JPH04267005A - リチウムイオン伝導性固体電解質の製造方法 - Google Patents

リチウムイオン伝導性固体電解質の製造方法

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JPH04267005A
JPH04267005A JP3028559A JP2855991A JPH04267005A JP H04267005 A JPH04267005 A JP H04267005A JP 3028559 A JP3028559 A JP 3028559A JP 2855991 A JP2855991 A JP 2855991A JP H04267005 A JPH04267005 A JP H04267005A
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Japan
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solid electrolyte
lithium ion
ion conductive
conductive solid
oxyacid
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Teruhisa Kanbara
神原 輝寿
Tadashi Tonomura
正 外邨
Kenichi Takeyama
竹山 健一
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  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
  • Silicates, Zeolites, And Molecular Sieves (AREA)
  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
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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】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は固体電解質及びその製造
法に関し、特に電池及びコンデンサー等の電気化学素子
に用いる固体電解質及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】固体電解質を用いた全固体電池は漏液の
心配のない高信頼性の電池を実現するものとして大きく
注目されており、特にリチウムを用いたものは高容量を
有する電池として期待されている。既に(化1)に示す
化学式の化合物系のリチウムイオン伝導性固体電解質は
、心臓のペースメーカーの駆動用電源を構成する際の固
体電解質として用いられている。
【0003】
【化1】
【0004】しかしながら、このようにリチウムイオン
伝導性固体電解質が実用素子として用いられている例は
少なく、その原因はリチウムイオン伝導性固体電解質の
イオン伝導度の低さによるものである。このような問題
点を克服するため、比較的高いイオン伝導度を有する固
体電解質として、(化2)に示す化学式の化合物に代表
される酸素酸塩系のリチウムイオン伝導性固体電解質が
提案されている。
【0005】
【化2】
【0006】この固体電解質は、各原材料を所定量混合
し、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中でガラス封管し、
加熱融解した後、自然放冷または、液体窒素中で急冷す
る手法が固体イオニクス(講談社  1986年発行 
 P77)で述べられている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな方法で合成した固体電解質は電子伝導度が大きく、
たとえば、これらを用いて作成した固体電池は、特に高
温雰囲気に置くと時間とともに電圧が低下するいわゆる
自己放電が大きいという課題を有していた。本発明はこ
のような課題を解決するもので、電子伝導度の低いリチ
ウムイオン伝導性固体電解質及びその製造法を提供する
ことを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
本発明の固体電解質及びその製造法は、酸素酸塩系リチ
ウムイオン伝導性固体電解質において、酸素酸を構成す
る遷移金属の原子価が単一原子価である固体電解質とし
、さらに酸素酸塩系リチウムイオン伝導性固体電解質ま
たはそれを構成する原材料の融解物を、酸素雰囲気中で
急冷することにより製造するものである。
【0009】
【作用】上述の課題に対し、発明者らは、前記固体電解
質の融解物を酸素雰囲気中で急冷すると、電子伝導性が
著しく低下し、また同時にイオン伝導度が向上すること
を見いだした。これは、以下の作用にもとずくものと考
えられる。
【0010】つまり、(化2)に示す化学式の化合物に
代表されるリチウムイオン伝導性固体電解質は、従来の
技術で記載した製造法に従うと、その組成である酸素酸
の部分に若干の非化学量論組成部分を有し、そのため酸
素酸を形成するV等の遷移金属は混合原子価数となり、
この混合原子価の部分を電子がホッピング伝導し、これ
が、固体電解質の電子伝導性を生むと考えられる。たと
えば、上述の(化2)に示す化学式の化合物はアルゴン
等の不活性ガス雰囲気中またはガラス封管中で融解し、
自然放冷、または液体窒素中で急冷するとVの原子価は
4価と5価の混合物となり、そこを経路とする電子伝導
性が発生する。ところが、この融解物を酸素雰囲気中で
急冷するとVの原子価が、5価に統一され上述のホッピ
ングによる電子伝導性が消滅し、電子伝導度の低いリチ
ウムイオン伝導性固体電解質を得ることとなる。
【0011】
【実施例】以下本発明の一実施例の固体電解質およびそ
の製造法について図面に基づいて具体的に説明する。
【0012】(実施例1)図1において、(化3)に示
す化学式の化合物の粉体を17:4:3のモル比で定量
、ノルマルヘキサンに分散し、乾燥空気中600℃で3
時間加熱後、室温まで放冷する。
【0013】
【化3】
【0014】その後、これをグラッシーカーボン製の容
器1にいれ、その後、酸素を1体積%含有するアルゴン
ガスをフローした赤外線イメージ炉2の中で、約700
℃まで加熱することにより前記調整材料を融解する。こ
れを、チタニウムを表面にコートした十分な熱容量を有
する回転ローラー3上に、滴下することにより前記融解
物を105℃/秒の冷却速度で急冷し、ガラス製容器4
に採取する。融解物が急冷される回転ローラ3およびそ
の周囲の雰囲気は、酸素導入口5より導入される酸素に
より、酸素雰囲気に保たれている。最後に、これを乾燥
空気雰囲気中で粉砕しリチウムイオン伝導性固体電解質
Aを得た。これに対する比較例として、(化3)に示す
化学式の化合物の粉体を17:4:3のモル比で定量、
ノルマルヘキサンに分散し、乾燥空気中600℃で3時
間加熱後、室温まで放冷し、粉砕して得られる微粉末を
3ton/cm2の圧力で加圧成型したものを石英ガラ
ス容器中に封入し、1000℃で1時間焼結した後、室
温まで放冷、これを乾燥空気雰囲気中で粉砕し、リチウ
ムイオン伝導性固体電解質Bを得た。なお前述の製造工
程で使用した雰囲気ガスは、すべて純度99.99%以
上のものである。また、本実施例では融解物の冷却速度
として105℃/秒で行なったが、105〜107℃/
秒でも同様の効果を生む。
【0015】このように、本実施例の製造法に従い作成
したリチウムイオン伝導性固体電解質A及び従来より公
知の製造法で作成したリチウムイオン伝導性固体電解質
Bに対し、電気伝導度及び電子伝導度の比較評価を行な
った。電気伝導度の測定はアルゴン雰囲気中において、
粉体試料AおよびBを3ton/cm2の圧力で加圧成
型した成型物の両端に金属リチウムの電極を真空蒸着法
により形成、複素インピーダンスを測定することにより
行なった。その結果を図2に示した。図2において、電
気伝導度は周知のとおり、複素インピーダンスの横軸と
の切片の値の逆数とした。また電子伝導度の測定は、粉
体試料AおよびBを3ton/cm2の圧力で加圧成型
した成型物の両端に金属金の電極を真空加熱蒸着法によ
り形成した測定セルにたいして、両端に1ボルトの一定
電圧を印加後、十分時間が経過した後、一定の値となっ
た電流値を測定することにより行なった。以上の測定結
果を図3に示した。なお測定はすべて乾燥アルゴン雰囲
気中で行なった。図3において、縦軸は、電子伝導度及
び電気伝導度と電子伝導度との差より得られたイオン伝
導度を示し、また横軸は測定温度を示している。図より
明らかなように本実施例の製造法に従えば、従来の製造
法により作成したものより、イオン伝導度が増加し、か
つ電子伝導度を格段に低減する事が出来た。
【0016】さらに、固体電解質A及びBを構成するV
の原子価をXPS(X線光スペクトロスコピー)により
確認したところ、試料B中では、5価のVに対し4価の
Vが約50原子%存在したのに比べ、試料A中ではXP
Sの検出限界である1原子%以下になったことを確認し
、上述の作用で記載した要因を証明する結果を得た。
【0017】なお、本実施例では、固体電解質を構成す
る原材料の融解物を酸素雰囲気中で急冷したが、従来の
製造法に従い作成された固体電解質を融解し、酸素雰囲
気中で急冷ても、同様の効果を生むことはいうまでもな
い。
【0018】(実施例2)本実施例では、酸素酸塩系リ
チウムイオン伝導性固体電解質である(化4)に示す化
学式の化合物を例に取り、本実施例の固体電解質の製造
法の効果について記載する。なお、合成は、実施例1の
図1でで示した製造装置と同一のものを用いた。
【0019】
【化4】
【0020】(化5)に示す化学式の化合物の粉体を9
:3:1のモル比で定量、ノルマルヘキサンに分散し、
乾燥空気中600℃で3時間加熱後、室温まで放冷する
。その後、これをグラッシーカーボン製の容器1にいれ
、その後、酸素を1体積%含有するアルゴンガスをフロ
ーした赤外線イメージ炉2の中で、約700℃まで加熱
することにより前記調整材料を融解する。
【0021】
【化5】
【0022】これをチタニウムを表面にコートした十分
な熱容量を有する回転ローラー3上に、滴下することに
より前記融解物を105℃/秒の冷却速度で急冷し、ガ
ラス製容器4に採取する。融解物が急冷される回転ロー
ラ3およびその周囲の雰囲気は、酸素導入口5より導入
される酸素により、酸素雰囲気に保たれている。最後に
、これを乾燥空気雰囲気中で粉砕しリチウムイオン伝導
性固体電解質Cを得た。これに対する比較例として、(
化5)に示す化学式の化合物の粉体を9:3:1のモル
比で定量、ノルマルヘキサンに分散し、乾燥空気中60
0℃で3時間加熱後、室温まで放冷し、粉砕して得られ
る微粉末を3ton/cm2の圧力で加圧成型したもの
を石英ガラス容器中に封入し、800℃で1時間焼結し
た後、室温まで放冷、これを乾燥空気雰囲気中で粉砕し
、リチウムイオン伝導性固体電解質Dを得た。なお前述
の製造工程で使用した雰囲気ガスは、すべて純度99.
99%以上のものである。また、本実施例では融解物の
冷却速度として105℃/秒で行なったが、105〜1
07℃/秒でも同様の効果を生む。
【0023】本実施例の製造法に従い作成したリチウム
イオン伝導性固体電解質C及び従来より公知の製造法で
作成したDについて、電気伝導度及び電子伝導度の比較
評価を行なった。電気伝導度の測定はアルゴン雰囲気中
において、粉体試料CおよびDを3ton/cm2の圧
力で加圧成型した成型物の両端に金属リチウムの電極を
真空蒸着法により形成し、電極間の複素インピーダンス
を測定することにより行なった。その結果を図4に示し
た。図4において、電気伝導度は周知のとおり、複素イ
ンピーダンスの横軸との切片の値の逆数とした。また電
子伝導度の測定は、粉体試料AおよびBを3ton/c
m2の圧力で加圧成型した成型物の両端に金属金の電極
を真空加熱蒸着法により形成した測定セルにたいして、
両端に1ボルトの一定電圧を印加後、十分時間が経過し
た後、一定の値となった電流値を測定することにより行
なった。以上の測定結果を図5に示した。なお測定はす
べて乾燥アルゴン雰囲気中で行なった。図5において、
縦軸は、電子伝導度及び電気伝導度と電子伝導度との差
より得られたイオン伝導度を示し、また横軸は測定温度
を示している。図より明らかなように本実施例に従えば
、イオン伝導度が高く、かつ電子伝導度の低い固体電解
質を得る事が出来た。
【0024】さらに固体電解質C及びDを構成するVの
原子価をXPS(X線光スペクトロスコピー)により確
認したところ、試料D中では、6価のVに対し5価のV
が約50原子%存在したのに比べ、試料C中ではXPS
の検出限界である1原子%以下になったことを確認し、
上述の作用で記載した要因を証明する結果を得た。
【0025】なお、本実施例では、固体電解質を構成す
る原材料の融解物を酸素雰囲気中で急冷したが、従来の
製造法に従い作成された固体電解質を融解し、酸素雰囲
気中で急冷ても、同様の効果を生むことはいうまでもな
い。
【0026】以上の実施例では、酸素酸塩系リチウムイ
オン伝導性固体電解質として(化6)に示す化学式の化
合物及び(化4)に示す化学式の化合物を例に取り、本
発明の製造法の効果を記載したが、とくにこの材料に限
定する必要はなく、公知の酸素酸塩系リチウムイオン伝
導性固体電解質の製造にも有効であることはいうまでも
ない。
【0027】
【化6】
【0028】
【発明の効果】以上の実施例の説明で明らかなように、
本発明の固体電解質およびその製造法によれば電子伝導
度の低いリチウムイオン伝導性固体電解質を得ることこ
とが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の酸素酸塩系リチウムイオン
伝導性固体電解質の製造装置の概念を示す構成図
【図2
】酸素酸塩系リチウムイオン伝導性固体電解質A及びB
の複素インピーダンスを示すグラフ
【図3】酸素酸塩系
リチウムイオン伝導性固体電解質A及びBの特性を示す
グラフ
【図4】酸素酸塩系リチウムイオン伝導性固体電解質C
及びDの複素インピーダンスを示すグラフ
【図5】酸素
酸塩系リチウムイオン伝導性固体電解質C及びDの特性
を示すグラフ
【符号の説明】
1  グラッシーカーボン製の容器 2  赤外線イメージ炉 3  回転ローラ 4  ガラス製容器 5  酸素導入口

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】酸素酸塩系リチウムイオン伝導性固体電解
    質において、酸素酸を構成する遷移金属の原子価が単一
    原子価である固体電解質。
  2. 【請求項2】酸素酸塩系リチウムイオン伝導性固体電解
    質またはそれを構成する原材料の融解物を、酸素雰囲気
    中で急冷することにより製造する固体電解質の製造方法
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