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JP7684286B2 - Lithium-ion conductive glass ceramics - Google Patents
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Description

本発明は、リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスに関する。 The present invention relates to lithium ion conductive glass ceramics.

近年、電気自動車用電源、携帯電話端末用電源などの用途で、エネルギー密度が高く、充放電が可能なリチウムイオン二次電池が広く用いられている。
現在市販されているリチウムイオン二次電池の多くは、高いエネルギー密度を有するようにするために液体電解質(電解液)が使用されている。そして、この電解液としては、炭酸エステルや環状エステル等の非プロトン性有機溶媒などにリチウム塩を溶解させたものが用いられている。
2. Description of the Related Art In recent years, lithium-ion secondary batteries, which have high energy density and are capable of being charged and discharged, have been widely used for applications such as power sources for electric vehicles and mobile phone terminals.
Many of the lithium ion secondary batteries currently available on the market use a liquid electrolyte (electrolytic solution) to achieve high energy density, and the electrolyte is made by dissolving a lithium salt in an aprotic organic solvent such as a carbonate ester or a cyclic ester.

しかし、液体電解質(電解液)を用いたリチウムイオン二次電池においては、電解液が漏出するという危険性がある。また、電解液に一般的に用いられる有機溶媒などは揮発性がある可燃性物質であり、安全上、好ましくないという問題がある。However, in lithium-ion secondary batteries that use liquid electrolytes (electrolytic solutions), there is a risk of the electrolyte leaking. In addition, organic solvents that are commonly used in electrolytes are volatile and flammable, which poses safety concerns.

そこで、リチウムイオン二次電池の電解質として、有機溶媒などの液体電解質(電解液)に替えて、固体電解質を用いることが提案されている。さらに、電解質として固体電解質を用いるとともに、その他の構成要素も全て固体で構成された全固体二次電池の開発が進められている。
なお、全固体二次電池の固体電解質に求められる特性としては、リチウムイオン伝導性、耐還元性、焼成時の安定性、経時安定性などが代表的なものとして挙げられる。
Therefore, it has been proposed to use a solid electrolyte as the electrolyte for lithium-ion secondary batteries instead of a liquid electrolyte (electrolytic solution) such as an organic solvent. Furthermore, development of an all-solid-state secondary battery that uses a solid electrolyte as the electrolyte and has other components all made of solids is underway.
Representative properties required for the solid electrolyte of an all-solid-state secondary battery include lithium ion conductivity, reduction resistance, stability during firing, and stability over time.

例えば、特許文献1には、活物質を含む正極および活物質を含む負極の間に介在させる固体電解質として、Li1+x+zx(Ge1-yTiy2-xSiz3-z12(但し、0≦x≦0.8、0≦y≦1.0、0≦z≦0.6、M=Al、Gaから選ばれる1種以上)の結晶相を含有するガラスセラミックスを含む固体電解質が開示されている。また、非特許文献1には、固体電解質として用いる、室温での高いリチウムイオン伝導性を備えたNASICON型のLi1.150.15Zr1.85(PO43が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a solid electrolyte containing a glass ceramic containing a crystal phase of Li1 +x+zMx ( Ge1 - yTiy ) 2- xSizP3 - zO12 (where 0≦x≦0.8, 0≦y≦1.0, 0≦z≦0.6, M=one or more selected from Al and Ga) as a solid electrolyte to be interposed between a positive electrode containing an active material and a negative electrode containing an active material. In addition, Non-Patent Document 1 discloses NASICON type Li1.15Y0.15Zr1.85 ( PO4 ) 3 having high lithium ion conductivity at room temperature for use as a solid electrolyte.

特開2009-181921号公報JP 2009-181921 A

Journal of Power Sources 240(2013) 50-53Journal of Power Sources 240 (2013) 50-53

しかしながら、特許文献1に記載のガラスセラミックスは構成成分としてTiを含むため、25℃における耐還元性が2.5V(vs.Li)程度であり、固体電解質として使用する場合においてLi4Ti512やTiO2などの低電位な負極活物質を用いることができないという課題がある。 However, since the glass ceramic described in Patent Document 1 contains Ti as a constituent component, its reduction resistance at 25°C is about 2.5 V (vs. Li), and when used as a solid electrolyte, there is a problem that low - potential negative electrode active materials such as Li4Ti5O12 and TiO2 cannot be used.

そして、非特許文献1に記載の固体電解質は、本発明者らの調べでは25℃における耐還元性が1.5V(vs.Li)以下まで改善されており、また25℃におけるリチウムイオン伝導度も0.7×10-4S・cm-1と比較的高いことが報告されている。しかしながら、この固体電解質の製造においては、粒成長を抑制するために、高温で通電し圧力をかけながら焼成する通電焼結法(SPS)を用いる必要があり、工業的には課題が大きい。また、これは非晶質がほとんど含まれない(ほとんどが結晶相である)固体電解質となるため、ガラスセラミックスを得ることは難しい。なお、通電焼結法を用いないでこの固体電解質を製造した場合には、粒成長が顕著で、得られる固体電解質の粒界抵抗(粒子間の接触界面で生じるイオン伝導の抵抗)が高くなり、リチウムイオン伝導度は1.0×10-5S・cm-1未満となる。 According to the inventors' investigation, the solid electrolyte described in Non-Patent Document 1 has been improved in reduction resistance at 25° C. to 1.5 V (vs. Li) or less, and has been reported to have a relatively high lithium ion conductivity of 0.7×10 −4 S·cm −1 at 25° C. However, in order to suppress grain growth, it is necessary to use a current sintering method (SPS) in which electricity is applied at high temperatures and pressure is applied while sintering, which is an industrially significant problem. In addition, this results in a solid electrolyte that contains almost no amorphous matter (mostly crystalline phase), making it difficult to obtain glass ceramics. Note that when this solid electrolyte is produced without using the current sintering method, grain growth is significant, and the grain boundary resistance (resistance to ion conduction occurring at the contact interface between particles) of the obtained solid electrolyte is high, and the lithium ion conductivity is less than 1.0×10 −5 S·cm −1 .

そこで本発明は、工業的に容易に製造することができ、且つ、粒界抵抗が低く、高いリチウムイオン伝導性および高い耐還元性を有する、全固体二次電池などの固体電解質として使用可能なリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを提供することを目的とする。Therefore, the present invention aims to provide a lithium ion conductive glass ceramic that can be easily produced industrially, has low grain boundary resistance, high lithium ion conductivity and high reduction resistance, and can be used as a solid electrolyte for all-solid-state secondary batteries, etc.

上記課題を解決するために本発明者は鋭意検討し、酸化物基準のモル%で、Li2O成分を10~20%、P25成分を30~40%、ZrO2成分を40~50%、Y23成分を0~4%、Al23成分を0~3%、GeO2成分を0~2%含有し、菱面体晶系のNASICON型構造である結晶相を含み、X線回折およびリートベルト解析により同定されたこの結晶相のa軸格子定数が8.872Å以上であるリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスが、工業的に容易に製造することが可能であり、且つ、粒界抵抗が低く、高いリチウムイオン伝導性および高い耐還元性を有するガラスセラミックスであることを見出し、本発明を完成させた。 In order to solve the above problems, the present inventors have conducted extensive research and have found that a lithium ion conductive glass ceramic containing, in mole percent on an oxide basis, 10-20% Li2O , 30-40% P2O5 , 40-50% ZrO2, 0-4% Y2O3 , 0-3 % Al2O3 , and 0-2% GeO2 , which contains a crystalline phase having a rhombohedral NASICON structure and in which the a-axis lattice constant of this crystalline phase, as identified by X-ray diffraction and Rietveld analysis, is 8.872 Å or more, can be easily produced industrially, and has low grain boundary resistance, high lithium ion conductivity, and high reduction resistance, thereby completing the present invention.

すなわち、本発明は次の(1)~(10)である。
(1)酸化物基準のモル%で、Li2O成分を10~20%、P25成分を30~40%、ZrO2成分を40~50%、Y23成分を0~4%、Al23成分を0~3%、GeO2成分を0~2%含有し、菱面体晶系のNASICON型構造である結晶相を含み、X線回折およびリートベルト解析により同定された前記結晶相のa軸格子定数が8.872Å以上である、リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
(2)X線回折およびリートベルト解析により同定された結晶成分の質量和が、全質量に対して97質量%未満である、(1)に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
(3)前記結晶相は、LiZr2(PО43α相および/またはLiZr2(PО43α´相を含む、(1)または(2)に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
(4)X線回折およびリートベルト解析により同定された前記LiZr2(PО43α相の質量が、全質量に対して80質量%以上である、(3)に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
(5)酸化物基準のモル%で、SiO2成分を0.1~5%含有する、(1)~(4)のいずれか1つに記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
(6)前記リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス全体において、含有するSiの価数が3.5価以上3.9価未満である、(5)に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
(7)前記リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス全体において、含有するSiへのOの配位数が5以上7以下である、(5)または(6)に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
(8)25℃におけるリチウムイオン伝導度が1.0×10-5S・cm-1以上の粉末である、(1)~(7)のいずれか1つに記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
(9)25℃におけるリチウムイオン伝導度が7.0×10-5S・cm-1以上および厚みが300μm以下の基板である、(1)~(7)のいずれか1つに記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
(10)前記基板の最外殻粒子層における粒子の最大粒子径が30μm以下であり、且つ前記粒子の平均粒子径が15μm以下である、(9)に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
That is, the present invention relates to the following (1) to (10).
(1) A lithium ion conductive glass-ceramic containing, in mole percent on an oxide basis, 10-20% Li2O, 30-40% P2O5 , 40-50% ZrO2 , 0-4% Y2O3 , 0-3% Al2O3 , and 0-2% GeO2 , and containing a rhombohedral NASICON structure crystal phase, the a-axis lattice constant of which, as identified by X-ray diffraction and Rietveld analysis, is 8.872 Å or more.
(2) The lithium ion conductive glass-ceramics according to (1), in which the sum of the masses of crystalline components identified by X-ray diffraction and Rietveld analysis is less than 97 mass% of the total mass.
(3) The lithium ion conductive glass-ceramics according to (1) or (2), wherein the crystal phase includes a LiZr 2 (PO 4 ) 3 α phase and/or a LiZr 2 (PO 4 ) 3 α' phase.
(4) The lithium ion conductive glass-ceramics according to (3), wherein the mass of the LiZr 2 (PO 4 ) 3 α phase identified by X-ray diffraction and Rietveld analysis is 80 mass % or more based on the total mass.
(5) The lithium ion conductive glass ceramic according to any one of (1) to (4), containing 0.1 to 5% of a SiO 2 component, in mole percent based on oxide.
(6) The lithium ion conductive glass ceramic according to (5), wherein the valence of Si contained in the entire lithium ion conductive glass ceramic is 3.5 or more and less than 3.9.
(7) The lithium ion conductive glass ceramic according to (5) or (6), wherein the coordination number of O to Si contained in the lithium ion conductive glass ceramic is 5 or more and 7 or less in the entire lithium ion conductive glass ceramic.
(8) The lithium ion conductive glass ceramic according to any one of (1) to (7), which is a powder having a lithium ion conductivity at 25° C. of 1.0×10 −5 S·cm −1 or more.
(9) The lithium ion conductive glass ceramic according to any one of (1) to (7), which is a substrate having a lithium ion conductivity at 25° C. of 7.0×10 −5 S·cm −1 or more and a thickness of 300 μm or less.
(10) The lithium ion conductive glass ceramic according to (9), wherein the maximum particle size of the particles in the outermost particle layer of the substrate is 30 μm or less, and the average particle size of the particles is 15 μm or less.

本発明によれば、工業的に容易に製造することができ、且つ、粒界抵抗が低く、高いリチウムイオン伝導性および高い耐還元性を有するリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを得ることができる。そして、このリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスは、その高い耐還元性により低電位側に広い電位窓を有する固体電解質となり、これにより低電位の電極活物質と高電位の電極活物質とを組み合わせて使用することができ、結果として高電圧の電池を得ることができるため、全固体二次電池や海水電池などの固体電解質として好適に用いることができる。According to the present invention, it is possible to obtain a lithium ion conductive glass ceramic that can be easily manufactured industrially, has low grain boundary resistance, high lithium ion conductivity, and high reduction resistance. This lithium ion conductive glass ceramic is a solid electrolyte with a wide potential window on the low potential side due to its high reduction resistance, and can therefore be used in combination with low potential electrode active materials and high potential electrode active materials, resulting in a high voltage battery. Therefore, it can be suitably used as a solid electrolyte for all-solid-state secondary batteries, seawater batteries, and the like.

実施例2の固体電解質ペレットのインピーダンス測定結果(Cole-Cole Plot)を示すグラフである。1 is a graph showing the impedance measurement results (Cole-Cole Plot) of the solid electrolyte pellets of Example 2. 比較例1の固体電解質ペレットにおける最外殻粒子層の二次電子像である(図面代用写真)。1 is a secondary electron image of an outermost particle layer in a solid electrolyte pellet of Comparative Example 1 (a photograph substituted for a drawing). 実施例1の固体電解質ペレットにおける最外殻粒子層の二次電子像である(図面代用写真)。1 is a secondary electron image of an outermost particle layer in a solid electrolyte pellet of Example 1 (a photograph substituted for a drawing). 実施例2の固体電解質ペレットにおける最外殻粒子層の二次電子像である(図面代用写真)。1 is a secondary electron image of an outermost particle layer in a solid electrolyte pellet of Example 2 (a photograph substituted for a drawing). 実施例1(初期品、1年後)および実施例2(初期品、1年後)の固体電解質ペレットにおけるLiZr2(PO43α相のa軸格子定数と、リチウムイオン伝導度(S・cm-1)との関係を示すグラフである。1 is a graph showing the relationship between the a-axis lattice constant of the LiZr 2 (PO 4 ) 3 α-phase and the lithium ion conductivity (S·cm −1 ) in the solid electrolyte pellets of Example 1 (initial product, after one year) and Example 2 (initial product, after one year). 実施例1の固体電解質ペレット(点線)および実施例2の固体電解質ペレット(実線)のサイクリックボルタモグラムである。1 shows cyclic voltammograms of the solid electrolyte pellet of Example 1 (dotted line) and the solid electrolyte pellet of Example 2 (solid line). 実施例2の固体電解質粉末およびSiO2粉末のXAFS解析結果である。1 shows the results of XAFS analysis of the solid electrolyte powder and SiO 2 powder of Example 2. 実施例2の固体電解質粉末およびSiO2粉末おけるSiのK端EXAFSデータ(吸収端強度により規格化)である。1 shows Si K-edge EXAFS data (normalized by absorption edge intensity) for the solid electrolyte powder and SiO 2 powder of Example 2. 実施例2の固体電解質粉末およびSiO2粉末おけるSiのK端EXAFS振動関数データ(k2重み付き)である。1 shows Si K-edge EXAFS vibration function data ( k2 weighted) for the solid electrolyte powder and SiO2 powder of Example 2. 実施例2~6の固体電解質ペレットにおける、Yの比率がリチウムイオン伝導度(S・cm-1、実線)および密度(g/cm3、点線)に与える影響を示すグラフである。1 is a graph showing the effect of the ratio of Y on the lithium ion conductivity (S·cm −1 , solid line) and density (g/cm 3 , dotted line) in the solid electrolyte pellets of Examples 2 to 6. 実施例1~2、7~9の固体電解質ペレットにおける、Siの比率がリチウムイオン伝導度(S・cm-1、実線)および密度(g/cm3、点線)に与える影響を示すグラフである。1 is a graph showing the effect of the Si ratio on the lithium ion conductivity (S·cm −1 , solid line) and density (g/cm 3 , dotted line) in the solid electrolyte pellets of Examples 1 to 2 and 7 to 9. 実施例3~6(白抜きプロット)および実施例1~2、7~9(黒塗りプロット)の固体電解質ペレットにおける、Yの比率またはSiの比率の変動により変化したLiZr2(PO43α相のa軸格子定数(Å)がリチウムイオン伝導度(S・cm-1)に与える影響を示すグラフである。1 is a graph showing the effect of the a-axis lattice constant (Å) of the LiZr2 (PO4) 3 α-phase, which is changed by varying the Y ratio or the Si ratio, on the lithium ion conductivity (S·cm−1) in the solid electrolyte pellets of Examples 3 to 6 (open plots) and Examples 1 to 2 and 7 to 9 (filled plots). 実施例11の固体電解質基板のインピーダンス測定結果(Cole-Cole Plot)を示すグラフである。1 is a graph showing the impedance measurement results (Cole-Cole Plot) of the solid electrolyte substrate of Example 11. 実施例11の固体電解質基板における最外殻粒子層の二次電子像である(図面代用写真)。13 is a secondary electron image of an outermost particle layer in a solid electrolyte substrate of Example 11 (a photograph substituted for a drawing). 実施例11の固体電解質基板における最外殻粒子層の二次電子像から粒子の粒径測定を行っている状態である(図面代用写真)。13 is a diagram showing a state in which particle size measurement is being performed from a secondary electron image of the outermost particle layer in the solid electrolyte substrate of Example 11 (a photograph as a substitute for a drawing).

本発明について説明する。
本発明は、酸化物基準のモル%で、Li2O成分を10~20%、P25成分を30~40%、ZrO2成分を40~50%、Y23成分を0~4%、Al23成分を0~3%、GeO2成分を0~2%含有し、菱面体晶系のNASICON型構造である結晶相を含み、X線回折およびリートベルト解析により同定されたこの結晶相のa軸格子定数が8.872Å以上であるリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスである。
以下においては、これを「本発明のガラスセラミックス」という場合もある。
The present invention will now be described.
The present invention relates to a lithium ion conductive glass-ceramic containing, in mole percent on an oxide basis, 10 to 20% Li2O , 30 to 40% P2O5 , 40 to 50% ZrO2 , 0 to 4% Y2O3 , 0 to 3 % Al2O3 , and 0 to 2% GeO2 , and containing a crystalline phase with a rhombohedral NASICON structure, the a-axis lattice constant of this crystalline phase being 8.872 Å or more as identified by X-ray diffraction and Rietveld analysis.
Hereinafter, this may be referred to as the "glass ceramic of the present invention."

ここで、本発明において「ガラスセラミックス」とは、原料ガラスを熱処理することにより結晶相を析出させて得られるものであり、熱処理により形成された結晶相とアモルファス相(非晶質相)とを含む。つまり、セラミックスとガラスとの混合物である。
また、本発明のガラスセラミックスに含まれる各成分の含有量は、特に断りがない限り、全て酸化物基準のモル%で表す。なお、この「酸化物基準のモル%」で表す組成とは、本発明のガラスセラミックスの原料として使用される酸化物、複合塩、金属弗化物等が溶融時に全て分解され酸化物に変化すると仮定した場合に、当該生成酸化物の総モル数を100モル%として、本発明のガラスセラミックス中に含まれる各成分を表記した組成である。
Here, in the present invention, the term "glass ceramics" refers to a material obtained by heat-treating a raw glass to cause precipitation of a crystalline phase, and includes the crystalline phase formed by the heat treatment and an amorphous phase (non-crystalline phase). In other words, it is a mixture of ceramics and glass.
The content of each component contained in the glass ceramic of the present invention is expressed in terms of mol% based on oxide unless otherwise specified. The composition expressed in "mol% based on oxide" refers to a composition in which each component contained in the glass ceramic of the present invention is expressed with the total number of moles of the generated oxides being 100 mol%, assuming that the oxides, composite salts, metal fluorides, etc. used as raw materials for the glass ceramic of the present invention are all decomposed and converted to oxides during melting.

<構成成分>
まず、本発明のガラスセラミックスを構成する各成分について詳細に説明する。
<Components>
First, each component constituting the glass ceramic of the present invention will be described in detail.

Li2O成分は、本発明のガラスセラミックスにリチウムイオン伝導性を付与する必須成分である。そのため、Li2O成分の含有量は、10%、好ましくは12%、より好ましくは14%を下限とする。一方で、本発明のガラスセラミックスの化学的耐久性を高めて固体電解質層などとしたときの形態安定性を高めることができることから、Li2O成分の含有量は、20%、好ましくは18%、より好ましくは16%を上限とする。 The Li2O component is an essential component for imparting lithium ion conductivity to the glass ceramic of the present invention. Therefore, the lower limit of the content of the Li2O component is 10%, preferably 12%, and more preferably 14%. On the other hand, since the chemical durability of the glass ceramic of the present invention can be increased to improve the morphological stability when used as a solid electrolyte layer, the upper limit of the content of the Li2O component is 20%, preferably 18%, and more preferably 16%.

25成分は、本発明のガラスセラミックス中に菱面体晶系のNASICON型構造である結晶相を形成させるのに必要な必須成分である。そのため、P25成分の含有量は、30%、好ましくは33%、より好ましくは35%を下限とする。一方で、他の結晶相などの形成を抑制し、形成される結晶相のリチウムイオン伝導度を低下し難くできることから、P25成分の含有量は、40%、好ましくは39%、より好ましくは38%を上限とする。 The P2O5 component is an essential component necessary for forming a crystal phase having a rhombohedral NASICON structure in the glass ceramics of the present invention. Therefore, the content of the P2O5 component is set to 30%, preferably 33%, more preferably 35% as the lower limit. On the other hand, the content of the P2O5 component is set to 40%, preferably 39%, more preferably 38%, as the content of the P2O5 component can suppress the formation of other crystal phases and make it difficult to reduce the lithium ion conductivity of the formed crystal phase.

ZrO2成分は、本発明のガラスセラミックス中のリチウムイオン伝導性を有する結晶相に対して、還元による分解を起こり難くできる必須成分である。そのため、ZrO2成分の含有量は、40%、好ましくは42%、より好ましくは44%を下限とする。一方で、菱面体晶系のNASICON型構造である結晶相を形成し易くできることから、ZrO2成分の含有量は、50%、好ましくは48%、より好ましくは47%を上限とする。 The ZrO2 component is an essential component that can make the crystal phase having lithium ion conductivity in the glass ceramic of the present invention less susceptible to decomposition due to reduction. Therefore, the content of the ZrO2 component is set to 40%, preferably 42%, more preferably 44% as the lower limit. On the other hand, since it can easily form a crystal phase having a rhombohedral NASICON structure, the content of the ZrO2 component is set to 50%, preferably 48%, more preferably 47% as the upper limit.

なお、本発明のガラスセラミックス中におけるLi2O成分に対するP25成分のモル比(P25成分/Li2O成分)は2.0~3.0であるとより好ましく、また、Li2O成分に対するZrO2成分のモル比(ZrO2成分/Li2O成分)は2.5~3.5であるとより好ましい。 In addition, the molar ratio of the P 2 O 5 component to the Li 2 O component (P 2 O 5 component/Li 2 O component) in the glass ceramic of the present invention is more preferably 2.0 to 3.0, and the molar ratio of the ZrO 2 component to the Li 2 O component (ZrO 2 component/Li 2 O component) is more preferably 2.5 to 3.5.

23成分は、本発明のガラスセラミックス中の結晶相のリチウムイオン伝導性を調整でき、且つ結晶相の機械的強度や大きさなどを調整できる任意成分である。そのため、Y23成分の含有量は、好ましくは0.1%、より好ましくは0.5%、さらに好ましくは1%、さらに好ましくは1.2%を下限とするのが好適である。一方で、他の結晶相などの形成を抑制し、形成される結晶相のリチウムイオン伝導度を低下し難くできることから、Y23成分の含有量は4%を上限とし、より好ましくは3.5%、さらに好ましくは3.2%、さらに好ましくは3%、さらに好ましくは2.8%、さらに好ましくは2.5%、を上限とするのが好適である。
また、本発明のガラスセラミックス中におけるLi2O成分に対するY23成分のモル比(Y23成分/Li2O成分)は、0.05~0.26であるとより好ましく、0.05~0.20であるとさらに好ましい。
The Y2O3 component is an optional component that can adjust the lithium ion conductivity of the crystalline phase in the glass ceramic of the present invention and can adjust the mechanical strength and size of the crystalline phase. Therefore, the content of the Y2O3 component is preferably 0.1%, more preferably 0.5%, even more preferably 1%, and even more preferably 1.2% as the lower limit. On the other hand, since it is possible to suppress the formation of other crystalline phases and make it difficult to reduce the lithium ion conductivity of the formed crystalline phase, the content of the Y2O3 component is preferably 4 % as the upper limit, more preferably 3.5%, even more preferably 3.2%, even more preferably 3%, even more preferably 2.8%, and even more preferably 2.5% as the upper limit.
The molar ratio of the Y 2 O 3 component to the Li 2 O component (Y 2 O 3 component/Li 2 O component) in the glass ceramics of the present invention is more preferably 0.05 to 0.26, and even more preferably 0.05 to 0.20.

Al23成分も、Y23成分と同様に、本発明のガラスセラミックス中の結晶相のリチウムイオン伝導性を調整でき、且つこの結晶相の機械的強度や大きさなどを調整できる任意成分である。そのため、Al23成分の含有量は、好ましくは0.1%、より好ましくは0.5%、さらに好ましくは1%、さらに好ましくは1.2%を下限とするのが好適である。また、これもY23成分と同様に、他の結晶相などの形成を抑制し、形成される結晶相のリチウムイオン伝導度を低下し難くできることから、Al23成分の含有量は3%を上限とし、より好ましくは2.8%、さらに好ましくは2.5%を上限とするのが好適である。 The Al2O3 component, like the Y2O3 component, is an optional component that can adjust the lithium ion conductivity of the crystal phase in the glass ceramic of the present invention and can adjust the mechanical strength and size of the crystal phase. Therefore, the content of the Al2O3 component is preferably 0.1%, more preferably 0.5%, even more preferably 1%, and even more preferably 1.2% as the lower limit. Also, like the Y2O3 component , this can suppress the formation of other crystal phases and make it difficult to reduce the lithium ion conductivity of the formed crystal phase, so the content of the Al2O3 component is preferably 3 % as the upper limit, more preferably 2.8%, and even more preferably 2.5% as the upper limit.

GeO2成分は、本発明のガラスセラミックスの結晶化を促進する任意成分である。そのため、GeO2成分の含有量は、好ましくは0.1%、より好ましくは0.5%、さらに好ましくは1%を下限とするのが好適である。一方で、Y23成分やAl23成分と同様に形成される結晶相のリチウムイオン伝導度を低下し難くできることや、Zr成分との共存のし易さなどから、GeO2成分の含有量は2%を上限とし、好ましくは1.5%を上限とするのが好適である。 The GeO2 component is an optional component that promotes the crystallization of the glass ceramics of the present invention. Therefore, the content of the GeO2 component is preferably 0.1%, more preferably 0.5%, and even more preferably 1% as the lower limit. On the other hand, the content of the GeO2 component is preferably 2 % or less, and more preferably 1.5 % or less, because the lithium ion conductivity of the crystal phase formed in the same manner as the Y2O3 component and the Al2O3 component is less likely to decrease, and because the GeO2 component is easily coexistent with the Zr component.

SiO2成分は、本発明のガラスセラミックスの機械的強度を高め、またP25成分と部分的に置換することにより本発明のガラスセラミックスのリチウムイオン伝導性を向上させることができる任意成分である。そのため、SiO2成分の含有量は、好ましくは0.1%、より好ましくは0.5%、さらに好ましくは0.7%を下限とするのが好適である。一方で、所望の結晶相を形成し易くすることができ、且つ結晶どうしが隣接し易くなりリチウムイオン伝導度の低下を抑えることができることから、SiO2成分の含有量は、好ましくは5%、より好ましくは4%、さらに好ましくは3%、さらに好ましくは2.5%を上限とするのが好適である。
また、本発明のガラスセラミックス中におけるLi2O成分に対するSiO2成分のモル比(SiO2成分/Li2O成分)は、0.007~0.17であるとより好ましく、0.03~0.17であるとさらに好ましい。
The SiO2 component is an optional component that can increase the mechanical strength of the glass ceramic of the present invention and can improve the lithium ion conductivity of the glass ceramic of the present invention by partially replacing the P2O5 component. Therefore, the content of the SiO2 component is preferably set to 0.1%, more preferably 0.5%, and even more preferably 0.7% as the lower limit. On the other hand, since it is possible to easily form a desired crystal phase and the crystals are easily adjacent to each other, and the decrease in lithium ion conductivity can be suppressed, the content of the SiO2 component is preferably set to 5%, more preferably 4%, more preferably 3%, and even more preferably 2.5% as the upper limit.
The molar ratio of the SiO2 component to the Li2O component ( SiO2 component/ Li2O component) in the glass ceramics of the present invention is more preferably 0.007 to 0.17, and even more preferably 0.03 to 0.17.

CaO成分およびMgO成分は、価数のバランスによりLiを多く結晶相に含ませることによりリチウムイオン伝導性を高くすることができる任意成分である。そのため、CaO成分の含有量およびMgO成分の含有量はいずれも、好ましくは0.5%、より好ましくは1%、さらに好ましくは2%を下限とするのが好適である。一方で、本発明のガラスセラミックスのリチウムイオン伝導度低下を抑制することができることから、CaO成分の含有量およびMgO成分の含有量はいずれも、好ましくは5%、より好ましくは4%、さらに好ましくは3%を上限とするのが好適である。The CaO component and the MgO component are optional components that can increase the lithium ion conductivity by incorporating a large amount of Li into the crystal phase through a balance of valences. Therefore, it is preferable that the lower limit of the content of the CaO component and the content of the MgO component is preferably 0.5%, more preferably 1%, and even more preferably 2%. On the other hand, since it is possible to suppress the decrease in the lithium ion conductivity of the glass ceramic of the present invention, it is preferable that the upper limit of the content of the CaO component and the content of the MgO component is preferably 5%, more preferably 4%, and even more preferably 3%.

Sc23成分およびGa23成分は、Y23成分やAl23成分と同様に、本発明のガラスセラミックス中の結晶相のリチウムイオン伝導性を調整でき、且つ結晶相の大きさなどを調整できることができる任意成分である。そのため、Sc23成分の含有量およびGa23成分の含有量はいずれも、好ましくは0.1%、より好ましくは0.5%、さらに好ましくは1%を下限とするのが好適である。また、これもY23成分やAl23成分と同様に、他の結晶相などの形成を抑制し、形成される結晶相のリチウムイオン伝導度を低下し難くできることから、Sc23成分の含有量およびGa23成分の含有量はいずれも、好ましくは2%、より好ましくは1.5%を上限とするのが好適である。 The Sc 2 O 3 component and the Ga 2 O 3 component are optional components that can adjust the lithium ion conductivity of the crystal phase in the glass ceramic of the present invention, as well as the Y 2 O 3 component and the Al 2 O 3 component, and can adjust the size of the crystal phase. Therefore, the content of the Sc 2 O 3 component and the content of the Ga 2 O 3 component are preferably set to a lower limit of 0.1%, more preferably 0.5%, and even more preferably 1%. In addition, like the Y 2 O 3 component and the Al 2 O 3 component, this also suppresses the formation of other crystal phases and makes it difficult to reduce the lithium ion conductivity of the formed crystal phase, so that the content of the Sc 2 O 3 component and the content of the Ga 2 O 3 component are preferably set to an upper limit of 2%, more preferably 1.5%.

SnO2成分は、GeO2成分と同様に、本発明のガラスセラミックスの結晶化を促進する任意成分である。そのため、SnO2成分の含有量は、好ましくは0.1%、より好ましくは0.5%、さらに好ましくは1%を下限とするのが好適である。一方で、形成される結晶相のリチウムイオン伝導度を低下し難くできることから、SnO2成分の含有量は、好ましくは2%、より好ましくは1.5%を上限とするのが好適である。 The SnO2 component is an optional component that promotes the crystallization of the glass ceramic of the present invention, similar to the GeO2 component. Therefore, the content of the SnO2 component is preferably 0.1%, more preferably 0.5%, and even more preferably 1% as the lower limit. On the other hand, since the lithium ion conductivity of the formed crystal phase can be made difficult to decrease, the content of the SnO2 component is preferably 2%, more preferably 1.5% as the upper limit.

さらに、本発明のガラスセラミックスは、ホウ素(B)またはフッ素(F)を含む無機成分を含有していてもよい。 Furthermore, the glass ceramics of the present invention may contain inorganic components including boron (B) or fluorine (F).

一方、本発明のガラスセラミックスでは、チタン(Ti)の含有は極力低減することが好ましく(例えば1%未満、さらには0.1%未満など)、Tiを含有しないことがより好ましい。Ti成分を低減することで、耐還元性の低減を抑制することができるからである。また、Tiだけでなく、ニオブ(Nb)、バナジウム(V)、ニッケル(Ni)などの遷移金属成分についても、同様に極力低減することが好ましく、含有しないことがより好ましい。On the other hand, in the glass ceramics of the present invention, it is preferable to reduce the titanium (Ti) content as much as possible (for example, less than 1%, or even less than 0.1%), and it is more preferable to not contain Ti. This is because reducing the Ti component can suppress the reduction resistance from decreasing. In addition, it is also preferable to reduce not only Ti but also transition metal components such as niobium (Nb), vanadium (V), and nickel (Ni) as much as possible, and it is more preferable to not contain them at all.

さらに、本発明のガラスセラミックスでは、硫黄(S)成分の含有も極力低減することが好ましく、含有しないことがより好ましい。S成分の低減により全固体二次電池などにおいて硫化水素等の有害ガス発生の可能性を低減できるからである。また、リチウムイオン伝導性の低下を避けるために、Li以外のアルカリ金属(Na、K等)成分も極力低減することが好ましく、含有しないことがより好ましい。 Furthermore, in the glass ceramics of the present invention, it is preferable to reduce the content of sulfur (S) components as much as possible, and it is more preferable to not contain any. This is because reducing the S component can reduce the possibility of generating harmful gases such as hydrogen sulfide in all-solid-state secondary batteries. In addition, in order to avoid a decrease in lithium ion conductivity, it is preferable to reduce the content of alkali metals other than Li (Na, K, etc.) as much as possible, and it is more preferable to not contain any.

<結晶相等>
次に、本発明のガラスセラミックスに含まれる結晶相の構成、およびこの結晶相以外の相の構成について詳細に説明する。
<Crystal phase, etc.>
Next, the composition of the crystal phase contained in the glass ceramic of the present invention and the composition of the phases other than this crystal phase will be described in detail.

本発明のガラスセラミックスは、前述した各成分を所定量含有し、さらにこの各成分の少なくとも一部により構成される菱面体晶系のNASICON型構造である結晶相を含む。なお、本発明のガラスセラミックスに含まれる結晶相は、全て菱面体晶系のNASICON型構造あるのが好ましいが、他のリチウムイオン伝導性の結晶相(例えば、LISICON型、ペロブスカイト型、ガーネット型など)が一部含まれていてもよい。この場合でも、本発明のガラスセラミックスに含まれる全ての結晶相のうち、菱面体晶系のNASICON型構造である結晶相が80質量%以上であるのが好ましく、90質量%以上であるのがより好ましく、95質量%以上であるのがさらに好ましい。The glass ceramic of the present invention contains a predetermined amount of each of the above-mentioned components, and further contains a crystal phase having a rhombohedral NASICON structure composed of at least a portion of each of these components. It is preferable that all of the crystal phases contained in the glass ceramic of the present invention have a rhombohedral NASICON structure, but other lithium ion conductive crystal phases (e.g., LISICON type, perovskite type, garnet type, etc.) may be partially contained. Even in this case, of all the crystal phases contained in the glass ceramic of the present invention, the crystal phase having a rhombohedral NASICON structure is preferably 80 mass% or more, more preferably 90 mass% or more, and even more preferably 95 mass% or more.

そして、上記した菱面体晶系のNASICON型構造である結晶相を含む本発明のガラスセラミックスは、X線回折(XRD)およびリートベルト解析により同定されたこの結晶相のa軸格子定数が8.872Å以上である。この結晶相のa軸格子定数が所定以上に伸長していることにより、高いリチウムイオン伝導性を有するガラスセラミックスとなる。なお、このa軸格子定数は、8.874Å以上であるのがより好ましく、8.876Å以上であるのがさらに好ましく、8.878Å以上であるのがさらに好ましい。また、その上限は、8.892Å以下であるのが好ましく、8.889Å以下であるのがより好ましく、8.888Å以下であるのがさらに好ましい。 The glass ceramics of the present invention, which includes the above-mentioned crystal phase having a rhombohedral NASICON structure, have an a-axis lattice constant of 8.872 Å or more, as identified by X-ray diffraction (XRD) and Rietveld analysis. The a-axis lattice constant of the crystal phase is elongated to a predetermined value or more, resulting in a glass ceramic with high lithium ion conductivity. The a-axis lattice constant is preferably 8.874 Å or more, more preferably 8.876 Å or more, and even more preferably 8.878 Å or more. The upper limit is preferably 8.892 Å or less, more preferably 8.889 Å or less, and even more preferably 8.888 Å or less.

さらに、上記した菱面体晶系のNASICON型構造である結晶相を含む本発明のガラスセラミックスは、X線回折(XRD)およびリートベルト解析により同定された結晶成分(結晶相の成分)の質量和が、本発明のガラスセラミックスの全質量に対して97重量%未満であるのが好ましい。言い換えれば、本発明のガラスセラミックスの全質量とX線回折(XRD)およびリートベルト解析により同定された結晶成分の質量和との差により算出される不特定相(結晶相以外の相)の成分の質量が、本発明のガラスセラミックスの全質量に対して3質量%以上であるのが好ましい。粒子の過成長による粒界抵抗の増加を抑制することができ、且つ結晶相のa軸格子定数の伸長が安定化できるからである。なお、この不特定相には、アモルファス相が主体として含まれる。そして、この結晶成分の質量和が、本発明のガラスセラミックスの全質量に対して95重量%未満であるとより好ましく、つまり上記不特定相の成分の質量が5質量%以上であるとより好ましい。また、この結晶成分の質量和の下限は、限定されるものではないが、本発明のガラスセラミックスの全質量に対して80重量%以上であると好適であり、85質量%以上であるとより好適である。Furthermore, the glass ceramics of the present invention containing the above-mentioned rhombohedral NASICON-type crystal phase preferably have a mass sum of the crystal components (crystal phase components) identified by X-ray diffraction (XRD) and Rietveld analysis of less than 97% by weight relative to the total mass of the glass ceramics of the present invention. In other words, the mass of the components of the unspecified phase (phase other than the crystal phase) calculated by the difference between the total mass of the glass ceramics of the present invention and the mass sum of the crystal components identified by X-ray diffraction (XRD) and Rietveld analysis is preferably 3% by mass or more relative to the total mass of the glass ceramics of the present invention. This is because it is possible to suppress the increase in grain boundary resistance due to overgrowth of particles, and the extension of the a-axis lattice constant of the crystal phase can be stabilized. The unspecified phase mainly contains an amorphous phase. It is more preferable that the mass sum of the crystal components is less than 95% by weight relative to the total mass of the glass ceramics of the present invention, that is, it is more preferable that the mass of the components of the unspecified phase is 5% by mass or more. The lower limit of the sum of the masses of the crystal components is not limited, but is preferably 80% by weight or more, and more preferably 85% by weight or more, based on the total mass of the glass ceramic of the present invention.

なお、上記したX線回折(XRD)は、粉末X線回折装置(ブルカー社製、D8 DISCOVER)により、初期検体量に対して同じmol%量のZnOを標準試料として混合し、CuKα線を用いて測定を行う。The above-mentioned X-ray diffraction (XRD) was performed using a powder X-ray diffractometer (D8 DISCOVER, manufactured by Bruker) by mixing the same mol% amount of ZnO as the initial sample amount as a standard sample and using CuKα radiation.

また、上記したリートベルト解析は、上記条件の下で測定したXRDデータを用いて、リートベルト解析ソフトウェア「Z-Rietveldコード」により実施する。 In addition, the above-mentioned Rietveld analysis is performed using the Rietveld analysis software "Z-Rietveld code" using the XRD data measured under the above-mentioned conditions.

そして、本発明のガラスセラミックスに含まれる、菱面体晶系のNASICON型構造である結晶相は、室温でのリチウムイオン伝導性がより向上することから、Li1+x+yxZr2-xSiy3-y12(0≦x<2、0≦y<3)の結晶相を含むのが好ましく、LiZr2(PО43α相(高温相)および/またはLiZr2(PО43α´相(低温相)を含むのがより好ましい。そして、この菱面体晶系のNASICON型構造である結晶相は、LiZr2(PО43α相(高温相)および/またはLiZr2(PО43α´相(低温相)からなるものであってもよいが、このα相やα´相に加えてLiZr2(PО43の他の相(β相、γ相等)などを含んでいてもよい。なお、a軸格子定数が前述した範囲内であるLiZr2(PО43α相を、本発明のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスの全質量に対して80質量%以上、さらには85質量%以上含むものであると、経時安定性などがより優れるものとなるため非常に好適である。ここで、このα相およびα´相とは、ケンブリッジ結晶構造データベースCSD-SystemのCSD番号97658(α―LiZr2(PO43)、CSD番号89456(α´―LiZr2(PO43)である。 The crystal phase having a rhombohedral NASICON structure contained in the glass ceramics of the present invention preferably contains a crystal phase of Li1 +x+yYxZr2 -xSiyP3 - yO12 ( 0≦ x <2, 0≦y<3) because this further improves lithium ion conductivity at room temperature, and more preferably contains a LiZr2 ( PO4 ) 3 α phase (high temperature phase) and/or a LiZr2 ( PO4 ) 3 α' phase (low temperature phase). The crystal phase of the rhombohedral NASICON structure may be composed of LiZr2 ( PO4 ) phase (high temperature phase) and/or LiZr2 ( PO4 ) ' phase (low temperature phase), and may contain other phases of LiZr2 ( PO4 ) 3 (β phase, γ phase, etc.) in addition to the α phase and α' phase. If the LiZr2 ( PO4 ) phase, whose a-axis lattice constant is within the above-mentioned range, is contained in an amount of 80 mass % or more, and further 85 mass % or more, based on the total mass of the lithium ion conductive glass-ceramics of the present invention, the stability over time will be more excellent, which is very preferable. Here, the α phase and α' phase are CSD numbers 97658 (α-LiZr 2 (PO 4 ) 3 ) and 89456 (α'-LiZr 2 (PO 4 ) 3 ) of the Cambridge Crystal Structure Database CSD-System.

さらに、本発明のガラスセラミックスがSiO2成分を含有する場合、本発明のガラスセラミックス全体(結晶相および不特定相)において、含有するSiの価数が3.5価以上3.9価未満であるのがより好ましく、3.6価以上3.8価以下であるのがさらに好ましい。リチウムイオン伝導度の安定性および結晶構造の機械的強度がより優れるからである。 Furthermore, when the glass ceramic of the present invention contains SiO2 component, the valence of Si contained in the entire glass ceramic of the present invention (crystal phase and unspecified phase) is more preferably 3.5 or more and less than 3.9, and even more preferably 3.6 or more and 3.8 or less, because the stability of lithium ion conductivity and the mechanical strength of the crystal structure are more excellent.

また、本発明のガラスセラミックスがSiO2成分を含有する場合、本発明のガラスセラミックス全体(結晶相および不特定相)において、含有するSiへのOの配位数が5以上7以下であるのがより好ましく、この配位数が6であるのがさらに好ましい。これもリチウムイオン伝導度の安定性および結晶構造の機械的強度がより優れるからである。 In addition, when the glass ceramic of the present invention contains a SiO2 component, the coordination number of O to the contained Si in the entire glass ceramic of the present invention (crystal phase and unspecified phase) is more preferably 5 to 7, and further preferably 6. This is also because the stability of lithium ion conductivity and the mechanical strength of the crystal structure are more excellent.

なお、上記したSiの価数は、X線吸収微細構造解析(XAFS:X-ray Absorption Fine Structure)により測定する。
また、上記したSiへのOの配位数は、広域X線吸収微細構造解析(EXAFS:Extended X-ray Absorption Fine Structure)により測定する。
The above-mentioned Si valence is measured by X-ray absorption fine structure (XAFS).
The coordination number of O to Si is measured by extended X-ray absorption fine structure (EXAFS).

<形態>
次に、本発明のガラスセラミックスの形態について詳細に説明する。
<Form>
Next, the form of the glass ceramic of the present invention will be described in detail.

本発明のガラスセラミックスの形態は、特段限定されないが、全固体二次電池の固体電解質層や電極層、海水電池の電極層や隔壁層(セパレータ)などに用いる場合には、粉末あるいは基板であるのが好適である。特に、本発明のガラスセラミックスと電極活物質とを混合して電極層を形成する場合には、本発明のガラスセラミックスの形態は粉末であるのが好ましい。The form of the glass ceramic of the present invention is not particularly limited, but when used as a solid electrolyte layer or electrode layer of an all-solid-state secondary battery, or an electrode layer or partition layer (separator) of a seawater battery, it is preferable that the glass ceramic of the present invention is in the form of a powder or a substrate. In particular, when the glass ceramic of the present invention is mixed with an electrode active material to form an electrode layer, the glass ceramic of the present invention is preferably in the form of a powder.

そして、本発明のガラスセラミックスは高いリチウムイオン伝導性および高い耐還元性を有するものであるが、本発明のガラスセラミックスが粉末である場合、例えば、25℃におけるリチウムイオン伝導度が好ましくは1.0×10-5S・cm-1以上、より好ましくは3.0×10-5S・cm-1以上、さらに好ましくは6.0×10-5S・cm-1以上、さらに好ましくは7.0×10-5S・cm-1以上であり、25℃における耐還元性が好ましくは1.5V(vs.Li:リチウムに対する電位)以下、より好ましくは1.0V(vs.Li)以下であると好適である。なお、上記した25℃におけるリチウムイオン伝導度が1.0×10-10S・cm-1未満である場合、リチウムイオンの伝導は実質的に起こらない。また、限定されるものではないが、この粉末の25℃におけるリチウムイオン伝導度は1.0×10-2S・cm-1以下であってもよく、25℃における耐還元性は0.3V(vs.Li)以上であってもよい。さらに、この粉末に含まれる粒子は、最大粒子径が30μm以下であり、且つ平均粒子径が15μm以下であると好適である。 The glass ceramic of the present invention has high lithium ion conductivity and high reduction resistance, but when the glass ceramic of the present invention is in the form of a powder, for example, the lithium ion conductivity at 25° C. is preferably 1.0×10 −5 S·cm −1 or more, more preferably 3.0×10 −5 S·cm −1 or more, even more preferably 6.0×10 −5 S·cm −1 or more, and even more preferably 7.0×10 −5 S·cm −1 or more, and the reduction resistance at 25° C. is preferably 1.5 V (vs. Li: potential relative to lithium) or less, more preferably 1.0 V (vs. Li) or less. When the lithium ion conductivity at 25° C. is less than 1.0×10 −10 S·cm −1 , lithium ion conduction does not substantially occur. Furthermore, although not limited thereto, the lithium ion conductivity of this powder may be 1.0×10 −2 S·cm −1 or less at 25° C., and the reduction resistance may be 0.3 V (vs. Li) or more at 25° C. Furthermore, it is preferable that the particles contained in this powder have a maximum particle size of 30 μm or less and an average particle size of 15 μm or less.

また、本発明のガラスセラミックスが基板である場合、25℃におけるリチウムイオン伝導度が7.0×10-5S・cm-1以上および厚みが300μm以下の基板であると好適である。なお、この基板の厚みは200μm以下であるのがより好ましく、さらに、限定されるものではないが、固体電解質層としたときに正極と負極との短絡を低減し易いことから、この基板の厚みは0.5μm以上であると好ましい。そしてさらに、リチウムイオン伝導性がより高まることから、この基板の最外殻粒子層における粒子の最大粒子径が30μm以下であり、且つこの粒子の平均粒子径が15μm以下であると非常に好適である。また、この基板の耐還元性は、粉末と同様に25℃において1.5V(vs.Li)以下であるのが好ましく、1.0V(vs.Li)以下であるのがより好ましい。 In addition, when the glass ceramic of the present invention is a substrate, it is preferable that the substrate has a lithium ion conductivity of 7.0×10 −5 S·cm −1 or more at 25° C. and a thickness of 300 μm or less. The thickness of the substrate is more preferably 200 μm or less, and further, although not limited thereto, the thickness of the substrate is preferably 0.5 μm or more since it is easy to reduce short circuits between the positive electrode and the negative electrode when the substrate is made into a solid electrolyte layer. Furthermore, it is very preferable that the maximum particle diameter of the particles in the outermost particle layer of the substrate is 30 μm or less and the average particle diameter of the particles is 15 μm or less, since the lithium ion conductivity is further increased. In addition, the reduction resistance of the substrate is preferably 1.5 V (vs. Li) or less at 25° C., similar to the powder, and more preferably 1.0 V (vs. Li) or less.

ここで、本発明において基板の「最外殻粒子層」とは、基板である本発明のガラスセラミックスにおける、基板表面に露出している粒子により形成されている粒子層を意味する。基板以外の形態においても同様である。
また、本発明において粒子の「最大粒子径」、および「平均粒子径」とは、走査型電子顕微鏡(SEM)観察により、24μm×19μmの視野において粒子全体が完全にこの視野中に含まれている粒子について、全ての粒子径(最も長くなる対角線の長さ)を測定したときの最大値、およびその平均値である。
Here, in the present invention, the "outermost particle layer" of the substrate means a particle layer formed by particles exposed on the substrate surface in the glass ceramic of the present invention, which is the substrate. The same applies to forms other than substrates.
In the present invention, the "maximum particle size" and "average particle size" of a particle refer to the maximum value and the average value when all particle sizes (the length of the longest diagonal) are measured for particles whose entirety is completely contained within a 24 μm × 19 μm visual field by observation with a scanning electron microscope (SEM).

以上のような構成である本発明のガラスセラミックスは、焼成時などにおいて粒子が粗大化せずに緻密化する組成であり、高温から炉冷しても結晶構造が変わりにくい組成である。そして、工業的に容易に製造することが可能であり、また、高いリチウムイオン伝導性と高い耐還元性とを合わせ持ち、この高い耐還元性により低電位側に広い電位窓を有する固体電解質となるため、低電位の電極活物質と高電位の電極活物質とを組み合わせて使用することができ、結果として高電圧の電池を得ることができる。そして、高い電圧で充放電を行っても還元による分解が起こり難く、長期間リチウムイオン伝導性が安定である。したがって、全固体二次電池や海水電池などの固体電解質として好適に用いることができる。The glass ceramic of the present invention, which has the above-mentioned structure, is a composition in which the particles do not become coarse during firing, etc., but become dense, and the crystal structure is unlikely to change even when the glass ceramic is cooled from a high temperature. It can be easily manufactured industrially, and has both high lithium ion conductivity and high reduction resistance. This high reduction resistance results in a solid electrolyte with a wide potential window on the low potential side, so that a low potential electrode active material and a high potential electrode active material can be used in combination, resulting in a high voltage battery. Even when charging and discharging at a high voltage, decomposition due to reduction is unlikely to occur, and the lithium ion conductivity is stable for a long period of time. Therefore, it can be suitably used as a solid electrolyte for all-solid-state secondary batteries, seawater batteries, etc.

例えば、本発明のガラスセラミックスを全固体二次電池の固体電解質として用いる場合には、固体電解質層、および電極層(正極層、負極層)から選ばれる少なくとも1つに用いることができる。特に、本発明のガラスセラミックスは、高い耐還元性を有することから、固体電解質層または負極層に用いるのが好適である。以下において、これらについて詳細に説明する。For example, when the glass ceramic of the present invention is used as a solid electrolyte of an all-solid-state secondary battery, it can be used in at least one selected from the solid electrolyte layer and the electrode layer (positive electrode layer, negative electrode layer). In particular, since the glass ceramic of the present invention has high resistance to reduction, it is suitable for use in the solid electrolyte layer or negative electrode layer. These will be described in detail below.

<固体電解質層>
本発明のガラスセラミックスに、必要に応じて無機バインダーなどを混合してから焼結することにより、全固体二次電池用の固体電解質層を形成することができる。特に、この固体電解質層は、リチウムイオン伝導性をより高めるという観点から、本発明のガラスセラミックスを80質量%以上含むのが好ましく、90質量%以上含むのがより好ましく、本発明のガラスセラミックスからなるのがより好ましい。そして、板状の固体電解質層である場合には、その厚みは前述した基板と同様に0.5μm以上300μm以下であると好適である。
<Solid electrolyte layer>
A solid electrolyte layer for an all-solid-state secondary battery can be formed by mixing the glass ceramic of the present invention with an inorganic binder or the like as necessary and then sintering the mixture. In particular, from the viewpoint of further increasing lithium ion conductivity, the solid electrolyte layer preferably contains 80 mass % or more of the glass ceramic of the present invention, more preferably contains 90 mass % or more, and more preferably is made of the glass ceramic of the present invention. In the case of a plate-shaped solid electrolyte layer, its thickness is preferably 0.5 μm or more and 300 μm or less, similar to the above-mentioned substrate.

なお、無機バインダーを使用する場合には、リチウムイオン伝導性の無機バインダーを用いるのが好ましく、このような無機バインダーとしては、非晶質または多晶質のLiPO3、70LiPO3-30Li3PO4、Li2O-SiO2、Li2O-SiO2-P25-B25-BaOなどが例示される。特に、Li2O-P25系ガラス、Li2O-P25-M23系のガラス(PがSiに置換されたものも含み、MはAlまたはBである)、およびLiPO3を溶融後に急冷して非晶質にしたものから選択される1種以上が好ましい。特に好ましい態様であるLiPO3を溶融後に急冷して非晶質にしたものは、ガラス転移温度(Tg)が約280℃と低く且つ結晶化も起こり難いため、この無機バインダーと本発明のガラスセラミックスとを混合して600℃に加熱することで、高いリチウムイオン伝導性および高い耐還元性を有する固体電解質層を形成できる。そして、固体電解質層に含まれる無機バインダーの含有量は、固体電解質層の全質量に対して、20質量%以下であるのが好ましく、10質量%以下であるのがより好ましく、5質量%以下であるのがさらに好ましい。 In addition, when an inorganic binder is used, it is preferable to use a lithium ion conductive inorganic binder, and examples of such inorganic binders include amorphous or polycrystalline LiPO3 , 70LiPO3-30Li3PO4 , Li2O - SiO2 , Li2O - SiO2 - P2O5 -B2O5 - BaO , etc. In particular, one or more selected from Li2O - P2O5 - based glass, Li2O - P2O5 - M2O3 - based glass ( including those in which P is replaced by Si, where M is Al or B), and LiPO3 melted and then quenched to make it amorphous are preferable. In a particularly preferred embodiment, LiPO3 is melted and then rapidly cooled to make it amorphous, which has a low glass transition temperature (Tg) of about 280° C. and is unlikely to crystallize, so that a solid electrolyte layer having high lithium ion conductivity and high reduction resistance can be formed by mixing this inorganic binder with the glass ceramic of the present invention and heating it to 600° C. The content of the inorganic binder contained in the solid electrolyte layer is preferably 20 mass % or less, more preferably 10 mass % or less, and even more preferably 5 mass % or less, based on the total mass of the solid electrolyte layer.

<電極層>
本発明のガラスセラミックスに、電極活物質(正極活物質または負極活物質)と、必要に応じて導電助剤、無機バインダー等とを混合してから焼結することにより、全固体二次電池用の電極層を形成することができる。特に、この電極層は、本発明のガラスセラミックスを20質量%以上含むのが好ましく、40質量%以上含むのがより好ましく、50質量%以上含むのがさらに好ましい。電極層においてリチウムイオンの移動経路が確保され易くなるため、電池の充放電特性や電池容量を高め易くできるからである。一方で、この電極層において、本発明のガラスセラミックスは80質量%以下であるのが好ましく、70質量%以下であるのがより好ましい。電極活物質の充填量が確保され、電池容量を高くすることができるからである。
<Electrode layer>
The glass ceramic of the present invention is mixed with an electrode active material (positive electrode active material or negative electrode active material) and, if necessary, a conductive assistant, an inorganic binder, etc., and then sintered to form an electrode layer for an all-solid-state secondary battery. In particular, the electrode layer preferably contains 20% by mass or more of the glass ceramic of the present invention, more preferably 40% by mass or more, and even more preferably 50% by mass or more. This is because the lithium ion migration path is easily secured in the electrode layer, making it easier to improve the charge/discharge characteristics and battery capacity of the battery. On the other hand, in this electrode layer, the glass ceramic of the present invention is preferably 80% by mass or less, more preferably 70% by mass or less. This is because the filling amount of the electrode active material is secured, and the battery capacity can be increased.

なお、正極活物質としては、例えば、NASICON型のLiV2(PO43、オリビン型のLixyMtPO4(但し、JはAl、Mg、Wから選ばれる少なくとも1種以上、MtはNi、Co、Fe、Mnから選ばれる1種以上であり、xは0.9≦x≦1.5、yは0≦y≦0.2を満たす)、層状酸化物、またはスピネル型酸化物などが挙げられる。特に、LiMtO2及び/又はLiMt24(但し、MtはFe、Ni、Co及びMnの中から選ばれる1種以上)であるのが好ましい。本発明のガラスセラミックスと正極活物質とが接合し易くなり、これらの間でのリチウムイオンの受け渡しが行われ易くなるため、全固体二次電池の充放電特性をより高めることができるからである。正極活物質の具体例としては、例えばLiCoPO4、LiCoO2、LiMn24などが挙げられる。さらに微量成分としてMgを添加することにより、正極活物質の熱分解を抑制し、放電容量を向上することができる。 Examples of the positive electrode active material include NASICON type LiV2 ( PO4 ) 3 , olivine type LixJyMtPO4 ( wherein J is at least one selected from Al, Mg, and W, Mt is at least one selected from Ni, Co, Fe, and Mn, and x satisfies 0.9≦x≦1.5 and y is 0≦y≦0.2), layered oxides, and spinel type oxides. In particular, LiMtO2 and/or LiMt2O4 (wherein Mt is at least one selected from Fe, Ni, Co, and Mn) are preferred. This is because the glass ceramic of the present invention and the positive electrode active material are easily bonded to each other, and lithium ions are easily transferred between them, thereby further improving the charge and discharge characteristics of the all-solid-state secondary battery. Specific examples of the positive electrode active material include LiCoPO 4 , LiCoO 2 , and LiMn 2 O 4. Furthermore, by adding Mg as a trace component, it is possible to suppress thermal decomposition of the positive electrode active material and improve the discharge capacity.

また、負極活物質としては、例えば、NASICON型、オリビン型、スピネル型の結晶を含む酸化物、ルチル型酸化物、アナターゼ型酸化物、もしくは非晶質金属酸化物、または金属合金等から選ばれる少なくとも1種以上が挙げられる。さらに、Li4Ti512やTiO2などの低電位な負極活物質も使用可能である。特に、Li1+x+zAlxTi2-xSiz3-z12(但し、xは0≦x≦0.8、zは0≦z≦0.6を満たす)、Li4Ti512、TiO2から選ばれる少なくとも1つであるのがより好ましい。本発明のガラスセラミックスと負極活物質とが接合し易くなり、これらの間でのリチウムイオンの受け渡しが行われ易くなるため、全固体二次電池の充放電特性をより高めることができるからである。負極活物質の具体例としては、例えばLi22(PO43、Li3Fe2(PO43、LiFePO4、Li4Ti512、SiOx(0.25≦x≦2)、Cu6Sn5などが挙げられる。 In addition, the negative electrode active material may be at least one selected from, for example, oxides containing NASICON type, olivine type, or spinel type crystals, rutile type oxides, anatase type oxides, or amorphous metal oxides, or metal alloys. In addition, low-potential negative electrode active materials such as Li 4 Ti 5 O 12 and TiO 2 can also be used. In particular, at least one selected from Li 1+x+z Al x Ti 2-x Si z P 3-z O 12 (wherein x satisfies 0≦x≦0.8 and z satisfies 0≦z≦0.6), Li 4 Ti 5 O 12 , and TiO 2 is more preferable. This is because the glass ceramic of the present invention and the negative electrode active material are easily bonded, and lithium ions are easily transferred between them, thereby further improving the charge and discharge characteristics of the all-solid-state secondary battery. Specific examples of the negative electrode active material include Li2V2 ( PO4 ) 3 , Li3Fe2 ( PO4 ) 3 , LiFePO4 , Li4Ti5O12 , SiOx ( 0.25x ≦2 ) , and Cu6Sn5 .

これらの電極活物質の含有量は、電極層において10質量%以上50質量%以下であるのが好ましい。特にこの含有量を10質量%以上にすることで、全固体二次電池の電池容量をより高めることができる。そして、より好ましくは20質量%を下限とするのが好適である。一方で、この含有量を50質量%以下にすることで、電極層のイオン伝導性を確保し易くできる。そして、より好ましくは40質量%、さらに好ましくは30質量%を上限とするのが好適である。The content of these electrode active materials in the electrode layer is preferably 10% by mass or more and 50% by mass or less. In particular, by making this content 10% by mass or more, the battery capacity of the all-solid-state secondary battery can be further increased. And, more preferably, it is preferable to set the lower limit at 20% by mass. On the other hand, by making this content 50% by mass or less, it is easier to ensure the ionic conductivity of the electrode layer. And, more preferably, it is preferable to set the upper limit at 40% by mass, and even more preferably at 30% by mass.

なお、電極層に用いる導電助剤としては、黒鉛、活性炭、カーボンナノチューブなどの炭素化合物、Ni、Fe、Mn、Co、Mo、Cr、AgおよびCuから選ばれる少なくとも1種からなる金属、これらの合金、チタンやステンレス、アルミニウム等の金属、白金、金、ルテニウム、ロジウム等の貴金属などが例示される。このような電子伝導性の高い材料を導電助剤として用いることにより、電極層中に形成された狭い電子伝導経路を通じて伝導できる電流量が増大するため、全固体二次電池の充放電特性を高めることができる。Examples of conductive assistants used in the electrode layer include carbon compounds such as graphite, activated carbon, and carbon nanotubes; at least one metal selected from Ni, Fe, Mn, Co, Mo, Cr, Ag, and Cu; alloys of these metals; metals such as titanium, stainless steel, and aluminum; and precious metals such as platinum, gold, ruthenium, and rhodium. By using such highly electronically conductive materials as conductive assistants, the amount of current that can be conducted through the narrow electronic conduction path formed in the electrode layer is increased, thereby improving the charge and discharge characteristics of the all-solid-state secondary battery.

この導電助剤の含有率は、電池容量と電極層の電子伝導性のバランスを考慮し、電極層に含まれる電極材料(すなわち、正極活物質または負極活物質)全体に対し、1質量%以上20質量%以下であることが好ましく、2質量%以上15質量%以下であることがより好ましく、4質量%以上10質量%以下であることが最も好ましい。Taking into consideration the balance between the battery capacity and the electronic conductivity of the electrode layer, the content of this conductive assistant is preferably 1% by mass or more and 20% by mass or less, more preferably 2% by mass or more and 15% by mass or less, and most preferably 4% by mass or more and 10% by mass or less, of the total electrode material (i.e., positive electrode active material or negative electrode active material) contained in the electrode layer.

また、電極層に用いる無機バインダーとしては、前述した固体電解質層と同じものが使用可能である。さらには、この電極層、つまり正極層および負極層から選ばれる少なくとも1つに集電体を設けてもよい。集電体を通じて電気を取り出し易くなるため、全固体二次電池への充電や、全固体二次電池からの放電を行い易くできるからである。集電体としては、正極層および/または負極層に薄膜状の金属層が積層あるいは接合されたものであってもよく、原料組成物に金属層や導電体の前駆体を積層した後で焼成したものであってもよい。なお、電極層自体の電子伝導性が高ければ、この集電体は設けなくてもよい。 The inorganic binder used in the electrode layer can be the same as that used in the solid electrolyte layer described above. Furthermore, a current collector may be provided in at least one of the electrode layers, i.e., the positive electrode layer and the negative electrode layer. This is because it is easy to extract electricity through the current collector, which makes it easier to charge the all-solid-state secondary battery and discharge the all-solid-state secondary battery. The current collector may be a thin-film metal layer laminated or bonded to the positive electrode layer and/or the negative electrode layer, or may be a material obtained by laminating a metal layer or a precursor of a conductor on the raw material composition and then firing it. If the electronic conductivity of the electrode layer itself is high, this current collector may not be provided.

以上のような固体電解質層および電極層を用いて全固体二次電池を形成することができるが、固体電解質層、正極層および負極層のうち1種または2種について従来公知のものを用いてもよく、こうした従来公知のものと本発明のガラスセラミックスを含む固体電解質層、または電極層とを組み合わせてもよい。しかしながら、固体電解質層、正極層および負極層のいずれも本発明のガラスセラミックスを含むものとすることにより、より充放電特性の高い全固体二次電池を形成することができる。An all-solid-state secondary battery can be formed using the above-mentioned solid electrolyte layer and electrode layer, but one or two of the solid electrolyte layer, the positive electrode layer, and the negative electrode layer may be conventionally known, and such conventionally known layers may be combined with a solid electrolyte layer or an electrode layer containing the glass ceramics of the present invention. However, by making the solid electrolyte layer, the positive electrode layer, and the negative electrode layer all contain the glass ceramics of the present invention, an all-solid-state secondary battery with better charge/discharge characteristics can be formed.

なお、本発明のガラスセラミックス、電極活物質および導電助剤の含有量とこれらの組成は、固体電解質層または電極層を削り出して、電界放出形透過電子顕微鏡(FE-TEM)に搭載されたエネルギー損出分析装置若しくはX線分析装置、あるいは電界放出形走査顕微鏡(FE-SEM)に搭載されたX線分析装置を用いて特定することが可能である。ここで、X線分析装置を用いた場合、Li2O成分は直接分析できないが、他の構成成分から電荷を算出することで、Li2O成分の含有量を推定することが可能である。 The contents and compositions of the glass ceramics, electrode active material, and conductive assistant of the present invention can be determined by cutting out the solid electrolyte layer or electrode layer and using an energy loss analyzer or an X-ray analyzer mounted on a field emission transmission electron microscope (FE-TEM), or an X-ray analyzer mounted on a field emission scanning electron microscope (FE-SEM). When an X-ray analyzer is used, the Li 2 O component cannot be directly analyzed, but the content of the Li 2 O component can be estimated by calculating the charge from the other constituent components.

<本発明のガラスセラミックスの製造方法>
次に、本発明のガラスセラミックスの製造方法について詳細に説明する。
本発明のガラスセラミックスは、無機材料の焼成や熔解、混合焼成などの、無機材料製造の一般的な方法を用いることができ、工業的な製造が容易であることが大きな特徴である。そして、限定されるものではないが、原料組成物を混合する混合工程、およびこの混合された原料組成物を焼成するか、この原料組成物を所望の形状に成形してから焼成することにより所望の結晶相を生成させる焼成工程を含む固相法により本発明のガラスセラミックスを製造するのが好適である。
<Method for producing glass ceramics of the present invention>
Next, the method for producing the glass ceramics of the present invention will be described in detail.
The glass ceramics of the present invention have a major feature that they can be easily industrially produced using general methods for producing inorganic materials, such as firing or melting of inorganic materials, mixed firing, etc. Although not limited thereto, it is preferable to produce the glass ceramics of the present invention by a solid-phase method including a mixing step of mixing a raw material composition, and a firing step of firing the mixed raw material composition or forming the raw material composition into a desired shape and then firing it to generate a desired crystal phase.

例えば、本発明のガラスセラミックスの製造方法の一例としては、少なくともLiおよび/またはPを含有する無機物質を含むリチウムイオン伝導性原料を溶解およびガラス化して原料ガラスを得る原料ガラス調製工程と、この原料ガラスを粉砕してからZrを含有するアモルファス状の無機物質を混合して粉末状のアモルファス前駆体を得るアモルファス前駆体調製工程と、このアモルファス前駆体を1100~1300℃で焼成して結晶を析出させ、酸化物基準のモル%で、Li2O成分を10~20%、P25成分を30~40%、ZrO2成分を40~50%、Y23成分を0~4%、Al23成分を0~3%、およびGeO2成分を0~2%含有し、菱面体晶系のNASICON型構造である結晶相を含み、X線回折およびリートベルト解析により同定されたこの結晶相のa軸格子定数が8.872Å以上であるリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを得る焼成工程と、を備える製造方法が挙げられる。なお、上記した焼成工程は、2段階以上に分けて行ってもよいが、製造効率などの観点から、1段階で行うのが好ましい。 For example, one example of a method for producing the glass ceramics of the present invention includes a raw glass preparation step of melting and vitrifying a lithium ion conductive raw material containing an inorganic substance containing at least Li and/or P to obtain a raw glass, a crushing step of crushing the raw glass and mixing it with an amorphous inorganic substance containing Zr to obtain a powdered amorphous precursor, and a firing step of firing the amorphous precursor at 1100 to 1300° C. to precipitate crystals, and a glass ceramics composition containing, in mole percent based on oxide , 10 to 20% Li2O component, 30 to 40% P2O5 component, 40 to 50% ZrO2 component, 0 to 4 % Y2O3 component , 0 to 3% Al2O3 component , and GeO and a firing step for obtaining a lithium ion conductive glass-ceramic containing 0 to 2% of the two components, containing a crystal phase having a rhombohedral NASICON structure, and having an a-axis lattice constant of 8.872 Å or more as identified by X-ray diffraction and Rietveld analysis. The firing step may be performed in two or more steps, but is preferably performed in one step from the viewpoint of production efficiency, etc.

そして、前述した製造方法の例において、焼成工程の前に、粉末状のアモルファス前駆体を目的とする大きさおよび厚さの基板状に成形する成形工程を含み、この成形工程により得られたアモルファス前駆体の成形体を前述した焼成工程によって焼成することにより、基板状のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス(基板である本発明のガラスセラミックス)を得ることができる。基板以外の形態である本発明のガラスセラミックスを製造する場合であっても、同様に成形工程により粉末状のアモルファス前駆体を目的とする形状に成形すればよい。In the above-mentioned example of the manufacturing method, a forming step is included in which the powdered amorphous precursor is formed into a substrate of the desired size and thickness prior to the firing step, and the amorphous precursor formed body obtained by this forming step is fired in the above-mentioned firing step to obtain a substrate-shaped lithium ion conductive glass ceramic (the glass ceramic of the present invention which is a substrate). Even when manufacturing the glass ceramic of the present invention in a form other than a substrate, the powdered amorphous precursor can be formed into the desired shape in a similar forming step.

なお、粉末以外の形態である本発明のガラスセラミックスを製造する場合において、粉末状のアモルファス前駆体を前述した焼成工程によって焼成した後、この焼成後の粉末を目的とする形状に成形する方法(成形後に焼成工程を行わない方法、および焼成後に成形再焼成する方法)では、粒界抵抗が低く、高いリチウムイオン伝導性および高い耐還元性を有する本発明のガラスセラミックスを得ることができない。ポリマー等に混合してシート成形する場合などにおいても同様である。In addition, when producing the glass ceramics of the present invention in a form other than powder, the method of firing the powdered amorphous precursor by the firing process described above and then molding the fired powder into the desired shape (a method in which the firing process is not performed after molding, and a method in which molding and re-firing after firing) cannot obtain the glass ceramics of the present invention having low grain boundary resistance, high lithium ion conductivity, and high reduction resistance. The same is true when mixing with a polymer or the like and molding into a sheet.

上記において説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするための一例に過ぎず、本発明を限定するものではない。すなわち、上記において説明した成分等については、本発明の趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。The embodiment described above is merely an example for facilitating understanding of the present invention, and does not limit the present invention. In other words, the components described above may be modified or improved without departing from the spirit of the present invention, and the present invention naturally includes equivalents thereof.

以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内において様々な変形が可能である。 Below, we will explain the examples of the present invention, but the present invention is not limited to the following examples, and various modifications are possible within the technical concept of the present invention.

<アモルファス組成を有さない前駆体を用いた固相法による固体電解質(比較例1)の作製>
原料粉末として酸化ジルコニア(ZrO2)、炭酸リチウム(Li2CO3)、リン酸二水素アンモニウム(NH42PO4)、および酸化イットリウム(Y23)を用い、Li1.150.15Zr1.85312の組成の量論比となるように調合した後、600mlのPPカップに入れて、外径10mmのYTZボールを用いてポットミルで3時間混合した。そして、得られた混合粉末を白金ポットに入れ、900℃で3時間焼成して前駆体を得た。なお、この際の昇温速度は300℃/hとした。
さらに、得られた前駆体を、アルミナ乳鉢および乳棒を用いて粉砕し、106μmメッシュパスのものを得た。その後、遊星型ポートミルで累積90%粒子径(D90)が1μm以下となるまで粉砕し、乾燥した。そして、得られた乾燥粉末を白金ポットに入れてカンタル炉にて1200℃で20時間焼成し、炉冷して、比較例1の固体電解質粉末を得た。
<Preparation of solid electrolyte (Comparative Example 1) by solid phase method using precursor not having amorphous composition>
Zirconia oxide ( ZrO2 ), lithium carbonate ( Li2CO3 ), ammonium dihydrogen phosphate ( NH4H2PO4 ), and yttrium oxide ( Y2O3 ) were used as raw material powders, and mixed to have a stoichiometric ratio of Li1.15Y0.15Zr1.85P3O12 . The mixture was then placed in a 600 ml PP cup and mixed for 3 hours in a pot mill using a YTZ ball with an outer diameter of 10 mm. The resulting mixed powder was then placed in a platinum pot and fired at 900°C for 3 hours to obtain a precursor. The heating rate was 300°C/h.
The obtained precursor was then pulverized using an alumina mortar and pestle to obtain a 106 μm mesh pass. It was then pulverized in a planetary port mill until the cumulative 90% particle size (D90) was 1 μm or less, and dried. The obtained dried powder was then placed in a platinum pot and fired in a Kanthal furnace at 1200° C. for 20 hours, and then cooled in the furnace to obtain a solid electrolyte powder of Comparative Example 1.

また、上記焼成前の乾燥粉末をメノウ乳鉢で粉砕後に、0.5mmメッシュパスしたサンプル1.5gを外径20mmの金型を用いて20kNの力で錠剤成形し、得られた成形体を白金板の上にのせてカンタル炉にて1200℃で20時間焼成および炉冷して、比較例1の固体電解質ペレットも得た。In addition, the above-mentioned dried powder before sintering was crushed in an agate mortar, and 1.5 g of a sample that had passed a 0.5 mm mesh was then molded into tablets using a mold with an outer diameter of 20 mm at a force of 20 kN. The resulting molded body was placed on a platinum plate and fired in a Kanthal furnace at 1200°C for 20 hours and then cooled in the furnace, thereby obtaining solid electrolyte pellets of Comparative Example 1.

なお、上記した累積90%粒子径(D90)は、粒子径分布において粒子径の小さい方からの累積90体積%の粒子径を意味し、JIS R 1629「ファインセラミックス原料のレーザー回折・散乱法による粒子径分布測定方法」のレーザー回折・散乱法による粒子径分布測定装置(スペクトリス社製、マスターサイザー3000)によって測定、算出した。The above-mentioned cumulative 90% particle size (D90) means the cumulative 90% by volume particle size from the smallest particle size in the particle size distribution, and was measured and calculated using a particle size distribution measuring device (Mastersizer 3000, manufactured by Spectris) using the laser diffraction/scattering method in accordance with JIS R 1629 "Method for measuring particle size distribution of fine ceramic raw materials by laser diffraction/scattering method."

<アモルファス組成を有する前駆体を用いた固相法による固体電解質(実施例1~10)の作製>
アモルファス状のジルコニウム含有無機原料とそれ以外の原料をガラス化した原料ガラスとを粉砕混合後に乾燥し、アモルファス組成を有する前駆体を得て、これを焼成あるいは錠剤成形後に焼成することにより本発明のガラスセラミックスである実施例1~10の固体電解質を得た。なお、後述する図面においては、これら実施例のうち、実施例2を「LYZSP12」あるいは「LYZSP」と示す場合もある。
以下、この方法について手順を追って詳細を示す。
<Preparation of solid electrolytes (Examples 1 to 10) by solid phase method using precursors having amorphous composition>
The amorphous zirconium-containing inorganic raw material and a raw material glass obtained by vitrifying the other raw materials were pulverized, mixed, and then dried to obtain a precursor having an amorphous composition, which was then fired or formed into tablets and fired to obtain the solid electrolytes of Examples 1 to 10, which are glass ceramics of the present invention. In the drawings described later, Example 2 of these Examples may be indicated as "LYZSP12" or "LYZSP".
The method will be described in detail below, step by step.

(原料ガラスの作製)
まず、メタリン酸リチウム(LiPO3)、リン酸三リチウム(Li3PO4)、酸化イットリウム(Y23)、または二酸化ケイ素(SiO2)を下記表1あるいは下記表2の量で調合した。この調合した各試料を白金ポットに入れ、1100℃以上でよく撹拌しながら熔解してガラス化し、金属製のキャスト版の上にキャストした。白金ポットに付着した原料ガラスを含めて、回収した原料ガラスの収率は、実施例1~10のいずれも重量比で99%以上であった。
(Preparation of raw glass)
First, lithium metaphosphate (LiPO 3 ), trilithium phosphate (Li 3 PO 4 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), or silicon dioxide (SiO 2 ) was prepared in the amounts shown in Table 1 or 2 below. Each prepared sample was placed in a platinum pot, melted with thorough stirring at 1100° C. or higher, vitrified, and cast onto a metal casting plate. The yield of the recovered raw glass, including the raw glass adhering to the platinum pot, was 99% or more by weight in all of Examples 1 to 10.

(ガラスセラミックス固体電解質の作製)
上記各原料ガラスを106μmメッシュパスとなるまで粉砕後、実施例1~9についてはアモルファス状のリン酸ジルコニウム((ZrO)2(HPO42)をそれぞれ下記表1の量で、実施例10については酸化イットリウム(Y23)とアモルファス状のリン酸ジルコニウム((ZrO)2(HPO42)とを下記表2の量で加え、1-プロパノールを分散媒として遊星ボールミルにより粉砕した。このときの粉砕メディアは、外径2mmのYTZビーズ(ニッカトー社製)とした。そして、粉砕後のスラリーを乾燥し、この乾燥粉末をアモルファス前駆体として、白金ポットにいれて、カンタル炉にて1200℃20時間焼成および炉冷して、実施例1~10の固体電解質粉末を得た。
また、上記焼成前の各乾燥粉末をメノウ乳鉢で粉砕後に、0.5mmメッシュパスしたサンプル1.5gを外径20mmの金型を用いて20kNの力で錠剤成形し、得られた成形体を白金板の上にのせて、カンタル炉にて1200℃で20時間焼成および炉冷して、実施例1~10の固体電解質ペレットも得た。
(Preparation of glass-ceramic solid electrolyte)
After each of the raw glasses was crushed to pass a 106 μm mesh, amorphous zirconium phosphate ((ZrO) 2 (HPO 4 ) 2 ) was added in the amounts shown in Table 1 below for Examples 1 to 9, and yttrium oxide (Y 2 O 3 ) and amorphous zirconium phosphate ((ZrO) 2 (HPO 4 ) 2 ) were added in the amounts shown in Table 2 below for Example 10, and crushed by a planetary ball mill using 1-propanol as a dispersion medium. The crushing medium was YTZ beads (manufactured by Nikkato Corporation) with an outer diameter of 2 mm. The crushed slurry was dried, and the dried powder was placed in a platinum pot as an amorphous precursor, and fired in a Kanthal furnace at 1200° C. for 20 hours and cooled in the furnace to obtain solid electrolyte powders of Examples 1 to 10.
In addition, each of the above-mentioned dried powders before firing was crushed in an agate mortar, and 1.5 g of a sample that had passed a 0.5 mm mesh was then molded into a tablet using a mold having an outer diameter of 20 mm with a force of 20 kN. The obtained molded body was placed on a platinum plate and fired in a Kanthal furnace at 1200° C. for 20 hours and then cooled in the furnace, thereby obtaining solid electrolyte pellets of Examples 1 to 10.

Figure 0007684286000001
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Figure 0007684286000002
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<密度およびリチウムイオン伝導度測定>
比較例1、実施例1、および実施例2の固体電解質ペレットを、#800および#2000の耐水研磨紙と1-プロパノールとを用いて表面を研磨した後、ノギス、マイクロメータ、および電子天秤により、それぞれ直径、厚さ、重量を測定し、密度を算出した。この結果を下記表3に示す。
<Density and lithium ion conductivity measurements>
The surfaces of the solid electrolyte pellets of Comparative Example 1, Example 1, and Example 2 were polished with #800 and #2000 waterproof abrasive paper and 1-propanol, and then the diameter, thickness, and weight were measured with a caliper, a micrometer, and an electronic balance, and the density was calculated. The results are shown in Table 3 below.

さらに、マグネトロンスパッタ装置(サンユー電子社製、SC-701HMC)により、ブロッキング電極として金電極を各固体電解質ペレットの両面に形成した。そして、電気化学評価装置(バイオロジック社製、SP300)により、25℃において、周波数0.1Hz~7MHz、振幅電圧10mV、開回路電圧の条件によりインピーダンス測定を行い、リチウムイオン伝導度を算出した。この結果も下記表3に示す。なお、参考として、実施例2のインピーダンス測定により得られたCole-Cole Plotを図1に示した。上記したリチウムイオン伝導度は、低周波側の屈曲点(実施例2では図1の矢印で示される部分)の抵抗と、厚さ、電極面積を基に算出した。
実施例1および実施例2は、比較例1よりも1オーダーあるいはそれ以上リチウムイオン伝導度が高い固体電解質であることが示された。
Furthermore, gold electrodes were formed as blocking electrodes on both sides of each solid electrolyte pellet using a magnetron sputtering device (SC-701HMC, manufactured by Sanyu Electronics Co., Ltd.). Then, impedance measurement was performed at 25°C under the conditions of a frequency of 0.1 Hz to 7 MHz, an amplitude voltage of 10 mV, and an open circuit voltage using an electrochemical evaluation device (SP300, manufactured by Biologic Co., Ltd.), and the lithium ion conductivity was calculated. The results are also shown in Table 3 below. For reference, a Cole-Cole plot obtained by the impedance measurement in Example 2 is shown in Figure 1. The lithium ion conductivity was calculated based on the resistance at the bending point on the low frequency side (the part indicated by the arrow in Figure 1 in Example 2), the thickness, and the electrode area.
It was shown that the solid electrolytes of Examples 1 and 2 had lithium ion conductivities higher than that of Comparative Example 1 by one order of magnitude or more.

Figure 0007684286000003
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<粉末X線回折およびリートベルト解析>
固体電解質の結晶構造を確認するために、粉末X線回折およびリートベルト解析を行った。まず、比較例1、実施例1、および実施例2の固体電解質粉末をアルミナ乳鉢で粉砕後に、粉砕した試料1gと、基準として酸化亜鉛(ZnO、高純度化学研究所社製)0.1gと、を加えてメノウ乳鉢乳棒を用いて5分間混合し、粉末X線回折測定を行った。なお、粉末X線回折測定は、ブルカー社製のD8 DISCOVERを用い、重量計測は、0.1mg単位まで秤量できる電子天秤を用いて、静電気などにより測定前後に重量変化がないようにイオナイザーを用いて除電しながら秤量した。ZnOについては、α―Al23(STANDARD REFERANCE MATERIAL 674、US DEPARTMENT OF COMMERCE NATIONAL BUREAU OF STANDARDS製)を用いて校正を行った。なお、ZnOの校正は、ZnO 0.181gと、前述したα―Al23 0.122gとをメノウ乳鉢を用いて混合し、前述と同様の方法によるこの粉末X線回折測定により行った。
<Powder X-ray diffraction and Rietveld analysis>
In order to confirm the crystal structure of the solid electrolyte, powder X-ray diffraction and Rietveld analysis were performed. First, the solid electrolyte powders of Comparative Example 1, Example 1, and Example 2 were crushed in an alumina mortar, and then 1 g of the crushed sample and 0.1 g of zinc oxide (ZnO, manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.) as a reference were added and mixed for 5 minutes using an agate mortar and pestle, and powder X-ray diffraction measurement was performed. The powder X-ray diffraction measurement was performed using a D8 DISCOVER manufactured by Bruker Co., Ltd., and the weight measurement was performed using an electronic balance capable of weighing to the nearest 0.1 mg, and the weight was measured while being neutralized using an ionizer so that there was no weight change before and after the measurement due to static electricity, etc. Calibration of ZnO was performed using α-Al 2 O 3 (Standard Reference Material 674, manufactured by U.S. Department of Commercial National Bureau of Standards). Calibration of ZnO was performed by mixing 0.181 g of ZnO and 0.122 g of the above-mentioned α-Al 2 O 3 in an agate mortar, and measuring the powder X-ray diffraction of the mixture in the same manner as described above.

また、リートベルト解析は、上記した粉末X線回折測定結果を、リートベルト解析ソフトウェア「Z-Rietveldコード」によりプロファイル関数「Split Pseudo Voigt function」で解析した。なお、結晶構造の初期パラメーター値は、CSD番号でα相(LiZr2(PО43α)が97658、ZnOが26170、α´相(LiZr2(PО43α´)が89456、YPO4が201131、ZrO2が80046とした。また、空間群は全ての相について初期のまま固定し、格子定数は全ての相について空間群で許容される全ての値を可変とした。 In addition, the Rietveld analysis was performed by analyzing the above-mentioned powder X-ray diffraction measurement results using the Rietveld analysis software "Z-Rietveld code" with the profile function "Split Pseudo Voigt function". The initial parameter values of the crystal structure were 97658 for the α phase (LiZr 2 (PO 4 ) 3 α), 26170 for ZnO, 89456 for the α' phase (LiZr 2 (PO 4 ) 3 α'), 201131 for YPO 4 , and 80046 for ZrO 2 in terms of CSD number. The space group was fixed as it was initially for all phases, and all values allowed by the space group for the lattice constant were variable for all phases.

このリートベルト解析の結果を下記表4に示す。また、このリートベルト解析により得られた、比較例1のα相の構造パラメーターを下記表5に、実施例1のα相の構造パラメーターを下記表6に、実施例2のα相の構造パラメーターを下記表7に示す。なお、結晶相以外の相(不特定相、アモルファス相が主体)については、以下の計算式により算出した。The results of this Rietveld analysis are shown in Table 4 below. The structural parameters of the α phase of Comparative Example 1 obtained by this Rietveld analysis are shown in Table 5 below, the structural parameters of the α phase of Example 1 in Table 6 below, and the structural parameters of the α phase of Example 2 in Table 7 below. Phases other than the crystalline phase (unspecified phase, mainly amorphous phase) were calculated using the following formula.

(結晶相以外の相の計算式)
結晶相以外の相の質量比(ZnOで規格化)=(混合したZnOを1とした評価試料の質量比-リートベルト解析により得られたZnOを1としたZnO以外の各結晶相の質量比の総和)÷混合したZnOを1とした評価試料の質量比
(結晶相以外の相のZnOを除いた質量比の計算式)
結晶相以外の相の質量比(ZnOで規格化)/ZnO以外の各結晶相の質量比の総和×100%
リートベルト解析によって校正されたZnOの補正係数は0.879倍であった。
(Calculation formula for phases other than crystalline phase)
Mass ratio of phases other than the crystalline phase (normalized by ZnO)=(mass ratio of evaluation sample with mixed ZnO set to 1−sum of mass ratios of each crystalline phase other than ZnO obtained by Rietveld analysis with ZnO set to 1)÷mass ratio of evaluation sample with mixed ZnO set to 1 (formula for calculating mass ratio of phases other than the crystalline phase excluding ZnO)
Mass ratio of phases other than the crystalline phase (normalized by ZnO) / Sum of mass ratios of each crystalline phase other than ZnO × 100%
The correction factor for ZnO, calibrated by Rietveld refinement, was 0.879.

この結果からわかるように、比較例1、実施例1、および実施例2の固体電解質粉末はいずれも菱面体晶系のNASICON型構造であるLiZr2(PО43α相の結晶相を含むが、比較例1は結晶相以外の相がほとんどないのに対して、実施例1および実施例2は、アモルファス相が主体である結晶相以外の相が3質量%超(つまり結晶成分の質量和が全質量に対して97重量%未満)であった。また、これらのα相のa軸格子定数は、比較例1が8.872Å未満であるのに対して、実施例1および実施例2は8.882Å超であることが示された。 As can be seen from these results, the solid electrolyte powders of Comparative Example 1, Example 1, and Example 2 all contain a rhombohedral NASICON structure LiZr2 ( PO4 ) 3 α-phase crystal phase, but Comparative Example 1 has almost no phases other than the crystal phase, whereas Examples 1 and 2 have phases other than the crystal phase mainly composed of amorphous phases of more than 3 mass% (i.e., the sum of the masses of the crystal components is less than 97 wt% of the total mass). In addition, the a-axis lattice constants of these α-phases are less than 8.872 Å in Comparative Example 1, whereas Examples 1 and 2 exceed 8.882 Å.

Figure 0007684286000004
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Figure 0007684286000005
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Figure 0007684286000006
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Figure 0007684286000007
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<二次電子像観察>
粒子の状態はリチウムイオン伝導性に大きく影響することから、比較例1、実施例1、および実施例2の固体電解質ペレットについて、最外殻粒子層の二次電子像観察も行った。なお、二次電子像観察は、日立ハイテクノロジーズ社製のS-3000Nを用いた。この結果について、比較例1の二次電子像を図2に、実施例1の二次電子像を図3に、実施例2の二次電子像を図4に示す。観察条件は、比較例1については、ワーキングディスタンス(WD;作動距離(対物レンズ中心から試料面までの距離))を16.5mm、加速電圧を15kV、倍率を500倍とした。実施例1については、WDを15.9mm、加速電圧を15kV、倍率を500倍とした。実施例2については、WDを11.5mm、加速電圧を15kV、倍率を500倍とした。
同じ焼成条件であっても、アモルファス組成を有さない前駆体から得られた比較例1の固体電解質では、粒成長が顕著であった(図2)。一方、アモルファス組成を有する前駆体から得られた実施例1および実施例2の固体電解質では、明確なネックの形成が確認でき、粒界が緻密化されていた(図3、4)。
<Secondary electron image observation>
Since the state of the particles has a large effect on the lithium ion conductivity, secondary electron images of the outermost particle layer were also observed for the solid electrolyte pellets of Comparative Example 1, Example 1, and Example 2. The secondary electron images were observed using an S-3000N manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation. The results are shown in FIG. 2 for the secondary electron image of Comparative Example 1, FIG. 3 for the secondary electron image of Example 1, and FIG. 4 for the secondary electron image of Example 2. The observation conditions were as follows: for Comparative Example 1, the working distance (WD; working distance (distance from the center of the objective lens to the sample surface)) was 16.5 mm, the acceleration voltage was 15 kV, and the magnification was 500 times. For Example 1, the WD was 15.9 mm, the acceleration voltage was 15 kV, and the magnification was 500 times. For Example 2, the WD was 11.5 mm, the acceleration voltage was 15 kV, and the magnification was 500 times.
Even under the same firing conditions, the solid electrolyte of Comparative Example 1 obtained from a precursor having no amorphous composition showed significant grain growth (FIG. 2). On the other hand, in the solid electrolytes of Examples 1 and 2 obtained from precursors having an amorphous composition, the formation of clear necks was confirmed, and the grain boundaries were densified (FIGS. 3 and 4).

<保存試験>
固体電解質は主として電池用途として用いられ、電池用途においては長期間リチウムイオン伝導性が安定であることも必要になるため、保存試験を行った。評価方法としては、25℃大気下にて、比較例1、実施例1、および実施例2の固体電解質ペレットを保存し、前述と同様の方法により粉末X線回折およびリートベルト解析、ならびに密度およびイオン伝導度測定を行った。なお、保存期間は1年とした。
<Preservation test>
Solid electrolytes are mainly used for batteries, and in battery applications, it is necessary for the lithium ion conductivity to be stable for a long period of time, so a storage test was performed. As an evaluation method, the solid electrolyte pellets of Comparative Example 1, Example 1, and Example 2 were stored in the atmosphere at 25°C, and powder X-ray diffraction and Rietveld analysis, as well as density and ion conductivity measurements were performed in the same manner as described above. The storage period was one year.

下記表8に実施例の保存試験開始前(初期品)および1年保存後(1年後)のリートベルト解析の結果を、下記表9にその密度およびリチウムイオン伝導度測定結果を示す。Si成分を含まない実施例1の固体電解質は、1年保存後にα相が96.6質量%から28.8質量%まで低下し、α´相、YPO4、ZrO2などに分解した。一方で、Si成分を含有する実施例2の固体電解質におけるα相の分解(質量比低下)は、10質量%未満に抑制されていた。そして、Si成分を含まない実施例1の固体電解質は1年保存後にリチウムイオン伝導度が約46%低下しているのに対し、Si成分を含有する実施例2の固体電解質はリチウムイオン伝導度の低下が約28%であった。 Table 8 below shows the results of the Rietveld analysis before the start of the storage test (initial product) and after one year of storage (one year later), and Table 9 below shows the density and lithium ion conductivity measurement results. In the solid electrolyte of Example 1 not containing a Si component, the α phase decreased from 96.6 mass% to 28.8 mass% after one year of storage, and decomposed into α' phase, YPO 4 , ZrO 2 , etc. On the other hand, the decomposition (mass ratio decrease) of the α phase in the solid electrolyte of Example 2 containing a Si component was suppressed to less than 10 mass%. And, the lithium ion conductivity of the solid electrolyte of Example 1 not containing a Si component decreased by about 46% after one year of storage, while the lithium ion conductivity of the solid electrolyte of Example 2 containing a Si component decreased by about 28%.

また、この保存試験の結果と、同系品の文献値(Li1.150.15Zr1.85312(JCPDS 01-083-4639)、Li1.2Ca0.1Zr1.9312(RSC Advances 2011(1)1728-1731)、LiZr2312 菱面体晶系(JCPDS 01-084-0998))との比較を、格子定数(a軸(a/Å)、c軸(c/Å))とリチウムイオン伝導度について整理したものを表10に、実施例1および実施例2の初期値および1年後のリチウムイオン伝導度とa軸格子定数についてプロットしたものを図5に示した。アモルファス組成を有する前駆体より作製した実施例1および実施例2のα相のa軸格子定数は、アモルファス組成を有さない前駆体より作製した比較例1や同系品の文献値のa軸格子定数と比べて大きく、特にSi成分を含む実施例2が最も大きかった。リチウムイオン伝導度とa軸格子定数との関係から、このa軸格子定数が大きくなるとリチウムイオン伝導度が高くなる傾向が確認できる。これは、結晶相の格子内をリチウムイオンがより自由に移動できるようになるためであると推定される。
つまり、Si成分を含有する実施例2の固体電解質は室温(25℃)での安定性に特に優れることが確認され、Pの一部をSiに置き換えることにより、格子のa軸方向をより伸長させてリチウムイオン伝導度をより高くし、さらに結晶構造の経時的な安定性およびリチウムイオン伝導度の安定性がより高まることが確認された。
The results of this storage test are compared with the literature values of similar products ( Li1.15Y0.15Zr1.85P3O12 ( JCPDS 01-083-4639), Li1.2Ca0.1Zr1.9P3O12 ( RSC Advances 2011 (1 ) 1728-1731) , LiZr2P3O12 rhombohedral crystal system (JCPDS 01-084-0998)) in terms of lattice constants ( a -axis (a/Å), c-axis (c/Å)) and lithium ion conductivity, as shown in Table 10. FIG. 5 shows plots of the initial values and the lithium ion conductivity and the a-axis lattice constant after one year for Examples 1 and 2. The a-axis lattice constants of the α-phase in Examples 1 and 2, which were made from a precursor having an amorphous composition, are larger than the a-axis lattice constants in Comparative Example 1, which was made from a precursor not having an amorphous composition, and the literature values of similar products, and in particular, Example 2, which contains a Si component, was the largest. From the relationship between lithium ion conductivity and the a-axis lattice constant, it can be confirmed that the lithium ion conductivity tends to increase as the a-axis lattice constant increases. This is presumably because lithium ions can move more freely within the lattice of the crystalline phase.
In other words, it was confirmed that the solid electrolyte of Example 2 containing a Si component is particularly excellent in stability at room temperature (25° C.), and that by replacing a part of P with Si, the a-axis direction of the lattice is further extended, thereby increasing the lithium ion conductivity, and further increasing the stability of the crystal structure over time and the stability of the lithium ion conductivity.

Figure 0007684286000008
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Figure 0007684286000009
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Figure 0007684286000010
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<サイクリックボルタンメトリーによる酸化還元電位の確認>
実施例1および実施例2の固体電解質の耐還元性について、リチウムを対極としてサイクリックボルタンメトリー(cyclic voltammetry:CV)により評価した。
<Confirmation of oxidation-reduction potential by cyclic voltammetry>
The reduction resistance of the solid electrolytes of Examples 1 and 2 was evaluated by cyclic voltammetry (CV) using lithium as a counter electrode.

集電体である銅箔に、Li金属箔(電極)、ポリマー電解質を貼り付け、その上から、作用極側にAu電極をスパッタ済みの実施例1または実施例2の固体電解質ペレットを置き、アルミ箔にて集電を取った。この評価試料はアルミラミネートパックにて真空パックし、タブフィルムで集電体の銅箔およびアルミ箔のみ外部に取り出せる形とした。密閉処理した評価試料の前処理として、60℃で2時間以上保持してポリマー電解質と固体電解質との接合を促したあと、評価を行った。
測定温度は25℃、開始電圧は開回路電圧とし、走査速度は0.2mV/sで、5Vから0.2Vまで走査した。得られたサイクリックボルタモグラム(電流-電位曲線:CV曲線)を図6に示す。Si成分を含有する実施例2の固体電解質は電流の変化が少なく、耐還元性がより優れることが確認できた。
A Li metal foil (electrode) and a polymer electrolyte were attached to the copper foil as a current collector, and the solid electrolyte pellet of Example 1 or Example 2, on which an Au electrode had been sputtered, was placed on the working electrode side, and current was collected with aluminum foil. This evaluation sample was vacuum-packed in an aluminum laminate pack, and only the copper foil and aluminum foil of the current collector could be taken out with a tab film. As a pretreatment of the sealed evaluation sample, it was kept at 60°C for 2 hours or more to promote bonding between the polymer electrolyte and the solid electrolyte, and then evaluation was performed.
The measurement temperature was 25° C., the starting voltage was the open circuit voltage, and the scanning rate was 0.2 mV/s, scanning from 5 V to 0.2 V. The obtained cyclic voltammogram (current-potential curve: CV curve) is shown in Fig. 6. It was confirmed that the solid electrolyte of Example 2 containing a Si component had little change in current and was more excellent in reduction resistance.

<X線吸収微細構造解析(XAFS)によるSiの有効価数の確認>
前述の結果から、実施例2の固体電解質は高いリチウムイオン伝導性および高い耐還元性を有することが確認できた。しかし、この実施例2の固体電解質におけるSi成分の効果やSiの状態は不明であったため、実施例2の固体電解質ペレットについて、X線吸収微細構造解析(XAFS)によりSiの価数を確認した。なお、X線吸収微細構造解析は、愛知シンクロトロン光センターのBL6N1にて行った。この結果を図7に示す。
<Confirmation of the effective valence of Si by X-ray absorption fine structure analysis (XAFS)>
From the above results, it was confirmed that the solid electrolyte of Example 2 has high lithium ion conductivity and high reduction resistance. However, since the effect of the Si component and the state of Si in the solid electrolyte of Example 2 were unknown, the valence of Si was confirmed by X-ray absorption fine structure analysis (XAFS) for the solid electrolyte pellet of Example 2. The X-ray absorption fine structure analysis was performed at BL6N1 of the Aichi Synchrotron Light Center. The results are shown in FIG. 7.

図7の結果は、SiO6配位に対して実測・計算されたXAFSスペクトル(Photon Factory Activity Report 2012#30(2013)B)と良い一致を示した。このことから、Siは固体電解質中のSiO6配位にある可能性が高く、結晶中のZrO6サイトあるいは、固体電解質中のアモルファス部分に存在する可能性が高いことが示唆された。 The results in Figure 7 show good agreement with the measured and calculated XAFS spectrum for SiO 6 coordination (Photon Factory Activity Report 2012 # 30 (2013) B). This suggests that Si is highly likely to be in SiO 6 coordination in the solid electrolyte, and is highly likely to be present in the ZrO 6 site in the crystal or in the amorphous part of the solid electrolyte.

なお、図7中の矢印は、SiO2との差異が顕著である部分を表している。特に、左側の矢印で示される約1845eVに発生した新たなピークから、実施例2の固体電解質は4価よりも低い価数のSiが混入していると解釈することができる。0価相当のSiとSiO2(4価相当)との吸収端エネルギーの差が9eVであることから、上記したピークのエネルギー差(約3eV)より、価数が約3.7価のSiが含まれていることが確認できた。 The arrows in Fig. 7 indicate the areas where the difference from SiO2 is significant. In particular, from the new peak that appears at about 1845 eV indicated by the arrow on the left, it can be interpreted that the solid electrolyte of Example 2 is contaminated with Si having a valence lower than 4. Since the difference in absorption edge energy between Si equivalent to 0 valence and SiO2 (equivalent to 4 valence) is 9 eV, it was confirmed from the energy difference of the above peak (about 3 eV) that Si having a valence of about 3.7 is included.

<広域X線吸収微細構造解析(EXAFS)によるSiへのOの配位数の確認>
さらに、広域X線吸収微細構造解析(EXAFS)により、実施例2の固体電解質におけるSiへのOの配位数も確認した。なお、広域X線吸収微細構造解析は、前述したXAFS測定で用いた愛知シンクロトロンセンターのBL6N1にて測定した放射光データを用いた。解析条件は下記の通りである。
<Confirmation of the coordination number of O to Si by extended X-ray absorption fine structure analysis (EXAFS)>
Furthermore, the coordination number of O to Si in the solid electrolyte of Example 2 was also confirmed by extended X-ray absorption fine structure analysis (EXAFS). For the extended X-ray absorption fine structure analysis, synchrotron radiation data measured at BL6N1 of the Aichi Synchrotron Center, which was used in the above-mentioned XAFS measurement, was used. The analysis conditions were as follows.

SiのK端がE=1847eVであるのに対し、YのLIII、LII、LI端がそれぞれE=2080eV、2156eV、2373eV、ZrのLIII、LII、LI端がそれぞれE=2222eV、2307eV、2532eVであり、SiのK端EXAFS領域に存在する。図8のデータはYのLIII端とLII端の混入を示す。そのため、実施例2の固体電解質のEXAFS解析では、これらの混入を避けるため、解析に用いるE範囲(波数k範囲)を制限する必要がある。そこで、この制限の中でも解析の確度をできるだけ向上させるため、以下の工夫を行った。 The K-edge of Si is E = 1847 eV, while the LIII, LII, and LI-edges of Y are E = 2080 eV, 2156 eV, and 2373 eV, respectively, and the LIII, LII, and LI-edges of Zr are E = 2222 eV, 2307 eV, and 2532 eV, respectively, and are in the K-edge EXAFS region of Si. The data in Figure 8 shows the contamination of the LIII and LII-edges of Y. Therefore, in the EXAFS analysis of the solid electrolyte of Example 2, it is necessary to limit the E range (wave number k range) used in the analysis to avoid these contaminations. Therefore, in order to improve the accuracy of the analysis as much as possible even within this limit, the following measures were taken.

できるだけ少ない変数で実験データを再現し、最近接O配位数を決定できるように、周囲原子は最近接Oのみとした。その結果、フィッティング変数は、スケール因子S0 2O配位数(Nо)、Si-O間距離(rSi-O)、吸収端(E0)、デバイワラー因子(σ0 2)となった。
そして、制限E範囲:1897~2061eVkmax=7.4に対応、波数の重み次数:2次、フィッティング空間:波数空間、として、以下のフローにて、順次、フィッティング変数を決定した。
(1)リファレンスSiO2を広いE範囲で解析し、σ0 2を決定。
(2)リファレンスSiO2を制限E範囲で解析し(σ0 2を(1)の値に固定)、No=4と固定できるこのデータにてS0 2を決定。
(3)実施例2(LYZSP12)を制限E範囲で解析し(σ0 2を(1)の値に、S0 2を(2)の値に固定)、目的の結晶相のNоを評価。
In order to reproduce the experimental data with as few variables as possible and to determine the nearest-neighbor O coordination number, the surrounding atoms were limited to the nearest-neighbor O. As a result, the fitting variables were the scale factor S 0 2 O coordination number (No), the Si-O distance (r Si-O ), the absorption edge (E 0 ), and the Debye-Waller factor (σ 0 2 ).
Then, the fitting variables were determined in sequence according to the following flow, with the restricted E range corresponding to 1897 to 2061 eV kmax = 7.4, the wavenumber weighting order: second order, and the fitting space: wavenumber space.
(1) The reference SiO 2 is analyzed over a wide E range to determine σ 0 2 .
(2) The reference SiO 2 is analyzed within the restricted E range (σ 0 2 is fixed to the value in (1)), and S 0 2 is determined from this data which can be fixed as No=4.
(3) Example 2 (LYZSP12) is analyzed within the restricted E range (σ 0 2 is fixed to the value in (1) and S 0 2 is fixed to the value in (2)), and the No of the target crystal phase is evaluated.

この解析結果を下記表11および図9に示す。図9は、フーリエ変換で抽出した「実空間における動径構造関数」を示す。ここで、抽出で用いたR範囲とk(あるいはq)範囲は、window関数として図示している。このデータから抽出された関数とフィッティング結果の関数が一致したことと、表11のR因子から、本解析は適切に実施されたと判断された。
そして、実施例2の固体電解質におけるSiへのO配位数は、4ではなく6であると見積もられた(表11)。この結果から、固体電解質にSi成分が含まれることによって、結晶相内(特にα相内)での共有結合が強固となるとともに、SiがZrサイトに配置されて格子がエネルギー的に安定化される、あるいはアモルファス相が6配位のSiにより安定化される可能性が高いことが示唆された。
The results of this analysis are shown in Table 11 below and in Figure 9. Figure 9 shows the "radial structure function in real space" extracted by Fourier transform. Here, the R range and k (or q) range used in the extraction are illustrated as window functions. Based on the agreement between the function extracted from this data and the function of the fitting result, and the R factor in Table 11, it was determined that this analysis was performed appropriately.
The coordination number of O to Si in the solid electrolyte of Example 2 was estimated to be 6, not 4 (Table 11). This result suggests that the inclusion of a Si component in the solid electrolyte strengthens the covalent bonds in the crystalline phase (particularly in the α phase), and Si is placed at the Zr site to energetically stabilize the lattice, or that there is a high possibility that the amorphous phase is stabilized by 6-coordinated Si.

Figure 0007684286000011
Figure 0007684286000011

<Y、Siの比率がリチウムイオン伝導度と密度に与える影響の確認>
実施例2を基準として、実施例3~6の固体電解質ペレットにおけるLi1.05+xxZr2-xSi0.052.9512のYの比率(式中のxの値)がリチウムイオン伝導度、密度およびα相のa軸格子定数に与える影響について確認した結果を下記表12および図10に示した。
また、実施例1および実施例2を基準として、実施例7~9の固体電解質ペレットにおけるLi1.15+y0.15Zr1.85Siy3-y12のSiの比率(式中のyの値)がリチウムイオン伝導度、密度およびα相のa軸格子定数に与える影響について確認した結果を表13および図11に示した。
さらに、Li1.05+xxZr2-xSi0.052.9512のYの比率(式中のxの値)およびLi1.15+y0.15Zr1.85Siy3-y12のSiの比率(式中のyの値)の変動により変化したα相のa軸格子定数が、リチウムイオン伝導度に与える影響を確認した結果を図12に示した。
さらには、Li1+x+yxZr2-xSi3-y12のSiの比率(式中のyの値)を0とした、Li1+xxZr2-x312のYの比率(式中のxの値)がリチウムイオン伝導度、密度およびα相のa軸格子定数に与える影響について確認した結果を表14に示した。
<Confirmation of the effect of the ratio of Y and Si on lithium ion conductivity and density>
The influence of the ratio of Y (the value of x in the formula) in Li1.05+xYxZr2 - xSi0.05P2.95O12 in the solid electrolyte pellets of Examples 3 to 6 on the lithium ion conductivity, density, and a-axis lattice constant of the α phase was confirmed with reference to Example 2. The results are shown in Table 12 below and FIG. 10.
In addition, the influence of the Si ratio (the value of y in the formula) of Li1.15+yY0.15Zr1.85SiyP3 - yO12 in the solid electrolyte pellets of Examples 7 to 9 on the lithium ion conductivity, density, and a-axis lattice constant of the α-phase was confirmed with reference to Examples 1 and 2. The results are shown in Table 13 and FIG.
Furthermore, the influence of the a-axis lattice constant of the α- phase , which is changed by varying the Y ratio (the value of x in the formula) of Li1.05 +xYxZr2 - xSi0.05P2.95O12 and the Si ratio (the value of y in the formula) of Li1.15 +yY0.15Zr1.85SiyP3 - yO12 , on the lithium ion conductivity was confirmed. The results are shown in FIG. 12.
Furthermore, the Si ratio (the value of y in the formula) of Li1 +xYxZr2 -xSiyP3 - yO12 was set to 0, and the influence of the Y ratio (the value of x in the formula) of Li1 +xYxZr2 - xP3O12 on the lithium ion conductivity, density, and a-axis lattice constant of the α-phase was examined. The results are shown in Table 14.

なお、各固体電解質ペレットのリチウムイオン伝導度、密度およびα相のa軸格子定数は、いずれも前述と同様の方法により行った。また、リチウムイオン伝導度および密度については、それぞれの実施例について2回測定を行った(表12~14、図10~12)。The lithium ion conductivity, density, and a-axis lattice constant of the α-phase of each solid electrolyte pellet were measured in the same manner as described above. The lithium ion conductivity and density were measured twice for each example (Tables 12 to 14, Figures 10 to 12).

Figure 0007684286000012
Figure 0007684286000012

Figure 0007684286000013
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Figure 0007684286000014
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この結果、Li1.05+xxZr2-xSi0.052.9512におけるYの比率が0.10~0.17である場合、ならびに、Li1.15+y0.15Zr1.85Siy3-y12におけるSiの比率が0.00~0.07である場合、そのリチウムイオン伝導度がより高まることが示された。
また、α相のa軸格子定数は、Li1.05+xxZr2-xSi0.052.9512におけるYの比率あるいはLi1.15+y0.15Zr1.85Siy3-y12におけるSiの比率を変動させることにより8.880Åから8.8892Åまで変動し、α相のa軸格子定数の値とリチウムイオン伝導度の値が相関していることが確認できた。つまり、α相のa軸格子定数が8.880Åから増大するのに合わせてリチウムイオン伝導度は高くなり、α相のa軸格子定数が8.885Å付近においてリチウムイオン伝導度が最も高く、α相のa軸格子定数が8.892Åを超えるとリチウムイオン伝導度が低下傾向となることが確認できた。
さらに、Li1+x+yxZr2-xSiy3-y12におけるYの比率が0.25と0.2を超える場合であっても、Siの比率が0であれば、Siの比率が0.05の場合と比べて高いリチウムイオン伝導度が比較的維持されることが確認された。この実施例10のα相のa軸格子定数は8.888Åであり、これが上記したα相a軸の格子定数の閾値である8.892Å以下であったことが影響していると考えられる。
As a result, it was shown that when the Y ratio in Li1.05 +xYxZr2 - xSi0.05P2.95O12 is 0.10 to 0.17 , and when the Si ratio in Li1.15 +yY0.15Zr1.85SiyP3 - yO12 is 0.00 to 0.07 , the lithium ion conductivity is further increased.
It was also confirmed that the a-axis lattice constant of the α-phase varies from 8.880 Å to 8.8892 Å by varying the ratio of Y in Li1.05 +xYxZr2 - xSi0.05P2.95O12 or the ratio of Si in Li1.15 +yY0.15Zr1.85SiyP3 - yO12 , and that the value of the a-axis lattice constant of the α-phase correlates with the value of the lithium ion conductivity. In other words, it was confirmed that the lithium ion conductivity increases as the a-axis lattice constant of the α-phase increases from 8.880 Å, that the lithium ion conductivity is highest when the a-axis lattice constant of the α-phase is in the vicinity of 8.885 Å, and that the lithium ion conductivity tends to decrease when the a-axis lattice constant of the α-phase exceeds 8.892 Å.
Furthermore, even when the Y ratio in Li1 +x+yYxZr2 -xSiyP3 - yO12 exceeds 0.2, i.e., 0.25, it was confirmed that, if the Si ratio is 0, a high lithium ion conductivity is relatively maintained compared to the case where the Si ratio is 0.05. The a-axis lattice constant of the α phase in Example 10 is 8.888 Å, which is considered to be influenced by the fact that this is equal to or less than 8.892 Å, which is the threshold value of the lattice constant of the a-axis of the α phase.

<シート成形法による焼結体の作製>
ペレットや粉末において高いリチウムイオン伝導性と安定な性能が確認された実施例2の固体電解質について、グリーンシート成形によりシート状焼結体の作製を行った。
具体的には、実施例2の組成のアモルファス前駆体の乾燥粉末をD90で1μm以下まで粉砕して得られた粉末に対して、溶剤として1-プロパノール、バインダー、分散剤を加え、20μm厚さのシート成形後に、12枚積層し、真空パック後に温水静水圧プレスを行い、1200℃で焼成した。得られたシート状焼結体(シート状基板)を実施例11とした。
<Preparation of sintered body by sheet molding method>
For the solid electrolyte of Example 2, which was confirmed to have high lithium ion conductivity and stable performance in the form of pellets or powder, a sheet-like sintered body was produced by green sheet molding.
Specifically, the dried powder of the amorphous precursor having the composition of Example 2 was pulverized to 1 μm or less at D90 to obtain a powder, to which 1-propanol as a solvent, a binder, and a dispersant were added, and the powder was molded into a sheet having a thickness of 20 μm. 12 sheets were stacked, vacuum packed, and then subjected to hot water isostatic pressing and sintered at 1200° C. The obtained sheet-like sintered body (sheet-like substrate) was designated as Example 11.

<シート状基板の密度およびリチウムイオン伝導度測定>
実施例11のシート状基板を、ノギス、マイクロメータ、および電子天秤によりそれぞれ直径、厚さ、重量を測定し、密度を算出した。密度は2.6~2.85g/cm3であった。さらに、マグネトロンスパッタ装置(サンユー電子社製、SC-701HMC)により、ブロッキング電極として金電極を実施例11のシート状基板の両面に形成した。そして、これを25℃の恒温槽に入れ、電気化学評価装置(バイオロジック社製、SP300)で、周波数7MHz~0.1Hz、振幅電圧10mVにてインピーダンス測定を行い、リチウムイオン伝導度を測定した。このCole-Cole Plotを図13に示す。この25℃におけるリチウムイオン伝導度は8.5~9.3×10-5S・cm-1であり、これはSPSにより合成されている固体電解質(Li1.150.15Zr1.85312)のリチウムイオン伝導度(文献値)よりも高い値であった。
<Measurement of density and lithium ion conductivity of sheet substrate>
The diameter, thickness, and weight of the sheet substrate of Example 11 were measured using a caliper, a micrometer, and an electronic balance, respectively, and the density was calculated. The density was 2.6 to 2.85 g/cm 3. Furthermore, gold electrodes were formed as blocking electrodes on both sides of the sheet substrate of Example 11 using a magnetron sputtering device (manufactured by Sanyu Electronics Co., Ltd., SC-701HMC). Then, this was placed in a thermostatic bath at 25°C, and impedance measurement was performed using an electrochemical evaluation device (manufactured by Biologic Co., Ltd., SP300) at a frequency of 7 MHz to 0.1 Hz and an amplitude voltage of 10 mV, and the lithium ion conductivity was measured. The Cole-Cole Plot is shown in FIG. 13. The lithium ion conductivity at 25° C. was 8.5 to 9.3×10 −5 S·cm −1 , which was higher than the lithium ion conductivity (literature value) of a solid electrolyte (Li 1.15 Y 0.15 Zr 1.85 P 3 O 12 ) synthesized by SPS.

<二次電子像観察結果>
実施例11のシート状基板について、前述と同じ装置を用い、WD15.0mm、加速電圧15.1kVで観察した。そして、倍率は5000倍とし、最外殻粒子層の二次電子像観察を行った。この結果を図14および図15に示す。この結果から、粒界の存在は認められるが、粒界面が緻密に接合されていることが確認できた。
また、最外殻粒子層に存在する粒子については、24μm×19μm視野において粒子が完全に入っているもの27粒子をカウントした。この結果を下記表15に示す。なお、粒径は、最も長くなる対角線の長さ(対角線の最大値)とした(図15)。この結果から、最大粒径10.2μm、最少粒径0.7μm、平均粒径3.7μmと、小さな粒径で焼結できていることが確認できた。
<Secondary electron image observation results>
The sheet substrate of Example 11 was observed using the same device as above, with a WD of 15.0 mm and an acceleration voltage of 15.1 kV. The magnification was set to 5000 times, and secondary electron images of the outermost particle layer were observed. The results are shown in Figures 14 and 15. From these results, it was confirmed that the grain boundaries were present, but that the grain interfaces were densely bonded.
In addition, for the particles present in the outermost particle layer, 27 particles that were completely contained within a 24 μm × 19 μm field of view were counted. The results are shown in Table 15 below. The particle size was taken as the length of the longest diagonal line (maximum value of the diagonal line) (FIG. 15). From these results, it was confirmed that sintering was possible with small particle sizes, with a maximum particle size of 10.2 μm, a minimum particle size of 0.7 μm, and an average particle size of 3.7 μm.

Figure 0007684286000015
Figure 0007684286000015

この出願は、2020年4月22日に出願された日本出願特願2020-076009を基礎とする優先権を主張し、その開示のすべてをここに取り込む。 This application claims priority to Japanese Patent Application No. 2020-076009, filed on April 22, 2020, the disclosure of which is incorporated herein in its entirety.

Claims (9)

酸化物基準のモル%で、
Li2O成分を10~20%、
25成分を30~40%、
ZrO2成分を40~50%、
23成分を0~4%、
Al23成分を0~3%、
GeO2成分を0~2%
含有し、
菱面体晶系のNASICON型構造である結晶相を含み、
前記結晶相は、LiZr 2 (PО 4 3 α相および/またはLiZr 2 (PО 4 3 α´相を含み、
X線回折およびリートベルト解析により同定された前記結晶相のa軸格子定数が8.872Å以上である、
リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
In mole percent based on oxide,
Li 2 O component: 10 to 20%
P2O5 component 30-40 %,
ZrO2 component: 40 to 50%
Y2O3 component 0 to 4 %,
Al2O3 component is 0 to 3 %,
GeO2 content: 0-2%
Contains
Contains a rhombohedral NASICON structure crystal phase,
the crystalline phase comprises a LiZr2 (PO4 ) 3 α -phase and/or a LiZr2 ( PO4 ) 3 α' -phase;
The a-axis lattice constant of the crystalline phase identified by X-ray diffraction and Rietveld analysis is 8.872 Å or more.
Lithium-ion conductive glass-ceramics.
X線回折およびリートベルト解析により同定された結晶成分の質量和が、全質量に対して97質量%未満である、請求項1に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。 The lithium ion conductive glass ceramic according to claim 1, in which the sum of the masses of the crystalline components identified by X-ray diffraction and Rietveld analysis is less than 97 mass% of the total mass. X線回折およびリートベルト解析により同定された前記LiZr2(PО43α相の質量が、全質量に対して80質量%以上である、請求項1または2に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。 3. The lithium ion conductive glass-ceramics according to claim 1 , wherein the mass of the LiZr2 ( PO4 ) 3 α-phase identified by X-ray diffraction and Rietveld analysis is 80 mass% or more based on the total mass of the glass-ceramics. 酸化物基準のモル%で、
SiO2成分を0.1~5%
含有する、請求項1~3のいずれか1項に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
In mole percent based on oxide,
SiO2 component: 0.1 to 5%
The lithium ion conductive glass ceramic according to any one of claims 1 to 3 , comprising:
前記リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス全体において、含有するSiの価数が3.5価以上3.9価未満である、請求項に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。 The lithium ion conductive glass ceramic according to claim 4 , wherein the valence of Si contained in the entire lithium ion conductive glass ceramic is 3.5 or more and less than 3.9. 前記リチウムイオン伝導性ガラスセラミックス全体において、含有するSiへのOの配位数が5以上7以下である、請求項4または5に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。 6. The lithium ion conductive glass ceramic according to claim 4, wherein the coordination number of O to Si contained in the lithium ion conductive glass ceramic is 5 or more and 7 or less in the entire lithium ion conductive glass ceramic. 25℃におけるリチウムイオン伝導度が1.0×10-5S・cm-1以上の粉末である、請求項1~6のいずれか1項に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。 7. The lithium ion conductive glass ceramic according to claim 1 , which is a powder having a lithium ion conductivity at 25° C. of 1.0×10 −5 S·cm −1 or more. 25℃におけるリチウムイオン伝導度が7.0×10-5S・cm-1以上および厚みが300μm以下の基板である、請求項1~6のいずれか1項に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。 7. The lithium ion conductive glass ceramic according to claim 1 , which is a substrate having a lithium ion conductivity at 25° C. of 7.0×10 −5 S·cm −1 or more and a thickness of 300 μm or less. 前記基板の最外殻粒子層における粒子の最大粒子径が30μm以下であり、且つ前記粒子の平均粒子径が15μm以下である、請求項に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。 9. The lithium ion conductive glass ceramic according to claim 8 , wherein the maximum particle size of the particles in the outermost particle layer of the substrate is 30 μm or less, and the average particle size of the particles is 15 μm or less.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116947005B (en) * 2023-09-18 2023-12-01 四川富临新能源科技有限公司 Lithium iron phosphate positive electrode material with rapid lithium ion diffusion rate and preparation method thereof
WO2025177905A1 (en) * 2024-02-22 2025-08-28 新日本電工株式会社 Phosphate powder, solid electrolyte, and method for producing same, and lithium secondary battery
WO2025177906A1 (en) * 2024-02-22 2025-08-28 新日本電工株式会社 Phosphate powder, solid electrolyte, method for producing same, and lithium secondary battery

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014034482A1 (en) 2012-08-31 2014-03-06 旭硝子株式会社 Method for manufacturing lithium-ion-conducting glass ceramic
JP2014229579A (en) 2013-05-27 2014-12-08 株式会社オハラ Lithium ion conductive inorganic solid composite
JP2015076324A (en) 2013-10-10 2015-04-20 株式会社村田製作所 Solid electrolytic material and all-solid battery arranged by use thereof
JP2016009626A (en) 2014-06-25 2016-01-18 株式会社オハラ Composite solid electrolyte body
JP2017157543A (en) 2016-02-29 2017-09-07 スズキ株式会社 Solid electrolyte and method for producing solid electrolyte
WO2017154922A1 (en) 2016-03-08 2017-09-14 株式会社村田製作所 Solid electrolyte, all-solid battery, solid electrolyte manufacturing method and all-solid battery manufacturing method
JP2018006297A (en) 2016-07-08 2018-01-11 旭化成株式会社 Lithium ion conductor
JP2019067511A (en) 2017-09-28 2019-04-25 スズキ株式会社 Solid electrolyte and method for manufacturing the same
JP2019096478A (en) 2017-11-22 2019-06-20 株式会社オハラ Negative electrode material, negative electrode and battery

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5721540B2 (en) * 2011-05-30 2015-05-20 株式会社オハラ Lithium ion conductive inorganic material
WO2013031507A1 (en) * 2011-08-31 2013-03-07 旭硝子株式会社 Method for producing lithium-ion conductive solid electrolyte, and lithium-ion secondary battery

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014034482A1 (en) 2012-08-31 2014-03-06 旭硝子株式会社 Method for manufacturing lithium-ion-conducting glass ceramic
JP2014229579A (en) 2013-05-27 2014-12-08 株式会社オハラ Lithium ion conductive inorganic solid composite
JP2015076324A (en) 2013-10-10 2015-04-20 株式会社村田製作所 Solid electrolytic material and all-solid battery arranged by use thereof
JP2016009626A (en) 2014-06-25 2016-01-18 株式会社オハラ Composite solid electrolyte body
JP2017157543A (en) 2016-02-29 2017-09-07 スズキ株式会社 Solid electrolyte and method for producing solid electrolyte
WO2017154922A1 (en) 2016-03-08 2017-09-14 株式会社村田製作所 Solid electrolyte, all-solid battery, solid electrolyte manufacturing method and all-solid battery manufacturing method
JP2018006297A (en) 2016-07-08 2018-01-11 旭化成株式会社 Lithium ion conductor
JP2019067511A (en) 2017-09-28 2019-04-25 スズキ株式会社 Solid electrolyte and method for manufacturing the same
JP2019096478A (en) 2017-11-22 2019-06-20 株式会社オハラ Negative electrode material, negative electrode and battery

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