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JPH04238815A - フッ化物イオン伝導体およびそれを用いた電気化学素子 - Google Patents

フッ化物イオン伝導体およびそれを用いた電気化学素子

Info

Publication number
JPH04238815A
JPH04238815A JP3002636A JP263691A JPH04238815A JP H04238815 A JPH04238815 A JP H04238815A JP 3002636 A JP3002636 A JP 3002636A JP 263691 A JP263691 A JP 263691A JP H04238815 A JPH04238815 A JP H04238815A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fluoride ion
ion conductor
fluoride
present
electrochemical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP3002636A
Other languages
English (en)
Inventor
Kazunori Takada
和典 高田
Shigeo Kondo
繁雄 近藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP3002636A priority Critical patent/JPH04238815A/ja
Priority to US07/815,009 priority patent/US5320917A/en
Priority to CA002058875A priority patent/CA2058875A1/en
Priority to EP19920100342 priority patent/EP0496221A3/en
Publication of JPH04238815A publication Critical patent/JPH04238815A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/14Cells with non-aqueous electrolyte
    • H01M6/18Cells with non-aqueous electrolyte with solid electrolyte
    • H01M6/182Cells with non-aqueous electrolyte with solid electrolyte with halogenide as solid electrolyte
    • H01M6/183Cells with non-aqueous electrolyte with solid electrolyte with halogenide as solid electrolyte with fluoride as solid electrolyte
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G25/00Compounds of zirconium
    • C01G25/006Compounds containing zirconium, with or without oxygen or hydrogen, and containing two or more other elements
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4073Composition or fabrication of the solid electrolyte
    • G01N27/4074Composition or fabrication of the solid electrolyte for detection of gases other than oxygen
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば電池、イオンセ
ンサをはじめとするセンサ、電気化学表示素子等の電気
化学素子に用いられる固体電解質に関し、特にそのイオ
ン伝導種がフッ化物イオンであるイオン伝導体およびそ
れを用いた電池、イオンセンサをはじめとするセンサ、
電気化学表示素子等の電気化学素子に関する。
【0002】
【従来の技術】フッ化物イオン伝導体としては、β−P
bF2をはじめ、CaF2,LaF2等のものが知られ
ており、その電気伝導度(イオン伝導度)は、室温で1
0−6S/cm程度の極めて低いものが多く、最近にな
ってPbSnF4が10−3S/cmという高いイオン
伝導性を示すことがレアー(Reau)等によって19
78年に見いだされている。
【0003】また、これらフッ化物イオン伝導体を用い
た電気化学素子としては、ジャーナル  オブ  エレ
クトロケミカル  ソサエティ第123巻第10頁(J
.H.Kennedy et al. J.Elect
rochem.Soc.,123,10(1976))
に記載されているように電池、あるいはサイエンス第1
54巻第1553頁(M.S.Frant et al
. Science,154,1553(1966))
に記載されているようにイオンセンサ等が提案されてい
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】固体電解質のイオン伝
導性に関しては、例えば電池、センサ、電気化学表示素
子等の電気化学素子を構成した場合素子の内部インピー
ダンスに関係するため、特に室温付近でのイオン伝導性
が優れていることが望まれる。すなわち、従来の固体電
解質では室温付近のイオン伝導性が悪いため、素子の内
部インピーダンスは高いものとなり、例えば電池では高
率放電が悪く、また例えばセンサ、電気化学表示素子で
は応答速度が悪いという課題があった。
【0005】本発明は、従来のフッ化物イオン伝導体に
比べて高いイオン伝導性を示すフッ化物イオン伝導体を
提供し、さらに従来提案されている電気化学素子に比べ
特性の向上した、すなわち、例えば高率放電の可能な電
池、応答速度の速いセンサもしくは電気化学表示素子等
のフッ化物イオン伝導体を用いた電気化学素子を提供す
ることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】鉛、錫及びフッ素に、ジ
ルコニウムを加えてフッ化物イオン伝導体を合成する。 また、このフッ化物イオン伝導体を用いて、電気化学素
子を構成する。
【0007】
【作用】鉛、錫及びフッ素を含有する化合物の鉛及び錫
が2価のカチオンであり、一方ジルコニウムは4価のカ
チオンである。このため、鉛、錫及びフッ素を含有する
化合物にジルコニウムイオンをド−プすると、構成元素
間で固溶体を形成し、化合物の結晶格子中のフッ化物イ
オンが過剰な状態となり、この過剰となったフッ化物イ
オンが格子間イオンとしてイオン伝導に寄与するため、
高イオン伝導性を示す。
【0008】
【実施例】PbSnF4にジルコニウムイオンをドープ
した場合、その化合物をPb1−xSn1−yZrx+
yF4+2x+2yの組成で表わすと、x+y≦0.1
6の範囲で固溶体を形成する。その際にドープされたジ
ルコニウムイオンは、上述したようにPb,Snが2価
のカチオンであるのに対しジルコニウムが4価のカチオ
ンであるため、結晶格子中にフッ化物イオンが過剰な状
態となり、過剰となったフッ化物イオンが格子間イオン
としてイオン伝導に寄与するために高いイオン伝導性を
示す。したがって、ドープするジルコニウムイオンの濃
度範囲としては固溶体を形成するx+y≦0.16の範
囲がもっとも好ましい。
【0009】本発明のイオン伝導体は上記の作用により
高イオン伝導性を有するため、本発明のイオン伝導体を
例えば電気化学素子の固体電解質として用いると、内部
インピーダンスは低いものとなり、室温付近で高イオン
導伝性を達成でき、また、例えば電気化学素子として電
池を構成した場合には、従来のものと比べ高率放電特性
が向上し、さらに、例えば電気化学素子としてセンサや
電気化学表示素子を構成した場合には、従来のものと比
べ応答速度の速いものとなる。
【0010】以下、本発明について実施例を用いて詳細
に説明する。 実施例1 出発物質として、フッ化鉛(PbF2)、フッ化錫(S
nF2)、フッ化ジルコニウム(ZrF4)を用い、以
下の方法でPb1−xSn1−yZrx+yF4+2x
+2y(0<x+y≦0.16)のうちで、x=yすな
わちPb1−xSn1−xZr2xF4+4xで表され
るフッ化物イオン伝導体を得た。
【0011】PbF2、SnF2、ZrF4をモル比で
1−x:1−x:2xの比で秤量し、メノウ乳鉢中で混
合し、ペレット状に加圧成形した。このペレットを、ニ
ッケルの反応管中にいれ、管内をアルゴン置換した後、
フッ化水素を20ml/minに対してキャリアガスで
あるアルゴンを20ml/minの流量で管内に通じ、
反応管を350℃に加熱し6時間反応させた。
【0012】また比較例として、出発物質として、Pb
F2、SnF2を用い、モル比で1:1に混合したもの
を用いた以外は上記と同様の方法で、従来のフッ化物イ
オン伝導体であるPbSnF4で表されるフッ化物イオ
ン伝導体(すなわち上記におけるx=y=0の試料)を
得た。
【0013】このようにして得られたフッ化物イオン伝
導体の電気伝導度の測定は、焼結体とした試料に電極と
して金をスパッタした測定セルを用いて行った。測定は
アルゴン雰囲気で行い、交流インピーダンス測定法によ
り20℃から300℃までの温度範囲で行った。
【0014】図1に各温度におけるジルコニウムイオン
濃度(x値)と電気伝導度の関係を示す。各温度におい
て電気伝導度は、ジルコニウムイオン濃度が高くなるに
つれていったん上昇し、x=0.01〜0.02の範囲
で極大を示しており、ジルコニウムイオンが0〜0.0
2の範囲では従来のフッ化物イオン伝導体に比べイオン
伝導性が向上していることが判った。
【0015】図2にはこのようにして得られた電気伝導
度のアレニウスプロット(絶対温度の逆数と電気伝導度
の関係)を示す。その結果、x≧0.03の範囲では高
温域での活性化エネルギー(直線の傾き)が従来のもの
に比べて大きなものとなっており、高温域においては更
にジルコニウムイオン濃度が高いものについてもイオン
伝導性が従来のものに比べて向上していることが判った
【0016】以上のように本発明によると、従来に比べ
イオン伝導性の高いフッ化物イオン伝導体を得ることが
できる。
【0017】実施例2 出発物質として、フッ化鉛(PbF2)、フッ化錫(S
nF2)、フッ化ジルコニウム(ZrF4)をPbF2
、SnF2、ZrF4をモル比で0.99:1−y:0
.01+y(0<y≦0.15)の混合物を用いた以外
は実施例1と同様の方法で、Pb0.99Sn1−yZ
r0.01+yF4.02+2yで表される本発明によ
るフッ化物イオン伝導体の内x=0.01であるフッ化
物イオン伝導体を得た。
【0018】このようにして得られたフッ化物イオン伝
導体の電気伝導度を実施例1と同様に測定したところ、
従来のフッ化物イオン伝導体に比べイオン伝導性が向上
していることが判った。
【0019】実施例3 出発物質として、フッ化鉛(PbF2)、フッ化錫(S
nF2)、フッ化ジルコニウム(ZrF4)を  Pb
F2、SnF2、ZrF4をモル比で1−x:0.99
:x+0.01(0<x≦0.18)の混合物を用いた
以外は実施例1と同様の方法で、Pb1ーxSn0.9
9Zrx+0.01F4.02+2xで表される本発明
によるフッ化物イオン伝導体の内y=0.01であるフ
ッ化物イオン伝導体を得た。
【0020】このようにして得られたフッ化物イオン伝
導体の電気伝導度を実施例1と同様に測定したところ、
従来のフッ化物イオン伝導体に比べイオン伝導性が向上
していることが判った。
【0021】実施例4 本実施例では、本発明によるフッ化物イオン伝導体を用
い全固体電池を構成した。ただし、フッ化物イオン伝導
体としては実施例1で得たPb0.99Sn0.99Z
r0.02F4.04で表されるものを用い、正極活物
質としてフッ化銅(CuF2)、負極活物質として金属
鉛(Pb)を用いた。
【0022】Pb0.99Sn0.99Zr0.02F
4.04は、実施例1と同様の方法で合成し、めのう乳
鉢で粉砕したものを用いた。正極材料としては、正極活
物質であるCuF2に、イオン伝導性を付与するために
Pb0.99Sn0.99Zr0.02F4.04、電
子伝導性を付与するためにグラファイトを混合したもの
、すなわち重量比で5:4:1で混合したものを用いた
。また負極材料としては、負極活物質であるPb粉にや
はりイオン伝導性を付与するためにPb0.99Sn0
.99Zr0.02F4.04を重量比で1:1に混合
したものを用いた。
【0023】以上のようにして得た正極材料、固体電解
質、負極材料を各々200mg秤量し、順次10mmφ
の金型中にいれ、4ton/cm2の圧力で一体に成形
し、錫メッキ導線をリード端子としてカーボンペースト
により接着し、図3に示すような全固体電池を構成した
。なお図3中1は正極、2は固体電解質、3は負極、4
はリード端子である。
【0024】本発明による高率放電特性を調べるために
、電池を短絡しその際に流れる放電電流値を測定した。 その結果得られた値は、1.2mAであった。
【0025】比較のために、フッ化物イオン伝導体とし
て本発明によるPb0.99Sn0.99Zr0.02
F4.04に代えて、従来のフッ化物イオン伝導体であ
るPbSnF4を用いた以外は上記と同様の方法で、全
固体電池を構成した。
【0026】この電池を用いて、上記と同様に短絡時の
放電電流値を調べたところ0.7mAの電流しか取り出
せなかった。
【0027】以上のように、本発明のフッ化物イオン伝
導体を用いると、全固体電池の高率放電特性を向上でき
る。
【0028】実施例5 本実施例では、本発明によるフッ化物イオン伝導体を用
いセンサとして酸素センサを構成した。ただし、フッ化
物イオン伝導体としては本発明によるフッ化物イオン伝
導体のうちで実施例4と同じPb0.99Sn0.99
Zr0.02F4.04で表されるものを用いた。
【0029】図4に、本実施例による酸素センサの断面
図を示す。図4中5は、金属銀粉末の加圧成形体で、金
属銀粉末とAg6I4WO4で表される銀イオン導電性
固体電解質の混合物の加圧成形体6、Ag6I4WO4
の加圧成形体7、フッ化物イオン伝導体(Pb0.99
Sn0.99Zr0.02F4.04)とAg6I4W
O4の混合物の加圧成形体8、Pb0.99Sn0.9
9Zr0.02F4.04の加圧成形体9と共に、一体
に加圧し圧接した。リード端子10を銀ペーストにより
接着した後、エポキシ系樹脂11により封止し、さらに
酸素イオンの検出極として白金電極12をスパッタ蒸着
法により形成した。
【0030】このようにして得たセンサの応答速度は次
のようにして調べた。検出ガスとしては酸素と窒素の混
合ガスを用いた。混合ガス流量を一定(100ml/m
in.)としながら、酸素濃度を20から10%に変化
させた際のセンサの端子間電圧の変化をレコーダーで記
録した。
【0031】一方、比較例としてフッ化物イオン伝導体
として本発明のPb0.99Sn0.99Zr0.02
F4.04に代えて従来のPbSnF4を用いた以外は
、上記と同様の方法で酸素センサを得た。また、その応
答速度についても上記と同様の方法で評価した。  図
5に、以上のようにして調べた本発明による酸素センサ
(Pb0.99Sn0.99Zr0.02F4.04を
用いたもの)の応答速度、および比較のために構成した
酸素センサ(PbSnF4を用いたもの)の応答速度を
併せて示す。その結果、本発明による酸素センサの端子
間電圧の立ち上がりは、従来のPbSnF4を用いたも
のに比べて速いことが判る。
【0032】以上のことから、本発明によると応答速度
の速いセンサが得られることが判った。
【0033】実施例6 本実施例では、本発明によるフッ化物イオン伝導体を用
いセンサとしてフッ化物イオンセンサを構成した。ただ
し、フッ化物イオン伝導体としては本発明によるフッ化
物イオン伝導体のうちで実施例2で得たPb0.98S
n0.99Zr0.03F4.06で表されるものを用
いた。
【0034】図6に、本実施例によるフッ化物イオンセ
ンサの断面図を示す。図6中13は、フッ化物イオン伝
導体であるPb0.98Sn0.99Zr0.03F4
.06の焼結体で、実施例2で得たPb0.98Sn0
.99Zr0.03F4.06を加圧成形の後、アルゴ
ン雰囲気で270℃で焼結したものである。この表面に
、水に対して不溶なフッ化物イオン伝導体であるフッ化
ランタン(LaF3)層14を加熱蒸着法により形成し
、フッ化物イオンセンサのイオン選択電極とした。この
焼結体中に内部溶液15としてフッ化ナトリウム(Na
F)の10−3M溶液を入れ、さらに内部電極16とし
て、Ag/AgCl電極を挿入した後、シリコンゴム1
7で封口し、フッ化物イオンセンサを構成した。
【0035】一方、比較例としてLaF3で被覆したP
b0.98Sn0.99Zr0.03F4.06に代え
て従来のフッ化物イオン伝導体であるLaF3の焼結体
をイオン選択電極として用いた以外は上記と同様の方法
でフッ化物イオンセンサを得た。
【0036】このようにして得た各々のセンサの応答速
度をフッ化水素溶液を用いて調べたところ、本発明によ
るフッ化物イオンセンサの端子間電圧の立ち上がりの方
が、従来のLaF3を用いたものに比べて速いことが判
る。以上のことから、本発明によると応答速度の速いセ
ンサが得られる。
【0037】実施例7 本実施例では、本発明によるフッ化物イオン伝導体を用
い電気化学表示素子を構成した。ただし、フッ化物イオ
ン伝導体としては本発明によるフッ化物イオン伝導体の
うちで実施例4と同じPb0.99Sn0.99Zr0
.02F4.04で表されるものを用い、正・負極とし
ていずれもPbO・0.5PbF2・0.5B2O3で
表される鉛化合物を用いた。
【0038】図7に、得られた電気化学表示素子の断面
図を示す。図7中18は、石英基板で、その基板上に透
明電極として酸化錫層19をスッパタ蒸着法により形成
した。20はPbO・0.5PbF2・0.5B2O3
の組成で表される電極層で、PbO、PbF2、B2O
3のモル比で2:1:1の混合物を、1600℃に加熱
した白金ボート上に落とすフラッシュ蒸着法で形成した
。固体電解質層21は、Pb0.99Sn0.99Zr
0.02F4.04の組成となるように混合したPbF
2,SnF2,ZrF4の混合物を、同じく1600℃
に加熱した白金ボート上に落とすフラッシュ蒸着法で形
成した。その後再びPbO・0.5PbF2・0.5B
2O3の組成で表される電極層22、酸化錫層23を形
成した。最後に、2つの酸化錫層にリード端子24を銀
ペーストにより接着し、電気化学表示素子とした。
【0039】この電気化学表示素子の応答性は次のよう
にして調べた。図8に、その測定に用いた装置のブロッ
ク図を示す。図8中25は電気化学表示素子26に電圧
を印加するための電源で、He−Neレーザー27によ
りレーザー光28を上記のようにして得た電気化学表示
素子に照射しつつ、素子に電圧を印加し、レーザー光が
電気化学表示素子の着色現象により吸収され、透過光の
光量が変化する様子をフォトダイオード29によって検
出し、レコーダー30で記録した。
【0040】その結果、3Vの電圧印加時には、光強度
が初期の50%になるまでに3秒を要した。
【0041】一方、比較例として固体電解質層としてP
bF2,SnF2の混合物を蒸着源として同じくフラッ
シュ蒸着法により形成した、PbSnF4を用いた以外
は上記と同様の方法で電気化学表示素子を得た。
【0042】この、比較例であるPbSnF4を用いた
電気化学表示素子の応答性についても上記と同様の方法
で調べたが、光強度が初期の50%になるまでに8秒を
要した。以上のことから、本発明によると応答速度の速
い電気化学表示素子が得られる。
【0043】なお、本実施例においてはフッ化物イオン
伝導体を用いた電気化学素子として電池、センサ、電気
化学表示素子について説明を行ったが、その他電気二重
層コンデンサ、電気化学ダイオード等の素子を構成した
場合も応答速度の向上など同様の効果が得られることは
いうまでもなく、本発明はこれらの電気化学素子に限定
されるものではない。
【0044】また、本実施例においては正極活物質とし
てフッ化銅(CuF2)、負極活物質として金属鉛(P
b)を用いた固体電池を構成し、センサとしては白金電
極、Ag/AgCl電極、電気化学表示素子としてはP
bO・0.5PbF2・0.5B2O3の組成で表され
る鉛化合物を電極として用いたが、これら以外の電極材
料を用いても同様の結果が得られることはいうまでもな
く、本発明はこれらの電極材料に限定されるものではな
い。
【0045】
【発明の効果】以上のように本発明は鉛、錫、フッ素及
びジルコニウムを含有したフッ化物イオン伝導体である
ため、イオン伝導性に優れたフッ化物イオン伝導体を得
ることができ、また、従来に比べ特性の向上した電気化
学素子、すなわち、高率放電の可能な電池、応答速度の
速いセンサ、電気化学表示素子などを得ることができる
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例におけるフッ化物イオン伝導
体の各温度における電気伝導度とジルコニウムイオン濃
度との関係図
【図2】本発明の一実施例におけるフッ化物イオン伝導
体の各ジルコニウム濃度における温度と電気伝導度との
関係図
【図3】本発明の一実施例における全固体電池の構成図
【図4】本発明の一実施例における酸素センサの断面図
【図5】本発明の一実施例における酸素センサの応答速
度を示した特性図
【図6】本発明の一実施例におけるフッ化物イオンセン
サの断面図
【図7】本発明の一実施例における電気化学表示素子の
断面図
【図8】本発明の一実施例における電気化学表示素子の
応答速度を測定するシステムのブロック図
【符号の説明】
1  正極 2  固体電解質 3  負極 4  リード端子 5  金属銀粉末の加圧成形体 6  金属銀粉末とAg6I4WO4の混合物の加圧成
形体7  Ag6I4WO4の加圧成形体 8  Ag6I4WO4とPb0.99Sn0.99Z
r0.02F4.04の混合物の加圧成形体 9  Pb0.99Sn0.99Zr0.02F4.0
4の加圧成形体10  リード端子 11  エポキシ樹脂 12  白金電極 13  Pb0.98Sn0.99Zr0.03F4.
06の焼結体14  LaF3層 15  NaF溶液 16  Ag/AgCl電極 17  シリコンゴム 18  石英基板 19  酸化錫層 20  PbO・0.5PbF2・0.5B2O3の組
成で表される電極層 21  Pb0.99Sn0.99Zr0.02F4.
04層22  PbO・0.5PbF2・0.5B2O
3の組成で表される電極層 23  酸化錫層 24  リード端子 25  電源 26  電気化学表示素子 27  He−Neレーザー 28  レーザー光 29  フォトダイオード 29  レコーダー

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  鉛、錫、フッ素とジルコニウムを含有
    する化合物であることを特徴とするフッ化物イオン伝導
    体。
  2. 【請求項2】  化合物が、Pb1−xSn1−yZr
    x+yF4+2x+2y(0<x+y≦0.16)で表
    されることを特徴とする、請求項1記載のフッ化物イオ
    ン伝導体。
  3. 【請求項3】  鉛、錫、フッ素及びジルコニウムを含
    有するフッ化物イオン伝導体を介して、少なくとも1対
    の電極を備えたことを特徴とする電気化学素子。
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