CN112352344B - 具有微细图案的分隔件、卷绕体及非水电解质电池 - Google Patents
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Abstract
非水电解质电池中使用的分隔件具有基材以及在该基材的至少一主表面上具有的多个凸形状的图案,该基材含有一个层或多个层,并且使用在该凸形状的图案的顶部形成的大致平面与在该凸形状的图案的底部形成的大致平面的距离(T1)、和该分隔件的总厚度(T2)表示的T1/T2的值为0.3以上。
Description
技术领域
本发明涉及非水电解质电池中使用的分隔件等。
背景技术
随着近年的电子技术的发展或对环境技术的关心日益升高,使用各种电化学装置。特别是存在很多对节能化的要求,对于可以对此作出贡献的电化学装置的期待日益升高。
对于作为蓄电装置的代表例、并且也作为非水电解质电池的代表例的锂离子二次电池,以往主要用作小型机器用电源,但是近年作为混合动力车和电动汽车用电源也受到关注。
对于锂离子二次电池而言,随着装置的高性能化,高能量密度化进展,可靠性的确保变得重要。另外,对于车载用电源等中型或大型的锂离子二次电池而言,与小型机器相比,特别是需要确保可靠性。进而,作为车载用电源,需要符合产品周期、而能够长期维持充放电容量的锂离子二次电池。
锂离子二次电池中,锂(Li)离子在正极-负极之间移动,由此进行充放电。正极主要使用含锂过渡金属氧化物或含锂过渡金属磷酸化合物等,负极主要使用石墨或硅系化合物等。随着充放电,这些材料反复膨胀、收缩。特别是负极材料大多在充电时保持Li并膨胀,一般为膨胀率大的材料。例如在碳材料、具体而言石墨的情况下,通过在石墨的层间嵌入Li而引起充电。若在石墨的层间嵌入Li则层间变宽,石墨晶体膨胀,集合有石墨晶体的石墨颗粒会膨胀。已经进行了许多尝试来使含有石墨的负极的膨胀最小化,但是从根本上消除这种膨胀是困难的。进而为了提高容量密度,硅系材料的利用也得到进展。但是,与上述碳材料相比,硅系材料的膨胀/收缩率更大。若使用这种膨胀/收缩性高的负极材料,则负极的膨胀收缩对电池整体的膨胀收缩造成较大影响。特别是层压电池单元的情况下,这种影响显著。对于层压电池单元而言,为了抑制电池内部的电极层叠体或电极卷绕体的膨胀而作出贡献的要素如下:源自外部的压力、或者正极-分隔件之间的摩擦力或粘接力、或者负极-分隔件之间的摩擦力或粘接力、或者用于固定电极层叠体或电极卷绕体的带等把持构件,但即使利用这些要素,也有可能产生其结构的偏移。若由于膨胀收缩而正极、分隔件和负极的层叠体的层叠结构产生偏移,则造成正极-负极之间的距离的偏差,有可能产生导致不均匀的充放电而寿命大幅降低的现象。
另一方面,伴随充放电反应,也产生副反应。例如,通常认为电池内的电解液的分解物在负极还原析出。由于这种还原析出,电池或电池构成构件也会产生体积变化。这种还原析出未必均匀产生,因此助长上述电极之间距离的偏差,另外这也有可能导致不均匀的充放电而引起寿命降低。
圆筒型电池或方型电池中,也产生正极、分隔件和负极的电极层叠体或电极卷绕体的膨胀收缩。但是,圆筒型电池或方型电池中,其外周和一个端面是在连续的金属封装之中插入电极层叠体或电极卷绕体而成,因此与层压电池单元相比容易维持形态。另外,在电池热失控而达到起火的情况下,由于电解液的沸腾等所导致的膨胀能量集中于释放端,即,膨胀的能量集中于盖方向。盖吹跑的情况下,正极、分隔件和负极的电极层叠体或电极卷绕体停留于金属封装中是比较安全的破坏模式,但是产生由于膨胀收缩所导致的偏移或电解液对负极的还原析出的情况,即,电极之间距离产生偏差的情况下,电极层叠体或电极卷绕体解开而飞出到封装外部、电池单元整体变得危险的可能性升高。
近年提出了,通过对配置于正负极之间的分隔件赋予图案来抑制分隔件的变形,从而确保电池单元的安全性。例如专利文献1中记载了,在单轴拉伸分隔件的单面,在相对于拉伸方向交叉的方向设置凹凸,专利文献2中记载了在多层分隔件的至少一面设置槽,专利文献3中,对于聚烯烃微多孔膜的至少单面上所形成的突起进行了研究,并且专利文献5中记载了沿着分隔件面的横向(TD)形成凹凸。但是,专利文献1、2及5中记载的分隔件的结构对于维持上述说明的电极层叠体或电极卷绕体的结构而言不充分。
需要说明的是,专利文献4中,从与电池或电池构成构件的结构、尺寸稳定性不同的观点出发,对于在分隔件的有机-无机多孔性涂覆层形成槽而缩短电解液的浸渗时间进行了研究。
另外,专利文献6中记载了,在分隔件的至少单面具有含有无机氧化物填料和粘合材料的多孔膜、且该多孔膜具有部分地形成的凸部,由此可以避免过充电。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2016-184710号公报
专利文献2:日本特开2012-209197号公报
专利文献3:日本专利第5543715号公报
专利文献4:日本特开2016-26371号公报
专利文献5:国际公开第2005/022674号
专利文献6:日本特开2006-12788号公报
发明内容
发明要解决的问题
鉴于上述事情,已知的分隔件的结构维持正极、分隔件和负极的电极层叠体或电极卷绕体的结构的性能不充分。因此,本发明的目的在于,提供可以降低含有正极、分隔件和负极的电极层叠体或电极卷绕体的偏移的分隔件,以及提供使寿命特性改善的锂离子二次电池。
用于解决问题的方案
本发明人等发现,通过适当控制分隔件的表面结构,可以抑制电极层叠体或电极卷绕体的卷偏移的有效的结构,发现通过使用具有这种结构的分隔件,可以实现能够达成寿命特性大幅改善以及安全性改善的锂离子二次电池。进而也发现,在对将具有本发明的表面结构的分隔件卷绕于分隔件卷绕用的芯而成的卷绕体施加横向的力的情况、即由分隔件的端面施加力的情况下,为难以解开的结构,从而完成了本发明。
即,本发明如以下所述。
[1]一种分隔件,其为非水电解质电池中使用的分隔件,
前述分隔件具有基材以及在前述基材的至少一主表面上具有的多个凸形状的图案,
前述基材含有一个层或多个层,
使用在前述凸形状的图案的顶部形成的大致平面与在前述凸形状的图案的底部形成的大致平面的距离(T1)、和前述分隔件的总厚度(T2)表示的T1/T2的值为0.3以上。
[2]根据项目1所述的分隔件,其中,在前述基材的层为多个的情况下,前述凸形状的图案的压缩模量为构成前述基材的层中具有最低的压缩模量的层的压缩模量的2倍以上,在前述基材的层为一个的情况下,前述凸形状的图案的压缩模量为该基材的压缩模量的2倍以上。
[3]根据项目1或2所述的分隔件,其中,通过对于前述凸形状的图案的垂直方向测定得到的具有前述凸形状的图案的部分的透气度S1和前述分隔件的非图案部的透气度S2的比率表示的S1/S2为0.8以上且5以下。
[4]根据项目1~3中任一项所述的分隔件,其中,被前述凸形状的图案的底部包围的面积与单位格子的面积的比率为0.03以上且0.80以下。
[5]根据项目1~4中任一项所述的分隔件,其中,在前述凸形状的图案的顶部形成的大致平面与在前述凸形状的图案的底部形成的大致平面的距离(T1)为6μm以上。
[6]根据项目1~5中任一项所述的分隔件,其中,通过与前述凸形状的图案的大致形状的至少2点相接的外接圆的直径(Rp)、和与前述凸形状的图案的大致形状的至少2点相接的内切圆的直径(rp)表示的数值Rp/rp为1以上且不足10。
[7]根据项目1~6中任一项所述的分隔件,其中,前述凸形状的图案含有无机颗粒或树脂细粒。
[8]根据项目7所述的分隔件,其中,在前述无机颗粒或树脂细粒的含有前述分隔件的垂直线的截面中,通过与前述无机颗粒或树脂细粒的大致形状的至少2点相接的外接圆的直径(Ri)、和与前述无机颗粒或树脂细粒的大致形状的至少2点相接的内切圆的直径(ri)表示的数值Ri/ri超过1且不足10。
[9]根据项目1~8中任一项所述的分隔件,其中,前述T1/T2的值为10以下。
[10]一种卷绕体,其为将项目1~9中任一项所述的分隔件卷绕于卷绕用芯而成的。
[11]一种非水电解质电池,其含有:层叠正极、项目1~9中任一项所述的分隔件和负极而成的层叠体或前述层叠体的卷绕体,且含有非水电解质。
发明的效果
根据本发明,可以提供抑制含有电极和分隔件的层叠体的卷偏移,抑制锂离子二次电池内的卷绕体的卷偏移或退卷,进而寿命特性和安全性都优异的锂离子二次电池等非水电解质电池
附图说明
图1为表示本发明的一实施方式的分隔件的第1面中的微细图案的示意图。
图2为表示本发明的一实施方式的分隔件的微细图案的自与主表面垂直的方向投影的示意图。
图3为表示作为本发明的一实施方式的分隔件的第1面中的微细图案的一例的锥形形状的示意图。
图4为表示作为本发明的一实施方式的分隔件的第1面中的微细图案的一例、凸部具有3个以上拐点的形状的示意图。
具体实施方式
以下,对用于实施本发明的方式(以下,仅称为“本实施方式”)进行详细说明。以下的本实施方式为用于说明本发明的例示,宗旨并非将本发明限定于以下内容。本发明在其主旨的范围内可以适当变形来实施。
本发明的一方式为非水电解质电池中使用的分隔件,在分隔件的至少一主表面上存在凸形状的图案。
[第1实施方式:分隔件]
本实施方式中使用的分隔件具有基材以及在该基材的至少一主表面上具有的多个凸形状的图案。
[基材]
作为基材,若离子的透过性高、并且具有将正极和负极在电气上隔离的功能即可。可以使用非水电解质电池中使用的以往的多孔薄膜,没有特别限制。
具体而言,可以使用由如聚烯烃(例如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等)、聚酯、聚酰亚胺、聚酰胺和聚氨酯等那样对于电池中的非水电解质稳定、并且电化学上稳定的材料构成的微多孔膜或无纺布等作为基材。
需要说明的是,优选的是基材具有在优选80℃以上(更优选100℃以上)并且优选180℃以下(更优选150℃以下)的温度下堵塞其孔的性质(即关闭功能)。因此,基材更优选使用含有熔解温度、即根据JIS K 7121的规定使用差示扫描量热计(DSC)测定的熔解温度范围优选为80℃以上(更优选100℃以上)且优选180℃以下(更优选150℃以下)的聚烯烃的微多孔膜或无纺布。此时,形成基材的微多孔膜或无纺布例如可以仅由PE形成、或仅由PP形成,进而也可以含有2种以上材料。另外,基材可以含有一个层或多个层,例如可以为PE制的微多孔膜和PP制的微多孔膜的层叠体(例如PP/PE/PP三个层层叠体等)、PE制微多孔膜和聚酰亚胺制微多孔膜的层叠体等。
本发明中使用的基材可以为不同组成或结构的微多孔膜的层叠体,但构成基材的多个微多孔膜(层)中、具有最低的压缩模量的层的压缩模量优选处于5~400MPa的范围内。通过得到这种范围内的压缩模量,若对于凸部的压入产生充分的变形,则可以改善卷绕体、电极的层叠体、或电极的层叠体卷绕而成的卷绕体的稳定性。更优选其上限为350MPa以下、进一步优选300MPa以下。另外,对于其下限,更优选为10MPa以上、进一步优选15MPa以上。
在测定基材的具有最低压缩模量的层的压缩模量的情况下,可以取出该层而利用微小硬度计进行测定。
更具体而言,基材的压缩模量可以使用动态超微小硬度计(岛津制作所:DUH-211S)、使用压入深度设定负荷-卸载荷试验模式在以下的条件下测定:
以1cm见方切出基材样品,用粘接剂(胶水)固定于试样台上,将直径50μm的平面压头(金刚石制)以速度0.4877mN/sec由基材的表面压入至形成载荷10mN的负荷的深度后(没有保持时间),以速度0.4877mN/sec拉回至形成载荷0mN的基材表面的位置。重复这种负荷-卸载荷循环,由负荷时的基材的初始变形的直线区域计测压缩模量。
本实施方式中的基材的透气度优选为10秒/100ml以上且500秒/100ml以下、更优选20秒/100ml以上且450秒/100ml以下、进一步优选30秒/100ml以上且450秒/100ml以下。通过透气度为10秒/100ml以上,存在将分隔件用于非水电解质电池时的自放电变得更少的倾向。另外,通过透气度为500秒/100ml以下,存在得到更良好的充放电特性的倾向。
对于基材的透气度,可以在依据JIS P-8117的葛利式透气度计中应用将通气区域限定至直径100μm的圆的治具来进行测定。由于通气区域变窄,因而测定值会产生误差,但该差是补正面积来算出的。即,将所测定得到的透气度除以作为通气的截面积的7.85×10- 3mm2,乘以作为JIS P-8117中指定的截面积的642mm2,由此计算、算出。作为简便的方法,可以使用Celgard公司制的CG2500进行各截面积下的测定并补正其比率。
基材的厚度优选为3~35μm、更优选4~30μm、进一步优选5~25μm。通过基材的厚度为3μm以上,分隔件的弹性改善,存在其卷绕体、电极的层叠体、或电极的层叠体卷绕而成的卷绕体的稳定性改善的倾向。另外,通过基材的厚度为35μm以下,存在电池容量和透过性进一步改善的倾向。
基材的膜密度优选为0.2~1.5g/cm3、更优选0.3~1.2cm3。通过基材的膜密度为0.2g/cm3以上,分隔件的弹性改善,存在其卷绕体、电极的层叠体、或电极的层叠体卷绕而成的卷绕体的稳定性改善的倾向。另外,通过基材的膜密度为1.5g/cm3以下,存在电池容量和透过性进一步改善的倾向。作为基材,没有特别限定,可列举出例如聚烯烃微多孔膜、具备聚烯烃微多孔膜和配置于该聚烯烃微多孔膜的至少一面的无机层的基材。
(聚烯烃微多孔膜)
作为聚烯烃微多孔膜中含有的聚烯烃树脂,没有特别限定,例如可以使用乙烯、丙烯、1-丁烯、4-甲基-1-戊烯、1-己烯和1-辛烯等的均聚物、以及它们的共聚物、多段聚合物等。作为聚烯烃树脂,没有特别限定,更具体而言,可列举出低密度聚乙烯、线状低密度聚乙烯、中密度聚乙烯、高密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯、等规聚丙烯、无规聚丙烯、乙烯-丙烯无规共聚物、聚丁烯、乙丙橡胶等。
所卷绕的分隔件用作蓄电装置用分隔件的情况下,优选为低熔点、并且高强度的高密度聚乙烯作为主要成分的树脂。
另外,优选将聚丙烯、聚丙烯以外的聚烯烃树脂组合使用。通过使用这种聚烯烃树脂,存在分隔件的耐热性进一步改善的倾向。需要说明的是,作为聚丙烯的立体结构,没有特别限定,可列举出例如等规聚丙烯、间规聚丙烯和无规聚丙烯。
聚丙烯的含量相对于聚烯烃树脂100质量%优选为1~35质量%、更优选3~20质量%、进一步优选4~10质量%。通过聚丙烯的含量处于上述范围内,存在可以兼顾更高的耐热性和更良好的关闭功能的倾向。
作为聚丙烯以外的聚烯烃树脂,没有特别限定,可列举出例如上述例子,其中,优选为聚乙烯、聚丁烯、乙烯-丙烯无规共聚物等。其中,从孔通过热熔融而堵塞的关闭特性的观点考虑,更优选为低密度聚乙烯、线状低密度聚乙烯、中密度聚乙烯、高密度聚乙烯、超高分子量聚乙烯等聚乙烯。从强度的观点考虑,进一步优选使用根据JIS K 7112测定得到的密度为0.93g/cm3以上的聚乙烯。
需要说明的是,聚烯烃树脂可以单独使用1种或组合使用2种以上。
聚烯烃树脂的含量相对于基材100质量%优选为50质量%以上且100质量%以下、更优选60质量%以上且100质量%以下、进一步优选70质量%以上且100质量%以下。通过聚烯烃树脂的含量处于上述范围内,存在作为蓄电装置用分隔件使用时的关闭性能进一步改善的倾向。
聚烯烃树脂的粘均分子量优选为3万以上且1200万以下、更优选5万以上且200万以下、进一步优选10万以上且100万以下。通过粘均分子量为3万以上,熔融成形时的熔融张力增大,存在基材的成形性变得良好的同时、通过聚合物彼此的互相缠绕而基材形成更高强度的倾向。另一方面,通过粘均分子量为1200万以下,均匀地熔融混炼变得容易,存在片材的成形性、特别是厚度稳定性优异的倾向。进而,通过粘均分子量为100万以下,存在温度升高时容易堵塞孔、得到良好的关闭功能的倾向。需要说明的是,例如也可以替代单独使用粘均分子量不足100万的聚烯烃,而使用作为粘均分子量200万的聚烯烃和粘均分子量27万的聚烯烃的混合物的、其粘均分子量不足100万的聚烯烃树脂混合物。
本实施方式中的基材可以含有任意的添加剂。作为这种添加剂,没有特别限定,可列举出例如聚烯烃树脂以外的聚合物;无机颗粒;有机颗粒;酚系、磷系、硫系等抗氧化剂;硬脂酸钙、硬脂酸锌等金属皂类;紫外线吸收剂;光稳定剂;抗静电剂;防雾剂;着色颜料等。
基材中含有无机颗粒或树脂细粒等有机颗粒的情况下,可以在上述基材中含有无机颗粒和/或树脂细粒而形成单层结构的分隔件。
无机颗粒优选选自由氧化钠、氧化钾、氧化镁、氧化钙、氧化钡、氧化镧、氧化铈、氧化锶、氧化钒、SiO2-MgO(硅酸镁)、SiO2-CaO(硅酸钙)、水滑石、碳酸钠、碳酸钾、碳酸镁、碳酸钙、碳酸钡、碳酸镧、碳酸铈、碱性钛酸盐、碱性硅钛酸盐、碱性乙酸铜、碱性硫酸铅;层状复合金属氢氧化物(例如Mg-Al类型、Mg-Fe类型、Ni-Fe类型、Li-Al类型等)、层状复合金属氢氧化物-氧化铝硅胶复合体、勃姆石、氧化铝、氧化锌、氧化铅、铁的氧化物、羟基氧化铁、赤铁矿、氧化铋、氧化锡、氧化钛、氧化锆等阴离子吸附材料;磷酸锆、磷酸钛、磷灰石、非碱性钛酸盐、铌酸盐、铌·钛酸盐等阳离子吸附材料;沸石、硫酸钙、硫酸镁、硫酸铝、石膏、硫酸钡等碳酸盐及硫酸盐;氧化铝三水合物(ATH)、气相二氧化硅、沉淀二氧化硅、氧化锆和氧化钇等氧化物系陶瓷;氮化硅、氮化钛和氮化硼等氮化物系陶瓷;碳化硅、滑石、地开石、珍珠陶石、多水高岭土、叶蜡石、蒙脱石、绢云母、镁绿泥石、膨润土等层状硅酸盐;石棉、硅藻土、玻璃纤维、合成层状硅酸盐、例如云母或氟云母和硼酸锌组成的组中。它们可以单独使用或组合使用多种。
另外,树脂细粒优选由具有耐热性和电绝缘性、对于电池中的非水电解质稳定、并且在电池的工作电压范围内不易氧化还原、电化学上稳定的树脂构成。作为用于形成这种树脂细粒的树脂,可例示出选自由苯乙烯树脂(聚苯乙烯等)、苯乙烯-丁二烯橡胶、丙烯酸类树脂(聚甲基丙烯酸甲酯等)、聚氧化烯(聚氧化乙烯等)、氟树脂(聚偏二氟乙烯等)以及它们的衍生物组成的组中的至少一种树脂的交联体、尿素树脂、以及聚氨酯等。树脂细粒可以单独使用1种上述所例示的树脂或组合使用2种以上。另外,树脂细粒根据需要可以含有可以添加到树脂的已知的添加剂、例如抗氧化剂等。
无机颗粒或树脂细粒的形态可以为板状、鳞片状、针状、柱状、球状、多面体状、和块状等中的任意一种形态。具有上述形态的无机颗粒或树脂细粒可以单独使用1种或组合使用2种以上。从透过性改善的观点考虑,优选为包含多个面的多面体状。
另外,作为无机颗粒或树脂细粒的粒径,优选其平均粒径(D50)为0.1μm~4.0μm、更优选0.2μm~3.5μm、进一步优选0.4μm~3.0μm。通过将平均粒径调整到这种范围内,存在高温下的热收缩得到进一步抑制的倾向。
对于这些添加剂的总计含量,相对于基材100质量份优选为20质量份以下、更优选10质量份以下、进一步优选5质量份以下。对于总计含量的下限值没有特别限制,例如相对于基材100质量份可以超过0质量份。
(无机层)
作为无机层,没有特别限定,可列举出例如含有无机填料和树脂制粘结剂的无机层。
(无机填料)
无机颗粒优选选自由氧化钠、氧化钾、氧化镁、氧化钙、氧化钡、氧化镧、氧化铈、氧化锶、氧化钒、SiO2-MgO(硅酸镁)、SiO2-CaO(硅酸钙)、水滑石、碳酸钠、碳酸钾、碳酸镁、碳酸钙、碳酸钡、碳酸镧、碳酸铈、碱性钛酸盐、碱性硅钛酸盐、碱性乙酸铜、碱性硫酸铅;层状复合金属氢氧化物(Mg-Al类型、Mg-Fe类型、Ni-Fe类型、Li-Al类型等)、层状复合金属氢氧化物-氧化铝硅胶复合体、勃姆石、氧化铝、氧化锌、氧化铅、铁的氧化物、羟基氧化铁、赤铁矿、氧化铋、氧化锡、氧化钛、氧化锆等阴离子吸附材料;磷酸锆、磷酸钛、磷灰石、非碱性钛酸盐、铌酸盐、铌·钛酸盐等阳离子吸附材料;沸石、硫酸钙、硫酸镁、硫酸铝、石膏、硫酸钡等碳酸盐及硫酸盐;氧化铝三水合物(ATH)、气相二氧化硅、沉淀二氧化硅、氧化锆和氧化钇等氧化物系陶瓷;氮化硅、氮化钛和氮化硼等氮化物系陶瓷;碳化硅、高岭石、滑石、地开石、珍珠陶石、多水高岭土、叶蜡石、蒙脱石、绢云母、镁绿泥石、膨润土等层状硅酸盐;石棉、硅藻土、玻璃纤维、合成层状硅酸盐、例如云母或氟云母和硼酸锌组成的组中。它们可以单独使用或组合使用多种。
上述之中,从改善电化学的稳定性和多层多孔膜的耐热特性的观点考虑,优选为氧化铝、勃姆石等氧化铝化合物;或高岭石、地开石、珍珠陶石、多水高岭土、叶蜡石等不具有离子交换能力的硅酸铝化合物。作为氧化铝化合物,优选为氢氧化铝氧化物。作为不具有离子交换能力的硅酸铝化合物,为了廉价并且也容易获得,优选为主要由高岭土矿物构成的高岭土。高岭土存在湿式高岭土和对其进行焙烧处理而得到的煅烧高岭土,煅烧高岭土由于除了焙烧处理时释放结晶水之外,还去除杂质,因此在电化学的稳定性方面特别优选。
作为无机填料的形状,没有特别限定,可列举出例如板状、鳞片状、针状、柱状、球状、多面体状和块状等,也可以将多种具有上述形状的无机填料组合来使用。其中,优选为包含多个面的多面体状、柱状、纺锤状。通过使用这种无机填料,存在透过性进一步改善的倾向。
无机填料的含量相对于无机层100质量%优选为50质量%以上且不足100质量%、更优选70质量%以上且99.99质量%以下、进一步优选80质量%以上且99.9质量%以下、特别优选90质量%以上且99质量%以下。通过无机填料的含量处于上述范围内,存在无机填料的粘合性、多层多孔膜的透过性和耐热性等进一步改善的倾向。
(树脂制粘结剂)
作为树脂制粘结剂,没有特别限定,优选使用对于锂离子二次电池的电解液不溶、并且在锂离子二次电池的使用范围内电化学上稳定的粘结剂。作为这种树脂制粘结剂,没有特别限定,可列举出例如聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃;聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯等含氟树脂;偏二氟乙烯-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;苯乙烯-丁二烯共聚物及其氢化物、丙烯腈-丁二烯共聚物及其氢化物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物及其氢化物、甲基丙烯酸酯-丙烯酸酯共聚物、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、丙烯腈-丙烯酸酯共聚物、乙丙橡胶、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯等橡胶类;乙基纤维素、甲基纤维素、羟基乙基纤维素、羧甲基纤维素等纤维素衍生物;聚苯醚、聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚酰胺、聚酯等熔点和/或玻璃化转变温度为180℃以上的树脂等。
作为树脂制粘结剂,使用聚乙烯醇(PVA)的情况下,其皂化度优选为85%以上且100%以下、更优选90%以上且100%以下、进一步优选95%以上且100%以下、特别优选99%以上且100%以下。通过PVA的皂化度为85%以上,分隔件发生短路的温度(shorttemperature)改善,存在得到更良好的安全性能的倾向。
另外,聚乙烯醇的聚合度优选为200以上且5000以下、更优选300以上且4000以下、进一步优选500以上且3500以下。通过聚合度为200以上,可以利用少量的聚乙烯醇将煅烧高岭土等无机填料牢固地粘合于无机层,存在可以维持无机层的力学强度的同时抑制基材的透气度增加的倾向。另外,通过聚合度为5000以下,存在可以防止制造涂布液时的凝胶化等的倾向。
作为树脂制粘结剂,优选为树脂制胶乳粘结剂。通过使用树脂制胶乳粘结剂,存在离子透过性不易降低、容易得到高输出特性的倾向。并且,即使异常放热时的温度升高快的情况下,也表现出平稳的关闭特性,存在容易得到高的安全性的倾向。
作为树脂制胶乳粘结剂,没有特别限定,例如从改善电化学的稳定性和粘合性的观点考虑,优选为将脂肪族共轭二烯系单体、不饱和羧酸单体、以及脂肪族共轭二烯系单体和/或不饱和羧酸单体与能够跟脂肪族共轭二烯系单体和/或不饱和羧酸单体共聚的其它单体进行乳液聚合而得到的树脂制胶乳粘结剂。作为乳液聚合的方法,没有特别限制,可以使用以往的方法。对于单体和其它成分的添加方法,没有特别限制,可以采用一起添加方法、分开添加方法、连续添加方法中的任意一种,另外,可以采用一阶段聚合、两阶段聚合或多阶段聚合等中的任意一种。
作为脂肪族共轭二烯系单体,没有特别限定,可列举出例如1,3-丁二烯、2-甲基-1,3-丁二烯、2,3-二甲基-1,3-丁二烯、2-氯-1,3-丁二烯、取代直链共轭戊二烯类、取代及侧链共轭己二烯类等。它们可以单独使用1种或组合使用2种以上。上述之中,特别优选为1,3-丁二烯。
作为不饱和羧酸单体,没有特别限定,可列举出例如丙烯酸、甲基丙烯酸、巴豆酸、马来酸、富马酸、衣康酸等单或二羧酸(酸酐)等。它们可以单独使用1种或组合使用2种以上。上述之中,特别优选为丙烯酸、甲基丙烯酸。
作为能够跟脂肪族共轭二烯系单体和/或不饱和羧酸单体共聚的其它单体,没有特别限定,可列举出例如芳香族乙烯基系单体、乙烯基氰系单体、不饱和羧酸烷基酯单体、含有羟基烷基的不饱和单体、不饱和羧酸酰胺单体等。它们可以单独使用1种或组合使用2种以上。
上述之中,特别优选为不饱和羧酸烷基酯单体。作为不饱和羧酸烷基酯单体,没有特别限定,可列举出例如丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、富马酸二甲酯、富马酸二乙酯、马来酸二甲酯、马来酸二乙酯、衣康酸二甲酯、富马酸单甲酯、富马酸单乙酯、丙烯酸2-乙基己酯等,它们可以单独使用1种或组合使用2种以上。上述之中,特别优选为甲基丙烯酸甲酯。
需要说明的是,除了这些单体之外,为了改良各种品质和物性,也可以还使用上述以外的单体成分。
树脂制粘结剂的平均粒径优选为50~800nm、更优选60~700nm、进一步优选80~500nm。通过树脂制粘结剂的平均粒径为50nm以上,将无机层层叠于聚烯烃微多孔膜的至少单面时,存在离子透过性不易降低、容易得到高输出特性的倾向。并且,即使异常放热时的温度升高快的情况下,也表现出平稳的关闭特性,存在容易得到高的安全性的倾向。通过树脂制粘结剂的平均粒径为800nm以下,表现出良好的粘合性,形成多层多孔膜的情况下,热收缩变得良好,存在安全性优异的倾向。需要说明的是,树脂制粘结剂的平均粒径可以通过调整聚合时间、聚合温度、原料组成比、原料投入顺序、pH等来控制。
无机层的层厚优选为1~50μm、更优选1.5~20μm、进一步优选2~10μm、更进一步优选3~10μm、特别优选3~7μm。通过无机层的层厚为1μm以上,存在基材的耐热性和绝缘性进一步改善的倾向。另外,通过无机层的层厚为50μm以下,存在电池容量和透过性进一步改善的倾向。
无机层的层密度优选为0.5~2.0g/cm3、更优选0.7~1.5g/cm3。通过无机层的层密度为0.5g/cm3以上,存在高温下的热收缩率变得良好的倾向。另外,通过无机层的层密度为2.0g/cm3以下,存在透气度进一步降低的倾向。
[微细图案]
本实施方式的分隔件中,在分隔件的至少一主表面上如图1所示那样形成具有多个凸部11a、即微细图案11的图案区域。图案可以形成于主表面的整个面、也可以为主表面的一部分。本说明书中,“主表面”指的是多孔薄膜的表面中、至少具有3边且具有最大面积的面,或为被组装到非水电解质电池时与电极或负极对置的面。从Li离子的扩散均匀化的观点考虑,优选在整个面存在图案。根据需要也可以将面内分割而实施不同的图案。另外,根据需要也可以对于第2面实施图案,第1面与第2面的图案可以相同或不同。从制造上的观点考虑,优选仅在第1面存在图案。以下,凸部在文章中为了方便记载为“凸形状的图案”,多个凸部记载为“微细图案”。
微细图案的高度可以全部一致,也可以混合几种高度。即,高度的柱状图可以为多段性、也可以为连续性。为了使负极和正极的距离均匀、更牢固地防止对于分隔件、正极或负极的偏移,高度优选形成三种以下、更优选两种以下、更优选全部高度一致。但是,从制造上的观点考虑,容许其偏差。在此所称的图案的高度指的是分隔件的厚度方向中从由最低的部分构成的假想平面直至由图案顶部的平均位置构成的大致平面(也称为由凸形状的图案的顶部形成的大致平面)为止的距离,以T1表示。
对于微细图案的高度(T1),从含有分隔件的非水电解质电池的电池特性或安全性的观点考虑,优选为50μm以下、更优选45μm以下、进一步优选40μm以下。另外,T1从压入量的观点考虑,优选为2μm以上或超过2μm、优选为4μm以上、进一步优选6μm以上。
另外,通过微细图案的高度(T1)和分隔件的总厚度(T2)表示的T1/T2的值为0.3以上。通过T1满足该值(>0.3),在分隔件的卷绕体、电极的层叠体、或电极的层叠体卷绕而成的卷绕体中,微细图案对于分隔件、正极或负极可以确保充分的压入量,因此可以改善分隔件的卷绕体、电极的层叠体、或电极的层叠体卷绕而成的卷绕体的稳定性。T1/T2的值更优选超过0.35、进一步优选0.4以上或0.45以上。其上限优选为10以下、更优选9以下、进一步优选8以下。通过T1/T2为该上限值以下,可以抑制电池内的容量密度降低。
图案的长轴的长度设为L、图案间距设为P时,作为其比的L/P优选为0.01以上且0.90以下。其下限更优选为0.05以上、进一步优选0.10以上。通过L/P设置这种下限,对凸部的应力集中变得容易,可以改善分隔件的卷绕体、电极的层叠体、或电极的层叠体卷绕而成的卷绕体的稳定性。另外,其上限更优选为0.85以下、进一步优选0.80以下。通过为该上限以下,容易对各凸形状的图案均匀地施加压力,可以改善分隔件的卷绕体、电极的层叠体、或电极的层叠体卷绕而成的卷绕体的稳定性。
被微细图案的凸形状的图案的底部包围的面积与单位格子的面积的比率优选为0.80以下。另外,该比率更优选为0.75以下、进一步优选0.70以下。通过比率为这些上限值以下,对凸部的应力集中变得容易,可以改善分隔件的卷绕体、电极的层叠体、或电极的层叠体卷绕而成的卷绕体的稳定性。被微细图案的凸形状的图案的底部包围的面积与单位格子的面积的比率优选为0.03以上、更优选0.05以上、进一步优选0.10以上。通过比率为这些下限值以上,容易对各凸形状的图案均匀地施加压力,可以改善分隔件的卷绕体、电极的层叠体、或电极的层叠体卷绕而成的卷绕体的稳定性。
(凸形状的图案)
本实施方式中的凸形状的图案的压缩模量优选为基材的最低压缩模量的2倍以上。通过满足这种范围的压缩模量,能够充分地压入凸部,若产生充分的变形则可以改善分隔件的卷绕体、电极的层叠体、或电极的层叠体卷绕而成的卷绕体的稳定性。该倍率的上限优选为10000倍以下、进一步优选7500倍以下。另外,对于该倍率的下限,更优选为5倍以上、进一步优选10倍以上。
在测定凸形状的图案的压缩模量的情况下,可以取出该凸形状的图案部而利用微小硬度计进行测定。测定方法是将对于基材的利用微小硬度计进行的测定作为标准。另外,认为为与分隔件内含有的其它层相同的层结构或近似的层结构的情况下,可以代用该值。
本实施方式中的凸形状的图案的透气度和凹部的透气度优选为10秒/100ml以上且1000秒/100ml以下、更优选20秒/100ml以上且900秒/100ml以下、进一步优选30秒/100ml以上且900秒/100ml以下。通过透气度为10秒/100ml以上,存在将分隔件用于非水电解质电池时的自放电变得更少的倾向。另外,通过透气度为1000秒/100ml以下,存在得到更良好的充放电特性的倾向。凸形状的图案的透气度测定是将对于基材的透气度测定作为标准。
通过对于图1所示的凸形状的图案11a的垂直方向测定得到的透气度(S1)、和非凸形状的图案11b的透气度(S2)表示的S1/S2的值优选为5以下。通过S1/S2满足该值(≤5),存在得到良好的充放电特性的倾向。S1/S2的值更优选为4.5以下、进一步优选4.0以下。另外,对于其下限没有限定,但是优选为0.8以上。
凸形状的图案部的平均面积(x)或非凸形状的图案部的平均面积(y)小于透气度计的通气区域的情况下,测定含有凸形状的图案部和非凸形状的图案部这两者的区域的平均透气度(Sa)、和将凸形状的图案部物理地剥离后的非凸形状的图案部的透气度(S2),由此可以由以下的式1算出凸形状的图案部的透气度(S1)。
(式1)S1={S2·y-Sa·(x+y)}/x
凸形状的图案间距优选超过110μm且为20000μm以下。图案间距更优选120μm以上、进一步优选130μm以上。通过图案间距为该下限以上,进一步减少凸形状的接触面积,对凸部的应力集中变得容易,可以改善分隔件的卷绕体、电极的层叠体、或电极的层叠体卷绕而成的卷绕体的稳定性。另外,其上限更优选为15000μm以下、进一步优选12000μm以下、更进一步优选10000μm以下。通过图案间距为该上限以下,容易对各凸形状的图案均匀地施加压力,可以改善分隔件的卷绕体、电极的层叠体、或电极的层叠体卷绕而成的卷绕体的稳定性。在此所称的图案间距通过描画图案的大致轮廓时的圆的中心-中心之间距离规定。
微细图案11的表面如图2所示,优选为格子状(例如四方排列、六方排列)、线与间隙(line and space)结构、随机排列等,可以含有多种这些结构。从防止层叠或卷绕的偏移的观点考虑,更优选为格子状(例如四方排列、六方排列)、随机排列等。另外,这些截面凹凸形状可以为长方形、正方形、梯形、菱形、六边形、三角形、圆形、具有曲率(例如图3所示那样的锥形形状、图4所示那样的凸部具有3个以上拐点的形状)的形状等。另外,即使图案的一部分欠缺,如果从生产线规模中以长周期观察时,也可以判定为基于制造时的欠缺所带来的图案的情况下,则也可以看作分隔件包含图案。另外,即使周期性的图案缺失如果也可以视作图案种类的组合的情况下,则也可以看作分隔件包含图案。
对于凸形状的图案的长轴的长度,在自与分隔件的被图案化面垂直的方向(大致薄膜的厚度方向)观察图案时,指的是能够在含有图案的边的图案的大致轮廓内描画的最长线段的长度,优选为内侧含有图案的最小面积的圆的直径、更优选图案与圆以至少2点相接。例如图案的轮廓为方形的情况下,图案的长轴的长度为四边中最长的边的长度。例如图案的轮廓为椭圆的情况下,图案的长轴的长度为与该椭圆以2点相接的圆的直径。例如图案的轮廓为五边形的情况下,图案的长轴的长度为与该五边形以至少2点相接的圆中具有最小面积的圆的直径。线与间隙这种具有仅一维方向的周期性的图案时,图案的长轴的长度作为图案之间的周期表示。
图1所示的微细图案11中的凸形状的图案的长轴的长度优选超过100μm且为500000μm以下。其下限更优选为110μm以上、进一步优选120μm以上。通过该下限,可以防止由于压入所导致的图案的损坏。其上限更优选为400000μm以下、进一步优选300000μm以下。通过图案的长轴的长度设置该上限,压力集中于凸形状的图案,防止分隔件的卷绕体、电极的层叠体、或电极的层叠体卷绕而成的卷绕体的偏移,稳定性改善。图案的短轴的长度若比图案的长轴的长度短则没有特别限定。
通过与图案的大致形状的至少2点相接的外接圆的直径(Rp)、和与前述图案的大致形状的至少2点相接的内切圆的直径(rp)表示的数值Rp/rp优选为1以上且不足10。在1≤Rp/rp<10的范围内时,对分隔件的凸部的应力集中变得容易,可以改善分隔件的卷绕体、电极的层叠体、或电极的层叠体卷绕而成的卷绕体的稳定性。Rp/rp更优选为1以上且不足9、进一步优选1以上且不足8。
图案的内部优选为多孔。通过为多孔,存在得到更良好的充放电特性的倾向。
(微细图案的组成)
为了使图案的内部为多孔,优选含有无机颗粒或树脂细粒等有机颗粒。作为图案组成,可列举出例如含有无机颗粒或树脂细粒等有机颗粒和树脂制粘结剂的图案组成。另外,图案根据需要可以含有分散剂、增稠剂等添加剂。
(无机颗粒)
图案中含有的无机颗粒优选选自由氧化钠、氧化钾、氧化镁、氧化钙、氧化钡、氧化镧、氧化铈、氧化锶、氧化钒、SiO2-MgO(硅酸镁)、SiO2-CaO(硅酸钙)、水滑石、碳酸钠、碳酸钾、碳酸镁、碳酸钙、碳酸钡、碳酸镧、碳酸铈、碱性钛酸盐、碱性硅钛酸盐、碱性乙酸铜、碱性硫酸铅;层状复合金属氢氧化物(例如Mg-Al类型、Mg-Fe类型、Ni-Fe类型、Li-Al类型等)、层状复合金属氢氧化物-氧化铝硅胶复合体、勃姆石、氧化铝、氧化锌、氧化铅、铁的氧化物、羟基氧化铁、赤铁矿、氧化铋、氧化锡、氧化钛、氧化锆等阴离子吸附材料;磷酸锆、磷酸钛、磷灰石、非碱性钛酸盐、铌酸盐、铌·钛酸盐等阳离子吸附材料;沸石、硫酸钙、硫酸镁、硫酸铝、石膏、硫酸钡等碳酸盐及硫酸盐;氧化铝三水合物(ATH)、气相二氧化硅、沉淀二氧化硅、氧化锆和氧化钇等氧化物系陶瓷;氮化硅、氮化钛和氮化硼等氮化物系陶瓷;碳化硅、滑石、地开石、珍珠陶石、多水高岭土、叶蜡石、蒙脱石、绢云母、镁绿泥石、膨润土等层状硅酸盐;石棉、硅藻土、玻璃纤维、合成层状硅酸盐、例如云母或氟云母和硼酸锌组成的组中。它们可以单独使用或组合使用多种。
(树脂细粒)
图案中含有的树脂细粒优选由具有耐热性和电绝缘性、对于电池中的非水电解质稳定、并且在电池的工作电压范围内不易氧化还原、电化学上稳定的树脂构成。作为用于形成这种树脂细粒的树脂,可例示出选自由苯乙烯树脂(例如聚苯乙烯等)、苯乙烯丁二烯橡胶、丙烯酸类树脂(例如聚甲基丙烯酸甲酯等)、聚氧化烯(例如聚氧化乙烯等)、氟树脂(例如聚偏二氟乙烯等)以及它们的衍生物组成的组中的至少一种树脂的交联体、尿素树脂、以及聚氨酯等。树脂细粒可以单独使用1种上述所例示的树脂或组合使用2种以上。另外,树脂细粒根据需要可以含有可以添加到树脂的已知的添加剂、例如抗氧化剂等。
(树脂制粘结剂)
作为图案中含有的树脂制粘结剂,没有特别限定,优选使用对于锂离子二次电池的电解液不溶、并且在锂离子二次电池的使用范围内电化学上稳定的粘结剂。作为这种树脂制粘结剂,没有特别限定,可列举出例如聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃;聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯等含氟树脂;偏二氟乙烯-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;苯乙烯-丁二烯共聚物及其氢化物、丙烯腈-丁二烯共聚物及其氢化物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物及其氢化物、甲基丙烯酸酯-丙烯酸酯共聚物、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、丙烯腈-丙烯酸酯共聚物、乙丙橡胶、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯等橡胶类;乙基纤维素、甲基纤维素、羟基乙基纤维素、羧甲基纤维素等纤维素衍生物;聚苯醚、聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚酰胺、聚酯等熔点和/或玻璃化转变温度为180℃以上的树脂等。
作为树脂制粘结剂,使用聚乙烯醇(PVA)的情况下,其皂化度优选为85%以上且100%以下、更优选90%以上且100%以下、进一步优选95%以上且100%以下、特别优选99%以上且100%以下。通过PVA的皂化度为85%以上,分隔件发生短路的温度(shorttemperature)改善,存在得到更良好的安全性能的倾向。
另外,聚乙烯醇的聚合度优选为200以上且5000以下、更优选300以上且4000以下、进一步优选500以上且3500以下。通过聚合度为200以上,可以利用少量的聚乙烯醇将煅烧高岭土等无机填料牢固地粘合于无机层,存在可以维持无机层的力学强度的同时抑制基材的透气度增加的倾向。另外,通过聚合度为5000以下,存在可以防止制造涂布液时的凝胶化等的倾向。
作为树脂制粘结剂,优选为树脂制胶乳粘结剂。通过使用树脂制胶乳粘结剂,存在离子透过性不易降低、容易得到高输出特性的倾向。并且,即使异常放热时的温度升高快的情况下,也表现出平稳的关闭特性,存在容易得到高的安全性的倾向。
作为树脂制胶乳粘结剂,没有特别限定,例如从改善电化学的稳定性和粘合性的观点考虑,优选为将脂肪族共轭二烯系单体、不饱和羧酸单体、以及脂肪族共轭二烯系单体和/或不饱和羧酸单体与能够跟脂肪族共轭二烯系单体和/或不饱和羧酸单体共聚的其它单体进行乳液聚合而得到的树脂制胶乳粘结剂。作为乳液聚合的方法,没有特别限制,可以使用以往的方法。对于单体和其它成分的添加方法,没有特别限制,可以采用一起添加方法、分开添加方法、连续添加方法中的任意一种,另外,可以采用一阶段聚合、两阶段聚合或多阶段聚合等中的任意一种。
作为脂肪族共轭二烯系单体,没有特别限定,可列举出例如1,3-丁二烯、2-甲基-1,3-丁二烯、2,3-二甲基-1,3丁二烯、2-氯-1,3-丁二烯、取代直链共轭戊二烯类、取代及侧链共轭己二烯类等。它们可以单独使用1种或组合使用2种以上。上述之中,特别优选为1,3-丁二烯。
作为不饱和羧酸单体,没有特别限定,可列举出例如丙烯酸、甲基丙烯酸、巴豆酸、马来酸、富马酸、衣康酸等单或二羧酸(酸酐)等。它们可以单独使用1种或组合使用2种以上。上述之中,特别优选为丙烯酸、甲基丙烯酸。
作为能够跟脂肪族共轭二烯系单体和/或不饱和羧酸单体共聚的其它单体,没有特别限定,可列举出例如芳香族乙烯基系单体、乙烯基氰系单体、不饱和羧酸烷基酯单体、含有羟基烷基的不饱和单体、不饱和羧酸酰胺单体等。它们可以单独使用1种或组合使用2种以上。
上述之中,特别优选为不饱和羧酸烷基酯单体。作为不饱和羧酸烷基酯单体,没有特别限定,可列举出例如丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、富马酸二甲酯、富马酸二乙酯、马来酸二甲酯、马来酸二乙酯、衣康酸二甲酯、富马酸单甲酯、富马酸单乙酯、丙烯酸2-乙基己酯等,它们可以单独使用1种或组合使用2种以上。上述之中,特别优选为甲基丙烯酸甲酯。
需要说明的是,除了这些单体之外,为了改良各种品质和物性,也可以还使用上述以外的单体成分。
树脂制粘结剂的平均粒径优选为50~800nm、更优选60~700nm、进一步优选80~500nm。通过树脂制粘结剂的平均粒径为50nm以上,将图案形成于聚烯烃微多孔膜的至少单面时,存在离子透过性不易降低、容易得到高输出特性的倾向。并且,即使异常放热时的温度升高快的情况下,也表现出平稳的关闭特性,存在容易得到高的安全性的倾向。通过树脂制粘结剂的平均粒径为800nm以下,表现出良好的粘合性,形成多层多孔膜的情况下,热收缩变得良好,存在安全性优异的倾向。需要说明的是,树脂制粘结剂的平均粒径可以通过调整聚合时间、聚合温度、原料组成比、原料投入顺序、pH等来控制。
作为用于形成图案的水系分散剂,可列举出例如有机硅氧烷聚合物KP341(信越化学工业株式会社制)、(甲基)丙烯酸类聚合物(共聚物)Polyflow No.75、No.90、No.95(共荣社化学株式会社制)、W001(裕商株式会社)等阳离子系表面活性剂;聚氧亚乙基月桂基醚、聚氧亚乙基硬脂基醚、聚氧亚乙基油基醚、聚氧亚乙基辛基苯基醚、聚氧亚乙基壬基苯基醚、聚乙二醇二月桂酸酯、聚乙二醇二硬脂酸酯、脱水山梨糖醇脂肪酸酯等非离子系表面活性剂;W004、W005、W017(裕商株式会社)等阴离子系表面活性剂;EFKA-46、EFKA-47、EFKA-47EA、EFKA POLYMER 100、EFKA POLYMER 400、EFKA POLYMER 401、EFKA POLYMER 450(都是Ciba Specialty Chemicals Corporation制)、ディスパースエイド6、ディスパースエイド8、ディスパースエイド15、ディスパースエイド9100、SN DISPERSANT 5040、5033、5034、5468、5020(都为Sannopco Ltd.制)、Solsperse 3000、5000、9000、12000、13240、13940、17000、24000、26000、28000、41000等各种Solsperse分散剂(Lubrizol公司制)等高分子分散剂;Adeka Pluronic L31、F38、L42、L44、L61、L64、F68、L72、P95、F77、P84、F87、P94、L101、P103、F108、L121、P-123(ADEKA株式会社制)及Ionet S-20(三洋化成工业株式会社制)、DISPERBYK 101、103、106、108、109、110、111、112、116、118、130、140、142、162、163、164、166、167、170、171、174、176、180、182、184、190、191、194N、2000、2001、2010、2015、2050、2055、2150、2152、2155、2164(BYK-Chemie公司制)等分散剂;Demol EP、Poiz 520、Poiz521、Poiz 530、Poiz 535、Demol P(花王株式会社制)等分散剂;Aron T-50、A-6012、A-6017、AT-40H、A-6001、A-30SL、A-6114、A-210、SD-10、A-6712、A-6330、CMA-101、JURYMER(注册商标)AC-10NPD(都为东亚合成株式会社制)及Nuosperse FX-605、FX-609、FX-600、FX-504(Elementis公司制)等各种聚羧酸系分散剂。另外,作为分散剂,除了上述以外,还可列举出在丙烯酸类共聚物等的分子末端或侧链具有极性基团的低聚物或聚合物。分散剂可以单独使用1种或组合使用2种以上。
作为用于形成图案的水系增稠剂,可列举出例如SEPIGEL 305、NS、EG、FL、SEPIPLUS 265、S、400、SEPINOV EMT10、P88、SEPIMAX ZEN(成和化成株式会社制)、Aron A-10H、A-20P-X、A-20L、A-30、A-7075、A-7100、A-7185、A-7195、A-7255、B-300K、B-500K、JURYMER(注册商标)AC-10LHPK、AC-10SHP、RHEOGIC 260H、845H、JUNLON PW-120(东亚合成株式会社制)、DISPER BYK410、411、415、420、425、428、430、431、7410ET、7411ES、7420ES、OPTIFLO-L1400(BYK-Chemie公司制)、COSQUAT GA468(大阪有机化学工业株式会社制)、纤维素衍生物系材料(羧甲基纤维素、甲基纤维素、羟基纤维素等)、蛋白质系材料(酪蛋白、酪蛋白酸钠、酪蛋白酸铵等)、海藻酸系材料(海藻酸钠等)聚乙烯系材料(聚乙烯醇、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙烯基苄基醚共聚物等)、聚丙烯酸类材料(聚丙烯酸钠、聚丙烯酸-(甲基)丙烯酸共聚物等)、聚醚系材料(Pluronic聚醚、聚醚二烷基酯、聚醚二烷基醚、聚醚氨基甲酸酯改性物、聚醚环氧改性物等)、马来酸酐共聚物系材料(乙烯基醚-马来酸酐共聚物的偏酯、干性油脂肪酸烯丙醇酯-马来酸酐的半酯等)。作为增稠剂,除了上述以外,还可列举出聚酰胺蜡盐、乙炔二醇、黄原胶、定优胶(Diutan gum)、真丹胶(Zentan gum,ゼンタンガム)等多糖类、分子末端或侧链具有极性基团的低聚物或聚合物。增稠剂可以单独使用1种或组合使用2种以上。
(颗粒的形状和通过颗粒构成的结构)
无机颗粒或树脂细粒的形态可以为板状、鳞片状、针状、柱状、球状、多面体状和块状等中的任意一种形态。具有上述形态的无机颗粒或树脂细粒可以单独使用1种或组合使用2种以上。从对于分隔件压入无机颗粒或树脂细粒的观点考虑,优选为包含面的多面体状。特别是形成分隔件时,优选满足以下的关系式:
即,优选在无机颗粒或树脂细粒的含有分隔件的垂直线的截面中,通过与前述无机颗粒或树脂细粒的大致形状的至少2点相接的外接圆的直径(Ri)、和与前述无机颗粒或树脂细粒的大致形状的至少2点相接的内切圆的直径(ri)表示的数值Ri/ri超过1且不足10。通过Ri/ri超过1,容易对各凸形状的图案均匀地实施压力,可以改善分隔件的卷绕体、电极的层叠体、或电极的层叠体卷绕而成的卷绕体的稳定性。其下限更优选为1.5以上、进一步优选2.0以上。更优选其上限不足9、进一步优选不足8。通过Ri/ri为这些上限值以下,可以防止由于压入所导致的无机颗粒的裂纹。
另外,作为无机颗粒或树脂细粒的粒径,其平均粒径(D50)优选为0.1~4.0μm、更优选0.2~3.5μm、进一步优选0.4~3.0μm。通过将平均粒径调整到这种范围内,存在高温下的热收缩得到进一步抑制的倾向。
无机颗粒或树脂细粒的含量相对于构成图案的含颗粒层100质量%优选为50质量%以上且不足100质量%、更优选70质量%以上且99.99质量%以下、进一步优选80质量%以上且99.9质量%以下、特别优选90质量%以上且99质量%以下。通过无机颗粒或树脂细粒的含量处于上述范围内,存在无机颗粒或树脂细粒的粘合性、多层多孔膜的透过性和耐热性等进一步改善的倾向。
微细图案的密度优选为0.5~2.0g/cm3、更优选0.7~1.5g/cm3。通过微细图案的密度为0.5g/cm3以上,存在高温下的热收缩率变得良好的倾向。另外,通过微细图案的密度为2.0g/cm3以下,存在透气度进一步降低的倾向。
构成图案的颗粒优选为无机颗粒。通过使用无机颗粒,颗粒使基材的变形量增大,可以改善分隔件的卷绕体、电极的层叠体、或电极的层叠体卷绕而成的卷绕体的稳定性。
(分隔件的其它物性)
对于本实施方式的非水电解质电池的分隔件的孔隙率,为了确保非水电解质的保持量而使离子透过性良好,优选在分隔件的经过干燥的状态下为30%以上、更优选40%以上。另一方面,从确保分隔件的强度和防止内部短路的观点考虑,分隔件的孔隙率优选在分隔件的经过干燥的状态下为80%以下、更优选70%以下。需要说明的是,分隔件的孔隙率Po(%)可以通过由含有上述说明的凹形状或凸形状的图案的高度的分隔件的厚度、单位面积的质量以及构成成分的密度、使用下述式求出对于各成分i的总和来计算。
Po={1-(m/t)/(Σai·ρi)}×100
{式中,ai为将整体的质量作为1时的成分i的比率,ρi为成分i的密度(g/cm3),m为分隔件的单位面积的质量(g/cm2),并且t为分隔件的厚度(cm)。}
对于本实施方式中的分隔件的总厚度(T2),在单层结构和多层结构中的任意一种情况下,也含有上述说明的凸形状的图案的高度,优选为5μm以上且200μm以下、更优选6μm以上且100μm以下、进一步优选7μm以上且50μm以下。通过分隔件的厚度为5μm以上,存在分隔件的机械强度进一步改善的倾向。另外,通过分隔件的厚度为200μm以下,电池内的分隔件的占有体积减小,因此非水电解质电池进一步高容量化,存在离子透过性进一步改善的倾向。
本实施方式中的分隔件的透气度优选为10秒/100ml以上且500秒/100ml以下、更优选20秒/100ml以上且450秒/100ml以下、进一步优选30秒/100ml以上且450秒/100ml以下。通过透气度为10秒/100ml以上,存在将分隔件用于非水电解质电池时的自放电变得更少的倾向。另外,通过透气度为500秒/100ml以下,存在得到更良好的充放电特性的倾向。
[粘接层]
本实施方式的分隔件根据需要可以还具有粘接层。粘接层含有热塑性聚合物。对于粘接层在分隔件中的位置,若形成于分隔件的表面则没有特别限定。可列举出例如在分隔件的至少一面配置粘接层、所述分隔件在上述聚烯烃微多孔膜的至少一面具有微细图案的情况;对于在聚烯烃微多孔膜的至少一面配置无机层、进而将微细图案配置于至少一面的分隔件,进而在至少一面赋予粘接层的情况等。但是,粘接层优选形成于与具有微细图案的面相反的面,由此可以减小微细图案与粘接层的接触面积,可以提高粘连性,并且/或由此可以减少制造上的不良问题。对于粘接层的海岛状的结构也没有特别限定,优选与微细图案的图案不同。通过形成不同的图案,可以进一步提高粘连性。
在分隔件的至少一面,粘接层可以配置于整个面或部分地配置。粘接层中,含有热塑性聚合物的部分和不含有热塑性聚合物的部分可以以海岛状存在。
(热塑性聚合物)
对于本实施方式中使用的热塑性聚合物没有特别限定,可列举出例如聚乙烯、聚丙烯、α-聚烯烃等聚烯烃树脂;聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯等含氟树脂和含有它们的共聚物;含有丁二烯、异戊二烯等共轭二烯作为单体单元的二烯系聚合物或含有它们的共聚物及其氢化物;含有丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯等作为单体单元的丙烯酸类聚合物或含有它们的共聚物及其氢化物;乙丙橡胶、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯等橡胶类;乙基纤维素、甲基纤维素、羟基乙基纤维素、羧甲基纤维素等纤维素衍生物;聚苯醚、聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚酰胺、聚酯等熔点和/或玻璃化转变温度为180℃以上的树脂以及它们的混合物等。另外,作为合成热塑性聚合物时使用的单体,也可以使用具有羟基或磺酸基、羧基、酰胺基、氰基的单体。
这些热塑性聚合物中,从与电极活性物质的粘合性以及强度或柔软性优异的观点考虑,优选为二烯系聚合物、丙烯酸类聚合物或氟系聚合物。
(热塑性聚合物的量)
热塑性聚合物的量相对于基材的面积优选为0.05g/m2以上且2.0g/m2以下、更优选0.07g/m2以上且1.5g/m2以下、进一步优选0.1g/m2以上且1.0g/m2以下。通过热塑性聚合物的量处于上述范围内,对于基材和电极等粘接力改善,另一方面,可以抑制基材的孔的堵塞,存在可以进一步抑制循环特性(透过性)降低的倾向。热塑性聚合物的量可以通过变更所涂布的液体的聚合物浓度、聚合物溶液的涂布量来调整。
(粘接层的厚度)
对于粘接层的平均厚度,每分隔件单面,优选为2.0μm以下、更优选1.5μm以下、进一步优选1.0μm以下。通过粘接层的平均厚度为2.0μm以下,存在可以进一步抑制起因于热塑性聚合物的透过性降低以及热塑性聚合物彼此或热塑性聚合物与基材的粘贴的倾向。需要说明的是,粘接层的平均厚度可以通过变更所涂布的液体的聚合物浓度或聚合物溶液的涂布量以及涂布方法、涂布条件来调整。
(被粘接层覆盖的基材的面积比率)
被粘接层覆盖的基材的面积比率(%)相对于基材的全部面积100%优选为95%以下、更优选70%以下、特别优选50%以下。另外,被粘接层覆盖的基材的面积比率(%)优选为5%以上。通过面积比率为95%以下,进一步抑制由于热塑性聚合物所导致的基材的孔堵塞,存在可以进一步改善透过性的倾向。另外,通过面积比率为5%以上,存在粘接性进一步改善的倾向。需要说明的是,面积比率可以通过变更涂布液的热塑性聚合物浓度、涂布液的涂布量、涂布方法和涂布条件等来调整。
[分隔件的制造方法]
(基材的制造方法)
作为制造基材的方法,没有特别限定,例如可以采用已知的制造方法。作为已知的制造方法,可列举出例如将含有聚烯烃树脂等的组合物(以下也称为“树脂组合物”)和增塑剂进行熔融混炼并以片材状成形后,根据需要进行拉伸后,提取增塑剂,由此进行多孔化的方法;将树脂组合物熔融混炼并以高牵伸比挤出后,通过热处理和拉伸使树脂结晶界面剥离,由此进行多孔化的方法;将树脂组合物和无机填料进行熔融混炼并以片材状成形后,通过拉伸使树脂与无机填料的界面剥离,由此进行多孔化的方法;树脂组合物溶解后,浸渍于对于树脂的不良溶剂,使树脂凝固的同时去除溶剂,由此进行多孔化的方法等。以下也将如此得到的树脂组合物的成形体称为“多孔膜”。
(无机层的形成方法)
基材具有无机层的情况下,作为无机层的形成方法,没有特别限定,可列举出例如在多孔膜的至少单面涂布含有无机填料和树脂制粘结剂的涂布液而形成无机层的方法。
对于将无机填料和树脂制粘结剂分散于涂布液的溶剂的方法,没有特别限定,可列举出例如球磨机、珠磨机、行星球磨机、振动球磨机、砂磨机、胶态磨、磨碎机、开炼机、高速叶轮分散、分散机、均化器、高速冲击磨、超声波分散、利用搅拌叶片等的机械搅拌等。
对于将涂布液涂布于基材的方法,没有特别限定,可列举出例如凹版涂布机法、小径凹版涂布机法、反辊涂布机法、转移辊式涂布机法、吻涂机法、浸涂机法、刮刀涂布机法、气刀涂布机法、刮板涂布机法、标尺计量涂布机法、挤压涂布机法、流延涂布机法、模涂法、丝网印刷法、喷涂法等。
对于在涂布后由涂布膜去除溶剂的方法,若为不会对多孔膜造成不良影响的方法则没有特别限定,可列举出例如将多孔膜固定的同时在其熔点以下的温度下干燥的方法、在低温下减压干燥的方法等。从控制多孔膜的MD方向的收缩应力的观点考虑,优选适当调整干燥温度、卷取张力等。
(微细图案层的形成方法)
对于形成微细图案层的方法,没有特别限定,可列举出例如在基材的至少单面部分地涂布含有无机填料和树脂制粘结剂的涂布液而形成具有微细图案的无机层的方法。
对于将无机填料和树脂制粘结剂分散于涂布液的溶剂的方法,没有特别限定,可列举出例如球磨机、珠磨机、行星球磨机、振动球磨机、砂磨机、胶态磨、磨碎机、开炼机、高速叶轮分散、分散机、均化器、高速冲击磨、超声波分散、利用搅拌叶片等的机械搅拌等。
对于将涂布液部分地涂布于基材的方法,没有特别限定,可列举出例如凹版涂布机法、小径凹版涂布机法、反辊涂布机法、转移辊式涂布机法、吻涂机法、模涂法、丝网印刷法、喷涂法、转印法等。更具体而言,可以通过使用辊涂布于基材并进行干燥来形成微细图案。
将微细图案层设置于基材的与无机层相同的面的情况下,可以涂布与基材的无机层相同的组合物,同时地制膜。即,可以同时制作无机层的连续层和微细图案。通过同时地制膜,无机层和微细图案层连续地形成,容易保持强度,因此优选。
(粘接层的形成方法)
对于在基材上形成粘接层的方法没有特别限定,可列举出例如将含有热塑性聚合物的涂布液涂布于基材的方法。
对于将含有热塑性聚合物的涂布液涂布于基材的方法,没有特别限定,可列举出例如凹版涂布机法、小径凹版涂布机法、反辊涂布机法、转移辊式涂布机法、吻涂机法、模涂法、丝网印刷法、喷涂法等等。粘接层可以为连续的层,也可以为海岛状的结构,因此这种情况下,更具体而言,可以通过使用辊在分隔件涂布涂布液、进行干燥,从而形成由海岛状部形成的粘接层。
在基材涂布热塑性聚合物的情况下,若涂布液进入至微多孔膜的内部则粘接性树脂填埋孔的表面和内部,透过性会降低。因此,作为涂布液的介质,优选为热塑性聚合物的不良溶剂。作为涂布液的介质,使用热塑性聚合物的不良溶剂的情况下,涂布液不能进入到微多孔膜的内部,粘接性聚合物主要存在于微多孔膜的表面上,因此从抑制透过性降低的观点考虑优选。作为这种介质,优选为水。另外,对于能够与水组合使用的介质没有特别限定,可列举出乙醇、甲醇等。
进而,若在涂布之前对基材进行表面处理则容易涂布涂布液,并且基材与粘接性聚合物的粘接性改善,因此优选。对于表面处理的方法,若为不会显著损害基材的多孔结构的方法则没有特别限定,可列举出例如电晕放电处理法、等离子体处理法、机械的粗糙化法、溶剂处理法、酸处理法、紫外线氧化法等。
对于在涂布后由涂布膜去除溶剂的方法,若为不会对基材造成不良影响的方法则没有特别限定。可列举出例如将基材固定的同时在其熔点以下的温度下干燥的方法、在低温下减压干燥的方法、浸渍于对于粘接性聚合物的不良溶剂而使粘接性聚合物凝固的同时提取溶剂的方法等。
[卷绕体的制造方法]
通过将如上所述得到的分隔件卷绕,可以制造卷绕体。
[第2实施方式:卷绕体]
本发明的第2实施方式的卷绕体为分隔件卷绕而成的卷绕体,
分隔件如下:在分隔件的至少一主表面上具有凸形状的图案,该图案的压缩模量为构成分隔件的一个层或多个层中具有最低的压缩模量的层的压缩模量的2倍以上,使用在图案的顶部形成的大致平面与在图案的底部形成的大致平面的距离(T1)、和分隔件的总厚度(T2)表示的T1/T2的值为0.1以上,并且通过对于图案的垂直方向测定得到的具有图案的部分的透气度S1和非图案部的透气度S2的比率表示的S1/S2为5以下。
第2实施方式的卷绕体中,对于以下的方式以外,可以为与上述第1实施方式相同的方式。
T1/T2的下限值优选超过0.12、更优选为0.3以上。
卷绕分隔件的管或芯的直径若为作为产品使用的直径即可,因此没有特别限定,优选为2英寸以上、更优选3英寸以上、进一步优选6英寸以上。从卷的生产率的观点考虑,管的直径可以为10英寸以下。
对于卷绕分隔件的管或芯的材质没有特别限定。可以含有纸、ABS树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚苯乙烯树脂、聚酯树脂和氯化乙烯树脂中的任意一种。其中,优选为树脂,可以含有ABS树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚苯乙烯树脂、聚酯树脂和氯化乙烯树脂中的任意一种。
对于分隔件的卷长没有特别限定,从制作电池时的生产率的观点考虑,优选为100m以上、更优选300m以上、进一步优选500m以上。分隔件的卷长从卷的生产率的观点考虑,可以为5000m以下。
[第3实施方式:非水电解质电池的结构、形态及用途]
本发明的第3实施方式的非水电解质电池中,可以以正极和负极夹持分隔件层叠而成的电极层叠体的形态、或将电极层叠体进一步卷绕而成的电极卷绕体的形态使用。
作为本实施方式的非水电解质电池的形态,可列举出使用钢罐、铝罐等作为外装罐的筒形(例如方筒形、圆筒形等)等。另外,也可以使用蒸镀有金属的层压薄膜作为外壳体,从而形成本实施方式的非水电解质电池。
本实施方式的非水电解质电池为锂离子二次电池的情况下,优选锂离子二次电池中含有:正极、微细图案、分隔件和负极;或,依次层叠正极、分隔件、微细图案和负极而成的电极层叠体或其电极卷绕体,且含有非水电解质。更优选锂离子二次电池中含有:依次层叠正极、分隔件、微细图案和负极而成的电极层叠体或其电极卷绕体,且含有非水电解质。通过以这种顺序排列锂离子二次电池的多个构成要素,确保电池内的锂离子的移动、并且对电池的寿命特性或安全性造成影响的电极层叠体或其电极卷绕体的稳定性改善。
[正极]
正极优选含有正极活性物质、导电材料、粘合材料和集电体。
作为正极中能够含有的正极活性物质,可以使用电化学上能够吸藏和释放锂离子的已知的正极活性物质。其中,作为正极活性物质,优选为含有锂的材料。作为正极活性物质,可列举出例如下述通式(1)所示的氧化物;下述通式(2)所示的层状氧化物;下述通式(3)所示的尖晶石型氧化物;作为下述通式(4)所示的氧化物和下述通式(5)所示的氧化物的复合氧化物的、下述通式(6)所示的Li过量的层状的氧化物正极活性物质;下述通式(7)所示的橄榄石型正极活性物质;和下述通式(8)所示的化合物。这些正极活性物质可以单独使用1种或组合使用2种以上。
LixMn2-yMyOz (1)
{式中,M表示选自由过渡金属元素组成的组中的至少一种元素,0<x≤1.3、0.2<y<0.8、并且3.5<z<4.5。}
LixMyOz (2)
{式中,M表示选自由过渡金属元素组成的组中的至少一种元素,0<x≤1.3、0.8<y<1.2、并且1.8<z<2.2。}
LiMn2-xMaxO4 (3)
{式中,Ma表示选自由过渡金属元素组成的组中的至少一种元素,并且0.2≤x≤0.7。}
Li2McO3 (4)
{式中,Mc表示选自由过渡金属元素组成的组中的至少一种元素。}
LiMdO2 (5)
{式中,Md表示选自由过渡金属元素组成的组中的至少一种元素。}
zLi2McO3-(1-z)LiMdO2 (6)
{式中,Mc和Md分别与上述式(4)及(5)中的Mc及Md同义,并且0.1≤z≤0.9。}
LiMb1-xFeyPO4 (7)
{式中,Mb表示选自由Mn和Co组成的组中的至少一种元素,并且0≤y≤1.0。}
Li2MePO4F (8)
{式中,Me表示选自由过渡金属元素组成的组中的至少一种元素。}
需要说明的是,为了形成本实施方式中使用的正极,可以使用本技术领域中已知的导电材料、粘合材料和集电体。
另外,正极的正极合剂层中,优选将正极活性物质的含量调整到87质量%~99质量%、将导电助剂的含量调整到0.5质量%~10质量%、并且/或将粘结剂的含量调整到0.5质量%~10质量%。
[负极]
本实施方式中使用的负极优选含有负极活性物质、粘合材料和集电体。
作为负极中能够含有的负极活性物质,可以使用电化学上能够吸藏和释放锂离子的已知的物质。作为这种负极活性物质,没有特别限定,例如优选为石墨粉末、中间相碳纤维和中间相小球体等碳材料;以及金属、合金、氧化物和氮化物。它们可以单独使用1种或组合使用2种以上。
作为负极中能够含有的粘合材料,可以使用可以将负极活性物质、负极中能够含有的导电材料、和负极中能够含有的集电体中至少两者粘合的已知的材料。作为这种粘合材料,没有特别限定,例如优选为羧甲基纤维素、苯乙烯-丁二烯的交联橡胶胶乳、丙烯酸类胶乳和聚偏二氟乙烯。它们可以单独使用1种或组合使用2种以上。
作为负极中能够含有的集电体,没有特别限定,可列举出例如铜、镍和不锈钢等的金属箔;膨胀合金;穿孔金属;发泡金属;碳布;以及碳纸。它们可以单独使用1种或组合使用2种以上。
另外,负极的负极合剂层中,优选将负极活性物质的含量调整到88质量%~99质量%、并且/或将粘结剂的含量调整到0.5质量%~12质量%,使用导电助剂的情况下,优选将导电助剂的含量调整到0.5质量%~12质量%。
[非水电解质]
作为本实施方式中使用的非水电解质,例如使用将锂盐溶解于有机溶剂而成的溶液(非水电解液)。作为锂盐,没有特别限定,可以使用已知的锂盐。作为这种锂盐,没有特别限定,可列举出例如LiPF6(六氟化磷酸锂)、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、Li2SiF6、LiOSO2CkF2k+1[式中,k为1~8的整数]、LiN(SO2CkF2k+1)2[式中,k为1~8的整数]、LiPFn(CkF2k+1)6-n[式中,n为1~5的整数、并且k为1~8的整数]、LiPF4(C2O4)和LiPF2(C2O4)2。它们之中,优选为LiPF6。通过使用LiPF6,存在即使高温时电池特性和安全性也更优异的倾向。这些锂盐可以单独使用1种或组合使用2种以上。
作为本实施方式中的非水电解质中使用的非水溶剂,没有特别限定,可以使用已知的非水溶剂。作为这种非水溶剂,可列举出例如非质子性极性溶剂。
作为非质子性极性溶剂,没有特别限定,可列举出例如碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸1,2-亚丁酯、碳酸2,3-亚丁酯、碳酸1,2-亚戊酯、碳酸2,3-亚戊酯、碳酸三氟甲基亚乙酯、碳酸氟亚乙酯和碳酸4,5-二氟亚乙酯等环状碳酸酯;γ-丁基内酯和γ-戊内酯等内酯;环丁砜等环状砜;四氢呋喃和二噁烷等环状醚;碳酸乙基甲基酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲基丙基酯、碳酸甲基异丙基酯、碳酸二丙酯、碳酸甲基丁基酯、碳酸二丁酯、碳酸乙基丙基酯和碳酸甲基三氟乙基酯等链状碳酸酯;乙腈等腈;二甲基醚等链状醚;丙酸甲酯等链状羧酸酯;以及二甲氧基乙烷等链状醚碳酸酯化合物。它们可以单独使用1种或组合使用2种以上。
非水电解质根据需要可以含有其它添加剂。作为这种添加剂,没有特别限定,可列举出例如上述例示以外的锂盐、含有不饱和键的碳酸酯、含有卤素原子的碳酸酯、羧酸酐、含有硫原子的化合物(例如硫化物、二硫化物、磺酸酯、亚硫酸盐(sulfito)、硫酸盐(酯)、磺酸酐等)、含有腈基的化合物等。
其它添加剂的具体例如以下所述:
锂盐:例如单氟磷酸锂、二氟磷酸锂、双草酸硼酸锂、二氟草酸硼酸锂、四氟草酸磷酸锂、二氟双草酸磷酸锂等;
含有不饱和键的碳酸酯:例如碳酸亚乙烯酯、碳酸乙烯基亚乙酯等;
含有卤素原子的碳酸酯:例如碳酸氟亚乙酯、碳酸三氟甲基亚乙酯等;
羧酸酐:例如乙酸酐、苯甲酸酐、琥珀酸酐、马来酸酐等;
含有硫原子的化合物:例如亚硫酸亚乙酯、1,3-丙烷磺内酯、1,3-丙烯磺内酯、1,4-丁烷磺内酯、硫酸亚乙酯、硫酸亚乙烯酯等;
含有腈基的化合物:例如琥珀腈等。
通过非水电解质含有上述说明的其它添加剂,存在电池的循环特性进一步改善的倾向。
其中,从进一步改善电池的循环特性的观点考虑,优选为选自由二氟磷酸锂和单氟磷酸锂组成的组中的至少一种。选自由二氟磷酸锂和单氟磷酸锂组成的组中的至少一种添加剂的含量相对于非水电解质100质量%优选为0.001质量%以上、更优选0.005质量%以上、进一步优选0.02质量%以上。若该含量为0.001质量%以上则存在锂离子二次电池的循环寿命进一步改善的倾向。另外,该含量优选为3质量%以下、更优选2质量%以下、进一步优选1质量%以下。若该含量为3质量%以下则存在锂离子二次电池的离子传导性进一步改善的倾向。
非水电解质中的其它添加剂的含量例如可以通过31P-NMR、19F-NMR等NMR测定来确认。
非水电解质中的锂盐的浓度优选为0.5摩尔/L~6.0摩尔/L。从非水电解液的低粘度化的观点考虑,非水电解质中的锂盐的浓度更优选为0.9摩尔/L~1.3摩尔/L。锂盐在非水电解质中的浓度可以根据目的而选择。
需要说明的是,本实施方式中,非水电解质可以为液体电解质或固体电解质。
实施例
以下通过实施例对本发明进行更具体说明,但是本发明不被这些实施例所限定。需要说明的是,只要没有特别记载则各种测定和评价在室温23℃、1个大气压和相对湿度50%的条件下进行。
<卷绕体的卷偏移评价>
将65mm宽度的所得到的分隔件以0.5N的张力卷取,在3英寸的塑料芯或6英寸的塑料芯分别卷取500m和1000m,用带固定卷绕结束部分。自所得到的卷绕体的圆周方向外侧3mm处对于全部外侧利用截面平坦的圆筒进行按压,测定产生卷偏移的力(N)。
<非水电解质二次电池的寿命特性的评价>
(初始充放电)
将所得到的非水电解质二次电池(以下也仅称为“电池”)容纳于设定为25℃的恒温槽(二叶科学株式会社制、恒温槽PLM-73S),与充放电装置(ASKA ELECTRONIC CO.,LTD.制、充放电装置ACD-01)连接。接着对于该电池以0.05C的恒定电流进行充电,达到4.35V后,以4.35V的恒定电压充电2小时,以0.2C的恒定电流放电至3.0V。需要说明的是,1C指的是电池以1小时放电的电流值。
(循环试验)
将上述初始充放电后的电池容纳于设定为60℃的恒温槽(二叶科学株式会社制、恒温槽PLM-73S),与充放电装置(ASKA ELECTRONIC CO.,LTD.制、充放电装置ACD-01)连接。接着对于该电池以1.5C的恒定电流充电至4.35V,达到4.35V后,以4.35V的恒定电压保持24小时,以2C的恒定电流放电至3.0V。将这一系列的充放电作为1次循环,进行总计300次循环的充放电。对于300次循环后的放电容量维持率进行评价。
需要说明的是,放电容量维持率(单位:%)由第1次循环的放电容量和第300次循环的放电容量根据以下的式子算出:
放电容量维持率=(第300次循环的放电容量/第1次循环的放电容量)×100
<电极层叠体的偏移的评价>
使用X射线CT扫描,拍摄电池的中央部的与卷绕方向平行的截面。由初充放电后的电池的截面形状与第300次循环后的电池的截面形状的差异判断电极层叠体的偏移。即,每0.5cm分割负极集电体而设定观测位置。在初充放电后和第300次循环后求出电池的中心与各观测位置的距离,作为(第300次循环后的距离)/(初充放电后的距离)求出变化率,进行平均化。
[实施例1]
<基材的制作>
使用转鼓混合机将Mv(粘均分子量)为700000的聚乙烯均聚物47.5质量份、Mv为250000的聚乙烯均聚物47.5质量份、和Mv为400000的聚丙烯均聚物5质量份干混,得到聚烯烃树脂混合物。对于所得到的聚烯烃树脂混合物99质量%,添加作为抗氧化剂的季戊四醇-四-[3-(3,5-二-叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯]1质量%,再次使用转鼓混合机进行干混,由此得到聚烯烃树脂组合物。
对于所得到的聚烯烃树脂组合物,用氮气进行置换后,在氮气气氛下通过给料器供给到双螺杆挤出机。另外,将液体石蜡(37.78℃下的运动粘度:7.59×10-5m2/s)通过柱塞泵注入到挤出机料筒。用双螺杆挤出机熔融混炼,以液体石蜡在被挤出的全部混合物中所占的量比为66质量%(树脂组合物浓度为34%)的方式调整给料器和泵。熔融混炼条件为设定温度200℃、螺杆转速100rpm和喷出量12kg/h。
接着,将熔融混炼物经过T-模头挤出、浇铸到表面温度被控制于25℃的冷却辊上,由此得到厚度2200μm的凝胶片材。接着,将所得到的凝胶片材引导到同时双轴拉幅机拉伸机,进行双轴拉伸。设定拉伸条件为MD倍率7.3倍、TD倍率6.3倍和设定温度125℃。接着,将双轴拉伸后的凝胶片材引导到甲乙酮槽,在甲乙酮中充分浸渍而提取去除液体石蜡,然后将甲乙酮干燥去除。最后将干燥后的凝胶片材引导到TD拉幅机,进行拉伸和热松弛,从而得到聚烯烃微多孔膜。拉伸温度为125℃、热松弛温度为133℃、TD最大倍率为1.65倍、并且松弛率为0.9。所得到的聚烯烃微多孔膜的厚度为12μm、并且孔隙率为45%。
<微细图案的制作>
在离子交换水100质量份中混合氧化铝29质量份和聚羧酸铵水溶液(SAN NOPCOLIMITED制SN DISPERSANT 5468)0.29质量份后,进行珠磨机处理,进行调整以使平均粒径(D50)形成450nm,得到分散液。进而对于所得到分散液100质量份混合作为粘结剂的丙烯酸胶乳悬浮液(固体成分浓度40%、平均粒径150nm)2.2质量份和增稠多糖类2质量份,从而制造均匀的多孔层形成用组合物。需要说明的是,上述分散液中的氧化铝的平均粒径使用激光式粒度分布测定装置(日机装株式会社制MICROTRAC MT3300EX)测定粒径分布、并将体积累积频率为50%的粒径作为平均粒径(μm)。平均粒径为0.7μm以上。另外,树脂制胶乳粘结剂的平均粒径使用利用光散射法的粒径测定装置(LEED&NORTHRUP公司制MICROTRACTMUPA150),测定体积平均粒径(nm),作为平均粒径求出。平均粒径为300nm。
将所得到的多孔层形成用组合物涂布于形成有圆形状图案(直径0.5mm)、四方排列、2mm间距(图案占有比率:20%)的图案的辊,转印到聚烯烃微多孔膜,在60℃下干燥而去除离子交换水,配置厚度30μm的多孔层。通过观察图案,对于所得到的分隔件算出图案形状参数Rp/rp。将所得到的分隔件分切,形成65mm宽度,卷取于6英寸塑料芯1000m,在卷绕结束的端部,于中央部分粘贴带。
另外,将所得到的分隔件以微细图案朝着玻璃基板的方式贴合于涂布有500nm的膜厚的丙烯酸酯系粘合剂的玻璃基板。然后,剥离分隔件,由此将微细图案转印到玻璃基板。使用其测定凸部的压缩模量。另外,也一起测定聚烯烃微多孔膜的压缩模量。
另外,分别测定所得到的分隔件的凸部的透气度和凹部的透气度。
另外,将所得到的分隔件以与MD方向平行的方式割断,用扫描型显微镜(SEM)观察图案部的截面。由该观察,作为颗粒形状参数,算出数值Ri/ri。
如上述说明那样,由所得到的卷绕体的圆周方向外侧3mm处对于全部外侧利用截面平坦的圆筒进行按压,测定产生卷偏移的力。
<正极的制作>
将作为正极活性物质的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、作为导电助剂的乙炔黑的粉末、和作为粘结剂的聚偏二氟乙烯溶液按固体成分比以93.9:3.3:2.8的质量比混合。在所得到的混合物以固体成分形成35质量%的方式投入作为分散溶剂的N-甲基-2-吡咯烷酮,进一步混合,从而制造浆料状的溶液。将该浆料状的溶液涂布于厚度10μm的铝箔的两面。此时,使铝箔的一部分露出。然后将溶剂干燥去除,利用辊压机进行压延。将压延后的试样以涂布部的尺寸为300mm×50mm、并且含有铝箔的露出部的方式裁断。
<负极的制作>
将作为负极活性物质的石墨粉末、作为粘结剂的苯乙烯丁二烯橡胶及羧甲基纤维素水溶液以97.5:1.5:1.0的固体成分质量比混合。将所得到的混合物以固体成分浓度形成45质量%的方式添加到作为分散溶剂的水,从而制造浆料状的溶液。将该浆料状的溶液涂布于厚度10μm的铜箔的单面及两面。此时,使铜箔的一部分露出。然后将溶剂干燥去除,利用辊压机进行压延。将压延后的试样以涂布部的尺寸为320mm×52mm、并且含有铜箔的露出部的方式裁断。
<非水电解质的制作>
在氩气气氛下,将碳酸亚乙酯(EC)和碳酸乙基甲基酯(EMC)以体积比1:2混合,在所得到的混合溶剂以形成1摩尔/L的方式溶解LiPF6,从而得到非水电解质(非水电解液)。
<非水电解质电池的制作和寿命特性评价>
将上述正极和上述负极,使用并夹持上述分隔件2张,并且重叠而卷绕为椭圆状,在常温下通过平板等对于卷绕体的侧面施加(加压)约4kN/cm2的压力约2分钟,由此制作扁平状的卷绕电极体。需要说明的是,具有微细图案的多孔薄膜以微细图案侧与负极对置的方式配置。在该电极卷绕体的正极活性物质层非形成部和负极活性物质层非形成部分别通过超声波焊接附设正极引线端子和负极引线端子。将该层叠电极体插入到80×60mm的铝层压外壳体内。接着将上述非水电解质(非水电解液)注入到外壳体内,然后将外壳体的开口部密封,从而制作内部具有层叠电极体的非水电解质电池(锂离子二次电池)(以下也仅称为“电池”)。所得到的非水电解质电池的额定容量为1800mAh。对于所制作的电池,实施初充放电和循环试验,计算容量维持率。
<电极层叠体的偏移的评价>
如上述说明那样,使用X射线CT扫描,求出(第300次循环后的距离)/(初充放电后的距离)的平均变化率。
[实施例2~4]
与实施例1同样地试验,仅使图案的高度变化。
[实施例5]
使用微凹版涂布机将实施例1中使用的多孔层形成用组合物涂布于实施例1中使用的聚烯烃微多孔膜的单面的整个面,在60℃下干燥而去除离子交换水,配置厚度4μm的多孔层。
在其上利用与实施例1相同的方法形成微细图案。对于该分隔件与实施例1同样地试验。
[比较例1]
将实施例1的聚烯烃微多孔膜卷取,与实施例1同样地试验。
[比较例2]
与实施例1同样地试验,仅使图案的高度变化。
[比较例3]
使用微凹版涂布机将实施例1中使用的多孔层形成用组合物涂布于厚度20μm、孔隙率45%的聚烯烃微多孔膜的单面的整个面,在60℃下干燥而配置厚度20μm的多孔层。在该多孔层之上与专利文献6的实施例22同样地以厚度5μm、宽度1cm、涂布间距10cm间歇性地涂布与前述相同的多孔膜形成用组合物,由此部分地形成凸部。对于该分隔件与实施例1同样地进行试验。
结果如表1及2所示。
[表1]
表1
[表2]
表2
对于实施例1~5,得到卷绕体对于横向的应力的耐性高、不易产生卷偏移的良好的卷绕体。另外,通过实施例1~5中使用的分隔件制作的电池表现出良好的容量维持特性,认为这是由于,可以抑制电池内的卷偏移。与比较例1~3的分隔件相比,任意一评价项目都为良好的结果。
产业上的可利用性
本实施方式的多孔薄膜可以用于非水电解质二次电池用分隔件等,并且本实施方式的非水电解质二次电池可以用于各种民用设备用电源、汽车用电源等。
附图标记说明
10 基材
11 微细图案
11a 凸部
11b 凹部
Claims (10)
1.一种分隔件,其为非水电解质电池中使用的分隔件,
所述分隔件具有基材以及在所述基材的至少一主表面上具有的多个凸形状的图案,
所述基材含有一个层或多个层,
使用在所述凸形状的图案的顶部形成的大致平面与在所述凸形状的图案的底部形成的大致平面的距离T1、和所述分隔件的总厚度T2表示的T1/T2的值为0.3以上,
在所述基材的层为多个的情况下,所述凸形状的图案的压缩模量为构成所述基材的层中具有最低的压缩模量的层的压缩模量的2倍以上,在所述基材的层为一个的情况下,所述凸形状的图案的压缩模量为该基材的压缩模量的2倍以上。
2.根据权利要求1所述的分隔件,其中,通过对于所述凸形状的图案的垂直方向测定得到的具有所述凸形状的图案的部分的透气度S1和所述分隔件的非图案部的透气度S2的比率表示的S1/S2为0.8以上且5以下。
3.根据权利要求1所述的分隔件,其中,被所述凸形状的图案的底部包围的面积与单位格子的面积的比率为0.03以上且0.80以下。
4.根据权利要求1所述的分隔件,其中,在所述凸形状的图案的顶部形成的大致平面与在所述凸形状的图案的底部形成的大致平面的距离T1为6μm以上。
5.根据权利要求1所述的分隔件,其中,通过与所述凸形状的图案的大致形状的至少2点相接的外接圆的直径Rp、和与所述凸形状的图案的大致形状的至少2点相接的内切圆的直径rp表示的数值Rp/rp为1以上且不足10。
6.根据权利要求1所述的分隔件,其中,所述凸形状的图案含有无机颗粒或树脂细粒。
7.根据权利要求6所述的分隔件,其中,在所述无机颗粒或树脂细粒的含有所述分隔件的垂直线的截面中,通过与所述无机颗粒或树脂细粒的大致形状的至少2点相接的外接圆的直径Ri、和与所述无机颗粒或树脂细粒的大致形状的至少2点相接的内切圆的直径ri表示的数值Ri/ri超过1且不足10。
8.根据权利要求1所述的分隔件,其中,所述T1/T2的值为10以下。
9.一种卷绕体,其为将权利要求1~8中任一项所述的分隔件卷绕于卷绕用芯而成的。
10.一种非水电解质电池,其含有:层叠正极、权利要求1~8中任一项所述的分隔件和负极而成的层叠体或所述层叠体的卷绕体,且含有非水电解质。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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