JPH06333577A - Lithium solid electrolytic battery - Google Patents

Lithium solid electrolytic battery

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JPH06333577A
JPH06333577A JP5255999A JP25599993A JPH06333577A JP H06333577 A JPH06333577 A JP H06333577A JP 5255999 A JP5255999 A JP 5255999A JP 25599993 A JP25599993 A JP 25599993A JP H06333577 A JPH06333577 A JP H06333577A
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JP
Japan
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lithium
active material
electrode active
metal
lithium ion
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Withdrawn
Application number
JP5255999A
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Japanese (ja)
Inventor
Masanobu Kito
賢信 鬼頭
Noriyuki Inaguma
宣之 稲熊
Ritsusen Chin
立泉 陳
Mitsuru Ito
満 伊藤
Tetsuo Nakamura
哲郎 中村
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NGK Insulators Ltd
Original Assignee
NGK Insulators Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To provide a lithium solid electrolytic battery capable of taking out a high output and stably operating even in the air. CONSTITUTION:A lithium solid electrolytic battery has a bulkhead 5 consisting of a lithium ion conductor; a non-metallic positive electrode active material 6 capable of receiving lithium ion; and a nonmetallic negative electrode active material 7 capable of releasing lithium ion. The lithium ion conductor is formed of a composite oxide having perovskite structure, the half or more of the site A of the perovskite is occupied by lithium and trivalent metal atoms. When lithium metal or a lithium alloy is used as the negative electrode active material 7, a reaction preventing film is put between the negative electrode active material 7 and the bulkhead 5. In a specified perovskite structure, this reaction preventing film is not required.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、リチウムイオン伝導性
の固体電解質を用いた電池に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a battery using a lithium ion conductive solid electrolyte.

【0002】[0002]

【従来の技術】現在実用化されているリチウムイオン電
池においては、過塩素酸リチウム( LiClO4 )な
どの無機電解質を有機電解液に溶解した液状電解質が用
いられている。しかし、電解質として固体を用いること
ができれば、液漏れ、蒸発等が全くなく、保存性、長期
信頼性などの点で、極めて有利である。しかし、現状で
は、リチウムイオン伝導性の高い固体電解質は得られて
おらず、大きな電流が取り出せない。
2. Description of the Related Art Liquid electrolytes, in which an inorganic electrolyte such as lithium perchlorate (LiClO 4 ) is dissolved in an organic electrolyte, are used in lithium ion batteries currently in practical use. However, if a solid can be used as the electrolyte, there is no liquid leakage, evaporation, etc., and it is extremely advantageous in terms of storage stability, long-term reliability, and the like. However, at present, a solid electrolyte having high lithium ion conductivity has not been obtained, and a large current cannot be taken out.

【0003】例えば、Liの負極とポリ−2−ビニルピ
リジン・nI2 の正極とを接触させ、LiIを生成させ
る方法がある。しかし、LiIの導電率は10-7S/cmの
オーダーである。Li/LiI(Al2 3 )/PbI
2 −PbS電池では、LiIにAl2 3 を混合した電
解質を用いているが、導電率は10-7S/cmのオーダーで
ある。このため、高いリチウムイオン伝導率を持つ固体
電解質を求めて、各種の物質が探索されている。
For example, there is a method of contacting a negative electrode of Li and a positive electrode of poly-2-vinylpyridine.nI 2 to generate LiI. However, the conductivity of LiI is on the order of 10 −7 S / cm. Li / LiI (Al 2 O 3 ) / PbI
The 2- PbS battery uses an electrolyte in which Al 2 O 3 is mixed with LiI, but the conductivity is on the order of 10 −7 S / cm. Therefore, various substances have been searched for solid electrolytes having high lithium ion conductivity.

【0004】しかし、LiI,LiBr,LiI−Al
2 3 などは、空気中で不安定であったり、吸湿性があ
る。Li3 N及びその誘導体は、空気中で不安定であ
る。一方、酸素酸塩系のリチウムイオン伝導体は、空気
中で安定であるため応用価値が高く、数多くの研究が行
われてきた。LISICONもこの中に属する。こうし
たタイプの化合物の中で、Li3.5 0.5 Ge0.5 4
が室温で最も高いリチウムイオン伝導率(σ=5×10-5
S/cm)を有する。
However, LiI, LiBr, LiI-Al
2 O 3 and the like are unstable in the air and have a hygroscopic property. Li 3 N and its derivatives are unstable in air. On the other hand, oxygen salt-based lithium ion conductors have high application value because they are stable in air, and many studies have been conducted. LISICON also belongs in this. Among these types of compounds, Li 3.5 V 0.5 Ge 0.5 O 4
Has the highest lithium ion conductivity at room temperature (σ = 5 × 10 -5
S / cm).

【0005】ラティ等(Latie et al)は、「固体化学
誌:J. Solid State Chem.」51,293 ,1984年におい
て、Lix Ln1/3 Nb1-X TiX 3 (Ln=La,
Nd,x≦0.1 )について、イオン伝導率を測定し、N
MRによってイオン伝導機構を究明している。このイオ
ン伝導について簡単に触れる。Ln1/3 NbO 3 におい
ては、酸素の8面体の中央にニオブが存在し、Lnの占
めるべき位置には、空位の副格子が二つ交互に現れる。
そこで、ラティ等は、Nb5+の一部をTi4+で少し置換
し、これに対応する分だけL1 + を空位の副格子に導入
している。L1 + は、空位の副格子を伝導する。最良の
イオン伝導体の組成は、Li0.05La1/3 Nb0.95Ti
0.053 であったとしている。
Latie et al.
Magazine: J. Solid State Chem. "51, 293, 1984
LixLn1/3Nb1-XTiXO3(Ln = La,
Nd, x ≦ 0.1), the ionic conductivity was measured, and N
I have investigated the ion conduction mechanism by MR. This Io
We will briefly touch on conduction. Ln1/3NbO 3smell
, Niobium exists in the center of the octahedron of oxygen, and
Two vacant sublattices appear alternately at the position to be turned.
Therefore, Latti and others are Nb5+Part of Ti4+Replaced a little with
And L corresponding to this1 +Introduced into the vacant sublattice
is doing. L1 +Conducts a vacant sublattice. The best
The composition of the ionic conductor is Li0.05La1/3Nb0.95Ti
0.05O3It was said that.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかし、現状では、公
知のリチウムイオン伝導体のイオン伝導率は、未だ実用
的にみて充分高いとは言い難い。このため、出力の点
で、有機電解液を用いたリチウム電池などと競合できる
リチウム固体電解質電池は得られない。
However, at present, it is hard to say that the ionic conductivity of a known lithium ion conductor is still sufficiently high in practical use. Therefore, a lithium solid electrolyte battery that can compete with a lithium battery using an organic electrolytic solution in terms of output cannot be obtained.

【0007】本発明の課題は、高い出力を取り出すこと
が可能であり、また空気中においても安定に動作可能な
リチウム固体電解質電池を提供することである。
An object of the present invention is to provide a lithium solid electrolyte battery which can take out a high output and can operate stably even in the air.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は、ペロブスカイ
ト構造を有する複合酸化物からなるリチウムイオン伝導
体であって、前記ペロブスカイト構造のAサイトの半分
以上がリチウム及び3価の金属原子によって占められて
いるリチウムイオン伝導体からなる隔壁;リチウムイオ
ンの受け入れが可能な非金属の正極活物質;及びリチウ
ムイオンの放出が可能な非金属の負極活物質を備えてい
る、リチウム固体電解質電池に係るものである。
The present invention is a lithium ion conductor comprising a complex oxide having a perovskite structure, in which more than half of the A sites of the perovskite structure are occupied by lithium and trivalent metal atoms. Relating to a lithium solid electrolyte battery, comprising a partition wall made of a lithium ion conductor, a non-metal positive electrode active material capable of receiving lithium ions, and a non-metal negative electrode active material capable of releasing lithium ions. Is.

【0009】また、本発明は、ペロブスカイト構造を有
する複合酸化物からなるリチウムイオン伝導体であっ
て、前記ペロブスカイト構造のAサイトの半分以上がリ
チウム及び3価の金属原子によって占められているリチ
ウムイオン伝導体からなる隔壁;リチウムイオンの受け
入れが可能な非金属の正極活物質;リチウム金属又はリ
チウム合金からなる負極活物質;及びこの負極活物質と
前記隔壁との間に挟まれている反応防止膜を備えてい
る、リチウム固体電解質電池に係るものである。
Further, the present invention is a lithium ion conductor comprising a complex oxide having a perovskite structure, in which more than half of the A sites of the perovskite structure are occupied by lithium and trivalent metal atoms. A partition wall made of a conductor; a non-metal positive electrode active material capable of receiving lithium ions; a negative electrode active material made of lithium metal or a lithium alloy; and a reaction preventive film sandwiched between the negative electrode active material and the partition wall. The present invention relates to a lithium solid electrolyte battery including:

【0010】また、本発明は、ペロブスカイト構造を有
する(Dy Lix )(Mg0.5W0.5)O3 (Dは3価の金属原子
である。0<x≦1/2、1/2≦y≦2/3、1/2
<x+y≦1、1.6 ≦x+3y≦2.2 )からなる隔壁;
リチウムイオンの受け入れが可能な非金属の正極活物
質;及びリチウム金属又はリチウム合金からなる負極活
物質を備えている、リチウム固体電解質電池に係るもの
である。
Further, according to the present invention, (D y Li x ) (Mg 0.5 W 0.5 ) O 3 (D is a trivalent metal atom having a perovskite structure. 0 <x ≦ 1/2, 1/2 ≦ y ≦ 2/3, 1/2
<X + y ≦ 1, 1.6 ≦ x + 3y ≦ 2.2) partition wall;
The present invention relates to a lithium solid electrolyte battery including a non-metal positive electrode active material capable of receiving lithium ions; and a negative electrode active material made of lithium metal or a lithium alloy.

【0011】本発明者は、ペロブスカイト構造を有する
複合酸化物の物性を研究する過程で、上記特定組成のペ
ロブスカイト構造体が極めて高いリチウムイオン伝導性
を持つことを発見した。
The present inventor discovered in the process of studying the physical properties of a complex oxide having a perovskite structure that the perovskite structure having the above specific composition has extremely high lithium ion conductivity.

【0012】具体的には、Aサイトの半分以上がリチウ
ム及び3価の金属原子によって占められている必要があ
る。即ち、Aサイトにおける空位は半分以下である必要
がある。
Specifically, it is necessary that at least half of the A site is occupied by lithium and a trivalent metal atom. That is, the vacancy at the A site needs to be half or less.

【0013】更には、Aサイトにおける平均価数は1.6
〜2.2 であることが好ましい。また、Bサイトにおける
平均価数は、3.5 〜4.0 であることが好ましい。
Furthermore, the average valence at the A site is 1.6.
It is preferably about 2.2. Further, the average valence at the B site is preferably 3.5 to 4.0.

【0014】また、Aサイトを占める3価の金属原子と
しては、ネオジム、プラセオジム、サマリウム、イット
リウム、ビスマス、ランタン、セリウム、プロメチウ
ム、ユーロピウム、カドリニウム、テルビウム、ジスプ
ロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテ
ルビウム、ルテチウムが好ましい。更には、ネオジム、
プラセオジム、サマリウム、ランタンが好ましい。
The trivalent metal atom occupying the A site includes neodymium, praseodymium, samarium, yttrium, bismuth, lanthanum, cerium, promethium, europium, cadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium, and lutetium. Is preferred. Furthermore, neodymium,
Praseodymium, samarium and lanthanum are preferred.

【0015】一方、Bサイトを占める金属原子として
は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム等の四価のもの
とすることが好ましい。または、2種類以上の金属原子
を用いることもできるが、この場合も、2種類以上の金
属原子の平均価数は4価とすることが好ましい。更に
は、Ti4+,(Mg2+ 1/2 6+ 1/2 )が好ましい。
On the other hand, the metal atom occupying the B site is preferably a tetravalent one such as titanium, zirconium or hafnium. Alternatively, two or more kinds of metal atoms can be used, but in this case also, the average valence of the two or more kinds of metal atoms is preferably tetravalent. Further, Ti 4+ , (Mg 2+ 1/2 W 6+ 1/2 ) is preferable.

【0016】更には、下記の一般式で表される組成のも
のが特に好ましい。
Further, those having a composition represented by the following general formula are particularly preferable.

【数1】Lix Lay TiO3 、(Dy Lix )(Mg0.5W
0.5)O3 (特に、Lix La y (Mg0.5 0.5
3
[Formula 1] LixLayTiO3, (DyLix) (Mg0.5W
0.5) O3 (In particular, LixLa y(Mg0.5W0.5)
O3)

【0017】これらの一般式において酸素数を「O3
と表記したが、これはペロブスカイト構造の複合酸化物
を表示する際の習慣に従ったものであり、実際には酸素
原子が一部欠損したり、雰囲気や温度変化に応じて出入
りすることがある。
In these general formulas, the oxygen number is defined as "O 3 ".
However, this is in accordance with the custom when displaying a complex oxide having a perovskite structure, and in reality, some oxygen atoms may be deficient or may go in and out depending on the atmosphere and temperature changes. .

【0018】上記一般式において、0<x≦1/2であ
り、1/2≦y≦2/3であり、むろん、リチウムの置
換量xが増加すると、ランタンの置換量yが減少する。
仮に、Aサイトにおける平均価数が2である場合は、y
=(2/3−x/3)である。しかし、Aサイトにおけ
る平均価数は、1.6 〜2.2 の範囲で変動しうる。従っ
て、x,yの関係は、以下のようになる。
In the above general formula, 0 <x≤1 / 2 and 1 / 2≤y≤2 / 3. Of course, when the lithium substitution amount x increases, the lanthanum substitution amount y decreases.
If the average valence at the A site is 2, y
= (2 / 3-x / 3). However, the average valence at the A site can fluctuate in the range of 1.6 to 2.2. Therefore, the relationship between x and y is as follows.

【0019】[0019]

【数2】0<x≦1/2。 1/2≦y≦2/3。 1/2<x+y≦1。 1.6 ≦x+3y≦2.2 。## EQU00002 ## 0 <x.ltoreq.1 / 2. 1/2 ≦ y ≦ 2/3. 1/2 <x + y ≦ 1. 1.6 ≤ x + 3y ≤ 2.2.

【0020】上記一般式において、リチウムの置換量x
が増加すると、リチウムイオン伝導性も増加する傾向が
ある。ただし、0.7 ≦x+y≦0.9 とすると、最もリチ
ウムイオン伝導性が高くなる。更に、本発明者は、xを
0.26〜0.34の範囲とすると、リチウムイオン伝
導性が顕著に向上することを見いだした。更に、xを
0.28〜0.32とすると、最大のリチウムイオン伝
導性が得られることが判明した。
In the above general formula, the substitution amount x of lithium x
The increase in γ tends to increase the lithium ion conductivity. However, when 0.7 ≦ x + y ≦ 0.9, the lithium ion conductivity is highest. Furthermore, the present inventor has found that when x is in the range of 0.26 to 0.34, lithium ion conductivity is significantly improved. Further, it was found that the maximum lithium ion conductivity was obtained when x was 0.28 to 0.32.

【0021】本発明によれば、上記の新しいリチウムイ
オン伝導体を隔壁として用いることにより、出力の大き
なリチウム固体電解質電池を得ることが可能である。ま
た、この伝導体は、空気中で安定であり、高温でも動作
しうるものである。
According to the present invention, a lithium solid electrolyte battery having a large output can be obtained by using the above new lithium ion conductor as a partition. Also, the conductor is stable in air and can operate at high temperatures.

【0022】しかし、一方、本発明者は、上記のリチウ
ムイオン伝導体について、次の問題を発見した。即ち、
このペロブスカイト構造体をリチウム金属と接触させる
と、リチウム金属との反応が起り、ペロブスカイト構造
体が、白色から青黒い色に変色した。この反応により、
このペロブスカイト構造体が電子伝導性を有するように
なり、リチウム電池のイオン伝導性隔壁としては使用で
きなくなることが判明した。
On the other hand, the present inventor has found the following problem with the above lithium ion conductor. That is,
When this perovskite structure was brought into contact with lithium metal, a reaction with lithium metal occurred, and the perovskite structure changed from white to a bluish black color. By this reaction,
It has been found that the perovskite structure becomes electronically conductive and cannot be used as an ion conductive partition of a lithium battery.

【0023】このため、本発明においては、リチウムイ
オンの受け入れが可能な非金属の正極活物質を用いると
共に、リチウムイオンの放出が可能な非金属の負極活物
質を用いる。または、負極活物質としてリチウム金属ま
たはリチウム合金を用いた場合には、このリチウム金属
又はリチウム合金と隔壁との間に反応防止膜を挟み、上
記のペロブスカイト構造体がリチウム金属又はリチウム
合金と接触しないようにする。
Therefore, in the present invention, a non-metal positive electrode active material capable of accepting lithium ions and a non-metal negative electrode active material capable of releasing lithium ions are used. Alternatively, when lithium metal or a lithium alloy is used as the negative electrode active material, the reaction preventive film is sandwiched between the lithium metal or the lithium alloy and the partition wall, and the perovskite structure does not come into contact with the lithium metal or the lithium alloy. To do so.

【0024】又、更に本発明者は、上記のペロブスカイ
ト構造体の枠内で、リチウム金属と反応しにくい材料を
探索した。この結果、前記した(Dy Lix )(Mg
0 .5W0.5)O3 (特に、Lix Lay (Mg0.5 0.5
3 )が、リチウムイオン伝導性を備えるのと共に、リ
チウム金属と接触してもほとんど反応しないことを見い
だした。
Further, the present inventor has searched for a material that does not easily react with lithium metal within the frame of the above perovskite structure. As a result, as described above, (D y Li x ) (Mg
0 .5 W 0.5) O 3 (in particular, Li x La y (Mg 0.5 W 0.5)
It has been found that O 3 ) has lithium ion conductivity and hardly reacts with lithium metal.

【0025】この結果、負極活物質としてリチウム金属
又はリチウム合金を使用し、これと、化学的に安定なペ
ロブスカイト構造体とを接触させてリチウム固体電解質
電池を作成することができるようになった。
As a result, it has become possible to produce a lithium solid electrolyte battery by using lithium metal or a lithium alloy as the negative electrode active material and bringing this into contact with a chemically stable perovskite structure.

【0026】[0026]

【実施例】(試料の製造) La2 3 ,Li2 CO3 及びTiO2 を出発原料とし
て用いた。La2 3中の金属の量は、EDTAを用い
た定量分折によって測定した。これらの出発原料を、エ
タノール中でかくはんした。La:Li:Tiのモル比
は1:1:2とした。この混合粉末を、空気中で800 ℃
で4時間仮焼し、1150℃で12時間仮焼した。
Example (Production of Sample) La 2 O 3 , Li 2 CO 3 and TiO 2 were used as starting materials. The amount of metal in La 2 O 3 was measured by quantitative analysis using EDTA. These starting materials were stirred in ethanol. The molar ratio of La: Li: Ti was 1: 1: 2. This mixed powder is heated to 800 ° C in air.
It was calcined for 4 hours at 1150 ° C for 12 hours.

【0027】この仮焼物を粉砕し、130 MPaの圧力下
にプレス成形し、直径10mm、厚さ1〜3mmのペレットを
得た。このペレットを空気中で6時間、1350℃で焼成
し、室温まで冷却させた。
The calcined product was crushed and press-molded under a pressure of 130 MPa to obtain pellets having a diameter of 10 mm and a thickness of 1 to 3 mm. The pellets were calcined in air for 6 hours at 1350 ° C. and allowed to cool to room temperature.

【0028】(化学組成)。上記試料中の各金属のモル
比を、誘導結合プラズマ分光法(ICP)によって、外
部標準法によって測定した。この結果、各金属のモル比
は、Li:La:Ti=0.34:0.51:1であった。従っ
て、上記試料の組成式は、Li0.34La0.51TiO2.94
であった。ただし、酸素の量は、電気的中性の原理から
決定した。
(Chemical composition). The molar ratio of each metal in the sample was measured by the inductively coupled plasma spectroscopy (ICP) by the external standard method. As a result, the molar ratio of each metal was Li: La: Ti = 0.34: 0.51: 1. Therefore, the composition formula of the above sample is Li 0.34 La 0.51 TiO 2.94.
Met. However, the amount of oxygen was determined from the principle of electrical neutrality.

【0029】本実験における目標組成は、Li0.5 La
0.5 TiO3 であった。従って、高温処理の間に、リチ
ウムの一部が蒸発してしまったことになる。この結果、
Aサイトのうち85%しか充填されておらず、空位が生じ
ている。
The target composition in this experiment is Li 0.5 La.
It was 0.5 TiO 3 . Therefore, during the high temperature treatment, part of the lithium has evaporated. As a result,
Only 85% of A site is filled, and there is a vacancy.

【0030】(試料の結晶構造)。CuKα放射を用い
た粉末X線回折法によって、結晶相の同定と格子定数の
測定とを実施した。この結果、立方晶のペロブスカイト
構造を有していることが確認された。結晶構造の解析よ
り、La3+ とTiO6 8面体とが堅固な枠を構成し、
La3+が占めているAサイト以外のAサイトにリチウム
イオンが統計的に分散していると考えられる。また、こ
のペロブスカイト構造中に、リチウムイオンの収容に適
合した等価部位が極めて多数存在していることも確認し
た。
(Crystal structure of sample). The crystal phase was identified and the lattice constant was measured by a powder X-ray diffraction method using CuKα radiation. As a result, it was confirmed that it had a cubic perovskite structure. From the analysis of the crystal structure, La 3+ and TiO 6 octahedron form a solid frame,
It is considered that lithium ions are statistically dispersed in the A sites other than the A sites occupied by La 3+ . In addition, it was also confirmed that in this perovskite structure, an extremely large number of equivalent sites suitable for accommodating lithium ions were present.

【0031】従って、上記ペロブスカイト構造中のAサ
イトには、La3+が占める部位の間に、リチウムイオン
の収容に適合した等価部位が極めて多数存在し、かつ空
位が適度に存在するため、多数のリチウムイオンが順次
移動していくものと考えられる。
Therefore, at the A site in the perovskite structure, a large number of equivalent sites suitable for accommodating lithium ions are present between the sites occupied by La 3+ , and a suitable number of vacancies are present. It is considered that the lithium ions of the above move sequentially.

【0032】(相対密度及び電子伝導性)。上記試料の
相対密度は、90%より大きかった。また、この試料の電
子伝導性(室温時)を、二つの銀ペースト電極を用いて
直流分極法によって測定したところ、室温で1×10-8
/cmよりも小さかった。
(Relative density and electronic conductivity). The relative density of the above samples was greater than 90%. The electronic conductivity (at room temperature) of this sample was measured by a direct current polarization method using two silver paste electrodes, and was found to be 1 × 10 −8 S at room temperature.
It was smaller than / cm.

【0033】(試料のリチウムとの反応による混合伝導
体の生成)。室温で、Ar雰囲気中で、上記試料をリチ
ウム金属の間に挟むと、最初は、全伝導率が2〜4×10
-5S/cm であった(直流法)。これは、3日後に1×
10-2S/cmに達した。この間、上記のペロブスカイト構
造体はリチウム金属と容易に反応し、試料の色がアイボ
リーから青黒に変化した。これは、ペロブスカイト構造
体の上記の空位へとリチウムが入り、4価のチタンイオ
ンを還元し、この結果、電子のキャリアーが増加し、電
子伝導性が上昇したものと考えられる。
(Production of mixed conductor by reaction of sample with lithium). When the above sample is sandwiched between lithium metals in an Ar atmosphere at room temperature, the total conductivity is initially 2 to 4 × 10.
It was -5 S / cm (DC method). This is 1x after 3 days
It reached 10 -2 S / cm. During this period, the above perovskite structure easily reacted with lithium metal, and the color of the sample changed from ivory to blue-black. It is considered that this is because lithium entered the above-mentioned vacancies of the perovskite structure and reduced tetravalent titanium ions, and as a result, electron carriers increased and electron conductivity increased.

【0034】ただし、反応後においても、リチウム含有
量の増加はICPによって検出されなかったので、リチ
ウムの増加量は極く小さい。また、空気中で、反応後の
試料の電子伝導性は、時と共に低くなり、色が徐々に薄
くなってきた。これは、酸素原子の空位に入った酸素に
より、チタンイオン(Ti3+)が再度酸化されたからで
ある。
However, even after the reaction, the increase in lithium content was not detected by ICP, so the increase in lithium was extremely small. Further, in air, the electron conductivity of the sample after the reaction became lower with time, and the color gradually faded. This is because the titanium ion (Ti 3+ ) was re-oxidized by the oxygen that entered the vacancy of the oxygen atom.

【0035】このように、本発明のリチウムイオン伝導
体は、リチウムと化学的に反応し、電子伝導度も上昇
し、混合伝導体となる。従って、リチウム固体電解質電
池中において、本発明のリチウムイオン伝導体が、リチ
ウム金属と直接接触しないようにする必要がある。
As described above, the lithium ion conductor of the present invention chemically reacts with lithium to increase the electron conductivity and becomes a mixed conductor. Therefore, it is necessary to prevent the lithium ion conductor of the present invention from coming into direct contact with lithium metal in the lithium solid electrolyte battery.

【0036】(リチウムイオン伝導率の測定)。アルゴ
ン雰囲気中での室温における上記試料のリチウムイオン
伝導率を、直流法により測定した。
(Measurement of lithium ion conductivity). The lithium ion conductivity of the above sample at room temperature in an argon atmosphere was measured by the direct current method.

【0037】ただし、上記したように、この試料はリチ
ウム金属と容易に反応する。そこで、図1に示すよう
に、ペレット(試料1)の両面に、多孔質のポリプロピ
レン膜2を付着させた。このポリプロピレン膜2は、1
MのLiClO4 を含むプロピレンカーボネート溶液を
含浸させたものである。次いで、各ポリプロピレン膜2
の表面に、リチウム電極膜3を付着させた。ポリプロピ
レン膜2により、試料1がリチウム金属と接触するの
が、防止される。
However, as described above, this sample easily reacts with lithium metal. Therefore, as shown in FIG. 1, porous polypropylene films 2 were attached to both surfaces of the pellet (Sample 1). This polypropylene film 2 has 1
It is impregnated with a propylene carbonate solution containing M LiClO 4 . Then, each polypropylene film 2
The lithium electrode film 3 was attached to the surface of the. The polypropylene film 2 prevents the sample 1 from coming into contact with lithium metal.

【0038】このポリプロピレン膜2における抵抗値は
小さく、無視できる。この組立体を用い、直流法によっ
てイオン伝導率を測定した。この結果、試料1の色は変
化せず、電子伝導度も変化しなかった。
The resistance value of this polypropylene film 2 is small and can be ignored. Using this assembly, the ionic conductivity was measured by the direct current method. As a result, the color of Sample 1 did not change, and the electronic conductivity also did not change.

【0039】室温において、異なった厚さの試料のリチ
ウムイオン伝導率に対応する平衡伝導率の値を直流法に
より測定したところ、2×10-5S/cmであった。これら
の値は、試料をリチウム金属と直接接触させて直流法で
測定した初期値と符合する。
At room temperature, the equilibrium conductivity values corresponding to the lithium ion conductivity of the samples having different thicknesses were measured by the direct current method and found to be 2 × 10 -5 S / cm. These values are in agreement with the initial values measured by the direct current method by directly contacting the sample with lithium metal.

【0040】また、上記試料のリチウムイオン伝導率
を、交流インピーダンス法によって、5Hz〜13MHz
の範囲の周波数に亘って、200 K〜700 Kの温度範囲
で、測定した。測定には、金電極を使用した。交流イン
ピーダンス法により測定された伝導率は、バルク結晶か
らの寄与と粒界からの寄与とに分けられることが判明し
た。図2は、バルク結晶及び粒界に対応する等価回路の
モデルである。ここで、Rb はバルク結晶の抵抗を示
し、Cb はバルク結晶のキャパシタンスを示し、Rgb
粒界(grain boundary) の抵抗を示し、Cgbは粒界のキ
ャパシタンスを示す。
The lithium ion conductivity of the above sample was measured by the AC impedance method at 5 Hz to 13 MHz.
Was measured in a temperature range of 200 K to 700 K over a frequency range of. A gold electrode was used for the measurement. It was found that the conductivity measured by the AC impedance method can be divided into contributions from bulk crystals and contributions from grain boundaries. FIG. 2 is a model of an equivalent circuit corresponding to a bulk crystal and a grain boundary. Here, R b represents the resistance of the bulk crystal, C b represents the capacitance of the bulk crystal, R gb represents the resistance of a grain boundary, and C gb represents the capacitance of the grain boundary.

【0041】300Kでのバルク結晶及び粒界領域のキ
ャパシタンスの大きさは、それぞれ100 pF、10nFの
オーダーである。バルク結晶における伝導率はσ bulk
1×10-3S/cmであり、粒界における伝導率はσgb=7.
5 ×10-5S/cmである。交流インピーダンス法により測
定した300Kでの全伝導率は7×10-5S/cmである。
この値は、直流法による室温での測定値と符合する。
The bulk crystal and grain boundary region key at 300 K
The capacity is 100 pF and 10 nF, respectively.
It is an order. The conductivity in bulk crystals is σ bulk=
1 x 10-3S / cm, conductivity at the grain boundary is σgb= 7.
5 x 10-FiveS / cm. Measured by AC impedance method
The total conductivity at 300K is 7 × 10-FiveS / cm.
This value matches the value measured at room temperature by the DC method.

【0042】直流法により測定した上記試料の電子伝導
率は1×10-8S/cm未満なので、イオンの輸率は電子の
輸率の1000倍を超える。
Since the electronic conductivity of the above sample measured by the direct current method is less than 1 × 10 -8 S / cm, the transport number of ions exceeds 1000 times the transport number of electrons.

【0043】図3は、アレニウスプロットにおける、試
料のイオン伝導率の温度依存性を示すグラフである。室
温を超えると、バルク結晶部分の活性化エネルギーは、
温度が上昇するのと共に減少する。このデータを用いて
計算した活性化エネルギーは、400 K以上では0.15eV
であり、400 K以下では0.40eVである。この現象は、
何らかの相転移に帰すことができる。粒界部分について
の活性化エネルギーは、0.42eVで一定である。
FIG. 3 is a graph showing the temperature dependence of the ionic conductivity of the sample in the Arrhenius plot. Above room temperature, the activation energy of the bulk crystal part is
It decreases with increasing temperature. The activation energy calculated using this data is 0.15 eV above 400 K.
And 0.40 eV at 400 K or less. This phenomenon is
It can be attributed to some phase transition. The activation energy of the grain boundary portion is constant at 0.42 eV.

【0044】次に、バルク結晶部分に対応するイオン伝
導率σbulk、粒界部分に対応するイオン伝導率σgb及び
全伝導率σtotal と温度との関係を表1に示す。これ
は、図3の一部に対応するものである。200K、70
0Kの場合には、σgbとσbulkとの区別がつかないた
め、σtotal の値のみを示す。
Table 1 shows the relationship between the ionic conductivity σ bulk corresponding to the bulk crystal part, the ionic conductivity σ gb corresponding to the grain boundary part, the total conductivity σ total and the temperature. This corresponds to a part of FIG. 200K, 70
In the case of 0K, since σgb and σbulk cannot be distinguished, only the value of σtotal is shown.

【0045】[0045]

【表1】 [Table 1]

【0046】更に、La2/3-m Li3mTi03の系と( La2/3-m
Li3m )(Mg0.5W0.5)O3の系とについて、リチウムイオ
ン伝導性を測定した。 (試料の製造)
Furthermore, the system of La 2 / 3-m Li 3m Ti0 3 and (La 2 / 3-m
Li 3m ) (Mg 0.5 W 0.5 ) O 3 and lithium ion conductivity were measured. (Production of sample)

【0047】La2O3 (4N純度)、Li2CO3(3N又は4
N純度)、TiO2(3N純度)、MgO(4N純度)及び
WO3 (5N純度)を出発原料として用いた。La 2O3
びMgO中の金属の量は、EDTAを用いた定量分析に
よって測定した。これらの出発原料を、エタノール中で
かくはんした。粉末の化学量論的混合物を、幾度か中間
粉砕を加えながら、空気中で800℃で4時間仮焼し、
1150℃〜1200℃で6〜12時間仮焼した。
La2O3(4N purity), Li2CO3(3N or 4
N purity), TiO2(3N purity), MgO (4N purity) and
WO3(5N purity) was used as the starting material. La 2O3Over
The amount of metal in MgO and MgO was determined by quantitative analysis using EDTA.
Therefore, it was measured. These starting materials in ethanol
I stirred it. Stoichiometric mixture of powders, some intermediate
While crushing, calcine in air at 800 ° C for 4 hours,
It was calcined at 1150 ° C to 1200 ° C for 6 to 12 hours.

【0048】この仮焼物を粉砕し、130MPaの圧力
下にプレス形成し、直径10mm、厚さ3mmのペレットを
得た。このペレットを空気中で3〜10時間、1350
℃〜1400℃で焼成し、室温まで冷却させた。
The calcined product was crushed and pressed under a pressure of 130 MPa to obtain pellets having a diameter of 10 mm and a thickness of 3 mm. This pellet in air for 3 to 10 hours, 1350
Baking was performed at ℃ to 1400 ℃, and cooled to room temperature.

【0049】(試料の結晶構造)CuKα放射を用いた
粉末X線回折法によって、結晶相の同定と格子定数の測
定とを実施した。この際、グラファイトモノクロメータ
ーを備えたリガク又はマックサイエンスのX線回折計を
使用した。シリコン粉末(5N)を、格子定数を測定す
る際に、試料の内部標準として使用した。
(Crystal structure of sample) The crystal phase was identified and the lattice constant was measured by the powder X-ray diffraction method using CuKα radiation. At this time, an Rigaku or Mac Science X-ray diffractometer equipped with a graphite monochromator was used. Silicon powder (5N) was used as an internal standard for the sample when measuring the lattice constant.

【0050】(化学組成)上記試料中の各金属のモル比
を、誘導結合プラズマ分光法(ICP)によって、外部
標準法によって測定した。分析用の試料の製造は、次の
ように行った。少量の試料(約10mg)及び1mlの
濃塩酸(35重量%)を、パイレックスガラス管中に封
入し、約130℃で1〜3時間保持して溶解させた。
(Chemical composition) The molar ratio of each metal in the above sample was measured by the inductively coupled plasma spectroscopy (ICP) by the external standard method. The sample for analysis was manufactured as follows. A small amount of sample (about 10 mg) and 1 ml of concentrated hydrochloric acid (35% by weight) were enclosed in a Pyrex glass tube and kept at about 130 ° C for 1 to 3 hours to dissolve.

【0051】(リチウムイオン伝導性の測定)金又は銀
ペーストの電極を有する試料用のリチウムイオン伝導率
を、交流インピーダンス法によって、YHP4192イ
ンピーダンスアナライザーを使用して、5Hzから13
Hzの周波数範囲にわたって、測定した。アルゴン雰囲
気中における室温でのイオン伝導率も、直流法によって
測定した。
(Measurement of Lithium Ion Conductivity) The lithium ion conductivity for a sample having a gold or silver paste electrode was measured from 5 Hz to 13 Hz by an AC impedance method using a YHP4192 impedance analyzer.
It was measured over the frequency range of Hz. The ionic conductivity at room temperature in an argon atmosphere was also measured by the direct current method.

【0052】試料はリチウム金属と容易に反応する。そ
こで、図1に示すように、ペレット(試料)1の両面
に、多孔質のポリプロピレン膜2を付着させた。このポ
リプロピレン膜2は、1MのLiClO4を含むプロピレンカ
ーボネート溶液を含浸させたものである。
The sample reacts readily with lithium metal. Therefore, as shown in FIG. 1, porous polypropylene films 2 were attached to both surfaces of the pellet (sample) 1. This polypropylene film 2 is impregnated with a propylene carbonate solution containing 1M LiClO 4 .

【0053】次いで、ポリプロピレン膜2の表面に、リ
チウム電極膜3を付着させた。ポリプロピレン膜2によ
り、試料1がリチウム金属と接触するのが、防止され
る。このポリプロピレン膜2における抵抗値は小さく、
無視できる。この組立体を用い、直流法によってイオン
伝導率を測定した。これと同じセルを、交流インピーダ
ンス法用に使用し、上記した直流法及び交流法で得られ
た室温でのイオン導電率をチェックした。
Next, the lithium electrode film 3 was attached to the surface of the polypropylene film 2. The polypropylene film 2 prevents the sample 1 from coming into contact with lithium metal. The resistance value of this polypropylene film 2 is small,
Can be ignored. Using this assembly, the ionic conductivity was measured by the direct current method. The same cell was used for the AC impedance method to check the ionic conductivity at room temperature obtained by the DC method and the AC method described above.

【0054】(La2/3-m Li3mTi03の系についての試験結
果)これらの化合物が有する構造単位は、そのC軸に沿
ったAサイト欠損の配列秩序によって生じた2つのサブ
セルを有する。この研究では、本発明者は、イオン伝導
性だけでなく、特にリチウムの含有量に関して、化学組
成をも調べた。表2に、化学分析の結果、Aサイト欠損
の量、300Kにおけるイオン伝導率及び活性化エネル
ギーを示す。ただし、Aサイト欠損は、1─(Laの分
析値)─(Liの分析値)である。活性化エネルギーの
値は、250K〜400Kにおけるデータを使用して算
出した。
(Test Results for the System of La 2 / 3-m Li 3m Ti 0 3 ) The structural units of these compounds have two subcells caused by the A-site deficient arrangement order along the C axis. . In this study, the inventor investigated not only ionic conductivity, but also chemical composition, especially with respect to lithium content. Table 2 shows the results of the chemical analysis, the amount of A site deficiency, the ionic conductivity at 300 K, and the activation energy. However, the A site deficiency is 1- (Analysis value of La)-(Analysis value of Li). The activation energy value was calculated using the data at 250K-400K.

【0055】[0055]

【表2】 出発原料における組成 Aサイト 300Kでのバルク 活性化 (分析データ) 欠損 部分のイオン伝導率 エネルギー (/Scm1 ) (eV) La0.5 Li0.5 TiO3 (La0.51Li0.34TiO2.94) 0.15 1.0×10-3 0.38 La0.55Li0.35TiO3 (La0.57Li0.26TiO2.99) 0.17 1.0×10-3 0.34 La0.6 Li0.2 TiO3 (La0.62Li0.16TiO3.01) 0.22 6.3×10-4 0.33 La0.63Li0.1 TiO3 (La0.64Li0.067 TiO2.99) 0.29 7.9×10-5 0.36[Table 2] Composition of starting materials Bulk activation at A site 300K (Analysis data) Ionic conductivity energy (/ Scm 1 ) (eV) La 0.5 Li 0.5 TiO 3 (La 0.51 Li 0.34 TiO 2.94 ) 0 .15 1.0 × 10 -3 0.38 La 0.55 Li 0.35 TiO 3 (La 0.57 Li 0.26 TiO 2.99 ) 0.17 1.0 × 10 -3 0.34 La 0.6 Li 0.2 TiO 3 (La 0.62 Li 0.16 TiO 3.01 ) 0.22 6.3 × 10 -4 0.33 La 0.63 Li 0.1 TiO 3 (La 0.64 Li 0.067 TiO 2.99 ) 0.29 7.9 × 10 -5 0.36

【0056】また、図4に、試料からのバルク部分のイ
オン伝導率の温度依存性、即ち、アレニウスプロットを
示す。この温度が上昇するのにつれて活性化エネルギー
が減少し、伝導率の値が、高温では組成に依存しない飽
和値に漸近するように見える。
FIG. 4 shows the temperature dependence of the ionic conductivity of the bulk portion from the sample, that is, the Arrhenius plot. The activation energy decreases as this temperature increases, and the conductivity value appears to approach a composition-independent saturation value at high temperature.

【0057】これは、高温での格子振動による熱外乱に
よって生じうる。こうした高温領域では、リチウムイオ
ンがジャンプし、狭い範囲で移動することが容易になる
が、一方、リチウムイオンが相互に衝突する確率も増大
し、この衝突によってリチウムイオンの移動度が減少す
る。このデータから得られた活性化エネルギーは、25
0K〜500Kの間でほぼ同じであり、表2に示すよう
に、0.33〜0.38eVである。
This can be caused by thermal disturbances due to lattice vibrations at high temperatures. In such a high temperature region, lithium ions jump and easily move in a narrow range, but on the other hand, the probability of lithium ions colliding with each other also increases, and this collision reduces the mobility of lithium ions. The activation energy obtained from this data is 25
It is almost the same between 0K and 500K, and is 0.33 to 0.38 eV as shown in Table 2.

【0058】図5は、300Kにおけるバルク部分のイ
オン伝導率を、ICP分析から得られたLi含有量の関
数として示す。Li含有量が増大するか、又はLa含有
量が減少するのにつれて、このイオン伝導率は増大し
た。しかし、この伝導率は飽和値へと向かっている。
FIG. 5 shows the ionic conductivity of the bulk part at 300 K as a function of Li content obtained from ICP analysis. This ionic conductivity increased as the Li content increased or the La content decreased. However, this conductivity is approaching saturation.

【0059】この傾向は、次のように推測できる。即
ち、Liの量は3mであり、Laの量は2/3─mであ
り、Aサイトにおける欠損部分の空隙の量は、電気的中
性の原理により、1/3─2mである。リチウムイオン
は、Aサイトの空隙内のみを移動すると考えられるの
で、リチウムイオンの移動度は、リチウム量に空隙の量
を乗じた値、即ち、mの二乗に比例していると考えられ
る。
This tendency can be estimated as follows. That is, the amount of Li is 3 m, the amount of La is 2 / 3-m, and the amount of voids in the defective portion at the A site is 1 / 3-2 m due to the principle of electrical neutrality. Since lithium ions are considered to move only in the voids of the A site, the mobility of lithium ions is considered to be proportional to the value obtained by multiplying the amount of lithium by the amount of voids, that is, the square of m.

【0060】実際に、リチウムの置換量3mが0.31
のときに、最大のリチウムイオン伝導率σ=1.02×
10-3Scm-1が得られた。また、3m=0.26〜
0.34の範囲でリチウムイオン伝導率が顕著に高い。
Actually, the lithium substitution amount of 3 m is 0.31
, The maximum lithium ion conductivity σ = 1.02 ×
10 −3 Scm −1 was obtained. Also, 3m = 0.26 ~
The lithium ion conductivity is remarkably high in the range of 0.34.

【0061】(( La2/3-m Li3m )(Mg0.5W0.5)O3 の系
についての結果)本発明者は、リチウムイオン伝導性を
有し、リチウム金属に対して化学的に安定なペロブスカ
イト化合物を探索した。前記したLa2/3-m Li3mTi03の系
の化合物は、リチウム金属と容易に反応し、比較的に高
い電子伝導性(室温で10-2Scm-1)を有するに至
る。
(Results for System of (La 2 / 3-m Li 3m ) (Mg 0.5 W 0.5 ) O 3 ) The present inventor has lithium ion conductivity and is chemically stable to lithium metal. We searched for new perovskite compounds. The above-mentioned La 2 / 3-m Li 3m TiO 3 -based compound easily reacts with lithium metal and has relatively high electron conductivity (10 −2 Scm −1 at room temperature).

【0062】ここで、本発明者は、( La2/3-m Li3m
(Mg0.5W0.5)O3 系の化合物を試験した。この系の化合物
の母化合物である、ペロブスカイト構造のLa2/3(Mg0.5W
0.5)O3 は、既知化合物であり、合成されている(Torii
, Chem. Lett.1979年, 1215) 。この文献の著者の分析
によれば、Mg2 + 及びW6 + がこのBサイト内に岩塩
様に配列されており、一方、Aサイト内のLa3 + 及び
空孔、c軸に沿って層状状態で配置されている。
Here, the present inventor has (La 2 / 3-m Li 3m )
Compounds of the (Mg 0.5 W 0.5 ) O 3 series were tested. La 2/3 (Mg 0.5 W) of the perovskite structure, which is the mother compound of this system compound
0.5 ) O 3 is a known compound and has been synthesized (Torii
Chem. Lett. 1979, 1215). According to the analysis of the author of this document, Mg 2 + and W 6 + are arranged in a rock-salt-like manner within this B site, while La 3 + and vacancies within the A site are layered along the c-axis. It is arranged in a state.

【0063】La2/3 (Mg0.5W0.5)O3 におけるこうした各
成分イオンの秩序に基づいて、次の考えに達するに至っ
た。即ち、( La2/3-m Li3m )(Mg0.5W0.5)O3 の系の化
合物が、リチウムに対して化学的に安定であり、電子伝
導性を発揮するのに至らないのではないかと考え、実証
した。
Based on such an order of each component ion in La 2/3 (Mg 0.5 W 0.5 ) O 3 , the following thought was reached. That is, the compound of the system of (La 2 / 3-m Li 3m ) (Mg 0.5 W 0.5 ) O 3 is chemically stable against lithium, and it is not inferior to exerting electron conductivity. I thought and proved.

【0064】前記した手順により、( La2/3-m Li3m
(Mg0.5W0.5)O3 において、3m=0.1、0.2、0.
35及び0.5の組成の合成を試みた。(La0.63L
i0.1 )(Mg0.5W0.5)O3 は、単一相として得られた。他
の組成の化合物も、ほぼ単一相として得られたが、少量
の不純物相も見られた。(La0.63Li0.1 )(Mg0.5W0.5)O
3 は、La2/3 (Mg0.5W0.5)O3 の構造と同じ構造を有して
いる。この斜方格子定数は、a=7.8075であり、
b=7.8349であり、c=2x7.9145であ
る。
According to the procedure described above, (La 2 / 3-m Li 3m )
(Mg 0.5 W 0.5 ) O 3 , 3 m = 0.1, 0.2, 0.
Attempts were made to synthesize compositions of 35 and 0.5. (La 0.63 L
i 0.1 ) (Mg 0.5 W 0.5 ) O 3 was obtained as a single phase. Compounds of other compositions were also obtained as a nearly single phase, but a small amount of impurity phase was also seen. (La 0.63 Li 0.1 ) (Mg 0.5 W 0.5 ) O
3 has the same structure as that of La 2/3 (Mg 0.5 W 0.5 ) O 3 . This orthorhombic lattice constant is a = 7.8075,
b = 7.8349 and c = 2 × 7.9145.

【0065】この化合物は、La2/3-m Li3mTi03の系より
も、リチウム金属に対して安定である。リチウム金属と
反応すると、室温で10-5Scmの電子伝導性を有する
に至る。この試料のイオン伝導率を、直流法によって前
記したように測定すると、290Kで1×10-6Scm
であった。図6に、290Kにおけるインピーダンスプ
ロットを示す。また金ペースト電極を使用した複素イン
ピーダンス測定も行った。
This compound is more stable to lithium metal than the La 2 / 3-m Li 3m TiO 3 system. When it reacts with lithium metal, it has an electron conductivity of 10 −5 Scm at room temperature. The ionic conductivity of this sample was measured by the direct current method as described above to be 1 × 10 −6 Scm at 290K.
Met. FIG. 6 shows an impedance plot at 290K. Moreover, the complex impedance measurement using the gold paste electrode was also performed.

【0066】金ペースト電極の場合には、大きなセミサ
ークル(C=50pF)を1つ見ることができる。一
方、リチウム電極の場合には、2つのセミサークルを見
ることができる。前記したようにリチウム電極及び金ペ
ースト電極を使用して交流法で測定した全伝導率(σ=
1×10-6Scm)は、直流法によって測定した全伝導
率と一致している。
In the case of the gold paste electrode, one large semicircle (C = 50 pF) can be seen. On the other hand, in the case of a lithium electrode, two semicircles can be seen. As described above, using a lithium electrode and a gold paste electrode, the total conductivity (σ =
1 × 10 −6 Scm) is in agreement with the total conductivity measured by the direct current method.

【0067】図6において、リチウム電極を使用した場
合に、左側にある一方のセミサークル(C=60pF)
は、イオン伝導率のバルク部分に起因しているものと考
えられる。図6において、リチウム電極を使用した場合
に、右側にある他方のセミサークル(C=150pF)
は、イオン伝導率の粒界部分に起因しているものと考え
られる。バルク部分では、σ=3×10-6であり、粒界
では、σ=3×10-6Scm-1である。金電極の場合に
は、大きなセミサークルが、全伝導率に起因している。
In FIG. 6, when a lithium electrode is used, one semicircle on the left side (C = 60 pF)
Is believed to be due to the bulk portion of ionic conductivity. In FIG. 6, when a lithium electrode is used, the other semi-circle on the right side (C = 150 pF)
Is considered to be caused by the grain boundary portion of ionic conductivity. In the bulk part, σ = 3 × 10 −6 , and in the grain boundary, σ = 3 × 10 −6 Scm −1 . In the case of gold electrodes, a large semicircle is responsible for the total conductivity.

【0068】図7は、試料の全伝導率の温度依存性を、
アレニウスプロットにおいて示す。図7から算出した活
性化エネルギーは、0.39eVである。
FIG. 7 shows the temperature dependence of the total conductivity of the sample,
Shown in the Arrhenius plot. The activation energy calculated from FIG. 7 is 0.39 eV.

【0069】(La0.6Li0.2)(Mg0.5W0.5)O3 からなる試料
を製造した。金電極を用い、交流インピーダンス法でリ
チウムイオン伝導率σtotal を測定したところ、7×1
-6S/cm(290K)であった。また、上記実施例と
同様にして直流法でリチウムイオン伝導率を測定したと
ころ、6×10-6S/cm(290K)であった。
A sample consisting of (La 0.6 Li 0.2 ) (Mg 0.5 W 0.5 ) O 3 was prepared. When the lithium ion conductivity σ total was measured by the AC impedance method using a gold electrode, it was 7 × 1.
It was 0 -6 S / cm (290K). Further, when the lithium ion conductivity was measured by the DC method in the same manner as in the above Example, it was 6 × 10 −6 S / cm (290K).

【0070】この( La2/3-m Li3m )(Mg0.5W0.5)O3
系の化合物は、前記したようにリチウムと反応しにくい
ので、負極活物質としてリチウム金属又はリチウム合金
を使用し、これをリチウムイオン伝導性隔壁と接触させ
ても、良好にリチウム固体電解質電池を作成することが
できる。
Since the compound of the (La 2 / 3-m Li 3m ) (Mg 0.5 W 0.5 ) O 3 system does not easily react with lithium as described above, lithium metal or lithium alloy is used as the negative electrode active material. Then, even if this is brought into contact with the lithium ion conductive partition, a lithium solid electrolyte battery can be satisfactorily prepared.

【0071】図8は、本発明のリチウム固体電解質電池
を示す模式図である。前記のリチウムイオン伝導体から
なる隔壁5が、非金属の正極活物質6と非金属の負極活
物質7とに挟まれている。放電の際には、負極活物質7
からリチウムイオンが矢印Aのように放出され、この反
対側へと電子が外部回路に放出される。正極活物質6
は、隔壁5を伝導してきたリチウムイオンを受け入れ
る。電子が正極活物質6へと流入し、電流が矢印D方向
に流れる。なお、図8において、8A,8Bはスイッ
チ、9は直流電源、10は負荷である。
FIG. 8 is a schematic diagram showing the lithium solid electrolyte battery of the present invention. The partition wall 5 made of the lithium ion conductor is sandwiched between the non-metal positive electrode active material 6 and the non-metal negative electrode active material 7. During discharge, the negative electrode active material 7
Lithium ions are emitted from the cell as indicated by arrow A, and electrons are emitted to the external circuit to the opposite side. Positive electrode active material 6
Accept the lithium ions that have conducted through the partition walls 5. Electrons flow into the positive electrode active material 6, and a current flows in the direction of arrow D. In FIG. 8, 8A and 8B are switches, 9 is a DC power source, and 10 is a load.

【0072】充電の際には、正極活物質6からリチウム
イオンが矢印Bのように放出され、この反対側へと電子
が外部回路に放出される。負極活物質7は、隔壁5を伝
導してきたリチウムイオンを受け入れる。電子が正極活
物質6へと流入し、電流が矢印C方向に流れる。
At the time of charging, lithium ions are emitted from the positive electrode active material 6 as shown by arrow B, and electrons are emitted to the opposite side to the external circuit. The negative electrode active material 7 receives the lithium ions that have conducted through the partition walls 5. Electrons flow into the positive electrode active material 6, and current flows in the direction of arrow C.

【0073】正極活物質6としては、リチウムイオンを
ドープでき、かつ脱ドープできる種々の材料を使用でき
る。例えば、一般式Lix CoO2 ,Lix NiO2
表わされるLiCoO2 のようなリチウム含有複合酸化
物、リチウム・コバルト・ニッケル複合酸化物、LiM
nO4 のようなリチウム・マンガン複合酸化物、V2
5 のようなバナジウム酸化物、フッ化黒鉛、MnO2
ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリピロール、
ポリチオフェン、ポリアニリン等を例示することができ
る。
As the positive electrode active material 6, various materials that can be doped with lithium ions and dedoped can be used. For example, lithium-containing composite oxides such as LiCoO 2 represented by the general formulas Li x CoO 2 and Li x NiO 2 , lithium-cobalt-nickel composite oxide, LiM
Lithium-manganese composite oxide such as nO 4 , V 2 O
5 , vanadium oxide, fluorinated graphite, MnO 2 ,
Polyacetylene, polyparaphenylene, polypyrrole,
Examples thereof include polythiophene and polyaniline.

【0074】負極活物質7としては、リチウムイオンを
ドープした、コークス等の炭素質材料やグラファイト等
の炭素材料、ポリアセチレン等の導電性ポリマーを例示
することができる。
Examples of the negative electrode active material 7 include lithium ion-doped carbonaceous materials such as coke, carbon materials such as graphite, and conductive polymers such as polyacetylene.

【0075】チタン、タンタル、モリブデンの硫化物等
のカルコゲナイドは、対となる電極材料との組み合わせ
により、正極活物質、負極活物質のいずれにも使用でき
る。
Chalcogenides such as sulfides of titanium, tantalum and molybdenum can be used for both the positive electrode active material and the negative electrode active material depending on the combination with the paired electrode materials.

【0076】図9は、本発明のリチウム固体電解質電池
を示す模式図である。前記のリチウムイオン伝導体から
なる隔壁5の一方に正極活物質6が接触している。負極
活物質11は、リチウム金属又はリチウム合金からなる。
負極活物質11と隔壁5との間には、反応防止膜12が挟ま
れている。
FIG. 9 is a schematic diagram showing the lithium solid electrolyte battery of the present invention. The positive electrode active material 6 is in contact with one of the partition walls 5 made of the lithium ion conductor. The negative electrode active material 11 is made of lithium metal or lithium alloy.
A reaction prevention film 12 is sandwiched between the negative electrode active material 11 and the partition wall 5.

【0077】上記リチウム合金としては、Li/ウッド
メタル合金、Li/Al合金等を例示できる。反応防止
膜12としては、リチウム塩を含む有機高分子化合物膜
(いわゆる高分子固体電解質)が好ましい。また、コー
クス等の炭素質材料や、グラファイト等の炭素材料の薄
膜も、使用可能である。上記高分子固体電解質のリチウ
ム塩としては、LiClO4 ,LiCF3 SO3 などが
例示でき、高分子化合物としては、ポリエチレンオキシ
ド、ポリプロピレンオキシド、ポリ(メトキシエトキシ
エトキシドホスファゼン)、メチルシロキサン−エチレ
ンオキシド共重合体、ポリ(メタクリル酸メチル)、ポ
リ(フッ化ビニリデン)等を例示できる。添加物とし
て、ポリ(エチレングリコール)、プロピレンカーボネ
ート等を加えてよい。
Examples of the lithium alloy include Li / wood metal alloys and Li / Al alloys. As the reaction preventing film 12, an organic polymer compound film containing a lithium salt (so-called polymer solid electrolyte) is preferable. Also, a carbonaceous material such as coke or a thin film of a carbon material such as graphite can be used. Examples of the lithium salt of the polymer solid electrolyte include LiClO 4 and LiCF 3 SO 3. Examples of the polymer compound include polyethylene oxide, polypropylene oxide, poly (methoxyethoxyethoxide phosphazene), methylsiloxane-ethylene oxide copolymer. Examples thereof include coalesce, poly (methyl methacrylate), poly (vinylidene fluoride), and the like. As an additive, poly (ethylene glycol), propylene carbonate or the like may be added.

【0078】また、隔壁を、ペロブスカイト構造を有す
る(Dy Lix )(Mg0.5W0 .5)O3 (Dは3価の金属原子で
ある。0<x≦1/2、1/2≦y≦2/3、1/2<
x+y≦1、1.6 ≦x+3y≦2.2 )によって形成した
場合には、図8のリチウム電池において、負極活物質7
として、上記のリチウム金属又はリチウム合金を使用す
ることができる。
[0078] Further, the partition wall, having a perovskite structure (D y Li x) (Mg 0.5 W 0 .5) O 3 (D is a trivalent metal atom .0 <x ≦ 1 / 2,1 / 2 ≦ y ≦ 2/3, 1/2 <
x + y ≦ 1, 1.6 ≦ x + 3y ≦ 2.2) in the lithium battery of FIG.
As the above, the above-mentioned lithium metal or lithium alloy can be used.

【0079】図8,図9に模式的に示した本発明の電池
は、一般的な市販リチウム電池と異なり、電解液を含ま
ない。従って、種々の形状の電池を形成することができ
る。しかも、前記したリチウムイオン伝導体(ペロブス
カイト構造体)は、通常のセラミックス製造技術で製造
しうるものであり、特に形状の制約はない。従って、単
層式構造の偏平形電池、多層式構造の偏平形電池、イン
サイドアウト構造の円筒形電池、スパイラル構造の円筒
形電池、角形電池、コイン形電池などを製造できる。ま
た、高温でも安定であり、高温での電池作動も可能とな
る。
The battery of the present invention schematically shown in FIGS. 8 and 9 does not contain an electrolytic solution, unlike a general commercial lithium battery. Therefore, batteries of various shapes can be formed. Moreover, the above-mentioned lithium ion conductor (perovskite structure) can be manufactured by a usual ceramics manufacturing technique, and there is no particular restriction on the shape. Therefore, a flat battery having a single layer structure, a flat battery having a multilayer structure, a cylindrical battery having an inside-out structure, a cylindrical battery having a spiral structure, a prismatic battery, a coin battery and the like can be manufactured. Further, it is stable even at high temperature, and the battery can be operated at high temperature.

【0080】図10,図11に電池の各要素の設計例を
模式的に示す。図10は、積層構造の電池素子を示すも
のであり、平板状の負極活物質7A、隔壁5A、平板状
の正極活物質6A、平板状の集電体13Aからなる。図1
0に示す繰り返し単位を多数積層し、集合電池を形成す
ることもできる。
10 and 11 schematically show design examples of each element of the battery. FIG. 10 shows a battery element having a laminated structure, which includes a flat plate-shaped negative electrode active material 7A, a partition wall 5A, a flat plate-shaped positive electrode active material 6A, and a flat plate-shaped current collector 13A. Figure 1
It is also possible to stack a large number of repeating units represented by 0 to form an assembled battery.

【0081】図11は、ロール型の電池素子を示すもの
である。薄膜状の負極活物質7B、隔壁5B、正極活物
質6B、集電体13B、絶縁体14が、巻回されている。
FIG. 11 shows a roll type battery element. The thin film negative electrode active material 7B, the partition wall 5B, the positive electrode active material 6B, the current collector 13B, and the insulator 14 are wound.

【0082】[0082]

【発明の効果】以上述べたように、本発明のリチウム固
体電解質電池によれば、高出力の電池を得ることが可能
であり、かつ空気中で安定に動作する電池を得ることが
可能である。
As described above, according to the lithium solid electrolyte battery of the present invention, it is possible to obtain a high-power battery and a battery that operates stably in the air. .

【0083】しかも、本発明では、負極活物質としてリ
チウムイオンを放出しうる非金属の物質を用いているの
で、前記のペロブスカイト構造のリチウムイオン伝導体
とリチウム金属との反応は生じない。または、負極活物
質としてリチウム又はリチウム合金を用いた場合は、負
極活物質と隔壁との間に反応防止膜を挟み、両者の接触
を防止している。
Furthermore, in the present invention, since the non-metal substance capable of releasing lithium ions is used as the negative electrode active material, the reaction between the lithium ion conductor having the perovskite structure and the lithium metal does not occur. Alternatively, when lithium or a lithium alloy is used as the negative electrode active material, a reaction prevention film is sandwiched between the negative electrode active material and the partition wall to prevent contact between the two.

【0084】また、ペロブスカイト構造を有する(Dy
Lix )(Mg0.5W0.5)O3 からなる隔壁は、リチウム金属又
はリチウム合金と反応しにくいことを、更に見いだし
た。従って、この場合には、負極活物質として、リチウ
ム金属又はリチウム合金を使用することで、良好な電池
を作成することができる。
Further, it has a perovskite structure (D y
It was further found that the partition wall made of Li x ) (Mg 0.5 W 0.5 ) O 3 is difficult to react with lithium metal or lithium alloy. Therefore, in this case, by using lithium metal or lithium alloy as the negative electrode active material, a good battery can be prepared.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明のリチウムイオン伝導体からなるペレッ
ト(試料)1について、イオン伝導率を交流インピーダ
ンス法によって測定するときの試料の保持状態を示す模
式図である。
FIG. 1 is a schematic view showing a holding state of a sample (pellet) 1 made of a lithium ion conductor of the present invention when the ionic conductivity is measured by an AC impedance method.

【図2】本発明のリチウムイオン伝導体について、バル
ク結晶部分及び粒界部分の寄与を示すための等価回路図
である。
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram for showing contributions of a bulk crystal part and a grain boundary part in the lithium ion conductor of the present invention.

【図3】バルク結晶部分及び粒界部分の各イオン伝導率
の温度依存性を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing the temperature dependence of each ionic conductivity of a bulk crystal part and a grain boundary part.

【図4】各試料からのバルク部分のイオン伝導率σの温
度依存性、即ち、アレニウスプロットを示すグラフであ
る。
FIG. 4 is a graph showing temperature dependence of ionic conductivity σ of a bulk portion from each sample, that is, an Arrhenius plot.

【図5】300Kにおけるバルク部分のイオン導電率
を、ICP分析から得られたLi含有量の関数として示
すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing ionic conductivity of the bulk portion at 300 K as a function of Li content obtained from ICP analysis.

【図6】290Kにおけるインピーダンスプロットを示
すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing an impedance plot at 290K.

【図7】(La0.63Li0.1 )(Mg0.5W0.5)O3 からなる試料
の全伝導率の温度依存性を、アレニウスプロットにおい
て示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing the temperature dependence of the total conductivity of a sample made of (La 0.63 Li 0.1 ) (Mg 0.5 W 0.5 ) O 3 in an Arrhenius plot.

【図8】本発明のリチウム固体電解質電池を示す模式図
である。
FIG. 8 is a schematic diagram showing a lithium solid electrolyte battery of the present invention.

【図9】本発明のリチウム固体電解質電池を示す模式図
である。
FIG. 9 is a schematic view showing a lithium solid electrolyte battery of the present invention.

【図10】各電池要素の形状の設計例を模式的に示す斜
視図である。
FIG. 10 is a perspective view schematically showing a design example of the shape of each battery element.

【図11】各電池要素の形状の設計例を模式的に示す斜
視図である。
FIG. 11 is a perspective view schematically showing a design example of the shape of each battery element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 試料 2 多孔質のポリプロピレン膜 5、5A、
5B リチウムイオン伝導体からなる隔壁 6、6A、
6B 正極活物質 7、7A、7B 非金属の負極活物
質(又は、リチウム金属又はリチウム合金からなる負極
活物質) 11 リチウム金属又はリチウム合金からな
る負極活物質 12 反応防止膜
1 sample 2 porous polypropylene membrane 5, 5A,
5B Partition wall made of lithium ion conductor 6, 6A,
6B Positive electrode active material 7, 7A, 7B Non-metal negative electrode active material (or negative electrode active material made of lithium metal or lithium alloy) 11 Negative electrode active material made of lithium metal or lithium alloy 12 Reaction preventive film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 満 神奈川県横浜市緑区桜台33−7 桜台コー トビレッジ1−11 (72)発明者 中村 哲郎 神奈川県横浜市緑区藤が丘2−41−21 藤 が丘宿舎403 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued Front Page (72) Inventor Mitsuru Ito 33-7 Sakuradai, Midori-ku, Yokohama-shi, Kanagawa 1-11 Sakuradai Court Village (72) Inventor Tetsuro Nakamura 2-41-21 Fujigaoka, Midori-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Gaoka Residence 403

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】ペロブスカイト構造を有する複合酸化物か
らなるリチウムイオン伝導体であって、前記ペロブスカ
イト構造のAサイトの半分以上がリチウム及び3価の金
属原子によって占められているリチウムイオン伝導体か
らなる隔壁;リチウムイオンの受け入れが可能な非金属
の正極活物質;及びリチウムイオンの放出が可能な非金
属の負極活物質を備えている、リチウム固体電解質電
池。
1. A lithium ion conductor composed of a complex oxide having a perovskite structure, wherein at least half of the A sites of the perovskite structure are composed of a lithium ion conductor occupied by lithium and a trivalent metal atom. A lithium solid electrolyte battery comprising: a partition wall; a non-metal positive electrode active material capable of receiving lithium ions; and a non-metal negative electrode active material capable of releasing lithium ions.
【請求項2】ペロブスカイト構造を有する複合酸化物か
らなるリチウムイオン伝導体であって、前記ペロブスカ
イト構造のAサイトの半分以上がリチウム及び3価の金
属原子によって占められているリチウムイオン伝導体か
らなる隔壁;リチウムイオンの受け入れが可能な非金属
の正極活物質;リチウム金属又はリチウム合金からなる
負極活物質;及びこの負極活物質と前記隔壁との間に挟
まれている反応防止膜を備えている、リチウム固体電解
質電池。
2. A lithium ion conductor composed of a composite oxide having a perovskite structure, wherein at least half of the A sites of the perovskite structure are composed of a lithium ion conductor occupied by lithium and a trivalent metal atom. A partition wall; a non-metal positive electrode active material capable of receiving lithium ions; a negative electrode active material made of lithium metal or a lithium alloy; and a reaction preventive film sandwiched between the negative electrode active material and the partition wall. , Lithium solid electrolyte batteries.
【請求項3】ペロブスカイト構造を有する(Dy Lix
(Mg0.5W0.5)O3 (Dは3価の金属原子である。0<x≦
1/2、1/2≦y≦2/3、1/2<x+y≦1、1.
6 ≦x+3y≦2.2 )からなる隔壁;リチウムイオンの
受け入れが可能な非金属の正極活物質;及びリチウム金
属又はリチウム合金からなる負極活物質を備えている、
リチウム固体電解質電池。
3. Having a perovskite structure (D y Li x ).
(Mg 0.5 W 0.5 ) O 3 (D is a trivalent metal atom. 0 <x ≦
1/2, 1/2 ≤ y ≤ 2/3, 1/2 <x + y ≤ 1, 1.
6 ≦ x + 3y ≦ 2.2), a partition wall; a non-metal positive electrode active material capable of receiving lithium ions; and a negative electrode active material made of lithium metal or a lithium alloy,
Lithium solid electrolyte battery.
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