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JP2015193948A - fine fiber structure - Google Patents

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JP2015193948A
JP2015193948A JP2014072257A JP2014072257A JP2015193948A JP 2015193948 A JP2015193948 A JP 2015193948A JP 2014072257 A JP2014072257 A JP 2014072257A JP 2014072257 A JP2014072257 A JP 2014072257A JP 2015193948 A JP2015193948 A JP 2015193948A
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JP
Japan
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fine fiber
fiber structure
battery
fine
fiber layer
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Pending
Application number
JP2014072257A
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Japanese (ja)
Inventor
航治 岩崎
Koji Iwasaki
航治 岩崎
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.)
Teijin Ltd
Original Assignee
Teijin Ltd
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Publication date
Application filed by Teijin Ltd filed Critical Teijin Ltd
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
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    • Y02T10/62Hybrid vehicles

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  • Nonwoven Fabrics (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fine fiber structure that can prevent ignition due to an abnormal heat generation, and can be suitably used as a separator or an insulation material to be made into a battery, a capacitor or the like with excellent safety.SOLUTION: There is provided a fine fiber structure comprising a fine fiber layer that is composed of a fine fiber. The fine fiber has an average diameter of 50 to 3000 nm and the porous fine fiber layer includes a gas generating agent that generates a non-flammable gas by heating. The porous fine fiber layer has an average pore diameter of 0.01 to 15 μm, a thickness of 0.0025 to 0.3 mm, a porosity of 20 to 90%, a basis weight of 1 to 90 g/m, a Frazier air permeability of less than 46 m/min./mand Macmillan number of 2 to 15. The fine fiber structure comprises a multi-layered fine fiber layer obtained by laminating 2 or more of fine fiber layers of which at least one of a thickness, a basis weight, an average pore diameter, an average diameter, a porosity, a Frazier air permeability, an ionic resistance and a tensile strength is different.

Description

本発明は、微細繊維からなる微細繊維層を含んでなる微細繊維構造体に関し、詳細には、リチウムバッテリー、アルカリバッテリー等のバッテリーや、電気二重層キャパシタ、コンデンサ等のセパレータや絶縁材に好適に用いることができる微細繊維構造体に関する。   The present invention relates to a fine fiber structure comprising a fine fiber layer composed of fine fibers, and more specifically, suitable for a battery such as a lithium battery and an alkaline battery, a separator such as an electric double layer capacitor and a capacitor, and an insulating material. The present invention relates to a fine fiber structure that can be used.

リチウム二次バッテリーは小型・軽量で高エネルギー密度であるため有用であり、近年はHEVなどの車載用や定置用途などに応用されることが期待されている。上記バッテリーは、アノードおよびカソード間の電気接続または短絡を防ぐためにアノードおよびカソードの間にセパレータを配している。
例えば、特許文献1は、少なくとも1つの不織層および、セロファン、ポリビニルアルコール、ポリスルホン、グラフト化ポリプロピレンまたはポリアミド製の微孔質層であり得るデンドライトショートを低減させる層を含む複合体バッテリーセパレータを開示する。複合体セパレータの厚さは約8.3ミルである。バッテリーセパレータは、1KHzで、40%水酸化カリウム(KOH)電解質溶液中に計測されたときに、約90ミリオーム−cm未満のイオン抵抗を有する。微孔質層は、空気に対してきわめて高いレベルのバリアを有する混合ことが望ましいが、高いイオン抵抗、劣った電解質濡れ性、および劣った電解質吸収特性を有することは望ましくない。
Lithium secondary batteries are useful because of their small size, light weight, and high energy density. In recent years, lithium secondary batteries are expected to be applied to in-vehicle and stationary applications such as HEVs. In the battery, a separator is disposed between the anode and the cathode in order to prevent electrical connection or short circuit between the anode and the cathode.
For example, U.S. Patent No. 6,057,077 discloses a composite battery separator that includes at least one nonwoven layer and a layer that reduces dendritic shorts that can be a microporous layer made of cellophane, polyvinyl alcohol, polysulfone, grafted polypropylene or polyamide. To do. The thickness of the composite separator is about 8.3 mil. The battery separator has an ionic resistance of less than about 90 milliohm-cm 2 when measured in a 40% potassium hydroxide (KOH) electrolyte solution at 1 KHz. The microporous layer is desirably mixed with a very high level of barrier to air, but it is not desirable to have high ionic resistance, poor electrolyte wettability, and poor electrolyte absorption properties.

特許文献2は、厚さを低減させると共にアルカリバッテリーにおいて用いられるためのバッテリーセパレータのバリア特性を向上させるための、1.0デニール以上を有するセルロース繊維と組み合わせた、0.8デニール以下を有するPVA繊維の使用を開示する。しかし、セルロース繊維の繊度がこれより低減されると、より高い表面積繊維は、より速い劣化速度をもたらすこととなる。   U.S. Patent No. 6,057,049 PVA having 0.8 denier or less in combination with cellulose fibers having 1.0 denier or more to reduce thickness and improve barrier properties of battery separators for use in alkaline batteries. Disclose the use of fibers. However, if the fineness of the cellulose fibers is reduced below this, the higher surface area fibers will result in a faster degradation rate.

リチウムバッテリーは、リチウム一次バッテリー、リチウムイオン二次バッテリーおよびリチウムイオンゲルポリマーバッテリーの3つの一般的なカテゴリーに属する。リチウム一次バッテリーは、各々リチウムをアノードとして用いるがカソード材料および電解質が異なる、多くの異なるタイプのバッテリー化学を用いる。リチウムマンガンオキシドまたはLi−MnOセルにおいては、リチウムがアノードとして用いられると共にMnOがカソード材料として用いられ;電解質が、プロピレンカーボネートおよび1,2−ジメトキシエタンなどの混合有機溶剤中にリチウム塩を含有する。硫化鉄リチウムまたはLi/FeSバッテリーは、リチウムをアノードとして、二硫化鉄をカソードとして、および有機溶剤ブレンド中のヨウ化リチウムを電解質として用いる。リチウムイオン二次バッテリーは、リチウム挿入炭素をアノードとして、リチウム金属酸化物(例えばLiCoO)をカソードとしておよび1Mリチウムヘキサフルオロリン酸(LiPF)との有機溶剤のブレンドを電解質として用いる。リチウムイオンゲルポリマーバッテリーは、同様のアノードおよびカソード材料をリチウムイオン二次バッテリーとして用いる。液体有機電解質が高分子セパレータとのゲルを形成し、これが、セパレータおよび電極間の良好な結合の提供を補助する。ゲル電解質のイオン抵抗は液体電解質のものより高いが、ゲル電解質は、安全性および形成要件(すなわち、異なる形状およびサイズにバッテリーを形成する可能性)に関していくつかの利点を提供する。 Lithium batteries belong to three general categories: lithium primary batteries, lithium ion secondary batteries and lithium ion gel polymer batteries. Lithium primary batteries use many different types of battery chemistries, each using lithium as the anode, but with different cathode materials and electrolytes. In lithium manganese oxide or Li-MnO 2 cells, lithium is used as the anode and MnO 2 is used as the cathode material; the electrolyte contains a lithium salt in a mixed organic solvent such as propylene carbonate and 1,2-dimethoxyethane. contains. Lithium iron sulfide or Li / FeS 2 batteries use lithium as the anode, iron disulfide as the cathode, and lithium iodide in the organic solvent blend as the electrolyte. Lithium ion secondary batteries use lithium-inserted carbon as an anode, lithium metal oxide (eg, LiCoO 2 ) as a cathode and an organic solvent blend with 1M lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) as an electrolyte. Lithium ion gel polymer batteries use similar anode and cathode materials as lithium ion secondary batteries. The liquid organic electrolyte forms a gel with the polymer separator, which helps provide a good bond between the separator and the electrode. Although the ionic resistance of gel electrolytes is higher than that of liquid electrolytes, gel electrolytes offer several advantages with respect to safety and forming requirements (ie, the possibility of forming batteries in different shapes and sizes).

一方、上記バッテリーにおいては、内部に可燃性の非水電解液を使用するため、過充電などにより発生する熱が熱暴走を引き起こし、火災や破裂といった事故が多数報告されている。
このため従来、ポリオレフィン製の微多孔性セパレータを用い、異常発熱によって電池温度が約120〜130℃に上昇したとき、セパレータが溶融してセパレータの孔をふさぐことにより、充電電流を遮断する、シャットダウン技術が用いられているが、このような高温度に達するまで電流を供給すると、充電レートによっては、正極活物質と電解液との熱暴走反応の進行し、セパレータの溶融がさらに進行して膜形状を失いメルトダウン現象を引き起こし、電極間の短絡が起き、電池の破裂や発火が起こることがある。
また従来リチウム二次バッテリーの正極活物質には、エネルギー密度の高いコバルト酸リチウムが用いられているが、異常発熱によって容易に分解し、バッテリー内に助燃性ガスである酸素を放出し、電池の破裂や火災を起こすことがある。
On the other hand, since the battery uses a flammable non-aqueous electrolyte, heat generated by overcharging or the like causes thermal runaway, and many accidents such as fire and explosion have been reported.
For this reason, a conventional polyolefin microporous separator is used, and when the battery temperature rises to about 120-130 ° C due to abnormal heat generation, the separator melts and blocks the pores of the separator, thereby shutting down the charging current. However, depending on the charge rate, thermal runaway reaction between the positive electrode active material and the electrolyte proceeds and the separator further melts, depending on the charge rate. It may lose its shape, causing a meltdown phenomenon, causing a short circuit between the electrodes, which may cause battery rupture or ignition.
In addition, lithium cobaltate having a high energy density has been used as the positive electrode active material of a conventional lithium secondary battery, but it is easily decomposed by abnormal heat generation, releasing oxygen as a combustion-supporting gas into the battery, and May cause rupture or fire.

これに対しスピネル構造のマンガン酸リチウムは異常発熱しても分解しにくい特性があり、マンガン酸リチウムを使用した電池では電池の安全性が高い利点がある。しかしながら、コバルト酸リチウムを比べると低容量であり、更に高温条件における電池特性の劣化が著しいという欠点を有しており、これらの欠点はマンガン酸リチウムの有する根源的な弱点であるので、容易に改善できない。
このようなことから、異常発熱が発生してもメルトダウン現象を起こすことなく電極間を隔絶し続け、また安全に電流を遮断できる高安全性セパレータの開発が強く求められている。
On the other hand, lithium manganate having a spinel structure has a characteristic that it is difficult to be decomposed even if abnormal heat is generated, and a battery using lithium manganate has an advantage that the safety of the battery is high. However, compared with lithium cobaltate, the capacity is low, and the battery characteristics are significantly deteriorated under high temperature conditions. These defects are fundamental weaknesses of lithium manganate. Cannot improve.
For this reason, there is a strong demand for the development of a high safety separator that can keep the electrodes separated without causing a meltdown phenomenon even when abnormal heat generation occurs, and that can safely cut off the current.

国際公開第99/53555号パンフレットWO99 / 53555 pamphlet 米国特許第4,746,586号明細書US Pat. No. 4,746,586

本発明は上記背景技術に鑑みなされたもので、その目的は、セパレータや絶縁材として用い、異常発熱の発火を防止することができる、安全性に優れたバッテリーやキャパシタ、コンデンサ等とすることができる微細繊維構造体を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described background art, and its purpose is to provide a battery, a capacitor, a capacitor, and the like excellent in safety that can be used as a separator or an insulating material and can prevent ignition of abnormal heat generation. It is in providing the fine fiber structure which can be performed.

本発明者は、バッテリー等の使用における安全性の低下の原因について検討を行ったところ、セパレータが異常発熱によりメルトダウン現象を引き起こし電極間を隔絶できなくなることが原因であることを突き止め、さらに検討を続けた結果、次の構成により、優れた安全性を示すバッテリー、キャパシタ、コンデンサ等が得られることを見出した。   The present inventor examined the cause of the decrease in safety in the use of a battery, etc., and ascertained that the separator caused the meltdown phenomenon due to abnormal heat generation and could not isolate the electrodes, and further investigation As a result, it has been found that a battery, a capacitor, a capacitor and the like exhibiting excellent safety can be obtained by the following configuration.

かくして本発明によれば、
微細繊維で構成される微細繊維層を含む微細繊維構造体であって、該微細繊維の平均直径が50〜3000nmであり、該微細繊維層が加熱により不燃性気体を発生する気体発生剤を含有することを特徴とする微細繊維構造体が提供される。また、上記微細繊維構造体をセパレータまたは絶縁材として含む、バッテリー、電気二重層キャパシタ、またはコンデンサが提供される。
Thus, according to the present invention,
A fine fiber structure including a fine fiber layer composed of fine fibers, wherein the fine fiber has an average diameter of 50 to 3000 nm, and the fine fiber layer contains a gas generating agent that generates a nonflammable gas upon heating. A fine fiber structure is provided. In addition, a battery, an electric double layer capacitor, or a capacitor including the fine fiber structure as a separator or an insulating material is provided.

本発明の微細繊維構造体は、これをバッテリーやキャパシタ、コンデンサ等のセパレータや絶縁材として用い、異常発熱時にセパレータが内包する電解液を押し出し、充電電流を遮断し、さらなる発熱による熱暴走によってバッテリー等が発火するのを防止することができるため、極めて安全性が高いバッテリー等とすることができる。   The fine fiber structure of the present invention is used as a separator or an insulating material for batteries, capacitors, capacitors, etc., and extrudes the electrolyte contained in the separator in the event of abnormal heat generation, cuts off the charging current, and runs out of heat due to further heat generation. Can be prevented from igniting, and therefore, a battery with extremely high safety can be obtained.

本発明の微細繊維構造体は、微細繊維で構成される微細繊維層(以下、多孔性微細繊維層を称することがある)を含む微細繊維構造体であって、該微細繊維の平均直径が50〜3000nmであり、該微細繊維層が加熱により不燃性気体を発生する気体発生剤を含有することを特徴とする。   The fine fiber structure of the present invention is a fine fiber structure including a fine fiber layer composed of fine fibers (hereinafter sometimes referred to as a porous fine fiber layer), and the average diameter of the fine fibers is 50. It is ˜3000 nm, and the fine fiber layer contains a gas generating agent that generates a nonflammable gas by heating.

本発明の微細繊維構造体は、薄く、低いイオン抵抗および良好なデンドライトバリア特性、ソフトショートバリア特性、耐短絡性等に同時に優れており、バッテリー、電気二重層キャパシタ、コンデンサ等のセパレータや絶縁材に用い優れた性能を発揮する。つまり、本発明の微細繊維構造体は、バッテリーに用いるセパレータや絶縁材としたとき、電解質を吸収する高い容量を有する一方で、電解質溶液で飽和されたときにおいても、該セパレータ等が、それらのデンドライトバリア特性を損失しないよう、実用における優れた構造維持性、化学的安定性、および寸法安定性を有している。また、電気二重層キャパシタ、コンデンサに用いるセパレータや絶縁材としたときも、電解質を吸収する高い容量を有する一方で、電解質溶液で飽和されたときにおいても、該セパレータ等が、それらのソフトショートバリア特性を損失しないよう、実用における優れた構造維持性、化学的安定性、および寸法安定性を有している。   The fine fiber structure of the present invention is excellent in thin, low ionic resistance and good dendrite barrier properties, soft short barrier properties, short circuit resistance, etc., and separators and insulating materials for batteries, electric double layer capacitors, capacitors, etc. Used for demonstrating excellent performance. That is, the fine fiber structure of the present invention has a high capacity for absorbing the electrolyte when used as a separator or insulating material for a battery, while the separator and the like are saturated even when saturated with an electrolyte solution. In order not to lose the dendrite barrier properties, it has excellent structure maintenance, chemical stability and dimensional stability in practical use. In addition, when used as a separator or an insulating material for an electric double layer capacitor or capacitor, the separator or the like has a high capacity for absorbing the electrolyte, and when the separator is saturated with the electrolyte solution, the soft short barrier In order not to lose the characteristics, it has excellent structure maintainability, chemical stability, and dimensional stability in practical use.

上記の、バッテリー、電気二重層キャパシタ、コンデンサのセパレータや絶縁材はいずれもその厚みが薄いほど、バッテリー、電気二重層キャパシタ、コンデンサにおいて用いられる材料(すなわちアノード、セパレータや絶縁材、およびカソード)の全厚が薄くなるため、高い電気化学的に活性な材料を特定容積中に内在させることが可能であり、大容量のバッテリー、電気二重層キャパシタや、コンデンサを製造できる。上記セパレータ等は、低いイオン抵抗を有し、イオンは、アノードおよびカソード間を流れやすくなる。これらの性能はマクミラン数が好ましくは2〜15、より好ましくは2〜6となることによって実証されるが、本発明は後述する、微細繊維の平均直径、微細繊維構造体の構成等を満足させることによって実現できる。   As the above-mentioned battery, electric double layer capacitor, capacitor separator and insulating material are all thinner, the materials used in the battery, electric double layer capacitor and capacitor (ie, anode, separator, insulating material, and cathode) Since the total thickness is reduced, a high electrochemically active material can be contained in a specific volume, and a large-capacity battery, an electric double layer capacitor, and a capacitor can be manufactured. The separator or the like has a low ionic resistance, and ions easily flow between the anode and the cathode. These performances are demonstrated by the fact that the Macmillan number is preferably 2 to 15, more preferably 2 to 6, but the present invention satisfies the average diameter of the fine fiber, the structure of the fine fiber structure, etc., which will be described later. Can be realized.

本発明の微細繊維構造体は、平均直径が50〜3000nm、好ましくは50〜1000nm、さらに好ましくは100〜800nmの高分子微細繊維のからなる微細繊維層を少なくとも1層含んでいる。こうした微細繊維は、高い表面積を有する上記のバッテリー等のセパレータや絶縁材としたとき、良好な電解質吸収性および保持性を達成できる。   The fine fiber structure of the present invention includes at least one fine fiber layer composed of polymer fine fibers having an average diameter of 50 to 3000 nm, preferably 50 to 1000 nm, and more preferably 100 to 800 nm. Such fine fibers can achieve good electrolyte absorbability and retention when used as separators or insulating materials for the above-mentioned batteries having a high surface area.

本発明においては、多孔性微細繊維層の平均細孔径は、好ましくは0.01〜15μm、より好ましくは0.01〜5μm、さらに好ましくは0.01〜1μmである。平均細孔径が0.01μmより小さいと、通気度が低く、イオン抵抗度が高くなってしまう。一方、平均細孔径が15μmより大きいと、短絡しやすくなり好ましくない。
また、多孔性微細繊維層の多孔度は、好ましくは20〜90%、より好ましくは40〜80%の多孔度を有する。上記多孔度を高くすることで、上記と同様にバッテリー等における良好な電解質の吸収性および保持性を達成できる。
In the present invention, the average pore diameter of the porous fine fiber layer is preferably 0.01 to 15 μm, more preferably 0.01 to 5 μm, and still more preferably 0.01 to 1 μm. When the average pore diameter is smaller than 0.01 μm, the air permeability is low and the ionic resistance is high. On the other hand, if the average pore diameter is larger than 15 μm, short circuiting tends to occur, which is not preferable.
Further, the porosity of the porous fine fiber layer is preferably 20 to 90%, more preferably 40 to 80%. By increasing the porosity, it is possible to achieve good electrolyte absorption and retention in a battery or the like as described above.

本発明においては、多孔性微細繊維層の厚さは好ましくは0.0025〜0.3mm、より好ましくは0.0127〜0.127mmである。バッテリー等のセパレータや絶縁材に用いた場合、アノードおよびカソード間のデンドライト誘起ショートを防止するのに十分な厚さとし、一方で、カソードおよびアノード間で良好にイオンが流れるようにするため、上記範囲とすることが好ましい。上記のような薄い多孔性微細繊維層を含む微細繊維構造体は、セパレータや絶縁材としたとき、セル中の電極にさらなる空間を作ることができ、バッテリー等として性能を改善し、長寿命化を図ることができる。   In the present invention, the thickness of the porous fine fiber layer is preferably 0.0025 to 0.3 mm, more preferably 0.0127 to 0.127 mm. When used in separators and insulating materials for batteries, etc., the thickness should be sufficient to prevent dendrite-induced shorts between the anode and cathode, while allowing ions to flow well between the cathode and anode. It is preferable that The fine fiber structure including the thin porous fine fiber layer as described above can create more space in the electrode in the cell when used as a separator or an insulating material, improving performance as a battery, etc. Can be achieved.

本発明においては、多孔性微細繊維層の坪量は好ましくは1〜90g/m、より好ましくは5〜30g/mである。この坪量が90g/mを超える場合には、イオン抵抗が大きくなりすぎる可能性がある。一方、坪量が1g/m未満の場合には、セパレータは、アノードおよびカソード間のデンドライトショートやソフトショートバリア特性を低減することができない場合がある。 In the present invention, the basis weight of the porous fine fiber layer is preferably 1 to 90 g / m 2 , more preferably 5 to 30 g / m 2 . When this basic weight exceeds 90 g / m < 2 >, ionic resistance may become large too much. On the other hand, when the basis weight is less than 1 g / m 2 , the separator may not be able to reduce the dendrite short and soft short barrier characteristics between the anode and the cathode.

本発明の微細繊維構造体に好適に使用できるポリマーとしては、バッテリー、電気二重層キャパシタ、コンデンサ等に用いられる電解質溶液に対して実質的に不活性であり、融点を持たないか、融点が120℃以上のいずれかの熱可塑性および熱硬化性ポリマーが挙げられる。セパレータの繊維の形成に用いるために好適であるポリマーとしては、限定されないが、ポリビニルアルコール、脂肪族ポリアミド、半芳香族ポリアミド、芳香族ポリアミド、ポリスルホン、セルロースアセテート、セルロース、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン、ポリエチレンオキシド、ポリメチルペンテン、ポリアクリロニトリルポリフェニレンスルフィド、ポリアセチル、ポリウレタン、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレンならびにこれらのコポリマーまたは誘導体化合物、およびこれらの組み合わせが挙げられる。   Polymers that can be suitably used in the fine fiber structure of the present invention are substantially inert to electrolyte solutions used for batteries, electric double layer capacitors, capacitors and the like, have no melting point, or have a melting point of 120. Any thermoplastic and thermosetting polymer at or above ° C. Polymers suitable for use in forming the separator fibers include, but are not limited to, polyvinyl alcohol, aliphatic polyamide, semi-aromatic polyamide, aromatic polyamide, polysulfone, cellulose acetate, cellulose, polyethylene terephthalate, polypropylene terephthalate, poly Butylene terephthalate, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene, polyethylene oxide, polymethylpentene, polyacrylonitrile polyphenylene sulfide, polyacetyl, polyurethane, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polystyrene and copolymers or derivative compounds thereof, and these The combination of is mentioned.

本発明のいくつかの実施形態においては、多孔性構造を維持すると共に、構造的または機械的完全性を向上し、これによりこれから形成されるセパレータのデンドライトバリア、および熱安定性向上させるために、高分子微細繊維のポリマーを架橋することが好ましい。一定のポリマー、例えばポリビニルアルコール(PVA)、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレートは、電解質中に膨潤しまたはゲル化し、微細繊維構造の孔を塞ぐ傾向にある。また、電解質中において軟化または分解して、微細繊維構体の係蹄に造的完全性をもたらす可能性がある。バッテリーセパレータのポリマーに応じて、種々の架橋剤および架橋条件を用いることが可能である。上述のポリマーのすべてを化学的架橋、電子ビーム架橋またはUV架橋などの公知の手段によって架橋することが可能である。   In some embodiments of the invention, in order to maintain a porous structure and improve structural or mechanical integrity, thereby improving the dendrite barrier and thermal stability of separators formed therefrom, It is preferable to crosslink the polymer of the polymer fine fiber. Certain polymers, such as polyvinyl alcohol (PVA), polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene, polyethylene oxide, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, swell or gel in the electrolyte, plugging the pores of the fine fiber structure There is a tendency. It can also soften or decompose in the electrolyte and provide structural integrity to the snare of the fine fiber structure. Depending on the polymer of the battery separator, various crosslinking agents and crosslinking conditions can be used. All of the above polymers can be crosslinked by known means such as chemical crosslinking, electron beam crosslinking or UV crosslinking.

PVAは、化学的架橋、電子ビーム架橋またはUV架橋のいずれかによって架橋されることが可能である。PVA微細繊維層の化学的架橋は、PVA層をジアルデヒドおよび酸で処理し、その後、酸をNaHCOで中和し、および層を水で洗浄することにより行うことが可能である。PVAの架橋は、これを不水溶性として、その機械的強度およびその耐酸化および耐薬品性を増加させる。 PVA can be crosslinked either by chemical crosslinking, electron beam crosslinking or UV crosslinking. Chemical cross-linking of the PVA fine fiber layer can be done by treating the PVA layer with dialdehyde and acid, then neutralizing the acid with NaHCO 3 and washing the layer with water. Cross-linking of PVA makes it water-insoluble and increases its mechanical strength and its oxidation and chemical resistance.

ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレンセパレータは、架橋剤(PEGDMAオリゴマー)および架橋開始剤(2,2−アゾビスイソブチロニトリル)を添加すると共に、セパレータを80℃で12時間加熱することにより架橋することが可能である。ポリアクリロニトリルセパレータは、架橋剤(例えば、エチレングリコールジメタクリレート、またはトリエチレングリコールジメタクリレート)および開始剤(例えば、ベンゾイルパーオキシド)を添加すると共に60℃で加熱することにより架橋することが可能である。   A polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene separator is crosslinked by adding a crosslinking agent (PEGDMA oligomer) and a crosslinking initiator (2,2-azobisisobutyronitrile) and heating the separator at 80 ° C. for 12 hours. It is possible. Polyacrylonitrile separators can be crosslinked by adding a crosslinking agent (eg, ethylene glycol dimethacrylate or triethylene glycol dimethacrylate) and an initiator (eg, benzoyl peroxide) and heating at 60 ° C. .

本発発明においては、耐熱性や次に述べる不燃性気体を発生する気体発生剤を含有し、優れた性能を発揮する点で、微細繊維層を構成するポリマーが芳香族ポリアミドであることが特に好ましいことがわかった。
上記芳香族ポリアミドとは、ポリアミドを構成する繰返し単位の80モル%以上好ましくは90モル%以上が、芳香族ホモポリアミド、または、芳香族コポリアミドからなる芳香族ポリアミド繊維である。ここで芳香族ポリアミド繊維となる芳香族基は同一、または、相異なる芳香族基からなるものでも構わない。また、芳香族基の水素原子は、ハロゲン原子、低級アルキル基、フェニル基で置換されていても良い。上記芳香族ポリアミドとしては、具体的には、ポリパラフェニレンテレフタルアミドや共重合型のコポリパラフェニレン・3,4’−オキシジフェニレン・テレフタルアミド等のパラ型芳香族ポリアミド、ポリメタフェニレンテレフタルアミド等のメタ型芳香族ポリアミドを例示することができ、特に、該芳香族ポリアミドの中でもメタ型芳香族ポリアミドであることが、耐熱性と気体発生剤を含有する微細繊維層の成形性に優れているので好ましい。
In the present invention, it is particularly preferable that the polymer constituting the fine fiber layer is an aromatic polyamide in that it contains a gas generating agent that generates heat resistance and the following non-combustible gas and exhibits excellent performance. It turned out to be preferable.
The aromatic polyamide is an aromatic polyamide fiber in which 80 mol% or more, preferably 90 mol% or more of the repeating units constituting the polyamide are composed of an aromatic homopolyamide or an aromatic copolyamide. Here, the aromatic groups to be the aromatic polyamide fibers may be the same or different aromatic groups. The hydrogen atom of the aromatic group may be substituted with a halogen atom, a lower alkyl group, or a phenyl group. Specific examples of the aromatic polyamide include para-type aromatic polyamides such as polyparaphenylene terephthalamide and copolymer type copolyparaphenylene, 3,4'-oxydiphenylene, terephthalamide, and polymetaphenylene terephthalamide. Examples of the meta-type aromatic polyamide such as a meta-type aromatic polyamide are excellent in heat resistance and moldability of a fine fiber layer containing a gas generating agent. This is preferable.

本発明においては、微細繊維層が加熱により不燃性気体(以下、不燃性ガスと称することがある)を発生する気体発生剤を有することが肝要である。これにより、本発明の微細繊維構造体をバッテリー等のセパレータや絶縁材として用いた時、異常発熱時にセパレータが内包する電解液の全量を押し出し、充電電流を遮断し、更なる発熱による熱暴走によってバッテリー等が発火するのを防止することが可能となる。また熱による発生するガスが不燃性ガスであることにより、バッテリー等が発火する危険性が極めて低くなる。   In the present invention, it is important that the fine fiber layer has a gas generating agent that generates a noncombustible gas (hereinafter sometimes referred to as a noncombustible gas) by heating. As a result, when the fine fiber structure of the present invention is used as a separator or insulating material for a battery or the like, it pushes out the entire amount of electrolyte contained in the separator during abnormal heat generation, interrupts the charging current, and causes thermal runaway due to further heat generation. It becomes possible to prevent the battery or the like from firing. In addition, since the gas generated by heat is a non-combustible gas, the risk of fire of a battery or the like becomes extremely low.

本発明の微細繊維構造体においては、これを加熱したとき、好ましくは50℃以上に加熱したとき、不燃性ガス、好ましくは二酸化炭素を、微細繊維層の空隙体積以上の体積量を放出することが好ましい。この放出量が空隙体積未満の発生量であると、上記使用において、異常発熱時に電解液の全量を押し出して充電電流を遮断し難くなり、好ましくない。   In the fine fiber structure of the present invention, when this is heated, preferably when heated to 50 ° C. or higher, a non-combustible gas, preferably carbon dioxide, is released in a volume greater than the void volume of the fine fiber layer. Is preferred. If the amount released is less than the void volume, it is not preferable in the above use because it is difficult to cut off the charging current by pushing out the entire amount of the electrolyte during abnormal heat generation.

本発明においては、微細繊維層を構成する微細繊維の少なくとも一部に気体発生剤が含有されているか、または、微細繊維層を構成する微細繊維の少なくとも一部に気体発生剤を含有する樹脂が付着されていることが好ましい。特に、本発明においては、後述するように、エレクトロスピニング、エレクトロブローイング、メルトブロー技術を応用したポリマー溶液に気体を吹き付けで細化させる方法を採用することにより、耐熱性ポリマー中に容易に気体発生剤を含有させることが可能となる。   In the present invention, a gas generating agent is contained in at least a part of the fine fibers constituting the fine fiber layer, or a resin containing a gas generating agent in at least a part of the fine fibers constituting the fine fiber layer. It is preferable that it adheres. In particular, in the present invention, as described later, a gas generating agent can be easily incorporated into a heat-resistant polymer by adopting a method in which gas is blown into a polymer solution to which electrospinning, electroblowing, and meltblowing technology are applied. Can be contained.

一方、微細繊維層を構成する微細繊維の少なくとも一部に気体発生剤を含有する樹脂が付着させる方法としては、樹脂を溶媒に溶解しこれに気体発生剤を添加し、これを微細繊維層に塗布したり、スプレーしたりしてやれば良い。この際、樹脂としては、前記の微細繊維を構成するポリマーとして例示したものを使用できる。例えば、芳香族ポリアミドからなる微細繊維を用いる場合は、上記樹脂にも芳香族ポリアミド樹脂を用いてもよい。これにより、高い耐熱性を有する微細繊維構造体とすることができる。   On the other hand, as a method for attaching a resin containing a gas generating agent to at least a part of the fine fibers constituting the fine fiber layer, the resin is dissolved in a solvent, and the gas generating agent is added thereto, and this is added to the fine fiber layer. Apply or spray. At this time, as the resin, those exemplified as the polymer constituting the fine fiber can be used. For example, when using fine fibers made of an aromatic polyamide, an aromatic polyamide resin may be used for the resin. Thereby, it can be set as the fine fiber structure which has high heat resistance.

本発明においては、微細繊維層に含有される気体発生剤の量が少なすぎると加熱時に不活性気体を十分に発生させることができず、一方、気体発生剤の量が多すぎても微細繊維層から脱落し易くなったり、微細繊維中にこれを含有させる場合は製糸性が悪くなったりする傾向にある。よって、気体発生剤の含有量は、微細繊維層の重量を基準として、好ましくは1〜20重量%、より好ましくは2〜15重量%、さらに好ましくは3〜10重量%である。   In the present invention, if the amount of the gas generating agent contained in the fine fiber layer is too small, the inert gas cannot be sufficiently generated at the time of heating. It tends to fall off from the layer, and when it is contained in the fine fiber, the spinning property tends to be poor. Therefore, the content of the gas generating agent is preferably 1 to 20% by weight, more preferably 2 to 15% by weight, and further preferably 3 to 10% by weight based on the weight of the fine fiber layer.

本発明の微細繊維構造体に好適に使用できる気体発生剤としては、バッテリー、電気二重層キャパシタ、コンデンサ等に用いられる電解質溶液に対して実質的に不活性であるいずれかの熱分解性物質が挙げられる。セパレータとして好適である熱分解性物質としては、限定されないが、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウムや、不燃性ガスを内包するマイクロカプセル、およびこれらの組み合わせが挙げられる。特に、炭酸水素ナトリウムとすることが、バッテリー等のセパレータとしたときの異常発熱時に電流を遮断する性能の向上に効果があることが分かった。   As the gas generating agent that can be suitably used for the fine fiber structure of the present invention, any thermally decomposable substance that is substantially inactive with respect to an electrolyte solution used for a battery, an electric double layer capacitor, a capacitor or the like is used. Can be mentioned. Examples of the thermally decomposable substance suitable as a separator include, but are not limited to, sodium hydrogen carbonate, potassium hydrogen carbonate, microcapsules enclosing a noncombustible gas, and combinations thereof. In particular, it has been found that sodium bicarbonate is effective in improving the performance of interrupting current when abnormal heat is generated when a separator such as a battery is used.

本発明の一実施形態はアルカリバッテリーに関する。バッテリーは、例えば、アノードが亜鉛であり、およびカソードがマンガンオキシド(MnO)である亜鉛−マンガンオキシドまたはZn−MnOバッテリー、またはアノードが亜鉛であり、およびカソードが空気である亜鉛空気バッテリーといったアルカリ一次バッテリーであることができ、または例えば、アノードがカドミウムであり、およびカソードがニッケルオキシ−ヒドロキシド(NiOOH)であるニッケルカドミウムバッテリー、アノードが亜鉛であり、およびカソードがNiOOHであるニッケル亜鉛またはNi−Znバッテリー、アノードが金属水素化物(例えばLaNi)であり、およびカソードがNiOOHであるニッケル金属水素化物(NiMH)バッテリーまたはアノードが水素(H)であり、およびカソードがNiOOHであるニッケル−水素またはNiHバッテリーといったアルカリ二次バッテリーであることができる。アルカリバッテリーの他のタイプとしては、アノードが亜鉛であり、およびカソードが水銀オキシド(HgO)である亜鉛/水銀オキシド、アノードがカドミウムであり、およびカソードが水銀オキシドであるカドミウム/水銀オキシド、アノードが亜鉛であり、およびカソードが銀色オキシド(AgO)である亜鉛/銀色オキシド、アノードがカドミウムであり、およびカソードが銀色オキシドであるカドミウム/銀色オキシドが挙げられる。すべてのこれらのバッテリータイプは、30〜40%水酸化カリウムを電解質として用いる。 One embodiment of the invention relates to an alkaline battery. The battery can be, for example, a zinc-manganese oxide or Zn-MnO 2 battery in which the anode is zinc and the cathode is manganese oxide (MnO 2 ), or a zinc-air battery in which the anode is zinc and the cathode is air. Can be an alkaline primary battery or, for example, a nickel cadmium battery in which the anode is cadmium and the cathode is nickel oxy-hydroxide (NiOOH), nickel zinc or the anode is zinc and the cathode is NiOOH or A Ni—Zn battery, the anode is a metal hydride (eg, LaNi 5 ), and the cathode is NiOOH, a nickel metal hydride (NiMH) battery or the anode is hydrogen (H 2 ), and It can be hydrogen or NiH 2 alkaline secondary battery such as a battery - fine cathode nickel is NiOOH. Other types of alkaline batteries include zinc / mercury oxide where the anode is zinc and the cathode is mercury oxide (HgO), the anode is cadmium and the cadmium / mercury oxide where the cathode is mercury oxide, the anode is Zinc / silver oxide, which is zinc and the cathode is silver oxide (AgO), cadmium / silver oxide where the anode is cadmium and the cathode is silver oxide. All these battery types use 30-40% potassium hydroxide as the electrolyte.

本発明の他の実施形態はリチウムバッテリーに関する。本発明のリチウムバッテリーは、Li−MnOまたはLi−FeSリチウム一次バッテリーなどのリチウム一次バッテリー、リチウムイオン二次バッテリーまたはリチウムイオンゲルポリマーバッテリーであることができる。 Another embodiment of the invention relates to a lithium battery. The lithium battery of the present invention can be a lithium primary battery, such as a Li—MnO 2 or Li—FeS 2 lithium primary battery, a lithium ion secondary battery, or a lithium ion gel polymer battery.

リチウム一次バッテリーは、多くの異なるタイプのバッテリー化学を利用し、各々はリチウムをアノードとして用いるが、異なるカソード材料(SO、SOCl、SOCl、CFn、CuO、FeS、MnO等)および電解質を用いる。リチウムマンガンオキシドまたはLi−MnOセルにおいて、リチウムがアノードとしておよびMnOがカソード材料として用いられ;電解質は、リチウム塩を、プロピレンカーボネートおよび1,2−ジメトキシエタンなどの混合有機溶剤中に含有する。硫化鉄リチウムまたはLi/FeSバッテリーは、リチウムをアノードとして、二硫化鉄をカソードとして、および有機溶剤ブレンド(例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメトキシエタン等)中のヨウ化リチウムを電解質として用いる。 Lithium primary batteries utilize many different types of battery chemistry, each using lithium as the anode, but different cathode materials (SO 2 , SOCl 2 , SO 2 Cl 2 , CFn, CuO, FeS 2 , MnO 2, etc. ) And an electrolyte. In lithium manganese oxide or Li-MnO 2 cells, lithium is used as the anode and MnO 2 as the cathode material; the electrolyte contains a lithium salt in a mixed organic solvent such as propylene carbonate and 1,2-dimethoxyethane. . Lithium iron sulfide or Li / FeS 2 batteries use lithium as the anode, iron disulfide as the cathode, and lithium iodide in an organic solvent blend (eg, propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethoxyethane, etc.) as the electrolyte.

リチウムイオン二次バッテリーは、リチウム挿入炭素をアノードとして、リチウム金属酸化物(例えば、LiCoO、LiNiO、LiMn等)をカソードとしておよび有機溶剤のブレンド(例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等)を1Mリチウムヘキサフルオロリン酸(LiPF)と共に電解質として用いる。
リチウムイオンゲルポリマーバッテリーは、リチウムイオン二次バッテリーと類似のアノードおよびカソードを用いる。液体有機電解質は、高分子セパレータ(例えば、PVdF、PVdF−HFP、PMMA、PAN、PEO等)とゲルを形成し、これが、セパレータおよび電極間の良好な接合を得るために補助する。ゲル電解質のイオン抵抗は液体電解質より高いが、安全性および形成要件の点で追加の利点を提供する。
Lithium ion secondary batteries use lithium-inserted carbon as an anode, lithium metal oxides (eg, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4, etc.) as cathodes and blends of organic solvents (eg, propylene carbonate, ethylene carbonate, Diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, etc.) are used as an electrolyte together with 1M lithium hexafluorophosphoric acid (LiPF 6 ).
Lithium ion gel polymer batteries use anodes and cathodes similar to lithium ion secondary batteries. The liquid organic electrolyte forms a gel with a polymeric separator (eg, PVdF, PVdF-HFP, PMMA, PAN, PEO, etc.), which helps to obtain a good bond between the separator and the electrode. Gel electrolytes have higher ionic resistance than liquid electrolytes, but offer additional advantages in terms of safety and formation requirements.

本発明の他の実施形態は電気二重層キャパシタであり、炭素ベースの電極を、例えば、アセトニトリルまたはプロピレンカーボネートの溶液および1.2モル濃度の第4級テトラフルオロアンモニウムホウ酸塩といった有機または非水性電解質、または例えば、30〜40%KOH溶液といった水性電解質と共に用いる電気二重層キャパシタとすることができる。   Another embodiment of the present invention is an electric double layer capacitor, wherein the carbon-based electrode is organic or non-aqueous such as, for example, a solution of acetonitrile or propylene carbonate and a 1.2 molar quaternary tetrafluoroammonium borate. It can be an electric double layer capacitor used with an electrolyte or an aqueous electrolyte such as a 30-40% KOH solution.

また、本発明においては、キャパシタンスを提供する還元−酸化化学反応に依存する電気二重層キャパシタとすることができる。このような電気二重層キャパシタは、「擬似キャパシタ(pseudo capacitors)」または「レドックスキャパシタ」として称される。擬似キャパシタは、炭素、貴金属水和酸化物、変性遷移金属酸化物および導電性ポリマーベースの電極、ならびに水性および有機電解質を用いることができる。   Moreover, in this invention, it can be set as the electric double layer capacitor depending on the reduction-oxidation chemical reaction which provides a capacitance. Such electric double layer capacitors are referred to as “pseudocapacitors” or “redox capacitors”. Pseudocapacitors can use carbon, noble metal hydrated oxides, modified transition metal oxides and conductive polymer based electrodes, as well as aqueous and organic electrolytes.

本発明の他の実施形態は、エッチングされたアルミニウム箔アノードと、アルミニウム箔またはフィルムカソードと、それらの間に介挿されたセパレータとを含むアルミニウム電解コンデンサである。本発明の微細繊維構造体からなるセパレータおよび絶縁材は、液体電解溶液または導電性ポリマーで含浸されている。液体電解質溶液は、極性溶媒と、無機酸、有機酸、無機酸塩および有機酸塩から選択された少なくとも1つの塩とを含有している。   Another embodiment of the present invention is an aluminum electrolytic capacitor that includes an etched aluminum foil anode, an aluminum foil or film cathode, and a separator interposed therebetween. The separator and insulating material comprising the fine fiber structure of the present invention are impregnated with a liquid electrolytic solution or a conductive polymer. The liquid electrolyte solution contains a polar solvent and at least one salt selected from an inorganic acid, an organic acid, an inorganic acid salt, and an organic acid salt.

本発明のコンデンサは、2つの導電性アルミニウム箔と、電解質に浸漬されたセパレータとを含み、導電性アルミニウム箔の一方は絶縁酸化物層でコートされているものを例示できる。酸化物層でコートされたアルミニウム箔はアノードである一方、液体電解質および第2の箔はカソードとして機能する。多層組立体が巻き上げられ、ピンコネクタで固定され、円筒アルミニウムケースに入れられる。箔は高純度アルミニウムであり、何十億もの微細なトンネルが化学的にエッチングされて、電解質と接触する表面積を広げる。アノード箔は、アノード箔上に化学的に成長した酸化アルミニウム(Al)の薄層であるコンデンサの誘電体を支える。電解質は、電圧および動作温度範囲に従って異なる処方の成分のブレンドである。主な成分は、溶媒と、電気伝導する溶質としての導電性塩である。一般的な溶媒は、エチレングリコール(EG)、ジメチルホルムアミド(DMF)およびガンマブチルラクトン(gammabutralactone)(GBL)である。一般的な溶質は、ホウ酸アンモニウムおよびその他のアンモニウム塩である。少量の水を電解質に添加して、酸化アルミニウム誘電体の完全性を維持する。セパレータは、箔電解質が互いに接触したり、短絡したりするのを防ぎ、電解質の容器を保持させることができる。 The capacitor of the present invention includes two conductive aluminum foils and a separator immersed in an electrolyte, and one of the conductive aluminum foils may be coated with an insulating oxide layer. The aluminum foil coated with the oxide layer is the anode, while the liquid electrolyte and the second foil function as the cathode. The multilayer assembly is rolled up, secured with a pin connector, and placed in a cylindrical aluminum case. The foil is high purity aluminum and billions of fine tunnels are chemically etched to increase the surface area in contact with the electrolyte. The anode foil supports the capacitor dielectric, which is a thin layer of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) chemically grown on the anode foil. The electrolyte is a blend of components of different formulations according to voltage and operating temperature range. The main components are a solvent and a conductive salt as a solute that conducts electricity. Common solvents are ethylene glycol (EG), dimethylformamide (DMF) and gammabutyllactone (GBL). Common solutes are ammonium borate and other ammonium salts. A small amount of water is added to the electrolyte to maintain the integrity of the aluminum oxide dielectric. The separator can prevent the foil electrolytes from contacting each other or from being short-circuited, and can hold the electrolyte container.

本発明の微細繊維構造体層およびそれを構成する微細繊維層の形成プロセスは、公知のエレクトロスピニングプロセス、または、国際公開第2003/080905号パンフレット(米国特許出願第10/822,325号明細書)に開示されているエレクトロブローイングプロセスを採用することができる。また、メルトブロー技術を応用し、複数の吐出孔から溶媒に溶解したポリマードープを吐出し、これに気体を噴射しポリマードープを細化させ微細繊維層を成形する方法も採用することができる(US6013223等)。
この際、本発明においては、上記のメルトブロー技術を応用した方法や、エレクトロスピニング法、エレクトロブローイング法の何れにおいても、ポリマー溶液(ドープ)に気体発生剤を添加し、該ポリマー溶液を用いて上記方法により微細繊維層を形成することによって、微細繊維中に気体発生剤を含む微細繊維構造体を製造することができる。
The fine fiber structure layer of the present invention and the formation process of the fine fiber layer constituting the fine fiber structure layer may be a known electrospinning process, or WO 2003/080905 (US Patent Application No. 10 / 822,325). The electroblowing process disclosed in (1) can be employed. Further, it is possible to adopt a method in which a melt blown technique is applied, a polymer dope dissolved in a solvent is discharged from a plurality of discharge holes, a gas is injected into the polymer dope, the polymer dope is thinned, and a fine fiber layer is formed (US Pat. etc).
In this case, in the present invention, a gas generator is added to the polymer solution (dope) in any of the method applying the melt blowing technique, the electrospinning method, and the electroblowing method, and the polymer solution is used to By forming the fine fiber layer by the method, a fine fiber structure containing a gas generating agent in the fine fiber can be produced.

本発明においては、ポリマー溶液への気体発生剤の添加量は特に限定はされないが、ポリマーを例えば5〜40重量%溶解したポリマー溶液に、0.5〜8重量%の気体発生剤を含有させ、最終的に得られる微細繊維層を構成する微細繊維中に、好ましくは1〜20重量%、より好ましくは2〜15重量%、さらに好ましくは3〜10重量%となるようにすればよい。   In the present invention, the amount of the gas generating agent added to the polymer solution is not particularly limited. For example, a polymer solution in which 5 to 40% by weight of the polymer is dissolved contains 0.5 to 8% by weight of the gas generating agent. The fine fiber constituting the finally obtained fine fiber layer is preferably 1 to 20% by weight, more preferably 2 to 15% by weight, and further preferably 3 to 10% by weight.

エレクトロスピニング法やエレクトロブローイング法では、例えば、上記ポリマー溶液をノズル(スピンパック)から吐出させ、印加電圧を10〜30kVとし微細繊維を成形し、該ノズルから5〜50cm下の搬送ネットでこれを回収し繊維ウェブ(微細繊維層)を成形することができる。
本発明では、例えば、上記プロセスを通る搬送収集手段を一度通過(すなわち、スピンパック下の搬送収集手段に一度通過)することにより一層からなる多孔性微細繊維層(繊維ウェブ)が形成される。繊維ウェブは、同一の搬送手段上を配置された1つもしくはそれ以上のスピンパック下を通過させることによって多層構造とすることもできる。
In the electrospinning method or the electroblowing method, for example, the polymer solution is discharged from a nozzle (spin pack), an applied voltage is set to 10 to 30 kV, a fine fiber is formed, and this is transferred with a transport net 5 to 50 cm below the nozzle. The recovered fiber web (fine fiber layer) can be formed.
In the present invention, for example, a porous fine fiber layer (fiber web) composed of one layer is formed by passing once through the transport collection means passing through the above process (that is, once passing through the transport collection means under the spin pack). The fibrous web can also be multi-layered by passing under one or more spin packs arranged on the same conveying means.

収集された微細繊維層は、例えば繊維同士を結合することによって、その引張強度を向上させることができる。特に縦方向(長さ方向)の引張強度を高くすることによって、セルの巻回性を向上させ、かつ使用におけるセパレータとしたとき良好なデンドライトバリア性にも寄与する。微細繊維同士の結合方法は、特に限定されないが、加熱された平滑なニップロールの間での熱カレンダー加工、超音波結合、点結合、および高温雰囲気中を通過せる結合など公知の方法を採用することができる。繊維同士の結合により、微細繊維層は取り扱い性が向上し、かつバッテリー、電気二重層キャパシタ、コンデンサ用のセパレータや絶縁材への形成に必要は微細繊維層の強度を付与することもできる。また、接合方法に応じて、厚さ、密度、孔径、および形状などの物理特性を調整することができる。熱カレンダー加工を用いる場合、微細繊維が溶融し、個々の繊維形態が失われるまで過度に融着させ、完全なフィルム状としないようにする必要がある。   The collected fine fiber layer can improve the tensile strength by bonding fibers, for example. In particular, by increasing the tensile strength in the longitudinal direction (longitudinal direction), the winding property of the cell is improved, and it contributes to good dendrite barrier properties when used as a separator in use. The bonding method between the fine fibers is not particularly limited, but a known method such as thermal calendering between heated and smooth nip rolls, ultrasonic bonding, point bonding, and bonding that can pass through a high-temperature atmosphere should be adopted. Can do. Due to the bonding between the fibers, the fine fiber layer is improved in handleability, and the strength of the fine fiber layer can be imparted to form a separator for a battery, an electric double layer capacitor, a capacitor, or an insulating material. In addition, physical properties such as thickness, density, hole diameter, and shape can be adjusted depending on the bonding method. When using thermal calendering, it is necessary that the fine fibers are melted and fused excessively until individual fiber forms are lost, so as not to form a complete film.

本発明の微細繊維構造体は、高分子微細繊維からなる多孔性微細繊維層の単一層または多層のいずれでもよい。繊維構造体が多層からなる場合、同一の高分子微細繊維からなる多孔性微細繊維層から構成されても、あるいは、異なる高分子微細繊維の多孔性微細繊維層から構成されていてもよい。多層の場合は、特に限定されないが、ポリマー、厚さ、坪量、孔径、繊維サイズ、多孔度、通気度、イオン抵抗および引張強度などの少なくともいずれかで異なる多孔性微細繊維層を積層するものであっても良い。また、本発明の微細繊維構造体は、少なくとも一層は本発明の要件を満たす多孔性微細繊維層を含んでいればよく、本発明の目的を阻害しない範囲で、本発明の要件を満たさない、例えば繊維直径が3000nmを超える繊維からなる湿式不織布、乾式不織布等の繊維構造体や、多孔樹脂膜等を含んでいてもよい。以上のように、多孔性微細繊維層を2層以上積層した微細繊維構造体や、他の素材を積層した微細繊維構造体とした場合でも、それらに前記と同様のおよび加熱加圧処理を行えばよい。   The fine fiber structure of the present invention may be a single layer or a multilayer of porous fine fiber layers made of polymer fine fibers. When the fiber structure is composed of multiple layers, it may be composed of a porous fine fiber layer made of the same polymer fine fiber, or may be made of a porous fine fiber layer of different polymer fine fibers. In the case of multiple layers, although not particularly limited, a laminate of porous fine fiber layers that differ in at least one of polymer, thickness, basis weight, pore diameter, fiber size, porosity, air permeability, ionic resistance, tensile strength, etc. It may be. Further, the fine fiber structure of the present invention only needs to include at least one porous fine fiber layer that satisfies the requirements of the present invention and does not satisfy the requirements of the present invention as long as the object of the present invention is not impaired. For example, a fiber structure such as a wet nonwoven fabric or a dry nonwoven fabric made of fibers having a fiber diameter exceeding 3000 nm, a porous resin film, or the like may be included. As described above, even in the case of a fine fiber structure in which two or more porous fine fiber layers are laminated or a fine fiber structure in which other materials are laminated, the same heating and pressure treatment as described above is performed. Just do it.

以下、実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。しかし、以下の例によって、本発明が限定されることはない。なお、実施例中の各特性値は下記の方法で測定した。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples. However, the present invention is not limited by the following examples. In addition, each characteristic value in an Example was measured with the following method.

<繊維の平均直径>
微細繊維を任意に50本サンプリングし、走査型電子顕微鏡JSM6330F(JEOL社製)にて測定し、繊維径の平均値を求めた。なお測定は、20,000倍の倍率で行った。
<Average diameter of fiber>
Fifty fine fibers were arbitrarily sampled and measured with a scanning electron microscope JSM6330F (manufactured by JEOL), and the average value of the fiber diameters was determined. The measurement was performed at a magnification of 20,000 times.

<坪量>
多孔性微細繊維層を、1辺が25mmの正方形に切り出し、その重量を電子天秤を用いて測定し、1辺が1mの正方形として換算し、坪量とした。
<Basis weight>
The porous fine fiber layer was cut into a square having a side of 25 mm, the weight was measured using an electronic balance, and the basis weight was converted into a square having a side of 1 m.

<厚さ>
多孔性微細繊維層について、小野測器 デジタルリニアゲージDG−925(測定端子部の直径1cm)を用い、任意に選択した20箇所において厚さを測定し、平均値を求めた。
<Thickness>
About the porous fine fiber layer, thickness was measured in 20 places arbitrarily selected using Ono Sokki digital linear gauge DG-925 (diameter of a measurement terminal part), and the average value was calculated | required.

<平均細孔径>
多孔性微細繊維層をCapillary Flow Porometer CFP−1200−AEXL(Porous Materials, Inc.社製)を用いて、平均細孔径を求めた。
<Average pore diameter>
The average fine pore diameter was calculated | required for the porous fine fiber layer using Capillary Flow Porometer CFP-1200-AEXL (made by Porous Materials, Inc.).

<多孔度>
多孔微細繊維層の坪量(g/m)、微細繊維を構成するポリマーの密度(g/cm)、厚さ(μm)から、次の式により算出した。
多孔度(%)=100−坪量/(ポリマーの密度×厚さ)×100
<Porosity>
From the basis weight (g / m 3 ) of the porous fine fiber layer, the density (g / cm 3 ) of the polymer constituting the fine fiber, and the thickness (μm), the following formula was used.
Porosity (%) = 100-basis weight / (polymer density × thickness) × 100

<シャットダウン試験>
電極(正極)の作成:コバルト酸リチウム(LiCoO 日本化学工業株式会社製)粉末89.5質量部とアセチレンブラック4.5質量部及び、PVdFの乾燥重量が6質量部となるように、6質量%のPVdFのN−メチル−ピロリドン(NMP)溶液を用い、正極剤ペーストを作製した。得られたペーストを厚さ20μmのアルミ箔上に塗布乾燥後プレスして厚さ97μmの正極を得た。
電極(負極)の作成:負極活物質としてメゾフェーズカーボンマイクロビーズ(大阪瓦斯化学株式会社製)粉末87質量部とアセチレンブラック3質量部及びPVdFの乾燥重量が10質量部となるように、6質量%のPVdFのNMP溶液を用い、負極剤ペーストを作製した。得られたペーストを厚さ18μmの銅箔状に塗布乾燥後プレスして、厚さ90μmの負極を得た。
非水系電解液の作成:電解液はエチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとを3:7の重量比で混合した混合溶媒に1Mの濃度で六フッ化リン酸リチウムを溶解して作成した。
上述の電極、電解液、セパレータを用いて、容量40mAhのラミネートセルを作製し、0.2C、4.2Vの定電流定電圧充電(8時間)後、10V、10Aで定電流定電圧充電を開始し、充電途中で充電電流が遮断し電池電圧が10Vに達したものを合格とし、そのまま充電電流が流れ続けるものを不合格とした。
<Shutdown test>
Preparation of electrode (positive electrode): 69.5 parts by mass of lithium cobaltate (LiCoO 2 manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd.) powder, 4.5 parts by mass of acetylene black, and 6 parts by mass so that the dry weight of PVdF is 6 parts by mass. A positive electrode paste was prepared using an N-methyl-pyrrolidone (NMP) solution of PVdF in mass%. The obtained paste was applied onto an aluminum foil having a thickness of 20 μm, dried and pressed to obtain a positive electrode having a thickness of 97 μm.
Preparation of electrode (negative electrode): 6 masses so that 87 mass parts of mesophase carbon microbeads (manufactured by Osaka Gas Chemical Co., Ltd.), 3 mass parts of acetylene black, and 10 mass parts of PVdF are used as the negative electrode active material. A negative electrode paste was prepared using an NMP solution of% PVdF. The obtained paste was applied to a 18 μm thick copper foil, dried and pressed to obtain a 90 μm thick negative electrode.
Preparation of non-aqueous electrolyte: The electrolyte was prepared by dissolving lithium hexafluorophosphate at a concentration of 1M in a mixed solvent in which ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate were mixed at a weight ratio of 3: 7.
A laminate cell having a capacity of 40 mAh is prepared using the above-described electrode, electrolyte, and separator, and is charged with constant current and constant voltage at 10 V and 10 A after 0.2 C and 4.2 V constant current and constant voltage charging (8 hours). The battery was charged when the charging current was interrupted during charging and the battery voltage reached 10V, and the battery with the charging current continuously flowing was rejected.

<フラジール通気度>
多孔性微細繊維層からサンプルを切り出し、JIS L1096(2010) 8.26 A法(フラジール形式)に準拠し、フラジール型試験機(TEXTEST社製 FX3300)を用い測定範囲を5cmとして測定し、測定値を単位m/分/mで示した。
<Fragile air permeability>
A sample was cut out from the porous fine fiber layer, measured in accordance with JIS L1096 (2010) 8.26 A method (Fragile format), and measured using a Fragil tester (FX3300 manufactured by TEXTEST) with a measurement range of 5 cm 2. Values are given in units of m 3 / min / m 2 .

<マクミラン数>
多孔性微細繊維層を20mmΦに切り出し、2枚のSUS電極に挟み、10kHzでの交流インピーダンスから算出した電導度で電解液のイオン電導度を除し、算出する。電解液は0.5モル濃度のリチウムトリフルオロメタンスルホネート(LiTFS)、プロピレンカーボネート:エチレンカーボネート:ジメトキシエタン(22:8:70)を用い、測定温度は25℃とした。
<Number of Macmillan>
A porous fine fiber layer is cut into 20 mmΦ, sandwiched between two SUS electrodes, and the ionic conductivity of the electrolyte is divided by the conductivity calculated from the AC impedance at 10 kHz. The electrolyte used was 0.5 molar lithium trifluoromethanesulfonate (LiTFS), propylene carbonate: ethylene carbonate: dimethoxyethane (22: 8: 70), and the measurement temperature was 25 ° C.

<気体発生率>
多孔性微細繊維層を20mm角に切り出し10枚重ね、電解液に浸漬して100℃で5分間に加熱して気体を発生させ、精密メスシリンダーを用いて上方置換法にて採集し、下記計算式にて算出した。
気体発生率(%)=気体発生量(mm)/(多孔度/100×面積(mm)×厚み(mm))
<Gas generation rate>
Cut the porous fine fiber layer into 20mm squares, pile up 10 sheets, immerse in electrolyte and heat at 100 ° C for 5 minutes to generate gas, collect by the upper displacement method using a precision graduated cylinder, and calculate as follows Calculated by the formula.
Gas generation rate (%) = gas generation amount (mm 3 ) / (porosity / 100 × area (mm 2 ) × thickness (mm))

[実施例1]
特公昭47−10863号公報記載の方法に準じた下記の界面重合法により目的ポリマーを製造した。
イソフタル酸ジクロライド25.13g(99mol%)と第3成分としてテレフタル酸ジクロライド0.25g(1mol%)を水分含有率2mg/100mlのテトラヒドロフラン125mlに溶解し、−25℃に冷却した。これを撹拌しながらメタフェニレンジアミン13.52g(100mol%)を、上記テトラヒドロフラン125mlに溶解した溶液を細流として約15分間にわたって添加し、白色の乳濁液(A)を作製した。これとは別に無水炭酸ナトリウム13.25gを水250mlに室温で溶かし、これを撹拌しながら5℃まで冷却して炭酸ナトリウム水和物結晶を析出させ分散液(B)を作製した。上記乳濁液(A)と分散液(B)とを激しく混合した。更に2分間混合を続けた後、200mlの水を加えて希釈し、生成重合体を白色粉末として沈殿させた。重合終了系からろ過、水洗、乾燥して目的とするポリマー(密度:1.38g/cm)を得た。
[Example 1]
The target polymer was produced by the following interfacial polymerization method according to the method described in Japanese Patent Publication No. 47-10863.
25.13 g (99 mol%) of isophthalic acid dichloride and 0.25 g (1 mol%) of terephthalic acid dichloride as a third component were dissolved in 125 ml of tetrahydrofuran having a water content of 2 mg / 100 ml and cooled to −25 ° C. While stirring this, 13.52 g (100 mol%) of metaphenylenediamine was added over about 15 minutes as a trickle of a solution obtained by dissolving 125 ml of the above tetrahydrofuran to prepare a white emulsion (A). Separately, 13.25 g of anhydrous sodium carbonate was dissolved in 250 ml of water at room temperature, and this was cooled to 5 ° C. with stirring to precipitate sodium carbonate hydrate crystals to prepare a dispersion (B). The emulsion (A) and dispersion (B) were mixed vigorously. After further mixing for 2 minutes, 200 ml of water was added for dilution, and the resulting polymer was precipitated as a white powder. Filtration, washing with water and drying were carried out from the polymerization completed system to obtain the desired polymer (density: 1.38 g / cm 3 ).

得られた芳香族コポリアミドポリマーをN,N−ジメチルアセトアミドに20重量%となるように溶解させたのち、気体発生剤として炭酸水素ナトリウム粉末を1重量%となるように加え、エレクトロスピニング用の紡糸溶液(ポリマー溶液)とした。このポリマー溶液をノズルから吐出させ、電界紡糸法により印加電圧を20kVとし微細繊維を成形し、該ノズルから20cm下の搬送ネットでこれを回収し微細繊維ウェッブを得た。
続いて、得られた微細繊維ウェッブを、金属製加熱ロールと樹脂ロール間で、温度45℃、線圧15kgf/cmで加熱加圧処理を行い、多孔性微細繊維層一層からなる微細繊維構造体を得た。結果を表1に示す。
The obtained aromatic copolyamide polymer was dissolved in N, N-dimethylacetamide so as to be 20% by weight, and sodium hydrogen carbonate powder was added as a gas generating agent so as to be 1% by weight. A spinning solution (polymer solution) was obtained. This polymer solution was discharged from a nozzle, an applied voltage was set to 20 kV by an electrospinning method, and fine fibers were molded. The fine fibers were collected by a transport net 20 cm below the nozzle to obtain a fine fiber web.
Subsequently, the obtained fine fiber web is subjected to heat and pressure treatment at a temperature of 45 ° C. and a linear pressure of 15 kgf / cm between a metal heating roll and a resin roll, and a fine fiber structure comprising one porous fine fiber layer. Got. The results are shown in Table 1.

[実施例2、比較例1、2]
実施例2は気体発生剤を炭酸水素ナトリウムから炭酸水素カリウムに変更し、比較例1は炭酸水素ナトリウムから次亜塩素酸ナトリウムに変更し、比較例2は炭酸水素ナトリウムの添加量を0.001重量%とした以外は、実施例1と同様にして微細繊維構造体を得た。結果を表1に示す。
[Example 2, Comparative Examples 1 and 2]
In Example 2, the gas generating agent was changed from sodium hydrogen carbonate to potassium hydrogen carbonate, Comparative Example 1 was changed from sodium hydrogen carbonate to sodium hypochlorite, and Comparative Example 2 was added with sodium hydrogen carbonate in an amount of 0.001. A fine fiber structure was obtained in the same manner as in Example 1 except that the weight percentage was changed. The results are shown in Table 1.

Figure 2015193948
Figure 2015193948

本発明の微細繊維構造体は、これをセパレータや絶縁材として用いることで、異常発熱した際、不燃性ガスを発生させ、発火を防止することができ、安全性に優れたバッテリーやキャパシタ、コンデンサ等とすることができ、産業上の利用価値が極めて高いものである。   The fine fiber structure of the present invention can be used as a separator or an insulating material to generate a non-flammable gas when abnormal heat is generated, and to prevent ignition. The industrial utility value is extremely high.

Claims (12)

微細繊維で構成される微細繊維層を含む微細繊維構造体であって、該微細繊維の平均直径が50〜3000nmであり、該微細繊維層が加熱により不燃性気体を発生する気体発生剤を含有することを特徴とする微細繊維構造体。   A fine fiber structure including a fine fiber layer composed of fine fibers, wherein the fine fiber has an average diameter of 50 to 3000 nm, and the fine fiber layer contains a gas generating agent that generates a nonflammable gas upon heating. A fine fiber structure characterized by: 微細繊維層を構成する微細繊維の少なくとも一部に気体発生剤が含有されているか、または、微細繊維層を構成する微細繊維の少なくとも一部に気体発生剤を含有する樹脂が付着している請求項1に記載の微細繊維構造体。   Claims wherein the gas generating agent is contained in at least a part of the fine fibers constituting the fine fiber layer, or the resin containing the gas generating agent is attached to at least a part of the fine fibers constituting the fine fiber layer. Item 12. The fine fiber structure according to Item 1. 微細繊維層における、平均細孔径が0.01〜15μm、厚さが0.0025〜0.3mm、多孔度が20〜90%、坪量が1〜90g/m、フラジール通気度が46m/分/m未満、およびマクミラン数が2〜15である請求項1または2に記載の微細繊維構造体。 In the fine fiber layer, the average pore diameter is 0.01 to 15 μm, the thickness is 0.0025 to 0.3 mm, the porosity is 20 to 90%, the basis weight is 1 to 90 g / m 2 , and the fragile air permeability is 46 m 3. The fine fiber structure according to claim 1 or 2, having a Macmillan number of 2 to 15 and less than / min / m 2 . 微細繊維構造体を50度以上に加熱したときに、気体発生剤が微細繊維層の空隙の体積以上の体積量の不燃性気体を発生する請求項1〜3のいずれかに記載の微細繊維構造体。   The fine fiber structure according to any one of claims 1 to 3, wherein when the fine fiber structure is heated to 50 degrees or more, the gas generating agent generates an incombustible gas having a volume amount equal to or larger than the volume of the voids of the fine fiber layer. body. 気体発生剤が、熱分解性物質である請求項1〜4のいずれかに記載の微細繊維構造体。   The fine fiber structure according to any one of claims 1 to 4, wherein the gas generating agent is a thermally decomposable substance. 気体発生剤が、アルカリ金属炭酸水素塩である請求項1〜5のいずれかに記載の微細繊維構造体。   The fine fiber structure according to any one of claims 1 to 5, wherein the gas generating agent is an alkali metal hydrogen carbonate. 微細繊維構造体が、異なるポリマーからなる微細繊維層を2層以上積層してなる多層微細繊維層を含んでなる請求項1〜6のいずれかに記載の微細繊維構造体。   The fine fiber structure according to any one of claims 1 to 6, wherein the fine fiber structure comprises a multilayer fine fiber layer formed by laminating two or more fine fiber layers made of different polymers. 微細繊維構造体が、厚さ、坪量、平均細孔径、平均直径、多孔度、フラジール通気度、イオン抵抗、および引張強度のうち少なくとも1つが異なる微細繊維層を2層以上積層してなる多層微細繊維層を含んでなる請求項7に記載の微細繊維構造体。   A multilayer in which a fine fiber structure is formed by laminating two or more fine fiber layers having at least one of thickness, basis weight, average pore diameter, average diameter, porosity, fragile air permeability, ionic resistance, and tensile strength. The fine fiber structure according to claim 7, comprising a fine fiber layer. 請求項1〜8のいずれかに記載の微細繊維構造体をセパレータまたは絶縁材として含むバッテリー。   A battery comprising the fine fiber structure according to claim 1 as a separator or an insulating material. 請求項1〜8のいずれかに記載の微細繊維構造体をセパレータまたは絶縁材として含む電気二重層キャパシタ。   An electric double layer capacitor comprising the fine fiber structure according to claim 1 as a separator or an insulating material. 請求項1〜8のいずれかに記載の微細繊維構造体をセパレータまたは絶縁材として含むコンデンサ。   A capacitor comprising the fine fiber structure according to claim 1 as a separator or an insulating material. バッテリーが、リチウムバッテリー、リチウムイオンバッテリー、またはリチウムイオンゲルポリマーバッテリーである請求項9に記載のバッテリー。   The battery according to claim 9, wherein the battery is a lithium battery, a lithium ion battery, or a lithium ion gel polymer battery.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018028986A (en) * 2016-08-16 2018-02-22 トヨタ紡織株式会社 Separator for secondary battery, secondary battery, and method for manufacturing separator for secondary battery

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