JP5262557B2 - 多孔膜及びそれを用いたリチウムイオン電池用セパレータ - Google Patents
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Description
1.下記式(1)で表されるペンタエリスリトール脂肪酸エステルを100〜15,000ppmw含有するポリオレフィン樹脂組成物(G)から形成された多孔膜。
(式中、R1〜R4はそれぞれ独立して、水素、または−CO−R’で表されるアルキルカルボニル基及び/またはアルケニルカルボニル基(R’は炭素数12〜22のアルキル基及び/またはアルケニル基)であり、かつR1〜R4の少なくとも1つは水素である。)
本発明の多孔膜は、ペンタエリスリトールと炭素数12〜22の飽和または不飽和の脂肪酸とのエステルを含有するポリオレフィン樹脂組成物から形成される。該エステルは、ペンタエリスリトール由来の水酸基を少なくとも1つを有する。
本発明の多孔膜の製造に用いられるポリオレフィン樹脂組成物(G)は、下記式(1)で表されるペンタエリスリトール脂肪酸エステルを含有する。該エステルはポリオレフィン樹脂組成物(G)の熱安定化剤として優れた効果を発揮する。
(式中、R1〜R4はそれぞれ独立して、水素、または−CO−R’で表されるアルキルカルボニル基及び/またはアルケニルカルボニル基(R’は炭素数12〜22のアルキル基及び/またはアルケニル基)であり、かつR1〜R4の少なくとも1つは水素である。)
より好ましい態様としては、脂肪酸としてステアリン酸を用いた、モノエステル、ジエステル、またはこれらの混合物が高温保存安定性の点から好ましい。
本発明において、ポリオレフィン樹脂組成物(G)に使用されるポリオレフィン樹脂は、上記のペンタエリスリトール脂肪酸エステルの含有が可能であれば特に制限はない。
その中で、多孔膜形成のし易さの観点から、結晶性ポリプロピレン(A)とエチレン及びプロピレン以外のα−オレフィンの群から選ばれる少なくとも1種とプロピレンとの共重合体(B)(以下、単に「共重合体B」ということがある)とからなり結晶性ポリプロピレン(A)のマトリックス中に共重合体(B)がドメインとして微分散しているポリオレフィン樹脂(C)が、好適に使用できる。また、結晶性ポリプロピレン(A)のメルトマスフローレイトMFRPPと共重合体(B)のメルトマスフローレイトMFRRCとのメルトマスフローレイト比MFRPP/MFRRC(以下、「MFR比」という)は、特に限定されないが、成形加工性の観点から10を超え1,000以下の範囲が好ましい。また、ポリオレフィン樹脂(C)における、結晶性ポリプロピレン(A)の含量は30〜70重量%が好ましく、40〜60重量%がより好ましく、共重合体(B)の含量は70〜30重量%が好ましく、60〜40重量%がより好ましい。結晶性ポリプロピレン(A)と共重合体(B)の含量が上記の範囲であれば連通した細孔が得られ共重合体(B)の分散性も良い。
尚、ポリオレフィン樹脂(C)は前記の方法で製造することができる他に、市販品の中から所望の仕様のものを選択して用いてもよい。
log(MFRRC)={log(MFRWHOLE)−(1−WRC/100)log(MFRPP)}/(WRC/100)
本発明のポリオレフィン樹脂多孔膜を形成するための膜状成形物の成形材料であるポリオレフィン樹脂組成物(G)(以下、単に樹脂組成物(G)ということがある)には、前記のペンタエリスリトール脂肪酸エステル及びポリオレフィン樹脂の他に、通常のポリオレフィンに使用される酸化防止剤、中和剤、α晶造核剤、β晶造核剤、ヒンダードアミン系耐候剤、紫外線吸収剤、防曇剤や帯電防止剤等の界面活性剤、無機充填剤、滑剤、アンチブロッキング剤、抗菌剤、防黴剤、顔料等を必要に応じて配合することができる。
本発明のポリオレフィン樹脂微多孔膜は、樹脂組成物(G)を溶融混練し膜状溶融物とし、該膜状溶融物をドラフト比1〜10の範囲で膜状成形物に成形した後、その膜状成形物を100℃以下の温度で少なくとも一方向に延伸することにより形成することができる。その工程は、製膜工程、熱安定化剤の添加工程、延伸工程からなる。
樹脂組成物(G)から膜状成形物を得るための製膜工程には、公知の多孔膜の製膜方法を用いればよいが、例えばインフレーションフィルム成形法、Tダイフィルム成形法、カレンダー成形法等の方法で製膜することができる。
また、最終ロールを剥離したフィルムはテイクオフロールへと巻き取られるが、カレンダー最終ロールの回転表面速度(V0)とテイクオフロールの回転表面速度(V1)の比(V1/V0)がドラフト比として定義され、この場合も上記同様に本発明においては、該樹脂組成物を製膜する際のドラフト比は1〜10であり、より好ましくはドラフト比1〜5であり、これによって得られる膜状成形物は延伸性に優れ、延伸によって微細な連通した細孔が形成され易くなる。
また、カレンダー成形法の場合は、テイクオフロール100〜150℃、冷却ロールの温度70〜120℃の範囲で冷却することが望ましい。100℃未満のテイクオフロール温度、および60℃未満の冷却ロール温度では所期の多孔化が得られ難く、一方冷却ロール温度が130℃を超えると溶融樹脂がロールへ密着しやすく生産性に劣る等の課題がある。
ポリオレフィン樹脂にペンタエリスリトール脂肪酸エステルを配合する方法は特に限定されず、例えばヘンシェルミキサー(商品名)等の高速撹拌機付混合機及びリボンブレンダー並びにタンブラーミキサー等の通常の配合装置により配合する方法(ドライブレンド)が例示でき、更に通常の単軸押出機または二軸押出機等を用いてペレット化する方法が例示できる。
前記製膜工程で製膜された膜状成形物は、次いで少なくとも縦(MD)方向もしくは横(TD)方向のいずれか一方向に延伸され、結晶性ポリプロピレン(A)中に微分散した共重合体(B)領域内のラメラ結晶間に連通した細孔が形成される。この点が、本発明の製造方法が、従来技術である単成分延伸法、多成分延伸法及び混合抽出法等と根本的に異なるところである。これにより本発明の製造方法は、混合抽出法のような複雑な抽出及び乾燥工程等の製造工程や、結晶性ポリオレフィン(A)のラメラ結晶間のフィブリル化により細孔を発現させる単成分延伸法に見られる製膜後の熱処理による結晶化工程等を不要とするだけでなく、マトリックスポリマーと充填剤の界面に空隙を生じさせる多成分延伸法の場合の延伸性不良や平均細孔径が大きくなりやすく空隙率が低い等の課題を大幅に改善し、任意の平均細孔径や空隙率を有する多孔膜を優れた生産性を以って提供することを可能にする。
延伸倍率が上記の範囲であれば優れた特性を持つ多孔膜が得られ、延伸切れの多発による生産性低下の恐れもない。また、同時二軸延伸の場合には、面積倍率(=縦延伸倍率×横延伸倍率)は2〜50倍が好ましく、更に好ましくは4〜40倍である。面積倍率がこの範囲であれば優れた特性を持つ多孔膜が得られ、延伸切れの多発による生産性低下の恐れもない。
延伸倍率が上記の範囲であれば、延伸効果が十分で、延伸切れも起こりにくく、生産性も良好となる。
本発明のポリオレフィン多孔膜は、ニッケル−水素電池、ニッケル−カドミウム電池、ニッケル−亜鉛電池、銀−亜鉛電池、リチウム二次電池、リチウムポリマー二次電池等の二次電池のセパレータとして好ましく用いることができるが、特にリチウム二次電池のセパレータとして用いるのが好ましい。以下リチウム二次電池を例にとって説明する。
尚、ポリオレフィン樹脂組成物(G)に用いられたポリオレフィン樹脂(C)は、連続重合法により1段目で結晶性ポリプロピレン(A)を重合し、2段目で共重合体(B)(プロピレン−エチレン共重合体)を重合して製造された。
(a)空隙率:延伸後の多孔膜サンプル100×100mmから嵩比重を求め、また、延伸前の多孔化されていないサンプル100×100mmから(株)東洋精機製作所製の自動比重計DENSIMETER,D−Sにて真比重を求め、下記式より空隙率を求めた。
空隙率(%)=(1−嵩比重/真比重)×100
孔径分布指数は、Perm−Porometerを用いたポリオレフィン樹脂多孔膜の孔径測定で得られた最大孔径と平均孔径から算出した。孔径分布指数=最大孔径(μm)/平均孔径(μm)
(f-i)正極
正極にはパイオニクス(株)製電極シート(集電体;アルミ箔15μm、活物質;コバルト酸リチウム)を用いた。この電極シートを直径15.95mmの円形に打ち抜いて正極を得た。
負極にはパイオニクス(株)製電極シート(集電体;銅箔10μm、活物質;天然球状グラファイト)を用いた。この電極シートを直径16.15mmの円形に打ち抜いて正極を得た
溶媒にはエチレンカーボネートとジエチルカーボネートを1:1(容量比)にて混合し、電解質としてLiPF6を1mol/Lに濃度調整した電解液(キシダ化学(株)製)を用いた。
上記の正極、負極、電解液を用いて、正極及び負極をそれぞれ正極ケース及び負極ケースに入るようにし、これらの間に(1)で作製したポリオレフィン多孔膜からなるセパレータを挟んで重ね合わせた。次いで電解液を注入した後、ガスケットで密封して、2032型コイン電池を得た。
得られた2032型コイン電池を用いて、高温保存の放電容量を測定し、90℃、7日間にて高温保存した。次に保存後の放電容量を同様の方法で測定した。保存前後での放電容量から、自己放電率は、(初期値の放電容量−保存後の放電容量)×100/初期の容量により算出した。また容量回復率は、保存後の放電容量×100/初期値の放電容量により算出した。
表1の実施例1に示すポリオレフィン樹脂(C)に、ペンタエリスリトールとステアリン酸とのモノエステルとジエステルの混合物(商品名:リケマールHT−10、理研ビタミン(株)製)を2500ppmwの濃度となるように添加しヘンシェルミキサー(商品名)で混合後、2軸押出機(口径50mm)を用いて溶融混練してペレット化し、樹脂組成物(G)を得た。
得られた樹脂組成物(G)を押出温度260℃で溶融混練した後に、これをインフレーション法により押出し、ブロアーアップ比は1.0、ダイリップクリアランス(h Aμm)に対し得られる膜状成形物厚さ(h Bμm)の比で定義されるドラフト比(h Aμm/h Bμm)が≒1.4になるように調整しながら空冷式により徐冷固化し、折幅600mm、厚さ100μmの筒状の膜状成形物を得た。
得られた筒状の膜状成形物を開反し三菱重工業(株)製の逐次延伸装置にて機械方向(MD)は、25℃で3.0倍、及び垂直方向(TD)は、120℃、3.0倍で延伸し多孔膜を得た。該多孔膜の特性を表1に、また電池セパレータとしての特性を表2に示した。
表1の実施例2に示す樹脂組成物(G)を用いた以外は、実施例1に準じて多孔膜を得た。該多孔膜の特性を表1に、また電池セパレータとしての特性を表2に示した。
表1の実施例3に示す樹脂組成物(G)を用いた以外は、実施例1に準じて多孔膜を得た。該多孔膜の特性を表1に、また電池セパレータとしての特性を表2に示した。
表1の比較例1に示す樹脂組成物(G)を用いた以外は、実施例1に準じて多孔膜を得た。該多孔膜の特性を表1に、また電池セパレータとしての特性を表2に示した。
表1の比較例2に示す樹脂組成物(G)を用いた以外は、実施例1に準じて多孔膜を得た。該多孔膜の特性を表1に、また電池セパレータとしての特性を表2に示した。
Claims (8)
- 式(1)で表されるペンタエリスリトール脂肪酸エステルが、R1〜R4はそれぞれ独立して、水素、または−CO−R’で表されるアルキルカルボニル基及び/またはアルケニルカルボニル基(R’は炭素数16〜18のアルキル基及び/またはアルケニル基)であり、かつR1〜R4の少なくとも1つは水素である請求項1記載の多孔膜。
- 式(1)で表されるペンタエリスリトール脂肪酸エステルが、R1〜R4のうち、2つまたは3つが水素であるエステル、またはこれらエステルの混合物である請求項1または2記載の多孔膜。
- 脂肪酸がステアリン酸である請求項1〜3のいずれか1項記載の多孔膜。
- ポリオレフィン樹脂組成物(G)を構成するポリオレフィン樹脂が、結晶性ポリプロピレン(A)30〜70重量%と、結晶性ポリプロピレン(A)中に分散したエチレン及びプロピレン以外のα−オレフィンの群から選ばれる少なくとも1種とプロピレンとの共重合体(B)30〜70重量%とからなり、結晶性ポリプロピレン(A)のメルトマスフローレートをMFRPP(JIS K 7210に準拠し、温度230℃、公称荷重2.16kgの条件にて測定)とし、該共重合体(B)のメルトマスフローレートをMFRRC(JIS K 7210に準拠し、温度230℃、公称荷重2.16kgの条件にて測定)とした時、メルトマスフローレートの比MFRPP/MFRRCが10を超え1,000以下の範囲のポリオレフィン樹脂(C)である請求項1〜4のいずれか1項記載の多孔膜。
- ポリオレフィン樹脂組成物(G)を構成するポリオレフィン樹脂が、請求項5記載のポリオレフィン樹脂(C)35〜89重量%、メルトマスフローレイトMFR(D)(JIS K 7210に準拠し、温度190℃、公称荷重2.16kgの条件にて測定)が1g/10min以上、30g/10min未満の範囲内である高密度ポリエチレン(D)5〜25重量%、メルトマスフローレートMFR(E)(JIS K 7210に準拠し、温度230℃、公称荷重2.16kgの条件にて測定)が0.1g/10min以上10g/10min未満の範囲である結晶性ポリプロピレン(E)5〜25重量%、及び結晶性ポリオレフィン・エチレン−ブチレン共重合体・結晶性ポリオレフィンのトリブロックを有するブロック共重合体(CEBC)(F)1〜15重量%の混合物であり、ポリオレフィン樹脂(C)が、1段目で結晶性ポリプロピレン(A)を製造し、引続き2段目で結晶性ポリプロピレン(A)の存在下にエチレン及びプロピレン以外のα−オレフィンの群から選ばれる少なくとも1種とプロピレンとの共重合体(B)を製造する多段重合法により得られるポリオレフィン樹脂である請求項1〜5のいずれか1項記載の多孔膜。
- 多孔膜が、ポリオレフィン樹脂組成物(G)を溶融混練して膜状溶融物とし、該膜状溶融物をドラフト比1〜10の範囲で膜状成形物に成形した後、その膜状成形物を少なくとも一方向に延伸することによって生じる開裂によって形成される連通した細孔を有する請求項1〜6のいずれか1項記載の多孔膜。
- 請求項1〜7のいずれか1項記載の多孔膜を用いたリチウムイオン電池用セパレータ。
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