CN106803562A - 非水电解液二次电池用层叠间隔件、非水电解液二次电池用构件及非水电解液二次电池 - Google Patents

非水电解液二次电池用层叠间隔件、非水电解液二次电池用构件及非水电解液二次电池 Download PDF

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Abstract

本发明提供加热形状维持性及离子透过性优异、并且既为薄膜又降低漏电不良的发生的非水电解液二次电池用层叠间隔件。

Description

非水电解液二次电池用层叠间隔件、非水电解液二次电池用 构件及非水电解液二次电池
技术领域
本发明涉及非水电解液二次电池用层叠间隔件、非水电解液二次电池用构件及非水电解液二次电池。
背景技术
非水电解液二次电池、特别是锂二次电池由于能量密度高而被广泛用作个人电脑、移动电话、便携式信息终端等所使用的电池。
对于这些以锂二次电池为代表的非水电解液二次电池而言,在由电池的破损或使用了电池的设备的破损等事故导致发生内部短路、外部短路的情况下,流过大电流而剧烈发热。因此,对于非水电解液二次电池要求防止一定程度以上的发热而确保高安全性。
作为该安全性的确保方法,通常有如下方法:在异常发热时通过间隔件阻断正-负极间的离子的通过,从而赋予防止进一步发热的关闭(shut down)功能。作为使间隔件具有关闭功能的方法,可举出将由异常发热时熔融的材质形成的多孔膜作为间隔件使用的方法。即,对于使用了该间隔件的电池而言,在异常发热时多孔膜熔融且无孔化,能够阻断离子的通过并抑制进一步发热。
作为这种具有关闭功能的间隔件,可以使用例如聚烯烃制的多孔膜。对于由该多孔膜形成的间隔件而言,在电池的异常发热时会在约80~180℃(例如,对于由聚乙烯多孔膜形成的间隔件而言约110~160℃)下熔融且无孔化从而阻断(关闭)离子的通过,由此抑制进一步的发热。提出了用于得到这种具有关闭功能的聚烯烃制多孔膜的各种制造方法(专利文献1、专利文献2、专利文献3)。
但是,在发热剧烈等情况下,由该多孔膜形成的间隔件有可能因收缩、破膜等使正极和负极直接接触,从而引起短路。这样一来,对于由聚烯烃制的多孔膜形成的间隔件而言,有时形状稳定性不充分,不能抑制短路引起的异常发热。
为此,作为在高温下形状稳定性(加热形状维持性)优异的非水电解液二次电池用间隔件,提出了包含层叠有耐热层的层叠多孔膜的非水电解液二次电池用间隔件(专利文献4、专利文献5)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本公开专利公报“特开昭60-242035号公报(1985年12月2日公开)”
专利文献2:日本公开专利公报“特开平10-261393号公报(1998年9月29日公开)”
专利文献3:日本公开专利公报“特开2002-69221号公报(2002年3月8日公开)”
专利文献4:日本公开专利公报“特开2000-30686号公报(2000年1月28日公开)”
专利文献5:日本公开专利公报“特开2004-227972号公报(2004年8月12日公开)”
发明内容
发明要解决的课题
然而,对于锂二次电池而言,随着用途的扩大,要求进一步的高能量密度化。作为提高能量密度的方法,将层叠间隔件制成薄膜并相应地增加正极、负极的量的方法较为简便。然而,在该方法中,如图3所示,产生以下问题:因正极、负极的凹凸而使层叠间隔件受到损伤的影响较大,使作为原本的功能的绝缘性降低,在电池组装初期漏电不良增加。若减小间隔件的空隙率,则可以抑制漏电不良的发生,但是,离子透过性降低。
本发明是鉴于此种问题点完成的发明,其目的在于提供加热形状维持性及离子透过性优异、并且既为薄膜又降低漏电不良的发生的非水电解液二次电池用层叠间隔件、非水电解液二次电池用构件及非水电解液二次电池。
用于解决课题的手段
本发明人首次发现除去耐热层前后非水电解液二次电池用层叠间隔件的熔融行为的差异与漏电不良的发生率相关,以至完成本发明。
本发明的非水电解液二次电池用层叠间隔件的特征在于,其是包含以聚烯烃为主成分的多孔膜和耐热层的非水电解液二次电池用层叠间隔件,其膜厚为8~20μm,格利(Gurley)值为250秒/100cc以下,满足下述式(1)。
0.70≤SPC/SC≤0.81···式(1)
在此,SC为将所述非水电解液二次电池用层叠间隔件切割成规定尺寸并以重叠的状态测定的第1DSC曲线中的峰面积,
SPC为从所述非水电解液二次电池用层叠间隔件除去上述耐热层后切割成规定尺寸并以重叠的状态测定的第2DSC曲线中的峰与上述第1DSC曲线中的峰的重叠部分的面积。
另外,本发明的非水电解液二次电池用构件的特征在于依次配置正极、上述非水电解液二次电池用层叠间隔件及负极而成。
另外,本发明的非水电解液二次电池的特征在于包含上述的非水电解液二次电池用层叠间隔件。
发明效果
根据本发明,发挥出加热形状维持性及离子透过性优异、并且既为薄膜又能降低漏电不良的发生的效果。
附图说明
图1为表示除去耐热层前后非水电解液二次电池用层叠间隔件的DSC曲线的不同的示意图。
图2为表示实施例及比较例中的SPC/SC与漏电不良度的关系的图表。
图3为表示由层叠间隔件的薄膜化导致的漏电不良的发生的示意图。
具体实施方式
以下说明本发明的一个实施方式,但是本发明并不限于此。本发明不限于以下说明的各构成,能够在技术方案所示的范围中进行各种变更,适当组合分别在不同实施方式中公开的技术方法而得到的实施方式也包含在本发明的技术范围中。需要说明的是,只要在本说明书没有特别记载,则表示数值范围的“A~B”是指“A以上且B以下”。
〔1.非水电解液二次电池用层叠间隔件〕
本发明的非水电解液二次电池用层叠间隔件在非水电解液二次电池中配置在正极与负极之间,并且包含以聚烯烃系树脂为主成分的多孔膜和层叠在多孔膜的至少一个面上的耐热层。
非水电解液二次电池用层叠间隔件的膜厚为8~20μm,优选为10~16μm。这样,通过减薄非水电解液二次电池用层叠间隔件的膜厚,可以增加正极、负极的量,其结果可以实现高能量密度化。
为了得到充分的离子透过性,非水电解液二次电池用层叠间隔件的透气度以格利值计为250秒/100cc以下,更优选为200秒/100cc以下。
如上述所示,若使非水电解液二次电池用层叠间隔件的膜厚为8~20μm,则虽然实现了非水电解液二次电池的高能量密度化,但是容易发生漏电不良。另外,在格利值为250秒/100cc以下的情况下,虽然离子透过性优异,但是非水电解液二次电池用层叠间隔件中的树脂量少,因此容易发生漏电不良。
为此,本发明人等进行了深入研究,结果首先发现非水电解液二次电池用层叠间隔件和从该层叠间隔件除去了耐热层的多孔膜本体的熔融行为的差异与漏电不良的发生率相关,由此完成既具有上述的膜厚及透气度又能抑制漏电不良的发生的本发明。
即,本发明人等着眼于与差示扫描量热测定(Differential ScanningCalorimetry:DSC)中得到的图谱(以下,称作DSC曲线)的结晶熔解对应的峰面积,对非水电解液二次电池用层叠间隔件和从该层叠间隔件除去了耐热层的多孔膜本体的测定结果的DSC曲线中的吸热峰的重叠部分的面积相对于非水电解液二次电池用层叠间隔件中的测定结果的峰面积的比例的范围进行了规定。在此,峰面积为由DSC曲线的除吸热峰以外的部分求得的基线与DSC曲线所围成的区域的面积。
需要说明的是,耐热层的除去方法并无特别限定,可以利用胶带进行剥离、或者利用溶解耐热层的溶剂除去耐热层。
具体而言,将非水电解液二次电池用层叠间隔件切割成3mm见方,并在将17片重叠而加入铝坩埚的状态下以升温速度10℃/min测得第1DSC曲线。另外,将从上述非水电解液二次电池用层叠间隔件除去了耐热层的多孔膜本体切割成3mm见方,并在将17片重叠而加入铝坩埚的状态下以升温速度10℃/min测得第2DSC曲线。而且,第1DSC曲线和第2DSC曲线的吸热峰的重叠部分的面积SPC相对于第1DSC曲线中的峰面积SC的比例(=SPC/SC)满足下述式(1)。
0.70≤SPC/SC≤0.81···式(1)
第1DSC曲线和第2DSC曲线的吸热峰的重叠部分为第1DSC曲线的基线和第1DSC曲线所围成的区域、与第2DSC曲线的基线和第2DSC曲线所围成的区域重叠的部分。
图1为表示第2DSC曲线(虚线)和第1DSC曲线(实线)的示意图。在图1所示的例子中,在120~160℃附近出现吸热峰,在第1DSC曲线中,吸热峰向第2DSC曲线的更高温侧位移。在此,由于后述的理由,在能够确认到多孔膜的吸热峰的温度范围内,耐热层的吸热量与多孔膜的吸热量相比小到可以忽略的程度。即,该吸热峰的位移起因于:在层叠有耐热层的状态和未层叠有耐热层的状态下由多孔膜的结晶状态引起的熔融行为发生变化。
即,上述吸热峰的位移表示面方向的面被耐热层约束的状态的多孔膜(例如,聚乙烯多孔膜)的熔融行为、与面方向的面未被耐热层约束的状态的多孔膜的熔融行为的差异。面方向的面未被耐热层约束的状态的多孔膜熔融时沿面方向和厚度方向收缩。与此相对,面方向的面被耐热层约束的状态的多孔膜熔融时仅沿厚度方向收缩。因此,认为通过评价非水电解质二次电池用层叠间隔件和从该层叠间隔件除去耐热层后多孔膜的熔融行为的差异,可以评价多孔膜所包含的聚烯烃的晶体的面方向的变形的程度等。需要说明的是,DSC曲线表示1片非水电解液二次电池用层叠间隔件的每单位面积的热量的测定结果。
如后述的实施例所示,确认到:满足上述式(1)的非水电解液二次电池用层叠间隔件与不满足上述式(1)的非水电解液二次电池用层叠间隔件相比,漏电不良率变低。因此,通过满足上述式(1),可以抑制漏电不良的发生。尤其在具有膜厚:8~20μm、格利值:250秒/100cc以下且容易发生漏电不良的非水电解液二次电池用层叠间隔件中,通过满足上述式(1),可以显著地体现本发明的效果。
另外,非水电解液二次电池用层叠间隔件的MD(Machine Direction)方向(机械方向、纵向)的拉伸弹性系数与膜厚之积即MD弹性力优选为8N/mm以上,更优选为10N/mm以上。由此,可以提高生产上的操作性。
〔1-1.多孔膜〕
多孔膜是经拉伸工序而形成的拉伸膜,以聚烯烃系树脂为主成分,是具有在其内部具有连结的细孔的结构、且气体或液体能够从一个面透过至另一面的膜。
多孔膜在电池发热时发生熔融而无孔化,从而对非水电解液二次电池用层叠间隔件赋予关闭功能。多孔膜可以是由1层形成的多孔膜,也可以是由多层形成的多孔膜。
多孔膜的膜厚优选为3~16μm、更优选为5~14μm。由此,可以减薄非水电解液二次电池用层叠间隔件并增加相应的正极、负极的量,其结果可以实现高能量密度化。
为了在用作非水电解液二次电池用层叠间隔件的一部分时得到充分的离子透过性,多孔膜的透气度以格利值计优选为50~200秒/100cc的范围,更优选为60~180秒/100cc的范围。
在不损害该多孔膜的功能的范围内,多孔膜也可以包含添加剂等聚烯烃以外的成分。在多孔膜中的聚烯烃成分的比例通常为多孔膜整体的50体积%以上,优选为90体积%以上,更优选为95体积%以上,更优选为97体积%以上,更优选为99体积%以上。多孔膜是以聚乙烯为主成分的聚乙烯多孔膜时,聚乙烯多孔膜中聚乙烯的比例优选为聚乙烯多孔膜整体的95体积%以上,更优选为97体积%以上,更优选为99体积%以上。作为添加剂,可以列举有机化合物(有机添加剂),有机化合物可以是抗氧化剂(有机抗氧化剂)、润滑剂。
作为构成多孔膜的聚烯烃系树脂,可以列举例如将乙烯、丙烯、1-丁烯、4-甲基-1-戊烯、1-己烯等聚合的高分子量的均聚物或共聚物。其中,从提高间隔件的机械强度的观点来看,优选以乙烯为主体的重均分子量为100万以上的高分子量聚乙烯。需要说明的是,多孔基材在不损害该层的功能的范围内可以包含除聚烯烃以外的成分。
为了提高电解液的保持量的同时能够获得在更低温度下可靠地阻止(关闭)过大电流流过的功能,多孔膜的体积基准的空隙率优选为20~80体积%,更优选为30~75体积%。
在能够提高强度、膜厚、操作性、重量以及用于非水电解液二次电池时该电池的重量能量密度、体积能量密度的方面,多孔膜的单位面积重量通常为4~12g/m2,优选为5~8g/m2
以聚烯烃系树脂为主成分的多孔膜的制法只要是根据如后所述的耐热层的有无体现熔融行为不同的结晶状态的条件的、具备拉伸工序的方法,就没有特别限定,可列举上述的专利文献1~3的方法。其中,在多孔膜由包含超高分子量聚乙烯和重均分子量为1万以下的低分子量聚烯烃的聚烯烃树脂形成而成的情况下,从制造成本的观点出发,优选通过以下所示的方法进行制造。
即,可以通过如下的方法得到,该方法包含:(1)将超高分子量聚乙烯100重量份、重均分子量为1万以下的低分子量聚烯烃5~200重量份和碳酸钙或增塑剂等成孔剂100~400重量份混炼而得到聚烯烃树脂组合物的工序;(2)使用上述聚烯烃树脂组合物成形片材的工序;(3)从工序(2)所得的片材中除去成孔剂的工序;(4)将工序(3)所得的片材拉伸而得到多孔膜的工序。
需要说明的是,若为该制法,则通过聚烯烃系树脂组合物的混合比率、基于该混合比率和加工膜厚的片材成形时、拉伸时的温度等加工条件的优化,可以得到SPC/SC满足上述式(1)的多孔膜、即根据耐热层的有无体现熔融行为不同的结晶状态的多孔膜。
另外,在上述(2)的片材的成形工序中,将片材在MD方向(机械方向)上赋予拉伸比而进行卷绕,由此可以提高多孔膜及非水电解液二次电池用层叠间隔件的MD弹性力。在此,拉伸比为卷取辊的速度与压延辊的速度之比(卷取辊速度/压延辊速度)。
(1-2)耐热层
耐热层是对多孔膜赋予在高温下的形状稳定性的层。即,耐热层是具有比多孔膜更高的耐热性的层。也就是说,多孔膜的熔融行为与耐热层的熔融行为不一致。另外,由于如上所述耐热层具有比多孔膜更高的耐热性,因此,即使耐热层的DSC曲线中的吸热峰的一部分与多孔膜的DSC曲线中的吸热峰的一部分重叠,其影响也可以说是有限的、极小的。另外,优选耐热层不溶于电池的电解液中,并且在该电池的使用范围中电化学稳定和热稳定。
耐热层包含树脂,优选还包含填料。构成耐热层的树脂和填料不溶于电池的电解液中,并且在该电池的使用范围中电化学稳定和热稳定。
耐热层包含填料时,可将填料的含量设为耐热层的1体积%以上且99体积%以下。
耐热层所包含的树脂的玻璃化转变温度和熔点当中任意较低的温度低于160℃时,即低于聚乙烯多孔膜的熔融温度范围时,耐热层所包含的填料的含量优选为90体积%以上且99体积%以下,更优选为93体积%以上且99体积%以下,优选为95体积%以上且99体积%以下,优选为97体积%以上且99体积%以下。通过使耐热层所含填料的含量为上述范围,耐热层作为具有耐热性的层充分地发挥功能,因此在多孔膜的吸热峰可确认的温度范围中,耐热层的吸热量与多孔膜的吸热量相比小到可以忽略的程度。
另外,耐热层所包含的树脂的玻璃化转变温度和熔点当中任意较低的温度低于160℃时,即低于聚乙烯多孔膜的熔融温度范围时,耐热层所包含的树脂的单位面积重量相对于多孔膜的单位面积重量优选为0.2以下,更优选为0.11以下,优选为0.04以下。通过使耐热层所含树脂的含量为上述范围,在多孔膜的吸热峰可确认的温度范围中,耐热层的吸热量与多孔膜的吸热量相比小到可以忽略的程度。
即,本发明的耐热层优选为包含玻璃化转变温度和熔点当中任意较低的温度比聚乙烯多孔膜的熔融温度更高的树脂的层、在90体积%以上且99体积%以下的范围内包含填料的层、或者耐热层所包含的树脂的单位面积重量相对于多孔膜的单位面积重量为0.2以下的层。
耐热层层叠在多孔膜的单面或两面。在多孔膜的单面层叠耐热层的情况下,该耐热层优选被层叠于制成非水电解液二次电池时多孔膜与正极相对的面,更优选被层叠于与正极接触的面。
耐热层的膜厚只要考虑非水电解液二次电池用层叠间隔件的膜厚进行适当确定即可,优选为2~10μm(在层叠于多孔膜的两面时为其合计值),更优选为3~8μm。
耐热层的每单位面积的重量只要考虑非水电解液二次电池用层叠间隔件的强度、膜厚、重量及操作性适当确定即可,优选为1~10g/m2,更优选为2~8g/m2
作为耐热层所包含的树脂,可列举例如:聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、乙烯-丙烯共聚物等聚烯烃;聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯等含氟树脂;偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物、偏氟乙烯-四氟乙烯共聚物、偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物、偏氟乙烯-三氯乙烯共聚物、偏氟乙烯-氟代乙烯共聚物、偏氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物等含氟橡胶;芳香族聚酰胺;全芳香族聚酰胺(芳族聚酰胺树脂);苯乙烯-丁二烯共聚物及其氢化物、甲基丙烯酸酯共聚物、丙烯腈-丙烯酸酯共聚物、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、乙丙橡胶、聚乙酸乙烯酯等橡胶类;聚苯醚、聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚醚酰胺、聚酯等熔点或玻璃化转变温度为180℃以上的树脂;聚乙烯醇、聚乙二醇、纤维素醚、海藻酸钠、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸等水溶性聚合物等。其中,优选聚酰胺、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚碳酸酯、聚缩醛、聚砜、聚苯硫醚、聚醚醚酮、芳香族聚酯、聚醚砜、聚醚酰亚胺、纤维素醚类等玻璃化转变温度和熔点当中任意较低的温度比多孔膜的熔融温度高的耐热树脂。这些耐热树脂可以单独或混合两种以上使用。
作为耐热层所包含的填料,可以举出由碳酸钙、滑石、粘土、高岭土、二氧化硅、水滑石、硅藻土、碳酸镁、碳酸钡、硫酸钙、硫酸镁、硫酸钡、氢氧化铝、勃姆石、氢氧化镁、氧化钙、氧化镁、氧化钛、氮化钛、氧化铝(alumina)、氮化铝、云母、沸石、玻璃等无机物构成的填料。填料可以仅使用1种,也可以组合使用2种以上。
上述填料中,更优选二氧化硅、氧化钙、氧化镁、氧化钛、氧化铝、云母和沸石,进一步优选二氧化硅、氧化镁、氧化钛和氧化铝,特别优选氧化铝。在氧化铝中存在有α-氧化铝、β-氧化铝、γ-氧化铝、θ-氧化铝等多种晶型,而且任一种晶型均可适当地使用。其中,α-氧化铝由于热稳定性及化学稳定性特别高而最为优选。
作为耐热层的形成方法,可列举例如:将包含上述耐热层的成分和溶剂的涂布液(以下,有时简称为“涂布液”。)直接涂布在多孔膜的表面后除去溶剂(分散介质)的方法;将涂布液涂布在适当的支撑体上,除去溶剂(分散介质)而形成耐热层后,使该耐热层与多孔膜压接,接着,剥离支撑体的方法;将涂布液涂布在适当的支撑体上之后,使多孔膜压接于涂布面,接着,剥离支撑体后除去溶剂(分散介质)的方法;以及在涂布液中浸渍多孔膜,进行浸涂后除去溶剂(分散介质)的方法;等。
耐热层的厚度可以通过调节涂布后湿润状态(wet)的涂膜的厚度、树脂与填料的重量比、涂布液的固体成分浓度(树脂浓度与填料浓度之和)等来进行控制。需要说明的是,作为支撑体,可以使用例如树脂制的膜、金属制的带或鼓等。
将上述涂布液涂布于多孔膜或支撑体的方法只要是能够实现必要的单位面积重量、涂布面积的方法即可,没有特别限制。作为涂布液的涂布方法,可以采用以往公知的方法。
溶剂(分散介质)的除去方法一般为基于干燥的方法。作为干燥方法,可以举出自然干燥、送风干燥、加热干燥和减压干燥等,只要能充分地除去溶剂(分散介质),则可以是任何方法。在上述干燥中可以使用通常的干燥装置。
另外,也可以将涂布液中所含的溶剂(分散介质)置换为其他的溶剂后进行干燥。作为将溶剂(分散介质)置换为其他的溶剂后将其除去的方法,可以举出例如如下的方法:使用溶解于涂布液中所含的溶剂(分散介质)、并且不会溶解涂布液中所含的树脂的其他溶剂(以下记作溶剂X),将被涂布了涂布液而形成有涂膜的多孔膜或支撑体浸渍在上述溶剂X中,将多孔膜上或支撑体上的涂膜中的溶剂(分散介质)用溶剂X置换后,使溶剂X蒸发。利用该方法,能够从涂布液高效地除去溶剂(分散介质)。
需要说明的是,在为了从形成于多孔膜或支撑体的涂布液的涂膜中除去溶剂(分散介质)或溶剂X而进行加热的情况下,为了避免多孔膜的细孔收缩而使透气度降低,理想的是在透气度不降低的温度下、具体为10~120℃、更优选20~80℃下进行。
〔2.非水电解液二次电池用构件、非水电解液二次电池〕
本发明的非水电解液二次电池用构件为依次配置正极、非水电解液二次电池用层叠间隔件及负极而成的非水电解液二次电池用构件。另外,本发明的非水电解液二次电池具备非水电解液二次电池用层叠间隔件。以下,列举锂离子二次电池用构件为例对非水电解液二次电池用构件进行说明,并列举锂离子二次电池为例对非水电解液二次电池进行说明。需要说明的是,除上述非水电解液二次电池用层叠间隔件以外的非水电解液二次电池用构件、非水电解液二次电池的构成要素并不限于下述说明的构成要素。
在本发明的非水电解液二次电池中,例如可以使用将锂盐溶解于有机溶剂中而成的非水电解液。作为锂盐,可举出例如LiClO4、LiPF6、LiAsF6、LiSbF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3、Li2B10Cl10、低级脂肪族羧酸锂盐、LiAlCl4等。上述锂盐可以仅使用1种,也可以组合使用2种以上。上述锂盐中,更优选选自LiPF6、LiAsF6、LiSbF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2及LiC(CF3SO2)3中的至少1种含氟锂盐。
作为构成非水电解液的有机溶剂,具体而言,可举出例如:碳酸乙烯酯、碳酸丙二醇酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、4-三氟甲基-1,3-二氧杂戊环-2-酮、1,2-二(甲氧基羰基氧基)乙烷等碳酸酯类;1,2-二甲氧基乙烷、1,3-二甲氧基丙烷、五氟丙基甲基醚、2,2,3,3-四氟丙基二氟甲基醚、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃等醚类;甲酸甲酯、乙酸甲酯、γ-丁内酯等酯类;乙腈、丁腈等腈类;N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺等酰胺类;3-甲基-2-噁唑烷酮等氨基甲酸酯类;环丁砜、二甲基亚砜、1,3-丙磺酸内酯等含硫化合物;以及在上述有机溶剂中引入氟基而成的含氟有机溶剂;等。上述有机溶剂可以仅使用1种,也可以组合使用2种以上。上述有机溶剂中,更优选碳酸酯类,进一步优选环状碳酸酯与非环状碳酸酯的混合溶剂、或者环状碳酸酯与醚类的混合溶剂。作为环状碳酸酯与非环状碳酸酯的混合溶剂,从工作温度范围广、并且在使用天然石墨、人造石墨等石墨材料作为负极活性物质的情况下也显示出难分解性的方面出发,进一步优选包含碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯及碳酸甲乙酯的混合溶剂。
作为正极,通常使用在正极集电体上担载有包含正极活性物质、导电材料及粘结剂的正极合剂的片状的正极。
作为上述正极活性物质,可以举出例如能够嵌入、脱嵌锂离子的材料。作为该材料,具体而言,可以举出例如含有V、Mn、Fe、Co、Ni等过渡金属的至少1种的锂复合氧化物。上述锂复合氧化物中,从平均放电电位高的方面出发,更优选镍酸锂、钴酸锂等具有α-N a Fe O2型结构的锂复合氧化物、锂锰尖晶石等具有尖晶石型结构的锂复合氧化物。该锂复合氧化物也可以含有各种金属元素,更优选复合镍酸锂。此外,若以相对于选自Ti、Zr、Ce、Y、V、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Ag、Mg、Al、Ga、In及Sn中的至少1种金属元素的摩尔数与镍酸锂中的Ni的摩尔数之和而使上述至少1种金属元素的比例为0.1~20摩尔%的方式使用包含该金属元素的复合镍酸锂,则在高容量下使用时的循环特性优异,因此特别优选。其中,从具备包含该活性物质的正极的非水电解液二次电池在高容量下使用时的循环特性优异的方面出发,特别优选包含Al或Mn且Ni比率为85%以上、更优选为90%以上的活性物质。
作为上述导电材料,可以举出例如天然石墨、人造石墨、焦炭类、炭黑、热分解碳类、碳纤维、有机高分子化合物烧成体等碳质材料等。上述导电材料可以仅使用1种,也可以组合使用2种以上,例如将人造石墨和炭黑混合使用等。
作为上述粘结剂,可举出例如:聚偏氟乙烯、偏氟乙烯的共聚物、聚四氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯的共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯的共聚物、四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚的共聚物、乙烯-四氟乙烯的共聚物、偏氟乙烯-四氟乙烯的共聚物、偏氟乙烯-三氟乙烯的共聚物、偏氟乙烯-三氯乙烯的共聚物、偏氟乙烯-氟代乙烯的共聚物、偏氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯的共聚物、热塑性聚酰亚胺、聚乙烯及聚丙烯等热塑性树脂;丙烯酸类树脂;以及苯乙烯丁二烯橡胶。需要说明的是,粘结剂也具有作为增稠剂的功能。
作为得到正极合剂的方法,可举出例如:将正极活性物质、导电材料及粘结剂在正极集电体上加压从而得到正极合剂的方法;使用适当的有机溶剂使正极活性物质、导电材料及粘结剂成为糊状而得到正极合剂的方法;等。
作为上述正极集电体,可以举出例如Al、Ni、不锈钢等导体,从容易加工成薄膜且廉价的方面出发,更优选Al。
作为片状的正极的制造方法、即、使正极合剂担载于正极集电体方法,可以举出例如:将成为正极合剂的正极活性物质、导电材料和粘结剂在正极集电体上加压成型的方法;使用适当的有机溶剂将正极活性物质、导电材料和粘结剂制成糊状而得到正极合剂后,将该正极合剂涂布于正极集电体并干燥,对所得的片状的正极合剂加压从而固定粘着于正极集电体的方法等。
作为负极,通常使用在负极集电体上担载有包含负极活性物质的负极合剂的片状的负极。片状的负极中优选包含上述导电材料及上述粘结剂。
作为上述负极活性物质,可以举出例如能够嵌入、脱嵌锂离子的材料、锂金属或锂合金等。作为该材料,具体而言,可以使用例如:天然石墨、人造石墨、焦炭类、炭黑、热分解碳类、碳纤维、有机高分子化合物烧成体等碳质材料;在比正极低的电位进行锂离子的嵌入、脱嵌的氧化物、硫化物等硫属化合物;与碱金属合金化的铝(Al)、铅(Pb)、锡(Sn)、铋(Bi)、硅(Si)等金属,能够将碱金属插入晶格间的立方晶系的金属间化合物(AlSb、Mg2Si、NiSi2)、锂氮化合物(Li3-xMxN(M:过渡金属))等。上述负极活性物质中,从由于电位平坦性高、且平均放电电位低而在与正极组合时可获得大的能量密度的方面出发,更优选天然石墨、人造石墨等以石墨材料为主成分的碳质材料,更优选为石墨与硅的混合物且该混合物的Si相对于C的比率为5%以上的负极活性物质,进一步优选该比率为10%以上的负极活性物质。
作为得到负极合剂的方法,可以举出例如:将负极活性物质在负极集电体上加压从而得到负极合剂的方法;使用适当的有机溶剂将负极活性物质制成糊状从而得到负极合剂的方法等。
作为上述负极集电体,可以举出例如Cu、Ni、不锈钢等,特别是在锂离子二次电池中,从难以与锂形成合金、并且容易加工成薄膜的方面出发,更优选Cu。
作为片状的负极的制造方法、即、使负极合剂担载于负极集电体的方法,可以举出例如:将成为负极合剂的负极活性物质在负极集电体上加压成型的方法;使用适当的有机溶剂将负极活性物质制成糊状而得到负极合剂后,将该负极合剂涂布于负极集电体并干燥,对所得的片状的负极合剂加压从而固定粘着于负极集电体的方法等。上述糊剂中优选包含上述导电材料及上述粘结剂。
依次配置上述正极、非水电解液二次电池用层叠间隔件和负极而形成本发明的非水电解液二次电池用构件后,在成为非水电解液二次电池壳体的容器中放入该非水电解液二次电池用构件,接着,用非水电解液将该容器内充满后,在减压的同时密封,由此可以制造本发明的非水电解液二次电池。非水电解液二次电池的形状没有特别限定,可以是薄板(纸)型、圆盘型、圆筒型、长方体等棱柱型等任何形状。需要说明的是,非水电解液二次电池的制造方法没有特别限定,可以采用以往公知的制造方法。
实施例
以下列举实施例对本发明进行更具体地说明,但本发明并不限于这些实施例。
<各种物性的测定方法>
通过以下的方法对以下的实施例及比较例的非水电解液二次电池用层叠间隔件的各种物性进行了测定。
(1)膜厚
按照JIS标准(K7130-1992),测定了非水电解液二次电池用层叠间隔件的膜厚D(μm)。
(2)单位面积重量
将非水电解液二次电池用层叠间隔件切割成边长为10cm的正方形,测定了重量W1(g)。接着,对用胶带(3M公司:Scotch)剥离1次非水电解液二次电池用层叠间隔件的耐热层后的多孔膜的重量W2(g)进行了测定。然后,使用下述式计算多孔膜的单位面积重量、耐热层的单位面积重量。
多孔膜的单位面积重量(g/m2)=W2/(0.1×0.1)
耐热层的单位面积重量(g/m2)=(W1-W2)/(0.1×0.1)
(3)透气度
非水电解液二次电池用层叠间隔件的透气度依据JIS P8117,用株式会社东洋精机制作所制的数字计时器式格利式透气度测定仪进行了测定。
(4)MD弹性力
将依据ASTM-D882测定的MD方向的拉伸弹性系数乘以膜厚的值设为MD弹性力。
(5)DSC测定
将切割为3mm见方的非水电解液二次电池用层叠间隔件重叠17片后放入到铝坩埚中,盖上铝盖,用专用的夹具紧固,制作测定样品A。
同样地,将从非水电解液二次电池用层叠间隔件除去耐热层后残留的多孔膜切割成3mm见方,重叠17片后放入到铝坩埚中,盖上铝盖,用专用的夹具紧固,制作测定样品B。
对各个测定样品,使用Seiko Instrument公司制DSC-7020,在升温速度10℃/min下测定了DSC曲线。在此,计算1片非水电解液二次电池用层叠间隔件或多孔膜的每单位面积的热量。
从所得的DSC曲线(横轴:温度、纵轴:DSC(W/m2))计算出下述SC、SPC
SC:测定样品A的基线与测定样品A的DSC曲线(第1DSC曲线)所围成的区域的面积(即第1DSC曲线中的峰面积)
SPC:测定样品B的基线和第1DSC曲线所围成的部分、与测定样品A的基线和测定样品B的DSC曲线(称作第2DSC曲线)所围成的部分重合的部分(即第1DSC曲线与第2DSC曲线的吸热峰的重叠部分)的面积。
(6)漏电不良度
将非水电解液二次电池用层叠间隔件夹在#1000的砂纸中,载置直径25mm的圆柱,并在其上载置10秒钟重物(圆柱与重物的合计为4kg)。然后,将耐电压试验机(日本TECNART公司制IMP3800)的直径25mm(500g)的电极载置在上述多孔膜的加压部,测定了破坏电压。
将同样的操作重复10次,将达到0.9kV以下的次数设为漏电不良度。
<非水电解液二次电池用层叠间隔件的制作>
首先,作为用于形成层叠在多孔膜上的耐热层的涂布液,制作了以下的涂布液A及涂布液B。
(涂布液A)
使用具有搅拌翼、温度计、氮气流入管及粉体添加口的3升的可分离式烧瓶,进行了聚(对苯二甲酰对苯二胺)的制造。将烧瓶充分干燥,加入N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)2200g,添加在200℃真空干燥了2小时的氯化钙粉末151.07g,升温到100℃,使其完全溶解。恢复到室温,添加对苯二胺68.23g,使其完全溶解。在将该溶液保持于20℃±2℃的状态下,将对苯二甲酰二氯124.97g分成10份每隔约5分钟对该溶液进行添加。之后,也边搅拌边在将溶液保持于20℃±2℃的状态下熟化1小时。之后,用1500目的不锈钢金属网进行过滤。所得的溶液的对芳族聚酰胺浓度为6%。在烧瓶中称取该对芳族聚酰胺溶液100g,添加300g的NMP,制备成对芳族聚酰胺浓度为1.5重量%的溶液,搅拌60分钟。在上述的对芳族聚酰胺浓度为1.5重量%的溶液中混合氧化铝C(日本Aerosil公司制)6g、高级氧化铝AA-03(住友化学公司制)6g,搅拌240分钟。将所得的溶液用1000目的金属网过滤,之后,添加氧化钙0.73g,搅拌240分钟,进行中和,在减压下脱泡,得到浆料状的涂布液A。
(涂布液B)
在35重量%乙醇水溶液中按照使固体成分浓度为20重量%的方式以4∶100的重量比添加、混合羧甲基纤维素(CMC,DAICEL FINECHEM公司制:1110)和氧化铝(住友化学株式会社制:AKP3000),在使用了Gaulin均质机的高压分散条件(50MPa)下进行3次处理,由此制备成涂布液B。
使用涂布液A或涂布液B,按照以下方式制作实施例1~4及比较例1~3的非水电解液二次电池用层叠间隔件。
(实施例1)
添加超高分子量聚乙烯粉末(GUR4012,Ticona公司制)80重量%及重均分子量1000的聚乙烯蜡(FNP-0115,日本精蜡公司制)20重量%,并相对于该超高分子量聚乙烯与聚乙烯蜡的总量100重量份,添加抗氧化剂(Irg1010,Ciba Specialty Chemicals公司制)0.4重量%、抗氧化剂(P168,Ciba Specialty Chemicals公司制)0.1重量%和硬脂酸钠1.3重量%,再按照相对于总体积为37体积%的方式添加平均孔径为0.1μm的碳酸钙(丸尾钙公司制),将它们以粉末的状态用亨舍尔混合机混合后,用双轴混炼机进行熔融混炼,制成聚烯烃树脂组合物。
将该聚烯烃树脂组合物利用表面温度为145℃的一对压延辊进行压延,边用改变了速度比(拉伸比(卷取辊速度/压延辊速度):1.4倍)的卷取辊进行拉伸边进行阶段性冷却,制作膜厚约54μm的片材。使该片材浸渍在盐酸水溶液(盐酸为4mol/L,非离子系表面活性剂为0.5重量%)中从而除去碳酸钙,接着,在105℃下沿TD方向(横方向、宽度方向)拉伸至5.8倍,得到多孔膜。
在该多孔膜的单面涂布涂布液A,使其在50℃、70%的气氛下析出1分钟,用流水清洗5分钟后,放入70℃的烘箱5分钟使其干燥从而形成耐热层,得到非水电解液二次电池用层叠间隔件。将非水电解液二次电池用层叠间隔件的制造条件归纳示于表1,并将所得的非水电解液二次电池用层叠间隔件的特性归纳示于表2。
在测定DSC曲线时的耐热层的除去利用胶带(3M公司制:Scotch)剥离3次来进行。将DSC测定结果及漏电不良度归纳示于表3中。
(实施例2)
添加超高分子量聚乙烯粉末(GUR4012,Ticona公司制)80重量%及重均分子量1000的聚乙烯蜡(FNP-0115,日本精蜡公司制)20重量%,并相对于该超高分子量聚乙烯与聚乙烯蜡的总量100重量份,添加抗氧化剂(Irg1010,Ciba Specialty Chemicals公司制)0.4重量%、抗氧化剂(P168,Ciba Specialty Chemicals公司制)0.1重量%和硬脂酸钠1.3重量%,再按照相对于总体积为41体积%的方式添加平均孔径为0.1μm的碳酸钙(丸尾钙公司制),将它们以粉末的状态用亨舍尔混合机混合后,用双轴混炼机进行熔融混炼,制成聚烯烃树脂组合物。
将该聚烯烃树脂组合物利用表面温度为150℃的一对压延辊进行压延,边用改变了速度比(拉伸比(卷取辊速度/压延辊速度):1.3倍)的卷取辊进行拉伸边进行阶段性冷却,制作膜厚约54μm的片材。通过将该片材浸渍在盐酸水溶液(盐酸4mol/L,非离子系表面活性剂0.5重量%)中从而除去碳酸钙,接着,在105℃下沿TD方向拉伸至5.8倍,得到多孔膜。
在该多孔膜的单面涂布涂布液A,使其在50℃、70%的气氛下析出1分钟,用流水清洗5分钟后,放入70℃的烘箱5分钟使其干燥从而形成耐热层,得到非水电解液二次电池用层叠间隔件。将非水电解液二次电池用层叠间隔件的制造条件归纳示于表1,并将所得的非水电解液二次电池用层叠间隔件的特性归纳示于表2。
在测定DSC曲线时的耐热层的除去利用胶带(3M公司制:Scotch)剥离3次来进行。将DSC测定结果及漏电不良度归纳示于表3中。
(实施例3)
添加超高分子量聚乙烯粉末(GUR4012,Ticona公司制)80重量%及重均分子量1000的聚乙烯蜡(FNP-0115,日本精蜡公司制)20重量%,并相对于该超高分子量聚乙烯与聚乙烯蜡的总量100重量份,添加抗氧化剂(Irg1010,Ciba Specialty Chemicals公司制)0.4重量%、抗氧化剂(P168,Ciba Specialty Chemicals公司制)0.1重量%和硬脂酸钠1.3重量%,再按照相对于总体积为41体积%的方式添加平均孔径为0.1μm的碳酸钙(丸尾钙公司制),将它们以粉末的状态用亨舍尔混合机混合后,用双轴混炼机进行熔融混炼,制成聚烯烃树脂组合物。
将该聚烯烃树脂组合物利用表面温度为147℃的一对压延辊进行压延,边用改变了速度比(拉伸比(卷取辊速度/压延辊速度):1.4倍)的卷取辊进行拉伸边进行阶段性冷却,制作膜厚约54μm的片材。通过将该片材浸渍在盐酸水溶液(盐酸4mol/L,非离子系表面活性剂0.5重量%)中从而除去碳酸钙,接着,在105℃下沿TD方向拉伸至5.8倍,得到多孔膜。
在该多孔膜的单面涂布涂布液A,使其在50℃、70%的气氛下析出1分钟,用流水清洗5分钟后,放入70℃的烘箱5分钟使其干燥从而形成耐热层,得到非水电解液二次电池用层叠间隔件。将非水电解液二次电池用层叠间隔件的制造条件归纳示于表1,并将所得的非水电解液二次电池用层叠间隔件的特性归纳示于表2。
在测定DSC曲线时的耐热层的除去利用胶带(3M公司制:Scotch)剥离3次来进行。将DSC测定结果及漏电不良度归纳示于表3中。
(实施例4)
添加超高分子量聚乙烯粉末(GUR4012,Ticona公司制)80重量%及重均分子量1000的聚乙烯蜡(FNP-0115,日本精蜡公司制)20重量%,并相对于该超高分子量聚乙烯与聚乙烯蜡的总量100重量份,添加抗氧化剂(Irg1010,Ciba Specialty Chemicals公司制)0.4重量%、抗氧化剂(P168,Ciba Specialty Chemicals公司制)0.1重量%和硬脂酸钠1.3重量%,再按照相对于总体积为41体积%的方式添加平均孔径为0.1μm的碳酸钙(丸尾钙公司制),将它们以粉末的状态用亨舍尔混合机混合后,用双轴混炼机进行熔融混炼,制成聚烯烃树脂组合物。
将该聚烯烃树脂组合物利用表面温度为150℃的一对压延辊进行压延,边用改变了速度比(拉伸比(卷取辊速度/压延辊速度):1.4倍)的卷取辊进行拉伸边进行阶段性冷却,制作膜厚约54μm的片材。通过将该片材浸渍在盐酸水溶液(盐酸4mol/L,非离子系表面活性剂0.5重量%)中从而除去碳酸钙,接着,在105℃下沿TD方向拉伸至5.8倍,得到多孔膜。
在该多孔膜的单面涂布涂布液B,将其放入70℃的烘箱5分钟使其干燥从而形成耐热层,得到非水电解液二次电池用层叠间隔件。将非水电解液二次电池用层叠间隔件的制造条件归纳示于表1,并将所得的非水电解液二次电池用层叠间隔件的特性归纳示于表2。
测定DSC曲线时的耐热层的除去通过使非水电解液二次电池用层叠间隔件浸渍于水中、施加超声波清洗3分钟、并使其在室温下干燥来进行。将DSC测定结果及漏电不良度归纳示于表3中。
(比较例1)
除了将片材厚度设为54μm以外,通过与日本特开2011-032446号公报的实施例1同样的操作,得到多孔膜。在该多孔膜的单面涂布涂布液A,使其在50℃、70%的气氛下析出1分钟,用流水清洗5分钟后,放入70℃的烘箱5分钟使其干燥从而形成耐热层,得到非水电解液二次电池用层叠间隔件。将非水电解液二次电池用层叠间隔件的制造条件归纳示于表1,并将所得的非水电解液二次电池用层叠间隔件的特性归纳示于表2。
在测定DSC曲线时的耐热层的除去利用胶带(3M公司制:Scotch)剥离3次来进行。将DSC测定结果及漏电不良度归纳示于表3中。
(比较例2)
添加超高分子量聚乙烯粉末(GUR4012,Ticona公司制)80重量%及重均分子量1000的聚乙烯蜡(FNP-0115,日本精蜡公司制)20重量%,并相对于该超高分子量聚乙烯与聚乙烯蜡的总量100重量份,添加抗氧化剂(Irg1010,Ciba Specialty Chemicals公司制)0.4重量%、抗氧化剂(P168,Ciba Specialty Chemicals公司制)0.1重量%和硬脂酸钠1.3重量%,再按照相对于总体积为37体积%的方式添加平均孔径为0.1μm的碳酸钙(丸尾钙公司制),将它们以粉末的状态用亨舍尔混合机混合后,用双轴混炼机进行熔融混炼,制成聚烯烃树脂组合物。
将该聚烯烃树脂组合物利用表面温度为143℃的一对压延辊进行压延,边用改变了速度比(拉伸比(卷取辊速度/压延辊速度):1.4倍)的卷取辊进行拉伸边进行阶段性冷却,制作膜厚约54μm的片材。通过将该片材浸渍在盐酸水溶液(盐酸4mol/L,非离子系表面活性剂0.5重量%)中从而除去碳酸钙,接着,在105℃下沿TD方向拉伸至5.8倍,得到多孔膜。
在该多孔膜的单面涂布涂布液A,使其在50℃、70%的气氛下析出1分钟,用流水清洗5分钟后,放入70℃的烘箱5分钟使其干燥从而形成耐热层,得到非水电解液二次电池用层叠间隔件。将非水电解液二次电池用层叠间隔件的制造条件归纳示于表1,并将所得的非水电解液二次电池用层叠间隔件的特性归纳示于表2。
在测定DSC曲线时的耐热层的除去利用胶带(3M公司制:Scotch)剥离3次来进行。将DSC测定结果及漏电不良度归纳示于表3中。
(比较例3)
在市售的聚烯烃多孔膜(聚烯烃间隔件)上涂布涂布液A,使其在50℃、70%的气氛下析出1分钟,用流水清洗5分钟后,放入70℃的烘箱5分钟使其干燥从而形成耐热层,得到非水电解液二次电池用层叠间隔件。将所得的非水电解液二次电池用层叠间隔件的特性归纳示于表2中。
在测定DSC曲线时的耐热层的除去利用胶带(3M公司制:Scotch)剥离3次来进行。将DSC测定结果及漏电不良度归纳示于表3中。
【表1】
【表2】
【表3】
漏电不良度
实施例1 0.72 1
实施例2 0.74 1
实施例3 0.80 2
实施例4 0.74 2
比较例1 0.69 6
比较例2 0.69 5
比较例3 0.82 4
如表2所示,就实施例1~4及比较例1、2的非水电解液二次电池用层叠间隔件而言,若膜厚为20μm以下,则是能够实现高能量密度化的薄膜,若透气度以格利值计为250秒/100cc以下,则具有充分的离子透过性。在具有这种厚度及离子透过性的同时,实施例1~4的非水电解液二次电池用层叠间隔件的SPC/SC为0.70~0.81的范围内,并且能够确认到漏电不良度为2以下、漏电不良的发生度低。与此相对,在SPC/SC不足0.70的比较例1、2中,漏电不良度为5以上、漏电不良的发生度高。
另外,在比较例3中,虽然单位面积重量大(透气度低),构成非水电解液二次电池用层叠间隔件的树脂量多,但是由于SPC/SC超过0.81,因此漏电不良的发生度高。
图2为表示SPC/SC与漏电不良度的关系的图表。如图2所示,可知在SPC/SC为0.70~0.81的范围内,可以降低漏电不良度。
另外,实施例1~4的非水电解液二次电池用层叠间隔件具有耐热层因而加热形状维持性优异。进而,MD弹性力为8N/mm以上,确认到操作性优异。

Claims (3)

1.一种非水电解液二次电池用层叠间隔件,其特征在于,其是包含多孔膜和耐热层的非水电解液二次电池用层叠间隔件,所述多孔膜包含50体积%以上的聚烯烃,
其膜厚为8~20μm,
格利值为250秒/100cc以下,
满足下述式(1),
0.70≤SPC/SC≤0.81···式(1)
在此,SC为将所述非水电解液二次电池用层叠间隔件切割成规定尺寸并以重叠的状态测定的第1DSC曲线中的峰面积,
SPC为从所述非水电解液二次电池用层叠间隔件除去所述耐热层后切割成规定尺寸并以重叠的状态测定的第2DSC曲线中的峰与所述第1DSC曲线中的峰的重叠部分的面积。
2.一种非水电解液二次电池用构件,其特征在于,依次配置正极、权利要求1所述的非水电解液二次电池用层叠间隔件和负极而成。
3.一种非水电解液二次电池,其特征在于,具备权利要求1所述的非水电解液二次电池用层叠间隔件。
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