JP4659308B2 - 多孔質フィルム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多孔質フィルムに関する。さらに詳しくは、高いイオン透過性能を保持し、かつ耐熱性に優れた多孔質フィルム、該多孔質フィルムからなる非水電解液電池用セパレーター、および該セパレーターを用いてなる非水電解液電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、種々のタイプの電池が実用に供されているが、近年、電子機器のコードレス化等に対応するために、軽量で、高起電力および高エネルギーを得ることができ、しかも自己放電が少ないリチウムおよびリチウムイオン電池が注目を集めている。一般に、このようなリチウム電池においては、正極と負極の間に、これら電極間の短絡を防止するためのセパレーターが設けられている。このようなセパレーターとしては、通常、正極負極間のイオンの透過性を確保するために、多数の微細孔を有する多孔質フィルムが用いられている。
【０００３】
このような電池用セパレーターとして、従来、超高分子量ポリオレフィン樹脂を、必要に応じてその他のポリオレフィン樹脂と共に、溶媒中で加熱して溶解させ、これをゲル状のシートに成形してこのシート状成形物を延伸処理し、この延伸の前後に脱溶媒処理を行ってシート状成形物中に残存する溶媒を除去することにより、多孔質フィルムを製造する方法が種々提案されている。
【０００４】
このようにして得られた多孔質フィルムは高い機械的強度を有するが、高イオン透過性を維持するためには、更なる薄膜化および高空孔率化が必要となる。しかしながら、薄膜化を達成するために高倍率の延伸を行うと、ポリオレフィンからなるフィブリルがより微細化し、それに伴って多孔質フィルムの空孔率の低下および小孔径化を招き、特に低温でのイオン透過性能が低下するという欠点がある。
【０００５】
また、リチウムおよびリチウムイオン電池に代表される非水電解液電池は、外部短絡、内部短絡および過充電等により電池内部温度が上昇した場合、セパレーターの孔が閉塞して電流遮断する、いわゆるシャットダウン機能を有するものが、安全性向上の観点から採用されている。通常、シャットダウンが生じる温度は１２０〜１５０℃に設定されている。しかし、より急激に電流が流れて発熱する場合にはシャットダウン機能の追随が不十分となり、電池内温度が２００℃以上になることがある。このとき、セパレーターはその形状を保持することができず収縮、溶融して電池極板同士が接触し、短絡電流等をとめることが不可能となる。
【０００６】
高温で優れた形状保持能を有し、溶融に至っても高い粘性を保持するために、電池用セパレーターとして用いた場合に極板間の短絡を防ぐことが可能な多孔質フィルムを製造する方法として、多孔質フィルムを３次元的に架橋する方法が提案されている。例えば特開2001-040110 号公報に記載されているノルボルネンまたはノルボルネン誘導体を加熱により架橋した耐熱多孔質フィルムは、２００℃以上の高い温度でも優れた形状保持能と高い粘性を有し、かつシャットダウン機能を有することから、安全性の高い非水電解液電池用セパレーターとして適している。
【０００７】
しかし、イオン透過性に優れた多孔質フィルムを得るためには、フィルム厚みを薄くする必要がある。しかしながら、前記多孔質フィルムは、先に示したように孔がポリオレフィンからなるフィブリル間に生成しているため、延伸による薄膜化を行なうと空孔率低下および小孔径化が生じ、低温でのイオン透過性能が劣るという欠点がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、耐熱性および低温でのイオン透過性能に優れた多孔質フィルム、該多孔質フィルムからなる非水電解液電池用セパレーターおよび該セパレーターを用いてなる非水電解液電池を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、
〔１〕超高分子量ポリオレフィン樹脂と、平均粒子径０．００１〜１０μｍの電気化学的不活性な粒子と、架橋可能な重合体とを含有するフィルムを架橋処理してなる多孔質フィルム、
〔２〕前記〔１〕記載の多孔質フィルムからなる非水電解液電池用セパレーター、ならびに
〔３〕前記〔２〕記載のセパレーターを用いてなる非水電解液電池、に関する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の多孔質フィルムは、延伸により薄膜化を行なっても空孔率低下および小粒径化が生じず、高空孔率を維持し、且つ架橋可能な重合体により架橋されているために、耐熱性および低温でのイオン透過性能に優れる。
【００１１】
本発明に用いられる超高分子量ポリオレフィン樹脂としては、従来より多孔質フィルムの製造に用いられるものを特に限定されることなく使用することができる。例えば、超高分子量ポリオレフィン樹脂としては、エチレン、プロピレン、１−ブテン、４−メチル−１−ペンテン、１−ヘキサン等のオレフィンの単独重合体、共重合体およびこれらの混合物等が挙げられる。これらの中では、得られる多孔質フィルムの高強度化の観点から、超高分子量ポリエチレン樹脂を用いることが好ましい。
【００１２】
超高分子量ポリオレフィン樹脂の重量平均分子量は５×１０5 以上が好ましく、５×１０5 〜２０×１０6 がより好ましく、１×１０6 〜１５×１０6 がさらに好ましい。
【００１３】
本発明に用いられる電気化学的不活性な粒子としては、無機粒子および有機粒子が挙げられる。ここで、電気化学的不活性とは、電池のような酸化還元雰囲気下において、分解が生じず、その形状を維持できることを意味する。無機粒子としては、微粉珪酸、珪酸カルシウム、珪酸アルミニウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、微粉タルク、酸化チタン、珪藻土、スメクタイト、カオリンクレー、カーボンブラック等が挙げられる。有機粒子としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ−１−ブテン、ポリ−４−メチル−１−ペンテン等のオレフィンの単独重合体（重量平均分子量は５×１０5 未満）、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−１−ブテン共重合体、プロピレン−１−ブテン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体等のポリオレフィン共重合体（重量平均分子量は５×１０5 未満）、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体、トリフルオロクロルエチレン、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体、フッ化ビニリデン、フッ化ビニル等のフッ素系樹脂、ポリスチレン、アクリロニトリル−スチレン共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート等の各種アクリレート、スチレン−メタクリル酸メチル共重合体、ポリビニルブチラール、ポリビニルホルマール、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルサルフォン、ポリサルフォン、ポリアリレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンオキサイド、ポリエーテルアミド、ポリエーテルイミド、ポリイソブチレン、ポリオキシベンジレン、ポリブチレンテレフタレート、ポリブタジエン、ポリエステル、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、尿素樹脂、メラミン樹脂、ベンゾグアナミン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、ホルマリン樹脂、キシレン樹脂、フラン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ポリイソシアネート樹脂、フェノキシ樹脂等が挙げられる。これらの中では、ポリオレフィン中に容易に分散可能である観点から、微粉珪酸、珪酸アルミニウム、炭酸カルシウム、ポリスチレン、スチレン−メタクリル酸メチル共重合体、ポリメタクリル酸メチルが好ましい。粒子は多孔質フィルムの製造の際に、変形、分解等が生じないものが好ましく、例えば有機粒子の場合には、あらかじめ架橋剤および硬化剤等で３次元的に架橋されたものが好ましい。例えば、架橋された粒子としては、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチル、スチレン−メタクリル酸メチル共重合体をジビニルベンゼン、メタクリル酸ジエチレン等の架橋剤にて架橋したものが挙げられる。
【００１４】
粒子の平均粒子径は、フィルム内部に層状孔を生じさせることにより高空孔率化を可能にし、粒子の付着凝集を防ぎ多孔質フィルム中に均一に分散させることによりフィルム表面に粒子が突出することなく平滑なフィルムを得る観点から、０．００１〜１０μｍであり、好ましくは０．０１〜１０μｍであり、さらに好ましくは０．１〜８μｍである。平均粒子径はＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察により得られた粒子の長径と短径の平均値により求めたものをいう。
【００１５】
本発明に用いられる架橋可能な重合体としては、例えば、不飽和縮合脂環化合物を開環重合させて、主鎖にそのモノマー化合物に由来するＣ＝Ｃ二重結合と脂肪族環とを繰り返し単位とする開環重合体が挙げられる。なお、Ｃ＝Ｃ二重結合は、炭素原子間の二重結合を意味する。重合体における脂肪族環の炭素数は、５〜１０のものが好ましい。さらに、重合体における脂肪族環は、５あるいは６員環が主鎖に直結されたものが好ましい。このようにして得られる開環重合体は、その二重結合の一部を水素添加してもよい。
【００１６】
前記不飽和縮合脂環化合物は、次の３つの系列に大別される。第一の系列としては、狭義の縮合脂環化合物として分類されるもののうちで、開環重合後、主鎖に組み込まれるＣ＝Ｃ二重結合を環の１つに有する不飽和化合物が挙げられる。また、それらの不飽和化合物の水素原子の幾つかが他の置換基に置き換わった誘導体も含めて、不飽和縮合脂環化合物として使用できる。この具体例として、ビシクロ〔３．２．０〕ヘプト−６−エン、ビシクロ〔４．２．０〕オクト−７−エンおよびそれらの誘導体等が挙げられる。
【００１７】
第二の系列としては、有橋環化合物として分類されるもののうちで、開環重合後、主鎖に組み込まれるＣ＝Ｃ二重結合を環の１つに有する不飽和化合物が挙げられる。また、それら不飽和化合物の水素原子の幾つかが他の置換基に置き換わった誘導体も含めて、不飽和縮合脂環化合物として使用できる。この具体例として、ビシクロ〔２．２．１〕ヘプト−５−エン（本明細書においてはノルボルネンともいう) 、ビシクロ〔２．２．１〕ヘプト−５−エン−２，３−ジカルボキシメチルエステル等のノルボルネン誘導体、ビシクロ〔２．２．２〕オクト−２−エンおよびその誘導体等が挙げられる。
【００１８】
第三の系列としては、有橋環でかつ縮合脂環を有し、開環重合後、主鎖に脂肪族環およびＣ＝Ｃ二重結合とを有する化合物が挙げられる。この具体例としては、トリシクロ〔５．２．１．０2,6 〕デカ−３，８−ジエン（ジシクロペンタジエン) 、テトラシクロドデセンおよびその誘導体が挙げられる。
【００１９】
これらの不飽和縮合脂環化合物の中では、原料供給等の観点から、ノルボルネンおよびノルボルネン誘導体が好ましい。また、これらの不飽和縮合脂環化合物は、単独でまたは２種以上を混合してまたは順次開環重合することができる。
【００２０】
本発明の多孔質フィルムにおける超高分子量ポリオレフィン樹脂、粒子および重合体の含有比率については、特に限定はないが、超高分子量ポリオレフィン樹脂は３０〜９８重量％が好ましく、５０〜９５重量％がより好ましく、粒子は０．５〜６０重量％が好ましく、２〜４０重量％がより好ましく、重合体は１〜４０重量％が好ましく、２〜３０重量％がより好ましい。
【００２１】
本発明の多孔質フィルムは、例えば、超高分子量ポリオレフィン樹脂と粒子と架橋可能な重合体と溶媒とを含有する樹脂組成物を溶融混練し、得られた溶融混練物をシート状に成形し、得られたシート状成形物の圧延と延伸処理を行い、脱溶媒処理により溶媒を除去し、得られたフィルムにさらに架橋処理することにより製造することができる。
【００２２】
樹脂組成物の調製に用いられる溶媒としては、超高分子量ポリオレフィン樹脂の溶解性に優れたものであれば、通常用いられている公知のものを限定されることなく用いることができる。例えばノナン、デカン、ウンデカン、ドデカン、デカリン、流動パラフィン等の脂肪族または環式の炭化水素、沸点がこれらに対応する鉱油留分が挙げられ、なかでも、流動パラフィン等の不揮発性溶媒が好ましく、特に混練物の微細な孔構造を維持する観点から、４０℃における動粘度が６５ｃｓｔ以下の不揮発性溶媒がより好ましい。
【００２３】
超高分子量ポリオレフィン樹脂の樹脂組成物における含有量は、超高分子量ポリオレフィン樹脂の種類、溶解性、混練温度等により異なるため、一概には決定できないが、例えば孔構造の微細性の観点から、５〜３０重量％が好ましく、８〜２０重量％がより好ましい。得られる多孔質フィルムの強度を向上させる観点から、重量平均分子量５×１０5 以上の超高分子量ポリオレフィン樹脂の樹脂組成物における含有量が５重量％以上であることが好ましい。
【００２４】
粒子の樹脂組成物における含有量は、樹脂組成物中に良好に分散でき、且つ多孔質フィルムの強度を低下させない観点から、１〜４０重量％が好ましく、２〜３０重量％がより好ましい。
【００２５】
架橋可能な重合体の樹脂組成物における含有量は、高温にて多孔質フィルムの形状を維持できる観点から、０．５〜２０重量％が好ましく、１〜１０重量％がより好ましい。
【００２６】
溶媒の樹脂組成物における含有量は、超高分子量ポリオレフィン樹脂の良好な溶解性と均一分散性の観点から、５０〜９５重量％が好ましく、７０〜９０重量％がより好ましい。
【００２７】
前記樹脂組成物には、必要に応じて、重量平均分子量が５×１０5 未満のポリオレフィン樹脂、例えば、エチレン、プロピレン、１−ブテン、４−メチル−１−ペンテン、１−ヘキセン等のオレフィンの単独重合体、共重合体及びこれらの混合物等の超高分子量ポリオレフィン樹脂以外の樹脂を加えてもよい。これらの中では、得られる多孔質フィルムの高強度化の観点から、高密度ポリエチレン樹脂が好ましい。これらの樹脂の重量平均分子量は、好ましくは１×１０4 以上、５×１０5 未満、より好ましくは、１×１０4 〜３×１０5 である。なお、重量平均分子量が５×１０5 未満のポリオレフィン樹脂が、０．００１〜１０μｍの平均粒子径のものである場合は、本発明で用いる「電気化学的不活性な粒子」として扱われる。前記樹脂組成物には、さらに、酸化防止剤、紫外線吸収剤、染料、造核剤、顔料、帯電防止剤、界面活性剤等の添加剤を、本発明の目的を損なわない範囲で添加することができる。
【００２８】
樹脂組成物を溶融混練し、得られた溶融混練物をシート状に成形する方法としては、例えば、超高分子量ポリオレフィン樹脂と粒子と重合体と溶媒とを含有する樹脂組成物をヘンシェルミキサー等であらかじめ均一に分散して得られたスラリー状溶液を、バンバリーミキサー、ニーダー等でバッチ式で溶融混練を行ない、その後ダイスにてシート状に成形する方法、または重量式フィーダーや液添ポンプを使用し、直接二軸押出機や連続式混練機で溶融混練を行ない、得られた溶融混練物を混練機先端につけたダイスでシート状に成形する方法等が挙げられる。粒子が均一に分散した多孔質フィルムを得るためには、あらかじめ粒子を溶媒中に分散させた後に、超高分子量ポリオレフィン樹脂を加えることが好ましい。樹脂組成物に界面活性剤等の添加剤を適宜使用すると、粒子の分散性を改善することができる。なお、溶融混練は、適当な温度条件下であればよく、特に限定されないが、超高分子量ポリエチレン樹脂を用いた場合は、好ましくは１４０〜２００℃である。
【００２９】
溶融混練後のシート状成形物は、シート状、チューブ状および丸棒状の形状であってよい。溶融混練後のシート状成形物の形状がシート状やチューブ状である場合、シート状成形物の厚みは３〜３０ｍｍが好ましく、５〜２０ｍｍがより好ましい。シート状成形物の厚みが３ｍｍ以上であると、その後の圧延および延伸処理により得られる多孔質フィルムの強度が大きく、電池セパレーターとして好ましく使用できる。また、シート状成形物の厚みが３０ｍｍ以下であると、圧延および延伸処理での薄膜化を短時間で行なうことができ、生産性に優れ好ましい。
【００３０】
圧延処理は、ダブルベルトプレス機等を使用するプレス法および所定の形状のダイスを使用するダイス圧延により行なうことができる。シート状成形物の形状がチューブ状である場合、チューブ状ダイスが適用できる。チューブ状ダイスを使用する場合は、シート状成形物を引取方向から引張り、縦横強度比を調整するのが好ましい。
【００３１】
ダイス圧延処理の温度は、シート状成形物の融点−３０℃〜融点−１０℃が好ましい。即ち、圧延による薄膜化を容易に行なうために、シート状成形物の融点−３０℃以上の温度が好ましく、電池用セパレーターとして使用する際に必要な強度および厚みの均質性を確保するために、シート状成形物の融点−１０℃以下の温度が好ましい。なお、本明細書において、シート状成形物の融点とは、窒素雰囲気下にアルミ密閉容器を用いて１０℃／分で昇温した場合の、オンセット温度のことをいう。プレスによる全加圧時間は、特に限定されるわけではないが、１〜５分が好ましい。所定の厚みの圧延処理後のシート状成形物を得るために、加圧時間は１分以上が好ましい。また、生産性の向上の観点から、加圧時間は５分以下が好ましい。
【００３２】
圧延処理後のシート状成形物の厚みは、特に限定されるわけではないが、０．２〜３ｍｍが好ましく、０．２〜２ｍｍがより好ましい。ダイス圧延による薄膜化が容易であるために、シート状成形物の厚みは０．２ｍｍ以上が好ましい。また、延伸処理を続ける場合にチャック部と中央部に厚み差が生じにくく、製品として多孔質フィルムの歩留りが向上し、生産性に優れるために、シート状成形物の厚みが３ｍｍ以下が好ましい。
【００３３】
延伸処理としては、特に限定されるものではなく、通常のテンター法、ロール法、インフレーション法またはこれらの方法の組合せであってもよい。また、一軸延伸、二軸延伸等のいずれの方式をも適用することができる。延伸処理の温度は、超高分子量ポリオレフィン樹脂の融点以下が望ましい。その他、延伸処理の条件は、通常用いられる公知の条件を採用することができる。
【００３４】
脱溶媒処理は、シート状成形物から溶媒を除去して多孔質構造を形成させる工程であり、例えば、シート状成形物を溶剤で洗浄して該成形物中の溶媒を除去することにより行うことができる。溶剤は、樹脂組成物の調製に用いた溶媒に応じて適宜選択することができるが、具体的には、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、デカン等の炭化水素、塩化メチレン、四塩化炭素等の塩素化炭化水素、ジエチルエーテル、ジオキサン等のエーテル類、アルコール類等の易揮発性溶剤が挙げられ、これらは単独で又は二種以上を混合して用いることができる。かかる溶剤を用いた脱溶媒処理の方法は、特に限定されず、例えば、シート状成形物を溶剤中に浸漬して溶媒を抽出する方法、溶剤をシート状成形物にシャワーする方法等が挙げられる。
【００３５】
脱溶媒処理は圧延処理後であれば、延伸処理前に行ってもよく、延伸処理後に行なってもよい。微細な孔を有する多孔質フィルムを得る観点から、脱溶媒処理は延伸処理後に行なうのが好ましい。
【００３６】
前記の方法により得られる多孔質フィルムは、潜在的に架橋可能なフィルム（潜在的架橋性フィルム）であり、架橋処理により耐熱性が向上する。また、架橋処理により硬化するので、潜在的硬化性を有しているとも言える。この耐熱性向上の理由は、必ずしも明白ではないが、各処理で生じたポリマーラジカルがＣ＝Ｃ二重結合に付加し、その際に架橋可能な重合物どうし、あるいは該重合体とその他の樹脂成分との間で架橋反応が起こること、また、主鎖におけるＣ＝Ｃ二重結合の消失によってポリマー鎖自体のガラス転移温度が大きく上昇することなどが考えられる。Ｃ＝Ｃ二重結合を消失させる割合は、所望の耐熱性を考慮して適宜選択されるが、８０〜１００％（ＩＲのピークの大きさに基づき算出) の消失率が好ましい。Ｃ＝Ｃ二重結合の全部または一部が架橋処理により消失することは、赤外吸収スペクトルを観察することによって確認することができる。
【００３７】
架橋処理の方法としては、熱処理する方法、光、電子線等の放射線の照射による方法、過酸化物等のラジカル発生能のある化合物を利用する方法、ラジカル重合性のモノマーをグラフトさせる方法等の公知の方法等が挙げられ、これらの中では、最も簡便かつ有効である観点から、酸素存在下で熱処理する方法が特に好ましい。
【００３８】
前記熱処理する方法は、特に限定されるものではなく、一回で熱処理する一段式熱処理法でも、最初に低温でまず熱処理し、その後さらに高温での熱処理を行う多段式の熱処理法でもよく、あるいは昇温しながら熱処理する昇温式熱処理法でもよい。
【００３９】
一段式熱処理法の熱処理温度としては、多孔質フィルムの組成にもよるが１００℃〜超高分子量ポリオレフィン樹脂の融点が好ましい。多段式の熱処理法の最初の熱処理温度としては、多孔質フィルムの組成にもよるが、好ましくは５０℃〜超高分子量ポリオレフィン樹脂の融点、２段目の熱処理温度としては、多孔質フィルムの組成にもよるが、好ましくは１００℃〜超高分子量ポリオレフィン樹脂の融点である。また、必要に応じてさらに高温で、さらに短時間の３段目以降の熱処理を行ってもよい。処理時間は、多孔質フィルムの組成にもよるが、最初の熱処理には３〜４８時間程度、２段目のより高温での熱処理には０．５〜６時間程度が好ましい。昇温式熱処理法の場合には、前記の多段式の熱処理法に準じた条件で行えばよい。多孔質フィルムの組成にもよるが、上記の温度や時間以内で熱処理することにより、各段階において早期に孔を塞ぐことなく酸素濃度を確保して、架橋、硬化を内部まで進行させることが可能であり、耐熱性に優れた多孔質フィルムを得ることができる。
【００４０】
熱処理は、有効に架橋できる観点から酸素存在下で行なうことが好ましい。酸素存在下での熱処理としては、空気中での熱処理が挙げられる。また、内部の酸素濃度を確保しやすくするために、必要に応じて、過酸化物を併用してもよい。この場合には、過酸化物を併用しない場合よりも高い温度で短時間で架橋させることも可能である。過酸化物を添加する手段としては、例えば、実質的な分解温度が、熱処理温度よりも高い過酸化物を熱処理時に直接添加する方法が挙げられる。また、低温で架橋させたい場合には、分解温度の低い過酸化物を溶媒に溶かし、得られた多孔質フィルムに含浸させればよい。なお、過酸化物としては、ベンゾイルパーオキシド、ビス−（４−ｔ−ブチルシクロヘキシル) パーオキシ−ジカーボネート等が挙げられる。また溶媒としては、トルエン、キシレン、デカリン、テトラリン等が挙げられる。
【００４１】
上記の熱処理による架橋処理は、必要に応じ、公知の電子線、紫外線、可視光線等の放射線による架橋処理を併用してもよい。
【００４２】
本発明の多孔質フィルムは、前記のようにして架橋処理してなるものであるが、前記架橋処理工程に続いて、熱収縮の防止のため多孔質フィルムをヒートセット（熱固定）してもよい。該ヒートセットする際の温度は、例えば、１１０〜１４０℃が好ましく、０．５〜２時間程度行なえばよい。
【００４３】
このようにして得られた本発明の多孔質フィルムの厚みは、１〜２００μｍが好ましく、５〜５０μｍがより好ましい。空孔率は、３０〜９５％が好ましく、５０〜８５％がより好ましい。その耐熱性として、耐熱破膜温度は、使用目的にもよるが、１６０℃以上が好ましく、１８０℃以上がより好ましい。その低温イオン透過性能として、５℃イオン流速は、０．１〜０．３ｍｍｏｌ／ｍｉｎが好ましく、０．１〜０．２５ｍｍｏｌ／ｍｉｎがより好ましい。
【００４４】
本発明の非水電解液電池としては、前記多孔質フィルムをセパレーターとして用いてなるものであればよく、その構造、構成物質および製造方法などについては通常の非水電解液電池およびその製造方法に用いられているものであれば特に限定はない。
【００４５】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれら実施例により何ら限定されるものではない。なお、各実施例および比較例で得られた多孔質フィルムの各種特性については、下記要領にて測定を行なう。
【００４６】
（融点）
セイコー電子工業社製の示差走査熱量計「ＤＳＣ−２００」を使用し、室温から２００℃まで１０℃／ｍｉｎの割合で昇温させ、この昇温過程での吸熱ピーク値を融点とする。
【００４７】
（重量平均分子量）
ゲル浸透クロマトグラフィー（ウォーターズ社製、ＧＰＣ−１５０Ｃ）により、溶媒としてｏ−ジクロロベンゼンを用い、１３５℃で測定する。なおカラムはＳｈｏｄｅｘ−８０Ｍ（昭和電工社製）を用い、データ処理にはＴＲＣ社製データ処理システムを用いる。また、分子量はポリスチレンを基準として算出する。
【００４８】
（シート状成形物の融点）
ＤＳＣ密閉セルにシート状成形物を詰め、室温から１０℃／分で昇温した時の、溶融ピークのオンセット温度を融点とする。
【００４９】
（フィルムの厚み）
１／１００００ｍｍシックネスゲージにより測定する。
【００５０】
（空孔率）
フィルムの単位面積Ｓ（ｃｍ2 ）あたりの重量Ｗ（ｇ）、平均厚みｔ（μｍ）および密度ｄ（ｇ／ｃｍ3 ）から下式により算出した値を使用する。
空孔率（％）＝（１−（１０4 ×Ｗ／Ｓ／ｔ／ｄ））×１００
【００５１】
〔耐熱性（耐熱破膜温度）〕
幅１０ｍｍの多孔質フィルムの一方の端を上下の間隔が５０ｍｍのアルミ枠の上部に固定し、もう一方の端に２００ｇ／ｍｍ2 換算の荷重をかけて張力を与えた状態でアルミ枠下部に固定する。こうして作製したサンプルを、あらかじめ所定の温度に加熱したシリコンオイル（東レ（株) 製、「ＴＯＲＡＹ ＳＨ２００１００ＣＳ」）に浸漬して、その状態を目視で観測し、多孔質フィルムが破断するまでに要する時間を測定する。１０分間以上でも破断しない場合は、１０℃刻みで温度を上げて測定し、１０分間たっても破断しなかった最高温度を耐熱破膜温度とする。
【００５２】
〔低温イオン透過性能（５℃イオン流速）〕
図１に示す装置を用いて測定する。槽２に、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとを容量比で１：２の割合で混合した溶媒に６フッ化リン酸リチウムを１．４ｍｏｌ／ｌ溶解させた電解液１３．５ｍｌを入れ、槽３にエチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートを容量比で１：２の割合で混合した溶媒を２０．５ｍｌ入れる。その後、マグネチックスターラー４で攪拌しながら、槽３の伝導度の時間変化を伝導度計６で測定する。あらかじめ測定した伝導度−モル濃度プロットから、伝導度をモル濃度に換算し、時間−モル濃度のプロットの傾きをイオン流速（ｍｍｏｌ／ｍｉｎ）とする。尚、測定は５℃恒温器内で行なう。
【００５３】
実施例１
重量平均分子量２×１０6 の超高分子量ポリエチレン樹脂（ＧＵＲ２１２２、Ｔｉｃｏｎａ製、融点１４０℃、以下同じ）１４重量部と、スチレン−メタクリル酸メチル共重合体の架橋粒子（平均粒子径：１μｍ、ＭＧ−３５１、日本ぺイント製）６重量部と、ノルボルネン開環重合体（ノーソレックスＮＢ、日本ゼオン製、以下同じ）２重量部と、溶媒である流動パラフィン（凝固点：−１５℃、４０℃における動粘度：５９ｃｓｔ、以下同じ）７８重量部とからなる樹脂組成物を、ヘンシェルミキサーを使用して均一に混合し、得られた混合物を同方向二軸押出機（シリンダー径４０ｍｍ、Ｌ／Ｄ＝３０）を使用し、１６０℃で溶融混練りした。得られた樹脂組成物の溶融混練物を、二軸押出機の先端に取り付けられたＴダイス（リップ厚み５ｍｍ）を用い、１６０℃でシート状に押し出した直後、水浴により急冷し、厚み約５ｍｍ、融点１３５℃のシート状成形物を得た。得られたシート状成形物を１１５℃に予備加熱した後、１２０℃で加熱圧延し、厚み０．２ｍｍのシート状成形物を得た。得られたシート状成形物を、バッチ式同時二軸延伸機を用いて１２０℃で縦横４×４倍延伸後、ヘプタンを使用して脱溶媒処理を行った。その後、空気中で８０℃で２時間熱処理してノルボルネン開環重合体を架橋させた後、空気中で１３０℃で２時間ヒートセットして、厚み２２μｍ、空孔率６５％の多孔質フィルムを得た。
【００５４】
実施例２
重量平均分子量２×１０6 の超高分子量ポリエチレン樹脂１４重量部と、シリカ粒子（平均粒子径：０．０１２μｍ、アエロジル２００、日本アエロジル製）６重量部と、ノルボルネン開環重合体２重量部と、溶媒である流動パラフィン７８重量部とからなる樹脂組成物を調製した以外は、実施例１と同様にして、厚み２８μｍ、空孔率７２％の多孔質フィルムを得た。
【００５５】
実施例３
重量平均分子量２×１０6 の超高分子量ポリエチレン樹脂１４重量部と、架橋ポリスチレン粒子（平均粒子径：８μｍ、積水化成製）６重量部と、ノルボルネン開環重合体２重量部と、溶媒である流動パラフィン７８重量部とからなる樹脂組成物を調製した以外は、実施例１と同様にして、厚み２８μｍ、空孔率６６％の多孔質フィルムを得た。
【００５６】
比較例１
重量平均分子量２×１０6 の超高分子量ポリエチレン樹脂１５重量部と、ノルボルネン開環重合体２重量部と、溶媒である流動パラフィン８３重量部とからなる樹脂組成物を調製した以外は、実施例１と同様にして、厚み１３μｍ、空孔率３４％の多孔質フィルムを得た。
【００５７】
比較例２
重量平均分子量２×１０6 の超高分子量ポリエチレン樹脂１５重量部と、溶媒である流動パラフィン８３重量部とからなる樹脂組成物を調製した以外は、実施例１と同様にして、厚み１０μｍ、空孔率３０％の多孔質フィルムを得た。
【００５８】
比較例３
スチレン−メタクリル酸メチル共重合体の架橋粒子の代わりに架橋ポリスチレン粒子（平均粒子径：２０μｍ、ＳＧＰ−７０Ｃ、綜研化学製）を用いた以外は実施例１と同様にして、多孔質フィルムを作製したが、ヒートセット時に破膜した。
【００５９】
以下に、実施例１〜３および比較例１〜２で得られた多孔質フィルムの特性を示す。
【００６０】
【表１】
【００６１】
表１の結果から、本発明の多孔質フィルムは耐熱性に優れており、かつ低温でのイオン透過性が良好であることがわかる。
【００６２】
【発明の効果】
本発明の多孔質フィルムは、低温イオン透過性および耐熱性に優れたものであり、該多孔質フィルムを非水電解液電池用セパレーターとして用いることで、安全性に優れた、様々な大きさや用途の非水電解液電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、イオン透過性測定セルを示す概略図である。
【符号の説明】
１ 多孔質フィルム
２ 槽
３ 槽
４ マグネチックスターラー
５ パッキン
６ 伝導度計
【発明の属する技術分野】
本発明は、多孔質フィルムに関する。さらに詳しくは、高いイオン透過性能を保持し、かつ耐熱性に優れた多孔質フィルム、該多孔質フィルムからなる非水電解液電池用セパレーター、および該セパレーターを用いてなる非水電解液電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、種々のタイプの電池が実用に供されているが、近年、電子機器のコードレス化等に対応するために、軽量で、高起電力および高エネルギーを得ることができ、しかも自己放電が少ないリチウムおよびリチウムイオン電池が注目を集めている。一般に、このようなリチウム電池においては、正極と負極の間に、これら電極間の短絡を防止するためのセパレーターが設けられている。このようなセパレーターとしては、通常、正極負極間のイオンの透過性を確保するために、多数の微細孔を有する多孔質フィルムが用いられている。
【０００３】
このような電池用セパレーターとして、従来、超高分子量ポリオレフィン樹脂を、必要に応じてその他のポリオレフィン樹脂と共に、溶媒中で加熱して溶解させ、これをゲル状のシートに成形してこのシート状成形物を延伸処理し、この延伸の前後に脱溶媒処理を行ってシート状成形物中に残存する溶媒を除去することにより、多孔質フィルムを製造する方法が種々提案されている。
【０００４】
このようにして得られた多孔質フィルムは高い機械的強度を有するが、高イオン透過性を維持するためには、更なる薄膜化および高空孔率化が必要となる。しかしながら、薄膜化を達成するために高倍率の延伸を行うと、ポリオレフィンからなるフィブリルがより微細化し、それに伴って多孔質フィルムの空孔率の低下および小孔径化を招き、特に低温でのイオン透過性能が低下するという欠点がある。
【０００５】
また、リチウムおよびリチウムイオン電池に代表される非水電解液電池は、外部短絡、内部短絡および過充電等により電池内部温度が上昇した場合、セパレーターの孔が閉塞して電流遮断する、いわゆるシャットダウン機能を有するものが、安全性向上の観点から採用されている。通常、シャットダウンが生じる温度は１２０〜１５０℃に設定されている。しかし、より急激に電流が流れて発熱する場合にはシャットダウン機能の追随が不十分となり、電池内温度が２００℃以上になることがある。このとき、セパレーターはその形状を保持することができず収縮、溶融して電池極板同士が接触し、短絡電流等をとめることが不可能となる。
【０００６】
高温で優れた形状保持能を有し、溶融に至っても高い粘性を保持するために、電池用セパレーターとして用いた場合に極板間の短絡を防ぐことが可能な多孔質フィルムを製造する方法として、多孔質フィルムを３次元的に架橋する方法が提案されている。例えば特開2001-040110 号公報に記載されているノルボルネンまたはノルボルネン誘導体を加熱により架橋した耐熱多孔質フィルムは、２００℃以上の高い温度でも優れた形状保持能と高い粘性を有し、かつシャットダウン機能を有することから、安全性の高い非水電解液電池用セパレーターとして適している。
【０００７】
しかし、イオン透過性に優れた多孔質フィルムを得るためには、フィルム厚みを薄くする必要がある。しかしながら、前記多孔質フィルムは、先に示したように孔がポリオレフィンからなるフィブリル間に生成しているため、延伸による薄膜化を行なうと空孔率低下および小孔径化が生じ、低温でのイオン透過性能が劣るという欠点がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、耐熱性および低温でのイオン透過性能に優れた多孔質フィルム、該多孔質フィルムからなる非水電解液電池用セパレーターおよび該セパレーターを用いてなる非水電解液電池を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、
〔１〕超高分子量ポリオレフィン樹脂と、平均粒子径０．００１〜１０μｍの電気化学的不活性な粒子と、架橋可能な重合体とを含有するフィルムを架橋処理してなる多孔質フィルム、
〔２〕前記〔１〕記載の多孔質フィルムからなる非水電解液電池用セパレーター、ならびに
〔３〕前記〔２〕記載のセパレーターを用いてなる非水電解液電池、に関する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の多孔質フィルムは、延伸により薄膜化を行なっても空孔率低下および小粒径化が生じず、高空孔率を維持し、且つ架橋可能な重合体により架橋されているために、耐熱性および低温でのイオン透過性能に優れる。
【００１１】
本発明に用いられる超高分子量ポリオレフィン樹脂としては、従来より多孔質フィルムの製造に用いられるものを特に限定されることなく使用することができる。例えば、超高分子量ポリオレフィン樹脂としては、エチレン、プロピレン、１−ブテン、４−メチル−１−ペンテン、１−ヘキサン等のオレフィンの単独重合体、共重合体およびこれらの混合物等が挙げられる。これらの中では、得られる多孔質フィルムの高強度化の観点から、超高分子量ポリエチレン樹脂を用いることが好ましい。
【００１２】
超高分子量ポリオレフィン樹脂の重量平均分子量は５×１０5 以上が好ましく、５×１０5 〜２０×１０6 がより好ましく、１×１０6 〜１５×１０6 がさらに好ましい。
【００１３】
本発明に用いられる電気化学的不活性な粒子としては、無機粒子および有機粒子が挙げられる。ここで、電気化学的不活性とは、電池のような酸化還元雰囲気下において、分解が生じず、その形状を維持できることを意味する。無機粒子としては、微粉珪酸、珪酸カルシウム、珪酸アルミニウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、微粉タルク、酸化チタン、珪藻土、スメクタイト、カオリンクレー、カーボンブラック等が挙げられる。有機粒子としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ−１−ブテン、ポリ−４−メチル−１−ペンテン等のオレフィンの単独重合体（重量平均分子量は５×１０5 未満）、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−１−ブテン共重合体、プロピレン−１−ブテン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体等のポリオレフィン共重合体（重量平均分子量は５×１０5 未満）、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体、トリフルオロクロルエチレン、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体、フッ化ビニリデン、フッ化ビニル等のフッ素系樹脂、ポリスチレン、アクリロニトリル−スチレン共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート等の各種アクリレート、スチレン−メタクリル酸メチル共重合体、ポリビニルブチラール、ポリビニルホルマール、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルサルフォン、ポリサルフォン、ポリアリレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンオキサイド、ポリエーテルアミド、ポリエーテルイミド、ポリイソブチレン、ポリオキシベンジレン、ポリブチレンテレフタレート、ポリブタジエン、ポリエステル、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、尿素樹脂、メラミン樹脂、ベンゾグアナミン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、ホルマリン樹脂、キシレン樹脂、フラン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ポリイソシアネート樹脂、フェノキシ樹脂等が挙げられる。これらの中では、ポリオレフィン中に容易に分散可能である観点から、微粉珪酸、珪酸アルミニウム、炭酸カルシウム、ポリスチレン、スチレン−メタクリル酸メチル共重合体、ポリメタクリル酸メチルが好ましい。粒子は多孔質フィルムの製造の際に、変形、分解等が生じないものが好ましく、例えば有機粒子の場合には、あらかじめ架橋剤および硬化剤等で３次元的に架橋されたものが好ましい。例えば、架橋された粒子としては、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチル、スチレン−メタクリル酸メチル共重合体をジビニルベンゼン、メタクリル酸ジエチレン等の架橋剤にて架橋したものが挙げられる。
【００１４】
粒子の平均粒子径は、フィルム内部に層状孔を生じさせることにより高空孔率化を可能にし、粒子の付着凝集を防ぎ多孔質フィルム中に均一に分散させることによりフィルム表面に粒子が突出することなく平滑なフィルムを得る観点から、０．００１〜１０μｍであり、好ましくは０．０１〜１０μｍであり、さらに好ましくは０．１〜８μｍである。平均粒子径はＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察により得られた粒子の長径と短径の平均値により求めたものをいう。
【００１５】
本発明に用いられる架橋可能な重合体としては、例えば、不飽和縮合脂環化合物を開環重合させて、主鎖にそのモノマー化合物に由来するＣ＝Ｃ二重結合と脂肪族環とを繰り返し単位とする開環重合体が挙げられる。なお、Ｃ＝Ｃ二重結合は、炭素原子間の二重結合を意味する。重合体における脂肪族環の炭素数は、５〜１０のものが好ましい。さらに、重合体における脂肪族環は、５あるいは６員環が主鎖に直結されたものが好ましい。このようにして得られる開環重合体は、その二重結合の一部を水素添加してもよい。
【００１６】
前記不飽和縮合脂環化合物は、次の３つの系列に大別される。第一の系列としては、狭義の縮合脂環化合物として分類されるもののうちで、開環重合後、主鎖に組み込まれるＣ＝Ｃ二重結合を環の１つに有する不飽和化合物が挙げられる。また、それらの不飽和化合物の水素原子の幾つかが他の置換基に置き換わった誘導体も含めて、不飽和縮合脂環化合物として使用できる。この具体例として、ビシクロ〔３．２．０〕ヘプト−６−エン、ビシクロ〔４．２．０〕オクト−７−エンおよびそれらの誘導体等が挙げられる。
【００１７】
第二の系列としては、有橋環化合物として分類されるもののうちで、開環重合後、主鎖に組み込まれるＣ＝Ｃ二重結合を環の１つに有する不飽和化合物が挙げられる。また、それら不飽和化合物の水素原子の幾つかが他の置換基に置き換わった誘導体も含めて、不飽和縮合脂環化合物として使用できる。この具体例として、ビシクロ〔２．２．１〕ヘプト−５−エン（本明細書においてはノルボルネンともいう) 、ビシクロ〔２．２．１〕ヘプト−５−エン−２，３−ジカルボキシメチルエステル等のノルボルネン誘導体、ビシクロ〔２．２．２〕オクト−２−エンおよびその誘導体等が挙げられる。
【００１８】
第三の系列としては、有橋環でかつ縮合脂環を有し、開環重合後、主鎖に脂肪族環およびＣ＝Ｃ二重結合とを有する化合物が挙げられる。この具体例としては、トリシクロ〔５．２．１．０2,6 〕デカ−３，８−ジエン（ジシクロペンタジエン) 、テトラシクロドデセンおよびその誘導体が挙げられる。
【００１９】
これらの不飽和縮合脂環化合物の中では、原料供給等の観点から、ノルボルネンおよびノルボルネン誘導体が好ましい。また、これらの不飽和縮合脂環化合物は、単独でまたは２種以上を混合してまたは順次開環重合することができる。
【００２０】
本発明の多孔質フィルムにおける超高分子量ポリオレフィン樹脂、粒子および重合体の含有比率については、特に限定はないが、超高分子量ポリオレフィン樹脂は３０〜９８重量％が好ましく、５０〜９５重量％がより好ましく、粒子は０．５〜６０重量％が好ましく、２〜４０重量％がより好ましく、重合体は１〜４０重量％が好ましく、２〜３０重量％がより好ましい。
【００２１】
本発明の多孔質フィルムは、例えば、超高分子量ポリオレフィン樹脂と粒子と架橋可能な重合体と溶媒とを含有する樹脂組成物を溶融混練し、得られた溶融混練物をシート状に成形し、得られたシート状成形物の圧延と延伸処理を行い、脱溶媒処理により溶媒を除去し、得られたフィルムにさらに架橋処理することにより製造することができる。
【００２２】
樹脂組成物の調製に用いられる溶媒としては、超高分子量ポリオレフィン樹脂の溶解性に優れたものであれば、通常用いられている公知のものを限定されることなく用いることができる。例えばノナン、デカン、ウンデカン、ドデカン、デカリン、流動パラフィン等の脂肪族または環式の炭化水素、沸点がこれらに対応する鉱油留分が挙げられ、なかでも、流動パラフィン等の不揮発性溶媒が好ましく、特に混練物の微細な孔構造を維持する観点から、４０℃における動粘度が６５ｃｓｔ以下の不揮発性溶媒がより好ましい。
【００２３】
超高分子量ポリオレフィン樹脂の樹脂組成物における含有量は、超高分子量ポリオレフィン樹脂の種類、溶解性、混練温度等により異なるため、一概には決定できないが、例えば孔構造の微細性の観点から、５〜３０重量％が好ましく、８〜２０重量％がより好ましい。得られる多孔質フィルムの強度を向上させる観点から、重量平均分子量５×１０5 以上の超高分子量ポリオレフィン樹脂の樹脂組成物における含有量が５重量％以上であることが好ましい。
【００２４】
粒子の樹脂組成物における含有量は、樹脂組成物中に良好に分散でき、且つ多孔質フィルムの強度を低下させない観点から、１〜４０重量％が好ましく、２〜３０重量％がより好ましい。
【００２５】
架橋可能な重合体の樹脂組成物における含有量は、高温にて多孔質フィルムの形状を維持できる観点から、０．５〜２０重量％が好ましく、１〜１０重量％がより好ましい。
【００２６】
溶媒の樹脂組成物における含有量は、超高分子量ポリオレフィン樹脂の良好な溶解性と均一分散性の観点から、５０〜９５重量％が好ましく、７０〜９０重量％がより好ましい。
【００２７】
前記樹脂組成物には、必要に応じて、重量平均分子量が５×１０5 未満のポリオレフィン樹脂、例えば、エチレン、プロピレン、１−ブテン、４−メチル−１−ペンテン、１−ヘキセン等のオレフィンの単独重合体、共重合体及びこれらの混合物等の超高分子量ポリオレフィン樹脂以外の樹脂を加えてもよい。これらの中では、得られる多孔質フィルムの高強度化の観点から、高密度ポリエチレン樹脂が好ましい。これらの樹脂の重量平均分子量は、好ましくは１×１０4 以上、５×１０5 未満、より好ましくは、１×１０4 〜３×１０5 である。なお、重量平均分子量が５×１０5 未満のポリオレフィン樹脂が、０．００１〜１０μｍの平均粒子径のものである場合は、本発明で用いる「電気化学的不活性な粒子」として扱われる。前記樹脂組成物には、さらに、酸化防止剤、紫外線吸収剤、染料、造核剤、顔料、帯電防止剤、界面活性剤等の添加剤を、本発明の目的を損なわない範囲で添加することができる。
【００２８】
樹脂組成物を溶融混練し、得られた溶融混練物をシート状に成形する方法としては、例えば、超高分子量ポリオレフィン樹脂と粒子と重合体と溶媒とを含有する樹脂組成物をヘンシェルミキサー等であらかじめ均一に分散して得られたスラリー状溶液を、バンバリーミキサー、ニーダー等でバッチ式で溶融混練を行ない、その後ダイスにてシート状に成形する方法、または重量式フィーダーや液添ポンプを使用し、直接二軸押出機や連続式混練機で溶融混練を行ない、得られた溶融混練物を混練機先端につけたダイスでシート状に成形する方法等が挙げられる。粒子が均一に分散した多孔質フィルムを得るためには、あらかじめ粒子を溶媒中に分散させた後に、超高分子量ポリオレフィン樹脂を加えることが好ましい。樹脂組成物に界面活性剤等の添加剤を適宜使用すると、粒子の分散性を改善することができる。なお、溶融混練は、適当な温度条件下であればよく、特に限定されないが、超高分子量ポリエチレン樹脂を用いた場合は、好ましくは１４０〜２００℃である。
【００２９】
溶融混練後のシート状成形物は、シート状、チューブ状および丸棒状の形状であってよい。溶融混練後のシート状成形物の形状がシート状やチューブ状である場合、シート状成形物の厚みは３〜３０ｍｍが好ましく、５〜２０ｍｍがより好ましい。シート状成形物の厚みが３ｍｍ以上であると、その後の圧延および延伸処理により得られる多孔質フィルムの強度が大きく、電池セパレーターとして好ましく使用できる。また、シート状成形物の厚みが３０ｍｍ以下であると、圧延および延伸処理での薄膜化を短時間で行なうことができ、生産性に優れ好ましい。
【００３０】
圧延処理は、ダブルベルトプレス機等を使用するプレス法および所定の形状のダイスを使用するダイス圧延により行なうことができる。シート状成形物の形状がチューブ状である場合、チューブ状ダイスが適用できる。チューブ状ダイスを使用する場合は、シート状成形物を引取方向から引張り、縦横強度比を調整するのが好ましい。
【００３１】
ダイス圧延処理の温度は、シート状成形物の融点−３０℃〜融点−１０℃が好ましい。即ち、圧延による薄膜化を容易に行なうために、シート状成形物の融点−３０℃以上の温度が好ましく、電池用セパレーターとして使用する際に必要な強度および厚みの均質性を確保するために、シート状成形物の融点−１０℃以下の温度が好ましい。なお、本明細書において、シート状成形物の融点とは、窒素雰囲気下にアルミ密閉容器を用いて１０℃／分で昇温した場合の、オンセット温度のことをいう。プレスによる全加圧時間は、特に限定されるわけではないが、１〜５分が好ましい。所定の厚みの圧延処理後のシート状成形物を得るために、加圧時間は１分以上が好ましい。また、生産性の向上の観点から、加圧時間は５分以下が好ましい。
【００３２】
圧延処理後のシート状成形物の厚みは、特に限定されるわけではないが、０．２〜３ｍｍが好ましく、０．２〜２ｍｍがより好ましい。ダイス圧延による薄膜化が容易であるために、シート状成形物の厚みは０．２ｍｍ以上が好ましい。また、延伸処理を続ける場合にチャック部と中央部に厚み差が生じにくく、製品として多孔質フィルムの歩留りが向上し、生産性に優れるために、シート状成形物の厚みが３ｍｍ以下が好ましい。
【００３３】
延伸処理としては、特に限定されるものではなく、通常のテンター法、ロール法、インフレーション法またはこれらの方法の組合せであってもよい。また、一軸延伸、二軸延伸等のいずれの方式をも適用することができる。延伸処理の温度は、超高分子量ポリオレフィン樹脂の融点以下が望ましい。その他、延伸処理の条件は、通常用いられる公知の条件を採用することができる。
【００３４】
脱溶媒処理は、シート状成形物から溶媒を除去して多孔質構造を形成させる工程であり、例えば、シート状成形物を溶剤で洗浄して該成形物中の溶媒を除去することにより行うことができる。溶剤は、樹脂組成物の調製に用いた溶媒に応じて適宜選択することができるが、具体的には、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、デカン等の炭化水素、塩化メチレン、四塩化炭素等の塩素化炭化水素、ジエチルエーテル、ジオキサン等のエーテル類、アルコール類等の易揮発性溶剤が挙げられ、これらは単独で又は二種以上を混合して用いることができる。かかる溶剤を用いた脱溶媒処理の方法は、特に限定されず、例えば、シート状成形物を溶剤中に浸漬して溶媒を抽出する方法、溶剤をシート状成形物にシャワーする方法等が挙げられる。
【００３５】
脱溶媒処理は圧延処理後であれば、延伸処理前に行ってもよく、延伸処理後に行なってもよい。微細な孔を有する多孔質フィルムを得る観点から、脱溶媒処理は延伸処理後に行なうのが好ましい。
【００３６】
前記の方法により得られる多孔質フィルムは、潜在的に架橋可能なフィルム（潜在的架橋性フィルム）であり、架橋処理により耐熱性が向上する。また、架橋処理により硬化するので、潜在的硬化性を有しているとも言える。この耐熱性向上の理由は、必ずしも明白ではないが、各処理で生じたポリマーラジカルがＣ＝Ｃ二重結合に付加し、その際に架橋可能な重合物どうし、あるいは該重合体とその他の樹脂成分との間で架橋反応が起こること、また、主鎖におけるＣ＝Ｃ二重結合の消失によってポリマー鎖自体のガラス転移温度が大きく上昇することなどが考えられる。Ｃ＝Ｃ二重結合を消失させる割合は、所望の耐熱性を考慮して適宜選択されるが、８０〜１００％（ＩＲのピークの大きさに基づき算出) の消失率が好ましい。Ｃ＝Ｃ二重結合の全部または一部が架橋処理により消失することは、赤外吸収スペクトルを観察することによって確認することができる。
【００３７】
架橋処理の方法としては、熱処理する方法、光、電子線等の放射線の照射による方法、過酸化物等のラジカル発生能のある化合物を利用する方法、ラジカル重合性のモノマーをグラフトさせる方法等の公知の方法等が挙げられ、これらの中では、最も簡便かつ有効である観点から、酸素存在下で熱処理する方法が特に好ましい。
【００３８】
前記熱処理する方法は、特に限定されるものではなく、一回で熱処理する一段式熱処理法でも、最初に低温でまず熱処理し、その後さらに高温での熱処理を行う多段式の熱処理法でもよく、あるいは昇温しながら熱処理する昇温式熱処理法でもよい。
【００３９】
一段式熱処理法の熱処理温度としては、多孔質フィルムの組成にもよるが１００℃〜超高分子量ポリオレフィン樹脂の融点が好ましい。多段式の熱処理法の最初の熱処理温度としては、多孔質フィルムの組成にもよるが、好ましくは５０℃〜超高分子量ポリオレフィン樹脂の融点、２段目の熱処理温度としては、多孔質フィルムの組成にもよるが、好ましくは１００℃〜超高分子量ポリオレフィン樹脂の融点である。また、必要に応じてさらに高温で、さらに短時間の３段目以降の熱処理を行ってもよい。処理時間は、多孔質フィルムの組成にもよるが、最初の熱処理には３〜４８時間程度、２段目のより高温での熱処理には０．５〜６時間程度が好ましい。昇温式熱処理法の場合には、前記の多段式の熱処理法に準じた条件で行えばよい。多孔質フィルムの組成にもよるが、上記の温度や時間以内で熱処理することにより、各段階において早期に孔を塞ぐことなく酸素濃度を確保して、架橋、硬化を内部まで進行させることが可能であり、耐熱性に優れた多孔質フィルムを得ることができる。
【００４０】
熱処理は、有効に架橋できる観点から酸素存在下で行なうことが好ましい。酸素存在下での熱処理としては、空気中での熱処理が挙げられる。また、内部の酸素濃度を確保しやすくするために、必要に応じて、過酸化物を併用してもよい。この場合には、過酸化物を併用しない場合よりも高い温度で短時間で架橋させることも可能である。過酸化物を添加する手段としては、例えば、実質的な分解温度が、熱処理温度よりも高い過酸化物を熱処理時に直接添加する方法が挙げられる。また、低温で架橋させたい場合には、分解温度の低い過酸化物を溶媒に溶かし、得られた多孔質フィルムに含浸させればよい。なお、過酸化物としては、ベンゾイルパーオキシド、ビス−（４−ｔ−ブチルシクロヘキシル) パーオキシ−ジカーボネート等が挙げられる。また溶媒としては、トルエン、キシレン、デカリン、テトラリン等が挙げられる。
【００４１】
上記の熱処理による架橋処理は、必要に応じ、公知の電子線、紫外線、可視光線等の放射線による架橋処理を併用してもよい。
【００４２】
本発明の多孔質フィルムは、前記のようにして架橋処理してなるものであるが、前記架橋処理工程に続いて、熱収縮の防止のため多孔質フィルムをヒートセット（熱固定）してもよい。該ヒートセットする際の温度は、例えば、１１０〜１４０℃が好ましく、０．５〜２時間程度行なえばよい。
【００４３】
このようにして得られた本発明の多孔質フィルムの厚みは、１〜２００μｍが好ましく、５〜５０μｍがより好ましい。空孔率は、３０〜９５％が好ましく、５０〜８５％がより好ましい。その耐熱性として、耐熱破膜温度は、使用目的にもよるが、１６０℃以上が好ましく、１８０℃以上がより好ましい。その低温イオン透過性能として、５℃イオン流速は、０．１〜０．３ｍｍｏｌ／ｍｉｎが好ましく、０．１〜０．２５ｍｍｏｌ／ｍｉｎがより好ましい。
【００４４】
本発明の非水電解液電池としては、前記多孔質フィルムをセパレーターとして用いてなるものであればよく、その構造、構成物質および製造方法などについては通常の非水電解液電池およびその製造方法に用いられているものであれば特に限定はない。
【００４５】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれら実施例により何ら限定されるものではない。なお、各実施例および比較例で得られた多孔質フィルムの各種特性については、下記要領にて測定を行なう。
【００４６】
（融点）
セイコー電子工業社製の示差走査熱量計「ＤＳＣ−２００」を使用し、室温から２００℃まで１０℃／ｍｉｎの割合で昇温させ、この昇温過程での吸熱ピーク値を融点とする。
【００４７】
（重量平均分子量）
ゲル浸透クロマトグラフィー（ウォーターズ社製、ＧＰＣ−１５０Ｃ）により、溶媒としてｏ−ジクロロベンゼンを用い、１３５℃で測定する。なおカラムはＳｈｏｄｅｘ−８０Ｍ（昭和電工社製）を用い、データ処理にはＴＲＣ社製データ処理システムを用いる。また、分子量はポリスチレンを基準として算出する。
【００４８】
（シート状成形物の融点）
ＤＳＣ密閉セルにシート状成形物を詰め、室温から１０℃／分で昇温した時の、溶融ピークのオンセット温度を融点とする。
【００４９】
（フィルムの厚み）
１／１００００ｍｍシックネスゲージにより測定する。
【００５０】
（空孔率）
フィルムの単位面積Ｓ（ｃｍ2 ）あたりの重量Ｗ（ｇ）、平均厚みｔ（μｍ）および密度ｄ（ｇ／ｃｍ3 ）から下式により算出した値を使用する。
空孔率（％）＝（１−（１０4 ×Ｗ／Ｓ／ｔ／ｄ））×１００
【００５１】
〔耐熱性（耐熱破膜温度）〕
幅１０ｍｍの多孔質フィルムの一方の端を上下の間隔が５０ｍｍのアルミ枠の上部に固定し、もう一方の端に２００ｇ／ｍｍ2 換算の荷重をかけて張力を与えた状態でアルミ枠下部に固定する。こうして作製したサンプルを、あらかじめ所定の温度に加熱したシリコンオイル（東レ（株) 製、「ＴＯＲＡＹ ＳＨ２００１００ＣＳ」）に浸漬して、その状態を目視で観測し、多孔質フィルムが破断するまでに要する時間を測定する。１０分間以上でも破断しない場合は、１０℃刻みで温度を上げて測定し、１０分間たっても破断しなかった最高温度を耐熱破膜温度とする。
【００５２】
〔低温イオン透過性能（５℃イオン流速）〕
図１に示す装置を用いて測定する。槽２に、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとを容量比で１：２の割合で混合した溶媒に６フッ化リン酸リチウムを１．４ｍｏｌ／ｌ溶解させた電解液１３．５ｍｌを入れ、槽３にエチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートを容量比で１：２の割合で混合した溶媒を２０．５ｍｌ入れる。その後、マグネチックスターラー４で攪拌しながら、槽３の伝導度の時間変化を伝導度計６で測定する。あらかじめ測定した伝導度−モル濃度プロットから、伝導度をモル濃度に換算し、時間−モル濃度のプロットの傾きをイオン流速（ｍｍｏｌ／ｍｉｎ）とする。尚、測定は５℃恒温器内で行なう。
【００５３】
実施例１
重量平均分子量２×１０6 の超高分子量ポリエチレン樹脂（ＧＵＲ２１２２、Ｔｉｃｏｎａ製、融点１４０℃、以下同じ）１４重量部と、スチレン−メタクリル酸メチル共重合体の架橋粒子（平均粒子径：１μｍ、ＭＧ−３５１、日本ぺイント製）６重量部と、ノルボルネン開環重合体（ノーソレックスＮＢ、日本ゼオン製、以下同じ）２重量部と、溶媒である流動パラフィン（凝固点：−１５℃、４０℃における動粘度：５９ｃｓｔ、以下同じ）７８重量部とからなる樹脂組成物を、ヘンシェルミキサーを使用して均一に混合し、得られた混合物を同方向二軸押出機（シリンダー径４０ｍｍ、Ｌ／Ｄ＝３０）を使用し、１６０℃で溶融混練りした。得られた樹脂組成物の溶融混練物を、二軸押出機の先端に取り付けられたＴダイス（リップ厚み５ｍｍ）を用い、１６０℃でシート状に押し出した直後、水浴により急冷し、厚み約５ｍｍ、融点１３５℃のシート状成形物を得た。得られたシート状成形物を１１５℃に予備加熱した後、１２０℃で加熱圧延し、厚み０．２ｍｍのシート状成形物を得た。得られたシート状成形物を、バッチ式同時二軸延伸機を用いて１２０℃で縦横４×４倍延伸後、ヘプタンを使用して脱溶媒処理を行った。その後、空気中で８０℃で２時間熱処理してノルボルネン開環重合体を架橋させた後、空気中で１３０℃で２時間ヒートセットして、厚み２２μｍ、空孔率６５％の多孔質フィルムを得た。
【００５４】
実施例２
重量平均分子量２×１０6 の超高分子量ポリエチレン樹脂１４重量部と、シリカ粒子（平均粒子径：０．０１２μｍ、アエロジル２００、日本アエロジル製）６重量部と、ノルボルネン開環重合体２重量部と、溶媒である流動パラフィン７８重量部とからなる樹脂組成物を調製した以外は、実施例１と同様にして、厚み２８μｍ、空孔率７２％の多孔質フィルムを得た。
【００５５】
実施例３
重量平均分子量２×１０6 の超高分子量ポリエチレン樹脂１４重量部と、架橋ポリスチレン粒子（平均粒子径：８μｍ、積水化成製）６重量部と、ノルボルネン開環重合体２重量部と、溶媒である流動パラフィン７８重量部とからなる樹脂組成物を調製した以外は、実施例１と同様にして、厚み２８μｍ、空孔率６６％の多孔質フィルムを得た。
【００５６】
比較例１
重量平均分子量２×１０6 の超高分子量ポリエチレン樹脂１５重量部と、ノルボルネン開環重合体２重量部と、溶媒である流動パラフィン８３重量部とからなる樹脂組成物を調製した以外は、実施例１と同様にして、厚み１３μｍ、空孔率３４％の多孔質フィルムを得た。
【００５７】
比較例２
重量平均分子量２×１０6 の超高分子量ポリエチレン樹脂１５重量部と、溶媒である流動パラフィン８３重量部とからなる樹脂組成物を調製した以外は、実施例１と同様にして、厚み１０μｍ、空孔率３０％の多孔質フィルムを得た。
【００５８】
比較例３
スチレン−メタクリル酸メチル共重合体の架橋粒子の代わりに架橋ポリスチレン粒子（平均粒子径：２０μｍ、ＳＧＰ−７０Ｃ、綜研化学製）を用いた以外は実施例１と同様にして、多孔質フィルムを作製したが、ヒートセット時に破膜した。
【００５９】
以下に、実施例１〜３および比較例１〜２で得られた多孔質フィルムの特性を示す。
【００６０】
【表１】
表１の結果から、本発明の多孔質フィルムは耐熱性に優れており、かつ低温でのイオン透過性が良好であることがわかる。
【００６２】
【発明の効果】
本発明の多孔質フィルムは、低温イオン透過性および耐熱性に優れたものであり、該多孔質フィルムを非水電解液電池用セパレーターとして用いることで、安全性に優れた、様々な大きさや用途の非水電解液電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、イオン透過性測定セルを示す概略図である。
【符号の説明】
１ 多孔質フィルム
２ 槽
３ 槽
４ マグネチックスターラー
５ パッキン
６ 伝導度計
Claims (5)
- 超高分子量ポリオレフィン樹脂と、平均粒子径０．００１〜１０μｍの電気化学的不活性な粒子と、架橋可能な重合体とを含有するフィルムを架橋処理してなる多孔質フィルムであって、該重合体が不飽和縮合脂環化合物の開環重合体であり、かつ該電気化学的不活性な粒子が多孔質フィルムの製造の際に変形又は分解が生じないものである、多孔質フィルム。
- 不飽和縮合脂環化合物がノルボルネンまたはノルボルネン誘導体である請求項１記載の多孔質フィルム。
- 多孔質フィルムの製造に供される電気化学的不活性な粒子が、無機粒子又は予め架橋された有機粒子である、請求項１又は２に記載の多孔質フィルム。
- 請求項１〜３いずれか記載の多孔質フィルムからなる非水電解液電池用セパレーター。
- 請求項４記載のセパレーターを用いてなる非水電解液電池。
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