JP2023500938A - 架橋ポリオレフィン分離膜、架橋ポリオレフィン分離膜の製造方法及びそれを含む電気化学素子 - Google Patents
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Abstract
Description
架橋ポリオレフィン分離膜であって、
横軸は、対数スケールに変換された前記架橋ポリオレフィン分離膜の振動数(rad/s)であり、縦軸が、対数スケールに変換された前記架橋ポリオレフィン分離膜の貯蔵弾性率G’(storage modulus)(A)及び損失弾性率G”(loss modulus)(B)である振動数-損失貯蔵弾性率曲線において、
前記架橋ポリオレフィン分離膜の振動数が1rad/s以下を示す範囲で、前記損失弾性率G”(B)に対する前記貯蔵弾性率G’(A)の比(A/B)が、2以上であることを特徴とする架橋ポリオレフィン分離膜が提供される。
架橋ポリオレフィン分離膜であって、
横軸が、対数スケールに変換された前記架橋ポリオレフィン分離膜の振動数(rad/s)であり、縦軸が、対数スケールに変換された前記架橋ポリオレフィン分離膜の貯蔵弾性率G’(A)及び損失弾性率G”(B)である振動数-損失貯蔵弾性率曲線において、
前記架橋ポリオレフィン分離膜の振動数が10-1~1rad/sを示す範囲で、前記振動数に対する貯蔵弾性率G’(A)曲線の傾きが0.05~0.4であることを特徴とする架橋ポリオレフィン分離膜が提供される。
前記架橋ポリオレフィン分離膜は水架橋によって形成されたものであって、
前記架橋ポリオレフィン分離膜中にSi-O-Si結合を含み、
前記架橋ポリオレフィン分離膜中のシラン(Si)含量は、前記架橋ポリオレフィン分離膜100重量部に対して0.01~20重量部であり得る。
前記架橋ポリオレフィン分離膜は、紫外線架橋によって形成されたものであって、
複数のフィブリル及び前記複数のフィブリルが相互に絡み合うことによって生成された気孔を含み、前記フィブリルを構成しているポリオレフィン鎖が相互に直接架橋されて形成され得る。
正極、負極及び前記正極と負極との間に介在された分離膜を含むリチウム二次電池であって、
前記分離膜は、前述した具現例に記載の架橋ポリオレフィン分離膜であり、
前記正極は、集電体と、前記集電体の上に位置し、正極活物質を含む正極活物質層と、を備え、
前記正極活物質は、Li[NiaCobMncM1dM2e]O2(M1及びM2は、相互に独立的にAl,Ni,Co,Fe,Mn,V,Cr,Ti,W,Ta,Mg及びMoからなる群より選択されたいずれか一つであり、a,b,c,d及びeは、相互に独立的に酸化物組成元素の原子分率であって、a≧0.5,a+b+c+d+e=1,b>d>eである。)を含むことを特徴とするリチウム二次電池は提供される。
架橋ポリオレフィン分離膜の製造方法であって、
(S1)ポリオレフィン、希釈剤、開始剤、架橋触媒及び炭素-炭素二重結合基含有のアルコキシシランを押出機に投入及び混合してシラングラフトされたポリオレフィン組成物を反応押出する段階と、
(S2)前記反応押出された、シラングラフトされたポリオレフィン組成物をシート状に成形及び延伸する段階と、
(S3)前記延伸されたシートから希釈剤を抽出して多孔性膜を製造する段階と、
(S4)前記多孔性膜を熱固定する段階であって、前記熱固定時に熱固定槽に初期に導入される多孔性膜の幅の100~150%に延伸する段階と、
(S5)前記熱固定された多孔性膜を水架橋する段階と、を含み、
横軸が、対数スケールに変換された前記架橋ポリオレフィン分離膜の振動数(rad/s)であり、縦軸が、対数スケールに変換された前記架橋ポリオレフィン分離膜の貯蔵弾性率G(A)及び損失弾性率G”(B)である振動数-損失貯蔵弾性率曲線において、
前記架橋ポリオレフィン分離膜の振動数が1rad/s以下を示す範囲で、前記損失弾性率G”(B)に対する前記貯蔵弾性率G’(A)の比(A/B)が、2以上であることを特徴とする架橋ポリオレフィン分離膜の製造方法が提供される。
前記(S4)段階が、前記多孔性膜を熱固定する段階であって、
前記熱固定時において、熱固定槽で初期に導入する多孔性膜の幅の100~180%に第1延伸を行い、その後、初期に導入する多孔性膜の幅の100~150%に延伸を低めて第2延伸を行い得る。
熱固定槽に多孔性膜を初期に導入して第1延伸を開始する時間t1に対する、前記熱固定槽に多孔性膜を初期に導入して第2延伸を開始する時間t2の比(t2/t1)は、0.5~1.5であり得る。
前記熱固定温度は100~140℃であり、前記熱固定時間は10~120秒であり得る。
複数のフィブリルと、前記複数のフィブリルが相互に絡み合うことによって生成された気孔と、を含み、前記フィブリルを構成しているポリオレフィン鎖が相互に直接架橋されている架橋ポリオレフィン多孔性基材を含む架橋ポリオレフィン分離膜の製造方法であって、
タイプII光開始剤を含むタイプII光開始剤組成物を非架橋ポリオレフィン多孔性基材に適用する段階と、
前記タイプII光開始剤組成物が適用されたポリオレフィン多孔性基材に紫外線(UV)を照射し、この際、前記UV照射光量が10~2,500mJ/cm2範囲であり、
横軸が、対数スケールに変換された前記架橋ポリオレフィン分離膜の振動数(rad/s)であり、縦軸が、対数スケールに変換された前記架橋ポリオレフィン分離膜の貯蔵弾性率G’(A)及び損失弾性率G”(B)である振動数-損失貯蔵弾性率曲線において、
前記架橋ポリオレフィン分離膜の振動数が1rad/s以下を示す範囲で、前記損失弾性率G”(B)に対する前記貯蔵弾性率G’(A)の比(A/B)が、2以上であることを特徴とする架橋ポリオレフィン分離膜の製造方法が提供される。
前記タイプII光開始剤がチオキサントン(TX:Thioxanthone)、チオキサントン誘導体、ベンゾフェノン(BPO:Benzophenone)、ベンゾフェノン誘導体またはこれらの二種以上の混合物を含み得る。
前記タイプII光開始剤組成物中のタイプII光開始剤の濃度が、0.01~0.3重量%の濃度範囲であり得る。
横軸が、対数スケールに変換された前記架橋ポリオレフィン分離膜の振動数(rad/s)であり、縦軸が、対数スケールに変換された前記架橋ポリオレフィン分離膜の貯蔵弾性率G’(storage modulus)(A)及び損失弾性率G”(loss modulus)(B)である振動数-損失貯蔵弾性率曲線において、
前記架橋ポリオレフィン分離膜の振動数が1rad/s以下を示す範囲で、前記損失弾性率G”(B)に対する前記貯蔵弾性率G’(A)の比(A/B)が、2以上であることを特徴とする。
G’=(応力(stress)/歪み(strain))cosδ
G”=(応力(stress)/歪み(strain))sinδ
架橋ポリオレフィン分離膜であって、
横軸は、対数スケールに変換された前記架橋ポリオレフィン分離膜の振動数(rad/s)であり、縦軸は対数スケールに変換された前記架橋ポリオレフィン分離膜の貯蔵弾性率G’(A)及び損失弾性率G”(B)である振動数-損失貯蔵弾性率曲線において、
前記架橋ポリオレフィン分離膜の振動数が10-1~1rad/sを示す範囲で、前記振動数に対する貯蔵弾性率G’(A)曲線の傾きが0.05~0.4であることを特徴とする架橋ポリオレフィン分離膜を提供する。
前記分離膜中のケイ素(Si)含量は、前記分離膜100重量部に対して0.01~20重量部であり得る。
(S1)ポリオレフィン、希釈剤、開始剤、架橋触媒及び炭素-炭素二重結合基含有のアルコキシシランを押出機に投入及び混合してシラングラフトされたポリオレフィン組成物を反応押出する段階と、
(S2)前記反応押出されたシラングラフトされたポリオレフィン組成物をシート状に成形及び延伸する段階と、
(S3)前記延伸されたシートから希釈剤を抽出して多孔性膜を製造する段階と、
(S4)前記多孔性膜を熱固定する段階であって、前記熱固定時に熱固定槽に初期に導入される多孔性膜の幅の100~150%に延伸する段階と、
(S5)前記熱固定された多孔性膜を水架橋する段階と、を含み、
横軸が、対数スケールに変換された前記架橋ポリオレフィン分離膜の振動数(rad/s)であり、縦軸が、対数スケールに変換された前記架橋ポリオレフィン分離膜の貯蔵弾性率G(A)及び損失弾性率G”(B)である振動数-損失貯蔵弾性率曲線において、
前記架橋ポリオレフィン分離膜の振動数が1rad/s以下を示す範囲で、前記損失弾性率G”(B)に対する前記貯蔵弾性率G’(A)の比(A/B)が、2以上であることを特徴とする。
前記Rは、ビニル基、アクリルオキシ基、メタクリルオキシ基または炭素数1~20のアルキル基であり、ここで、前記アルキル基の少なくとも一つの水素が、ビニル基、アクリル基、アクリルオキシ基、メタクリルオキシ基またはメタクリル基に置き換えられる。
前記熱固定時、熱固定槽で初期に導入される多孔性膜の幅の100~180%に第1延伸し、初期に導入される多孔性膜の幅の100~150%に延伸を緩和して第2延伸する段階であり得る。言い換えれば、第1延伸される多孔性膜の幅に比べて第2延伸される多孔性膜の幅がより狭い。
タイプII光開始剤を含むタイプII光開始剤組成物を非架橋ポリオレフィン多孔性基材に適用する段階と、
前記タイプII光開始剤組成物が適用されたポリオレフィン多孔性基材に紫外線(UV)を照射し、この際、前記UV照射光量が10~2,500mJ/cm2範囲であり、
横軸が、対数スケールに変換された前記架橋ポリオレフィン分離膜の振動数(rad/s)であり、縦軸が、対数スケールに変換された前記架橋ポリオレフィン分離膜の貯蔵弾性率G’(A)及び損失弾性率G”(B)である振動数-損失貯蔵弾性率曲線において、
前記架橋ポリオレフィン分離膜の振動数が1rad/s以下を示す範囲で、前記損失弾性率G”(B)に対する前記貯蔵弾性率G’(A)の比(A/B)が、2以上であることを特徴とする、架橋ポリオレフィン分離膜の製造方法を提供する。
先ず、タイプII光開始剤組成物をポリオレフィン多孔性基材に適用する段階を行う。
前記分離膜は、前述した架橋ポリオレフィン分離膜であり、
前記正極は、集電体と、前記集電体の上に位置し、正極活物質を含む正極活物質層と、を備え、
前記正極活物質は、Li[NiaCobMncM1dM2e]O2(M1及びM2は、相互に独立的にAl,Ni,Co,Fe,Mn,V,Cr,Ti,W,Ta,Mg及びMoからなる群より選択されたいずれか一つであり、a,b,c,d及びeは、酸化物組成元素の原子分率であって、a≧0.5,a+b+c+d+e=1,b>d>eである。)を含むことを特徴とするリチウム二次電池を提供することができる。
押出機ホッパーに、ポリオレフィンとして重量平均分子量60万であるポリエチレン(Hanwha total社、VO601)を投入し、3kg/hrの流量で移送した。その後、一番目のインジェクションポートに希釈剤として液体パラフィンオイル(Kukdong Oil&Chemicals Co.,LTD.,LP350)を5kg/hrの流速で投入して、移送されるポリエチレンと混合した。その後、二番目のインジェクションポートには、希釈剤である液体パラフィンオイル(Kukdong Oil&Chemicals Co.,LTD.,LP350)に、開始剤として2,5-ジメチル-2,5-ジ(tert-ブチルペルオキシ)-ヘキサン(2,5-Dimethyl-2,5-di(tert,butylperoxy)hexane)及び炭素-炭素二重結合基含有のアルコキシシランとしてビニルトリメトキシシラン(vinyltrimethoxysilane)を、前記ポリオレフィン及び前記希釈剤の総含量100重量部に対して各々0.05重量部、2.5重量部の割合で混合して、2kg/hrの流速で供給した。
延伸工程でMD延伸比を5.5倍、TD延伸比を6倍に制御したことを除いては、実施例1と同様の方法で架橋ポリオレフィン分離膜を製造した。製造された分離膜の厚さは9μm、通気時間は74sec/100ccであった。
熱固定槽で初期に導入する多孔性膜の幅の70%を幅方向へさらに延伸した後、熱固定槽の後半で緩和して初期多孔性膜の幅に対して40%増加した多孔性膜を巻き取ったことを除いては、実施例1と同様に架橋ポリオレフィン分離膜を製造した。製造された分離膜の厚さは9μm、通気時間は70sec/100ccであった。
開始剤と炭素-炭素二重結合基含有のアルコキシシランを追加しないことを除いては、実施例1と同様の方法でポリオレフィン分離膜を製造した。即ち、製造された分離膜は、非架橋ポリオレフィン分離膜である。製造された分離膜の厚さは9μm、通気時間は89sec/100ccであった。
アセトンに、タイプII開始剤として2-イソプロピルチオキサントン(ITX,2-Isopropylthioxanthone,Sigma Aldrich社)を0.5重量%の濃度で溶解してタイプII光開始剤組成物を準備した。
超高分子量ポリエチレンと少量のポリプロピレンが含まれた非架橋ポリオレフィン分離膜(Asahi社,S10W)を準備した。準備された分離膜の厚さは9μm、通気時間は92sec/100ccであった。
アセトンに、タイプII開始剤として2-イソプロピルチオキサントン(ITX,Sigma Aldrich社)を0.5重量%の濃度で溶解してタイプII光開始剤組成物を準備した。
シャットダウン温度が低いコア(core)層と、前記コア層の両面にメルトダウン温度が高いスキン(skin)層に塗布され、3層から構成された厚さが9μmである非架橋ポリオレフィン分離膜(Toray社,DB0905)を準備した。準備した分離膜の厚さは9μm、通気時間は88sec/100ccであった。
アセトンに、タイプII開始剤として2-イソプロピルチオキサントン(ITX,Sigma Aldrich社)を0.5重量%の濃度で溶解してタイプII光開始剤組成物を準備した。
熱固定槽において、初期に導入する多孔性膜の幅の85%を幅方向へさらに延伸した後、熱固定の後半で緩和して初期の多孔性膜の幅に対して55%増加した多孔性膜を巻き取ったことを除いては、実施例1と同様の方法で架橋ポリオレフィン分離膜を製造した。製造された分離膜の厚さは9μm、通気時間は66sec/100ccであった。即ち、比較例5は、実施例1と比較して熱固定槽における延伸率が185%である場合である。比較例5の場合、多孔性膜が過度に延伸されてフィブリルが切れ、結果的に架橋反応が起こりにくかった。
一次酸化防止剤(BASF社,Irganox 1010)及び二次酸化防止剤(BASF社,Irgafos 168)を各々8,000ppmずつ投入したことを除いては、比較例1と同様に非架橋ポリオレフィン分離膜を製造した。その後、実施例4のようにUV架橋ポリオレフィン分離膜を製造した。製造された分離膜の厚さは9μm、通気時間は92sec/100ccであった。比較例7の場合、多孔性膜内に酸化防止剤の含量が多くて架橋反応が円滑に起こらないことを確認することができた。
貯蔵弾性率及び損失弾性率の測定
各々の実施例及び比較例で製造された分離膜をレオロジー特性測定装置(ARES-G2,TA Instrument)を用いて190℃の温度条件で周波数掃引(frequency sweep)テストを行い、振動数1rad/sにおける貯蔵弾性率G’(storage modulus)及び1rad/sにおける損失弾性率G”(loss modulus)及び振動数10-1~1rad/s範囲における貯蔵弾性率G’(storage modulus)の傾きを測定した。その結果を下記の表1に示した。一方、G’、G”から製造された分離膜の流動性を確認することができる。
それぞれの実施例及び比較例で製造された分離膜をTA社のQ400装置を用いてTMA(Thermomechanical analysis)方式で熱破膜温度(meltdown temperature)を評価し、その結果を表1に示した。
Claims (15)
- 架橋ポリオレフィン分離膜であって、
横軸が、対数スケールに変換された前記架橋ポリオレフィン分離膜の振動数(rad/s)であり、縦軸が、対数スケールに変換された前記架橋ポリオレフィン分離膜の貯蔵弾性率G’(A)及び損失弾性率G”(B)である振動数-損失貯蔵弾性率曲線において、
前記架橋ポリオレフィン分離膜の振動数が1rad/s以下を示す範囲で、前記損失弾性率G”(B)に対する前記貯蔵弾性率G’(A)の比(A/B)が、2以上であることを特徴とする、架橋ポリオレフィン分離膜。 - 架橋ポリオレフィン分離膜であって、
横軸が、対数スケールに変換された前記架橋ポリオレフィン分離膜の振動数(rad/s)であり、縦軸が、対数スケールに変換された前記架橋ポリオレフィン分離膜の貯蔵弾性率G’(A)及び損失弾性率G”(B)である振動数-損失貯蔵弾性率曲線において、
前記架橋ポリオレフィン分離膜の振動数が10-1~1rad/sを示す範囲で、前記振動数に対する貯蔵弾性率G’(A)曲線の傾きが0.05~0.4であることを特徴とする、架橋ポリオレフィン分離膜。 - 前記貯蔵弾性率の値が、1.0×105~1.0×107Paであることを特徴とする、請求項1または2に記載の架橋ポリオレフィン分離膜。
- 前記損失弾性率の値が、3.0×105Pa以下であることを特徴とする、請求項1から3の何れか一項に記載の架橋ポリオレフィン分離膜。
- 前記架橋ポリオレフィン分離膜が、水架橋または紫外線架橋によって形成されることを特徴とする、請求項1から4の何れか一項に記載の架橋ポリオレフィン分離膜。
- 前記架橋ポリオレフィン分離膜が水架橋によって形成されたものであって、
前記架橋ポリオレフィン分離膜中にSi-O-Si結合を含み、
前記架橋ポリオレフィン分離膜中のシラン(Si)含量が、前記架橋ポリオレフィン分離膜100重量部に対して0.01~20重量部であることを特徴とする、請求項5に記載の架橋ポリオレフィン分離膜。 - 前記架橋ポリオレフィン分離膜が、紫外線架橋によって形成されたものであって、
複数のフィブリル及び前記複数のフィブリルが相互に絡み合うことによって生成された気孔を含み、前記フィブリルを構成しているポリオレフィン鎖が相互に直接架橋されて形成されたことを特徴とする、請求項5に記載の架橋ポリオレフィン分離膜。 - 正極、負極及び前記正極と負極との間に介在された分離膜を含むリチウム二次電池であって、
前記分離膜は、請求項1から7の何れか一項に記載の架橋ポリオレフィン分離膜であり、
前記正極は、集電体と、前記集電体の上に位置し、正極活物質を含む正極活物質層と、を備え、
前記正極活物質は、Li[NiaCobMncM1dM2e]O2(M1及びM2は、相互に独立的にAl,Ni,Co,Fe,Mn,V,Cr,Ti,W,Ta,Mg及びMoからなる群より選択されたいずれか一つであり、a,b,c,d及びeは、相互に独立に酸化物組成元素の原子分率であって、a≧0.5,a+b+c+d+e=1,b>d>eである。)を含むことを特徴とする、リチウム二次電池。 - 架橋ポリオレフィン分離膜の製造方法であって、
(S1)ポリオレフィン、希釈剤、開始剤、架橋触媒及び炭素-炭素二重結合基含有のアルコキシシランを押出機に投入及び混合してシラングラフトされたポリオレフィン組成物を反応押出する段階と、
(S2)前記反応押出されたシラングラフトされたポリオレフィン組成物をシート状に成形及び延伸する段階と、
(S3)前記延伸されたシートから希釈剤を抽出して多孔性膜を製造する段階と、
(S4)前記多孔性膜を熱固定する段階であって、前記熱固定時に熱固定槽に初期に導入される多孔性膜の幅の100~150%に延伸する段階と、
(S5)前記熱固定された多孔性膜を水架橋する段階と、を含み、
横軸が、対数スケールに変換された前記架橋ポリオレフィン分離膜の振動数(rad/s)であり、縦軸が、対数スケールに変換された前記架橋ポリオレフィン分離膜の貯蔵弾性率G(A)及び損失弾性率G”(B)である振動数-損失貯蔵弾性率曲線において、
前記架橋ポリオレフィン分離膜の振動数が1rad/s以下を示す範囲で、前記損失弾性率G”(B)に対する前記貯蔵弾性率G’(A)の比(A/B)が、2以上であることを特徴とする、架橋ポリオレフィン分離膜の製造方法。 - 前記(S4)段階が、前記多孔性膜を熱固定する段階であって、
前記熱固定時において、熱固定槽で初期に導入する多孔性膜の幅の100~180%に第1延伸を行い、その後、初期に導入する多孔性膜の幅の100~150%に延伸を低めて第2延伸を行うことを特徴とする、請求項9に記載の架橋ポリオレフィン分離膜の製造方法。 - 熱固定槽に多孔性膜を初期に導入して第1延伸を開始する時間t1に対する、前記熱固定槽に多孔性膜を初期に導入して第2延伸を開始する時間t2の比(t2/t1)が、0.5~1.5であることを特徴とする、請求項10に記載の架橋ポリオレフィン分離膜の製造方法。
- 前記熱固定温度が、100~140℃であり、前記熱固定時間が、10~120秒であることを特徴とする、請求項9から11の何れか一項に記載の架橋ポリオレフィン分離膜の製造方法。
- 複数のフィブリルと、前記複数のフィブリルが相互に絡み合うことによって生成された気孔と、を含み、前記フィブリルを構成しているポリオレフィン鎖が相互に直接架橋されている架橋ポリオレフィン多孔性基材を含む架橋ポリオレフィン分離膜の製造方法であって、
タイプII光開始剤を含むタイプII光開始剤組成物を非架橋ポリオレフィン多孔性基材に適用する段階と、
前記タイプII光開始剤組成物が適用されたポリオレフィン多孔性基材に紫外線(UV)を照射し、この際、前記UV照射光量が10~2,500mJ/cm2範囲であり、
横軸が、対数スケールに変換された前記架橋ポリオレフィン分離膜の振動数(rad/s)であり、縦軸が、対数スケールに変換された前記架橋ポリオレフィン分離膜の貯蔵弾性率G’(A)及び損失弾性率G”(B)である振動数-損失貯蔵弾性率曲線において、
前記架橋ポリオレフィン分離膜の振動数が1rad/s以下を示す範囲で、前記損失弾性率G”(B)に対する前記貯蔵弾性率G’(A)の比(A/B)が、2以上であることを特徴とする、架橋ポリオレフィン分離膜の製造方法。 - 前記タイプII光開始剤がチオキサントン(TX)、チオキサントン誘導体、ベンゾフェノン(BPO)、ベンゾフェノン誘導体またはこれらの二種以上の混合物を含むことを特徴とする、請求項13に記載の架橋ポリオレフィン分離膜の製造方法。
- 前記タイプII光開始剤組成物中のタイプII光開始剤の濃度が、0.01~0.3重量%の濃度範囲であることを特徴とする、請求項13または14に記載の架橋ポリオレフィン分離膜の製造方法。
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