WO2025178012A1 - 非水系二次電池用セパレータ及び非水系二次電池 - Google Patents
非水系二次電池用セパレータ及び非水系二次電池Info
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Definitions
- This disclosure relates to a separator for a non-aqueous secondary battery and a non-aqueous secondary battery.
- Organofluorine compounds have useful properties such as heat resistance, chemical resistance, and surface activity, and have been used in a wide range of manufacturing and industrial applications. In recent years, reports have been released about the ecotoxicity and human toxicity of organofluorine compounds, leading to stricter restrictions on the production and use of these compounds worldwide.
- the adhesive porous layer preferably has a network structure containing the acrylic resin (1).
- the network structure of the adhesive porous layer means a structure in which the resin is continuously connected in a network shape and has a large number of pores.
- the network structure of the adhesive porous layer may be a planar network structure in the surface direction of the separator, or a three-dimensional network structure in the surface direction and thickness direction of the separator.
- the three-dimensional mesh structure of the adhesive porous layer may be flattened by the heat press used to bond the separator to the electrode, and part or all of the separator may have a planar mesh structure when bonded to the electrode.
- R1 is a hydrogen atom or a methyl group
- R2 and R3 are each independently a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms.
- the alkyl group may be linear, branched, or cyclic.
- R2 and R3 are each independently preferably a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms, more preferably a hydrogen atom, a methyl group or an ethyl group, and even more preferably a hydrogen atom or a methyl group.
- the (meth)acrylamide monomer is preferably at least one selected from the group consisting of acrylamide, methacrylamide, N-methylacrylamide, N-methylmethacrylamide, N,N-dimethylacrylamide, and N,N-dimethylmethacrylamide.
- the total proportion of (meth)acrylic acid and (meth)acrylamide monomers in all polymerization components of the acrylic resin (1) is 20 mol% or more, preferably 20 mol% to 90 mol%, more preferably 20 mol% to 70 mol%, even more preferably 20 mol% to 50 mol%, still more preferably 25 mol% to 45 mol%, still more preferably 30 mol% to 40 mol%, and particularly preferably 35 mol% to 40 mol%.
- the proportion of (meth)acrylic acid in all polymerization components of the acrylic resin (1) is preferably 10 mol% to 50 mol%, more preferably 15 mol% to 40 mol%, still more preferably 20 mol% to 30 mol%, and particularly preferably 20 mol% to 25 mol%.
- the proportion of the (meth)acrylamide monomer in all polymerization components of the acrylic resin (1) is preferably 10 mol% to 40 mol%, more preferably 10 mol% to 30 mol%, still more preferably 10 mol% to 25 mol%, and particularly preferably 15 mol% to 20 mol%.
- the molar ratio of (meth)acrylic acid to (meth)acrylamide monomer, which are the polymerization components of acrylic resin (1), is 40:60 to 60:40, preferably 45:55 to 60:40, and more preferably 50:50 to 60:40.
- the total proportion of methyl (meth)acrylate and butyl (meth)acrylate in all polymerization components of the acrylic resin (1) is preferably 10 mol% to 80 mol%, more preferably 30 mol% to 70 mol%, and even more preferably 50 mol% to 65 mol%.
- the proportion of methyl (meth)acrylate in all polymer components of the acrylic resin (1) is preferably 10 mol % to 65 mol %, more preferably 25 mol % to 60 mol %, and even more preferably 40 mol % to 55 mol %.
- the proportion of butyl (meth)acrylate in all polymer components of the acrylic resin (1) is preferably 5 mol % to 25 mol %, more preferably 10 mol % to 20 mol %, and even more preferably 10 mol % to 15 mol %.
- the butyl (meth)acrylate is at least one selected from the group consisting of n-butyl acrylate, n-butyl methacrylate, sec-butyl acrylate, sec-butyl methacrylate, isobutyl acrylate, isobutyl methacrylate, t-butyl acrylate, and t-butyl methacrylate, and is preferably at least one of n-butyl acrylate and n-butyl methacrylate.
- Examples of such monomers include lower alkyl (meth)acrylate esters (having an alkyl group containing 8 or fewer carbon atoms) other than methyl (meth)acrylate and butyl (meth)acrylate.
- Examples of such lower alkyl (meth)acrylate esters include ethyl (meth)acrylate, n-propyl (meth)acrylate, isopropyl (meth)acrylate, n-pentyl (meth)acrylate, isopentyl (meth)acrylate, neopentyl (meth)acrylate, n-hexyl (meth)acrylate, isohexyl (meth)acrylate, n-heptyl (meth)acrylate, isoheptyl (meth)acrylate, n-octyl (meth)acrylate, isooctyl (meth)acrylate, and 2-ethylhexyl (meth)acrylate.
- Examples of such monomers include styrene-based monomers.
- Examples of styrene-based monomers include styrene, ⁇ -methylstyrene, and alkyl-substituted styrenes such as 2-methylstyrene, 3-methylstyrene, 4-methylstyrene, 2-ethylstyrene, 3-ethylstyrene, and 4-ethylstyrene.
- Preferred styrene-based monomers are styrene and ⁇ -methylstyrene, with styrene being more preferred.
- Examples of such monomers include vinyl nitrile compounds.
- Examples of vinyl nitrile compounds include acrylonitrile and methacrylonitrile.
- the adhesive porous layer contains substantially no fluorine-containing resin.
- fluorine-containing resins include polyvinylidene fluoride resins and fluorine-containing rubbers.
- polyvinylidene fluoride resins include homopolymers of vinylidene fluoride (i.e., polyvinylidene fluoride); copolymers of vinylidene fluoride and halogen-containing monomers such as hexafluoropropylene, tetrafluoroethylene, trifluoroethylene, chlorotrifluoroethylene, vinyl fluoride, and trichloroethylene; copolymers of vinylidene fluoride and monomers other than halogen-containing monomers; copolymers of vinylidene fluoride, halogen-containing monomers, and monomers other than halogen-containing monomers; and mixtures thereof.
- the adhesive porous layer being substantially free of fluorine-containing resin means that the mass ratio of the fluorine-containing resin in the adhesive porous layer is 1 mass % or less.
- the mass proportion of the fluorine-containing resin in the adhesive porous layer is preferably as small as possible, and is preferably 0.5 mass% or less, more preferably 0.1 mass% or less, and particularly preferably 0 mass%. In other words, it is particularly preferable that the adhesive porous layer does not contain a fluorine-containing resin.
- the adhesive porous layer may further contain particles, which may include inorganic particles and/or organic particles.
- inorganic particles examples include metal oxide particles, metal hydroxide particles, metal sulfate particles, metal carbonate particles, metal nitride particles, and clay mineral particles.
- metal oxides constituting the metal oxide particles include silica (silicon dioxide), alumina (aluminum oxide), boehmite (alumina monohydrate), titania (titanium oxide), zirconia (zirconium oxide), magnesium oxide, and barium oxide, with alumina being preferred.
- metal hydroxides constituting the metal hydroxide particles include magnesium hydroxide, aluminum hydroxide, calcium hydroxide, chromium hydroxide, zirconium hydroxide, cerium hydroxide, nickel hydroxide, and boron hydroxide, with magnesium hydroxide being preferred.
- the inorganic particles may be surface-modified with a silane coupling agent or the like.
- At least one type of inorganic particle selected from the group consisting of metal oxide particles, metal hydroxide particles, and metal sulfate particles is preferred.
- at least one type selected from the group consisting of alumina particles (aluminum oxide particles), magnesium hydroxide particles, and barium sulfate particles is more preferred.
- metal sulfate particles are preferred, and barium sulfate particles are more preferred, from the viewpoint that they are less likely to decompose the electrolytic solution or electrolyte and therefore less likely to cause gas generation inside the battery.
- the particle shape of the inorganic particles there are no limitations on the particle shape of the inorganic particles, and they may be spherical, elliptical, plate-like, needle-like, or irregular. From the perspective of suppressing internal short circuits in the battery, it is preferable that the inorganic particles contained in the adhesive porous layer be plate-like particles or non-agglomerated primary particles.
- the average primary particle size of the inorganic particles contained in the adhesive porous layer is preferably 0.01 ⁇ m to 2 ⁇ m, more preferably 0.05 ⁇ m to 1 ⁇ m, and even more preferably 0.1 ⁇ m to 0.5 ⁇ m.
- the average primary particle size of the inorganic particles is 0.01 ⁇ m or more, a porous structure is easily formed in the adhesive porous layer, and the adhesive porous layer has excellent electrolyte permeability and ion permeability. From this viewpoint, the average primary particle size of the inorganic particles is more preferably 0.05 ⁇ m or more, and even more preferably 0.1 ⁇ m or more.
- the adhesive porous layer is easily adhered to the electrode and is not easily peeled off from the electrode.
- the average primary particle size of the inorganic particles is more preferably 1 ⁇ m or less, and even more preferably 0.5 ⁇ m or less.
- the average primary particle size of inorganic particles is determined by measuring the long diameter of 100 randomly selected inorganic particles during observation with a scanning electron microscope (SEM) and averaging the long diameters of the 100 particles.
- the sample used for SEM observation is inorganic particles that are the material forming the adhesive porous layer, or inorganic particles extracted from the adhesive porous layer. There are no restrictions on the method for extracting inorganic particles from the adhesive porous layer.
- Examples of such methods include immersing the adhesive porous layer peeled off from the separator in an organic solvent that dissolves the binder resin, thereby dissolving the binder resin with the organic solvent and extracting the inorganic particles; or heating the adhesive porous layer peeled off from the separator to approximately 800°C to eliminate the binder resin and extract the inorganic particles.
- the volume ratio of the inorganic particles to the acrylic resin (1) and inorganic particles contained in the adhesive porous layer is preferably 5% to 50% by volume, more preferably 10% to 40% by volume, and even more preferably 15% to 30% by volume, from the viewpoint of achieving a good balance between the adhesiveness of the separator to the electrode and the thermal dimensional stability of the separator.
- the adhesive porous layer may contain organic particles, such as particles made of crosslinked polymers such as crosslinked poly(meth)acrylic acid, crosslinked poly(meth)acrylic acid ester, crosslinked polysilicone, crosslinked polystyrene, crosslinked polydivinylbenzene, crosslinked styrene-divinylbenzene copolymer, melamine resin, phenol resin, and benzoguanamine-formaldehyde condensate; and particles made of heat-resistant polymers such as polysulfone, polyacrylonitrile, aramid, and polyacetal.
- crosslinked polymers such as crosslinked poly(meth)acrylic acid, crosslinked poly(meth)acrylic acid ester, crosslinked polysilicone, crosslinked polystyrene, crosslinked polydivinylbenzene, crosslinked styrene-divinylbenzene copolymer, melamine resin, phenol resin, and benzoguanamine-formaldehyde
- One type of organic particle may be used alone, or two or more types may be used in combination.
- An adhesive porous layer that contains substantially no organic particles means that the volume ratio of organic particles to the acrylic resin (1) and organic particles contained in the adhesive porous layer is less than 5 volume %. In this embodiment, the volume ratio of organic particles to the acrylic resin (1) and organic particles contained in the adhesive porous layer is 0 volume % or more and less than 5 volume %.
- the adhesive porous layer may contain additives such as a dispersant such as a surfactant, a wetting agent, an antifoaming agent, and a pH adjuster.
- a dispersant such as a surfactant, a wetting agent, an antifoaming agent, and a pH adjuster.
- the dispersant is added, for example, to the coating liquid for forming the adhesive porous layer for the purpose of improving dispersibility, coatability, or storage stability.
- the wetting agent, antifoaming agent, and pH adjuster are added, for example, to the coating liquid for forming the adhesive porous layer for the purpose of improving compatibility with the porous substrate, preventing air entrapment in the coating liquid, or adjusting the pH.
- the mass per unit area of the adhesive porous layer is preferably 0.3 g/m 2 to 2 g/m 2 per side of the separator, more preferably 0.4 g/m 2 to 1.5 g/m 2 , and even more preferably 0.5 g/m 2 to 1 g/m 2 , from the viewpoint of achieving a good balance between adhesion to the electrode, permeability of the electrolyte solution, and ion permeability .
- the mass per unit area of the adhesive porous layers, in total for both sides is preferably 0.6 g/m 2 to 4 g/m 2 , more preferably 0.8 g/m 2 to 3 g/m 2 , and even more preferably 1 g/m 2 to 2 g/m 2 .
- the mass per unit area of the adhesive porous layer is calculated by cutting a 20cm x 20cm piece of separator, peeling off the adhesive porous layer, measuring the mass, and dividing the mass by the area.
- the thickness of the separator is preferably 5 ⁇ m or more, more preferably 7 ⁇ m or more, and even more preferably 9 ⁇ m or more. From the viewpoint of the energy density of the battery, the thickness of the separator is preferably 15 ⁇ m or less, more preferably 12 ⁇ m or less, and even more preferably 10 ⁇ m or less. The thickness of the separator is determined by measuring 20 points within a 10 cm square area with a contact type thickness meter and averaging the measurements.
- the air permeability of the separator is preferably 100 seconds/100 mL or more, more preferably 110 seconds/100 mL or more, and even more preferably 120 seconds/100 mL or more. From the viewpoint of ion permeability, the air permeability of the separator is preferably 1000 seconds/100 mL or less, more preferably 700 seconds/100 mL or less, and even more preferably 500 seconds/100 mL or less.
- the air permeability of the separator is measured using a digital Oken air permeability tester in accordance with JIS P8117:2009.
- the porosity of the separator is preferably 30% to 60% from the viewpoint of ion permeability.
- the porosity ⁇ (%) of the separator is calculated by the following formula.
- the mass per unit area of each constituent material is W1 , W2 , W3 , ..., Wn (g/ cm2 )
- the true density of each constituent material is d1 , d2 , d3 , ..., dn (g/ cm3 )
- the thickness of the separator is t (cm).
- Wet coating methods include, for example, a step of applying a coating liquid to one or both sides of a porous substrate to form a coating layer; a step of immersing the porous substrate with the coating layer in a coagulating liquid to solidify the coating layer and form a porous layer; and a step of removing the laminate consisting of the porous substrate and porous layer from the coagulating liquid, washing with water, and drying.
- the solvent used to prepare the coating liquid includes a solvent that dissolves the acrylic resin (1) (hereinafter also referred to as a "good solvent”).
- good solvents include polar amide solvents such as N-methylpyrrolidone, dimethylacetamide, and dimethylformamide.
- the solvent used to prepare the coating liquid may contain a phase separation agent that induces phase separation, in order to form a porous layer with a good porous structure. Therefore, the solvent used to prepare the coating liquid may be a mixed solvent of a good solvent and a phase separation agent. It is preferable to mix the phase separation agent with the good solvent in an amount that ensures a viscosity appropriate for coating. Examples of phase separation agents include water, butanediol, and ethylene glycol.
- the solvent used to prepare the coating liquid is a mixed solvent of a good solvent and a phase separation agent, from the perspective of forming a good porous structure, a mixed solvent containing 60% by mass or more of the good solvent and 5% to 40% by mass of the phase separation agent is preferred.
- the resin concentration of the coating liquid is preferably 1% to 20% by mass in order to form a good porous structure. If the porous layer contains inorganic particles, the inorganic particle concentration of the coating liquid is preferably 0.5% to 50% by mass in order to form a good porous structure.
- the separator of the present disclosure can also be manufactured using a dry coating method.
- the dry coating method involves applying a coating liquid to a porous substrate, drying the coating layer, and volatilizing and removing the solvent, thereby forming a porous layer on the porous substrate.
- the nonaqueous secondary battery of the present disclosure is less likely to separate from the electrodes. Therefore, the nonaqueous secondary battery of the present disclosure is less likely to develop internal short circuits.
- Examples of the conductive additive include carbon materials such as acetylene black, ketjen black, graphite powder, etc.
- Examples of the current collector include aluminum foil, titanium foil, stainless steel foil, etc., each having a thickness of 5 ⁇ m to 20 ⁇ m.
- the electrolyte solution is preferably a solution in which a lithium salt is dissolved in a non-aqueous solvent.
- lithium salts include LiPF 6 , LiBF 4 , and LiClO 4 .
- non-aqueous solvents include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, fluoroethylene carbonate, difluoroethylene carbonate, and vinylene carbonate; chain carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and fluorine-substituted derivatives thereof; and cyclic esters such as ⁇ -butyrolactone and ⁇ -valerolactone. These may be used alone or in combination.
- the electrode was cut into a rectangle measuring 15 mm wide x 70 mm long.
- the separator was cut into a rectangle measuring 18 mm TD x 74 mm MD.
- Release paper measuring 15 mm wide x 70 mm long was prepared.
- the separator was layered on the active material layer of the electrode, and then the release paper was layered on top of the separator to create a laminate.
- the laminate was inserted into an aluminum laminate film pack, and an electrolyte solution (1 mol/L LiPF 6 -ethylene carbonate:ethyl methyl carbonate [mass ratio 3:7]) was poured into the laminate, allowing the electrolyte solution to soak into the laminate.
- the pack and the laminate were heat-pressed in the stacking direction using a heat press machine (wet heat press) to bond the electrodes and separators.
- the heat press conditions were a temperature of 85°C, a pressure of 1 MPa, and a time of 5 minutes. After heat pressing, the laminate was removed from the pack, and the release paper was peeled off to obtain a wet adhesive test piece.
- the uncoated side of the test specimen's electrode was fixed to a metal plate with double-sided tape, and the metal plate was fixed to the lower chuck of a Tensilon (A&D Corporation, STB-1225S).
- the metal plate was fixed to the Tensilon so that the longitudinal direction of the test specimen (i.e., the separator's MD) was aligned with the direction of gravity.
- the separator was peeled away from the electrode by approximately 2 cm from the bottom edge, and this edge was fixed to the upper chuck, and a 180° peel test was performed.
- the tensile speed for the 180° peel test was 20 mm/min, and loads (N) were collected at 0.4 mm intervals from 10 mm to 40 mm after the start of measurement, and the average was calculated.
- the loads for 10 test specimens were then averaged to determine the adhesive strength (N/15 mm) between the electrode and separator.
- a positive electrode slurry was prepared by mixing 89.5 parts by mass of lithium cobalt oxide powder as a positive electrode active material, 4.5 parts by mass of acetylene black as a conductive additive, 6 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder resin, and an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone using a twin-arm mixer.
- the positive electrode slurry was applied to both sides of a 20 ⁇ m-thick aluminum foil, dried, and pressed to obtain a positive electrode having positive electrode active material layers on both sides.
- a negative electrode slurry was prepared by mixing 300 parts by mass of artificial graphite as a negative electrode active material, 7.5 parts by mass of an aqueous dispersion containing 40% by mass of a modified styrene-butadiene copolymer as a binder resin, 3 parts by mass of carboxymethyl cellulose as a thickener, and an appropriate amount of water with a twin-arm mixer.
- the negative electrode slurry was applied to both sides of a 10 ⁇ m thick copper foil, dried, and pressed to obtain a negative electrode having a negative electrode active material layer on both sides.
- Example 2 The acrylic resin (1) was dissolved in dimethylacetamide (DMAc), and barium sulfate particles were further stirred and dispersed to prepare a coating solution (2).
- the coating solution (2) had an acrylic resin (1) concentration of 8.0 mass%, and the acrylic resin (1):barium sulfate particles ratio was 80:20 [volume ratio].
- the acrylic resin (1) used in Example 2 was the same as the acrylic resin (1) used in Example 1.
- Example 3 A separator was prepared in the same manner as in Example 1, except that the acrylic resin (1) was changed to an acrylic resin (1) having the monomer composition shown in Table 1. A nonaqueous secondary battery was prepared using this separator.
- Example 4 A separator was prepared in the same manner as in Example 2, except that the acrylic resin (1) was changed to an acrylic resin (1) having the monomer composition shown in Table 1. A nonaqueous secondary battery was prepared using this separator. The acrylic resin (1) used in Example 4 was the same as the acrylic resin (1) used in Example 3.
- Example 1 A separator was produced in the same manner as in Example 2, except that the acrylic resin (1) was changed to a polyvinylidene fluoride resin (a binary copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene, weight-average molecular weight 1,400,000, and hexafluoropropylene 1.5 mol%).
- a polyvinylidene fluoride resin a binary copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene, weight-average molecular weight 1,400,000, and hexafluoropropylene 1.5 mol%.
- the adhesive porous layer was coated so that the separator had a thickness of 9 ⁇ m.
- the mass of the adhesive porous layer shown in Table 1 is the total mass of both sides of the separator.
- the mass of the adhesive porous layer per separator side in each example and comparative example is half the mass of the adhesive porous layer shown in Table 1.
- Mw Weight average molecular weight
- DMAc Dimethylacetamide
- VDF-HFP Dipolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene
- PMMA Polymethyl methacrylate resin
- MAA Methacrylic acid
- NMMAm N-methylmethacrylamide
- DMMAm N,N-dimethylmethacrylamide
- MMA Methyl methacrylate
- BA n-butyl acrylate
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Abstract
非水系二次電池用セパレータは、多孔質基材と、多孔質基材の片面又は両面に配置された、アクリル系樹脂(1)を含有する接着性多孔質層とを備える。アクリル系樹脂(1)は、(メタ)アクリル酸と(メタ)アクリルアミド系単量体と(メタ)アクリル酸メチル及び(メタ)アクリル酸ブチルの少なくとも1種とを重合成分に含み、全重合成分に占める(メタ)アクリル酸及び(メタ)アクリルアミド系単量体の合計割合が20モル%以上であり、(メタ)アクリル酸と(メタ)アクリルアミド系単量体のモル比が40:60~60:40である。
Description
本開示は、非水系二次電池用セパレータ及び非水系二次電池に関する。
有機フッ素化合物は、耐熱性、耐薬品性、界面活性などの有用な性質を備えることから、製造業及び工業の広い用途で使われてきた。近年、有機フッ素化合物の生態毒性及び人体毒性が報告され、世界的に有機フッ素化合物の製造規制及び使用規制が強まっている。
電池用セパレータとして、ポリフッ化ビニリデン系樹脂を含有するセパレータが知られている。有機フッ素化合物が製造規制及び使用規制を受けつつあるなか、ポリフッ化ビニリデン系樹脂の含有量が少ない又はポリフッ化ビニリデン系樹脂を含有しないセパレータの開発が急務である。
特許文献1には、(A)成分:少なくとも1個のアルデヒド基又はケトン基を含有する単量体と、(メタ)アクリル酸エステル単量体と、カルボン酸基含有単量体と、架橋性単量体とをモノマー単位として含む粒子状共重合体と、(B)成分:ヒドラジン系架橋剤及び/又は(C)成分:ヒドラジンと、脂肪族イソシアネート及び脂環族イソシアネートからなる群より選ばれる少なくとも1種のイソシアネート化合物とに由来するセミカルバジド化合物とを含むリチウムイオン二次電池用バインダー組成物が開示されている。
特許文献2には、炭素原子数4~18のアルキル基を有するアクリル単量体(a1)、ジアセトン(メタ)アクリルアミド及びN-メチロール(メタ)アクリルアミドから選ばれる少なくとも1以上の単量体(a2)、カルボキシル基を有する不飽和単量体(a3)及びアクリロニトリル(a4)を必須原料とするラジカル重合体(A)と、水性媒体(B)とを含有するリチウムイオン二次電池セパレータ耐熱層バインダー用水性樹脂組成物が開示されている。
特許文献3には、非導電性粒子と、(メタ)アクリルアミド単量体単位を40質量%以上の割合で含有し重量平均分子量が3.0×105未満である水溶性重合体と、粒子状重合体とを含む、非水系二次電池機能層用組成物が開示されている。
電池の内部短絡を防ぐ観点から、セパレータには電極に対する接着性が要求される。ポリフッ化ビニリデン系樹脂を表面層に含有するセパレータは電極に対する接着性が優れるところ、表面層に含まれるポリフッ化ビニリデン系樹脂の含有量が少なくても又は表面層にポリフッ化ビニリデン系樹脂を含有せずとも電極に対する接着性を有するセパレータが求められている。
電池の製造工程において、生産性を上げたり、電池性能を上げたりする目的で、セパレータに電解液を浸透させてからセパレータと電極とを熱プレスする処理が行われている(この処理を「ウェットヒートプレス」という。)。この処理の際、セパレータ表面の樹脂が電解液によって過度に膨潤すると、セパレータが電極に接着しにくい、又は、セパレータが電極に接着してもはがれやすい。
本開示は、上記状況のもとになされた。
本開示は、ウェットヒートプレスによって電極へ接着する非水系二次電池用セパレータを提供することを課題とする。
本開示は、ウェットヒートプレスによって電極へ接着する非水系二次電池用セパレータを提供することを課題とする。
前記課題を解決するための具体的手段には、以下の態様が含まれる。
<1>
多孔質基材と、
前記多孔質基材の片面又は両面に配置された、アクリル系樹脂(1)を含有する接着性多孔質層と、を備え、
前記アクリル系樹脂(1)は、(メタ)アクリル酸と(メタ)アクリルアミド系単量体と(メタ)アクリル酸メチル及び(メタ)アクリル酸ブチルの少なくとも1種とを重合成分に含み、全重合成分に占める(メタ)アクリル酸及び(メタ)アクリルアミド系単量体の合計割合が20モル%以上であり、(メタ)アクリル酸と(メタ)アクリルアミド系単量体のモル比が40:60~60:40である、
非水系二次電池用セパレータ。
<2>
前記アクリル系樹脂(1)は、全重合成分に占める(メタ)アクリル酸メチル及び(メタ)アクリル酸ブチルの合計割合が10モル%~80モル%である、<1>に記載の非水系二次電池用セパレータ。
<3>
前記接着性多孔質層がさらに無機粒子を含有する、<1>又は<2>に記載の非水系二次電池用セパレータ。
<4>
前記非水系二次電池用セパレータの透気度が100秒/100mL~1000秒/100mLである、<1>~<3>のいずれか1つに記載の非水系二次電池用セパレータ。
<5>
前記多孔質基材がポリオレフィン微多孔膜を含む、<1>~<4>のいずれか1つに記載の非水系二次電池用セパレータ。
<6>
前記多孔質基材が、
ポリオレフィン微多孔膜と、
前記ポリオレフィン微多孔膜の片面又は両面に配置された、無機粒子及び耐熱性樹脂の少なくとも一方を含有する耐熱層と、を備える、
<1>~<4>のいずれか1つに記載の非水系二次電池用セパレータ。
<7>
前記接着性多孔質層がフッ素含有樹脂を実質的に含有しない、<1>~<6>のいずれか1つに記載の非水系二次電池用セパレータ。
<8>
正極と、負極と、前記正極及び前記負極の間に配置された<1>~<7>のいずれか1つに記載の非水系二次電池用セパレータと、を備え、
リチウムイオンのドープ及び脱ドープにより起電力を得る、
非水系二次電池。
<1>
多孔質基材と、
前記多孔質基材の片面又は両面に配置された、アクリル系樹脂(1)を含有する接着性多孔質層と、を備え、
前記アクリル系樹脂(1)は、(メタ)アクリル酸と(メタ)アクリルアミド系単量体と(メタ)アクリル酸メチル及び(メタ)アクリル酸ブチルの少なくとも1種とを重合成分に含み、全重合成分に占める(メタ)アクリル酸及び(メタ)アクリルアミド系単量体の合計割合が20モル%以上であり、(メタ)アクリル酸と(メタ)アクリルアミド系単量体のモル比が40:60~60:40である、
非水系二次電池用セパレータ。
<2>
前記アクリル系樹脂(1)は、全重合成分に占める(メタ)アクリル酸メチル及び(メタ)アクリル酸ブチルの合計割合が10モル%~80モル%である、<1>に記載の非水系二次電池用セパレータ。
<3>
前記接着性多孔質層がさらに無機粒子を含有する、<1>又は<2>に記載の非水系二次電池用セパレータ。
<4>
前記非水系二次電池用セパレータの透気度が100秒/100mL~1000秒/100mLである、<1>~<3>のいずれか1つに記載の非水系二次電池用セパレータ。
<5>
前記多孔質基材がポリオレフィン微多孔膜を含む、<1>~<4>のいずれか1つに記載の非水系二次電池用セパレータ。
<6>
前記多孔質基材が、
ポリオレフィン微多孔膜と、
前記ポリオレフィン微多孔膜の片面又は両面に配置された、無機粒子及び耐熱性樹脂の少なくとも一方を含有する耐熱層と、を備える、
<1>~<4>のいずれか1つに記載の非水系二次電池用セパレータ。
<7>
前記接着性多孔質層がフッ素含有樹脂を実質的に含有しない、<1>~<6>のいずれか1つに記載の非水系二次電池用セパレータ。
<8>
正極と、負極と、前記正極及び前記負極の間に配置された<1>~<7>のいずれか1つに記載の非水系二次電池用セパレータと、を備え、
リチウムイオンのドープ及び脱ドープにより起電力を得る、
非水系二次電池。
本開示によれば、ウェットヒートプレスによって電極へ接着する非水系二次電池用セパレータが提供される。
以下に、本開示の実施形態について説明する。これらの説明及び実施例は実施形態を例示するものであり、実施形態の範囲を制限するものではない。
本開示において「~」を用いて示された数値範囲は、「~」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示す。
本開示中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本開示中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
本開示中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本開示中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
本開示において「A及び/又はB」は、「A及びBのうちの少なくとも1つ」と同義である。つまり、「A及び/又はB」は、Aだけであってもよいし、Bだけであってもよいし、A及びBの組み合わせであってもよい、という意味である。
本開示において「工程」との語は、独立した工程だけでなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の目的が達成されれば、本用語に含まれる。
本開示において組成物中の各成分の量について言及する場合、組成物中に各成分に該当する物質が複数種存在する場合には、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の物質の合計量を意味する。
本開示において各成分に該当する粒子は複数種含んでいてもよい。組成物中に各成分に該当する粒子が複数種存在する場合、各成分の粒径は、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の粒子の混合物についての値を意味する。
本開示において各成分に該当する粒子は複数種含んでいてもよい。組成物中に各成分に該当する粒子が複数種存在する場合、各成分の粒径は、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の粒子の混合物についての値を意味する。
本開示において、MD(Machine Direction)とは、長尺状に製造されるセパレータにおいて長尺方向を意味し、TD(Transverse Direction)とは、セパレータの面方向においてMDに直交する方向を意味する。本開示において、TDを「幅方向」ともいう。
本開示において、セパレータを構成する各層の積層関係について「上」及び「下」で表現する場合、多孔質基材に対してより近い層について「下」といい、多孔質基材に対してより遠い層について「上」という。
本開示において、多孔質層の空孔を除いた体積を「固形分体積」という。
本開示において、セパレータに電解液を浸透させて熱プレス処理を行うことを「ウェットヒートプレス」といい、セパレータに電解液を浸透させずに熱プレス処理を行うことを「ドライヒートプレス」という。
本開示において「(メタ)アクリル」との表記は「アクリル」及び「メタクリル」のいずれでもよいことを意味する。
本開示において、重合体又は樹脂の「単量体単位」とは、重合体又は樹脂の構成単位であって、単量体が重合してなる構成単位を意味する。
<非水系二次電池用セパレータ>
本開示の非水系二次電池用セパレータ(本開示において単に「セパレータ」ともいう。)は、多孔質基材と、多孔質基材の片面又は両面に配置された、アクリル系樹脂(1)を含有する接着性多孔質層とを備える。
本開示の非水系二次電池用セパレータ(本開示において単に「セパレータ」ともいう。)は、多孔質基材と、多孔質基材の片面又は両面に配置された、アクリル系樹脂(1)を含有する接着性多孔質層とを備える。
アクリル系樹脂(1)は、(メタ)アクリル酸と、(メタ)アクリルアミド系単量体と、(メタ)アクリル酸メチル及び(メタ)アクリル酸ブチルの少なくとも1種とを重合成分に含み、全重合成分に占める(メタ)アクリル酸及び(メタ)アクリルアミド系単量体の合計割合が20モル%以上であり、(メタ)アクリル酸と(メタ)アクリルアミド系単量体のモル比が40:60~60:40である、アクリル系樹脂である。
本開示のセパレータは、接着性多孔質層がアクリル系樹脂(1)を含有することにより、ウェットヒートプレスによって電極へ接着する。その機序は、下記のように推定される。
ウェットヒートプレスは、セパレータに電解液を浸透させて熱プレスを行う処理である。この処理の際、セパレータ表面の樹脂が電解液によって過度に膨潤すると、セパレータが電極に接着しにくい、又は、セパレータが電極に接着してもはがれやすい。
アクリル系樹脂(1)は、電解液が浸透したとき、(メタ)アクリル酸単位のカルボキシ基と(メタ)アクリルアミド系単量体単位のアミド結合との間で水素結合を形成すると考えられる。アクリル系樹脂(1)の分子間で上記の水素結合が形成されることによってアクリル系樹脂(1)は電解液によって過度に膨潤することがなく、結果、アクリル系樹脂(1)を含有する接着性多孔質層はウェットヒートプレスによって電極へ接着し、そして電極からはがれにくいと推定される。
アクリル系樹脂(1)は、電解液が浸透したとき、(メタ)アクリル酸単位のカルボキシ基と(メタ)アクリルアミド系単量体単位のアミド結合との間で水素結合を形成すると考えられる。アクリル系樹脂(1)の分子間で上記の水素結合が形成されることによってアクリル系樹脂(1)は電解液によって過度に膨潤することがなく、結果、アクリル系樹脂(1)を含有する接着性多孔質層はウェットヒートプレスによって電極へ接着し、そして電極からはがれにくいと推定される。
以下の構造式に、(メタ)アクリル酸単位のカルボキシ基と(メタ)アクリルアミド系単量体単位のアミド結合との間で形成される水素結合の形態例を挙げる。本形態例は、メタクリル酸単位のカルボキシ基とN-メチルメタクリルアミド単位のアミド結合との間で形成される水素結合を示す。
アクリル系樹脂(1)は、(メタ)アクリル酸単位のカルボキシ基と(メタ)アクリルアミド系単量体単位のアミド結合との間で形成される水素結合の個数を確保する観点から、全重合成分に占める(メタ)アクリル酸及び(メタ)アクリルアミド系単量体の合計割合が20モル%以上であり、25モル%以上であることが好ましく、30モル%以上であることがより好ましく、35モル%以上であることが更に好ましい。
アクリル系樹脂(1)の全重合成分に占める(メタ)アクリル酸及び(メタ)アクリルアミド系単量体の合計割合は、例えば、90モル%以下でよく、70モル%以下でもよく、50モル%以下でもよく、45モル%以下でもよく、40モル%以下でもよい。
アクリル系樹脂(1)の全重合成分に占める(メタ)アクリル酸及び(メタ)アクリルアミド系単量体の合計割合は、例えば、90モル%以下でよく、70モル%以下でもよく、50モル%以下でもよく、45モル%以下でもよく、40モル%以下でもよい。
アクリル系樹脂(1)は、(メタ)アクリル酸単位のカルボキシ基と(メタ)アクリルアミド系単量体単位のアミド結合との間で効率的に水素結合を形成する観点から、重合成分である(メタ)アクリル酸と(メタ)アクリルアミド系単量体のモル比が40:60~60:40であり、45:55~60:40であることが好ましく、50:50~60:40であることがより好ましい。
アクリル系樹脂(1)は、接着性多孔質層を形成するための塗工液を構成する有機溶媒への可溶性、ガラス転移温度の制御などの観点から、(メタ)アクリル酸メチル及び(メタ)アクリル酸ブチルの少なくとも1種を重合成分に含む。アクリル系樹脂(1)は、上記の観点から、(メタ)アクリル酸メチル及び(メタ)アクリル酸ブチルの両方を重合成分に含むことが好ましい。
アクリル系樹脂(1)の全重合成分に占める(メタ)アクリル酸メチル及び(メタ)アクリル酸ブチルの合計割合は、上記の観点から、10モル%~80モル%であることが好ましく、30モル%~70モル%であることがより好ましく、50モル%~65モル%であることが更に好ましい。
アクリル系樹脂(1)の全重合成分に占める(メタ)アクリル酸メチル及び(メタ)アクリル酸ブチルの合計割合は、上記の観点から、10モル%~80モル%であることが好ましく、30モル%~70モル%であることがより好ましく、50モル%~65モル%であることが更に好ましい。
アクリル系樹脂(1)の構成単位の分析は、核磁気共鳴法 (Nuclear magnetic resonance、NMR) によって可能である。接着性多孔質層から抽出したアクリル系樹脂(1)又は接着性多孔質層の形成に用いるアクリル系樹脂(1)を試料にして分析する。
本開示のセパレータは、多孔質基材の片面又は両面に、アクリル系樹脂(1)を含有する接着性多孔質層を有する。本開示のセパレータの実施形態例として、下記の形態(1)~(3)が挙げられる。
形態(1):多孔質基材の両面に、セパレータの最外層として、アクリル系樹脂(1)を含有する接着性多孔質層を有するセパレータ。当該セパレータにおいて一方の面の接着性多孔質層と他方の面の接着性多孔質層とは、成分及び/又は組成において同じでもよく異なっていてもよい。
形態(2):多孔質基材の一方の面に、セパレータの最外層として、アクリル系樹脂(1)を含有する接着性多孔質層を有し、多孔質基材の他方の面に別の層を有するセパレータ。
形態(3):多孔質基材の一方の面に、セパレータの最外層として、アクリル系樹脂(1)を含有する接着性多孔質層を有し、多孔質基材の他方の面に層を有しない(すなわち、多孔質基材の表面が露出している。)セパレータ。
以下、本開示のセパレータが有する多孔質基材及び接着性多孔質層の詳細を説明する。
[多孔質基材]
本開示において多孔質基材とは、内部に空孔ないし空隙を有する基材を意味する。このような基材としては、微多孔膜;繊維状物からなる、不織布、紙等の多孔性シート;これら微多孔膜又は多孔性シートに他の多孔性の層を1層以上積層した複合多孔質シート;などが挙げられる。
本開示において多孔質基材とは、内部に空孔ないし空隙を有する基材を意味する。このような基材としては、微多孔膜;繊維状物からなる、不織布、紙等の多孔性シート;これら微多孔膜又は多孔性シートに他の多孔性の層を1層以上積層した複合多孔質シート;などが挙げられる。
多孔質基材の材料は、電気絶縁性を有する材料であることが好ましい。
多孔質基材は、セパレータの薄膜化及び強度の観点から、微多孔膜が好ましい。微多孔膜とは、内部に多数の微細孔を有し、微細孔が連結した構造となっており、一方の面から他方の面へと気体又は液体が通過可能となった膜を意味する。
多孔質基材は、熱寸法安定性の観点から、微多孔膜に多孔性の耐熱層を1層以上積層した複合多孔質基材が好ましい。多孔性の耐熱層は、無機粒子及び耐熱性樹脂の少なくとも一方を含有する耐熱層であることが好ましい。
本開示において耐熱性樹脂とは、融点が200℃以上の樹脂、又は、融点を有さず分解温度が200℃以上の樹脂を指す。つまり、本開示における耐熱性樹脂とは、200℃未満の温度領域で溶融及び分解を起こさない樹脂である。
本開示において耐熱性樹脂とは、融点が200℃以上の樹脂、又は、融点を有さず分解温度が200℃以上の樹脂を指す。つまり、本開示における耐熱性樹脂とは、200℃未満の温度領域で溶融及び分解を起こさない樹脂である。
多孔質基材は、多孔質基材にシャットダウン機能を付与するため、熱可塑性樹脂を含むことが好ましい。シャットダウン機能とは、電池温度が高まった際に、構成材料が溶解して多孔質基材の孔を閉塞することによりイオンの移動を遮断し、電池の熱暴走を防止する機能をいう。熱可塑性樹脂としては、融点200℃未満の熱可塑性樹脂が好ましい。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル;ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン;などが挙げられ、中でもポリオレフィンが好ましい。
多孔質基材としては、多孔質基材にシャットダウン機能を付与する観点から、ポリオレフィンを含む微多孔膜(本開示において「ポリオレフィン微多孔膜」という。)を含む多孔質基材が好ましい。
ポリオレフィン微多孔膜を含む多孔質基材として、ポリオレフィン微多孔膜のみからなる多孔質基材(すなわちポリオレフィン微多孔膜)と、ポリオレフィン微多孔膜の片面又は両面に多孔性の耐熱層を配置した複合多孔質基材とが挙げられる。ここで多孔性の耐熱層は、無機粒子及び耐熱性樹脂の少なくとも一方を含有する耐熱層が好ましい。
ポリオレフィン微多孔膜を含む多孔質基材として、ポリオレフィン微多孔膜のみからなる多孔質基材(すなわちポリオレフィン微多孔膜)と、ポリオレフィン微多孔膜の片面又は両面に多孔性の耐熱層を配置した複合多孔質基材とが挙げられる。ここで多孔性の耐熱層は、無機粒子及び耐熱性樹脂の少なくとも一方を含有する耐熱層が好ましい。
ポリオレフィン微多孔膜としては、例えば、従来の電池セパレータに適用されているポリオレフィン微多孔膜が挙げられ、この中から十分な力学特性及びイオン透過性を有するものを選択することが好ましい。
ポリオレフィン微多孔膜は、シャットダウン機能を発現する観点から、ポリエチレンを含む微多孔膜が好ましく、ポリエチレンの含有量としては、ポリオレフィン微多孔膜全体の質量に対して95質量%以上が好ましい。
ポリオレフィン微多孔膜は、高温に曝されたときに容易に破膜しない耐熱性を備える観点から、ポリプロピレンを含む微多孔膜が好ましい。
ポリオレフィン微多孔膜は、シャットダウン機能と、高温に曝されたときに容易に破膜しない耐熱性とを備える観点から、ポリエチレン及びポリプロピレンを含むポリオレフィン微多孔膜が好ましい。ポリエチレン及びポリプロピレンを含むポリオレフィン微多孔膜としては、ポリエチレンとポリプロピレンが1つの層において混在している微多孔膜が挙げられる。当該微多孔膜においては、シャットダウン機能と耐熱性の両立という観点から、95質量%以上のポリエチレンと5質量%以下のポリプロピレンとを含むことが好ましい。また、シャットダウン機能と耐熱性の両立という観点からは、2層以上の積層構造を備え、少なくとも1層はポリエチレンを含み、少なくとも1層はポリプロピレンを含む構造のポリオレフィン微多孔膜も好ましい。
ポリオレフィン微多孔膜に含まれるポリオレフィンとしては、重量平均分子量(Mw)が10万~500万のポリオレフィンが好ましい。ポリオレフィンのMwが10万以上であると、微多孔膜に十分な力学特性を付与できる。一方、ポリオレフィンのMwが500万以下であると、微多孔膜のシャットダウン特性が良好であるし、微多孔膜の成形がしやすい。
ポリオレフィン微多孔膜の製造方法としては、溶融したポリオレフィン樹脂をT-ダイから押し出してシート化し、これを結晶化処理した後延伸し、次いで熱処理をして微多孔膜とする方法:流動パラフィンなどの可塑剤と一緒に溶融したポリオレフィン樹脂をT-ダイから押し出し、これを冷却してシート化し、延伸した後、可塑剤を抽出し熱処理をして微多孔膜とする方法;などが挙げられる。
繊維状物からなる多孔性シートとしては、不織布、紙等の多孔性シートが挙げられる。繊維状物の材料として、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル;ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン;全芳香族ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルイミド等の耐熱性樹脂;セルロース;などが挙げられる。
複合多孔質シートとしては、微多孔膜又は繊維状物からなる多孔性シートに、機能層を積層したシートが挙げられる。このような複合多孔質シートは、機能層によってさらなる機能付加が可能となる観点から好ましい。機能層としては、例えば、複合多孔質シートに耐熱性を付与するという観点から、多孔性の耐熱層が挙げられる。微多孔膜又は多孔性シートと機能層の複合化の手法としては、微多孔膜又は多孔性シートの面上に機能層を塗工する方法、微多孔膜又は多孔性シートと機能層とを接着剤で接合する方法、微多孔膜又は多孔性シートと機能層とを熱圧着する方法等が挙げられる。
複合多孔質シートの実施形態の一例として、ポリオレフィン微多孔膜と、ポリオレフィン微多孔膜の片面又は両面に配置された、無機粒子及び耐熱性樹脂の少なくとも一方を含有する耐熱層と、を備える複合多孔質基材が挙げられる。耐熱層は多孔性の層である。
無機粒子としては、例えば、金属酸化物粒子(シリカ、アルミナ、ベーマイト、チタニア、ジルコニア、酸化マグネシウム、酸化バリウム等)、金属水酸化物粒子(水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、水酸化カルシウム、水酸化クロム、水酸化ジルコニウム、水酸化セリウム、水酸化ニッケル、水酸化ホウ素等)、金属硫酸塩粒子(硫酸バリウム、硫酸カルシウム等)、金属炭酸塩粒子(炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸バリウム等)、金属窒化物粒子(窒化ホウ素、窒化アルミニウム等)、粘土鉱物粒子(ケイ酸カルシウム、タルク等)が挙げられる。無機粒子は、シランカップリング剤等により表面修飾された無機粒子でもよい。
耐熱性樹脂としては、例えば、全芳香族ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルイミド等が挙げられる。
無機粒子としては、例えば、金属酸化物粒子(シリカ、アルミナ、ベーマイト、チタニア、ジルコニア、酸化マグネシウム、酸化バリウム等)、金属水酸化物粒子(水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、水酸化カルシウム、水酸化クロム、水酸化ジルコニウム、水酸化セリウム、水酸化ニッケル、水酸化ホウ素等)、金属硫酸塩粒子(硫酸バリウム、硫酸カルシウム等)、金属炭酸塩粒子(炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸バリウム等)、金属窒化物粒子(窒化ホウ素、窒化アルミニウム等)、粘土鉱物粒子(ケイ酸カルシウム、タルク等)が挙げられる。無機粒子は、シランカップリング剤等により表面修飾された無機粒子でもよい。
耐熱性樹脂としては、例えば、全芳香族ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルイミド等が挙げられる。
上記の複合多孔質基材が耐熱層に無機粒子を含有する場合、耐熱層は無機粒子を結着する結着樹脂も含有することが好ましい。結着樹脂は、耐熱性樹脂でもよく非耐熱性樹脂でもよい。非耐熱性樹脂としては、例えば、ブタジエン系高分子(例えば、ブタジエン単独重合体、スチレン-ブタジエン共重合体)、アクリル系樹脂(例えば、アクリル系単量体の単独重合体又は共重合体、アクリル系単量体とスチレン系単量体の共重合体)が挙げられる。
ポリオレフィン微多孔膜の片面又は両面に、無機粒子及び耐熱性樹脂の少なくとも一方を含有する耐熱層を配置する手法として、無機粒子及び耐熱性樹脂の少なくとも一方を含有する塗工液をポリオレフィン微多孔膜の片面又は両面に塗工する方法が挙げられる。
本開示において「多孔質基材」は、「複合多孔質基材」を含む用語である。
多孔質基材の表面には、接着性多孔質層を形成するための塗工液との濡れ性を向上させる目的で、多孔質基材の性質を損なわない範囲で、各種の表面処理を施してもよい。表面処理としては、コロナ処理、プラズマ処理、火炎処理、紫外線照射処理等が挙げられる。
-多孔質基材の特性-
多孔質基材の厚さは、機械的強度の観点から、1μm以上が好ましく、3μm以上がより好ましく、5μm以上が更に好ましい。
多孔質基材の厚さは、電池のエネルギー密度を高める観点から、10μm以下が好ましく、9μm以下がより好ましく、8μm以下が更に好ましい。
多孔質基材の厚さは、接触式の厚み計にて10cm四方内の20点を測定し、これを平均することで求める。
多孔質基材の厚さは、機械的強度の観点から、1μm以上が好ましく、3μm以上がより好ましく、5μm以上が更に好ましい。
多孔質基材の厚さは、電池のエネルギー密度を高める観点から、10μm以下が好ましく、9μm以下がより好ましく、8μm以下が更に好ましい。
多孔質基材の厚さは、接触式の厚み計にて10cm四方内の20点を測定し、これを平均することで求める。
多孔質基材の透気度は、電池の内部短絡を抑制する観点から、50秒/100mL以上が好ましく、70秒/100mL以上がより好ましく、90秒/100mL以上が更に好ましい。
多孔質基材の透気度は、電解液の浸透性及びイオン透過性に優れる観点から、220秒/100mL以下が好ましく、200秒/100mL以下がより好ましく、180秒/100mL以下が更に好ましい。
多孔質基材の透気度は、JIS P8117:2009に従って、デジタル型王研式透気度試験機を用いて測定し求める。
多孔質基材の透気度は、電解液の浸透性及びイオン透過性に優れる観点から、220秒/100mL以下が好ましく、200秒/100mL以下がより好ましく、180秒/100mL以下が更に好ましい。
多孔質基材の透気度は、JIS P8117:2009に従って、デジタル型王研式透気度試験機を用いて測定し求める。
多孔質基材がポリオレフィン微多孔膜のみからなる多孔質基材(すなわちポリオレフィン微多孔膜)である場合、透気度は、50秒/100mL~180秒/100mLが好ましく、70秒/100mL~160秒/100mL以下がより好ましく、90秒/100mL~140秒/100mLが更に好ましい。
多孔質基材がポリオレフィン微多孔膜の片面又は両面に多孔性の耐熱層を配置した複合多孔質基材である場合、透気度は、90秒/100mL~220秒/100mLが好ましく、100秒/100mL~210秒/100mL以下がより好ましく、110秒/100mL~200秒/100mLが更に好ましい。
多孔質基材がポリオレフィン微多孔膜の片面又は両面に多孔性の耐熱層を配置した複合多孔質基材である場合、透気度は、90秒/100mL~220秒/100mLが好ましく、100秒/100mL~210秒/100mL以下がより好ましく、110秒/100mL~200秒/100mLが更に好ましい。
多孔質基材の空孔率は、電解液の浸透性及びイオン透過性に優れる観点から、30%~60%が好ましい。
多孔質基材の空孔率ε(%)は、下記の式により求める。
ε={1-Ws/(ds・t)}×100
ここに、Wsは多孔質基材の目付(g/m2)、dsは多孔質基材の真密度(g/cm3)、tは多孔質基材の厚さ(μm)である。目付とは、単位面積当たりの質量である。
多孔質基材の空孔率ε(%)は、下記の式により求める。
ε={1-Ws/(ds・t)}×100
ここに、Wsは多孔質基材の目付(g/m2)、dsは多孔質基材の真密度(g/cm3)、tは多孔質基材の厚さ(μm)である。目付とは、単位面積当たりの質量である。
[接着性多孔質層]
接着性多孔質層は、多孔質基材の面上に配置された層であり、セパレータの最外層である。接着性多孔質層は、多数の隙間又は微細孔を有し、一方の面から他方の面へと気体又は液体が通過可能な層である。
接着性多孔質層は、多孔質基材の面上に配置された層であり、セパレータの最外層である。接着性多孔質層は、多数の隙間又は微細孔を有し、一方の面から他方の面へと気体又は液体が通過可能な層である。
本開示のセパレータにおいて接着性多孔質層は、アクリル系樹脂(1)を含有する網目状構造を有することが好ましい。接着性多孔質層の網目状構造は、樹脂が連続的に網目状につながり多数の空孔を有する構造を意味する。接着性多孔質層の網目状構造は、セパレータの面方向の平面的な網目状構造でもよく、セパレータの面方向及び厚さ方向の三次元網目状構造でもよい。
接着性多孔質層の三次元網目状構造は、セパレータを電極と接着させるための熱プレスによって平坦化し、電極と接着した状態のセパレータにおいて一部又は全部が平面的な網目状構造になっている場合がある。
接着性多孔質層の三次元網目状構造は、セパレータを電極と接着させるための熱プレスによって平坦化し、電極と接着した状態のセパレータにおいて一部又は全部が平面的な網目状構造になっている場合がある。
接着性多孔質層の網目状構造は、セパレータの表面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察することで確認できる。
接着性多孔質層の網目状構造の形態の例として、アクリル系樹脂(1)を含有するフィブリルが二次元又は三次元の網目状に連結された多孔質構造;アクリル系樹脂(1)を含有する網目状微多孔構造;などが挙げられる。
接着性多孔質層が無機粒子を含有する場合、接着性多孔質層の形態の例として、アクリル系樹脂(1)を含有するフィブリルが二次元又は三次元の網目状に連結された多孔質構造に無機粒子が結着又は捕捉された構造;アクリル系樹脂(1)を含有する網目状微多孔構造に無機粒子が結着又は捕捉された構造;アクリル系樹脂(1)が多数の無機粒子どうしを連結して無機粒子間に空隙が形成された層状構造;などが挙げられる。
-アクリル系樹脂(1)-
アクリル系樹脂(1)は、少なくとも、(メタ)アクリル酸と、(メタ)アクリルアミド系単量体と、(メタ)アクリル酸メチル及び(メタ)アクリル酸ブチルの少なくとも1種とを重合成分に含む。アクリル系樹脂(1)は、上記以外のその体の単量体を重合成分に含んでいてもよい。
アクリル系樹脂(1)は、少なくとも、(メタ)アクリル酸と、(メタ)アクリルアミド系単量体と、(メタ)アクリル酸メチル及び(メタ)アクリル酸ブチルの少なくとも1種とを重合成分に含む。アクリル系樹脂(1)は、上記以外のその体の単量体を重合成分に含んでいてもよい。
(メタ)アクリルアミド系単量体としては、下記の式(1)で表される(メタ)アクリルアミド系単量体が好ましい。
式(1)において、R1は水素原子又はメチル基であり、R2及びR3はそれぞれ独立に水素原子又は炭素数1~4のアルキル基である。アルキル基は、直鎖、分岐鎖及び環のいずれでもよい。
R2及びR3はそれぞれ独立に、水素原子又は炭素数1~3のアルキル基であることが好ましく、水素原子、メチル基又はエチル基であることがより好ましく、水素原子又はメチル基であることが更に好ましい。
R2及びR3はそれぞれ独立に、水素原子又は炭素数1~3のアルキル基であることが好ましく、水素原子、メチル基又はエチル基であることがより好ましく、水素原子又はメチル基であることが更に好ましい。
(メタ)アクリルアミド系単量体としては、アクリルアミド、メタクリルアミド、N-メチルアクリルアミド、N-メチルメタクリルアミド、N,N-ジメチルアクリルアミド、N,N-ジメチルメタクリルアミドからなる群から選ばれる少なくとも1種が好ましい。
アクリル系樹脂(1)の全重合成分に占める(メタ)アクリル酸及び(メタ)アクリルアミド系単量体の合計割合は、20モル%以上であり、20モル%~90モル%が好ましく、20モル%~70モル%がより好ましく、20モル%~50モル%が更に好ましく、25モル%~45モル%が更に好ましく、30モル%~40モル%が更に好ましく、35モル%~40モル%が特に好ましい。
アクリル系樹脂(1)の全重合成分に占める(メタ)アクリル酸の割合は、10モル%~50モル%が好ましく、15モル%~40モル%がより好ましく、20モル%~30モル%が更に好ましく、20モル%~25モル%が特に好ましい。
アクリル系樹脂(1)の全重合成分に占める(メタ)アクリルアミド系単量体の割合は、10モル%~40モル%が好ましく、10モル%~30モル%がより好ましく、10モル%~25モル%が更に好ましく、15モル%~20モル%が特に好ましい。
アクリル系樹脂(1)の全重合成分に占める(メタ)アクリル酸の割合は、10モル%~50モル%が好ましく、15モル%~40モル%がより好ましく、20モル%~30モル%が更に好ましく、20モル%~25モル%が特に好ましい。
アクリル系樹脂(1)の全重合成分に占める(メタ)アクリルアミド系単量体の割合は、10モル%~40モル%が好ましく、10モル%~30モル%がより好ましく、10モル%~25モル%が更に好ましく、15モル%~20モル%が特に好ましい。
アクリル系樹脂(1)の重合成分である(メタ)アクリル酸と(メタ)アクリルアミド系単量体のモル比は、40:60~60:40であり、45:55~60:40が好ましく、50:50~60:40がより好ましい。
アクリル系樹脂(1)の全重合成分に占める(メタ)アクリル酸メチル及び(メタ)アクリル酸ブチルの合計割合は、10モル%~80モル%が好ましく、30モル%~70モル%がより好ましく、50モル%~65モル%が更に好ましい。
アクリル系樹脂(1)の全重合成分に占める(メタ)アクリル酸メチルの割合は、10モル%~65モル%が好ましく、25モル%~60モル%がより好ましく、40モル%~55モル%が更に好ましい。
アクリル系樹脂(1)の全重合成分に占める(メタ)アクリル酸ブチルの割合は、5モル%~25モル%が好ましく、10モル%~20モル%がより好ましく、10モル%~15モル%が更に好ましい。
アクリル系樹脂(1)の全重合成分に占める(メタ)アクリル酸メチルの割合は、10モル%~65モル%が好ましく、25モル%~60モル%がより好ましく、40モル%~55モル%が更に好ましい。
アクリル系樹脂(1)の全重合成分に占める(メタ)アクリル酸ブチルの割合は、5モル%~25モル%が好ましく、10モル%~20モル%がより好ましく、10モル%~15モル%が更に好ましい。
(メタ)アクリル酸ブチルは、アクリル酸n-ブチル、メタクリル酸n-ブチル、アクリル酸sec-ブチル、メタクリル酸sec-ブチル、アクリル酸イソブチル、メタクリル酸イソブチル、アクリル酸t-ブチル及びメタクリル酸t-ブチルからなる群から選ばれる少なくとも1種であり、アクリル酸n-ブチル及びメタクリル酸n-ブチルの少なくとも一方であることが好ましい。
その体の単量体としては、例えば、(メタ)アクリル酸メチル及び(メタ)アクリル酸ブチル以外の(メタ)アクリル酸低級アルキルエステル(アルキル基の炭素数8以下)が挙げられる。当該(メタ)アクリル酸低級アルキルエステルとしては、例えば、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸n-プロピル、(メタ)アクリル酸イソプロピル、(メタ)アクリル酸n-ペンチル、(メタ)アクリル酸イソペンチル、(メタ)アクリル酸ネオペンチル、(メタ)アクリル酸n-ヘキシル、(メタ)アクリル酸イソヘキシル、(メタ)アクリル酸n-ヘプチル、(メタ)アクリル酸イソヘプチル、(メタ)アクリル酸n-オクチル、(メタ)アクリル酸イソオクチル、(メタ)アクリル酸2-エチルヘキシルが挙げられる。
その体の単量体としては、例えば、スチレン系単量体が挙げられる。スチレン系単量体としては、例えば、スチレン、α-メチルスチレン;2-メチルスチレン、3-メチルスチレン、4-メチルスチレン、2-エチルスチレン、3-エチルスチレン、4-エチルスチレン等のアルキル置換スチレン;が挙げられる。スチレン系単量体としては、スチレン及びα-メチルスチレンが好ましく、スチレンがより好ましい。
その体の単量体としては、例えば、ビニルニトリル化合物が挙げられる。ビニルニトリル化合物としては、例えば、アクリロニトリル、メタクリロニトリルが挙げられる。
アクリル系樹脂(1)の全重合成分に占める(メタ)アクリル酸、(メタ)アクリルアミド系単量体、(メタ)アクリル酸メチル及び(メタ)アクリル酸ブチルの合計割合は、30モル%~100モル%が好ましく、60モル%~100モル%がより好ましく、90モル%~100モル%が更に好ましい。
アクリル系樹脂(1)の実施形態の一例として、(メタ)アクリル酸と、式(1)で表される(メタ)アクリルアミド系単量体と、(メタ)アクリル酸メチルと、(メタ)アクリル酸ブチルとを重合成分に含むアクリル系樹脂(1)が挙げられる。当該アクリル系樹脂(1)の全重合成分に占める上記単量体の合計割合は、90モル%~100モル%であることが好ましい。
当該アクリル系樹脂(1)の全重合成分に占める各単量体の割合は、(メタ)アクリル酸が20モル%~25モル%であることが好ましく、式(1)で表される(メタ)アクリルアミド系単量体が15モル%~20モル%であることが好ましく、(メタ)アクリル酸メチルが40モル%~55モル%であることが好ましく、(メタ)アクリル酸ブチルが10モル%~15モル%であることが好ましい。
当該アクリル系樹脂(1)の全重合成分に占める各単量体の割合は、(メタ)アクリル酸が20モル%~25モル%であることが好ましく、式(1)で表される(メタ)アクリルアミド系単量体が15モル%~20モル%であることが好ましく、(メタ)アクリル酸メチルが40モル%~55モル%であることが好ましく、(メタ)アクリル酸ブチルが10モル%~15モル%であることが好ましい。
アクリル系樹脂(1)の実施形態の一例として、(メタ)アクリル酸と、N-メチル(メタ)アクリルアミド及びN,N-ジメチル(メタ)アクリルアミドの少なくとも1種と、(メタ)アクリル酸メチルと、(メタ)アクリル酸n-ブチルとを重合成分に含むアクリル系樹脂(1)が挙げられる。当該アクリル系樹脂(1)の全重合成分に占める上記単量体の合計割合は、90モル%~100モル%であることが好ましい。
当該アクリル系樹脂(1)の全重合成分に占める各単量体の割合は、(メタ)アクリル酸が20モル%~25モル%であることが好ましく、N-メチル(メタ)アクリルアミド及びN,N-ジメチル(メタ)アクリルアミドの合計が15モル%~20モル%であることが好ましく、(メタ)アクリル酸メチルが40モル%~55モル%であることが好ましく、(メタ)アクリル酸n-ブチルが10モル%~15モル%であることが好ましい。
当該アクリル系樹脂(1)の全重合成分に占める各単量体の割合は、(メタ)アクリル酸が20モル%~25モル%であることが好ましく、N-メチル(メタ)アクリルアミド及びN,N-ジメチル(メタ)アクリルアミドの合計が15モル%~20モル%であることが好ましく、(メタ)アクリル酸メチルが40モル%~55モル%であることが好ましく、(メタ)アクリル酸n-ブチルが10モル%~15モル%であることが好ましい。
アクリル系樹脂(1)の重量平均分子量は、5万~50万が好ましく、8万~40万がより好ましい。
アクリル系樹脂(1)の重量平均分子量は、ゲル浸透クロマトグラフィー(Gel Permeation Chromatography、GPC)により測定した、ポリスチレン換算の分子量である。接着性多孔質層から抽出したアクリル系樹脂(1)又は接着性多孔質層の形成に用いるアクリル系樹脂(1)を試料にして測定する。
アクリル系樹脂(1)の重量平均分子量は、ゲル浸透クロマトグラフィー(Gel Permeation Chromatography、GPC)により測定した、ポリスチレン換算の分子量である。接着性多孔質層から抽出したアクリル系樹脂(1)又は接着性多孔質層の形成に用いるアクリル系樹脂(1)を試料にして測定する。
-その他の樹脂-
接着性多孔質層は、アクリル系樹脂(1)以外のその他の樹脂を含んでいてもよい。その他の樹脂としては、例えば、アクリル系樹脂(1)以外のアクリル系樹脂、ブタジエン-アクリロニトリル系樹脂、ビニルニトリル化合物(アクリロニトリル、メタクリロニトリル等)の単独重合体又は共重合体、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシアルキルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリビニルピロリドン、ポリエーテル(ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド等)、又はこれらの2種以上の混合物が挙げられる。これら樹脂は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
接着性多孔質層は、アクリル系樹脂(1)以外のその他の樹脂を含んでいてもよい。その他の樹脂としては、例えば、アクリル系樹脂(1)以外のアクリル系樹脂、ブタジエン-アクリロニトリル系樹脂、ビニルニトリル化合物(アクリロニトリル、メタクリロニトリル等)の単独重合体又は共重合体、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシアルキルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリビニルピロリドン、ポリエーテル(ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド等)、又はこれらの2種以上の混合物が挙げられる。これら樹脂は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
接着性多孔質層の全樹脂に占めるその他の樹脂の質量割合は、10質量%以下が好ましく、5質量%以下がより好ましく、1質量%以下が更に好ましい。
接着性多孔質層の全樹脂に占めるアクリル系樹脂(1)の質量割合は、90質量%以上が好ましく、95質量%以上がより好ましく、99質量%以上が更に好ましく、100質量%が特に好ましい。
接着性多孔質層の全樹脂に占めるアクリル系樹脂(1)の質量割合は、90質量%以上が好ましく、95質量%以上がより好ましく、99質量%以上が更に好ましく、100質量%が特に好ましい。
接着性多孔質層は、フッ素含有樹脂を実質的に含有しないことが好ましい。フッ素含有樹脂としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、フッ素系ゴムが挙げられる。ポリフッ化ビニリデン系樹脂としては、例えば、フッ化ビニリデンの単独重合体(すなわちポリフッ化ビニリデン);フッ化ビニリデンと、ヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン、トリフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、フッ化ビニル、トリクロロエチレン等の含ハロゲン単量体との共重合体;フッ化ビニリデンと、含ハロゲン単量体以外のその他の単量体との共重合体;フッ化ビニリデンと、含ハロゲン単量体と、含ハロゲン単量体以外のその他の単量体との共重合体;これらの混合物;が挙げられる。
接着性多孔質層がフッ素含有樹脂を実質的に含有しないとは、接着性多孔質層に占めるフッ素含有樹脂の質量割合が1質量%以下であることを意味する。
接着性多孔質層に占めるフッ素含有樹脂の質量割合は、少ないほど好ましく、0.5質量%以下であることが好ましく、0.1質量%以下であることがより好ましく、0質量%であることが特に好ましい。すなわち、接着性多孔質層がフッ素含有樹脂を含有しないことが特に好ましい。
接着性多孔質層に占めるフッ素含有樹脂の質量割合は、少ないほど好ましく、0.5質量%以下であることが好ましく、0.1質量%以下であることがより好ましく、0質量%であることが特に好ましい。すなわち、接着性多孔質層がフッ素含有樹脂を含有しないことが特に好ましい。
-粒子-
接着性多孔質層は、さらに粒子を含有していてもよい。粒子として、無機粒子及び/又は有機粒子が挙げられる。
接着性多孔質層は、さらに粒子を含有していてもよい。粒子として、無機粒子及び/又は有機粒子が挙げられる。
接着性多孔質層の実施形態の一例として、粒子を実質的に含有しない形態が挙げられる。接着性多孔質層が粒子を実質的に含有しないとは、接着性多孔質層に含まれるアクリル系樹脂(1)及び粒子に占める粒子の体積割合が5体積%未満であることを意味する。本実施形態において接着性多孔質層に含まれるアクリル系樹脂(1)及び粒子に占める粒子の体積割合は、0体積%以上5体積%未満である。
-無機粒子-
接着性多孔質層は、無機粒子を含有していてもよい。セパレータは、高温においても熱収縮しにくい熱寸法安定性の観点から、無機粒子を含有する接着性多孔質層を備えることが好ましい。
接着性多孔質層は、無機粒子を含有していてもよい。セパレータは、高温においても熱収縮しにくい熱寸法安定性の観点から、無機粒子を含有する接着性多孔質層を備えることが好ましい。
無機粒子としては、例えば、金属酸化物粒子、金属水酸化物粒子、金属硫酸塩粒子、金属炭酸塩粒子、金属窒化物粒子、粘土鉱物粒子が挙げられる。
金属酸化物粒子を構成する金属酸化物としては、シリカ(二酸化ケイ素)、アルミナ(酸化アルミニウム)、ベーマイト(アルミナ1水和物)、チタニア(酸化チタン)、ジルコニア(酸化ジルコニウム)、酸化マグネシウム、酸化バリウム等が挙げられ、アルミナが好ましい。
金属水酸化物粒子を構成する金属水酸化物としては、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、水酸化カルシウム、水酸化クロム、水酸化ジルコニウム、水酸化セリウム、水酸化ニッケル、水酸化ホウ素等が挙げられ、水酸化マグネシウムが好ましい。
金属硫酸塩粒子を構成する金属硫酸塩としては、硫酸バリウム、硫酸カルシウム等が挙げられ、硫酸バリウムが好ましい。
金属炭酸塩粒子を構成する金属炭酸塩としては、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸バリウム等が挙げられる。
金属窒化物粒子を構成する金属窒化物としては、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等が挙げられる。
粘土鉱物粒子としては、ケイ酸カルシウム、タルク等が挙げられる。
金属水酸化物粒子を構成する金属水酸化物としては、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、水酸化カルシウム、水酸化クロム、水酸化ジルコニウム、水酸化セリウム、水酸化ニッケル、水酸化ホウ素等が挙げられ、水酸化マグネシウムが好ましい。
金属硫酸塩粒子を構成する金属硫酸塩としては、硫酸バリウム、硫酸カルシウム等が挙げられ、硫酸バリウムが好ましい。
金属炭酸塩粒子を構成する金属炭酸塩としては、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸バリウム等が挙げられる。
金属窒化物粒子を構成する金属窒化物としては、窒化ホウ素、窒化アルミニウム等が挙げられる。
粘土鉱物粒子としては、ケイ酸カルシウム、タルク等が挙げられる。
無機粒子は、シランカップリング剤等により表面修飾された無機粒子でもよい。
無機粒子は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
無機粒子として、電解液に対する安定性及び電気化学的な安定性の観点から、金属酸化物粒子、金属水酸化物粒子及び金属硫酸塩粒子からなる群から選ばれる少なくとも1種が好ましい。なかでも、アルミナ粒子(酸化アルミニウム粒子)、水酸化マグネシウム粒子及び硫酸バリウム粒子からなる群から選ばれる少なくとも1種がより好ましい。
無機粒子として、電解液又は電解質を分解しにくく、したがって電池内部でガス発生を起しにくい観点から、金属硫酸塩粒子が好ましく、硫酸バリウム粒子がより好ましい。
無機粒子の粒子形状に限定はなく、球形、楕円形、板状、針状、不定形のいずれでもよい。接着性多孔質層に含まれる無機粒子は、電池の内部短絡を抑制する観点から、板状の粒子又は凝集していない一次粒子であることが好ましい。
接着性多孔質層に含まれる無機粒子の平均一次粒径は、0.01μm~2μmであることが好ましく、0.05μm~1μmがより好ましく、0.1μm~0.5μmが更に好ましい。
無機粒子の平均一次粒径が0.01μm以上であると、接着性多孔質層に多孔質構造が形成されやすく、接着性多孔質層における電解液の浸透性及びイオン透過性に優れる。この観点から、無機粒子の平均一次粒径は、0.05μm以上であることがより好ましく、0.1μm以上であることが更に好ましい。
無機粒子の平均一次粒径が2μm以下であると、接着性多孔質層が電極に接着しやすく、また、電極からはがれにくい。この観点から、無機粒子の平均一次粒径は、1μm以下であることがより好ましく、0.5μm以下であることが更に好ましい。
無機粒子の平均一次粒径が0.01μm以上であると、接着性多孔質層に多孔質構造が形成されやすく、接着性多孔質層における電解液の浸透性及びイオン透過性に優れる。この観点から、無機粒子の平均一次粒径は、0.05μm以上であることがより好ましく、0.1μm以上であることが更に好ましい。
無機粒子の平均一次粒径が2μm以下であると、接着性多孔質層が電極に接着しやすく、また、電極からはがれにくい。この観点から、無機粒子の平均一次粒径は、1μm以下であることがより好ましく、0.5μm以下であることが更に好ましい。
無機粒子の平均一次粒径は、走査型電子顕微鏡(SEM)による観察において無作為に選んだ無機粒子100個の長径を計測し、100個の長径を平均することで求める。SEM観察に供する試料は、接着性多孔質層を形成する材料である無機粒子、又は、接着性多孔質層から取り出した無機粒子である。接着性多孔質層から無機粒子を取り出す方法に制限はない。当該方法は、例えば、セパレータから剥がした接着性多孔質層を、結着樹脂を溶解する有機溶剤に浸漬して有機溶剤で結着樹脂を溶解させ無機粒子を取り出す方法;セパレータから剥がした接着性多孔質層を800℃程度に加熱して結着樹脂を消失させ無機粒子を取り出す方法;などである。
接着性多孔質層が無機粒子を含有する場合、接着性多孔質層に含まれるアクリル系樹脂(1)及び無機粒子に占める無機粒子の体積割合は、電極に対するセパレータの接着性とセパレータの熱寸法安定性とをバランスよく発現する観点から、5体積%~50体積%が好ましく、10体積%~40体積%がより好ましく、15体積%~30体積%が更に好ましい。
接着性多孔質層が多孔質基材の両面にある場合、一方の接着性多孔質層に含まれる無機粒子の種類及び/又は含有量と、他方の接着性多孔質層に含まれる無機粒子の種類及び/又は含有量とは、同じでもよく異なっていてもよい。
接着性多孔質層の実施形態の一例として、無機粒子を実質的に含有しない形態が挙げられる。接着性多孔質層が無機粒子を実質的に含有しないとは、接着性多孔質層に含まれるアクリル系樹脂(1)及び無機粒子に占める無機粒子の体積割合が5体積%未満であることを意味する。本実施形態において接着性多孔質層に含まれるアクリル系樹脂(1)及び無機粒子に占める無機粒子の体積割合は、0体積%以上5体積%未満である。
-有機粒子-
接着性多孔質層は、有機粒子を含有していてもよい。有機粒子として、例えば、架橋ポリ(メタ)アクリル酸、架橋ポリ(メタ)アクリル酸エステル、架橋ポリシリコーン、架橋ポリスチレン、架橋ポリジビニルベンゼン、スチレン-ジビニルベンゼン共重合体架橋物、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ベンゾグアナミン-ホルムアルデヒド縮合物等の架橋高分子からなる粒子;ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、アラミド、ポリアセタール等の耐熱性高分子からなる粒子;などが挙げられる。
有機粒子を構成する樹脂は、上記の例示材料の、混合物、変性体、誘導体、共重合体(ランダム共重合体、交互共重合体、ブロック共重合体、グラフト共重合体)又は架橋体であってもよい。
接着性多孔質層は、有機粒子を含有していてもよい。有機粒子として、例えば、架橋ポリ(メタ)アクリル酸、架橋ポリ(メタ)アクリル酸エステル、架橋ポリシリコーン、架橋ポリスチレン、架橋ポリジビニルベンゼン、スチレン-ジビニルベンゼン共重合体架橋物、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ベンゾグアナミン-ホルムアルデヒド縮合物等の架橋高分子からなる粒子;ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、アラミド、ポリアセタール等の耐熱性高分子からなる粒子;などが挙げられる。
有機粒子を構成する樹脂は、上記の例示材料の、混合物、変性体、誘導体、共重合体(ランダム共重合体、交互共重合体、ブロック共重合体、グラフト共重合体)又は架橋体であってもよい。
有機粒子は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
接着性多孔質層の実施形態の一例として、有機粒子を実質的に含有しない形態が挙げられる。接着性多孔質層が有機粒子を実質的に含有しないとは、接着性多孔質層に含まれるアクリル系樹脂(1)及び有機粒子に占める有機粒子の体積割合が5体積%未満であることを意味する。本実施形態において接着性多孔質層に含まれるアクリル系樹脂(1)及び有機粒子に占める有機粒子の体積割合は、0体積%以上5体積%未満である。
-その他の成分-
接着性多孔質層は、界面活性剤等の分散剤、湿潤剤、消泡剤、pH調整剤などの添加剤を含んでいてもよい。分散剤は、例えば、接着性多孔質層を形成するための塗工液に、分散性、塗工性又は保存安定性を向上させる目的で添加される。湿潤剤、消泡剤、pH調整剤は、例えば、接着性多孔質層を形成するための塗工液に、多孔質基材とのなじみをよくする目的、塗工液へのエア噛み込みを抑制する目的、又はpH調整の目的で添加される。
接着性多孔質層は、界面活性剤等の分散剤、湿潤剤、消泡剤、pH調整剤などの添加剤を含んでいてもよい。分散剤は、例えば、接着性多孔質層を形成するための塗工液に、分散性、塗工性又は保存安定性を向上させる目的で添加される。湿潤剤、消泡剤、pH調整剤は、例えば、接着性多孔質層を形成するための塗工液に、多孔質基材とのなじみをよくする目的、塗工液へのエア噛み込みを抑制する目的、又はpH調整の目的で添加される。
-接着性多孔質層の特性-
接着性多孔質層が無機粒子を実質的に含有しない場合、接着性多孔質層の単位面積当たりの質量は、電極への接着性と電解液の浸透性及びイオン透過性とをバランスよく発現する観点から、セパレータの片面あたり0.3g/m2~2g/m2であることが好ましく、0.4g/m2~1.5g/m2がより好ましく、0.5g/m2~1g/m2が更に好ましい。
接着性多孔質層が無機粒子を実質的に含有しない場合、接着性多孔質層の単位面積当たりの質量は、電極への接着性と電解液の浸透性及びイオン透過性とをバランスよく発現する観点から、セパレータの片面あたり0.3g/m2~2g/m2であることが好ましく、0.4g/m2~1.5g/m2がより好ましく、0.5g/m2~1g/m2が更に好ましい。
無機粒子を実質的に含有しない接着性多孔質層がセパレータの両面にある場合、接着性多孔質層の単位面積当たりの質量は、両面の合計として、0.6g/m2~4g/m2が好ましく、0.8g/m2~3g/m2がより好ましく、1g/m2~2g/m2が更に好ましい。
接着性多孔質層が無機粒子を含有する場合、接着性多孔質層の単位面積当たりの質量は、電極への接着性と電解液の浸透性及びイオン透過性とをバランスよく発現する観点から、セパレータの片面あたり0.5g/m2~3g/m2であることが好ましく、0.8g/m2~2.5g/m2がより好ましく、1g/m2~2g/m2が更に好ましい。
無機粒子を含有する接着性多孔質層がセパレータの両面にある場合、接着性多孔質層の単位面積当たりの質量は、両面の合計として、1g/m2~6g/m2が好ましく、1.5g/m2~5g/m2がより好ましく、2g/m2~4g/m2が更に好ましい。
接着性多孔質層の単位面積当たりの質量は、セパレータを20cm×20cmに切り出し、接着性多孔質層をはぎ取って質量を測定し、質量を面積で除算して求める。
[セパレータの特性]
セパレータの厚さは、機械的強度の観点から、5μm以上が好ましく、7μm以上がより好ましく、9μm以上が更に好ましい。
セパレータの厚さは、電池のエネルギー密度の観点から、15μm以下が好ましく、12μm以下がより好ましく、10μm以下が更に好ましい。
セパレータの厚さは、接触式の厚み計にて10cm四方内の20点を測定し、これを平均することで求める。
セパレータの厚さは、機械的強度の観点から、5μm以上が好ましく、7μm以上がより好ましく、9μm以上が更に好ましい。
セパレータの厚さは、電池のエネルギー密度の観点から、15μm以下が好ましく、12μm以下がより好ましく、10μm以下が更に好ましい。
セパレータの厚さは、接触式の厚み計にて10cm四方内の20点を測定し、これを平均することで求める。
セパレータの透気度は、電池の内部短絡を抑制する観点から、100秒/100mL以上が好ましく、110秒/100mL以上がより好ましく、120秒/100mL以上が更に好ましい。
セパレータの透気度は、イオン透過性の観点から、1000秒/100mL以下が好ましく、700秒/100mL以下がより好ましく、500秒/100mL以下が更に好ましい。
セパレータの透気度は、JIS P8117:2009に従って、デジタル型王研式透気度試験機を用いて測定し求める。
セパレータの透気度は、イオン透過性の観点から、1000秒/100mL以下が好ましく、700秒/100mL以下がより好ましく、500秒/100mL以下が更に好ましい。
セパレータの透気度は、JIS P8117:2009に従って、デジタル型王研式透気度試験機を用いて測定し求める。
セパレータの空孔率は、イオン透過性の観点から、30%~60%が好ましい。
セパレータの空孔率ε(%)は、下記の式により求める。
セパレータの空孔率ε(%)は、下記の式により求める。
ここに、セパレータの構成材料1、構成材料2、構成材料3、…、構成材料nについて、各構成材料の単位面積当たりの質量がW1、W2、W3、…、Wn(g/cm2)であり、各構成材料の真密度がd1、d2、d3、…、dn(g/cm3)であり、セパレータの厚さがt(cm)である。
[セパレータの製造方法]
本開示のセパレータは、例えば、多孔質基材上に接着性多孔質層を湿式塗工法又は乾式塗工法で形成することにより製造できる。本開示において、湿式塗工法とは、塗工層を凝固液中で固化させる方法であり、乾式塗工法とは、塗工層を乾燥させて固化させる方法である。以下に、湿式塗工法の実施形態例を説明する。以下の説明において、「接着性多孔質層」を単に「多孔質層」という。
本開示のセパレータは、例えば、多孔質基材上に接着性多孔質層を湿式塗工法又は乾式塗工法で形成することにより製造できる。本開示において、湿式塗工法とは、塗工層を凝固液中で固化させる方法であり、乾式塗工法とは、塗工層を乾燥させて固化させる方法である。以下に、湿式塗工法の実施形態例を説明する。以下の説明において、「接着性多孔質層」を単に「多孔質層」という。
湿式塗工法は、例えば、塗工液を多孔質基材の片面又は両面に塗工し塗工層を形成する工程と、塗工層を有する多孔質基材を凝固液に浸漬して塗工層を固化させ多孔質層を形成する工程と、多孔質基材と多孔質層とからなる積層体を凝固液から引き揚げ水洗及び乾燥を行う工程とを含む。
多孔質層形成用の塗工液は、アクリル系樹脂(1)を溶媒に溶解させて作製する。塗工液には、必要に応じて、アクリル系樹脂(1)以外のその他の成分(例えば無機粒子)を溶解又は分散させる。
塗工液の調製に用いる溶媒は、アクリル系樹脂(1)を溶解する溶媒(以下、「良溶媒」ともいう。)を含む。良溶媒としては、N-メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド等の極性アミド溶媒が挙げられる。
塗工液の調製に用いる溶媒は、良好な多孔質構造を有する多孔質層を形成する観点から、相分離を誘発させる相分離剤を含んでいてもよい。したがって、塗工液の調製に用いる溶媒は、良溶媒と相分離剤との混合溶媒であってもよい。相分離剤は、塗工に適切な粘度が確保できる範囲の量で良溶媒と混合することが好ましい。相分離剤としては、水、ブタンジオール、エチレングリコール等が挙げられる。
塗工液の調製に用いる溶媒が良溶媒と相分離剤との混合溶媒である場合、良好な多孔質構造を形成する観点から、良溶媒を60質量%以上含み、相分離剤を5質量%~40質量%含む混合溶媒が好ましい。
塗工液の樹脂濃度は、良好な多孔質構造を形成する観点から、1質量%~20質量%であることが好ましい。多孔質層が無機粒子を含有する場合、塗工液の無機粒子濃度は、良好な多孔質構造を形成する観点から、0.5質量%~50質量%であることが好ましい。
塗工液は、界面活性剤等の分散剤、湿潤剤、消泡剤、pH調整剤等を含有していてもよい。これらの添加剤は、非水系二次電池の使用範囲において電気化学的に安定で電池内反応を阻害しないものであれば、多孔質層に残存するものであってもよい。
多孔質基材への塗工液の塗工手段としては、マイヤーバー、ダイコーター、リバースロールコーター、ロールコーター、グラビアコーター等が挙げられる。多孔質層を多孔質基材の両面に形成する場合、塗工液を両面同時に多孔質基材へ塗工することが生産性の観点から好ましい。
塗工層の固化は、塗工層を形成した多孔質基材を凝固液に浸漬し、塗工層において相分離を誘発しつつ樹脂を固化させることで行われる。これにより、多孔質基材と多孔質層とからなる積層体を得る。
凝固液は、塗工液の調製に用いた良溶媒及び相分離剤と、水とを含むことが一般的である。良溶媒と相分離剤の混合比は、塗工液の調製に用いた混合溶媒の混合比に合わせるのが生産上好ましい。凝固液中の水の含有量は40質量%~90質量%であることが、多孔質構造の形成及び生産性の観点から好ましい。凝固液の温度は、例えば20℃~50℃である。
凝固液中で塗工層を固化させた後、積層体を凝固液から引き揚げ、水洗する。水洗することによって、積層体から凝固液を除去する。さらに、乾燥することによって、積層体から水を除去する。水洗は、例えば、積層体を水浴中で搬送することによって行う。乾燥は、例えば、積層体を高温環境中で搬送すること、積層体に風をあてること、積層体をヒートロールに接触させることによって行う。乾燥温度は40℃~80℃が好ましい。
本開示のセパレータは、乾式塗工法でも製造し得る。乾式塗工法は、塗工液を多孔質基材に塗工し、塗工層を乾燥させて溶媒を揮発除去することにより、多孔質層を多孔質基材上に形成する方法である。
本開示のセパレータは、多孔質層を独立したシートとして作製し、この多孔質層を多孔質基材に重ねて、熱圧着や接着剤によって複合化する方法によっても製造し得る。多孔質層を独立したシートとして作製する方法としては、上述した湿式塗工法又は乾式塗工法を適用して、剥離シート上に多孔質層を形成する方法が挙げられる。
<非水系二次電池>
本開示の非水系二次電池は、リチウムイオンのドープ及び脱ドープにより起電力を得る非水系二次電池であり、正極と、負極と、本開示のセパレータとを備える。ドープとは、吸蔵、担持、吸着又は挿入を意味し、電極の活物質にリチウムイオンが入る現象を意味する。
本開示の非水系二次電池は、リチウムイオンのドープ及び脱ドープにより起電力を得る非水系二次電池であり、正極と、負極と、本開示のセパレータとを備える。ドープとは、吸蔵、担持、吸着又は挿入を意味し、電極の活物質にリチウムイオンが入る現象を意味する。
本開示の非水系二次電池は、例えば、負極と正極とがセパレータを介して対向した電池素子が電解液と共に外装材内に封入された構造を有する。本開示の非水系二次電池は、非水電解質二次電池、特にリチウムイオン二次電池に好適である。
本開示の非水系二次電池は、本開示のセパレータを備えることによって、電極とセパレータとがはがれにくい。したがって、本開示の非水系二次電池は、内部短絡を起こしにくい。
以下、本開示の非水系二次電池が備える正極、負極、電解液及び外装材の形態例を説明する。
正極の実施形態例としては、正極活物質及び結着樹脂を含む活物質層が集電体上に配置された構造が挙げられる。活物質層は、さらに導電助剤を含んでもよい。正極活物質としては、例えば、リチウム含有遷移金属酸化物が挙げられ、具体的には例えば、LiCoO2、LiNiO2、LiMn1/2Ni1/2O2、LiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2、LiMn2O4、LiFePO4、LiCo1/2Ni1/2O2、LiAl1/4Ni3/4O2等が挙げられる。結着樹脂としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、スチレン-ブタジエン共重合体等が挙げられる。導電助剤としては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛粉末等の炭素材料が挙げられる。集電体としては、例えば厚さ5μm~20μmの、アルミニウム箔、チタン箔、ステンレス箔等が挙げられる。
負極の実施形態例としては、負極活物質及び結着樹脂を含む活物質層が集電体上に配置された構造が挙げられる。活物質層は、さらに導電助剤を含んでもよい。負極活物質としては、例えば、リチウムイオンを電気化学的に吸蔵し得る材料が挙げられ、具体的には例えば、炭素材料;ケイ素、スズ、アルミニウム等とリチウムとの合金;ウッド合金;などが挙げられる。結着樹脂としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、スチレン-ブタジエン共重合体等が挙げられる。導電助剤としては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛粉末、極細炭素繊維等の炭素材料が挙げられる。集電体としては、例えば厚さ5μm~20μmの、銅箔、ニッケル箔、ステンレス箔等が挙げられる。また、上記の負極に代えて、金属リチウム箔を負極として用いてもよい。
電解液は、リチウム塩を非水系溶媒に溶解した溶液が好ましい。リチウム塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiClO4等が挙げられる。非水系溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、ジフルオロエチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等の環状カーボネート;ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、及びそのフッ素置換体等の鎖状カーボネート;γ-ブチロラクトン、γ-バレロラクトン等の環状エステル;などが挙げられ、これらは単独で用いても混合して用いてもよい。
電解液としては、環状カーボネートと鎖状カーボネートとを質量比(環状カーボネート:鎖状カーボネート)20:80~40:60で混合し、リチウム塩を0.5モル/L~1.5モル/Lの範囲にて溶解した溶液が好適である。
電解液としては、環状カーボネートと鎖状カーボネートとを質量比(環状カーボネート:鎖状カーボネート)20:80~40:60で混合し、リチウム塩を0.5モル/L~1.5モル/Lの範囲にて溶解した溶液が好適である。
外装材としては、アルミニウムラミネートフィルム製パック、金属缶などが挙げられる。電池の形状には角型、円筒型、コイン型等があるところ、本開示のセパレータはいずれの形状にも好適である。
本開示の非水系二次電池は、正極と負極との間に本開示のセパレータを配置した積層物を製造した後、この積層物を用いて、下記の製造方法(1)及び製造方法(2)のいずれかによって製造することが好ましい。
製造方法(1):積層物をドライヒートプレスして電極とセパレータとを仮接着した後、外装材(例えばアルミニウムラミネートフィルム製パック。以下同じ)に収容し、そこに電解液を注入する。次いで、外装材の上から積層物をウェットヒートプレスし、電極とセパレータとの接着と、外装材の封止とを行う。
製造方法(2):積層物を外装材に収容し、そこに電解液を注入する。次いで、外装材の上から積層物をウェットヒートプレスし、電極とセパレータとの接着と、外装材の封止とを行う。
製造方法(1)又は製造方法(2)において、ウェットヒートプレスのプレス温度は、50℃~90℃が好ましく、60℃~80℃がより好ましい。ウェットヒートプレスのプレス圧は、0.1MPa~2MPaが好ましく、0.5MPa~1.5MPaがより好ましい。ウェットヒートプレスのプレス時間は、プレス温度及びプレス圧に応じて調節することが好ましく、例えば1分間~12時間の範囲で調節する。
製造方法(1)において、ドライヒートプレスのプレス温度は、60℃~90℃が好ましく、70℃~85℃がより好ましい。ドライヒートプレスのプレス圧は、0.5MPa~5MPaが好ましく、0.5MPa~3MPaがより好ましい。ドライヒートプレスのプレス時間は、プレス温度及びプレス圧に応じて調節することが好ましく、例えば0.5分間~1時間の範囲で調節する。
正極と負極との間にセパレータを配置した積層物を製造する際において、正極と負極との間にセパレータを配置する方式は、正極、セパレータ、負極をこの順に少なくとも1層ずつ積層する方式(いわゆるスタック方式)でもよく、正極、セパレータ、負極、セパレータをこの順に重ね、長さ方向に捲き回す方式でもよい。
以下に実施例を挙げて、本開示のセパレータ及び非水系二次電池をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理手順等は、本開示の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本開示のセパレータ及び非水系二次電池の範囲は、以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきではない。
以下の説明において、合成、処理、製造などは、特に断りのない限り、室温(25℃±3℃)で行った。
<測定方法及び評価方法>
実施例及び比較例に適用した測定方法及び評価方法は、以下のとおりである。
実施例及び比較例に適用した測定方法及び評価方法は、以下のとおりである。
[多孔質基材及びセパレータの厚さ]
多孔質基材及びセパレータの厚さは、接触式の厚み計(株式会社ミツトヨ、LITEMATIC VL-50S)にて10cm四方内の20点を測定し、これを平均することで求めた。測定端子に球の半径10mmの球面測定子(株式会社ミツトヨ)を用い、測定中に荷重0.19Nを印加した。
多孔質基材及びセパレータの厚さは、接触式の厚み計(株式会社ミツトヨ、LITEMATIC VL-50S)にて10cm四方内の20点を測定し、これを平均することで求めた。測定端子に球の半径10mmの球面測定子(株式会社ミツトヨ)を用い、測定中に荷重0.19Nを印加した。
[多孔質基材及びセパレータの透気度]
多孔質基材及びセパレータの透気度(秒/100mL)を、JIS P8117:2009に従い、デジタル型王研式透気度試験機(旭精工株式会社、型式EG01)を用いて測定した。
多孔質基材及びセパレータの透気度(秒/100mL)を、JIS P8117:2009に従い、デジタル型王研式透気度試験機(旭精工株式会社、型式EG01)を用いて測定した。
[アクリル系樹脂(1)の分析]
接着性多孔質層の形成に用いるアクリル系樹脂(1)を試料にして、NMRにより樹脂の構成単位を分析した。
接着性多孔質層の形成に用いるアクリル系樹脂(1)を試料にして、GPCにより樹脂の重量平均分子量を測定した。標準試料としてポリスチレンを使用した。
接着性多孔質層の形成に用いるアクリル系樹脂(1)を試料にして、NMRにより樹脂の構成単位を分析した。
接着性多孔質層の形成に用いるアクリル系樹脂(1)を試料にして、GPCにより樹脂の重量平均分子量を測定した。標準試料としてポリスチレンを使用した。
[樹脂のジメチルアセトアミドへの溶解性]
接着性多孔質層の形成に用いる樹脂を試料にした。樹脂を濃度20質量%にてジメチルアセトアミドに添加し、室温下5時間攪拌した。攪拌後の試験液を目視で観察し、樹脂の溶解性を下記のとおり分類した。
G :樹脂が完全に溶解した。
NG:樹脂に溶け残りがあった。
接着性多孔質層の形成に用いる樹脂を試料にした。樹脂を濃度20質量%にてジメチルアセトアミドに添加し、室温下5時間攪拌した。攪拌後の試験液を目視で観察し、樹脂の溶解性を下記のとおり分類した。
G :樹脂が完全に溶解した。
NG:樹脂に溶け残りがあった。
[樹脂の電解液耐性]
接着性多孔質層の形成に用いる樹脂を試料にした。樹脂とジメチルアセトアミドを攪拌混合して濃度20質量%の樹脂溶液を作製した。樹脂溶液をガラス板に塗布し乾燥させて、膜厚200μmの樹脂膜を作製した。室温下、樹脂膜を電解液(1モル/L LiPF6-エチレンカーボネート:エチルメチルカーボネート[質量比3:7])に72時間浸漬した。浸漬後の樹脂膜を目視で観察し、形状を下記のとおり分類した。
G :樹脂膜は形状を保持した。
NG:樹脂膜は変形した。
接着性多孔質層の形成に用いる樹脂を試料にした。樹脂とジメチルアセトアミドを攪拌混合して濃度20質量%の樹脂溶液を作製した。樹脂溶液をガラス板に塗布し乾燥させて、膜厚200μmの樹脂膜を作製した。室温下、樹脂膜を電解液(1モル/L LiPF6-エチレンカーボネート:エチルメチルカーボネート[質量比3:7])に72時間浸漬した。浸漬後の樹脂膜を目視で観察し、形状を下記のとおり分類した。
G :樹脂膜は形状を保持した。
NG:樹脂膜は変形した。
[無機粒子の平均一次粒径]
接着性多孔質層の形成に用いる無機粒子を試料にして走査型電子顕微鏡(SEM)による観察を行い、平均一次粒径を求めた。SEM画像上の無作為に選んだ無機粒子100個の長径を計測し、100個の長径の平均値を平均一次粒径(μm)とした。
接着性多孔質層の形成に用いる無機粒子を試料にして走査型電子顕微鏡(SEM)による観察を行い、平均一次粒径を求めた。SEM画像上の無作為に選んだ無機粒子100個の長径を計測し、100個の長径の平均値を平均一次粒径(μm)とした。
[接着性多孔質層の単位面積あたりの質量]
セパレータを20cm×20cmに切り出し、接着性多孔質層をはぎ取って質量を測定し、質量を面積で除算して、両面合計の単位面積あたりの質量(g/m2)を求めた。
セパレータを20cm×20cmに切り出し、接着性多孔質層をはぎ取って質量を測定し、質量を面積で除算して、両面合計の単位面積あたりの質量(g/m2)を求めた。
[電極とのウェット接着性]
正極活物質であるコバルト酸リチウム粉末89.5質量部、導電助剤であるアセチレンブラック4.5質量部、結着樹脂であるポリフッ化ビニリデン6質量部、及び適量のN-メチル-2-ピロリドンを双腕式混合機にて攪拌して混合し、正極用スラリーを作製した。正極用スラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔の片面に塗布し、乾燥後プレスして、正極活物質層を片面に有する正極を得た。
以下、本試験の説明において「電極」とは「正極」を意味する。
正極活物質であるコバルト酸リチウム粉末89.5質量部、導電助剤であるアセチレンブラック4.5質量部、結着樹脂であるポリフッ化ビニリデン6質量部、及び適量のN-メチル-2-ピロリドンを双腕式混合機にて攪拌して混合し、正極用スラリーを作製した。正極用スラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔の片面に塗布し、乾燥後プレスして、正極活物質層を片面に有する正極を得た。
以下、本試験の説明において「電極」とは「正極」を意味する。
電極を幅15mm×長さ70mmの長方形に切り出した。セパレータをTD18mm×MD74mmの長方形に切り出した。幅15mm×長さ70mmの離型紙を用意した。電極の活物質層上にセパレータを重ね、さらにセパレータ上に離型紙を重ね、積層体を作製した。
積層体をアルミラミネートフィルム製パック中に挿入し、電解液(1モル/L LiPF6-エチレンカーボネート:エチルメチルカーボネート[質量比3:7])を注入し、積層体に電解液をしみ込ませた。次いで、パックごと積層体の積層方向に熱プレス機を用いて熱プレスし(ウェットヒートプレス)、電極とセパレータとの接着を行った。熱プレスの条件は、温度85℃、圧力1MPa、時間5分間とした。熱プレス後、パックから積層体を取り出し、離型紙を剥離して、ウェット接着性の試験片を得た。
試験片の電極の無塗工面を金属板に両面テープで固定し、金属板をテンシロン(エー・アンド・デイ社、STB-1225S)の下部チャックに固定した。この際、試験片の長さ方向(即ちセパレータのMD)が重力方向になるように、金属板をテンシロンに固定した。セパレータを下部の端から2cm程度電極から剥がして、その端部を上部チャックに固定し、180°剥離試験を行った。180°剥離試験の引張速度を20mm/分とし、測定開始後10mmから40mmまでの荷重(N)を0.4mm間隔で採取し、その平均を算出した。さらに試験片10枚の荷重を平均して、電極とセパレータの接着強度(N/15mm)とした。
[熱収縮率]
セパレータをTD60mm×MD180mmの長方形に切り出し、試験片とした。試験片に、TDを2等分する線上で且つ一方の端から20mm及び170mmの箇所に印を付けた(それぞれ点A、点Bという)。さらに、MDを2等分する線上で且つ一方の端から10mm及び50mmの箇所に印を付けた(それぞれ点C、点Dという)。試験片にクリップをつけて(クリップをつける場所は、点Aから最も近い端と点Aとの間)、温度105℃のオーブンの中につるし、無張力下で60分間熱処理を施した。AB間及びCD間の長さを熱処理の前後で測定し、下記の式により熱収縮率を算出し、さらに試験片3枚の熱収縮率を平均した。
セパレータをTD60mm×MD180mmの長方形に切り出し、試験片とした。試験片に、TDを2等分する線上で且つ一方の端から20mm及び170mmの箇所に印を付けた(それぞれ点A、点Bという)。さらに、MDを2等分する線上で且つ一方の端から10mm及び50mmの箇所に印を付けた(それぞれ点C、点Dという)。試験片にクリップをつけて(クリップをつける場所は、点Aから最も近い端と点Aとの間)、温度105℃のオーブンの中につるし、無張力下で60分間熱処理を施した。AB間及びCD間の長さを熱処理の前後で測定し、下記の式により熱収縮率を算出し、さらに試験片3枚の熱収縮率を平均した。
MDの熱収縮率(%)={(熱処理前のABの長さ-熱処理後のABの長さ)÷熱処理前のABの長さ}×100
TDの熱収縮率(%)={(熱処理前のCDの長さ-熱処理後のCDの長さ)÷熱処理前のCDの長さ}×100
<セパレータ及び電池の作製>
[実施例1]
-セパレータの作製-
アクリル系樹脂(1)をジメチルアセトアミド(DMAc)に溶解し、アクリル系樹脂(1)濃度8.0質量%の塗工液(1)を作製した。実施例1において使用したアクリル系樹脂(1)の単量体組成は表1に記載のとおりである。
[実施例1]
-セパレータの作製-
アクリル系樹脂(1)をジメチルアセトアミド(DMAc)に溶解し、アクリル系樹脂(1)濃度8.0質量%の塗工液(1)を作製した。実施例1において使用したアクリル系樹脂(1)の単量体組成は表1に記載のとおりである。
マイヤーバーに塗工液(1)を適量のせ、ポリエチレン微多孔膜(厚さ6μm、透気度100秒/100mL)の両面に塗工液(1)を塗工した。その際、ポリエチレン微多孔膜の表裏の塗工量が等量になるように塗工した。塗工層を形成したポリエチレン微多孔膜を、凝固液(DMAc:水=50:50[質量比]、液温40℃)に浸漬し、塗工層を固化させた。次いで、水温40℃の水洗槽で洗浄し、乾燥した。こうして、ポリエチレン微多孔膜の両面に接着性多孔質層が形成されたセパレータを得た。
-正極の作製-
正極活物質であるコバルト酸リチウム粉末89.5質量部、導電助剤であるアセチレンブラック4.5質量部、結着樹脂であるポリフッ化ビニリデン6質量部、及び適量のN-メチル-2-ピロリドンを双腕式混合機にて攪拌して混合し、正極用スラリーを作製した。正極用スラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔の両面に塗布し、乾燥後プレスして、正極活物質層を両面に有する正極を得た。
正極活物質であるコバルト酸リチウム粉末89.5質量部、導電助剤であるアセチレンブラック4.5質量部、結着樹脂であるポリフッ化ビニリデン6質量部、及び適量のN-メチル-2-ピロリドンを双腕式混合機にて攪拌して混合し、正極用スラリーを作製した。正極用スラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔の両面に塗布し、乾燥後プレスして、正極活物質層を両面に有する正極を得た。
-負極の作製-
負極活物質である人造黒鉛300質量部、結着樹脂であるスチレン-ブタジエン共重合体の変性体を40質量%含有する水溶性分散液7.5質量部、増粘剤であるカルボキシメチルセルロース3質量部、及び適量の水を双腕式混合機にて攪拌して混合し、負極用スラリーを作製した。負極用スラリーを厚さ10μmの銅箔の両面に塗布し、乾燥後プレスして、負極活物質層を両面に有する負極を得た。
負極活物質である人造黒鉛300質量部、結着樹脂であるスチレン-ブタジエン共重合体の変性体を40質量%含有する水溶性分散液7.5質量部、増粘剤であるカルボキシメチルセルロース3質量部、及び適量の水を双腕式混合機にて攪拌して混合し、負極用スラリーを作製した。負極用スラリーを厚さ10μmの銅箔の両面に塗布し、乾燥後プレスして、負極活物質層を両面に有する負極を得た。
-電池の作製-
正極及び負極をそれぞれ30mm×50mmの長方形に切り出し、それぞれにリードタブを溶接した。セパレータをTD35mm×MD55mmの長方形に切り出した。これらを正極と負極が交互に且つ正極と負極の間にセパレータが挟まるように重ね、正極3枚、負極3枚、セパレータ5枚からなる積層物を作製した。積層物をアルミニウムラミネートフィルム製パック中に挿入し、パック内に電解液(1モル/L LiPF6-エチレンカーボネート:エチルメチルカーボネート[質量比3:7])を注入し、積層物に電解液をしみ込ませた。次いで、パックごと積層物の積層方向に熱プレス機を用いて熱プレスし(ウェットヒートプレス)、電極とセパレータとの接着を行った。熱プレスの条件は、プレス温度85℃、プレス圧1MPa、プレス時間5分間とした。こうして、非水系二次電池を得た。
正極及び負極をそれぞれ30mm×50mmの長方形に切り出し、それぞれにリードタブを溶接した。セパレータをTD35mm×MD55mmの長方形に切り出した。これらを正極と負極が交互に且つ正極と負極の間にセパレータが挟まるように重ね、正極3枚、負極3枚、セパレータ5枚からなる積層物を作製した。積層物をアルミニウムラミネートフィルム製パック中に挿入し、パック内に電解液(1モル/L LiPF6-エチレンカーボネート:エチルメチルカーボネート[質量比3:7])を注入し、積層物に電解液をしみ込ませた。次いで、パックごと積層物の積層方向に熱プレス機を用いて熱プレスし(ウェットヒートプレス)、電極とセパレータとの接着を行った。熱プレスの条件は、プレス温度85℃、プレス圧1MPa、プレス時間5分間とした。こうして、非水系二次電池を得た。
[実施例2]
アクリル系樹脂(1)をジメチルアセトアミド(DMAc)に溶解し、さらに硫酸バリウム粒子を攪拌分散し、塗工液(2)を作製した。塗工液(2)は、アクリル系樹脂(1)濃度が8.0質量%であり、アクリル系樹脂(1):硫酸バリウム粒子=80:20[体積比]であった。実施例2において使用したアクリル系樹脂(1)は、実施例1において使用したアクリル系樹脂(1)と同じである。
アクリル系樹脂(1)をジメチルアセトアミド(DMAc)に溶解し、さらに硫酸バリウム粒子を攪拌分散し、塗工液(2)を作製した。塗工液(2)は、アクリル系樹脂(1)濃度が8.0質量%であり、アクリル系樹脂(1):硫酸バリウム粒子=80:20[体積比]であった。実施例2において使用したアクリル系樹脂(1)は、実施例1において使用したアクリル系樹脂(1)と同じである。
実施例1と同様にして、ただし、塗工液(1)を塗工液(2)に変更して、セパレータを作製した。このセパレータを用いて非水系二次電池を作製した。
[実施例3]
実施例1と同様にして、ただし、アクリル系樹脂(1)を表1に記載の単量体組成を有するアクリル系樹脂(1)に変更して、セパレータを作製した。このセパレータを用いて非水系二次電池を作製した。
実施例1と同様にして、ただし、アクリル系樹脂(1)を表1に記載の単量体組成を有するアクリル系樹脂(1)に変更して、セパレータを作製した。このセパレータを用いて非水系二次電池を作製した。
[実施例4]
実施例2と同様にして、ただし、アクリル系樹脂(1)を表1に記載の単量体組成を有するアクリル系樹脂(1)に変更して、セパレータを作製した。このセパレータを用いて非水系二次電池を作製した。実施例4において使用したアクリル系樹脂(1)は、実施例3において使用したアクリル系樹脂(1)と同じである。
実施例2と同様にして、ただし、アクリル系樹脂(1)を表1に記載の単量体組成を有するアクリル系樹脂(1)に変更して、セパレータを作製した。このセパレータを用いて非水系二次電池を作製した。実施例4において使用したアクリル系樹脂(1)は、実施例3において使用したアクリル系樹脂(1)と同じである。
[比較例1]
実施例2と同様にして、ただし、アクリル系樹脂(1)をポリフッ化ビニリデン系樹脂(フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの2元共重合体、重量平均分子量140万、ヘキサフルオロプロピレン1.5モル%)に変更して、セパレータを作製した。
実施例2と同様にして、ただし、アクリル系樹脂(1)をポリフッ化ビニリデン系樹脂(フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの2元共重合体、重量平均分子量140万、ヘキサフルオロプロピレン1.5モル%)に変更して、セパレータを作製した。
[比較例2]
実施例1と同様にして、ただし、アクリル系樹脂(1)をポリメタクリル酸メチル樹脂に変更して、セパレータを作製した。
実施例1と同様にして、ただし、アクリル系樹脂(1)をポリメタクリル酸メチル樹脂に変更して、セパレータを作製した。
実施例及び比較例はそれぞれ、セパレータの厚さが9μmになるように接着性多孔質層を塗工した。
表1に記載した接着性多孔質層の質量は、セパレータの両面合計の質量である。各実施例及び各比較例のセパレータ片面あたりの接着性多孔質層の質量は、表1に記載した接着性多孔質層の質量の2分の1である。
表1に記載した接着性多孔質層の質量は、セパレータの両面合計の質量である。各実施例及び各比較例のセパレータ片面あたりの接着性多孔質層の質量は、表1に記載した接着性多孔質層の質量の2分の1である。
表1中の略語は下記の意味である。
・Mw:重量平均分子量
・DMAc:ジメチルアセトアミド
・VDF-HFP:フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの2元共重合体
・PMMA:ポリメタクリル酸メチル樹脂
・MAA:メタクリル酸
・NMMAm:N-メチルメタクリルアミド
・DMMAm:N,N-ジメチルメタクリルアミド
・MMA:メタクリル酸メチル
・BA:アクリル酸n-ブチル
・Mw:重量平均分子量
・DMAc:ジメチルアセトアミド
・VDF-HFP:フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの2元共重合体
・PMMA:ポリメタクリル酸メチル樹脂
・MAA:メタクリル酸
・NMMAm:N-メチルメタクリルアミド
・DMMAm:N,N-ジメチルメタクリルアミド
・MMA:メタクリル酸メチル
・BA:アクリル酸n-ブチル
実施例1及び実施例3のセパレータの表面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した。
図1に、実施例1のセパレータの表面のSEM画像(倍率2万)を示す。
図2に、実施例3のセパレータの表面のSEM画像(倍率2万)を示す。
図1に、実施例1のセパレータの表面のSEM画像(倍率2万)を示す。
図2に、実施例3のセパレータの表面のSEM画像(倍率2万)を示す。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
2024年2月19日に出願された日本国出願番号第2024-023072号の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。
Claims (8)
- 多孔質基材と、
前記多孔質基材の片面又は両面に配置された、アクリル系樹脂(1)を含有する接着性多孔質層と、を備え、
前記アクリル系樹脂(1)は、(メタ)アクリル酸と(メタ)アクリルアミド系単量体と(メタ)アクリル酸メチル及び(メタ)アクリル酸ブチルの少なくとも1種とを重合成分に含み、全重合成分に占める(メタ)アクリル酸及び(メタ)アクリルアミド系単量体の合計割合が20モル%以上であり、(メタ)アクリル酸と(メタ)アクリルアミド系単量体のモル比が40:60~60:40である、
非水系二次電池用セパレータ。 - 前記アクリル系樹脂(1)は、全重合成分に占める(メタ)アクリル酸メチル及び(メタ)アクリル酸ブチルの合計割合が10モル%~80モル%である、請求項1に記載の非水系二次電池用セパレータ。
- 前記接着性多孔質層がさらに無機粒子を含有する、請求項1に記載の非水系二次電池用セパレータ。
- 前記非水系二次電池用セパレータの透気度が100秒/100mL~1000秒/100mLである、請求項1に記載の非水系二次電池用セパレータ。
- 前記多孔質基材がポリオレフィン微多孔膜を含む、請求項1に記載の非水系二次電池用セパレータ。
- 前記多孔質基材が、
ポリオレフィン微多孔膜と、
前記ポリオレフィン微多孔膜の片面又は両面に配置された、無機粒子及び耐熱性樹脂の少なくとも一方を含有する耐熱層と、を備える、
請求項1に記載の非水系二次電池用セパレータ。 - 前記接着性多孔質層がフッ素含有樹脂を実質的に含有しない、請求項1に記載の非水系二次電池用セパレータ。
- 正極と、負極と、前記正極及び前記負極の間に配置された請求項1~請求項7のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータと、を備え、
リチウムイオンのドープ及び脱ドープにより起電力を得る、
非水系二次電池。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2024023072A JP2025126702A (ja) | 2024-02-19 | 2024-02-19 | 非水系二次電池用セパレータ及び非水系二次電池 |
| JP2024-023072 | 2024-02-19 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2025178012A1 true WO2025178012A1 (ja) | 2025-08-28 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/JP2025/005339 Pending WO2025178012A1 (ja) | 2024-02-19 | 2025-02-18 | 非水系二次電池用セパレータ及び非水系二次電池 |
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| JP2012119225A (ja) * | 2010-12-02 | 2012-06-21 | Teijin Ltd | 非水電解質電池用セパレータ及び非水電解質電池 |
| WO2023123220A1 (zh) * | 2021-12-30 | 2023-07-06 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 一种隔离膜及包含其的二次电池、电池模块、电池包和装置 |
| WO2023179248A1 (zh) * | 2022-03-25 | 2023-09-28 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 隔离膜及其制备方法、电池和用电装置 |
-
2024
- 2024-02-19 JP JP2024023072A patent/JP2025126702A/ja active Pending
-
2025
- 2025-02-18 WO PCT/JP2025/005339 patent/WO2025178012A1/ja active Pending
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