JP2016155385A - 積層多孔質フィルムおよび非水電解液二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
そのため、非水電解液二次電池には、一定以上の発熱を防止する機能が求められている。そのような機能を有する非水電解液二次電池として、シャットダウン機能を有するセパレータを含む電池が知られている。シャットダウン機能とは、異常発熱の際に、セパレータにより正−負極間のイオンの通過を遮断する機能である。この機能によって、さらなる発熱を防止できる。
シャットダウン機能を有するセパレータとしては、異常発熱時に溶融する材質からなる多孔質フィルムが挙げられる。該セパレータを有する電池は、異常発熱時に前記多孔質フィルムが溶融して無孔化することによって、イオンの通過を遮断し、さらなる発熱を抑制することができる。
<1>ポリオレフィンを含む多孔質層の少なくとも片面に、耐熱性材料を含む多孔質層が積層された積層多孔質フィルムであって、下記式(I)を満足する積層多孔質フィルム。
0.1136×α+0.0819×β+3.8034≧4.40 (I)
α:積層多孔質フィルムの膜抵抗(Ω・cm2)
β:耐熱性材料を含む多孔質層1m2あたりに含まれる耐熱性材料の体積(cc/m2)
<2> 下記式(I−2)を満足する<1>に記載の積層多孔質フィルム。
4.90≧0.1136×α+0.0819×β+3.8034≧4.40 (I−2)
α:積層多孔質フィルムの膜抵抗値(Ω・cm2)
β:耐熱性材料を含む多孔質層1m2あたりに含まれる耐熱性材料の体積値(cc/m2)
<3>積層多孔質フィルムの膜抵抗αが、0.25〜5.00Ω・cm2である前記<1>又は<2>に記載の積層多孔質フィルム。
<4>耐熱性材料が、バインダーとフィラーを含むものである前記<1>〜<3>のいずれかに記載の積層多孔質フィルム。
<5>フィラーの重量割合が、バインダーとフィラーの合計100重量%あたり、20〜99重量%である前記<4>に記載の積層多孔質フィルム。
<6>前記<1>〜<5>のいずれかに記載の積層多孔質フィルムを含む非水電解液二次電池。
上記したA層とB層は、順に積層されていれば3層以上でもよい。例えば、A層の両面にB層が形成されていてもよい。
本発明の積層多孔質フィルムにおけるA層について説明する。A層はポリオレフィンを含む多孔質層である。ポリオレフィンとしては、例えば、エチレン、プロピレン、1−ブテン、4−メチル−1−ペンテン、1−ヘキセンなどを重合した高分子量の単独重合体または共重合体が挙げられる。これらのポリオレフィンは、単独あるいは二種以上を混合して用いることができる。
上記ポリオレフィンの中でも、エチレンを主体とする高分子量ポリエチレンが好ましい。
空隙率が20体積%未満では電解液の保持量が少なくなる恐れがあり、80体積%を超えるとシャットダウンが生じる高温における無孔化が不十分となる、すなわち電池が激しく発熱したときに電流が遮断できなくなる恐れがある。
(a)高分子量ポリエチレン100重量部と、低分子量ポリオレフィン5〜200重量部と、炭酸カルシウム等の無機充填剤100〜400重量部とを混練してポリオレフィン樹脂組成物を得る。
(b)前記ポリオレフィン樹脂組成物を用いてシートを成形する。
(c)工程(b)で得られたシート中から無機充填剤を除去する。
(d)工程(c)で得られたシートを延伸してA層を得る。
を含む方法である。
次に、本発明の積層多孔質フィルムにおけるB層について説明する。B層は耐熱性材料を含む多孔質層である。B層は、耐熱性材料を含む多孔質層であることで、一方の面から他方の面に気体や液体が透過可能であり、さらに、積層多孔質フィルムに高温における形状安定性を付与することが可能である。
本明細書において、耐熱性材料とは、A層が溶融する温度(例えば、A層がポリエチレンからなる場合は、約130℃)において、溶融または熱分解しない材料と定義される。
上記耐熱樹脂の中でも、耐熱性をより高める点で、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルイミドが好ましく、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミドがより好ましい。さらにより好ましくは、芳香族ポリアミド(例えば、パラ配向芳香族ポリアミド、メタ配向芳香族ポリアミド)、芳香族ポリイミド、芳香族ポリアミドイミド等の含窒素芳香族重合体である。含窒素芳香族重合体として、とりわけ好ましくは芳香族ポリアミドであり、中でも、製造が容易である点から、特に好ましくは、パラ配向芳香族ポリアミド(以下、「パラアラミド」と称する場合がある。)である。
上記重合体の中でも、水溶性の重合体は、プロセスや環境負荷の点で好ましく、水溶性の重合体の中でも、カルボキシアルキルセルロース、アルキルセルロース、ヒドロキシアルキルセルロース、澱粉、ポリビニルアルコール、アルギン酸ナトリウムが好ましく、セルロースエーテルがより好ましい。
中でも、化学的、熱的な安定性に優れたCMC、HECが好ましく、CMCがより好ましい。
また、上記フィラーの水和物のような、上記フィラーに類似の物質を用いてもよい。これらのフィラーは、単独あるいは二種以上を混合して用いることができる。
上記フィラーの中でも、化学安定性、高温における形状安定性をより高める点で、無機酸化物のフィラーが好ましく、中でもα−アルミナがより好ましい。
なお、フィラーは、B層のイオン透過性を確保するのに十分な程度の孔を形成することのできるものであることが好ましい。
なお、B層がA層の両面に形成される場合、B層の厚みは、両面の合計厚みとする。
(a)耐熱樹脂が極性有機溶媒に溶解した極性有機溶媒溶液、または耐熱樹脂が溶解した極性有機溶媒溶液にフィラーが分散したスラリーを調製する。
(b)該極性有機溶媒溶液、または該スラリーをA層の片面に塗工し、塗工膜を形成する。
(c)加湿、溶媒除去あるいは耐熱樹脂を溶解しない溶媒への浸漬等の手段で、前記塗工膜から耐熱樹脂を析出させ、必要に応じて乾燥する。
(a)バインダー、フィラーおよび媒体を含むスラリーを調製する。
(b)該スラリーをA層の片面に塗工し、塗工膜を形成する。
(c)媒体を除去する。
A層の親水化処理は、いかなる方法でもよく、具体的には酸やアルカリ等による薬剤処理、コロナ処理、プラズマ処理等が挙げられる。
ここで、コロナ処理は、比較的短時間でA層を親水化できることに加え、コロナ放電によるポリオレフィンの改質が、A層の表面近傍のみに限られ、A層内部の性質を変化させることなく、高い塗工性を確保できるという利点がある。
本発明の積層多孔質フィルムは、ポリオレフィンを含む多孔質層の少なくとも片面に、耐熱性材料を含む多孔質層が積層された積層多孔質フィルムであって、下記式(I)を満足する積層多孔質フィルムである。好ましくは下記式(I−2)を満足する積層多孔質フィルムである。
0.1136×α+0.0819×β+3.8034≧4.40 (I)
4.90≧0.1136×α+0.0819×β+3.8034≧4.40 (I−2)
α:積層多孔質フィルムの膜抵抗(Ω・cm2)
β:耐熱性材料を含む多孔質層1m2あたりに含まれる耐熱性材料の体積(cc/m2)
本発明者らは、後述するとおり、積層多孔質フィルムを含むリチウムイオン二次電池において、非水電解液二次電池の内部短絡に対する安全性について検討した結果、釘刺し試験での50%破壊電圧が、積層多孔質フィルムの膜抵抗(Ω・cm2)およびB層に含まれる耐熱性材料の体積目付(すなわち、耐熱性材料を含む多孔質層1m2あたりに含まれる耐熱性材料の体積(cc/m2))と、それぞれ相関性があることを見出している。
50%破壊電圧=0.1136×α+3.941 (II)
α:積層多孔質フィルムの膜抵抗(Ω・cm2)
50%破壊電圧=0.0819×β+3.899 (III)
β:耐熱性材料を含む多孔質層1m2あたりに含まれる耐熱性材料の体積(cc/m2)
50%破壊電圧=0.1136×α+0.0819×β+γ (IV)
α:積層多孔質フィルムの膜抵抗(Ω・cm2)
β:耐熱性材料を含む多孔質層1m2あたりに含まれる耐熱性材料の体積(cc/m2)
γ:定数
上記式(IV)中の定数γは、後述する50%破壊電圧の実測値、ならびにαおよびβの各実測値より、3.8034と算出される。この定数γの算出結果より、上記式(IV)から下記式(V)が導出される。
50%破壊電圧=0.1136×α+0.0819×β+3.8034 (V)
α:積層多孔質フィルムの膜抵抗(Ω・cm2)
β:耐熱性材料を含む多孔質層1m2あたりに含まれる耐熱性材料の体積(cc/m2)
なお、B層がA層の両面に形成される場合、体積目付は、両面の合計値とする。
次に、本発明の非水電解液二次電池について説明する。本発明の非水電解液二次電池は、本発明の積層多孔質フィルムを、セパレータとして含む。非水電解液二次電池は、正極と、負極と、該正極と該負極の対向面間に挟まれたセパレータと、非水電解液とを備える。以下に、本発明の非水電解液二次電池について、当該電池がリチウム電池に代表される非水電解液二次電池である場合を例として、各構成要素について説明するが、これらに限定されるものではない。
さらに本発明の非水電解液二次電池は、過充電特性、耐衝撃特性などの安全性や、負荷特性などの電池特性にも優れると期待される。
(1)厚み(単位:μm):
積層多孔質フィルムの厚み(全体厚み)は、株式会社ミツトヨ製の高精度デジタル測長機で測定した。積層多孔質フィルムを一辺の長さ8cmの正方形に切り、その範囲で5点測定を行い、それらの平均値より厚みを求めた。
なお、A層の厚み(A層厚み)は、上記と同様の方法で測定して求めた。B層の厚み(B層厚み)は、積層多孔質フィルムの厚みからA層厚みを差し引いて求めた。
(2)耐熱性材料の体積目付(β、単位:cc/m2):
積層多孔質フィルムから、一辺の長さ0.08mの正方形のサンプルを切り出し、切り出したサンプルの重量W(g)を測定した。同様に、ポリオレフィン多孔質フィルム(A層)から、一辺の長さ0.08mの正方形のサンプルを切り出し、切り出したサンプルの重量Wa(g)を測定した。そして、WからWaを差し引いてB層の重量Wb(g)(=W−Wa)を算出した。次いで、算出したB層の重量Wb(g)を、耐熱性材料の真比重D(g/cc)と、切り出した積層多孔質フィルムの面積S(m2)(=0.08×0.08)とで除して、耐熱性材料の体積目付(耐熱性材料を含む多孔質層1m2あたりに含まれる耐熱性材料の体積(=Wb/(D×S))を算出した。
(3)透気度(単位:sec/100cc)
JIS P8117 に準拠して、旭精工(株)王研式デジタル透気度試験機で測定した。
(4)積層多孔質フィルムの膜抵抗(α、単位:Ω・cm2)
積層多孔質フィルムから、測定用サンプルとして、直径17mmの円形状の測定用サンプル6枚と、直径15mmの円形状の測定用サンプル24枚と切り出した。また、2032型コインセルの部材(上蓋、下蓋、ガスケット、スペーサー(直径15.5mm、厚み0.5mmの円形状のスペーサー)×2枚、ウェーブワッシャー)(宝泉社から購入)を用意した。
まず、アルゴンガスを充填し、露点温度を−80℃以下としたグローブボックス内にて、下蓋の上に、下蓋側から順に、スペーサー、測定用サンプル、スペーサーを載置した。
スペーサー間に配置する測定用サンプルの枚数は、2枚、5枚、8枚とし、測定用サンプルを前記各枚数配置したセルを2個ずつ作製した。また、各セルにおいて、複枚数の測定サンプルのうち、1枚は直径17mmの円形状の測定用サンプルとし、残りは直径15mmの円形状の測定用サンプルとした。そして、直径17mmの円形状の測定用サンプルを固定するようにガスケットを置き、スペーサーの上にウェーブワッシャーを設置した。次いで、ウェーブワッシャーを設置したセルに、LiPF6にエチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)およびエチルメチルカーボネート(EMC)の混合溶媒(EC/DMC/EMC=30/35/35[体積比])を配合した濃度1Mの電解液(キシダ化学株式会社製)を注液した。注液後、セルを約−80kPaの圧力で10分間静置し、測定用サンプルに電解液を含浸させた。その後、セルに上蓋をかぶせ、コインセルカシメ器で密閉してサンプルセルを得た。
得られたサンプルセルを25℃の恒温槽中に入れ、24時間放置した後、交流インピーダンス測定装置を用いて振幅5mV、周波数1MHz〜10kHzの範囲にて該セルの抵抗を測定した。測定されたセルの抵抗成分の値(虚軸の値が0の時の実軸の値)を、セルに配置した積層多孔質フィルムの枚数に対してプロットし、このプロットを線形近似して傾きを求めた。この傾きにスペーサーの面積(1.88cm2(=(1.55cm/2)2×π)を乗じて得られる値を、積層多孔質フィルムの膜抵抗の値(Ω・cm2)とした。
(5)釘刺し試験(50%破壊電圧 単位:V)
円筒型のリチウムイオン二次電池10個について、それぞれ所定の試験電圧まで充電した後、電池の中心部に対し、2.77mmφの釘を1mm/secの速度で貫通させて釘刺し試験を実施し、当該電圧における安全性の良否判定を行った。この良否判定において、異常発熱があった場合を×、異常発熱が抑制された場合を○として判定した。リチウムイオン二次電池10個の釘刺し試験は、以下の手順で行った。
(a)リチウムイオン二次電池1個について、ある試験電圧で釘刺し試験を実施した。
(b)別のリチウム二次電池1個について、(a)の釘刺し試験での判定が○であった場合は、(a)の釘刺し試験での試験電圧より0.05V高い試験電圧で、同判定が×であった場合は、(a)の釘刺し試験での試験電圧より0.05V低い試験電圧で釘刺し試験を実施した。
(c)さらに別のリチウム二次電池1個について、(b)での釘刺し試験での判定が○であった場は、(b)の釘刺し試験での試験電圧より0.05V高い試験電圧で、同判定が×であった場合は、(b)の釘刺し試験での試験電圧より0.05V低い試験電圧で釘刺し試験を実施した。
(d)残りのリチウムイオン二次電池7個について、順次、(c)と同様にして試験電圧を設定し、釘刺し試験を実施した。なお、釘刺し試験は、円筒型のリチウムイオン二次電池10個について夫々行った。また、(a)の釘刺し試験での試験電圧(初回の試験電圧)は、3.8〜4.4V間の任意の電圧を選定した。
この試験結果を使用して、「JIS K 7211 硬質プラスチックの落錘衝撃試験方法通則」に記載されている方法を模して、50%破壊電圧を算出した。算出された50%破壊電圧は、釘刺しによって内部短絡が生じた際に異常発熱が抑制される非水電解液二次電池の電池電圧を意味し、釘刺しによって内部短絡が生じた際の非水電解液二次電池の電池電圧が、この50%破壊電圧以下であるとき、異常発熱が抑制される。50%破壊電圧は、下記の式で表される。
V50=VI+d[Σ(i・ni)/N±1/2]
V50:50%破壊電圧
VI:電圧水準(i)が0のときの試験電圧(試験電圧において、○と×が共存する電圧であり、かつ、×の数が多い電圧)
d:試験電圧を上下させる場合の電圧間隔(V)
i:VIのときを0とし、一つずつ増減する電圧水準(i=・・・−3,−2,−1,0,1,2,3・・・)(例えば、d=0.05Vのとき、VIから0.05V上げた場合はi=1、0.05V下げた場合はi=−1となる。)
ni:各電圧水準での釘刺し試験において○となった(または×となった)電池の数
N:当該電池の全ての釘刺し試験において○となった(または×となった)電池の総数)(N=Σni)
(○となった電池の数(総数)、あるいは×となった電池の数(総数)のいずれを使用するかは、当該電池の全釘刺し試験で数の多かった方の結果を使用する。なお同数の場合は、どちらを使用してもよい。)
±1/2:niおよびNとして、○となった電池の数(総数)を使用した場合は+1/2、×となった電池の数(総数)を使用した場合は−1/2
<B層形成用スラリーの作製>
純水:イソプロピルアルコールの重量比が90:10である媒体に固形分濃度が28重量%となるようにカルボキシメチルセルロース(CMC)(1110(ダイセルファインケム株式会社製)、真比重:1.6g/cm3)とアルミナ粉末(AKP3000(住友化学株式会社製)、真比重:4.0g/cm3)を3:100の重量比で添加、混合して、高圧分散により、B層形成用スラリーを調製した。
<A層の製造>
高分子量ポリエチレン粉末(GUR4032(ティコナ株式会社製))を70重量%、重量平均分子量1000のポリエチレンワックス(FNP−0115(日本精鑞株式会社製))30重量%、この高分子量ポリエチレンとポリエチレンワックスの合計100重量部に対して、酸化防止剤(Irg1010(チバ・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社製))0.4重量部、酸化防止剤(P168(チバ・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社製))0.1重量部、ステアリン酸ナトリウム1.3重量部を加え、さらに全体積に対して38体積%となるように平均粒径0.1μmの炭酸カルシウム(丸尾カルシウム株式会社製)を加え、これらを粉末のままヘンシェルミキサーで混合した後、二軸混練機で溶融混練してポリオレフィン樹脂組成物とした。該ポリオレフィン樹脂組成物を表面温度が150℃の一対のロールにて圧延しシートを作製した。同様の方法で圧延時のドロー比を変えたシートを作製し、これらの2枚のシートを130℃で熱圧着させ積層シートとした。このシートを塩酸水溶液(塩酸4mol/L、非イオン系界面活性剤0.5重量%)に浸漬させることで炭酸カルシウムを除去し、続いて105℃で任意の倍率で延伸して、所定厚みのポリオレフィン多孔質フィルム(A層)を得た。
<積層多孔質フィルムの製造>
グラビア塗工機を用いて、コロナ処理を行ったA層の片面に直接B層形成用スラリーを塗布し、乾燥した。これによりA層の片面にB層が積層されてなる所定厚みの積層多孔質フィルムを得た。得られた積層多孔質フィルムについて、上記の方法で測定した物性を表1に示す。また、得られた積層多孔質フィルムについて、「0.1136×α+0.0819×β+3.8034」の値を算出した結果を表1に示す。
A層厚み、B層厚み、および全体厚みを表1に示すとおりとした以外は、比較例1と同様の操作をして、A層の片面にB層が積層されてなる積層多孔質フィルムを得た。得られた積層多孔質フィルムについて、上記の方法で測定した物性を表1に示す。また、得られた積層多孔質フィルムについて、「0.1136×α+0.0819×β+3.8034」の値を算出した結果を表1に示す。
グラビア塗工機を用いて、コロナ処理を行ったA層の両面に直接B層形成用スラリーを塗布し、乾燥した以外は、比較例1と同様の操作をして、A層の両面にB層が積層されてなる所定厚みの積層多孔質フィルムを得た。得られた積層多孔質フィルムについて、上記の方法で測定した物性を表1に示す。また、得られた積層多孔質フィルムについて、「0.1136×α+0.0819×β+3.8034」の値を算出した結果を表1に示す。
A層厚み、B層厚み、および全体厚みを表1に示すとおりとした以外は、比較例4と同様の操作をして、A層の両面にB層が積層されてなる積層多孔質フィルムを得た。得られた積層多孔質フィルムについて、上記の方法で測定した物性を表1に示す。また、得られた積層多孔質フィルムについて、「0.1136×α+0.0819×β+3.8034」の値を算出した結果を表1に示す。
A層を市販のポリオレフィン多孔質フィルムとし、A層厚み、B層厚み、および全体厚みを表1に示す通りとした以外は、比較例4と同様の操作をして、A層の両面にB層が積層されてなる積層多孔質フィルムを得た。得られた積層多孔質フィルムについて、上記の方法で測定した物性を表1に示す。また、得られた積層多孔質フィルムについて、「0.1136×α+0.0819×β+3.8034」の値を算出した結果を表1に示す。
<パラアラミドの合成>
撹拌翼、温度計、窒素流入管および粉体添加口を有する、3リットルのセパラブルフラスコを使用して、パラアラミド(ポリ(パラフェニレンテレフタルアミド)の製造を行った。十分乾燥した前記フラスコに,N−メチル−2−ピロリドン(NMP)2200gを仕込み、次に、200℃で2時間真空乾燥した塩化カルシウム粉末151.07gを添加した。これを100℃に昇温して塩化カルシウムをNMPに完全に溶解した。この塩化カルシウム溶解液を室温に戻して、パラフェニレンジアミン68.23gを添加し完全に溶解させた。この溶液を20℃±2℃に保ったまま、テレフタル酸ジクロライド124.97gを10分割して約5分おきに添加した。その後も撹拌しながら、溶液を20℃±2℃に保ったまま1時間熟成して、パラアラミド濃度が6重量%のパラアラミド溶液を得た。
得られたパラアラミド溶液100gにNMP243gを添加し、60分間攪拌して、パラアラミド濃度が1.75重量%であるパラアラミド溶液を得た。他方、アルミナ粉末(アルミナC(日本アエロジル株式会社製)、真比重:3.2g/cm3)6gと、アルミナ粉末(アドバンスドアルミナAA−03(住友化学株式会社製)、真比重:4.0g/cm3)6gとを混合して、アルミナ粉末混合物12gを得た。そして、パラアラミド濃度が1.75重量%であるパラアラミド溶液に、アルミナ粉末混合物12gを混合し、240分間攪拌して、アルミナ粉末含有パラアラミド溶液を得、さらに、このアルミナ粉末含有パラアラミド溶液を1000メッシュの金網で濾過した。その後、濾液に酸化カルシウム0.73gを添加し、240分攪拌して中和を行い、減圧下で脱泡して、B層形成用スラリーを得た。
比較例1と同様の操作をして、所定厚みのポリオレフィン多孔質フィルム(A層)を得た。
A層のロール(幅300mm、長さ300m)を巻き出し機に取り付け、A層を引き出しながら、A層の片面に前記B層形成用スラリーを塗布し、連続的に積層多孔質フィルムを得た。
詳しくは、まず、引き出したA層の下面にNMPをマイクログラビアコーターで塗布し、上面に前記B層形成用スラリーをバーコーターで所定厚みに塗布した。次に、塗工後のA層を恒温恒湿槽内(温度50℃、相対湿度70%)を通し、塗工膜からパラアラミドを析出させた。続いて、このフィルムを、水洗装置(イオン交換水が10リットル/分で注入され、内部に満たされたイオン交換水が、前記注入速度と同一速度でイオン交換水が排出される槽内にガイドロールをセットした構造の装置)に通して、A層からNMPおよび塩化カルシウムを除去した。
その後、洗浄されたA層にヤンキードライヤーで熱風を送りつつ、熱ロール(直径1m、表面温度70℃、メタアラミド布のキャンバスで覆われている)を通して水分を乾燥除去した。これによりA層の片面にB層が積層されてなる所定厚みの積層多孔質フィルムを得た。得られた積層多孔質フィルムについて、上記の方法で測定した物性を表1に示す。
また、得られた積層多孔質フィルムについて、「0.1136×α+0.0819×β+3.8034」の値を算出した結果を表1に示す。
まず、比較例10と同様の操作をして、A層の片面にB層が積層されてなる積層多孔質フィルムを得た。次いで、得られた積層多孔質フィルムのA層の面に、比較例1と同様の操作をしてB層を形成して、A層の両面にB層が積層され、一方のB層がパラアラミドを含む層であり、もう一方のB層がCMCを含む層である積層多孔質フィルムを得た。得られたA層の両面にB層が積層された積層多孔質フィルムについて、上記の方法で測定した物性を表1に示す。また、得られた積層多孔質フィルムについて、「0.1136×α+0.0819×β+3.8034」の値を算出した結果を表1に示す。
比較例4におけるB層(耐熱層:両面、バインダーCMC)の厚みを増すことにより全体厚みを50μmとしたときの膜抵抗(α)を見積もり、「0.1136×α+0.0819×β+3.8034」の値を算出した。
B層(耐熱層)の膜厚をTB、体積目付をβとすると耐熱層の膜厚当たりの体積目付Fは、次式で表される。
F=β/TB
同様の積層構成を有する比較例4、7、及び8の、TB及びβから算出したFは以下のとおりとなる。
比較例4:F=0.470cc/m2/μm
比較例7:F=0.479cc/m2/μm
比較例8:F=0.473cc/m2/μm
上記3点の平均値Fave.は0.474cc/m2/μmとなった。
U=Δα/Δβ
同様の積層構成を有する比較例4、7、及び8の、α及びβの差から算出したUは以下のとおりとなる。
比較例4と比較例7との差:U=0.081Ω・cm2・m2/cc
比較例4と比較例8との差:U=0.101Ω・cm2・m2/cc
比較例7と比較例8との差:U=0.072Ω・cm2・m2/cc
上記3点の平均値Uave.は0.085Ω・cm2・m2/ccとなった。
比較例4で得られたセパレータにさらに耐熱層を積層して50μmとしたときの膜抵抗は、上記結果からUave.×11.23cc/m2+1.02Ω・cm2=0.085Ω・cm2・m2/cc×11.23cc/m2+1.02Ω・cm2=1.97Ω・cm2と算出される。
したがって、膜抵抗(α)が1.97Ω・cm2であり、体積目付(β)が4.28cc/m2+11.23cc/m2=15.51cc/m2である積層多孔質フィルムの「0.1136×α+0.0819×β+3.8034」の値は5.30と算出される。結果を表1に示す。
実施例1におけるB層(耐熱層:両面、バインダーCMC)の厚みを増すことにより膜抵抗(α)を2Ω・cm2としたときの「0.1136×α+0.0819×β+3.8034」の値を算出した。
4.71cc/m2の体積目付を追加したときの膜厚増加分は、上記Fave.を用いることによって、4.71cc/m2/Fave=9.9μmと算出される。つまり、全体厚みは30.2μm+9.9μm=40.1μmと算出される。
膜抵抗(α)が2.00Ω・cm2であり、体積目付(β)が6.35cc/m2+4.71cc/m2=11.06cc/m2である積層多孔質フィルムの「0.1136×α+0.0819×β+3.8034」の値は4.94となる。と算出される。結果を表1に示す。
<正極の作製>
正極活物質、導電剤、バインダー1、バインダー2、水を用いて、正極活物質(セルシードC−10N(日本化学工業株式会社製)、LiCoO2、真比重4.8g/cm3):導電剤(アセチレンブラック(電気化学工業株式会社製)、真比重2.2g/cm3):バインダー1(PTFE31−JR(三井・デュポンフロロケミカル株式会社株式会社製)、真比重2.2g/cm3):バインダー2(セロゲン4H(第一工業製薬株式会社製)、真比重1.4g/cm3)の混合割合が、92:2.7:4.55:0.75(重量比)の組成となるようにそれぞれ秤量した。混練機に、一定量の水を入れ、バインダー2を溶解した後、正極活物質、導電剤、バインダー1を加えて混練し、粘度が2700±1000cpになるように、再度水を加えて調整して、正極合剤を得た。該正極合剤を正極集電体シートである厚さ20μmで空隙のないアルミニウム箔の両面の所定部分に塗布、乾燥後、ロールプレスにより、塗布膜の厚みが140μm(見かけ密度3.5g/cm3)となるまで圧延し、幅を54mmとした正極を得た。
負極活物質1、負極活物質2、バインダー、水を用いて、負極活物質1(BF15SP(株式会社中越黒鉛工業所製)、真比重2.2g/cm3):負極活物質2(CG−R−A(日本黒鉛商事株式会社製)、真比重2.2g/cm3):バインダー(セロゲン4H(第一工業製薬株式会社製)、真比重:1.4g/cm3)の混合割合が、58.8:39.2:2(重量比)の組成となるようにそれぞれ秤量した。混練機に、一定量の水を入れ、バインダーを溶解した後、負極活物質1および負極活物質2を加えて混練し、粘度が2100±500cpになるように、再度水を加えて調整して、負極合剤を得た。該負極合剤を負極集電体シートである厚さ12μmで空隙のない銅箔の両面の所定部分に塗布、乾燥後、ロールプレスにより、塗布膜の厚みが140μm(見かけ密度1.45g/cm3)となるまで圧延し、幅を56mmとした負極を得た。
前記比較例1〜11における積層多孔質フィルム(幅60mm、長さ700mm)をセパレータとして用い、さらに、正極タブ(アルミ)を溶接した前記正極(幅54mm、長さ560mm)、負極タブ(ニッケル)を溶接した前記負極(幅56mm、長さ600mm)を用いて、正極、積層多孔質フィルム、負極の順に積層して巻回した。得られた電極群を18650円筒電池用の電池缶に入れて、卓上旋盤でネッキングを行い、負極タブの缶底溶接と正極タブの蓋溶接をした後、真空乾燥を行った。その後、アルゴンガス雰囲気のグローブボックス内でカーボネート系溶剤に、LiPF6塩を1.3mol/L含有する非水電解質(キシダ化学株式会社製、比重:1.21g/cm3)5g(正極、負極および積層多孔質フィルムにおける空隙の合計体積の1.1倍に相当)を電池缶内に注液して、カシメ器で密閉して、リチウムイオン二次電池(18650円筒電池)を得た。得られた円筒型のリチウムイオン二次電池について、上記の方法で釘刺し試験を行い、50%破壊電圧を算出した結果を表2に示す。
<非水電解液二次電池の作製>
(正極の作製)
正極活物質であるLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 90重量部に、アセチレンブラック6重量部、およびポリフッ化ビニリデン(株式会社クレハ製)4重量部を加えて混合して得た混合物を、N−メチル−2−ピロリドンに分散させてスラリーを作製した。得られたスラリーを、正極集電体であるアルミニウム箔の一部に均一に塗布して乾燥させた後、プレス機により厚さ80μmに圧延した。次いで、正極活物質層が形成された部分の大きさが40mm×35mmであり、かつその外周に幅13mmで正極活物質層が形成されていない部分が残るように、圧延したアルミニウム箔を切り取って正極とした。正極活物質層の密度は2.50g/cm3であった。
負極活物質である黒鉛粉末98重量部に、増粘剤および結着剤であるカルボキシメチルセルロースの水溶液100重量部(カルボキシメチルセルロースの濃度;1重量%)、およびスチレン・ブタジエンゴムの水性エマルジョン1重量部を加えて混合して、スラリーを作製した。得られたスラリーを、負極集電体である厚さ20μmの圧延銅箔の一部に塗布して乾燥させた後、プレス機により厚さ80μmに圧延した。次いで、負極活物質層が形成された部分の大きさが50mm×40mmであり、かつその外周に幅13mmで負極活物質層が形成されていない部分が残るように、圧延した圧延銅箔を切り取って負極とした。負極活物質層の密度は1.40g/cm3であった。
ラミネートパウチ内で、積層多孔質フィルムのB層と正極の正極活物質層とが接するようにして、かつ、積層多孔質フィルムのA層(両面の場合はB層)と負極の負極活物質層とが接するようにして、上記正極、積層多孔質フィルム、および負極をこの順で積層(配置)することにより、非水電解液二次電池用部材を得た。このとき、正極の正極活物質層における主面の全部が、負極の負極活物質層における主面の範囲に含まれる(主面に重なる)ように、正極および負極を配置した。
充放電サイクルを経ていない新たな非水電解液二次電池に対して、25℃で電圧範囲;4.1〜2.7V、電流値;0.2C(1時間率の放電容量による定格容量を1時間で放電する電流値を1Cとする、以下も同様)の定電流充放電を1サイクルとして、4サイクルの初期充放電を行った。
上記100サイクルの充放電における1サイクル目の充放電(すなわち、4サイクルの初期充放電を行い、続いて行った1サイクル目の充放電)での放電容量(すなわち、充電状態から放電したときに取り出せる電気量)を基準として、下記式に基づき、基準とする放電容量(1サイクル目放電容量)に対する上記100サイクルの充放電における100サイクル目の充放電での放電容量(100サイクル目放電容量)の割合を、容量維持率(%)として算出した。
容量維持率=(100サイクル目放電容量/1サイクル目放電容量)×100
算出した容量維持率が、50%以上であった場合を○、50%未満であった場合を×として判定した。
上記のサイクル試験は、比較例2、比較例11および実施例1で得られた積層多孔質フィルムをそれぞれ用いて作製した各非水電解液二次電池について行った。結果を表2に示す。
本発明によれば、電池容量の大きい非水電解液二次電池において、内部短絡に対する安全性に優れるものとすることのできる、非水電解液二次電池用セパレータとして好適な積層多孔質フィルム、およびこの積層多孔質フィルムを含む非水電解液二次電池を得ることができる。
Claims (6)
- ポリオレフィンを含む多孔質層の少なくとも片面に、耐熱性材料を含む多孔質層が積層された積層多孔質フィルムであって、下記式(I)を満足する積層多孔質フィルム。
0.1136×α+0.0819×β+3.8034≧4.40 (I)
α:積層多孔質フィルムの膜抵抗値(Ω・cm2)
β:耐熱性材料を含む多孔質層1m2あたりに含まれる耐熱性材料の体積値(cc/m2) - 下記式(I−2)を満足する請求項1に記載の積層多孔質フィルム。
4.90≧0.1136×α+0.0819×β+3.8034≧4.40 (I−2)
α:積層多孔質フィルムの膜抵抗値(Ω・cm2)
β:耐熱性材料を含む多孔質層1m2あたりに含まれる耐熱性材料の体積値(cc/m2) - 積層多孔質フィルムの膜抵抗値αが、0.25〜5.00Ω・cm2である請求項1又は2に記載の積層多孔質フィルム。
- 耐熱性材料が、バインダーとフィラーとを含むものである請求項1〜3のいずれかに記載の積層多孔質フィルム。
- フィラーの重量割合が、バインダーとフィラーの合計100重量%あたり、20〜99重量%である請求項4に記載の積層多孔質フィルム。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の積層多孔質フィルムを含む非水電解液二次電池。
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