JP2001357832A - ポリマーおよびオリゴマーのブレンドにより製造されるシャットダウン電池セパレーター - Google Patents

ポリマーおよびオリゴマーのブレンドにより製造されるシャットダウン電池セパレーター

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 低温でもシャットダウンするセパレータを提
供する。 【解決手段】 ３０〜８０％の範囲の多孔率と、０．０
２〜２．０μｍの範囲の平均空孔サイズとを有し、ポリ
オレフィンポリマーとポリオレフィンポリマーのオリゴ
マーとのブレンドからできている微細多孔性ポリオレフ
ィン膜を含む電池セパレーターを提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】電気化学的セルおよびそれか
ら製造される電池用のシャットダウンセパレーターをこ
こで開示する。
【０００２】
【従来の技術】リチウムイオン充電式電池においては、
総合的な電池の安全システムの一部としてシャットダウ
ンセパレーターが使用される。特に、これらの電池にお
いては、例えば、物理的損傷、内部欠陥、または過充電
により引き起こされる短絡から生じる熱的な暴走を防止
する、あるいは熱的暴走の可能性を実質的に低減するニ
ーズが存在する。典型的には、リチウムイオン充電式セ
ルに使用されるシャットダウンセパレーターは、１３０
℃（ポリエチレンのおおよその融解温度）近傍でシャッ
トダウン（すなわち、セル内のイオンの流れまたは電流
を実質的に停止するために充分に孔を閉じること）をす
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】電池の製造業者は、安
全性をさらに増大するために、さらに低温でもシャット
ダウンするセパレーターを入手することを望んでいる。
この目的で、いくつかの代替品が提案されているが、明
らかに、１３０℃シャットダウンのセパレーターを置き
換えるものはない。これらの代替品は、粒子延伸膜また
は転相膜を有する多層セパレーターを含む。両方とも１
３０℃以下のシャットダウン温度を有する。従って、低
温のシャットダウンセパレーターに対する継続したニー
ズが存在する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、３０〜８０％
の範囲の多孔率、０．０２〜２．０μｍの範囲の平均空
孔サイズを有し、ポリオレフィンポリマーとポリオレフ
ィンポリマーのオリゴマーのブレンドでできている微細
多孔性ポリオレフィン膜を含む電池セパレーターに関す
る。
【０００５】
【発明の実施の形態】本発明は、電池（またはセル）用
のセパレーターに関する。この電池は、短絡に応答し
て、電池のアノードとカソードの間のイオンの流れ（ま
たは電流）をシャットダウンする能力を有するセパレー
ターの使用により利益を得るいかなる電池であってもよ
い。このような電池の例は、リチウム電池、特にリチウ
ムイオン充電型電池である。
【０００６】電池は、典型的には アノードと、カソー
ドと、アノードとカソードの間に挟まれたセパレーター
と、セパレーターを介してアノードとカソードとイオン
的に接触する電解質と、アノード、カソード、セパレー
ターおよび電解質を含むパッケージ（例えば、缶または
箔の袋）とを含んでなる。便宜上、本発明は、液体有機
電解質を有するリチウムイオン充電型セルを参照しなが
ら説明されるが、本発明はそれに限られるものでない。
【０００７】このセパレーターは微細多孔性の膜であ
る。これらは単層あるいは多層の膜であってよい。すべ
てのセパレーターは、電池の製造および電池の使用の条
件に耐えるのに充分な機械的強度を有しなければならな
い。加えて、このセパレーターは、充分な熱安定性とシ
ャットダウン能を有しなければならない。熱安定性と
は、熱暴走に関連する異常な条件時に物理的な寸法を実
質的に維持し得る膜の能力（例えば、高温時での許容で
きる収縮、および高温でアノードとカソードの接触を防
止する能力）を指す。シャットダウン能とは、熱暴走の
結果として電解質のイオンがアノードとカソードの間に
電流を通す空孔を実質的に閉じることができる膜の能力
を指す。シャットダウンは、１３０℃（これは下記でさ
らに詳細に説明される）未満の温度で起こるべきであ
り、また、シャットダウンは、シャープに（急激に）起
こらなければならない（例えば、シャットダウンに対す
る温度応答の幅は狭く、約４〜５℃である）。
【０００８】単層セパレーターの場合、機械的強度、熱
安定性、およびシャットダウン能はすべて単層中に存在
する。
【０００９】多層セパレーターの場合には、２枚あるい
はそれ以上（好ましくは、３枚）の微細多孔性膜がセパ
レーターを含んでなる。典型的には、少なくとも一つの
膜が充分な機械的強度と熱安定性を提供し、別な膜がシ
ャットダウン能を提供する。多層セパレーターは、多数
の方法のいかなるもので製造されてもよいが、好ましく
は個別の膜を作製し、これを、引き続き、例えばラミネ
ーション（すなわち、熱および／または圧力）により、
あるいは共押し出しにより一緒に接合することによって
製造される。前者においては、個別の膜は、微細多孔性
あるいは接合の前には非多孔性であってもよい。好適な
熱安定性を有する微細多孔性膜は、例えば、乾式の延伸
あるいは溶剤抽出法のいずれかにより製造される。この
ような膜は、例えば、Ｃｅｌｇａｒｄ Ｉｎｃ．、（Ｃ
ｈａｒｌｏｔｔｅ、ＮｏｒｔｈＣａｒｏｌｉｎａ）、Ａ
ｓａｈｉ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ、Ｌｔ
ｄ．、（Ｔｏｋｙｏ、Ｊａｐａｎ）、およびＴｏｎｅｎ
Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｔｏｋｙｏ、Ｊａｐａｎ）
から市販されている。好適なシャットダウン能を有する
微細多孔性膜が本発明である。
【００１０】例えば、リチウムイオン充電型電池用のセ
パレーターは、７６μｍ（３ミル）未満の厚さ、好まし
くは、３から７６μｍの範囲の厚さ、最も好ましくは、
５から３７μｍの範囲の厚さを有する。このセパレータ
ーは、３０から８０％の範囲の多孔率、好ましくは３５
から６０％の範囲の多孔率を有する。この空孔サイズ
は、０．０２から２．０μｍの範囲、好ましくは、０．
０４から０．５μｍの範囲にある。このセパレーター
は、１から１５０秒、好ましくは、７から８０秒のガー
レー数（Ｇｕｒｌｅｙ Ｎｕｍｂｅｒ）を有する（ここ
で使用されるガーレー数とは、３１．０ｃｍ（１２．２
インチ）の水柱において、１０ｃｍ3の空気が６．４５
ｃｍ2（１平方インチ）の膜を通る時間の長さを指
す）。
【００１１】本発明の微細多孔性ポリオレフィン膜は、
ポリオレフィンポリマーとポリオレフィンポリマーのオ
リゴマーとのブレンドでできている。ここで使用される
ようなポリマーとは、モノマーの追加または削除が物理
的性質に著しく影響を与えない長鎖分子構造を指す。こ
こで使用されるようなオリゴマーとは、繰り返し単位
（またはモノマー）の追加または除去と共に性質が変化
する短鎖ポリマーを指す。このオリゴマーは、ポリマー
と同一の繰り返し単位（またはモノマー）からできてい
る必要はない。本発明における使用に考慮されているポ
リマーは、Ｃ1〜Ｃ7の繰り返し単位（またはモノマー）
をベースにしたものを指す。同様に、本発明における使
用に考慮されているオリゴマーは、Ｃ1〜Ｃ7ベースのモ
ノマーを指す。ポリマーは、ポリエチレン、ポリプロピ
レン、ポリブチレン、およびポリメチルペンテンを含
む。ポリエチレンが好ましく、高密度ポリエチレン（Ｈ
ＤＰＥ：high density polyethylene）が最も好まし
い。好ましいオリゴマーは、６０００未満の分子量を有
するポリエチレンワックスを含む。最も好ましいのは、
２００〜５６００の範囲の分子量を有するポリエチレン
ワックスである。このポリマーとオリゴマーは、オリゴ
マーがポリマーの中に均一に分布するように、一緒にブ
レンド（あるいは混合）される。このブレンドは、５０
重量％未満のオリゴマーを含んでよく、最も好ましいの
は２〜４０重量％の範囲のオリゴマーである。オリゴマ
ーは、ポリマーと容易にブレンドできるように選択され
る。
【００１２】
【実験例】前出の膜の例を下記に示す。実験例 次の実験例は表１に示した成分を使用した。パーセント
（％）は、「重量パーセント」または「重量によるパー
セント」を指す。
【００１３】
【表１】
【００１４】３０重量パーセントのＰＥＷａｘ１０００
を７０％のＨＤＰＥ１と手作業で混合した。このブレン
ドを１９０℃で押し出して、フイルムを成形した。この
フイルムを１００℃で１０分間アニーリングし、次にイ
ンストロン（Ｉｎｓｔｒｏｎ）上で９５℃で引っ張っ
た。結果を表２に示す。
【００１５】
【表２】
【００１６】３０パーセント（３０％）のオリゴマー
と、７０％のポリマーとのブレンドフイルムを押し出
し、アニーリングし、延伸（すなわち、乾式延伸）する
という方法により製造する。結果を表３に示す。
【００１７】
【表３】
【００１８】ブレンドに及ぼす異なる濃度のオリゴマー
の影響を表４に示す。
【００１９】
【表４】
【００２０】シャットダウン温度に及ぼすオリゴマー変
形の影響を表５に示す。
【００２１】
【表５】
【００２２】シャットダウン温度に及ぼす多成分オリゴ
マーの影響を表６に示す。
【００２３】
【表６】
【００２４】３０％のＰＥＷａｘ１０００と７０％のＨ
ＤＰＥ２とのブレンドを押し出し、アニーリングし、延
伸して、
【表７】 を得た。
【００２５】中心層を３０％ＰＥＷａｘ１０００と７０
％ＨＤＰＥ１とのブレンドにより置き換えて、ポリプロ
ピレンとポリエチレンとポリプロピレン（すなわち、８
μｍ厚のポリプロピレン）の３層（Ｃｅｌｇａｒｄ ２
３００と同様のもの）を製造して、
【表８】 を得た。
【００２６】本発明は、その精神と本質的な特質を逸脱
することなく、他の特定な形で実施されることもあり、
従って、前出の明細書よりも、むしろ添付のクレームを
本発明の範囲を示すものとして参照すべきである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 10/40 Ｈ０１Ｍ 10/40 Ｚ (72)発明者 シー・グレン・ウェンズリー アメリカ合衆国サウスカロライナ州29732, ロック・ヒル，ブランダード・ベンド 1573 Ｆターム(参考） 4F074 AA18 AA21 AB01 AG20 CA02 CC02Y CC04X DA02 DA03 DA49 4J002 BB031 BB032 GQ00 5H021 BB12 CC02 CC03 CC05 EE04 EE31 HH01 HH02 HH03 HH06 HH07 5H029 AJ12 CJ23 DJ04 DJ15 EJ12 HJ01 HJ04 HJ06 HJ09 HJ11 HJ14

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ３０〜８０％の範囲の多孔率と、０．０
    ２〜２．０μｍの範囲の平均空孔サイズとを有し、ポリ
    オレフィンポリマーとポリオレフィンポリマーのオリゴ
    マーとのブレンドからできている微細多孔性ポリオレフ
    ィン膜を含む電池セパレーター。
  2. 【請求項２】 ３０〜８０％の範囲の多孔率と、０．０
    ２〜２．０μｍの範囲の平均空孔サイズとを有し、Ｃ1
    〜Ｃ7ベースのポリマーとＣ1〜Ｃ7ベースのオリゴマー
    とのブレンドからできている微細多孔性ポリオレフィン
    膜を含む電池セパレーター。
  3. 【請求項３】 上記セパレーターが、上記ポリマーの融
    解温度未満のシャットダウン温度を有する請求項１また
    は２に記載のセパレーター。
  4. 【請求項４】 上記セパレーターが、７６μｍ（３ｍｉ
    ｌ）未満の厚さを有する請求項１または２に記載のセパ
    レーター。
  5. 【請求項５】 上記膜が、多層化セパレーターの一つの
    層である請求項１または２に記載のセパレーター。
  6. 【請求項６】 上記ブレンドが、５０重量％以下のオリ
    ゴマーを有する請求項１または２に記載のセパレータ
    ー。
  7. 【請求項７】 上記ポリマーが、ポリエチレンである請
    求項１または２に記載のセパレーター。
  8. 【請求項８】 上記オリゴマーが、６０００未満の分子
    量を有するポリエチレンワックスである請求項１または
    ２に記載のセパレーター。
  9. 【請求項９】 約１３０℃未満のシャットダウン温度
    と、３０〜８０％の範囲の多孔率と、０．０２〜２．０
    μｍの範囲の平均空孔サイズとを有し、高密度ポリエチ
    レンポリマーと、６０００未満の分子量を有するポリエ
    チレンワックスとのブレンドからできている微細多孔性
    ポリオレフィン膜を含むリチウム充電型電池用の電池セ
    パレーター。
  10. 【請求項１０】 アノードと、カソードと、該アノード
    と該カソードの間に配設された請求項１または２に記載
    のセパレーターと、該セパレーターを介して上記アノー
    ドと上記カソードとをイオン的に接続する電解質とを含
    む電池。
  11. 【請求項１１】 リチウム電池である請求項１０に記載
    の電池。
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