JP2010538097A - ポリオレフィン微多孔膜、その製造方法、電池用セパレータ及び電池 - Google Patents
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Abstract
Description
(1) 第一の溶剤(プロセス溶剤又は成膜用溶剤ともよぶ)、及び一種以上のポリエチレン系樹脂(少なくとも一種のポリエチレン系樹脂が約0.01 rad/sec以上の粘弾性角周波数ω0を有する。ω0は、溶融粘弾性測定により得られる貯蔵弾性率G'及び損失弾性率G''が一致する角周波数である)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押し出して押出し成形体を形成し、押出し成形体を冷却して冷却押出し成形体(例えばゲル状シート)を形成し、
(3) 冷却押出し成形体を、118℃以上の温度で延伸して延伸シートを形成し、
(4) 延伸シートからプロセス溶剤を除去して溶剤除去シートを形成し、
(5) (a) 延伸方向における初期長さL1から、延伸方向における最終的な長さL2まで、1.3L1≦L2≦1.5L1を満たすように、約127℃以下の膜温度で少なくとも一側方にさらに溶剤除去シートを延伸し、再延伸シートを127℃以下で熱固定処理するか、(b) 延伸方向における初期長さL1から、延伸方向における第二の長さL2まで、1.31L1≦L2≦2L1を満たすように、約127℃以下の膜温度で少なくとも一側方にさらに溶剤除去シートを延伸し、1.3L1≦L3≦1.5L1(L3は熱緩和処理後の再延伸シートの延伸方向における長さを表す)を満たす条件で熱緩和処理する
工程を有する。任意で、工程(4)及び(5)の間において溶剤除去シートを乾燥しても良い。
一実施態様において、本発明はポリオレフィン溶液から製造するポリオレフィン微多孔膜に関する。ポリオレフィン溶液は、例えばプロセス溶剤及び一種以上のポリオレフィン系樹脂を混合することにより調製する。プロセス溶剤との混合の前に、複数種の樹脂の少なくとも一部を、例えば溶融混練又はドライブレンドにより混合して、ポリオレフィン組成物を調製しても良いが、これに限定されない。これらの材料について、以下詳細に説明する。
一実施態様において、ポリオレフィン溶液は少なくとも一種のポリオレフィン系樹脂を用いて調製する。
第一のポリオレフィン系樹脂は、一般的に一種以上のポリエチレン系樹脂からなるポリエチレンを含む。一実施態様において、第一の樹脂(ポリエチレン系樹脂ともよぶ)は、(a) 超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)又は(b) UHMWPEより低い分子量を有する第二のポリエチレンのいずれかを含む。一実施態様において、第一の樹脂は、主としてポリエチレンからなる。別の実施態様において、第一の樹脂は、本質的にポリエチレンからなる。別の実施態様において、第一の樹脂は、ポリエチレンからなり、すなわちポリエチレンのみを含む。ポリエチレン系樹脂の分子量は限定的ではない。例えばポリエチレン系樹脂の重量平均分子量(Mw)は、約1×104〜約1×107の範囲、約1×105〜約5×106の範囲、又は約2×105〜約3×106の範囲で良い。
一実施態様において、UHMWPEは約1×106以上のMwを有する。UHMWPEは、エチレンの単独重合体のみならず、エチレンではない第一のα-オレフィンを少量含有するエチレン・α-オレフィン共重合体でも良い。一実施態様において、第一のα-オレフィン(これを含む場合)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からなる群から選ばれた少なくとも一種である。UHMWPEの分子量は限定的ではない。例えば、そのMwは約1×106〜約15×106の範囲、約1×106〜約5×106の範囲、又は約1×106〜約3×106の範囲で良い。
第二のポリエチレンはUHMWPEより低いMwを有する。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の範囲のMwを有する。従って、第二のポリエチレンは、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からなる群から選ばれた少なくとも一種を含んで良い。好ましくは、第二のポリエチレンは高密度ポリエチレン(HDPE)である。第二のポリエチレンがHDPEである場合、HDPEのMwは、例えば約1×105〜約5×105の範囲、又は約2×105〜約4×105の範囲で良い。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、プロピレン、ブテン-1、ヘキセン-1等の少なくとも一種の第二のα-オレフィンを少量含有する共重合体でも良い。一実施態様において、第二のポリエチレン(単独重合体、共重合体又はこれらの両方)は、シングルサイト触媒により製造される。
一実施態様において、ポリエチレン系樹脂は、例えばUHMWPE及び第二のポリエチレンの両方を含む樹脂混合物の形で、UHMWPE及び第二のポリエチレンの両樹脂を含む。例えば、ポリエチレン系樹脂はUHMWPE及びHDPEを含んでも良い。
(a) 動的溶融粘弾性
一般に樹脂の動的溶融粘弾性は、溶融粘弾性測定により求めた貯蔵弾性率G'−角周波数ω曲線と、損失弾性率G''−ω曲線との交点における角周波数ω0により表される。一実施態様において、ポリエチレン系樹脂は、約160℃〜約220℃の範囲内の一定温度で実施された溶融粘弾性測定による値が、約0.01 rad/sec以上又は約0.03 rad/sec以上のω0を有する。別の実施態様において、ω0は、約0.01 rad/sec〜約10 rad/secの範囲、又は約0.03 rad/sec〜約1 rad/secの範囲である。
(i) 測定温度:約160〜約220℃の範囲内で一定
(ii) 固定治具:パラレルプレート(直径:8mm)
(iii) ギャップ(サンプル厚さ):0.3 mm
(iv) 測定角周波数ωの範囲:約0.00628〜約628 rad/sec
(v) 歪γ:0.5%
(vi) サンプル:約180℃で溶融プレスした成型品(厚さ:約0.5 mm、直径:約8 mm)を上記測定温度で安定させた後、約0.3 mmの厚さに圧縮。
G'=(σ/γ)cosδ ・・・(2)
G''=(σ/γ)sinδ ・・・(3)
によりG'及びG''(単位:Pa)を求める。G'はポリエチレン系樹脂の硬さの指標であり、G''はポリエチレン系樹脂の粘性の指標である。図1に示すようにlogω−log G'曲線及びlogω−log G''曲線を作成し、これらの曲線の交点における角周波数をω0とする。
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。分子量分布の選択は限定的ではない。例えば、Mw/Mnは、約5〜約300の範囲、約5〜約100の範囲、又は約5〜約30の範囲で良い。限定的ではないが、ポリエチレン系樹脂のMw/Mnが約5未満だと、比較的高い分子量のポリエチレンの量が多く、その樹脂から調製するポリオレフィン溶液を押し出すのが困難であることがある。またMw/Mnが約300超だと、樹脂が比較的低い分子量のポリエチレンを多量に含むので、十分な強度を有するポリオレフィン微多孔膜を製造するのが困難であることがある。
ポリエチレン系樹脂に加えて、ポリオレフィン溶液を調製するために、少なくとも第二のポリオレフィン(第二のポリオレフィン系樹脂)を用いることができる。従って、一実施態様において、ポリオレフィン溶液は、第二のポリオレフィンを含む。一実施態様において、第二のポリオレフィン(樹脂の形態)を、第一のポリオレフィン系樹脂に混合してポリオレフィン組成物を調製し、ポリオレフィン組成物をプロセス溶剤に混合してポリオレフィン溶液を調製するが、これに限定されない。その代わりに、複数種の樹脂の少なくとも一部を、順に又は同時にプロセス溶剤に混合してポリオレフィン溶液を調製しても良い。第二のポリオレフィンは、例えば以下のポリオレフィンのうちの少なくとも一種の樹脂で良い:ポリプロピレン、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。第二のポリオレフィン系樹脂は、単独重合体、第二のポリオレフィンとその他のα-オレフィンとの共重合体、又はこれらの両方を含んで良い。
ポリオレフィン微多孔膜の製造に使用する材料の組成及び特性について述べたが、以下かかる膜の製造方法について詳細に説明する。これらに限定的されないが、第一の製造方法及び第二の製造方法の二つの製造方法について説明する。
一実施態様において、本発明は、ポリオレフィン微多孔膜を製造する第一の方法に関する。第一の方法は、(1) ポリオレフィン組成物及びプロセス溶剤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押出し成形体を形成し、押出し成形体を冷却して冷却押出し成形体を形成し、(3) 冷却押出し成形体を延伸して延伸シートを形成し、(4) 延伸シートから成膜用溶剤を除去して溶剤除去シートを形成し、任意で溶剤除去シートを乾燥し、(5) さらに溶剤除去シートを延伸して再延伸シートを形成し、再延伸シートを熱固定処理又は熱緩和処理する工程を有する。
上記のようなポリオレフィン系樹脂と、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)とを混合、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を混合することにより(さらに任意で、残りの樹脂及び/又は追加する樹脂を混合することにより)調製しても良い。
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、押出し成形体を形成する。例えばポリオレフィン溶液を押し出し、第一の押出機からダイに直接導けば良い。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)を用いても良い。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良い。第一の押出機からの生成物は、冷却し、ペレット化しても良い。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良い。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℃の範囲である。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/分の範囲である。
一実施態様において、冷却押出し成形体を少なくとも一軸方向に延伸し、延伸シートを形成する。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、冷却押出し成形体は、成膜用溶剤を含むと一層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)予め決めた倍率に冷却押出し成形体を延伸可能ないかなる方法でも良い。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)の少なくとも一種により行う。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、一方向、例えば機械(すなわち長手)方向又は横手方向への冷却押出し成形体の延伸に関わる。二軸延伸は、二方向、例えば機械方向(MD)及び横手方向(TD)の両方への冷却押出し成形体の延伸に関わる。ここで機械方向は、フィルム(この場合冷却押出し成形体)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、溶剤を除去したシートを形成するために、延伸シートからプロセス溶剤の少なくとも一部を除去(置換)する。プロセス溶剤を除去(洗浄又は置換)するために、第二の溶媒(置換用又は洗浄用溶媒ともよぶ)を用いても良い。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、延伸シート中に生成したポリオレフィン相は、プロセス溶剤相から分離されているので、プロセス溶剤を除去すると、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。
乾燥シートは、少なくとも一軸方向、すなわち少なくとも一側方にさらに延伸する(工程(3)の延伸と区別するために、再延伸又はドライ延伸とも呼ぶ)。延伸方法の選択は限定的ではなく、例えばテンタークリップを用いる機械延伸等の公知の延伸方法を用いることができる。
必須ではないが、ポリオレフィン微多孔膜を熱緩和処理しても良い。熱緩和処理は、シートに応力をかけずに加熱する点で、熱固定処理と異なる。熱緩和処理の方法は限定されず、公知の熱緩和処理方法を用いることができる。熱緩和処理は、例えばベルトコンベアを具備する加熱炉、又はエアフローティング方式加熱炉を用いて行うことができる。また熱固定処理後テンターを緩めて、そのまま熱緩和処理を施しても良い。
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良い。電子線の照射の場合、例えば約0.1〜100 Mradの電子線量で良く、例えば約100〜約300 kVの加速電圧で良い。架橋処理により、十分に上昇したメルトダウン温度を有するポリオレフィン微多孔膜を容易に製造することができる。
一実施態様において、ポリオレフィン微多孔膜に親水化処理を施してもよく、これによりポリオレフィン微多孔膜を一層親水化することができる。親水化処理は、例えばモノマーグラフト、界面活性剤処理、コロナ放電等の一種以上により行うことができる。モノマーグラフトを用いる場合、架橋処理後に行うことができる。
熱固定処理後の微多孔膜は、多孔質体で表面を被覆又はコートすることにより、電池用セパレータとして用いた場合のメルトダウン特性が向上する。例えば、ポリプロピレン多孔質体;ポリビニリデンフルオライド、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂多孔質体;ポリイミド、ポリフェニレンスルフィド等を用いることができる。コーティング材料のMwは限定的ではないが、例えば約5,000〜約500,000の範囲内で良い。コーティング材料の溶解性は限定的ではないが、25℃における100 gのトルエンに対して約0.5 g以上で良い。一実施態様において、コーティング材料はポリプロピレンである。このポリプロピレンは、ラセミダイアドの分率が、例えば約0.12〜約0.88であっても良い。ラセミダイアドは、連なった2つの単量体単位が互いに鏡像異性の関係にある構成単位である。表面被覆層は、例えば上記被覆層用の樹脂とその良溶媒とを含む溶液を微多孔膜に塗布し、良溶媒を除去して樹脂濃度を上げることにより、樹脂相と良溶媒相とに分離した構造とした後、良溶媒の残部を除去することにより形成できる。
本発明のポリオレフィン微多孔膜を製造する第二の方法は、第一の製造方法と同じ工程(1)〜(4)を有する。第二の方法は、延伸条件及び熱処理条件において第一の方法と異なっている。熱緩和処理の後、上記と同じ熱固定処理、架橋処理、親水化処理、表面被覆処理等のいずれかを、必要に応じて、任意の順で行っても良い。
(A) 膜の物性
一実施態様において、本発明は、ポリエチレンを含むポリオレフィン微多孔膜に関し、以下の物性、約20〜100 sec/100 cm3の範囲内の透気度、2,450 mN以上の突刺強度、及び12%以下の105℃での熱収縮率の全てを有する。この膜は比較的厚くて良く、例えば約23μm以上の厚さを有しても良い。
(1) 23μm以上の平均膜厚
一実施態様において、ポリオレフィン微多孔膜は、約23μm以上の平均膜厚を有する。一実施態様において、平均膜厚は約23〜約50μmの範囲内、又は約23〜約35μm
の範囲内である。平均膜厚は、例えば膜の機械方向に沿って5mmの間隔で接触厚さ計により膜厚を測定し、膜厚の測定値を平均することにより求めることができる。この厚さが23μm未満では、特にHEV用電池の内部短絡に対する十分な防止性を有するポリオレフィン微多孔膜の製造が困難である。微多孔膜の平均膜厚は、上記製造方法において主として押出し成形体の厚さ及び延伸倍率を適宜調整することにより制御することができる。
ポリオレフィン微多孔膜の空孔率が約50%未満では、特にHEV用電池において、十分な電解質輸送性を有する電池の製造が困難であることがある。一方約90%を超えると、HEV用電池のセパレータとして使用するために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であることがある。一般的にHEV用電池は、内部短絡を十分に防止するために比較的強いセパレータを必要とする。一実施態様において、膜の空孔率は約50〜約80%の範囲内である。
ポリオレフィン微多孔膜は、一般的に約20〜約100秒/100 cm3の範囲内の透気度(膜厚20μmに換算)を有する。透気度は、JIS P8117に準拠して、例えば王研式透気度計(旭精工株式会社製、EGO-1T)を用いて以下のようにして測定する。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に換算する。膜の透気度が約20〜約100秒/100 cm3であると、一般的に比較的大きな容量及び良好なサイクル特性を有するHEV用電池の製造が容易である。透気度が100秒/100 cm3超になると、十分な容量を有する電池の製造が困難となる恐れがある。一方透気度が20秒/100 cm3未満では、電池内部の温度上昇時に十分なシャットダウン特性を有する電池の製造が困難であることがある。
ポリオレフィン微多孔膜の突刺強度(膜厚20μmに換算)が2,450 mN未満では、内部短絡に対する十分な防止性を有するHEV用電池の製造が困難である。一実施態様において、ポリオレフィン微多孔膜の突刺強度は約2,750 mN以上である。突刺強度の値は、膜厚20μmに換算されている。その測定方法は以下の通りである。先端が球面(曲率半径R:0.5 mm)の直径1mmの針で、膜厚T1の膜を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。
ASTM D882により測定したポリオレフィン微多孔膜の引張破断強度が長手方向及び横手方向のいずれにおいても約49,000 kPa以上であると、HEV用電池の製造時及び使用時に破膜の心配がない。引張破断強度は、例えば幅10 mmの短冊状試験片を用いてASTM D882により測定することができる。
ポリオレフィン微多孔膜の熱収縮率(膜を約105℃に8時間保持した後)が、長手方向及び横手方向ともに約12%を超えると、特にセパレータの端部近傍において、内部短絡に対する十分な防止性を有する電池の製造が困難であることがある。一実施態様において、特に膜をHEV用電池のセパレータとして用いる場合、熱収縮率は長手方向及び横手方向ともに約10%以下である。熱収縮率は、例えば膜を105℃に8時間保持したときの長手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ることができる。
図2から明らかなように、荷重下でポリオレフィン微多孔膜を昇温させると、微多孔膜は収縮し続け、温度Tで寸法変化率(収縮率)が最大となる。温度Tを超えると、微多孔膜は急激に伸びる。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、これはこれらの条件下で膜の全部又は一部が溶融状態になることによると考えられる。温度Tにおける(溶融直前の)最大収縮率は耐溶融収縮性の指標となる。
一実施態様において、ポリオレフィン微多孔膜は、(a) 超高分子量ポリエチレン及び/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を含む。
このように、本発明のポリオレフィン微多孔膜は、分厚くて良く、かつ適切な透過性、突刺強度及び耐熱収縮性を有するので、電池用セパレータ、特にHEV用電池のセパレータとして使用することができる。
一実施態様において、ポリオレフィン微多孔膜は、リチウムイオン二次電池、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の電池用のセパレータとして用いることができ、特にリチウムイオン二次電池用セパレータとして用いることができる。簡略化のために、以下リチウムイオン二次電池について説明するが、本発明はこれに限定されない。
実施例1
重量平均分子量(Mw)が2.5×106の超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)18質量%と、Mwが2.8×105の高密度ポリエチレン(HDPE)82質量%とからなるポリエチレン(PE)組成物99.625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0.375質量部をドライブレンドした。PE組成物について、180℃で溶融粘弾性測定装置(型番:RheoStress-300、Haake社製)により測定した貯蔵弾性率(G')及び損失弾性率(G'')が一致する角周波数ω0は0.114 rad/secであった。また同PE組成物の融点は135℃であり、結晶分散温度Tcd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 質量%(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
・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。
延伸温度を119.5℃とし、再延伸条件を122.5℃で横手方向に1.6倍とし、次いで再延伸前を基準として横手方向の長さが1.4倍に122.5℃で熱緩和処理した以外実施例1と同様にして、平均膜厚24.7μmのポリエチレン微多孔膜を作製した。
配合割合がUHMWPE30質量%及びHDPE70質量%のPE組成物を調製した。このPE組成物は0.0343 rad/secのω0、135℃の融点、及び100℃の結晶分散温度Tcdを有していた。同組成物を用い、ポリエチレン溶液の濃度を23質量%とし、再延伸条件を123℃で横手方向に1.6倍とし、次いで再延伸前を基準として横手方向の長さが1.4倍に123℃で熱緩和処理した以外実施例1と同様にして、平均膜厚25.6μmのポリエチレン微多孔膜を作製した。
延伸温度を119.7℃とし、再延伸条件を126.3℃で横手方向に1.45倍とし、熱固定処理温度を126.3℃とした以外実施例1と同様にして、平均膜厚25.0μmのポリエチレン微多孔膜を作製した。
延伸温度を118℃とし、再延伸条件を124.5℃で横手方向に1.45倍とし、熱固定処理温度を124.5℃とした以外実施例1と同様にして、平均膜厚25.0μmのポリエチレン微多孔膜を作製した。
Mwが2.5×106のUHMWPE 18質量%と、Mwが2.5×105のHDPE 82質量%とからなるPE組成物を調製した。このPE組成物は0.0038 rad/secのω0、135℃の融点、及び90℃の結晶分散温度Tcdを有していた。同組成物を用い、ゲル状シートの厚さを1.7 mmとし、延伸温度を119.7℃とし、再延伸及び熱固定処理の温度を110℃とした以外実施例1と同様にして、平均膜厚30.0μmのポリエチレン微多孔膜を作製した。
ゲル状シートの厚さを1.8 mmとし、延伸温度を119.7℃とし、再延伸及び熱固定処理の温度を125℃とした以外実施例1と同様にして、平均膜厚26.0μmのポリエチレン微多孔膜を作製した。
延伸温度を118℃とし、再延伸温度及び熱固定処理温度を127.5℃とした以外実施例1と同様にして、平均膜厚25.4μmのポリエチレン微多孔膜を作製した。
延伸温度を115.5℃とし、再延伸及び熱固定処理の温度を128℃とした以外実施例1と同様にして、平均膜厚23.8μmのポリエチレン微多孔膜を作製した。
延伸温度を119.2℃とし、再延伸及び熱固定処理の温度を128℃とした以外実施例1と同様にして、平均膜厚24.1μmのポリエチレン微多孔膜を作製した。
延伸温度を117℃とし、再延伸条件を124.5℃で横手方向に1.45倍とし、熱固定処理温度を124.5℃とした以外実施例1と同様にして、平均膜厚25.0μmのポリエチレン微多孔膜を作製した。
延伸温度を118℃とし、再延伸条件を124.5℃で横手方向に1.25倍とし、熱固定処理温度を124.5℃とした以外実施例1と同様にして、平均膜厚25.0μmのポリエチレン微多孔膜を作製した。
延伸温度を118℃とし、再延伸条件を124.5℃で横手方向に1.6倍とし、熱固定処理温度を124.5℃とした以外実施例1と同様にして、平均膜厚25.0μmのポリエチレン微多孔膜を作製した。
透気度は王研式透気度計(旭精工株式会社製、EGO-1T)により測定した。JIS P8117に準拠して測定した透気度を、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。
公知の方法(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、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。
幅10 mmの短冊状試験片を用いてASTM D882により測定した。
微多孔膜を105℃に8時間保持したときの長手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。
微多孔膜の横手方向が長手方向となるように切り出した3mm×50 mmの短冊状サンプルを、熱機械的分析装置(セイコーインスツルメンツ株式会社製、TMA/SS6000)に、チャック間距離を10 mmとしてセットした。サンプルの下端に2gfの荷重をかけながら5℃/minの速度で昇温し、寸法変化を測定した。23℃における寸法に対する寸法変化率を算出し、図2に示す温度−寸法変化率曲線を得た。135〜145℃の温度範囲における寸法変化率(収縮率)の最大値Pを溶融直前の最大収縮率とした。
(2) 溶融粘弾性測定により得られた貯蔵弾性率(G')及び損失弾性率(G'')が一致した角周波数。測定温度:180℃。
(3) MDは長手方向を表す。
(4) TDは横手方向を表す。
(5) L2は微多孔膜の熱緩和処理後の延伸方向の長さを表す。
(6) L1は微多孔膜の再延伸前の延伸方向の長さを表す。
[1] (1) 成膜用溶剤、及び0.01 rad/sec以上の粘弾性角周波数ω0(溶融粘弾性測定により得られる貯蔵弾性率G'及び損失弾性率G''が一致する角周波数)を有するポリエチレン系樹脂を混合してポリオレフィン溶液を調製し、
(2) 前記ポリオレフィン溶液を押し出して押出し成形体を形成し、前記押出し成形体を前記押出し成形体のゲル化温度以下まで冷却して冷却押出し成形体を形成し、
(3) 前記冷却押出し成形体を、約118℃以上の温度で延伸して延伸シートを形成し、
(4) 前記延伸シートから少なくとも一部の前記成膜用溶剤を除去して溶剤除去シートを形成し、
(5) (a) 延伸方向における初期長さL1から、延伸方向における最終的な長さL2まで、1.3L1≦L2≦1.5L1を満たすように、約127℃以下の膜温度でシートの少なくとも一側方にさらに前記溶剤除去シートを延伸し、再延伸シートを127℃以下で熱固定処理するか、
(b) 延伸方向における初期長さL1から、延伸方向における第二の長さL2まで、1.31L1≦L2≦2L1を満たすように、約127℃以下の膜温度でシートの少なくとも一側方にさらに前記溶剤除去シートを延伸し、1.3L1≦L3≦1.5L1(L3は熱緩和処理後の再延伸シートの延伸方向における長さを表す)を満たす条件で熱緩和処理するポリオレフィン微多孔膜の製造方法。
[2] [1]に記載の方法において、さらに工程(4)と(5)の間に、前記溶剤除去シート中の少なくとも一部の揮発性の種を除去する工程を有する方法。
[3] [1]又は[2]に記載の方法において、さらに以下の工程:(6) 前記ポリオレフィン膜を熱緩和処理する工程、(7) 前記ポリオレフィン膜を架橋する工程、(8) 前記ポリオレフィン膜を親水化処理する工程、及び(9) 前記ポリオレフィン膜を多孔性物質でコーティングする工程のうちの少なくとも一つを任意の順で行う方法。
[4] [1]〜[3]のいずれかに記載の方法において、前記成膜用溶剤が、脂肪族、環式脂肪族又は芳香族の炭化水素、鉱油留分及びフタル酸エステルのうちの一種以上である方法。
[5] [1]〜[4]のいずれかに記載の方法において、前記第一の溶剤が、25℃の温度で約30〜約500 cStの粘度を有する流動パラフィンである方法。
[6] [1]〜[5]のいずれかに記載の方法において、(a) 前記ポリエチレン系樹脂と前記成膜用溶剤の混合を、ほぼ前記ポリエチレン系樹脂の融点から、前記ポリエチレン系樹脂の融点より約80℃高い温度の範囲で、二軸押出機中で溶融混練することにより行い、
(b) 前記ポリオレフィン溶液中の前記ポリオレフィンの量を、前記ポリオレフィン溶液の質量基準で、約1〜約75質量%の範囲とし、
(c) 長方形の口金を有し、約0.1〜約5mmの範囲のギャップを有する少なくとも一つのシート用ダイに、前記ポリオレフィン溶液を導き、押出しの間前記ポリオレフィン溶液を約140℃〜約250℃の温度に保持し、前記ポリオレフィン溶液の押出し速度を約0.2 m/分〜約15 m/分の範囲とし、
(d) 前記冷却工程(2)を50℃/分以上の冷却速度で行い、
(e) 前記延伸工程(3)を、前記冷却押出し成形体の第一及び第二の側方の少なくとも一方において約9〜約400倍の範囲の延伸倍率で行い、
(f) 塩素化炭化水素、エーテル、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である揮発性溶媒のうちの一種以上を含む洗浄溶媒により、前記延伸シートから前記成膜用溶剤を除去する方法。
[7] [1]〜[6]のいずれかに記載の方法において、前記ポリエチレン系樹脂が、(i) 約1×106以上のMwを有するポリエチレン、(ii) 1×106未満のMwを有するポリエチレン、又は(i)及び(ii)の両方を含む方法。
[8] [1]〜[7]のいずれかに記載の方法において、前記ポリオレフィン溶液が、ポリプロピレン、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のポリエチレン系樹脂以外のポリオレフィンをさらに含む方法。
[9] [1]〜[8]のいずれかに記載の方法において、前記ポリエチレン系樹脂が、超高分子量ポリエチレン及び高密度ポリエチレンを含み、前記ポリオレフィン溶液が、さらに約1×104〜約4×106の範囲のMwを有するポリプロピレンを含む方法。
[10] [1]〜[9]のいずれかに記載の方法により製造されたポリオレフィン微多孔膜。
[11] (a) 透気度が20〜100 sec/100 cm3の範囲であり、(b) 突刺強度が2,450 mN以上であり、(c) 105℃での熱収縮率が12%以下であるポリオレフィン微多孔膜。
[12] [11]に記載の膜において、膜厚が約23μm以上である膜。
[13] [12]に記載の膜において、0.01 rad/sec以上の粘弾性角周波数ω0(溶融粘弾性測定により得られる貯蔵弾性率G'及び損失弾性率G''が一致する角周波数)を有するポリエチレンを含む膜。
[14] [11]〜[13]のいずれかに記載の膜において、前記ポリエチレンが、(i) 約1×106以上のMwを有するポリエチレン、(ii) 1×106未満のMwを有するポリエチレン、又は(i)及び(ii)の両方を含む膜。
[15] [14]に記載の膜において、前記約1×106以上のMwを有するポリエチレンがエチレンホモポリマーである膜。
[16] [14]に記載の膜において、前記1×106未満のMwを有するポリエチレンが、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である膜。
[17] [16]に記載の膜において、前記1×106未満のMwを有するポリエチレンが、約1×105〜約5×105の範囲のMwを有する高密度ポリエチレンである膜。
[18] [14]に記載の膜において、ポリプロピレン、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の第二のポリオレフィンをさらに含む膜。
[19] [18]に記載の膜において、前記ポリエチレンが超高分子量ポリエチレン及び高密度ポリエチレンであり、前記第二のポリオレフィンがポリプロピレンである膜。
[20] [10]〜[19]のいずれかに記載の膜からなる電池用セパレータ。
[21] 電解液、負極、正極並びに前記負極及び前記正極の間に配置されたセパレータを有し、前記セパレータが、0.01 rad/sec以上の粘弾性角周波数ω0(溶融粘弾性測定により得られる貯蔵弾性率G'及び損失弾性率G''が一致する角周波数)を有するポリエチレンを含み、(a) 12%以下の105℃での熱収縮率、(b) 約20〜100 sec/100 cm3の範囲の透気度(前記セパレータを電池に入れる前に測定)、(c) 2,450 mN以上の突刺強度、及び(d) 約23μm以上の膜厚を有する電池。
[22] [21]に記載の電池において、前記電池が、リチウムイオン二次電池、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、又は銀−亜鉛二次電池である電池。
[23] [21]又は[22]に記載の電池において、前記正極が、集電体と、その上に設けられたリチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質層とを有する電池。
[24] [21]〜[23]のいずれかに記載の電池において、前記電解液が、有機溶媒に溶解したリチウム塩を含む電池。
[25] (1) 成膜用溶剤、及び0.01 rad/sec以上の粘弾性角周波数ω0(溶融粘弾性測定により得られる貯蔵弾性率G'及び損失弾性率G''が一致する角周波数)を有するポリエチレン系樹脂を混合してポリオレフィン溶液を調製し、
(2) 前記ポリオレフィン溶液を押し出して押出し成形体を形成し、前記押出し成形体を前記押出し成形体のゲル化温度以下まで冷却して冷却押出し成形体を形成し、
(3) 前記冷却押出し成形体を、約118℃以上の温度で延伸して延伸シートを形成し、
(4) 前記延伸シートから少なくとも一部の前記成膜用溶剤を除去して溶剤除去シートを形成し、
(5) (a) 延伸方向における初期長さL1から、延伸方向における最終的な長さL2まで、1.3L1≦L2≦1.5L1を満たすように、約127℃以下の膜温度でシートの少なくとも一側方にさらに前記溶剤除去シートを延伸し、再延伸シートを127℃以下で熱固定処理するか、
(b) 延伸方向における初期長さL1から、延伸方向における第二の長さL2まで、1.31L1≦L2≦2L1を満たすように、約127℃以下の膜温度でシートの少なくとも一側方にさらに前記溶剤除去シートを延伸し、1.3L1≦L3≦1.5L1(L3は熱緩和処理後の再延伸シートの延伸方向における長さを表す)を満たす条件で熱緩和処理し、
(6) 前記セパレータの第一の表面の近傍に負極を配置し、前記セパレータの第二の表面の近傍に正極を配置し、リチウムイオンを含む電解液を前記セパレータに含浸させる電池の製造方法。
[26] [25]に記載の方法において、前記電池が二次電池である方法。
[27] [25]又は[26]に記載の方法において、前記セパレータが、(a) 12%以下の105℃での熱収縮率、(b) 約20〜100 sec/100 cm3の範囲の透気度(工程(6)の前に測定)、(c) 2,450 mN以上の突刺強度、及び(d) 約23μm以上の膜厚を有する方法。
[28] [25]〜[27]のいずれかに記載の方法において、さらに前記電池を、充電用のソース又はシンクとして用いる方法。
Claims (28)
- (1) 成膜用溶剤、及び0.01 rad/sec以上の粘弾性角周波数ω0を有するポリエチレン系樹脂を混合してポリオレフィン溶液を調製し、
(2) 前記ポリオレフィン溶液を押し出して押出し成形体を形成し、前記押出し成形体を前記押出し成形体のゲル化温度以下まで冷却して冷却押出し成形体を形成し、
(3) 前記冷却押出し成形体を、118℃以上の温度で延伸して延伸シートを形成し、
(4) 前記延伸シートから少なくとも一部の前記成膜用溶剤を除去して溶剤除去シートを形成し、
(5) (a) 延伸方向における初期長さL1から、延伸方向における最終的な長さL2まで、1.3L1≦L2≦1.5L1を満たすように、127℃以下の膜温度でシートの少なくとも一側方にさらに前記溶剤除去シートを延伸し、再延伸シートを127℃以下で熱固定処理するか、
(b) 延伸方向における初期長さL1から、延伸方向における第二の長さL2まで、1.31L1≦L2≦2L1を満たすように、127℃以下の膜温度でシートの少なくとも一側方にさらに前記溶剤除去シートを延伸し、1.3L1≦L3≦1.5L1(L3は熱緩和処理後の再延伸シートの延伸方向における長さを表す)を満たす条件で熱緩和処理する
ことを特徴とするポリオレフィン微多孔膜の製造方法。 - 請求項1に記載の方法において、さらに工程(4)と(5)の間に、前記溶剤除去シート中の少なくとも一部の揮発性の種を除去する工程を有することを特徴とする方法。
- 請求項1又は2に記載の方法において、さらに以下の工程:(6) 前記ポリオレフィン膜を熱緩和処理する工程、(7) 前記ポリオレフィン膜を架橋する工程、(8) 前記ポリオレフィン膜を親水化処理する工程、及び(9) 前記ポリオレフィン膜を多孔性物質でコーティングする工程のうちの少なくとも一つを任意の順で行うことを特徴とする方法。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の方法において、前記成膜用溶剤が、脂肪族、環式脂肪族又は芳香族の炭化水素、鉱油留分及びフタル酸エステルのうちの一種以上であることを特徴とする方法。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の方法において、前記成膜用溶剤が、25℃の温度で30〜500 cStの粘度を有する流動パラフィンであることを特徴とする方法。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の方法において、(a) 前記ポリエチレン系樹脂と前記成膜用溶剤の混合を、前記ポリエチレン系樹脂の融点から、前記ポリエチレン系樹脂の融点より80℃高い温度の範囲で、二軸押出機中で溶融混練することにより行い、
(b) 前記ポリオレフィン溶液中の前記ポリオレフィンの量を、前記ポリオレフィン溶液の質量基準で、1〜75質量%の範囲とし、
(c) 長方形の口金を有し、0.1〜5mmの範囲のギャップを有する少なくとも一つのシート用ダイに、前記ポリオレフィン溶液を導き、押出しの間前記ポリオレフィン溶液を140℃から250℃の温度に保持し、前記ポリオレフィン溶液の押出し速度を0.2 m/分から15 m/分の範囲とし、
(d) 前記冷却工程(2)を50℃/分以上の冷却速度で行い、
(e) 前記延伸工程(3)を、前記冷却押出し成形体の第一及び第二の側方の少なくとも一方ににおいて9〜400倍の範囲の延伸倍率で行い、
(f) 塩素化炭化水素、エーテル、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である揮発性溶媒のうちの一種以上を含む洗浄溶媒により、前記延伸シートから前記成膜用溶剤を除去する
ことを特徴とする方法。 - 請求項1〜6のいずれかに記載の方法において、前記ポリエチレン系樹脂が、(i) 1×106以上のMwを有するポリエチレン、(ii) 1×106未満のMwを有するポリエチレン、又は(i)及び(ii)の両方を含むことを特徴とする方法。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の方法において、前記ポリオレフィン溶液が、ポリプロピレン、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のポリエチレン系樹脂以外のポリオレフィンをさらに含むことを特徴とする方法。
- 請求項1〜8のいずれかに記載の方法において、前記ポリエチレン系樹脂が、超高分子量ポリエチレン及び高密度ポリエチレンを含み、前記ポリオレフィン溶液が、さらに1×104〜4×106の範囲のMwを有するポリプロピレンを含むことを特徴とする方法。
- 請求項1〜9のいずれかに記載の方法により製造されたことを特徴とするポリオレフィン微多孔膜。
- (a) 透気度が20〜100 sec/100 cm3の範囲であり、(b) 突刺強度が2,450 mN以上であり、(c) 105℃での熱収縮率が12%以下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11に記載の膜において、膜厚が23μm以上であることを特徴とする膜。
- 請求項12に記載の膜において、0.01 rad/sec以上の粘弾性角周波数 ω0を有するポリエチレンを含むことを特徴とする膜。
- 請求項11〜13のいずれかに記載の膜において、前記ポリエチレンが、(i) 1×106以上のMwを有するポリエチレン、(ii) 1×106未満のMwを有するポリエチレン、又は(i)及び(ii)の両方を含むことを特徴とする膜。
- 請求項14に記載の膜において、前記1×106以上のMwを有するポリエチレンがエチレンホモポリマーであることを特徴とする膜。
- 請求項14に記載の膜において、前記1×106未満のMwを有するポリエチレンが、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であることを特徴とする膜。
- 請求項16に記載の膜において、前記1×106未満のMwを有するポリエチレンが、1×105〜5×105の範囲のMwを有する高密度ポリエチレンであることを特徴とする膜。
- 請求項14に記載の膜において、ポリプロピレン、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の第二のポリオレフィンをさらに含むことを特徴とする膜。
- 請求項18に記載の膜において、前記ポリエチレンが超高分子量ポリエチレン及び高密度ポリエチレンであり、前記第二のポリオレフィンがポリプロピレンであることを特徴とする膜。
- 請求項10〜19のいずれかに記載の膜からなることを特徴とする電池用セパレータ。
- 電解液、負極、正極並びに前記負極及び前記正極の間に配置されたセパレータを有し、前記セパレータが、0.01 rad/sec以上の粘弾性角周波数ω0を有するポリエチレンを含み、(a) 12%以下の105℃での熱収縮率、(b) 20〜100 sec/100 cm3の範囲の透気度(前記セパレータを電池に入れる前に測定)、(c) 2,450 mN以上の突刺強度、及び(d) 23μm以上の膜厚を有することを特徴とする電池。
- 請求項21に記載の電池において、前記電池が、リチウムイオン二次電池、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、又は銀−亜鉛二次電池であることを特徴とする電池。
- 請求項21又は22に記載の電池において、前記正極が、集電体と、その上に設けられたリチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質層とを有することを特徴とする電池。
- 請求項21〜23のいずれかに記載の電池において、前記電解液が、有機溶媒に溶解したリチウム塩を含むことを特徴とする電池。
- (1) 成膜用溶剤、及び0.01 rad/sec以上の粘弾性角周波数ω0を有するポリエチレン系樹脂を混合してポリオレフィン溶液を調製し、
(2) 前記ポリオレフィン溶液を押し出して押出し成形体を形成し、前記押出し成形体を前記押出し成形体のゲル化温度以下まで冷却して冷却押出し成形体を形成し、
(3) 前記冷却押出し成形体を、118℃以上の温度で延伸して延伸シートを形成し、
(4) 前記延伸シートから少なくとも一部の前記成膜用溶剤を除去して溶剤除去シートを形成し、
(5) (a) 延伸方向における初期長さL1から、延伸方向における最終的な長さL2まで、1.3L1≦L2≦1.5L1を満たすように、127℃以下の膜温度でシートの少なくとも一側方にさらに前記溶剤除去シートを延伸し、再延伸シートを127℃以下で熱固定処理するか、
(b) 延伸方向における初期長さL1から、延伸方向における第二の長さL2まで、1.31L1≦L2≦2L1を満たすように、127℃以下の膜温度でシートの少なくとも一側方にさらに前記溶剤除去シートを延伸し、1.3L1≦L3≦1.5L1(L3は熱緩和処理後の再延伸シートの延伸方向における長さを表す)を満たす条件で熱緩和処理し、
(6) 前記セパレータの第一の表面の近傍に負極を配置し、前記セパレータの第二の表面の近傍に正極を配置し、リチウムイオンを含む電解液を前記セパレータに含浸させる
ことを特徴とする電池の製造方法。 - 請求項25に記載の方法において、前記電池が二次電池であることを特徴とする方法。
- 請求項25又は26に記載の方法において、前記セパレータが、(a) 12%以下の105℃での熱収縮率、(b) 20〜100 sec/100 cm3の範囲の透気度(工程(6)の前に測定)、(c) 2,450 mN以上の突刺強度、及び(d) 23μm以上の膜厚を有することを特徴とする方法。
- 請求項25〜27のいずれかに記載の方法において、さらに前記電池を、充電用のソース又はシンクとして用いることを特徴とする方法。
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