2021 Fiscal Year Research-status Report
粉体表面におけるナノ構造のその場合成とLiLaZrO系固体電解質の低温緻密化
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20K15365
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
渕上 輝顕 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (20756704)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 低温焼結 / 固体電解質 / ナノ粒子 / リチウムイオン電池 / 全固体電池 / セラミックス / 焼結 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究ではセラミックス粉体へのナノ構造導入法の確立と、ナノサイズ効果を利用した低温緻密化挙動の調査および酸化物系固体電解質の緻密体創製を目指している。今年度は液相法によるLi7La3Zr2O12固体電解質ナノ粒子の合成と、マイクロサイズの粉体表面へのナノ構造導入を進めると同時に、ボールミル粉砕と雰囲気焼成により作製したLi7La3Zr2O12固体電解質ナノ粒子の焼結挙動の調査を行った。液相法では、イソプロパノールを溶媒としたソルボサーマル合成によりジルコニアとランタンを主成分としたナノ粒子が得られた。粉砕法により作製した平均粒子径60 nmのナノ粒子と1－5 μmの粉体を、混合比0：100、20：80、80：20、100：0で混合し、1000℃で焼成を行った結果、混合比80：20において開気孔の減少と閉気孔の存在が確認され、低温で焼結が進行したことが示唆された。イオン伝導率は、マイクロサイズの粉体単相（混合比0：100）を1160℃で焼成した試料およびナノ粒子単相（混合比100：0）を1000℃で焼成した試料と同等の3.3×10－4 S/cmであった。また、インピーダンス測定の結果、粒界抵抗が混合比100：0で作製した試料（520Ω・cm）と比べて、混合比80：20のときに180Ω・cmと低い値を示したことから、ナノ粒子単相で作製するよりも粒界の割合が減少していることが示唆された。これは、ナノ粒子間に加えて、ナノ粒子とマイクロサイズの粉体間で焼結が進行したことにより、粒界体積が減少したことが考えられる。本研究により、ナノサイズ粒子を添加することで、酸化物系固体電解質の低温緻密化が可能であることを示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
液相法によるナノ構造の導入では、イソプロパノールを用いたソルボサーマル合成法により、ジルコニアとランタンの酸化物が得られたが、Li7La3Zr2O12固体電解質は得られなかった。これはLiの溶解性が高いためと考え、Li原料および濃度に着目して合成を進めている。粉砕法により作製したナノ粒子を用いた低温緻密化では、平均粒子径60 nmのLi7La3Zr2O12固体電解質ナノ粒子と、1－5 μmのLi7La3Zr2O12粉体を80：20で混合し、1000℃で焼成することで、高いイオン伝導率、低い粒界抵抗、気孔の減少を達成し、ナノ粒子とマイクロサイズ粉体の組合せが低温での焼結に有効であることを明らかにすることができた。また、その混合比についても、最適値が分かりつつある。固体電解質として実用するためには、イオン伝導率に加えて、強度が重要であるため、計画に無かったビッカース硬度計による強度測定を進めている。また、得られたナノ粒子の焼結挙動温度依存性を調べるために、ディラトメーターを用いた測定を計画した。しかし、測定中のLi拡散が課題となり、2021年度は、Liが拡散しやすい材料に合わせた装置構成をセットアップした。
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| Strategy for Future Research Activity |
液相法によるLi7La3Zr2O12固体電解質ナノ粒子の合成では、イソプロパノールを溶媒としたソルボサーマル合成法により、Liを含まないジルコニアとランタンからなる化合物が得られた。これはLiの高い溶解性によるものと考え、Li原料および濃度を変えて、Li7La3Zr2O12固体電解質ナノ粒子の合成を進める。また、現在得られている微粒子について、その焼結性を調査しつつ、マイクロ粉体との複合化を図る。粉砕法により作製したナノ粒子については、より低温での焼結（目標900～700℃）を目指して、その焼結挙動の温度依存性をディラトメーターにより測定する。また、ナノ粒子の混合条件をさらに詳細に検討し、最適な混合割合を探索することで、緻密な固体電解質セラミックスの作製を行う。また、それらの破壊挙動や変形性から、実用上重要な強度についても調査を進める。
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