JP2019110073A - 非水電解液二次電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】非水電界液二次電池にて、充放電100サイクル目の容量維持率を向上させる。【解決手段】(a)多孔質層に含まれるポリフッ化ビニリデン系樹脂は、α型結晶とβ型結晶との含有量の合計を100モル%とした場合、α型結晶の含有量が35.0モル%以上、(b)多孔質フィルムは、3重量%の水を含むN−メチルピロリドンに含浸させた後、周波数2455MHzのマイクロ波を出力1800Wで照射したときの、単位面積当たりの樹脂量に対する温度上昇収束時間が2.9〜5.7秒・m2/g、(c)正極板は、JIS P 8115(1994)に規定されたMIT試験機法に準拠し、荷重1N、折り曲げ角度45°にて実施した耐折試験において、電極活物質層が剥がれるまでの折り曲げ回数が130回以上、(d)負極板は、前記耐折試験において、電極活物質層が剥がれるまでの折り曲げ回数が1650回以上、を充足する非水電解液二次電池を用いる。【選択図】なし

Description

本発明は、非水電解液二次電池に関する。
非水電解液二次電池、特にリチウム二次電池は、エネルギー密度が高いのでパーソナルコンピュータ、携帯電話、携帯情報端末などに用いる電池として広く使用され、また最近では車載用の電池として開発が進められている。
例えば特許文献1には、マイクロ波を照射した際の温度上昇収束時間が特定の範囲にあるセパレータを備える、非水電解液二次電池が記載されている。
特開2017−103042号公報(2017年6月8日公開)
しかしながら、上述の非水電解液二次電池には、充放電100サイクル目の容量維持率に関して、改善の余地があった。
本発明の一態様は、充放電100サイクル目の容量維持率に優れた非水電解液二次電池を実現することを目的とする。
本発明の態様1に係る非水電解液二次電池は、ポリオレフィン多孔質フィルムを含む非水電解液二次電池用セパレータと、ポリフッ化ビニリデン系樹脂を含有する多孔質層と、JIS P 8115(1994)に規定されたMIT試験機法に準拠し、荷重1N、折り曲げ角度45°にて実施した耐折試験において、電極活物質層が剥がれるまでの折り曲げ回数が130回以上である正極板と、前記耐折試験において、電極活物質層が剥がれるまでの折り曲げ回数が1650回以上である負極板と、を備え、前記ポリオレフィン多孔質フィルムは、3重量%の水を含むN−メチルピロリドンに含浸させた後、周波数2455MHzのマイクロ波を出力1800Wで照射したときの、単位面積当たりの樹脂量に対する温度上昇収束時間が2.9〜5.7秒・m/gであり、前記多孔質層は、前記非水電解液二次電池用セパレータと、前記正極板及び前記負極板の少なくともいずれかと、の間に配置されており、前記多孔質層に含まれる前記ポリフッ化ビニリデン系樹脂は、α型結晶とβ型結晶との含有量の合計を100モル%とした場合、前記α型結晶の含有量が、35.0モル%以上である、非水電解液二次電池である(ここで、α型結晶の含有量は、前記多孔質層の19F−NMRスペクトルにおける、−76ppm付近にて観測される(α/2)の波形分離、および、−95ppm付近にて観測される{(α/2)+β}の波形分離から算出される。)。
また、本発明の態様2に係る非水電解液二次電池は、前記態様1において、前記正極板が、遷移金属酸化物を含む。
また、本発明の態様3に係る非水電解液二次電池は、前記態様1または2において、前記負極板が、黒鉛を含む。
本発明の一態様によれば、充放電100サイクル目の容量維持率に優れた非水電解液二次電池を実現できる。
MIT試験機の概略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。
本発明の実施形態に係る非水電解液二次電池は、ポリオレフィン多孔質フィルムを含む非水電解液二次電池用セパレータ(以下、セパレータということがある)と、ポリフッ化ビニリデン系樹脂(以下、PVDF系樹脂とも称する)を含有する多孔質層と、JIS P 8115(1994)に規定されたMIT試験機法に準拠し、荷重1N、折り曲げ角度45°にて実施した耐折試験において、電極活物質層が剥がれるまでの折り曲げ回数が130回以上である正極板と、前記耐折試験において、電極活物質層が剥がれるまでの折り曲げ回数が1650回以上である負極板と、を備え、前記ポリオレフィン多孔質フィルムは、3重量%の水を含むN−メチルピロリドンに含浸させた後、周波数2455MHzのマイクロ波を出力1800Wで照射したときの、単位面積当たりの樹脂量に対する温度上昇収束時間が2.9〜5.7秒・m/gであり、前記多孔質層は、前記非水電解液二次電池用セパレータと、前記正極板及び前記負極板の少なくともいずれかと、の間に配置されており、前記多孔質層に含まれる前記ポリフッ化ビニリデン系樹脂は、α型結晶とβ型結晶の含有量の合計を100モル%とした場合の、前記α型結晶の含有量が、35.0モル%以上である:
(ここで、α型結晶の含有量は、前記多孔質層の19F−NMRスペクトルにおける、−76ppm付近にて観測される(α/2)の波形分離、および、−95ppm付近にて観測される{(α/2)+β}の波形分離から算出される。)。
<非水電解液二次電池用セパレータ>
本発明の一実施形態における非水電解液二次電池用セパレータは、ポリオレフィン多孔質フィルムを含む。なお、以下、「ポリオレフィン多孔質フィルム」を「多孔質フィルム」ということがある。
前記多孔質フィルムは、単独で非水電解液二次電池用セパレータとなり得る。また、後述する多孔質層が積層された非水電解液二次電池用積層セパレータの基材ともなり得る。前記多孔質フィルムは、ポリオレフィン系樹脂を主成分とし、その内部に連結した細孔を多数有しており、一方の面から他方の面に気体や液体を通過させることが可能となっている。
本発明の一実施形態における非水電解液二次電池用セパレータは、少なくとも一方の面上に、後述するポリフッ化ビニリデン系樹脂を含有する多孔質層が積層され得る。この場合、前記非水電解液二次電池用セパレータの少なくとも一方の面上に、前記多孔質層が積層されてなる積層体を、本明細書において、「非水電解液二次電池用積層セパレータ」または「積層セパレータ」と称する。また、本発明の一実施形態における非水電解液二次電池用セパレータは、ポリオレフィン多孔質フィルムの他に、接着層、耐熱層、保護層等のその他の層をさらに備えていてもよい。
多孔質層は、非水電解液二次電池を構成する部材として、前記非水電解液二次電池用セパレータと、前記正極板及び前記負極板の少なくともいずれかとの間に配置されている。前記多孔質層は、非水電解液二次電池用セパレータの片面又は両面に形成され得る。或いは、前記多孔質層は、前記正極板及び前記負極板の少なくともいずれかの活物質層上に形成され得る。或いは、前記多孔質層は、前記非水電解液二次電池用セパレータと、前記正極板及び前記負極板の少なくともいずれかとの間に、これらと接するように配置されてもよい。
(ポリオレフィン多孔質フィルム)
多孔質フィルムに占めるポリオレフィンの割合は、多孔質フィルム全体の50体積%以上であり、90体積%以上であることがより好ましく、95体積%以上であることがさらに好ましい。また、前記ポリオレフィンには、重量平均分子量が5×10〜15×10の高分子量成分が含まれていることがより好ましい。特に、ポリオレフィンに重量平均分子量が100万以上の高分子量成分が含まれていると、非水電解液二次電池用セパレータの強度が向上するのでより好ましい。
熱可塑性樹脂である前記ポリオレフィンとしては、具体的には、例えば、エチレン、プロピレン、1−ブテン、4−メチル−1−ペンテンおよび1−ヘキセン等の単量体を重合してなる、単独重合体または共重合体が挙げられる。前記単独重合体としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテンを挙げることができる。また、前記共重合体としては、例えばエチレン−プロピレン共重合体を挙げることができる。
このうち、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)することができるため、ポリエチレンがより好ましい。当該ポリエチレンとしては、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、線状ポリエチレン(エチレン−α−オレフィン共重合体)、重量平均分子量が100万以上の超高分子量ポリエチレン等が挙げられ、このうち、重量平均分子量が100万以上の超高分子量ポリエチレンがさらに好ましい。
多孔質フィルムの膜厚は、4〜40μmであることが好ましく、5〜30μmであることがより好ましく、6〜15μmであることがさらに好ましい。
多孔質フィルムの単位面積当たりの目付は、強度、膜厚、重量およびハンドリング性を考慮して適宜決定すればよい。ただし、非水電解液二次電池の重量エネルギー密度および体積エネルギー密度を高くすることができるように、前記目付は、4〜20g/mであることが好ましく、4〜12g/mであることがより好ましく、5〜10g/mであることがさらに好ましい。
多孔質フィルムの透気度は、ガーレ値で30〜500sec/100mLであることが好ましく、50〜300sec/100mLであることがより好ましい。多孔質フィルムが前記透気度を有することにより、充分なイオン透過性を得ることができる。
多孔質フィルムの空隙率は、電解液の保持量を高めると共に、過大電流が流れることをより低温で確実に阻止(シャットダウン)する機能を得ることができるように、20〜80体積%であることが好ましく、30〜75体積%であることがより好ましい。また、多孔質フィルムが有する細孔の孔径は、充分なイオン透過性を得ることができ、かつ、正極および負極への粒子の入り込みを防止することができるように、0.3μm以下であることが好ましく、0.14μm以下であることがより好ましい。
本発明の一実施形態における多孔質フィルムは、例えば、以下に示すような方法により製造することができる。
すなわち、(1)超高分子量ポリエチレンと、重量平均分子量1万以下の低分子量ポリオレフィンと、炭酸カルシウムまたは可塑剤等の孔形成剤とを混練してポリオレフィン樹脂組成物を得る工程、(2)前記ポリオレフィン樹脂組成物を圧延ロールにて圧延してシートを成形する工程(圧延工程)、(3)工程(2)で得られたシート中から孔形成剤を除去する工程、(4)工程(3)で得られたシートを延伸して多孔質フィルムを得る工程、を含む方法により得ることができる。
ここで、多孔質フィルムの細孔の構造(細孔の毛細管力、細孔の壁の面積、多孔質フィルム内部の残応力)は、工程(4)における延伸時の歪速度、および、延伸後フィルム単位厚み当たりの延伸後の熱固定処理(アニール処理)の温度(延伸後フィルム単位厚み当たりの熱固定温度)に影響される。そのため、当該歪速度および延伸後フィルム単位厚み当たりの熱固定温度を調整することで、多孔質フィルムの細孔の構造を前記の単位面積当たりの樹脂量に対する温度上昇収束時間を制御することができる。
具体的には、歪速度をX軸、延伸後フィルム単位厚み当たりの熱固定温度をY軸としたグラフ上の(500%毎分,1.5℃/μm)、(900%,14.0℃/μm)、(2500%,11.0℃/μm)3点を頂点とする三角形の内側の範囲で、当該歪速度と延伸後フィルム単位厚み当たりの熱固定温度を調整することで、本願発明の非水電解液二次電池を構成する多孔質フィルムを得られる傾向がある。好ましくは、頂点が(600%毎分,5.0℃/μm)、(900%,12.5℃/μm)、(2500%,11.0℃/μm)の3点である三角形の内側の条件に、当該歪速度と延伸後フィルム単位厚み当たりの熱固定温度を調整する。
水を含むN−メチルピロリドンを含んでいる多孔質フィルムにマイクロ波を照射すると、水の振動エネルギーにより発熱する。発生した熱は、水を含むN−メチルピロリドンが接触している多孔質フィルムの樹脂に伝わる。そして、発熱速度と樹脂への伝熱による放冷速度とが平衡化した時点で、温度上昇が収束する。そのため、昇温が収束するまでの時間(温度上昇収束時間)は、多孔質フィルムに含まれる液体(ここでは水を含むN−メチルピロリドン)と、多孔質フィルムを構成する樹脂との接触の程度と関係する。多孔質フィルムに含まれる液体と、多孔質フィルムを構成する樹脂との接触の程度は、多孔質フィルムの細孔内の毛細管力および細孔の壁の面積と密接に関係しているため、上記の温度上昇収束時間により多孔質フィルムの細孔の構造(細孔内の毛細管力および細孔の壁の面積)を評価することができる。具体的には、温度上昇収束時間が短いほど、細孔内の毛細管力が大きく、細孔の壁の面積が大きいことを示している。
また、多孔質フィルムに含まれる液体と、多孔質フィルムを構成する樹脂との接触の程度は、液体が多孔質フィルムの細孔内を移動しやすいときほど、大きくなるものと考えられる。そのため、温度上昇収束時間により、多孔質フィルムから電極への電解液の供給能を評価することができる。具体的には、温度上昇収束時間が短いほど、多孔質フィルムから電極への電解液の供給能が高いことを示している。
本発明の一実施形態におけるポリオレフィン多孔質フィルムは、3重量%の水を含むN−メチルピロリドンに含浸させた後、周波数2455MHzのマイクロ波を出力1800Wで照射したときの、単位面積当たりの樹脂量に対する温度上昇収束時間が2.9〜5.7秒・m/gであり、好ましくは2.9〜5.3秒・m/gである。
なお、マイクロ波の照射を開始するときの、3重量%の水を含むN−メチルピロリドンに含浸した多孔質フィルムの温度は、29℃±1℃の範囲とする。また、温度上昇収束時間の測定は、装置内温が常温(例えば30℃±3℃)の大気下にて行う。
単位面積当たりの樹脂量に対する温度上昇収束時間が2.9秒・m/g未満である場合、多孔質フィルムの細孔内の毛細管力および細孔の壁の面積が大きくなりすぎ、充放電サイクル中や、大電流条件での作動時に電解液が細孔内を移動するときの細孔の壁が受ける応力が増大することにより細孔が閉塞し、電池出力特性が低下する。
一方、単位面積当たりの樹脂量に対する温度上昇収束時間が5.7秒・m/gを超えると、多孔質フィルムの細孔内を液体が移動しにくくなるとともに、多孔質フィルムを非水電解液二次電池用のセパレータとして使用した場合の、多孔質フィルムと電極との界面付近における電解液の移動速度が遅くなるため、電池のレート特性が低下する。加えて、電池の充放電を繰り返した際、セパレータ電極界面や多孔質フィルムの内部に局所的な電解液枯渇部発生し易くなる。その結果、電池内部の抵抗増大を招き、非水電解液二次電池の充放電サイクル後のレート特性が低下する。
これに対し、単位面積当たりの樹脂量に対する温度上昇収束時間を2.9〜5.7秒・m/gとすることにより、初期レート特性に優れ、さらに、充放電サイクル後のレート特性の低下を抑制することができるのみならず、後述する実施例で示されるように、充放電100サイクル目の容量維持率を向上させることができる。
なお、多孔質フィルムに多孔質層またはその他の層が積層されている場合、当該多孔質フィルムの物性値は、多孔質フィルムと多孔質層またはその他の層とを含む積層体から、当該多孔質層およびその他の層を取り除いて測定することができる。前記積層体から多孔質層およびその他の層を取り除く方法としては、N−メチルピロリドンまたはアセトン等の溶剤によって多孔質層およびその他の層を構成する樹脂を溶解除去する方法などが挙げられる。
(多孔質層)
本発明の一実施形態において、前記多孔質層は、非水電解液二次電池を構成する部材として、前記非水電解液二次電池用セパレータと、前記正極板及び前記負極板の少なくともいずれかとの間に配置されている。前記多孔質層は、非水電解液二次電池用セパレータの片面又は両面に形成され得る。或いは、前記多孔質層は、前記正極板および前記負極板の少なくともいずれかの活物質層上に形成され得る。或いは、前記多孔質層は、前記非水電解液二次電池用セパレータと、前記正極板及び前記負極板の少なくともいずれかとの間に、これらと接するように配置されてもよい。非水電解液二次電池用セパレータと、正極板および負極板の少なくともいずれかと、の間に配置される多孔質層は1層でもよく2層以上であってもよい。
前記多孔質層は、樹脂を含む絶縁性の多孔質層であることが好ましい。
前記多孔質層に含まれ得る樹脂は、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。多孔質フィルムの片面に多孔質層が積層される場合には、当該多孔質層は、好ましくは、多孔質フィルムにおける非水電解液二次電池の正極板と対向する面に積層され、より好ましくは、前記正極板と接する面に積層される。
本発明の一実施形態における多孔質層は、PVDF系樹脂を含有する多孔質層であって、前記PVDF系樹脂中の、α型結晶とβ型結晶の含有量の合計を100モル%とした場合の、前記α型結晶の含有量が、35.0モル%以上であることを特徴とする。
ここで、α型結晶の含有量は、前記多孔質層の19F−NMRスペクトルにおける、−76ppm付近にて観測される(α/2)の波形分離、および、−95ppm付近にて観測される{(α/2)+β}の波形分離から算出される。
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おけ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、前記多孔質層は、当該セパレータの最外層として、電極と接着する層となり得る。
PVDF系樹脂としては、例えば、フッ化ビニリデンのホモポリマー;フッ化ビニリデンと他の共重合可能なモノマーとの共重合体;これらの混合物;が挙げられる。フッ化ビニリデンと共重合可能なモノマーとしては、例えば、ヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン、トリフルオロエチレン、トリクロロエチレン、フッ化ビニル等が挙げられ、1種類または2種類以上を用いることができる。PVDF系樹脂は、乳化重合または懸濁重合で合成し得る。
PVDF系樹脂は、その構成単位としてフッ化ビニリデンが通常、85モル%以上、好ましくは90モル%以上、より好ましくは95モル%以上、更に好ましくは98モル%以上含まれている。フッ化ビニリデンが85モル%以上含まれていると、電池製造時の加圧や加熱に耐え得る機械的強度と耐熱性とを確保し易い。
また、多孔質層は、例えば、ヘキサフルオロプロピレンの含有量が互いに異なる2種類のPVDF系樹脂(下記第一の樹脂と第二の樹脂)を含有する態様も好ましい。
・第一の樹脂:ヘキサフルオロプロピレンの含有量が0モル%を超え、1.5モル%以下であるフッ化ビニリデン/ヘキサフルオロプロピレン共重合体、またはフッ化ビニリデン単独重合体。
・第二の樹脂:ヘキサフルオロプロピレンの含有量が1.5モル%を超えるフッ化ビニリデン/ヘキサフルオロプロピレン共重合体。
前記2種類のPVDF系樹脂を含有する多孔質層は、何れか一方を含有しない多孔質層に比べて、電極との接着性が向上する。また、前記2種類のPVDF系樹脂を含有する多孔質層は、何れか一方を含有しない多孔質層に比べて、非水電解液二次電池用セパレータを構成する他の層(例えば、多孔質フィルム層)との接着性が向上し、これら層間の剥離力が向上する。第一の樹脂と第二の樹脂との質量比は、15:85〜85:15の範囲が好ましい。
PVDF系樹脂は、重量平均分子量が20万〜300万の範囲であることが好ましく、より好ましくは20万〜200万の範囲であり、さらに好ましくは50万〜150万の範囲である。重量平均分子量が20万以上であると、多孔質層と電極との十分な接着性が得られる傾向がある。一方、重量平均分子量が300万以下であると、成形性に優れる傾向がある。
本発明の一実施形態における多孔質層は、PVDF系樹脂以外の他の樹脂として、スチレン−ブタジエン共重合体;アクリロニトリルやメタクリロニトリル等のビニルニトリル類の単独重合体または共重合体;ポリエチレンオキサイドやポリプロピレンオキサイド等のポリエーテル類;等を含み得る。
本発明の一実施形態における多孔質層は、フィラーを含み得る。前記フィラーは、無機フィラーまたは有機フィラーであり得る。前記フィラーの含有量は、前記PVDF系樹脂および前記フィラーの総量に占める前記フィラーの割合が、1質量%以上、99質量%以下であることが好ましく、10質量%以上、98質量%以下であることがより好ましい。前記フィラーの割合の下限値は、50質量%以上でもよく、70質量%以上でもよく、90質量%以上でもよい。有機フィラー及び無機フィラー等のフィラーとしては、従来公知のものを使用することができる。
多孔質層の平均膜厚は、電極との接着性および高エネルギー密度を確保する観点から、一層あたり0.5μm〜10μmの範囲であることが好ましく、1μm〜5μmの範囲であることがより好ましい。
多孔質層の膜厚が一層あたり0.5μm以上であると、非水電解液二次電池の破損等による内部短絡を充分に抑制することができ、また、多孔質層における電解液の保持量が充分となる。
一方、多孔質層の膜厚が一層あたり10μmを超えると、非水電解液二次電池において、リチウムイオンの透過抵抗が増加するので、サイクルを繰り返すと非水電解液二次電池の正極が劣化し、レート特性およびサイクル特性が低下する。また、正極および負極間の距離が増加するので非水電解液二次電池の内部容積効率が低下する。
本実施形態における多孔質層は、非水電解液二次電池用セパレータと正極板が備える正極活物質層との間に配置されるのが好ましい。多孔質層の物性に関する下記説明においては、非水電解液二次電池としたときに、非水電解液二次電池用セパレータと正極板が備える正極活物質層との間に配置された多孔質層の物性を少なくとも指す。
多孔質層の単位面積当たりの目付(一層あたり)は、多孔質層の強度、膜厚、重量、およびハンドリング性を考慮して適宜決定すればよい。多孔質層の塗工量(目付)は、一層あたり0.5〜20g/mであることが好ましく、0.5〜10g/mであることがより好ましい。
多孔質層の単位面積当たりの目付をこれらの数値範囲とすることにより、当該多孔質層を備えた非水電解液二次電池の重量エネルギー密度や体積エネルギー密度を高くすることができる。多孔質層の目付が前記範囲を超える場合には、非水電解液二次電池が重くなる。
多孔質層の空隙率は、充分なイオン透過性を得ることができるように、20〜90体積%であることが好ましく、30〜80体積%であることがより好ましい。また、多孔質層が有する細孔の孔径は、1.0μm以下であることが好ましく、0.5μm以下であることがより好ましい。細孔の孔径をこれらのサイズとすることにより、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を備える非水電解液二次電池は、充分なイオン透過性を得ることができる。
前記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30〜1000sec/100mLであることが好ましく、50〜800sec/100mLであることがより好ましい。非水電解液二次電池用積層セパレータは、前記透気度を有することにより、非水電解液二次電池において、充分なイオン透過性を得ることができる。
透気度が前記範囲を超える場合には、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非水電解液二次電池用積層セパレータの積層構造が粗になっていることを意味し、結果として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おそれがある。一方、透気度が前記範囲未満の場合には、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。
(PVDF系樹脂の結晶形)
本発明の一実施形態に使用される多孔質層に含まれるPVDF系樹脂において、α型結晶およびβ型結晶の含有量の合計を100モル%とした場合のα型結晶の含有量は、35.0モル%以上であり、好ましくは37.0モル%以上であり、より好ましくは40.0モル%以上であり、さらに好ましくは44.0モル%以上である。また、好ましくは90.0モル%以下である。前記α型結晶の含有量が上述の範囲である前記多孔質層は、充放電100サイクル目の容量維持率に優れた非水二次電池、特に非水二次電池用積層セパレータまたは非水電解液二次電池用電極を構成する部材として好適に利用される。
非水電解液二次電池は、充放電時に生じる発熱により、充放電を繰り返す場合には、非水電解液二次電池内の温度が高温となる。PVDF系樹脂の融点は、α型結晶の方が、β型結晶よりも高く、熱による塑性変形を起し難い。
本発明の一実施形態における多孔質層では、多孔質層を構成するPVDF系樹脂のα型結晶の割合を一定以上の割合にする事により、充放電を繰り返す時の発熱によるPVDF系樹脂の変形に起因した多孔質層内部構造の変形や空隙の閉塞等を低減させ、結果として電池の性能低下を抑制することができる。
α型結晶のPVDF系樹脂は、PVDF系樹脂を構成する重合体に含まれるPVDF骨格において、前記骨格中の分子鎖にある1つの主鎖炭素原子に結合するフッ素原子(または水素原子)に対し、一方の隣接する炭素原子に結合した水素原子(またはフッ素原子)がトランスの位置に存在し、かつ、もう一方(逆側)に隣接する炭素原子に結合する水素原子(またはフッ素原子)がゴーシュの位置(60°の位置)に存在し、その立体構造の連鎖が2つ以上連続する、
Figure 2019110073
であることを特徴とするものであって、分子鎖が、
Figure 2019110073
型でC−F、C−H結合の双極子能率が分子鎖に垂直な方向と平行な方向とにそれぞれ成分を有している。
α型結晶のPVDF系樹脂は、19F−NMRスペクトルにおいて、−95ppm付近、−78ppm付近に特徴的なピークを有する。
β型結晶のPVDF系樹脂は、PVDF系樹脂を構成する重合体に含まれるPVDF骨格において、前記骨格中の分子鎖の1つの主鎖炭素に隣り合う炭素原子に結合したフッ素原子と水素原子がそれぞれトランスの立体配置(TT型構造)、すなわち隣り合う炭素原子に結合するフッ素原子と水素原子とが、炭素−炭素結合の方向から見て180°の位置に存在することを特徴とする。
β型結晶のPVDF系樹脂は、PVDF系樹脂を構成する重合体に含まれるPVDF骨格において、前記骨格全体が、TT型構造を有していてもよい。また、前記骨格の一部がTT型構造を有し、かつ、少なくとも4つの連続するPVDF単量体単位のユニットにおいて前記TT型構造の分子鎖を有するものであってもよい。何れの場合もTT型構造の部分がTT型の主鎖を構成する炭素−炭素結合は、平面ジグザグ構造を有し、C−F、C−H結合の双極子能率が分子鎖に垂直な方向の成分を有している。
β型結晶のPVDF系樹脂は、19F−NMRスペクトルにおいて、−95ppm付近に特徴的なピークを有する。
(PVDF系樹脂におけるα型結晶、β型結晶の含有率の算出方法)
本発明の一実施形態に係る多孔質層における、α型結晶とβ型結晶の含有量の合計を100モル%とした場合の、α型結晶の含有率およびβ型結晶の含有率は、前記多孔質層から得られる19F−NMRスペクトルから算出され得る。具体的な算出方法は、例えば、以下の通りである。
(1)PVDF系樹脂を含有する多孔質層に対して、以下の条件にて19F−NMRスペクトルを測定する。
測定条件
測定装置:Bruker Biospin社製 AVANCE400
測定方法:シングルパルス法
観測核:19F
スペクトル幅:100kHz
パルス幅:3.0s(90°パルス)
パルス繰り返し時間:5.0s
基準物質:C(外部基準:−163.0ppm)
温度:22℃
試料回転数:25kHz
(2)(1)にて得られた19F−NMRスペクトルにおける−78ppm付近のスペクトルの積分値を算出し、α/2量とする。
(3)(2)と同様に、(1)にて得られた19F−NMRスペクトルにおける−95ppm付近のスペクトルの積分値を算出し、{(α/2)+β}量とする。
(4)(2)および(3)にて得られた積分値から、以下の式(1)にて、α型結晶とβ型結晶の含有量の合計を100モル%とした場合のα型結晶の含有率(α比とも称する)を算出する。
α比(モル%)=〔(−78ppm付近の積分値)×2/{(−95ppm付近の積分値)+(−78ppm付近の積分値)}〕×100 (1)
(5)(4)にて得られたα比の値から、以下の式(2)にて、α型結晶とβ型結晶の含有量の合計を100モル%とした場合のβ型結晶の含有率(β比とも称する)を算出する。
β比(モル%)=100(モル%)−α比(モル%) (2)。
(多孔質層、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おける多孔質層および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、特に限定されず、種々の方法が挙げられる。
例えば、基材となる多孔質フィルムの表面上に、以下に示す工程(1)〜(3)の何れかの1つの工程を用いて、PVDF系樹脂および任意でフィラーを含む多孔質層を形成する。工程(2)および(3)の場合においては、多孔質層を析出させた後にさらに乾燥させ、溶媒を除去することによって、製造され得る。なお、工程(1)〜(3)における塗工液は、フィラーを含む多孔質層の製造に使用する場合には、フィラーが分散しており、かつ、PVDF系樹脂が溶解している状態であることが好ましい。
本発明の一実施形態における多孔質層の製造方法に使用される塗工液は、通常、前記多孔質層に含まれる樹脂を溶媒に溶解させると共に、前記多孔質層に含まれるフィラーを分散させることにより調製され得る。
(1)前記多孔質層を形成するPVDF系樹脂および任意でフィラーを含む塗工液を、多孔質フィルム上に塗工し、前記塗工液中の溶媒(分散媒)を乾燥除去することによって多孔質層を形成させる工程。
(2)(1)に記載の塗工液を、前記多孔質フィルムの表面に塗工した後、その多孔質フィルムを前記PVDF系樹脂に対して貧溶媒である、析出溶媒に浸漬することによって、多孔質層を析出させる工程。
(3)(1)に記載の塗工液を、前記多孔質フィルムの表面に塗工した後、低沸点有機酸を用いて、前記塗工液の液性を酸性にすることによって、多孔質層を析出させる工程。
前記塗工液における溶媒(分散媒)としては、例えば、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、アセトン、および水が挙げられる。
前記析出溶媒としては、例えば、イソプロピルアルコールまたはt−ブチルアルコールを用いることが好ましい。
前記工程(3)において、低沸点有機酸としては、例えば、パラトルエンスルホン酸、酢酸等を使用することができる。
前記塗工液は、前記樹脂および微粒子以外の成分として、分散剤や可塑剤、界面活性剤、pH調整剤等の添加剤を適宜含んでいてもよい。
なお、前記基材には、多孔質フィルムの他に、その他のフィルム、正極板および負極板などを用いることができる。
塗工液の基材への塗布方法としては、従来公知の方法を採用することができ、具体的には、例えば、グラビアコーター法、ディップコーター法、バーコーター法、およびダイコーター法等が挙げられる。
(PVDF系樹脂の結晶形の制御方法)
本発明の一実施形態における多孔質層に含まれるPVDF系樹脂の結晶形は、上述の方法における乾燥温度、乾燥時の風速および風向などの乾燥条件およびPVDF系樹脂を含む多孔質層を析出溶媒または低沸点有機酸を用いて析出させる場合の析出温度で制御することができる。
前記PVDF系樹脂において、α型結晶とβ型結晶の含有量の合計を100モル%とした場合の、α型結晶の含有量を35.0モル%以上とするための前記乾燥条件および前記析出温度は、前記多孔質層の製造方法、使用する溶媒(分散媒)、析出溶媒および低沸点有機酸の種類等によって適宜変更され得る。
前記工程(1)のように単に塗工液を乾燥させる場合には、前記乾燥条件は、塗工液における、溶媒、PVDF系樹脂の濃度、および、フィラーが含まれる場合には、含まれるフィラーの量、並びに、塗工液の塗工量などによって適宜変更され得る。前記工程(1)にて多孔質層を形成する場合は、乾燥温度は30℃〜100℃であることが好ましく、乾燥時における熱風の風向は塗工液を塗工した多孔質フィルムまたは電極シートに対して垂直方向であることが好ましく、風速は0.1m/s〜40m/sであることが好ましい。具体的には、PVDF系樹脂を溶解させる溶媒としてN−メチル−2−ピロリドン、PVDF系樹脂を1.0質量%、無機フィラーとしてアルミナを9.0質量%含む塗工液を塗布する場合には、前記乾燥条件を、乾燥温度:40℃〜100℃とし、乾燥時における熱風の風向:塗工液を塗工した多孔質フィルムまたは電極シートに対して垂直方向とし、風速:0.4m/s〜40m/sとすることが好ましい。
また、前記工程(2)にて多孔質層を形成する場合は、析出温度は−25℃〜60℃であることが好ましく、乾燥温度は20℃〜100℃であることが好ましい。具体的には、PVDF系樹脂を溶解させる溶媒としてN−メチルピロリドンを使用し、析出溶媒としてイソプロピルアルコールを使用して、工程(2)にて多孔質層を形成する場合は、析出温度は−10℃〜40℃とし、乾燥温度は30℃〜80℃とすることが好ましい。
<正極板>
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正極板は、後述のように耐折試験において測定される折り曲げ回数が特定の範囲であれば特に限定されない。例えば、正極活物質層として、正極活物質、導電剤および結着剤を含む正極合剤を正極集電体上に担持したシート状の正極板が用いられる。なお、正極板は、正極集電体の両面上に正極合剤を担持してもよく、正極集電体の片面上に正極合剤を担持してもよい。
前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、遷移金属酸化物が好ましい。遷移金属酸化物として、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。
前記導電剤としては、天然黒鉛、人造黒鉛、コークス類、カーボンブラック、熱分解炭素類、炭素繊維、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。前記導電剤は、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。
前記結着剤としては、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、ポリエチレンおよびポリプロピレン等の熱可塑性樹脂、アクリル樹脂、並びに、スチレンブタジエンゴムが挙げられる。尚、結着剤は、増粘剤としての機能も有している。
前記正極集電体としては、例えば、Al、Ni、ステンレス等の導電体が挙げられる。なかでも、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。
<負極板>
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負極板は、後述のように耐折試験において測定される折り曲げ回数が特定の範囲であれば特に限定されない。例えば、負極活物質層として、負極活物質を含む負極合剤を負極集電体上に担持したシート状の負極が用いられる。シート状の負極板には、好ましくは前記導電剤および前記結着剤が含まれる。なお、負極板は、負極集電体の両面上に負極合剤を担持してもよく、負極集電体の片面上に負極合剤を担持してもよい。
前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。導電剤、結着剤としては、前記正極活物質層に含まれ得る導電剤、結着剤として記載したものを使用することができる。
前記負極集電体としては、例えば、Cu、Ni、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。
<折り曲げ回数>
本発明の一実施形態における正極板および負極板は、JIS P 8115(1994)に規定されたMIT試験機法に準拠して実施した耐折試験において、活物質層が剥がれるまでの折り曲げ回数が特定の範囲である。前記耐折試験は、荷重1N、折り曲げ角度45°にて実施される。非水電解液二次電池では、充放電サイクルの過程で、活物質の膨張および収縮が起こり得る。前記耐折試験により測定された、電極活物質層が剥がれるまでの折り曲げ回数が多いほど、電極全体が活物質の膨張および収縮に等方的に追従しやすい。従って、前記折り曲げ回数が多いほど、電極活物質層内部に含まれる成分(活物質、導電剤およびバインダー)同士の密着性、および、電極活物質層と集電体との密着性が維持されやすいことを表す。それゆえ、充放電サイクルの過程での非水電解液二次電池の劣化が抑制される。
前記耐折試験において、正極板は、電極活物質層が剥がれるまでの折り曲げ回数が130回以上であることが好ましく、150回以上であることがより好ましい。また、前記耐折試験において、負極板は、電極活物質層が剥がれるまでの折り曲げ回数が1650回以上であることが好ましく、1800回以上であることがより好ましく、2000回以上であることがさらに好ましい。
図1は、MIT試験機法に用いられるMIT試験機の概略を示す模式図である。x軸は水平方向を表し、y軸は鉛直方向を表す。MIT試験機法の概要を以下に説明する。試験片の長手方向の一端をばね荷重クランプで挟み、もう一端を折り曲げクランプで挟んで固定する。ばね荷重クランプは錘とつながっている。前記耐折試験では、この錘による荷重が1Nである。これにより試験片は、長手方向にテンションがかかった状態となる。この状態において、試験片の長手方向は鉛直方向と平行である。そして、折り曲げクランプを回転させることにより、試験片を折り曲げる。前記耐折試験では、この際の折り曲げ角度が45°である。すなわち、試験片は左右に45°に折り曲げられる。また、試験片を折り曲げる速度は、175往復/分である。
<正極板および負極板の製造方法>
シート状の正極板の製造方法としては、例えば、正極活物質、導電剤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、導電剤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、次いで、湿潤状態で、または乾燥した後に加圧することにより、正極集電体に固着する方法;等が挙げられる。
同様に、シート状の負極板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、次いで、湿潤状態で、または乾燥した後に加圧することにより、負極集電体に固着する方法;等が挙げられる。前記ペーストには、好ましくは前記導電剤および前記結着剤が含まれる。
ここで、加圧を行う時間、圧力、または加圧方法等を調整することにより、上述の折り曲げ回数を制御することができる。加圧を行う時間は、1〜3600秒が好ましく、より好ましくは1〜300秒である。加圧は、正極板または負極板を拘束することにより、行われてもよい。本明細書では、拘束による圧力を拘束圧とも称する。拘束圧は、0.01〜10MPaが好ましく、より好ましくは0.01〜5MPaである。また、有機溶媒を用いて正極板または負極板を湿潤させた状態で加圧してもよい。これによって、電極活物質層内部に含まれる成分同士の密着性、および、電極活物質層と集電体との密着性が向上し得る。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。
<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含まれ得る非水電解液は、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ない。前記非水電解液としては、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。前記リチウム塩は、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。前記有機溶媒は、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を製造する方法として、例えば、前記正極、多孔質層、非水電解液二次電池用セパレータ、および負極をこの順で配置し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方法を挙げることができる。
本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池は、上述したように、ポリオレフィン多孔質フィルムを含む非水電解液二次電池用セパレータと、多孔質層と、正極板と、負極板と、を備えている。特に、本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池は、以下の(i)〜(iv)の要件を充足する。
(i)多孔質層に含まれるポリフッ化ビニリデン系樹脂は、α型結晶とβ型結晶の含有量の合計を100モル%とした場合、前記α型結晶の含有量が、35.0モル%以上である。
(ii)正極板は、JIS P 8115(1994)に規定されたMIT試験機法に準拠し、荷重1N、折り曲げ角度45°にて実施した耐折試験において、電極活物質層が剥がれるまでの折り曲げ回数が130回以上のものである。
(iii)負極板は、JIS P 8115(1994)に規定されたMIT試験機法に準拠し、荷重1N、折り曲げ角度45°にて実施した耐折試験において、電極活物質層が剥がれるまでの折り曲げ回数が1650回以上のものである。
(iv)多孔質フィルムは、3重量%の水を含むN−メチルピロリドンに含浸させた後、周波数2455MHzのマイクロ波を出力1800Wで照射したときの、単位面積当たりの樹脂量に対する温度上昇収束時間が2.9〜5.7秒・m/gである。
(iv)の要件によって、本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池では、ポリオレフィン多孔質フィルムから電極への電解液の供給能、細孔内の毛細管力、および、細孔内の壁の面積、を特定の範囲に制御し、これによって、電解液の枯渇、および、細孔の閉塞、を防ぐことができる。また、(i)の要件によって、本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池では、高温におけるポリフッ化ビニリデン系樹脂の塑性変形を抑制し、これによって、多孔質層の、構造変化および空隙閉塞を防ぐことができる。更に、(ii)および(iii)の要件によって、電極活物質層内部に含まれる成分同士の密着性、および、電極活物質層と集電体との密着性が維持されやすい。
したがって、前記(i)〜(iv)の要件を充足する非水電解液二次電池では、(a)充放電サイクルに伴う、ポリオレフィン多孔質フィルムおよび多孔質層の内部の細孔構造の変形に伴う空隙閉塞による電解液の移動の妨害が低減され、並びに、(b)充放電サイクル時における、電極板の密着性を制御すること、が可能になる。その結果、前記(i)〜(iv)の要件を充足する非水電解液二次電池では、充放電100サイクル目の容量維持率が向上すると考えられる。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項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ついても本発明の技術的範囲に含まれる。
以下、実施例および比較例により、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
[測定方法]
実施例および比較例における各測定は以下の方法で行った。
(1)耐折試験
以下の実施例および比較例において得られた正極板または負極板から、長さ105mm×幅15mmの試験片を切り出した。この試験片を用いてMIT試験機法に準じ、耐折試験を行った。
耐折試験はMIT型耐折試験機(安田精機製)を用い、JIS P 8115(1994)に規定されたMIT試験機法に準じて、荷重:1N、折り曲げ部R:0.38mm、折り曲げ速度175往復/分とし、試験片の一端を固定し左右へ45度の角度に折り曲げることによって行った。
これにより、正極板または負極板から電極活物質層が剥がれるまでの折り曲げ回数を測定した。ここでの折り曲げ回数は、上記MIT型耐折試験機のカウンターに表示される往復折り曲げ回数のことである。
(2)膜厚(単位:μm)
多孔質フィルムの厚さは、株式会社ミツトヨ製の高精度デジタル測長機(VL−50)を用いて測定した。
(3)α比算出法
以下の実施例および比較例において得られた積層セパレータを約2cm×5cmの大きさに切り出した。前記(PVDF系樹脂におけるα型結晶、β型結晶の含有率の算出方法)の(1)〜(4)の手順に沿って、切り出された積層セパレータに含まれるPVDF系樹脂におけるα型結晶の含有率(α比)を測定した。
(4)マイクロ波照射時の温度上昇収束時間
以下の実施例および比較例において得られた多孔質フィルムから8cm×8cmの試験片を切り出し、重量W(g)を測定した。そして、目付(g/m)=W/(0.08×0.08)の式に従って目付を算出した。
次に、上記の試験片を3重量%の水を添加したN−メチルピロリドン(NMP)に含浸させた後、テフロン(登録商標)シート(サイズ:12cm×10cm)の上に広げ、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)で被覆された光ファイバー式温度計(アステック株式会社製、Neoptix Reflex 温度計)を挟むように半分に折り曲げた。
次に、ターンテーブルを備えたマイクロ波照射装置(ミクロ電子社製、9kWマイクロ波オーブン、周波数2455MHz)内に温度計を挟んだ状態の水添加NMP含浸試験片を固定した後、1800Wで2分間マイクロ波を照射した。なおマイクロ波照射直前のフィルム表面温度を、29±1℃に調節した。
上記マイクロ波照射時の装置内雰囲気温度は、27℃〜30℃であった。
そして、マイクロ波の照射を開始してからの試験片の温度変化を、上記の光ファイバー式温度計で、0.2秒ごとに測定した。当該温度測定において、1秒以上温度上昇がなかったときの温度を昇温収束温度とし、マイクロ波の照射を開始してから昇温収束温度に到達するまでの時間を温度上昇収束時間とした。このようにして得られた温度上昇収束時間を上記の目付で除算することにより、単位面積当たりの樹脂量に対する温度上昇収束時間を算出した。
(5)充放電100サイクル目の容量維持率
以下の工程(A)〜工程(B)に示す方法によって、実施例および比較例にて製造された非水電解液二次電池の充放電100サイクル目の容量維持率を測定した。
(A)初期充放電試験
実施例および比較例にて製造された充放電サイクルを経ていない新たな非水電解液二次電池に対して、電圧範囲;2.7〜4.1V、充電電流値0.2CのCC−CV充電(終止電流条件0.02C)、放電電流値0.2CのCC放電(1時間率の放電容量による定格容量を1時間で放電する電流値を1Cとする、以下も同様)を1サイクルとして、4サイクルの初期充放電を25℃にて実施した。ここでCC−CV充電とは、設定した一定の電流で充電し、所定の電圧に到達後、電流を絞りながら、その電圧を維持する充電方法である。またCC放電とは、設定した一定の電流で所定の電圧まで放電する方法であり、以下も同様である。
(B)充放電サイクル試験
前記初期充放電試験後の非水電解液二次電池を、電圧範囲;2.7〜4.2V、充電電流値1CのCC−CV充電(終止電流条件0.02C)、放電電流値10CのCC放電を1サイクルとして、100サイクルの充放電を55℃にて実施した。
このとき、100サイクル目の放電容量を1サイクル目の放電容量で除した値を100サイクル目の容量維持率として、表1に示した。
[実施例1]
[非水電解液二次電池用積層セパレータの製造]
超高分子量ポリエチレン粉末(GUR4032、ティコナ社製、重量平均分子量497万)の割合が70重量%、重量平均分子量1000のポリエチレンワックス(FNP−0115、日本精鑞社製)の割合が30重量%となるように両者を混合した。この超高分子量ポリエチレン粉末とポリエチレンワックスとの合計を100重量部として、この混合物100重量部に、酸化防止剤(Irg1010、チバ・スペシャリティ・ケミカルズ社製)0.4重量部、酸化防止剤(P168、チバ・スペシャリティ・ケミカルズ社製)0.1重量部、ステアリン酸ナトリウム1.3重量部を加え、更に全体積に対して36体積%となるように、平均粒径0.1μmの炭酸カルシウム(丸尾カルシウム社製)を加え、これらを粉末のままヘンシェルミキサーで混合した後、二軸混練機で溶融混練してポリオレフィン樹脂組成物とした。
次いで、該ポリオレフィン樹脂組成物を、表面温度が150℃の一対のロールにて圧延し、シートを作製した。このシートを、塩酸水溶液(塩酸4mol/L、非イオン系界面活性剤0.5重量%含有)に浸漬させることで炭酸カルシウムを除去した。続いて、前記シートを、100〜105℃、歪速度750%毎分の速度で、6.2倍に延伸し、膜厚16.3μmのフィルムを得た。さらに、当該フィルムに対して115℃の熱固定処理を行い、多孔質フィルム1を得た。
PVDF系樹脂(ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレンコポリマー)のN−メチル−2−ピロリドン(以下「NMP」と称する場合もある)溶液(株式会社クレハ製;商品名「L#9305」、重量平均分子量;1000000)である塗工液1を、多孔質フィルム1上に、ドクターブレード法により、塗工液中のPVDF系樹脂が1平方メートル当たり6.0gとなるように塗布した。
得られた塗布物を、塗膜が溶媒湿潤状態のままで2−プロパノール中に浸漬し、25℃で5分間静置させ、積層多孔質フィルム1を得た。得られた積層多孔質フィルム1を、浸漬溶媒湿潤状態で、さらに別の2−プロパノール中に浸漬し、25℃で5分間静置させ、積層多孔質フィルム1aを得た。得られた積層多孔質フィルム1aを65℃で5分間乾燥させて、多孔質層が積層された積層セパレータ1を得た。得られた積層セパレータ1の評価結果を表1示す。
[非水電解液二次電池の作製]
(正極板)
正極合剤(LiNi0.5Mn0.3Co0.2/導電剤/PVDF(重量比:92/5/3))が、正極集電体(アルミニウム箔)の片面に積層された正極板を得た。この正極板を、室温で30秒間拘束圧(0.7MPa)をかけた。
前記正極板を、正極活物質層が積層された部分の大きさが45mm×30mmであり、かつその外周に幅13mmで正極活物質層が積層されていない部分が残るように、切り取り正極板1とした。
(負極板)
負極合剤(天然黒鉛/スチレン−1,3−ブタジエン共重合体/カルボキシメチルセルロースナトリウム(重量比98/1/1))が、負極集電体(銅箔)の片面に積層された負極板を得た。この負極板を、室温で30秒間拘束圧(0.7MPa)をかけた。
前記負極板を、負極活物質層が積層された部分の大きさが50mm×35mmであり、かつその外周に幅13mmで負極活物質層が積層されていない部分が残るように、切り取り負極板1とした。
(非水電解液二次電池の組み立て)
前記正極板1、前記負極板1および積層セパレータ1を使用して、以下に示す方法にて非水電解液二次電池を製造した。
ラミネートパウチ内で、前記正極板1、多孔質層を正極側に対向させた積層セパレータ1、および負極板1をこの順で積層(配置)することにより、非水電解液二次電池用部材1を得た。このとき、正極板1の正極活物質層における主面の全部が、負極板1の負極活物質層における主面の範囲に含まれる(主面に重なる)ように、正極板1および負極板1を配置した。
続いて、非水電解液二次電池用部材1を、予め作製していた、アルミニウム層とヒートシール層とが積層されてなる袋に入れ、さらにこの袋に非水電解液を0.23mL入れた。前記非水電解液は、エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネートを3:5:2(体積比)で混合してなる混合溶媒に、LiPFを1mol/Lとなるように溶解して調製した。そして、袋内を減圧しつつ、当該袋をヒートシールすることにより、非水電解液二次電池1を作製した。
その後、上述の方法にて得られた非水電解液二次電池1の充放電100サイクル目の容量維持率の測定を行った。その結果を表1に示す。
[実施例2]
[非水電解液二次電池用積層セパレータの製造]
超高分子量ポリエチレン粉末(GUR4032、ティコナ社製、重量平均分子量497万)の割合が70重量%、重量平均分子量1000のポリエチレンワックス(FNP−0115、日本精鑞社製)の割合が30重量%となるように、両者を混合した。この超高分子量ポリエチレン粉末とポリエチレンワックスとの合計を100重量部として、この混合物100重量部に、酸化防止剤(Irg1010、チバ・スペシャリティ・ケミカルズ社製)0.4重量部、酸化防止剤(P168、チバ・スペシャリティ・ケミカルズ社製)0.1重量部、ステアリン酸ナトリウム1.3重量部を加え、更に全体積に対して36体積%となるように、平均粒径0.1μmの炭酸カルシウム(丸尾カルシウム社製)を加え、これらを粉末のままヘンシェルミキサーで混合した後、二軸混練機で溶融混練してポリオレフィン樹脂組成物とした。
次いで、該ポリオレフィン樹脂組成物を、表面温度が150℃の一対のロールにて圧延し、シートを作製した。このシートを、塩酸水溶液(塩酸4mol/L、非イオン系界面活性剤0.5重量%含有)に浸漬させることで炭酸カルシウムを除去した。続いて、前記シートを、100〜105℃、歪速度1250%毎分の速度で、6.2倍に延伸し、膜厚15.5μmのフィルムを得た。さらに、当該フィルムに対して120℃の熱固定処理を行い、多孔質フィルム2を得た。
多孔質フィルム2上に、実施例1と同様に塗工液1を塗布した。得られた塗布物を、塗膜が溶媒湿潤状態のままで2−プロパノール中に浸漬し、−10℃で5分間静置させ、積層多孔質フィルム2を得た。得られた積層多孔質フィルム2を浸漬溶媒湿潤状態で、さらに別の2−プロパノール中に浸漬し、25℃で5分間静置させ、積層多孔質フィルム2aを得た。得られた積層多孔質フィルム2aを30℃で5分間乾燥させて、多孔質層が積層された積層セパレータ2を得た。得られた積層セパレータ2の評価結果を表1に示す。
[非水電解液二次電池の作製]
積層セパレータ1の代わりに、積層セパレータ2を使用したこと以外は、実施例1と同様にして、非水電解液二次電池を作製した。作製した非水電解液二次電池を非水電解液二次電池2とした。
その後、上述の方法にて得られた非水電解液二次電池2の充放電100サイクル目の容量維持率の測定を行った。その結果を表1に示す。
[実施例3]
[非水電解液二次電池用積層セパレータの製造]
超高分子量ポリエチレン粉末(GUR4032、ティコナ社製、重量平均分子量497万)の割合が71重量%、重量平均分子量1000のポリエチレンワックス(FNP−0115、日本精鑞社製)の割合が29重量%となるように、両者を混合した。この超高分子量ポリエチレン粉末とポリエチレンワックスとの合計を100重量部として、この混合物100重量部に、酸化防止剤(Irg1010、チバ・スペシャリティ・ケミカルズ社製)0.4重量部、酸化防止剤(P168、チバ・スペシャリティ・ケミカルズ社製)0.1重量部、ステアリン酸ナトリウム1.3重量部を加え、更に全体積に対して37体積%となるように、平均粒径0.1μmの炭酸カルシウム(丸尾カルシウム社製)を加え、これらを粉末のままヘンシェルミキサーで混合した後、二軸混練機で溶融混練してポリオレフィン樹脂組成物とした。
次いで、該ポリオレフィン樹脂組成物を、表面温度が150℃の一対のロールにて圧延し、シートを作製した。このシートを、塩酸水溶液(塩酸4mol/L、非イオン系界面活性剤0.5重量%含有)に浸漬させることで炭酸カルシウムを除去し、続いて、前記シートを、100〜105℃、歪速度2100%毎分の速度で、7.0倍に延伸し、膜厚11.7μmのフィルムを得た。さらに、当該フィルムに対して123℃で熱固定処理を行い、多孔質フィルム3を得た。
多孔質フィルム3上に、実施例1と同様に塗工液1を塗布した。得られた塗布物を、塗膜が溶媒湿潤状態のままで2−プロパノール中に浸漬し、−5℃で5分間静置させ、積層多孔質フィルム3を得た。得られた積層多孔質フィルム3を浸漬溶媒湿潤状態で、さらに別の2−プロパノール中に浸漬し、25℃で5分間静置させ、積層多孔質フィルム3aを得た。得られた積層多孔質フィルム3aを30℃で5分間乾燥させて、多孔質層が積層された積層セパレータ3を得た。得られた積層セパレータ3の評価結果を表1に示す。
[非水電解液二次電池の作製]
積層セパレータ1の代わりに、積層セパレータ3を使用したこと以外は、実施例1と同様にして、非水電解液二次電池を作製した。作製した非水電解液二次電池を非水電解液二次電池3とした。
その後、上述の方法にて得られた非水電解液二次電池3の充放電100サイクル目の容量維持率の測定を行った。その結果を表1に示す。
[実施例4]
(正極板)
正極合剤(LiCoO/導電剤/PVDF(重量比:100/5/3))が、正極集電体(アルミニウム箔)の片面に積層された正極板を得た。この正極板をジエチルカーボネートで湿潤した状態で、室温で30秒間拘束圧(0.7MPa)をかけた。
前記正極板を、正極活物質層が積層された部分の大きさが45mm×30mmであり、かつその外周に幅13mmで正極活物質層が積層されていない部分が残るように、切り取り正極板2とした。
[非水電解液二次電池の作製]
負極板として、前記負極板1を用いた。また、積層セパレータ1の代わりに、前記積層セパレータ3を使用し、正極板として前記正極板2を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、非水電解液二次電池を作製した。作製した非水電解液二次電池を非水電解液二次電池4とした。
その後、上述の方法にて得られた非水電解液二次電池4の充放電100サイクル目の容量維持率の測定を行った。その結果を表1に示す。
[実施例5]
(負極板)
負極合剤(天然黒鉛/スチレン−1,3−ブタジエン共重合体/カルボキシメチルセルロースナトリウム(重量比98/1/1))が、負極集電体(銅箔)の片面に積層された負極板を得た。この負極板をジエチルカーボネートで湿潤した状態で、室温で30秒間拘束圧(0.7MPa)をかけた。
前記負極板を、負極活物質層が積層された部分の大きさが50mm×35mmであり、かつその外周に幅13mmで負極活物質層が積層されていない部分が残るように、切り取り負極板2とした。
[非水電解液二次電池の作製]
負極板として、前記負極板2を用いた。また、積層セパレータ1の代わりに、前記積層セパレータ3を使用したこと以外は、実施例1と同様にして、非水電解液二次電池を作製した。作製した非水電解液二次電池を非水電解液二次電池5とした。
その後、上述の方法にて得られた非水電解液二次電池5の充放電100サイクル目の容量維持率の測定を行った。その結果を表1に示す。
[実施例6]
(負極板)
負極合剤(人造球晶黒鉛/導電剤/PVDF(重量比85/15/7.5))が、負極集電体(銅箔)の片面に積層された負極板を得た。この負極板をジエチルカーボネートで湿潤した状態で、室温で30秒間拘束圧(0.7MPa)をかけた。
前記負極板を、負極活物質層が積層された部分の大きさが50mm×35mmであり、かつその外周に幅13mmで負極活物質層が積層されていない部分が残るように、切り取り負極板3とした。
[非水電解液二次電池の作製]
負極板として、前記負極板3を用いた。また、積層セパレータ1の代わりに、前記積層セパレータ3を使用したこと以外は、実施例1と同様にして、非水電解液二次電池を作製した。作製した非水電解液二次電池を非水電解液二次電池6とした。
その後、上述の方法にて得られた非水電解液二次電池6の充放電100サイクル目の容量維持率の測定を行った。その結果を表1に示す。
[実施例7]
[多孔質層、積層セパレータの作製]
PVDF系樹脂(株式会社アルケマ製;商品名「Kynar(登録商標)LBG」、重量平均分子量:590,000)を、固形分が10質量%となるように、N−メチル−2−ピロリドンに、65℃で30分間かけて撹拌し、溶解させた。得られた溶液をバインダー溶液として用いた。フィラーとして、アルミナ微粒子(住友化学株式会社製;商品名「AKP3000」、ケイ素の含有量:5ppm)を用いた。前記アルミナ微粒子、バインダー溶液、および溶媒(N−メチル−2−ピロリドン)を、下記割合となるように混合した。即ち、前記アルミナ微粒子90重量部に対してPVDF系樹脂が10重量部となるように、バインダー溶液を混合すると共に、得られる混合液における固形分濃度(アルミナ微粒子+PVDF系樹脂)が10重量%となるように溶媒を混合することで分散液を得た。実施例3にて作製した多孔質フィルム3上に、ドクターブレード法により、塗工液中のPVDF系樹脂が1平方メートル当たり6.0gとなるように塗布することにより、積層多孔質フィルム4を得た。積層多孔質フィルム4を65℃で5分間乾燥させることにより、多孔質層が積層された積層セパレータ4を得た。乾燥は、熱風風向を積層多孔質フィルム4に対して垂直方向とし、風速を0.5m/sとして実施した。得られた積層セパレータ4の評価結果を表1に示す。
[非水電解液二次電池の作製]
積層セパレータ1の代わりに、前記積層セパレータ4を使用したこと以外は、実施例1と同様にして、非水電解液二次電池を作製した。作製した非水電解液二次電池を非水電解液二次電池7とした。
その後、上述の方法にて得られた非水電解液二次電池7の充放電100サイクル目の容量維持率の測定を行った。その結果を表1に示す。
[比較例1]
[非水電解液二次電池用セパレータの作製]
実施例3と同様の方法で得られた塗布物を、塗膜が溶媒湿潤状態のままで2−プロパノール中に浸漬し、−78℃で5分間静置させ、積層多孔質フィルム5を得た。得られた積層多孔質フィルム5を浸漬溶媒湿潤状態で、さらに別の2−プロパノール中に浸漬し、25℃で5分間静置させ、積層多孔質フィルム5aを得た。得られた積層多孔質フィルム5aを30℃で5分間乾燥させて、積層セパレータ5を得た。得られた積層セパレータ5の評価結果を表1に示す。
[非水電解液二次電池の作製]
積層セパレータ1の代わりに、前記積層セパレータ5を使用した以外は、実施例1と同様の方法にて、非水電解液二次電池を作製した。得られた非水電解液二次電池を非水電解液二次電池8とした。
その後、上述の方法にて得られた非水電解液二次電池8の充放電100サイクル目の容量維持率の測定を行った。その結果を表1に示す。
[比較例2]
(正極板)
正極合剤(LiNi0.5Mn0.3Co0.2/導電剤/PVDF(重量比:92/5/3))が、正極集電体(アルミニウム箔)の片面に積層された正極板を得た。
前記正極板を、正極活物質層が積層された部分の大きさが45mm×30mmであり、かつその外周に幅13mmで正極活物質層が積層されていない部分が残るように、切り取り正極板3とした。
[非水電解液二次電池の作製]
正極板として、前記正極板3を用いた。また、積層セパレータ1の代わりに、前記積層セパレータ3を使用した以外は、実施例1と同様の方法にて、非水電解液二次電池を作製した。得られた非水電解液二次電池を非水電解液二次電池9とした。
その後、上述の方法にて得られた非水電解液二次電池9の充放電100サイクル目の容量維持率の測定を行った。その結果を表1に示す。
[比較例3]
(負極板)
負極合剤(天然黒鉛/スチレン−1,3−ブタジエン共重合体/カルボキシメチルセルロースナトリウム(重量比98/1/1))が、負極集電体(銅箔)の片面に積層された負極板を得た。
前記負極板を、負極活物質層が積層された部分の大きさが50mm×35mmであり、かつその外周に幅13mmで負極活物質層が積層されていない部分が残るように、切り取り負極板4とした。
[非水電解液二次電池の作製]
負極板として、前記負極板4を用いた。また、積層セパレータ1の代わりに、前記積層セパレータ3を使用した以外は、実施例1と同様の方法にて、非水電解液二次電池を作製した。得られた非水電解液二次電池を非水電解液二次電池10とした。
その後、上述の方法にて得られた非水電解液二次電池10の充放電100サイクル目の容量維持率の測定を行った。その結果を表1に示す。
Figure 2019110073
表1に記載の通り、実施例1〜7にて製造された非水電解液二次電池は、比較例1〜3にて製造された非水電解液二次電池よりも、充放電100サイクル目の容量維持率が優れていた。
つまり、非水電界液二次電池において、(i)多孔質層に含まれるポリフッ化ビニリデン系樹脂は、α型結晶とβ型結晶の含有量の合計を100モル%とした場合、前記α型結晶の含有量が、35.0モル%以上、(ii)正極板は、JIS P 8115(1994)に規定されたMIT試験機法に準拠し、荷重1N、折り曲げ角度45°にて実施した耐折試験において、電極活物質層が剥がれるまでの折り曲げ回数が130回以上のもの、(iii)負極板は、JIS P 8115(1994)に規定されたMIT試験機法に準拠し、荷重1N、折り曲げ角度45°にて実施した耐折試験において、電極活物質層が剥がれるまでの折り曲げ回数が1650回以上のもの、(iv)多孔質フィルムは、3重量%の水を含むN−メチルピロリドンに含浸させた後、周波数2455MHzのマイクロ波を出力1800Wで照射したときの、単位面積当たりの樹脂量に対する温度上昇収束時間が2.9〜5.7秒・m/gのもの、との4つの要件を充足することにより、当該非水電界液二次電池の充放電100サイクル目の容量維持率を向上させることができることが分った。すなわち、本発明の一実施形態に係る非水電界液二次電池は、充放電サイクルを繰り返した際の容量維持率に優れるといえる。
本発明の一実施形態に係る非水電界液二次電池は、充放電100サイクル目の容量維持率に優れるため、パーソナルコンピュータ、携帯電話および携帯情報端末などに用いる電池、並びに、車載用電池として好適に利用することができる。
本発明の態様1に係る非水電解液二次電池は、ポリオレフィン多孔質フィルムを含む非水電解液二次電池用セパレータと、ポリフッ化ビニリデン系樹脂を含有する多孔質層と、JIS P 8115(1994)に規定されたMIT試験機法に準拠し、荷重1N、折り曲げ角度45°にて実施した耐折試験において、電極活物質層が剥がれるまでの折り曲げ回数が130回以上である正極板と、前記耐折試験において、電極活物質層が剥がれるまでの折り曲げ回数が1650回以上である負極板と、を備え、前記ポリオレフィン多孔質フィルムは、3重量%の水を含むN−メチルピロリドンに含浸させた後、周波数2455MHzのマイクロ波を出力1800Wで照射したときの、単位面積当たりの樹脂量に対する温度上昇収束時間が2.9〜5.7秒・m/gであり、前記多孔質層は、前記非水電解液二次電池用セパレータと、前記正極板及び前記負極板の少なくともいずれかと、の間に配置されており、前記多孔質層に含まれる前記ポリフッ化ビニリデン系樹脂は、α型結晶とβ型結晶との含有量の合計を100モル%とした場合、前記α型結晶の含有量が、35.0モル%以上である、非水電解液二次電池である(ここで、α型結晶の含有量は、前記多孔質層の19F−NMRスペクトルにおける、−78ppm付近にて観測される(α/2)の波形分離、および、−95ppm付近にて観測される{(α/2)+β}の波形分離から算出される。)。
本発明の実施形態に係る非水電解液二次電池は、ポリオレフィン多孔質フィルムを含む非水電解液二次電池用セパレータ(以下、セパレータということがある)と、ポリフッ化ビニリデン系樹脂(以下、PVDF系樹脂とも称する)を含有する多孔質層と、JIS P 8115(1994)に規定されたMIT試験機法に準拠し、荷重1N、折り曲げ角度45°にて実施した耐折試験において、電極活物質層が剥がれるまでの折り曲げ回数が130回以上である正極板と、前記耐折試験において、電極活物質層が剥がれるまでの折り曲げ回数が1650回以上である負極板と、を備え、前記ポリオレフィン多孔質フィルムは、3重量%の水を含むN−メチルピロリドンに含浸させた後、周波数2455MHzのマイクロ波を出力1800Wで照射したときの、単位面積当たりの樹脂量に対する温度上昇収束時間が2.9〜5.7秒・m/gであり、前記多孔質層は、前記非水電解液二次電池用セパレータと、前記正極板及び前記負極板の少なくともいずれかと、の間に配置されており、前記多孔質層に含まれる前記ポリフッ化ビニリデン系樹脂は、α型結晶とβ型結晶の含有量の合計を100モル%とした場合の、前記α型結晶の含有量が、35.0モル%以上である:
(ここで、α型結晶の含有量は、前記多孔質層の19F−NMRスペクトルにおける、−78ppm付近にて観測される(α/2)の波形分離、および、−95ppm付近にて観測される{(α/2)+β}の波形分離から算出される。)。
ここで、α型結晶の含有量は、前記多孔質層の19F−NMRスペクトルにおける、−78ppm付近にて観測される(α/2)の波形分離、および、−95ppm付近にて観測される{(α/2)+β}の波形分離から算出される。
透気度が前記範囲未満の場合には、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非水電解液二次電池用積層セパレータの積層構造が粗になっていることを意味し、結果として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おそれがある。一方、透気度が前記範囲を超える場合には、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。

Claims (3)

  1. ポリオレフィン多孔質フィルムを含む非水電解液二次電池用セパレータと、
    ポリフッ化ビニリデン系樹脂を含有する多孔質層と、
    JIS P 8115(1994)に規定されたMIT試験機法に準拠し、荷重1N、折り曲げ角度45°にて実施した耐折試験において、電極活物質層が剥がれるまでの折り曲げ回数が130回以上である正極板と、
    前記耐折試験において、電極活物質層が剥がれるまでの折り曲げ回数が1650回以上である負極板と、を備え、
    前記ポリオレフィン多孔質フィルムは、3重量%の水を含むN−メチルピロリドンに含浸させた後、周波数2455MHzのマイクロ波を出力1800Wで照射したときの、単位面積当たりの樹脂量に対する温度上昇収束時間が2.9〜5.7秒・m/gであり、
    前記多孔質層は、前記非水電解液二次電池用セパレータと、前記正極板及び前記負極板の少なくともいずれかと、の間に配置されており、
    前記多孔質層に含まれる前記ポリフッ化ビニリデン系樹脂は、α型結晶とβ型結晶との含有量の合計を100モル%とした場合、前記α型結晶の含有量が、35.0モル%以上である、非水電解液二次電池。
    (ここで、α型結晶の含有量は、前記多孔質層の19F−NMRスペクトルにおける、−76ppm付近にて観測される(α/2)の波形分離、および、−95ppm付近にて観測される{(α/2)+β}の波形分離から算出される。)
  2. 前記正極板が、遷移金属酸化物を含む、請求項1に記載の非水電解液二次電池。
  3. 前記負極板が、黒鉛を含む、請求項1または2に記載の非水電解液二次電池。
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