JP2010231936A - 合金系負極電極リチウムイオン二次電池用セパレーター - Google Patents
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Abstract
【解決手段】セパレータにサンドブラスト処理を行い、処理後の透気度が70〜1500秒/100cc、圧縮弾性率が0.5〜15kPa、平均孔径が0.05〜0.20μmであるポリオレフィン系多孔膜を、合金系負極リチウム二次電池用セパレーターとする。
【選択図】なし
Description
特許文献2及び3には、そのような合金系材料を電極として用いる電池における種々のセパレーターが開示されている。また、特許文献4には、セパレーター表面の摩擦を低くする事で表面の損傷を抑制する技術が開示されている。
上記事情に鑑み、本発明は、膨張収縮の激しい負極電極材料と共に使用された場合であっても、長期間の優れたサイクル特性と安全性とを両立し得る、合金系負極電極リチウムイオン二次電池用セパレーターを提供することを目的とする。
[1]
サンドブラスト処理後の透気度が70〜1500秒/100ccである合金系負極電極リチウムイオン二次電池用セパレーター。
[2]
圧縮弾性率が0.5〜15kPaである、上記[1]記載の合金系負極電極リチウムイオン二次電池用セパレーター。
[3]
平均孔径が0.05〜0.20μmである、上記[1]又は[2]記載の合金系負極電極リチウムイオン二次電池用セパレーター。
[4]
上記[1]〜[3]記載の合金系負極電極リチウムイオン二次電池用セパレーターを備える合金系負極電極リチウムイオン二次電池。
合金系負極電極は、合金系負極材料が負極集電体の片面、又は両面に塗工されて形成される。負極集電体には、無塗工部にタブが設けられる。なお、無塗工部が直接タブとして利用される場合もある。負極集電体には、例えば、銅箔等の金属箔が用いられる。
(a)工程:ポリオレフィン組成物及び可塑剤を溶融混練する溶融混練工程。
(b)工程:(a)工程を経て得られた混練物をシート状に押し出して冷却固化するキャスト工程。
(c)工程:ポリオレフィン組成物から得られたシート状物を、少なくとも一軸方向に延伸する延伸工程。
(d)工程:ポリオレフィン組成物から得られた成形物から可塑剤を抽出する抽出工程。
(e)工程:(c)工程や(d)工程を経て得られた延伸フィルムを熱固定する熱固定工程。
第1の好ましい各工程の順序は、(a)工程、(b)工程、(c)工程、(d)工程、(c)工程、(e)工程の順である。
第2の好ましい各工程の順序は、(a)工程、(b)工程、(d)工程、(c)工程、(e)工程の順である。
第3の好ましい各工程の順序は、(a)工程、(b)工程、(c)工程、(d)工程、(c)工程の順である。
これらの中では、第1又は第2の各工程の順序がより好ましい。即ち、抽出(d)工程の後に少なくとも一軸方向に延伸する(c)工程が入った後、(e)工程を実施することが好ましい。
以下、各工程について詳述する。
(a)工程では、本実施形態に係るポリオレフィン組成物及び可塑剤を混合して溶融混練する。ポリオレフィン組成物が酸化防止剤を含む場合、その濃度は、ポリオレフィン組成物の全体量に対して、分子劣化防止の観点から0.2質量%以上であることが好ましく、経済性の観点から3質量%以下であることが好ましい。酸化防止剤の濃度は、より好ましくは0.4〜3質量%であり、更に好ましくは0.5〜2質量%である。
(b)工程においては、(a)工程を経て得られた混練物をシート状に押し出して冷却固化する。冷却方法としては、冷風や冷却水等の冷却媒体に混練物を直接接触させる方法、冷媒で冷却したロールやプレス機に混練物を接触させる方法等が挙げられる。これらの中でも、冷媒で冷却したロールやプレス機に混練物を接触させる方法が、セパレーターの厚み制御に優れる点で好ましい。
(c)工程では、ポリオレフィン組成物から得られたシート状物を、少なくとも一軸方向に延伸する。延伸方法としては、ロール延伸機とテンターとの組み合わせによる逐次二軸延伸、同時二軸テンターやインフレーション成形による同時二軸延伸等が挙げられる。これらの中でも、高強度のセパレーターを得る観点から、同時二軸延伸が好ましく、同時二軸テンターによる同時二軸延伸がより好ましい。
(d)工程では、ポリオレフィン組成物から得られた成形物から可塑剤、及び必要に応じて無機粉体を抽出する。可塑剤を抽出する際には抽出溶媒を用いることが好ましい。抽出溶媒としては、セパレーターを構成するポリオレフィンに対して貧溶媒であり、かつ可塑剤に対して良溶媒であり、沸点がセパレーターを構成するポリオレフィンの融点よりも低いものが好ましい。このような抽出溶媒としては、例えば、n−ヘキサン、シクロヘキサン等の炭化水素;塩化メチレン、1,1,1−トリクロロエタン等のハロゲン化炭化水素;ハイドロフロロエーテル、ハイドロフロロカーボン等の非塩素系ハロゲン化溶剤;エタノール、イソプロパノール等のアルコール;ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等のエーテル;アセトン、メチルエチルケトン等のケトン等が挙げられる。これらの中から抽出溶媒を適宜選択し、1種を単独で又は2種以上を混合して用いる。これらの中でも塩化メチレン、メチルエチルケトンが抽出溶媒として好ましい。
(e)工程では、(c)延伸工程や(d)抽出工程を経て得られた延伸フィルムを熱固定する。熱固定(以下「HS」と略記することがある)は、テンターやロール延伸機等にて、所定の温度雰囲気において、熱処理と緩和操作とを組み合わせることにより実施することができる。
セパレーターの膜厚を膜厚測定器(東洋精機製微少測厚器、タイプKBN、端子径Φ5mm、測定圧62.47kPa)を用いて、雰囲気温度23±2℃で測定した。
100mm×100mm角の試料を切り取り、その体積(mm3)と質量(mg)とを求め、それらと膜密度(g/cm3)より、次式を用いて気孔率を算出した。
気孔率=(体積−質量/膜密度)/体積×100
なお、体積は試料の大きさ(100mm×100mm)と膜厚より算出し、膜密度は材料密度より算出した。
JIS P−8117に準拠し、ガーレー式透気度計(東洋精機製、商品名「G−B2」)を用いて透気度を測定した。内筒重量は567gで、直径28.6mm、645mm2の面積を空気100mLが通過する時間を測定した。
ここで、透気度とはセパレーターの透気度であり、抽出後透気度とは可塑剤を抽出した後の微多孔膜の透気度である。
抽出工程後の微多孔膜と、セパレーターの膜厚を(1)の方法、透気度を(3)の方法で測定し、以下の式により透気度比を算出した。
透気度比=(抽出工程後の微多孔膜の透気度/抽出工程後の微多孔膜の膜厚)/(セパレーターの透気度/セパレーターの膜厚)
耐損傷性を示す加速試験として、サンドブラスト試験を実施した。
幅50mm、長さ150mmのセパレーター試料をステンレス(SUS)板にテープで止めた。セパレーターの幅方向及び長さ方向の中心位置から鉛直方向に700mm離間した位置に噴射ノズルを設置し、以下の条件で微小な砂をセパレーター表面に対して鉛直方向に噴射した。なお、噴射される砂が半径25mmの円状に(即ち、セパレーターの膜幅と噴射範囲が一致するように)セパレーター表面に衝突するようノズルを調整した。
砂 : 平均粒径120μm(商品名:Fuji Brown FBR#120)
砂濃度: 15vol%
圧力 : 0.1MPa
流量 : 0.2L/sec
温度 : 35℃
噴射時間 : 60秒
ノズル尖端からセパレーターまでの距離 : 700mm
サンドブラスト試験後にセパレーターに付着した砂を流水で洗い流した後、水分を拭き取り、常温で乾燥させ、サンプルの中央部分の透気度を(3)の方法で測定した。
上記方法を同じサンプルについて3回実施し、その平均値をセパレーターのサンドブラスト後の透気度とした。
カトーテック製のハンディー圧縮試験器であるKES−G5(商標)を用いて、開口部の直径が11.3mmである試料ホルダーによりセパレーターを固定した。次に固定されセパレーターの中央部に対して、針先端の曲率半径0.5mm、突刺速度2mm/secで、25℃の雰囲気下にて突刺試験を行った。
得られた値を1μmあたりに膜厚換算することで、突刺強度を算出した。
原料のポリオレフィン及びセパレーターの極限粘度[η]を、ASTMD4020に基づき、デカリン溶媒における135℃の条件で求めた。
セイコーインスツルメンツ製、圧縮弾性率試験機、TMA/SS120(商標)を用いて、セパレーターの膜厚方向の圧縮弾性率を測定した。
測定は、温度25℃、圧縮速度1N/min、プローブ面積5.23mm2(プローブ尖端径2.58mmφ)の条件で行った。なお、圧縮弾性率は歪が0〜10%間の応力−歪直線の傾きから求めた。
キャピラリー内部の流体は、流体の平均自由工程がキャピラリーの孔径よりも大きいときはクヌーセンの流れに、小さいときはポアズイユの流れに従うことが知られている。そこで、セパレーターの透気度測定における空気の流れがクヌーセンの流れに、また、セパレーターの透水度測定における水の流れがポアズイユの流れに従うと仮定した。
平均孔径d(μm)及び屈曲率τ(無次元)は、空気の透過速度定数Rgas(m3/(m2・sec・Pa))、水の透過速度定数Rliq(m3/(m2・sec・Pa))、空気の分子速度ν(m/sec)、水の粘度η(Pa・sec)、標準圧力Ps(=101325Pa)、気孔率ε(%)、膜厚L(μm)から、下記式を用いて求めた。
d=2ν×(Rliq/Rgas)×(16η/3Ps)×106
τ=(d×(ε/100)×ν/(3L×Ps×Rgas))1/2
ここで、Rgasは透気度(sec)から下記式を用いて求められる。
Rgas=0.0001/(透気度×(6.424×10-4)×(0.01276×101325))
また、Rliqは透水度(cm3/(cm2・sec・Pa))から下記式を用いて求めた。
Rliq=透水度/100
なお、透水度は次のように求めた。まず、直径41mmのステンレス製の透液セルに、予めアルコールに浸漬しておいたセパレーターをセットする。次に、該膜のアルコールを水で洗浄する。その後、約50000Paの差圧で該セパレータに水を透過させ、120秒間経過した際の透水量(cm3)を測定する。その結果から、単位時間(sec)・単位圧力(Pa)・単位面積(cm2)当たりの透水量を計算し、これを透水度とした。
また、空気の分子速度νは、気体定数R(=8.314)、絶対温度T(K)、円周率π、空気の平均分子量M(=2.896×10-2kg/mol)から下記式を用いて求めた。
ν=((8R×T)/(π×M))1/2
カトーテック株式会社製、KES−SE摩擦試験機を用い、荷重50g、接触子面積10×10=100mm2(0.5mmφのピアノ線20本巻きつけ)、接触子送りスピード1mm/sec、張力6kPa、温度25℃の条件にて幅50mm×測定方向200mmのサンプルサイズについてMD、TD方向に各3回ずつ測定し、その平均を求めた。なお、表1及び2中の動摩擦係数の値は電池作成時に負極に接する面の値を表記した。
下記方法にて円筒型電池を作製し、絶縁性能(短絡率)、充放電性能(サイクル評価)を評価した。評価は10セルで実施した。
<正極の作製>
活物質としてリチウムコバルト複合酸化物LiCoO2を92.2質量%、導電助剤としてリン片状グラファイトとアセチレンブラックをそれぞれ2.3質量%、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を3.2質量%からなる混合物をN−メチルピロリドン(NMP)中に分散させてスラリーを調製した。このスラリーを正極集電体となる厚さ20μmのアルミニウム箔の片面にダイコーターで塗付し、130℃で3分間乾燥後、ロールプレス機で圧縮成形した。このとき、正極の活物質塗付量は250g/m2、活物質嵩密度は3.00g/cm3になるようにする。これを幅54mmに切断して帯状にした。
<負極の作製>
活物質としてメカニカルアロイング法で調整されたCo−Sn−C粉末(元素組成比10−50−40%)を85質量%、導電助剤としてカーボンブラックを5質量%、バインダーとしてPVdFを10質量%からなる混合物をNMP中に分散させてスラリーを調製した。このスラリーを負極集電体となる厚さ12μmの銅箔の片面にダイコーターで塗付し、125℃で3分間乾燥後、ロールプレス機で圧縮成形した。このとき、負極の活物質塗付量は53g/m2、活物質嵩密度は1.35g/cm3になるようにした。これを幅56mmに切断して帯状にした。
<非水電解液の調整>
エチレンカーボネート:エチルメチルカーボネート=1:2(体積比)の混合溶媒に、溶質としてLiPF6を濃度1.0mol/リットルとなるように溶解させて調整した。
<電池組立>
下記の実施例及び比較例で得られたセパレーター、帯状正極及び帯状負極を、帯状負極、セパレーター、帯状正極、セパレーターの順に重ねて渦巻状に複数回捲回することで電極板積層体を作製した。この電極板積層体を外径が18mmで高さが65mmのアルミニウム製容器に収納し、正極集電体から導出したニッケル製タブを容器壁に、負極集電体から導出したニッケル製タブを容器蓋端子部に溶接した。その後、真空下85℃で12時間の乾燥を行い、次に、アルゴンボックス内にて容器内に前記した非水電解液を注入し、封口した。
<絶縁性評価(短絡率(%))>
非水電解液を注入する前の電極捲回体に、500Vの電圧をかけて短絡するか否かを評価した。
短絡を生じた電池捲回体の個数比率を短絡率として評価した。
<充放電試験(サイクル評価)>
組立てた電池の初充放電として、先ず1/6Cの電流値で電圧4.2Vまで定電流充電した後に4.2Vの定電圧を保持するように電流値を絞り始めて合計8時間の初充電を行い、次に1/6Cの電流で2.5Vの終止電圧まで放電を行った。続いてサイクル充放電として、(i)電流量0.5C、上限電圧4.2V、合計8時間の定電流定電圧充電、(
ii)10分間の休止、(iii)電流量0.5C、終止電圧2.5Vの定電流放電、(iv)10分間の休止なるサイクル条件で50回、並びに100回の充放電を行った。以上の充放電処理は全て20℃及び45℃の雰囲気下にてそれぞれ実施した。その後、上記初充電での放電容量に対するテスト後の放電容量の比を100倍することで、容量維持率(%)を求めた。
極限粘度[η]が5.5dL/gの超高分子量ポリエチレンホモポリマー47質量%と、極限粘度[η]が2.8dL/gの高密度ポリエチレンホモポリマー46質量%と、極限粘度[η]が3.3dL/gのポリプロピレンホモポリマー7質量%と、をタンブラーブレンダーを用いてドライブレンドすることにより、ポリマー混合物Aを得た。
極限粘度[η]が7.0dL/gの超高分子量ポリエチレンホモポリマー60質量%と、極限粘度[η]が2.8dL/gの高密度ポリエチレンホモポリマー40質量%と、をタンブラーブレンダーを用いてドライブレンドすることにより、ポリマー混合物Bを得た。
極限粘度[η]が11.5dL/gの超高分子量ポリエチレンホモポリマー60質量%と、極限粘度[η]が2.8dL/gの高密度ポリエチレンホモポリマー40質量%と、をタンブラーブレンダーを用いてドライブレンドすることにより、ポリマー混合物Cを得た。
ポリマー混合物Aを二軸押出機へフィーダーにより供給しながら、流動パラフィンを押出機シリンダーにポンプにより注入した。二軸押出機における溶融混練では、押し出されるポリマー混合物Aと流動パラフィンとの混合物中に占める流動パラフィン量が65質量%となるように、フィーダー及びポンプの運転条件を調整した。二軸押出機から押し出された混練物を、リップクリアランスが2000μmのT−ダイを経て、表面温度(キャスト温度)25℃のロールにてシート状に成形し、原反厚み1600μmのゲル状シートを得た。
次に、同時二軸テンター延伸機にゲル状シートを導き、テンター温度(延伸温度)120℃でMD延伸倍率7.0倍、TD延伸倍率6.3倍の同時二軸延伸を行った後、流動パラフィンを抽出除去し、微多孔膜を得た。抽出後の微多孔膜の膜厚は40μm、透気度は500秒/100ccであった。
次に、流動パラフィンを抽出除去した後のシートをTDテンター延伸機に導き、延伸温度125℃、延伸倍率1.6倍でTDに延伸し、最後に熱固定温度130℃で熱処理を行った。得られたセパレーターの物性を表1に示す。
各条件を表1に示すように変更した以外は実施例1と同様にして、セパレーターを得た。得られたセパレーターの物性を表1に示す。
ポリマー混合物B35質量%と、フタル酸ジオクチル(DOP)45質量%と、微粉シリカ20質量%と、をヘンシェルミキサーにて混合造粒した後、二軸押出機へフィーダーにより供給した。二軸押出機にて溶融混練した後に押し出された混練物を、リップクリアランスが400μmのT−ダイを経て、表面温度140℃のロールにてシート状に成形し、原反厚み100μmのゲル状シートを得た。該シートからDOP、微粉シリカを抽出除去して微多孔膜を得た。抽出後の微多孔膜の膜厚は90μm、透気度は1500秒/100ccであった。
得られた微多孔膜を2枚重ねて120℃で、ロール延伸機にてMDに5.5倍延伸した。さらに延伸後のフィルムをTDテンター延伸機に導き、延伸温度125℃にてHS倍率2.2倍で延伸し、最後に熱固定温度130℃で熱処理を行った。得られたセパレーターの物性を表2に示す。
各条件を表2に示すように変更した以外は実施例9と同様にして、セパレーターを得た。得られたセパレーターの物性を表2に示す。
ポリマー混合物C22質量%と、流動パラフィン63質量%と、微粉シリカ15質量%と、をヘンシェルミキサーにて混合造粒した後、二軸押出機へフィーダーにより供給した。
二軸押出機から押し出された混練物を、リップクリアランスが2000μmのT−ダイを経て、表面温度(キャスト温度)40℃のロールにてシート状に成形し、原反厚み1800μmのゲル状シートを得た。
次に、同時二軸テンター延伸機にゲル状シートを導き、テンター温度(延伸温度)127℃でMD延伸倍率7.0倍、TD延伸倍率6.3倍の同時二軸延伸を行った後、流動パラフィンを抽出除去し、微多孔膜を得た。抽出後の微多孔膜の膜厚は40μm、透気度は500秒/100ccであった。
次に、流動パラフィンを抽出除去した後のシートをTDテンター延伸機に導き、延伸温度125℃、延伸倍率1.6倍でTDに延伸し、最後に熱固定温度130℃で熱処理を行った。得られたセパレーターの物性を表2に示す。
Claims (4)
- サンドブラスト処理後の透気度が70〜1500秒/100ccである合金系負極電極リチウムイオン二次電池用セパレーター。
- 圧縮弾性率が0.5〜15kPaである、請求項1に記載の合金系負極電極リチウムイオン二次電池用セパレーター。
- 平均孔径が0.05〜0.20μmである、請求項1又は2に記載の合金系負極電極リチウムイオン二次電池用セパレーター。
- 請求項1〜3に記載の合金系負極電極リチウムイオン二次電池用セパレーターを備える合金系負極電極リチウムイオン二次電池。
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