JP2018181648A - 非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層 - Google Patents

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Abstract

【課題】非水電解液二次電池の生産性を向上させる。【解決手段】非水電解液二次電池用積層セパレータを構成する、熱可塑性樹脂を含み、空隙率が25%以上80%以下であり、25℃、30kN、1分間×2回の条件下にて、電極活物質と導電剤と結着剤とを92:2.7:5.3の質量分率で含む非水電解液二次電池用電極と圧着させた際の剥離強度が0N/mを超え、2.0N/m以下である非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層。【選択図】なし

Description

本発明は、非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層、非水電解液二次電池用積層セパレータ、非水電解液二次電池用部材、および非水電解液二次電池にも関する。
リチウム二次電池等の非水電解液二次電池は、現在、パーソナルコンピュータ、携帯電話および携帯情報端末等の機器に用いる電池、または車載用の電池として広く使用されている。
このような非水電解液二次電池におけるセパレータとしては、ポリオレフィンを主成分とする多孔質基材の少なくとも一面に、フィラーと、樹脂とを含む多孔質層を積層させた積層セパレータが知られている。
例えば、特許文献1には、フィラーを含有し、アラミド樹脂を主体とした耐熱性多孔質層を多孔質基材の少なくとも一面に積層させた非水系二次電池用積層セパレータが記載されている。また、特許文献2には、バインダーとしての水溶性ポリマーを含有し、フィラーを主体とした耐熱性多孔質層を多孔質基材の少なくとも一面に積層させた非水系二次電池用積層セパレータが記載されている。
非水電解液二次電池の組み立ての際に、電極とセパレータとは、それら同士の密着性を高めるためにプレスされ圧着される。特許文献1に代表される、樹脂を主体として含む多孔質層を積層したセパレータは、高い密着性を示す反面、透気度が低いため電池特性が充分に高くないという課題があった。一方、特許文献2に代表される、フィラーを主体として含む多孔質層を積層したセパレータは、高い透気度を示す反面、電極との密着性が無く、電池組み立て時に電極とセパレータとの位置ずれを生じ、電池特性を低下させるという課題があった。
特開2009−21265号公報(2009年1月29日公開) 特開2009−224343号公報(2009年10月1日公開)
本発明は、室温で電極とプレスしたときに電極との密着性を有し、さらに、十分に高い透気度を有する非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層を提供することを目的とする。
本発明は、以下の[1]〜[5]に示す発明を含む。
[1]非水電解液二次電池用積層セパレータを構成する多孔質基材の少なくとも片面の全面を被覆するための非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層であって、
熱可塑性樹脂を含み、
空隙率が25%以上、80%以下であり、
25℃、30kN、1分間×2回の条件下にて、電極活物質と導電剤と結着剤とを92:2.7:5.3の質量分率で含む非水電解液二次電池用電極と圧着させた際の剥離強度が0N/mを超え、2.0N/m以下である、非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層。
[2]上記剥離強度が0.5N/m以上、2.0N/m以下である、[1]に記載の非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層。
[3][1]または[2]に記載の非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層と、ポリオレフィン微多孔膜とを含む、非水電解液二次電池用積層セパレータ。
[4]正極、[1]または[2]の何れか1つに記載の非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層または[3]に記載の非水電解液二次電池用積層セパレータ、および負極がこの順で配置されている、非水電解液二次電池用部材。
[5][1]または[2]に記載の非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層または[3]に記載の非水電解液二次電池用積層セパレータを含む、非水電解液二次電池。
本発明に係る非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層は、室温で電極とプレスしたときに電極との密着性を有し、さらに、十分に高い透気度を有するとの効果を奏する。
本発明における多孔質層と電極とを、25℃、30kNにて圧着する方法を示す模式図である。 本発明における剥離強度を測定する方法を示す模式図である。
本発明の一実施形態に関して以下に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は、以下に説明する各構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態に関しても本発明の技術的範囲に含まれる。なお、本明細書において特記しない限り、数値範囲を表す「A〜B」は、「A以上、B以下」を意味する。
[実施形態1:非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層]
本発明の実施形態1に係る非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層(以下、単に「多孔質層」とも称する)は、非水電解液二次電池用積層セパレータを構成する多孔質基材の少なくとも片面の全面を被覆するための非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層であって、熱可塑性樹脂を含み、空隙率が25%以上、80%以下であり、25℃、30kN、1分間×2回の条件下にて、電極活物質と導電剤と結着剤とを92:2.7:5.3の質量分率で含む非水電解液二次電池用電極と圧着させた際の剥離強度が0N/mを超え、2.0N/m以下である。
電極活物質と導電剤と結着剤とを92:2.7:5.3の質量分率で含む非水電解液二次電池用電極とは、非水電解液二次電池に使用される代表的な組成を有する電極のことである。したがって、本実施形態における電極と密着性を有する多孔質層は、非水電解液二次電池に使用される一般的な電極とも密着性を有するといえる。
本実施形態における非水電解液二次電池用電極は、より詳しくは、正極活物質(セルシードC−10N(日本化学工業株式会社製)、LiCoO、平均粒径10μm、真比重4.8g/cm)92重量部と、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/cm)2.7重量部と、結着剤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/cm)4.55重量部と、結着剤2(セロゲン4H(第一工業製薬株式会社製)、真比重1.4g/cm)0.75重量部と、水とを含む、粘度2700±1000cpである混合物を、厚さ20μmで空隙のないアルミニウム箔に塗布し、乾燥した後に、ロールプレスによって塗布膜の厚みが140μm(見かけ密度3.5g/cm)となるまで圧延することによって得られる電極である。
本明細書における「30kN、1分間×2回の条件下にて電極と圧着させる」について説明すると以下のとおりである。すなわち、多孔質層または当該多孔質層を含む積層セパレータと、電極とを、多孔質層と電極とが接触するように積層して積層体を形成する。次に、当該積層体において、多孔質層と電極とが接する面に対向する面(以下、「対向面」と称する)全体に均等に30kNの圧力を1分間加える。1分間経過後、一旦除荷し、その直後に、再度、当該積層体の上記対抗面全体に均等に30kNの圧力を1分間加える。「30kN、1分間×2回の条件下にて電極と圧着させる」とは、以上の一連の動作を意味する。
ここで、図1は、本発明における多孔質層と電極とを、25℃、30kNにて圧着する方法の一例を示す模式図を表している。
図1において、1aは卓上プレス機を、1bは卓上プレス機を、2はポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムを、3は測定用試料(サイズ:25mm×80mm)を、4は電極を、5はポリエチレンテレフタレート(PET)フィルムをそれぞれ表している。上記圧着は、電極4、測定用試料3の破損を防ぐために、卓上プレス機1aと測定用試料3との間に、PETフィルム2を挟み、かつ、卓上プレス機1bと電極4との間にポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム5を挟んで行うことが好ましい。
図1における測定用試料3が、上記「多孔質層または当該多孔質層を含む積層セパレータ」に該当する。また、測定用試料3と電極4とが接触するように積層して(すなわち、測定用試料3の片面を電極4の片面と重ね合わせて)形成されるのが、上記「積層体」である。また、図1における測定用試料3の上面(PETフィルム2が載置される面)と、電極4の下面(電極4とPETフィルム5との接触面)とが、いずれも、上記「対向面」に該当する。
上記対向面全体に均等に30kNの圧力を加える方法は、具体的には、例えば、当該対向面よりも面積が大きい卓上プレス機を使用して当該対向面全体に均等に圧力をかける方法が挙げられる。
また、圧力を1分間加えた後、一旦除荷し、その直後に、再度圧力をかける方法は、具体的には、例えば、上記対向面にプレス機を押し付けて圧力をかけた(1回目の加圧)後、一旦当該プレス機を当該対向面から離し、その直後に再度当該プレス機を当該対向面に押し付けて圧力をかける(2回目の加圧)方法を挙げることができる。なお、1回目の加圧と2回目の加圧の間の、プレス機が対向面から離れている時間は、120秒未満の短時間とする。
本発明の一実施形態に係る多孔質層は、非水電解液二次電池を構成する部材として、好ましくは、後述する本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池用積層セパレータを構成する部材として使用され得る。すなわち、本発明の一実施形態に係る多孔質層は、非水電解液二次電池用積層セパレータを構成するポリオレフィン多孔質フィルム(以下、「多孔質基材」とも称する)の片面または両面に積層されることによって、本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池用積層セパレータを形成し得る。
本発明の一実施形態に係る多孔質層は、非水電解液二次電池用積層セパレータを構成する場合に、多孔質基材の少なくとも片面の全面を被覆する。
多孔質基材に多孔質層に被覆されていない箇所がある場合、被覆された箇所と被覆されていない箇所とでイオン透過性に違いが生じ、その結果、電極が劣化し、電池のサイクル特性が低下する虞がある。また、被覆されていない箇所があるときには、非水電解液二次電池用積層セパレータと電極とを均一に密着させることができないため、これらの位置ずれが生じる虞がある。また、多孔質層が耐熱性の多孔質層であるときには、非水電解液二次電池用積層セパレータが高温にさらされた際に、上記多孔質層に被覆されていない箇所から当該多孔質基材の熱収縮が発生し、非水電解液二次電池用積層セパレータの性能が低下する虞がある。本発明の一実施形態に係る多孔質層は、多孔質基材の少なくとも片面の全面を被覆することにより、イオン透過性を均一化し、電極との密着を好適とし、また、上記熱収縮の発生を防止することができる。
本発明の一実施形態に係る多孔質層は、熱可塑性樹脂を含む。多孔質層は、内部に多数の細孔を有し、これら細孔が連結された構造となっており、一方の面から他方の面へと気体或いは液体が通過可能となった層である。また、本発明の一実施形態に係る多孔質層が非水電解液二次電池用積層セパレータを構成する部材として使用される場合、上記多孔質層は、当該積層セパレータの最外層として、電極と接する層となる。
<熱可塑性樹脂>
本発明の一実施形態に係る多孔質層に含まれる熱可塑性樹脂は、電池の電解液に不溶であり、また、その電池の使用範囲において電気化学的に安定であることが好ましい。上記熱可塑性樹脂としては、具体的には、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、及びエチレン−プロピレン共重合体等のポリオレフィン;ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、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、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−トリクロロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−フッ化ビニル共重合体、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、及びエチレン−テトラフルオロエチレン共重合体等の含フッ素樹脂;前記含フッ素樹脂の中でもガラス転移温度が23℃以下である含フッ素ゴム;芳香族重合体;スチレン−ブタジエン共重合体およびその水素化物、メタ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、スチレン−アクリル酸エステル共重合体、エチレンプロピレンラバー、ポリ酢酸ビニル等のゴム類;ポリスルホン、ポリエステル等の融点又はガラス転移温度が180℃以上の樹脂;ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、セルロースエーテル、アルギン酸ナトリウム、ポリアクリル酸、ポリアクリルアミド、ポリメタクリル酸等の水溶性ポリマー等が挙げられる。
また、本発明の一実施形態に係る多孔質層に含まれる熱可塑性樹脂は、芳香族重合体であることが好ましい。ここで、「芳香族重合体」とは、芳香環を含むこと、すなわち、上記熱可塑性樹脂を構成するモノマーに芳香族化合物が含まれることを意味する。
上記芳香族重合体の具体例としては、芳香族ポリアミド、芳香族ポリイミド、芳香族ポリエステル、芳香族ポリカーボネート、芳香族ポリスルホン、および芳香族ポリエーテルなどを挙げることができる。上記芳香族重合体としては、芳香族ポリアミド、芳香族ポリイミドおよび芳香族ポリエステルが好ましく、芳香族ポリエステルがより好ましい。また、芳香族重合体は主鎖に脂肪族炭素を有さない全芳香族重合体であることが好ましい。
本明細書において、重合体の一般名称は、その重合体が有する主たる結合様式を表す。例えば、本発明における熱可塑性樹脂に含まれる重合体が芳香族ポリエステルと称される芳香族重合体である場合、当該芳香族重合体における分子中の主鎖結合数の50%以上がエステル結合であることを表している。なお、上記芳香族ポリエステルと称される芳香族重合体において、主鎖を構成する結合に、エステル結合以外のその他の結合(例えば、アミド結合、イミド結合等)が含まれていてもよい。
本発明の一実施形態に係る多孔質層に含まれる熱可塑性樹脂は、縮重合体であることが好ましい。ここで、「縮重合体」とは、原料であるモノマーを縮重合させてなる重合体(ポリマー)であることを意味する。
本発明の一実施形態に係る多孔質層に含まれる熱可塑性樹脂は、通常、25℃以下に軟化点を有さない熱可塑性樹脂である。すなわち、本発明の一実施形態に係る多孔質層は、25℃の温度環境下において、弾性変形に伴って電極と密着するものである。すなわち、上記熱可塑性樹脂が、弾性変形することによって、多孔質層と非水電解液二次電池用電極との接触面積が増加することによって、本発明の一実施形態に係る多孔質層と電極とは密着する。
多孔質層と非水電解液二次電池用電極との接触面積に関わる、非水電解液二次電池用電極の構造は、電極活物質とバインダーとの質量比によって決定される。
従って、本発明の一実施形態に係る多孔質層は、非水電解液二次電池用電極を構成する材質(材料)とは関係なく、電極活物質とバインダーとの質量比が略一定である非水電解液二次電池用電極との間に一定の密着性を有する。
ここで、「25℃以下に軟化点を有さない熱可塑性樹脂」には、25℃以上の軟化点を有する熱可塑性樹脂、および、軟化点が観測されず、軟化する前に熱分解する熱可塑性樹脂の双方が含まれる。
また、当該熱可塑性樹脂は、150℃未満に軟化点を有さない熱可塑性樹脂(耐熱性樹脂)であることが好ましい。
上記熱可塑性樹脂が150℃未満に軟化点を有さないことにより、電池作動時に発生する熱により上記多孔質層を含む非水電解液二次電池用積層セパレータが軟化し難いため、非水電解液二次電池用積層セパレータの耐熱性を向上させることができる。
なお、本発明の一実施形態に係る多孔質層に含まれる熱可塑性樹脂は、1種類でもよく、2種類以上の樹脂の混合物でもよい。
芳香族ポリアミドとしては、パラアラミドおよびメタアラミド等の全芳香族ポリアミド、半芳香族ポリアミド、6Tナイロン、6Iナイロン、8Tナイロン、10Tナイロン、並びに、これらの変性物、または、これらの共重合体などが挙げられる。
芳香族ポリイミドとしては、芳香族二酸無水物と芳香族ジアミンの縮重合で調製される全芳香族ポリイミドが好ましい。該二酸無水物の具体例としては、ピロメリット酸二無水物、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’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、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、3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物などが挙げられる。該ジアミンの具体例としては、オキシジアニリン、パラフェニレンジアミン、ベンゾフェノンジアミン、3,3’−メチレンジアニリン、3,3’−ジアミノベンゾフェノン、3,3’−ジアミノジフェニルスルフォン、1,5’−ナフタレンジアミンなどが挙げられるが、本発明は、これらに限定されるものではない。本発明においては、溶媒に可溶なポリイミドが好適に使用できる。このようなポリイミドとしては、例えば、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と、芳香族ジアミンとの重縮合物のポリイミドが挙げられる。
芳香族ポリエステルとしては、例えば、以下に示すものが挙げられる。これらの芳香族ポリエステルは全芳香族ポリエステルであることが好ましい。
(1)芳香族ヒドロキシカルボン酸、芳香族ジカルボン酸、および芳香族ジオールを重合させて得られる重合体、
(2)同種または異種の芳香族ヒドロキシカルボン酸を重合させて得られる重合体、
(3)芳香族ジカルボン酸および芳香族ジオールを重合させて得られる重合体、
(4)芳香族ヒドロキシカルボン酸、芳香族ジカルボン酸、およびフェノール性水酸基を有する芳香族アミンを重合させて得られる重合体、
(5)芳香族ジカルボン酸およびフェノール性水酸基を有する芳香族アミンを重合させて得られる重合体、
(6)芳香族ヒドロキシカルボン酸、芳香族ジカルボン酸、および芳香族ジアミンを重合させて得られる重合体、
(7)芳香族ヒドロキシカルボン酸、芳香族ジカルボン酸、芳香族ジアミン、および芳香族ジオールを重合させて得られる重合体、
(8)芳香族ヒドロキシカルボン酸、芳香族ジカルボン酸、フェノール性水酸基を有する芳香族アミン、および芳香族ジオールを重合させて得られる重合体。
上述の全芳香族ポリエステルのうち、上記(4)〜(7)または(8)の芳香族ポリエステルが、溶媒への溶解性の観点から好ましい。溶媒への溶解性に優れることで多孔質層の生産性を向上させることができる。
なお、これらの芳香族ヒドロキシカルボン酸、芳香族ジカルボン酸、芳香族ジオール、芳香族ジアミンおよびフェノール性水酸基を有する芳香族アミンの代わりに、それらのエステル形成性誘導体もしくはアミド形成性誘導体を使用してもよい。
ここで、カルボン酸のエステル形成性誘導体もしくはアミド形成性誘導体としては、例えば、カルボキシル基が、ポリエステル生成反応もしくはポリアミド生成反応を促進するような酸塩化物、酸無水物などの反応性が高い誘導体となっているもの、カルボキシル基が、エステル交換反応もしくはアミド交換反応によりポリエステルもしくはポリアミドを生成するようなアルコール類やエチレングリコール、アミンなどとエステルもしくはアミドを形成しているものなどが挙げられる。
また、フェノール性水酸基のエステル形成性誘導体としては、例えば、エステル交換反応によりポリエステルを生成するように、フェノール性水酸基がカルボン酸類とエステルを形成しているものなどが挙げられる。
さらに、アミノ基のアミド形成性誘導体としては、例えば、アミド交換反応によりポリアミドを生成するようなカルボン酸類とアミドを形成しているものなどが挙げられる。
また、芳香族ヒドロキシカルボン酸、芳香族ジカルボン酸、芳香族ジオールおよびフェノール性水酸基を有する芳香族アミン、芳香族ジアミンは、エステル形成性もしくはアミド形成性を阻害しない程度であれば、メチル基、エチル基などのアルキル基、フェニル基などのアリール基などで置換されていてもよい。
上記全芳香族ポリエステルの繰り返し構造単位としては、下記のものを例示することができるが、これらに限定されるものではない。
芳香族ヒドロキシカルボン酸に由来する繰り返し構造単位:
Figure 2018181648
上記の繰り返し構造単位は、アルキル基またはアリール基で置換されていてもよい。
芳香族ジカルボン酸に由来する繰り返し構造単位:
Figure 2018181648
上記の繰り返し構造単位は、アルキル基またはアリール基で置換されていてもよい。
芳香族ジオールに由来する繰り返し構造単位:
Figure 2018181648
上記の繰り返し構造単位は、アルキル基またはアリール基で置換されていてもよい。
フェノール性水酸基を有する芳香族アミンに由来する繰り返し構造単位:
Figure 2018181648
上記の繰り返し構造単位は、アルキル基またはアリール基で置換されていてもよい。また、窒素原子に結合する水素原子の一部または全部がアルキル基やアシル基などで置換されていてもよい。
芳香族ジアミンに由来する繰り返し構造単位:
Figure 2018181648
Figure 2018181648
上記の繰り返し構造単位は、ハロゲン原子、アルキル基またはアリール基で置換されていてもよい。
なお、繰り返し構造単位に置換されていてもよいアルキル基としては、例えば炭素数1〜10のアルキル基が通常用いられ、中でもメチル基、エチル基、プロピル基またはブチル基が好ましい。繰り返し構造単位に置換されていてもよいアリール基としては、例えば炭素数6〜20のアリール基が通常用いられ、中でもフェニル基が好ましい。また、窒素原子に結合する水素原子の一部または全部がアルキル基やアシル基などで置換されていてもよい。繰り返し構造単位に置換されていてもよいハロゲン原子としては、例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子が挙げられる。
本発明の一実施形態に係る非水電解液積層セパレータの耐熱性をより高める観点から、全芳香族ポリエステルは、上記(A)、(A)、(B)、(B)または(B)式で表される繰り返し単位を含むことが好ましい。
ここで上記繰り返し単位を含む構造単位の好ましい組み合わせとしては、例えば、下記(a)〜(d)が挙げられる。
(a):
上記繰り返し構造単位(A)、(B)および(D)の組み合わせ、
上記繰り返し構造単位(A)、(B)および(D)の組み合わせ、
上記繰り返し構造単位(A)、(B)、(B)および(D)の組み合わせ、
上記繰り返し構造単位(A)、(B)、(B)および(D)の組み合わせ、
上記繰り返し構造単位(A)、(B)および(D)の組み合わせ、または、
上記繰り返し構造単位(B)、(B)または(B)および(D)の組み合わせ。
(b):上記(a)の組み合わせのそれぞれにおいて、(D)の一部または全部を(D)に置換した組み合わせ。
(c):上記(a)の組み合わせのそれぞれにおいて、(A)の一部を(A)に置換した組み合わせ。
(d):上記(a)の組み合わせのそれぞれにおいて、(D)の一部または全部を(C)または(C)に置換した組み合わせ。
(e):上記(a)の組み合わせのそれぞれにおいて、(D)の一部または全部を(E)または(E)に置換した組み合わせ。
さらに好ましい組み合わせとしては、p−ヒドロキシ安息香酸および2−ヒドロキシ−6−ナフトエ酸からなる群から選ばれた少なくとも一種の化合物に由来する繰り返し構造単位10〜50モル%、4−ヒドロキシアニリンおよび4,4’−ジアミノジフェニルエーテルからなる群から選ばれた少なくとも一種の化合物に由来する繰り返し構造単位10〜50モル%、テレフタル酸およびイソフタル酸からなる群から選ばれた少なくとも一種の化合物に由来する繰り返し構造単位10〜50モル%、ハイドロキノンに由来する繰り返し構造単位10〜19モル%を含むことがより好ましく、更には、4−ヒドロキシアニリンに由来する繰り返し構造単位10〜35モル%、イソフタル酸に由来する繰り返し構造単位20〜45モル%を含むことが特に好ましい。
上記熱可塑性樹脂の調製方法としては、当業者にとって既知の方法を使用することができ、特に限定されない。上記熱可塑性樹脂の調製方法の一例として、芳香族ポリエステルの調製方法を以下に例示する。
芳香族ポリエステルの調製方法としては、例えば、芳香族ヒドロキシカルボン酸や芳香族ジオール、フェノール性水酸基を有する芳香族アミン、芳香族ジアミンを過剰量の脂肪酸無水物によりアシル化して(アシル化反応)、アシル化物を得、得られたアシル化物と、芳香族ヒドロキシカルボン酸および/または芳香族ジカルボン酸とをエステル交換・アミド交換することにより重合する方法が挙げられる。
アシル化反応においては、脂肪酸無水物の添加量がフェノール性水酸基とアミノ基の総計の1.0〜1.2倍当量であることが好ましい。
アシル化反応は、130〜180℃で5分間〜10時間反応させることが好ましく、140〜160℃で10分間〜3時間反応させることがより好ましい。
アシル化反応に使用される脂肪酸無水物は、特に限定されないが、例えば、無水酢酸、無水プロピオン酸、無水酪酸、無水イソ酪酸などが挙げられ、これらは2種類以上を混合して用いてもよい。価格と操作性の観点から、好ましくは、無水酢酸である。
エステル交換・アミド交換による重合においては、アシル化物のアシル基がカルボキシル基の0.8〜1.2倍当量であることが好ましい。また重合温度は、400℃以下で行うことが好ましく、さらに好ましくは350℃以下である。
なお、アシル化反応、エステル交換・アミド交換による重合は、触媒の存在下に行ってもよい。上記触媒としては、従来からポリエステルの重合用触媒として公知のものを使用することができる。
エステル交換・アミド交換による重合は、通常、溶融重合により行われるが、溶融重合と固相重合とを併用してもよい。固相重合は、溶融重合工程からポリマーを抜き出し、固化後、粉砕してパウダー状もしくはフレーク状にした後、公知の固相重合方法により行うことができる。具体的には、例えば、窒素などの不活性雰囲気下、20〜350℃で、1〜30時間固相状態で熱処理する方法などが挙げられる。固相重合後、得られた芳香族ポリエステルは、公知の方法によりペレット化して使用してもよい。
<無機フィラー>
本発明の一実施形態に係る多孔質層は、さらに無機フィラーを含むことが好ましい。上記無機フィラーは、絶縁性のものであり、その材質として、無機粉末からなるものであってもよい。
上記無機粉末としては、例えば、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属水酸化物、炭酸塩、硫酸塩等の無機物からなる粉末が挙げられ、具体的に例示すると、アルミナ、シリカ、二酸化チタン、水酸化アルミニウム、または炭酸カルシウム等からなる粉末が挙げられる。該無機粉末は、単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いることもできる。これらの無機粉末の中でも、化学的安定性の点で、アルミナ粉末が好ましい。ここで、無機フィラーを構成する粒子のすべてがアルミナ粒子であることがより好ましく、さらにより好ましいのは、無機フィラーを構成する粒子のすべてがアルミナ粒子であり、その一部または全部が略球状のアルミナ粒子である実施形態である。尚、本発明において、略球状のアルミナ粒子は、真球状粒子を含むものである。
本発明の一実施形態に係る多孔質層における無機フィラーの含有量としては、無機フィラーの材質の比重にもよるが、例えば、無機フィラーを構成する粒子のすべてがアルミナ粒子である場合には、多孔質層の総重量に対する、無機フィラーの重量は、通常20重量%以上、95重量%以下、好ましくは30重量%以上、90重量%以下である。これらの範囲は、無機フィラーの材質の比重により、適宜設定できる。
上記無機フィラーの形状としては、略球状、板状、柱状、針状、ウィスカー状、繊維状等が挙げられ、何れの粒子も用いることができるが、均一な孔を形成しやすいことから、略球状粒子であることが好ましい。また、多孔質層の強度特性および平滑性の観点から、無機フィラーを構成する粒子の平均粒子径は、0.01μm以上、1μm以下であることが好ましい。ここで、平均粒子径は、走査型電子顕微鏡写真から測定される値を用いる。具体的には、該写真に撮影されている粒子から任意に50個の粒子を抽出し、それぞれの粒子径を測定して、その平均値を用いる。
<多孔質層の物性>
多孔質層の物性に関する下記説明においては、多孔質基材の両面に多孔質層が積層される場合には、非水電解液二次電池としたときの、多孔質基材における正極と対向する面に積層された多孔質層の物性を少なくとも指す。
製造する非水電解液二次電池用積層セパレータの厚さを考慮して適宜決定すればよいものの、多孔質基材の片面または両面に多孔質層を積層する場合においては、多孔質層の膜厚は0.5μm〜15μm(片面当たり)であることが好ましく、2μm〜10μm(片面当たり)であることがより好ましい。
多孔質層の膜厚が1μm以上(片面においては0.5μm以上)であることが、当該多孔質層を備える非水電解液二次電池用積層セパレータにおいて、電池の破損等による内部短絡を充分に防止することができ、また、多孔質層における電解液の保持量を維持できるという面において好ましい。
一方、多孔質層の膜厚が両面の合計で30μm以下(片面においては15μm以下)であることが、当該多孔質層を備える非水電解液二次電池用積層セパレータ全域におけるリチウムイオン等のイオンの透過抵抗の増加を抑制し、充放電サイクルを繰り返した場合の正極の劣化、レート特性やサイクル特性の低下を防ぐことができる面、並びに、正極および負極間の距離の増加を抑えることにより非水電解液二次電池の大型化を防ぐことができる面において好ましい。
本発明の一実施形態に係る多孔質層の空隙率は、25%〜80%が好ましく、30%〜75%がより好ましい。多孔質層の空隙率は、例えば、多孔質層の比重と体積から算出される。上記空隙率が上述の範囲であることは、得られる多孔質層および当該多孔質層を含む非水電解液二次電池用積層セパレータのイオン透過性の観点から好ましい。
本発明の一実施形態に係る多孔質層の空隙率は、例えば以下の方法にて算出・測定される、膜厚[μm]、重量目付[g/m]および真密度[g/m]から求められる。
(膜厚の測定)
非水電解液二次電池用積層セパレータ、および非水電解液二次電池用積層セパレータに用いられた多孔質基材の膜厚をJIS規格(K 7130−1992)に従い、株式会社ミツトヨ製の高精度デジタル測長機を用いて測定する。得られた、非水電解液二次電池用積層セパレータと、多孔質基材の膜厚の差から、非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層の膜厚を算出する。
(重量目付)
非水電解液二次電池用積層セパレータから一辺の長さ8cmの正方形をサンプルとして切り取り、当該サンプルの重量W(g)を測定する。当該非水電解液二次電池用積層セパレータに用いられた多孔質基材から一辺の長さ8cmの正方形をサンプルとして切り取り、当該サンプルの重量W(g)を測定する。そして、以下の式(2)に従い、非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層の重量目付を算出する。
式(2):重量目付(g/m)=(W−W)/(0.08×0.08)
(真密度)
非水電解液二次電池用積層セパレータにおける多孔質層を4mm角〜6mm角に切り出し、30℃以下で17時間真空乾燥した後、乾式自動密度計(マイクロメリテックス社製 AccuPyeII 1340)を用いて、ヘリウムガス置換法により、真密度を測定する。
上記のようにして得られた膜厚[μm]、重量目付[g/m]および真密度[g/m]から、以下の式に従って、空隙率を算出する。
式:多孔質層の空隙率[%]=[1−(多孔質層の重量目付[g/m])/{(多孔質の膜厚[μm])×10−6×(多孔質層の真密度[g/m])}]×100
本発明の一実施形態に係る多孔質層の透気度は、当該多孔質層を含む非水電解液二次電池用積層セパレータのイオン透過性の観点から、30秒/100cc〜300秒/100ccであることが好ましく、50秒/100cc〜250秒/100ccであることがより好ましい。上記透気度が上述の範囲であることによって、上記多孔質層のイオン透過性を良好に保つことができ、結果として、当該多孔質層を含む非水電解液二次電池の抵抗値等の電池特性を向上させることができる。
<剥離強度>
本発明の一実施形態に係る多孔質層は、25℃、30kN、1分間×2回の条件下にて、電極活物質と導電剤と結着剤とを92:2.7:5.3の質量分率で含む非水電解液二次電池用電極と圧着させた際の剥離強度が0N/mを超え、2.0N/m以下である。
上記剥離強度が大きい、すなわち、電極と多孔質層との密着性が高いほど、上記多孔質層はより柔らかく、電極と密着しやすい特徴を有すると考えられる。それゆえ、上記剥離強度が大きすぎる場合は、多孔質層が柔らかすぎるために多孔質層内部の空孔構造は閉塞し易く、透気度が低くなる。益してや、多孔質層と電極との圧着時には空孔構造はより閉塞し易いため、上記剥離強度が大きすぎる場合は、組み立てられた非水電解液二次電池において、当該多孔質層および当該多孔質層を含む非水電解液二次電池用積層セパレータの透気度がより低下する虞がある。
従って、上記透気度の悪化を防ぐ観点から、上記剥離強度は、好ましくは1.7N/m以下である。
一方、上記剥離強度が小さすぎる場合、非水電解液二次電池の組み立て時に電極と上記多孔質層を含む非水電解液二次電池用積層セパレータにずれが生じる虞がある。
従って、上記ずれの発生を抑制し、非水電解液二次電池の生産性を向上させる観点から、上記剥離強度は、0N/mを超えており、0.1N/m以上であることが好ましく、0.5N/m以上であることがより好ましい。
また、上記剥離強度が0N/mを超えていることが、室温(例えば、25℃)、乾燥状態にて、加熱等の操作を行わずに、非水電解液二次電池の組み立てを可能とし、非水電解液二次電池の生産コストを削減し、電池の生産性を向上させる観点からも好ましい。
上記の剥離強度を有する多孔質層は、多孔質層に含まれる熱可塑性樹脂を好適化することで得ることができる。例えば、熱可塑性樹脂として上記の芳香族重合体を含む場合には、芳香族重合体に含まれるパラ配向の繰り返し単位と、メタ配向の繰り返し単位との量比(モル比)を調整することで、重合体の柔軟性を調整し、剥離強度を上記範囲に制御することができる。また、多孔質層に含まれる熱可塑性樹脂1種で上記範囲の剥離強度を得られないときには、当該樹脂と特性の異なるその他の樹脂を混合することで、剥離強度を上記の範囲に調整すればよい。2種の熱可塑性樹脂の混合する例としては、芳香族ポリエステルと芳香族ポリアミドとの混合などが挙げられる。
<剥離強度の測定方法>
上記剥離強度を測定する方法の一例を図1、図2に基づき説明する。ここで、図1は、上述したとおり、本発明における多孔質層と電極とを、25℃、30kNにて圧着する方法の一例を示す模式図を表しており、図2は、本発明における剥離強度を測定する方法を示す模式図を表している。
図1における部材はすでに説明したとおりである。図2において、6は治具固定箇所を、7はメンディングテープを、8は治具固定箇所を、9は両面接着テープを、10はガラスエポキシ樹脂板をそれぞれ表している。なお、図2において、図1と同じ番号を付した部材については、その説明を省略する。
上述したように、図1に示す方法で測定用試料3と電極4とを圧着することにより、電極4、および上記測定用試料3をこの順に有する非水電解液二次電池用部材を得る。その後、例えば図2に示すように、得られた非水電解液二次電池用部材の電極4側にガラスエポキシ樹脂板10を両面接着テープ9で貼り付け、測定用試料3にメンディングテープ7を貼り付けて剥離強度測定用試料を作製する。
次に、上記剥離強度測定用試料を剥離強度の測定装置(例えば、小型卓上試験機)に治具固定箇所6、8にて設置し、当該測定装置を使用して、厚み方向に500mm/minの試験速度でメンディングテープ7を長辺方向に剥離させて、上記測定用試料3と電極4とを剥離させるのに要する力の大きさを測定する。この力の大きさの測定値を測定用試料3の幅で除した値を剥離強度(N/m)とする。その際の測定条件は、ロードセル:50N、試験長(測定用試料3の長さ):80mm、試験幅(測定用試料3の幅):25mmである。
なお、非水電解液二次電池用積層セパレータは、通常、薄膜であるため、上記多孔質層が電極4と圧着される場合と上記非水電解液二次電池用積層セパレータが電極4と圧着される場合の双方において、上記多孔質層と上記非水電解液二次電池用積層セパレータを構成する多孔質層にかかる圧力および電極4との密着性は、同等となる。
それゆえに、本発明の一実施形態に係る多孔質層が、25℃、30kN、1分間×2回の条件下にて、非水電解液二次電池電極と圧着する際の剥離強度は、上記多孔質層を少なくとも片方の最外層とする非水電解液二次電池用積層セパレータと電極とを上述の条件下にて圧着する際の剥離強度を測定することによっても測定され得る。
<多孔質層の製造方法>
本発明の一実施形態に係る多孔質層の製造方法としては、例えば、上記熱可塑性樹脂を溶媒に溶解させると共に、任意で、上記無機フィラーを該溶媒に分散させることにより、多孔質層を形成するための塗工液を調製する工程;該塗工液を基材に塗布し、乾燥させることにより、本発明の一実施形態に係る多孔質層を析出させる工程;を含む方法が挙げられる。なお、基材には、後述する多孔質基材、または、電極等を使用することができる。
上記溶媒(分散媒)は、基材に悪影響を及ぼさず、上記熱可塑性樹脂を均一かつ安定に溶解し、上記無機フィラーを均一かつ安定に分散させることができればよく、特に限定されるものではない。上記溶媒(分散媒)としては、具体的には、N−メチルピロリドン、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド等が挙げられる。上記溶媒(分散媒)は、1種類のみを用いてもよく、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
塗工液は、所望の多孔質層を得るのに必要な樹脂固形分(樹脂濃度)および無機フィラーの量等の条件を満足することができれば、どのような方法で形成されてもよい。具体的には、上記熱可塑性樹脂を溶媒(分散媒)に溶解させた溶液に無機フィラーを添加、分散する方法を挙げることができる。フィラーを添加する場合、例えば、スリーワンモーター、ホモジナイザー、メディア型分散機、圧力式分散機等の従来公知の分散機を使用して無機フィラーを溶媒(分散媒)に分散させることができる。
塗工液を基材に塗工する方法としては、ナイフ、ブレード、バー、グラビア、ダイ等の公知の塗工方法を用いることができる。
溶媒(分散媒)の除去方法は、乾燥による方法が一般的である。乾燥方法としては、自然乾燥、送風乾燥、加熱乾燥、減圧乾燥等が挙げられるが、溶媒(分散媒)を充分に除去することができるのであれば如何なる方法でもよい。また、塗工液に含まれる溶媒(分散媒)を他の溶媒に置換してから乾燥を行ってもよい。溶媒(分散媒)を他の溶媒に置換してから除去する方法としては、具体的には水やアルコール、アセトンなどの低沸点の貧溶媒で置換、析出させ、乾燥を行う方法がある。
[実施形態2:非水電解液二次電池用積層セパレータ]
本発明の実施形態2に係る非水電解液二次電池用積層セパレータは、ポリオレフィン多孔質フィルムと、本発明の実施形態1に係る多孔質層を含む。好ましくは、本発明の実施形態2に係る非水電解液二次電池用積層セパレータは、ポリオレフィン多孔質フィルムと、当該ポリオレフィン多孔質フィルムの少なくとも一方の面に積層された本発明の実施形態1に係る多孔質層を含む。
本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池用積層セパレータは、本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層を備えていることから、電池特性と連動する透気度を良好な範囲に維持でき、かつ、電池生産性に優れるという効果を奏する。
<ポリオレフィン多孔質フィルム>
本発明におけるポリオレフィン多孔質フィルムは、ポリオレフィン系樹脂を主成分とする多孔質フィルムである。また、上記多孔質フィルムは、微多孔膜であることが好ましい。即ち、上記多孔質フィルムは、その内部に連結した細孔を有する構造を有し、一方の面から他方の面に気体や液体が透過可能であるポリオレフィン系樹脂を主成分とする。上記多孔質フィルムは、1つの層から形成されるものであってもよいし、複数の層から形成されるものであってもよい。
ポリオレフィン系樹脂を主成分とする多孔質フィルムとは、多孔質フィルムにおけるポリオレフィン系樹脂成分の割合が、多孔質フィルムを構成する材料全体の、通常、50体積%以上であり、好ましくは90体積%以上、より好ましくは95体積%以上であることを意味する。ポリオレフィン多孔質フィルムに含まれるポリオレフィン系樹脂には、重量平均分子量が5×10〜15×10の範囲の高分子量成分が含まれていることが好ましい。多孔質フィルムのポリオレフィン系樹脂として特に重量平均分子量100万以上のポリオレフィン系樹脂が含まれることにより、ポリオレフィン多孔質フィルム、および当該ポリオレフィン多孔質フィルムと上記多孔質層を備える非水電解液二次電池用積層セパレータ全体の強度が高くなるためより好ましい。
ポリオレフィン系樹脂としては、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−ヘキセン等を重合してなる高分子量の単独重合体(例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン)または共重合体(例えば、エチレン−プロピレン共重合体)が挙げられる。ポリオレフィン多孔質フィルムは、これらのポリオレフィン系樹脂を1種類含む層、および/または、これらのポリオレフィン系樹脂の2種類以上を含む層、である。特に、過大電流が流れることをより低温で阻止(シャットダウン)することができるという面において、エチレンを主体とする高分子量のポリエチレン系樹脂が好ましい。なお、ポリオレフィン多孔質フィルムは、当該層の機能を損なわない範囲で、ポリオレフィン系樹脂以外の成分を含むことを妨げない。
ポリオレフィン多孔質フィルムの透気度は、通常、ガーレ値で30秒/100cc〜300秒/100ccの範囲であり、好ましくは、50秒/100cc〜250秒/100ccの範囲である。ポリオレフィン多孔質フィルムが、前記範囲の透気度を有することは、ポリオレフィン多孔質フィルムが上記多孔質層を備える非水電解液二次電池用積層セパレータの部材として使用される場合に、当該非水電解液二次電池用積層セパレータは充分なイオン透過性を得ることができる面において好ましい。
多孔質フィルムの膜厚は、薄いほど電池のエネルギー密度を高められるため、20μm以下が好ましく、16μm以下がより好ましく、11μm以下がさらに好ましい。また、フィルム強度の観点から4μm以上が好ましい。すなわち、多孔質フィルムの膜厚は、4μm以上20μm以下が好ましい。
多孔質フィルムの製造方法は、公知の手法を用いることができ、特に限定されない。例えば、特許第5476844号公報に記載されたように、熱可塑性樹脂にフィラーを加えてフィルム成形した後、当該フィラーを除去する方法が挙げられる。
具体的には、例えば、多孔質フィルムが、超高分子量ポリエチレンおよび重量平均分子量1万以下の低分子量ポリオレフィンを含むポリオレフィン樹脂から形成されてなる場合には、製造コストの観点から、以下に示す工程(1)〜(4)を含む方法により製造することが好ましい。
(1)超高分子量ポリエチレン100重量部と、重量平均分子量1万以下の低分子量ポリオレフィン5重量部〜200重量部と、炭酸カルシウム等の無機充填剤100重量部〜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工程、
(2)ポリオレフィン樹脂組成物を用いてシートを成形する工程、
(3)工程(2)で得られたシート中から無機充填剤を除去する工程、
(4)工程(3)で得られたシートを延伸する工程。
その他、上述した各特許文献に記載の方法を利用してもよい。
また、本発明における多孔質フィルムとして、上述の特徴を有する市販品を使用してもよい。
<非水電解液二次電池用積層セパレータの製造方法>
本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池用積層セパレータの製造方法としては、前述した本発明の一実施形態に係る多孔質層の製造方法において、基材として、上記ポリオレフィン多孔質フィルムを使用する方法が挙げられる。
<非水電解液二次電池用積層セパレータの物性>
本発明の非水電解液二次電池用積層セパレータの膜厚は、薄ければ薄いほど、電池のエネルギー密度を高めることができるため好ましいが、膜厚が薄いと強度が低下するため、製造する上での限界がある。以上の事項を考慮すると、本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池用積層セパレータの膜厚は、50μm以下が好ましく、より好ましくは25μm以下、さらに好ましくは20μm以下である。また上記膜厚は、5μm以上であることが好ましい。
本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池用積層セパレータの透気度は、ガーレ値で300秒/100cc以下であることが好ましく、30〜250秒/100ccであることがより好ましく、50〜220秒/100ccであることがさらに好ましい。上記透気度を有することにより、上記非水電解液二次電池用積層セパレータは、十分なイオン透過性を得ることができ、当該非水電解液二次電池用積層セパレータを含む非水電解液二次電池の電池特性を向上させることができるため好ましい。
上記透気度が上記範囲を超える場合、すなわちガーレ値が30秒/100ccよりも低い値である場合には、上記非水電解液二次電池用積層セパレータの空隙率が高いために積層構造が粗になっていることを意味し、結果として当該非水電解液二次電池用積層セパレータの強度が低下して、特に高温での形状安定性が不充分になる虞がある。
一方、透気度が上記範囲未満の場合、すなわちガーレ値が300秒/100ccよりも高い値である場合には、上記非水電解液二次電池用積層セパレータが、充分なイオン透過性を得ることができず、非水電解液二次電池の電池特性を低下させることがある。
尚、本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池用積層セパレータは、上記ポリオレフィン多孔質フィルムおよび多孔質層の他に、必要に応じて、接着層、保護層等の公知の多孔膜を、本発明の目的を損なわない範囲で含んでいてもよい。
[実施形態3:非水電解液二次電池用部材、実施形態4:非水電解液二次電池]
本発明の実施形態3に係る非水電解液二次電池用部材は、正極、本発明の実施形態1に係る非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層、または、本発明の実施形態2に係る非水電解液二次電池用積層セパレータ、および負極がこの順で配置されてなる。
本発明の実施形態4に係る非水電解液二次電池は、本発明の実施形態1に係る非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層、または、本発明の実施形態2に係る非水電解液二次電池用積層セパレータを含む。
本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池は、例えば、リチウムのドープ・脱ドープにより起電力を得る非水系二次電池であって、正極と、本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層と、負極とがこの順で積層されてなる非水電解液二次電池部材を備え得る。また、本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池は、例えば、リチウムのドープ・脱ドープにより起電力を得る非水系二次電池であって、正極と、本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層と、ポリオレフィン多孔質フィルムと、負極とがこの順で積層されてなる非水電解液二次電池部材、すなわち、正極と、本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池用積層セパレータと、負極とがこの順で積層されてなる非水電解液二次電池部材を備えるリチウムイオン二次電池であり得る。なお、非水電解液二次電池用セパレータ以外の非水電解液二次電池の構成要素は、下記説明の構成要素に限定されるものではない。
本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池は、通常、負極と正極とが、本発明の一実施形態に係る多孔質層または本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池用積層セパレータを介して対向した構造体に電解液が含浸された電池要素が、外装材内に封入された構造を有する。非水電解液二次電池は、非水電解質二次電池、特にはリチウムイオン二次電池であることが好ましい。なお、ドープとは、吸蔵、担持、吸着、または挿入を意味し、正極等の電極の活物質にリチウムイオンが入る現象を意味する。電極をシート状とする場合、その厚みは、通常、5〜1000μm程度である。より好ましくは、10〜200μm程度である。
本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池部材および本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池は、本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層または本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池用積層セパレータを備えていることから、耐熱性および電池特性と連動する透気度を良好な範囲に維持でき、かつ、電池生産性に優れるという効果を奏する。
<正極>
本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池部材および非水電解液二次電池における正極としては、一般に非水電解液二次電池の正極として使用されるものであれば、特に限定されないが、例えば、正極活物質およびバインダー樹脂(結着剤)を含む活物質層が集電体上に成形された構造を備える正極シートを使用することができる。なお、上記活物質層は、通常、更に導電剤を含んでいる。
上記正極活物質としては、例えば、リチウムイオンをドープ・脱ドープ可能な材料が挙げられる。当該材料としては、具体的には、例えば、V、Mn、Fe、CoおよびNi等の遷移金属を少なくとも1種類含んでいるリチウム複合酸化物が挙げられる。
上記リチウム複合酸化物のうち、平均放電電位が高いことから、ニッケル酸リチウム、コバルト酸リチウム等のα−NaFeO型構造を有するリチウム複合酸化物、リチウムマンガンスピネル等のスピネル型構造を有するリチウム複合酸化物がより好ましい。当該リチウム複合酸化物は、種々の金属元素を含んでいてもよく、複合ニッケル酸リチウムがさらに好ましい。
さらに、Ti、Zr、Ce、Y、V、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Ag、Mg、Al、Ga、InおよびSnからなる群から選択される少なくとも1種の金属元素のモル数と、ニッケル酸リチウム中のNiのモル数との和に対して、上記少なくとも1種の金属元素の割合が0.1〜20モル%となるように、当該金属元素を含む複合ニッケル酸リチウムを用いると、高容量での使用におけるサイクル特性に優れるので特に好ましい。中でもAlまたはMnを含み、かつ、Ni比率が85%以上、さらに好ましくは90%以上である活物質が、当該活物質を含む正極を備える非水電解液二次電池の高容量での使用におけるサイクル特性に優れることから、特に好ましい。
上記正極活物質を構成する粒子の平均粒子径は、1μm以上、20μm以下であることが好ましく、5μm以上、10μm以下であることがさらに好ましい。
上記導電材としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、コークス類、カーボンブラック、熱分解炭素類、炭素繊維および有機高分子化合物焼成体等の炭素質材料等が挙げられる。上記導電材は、1種類のみを用いてもよく、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
上記正極活物質と導電材の含有量の比は、重量比で、たとえば100:0.1〜100:30であり、好ましくは100:0.5〜100:10であり、さらに好ましくは100:1〜100:3である。
上記結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデンの共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレンの共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテルの共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレンの共重合体、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の共重合体、熱可塑性ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、カルボキシメチルセルロース、またはそのアンモニウム塩やアルカリ金属塩、ヒドロキシエチルセルロース等の熱可塑性樹脂が挙げられる。尚、結着剤は、増粘剤としての機能も有している。
上記正極活物質と結着剤の含有量の比は、重量比で、例えば100:0.1〜100:10であり、好ましくは100:0.5〜100:6である。
上記正極集電体としては、例えば、Al、Niおよびステンレス等の導電体が挙げられる。中でも、薄膜に加工し易く、安価であることから、Alがより好ましい。
シート状の正極の製造方法としては、例えば、正極活物質、導電材および結着剤を正極集電体上で加圧成型する方法;適当な有機溶剤を用いて正極活物質、導電材および結着剤をペースト状にした後、当該ペーストを正極集電体に塗工し、乾燥した後に加圧して正極集電体に固着する方法;等が挙げられる。
<負極>
本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池部材および非水電解液二次電池における負極としては、一般に非水電解液二次電池の負極として使用されるものであれば、特に限定されないが、例えば、負極活物質およびバインダー樹脂(結着剤)を含む活物質層が集電体上に成形された構造を備える負極シートを使用することができる。なお、上記活物質層は、通常、更に導電助剤を含んでいる。
上記負極活物質としては、例えば、リチウムイオンをドープ・脱ドープ可能な材料、リチウム金属またはリチウム合金等が挙げられる。当該材料としては、例えば、炭素質材料等が挙げられる。炭素質材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛、コークス類、カーボンブラック、および熱分解炭素類等が挙げられる。
上記負極集電体としては、例えば、Cu、Niおよびステンレス等が挙げられ、特にリチウムイオン二次電池においてはリチウムと合金を作り難く、かつ薄膜に加工し易いことから、Cuがより好ましい。
シート状の負極の製造方法としては、例えば、負極活物質を負極集電体上で加圧成型する方法;適当な有機溶剤を用いて負極活物質をペースト状にした後、当該ペーストを負極集電体に塗工し、乾燥した後に加圧して負極集電体に固着する方法;等が挙げられる。上記ペーストには、好ましくは上記導電助剤、および、上記結着剤が含まれる。
<非水電解液>
本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池における非水電解液は、一般に非水電解液二次電池に使用される非水電解液であれば特に限定されず、例えば、リチウム塩を有機溶媒に溶解してなる非水電解液を用いることができる。リチウム塩としては、例えば、LiClO、LiPF、LiAsF、LiSbF、LiBF、LiCFSO、LiN(CFSO、LiC(CFSO、Li10Cl10、低級脂肪族カルボン酸リチウム塩およびLiAlCl等が挙げられる。上記リチウム塩は、1種類のみを用いてもよく、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
非水電解液を構成する有機溶媒としては、例えば、カーボネート類、エーテル類、エステル類、ニトリル類、アミド類、カーバメート類および含硫黄化合物、並びにこれらの有機溶媒にフッ素基が導入されてなる含フッ素有機溶媒等が挙げられる。上記有機溶媒は、1種類のみを用いてもよく、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
<非水電解液二次電池用部材および非水電解液二次電池の製造方法>
本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池用部材の製造方法としては、例えば、上記正極、本発明の一実施形態に係る多孔質層または本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池用積層セパレータ、および負極をこの順で配置する方法が挙げられる。
また、本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池の製造方法としては、例えば、上記方法にて非水電解液二次電池用部材を形成した後、非水電解液二次電池の筐体となる容器に当該非水電解液二次電池用部材を入れ、次いで、当該容器内を非水電解液で満たした後、減圧しつつ密閉することにより、本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池を製造することができる。
[測定方法]
実施例1〜3、比較例1〜2にて製造された非水電解液二次電池用積層セパレータおよび多孔質層の物性値を以下に示す方法にて測定した。
<膜厚の測定>
実施例1〜3、比較例1〜2において、非水電解液二次電池用積層セパレータおよびポリオレフィン多孔質フィルムの膜厚をJIS規格(K 7130−1992)に従い、株式会社ミツトヨ製の高精度デジタル測長機を用いて測定し、多孔質層の膜厚を式(1)に従って算出した。
式(1):多孔質層の膜厚[μm]=(積層セパレータの膜厚[μm])−(ポリオレフィン多孔質フィルムの膜厚[μm])
<多孔質層の空隙率の測定>
(重量目付)
実施例1〜3、比較例1〜2において、ポリオレフィン多孔質フィルムから一辺の長さ8cmの正方形をサンプルとして切り取り、当該サンプルの重量W(g)を測定した。また、非水電解液二次電池用積層セパレータから一辺の長さ8cmの正方形をサンプルとして切り取り、当該サンプルの重量W(g)を測定した。そして、以下の式(2)に従い、非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層の重量目付を算出した。
式(2):重量目付(g/m)=(W−W)/(0.08×0.08)
上述の方法にて算出・測定された、多孔質層の膜厚[μm]および重量目付[g/m]、並びに、多孔質層の真密度[g/m]から、以下の式(3)に従って、多孔質層の空隙率を算出した。
式(3):多孔質層の空隙率[%]=[1−(多孔質層の重量目付[g/m])/{(多孔質膜厚[μm])×10−6×(多孔質層の真密度[g/m])}]×100
<剥離強度の測定>
実施例1〜3、比較例1〜2にて製造された非水電解液二次電池用積層セパレータの、25℃、30kN、1分間×2回の条件下にて、電極(正極)と圧着させた際の剥離強度を以下の方法にて測定した。
(正極の作製工程)
正極活物質(セルシードC−10N(日本化学工業株式会社製)、LiCoO、平均粒径10μm、真比重4.8g/cm)92重量部、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/cm)2.7重量部、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/cm)4.55重量部、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/cm)0.75重量部を秤量した。混練機に、一定量の水を入れ、上記バインダー2を加えて溶解した後、上記正極活物質、上記導電剤、上記バインダー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/cm)となるまで圧延し、幅を54mmとした正極を得た。
(圧着工程)
上記正極を電極4、実施例、比較例にて製造された非水電解液二次電池用積層セパレータを測定用試料3として、図1に示す方法にて、上記正極と上記非水電解液二次電池用積層セパレータを圧着した。
電極4と測定用試料3を25mm×80mm角の長方形に切り出した。その後、上記測定用試料3の多孔質層側の面と上記電極4の片面とを重ね合わせ、卓上プレス機(テスター産業株式会社製、卓上型テストプレス SA−303)を用いて、25℃、30kN、1分間×2回の条件にて、上記電極4と上記測定用試料3とを圧着した。すなわち、卓上プレス機1a、1bにて電極4および測定用試料3に30kNの力を1分間加えた(1回目の加圧)後、一旦除荷し、その直後に、場所を変えて、再度30kNの力を1分間加えた(2回目の加圧)。その結果、上記電極4、および上記測定用試料3をこの順に有する二次電池用部材を得た。なお、上記圧着は、卓上プレス機1aと上記測定用試料3との間に、ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム2を挟み、卓上プレス機1bと上記電極4との間に、PETフィルム5を挟んで行った。
(剥離強度の測定工程)
上記正極を電極4、実施例、比較例にて製造された非水電解液二次電池用積層セパレータを測定用試料3として、図2に示す方法にて、上記剥離強度を測定した。
得られた二次電池用部材の電極4側にガラスエポキシ樹脂板10(日立化成株式会社製、製品名:MCL―E―67)を両面接着テープ9(ニチバン株式会社製、製品名:ナイスタック)で貼り付け、上記測定用試料3側にメンディングテープ7(スリーエム ジャパン株式会社製)を貼り付けて剥離強度測定用試料を作製した。次に、上記剥離強度測定用試料を小型卓上試験機(株式会社島津製作所製、EZ Test EZ−L)に治具固定箇所6、8にて設置し、当該小型卓上試験機を使用して、厚み方向に500mm/minの試験速度でメンディングテープ7を長辺方向に剥離させて、上記測定用試料3と上記電極4とを剥離させるのに要する力の大きさを測定した。この力の大きさの測定値を測定用試料3の幅(25mm)で除した値を剥離強度(N/m)とした。その際の測定条件は、ロードセル:50N、試験長(測定用試料3の長さ):80mm、試験幅(測定用試料3の幅):25mmであった。
<透気度の測定>
実施例1〜3、比較例1〜2にて製造された非水電解液二次電池用積層セパレータの透気度(ガーレ値)を、JIS P 8117に基づいて、株式会社東洋精機製作所製のデジタルタイマー式ガーレ式デンソメータを用いて測定した。
[実施例1]
<熱可塑性樹脂の合成>
以下に示す方法にて、熱可塑性樹脂として全芳香族ポリエステルを合成した。
攪拌装置、トルクメータ、窒素ガス導入管、温度計および還流冷却器を備えた反応器に、2−ヒドロキシ−6−ナフトエ酸941g(5.0モル)、4−ヒドロキシアセトアニリド377.9g(2.5モル)、イソフタル酸415.3g(2.5モル)および無水酢酸867.8g(8.5モル)を仕込んだ。そして、反応器内を充分に窒素ガスで置換した後、窒素ガス気流下で15分間かけて反応器内部の温度を150℃まで昇温し、その温度(150℃)を保持して3時間還流させた。
その後、留出する副生酢酸および未反応の無水酢酸を留去しながら、170分間かけて300℃まで昇温し、トルクの上昇が認められた時点で反応が終了したものとみなし、内容物を取り出した。この内容物を室温(25℃)まで冷却し、粉砕機で粉砕した後、比較的低分子量の全芳香族ポリエステル粉末を得た。
さらに、この全芳香族ポリエステル粉末を、窒素雰囲気下において180℃で5時間、次いで250℃で5時間にわたって加熱処理することにより、固相重合を行った。
こうして得られた比較的高分子量の全芳香族ポリエステルを芳香族ポリエステルAと称する。上記芳香族ポリエステルA40gを、N−メチル−2−ピロリドン(以下、「NMP」と称する)360gに加え、100℃で2時間加熱して、芳香族ポリエステルAの10%溶液を得た。
<非水電解液二次電池用積層セパレータの製造>
上記芳香族ポリエステルAの10%溶液、アルミナ微粒子(住友化学社製;商品名「AKP3000」)、および溶媒(NMP)を、上記アルミナ微粒子50重量部に対して上記芳香族ポリエステルAが50重量部となるように混合した。次に、得られた混合液に溶媒(NMP)を加え、固形分濃度(アルミナ微粒子および芳香族ポリエステルAの濃度)が6重量%となるように調整し、分散液を得た。
そして、得られた分散液をホモジナイザー(IKA製;商品名「T18 digital ULTRA TURRAX」)で室温(25℃)下、10000rpmで3分の条件にて攪拌・混合した。続いて高圧分散機(三和エンジニアリング製;商品名「卓上型ホモゲナイザー」)を用いて、50MPa×2回の条件にて分散させて塗工液を得た。
得られた塗工液を、ポリオレフィン多孔質フィルムであるポリエチレンの多孔膜(厚さ16μm、空隙率54%)上に、ドクターブレード法により、塗工液中の固形分が1平方メートル当たり8.9gとなるように塗布した。得られた塗布物である積層体を、60℃相対湿度80%の加湿オーブンに1分間入れ、その後イオン交換水で洗浄してから80℃のオーブンで乾燥させ、非水電解液二次電池用積層セパレータを得た。
[実施例2]
<熱可塑性樹脂の合成>
実施例1と同様の方法にて、芳香族ポリエステルAの10%溶液を調製した。
続いて、撹拌翼、温度計、窒素流入管及び粉体添加口を有する5リットルのセパラブルフラスコを使用して、以下に示す方法にて、熱可塑性樹脂としてアラミド樹脂の合成を行った。
セパラブルフラスコを充分乾燥し、NMP4200gを仕込み、200℃にて2時間乾燥させた塩化カルシウム272.65gを添加して100℃に昇温した。塩化カルシウムが完全に溶解した後、当該フラスコ内の温度を室温(25℃)に戻して、パラフェニレンジアミン(以下、PPDと称する)132.91gを添加し、当該PPDを完全に溶解させ、溶液を得た。この溶液の温度を20±2℃に保ったまま、当該溶液に対して、テレフタル酸ジクロライド(以下、TPCと略す)243.32gを10分割して約5分間おきに添加した。その後、得られた溶液の温度を20±2℃に保ったまま、当該溶液を1時間熟成させ、気泡を抜くため減圧下にて30分間撹拌し、アラミド樹脂の6%溶液を得た。
<非水電解液二次電池用積層セパレータの製造>
上記芳香族ポリエステルAの10%溶液、上記アラミド樹脂の6%溶液、および溶媒(NMP)を、上記芳香族ポリエステルA50重量部に対して上記アラミド樹脂が50重量部となるように混合した。得られた混合液に溶媒(NMP)を加え、固形分濃度(芳香族ポリエステルAおよびアラミド樹脂の濃度)が6重量%となるように調整し、分散液を得た。そして、当該分散液を使用し、塗工液中の固形分が1平方メートル当たり3.2gとなるように塗布すること以外は実施例1と同様の方法にて、非水電解液二次電池用積層セパレータを得た。
[実施例3]
<熱可塑性樹脂の合成>
以下に示す方法にて、熱可塑性樹脂として全芳香族ポリエステルを合成した。
原料として、4−ヒドロキシ安息香酸248.6g(1.8モル)、4−ヒドロキシアセトアニリド468.6g(3.1モル)、イソフタル酸681.1g(4.1モル)、ハイドロキノン110.1g(1.0モル)及び無水酢酸806.5g(7.90モル)を仕込んだこと以外は、実施例1と同様の方法にて、全芳香族ポリエステルを得た。得られた全芳香族ポリエステルを芳香族ポリエステルBと称する。その後、実施例1と同様の方法にて、芳香族ポリエステルBの20%溶液を得た。
また、実施例2と同様の方法にて、アラミド樹脂の6%溶液を得た。
<非水電解液二次電池用積層セパレータの製造>
上記芳香族ポリエステルBの20%溶液、上記アラミド樹脂の6%溶液、アルミナ微粒子(住友化学社製;商品名「AKP3000」)、ヒュームドアルミナ(エボニック社製;商品名「ALC」)および溶媒(NMP)を、上記芳香族ポリエステルB9.5重量部に対して上記アラミド樹脂が15.5重量部、上記アルミナ微粒子が37.5重量部、上記ヒュームドアルミナが37.5重量部となるように混合した。次に、得られた混合液に溶媒(NMP)を加え、固形分濃度(芳香族ポリエステルB、アラミド樹脂、アルミナ微粒子およびヒュームドアルミナの濃度)が10重量%となるように調整し、分散液を得た。そして、当該分散液を使用し、ポリオレフィン多孔質フィルムであるポリエチレンの多孔膜(厚さ11μm、空隙率44%)上に、ドクターブレード法により、塗工液中の固形分が1平方メートル当たり2.0gとなるように塗布すること以外は実施例1と同様の方法にて、非水電解液二次電池用積層セパレータを得た。
[比較例1]
<非水電解液二次電池用積層セパレータの製造>
アルミナ微細粒子(住友化学社製;商品名「AKP3000」)100質量部、カルボキシメチルセルロース(ダイセルファインケム製、品番1110)3質量部の混合物に、固形分が29重量%となるように水を添加し、混合物を得た。得られた混合物を自転・公転ミキサー「あわとり練太郎」(株式会社シンキー製;登録商標)を用いて、室温(25℃)下、2000rpm、30秒の条件にて2回攪拌・混合し、撹拌混合物を得た。得られた撹拌混合物にイソプロピルアルコール14質量部を加え、固形分が28重量%となるような均一なスラリーとし、塗工液を得た。得られた塗工液を、ポリオレフィン多孔質フィルムであるポリエチレンの多孔膜(厚さ16μm、空隙率54%)上に、ドクターブレード法により、塗工液中の固形分が1平方メートル当たり6.0gとなるように塗布した。得られた塗布物である積層体を65℃で5分間乾燥させて、非水電解液二次電池用積層セパレータを得た。
[比較例2]
<アラミド樹脂の合成>
撹拌翼、温度計、窒素流入管及び粉体添加口を有する5リットル(l)のセパラブルフラスコに、メタフェニレンジアミン222gとNMP3300gを仕込み、撹拌して溶解させた。続いて70℃に加熱して溶解させたイソフタル酸クロライド419gをNMP1000gに溶解させてから滴下し、23℃で60分間反応させ、10%アラミド樹脂溶液を得た。得られたアラミド樹脂溶液を減圧乾燥し、アラミド樹脂固体を得た。
<非水電解液二次電池用積層セパレータの製造>
上記アラミド樹脂固体、アルミナ微粒子(住友化学社製;商品名「AKP3000」)、および溶媒(ジメチルアセトアミド60重量部に対してトリプロピレングリコールが40重量部となるように混合した混合溶媒)を、上記アルミナ微粒子70重量部に対して上記アラミド樹脂が30重量部となるように溶液を混合した後、得られる混合液に上記溶媒を加え、固形分濃度(アルミナ微粒子+アラミド樹脂)を20重量%となるように調整し、分散液を得た。そして、当該分散液を使用すること以外は、実施例1と同様の方法にて、塗工液を得た。
得られた塗工液を、ポリオレフィン多孔質フィルムであるポリエチレンの多孔膜(厚さ16μm、空隙率54%)上に、ドクターブレード法により、塗工液中の固形分が1平方メートル当たり9.0gとなるように塗布した。得られた塗布物である積層体を、水:ジメチルアセトアミド:トリプロピレングリコール=50:30:20の凝固槽に40℃にて、1分間入れ、その後イオン交換水で洗浄してから80℃のオーブンで乾燥させ、非水電解液二次電池用積層セパレータを得た。
[結論]
実施例1〜3、比較例1〜2にて製造された非水電解液二次電池用積層セパレータの物性値を以下の表1に示す。
Figure 2018181648
表1の記載から、上記剥離強度が0N/mを超え、2.0N/m以下である実施例1〜3にて製造された非水電解液二次電池用積層セパレータの透気度は、上記剥離強度が上記範囲外である比較例1〜2にて製造された非水電解液二次電池用積層セパレータの透気度よりも良好であり、電池特性を向上させることができることが分かった。
また、実施例1〜3にて製造された非水電解液二次電池用積層セパレータは、室温(25℃)、乾燥状態においても、電極との密着性が良好であり、電池生産性に優れることが分かった。
上述の事項から、実施例1〜3にて製造された非水電解液二次電池用積層セパレータは、電池生産性に優れ、かつ電池特性を向上させることができることが分かった。
本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層は、電池生産性に優れ、かつ電池特性(抵抗)を向上させることができる。従って、本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層は、非水電解液二次電池の部材として有用である。
1a 卓上プレス機
1b 卓上プレス機
2 ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム
3 測定用試料
4 電極
5 ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム
6 治具固定箇所
7 メンディングテープ
8 治具固定箇所
9 両面接着テープ
10 ガラスエポキシ樹脂板

Claims (5)

  1. 非水電解液二次電池用積層セパレータを構成する多孔質基材の少なくとも片面の全面を被覆するための非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層であって、
    熱可塑性樹脂を含み、
    空隙率が25%以上、80%以下であり、
    25℃、30kN、1分間×2回の条件下にて、電極活物質と導電剤と結着剤とを92:2.7:5.3の質量分率で含む非水電解液二次電池用電極と圧着させた際の剥離強度が0N/mを超え、2.0N/m以下である、非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層。
  2. 上記剥離強度が0.5N/m以上、2.0N/m以下である、請求項1に記載の非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層。
  3. 請求項1または2に記載の非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層と、ポリオレフィン多孔質フィルムとを含む、非水電解液二次電池用積層セパレータ。
  4. 正極、請求項1または2に記載の非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層または請求項3に記載の非水電解液二次電池用積層セパレータ、および負極がこの順で配置されている、非水電解液二次電池用部材。
  5. 請求項1または2に記載の非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層または請求項3に記載の非水電解液二次電池用積層セパレータを含む、非水電解液二次電池。
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