JP7523903B2 - Oxide-Ion Conductors - Google Patents
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Description
本発明は酸化物イオン伝導体に関する。また本発明は該酸化物イオン伝導体を備えた固体電解質接合体に関する。更に本発明は、該固体電解質接合体を備えた電気化学素子に関する。 The present invention relates to an oxide ion conductor. The present invention also relates to a solid electrolyte junction including the oxide ion conductor. The present invention further relates to an electrochemical element including the solid electrolyte junction.
酸化物イオン伝導体は、固体電解質形燃料電池、イオン電池、空気電池などの電池の固体電解質や、センサや分離膜など、様々な電気化学素子に利用可能な機能性セラミックスとして注目されている材料である。酸化物イオン伝導体の一つとして、格子間の酸素が移動することで酸化物イオン伝導性が発現する材料であるアパタイト型酸化物イオン伝導体が知られている。アパタイト型酸化物イオン伝導体の一つとして特許文献1にはLa9.33+x(Si4.7B1.3)O26+zで表されるランタンシリケートが記載されている。 Oxide ion conductors are materials that have attracted attention as functional ceramics that can be used in various electrochemical elements, such as solid electrolytes for batteries, such as solid electrolyte fuel cells, ion batteries, and air batteries, as well as sensors and separation membranes. One type of oxide ion conductor is known to be an apatite-type oxide ion conductor, which is a material that exhibits oxide ion conductivity by the movement of interstitial oxygen. Patent Document 1 describes lanthanum silicate, represented by La9.33+x ( Si4.7B1.3 ) O26 +z, as one type of apatite-type oxide ion conductor.
酸化物イオン伝導体を用いた電気化学素子の一つとして、非特許文献1には、二酸化炭素ガスセンサが提案されている。この二酸化炭素ガスセンサにおいては、酸化物イオン伝導体の表面に配置されたガス検知電極として、リチウムイオン伝導性材料、例えば炭酸リチウムが用いられている。 As one electrochemical element using an oxide ion conductor, Non-Patent Document 1 proposes a carbon dioxide gas sensor. In this carbon dioxide gas sensor, a lithium ion conductive material, for example lithium carbonate, is used as a gas detection electrode arranged on the surface of the oxide ion conductor.
非特許文献1に記載の二酸化炭素ガスセンサにおいて、酸化物イオン伝導体として特許文献1に記載のランタンシリケートを用いると、該ランタンシリケートの劣化が生じることが本発明者の検討の結果判明した。例えばランタンシリケートの粉化が生じることが判明した。 The inventors' investigations have revealed that when the lanthanum silicate described in Patent Document 1 is used as the oxide ion conductor in the carbon dioxide gas sensor described in Non-Patent Document 1, the lanthanum silicate deteriorates. For example, it has been found that the lanthanum silicate becomes powdered.
したがって本発明の課題は、酸化物イオン伝導体の改良にあり、更に詳しくは、リチウムイオン伝導体を含む電極と組み合わせて用いた場合に劣化が生じづらい酸化物イオン伝導体を提供することにある。 The object of the present invention is therefore to improve oxide ion conductors, and more specifically, to provide an oxide ion conductor that is less susceptible to degradation when used in combination with an electrode containing a lithium ion conductor.
本発明は、希土類元素、ケイ素(Si)元素、及び酸素(O)元素を含み、CuKα1線を用いた粉末X線回折装置により測定されるX線回折パターンにおいて、004回折ピークが2θ=51.9°±0.9°の位置に観察され、アパタイト型の結晶構造を有する酸化物イオン伝導体を提供するものである。 The present invention provides an oxide ion conductor that contains rare earth elements, silicon (Si), and oxygen (O), and has an apatite-type crystal structure in which a 004 diffraction peak is observed at 2θ = 51.9° ± 0.9° in an X-ray diffraction pattern measured by a powder X-ray diffractometer using CuKα1 radiation.
また本発明は、前記の酸化物イオン伝導体と、その表面に配置された電極とを備えた固体電解質接合体を提供するものである。 The present invention also provides a solid electrolyte junction comprising the oxide ion conductor and an electrode disposed on its surface.
更に本発明は、前記の固体電解質接合体を備えた電気化学素子を提供するものである。 The present invention further provides an electrochemical element having the above-mentioned solid electrolyte junction.
本発明によれば、リチウムイオン伝導体を含む電極と組み合わせて用いた場合に劣化が生じづらい酸化物イオン伝導体が提供される。 The present invention provides an oxide ion conductor that is less susceptible to degradation when used in combination with an electrode containing a lithium ion conductor.
以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき説明する。本発明の酸化物イオン伝導体は固体電解質の一種である。本発明の酸化物イオン伝導体は、希土類元素、ケイ素(Si)元素、及び酸素(O)元素を含むものであることが好ましく、一般に希土類シリケートと呼ばれる範疇の物質である。希土類元素としては、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yb、及びLuからなる群から選ばれた一種又は二種以上の元素が挙げられる。また、本発明の酸化物イオン伝導体は、希土類元素、ケイ素(Si)元素、及び酸素(O)元素の他にBe、Mg、Ca、Sr、及びBaからなる群から選ばれた一種又は二種以上の元素を含んでいてもよい。 The present invention will be described below based on its preferred embodiments. The oxide ion conductor of the present invention is a type of solid electrolyte. The oxide ion conductor of the present invention preferably contains rare earth elements, silicon (Si), and oxygen (O), and is generally a substance in the category of rare earth silicates. The rare earth elements include one or more elements selected from the group consisting of La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, and Lu. The oxide ion conductor of the present invention may contain one or more elements selected from the group consisting of Be, Mg, Ca, Sr, and Ba in addition to the rare earth elements, silicon (Si), and oxygen (O).
本発明の酸化物イオン伝導体は配向性アパタイト型の結晶構造を有することが好ましい。「配向性」とは、結晶が配向軸を有しているという意味であり、本発明の酸化物イオン伝導体はc軸配向性を有していることが好ましい。 The oxide ion conductor of the present invention preferably has an oriented apatite-type crystal structure. "Orientation" means that the crystal has an orientation axis, and the oxide ion conductor of the present invention preferably has c-axis orientation.
本発明の酸化物イオン伝導体がc軸配向性を有している場合、該酸化物イオン伝導体をX線回折(以下「XRD」ともいう。)装置によって測定すると、(002)面、(004)面、(006)面などに特徴的な回折ピークが観察される。特に本発明の酸化物イオン伝導体は、これまで知られているランタンシリケートと比べて、(004)面に由来する回折ピークが観察される回折角(2θ)が特徴的である。詳細には、CuKα1線を用いた粉末XRD装置により測定されるXRDパターンにおいて、004回折ピークが好ましくは2θ=51.9°±0.9°の位置に観察される。004回折ピークがこの位置に観察される酸化物イオン伝導体は、これをリチウムイオン伝導体と組み合わせて用いても、該酸化物イオン伝導体の劣化が、これまで知られているランタンシリケートよりも抑制されることが本発明者の検討の結果判明した。この利点を一層顕著なものとする観点から、004回折ピークが2θ=51.9°±0.7°の位置に観察されることが更に好ましく、51.9°±0.6°の位置に観察されることが一層好ましい。51.9°±0.9°内に複数のピークが観察される場合、最も強度の高いピークの位置を004回折ピークとする。 When the oxide ion conductor of the present invention has a c-axis orientation, characteristic diffraction peaks are observed on the (002), (004), and (006) planes when the oxide ion conductor is measured by an X-ray diffraction (hereinafter also referred to as "XRD") device. In particular, the oxide ion conductor of the present invention is characterized by the diffraction angle (2θ) at which the diffraction peak derived from the (004) plane is observed, compared with the lanthanum silicates known so far. In detail, in the XRD pattern measured by a powder XRD device using CuKα1 radiation, the 004 diffraction peak is preferably observed at a position of 2θ = 51.9° ± 0.9°. The inventor's research has revealed that the oxide ion conductor in which the 004 diffraction peak is observed at this position is more suppressed in deterioration than the lanthanum silicates known so far, even when used in combination with a lithium ion conductor. To make this advantage even more pronounced, it is more preferable that the 004 diffraction peak be observed at 2θ = 51.9° ± 0.7°, and even more preferable that it be observed at 51.9° ± 0.6°. If multiple peaks are observed within 51.9° ± 0.9°, the position of the peak with the highest intensity is determined as the 004 diffraction peak.
なお、本発明の酸化物イオン伝導体は、004回折ピーク以外に、002回折ピークや006回折ピークなどの(00n)面(nは正整数を表す。)に由来するピークも観察され、それらの回折ピークの位置は、これまで知られているランタンシリケートと異なり、高角度側にシフトしている。本発明においては、回折強度が高くピーク位置の判定が容易な004回折ピークに着目し、酸化物イオン伝導体の特定を行っている。 In addition to the 004 diffraction peak, the oxide ion conductor of the present invention also exhibits peaks derived from the (00n) plane (n represents a positive integer), such as the 002 diffraction peak and the 006 diffraction peak, and the positions of these diffraction peaks are shifted to the high angle side, unlike those of previously known lanthanum silicates. In the present invention, the oxide ion conductor is identified by focusing on the 004 diffraction peak, which has a high diffraction intensity and is easy to determine the peak position.
酸化物イオン伝導体が、上述した位置に004回折ピークを示すようにするためには、該酸化物イオン伝導体の組成を調整することが有効であることが本発明者の検討の結果判明した。上述のとおり本発明の酸化物イオン伝導体は、希土類元素、ケイ素(Si)元素、及び酸素(O)元素を含むことが好ましいところ、希土類元素として少なくともランタン(La)元素を含むことが特に好ましい。また、本発明の酸化物イオン伝導体はイットリウム(Y)元素を含むことも特に好ましい。 The inventors' investigations have revealed that in order for the oxide ion conductor to exhibit a 004 diffraction peak at the above-mentioned position, it is effective to adjust the composition of the oxide ion conductor. As described above, the oxide ion conductor of the present invention preferably contains a rare earth element, silicon (Si), and oxygen (O), and it is particularly preferable that the oxide ion conductor of the present invention contains at least lanthanum (La) as a rare earth element. It is also particularly preferable that the oxide ion conductor of the present invention contains yttrium (Y).
本発明において特に好ましい酸化物イオン伝導体は、式(1):A9.33+x-aYa[Si6.00-yMy]O26.00+zで表される。
式(1)中、Aは、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yb、Lu、Be、Mg、Ca、Sr、及びBaからなる群から選ばれた一種又は二種以上の元素であり、少なくともLaを含む。
Mは、Mg、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Zr、Ta、Nb、B、Zn、Sn、W及びMoからなる群から選ばれた一種又は二種以上の元素である。
xは-1.33以上1.50以下の数である。
yは0.00以上3.00以下の数である。
zは-5.00以上5.20以下の数である。
aは0.6以上2.6以下の数である。
A particularly preferred oxide ion conductor in the present invention is represented by the formula (1): A9.33+x- aYa [ Si6.00-yMy ] O26.00+z .
In formula (1), A is one or more elements selected from the group consisting of La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, Lu, Be, Mg, Ca, Sr, and Ba, and includes at least La.
M is one or more elements selected from the group consisting of Mg, Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Ga, Zr, Ta, Nb, B, Zn, Sn, W and Mo.
x is a number equal to or greater than -1.33 and equal to or less than 1.50.
y is a number equal to or greater than 0.00 and equal to or less than 3.00.
z is a number equal to or greater than −5.00 and equal to or less than 5.20.
a is a number equal to or greater than 0.6 and equal to or less than 2.6.
式(1)において、Aとして挙げられた、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Be、Mg、Ca、Sr及びBaは、正の電荷を有するイオンとなり、アパタイト型六方晶構造を構成し得るランタノイド又はアルカリ土類金属であるという共通点を有する元素である。これらの中でも、酸化物イオン伝導度を一層高め得る観点から、AはLa、Nd、Ba、Sr、Ca及びCeからなる群より選ばれる一種、又は二種以上の組み合わせであり且つ少なくともLaを含むことが好ましい。 In formula (1), La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Be, Mg, Ca, Sr, and Ba listed as A are elements that have in common that they are lanthanoids or alkaline earth metals that can become positively charged ions and form an apatite-type hexagonal crystal structure. Among these, from the viewpoint of further increasing the oxide ion conductivity, it is preferable that A is one or a combination of two or more selected from the group consisting of La, Nd, Ba, Sr, Ca, and Ce, and contains at least La.
式(1)におけるM元素は、特にB、Ge、Zn、W、Sn及びMoからなる群より選ばれた一種又は二種以上であることが好ましい。中でも、高配向度や高生産性の点で、B、Ge及びZnからなる群より選ばれた一種又は二種以上であることが一層好ましい。 The M element in formula (1) is preferably one or more elements selected from the group consisting of B, Ge, Zn, W, Sn, and Mo. Among these, it is more preferable that the M element is one or more elements selected from the group consisting of B, Ge, and Zn, in terms of high orientation and high productivity.
式(1)においてxは、酸化物イオン伝導体の配向度及び酸化物イオン伝導性を高め一層得る観点から、-1.00以上1.00以下であることが好ましく、中でも0.00以上0.70以下、その中でも0.45以上0.65以下であることが好ましい。 In formula (1), x is preferably -1.00 or more and 1.00 or less, more preferably 0.00 or more and 0.70 or less, and even more preferably 0.45 or more and 0.65 or less, from the viewpoint of further improving the degree of orientation and oxide ion conductivity of the oxide ion conductor.
式(1)中のyは、アパタイト型結晶格子におけるSi元素の位置を埋めるという観点から、0.40以上1.00未満であることが好ましく、中でも0.40以上0.90以下であることが好ましく、その中でも0.80以下、特に0.70以下、とりわけ0.50以上0.70以下であることが好ましい。 In terms of filling the positions of the Si elements in the apatite-type crystal lattice, y in formula (1) is preferably 0.40 or more and less than 1.00, more preferably 0.40 or more and 0.90 or less, and even more preferably 0.80 or less, particularly 0.70 or less, and even more preferably 0.50 or more and 0.70 or less.
式(1)中のzは、アパタイト型結晶格子内での電気的中性を保つという観点から、-5.00以上3.61以下であることが好ましく、-3.00以上2.00以下であることが好ましく、中でも-2.00以上1.50以下、その中でも-1.00以上1.00以下であることが好ましい。 From the viewpoint of maintaining electrical neutrality within the apatite-type crystal lattice, z in formula (1) is preferably -5.00 or more and 3.61 or less, more preferably -3.00 or more and 2.00 or less, and more preferably -2.00 or more and 1.50 or less, and even more preferably -1.00 or more and 1.00 or less.
式(1)中、Siのモル数に対するAのモル数の比率、言い換えれば式(1)における(9.33+x-a)/(6.00-y)は、アパタイト型結晶格子における空間的な占有率を保つ観点から、1.40以上3.00以下であることが好ましく、1.50以上2.00以下であることが更に好ましい。 In formula (1), the ratio of the number of moles of A to the number of moles of Si, in other words (9.33+x-a)/(6.00-y) in formula (1), is preferably 1.40 or more and 3.00 or less, and more preferably 1.50 or more and 2.00 or less, from the viewpoint of maintaining the spatial occupancy rate in the apatite-type crystal lattice.
式(1)から明らかなとおり、本発明の酸化物イオン伝導体は、特許文献1(国際公開第2016/111110号パンフレット)に記載の酸化物イオン伝導体におけるAサイトの一部がイットリウム(Y)元素で置換されたものに相当する。イットリウム元素による置換量は式(1)におけるaの値で表され、その値は上述のとおり好ましくは0.6以上2.6以下である。式(1)で表されるAサイトの一部をイットリウム元素で置換することによって、本発明の酸化物イオン伝導体は、XRD測定における004回折ピークが上述した回折角の範囲に観察されるものとなる。そして、かかる回折角の範囲に004回折ピークが観察される酸化物イオン伝導体は、これをリチウムイオン伝導体と組み合わせて用いても、その劣化が効果的に抑制される。なお、ランタンシリケートからなる酸化物イオン伝導体にイットリウム元素を添加することは例えば国際公開第2017/018149号パンフレットに記載がある。しかしこの文献においては、上述した式(1)におけるMサイトにイットリウム元素を用いることが記載されているのにとどまり、Aサイトの一部をイットリウム元素で置換することは記載されていない。イットリウム元素がAサイトの一部を置換しているか、それともMサイトに存在しているかは、XRD測定結果の解析や、ICP発光分光分析法による組成分析によって判定できる。 As is clear from formula (1), the oxide ion conductor of the present invention corresponds to an oxide ion conductor described in Patent Document 1 (International Publication WO 2016/111110) in which a part of the A site is replaced with an yttrium (Y) element. The amount of replacement with the yttrium element is represented by the value of a in formula (1), and as described above, the value is preferably 0.6 to 2.6. By replacing a part of the A site represented by formula (1) with an yttrium element, the oxide ion conductor of the present invention is one in which the 004 diffraction peak is observed in the above-mentioned diffraction angle range in the XRD measurement. And, even if the oxide ion conductor in which the 004 diffraction peak is observed in such a diffraction angle range is used in combination with a lithium ion conductor, its deterioration is effectively suppressed. The addition of the yttrium element to an oxide ion conductor made of lanthanum silicate is described, for example, in International Publication WO 2017/018149. However, this document only describes the use of yttrium element at the M site in the above formula (1), and does not describe substituting a portion of the A site with yttrium element. Whether yttrium element substitutes a portion of the A site or is present at the M site can be determined by analyzing the results of XRD measurements or by composition analysis using ICP atomic emission spectroscopy.
式(1)で表される酸化物イオン伝導体の具体例としては、La8.6Y1.1(Si5.3B0.7)O26.7、La8.0Y1.7(Si5.3B0.7)O26.7、La7.5Y2.2(Si5.3B0.7)O26.7などを挙げることができるが、これらに限られない。 Specific examples of the oxide ion conductor represented by formula (1) include, but are not limited to, La8.6Y1.1 ( Si5.3B0.7 ) O26.7 , La8.0Y1.7 ( Si5.3B0.7 ) O26.7 , and La7.5Y2.2 ( Si5.3B0.7 ) O26.7 .
本発明の酸化物イオン伝導体をリチウムイオン伝導体と組み合わせて用いても、粉化等の劣化が生じない理由は現在のところ完全に解明されていないが、本発明者はその理由を以下のとおりに考えている。特許文献1に記載されているランタンシリケートがリチウムイオン伝導体、例えば炭酸リチウムと接触すると、ランタンシリケート中のケイ素が炭酸リチウム中のリチウムと反応し、リチウムシリケート(Li4SiO4)が生成する。これとともに酸化ランタン(La2O3)も生成する。酸化ランタンは吸湿性が非常に高い物質であることから、空気中の水と容易に反応して水酸化ランタン(La(OH)3)が生じる。これら一連の反応によってランタンシリケートが劣化してその粉化が生じると考えられる。
これに対して本発明の酸化物イオン伝導体によれば、これが炭酸リチウムと接触すると、該酸化物イオン伝導体中のケイ素よりもイットリウムの方がリチウムと反応しやすいことから、該酸化物イオン伝導体中からのケイ素の引き抜きが起こりにくく、その代わりにイットリウムが引き抜かれる。その結果、アパタイト型結晶構造を有するリチウムシリケートの状態が維持されるとともに、水酸化ランタンの生成が抑制され、延いては粉化が抑制される。
The reason why degradation such as pulverization does not occur even when the oxide ion conductor of the present invention is used in combination with a lithium ion conductor has not yet been fully elucidated, but the present inventor believes that the reason is as follows. When the lanthanum silicate described in Patent Document 1 comes into contact with a lithium ion conductor, for example lithium carbonate, the silicon in the lanthanum silicate reacts with the lithium in the lithium carbonate to produce lithium silicate (Li 4 SiO 4 ). At the same time, lanthanum oxide (La 2 O 3 ) is also produced. Since lanthanum oxide is a substance with very high hygroscopicity, it easily reacts with water in the air to produce lanthanum hydroxide (La(OH) 3 ). It is believed that this series of reactions causes the lanthanum silicate to deteriorate and pulverize.
In contrast, when the oxide ion conductor of the present invention comes into contact with lithium carbonate, yttrium reacts more readily with lithium than silicon in the oxide ion conductor, so that silicon is less likely to be extracted from the oxide ion conductor, and yttrium is extracted instead. As a result, the state of lithium silicate having an apatite-type crystal structure is maintained, and the generation of lanthanum hydroxide is suppressed, which in turn suppresses pulverization.
本発明の酸化物イオン伝導体は、その好ましい態様において、ロットゲーリング法で測定した配向度、すなわちロットゲーリング配向度を0.6以上とすることができ、中でも0.8以上、その中でも特に0.9以上とすることができる。ロットゲーリング配向度を0.6以上とするためには、後述する方法で酸化物イオン伝導体を製造することが有利である。尤も、かかる方法に限定されない。 In a preferred embodiment, the oxide ion conductor of the present invention can have a degree of orientation measured by the Lotgering method, i.e., a Lotgering degree of orientation of 0.6 or more, preferably 0.8 or more, and more preferably 0.9 or more. In order to achieve a Lotgering degree of orientation of 0.6 or more, it is advantageous to manufacture the oxide ion conductor by the method described below. However, the method is not limited to this method.
本発明の酸化物イオン伝導体は、その好ましい態様において、酸化物イオン伝導率を500℃において10-4S/cm以上とすることができ、中でも10-3S/cm以上、その中でも特に10-2S/cm以上とすることができる。酸化物イオン伝導率を500℃において10-4S/cm以上とするためには、上述したロットゲーリング配向度を0.6以上とすることが好ましい。尤も、かかる方法に限定されない。 In a preferred embodiment, the oxide ion conductor of the present invention can have an oxide ion conductivity of 10 −4 S/cm or more at 500° C., preferably 10 −3 S/cm or more, and more preferably 10 −2 S/cm or more. In order to achieve an oxide ion conductivity of 10 −4 S/cm or more at 500° C., it is preferable that the Lotgering orientation degree is 0.6 or more. However, the present invention is not limited to such a method.
本発明の酸化物イオン伝導体は、その好ましい態様において、輸率を0.8以上とすることができ、中でも0.9以上、その中でも特に0.95以上とすることができる。輸率を0.8以上とするためには、上述した式(1)で表される化合物の純度を90%以上とすることが好ましい。尤も、かかる方法に限定されない。 In a preferred embodiment, the oxide ion conductor of the present invention can have a transport number of 0.8 or more, preferably 0.9 or more, and more preferably 0.95 or more. In order to achieve a transport number of 0.8 or more, it is preferable that the purity of the compound represented by the above formula (1) is 90% or more. However, the method is not limited to this.
次に、本発明の酸化物イオン伝導体の好適な製造方法について説明する。本発明の酸化物イオン伝導体は、式(2):A2+xSiO5+z(式中のAは、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yb、Lu、Be、Mg、Ca、Sr、及びBaからなる群から選ばれた一種又は二種以上の元素であり、少なくともLaを含む。式中のxは-1~1、zは-2~2である。)で示される化合物と、Y2+xSiO5+z(式中のxは-1~1、zは-2~2である。)で示される化合物との混合物を焼成して得られる前駆体を、M元素(Mは、Mg、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Zr、Ta、Nb、B、Zn、Sn、W及びMoからなる群から選ばれた一種又は二種以上の元素である。)を含有する気相中で加熱することにより、M元素と前記前駆体との反応により、該前駆体を配向アパタイト構造とする工程(「気相-固相拡散工程」と称する)を備えた方法で好適に製造される。本製造方法は、気相-固相拡散工程を備えていればよいから、他の工程を追加することは任意である。 Next, a preferred method for producing the oxide ion conductor of the present invention will be described. The oxide ion conductor of the present invention is a compound represented by formula (2): A2 +xSiO5 +z (wherein A is one or more elements selected from the group consisting of La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, Lu, Be, Mg, Ca, Sr, and Ba, and contains at least La. In the formula, x is -1 to 1, and z is -2 to 2), and Y2 +xSiO5 +z The oriented apatite structure is preferably produced by a method including a step (referred to as a "gas-solid diffusion step") of heating a precursor obtained by firing a mixture of a compound represented by the formula (where x is -1 to 1, and z is -2 to 2) and an M element (where M is one or more elements selected from the group consisting of Mg, Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Ga, Zr, Ta, Nb, B, Zn, Sn, W, and Mo) in a gas phase containing the M element (where M is one or more elements selected from the group consisting of Mg, Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Ga, Zr, Ta, Nb, B, Zn, Sn, W, and Mo) to cause the precursor to have an oriented apatite structure by reaction between the M element and the precursor. As long as this production method includes the gas-solid diffusion step, it is optional to add other steps.
本製造方法によれば、結晶が一方向に配向したアパタイト型構造を有する酸化物イオン伝導体を得ることができるばかりか、結晶内のクラックなどの発生を抑制することができるから、より大面積の配向性アパタイト型酸化物イオン伝導体を製造することができる。
気相中のM元素(カチオン)が、前記前駆体の表面から前駆体と反応して配向アパタイト複合酸化物を形成し始め、前駆体と生成したアパタイト相との界面における反応が進むことで、前駆体全体を、配向性アパタイト型結晶構造を有する複合酸化物とすることができる。したがって、本製造方法によって、本発明の酸化物イオン伝導体を首尾よく製造できる。
According to the present production method, not only can an oxide ion conductor having an apatite-type structure in which the crystals are oriented in one direction be obtained, but also the occurrence of cracks in the crystals can be suppressed, making it possible to produce an oriented apatite-type oxide ion conductor with a larger area.
The M element (cation) in the gas phase reacts with the precursor from the surface of the precursor to form an oriented apatite composite oxide, and the reaction at the interface between the precursor and the generated apatite phase progresses, so that the entire precursor can be made into a composite oxide having an oriented apatite-type crystal structure. Therefore, the oxide ion conductor of the present invention can be successfully produced by this production method.
本製造方法で用いられる前記の前駆体は、A2+xSiO5+zとY2+xSiO5+zとの焼成物である。A2+xSiO5+zとY2+xSiO5+zとの割合は、式(1)で表される酸化物イオン伝導体に含まれるA元素とYとの原子比となるように調整される。A2+xSiO5+zは、A2O3とSiO2との混合物を焼成することで製造できる。Y2+xSiO5+zは、Y2O3とSiO2との混合物を焼成することで製造できる。 The precursor used in this manufacturing method is a calcined product of A2 + xSiO5 +z and Y2+xSiO5+z. The ratio of A2+xSiO5+ z and Y2+ xSiO5 + z is adjusted to be the atomic ratio of the A element and Y contained in the oxide ion conductor represented by formula (1). A2+xSiO5 +z can be manufactured by calcining a mixture of A2O3 and SiO2 . Y2+xSiO5 +z can be manufactured by calcining a mixture of Y2O3 and SiO2 .
A2+xSiO5+zとY2+xSiO5+zとの混合物の焼成は、例えば該混合物の成形体を大気中で加熱することで行う。焼成温度は1200℃以上1800℃以下に設定することが好ましく、1400℃以上1700℃以下に設定することが更に好ましい。焼成時間は、1.0時間以上5.0時間以下に設定することが好ましく、2.0時間以上4.0時間以下に設定することが更に好ましい。このようにして得られた前駆体は配向体であってもよく、あるいは無配向体であってもよい。 The mixture of A2 +xSiO5 +z and Y2 +xSiO5 +z is fired, for example, by heating the molded body of the mixture in the air. The firing temperature is preferably set to 1200°C or more and 1800°C or less, more preferably set to 1400°C or more and 1700°C or less. The firing time is preferably set to 1.0 hours or more and 5.0 hours or less, more preferably set to 2.0 hours or more and 4.0 hours or less. The precursor thus obtained may be an oriented body or a non-oriented body.
得られた前駆体に対して気相-固相拡散工程を行い、元素Mを前駆体中に拡散させて、目的とする酸化物イオン伝導体を得る。気相中のM元素は、前駆体の表面を介して結晶内に入り込んでいく過程で、結晶が配向することになる。よって、前駆体の表面の一部をマスキングすることで、配向方向を制御できる。 The obtained precursor is subjected to a gas-solid diffusion process to diffuse element M into the precursor, obtaining the desired oxide ion conductor. As element M in the gas phase penetrates into the crystals via the surface of the precursor, the crystals become oriented. Therefore, the orientation direction can be controlled by masking part of the surface of the precursor.
M元素は、前駆体がアパタイト型結晶構造に変化する1000℃以上で気相となり、必要な蒸気圧を得ることができる元素であればよい。ここで、当該「必要な蒸気圧」とは、雰囲気中を気相状態で移動でき、前記前駆体の表面から内部に向かって粒界又は粒内拡散して反応を進めることができる蒸気圧の意である。かかる観点から、M元素として、Mg、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Zr、Ta、Nb、B、Zn、Sn、W及びMoからなる群から選ばれた一種又は二種以上の元素を挙げることができる。これらのM元素は、前駆体表面と反応してSiサイトに導入されて、配向アパタイト構造焼結体となる。M元素が例えばBの場合であれば、M元素を含有する化合物として、B2O3、H3BO3、LaBO3及びLaB6などを用いることができる。ホウケイ酸ガラスなどの非晶質体も用いることができる。他方、M元素がZnの場合であれば、ZnO、Zn金属、Zn2SiO4などを用いることができる。Geの場合であれば、GeO2、Ge金属などを用いることができる。Wの場合であれば、WO3、WO2、W金属などを用いることができる。Snの場合であれば、SnO2、SnO、Sn金属などを用いることができる。Moの場合であれば、MoO2、MoO3、MoSi2、Mo金属などを用いることができる。 The M element may be any element that can become gaseous at 1000°C or higher at which the precursor changes to an apatite-type crystal structure and can obtain the necessary vapor pressure. Here, the "necessary vapor pressure" means a vapor pressure that can move in a gaseous state in the atmosphere and can proceed with the reaction by diffusing at grain boundaries or within grains from the surface of the precursor to the inside. From this point of view, the M element may be one or more elements selected from the group consisting of Mg, Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Ga, Zr, Ta, Nb, B, Zn, Sn, W, and Mo. These M elements react with the precursor surface and are introduced into the Si site to form an oriented apatite structure sintered body. If the M element is, for example, B, compounds containing the M element may include B 2 O 3 , H 3 BO 3 , LaBO 3 , and LaB 6. Amorphous bodies such as borosilicate glass may also be used. On the other hand, when the M element is Zn, ZnO, Zn metal , Zn2SiO4 , etc. can be used. When it is Ge, GeO2 , Ge metal, etc. can be used. When it is W, WO3 , WO2 , W metal, etc. can be used. When it is Sn, SnO2 , SnO, Sn metal, etc. can be used. When it is Mo, MoO2 , MoO3 , MoSi2 , Mo metal, etc. can be used.
M元素を含有する気相としては、M元素を含むイオン、M元素を含む蒸気、M元素を含むガスなどのいずれかを含んでいればよい。例えば、M元素を含む蒸気と酸素とを含む気相であってもよい。したがって、このときの加熱雰囲気、すなわちM元素を含有する容器内雰囲気は、大気雰囲気、真空状態、酸化雰囲気、還元雰囲気、不活性雰囲気のいずれでもよい。 The gas phase containing the M element may contain any of ions containing the M element, steam containing the M element, and gas containing the M element. For example, it may be a gas phase containing steam containing the M element and oxygen. Therefore, the heating atmosphere at this time, i.e., the atmosphere inside the container containing the M element, may be any of the air atmosphere, a vacuum state, an oxidizing atmosphere, a reducing atmosphere, and an inert atmosphere.
気相-固相拡散工程において、M元素を含有する気相中で前記前駆体を加熱する具体的な方法としては、例えば、前記前駆体と、M元素を含有する化合物とを、容器、例えば密閉容器や蓋付き容器内に入れて加熱する方法が挙げられる。詳細には、M元素を含有する化合物を気化させて、容器内の雰囲気を、M元素を含有する気相雰囲気として、M元素と前記前駆体の表面とを反応させるようにすればよい。尤も、この方法に限定されない。
なお、気相-固相拡散工程における「容器」とは、前述した「必要な蒸気圧」を得るために必要な空間を限定する収容体という意味であり、例えば反応管、チャンバー、蓋付匣鉢等を挙げることができる。尤もこれらに限定されない。
In the gas-solid diffusion step, a specific method for heating the precursor in a gas phase containing the M element can be, for example, a method in which the precursor and a compound containing the M element are placed in a container, such as a sealed container or a container with a lid, and heated. In detail, the compound containing the M element is vaporized, and the atmosphere in the container becomes a gas phase atmosphere containing the M element, and the M element is reacted with the surface of the precursor. However, the method is not limited to this method.
The term "container" in the gas-solid diffusion process means a container that limits the space required to obtain the above-mentioned "necessary vapor pressure," and examples of the container include a reaction tube, a chamber, a sagger with a lid, etc., although it is not limited to these.
本製造方法の一例として、La2SiO5とY2SiO5との混合物を焼成してなる前駆体とB2O3粉末とを、同一の蓋付きアルミナ容器内に入れ1200℃以上1700℃以下で加熱することによりB2O3粉末を気化させて、該容器内の雰囲気を、B元素を含有する気相雰囲気として、SiサイトにBを置換したc軸配向アパタイトLa9.33+x-aYa(Si4.7B1.3)O26+zを合成することができる。 As an example of this manufacturing method, a precursor obtained by firing a mixture of La2SiO5 and Y2SiO5 and B2O3 powder are placed in the same alumina container with a lid and heated at 1200°C to 1700°C to vaporize the B2O3 powder , and the atmosphere in the container becomes a gas phase atmosphere containing B element, and c-axis oriented apatite La9.33+x-aYa ( Si4.7B1.3 ) O26+z in which B is substituted at the Si site can be synthesized.
気相-固相拡散工程における加熱温度(すなわち加熱炉の設定温度)は、1000℃以上が好ましく、中でも1100℃以上が好ましく、その中でも特に1200℃以上とするのが好ましい。加熱温度の上限は特に限定されないが、アパタイト型の結晶構造を維持できる1700℃付近が上限温度となるものと解される。 The heating temperature in the gas-solid diffusion process (i.e., the set temperature of the heating furnace) is preferably 1000°C or higher, more preferably 1100°C or higher, and even more preferably 1200°C or higher. There is no particular upper limit to the heating temperature, but it is understood that the upper limit temperature is around 1700°C, at which the apatite-type crystal structure can be maintained.
このようにして得られた酸化物イオン伝導体の表面に電極を配置して固体電解質接合体を得ることができる。電極は通常一対用いる。酸化物イオン伝導体の形状は限定的ではない。例えば平板状の他、円筒形状のような形態などもあり得る。酸化物イオン伝導体の形状が例えば平板状の場合、同一の板面に一対の電極を配したり、各板面に電極をそれぞれ配したりすることができる。酸化物イオン伝導体の形状が例えば円筒形状の場合、通常はその内周面と外周面に電極を配する。 A solid electrolyte junction can be obtained by disposing electrodes on the surface of the oxide ion conductor obtained in this manner. A pair of electrodes is usually used. The shape of the oxide ion conductor is not limited. For example, it can be flat or cylindrical. When the oxide ion conductor has a flat shape, for example, a pair of electrodes can be disposed on the same plate surface, or an electrode can be disposed on each plate surface. When the oxide ion conductor has a cylindrical shape, for example, electrodes are usually disposed on the inner and outer circumferential surfaces.
前記の固体電解質接合体を用いて各種の電気化学素子を得ることができる。電気化学素子としては、二酸化炭素ガスセンサや酸素センサ等の各種のガスセンサ、燃料電池、酸素分離膜、水電解などが挙げられる。 Various electrochemical elements can be obtained using the solid electrolyte junction. Examples of electrochemical elements include various gas sensors such as carbon dioxide gas sensors and oxygen sensors, fuel cells, oxygen separation membranes, and water electrolysis.
前記の固体電解質接合体を二酸化炭素ガスセンサとして用いる場合には、一対の電極における少なくとも検知極として、リチウムイオン伝導体、例えば炭酸リチウムを用いることができる。これまで知られていた酸化物イオン伝導体であるランタンシリケートを炭酸リチウムと組み合わせて用いると、該ランタンシリケートの劣化が生じたが、本発明の酸化物イオン伝導体は、炭酸リチウムと組み合わせて用いてもその劣化が抑制される。 When the solid electrolyte junction is used as a carbon dioxide gas sensor, a lithium ion conductor, for example, lithium carbonate, can be used as at least the sensing electrode of the pair of electrodes. When lanthanum silicate, a hitherto known oxide ion conductor, is used in combination with lithium carbonate, the lanthanum silicate deteriorates, but the oxide ion conductor of the present invention suppresses the deterioration even when used in combination with lithium carbonate.
前記の固体電解質接合体は燃料電池(SOFC)のセルとして使用することもできる。この場合には、例えば、該固体電解質接合体のアノード電極に燃料ガスを供給し、カソード電極に酸化剤(空気、酸素等)を供給して350~1000℃で動作させる。カソード電極では、電子を受け取った酸素原子がO2-イオンとなる。O2-イオンは酸化物イオン伝導体を介してアノード電極に到達し、ここで水素と結びつき電子を放出する。それによって発電が行われる。 The solid electrolyte assembly can also be used as a cell of a fuel cell (SOFC). In this case, for example, a fuel gas is supplied to the anode electrode of the solid electrolyte assembly, and an oxidant (air, oxygen, etc.) is supplied to the cathode electrode to operate the solid electrolyte assembly at 350 to 1000°C. At the cathode electrode, oxygen atoms that have received electrons become O 2- ions. The O 2- ions reach the anode electrode via the oxide ion conductor, where they combine with hydrogen and release electrons. This generates electricity.
前記の固体電解質接合体は酸素分離膜として使用することもできる。この場合には、燃料電池(SOFC)のセルとして使用する場合と同様に、カソード電極に空気を供給して350~1000℃で動作させる。カソード電極では、電子を受け取った酸素原子がO2-イオンとなる。O2-イオンは酸化物イオン伝導体を介してアノード電極に到達し、ここで電子を放出してO2-イオンどうしが結合することで酸素分子が生成する。その結果、酸素分子だけが酸化物イオン伝導体を透過、雰囲気中の他のガスと分離される。 The solid electrolyte assembly can also be used as an oxygen separation membrane. In this case, as in the case of use as a fuel cell (SOFC), air is supplied to the cathode electrode and the assembly is operated at 350 to 1000°C. At the cathode electrode, oxygen atoms that have received electrons become O 2- ions. The O 2- ions reach the anode electrode via the oxide ion conductor, where they release electrons and combine with each other to generate oxygen molecules. As a result, only the oxygen molecules pass through the oxide ion conductor and are separated from other gases in the atmosphere.
以上の各用途において、酸化物イオン伝導体の厚さは、電気抵抗を抑えること及び製造安定性の観点から、0.01μm以上1000μm以下であることが好ましく、中でも0.1μm以上500μm以下であることがより好ましい。前記の各用途に用いる電極は多孔質であることが好ましい。電極の材質は、当該用途における公知のものを適宜利用することができ、その厚さは0.01μm以上70μm以下程度であることが好ましい。 In each of the above applications, the thickness of the oxide ion conductor is preferably 0.01 μm or more and 1000 μm or less, and more preferably 0.1 μm or more and 500 μm or less, from the viewpoint of suppressing electrical resistance and manufacturing stability. The electrodes used in each of the above applications are preferably porous. The electrode material may be any known material for the application, and the thickness is preferably about 0.01 μm or more and 70 μm or less.
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。しかしながら本発明の範囲は、かかる実施例に制限されない。特に断らない限り、「%」は「質量%」を意味する。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples. However, the scope of the present invention is not limited to such examples. Unless otherwise specified, "%" means "% by mass."
〔実施例1〕
La2O3とSiO2とをモル比で1:1になるように配合し、エタノールを加えてボールミルで混合した。この混合物を乾燥させ、乳鉢で粉砕し、白金るつぼを使用して大気雰囲気下1650℃で3時間焼成した。次いで、この焼成物にエタノールを加えて遊星ボールミルで粉砕し、第1の予備焼成体粉末を得た。
この操作とは別に、Y2O3とSiO2とをモル比で1:1になるように配合し、エタノールを加えてボールミルで混合した。この混合物を乾燥させ、乳鉢で粉砕し、白金るつぼを使用して大気雰囲気下1650℃で3時間焼成した。次いで、この焼成物にエタノールを加えて遊星ボールミルで粉砕し、第2の予備焼成体粉末を得た。
第1の予備焼成体粉末と第2の予備焼成体粉末との混合物にエタノールを加えてボールミルで混合した。両者の混合比率は、目的とする酸化物イオン伝導体に含まれるLaとYとの比率が以下の表1に示す値となるように設定した。得られた混合粉末を20mmφの成形器に入れて一方向から加圧して一軸成形した後、更に700MPaで1分間冷間等方圧加圧(CIP)を行ってペレットを成形した。このペレットを大気中、1650℃で3時間加熱して前駆体を得た。
得られた前駆体800mgと、B2O3粉末140mgとを、蓋付き匣鉢内に入れて、電気炉を用いて大気中、1550℃(炉内雰囲気温度)で50時間加熱し、匣鉢内にB2O3蒸気を発生させるとともに、B2O3蒸気と前駆体とを反応させた。このようにして、目的とする酸化物イオン伝導体を得た。
Example 1
La2O3 and SiO2 were mixed in a molar ratio of 1:1, and ethanol was added and mixed in a ball mill. This mixture was dried, crushed in a mortar, and fired in an air atmosphere at 1650°C for 3 hours using a platinum crucible. Ethanol was then added to the fired product and it was pulverized in a planetary ball mill to obtain a first pre-fired powder.
Separately from this operation, Y2O3 and SiO2 were mixed in a molar ratio of 1:1, ethanol was added, and the mixture was mixed in a ball mill. This mixture was dried, pulverized in a mortar, and fired in an air atmosphere at 1650°C for 3 hours using a platinum crucible. Next, ethanol was added to this fired product, and it was pulverized in a planetary ball mill to obtain a second pre-fired powder.
Ethanol was added to the mixture of the first pre-calcined powder and the second pre-calcined powder, and mixed in a ball mill. The mixing ratio of the two was set so that the ratio of La and Y contained in the target oxide ion conductor was the value shown in Table 1 below. The obtained mixed powder was placed in a 20 mmφ molding machine and pressed from one direction to perform uniaxial molding, and then further cold isostatic pressing (CIP) was performed at 700 MPa for 1 minute to form a pellet. The pellet was heated in air at 1650°C for 3 hours to obtain a precursor.
800 mg of the obtained precursor and 140 mg of B2O3 powder were placed in a sagger with a lid and heated in air at 1550°C (furnace atmosphere temperature) for 50 hours using an electric furnace to generate B2O3 vapor in the sagger and react the B2O3 vapor with the precursor. In this way, the desired oxide ion conductor was obtained.
〔実施例2及び3〕
実施例1において前駆体の製造に用いる第1の予備焼成体粉末と第2の予備焼成体粉末とを、目的とする酸化物イオン伝導体に含まれるLaとYとの比率が以下の表1に示す値となるように混合した。これ以外は実施例1と同様にして酸化物イオン伝導体を得た。
[Examples 2 and 3]
The first pre-calcined powder and the second pre-calcined powder used in producing the precursor in Example 1 were mixed so that the ratio of La to Y contained in the target oxide ion conductor was the value shown in the following Table 1. Except for this, an oxide ion conductor was obtained in the same manner as in Example 1.
〔比較例1〕
実施例1において、前駆体の製造に、第1の予備焼成体粉末のみを用い、第2の予備焼成体粉末は用いなかった。これ以外は実施例1と同様にして酸化物イオン伝導体を得た。
Comparative Example 1
An oxide ion conductor was obtained in the same manner as in Example 1, except that only the first pre-calcined powder was used in the production of the precursor, and the second pre-calcined powder was not used.
〔比較例2及び3〕
実施例1において前駆体の製造に用いる第1の予備焼成体粉末と第2の予備焼成体粉末とを、目的とする酸化物イオン伝導体に含まれるLaとYとの比率が以下の表1に示す値となるように混合した。これ以外は実施例1と同様にして酸化物イオン伝導体を得た。
[Comparative Examples 2 and 3]
The first pre-calcined powder and the second pre-calcined powder used in producing the precursor in Example 1 were mixed so that the ratio of La to Y contained in the target oxide ion conductor was the value shown in the following Table 1. Except for this, an oxide ion conductor was obtained in the same manner as in Example 1.
〔評価〕
実施例及び比較例で得られた酸化物イオン伝導体について、以下の方法でXRD測定を行い004回折ピークの角度を求めた。また、以下の方法で配向度を測定した。更に、以下の方法で酸化物イオン伝導度を測定した。更に、以下の方法で炭酸リチウムからなる電極を配した後の安定性を評価した。それらの結果を以下の表1及び図1に示す。
〔evaluation〕
The oxide ion conductors obtained in the examples and comparative examples were subjected to XRD measurement by the following method to determine the angle of the 004 diffraction peak. The degree of orientation was also measured by the following method. Furthermore, the oxide ion conductivity was measured by the following method. Furthermore, the stability after disposing an electrode made of lithium carbonate was evaluated by the following method. The results are shown in Table 1 below and FIG. 1.
〔XRD測定〕
XRD測定装置としてRigaku製RINT-TTRIIIを用いた。線源としてCuKα1線(λ=1.5418Å)を用いた。更に、以下の条件を用いて2θ=10°から80°までの範囲で測定を行った。
[XRD Measurement]
The XRD measurement device used was a RINT-TTRIII manufactured by Rigaku Corporation. The radiation source used was CuKα1 radiation (λ=1.5418 Å). Furthermore, measurements were performed in the range of 2θ=10° to 80° under the following conditions.
〔配向度〕
以下に示す式を用い、ロットゲーリング法でc軸の配向度を算出した。実施例及び比較例で得られた酸化物イオン伝導体を対象としたXRD測定で得られた全ピーク強度の総和と(002)面及び(004)面に帰属されるピーク強度の和の比ρを用い、式(3)から配向度fを算出した。
f=(ρ-ρ0)/(1-ρ0) (1)
式中、ρ0:理論値
ρ0=ΣI0(00l)/ΣI0(hkl)
ρ:測定値
ρ=ΣI(00l)/ΣI(hkl)
[Degree of orientation]
The degree of orientation of the c-axis was calculated by the Lotgering method using the following formula: The degree of orientation f was calculated from formula (3) using the ratio ρ of the sum of all peak intensities obtained in XRD measurements of the oxide ion conductors obtained in the examples and comparative examples to the sum of peak intensities attributable to the (002) plane and the (004) plane.
f=(ρ-ρ 0 )/(1-ρ 0 ) (1)
In the formula, ρ 0 : theoretical value
ρ 0 = ΣI 0 (00l)/ΣI 0 (hkl)
ρ: Measured value
ρ=ΣI(00l)/ΣI(hkl)
〔酸化物イオン伝導度〕
実施例及び比較例で得られた酸化物イオン伝導体の両面にスパッタリング法を用いて150nm厚の白金膜を製膜して電極を形成し、固体電解質接合体を得た。この固体電解質接合体を加熱炉内に載置し、炉内の温度を500℃に設定し、インピーダンス測定装置を用いて周波数0.1Hz~32MHzの範囲で複素インピーダンス解析を行った。各固体電解質接合体について、全抵抗成分(粒内抵抗+粒界抵抗)から酸化物イオン伝導率(S/cm)を求めた。
[Oxide ion conductivity]
A platinum film having a thickness of 150 nm was formed by sputtering on both sides of the oxide ion conductor obtained in the examples and comparative examples to form electrodes, thereby obtaining a solid electrolyte joint. The solid electrolyte joint was placed in a heating furnace, the temperature in the furnace was set to 500° C., and complex impedance analysis was performed using an impedance measuring device at a frequency range of 0.1 Hz to 32 MHz. The oxide ion conductivity (S/cm) of each solid electrolyte joint was calculated from the total resistance component (intragranular resistance + grain boundary resistance).
〔安定性〕
エチルセルロースを含有するα-テルピネオールに分散させた5wt%の炭酸リチウムペーストを、実施例及び比較例で得られた酸化物イオン伝導体の一面に筆で塗布した。次いで酸化物イオン伝導体を、大気中、750℃で1時間焼成し、炭酸リチウムからなる電極を形成し、固体電解質接合体を得た。この固体電解質接合体を25℃・30%RH以上の環境下に5日間静置し、酸化物イオン伝導体の劣化の有無を以下の基準で評価した。
〇:目視上、焼結体の形状を維持しており、固体電解質表面に電極形成が行える。
×:目視上、焼結体の形状を維持しておらず、粉末状に変化しているため、電解質表面に電極形成が行えない。
〔Stability〕
A 5 wt % lithium carbonate paste dispersed in α-terpineol containing ethyl cellulose was applied with a brush to one side of the oxide ion conductor obtained in the examples and comparative examples. The oxide ion conductor was then fired in air at 750°C for 1 hour to form an electrode made of lithium carbonate, thereby obtaining a solid electrolyte joint. This solid electrolyte joint was left to stand for 5 days in an environment of 25°C and 30% RH or higher, and the presence or absence of deterioration of the oxide ion conductor was evaluated according to the following criteria.
◯: The shape of the sintered body is visually maintained, and electrodes can be formed on the surface of the solid electrolyte.
×: Visually, the shape of the sintered body was not maintained and it had changed to a powder-like state, so that an electrode could not be formed on the electrolyte surface.
表1に示す結果から明らかなとおり、各実施例で得られた酸化物イオン伝導体は、c軸配向したアパタイト型の結晶構造を有するものであり、特定の回折角の範囲に004回折ピークを示すものであることが判る。なお、XRDの測定結果から、酸化物イオン伝導体に含まれるYはLaのサイトに存在していることを本発明者は確認した。
各実施例で得られた酸化物イオン伝導体は、比較例の酸化物イオン伝導体と同等の酸化物イオン伝導度を有しつつ、炭酸リチウムに対して安定であることが判る。
As is clear from the results shown in Table 1, the oxide ion conductors obtained in the respective examples have apatite-type crystal structure oriented along the c-axis, and show a 004 diffraction peak in a specific range of diffraction angles. The inventors have confirmed from the results of XRD that Y contained in the oxide ion conductors exists at La sites.
It is apparent that the oxide ion conductors obtained in the examples have oxide ion conductivity equivalent to that of the oxide ion conductors of the comparative examples, and are stable against lithium carbonate.
Claims (4)
式(1):A 9.33+x-a Y a [Si 6.00-y M y ]O 26.00+z (式中、Aは、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yb、Lu、Be、Mg、Ca、Sr、及びBaからなる群から選ばれた一種又は二種以上の元素であり、少なくともLaを含み、
Mは、Mg、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Zr、Ta、Nb、B、Zn、Sn、W及びMoからなる群から選ばれた一種又は二種以上の元素であり、少なくともBを含む。
xは-1.33以上1.50以下の数である。yは0.00以上3.00以下の数である。zは-5.00以上5.20以下の数である。aは0.6以上2.6以下の数である。Siのモル数に対するAのモル数の比率は1.40以上3.00以下である。)で表される、酸化物イオン伝導体。 An oxide ion conductor containing a rare earth element, silicon (Si) element, and oxygen (O) element, in which a 004 diffraction peak is observed at 2θ=51.9°±0.9° in an X-ray diffraction pattern measured by a powder X-ray diffractometer using CuKα1 radiation, and which has an apatite-type crystal structure,
Formula (1): A 9.33+x-a Y a [Si 6.00-y M y ]O 26.00+z (wherein A is one or more elements selected from the group consisting of La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, Lu, Be, Mg, Ca, Sr, and Ba, and contains at least La;
M is one or more elements selected from the group consisting of Mg, Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Ga, Zr, Ta, Nb, B, Zn, Sn, W, and Mo, and contains at least B.
The oxide ion conductor represented by the formula (1) is an oxide ion conductor having a molecular weight of 1.00 or more and a molecular weight of 1.50 or less. ...
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