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JPH0774093B2 - ベ−タアルミナ質固体電解質およびその製造法 - Google Patents
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JPH0774093B2 - ベ−タアルミナ質固体電解質およびその製造法 - Google Patents

ベ−タアルミナ質固体電解質およびその製造法

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JPH0774093B2
JPH0774093B2 JP62034649A JP3464987A JPH0774093B2 JP H0774093 B2 JPH0774093 B2 JP H0774093B2 JP 62034649 A JP62034649 A JP 62034649A JP 3464987 A JP3464987 A JP 3464987A JP H0774093 B2 JPH0774093 B2 JP H0774093B2
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oxide
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貞夫 森
正明 大島
宏 根本
鍠一 梅本
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NGK Insulators Ltd
Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
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NGK Insulators Ltd
Tokyo Electric Power Co Inc
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    • Y02E60/10Energy storage using batteries

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  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明はナトリウム−硫黄電池の固体電解質隔膜として
使用することのできるベータアルミナ質固体電解質およ
びその製造法に関し、さらに詳しくは、酸化ナトリウ
ム、酸化アルミニウムおよび酸化亜鉛から実質的になる
ベータアルミナ質焼結体およびその製造法に関する。
(従来の技術) ベータアルミナ質焼結体は、高いナトリウムイオン伝導
性を有するため、ナトリウム−硫黄電池において陽極物
質である溶融硫黄と陰極物質である溶融ナトリウムとを
隔離するための固体電解質隔膜として利用される。そし
て、このナトリウム−硫黄電池では内部抵抗の大部分を
固体電解質が示める。従って、電池の放電時の出力低下
および充電時の電力損失を小さく抑えるためには、固体
電解質であるベータアルミナ質焼結体の使用温度範囲た
とえば300℃における比抵抗を低くすることが望まし
い。また、ナトリウム−硫黄電池の寿命は、固体電解質
の寿命に依存するため、ベータアルミナ質焼結体は高強
度であることが望ましい。
(発明が解決しようとする問題点) 従来、ベータアルミナ質焼結体の比抵抗を低くする方法
として、酸化リチウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛等
の2価以下の金属イオンの酸化物を含有させる方法が知
られている。しかし、ナトリウム−硫黄電池の固体電解
質隔膜として酸化リチウム、酸化マグネシウムあるいは
その両方を含有させたベータアルミナ質焼結体が実用化
されているのみで、酸化亜鉛を含有させたベータアルミ
ナ質焼結体は実用化されていない。酸化亜鉛を含有させ
たベータアルミナ質焼結体については、比抵抗を低くす
る方法として、ホットプレス焼成する方法(大阪工業技
術試験所季報第26巻3号8〜12ページ(1975)が知られ
ている。しかし、ホットプレス法は製品が単純形状に限
定され、また高コストであるので工業生産には不適当で
あった。また、酸化亜鉛の含有量を6重量%以上と多く
して1700℃以上の温度で焼成する方法(特公昭50−5384
号)が知られているが、低強度であるという欠点を有し
ていた。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、工業生
産上の原料の取り扱いに難点がなく、比抵抗が低くかつ
均一微細な微構造組織を有し、しかもナトリウム−硫黄
電池の固体電解質隔膜として実用可能であって寿命の長
いベータアルミナ質焼結体およびその製造法を提供する
ことを目的とするものである。
(問題点を解決するための手段) 本発明の第1の発明は、酸化亜鉛を含有させたベータア
ルミナ質固体電解質に関する発明であり、酸化ナトリウ
ム8〜10重量%、酸化亜鉛2〜5.5重量%、残部が酸化
アルミニウムから実質的になる焼結体であって、焼結体
を構成する結晶粒子の大きさが最大長150μm以下であ
り、300℃における比抵抗が10Ω・cm以下であることを
特徴とする。
また本発明の第2の発明は、酸化亜鉛を含有させたベー
タアルミナ質固体電解質の製造法に関する発明であり、
酸化ナトリウム8〜10重量%、酸化亜鉛2〜5.5重量
%、残部が酸化アルミニウムから実質的になるように原
料粉末を混合し、この混合物を成形し、次いで1650℃以
下、好ましくは1500℃以上1650℃以下の温度で焼成する
ことを特徴とする。
(作 用) 本発明のベータアルミナ質焼結体は、酸化ナトリウム、
酸化亜鉛および酸化アルミニウムの原料粉末を所定の割
合で混合し、この混合物を所望の形状に成形し、次いで
この成形体を1650℃以下、好ましくは1500℃以上1650℃
以下の温度で焼成することにより得られる。焼結体の比
抵抗を低くするために添加する酸化亜鉛は酸化リチウム
あるいは酸化マグネシウムと比べて吸湿性が小さいため
原料粉末の取り扱い上の難点がなく、製造において特別
の注意を必要としない。なお、酸化ナトリウム、酸化亜
鉛および酸化アルミニウムは焼成において酸化物に変化
するものであれば、他の形態たとえば硫酸塩等として添
加してもよい。
上記のようにして得たベータアルミナ質焼結体につい
て、ナトリウム−硫黄電池の固体電解質隔膜としての実
用性を評価するために、ナトリウム−ナトリウムセルテ
ストを実施した。ナトリウム−ナトリウムセルテスト
は、ナトリウム−硫黄電池の固体電解質隔膜の寿命を評
価する試験方法として一般的に行われる試験である。ナ
トリウム−硫黄電池の固体電解質隔膜としては、ナトリ
ウム−ナトリウムセルテストにおける通電量が2000Ah/c
m2以上であれば実用することがでる。試験の結果、300
℃における比抵抗が10Ω・cm以下、4点曲げ強度が150M
Pa以上のベータアルミナ質焼結体がナトリウム−ナトリ
ウムセルテストで2000Ah/cm2の通電に耐えることが判明
した。しかも、300℃における比抵抗10Ω・cm以下、4
点曲げ強度150MPa以上のベータアルミナ質焼結体はいず
れも嵩密度が3.25g/cm3以上であった。嵩密度が固体電
解質特性に及ぼす影響は明らかではないが、嵩密度の高
い方が陽極物質である溶融硫黄及び陰極物質である溶融
ナトリウムの固体電解質隔膜への浸透が少なく、固体電
解質隔膜が長寿命となると考えられる。本発明では、嵩
密度が3.25g/cm3以上の時、ナトリウム−ナトリウムセ
ルテストにおける通電量が2000Ah/cm2以上であった。
さらに、この焼結体を鏡面研磨したのち熱燐酸でエッチ
ングして光学顕微鏡で微構造組織を観察した。その結
果、上記の焼結体は第1図(a)に示すように数μmの均
一微細粒子からなる組織または第1図(b)に示すように
針状あるいは板状の粗大粒子と微細粒子とからなる組織
を有していた。そして、粗大粒子の大きさは最大長で必
ず150μm以下であった。ここでいう粗大粒子とは、焼
結体を構成する結晶粒子の一部が異常粒成長をしたもの
で、数μmの微細粒子と共存する数10〜数100μmの大
きさの粒子を意味する。また、最大長とは、微細粒子ま
たは針状あるいは板状の粗大粒子の長さ方向の最大値を
いう。なお、第1図(a)に示した均一微細粒子からなる
組織を有する焼結体と第1図(b)に示した粗大粒子と微
細粒子からなる組織を有する焼結体とでは、前者の方が
ナトリウム−ナトリウムセルテストにおいてより長期の
通電に耐えるという傾向がみられた。
上記のように、数μmの均一微細粒子からなる組織を有
する焼結体または150μm以下の粗大粒子と数μmの微
細粒子とからなる組織を有する焼結体がナトリウム−ナ
トリウムセルテストにおいて長期の通電に耐え、しかも
前者の均一微細粒子からなる焼結体がより長期の通電に
耐える傾向を示した理由は明らかではないが、ベータア
ルミナの結晶の性質から次のように考えることができ
る。すなわち、ベータアルミナの結晶はナトリウムイオ
ンの伝導する面に沿ってヘキ開する性質があるため、15
0μmを越える粗大粒子が焼結体中に存在すると、焼結
体の破壊がこの粗大粒子から起こるようになると考えら
れる。また、粗大粒子の抵抗は周辺と比べて小さいか
ら、ナトリウムイオンは粗大粒子を選択的に伝導する、
すなわち電流は粗大粒子に集中する結果、粗大粒子の存
在する焼結体は長期の通電に耐えないものと考えられ
る。300℃における比抵抗が10Ω・cm以下であり、焼結
体を構成する結晶粒子の大きさが最大長で150μm以下
であるベータアルミナ質焼結体は、酸化ナトリウム8〜
10重量%、酸化亜鉛2〜5.5重量%、残部が酸化アルミ
ニウムである化学組成範囲において、1650℃以下、好ま
しくは1500℃以上1650度以下の温度で焼成することによ
り得られる。
化学組成の範囲を上記のように規定した理由は、酸化ナ
トリウムが8重量%より少ないと十分に焼結せず、10重
量%より多いと300℃における比抵抗が10Ω・cmより大
きくなるからである。また、酸化亜鉛が2重量%より少
ない場合は前記比抵抗が10Ω・cm以下にならず、5.5重
量%より多い場合は焼結体の結晶粒子の大きさが150μ
mを超え、曲げ強度も150MPa以上にならない。
焼成温度を1650℃以下好ましくは1500℃以上1650℃以下
に限定する理由は、本発明の化学組成範囲においては焼
成温度が1500℃より低いと十分に焼結せず、また1650℃
より高いと焼結体の結晶粒子の大きさが最大長で150μ
m以下とならず、4点曲げ強度が150MPa以上を満足する
ベータアルミナ質焼結体が得られなくなるからである。
(実施例) 次に、本発明を実際の実施例によりさらに詳細に説明す
る。
炭酸ナトリウム、酸化亜鉛および酸化アルミニウムを第
1表に示す化学組成の比に調合し、ポリビニルブチラー
ルをバインダとして添加し、アセトンを媒体にしてボー
ルミルで粉砕混合を行い、造粒し、外径15mm、厚さ1m
m、長さ200mmの袋管および長50mm、幅25mm、厚さ7mmの
角板を成形した。次いで、この袋管および角板をこれと
同一組成の粉末でアルミナ質容器中に埋め込んだのち容
器に蓋をし、所定の温度に1時間保持して焼成した。な
お、酸化アルミニウムの原料粉末は平均粒径0.6μmの
ものを使用した。
このようにして得たベータアルミナ質焼結体の袋管およ
び角板についてブタノールを用いた浮力法により嵩密度
を測定した。また、角板から棒状試料を切り出し、300
℃における比抵抗、結晶粒子の大きさおよび4点曲げ強
度を測定した。比抵抗は、NaNO3−NaNO2の共融塩を電極
として4端子による複素インピーダンス法で測定した。
結晶粒子の大きさは、試料を鏡面研磨したのち熱燐酸エ
ッチングし、光学顕微鏡で観察した。4点曲げ強度はJI
S R−1601−1981により測定した。さらに、袋管試料に
ついてナトリウム−ナトリウムセルテストを実施した。
電極の金属ナトリウムは原子炉級のものを用い、温度は
350℃、電流密度は1A/cm2とした。上記の測定結果を第
1表に示す。第1表には、化学組成および焼成温度が本
発明の範囲外の結果も比較例として示した。なお、表中
の○印はナトリウム−ナトリウムセルテストにおける通
電量が2000Ah/cm2以上であったもの、×印は通電量が20
00Ah/cm2に達する以前に焼結体が破壊したり、焼結体の
比抵抗が大きく上昇したものを表す。
第1表から明らかなように、本発明の実施例は300℃に
おける比抵抗が10Ω・cm以下、結晶粒子の大きさが最大
長で150μm以下であり、しかも4点曲げ強度が150MPa
以上、嵩密度が3.25g/cm3という特徴を有し、実施例の
焼結体がナトリウム−ナトリウムセルテストで通電寿命
の長いことがわかる。比較例に示されるように、化学組
成あるいは焼成温度が本発明の範囲からはずれると、焼
結不足となったり、あるいは比抵抗が高いとか曲げ強度
が低い等の特性を示し、ナトリウム−ナトリウムセルテ
ストの寿命が実施例のものより短い。
(発明の効果) 以上説明したように、本発明によれば、比抵抗が低く、
曲げ強度の高い長寿命のベータアルミナ質固体電解質を
得ることができる。しかも、固体電解質の製造における
原料取り扱いに難点がなく、工業生産に適した製造を行
うことができる。また、本発明の固体電解質は、ナトリ
ウム−硫黄電池に用いた場合に充放電時に損失が小さ
く、寿命も長いことから有用性の高いものである。さら
に、本発明のベータアルミナ質固体電解質は電解工業に
おける溶融塩電解装置にも応用することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)および(b)は本発明のベータアルミナ質固体電
解質の光学顕微鏡で観察した粒子構造を示す代用写真で
ある。
フロントページの続き (72)発明者 梅本 鍠一 愛知県豊田市広美町上之切62番地

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】酸化ナトリウム8〜10重量%、酸化亜鉛2
    〜5.5重量%、残部が酸化アルミニウムから実質的にな
    る焼結体であって、焼結体を構成する結晶粒子の大きさ
    が最大長で150μm以下であり、300℃における焼結体の
    比抵抗が10Ω・cm以下であることを特徴とするベータア
    ルミナ質固体電解質。
  2. 【請求項2】前記焼結体が4点曲げ強度150MPa以上、嵩
    密度3.25g/cm3以上であることを特徴とする特許請求の
    範囲第1項記載のベータアルミナ質固体電解質。
  3. 【請求項3】酸化ナトリウム8〜10重量%、酸化亜鉛2
    〜5.5重量%、残部が酸化アルミニウムから実質的にな
    るように原料粉末を混合し、この混合物を成形し、次い
    で1650℃以下の温度で焼成することを特徴とするベータ
    アルミナ質固体電解質の製造法。
JP62034649A 1987-02-19 1987-02-19 ベ−タアルミナ質固体電解質およびその製造法 Expired - Lifetime JPH0774093B2 (ja)

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JP2856344B2 (ja) * 1994-03-29 1999-02-10 日本碍子株式会社 ベータアルミナ固体電解質及びその製造方法

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