JP2004164974A

JP2004164974A - セパレータ、その製造方法及びそれを用いた電気・電子部品

Info

Publication number: JP2004164974A
Application number: JP2002328664A
Authority: JP
Inventors: Shinji Naruse; 新二成瀬
Original assignee: DuPont Teijin Advanced Papers Japan Ltd
Current assignee: DuPont Teijin Advanced Papers Japan Ltd
Priority date: 2002-11-12
Filing date: 2002-11-12
Publication date: 2004-06-10

Abstract

【課題】電気・電子部品中の導電部材間の隔離板として好適な、通気性、強度がともに満足できる範囲内にある耐熱性に優れたセパレータを提供すること。
【解決手段】Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、アルコール類、グリコール類、カーボネート類、アセトニトリル、γ―ブチロラクトン、ジメチルホルムアミド及びこれらの２種もしくはそれ以上の混合物よりなる群から選ばれる液体で浸漬処理してなる、アラミド繊維又はアラミドファイブリッドのいずれか一方又は両方を含むシートからなることを特徴とするセパレータ。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気・電子部品内において導電部材間を隔離するのに有用な、電解質もしくはイオンなどのイオン種が通過しうるセパレータ、その製造方法及びそれを使用した電気・電子部品に関する。本発明は、特に、リチウムイオン、ナトリウムイオン、アンモニウムイオン、水素イオンなどを電流のキャリアーとして使用する電池、コンデンサーなどの電極間の隔離板として有用なセパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯通信機器や高速情報処理機器などの最近の進歩に象徴される、エレクトロニクス機器の小型軽量化、高性能化には目覚しいものがある。なかでも、小型、軽量、高容量で長期保存にも耐える高性能な電池、コンデンサーへの期待は大きく、幅広く応用が図られ、部品開発が急速に進展している。これに応えるため部材、例えば電極間の隔壁材料であるセパレータに関しても、技術・品質開発の必要性が高まっている。セパレータに要求されるさまざまな特性の中でも次の三つの特性項目が特に重要であると認識される。
１）電解質を保持した状態での導電性が良いこと、
２）高い電極間遮蔽性を有すること、
３）機械的強度を有すること。
【０００３】
従来、ポリエチレンやポリプロピレンのようなポリオレフィン系ポリマーを用いて製膜された多孔質シート（特開昭６３−２７３６５１号公報）、同ポリマー繊維を用いてシート化した不織布（特開２００１−１１７６１号公報）、ナイロン繊維を用いてシート化した不織布（特開昭５８−１４７９５６号公報）などがセパレータに広く使用されている。この種のセパレータは１層または複数層重ねてあるいはロール状に巻いて電池内に用いられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これらの多孔質シート及び不織布はセパレータとして良好な物性を有しているが、近年、電気自動車用の電池、コンデンサー等に要求されている高容量化や大出力化には必ずしも十分に対応することができない。
【０００５】
高容量、大出力が要求される電池、コンデンサー等の電気・電子部品中のセパレータには、
１）電解質を保持した状態での導電性が良いこと、
２）高い電極間遮蔽性有すること、
３）機械的強度を有すること、
４）化学的・電気化学的に安定であること（例えば耐熱性）
の四つの特性を同時に満たすことが必要とされる。
【０００６】
特に耐熱性は大電流を使用する例えば電気自動車用の駆動電源としての電池のような電気・電子部品において、導電部材間の短絡等を防ぐ意味で極めて重要であると考えられる。
【０００７】
本発明の目的は、高容量化・大出力化による大電流に十分に耐えうる高耐熱性セパレータ用材料を開発することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、アルコール類、グリコール類、カーボネート類、アセトニトリル、γ―ブチロラクトン、ジメチルホルムアミド及びこれらの２種もしくはそれ以上の混合物よりなる群から選ばれる液体で浸漬処理してなる、アラミド繊維又はアラミドファイブリッドのいずれか一方又は両方を含むシートからなることを特徴とするセパレータを提供するものである。
【０００９】
本発明は、また、上記の本発明のセパレータを使用したことを特徴とする電気・電子部品を提供するものである。
【００１０】
本発明は、さらに、上記の本発明のセパレータを使用した電気・電子部品を製造するにあたり、その組み立ての途中及び／又は組み立て後にシートの浸漬処理を行うことを特徴とする電気電子部品の製造方法を提供するものである。
【００１１】
以下、本発明についてさらに詳細に説明する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（アラミド）
本発明において、「アラミド」とは、アミド結合の６０％以上が芳香環に直接結合した線状高分子化合物を意味する。このようなアラミドとしては、例えば、ポリメタフェニレンイソフタルアミドおよびその共重合体、ポリパラフェニレンテレフタルアミドおよびその共重合体、ポリ（パラフェニレン）−コポリ（３，４−ジフェニルエーテル）テレフタルアミドなどが挙げられる。これらのアラミドは、例えば、イソフタル酸塩化物およびメタフェニレンジアミンを用いてそれ自体既知の界面重合法、溶液重合法等により工業的に製造されており、市販品として入手することができるが、これに限定されるものではない。これらのアラミドの中で、特に、ポリメタフェニレンイソフタルアミドが、良好な成型加工性、熱接着性、難燃性、耐熱性などの特性を備えている点で好ましい。
（アラミドファイブリッド）
「アラミドファイブリッド」は、抄紙性を有するフィルム状のアラミド粒子であり、アラミドパルプとも呼ばれる（特公昭３５−１１８５１号公報、特公昭３７−５７５２号公報等参照）。
【００１３】
アラミドファイブリッドは、通常の木材パルプと同様に、離解、叩解処理を施し抄紙原料として用いることが広く知られており、本発明においても抄紙に適した品質を保つ目的でいわゆる叩解処理を施すことができる。この叩解処理は、デイスクリファイナー、ビーター、その他の機械的切断作用を及ぼす抄紙原料処理機器によって実施することができる。この操作において、ファイブリッドの形態変化は、日本工業規格Ｐ８１２１に規定されている濾水度試験方法（フリーネス）でモニターすることができる。本発明において、叩解処理を施した後のアラミドファイブリッドの濾水度は、一般に、１０〜３００ｃｍ^３（カナディアンフリーネス）の範囲内にあることが好ましい。この範囲より大きな濾水度のファイブリッドでは、それから成形されるセパレータの強度が低下する可能性がある。他方、１０ｃｍ^３よりも小さな濾水度をもつアラミドファイブリッドを得ようとすると、投入する機械動力の利用効率が小さくなり、また、単位時間当たりの処理量が少なくなることが多く、さらに、ファイブリッドの微細化が進行しすぎてバインダー機能の低下を招きやすい。
（アラミド繊維）
「アラミド繊維」はアラミドを原料とする繊維であり、本発明の用途に対しては特に短繊維が好適である。アラミド短繊維は、アラミドを原料とする繊維を切断したものであり、そのような繊維としては、例えば、帝人（株）の「コーネックス（登録商標）」、「テクノーラ（登録商標）」；ユニチカ（株）の「アピエール（登録商標）」；デュポン社の「ノーメックス（登録商標）」、「ケブラー（登録商標）」；帝人トワロン社の「トワロン（登録商標）」等の商品名で入手することができるものが挙げられるが、これらに限定されない。
【００１４】
アラミド短繊維は、好ましくは、０．５ｄｔｅｘ以上２５ｄｔｅｘ未満の範囲内の繊度を有することができる。ここで、繊度とは１０００ｍあたりの繊維重量（ｇ）として定義される。繊度が０．５ｄｔｅｘ未満のアラミド繊維は、湿式法での製造（後述）において凝集を招きやすく、他方、２５ｄｔｅｘ以上のアラミド繊維は、繊維直径が大きくなり過ぎるため、例えば、真円形状で密度が１．４ｇ／ｃｍ^３であり且つ直径が４５ミクロン以上である場合、アスペクト比の低下、力学的補強効果の低減、シートの均一性不良などの不都合が生じやすい。ここで、シートの均一性不良とは、空隙サイズの分布が広がり、前述のイオン種移動性に不均一性を生じることを意味する。
【００１５】
アラミド短繊維の長さは、一般に、１ｍｍ以上５０ｍｍ未満の範囲内から選ばれる。短繊維の長さが１ｍｍよりも小さいと、シートの力学特性が低下し、他方、５０ｍｍ以上のものは、後述する湿式法でのシートの製造に当たり「からみ」、「結束」などが発生しやすく欠陥の原因となりやすい。
（アラミド繊維又はアラミドファイブリッドのいずれか一方又は両方を含むシート）
本発明においてセパレータ材料として用いられるシートは、前記のアラミド繊維又はアラミドファイブリッドのいずれか一方又は両方を用いて作製されたシート（以下、本件シートという）であり、該シートは、任意の坪量及び密度（坪量／厚さ）を有することができる。しかしながら、本件シートとしては、特に、アラミド短繊維を主成分とし且つアラミドファイブリッドを少量成分とする混合物からなるものが適しており、その際のアラミドファイブリッド含量は通常３０％（重量比）以下であることが好ましい。
【００１６】
上記のアラミド繊維及び／又はアラミドファイブリッドからのシートの作製は、それ自体既知の方法、例えば、湿式抄造法；アラミドファイブリッドおよびアラミドフロックを乾式ブレンドした後、気流を利用してシートを形成する方法；熱可塑性ポリマーパルプとアラミドファイブリッドおよびアラミドフロックを液体媒体中で分散混合した後、網またはベルト上に吐出してシート化し、液体を除いて乾燥する方法などを適用することができるが、これらのなかでも水を媒体として使用する、いわゆる湿式抄造法が好適である。
【００１７】
本件シートは、一般に、５μｍ〜１０００μｍの範囲内の厚さを有していることが好ましい。５μｍよりも厚みが小さい場合、機械特性が低下しセパレータとしての形態保持や製造工程での搬送等の取り扱いに問題を生じやすく、他方、１０００μｍを上回る場合、内部抵抗の増大を招きやすく、なにより小型高性能の電気・電子部品を製造し難くなる。
【００１８】
また、本件シートは、一般に、５〜１０００ｇ／ｍ^２の範囲内の坪量を有することができる。坪量が５ｇ／ｍ^２より小さいと、機械強度が不足するため浸漬処理や巻き取りなどの工程での各種取り扱いで破断を引き起こしやすく、他方、１０００ｇ／ｍ^２より大きい坪量のシートでは厚みが増大する傾向にあり、本発明の用途には適さない。
【００１９】
シートの密度は坪量／厚さより算出される値であり、本件シートは、通常、０．１〜１．２ｇ／ｍ^３の範囲内の値をとることができる。
【００２０】
本件シートは、さらに、０．２ｋＮ／ｍより大きい、好ましくは０．３ｋＮ／ｍ以上の範囲内の引張強度を有することができる。
（浸漬処理）
本発明に従えば、本件シートは、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、アルコール類、グリコール類、カーボネート類、アセトニトリル、γ―ブチロラクトン、ジメチルホルムアミドのいずれか１種または２種もしくはそれ以上の混合物よりなる液体中にある時間保持することにより処理される。浸漬処理は常温で行うこともできるが、通常は加熱下に行われ、浸漬時の温度は各液体の沸点以下において任意に選ぶことができる。また、浸漬時間は浸漬後のシートの引張強度が０．２ｋＮ／ｍ以上を保持している限り特に制限はないが、通常、１０秒〜３時間が好ましい。
【００２１】
上記の浸漬処理用の液体には、必要に応じて、第三成分として、例えば、電解質としてのＬｉ塩、アンモニウム塩などのイオン性物質を添加することもできる。その添加量は浸漬後に得られるセパレータが０．２ｋＮ／ｍ以上の引張強度を保持している限り特に制限はない。
【００２２】
上記の浸漬処理を行うことにより、▲１▼電解液および／または電解質とシートのなじみを良くする効果および／または▲２▼アラミド繊維及び／またはアラミドファイブリッドを部分的に溶解除去する効果の少なくとも一方の効果が得られ、シートの内部抵抗が減少する傾向が見られる。
【００２３】
また、コンデンサー、電池などの電気・電子部品の組み立てプロセスによっては、組み立ての途中及び／又は組み立て後に浸漬処理をすることができ、それによってシートの内部抵抗がより一層減少することがある。例えば、コンデンサの組み立て工程において陽極電極箔と陰極電極箔とをセパレータを介して巻き取ることにより巻回素子を作製する段階で浸漬処理を行うことができ、その場合、特に電圧をかけた状態で浸漬処理することにより、電解液及び／又は電解質とのなじみがより良くなる可能性がある。
（セパレータ）
上記の浸漬処理によって得られる本発明のセパレータは、少なくとも０．２ｋＮ／ｍ以上、特に０．３ｋＮ／ｍ以上の引張強度を有していることが好ましい。引張強度が０．２ｋＮ／ｍに満たないと、セパレータを所望の形態にスリットする場合に破断、毛羽立ち等が発生し加工効率が低下するのであまり好ましくない。
【００２４】
本発明のセパレータは、その強度をさらに増加するために、場合により、既知の他のセパレータ（例えばポリオレフィン微多孔膜）とそれ自体既知の方法（例えば上記熱圧加工）で積層することもできる。
【００２５】
本発明のセパレータは、また、ガーレー式透気測定法で測定して、３０秒／３００ｃｍ^３以下、特に４秒／３００ｃｍ^３以下の透気度を有していることが好ましい。ここで「ガーレー式透気度」とは、外径２８．６ｍｍの円孔をもった締め付け板に試料を挟み、この試料を通じて３００ｃｍ^３の空気が流出するのに要する時間を秒単位で示したものである。ガーレー式透気度が３０秒／３００ｃｍ^３を越えるセパレータは、電解質をセパレータに含浸浸透させる場合に、十分な浸透充填が達成できない可能性がある。
【００２６】
本発明のセパレータは、（１）構成材料がアラミドであるため、本質的に耐熱性，難燃性などの優れた特性を備えていること、（２）浸漬処理により電解液及び／又は電解質とのなじみが改善され、電極間のイオン種移動性が損なわれないこと、（３）浸漬処理によりアラミド繊維及び／またはアラミドファイブリッドが部分的に溶解除去されたことによる空隙構造に基因して電解質の保持機能に優れていること、（４）構成材料のアラミドは比重が１．４程度と小さく軽量であり、電気・電子部品の導電部材間の隔離板として好ましく用いることができる、等の種々の優れた特性を有している。
【００２７】
かくして、本発明のセパレータは各種の電気・電子部品における導電部材間の隔離板として有利に使用することができ、本発明のセパレータを導電部材間に隔離板として用いて作製した電池、コンデンサーなどの電気・電子部品は、電極間の遮蔽性が高く安全性が維持され、また、その本質的に高い耐熱性によって電気自動車等の大電流環境下での使用にも十分に耐えうるものとなる。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。なお、これらの実施例は単なる例示であり、本発明の内容を何ら限定するものではない。
（測定方法）
（１）シートの坪量、厚みの測定
ＪＩＳＣ２１１１に準じて実施した。
（２）引張強度の測定
テンシロン引張試験機を用い、シート幅１５ｍｍ、チャック間隔５０ｍｍ、引張速度５０ｍｍ／ｍｉｎで実施した。
（３）透気度
王研式透気度計を用いて測定した透気度をガーレー式透気度に換算した。一連のシートについては、この時間が短いほど多孔質であるといえる。
（実施例）
セパレータにｍ−アラミド繊維（デュポン社製「ノーメックス（登録商標）」を６ｍｍに切断したもの）とアラミドファイブリッド（特公昭５２−１５１６２４号公報に記載のステーターとローターの組み合わせで構成される湿式沈殿機を用いる方法によって製造されたファイブリッドを叩解機で処理してカナダ標準濾水度を２０ｍｌに調節したもの）を湿式抄造法にてシート状にしたアラミド紙を用いて、巻回素子を作製し、それをＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミド中に温度１００℃で２０分間浸漬した。
【００２９】
次に、この巻回素子の質量の減少分からセパレータの密度を計算した。物性の測定結果を表１に示す。また、浸漬処理前のシートの物性を表２に示す。
【００３０】
【表１】

【００３１】
【表２】

【００３２】
表１及び表２から明らかなように、本発明のセパレータは、溶剤浸漬により大幅に密度が低減された分多くの電解質を含有することができ、その結果、セパレータの内部抵抗も低減すると考えられることから、電気自動車中の電池、コンデンサ等の電気・電子部品中の導電部材間の隔離板として有用である。
【００３３】
【発明の効果】
本発明のセパレータは、透気度がも十分に小さく、イオン種透過性も十分であると考えられ、電極間の遮蔽性も高いことから、電気・電子部品中の導電部材間の隔離板として利用することができる。また、本発明のセパレータを使用した電池、コンデンサ等の電気・電子部品は、耐熱性に優れており、電気自動車等の大電流環境下で有利に使用することができる。

Claims

Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、アルコール類、グリコール類、カーボネート類、アセトニトリル、γ―ブチロラクトン、ジメチルホルムアミド及びこれらの２種もしくはそれ以上の混合物よりなる群から選ばれる液体で浸漬処理してなる、アラミド繊維又はアラミドファイブリッドのいずれか一方又は両方を含むシートからなることを特徴とするセパレータ。
引張強度が０．２ｋＮ／ｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のセパレータ。
ガーレー式透気度測定法で測定される透気度が３０秒／３００ｃｍ^３以下であることを特徴とする請求項１に記載のセパレータ。
請求項１に記載のセパレータを使用したことを特徴とする電気・電子部品。
請求項１に記載のセパレータを使用した電気・電子部品を製造するにあたり、その組み立ての途中及び／又は組み立て後にシートの浸漬処理を行うことを特徴とする電気・電子部品の製造方法。