JP2023040759A - Coating liquid, porous film, lithium ion battery, method of producing coating liquid, method of producing porous film, and method of producing lithium ion battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電池のセパレータなどに用いられる多孔質フィルム用の塗工液に関し、塗工液、多孔質フィルム、リチウムイオン電池、塗工液の製造方法、多孔質フィルムの製造方法およびリチウムイオン電池の製造方法に利用できるものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a coating liquid for a porous film used for battery separators and the like, and relates to a coating liquid, a porous film, a lithium ion battery, a method for producing a coating liquid, a method for producing a porous film, and a lithium ion battery. It can be used for the manufacturing method of
二次電池の利用分野は、電子機器から自動車、大型蓄電システムなどへと展開しており、中でも、小型、軽量化が可能で、高エネルギー密度を有するリチウムイオン電池(二次電池)が注目されている。 Applications for secondary batteries are expanding from electronic devices to automobiles and large-scale power storage systems. Among them, lithium-ion batteries (secondary batteries), which can be made smaller and lighter and have high energy density, are attracting attention. ing.
例えば、特許文献1には、セルロースナノファイバーと熱可塑性フッ素系樹脂とを複合化したリチウムイオン電池用の電極における非水系のバインダであって、セルロースナノファイバーが、繊維径(直径)が0.002μm以上1μm以下、繊維の長さが0.5μm以上10mm以下、アスペクト比(セルロースナノファイバーの繊維長/セルロースナノファイバーの繊維径)が、2以上100000以下のセルロースであるバインダが開示されている。
For example,
リチウムイオン電池の高容量化・高出力化に伴い、より一層の安全性の向上が求められている。本発明者は、電池のセパレータなどに用いられる多孔質フィルムについての研究開発に従事しており、特性の良好な多孔質フィルムについて鋭意検討している。 As the capacity and output of lithium-ion batteries increase, further improvements in safety are required. The present inventors are engaged in research and development of porous films used for battery separators and the like, and are earnestly studying porous films with good characteristics.
追って詳細に説明するように、電池の正極と負極との間に設けられるセパレータは、リチウムイオンが通る程度の微細孔を複数有し、この孔を通ってリチウムイオンが正極と負極の間を移動することで、充電と放電を繰り返すことができる。このセパレータは、正極と負極を分離させて、短絡を防ぐ役割を有する。また、電池の内部が何らかの原因で高温となった場合には、セパレータの微細孔が閉じることで、リチウムイオンの移動を停止し、電池機能を停止させる(シャットダウン機能)。 As will be described later in detail, the separator provided between the positive electrode and the negative electrode of the battery has a plurality of fine pores through which lithium ions pass, and the lithium ions move between the positive electrode and the negative electrode through these pores. By doing so, charging and discharging can be repeated. This separator has a role of separating the positive electrode and the negative electrode to prevent short circuit. Also, when the temperature inside the battery rises for some reason, the micropores of the separator close, stopping the movement of lithium ions and stopping the battery function (shutdown function).
このようにセパレータは、電池の安全装置の役割を担っており、安全性を向上するためには、セパレータの機械的強度や耐熱性を向上することが不可欠である。 Thus, the separator plays a role of a battery safety device, and in order to improve safety, it is essential to improve the mechanical strength and heat resistance of the separator.
一方、電池特性には、様々な要因が関与しており、セパレータの機械的強度や耐熱性を向上させるための添加物が却って電池特性を低下させる場合がある。 On the other hand, various factors are involved in the battery characteristics, and additives for improving the mechanical strength and heat resistance of the separator may rather deteriorate the battery characteristics.
よって、セパレータの機械的強度や耐熱性を向上させつつ、電池特性を向上させる技術の検討が望まれる。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
Therefore, it is desired to study a technique for improving the battery characteristics while improving the mechanical strength and heat resistance of the separator.
Other problems and novel features will become apparent from the description of the specification and the accompanying drawings.
本願において開示される塗工液は、第1フィラーと第2フィラーとを有し、前記第1フィラーは、第一級水酸基がカルボキシ基に酸化された構造を有するセルロース繊維であり、前記第2フィラーは、ナノシリカ、カーボンナノチューブ、タルク、アルミナ、水酸化アルミニウム、ベーマイト、およびガラス繊維から選択される材料を少なくとも1種類以上有する。 The coating liquid disclosed in the present application has a first filler and a second filler, the first filler is a cellulose fiber having a structure in which a primary hydroxyl group is oxidized to a carboxyl group, and the second The filler has at least one material selected from nanosilica, carbon nanotubes, talc, alumina, aluminum hydroxide, boehmite, and glass fiber.
本願において開示される多孔質フィルムは、多孔質基材と前記多孔質基材の表面に設けられた塗工膜とを有し、前記塗工膜は、第1フィラーと第2フィラーとを有し、前記第1フィラーは、第1級水酸基がカルボキシ基に酸化された構造を有するセルロース繊維であり、前記第2フィラーは、ナノシリカ、カーボンナノチューブ、タルク、アルミナ、水酸化アルミニウム、ベーマイト、およびガラス繊維から選択される材料を少なくとも1種類以上有する。 The porous film disclosed in the present application has a porous substrate and a coating film provided on the surface of the porous substrate, and the coating film has a first filler and a second filler. The first filler is a cellulose fiber having a structure in which the primary hydroxyl group is oxidized to a carboxy group, and the second filler is nanosilica, carbon nanotube, talc, alumina, aluminum hydroxide, boehmite, and glass. It has at least one or more materials selected from fibers.
本願において開示されるリチウムイオン電池は、正極と、負極と、セパレータと、電解液とを備え、上記多孔質フィルムを前記セパレータとして有する。 A lithium-ion battery disclosed in the present application includes a positive electrode, a negative electrode, a separator, and an electrolytic solution, and has the porous film as the separator.
本願において開示される塗工液の製造方法は、(a)第1フィラーであるセルロース繊維にカルボキシ基を導入する工程、(b)カルボキシ化された前記第1フィラーに水酸化ナトリウムを添加する工程、を有する。 The method for producing a coating liquid disclosed in the present application comprises (a) a step of introducing a carboxyl group into a cellulose fiber as a first filler, and (b) a step of adding sodium hydroxide to the carboxylated first filler. , have
本願において開示される多孔質フィルムの製造方法は、(a)第1フィラーであるセルロース繊維にカルボキシ基を導入する工程、(b)カルボキシ化された前記第1フィラーに水酸化物を添加する工程、(c)前記(b)工程の後、前記第2フィラーである、ナノシリカ、カーボンナノチューブ、タルク、アルミナ、水酸化アルミニウム、ベーマイト、およびガラス繊維から選択される材料を添加することにより塗工液を形成する工程、(d)前記塗工液を多孔質基材の表面に塗布し、塗工膜を形成する工程を有する。 The method for producing a porous film disclosed in the present application includes (a) the step of introducing a carboxyl group into a cellulose fiber as a first filler, and (b) the step of adding a hydroxide to the carboxylated first filler. , (c) after the step (b), by adding a material selected from nanosilica, carbon nanotubes, talc, alumina, aluminum hydroxide, boehmite, and glass fiber, which is the second filler, to prepare a coating liquid and (d) applying the coating liquid to the surface of a porous substrate to form a coating film.
本願において開示されるリチウムイオン電池の製造方法は、(a)セパレータとして多孔質フィルムを形成する工程、(b)正極材と負極材との間に前記多孔質フィルムを配置する工程、を有する。そして、前記(a)工程は、(a1)第1フィラーであるセルロース繊維にカルボキシ基を導入するする工程、(a2)カルボキシ化された前記第1フィラーに水酸化物を添加する工程、(a3)前記(a2)工程の後、前記第2フィラーである、ナノシリカ、カーボンナノチューブ、タルク、アルミナ、水酸化アルミニウム、ベーマイト、およびガラス繊維から選択される材料を添加することにより塗工液を形成する工程、(a4)前記塗工液を多孔質基材の表面に塗布し、塗工膜を形成する工程、を有する。 The method for manufacturing a lithium-ion battery disclosed in the present application includes the steps of (a) forming a porous film as a separator, and (b) disposing the porous film between a positive electrode material and a negative electrode material. Then, the step (a) includes (a1) a step of introducing a carboxyl group into the cellulose fiber as the first filler, (a2) a step of adding a hydroxide to the carboxylated first filler, and (a3) ) After the step (a2), a coating liquid is formed by adding a material selected from nanosilica, carbon nanotubes, talc, alumina, aluminum hydroxide, boehmite, and glass fiber, which is the second filler. (a4) applying the coating liquid to the surface of the porous substrate to form a coating film;
本願において開示される多孔質フィルム用の塗工液によれば、多孔質フィルムの特性を向上させることができる。 The porous film coating liquid disclosed in the present application can improve the properties of the porous film.
本願において開示される多孔質フィルムによれば、多孔質フィルムの特性を向上させることができる。 According to the porous film disclosed in the present application, the properties of the porous film can be improved.
本願において開示されるリチウムイオン電池によれば、リチウムイオン電池の特性を向上させることができる。 According to the lithium ion battery disclosed in the present application, the characteristics of the lithium ion battery can be improved.
本願において開示される多孔質フィルム用の塗工液の製造方法によれば、特性の良好な多孔質フィルム用の塗工液を製造することができる。 According to the method for producing a coating liquid for porous films disclosed in the present application, it is possible to produce a coating liquid for porous films with good properties.
本願において開示される多孔質フィルムの製造方法によれば、特性の良好な多孔質フィルムを製造することができる。 According to the method for producing a porous film disclosed in the present application, a porous film with good properties can be produced.
本願において開示されるリチウムイオン電池の製造方法によれば、特性の良好なリチウムイオン電池を製造することができる。 According to the method for manufacturing a lithium ion battery disclosed in the present application, a lithium ion battery with good characteristics can be manufactured.
以下、実施の形態を実施例や図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。 Hereinafter, embodiments will be described in detail based on examples and drawings. In addition, in all the drawings for describing the embodiments, members having the same functions are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof will be omitted.
(実施の形態1)
以下に、本実施の形態の多孔質フィルムおよびその製造方法について説明する。本実施の形態の多孔質フィルムは、いわゆる電池のセパレータとして用いることができる。
(Embodiment 1)
The porous film of this embodiment and the method for producing the same will be described below. The porous film of the present embodiment can be used as a so-called battery separator.
[構造説明]
図1は、本実施の形態の多孔質フィルムの構成を模式的に示す断面図である。図1に示すように、本実施の形態の多孔質フィルムは、電池のセパレータSPとして用いられ、基材(多孔質基材)Sと基材Sの表面に形成された塗工膜(被覆膜)CFとを有する。ここで用いられる基材Sは、特に限定されずに使用できる。基材Sとしては、特に、通常、リチウムイオン電池用の多孔質フィルムに用いられる基材が好ましい。塗工膜CFは、第1フィラー(疎水化したセルロース)と第2フィラー(無機フィラー)とを有して構成される。この図1では、1つの例として、後述するように、第1フィラーとしてSA化処理されたセルロース塩(SA化Ce塩と示す場合がある)と、第2フィラーとしてアルミナ(Al2O3)とを有する場合を例示している。
[Structure description]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the porous film of this embodiment. As shown in FIG. 1, the porous film of the present embodiment is used as a battery separator SP, and is a substrate (porous substrate) S and a coating film (coating film) formed on the surface of the substrate S. Membrane) CF. The base material S used here can be used without particular limitation. As the substrate S, substrates that are usually used for porous films for lithium ion batteries are particularly preferable. The coating film CF includes a first filler (hydrophobized cellulose) and a second filler (inorganic filler). In FIG. 1, as an example, as will be described later, the first filler is SA-treated cellulose salt (sometimes referred to as SA-Ce salt), and the second filler is alumina (Al 2 O 3 ). The case of having and is exemplified.
図2は、本実施の形態の多孔質フィルムを用いたリチウムイオン電池の内部構成を模式的に示す図であり、図3は、本実施の形態のリチウムイオン電池の構成例を模式的に示す図である。図2(A)は、正極の構成を示し、図2(B)は、負極の構成を示し、図2(C)は、電極群の構成を示す。図3の電池は、コイン型電池と呼ばれる。 FIG. 2 is a diagram schematically showing the internal configuration of a lithium ion battery using the porous film of the present embodiment, and FIG. 3 schematically shows a configuration example of the lithium ion battery of the present embodiment. It is a diagram. 2A shows the structure of the positive electrode, FIG. 2B shows the structure of the negative electrode, and FIG. 2C shows the structure of the electrode group. The battery of FIG. 3 is called a coin cell battery.
図2(A)に示すように、正極1は、集電体1Sおよびその上部に設けられた正極合剤層1Mよりなり、図2(B)に示すように、負極2は、集電体2Sおよびその上部に設けられた負極合剤層2Mよりなる。そして、図2(C)に示すように、リチウムイオン電池は、正極1と、負極2と、これらの間に配置されたセパレータSPとを有し、正極1と負極2は、それぞれ正極合剤層1Mと負極合剤層2MとがセパレータSPと接するように対向配置されている。上記正極1、負極2およびセパレータSPの積層体(電極群ともいう)は、電解液とともに電池容器(ラミネートフィルムよりなる袋、電池缶など)に収容され、正極端子(例えば、集電体1Sの一部または集電体1Sと電気的に接続された導電部)および負極端子(例えば、集電体2Sの一部または集電体2Sと電気的に接続された導電部)が露出した状態で封止される。
As shown in FIG. 2A, the
図3に示す電池(コイン型電池)は、缶6を有しており、この缶6には、前述した正極1および負極2がセパレータSPを介して積層された電極群が収容されている。電極群の下端面の正極1の集電体1Sは、缶(電池缶)6上に搭載されている。電極群の上端面の負極2の集電体2Sは、蓋(電池キャップ)7の裏面側に配置されている。なお、ここでは、蓋(電池キャップ)7と負極2の集電体2Sとの間にワッシャー8が設けられ、これらは電気的に接続されている。また、缶6と蓋7との重なり部には耐熱性のガスケット(固定用シール材)が設けられ、缶6の内部に注入されている電解液(図示せず)等が封止されている。なお、ここでは、コイン型の電池を説明したが、電池の構成に制限はなく、例えば、円筒型の電池やラミネート型の電池、角型の電池とすることができる。
The battery (coin-type battery) shown in FIG. 3 has a
このように、リチウムイオン電池は、正極1、負極2、セパレータSPおよび電解液を有しており、正極1と負極2との間にセパレータSPが配置されている。セパレータSPは、微細孔を多数有する。例えば、充電時、即ち、正極(缶6の底部)と負極(蓋7の上部)との間に充電器を接続すると、正極活物質内に挿入されているリチウムイオンが脱離し、電解液中に放出される。電解液中に放出されたリチウムイオンは、電解液中を移動し、セパレータの微細孔を通過して、負極に到達する。この負極に到達したリチウムイオンは、負極を構成する負極活物質内に挿入される。
Thus, the lithium ion battery has a
このように、図1に示す基材Sに設けられた微細孔(図示せず)を介してリチウムイオンが正極と負極の間を行き来することで、充電と放電を繰り返すことができる。 In this manner, charging and discharging can be repeated by moving lithium ions between the positive electrode and the negative electrode through micropores (not shown) provided in the substrate S shown in FIG.
ここで、本実施の形態の多孔質フィルムは、図1に示すように、微細孔が多数設けられた基材Sの表面に塗工膜CFが設けられている。この塗工膜CFは、第1フィラーとしてSA化処理されたセルロース塩(SA化Ce塩)と、第2フィラーとしてアルミナ(Al2O3)とを有する。
そして、SA化Ce塩は、カルボキシ基を含有するセルロース繊維である。
Here, in the porous film of the present embodiment, as shown in FIG. 1, a coating film CF is provided on the surface of a substrate S provided with a large number of micropores. This coating film CF has SA-treated cellulose salt (SA-Ce salt) as a first filler, and alumina (Al 2 O 3 ) as a second filler.
And the SA-Ce salt is a cellulose fiber containing a carboxy group.
このように、本実施の形態においては、基材Sの表面に上記塗工膜を設けることで、多孔質フィルム(セパレータ)の機械的強度や耐熱性を向上させることができる。塗工膜CFは、基材Sの微細孔をすべて覆うようには形成されておらず、塗工膜CFが形成された基材S(多孔質フィルム、セパレータ)のガーレ値(透気度、[sec/100cc])は、10以上、3000以下であり、通気性は確保されている。 Thus, in the present embodiment, by providing the coating film on the surface of the substrate S, the mechanical strength and heat resistance of the porous film (separator) can be improved. The coating film CF is not formed so as to cover all the micropores of the base material S, and the Gurley value (air permeability, [sec/100cc]) is 10 or more and 3000 or less, and air permeability is ensured.
図3に示すような電池のセパレータSPとして利用される多孔質フィルムは、高温環境下における収縮率(詳しくは、幅方向および幅方向に直交する方向のそれぞれの収縮率)が小さい方が好ましい。例えば、一つの指標として、200℃における多孔質フィルムの収縮率が5%以下であることが好ましい。本願発明者の検討によれば、図1に示す塗工膜CFのそれぞれの膜厚を厚くすることにより、多孔質フィルムの収縮率を低減することができる。詳しくは、図1に示す塗工膜CFの膜厚は、それぞれ0.5μm以上であることが好ましい。 The porous film used as the separator SP of the battery as shown in FIG. 3 preferably has a small shrinkage rate (specifically, the shrinkage rate in the width direction and in the direction orthogonal to the width direction) in a high-temperature environment. For example, as one index, the shrinkage ratio of the porous film at 200° C. is preferably 5% or less. According to studies by the inventors of the present application, the shrinkage ratio of the porous film can be reduced by increasing the thickness of each of the coating films CF shown in FIG. Specifically, the film thickness of the coating film CF shown in FIG. 1 is preferably 0.5 μm or more.
特に、SA化Ce塩を用いることで、斥力による微細化が進み、多孔質フィルム(セパレータ)の機械的強度や耐熱性を向上させることができる。そして、さらに、SA化Ce塩の塩濃度を調製することにより、電池の電気特性(出力特性、サイクル特性(寿命))を向上させることができる。 In particular, the use of the SA-Ce salt promotes micronization due to repulsive force, and can improve the mechanical strength and heat resistance of the porous film (separator). Further, by adjusting the salt concentration of the Ce salt of SA, the electrical characteristics (output characteristics, cycle characteristics (lifetime)) of the battery can be improved.
[製法説明]
以下に本実施の形態の多孔質フィルムの製造工程を説明するとともに、多孔質フィルムや塗工膜の構成をより明確にする。
本実施の形態の多孔質フィルムの製造工程は、以下の工程を有する。
[Manufacturing method]
The manufacturing process of the porous film of the present embodiment will be described below, and the configurations of the porous film and the coating film will be clarified.
The manufacturing process of the porous film of the present embodiment has the following steps.
<<1:基材(塗工前の多孔質フィルム)の準備工程>>
基材Sとしては、微多孔質膜を用いることができる。例えば、市販のポリエチレン製微多孔質膜を用いることができる。
<<1: Preparatory process for base material (porous film before coating)>>
As the substrate S, a microporous membrane can be used. For example, a commercially available polyethylene microporous membrane can be used.
<<2:塗工液の調製工程>>
A)第1フィラーの準備
本実施の形態においては、第1フィラーとして、カルボキシル基を含有しているセルロース繊維(SA化Ce塩と示す場合がある)を用いる。
<<2: Coating liquid preparation process>>
A) Preparation of first filler In the present embodiment, cellulose fibers containing carboxyl groups (sometimes referred to as SA-Ce salt) are used as the first filler.
(疎水化)
セルロース(Cellulose、Cell-OH、Ce)は、(C12H20O10)nで表される炭水化物である。例えば、以下の化学構造式(化1)で示される。この化学構造式中、平均繰返し数を示すnは1以上の数であり、好ましくは10~10000、より好ましくは50~2000である。
(Hydrophobicization)
Cellulose (Cellulose, Cell-OH, Ce) is a carbohydrate represented by (C 12 H 20 O 10 ) n . For example, it is represented by the following chemical structural formula (Formula 1). In this chemical structural formula, n representing the average repeating number is 1 or more, preferably 10 to 10,000, more preferably 50 to 2,000.
なお、以下の化学構造式(化2)に示すように、(C12H20O10)nで表される炭水化物の複数の水酸基の一部が水酸基を有する基(例えば、-CH2OHのような-R-OH(Rは2価の炭化水素基を表す))と置換されたセルロースを用いてもよい。ここで、平均繰返し数を示すnは1以上の数であり、好ましくは10~10000、より好ましくは50~2000である。 As shown in the following chemical structural formula (Formula 2), some of the plurality of hydroxyl groups of the carbohydrate represented by (C 12 H 20 O 10 ) n are groups having hydroxyl groups (for example, —CH 2 OH A cellulose substituted with -R-OH (R represents a divalent hydrocarbon group) such as cellulose may also be used. Here, n indicating the average number of repetitions is a number of 1 or more, preferably 10 to 10,000, more preferably 50 to 2,000.
前述の化学構造式(化1、化2)から分かるように、セルロースは、水酸基(親水基)を有する。これにエステル化剤(例えば、カルボン酸系化合物)を用いてカルボキシ基を導入する。即ち、セルロースの水酸基(-OH)の一部をカルボン酸系化合物(R-CO-OH(Rは2価の炭化水素基を表す))によりエステル化する。別の言い方をすれば、セルロースの水酸基(-OH)の部分を、エステル結合(-O-CO-R、カルボキシ基(Rは2価の炭化水素基を表す))とする。なお、セルロースの水酸基のすべてが置換されている必要はなく、その一部が置換されていればよい。セルロースのエステル化反応の一例を以下の反応式で示す。このカルボキシ基を含有するセルロースをSA化Ceと示す場合がある。
As can be seen from the chemical structural formulas (
エステル化剤としては、セルロースの親水基に対して、カルボキシ基を付与することができる組成であれば特に制限されるものではないが、例えば、カルボン酸系化合物を用いることができる。中でも、2つ以上のカルボキシ基を有する化合物、2つ以上のカルボキシ基を有する化合物の酸無水物などを使用することが好ましい。2つ以上のカルボキシ基を有する化合物の中では、2つのカルボキシ基を有する化合物(ジカルボン酸化合物)を用いることが好ましい。 The esterification agent is not particularly limited as long as it has a composition capable of imparting a carboxyl group to the hydrophilic group of cellulose. For example, a carboxylic acid compound can be used. Among them, it is preferable to use compounds having two or more carboxy groups, acid anhydrides of compounds having two or more carboxy groups, and the like. Among compounds having two or more carboxy groups, it is preferable to use compounds having two carboxy groups (dicarboxylic acid compounds).
2つのカルボキシ基を有する化合物としては、プロパン二酸(マロン酸)、ブタン二酸(コハク酸)、ペンタン二酸(グルタル酸)、ヘキサン二酸(アジピン酸)、2-メチルプロパン二酸、2-メチルブタン二酸、2-メチルペンタン二酸、1,2-シクロヘキサンジカルボン酸、2-ブテン二酸(マレイン酸、フマル酸)、2-ペンテン二酸、2,4-ヘキサジエン二酸、2-メチル-2-ブテン二酸、2-メチル-2ペンテン二酸、2-メチリデンブタン二酸(イタコン酸)、ベンゼン-1,2-ジカルボン酸(フタル酸)、ベンゼン-1,3-ジカルボン酸(イソフタル酸)、ベンゼン-1,4-ジカルボン酸(テレフタル酸)、エタン二酸(シュウ酸)等のジカルボン酸化合物が挙げられる。2つのカルボキシ基を有する化合物の酸無水物としては、無水マレイン酸、無水コハク酸、無水フタル酸、無水グルタル酸、無水アジピン酸、無水イタコン酸、無水ピロメリット酸、無水1,2-シクロヘキサンジカルボン酸等のジカルボン酸化合物や複数のカルボキシ基を含む化合物の酸無水物が挙げられる。2つのカルボキシ基を有する化合物の酸無水物の誘導体としては、ジメチルマレイン酸無水物、ジエチルマレイン酸無水物、ジフェニルマレイン酸無水物等の、カルボキシ基を有する化合物の酸無水物の少なくとも一部の水素原子が置換基(例えば、アルキル基、フェニル基等)で置換されたものが挙げられる。これらのうち、工業的に適用しやすく、また、ガス化しやすいことから、無水マレイン酸、無水コハク酸、無水フタル酸が好ましい。 Compounds with two carboxyl groups include propanedioic acid (malonic acid), butanedioic acid (succinic acid), pentanedioic acid (glutaric acid), hexanedioic acid (adipic acid), 2-methylpropanedioic acid, 2 -methylbutanedioic acid, 2-methylpentanedioic acid, 1,2-cyclohexanedicarboxylic acid, 2-butenedioic acid (maleic acid, fumaric acid), 2-pentenedioic acid, 2,4-hexadienedioic acid, 2-methyl -2-butenedioic acid, 2-methyl-2pentenedioic acid, 2-methylidenebutanedioic acid (itaconic acid), benzene-1,2-dicarboxylic acid (phthalic acid), benzene-1,3-dicarboxylic acid (isophthalic acid) ), benzene-1,4-dicarboxylic acid (terephthalic acid), and dicarboxylic acid compounds such as ethanedioic acid (oxalic acid). Acid anhydrides of compounds having two carboxy groups include maleic anhydride, succinic anhydride, phthalic anhydride, glutaric anhydride, adipic anhydride, itaconic anhydride, pyromellitic anhydride, and 1,2-cyclohexanedicarboxylic anhydride. Dicarboxylic acid compounds such as acids and acid anhydrides of compounds containing a plurality of carboxy groups are included. Examples of acid anhydride derivatives of compounds having two carboxy groups include at least a portion of acid anhydrides of compounds having carboxy groups, such as dimethylmaleic anhydride, diethylmaleic anhydride, and diphenylmaleic anhydride. Examples thereof include those in which a hydrogen atom is substituted with a substituent (eg, an alkyl group, a phenyl group, etc.). Among these, maleic anhydride, succinic anhydride, and phthalic anhydride are preferable because they are easy to apply industrially and easy to gasify.
(塩基性処理)
上記SA化Ceを水系溶媒に分散させ、塩基(例えば、水酸化物)を添加し、SA化Ce塩を形成する。水酸化物は、M(OH)mで示され、Mはm価の金属である。具体的には、水酸化ナトリウム(NaOH)、水酸化カルシウム(Ca(OH)2)、水酸化カリウム(KOH)、水酸化リチウム(LiOH)などを用いることができる。イオン化傾向の観点から、アルカリ金属水酸化物が好ましく、なかでも、汎用性が高いことから、水酸化ナトリウム(NaOH)を用いることが好ましい。詳細は後述するが、本願発明者が検討した結果、SA化Ceのカルボキシ基がNa塩に変換された場合、電池のサイクル特性や高率充放電特性などの特性を向上させることができることが判った。
(basic treatment)
The Ce SA compound is dispersed in an aqueous solvent, and a base (eg, hydroxide) is added to form a Ce salt SA compound. Hydroxides are designated M(OH)m, where M is an m-valent metal. Specifically, sodium hydroxide (NaOH), calcium hydroxide (Ca(OH) 2 ), potassium hydroxide (KOH), lithium hydroxide (LiOH), or the like can be used. From the viewpoint of ionization tendency, alkali metal hydroxides are preferable, and sodium hydroxide (NaOH) is particularly preferable because of its high versatility. Although the details will be described later, as a result of investigations by the inventors of the present application, it was found that when the carboxyl group of Ce of SA is converted to a Na salt, the characteristics of the battery, such as the cycle characteristics and the high-rate charge/discharge characteristics, can be improved. rice field.
また、塩基を添加する工程の温度は特に限定されないが、5℃以上80℃以下が好ましく、10℃以上60℃以下がより好ましい。 The temperature in the step of adding the base is not particularly limited, but is preferably 5°C or higher and 80°C or lower, more preferably 10°C or higher and 60°C or lower.
(解繊処理)
また、解繊処理を行い、セルロースを微細化(ナノ化)してもよい。解繊処理(微細化処理)には、化学処理法や機械処理法などがある。これらを組み合わせた方法を用いてもよい。このような解繊処理(微細化処理)により、繊維長さ(L)が3nm以上、10μm以下、アスペクト比(長さL/直径R)が0.01以上、5000以下のセルロースを得ることができる。このようにセルロース繊維をナノメートルサイズまで微細化したものをセルロースナノファイバー(CeNF)という。
(defibration treatment)
In addition, fibrillation treatment may be performed to make the cellulose finer (nano). The fibrillation treatment (refining treatment) includes a chemical treatment method, a mechanical treatment method, and the like. You may use the method which combined these. Through such fibrillation treatment (refinement treatment), cellulose having a fiber length (L) of 3 nm or more and 10 μm or less and an aspect ratio (length L/diameter R) of 0.01 or more and 5000 or less can be obtained. can. A cellulose fiber thus refined to a nanometer size is called a cellulose nanofiber (CeNF).
上記のようなセルロースの微細化(ナノ化)は、カルボキシ基の導入の前に行ってもよく、また、カルボキシ基の導入の後に行ってもよい。 The cellulose refining (nanization) as described above may be performed before the introduction of the carboxy groups, or may be performed after the introduction of the carboxy groups.
(溶媒に分散させたSA化CeNF塩の方法)
SA化CeNF塩は、凝集を防止し、塗工液中への分散性を高めるため、溶媒(分散媒)に分散させた状態で用いることが好ましい。
(Method of SA CeNF salt dispersed in solvent)
The SA-CeNF salt is preferably used in a state of being dispersed in a solvent (dispersion medium) in order to prevent aggregation and improve dispersibility in the coating liquid.
図4は、CeNF塩の分散液の調製工程を示す図である。例えば、図4に示すようにセルロース(固体、例えば、粉状)と無水コハク酸(固体、例えば、タブレット状)を、100℃以上で混合する。例えば、加圧ニーダを用いて125℃で20分、混合する。セルロースと無水コハク酸の重量は例えば90wt%(重量%、質量%)、10wt%である。 FIG. 4 is a diagram showing the steps of preparing a dispersion of CeNF salt. For example, as shown in FIG. 4, cellulose (solid, eg, powder) and succinic anhydride (solid, eg, tablet) are mixed at 100° C. or higher. For example, it is mixed at 125° C. for 20 minutes using a pressure kneader. The weight of cellulose and succinic anhydride is, for example, 90 wt% (% by weight, mass %), 10 wt%.
上記のような加熱状態での攪拌により、エステル反応が生じ、カルボキシ基を含有するセルロースが生成する。この後、未反応の無水コハク酸を除去するため、アセトンなどで洗浄を行う。 Stirring in a heated state as described above causes an ester reaction to produce cellulose containing a carboxy group. Thereafter, washing is performed with acetone or the like in order to remove unreacted succinic anhydride.
次いで、生成したカルボキシ基を含有するセルロースを水系溶媒(水及び/又はアルコール類等、ここでは、水(H2O))に分散させ、塩基を添加する(塩基性処理を行う)。例えば、水酸化ナトリウム水溶液を添加し、カルボキシ基(-COOH)を塩(-COONa)に変換させる。別の言い方をすれば、カルボキシ基をNa塩に変換させる。カルボキシ基を含有するセルロースと水酸化ナトリウムの反応の一例を以下の反応式で示す。 Next, the produced cellulose containing carboxy groups is dispersed in an aqueous solvent (water and/or alcohols, here water (H 2 O)), and a base is added (basic treatment is performed). For example, an aqueous sodium hydroxide solution is added to convert a carboxy group (--COOH) into a salt (--COONa). In other words, the carboxy group is converted to Na salt. An example of the reaction between cellulose containing a carboxy group and sodium hydroxide is shown by the following reaction formula.
塩基性処理前のSA化Ceの分散液のpHは、2~6である。また、塩基性処理後のSA化Ce塩の分散液のpHは、より大きくなり5~10である。このように、本明細書では、便宜上“塩基性処理”と表記するが、このSA化Ce塩の分散液のpHは中性の領域でもよい。ここで、SA化Ceのカルボキシ基(-COOH)をすべてNa塩とする必要はなく、カルボキシ基(-COOH)の一部がNa塩に変換されていればよい。 The pH of the SA-Ce dispersion before the basic treatment is 2-6. Further, the pH of the SA-Ce salt dispersion after the basic treatment is higher and ranges from 5 to 10. In this manner, although the term "basic treatment" is used in this specification for convenience, the pH of the SA Ce salt dispersion may be in the neutral range. Here, all the carboxyl groups (--COOH) of SA-Ce do not have to be converted to Na salts, as long as some of the carboxyl groups (--COOH) are converted to Na salts.
即ち、変換されたNa塩が多い(Na濃度が大きい)と、斥力による解繊性が高まり、CeNF塩の微細化が進み、機械的強度や耐熱性を向上させることができる。一方、Na濃度が大きいと、Naイオンが電極の活物質に作用し、Liイオンの挿入、離脱を阻害し、電池性能が低下し得る。 That is, when there is a large amount of converted Na salt (high Na concentration), the fibrillation property due to the repulsive force is enhanced, the CeNF salt is made finer, and the mechanical strength and heat resistance can be improved. On the other hand, if the Na concentration is high, Na ions act on the active material of the electrode, inhibiting the insertion and extraction of Li ions, and can degrade the battery performance.
CeNF塩中の上記Na濃度としては、5mg/g~30mg/gとすることが好ましい。また、塗工膜中の上記Na濃度としては、0.05mg/g~5mg/gとすることが好ましい。 The Na concentration in the CeNF salt is preferably 5 mg/g to 30 mg/g. Further, the Na concentration in the coating film is preferably 0.05 mg/g to 5 mg/g.
図5は、セルロースのカルボキシ化(SA化Ce)および塩基性処理(SA化Ce塩)を示す図である。図5に示すようにセルロースの水酸基(-OH)がカルボキシ基(-COOH)に置換され、NaOHの添加により、カルボキシ基(-COOH)がNa塩(-COONa)となる。 FIG. 5 is a diagram showing carboxylation (SA-Ce) and basic treatment (SA-Ce salt) of cellulose. As shown in FIG. 5, hydroxyl groups (--OH) of cellulose are substituted with carboxy groups (--COOH), and the carboxy groups (--COOH) become Na salts (--COONa) by adding NaOH.
図5では、セルロースの水酸基(-OH)10個のうち、8個がカルボキシ基(-COOH)に置換され、さらに、4個がNa塩(-COONa)となった様子が示されている。 FIG. 5 shows that 8 out of 10 hydroxyl groups (--OH) of cellulose are replaced with carboxyl groups (--COOH), and 4 of them are Na salts (--COONa).
ここで、SA化Ce中のカルボキシ基(-COOH)の量(mol)は酸価により算出することができる。酸価とは、試料1g中に含まれる酸性成分を中和するのに要する水酸化カリウムのミリグラム数を言い、その測定は、「JIS-K0070 化学製品の酸価、けん化価、エステル価、よう素価、水酸基価及び不けん化物の試験方法」に基づいて行うことができる。 Here, the amount (mol) of carboxy groups (--COOH) in the SA-Ce can be calculated from the acid value. The acid value refers to the number of milligrams of potassium hydroxide required to neutralize the acidic components contained in 1 g of the sample, and its measurement is performed in accordance with "JIS-K0070 Acid value, saponification value, ester value, etc. of chemical products. Test method for elemental value, hydroxyl value and unsaponifiable matter”.
例えば、1.36×10-3molのカルボキシ基(-COOH)が含まれたSA化Ceに対して、NaOHの添加量が、例えば、5.44×10-4mol~8.16×10-4molであれば、疎水基のうち、40~60%がNa塩に変換されることとなる。この場合、Na(原子量23)濃度は、12.5mg/g~18.8mg/gの範囲となり、SA化CeNa塩中のNa濃度は、12.5mg/g~18.8mg/gとなる。また、SA化CeNa塩の塗工膜に対する添加量は0.5~1.5wt%が好ましく、塗工膜中のNa濃度は、0.0625mg/g~0.282mg/gとなる。 For example, the addition amount of NaOH is, for example, 5.44×10 −4 mol to 8.16×10 If it is -4 mol, 40 to 60% of the hydrophobic groups will be converted to Na salt. In this case, the Na (atomic weight 23) concentration is in the range of 12.5 mg/g to 18.8 mg/g, and the Na concentration in the SA CeNa salt is 12.5 mg/g to 18.8 mg/g. The addition amount of the SA-CeNa salt to the coating film is preferably 0.5 to 1.5 wt%, and the Na concentration in the coating film is 0.0625 mg/g to 0.282 mg/g.
次いで、微細化処理(解繊処理、ナノ化)を行う。例えば、微細化装置(マスコロイダー、ビーズミル)を用いた処理を行い、SA化Ce塩の分散液中のセルロースをナノ化する。これにより、SA化CeNF塩の分散液を得ることができる。 Then, a refinement process (fibrillation process, nano-ization) is performed. For example, a treatment using a micronization device (masscolloider, bead mill) is performed to nanosize the cellulose in the SA Ce salt dispersion. Thereby, a dispersion liquid of SA-CeNF salt can be obtained.
なお、前述したように、カルボキシ化や塩基性処理したセルロースを、解繊処理(微細化処理)してもよく、セルロースを解繊処理(微細化処理)した後にカルボキシ化や塩基性処理を施してもよい。 As described above, carboxylated or basic-treated cellulose may be subjected to fibrillation treatment (miniaturization treatment), and cellulose may be fibrillated (miniaturization treatment) and then carboxylated or basic treatment. may
B)混合工程(攪拌処理工程)
前述したSA化CeNF塩(第1フィラー)の分散液に、無機フィラー(第2フィラー)を添加し、攪拌することにより、塗工液を調製する。SA化CeNF塩は、塗工液の固形成分総量に対して、0.3wt%以上とすることが好ましく、0.5wt%以上とすることがより好ましい。
B) Mixing step (stirring treatment step)
A coating liquid is prepared by adding an inorganic filler (second filler) to the dispersion liquid of the SA-CeNF salt (first filler) and stirring the mixture. The amount of the SA-CeNF salt is preferably 0.3 wt% or more, more preferably 0.5 wt% or more, relative to the total solid content of the coating liquid.
撹拌方式としては、例えば、モーターなどで軸に取り付けた羽を回転する方式、超音波などを用いた振動方式などを用いることができる。なお、塗工液中への気泡の巻き込みを低減するため、塗工液の調製(混合、攪拌)を減圧下で行ってもよい。 As the stirring method, for example, a method in which a blade attached to a shaft is rotated by a motor or the like, a vibration method using ultrasonic waves, or the like can be used. In addition, in order to reduce entrainment of air bubbles in the coating liquid, preparation (mixing and stirring) of the coating liquid may be performed under reduced pressure.
また、塗工液には消泡剤を添加してもよい。消泡剤を添加する場合は、塗工液の固形成分総量に対して、0.001質量%以上1質量%以下であることが好ましい。消泡剤を添加することで、気泡を好ましく抑制でき、脱泡工程の簡易化または脱泡工程が不要となる。 Moreover, you may add an antifoamer to a coating liquid. When adding an antifoaming agent, it is preferably 0.001% by mass or more and 1% by mass or less with respect to the total amount of solid components in the coating liquid. By adding an antifoaming agent, air bubbles can be preferably suppressed, and the defoaming process can be simplified or the defoaming process becomes unnecessary.
消泡剤としては、シリコーン系消泡剤(例えば、ポリジメチルシロキサン)、界面活性剤系消泡剤(例えば、ポリエチレングリコール脂肪酸)、アルコール類(例えば、アセチレンジオール)などの公知のものが適用可能であるが、このうち、電池に悪影響を与えにくいという観点からシリコーン系消泡剤であることが好ましい。また、消泡剤の形状は特に限定されず、オイル型、コンパウンド型、エマルジョン型、粉末型など任意のものが使用可能である。 Known antifoaming agents such as silicone antifoaming agents (e.g., polydimethylsiloxane), surfactant antifoaming agents (e.g., polyethylene glycol fatty acid), and alcohols (e.g., acetylene diol) can be applied. However, among these, the silicone-based antifoaming agent is preferable from the viewpoint that it is less likely to adversely affect the battery. The shape of the antifoaming agent is not particularly limited, and any type such as oil type, compound type, emulsion type, powder type, etc. can be used.
無機フィラー(第2フィラー)としては、特に限定されるものではない。たとえば、アルミナ、水酸化アルミニウム、ベーマイト、ナノシリカ、カーボンナノチューブ、タルク、ガラス繊維などを用いることができる。特に、電解液との化学反応が生じにくく、物性面や製造技術が安定しているという観点からアルミナを用いることが好ましい。アルミナの粒子形状に制限はなく、例えば、球体や扁平形状のものを用いることができる。アルミナの平均粒径(直径)としては、200nm以上1000nm以下のものを用いることが好ましく、400nm以上900nm以下がより好ましい。平均粒径は、レーザ回折散乱法により求めることができる。また、アルミナとしては、基材Sに用いられる微多孔質膜の平均細孔径より大きな平均粒径を有するものを用いることが好ましい。また、異なる平均粒径のアルミナを混合して用いてもよい。また、アルミナ中には、不純物元素(例えば、Si、Fe、Na、Mg、Cu)が含まれる場合があるが、Siは400ppm以下、Feは300ppm以下、Naは200ppm以下、Mgは100ppm以下、Cuは100ppm以下とすることが好ましい。 The inorganic filler (second filler) is not particularly limited. For example, alumina, aluminum hydroxide, boehmite, nanosilica, carbon nanotubes, talc, glass fiber, etc. can be used. In particular, it is preferable to use alumina from the viewpoint that chemical reaction with the electrolytic solution is unlikely to occur and physical properties and manufacturing technology are stable. The particle shape of alumina is not limited, and for example, spherical or flat particles can be used. The average particle size (diameter) of alumina is preferably 200 nm or more and 1000 nm or less, more preferably 400 nm or more and 900 nm or less. The average particle size can be determined by a laser diffraction scattering method. Further, as alumina, it is preferable to use one having an average particle diameter larger than the average pore diameter of the microporous membrane used for the substrate S. Alumina having different average particle diameters may also be mixed and used. In addition, alumina may contain impurity elements (eg, Si, Fe, Na, Mg, Cu), but Si is 400 ppm or less, Fe is 300 ppm or less, Na is 200 ppm or less, Mg is 100 ppm or less, Cu is preferably 100 ppm or less.
その他の添加物として、増粘剤(例えば、カルボキシメチルセルロース)、結着剤(例えば、アクリル樹脂、アクリル系バインダ)、分散剤(例えば、界面活性剤)、消泡剤(例えば、シリコーン系消泡剤)などを添加してもよい。 Other additives include thickeners (e.g., carboxymethyl cellulose), binders (e.g., acrylic resins, acrylic binders), dispersants (e.g., surfactants), antifoaming agents (e.g., silicone antifoaming agents). agent) and the like may be added.
カルボキシメチルセルロースは、水溶性セルロースであり、塗工液に添加することで、粘性が高まり、塗工性が良くなる。また、アクリル樹脂を添加することで、塗工液中の材料の接着性が良くなる。 Carboxymethyl cellulose is a water-soluble cellulose, and by adding it to the coating liquid, the viscosity increases and the coatability improves. Also, the addition of the acrylic resin improves the adhesiveness of the materials in the coating liquid.
界面活性剤を添加することで、基材Sに対する濡れ性が良くなる。特に、ポリエチレンやポリプロピレン製の基材を用いる場合には、自由エネルギーが大きく、界面活性剤を添加することが好ましい。界面活性剤の添加量は、少なすぎると濡れ性の改善が十分でなく、多すぎると界面活性剤によって基材の孔を防ぐことがあるため、塗工液の固形成分のうちの0.001wt%以上5wt%以下とすることが好ましい。この際に使用できる界面活性剤は、特に限定されないが、例えば、アニオン系、カチオン系、両性イオン系、或いはノニオン系の界面活性剤が挙げられる。適切な界面活性剤としては、ロムアンドハース社(Rhom and Haas Company)より市販されているタモール SN(TAMOL(登録商標)SN)、タモール(登録商標))LG、同社から市販されているトリトン(TRITON(登録商標))シリーズ、GAF社から市販されているマラスパース(MARASPERSE(登録商標))シリーズ、及びイゲパール(IGEPAL(登録商標))シリーズ、同社から市販されているテルジトール(TERGITOL(登録商標))シリーズ、及びストロデクス PK-90(STRODEX(登録商標) PK-90)、BASF社より市販されているプルロニック F-68(PLURONIC(登録商標) F-68)、マラスパース社(Marasperse)より市販されているカラスパース TU(KARASPERSE TU(商標))、等が挙げられる。 By adding a surfactant, the wettability to the substrate S is improved. In particular, when using a base material made of polyethylene or polypropylene, the free energy is large, and it is preferable to add a surfactant. If the amount of the surfactant added is too small, the wettability is not sufficiently improved, and if it is too large, the surfactant may prevent pores in the substrate. % or more and 5 wt % or less. Surfactants that can be used at this time are not particularly limited, but examples thereof include anionic, cationic, amphoteric, and nonionic surfactants. Suitable surfactants include Tamol SN (TAMOL® SN), Tamol® LG available from Rhom and Haas Company, Triton (available from Rhom and Haas Company). TRITON® series, MARASPERSE® series marketed by GAF, and IGEPAL® series marketed by GAF, TERGITOL® marketed by the same company. series, and STRODEX® PK-90, commercially available from BASF, PLURONIC® F-68, commercially available from Marasperse. KARASPERSE TU (trademark), and the like.
ここで、前述した塗工液の固形成分とは、塗工液中に含まれる、上記SA化CeNF塩(第1フィラー)、無機フィラー(第2フィラー)、増粘剤、結着剤、分散剤の合計量である。 Here, the solid components of the coating liquid described above refer to the above-mentioned SA-CeNF salt (first filler), inorganic filler (second filler), thickener, binder, and dispersant contained in the coating liquid. is the total amount of agent.
塗工液中の塩濃度(NaOHを添加する場合には、Naイオン濃度)は、1000mg/L以上2000mg/L以下が好ましい。また、塗工液の電気伝導率は、400ms/m以上800ms/m以下が好ましい。塗工液中の塩濃度は、例えば、イオン濃度測定装置(堀場製作所製)で測定することができ、塗工液の電気伝導率は、電気伝導率計(堀場製作所製)で測定することができる。 The salt concentration (Na ion concentration when NaOH is added) in the coating liquid is preferably 1000 mg/L or more and 2000 mg/L or less. Moreover, the electric conductivity of the coating liquid is preferably 400 ms/m or more and 800 ms/m or less. The salt concentration in the coating liquid can be measured, for example, with an ion concentration measuring device (manufactured by Horiba Ltd.), and the electrical conductivity of the coating liquid can be measured with an electrical conductivity meter (manufactured by Horiba Ltd.). can.
<<3:基材への塗工工程>>
<<1:基材(塗工前の多孔質フィルム)の準備工程>>で説明した基材Sの表面に、上記塗工液を塗工する。塗工方法に制限はないが、例えば、バーコーター、リップコーター、グラビアコーターなどを用いることができる。塗工後、塗工液を乾燥させることにより、基材Sの表面に塗工膜を形成することができる。
<<3: Coating process to base material>>
The above coating solution is applied to the surface of the substrate S described in <<1: Substrate (porous film before coating) preparation step>>. Although the coating method is not limited, for example, a bar coater, lip coater, gravure coater and the like can be used. After coating, a coating film can be formed on the surface of the substrate S by drying the coating liquid.
以上のように、本実施の形態によれば、SA化CeNa塩を塗工液に添加することで、多孔質フィルムの特性を向上させることができる。特に、多孔質フィルムの耐熱性を向上することができる。また、SA化CeNa塩を添加した塗工液を塗布した多孔質フィルムをセパレータとして用いることで、電池特性(例えば、出力特性やサイクル特性)を向上させることができる。 As described above, according to the present embodiment, the characteristics of the porous film can be improved by adding the SA-CeNa salt to the coating liquid. In particular, the heat resistance of the porous film can be improved. In addition, by using a porous film coated with a coating liquid to which a CeNa salt of SA is added as a separator, battery characteristics (for example, output characteristics and cycle characteristics) can be improved.
以下に、本実施の形態の塗工液、多孔質フィルム(セパレータ)およびこれを用いた電池の実施例について説明する。 Examples of the coating liquid, the porous film (separator), and the battery using the same according to the present embodiment are described below.
[実施例A]
1:基材(塗工前の多孔質フィルム)の準備工程
基材Sとしては、例えば、市販のポリエチレン製微多孔質膜(CS-TECH社製、平均細孔径0.06μm、厚さ16μm)を用いた。
[Example A]
1: Substrate (porous film before coating) preparation step As the substrate S, for example, a commercially available polyethylene microporous membrane (manufactured by CS-TECH, average pore diameter 0.06 μm, thickness 16 μm) was used.
2:塗工液の調製工程
A)SA化CeNFNa塩の調製
図4の工程に準じ、無水コハク酸によりセルロースにカルボキシ基を導入した(-OHの一部を-COOHとした)。SA化セルロースの分散液のpHは、4.0であり、酸価は、76.5mg/gであった。次いで、水酸化ナトリウムを添加し、カルボキシ基をNa塩に変換させた(-COOHの一部を-COONaとした)。次いで、マスコロイダーにより解繊処理を行い、セルロースをナノ化した。水酸化ナトリウムの添加量およびSA化CeNFNa塩の分散液のpHを表1に示す。pHは、pHメータ(堀場製作所製)で測定することができる。
2: Coating liquid preparation process A) Preparation of SA-CeNFNa salt Carboxy groups were introduced into cellulose with succinic anhydride according to the process of Fig. 4 (part of -OH was changed to -COOH). The SA-modified cellulose dispersion had a pH of 4.0 and an acid value of 76.5 mg/g. Then, sodium hydroxide was added to convert the carboxy group to Na salt (part of --COOH was changed to --COONa). Then, defibration treatment was performed with a mass colloider to nanosize the cellulose. Table 1 shows the amount of sodium hydroxide added and the pH of the SA CeNFNa salt dispersion. The pH can be measured with a pH meter (manufactured by Horiba, Ltd.).
B)攪拌処理
SA化CeNFNa塩の分散液に、カルボキシメチルセルロース(CMC)、アクリル樹脂(バインダ)、界面活性剤としてオクチルフェノールエトキシレート(トリトンX)を添加した後、さらに高純度アルミナ(住友化学社製、平均粒径700nm)を投入した。なお、溶媒として、さらに水系溶媒を添加し、混合液を調製した。この混合液を自転公転式攪拌機(シンキー社製、ARE310)で、2000rpmで、30min攪拌して、さらに、薄膜旋回攪拌機(プライミクス社製、FILMIX)で、25m/sで、1min攪拌して、塗工液を得た。塗工液においては、固形成分(セルロース、CMC、バインダ、界面活性剤、アルミナ)の割合を100wt%として、表1に、各塗工液の固形成分比率および電気伝導率(ms/m)を示す。この電気伝導率は、Naの添加量との相関関係を有する。また、比較例AとしてSA化CeNFNa塩の分散液を未添加の塗工液も形成した。
B) Stirring treatment After adding carboxymethyl cellulose (CMC), acrylic resin (binder), and octylphenol ethoxylate (Triton X) as a surfactant to the SA CeNFNa salt dispersion, high-purity alumina (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd. , average particle size of 700 nm). As a solvent, an aqueous solvent was further added to prepare a mixed solution. This mixed solution was stirred with a rotation-revolution stirrer (ARE310, manufactured by Thinky) at 2000 rpm for 30 minutes, and further stirred with a thin-film swirl stirrer (FILMIX, manufactured by Primix) at 25 m/s for 1 minute, and then coated. Got the working fluid. In the coating liquid, the ratio of solid components (cellulose, CMC, binder, surfactant, alumina) is 100 wt%, and Table 1 shows the solid component ratio and electrical conductivity (ms/m) of each coating liquid. show. This electrical conductivity has a correlation with the amount of Na added. In addition, as Comparative Example A, a coating liquid was also prepared in which the SA-CeNFNa salt dispersion liquid was not added.
なお、本実施例においては、固形成分(セルロース、CMC、バインダ、界面活性剤、アルミナ)の溶媒に対する割合(濃度)は、45wt%であり、この割合(濃度)は、20~60wt%程度で調製することが可能である。 In this example, the ratio (concentration) of the solid components (cellulose, CMC, binder, surfactant, alumina) to the solvent was 45 wt%, and this ratio (concentration) was about 20 to 60 wt%. It is possible to prepare
3:基材への塗工工程(セパレータの作製工程)
「1.基材(塗工前の多孔質フィルム)の準備工程」で説明した基材(PE製多孔質フィルム)の表面に、上記塗工液(塗工液1、2、Aのいずれか)をバーコーターで両面に塗工し、80℃で1時間乾燥した。なお、塗工厚みは片面4μm(両面で8μm)とした。このようにして、塗工層が形成された多孔質フィルム(セパレータ)1、2、Aを形成した(表1参照)。なお、比較例Bとして、塗工層を形成していない基材のみである多孔質フィルム(セパレータ)を用い後述の電池Bを作製した。塗工液1、2において、ダマや基材のはじき等の不具合はなく、塗布性は良好であった。
3: Coating process to base material (separator production process)
Any of the above coating liquids (
4:電池の作製
正極用のスラリーとして、正極活物質(NCM(リチウムニッケルコバルトマンガン系酸化物、ニッケル-コバルト-マンガン酸リチウム(Li(Ni,Co,Mn)O2))、導電剤(アセチレンブラック)、バインダ(ポリフッ化ビニリデン(PVdF))を固形比率で94:3:3wt%となるよう配合し、自公転式ミキサー(シンキー製、練太郎、2000rpm、15分間)を用いて混練しスラリー化した。このスラリーを集電体(厚み15μmのアルミニウム箔)上にアプリケーターを用いて塗工し、80℃で仮乾燥した後、ロールプレスにより圧延し、減圧乾燥(160℃、10時間)することで正極(正極合剤層)を形成した。なお、容量密度は、3.10mAh/cm2とした。
4: Fabrication of battery Positive electrode active material (NCM (lithium nickel cobalt manganese oxide, nickel-cobalt-lithium manganate (Li (Ni, Co, Mn) O 2 )), conductive agent (acetylene black) and a binder (polyvinylidene fluoride (PVdF)) in a solid ratio of 94:3:3 wt%, and kneaded using a rotation-revolution mixer (manufactured by Thinky, Mixer, 2000 rpm, 15 minutes) to form a slurry. This slurry was applied onto a current collector (aluminum foil with a thickness of 15 μm) using an applicator, temporarily dried at 80° C., rolled by a roll press, and dried under reduced pressure (160° C., 10 hours). Thus, a positive electrode (positive electrode mixture layer) was formed with a capacity density of 3.10 mAh/cm 2 .
負極用のスラリーとして、負極活物質(人造黒鉛(グラファイト))、導電剤(アセチレンブラック)、増粘剤(カルボキシメチルセルロース(CMC))、バインダ(SBR(スチレンブタジエンゴム))を固形比率で96:1:1:2wt%となるよう配合し、自公転式ミキサー(シンキー製、練太郎、2000rpm、15分間)を用いて混練しスラリー化した。このスラリーを集電体(厚み10μmの銅箔)上にアプリケーターを用いて塗工し、80℃で仮乾燥した後、ロールプレスにより圧延し、減圧乾燥(140℃、10時間)することで負極(負極合剤層)を形成した。なお、容量密度は、3.36mAh/cm2とした。 As slurry for the negative electrode, a negative electrode active material (artificial graphite (graphite)), a conductive agent (acetylene black), a thickener (carboxymethyl cellulose (CMC)), and a binder (SBR (styrene-butadiene rubber)) at a solid ratio of 96: The ingredients were blended at a ratio of 1:1:2 wt %, and kneaded using a rotation-revolution mixer (manufactured by Thinky, Mixer, 2000 rpm, 15 minutes) to form a slurry. This slurry is applied to a current collector (10 μm thick copper foil) using an applicator, temporarily dried at 80° C., rolled by a roll press, and dried under reduced pressure (140° C., 10 hours) to form a negative electrode. (Negative electrode mixture layer) was formed. Note that the capacity density was set to 3.36 mAh/cm 2 .
上記多孔質フィルム(セパレータ)1、2、A、正極、負極を用いて、コイン型電池(電池1、2、A)を作製した(図3参照)。なお、電解液として1mol/L LiPF6(EC:DEC=50:50vol%,+VC1wt%)を用いた。
Using the above porous films (separators) 1, 2, A, positive electrodes, and negative electrodes, coin batteries (
5:評価
(サイクル特性)
30℃、カットオフ電圧4.2~2.5Vの条件下において、0.1Cの電流で10サイクル充電した後、0.5Cの充放電を繰り返すことにより、コイン型電池(電池1、2、A)のサイクル特性を調べた。また、60℃の条件下においても同様にサイクル特性を調べた。図6は、30℃でのサイクル特性を示す図であり、図7は、60℃でのサイクル特性を示す図である。図6、図7において、横軸は、サイクル数であり、縦軸は、電池容量維持率(%)である。
5: Evaluation (Cycle characteristics)
Under the conditions of 30 ° C. and a cutoff voltage of 4.2 to 2.5 V, after 10 cycles of charging at a current of 0.1 C, by repeating charging and discharging at 0.5 C, coin batteries (
図6、図7に示すように、電池1においては、電池A(比較例A、市販の塗工液模擬)より良好な電池容量維持率を示した。また、電池2においても、電池A(比較例A、市販の塗工液模擬)と同等またはより良好な電池容量維持率を示した。いずれの電池においても、サイクル数が大きくなるにしたがって、電池A(比較例A、市販の塗工液模擬)より、良好な電池容量維持率を示した。
As shown in FIGS. 6 and 7,
ここで、電池1と、電池2の比較においては、電池1の方がより電池容量維持率が良好であり、Na量を調製することでより良いサイクル特性が得られることが判明した。
Here, in comparison between
また、SA化CeNa塩中のNa濃度について、電池1では11.1mg/g、電池2では22.3mg/gであり、SA化CeNa塩中のNa濃度は、5mg/g~30mg/gが好ましい。さらに、塗工膜中のNa濃度について、電池1では0.05mg/g、電池2では4.5mg/gであり、塗工膜中のNa濃度は、0.05mg/g~5mg/gが好ましい。
Further, the Na concentration in the SA CeNa salt is 11.1 mg/g in the
(高率充放電特性)
30℃、カットオフ電圧4.2~2.5Vの条件下において、0.1Cの電流で10サイクル充電した後、0.1C~6Cで放電し、その後、1Cの充放電を繰り返すことにより、コイン型電池(電池1、2、A、B)の高率放電特性を調べた。
(High rate charge/discharge characteristics)
Under the conditions of 30 ° C. and a cutoff voltage of 4.2 to 2.5 V, after 10 cycles of charging at a current of 0.1 C, discharging at 0.1 C to 6 C, and then repeating charging and discharging at 1 C, High rate discharge characteristics of coin cells (
図8は、放電レートと放電電圧との関係を示す図である。横軸は、放電レート(Cレート、C)であり、縦軸は、平均電圧(V)である。図9は、放電レートと放電容量との関係を示す図である。横軸は、放電レート(Cレート、C)であり、縦軸は、放電容量(mAh)である。 FIG. 8 is a diagram showing the relationship between discharge rate and discharge voltage. The horizontal axis is the discharge rate (C rate, C), and the vertical axis is the average voltage (V). FIG. 9 is a diagram showing the relationship between discharge rate and discharge capacity. The horizontal axis is the discharge rate (C rate, C), and the vertical axis is the discharge capacity (mAh).
図9に示すように、いずれの電池(電池1、2、A、B)においても、放電容量は同程度であったが、図8に示すように、平均放電電圧については、電池1、2においては、電池A(比較例A、市販の塗工液模擬)や電池B(比較例B、塗工膜を設けず)より良好な平均放電電圧を示した。
As shown in FIG. 9, all the batteries (
また、電池1と、電池2の比較においては、特に、放電レート2C以上においては、電池1の方が、電池2より平均放電電圧が高い傾向にあった。
Also, in comparison between
このように、セルロースをカルボキシ化しNa塩とすることで、電池特性が向上するものの、添加量には前述したようなより好適な範囲が存在することが判明した。 As described above, it was found that although the battery characteristics are improved by carboxylating cellulose to Na salt, there is a more suitable range for the addition amount as described above.
(実施の形態2)
実施の形態1においては、塗工液の第1フィラーとして、SA化Ce塩を用いたが、第1級水酸基がカルボキシル基に酸化された構造を有する酸化セルロースを用いてもよい。
(Embodiment 2)
In
以下に、本実施の形態の多孔質フィルムおよびその製造方法について説明する。本実施の形態の多孔質フィルムは、いわゆる電池のセパレータとして用いることができる。 The porous film of this embodiment and the method for producing the same will be described below. The porous film of the present embodiment can be used as a so-called battery separator.
[構造説明]
本実施の形態の多孔質フィルムは、基材(多孔質基材)Sと基材Sの表面に形成された塗工膜(被覆膜)CFとを有する。ここで、本実施の形態の多孔質フィルムの構成(図1)や、この多孔質フィルムを用いたリチウムイオン電池の構成(図2、図3)は、実施の形態1の場合のSA化Ce塩が、第1級水酸基がカルボキシル基に酸化された構造を有する酸化セルロースとなる以外は、実施の形態1と同様であるため、その詳細な説明を省略する。
[Structure description]
The porous film of the present embodiment has a substrate (porous substrate) S and a coating film (coating film) CF formed on the surface of the substrate S. Here, the configuration of the porous film of the present embodiment (FIG. 1) and the configuration of the lithium-ion battery using this porous film (FIGS. 2 and 3) are similar to the SA-Ce Since the salt is the same as in
[製法説明]
以下に本実施の形態の多孔質フィルムの製造工程を説明するとともに、多孔質フィルムや塗工膜の構成をより明確にする。
本実施の形態の多孔質フィルムの製造工程は、以下の工程を有する。
[Manufacturing method]
The manufacturing process of the porous film of the present embodiment will be described below, and the configurations of the porous film and the coating film will be clarified.
The manufacturing process of the porous film of the present embodiment has the following steps.
<<1:基材(塗工前の多孔質フィルム)の準備工程>>
基材Sとしては、微多孔質膜を用いることができる。例えば、市販のポリエチレン製微多孔質膜を用いることができる。
<<1: Preparatory process for base material (porous film before coating)>>
As the substrate S, a microporous membrane can be used. For example, a commercially available polyethylene microporous membrane can be used.
<<2:塗工液の調製工程>>
A)第1フィラーの準備
本実施の形態においては、第1級水酸基がカルボキシル基に酸化された構造を有する酸化セルロースとしてTEMPO処理されたセルロースを用いる場合を例に、以下説明する。TEMPO処理(TEMPO酸化処理)とは、TEMPO(2,2,6,6-テトラメチルピペリジン1-オキシル(2,2,6,6-tetramethylpiperidine1-oxyl))を触媒として用いた酸化反応による処理である。このため、TEMPO処理されたセルロースを“TEMPO酸化セルロース”という場合がある。
<<2: Coating liquid preparation process>>
A) Preparation of First Filler In the present embodiment, an example of using TEMPO-treated cellulose as oxidized cellulose having a structure in which primary hydroxyl groups are oxidized to carboxyl groups will be described below. TEMPO treatment (TEMPO oxidation treatment) is a treatment by an oxidation reaction using TEMPO (2,2,6,6-tetramethylpiperidine1-oxyl) as a catalyst. be. For this reason, TEMPO-treated cellulose is sometimes referred to as "TEMPO-oxidized cellulose."
セルロース(Cellulose、Cell-OH)は、(C12H20O10)nで表される炭水化物であり、例えば、前述の化学構造式(化1)で示される。 Cellulose (Cell-OH) is a carbohydrate represented by (C 12 H 20 O 10 ) n and is represented, for example, by the aforementioned chemical structural formula (Formula 1).
セルロースにTEMPO処理を施した場合、セルロースの第1級水酸基である-OHが位置選択的に酸化されてC6-アルデヒド基を経て、C6-カルボキシル基まで酸化され、さらに、アルカリ処理されることでC6-カルボキシル基の塩(カルボン酸塩)、例えば、水酸化ナトリウム溶液でアルカリ処理をした場合、以下のようにC6-カルボキシ基のNa塩、に変換される。 When cellulose is subjected to TEMPO treatment, -OH, which is the primary hydroxyl group of cellulose, is regioselectively oxidized to C6-aldehyde group and then to C6-carboxyl group, and further treated with alkali. A salt of C6-carboxyl group (carboxylate), for example, when alkali treated with sodium hydroxide solution, it is converted to Na salt of C6-carboxyl group as follows.
セルロースの水酸基にカルボキシ基を導入する工程(酸化工程)では、例えば触媒としてTEMPOや臭化ナトリウム、酸化剤として次亜塩素酸を使用して、水中で反応させる。反応中は、任意のpHを維持することが可能な量の塩基性溶液、例えば水酸化ナトリウムを添加して、反応させることで、TEMPO酸化処理を施したセルロース(上記(化5))を得ることができる。 In the step of introducing carboxyl groups into the hydroxyl groups of cellulose (oxidation step), for example, TEMPO or sodium bromide is used as a catalyst, and hypochlorous acid is used as an oxidizing agent, and the reaction is carried out in water. During the reaction, a basic solution such as sodium hydroxide is added in an amount capable of maintaining an arbitrary pH, and the reaction is carried out to obtain cellulose subjected to TEMPO oxidation treatment (the above (chemical formula 5)). be able to.
TEMPO処理による酸化では、グルコースユニットの全てのC6位の第一級水酸基が酸化されるわけではなく、セルロースの結晶構造の表面に露出しているC6位の第一級水酸基が選択的に酸化される。このため、前述の化学構造式(化5)に示すように、二つのグルコースユニットのうちの一つの第一級水酸基が酸化される。もちろん化学反応なので、セルロースの結晶構造の表面に露出しているC6位の第一級水酸基酸化されたものには限定されない。上記した「水酸化ナトリウムを添加して、反応させることで、TEMPO酸化処理を施したセルロース(上記(化5))を得ることができる」という表現は、化学構造式(化1)で示されるセルロースの複数のユニットのうちの少なくとも一部において、化学構造式(化5)に示すナトリウム塩が得られるという意味である。 In the oxidation by TEMPO treatment, not all the primary hydroxyl groups at the C6 position of the glucose unit are oxidized, but the primary hydroxyl groups at the C6 position exposed on the surface of the cellulose crystal structure are selectively oxidized. be. As a result, the primary hydroxyl group of one of the two glucose units is oxidized, as shown in the chemical structural formula (Formula 5) above. Of course, since it is a chemical reaction, it is not limited to oxidizing the primary hydroxyl group at the C6 position exposed on the surface of the crystal structure of cellulose. The above-mentioned expression "By adding sodium hydroxide and allowing it to react, cellulose subjected to TEMPO oxidation treatment ((Chem. 5) above) can be obtained" is represented by the chemical structural formula (Chem. 1). It means that the sodium salt represented by the chemical structural formula (Chem. 5) is obtained in at least part of the plurality of units of cellulose.
このようにTEMPO処理されたセルロース(TEMPO酸化セルロース、TCe)は、C6-カルボキシ基のNa塩が、水中において電離するため、前述したSA化Ce塩の場合と同様に斥力(静電的な斥力、浸透圧)が働く。そのため、Na塩が高密度で配置されていると、微細な状態で分散させることができる。
図10は、TEMPO酸化セルロースの構成を模式的に示した図である。
In the case of the TEMPO-treated cellulose (TEMPO-oxidized cellulose, TCe), the Na salt of the C6-carboxy group is ionized in water, so that the repulsive force (electrostatic repulsive force , osmotic pressure) works. Therefore, when the Na salt is arranged at a high density, it can be dispersed in a fine state.
FIG. 10 is a diagram schematically showing the structure of TEMPO-oxidized cellulose.
TEMPO酸化セルロースにおいても、酸化剤(例えば、次亜塩素酸)の添加量を調製することにより、-OHの位置選択的な酸化量(即ち、C6-アルデヒド基を経て-COOHとなる量)を調製でき、さらに、塩基性溶液の添加量を調製することで、Na量(C6-カルボキシ基のNa塩への変換量)を調製することができる。 In TEMPO-oxidized cellulose, the amount of regioselective oxidation of —OH (that is, the amount of —COOH via the C6-aldehyde group) can be adjusted by adjusting the amount of oxidizing agent (for example, hypochlorous acid) added. Furthermore, by adjusting the amount of basic solution added, the amount of Na (amount of C6-carboxyl group converted to Na salt) can be adjusted.
よって、TEMPO酸化セルロースにおいても、酸化の程度(-COOHの量)は、酸価により算出することができ、また、Na塩への置換量は、塩基性溶液(ここでは、NaOH水溶液)の添加量により算出することができる。 Therefore, even in TEMPO-oxidized cellulose, the degree of oxidation (the amount of -COOH) can be calculated from the acid value, and the amount of substitution with Na salt can be calculated by adding a basic solution (here, NaOH aqueous solution) It can be calculated by quantity.
例えば、2.18×10-3molのカルボキシ基(-COOH)が含まれたTEMPO酸化セルロースに対して、NaOHの添加量が、例えば、8.73×10-4mol~13.1×10-4molであれば、疎水基のうち、40~60%がNa塩に変換されることとなる。この場合、Na(原子量23)濃度は、20.1mg/g~30.1mg/gの範囲となり、TCe中のNa濃度は、20.1mg/g~30.1mg/gとなる。また、SA化CeNa塩の塗工膜に対する添加量は0.5~1.5wt%が好ましく、塗工膜中のNa濃度は、0.100mg/g~0.45mg/gとなる。 For example, with respect to TEMPO-oxidized cellulose containing 2.18×10 −3 mol of carboxy groups (—COOH), the amount of NaOH added is, for example, 8.73×10 −4 mol to 13.1×10 If it is -4 mol, 40 to 60% of the hydrophobic groups will be converted to Na salt. In this case, the Na (atomic weight 23) concentration is in the range of 20.1 mg/g to 30.1 mg/g, and the Na concentration in TCe is 20.1 mg/g to 30.1 mg/g. The addition amount of the SA-CeNa salt to the coating film is preferably 0.5 to 1.5 wt%, and the Na concentration in the coating film is 0.100 mg/g to 0.45 mg/g.
(解繊処理)
また、上記TEMPO酸化セルロースに対し、解繊処理を行い、セルロースを微細化(ナノ化)してもよい。解繊処理(微細化処理)には、化学処理法や機械処理法などがある。これらを組み合わせた方法を用いてもよい。このような解繊処理(微細化処理)により、液体中において、例えば、幅(短径、短い方の長さ)Wが、1000nm以下、長さLが、500μm以下、より好ましくは、幅Wが、500nm以下、長さLが、3μm以下の微細なセルロースとなる。なお、幅Wが、4nm程度、長さLが、2μm程度のものも確認されている。
(defibration treatment)
Further, the TEMPO-oxidized cellulose may be defibrated to make the cellulose fine (nano). The fibrillation treatment (refining treatment) includes a chemical treatment method, a mechanical treatment method, and the like. You may use the method which combined these. By such fibrillation treatment (refinement treatment), in liquid, for example, width (minor diameter, length of shorter side) W is 1000 nm or less, length L is 500 μm or less, more preferably width W However, it becomes fine cellulose of 500 nm or less and length L of 3 μm or less. It is also confirmed that the width W is about 4 nm and the length L is about 2 μm.
上記のようなセルロースの微細化(ナノ化)は、TEMPO酸化処理の前に行ってもよく、また、TEMPO酸化処理の後に行ってもよい。 The cellulose refining (nanization) as described above may be performed before the TEMPO oxidation treatment, or may be performed after the TEMPO oxidation treatment.
B)混合工程(攪拌処理工程)
前述したTCeNF(第1フィラー)の分散液に、無機フィラー(第2フィラー)を添加し、攪拌することにより、塗工液を調製する。TCeNF(第1フィラー)は、塗工液の固形成分総量に対して、0.3wt%以上、5wt%以下とすることが好ましく、0.5wt%以上、1.5wt%以下とすることがより好ましい。
B) Mixing step (stirring treatment step)
A coating liquid is prepared by adding an inorganic filler (second filler) to the dispersion liquid of TCeNF (first filler) described above and stirring the mixture. TCeNF (first filler) is preferably 0.3 wt% or more and 5 wt% or less, more preferably 0.5 wt% or more and 1.5 wt% or less, relative to the total solid content of the coating liquid. preferable.
撹拌方式としては、例えば、モーターなどで軸に取り付けた羽を回転する方式、超音波などを用いた振動方式などを用いることができる。なお、塗工液中への気泡の巻き込みを低減するため、塗工液の調製(混合、攪拌)を減圧下で行ってもよい。 As the stirring method, for example, a method in which a blade attached to a shaft is rotated by a motor or the like, a vibration method using ultrasonic waves, or the like can be used. In addition, in order to reduce entrainment of air bubbles in the coating liquid, preparation (mixing and stirring) of the coating liquid may be performed under reduced pressure.
無機フィラー(第2フィラー)としては、特に限定されるものではなく、実施の形態1で説明した材料と同様のものを用いることができる。
The inorganic filler (second filler) is not particularly limited, and the same materials as those described in
その他の添加物として、増粘剤(例えば、カルボキシメチルセルロース)、結着剤(例えば、アクリル樹脂、アクリル系バインダ)、分散剤(例えば、界面活性剤)などを添加してもよい。これらについても、実施の形態1で説明した材料と同様のものを用いることができる。 As other additives, thickeners (eg, carboxymethylcellulose), binders (eg, acrylic resins, acrylic binders), dispersants (eg, surfactants), and the like may be added. Materials similar to those described in the first embodiment can also be used for these materials.
ここで、前述した塗工液の固形成分とは、塗工液中に含まれる、上記TCeNF(第1フィラー)、無機フィラー(第2フィラー)、増粘剤、結着剤、分散剤の合計量である。 Here, the solid component of the coating liquid described above is the total of the TCeNF (first filler), inorganic filler (second filler), thickener, binder, and dispersant contained in the coating liquid. quantity.
<<3:基材への塗工工程>>
<<1:基材(塗工前の多孔質フィルム)の準備工程>>で説明した基材Sの表面に、上記塗工液を塗工する。塗工方法に制限はないが、例えば、バーコーター、リップコーター、グラビアコーターなどを用いることができる。塗工後、塗工液を乾燥させることにより、基材Sの表面に塗工膜を形成することができる。
<<3: Coating process to base material>>
The above coating solution is applied to the surface of the substrate S described in <<1: Substrate (porous film before coating) preparation step>>. Although the coating method is not limited, for example, a bar coater, lip coater, gravure coater and the like can be used. After coating, a coating film can be formed on the surface of the substrate S by drying the coating liquid.
以上のように、本実施の形態によれば、TCeNF(TEMPO酸化セルロースナノファイバー)を塗工液に添加することで、多孔質フィルムの特性を向上させることができる。特に、多孔質フィルムの耐熱性を向上することができる。また、TCeNFを添加した塗工液を塗布した多孔質フィルムをセパレータとして用いることで、電池特性(例えば、出力特性、サイクル特性)を向上させることができる。 As described above, according to the present embodiment, the properties of the porous film can be improved by adding TCeNF (TEMPO-oxidized cellulose nanofibers) to the coating liquid. In particular, the heat resistance of the porous film can be improved. Moreover, by using a porous film coated with a coating liquid containing TCeNF as a separator, battery characteristics (for example, output characteristics and cycle characteristics) can be improved.
以下に、本実施の形態の塗工液、多孔質フィルム(セパレータ)およびこれを用いた電池の実施例について説明する。 Examples of the coating liquid, the porous film (separator), and the battery using the same according to the present embodiment are described below.
[実施例B]
1:基材(塗工前の多孔質フィルム)の準備工程
基材Sとしては、例えば、市販のポリエチレン製微多孔質膜(CS-TECH社製、平均細孔径0.06μm、厚さ16μm)を用いた。
[Example B]
1: Substrate (porous film before coating) preparation step As the substrate S, for example, a commercially available polyethylene microporous membrane (manufactured by CS-TECH, average pore diameter 0.06 μm, thickness 16 μm) was used.
2:塗工液の調製工程
A)TEMPO酸化セルロースの調製
TEMPO酸化セルロースを準備した。このTEMPO酸化セルロースは、平均粒径10μm程度の粉状であり、原材料として針葉樹由来のパルプを用いて製造されたものを用いた。水酸化ナトリウムの添加量およびTEMPO酸化セルロースの分散液のpHを表2に示す。
2: Preparation step of coating liquid A) Preparation of TEMPO-oxidized cellulose TEMPO-oxidized cellulose was prepared. This TEMPO-oxidized cellulose was powdery with an average particle size of about 10 μm, and was produced using softwood-derived pulp as a raw material. Table 2 shows the amount of sodium hydroxide added and the pH of the TEMPO oxidized cellulose dispersion.
B)攪拌処理
TEMPO酸化セルロースの分散液に、カルボキシメチルセルロース(CMC)、アクリル樹脂(バインダ)、界面活性剤としてオクチルフェノールエトキシレート(トリトンX)を添加した後、さらに高純度アルミナ(住友化学社製、平均粒径700nm)を投入した。なお、溶媒として、さらに水系溶媒を添加し、混合液を調製した。この混合液を自転公転式攪拌機(シンキー社製、ARE310)で、2000rpmで、30min攪拌して、さらに、薄膜旋回攪拌機(プライミクス社製、FILMIX)で、25m/sで、1min攪拌して、塗工液を得た。塗工液においては、固形成分(セルロース、CMC、バインダ、界面活性剤、アルミナ)の割合を100wt%として、表2に、各塗工液の固形成分比率および電気伝導率(ms/m)を示す。この電気伝導率は、Naの添加量との相関関係を有する。また、比較例AとしてTEMPO酸化セルロースの分散液を未添加の塗工液も形成した。
B) Stirring treatment After adding carboxymethyl cellulose (CMC), acrylic resin (binder), and octylphenol ethoxylate (Triton X) as a surfactant to the TEMPO oxidized cellulose dispersion, high-purity alumina (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., average particle diameter of 700 nm) was added. As a solvent, an aqueous solvent was further added to prepare a mixed solution. This mixed solution was stirred with a rotation-revolution stirrer (ARE310, manufactured by Thinky) at 2000 rpm for 30 minutes, and further stirred with a thin-film swirl stirrer (FILMIX, manufactured by Primix) at 25 m/s for 1 minute, and then coated. Got the working fluid. In the coating liquid, the ratio of solid components (cellulose, CMC, binder, surfactant, alumina) is 100 wt%, and Table 2 shows the solid component ratio and electrical conductivity (ms/m) of each coating liquid. show. This electrical conductivity has a correlation with the amount of Na added. In addition, as Comparative Example A, a coating liquid was also prepared to which no TEMPO-oxidized cellulose dispersion was added.
なお、本実施例においては、固形成分(セルロース、CMC、バインダ、界面活性剤、アルミナ)の溶媒に対する割合(濃度)は、45wt%であり、この割合(濃度)は、20~60wt%程度で調製することが可能である。 In this example, the ratio (concentration) of the solid components (cellulose, CMC, binder, surfactant, alumina) to the solvent was 45 wt%, and this ratio (concentration) was about 20 to 60 wt%. It is possible to prepare
3:基材への塗工工程(セパレータの作製工程)
「1.基材(塗工前の多孔質フィルム)の準備工程」で説明した基材(PE製多孔質フィルム)の表面に、上記塗工液(塗工液3、4、5、Aのいずれか)をバーコーターで両面に塗工し、80℃で1時間乾燥した。なお、塗工厚みは片面4μm(両面で8μm)とした。このようにして、塗工層が形成された多孔質フィルム(セパレータ)3、4、5、Aを形成した(表2参照)。塗工液3、4、5において。ダマや基材のはじき等の不具合はなく、塗布性は良好であった。なお、比較例Bとして、塗工層を形成していない基材のみである多孔質フィルム(セパレータ)を用い後述する電池Bを作製した。
3: Coating process to base material (separator production process)
The above coating liquids (
4:電池の作製
実施の形態1の実施例の場合と同様に、電池(電池3、4、5、A、B)を作製し、サイクル特性および高率充放電特性を評価した。
4: Fabrication of Battery Batteries (
(サイクル特性)
図11は、30℃でのサイクル特性を示す図であり、図12は、60℃でのサイクル特性を示す図である。図11、図12において、横軸は、サイクル数であり、縦軸は、電池容量維持率(%)である。
(Cycle characteristics)
FIG. 11 is a diagram showing cycle characteristics at 30.degree. C., and FIG. 12 is a diagram showing cycle characteristics at 60.degree. 11 and 12, the horizontal axis is the number of cycles, and the vertical axis is the battery capacity retention rate (%).
図11に示すように、いずれの電池(電池3、4、5)においても、電池A(比較例A、市販の塗工液模擬)より良好な電池容量維持率を示した。図12に示すように、電池4、5においては、電池A(比較例A、市販の塗工液模擬)より良好な電池容量維持率を示した。また、電池3においては、電池A(比較例A、市販の塗工液模擬)と同等の電池容量維持率を示した。
As shown in FIG. 11, all of the batteries (
特に、電池4、5においては、サイクル数が大きくなるにしたがって、電池A(比較例A、市販の塗工液模擬)より、良好な電池容量維持率を示した。
In particular,
ここで、電池3、4、5の比較においては、NaOHを添加していない電池3より、NaOHを添加した電池4、5の方がより電池容量維持率が良好であった。さらに、30℃のサイクル特性においては、電池5の方が電池4より電池容量維持率が良好であるものの、60℃のサイクル特性においては、電池容量維持率が逆転していることが判明した。特に、30℃を超える高温領域においては、Na量を調製することでより良いサイクル特性が得られることが伺える。
Here, in comparing
また、TCe中のNa濃度としては、電池4では9mg/g、電池5では18mg/gであり、TCe中のNa濃度は、5mg/g~30mg/gが好ましい。また、塗工膜中のNa濃度としては、電池4では0.2mg/g、電池5では12mg/gであり、塗工膜中のNa濃度は、0.1mg/g~15mg/gが好ましい。
The Na concentration in TCe is 9 mg/g in
(高率充放電特性)
図13は、放電レートと放電電圧との関係を示す図である。横軸は、放電レート(Cレート、C)であり、縦軸は、平均電圧(V)である。図14は、放電レートと放電容量との関係を示す図である。横軸は、放電レート(Cレート、C)であり、縦軸は、放電容量(mAh)である。
(High rate charge/discharge characteristics)
FIG. 13 is a diagram showing the relationship between discharge rate and discharge voltage. The horizontal axis is the discharge rate (C rate, C), and the vertical axis is the average voltage (V). FIG. 14 is a diagram showing the relationship between discharge rate and discharge capacity. The horizontal axis is the discharge rate (C rate, C), and the vertical axis is the discharge capacity (mAh).
図14に示すように、いずれの電池(電池3、4、5、A、B)においても、放電容量は同程度であったが、図13に示すように、平均放電電圧については、電池4、5においては、電池A(比較例A、市販の塗工液模擬)や電池B(比較例B、塗工膜を設けず)より良好な平均放電電圧を示した。
As shown in FIG. 14, all the batteries (
また、電池4と、電池5の比較においては、特に、放電レート2C以上においては、電池4の方が、電池5より平均放電電圧が高い傾向にあった。
In addition, when comparing
このように、セルロースをカルボキシ化しNa塩とすることで、電池特性が向上するものの、添加量には前述したようなより好適な範囲が存在することが判明した。 As described above, it was found that although the battery characteristics are improved by carboxylating cellulose to Na salt, there is a more suitable range for the addition amount as described above.
[実施例C]
次いで、TCeNFの径(細かさ)と電池特性の関係について調べた。
[Example C]
Next, the relationship between the diameter (fineness) of TCeNF and battery characteristics was investigated.
1:基材(塗工前の多孔質フィルム)の準備工程
基材Sとしては、例えば、市販のポリエチレン製微多孔質膜(CS-TECH社製、平均細孔径0.06μm、厚さ16μm)を用いた。
1: Substrate (porous film before coating) preparation step As the substrate S, for example, a commercially available polyethylene microporous membrane (manufactured by CS-TECH, average pore diameter 0.06 μm, thickness 16 μm) was used.
2:塗工液の調製工程
A)TEMPO酸化セルロースの調製
TEMPO酸化セルロースを準備した。このTEMPO酸化セルロースは、平均粒径10μm程度の粉状であり、原材料として針葉樹由来のパルプを用いて製造されたものを用いた。ここで、上記TEMPO酸化セルロースに対し、解繊処理を行った。試料6においては、マスコロイダー処理により、セルロースを微細化(ナノ化)し、試料7においては、ビーズミル処理により、セルロースを微細化(ナノ化)した。ビーズミル処理は、マスコロイダー処理より解繊能力が高く、セルロースをより微細とすることができる。なお、実施例A、Bにおいては、マスコロイダー処理によりセルロースを微細化(ナノ化)している。
2: Preparation step of coating liquid A) Preparation of TEMPO-oxidized cellulose TEMPO-oxidized cellulose was prepared. This TEMPO-oxidized cellulose was powdery with an average particle size of about 10 μm, and was produced using softwood-derived pulp as a raw material. Here, defibration treatment was performed on the TEMPO-oxidized cellulose. In
B)攪拌処理
TEMPO酸化セルロースの分散液に、カルボキシメチルセルロース(CMC)、アクリル樹脂(バインダ)、界面活性剤としてオクチルフェノールエトキシレート(0.1wt%)を添加した後、さらに高純度アルミナ(住友化学社製)を投入した。なお、溶媒として、さらに水系溶媒を添加し、混合液を調製した。この混合液を自転公転式攪拌機(シンキー社製、ARE310)で、2000rpmで、30min攪拌して、さらに、薄膜旋回攪拌機(プライミクス社製、FILMIX)で、25m/sで、1min攪拌して、塗工液を得た。塗工液においては、固形成分(セルロース、CMC、バインダ、界面活性剤、アルミナ)の割合を100wt%として、表2の試料5と同様の比率で混合した。電気伝導率(ms/m)は、試料6、7とも498ms/sであった。また、比較例Aとして塩基性疎水化セルロースの分散液を未添加の塗工液も形成した。
B) Stirring Treatment After adding carboxymethyl cellulose (CMC), acrylic resin (binder), and octylphenol ethoxylate (0.1 wt%) as a surfactant to the TEMPO oxidized cellulose dispersion, high-purity alumina (Sumitomo Chemical Co., Ltd. ) was introduced. As a solvent, an aqueous solvent was further added to prepare a mixed solution. This mixed solution was stirred with a rotation-revolution stirrer (ARE310, manufactured by Thinky) at 2000 rpm for 30 minutes, and further stirred with a thin-film swirl stirrer (FILMIX, manufactured by Primix) at 25 m/s for 1 minute, and then coated. Got the working fluid. In the coating liquid, the ratio of solid components (cellulose, CMC, binder, surfactant, alumina) was set to 100 wt %, and mixed in the same ratio as
3:基材への塗工工程(セパレータの作製工程)
「1.基材(塗工前の多孔質フィルム)の準備工程」で説明した基材(PE製多孔質フィルム)の表面に、上記塗工液(塗工液6、7、Aのいずれか)をバーコーターで両面に塗工し、80℃で1時間乾燥した。なお、塗工厚みは片面4μm(両面で8μm)とした。このようにして、塗工層が形成された多孔質フィルム(セパレータ)6、7、Aを形成した(表2参照)。
3: Coating process to base material (separator production process)
Any one of the above coating liquids (
4:電池の作製
実施の形態1の実施例の場合と同様に、電池(電池6、7、A)を作製し、サイクル特性および高率充放電特性を評価した。
4: Fabrication of Battery Batteries (
(サイクル特性)
図15は、30℃でのサイクル特性を示す図であり、図16は、60℃でのサイクル特性を示す図である。図15、図16において、横軸は、サイクル数であり、縦軸は、電池容量維持率(%)である。
(Cycle characteristics)
FIG. 15 is a diagram showing cycle characteristics at 30.degree. C., and FIG. 16 is a diagram showing cycle characteristics at 60.degree. 15 and 16, the horizontal axis is the number of cycles, and the vertical axis is the battery capacity retention rate (%).
図15および図16に示すように、いずれの電池(電池6、7)においても、電池A(比較例A、市販の塗工液模擬)より良好な電池容量維持率を示した。
As shown in FIGS. 15 and 16, both batteries (
そして、特に、30℃を超える高温領域においては、より細かく解繊した塗工液7を用いた電池7においてより良いサイクル特性が得られた。
In particular, in a high temperature range exceeding 30° C., better cycle characteristics were obtained in the
(実施の形態3)
実施の形態1、2の実施例においては、基材Sとして、市販のポリエチレン製微多孔質膜を用いたが、以下のようにしてポリエチレン製微多孔質膜を形成することができる。
(Embodiment 3)
In the examples of
図17は、本実施の形態の製造装置の構成を示す模式図である。本実施の形態においては、上記製造装置を用いたセパレータの製造工程について説明する。 FIG. 17 is a schematic diagram showing the configuration of the manufacturing apparatus of this embodiment. In the present embodiment, a separator manufacturing process using the manufacturing apparatus described above will be described.
例えば、図17の二軸混練押出機(S1)の原料供給部に可塑剤(流動パラフィン)とポリオレフィン(例えば、ポリエチレン)を投入し、混練部において上記可塑剤とポリオレフィンとを混練する。混練条件は、例えば、180℃、12分間であり、軸の回転数は100rpmである。 For example, a plasticizer (liquid paraffin) and polyolefin (for example, polyethylene) are put into the raw material supply section of the twin-screw kneading extruder (S1) in FIG. 17, and the plasticizer and polyolefin are kneaded in the kneading section. The kneading conditions are, for example, 180° C. for 12 minutes, and the rotation speed of the shaft is 100 rpm.
混練物(溶融樹脂)を、吐出部からTダイS2へ搬送し、溶融樹脂をTダイS2のスリットから押し出しつつ、原反冷却装置S3において冷却することで、薄膜状の樹脂成型体を形成する。 The kneaded material (molten resin) is conveyed from the discharge part to the T-die S2, and the molten resin is cooled in the original fabric cooling device S3 while being extruded through the slit of the T-die S2, thereby forming a thin resin molding. .
次いで、上記薄膜状の樹脂成型体を第1縦延伸装置S4により縦方向に引き延ばし、さらに、第1横延伸装置S5により横方向に引き延ばす。 Next, the thin film-shaped resin molding is stretched in the longitudinal direction by the first longitudinal stretching device S4, and further stretched in the lateral direction by the first lateral stretching device S5.
次いで、引き延ばされた薄膜を抽出槽S6において有機溶剤(例えば、塩化メチレン)に浸漬する。引き延ばされた薄膜においては、ポリオレフィン(例えば、ポリエチレン)と可塑剤(パラフィン)が相分離した状態となる。具体的には、可塑剤(パラフィン)がナノサイズの島状となる。このナノサイズの可塑剤(パラフィン)を抽出槽S6の有機溶剤(例えば、塩化メチレン)により除去する(脱脂する)。これにより、多孔質の薄膜を形成することができる。 The stretched thin film is then immersed in an organic solvent (eg, methylene chloride) in extraction tank S6. In the stretched thin film, the polyolefin (eg, polyethylene) and the plasticizer (paraffin) are phase-separated. Specifically, the plasticizer (paraffin) becomes nano-sized islands. This nano-sized plasticizer (paraffin) is removed (degreased) with an organic solvent (eg, methylene chloride) in the extraction tank S6. Thereby, a porous thin film can be formed.
この後、さらに、第2横延伸装置S7で、横方向に引き延ばしつつ、薄膜を乾燥させ、熱固定を行い、延伸時の内部応力を緩和する。次いで、巻取り装置S8により、第2横延伸装置S7から搬送された薄膜を巻き取る。 After that, the thin film is dried and heat-set while being stretched in the lateral direction by the second lateral stretching device S7 to relax the internal stress during the stretching. Next, the thin film conveyed from the second transverse stretching device S7 is wound up by the winding device S8.
このようにして、多孔質の薄膜(実施の形態1の基材)を製造することができる。ここで、例えば、第2横延伸装置S7および巻取り装置S8の間に、図18に示すグラビア塗工装置(S7’)を組み込む。図18は、グラビア塗工装置の構成を模式的に示す断面図である。このグラビア塗工装置は、2つのグラビアロールRを有する。このグラビアロールRは、例えば、複数の斜線状凹部を有しており、その一部が塗工液CLに浸漬するように配置され、回転させることにより、斜線状凹部に塗工液を保持した状態で、基材Sに塗工液CLを塗工する。 Thus, a porous thin film (substrate of Embodiment 1) can be produced. Here, for example, a gravure coating device (S7') shown in FIG. 18 is incorporated between the second lateral stretching device S7 and the winding device S8. FIG. 18 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a gravure coating apparatus. This gravure coating device has two gravure rolls R. As shown in FIG. The gravure roll R has, for example, a plurality of oblique concave portions, and is arranged so that a part thereof is immersed in the coating liquid CL, and is rotated to hold the coating liquid in the oblique concave portions. The substrate S is coated with the coating liquid CL in this state.
この塗工液CLとして実施の形態1において説明した塗工液CLを用いることで、基材の両面に塗工膜を形成することができる。なお、必要に応じて塗工液の乾燥装置などを適宜組み込むことができる。
By using the coating liquid CL described in
このように、図17、図18に示す装置を用いて高性能のセパレータを効率良く製造することができる。 As described above, the apparatus shown in FIGS. 17 and 18 can be used to efficiently manufacture high-performance separators.
前述したように、ポリオレフィン(樹脂)と可塑剤とを混練機を用いて溶融混練し、押出機を用いてシート状に押出した後、混練物をプレス機や延伸機を用いて延伸することにより膜(薄膜)を形成する。 As described above, the polyolefin (resin) and the plasticizer are melt-kneaded using a kneader, extruded into a sheet shape using an extruder, and then the kneaded product is stretched using a press or stretching machine. Forms a film (thin film).
ポリオレフィンとしては、通常の押出、射出、インフレーション、及びブロー成形等により加工可能なものを用いる。例えば、ポリオレフィンとして、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、及び1-オクテン等のホモ重合体及び共重合体、多段重合体等を使用することができる。また、これらのホモ重合体及び共重合体、多段重合体の群から選んだポリオレフィンを単独、もしくは混合して使用することもできる。前記重合体の代表例としては、低密度ポリエチレン、線状低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレン、アイソタクティックポリプロピレン、アタクティックポリプロピレン、エチレン-プロピレンランダム共重合体、ポリブテン、エチレンプロピレンラバー等が挙げられる。 Polyolefins that can be processed by ordinary extrusion, injection, inflation, blow molding, and the like are used. For example, polyolefins that can be used include homopolymers and copolymers of ethylene, propylene, 1-butene, 4-methyl-1-pentene, 1-hexene, and 1-octene, multistage polymers, and the like. Polyolefins selected from the group of these homopolymers, copolymers, and multi-stage polymers can also be used singly or in combination. Representative examples of the polymer include low-density polyethylene, linear low-density polyethylene, medium-density polyethylene, high-density polyethylene, ultra-high molecular weight polyethylene, isotactic polypropylene, atactic polypropylene, ethylene-propylene random copolymer, and polybutene. , ethylene propylene rubber and the like.
なお、基材Sとしては、高融点であり、かつ高強度の要求性能から、特に、ポリエチレンを主成分とする樹脂を使用することが好ましい。また、シャットダウン性等の点から、樹脂成分の50wt%以上をポリエチレンが占めることが好ましい。また、分子量が100万以上の超高分子量ポリオレフィンを用いる場合、混練物(樹脂および分散液)100質量部に対し、超高分子量ポリオレフィンが50質量部を超すと均一に混練することが困難となることから50質量部以下であることが好ましい。 As the base material S, it is particularly preferable to use a resin containing polyethylene as a main component because it has a high melting point and requires high strength. Moreover, from the viewpoint of shutdown property, it is preferable that polyethylene accounts for 50 wt % or more of the resin component. Further, in the case of using an ultra-high molecular weight polyolefin having a molecular weight of 1,000,000 or more, if the ultra-high-molecular-weight polyolefin exceeds 50 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the kneaded product (resin and dispersion), uniform kneading becomes difficult. Therefore, it is preferably 50 parts by mass or less.
可塑剤は、熱可塑性樹脂に加えて柔軟性や耐候性を改良するものである。さらに、本実施の形態においては、後述する脱脂工程により、可塑剤を除去することにより、樹脂成形体(膜)に孔を設けることができる。 Plasticizers improve flexibility and weather resistance in addition to thermoplastic resins. Furthermore, in the present embodiment, pores can be provided in the resin molded body (film) by removing the plasticizer in a degreasing step, which will be described later.
可塑剤としては、分子量100~1500、沸点が50℃から300℃の有機溶剤を用いることができる。具体的には、流動パラフィン、ノナン、デカン、デカリン、パラキシレン、ウンデカン、ドデカンの鎖状又は環式の脂肪族炭化水素、及び沸点がこれらに対応する鉱油留分、並びにジブチルフタレート、ジオクチルフタレートの室温では液状のフタル酸エステルうち一種類又は数種類の混合物を用いることができる。また、エタノールやメタノールなどのアルコール類、NMP(N-メチル-2-ピロリドン)やジメチルアセトアミドなどの窒素系有機溶剤、アセトンやメチルエチルケトンなどのケトン類、酢酸エチルや酢酸ブチルなどのエステル類のうち、一種類又は数種類の混合物を用いることができる。 As the plasticizer, an organic solvent having a molecular weight of 100 to 1500 and a boiling point of 50°C to 300°C can be used. Specifically, liquid paraffin, nonane, decane, decalin, paraxylene, undecane, dodecane chain or cyclic aliphatic hydrocarbons, mineral oil fractions with boiling points corresponding to them, and dibutyl phthalate, dioctyl phthalate One or a mixture of several phthalates that are liquid at room temperature can be used. Among alcohols such as ethanol and methanol, nitrogen-based organic solvents such as NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) and dimethylacetamide, ketones such as acetone and methyl ethyl ketone, and esters such as ethyl acetate and butyl acetate, One type or a mixture of several types can be used.
前述したシート状の混練物を延伸した膜(薄膜)においては、ポリオレフィンと可塑剤が相分離した状態となる。具体的には、可塑剤がナノサイズの島状となる。このナノサイズの可塑剤を後述する有機溶剤処理工程において除去することにより、島状の可塑剤部が孔となり、多孔質の薄膜が形成される。可塑剤の除去工程により樹脂成形体に微細な孔を多数形成するセパレータの形成工程は、“湿式法”と呼ばれる。 In the film (thin film) obtained by stretching the sheet-like kneaded material, the polyolefin and the plasticizer are in a phase-separated state. Specifically, the plasticizer becomes nano-sized islands. By removing the nano-sized plasticizer in the organic solvent treatment step, which will be described later, the island-shaped plasticizer portions become pores and a porous thin film is formed. A process of forming a separator in which a large number of fine pores are formed in a resin molding by removing a plasticizer is called a "wet method".
例えば、上記延伸工程で形成された膜(薄膜)を有機溶剤に浸漬することにより、膜中の可塑剤を有機溶剤中に抽出し、膜(薄膜)中から除去する。 For example, by immersing the film (thin film) formed in the above stretching step in an organic solvent, the plasticizer in the film is extracted into the organic solvent and removed from the film (thin film).
有機溶剤としては、塩化メチレン、ヘキサン、オクタン、シクロヘキサンなどを用いることができる。中でも、生産性の観点から、塩化メチレンを用いることが好ましい。 As an organic solvent, methylene chloride, hexane, octane, cyclohexane, etc. can be used. Among them, it is preferable to use methylene chloride from the viewpoint of productivity.
この後、膜(薄膜)表面の有機溶剤を揮発させ、必要に応じて熱処理(熱固定)することにより、基材(微多孔質膜)Sを得ることができる。 Thereafter, the organic solvent on the surface of the film (thin film) is volatilized, and heat treatment (heat setting) is performed as necessary to obtain the substrate (microporous film) S.
[実施例D]
セルロースナノファイバーを添加した耐熱塗工液の粘度と塗工性の相関について評価した。以下では塗工液の固形分比率として、45%や40%などと表示するが、全て質量%の意味である。
[Example D]
The correlation between viscosity and coatability of heat-resistant coating liquids containing cellulose nanofibers was evaluated. Although 45%, 40%, and the like are indicated below as the solid content ratio of the coating liquid, they all mean % by mass.
(原料)セルロースナノファイバー種類をSA化Ceのみに固定して、水による希釈により、粘度の異なる塗工液を製造した。なお、塗工液の固形分比率は、それぞれ、45%、40%、35%、30%となるように水で希釈を行った。 (Raw material) The type of cellulose nanofiber was fixed only to Ce of SA, and coating solutions with different viscosities were produced by diluting with water. The solid content ratios of the coating liquids were diluted with water to 45%, 40%, 35% and 30%, respectively.
(塗工液の製造)塗工液原料は前述の固形分比になるように、プラネタリ式ミキサー内に投入して、60分間混合をした。室温(25℃)における製造した塗工液の粘度は、45%のものが800mPa・s、40%のものが650mPa・s、35%のものが580mPa・s、30%のものが420mPa・sであった。塗工液の粘度は、簡易的に計測することが可能なザーンカップ(Allgood社製、No.2、No.3)で測定を行い、粘度差があることを確認した後、B型粘度計(Blookfield DV-2T)を使用して、粘度を計測した。 (Preparation of Coating Liquid) The raw materials of the coating liquid were put into a planetary mixer so as to have the above solid content ratio, and mixed for 60 minutes. The viscosity of the produced coating liquid at room temperature (25 ° C.) is 800 mPa s for 45%, 650 mPa s for 40%, 580 mPa s for 35%, and 420 mPa s for 30%. Met. The viscosity of the coating liquid is measured with a Zahn cup (manufactured by Allgood, No. 2, No. 3) that can be easily measured, and after confirming that there is a viscosity difference, a B-type viscometer (Brookfield DV-2T) was used to measure viscosity.
(塗工工程)
製造した粘度の異なる塗工液を使用してバーコータ(第一理化株式会社 No.2)を使用した塗工性の評価を行った。なお、塗工膜厚は片面4μmとなるようにバーコーターの型番を選定した。塗工性を評価するために、PE製のセパレータ(CS-TECH社製)の表面に前述のバーコーターで塗工液を塗布した。固形分濃度が45%(粘度800mPa・s)、及び40%(粘度650mPa・s)の場合、塗工性が悪く、塗工膜厚はそれぞれ25μm、20μmと厚くなった。一方、固形分濃度が35%(粘度580mPa・s)、30%(粘度420mPa・s)の場合、塗工膜厚は4μm程度に調整できることが確認された。
(Coating process)
Coatability was evaluated using a bar coater (Daiichi Rika Co., Ltd. No. 2) using the manufactured coating liquids with different viscosities. The model number of the bar coater was selected so that the coating film thickness was 4 μm on one side. In order to evaluate coatability, the coating solution was applied to the surface of a PE separator (manufactured by CS-TECH) using the aforementioned bar coater. When the solid content concentration was 45% (viscosity 800 mPa·s) and 40% (viscosity 650 mPa·s), the coatability was poor, and the coating film thickness increased to 25 μm and 20 μm, respectively. On the other hand, it was confirmed that when the solid content concentration was 35% (viscosity 580 mPa·s) and 30% (viscosity 420 mPa·s), the coating film thickness could be adjusted to about 4 µm.
次に、試作した粘度の異なる各塗工液をそれぞれ汎用のローラポンプを使用して送液を行い、グラビアコーターを使用してPE製のセパレータへ塗工を行った。固形分濃度が45%及び40%の条件では、流動性が悪く、ポンプでの送液が困難であることが確認された。また、塗工液を貯めるチャンバー内で塗工液の分離が生じ、運転途中から塗工膜厚が変動した。塗工液を搬送する際に使用したローラポンプのチューブ内でも、塗工液の分離が生じていることが確認された。さらにフィルムとグラビアロールを接触させた際に、瞬間的にロールの抵抗が増加して、ロールが瞬間的に停止し、塗工膜厚が部分的に厚くなるため、その部分で乾燥不良が生じ、下流側の搬送ロールの汚損や巻姿が悪化するといった問題が発生した。塗工膜厚に関しては、バーコーターと同様に塗工膜厚を4μm以下に調整することが困難であった。 Next, each of the trial coating liquids having different viscosities was fed using a general-purpose roller pump and coated on a PE separator using a gravure coater. It was confirmed that under conditions of 45% and 40% solid concentration, fluidity was poor and it was difficult to pump the liquid. In addition, separation of the coating liquid occurred in the chamber for storing the coating liquid, and the coating film thickness fluctuated during the operation. It was confirmed that separation of the coating liquid also occurred in the tube of the roller pump used for conveying the coating liquid. Furthermore, when the film is brought into contact with the gravure roll, the resistance of the roll increases instantaneously, the roll stops momentarily, and the coating thickness becomes thicker in some areas, causing poor drying in those areas. , problems such as staining of the transport roll on the downstream side and deterioration of the winding shape occurred. As for the coating film thickness, it was difficult to adjust the coating film thickness to 4 μm or less as with the bar coater.
一方、固形分濃度が35%及び30%の条件では、前述の様な塗工時の問題は見られず、問題なく塗工することができた。ただし、固形分比率35%(粘度580mPa・s)の条件においては、1時間連続運転を行うと、チャンバーやローラポンプのホース内で塗工液の固形成分と液成分の分離が生じ、流動性の低下が顕著になる傾向が確認された。グラビアロール方式では、チャンバーと塗工タンク間を塗工液が循環する方式であるため、大気暴露部からの溶液の揮発、グラビアロールと基材間の摩擦による溶液の揮発などにより、徐々に塗工液の固形分濃度が上昇して、流動性が低下したものと推察される。一方、固形分比率30%(粘度420mPa・s)においては、1時間連続運転を行っても流動性の低下は確認されなかった。 On the other hand, when the solid content concentration was 35% and 30%, the above coating problems were not observed, and the coating could be performed without problems. However, when the solid content ratio is 35% (viscosity of 580 mPa s), if the continuous operation is performed for 1 hour, the solid and liquid components of the coating liquid will separate in the chamber and the hose of the roller pump, resulting in fluidity. It was confirmed that the decrease in In the gravure roll method, the coating liquid circulates between the chamber and the coating tank. It is presumed that the solid content concentration of the working solution increased and the fluidity decreased. On the other hand, at a solid content ratio of 30% (viscosity of 420 mPa·s), no decrease in fluidity was observed even after continuous operation for 1 hour.
40m/min以上の高速で塗工を行った場合、固形分濃度が35%(粘度580mPa・s)では約30分で粘度が上昇して、塗工不良が発生した。一方、固形分濃度が30%(粘度420mPa・s)では1時間連続運転を行っても、塗工不良は発生せず、均一な塗工のセパレータを得ることができた。 When coating was performed at a high speed of 40 m/min or more, the viscosity increased in about 30 minutes at a solid content concentration of 35% (viscosity of 580 mPa·s), resulting in poor coating. On the other hand, when the solid content concentration was 30% (viscosity of 420 mPa·s), even if continuous operation was performed for 1 hour, no coating failure occurred, and a separator with uniform coating could be obtained.
上記の結果より、グラビアコーターを使用する場合、塗工液の粘度は25℃において420mPa・s以下が好ましい。本実施例では、塗工液の搬送用に使用したチューブポンプを使用しているが、これをモーノポンプに変更することで、安定した送液を行うことは可能である。しかし、塗工液の送液経路内において、塗工液の分離が生じ、グラビアロールによる塗工液搬送量の低下、塗工膜厚の変動、塗工時の基材とロールの接点における抵抗増加などの問題は解消されない。さらにグラビア方式をダイコータ方式へ変更、塗工液の送液をモーノポンプに変更することにより前述の問題を解消することも可能であるが、グラビア方式と比較すると高速での塗工が困難であり、また、リチウムイオン電池用セパレータフィルムに要求される数μm程度の薄膜塗工を安定的に行うことも困難である。さらに、グラビア方式と比較すると、ダイの保守管理の手間が必要となるため、コスト増加につながる。以上の結果より、本願特許において、耐熱塗工液の粘度は400mPa・s以下が好適である。 From the above results, when using a gravure coater, the viscosity of the coating liquid is preferably 420 mPa·s or less at 25°C. Although the tube pump used for conveying the coating liquid is used in this embodiment, it is possible to stably convey the liquid by changing this to a Mono pump. However, separation of the coating liquid occurs in the feeding path of the coating liquid. Problems such as increase cannot be solved. Furthermore, it is possible to solve the above-mentioned problems by changing the gravure method to a die coater method and changing the feeding of the coating liquid to a mono pump. Moreover, it is also difficult to stably apply a thin film of about several μm required for a separator film for lithium ion batteries. Furthermore, compared with the gravure method, maintenance and management of the die are required, leading to an increase in cost. From the above results, in the patent of the present application, the viscosity of the heat-resistant coating liquid is preferably 400 mPa·s or less.
固形分濃度が30%の塗工液を両面に塗工したセパレータの耐熱性について評価した結果、200℃時に熱収縮率は機械方向(幅方向に直交する方向)及び幅方向共に0.5%であり、耐熱性に優れたサンプルを得ることができた。 As a result of evaluating the heat resistance of the separator coated on both sides with a coating liquid having a solid content concentration of 30%, the thermal shrinkage rate at 200 ° C. is 0.5% in both the machine direction (direction perpendicular to the width direction) and the width direction. , and a sample with excellent heat resistance could be obtained.
(応用例)
なお、上記においては、(化5)に示すC6-カルボキシル基のNa塩を例示したが、以下のような他の対イオン(X+)を有する化合物をセルロースとして用いてもよい。この対イオンとしては、アルカリ金属イオンが好ましく、例えば、K+等が挙げられる。
(Application example)
In the above, the Na salt of the C6-carboxyl group shown in (Chem. 5) was exemplified, but compounds having other counter ions (X + ) such as the following may be used as cellulose. The counter ion is preferably an alkali metal ion such as K + and the like.
上述した化学構造式(化5)を用いて説明した場合と同様に、TEMPO処理による酸化では、グルコースユニットの全てのC6位の第一級水酸基が酸化されるわけではなく、セルロースの結晶構造の表面に露出しているC6位の第一級水酸基が選択的に酸化される。このため、前述の化学構造式(化5)に示すように、二つのグルコースユニットのうちの一つの第一級水酸基が酸化される。もちろん化学反応なので、セルロースの結晶構造の表面に露出しているC6位の第一級水酸基酸化されたものには限定されない。したがって、上記した「他の対イオン(X+)を有する化合物をセルロースとして用いる」という表現は、化学構造式(化1)で示されるセルロースの複数のユニットのうちの少なくとも一部において、化学構造式(化6)に示す対イオン(X+)を有する化合物をTEMPO酸化セルロースとして用いるという意味である。 As in the case described using the chemical structural formula (Chemical Formula 5) described above, oxidation by TEMPO treatment does not oxidize all the primary hydroxyl groups at the C6 position of the glucose unit, and the crystal structure of cellulose The primary hydroxyl group at the C6 position exposed on the surface is selectively oxidized. As a result, the primary hydroxyl group of one of the two glucose units is oxidized, as shown in the chemical structural formula (Formula 5) above. Of course, since it is a chemical reaction, it is not limited to oxidizing the primary hydroxyl group at the C6 position exposed on the surface of the crystal structure of cellulose. Therefore, the above-mentioned expression "using a compound having another counter ion (X + ) as cellulose" means that at least a part of the plurality of units of cellulose represented by the chemical structural formula (Chemical Formula 1) has the chemical structure It means that the compound having the counter ion (X + ) represented by the formula (Chem. 6) is used as the TEMPO-oxidized cellulose.
また、セルロースの原料としては、パルプのような植物繊維由来のものや、ホヤなどの動物繊維由来のものを用いてもよい。 As the raw material of cellulose, those derived from plant fibers such as pulp or those derived from animal fibers such as sea squirt may be used.
また、上記においては、リチウムイオン電池を例示したが、金属リチウム電池、リチウムポリマー電池、空気リチウムイオン電池などであってもかまわない。また、ナトリウムイオン電池、カリウムイオン電池、カルシウムイオン電池、マグネシウムイオン電池、アルミニウムイオン電池などの非水電解質二次電池のセパレータとして用いてもよい。これらの電池は、電気伝導を担うイオン(キャリア)を、リチウムから、ナトリウム、カルシウム、マグネシウム、アルミニウムなどのカチオンに置き換えた電池系を意味する。 Moreover, in the above description, the lithium ion battery is exemplified, but a metal lithium battery, a lithium polymer battery, an air lithium ion battery, or the like may also be used. Moreover, you may use as a separator of nonaqueous electrolyte secondary batteries, such as a sodium ion battery, a potassium ion battery, a calcium ion battery, a magnesium ion battery, and an aluminum ion battery. These batteries refer to battery systems in which ions (carriers) responsible for electric conduction are replaced with cations such as sodium, calcium, magnesium, and aluminum instead of lithium.
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態および実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態または実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 The invention made by the present inventor has been specifically described above based on the embodiments and examples, but the present invention is not limited to the above-described embodiments or examples, and is within the scope of the gist of the invention. It goes without saying that various modifications are possible.
1 正極
1M 正極合剤層
1S 集電体
2 負極
2M 負極合剤層
2S 集電体
6 缶(電池缶)
7 蓋(電池キャップ)
8 ワッシャー
CF 塗工膜
CL 塗工液
R グラビアロール
S 基材
S1 二軸混練押出機
S2 ダイ
S3 原反冷却装置
S4 第1縦延伸装置
S5 第1横延伸装置
S6 抽出槽
S7 第2横延伸装置
S7’ グラビア塗工装置
S8 巻取り装置
SP セパレータ
1
7 lid (battery cap)
8 Washer CF Coating film CL Coating liquid R Gravure roll S Base material S1 Twin-screw kneading extruder S2 Die S3 Raw fabric cooling device S4 First longitudinal stretching device S5 First lateral stretching device S6 Extraction tank S7 Second lateral stretching device S7' Gravure coating device S8 Winding device SP Separator
Claims (19)
前記第1フィラーは、第一級水酸基がカルボキシ基に酸化された構造を有するセルロース繊維であり、
前記第2フィラーは、ナノシリカ、カーボンナノチューブ、タルク、アルミナ、水酸化アルミニウム、ベーマイト、およびガラス繊維から選択される材料を少なくとも1種類以上有する、多孔質フィルム用の塗工液。 A porous film coating liquid comprising a first filler, a second filler, and a solvent,
The first filler is a cellulose fiber having a structure in which a primary hydroxyl group is oxidized to a carboxyl group,
A coating liquid for a porous film, wherein the second filler contains at least one material selected from nanosilica, carbon nanotubes, talc, alumina, aluminum hydroxide, boehmite, and glass fiber.
前記第1フィラーは、以下化学式に示すTEMPO酸化セルロースである、多孔質フィルム用の塗工液。
A coating liquid for a porous film, wherein the first filler is TEMPO-oxidized cellulose represented by the following chemical formula.
Naイオン濃度が、1000mg/L以上2000mg/L以下である、多孔質フィルム用の塗工液。 In the coating liquid according to claim 1 or 2,
A coating liquid for a porous film, having a Na ion concentration of 1000 mg/L or more and 2000 mg/L or less.
電気伝導率が400mS/m以上800mS/m以下である、多孔質フィルム用の塗工液。 In the coating liquid according to claim 1 or 2,
A coating liquid for a porous film, having an electrical conductivity of 400 mS/m or more and 800 mS/m or less.
25℃における粘度が400mPa・s以下である、多孔質フィルム用の塗工液。 In the coating liquid according to any one of claims 1 to 4,
A coating liquid for porous films having a viscosity of 400 mPa·s or less at 25°C.
前記塗工膜は、第1フィラーと第2フィラーとを有し、
前記第1フィラーは、第一級水酸基がカルボキシ基に酸化された構造を有するセルロース繊維であり、
前記第2フィラーは、ナノシリカ、カーボンナノチューブ、タルク、アルミナ、水酸化アルミニウム、ベーマイト、およびガラス繊維から選択される材料を少なくとも1種類以上有する、多孔質フィルム。 A porous film having a porous substrate and a coating film provided on the surface of the porous substrate,
The coating film has a first filler and a second filler,
The first filler is a cellulose fiber having a structure in which a primary hydroxyl group is oxidized to a carboxyl group,
The porous film, wherein the second filler comprises at least one material selected from nanosilica, carbon nanotubes, talc, alumina, aluminum hydroxide, boehmite, and glass fiber.
前記第1フィラーは、以下化学式に示すTEMPO酸化セルロースである、多孔質フィルム。
The porous film, wherein the first filler is TEMPO-oxidized cellulose represented by the following chemical formula.
前記塗工膜中のNa濃度は、0.05mg/g以上5mg/g以下である、多孔質フィルム。 In the porous film according to claim 6,
The porous film, wherein the Na concentration in the coating film is 0.05 mg/g or more and 5 mg/g or less.
前記塗工膜中のNa濃度は、0.1mg/g以上15mg/g以下である、多孔質フィルム。 In the porous film according to claim 7,
The porous film, wherein the Na concentration in the coating film is 0.1 mg/g or more and 15 mg/g or less.
請求項6~10のいずれか一項に記載の多孔質フィルムを前記セパレータとして有する、リチウムイオン電池。 A lithium ion battery comprising a positive electrode, a negative electrode, a separator, and an electrolytic solution,
A lithium ion battery comprising the porous film according to any one of claims 6 to 10 as the separator.
(a)前記第1フィラーであるセルロースにカルボキシ基を導入する工程、
(b)カルボキシ化された前記第1フィラーに水酸化ナトリウムを添加する工程、
(c)前記(b)工程の後、前記第2フィラーである、ナノシリカ、カーボンナノチューブ、タルク、アルミナ、水酸化アルミニウム、ベーマイト、およびガラス繊維から選択される材料を添加する工程、を有する、多孔質フィルム用の塗工液の製造方法。 A method for producing a coating liquid for a porous film containing a first filler, a second filler, and a solvent,
(a) introducing a carboxyl group into the cellulose as the first filler;
(b) adding sodium hydroxide to the carboxylated first filler;
(c) after step (b), adding a second filler material selected from nanosilica, carbon nanotubes, talc, alumina, aluminum hydroxide, boehmite, and glass fiber; A method for producing a coating liquid for quality films.
前記(a)工程におけるpHは、2~6であり、
前記(b)工程におけるpHは、5~10である、多孔質フィルム用の塗工液の製造方法。 In the method for producing a coating liquid for a porous film according to claim 12,
The pH in the step (a) is 2 to 6,
A method for producing a coating liquid for a porous film, wherein the pH in the step (b) is 5 to 10.
(b)カルボキシ化された前記第1フィラーに水酸化ナトリウムを添加する工程、
(c)前記(b)工程の後、第2フィラーである、ナノシリカ、カーボンナノチューブ、タルク、アルミナ、水酸化アルミニウム、ベーマイト、およびガラス繊維から選択される材料を添加することにより塗工液を形成する工程、
(d)前記塗工液を多孔質基材の表面に塗布し、塗工膜を形成する工程、
を有する、多孔質フィルムの製造方法。 (a) introducing a carboxyl group into the cellulose as the first filler;
(b) adding sodium hydroxide to the carboxylated first filler;
(c) After the step (b), a coating liquid is formed by adding a material selected from nanosilica, carbon nanotubes, talc, alumina, aluminum hydroxide, boehmite, and glass fiber as a second filler. the process of
(d) applying the coating liquid to the surface of the porous substrate to form a coating film;
A method for producing a porous film.
前記(a)工程におけるpHは、2~6であり、
前記(b)工程におけるpHは、5~10である、多孔質フィルムの製造方法。 In the method for producing a porous film according to claim 14,
The pH in the step (a) is 2 to 6,
The method for producing a porous film, wherein the pH in the step (b) is 5-10.
(b)正極材と負極材との間に前記多孔質フィルムを配置する工程、
を有し、
前記(a)工程は、
(a1)第1フィラーであるセルロースにカルボキシ基を導入する工程、
(a2)カルボキシ化された前記第1フィラーに水酸化ナトリウムを添加する工程、
(a3)前記(a2)工程の後、第2フィラーである、ナノシリカ、カーボンナノチューブ、タルク、アルミナおよびガラス繊維から選択される材料を添加することにより塗工液を形成する工程、
(a4)前記塗工液を多孔質基材の表面に塗布し、塗工膜を形成する工程、
を有する、リチウムイオン電池の製造方法。 (a) forming a porous film as a separator;
(b) disposing the porous film between a positive electrode material and a negative electrode material;
has
The step (a) is
(a1) introducing a carboxyl group into the cellulose as the first filler;
(a2) adding sodium hydroxide to the carboxylated first filler;
(a3) forming a coating liquid by adding a material selected from nanosilica, carbon nanotubes, talc, alumina and glass fiber as a second filler after the step (a2);
(a4) applying the coating liquid to the surface of the porous substrate to form a coating film;
A method for manufacturing a lithium ion battery.
前記(a1)工程におけるpHは、2~6であり、
前記(a2)工程におけるpHは、5~10である、リチウムイオン電池の製造方法。 In the method for manufacturing a lithium ion battery according to claim 16,
The pH in the step (a1) is 2 to 6,
The method for producing a lithium ion battery, wherein the pH in the step (a2) is 5-10.
前記(a2)工程において、前記セルロースは、Na塩となる、リチウムイオン電池の製造方法。 In the method for manufacturing a lithium ion battery according to claim 17,
The method for producing a lithium ion battery, wherein in the step (a2), the cellulose becomes Na salt.
前記(a1)および(a2)工程は、以下化学式に示すTEMPO酸化セルロースを形成する工程である、リチウムイオン電池の製造方法。
A method for producing a lithium ion battery, wherein the steps (a1) and (a2) are steps of forming TEMPO oxidized cellulose represented by the following chemical formula.
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