(57)【要約】  本発明は電解質としての使用に適した薄膜複合固体（及びその製造手段）である。この複合固体は、稠密で無孔質の伝導性材料の第１層と、多孔質イオン伝導性材料の第２層と、稠密で無孔質伝導性材料の第３層とを有する。第２層は、第１層及び第３層の熱膨張係数の５％以内の熱膨張係数を有する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質としての使用に適した薄膜複合固体であって、稠密で無孔質のイオン伝導性材料の第１層と、多孔質材料の第２層と、稠密で無孔質のイオン伝導性材料の第３層とを有し、前記第２層が前記第１及び第３層のＣＴＥの５％以内のＣＴＥを有し、前記各層が前記複合体の中で昇順で配置されている薄膜複合固体。
【請求項２】
電解質としての使用に適した薄膜複合固体であって、多孔質材料の第１層と、稠密で無孔質のイオン伝導性材料の第２層と、多孔質材料の第３層とを有し、前記第２層が前記第１及び第３層のＣＴＥの５％以内のＣＴＥを有し、前記各層が前記複合体の中で昇順で配置されている薄膜複合固体。
【請求項３】
前記第１、第２及び第３層がβ−Ａｌ2Ｏ3を有する請求項１に記載の電解質としての使用に適した薄膜複合固体。
【請求項４】
前記第１、第２及び第３層がβ”−Ａｌ2Ｏ3を有する請求項１に記載の電解質としての使用に適した薄膜複合固体。
【請求項５】
前記第１、第２及び第３層が実質的にNASICONから成る請求項１に記載の電解質としての使用に適した薄膜複合固体。
【請求項６】
前記第１及び第３層が５０ミクロン以下の厚さを有する請求項１に記載の電解質としての使用に適した薄膜複合固体。
【請求項７】
前記第２層がナノ粒子β”−Ａｌ2Ｏ3から構成されている請求項２に記載の電解質としての使用に適した薄膜複合固体。
【請求項８】
前記第１及び第３層がナノ粒子β”−Ａｌ2Ｏ3から構成されている請求項１に記載の電解質としての使用に適した薄膜複合固体。
【請求項９】
前記電解質が実質的に平面状である請求項１に記載の電解質としての使用に適した薄膜複合固体。
【請求項１０】
電解質としての使用に適した３層の薄膜複合固体を形成する方法であって、
ａ．一連のシート又は膜をテープキャスティングする段階と、
ｂ．前記一連のシートを積層して少なくとも３層を有する層状構造を形成する段階と、
ｃ．前記３層構造を焼結する段階と、
を有し、前記テープキャスティング段階においては、各前記シートは少なくとも二つのスリップ複合体から形成され、前記スリップ複合体の一方は添加された燃性可能な孔形成材（「多孔質材料」）で形成され、前記スリップ複合体の他方は前記孔形成材を含まずに（「無孔質材料」）形成され、
前記積層段階においては、前記３層が前記無孔質材料から構成された層と前記多孔質材料から構成された層との間に交互に位置し、
焼結段階においては、前記無孔質材料から形成された前記層を稠密化するのに適した温度まで焼結され、イオン伝導性層が形成される方法。
【請求項１１】
前記焼結段階が約１５００℃以下の温度で行われる請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記焼結段階が約１６００℃以下の温度で行われる請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記焼結段階が前記３層構造を封入することなく行われる請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記焼結段階が温度を第１温度に上げ、その後、前記温度を最終温度に上げる補助段階を有し、前記第１温度が前記孔形成材料を燃焼させるのに充分であり、前記最終温度が前記無孔質材料から構成される前記層を稠密化するのに十分である請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
温度を第１温度に上げる前記補助段階が、前記３層構造の全部又は一部を層剥離させることなく、前記孔形成材の燃焼から発生するガスを前記３層構造から流出させうる速度で行なわれる請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記焼結段階が、前記孔形成材を燃焼させるのに適した第１温度に上げる段階と、前記温度を第２上昇温度に上げ、さらに、その温度を最終焼結温度に上げる段階とを有し、前記第２温度から前記最終焼結温度までの昇温速度が少なくとも約１０℃／分である請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記スリップがβ”−Ａｌ2Ｏ3又はβ−Ａｌ2Ｏ3からさらに構成されている請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
前記スリップがNASICONからさらに構成されている請求項１０に記載の方法。
【請求項１９】
無孔質材料から形成された前記層の厚さが、焼結後において、１００ミクロン未満である請求項１０に記載の方法。
【請求項２０】
多孔質材料から形成された前記層の厚さが約１００ミクロンを超える請求項１０に記載の方法。
【請求項２１】
多孔質材料から形成された前記層の厚さが前記薄膜複合固体に構造的支持力を付与するのに充分である請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１層、第２及び第３層がβ−Ａｌ2Ｏ3を有する請求項２に記載の電解質としての使用に適した薄膜複合固体。
【請求項２３】
前記第１、第２及び第３層がβ”−Ａｌ2Ｏ3を有する請求項２に記載の電解質としての使用に適した薄膜複合固体。
【請求項２４】
前記第１、第２及び第３層が実質的にNASICONから成る請求項２に記載の電解質としての使用に適した薄膜複合固体。
【請求項２５】
前記電解質が実質的に平面状である請求項２に記載の電解質としての使用に適した薄膜複合固体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００４年３月１２日に出願された米国特許出願第１０／７９９，０７６号に対する優先権を主張する。その出願はその全体が本願において文献援用される。
【０００２】
米国政府による支援された調査又は開発に関する陳述
米国政府は、米国エネルギー省とトランス・アイオニクス・コーポレーション（Trans Ionics Corporation）との間で交わされた契約第DE-FG03-01ER83317号によって、本発明の権利を有する。
【０００３】
発明の背景
１．発明の開示
本発明は薄膜複合電解質構造に関する。この構造は、好ましくは、イオン伝導性であり、従って、ナトリウム及び硫黄を基にした二次電池などの電気化学電池で使用するのに適している。
【０００４】
２．背景技術
固体のイオン伝導性電解質成分は、ナトリウム及び硫黄、又はナトリウム及び金属塩化物を基にした二次電池などの高温型電気化学電池で利用される。そのような電気化学電池は、一般に、ａ）液体アノード反応体、ｂ）液体カソード反応体、及びｃ）カソードをアノードから分離させるとともに、アノード反応体又はカソード反応体のどちらからのイオンも透過させることのできる固体電解質成分から成る。たとえば、電池がナトリウム−硫黄電池であるとき、アノード反応体は液体ナトリウムであり、カソード反応体は液体硫黄又は硫黄と多硫化ナトリウムとの混合物であり、さらに、電解質成分は、一般に、ベータ・ダブルプライムアルミナ（（β”−Ａｌ2Ｏ3）又は（Ｎａ2Ｏ・５Ａｌ2Ｏ3））、NASICON（Ｎａ3Ｚｒ2Ｓｉ2ＰＯ12）、又はナトリウムイオンによってのみを透過可能な他の材料などの材料から成る。ナトリウム−硫黄電池の形成及び操作についての完壁な説明は、ジェイ・エル・スドワース（J.L.Sudworth）及びエイ・アール・チレイ（A.R.Tilley）の「ナトリウム−硫黄電池（The  Sodium-Sulfur  Battery）」（チャップマン・アンド・ホール(Chapman  and  Hall)、ニューヨーク、１９８５）という刊行物の中に見ることができる。この装置における電力（放電サイクル）を発生する電池反応は、概ね、次のように表される。
２Ｎａ＋ｘＳ→Ｎａ2Ｓx
【０００５】
放電サイクルの過程では、ナトリウムはアノードにおいて酸化され（即ち、電子を放出しナトリウムカチオンを生成する）、ナトリウムイオンは固体電解質を通り抜けてアノード区画から移動する。従って、放電過程でのアノードにおける反応は以下のとおりである。
２Ｎａ0→２Ｎａ+＋２ｅ-
【０００６】
同様に、カソードにおいて次の反応が起こり、元素状硫黄が還元される。
Ｓ0＋２ｅ-→Ｓ=
アノードからカソードへ外部回路を通る電子の流れが電力を発生し、電気モーターのような機器を駆動させる。
【０００７】
ナトリウム−硫黄バッテリーの必須構成要素は固体電解質である。この固体電解質は、ナトリウムカチオンだけを通過させるが、硫黄アニオンを通過させないものである。ナトリウム−硫黄バッテリーの当初の概念から、最適な電解質はβ”−Ａｌ2Ｏ3（Ｎａ2Ｏ−５Ａｌ2Ｏ3）であった。NASICONなどの他の材料が有望視されてきた。
【０００８】
電解質成分が高温型電気化学電池で効率よく機能するために、適合しなければならない幾つかの重要な要求事項がある。そのうちの一つは、高いイオン流束（ion flux）である。そして、イオン流束は電解質成分の厚さに逆比例するので、電解質層を可能な限り薄くすることが望ましい。もう一つの重要な要求事項は、低い電子伝導性であり、これは電解質材料の選択によって決められる。
【０００９】
そのような電解質成分を形成するために、いくつかの従来方法がある。たとえば、β”−Ａｌ2Ｏ3粉末から固体電解質構造（一般に、管又は平板）の形成を記載した教示、及び得られた管又は平板を自動車及び電気設備の負荷平準化用途に使用するために一般に密閉される構造に組立ることを記載した教示がある。β”−Ａｌ2Ｏ3の管は、粉末の静水圧圧縮法によって形成できるけれども、形成の好ましい方法は、米国特許第３，８９６，０１８号、第３，８９６，０１９号、第３，９００，３８１号及び第３，９７６，５５４号（これらの全てが本明細書において文献援用される）に記載されている電気泳動析出である。さらに、米国特許第４，０３８，４６４号（本明細書において文献援用される）は、電極の伝導性を高めるために、両電極の隔室内に繊維質マットを使用することを開示している。電池の効率を高めるために、β”−Ａｌ2Ｏ3を管以外の形状に形成することが、米国特許第４，２２６，９２３号、第４，５６８，５０２号、第５，０５３，２９４号及び第５，１１２，７０３号（これらの全てが本明細書において文献援用される）に教示されている。
【００１０】
従来の方法によって製造される電池には、幾つかの固有の短所がある。一つの短所は、β”−Ａｌ2Ｏ3のような材料から製造される電解質は低いイオン流束を有することである。これは、電解質が、機械的支持力をも付与するように、十分に厚くされなければならないからである。それゆえ、電解質が薄くなるとイオン流束は高くなることは一般に知られているけれども、電解質の機械的強度には限度があるので、従来技術の支持されていない電解質の管は一般に高いイオン流束について最適化できない。
【００１１】
従来の方法のもう一つの短所は、マンドレルに管として電解質を形成すること（電気泳動析出法では一般である）に起因する。その理由は、管の最小直径には限界があり、また、管の最大長さにも限界があるためである。さらに、このことは、表面積対容積比を制限し、従って、その結果として得られる電気化学電池のエネルギー密度を制限する。たとえば、従来技術によって製造されるナトリウム−硫黄電池は、表面積対容積比が比較的小さく、結果的に、こうした電池のエネルギー密度は所望の値よりも低い。
【００１２】
これらの短所を軽減する一つの手法は、好適な細孔質支持体上に固体電解質を薄膜として支持させることである。米国特許第４，２４４，９８６号（本明細書において文献援用される）は、α−アルミナ、ムライト又は酸化ジルコニウムなどの支持体上にβ”−Ａｌ2Ｏ3の前駆体（固体の形態）を適用することを開示している。この手法に関する一つの問題は、β”−Ａｌ2Ｏ3（８．６×１０-6／℃）と、好ましい支持体であるα−アルミナ（８．２×１０-6／℃）、酸化ジルコニウム（８．２×１０-6／℃）、及び、特にムライト（５．２×１０-6／℃）との間での熱膨張係数（ＣＴＥ）の差である。第２の問題は、前掲の耐熱性セラミック支持体はいずれも電気伝導性がなく、そのため、このプロセスによって製造されるナトリウム−硫黄電池の形状が単一の形状、すなわち、アノード反応体が支持体側にあるという形状に限定されることである。
【００１３】
米国特許第４，５２６，８４４号（本明細書において文献援用される）は、NASICONもナトリウム−硫黄電池において固体電解質として使用できることを開示しているけれども、そのような材料の薄膜複合体がこれまでに製造されたこを示す実際の例は存在しない。これは、おそらく、NASICON（〜１×１０-6／℃）と大抵の細孔質物質との間のＣＴＥに著しい不一致があるためであろう。
【００１４】
米国特許第５，０５９，４９７号（本明細書において文献援用される）は、複合イオン伝導性電解質部材の形成を開示している。この電解質部材は、β”−Ａｌ2Ｏ3のようなイオン伝導性材料の第１層、及びアルミニウムシリコンカーバイド、ドープ酸化スズ、グラファイト、又はこれらの材料の複合体、化合物、混合物及び／又は組み合わせから選択された材料から成る第２層すなわち基材層から成る。好ましい材料は、米国特許第４，４２２，９１７号及び第３，９８５，５７５号（これらの双方が本明細書において文献援用される）に開示されている二酸化チタン系（タンタル又はニオブ−ドープＴｉＯ2）から選択される。特許’４９７号によると、より高いイオン流束を発現させるために、第１層は第２層より遥かに薄く、そして、好ましい機械的支持力を得るために第２層は実質的に厚くされている。第１層は、数ある技術の中でも、電気泳動析出によって形成できる。
【００１５】
米国特許出願第２００２−０１７２８７１Ａ１号（本明細書において文献援用される）は改良された電気化学電池を形成するための一つの方法を開示している。その電池は、ａ）アノード（及び対応するアノード反応体）、ｂ）カソード（及び対応するカソード反応体）、及びｃ）複合イオン伝導性電解質構造を有するものである。その電解質構造は、ｉ）第１層と、ｉｉ）第２層とを有する。第１層は、好ましくは、本質的に薄膜であり、少なくとも一つがイオン伝導性である二つ以上の化学的に異なる化合物の混合物である。また、第２層は第１層に接合された耐熱性支持体構造であり、（１）アノード反応体又はカソード反応体を第１層に有効に流動させる有効な多孔性を有するとともに、（２）第１層の材料の５％以内の熱膨張係数を有するものである。この出願における二つ以上の化学的に異なる化合物の混合物を使用する目的は、熱膨張係数の一致を実現させることであった。
【００１６】
好ましい固体電解質を形成するもう一つの試みは、米国特許第３，９０１，７３３号（本明細書において文献援用される）に記載されている。この特許は、２層のベータ・アルミナ構造を記載している。第１層は、β−アルミナの薄い（５０−１，０００ミクロン）の稠密な伝導性層であり、第２層は、多孔質のベータ又はベータ・ダブルプライムアルミナの比較的厚い基材又は支持体である。伝導性の稠密な層は、基材上にコーティングされ（プラズマ又はスラリー噴霧、又は粒子堆積（granular  deposition））、１，５００〜１，８００℃の最終温度まで焼結される。残念ながら、そのような非対称の２層複合体は焼結工程で異なる収縮を受け、組成物が構造材料としては望ましいものとはならない。
【００１７】
従って、従来方法は、ナトリウム硫黄電気化学電池用の固体イオン伝導性電解質成分で種々の工業的成功を収めてきたけれども、この業界では、広範囲の温度変動に関連する応力に耐え得る改良されたイオン伝導特性及び改良された機械的特性を有する固体イオン伝導性電解質に対するニーズが引き続き存在する。この業界では、また、これらの固体イオン伝導性電解質の改良された製造方法に対してもニーズがある。本発明はこれらのニーズに向けられたものである。
【特許文献１】米国特許第3,96,018号明細書
【特許文献２】米国特許第3,900,381号明細書
【特許文献３】米国特許第3,976,554号明細書
【特許文献４】米国特許第4,038,464号明細書
【特許文献５】米国特許第4,226,923号明細書
【特許文献６】米国特許第4,568,502号明細書
【特許文献７】米国特許第5,053,294号明細書
【特許文献８】米国特許第5,112,703号明細書
【特許文献９】米国特許第4,244,986号明細書
【特許文献１０】米国特許第4,526,844号明細書
【特許文献１１】米国特許第5,059,497号明細書
【特許文献１２】米国特許第4,422,917号明細書
【特許文献１３】米国特許第3,985,575号明細書
【特許文献１４】米国特許公開第2002-0172871号明細書
【特許文献１５】米国特許第3,901,733号明細書
【発明の開示】
【００１８】
本発明は、（１）支持された薄膜複合固体電解質、及び（２）この電解質を製造する方法を含む。
【００１９】
本発明の電解質は、その好ましい構造において、支持された薄膜複合体である。これは、二つの外側層及び一つの内側層を有する少なくとも３層のサンドイッチ状構造を形成している。そのような薄膜を２層構造（即ち、実際には非対称）として形成することはできるけれども、これらの電解質は、焼結過程で発生する熱的及び機械的応力によってひずみを受けることが判っており、さらに、そのようなひずみが対称的な形では発生しないことが判っている。ひずみを最小限に抑えるためには、サンドイッチ形は中央層と、その中央層に対して対称な二つの外側層とを有し、その外側層はそれら外側層内で最大１５％の変化量を有する実質的に同じ厚さを有することが好ましい。さらに、本発明の構造の好ましい形状は平面状であるが、本発明の電解質は筒状にすることができる。電解質にとって、３層から成る二つの異なる好ましい形状が記載される。各形状では、機能的電解質層である少なくとも一つの薄い稠密な層が存在する。この層は、厚さが約１００ミクロン未満、好ましくは、厚さが５０ミクロン未満である。「稠密」と言う用語は、無孔質を意味するのに使用されるけれども、稠密な層は、一般に、拡散過程で、荷電反応体のうちの一つ（一般に、ナトリウム／硫黄電池におけるナトリウム）についてイオン伝導性でなければならない。ナトリウム硫黄バッテリーへの適用に対しては、稠密な層の好ましい材料は、β”−Ａｌ2Ｏ3である。選択される形状によるが、この層は、細孔質である第２層上に支持されるか、細孔質である二つの第２層の間に支持されているので、反応体は必要に応じて電解質表面へ流れることができる。細孔質層の厚さが増すと、複合体電解質に機械的強度が付与される（本明細書では、「多孔質」又は「細孔質」は、層の中を通るアノード反応体又はカソード反応体の有効な流れをもたらす有効な多孔性又は透過性を指す）。本発明の好ましい実施形態の特徴は、この細孔質構造もβ”−Ａｌ2Ｏ3であることである。電解質をこのような方法で構成することにより、薄くて稠密な層と細孔質支持層との間に熱膨張係数の差が全くない。さらに、２層間の接合が優れている。
【００２０】
複合サンドイッチ構造を形成する好ましい方法は、テープキャスティング（tape  casting）である。これは、マイクロエレクトニクス産業では平面状コンポーネントを製造するのに日常的に使用されているけれども、別の製造方法を改修して、３層構造を形成することもできる。テープキャスティングに関する優れた参考文献は、リチャード・イー・ミストラー（Richard  E.Mistler）及びエリック・アール・ツゥィナーム（Eric  R.Twiname）による、「テープキャスティングの理論と実際（Tape  Casting  Theory  and  Practice）」、米国セラミック学会（ American  Ceramic  Society）（２０００）、という名称の最近の書籍である。
【００２１】
発明の目的
本発明の一つの目的は、電解質に適した３層構造を提供することである。これらの層は細孔質層及び稠密な無孔質層を含む。
本発明の一つの目的は、ベータ・ダブルプライムアルミナ、ベータ・アルミナ又はNASICONから構成された電解質に適した３層構造を提供することである。
【００２２】
本発明の一つの目的は、ナトリウム／硫黄電池の電解質に適した３層平面状構造を提供することである。
本発明の一つの目的は、ナトリウム硫黄電池の電解質として適した構造を形成する方法であって、焼結過程で封入が使用されないような方法を提供することである。
本発明の一つの目的は、ナトリウム硫黄電池の電解質として適した構造を形成する方法であって、最終焼結温度が１６００℃以下であるような方法を提供することである。
【００２３】
発明の詳細な説明
本発明は、少なくとも３層のイオン伝導性の支持された薄膜複合固体電解質を含む。これは、ナトリウム硫黄（Ｎａ／Ｓ）電池において特有の用途を有するけれども、この形状はその他の電気化学電池において適用の可能性がある。本発明は、また、固体電解質生成物を形成する方法も含む。しかしながら、この方法は２層生成物固体電解質を形成するのにも利用できる。
【００２４】
図１に示される本発明の一つの実施形態では、二つの細孔質層１及び３の間に支持された単一の薄い稠密な層２が設けられ、サンドイッチ構造を形成している。図２に示されている本発明の第２のさらに好ましい実施形態では、二つの薄い稠密な層１１及び１３が設けられ、中央の細孔質支持層１２をサンドイッチ状に挟んでいる。
【００２５】
それぞれの異なる層は、層を形成する材料の一連の層又は積層体から構成されている。
【００２６】
これら両方の実施形態において、薄い稠密な層の化学組成物及び細孔質支持層の化学組成物は実質的に同じであり、そのため、確実に熱膨張係数が一致している。たとえば、三つの層は、ベータ・ダブルプライムアルミナ、NASICON又はベータ・アルミナで構成できる。ＣＴＥが同程度なので、ベータ・アルミナとベータ・ダブルプライムアルミナとを混合することはできるが、好ましくはない。さらに、幾つかの例では、５層構造が形成可能である。この場合、後でさらに考察するように、サンドイッチ構造の最外層が、NASICONの薄い層であり、内層がベータ・アルミナ又はベータ・ダブルプライムアルミナである。ナトリウム硫黄電池の電解質として好ましい材料はベータ・アルミナ（β−Ａｌ2Ｏ3）である。これは、一般式、Ｎａ2Ｏ・ｘＡｌ2Ｏ3で表され、式中、ｘは５〜１１の範囲である。さらに好ましい材料は、β”−Ａｌ2Ｏ3［Ｎａ2Ｏ・５Ａｌ2Ｏ3］である。高いナトリウム含量に対応するために、これらの材料は、一般に、酸化リチウム又は酸化マグネシウムで安定化されるが、マグネシウムが好ましい。（本明細書で考察されている実施例３参照。実施例３では、ＭｇＣＯ3が使用されている。）そのような安定化化合物もβ”−Ａｌ2Ｏ3とみなされる。
【００２７】
本発明による支持された薄膜複合電解質の形成するための好ましい方法は、テープキャスティング（tape  casting）である。テープキャスティングによる平面状セラミックスの形成方法では、電解質又は支持体材料の乾燥粉末が、バインダー、分散剤、可塑剤及び溶媒と混合されて、スリップ（slip）が形成され、次いで、このスリップがキャスティングナイフを使ってキャスティングされ、一定の厚さの層が生成される。次いで、このシートが加熱され、溶媒が取り除かれる。必要に応じて、多層のこのシートを加熱及び加圧のもとで積層すれば、より厚い構造を形成できる。
【００２８】
しかしながら、テープキャスティングによる本発明の電解質の形成は簡単ではなく、許容可能な支持された薄膜複合β”−Ａｌ2Ｏ3電解質を製造する技術を開発するのには、多量の労力が投入されてきた。こうして得られる支持された薄膜電解質の物理的構造及び電気化学的特性に影響を及ぼす因子は、限定的ではないが、（１）稠密で細孔質の層を形成するのに使用される粉末の粒径、（２）孔形成材料の種類及び粒径、（３）テープキャスティング用スリップの調製、（４）テープの積層過程で使用される温度及び圧力、（５）積層されたテープの乾燥時間及び温度、（６）焼結過程での温度プロフィル、（７）最終焼結温度、及び（８）最高焼結温度での保持時間である。
【００２９】
細かい粒子は、粒子の面積が大きくなるため、大きい粒子より焼結が速いことが知られている。従って、加工過程での焼結（稠密化）速度を変化させるために、薄く稠密な電解質薄膜の場合のβ”−Ａｌ2Ｏ3粉末の平均粒径は、細孔質支持体の場合の平均粒径とは異なる。本発明では、薄く稠密な層は、１０〜５００ｎｍ（「ナノ粒子」）、さらに好ましくは、２０〜２００ｎｍ、最も好ましくは、２０〜１５０ｎｍの初期平均粒径を有するナノ粒子β”−Ａｌ2Ｏ3から形成される。ナノ粒子β”−Ａｌ2Ｏ3は、米国特許第５，９５８，３６１号（本明細書において文献援用される）に記載されているフレーム噴霧分解を使って調製できる。細孔質層は、０．５〜５ミクロン、さらに好ましくは、０．５〜３ミクロン、最も好ましくは、０．５〜２ミクロンの初期平均粒径を有するβ”−Ａｌ2Ｏ3から形成される。ナノ粒子は細孔質層用に使用できるが好ましくはない。
【００３０】
焼結過程で細孔質層に細孔を形成するためには、焼結工程において空気中で完全燃焼するいかなる物質も使用できる。一般に使用される孔形成材の例は、籾殻、コーンスターチ及びカーボンブラック、及び実質的に残渣を残すことなく燃焼する他の材料、たとえば、燃焼してしまった支持層内に多孔性や透過性を発生するのに充分な容積や形状を有する有機又は繊維質材料である。選択される孔形成材の粒径は、最終生成物の特性にとって重要な性質である。粒子が細か過ぎると、必ずしも連結されていない極めて微細な細孔をもたらし、結果として、透過性が低くなり、電解質支持層を横切る反応体の流れが遅くなったり妨げられたりする。本発明の好ましい孔形成材は籾殻である。
【００３１】
キャスティングスリップ中の孔形成材の量も、生成する細孔質断面の構造に影響を及ぼす。２５重量％〜４０重量％の籾殻含量が評価された。その結果、４０重量％では、細孔質構造が過剰な多孔性のために潰れることが判った。２５重量％の籾殻では、その多孔性によって機能的な層がもたらされたが、層中を通る流れは望まれるような効果はなかった。従って、好ましい籾殻含量は、２５重量％〜４０重量％、さらに好ましくは、２７重量％〜３５重量％である。このように、望ましい孔形成材は、細孔質層の中を通る反応体に充分な透過性を付与するが、細孔質層の支持特性にさほど大きな影響を与えないものである。充分な多孔性があるある場合、多孔質支持層の必要な厚さは特定の用途の機械的構造要件によって支配される。たとえば、所定の電池形状における平面状電解質は円筒形電解質より厚い層を必要とする。これは、円筒形状が本来的に構造上の利点を有するためである。
【００３２】
β”−Ａｌ2Ｏ3電解質は、稠密な電解質層又は細孔質支持体へと引き続き形成できるように、粉末として調製できた。テープキャスティング用スリップが調製され、使用された手順は、アルミナ材料用にミストラー（Mistler）及びツゥィナーム（Twiname）（「Ｍ＆Ｔ」、本明細書において文献援用される）によって特定されている手順であった。粉末は、先ず注意深く乾燥され、湿分が取り除かれた。次に、乾燥された粉末は、分散剤（分散剤のリストは文献援用されるＭ＆Ｔの表２．１に含まれている）を含む溶媒の混合物（適した溶媒のリストがＭ＆Ｔのｐ．１８−１９に記載されている）に加えられ、分散剤を粒子表面に分配するために、さらに混合された。次に、この中に、バインダー（バインダーのリストは文献援用されるＭ＆Ｔの表２．３に含まれている）及び一つ以上の可塑剤（可塑剤のリストは文献援用されるＭ＆Ｔの表２．４に含まれている）が添加され、その材料がさらに混合され、キャスティングに適したスリップが形成された。調整ギャップ付きの市販のキャスティングナイフを使って、テープがキャスティングされた。３〜２５ミル（mil）の薄膜が、シリコーン被覆マイラー（Mylar）基材上に型通りにキャスティングされた。次に、キャスティングされた薄膜は溶媒を取り除くために乾燥され、乾燥環境中に保管された。
【００３３】
次に、複合構造を形成するために、異なる二つのテープが形成されなくてはならない。第１テープは、孔形成材を含まないナノ粒子β”−Ａｌ2Ｏ3から形成され、厚さ１〜５ミルの層にキャスティングする。第２テープは、孔形成材を含む比較的大きい粒径のβ”−Ａｌ2Ｏ3から形成され、厚さ５−５０ミルの層にキャスティングされる。次に、１層以上の第１テープが、加熱及び加圧のもとで、１層以上の第２テープと積層され、複合構造が形成される。たとえば、好ましい実施形態では、テープが積層され、図１又は２に示されるような３層構造が形成される。細孔質支持層だけでなく稠密な層も、いくつかの薄い細孔質又は稠密な層を積層することによってそれぞれ形成できる。積層は層を積み重ねて配置し、その積み重ね体を加熱しながらそれに対して垂直に圧力をかけることによって達成される。積層のための典型的な温度は、使用されているバインダーによって決まるが、５０−１００℃の範囲内にある。積層圧力は、５００psig〜５，０００psig、さらに好ましくは、１，０００psig〜４，０００psig、最も好ましくは、２０００〜３，０００psigの範囲である。これで、積層された構造は焼結の準備が整ったことになる。
【００３４】
次に、積層された複合テープは慎重に乾燥され、空気中で焼結され、最終的な複合電解質構造が形成される。焼結過程で構造からナトリウム（酸化ナトリウムの形態）の消失を最小限に抑えるために、一般に、電解質は封入される。この工程では、焼結される材料は、ナトリウムに富む環境を維持するために、密閉された環境中に配置される。たとえば、材料は、焼結工程で漏出するナトリウム（酸化ナトリウムの形態）を保持するために、密閉シリンダ中に封入される。しかしながら、本発明の方法は、封入を必要とせず、テープのイオン伝導性を保持しながら、テープを自由大気中で焼結できる。このことは、所望の高いナトリウム含量を維持する一連の乾燥及び焼結段階によって達成される。しかしながら、留意すべき点は、NASICONがサンドイッチ構造用の構造材料であるならば、焼結温度は実質的に低く（無孔質NASICON層を高密度化するには〜１１００−１２００℃）、ナトリウム（酸化ナトリウムの形態）の消失が問題化する温度（１２７５℃）よりかなり低いことである。
【００３５】
先ず、焼結に先立って湿分を適切に取り除くためには、積層構造は１００℃以上で乾燥される。好ましい焼結スケジュールには、１００℃での乾燥期間に続いて、孔形成材を焼き尽くすために、１００℃〜７００℃の温度までの緩やかに昇温（１−２℃／分）させることが含まれる。選択される孔形成材料にもよるが、比較的高い終了温度が必要である。また、速い加熱速度が使用できる。ただし、その速度が構造の剥離を起こすことなく燃焼ガスを逃がすことができる程度には充分遅いことが条件である。籾殻の場合、１−２℃／分の昇温速度が適している。
【００３６】
孔形成材が一旦燃焼すると、温度は速い速度（〜５℃／分、この昇温速度は最終生成物には重要ではないけれども）で１，２００℃まで昇温させることができる。１，２７５℃を超えると、Ｎａ2Ｏは構造から昇華することが知られており、この昇華温度を超える時間を最小限に抑えることが望ましい。従って、温度は速い速度（２５−３０℃／分）で１，２００℃から最終焼結温度まで上げられ、好ましくは、３０分以内の時間保持されたのち、２５−３０℃／分で再び１，２００℃まで冷却され、続いて、比較的ゆっくりとした冷却速度（〜５℃／分）で室温まで冷却される。これは、１２７５℃を超える時間を最小限に抑えることである。急速昇温の出発点は１２００℃以外でもよい。この焼結スケジュールが終わると、優れたイオン伝導性のベータ・ダブルプライムアルミナ電解質層が形成される。繰り返すと、NASICONが構造材料として使用される場合、焼結温度は比較的低い〜１１００℃であり、それゆえ、ナトリウムの消失が問題とならず、この温度までの昇温速度は重要ではない。
【００３７】
最終焼結温度は充分に稠密な構造を形成するためには重要である。１，６００−１，６５０℃の最高焼結温度は、先行技術の方法によって形成される電解質物品では一般的である。米国特許第５，６９１，０８２号（本明細書において文献援用される）は段階的加熱サイクルを特定している。そのサイクルでは、マグネシウム安定化電解質が、５０℃／時程度の加熱速度で１，４００℃〜１，５５０℃まで焼結され、さらに、１，５８０℃〜１，６５０℃の温度まで加熱され、０．１−０．３時間程度保持され、続いて、５０℃／時程度の速度で１，４００℃〜１，５５０℃の温度範囲まで再び冷却される。しかしながら、ナノ粒子β”−Ａｌ2Ｏ3の焼結温度が下げられているため、及び電解質薄膜が薄いために、本発明の方法は、最高焼結温度を〜１，５００℃〜〜１６００℃に効果的に下げることができ、所望の特性を有する電解質を形成することができる。最終温度で消費される最長時間は、１５００℃の最終焼結温度の場合は〜２０分程度であり、〜１６００℃の最終焼結温度の場合は〜５分程度とすることができる。実際、細孔質構造から酸化ナトリウムが消失するとＮａ2Ｏに富む局所的雰囲気が生成される。そのため、薄くて稠密な電解質中の充分なナトリウムレベルが維持され、試料を封入しなくても必要な伝導性が得られる。高い温度が使用される場合には、再びナトリウムの消失が問題となり、封入が必要になる。
次の限定的でない実施例は、本発明の例を実証している。
【００３８】
実施例１：β”−Ａｌ2Ｏ3粉末の調製、稠密な層
ナノ粒子β”−Ａｌ2Ｏ3が、ミシガン州アンアーバ市のＴＡＬ マテリアルズ・コーポレーション（TAL Materials Corporation）（「ＴＡＬ」）から購入された。ＴＡＬのβ”−Ａｌ2Ｏ3約５０ｇが、凝集粒子を分解するために、３ｍｍのＹＳＺ球形媒体を用いて、イソプロパノール中で２時間アトリッションミルにかけられた。イソプロパノールが蒸発させられ、テープキャスティング用のスリップを製造するのに後で使用するために、粉末が１２０℃で２４時間乾燥された。薄い稠密な層を形成するためにナノ粒子サイズの粉末を使用すると、低い温度で層を稠密化できる。
【００３９】
実施例２：β”−Ａｌ2Ｏ3粉末の調製、細孔質層
細孔質支持体層で使用するのに適したβ”−Ａｌ2Ｏ3のバッチが次のように合成された。約８５．６５ｇのベイライト（Bayerite）アルミナ（ＵＯＰ  バーザル  Ｂ（UOP  Versal  B））、１３．８３ｇのＮａ2ＣＯ3及び２．５３ｇのＭｇＣＯ3がアトリッションミルに加えられ、均質化するために、３ｍｍのＹＳＺ球形媒体を使って１時間イソプロパノール中で粉砕された。スラリーが濾過され、ＹＳＺ媒体を取り除かれたのち、週末にかけて蒸発皿の中に配置され、大半のイソプロパノールが蒸発させられた。こうして得られた粉末が乳鉢及び乳棒を用いて軽く粉砕されたのち、一連のアルミナるつぼに投入された。それらが１００℃の乾燥炉の中に配置され、乾燥作業が完了した。各るつぼ（内容物が入っている）は、まだ温い間に計量され、反応体の初期重量が得られた。次に、るつぼがマッフル炉内に配置され、空気中で５℃／分で１，３００℃に加熱され、４時間保持されたのちに冷却された。全部で８個のるつぼが使用され、るつぼ当たりの平均減量は３６．０４±０．１５重量％であった。こうして得られたβ”−Ａｌ2Ｏ3粉末はイソプロパノール中で再度アトリッションミルにかけられ、粒径が縮減され、空気中で蒸発皿の中で乾燥され、最終的に１００℃の炉の中で一晩乾燥された。このバッチがＲＣＳ−０２２とされた。ＲＣＳ−０２２試料はＸ線粉末回折分析にかけられた。その結果、回折パターンはβ”−Ａｌ2Ｏ3の回折パターンと一致していることが判った。
【００４０】
実施例３：スリップの形成、稠密な層
〜２１５ｇの１／４インチのＹＳＺ円筒形粉砕媒体が小さい（〜１パイント）粉砕びんの中に投入された。これに、０．８７ｇのメンヘーデン魚油（分散剤）、３３．４１ｇの混合キシレン、３３．４２ｇの無水エタノール及び４３．４０ｇの高温（約１２０℃）の（実施例１からのβ”−Ａｌ2Ｏ3）が添加された。粉砕びんが密閉され、混合物が６０ｒｐｍで２４時間ロールミルで粉砕された。次いで、これに３．４８ｇのポリビニルブチラール（バインダー）及び１．７５ｇのフタル酸ブチルベンジル（可塑剤）が添加された。この混合物はさらに６０ｒｐｍで２４時間粉砕された。次いで、スリップは濾過され、粉砕媒体が取り除かれ、若干の真空（〜６８０トル）下で脱気され、混入されている気泡が取り除かれた。このスリップはＳＬＩＰ−０２６とされた。
【００４１】
実施例４：テープの形成、稠密な層
実施例３からのＳＬＩＰ−０２６が使用され、異なる厚さのテープがキャスティングされた。調整ギャップ付きの１０インチのガードナー（Gardner）ＢＹＫキャスティングナイフを用いて、シリコーン塗布マイラー上に、２ミル、３ミル及び４ミルのテープがキャスティングされた。テープは４０℃に加熱したプレート上で乾燥され、付着している湿分を最小限に抑えるために、脱気容器の中に保管された。
【００４２】
実施例５：スリップの形成、細孔質層
４．５ｇのアトリッションミルにかけられた籾殻（−３２５メッシュ）、１３．５０ｇの粉砕処理をしていない籾殻（−３２５メッシュ）及び４２．００ｇのβ”−Ａｌ2Ｏ3（実施例２からのＲＣＳ−０２２）が小さいビーカーに投入された。粉末は予め１１０℃の炉の中で２４時間乾燥され、湿分が取り除かれた。粉末は、目視で均一になるまで、スパチュラを使って混合され、〜２１５ｇの１／４インチのＹＳＺ円筒形粉砕媒体を含む小さい粉砕びんに投入された。これに、２６．４０ｇの混合キシレン及び２６．４０ｇの無水エタノールに溶解された１．２０ｇのメンヘーデン魚油が添加された。粉砕びんが密閉され、各成分を混合するために激しく振とうされ、６０ｒｐｍで２４時間ロールミルで粉砕された。次に、このビンに、４．８１ｇのポリビニルブチラール、３．６０ｇのフタル酸ブチルベンジル及び３．６３ｇのポリアルキレングリコール（可塑剤）が添加された。内容物がロールミルで６０ｒｐｍでさらに２４時間粉砕された。粉砕媒体が濾別され、若干の真空下でスリップが脱気された。このスリップはＳＬＩＰ−０２９とされた。
【００４３】
実施例６：テープの形成、細孔質層
実施例４の手順を用いて、ＳＬＩＰ−０２９で厚さ２０ミル及び２５ミルのテープがキャスティングされた。
【００４４】
実施例７：積層
実施例６のＳＬＩＰ−０２９から調製された２５ミルのテープの試験片６個（約１インチ×１インチ）が１１０℃の炉の中で２時間乾燥された。湿分の吸着を防ぐために、これらのテープは密閉容器内で冷却された。これらの６個の試験片が積み重ねられ、実施例４からの３ミルのテープの１個の試験片がこの積み重ね体の片面に配置され、図２に示されているような構造が形成された。この積み重ね体は、６インチ×６インチの加熱盤を備えたカーバー（Carver）１２トンプレスを用いて、７５℃で５分間３，０００psigの圧力下で積層された。その時点で積み重ね体が裏返えされ、そして手順が繰り返えされた。
【００４５】
実施例８：焼結
実施例７からの積層体は、各辺がトリミングされ、正方形プレートが形成され、１１０℃で空気中で一晩乾燥された。まだ温い間に、積層体が平滑なＭｇＯプレート上に設置され、別のＭｇＯプレート（表面を触れていない）で覆われた。次いで、試料は高温炉に設置され、次のスケジュールを用いて空気中で焼結された。
１．５℃／分で１００℃まで昇温。
２．１℃／分で１００℃から７００℃まで昇温。
３．５℃／分で７００℃から１，２５０℃まで昇温。
４．２５℃／分で１，２５０℃から１，５００℃まで昇温。
５．１，５００℃で２０分間保持。
６．２５℃／分で１，０００℃まで冷却。
７．５℃／分で室温まで冷却。
試料は両面とも平滑、平坦で艶があった。積層体の最終厚さは約９４０ミクロンで、各々の薄い稠密な層は約２０ミクロンであった。隅部が切り取られ、走査型電子顕微鏡で分析された。この積層体の強度は優れているので、隅部を切り取るにはかなり難しかったことを指摘しなければならない。ＳＥＭ断面が図３、４及び５に示されている。中央部に配置された６個の層は、溶け合って一体化され、籾殻の焼き尽きによって、優れた多孔性を示した。どちらの表面も目視では稠密であり、多孔質層の連続体であるように見えた（即ち、層の分離は目視されなかった）。ＡＣインピーダンス分光法によって、この積層体のイオン伝導性が優れていることが示された。この積層体のシートは、高電力密度のナトリウム硫黄電池の構成体に利用できる。
【００４６】
本発明は、特定の実施形態に関して説明されたけれども、変更及び修正は明らかに当業者には明白であり、それらは添付の特許請求の範囲内に包含されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】３層電解質構造の一つの実施形態である。
【図２】３層電解質構造の第２の実施形態である。
【図３】図２の実施形態の３層サンドイッチ構造の稠密なベータ・ダブルプライムアルミナ表面を示す顕微鏡写真であって、その表面の一部の詳細に示している。
【図４】図２の実施形態の稠密なベータ・ダブルプライムアルミナ表面を示す顕微鏡写真であって、別の表面を示している。
【図５】図２の実施形態の稠密なベータ・ダブルプライムアルミナ表面を示す別の顕微鏡写真であって、全３層を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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