JP6632240B2 - リチウムイオン伝導性セラミックス材料及びリチウム電池 - Google Patents
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Description
[1] Li、La、Zr、Mg及びSrを含み、含有される各元素がモル比で下記の(1)〜(3)を満たし、かつガーネット型結晶構造を有するリチウムイオン伝導性セラミックス材料である。
(1)1.33≦Li/(La+Sr)≦3
(2)0<Mg/(La+Sr)≦0.5
(3)0<Sr/(La+Sr)≦0.67
[2] Li、La、Zr、Mg及びSrを含み、含有される各元素がモル比で下記の(1´)〜(3´)を満たし、かつガーネット型結晶構造を有するリチウムイオン伝導性セラミックス材料である。
(1´)2.0≦Li/(La+Sr)≦2.5
(2´)0.01≦Mg/(La+Sr)≦0.14
(3´)0.04≦Sr/(La+Sr)≦0.17
[3] 室温におけるイオン伝導率が1×10−5S/cm以上である前記[1]又は[2]に記載のリチウムイオン伝導性セラミックス材料である。
[4] 相対密度が86%以上である前記[1]〜[3]のいずれか一項に記載のリチウムイオン伝導性セラミックス材料である。
[5] 固体電解質層と正極層と負極層とを備えるリチウム電池において、
前記[1]〜[3]のいずれか一項に記載のリチウムイオン伝導性セラミックス材料が、前記固体電解質層、前記正極層、及び前記負極層の少なくとも一つに含まれるリチウム電池である。
[6] 固体電解質層と正極層と負極層とを備えるリチウム電池において、
前記固体電解質層と前記正極層との間、及び前記固体電解質層と前記負極層との間の少なくとも一方に保護層をさらに備え、
前記固体電解質層、前記正極層、前記負極層及び前記保護層の少なくとも一つに前記[1]〜[4]のいずれか一項に記載のリチウムイオン伝導性セラミックス材料が含まれるリチウム電池である。
さらに固体電解質層と正極との間及び固体電解質層と負極との間の少なくとも一方に保護層を備えている場合でも、所望のイオン伝導率を有するリチウムイオン伝導性セラミックス材料が、固体電解質層、正極、負極、及び保護層の少なくとも一つに含まれているので、高性能なリチウム電池を提供することができる。また、本発明に係るリチウム電池は、原材料の一部に埋蔵量が比較的多く安価なものを用いているので、コストの低減を図ることができる。
まず、本発明に係るリチウムイオン伝導性セラミックス材料の一実施例について説明する。本発明に係るリチウムイオン伝導性セラミックス材料は、Li、La、及びZrと、Mg及びA(AはCa、Sr、及びBaからなる群より選択される少なくとも一種の元素)の少なくとも一方とを含み、含有される各元素がモル比で下記の(1)〜(3)を満たし、かつガーネット型結晶構造又はガーネット型類似の結晶構造を有する。
(1)1.33≦Li/(La+A)≦3
(2)0<Mg/(La+A)≦0.5
(3)0<A/(La+A)≦0.67
(1´)2.0≦Li/(La+A)≦2.5
(2´)0.01≦Mg/(La+A)≦0.14
(3´)0.04≦A/(La+A)≦0.17
Li7La3Zr2O12(LLZ)・・・一般式(I)
(a)リチウムイオン伝導性セラミックス材料は、Li、La、Zr、及びMgを含み、前記各元素がモル比で、1.33≦Li/La≦3、かつ、0<Mg/La≦0.5 を満たす。
(b)リチウムイオン伝導性セラミックス材料は、Li、La、Zr、及びAを含み、前記各元素がモル比で、1.33≦Li/(La+A)≦3、かつ、0<A/(La+A)≦0.67 を満たす。
(c)リチウムイオン伝導性セラミックス材料は、Li、La、Zr、Mg、及びAを含み、前記各元素がモル比で、1.33≦Li/(La+A)≦3、0<Mg/(La+A)≦0.5、かつ0<A/(La+A)≦0.67 を満たす。
(d)リチウムイオン伝導性セラミックス材料は、Li、La、Zr、Mg、及びAを含み、前記各元素がモル比で、2.0≦Li/(La+A)≦2.5、0.01≦Mg/(La+A)≦0.14、かつ0.04≦A/(La+A)≦0.17 を満たす。
イオン伝導率だけでなく相対密度が高いと、この発明に係るリチウムイオン伝導性セラミックス材料を、後述する固体電解質層11として用いたときに固体電解質層11を薄板化しても固体電解質層11としての機能(正極層12と負極層13との接触を防ぐ機能)を満足することができ、薄板化することで固体電解質層11自身の抵抗を低減でき、全固体電池10の内部抵抗を抑制することができる。
また、この発明に係るリチウムイオン伝導性セラミックス材料を、後述する保護層216,217として用いたときに保護層216,217を薄板化しても保護層216,217としての機能(正極層212及び/又は負極層213と固体電解質層211との接触を防ぐ機能)を満足することができ、薄板化することで保護層216,217自身の抵抗を低減でき、全固体電池210の内部抵抗を抑制することができる。
さらに、この発明に係るリチウムイオン伝導性セラミックス材料を、正極層12,212及び/又は負極層13,213に含有させた場合には、イオン伝導率が高いので、正極層12,212及び/又は負極層13,213の内部の抵抗を低減でき、全固体電池10,210の内部抵抗を抑制することができる。
(4)0.33≦Zr/(La+A)≦1
(1)1.33≦Li/(La+A)≦3
(2)0<Mg/(La+A)≦0.5
(3)0<A/(La+A)≦0.67
(4)0.33<Zr/(La+A)≦1
(1´)2.0≦Li/(La+A)≦2.5
(2´)0.01≦Mg/(La+A)≦0.14
(3´)0.04≦A/(La+A)≦0.17
(4´)0.33<Zr/(La+A)≦1
また、正極層及び負極層に含まれる固体電解質として本発明のリチウムイオン伝導性セラミックス材料を用いる場合は、前記焼成工程において配合材料をプレス成形せず、粉末状に焼成して得られたリチウムイオン伝導性セラミックス材料を使用することができる。
この発明に係るリチウム電池の第1実施形態である全固体電池を、図面を参照しつつ説明する。図1は、本発明に係るリチウム電池の一実施例である全固体電池を示す断面概略説明図である。
この発明に係るリチウム電池の第2実施形態である全固体電池を、図面を参照しつつ説明する。図2は、本発明に係るリチウム電池の一実施例である全固体電池を示す断面概略説明図である。第2実施形態の全固体電池210は、以下に説明する点以外は、第1実施形態の全固体電池10と同じ構成を有している。
(サンプル1)
原料粉末である、Li2CO3、MgO、La(OH)3、SrCO3、ZrO2を、Li、Mg、La、Sr、及びZrの各成分の比率が、Li:Mg:La:Sr:Zr=7.75:0.25:2.75:0.25:2.0(モル比)になるように秤量した(サンプル1)。これをジルコニアボールと共にナイロンポットに投入し、エタノール中で15時間にわたってボールミルで粉砕混合し、さらに乾燥して配合材料を得た。
サンプル1と同様に原料粉末を秤量し、同様の手順で成形体を得た。その後、この成形体を成形体と同じ組成の仮焼粉末で覆い、サンプル1とは異なり、還元雰囲気において1200℃で4時間にわたって焼成することでリチウムイオン伝導性セラミックス材料の焼結体(サンプル2)を得た。
サンプル1と同様に原料粉末を秤量し、同様の手順で成形体を得た。その後、この成形体を成形体と同じ組成の仮焼粉末で覆い、サンプル1とは異なり、窒素雰囲気において1200℃で4時間にわたって焼成することでリチウムイオン伝導性セラミックス材料の焼結体(サンプル3)を得た。
サンプル1と同様に原料粉末を秤量し、同様の手順で成形体を得た。その後、この成形体を成形体と同じ組成の仮焼粉末で覆い、サンプル1とは異なり、Ar雰囲気において1200℃で4時間にわたって焼成することでリチウムイオン伝導性セラミックス材料の焼結体(サンプル4)を得た。
サンプル1と異なり原料粉末の各成分の比率が、Li:Mg:La:Sr:Zr=8.75:0.25:2.75:0.25:2.08(モル比)になるように秤量した。その後、サンプル1と同様の手順で成形体を得た。この成形体を成形体と同じ組成の仮焼粉末で覆い、サンプル1と同様に大気雰囲気において1200℃で4時間にわたって焼成することでリチウムイオン伝導性セラミックス材料の焼結体(サンプル5)を得た。
サンプル1と異なり原料粉末の各成分の比率が、Li:Mg:La:Sr:Zr=7.75:0.25:2.75:0.25:2.08(モル比)になるように秤量した。その後、サンプル1と同様の手順で成形体を得た。この成形体を成形体と同じ組成の仮焼粉末で覆い、サンプル1とは異なり、窒素雰囲気において1200℃で4時間にわたって焼成することでリチウムイオン伝導性セラミックス材料の焼結体(サンプル6)を得た。
サンプル1と異なり原料粉末の各成分の比率が、Li:Mg:La:Sr:Zr=7.75:0.25:2.75:0.25:2.08(モル比)になるように秤量した。その後、サンプル1と同様の手順で仮焼成材料を得た。ここでサンプル1とは異なり、得られた仮焼成材料にバインダーを加えて、有機溶媒中で40時間にわたってボールミルで粉砕混合して、さらに乾燥して未焼成材料を得た。その後、サンプル1と同様の手順で成形体を得た。この成形体を成形体と同じ組成の仮焼粉末で覆い、サンプル1とは異なり、窒素雰囲気において1200℃で4時間にわたって焼成することでリチウムイオン伝導性セラミックス材料の焼結体(サンプル7)を得た。
サンプル1と異なり原料粉末の各成分の比率が、Li:Mg:La:Sr:Zr=7.85:0.20:2.75:0.25:2.08(モル比)になるように秤量した。その後、サンプル1と同様の手順で成形体を得た。この成形体を成形体と同じ組成の仮焼粉末で覆い、サンプル1とは異なり、窒素雰囲気において1200℃で4時間にわたって焼成することでリチウムイオン伝導性セラミックス材料の焼結体(サンプル8)を得た。
サンプル1と異なり原料粉末の各成分の比率が、Li:Mg:La:Sr:Zr=8.05:0.05:2.85:0.15:2.07(モル比)になるように秤量した。その後、サンプル1と同様の手順で成形体を得た。この成形体を成形体と同じ組成の仮焼粉末で覆い、サンプル1とは異なり、窒素雰囲気において1200℃で4時間にわたって焼成することでリチウムイオン伝導性セラミックス材料の焼結体(サンプル9)を得た。
サンプル1と異なり原料粉末の各成分の比率が、Li:Mg:La:Sr:Zr=8.40:0.05:2.50:0.50:2.07(モル比)になるように秤量した。その後、サンプル1と同様の手順で成形体を得た。この成形体を成形体と同じ組成の仮焼粉末で覆い、サンプル1とは異なり、窒素雰囲気において1200℃で4時間にわたって焼成することでリチウムイオン伝導性セラミックス材料の焼結体(サンプル10)を得た。
サンプル1と異なり原料粉末の各成分の比率が、Li:Mg:La:Sr:Zr=7.35:0.40:2.85:0.15:2.07(モル比)になるように秤量した。その後、サンプル1と同様の手順で成形体を得た。この成形体を成形体と同じ組成の仮焼粉末で覆い、サンプル1とは異なり、窒素雰囲気において1200℃で4時間にわたって焼成することでリチウムイオン伝導性セラミックス材料の焼結体(サンプル11)を得た。
サンプル1と異なり原料粉末の各成分の比率が、Li:Mg:La:Sr:Zr=7.70:0.40:2.50:0.50:2.07(モル比)になるように秤量した。その後、サンプル1と同様の手順で成形体を得た。この成形体を成形体と同じ組成の仮焼粉末で覆い、サンプル1とは異なり、窒素雰囲気において1200℃で4時間にわたって焼成することでリチウムイオン伝導性セラミックス材料の焼結体(サンプル12)を得た。
サンプル1と異なり原料粉末の各成分の比率が、Li:Mg:La:Sr:Zr=7.95:0.15:2.75:0.25:2.07(モル比)になるように秤量した。その後、サンプル1と同様の手順で成形体を得た。この成形体を成形体と同じ組成の仮焼粉末で覆い、サンプル1とは異なり、窒素雰囲気において1200℃で4時間にわたって焼成することでリチウムイオン伝導性セラミックス材料の焼結体(サンプル13)を得た。
サンプル1と異なり原料粉末の各成分の比率が、Li:Mg:La:Sr:Zr=7.35:0.45:2.75:0.25:2.07(モル比)になるように秤量した。その後、サンプル1と同様の手順で成形体を得た。この成形体を成形体と同じ組成の仮焼粉末で覆い、サンプル1とは異なり、窒素雰囲気において1200℃で4時間にわたって焼成することでリチウムイオン伝導性セラミックス材料の焼結体(サンプル14)を得た。
サンプル1と異なり原料粉末の各成分の比率が、Li:Mg:La:Sr:Zr=8.00:0.00:3.00:0.00:2.07(モル比)になるように秤量した。その後、サンプル1と同様の手順で成形体を得た。この成形体を成形体と同じ組成の仮焼粉末で覆い、サンプル1と同様に、大気雰囲気において1200℃で4時間にわたって焼成することでリチウムイオン伝導性セラミックス材料の焼結体(サンプル15)を得た。
サンプル1と異なり原料粉末の各成分の比率が、Li:Mg:La:Sr:Zr=8.00:0.00:3.00:0.00:2.07(モル比)になるように秤量した。その後、サンプル1と同様の手順で成形体を得た。この成形体を成形体と同じ組成の仮焼粉末で覆い、サンプル1とは異なり、窒素雰囲気において1200℃で4時間にわたって焼成することでリチウムイオン伝導性セラミックス材料の焼結体(サンプル16)を得た。
サンプル1と異なり原料粉末の各成分の比率が、Li:Mg:La:Sr:Zr=7.60:0.20:3.00:0.00:2.07(モル比)になるように秤量した。その後、サンプル1と同様の手順で成形体を得た。この成形体を成形体と同じ組成の仮焼粉末で覆い、サンプル1とは異なり、窒素雰囲気において1200℃で4時間にわたって焼成することでリチウムイオン伝導性セラミックス材料の焼結体(サンプル17)を得た。
サンプル1と異なり原料粉末の各成分の比率が、Li:Mg:La:Sr:Zr=7.20:0.40:3.00:0.00:2.07(モル比)になるように秤量した。その後、サンプル1と同様の手順で成形体を得た。この成形体を成形体と同じ組成の仮焼粉末で覆い、サンプル1とは異なり、窒素雰囲気において1200℃で4時間にわたって焼成することでリチウムイオン伝導性セラミックス材料の焼結体(サンプル18)を得た。
サンプル1と異なり原料粉末の各成分の比率が、Li:Mg:La:Sr:Zr=8.10:0.00:2.90:0.10:2.07(モル比)になるように秤量した。その後、サンプル1と同様の手順で成形体を得た。この成形体を成形体と同じ組成の仮焼粉末で覆い、サンプル1とは異なり、窒素雰囲気において1200℃で4時間にわたって焼成することでリチウムイオン伝導性セラミックス材料の焼結体(サンプル19)を得た。
サンプル1〜19の焼結体を粉砕して得られた粉末をX線回折装置(XRD)で分析して、X線回折パターンを得た。得られたX線回折パターンとICDDカードとを対比した結果を図3及び図4に示す。図3及び図4に示すように、サンプル1〜19は、LLZ立方晶のICDDカードとほぼ一致することが確認された。したがって、サンプル1〜19は、ガーネット型結晶構造又はガーネット型類似の結晶構造を有すると判断できる。
サンプル1〜19の焼結体それぞれを粉砕して得られた粉末を酸等の溶媒に溶解させて、それぞれの溶液をICP発光分光分析装置にかけて、組成分析を行った。ICP発光分光分析は、JIS K 0116:2014に準拠して行った。表2において、ICP発光分光分析により検出されず、検出限界値以下である成分については「<0.01」で示した。結果を表1及び表2に示す。
サンプル1〜19それぞれの乾燥質量を電子天秤で測定し、体積をノギスで測定した。乾燥質量を体積で割ることにより各試料の測定密度を算出した。また、それぞれの組成の理論密度を算出した。測定密度を理論密度で割り、100を掛けた値を相対密度として算出した。結果を表1及び表2に示す。
サンプル1〜19それぞれの両面をそれぞれ研磨して、研磨面に金スパッタによってコーティングを施した後に、交流インピーダンス法によって、室温において、各サンプル1〜19の比抵抗及びイオン伝導率を測定した。この測定には、ソーラトロン(Solartron)社製1470E型マルチスタットにソーラトロン社製1255B型周波数応答アナライザを接続して用いた。なお、測定される抵抗R(比抵抗)は、粒内抵抗raと粒界抵抗rbとの合計である(R=ra+rb)。また、イオン伝導率Icは、その抵抗Rの逆数として求められる(Ic=1/R)。結果を表1及び表2に示す。
したがって、サンプル1〜14のリチウムイオン伝導性セラミックス材料は、原材料の一部にMg及びSrといった埋蔵量が比較的多く安価なものを用いても、焼結により容易に形成されることができ、高いイオン伝導率を有する。さらに、コストの低減を図ることができる。また、リチウムイオン伝導性セラミックス材料がリチウム電池における、固体電解質層、正極層、負極層、及び保護層のいずれか少なくとも一つに含まれることにより、コストを抑えつつ高性能なリチウム電池を製造することができる。
また、サンプル1〜14のリチウムイオン伝導性セラミックス材料は、相対密度が、いずれも86(%)以上であった。このような高い相対密度を有するサンプル1〜14のリチウムイオン伝導性セラミックス材料をリチウム電池の固体電解質層や保護層として用いた場合には、これらを薄板化することができ、リチウム電池の内部抵抗値を低減することができる。
11、211 固体電解質層
12、212 正極層
13、213 負極層
14、214 第1の集電部
15、215 第2の集電部
216 第1の保護層
217 第2の保護層
Claims (6)
- Li、La、Zr、Mg及びSrを含み、含有される各元素がモル比で下記の(1)〜(3)を満たし、かつガーネット型結晶構造を有するリチウムイオン伝導性セラミックス材料。
(1)1.33≦Li/(La+Sr)≦3
(2)0<Mg/(La+Sr)≦0.5
(3)0<Sr/(La+Sr)≦0.67 - Li、La、Zr、Mg及びSrを含み、含有される各元素がモル比で下記の(1´)〜(3´)を満たし、かつガーネット型結晶構造を有するリチウムイオン伝導性セラミックス材料。
(1´)2.0≦Li/(La+Sr)≦2.5
(2´)0.01≦Mg/(La+Sr)≦0.14
(3´)0.04≦Sr/(La+Sr)≦0.17 - 室温におけるイオン伝導率が1×10−5S/cm以上である請求項1又は2に記載のリチウムイオン伝導性セラミックス材料。
- 相対密度が86%以上である請求項1〜3のいずれか一項に記載のリチウムイオン伝導性セラミックス材料。
- 固体電解質層と正極層と負極層とを備えるリチウム電池において、
請求項1〜3のいずれか一項に記載のリチウムイオン伝導性セラミックス材料が、前記固体電解質層、前記正極層、及び前記負極層の少なくとも一つに含まれるリチウム電池。 - 固体電解質層と正極層と負極層とを備えるリチウム電池において、
前記固体電解質層と前記正極層との間、及び前記固体電解質層と前記負極層との間の少なくとも一方に保護層をさらに備え、
前記固体電解質層、前記正極層、前記負極層及び前記保護層の少なくとも一つに請求項1〜4のいずれか一項に記載のリチウムイオン伝導性セラミックス材料が含まれるリチウム電池。
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