CN115136404A - 非水系二次电池用隔膜及非水系二次电池 - Google Patents
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Abstract
本发明的一个实施方式提供非水系二次电池用隔膜,其具备:多孔质基材,其包含聚乙烯微多孔膜;和多孔质层,其设置于多孔质基材的仅单面且包含具有选自酰胺键、酰亚胺键及磺酰键的组中的至少一种键合基团的树脂,就多孔质基材而言,在DSC测定中设置在氮气气氛下以5℃/分钟的温度变化速度连续地从30℃升温至200℃的升温工序1、和从200℃降温至30℃并从30℃升温至200℃的升温工序2的情况下,升温工序1中的于120℃~145℃观察到的吸热峰的温度及升温工序2中的于120℃~145℃观察到的吸热峰的温度之差的绝对值为1.50℃以上。
Description
技术领域
本公开文本涉及非水系二次电池用隔膜及非水系二次电池。
背景技术
以锂离子二次电池为代表的非水系二次电池已作为笔记本电脑、移动电话、数码相机、便携式摄录机等便携式电子设备的电源而被广泛利用。作为非水系二次电池中具备的隔膜,以往已知有在聚乙烯膜等基材上涂设有包含聚酰胺(也称为芳族聚酰胺。)的层而得的隔膜、以及在聚乙烯膜中捏合有尼龙而成的隔膜。
例如如国际公开第2008/062727号这样,在聚乙烯膜上涂设有包含芳族聚酰胺的层而成的隔膜通常在聚乙烯膜的两面涂布芳族聚酰胺。由于在聚乙烯膜的两面进行芳族聚酰胺的涂布,因此所制造的隔膜必然具有一定程度的厚度,难以薄膜化。
另外,芳族聚酰胺或尼龙在分子中具有极性基团。因此,使用了芳族聚酰胺或尼龙的隔膜具有容易带静电、缺乏滑动性这样的特性。隔膜带静电时,有时在制造过程中异物附着,发生不良情况。另外,若隔膜的滑动性变差,则例如在将卷绕体(其是使用卷芯将隔膜与电极重叠并卷绕而得的)从卷芯抽出的制造过程中,也存在导致下述现象的情况:卷绕体呈笋状延伸而走形的现象;或卷绕体中形成褶皱的现象。
鉴于上述情况,在基材上设置涂布膜时,涂布膜优选仅设置于基材的单面。例如,公开了一种非水电解质电池隔膜,其在基材的单侧具有包含耐热性含氮芳香族聚合物的层(例如,参见日本专利第3175730号公报)。
发明内容
发明所要解决的课题
然而,就涂布膜设置于聚乙烯膜等基材的仅单面的方式而言,与涂布膜设置于聚乙烯膜的两面的方式相比,存在电解液难以渗透至隔膜内的课题。在电解液向隔膜内的渗透不足的情况下,隔膜的电阻值(膜电阻)变大,在日本专利第3175730号公报中记载的技术中,无法期待所期望的电池特性。
本公开文本是鉴于上述状况而做出的。
本公开文本的一个实施方式所要解决的课题在于提供电解液容易渗透的非水系二次电池用隔膜。
本公开文本的另一实施方式所要解决的课题在于提供电池特性优异的非水系二次电池。
用于解决课题的手段
用于解决课题的具体手段包括以下的方式。
<1>非水系二次电池用隔膜,其具备:
多孔质基材,其包含聚烯烃微多孔膜;和
多孔质层,其设置于前述多孔质基材的仅单面且包含具有选自酰胺键、酰亚胺键及磺酰键的组中的至少一种键合基团的树脂,
就前述多孔质基材而言,在差示扫描量热分析(DSC)测定中,设置在氮气气氛下以5℃/分钟的温度变化速度连续地从30℃升温至200℃的升温工序1、和从200℃降温至30℃并从30℃升温至200℃的升温工序2的情况下,升温工序1中的于120℃~145℃观察到的吸热峰的温度及升温工序2中的于120℃~145℃观察到的吸热峰的温度之差的绝对值为1.50℃以上。
<2>如<1>所述的非水系二次电池用隔膜,其中,前述多孔质层包含无机粒子。
<3>如<1>或<2>所述的非水系二次电池用隔膜,其中,前述树脂包含全芳香族聚酰胺。
<4>如<1>~<3>中任一项所述的非水系二次电池用隔膜,其由下式求出的Macmillan数Mn为20以下。
Mn=(σe)/(σs)
σs=t/Rm
式中,σe表示使1mol/l的LiPF6溶解于碳酸亚乙酯及碳酸亚丙酯的混合溶剂(混合比1:1[质量比])而得的电解液的20℃时的电导率(S/m),
σs表示含浸了前述电解液的隔膜的20℃时的电导率(S/m),t表示膜厚(m),Rm表示隔膜的膜电阻(ohm·cm2)。
<5>如<1>~<4>中任一项所述的非水系二次电池用隔膜,其中,前述多孔质层的厚度为0.3μm~5.0μm。
<6>如<1>~<5>中任一项所述的非水系二次电池用隔膜,其中,在前述多孔质基材的孔内部、及前述多孔质基材的与具有前述多孔质层的一侧相反的一侧的表面具有前述树脂。
<7>非水系二次电池,其具备:正极、负极、配置于前述正极及前述负极之间的<1>~<6>中任一项所述的非水系二次电池用隔膜、和在相对于溶剂的总质量而言包含90质量%以上的环状碳酸酯的溶剂中溶解锂盐而得的电解液,所述非水系二次电池通过锂的掺杂·脱掺杂而获得电动势。
发明的效果
根据本公开文本的一个实施方式,提供电解液容易渗透的非水系二次电池用隔膜。
根据本公开文本的另一个实施方式,提供电池特性优异的非水系二次电池。
具体实施方式
以下对本公开文本的内容详细地进行说明。
以下记载的构成要件的说明有时基于本公开文本的代表性实施方式而进行,但本公开文本并不限于这样的实施方式。
本说明书中,使用“~”表示的数值范围是指包含“~”的前后所记载的数值分别作为下限值及上限值的范围。本公开文本中阶段性地记载的数值范围中,某数值范围中记载的上限值或下限值可以替换为另一阶段性记载的数值范围的上限值或下限值。另外,本公开文本所记载的数值范围中,某数值范围中记载的上限值或下限值可以替换为实施例所示的值。
本说明书中,提及组合物中的各成分的量的情况下,当组合物中存在多种属于各成分的物质时,只要没有特别说明,是指组合物中存在的多种成分的合计量。
本说明书中的“固态成分”这一术语是指除溶剂外的成分,溶剂以外的低分子量成分等液态的成分也包括在本说明书的“固态成分”中。
本说明书中,所谓“溶剂”,以包括水、有机溶剂、以及水与有机溶剂的混合溶剂的含义使用。
本说明书中,“工序”这一术语不仅包括独立的工序,而且即使在无法与其他工序明确地区分的情况下,只要能达成该工序所期望的目的,则也包括在该术语中。
需要说明的是,本公开文本中,优选的方式的组合为更优选的方式。
本公开文本中的重均分子量(Mw)为由凝胶渗透色谱(GPC)测得的值。
具体而言,将聚乙烯微多孔膜的试样加热溶解于邻二氯苯中,利用GPC(Waters公司制Alliance GPC 2000型,柱:GMH6-HT及GMH6-HTL),在柱温为135℃、流速为1.0mL/分钟的条件下进行测定,由此得到Mw。分子量的校正可以使用分子量单分散聚苯乙烯(东曹公司制)。
<非水系二次电池用隔膜>
本公开文本的非水系二次电池用隔膜(以下,也称为“本公开文本的隔膜”或“隔膜”。)具备:多孔质基材,其包含聚乙烯微多孔膜;和多孔质层,其设置于多孔质基材的仅单面且包含具有选自酰胺键、酰亚胺键及磺酰键的组中的至少一种键合基团的树脂,就多孔质基材而言,在差示扫描量热分析(DSC)测定中,设置在氮气气氛下以5℃/分钟的温度变化速度连续地从30℃升温至200℃的升温工序1、和从200℃降温至30℃并从30℃升温至200℃的升温工序2的情况下,使升温工序1中的于120℃~145℃观察到的吸热峰的温度及升温工序2中的于120℃~145℃观察到的吸热峰的温度之差的绝对值(以下,也简称为“吸热峰的温度差”。)为1.50℃以上。
以往,作为非水系二次电池中具备的隔膜,例如,在聚乙烯膜的两面涂设有包含芳族聚酰胺的层这样的3层结构的隔膜是已知的。并且,使用了芳族聚酰胺或尼龙的隔膜具有容易带静电、缺乏滑动性这样的特性。因上述特性,存在导致下述问题的情况:在制造过程中,异物附着,发生不良情况;或者在卷芯上卷绕隔膜和电极而制造的卷绕体中,形成走形或褶皱;等等。
鉴于这样的状况,在本公开文本的非水系二次电池用隔膜中,在多孔质基材的仅单面形成包含特定树脂的多孔质层。由此,能够使隔膜整体薄膜化,可抑制由静电引起的不良情况、以及走形及褶皱等的发生。然而,在多孔质基材的仅一侧形成有多孔质层、在另一侧未形成有多孔质层而使得多孔质基材的表面露出的状态下,缺乏与电解液的亲和性,因此,担心隔膜中无法含浸从电池特性的观点考虑所需要量的电解液。电解液的含浸不足时,无法期待所期望的电池特性。
鉴于这一点,本公开文本的非水系二次电池用隔膜中,使多孔质层包含具有选自酰胺键、酰亚胺键及磺酰键的组中的键合基团的树脂,并且,在对供多孔质层附着的多孔质基材进行DSC测定时,设置在氮气气氛下以5℃/分钟的温度变化速度连续地从30℃升温至200℃的升温工序1、和从200℃降温至30℃并从30℃升温至200℃的升温工序2的情况下,在升温工序1及升温工序2的各自中于120℃~145℃观察到的吸热峰的温度之差的绝对值为1.50℃以上。
具有上述构成的本公开文本的非水系二次电池用隔膜发挥效果的原因未必明确,但推测如下。
首先,使多孔质层包含具有选自酰胺键、酰亚胺键及磺酰键的组中的键合基团的树脂。由此,树脂具有选自酰胺键、酰亚胺键及磺酰键中的键合基团,因此与多孔质基材(尤其是聚乙烯膜)的亲和性变得良好,并且,与电解液之间的亲和性也高,因此电解液向多孔质层的渗透性变得良好。
接着,关于供多孔质层附着的多孔质基材,在DSC测定时,设置在氮气气氛下以5℃/分钟的温度变化速度连续地从30℃升温至200℃的升温工序1、和从200℃降温至30℃并从30℃升温至200℃的升温工序2,使在升温工序1及升温工序2的各自中于120℃~145℃观察到的吸热峰的温度之差的绝对值为1.50℃以上。升温工序1中的吸热峰的温度反映对多孔质基材施加物理变形而产生的结晶状态的变化历程。即,在多孔质基材为经历了拉伸处理的基材的情况下,表示在对多孔质基材进行了拉伸时存在于未拉伸基材中的球晶变化而得的结晶和未变化而残留的球晶这两者发挥影响所呈现的熔化温度。升温工序2中的吸热峰反映因升温工序1的热而变形的历程得以消除的状态。即,表示被施加物理变形之前的基材的结晶状态,换言之,仅球晶的熔化温度。
此处,多孔质基材是大量聚乙烯(PE)分子以网络状缠结而构成的,所谓球晶,是指多个PE分子链缠结而成为球状的部分,所谓结晶,是指笔直延伸的多个PE分子链排列而成的部分。球晶等分子结构的状态可以通过扫描电子显微镜或透射电子显微镜而确认。
上述中,升温工序1的吸热峰的温度与升温工序2的吸热峰的温度之差(绝对值)表示通过施加拉伸等物理变形而产生的结晶相对于球晶的量变。即,2个升温工序中的吸热峰的温度差表示对多孔质基材施加的物理变形程度(例如,进行了拉伸处理的拉伸膜等情况下,为施加了拉伸处理的程度),温度差大意味着基材中结晶多。即,本公开文本中的多孔质基材成为结晶部分多的结构。
本公开文本中,推测2个升温工序中的吸热峰的温度差为1.50℃以上意味着多孔质基材是被实施拉伸等物理处理而使得球晶部分减少的状态的基材,基材中的结晶状态影响电解液的附着,结果多孔质基材呈现出液体的渗透作用。
从电池特性的观点考虑、非水系二次电池用隔膜具有基材容易含浸电解液的性质是重要的,2个升温工序中的吸热峰的温度差为1.50℃以上时,可以说电解液容易渗透。
如前文所述,多孔质层及多孔质基材双方的功能相互结合,就本公开文本的非水系二次电池用隔膜而言,电解液的渗透容易迅速地进行,容易得到电解液良好地含浸的隔膜。
(多孔质基材)
本公开文本中的多孔质基材为具有至少包含聚乙烯的聚烯烃微多孔膜的基材,可以为由包含聚乙烯的聚烯烃微多孔膜形成的基材。
多孔质基材在层的内部具有多个细孔,具有多个细孔彼此连结的结构,气体或液体能够从层的一面向另一面通过。聚烯烃微多孔膜也同样。
就本公开文本中的多孔质基材而言,在差示扫描量热分析(DSC)测定中,设置在氮气气氛下以5℃/分钟的温度变化速度连续地从30℃升温至200℃的升温工序1、和从200℃降温至30℃并从30℃升温至200℃的升温工序2的情况下,升温工序1中的于120℃~145℃观察到的吸热峰的温度及升温工序2中的于120℃~145℃观察到的吸热峰的温度之差的绝对值(吸热峰的温度差)为1.50℃以上。
通过使吸热峰的温度差为1.50℃以上,电解液向多孔质基材的渗透性良好。作为吸热峰的温度差,优选为1.60℃以上,更优选为1.70℃以上。从耐热性、热收缩的观点考虑,吸热峰的温度差的上限优选为15℃以下,更优选为10℃以下,进一步优选为5℃以下。
升温工序1是DSC测定时施加于多孔质基材的最初的升温,多孔质基材中的结晶状态被解开而成为球晶。
升温工序2是在升温工序1后进行降温、并再次施加至多孔质基材的升温过程。
于120℃~145℃观察到的吸热峰是指源自聚乙烯而呈现的峰。
作为控制多孔质基材的DSC的吸热峰的温度的方法,可举出使针对聚乙烯等的拉伸条件(例如,单轴拉伸、双轴拉伸、逐次双轴拉伸、同时双轴拉伸)、热处理条件等变化的方法等。例如逐次双轴拉伸及同时双轴拉伸在能够增大吸热峰的温度差的方面是优选的。
本公开文本中,通过选择DSC测定中的吸热峰的温度差为1.50℃以上的多孔质基材、或者使用施加使DSC测定中的吸热峰的温度差成为1.50℃以上的物理处理而制作的多孔质基材,从而能够制成电解液容易渗透的非水系二次电池用隔膜。
DSC测定可以针对未设置多孔质层等层的多孔质基材进行,也可以针对将设置了多孔质层等层的多孔质基材的多孔质层等除去后的多孔质基材进行。
作为将多孔质基材上的层除去的方法,可举出利用树脂的良溶剂将隔膜清洗的方法等。在该情况下,可以将利用树脂的良溶剂对隔膜进行清洗、干燥并测定重量的操作反复进行多次而隔膜的重量不再变化的时间点视为层的除去完成。
DSC测定中的吸热峰的温度差为1.50℃以上的确认可利用以下的方法进行。
将未设置多孔质层的多孔质基材切成5mg±1mg,使用差示扫描量热计进行测定。作为差示扫描量热计,例如,可以使用TA INSTRUMENTS公司制的Q20来测定。具体而言,如下设定来进行DSC测定:在氮气气氛下,以5℃/分钟的升温速度从30℃升温至200℃(升温工序1),以5℃/分钟降温至30℃,进一步以5℃/分钟升温至200℃(升温工序2)。第1次和第2次的测定连续地进行,以升温与降温之间未设置休止时间的方式进行测定。然后,根据由测定得到的DSC图表求出120℃~145℃之间的吸热峰(顶峰)的温度。算出第1次120℃~145℃的吸热峰(顶峰)的温度、与第2次120℃~145℃的吸热峰(顶峰)的温度之差。
作为多孔质基材,优选使用了包含聚乙烯的微多孔膜(本说明书中,称为“聚乙烯微多孔膜”。)的方式。作为聚乙烯微多孔膜,可以从以往的非水系二次电池用隔膜中所应用的聚乙烯微多孔膜中选择,优选具有良好的力学特性及离子透过性。
从力学特性和关闭特性的观点考虑,多孔质基材可以为由聚乙烯微多孔膜形成的基材。
多孔质基材也可以使用包含聚乙烯和除聚乙烯以外的聚烯烃的微多孔膜。就包含聚乙烯和除聚乙烯以外的聚烯烃的微多孔膜而言,优选聚乙烯在膜中的树脂成分中所占的含量为95质量%以上的膜。作为包含聚乙烯和除聚乙烯以外的聚烯烃的微多孔膜,例如,可以为包含聚乙烯及聚丙烯的微多孔膜,可以为以95:5的比率(=聚乙烯:聚丙烯[质量比])包含聚乙烯及聚丙烯的微多孔膜。
在作为多孔质基材使用例如包含聚乙烯及聚丙烯的微多孔膜的情况下,通过求出由DSC测定得到的DSC图表中、来自聚乙烯的吸热峰、即120℃~145℃之间的吸热峰(顶峰)的温度,从而能够求出DSC测定中的吸热峰的温度差。关于组合包含除聚乙烯及聚丙烯的组合以外的两种的微多孔膜也同样。
聚乙烯微多孔膜中包含的聚乙烯的重均分子量优选在10万~500万的范围内。重均分子量为10万以上时,能够确保良好的力学特性。另一方面,重均分子量为500万以下时,容易将膜成型。
聚乙烯微多孔膜例如可利用以下的方法制造。即,存在下述方法:将已熔融的聚乙烯树脂从T-模挤出而片材化,对其进行结晶化处理,然后进行拉伸,进一步进行热处理而制成微多孔膜的方法;或者,将已熔融的聚乙烯树脂与液体石蜡等增塑剂一起从T-模呈片状挤出,将挤出的树脂冷却,拉伸后,提取增塑剂,进行热处理而制成微多孔膜。
作为多孔质基材的平均孔径,优选在20nm以上100nm以下的范围内。多孔质基材的平均孔径为20nm以上时,离子容易移动,容易获得良好的电池性能。从这样的观点考虑,多孔质基材的平均孔径更优选为30nm以上,进一步优选为40nm以上。另一方面,多孔质基材的平均孔径为100nm以下时,多孔质基材与多孔质层之间的剥离强度提高。从这样的观点考虑,多孔质基材的平均孔径更优选为90nm以下,进一步优选为80nm以下。
需要说明的是,多孔质基材的平均孔径为使用孔径分布测定仪(Perm-Porometer)测定的值,例如,可按照ASTM E1294-89、使用孔径分布测定仪(PMI公司制的CFP-1500-A)进行测定。
从获得良好的力学物性和内部电阻的观点考虑,多孔质基材的厚度优选在3μm以上25μm以下的范围内。特别地,多孔质基材的厚度更优选在5μm以上20μm以下的范围内。
从获得离子透过性的观点考虑,多孔质基材的Gurley值(JIS P8117:2009)优选在50秒/100ml以上400秒/100ml以下的范围内。
从得到适当的膜电阻的观点考虑,多孔质基材的孔隙率优选在20%以上60%以下的范围内。
从提高制造成品率的观点考虑,多孔质基材的戳穿强度优选为200g以上。
多孔质基材优选被实施各种表面处理。通过实施表面处理,能够提高与用于形成后述多孔质层的涂布液的润湿性。作为表面处理的具体例,可举出电晕处理、等离子体处理、火焰处理、紫外线照射处理等,可以在不损害多孔质基材的性质的范围内进行处理。
(多孔质层)
本公开文本中的多孔质层设置于上述多孔质基材的仅单面且包含具有选自酰胺键、酰亚胺键及磺酰键的组中的至少一种键合基团的树脂(以下,也称为特定树脂。)。本公开文本中的多孔质层优选包含无机粒子,根据需要可以还包含特定树脂以外的树脂、添加剂等其他成分。
多孔质层在层的内部具有多个细孔,具有多个细孔彼此连结的结构,气体或液体能够从层的一面向另一面通过。
-树脂-
多孔质层包含具有选自酰胺键、酰亚胺键及磺酰键的组中的至少一种键合基团的树脂(特定树脂)中的至少一种。树脂具有选自酰胺键、酰亚胺键及磺酰键中的键合基团,因此与多孔质基材(特别是聚乙烯膜)的亲和性变得良好,并且,与电解液之间的亲和性也高,因此电解液向多孔质层的渗透性变得良好。由此,就本公开文本的非水系二次电池用隔膜而言,电解液的渗透容易迅速地进行,容易得到电解液良好地含浸的隔膜。结果,有助于制作二次电池时的电池特性的提高。
本公开文本中的特定树脂为具有选自酰胺键、酰亚胺键及磺酰键的组中的至少一种键合基团的聚合物,只要为具有上述键合基团的聚合物即可,可以具有任意结构。需要说明的是,本公开文本中的树脂各自可以单独包含1种,也可以包含2种以上。
具有酰胺键的树脂包括尼龙、全芳香族聚酰胺、聚酰胺酰亚胺等。
具有酰亚胺键的树脂包括聚酰胺酰亚胺、聚酰亚胺等。
具有磺酰键的树脂包括聚砜、聚醚砜等。
特定树脂中,从与多孔质基材(尤其是聚乙烯膜)及电解液的亲和性良好的方面、以及耐热性优异的方面考虑,优选全芳香族聚酰胺。全芳香族聚酰胺能够以适当的浓度溶解于以酰胺系溶剂为代表的极性有机溶剂中。因此,将有机溶剂中溶解全芳香族聚酰胺而得的溶液(涂布液)涂布于包含聚乙烯微多孔膜的多孔质基材上,将涂布膜凝固、水洗、及干燥,由此能够容易地形成多孔质层。另外,也容易控制多孔结构。进而,由于涂布液容易渗入多孔质基材的孔隙,因此多孔质基材的电解液含浸性也容易提高。
另外,由于全芳香族聚酰胺的熔点为200℃以上,因此隔膜的耐热性提高,使二次电池的安全性提高。
全芳香族聚酰胺中,包括间位型的聚酰胺(本说明书中,也称为间位芳族聚酰胺。)和对位型的聚酰胺。这些之中,从结晶性的观点考虑,与对位型的聚酰胺相比,间位型的聚酰胺容易形成多孔质层,在这一方面是合适的。
作为间位型的聚酰胺的例子,可举出聚间苯二甲酰间苯二胺等。另外,作为对位型的聚酰胺的例子,可举出共聚对亚苯基·3.4’氧基二亚苯基·对苯二甲酰胺(copolyparaphenylene 3.4’oxydiphenylene terephthalamide)、聚对苯二甲酰对苯二胺等。
全芳香族聚酰胺可以使用上市的市售品。作为市售品的例子,可以使用帝人株式会社制的CONEX(注册商标;间位型)、TECHNORA(注册商标;对位型)、Twaron(注册商标;对位型)等。
作为树脂(优选为全芳香族聚酰胺)在多孔质层中的含量,相对于多孔质层的总固态成分而言,优选为10质量%~40质量%,更优选为15质量%~35质量%。
-粒子-
多孔质层优选包含粒子,粒子包含无机粒子、有机粒子中的任意粒子。多孔质层优选包含无机粒子。需要说明的是,多孔质层中的粒子可以单独包含一种,也可以混合包含两种以上。
通过在多孔质层中包含无机粒子,从而能够实现耐热性的提高、膜电阻的降低(电解液的渗入容易度、及孔隙的形成容易度的提高)、及摩擦系数的降低。
作为无机粒子的例子,可举出:氧化铝、氧化锆、氧化钇、二氧化铈、氧化镁、氧化钛、二氧化硅等金属氧化物;氮化硼、氮化铝等金属氮化物;碳酸钙、硫酸钡等金属盐;氢氧化镁等金属氢氧化物;等等。
上述中,作为无机粒子,从耐热性的提高、膜电阻的降低(电解液的渗入容易度、及孔隙的形成容易度的提高)、及摩擦系数的降低的方面考虑,优选含有2价金属的粒子,更优选2价金属的硫酸盐的粒子或2价金属的氢氧化物的粒子。例如,优选含镁的粒子或含钡的粒子。
作为含镁的粒子,优选硫酸镁、氢氧化镁、酸化镁等的粒子,更优选氢氧化镁的粒子。
作为含钡的粒子,优选硫酸钡的粒子。
无机粒子的平均一次粒径优选为0.01μm~2.0μm。平均一次粒径为0.01μm以上时,在隔膜的制造工序中,容易形成多孔结构。另外,平均一次粒径为2.0μm以下时,对于多孔质层的薄膜化有利,耐热性多孔质层内的无机粒子及树脂的填充密度提高。
无机粒子的平均一次粒径更优选为0.02μm~1.5μm,进一步优选为0.03μm~0.9μm。
平均一次粒径通过下述方式求出:对基于扫描电子显微镜(SEM)的观察中随机选择的100个无机粒子的长径进行测定,并对100个长径进行平均。供于SEM观察的试样是作为耐热性多孔质层的材料的无机粒子、或从隔膜取出的无机粒子。从隔膜取出无机粒子的方法没有限制,例如,可举出:将隔膜加热至800℃左右,使粘结剂树脂消失,将无机粒子取出的方法;将隔膜浸渍于有机溶剂中,利用有机溶剂使粘结剂树脂溶解,取出无机粒子的方法等。
在无机粒子的平均一次粒径小的情况、或无机粒子的凝集显著、无法测定无机粒子的长径的情况下,利用BET法测定无机粒子的比表面积,将无机粒子假设为正球,按照下式,根据无机粒子的比重和比表面积算出粒径。
平均一次粒径(μm)=6÷[比重(g/cm3)×BET比表面积(m2/g)]
需要说明的是,在基于BET法的比表面积测定中,使用非活性气体作为吸附质,使其于液氮的沸点温度(-196℃)吸附于无机粒子表面。以吸附质的压力函数的形式测定吸附于试样的气体量,根据吸附量求出试样的比表面积。
无机粒子的形状没有限制,可以为球或接近球的形状、板状、或纤维状的形状。
-其他成分-
本公开文本中的多孔质层除了含有上述成分外,还可以根据需要含有特定树脂以外的树脂、添加剂等其他成分。其他成分均可以单独使用1种或混合2种以上而使用。
特定树脂以外的树脂根据目的或情况在不显著损害本公开文本效果的范围内从已知的任意树脂中适当选择即可。
作为添加剂,可举出表面活性剂等分散剂、润湿剂、消泡剂、pH调节剂等。
多孔质层可以通过制备多孔质层形成用的涂布液、并将涂布液涂布于多孔质基材而形成。从将接触角调整至上述范围的观点考虑,涂布可以利用使用了逆转辊涂布机的方法等将辊等压靠至多孔质基材而涂布的方式的涂布法进行。
~多孔质层的性状~
[厚度]
在多孔质基材的单面具有的多孔质层的厚度优选为0.3μm以上5.0μm以下。多孔质层的厚度为0.3μm以上时,成为平滑且均质的层,电池的循环特性进一步提高。从同样的观点考虑、多孔质层的单面的厚度更优选为1.5μm以上。
另一方面,多孔质层的单面的厚度为5.0μm以下时,离子透过性更加良好,电池的负荷特性变得更优异。从同样的观点考虑,多孔质层的单面的厚度更优选为4.0μm以下,进一步优选为3.0μm以下,特别优选为2.5μm以下。
[孔隙率]
作为多孔质层的孔隙率,优选在30%以上80%以下的范围内。孔隙率为80%以下时,容易确保力学物性,表面开口率不会变得过高,适合确保粘接力。另一方面,孔隙率为30%以上时,离子透过性变得更良好。
需要说明的是,孔隙率(ε)为由下式求出的值。
ε={1-Ws/(ds·t)}×100
式中,分别地,ε表示孔隙率(%),Ws表示单位面积重量(g/m2),ds表示真密度(g/cm3),t表示膜厚(μm)。
[平均孔径]
作为多孔质层的平均孔径,优选在10nm以上300nm以下的范围内。平均孔径为300nm以下时,孔的不均匀性被抑制,粘接点较均等地分散,粘接性进一步提高。另外,平均孔径为300nm以下时,离子的移动的均匀性高,循环特性及负荷特性进一步提高。另一方面,若平均孔径为10nm以上,则在使电解液含浸于多孔质层时,构成多孔质层的树脂溶胀而将孔封闭,由此不易发生离子透过性被阻碍的现象。
需要说明的是,就多孔质层的平均孔径(直径,单位:nm)而言,使用根据氮气吸附量算出的由全芳香族聚酰胺形成的多孔质层的孔隙表面积S、和根据孔隙率算出的多孔质层的孔隙体积V,假设全部孔为圆柱状,利用下式算出。
d=4·V/S
式中,d表示多孔质层的平均孔径(nm),V表示每1m2多孔质层的孔隙体积,S表示每1m2多孔质层的孔隙表面积。
另外,每1m2多孔质层的孔隙表面积S由以下的方法求出。
通过利用氮气吸附法并应用BET式,从而测定多孔质基材的比表面积(m2/g)、和将多孔质基材及多孔质层层叠而得的复合膜的比表面积(m2/g)。将各自的比表面积乘以各自的单位面积重量(g/m2),算出各自的每1m2的孔隙表面积。接着,从每1m2隔膜的孔隙表面积减去每1m2多孔质基材的孔隙表面积,算出每1m2多孔质层的孔隙表面积S。
~隔膜的性状~
[Macmillan数(Mn)]
从离子透过性的观点考虑、本公开文本的非水系二次电池用隔膜的由下式求出的Macmillan数(Mn)优选为20以下。
所谓Macmillan数,为离子透过性的指标,是指仅电解液的传导率除以隔膜中含浸了电解液时的传导率而得的值。即,若Mn过大,则离子透过性变得不足。
Mn更优选为15以下,进一步优选为12以下,进一步优选为10以下。作为Mn的下限值,可以为1以上,优选为4以上。
Mn=(σe)/(σs)
σs=t/Rm
σe表示使1mol/l的LiPF6溶解于碳酸亚乙酯及碳酸亚丙酯的混合溶剂(混合比1:1[质量比])而得的电解液的20℃时的电导率(S/m)。σe为利用DKK-TOA CORPORATION制的电导率计CM-41X、电导率单元CT-5810B测定的值。
σs表示含浸了前述电解液的隔膜的20℃时的电导率(S/m)。σs是将膜厚除以膜电阻而测定的值。
t表示膜厚(m)。膜厚为利用与下述[厚度]同样的方法求出的值。
Rm表示隔膜的膜电阻(ohm·cm2)。Rm为利用与下述“[膜电阻(离子透过性)]”同样的方法求出的值。
[厚度]
本公开文本的非水系二次电池用隔膜的厚度优选为7.5μm以上20μm以下。
隔膜的厚度为7.5μm以上时,容易保持能够操作隔膜的充分强度。另外,隔膜的厚度为20μm以下时,能够良好地维持离子透过性,容易保持电池的放电性及低温特性,能够良好地保持电池的能量密度。
其中,基于同样的理由,隔膜的厚度更优选为7.6μm~14μm。
厚度为使用接触式厚度计(Mitutoyo Corporation制,LITEMATIC)、利用直径5mm的圆柱状的测定端子测定的值。以测定期间被施加0.01N的负荷的方式进行调整,对10cm×10cm内的任意20个点进行测定,算出其平均值。
[膜电阻(离子透过性)]
从确保电池的负荷特性的方面考虑,隔膜的膜电阻优选在1ohm·cm2~10ohm·cm2的范围内。
膜电阻是指使电解液含浸于隔膜的状态下的电阻值,为利用交流法测定的值。膜电阻的测定使用使1mol/l的LiPF6溶解于碳酸亚乙酯及碳酸亚丙酯的混合溶剂(混合比1:1[质量比])而得的电解液并于20℃进行。关于详细的测定方法,在实施例中进行说明。
优选在多孔质基材的孔内部、及多孔质基材的与具有多孔质层的一侧相反的一侧的表面具有树脂。由此,能够在隔膜的整体范围内含浸电解液。
所谓在多孔质基材的孔内部具有树脂,是指树脂渗入多孔质基材的孔内部的一部分或全部中的状态。
所谓在多孔质基材的与具有多孔质层的一侧相反的一侧的表面具有树脂,是指:在多孔质基材的一面涂设多孔质层形成用的涂布液时,涂布液中的树脂从多孔质基材的一面渗入而从多孔质基材中的孔内部通过,树脂到达另一面而能够确认到树脂的存在的状态。树脂的存在的确认可通过涂布多孔质层形成用的涂布液之后的接触角低于涂布多孔质层形成用的涂布液之前的多孔质基材的表面的接触角而判断。
就树脂附着于多孔质基材的孔的内表面的确认而言,通过基于能量色散型X射线光谱法(SEM-EDX;Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)、二次离子质谱法(SIMS;Secondary Ion Mass Spectrometry)、X射线光电子能谱法(ESCA;Electron Spectroscopyfor Chemical Analysis)的观察、将树脂染色后的观察等进行。
<非水系二次电池>
本公开文本的非水系二次电池具备正极、负极、配置于前述正极及前述负极之间的前述本公开文本的非水系二次电池用隔膜、和在相对于溶剂的总质量而言包含90质量%以上的环状碳酸酯的溶剂中溶解锂盐而得的电解液,所述非水系二次电池通过锂的掺杂·脱掺杂而获得电动势。
所谓掺杂,是指吸藏、载持、吸附、或嵌入,是指锂离子进入到正极等电极的活性物质中的现象。
本公开文本的非水系二次电池优选为具有在正极及负极之间配置隔膜的结构的锂离子二次电池,包括:(1)正极、负极及隔膜等电池要素与电解液一起封入外包装材料内的二次电池;(2)在包括电极在内的全部电池要素中使用了树脂的全树脂电池;等等。
关于上述(1)的二次电池,可以参见国际公开第2008/062727号的0056~0061段中记载的材料等。
上述(2)的全树脂电池为下述二次电池:将由吸收了电解液的凝胶状高分子覆盖的电极活性物质、与导电助剂及导电性纤维等混合而制成复合材料,将正极用复合材料和负极用复合材料夹着隔膜而重叠,进一步优选在复合材料的表面设置集电体。
正极可以为下述复合材料成型而得的正极层,所述复合材料是将正极活性物质、覆盖正极活性物质的凝胶状的电解质、导电性纤维混合而得的。正极层可以还含有导电助剂。
负极可以为下述复合材料成型而得的负极层,所述复合材料是将负极活性物质、覆盖负极活性物质的凝胶状的电解质、导电性纤维混合而得的。负极层可以还含有导电助剂。
作为正极活性物质,可举出含锂的过渡金属氧化物等,例如,可举出LiCoO2、LiNiO2、LiMn1/2Ni1/2O2、LiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2、LiMn2O4、LiFePO4、LiCo1/2Ni1/2O2、LiAl1/4Ni3/4O2等。
作为负极活性物质,例如,可举出硬碳(非石墨化碳)。
凝胶状的电解质可举出使电解液吸收于凝胶状的高分子(高分子凝胶)而得的物质。
电解液为锂盐溶解于非水溶剂而得的溶液。
作为锂盐,例如,可举出LiPF6、LiBF4、LiClO4等。
作为非水溶剂,可举出碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、γ-丁内酯等。非水溶剂除了单独使用一种外,还可以混合二种以上而使用。作为非水溶剂,优选相对介电常数大、熔点低的溶剂,更优选环状碳酸酯,更优选相对于非水溶剂的总质量而言包含90质量%以上的环状碳酸酯的混合溶剂。
EC及PC等环状碳酸酯系的非水溶剂为粘度较高的溶剂。
从容易大量保持电解质、电化学稳定性优异的方面考虑,含有EC及PC等环状碳酸酯系的非水溶剂的电解液是优选的。以往,在电解液向隔膜的渗透性未必充分的情况下,含浸的电解液不足,因此,含有大量电解质的高浓度电解液通常在稀释后使用。在这方面,如前文所陈述的,本公开文本的非水系二次电池具备电解液渗透性优异的本公开文本的非水系二次电池用隔膜,因此可以使用粘度较高的环状碳酸酯作为溶剂。并且,可以将使用了环状碳酸酯的高浓度电解液用于非水系二次电池,电解液的含浸性优异,因此电池特性变得优异。
实施例
以下,利用实施例更具体地说明本发明,但只要不超出其主旨,本发明不限于以下的实施例。需要说明的是,只要没有特别说明,“份”以质量为基准。
(测定)
针对后述的实施例及比较例中制作的多孔质基材及隔膜,进行以下的测定。
[膜厚]
多孔质基材及隔膜的厚度(μm)通过使用接触式厚度计(Mitutoyo Corporation,LITEMATIC VL-50)测定20个点并将其平均而求出。测定端子使用直径5mm的圆柱状的端子,以测定期间被施加0.01N的负荷的方式进行调整。
[多孔质层的膜厚]
将隔膜的厚度与多孔质基材的厚度之差作为多孔质层的膜厚。
[膜电阻]
将制作的隔膜切成2.6cm×2.0cm尺寸的样品片。将厚度20μm的铝箔切成2.0cm×1.4cm,安装极耳。准备2张该铝箔,将切出的样品片以铝箔不短路的方式夹持于铝箔之间。在样品片中含浸电解液,即,使1mol/l的LiPF6溶解于碳酸亚乙酯及碳酸亚丙酯的混合溶剂(混合比1:1[质量比])而得的电解液。将其以突耳(tab)露出至铝袋之外的方式减压封入铝层压袋中,作为电池单元。以铝箔中样品片(隔膜)成为1张、2张、3张的方式分别制作这样的电池单元。将该电池单元放入20℃的恒温槽中,利用交流阻抗法在振幅为10mV、频率为100kHz的条件下测定该电池单元的电阻。将测得的电池单元的电阻值相对于隔膜的张数进行绘图(plot),对该绘图进行线形近似,求出斜率。将作为电极面积的2.0cm×1.4cm乘以该斜率,求出每1张隔膜的膜电阻(ohm·cm2)。
[Macmillan数]
Macmillan数(Mn)根据下式算出。
Mn=(σe)/(σs)
σs=t/Rm
式中,σe表示使1mol/l的LiPF6溶解于碳酸亚乙酯及碳酸亚丙酯的混合溶剂(混合比1:1[质量比])而得的电解液的20℃时的电导率(S/m),σs表示含浸了前述电解液的隔膜的20℃时的电导率(S/m),t表示膜厚(m),Rm表示隔膜的膜电阻(ohm·cm2)。σe利用DKK-TOACORPORATION制的电导率计CM-41X、电导率单元CT-58101B而测定,σs通过将膜厚除以膜电阻而测定。t、Rm分别利用与上述的[多孔质层的膜厚]、[膜电阻]同样的方法测定。
[DSC测定]
将涂布前的多孔质基材切成5mg±1mg,使用差示扫描量热计(TA INSTRUMENTS公司制,Q20)进行DSC测定。
DSC测定通过下述方式进行:在氮气气氛下,以5℃/分钟的升温速度从30℃升温至200℃(升温工序1),然后以5℃/分钟降温至30℃,进而以5℃/分钟升温至200℃(升温工序2)。第1次测定和第2次测定连续地进行,以升温与降温之间未设置休止时间的方式进行了测定。然后,根据得到的DSC图表求出120℃~145℃的吸热峰(顶峰)的温度。根据第1次升温的DSC图表和第2次升温的DSC图表,算出120℃~145℃中的顶峰温度之差(吸热峰的温度差)。
[非水系二次电池的试制]
以成为钴酸锂(LiCoO2;日本化学工业公司制)粉末94质量份、乙炔黑(电气化学工业公司制;商品名Denka Black)3质量份、聚偏二氟乙烯(Kureha Chemical Co.,Ltd.制)3质量份的方式,使用N-甲基-2吡咯烷酮溶剂将它们混炼,制作浆料。将得到的浆料涂布于厚度为20μm的铝箔上,并干燥,然后加压,得到100μm的正极。
以成为硬碳(Belfine LN-0001:AT Electrode公司制)粉末87质量份、乙炔黑(电气化学工业公司制;商品名Denka Black)3质量份、聚偏二氟乙烯(Kureha Chemical Co.,Ltd.制)10质量份的方式,使用N-甲基-2-吡咯烷酮溶剂将它们混炼,制作浆料。将得到的浆料涂布于厚度为18μm的铜箔上,并干燥,然后加压,得到90μm的负极。
使上述的正极及负极隔着隔膜相对。使电解液含浸于其中,并封入由铝层压膜形成的外包装体中,制作非水系二次电池。此处,电解液直接使用使1mol/l的LiPF6溶解于碳酸亚乙酯及碳酸亚丙酯的混合溶剂(混合比1:1[质量比])而得的溶液。
此处,该试制电池的正极面积为5.0×3.0cm2,负极面积为5.2×3.2cm2,设定容量为10mAh(4.2V-2.5V的范围)。
(评价)
[放电性]
使用上述这样的方法中制作的电池实施放电性评价。以1mA、4.2V进行15小时的恒定电流·恒定电压充电,以1mA、2.5V进行恒定电流放电,将这样的充放电循环实施5次,将第2次循环中得到的放电容量除以第5次循环的电池的放电容量,将得到的数值作为放电性的指标,按照以下的评价基准进行评价。
<评价基准>
A:85%以上
B:70%以上且小于85%
C:小于70%
[耐热性]
将制作的隔膜切出18cm(MD;纵向(Machine Direction))×6cm(TD;横向(Transverse Direction))。在将TD二等分的线上,在距上部2cm、17cm的部位(点A、点B)标注标记。另外,在将MD二等分的线上,在距左边1cm、5cm的部位(点C、点D)标注标记。在其上安装夹子(安装夹子的位置为MD的上部2cm以内的部位),并悬挂于已调节为120℃的烘箱中,在无张力下进行60分钟热处理。在热处理的前后测定2点AB间、CD间的长度,根据下式求出热收缩率。
MD热收缩率(%)={(热处理前的AB的长度-热处理后的AB的长度)/热处理前的AB的长度}×100
TD热收缩率(%)={(热处理前的CD的长度-热处理后的CD的长度)/热处理前的CD的长度}×100
<评价基准>
A:MD热收缩率及TD热收缩率均小于5%。
B:MD热收缩率及TD热收缩率中的任一者为5%以上。
(实施例1)
将间位型全芳香族聚酰胺(间位芳族聚酰胺)以浓度成为4.5质量%的方式溶解于二甲基乙酰胺(DMAc)中,进而一边搅拌一边混合硫酸钡粒子(平均一次粒径0.05μm),得到涂布液(A)。接着,利用逆转辊涂布机将涂布液(A)涂布于聚乙烯微多孔膜A(厚度7μm)的单面,形成涂布膜。聚乙烯微多孔膜A的基于DSC测定的吸热峰的温度差为1.77℃。
然后,将涂布膜浸渍于凝固液(DMAc:水=50:50[质量比],液温40℃)中,使涂布层固化。接着,利用水温40℃的水洗槽将涂布层清洗,并干燥。评价的结果是,多孔质层中的间位芳族聚酰胺:硫酸钡的比率为20:80(质量比)。通过这样的方式,制作了在聚乙烯微多孔膜的单面形成有膜厚2.2μm的多孔质层的隔膜。
(实施例2)
实施例1中,将硫酸钡粒子变更为氢氧化镁粒子(平均一次粒径0.88μm),除此以外,与实施例1同样地操作,制作了隔膜。
(实施例3)
实施例1中,将聚乙烯微多孔膜A变更为聚乙烯微多孔膜B(厚度7μm,基于DSC测定的吸热峰的温度差:3.53℃),除此以外,与实施例1同样地操作,制作了隔膜。
(实施例4)
实施例1中,将聚乙烯微多孔膜A变更为聚乙烯微多孔膜C(厚度7μm,基于DSC测定的吸热峰的温度差:2.57℃),除此以外,与实施例1同样地操作,制作了隔膜。
(实施例5)
实施例1中,除了未加入硫酸钡粒子而制作涂布液以外,与实施例1同样地操作,制作隔膜,制作了在聚乙烯微多孔膜的单面形成有膜厚0.6μm的多孔质层的隔膜。
(比较例1)
实施例1中,将涂布液(A)涂布于聚乙烯微多孔膜A的两面,在聚乙烯微多孔膜A的表面和背面形成涂布膜,除此以外,与实施例1同样地操作,制作了隔膜。
(比较例2)
将聚偏二氟乙烯系树脂(VDF-HFP共聚物,VDF:HFP(摩尔比)=97.6:2.4,重均分子量113万)以浓度成为4质量%的方式溶解于二甲基乙酰胺(DMAc)与三丙二醇(TPG)的混合溶剂(DMAc:TPG=80:20[质量比])中,进而一边搅拌一边混合硫酸钡粒子(平均一次粒径0.05μm),由此得到涂布液(P)。
利用逆转辊涂布机将涂布液(P)涂布于聚乙烯微多孔膜B的单面,形成涂布膜。将涂布膜浸渍于凝固液(DMAc:TPG:水=30:8:62[质量比],液温40℃)中,使涂布膜固化。接着,利用水温40℃的水洗槽将涂布膜清洗并干燥。通过这样的方式,得到在聚乙烯微多孔膜的单面形成有多孔质层的隔膜。
(比较例3)
实施例1中,将聚乙烯微多孔膜A变更为聚乙烯微多孔膜D(厚度7μm,基于DSC测定的吸热峰的温度差:1.25℃),除此以外,与实施例1同样地操作,制作了隔膜。
(比较例4)
实施例1中,将聚乙烯微多孔膜A变更为聚乙烯微多孔膜E(厚度10.4μm,基于DSC测定的吸热峰的温度差:1.45℃),除此以外,与实施例1同样地操作,制作了隔膜。
(比较例5)
实施例1中,将聚乙烯微多孔膜A变更为聚乙烯微多孔膜F(厚度7μm,基于DSC测定的吸热峰的温度差:0.89℃),除此以外,与实施例1同样地操作,制作了隔膜。
如表1所示,实施例中,多孔质层包含特定树脂,并且,多孔质基材的2次升温时的吸热峰的温度差满足特定的范围,由此与比较例相比,实现了良好的膜电阻。即,实施例的隔膜能够评价为电解液的含浸性优异。结果,与隔膜中的电解液的亲和性提高,电解液的含浸性提高。因此,结果是实施例的放电性也高于比较例的放电性。
于2020年2月28日提出申请的日本专利申请2020-034134的全部公开内容通过参照并入本说明书中。
本说明书中记载的所有文献、专利申请、及技术标准通过参照被并入本说明书中,各文献、专利申请、及技术标准通过参照被并入的程度与具体且分别地记载的情况的程度相同。
Claims (7)
1.非水系二次电池用隔膜,其具备:
多孔质基材,其包含聚乙烯微多孔膜;和,
多孔质层,其设置于所述多孔质基材的仅单面且包含具有选自酰胺键、酰亚胺键及磺酰键的组中的至少一种键合基团的树脂,
就所述多孔质基材而言,在差示扫描量热分析(DSC)测定中,设置在氮气气氛下以5℃/分钟的温度变化速度连续地从30℃升温至200℃的升温工序1、和从200℃降温至30℃并从30℃升温至200℃的升温工序2的情况下,升温工序1中的于120℃~145℃观察到的吸热峰的温度及升温工序2中的于120℃~145℃观察到的吸热峰的温度之差的绝对值为1.50℃以上。
2.如权利要求1所述的非水系二次电池用隔膜,其中,所述多孔质层包含无机粒子。
3.如权利要求1或2所述的非水系二次电池用隔膜,其中,所述树脂包含全芳香族聚酰胺。
4.如权利要求1~3中任一项所述的非水系二次电池用隔膜,其由下式求出的Macmillan数Mn为20以下,
Mn=(σe)/(σs)
σs=t/Rm
式中,σe表示使1mol/l的LiPF6溶解于碳酸亚乙酯及碳酸亚丙酯的混合溶剂(混合比1:1[质量比])而得的电解液的20℃时的电导率(S/m),σs表示含浸了所述电解液的隔膜的20℃时的电导率(S/m),t表示膜厚(m),Rm表示隔膜的膜电阻(ohm·cm2)。
5.如权利要求1~4中任一项所述的非水系二次电池用隔膜,其中,所述多孔质层的厚度为0.3μm~5.0μm。
6.如权利要求1~5中任一项所述的非水系二次电池用隔膜,其中,在所述多孔质基材的孔内部、及所述多孔质基材的与具有所述多孔质层的一侧相反的一侧的表面,具有所述树脂。
7.非水系二次电池,其具备:正极、负极、配置于所述正极及所述负极之间的权利要求1~6中任一项所述的非水系二次电池用隔膜、和在相对于溶剂的总质量而言包含90质量%以上的环状碳酸酯的溶剂中溶解锂盐而得的电解液,所述非水系二次电池通过锂的掺杂·脱掺杂而获得电动势。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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