JP2009084300A - ポリオレフィン微多孔膜、電池用セパレータ及び電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ポリエチレン系樹脂と、230℃の温度及び歪み速度25sec-1におけるトルートン比が15以上のポリプロピレンとを含有するポリオレフィン微多孔膜は、透過性、突刺強度、平滑性及び成膜性のバランスに優れている。
【選択図】なし
Description
一実施態様において、ポリオレフィン微多孔膜は、ポリオレフィン溶液を押し出すことにより製造する。ポリオレフィン溶液は、ポリオレフィン組成物及び少なくとも一種の成膜用溶剤からなる。ポリオレフィン組成物は、ポリエチレン、ポリプロピレン等を、ドライブレンド、溶融混練等の慣用の方法により、混合することにより調製する。ポリオレフィン溶液中のポリプロピレンは、一般的に少なくとも約15のトルートン比を有する。ポリオレフィン溶液は、予めポリオレフィン組成物を調製せずに、各樹脂と一種又は多種の成膜用溶剤とを混合することにより調製してもよい。一実施態様において、ポリオレフィン微多孔膜は、ポリエチレンと、トルートン比が少なくとも約15のポリプロピレンとからなる一つの微多孔層を構成する。一実施態様において、ポリオレフィン多層微多孔膜は二層からなる。第一の層(例えば上層)は第一の微多孔層用材料からなり、第二の層(例えば下層)は、ポリエチレンと、トルートン比が少なくとも約15のポリプロピレンとからなる第二の微多孔層用材料からなる。第一の微多孔層用材料は、ポリオレフィン、例えばポリエチレン及びポリプロピレンからなる。さらに別の実施態様において、ポリオレフィン多層微多孔膜は三層以上からなる。これらの層は、第一の微多孔層用材料からなる外層(「表面」又は「スキン」層ともよぶ)、及びポリエチレンと少なくとも約15のトルートン比を有するポリプロピレンとからなる第二の微多孔層用材料からなる中間(又は内側)に位置する少なくとも一つの層である。ポリオレフィン多層微多孔膜の内層は、両表面層の間に位置し、少なくとも一つの内層が少なくとも一方の表面層と平面接触している。三層以上からなるポリオレフィン多層微多孔膜の別の実施態様において、表面層は第二の微多孔層用材料からなり、少なくとも一つの中間層は第一の微多孔層用材料からなる。ポリオレフィン多層微多孔膜が三層以上有する場合、第一の微多孔層用材料からなる層を少なくとも一つ、及び第二の微多孔層用材料からなる層を少なくとも一つ有する。当業者にとっては自明であるが、ポリオレフィン多層微多孔膜は、積層、共押し出し等の慣用の膜製造プロセスにより製造することができる。
ポリオレフィン溶液を調製するために用いるポリエチレンは、一般的に一種以上のポリエチレン系樹脂により形成される。一実施態様において、ポリエチレン系樹脂は、(a) 超高分子量ポリエチレン、又は(b) 超高分子量ポリエチレンより低分子量の第二のポリエチレンからなる。ポリエチレン系樹脂の重量平均分子量(Mw)は制限されないが、例えば約1×104〜約1×107か、約1×105〜約5×106か、約2×105〜約3×106でよい。一実施態様において、ポリエチレン系樹脂は、主としてポリエチレンからなる。別の実施態様において、ポリエチレン系樹脂は、本質的にポリエチレンからなる。さらに別の実施態様において、ポリエチレン系樹脂はポリエチレンからなる(すなわち、ポリエチレンのみを含む)。
一実施態様において、超高分子量ポリエチレンは約1×106以上のMwを有する。超高分子量ポリエチレンは、エチレンの単独重合体のみならず、第三のα-オレフィンを少量(最大5モル%)含有するエチレン・α-オレフィン共重合体でもよい。第三のα-オレフィン(エチレン以外)としては、プロピレン、ブテン-1、ペンテン-1、ヘキセン-1、4-メチルペンテン-1、オクテン-1、酢酸ビニル、メタクリル酸メチル、及びスチレンが好ましい。超高分子量ポリエチレンのMwは制限されないが、約1×106〜約15×106か、約1×106〜約5×106か、約1×106〜約3×106でよい。
第二のポリエチレンのMwは制限されない。一実施態様において、第二のポリエチレンは約1×104〜約5×105のMwを有する。第二のポリエチレンは、例えば高密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、分岐状低密度ポリエチレン及び鎖状低密度ポリエチレン、及びこれらの混合物でよい。例えば第二のポリエチレンは、高密度ポリエチレンでよい。高密度ポリエチレンのMwは約1×105〜約5×105か、約2×105〜約4×105でよい。第二のポリエチレンは、エチレンの単独重合体のみならず、第三のα-オレフィンを少量(最大5モル%)含有する共重合体でも良い。このような共重合体はシングルサイト触媒により製造することができる。
一実施態様において、ポリオレフィン溶液は、超高分子量ポリエチレン及び第二のポリエチレンの両方を含む。超高分子量ポリエチレン及び第二のポリエチレンは上記(a)及び(b)で述べた通りである。超高分子量ポリエチレン及び第二のポリエチレンの両方を用いる場合、ポリオレフィン溶液中の混合ポリエチレンの分子量分布(Mw/Mn)は、慣用の方法、例えば量比及び各々の樹脂のMw/Mnを設定する方法により制御することができる。Mw/Mnは下記セクション(d)で定義されている。一実施態様において、第二のポリエチレンは高密度ポリエチレンである。超高分子量ポリエチレン及び第二のポリエチレンの量比は制限されない。例えば超高分子量ポリエチレンの含有量は、超高分子量ポリエチレン及び第二のポリエチレンの合計を基準として、例えば約1質量%以上か、約1質量%〜約60質量%でよい。
Mw/Mnは分子量分布の尺度であり、この値が大きいほど分子量分布の幅は大きい。ポリエチレン系樹脂のMw/Mnは限定的でないが、約5〜約300か、約5〜約100か、約5〜約30でよい。限定的でないが、Mw/Mnが約5未満だと、押出が困難なことがあり、許容できる膜厚均一性(すなわち平滑性)を有するポリオレフィン微多孔膜の製造が困難なことがある。一方Mw/Mnが約300超だと、十分な強度を有するポリオレフィン微多孔膜の製造が困難なことがある。ポリエチレン(単独重合体又はエチレン・α-オレフィン共重合体)のMw/Mnは、多段重合により適宜調整することができる。例えば、一段目で高分子量ポリマー成分を生成し、二段目で低分子量ポリマー成分を生成する二段重合を用いることができる。超高分子量ポリエチレン及び第二のポリエチレンの両方を用いる場合、Mw/Mnが大きいほど超高分子量ポリエチレンと第二のポリエチレンとのMwの差が大きく、またその逆も真である。
ポリオレフィン溶液はまたポリプロピレンを含む。第一段階で、ポリエチレンにポリプロピレンを混合してポリオレフィン組成物を形成すればよい場合、次の段階で、ポリオレフィン組成物に一種以上の成膜用溶剤を混合してポリオレフィン溶液を形成する。その代わりに、ポリオレフィン溶液は、ポリオレフィン組成物を形成せずに、一種以上の樹脂に一種以上の成膜用溶剤を混合することにより調製してもよい。ポリプロピレン系樹脂は、約230℃の温度及び歪み速度25 sec-1で測定した場合のトルートン比が少なくとも約15のポリプロピレンからなる。上記測定条件でのトルートン比が約15未満であると、優れた平滑性及び成膜性を有するポリオレフィン微多孔膜の製造が困難なことがある。一実施態様において、ポリプロピレンのトルートン比は、少なくとも約25か、少なくとも約30である。一般的にポリプロピレンが、(i) 少なくとも約15のトルートン比、及び(ii) 230℃の温度及び歪み速度25 sec-1において少なくとも約50,000 Pa・secの伸長粘度を有する場合、ポリオレフィン微多孔膜は改善された平滑性及び成膜性を有する。例えば伸長粘度は少なくとも約60,000 Pa・secでもよい。一実施態様において、ポリプロピレン系樹脂は、主としてポリプロピレンからなる。別の実施態様において、ポリプロピレン系樹脂は、本質的にポリプロピレンからなる。さらに別の実施態様において、ポリプロピレン系樹脂はポリプロピレンからなる。
(ただしp1は長いダイでの圧力損失であり、p2は短いダイでの圧力損失であり、L1は長いダイの長さであり、L2は短いダイの長さである。)により算出する。
[ただしγaは剪断速度であり、ηSは剪断粘度であり、nは式:ηS=cγa n-1(cは定数である)で定義され、p0は式(1)と同じである。]により求める。剪断粘度は上記ツインキャピラリーレオメータを用いて求める。
(ただしηS、γa及びnは式(2)と同じであり、p0は式(1)と同じである)により求める。
で近似し、伸長粘度と歪み速度(2〜180 sec-1)の関係を最小二乗法により下記式(5):
で近似する。
(i) Mwが少なくとも約6.5×105か、少なくとも約8×105である。
(ii) 分子量分布(Mw/Mn)が約1から約100か、5を超えないか、4を超えないか、2.5を超えない。
(iii) 融解熱ΔHmが少なくとも約90 J/gか、少なくとも約95 J/gか、少なくとも約100 J/gである。
(iv) 230℃の温度及び歪み速度25 sec-1における伸長粘度が50,000 Pa・sec以上である。
ポリエチレン系樹脂及びポリプロピレン系樹脂に加えて、ポリオレフィン溶液は第五のポリオレフィンを含んでもよい。第五のポリオレフィンは、ポリブテン-1、ポリペンテン-1、ポリ4-メチルペンテン-1、ポリヘキセン-1、ポリオクテン-1、ポリ酢酸ビニル、ポリメタクリル酸メチル、ポリスチレン及びエチレン・α-オレフィン共重合体からなる群から選ばれた少なくとも一種を含有しても良い。これらは約1×104〜約4×106のMwを有するのが好ましい。ポリオレフィン溶液はまた、例えば約1×103〜約1×104のMwを有するポリエチレンワックスを含んでもよい。第五のポリオレフィン及びワックスの含有量は、ポリオレフィン微多孔膜の性能を大きく低下させない限り制限されない。例えば、ポリエチレンワックスの含有量は、第五のポリオレフィンを含むポリオレフィン溶液中のポリオレフィンを100質量%として、約20質量%未満でよい。一実施態様において、ポリエチレンワックスの含有量は10%未満である。ポリブテン-1、ポリペンテン-1、ポリ4-メチルペンテン-1、ポリヘキセン-1、ポリオクテン-1、ポリ酢酸ビニル、ポリメタクリル酸メチル及びポリスチレンは単独重合体のみならず、第四のα-オレフィンを含有する共重合体であってもよい。
一実施態様において、ポリオレフィン微多孔膜の製造方法は、(1) ポリエチレン系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、及び少なくとも一種の成膜用溶剤(プロセス溶剤又は希釈剤ともよぶ)を混合してポリオレフィン溶液を調製し、(2)ポリオレフィン溶液をダイより押し出してゲル状成形体(押出物ともよぶ)を形成し、(3) 一般的にシート形状のゲル状成形体を冷却してゲル状シート(冷却した押出物ともよぶ)を形成し、(4) 任意にゲル状シートを延伸して延伸されたゲル状シートを形成し、(5) ゲル状シート又は延伸されたゲル状シートから成膜用溶剤を除去して溶剤を除去したゲル状シートを形成し、(6) 溶剤を除去したゲル状シートを乾燥してポリオレフィン微多孔膜を形成する工程を有する。工程(6)の後に、任意の工程、例えばポリオレフィン微多孔膜を再延伸する工程(7)、ポリオレフィン微多孔膜を熱処理する工程(8)、電離放射による架橋工程(9)、親水化処理工程(10)等を行ってもよい。任意の工程(6)〜(10)の順は制限されない。これらの工程について以下詳細に説明する。
ポリエチレン系樹脂及びポリプロピレン系樹脂を、少なくとも一種のプロセス溶剤(希釈剤又は成膜用溶剤ともよぶ)とともに混合、例えば溶融混合し、ポリオレフィン溶液を調製する。樹脂及び溶剤は、連続して、同時に、又はこれらを組合せて添加することができる。ポリオレフィン溶液は、まず少なくとも一部の樹脂を混合してポリオレフィン組成物を調製し、次いでポリオレフィン組成物と少なくとも一種の成膜用溶剤と(任意で、残りの樹脂及び/又は追加する樹脂と)を混合することにより調製してもよい。ポリオレフィン溶液に、酸化防止剤、微粉珪酸(孔形成剤)等のような一種以上の添加剤を添加しても良い。そのような添加剤の含有量は制限されないが、膜の特性に悪影響を及ぼさない程度とする。一般的に、添加剤の含有量は、ポリオレフィン溶液の重量を基準として、合計で1重量%を超えないようにする。
一実施態様において、少なくとも一部のポリオレフィン溶液をダイから押し出し、押出物を形成する。例えばポリオレフィン溶液を押し出し、ダイから第一の押出機に直接導けばよい。別の実施態様において、別に付加した押出機(第二の、第三の等)を用いてもよい。別の押出機は、第一の押出機に直列及び/又は並列に接続すればよい。第一の押出機からの生成物は、冷却し、ペレット化してもよい。次いで、ペレットを、例えば溶融混練し、第二の押出機及びダイから押し出し、ゲル状成形体又はシートを形成することができる。ダイの形状は限定的ではない。例えばダイは、長方形の口金を有するシート用ダイ、二重円筒状の中空状ダイ、ホローダイ、インフレーションダイ等でよい。ダイのギャップは限定的ではない。シート用ダイの場合、一般的にダイのギャップは約0.1 mm〜約5mmである。押出中のポリオレフィン溶液の温度(すなわち押出温度)は限定的ではないが、一般的に約140℃〜約250℃である。押し出し速度は限定的ではないが、一般的に約0.2 m/分〜約15 m/分である。
一実施態様において、押出物(ゲル状成形体)を冷却し、ゲル状シートを形状する。冷却は、押出物が少なくともゲル化温度(すなわち、押出シートがゲル化を開始する温度)に到達するまでは50℃/分以上の速度で行うのが好ましい。一実施態様において、押出物を約25℃以下まで冷却する。いかなる理論又はモデルにも拘束されることは望まないが、冷却により、成膜用溶剤によって分離されたポリオレフィン領域からなるミクロ相が形成されると考えられる。一般に冷却速度が遅いと得られるゲル状シートの高次構造が粗くなり、それを形成する擬似細胞単位も大きくなると考えられる。一方冷却速度が速いと密な細胞単位となる。冷却速度が50℃/分未満では、おそらく結晶化度の上昇により、ゲル状シートの延伸が困難になることがある。冷却方法は限定的ではない。冷却方法として、例えば冷風、冷却水等の冷却媒体に直接接触させる方法、冷媒で冷却したロールに接触させる方法等を用いることができる。
一実施態様において、得られたゲル状シートを少なくとも一軸方向に延伸し、延伸ゲル状シートを形成する。この工程は任意でよい。いかなる理論又はモデルにも拘束されることは望まないが、ゲル状シートは成膜用溶剤を含むと、均一に延伸できると考えられる。延伸方法及び延伸倍率はいずれも特に制限されない。例えば延伸方法は、(任意での加熱を伴い又は伴わずに)シートの平面軸に沿って予め決めた倍率にゲル状シートを延伸可能ないかなる方法でもよい。一実施態様において、延伸はテンター延伸、ロール延伸又はインフレーション延伸(例えば空気を用いる)のいずれかにより行う。限定的ではないが、延伸は一軸又は二軸で行うことができる。一軸延伸は、機械(すなわち長手)方向又は横手方向への延伸を意味する。二軸延伸は、機械方向及び横手方向への逐次又は同時の延伸を意味する。ここで機械方向は、フィルム(この場合ゲル状シート)面において、フィルム形成時の移動方向にほぼ沿って配向した方向であり、すなわち製造中のフィルムの長軸方向である。横手方向は、フィルム面において、機械方向とフィルムの厚さ方向にほぼ平行な第三の軸との両方に対して直角に延びる方向である。
一実施態様において、ゲル状シート(工程(4)を行った場合、延伸したゲル状シート)から、成膜用溶剤を除去(置換)し、溶剤を除去したゲル状シートを形成する。成膜用溶剤を除去(洗浄又は置換)するために、置換用(洗浄用)溶媒を用いてもよい。いかなる理論又はモデルにも拘束されることは望まないが、ゲル状シート中に生成したポリオレフィン相は、成膜用溶剤相から分離されているので、成膜用溶剤を除去すると、微細な三次元網目構造を形成するフィブリルからなり、三次元的に不規則に連通する孔を有する多孔質の膜が得られると考えられる。
洗浄溶媒を除去することができるいずれかの方法により、ゲル状シートを乾燥することができる。例えば、膜を、加熱乾燥法又は風乾法等により乾燥することができる。乾燥中のゲル状シートの温度(すなわち、乾燥温度)は限定的ではない。例えば、乾燥温度は結晶分散温度Tcd以下でよい。例えば、乾燥温度はTcdより5℃以上低くてもよい。一実施態様において、ポリエチレンは約90℃〜約100℃の範囲の結晶分散温度を有する。
必須ではないが、透過性、突刺強度、平滑性及び成膜性に重大な低下を及ぼさない範囲で、乾燥後のポリオレフィン微多孔膜を少なくとも一軸に再延伸してもよい。
一実施態様において、ポリオレフィン微多孔膜に対して、例えばα線、β線、γ線、電子線等の電離放射線の照射により架橋処理を施してもよい。電子線の照射の場合、約0.1〜100 Mradの電子線量でよく、約100〜約300 kVの加速電圧でよい。架橋処理により、比較的高いメルトダウン温度を有するポリオレフィン微多孔膜が容易に得られる。
一実施態様において、ポリオレフィン微多孔膜に親水化処理、すなわちポリオレフィン微多孔膜をより親水化することができる処理を施してもよい。親水化処理は、例えばモノマーグラフト、界面活性剤処理、コロナ放電等により行うことができる。モノマーグラフトは架橋処理後に行えばよい。
(1) 物性
一実施態様において、ポリオレフィン微多孔膜は以下の物性のうちの少なくとも一つを有する。例えば、ポリオレフィン微多孔膜は、以下の物性の全てを有することができる。
ポリオレフィン微多孔膜の空孔率が約25%未満では、良好な透気度を有するポリオレフィン微多孔膜の製造が困難になることがある。一方約80%を超えると、十分に低い電気抵抗を有し、十分長持ちするバッテリーの製造が困難になることがある。
ポリオレフィン微多孔膜の透気度(王研式透気度計により測定)が約20〜400秒/100 cm3であると、大容量及び良好なサイクル特性を有する電池の製造が容易である。透気度が約20秒/100 cm3未満では、良好なシャットダウン特性を有する電池の製造が困難になることがある。すなわち、電池が、例えば140℃超の過剰な運転温度でリチウムイオンの伝導をサポートできない。
ポリオレフィン微多孔膜の突刺強度(膜厚20μmに換算)は、先端が球面(曲率半径R:0.5 mm)の直径1mmの針を2mm/秒の速度で多層微多孔膜に突刺したときの最大荷重により表される。突刺強度が約2,000 mN/20μm未満では、内部短絡を防止するのに十分な機械的保全性を有する電池の製造が困難になることがある。
ポリオレフィン微多孔膜の引張破断強度(ASTM D882により測定)が長手方向(MD)及び横手方向(TD)のいずれにおいても少なくとも約80,000 kPa以上であると、十分長持ちするバッテリーの製造が容易である。
ポリオレフィン微多孔膜の熱収縮率(膜を105℃に8時間保持した後)が長手方向及び横手方向ともに10%を超えると、特にセパレータの端部での内部短絡に対して十分に耐えうる電池の製造が困難なことがある。一実施態様において、熱収縮率は長手方向及び横手方向ともに約8%未満である。
一実施態様において、ポリオレフィン微多孔膜のメルトダウン温度は約165℃〜約190℃である。メルトダウン温度は、機械方向(長手方向ともよぶ)が3mmで、横手方向が10 mmの膜の試験片を、室温での試験片の長さ(10 mm)を100%として、50%伸ばしたときの温度である。試験片は、2gの重りを付けて機械方向に引っ張りながら、ほぼ周囲の温度(又は室温)から5℃/分の速度で加熱する。
膜厚変動率が約3μmを超えると、比較的低い耐電池短絡圧縮性のために、内部短絡に十分に耐え得る電池の製造が困難なことがある。膜厚変動率は、TD方向に30 cmの長さにわたって5mm間隔で接触厚さ計によりポリオレフィン微多孔膜の厚さを測定することにより求める。
所望の幅の膜を得るためには、ポリオレフィン微多孔膜を機械方向に切断するのが有利である。この操作は一般的にスリッティングと呼ばれる。スリッティング中、少量のポリオレフィン粉が膜上に付着することがある。ポリプロピレン粉脱落量は、長さ500 mの微多孔膜を50 m/分の速度で半分にスリットし、各スリット膜を固定バーに摺接させたときに、固定バーに付着したポリプロピレン粉の重量である。ポリプロピレン粉脱落量が20 g超の場合、ポリオレフィン微多孔膜中に許容できないほど多い不純物を含有していることの兆候であるピンホールや黒点(不純物)のような欠陥がないかどうか調べるべきである。ポリプロピレン粉脱落量は、より高純度のポリオレフィン樹脂及び成膜用溶剤を用いたり、押し出しの前にろ過する工程を設けたり、これらを組合せることにより、改善することができる。
一実施態様において、微多孔膜の厚さは約3μm〜約200μmか、約5μmから約50μmである。
(a) ポリオレフィン
微多孔膜は、一般的にポリオレフィン溶液を形成するのに用いたポリオレフィンからなる。ポリオレフィン微多孔膜の重量を基準として、一般的に1重量%未満の少量の洗浄溶媒及び/又は成膜用溶剤も有する。製造過程で、少量のポリオレフィンの分子量が減少することがあるが、これは許容できるものである。一実施態様において、製造過程での分子量の減少があったとしても、膜中のポリオレフィンのMw/Mnとポリオレフィン溶液のMw/Mnとの差は約10%未満か、約1%未満か、約0.1%未満である。一実施態様において、ポリオレフィン微多孔膜は、(i) ポリエチレンと、(ii) 230℃及び歪み速度25 sec-1におけるトルートン比が15以上のポリプロピレンとからなる。
ポリオレフィン微多孔膜中のポリエチレンは、(a) 超高分子量ポリエチレン又は(b) 超高分子量ポリエチレンより低い分子量を有する第二のポリエチレンの少なくとも一方からなる。一実施態様において、ポリエチレンの重量平均分子量(Mw)は、約1×104〜約1×107か、約1×105〜約 5×106か、約2×105〜約3×106である。製造過程中のポリエチレンに化学的又は物理的な変化が起こったとしても、それは小さいものであるので、膜中の超高分子量ポリエチレン及び第二のポリエチレンは、ポリオレフィン溶液の調製について述べたものと一般的に同じである。微多孔膜中のポリエチレン量は、ポリオレフィン重量を基準として、約2重量%〜約98重量%か、約50重量%〜約97重量%か、約60重量%〜約95重量%である。
ポリオレフィン微多孔膜中のポリプロピレンの230℃の温度及び歪み速度25 sec-1におけるトルートン比は一般的に15以上である。一実施態様において、ポリプロピレンのトルートン比は少なくとも約25か、少なくとも約30である。一実施態様において、ポリプロピレンの230℃の温度及び歪み速度25 sec-1における伸長粘度は50,000 Pa・sec以上である。別の実施態様において、伸長粘度は少なくとも約60,000 Pa secである。製造過程中にポリプロピレンの物理的及び/又は化学的な性質の変化が起こったとしても、小さいので、膜中のポリプロピレンの性質及び組成は、ポリオレフィン溶液の調製について述べたものと一般的に同じである。微多孔膜中のプロピレン量は、ポリオレフィンの重量を基準として、約2重量%〜約98重量%か、約3重量%〜約50重量%か、約5重量%〜約40重量%である。
ポリエチレン及びポリプロピレンに加えて、ポリオレフィン微多孔膜は、任意で、ポリブテン-1、ポリペンテン-1、ポリ4-メチルペンテン-1、ポリヘキセン-1、ポリオクテン-1、ポリ酢酸ビニル、ポリメタクリル酸メチル、ポリスチレン及びエチレン・α-オレフィン共重合体のいずれかを含んでもよい。これらは約1×104〜約4×106のMwを有するのが好ましい。ポリオレフィン微多孔膜はまた、好ましくは約1×103〜約1×104のMwを有するポリエチレンワックスを含んでもよい。その他のポリプロピレン及びワックスの量は限定的ではないが、ポリオレフィン微多孔膜の物性に重大な悪化をもたらさない量であるべきである。ポリブテン-1、ポリペンテン-1、ポリ4-メチルペンテン-1、ポリヘキセン-1、ポリオクテン-1、ポリ酢酸ビニル、ポリメタクリル酸メチル及びポリスチレンは、第四のα-オレフィンを含む単独重合体又は共重合体でもよい。微多孔膜中のその他のポリオレフィンの量は、ポリオレフィンの重量を基準として、約20重量%未満か、約10重量%未満でよい。
上記ポリオレフィン微多孔膜からなる電池用セパレータは、電池の種類に応じて適宜選択しうるが、約3〜約200μmの膜厚を有するのが好ましく、約5〜約50μmの膜厚を有するのがより好ましい。
一実施態様において、本発明のポリオレフィン微多孔膜は、リチウムイオン電池、リチウムポリマー二次電池、ニッケル−水素二次電池、ニッケル−カドミウム二次電池、ニッケル−亜鉛二次電池、銀−亜鉛二次電池等の一次及び二次電池用のセパレータとして使用することができる。以下リチウムイオン二次電池を説明する。
ポリオレフィン樹脂を以下のようにドライブレンドした。重量平均分子量(Mw)が2.0×106の超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)2質量%、Mwが3.5×105の高密度ポリエチレン(HDPE)88質量%、並びに230℃の温度及び歪み速度25 sec-1におけるトルートン比が36で、伸長粘度が67,000 Pa・secで、MFR(JIS K 6758)が0.3のプロピレン単独重合体(PP)10質量%からなるポリオレフィン(PO)組成物100質量部に、酸化防止剤としてテトラキス[メチレン-3-(3,5-ジターシャリーブチル-4-ヒドロキシフェニル)-プロピオネート]メタン1.0質量部をドライブレンドした。ただし、UHMWPE及びHDPEからなるポリエチレン組成物について測定した融点Tmeは135℃であり、結晶分散温度は90℃であった。
・測定装置:Waters Corporation製GPC-150C
・カラム:昭和電工株式会社製Shodex UT806M
・カラム温度:135℃
・溶媒(移動相):o−ジクロルベンゼン
・溶媒流速:1.0 ml/分
・試料濃度:0.1 wt%(溶解条件:135℃/1h)
・インジェクション量:500μl
・検出器:Waters Corporation製ディファレンシャルリフラクトメーター(RI検出器)
・検量線:単分散ポリスチレン標準試料を用いて得られた検量線から、所定の換算定数を用いて作成した。
PO組成物の組成を、UHMWPE2質量%、HDPE68質量%及びPP30質量%とした以外実施例1と同様にして、ポリオレフィン微多孔膜を作製した。
PO組成物の組成を、HDPE90質量%及びPP10質量%とした以外実施例1と同様にして、ポリオレフィン微多孔膜を作製した。
PO組成物の組成を、HDPE70質量%及びPP30質量%とした以外実施例1と同様にして、ポリオレフィン微多孔膜を作製した。
PO組成物の組成を、HDPE90質量%、及び230℃の温度及び歪み速度25 sec-1におけるトルートン比が10で、伸長粘度が19,000 Pa・secで、MFR(JIS K 6758)が0.5のPP10質量%とした以外実施例1と同様にして、ポリオレフィン微多孔膜を作製した。
PO組成物の組成を、HDPE70質量%、及び比較例1と同じPP30質量%とした以外実施例1と同様にして、ポリオレフィン微多孔膜を作製した。
PO組成物の組成を、UHMWPE2質量%、HDPE88質量%、及び比較例1と同じPP10質量%とした以外実施例1と同様にして、ポリオレフィン微多孔膜を作製した。
PO組成物の組成を、UHMWPE5質量%、HDPE90質量%、及び比較例1と同じPP5質量%とした以外実施例1と同様にして、ポリオレフィン微多孔膜を作製した。
PO組成物の組成を、UHMWPE2質量%及びHDPE98質量%とし、ポリプロピレンを添加しなかった以外実施例1と同様にして、ポリオレフィン微多孔膜を作製した。
微多孔膜の30 cmの幅にわたって5mmの長手方向間隔で接触厚さ計により膜厚を測定し、平均することにより求めた。
膜厚T1の微多孔膜に対してJIS P8117に準拠して測定した透気度P1を、式:P2=(P1×20)/T1により、膜厚を20μmとしたときの透気度P2に換算した。
慣用の質量法により測定した。
先端が球面(曲率半径R:0.5 mm)の直径1mmの針で、膜厚T1の微多孔膜を2mm/秒の速度で突刺したときの最大荷重を測定した。最大荷重の測定値L1を、式:L2=(L1×20)/T1により、膜厚を20μmとしたときの最大荷重L2に換算し、突刺強度とした。
幅10 mmの短冊状試験片を用いてASTM D882により測定した。
ポリオレフィン微多孔膜の熱収縮率は、膜を105℃の温度に8時間保持した後、機械方向及び横手方向の収縮率をそれぞれ3回ずつ測定し、平均することにより求めた。
ポリオレフィン微多孔膜のメルトダウン温度は150℃以上であり、好ましくは150〜190℃である。メルトダウン温度は以下のようにして求めた。図1に示すように、MD及びTDの延伸方向に対してそれぞれ3mm及び10 mmとなるサイズの試験片TPをポリオレフィン微多孔膜1から切り出し、熱機械的分析装置(セイコーインスツル株式会社製、TMA/SS6000)を用い、試験片TPの上端部1aをホルダー2で把持し、下端部1bに2gの重りを付け、5℃/分の速度で室温から昇温する。試験片TPの延びが室温での長さ(100%)の50%に達したときの温度をメルトダウン温度とする。
微多孔膜のTD方向に30 cmの長さにわたって5mm間隔で接触厚さ計により厚さを測定し、最大値と最小値の差を求め、膜厚変動量(μm)とした。
ポリオレフィン微多孔膜(長さ500 m)を50 m/分の速度で半分にスリットし、各スリット膜を固定バーに摺接させた後、リールに巻き取った。固定バーに付着した粉を回収し、その重量を測定した。付着した粉の多少により成膜性を評価した。一般に粉の付着量が少ないほど、成膜性は良好である。
(2) 230℃の温度及び歪み速度25 sec-1で測定。
[1] (1) (a) 230℃の温度及び歪み速度25 sec-1におけるトルートン比が少なくとも約15のポリプロピレン系樹脂と、(b) (i) 少なくとも1×106のMwを有する超高分子量ポリエチレン及び/又は(ii) 超高分子量ポリエチレンより低い分子量を有する第二のポリエチレンからなるポリエチレン系樹脂とからなるポリオレフィン樹脂、及び成膜用溶剤を混合してポリオレフィン溶液を調製する工程を有するポリオレフィン物品の製造方法。
(a) 工程(1)の溶融混練を、融点Tmp〜Tmp + 80℃の範囲の温度で、二軸押出機中で行う。
(b) ポリオレフィン溶液中のポリオレフィン含有量を、ポリオレフィン溶液の質量を基準として1〜75質量%の範囲とする。
(c) 長方形の口金を有し、約0.1 mm〜約5mmのギャップを有するシート用ダイであって、押し出し中に140〜250℃に加熱され、ポリオレフィン溶液の押出速度が0.2〜15 m/分の範囲である少なくとも一つのダイに、ポリオレフィン溶液を導く。
(d) 冷却工程(3)を、少なくとも50℃/分の冷却速度で行う。
(e) 延伸工程(4)を、約9倍〜約400倍の範囲の倍率で二軸に行う。
(f) 塩素化炭化水素、エステル、ケトン、鎖状フルオロカーボン、環状ハイドロフルオロカーボン、パーフルオロエーテル及びこれらの混合物から一種以上選択される易揮発性溶媒からなる洗浄溶媒により、プロセス溶剤を延伸成形物から除去する。
(7)(a) 乾燥後のポリオレフィン微多孔膜を、約90℃〜約135℃の範囲の温度で再延伸する工程。
(7)(b) 乾燥後のポリオレフィン微多孔膜を熱処理する工程。
(8) 熱処理後のポリオレフィン微多孔膜に電離放射線を照射することにより架橋処理を施す工程。
(9) ポリオレフィン微多孔膜を親水化処理する工程。
(a) ポリプロピレンが、230℃の温度及び歪み速度25 sec-1において15以上のトルートン比、及び230℃の温度及び歪み速度25 sec-1において50,000 Pa・sec以上の伸長粘度を有する。
(b) ポリエチレンが、重量平均分子量が約1×104〜約1×107で、かつ(i) 超高分子量ポリエチレン、(ii) 超高分子量ポリエチレンより低い分子量を有する第二のポリエチレン、又は(iii) 超高分子量ポリエチレン及び第二のポリエチレンの混合物からなるポリエチレン系樹脂からなる。
(a) 超高分子量ポリエチレンが、少なくとも約1×106の重量平均分子量を有し、エチレン単独重合体及び/又はエチレン・α-オレフィン共重合体を含む。
(b) 第二のポリエチレンが約1×105〜約5×105の範囲の重量平均分子量を有し、高密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、分岐状低密度ポリエチレン及び鎖状低密度ポリエチレンのうちの少なくとも一種を含む。
(c) ポリエチレンが、1×106以上のMwを有する超高分子量ポリエチレン及び高密度ポリエチレンからなり、このポリエチレン組成物中の超高分子量ポリエチレン含有量が、ポリエチレンの質量を100質量%として、約1質量%〜約60質量%の範囲である。
(a) ポリエチレンのMw/Mnが約5〜約300の範囲である。
(b) ポリプロピレンが、以下の特性(i)〜(iv)の少なくとも一つを有する。
(i) 分子量(Mw)が少なくとも約6.5×105である。
(ii) 分子量分布(Mw/Mn)が約1〜約100の範囲である。
(iii) 融解熱ΔHmが少なくとも約90 J/gである。
(iv) 230℃の温度及び歪み速度25 sec-1における伸長粘度が50,000 Pa・sec以上である。
(i) ポリオレフィン多層微多孔膜の少なくとも一つの表面層がポリエチレンと230℃の温度及び歪み速度25 sec-1において約15以上のトルートン比を有するポリプロピレンとからなる。
(ii) ポリオレフィン多層微多孔膜の少なくとも一つの内部層がポリエチレンと230℃の温度及び歪み速度25 sec-1において約15以上のトルートン比を有するポリプロピレンとからなる。
Claims (4)
- ポリエチレン系樹脂と、230℃の温度及び歪み速度25 sec-1におけるトルートン比が15以上のポリプロピレンとを含有することを特徴とするポリオレフィン微多孔膜。
- 請求項1に記載のポリオレフィン微多孔膜において、230℃の温度及び歪み速度25 sec-1における前記ポリプロピレンの伸長粘度は50,000 Pa・sec以上であることを特徴とするポリオレフィン微多孔膜。
- 請求項1又は2に記載のポリオレフィン微多孔膜からなることを特徴とする電池用セパレータ。
- 請求項1又は2に記載のポリオレフィン微多孔膜からなるセパレータを具備することを特徴とする電池。
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