JP2017162840A - 高温溶融完全性セパレータ - Google Patents
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Abstract
【課題】電解質溶液に対して耐性があるが、それと高度に適合する非晶質熱可塑性ポリマーをベースとしたセパレータを含むバッテリおよび/またはコンデンサのシステム。【解決手段】バッテリおよび/またはコンデンサのシステムは、アノード102と、カソード100と、アノード102とカソード100の間に配置され、1,4−ジアミノベンゼンから誘導される構造単位を含むポリエーテルイミド(PEI)を含むセパレータ104と、セパレータ104に隣接して配置された電解質108溶液とを含む。セパレータ104が電解質108溶液に対して90%以上の正規化乾燥重量を有し、セパレータ104が電解質108溶液に対して30°以下の接触角を有する。【選択図】図1
Description
バッテリーセルおよび電解コンデンサセルは典型的に正および負の電極(カソードおよびアノード)ならびに電解質溶液を含む。これらの電極は、セパレータとして公知の薄い多孔質フィルムで分離されている。セパレータは、バッテリー/コンデンサにおいて重要な役割を果たす。セパレータの1つの機能は、2つの電極を物理的に互いに隔てるように保持して電気的な短絡を防止することであり、したがって、セパレータは電気的に絶縁性でなければならない。同時に、セパレータは、セルの充電および放電の間の回路を完結させるのに必要な電荷担体の迅速な輸送を可能にするものでなければならない。したがって、バッテリーセパレータは、本来的にイオン導電体(固体電解質など)であるか、またはイオン伝導性の液体電解質を液浸させることによって、イオンを伝導させる能力を有していなければならない。
バッテリーセパレータの高温溶融完全性(HTMI)は、個々のセルならびにバッテリーパック全体の安全性を確実にするための重要な特性である。過充電もしくは内部短絡、または内部セル温度の上昇をもたらす他の任意の事象に起因した内部熱増大の場合、セパレータが、その完全性(形状および機械的なもの)を維持し、それによって高温で電極が互いに接触するのが防止されることになるので、高温溶融完全性は追加的な安全の余裕を提供することができる。
リチウムイオンバッテリーのための典型的なセパレータは、溶融加工技術により製造されるポリマー、より具体的にはポリエチレン(PE)およびポリプロピレン(PP)をベースとしている。これらのタイプのセパレータは典型的に高温(<160℃)での溶融完全性が劣っており、電解質溶液での湿潤性が低い。したがって、溶融または溶液プロセスで製造することができる改善されたHTMIおよび電解質湿潤性を有する代替のセパレータのニーズが存在する。
リチウムイオンバッテリーのポリマーセパレータフィルムの多孔性は典型的に、そのプロセスが「ドライプロセス」として公知である押し出しフィルムの(一軸性)延伸によってもたらされる。これは、フィルムの押し出し、アニーリングおよび延伸の間の複合的な相互作用をベースとしている(例えば、米国特許第3,558,764号および同第5,385,777号を参照されたい)。ドライプロセスは典型的に開放型細孔構造および相対的に均一な細孔サイズをもたらす。しかし、延伸プロセスに固有的に、ドライプロセスは、非球形の細孔およびその材料中での残留応力をもたらす。後者は典型的に、特に高温での経時的なフィルムの変形(収縮)をもたらす。多孔質構造を増進させるためには、延伸プロセスの間での結晶化/結晶性が必要であるので、ドライプロセスによる多孔質フィルムの作製は、半結晶性ポリマーだけに限定される。このプロセスはかなり高い多孔度(30〜50%)を可能にするが、すべての細孔が互いに接続されているわけではないので、実際にアクセス可能な多孔度(例えば通気度で測定されるような)はしばしば相当低い。
あるいは、多孔性は、そのポリマーを、その溶融物を冷却すると特異的な構造を形成し、低分子量の化学種を除去した後に多孔質構造が残る、低分子量の抽出可能なものと予備混合することによってもたらすことができる(例えば、米国特許第7,618,743号および日本国特許第1988273651号(特開昭63−273651号)、同第1996064194号(特開平8−064194号)および同第1997259858号(特開平9−259858号)を参照されたい)。このプロセスは「ウェットプロセス」として公知であり、典型的に、押し出しプロセスの間は混和性であるが、冷却されると相分離する、ポリマー/抽出可能物の組合せを使用する。抽出可能物は典型的に、炭化水素液体、例えばパラフィン油などの低分子量の化学種である。低分子量の種の除去は、蒸発または抽出によって達成することができる。抽出は典型的に、塩化メチレンなどの有機性の揮発性溶媒を用いて達成される。所望の細孔構造を生み出すために、追加的な延伸(一軸性または二軸性)ステップが典型的に用いられる。ウェットプロセスは典型的に、高度にねじれている相互接続した多孔質構造をもたらす。ウェットプロセスによる多孔質フィルムの作製は典型的に、相対的に高い溶融強度を有するポリマー(例えば、超高分子量ポリエチレン)に限定される。ドライプロセスと同様に、すべての細孔が互いに接続されているわけではないので、実際にアクセス可能な多孔度(例えば通気度で測って)はしばしば全多孔度より相当低い。
セルの体積抵抗性(volume resistivity)は典型的にアクセス可能なセパレータ多孔度とは逆に増減するので、セパレータフィルムにおける高い多孔度は、バッテリーの充電および放電特性に有益である。さらに、セパレータ細孔サイズは、アノードおよびカソードの活性材料の粒径(典型的に2〜3マイクロメートル)より小さい必要がある。また、細孔サイズ分布は狭く、その細孔は均一に分布していなければならない。すべての細孔は、何らかの仕方で、そのフィルムの前面から背面まで接続されていることが好ましい、言い換えれば、実際のアクセス可能な多孔度は、全多孔度と同等であるべきである。これは、すべての細孔が、電解質溶液についてアクセス可能であり、セパレータを通るイオン輸送に寄与することを意味する。Liイオンバッテリーの場合、高度なねじれおよび相互接続した細孔構造は、それが、急速充電または低温充電の際の黒鉛アノード上でのリチウム結晶の成長を抑制するので、バッテリーの長寿命のために有益である。他方では、開放型(低いねじれ)および均一な細孔サイズの構造は、急速な充電および放電が必要とされる用途、例えば高出力密度バッテリーに有益である。
非水性バッテリー中のセパレータフィルムは、大部分が、ポリマー、より具体的にはポリエチレン(PE)およびポリプロピレン(PP)をベースとしている。PEとPPはどちらも、バッテリーセル中でのセパレータの長期性能発現を可能にする、電解質溶液に対するそれらの公知の耐溶剤性のために使用される。これらのタイプのセパレータの明確な欠点は、それらの低い高温溶融完全性(HTMI)および電解質溶液との低い相互関係(すなわち、湿潤性および電解質保持)である。
改善されたHTMI性能(>180℃)を有するセパレータフィルムを開発するための努力がなされてきた。HTMI>180℃を達成するために、2つの技術的アプローチが典型的に用いられる。1つは、多孔質ポリマーマトリクスを強化するために、セラミックのコーティングまたは充填材を使用するものである。その例には以下のものが含まれる:
・ Mitsubishi Chemical Companyは、アルミナ(Al2O3)およびPVdF結合剤をベースとしたハイブリッドセパレータを作製している[「Technologies and Market Forecast of Separators for Rechargeable Lithium Ion Batteries、September 2010」、Solar&Energy Co.,Ltd.を参照されたい]
・ Degussaは、ポリエステル不織布上に接着されたセラミック粒子からなるハイブリッドセパレータを開発している[S.ツァン(Zhang)、「A review on the separators of liquid electrolyte Li−ion batteries」、J. Power Sources (2007)164:351〜364頁を参照されたい]。
・ LG Chemicalは、セラミック層でコーティングしたポリオレフィンセパレータを使用することによって、いわゆる「SRS」(安全性強化セパレータ)を開発している。セラミック層のため、セパレータの熱安定性と機械的強度が改善されている[X.フアン(Huang)、「Separator technologies for lithium−ion batteries」、J. Solid State Electrochem.、(2011)15:649〜662頁、米国特許出願公開第2010/0255382号を参照されたい]
・ Sony Corp[米国特許出願公開第2009/0092900号]およびPanasonic[米国特許出願公開第2010/0151325号、同第2008/0070107号]は、耐熱性無機物層でコーティングされたポリマーセパレータを開発している。
・ Samsung[米国特許出願公開第2009/0155677号]は、無機粒子で充填されたポリマーセパレータを開発している。
・ GM[米国特許出願公開第2011/0200863号]は、多孔質ポリマー膜を電気抵抗性セラミック材料でコーティングするための酸素プラズマプロセスを開発している。
・ Teijin[国際公開第2008/062727号]は、微細無機粒子からなる耐熱性多孔質層を有する微細孔ポリエチレンフィルムを開発している。
・ Asahi[国際公開第2008/093575号]は、ポリオレフィン樹脂多孔質膜、無機充填材および樹脂結合剤を含む多層型多孔質膜を開発している。
・ Mitsubishi Chemical Companyは、アルミナ(Al2O3)およびPVdF結合剤をベースとしたハイブリッドセパレータを作製している[「Technologies and Market Forecast of Separators for Rechargeable Lithium Ion Batteries、September 2010」、Solar&Energy Co.,Ltd.を参照されたい]
・ Degussaは、ポリエステル不織布上に接着されたセラミック粒子からなるハイブリッドセパレータを開発している[S.ツァン(Zhang)、「A review on the separators of liquid electrolyte Li−ion batteries」、J. Power Sources (2007)164:351〜364頁を参照されたい]。
・ LG Chemicalは、セラミック層でコーティングしたポリオレフィンセパレータを使用することによって、いわゆる「SRS」(安全性強化セパレータ)を開発している。セラミック層のため、セパレータの熱安定性と機械的強度が改善されている[X.フアン(Huang)、「Separator technologies for lithium−ion batteries」、J. Solid State Electrochem.、(2011)15:649〜662頁、米国特許出願公開第2010/0255382号を参照されたい]
・ Sony Corp[米国特許出願公開第2009/0092900号]およびPanasonic[米国特許出願公開第2010/0151325号、同第2008/0070107号]は、耐熱性無機物層でコーティングされたポリマーセパレータを開発している。
・ Samsung[米国特許出願公開第2009/0155677号]は、無機粒子で充填されたポリマーセパレータを開発している。
・ GM[米国特許出願公開第2011/0200863号]は、多孔質ポリマー膜を電気抵抗性セラミック材料でコーティングするための酸素プラズマプロセスを開発している。
・ Teijin[国際公開第2008/062727号]は、微細無機粒子からなる耐熱性多孔質層を有する微細孔ポリエチレンフィルムを開発している。
・ Asahi[国際公開第2008/093575号]は、ポリオレフィン樹脂多孔質膜、無機充填材および樹脂結合剤を含む多層型多孔質膜を開発している。
ポリマー膜にセラミック層を適用すると典型的に、機械的特性(例えば、引張り強さおよび可撓性)を劣化させ、これは、セル製造プロセスの間のセパレータの完全性ならびにセルの実際の適用の際の安全性の懸念がある。さらに、二次的加工ステップを伴うことになるので、ポリマーセパレータにセラミック層を適用するのは望ましくない。相当な追加的コストをもたらす、コーティング/マトリクス剥離および/または粒子脱落のような事象を防止する必要があるので、この二次的プロセスの非常に厳しい制御が必要となる。さらに、適用される無機コーティングは、セル充電および放電の際のセパレータを通したイオン輸送を可能にするように多孔質である必要がある。
セパレータHTMIを改善するための他のアプローチは、ポリエチレンまたはポリプロピレンポリマーマトリクスを耐熱性ポリマーで置き換えることである。そうした高い耐熱性ポリマーの例には、ポリ(4−メチルペンテン)(PMP)[欧州特許第2308924号、米国特許出願公開第2006/0073389号]および架橋ポリマー[米国特許第4522902号]が含まれる。これらのアプローチの欠点は、それぞれ、電解質での湿潤性が低いことおよび加工が困難であることである。米国特許出願公開第2013/0125358号、中国特許第102251307号、米国特許出願公開第2011/0143217号および米国特許出願公開第2011/0143207号は、バッテリーセパレータ用途のための完全に芳香族ポリイミドの使用を説明しているが、完全な芳香族ポリイミドは熱硬化性樹脂であり、したがって典型的に溶融加工が不可能なので、完全な芳香族ポリイミドの多孔質フィルムへの加工は困難である。種々の構造形態でのバッテリーセパレータ用途のための溶融および溶液加工可能な熱可塑性ポリエーテルイミド(PEI)の適用が、例えば、カナダ特許出願公開第2468218号、独国特許出願公開第102010024479号、米国特許第7892672号、米国特許第7214444号、米国特許第7087343号および米国特許出願公開第2011/0171514号、米国特許出願公開第2011/0165459号、米国特許出願公開第2012/0308872号、米国特許出願公開第2012/0309860号、米国特許出願公開第2012/0156569号、米国特許第8470898号、特開第2005−209570号、特開第2009−231281号、特開第2009−231281号に説明されている。しかし、ポリエーテルイミドは典型的に、バッテリー分野での適用のために必要とされる耐溶剤性を有しておらず、これは、セパレータの著しい溶解および/または腫脹をもたらし、セパレータが、細孔を通したイオン輸送を可能にしながら、電極を物理的に分離する能力を(部分的に)緩ませることになる。改善された耐溶剤性を有するポリエーテルイミドは公知であり、例えばpara−フェニレンジアミンから誘導される構造単位を含むポリエーテルイミドがある。しかし、これらのタイプの耐溶剤性ポリエーテルイミドは典型的に溶液加工が可能でないと考えられている。我々の最良の知見によれば、したがって、para−フェニレンジアミンから誘導される構造単位を含む耐溶剤性ポリエーテルイミドは、バッテリーセパレータにこれまで適用されたことはない。
したがって、非水性電解質溶液と、本質的に良好な適合性を有し、なおかつそれに対して耐性のある180℃超で溶融完全性を有するポリマーセパレータフィルムであって、そのセパレータが熱可塑性ポリマーをベースとしており、溶融または溶液アプローチなどの単一ステッププロセスで製造できるセパレータフィルムの必要性が依然としてある。
「Technologies and Market Forecast of Separators for Rechargeable Lithium Ion Batteries、September 2010」、Solar&Energy Co.,Ltd.
S.ツァン(Zhang)、「A review on the separators of liquid electrolyte Li−ion batteries」、J. Power Sources、(2007)164:351〜364頁
X.フアン(Huang)、「Separator technologies for lithium−ion batteries」、J. Solid State Electrochem.、(2011)15:649〜662頁
リチウムイオンバッテリーの適用のためには、セパレータは、特に微細孔形態によって推進される、イオン伝導度および弾性率などの一連の特性に適合しなければならない。従来のPPおよびPEセパレータは、いわゆるドライまたはウェットプロセスで作製され、これらはどちらも、所望の細孔構造を発生させるために、ポリマーの延伸、結晶化およびアニーリングに依存している。ポリエーテルイミドは典型的に非晶質な樹脂であるので、これら2つの従来のアプローチは、ポリエーテルイミドベースのセパレータを製造するのには適していない。したがって、バッテリーセパレータの要件に適合する多孔質構造の作製を可能にする、para−フェニレンジアミンをベースとしたポリエーテルイミドに適したセパレータ作製プロセスに対する必要性がある。
バッテリーまたは電解コンデンサセルなどの分野のための高温溶融完全性および改善された電解質湿潤性を提供する材料を開示する。一例として、バッテリーセルおよび/またはコンデンサセルのためのセパレータを、本開示材料から形成させることができる。他の例として、他の構造およびシステムは、本開示材料を備えることができる。
一態様では、セパレータフィルムは、非晶質熱可塑性樹脂(例えば、ポリエーテルイミド(PEI))などの熱可塑性樹脂から形成させることができる。一例として、para−フェニレンジアミンをベースとしたポリエーテルイミド(PEI)(SABICのULTEM(商標)CRS5000シリーズ)から形成されたセパレータフィルムは、電解質との高い適合性、高い耐溶剤性および180℃を超える高い溶融完全性温度などの際立った性能特性の組合せを提供する。para−フェニレンジアミンをベースとしたポリエーテルイミド(PEI)は、55℃の高温度でも電解質溶液に対して耐性があるという重要な要件を満たす。さらに、ポリエーテルイミドは、電解質溶液に対して極めて小さい接触角(例えば、<30°)を示す。これはセパレータ湿潤性および電解質保持に好都合であり、セル製造の際の電解質充填時間の短縮を可能にする。驚くべきことに、para−フェニレンジアミンをベースとしたポリエーテルイミドから製造されたセパレータは、バッテリーのサイクル寿命などの動作セル性能の著しい改善をもたらす。para−フェニレンジアミンをベースとしたPEIからのセパレータは、セル動作の全範囲にわたって、非常に高い溶融完全性(180℃超)を有し、高い弾性率(剛性)を有する(すなわち、セル動作温度範囲において、ガラス転移または結晶融解などの物理的ポリマー転化が起こらない)。提案する材料は、典型的な市販のポリオレフィンベースのセパレータと同等以上の比イオン伝導度を有する多孔質フィルムに、溶融加工することも溶液加工することもできる。
一態様では、システムは、アノードと、カソードと、およびアノードとカソードの間に配置され、180℃以上のガラス転移温度を有する熱可塑性ポリマーから形成されているセパレータとを含むことができる。
一態様では、システムは、アノードと、カソードと、アノードとカソードの間に配置され、非晶質熱可塑性ポリマーから形成されているセパレータと、セパレータに隣接して(例えば、密に近接して、一体化して、湿潤させて、液浸させて(soak)、浸漬させて等)、配置された電解質とを含むことができ、非晶質熱可塑性ポリマーは、30°以下の電解質(1mol/LのLiPF6を有する1:1:1の比のDMC:EMC:EC)との接触角を有する。
一態様では、その方法は、溶融プロセスかまたは溶液プロセスを使用して熱可塑性ポリマーからセパレータを形成するステップと、セパレータをアノードとカソードの間に配置するステップと、セパレータに隣接して電解質を配置するステップとを含むことができる。
一態様では、セパレータは、その材料が多孔質膜へ転換されるような樹脂でできていてもよい。一例として、セパレータは、押し出しフィルムの延伸、または押し出しフィルム中の溶質の洗い出しによって形成させることができる。セパレータを形成させるために他の方法を使用することができる。
一態様では、耐溶剤性ポリマー膜を作製する方法は、溶媒中に耐薬品性ポリマーを含む注加可能なポリマー溶液を用意するステップと、ポリマー溶液から膜を形成させるステップとを含むことができる。
多孔質フィルムを作製する方法は、溶媒中に耐薬品性ポリマーを含む注加可能なポリマー溶液を用意するステップと、ポリマー溶液から多孔質フィルムを形成させるステップとを含むことができる。
一態様では、SABICのULTEM(商標)CRS5000樹脂をベースとした相分離プロセスを、リチウムイオンバッテリーセパレータを製造するために用いることができる。相分離は、ポリマー溶液を、液体状態(液体誘導相分離、LIPS)かまたは蒸気状態(蒸気誘導相分離、VIPS)の非溶媒に曝露することによってもたらすことができる。所望の形態および特性を達成するために、ドープ(ポリマー)溶液の組成、凝固浴および温度を含む主要因子を試験した。LIPSとVIPSはどちらも、バッテリーセパレータ用途に非常に適した調節可能な細孔構造を有する、ULTEM(商標)CRS5000多孔質セパレータフィルムを作製するのに適していることが実証されている。多孔度、細孔サイズ、厚さ、導電率およびヤング率についての典型的なセパレータ要件に適合するセパレータを作製した。したがって、このプロセスは、得られる多孔度、細孔サイズおよび厚さに関して、実際の電気化学セル分野におけるセパレータの最終性能において用途が広い。このセパレータは、市販のポリオレフィンベースのセパレータと比較してバッテリーのサイクル寿命の予想外に著しい改善を示す。我々の最良の知見によれば、これは、ULTEM(商標)CRS5000セパレータがLIPSまたはVIPSプロセスによって作製され、形成されたそのセパレータがリチウムイオンバッテリーに首尾よく適用された最初の例である。
溶液中でのポリマーの相分離は、例えば、典型的に中空繊維の形態でのろ過用途のための微細孔膜を作製するための周知のプロセスである。一態様では、相分離は、温度、化学反応、液体非溶媒および蒸気非溶媒を含む種々の手段によってもたらすことができる。例えば、米国特許第5,181,940号は、ガス分離用途の非対称の中空繊維膜を作り出すためのそうした相分離アプローチの使用を説明している。典型的に、そうした相分離アプローチの使用は、その膜の外面での薄くて密な表面薄層(skin layer)をもたらす。そうした密な表面薄層は典型的に、例えばガス分離用途のために必要とされるが、そうした密な表面薄層は、膜を通るイオン輸送を防止し、それによってバッテリーセパレータ用途に適さない膜を作り出すことになるので、バッテリーセパレータ用途には極めて望ましくない。例えば独国特許第3,321,860号、欧州特許第182506号、米国特許第4,755,540号、同第4,957,817号、同第4,992,485号、同第5,227,101号、同第6,017,455号および同第5,997,741号において、ポリ(エーテルエーテルケトン)(PEEK)、ポリエーテルイミド(PEI)およびポリフェニレンスルフィド(PPS)のような耐溶剤性ポリマーから多孔質膜を作り出すための種々のアプローチが説明されている。これらの方法は典型的に、酸性溶媒および/または高温プロセスを使用する。あるいは、米国特許第3,925,211号および同第4,071,590号は、化学反応によって最終的な多孔質膜に変換される、可溶性フィルムプレポリマーの形成による膜の作製を説明している。高温、酸性溶媒または化学反応を必要とすることなく、ポリマー溶液から多孔質フィルムを直接作り出すのがより有利であろう。そのポリマーが少なくとも部分的に結晶性である、耐溶剤性のPEI、PI、PEEKおよびPPSをベースとしたフラットシート膜を製造するための液体誘導相分離(LIPS)プロセスがこれまで報告されている(米国特許出願公開第2007/0056901号および同第2007/0060688号;および米国特許第7,439,291号を参照されたい)。これらのポリマーの部類は一般に耐溶剤性であることが公知であるので、高温で耐溶剤性ポリマーを溶解し、それを室温で溶液中で保持するための共溶媒系が報告されている。説明されている溶媒系は、(para−、meta−、ortho−およびクロロ−)クレゾールと一緒にしたp−クロロ−2−メチル−フェノールをベースとしている。しかし、特許請求されているプロセス、およびより具体的には、説明されている溶媒/逆溶媒の組合せは、多孔質構造の作製を可能にするが、典型的に、バッテリーセパレータ用途に適した膜をもたらさない。我々は、耐溶剤性の非晶質ポリエーテルイミドグレードおよび最適化された溶媒系をベースとしたLIPSまたはVIPSプロセスを用いることによって、セパレータの形態(厚さ、多孔度、機械的特性および多孔質構造など)を制御し、優れた高温溶融完全性、電解質湿潤性およびバッテリーセル性能を備えた、バッテリーセパレータとしての用途に適した多孔質フィルムを得ることができることを見出した。さらに、我々は、耐溶剤性ポリエーテルイミドを、低毒性の溶媒(例えば、米国疾病対策予防センター(Centers for Disease Control and Prevention)−http://www.cdc.govによる全米防火協会(National Fire Protection Association(NFPA))ファイアダイアモンドでより低いヘルスレーティング(Health Rating))中に溶解させる方法を見出した。
追加の利点は、以下の説明において一部示されることになるか、または実務により学ぶことができる。これらの利点は、添付の特許請求の範囲で特に示される要素および組合せによって具現化され獲得されよう。上記の概略説明と以下の詳細説明はどちらも例示および説明のためだけのものであり、特許請求の範囲のようには、限定的なものではないことを理解すべきである。
本明細書に組み込まれその一部を構成する添付の図面は、実施形態を例示しており、この説明と合わせて、その方法およびシステムの原理を明らかにするのに役立てるものである。
本発明の方法およびシステムを開示し説明する前に、この方法およびシステムは特定の合成方法、特定の成分または特定の組成物に限定されるものではないことを理解すべきである。本明細書で使用する専門用語は、特定の実施形態を説明するためだけのものであり、限定しようとするものではないことも理解すべきである。
本明細書および添付の特許請求の範囲で使用するような、単数形「a」、「an」および「the」は、文脈で別段明らかに指示されていない限り、複数指示対象を含むものとする。範囲は本明細書では、「約(about)」1つの特定の値から、および/または「約」他の特定の値までを表すことができる。そうした範囲が表されている場合、他の実施形態は1つの特定の値から、および/または他の特定の値までを含む。同様に、値が、先行詞「約」を用いて概数で表されている場合、その特定の値は別の実施形態を形成することを理解されよう。範囲のそれぞれの終点は、他の終点と関連して、かつ他の終点とは独立に有意であることをさらに理解されよう。
「任意選択の」または「任意選択で」は、続いて説明される事象または状況が起こっても起こらなくてもよく、その説明は前記事象または状況が起こる場合、およびそれが起こらない場合を含むことを意味する。
本明細書の説明および特許請求の範囲を通して、「含む(comprise)」という用語ならびに「含むこと(comprising)」および「含む(comprises)」などのこの用語の変形体は「これらに限定されないが、〜を含む(including but not limited to)」ということを意味するものであり、例えば他の添加剤、成分、整数またはステップを排除しようとするものではない。「例示的な(exemplary)」とは、「〜の1つの例(an example of)」を意味し、好ましいまたは理想的な実施形態の指示を伝えようとするものではない。「など(such as)」は限定的な意味で使用されるものではなく、説明的な目的のためである。
本開示の方法およびシステムを実施するために使用できる成分を開示する。上記および他の成分は本明細書で開示されており、これらの成分の組合せ、サブセット、相互関係、グループ等が開示されている場合、これらの、それぞれ様々な個々のおよび集合的な組合せおよび置換の具体的な参照が明確に開示されていなくも、それぞれは、すべての方法およびシステムについて、本明細書で特に考慮され、説明されるものと理解されたい。これは、これらに限定されないが、開示方法におけるステップを含む本出願のすべての態様に適用される。したがって、実行することができる様々な追加的ステップが存在する場合、これらの追加的ステップのそれぞれを、開示される方法の任意の特定の実施形態または実施形態の組合せで実行できることを理解されたい。
本発明の方法およびシステムは、好ましい実施形態およびそこに含まれる実施例の以下の詳細な説明ならびに図およびそれらの上記および以下の説明を参照することによって、より容易に理解することができる。
数字(例えば、量、温度等)に関して精度を確保するように努めてきたが、いくらかの誤差および偏差が考慮される(accounted for)べきである。別段の指定のない限り、部は重量部であり、温度は℃で示されるかまたは室温であり、圧力は大気圧またはその近傍である。
図1は、例となる非水性電解質バッテリーを示す。当業者は、電解コンデンサセルが、図1を参照して示され説明されているバッテリーと同様の構成を有することができることを理解されよう。一態様では、このバッテリーは、正電極100(カソード)、負電極102(アノード)およびその正電極100と負電極102の間に配置されたセパレータ104を含む。一例として、正電極100、負電極102およびセパレータ104のうちの1つ以上は、バッテリー容器すなわちケーシング106の中に納められている。他の例として、非水性電解質108が、ケーシング106中に配置されていてもよい(例えば、正電極100、負電極102およびセパレータ104のうちの1つ以上に隣接して、セパレータ104を液浸させて、セパレータ104を浸漬させてなど)。
一態様では、正電極100はその中に組み込まれた正の活性材料を含むことができ、正の活性材料をシート状にするまたはペレット化するのを助けるための炭素および/または結合剤などの導電性材料をさらに含有することができる。正電極100は、集電体としての金属などの電子導通性基材と接触させて使用することができる。一例として、結合剤は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、エチレン−プロピレン−ジエンコポリマー、スチレン−ブタジエンゴムまたは同様のものから形成させることができる。他の例として、集電体は、アルミニウム、ステンレス鋼およびチタンなどの金属の箔、薄板、メッシュまたは細目の金網(gauze)から形成させることができる。他の例として、正の活性材料および/または導電性材料は、上記結合剤を用いて、混練/圧延(rolling)によってペレット化またはシート化することができる。あるいは、これらの材料を、トルエンおよびN−メチルピロリドン(NMP)などの溶媒に溶解または懸濁してスラリーを形成させ、次いでこれを上記集電体上に薄く塗り、乾燥してシートを形成させることができる。他の材料および形成プロセスを使用することができる。
一態様では、正電極100は、正の活性材料としてその中に組み込まれた鉄、コバルト、マンガンおよびニッケルの少なくとも1つを含有し、リチウムイオンを挿入/放出することができるリチウム複合酸化物を含むことができる。カルコゲン化合物、例えばリチウム含有鉄複合酸化物、リチウム含有コバルト複合酸化物、リチウム含有ニッケル−コバルト複合酸化物、リチウム含有ニッケル複合酸化物およびリチウム−マンガン複合酸化物などの種々の酸化物を、正の活性材料として使用することができる。他の材料および形成プロセスを使用することができる。
一態様では、負電極102は、その中に組み込まれた負の活性材料を含むことができる。一例として、負電極102は、導電性材料、結合剤等を用いて、負の活性材料をペレット化、平面化またはシート化することによって形成することができる。一態様では、導電性材料を、炭素または金属などの電子導通性材料から形成させることができる。一例として、結合剤は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、スチレン−ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロースまたは同様のものから形成させることができる。他の例として、集電体は、銅、ステンレス鋼、ニッケルまたは同様のものの箔、薄板、メッシュまたは細目の金網から形成させることができる。他の例として、負の活性材料および/または導電性材料は、上記結合剤を用いて、混練/圧延によってペレット化またはシート化することができる。あるいは、これらの材料は、水およびN−メチルピロリドンなどの溶媒に溶解または懸濁してスラリーを形成させ、次いでこれを、上記集電体上に薄く塗り、乾燥してシートを得ることができる。他の材料および形成プロセスを使用することができる。
一態様では、負電極102は、上記正電極と同様に、リチウム(またはリチウムイオン)を含有することができる、またはリチウム(またはリチウムイオン)を吸蔵/放出することができる。一例として、負電極102は、負電極102と一緒になっている正電極100の負電位より高い負電位で、リチウムイオンを含有するかまたはリチウムイオンを挿入/放出することができる、その中に組み込まれた負の活性材料を含むことができる。そうした特性を有する負の活性材料の例には:リチウム金属;人造黒鉛、天然黒鉛、難黒鉛化性炭素および黒鉛化性炭素などの炭素質材料(炭素ベースの材料);グラフェン;カーボンナノチューブ;チタン酸リチウム;硫化鉄;酸化コバルト;リチウム−アルミニウム合金;ケイ素;および酸化スズが含まれる。他の材料および形成プロセスを使用することができる。
一態様では、セパレータ104は、para−フェニレンジアミン(例えば、ULTEM(商標)CRS5000シリーズ)をベースとしたポリエーテルイミド(PEI)から形成させることができる。一例として、para−フェニレンジアミンをベースとしたポリエーテルイミド(PEI)から形成されたバッテリーセパレータフィルム(例えば、セパレータ104)は、電解質との高い適合性、高い耐溶剤性および180℃を超える高い溶融完全性温度などの際立った性能特性の組合せを提供する。para−フェニレンジアミンをベースとしたポリエーテルイミド(PEI)は、55℃の高温でもバッテリー電解質溶液に対して耐性があるという重要な要件を満たすことができる。さらに、これらの材料は、典型的に電解質のために用いられる全組成範囲にわたって、電解質溶液に対する極めて小さい接触角を示し、これは、セパレータ湿潤性および電解質保持に好都合であり、セル製造の際の短い電解質充填時間を可能にする。para−フェニレンジアミンをベースとしたPEIからのセパレータは、非常に高い溶融完全性(180℃超)を有しており、セル動作の全範囲にわたって高い弾性率(剛性)を有している。para−フェニレンジアミンをベースとしたPEIからのセパレータは、バッテリーのサイクル寿命の著しい改善をもたらす。提案する熱可塑性材料は、典型的な市販のポリオレフィンベースのセパレータと同等以上の比イオン伝導度を有する多孔質フィルムに、溶融加工することも溶液加工することもできる。他の材料および形成プロセスを使用することができる。一態様では、電解質は、全溶媒組成の0wt%〜50wt%の炭酸エチル;全溶媒組成の0wt%〜80wt%の炭酸ジメチル;および全溶媒組成の0wt%〜80wt%の炭酸エチルメチルのうちの1つを含む。
一態様では、セパレータ104は、耐溶剤性ポリエーテルイミドを高温(120℃)でフェノール系溶媒中に溶解し、続いて低温(20〜50℃)でキャスティングし、非溶媒を含有する浴中でポリマーに凝固させることによって作製することができる。一例として、膜を、バッテリーセルおよび/またはコンデンサセル、電解質エネルギー貯蔵デバイス、透析膜、水ろ過膜、脱塩膜、ガス分離膜などの分野のために、本明細書で開示する材料および方法を用いて作製することができる。
一態様では、セパレータ104は、閉鎖系(すなわち、溶液と空気雰囲気の間で直接の接触がない)または開放系で、耐溶剤性ポリエーテルイミドを高温(140〜202℃、図1を参照)でN−メチルピロリドン(NMP)に溶解させ、続いて、低温(30〜140℃)でキャスティングし、水浴または他の材料浴中で凝固させることによって作製することができる。一例として、膜は、バッテリーセルおよび/またはコンデンサセル、電解質エネルギー貯蔵デバイス、透析膜、水ろ過膜、脱塩膜、ガス分離膜などの分野のために、本明細書で開示する材料および方法を用いて作製することができる。
一態様では、ポリエーテルイミドは、ポリエーテルイミドホモポリマー(例えば、ポリエーテルイミドスルホン)およびポリエーテルイミドコポリマーを含むことができる。ポリエーテルイミドは、(i)ポリエーテルイミドホモポリマー、例えばポリエーテルイミド、(ii)ポリエーテルイミドコポリマーおよび(iii)それらの組合せから選択することができる。ポリエーテルイミドは公知のポリマーであり、ULTEM(登録商標)*、EXTEM(登録商標)*およびSiltem*の銘柄(SABIC Innovative Plastics IP B.V.の商標)のもとでSABIC Innovative Plasticsから販売されている。
一態様では、ポリエーテルイミドは式(1):
(式中、aは1超、例えば10〜1,000もしくはそれ以上、またはより具体的には、10〜500である)
からなってもよい。
からなってもよい。
式(1)中の基Vは、エーテル基(本明細書で使用するような「ポリエーテルイミド」)またはエーテル基の組合せおよびアリーレンスルホン基(「ポリエーテルイミドスルホン」)を含む四価リンカーである。そうしたリンカーには、これらに限定されないが:(a)エーテル基、アリーレンスルホン基またはエーテル基とアリーレンスルホン基の組合せで任意選択で置換された、5〜50個の炭素原子を有する、置換もしくは非置換、飽和、不飽和もしくは芳香族の単環式および多環式基;および(b)エーテル基、またはエーテル基、アリーレンスルホン基およびアリーレンスルホン基の組合せで任意選択で置換された、1〜30個の炭素原子を有する、置換もしくは非置換、直鎖状もしくは分枝状、飽和もしくは不飽和のアルキル基;あるいは上記の少なくとも1つを含む組合せが含まれる。適切な追加の置換には、これらに限定されないが、エーテル、アミド、エステルおよび上記の少なくとも1つを含む組合せが含まれる。
式(1)のR基には、これらに限定されないが、置換もしくは非置換二価有機基、例えば:(a)6〜20個の炭素原子を有する芳香族炭化水素基およびそれらのハロゲン化誘導体;(b)2〜20個の炭素原子を有する直鎖もしくは分枝鎖のアルキレン基;(c)3〜20個の炭素原子を有するシクロアルキレン基、または(d)式(2)の二価基:
(式中、Q1には、これらに限定されないが、二価部分、例えば−O−、−S−、−C(O)−、−SO2−、−SO−、−CyH2y−(yは1〜5の整数である)およびペルフルオロアルキレン基を含むそれらのハロゲン化誘導体が含まれる)
が含まれる。
が含まれる。
一実施形態では、リンカーVには、これらに限定されないが、式(3)の四価芳香族基:
[式中、Wは、−O−、−SO2−、または式−O−Z−O−の基を含む二価部分であり、−O−または−O−Z−O−基の二価結合は、3,3’位、3,4’位、4,3’位もしくは4,4’位にあり、Zには、これらに限定されないが、式(4)の二価基:
{式中、Qには、これらに限定されないが、−O−、−S−、−C(O)、−SO2−、−SO−、−CyH2y−(yは1〜5の整数である)およびペルフルオロアルキレン基を含むそれらのハロゲン化誘導体を含む二価部分が含まれる}が含まれる]
が含まれる。
が含まれる。
一態様では、ポリエーテルイミドは、1超、特に10〜1,000、またはより具体的には、10〜500個の式(5)の構造単位:
(式中、Tは、その−O−または−O−Z−O−基の二価結合が3,3’位、3,4’位、4,3’位もしくは4,4’位にある−O−または式−O−Z−O−の基であり;Zは上記に定義した式(3)の二価基であり;Rは上記に定義した式(2)の二価基である)
を含む。
を含む。
他の態様では、ポリエーテルイミドスルホンは、エーテル基およびスルホン基を含むポリエーテルイミドであり、リンカーVおよび式(1)の基Rの少なくとも50モル%は二価アリーレンスルホン基を含む。例えば、すべてのリンカーVは(基Rは含まないが)アリーレンスルホン基を含有することができる;または、すべての基Rは(リンカーVは含まないが)アリーレンスルホン基を含有することができる;あるいは、アリーレンスルホンがリンカーVおよびR基の一部に存在していてもよい。ただし、アリールスルホン基を含有するVおよびR基の全モル分率は50モル%以上であるものとする。
さらにより具体的には、ポリエーテルイミドスルホンは、1超、特に10〜1,000またはより具体的には、10〜500個の式(6)の構造単位:
(式中、Yは、その−O−、SO2−または−O−Z−O−基の二価結合が3,3’位、3,4’位、4,3’位または4,4’位にある−O−、−SO2−または式−O−Z−O−の基であり、Zは上記に定義した式(3)の二価基であり、Rは上記に定義した式(2)の二価基であり、ただし、式(2)のYのモル数+Rのモル数の和の50モル%超は−SO2−基を含むものとする)
を含むことができる。
を含むことができる。
ポリエーテルイミドおよびポリエーテルイミドスルホンは、エーテル、またはエーテルおよびスルホン基を含有しないリンカーV、例えば式(7)のリンカー:
を任意選択で含むことができることを理解されたい。
そうしたリンカーを含有するイミド単位は、一般に、全単位数の0〜10モル%、特に0〜5モル%の範囲の量で存在する。一実施形態では、ポリエーテルイミドおよびポリエーテルイミドスルホンの中に、追加のリンカーVは存在しない。
他の態様では、ポリエーテルイミドは10〜500個の式(5)の構造単位を含み、ポリエーテルイミドスルホンは10〜500個の式(6)の構造単位を含有する。
ポリエーテルイミドおよびポリエーテルイミドスルホンは、任意の適切なプロセスで調製することができる。一実施形態では、ポリエーテルイミドおよびポリエーテルイミドコポリマーは、重縮合重合プロセスおよびハロ置換重合プロセスを含む。
重縮合方法は、ニトロ置換プロセス(式(8)においてXはニトロである)と称される、構造(1)を有するポリエーテルイミドの調製のための方法を含むことができる。ニトロ置換プロセスの一例では、N−メチルフタルイミドを、99%硝酸でニトロ化してN−メチル−4−ニトロフタルイミド(4−NPI)とN−メチル−3−ニトロフタルイミド(3−NPI)の混合物を得る。精製後、約95部の4−NPIと5部の3−NPIを含有するこの混合物を、トルエン中、相間移動触媒の存在下でビスフェノール−A(BPA)の二ナトリウム塩と反応させる。ニトロ置換ステップとして公知であるこの反応によってBPA−ビスイミドおよびNaNO2を得る。精製後、BPA−ビスイミドを、イミド交換反応で無水フタル酸と反応させてBPA−二無水物(BPADA)を得る。次いでこれを、イミド化−重合ステップにおいて、ortho−ジクロロベンゼン中でmeta−フェニレンジアミン(MPD)などのジアミンと反応させて生成物ポリエーテルイミドを得る。
他のジアミンも可能である。適切なジアミンの例には、m−フェニレンジアミン;p−フェニレンジアミン;2,4−ジアミノトルエン;2,6−ジアミノトルエン;m−キシリレンジアミン;p−キシリレンジアミン;ベンジジン;3,3’−ジメチルベンジジン;3,3’−ジメトキシベンジジン;1,5−ジアミノナフタレン;ビス(4−アミノフェニル)メタン;ビス(4−アミノフェニル)プロパン;ビス(4−アミノフェニル)スルフィド;ビス(4−アミノフェニル)スルホン;ビス(4−アミノフェニル)エーテル;4,4’−ジアミノジフェニルプロパン;4,4’−ジアミノジフェニルメタン(4,4’−メチレンジアニリン);4,4’−ジアミノジフェニルスルフィド;4,4’−ジアミノジフェニルスルホン;4,4’−ジアミノジフェニルエーテル(4,4’−オキシジアニリン);1,5−ジアミノナフタレン;3,3’ジメチルベンジジン;3−メチルヘプタメチレンジアミン;4,4−ジメチルヘプタメチレンジアミン;2,2’,3,3’−テトラヒドロ−3,3,3’,3’−テトラメチル−1,1’−スピロビ[1H−インデン]−6,6’−ジアミン;3,3’,4,4’−テトラヒドロ−4,4,4’,4’−テトラメチル−2,2’−スピロビ[2H−1−ベンゾ−ピラン]−7,7’−ジアミン;1,1’−ビス[1−アミノ−2−メチル−4−フェニル]シクロヘキサン、およびそれらの異性体ならびに上記の少なくとも1つを含む混合物およびブレンドが含まれる。一実施形態では、そのジアミンは、特に芳香族ジアミン、特にm−およびp−フェニレンジアミンおよび上記の少なくとも1つを含む混合物である。
ジアミンと使用することができる適切な二無水物には、これらに限定されないが、2,2−ビス[4−(3,4−ジカルボキシフェノキシ)フェニル]プロパン二無水物;4,4’−ビス(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニルエーテル二無水物;4,4’−ビス(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニルスルフィド二無水物;4,4’−ビス(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ベンゾフェノン二無水物;4,4’−ビス(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニルスルホン二無水物;2,2−ビス[4−(2,3−ジカルボキシフェノキシ)フェニル]プロパン二無水物;4,4’−ビス(2,3−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニルエーテル二無水物;4,4’−ビス(2,3−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニルスルフィド二無水物;4,4’−ビス(2,3−ジカルボキシフェノキシ)ベンゾフェノン二無水物;4,4’−ビス(2,3−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニルスルホン二無水物;4−(2,3−ジカルボキシフェノキシ)−4’−(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニル−2,2−プロパン二無水物;4−(2,3−ジカルボキシフェノキシ)−4’−(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニルエーテル二無水物;4−(2,3−ジカルボキシフェノキシ)−4’−(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニルスルフィド二無水物;4−(2,3−ジカルボキシフェノキシ)−4’−(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ベンゾフェノン二無水物;4−(2,3−ジカルボキシフェノキシ)−4’−(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニルスルホン二無水物;1,3−ビス(2,3−ジカルボキシフェノキシ)ベンゼン二無水物;1,4−ビス(2,3−ジカルボキシフェノキシ)ベンゼン二無水物;1,3−ビス(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ベンゼン二無水物;1,4−ビス(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ベンゼン二無水物;3,3’,4,4’−ジフェニルテトラカルボン酸二無水物;3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物;ナフタル酸二無水物、例えば2,3,6,7−ナフタル酸二無水物等;3,3’,4,4’−ビフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物;3,3’,4,4’−ビフェニルエーテルテトラカルボン酸二無水物;3,3’,4,4’−ジメチルジフェニルシランテトラカルボン酸二無水物;4,4’−ビス(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニルスルフィド二無水物;4,4’−ビス(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニルスルホン二無水物;4,4’−ビス(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニルプロパン二無水物;3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物;ビス(フタル酸)フェニルスルフィンオキシド二無水物;p−フェニレン−ビス(トリフェニルフタル酸)二無水物;m−フェニレン−ビス(トリフェニルフタル酸)二無水物;ビス(トリフェニルフタル酸)−4,4’−ジフェニルエーテル二無水物;ビス(トリフェニルフタル酸)−4,4’−ジフェニルメタン二無水物;2,2’−ビス(3,4−ジカルボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン二無水物;4,4’−オキシジフタル酸二無水物;ピロメリチク二無水物;3,3’,4,4’−ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物;4’,4’−ビスフェノールA二無水物;ヒドロキノンジフタル酸二無水物;6,6’−ビス(3,4−ジカルボキシフェノキシ)−2,2’,3,3’−テトラヒドロ−3,3,3’,3’−テトラメチル−−1,1’−スピロビ[1H−インデン]二無水物;7,7’−ビス(3,4−ジカルボキシフェノキシ)−3,3’,4,4’−テトラヒドロ−4,4,4’,4’−テトラメチル−−2,2’−スピロビ[2H−1−ベンゾピラン]二無水物;1,1’−ビス[1−(3,4−ジカルボキシフェノキシ)−2−メチル−4−フェニル]シクロヘキサン二無水物;3,3’,4,4’−ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物;3,3’,4,4’−ジフェニルスルフィドテトラカルボン酸二無水物;3,3’,4,4’−ジフェニルスルホキシドテトラカルボン酸二無水物;4,4’−オキシジフタル酸二無水物;3,4’−オキシジフタル酸二無水物;3,3’−オキシジフタル酸二無水物;3,3’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物;4,4’−カルボニルジフタル酸二無水物;3,3’,4,4’−ジフェニルメタンテトラカルボン酸二無水物;2,2−ビス(4−(3,3−ジカルボキシフェニル)プロパン二無水物;2,2−ビス(4−(3,3−ジカルボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン二無水物;(3,3’,4,4’−ジフェニル)フェニルホスフィンテトラカルボン酸二無水物;(3,3’,4,4’−ジフェニル)フェニルホスフィンオキシドテトラカルボン酸二無水物;2,2’−ジクロロ−3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物;2,2’−ジメチル−3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物;2,2’−ジシアノ−3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物;2,2’−ジブロモ−3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物;2,2’−ジヨード−3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物;2,2’−ジトリフルオロメチル−3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物;2,2’−ビス(1−メチル−4−フェニル)−3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物;2,2’−ビス(1−トリフルオロメチル−2−フェニル)−3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物;2,2’−ビス(1−トリフルオロメチル−3−フェニル)−3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物;2,2’−ビス(1−トリフルオロメチル−4−フェニル)−3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物;2,2’−ビス(1−フェニル−4−フェニル)−3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物;4,4’−ビスフェノールA二無水物;3,4’−ビスフェノールA二無水物;3,3’−ビスフェノールA二無水物;3,3’,4,4’−ジフェニルスルホキシドテトラカルボン酸二無水物;4,4’−カルボニルジフタル酸二無水物;3,3’,4,4’−ジフェニルメタンテトラカルボン酸二無水物;2,2’−ビス(1,3−トリフルオロメチル−4−フェニル)−3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、およびそれらのすべての異性体ならびに上記の組合せが含まれる。
ポリエーテルイミドおよびポリエーテルイミドスルホンを作り出すためのハロ置換重合方法には、これらに限定されないが、式(8):
(式中、Rは上記の通りであり、Xはニトロ基またはハロゲンである)
についてのビス(フタルイミド)の反応が含まれる。ビス−フタルイミド(8)は、例えば対応する式(9):
(式中、Xはニトロ基またはハロゲンである)
の無水物と、式(10):
H2N−R−NH2 (10)
(式中、Rは上記の通りである)
の有機ジアミンの縮合によって形成させることができる。
についてのビス(フタルイミド)の反応が含まれる。ビス−フタルイミド(8)は、例えば対応する式(9):
の無水物と、式(10):
H2N−R−NH2 (10)
(式中、Rは上記の通りである)
の有機ジアミンの縮合によって形成させることができる。
式(10)のアミン化合物の例示的なものには:エチレンジアミン、プロピレンジアミン、トリメチレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、ヘキサメチレンジアミン、ヘプタメチレンジアミン、オクタメチレンジアミン、ノナメチレンジアミン、デカメチレンジアミン、1,12−ドデカンジアミン、1,18−オクタデカンジアミン、3−メチルヘプタメチレンジアミン、4,4−ジメチルヘプタメチレンジアミン、4−メチルノナメチレンジアミン、5−メチルノナメチレンジアミン、2,5−ジメチルヘキサメチレンジアミン、2,5−ジメチルヘプタメチレンジアミン、2、2−ジメチルプロピレンジアミン、N−メチル−ビス(3−アミノプロピル)アミン、3−メトキシヘキサメチレンジアミン、1,2−ビス(3−アミノプロポキシ)エタン、ビス(3−アミノプロピル)スルフィド、1,4−シクロヘキサンジアミン、ビス−(4−アミノシクロヘキシル)メタン、m−フェニレンジアミン、p−フェニレンジアミン、2,4−ジアミノトルエン、2,6−ジアミノトルエン、m−キシリレンジアミン、p−キシリレンジアミン、2−メチル−4,6−ジエチル−1,3−フェニレン−ジアミン、5−メチル−4,6−ジエチル−1,3−フェニレン−ジアミン、ベンジジン、3,3’−ジメチルベンジジン、3,3’−ジメトキシベンジジン、1,5−ジアミノナフタレン、ビス(4−アミノフェニル)メタン、ビス(2−クロロ−4−アミノ−3,5−ジエチルフェニル)メタン、ビス(4−アミノフェニル)プロパン、2,4−ビス(b−アミノ−t−ブチル)トルエン、ビス(p−b−アミノ−t−ブチルフェニル)エーテル、ビス(p−b−メチル−o−アミノフェニル)ベンゼン、ビス(p−b−メチル−o−アミノペンチル)ベンゼン、1、3−ジアミノ−4−イソプロピルベンゼン、ビス(4−アミノフェニル)エーテルおよび1,3−ビス(3−アミノプロピル)テトラメチルジシロキサンが含まれる。これらのアミンの混合物を使用することができる。スルホン基を含有する式(10)のアミン化合物の例示的なものには、これらに限定されないが、ジアミノジフェニルスルホン(DDS)およびビス(アミノフェノキシフェニル)スルホン(BAPS)が含まれる。上記アミンのいずれかを含む組合せを使用することができる。
ポリエーテルイミドは、相間移動触媒の存在下または非存在下でのビス(フタルイミド)(8)と、式HO−V−OH(式中、Vは上記の通りである)のジヒドロキシ置換芳香族炭化水素のアルカリ金属塩の反応によって合成することができる。適切な相間移動触媒は米国特許第5,229,482号に開示されている。特に、ジヒドロキシ置換芳香族炭化水素、ビスフェノール、例えばビスフェノールA、またはビスフェノールのアルカリ金属塩と他のジヒドロキシ置換芳香族炭化水素のアルカリ金属塩の組合せを使用することができる。
一実施形態では、ポリエーテルイミドは式(5)の構造単位を含む。ここで、各Rは独立に、p−フェニレンもしくはm−フェニレンまたは上記の少なくとも1つを含む混合物であり;Tは式−O−Z−O−の基であり、その−O−Z−O−基の二価結合は3,3’位にあり、Zは2,2−ジフェニレンプロパン基(ビスフェノールA基)である。さらに、ポリエーテルイミドスルホンは式(6)の構造単位を含む。ここで、R基の少なくとも50モル%は式(4)からなり、Qは−SO2−であり、残りのR基は独立にp−フェニレンもしくはm−フェニレンまたは上記の少なくとも1つを含む組合せであり;Tは式−O−Z−O−の基であり、その−O−Z−O−基の二価結合は3,3’位にあり、Zは2,2−ジフェニレンプロパン基である。
ポリエーテルイミドおよびポリエーテルイミドスルホンは、本発明のポリマー成分の構築において、単独でも、また互いにかつ/または他の開示ポリマー材料との組合せでも使用することができる。一実施形態では、ポリエーテルイミドだけを使用する。他の実施形態では、ポリエーテルイミド:ポリエーテルイミドスルホンの重量比は99:1〜50:50であってもよい。
ポリエーテルイミドは、ゲル透過クロマトグラフィー(GPC)で測定して5,000〜100,000グラム/モル(g/モル)の重量平均分子量(Mw)を有することができる。いくつかの実施形態では、Mwは10,000〜80,000であってもよい。本明細書で用いる分子量は絶対重量平均分子量(Mw)を指す。
ポリエーテルイミドは、m−クレゾール中、25℃で測定して0.2デシリットル/グラム(dl/g)以上の固有粘度を有することができる。この範囲内で、その固有粘度は、m−クレゾール中、25℃で測定して0.35〜1.0dl/gであってもよい。
ポリエーテルイミドは、示差走査熱量測定法(DSC)を用いて、ASTM試験D3418によって測定して、180℃超、特に200℃〜500℃のガラス転移温度を有することができる。いくつかの実施形態では、ポリエーテルイミド、特にポリエーテルイミドは240〜350℃のガラス転移温度を有する。
ポリエーテルイミドは、米国材料試験協会(American Society for Testing Materials)(ASTM)DI238にしたがって、6.7キログラム(kg)の荷重を用いて340〜370℃で測定して0.1〜10グラム/分(g/min)のメルトインデックスを有することができる。
ポリエーテルイミド、例えば、構造(1)を有するポリエーテルイミドを作り出すための代替のハロ置換重合プロセスは、クロロ置換プロセス(式(8)においてXはClである)と称されるプロセスである。クロロ置換プロセスを例示すると以下の通りである:4−クロロフタル酸無水物とmeta−フェニレンジアミンを、触媒量のフェニルホスフィン酸ナトリウム触媒の存在下で反応して、meta−フェニレンジアミンのビスクロロフタルイミド(CAS No.148935−94−8)を生成させる。次いでビスクロロフタルイミドを、ortho−ジクロロベンゼンまたはアニソール溶媒中、触媒の存在下での、BPAの二ナトリウム塩とのクロロ置換反応による重合にかける。あるいは、3−クロロフタル酸無水物と4−クロロフタル酸無水物の混合物を用いて、上記の通りBPA二ナトリウム塩でのクロロ置換によって重合できる、異性体のビスクロロフタルイミドの混合物を提供することができる。
シロキサンポリエーテルイミドは、ブロックコポリマーの全重量に対して0超から40重量パーセント(wt%)未満のシロキサン含量を有するポリシロキサン/ポリエーテルイミドブロックまたはランダムコポリマーを含むことができる。ブロックコポリマーは、式(I):
(式中、R1〜6は、出現ごとに独立に、5〜30個の炭素原子を有する置換もしくは非置換、飽和、不飽和または芳香族の単環式基、5〜30個の炭素原子を有する置換もしくは非置換、飽和、不飽和または芳香族の多環式基、1〜30個の炭素原子を有する置換もしくは非置換アルキル基および2〜30個の炭素原子を有する置換もしくは非置換アルケニル基からなる群から選択され、Vは、5〜50個の炭素原子を有する置換もしくは非置換、飽和、不飽和または芳香族の単環式および多環式基、1〜30個の炭素原子を有する置換もしくは非置換アルキル基、2〜30個の炭素原子を有する置換もしくは非置換アルケニル基および上記の少なくとも1つのリンカーを含む組合せからなる群から選択される四価リンカーであり、gは1〜30に等しく、dは2〜20である)のシロキサンブロックを含む。市販のシロキサンポリエーテルイミドは、銘柄名SILTEM*(*SABIC Innovative Plastics IP B.V.の商標)のもとでSABIC Innovative Plasticsから得ることができる。
ポリエーテルイミド樹脂は、下限値および/または上限値を有するある範囲内の重量平均分子量(Mw)を有することができる。この範囲は、下限値および/または上限値を含むかまたは排除することができる。下限値および/または上限値は、5000、6000、7000、8000、9000、10000、11000、12000、13000、14000、15000、16000、17000、18000、19000、20000、21000、22000、23000、24000、25000、26000、27000、28000、29000、30000、31000、32000、33000、34000、35000、36000、37000、38000、39000、40000、41000、42000、43000、44000、45000、46000、47000、48000、49000、50000、51000、52000、53000、54000、55000、56000、57000、58000、59000、60000、61000、62000、63000、64000、65000、66000、67000、68000、69000、70000、71000、72000、73000、74000、75000、76000、77000、78000、79000、80000、81000、82000、83000、84000、85000、86000、87000、88000、89000、90000、91000、92000、93000、94000、95000、96000、97000、98000、99000、100000、101000、102000、103000、104000、105000、106000、107000、108000、109000、および110000ダルトンから選択することができる。例えば、ポリエーテルイミド樹脂は、5,000〜100,000ダルトン、5,000〜80,000ダルトンまたは5,000〜70,000ダルトンの重量平均分子量(Mw)を有することができる。第一アルキルアミン変性ポリエーテルイミドは、出発する未変性ポリエーテルイミドより、低い分子量およびより高いメルトフローを有することになる。
ポリエーテルイミド樹脂は、例えば米国特許第3,875,116号、同第6,919,422号および同第6,355,723号に説明されているようなポリエーテルイミド、例えば米国特許第4,690,997号、同第4,808,686号に説明されているようなシリコーンポリエーテルイミド、米国特許第7,041,773号に説明されているようなポリエーテルイミドスルホン樹脂およびそれらの組合せからなる群から選択することができる。これらの特許のそれぞれを、それら全体で本明細書に組み込む。
ポリエーテルイミド樹脂は、下限値および/または上限値を有する範囲内のガラス転移温度を有することができる。この範囲は、下限値および/または上限値を含むかまたは排除することができる。下限値および/または上限値は、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、300および310℃から選択することができる。例えば、ポリエーテルイミド樹脂は、200℃超のガラス転移温度(Tg)を有することができる。
ポリエーテルイミド樹脂は、ベンジルプロトンを実質的に含まなくてもよい(100ppm未満)。ポリエーテルイミド樹脂は、ベンジルプロトンを含まなくてもよい。ポリエーテルイミド樹脂は、100ppm未満の量のベンジルプロトンを有することができる。一実施形態では、ベンジルプロトンの量は0超から100ppm未満の範囲である。他の実施形態では、ベンジルプロトンの量は検出不可能である。
ポリエーテルイミド樹脂は、ハロゲン原子を実質的に含まなくてもよい(100ppm未満)。ポリエーテルイミド樹脂はハロゲン原子を含まなくてもよい。ポリエーテルイミド樹脂は、100ppm未満の量のハロゲン原子を有することができる。一実施形態では、ハロゲン原子の量は0超から100ppm未満の範囲である。他の実施形態では、ハロゲン原子の量は検出不可能である。
一態様では、電解質108は溶融塩および/またはリチウム塩を含むことができる。一例として、リチウムバッテリー電解質は、高いリチウムイオン伝導度、および電極またはセパレータ中への高度の浸潤をもたらすような低い粘度を有することができる。一態様では、電解質108は、リチウムテトラフルオロボレート(「LiBF4」と略記される)、リチウムヘキサフルオロホスフェート(「LiPF6」と略記される)、リチウムヘキサフルオロメタンスルホネート、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(「LiTFSI」と略記される)、リチウムジシアナミド(「LiDCA」と略記される)、リチウムトリフルオロメタンスルホネート(「LiTFS」と略記される)およびリチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)アミド(「LiBETI」と略記される)のうちの1つ以上を含むことができる。他の材料および形成プロセスを使用することができる。
上記溶融塩中に含有されるカチオンは、特に限定されないが、芳香族第四級アンモニウムイオン、例えば1−エチル−3−メチルイミダゾリウム、1−メチル−3−プロピルイミダゾリウム、1−メチル−3−イソプロピルイミダゾリウム、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム、1−エチル−2,3−ジメチルイミダゾリウム、1−エチル−3,4−ジメチルイミダゾリウム、N−プロピルピリジニウム、N−ブチルピリジニウム、N−tert−ブチルピリジニウムおよびN−tert−ペンチルピリジニウム、ならびに脂肪族第四級アンモニウムイオン、例えばN−ブチル−N,N,N−トリメチルアンモニウム、N−エチル−N,N−ジメチル−N−プロピルアンモニウム、N−ブチル−N−エチル−N,N−ジメチルアンモニウム、N−ブチル−N,N−ジメチル−N−プロピルアンモニウム、N−メチル−N−プロピルピロリジニウム、N−ブチル−N−メチルピロリジニウム、N−メチル−N−ペンチルピロリジニウム、N−プロポキシエチル−N−メチルピロリジニウム、N−メチル−N−プロピルピペリジニウム、N−メチル−N−イソプロピルピペリジニウム、N−ブチル−N−メチルピペリジニウム、N−イソブチル−N−メチルピペリジニウム、N−sec−ブチル−N−メチルピペリジニウム、N−メトキシエチル−N−メチルピペリジニウムおよびN−エトキシエチル−N−メチルピペリジニウムからなる群から選択される1つ以上であってもよい。これらの脂肪族第四級アンモニウムイオンの中で、窒素含有の5員環としてのピロリジニウムイオンまたは窒素含有の6員環としてのピペリジニウムイオンが望ましい。その理由は、それらが、副反応を阻止して貯蔵特性またはサイクル性能を増強させる高い耐還元性を有するからである。他の材料および形成プロセスを使用することができる。
上記溶融塩中に含有されるアニオンは、特に限定されないが、PF6−、(PF3(C2F5)3)−、(PF3(CF3)3)−、BF4−、(BF2(CF3)2)−、(BF2(C2F5)2)−、(BF3(CF3))−、(BF3(C2F5))−、(B(COOCOO)2)−(「BOB−」と略記される)、CF3SO3−(「Tf−」と略記される)、C4F9SO3−(「Nf−」と略記される)、((CF3SO2)2N)−(「TFSI−」と略記される)、((C2F5SO2)2N)−(「BETI−」と略記される)、((CF3SO2)(C4F9SO2)N)−、((CN)2N)−(「DCA−」と略記される)ならびに((CF3SO2)3C)−および((CN)3C)−からなる群から選択される1つ以上であってもよい。これらの中で、望ましくは、優れたサイクル性能を考慮してFを含む、PF6−、(PF3(C2F5)3)−、(PF3(CF3)3)−、BF4−、(BF2(CF3)2)−、(BF2(C2F5)2)−、(BF3(CF3))−、(BF3(C2F5))−、Tf−、Nf−、TFSI−、BETI−および((CF3SO2)(C4F9SO2)N)の少なくとも1つを使用することができる。一態様では、電解質は、全溶媒組成の0wt%〜50wt%の炭酸エチル;全溶媒組成の0wt%〜80wt%の炭酸ジメチル;全溶媒組成の0wt%〜80wt%の炭酸エチルメチルのうちの1つを含む。
使用において、正電極と負電極は、セパレータによって互いに分離され、上記電解質を通るイオン移動によって互いに電気的に接続されている。上記構成を有する電解質を含むバッテリーを形成させるために、セパレータを、熱可塑性ポリマーから形成させることができる。
一態様では、熱可塑性ポリマー相は熱可塑性樹脂および流動性改良剤を含む。熱可塑性樹脂は、これらに限定されないが、ポリフェニレンスルフィドおよびポリイミドを含む1つ以上の熱可塑性ポリマー樹脂を含むことができる。他の態様では、開示組成物において使用されるポリイミドには、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミドおよびポリベンズイミダゾールが含まれる。他の態様では、ポリエーテルイミドは溶融加工可能なポリエーテルイミドを含む。
開示組成物において使用できる適切なポリエーテルイミドには、これに限定されないが、ULTEM(商標)が含まれる。ULTEM(商標)は、Saudi Basic Industries Corporation(SABIC)によって販売されているポリエーテルイミド(PEI)のファミリーからのポリマーである。ULTEM(商標)は、高い耐熱性、高い強度および剛性ならびに幅広い耐薬品性を有することができる。本明細書で使用されるようなULTEM(商標)は、別段の指定のない限り、そのファミリーに含まれるあらゆるULTEM(商標)ポリマーを指す。他の態様では、ULTEM(商標)はULTEM(商標)1000である。一態様では、ポリエーテルイミドは、例えば米国特許第4,548,997号、同第4,629,759号、同第4,816,527号、同第6,310,145号および同第7,230,066号(種々のポリエーテルイミド組成物および方法を開示する特定の目的のために、これらのすべてをその全体として本明細書に組み込む)に記述されているような、任意のポリカーボネート材料または材料の混合物を含むことができる。
特定の態様では、熱可塑性ポリマーは、式(I):
の有機ラジカルで表される構造単位を含む構造を有するポリエーテルイミドポリマーであり、
ここで、式(I)のRには、置換もしくは非置換二価有機基、例えば、(a)6〜20個の炭素原子を有する芳香族炭化水素ラジカルおよびそれらのハロゲン化誘導体;(b)2〜20個の炭素原子を有する直鎖もしくは分枝鎖のアルキレンラジカル;(c)3〜20個の炭素原子を有するシクロアルキレンラジカル、または(d)一般式(II):
の二価ラジカルが含まれ、
ここで、Qには、単結合、−O−、−S−、−C(O)−、−SO2−、−SO−、−CyH2y−(yは1〜5の整数である)およびペルフルオロアルキレン基を含むそれらのハロゲン化誘導体からなる群から選択される二価部分が含まれ;Tは、その−O−または−O−Z−O−基の二価結合が3,3’位、3,4’位、4,3’位もしくは4,4’位にある−O−または式−O−Z−O−の基であり、Zには、これらに限定されないが、式(III):
の二価ラジカルが含まれる、式(I)に含まれるポリエーテルイミドは少なくとも40,000のMwを有する。
ここで、式(I)のRには、置換もしくは非置換二価有機基、例えば、(a)6〜20個の炭素原子を有する芳香族炭化水素ラジカルおよびそれらのハロゲン化誘導体;(b)2〜20個の炭素原子を有する直鎖もしくは分枝鎖のアルキレンラジカル;(c)3〜20個の炭素原子を有するシクロアルキレンラジカル、または(d)一般式(II):
ここで、Qには、単結合、−O−、−S−、−C(O)−、−SO2−、−SO−、−CyH2y−(yは1〜5の整数である)およびペルフルオロアルキレン基を含むそれらのハロゲン化誘導体からなる群から選択される二価部分が含まれ;Tは、その−O−または−O−Z−O−基の二価結合が3,3’位、3,4’位、4,3’位もしくは4,4’位にある−O−または式−O−Z−O−の基であり、Zには、これらに限定されないが、式(III):
他の態様では、ポリエーテルイミドポリマーは、上記のエーテルイミド単位に加えて、式(IV):
(式中、Rは式(I)について上記に定義した通りであり、Mには、これらに限定されないが、式(V):
の基が含まれる)
のポリイミド構造単位をさらに含有するコポリマーであってもよい。
のポリイミド構造単位をさらに含有するコポリマーであってもよい。
他の態様では、熱可塑性樹脂は式:
で表される構造を有するポリエーテルイミドポリマーであって、このポリエーテルイミドポリマーは、少なくとも40,000ダルトン、50,000ダルトン、60,000ダルトン、80,000ダルトンまたは100,000ダルトンの分子量を有する。
ポリエーテルイミドポリマーは、式(VI):
の芳香族ビス(エーテル無水物)と式(IX):
H2N−R−NH2(VII)
(式中、TおよびRは式(I)において上記のように定義されている)
の有機ジアミンの反応を含む、当業者に公知の方法で調製することができる。
H2N−R−NH2(VII)
(式中、TおよびRは式(I)において上記のように定義されている)
の有機ジアミンの反応を含む、当業者に公知の方法で調製することができる。
式(VI)の芳香族ビス(エーテル無水物)の例示的で非限定的な例には、2,2−ビス[4−(3,4−ジカルボキシフェノキシ)フェニル]プロパン二無水物;4,4’−ビス(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニルエーテル二無水物;4,4’−ビス(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニルスルフィド二無水物;4,4’−ビス(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ベンゾフェノン二無水物;4,4’−ビス(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニルスルホン二無水物;2,2−ビス[4−(2,3−ジカルボキシフェノキシ)フェニル]プロパン二無水物;4,4’−ビス(2,3−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニルエーテル二無水物;4,4’−ビス(2,3−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニルスルフィド二無水物;4,4’−ビス(2,3−ジカルボキシフェノキシ)ベンゾフェノン二無水物;4,4’−ビス(2,3−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニルスルホン二無水物;4−(2,3−ジカルボキシフェノキシ)−4’−(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニル−2,2−プロパン二無水物;4−(2,3−ジカルボキシフェノキシ)−4’−(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニルエーテル二無水物;4−(2,3−ジカルボキシフェノキシ)−4’−(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニルスルフィド二無水物;4−(2,3−ジカルボキシフェノキシ)−4’−(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ベンゾフェノン二無水物および4−(2,3−ジカルボキシフェノキシ)−4’−(3,4−ジカルボキシフェノキシ)ジフェニルスルホン二無水物、ならびにそれらの種々の混合物が含まれる。
ビス(エーテル無水物)は、双極性の非プロトン性溶媒の存在下でのニトロ置換フェニルジニトリルと二価フェノール化合物の金属塩の反応生成物の加水分解、続く脱水によって調製することができる。上記式(VI)に含まれる有用な部類の芳香族ビス(エーテル無水物)には、これらに限定されないが、Tが式(VIII):
からなる化合物が含まれ、このエーテル結合は、例えば3,3’位、3,4’位、4,3’位または4,4’位およびそれらの組合せが有益であり、Qは上記定義通りである。
ポリイミドおよび/またはポリエーテルイミドの調製において、任意のジアミノ化合物を用いることができる。適切な式(VII)のジアミノ化合物の例示的で非限定的な例には、エチレンジアミン、プロピレンジアミン、トリメチレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、ヘキサメチレンジアミン、ヘプタメチレンジアミン、オクタメチレンジアミン、ノナメチレンジアミン、デカメチレンジアミン、1,12−ドデカンジアミン、1,18−オクタデカンジアミン、3−メチルヘプタメチレンジアミン、4,4−ジメチルヘプタメチレンジアミン、4−メチルノナメチレンジアミン、5−メチルノナメチレンジアミン、2,5−ジメチルヘキサメチレンジアミン、2,5−ジメチルヘプタメチレンジアミン、2、2−ジメチルプロピレンジアミン、N−メチル−ビス(3−アミノプロピル)アミン、3−メトキシヘキサメチレンジアミン、1,2−ビス(3−アミノプロポキシ)エタン、ビス(3−アミノプロピル)スルフィド、1,4−シクロヘキサンジアミン、ビス−(4−アミノシクロヘキシル)メタン、m−フェニレンジアミン、p−フェニレンジアミン、2,4−ジアミノトルエン、2,6−ジアミノトルエン、m−キシリレンジアミン、p−キシリレンジアミン、2−メチル−4,6−ジエチル−1,3−フェニレン−ジアミン、5−メチル−4,6−ジエチル−1,3−フェニレン−ジアミン、ベンジジン、3,3’−ジメチルベンジジン、3,3’−ジメトキシベンジジン、1,5−ジアミノナフタレン、ビス(4−アミノフェニル)メタン、ビス(2−クロロ−4−アミノ−3,5−ジエチルフェニル)メタン、ビス(4−アミノフェニル)プロパン、2,4−ビス(b−アミノ−t−ブチル)トルエン、ビス(p−b−アミノ−t−ブチルフェニル)エーテル、ビス(p−b−メチル−o−アミノフェニル)ベンゼン、ビス(p−b−メチル−o−アミノペンチル)ベンゼン、1,3−ジアミノ−4−イソプロピルベンゼン、ビス(4−アミノフェニル)スルフィド、ビス(4−アミノフェニル)スルホン、ビス(4−アミノフェニル)エーテルおよび1,3−ビス(3−アミノプロピル)テトラメチルジシロキサンが含まれる。これらの化合物の混合物も存在してもよい。有益なジアミノ化合物は、芳香族ジアミン、特にm−およびp−フェニレンジアミンおよびそれらの混合物である。
他の態様では、ポリエーテルイミド樹脂は、式(I)による構造単位を含む。ここで、各Rは独立にp−フェニレンもしくはm−フェニレンまたはそれらの混合物であり、Tは式(IX):
の二価ラジカルである。
種々の態様では、反応を、o−ジクロロベンゼン、m−クレゾール/トルエンまたは同様のものなどの溶媒を用いて実施して、式(VI)の無水物と式(VII)のジアミンとの反応を100℃〜250℃の温度で行うことができる。あるいは、ポリエーテルイミドは、出発材料の混合物を、撹拌しながら、高温で加熱することによって、式(VI)の芳香族ビス(エーテル無水物)と式(VII)のジアミンの溶融重合によって調製することができる。溶融重合では、200℃〜400℃の温度を用いることができる。連鎖停止剤および分岐剤も反応に用いることができる。ポリエーテルイミドポリマーは、任意選択で、芳香族ビス(エーテル無水物)と有機ジアミンの反応であって、そのジアミンが、反応混合物中にせいぜい0.2モル過剰、有益には0.2モル未満過剰で存在する反応によって調製することができる。そうした条件下では、ポリエーテルイミド樹脂は、一実施形態では、氷酢酸中33重量パーセント(wt%)の臭化水素酸含有溶液を含むクロロホルム溶液での滴定によって示される15マイクロ当量/グラム(μeq/g)未満の酸滴定可能基を有し、他の実施形態では10μeq/g未満の酸滴定可能基を有する。酸滴定可能基は基本的にポリエーテルイミド樹脂中のアミン末端基に起因している。
他の態様では、ポリエーテルイミド樹脂は、ポリスチレン標準品を用いてゲル透過クロマトグラフィーで測定して、少なくとも24,000〜150,000グラム/モル(g/モル)の重量平均分子量(Mw)を有する。さらに他の態様では、熱可塑性樹脂は、少なくとも20,000ダルトン、40,000ダルトン、50,000ダルトン、60,000ダルトン、80,000ダルトン、100,000ダルトンまたは120,000ダルトンの分子量を有することができる。さらに他の態様では、熱可塑性樹脂は、少なくとも40,000ダルトンの分子量を有することができる。さらに他の態様では、熱可塑性樹脂は、少なくとも45,000ダルトンの分子量を有することができる。さらに他の態様では、熱可塑性樹脂は、少なくとも50,000ダルトンの分子量を有することができる。さらに他の態様では、熱可塑性樹脂は、少なくとも60,000ダルトンの分子量を有することができる。さらに他の態様では、熱可塑性樹脂は、少なくとも70,000ダルトンの分子量を有することができる。さらに他の態様では、熱可塑性樹脂は、少なくとも100,000ダルトンの分子量を有することができる。
他の態様では、熱可塑性樹脂は、少なくとも40,000ダルトン、50,000ダルトン、60,000ダルトン、80,000ダルトンまたは100,000ダルトンの分子量を有するポリエーテルイミドポリマーを含むことができる。さらに他の態様では、ポリエーテルイミドポリマーは、少なくともダルトン、40,000ダルトンまたは50,000ダルトンの分子量を有する。さらに他の態様では、ポリエーテルイミドポリマーは、少なくとも40,000ダルトンの分子量を有する。さらに他の態様では、ポリエーテルイミドポリマーは、少なくとも50,000ダルトンの分子量を有する。さらに他の態様では、ポリエーテルイミドポリマーは、少なくとも60,000ダルトンの分子量を有する。さらに他の態様では、ポリエーテルイミドポリマーは、少なくとも70,000ダルトンの分子量を有する。さらに他の態様では、ポリエーテルイミドポリマーは、少なくとも100,000ダルトンの分子量を有する。
一態様では、SABICのULTEM(商標)CRS5000樹脂をベースとした液体誘導相分離(LIPS)または蒸気誘導相分離(VIPS)プロセスを、1つ以上のリチウムイオンバッテリーセパレータを作製するために使用することができる。一例として、LIPSまたはVIPSを、バッテリーセパレータ用途に非常に適している、調節可能な細孔構造を有するULTEM(商標)CRS5000多孔性セパレータフィルムを作製するために使用することができる。このプロセスは、得られる多孔度、細孔サイズおよび厚さに関して、したがって実際の電気化学セル分野におけるセパレータの最終性能において用途が広い。
以下の実施例を、当業者に、本明細書で特許請求される化合物、組成物、物品、デバイスおよび/または方法がいかに作り出され、評価されるかの完全な開示および説明を提供するために示すが、これらは純粋に例示を目的としたものであり、本開示の方法およびシステムの範囲を限定しようとするものではない。別段の指定のない限り、部は重量部であり、温度は℃で示されるかまたは室温であり、圧力は大気圧またはその近傍である。
例示的な試験手順
耐溶剤性試験は、電解質溶液(DMC:EMC:ECの1:1:1の比および1mol/L LiPF6)、または炭酸ジメチル(DMC)、炭酸ジエチル(DEC)および炭酸エチレン(EC)である個々の電解質溶媒中での、ポリマーフィルムの腫脹および/または溶解の度合いを定量化した。すべての試験サンプルは、50〜100ミクロンの厚さを有する薄い固体フィルムであった。市販のCelgard(登録商標)2500(ポリプロピレンをベースとしている)およびTonen V25CGD(ポリエチレンをベースとしている)セパレータを対照サンプルとして使用した。電解質溶液での耐溶剤性試験のための詳細な手順は以下の通りである:
1.各材料タイプについて9個の複製サンプル(薄厚フィルム(thin film))を調製する;
2.材料供給業者によって勧められているような、典型的な乾燥プロセスにしたがって真空下ですべてのサンプルを乾燥する;
3.乾燥サンプルの出発重量を記録する。電子てんびんの分解能は0.00001グラムであり、それぞれ個々のサンプルの重量は0.02グラム超であり、したがって精度は少なくとも±0.05%である。
4.それぞれ個々のサンプルを、別個の密封ガラス容器中の過剰の電解質溶液に浸漬させる(完全なサンプル被覆)。この手順は、電解質溶液を保護するために、グローブボックス中、アルゴン雰囲気下で行う。
5.すべての容器を、グローブボックス(アルゴン雰囲気)の中で、加熱マントル中、55±2℃で貯蔵し;21日後にサンプルを取り出す。
6.溶液からサンプルを取り出した後、以下の手順にしたがってサンプルをリンスして、サンプル表面上の残留溶媒および塩残留物を除去する:
・ DMC中で2分間超音波リンスし、DMC中で2回リンスする
・ エタノール中でリンスする(3回)
・ ランニングDI水で洗浄する
リンスプロセスは市販のセパレータを評価することによって立証;これは、すべての有機溶媒およびリチウム塩を首尾よく除去していた。
7.湿潤サンプルを布またはティッシュペーパーで拭き取って乾燥させてサンプル表面の残留電解質を除去し、その重量を湿潤重量として記録する;
8.サンプルを110℃で48時間真空乾燥する。PPおよびPEサンプルを60℃で24時間乾燥した。ULTEM(商標)CRS5001フィルムサンプルは、110℃で48時間乾燥した後でもなお重量増加を示した。これは、電解質溶媒との強い相互作用性を示している。したがって、ULTEM(商標)CRS5001サンプルを、200℃でさらに24時間乾燥した。さらなる重量変化は観察されなかった。他のフィルムサンプルを110℃で48時間乾燥した。
9.サンプルの重量を、乾燥オーブンから取り出した直後の乾燥重量として記録する。
10.正規化乾燥重量を、乾燥重量を出発重量で除したものとして計算した。正規化湿潤重量を、湿潤重量を出発重量で除したものとして計算した。
個々の電解質溶媒での耐溶剤性試験のための詳細な手順は以下の通りである:
1.各材料タイプについて9個の複製サンプル(薄厚フィルム)を調製する;
2.材料供給業者によって勧められているような、典型的な乾燥プロセスにしたがって真空下ですべてのサンプルを乾燥する;
3.乾燥サンプルの出発重量を記録する。電子てんびんの分解能は0.00001グラムであり、それぞれ個々のサンプルの重量は0.02グラム超であり、したがって精度は少なくとも±0.05%である。
4.別個の密封ガラス容器中で、それぞれ個々のサンプルを過剰の溶媒に浸漬させる(完全なサンプル被覆)。
5.すべての容器を水浴中、55±2℃で貯蔵し;21日後にサンプルを取り出す。
6.湿潤サンプルを布またはティッシュペーパーで拭き取って乾燥させてサンプル表面の残留溶媒を除去し、その重量を湿潤重量として記録する;
7.サンプルを110℃で48時間真空乾燥する。PPおよびPEサンプルを60℃で24時間乾燥した。他のサンプルを真空下110℃で3日間、真空下150℃で1日間乾燥した。
8.正規化乾燥重量を、乾燥重量を出発重量で除したものとして計算した。正規化湿潤重量を、湿潤重量を出発重量で除したものとして計算した。
耐溶剤性試験は、電解質溶液(DMC:EMC:ECの1:1:1の比および1mol/L LiPF6)、または炭酸ジメチル(DMC)、炭酸ジエチル(DEC)および炭酸エチレン(EC)である個々の電解質溶媒中での、ポリマーフィルムの腫脹および/または溶解の度合いを定量化した。すべての試験サンプルは、50〜100ミクロンの厚さを有する薄い固体フィルムであった。市販のCelgard(登録商標)2500(ポリプロピレンをベースとしている)およびTonen V25CGD(ポリエチレンをベースとしている)セパレータを対照サンプルとして使用した。電解質溶液での耐溶剤性試験のための詳細な手順は以下の通りである:
1.各材料タイプについて9個の複製サンプル(薄厚フィルム(thin film))を調製する;
2.材料供給業者によって勧められているような、典型的な乾燥プロセスにしたがって真空下ですべてのサンプルを乾燥する;
3.乾燥サンプルの出発重量を記録する。電子てんびんの分解能は0.00001グラムであり、それぞれ個々のサンプルの重量は0.02グラム超であり、したがって精度は少なくとも±0.05%である。
4.それぞれ個々のサンプルを、別個の密封ガラス容器中の過剰の電解質溶液に浸漬させる(完全なサンプル被覆)。この手順は、電解質溶液を保護するために、グローブボックス中、アルゴン雰囲気下で行う。
5.すべての容器を、グローブボックス(アルゴン雰囲気)の中で、加熱マントル中、55±2℃で貯蔵し;21日後にサンプルを取り出す。
6.溶液からサンプルを取り出した後、以下の手順にしたがってサンプルをリンスして、サンプル表面上の残留溶媒および塩残留物を除去する:
・ DMC中で2分間超音波リンスし、DMC中で2回リンスする
・ エタノール中でリンスする(3回)
・ ランニングDI水で洗浄する
リンスプロセスは市販のセパレータを評価することによって立証;これは、すべての有機溶媒およびリチウム塩を首尾よく除去していた。
7.湿潤サンプルを布またはティッシュペーパーで拭き取って乾燥させてサンプル表面の残留電解質を除去し、その重量を湿潤重量として記録する;
8.サンプルを110℃で48時間真空乾燥する。PPおよびPEサンプルを60℃で24時間乾燥した。ULTEM(商標)CRS5001フィルムサンプルは、110℃で48時間乾燥した後でもなお重量増加を示した。これは、電解質溶媒との強い相互作用性を示している。したがって、ULTEM(商標)CRS5001サンプルを、200℃でさらに24時間乾燥した。さらなる重量変化は観察されなかった。他のフィルムサンプルを110℃で48時間乾燥した。
9.サンプルの重量を、乾燥オーブンから取り出した直後の乾燥重量として記録する。
10.正規化乾燥重量を、乾燥重量を出発重量で除したものとして計算した。正規化湿潤重量を、湿潤重量を出発重量で除したものとして計算した。
個々の電解質溶媒での耐溶剤性試験のための詳細な手順は以下の通りである:
1.各材料タイプについて9個の複製サンプル(薄厚フィルム)を調製する;
2.材料供給業者によって勧められているような、典型的な乾燥プロセスにしたがって真空下ですべてのサンプルを乾燥する;
3.乾燥サンプルの出発重量を記録する。電子てんびんの分解能は0.00001グラムであり、それぞれ個々のサンプルの重量は0.02グラム超であり、したがって精度は少なくとも±0.05%である。
4.別個の密封ガラス容器中で、それぞれ個々のサンプルを過剰の溶媒に浸漬させる(完全なサンプル被覆)。
5.すべての容器を水浴中、55±2℃で貯蔵し;21日後にサンプルを取り出す。
6.湿潤サンプルを布またはティッシュペーパーで拭き取って乾燥させてサンプル表面の残留溶媒を除去し、その重量を湿潤重量として記録する;
7.サンプルを110℃で48時間真空乾燥する。PPおよびPEサンプルを60℃で24時間乾燥した。他のサンプルを真空下110℃で3日間、真空下150℃で1日間乾燥した。
8.正規化乾燥重量を、乾燥重量を出発重量で除したものとして計算した。正規化湿潤重量を、湿潤重量を出発重量で除したものとして計算した。
異なるポリマーの湿潤性を、電解質溶液(DMC:EMC:ECの1:1:1の比および1mol/L LiPF6)または個々の炭酸アルキル溶媒を用いた接触角測定によって評価した。接触角を、標準的な手順(例えば、ヤング式または同様のものによる)にしたがって測定した。ここで、数式を液滴の形状に当てはめ、液体−固体−蒸気(LSV)界面線での液滴に対する接線の傾きを計算した。各サンプルを少なくとも5回測定し、別段の記述のない限り、その接触角を、表面上へ小滴を注いだ後5秒で記録した。
熱機械分析(TMA)は典型的に、NASA/TM−2010−216099試験法にしたがって、セパレータの高温溶融完全性(HTMI)の特性評価するために使用される。TMAを利用して、セパレータを、一定の小さい負荷のもとに保ち、その変形の度合い(伸び)を温度の関数として測定する。セパレータがその機械的完全性を失う温度で、伸びは劇的に増大する。典型的に、収縮開始(2%収縮での温度)、変形温度(5%変形での温度)および破断温度(その材料が壊れる温度)を報告し、高温溶融完全性を変形温度として定義する。セパレータの高温溶融完全性(HTMI)はここでは5%変形温度と定義される。TA Instruments Q800 DMAを、フィルム引張セットアップを用いて使用した。10mm長さ×3mm幅のフィルムを試験した。サンプルを一定の0.02N負荷で保ち、温度を、5℃/minの勾配(ramp)でサンプルが破壊されるまで上昇させる。実験パラメーターは以下の通りである:
a.試験:温度勾配/制御荷重(Controlled Force)
b.予圧荷重(Preload Force):0.02N
c.出発温度:30℃
d.最終温度:300℃(またはサンプルの破断)
e.勾配比率:5℃/min
a.試験:温度勾配/制御荷重(Controlled Force)
b.予圧荷重(Preload Force):0.02N
c.出発温度:30℃
d.最終温度:300℃(またはサンプルの破断)
e.勾配比率:5℃/min
一態様では、2016コインセルを、イオン伝導度の判定のための試験手段(test vehicle)として使用した[「Battery Separator Characterization and Evaluation Procedures for NASA’s Advanced Lithium−Ion Batteries」、NASA/TM−2010−216099による]。リチウム金属薄片(WISDOM OPTOELECTRONIC TECHNOLOGY CO.、LTDからの高純度リチウム金属(99.9%)]を電極として使用した。電気化学的インピーダンス分光法(EIS)を、BioLogic Science InstrumentsからのVMP2 MultiPotentiostatを用いて、セル抵抗を試験するために使用した。比導電率をオームの法則にしたがって計算する:
比導電率=フィルム厚さ/(セパレータ抵抗*試験面積)
ここで、フィルム厚さはマイクロメーターで測定し、セパレータ抵抗はEIS Nyquistプロットから読み取り、試験面積は電極のサイズ(直径は15.6mmである)により判定した。
比導電率=フィルム厚さ/(セパレータ抵抗*試験面積)
ここで、フィルム厚さはマイクロメーターで測定し、セパレータ抵抗はEIS Nyquistプロットから読み取り、試験面積は電極のサイズ(直径は15.6mmである)により判定した。
サイクル試験のために、LiFePO4カソードをBYDから得、黒鉛アノードをMTI Co.Ltdから得た。2016コインセルコンポーネントはShenzhen Kejingstar Tech Co.、Ltdから得た。使用した電解質は、Shenzhen Capchem Tech Co.LtdからのLBC3015Bであった。LiFePO4 2016コインセルのための試験手順は以下の通りである:
1.フォーメーションサイクル:電圧が3.8Vに達するまで0.3mAで一定の電流での充電;電流が0.075mAにトリップするまで3.8Vで一定の電圧での充電;1分間開放回路;電圧が2.5Vに達するまで−0.3mAで一定の電流での放電;電圧が3.8Vに達するまで1.5mAで一定の電流での充電;電流が0.075mAにトリップするまで3.8Vで一定の電圧での充電;開放回路電圧を24hモニターし、その容量を100%として記録する。
2.充電および放電サイクル:電圧が3.8Vに達するまで1.5mAで一定の電流での充電;電流が0.075mAにトリップするまで3.8Vで一定の電圧での充電;1分間開放回路;電圧が2.5Vに達するまで−1.5mAで一定の電流での放電;1分間開放回路;このサイクル手順を1200回の連続サイクルで繰り返す。放電された容量を記録する。フォーメーションサイクルの間に放電された容量に対する比をパーセンテージの単位で容量保持率として記録する。
1.フォーメーションサイクル:電圧が3.8Vに達するまで0.3mAで一定の電流での充電;電流が0.075mAにトリップするまで3.8Vで一定の電圧での充電;1分間開放回路;電圧が2.5Vに達するまで−0.3mAで一定の電流での放電;電圧が3.8Vに達するまで1.5mAで一定の電流での充電;電流が0.075mAにトリップするまで3.8Vで一定の電圧での充電;開放回路電圧を24hモニターし、その容量を100%として記録する。
2.充電および放電サイクル:電圧が3.8Vに達するまで1.5mAで一定の電流での充電;電流が0.075mAにトリップするまで3.8Vで一定の電圧での充電;1分間開放回路;電圧が2.5Vに達するまで−1.5mAで一定の電流での放電;1分間開放回路;このサイクル手順を1200回の連続サイクルで繰り返す。放電された容量を記録する。フォーメーションサイクルの間に放電された容量に対する比をパーセンテージの単位で容量保持率として記録する。
材料
一態様では、以下に示すような複数の材料を試験した:
一態様では、以下に示すような複数の材料を試験した:
この研究で使用した電解質はCapchemからのLBC3015Bである。これは、炭酸エチレン(EC)、炭酸ジメチル(DMC)、炭酸エチルメチル(EMC)およびLiPF6の混合物である。EC、DMCおよびEMCの比は1:1:1であり、LiPF6の濃度は1mol/Lである。
固体フィルムの特性評価
表Aのデータは、ポリエチレンおよびポリプロピレンセパレータフィルムが、正規化乾燥重量>90%(例えば、90%〜101%、91%〜101%、92%〜101%、93%〜101%、94%〜101%、95%〜101%、96%〜101%、97%〜101%、98%〜101%、99%〜101%、100%〜101%)で表されるように、電解質溶液(1:1:1 EC:DMC:EMCおよび1mol/L LiPF6)に対して優れた耐溶剤性を有していることを示している。正規化乾燥重量は、乾燥重量、すなわちその溶液中に55℃で21日間液浸させ、続いて乾燥してすべての溶媒を除去した後のサンプル重量を、出発重量、すなわち溶液中に液浸させる前のサンプルの初期重量で除したものとして計算した。さらに、これらの材料は低度の腫脹(正規化湿潤重量約100%)が見られる。正規化湿潤重量を湿潤重量、すなわちサンプルを乾燥することなく溶液中に55℃で21日間液浸させた後のサンプル重量を、出発重量、すなわち溶液中に液浸させる前のサンプルの初期重量で除したものとして計算した。
非晶質樹脂の比較例は、電解質溶液中へのポリマーの著しい溶解を実証している(正規化乾燥重量<90%、それでも大部分完全に溶解している)。
ULTEM(商標)CRS5001樹脂について得られたデータは、正規化乾燥重量>90%によって証明されるように、ULTEM(商標)CRS5001樹脂が、電解質溶液中にそれほど溶解しないことを示している。これは、ULTEM(商標)CRS5001樹脂が、電解質溶液に対して優れた耐溶剤性を有していることを意味する。電解質中でのポリマーの溶解は、細孔サイズおよび厚さなどのセパレータの物理的構造を著しく変化させることになるので、これは、バッテリーセパレータの用途でのULTEM(商標)CRS5001の適用に重要である。電解質溶液中でのセパレータの著しい溶解は、例えばセパレータの多孔質構造を変化させる、かつ/または電解質溶液の粘度を変化させることによって、セパレータおよび電解質を通るイオン輸送性質も変化させることになる。さらに、ULTEM(商標)CRS5001樹脂は、限られた腫脹(正規化湿潤重量110%)を示す。電解質溶液によるセパレータの著しい腫脹は、セパレータの物理的性能を著しく変化させる、例えば機械的剛性および変形温度を変化させる可能性があるので、電解質溶液中でのセパレータの腫脹が限られていることは重要である。
ポリマーの耐溶剤性は典型的に、相対溶解パラメーター(δ)の差に関係する[C.M.ハンセン(Hansen)、Hansen Solubility Parameters−A User’s Handbook、2nd editionを参照されたい]。ポリマーと溶媒の溶解パラメーターの差(Δδ)が小さいことは、典型的に、溶媒中へのポリマーの溶解をもたらすことになる。表Bは、典型的な電解質構成要素の全(δt)、分散(δd)、極性(δp)および水素(δh)溶解パラメーターを示す。
個々の電解質溶媒に対して、ULTEM(商標)1010、ULTEM(商標)CRS5011およびULTEM(商標)CRS5001ポリマーフィルムの耐溶剤性も試験した。表Bをベースとして、これが、最も広い範囲の溶媒溶解パラメーター(18.0〜29.6MPa1/2)を包含するので、炭酸ジメチル(DMC)、炭酸ジエチル(DEC)および炭酸エチル(EC)を使用した。
表Cのデータは、ULTEM(商標)CRS5001およびULTEM(商標)CRS5011の耐溶剤性が、すべての個々の電解質溶媒について優れている(100+/−1%正規化乾燥重量)ことを示しており、これは、全電解質組成範囲にわたる(例えば、EC、DMCおよびDECを種々の比率で混合して)、ULTEM(商標)CRS5001およびULTEM(商標)CRS5011の優れた耐溶剤性(すなわち、正規化乾燥重量>90%)を示唆している。ULTEM(商標)1010は溶媒中で著しい溶解/変形を示し、この場合、定量的重量分析は不可能であった。
表Dは、固体のULTEM(商標)1010およびULTEM(商標)CRS5001フィルムが、230℃を超える非常に高い5%変形温度を有する優れた高温溶融完全性(HTMI)性能を提供することを示している。
表Eは、固体のULTEM(商標)1010およびULTEM(商標)CRS5001フィルムは、極めて小さい接触角値(<20°)によって示されるように、電解質溶液(1:1:1 EC:DMC:EMCおよび1mol/L LiPF6)での優れた湿潤性を提供することを示している。これらの接触角値は、固体のPPおよびUHMWPEフィルムについて得られる値(典型的に>35°)より、著しく小さい。
表Fは、固体PPフィルムの接触角は、試験した溶媒組成の全範囲にわたって相対的に高い(典型的に>30°)ことを示している。対照的に、ULTEM(商標)1010およびULTEM(商標)CRS5001固体フィルムは、非常に幅広い溶媒組成範囲にわたって極めて小さい接触角(典型的に<15°)を示しており、これは、溶液によるフィルムの際立った湿潤性を表している。ULTEM(商標)1010およびULTEM(商標)CRS5001フィルムは30°未満の接触角を示しており、これは、PP621Pの比較例より明らかに小さい。
多孔質フィルムの特性評価
多孔質膜は種々の方法を用いて作製することができる。一例として、多孔質膜は、溶媒キャスト法、押し出しフィルムの延伸および/または押し出しフィルム中の溶質の洗い出しによって形成させることができる。セパレータを形成させるために他の方法を用いることができる。他の例として、45〜75%の範囲の全多孔度を有する多孔質膜を作製することができる。他の範囲および多孔度を用いることができる。
多孔質膜は種々の方法を用いて作製することができる。一例として、多孔質膜は、溶媒キャスト法、押し出しフィルムの延伸および/または押し出しフィルム中の溶質の洗い出しによって形成させることができる。セパレータを形成させるために他の方法を用いることができる。他の例として、45〜75%の範囲の全多孔度を有する多孔質膜を作製することができる。他の範囲および多孔度を用いることができる。
多孔質ULTEM(商標)CRS5001セパレータは溶媒キャスト法によって作製した。ULTEM(商標)CRS5001ポリマーを、120℃で4−クロロ−2−メチル−フェノール/p−クレゾール(1:1w/w)溶媒混合物に溶解した。ドープ溶液中のポリマー濃度は17%であった。ドープ溶液を室温に冷却し、次いでバードアプリケータ(スロットサイズ:50μm)を用いて室温でガラス基材上にキャストした。キャストフィルムを、テトラヒドロフラン(THF)浴中に終夜浸漬させ、次いで真空下、120℃で乾燥した。図2は、溶媒キャストULTEM(商標)CRS5001セパレータの代表的な形態(横断面)を示す(実施例20を参照されたい)。
表Gは、CelgardおよびTonenセパレータの接触角は大きく、5秒後で典型的に40〜50°であることを示している。電解質小滴がセパレータと30秒間接触した後でも、その接触角は35°以上に留まっており、これは、CelgardおよびTonenセパレータの電解質溶液による湿潤性が低いことを表している。しかし、作製されたままのULTEM(商標)CRS5001セパレータは、30秒後で<10°の極めて小さい接触角値を示す。5秒間の短い接触時間の後でも、接触角はすでに20°を下回っており、これは、電解質溶液によるセパレータのほとんど瞬間的な湿潤を意味している。
表Hは、CelgardおよびTonenセパレータの接触角が、試験した溶媒組成の全範囲にわたって相対的に大きい(典型的に>25°)ことを示している。対照的に、ULTEM(商標)CRS5001セパレータは、溶媒の非常に幅広い組成範囲にわたって極めて小さい接触角(<10°)を示しており、これは、溶媒混合物によるセパレータの際立ったかつ瞬間的な湿潤を表している。
表Iは、ULTEM(商標)CRS5001セパレータとCelgardおよびTonenセパレータのHTMI性能を比較するものであり、これは、200℃をはるかに超える変形温度を有するULTEM(商標)CRS5001セパレータの際立った性能を示しており、それに対して、CelgardおよびTonenセパレータは、119〜160℃の温度範囲ですでに変形している。さらに、ULTEM(商標)CRS5001セパレータの破断温度は200℃を超えており、これは、<170℃であるCelgardおよびTonenセパレータの破断温度と比較して著しい改善である。
表Jは、ULTEM(商標)CRS5001セパレータと市販のポリオレフィンセパレータ(CelgardおよびTonen)のイオン伝導度の比較を例示している。ULTEM(商標)CRS5001セパレータは、市販のポリオレフィンセパレータフィルムと同等以上のイオン伝導度を備えることが明らかに示されている。括弧内の数字は、3つの測定をベースとした標準偏差を表す。
ULTEM(商標)CRS5001セパレータとCelgard(商標)2320セパレータの両方を2016コインセルで試験した。カソードはLiFePO4であり、アノードはリチウム金属薄片である。上記電解質を使用した。サイクル寿命を、0.5Cの一定の充電および放電速度で試験した。2つのセパレータについての1200回のサイクルにわたるサイクル寿命を図3に示す。
図3は、Celgard(商標)2320およびULTEM(商標)CRS5001セパレータを用いた、セパレータのタイプ当たりの3つのセルの平均放電容量保持率を示す。セパレータのタイプ当たりの試験した3つのセルのそれぞれは完全な複製である。図3の垂直なエラーバーは、3つのセルの容量保持率についての標準偏差を表す。市販の比較セパレータとしてCelgard(商標)2320が選択されているが、例えばCelgard(商標)2500についても同様の容量保持率プロファイルが観察された。驚くべきことに、容量保持率データを比較すると、ULTEM(商標)CRS5001セパレータは、Celgard(商標)2320セパレータと比較して著しく良好なサイクル性能を示している。一例として、Celgard(商標)2320についての1200回のサイクルでの容量保持率は52%であるが、溶媒キャストULTEM(商標)CRS5001のそれは79%である。一般に、バッテリー工業界では、バッテリー寿命を評価するための明確な指標として80%の容量保持率を使用する。Celgard(商標)2320セパレータを用いたこれらのLiFePO4/黒鉛コインセルについて、これらの試験条件下でのサイクル寿命は約250サイクルに等しい。驚くべきことに、ULTEM(商標)CRS5001セパレータを用いたセルは、約1100サイクルという著しく長いサイクル寿命を示す。
本明細書で示され説明されるように、para−フェニレンジアミンをベースとしたポリエーテルイミド(PEI)(SABICのULTEM(商標)CRS5000シリーズ)は、電解質との高い適合性、高い耐溶剤性および180℃を超える高い溶融完全性温度などの際立った性能特性の組合せを備えた、バッテリーセパレータフィルムのための優れた材料である。PEIは、55℃の高温でも、バッテリー電解質溶液に対して耐性があるという重要な要件を満たす。さらに、PEIは電解質溶液に対して極めて小さい接触角を示すが、これは、セパレータの湿潤および電解質保持に好都合であり、セル製造の際の短い電解質充填時間および改善されたセル動作性能を可能にする。para−フェニレンジアミンをベースとしたPEIからのセパレータは、非常に高い溶融完全性(180℃超)を有し、セル動作の全範囲にわたって高い弾性率を有する。提案する材料は、典型的な市販のポリオレフィンベースのセパレータと同等以上の比イオン伝導度を有する多孔質フィルムに、溶融加工することもまた溶液加工することもできる。さらに、これらのPEIセパレータは、バッテリーのサイクル寿命の驚くべき改善を示す。
液体誘導相分離(LIPS)プロセス
一態様では、耐溶剤性ULTEM(商標)CRS5000ポリマーを、高温でフェノール系溶媒(2−クロロ−フェノールなど)に溶解させることができる。溶媒と最小融点の溶媒混合物を形成する共溶媒を加えて、室温でキャスティングするために、ドープ溶液の流動性を保持することができる。多孔質構造は、ポリマー用の非溶媒を含む凝固浴中にキャストされた湿潤フィルムを浸漬させ、真空下120℃で溶媒を除去することによって形成させることができる。
一態様では、耐溶剤性ULTEM(商標)CRS5000ポリマーを、高温でフェノール系溶媒(2−クロロ−フェノールなど)に溶解させることができる。溶媒と最小融点の溶媒混合物を形成する共溶媒を加えて、室温でキャスティングするために、ドープ溶液の流動性を保持することができる。多孔質構造は、ポリマー用の非溶媒を含む凝固浴中にキャストされた湿潤フィルムを浸漬させ、真空下120℃で溶媒を除去することによって形成させることができる。
一態様では、多孔質材料(例えば、フィルム、セパレータ等)を作製するための方法は、溶媒中に耐薬品性ポリマーを含む注加可能なポリマー溶液を用意するステップと、そのポリマー溶液から多孔質フィルムを形成させるステップとを含むことができる。一例として、ポリマー溶液から多孔質フィルムを形成させるステップは、ポリマー溶液から湿潤薄厚フィルムをキャスティングするステップとを含むことができる。他の例として、ポリマー溶液から多孔質フィルムを形成させるステップは、ポリマー溶液をポリマーに対する非溶媒を含む凝固浴に浸漬させるステップを含むことができる。一態様では、その非溶媒は、水、ピロリドンベースの溶媒、アセトン、イソプロパノール、テトラヒドロフラン、ジクロロメタン、酢酸ジメチル、EDC、DMSO、アニソール、ODCBまたはそれらの組合せを含むことができる。
他の態様では、そのポリマーは、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリケトンもしくはポリフェニレンスルフィドまたはそれらの組合せを含むことができる。一例として、ポリマーは、para−フェニレンジアミンをベースとしたポリエーテルイミドを含む。
一態様では、その溶媒はフェノール系溶媒を含むことができる。一例として、溶媒は、4−クロロ−3−メチル−フェノール、4−クロロ−2−メチル−フェノール、2,4−ジクロロ−6−メチル−フェノール、2,4−ジクロロ−フェノール、2,6−ジクロロ−フェノール、4−クロロ−フェノール、2−クロロ−フェノール、o−クレゾール、m−クレゾール、p−クレゾール、4−メトキシ−フェノール、カテコール、ベンゾキノン、2,3−キシレノール、2,6−キシレノールもしくはレゾルシノールまたはそれらの組合せを含むことができる。他の例として、ポリマー溶液は無機粒子を含むことができる。
一態様では、多孔質フィルムの多孔度を10%〜90%の範囲で調節することができる。一例として、多孔質フィルムの平均細孔サイズを0.01μm〜10μmに調節することができる。他の態様では、多孔質フィルムの2%ひずみオフセットでの応力を、200〜3000psiの範囲に改変することができる。他の態様では、多孔質フィルムのマックムリン数(MacMullin number)は15以下である。
一態様では、多孔質フィルムをセパレータとして働かせることができる。一例として、セパレータは、180℃以上の温度で5%の変形を示すことができる。他の例として、セパレータは30°以下の電解質接触角を有することができる。他の例として、セパレータは、電解質溶液に対して耐性を示すが、それに高度に適合することができる。
一態様では、多孔質フィルムを、他のコーティング(ポリマー、セラミック)用の基材として、または、より複雑なセパレータ構造物(多層)用の成分として使用することができる。
一態様では、エネルギー貯蔵デバイスは多孔質フィルムを含むことができる。一例として、多孔質フィルムを、電気化学セル中のセパレータとして配置させることができる。他の例として、その電気化学セルはリチウムイオンバッテリーである。他の例として、電気化学セルは電解コンデンサである。
以下の実施例を、当業者に、本明細書で特許請求される化合物、組成物、物品、デバイスおよび/または方法がいかに作り出され、評価されるかの完全な開示および説明を提供するために示すが、これらは純粋に例示を目的としたものであり、本開示の方法およびシステムの範囲を限定しようとするものではない。数字(例えば、量、温度等)に関して精度を確保するように努めてきたが、いくらかの誤差および偏差が考慮されるべきである。別段の指定のない限り、部は重量部であり、温度は℃で示されるかまたは室温であり、圧力は大気圧またはその近傍である。
材料
一態様では、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーをフェノール系溶媒(4−クロロ−2−メチル−フェノールまたはp−クレゾールなど)に高温で溶解し、次いで溶媒と最小融点の溶媒混合物を形成する共溶媒を加えて、室温でキャスティングするために、ドープ溶液の流動性を保持させた。他の態様では、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーをフェノール系溶媒(2−クロロ−フェノールなど)に高温で溶解した。多孔質構造を、ガラス板上に湿潤薄厚フィルムをキャスティングし、キャストされた湿潤フィルムをポリマーに対しての非溶媒を含む凝固浴に浸漬させ、真空下、120℃でその膜中の残留溶媒を除去することによって形成させた。あるいは、多層多孔質構造を、多孔質ポリエチレンフィルム(PE、8ミクロン厚さ、見掛け多孔度24%)上に湿潤薄厚フィルムをキャスティングし、多孔質基材の頂部上のキャストされた湿潤フィルムをポリマーに対しての非溶媒を含む凝固浴に浸漬させ、真空下、60℃でその膜中の残留溶媒を除去することによって形成させた。
一態様では、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーをフェノール系溶媒(4−クロロ−2−メチル−フェノールまたはp−クレゾールなど)に高温で溶解し、次いで溶媒と最小融点の溶媒混合物を形成する共溶媒を加えて、室温でキャスティングするために、ドープ溶液の流動性を保持させた。他の態様では、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーをフェノール系溶媒(2−クロロ−フェノールなど)に高温で溶解した。多孔質構造を、ガラス板上に湿潤薄厚フィルムをキャスティングし、キャストされた湿潤フィルムをポリマーに対しての非溶媒を含む凝固浴に浸漬させ、真空下、120℃でその膜中の残留溶媒を除去することによって形成させた。あるいは、多層多孔質構造を、多孔質ポリエチレンフィルム(PE、8ミクロン厚さ、見掛け多孔度24%)上に湿潤薄厚フィルムをキャスティングし、多孔質基材の頂部上のキャストされた湿潤フィルムをポリマーに対しての非溶媒を含む凝固浴に浸漬させ、真空下、60℃でその膜中の残留溶媒を除去することによって形成させた。
セパレータの見掛け多孔度を計算した。フィルムを、ダイを用いて19mm径を有する丸い薄片にカットした;サンプル厚さはスパイラルマイクロメーター(Mitutoyo)で測定し、その重量は±0.05%分散を有する電子てんびんで測定する。次いで見掛け多孔度を以下の式:
で計算する。
引張り強さはTA Instrument’s Q800 DMAにより、長方形(3x20mm)フィルムサンプルで測定した。引張り強さのための方法は、ひずみ勾配を用いた、動的機械分析(Dynamic mechanical Analyzer(DMA))でのフィルム引っ張りクランプを利用する。以下の実験パラメーターを使用した:
a.試験:ひずみ勾配
b.予圧荷重:0.001N
c.初期ひずみ:0.5%
d.等温温度:30℃
e.最終ひずみ:250%
f.勾配比率:5%/min
g.サンプルがフィルム引っ張りクランプ内に正しく搭載され、必要なすべての測定がなされており、それらが正確であることを確認する。
a.試験:ひずみ勾配
b.予圧荷重:0.001N
c.初期ひずみ:0.5%
d.等温温度:30℃
e.最終ひずみ:250%
f.勾配比率:5%/min
g.サンプルがフィルム引っ張りクランプ内に正しく搭載され、必要なすべての測定がなされており、それらが正確であることを確認する。
結果
リチウムイオンバッテリーセパレータは、機械的剛性/強度とイオン伝導度の間のバランスに適合するような特定の微細構造を必要とする。相分離プロセスの際に使用される条件は細孔構造に、したがって最終セパレータ性能に影響を及ぼす。以下の例は、ベース樹脂としてULTEM(商標)CRS5001(SABIC)を用いて、セパレータの最終構造および性質が、相分離プロセスのために使用される溶媒系、ポリマー濃度および凝固浴にいかに依存するかを示している。セパレータのヤング率(剛性)、イオン伝導度、高温溶融完全性(HTMI)および電解質湿潤性を測定した。
リチウムイオンバッテリーセパレータは、機械的剛性/強度とイオン伝導度の間のバランスに適合するような特定の微細構造を必要とする。相分離プロセスの際に使用される条件は細孔構造に、したがって最終セパレータ性能に影響を及ぼす。以下の例は、ベース樹脂としてULTEM(商標)CRS5001(SABIC)を用いて、セパレータの最終構造および性質が、相分離プロセスのために使用される溶媒系、ポリマー濃度および凝固浴にいかに依存するかを示している。セパレータのヤング率(剛性)、イオン伝導度、高温溶融完全性(HTMI)および電解質湿潤性を測定した。
表AAに、形成されるセパレータの最終構造に影響を及ぼす最も重要な主要因子であることが分かっているLIPSプロセスパラメーターを挙げる。その分子構造のため、ULTEM(商標)CRS5001は例外的な耐溶剤性を有しており、したがって最も一般的な溶媒中でのその溶解性は低い。そういう理由で、室温で15〜20wt%のポリマー濃度で、必要とされる注加可能ポリマーシステムを達成するために、クロロ−2−メチル−フェノール、2−クロロ−フェノールおよび/またはp−クレゾールの溶媒系の混合物を使用する。表AAの実施例において使用される溶媒およびそれらの混合物は、室温ですべて液体であることに留意されたい。凝固浴(組成および温度に関して)は、最終構造を制御し、所望のセパレータ性能を達成するのに重要な役割を果たす。表AAに示すように、7種の凝固溶媒を22℃または40℃で使用した。
実施例1において、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーを、120℃で4−クロロ−2−メチル−フェノール/p−クレゾール(1:1w/w)溶媒混合物に溶解した。ドープ溶液中のポリマー濃度は15%であった。ドープ溶液を室温に冷却し、次いでバードアプリケータ(スロットサイズ:100μm)を用いて室温でガラス基材上にキャストした。キャストフィルムを、メタノール浴中に終夜浸漬させ、次いで真空下、120℃で乾燥した。
実施例2において、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーを、120℃で4−クロロ−2−メチル−フェノール/p−クレゾール(1:1w/w)溶媒混合物に溶解した。ドープ溶液中のポリマー濃度は15%であった。ドープ溶液を室温に冷却し、次いでバードアプリケータ(スロットサイズ:100μm)を用いて室温でガラス基材上にキャストした。キャストフィルムをエタノール浴中に終夜浸漬させ、次いで真空下、120℃で乾燥した。
実施例3において、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーを、120℃で4−クロロ−2−メチル−フェノール/p−クレゾール(1:1w/w)溶媒混合物に溶解した。ドープ溶液中のポリマー濃度は15%であった。ドープ溶液を室温に冷却し、次いでバードアプリケータ(スロットサイズ:100μm)を用いて室温でガラス基材上にキャストした。キャストフィルムを、ブタノール浴中に終夜浸漬させ、次いで真空下、120℃で乾燥した。
実施例4において、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーを、120℃で4−クロロ−2−メチル−フェノール/p−クレゾール(5:1w/w)溶媒混合物に溶解した。ドープ溶液中のポリマー濃度は15%であった。ドープ溶液を室温に冷却し、次いでバードアプリケータ(スロットサイズ:100μm)を用いて室温でガラス基材上にキャストした。キャストフィルムをイソプロパノール浴中に終夜浸漬させ、次いで真空下、120℃で乾燥した。
実施例5において、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーを、120℃で4−クロロ−2−メチル−フェノール/p−クレゾール(5:1w/w)溶媒混合物に溶解した。ドープ溶液中のポリマー濃度は15%であった。ドープ溶液を室温に冷却し、次いでバードアプリケータ(スロットサイズ:100μm)を用いて室温でガラス基材上にキャストした。キャストフィルムを、凝固浴としてのイソプロパノール/p−クレゾール(3:1比で)中に終夜浸漬させた。形成された膜をイソプロパノールで数回リンスした後、サンプルを真空下、120℃で乾燥した。
実施例6において、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーを、120℃で4−クロロ−2−メチル−フェノール/p−クレゾール(5:1w/w)溶媒混合物に溶解した。ドープ溶液中のポリマー濃度は20%であった。ドープ溶液を室温に冷却し、次いでバードアプリケータ(スロットサイズ:100μm)を用いて室温でガラス基材上にキャストした。キャストフィルムをイソプロパノール浴中に終夜浸漬させ、次いで真空下、120℃で乾燥した。
実施例7において、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーを、120℃で4−クロロ−2−メチル−フェノール/p−クレゾール(5:1w/w)溶媒混合物に溶解した。ドープ溶液中のポリマー濃度は20%であった。ドープ溶液を室温に冷却し、次いでバードアプリケータ(スロットサイズ:100μm)を用いて室温でガラス基材上にキャストした。キャストフィルムを、凝固浴としてのイソプロパノール/p−クレゾール(3:1比で)中に終夜浸漬させた。形成された膜をイソプロパノールで数回リンスした後、サンプルを真空下、120℃で乾燥した。
実施例8において、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーを、120℃で4−クロロ−2−メチル−フェノール/p−クレゾール(1:1w/w)溶媒混合物に溶解した。ドープ溶液中のポリマー濃度は15%であった。ドープ溶液を室温に冷却し、次いでバードアプリケータ(スロットサイズ:100μm)を用いて室温でガラス基材上にキャストした。キャストフィルムをイソプロパノール浴中に終夜浸漬させ、次いで真空下、120℃で乾燥した。
実施例9において、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーを、120℃で4−クロロ−2−メチル−フェノール/p−クレゾール(1:1w/w)溶媒混合物に溶解した。ドープ溶液中のポリマー濃度は15%であった。ドープ溶液を室温に冷却し、次いでバードアプリケータ(スロットサイズ:100μm)を用いて室温でガラス基材上にキャストした。キャストフィルムを、凝固浴としてのイソプロパノール/p−クレゾール(3:1比で)中に終夜浸漬させた。形成された膜をイソプロパノールで数回リンスした後、サンプルを真空下、120℃で乾燥した。
実施例10において、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーを、120℃で4−クロロ−2−メチル−フェノール/p−クレゾール(1:1w/w)溶媒混合物に溶解した。ドープ溶液中のポリマー濃度は17%であった。ドープ溶液を室温に冷却し、次いでバードアプリケータ(スロットサイズ:100μm)を用いて室温でガラス基材上にキャストした。キャストフィルムをイソプロパノール浴中に終夜浸漬させ、次いで真空下、120℃で乾燥した。
実施例11において、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーを、120℃で4−クロロ−2−メチル−フェノール/p−クレゾール(1:1w/w)溶媒混合物に溶解した。ドープ溶液中のポリマー濃度は17%であった。ドープ溶液を室温に冷却し、次いでバードアプリケータ(スロットサイズ:100μm)を用いて室温でガラス基材上にキャストした。キャストフィルムを、凝固浴としてのイソプロパノール/p−クレゾール(3:1比で)中に終夜浸漬させた。形成された膜をイソプロパノールで数回リンスした後、サンプルを真空下、120℃で乾燥した。
実施例12において、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーを、120℃で4−クロロ−2−メチル−フェノール/p−クレゾール(1:1w/w)溶媒混合物に溶解した。ドープ溶液中のポリマー濃度は17%であった。ドープ溶液を室温に冷却し、次いでバードアプリケータ(スロットサイズ:50μm)を用いて室温でガラス基材上にキャストした。キャストフィルムを酢酸エチル浴中に終夜浸漬させ、次いで真空下、120℃で乾燥した。
実施例13において、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーを、120℃で4−クロロ−2−メチル−フェノール/p−クレゾール(1:1w/w)溶媒混合物に溶解した。ドープ溶液中のポリマー濃度は17%であった。ドープ溶液を室温に冷却し、次いでバードアプリケータ(スロットサイズ:50μm)を用いて室温でガラス基材上にキャストした。キャストフィルムをアセトン浴中に終夜浸漬させ、次いで真空下、120℃で乾燥した。
実施例14において、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーを、120℃で4−クロロ−2−メチル−フェノール/p−クレゾール(1:1w/w)溶媒混合物に溶解した。ドープ溶液中のポリマー濃度は17%であった。ドープ溶液を室温に冷却し、次いでバードアプリケータ(スロットサイズ:50μm)を用いて室温でガラス基材上にキャストした。キャストフィルムを、ヘプタン浴中に終夜浸漬させ、次いで真空下、120℃で乾燥した。
実施例15において、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーを、120℃で4−クロロ−2−メチル−フェノール/p−クレゾール(1:1w/w)溶媒混合物に溶解した。ドープ溶液中のポリマー濃度は17%であった。ドープ溶液を室温に冷却し、次いでバードアプリケータ(スロットサイズ:50μm)を用いて室温でガラス基材上にキャストした。キャストフィルムを、1−メチル−2−ピロリドン(NMP)浴中に終夜浸漬させ、次いで真空下、120℃で乾燥した。
実施例16において、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーを120℃で2−Cl−フェノールに溶解した。ドープ溶液中のポリマー濃度は13%であった。ドープ溶液を室温に冷却し、次いでバードアプリケータ(スロットサイズ:50μm)を用いて室温でガラス基材上にキャストした。キャストフィルムをテトラヒドロフラン浴中に終夜浸漬させ、次いで真空下、120℃で乾燥した。
実施例17において、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーを120℃で2−Cl−フェノールに溶解した。ドープ溶液中のポリマー濃度は13%であった。ドープ溶液を40℃に冷却し、次いでバードアプリケータ(スロットサイズ:50μm)を用いてガラス基材上にキャストした。キャストフィルムを、テトラヒドロフラン浴中に終夜浸漬させた。その加工の間、ドープ/凝固浴とガラス基材の両方を40℃に保持した。サンプルを真空下、120℃で乾燥した。
実施例18において、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーを120℃で2−Cl−フェノールに溶解した。ドープ溶液中のポリマー濃度は13%であった。ドープ溶液を室温に冷却し、次いでバードアプリケータ(スロットサイズ:50μm)を用いて室温でガラス基材上にキャストした。キャストフィルムを、テトラヒドロフラン/2−Cl−フェノール混合物浴(3:1v/v)中に終夜浸漬させた。形成された膜をTHFで数回リンスした後、サンプルを真空下、120℃で乾燥した。
実施例19において、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーを120℃で2−Cl−フェノールに溶解した。ドープ溶液中のポリマー濃度は13%であった。ドープ溶液を40℃に冷却し、次いでバードアプリケータ(スロットサイズ:50μm)を用いてガラス基材上にキャストした。キャストフィルムを、テトラヒドロフラン/2−Cl−フェノール混合物浴(3:1v/v)中に終夜浸漬させた。その加工の間、ドープ/凝固浴とガラス基材の両方を40℃に保持した。形成された膜をTHFで数回リンスした後、サンプルを真空下、120℃で乾燥した。
実施例20において、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーを、120℃で4−クロロ−2−メチル−フェノール/p−クレゾール(1:1w/w)溶媒混合物に溶解した。ドープ溶液中のポリマー濃度は17%であった。ドープ溶液を室温に冷却し、次いでバードアプリケータ(スロットサイズ:50μm)を用いて室温でガラス基材上にキャストした。キャストフィルムをテトラヒドロフラン浴中に終夜浸漬させ、次いで真空下、120℃で乾燥した。
実施例21において、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーを、120℃で4−クロロ−2−メチル−フェノール/p−クレゾール(1:1w/w)溶媒混合物に溶解した。ドープ溶液中のポリマー濃度は17%であった。ドープ溶液を40℃に冷却し、次いでバードアプリケータ(スロットサイズ:50μm)を用いてガラス基材上にキャストした。キャストフィルムを、テトラヒドロフラン浴中に終夜浸漬させた。その加工の間、ドープ/凝固浴とガラス基材の両方を40℃に保持した。サンプルを真空下、120℃で乾燥した。
実施例22において、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーを、120℃で4−クロロ−2−メチル−フェノール/p−クレゾール(1:1w/w)溶媒混合物に溶解した。ドープ溶液中のポリマー濃度は17%であった。ドープ溶液を室温に冷却し、次いでバードアプリケータ(スロットサイズ:50μm)を用いて室温でガラス基材上にキャストした。キャストフィルムを、テトラヒドロフラン/p−クレゾール混合物浴(3:1v/v)中に終夜浸漬させた。形成された膜をTHFで数回リンスした後、サンプルを真空下、120℃で乾燥した。
実施例23において、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーを、120℃で4−クロロ−2−メチル−フェノール/p−クレゾール(1:1w/w)溶媒混合物に溶解した。ドープ溶液中のポリマー濃度は17%であった。ドープ溶液を40℃に冷却し、次いでバードアプリケータ(スロットサイズ:50μm)を用いてガラス基材上にキャストした。キャストフィルムを、テトラヒドロフラン/p−クレゾール混合物浴(3:1v/v)中に終夜浸漬させた。その加工の間、ドープ/凝固浴とガラス基材の両方を40℃に保持した。形成された膜をTHFで数回リンスした後、サンプルを真空下、120℃で乾燥した。
実施例24において、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーを、120℃で4−クロロ−2−メチル−フェノール/p−クレゾール(1:1w/w)溶媒混合物に溶解した。ドープ溶液中のポリマー濃度は17%であった。ドープ溶液を室温に冷却し、次いでバードアプリケータ(スロットサイズ:50μm)を用いて多孔質ポリエチレン基材(8ミクロンの厚さ)上にキャストした。キャストフィルムを酢酸エチル浴中に終夜浸漬させ、次いで真空下、60℃で乾燥した。
実施例25において、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーを、120℃で4−クロロ−2−メチル−フェノール/p−クレゾール(1:1w/w)溶媒混合物に溶解した。ドープ溶液中のポリマー濃度は17%であった。ドープ溶液を室温に冷却し、次いでバードアプリケータ(スロットサイズ:50μm)を用いて多孔質ポリエチレン基材(8ミクロンの厚さ)上にキャストした。キャストフィルムをアセトン浴中に終夜浸漬させ、次いで真空下、60℃で乾燥した。
実施例26において、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーを、120℃で4−クロロ−2−メチル−フェノール/p−クレゾール(1:1w/w)溶媒混合物に溶解した。ドープ溶液中のポリマー濃度は17%であった。ドープ溶液を室温に冷却し、次いでバードアプリケータ(スロットサイズ:50μm)を用いて多孔質ポリエチレン基材(8ミクロンの厚さ)上にキャストした。キャストフィルムを、THF浴中に終夜浸漬させ、次いで真空下、60℃で乾燥した。
実施例27において、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーを120℃で2−Cl−フェノールに溶解した。ドープ溶液中のポリマー濃度は13%であった。ドープ溶液を40℃に冷却し、次いでバードアプリケータ(スロットサイズ:25μm)を用いて多孔質ポリエチレン基材(8ミクロンの厚さ)上にキャストした。キャストフィルムを、テトラヒドロフラン/2−Cl−フェノール3:1(v/v)浴中に終夜浸漬させた。その加工の間、ドープ/凝固浴とガラス基材の両方を40℃に保持した。形成された膜をTHFで数回リンスした後、サンプルを真空下、60℃で乾燥した。
実施例28において、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーを120℃で2−Cl−フェノールに溶解した。ドープ溶液中のポリマー濃度は13%であった。ドープ溶液を40℃に冷却し、次いでバードアプリケータ(スロットサイズ:50μm)を用いて多孔質ポリエチレン基材(8ミクロンの厚さ)上にキャストした。キャストフィルムを、テトラヒドロフラン/2−Cl−フェノール3:1(v/v)浴中に終夜浸漬させた。その加工の間、ドープ/凝固浴とガラス基材の両方を40℃に保持した。形成された膜をTHFで数回リンスした後、サンプルを真空下、60℃で乾燥した。
実施例29において、ULTEM(商標)CRS5001ポリマーを120℃で2−Cl−フェノールに溶解した。ドープ溶液中のポリマー濃度は13%であった。ドープ溶液を40℃に冷却し、次いでバードアプリケータ(スロットサイズ:75μm)を用いて多孔質ポリエチレン基材(8ミクロンの厚さ)上にキャストした。キャストフィルムを、テトラヒドロフラン/2−Cl−フェノール3:1(v/v)浴中に終夜浸漬させた。その加工の間、ドープ/凝固浴とガラス基材の両方を40℃に保持した。形成された膜をTHFで数回リンスした後、サンプルを真空下、60℃で乾燥した。
図4〜25は、それぞれ実施例1〜14および実施例16〜23の作製された多孔質セパレータフィルムの横断面形態を表す走査型電子顕微鏡(SEM)画像を例示する。特に、キャストフィルムをNMPに浸漬させた場合(実施例15)、ULTEM(商標)CRS5001は透明で密なフィルムを形成した。そのため、これはさらなる分析に含めなかった。図43〜45は、実施例24〜26の作製された多孔質セパレータフィルム(ULTEM(商標)CRS5001部分のみ)の横断面形態を表す走査型電子顕微鏡(SEM)画像を例示する。
SEM画像は、このプロセスは用途が広く、そのプロセス条件はセパレータ微細構造の制御に非常に重要であることを実証している。実施例1〜11に使用されているようなプロセス条件は、米国特許第7,439,291号に開示されているものと類似している、すなわち、それらはすべてアルコールベースの凝固浴を使用しているが、米国特許第7,439,291号は、少なくとも部分的に結晶性であるポリマー樹脂を取り扱っている。実施例1〜11の形態は、2つの明確な領域を典型的に含有し:その頂部領域は指状のマクロボイド(>5ミクロン)(実施例1〜11の走査型電子顕微鏡(SEM)画像を例示する図4〜14を参照されたい)を含有し、底部領域は非常に微細な海綿状のミクロボイド(<1ミクロン)(それぞれ、実施例4〜5、7、11および実施例16〜23の拡大した倍率の走査型電子顕微鏡(SEM)画像を例示する図26〜37を参照されたい)を含有する。そうした構造は、剛性と合わせて、セパレータフィルムを通る連続した多孔質経路を一緒にするので、海綿状ミクロボイドは典型的に望ましい。しかし、マクロボイドは、非常に開放型の細孔構造、すなわち、セパレータを通るイオン流に対して非常に小さい抵抗性をもたらす。これは、イオン伝導度を増大させるという明確な利点を有する。実際には、目的とするセパレータフィルムの性能に応じて、2つの間の適切なバランスを追求してゆくことになる。
実施例4、6、8および10はすべて同じ凝固浴(22℃でイソプロパノール)を使用しているが、ドープ溶液組成(溶媒およびポリマー濃度)は異なっている。対応する顕微鏡画像は、細孔構造は変化しているが、これらのセパレータのどれも、マクロボイドを含まないものはないことを示している。実施例5、7、9および11についても同様の結論が引き出される。やはり、これらのセパレータもすべてマクロボイドを含むが、マクロボイドの割合は著しく変動している。LIPSプロセスについて、より高いポリマー濃度は通常、相分離速度(kinetics)を減速させることができ、したがって、マクロボイドの量を減少させるために用いることができる。また、本明細書で説明した組成物についても、ドープ溶液中のポリマー濃度を増大させると、マクロボイドの割合の減少がもたらされる。すなわち、実施例6、7、10および11を、それぞれ実施例4、5、8および9と比較されたい。ポリマー濃度が20wt%にまでなっても、マクロボイドの存在は完全に除外されなかったことに留意されたい。さらに、高いポリマー濃度は、ミクロボイド細孔サイズの減少をもたらし、結果として非常に密な細孔構造(例えば、実施例7)をもたらす。
これまで論じてきたように、マクロボイドの存在がフィルムの機械的性能に影響を及ぼすことになるので、特定の用途では、マクロボイドを含まないセパレータが望ましい可能性がある。例えば、マクロボイドの存在は典型的に、非常に高い全般的な多孔性をもたらし、これは、相対的に低いセパレータ剛性をもたらすことになる。さらに、マクロボイドは多孔質フィルムに脆性をもたらす可能性がある。しかし、上述したように、アルコールベースの凝固浴では、基本的にマクロボイドを含まない構造を作製することはできなかった。実施例10〜16は同じドープ溶液を使用しているが、凝固浴は異なっている。凝固浴が、セパレータ形態を変化させるための非常に効果的な方法であることは明らかである。凝固浴として、酢酸エチル(実施例12)またはアセトン(実施例13)を使用しても、マクロボイドの減少は得られなかった。凝固浴としてヘプタンを使用すると(実施例14)、指状の空洞はもたらされなかったが、分離されたマクロポア(macro−pore)が得られた。凝固浴としてNMPを使用すると(実施例15)、顕著な多孔性をもたない非常に密なフィルムが得られた。したがって、さらなる分析には供さなかった。
実施例16〜23では、凝固浴のためのベースとして、テトラヒドロフラン(THF)を使用した。図18〜25および図30〜37から、THFを凝固浴のためのベースとして使用すると、基本的にマクロボイドを含まないセパレータが首尾よく作製されたことが分かる。低いポリマー濃度と40℃の温度を用いた実施例17は、マクロボイドを示す唯一のサンプルである。図18〜25および図30〜37のミクロボイド構造を比較すると、凝固浴溶媒としてTHFを用いて作製されたセパレータは、実施例1〜14のセパレータとは非常に異なっている。より高い温度の凝固浴(実施例17、19、21、23)はよりフィラメントタイプの構造をもたらし、低温凝固浴(実施例16、18、20、22)はよりフレーク状の構造をもたらすようである。これは明らかに、細孔と細孔ねじれとの間の相互接続に対する明確な効果を有している。
作製されたセパレータの見掛け多孔度、イオン伝導度および機械的剛性を、上記の手順にしたがって特性評価し、その結果を図38〜40に示す。
表BBはデータをまとめたものであり、これらのセパレータについてのマックムリン数も示す。MacMullinおよびMuccini(R.B.マックムリン(MacMullin) and G.A.ムッチーニ(Muccini)、AIChE J.、2、393、1956)の研究にもとづくマックムリン数はNM=C/C0と定義される。ここで、Cは電解質で飽和された多孔質媒体の導電率であり、C0は同じ電解質のバルク導電率である。マックムリン数でセパレータ導電性を説明することの明白な利点は、マックムリン数が、使用される電解質にほとんど依存しないという事実である。電解質のバルク導電率(C0)は8.5±0.5mS/cmとした。
すべてのセパレータの見掛け多孔度は27%〜82%の範囲である。実施例6および7ならびに実施例14は非常に高い剛性を示すが、低い多孔度(<30%)を有しており、頂部から底部へと細孔が接続されていない(通り抜ける細孔がないかまたはほとんどない)ので、イオン的に絶縁されている。例えば、実施例12および13に見られるように、多量のマクロボイドは、非常に高い見掛け多孔度(>75%)および非常に高いイオン伝導度(>2.5mS/cm)ならびに非常に小さいマックムリン数(NM=3)をもたらすが、かなり低い剛性(2%オフセットで<400psi)ももたらす。
凝固浴としてTHFを用いて作製されたセパレータ(実施例16〜23)の見掛け多孔度は50〜82%の範囲である。より高い凝固浴温度はより高い多孔度をもたらし、より高いイオン伝導度およびより小さいマックムリン数をもたらすが、また、より低い機械的剛性ももたらす。実施例17を例外として、凝固浴としてTHFを用いた実施例16〜23は、基本的にマクロボイドを含まないセパレータをもたらしている。イオン伝導度、マックムリン数および剛性に関するセパレータ性能は、膜作製条件を変えることによって制御できるということは明らかである。
例えば、実施例20は、NM=5の非常に小さいマックムリン数で、高い見掛け多孔度(64%)、高い剛性(>1000psi)および良好なイオン伝導度(1.5mS/cm)を有しており、これは、多くのタイプのバッテリーおよび超コンデンサシステムにおけるセパレータ用途のための優れた性質プロファイルを提供する。
多孔質PE基材上にあるULTEM(商標)CRS5001多孔質フィルムからなるセパレータの2%オフセットでの応力は、306、341および1058からそれぞれ746、783および1842への2%オフセットでの応力の増大が示されている実施例24、25および26と実施例12、13および20に比較によって示される著しい改善を示す。多孔質PE基材の存在は、3、3および5からそれぞれ9、6および12へのマックムリン数の増大をもたらす。これらの結果は、ULTEM(商標)CRS5001膜を多孔質ポリエチレン基材の頂部上にキャスティングすることによって、2%オフセットでの応力とイオン伝導度の間のバランスを改変できることを示している。
表CCは、電解質溶液で測定した実施例20の接触角対時間を示す。10秒間という短い接触時間後でも、接触角はすでに20°を下回っており、これは電解質溶液によるほとんど瞬間的なセパレータの湿潤を表している。これは、バッテリーセル製造プロセスならびにバッテリーセル動作に非常に有益である。
図41は、実施例1(多数のマクロボイド)および20(マクロボイドを含まない)ならびにPE基材およびULTEM(商標)CRS5001/PE多層セパレータの高温溶融完全性(HTMI)を例示する。結果は、マクロボイドを含まないセパレータがHTMI性能に有益であることを示している。表DDは、NASA/TM−2010−216099試験法にしたがって、収縮温度(2%変形での)および変形温度(5%変形)をまとめたものである。これらの結果は、ULTEM(商標)CRS5001セパレータは、改善された安全性能を備えた進歩したリチウムイオンバッテリーセパレータのためのHTMI要件である200℃をはるかに超える変形温度を達成しており、240℃以上の破断温度を有していることを示している。Celgard(商標)2340、Celgard(商標)2500およびTonen V25CGDセパレータなどの従来の市販のポリオレフィンベースのセパレータは、160℃以下の典型的な変形温度(表I)で、著しく劣ったHTMIを有することに留意されたい。これは、PE基材の低い変形温度(134℃)、および低い破断温度(149℃)によっても反映されている。結果は、ULTEM(商標)CRS5001/PE多層セパレータが、229℃を超える破断温度を示すことを示している。この変形温度の値は、小さいULTEM(商標)CRS5001厚さでは、PE基材変形が支配的であり、140℃の変形温度(実施例27)をもたらしていることを示している。同様に、より大きいULTEM(商標)CRS5001厚さ(キャスティングギャップ厚さ50または75ミクロン、実施例28および29)では、ULTEM(商標)CRS5001変形が支配的であり、235℃以上の変形温度をもたらしている。ULTEM(商標)CRS5001/PE多層セパレータの収縮温度は120〜130℃で一定であり、これは、PE基材の収縮温度と同等である。これは、PEの溶融が、PE基材とULTEM(商標)CRS5001/PE多層セパレータについて同様の温度で起こっていることを表しており、これは、ULTEM(商標)CRS5001/PE多層セパレータにおいて、シャットダウン機構(PEの溶融、したがって細孔閉鎖に依存する)が存在することを示している。
図42は、実施例20の放電容量保持率を市販のセパレータ(Celgard(商標)2320)と比較して例示する。1200回のサイクルをULTEM(商標)CRS5001ベースのセパレータで完了した。分解速度が、市販のCelgard(商標)2320セパレータと比較してずっと低いことを示しており、ULTEM(商標)CRS5001セパレータを用いたバッテリーが、市販のポリオレフィンセパレータを用いたバッテリーと比較して著しく良好な寿命時間を有することを意味している。
N−メチルピロリドン(NMP)を用いた作製
一態様では、セパレータは、耐溶剤性ポリエーテルイミド(例えば、pare−フェニレンジアミンをベースとしたポリエーテルイミド)を、閉鎖系(すなわち、溶液と空気雰囲気の間での直接的な接触はなし)または開放系で、高温(例えば140〜202℃、図46参照)でN−メチルピロリドン(NMP)に溶解させ、続いて低温(30〜140℃)でキャスティングし、水または他の材料の浴の中で凝固させることによって作製することができる。一例として、膜を、バッテリーセルおよび/またはコンデンサセル、電解質エネルギー貯蔵デバイス、透析膜、水ろ過膜、脱塩膜、ガス分離膜などの分野のために、本明細書で開示する材料および方法を用いて作製することができる。
一態様では、セパレータは、耐溶剤性ポリエーテルイミド(例えば、pare−フェニレンジアミンをベースとしたポリエーテルイミド)を、閉鎖系(すなわち、溶液と空気雰囲気の間での直接的な接触はなし)または開放系で、高温(例えば140〜202℃、図46参照)でN−メチルピロリドン(NMP)に溶解させ、続いて低温(30〜140℃)でキャスティングし、水または他の材料の浴の中で凝固させることによって作製することができる。一例として、膜を、バッテリーセルおよび/またはコンデンサセル、電解質エネルギー貯蔵デバイス、透析膜、水ろ過膜、脱塩膜、ガス分離膜などの分野のために、本明細書で開示する材料および方法を用いて作製することができる。
以下の実施例を、当業者に、本明細書で特許請求される化合物、組成物、物品、デバイスおよび/または方法がいかに作り出され、評価されるかの完全な開示および説明を提供するために示すが、これらは純粋に例示を目的としたものであり、本開示の方法およびシステムの範囲を限定しようとするものではない。数字(例えば、量、温度等)に関して精度を確保するように努めてきたが、いくらかの誤差および偏差が考慮されるべきである。別段の指定のない限り、部は重量部であり、温度は℃で示されるかまたは室温であり、圧力は大気圧またはその近傍であり、凝固溶媒は液相である。
材料
一態様では、本明細書で説明し以下に例示するように、複数の材料を、耐溶剤性ポリマー膜の作製において使用することができる:
一態様では、本明細書で説明し以下に例示するように、複数の材料を、耐溶剤性ポリマー膜の作製において使用することができる:
実施例
本明細書で示され説明されるように、para−フェニレンジアミンをベースとしたポリエーテルイミド(PEI)(SABICのULTEM(商標)CRS5000シリーズ)は、耐溶剤性膜のための優れた材料である。一例として、膜は、バッテリーセルおよび/またはコンデンサセル、電解質エネルギー貯蔵デバイス、透析膜、水ろ過膜、脱塩膜、ガス分離膜などの分野のために、本明細書で開示する材料および方法を用いて作製することができる。
本明細書で示され説明されるように、para−フェニレンジアミンをベースとしたポリエーテルイミド(PEI)(SABICのULTEM(商標)CRS5000シリーズ)は、耐溶剤性膜のための優れた材料である。一例として、膜は、バッテリーセルおよび/またはコンデンサセル、電解質エネルギー貯蔵デバイス、透析膜、水ろ過膜、脱塩膜、ガス分離膜などの分野のために、本明細書で開示する材料および方法を用いて作製することができる。
一態様では、耐薬品性ULTEM(商標)CRS5000グレードを、NFPAファイアダイアモンドで2以下のヘルスレーティングを有する溶媒中に溶解し、低温または室温で安定溶液を保持して、液体誘導相分離(LIPS)アプローチによるかまたは蒸気誘導相分離(VIPS)によって多孔質膜を作製できるようにする。このアプローチは自明ではない。その理由は耐薬品性ULTEM(商標)CRS5000グレードは、一般に、一般的な溶媒に不溶性であると考えられているためである(米国特許第7,439,291号を参照されたい)。しかし、驚くべきことに、我々は、表AAAおよび表BBBにまとめているように、N−メチルピロリドン(NMP)は高温で耐薬品性ULTEM(商標)グレード(例えば、SABICのULTEM(商標)CRS5000シリーズ)を溶解させることができ、室温またはその近傍でバッテリーセパレータをキャスティングするのに有用であることを見出した。NMPは、NFPAファイアダイアモンドで2以下のヘルスレーティングを有しており(すなわち、大部分のフェノールおよびクレゾールベースの溶媒に対して毒性が低い)、水と完全に混和性であり、水を含む凝固浴の使用を可能にするので、バッテリーセパレータをキャスティングするのに有益な溶媒である。
一態様では、耐薬品性の多孔質膜は、耐溶剤性ポリエーテルイミドを、開放系(すなわち、溶液と空気雰囲気の間で直接接触)で、高温(140〜202℃、図46参照)でN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に溶解させ、続いて低温(30〜140℃)でキャスティングし、水浴中で凝固させることによって作製することができる。図46の溶解温度は、溶媒にポリマーが溶解し、溶液全体が透明に変わるのを目視観察して判定した。図47は、その溶液が、170℃から徐々に冷却されて突然の粘度の著しい増大(ゲル化の兆し(相分離の初期段階)である)を示す温度を判定することによって測定した定常状態の相分離温度を、濃度の関数として示す。
一態様では、溶解の温度は、耐薬品性ULTEM(商標)CRS5000グレードをNMPに溶解させる場合の重要なパラメーターである。開放系におけるNMP中への12wt%ULTEM(商標)CRS5001Kの溶解は、200℃の平均温度で12分以内で達成でき、190℃の平均温度では、これは28分間かかる。さらに、溶解時間は、ULTEM(商標)CRS5001Kの物理的形状(例えば、ペレット対粉末)および撹拌機構に依存する。
一態様では、以下の表CCCに示すように、開放系(すなわち、溶媒は大気圧条件下で空気雰囲気と接触している)において、NMP混合物中でULTEM(商標)CRS5000を加熱すると、ポリエーテルイミドは完全に溶解し、その溶液は室温で、最大で2時間(組成物に依存する)安定である(すなわち、相分離が起こらない)という予想外の結果が得られた:
より詳細な溶解性解析は、室温での溶液の安定性に対するULTEM(商標)CRS5001K濃度の影響を実証している(表DDD)。溶液を、開放系において、高温で溶解し、水浴を用いて閉鎖系で冷却した。これらの結果は、15wt%ULTEM(商標)CRS5001K/NMPは、室温でなお数分間透明であることを示している。
一態様では、室温での水浴中の熱NMP中のこれらの耐溶剤性ポリエーテルイミドの溶液を冷却するのは、同じ溶液を50℃の水浴中で冷却するか、または同じ溶液を室温で空気と接触させることによって冷却するのと比較して有意な差が観察される。一例として、非常に緩やかに冷却した場合、ULTEM(商標)CRS5000樹脂は相対的に高い温度で分離してくる、すなわち、相分離は定常状態の状況に近づく(図47に示すように)。他の例として、表DDDに説明されているように、溶液は室温で相当な時間(組成物に応じて)安定である(すなわち、相分離は起こらない)。
一態様では、NMPにその樹脂を入れ、連続的に振とうまたは撹拌しながらNMP溶液をある期間(例えば、3〜5min)沸騰させることによって調製することができる。カールフィッシャー滴定装置を用いたNMPの水分分析は、開放系において急激な水分含量の減少があることを示しており、これは、NMPと水は共沸混合物を形成せず(ラギンスカヤ(Raginskaya) L.M.:N−Methyl−2−Pyrrolidon−Wasser.Prom.Sint.Kaucuka(1975)1−3参照)、したがって大部分の水は沸騰NMPから蒸発するという事実によって明らかにされる。溶解プロセスの間のULTEM(商標)の分子量の有意の変化は観察されなかった。溶解プロセスの前後でのULTEM(商標)CRS5000についてのGPC分析によって、分子量が一定に保たれている、すなわち、ポリマーの分解または他のポリマー鎖の改変が起こっていないことが確かめられた。
一態様では、耐薬品性の多孔質膜は、開放系において、10wt%の耐溶剤性ポリエーテルイミド(例えば、ULTEM(商標)CRS5001K)を200℃でN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に溶解し、続いて室温でキャスティングし、水浴中で凝固させることによって作製することができる。N−メチル−2−ピロリドン(NMP)は、NFPAファイアダイアモンドでわずか2のヘルスレーティングを有しており(米国疾病対策予防センター−http://www.cdc.govによる)、したがって、従来記載されているフェノールおよびクレゾール溶媒系と比較してずっと環境に優しいと考えられる。さらに、NMPは水と完全に混和性であり、水はポリエーテルイミドに対して貧溶媒であるので、相反転プロセスために使用される凝固浴を、任意選択でNMPまたは他の溶媒と組み合わせて、水をベースとすることができる。
一態様では、耐薬品性の多孔質膜は、開放系において、200℃で10wt%の耐溶剤性ポリエーテルイミド(例えば、ULTEM(商標)CRS5001K)および10wt%の無機粒子をN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に溶解し、続いて室温でキャスティングし、水浴中で凝固させることによって作製することができる。
一態様では、耐薬品性の多孔質膜は、開放系において、12wt%の耐溶剤性ポリエーテルイミド(例えば、ULTEM(商標)CRS5001K)を200℃でN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に溶解し、続いて室温で8μm厚さのポリエチレンフィルム上にキャスティングし、水浴中で凝固させることによって作製することができる。
実施例30−膜キャスティング条件
図48Aは、実施例30にしたがってキャスティングした場合に得られた典型的な形態の画像である。図48Bは、実施例30にしたがってキャスティングした場合に得られた典型的な形態の拡大画像である。
実施例31−膜キャスティング条件
図49Aは、実施例31にしたがってキャスティングした場合に得られた典型的な形態の画像である。図49Bは、実施例31にしたがってキャスティングした場合に得られた典型的な形態の拡大画像である。
実施例32−膜キャスティング条件
図50Aは、実施例32にしたがってキャスティングした場合に得られた典型的な形態の画像である。図50Bは、実施例32にしたがってキャスティングした場合に得られた典型的な形態の拡大画像である。
実施例33−膜キャスティング条件
図51Aは、実施例33にしたがってキャスティングした場合に得られた典型的な形態の画像である。図51Bは、実施例33にしたがってキャスティングした場合に得られた典型的な形態の拡大画像である。
実施例34−膜キャスティング条件
図52Aは、実施例34にしたがってキャスティングした場合に得られた典型的な形態の底部側画像である。図52Bは、実施例34にしたがってキャスティングした場合に得られた典型的な形態の横断面画像である。
実施例35−膜キャスティング条件
図53Aは、実施例35にしたがってキャスティングした場合に得られた典型的な形態の底部側画像である。図53Bは、実施例35にしたがってキャスティングした場合に得られた典型的な形態の横断面画像である。
実施例36−膜キャスティング条件
図54は、実施例36にしたがってキャスティングした場合に得られた典型的な形態の横断面画像である。
実施例37−膜キャスティング条件
図55は、実施例37にしたがってキャスティングした場合に得られた典型的な形態の横断面画像である。
実施例38−膜キャスティング条件
図56は、実施例38にしたがってキャスティングした場合に得られた典型的な形態の画像である。
実施例39−膜キャスティング条件
図57は、実施例39にしたがってキャスティングした場合に得られた典型的な形態の画像である。
実施例40−膜キャスティング条件
図58は、実施例40にしたがってキャスティングした場合に得られた典型的な形態の画像である。
実施例42−膜キャスティング条件
図60は、実施例42にしたがってキャスティングした場合に得られた典型的な形態の画像である。
実施例43−膜キャスティング条件
図61は、実施例43にしたがってキャスティングした場合に得られた典型的な形態の画像である。
実施例44−膜キャスティング条件
図62は、実施例44にしたがってキャスティングした場合に得られた典型的な形態の画像である。
実施例45−膜キャスティング条件
図63は、実施例45にしたがってキャスティングした場合に得られた典型的な形態の横断面画像である。
実施例46−膜キャスティング条件
図64は、実施例46にしたがってキャスティングした場合に得られた典型的な形態の横断面画像である。
通気度測定(ガーレー透気度試験機(Gurley densometer)、JIPS8117(2009)−透気度(air Permeance)および空気抵抗(中程度の大きさ)の判定−ガーレー法)を、種々の水/NMP液体混合物ならびに水蒸気中で凝固させたULTEM(商標)CRS5011Kセパレータで実施した。通気度をガーレー秒で測定する。これは一般に、電気化学セル分野におけるセパレータのイオン伝導度と直接リンクしていると認められている。高いガーレー値は膜を通る空気移動が少ないことを示しており、これは典型的にイオン伝導度が小さいと解釈される。一例として、液体の水/NMP凝固浴を用いて作製した、測定されたULTEM(商標)CRS5011Kセパレータは12〜544秒間の範囲のガーレー数を示し、これは、キャスティング条件に応じて、その膜のイオン伝導度を広範に変動させることができることを表している。同様に、水蒸気による凝固を用いて作製したULTEM(商標)CRS5001Kセパレータは、38秒間のガーレー数を示した。この結果は、これらの新規材料が、それぞれ586、620、846、217、191および293のガーレー数を有する、Celgard(登録商標)2320、2400、2340および2500ならびにTonen V25CGDおよびV25EKDなどの市販のポリオレフィンセパレータと同等以上のガーレー数を有することを示している。
以下に、本明細書で開示するシステムおよび方法のいくつかの実施形態を示す。
実施形態1:アノードと;カソードと;アノードとカソードの間に配置され、180℃以上のガラス転移温度を有する熱可塑性ポリマーから形成されているセパレータと;セパレータと隣接して配置された電解質溶液と含むシステムであって、熱可塑性ポリマーが電解質溶液にそれほど溶解せず、熱可塑性ポリマーが30°以下の電解質接触角を有するシステム。
実施形態2:電解質が、全溶媒組成物の重量に対して0wt%〜50wt%の炭酸エチル;全溶媒組成物の重量に対して0wt%〜80wt%の炭酸ジメチル、および全溶媒組成物の重量に対して0wt%〜80wt%の炭酸エチルメチルのうちの1つを含む、実施形態1のシステム。
実施形態3:電解質が、全溶媒組成物の重量に対して0wt%超〜50wt%の炭酸エチル;全溶媒組成物の重量に対して0wt%超〜80wt%の炭酸ジメチル;および全溶媒組成物の重量に対して0wt%超〜80wt%の炭酸エチルメチルのうちの1つを含む、実施形態1または2のいずれかのシステム。
実施形態4:セパレータが20°以下の電解質接触角を有する、実施形態1〜3のいずれかのシステム。
実施形態5:セパレータが180℃超の変形温度を有する、実施形態1〜4のいずれかのシステム。
実施形態6:セパレータが、1,3−ジアミノベンゼン、1,4−ジアミノベンゼン、4,4’−ジアミノジフェニルスルホン、オキシジアニリン、1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼンまたはそれらの組合せから選択される少なくとも1つのジアミンから誘導される構造単位を含むポリエーテルイミド(PEI)から形成されている、実施形態1〜5のいずれかのシステム。
実施形態7:熱可塑性ポリマーが30°より小さい電解質接触角を有する、実施形態1〜6のいずれかのシステム。
実施形態8:接触角が25°以下である、実施形態1〜7のいずれかのシステム。
実施形態9:接触角が20°以下である、実施形態1〜8のいずれかのシステム。
実施形態10:多孔質フィルムを作製する方法であって、溶媒中に熱可塑性ポリマーを含む注加可能なポリマー溶液を用意するステップであって、ポリマーが電解質溶液に対して耐薬品性を有し、ポリマーが90%以上の正規化乾燥重量を有するステップと;ポリマー溶液から多孔質フィルムを形成させるステップとを含む方法。
実施形態11:耐薬品性ポリマーが、溶媒中で5%〜30%の重量/体積濃度を有する、実施形態10の方法。
実施形態12:ポリマーが、ポリエーテルイミド、ポリケトン、ポリエステル、ポリ(4−メチルペンテン)、ポリフェニレンエーテルもしくはポリフェニレンスルフィドまたはそれらの組合せを含む、実施形態10または11のいずれかの方法。
実施形態13:溶媒が、フェノール系溶媒、4−クロロ−3−メチル−フェノール、4−クロロ−2−メチル−フェノール、2,4−ジクロロ−6−メチル−フェノール、2,4−ジクロロ−フェノール、2,6−ジクロロ−フェノール、4−クロロ−フェノール、2−クロロ−フェノール、o−クレゾール、m−クレゾール、p−クレゾール、4−メトキシ−フェノール、カテコール、ベンゾキノン、2,3−キシレノール、2,6−キシレノールもしくはレゾルシノールまたはそれらの組合せを含む、実施形態10〜12のいずれかの方法。
実施形態14:耐溶剤性ポリマー膜を作製するための方法であって、溶媒中にポリマーを含む注加可能なポリマー溶液を用意するステップであって、ポリマーが電解質溶液に対して耐薬品性を有し、ポリマーが90%以上の正規化乾燥重量を有し;溶媒が2以下のNFPAファイアダイアモンドでのヘルスレーティングを有するステップと;ポリマー溶液から膜を形成させるステップとを含む方法。
実施形態15:溶媒が、2−ピロリドン、1−エチル−2−ピロリドン、1−シクロヘキシル−2−ピロリドン、1−(2−ヒドロキシエチル)−2−ピロリドン、1−オクチル−2−ピロリドン、1−N−エトキシカルボニル−3−ピロリドン、N−メチル−2−ピロリドンおよび1−ビニル−2−ピロリドンのうちの1つ以上を含むピロリドンベースの溶媒を含む、実施形態14の方法。
実施形態16:注加可能なポリマー溶液を用意するステップが、開放系または閉鎖系のうちの1つにおいて、ポリフェニレンエーテルまたはポリエーテルイミドをN−メチルピロリドン(NMP)に高温で溶解させるステップを含む、実施形態14または15のいずれかの方法。
実施形態17:ポリマーが、ポリエーテルイミドもしくはポリフェニレンエーテルまたはそれらの組合せを含む、実施形態14〜16のいずれかの方法。
実施形態18:ポリマーが、1,3−ジアミノベンゼン、1,4−ジアミノベンゼン、4,4’−ジアミノジフェニルスルホン、オキシジアニリン、1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼンまたはそれらの組合せから選択される少なくとも1つのジアミンから誘導される構造単位を含むポリエーテルイミドを含む、実施形態14〜17のいずれかの方法。
実施形態19:ポリマー溶液が無機粒子を含む、実施形態14〜18のいずれかの方法。
実施形態20:ポリマー溶液から形成させるステップが、ポリマー溶液から湿潤薄厚フィルムをキャスティングし;ポリマーに対する非溶媒を含む凝固浴中に、湿潤した形状化ポリマー溶液を浸漬させて凝固ポリマーフィルムを提供し、続いて凝固ポリマーフィルムから溶媒を除去するステップか;または、湿潤した形状化ポリマー溶液をポリマーに対する非溶媒の蒸気に曝露し、続いて、凝固ポリマーフィルムから溶媒を除去するステップのうちの1つ以上を含む、実施形態14〜16のいずれかの方法。
実施形態21:非溶媒が、水、ピロリドンベースの溶媒、フェノール系ベースの溶媒、アセトン、メタノール、エタノール、ブタノール、イソプロパノール、テトラヒドロフラン、ジクロロメタン、酢酸エチル、酢酸メチル、トルエン、ヘキサン、シクロヘキサン、ペンタン、シクロペンタン、ベンゼン、クロロホルム、ジエチルエーテル、酢酸ジメチル、二塩化エチレン、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、炭酸プロピレン、アニソール、1,2−ジクロロベンゼン、キシレン、ヘキサフルオロイソプロパノール、ジクロロメタン、テトラフルオロアセテート、テトラクロロエタン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノンまたはそれらの組合せを含む、実施形態20の方法。
実施形態22:正規化乾燥重量が93%〜101%である、実施形態10〜21のいずれかの方法。
実施形態23:正規化乾燥重量が96%〜101%である、実施形態10〜22のいずれかの方法。
実施形態24:正規化乾燥重量が98%〜101%である、実施形態10〜23のいずれかの方法。
実施形態26:フィルムがマクロボイドを含まない、実施形態10〜13のいずれかの方法。
実施形態26:膜およびフィルムがマクロボイドを含まない、実施形態14〜24のいずれかの方法。
実施形態27:構造を形成させる方法であって、多層構造を形成させるステップを含み、実施形態10〜13のいずれかの多孔質フィルムが多層構造の基材である方法。
実施形態28:構造を形成させる方法であって、多層構造を形成させるステップを含み、実施形態10〜26のいずれかの多孔質フィルムが多層構造の基材である方法。
その方法およびシステムを、好ましい実施形態および具体的な実施例と関連して説明してきたが、本明細書での実施形態はあらゆる点で限定ではなく例示を意図したものであるので、その範囲を、示した特定の実施形態に限定しようとするものではない。
別段の明らかな記述のない限り、本明細書で示した任意の方法は、そのステップが特定の順番で実施されることを要求するとみなされるべきでは全くない。したがって、方法クレームが、そのステップの後に、ある順番が続くと実際に記述されていないか、あるいはそのステップが、特定の順番に限定されると特許請求の範囲または説明において別途具体的に述べられていない場合、いかなる意味においても、順番を推測させようとするものではない。これは:ステップの配置または操作の流れに関する論理的事柄;文法構成または句読法に由来する単純な意味;本明細書で説明される実施形態の数またはタイプを含む、解釈のための可能性のある任意の非表現ベース(non-express basis)にも当てはまる。
本出願を通して、種々の出版物が参照されている。これらの出版物の開示を、本開示の方法およびシステムが関連する現行技術をより完全に説明するために、それらの全体において本願に引用して援用する。
本発明の範囲および趣旨を逸脱することなく、様々な改変および変更を加えることができることを当業者は理解されよう。本明細書で開示した明細および実践を考慮すれば、他の実施形態は、当業者に明らかであろう。これらの明細書および実施例は例示のためだけのものと考えられるものであり、真の範囲および趣旨は以下の特許請求の範囲によって示されるものとする。
Claims (3)
- アノードと、
カソードと、
アノードとカソードの間に配置され、1,4−ジアミノベンゼンから誘導される構造単位を含むポリエーテルイミド(PEI)を含むセパレータと、
前記セパレータに隣接して配置された電解質溶液とを含む、バッテリおよび/またはコンデンサのシステムであって、
前記セパレータが前記電解質溶液に対して90%以上の正規化乾燥重量を有し、前記セパレータが前記電解質溶液に対して30°以下の接触角を有し、前記正規化乾燥重量が耐溶剤試験後の乾燥重量を出発重量で除したものとして計算されることを特徴とするシステム。 - 請求項1に記載のシステムであって、前記電解質が、全電解質溶液の重量に対して0wt%〜50wt%の炭酸エチレン、全電解質溶液の重量に対して0wt%〜80wt%の炭酸ジメチル、全電解質溶液の重量に対して0wt%〜80wt%の炭酸エチルメチル、またはそれらの組合せを含むことを特徴とするシステム。
- 請求項1または2のいずれかに記載のシステムであって、前記セパレータが前記電解質溶液に対して20°以下の接触角を有すること、かつ/または、前記セパレータが180℃超の変形温度を有し、前記変形温度がNASA/TM−2010−216099試験法にしたがって熱機械分析(TMA)を行うことにより測定された5%変形での温度であることを特徴とするシステム。
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