JP2011116934A - ポリオレフィン微多孔膜 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ポリオレフィン樹脂と無機粒子とを含む微多孔膜であって、ポリオレフィン樹脂が高密度ポリエチレンを含み、無機粒子が酸化亜鉛を主成分として含み、無機粒子が、前記ポリオレフィン樹脂と前記無機粒子の総量中に占める割合が15質量%以上85質量%以下であることを特徴とするポリオレフィン微多孔膜。
【選択図】図1
Description
[1]ポリオレフィン樹脂と無機粒子とを含む微多孔膜であって、前記ポリオレフィン樹脂は高密度ポリエチレンを含み、前記無機粒子は酸化亜鉛を主成分として含み、前記ポリオレフィン樹脂と前記無機粒子の総量中に占める前記無機粒子の割合が15質量%以上85質量%以下であるポリオレフィン微多孔膜。
[2]前記無機粒子は、そのかさ比容が250mL/100g以上1200mL/100g以下である、[1]に記載のポリオレフィン微多孔膜。
[3]前記ポリオレフィン樹脂は、粘度平均分子量が40万以上500万以下であるポリエチレンを含む、[1]又は[2]に記載のポリオレフィン微多孔膜。
[4][1]〜[3]のいずれか一項に記載のポリオレフィン微多孔膜の製造方法であって、ポリオレフィン樹脂と、無機粒子と、可塑剤と、を含む混合物を溶融混練して混練物を得る工程と、前記混練物をシート状に成形して成形体を得る工程と、前記成形体又はその加工物から可塑剤を抽出して微多孔膜を得る工程とを有し、前記可塑剤は、SP値が7.5以上8.5未満である可塑剤(I)と、SP値が8.5以上9.9未満である可塑剤(II)とを含む混合可塑剤である製造方法。
[5]前記混合可塑剤に占める前記可塑剤(I)の割合は、15〜85質量%である、[4]に記載の製造方法。
[6]前記混合物において、前記ポリオレフィン樹脂と前記無機粒子と前記可塑剤との総量中に占める前記無機粒子の割合が5質量%以上45質量%以下である、[4]又は[5]に記載の製造方法。
[7][1]〜[3]のいずれか一項に記載のポリオレフィン微多孔膜又は[4]〜[6]のいずれか一項に記載の製造方法により得られるポリオレフィン微多孔膜を含む蓄電デバイス用セパレータ。
[8][7]に記載の蓄電デバイス用セパレータと、正極と、負極と、電解液とを含む蓄電デバイス。
ここで「かさ比容」とは、JIS K 5101に基づいて求められる値を言う。
(1)ポリオレフィン樹脂と、無機粒子と、可塑剤とを含む混合物を溶融混練して混練物を得る混練工程、
(2)上記混練工程の後、上記混練物をシート状に成形してシート状成形体を得る成形工程、
(3)上記成形工程の後、上記シート状成形体を好ましくは20倍以上200倍以下の面倍率で延伸し、上記シート状成形体の加工物である延伸物を形成する延伸工程、
(4)上記延伸工程の後、上記延伸物から可塑剤を抽出して多孔体を形成する多孔体形成工程、
(5)上記多孔体形成工程の後、上記多孔体に対し、上記ポリオレフィン樹脂の融点以上、(ポリオレフィン樹脂の融点+40℃)以下の温度条件で熱処理を行う熱処理工程。
(a)ポリオレフィン樹脂と無機粒子とを押出機、ニーダー等の樹脂混練装置に投入し、樹脂を加熱溶融してそれらを混練しながら更に可塑剤を導入し混練する方法。
(b)予めポリオレフィン樹脂と無機粒子と可塑剤とを、ヘンシェルミキサー等を用い所定の割合で予備的に混練する工程を経て、それらの混練物を押出機に投入し、樹脂を加熱溶融させながら更に可塑剤を導入し混練する方法。
0.2≦(可塑剤質量/無機粒子質量)≦1.2 (A)
なお、上記透気度は、上記(5)の熱処理工程の温度、倍率を調整する方法等により調節可能である。
無機粒子のかさ比容は、JIS K・5101に従って求めた。
走査型電子顕微鏡又は透過型電子顕微鏡により、目視で粒子を観察して、任意に抽出した50個の一次粒子の粒子径の平均を平均一次粒子径とした。
なお、粒子径は、二軸平均径、すなわち、短径と長径の平均値とした。ここで、短径、長径とは、それぞれ、粒子に外接する面積が最小となる外接長方形の短辺、長辺である。
ポリエチレンの粘度平均分子量は、溶剤としてデカリンを用い、測定温度135℃で測定し、粘度[η]から次式により算出した。
[η]=6.77×10−4Mv0.67(Chiangの式)
また、ポリプロピレンについては、次式によりMvを算出した。
[η]=1.10×10−4Mv0.80
東洋精機製の微小測厚器、KBM(商標)を用いて室温23℃で微多孔膜の膜厚を測定した。
10cm×10cm角の試料を微多孔膜から切り取り、その体積(cm3)と質量(g)を求め、それらと膜密度(g/cm3)より、次式を用いて計算した。
気孔率(%)=(体積−質量/混合組成物の密度)/体積×100
なお、膜密度(混合組成物の密度)は、用いたポリオレフィン樹脂及び無機粒子の各々の密度並びに混合比より計算で求められる値を用いた。
JIS P−8117に準拠し、東洋精器(株)製のガーレー式透気度計、G−B2(商標)により、微多孔膜の透気度を測定した。
カトーテック製のハンディー圧縮試験器KES−G5(商標)を用いて、開口部の直径11.3mmの試料ホルダーで微多孔膜を固定した。次に固定された微多孔膜の中央部を、針先端の曲率半径0.5mm、突刺速度2mm/secで、25℃雰囲気下にて突刺試験を行うことにより、最大突刺荷重として生の突刺強度(N)を得た。
微多孔膜(一方の主面の面積:0.1m2)を100cm3の内装ポリエチレンのアルミニウム製袋状容器に入れ、後述の非水電解液2〜6mLをその容器に注入し、微多孔膜に電解液を浸透させた。その後、可能な限り容器内の空気を除いてヒートシーラーで容器の入り口をシールして密閉した。その容器を80℃オーブンに4時間静置後取り出して、室温まで自然冷却した。
次に、冷却後の容器にガラス板を載置して、容器の膨れの有無(ガス発生の有無)を評価した。微量でもガスが発生した場合、オーブン内で加熱された容器が室温に冷却された際に容器の表面にシワとなって現れるので、この場合を「あり」と評価し、シワの発生が認められない場合を「なし」と評価した。
安藤電気製LCRメーターAG−43と断面を図1に示したセルとを用いて1kHzの交流にて、セル全体の抵抗値を測定し、次式により微多孔膜の電気抵抗を算出した。なお、図1に示したセルは微多孔膜が存在するセルであり、そのセルから微多孔膜を除去した以外は同様の構成を有するセルが、微多孔膜が存在しないセルである。
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、セルにおける電解液として、プロピレンカーボネートとジメトキシエタンとの混合溶液(50/50容量%)中に過塩素酸リチウム1mol/リットルを溶解したものを用い、電極として、極板面積:0.785cm2の一対の白金黒電極を極間距離が3mmになるよう配置したものを用いた。
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て非水電解液を調製した。
b.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)3.2質量%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両面にダイコーターで塗付し、130℃で3分間乾燥した後、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になるようにした。これを電池幅に合わせて切断して帯状にして正極を得た。
c.負極の作製
活物質として人造グラファイト96.9質量%、バインダーとしてカルボキシメチルセルロースのアンモニウム塩1.4質量%とスチレン−ブタジエン共重合体ラテックス1.7質量%を精製水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の銅箔の両面にダイコーターで塗付し、120℃で3分間乾燥した後、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106g/m2,活物質嵩密度は1.35g/cm3になるようにした。これを電池幅に合わせて切断して帯状にして負極を得た。
d.電池組立
幅約42mmに切断した帯状ポリオレフィン微多孔膜(セパレータ)と帯状正極及び帯状負極を、帯状負極、セパレータ、帯状正極、セパレータの順に重ねて渦巻状に複数回捲回した後、平板状にプレスを行うことによって電極板積層体を作製した。その電極板積層体を蓋を備えるアルミニウム製容器に収納し、正極集電体から導出したアルミニウム製リードを容器壁に、負極集電体から導出したニッケル製リードを上記容器の蓋にある端子部にそれぞれ接続した。さらにこの容器内に上述の非水電解液を注入し封口して電池を得た。
e.高レート特性
各セルにおける6.0mA(1C)放電時の放電容量を100%とし、18.0mA(3C)放電時の放電容量を高レート特性として評価した(下記式参照)。充放電は充放電装置(型式HJ−201BS、北斗電工社製)を用いて以下の順序で実施した。すなわち、(CH1)6.0mA充電、(DC1)6.0mA放電、(CH2)6.0mA充電、(DC2)6.0mA放電、(CH3)6.0mA充電、(DC3)18.0mA放電、(CH4)6.0mA充電、(DC4)6.0mA放電の順序で実施した。
指定値の電流値で電池電圧4.2Vまで充電し、その電圧に到達後4.2Vを保持するようにして電流値を指定値から絞り始めるという方法で、合計3時間充電した。また、指定値の電流値で電池電圧3.0Vまで放電した。各セルにおける3C放電時の放電容量を比較した。
高レート特性(%)=(DC3)放電容量/(DC2)放電容量×100
f.高温保存維持率
各セルにおける6.0mA(1C)放電時の放電容量を100%とし、満充電したセルを60℃45日保存後に取り出して測定した6.0mA(1C)放電時の放電容量を比較した。充放電は充放電装置(型式HJ−201BS、北斗電工社製)を用いて実施した。
初回放電容量に対する60℃45日間保存した後の容量の割合(%)を高温保存維持率(高温保存特性の指標)として表した(下記式参照)。
高温保存維持率(%)=(60℃45日後の放電容量/初期放電容量)×100
MU2608P(商標):Mv15万の線状低密度ポリエチレン、三菱化学(株)製
UH650M1(商標):Mv100万の超高分子量ポリエチレン、旭化成ケミカルズ(株)製
UH850(商標):Mv200万の超高分子量ポリエチレン、旭化成ケミカルズ(株)製
UH950(商標):Mv450万の超高分子量ポリエチレン、旭化成ケミカルズ(株)製
SH800(商標):Mv27万の高密度ポリエチレン、旭化成ケミカルズ(株)製
H−100M(商標):Mv40万のポリプロピレン、(株)プライムポリマー製
LP:流動パラフィン(スモイルP−350P(商標)、松村石油研究所製)
DOP:フタル酸ジ−2−エチルヘキシル(DOP(商標)、チッソ社製)
表2に示す配合量のポリオレフィン、無機粒子、及び可塑剤、並びに酸化防止剤としてペンタエリスリチル−テトラキス−[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]を0.2質量部、滑剤としてステアリン酸カルシウムを0.3質量部の割合で含む混合物を、ヘンシェルミキサーにて予備的に混合(予備混練)した。得られた予備混合物(予備混練物)をフィーダーにより二軸同方向スクリュー式押出機のフィード口に供給して溶融混練した。合わせて、溶融混練し押し出される全混練物(100質量部)中に占める流動パラフィン量の割合が68質量部となるように、流動パラフィンを二軸押出機シリンダーにサイドフィードした。溶融混練条件を、設定温度180℃、スクリュー回転数100rpm、吐出量16kg/時間に設定して、予備混合物を溶融混練し、溶融混練物を得た。続いて、得られた溶融混練物をTダイを経て表面温度40℃に制御された冷却ロール間に押し出し、厚み1500μmのシート状のポリオレフィン組成物を得た。次に、連続して同時二軸テンターへ導き、縦方向に7倍、横方向に6.1倍に同時二軸延伸を行った。この時、同時二軸テンターの設定温度は122℃であった。得られた延伸シートを、塩化メチレン槽に導き、十分に塩化メチレンに浸漬して流動パラフィンを抽出除去した。その後、室温で乾燥して塩化メチレンを除去した。さらに横テンターに導き横方向に1.7倍延伸した後、最終出口で1.5倍となるように13%緩和して(熱緩和)、巻取りを行って微多孔膜を得た。横方向への延伸時の設定温度は125℃、熱緩和時の設定温度は130℃であった。原料、製造条件及び膜特性を表2に示す。
なお、得られた微多孔膜は膜厚が安定しており、1000m巻きが可能であった。
表2に示す条件以外は実施例1と同様にして微多孔膜を得た。原料、製造条件及び膜特性を表2に示す。
表2に示す条件以外は実施例1と同様にして微多孔膜を得た。原料、製造条件及び膜特性を表2に示す。
表2に示す配合量のポリオレフィン、無機粒子、及び可塑剤、並びに可塑剤として流動パラフィン(松村石油研究所製:スモイル P−350P、略称LP)を150質量部、酸化防止剤としてペンタエリスリチルーテトラキスー[3−(3,5−ジ−t−ブチルー4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]を0.11質量部、滑剤としてステアリン酸カルシウムを0.18質量部の割合で含む混合物を、東洋精機製作所社製プラストミルを用いて溶融混練した。溶融混練は、プラストミルの温度を200℃、回転数を50rpmに設定して10分間行った。溶融した混練物をプラストミルから取り出して冷却し、得られた固化物をポリイミドフィルムを介して金属板の間に挟み、200℃に設定した熱プレス機を用い10MPaで圧縮し、厚さ1000μmのシートを作製した。得られたシートに対して、岩本製作所社製二軸延伸機を用いて、120℃で縦方向に7倍、横方向に7倍に同時二軸延伸を行った。得られた延伸シートを、ステンレスの枠でその四方を固定した状態で、塩化メチレンに浸漬して可塑剤を除去した後、室温で乾燥して塩化メチレンを除去して微多孔膜を得た。その微多孔膜について各種特性を評価した。原料、製造条件及び膜特性を表2に示す。
表2に示す条件以外は実施例1と同様にして微多孔膜を得た。原料、製造条件及び膜特性を表2に示す。
表2に示す条件以外は実施例4と同様にして微多孔膜を得た。原料、製造条件及び膜特性を表2に示す。
表2に示す条件以外は実施例4と同様にして微多孔膜を得た。原料、製造条件及び膜特性を表2に示す。
表2に示す条件以外は実施例1と同様にして微多孔膜を得た。原料、製造条件及び膜特性を表2に示す。
表2に示す条件以外は実施例4と同様にして微多孔膜を得た。原料、製造条件及び膜特性を表2に示す。
表2に示す配合量のポリオレフィン、無機粒子、及び可塑剤として流動パラフィン(LP)とフタル酸ジ−2−エチルヘキシル(チッソ社製、商標「DOP」、略称「DOP」)との混合物(混合可塑剤、質量比にてLP/DOP=30/120)を150質量部、酸化防止剤としてペンタエリスリチルーテトラキス−[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]を0.11質量部、滑剤としてステアリン酸カルシウムを0.18質量部の割合で含む混合物を、東洋精機製作所社製プラストミルを用いて溶融混練した。溶融混練は、プラストミルの温度を200℃、回転数を50rpmに設定して10分間行った。溶融した混練物をプラストミルから取り出して冷却し、得られた固化物をポリイミドフィルムを介して金属板の間に挟み、200℃に設定した熱プレス機を用い10MPaで圧縮し、厚さ1000μmのシートを作製した。得られたシートに対して、岩本製作所社製二軸延伸機を用いて、115℃で縦方向に7倍、横方向に7倍に同時二軸延伸を行った。得られた延伸シートを、ステンレスの枠でその四方を固定した状態で、塩化メチレンに浸漬して可塑剤を除去した後、室温で乾燥して塩化メチレンを除去して微多孔膜を得た。その微多孔膜について各種特性を評価した。原料、製造条件及び膜特性を表2に示す。
表2に示す条件以外は実施例10と同様にして微多孔膜を得た。原料、製造条件及び膜特性を表2に示す。
表2に示す条件以外は実施例4と同様にして微多孔膜を得た。原料、製造条件及び膜特性を表2に示す。
(1)酸化亜鉛無機粒子を含む実施例1〜15の微多孔膜は、炭酸カルシウム無機粒子を含む比較例1、酸化亜鉛無機粒子を少量(ポリオレフィン樹脂と無機粒子との総量中に占める割合が10質量%)しか含まない比較例2及びポリオレフィン樹脂中に高密度ポリエチレンを含まない比較例3の微多孔膜に比して、高温保存維持率が良好であった。
さらに、ポリオレフィン樹脂の組成が概ね同じであるものどうしを比較した場合、酸化亜鉛無機粒子を含む実施例2、4、5及び8〜14の微多孔膜は、炭酸カルシウム無機粒子を含む比較例1や酸化亜鉛無機粒子を少量しか含まない比較例2に比して、高レート特性も良好であった。
(2)超高分子量ポリエチレンを含む実施例1〜14の微多孔膜は、超高分子量ポリエチレンを含まない実施例15の微多孔膜に比して、高レート特性が良好であった。
(3)無機粒子のかさ比容が350mL/100gである実施例5及び無機粒子のかさ比容が500mL/100gである実施例8〜9の微多孔膜は、ポリオレフィン樹脂の組成が同じで無機粒子のかさ比容が140mL/100gである実施例4の微多孔膜に比して、突刺強度が良好であった。
(4)2種類の可塑剤からなる混合可塑剤を用いて製造された実施例10〜12の微多孔膜は、ポリオレフィン樹脂の組成が同じで可塑剤が1種類しか用いられていない実施例9及び13の微多孔膜に比して、交流電気抵抗が低く良好であった。
2:テフロン(登録商標)製パッキン(外径2cm、内径1cm、厚さ1mm)
3:微多孔膜
4:電解液
Claims (8)
- ポリオレフィン樹脂と無機粒子とを含む微多孔膜であって、前記ポリオレフィン樹脂は高密度ポリエチレンを含み、前記無機粒子は酸化亜鉛を主成分として含み、前記ポリオレフィン樹脂と前記無機粒子との総量中に占める前記無機粒子の割合が15質量%以上85質量%以下であるポリオレフィン微多孔膜。
- 前記無機粒子は、そのかさ比容が250mL/100g以上1200mL/100g以下である、請求項1に記載のポリオレフィン微多孔膜。
- 前記ポリオレフィン樹脂は、粘度平均分子量が40万以上500万以下であるポリエチレンを含む、請求項1又は2に記載のポリオレフィン微多孔膜。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載のポリオレフィン微多孔膜の製造方法であって、
ポリオレフィン樹脂と、無機粒子と、可塑剤と、を含む混合物を溶融混練して混練物を得る工程と、前記混練物をシート状に成形して成形体を得る工程と、前記成形体又はその加工物から可塑剤を抽出して微多孔膜を得る工程とを有し、
前記可塑剤は、SP値が7.5以上8.5未満である可塑剤(I)と、SP値が8.5以上9.9未満である可塑剤(II)とを含む混合可塑剤である製造方法。 - 前記混合可塑剤に占める前記可塑剤(I)の割合は、15〜85質量%である、請求項4に記載の製造方法。
- 前記樹脂組成物において、前記ポリオレフィン樹脂と前記無機粒子と前記可塑剤との総量中に占める前記無機粒子の割合が5質量%以上45質量%以下である、請求項4又は5に記載の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載のポリオレフィン微多孔膜又は請求項4〜6のいずれか一項に記載の製造方法により得られるポリオレフィン微多孔膜を含む蓄電デバイス用セパレータ。
- 請求項7に記載の蓄電デバイス用セパレータと、正極と、負極と、電解液とを含む蓄電デバイス。
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