JP2014240189A - 芳香族ポリアミド/芳香族ポリイミド複合多孔質膜および非水電解液系二次電池用セパレータならびに非水電解液系二次電池 - Google Patents
芳香族ポリアミド/芳香族ポリイミド複合多孔質膜および非水電解液系二次電池用セパレータならびに非水電解液系二次電池 Download PDFInfo
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Landscapes
- Manufacture Of Porous Articles, And Recovery And Treatment Of Waste Products (AREA)
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- Secondary Cells (AREA)
Abstract
Description
化学式(1):
化学式(3)〜(7):
化学式(8):
化学式(9):
化学式(11)〜(13):
化学式(14)〜(16):
化学式(17)〜(21):
実施例における物性の測定方法は次の方法に従って行った。
走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて試料の断面像を観察し、計測した。観察条件は以下のとおりである。
加速電圧:1.0kV
試料調製:アルゴンイオンミリングにて断面加工し、観察断面にPtコート。
付属装置:一回反射型ATR測定装置 Thunder Dome(登録商標)
(Spectra−Tech社製)
光源:特殊セラミックス
検知器:DTGS
分解能:4cm−1
積算回数:512回
測定方法:減衰全反射(ATR)法
ATR結晶:Ge
ここで、芳香族ポリアミド層および芳香族ポリイミド層としては、それぞれ、芳香族ポリアミドおよび芳香族ポリイミドが55質量%以上含有されている層とした。
臭化リチウム(LiBr)を2.5質量%添加したN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に、ポリマーを0.5g/dlの濃度で溶解させ、ウベローデ粘度計を使用して、30℃にて流下時間を測定した。ポリマーを溶解させないブランクのNMPの流下時間も同様に測定し、下式を用いて対数粘度(ηinh)を算出した。
t0:ブランクの流下時間(秒)
t:サンプルの流下時間(秒)。
定圧厚み測定器FFA−1(尾崎製作所社製)を用いて測定した。測定子径は5mm、測定荷重は1.25Nである。幅方向に、20mm間隔で10箇所測定し、平均値を求めた。
B型ガーレーデンソメーター(安田精機製作所社製)を使用し、JIS−P8117(1998)に規定された方法に従って、測定を行った。試料を直径28.6mm、面積642mm2の円孔に締め付け、内筒により(内筒質量567g)、筒内の空気を試験円孔部から筒外へ通過させ、空気100mlが通過する時間(秒)を測定することでガーレ透気度とした。
試料を、幅10mm、長さ220mmの短冊状に切り取り、長辺を測定方向とした。長辺の両端から約10mmの部分に印をつけ、印の間隔をL1とした。200℃の熱風オーブン中で10分間、実質的に張力を掛けない状態で熱処理を行った後の印の間隔をL2とし、下式で熱収縮率を計算した。フィルムの長手方向および幅方向にそれぞれ5回測定し、それぞれ平均値を求めた。
以下の通り、コイン型のリチウムイオン二次電池を作製し、a〜cの評価を行った。
正極活物質として、評価aおよびb用の電池においてはコバルト酸リチウム(LiCoO2)を、評価c用の電池においてはニッケル置換型マンガン酸リチウムのLi[Ni0.5Mn1.5]O4を、それぞれ用いた。乾燥質量で、正極活物質が89.5質量%、アセチレンブラックが4.5質量%、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)が6質量%となるように、NMP溶媒の正極剤ペーストを作製した。得られたペーストを集電体である厚さ20μmのアルミニウム箔上に塗布し、乾燥した後、直径13mmの円形に打ち抜き加工を行うことで正極を得た。
乾燥質量で、メソフェーズカーボンマイクロビーズが87質量%、アセチレンブラックが3質量%、PVdFが10質量%となるように、NMP溶媒の負極剤ペーストを作製した。得られたペーストを集電体である厚さ18μmの銅箔上に塗布し、乾燥した後、直径14.5mmの円形に打ち抜き加工を行うことで負極を得た。
エチレンカーボネートとジエチルカーボネートを体積比1対1で混合した混合液に、LiPF6を1mol/L、ビニレンカーボネートを1質量%となるように溶解させたものを用いた。
ガスケットを装着した溶着済み封口板のスペーサー上に上記負極を負極剤が上になるように静置し、上から上記電解液を注液した。その上にセパレータとして試料の多孔質膜(直径17mmの円形)を静置し、さらにセパレータ上から電解液を注液した。次に上記正極を正極剤が下になるように静置し、ケースを静置した。これをカシメ機で封口し、直径20mm、厚み3.2mmのコイン型電池を作製した。
作製したコイン型電池について、定電流0.2Cで、電池電圧が設定した充電終止電圧になるまで充電を行い、その後、定電流0.2Cで電池電圧が3.0Vになるまで放電を行った。充電終止電圧は、評価aおよびb用の電池においては4.2V、評価c用の電池においては4.5Vとした。この充放電を1サイクルとし、合計4サイクルの充放電を行うことで仕上げ充放電を完了した。仕上げ充放電はすべて25℃の雰囲気下で行った。
本評価はすべて25℃の雰囲気下で行った。仕上げ充放電を終えたコイン型電池について、定電流0.2Cで電池電圧が4.2Vになるまで充電を行い、その後、定電流0.2Cで電池電圧が3.0Vになるまで放電を行った。このときの放電容量を0.2Cでの放電容量とした。次に、定電流0.2Cで電池電圧が4.2Vになるまで充電を行い、その後、定電流2Cで電池電圧が3.0Vになるまで放電を行った。このときの放電容量を2Cでの放電容量とした。これらの結果から、下式を用いて容量維持率を算出し、以下の基準でA〜Dの評価を行った。
A:70%以上
B:60%以上70%未満
C:50%以上60%未満
D:50%未満。
本評価はすべて−20℃の雰囲気下で行った。仕上げ充放電を終えたコイン型電池について、定電流0.2Cで電池電圧が4.2Vになるまで充電を行い、その後、定電流0.2Cで電池電圧が3.0Vになるまで放電を行った。この充放電を1サイクルとし、合計100サイクルの充放電を行った。1サイクル目の放電容量と100サイクル目の放電容量から、下式を用いて容量維持率を算出し、以下の基準でA〜Dの評価を行った。
A:70%以上
B:60%以上70%未満
C:50%以上60%未満
D:50%未満。
仕上げ充放電を終えたコイン型電池について、25℃の雰囲気下、定電流0.2Cで電池電圧が4.5Vになるまで充電を行い、その後、25℃の雰囲気下、定電流0.2Cで電池電圧が3.0Vになるまで放電を行った。このときの放電容量を初期の放電容量とした。次に、25℃の雰囲気下、定電流0.2Cで電池電圧が4.5Vになるまで充電した。この充電状態の電池を100℃の雰囲気下に10日間保存した。保存後、25℃の雰囲気下において、定電流0.2Cで電池電圧が3.0Vになるまで放電を行った。その後、25℃の雰囲気下、定電流0.2Cで再度1サイクルの充放電を行い、放電容量を測定した。このときの放電容量を保存後の放電容量とした。これらの結果から、下式を用いて容量回復率を算出し、以下の基準でA〜Dの評価を行った。
A:70%以上
B:60%以上70%未満
C:50%以上60%未満
D:50%未満。
<芳香族ポリアミド層用製膜原液の作成>
脱水したN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に、ジアミン全量に対して80モル%に相当する2−クロロ−1,4−フェニレンジアミンと20モル%に相当する4,4’−ジアミノジフェニルエーテルを窒素気流下で溶解させ、30℃以下に冷却した。そこへ、系内を窒素気流下、30℃以下に保った状態で、ジアミン全量に対して98モル%に相当する2−クロロテレフタロイルクロライドを添加して、全量添加後、約2時間の撹拌を行い、芳香族ポリアミドを重合した。得られた重合溶液を、酸クロライド全量に対して97モル%の炭酸リチウムおよび6モル%のジエタノールアミンにより中和することで芳香族ポリアミドの溶液を得た。得られた芳香族ポリアミドの対数粘度ηinhは2.5dl/gであった。
脱水したNMPに、ジアミン全量に対して100モル%に相当するパラフェニレンジアミンを窒素気流下で溶解させ、30℃以下に冷却した。そこへ、系内を窒素気流下、30℃以下に保った状態で、ジアミン全量に対して98モル%に相当する3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物を添加して、全量添加後、約2時間の撹拌を行い、芳香族ポリアミド酸を重合した。得られた芳香族ポリアミド酸の対数粘度ηinhは2.0dl/gであった。
上記により得られた各製膜原液を、マルチマニホールド口金を用いて、芳香族ポリアミド層/芳香族ポリイミド層の積層構成となるように積層し、支持体である50℃のステンレス(SUS316L)製エンドレスベルト上に膜状に流延した。ここで、芳香族ポリイミド層を支持体側に配置した。次に、ベルト上の流延膜を温度50℃、相対湿度85%RHの調温調湿空気(容積絶対湿度70g/m3)中で1分間処理し、流延膜を失透させた。その後、失透した流延膜をベルトから剥離し、40℃の水浴に2分間導入することで溶媒、PVP、および中和塩の抽出を行った。続いて、得られた含水状態の膜を、クリップにより両端を定幅に把持した状態で、テンター中において200℃で1分、320℃で5分、熱処理を行い、複合多孔質膜を得た。得られた複合多孔質膜は芳香族ポリアミド多孔質膜層の厚みが10μm、芳香族ポリイミド多孔質膜層の厚みが10μm、総厚みが20μmの構成であった。
芳香族ポリアミド多孔質膜層および芳香族ポリイミド多孔質膜層の厚みを表1に記載の通りとすること以外は実施例1と同様にして、複合多孔質膜を得た。得られた複合多孔質膜の評価結果を表1に示す。
実施例1と同様にして、芳香族ポリアミド層および芳香族ポリイミド層に用いる製膜原液を得た。
芳香族ポリアミドを得るためのジアミンを、ジアミン全量に対して20モル%に相当する2−クロロ−1,4−フェニレンジアミンと80モル%に相当する4,4’−ジアミノジフェニルエーテルとすること以外は実施例1と同様にして、複合多孔質膜を得た。得られた複合多孔質膜の評価結果を表1に示す。
芳香族ポリアミドを得るためのジアミンを、ジアミン全量に対して30モル%に相当する2−クロロ−1,4−フェニレンジアミンと70モル%に相当する4,4’−ジアミノジフェニルエーテルとすること以外は実施例1と同様にして、複合多孔質膜を得た。得られた複合多孔質膜の評価結果を表1に示す。
芳香族ポリアミドを得るためのジアミンを、ジアミン全量に対して50モル%に相当するメタフェニレンジアミンと50モル%に相当する4,4’−ジアミノジフェニルメタンとし、芳香族ポリアミドを得るための酸ジクロライドを、ジアミン全量に対して99モル%に相当するイソフタロイルクロライドとすること以外は実施例1と同様にして、複合多孔質膜を得た。得られた複合多孔質膜の評価結果を表1に示す。
実施例1と同様にして、芳香族ポリアミド層に用いる製膜原液を得た。
<芳香族ポリアミド層用製膜原液の作成>
実施例1と同様にして重合および中和を実施し、芳香族ポリアミド溶液を得た。
実施例1と同様にして重合および中和を実施し、芳香族ポリイミド溶液を得た。
上記により得られた各製膜原液を、実施例1と同様にして積層製膜することで、複合多孔質膜を得た。
芳香族ポリアミド多孔質膜層および芳香族ポリイミド多孔質膜層の厚みを表1に記載の通りとすること以外は実施例1と同様にして、複合多孔質膜を得た。得られた複合多孔質膜の評価結果を表1に示す。
<芳香族ポリアミド層用製膜原液の作成>
脱水したNMPに、ジアミン全量に対して50モル%に相当する4,4’−ジアミノジフェニルエーテルを窒素気流下で溶解させ、30℃以下に冷却した。そこへ、系内を窒素気流下、30℃以下に保った状態で、ジアミン全量に対して49モル%に相当する2−クロロテレフタロイルクロライドを添加して、全量添加後、約1時間の撹拌を行った。次に上記溶液に、ジアミン全量に対して50モル%に相当する2−クロロ−1,4−フェニレンジアミンを添加し溶解させた。その後、系内を窒素気流下、30℃以下に保った状態で、ジアミン全量に対して49モル%に相当する2−クロロテレフタロイルクロライドを添加して、全量添加後、約1時間の撹拌を行うことで、芳香族ポリアミドの重合を完了した。得られた重合溶液を、実施例1と同様にして中和することで芳香族ポリアミドの溶液を得た。得られた芳香族ポリアミドの対数粘度ηinhは2.5dl/gであった。
芳香族ポリイミドワニス“リカコート”(登録商標)PN−20(新日本理化社製)およびアルミナ粒子AHP300を用い、製膜原液に対する含有量において、芳香族ポリイミドが10質量%、アルミナ粒子が4質量%となるように、アルミナ粒子を分散させたNMPをワニスに添加し、60℃で2時間撹拌を行うことで製膜原液を得た。
上記により得られた各製膜原液を、実施例1と同様にして積層製膜することで、複合多孔質膜を得た。
実施例1と同様にして得られた芳香族ポリアミド層用製膜原液を、単層口金を用いて、支持体である50℃のステンレス(SUS316L)製エンドレスベルト上に膜状に流延した。次に、ベルト上の流延膜を温度50℃、相対湿度85%RHの調温調湿空気(容積絶対湿度70g/m3)中で1分間処理し、流延膜を失透させた。その後、失透した流延膜をベルトから剥離し、40℃の水浴に2分間導入することで溶媒、PVP、および中和塩の抽出を行った。続いて、得られた含水状態の膜を、クリップにより両端を定幅に把持した状態で、テンター中において200℃で1分、280℃で5分、熱処理を行い、厚み20μmの芳香族ポリアミド多孔質膜を得た。
実施例1と同様にして得られた芳香族ポリイミド層用製膜原液を、単層口金を用いて、支持体である50℃のステンレス(SUS316L)製エンドレスベルト上に膜状に流延した。次に、ベルト上の流延膜を温度50℃、相対湿度85%RHの調温調湿空気(容積絶対湿度70g/m3)中で1分間処理し、流延膜を失透させた。その後、失透した流延膜をベルトから剥離し、40℃の水浴に2分間導入することで溶媒およびPVPの抽出を行った。続いて、得られた含水状態の膜を、クリップにより両端を定幅に把持した状態で、テンター中において200℃で1分、400℃で5分、熱処理を行い、厚み20μmの芳香族ポリイミド多孔質膜を得た。
まず、比較例2と同様にして、厚み15μmの芳香族ポリイミド多孔質膜を得た。
実施例1と同様にして、芳香族ポリイミド層に用いる製膜原液を得た。
芳香族ポリアミド多孔質膜層および芳香族ポリイミド多孔質膜層の厚みを表1に記載の通りとすること以外は実施例1と同様にして、複合多孔質膜を得た。得られた複合多孔質膜の評価結果を表1に示す。
Claims (4)
- 一方の表面から厚み方向1〜29μmまでの層が芳香族ポリアミド多孔質膜により構成され、他方の表面から厚み方向1〜29μmまでの層が芳香族ポリイミド多孔質膜により構成される芳香族ポリアミド/芳香族ポリイミド複合多孔質膜。
- 総厚みが5〜30μmであり、ガーレ透気度が5〜300秒/100mlであり、200℃における長手方向および幅方向の熱収縮率のいずれもが−0.5〜2.0%である、請求項1に記載の芳香族ポリアミド/芳香族ポリイミド複合多孔質膜。
- 芳香族ポリアミド多孔質膜により構成される層の表面を正極に対向させ、芳香族ポリイミド多孔質膜により構成される層の表面を負極に対向させる、請求項1または2に記載の芳香族ポリアミド/芳香族ポリイミド複合多孔質膜を用いてなる非水電解液系二次電池用セパレータ。
- 請求項3に記載の非水電解液系二次電池用セパレータを用いた非水電解液系二次電池。
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