JP2018101613A - 蓄電デバイス用セパレータ及びそれを用いた積層体、捲回体、リチウムイオン二次電池又は蓄電デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
このような要求を満たすため、これまでにセパレータを構成する微多孔性の基材にさまざまな改質多孔膜を積層することが検討されてきた。
例えば、特許文献1には、ポリプロピレンを含む第1の微多孔質層及び超高分子量ポリエチレンを含む第2の微多孔質層からなり、さらに該多孔層の一方の表面に、その他の層(ポリフッ化ビニリデン(PVDF)やポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などの単体及び共重合体などの含フッ素樹脂)を設け、特定の空孔率/膜厚及び透気度を有するポリオレフィン多層微多孔質膜が開示され、その実施例には、貫通孔径の均一性が高い緻密な細孔構造を有し、透気度が小さく、薄膜化しても高い空孔率及び機械的強度をバランスよく保持し、さらにインピーダンス特性にも優れる微多孔質層について記載されている。
又、特許文献2には、ポリオレフィン多層微多孔膜のポリエチレン及びポリプロピレンを含む表層面の一方の面に対する他方の面の静摩擦係数及び孔緻密度が特定の範囲にある、ポリオレフィン多層微多孔膜が開示されており、その実施例には良好な膜同士の滑り性と緻密な細孔構造による高い耐久性(耐電圧、電気化学安定性)を有する多層微多孔膜が記載されている。
又、特許文献3には、特定個数のポリエチレンからなる突起が不規則に存在したポリエチレン微多孔質膜の上にPVDF層からなる改質多孔層を積層することによって、高速搬送時においても改質多孔層の剥離が生じない電池用セパレータが開示されている。
さらに、特許文献4には、機械的強度、耐圧縮性を有するポリプロピレン樹脂層を最表層に有する多孔質膜にPVDF層を含む耐熱性樹脂層を含む多孔質膜を積層した複合多孔質膜が、優れたシャットダウン機能を有し、さらにフッ素系樹脂層を積層した構成を有するため、優れたフッ素系樹脂層の密着性と小さい透気抵抗度上昇幅を両立できることが開示されており、特に電池用セパレータに好適とされている。
本発明は、上記の事情に鑑み、従来のセパレータで求められてきた基本特性のうち、特に基材と改質層との剥離強度はじめセパレータを円筒形の電池に捲きつける際の電池捲回性に優れるのみならず、冷熱衝撃特性や低温サイクル特性にも優れ、かつ各性能のバランスがとれた蓄電デバイス用セパレータを提供することを目的とする。
すなわち本発明は以下のとおりである:
[1]最外部のポリプロピレン濃度が最内部のポリプロピレン濃度よりも高く、かつ最外部のポリエチレン濃度が最内部のポリエチレン濃度よりも低い、ポリエチレンとポリプロピレンとを含むポリオレフィン多層微多孔質膜と、前記多孔質膜の少なくとも一の面に配置された活性層とを含み、
前記活性層が、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン(PVdF−HFP)及びポリフッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン(PVdF−CTFE)から選択される少なくとも一つのフッ素原子を有するビニル化合物と、無機粒子とを含有する、蓄電デバイスセパレータ。
[2]前記ポリオレフィン多層微多孔質膜が、第1の微多孔質層、第2の微多孔質層、第1の微多孔質層の順に積層され、前記第1の微多孔質層は、ポリエチレンとポリプロピレンを含有する第1のポリオレフィン樹脂からなり、前記第2の微多孔質層は、ポリエチレンを含有する、前記第1のポリオレフィン樹脂とは異なる第2のポリオレフィン樹脂からなり、前記活性層は前記第1の微多孔質層の少なくとも一つの層上に積層される、[1]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[3]前記第1のポリオレフィン樹脂又は前記第2のポリオレフィン樹脂が、直鎖状低密度ポリエチレンを含む、[1]又は[2]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[4]前記第1のポリオレフィン樹脂又は第2のポリオレフィン樹脂が、融解熱量が150J/g以下のポリプロピレンをさらに含有する、[1]又は[2]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[5]前記直鎖状低密度ポリエチレンが、ポリ(エチレン−co−1−ヘキセン)である、[3]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[6]前記フッ素原子を有するビニル化合物と無機粒子との質量比が、5/95から80/20である、[1]〜[5]のいずれかに記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[7]前記フッ素原子を有するビニル化合物の重量平均分子量が0.6×106〜2.5×106である、[1]〜[6]のいずれかに記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[8]前記活性層が、シアノエチルプルラン、シアノエチルポリビニルアルコール、シアノエチルセルロース、シアノエチルスクロースから選択される少なくとも一つをさらに含有する、[1]〜[7]のいずれかに記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[9]前記第1のポリオレフィン樹脂に含有されるポリエチレンとポリプロピレンの重量平均分子量の比(MwE(ポリエチレンの重量平均分子量)/MwP(ポリプロピレンの重量平均分子量))が0.6〜1.5である、[1]〜[8]のいずれかに記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[10]前記第1のポリオレフィン樹脂が、シリカ、アルミナ及びチタニアからなる群から選択される少なくとも1つ以上をさらに含有する、[1]〜[9]のいずれかに記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[11]前記[1]〜[10]のいずれかに記載の蓄電デバイス用セパレータと、正極と、及び負極と、から成る積層体。
[12]前記[11]に記載の積層体が捲回されている捲回体。
[13]前記[11]に記載の積層体又は[12]に記載の捲回体と電解液とを含む二次電池。
本発明の蓄電デバイス用セパレータは、最外部のポリプロピレン濃度が最内部のポリプロピレン濃度よりも高く、かつ最外部のポリエチレン濃度が最内部のポリエチレン濃度よりも低い、ポリエチレンとポリプロピレンとを含むポリオレフィン多層微多孔質膜と、前記微多孔質膜の少なくとも一の面に配置された活性層とを含む蓄電デバイスセパレータである。尚、ポリオレフィン多層微多孔質膜の最外部とは、該多層微多孔質膜を積層方向に同一膜厚になるように3分割したときの、外側の2枚の膜の断面部分をいい、最内部とは内側にあった膜の断面部分をさす。
本発明の蓄電デバイス用セパレータの好ましい態様としては、該セパレータが、ポリオレフィン多層微多孔質膜と活性層を含み、この多層微多孔質膜は、少なくとも第1の微多孔質層及び第2の微多孔質層を含み、第1の微多孔質層はポリエチレンとポリプロピレンを含有する第1のポリオレフィン樹脂からなり、第2の微多孔質層はポリエチレンを含有する、第1のポリオレフィン樹脂とは異なるポリオレフィン樹脂からなっていて、そして、この多層微多孔質膜は、第1の微多孔質層、第2の微多孔質層、第1の微多孔質層の順に積層されるものである。
この積層順序で得られる3層で両外層が第1の微多孔質層であるポリオレフィン多層微多孔質膜の少なくとも一つの層の上に活性層を塗工する工程を経て、該活性層を多孔質膜上に結着させたセパレータは、イオン透過性が低下し難く、出力特性の高い蓄電デバイスを与える傾向にある。更に、異常発熱時の温度上昇が速い場合においても、円滑なシャットダウン特性を示し、高い安全性が得られ易い傾向にある。
さらに、当該ポリオレフィン多層微多孔質膜の外層としてポリエチレンとポリプロピレンとを含有した膜を配置することによって、この外層の上に積層される活性層との剥離強度が大きくなる。このようにポリプロピレンとポリエチレンとが共存すると、ポリエチレン単独の場合に比べ、ポリプロピレンによる極性効果によって層表面の表面自由エネルギーが増大し、活性層との密着力が大きくなるためである。これに加えて、外層にポリエチレンとポリプロピレンとを含有した膜を配置することによって、本実施形態に係るセパレータの特徴の一つである低温特性、特に低温サイクル性が良好となるが、これはガラス転移温度が0℃付近のポリプロピレン単独に比べ、ブレンドにより転移温度が降下し、材料の脆性破壊が起こりづらくなるため考えられる。
このように該セパレータはポリオレフィン多層微多孔質膜及び活性層のみから成っていてもよいが、剥離強度をさらに向上されるために、これら以外に熱可塑性ポリマー層を更に有していてもよい(詳細は後述する)。ポリオレフィン多層微多孔質膜上に活性層と熱可塑性ポリマー層を配置する場合、これらの相互位置関係は任意であるが、蓄電デバイスのレート特性と安全性を両立する観点から、活性層の少なくとも一部を露出させるように熱可塑性ポリマー層を配置してもよいし、活性層層の上に配置することが好ましい。
本実施形態に用いるポリオレフィン多層微多孔質膜(以下、ポリオレフィン多孔質基材という)は、電子伝導性がなくイオン伝導性があり、有機溶媒の耐性が高い、孔径の微細な多孔質膜であると好ましい。
本実施形態に係るポリオレフィン多層微多孔質膜(ポリオレフィン多孔質基材)は、少なくとも第1のポリオレフィン微多孔質層及び第2のポリオレフィン微多孔質層を含み、第1の微多孔質層はポリエチレンとポリプロピレンを含有し、第2の微多孔質層はポリエチレンを含有する。
該ポリオレフィン多孔質基材は、セパレータ基材として、機械特性、シャットダウン特性、メルトダウン特性等に優れ、かつ各特性のバランスを確保するために、第1の微多孔質層、第2の微多孔質層、第1の微多孔質層の順に積層されるものであり、さらに第1層として、ポリエチレン及びポリプロピレンを、第2層としてポリエチレンを含有することによってセパレータとして所望する機械特性、シャットダウン特性、メルトダウン特性等の優れたバランスが発現される。
第1の微多孔質層に含有されるポリエチレン及びポリプロピレンとしては、特に限定されないが、例えば、低密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン(HDPE)、超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)、アイソタクティックポリプロピレン、アタクティックポリプロピレン、エチレン−プロピレンランダムコポリマー、エチレンプロピレンラバー等が挙げられる。これらのポリエチレン又はポリプロピレンの製造の際に用いられる重合触媒も特に制限はなく、例えば、チーグラー・ナッタ系触媒、フィリップス系触媒及びメタロセン系触媒が挙げられる。
第1のポリオレフィン樹脂は、蓄電デバイスの衝突耐性の観点から、上記のポリエチレンに加えて、直鎖状低密度ポリエチレンを更に含有することが好ましい。第1のポリオレフィン樹脂は、高密度ポリエチレン(HDPE)に加えて、直鎖状低密度ポリエチレンを更に含有することがより好ましい。直鎖状低密度ポリエチレンは、例えば、ポリ(エチレン−co−ヘキセン)共重合体であることが更に好ましい。
とりわけ、第1の微多孔質層中に、さらに融解熱量が150J/g以下のポリプロピレンを含むと、ポリプロピレン中のアモルファス部分が多くなり、蓄電デバイスの衝突耐性がさらに改善されるので特に好ましい。
第1の微多孔質層中のポリオレフィン樹脂全体100質量%に対するポリプロピレンの割合は、特に限定されないが、活性層と基材の剥離強度、冷熱衝撃特性、低温サイクル特性等の観点から、1〜50質量%であることが好ましく、より好ましくは5〜40質量%、更に好ましくは15〜35質量%である。特に好ましくは、15〜30質量%未満である。
又、第1の微多孔質層中のポリオレフィン樹脂組成物100質量%に対するポリオレフィン樹脂の割合は、特に限定されないが、透気度と耐熱性と良好なシャットダウン機能の両立の観点から、50〜100質量%であることが好ましく、より好ましくは60〜100質量%、更に好ましくは70〜100質量%である。また、重合触媒も特に制限はなく、例えば、チーグラー・ナッタ系触媒及びメタロセン系触媒が挙げられる。第1の微多孔質層にシリカ、アルミナ、チタニアから選択される少なくとも一つ以上をさらに含むと、セパレータの非水電解液との親和性、出力保持性能、後記する低温サイクル特性の観点からさらに好ましい。
第2の微多孔層はポリエチレンを含有する、第1のポリオレフィン樹脂とは異なる第2のポリオレフィン樹脂からなるものである。ポリエチレンとしては、特に限定されないが、例えば、低密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレン(L−LDPE)、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン(HDPE)、超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)が挙げられる。第2の微多孔層のポリオレフィン樹脂に含まれるポリエチレンは、強度、耐熱性の観点から、好ましくは高密度ポリエチレン、及び超高分子量ポリエチレンである。また、高密度ポリエチレン、及び超高分子量ポリエチレンに加えて、直鎖状低密度ポリエチレンを更に含むことが、蓄電デバイスの衝突耐性の観点からより好ましい。直鎖状低密度ポリエチレンは、例えば、ポリ(エチレン−co−ヘキセン)共重合体であることが更に好ましい。ポリエチレンは、1種を単独で用いてもよく、又は柔軟性を付与する等の目的から、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
第2の微多孔層のポリオレフィン樹脂中のポリエチレンの含有量は、成型加工安定性、薄膜における機械的強度、透気度等の観点から、第2のポリオレフィン樹脂の合計質量を100質量%として、好ましくは50質量%〜100質量%、より好ましくは60質量%〜100質量%、更に好ましくは70質量%〜95質量%である。
第2の微多孔層のポリオレフィン樹脂は、ポリプロピレンを更に含んでもよい。ポリプロピレンとしては、融解熱量が150J/g以下のポリプロピレンを含むと、ポリプロピレン中のアモルファス部分が多くなり、蓄電デバイスの衝突耐性がさらに良くなるので好ましい。
前記直鎖状低密度ポリエチレンまたは、融解熱量が150J/g以下のポリプロピレンが含まれるのは、第1のポリオレフィン樹脂中よりも第2のポリオレフィン樹脂中である方が、蓄電デバイスの衝突耐性の観点から好ましい。このメカニズムの詳細は不明であるが、直鎖状低密度ポリエチレンまたは、融解熱量が150J/g以下のポリプロピレンが含まれる層が他の層より厚い場合、直鎖状低密度ポリエチレンまたは、融解熱量が150J/g以下のポリプロピレンが含まれる層が電極からより離れている場合(他の層が介在している場合)は、蓄電デバイスの衝突耐性が良好であると推定される。
前述したように、本実施形態に係るポリオレフィン多層微多孔質膜(ポリオレフィン多孔質基材)は、第1の微多孔質層、第2の微多孔質層、そして第1の微多孔質層をこの順に積層してなるものであるが、さらにその上に活性層を塗工し、ポリオレフィン多孔質基材上に決着させたセパレータにおいて、活性層と密着する第1の微多孔質層に含まれるポリエチレンの重量平均分子量(MwE)とポリプロピレンの重量平均分子量(MwP)の比(MwE/MwP)が、0.6〜1.5であると、第1の微多孔質層と活性層との剥離強度ばらつきを低減できる点で好ましい。第一層のMwE/MwPの比がこのような範囲にあると剥離強度ばらつきが低減する理由については下記の通りと推定される。この比が所定の範囲内である(1に近くなる)と、ポリエチレンとポリプロピレンの分子量の差が小さくなり、相溶性が良好になり、マクロ相分離が起こりにくくなる。そうすると第一層の活性層との接着界面にポリエチレンリッチな部分又はポリプロピレンリッチな部分の偏在が抑えられ、これにより接着部位によって両者の比が小さくなる。さらにポリプロピレンとポリエチレンとでは接着力が同じでないため、その結果、活性層と基材との接着力(剥離強度)ばらつきが小さくなるものと考えられる。
尚、ポリオレフィン多孔質基材の具体的な製造法については後述する。
これらの添加剤の合計含有量は、ポリオレフィン樹脂100質量部に対して、20質量部以下であることが好ましく、より好ましくは10質量部以下、更に好ましくは5質量部以下である。
気孔率=(体積−質量/膜密度)/体積×100
により求めることができる。ここで、例えばポリエチレンから成るポリオレフィン多層微多孔質膜の場合には、膜密度を0.95(g/cm3)と仮定して計算することができる。ポリエチレンとポリプロピレンとかなる多層微多孔質膜の場合には、それぞれの膜密度から同様に計算できる。気孔率は、ポリオレフィン多層微多孔質膜の延伸倍率の変更等により調節可能である。
上記突刺強度は、ポリオレフィン多孔質基材の延伸倍率及び/又は延伸温度等を調整することにより調節可能である。
(フッ素原子含有ビニル化合物)
本実施形態に係る活性層は、フッ素原子を有するビニル化合物と無機粒子を含有するものであり、上記の第1の微多孔質層の上に積層される。
このように基材であるポリオレフィン多層微多孔質膜の上に活性層を設けることにより、基材のみよりも電池捲回性、蓄電デバイスの冷熱衝撃特性に優れたものとなる。
活性層を第1の微多孔質層の上、すなわちポリオレフィン多孔質基材上に塗工する工程を経て、該活性層を多孔質基材上に結着させたセパレータは、イオン透過性が低下し難く、出力特性の高い蓄電デバイスを与える傾向にある。更に、異常発熱時の温度上昇が速い場合においても、円滑なシャットダウン特性を示し、高い安全性が得られ易い傾向にある。
フッ素原子を有するビニル化合物(以下、フッ素系樹脂又はバインダともいう)は、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン(高分子PVdF−HFP)及びポリフッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン(高分子PVdF−CTFE)から選択される少なくとも一つである。このように、ヘキサフロロプロピレン、又はクロロトリフルオロエチレンをフッ化ビニリデンと共重合することで、フッ素系樹脂の結晶性を適度な範囲に制御できるため、電極との接着処理の際に活性層が流動してしまうのを抑制できる。
さらに、電極との接着処理の際、その接着力が向上するため、二次電池用セパレータとして用いた際に、界面ずれが生じないため、冷熱衝撃特性が向上する。尚、該フッ素系樹脂は、通常、乳化重合、又は懸濁重合により得られる。
フッ素系樹脂の重量平均分子量は0.6×106から2.5×106であることが望ましい。フッ素系樹脂の重量平均分子量がこの範囲にあると、冷熱衝撃特性が良好(冷熱時の膨張・収縮が小さいため、活性層と基材間で剥離が起こりにくいと考えられる。)となり好ましい。
前記のフッ素系樹脂、すなわち高分子PVdF−HFP及び高分子PVdF−CTFEは、HFP又はCTFE由来の構成単位の割合が2.0質量%〜20.0質量%であることが好ましい。HFP又はCTFE含有量が2.0質量%以上であると、該フッ素系樹脂の結晶化の高度化を抑え、HFP又はCTFE含有量が20.0質量%以下であると、フッ素系樹脂の結晶化が適度に発現される。また、HFP又はCTFE含有量が20.0質量%以下であると、冷熱衝撃特性を確保しやすいため好ましい。
上記の観点で、高分子PVdF−HFP及び高分子PVdF−CTFEにおけるHFP又はCTFE由来の構成単位の割合は、2.25質量%以上がより好ましく、2.5質量%以上が更に好ましく、18質量%以下がより好ましく、15質量%以下が更に好ましい。
活性層に、ヒドロキシル基(‐OH)、カルボキシル基(‐COOH)、無水マレイン酸基(‐COOOC‐)、スルホン酸基(‐SO3H)、及びピロリドン基(‐NCO‐)からなる群より選択されたいずれか1つの極性基またはこれらのうち2種以上の極性基を有してなる高分子が含まれると、セパレータの低温サイクル特性が改善されるので、より好ましい。このような高分子としては、シアノエチルプルラン、シアノエチルポリビニルアルコール、シアノエチルセルロース、シアノエチルスクロースから選択される少なくとも一つの高分子が挙げられる。
活性層に、上記のような極性基を有する高分子を含むことによって、セパレータの低温サイクル特性が改善するのは、これらの高分子の有する高い比誘電率のために、低温時においてもセパレータの抵抗が下がるためであると推定される。
極性基を有する高分子の比誘電率は1から100(測定周波数=1kHz)が使用可能であり、特に10以上であることが好ましい。
活性層に使用する無機粒子としては、特に限定されないが、200℃以上の融点を持ち、電気絶縁性が高く、かつリチウムイオン二次電池の使用範囲で電気化学的に安定であるものが好ましい。
無機粒子としては、特に限定されないが、例えば、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、マグネシア、セリア、イットリア、酸化亜鉛、酸化鉄等の酸化物系セラミックス;窒化ケイ素、窒化チタン、窒化ホウ素等の窒化物系セラミックス;シリコンカーバイド、炭酸カルシウム、硫酸マグネシウム、硫酸アルミニウム、水酸化アルミニウム、水酸化酸化アルミニウム、チタン酸カリウム、タルク、カオリナイト、ディカイト、ナクライト、ハロイサイト、パイロフィライト、モンモリロナイト、セリサイト、マイカ、アメサイト、ベントナイト、アスベスト、ゼオライト、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウム、ケイ藻土、ケイ砂等のセラミックス;ガラス繊維等が挙げられる。これらは、単独で用いてもよいし、複数を併用してもよい。
これらの中でも、電気化学的安定性及びセパレータの耐熱特性を向上させる観点から、アルミナ、水酸化酸化アルミニウム等の酸化アルミニウム化合物;及びカオリナイト、ディカイト、ナクライト、ハロイサイト、パイロフィライト等の、イオン交換能を持たないケイ酸アルミニウム化合物が好ましい。
活性層の層密度は、0.5g/cm3〜3.0g/cm3であることが好ましく、0.7g/cm3〜2.0g/cm3であることがより好ましい。活性層の層密度が0.5g/cm3以上であると、高温での熱収縮率が良好となる傾向にあり、3.0g/cm3以下であると、透気度が良好になる傾向にある。
塗工液を基材に塗工する方法は、必要とする層厚及び塗工面積を実現できる限り特に限定されない。例えば、樹脂バインダを含んだ粒子原料と、ポリマー基材原料とを共押出法により積層して押出してもよいし、基材と活性膜とを個別に作製した後に貼り合せてもよい。
蓄電デバイス用セパレータは、所望により、ポリオレフィン多孔質基材及び活性層に加えて、熱可塑性ポリマー層を有していてもよい。熱可塑性ポリマー層は、多孔質基材の片面若しくは両面上に、又は活性層上に配置されてよく、活性層の少なくとも一部が露出するように配置されていても好ましい。
また、熱可塑性ポリマー層が無機粒子と混在した層である場合には、熱可塑性ポリマーと無機粒子の全面積を100%として熱可塑性ポリマーの存在面積を算出する。
ポリオレフィン多孔質基材上に配置される熱可塑性ポリマー層の厚さは、基材の片面当たり、0.01μm〜5μmであることが好ましく、0.1μm〜3μmであることがより好ましく、0.1〜1μmであることが更に好ましい。
熱可塑性ポリマー層は、熱可塑性ポリマーを含む。熱可塑性ポリマー層は、その全量に対して、好ましくは60質量%以上、より好ましくは90質量%以上、更に好ましくは95質量%以上、特に好ましくは98質量%以上の熱可塑性ポリマーを含んでよい。熱可塑性ポリマー層は、熱可塑性ポリマーに加えて、その他の成分を含んでもよい。
ポリエチレン、ポリプロピレン、α−ポリオレフィン等のポリオレフィン樹脂;
ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系ポリマー又はこれらを含むコポリマー;
ブタジエン、イソプレン等の共役ジエンを単量体ユニットとして含むジエン系ポリマー若しくはこれらを含むコポリマー、又はこれらの水素化物;
(メタ)アクリレート等を単量体ユニットとして含み、かつポリアルキレングリコールユニットを有していないアクリル系ポリマー、(メタ)アクリレート等を単量体ユニットとして含み、かつ1つ又は2つのポリアルキレングリコールユニットを有するアクリル系ポリマー、若しくはこれらを含むコポリマー、又はその水素化物;
エチレンプロピレンラバー、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル等のゴム類;
エチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等のセルロース誘導体;
ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール等の、重合性官能基を有していないポリアルキレングリコール;
ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリアミド、ポリエステル等の樹脂;
フィラー多孔層を形成するための樹脂バインダとして上記で説明された、アルキレングリコールユニットの繰り返し数が3以上であるエチレン性不飽和単量体を共重合ユニットとして有するコポリマー;及び
これらの組み合わせ;
が挙げられる。
これらの中でも、電極活物質との接着性、及び柔軟性、ポリマーのイオン透過性の観点からは、ジエン系ポリマー、アクリル系ポリマー又はフッ素系ポリマーが好ましい。
コアシェル構造とは、中心部分に属するポリマーと、外殻部分に属するポリマーが異なる組成から成る、二重構造の形態をしたポリマーである。
特に、ポリマーブレンド及びコアシェル構造において、ガラス転移温度の高いポリマーと低いポリマーとを組み合せることにより、熱可塑性ポリマー全体のガラス転移温度を制御できる。また、熱可塑性ポリマー全体に複数の機能を付与できる。
熱可塑性ポリマー層に粒子状熱可塑性コポリマーを含有させることによって、基材上に配置された熱可塑性ポリマー層の多孔性及びセパレータの耐ブロッキング性を確保することができる。
本実施形態における熱可塑性ポリマー層は、熱可塑性ポリマーのみを含有していてもよいし、熱可塑性ポリマーに加えて、これ以外の任意成分を含んでいてもよい。任意成分としては、例えば、活性層を形成するために上記で説明された無機粒子等が挙げられる。
[ポリオレフィン多層微多孔質膜(ポリオレフィン多孔質質基材)の製造方法]
(第1及び第2の微多孔質層の製造方法)
前述したように、本実施形態に係るポリオレフィン多層微多孔質膜は、第1の微多孔質層、第2の微多孔質層、そして第1の微多孔質層をこの順に積層してなるものであるが、第1及び第2の微多孔質層を製造する方法は、特に限定されず、公知の製造方法を採用することができる。例えば、ポリオレフィン樹脂組成物と可塑剤とを溶融混練してシート状に成形後、場合により延伸した後、可塑剤を抽出することにより多孔化させる方法、ポリオレフィン樹脂組成物を溶融混練して高ドロー比で押出した後、熱処理と延伸によってポリオレフィン結晶界面を剥離させることにより多孔化させる方法、ポリオレフィン樹脂組成物と無機充填材とを溶融混練してシート上に成形後、延伸によってポリオレフィンと無機充填材との界面を剥離させることにより多孔化させる方法、ポリオレフィン樹脂組成物を溶解後、ポリオレフィンに対する貧溶媒に浸漬させポリオレフィンを凝固させると同時に溶剤を除去することにより多孔化させる方法等が挙げられる。
先ず、ポリオレフィン樹脂組成物と可塑剤を溶融混練する。溶融混練方法としては、例えば、ポリオレフィン樹脂及び必要によりその他の添加剤を、押出機、ニーダー、ラボプラストミル、混練ロール、バンバリーミキサー等の樹脂混練装置に投入し、樹脂成分を加熱溶融させながら任意の比率で可塑剤を導入して混練する方法が挙げられる。この際、ポリオレフィン樹脂、その他の添加剤及び可塑剤を樹脂混練装置に投入する前に、予めヘンシェルミキサー等を用い所定の割合で事前混練しておくことが好ましい。より好ましくは、事前混練において可塑剤の一部のみを投入し、残りの可塑剤を樹脂混練装置サイドフィードしながら混練することである。
本実施形態に係るポリオレフィン多層微多孔質膜(ポリオレフィン多孔質基材)は、第1の微多孔質層、第2の微多孔質層、そして第1の微多孔質層をこの順に積層してなるものであるが、これらを積層する方法として、たとえば以下の3層一括積層方法が挙げられる:上記したように、第1と第2の微多孔質層の構成成分であるポリオレフィン樹脂組成物と可塑剤とを別々に二軸押出機を用いて溶融混練しオレフィン溶液としてから、それぞれのポリオレフィン溶液を各二軸押出機から三層用Tダイに供給し、各溶液から成形される各層(第1のポリオレフィン溶液層/第2のポリオレフィン溶液層/第1のポリオレフィン溶液層)の層厚比を所望する範囲に調整しつつ、所定の巻き取り速度で、引き取りながら冷却し、ゲル状三層シートとして形成する。
上記では3層用Tダイを使用して、3層を同時に積層形成したが、各層ごと別々に形成したあとで、3層としてもかまわない。
活性層は、例えば、無機粒子、フッ素系樹脂、及び所望により、溶剤(例えば水)、分散剤等の追加成分を含む塗工液を基材の少なくとも片面に塗工することにより、基材上に配置されることができる。フッ素系樹脂を乳化重合によって合成し、得られたエマルジョンをそのまま塗工液として使用してもよい。
活性層の形成方法としては、例えば、ポリオレフィン多孔質基材の少なくとも片面に、無機粒子及びフッ素系樹脂を含む塗工液を塗工する方法を挙げることができる。この場合、塗工液は、分散安定性及び塗工性の向上のために、溶剤、分散剤等を含んでいてもよい。
塗工液を基材に塗工する方法は、必要とする層厚及び塗工面積を実現できる限り特に限定されない。例えば、ポリオレフィン樹脂を含んだ活性層の構成原料と、ポリオレフィン多層微多孔質基材の構成原料とを共押出法により積層して押出してもよいし、多孔質基材と活性膜とを個別に作製した後に貼り合せてもよい。
さらに、フッ素系樹脂(バインダ)を含んだ無機粒子原料と、ポリマー基材原料とを共押出法により積層して押出してもよいし、基材と活性層とを個別に作製した後に貼り合せてもよい。
熱可塑性ポリマーは、例えば、熱可塑性ポリマーを含む塗工液を基材に塗工することにより基材上に配置されることができる。熱可塑性ポリマーを乳化重合によって合成し、得られたエマルジョンをそのまま塗工液として使用してもよい。塗工液は、水、水と水溶性有機媒体(例えば、メタノール又はエタノール)の混合溶媒等の貧溶媒を含むことが好ましい。
本実施形態では、蓄電デバイス用セパレータの透気度は、10秒/100cc以上650秒/100cc以下であることが好ましく、より好ましくは20秒/100cc以上500秒/100cc以下、さらに好ましくは30秒/100cc以上450秒/100cc以下、特に好ましくは50秒/100cc以上400秒/100cc以下である。この透気度は、ポリオレフィン多孔質基材の透気度と同じく、JIS P−8117に準拠して測定される透気抵抗度である。
透気度が10秒/100cc以上であると電池用セパレータとして使用した際の自己放電が少なくなる傾向にあり、650秒/100cc以下であると良好な充放電特性が得られる傾向にある。
本実施形態の蓄電デバイス用セパレータは、このように非常に大きな透気度を示すことにより、リチウムイオン二次電池に適用されたときに、大きなイオン透過性を示す。
本実施形態の蓄電デバイス用セパレータは、これを正極、負極、及び非水電解液を組み合わせることにより、蓄電デバイスのセパレータとして好適に適用することができる。この蓄電デバイスとしては、例えばリチウムイオン二次電池を挙げることができる。
本実施形態のセパレータをリチウムイオン二次電池を製造する場合、正極、負極、非水電解液に限定はなく、それぞれ公知のものを用いることができる。
正極としては、正極集電体上に正極活物質を含む正極活物質層が形成されて成る正極を好適に用いることができる。正極集電体としては、例えばアルミニウム箔等を、正極活物質としては、例えば、LiCoO2、LiNiO2、スピネル型LiMnO4、オリビン型LiFePO4等のリチウム含有複合酸化物等をそれぞれ挙げることができる。正極活物質層には、正極活物質の他、バインダ、導電材等を含んでいてもよい。
本実施形態のセパレータを、幅10〜500mm(好ましくは80〜500mm)、長さ200〜4,000m(好ましくは1,000〜4,000m)の縦長形状のセパレータとして製造し、当該セパレータを、正極−セパレータ−負極−セパレータ、又は負極−セパレータ−正極−セパレータの順で積層し、円又は扁平な渦巻状に巻回して捲回体を得、当該捲回体を電池缶内に収納し、更に電解液を注入することにより、製造することができる。或いは、シート状のセパレータ及び電極からなる積層体、又は電極及びセパレータを折り畳んで捲回体としたものを、電池容器(例えばアルミニウム製のフィルム)に入れて、電解液を注液する方法によって製造してもよい。
<評価>
<測定方法及び評価方法>
(1)活性層/ポリオレフィン多孔質基材の剥離強度
実施例及び比較例(比較例1を除く)で得たセパレータの活性層に対して、幅12mm×長さ100mmのテープ(3M社製、製品名:スコッチ600)を、セパレータ長さ方向と平行の向きに貼りつけた。テープをサンプルから50mm/分の速度で剥がすときの力を、90°剥離強度測定器(IMADA社製、製品名IP−5N)を用いて測定した。5点測定し、得られた剥離強度の平均値を、活性層と基材の剥離強度として、下記評価基準により評価した。
A:剥離強度が60N/m以上
B:剥離強度が40N/m以上60N/m未満
C:剥離強度が40N/m未満
皆藤製作所株式会社製手動捲回機を使用し、当該装置の全体構成を示す図1(A)のように、長さ3m、巾60mmの捲取サンプル(13)を2枚重ねで荷重400gにてピン(10)に活性層がピンに接触する様にして捲回した後、図1(B)に示す捲取部構成において、ピンI(11)を抜き、巻取りサンプル(13)を手で引っ張りピンII(12)からはずし、抜き終わったサンプルの捲回姿からピン抜け特性を下記基準で評価した。
A:ピンに引っ張られ、ピン接触部分がピンを抜く前に対して2mm以上ずれるものの割合 4個/100個以下
B:ピンに引っ張られ、ピン接触部分がピンを抜く前に対して2mm以上ずれるものの割合 5〜9個/100個
C:ピンに引っ張られ、ピン接触部分がピンを抜く前に対して2mm以上ずれるものの割合 10個/100個以上
実施例及び比較例で得たセパレータを使用し、下記a〜dのように組み立てた各二次電池について、冷熱衝撃特性(耐冷熱サイクル特性)の評価を行った。
a.正極の作製
正極活物質としてコバルト酸リチウム(LiCoO2)を96質量部と、正極導電剤としてカーボンブラック粉末を2質量部と、正極バインダ(結着剤)としてポリフッ化ビニリデンを2質量部と、を乾式混合し、これらをN−メチルピロリドン(NMP)中に分散させて正極合剤スラリーを調製した。この正極合剤スラリーを、正極集電体となる厚さ13μmのアルミニウム箔の両面に塗布し、乾燥した後、圧延することにより、正極を作製した。この時の正極活物質層の充填密度及び厚みは、集電体の両面に正極活物質層が形成されている部分で3.95g/cc、及び140μmであった。
b.負極の作製
炭素系活物質(人造黒鉛)を97質量部と、ケイ素系活物質(SiOx)(x=1.05)を3質量部と、を混合した。
得られた混合物を98質量部と、カルボキシメチルセルロースナトリウム(CMC−Na)を2質量部と、を混合し、これらを水に分散させて負極合剤スラリーを得た。
この負極合剤スラリーを負極集電体となる厚さ8μmの銅箔の両面に塗布し、乾燥した後、圧延した。以上の工程により、負極を作製した。この時の負極活物質層の充填密度及び厚みは、集電体の両面に負極活物質層が形成されている部分で1.75g/cc、及び137μmであった。
エチレンカーボネート:ジエチルカーボネート=3:7(質量比)の混合溶媒に、溶質としてLiPF6を濃度1.2mol/Lとなるように溶解させることにより、非水電解液を調製した。
a.で調製された正極と、b.で調製された負極と、実施例又は比較例で調製されたセパレータとを、それぞれ切り出して、重ね合わせた後、室温にて長手方向に捲回してつぶすことにより、扁平状捲回電池素子を作製した。この電池素子を、内側から外側に向かってポリプロピレン/アルミ/ナイロン(nylon)の3層からなる厚み120μmのラミネートフィルムに挿入し、電極端子を熱融着により外装材に取り出した。電池素子を収容した外装部材内に、前記非水電解液を注入し、減圧下で外装材の残りの1辺を熱融着して減圧封止した。これを金属板間で80℃3分間加熱することで、厚み2mm×幅30mm×高さ30mmである電池を得た。
次いで、実施例及び比較例のセパレータを用いた各二次電池について、25℃で56mAの定電流で4.35Vまで充電し、続いて充電電流14mAまで定電圧充電を行った。
上記の定電圧充電後に充電状態の二次電池の抵抗(1kHz交流インピーダンス:Ω)を測定し、この抵抗を初期抵抗とした。
次いで、熱衝撃試験機(エスペック製 TSA−71H−W)を用いて、70℃に昇温し4時間維持した。その後、電池を20℃で2時間に亘って保持し、次に−40℃で4時間に亘って保持するというサイクルを50回繰り返した。上記dと同様の方法で、二次電池の抵抗(1kHz交流インピーダンス:Ω)を測定した。この結果と上記で測定した初期抵抗から、冷熱サイクル前後の抵抗変化量(冷熱サイクル後の抵抗−初期抵抗)を算出し、下記基準で評価した。
A:冷熱衝撃前後の抵抗変化量が0Ω以上10Ω未満
B:冷熱衝撃後の抵抗変化量が10Ω以上20Ω未満
C:冷熱衝撃前後の抵抗変化量が20Ω以上
実施例及び比較例で得たセパレータを使用し、下記a.〜c.のように組み立てた各二次電池について、低温サイクル特性測定を行った。
a.正極板の作製
活物質としてコバルト酸リチウムを100質量部、導電剤としてアセチレンブラックを活物質100重量部に対して2質量部、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを活物質100質量部に対して2質量部とを適量のN−メチル−2−ピロリドンと共に双腕式練合機にて攪拌し混練することで、正極合剤塗料を作製した後に厚み20μmのAl箔の両面に、正極合剤スラリーを塗布して乾燥することにより、正極活物質層を形成した。こうして得られた、正極集電体の両面に正極活物質層を備える積層体を、一対のローラで加圧して圧延することにより、総厚さが120μmの正極板を得た。なお、正極集電体の短手方向の一辺に、正極活物質層が形成されていない正極集電体の露出部を設けた。
b.負極板の作製
負極の活物質として人造黒鉛を100体積部、結着剤としてスチレン−ブタジエン共重合体ゴム粒子分散体を活物質100体積部に対して結着剤の固形分換算で2.3体積部、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースを活物質100体積部に対して1.4体積部、および所定の量の水とともに双腕式練合機にて攪拌し、体積固形分率が55%の負極合剤塗料を作製した。ここで、体積固形分率とは、合剤塗料に含まれる固形分の体積濃度のことである。この負極合剤塗料を厚さ15μmの銅箔の両面に塗布し、乾燥した後、圧延し、総厚さが185μmの負極板を得た。なお、負極集電体の短手方向の一辺に、負極活物質層が形成されていない負極集電体の露出部を設けた。
c.電池の作製
これらの正極板、実施例及び比較例のセパレータ、負極板を巻回構成し、円筒型電池ケース内に挿入し、EC(エチレンカーボネート)・DMC(ジメチルカーボネート)・MEC(メチルエチルカーボネート)混合溶媒にLiPF6を1MとVCを3質量部溶解させた電解液を、5.5g添加して封口し、設計容量が2000mAhの円筒型18650非水系二次電池を作製した。
d.低温サイクル特性の測定
以下の方法で低温100サイクル時点での容量維持率の測定を実施した。封口後の上記電池について慣らし充放電を2回行い、45℃環境で7日間保存した後、以下の充放電サイクルを−30℃で100回繰り返した。充電については、定電圧4.2V、1400mAで充電を行い、充電電流が100mAまで低下したとき充電を終了し、放電は2000mAの定電流で終止電圧3Vまで放電することを1サイクルとして、1サイクル目に対する100サイクル目の放電容量比を100サイクル容量維持率として測定を行なった。そして、低温サイクル特性を下記基準で評価した。
A:低温100サイクル時点での容量維持率が80%以上
B:低温100サイクル時点での容量維持率が70%以上80%未満
C:低温100サイクル時点での容量維持率が70%未満
上記(1)“活性層とポリオレフィン多孔質基材との剥離強度”と同様に、実施例、比較例の600mm幅セパレータに対し、幅12mm×長さ100mmのテープ(3M社製、製品名:スコッチ600)を、セパレータ長さ方向と平行の向きに100mmの間隔をあけて貼り付けた(TD方向に5点)。同様にしてセパレータ長さ方向500mmの間隔をあけて上記のテープを5点貼り付けた(MD方向に5点)。計25点貼り付けられたテープをサンプルから50mm/分の速度で剥がすときの力を、90°剥離強度測定器(IMADA社製、製品名IP−5N)を用いて測定した。そして、下記式に基づき、剥離強度の標準偏差と平均値から、剥離強度のばらつき[%]を計算し、下記の基準で評価した。
(評価基準)
A:活性層/基材の剥離強度のばらつきが10%未満
B:活性層/基材の剥離強度のばらつきが10%以上20%未満
C:活性層/基材の剥離強度のばらつきが20%以上
図2は、UL規格1642及び/又は2054に従う衝突試験の概略図である。UL規格1642及び/又は2054では、試験台上に配置された試料(22)の上に、試料(22)と丸棒(21)(φ=15.8mm)が概ね直交するように、丸棒(21)を置いて、丸棒(21)から610±25mmの高さの位置から、丸棒(21)の上面へ9.1kg(約20ポンド)の錘(20)を落すことにより、試料に対する衝撃の影響を観察する。
図2とUL規格1642及び2054を参照して、実施例及び比較例における衝突試験
の手順を以下に説明する。
a.正極の作製
正極活物質としてニッケル、マンガン、コバルト複合酸化物(NMC)(Ni:Mn:Co=1:1:1(元素比)、密度4.70g/cm3、容量密度175mAh/g)を90.4質量%、導電助材としてグラファイト粉末(KS6)(密度2.26g/cm3、数平均粒子径6.5μm)を1.6質量%及びアセチレンブラック粉末(AB)(密度1.95g/cm3、数平均粒子径48nm)を3.8質量%、並びにバインダとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)(密度1.75g/cm3)を4.2質量%の比率で混合し、これらをN−メチルピロリドン(NMP)中に分散させてスラリーを調製した。このスラリーを、正極集電体となる厚さ20μmのアルミニウム箔の片面にダイコーターを用いて塗布し、130℃において3分間乾燥した後、ロールプレス機を用いて圧延した。圧延後のものを57.0mm幅にスリットして正極を得た。この時の正極活物質塗布量は109g/m2であった。
負極活物質としてグラファイト粉末A(密度2.23g/cm3、数平均粒子径12.7μm)を87.6質量%及びグラファイト粉末B(密度2.27g/cm3、数平均粒子径6.5μm)を9.7質量%、並びにバインダとしてカルボキシメチルセルロースのアンモニウム塩1.4質量%(固形分換算)(固形分濃度1.83質量%水溶液)及びジエンゴム系ラテックス1.7質量%(固形分換算)(固形分濃度40質量%水溶液)を精製水中に分散させてスラリーを調製した。このスラリーを負極集電体となる厚さ12μmの銅箔の片面にダイコーターで塗布し、120℃において3分間乾燥した後、ロールプレス機を用いて圧延した。圧延後のものを58.5mm幅にスリットして負極を得た。この時の負極活物質塗布量は5.2g/m2であった。
エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とを体積比1:2で混合した混合溶媒(キシダ化学(株)製Lithium Battery Grade)に、LiPF6を1mol/Lとなるように溶解して、非水電解質である電解液を得た。
作製した正極と負極とを、実施例におけるセパレータの両側に重ねて筒状に巻いた捲回体を、ステンレス製の円筒型電池ケース(外装体)に挿入した。次いで、そこに、上記電解液を5mL注入し、捲回体を電解液に浸漬した後、電池ケースを密閉して非水電解質二次電池を作製した。
d.で得た非水電解質二次電池を、60℃の環境下で48時間保存した。
e.で得た非水電解質二次電池を、25℃の環境下、0.3Cの定電流で充電し、4.2Vに到達した後、4.2Vの定電圧で充電して、0.3Cの定電流で3.0Vまで放電した。定電流での充電と定電圧での充電時間の合計を8時間とした。なお、1Cとは電池が1時間で放電される電流値である。
次に、電池を1Cの定電流で充電し、4.2Vに到達した後、4.2Vの定電圧で充電して、1Cの定電流で3.0Vまで放電した。定電流での充電と定電圧での充電時間の合計を3時間とした。また、1Cの定電流で放電した時の容量を1C放電容量(mAh)とした。25℃の環境下で、e.で得た非水電解質二次電池(22)を1Cの定電流で充電し、4.2Vに到達した後、4.2Vの定電圧で合計3時間充電した。
次に、25℃の環境下で、電池を平坦な面に横向きに置き、電池を横切るように、直径15.8mmのステンレスの丸棒(21)を電池(22)の中央に配置した。電池(22)の中央に配置した丸棒(21)から電池の縦軸方向に対して、直角に衝撃が加わるように、9.1kgの錘(20)を61±2.5cmの高さから落下させた。その後、電池の外装温度を測定し、かつ電池からのガスの噴出の有無と電池の発火の有無を観察した。なお、電池の外装温度とは、電池の外装体の底側から1cmの位置を熱電対(K型シールタイプ)で測定した温度である。
以下の基準で、衝突試験を評価した。
A:電池外装温度60℃未満
B:電池外装温度60℃以上80℃未満
C:電池外装温度80℃以上、かつガス噴出、発火無し
D:ガス噴出有り、または発火有り
(7)重量平均分子量
本実施形態のポリオレフィンの重量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)を測定し、以下の方法により求めた。装置はWaters社製のALC/GPC−150−C−plus型(商標)を用い、東ソー(株)製のGMH6−HT(商標)の30cmのカラム2本とGMH6−HTL(商標)の30cmのカラム2本を直列接続して使用し、オルトジクロロベンゼンを移動相溶媒として、試料濃度0.05wt%で140℃にて測定を行った。なお、標準物質として市販の分子量既知の単分散ポリスチレンを用いて検量線を作成し、求められた各試料のポリスチレン換算の分子量分布データに、0.43(ポリエチレンのQファクター/ポリスチレンのQファクター=17.7/41.3)を乗じることにより、ポリオレフィンの重量平均分子量を取得した。
そして、フッ素原子を有するビニル化合物の重量平均分子量は、GPCを測定し、以下の方法により求めた。装置はWaters社製のAlliance GPC2000型(商標)を用い、東ソー(株)製のGMH6−HT(商標)のカラム2本とGMH6−HTL(商標)のカラム2本を直列接続して使用し、オルトジクロロベンゼンを移動相溶媒として、カラム温度140℃にて測定を行った。なお、分子量校正用の標準物質として分子量既知の単分散ポリスチレン(東ソー社製)を用いた。以上よりフッ素原子を有するビニル化合物の重量平均分子量を算出した。
(1)第1のポリオレフィン溶液の調製
Mw(以下、重量平均分子量とする)が1.2×106のポリプロピレン(PP:融点162℃)20質量%及びMwが0.74×106の高密度ポリエチレン(HDPE:密度0.955g/cm3、融点135℃)80質量%からなる第1のポリオレフィン樹脂100質量部に、酸化防止剤テトラキス[メチレン−3−(3,5−ジターシャリーブチル−4−ヒドロキシフェニル)−プロピオネート]メタン0.2質量部を配合し、混合物を調製した。
得られた混合物25質量部を、強混練タイプの二軸押出機(内径58mm、L/D=42)に投入し、二軸押出機のサイドフィーダーから流動パラフィン[35cst(40℃)]75質量部を供給し、210℃及び250rpmの条件で溶融混練して、第1のポリオレフィン溶液を調製した。
(2)第2のポリオレフィン溶液の調製
Mwが2.0×106の超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)40質量%及びMwが5.6×105の高密度ポリチレン(HDPE:密度0.955g/cm3)60質量%からなる第2のポリオレフィン樹脂100質量部に、酸化防止剤テトラキス[メチレン−3−(3,5−ジターシャリーブチル−4−ヒドロキシフェニル)−プロピオネート]メタン0.2質量部を配合し、混合物を調製した。
得られた混合物25質量部を、上記と同タイプの別の二軸押出機に投入し、二軸押出機のサイドフィーダーから流動パラフィン[35cSt(40℃)]75質量部を供給し、上記と同条件で溶融混練して、第2のポリオレフィン溶液を調製した。
(3)押出
第一及び第2のポリオレフィン溶液を、各二軸押出機から三層用Tダイに供給し、第1のポリオレフィン溶液/第2のポリオレフィン溶液/第1のポリオレフィン溶液の層厚比が10/80/10となるように押し出した。押出し成形体を、30℃に温調した冷却ロールで引き取り速度2m/minで、引き取りながら冷却し、ゲル状三層シートを形成した。
(4)第1の延伸、成膜溶剤の除去、乾燥
ゲル状三層シートを、テンター延伸機により116℃でMD方向及びTD方向ともに5倍に同時二軸延伸(第1の延伸)した。延伸ゲル状三層シートを20cm×20cmのアルミニウム枠板に固定し、25℃に温調した塩化メチレン浴中に浸漬し、100rpmで3分間揺動しながら流動パラフィンを除去し、室温で風乾した。
(5)第2の延伸、熱固定
乾燥膜を、バッチ式延伸機を用いて、126℃でTD方向に1.4倍に延伸(第2の延伸)した。次に、この膜をテンター法により、126℃で熱固定処理を行った。
(6)活性層の形成
高分子PVdF‐HFP(ポリフッ化ビニリデン‐ヘキサフロロプロピレン共重合体、PVdF:HFP=80:20(質量比)、重量平均分子量1.5×106)をアセトンに添加し、50℃で約12時間以上溶解させて高分子溶液を製造した。無機物粒子としてAl2O3粉末を高分子:無機物粒子=17:83の質量比になるように製造しておいた高分子溶液に添加し、12時間以上ボールミル法を用いて無機物粒子を破砕及び分散することでスラリーを製造した。このように製造したスラリーの無機物粒子の粒径は平均600nmであった。
このように製造したスラリーに(5)で製造された三層微多孔質膜を浸漬させてディップコーティングした後、ワイヤサイズがそれぞれ0.5mmのワイヤバーを使用して両面に塗布されたスラリーコーティング層の厚さをそれぞれ調節し、溶媒を乾燥させた。ポリオレフィン多孔質基材の両面にそれぞれ形成された活性層の厚さは5.0μmであった。
以上のようにして作製した活性層が形成されたポリオレフィン三層微多孔質膜の各成分の配合割合、製造条件、評価結果等を表1および3に記載した。
実施例1の(2)第2のポリオレフィン溶液の調製において、実施例1の混合物の代わりに、Mwが2.0×106の超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)17.5質量%及びMwが3.0×105の高密度ポリエチレン(HDPE:密度0.955g/cm3)57.5質量%、MFRが135g/10minで、融点が124℃の直鎖状低密度ポリエチレンであるポリ(エチレン−co−ヘキセン)共重合体25質量%からなる第2のポリオレフィン樹脂100質量部に、酸化防止剤テトラキス[メチレン−3−(3,5−ジターシャリーブチル−4−ヒドロキシフェニル)−プロピオネート]メタン0.2質量部を配合し、混合物を調製した。
上記以外は実施例1と同様にして製造し、活性層が形成されたポリオレフィン三層微多孔質膜の各成分の配合割合、製造条件、評価結果等を表1、2及び3に記載した。
実施例1の(2)第2のポリオレフィン溶液の調製において、実施例1の混合物の代わりに、Mwが2.0×106の超高分子量ポリエチレン(UHMwPE)16質量%及びMwが3.0×105の高密度ポリエチレン(HDPE:密度0.955g/cm3)66質量%、融解熱が96J/gのポリプロピレン18質量%からなる第2のポリオレフィン樹脂100質量部に、酸化防止剤テトラキス[メチレン−3−(3,5−ジターシャリーブチル−4−ヒドロキシフェニル)−プロピオネート]メタン0.2質量部を配合し、混合物を調製した。
上記以外は実施例1と同様にして製造し、活性層が形成されたポリオレフィン三層微多孔質膜の各成分の配合割合、製造条件、評価結果等を表1および3に記載した。
実施例2の活性層の形成において、高分子PVdF‐HFPの代わりに高分子PVdF-CTFE(ポリフッ化ビニリデン‐クロロトリフルオロエチレン共重合体、PVdF:CTFE=96:4(モル比)、重量平均分子量1.2×106)を用いた。
上記以外は実施例2と同様にして製造し、活性層が形成されたポリオレフィン三層微多孔質膜の各成分の配合割合、製造条件、評価結果等を表1に記載した。
実施例2の活性層の形成において、高分子:無機物粒子の質量比が9:91になるよう調整した。
上記以外は実施例2と同様にして製造し、活性層が形成されたポリオレフィン三層微多孔質膜の各成分の配合割合、製造条件、評価結果等を表1に記載した。
実施例2の活性層の形成において、高分子として、高分子PVdF‐HFP(ポリフッ化ビニリデン‐ヘキサフロロプロピレン共重合体、PVdF:HFP=80:20(質量比)、重量平均分子量1.5×106)及びシアノエチルプルランを10:2の質量比でアセトンに添加した。
上記以外は実施例2と同様にして製造し、活性層が形成されたポリオレフィン三層微多孔質膜の各成分の配合割合、製造条件、評価結果等を表1に記載した。
実施例2の活性層の形成において、高分子として、PVdF‐HFP(ポリフッ化ビニリデン‐ヘキサフロロプロピレン共重合体、PVdF:HFP=80:20(質量比)、重量平均分子量1.5×106)及びシアノエチルポリビニルアルコールを10:2の質量比でアセトンに添加した。
上記以外は実施例2と同様にして製造し、活性層が形成されたポリオレフィン三層微多孔質膜の各成分の配合割合、製造条件、評価結果等を表1に記載した。
実施例2の活性層の形成において、高分子PVdF‐HFP(ポリフッ化ビニリデン‐ヘキサフロロプロピレン共重合体、PVdF:HFP=80:20(質量比)、重量平均分子量1.5×106)の代わりに、高分子PVdF‐HFP(ポリフッ化ビニリデン‐ヘキサフロロプロピレン共重合体、PVdF:HFP=80:20(質量比)、重量平均分子量0.5×106)を用いた。
上記以外は実施例2と同様にして製造し、活性層が形成されたポリオレフィン三層微多孔質膜の各成分の配合割合、製造条件、評価結果等を表1に記載した。
実施例2の活性層の形成において、無機物粒子としてAl2O3粉末のかわりにAlO(OH)粉末(ベーマイト、平均粒径:1.0μm)を用いた。
上記以外は実施例2と同様にして製造し、活性層が形成されたポリオレフィン三層微多孔質膜の各成分の配合割合、製造条件、評価結果等を表1に記載した。
実施例2の活性層の形成において、無機物粒子としてAl2O3粉末の代わりにBaTiO3粉末(チタン酸バリウム、平均粒径:0.6μm)を用いた。
上記以外は実施例2と同様にして製造し、活性層が形成されたポリオレフィン三層微多孔質膜の各成分の配合割合、製造条件、評価結果等を表1に記載した。
実施例2の(1)第1のポリオレフィン溶液の調製において、混合物として、Mwが1.2×106のポリプロピレン(PP:融点162℃)16質量%及びMwが0.74×106の高密度ポリチレン(HDPE:密度0.955g/cm3、融点135℃)64質量%、シリカ粉末(平均粒径:15nm)20質量%からなる第1のポリオレフィン樹脂100質量部に、酸化防止剤テトラキス[メチレン−3−(3,5−ジターシャリーブチル−4−ヒドロキシフェニル)−プロピオネート]メタン0.2質量部を配合して用いた。上記以外は実施例2と同様にして製造し、活性層が形成されたポリオレフィン三層微多孔質膜の各成分の配合割合、製造条件、評価結果等を表1に記載した。
実施例1において、活性層の形成を行わないこと以外は、実施例1と同様にして製造し、ポリオレフィン三層微多孔質膜の各成分の配合割合、製造条件、 評価結果等を表1に記載した。
実施例1の(1)第1のポリオレフィン溶液の調製において、Mwが1.2×106のポリプロピレン(PP:融点162℃)20質量%及びMwが0.74×106の高密度ポリエチレン(HDPE:密度0.955g/cm3、融点135℃)80質量%からなる第1のポリオレフィン樹脂100質量部の代わりに、Mwが0.74×106の高密度ポリチレン(HDPE:密度0.955g/cm3、融点135℃)からなる第1のポリオレフィン樹脂100質量部を用いたこと以外は、実施例1と同様にして製造し、ポリオレフィン三層微多孔質膜の各成分の配合割合、製造条件、 評価結果等を表1に記載した。
(比較例3)
実施例1の(1)第1のポリオレフィン溶液の調製において、Mwが1.2×106のポリプロピレン(PP:融点162℃)20質量%及びMwが0.74×106の高密度ポリエチレン(HDPE:密度0.955g/cm3、融点135℃)80質量%からなる第1のポリオレフィン樹脂100質量部の代わりに、Mwが1.2×106のポリプロピレン(PP:融点162℃)からなる第1のポリオレフィン樹脂100質量部を用いたこと以外は、実施例1と同様にして製造し、ポリオレフィン三層微多孔質膜の各成分の配合割合、製造条件、 評価結果等を表1に記載した。
(比較例4)
実施例1の(6)活性層の形成において、PVdF‐HFPの代わりにPVdF(ポリフッ化ビニリデン、重量平均分子量0.35×106)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして製造し、ポリオレフィン三層微多孔質膜の各成分の配合割合、製造条件、評価結果等を表1に記載した。
実施例2の第1のポリオレフィン溶液の調製において、Mwが2.0×106のポリプロピレン(PP:融点162℃)20質量%及びMwが0.56×106の高密度ポリエチレン(HDPE:密度0.955g/cm3、融点135℃)80質量%からなる第1のポリオレフィン樹脂100質量部に、酸化防止剤テトラキス[メチレン−3−(3,5−ジターシャリーブチル−4−ヒドロキシフェニル)−プロピオネート]メタン0.2質量部を配合し、混合物を調製した。
上記以外は実施例2と同様にして製造し、活性層が形成されたポリオレフィン三層微多孔質膜の各成分の配合割合、製造条件、評価結果等を表2に記載した。
実施例2の第1のポリオレフィン溶液の調製において、Mwが0.6×106のポリプロピレン(PP:融点162℃)20質量%及びMwが0.86×106の高密度ポリエチレン(HDPE:密度0.955g/cm3、融点135℃)80質量%からなる第1のポリオレフィン樹脂100質量部に、酸化防止剤テトラキス[メチレン−3−(3,5−ジターシャリーブチル−4−ヒドロキシフェニル)−プロピオネート]メタン0.2質量部を配合し、混合物を調製した。
上記以外は実施例2と同様にして製造し、活性層が形成されたポリオレフィン三層微多孔質膜の各成分の配合割合、製造条件、評価結果等を表2に記載した。
実施例1の(1)第1のポリオレフィン溶液の調製において、Mwが1.2×106のポリプロピレン(PP:融点162℃)20質量%及びMwが0.74×106の高密度ポリエチレン(HDPE:密度0.955g/cm3、融点135℃)55質量%、MFRが135g/10minで、融点が124℃の直鎖状低密度ポリエチレンであるポリ(エチレン−co−ヘキセン)共重合体25重量%からなる第1のポリオレフィン樹脂100質量部に、酸化防止剤テトラキス[メチレン−3−(3,5−ジターシャリーブチル−4−ヒドロキシフェニル)−プロピオネート]メタン0.2質量部を配合し、混合物を調製した。
上記以外は実施例1と同様にして製造し、活性層が形成されたポリオレフィン三層微多孔質膜の各成分の配合割合、製造条件、評価結果等を表3に記載した。
実施例1の(1)第1のポリオレフィン溶液の調製において、Mwが0.74×106の高密度ポリチレン(HDPE:密度0.955g/cm3、融点135℃)82質量%、融解熱が96J/gのポリプロピレン18質量%からなる第1のポリオレフィン樹脂100質量部に、酸化防止剤テトラキス[メチレン−3−(3,5−ジターシャリーブチル−4−ヒドロキシフェニル)−プロピオネート]メタン0.2質量部を配合し、混合物を調製した。
上記以外は実施例1と同様にして製造し、活性層が形成されたポリオレフィン三層微多孔質膜の各成分の配合割合、製造条件、評価結果等を表3に記載した。
実施例1の(1)第1のポリオレフィン溶液の調製において、Mwが1.2×106のポリプロピレン(PP:融点162℃)35質量%及びMwが0.74×106の高密度ポリエチレン(HDPE:密度0.955g/cm3、融点135℃)65質量%からなる第1のポリオレフィン樹脂100質量部とした。上記以外は実施例1と同様にして製造し、活性層が形成されたポリオレフィン三層微多孔質膜の各成分の配合割合、製造条件、評価結果等を表1に記載した。
11 ピンI
12 ピンII
13 捲取サンプル
20 錘
21 丸棒
22 試料
すなわち本発明は以下のとおりである。
[1]最外部のポリプロピレン濃度が最内部のポリプロピレン濃度よりも高く、かつ最外部のポリエチレン濃度が最内部のポリエチレン濃度よりも低い、ポリエチレンとポリプロピレンとを含むポリオレフィン多層微多孔質膜と、前記多孔質膜の少なくとも一の面に配置された活性層とを含み、
前記活性層が、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン(PVdF−HFP)及びポリフッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン(PVdF−CTFE)から選択される少なくとも一つのフッ素原子を有するビニル化合物と、無機粒子とを含有する、蓄電デバイス用セパレータ。
[2]前記ポリオレフィン多層微多孔質膜が、第1の微多孔質層、第2の微多孔質層、第1の微多孔質層の順に積層され、前記第1の微多孔質層は、ポリエチレンとポリプロピレンを含有する第1のポリオレフィン樹脂からなり、前記第2の微多孔質層は、ポリエチレンを含有する、前記第1のポリオレフィン樹脂とは異なる第2のポリオレフィン樹脂からなり、前記活性層は前記第1の微多孔質層の少なくとも一つの層上に積層される、[1]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[3]前記第1のポリオレフィン樹脂又は前記第2のポリオレフィン樹脂が、直鎖状低密度ポリエチレンを含む、[2]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[4]前記第1のポリオレフィン樹脂又は前記第2のポリオレフィン樹脂が、融解熱量が150J/g以下のポリプロピレンをさらに含有する、[2]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[5]前記直鎖状低密度ポリエチレンが、ポリ(エチレン−co−1−ヘキセン)である、請求項3に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[6]前記第1のポリオレフィン樹脂に含有されるポリエチレンとポリプロピレンの重量平均分子量の比(MwE(ポリエチレンの重量平均分子量)/MwP(ポリプロピレンの重量平均分子量))が0.6〜1.5である、[2]〜[5]のいずれかに記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[7]前記第1のポリオレフィン樹脂が、シリカ、アルミナ及びチタニアからなる群から選択される少なくとも一つ以上をさらに含有する、[2]〜[6]のいずれかに記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[8]前記フッ素原子を有するビニル化合物と前記無機粒子との質量比が、5/95から80/20である、[1]〜[7]のいずれかに記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[9]前記フッ素原子を有するビニル化合物の重量平均分子量が0.6×106〜2.5×106である、[1]〜[8]のいずれかに記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[10]前記活性層が、シアノエチルプルラン、シアノエチルポリビニルアルコール、シアノエチルセルロース、シアノエチルスクロースから選択される少なくとも一つをさらに含有する、[1]〜[9]のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[11]前記[1]〜[10]のいずれかに記載の蓄電デバイス用セパレータと、正極と、及び負極と、から成る積層体。
[12]前記[11]に記載の積層体が捲回されている捲回体。
[13]前記[11]に記載の積層体又は[12]に記載の捲回体と電解液とを含む二次電池。
Claims (13)
- 最外部のポリプロピレン濃度が最内部のポリプロピレン濃度よりも高く、かつ最外部のポリエチレン濃度が最内部のポリエチレン濃度よりも低い、ポリエチレンとポリプロピレンとを含むポリオレフィン多層微多孔質膜と、前記多孔質膜の少なくとも一の面に配置された活性層とを含み、
前記活性層が、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン(PVdF−HFP)及びポリフッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン(PVdF−CTFE)から選択される少なくとも一つのフッ素原子を有するビニル化合物と、無機粒子とを含有する、蓄電デバイスセパレータ。 - 前記ポリオレフィン多層微多孔質膜が、第1の微多孔質層、第2の微多孔質層、第1の微多孔質層の順に積層され、前記第1の微多孔質層は、ポリエチレンとポリプロピレンを含有する第1のポリオレフィン樹脂からなり、前記第2の微多孔質層は、ポリエチレンを含有する、前記第1のポリオレフィン樹脂とは異なる第2のポリオレフィン樹脂からなり、前記活性層は前記第1の微多孔質層の少なくとも一つの層上に積層される、請求項1に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 前記第1のポリオレフィン樹脂又は前記第2のポリオレフィン樹脂が、直鎖状低密度ポリエチレンを含む、請求項1又は2に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 前記第1のポリオレフィン樹脂又は前記第2のポリオレフィン樹脂が、融解熱量が150J/g以下のポリプロピレンをさらに含有する、請求項1又は2に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 前記直鎖状低密度ポリエチレンが、ポリ(エチレン−co−1−ヘキセン)である、請求項3に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 前記フッ素原子を有するビニル化合物と無機粒子との質量比が、5/95から80/20である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 前記フッ素原子を有するビニル化合物の重量平均分子量が0.6×106〜2.5×106である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 前記活性層が、シアノエチルプルラン、シアノエチルポリビニルアルコール、シアノエチルセルロース、シアノエチルスクロースから選択される少なくとも一つをさらに含有する、請求項1〜7のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 前記第1のポリオレフィン樹脂に含有されるポリエチレンとポリプロピレンの重量平均分子量の比(MwE(ポリエチレンの重量平均分子量)/MwP(ポリプロピレンの重量平均分子量))が0.6〜1.5である、請求項1〜8のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 前記第1のポリオレフィン樹脂が、シリカ、アルミナ及びチタニアからなる群から選択される少なくとも一つ以上をさらに含有する、請求項1〜9のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 請求項1〜10のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータと、正極と、及び負極と、から成る積層体。
- 請求項11に記載の積層体が捲回されている捲回体。
- 請求項11に記載の積層体又は請求項12に記載の捲回体と電解液とを含む二次電池。
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