JP2002088188A - ポリエチレン微多孔膜 - Google Patents
ポリエチレン微多孔膜Info
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Abstract
0g〜1500g(厚さ25μm換算)、平均孔径0.
1〜0.3μm、孔径分布指数が1.40〜2.2以
上、電気抵抗が0.4〜1.0Ωcm2であることを特
徴とするポリエチレン微多孔膜。 【効果】 本発明のポリエチレン微多孔膜は、良好な透
過性能と高い強度を併せ持ち、特にリチウムイオン二次
電池用セパレータに好適である。
Description
膜、およびその電池セパレータへの適用に関する。
池用セパレータ、コンデンサー用セパレータ等に使用さ
れている。特に近年では厚さ25μm程度のポリエチレ
ン微多孔膜がリチウムイオン二次電池用セパレータに使
用されている。リチウムイオン二次電池用セパレータに
は電池の高性能化に伴いその要求特性も高レベル化して
おり、特に最近では透過性の高い微多孔膜が要求されて
いる。セパレータの透過性は、サイクル性、高温保存特
性といった電池の寿命に関する特性と関係深い。寿命に
関する特性では電池構造要因が大きいが、長期使用によ
る電解液の分解物の発生とそれに伴うセパレータの目詰
まりが性能低下を引き起こすことが知られており、リチ
ウムイオン電池ではこの特性の改善が大きな課題となっ
ている。従って、電池を長寿命化させるために、セパレ
ータには平均孔径と孔径分布が大きく、透過性が優れて
いるものが強く要求されている。
レータには、高強度、高安全性、低電気抵抗であること
が望まれている。強度は、電極とセパレータを高速で巻
き上げる捲回工程を有する電池の組立時に電極間の短絡
不良などを起こしにくくするために必要な性能であり、
突き刺し強度等で表せる性能である。特に近年では電池
の高容量化に伴い、電極の活物質の詰め込み密度が上昇
した堅い電極でも短絡しない高強度セパレータへの要求
が強い。
出力、大容量化にともない、安全性も強く求められるよ
うになった。安全性とは、電池内部が過熱した際にセパ
レータが溶融して電極を覆う被膜となり、電流を遮断
し、それによって電池の安全性を確保する性能である。
その際に、十分な被膜量を確保するためのセパレータの
目付量を一定の値以上にする必要があり、これには微多
孔膜の空孔量(気孔率)を適正な範囲にする必要があ
る。
池の大電流での放電性能や低温での放電性能を向上させ
るために、セパレータが電解液を保液した状態で流れる
イオンの抵抗をできるだけ小さくする必要があり、電解
液を含ませた状態での電気抵抗値が低いセパレータが望
まれている。従来、上記の個々の特性については改善す
る提案がされているが、全ての特性を満たすような電池
セパレータ用微多孔膜はなかった。
ン微多孔膜は特開平8−12799号公報、特開平5−
310989号公報や特開平6−240036号公報等
に開示されていたり、また特開平5−222236号公
報、特開平5−222237号公報等に開示されている
製造方法で生産しうることが知られている。特開平8−
12799号公報の微多孔膜、特開平5−222236
号公報、特開平5−222237号公報の製法による微
多孔膜は透過性能に優れるものの、いずれも造核剤が含
まれており、電池内部での副反応による電池性能低下が
懸念される。また、この製法による微多孔膜はいずれも
気孔率が高く、機械強度の低下をさけられないばかり
か、ポリマーの目付量が少ないために、過熱溶融時の電
流遮断が不十分である。
−240036号公報では、機械強度と透過性能を改善
した微多孔膜が開示されているが、大きな平均孔径と、
広い孔径分布、高強度を同時に達成するには至っていな
い。
械強度等に優れ、電池用セパレータとして電池の生産
性、出力特性、安全性を損ねることなく寿命特性を向上
させることができるポリエチレン微多孔膜を提供するも
のである。
対して鋭意研究を重ねた結果、特定の平均孔径、孔径分
布、気孔率、機械的強度、電気抵抗を有するポリエチレ
ン微多孔膜が、電池の生産性、安全性、出力特性を損ね
ることなく寿命特性を向上しうることを見出し、本発明
をなすに至った。すなわち本発明は、 (1)気孔率40〜60%、突き刺し強度300〜15
00g(厚さ25μm換算)、平均孔径0.1〜0.3
μm、孔径分布指数が1.40〜2.2、電気抵抗が
0.4〜1.0Ωcm2であることを特徴とするポリエ
チレン微多孔膜。 (2)上記(1)のポリエチレン微多孔膜からなる電池
用セパレータ、に関する。
微多孔膜はポリエチレンからなる。ここでいうポリエチ
レンとは、重量平均分子量が好ましくは10万〜400
万の高密度ポリエチレンである。また、このポリエチレ
ンはエチレン単位に対してプロピレン、ブテン、ペンテ
ン、ヘキセン、オクテン等のα−オレフィンの単位を4
モル%以下の割合で含む共重合体(線状共重合ポリエチ
レン)であってもよい。また、ブレンドや多段重合など
の手段によって重量平均分子量を好ましい範囲に調節し
たものでもかまわなく、好ましくは重量平均分子量10
0万以上の超高分子量ポリエチレンと重量平均分子量5
0万以下の高密度ポリエチレンのブレンド物である。
状低密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、EPR等
のポリオレフィンをブレンドしたものでもかまわない。
本発明の微多孔膜の平均孔径および孔径分布指数は、ハ
ーフドライ法によって測定される値であって、平均孔径
は0.1〜0.3μmであり、好ましくは0.12〜
0.2μmである。0.1μmより小さいと電池の長期
使用による電解液の分解物の発生と、それに伴うセパレ
ータの目詰まりが性能低下を早く引き起こし、0.3μ
mより大きいと短絡不良などを起こす可能性がある。ま
た、孔径分布指数は最大孔径と平均孔径の比であり、
1.40〜2.2であって、好ましくは1.45〜2.
2、さらに好ましくは1.48〜2.0である。1.4
0より小さいと、この場合もセパレータの目詰まりによ
る性能低下を起こす可能性がある。
適度な範囲にすることにより、電池の長期使用による電
極や電解液の分解物の発生とそれに伴うセパレータの目
詰まりが抑えられ、電池の性能低下が起こりにくくなっ
た。なお、最大孔径の表し方としてバブルポイント法も
よく知られている。本発明のポリエチレン微多孔膜のバ
ブルポイントは4.5kg/cm2 以下が好ましく、
さらに好ましくは4.2kg/cm2以下である。
が好ましく、電極量を多くした高容量電池には10〜2
5μmがさらに好ましく、特に10〜23μmがさらに
好ましい。気孔率は40%〜60%、好ましくは40%
〜55%の範囲にある。気孔率が40%未満では電解液
の保液量が十分ではなく、一方60%を超えると十分な
機械強度が得られず、また、目付量も減るため電池セパ
レータとしての安全性も低下する可能性がある。
される数値であって、10g/m2以上が好ましく、さ
らに好ましくは11g/m2以上である。厚さ、気孔率
が上記範囲内で目付量が11g/m2以上あれば、電池
内部が過熱した際にセパレータが溶融して電極を覆う被
膜量が十分あり、過充電時などの安全性が向上する。ま
た、本発明の微多孔膜の突き刺し強度は厚さ25μm換
算で300〜1500gであり、好ましくは350〜1
500gである。300g未満では、電池用セパレータ
として使用した場合に、脱落した活物質等によってセパ
レータが破れ、短絡を起こす可能性がある。
らに好ましくは0.4〜1.0Ωcm2である。1.0
以下であることによって、電池の高出力放電特性や低温
での放電特性が大きく改善される。次に本発明のポリエ
チレン微多孔膜の製造例について説明する。この発明の
膜は、例えば下記の(a)〜(d)の工程によって作ら
れる。 (a)前記載の任意のポリエチレンまたは二種類以上の
ポリエチレンのブレンド物を有機液状物、無機フィラー
及び添加剤とともに造粒する工程。 (b)(a)工程で得た混合物を、先端にT−ダイを装
着した押出機中で溶融混練し、T−ダイから押出しシー
ト状に成形する工程。 (c)(b)で得たシート状成型物より、有機液状物と
無機フィラーを抽出除去する工程。 (d)(c)の成型物を、1枚のまま、或いは数枚重ね
て、二軸に延伸処理する工程。2枚重ねることが好まし
い。
る。工程(a)において混合ポリエチレン、有機液状
体、無機フィラーの合計重量に対する混合ポリエチレン
の割合は10〜60重量%、有機液状体と無機フィラー
の割合の合計は40〜90重量%である。混合ポリエチ
レンの割合が10重量%未満では強度が低く、60重量
%を越えると押出成形時の流動性が悪くなり成形加工が
困難となる。有機液状体としてはフタル酸エステルやセ
バシン酸エステル等のエステル類や流動パラフィン等が
挙げられ、それらを単独で用いても或いは混合物で用い
てもよい。無機フィラーとしては、シリカ、マイカ、タ
ルク等が挙げられ、それらを単独で用いても或いは混合
物で用いてもよい。
伸温度110〜140℃の範囲で縦方向に3倍〜10
倍、好ましくは4倍〜8倍延伸し、それに続いて横方向
に1.5倍〜5倍、好ましくは1.8倍〜3倍延伸す
る。このとき、縦延伸倍率/横延伸倍率=2.0以上と
なるようにし、かつ、縦延伸速度を100%/秒以上、
横延伸速度を10%/秒以下とすることが好ましい。本
発明において、膜の強度、気孔率、平均孔径、孔径分
布、電気抵抗を特定の範囲にコントロールするための方
法としては、上記したような特定の延伸法を用いる方法
が最も優れている。
ず、縦方向に高速、高倍率で延伸することにより高強度
を実現し、続いて横方向の低速延伸で孔径、孔径分布等
を適切な範囲に調節することができるためと考えられ
る。さらに、延伸に続いて、または後に、熱固定あるい
は熱緩和等の熱処理を行ってもかまわない。
に詳細に説明する。実施例において示される試験方法は
次の通りである。 (1)膜厚 ダイヤルゲージ(尾崎製作所:PEACOCK No.
25)にて測定した。 (2)気孔率 20cm角のサンプルをとり、その体積と重量から次式
を用いて計算した。 気孔率(%)=(体積(cm3 )−重量(g)/ポリエ
チレンの密度)/体積(cm3 )×100 (3)突き刺し強度 カトーテック製KES−G5ハンディー圧縮試験器を用
いて、針先端の曲率半径0.5mm、突き刺し速度2m
m/secの条件で突き刺し試験を行い、最大突き刺し
荷重(g)を測定した。測定値に25(μm)/膜厚
(μm)を乗じることによって25μm換算突き刺し強
度(g)とした。 (4)透気度 JIS P−8117準拠のガーレー式透気度計にて測
定した。 (5)平均孔径、最大孔径(ハーフドライ法) ASTM F−316−86に準拠し、エタノールを使
用して測定した。
した。孔径分布指数=最大孔径(μm)/平均孔径(μ
m) (7)電気抵抗 安藤電気製LCRメーターAG−43と図1に示したセ
ルを用いて1kHzの交流にて測定し、次式で算出し
た。 電気抵抗(Ωcm2)=(膜が存在するときの抵抗値−
膜が存在しないときの抵抗値)×0.785 なお、電解液:プロピレンカーボネートとジエトキシエ
タンの混合溶液(50/50容量%)中に過塩素酸リチ
ウム1mol/リットルを溶解した、電極:白金黒電
極、極板面積:0.785cm2、極間距離:3mmの
条件で測定した。
アセチレンブラックを導電剤とし、フッ素ゴムを結着剤
とし各々LiCoO2 :グラファイト:アセチレンブ
ラック:フッ素ゴム=88:7.5:2.5:2の重量
比で混合したものをジメチルホルムアミドペーストとし
てAl箔に塗布乾燥したシートを正電極として用い、ニ
ードルコークス:フッ素ゴム=95:5の重量比で混合
したものをジメチルホルムアミドペーストとしてCu箔
に塗布乾燥したシートを負電極として用い、電解液とし
てプロピレンカーボネートとブチロラクトンの混合溶媒
(体積比=1:1)にホウフッ化リチウムを1.0Mの
濃度で調整した液を用いてリチウムイオン電池を製造し
た。この電池を温度25℃の条件の下で、充電電流1A
で充電終止電圧4.2Vまで充電を行い、放電電流1A
で放電終止電圧3Vまで放電を行い、これを1サイクル
として充放電を繰り返し、初期容量に対する500サイ
クル後の容量の割合を容量保持率として表した。 (9)安全性試験(過充電試験) 前記サイクル試験と同様の電池を作成し、この電池を
4.2Vで5時間充電したあと、さらに定電流で過充電
を行った。過充電によって電池の内部温度は上昇し、1
30℃付近に達するとセパレータが溶融して孔が閉塞す
るために電流が遮断されるが、その時に、電流漏れが無
い場合を○、電流漏れがある場合を×とした。
レン12重量%、平均分子量28万の高密度ポリエチレ
ン12重量%、平均分子量15万の直鎖状低密度ポリエ
チレン16重量%、フタル酸ジオクチル(DOP)4
2.4重量%、微粉シリカ17.6重量%を混合造粒し
た後、T−ダイを装着した二軸押出機にて混練・押出し
厚さ90μmのシート状に成形した。該成形物からDO
Pと微粉シリカを抽出除去し微多孔膜とした。該微多孔
膜を2枚重ねて118℃に加熱のもと、縦方向に5.3
倍(延伸速度1000%/秒)延伸した後、横方向に
1.8倍(延伸速度2%/秒)延伸した。得られた膜の
物性、またこれをセパレータとして用いた電池の特性を
表1に記載した。
レン9重量%、平均分子量28万の高密度ポリエチレン
9重量%、平均分子量15万の直鎖状低密度ポリエチレ
ン12重量%、フタル酸ジオクチル(DOP)49.5
重量%、微粉シリカ20.5重量%を混合造粒した後、
T−ダイを装着した二軸押出機にて混練・押出し厚さ9
0μmのシート状に成形した。該成形物からDOPと微
粉シリカを抽出除去し微多孔膜とした。該微多孔膜を2
枚重ねて118℃に加熱のもと、縦方向に4.5倍(延
伸速度1000%/秒)延伸した後、横方向に1.8倍
(延伸速度2%/秒)延伸した。得られた膜の物性、ま
たこれをセパレータとして用いた電池の特性を表1に記
載した。
該微多孔膜を2枚重ねて115℃に加熱のもと、縦方向
に4.5倍(延伸速度1000%/秒)延伸した後、横
方向に2.2倍(延伸速度2%/秒)延伸した。得られ
た膜の物性、またこれをセパレータとして用いた電池の
特性を表1に記載した。
多孔膜を2枚重ねて128℃に加熱のもと、縦方向に
4.5倍(延伸速度1000%/秒)延伸した後、横方
向に1.8倍(延伸速度2%/秒)延伸した。得られた
膜の物性、またこれをセパレータとして用いた電池の特
性を表1に記載した。
多孔膜を2枚重ねて118℃に加熱のもと、縦方向に
5.3倍(延伸速度1000%/秒)延伸した後、横方
向に1.8倍(延伸速度20%/秒)延伸した。得られ
た膜の物性、またこれをセパレータとして用いた電池の
特性を表1に記載した。
多孔膜を2枚重ねて118℃に加熱のもと、縦方向に4
倍(延伸速度1000%/秒)延伸した後、横方向に4
倍(延伸速度20%/秒)延伸した。得られた膜の物
性、またこれをセパレータとして用いた電池の特性を表
1に記載した。
な透過性能と高い強度を併せ持ち、特にリチウムイオン
二次電池用セパレータに好適である。
6)
フロンパッキン3 膜
Claims (2)
- 【請求項1】 気孔率40〜60%、突き刺し強度30
0〜1500g(厚さ25μm換算)、平均孔径0.1
〜0.3μm、孔径分布指数が1.40〜2.2、電気
抵抗が0.4〜1.0Ωcm2であることを特徴とする
ポリエチレン微多孔膜。 - 【請求項2】 請求項1記載のポリエチレン微多孔膜か
らなる電池用セパレータ。
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