+イオン
伝導度とともにNa+イオンの移動に対する活性化
エネルギーも重要なフアクターである。活性化エ
ネルギーはNa+イオン伝導度−絶対温度の関係か
ら既存式より求めることができる。本発明のガラ
ス組成物は5×10-1オーダー(eV)であつて
Nasiglasと同程度であり、ガラスセラミツクス
化したものは3〜4×10-1オーダー(eV)とさ
らに優れたものとなつている。
本発明の組成物が工業上有効に利用し得るため
には溶融ナトリウムに対する耐食性も重要である
が、ガラスおよびガラスセラミツクスとも300℃
の溶融ナトリウムに所定時間浸漬し走査電子顕微
鏡下で観察した結果、侵食された痕跡が全く認め
られず良好な耐食性を示すものである。
〔実施例および比較例〕
ガラス 第1表左欄に示す組成のものについて出発原料
としてSiO2、ZrSiO4、NaH2PO4、Na2CO3を用
いてガラス化量200gとなるように調合し、白金
ルツボに充填して抵抗加熱炉中で1600〜1650℃、
3〜4Hr溶融し、黒鉛板上に流し出し、さらに
800℃以下において徐冷した。
ここで実施例No.1〜9は本発明の組成範囲内の
ものであり、比較例No.10〜16は本発明の組成範囲
外のものであつてうちNo.16はNasiglasについて
示している。なお比較例No.10、13、15はガラス化
せず、顕微鏡下観察において失透あるいは未溶解
が存在することが明らかであり、ガラス質組成物
を得ることを主旨とする本発明から逸脱するもの
である。
得られたガラスの一部を棒状に切出して試料と
し、理学電機製熱膨張計を用いて5℃/minの昇
温速度で加熱して熱膨張曲線を得、それよりガラ
ス転移点を求め第1表に示した。
次にガラス試料を1〜1.5mm厚、数cm角に切出
し、両面を研摩したうえで金をスパツタリングし
て電極とし、横河ヒユーレツトパツカード製LCZ
メーターを用いて交流1KHzの条件下で温度を室
温から350℃に変化させNa+イオン伝導度を測定
し、300℃におけるNa+イオン伝導度σ(S.cm-1
を第1表に示した。また主なものについての
LogσT(S.cm-1〓)−1/T(〓)相関グラフ
(σT;絶対温度T〓におけるNa+イオン伝導度、
T;絶対温度)を第1図に示した。
さらに式Ea/T=Logσ0−LogσT(Ea;活性化
エネルギー、σ0;絶対温度0〓におけるNa+イオ
ン伝導度)よりNa+イオンの移動に対する活性化
エネルギーEa(eV)を求め第1表に示した。
第1表から判るように本発明のガラス組成物、
実施例No.1〜9は10-4オーダー(S.cm-1)のNa+
イオン伝導度、5×10-1オーダー(eV)の活性
化エネルギーを示し、比較例No.16Nasiglas組成
とほぼ同等である。比較例No.12、14はNa+イオン
伝導度、活性化エネルギーにおいて劣るので好ま
しくない。
なお、ガラス化しない比較例No.10、13、15を除
いたものについて板状の任意サイズに切出し、片
面を研摩したうえ石英容器中で300℃に維持した
溶融ナトリウム中に48Hr浸漬し、その後取出し
てアルコール洗浄し、研摩面の侵食状況を走査型
電子顕微鏡下で観察した。比較例No.11はナトリウ
ムの侵食による痕跡が認められるため不適当と判
断されたがそれ以外は明白な浸食の兆候が認めら
れなかつた。
ガラスセラミツクス 比較例No.10、11、13、14および15を除いたもの
について第1表中ガラスセラミツクス化処理条件
に示す熱処理条件により抵抗加熱炉中で熱処理
し、ガラスセラミツクスを得た。うち比較例No.12
および16は失透した粗結晶が散在し緻密で均質な
ガラスセラミツクスを得ることができず不適当と
判断した。
他のものについては前記したガラスの場合と同
様にNa+イオン伝導度を測定し、300℃における
伝導度σ(S.cm-1)、および前記Na+イオン伝導度
より算出したNa+イオンの移動に対する活性化エ
ネルギーEa(eV)を第1表に示した。また主な
ガラスセラミツクスについてのLogσT−1/T
相関グラフを第2図に示した。図中破線(−−−
−−−)は不連続点があることを示す。
なお、300℃の溶融ナトリウムに対する侵食試
験ではいずれのガラスセラミツクスともその痕跡
が認められなかつた。
第1図から明らかなように本発明のガラスセラ
ミツクス組成物はNa+イオン伝導度、活性化エネ
ルギーとも元のガラスに比べてさらに向上し、優
れたNa+イオン良導体であることが判る。
〔本発明の効果〕
以上詳述したように本発明のガラス質組成物は
優れたNa+イオン良導体であり、調製、溶融およ
び熱処理が容易のうえ均質性に富み各種形状に容
易に製造することができ、かつ耐食性も優れると
いう効果を奏し、ナトリウム含有電池、ナトリウ
ムの濃縮、精製等の電解質として有効に適用しう
るものである。
【図面の簡単な説明】
第1,2図は本発明のガラス質組成物の
LogσT−1/Tの相関グラフを示した図である。
【表】
【表】

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 Na2O15〜30mol%、ZrO215〜25mol%、
    P2O510〜20mol%、SiO220〜60mol%を含有した
    ことを特徴とするNa+イオン伝導性ガラス質組成
    物。
JP22201186A 1986-09-22 1986-09-22 Na↑+イオン伝導性ガラス質組成物 Granted JPS6379735A (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP22201186A JPS6379735A (ja) 1986-09-22 1986-09-22 Na↑+イオン伝導性ガラス質組成物

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JP22201186A JPS6379735A (ja) 1986-09-22 1986-09-22 Na↑+イオン伝導性ガラス質組成物

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JPS6379735A JPS6379735A (ja) 1988-04-09
JPH0432779B2 true JPH0432779B2 (ja) 1992-06-01

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ID=16775708

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JP22201186A Granted JPS6379735A (ja) 1986-09-22 1986-09-22 Na↑+イオン伝導性ガラス質組成物

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JP2012076987A (ja) * 2010-09-06 2012-04-19 Hyogo Prefecture イオン伝導性材料及びその製造方法

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