JP2016072154A - 蓄電デバイス用セパレータ、セパレータ用スラリー及び非水電解液二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
[1] ポリオレフィン樹脂を含む多孔基材膜の少なくとも片面に、無機フィラーと樹脂バインダとを含む多孔層を備える蓄電デバイス用セパレータであって、
前記無機フィラーの体積を基準とする1次粒子径分布測定において、0.2μm以下の1次粒子径を有する粒子の含有率が、前記無機フィラーの質量を基準として10質量%未満であり、かつ
前記無機フィラーのメジアン径が、0.5μmを超え、かつ0.8μm以下である、
前記蓄電デバイス用セパレータ。
[2] 前記無機フィラーの体積を基準とする1次粒子径分布測定において、0.2μm以下の1次粒子径を有する粒子の含有率が、前記無機フィラーの質量を基準として3質量%未満である、[1]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[3] 前記無機フィラーは、アンモニア昇温脱離法において150℃から400℃までの総脱離アンモニア(NH3)量が10μmol/g以上1,000μmol/g以下である、[1]又は[2]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[4] 前記1次粒子径分布測定は、無機フィラーを水に分散することにより得られる水分散液、又は無機フィラーと樹脂バインダとを含むスラリーを用いて行われる、[1]〜[3]のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[5] 前記蓄電デバイス用セパレータの150℃での熱収縮率が、MD方向及びTD方向の両方において0%以上15%以下である、[1]〜[4]のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[6] [1]〜[5]のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータと、
正極と、
負極と、
非水電解液と
を備える非水電解液二次電池。
[7] 無機フィラーと樹脂バインダとを含む電池セパレータ用スラリーであって、
前記無機フィラーの体積を基準とする1次粒子径分布測定において0.2μm以下の1次粒子径を有する粒子の含有率が、前記無機フィラーの質量を基準として10質量%未満であり、
前記無機フィラーのメジアン径が0.5μmを超え、かつ0.8μm以下であり、かつ
前記電池セパレータ用スラリーの25℃及び固形分濃度30質量%での粘度が、300mPa・s以下である、
前記電池セパレータ用スラリー。
本発明の蓄電デバイス用セパレータについて説明する。
本発明の蓄電デバイス用セパレータは、ポリオレフィン樹脂を含む多孔基材膜と、前記多孔基材膜の少なくとも片面に積層された多孔層とを備え、かつ多孔層は、無機フィラー及び樹脂バインダを含む。
本発明における多孔基材膜について説明する。
上記多孔基材膜としては、電子伝導性が小さく、イオン伝導性を有し、有機溶媒に対する耐性が高く、孔径の微細なものが好ましい。
そのような多孔基材膜としては、例えば、ポリオレフィン樹脂を含む多孔基材膜、ポリエチレンテレフタレート、ポリシクロオレフィン、ポリエーテルスルホン、ポリアミド、ポリイミド、ポリイミドアミド、ポリアラミド、ナイロン、ポリテトラフルオロエチレン等の樹脂を含む多孔基材膜、ポリオレフィン系の繊維を織ったもの(織布)、ポリオレフィン系の繊維の不織布、紙、並びに、絶縁性物質粒子の集合体が挙げられる。これらの中でも、塗工工程を経て多層多孔基材膜、すなわち電池用セパレータを得る場合に塗工液の塗工性に優れ、セパレータの膜厚をより薄くして、電池等の蓄電デバイス内の活物質比率を高めて体積当たりの容量を増大させる観点から、ポリオレフィン樹脂を含む多孔基材膜(以下、「ポリオレフィン樹脂多孔基材膜」ともいう。)が好ましい。
ポリオレフィン樹脂多孔基材膜は、電池用セパレータとした時のシャットダウン性能等を向上させる観点から、多孔基材膜を構成する樹脂成分の50質量%以上100質量%以下をポリオレフィン樹脂が占めるポリオレフィン樹脂組成物により形成される多孔基材膜であることが好ましい。ポリオレフィン樹脂組成物におけるポリオレフィン樹脂が占める割合は、60質量%以上100質量%以下であることがより好ましく、70質量%以上100質量%以下であることが更に好ましい。
中でも、電池用セパレータとした時のシャットダウン特性の観点から、ポリオレフィン樹脂としてはポリエチレン、ポリプロピレン、及びこれらの共重合体、並びにこれらの混合物が好ましい。
ポリエチレンの具体例としては、低密度ポリエチレン、線状低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレン等、
ポリプロピレンの具体例としては、アイソタクティックポリプロピレン、シンジオタクティックポリプロピレン、アタクティックポリプロピレン等、
共重合体の具体例としては、エチレン−プロピレンランダム共重合体、エチレンプロピレンラバー等、が挙げられる。
多孔基材膜は、上述した材料からなる単層膜であってもよく、積層膜であってもよい。
平均孔径は、組成比、押出シートの冷却速度、延伸温度、延伸倍率、熱固定温度、熱固定時の延伸倍率、熱固定時の緩和率を制御することや、これらを組み合わせることにより調整することができる。
多孔基材膜の気孔率は、ポリオレフィン樹脂組成物と可塑剤の混合比率、延伸温度、延伸倍率、熱固定温度、熱固定時の延伸倍率、熱固定時の緩和率を制御することや、これらを組み合わせることによって調整することができる。
(1)ポリオレフィン樹脂組成物と孔形成材とを溶融混練してシート状に成形後、必要に応じて延伸した後、孔形成材を抽出することにより多孔化させる方法、
(2)ポリオレフィン樹脂組成物を溶融混練して高ドロー比で押出した後、熱処理と延伸によってポリオレフィン結晶界面を剥離させることにより多孔化させる方法、
(3)ポリオレフィン樹脂組成物と無機充填材とを溶融混練してシート上に成形した後、延伸によってポリオレフィンと無機充填材との界面を剥離させることにより多孔化させる方法、
(4)ポリオレフィン樹脂組成物を溶解後、ポリオレフィンに対する貧溶媒に浸漬させてポリオレフィンを凝固させると同時に溶剤を除去することにより多孔化させる方法、
等が挙げられる。
延伸処理としては、一軸延伸又は二軸延伸のいずれも好適に用いることができるが、得られる多孔基材膜の強度等を向上させる観点から二軸延伸が好ましい。シート状成形体を二軸方向に高倍率延伸すると、分子が面方向に配向し、最終的に得られる多孔基材膜が裂けにくくなり、高い突刺強度を有するものとなる。延伸方法としては、例えば、同時二軸延伸、逐次二軸延伸、多段延伸、多数回延伸等の方法を挙げることができる。突刺強度の向上、延伸の均一性、シャットダウン性の観点から同時二軸延伸が好ましい。また面配向の制御容易性の観点からは遂次二軸延伸が好ましい。
緩和操作は、膜のMD及び/又はTDへの縮小操作のことである。緩和率とは、緩和操作後の膜の寸法を緩和操作前の膜の寸法で除した値のことである。なお、MD、TD双方を緩和した場合は、MDの緩和率とTDの緩和率を乗じた値のことである。緩和率は、1.0以下であることが好ましく、0.97以下であることがより好ましく、0.95以下であることがさらに好ましい。緩和率は膜品位の観点から0.5以上であることが好ましい。緩和操作は、MD、TD両方向で行ってもよいが、MD或いはTD片方だけ行ってもよい。
この可塑剤抽出後の延伸及び緩和操作は、好ましくはTDに行う。延伸及び緩和操作における温度は、ポリオレフィン樹脂の融点(主原料のDSC 2nd runの融解ピーク温度であり以下、「Tm」ともいう。)より低いことが好ましく、Tmより1℃から25℃低い範囲がより好ましい。延伸及び緩和操作における温度が上記範囲であると、熱収縮率低減と気孔率とのバランスの観点から好ましい。
無機フィラーと樹脂バインダとを含む多孔層について説明する。
前記多孔層に使用する無機フィラーとしては、特に限定されないが、耐熱性及び電気絶縁性が高く、かつリチウムイオン二次電池の使用範囲で電気化学的に安定であるものが好ましい。
無機フィラーとしては、例えば、アルミニウム化合物、マグネシウム化合物、その他の化合物が挙げられる。
アルミニウム化合物としては、酸化アルミニウム、ケイ酸アルミニウム、水酸化アルミニウム、水酸化酸化アルミニウム、アルミン酸ソーダ、硫酸アルミニウム、リン酸アルミニウム、ハイドロタルサイト等が挙げられる。
マグネシウム化合物としては、硫酸マグネシウム、水酸化マグネシウム等が挙げられる。
その他の化合物としては、酸化物系セラミックス、窒化物系セラミックス、粘土鉱物、シリコンカーバイド、炭酸カルシウム、チタン酸バリウム、アスベスト、ゼオライト、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウム、ケイ藻土、ケイ砂、ガラス繊維等が挙げられる。酸化物系セラミックスとしては、シリカ、チタニア、ジルコニア、マグネシア、セリア、イットリア、酸化亜鉛、酸化鉄等が挙げられる。窒化物系セラミックスとしては、窒化ケイ素、窒化チタン、窒化ホウ素等が挙げられる。粘土鉱物としては、タルク、モンモリロナイト、セリサイト、マイカ、アメサイト、ベントナイト等が挙げられる。
これらは単独で用いても良いし、複数を併用してもよい。
D50(粒度分布の累積グラフにおける50体積%での粒子径)は、上記で説明した無機フィラーのメジアン径と対応する。
無機フィラーの粒度分布を上記範囲に調整することは、高温でのセパレータの熱収縮を抑制する観点から好ましい。なお、無機フィラーの粒度分布を調整する方法としては、例えば、ボールミル・ビーズミル・ジェットミル等を用いて無機フィラーを粉砕し、所望の粒度分布に調整する方法等を挙げることができる。また、異なる粒度分布を有するフィラーを混合して粒度分布を調整することもできる。
無機フィラーを含む多孔層を形成するための材料は、ろ過処理を受けることが可能であり、かつ無機フィラーを含む限り限定されず、例えば、スラリー、分散体、乳化物、液体、流体、粉体などでよい。
無機フィラーの熱処理方法としては、例えば、温風、熱風又は低湿風による乾燥;真空乾燥;(遠)赤外線、電子線などの照射による乾燥が挙げられる。例えば、120〜500℃、より好ましくは180〜300℃で1分間以上に亘って無機フィラーを熱処理することが好ましい。熱処理によって、表面吸着水を除去し、表面に存在する水酸基を脱水縮合させて、その疎水性を高めることができる。
表面処理剤で無機フィラーの表面処理を行うことが、水分吸着点の密度、吸着能などを制御する観点から好ましい。表面処理剤の具体例としては、脂肪酸系、油脂系、界面活性ン剤系、ワックス系、カルボン酸系、リン酸系などのカップリング剤;シランカップリング剤;チタネート系カップリング剤などが挙げられる。電池適性の観点からは脂肪酸系、界面活性剤系、及びカルボン酸系カップリング剤が好ましい。
無機フィラーの粉砕処理を行う手段としては、例えば、ボールミル、ビーズミル、ジェットミル等を用いることができる。粉砕により無機フィラーの粒径を制御することよって無機フィラー表面に付着する水分を低減できる。水分吸着点の密度、吸着能などを制御する観点からビーズミルを用いた粉砕が好ましく、均一な制御の観点からビーズ径が約0.01mmφ〜約1mmφのビーズを用いることがより好ましい。
また、上記のミル等を用いて粉砕処理した場合、破砕前に比較して破砕後の無機フィラーの粒径分布を狭くすることができる。破砕前後の粒径分布変化率を以下の式と定義すると、無機フィラーの破砕による粒径分布変化率は、0.01以上0.9以下であることが好ましく、0.01以上0.5以下であることがより好ましく、0.01以上0.1以下であることがさらに好ましい。粒径分布変化率を0.01以上0.9以下にすることで、無機フィラー表面に付着する水分量を低減でき、多孔層中の孔径を均一することができ、セパレータを組み込んだ電池のサイクル特性を向上することができる
粒径分布=(体積平均粒子径)/(数平均粒子径)
粒径分布変化率=(破砕後の粒径分布)/(破砕前の粒径分布)
無機フィラーの出発原料が、例えば、100nm未満の粒径を有するナノ粒子などのように、著しく小さい寸法を有する場合には、その出発原料を造粒処理に供して、無機フィラーの1次粒子径分布及びメジアン径を適切な範囲に調整してもよい。
アンモニア昇温脱離法において、150℃から400℃までの無機フィラーの総脱離アンモニア(NH3)量が、10μmol/g以上1,000μmol/g以下であることも好ましい。
樹脂バインダは、前述した無機フィラーを相互に結着する役割を果たす樹脂である。また、無機フィラーと多孔基材膜とを相互に結着する役割を果たす樹脂であることが好ましい。
樹脂バインダの種類としては、セパレータとしたときにリチウムイオン二次電池の電解液に対して不溶であり、かつリチウムイオン二次電池の使用範囲で電気化学的に安定なものを用いることが好ましい。
1)ポリオレフィン:例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレンプロピレンラバー、及びこれらの変性体;
2)共役ジエン系重合体:例えば、スチレン−ブタジエン共重合体及びその水素化物、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体及びその水素化物、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体及びその水素化物;
3)アクリル系重合体:例えば、メタクリル酸エステル−アクリル酸エステル共重合体、スチレン−アクリル酸エステル共重合体、アクリロニトリル−アクリル酸エステル共重合体;
4)ポリビニルアルコール系樹脂:例えば、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル;
5)含フッ素樹脂:例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体;
6)セルロース誘導体:例えば、エチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース;
7)融点及び/又はガラス転移温度が180℃以上の樹脂あるいは融点を有しないが分解温度が200℃以上のポリマー:例えば、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリアミド、ポリエステル。特に、耐久性の観点から全芳香族ポリアミド、中でもポリメタフェニレンイソフタルアミドが好適である。
中でも、電極とのなじみやすさの観点からは上記2)共役ジエン系重合体が好ましく、耐電圧性の観点からは上記3)アクリル系重合体及び5)含フッ素樹脂が好ましい。
上記共役ジエン化合物としては、例えば、1,3−ブタジエン、2−メチル−1,3−ブタジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、2−クロル−1,3−ブタジエン、置換直鎖共役ペンタジエン類、置換及び側鎖共役ヘキサジエン類などが挙げられ、これらは1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。中でも、特に1,3−ブタジエンが好ましい。
上記3)アクリル系重合体に用いられる(メタ)アクリル酸としては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸を挙げることができる。
上記3)アクリル系重合体に用いられる(メタ)アクリル酸エステルとしては、例えば、
(メタ)アクリル酸アルキルエステル、例えば、メチルアクリレート、メチルメタクリレート、エチルアクリレート、エチルメタクリレート、ブチルアクリレート、ブチルメタクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート、2−エチルヘキシルメタクリレート、フェニルアクリレート、フェニルメタクリレート、シクロヘキシルアクリレート、シクロヘキシルメタクリレート、ヒドロキシエチルアクリレート、ヒドトキシエチルメタクリレート;
エポキシ基含有(メタ)アクリル酸エステル、例えば、グリシジルアクリレート、グリシジルメタクリレート;が挙げられ、これらは1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。
なお、上記2)共役ジエン系重合体は、他の単量体として上記(メタ)アクリル系化合物を共重合させて得られるものであってもよい。
多孔層の層厚は、耐熱性、絶縁性を向上させる観点から1μm以上であることが好ましく、より好ましくは1.0μm以上、さらに好ましくは1.2μm以上、よりさらに好ましくは1.5μm以上、特に好ましくは1.8μm以上、最も好ましくは2.0μm以上である。また、電池の高容量化と透過性を向上させる観点から50μm以下であることが好ましく、より好ましくは20μm以下、さらに好ましくは10μm以下、特に好ましくは7μm以下である。
電池用セパレータを形成するために、上記で説明した無機フィラー及び樹脂バインダを含む電池セパレータ用スラリーを提供することも好ましい。電池セパレータ用スラリーは、上記で説明した塗工液として、又は塗工液を形成するために、使用されることが好ましい。
上記セパレータの透気度は、10秒/100cc以上650秒/100cc以下であることが好ましく、より好ましくは20秒/100cc以上500秒/100cc以下、さらに好ましくは30秒/100cc以上450秒/100cc以下、特に好ましくは50秒/100cc以上400秒/100cc以下である。透気度が10秒/100cc以上であると電池用セパレータとして使用した際の自己放電が少なくなる傾向にあり、650秒/100cc以下であると良好な充放電特性が得られる傾向にある。
ショート温度は、ポリプロピレンの含有量や、ポリプロピレン以外のポリオレフィンの種類、無機粒子の種類、無機粒子含有層の厚さ等を調整することにより所望の値に制御することができる。
以下、蓄電デバイスについて説明する。上記蓄電デバイスは、上記セパレータを備えるものであり、それ以外の構成は、従来知られているものと同様であってもよい。蓄電デバイスは、特に限定されないが、例えば、非水電解液電池等の電池、コンデンサー及びキャパシタが挙げられる。それらの中でも、本発明による作用効果による利益がより有効に得られる観点から、非水電解液電池が好ましく、非水電解液二次電池がより好ましく、リチウムイオン二次電池が更に好ましい。以下、蓄電デバイスが非水電解液電池である場合についての好適な態様について説明する。
正極材料としては、例えば、LiCoO2、LiNiO2、スピネル型LiMnO4、オリビン型LiFePO4等のリチウム含有複合酸化物等が、負極材料としては、例えば、黒鉛質、難黒鉛化炭素質、易黒鉛化炭素質、複合炭素体等の炭素材料;シリコン、スズ、金属リチウム、各種合金材料等が挙げられる。
また、上記蓄電デバイスは、セパレータ、正極、および負極を平板状に形成した後、正極−セパレータ−負極−セパレータ−正極、又は負極−セパレータ−正極−セパレータ−負極の順に積層して積層体を得た後、外装体内に収容し、そこに電解液を注入する等の工程を経て製造することもできる。
なお、上記外装体としては、電池缶や袋状のフィルムを用いることができる。
ASTM−D4020に基づき、デカリン溶媒における135℃での極限粘度[η](dl/g)を求めた。
ポリエチレンについては、次式によりMvを算出した。
[η]=6.77×10-4Mv0.67
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
多孔基材膜及びセパレータからMD10mm×TD10mmのサンプルをそれぞれ切り出し、格子状に9箇所(3点×3点)を選んで、膜厚をダイヤルゲージ(尾崎製作所製PEACOCK No.25(登録商標))を用いてそれぞれ測定し、9箇所の測定値の平均値を多孔基材膜及びセパレータの膜厚(μm)とした。また、このように測定されたセパレータと多孔基材膜の膜厚の差を、無機フィラーと樹脂バインダとを含む多孔層の層厚(μm)として算出した。
10cm×10cm角の試料を多孔基材膜から切り取り、その体積(cm3)と質量(g)を求め、多孔基材膜の密度を0.95(g/cm3)として、次式を用いて計算した。
気孔率(%)=(1−質量/体積/0.95)×100
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、多孔基材膜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、また多孔基材膜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する。
この場合、多孔基材膜の平均孔径d(μm)を、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)、及び標準圧力Ps(=101,325Pa)から、次式を用いて求めた。
d=2ν×(Rliq/Rgas)×(16η/3Ps)×106
ここで、Rgasは透気度(sec)から次式を用いて求めた。
Rgas=0.0001/(透気度×(6.424×10−4)×(0.01276×101325))
また、Rliqは透水度(cm3/(cm2・sec・Pa))から次式を用いて求めた。
Rliq=透水度/100
なお、透水度は次のように求めた。
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しておいた多孔基材膜をセットし、該膜のアルコールを水で洗浄した後、約50000Paの差圧で水を透過させ、120sec間経過した際の透水量(cm3)より、単位時間・単位圧力・単位面積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)から次式を用いて求めた。
ν=((8R×T)/(π×M))1/2
JIS P−8117準拠のガーレー式透気度計(東洋精機製G−B2(商標)、内筒質量:567g)を用い、645mm2の面積(直径28.6mmの円)の多孔基材膜及びセパレータを、それぞれ空気100ccが通過する時間(秒)を測定し、これらをそれぞれ多孔基材膜及びセパレータの透気度とした。
多孔層の形成による透気度増加率は、以下の式にて算出した。
透気度増加率(%)={(電池用セパレータの透気度−多孔基材膜の透気度)/多孔基材膜の透気度}×100
触媒分析装置(商品名:全自動昇温脱離装置TPD−1−ATw、日本ベル株式会社製)を用いて、アンモニア昇温脱離法により無機フィラー粉末の酸量を以下の測定条件で測定した。
<測定条件>
(前処理)
TPD測定用セル内に0.05g精秤した無機フィラーを入れ、ヘリウムを50mL/minで流通させた。10℃/分で400℃まで昇温し、1時間保持した。
(NH3吸着処理)
前処理後、100℃まで冷却し、0.5vol%NH3/ヘリウムを流通させて30分間保持し、NH3を吸着させた。
(安定化処理)
NH3吸着処理後、100℃でヘリウムを50mL/minで流通させ、30分間保持した。
(TPD測定)
前記触媒分析装置に安定化処理後の無機フィラーを配置し、該装置内にヘリウムを50ml/minで流通させ、昇温速度10℃/minで800℃まで昇温した。ピークの検出は、質量スペクトルにおけるアンモニアのm/z=16のフラグメントでアンモニアを定量することにより行う。
TPD測定用セルに検量用ガス(既知濃度のNH3ガス)を一定流量で流し、単位時間に測定されたピーク面積から、ピーク単位面積当たりのNH3量を算出した。150℃から400℃までのピーク面積より、150℃から400℃までの総脱離NH3量を算出した。
(脱離NH3量[μmol/g])=(TPD測定における150℃から400℃までのピーク面積)×(ピークの単位面積当たりのNH3量)/試料重量
以下の基準に従って試料を評価した:
○:脱離NH3量が10μmol/g以上1,000μmol/g以下である。
×:脱離NH3量が10μmol/g未満又は1,000μmol/g超である。
レーザー式粒度分布測定装置(日機装(株)製マイクロトラックMT3300EX)を用いて、無機フィラー分散液又は塗料スラリーの粒子径分布を測定した。必要に応じて、ベースラインとして水又は樹脂バインダの粒子径分布を用いて、無機フィラー分散液又はスラリー塗工液の粒子径分布を調整した。累積頻度が50%となる粒径をメジアン径とした。
光散乱法による粒径測定装置(LEED&NORTHRUP社製MICROTRACTMUPA150)を用いて、体積平均粒子径(nm)を測定して、平均粒径とした。
E型粘度計を使用して、25℃での塗工液の粘度(mPa・s)をせん断速度1,000s−1の条件で測定した。なお、塗工液の固形分濃度は30質量%に調整し、評価した。
a.正極の作成
正極活物質としてニッケル、マンガン、コバルト複合酸化物(NMC)(Ni:Mn:Co=1:1:1(元素比)、密度4.70g/cm3)を90.4質量%、導電助材としてグラファイト粉末(KS6)(密度2.26g/cm3、数平均粒子径6.5μm)を1.6質量%とアセチレンブラック粉末(AB)(密度1.95g/cm3、数平均粒子径48nm)を3.8質量%、バインダとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)(密度1.75g/cm3)を4.2質量%(固形分換算)の比率で混合し、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工し、130℃で3分間乾燥後、ロールプレス機で圧縮成形した。この時の活物質塗工量は109g/m2であった。
負極活物質としてグラファイト粉末A(密度2.23g/cm3、数平均粒子径12.7μm)を87.6質量%とグラファイト粉末B(密度2.27g/cm3、数平均粒子径6.5μm)を9.7質量%、バインダ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%(固形分換算)(固形分濃度1.83質量%水溶液)とスチレン−ジエンコポリマーラテックス1.7質量%(固形分換算)(固形分濃度40質量%水溶液、粒径80nm、ガラス転移温度−40℃)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の銅箔の片面にダイコーターで塗工し、120℃で3分間乾燥後、ロールプレス機で圧縮成形した。この時、負極の活物質塗工量は5.2g/m2であった。
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/Lとなるように溶解させて調製した。
セパレータを24mmφ、正極及び負極を16mmφの円形に切り出し、正極と負極の活物質面が対向するよう、負極、セパレータ、正極の順に重ね、蓋付きステンレス金属製容器に収納した。容器と蓋は絶縁されており、容器は負極の銅箔と、蓋は正極のアルミニウム箔と接していた。この容器内に前記非水電解液を0.4ml注入して密閉することにより、評価用電池を作製した。
前記のように組立てた電池につき、1/3Cの電流値で電圧4.2Vまで定電流充電した後、4.2Vの定電圧充電を8時間行い、その後1/3Cの電流で3.0Vの終止電圧まで放電を行った。次に、1Cの電流値で電圧4.2Vまで定電流充電した後、4.2Vの定電圧充電を3時間行い、その後1Cの電流で3.0Vの終止電圧まで放電を行った。最後に1Cの電流値で4.2Vまで定電流充電をした後、4.2Vの定電圧充電を3時間行って、前処理を終了した。なお、1Cとは電池の基準容量を1時間で放電する電流値を表す。
上記前処理を行った電池につき、温度25℃の条件下で、放電電流1Aで放電終止電圧3Vまで放電を行った後、充電電流1Aで充電終止電圧4.2Vまで充電を行った。これを1サイクルとして充放電を繰り返し、初期容量に対する200サイクル後の容量保持率を調べ、以下の基準でサイクル特性を評価した。下記評価基準に従って電池20個の不良数を算出した。不良数2個以下(不良率10%以下)を合格と評価した。
(評価基準)
合格:容量保持率が90%以上であった場合
不良:容量保持率が90%未満であった場合
アルミラミネートシートを一定サイズに切り出し、インパルスシーラーによりパック状(6cm×8cm)にした。10cm×10cmに裁断したセパレータ試料を折りたたんでラミパックに挿入し、80℃にて12時間真空乾燥させた。次に、エチレンンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)をEC:EMC=1:2の体積比率で混合した電解液に、電解質としてLiPF6を1mol/Lで溶解したものを、アルゴンボックス中にて真空乾燥したアルミラミパックに0.4mL注液し、アルミラミパックの開口部をヒートシーラーによりシールした。これを85℃に設定したオーブンに72時間保存し、試験前後の重量を測定し、アルキメデス法により容積算出した。重量は水の密度(20℃:0.9982g/cm3)にて換算した。
(アルキメデス法:F=−ρVg)
ガス発生量(mL)=試験後容積−試験前容積
以下の基準に従って試料のガス発生量を評価した:
○:ガス発生量が3.3mL以下である。
×:ガス発生量が3.3mLを超える。
サンプルをMD/TDそれぞれ100mmの方形に切り出した。切り出したサンプルを2枚の紙に挟み、150℃のオーブン中に1時間に亘って静置した。オーブンからサンプルを取り出して冷却した後に、サンプルの寸法収縮率(%)を求めた。熱収縮率がMD/TDとも5%以下を合格と評価した。
(合成例)アクリル系ポリマーラテックスの製造
撹拌機、還流冷却器、滴下槽、及び温度計を取り付けた反応容器に、イオン交換水70.4質量部と、「アクアロンKH1025」(商品名、第一工業製薬株式会社製、25質量%水溶液)0.1質量部(固形分換算)と、「アデカリアソープSR1025」(商品名、株式会社ADEKA製、25質量%水溶液)0.1質量部(固形分換算)と、を投入し、反応容器内部温度を80℃に昇温し、80℃の温度を保ったまま、過硫酸アンモニウム(2質量%水溶液)を0.15質量部(固形分換算)添加した。
過硫酸アンモニウム水溶液を添加した5分後に、メタクリル酸メチル:38.5質量部、アクリル酸n−ブチル:19.6質量部、アクリル酸2−エチルヘキシル:31.9質量部、メタクリル酸:0.1質量部、アクリル酸:0.1質量部、メタクリル酸2−ヒドロキシエチル:2質量部、アクリルアミド:5質量部、メタクリル酸グリシジル:2.8質量部、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン:0.3質量部、トリメチロールプロパントリアクリレート(A−TMPT、新中村化学工業株式会社製):0.7質量部、「アクアロンKH1025」(商品名、第一工業製薬株式会社製、25質量%水溶液):0.75質量部(固形分換算)、「アデカリアソープSR1025」(商品名、株式会社ADEKA製、25質量%水溶液):0.75質量部(固形分換算)、p−スチレンスルホン酸ナトリウム:0.05質量部、過硫酸アンモニウム(2質量%水溶液):0.15質量部(固形分換算)、及びイオン交換水:52質量部の混合物を、ホモミキサーにより5分間混合させて、乳化液を作製して、得られた乳化液を、滴下槽から反応容器に150分かけて滴下した。
乳化液の滴下終了後、反応容器内部温度を80℃に保ったまま90分間維持し、その後室温まで冷却し、エマルジョンを得た。得られたエマルジョンにアンモニア水溶液(アンモニア含有量25質量%)を加えて、pH=9.0に調整することにより、固形分濃度40質量%のアクリル系ポリマーを含有するラテックスを得た。
得られたアクリル系ポリマーの平均粒径145nm、ガラス転移温度−20℃であった。
Mvが70万であり、ホモポリマーの高密度ポリエチレンを47.5質量部と、
Mvが30万であり、ホモポリマーの高密度ポリエチレンを47.5質量部と、
Mvが40万であるホモポリマーのポリプロピレンを5質量部と、
をタンブラーブレンダーを用いてドライブレンドした。
また、流動パラフィン(37.78℃における動粘度7.59×10−5m2/s)を押出機シリンダーにプランジャーポンプにより注入した。
[無機フィラー、予備分散液又は分散液の製造]
比較例1
破砕前のベーマイトと水を混合して予備分散液を得た。ベーマイトのメジアン径を測定したところ、1.27μmであった。
ベーマイトを破砕処理に供した。ビーズミル(0.1mmφジルコニアビーズ、ビーズ充填率60%)を使用して破砕処理を実施した。回転数と流量をそれぞれ2,600rpmと30Hzに調整して、ベーマイトの破砕度を約0.56に調整した。破砕後のベーマイトと水を混合し、必要に応じて分散剤としてポリカルボン酸アンモニウム水溶液(サンノプコ社製 SNディスパーサント5468)を加え、2パスで分散を行なって、表1に示される微小粒子(1次粒子径が0.2μm以下である。以下同じ。)含有率及びメジアン径を有する分散液を得た。
ミルの回転数と流量をそれぞれ3,500rpmと20Hzに調整して、ベーマイトを破砕処理に供し、破砕後のベーマイトを水に混合し、必要に応じて分散剤を加えて、3パスで分散を行なって、表1に示される微小粒子含有率及びメジアン径を有する分散液を得た。
ミルの回転数と流量をそれぞれ3,500rpmと20Hzに調整して、ベーマイトを破砕処理に供し、破砕後のベーマイトを水に混合し、必要に応じて分散剤を加えて、1パスで分散を行なって、表1に示される微小粒子含有率及びメジアン径を有する分散液を得た。
実施例1で得られたフィラーに、0.1μmの粒子径を有する擬ベーマイトを添加して、微小粒子含有率が10.7質量%になるように調整した。使用した擬ベーマイトは、25nmの1次粒子径を有する擬ベーマイトを、0.1μmの1次粒子径を有するように造粒することにより得られた。
6μmのメジアン径を有する水酸化アルミニウムに、0.1μmの粒子径を有する擬ベーマイトを添加して、微小粒子含有率が10.7質量%になるように調整した。使用した擬ベーマイトは、25nmの1次粒子径を有する擬ベーマイトを、0.1μmの1次粒子径を有するように造粒することにより得られた。
実施例1及び比較例2〜5で得られた無機フィラー分散液を使用した。
分散液と樹脂バインダと分散剤と水を混合・分散して、以下の組成を有するスラリー塗工液(固形分濃度30質量%)を得た。
無機フィラー 95.0質量部;
樹脂バインダとしてアクリルラテックス(固形分濃度40%、平均粒径145nm、最低成膜温度0℃以下) 4.0質量部(固形分換算);
分散剤としてポリカルボン酸アンモニウム水溶液(サンノプコ社製 SNディスパーサント5468) 1.0質量部(固形分換算);及び
水 スラリー固形分が30質量%になる適量
実施例1及び比較例2〜5の評価結果を表1に示す。
樹脂バインダとして使用したアクリルラテックス(合成例、固形分濃度40%、平均粒径145nm、最低成膜温度0℃以下)の粒径分布を参考例として図1に示す。
比較例1の予備分散液、実施例1の分散液並びに比較例2及び3の分散液について、粒径分布を図1に示した。
図1における樹脂バインダと分散液の対比から、分散液の粒径分布は、樹脂バインダの粒径分布から過剰な影響を受けていないことが分かる。
表1及び図1に示される通り、実施例1の分散液は、粒径分布について、比較例1の予備分散液と比較例2及び3の分散液との間に位置しており、微小粒子含有率が10質量%未満であり、かつメジアン径が0.5μm超かつ0.8μm以下であるので、実施例1の分散液を用いて形成されたセパレータは、その特性について最適であることが分かる。
[予備分散液、分散液、又はスラリー塗工液の製造]
比較例6
破砕前のベーマイトと水を混合して予備分散液を得た。ベーマイトのメジアン径を測定したところ、1.46μmであった。
ベーマイトを破砕処理に供した。ビーズミル(0.1mmφジルコニアビーズ、ビーズ充填率60%)を使用して破砕処理を実施した。回転数と流量をそれぞれ2,600rpmと20Hzに調整して、ベーマイトを破砕した。破砕後のベーマイトと水を混合し、必要に応じて分散剤としてポリカルボン酸アンモニウム水溶液(サンノプコ社製 SNディスパーサント5468)を加え、1パスで分散を行なって、表1に示される微小粒子含有率及びメジアン径を有する分散液を得た。なお、得られた分散液のメジアン径が0.74μmであることを確認した。
無機フィラー 95.0質量部;
樹脂バインダとしてアクリルラテックス(固形分濃度40%、平均粒径145nm、最低成膜温度0℃以下) 4.0質量部(固形分換算);
分散剤としてポリカルボン酸アンモニウム水溶液(サンノプコ社製 SNディスパーサント5468) 1.0質量部(固形分換算);及び
水 スラリー固形分が30質量%になる適量
実施例2の評価結果を表1に示す。
比較例6の予備分散液、実施例2の分散液、及び実施例2の塗工液について、粒径分布を図2に示した。
図2における実施例2の分散液と塗工液との対比から、本発明の実施形態に係る無機フィラーの1次粒子径分布は、水分散液を用いて測定しても、スラリー塗工液を用いて測定しても、近似することが分かる。
さらに、表1及び図2に示される通り、実施例2の分散液及び塗工液は、比較例1の予備分散液と比べて、蓄電デバイス用セパレータに適した1次粒子径分布を有することが分かる。
実施例2からパス回数を3回に変更し、破砕・分散を実施したこと以外は、実施例2と同様に実施例3の分散液及び塗工液を得た。得られた分散液のメジアン径は0.51μmであり、分散液のD10は0.25μmであり、かつ微小粒子含有率は0.3質量%であることを確認した。実施例2と同様に評価を行なって、評価結果を表1に示した。
Claims (7)
- ポリオレフィン樹脂を含む多孔基材膜の少なくとも片面に、無機フィラーと樹脂バインダとを含む多孔層を備える蓄電デバイス用セパレータであって、
前記無機フィラーの体積を基準とする1次粒子径分布測定において、0.2μm以下の1次粒子径を有する粒子の含有率が、前記無機フィラーの質量を基準として10質量%未満であり、かつ
前記無機フィラーのメジアン径が、0.5μmを超え、かつ0.8μm以下である、
前記蓄電デバイス用セパレータ。 - 前記無機フィラーの体積を基準とする1次粒子径分布測定において、0.2μm以下の1次粒子径を有する粒子の含有率が、前記無機フィラーの質量を基準として3質量%未満である、請求項1に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 前記無機フィラーは、アンモニア昇温脱離法において150℃から400℃までの総脱離アンモニア(NH3)量が10μmol/g以上1,000μmol/g以下である、請求項1又は2に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 前記1次粒子径分布測定は、無機フィラーを水に分散することにより得られる水分散液、又は無機フィラーと樹脂バインダとを含むスラリーを用いて行われる、請求項1〜3のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 前記蓄電デバイス用セパレータの150℃での熱収縮率が、MD方向及びTD方向の両方において0%以上15%以下である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータと、
正極と、
負極と、
非水電解液と
を備える非水電解液二次電池。 - 無機フィラーと樹脂バインダとを含む電池セパレータ用スラリーであって、
前記無機フィラーの体積を基準とする1次粒子径分布測定において0.2μm以下の1次粒子径を有する粒子の含有率が、前記無機フィラーの質量を基準として10質量%未満であり、
前記無機フィラーのメジアン径が0.5μmを超え、かつ0.8μm以下であり、かつ
前記電池セパレータ用スラリーの25℃及び固形分濃度30質量%での粘度が、300mPa・s以下である、
前記電池セパレータ用スラリー。
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