リチウムイオン伝導性固体電解質およびその製造方法
【課題】従来のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスが有する、熱的安定性が低いという問題を解決し、リチウムイオン伝導性が高く、原ガラスの熱的安定性が高く、かつ容易に成形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。
【解決手段】ガラスセラミックス中（原ガラス中）の特定の成分の量を特定の範囲に限定することであり、具体的には酸化物基準の質量％で、ＺｒＯ２成分を０．５％〜２．５％の範囲で含有させる。
【解決手段】ガラスセラミックス中（原ガラス中）の特定の成分の量を特定の範囲に限定することであり、具体的には酸化物基準の質量％で、ＺｒＯ２成分を０．５％〜２．５％の範囲で含有させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はイオン伝導率が高く、熱的にも化学的にも安定で、製造が容易なリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年におけるエレクトロニクスの進歩は著しく、電子機器の小型化、軽量化、高性能化が急速に進んでいる。そこでこれらの機器用電源として、高エネルギー密度で長寿命の電池の開発が強く望まれており、中でもリチウムイオン電池への期待は日々大きいものとなっている。
【０００３】
リチウムイオン電池の電解質材料として、特許文献１および特許文献２に開示されるリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスが公知である。リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスは特定組成の原ガラスを熱処理することによってガラスの内部に結晶を析出させて得られるため、内部に気孔がほぼ存在せず、気孔がイオン伝導を阻害するということがないので、リチウムイオン伝導性の酸化物セラミックスと比較してイオン伝導性に優れているという特徴を有している。しかしながら、特許文献１に開示されているガラスセラミックスはその原ガラスの熱的な安定性が低いという問題を有しており、高いリチウムイオン伝導度を得つつも、原ガラスの熱的な安定性高くすることは困難であった。原ガラスの熱的な安定性が低いと、溶融ガラスを成形型にキャストして、成形する際にガラスに割れが生じやすくなり、ガラス成形時の熱的な管理を非常に厳格に行わなければならず、製造コストが高くなるという問題がある。また、熱的な安定性が低いとガラス成形時に失透が生じ易くなるという問題も生じる。ガラス成形時に生じる失透はその後の熱処理（結晶化）処理において所望の結晶を均一に析出させることが困難となり、高いリチウムイオン伝導度が得られないという結果となる。ガラス成形時に割れや失透を生じさせないためには原ガラスの成形時の熱的な条件を厳格に管理し、かつガラス成型時に溶融ガラスに与える衝撃をなるべく与えない様に、溶融ガラスの流出速度や流出条件等も厳格に管理する必要があった。
【０００４】
また、特許文献２においては、ガラスの熱的安定性を向上させるために、Ｍ’2Ｏ3成分（但し、Ｍ’はＩｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕの中から選ばれる１種または２種以上）を加え、ガラスの熱的な安定性の評価に用いられるＴｘ−Ｔｇが大きく向上させることに成功しているが、工業的に低コストで量産できるだけの熱的安定性を得るには至っていない。また上記Ｍ’成分を有する原料は市場での流通価格が高く、これらの成分によって上記熱的安定性を得ることは好ましくない。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１５７８７２号公報
【特許文献２】特開２０００−３４１３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の問題に鑑み、本発明は高いリチウムイオン伝導性が高く、原ガラスの熱的安定性が高く、容易に成形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課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は上記の課題に鑑み、鋭意研究を重ねた結果、ガラスセラミックス中（原ガラス中）の特定の成分の量を特定の範囲に限定することによって、原ガラスの熱的安定性が高くなり、リチウムイオン伝導性が高いリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスが得られることを見いだし、この発明を完成したものであり、その具体的な構成は以下の通りである。
【０００８】
（構成１）
酸化物基準の質量％で、ＺｒＯ２成分を０．５％〜２．５％含有するリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
（構成２）
原ガラスの結晶化開始温度をＴｘ［℃］、原ガラスのガラス転移点をＴｇ［℃］とする時、Ｔｘ−Ｔｇの値が７０℃以上１６０℃以下であることを特徴とする構成１に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
（構成３）
Ｌｉ１＋Ｘ＋ＺＭＸ（Ｇｅ１−ＹＴｉＹ）２−ＸＰ３−ＺＳｉＺＯ１２（０＜Ｘ≦０．６，０．２≦Ｙ＜０．８，０≦Ｚ≦０．５、Ｍ＝Ａｌ、Ｇａの中から選ばれる１種または２種）の結晶相を含有する構成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。
（構成４）
酸化物基準の質量％で、
Ｌｉ２Ｏ ３．５％〜５．０％
Ｐ２Ｏ５ ５０％〜５５％、
ＧｅＯ２ １０％〜３０％
ＴｉＯ２ ８％〜２２％、
Ｍ２Ｏ３ ５％〜１２％、但し、Ｍ＝Ａｌ，Ｇａの中から選ばれる１種または２種
の各成分を含有する構成１から３のいずれかに記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
（構成５）
酸化物基準の質量％で、
ＳｉＯ２ ０％〜２．５％、
の成分を含有する構成１から４のいずれかに記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
（構成６）
２５℃におけるリチウムイオン伝導度が５．０×１０−５Ｓ・ｃｍ−１以上であることを特徴とする構成１から５のいずれかに記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
（構成７）
構成１から６に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを用いたことを特徴とする、リチウム電池用固体電解質。
（構成８）
厚さが０．５μｍ〜１０００μｍである構成７に記載のリチウム電池用固体電解質。
（構成９）
構成７または８に記載のリチウム電池用固体電解質を用いた電池。
（構成１０）
酸化物基準の質量％で、
Ｌｉ２Ｏ ３．５％〜５．０％
Ｐ２Ｏ５ ５０％〜５５％、
ＧｅＯ２ １０％〜３０％
ＴｉＯ２ ８％〜２２％、
ＺｒＯ２成分が ０．５％〜２．５％、
Ｍ２Ｏ３ ５％〜１２％、但し、Ｍ＝Ａｌ，Ｇａの中から選ばれる１種または２種
の各成分を含有する原ガラスを溶融する工程と、
前記溶融した原ガラスを成形する工程と、
成形した原ガラスを熱処理によって
Ｌｉ１＋Ｘ＋ＺＭＸ（Ｇｅ１−ＹＴｉＹ）２−ＸＰ３−ＺＳｉＺＯ１２（０＜Ｘ≦０．６，０．２≦Ｙ＜０．８，０≦Ｚ≦０．５、Ｍ＝Ａｌ、Ｇａの中から選ばれる１種または２種）の結晶相を析出させる結晶化工程と、
を有するガラスセラミックスの製造方法。
（構成１１）
前記原ガラスは酸化物基準の質量％で、
ＳｉＯ２ ０％〜２．５％、
の成分を含有する構成１０に記載のガラスセラミックスの製造方法。
（構成１２）
構成１０または１１のいずれかで得られたガラスセラミックスを研削する工程と研磨する工程とを有するリチウム電池用固体電解質の製造方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、原ガラスの熱的安定性が飛躍的に高まるため、原ガラスの溶融ガラスを成形型にキャストする場合にも幅広い温度条件下で安定して原ガラスを成形することが可能となる。また、溶融ガラスに与えられる衝撃もある程度まで許容されるので、溶融ガラスの流出速度や流出条件等も厳格に管理する必要がなくなる。そして、その後に熱処理（結晶化）して得られたガラスセラミックスのリチウムイオン伝導度は高い値を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明について詳細に説明する。本発明のガラスセラミックスの組成は、酸化物基準の質量％で表示し得る。ここで、「酸化物基準」とは、本発明の結晶化ガラスの構成成分の原料として使用される酸化物、硝酸塩等が溶融時にすべて分解され酸化物へ変化すると仮定して、結晶化ガラス中に含有される各成分の組成を表記する方法であり、「酸化物基準の質量％」とは、この生成酸化物の質量の総和を１００質量％として、結晶化ガラス中に含有される各成分の量を表記することをいう。
また、上記酸化物基準によって表わされたガラスセラミックスの組成と、その原ガラスの組成は同様である。
以下ガラスセラミックスの組成を上記のように限定した理由について述べる。本明細書においては特に明記しない限り、ガラスセラミックスの組成を酸化物基準の質量％で表記する。
【００１１】
本発明者はＺｒＯ２成分の範囲を０．５％〜２．５％に特に限定することにより、原ガラスの安定性を飛躍的に高くすることが可能となり、かつ高いリチウムイオン伝導度を得ることが可能となることを見いだした。ＺｒＯ２成分が０．５％未満である場合、結晶化の核が減少してしまうため、高いイオン伝導度を得るために必要な結晶化温度が高くなってしまう。結晶化温度を上げることによりイオン伝導度を高くすることは可能であるが、同時に結晶成長が進み過ぎてしまうため、クラックや内部の気孔の発生につながってしまう。２．５％を超える場合にガラスが溶けにくくなってしまい、より高い溶解温度が必要となる。また失透性が高く、ガラス化しにくくなってしまうため安定なガラス製造ができなくなってしまう。ＺｒＯ２成分の下限は緻密で高いイオン伝導性を得る必要があるため、０．７％とすることがより好ましく、０．９％とすることが最も好ましい。また、上限値は失透性が高くなってしまうため、２．１％とすることがより好ましく、２％とすることが最も好ましい。
一般的にガラスの熱的な安定性の評価はＴｘ［℃］（ガラスの結晶化温度）とＴｇ［℃］（ガラスの転移温度）との差であるＴｘ−Ｔｇの値で評価され、この値が大きいほどガラスの熱的な安定性が良好となる。上記の構成により本発明のガラスセラミックスは原ガラスの熱的安定性が大幅に向上し、Ｔｘ−Ｔｇの値が７０℃以上であり、リチウムイオン伝導性は若干劣るものの最大で１６０℃の値を得ることができる。リチウムイオン伝導度なども考慮した総合的により好ましい態様においても７２℃以上、最も好ましい態様においては７４℃以上の値を得ることができる。
【００１２】
本発明のガラスセラミックスはＬｉ１＋Ｘ＋ＺＭＸ（Ｇｅ１−ＹＴｉＹ）２−ＸＰ３−ＺＳｉＺＯ１２（０＜Ｘ≦０．６，０．２≦Ｙ＜０．８，０≦Ｚ≦０．５、Ｍ＝Ａｌ、Ｇａ）の結晶相を含有することが好ましい。この結晶相を含有することにより、高いリチウムイオン伝導度を得られやすくなる。
【００１３】
Ｌｉ２Ｏ成分はＬｉ＋イオンキャリアを提供し，リチウムイオン伝導性をもたらすのに有用な成分である。Ｌｉ２Ｏ成分の下限は良好なリチウムイオン伝導度を得るために、３．５％以上であることが好ましく、３．７％であることがより好ましく、３．９％であることが最も好ましい。またＬｉ２Ｏ成分の上限は失透性が高くなってしまうため、５．０％以下であることが好ましく、４．８％以下であることがより好ましく、４．６％以下であることが最も好ましい。
【００１４】
Ｐ２Ｏ５成分はガラスの形成に有用な成分であり，また上記結晶相の構成成分でもある。この成分の含有量が５０％未満の場合には、ガラスの溶解温度が高くなってしまい、結果としてガラス化しにくくなってしまう。ガラス化しにくくなると熱間でのガラスの成形が難しく、特に大きなバルク状（例えば ２００ｃｍ３以上）のガラスを得る事が困難となりやすい。そのため含有量の下限値は５０％以上であることが好ましく、５０．５％以上であることがより好ましく、５１％以上であることが最も好ましい。また、含有量が５５％を越えると、熱処理（結晶化）において前記の結晶相がガラスから析出しにくく、所望の特性が得られにくくなるので、含有量の上限値は５５％以下が好ましく、５４．５％以下がより好ましく、５４％以下が最も好ましい。
また、ガラスフォーマーであるＰ２O５成分の量に対して、ＺｒＯ２成分の量が少ないと結晶化時の核生成が良好に生じず、微細な結晶ではなく大きな結晶となってしまい、イオン伝導度も緻密性も低くなってしまう。そのため、Ｐ２O５成分とＺｒＯ２成分の質量％の比Ｐ２O５／ＺｒＯ２の値は、２５以上であることが好ましく、３０以上であることがより好ましく、３５以上であることが最も好ましい。
Ｐ２O５成分の量に対して、ＺｒＯ２成分の量が多すぎると、ガラスの融点が上がり、かつガラス成形時に失透が生じやすくなってしまう。そのため、Ｐ２O５成分とＺｒＯ２成分の質量％の比Ｐ２O５／ＺｒＯ２の値は、１００以下であることが好ましく、９０以下であることがより好ましく、７５以下であることが最も好ましい。
【００１５】
ＧｅＯ２成分はガラスの形成に有用な成分であり、またリチウムイオン伝導性の結晶相の構成成分になりうる成分である。この成分の含有量が１０％未満の場合にはガラス化しにくくなり、上記の結晶相が析出しにくくなり高いリチウムイオン伝導性を得にくくなるため、含有量の下限値は１０％以上であることが好ましく、１１％以上であることがより好ましく、１１．５％以上であることが最も好ましい。また、含有量が３０％を超えるとイオン伝導性と耐久性が低くなってのため、含有量の上限値は３０％以下が好ましく、２８％以下がより好ましく、２６％以下が最も好ましい。
【００１６】
ＴｉＯ２成分はガラスの形成に有用な成分であり、またリチウムイオン伝導性の結晶相の構成成分になりうる成分である。この成分の含有量が８％未満の場合にはガラス化しにくくなり、上記の結晶相が析出しにくくなり高いリチムイオン伝導性を得にくくなるため、含有量の下限値は８％以上であることが好ましく、９％以上であることがより好ましく、１０％以上であることが最も好ましい。また、含有量が２２％を超えると失透性が高くなってのため、含有量の上限値は２２％以下が好ましく、２１％以下がより好ましく、２０％以下が最も好ましい。
【００１７】
Ｍ２Ｏ３成分（但し、Ｍ＝Ａｌ，Ｇａの中から選ばれる１種または２種）は、原ガラスの熱的な安定をより高めることができると同時に、Ａｌ３＋および／またはＧａ３＋イオンが前記結晶相に固溶し、リチウムイオン伝導率向上にも効果があるため、含有量の下限値は５％以上であることが好ましく、６％以上であることがより好ましく、７％以上であることが最も好ましい。しかしその量が１２％を超えると、かえってガラスの熱的な安定性が悪くなりガラスセラミックスの伝導率も低下してしまうため、含有量の上限値は１２％以下にすることが好ましく、１１％以下がより好ましく、１０％以下が最も好ましい。
【００１８】
ＳｉＯ２成分は、原ガラスの溶融性および熱的な安定性を高めることができると同時に、Ｓｉ４＋イオンが前記結晶相に固溶し、リチウムイオン伝導率の向上にも寄与するので任意に含有させることができる。しかしその量が２．５％を超えると、結晶化時にクラックが入り易くなってしまうため、リチウムイオン伝導率が低下してしまう。そのため、リチウムイオン伝導性を良好に維持するためには２．５％以下にすることが好ましく、２．２％以下にすることがより好ましく、２％以下にすることは最も好ましい。
【００１９】
Ｍ’２Ｏ３成分は（但し、Ｍ’はＩｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕの中から選ばれる１種または２種以上）ガラスの溶融性および熱的な安定性を高める効果があるので合計で５％まで含有させることができるが、これらの成分は市場で流通する原料の価格が非常に高価であるので、実質的に含有させないことが好ましい。
【００２０】
また、ガラスの溶融性を更に向上するためにＢ２Ｏ３，Ａｓ２Ｏ３，Ｓｂ２Ｏ３，Ｔａ２Ｏ５，ＣｄＯ，ＰｂＯ，ＭｇＯ，ＣａＯ，ＳｒＯ，ＢａＯ，ＺｎＯ等を添加することも可能であるが、それらの量は３％以下に制限すべきである。これらを３％を越えて添加すると、伝導率が添加量に伴って著しく低下してしまう。
【００２１】
本発明のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスは、以下の方法により製造することができる。すなわち、各出発原料を所定量秤量し、均一に混合した後、白金るつぼに入れて電気炉で加熱溶解する。１２００〜１４００℃に温度を上げ、その温度で２時間以上保持し溶解する。その後、溶融ガラスを鉄板上にキャストし、板状のガラスを作製する。こうして得られたガラスを、６００〜１０００℃で１〜２４時間熱処理（結晶化）する。
【００２２】
以上の工程により、Ｌｉ１＋Ｘ＋ＺＭＸ（Ｇｅ１−ＹＴｉＹ）２−ＸＰ３−ＺＳｉＺＯ１２（０＜Ｘ≦０．６，０．２≦Ｙ＜０．８，０≦Ｚ≦０．５、Ｍ＝Ａｌ、Ｇａ）を主結晶相とする、リチウムイオン伝導率の高いガラスセラミックスが得られる。
【００２３】
なお，次のような工程を用いてもほぼ同じ結果が得られる。すなわち、各出発原料を所定量秤量し、均一に混合した後、白金るつぼに入れて電気炉で加熱溶解する。１２００〜１４００℃に温度を上げ、その温度で２時間以上保持し溶解する。その後、この溶融体を水冷することによってガラスを作製する。こうして得られたガラスをボールミルで粉砕後，篩いを通して，ガラス粉末を得る。更にガラス粉末をプレス成形し，電気炉に入れて８００〜１０００℃で加熱することにより上記の結晶相を主結晶相とする、リチウムイオン伝導度の高いガラスセラミックスが得られる。
【００２４】
本発明のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスのリチウムイオン伝導度は５．０×１０−５S・ｃｍ−１以上であり、より好ましくは８．０×１０−５S・ｃｍ−１以上、最も好ましくは1．０×１０−４S・ｃｍ−１以上の値を得ることができる。
【００２５】
また、上記の方法で得られたガラスセラミックスを、リチウムイオン二次電池やリチウム一次電池等のリチウム電池用固体電解質として使用するためには、作製する電池の大きさに合わせて加工すれば良い。例えば形状として薄板状に加工すれば良く、通常ガラスやガラスセラミックスで使用される公知の研削方法、研磨方法を用いればよい。
【００２６】
リチウム電池用の固体電解質として使用する場合、その厚みの下限値は電池用途として必要な機械的強度を得るために０．５μｍ以上が好ましく、１μｍ以上がより好ましく、５μｍ以上が最も好ましい。また、厚みの上限値はリチウムイオン伝導性を良好にするために１０００μｍ以下が好ましく、５００μｍ以下がより好ましく、３００μｍ以下が最も好ましい。
【００２７】
上記のリチウム電池用の固体電解質の両側に正極材料及び負極材料を配置し、さらに公知の集電体を配置し、公知の方法でパッケージングすることにより、リチウム一次電池またはリチウムイオン二次電池等の電池を得る事ができる。
【００２８】
本発明のリチウム一次電池の正極材料には、リチウムの吸蔵が可能な遷移金属化合物や炭素材料を用いることができる。例えば、マンガン，コバルト，ニッケル，バナジウム，ニオブ、モリブデン、チタンから選ばれる少なくとも１種を含む遷移金属酸化物等や、グラファイトやカーボン等を使用することができる。
【００２９】
また、このリチウム一次電池の負極材料には、金属リチウムや、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−インジウム合金などリチウムの放出が可能な合金等を使用することができる。
【００３０】
本発明のリチウム二次電池の正極材料に使用する活物質としては、リチウムの吸蔵，放出が可能な遷移金属化合物を用いることができ、例えば、マンガン，コバルト，ニッケル，バナジウム，ニオブ、モリブデン、チタンから選ばれる少なくとも１種を含む遷移金属酸化物等を使用することができる。
【００３１】
また、このリチウム二次電池において、その負極材料に使用する活物質としては、金属リチウムやリチウム−アルミニウム合金、リチウム−インジウム合金などリチウムの吸蔵、放出が可能な合金、チタンやバナジウムなどの遷移金属酸化物及び黒鉛などのカーボン系の材料を使用することが好ましい。
【００３２】
正極および負極には、固体電解質に含有されるガラスセラミックスと同じものを添加するとイオン伝導が付与されるため、より好ましい。これらが同じものであると電解質と電極材に含まれるイオン移動機構が統一されるため、電解質―電極間のイオン移動がスムーズに行え、より高出力・高容量の電池が提供できる。
【００３３】
また、本発明の固体電解質はリチウム−空気電池の電解質として好適に用いることが出来る。例えば、負極をリチウム金属とし、本発明の固体電解質を配し、多孔質の炭素系材料を正極とすることでリチウム−空気電池を得る事ができる。
【実施例】
【００３４】
以下、本発明に係るガラスセラミックス、これを用いたリチウムイオン二次電池およびリチウム一次電池について、具体的な実施例を挙げて説明する。なお、本発明は下記の実施例に示したものに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施できるものである。
【００３５】
［実施例１〜４および比較例１〜３］
原料として日本化学工業株式会社製のＨ３ＰＯ４、Ａｌ（ＰＯ３）３、Ｌｉ２ＣＯ３、株式会社ニッチツ製のＳｉＯ２、堺化学工業株式会社製のＴｉＯ２、住友金属鉱山製のＧｅＯ２、日本電工製のＺｒＯ２を使用した。これらを酸化物換算の質量％で表１に記載の組成になるように秤量して均一に混合した後に、白金ポットに入れ、電気炉中１３５０℃の温度で撹拌しながら３時間加熱・熔解してガラス融液を得た。その後、ガラス融液をポットに取り付けた白金製のパイプから加熱しながら、３００℃に加熱したＩＮＣＯＮＥＬ６００製（ＩＮＣＯＮＥＬは登録商標）の金属の型に流し込んだ。その後ガラスの表面温度が６００℃以下になるまで放冷し、その後５５０℃に加熱した電気炉中に入れ、室温まで徐冷することにより、熱的な歪を取り除いたガラスブロックを作製した。
【００３６】
成形時の金型温度を種々変えて実験したところ、実施例１〜４では２００℃〜４００℃の間の温度でガラスブロックを取得することが可能であった。２００℃以下では成形後に電気炉に入れると少し割れが生じ、また４００℃以上では、底面では少し失透しやすく、乳白が見られることがあった。比較例１では、実施例１〜４と同様な成形性であったが、高いリチウムイオン伝導度が得られなかった。比較例２では２００℃以下では非常に割れ易く、また３５０℃以上の温度で底面の失透がみられ、実施例１〜４と比較して、成形可能な温度範囲が狭かった。比較例３では、金型温度に関わらず、失透のないガラスの取得はできなかった。
【００３７】
得られたガラスを、約０．５ｍｍ程度まで砕き、ＮＥＴＳＺＣＨ製の熱分析装置ＳＴＡ−４０９を用いて、ガラス転移点（Ｔｘ）および結晶化開始温度（Ｔｇ）の測定を行ない、ガラスの安定性をしめすＴｘ−Ｔｇ［℃］の値を求めた。このとき、失透してガラスが得られなかったものは測定を行なわなかった。
【００３８】
得られたガラスブロックを切断し、Φ２５．７ｍｍ、厚み１ｍｍのディスク状に加工し、アルミナ製のセッターに挟み、８９０℃にて１２時間熱処理を行ない、結晶化処理を行なった。
結晶化後のガラスセラミックスは、Φ２５．４ｍｍ、厚み１ｍｍであった。このディスク状のガラスセラミックスの両面を研削研磨して、Φ２５．４ｍｍ、厚み０．２５ｍｍのガラスセラミックスを得た。
【００３９】
サンユー電子製のクイックコーターを用い、金をターゲットとしてガラスセラミックスの両面にスパッタを行ない、金電極を取り付けた。ソーラートロン社製のインピーダンスアナライザーＳＩ−１２６０を用い交流二端子法による複素インピーダンス測定により２５℃におけるリチウムイオン伝導度を算出した。また、フィリップス社製の粉末Ｘ線回折測定装置を用いてガラスセラミックスに析出した結晶を同定したところ、いずれのガラスセラミックスもＬｉ１＋Ｘ＋ＺＭＸ（Ｇｅ１−ＹＴｉＹ）２−ＸＰ３−ＺＳｉＺＯ１２（０＜Ｘ≦０．６，０．２≦Ｙ＜０．８，０≦Ｚ≦０．５、Ｍ＝Ａｌ、Ｇａ）が主結晶相であることが確認された。
【００４０】
表１に実施例１〜４と比較例１〜３の組成と、測定したＴｘ−Ｔｇ（℃）の測定値、２５℃におけるリチウムイオン伝導度の測定値の結果を示す。
また、図１に実施例１の粉末Ｘ線回折パターンを示す。
【００４１】
【表１】
【００４２】
実施例１〜４の組成のように、本発明のガラスセラミックスは、Ｉｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ等市場で流通する原料の価格が非常に高価な成分を実質的に含有させなくとも、Ｔｘ−Ｔｇが７０℃以上であり、ガラスを安定して製造することができ、かつ結晶化後のイオン伝導度も１×１０−４Ｓｃｍ−１以上と高い値を示した。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】実施例１の粉末X線回析パターンを示す図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明はイオン伝導率が高く、熱的にも化学的にも安定で、製造が容易なリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年におけるエレクトロニクスの進歩は著しく、電子機器の小型化、軽量化、高性能化が急速に進んでいる。そこでこれらの機器用電源として、高エネルギー密度で長寿命の電池の開発が強く望まれており、中でもリチウムイオン電池への期待は日々大きいものとなっている。
【０００３】
リチウムイオン電池の電解質材料として、特許文献１および特許文献２に開示されるリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスが公知である。リチウムイオン伝導性ガラスセラミックスは特定組成の原ガラスを熱処理することによってガラスの内部に結晶を析出させて得られるため、内部に気孔がほぼ存在せず、気孔がイオン伝導を阻害するということがないので、リチウムイオン伝導性の酸化物セラミックスと比較してイオン伝導性に優れているという特徴を有している。しかしながら、特許文献１に開示されているガラスセラミックスはその原ガラスの熱的な安定性が低いという問題を有しており、高いリチウムイオン伝導度を得つつも、原ガラスの熱的な安定性高くすることは困難であった。原ガラスの熱的な安定性が低いと、溶融ガラスを成形型にキャストして、成形する際にガラスに割れが生じやすくなり、ガラス成形時の熱的な管理を非常に厳格に行わなければならず、製造コストが高くなるという問題がある。また、熱的な安定性が低いとガラス成形時に失透が生じ易くなるという問題も生じる。ガラス成形時に生じる失透はその後の熱処理（結晶化）処理において所望の結晶を均一に析出させることが困難となり、高いリチウムイオン伝導度が得られないという結果となる。ガラス成形時に割れや失透を生じさせないためには原ガラスの成形時の熱的な条件を厳格に管理し、かつガラス成型時に溶融ガラスに与える衝撃をなるべく与えない様に、溶融ガラスの流出速度や流出条件等も厳格に管理する必要があった。
【０００４】
また、特許文献２においては、ガラスの熱的安定性を向上させるために、Ｍ’2Ｏ3成分（但し、Ｍ’はＩｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕの中から選ばれる１種または２種以上）を加え、ガラスの熱的な安定性の評価に用いられるＴｘ−Ｔｇが大きく向上させることに成功しているが、工業的に低コストで量産できるだけの熱的安定性を得るには至っていない。また上記Ｍ’成分を有する原料は市場での流通価格が高く、これらの成分によって上記熱的安定性を得ることは好ましくない。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１５７８７２号公報
【特許文献２】特開２０００−３４１３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の問題に鑑み、本発明は高いリチウムイオン伝導性が高く、原ガラスの熱的安定性が高く、容易に成形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課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は上記の課題に鑑み、鋭意研究を重ねた結果、ガラスセラミックス中（原ガラス中）の特定の成分の量を特定の範囲に限定することによって、原ガラスの熱的安定性が高くなり、リチウムイオン伝導性が高いリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスが得られることを見いだし、この発明を完成したものであり、その具体的な構成は以下の通りである。
【０００８】
（構成１）
酸化物基準の質量％で、ＺｒＯ２成分を０．５％〜２．５％含有するリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
（構成２）
原ガラスの結晶化開始温度をＴｘ［℃］、原ガラスのガラス転移点をＴｇ［℃］とする時、Ｔｘ−Ｔｇの値が７０℃以上１６０℃以下であることを特徴とする構成１に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
（構成３）
Ｌｉ１＋Ｘ＋ＺＭＸ（Ｇｅ１−ＹＴｉＹ）２−ＸＰ３−ＺＳｉＺＯ１２（０＜Ｘ≦０．６，０．２≦Ｙ＜０．８，０≦Ｚ≦０．５、Ｍ＝Ａｌ、Ｇａの中から選ばれる１種または２種）の結晶相を含有する構成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。
（構成４）
酸化物基準の質量％で、
Ｌｉ２Ｏ ３．５％〜５．０％
Ｐ２Ｏ５ ５０％〜５５％、
ＧｅＯ２ １０％〜３０％
ＴｉＯ２ ８％〜２２％、
Ｍ２Ｏ３ ５％〜１２％、但し、Ｍ＝Ａｌ，Ｇａの中から選ばれる１種または２種
の各成分を含有する構成１から３のいずれかに記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
（構成５）
酸化物基準の質量％で、
ＳｉＯ２ ０％〜２．５％、
の成分を含有する構成１から４のいずれかに記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
（構成６）
２５℃におけるリチウムイオン伝導度が５．０×１０−５Ｓ・ｃｍ−１以上であることを特徴とする構成１から５のいずれかに記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
（構成７）
構成１から６に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを用いたことを特徴とする、リチウム電池用固体電解質。
（構成８）
厚さが０．５μｍ〜１０００μｍである構成７に記載のリチウム電池用固体電解質。
（構成９）
構成７または８に記載のリチウム電池用固体電解質を用いた電池。
（構成１０）
酸化物基準の質量％で、
Ｌｉ２Ｏ ３．５％〜５．０％
Ｐ２Ｏ５ ５０％〜５５％、
ＧｅＯ２ １０％〜３０％
ＴｉＯ２ ８％〜２２％、
ＺｒＯ２成分が ０．５％〜２．５％、
Ｍ２Ｏ３ ５％〜１２％、但し、Ｍ＝Ａｌ，Ｇａの中から選ばれる１種または２種
の各成分を含有する原ガラスを溶融する工程と、
前記溶融した原ガラスを成形する工程と、
成形した原ガラスを熱処理によって
Ｌｉ１＋Ｘ＋ＺＭＸ（Ｇｅ１−ＹＴｉＹ）２−ＸＰ３−ＺＳｉＺＯ１２（０＜Ｘ≦０．６，０．２≦Ｙ＜０．８，０≦Ｚ≦０．５、Ｍ＝Ａｌ、Ｇａの中から選ばれる１種または２種）の結晶相を析出させる結晶化工程と、
を有するガラスセラミックスの製造方法。
（構成１１）
前記原ガラスは酸化物基準の質量％で、
ＳｉＯ２ ０％〜２．５％、
の成分を含有する構成１０に記載のガラスセラミックスの製造方法。
（構成１２）
構成１０または１１のいずれかで得られたガラスセラミックスを研削する工程と研磨する工程とを有するリチウム電池用固体電解質の製造方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、原ガラスの熱的安定性が飛躍的に高まるため、原ガラスの溶融ガラスを成形型にキャストする場合にも幅広い温度条件下で安定して原ガラスを成形することが可能となる。また、溶融ガラスに与えられる衝撃もある程度まで許容されるので、溶融ガラスの流出速度や流出条件等も厳格に管理する必要がなくなる。そして、その後に熱処理（結晶化）して得られたガラスセラミックスのリチウムイオン伝導度は高い値を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明について詳細に説明する。本発明のガラスセラミックスの組成は、酸化物基準の質量％で表示し得る。ここで、「酸化物基準」とは、本発明の結晶化ガラスの構成成分の原料として使用される酸化物、硝酸塩等が溶融時にすべて分解され酸化物へ変化すると仮定して、結晶化ガラス中に含有される各成分の組成を表記する方法であり、「酸化物基準の質量％」とは、この生成酸化物の質量の総和を１００質量％として、結晶化ガラス中に含有される各成分の量を表記することをいう。
また、上記酸化物基準によって表わされたガラスセラミックスの組成と、その原ガラスの組成は同様である。
以下ガラスセラミックスの組成を上記のように限定した理由について述べる。本明細書においては特に明記しない限り、ガラスセラミックスの組成を酸化物基準の質量％で表記する。
【００１１】
本発明者はＺｒＯ２成分の範囲を０．５％〜２．５％に特に限定することにより、原ガラスの安定性を飛躍的に高くすることが可能となり、かつ高いリチウムイオン伝導度を得ることが可能となることを見いだした。ＺｒＯ２成分が０．５％未満である場合、結晶化の核が減少してしまうため、高いイオン伝導度を得るために必要な結晶化温度が高くなってしまう。結晶化温度を上げることによりイオン伝導度を高くすることは可能であるが、同時に結晶成長が進み過ぎてしまうため、クラックや内部の気孔の発生につながってしまう。２．５％を超える場合にガラスが溶けにくくなってしまい、より高い溶解温度が必要となる。また失透性が高く、ガラス化しにくくなってしまうため安定なガラス製造ができなくなってしまう。ＺｒＯ２成分の下限は緻密で高いイオン伝導性を得る必要があるため、０．７％とすることがより好ましく、０．９％とすることが最も好ましい。また、上限値は失透性が高くなってしまうため、２．１％とすることがより好ましく、２％とすることが最も好ましい。
一般的にガラスの熱的な安定性の評価はＴｘ［℃］（ガラスの結晶化温度）とＴｇ［℃］（ガラスの転移温度）との差であるＴｘ−Ｔｇの値で評価され、この値が大きいほどガラスの熱的な安定性が良好となる。上記の構成により本発明のガラスセラミックスは原ガラスの熱的安定性が大幅に向上し、Ｔｘ−Ｔｇの値が７０℃以上であり、リチウムイオン伝導性は若干劣るものの最大で１６０℃の値を得ることができる。リチウムイオン伝導度なども考慮した総合的により好ましい態様においても７２℃以上、最も好ましい態様においては７４℃以上の値を得ることができる。
【００１２】
本発明のガラスセラミックスはＬｉ１＋Ｘ＋ＺＭＸ（Ｇｅ１−ＹＴｉＹ）２−ＸＰ３−ＺＳｉＺＯ１２（０＜Ｘ≦０．６，０．２≦Ｙ＜０．８，０≦Ｚ≦０．５、Ｍ＝Ａｌ、Ｇａ）の結晶相を含有することが好ましい。この結晶相を含有することにより、高いリチウムイオン伝導度を得られやすくなる。
【００１３】
Ｌｉ２Ｏ成分はＬｉ＋イオンキャリアを提供し，リチウムイオン伝導性をもたらすのに有用な成分である。Ｌｉ２Ｏ成分の下限は良好なリチウムイオン伝導度を得るために、３．５％以上であることが好ましく、３．７％であることがより好ましく、３．９％であることが最も好ましい。またＬｉ２Ｏ成分の上限は失透性が高くなってしまうため、５．０％以下であることが好ましく、４．８％以下であることがより好ましく、４．６％以下であることが最も好ましい。
【００１４】
Ｐ２Ｏ５成分はガラスの形成に有用な成分であり，また上記結晶相の構成成分でもある。この成分の含有量が５０％未満の場合には、ガラスの溶解温度が高くなってしまい、結果としてガラス化しにくくなってしまう。ガラス化しにくくなると熱間でのガラスの成形が難しく、特に大きなバルク状（例えば ２００ｃｍ３以上）のガラスを得る事が困難となりやすい。そのため含有量の下限値は５０％以上であることが好ましく、５０．５％以上であることがより好ましく、５１％以上であることが最も好ましい。また、含有量が５５％を越えると、熱処理（結晶化）において前記の結晶相がガラスから析出しにくく、所望の特性が得られにくくなるので、含有量の上限値は５５％以下が好ましく、５４．５％以下がより好ましく、５４％以下が最も好ましい。
また、ガラスフォーマーであるＰ２O５成分の量に対して、ＺｒＯ２成分の量が少ないと結晶化時の核生成が良好に生じず、微細な結晶ではなく大きな結晶となってしまい、イオン伝導度も緻密性も低くなってしまう。そのため、Ｐ２O５成分とＺｒＯ２成分の質量％の比Ｐ２O５／ＺｒＯ２の値は、２５以上であることが好ましく、３０以上であることがより好ましく、３５以上であることが最も好ましい。
Ｐ２O５成分の量に対して、ＺｒＯ２成分の量が多すぎると、ガラスの融点が上がり、かつガラス成形時に失透が生じやすくなってしまう。そのため、Ｐ２O５成分とＺｒＯ２成分の質量％の比Ｐ２O５／ＺｒＯ２の値は、１００以下であることが好ましく、９０以下であることがより好ましく、７５以下であることが最も好ましい。
【００１５】
ＧｅＯ２成分はガラスの形成に有用な成分であり、またリチウムイオン伝導性の結晶相の構成成分になりうる成分である。この成分の含有量が１０％未満の場合にはガラス化しにくくなり、上記の結晶相が析出しにくくなり高いリチウムイオン伝導性を得にくくなるため、含有量の下限値は１０％以上であることが好ましく、１１％以上であることがより好ましく、１１．５％以上であることが最も好ましい。また、含有量が３０％を超えるとイオン伝導性と耐久性が低くなってのため、含有量の上限値は３０％以下が好ましく、２８％以下がより好ましく、２６％以下が最も好ましい。
【００１６】
ＴｉＯ２成分はガラスの形成に有用な成分であり、またリチウムイオン伝導性の結晶相の構成成分になりうる成分である。この成分の含有量が８％未満の場合にはガラス化しにくくなり、上記の結晶相が析出しにくくなり高いリチムイオン伝導性を得にくくなるため、含有量の下限値は８％以上であることが好ましく、９％以上であることがより好ましく、１０％以上であることが最も好ましい。また、含有量が２２％を超えると失透性が高くなってのため、含有量の上限値は２２％以下が好ましく、２１％以下がより好ましく、２０％以下が最も好ましい。
【００１７】
Ｍ２Ｏ３成分（但し、Ｍ＝Ａｌ，Ｇａの中から選ばれる１種または２種）は、原ガラスの熱的な安定をより高めることができると同時に、Ａｌ３＋および／またはＧａ３＋イオンが前記結晶相に固溶し、リチウムイオン伝導率向上にも効果があるため、含有量の下限値は５％以上であることが好ましく、６％以上であることがより好ましく、７％以上であることが最も好ましい。しかしその量が１２％を超えると、かえってガラスの熱的な安定性が悪くなりガラスセラミックスの伝導率も低下してしまうため、含有量の上限値は１２％以下にすることが好ましく、１１％以下がより好ましく、１０％以下が最も好ましい。
【００１８】
ＳｉＯ２成分は、原ガラスの溶融性および熱的な安定性を高めることができると同時に、Ｓｉ４＋イオンが前記結晶相に固溶し、リチウムイオン伝導率の向上にも寄与するので任意に含有させることができる。しかしその量が２．５％を超えると、結晶化時にクラックが入り易くなってしまうため、リチウムイオン伝導率が低下してしまう。そのため、リチウムイオン伝導性を良好に維持するためには２．５％以下にすることが好ましく、２．２％以下にすることがより好ましく、２％以下にすることは最も好ましい。
【００１９】
Ｍ’２Ｏ３成分は（但し、Ｍ’はＩｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕの中から選ばれる１種または２種以上）ガラスの溶融性および熱的な安定性を高める効果があるので合計で５％まで含有させることができるが、これらの成分は市場で流通する原料の価格が非常に高価であるので、実質的に含有させないことが好ましい。
【００２０】
また、ガラスの溶融性を更に向上するためにＢ２Ｏ３，Ａｓ２Ｏ３，Ｓｂ２Ｏ３，Ｔａ２Ｏ５，ＣｄＯ，ＰｂＯ，ＭｇＯ，ＣａＯ，ＳｒＯ，ＢａＯ，ＺｎＯ等を添加することも可能であるが、それらの量は３％以下に制限すべきである。これらを３％を越えて添加すると、伝導率が添加量に伴って著しく低下してしまう。
【００２１】
本発明のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスは、以下の方法により製造することができる。すなわち、各出発原料を所定量秤量し、均一に混合した後、白金るつぼに入れて電気炉で加熱溶解する。１２００〜１４００℃に温度を上げ、その温度で２時間以上保持し溶解する。その後、溶融ガラスを鉄板上にキャストし、板状のガラスを作製する。こうして得られたガラスを、６００〜１０００℃で１〜２４時間熱処理（結晶化）する。
【００２２】
以上の工程により、Ｌｉ１＋Ｘ＋ＺＭＸ（Ｇｅ１−ＹＴｉＹ）２−ＸＰ３−ＺＳｉＺＯ１２（０＜Ｘ≦０．６，０．２≦Ｙ＜０．８，０≦Ｚ≦０．５、Ｍ＝Ａｌ、Ｇａ）を主結晶相とする、リチウムイオン伝導率の高いガラスセラミックスが得られる。
【００２３】
なお，次のような工程を用いてもほぼ同じ結果が得られる。すなわち、各出発原料を所定量秤量し、均一に混合した後、白金るつぼに入れて電気炉で加熱溶解する。１２００〜１４００℃に温度を上げ、その温度で２時間以上保持し溶解する。その後、この溶融体を水冷することによってガラスを作製する。こうして得られたガラスをボールミルで粉砕後，篩いを通して，ガラス粉末を得る。更にガラス粉末をプレス成形し，電気炉に入れて８００〜１０００℃で加熱することにより上記の結晶相を主結晶相とする、リチウムイオン伝導度の高いガラスセラミックスが得られる。
【００２４】
本発明のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスのリチウムイオン伝導度は５．０×１０−５S・ｃｍ−１以上であり、より好ましくは８．０×１０−５S・ｃｍ−１以上、最も好ましくは1．０×１０−４S・ｃｍ−１以上の値を得ることができる。
【００２５】
また、上記の方法で得られたガラスセラミックスを、リチウムイオン二次電池やリチウム一次電池等のリチウム電池用固体電解質として使用するためには、作製する電池の大きさに合わせて加工すれば良い。例えば形状として薄板状に加工すれば良く、通常ガラスやガラスセラミックスで使用される公知の研削方法、研磨方法を用いればよい。
【００２６】
リチウム電池用の固体電解質として使用する場合、その厚みの下限値は電池用途として必要な機械的強度を得るために０．５μｍ以上が好ましく、１μｍ以上がより好ましく、５μｍ以上が最も好ましい。また、厚みの上限値はリチウムイオン伝導性を良好にするために１０００μｍ以下が好ましく、５００μｍ以下がより好ましく、３００μｍ以下が最も好ましい。
【００２７】
上記のリチウム電池用の固体電解質の両側に正極材料及び負極材料を配置し、さらに公知の集電体を配置し、公知の方法でパッケージングすることにより、リチウム一次電池またはリチウムイオン二次電池等の電池を得る事ができる。
【００２８】
本発明のリチウム一次電池の正極材料には、リチウムの吸蔵が可能な遷移金属化合物や炭素材料を用いることができる。例えば、マンガン，コバルト，ニッケル，バナジウム，ニオブ、モリブデン、チタンから選ばれる少なくとも１種を含む遷移金属酸化物等や、グラファイトやカーボン等を使用することができる。
【００２９】
また、このリチウム一次電池の負極材料には、金属リチウムや、リチウム−アルミニウム合金、リチウム−インジウム合金などリチウムの放出が可能な合金等を使用することができる。
【００３０】
本発明のリチウム二次電池の正極材料に使用する活物質としては、リチウムの吸蔵，放出が可能な遷移金属化合物を用いることができ、例えば、マンガン，コバルト，ニッケル，バナジウム，ニオブ、モリブデン、チタンから選ばれる少なくとも１種を含む遷移金属酸化物等を使用することができる。
【００３１】
また、このリチウム二次電池において、その負極材料に使用する活物質としては、金属リチウムやリチウム−アルミニウム合金、リチウム−インジウム合金などリチウムの吸蔵、放出が可能な合金、チタンやバナジウムなどの遷移金属酸化物及び黒鉛などのカーボン系の材料を使用することが好ましい。
【００３２】
正極および負極には、固体電解質に含有されるガラスセラミックスと同じものを添加するとイオン伝導が付与されるため、より好ましい。これらが同じものであると電解質と電極材に含まれるイオン移動機構が統一されるため、電解質―電極間のイオン移動がスムーズに行え、より高出力・高容量の電池が提供できる。
【００３３】
また、本発明の固体電解質はリチウム−空気電池の電解質として好適に用いることが出来る。例えば、負極をリチウム金属とし、本発明の固体電解質を配し、多孔質の炭素系材料を正極とすることでリチウム−空気電池を得る事ができる。
【実施例】
【００３４】
以下、本発明に係るガラスセラミックス、これを用いたリチウムイオン二次電池およびリチウム一次電池について、具体的な実施例を挙げて説明する。なお、本発明は下記の実施例に示したものに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施できるものである。
【００３５】
［実施例１〜４および比較例１〜３］
原料として日本化学工業株式会社製のＨ３ＰＯ４、Ａｌ（ＰＯ３）３、Ｌｉ２ＣＯ３、株式会社ニッチツ製のＳｉＯ２、堺化学工業株式会社製のＴｉＯ２、住友金属鉱山製のＧｅＯ２、日本電工製のＺｒＯ２を使用した。これらを酸化物換算の質量％で表１に記載の組成になるように秤量して均一に混合した後に、白金ポットに入れ、電気炉中１３５０℃の温度で撹拌しながら３時間加熱・熔解してガラス融液を得た。その後、ガラス融液をポットに取り付けた白金製のパイプから加熱しながら、３００℃に加熱したＩＮＣＯＮＥＬ６００製（ＩＮＣＯＮＥＬは登録商標）の金属の型に流し込んだ。その後ガラスの表面温度が６００℃以下になるまで放冷し、その後５５０℃に加熱した電気炉中に入れ、室温まで徐冷することにより、熱的な歪を取り除いたガラスブロックを作製した。
【００３６】
成形時の金型温度を種々変えて実験したところ、実施例１〜４では２００℃〜４００℃の間の温度でガラスブロックを取得することが可能であった。２００℃以下では成形後に電気炉に入れると少し割れが生じ、また４００℃以上では、底面では少し失透しやすく、乳白が見られることがあった。比較例１では、実施例１〜４と同様な成形性であったが、高いリチウムイオン伝導度が得られなかった。比較例２では２００℃以下では非常に割れ易く、また３５０℃以上の温度で底面の失透がみられ、実施例１〜４と比較して、成形可能な温度範囲が狭かった。比較例３では、金型温度に関わらず、失透のないガラスの取得はできなかった。
【００３７】
得られたガラスを、約０．５ｍｍ程度まで砕き、ＮＥＴＳＺＣＨ製の熱分析装置ＳＴＡ−４０９を用いて、ガラス転移点（Ｔｘ）および結晶化開始温度（Ｔｇ）の測定を行ない、ガラスの安定性をしめすＴｘ−Ｔｇ［℃］の値を求めた。このとき、失透してガラスが得られなかったものは測定を行なわなかった。
【００３８】
得られたガラスブロックを切断し、Φ２５．７ｍｍ、厚み１ｍｍのディスク状に加工し、アルミナ製のセッターに挟み、８９０℃にて１２時間熱処理を行ない、結晶化処理を行なった。
結晶化後のガラスセラミックスは、Φ２５．４ｍｍ、厚み１ｍｍであった。このディスク状のガラスセラミックスの両面を研削研磨して、Φ２５．４ｍｍ、厚み０．２５ｍｍのガラスセラミックスを得た。
【００３９】
サンユー電子製のクイックコーターを用い、金をターゲットとしてガラスセラミックスの両面にスパッタを行ない、金電極を取り付けた。ソーラートロン社製のインピーダンスアナライザーＳＩ−１２６０を用い交流二端子法による複素インピーダンス測定により２５℃におけるリチウムイオン伝導度を算出した。また、フィリップス社製の粉末Ｘ線回折測定装置を用いてガラスセラミックスに析出した結晶を同定したところ、いずれのガラスセラミックスもＬｉ１＋Ｘ＋ＺＭＸ（Ｇｅ１−ＹＴｉＹ）２−ＸＰ３−ＺＳｉＺＯ１２（０＜Ｘ≦０．６，０．２≦Ｙ＜０．８，０≦Ｚ≦０．５、Ｍ＝Ａｌ、Ｇａ）が主結晶相であることが確認された。
【００４０】
表１に実施例１〜４と比較例１〜３の組成と、測定したＴｘ−Ｔｇ（℃）の測定値、２５℃におけるリチウムイオン伝導度の測定値の結果を示す。
また、図１に実施例１の粉末Ｘ線回折パターンを示す。
【００４１】
【表１】
【００４２】
実施例１〜４の組成のように、本発明のガラスセラミックスは、Ｉｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕ等市場で流通する原料の価格が非常に高価な成分を実質的に含有させなくとも、Ｔｘ−Ｔｇが７０℃以上であり、ガラスを安定して製造することができ、かつ結晶化後のイオン伝導度も１×１０−４Ｓｃｍ−１以上と高い値を示した。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】実施例１の粉末X線回析パターンを示す図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物基準の質量％で、ＺｒＯ２成分を０．５％〜２．５％含有するリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
【請求項２】
原ガラスの結晶化開始温度をＴｘ［℃］、原ガラスのガラス転移点をＴｇ［℃］とする時、Ｔｘ−Ｔｇの値が７０℃以上１６０℃以下であることを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
【請求項３】
Ｌｉ１＋Ｘ＋ＺＭＸ（Ｇｅ１−ＹＴｉＹ）２−ＸＰ３−ＺＳｉＺＯ１２（０＜Ｘ≦０．６，０．２≦Ｙ＜０．８，０≦Ｚ≦０．５、Ｍ＝Ａｌ、Ｇａの中から選ばれる１種または２種）の結晶相を含有する請求項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。
【請求項４】
酸化物基準の質量％で、
Ｌｉ２Ｏ ３．５％〜５．０％
Ｐ２Ｏ５ ５０％〜５５％、
ＧｅＯ２ １０％〜３０％
ＴｉＯ２ ８％〜２２％、
Ｍ２Ｏ３ ５％〜１２％、但し、Ｍ＝Ａｌ，Ｇａの中から選ばれる１種または２種
の各成分を含有する請求項１から３のいずれかに記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
【請求項５】
酸化物基準の質量％で、
ＳｉＯ２ ０％〜２．５％、
の成分を含有する請求項１から４のいずれかに記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
【請求項６】
２５℃におけるリチウムイオン伝導度が５．０×１０−５S・ｃｍ−１以上であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
【請求項７】
請求項１から６に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを用いたことを特徴とする、リチウム電池用固体電解質。
【請求項８】
厚さが０．５μｍ〜１０００μｍである請求項７に記載のリチウム電池用固体電解質。
【請求項９】
請求項７または８に記載のリチウム電池用固体電解質を用いた電池。
【請求項１０】
酸化物基準の質量％で、
Ｌｉ２Ｏ ３．５％〜５．０％
Ｐ２Ｏ５ ５０％〜５５％、
ＧｅＯ２ １０％〜３０％
ＴｉＯ２ ８％〜２２％、
ＺｒＯ２成分が ０．５％〜２．５％、
Ｍ２Ｏ３ ５％〜１２％、但し、Ｍ＝Ａｌ，Ｇａの中から選ばれる１種または２種
の各成分を含有する原ガラスを溶融する工程と、
前記溶融した原ガラスを成形する工程と、
成形した原ガラスを熱処理によって
Ｌｉ１＋Ｘ＋ＺＭＸ（Ｇｅ１−ＹＴｉＹ）２−ＸＰ３−ＺＳｉＺＯ１２（０＜Ｘ≦０．６，０．２≦Ｙ＜０．８，０≦Ｚ≦０．５、Ｍ＝Ａｌ、Ｇａの中から選ばれる１種または２種）の結晶相を析出させる結晶化工程と、
を有するガラスセラミックスの製造方法。
【請求項１１】
前記原ガラスは酸化物基準の質量％で、
ＳｉＯ２ ０％〜２．５％、
の成分を含有する請求項１０に記載のガラスセラミックスの製造方法。
【請求項１２】
請求項１０または１１のいずれかで得られたガラスセラミックスを研削する工程と研磨する工程とを有するリチウム電池用固体電解質の製造方法。
【請求項１】
酸化物基準の質量％で、ＺｒＯ２成分を０．５％〜２．５％含有するリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
【請求項２】
原ガラスの結晶化開始温度をＴｘ［℃］、原ガラスのガラス転移点をＴｇ［℃］とする時、Ｔｘ−Ｔｇの値が７０℃以上１６０℃以下であることを特徴とする請求項１に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
【請求項３】
Ｌｉ１＋Ｘ＋ＺＭＸ（Ｇｅ１−ＹＴｉＹ）２−ＸＰ３−ＺＳｉＺＯ１２（０＜Ｘ≦０．６，０．２≦Ｙ＜０．８，０≦Ｚ≦０．５、Ｍ＝Ａｌ、Ｇａの中から選ばれる１種または２種）の結晶相を含有する請求項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。
【請求項４】
酸化物基準の質量％で、
Ｌｉ２Ｏ ３．５％〜５．０％
Ｐ２Ｏ５ ５０％〜５５％、
ＧｅＯ２ １０％〜３０％
ＴｉＯ２ ８％〜２２％、
Ｍ２Ｏ３ ５％〜１２％、但し、Ｍ＝Ａｌ，Ｇａの中から選ばれる１種または２種
の各成分を含有する請求項１から３のいずれかに記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
【請求項５】
酸化物基準の質量％で、
ＳｉＯ２ ０％〜２．５％、
の成分を含有する請求項１から４のいずれかに記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
【請求項６】
２５℃におけるリチウムイオン伝導度が５．０×１０−５S・ｃｍ−１以上であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックス。
【請求項７】
請求項１から６に記載のリチウムイオン伝導性ガラスセラミックスを用いたことを特徴とする、リチウム電池用固体電解質。
【請求項８】
厚さが０．５μｍ〜１０００μｍである請求項７に記載のリチウム電池用固体電解質。
【請求項９】
請求項７または８に記載のリチウム電池用固体電解質を用いた電池。
【請求項１０】
酸化物基準の質量％で、
Ｌｉ２Ｏ ３．５％〜５．０％
Ｐ２Ｏ５ ５０％〜５５％、
ＧｅＯ２ １０％〜３０％
ＴｉＯ２ ８％〜２２％、
ＺｒＯ２成分が ０．５％〜２．５％、
Ｍ２Ｏ３ ５％〜１２％、但し、Ｍ＝Ａｌ，Ｇａの中から選ばれる１種または２種
の各成分を含有する原ガラスを溶融する工程と、
前記溶融した原ガラスを成形する工程と、
成形した原ガラスを熱処理によって
Ｌｉ１＋Ｘ＋ＺＭＸ（Ｇｅ１−ＹＴｉＹ）２−ＸＰ３−ＺＳｉＺＯ１２（０＜Ｘ≦０．６，０．２≦Ｙ＜０．８，０≦Ｚ≦０．５、Ｍ＝Ａｌ、Ｇａの中から選ばれる１種または２種）の結晶相を析出させる結晶化工程と、
を有するガラスセラミックスの製造方法。
【請求項１１】
前記原ガラスは酸化物基準の質量％で、
ＳｉＯ２ ０％〜２．５％、
の成分を含有する請求項１０に記載のガラスセラミックスの製造方法。
【請求項１２】
請求項１０または１１のいずれかで得られたガラスセラミックスを研削する工程と研磨する工程とを有するリチウム電池用固体電解質の製造方法。
【図１】
【公開番号】特開２００９−２２７４７４（Ｐ２００９−２２７４７４Ａ）
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−７１１７８（Ｐ２００８−７１１７８）
【出願日】平成２０年３月１９日（２００８．３．１９）
【出願人】（０００１２８７８４）株式会社オハラ (539)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１９日（２００８．３．１９）
【出願人】（０００１２８７８４）株式会社オハラ (539)
【Ｆターム（参考）】
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