JP2020524886A - 分離膜基材がない分離膜及びこれを含む電気化学素子 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気化学素子の製造過程で分離膜が破れるなどによる微細な短絡を著しく減らすことができる。また、電解液に対する寸法変化率が減少し、電解液含浸の際にスウェリング(swelling)によってしわが生じることを防止することができる。
本発明の分離膜において、無機物粒子は、無機物粒子間の空間の形成ができるようにして微細気孔を形成する役割と物理的形態を維持することができる一種のスペーサー(spacer)の役割をする。分離膜に使われる無機物粒子は一般的に200℃以上の高温になっても物理的特性が変わらない。
バインダーは液体電解液含浸の際にゲル化して高い電解液含浸率(degree of swelling)を現すことがある。電解液含浸率に優れた高分子の場合、電池の組立て後に注入される電解液は前記高分子に染み込み、吸収された電解液を保有する高分子は電解質イオン伝導能力を有することになる。従来の疎水性ポリオレフィン系分離膜に比べて、電池用電解液に対する湿潤性(wetting)が改善されるだけでなく、従来に使われにくかった電池用極性電解液の適用も可能であるという利点がある。できれば、溶解パラメーターが15MPa1/2〜45MPa1/2の高分子が好ましく、15MPa1/2〜25MPa1/2及び30MPa1/2〜45MPa1/2の範囲がより好ましい。溶解パラメーターが15MPa1/2未満及び45MPa1/2を超える場合、通常の電池用液体電解液によって含浸(swelling)されにくくなる。
架橋剤は特定の温度で架橋結合反応して3次元網状構造を有する高分子を形成するものであれば特に制限されるものではなく、例えば2個〜10個の官能基を含む高分子物質を架橋剤として使うことができる。
一具体的例で、前記分離膜は、架橋反応による物理的特性が向上する効果を高めるために、前記架橋剤に対する反応開始剤をさらに含むことができる。
本発明による分離膜は、従来の分離膜と比較するとき、分離膜基材がない構造であるから分離膜自体の強度が問題となることがあり、相対的に大きな厚さになることがあるので、前記分離膜の厚さは5μm〜30μmの範囲になってもよい。
また、本発明は、陽極と陰極、前記陽極と陰極との間に介在する前記分離膜、及び電解質を含む電気化学素子を提供する。ここで、前記電気化学素子はリチウム二次電池であってもよい。
これらのデバイスの構造及びその製作方法は当該分野に公知となっているので、本明細書ではそれについての詳細な説明は省略する。
6cm*6cmのサイズに裁断された分離膜10枚を準備し、前記分離膜をドライルームで二日間保管した後、絶縁抵抗を測定した。
−測定時間:3s
−Average:off
−voltage:100V
−speed:slow2
−range:auto
−Delay:0ms
−SEQ:ON:0
−DCHG1:0
−CHG:0
−DCHG2:0
15mm*150mmのサイズに裁断された分離膜6枚を準備し、分離膜のそれぞれをスライドガラスの短軸方向及び長軸方向に対応するように合わせて接着させた。
10cm*10cmのサイズに裁断された分離膜6枚と、エチレンカーボネート(Ethylene Carbonate)/エチルメチルカーボネート(ethyl methyl carnobate)/ジメチルカーボネート(dimethylcarbonate)を3:3:4の比率で含み、リチウム塩としてLiPF6 1.0Mを含む電解液を準備した。
電極を含まず、分離膜と電解液のみを含む2016sizeのコインセル(coin cell)を製造した。
無機物粒子としてベーマイト(AlO(OH))、バインダーとしてポリビニリデンフルオライド(PVdF)、及び架橋剤としてポリエチレングリコールジメタクリレート(PEGDMA)が78:20:2の重量比で混合された固形分の含量がスラリー総重量を基準に18重量%になるようにスラリーを製造した。
実施例1のスラリーに開始剤である2,2’−アゾビス(イソブチロニトリル)0.0072gを追加したことを除き、実施例1と同様な方法で分離膜を製造した。
架橋剤であるポリエチレングリコールジメタクリレート(PEGDMA)を含まないようにベーマイト(AlO(OH))及びポリビニリデンフルオライド(PVdF)が78:22の比率で混合した固形分を使った点を除き、実施例1と同様な方法で分離膜を製造した。
架橋剤及び開始剤の有無による物性測定
前記実施例1及び2と比較例1で製造された分離膜を用いて体積絶縁抵抗(volumetric resistivity)、引張強度(tensile strength)、及び寸法変化率(swelling)を測定し、その結果を下記表1及び図1に示した。
反応温度を150℃から130℃に変更したことを除き、実施例1と同様な方法で分離膜を製造した。
スラリー反応温度を100℃にした点を除き、実施例1と同様な方法で分離膜を製造した。
スラリー反応温度を170℃にした点を除き、実施例1と同様な方法で分離膜を製造した。
開始剤の反応温度による物性測定
前記実施例1、実施例3、比較例2及び比較例3で製造された分離膜を用いて体積絶縁抵抗(volumetric resistivity)、引張強度(tensile strength)及び寸法変化率(swelling)を測定し、その結果を下記表2及び図2に示した。
実施例1で、バインダーの含量比を固形分の総重量を基準に20重量%から15重量%に、架橋剤を2重量%から7重量%に変更したことを除き、実施例1と同様な方法で分離膜を製造した。
実施例1で、バインダーの含量比を固形分の総重量を基準に20重量%から11重量%に、架橋剤を2重量%から11重量%に変更したことを除き、実施例1と同様な方法で分離膜を製造した。
実施例1で、バインダーの含量比を固形分の総重量を基準に20重量%から7重量%に、架橋剤を2重量%から15重量%に変更したことを除き、実施例1と同様な方法で分離膜を製造した。
架橋剤の含量による物性測定
前記実施例1、実施例4、実施例5及び比較例4で製造された分離膜を用いて電気抵抗(electrical resistance)及び伸び率(elongation)を測定し、その結果を下記表3に示した。
前記実施例2で、架橋剤であるポリエチレングリコールジメタクリレート(PEGDMA)の代わりに前記官能基が6個の前記化学式1の化合物を使い、開始剤である2,2’−アゾビス(イソブチロニトリル)の代わりに、2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)を使った点を除き、前記実施例2と同様な方法で分離膜を製造した。
前記実施例2で、架橋剤であるポリエチレングリコールジメタクリレート(PEGDMA)の代わりに前記官能基が10個の前記化学式2の化合物を使い、開始剤である2,2’−アゾビス(イソブチロニトリル)の代わりに2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)を使った点を除き、前記実施例2と同様な方法で分離膜を製造した。
架橋剤の官能基数及び架橋剤の含量による物性測定
前記実施例2、実施例7及び実施例8で製造された分離膜を用いて体積絶縁抵抗、電気抵抗、引張強度及び数値変化率を測定し、その結果を下記表4に示した。
架橋温度を150℃から130℃に変更したことを除き、実施例1と同様な方法で分離膜を製造した。
架橋温度を100℃にした点を除き、実施例1と同様な方法で分離膜を製造した。
架橋温度を170℃にした点を除き、実施例1と同様な方法で分離膜を製造した。
架橋剤の含量による物性測定
前記実施例1、実施例4、実施例5及び比較例4で製造された分離膜を用いて引張強度(tensile strength)及び伸び率(elongation)を測定し、その結果を下記表3に示した。
Claims (13)
- 陽極及び陰極間の電気絶縁性を確保するための電気化学素子用分離膜であって、
前記分離膜はポリオレフィン基材を含んでおらず、無機物粒子、前記無機物粒子間の結合のためのバインダー、及び架橋剤を含む、電気化学素子用分離膜。 - 前記無機物粒子は、誘電率が1以上の高誘電率無機物粒子、圧電性を有する無機物粒子、リチウムイオン伝達能力を有する無機物粒子、アルミナ水和物又はこれらの二つ以上の混合物である、請求項1に記載の電気化学素子用分離膜。
- 前記バインダーは、ポリビニリデンフルオライド、ポリビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン、ポリビニリデンフルオライド−トリクロロエチレン、ポリビニリデンフルオライド−クロロトリフルオロエチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアセテート、エチレンビニルアセテート共重合体、ポリエチレンオキシド、セルロースアセテート、セルロースアセテートブチレート、セルロースアセテートプロピオネート、シアノエチルプルラン、シアノエチルポリビニルアルコール、シアノエチルセルロース、シアノエチルスクロース、プルラン、カルボキシメチルセルロース、アクリロニトリルスチレンブタジエン共重合体、エチレン−プロピレン−ジエンモノマー(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブチレンゴム(SBR)、フッ素ゴム及びポリイミドからなる群から選択される1種以上である、請求項1に記載の電気化学素子用分離膜。
- 前記架橋剤は2個〜10個の官能基を含む高分子物質である、請求項1に記載の電気化学素子用分離膜。
- 前記架橋剤の反応温度は120℃〜160℃である、請求項1に記載の電気化学素子用分離膜。
- 前記分離膜は架橋剤に対する反応開始剤をさらに含む、請求項1に記載の電気化学素子用分離膜。
- 前記反応開始剤はアゾ系化合物又は過酸化物系化合物である、請求項7に記載の電気化学素子用分離膜。
- 前記アゾ系化合物は、2,2’−アゾビス(2−メチルブチロニトリル)、2,2’−アゾビス(イソブチロニトリル)、2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)及び2,2’−アゾビス(4−メトキシ−2,4−ジメチルバレロニトリル)の少なくとも1種以上が選択される、請求項8に記載の電気化学素子用分離膜。
- 前記アゾ系化合物は2,2’−アゾビス(イソブチロニトリル)又は2,2’−アゾビス(2,4−ジメチルバレロニトリル)である、請求項9に記載の電気化学素子用分離膜。
- 前記過酸化物系化合物は、テトラメチルブチルペルオキシネオデカノエート、ビス(4−ブチルシクロヘキシル)ペルオキシジカーボネート、ジ(2−エチルヘキシル)ペルオキシカーボネート、ブチルペルオキシネオデカノエート、ジプロピルペルオキシジカーボネート、ジイソプロピルペルオキシジカーボネート、ジエトキシエチルペルオキシジカーボネート、ジエトキシヘキシルペルオキシジカーボネート、ヘキシルペルオキシジカーボネート、ジメトキシブチルペルオキシジカーボネート、ビス(3−メトキシ−3−メトキシブチル)ペルオキシジカーボネート、ジブチルペルオキシジカーボネート、ジセチル(dicetyl)ペルオキシジカーボネート、ジミリスチル(dimyristyl)ペルオキシジカーボネート、1,1,3,3−テトラメチルブチルペルオキシピバレート(peroxypivalate)、ヘキシルペルオキシピバレート、ブチルペルオキシピバレート、トリメチルヘキサノイルペルオキシド、ジメチルヒドロキシブチルペルオキシネオデカノエート、アミルペルオキシネオデカノエート、アトフィナ(Atofina)、ブチルペルオキシネオデカノエート、t−ブチルペルオキシネオヘプタノエート、アミルペルオキシピバレート、t−ブチルピバレート、t−アミルペルオキシ−2−エチルヘキサノエート、ラウリルペルオキシド、ジラウロイル(dilauroyl)ペルオキシド、ジデカノイルペルオキシド、ベンゾイルペルオキシド及びジベンゾイルペルオキシドの少なくとも1種以上が選択される、請求項8に記載の電気化学素子用分離膜。
- 前記分離膜で、架橋剤の含量は、固形分の総重量を基準に0重量%を超えて15重量%以下で含まれる、請求項1に記載の電気化学素子用分離膜。
- 請求項1〜12のいずれか一項に記載の電気化学素子用分離膜を含む、電気化学素子。
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