JP5657177B2 - 非水系二次電池用セパレータ及び非水系二次電池 - Google Patents

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Description

本発明は、非水系二次電池用セパレータ及び非水系二次電池に関する。
リチウムイオン二次電池に代表される非水系二次電池は、携帯電話やノートパソコンといった携帯用電子機器の主電源として広範に普及している。そして、電気自動車やハイブリッドカーの主電源、夜間電気の蓄電システム等へと適用が広がっている。非水系二次電池の普及に伴い、安定した電池特性と安全性を確保することが課題となっている。
非水系二次電池の安全性確保においてセパレータの役割は重要である。とりわけシャットダウン機能の観点から、現状ではポリオレフィンを主成分とするポリオレフィン多孔膜が用いられている。
しかし、ポリオレフィン多孔膜のみからなるセパレータは、シャットダウン機能が発現する温度よりも高い温度に曝された場合、セパレータ全体が溶融(いわゆるメルトダウン)する虞がある。
また、ポリオレフィンは、他の樹脂や他の材料との接着性が乏しいために、ポリオレフィン多孔膜と電極との接着性が十分ではなく、その結果、電池容量の低下やサイクル特性の低下を引き起こす場合があった。
そこで、ポリオレフィン多孔膜の片面又は両面に、セパレータの耐熱性の向上や、電極とセパレータとの接着性の向上を目的に、樹脂及びフィラーを含む多孔質層を設ける提案がなされている(例えば、特許文献1〜9参照)。
特開2000−030686号公報 特表2012−529742号公報 特開2011−171290号公報 特開2010−065088号公報 特開2000−057846号公報 特開2009−021265号公報 特開2006−286531号公報 特開2009−187702号公報 特開2002−141042号公報
これまで各種の非水系二次電池用セパレータが提案されてはいるが、性能のさらなる向上が求められており、イオン透過性と熱寸法安定性の両方に優れるセパレータや、耐熱性、電極との接着性、及びイオン透過性をバランスよく備えたセパレータが求められている。
本発明は、上記状況のもとになされた。
本発明の第一実施形態は、イオン透過性と熱寸法安定性に優れる非水系二次電池用セパレータ、並びに、電池特性に優れ且つ安全性が高い非水系二次電池を提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。
本発明の第二実施形態は、耐熱性、電極との接着性、及びイオン透過性をバランスよく備えた非水系二次電池用セパレータ、並びに、電池特性に優れ且つ安全性が高い非水系二次電池を提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。
本発明の第一実施形態は、前記課題を解決するために、以下の構成を採用する。
<1> 熱可塑性樹脂からなる多孔質基材と、前記多孔質基材の片面又は両面に設けられ、樹脂粒子と無機フィラーの集合体であり、下記の式(1)を満たす耐熱性多孔質層と、を備え、前記樹脂粒子が、ポリフッ化ビニリデン系樹脂を含む樹脂粒子であり、前記無機フィラーが、金属水酸化物、金属酸化物、炭酸塩、硫酸塩、及び粘土鉱物から選ばれる少なくとも1種であり、前記耐熱性多孔質層において、前記樹脂粒子と前記無機フィラーの合計量に占める前記無機フィラーの割合が81.4質量%以上99質量%以下である、非水系二次電池用セパレータ。
式(1) 0.65≦Vf/CPVC≦0.99
式(1)中、Vfは、前記耐熱性多孔質層における前記無機フィラーの体積割合(体積%)であり、CPVCは、前記無機フィラーの臨界顔料体積濃度(体積%)である。
<2> 前記耐熱性多孔質層の空孔率が40%以上70%以下である、<1>に記載の非水系二次電池用セパレータ。
<3> 前記耐熱性多孔質層の空孔率と前記Vf/CPVCとの積が40%以上60%以下である、<2>に記載の非水系二次電池用セパレータ。
<4> 前記耐熱性多孔質層における前記無機フィラーの含有量が2.0g/m以上20.0g/m以下である、<1>〜<3>のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
<5> 前記無機フィラーの臨界顔料体積濃度が20体積%以上70体積%以下である、<1>〜<4>のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
<6> 前記非水系二次電池用セパレータは、昇温速度5℃/分で前記熱可塑性樹脂の流動伸び変形温度まで加熱した際の、長手方向の熱寸法変化率及び幅方向の熱寸法変化率が3%以下である、<1>〜<5>のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
<7> 前記非水系二次電池用セパレータは、150℃で30分間熱処理した際の、長手方向の熱収縮率及び幅方向の熱収縮率が3%以下である、<1>〜<6>のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
<8> 前記無機フィラーが水酸化マグネシウム又は酸化マグネシウムである、<1>〜<7>のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
<9> 前記耐熱性多孔質層における前記樹脂粒子の含有量が、0.5質量%以上30質量%以下である、<1>〜<>のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
10> 前記耐熱性多孔質層は、さらに増粘剤を含む、<1>〜<>のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
11> 正極と、負極と、前記正極及び前記負極の間に配置された<1>〜<10>のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータと、を備え、リチウムのドープ・脱ドープにより起電力を得る、非水系二次電池。
本発明の第二実施形態は、前記課題を解決するために、以下の構成を採用する。
<101> 熱可塑性樹脂からなる多孔質基材と、前記多孔質基材の片面又は両面に設けられ、樹脂及び無機フィラーを含み、下記の式(2)を満たす耐熱性多孔質層と、前記多孔質基材及び前記耐熱性多孔質層の積層体の両面に設けられ、接着性樹脂を含む接着性多孔質層と、を備え、前記耐熱性多孔質層に含まれる前記樹脂が、耐熱性樹脂、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、及びスチレン−ブタジエンゴムから選ばれる少なくとも1種であり、前記接着性多孔質層に含まれる前記接着性樹脂が、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、及びスチレン−ブタジエンゴムから選ばれる少なくとも1種であり、前記無機フィラーが、金属水酸化物、金属酸化物、炭酸塩、硫酸塩、及び粘土鉱物から選ばれる少なくとも1種である、非水系二次電池用セパレータ。
式(2) 0.40≦Vf/CPVC≦0.99
式(2)中、Vfは、前記耐熱性多孔質層における前記無機フィラーの体積割合(体積%)であり、CPVCは、前記無機フィラーの臨界顔料体積濃度(体積%)である。
<102> 前記耐熱性多孔質層の空孔率と前記接着性多孔質層の空孔率の平均が30%以上70%以下である、<101>に記載の非水系二次電池用セパレータ。
<103> 前記耐熱性多孔質層において、前記樹脂と前記無機フィラーの合計量に占める前記無機フィラーの割合が50質量%以上98質量%以下である、<101>又は<102>に記載の非水系二次電池用セパレータ。
<104> 前記無機フィラーの臨界顔料体積濃度が20体積%以上80体積%以下である、<101>〜<103>のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
<105> 前記耐熱性多孔質層と前記接着性多孔質層との間の剥離強度が0.05N/cm以上である、<101>〜<104>のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
<106> 前記耐熱性多孔質層に含まれる前記樹脂が、ポリフッ化ビニリデン系樹脂を含む樹脂粒子であり、前記耐熱性多孔質層が、前記樹脂粒子と前記無機フィラーの集合体である、<101>〜<105>のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
<107> 前記無機フィラーが水酸化マグネシウム又は酸化マグネシウムである、<101>〜<106>のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
<108> 前記耐熱性多孔質層における前記樹脂の含有量が、1質量%以上50質量%以下である、<101>〜<107>のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
109> 前記耐熱性多孔質層は、さらに増粘剤を含む、<101>〜<108>のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
110> 正極と、負極と、前記正極及び前記負極の間に配置された<101>〜<109>のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータと、を備え、リチウムのドープ・脱ドープにより起電力を得る、非水系二次電池。
本発明の第一実施形態によれば、イオン透過性と熱寸法安定性に優れる非水系二次電池用セパレータ、並びに、電池特性に優れ且つ安全性が高い非水系二次電池が提供される。
本発明の第二実施形態によれば、耐熱性、電極との接着性、及びイオン透過性をバランスよく備えた非水系二次電池用セパレータ、並びに、電池特性に優れ且つ安全性が高い非水系二次電池が提供される。
以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、これらの説明及び実施例は本発明を例示するものであり、本発明の範囲を制限するものではない。
本明細書において「〜」を用いて示された数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示す。
本明細書において「工程」との語は、独立した工程だけでなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の作用が達成されれば、本用語に含まれる。
本明細書において「(メタ)アクリル」との表記は「アクリル」又は「メタクリル」を意味する。
本明細書において、非水系二次電池用セパレータに関し、「長手方向」とは、長尺状に製造されるセパレータの長尺方向を意味し、「幅方向」とは、セパレータの長手方向に直交する方向を意味する。「長手方向」を「MD方向」とも称し、「幅方向」を「TD方向」とも称する。
本明細書において、「耐熱性」とは、200℃未満の温度領域で溶融又は分解を起こさない性状を意味する。
以下に、本発明に係る非水系二次電池用セパレータ(以下「セパレータ」とも称する。)の2つの形態について説明する。
<第一実施形態に係る非水系二次電池用セパレータ>
第一実施形態に係るセパレータは、多孔質基材と、前記多孔質基材の片面又は両面に設けられた耐熱性多孔質層と、を備えている。そして、前記耐熱性多孔質層は、樹脂粒子と無機フィラーの集合体であり、下記の式(1)を満たす。
式(1) 0.65≦Vf/CPVC≦0.99
式(1)中、Vfは、前記耐熱性多孔質層における前記無機フィラーの体積割合(体積%)であり、CPVCは、前記無機フィラーの臨界顔料体積濃度(体積%)である。
第一実施形態に係るセパレータが備える耐熱性多孔質層は、複数の樹脂粒子と複数の無機フィラーとが連結してなる層状の集合体であり、多孔質基材の表面孔を閉塞させにくく、その結果、第一実施形態に係るセパレータはイオン透過性に優れる。
第一実施形態に係るセパレータは、耐熱性多孔質層が含有する無機フィラーについて、無機フィラーの体積割合(体積%)と、無機フィラーの臨界顔料体積濃度(Critical Pigment Volume Concentration;CPVC)(体積%)との比Vf/CPVCが、0.65〜0.99である。Vf/CPVCが0.65以上であることにより、セパレータのイオン透過性と熱寸法安定性とが共に優れる。この観点で、Vf/CPVCは0.70以上が好ましく、0.80以上がより好ましい。一方、Vf/CPVCが0.99以下であることにより、耐熱性多孔質層から無機フィラーが脱落しにくく、また、耐熱性多孔質層が多孔質基材から剥がれにくいので、熱寸法安定性を維持できる。この観点で、Vf/CPVCは0.985以下が好ましく、0.98以下がより好ましい。
無機フィラーの臨界顔料体積濃度(Critical Pigment Volume Concentration;CPVC)とは、単位質量当たりのアマニ油吸油量をJIS K−5101−13−1(2004)に従って測定し、下記の式によって算出される物性値である。
無機フィラーのCPVC(体積%)=単位質量当たりのアマニ油吸油量(ml/g)×無機フィラーの比重(g/cm)×100
無機フィラーのCPVCは、無機フィラーの材質、粒径、粒度分布、形状等の因子が総合して決まる物性であり、これら因子をそれぞれ調整することによって制御可能である。例えば、無機フィラーを粉砕したり、粒径の異なる無機フィラーを混合したりすることで、CPVCを調整し得る。
耐熱性多孔質層における無機フィラーの体積割合Vfは、以下の式によって算出する。
無機フィラーの体積割合Vf(体積%)=単位面積当たりの無機フィラーの体積(cm/m)÷単位面積当たりの耐熱性多孔質層の体積(cm/m)×100
単位面積当たりの無機フィラーの体積(cm/m)は、単位面積当たりの無機フィラーの重量(g/m)を、無機フィラーの比重(g/cm)で除算して求める。単位面積当たりの耐熱性多孔質層の体積(cm/m)は、耐熱性多孔質層の厚さと単位面積の積によって求める。単位面積当たりの無機フィラーの重量(g/m)は、単位面積当たりの耐熱性多孔質層の重量(目付、g/m)と耐熱性多孔質層の組成から求めてもよく、熱重量分析(thermogravimetric analysis;TGA)で求めてもよい。
耐熱性多孔質層における無機フィラーの体積割合Vfは、耐熱性多孔質層の組成や空孔率によって制御し得る。
以下に、第一実施形態に係るセパレータを構成する構成要素、及び構成要素に含まれる成分について説明する。
〔多孔質基材〕
本発明において多孔質基材とは、内部に空孔ないし空隙を有する基材を意味する。このような基材としては、微多孔膜;不織布、紙状シート等の繊維状物からなる多孔性シート;などが挙げられる。特に、セパレータの薄膜化及び高強度化の観点で、微多孔膜が好ましい。微多孔膜とは、内部に多数の微細孔を有し、これら微細孔が連結された構造となっており、一方の面から他方の面へと気体あるいは液体が通過可能となった膜を意味する。
多孔質基材を構成する材料は、電気絶縁性を有する材料であれば有機材料及び無機材料のいずれでもよい。
多孔質基材を構成する材料は、多孔質基材にシャットダウン機能を付与する観点からは、熱可塑性樹脂が好ましい。ここで、シャットダウン機能とは、電池温度が高まった場合に、構成材料が溶解して多孔質基材の孔を閉塞することによりイオンの移動を遮断し、電池の熱暴走を防止する機能をいう。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル;ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン;などが挙げられる。熱可塑性樹脂は、シャットダウン機能を付与する観点から、流動伸び変形温度が200℃未満の樹脂が好ましい。
本発明において、熱可塑性樹脂の流動伸び変形温度とは、試料の温度を一定の速度で上昇させながら、一定の引張力を加えて試料の伸びを測定した際に、伸び率(=伸び量÷当初の試料長さ×100)が15%になる温度をいう。具体的には、下記の方法で求められる温度である。
熱可塑性樹脂からなる多孔質基材を、TD方向3mm×MD方向16mm、及び、MD方向3mm×TD方向16mmに切り出す。TMA測定装置にサンプルを設置し、サンプルの長さ方向に荷重19.6mNをかけ昇温速度5℃/分でTMA(熱機械分析、Thermomechanical Analysis)を行い、MD方向及びTD方向それぞれについて、横軸に温度、縦軸にサンプル長をプロットしたTMAチャートを作成する。MD方向及びTD方向それぞれについて、TMAチャートから、サンプルの伸び率が15%となった温度を求め、両者の平均を算出し、多孔質基材を構成する熱可塑性樹脂の流動伸び変形温度とする。
多孔質基材としては、ポリオレフィンを含む微多孔膜(「ポリオレフィン微多孔膜」という。)が好ましい。ポリオレフィン微多孔膜としては、従来の非水系二次電池用セパレータに適用されているポリオレフィン微多孔膜の中から、十分な力学特性とイオン透過性を有するものを選択すればよい。
ポリオレフィン微多孔膜は、シャットダウン機能を発現する観点から、ポリエチレンを含むことが好ましく、ポリエチレンの含有量としては95質量%以上が好ましい。
ポリオレフィン微多孔膜は、高温に曝されたときに容易に破膜しない程度の耐熱性を付与するという観点では、ポリエチレンとポリプロピレンとを含むポリオレフィン微多孔膜が好ましい。このようなポリオレフィン微多孔膜としては、ポリエチレンとポリプロピレンが1つの層において混在している微多孔膜が挙げられる。このような微多孔膜においては、シャットダウン機能と耐熱性の両立という観点から、95質量%以上のポリエチレンと5質量%以下のポリプロピレンとを含むことが好ましい。また、シャットダウン機能と耐熱性の両立という観点では、ポリオレフィン微多孔膜が2層以上の積層構造を備えており、少なくとも1層はポリエチレンを含み、少なくとも1層はポリプロピレンを含む構造のポリオレフィン微多孔膜も好ましい。
ポリオレフィン微多孔膜に含まれるポリオレフィンは、重量平均分子量が10万〜500万のものが好適である。重量平均分子量が10万以上であると、十分な力学特性を確保できる。一方、重量平均分子量が500万以下であると、シャットダウン特性が良好であるし、膜の成形がしやすい。
ポリオレフィン微多孔膜は、例えば以下の方法で製造可能である。すなわち、溶融したポリオレフィン樹脂をT−ダイから押し出してシート化し、これを結晶化処理した後延伸し、さらに熱処理をして微多孔膜とする方法である。または、流動パラフィンなどの可塑剤と一緒に溶融したポリオレフィン樹脂をT−ダイから押し出し、これを冷却してシート化し、延伸した後、可塑剤を抽出し熱処理をして微多孔膜とする方法である。
繊維状物からなる多孔性シートとしては、熱可塑性樹脂の繊維状物からなる不織布、紙等の多孔性シートが挙げられる。
多孔質基材の厚さは、良好な力学特性と内部抵抗を得る観点から、3μm〜25μmが好ましく、5μm〜25μmがより好ましい。
多孔質基材のガーレ値(JIS P8117(2009))は、電池の短絡防止とイオン透過性を得る観点から、50秒/100cc〜800秒/100ccが好ましく、50秒/100cc〜400秒/100ccがより好ましい。
多孔質基材の空孔率は、適切な膜抵抗やシャットダウン機能を得る観点から、20%〜60%が好ましい。
多孔質基材の突刺強度は、製造歩留まりを向上させる観点から、300g以上が好ましい。
多孔質基材の表面には、耐熱性多孔質層又は接着性多孔質を形成するための塗工液との濡れ性を向上させる目的で、コロナ処理、プラズマ処理、火炎処理、紫外線照射処理等を施してもよい。
〔耐熱性多孔質層〕
第一実施形態に係るセパレータは、多孔質基材の片面又は両面に耐熱性多孔質層を有する。耐熱性多孔質層が多孔質基材の片面にのみある場合は、セパレータ全体の厚さを抑えることができるため、電池容量の向上に寄与することができ、また、積層数が少ないことで良好なイオン透過性が得られやすい。一方、耐熱性多孔質層が多孔質基材の両面にある場合は、セパレータの耐熱性がより優れ、電池の安全性を高めることができる。また、両面にある場合は、セパレータにカールが発生しにくい。
第一実施形態において、耐熱性多孔質層は、樹脂粒子と無機フィラーの集合体である。即ち、複数の樹脂粒子と複数の無機フィラーとが連結して層状の集合体を形成し、該集合体は、樹脂粒子の少なくとも一部を介して多孔質基材の表面に固定されている。該集合体は、全体として多孔質の層形状を構成しており、一方の面から他方の面へと気体あるいは液体が通過可能となっている。該集合体を構成する樹脂粒子は、粒子形状を保ちつつ互いに及び無機フィラーと連結していることが好ましい。樹脂粒子が粒子形状を保持していることは、耐熱性多孔質層表面を走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope;SEM)で観察することにより確認し得る。
−樹脂粒子−
樹脂粒子としては、電解液に安定であり、電気化学的に安定であり、且つ、無機フィラーを連結する機能を有する物が好ましい。具体的には例えば、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、フッ素系ゴム、スチレン−ブタジエンゴム、エチレン−アクリレート共重合体、エチレン−アクリル酸共重合体、ポリエチレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体、架橋アクリル樹脂等の樹脂を含む粒子が挙げられる。中でも、耐酸化性に優れる点で、ポリフッ化ビニリデン系樹脂を含む粒子が好ましい。
ポリフッ化ビニリデン系樹脂としては、例えば、フッ化ビニリデンの単独重合体(ポリフッ化ビニリデン)、フッ化ビニリデンと他のモノマーとの共重合体(ポリフッ化ビニリデン共重合体)、ポリフッ化ビニリデンとアクリル系ポリマーの混合物、ポリフッ化ビニリデン共重合体とアクリル系ポリマーの混合物が挙げられる。
フッ化ビニリデンと共重合可能なモノマーとしては、例えば、フッ化ビニル、クロロトリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、トリフルオロエチレン、トリクロロエチレン、トリフロロパーフルオロプロピルエーテル、エチレン、(メタ)アクリル酸、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エステル、酢酸ビニル、塩化ビニル、アクリロニトリル等が挙げられる。これらモノマーは、1種単独で使用してもよく、又は2種以上を組み合わせて使用してもよい。
樹脂粒子を構成するポリフッ化ビニリデン及びポリフッ化ビニリデン共重合体の重量平均分子量は、1000〜500万が好ましく、1万〜200万がより好ましく、5万〜100万が更に好ましい。ポリフッ化ビニリデン及びポリフッ化ビニリデン共重合体は、乳化重合又は懸濁重合で合成し得る。
樹脂粒子を構成するアクリル系ポリマーとしては、例えば、ポリ(メタ)アクリル酸、ポリ(メタ)アクリル酸塩、ポリ(メタ)アクリル酸エステル、架橋ポリ(メタ)アクリル酸、架橋ポリ(メタ)アクリル酸塩、架橋ポリ(メタ)アクリル酸エステル等が挙げられ、変性されたアクリル系ポリマーでもよい。これらは、1種単独で使用してもよく、又は2種以上を組み合わせて使用してもよい。
樹脂粒子を構成する樹脂としては、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデンとテトラフロロエチレンの共重合体、フッ化ビニリデンとヘキサフロロプロピレンの共重合体、フッ化ビニリデンとトリフロロエチレンの共重合体、ポリフッ化ビニリデンとアクリル系ポリマーの混合物、ポリフッ化ビニリデン共重合体とアクリル系ポリマーの混合物が好ましい。ポリフッ化ビニリデン共重合体は、電池製造時の加圧や加熱に耐え得る機械強度を得る観点で、フッ化ビニリデン由来の構成単位を50モル%以上有する共重合体が好ましい。
樹脂粒子を構成するポリフッ化ビニリデンとアクリル系ポリマーの混合物、及びポリフッ化ビニリデン共重合体とアクリル系ポリマーの混合物は、耐酸化性の観点から、ポリフッ化ビニリデン又はポリフッ化ビニリデン共重合体を20質量%以上含むことが好ましい。
樹脂粒子の体積平均粒子径は、ハンドリング性や製造性の観点から、0.01μm〜1μmが好ましく、0.02μm〜1μmがより好ましく、0.05μm〜1μmが更に好ましい。
耐熱性多孔質層における樹脂粒子の含有量は、0.5質量%〜30質量%が好ましい。樹脂粒子の含有量が0.5質量%以上であることで、耐熱性多孔質層から無機フィラーが脱落しにくく、また、耐熱性多孔質層が多孔質基材から剥がれにくい。この観点で、樹脂粒子の含有量は1質量%以上がより好ましく、3質量%以上が更に好ましく、5質量%以上が更に好ましい。一方、樹脂粒子の含有量が30質量%以下であることで、セパレータの熱寸法安定性及びイオン透過性がより優れる。この観点で、樹脂粒子の含有量は25質量%以下がより好ましく、20質量%以下が更に好ましい。
−無機フィラー−
無機フィラーとしては、電解液に安定であり、且つ、電気化学的に安定な物が好ましい。具体的には例えば、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化クロム、水酸化ジルコニウム、水酸化セリウム、水酸化ニッケル、水酸化ホウ素等の金属水酸化物;アルミナ、ジルコニア等の金属酸化物;炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等の炭酸塩;硫酸バリウム、硫酸カルシウム等の硫酸塩;ケイ酸カルシウム、タルク等の粘土鉱物;などが挙げられる。中でも金属水酸化物及び金属酸化物が好ましく、難燃性付与や除電効果の観点から、マグネシウムの水酸化物又は酸化物が好ましく、特に水酸化マグネシウムが好ましい。無機フィラーは、シランカップリング剤等により表面修飾されたものでもよい。無機フィラーは、1種単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してよい。
無機フィラーのCPVCは、20体積%〜70体積%が好ましい。無機フィラーのCPVCが70体積%以下であると、多孔質基材と耐熱性多孔質層との界面において空孔が閉塞されにくく、セパレータのイオン透過性がより良好である。また、無機フィラーのCPVCが70体積%以下であると、耐熱性多孔質層からの無機フィラーの脱落が発生しにくい。これらの観点で、無機フィラーのCPVCは、65体積%以下がより好ましく、60体積%以下が更に好ましく、50体積%以下が更に好ましい。一方、無機フィラーのCPVCが20体積%以上であると、耐熱性多孔質層を湿式塗工によって形成する際、塗工液の塗工性が良好であり、塗工筋等の欠陥発生が抑えられる。この観点で、無機フィラーのCPVCは、30体積%以上がより好ましく、40体積%以上が更に好ましい。
無機フィラーの体積平均粒子径は、0.01μm〜10μmが好ましい。その下限値としては0.1μmがより好ましく、上限値としては5μmがより好ましい。
無機フィラーの粒度分布は、0.1μm<d90−d10<3μmであることが好ましい。ここで、d10は、粒度分布において、小粒子側から累計10質量%の粒子径(μm)を表し、d90は累計90質量%の粒子径(μm)を表す。粒度分布測定は、例えば、レーザー回折式粒度分布測定装置を用い、分散媒として水を用い、必要に応じて分散剤として非イオン性界面活性剤(例えばTritonX−100)を用いて測定する。
無機フィラーの粒子形状は任意であり、球形、楕円形、板状、棒状、不定形のいずれでもよい。電池の短絡防止の観点からは、板状の粒子や、凝集していない一次粒子であることが好ましい。
耐熱性多孔質層における無機フィラーの含有量は、2.0g/m〜20.0g/mが好ましい。無機フィラーの含有量が2.0g/m以上であると、セパレータの熱寸法安定性がより優れる。この観点で、無機フィラーの含有量は、2.5g/m以上がより好ましく、3.0g/m以上が更に好ましい。一方、無機フィラーの含有量が20.0g/m以下であると、耐熱性多孔質層が多孔質基材から剥がれにくい。この観点で、無機フィラーの含有量は、15.0g/m以下がより好ましく、12.0g/m以下が更に好ましい。
耐熱性多孔質層において無機フィラーは、樹脂粒子と無機フィラーの合計量の65質量%〜99質量%を占めることが好ましい。無機フィラーの割合が65質量%以上であることで、セパレータの熱寸法安定性及びイオン透過性がより優れる。この観点で、無機フィラーの割合は70質量%以上がより好ましく、73質量%以上が更に好ましく、75質量%以上が更に好ましく、80質量%以上が更に好ましい。一方、無機フィラーの割合が99質量%以下であることで、耐熱性多孔質層から無機フィラーが脱落しにくく、また、耐熱性多孔質層が多孔質基材から剥がれにくい。この観点で、無機フィラーの割合は98.5質量%以下がより好ましく、98質量%以下が更に好ましい。
−増粘剤−
耐熱性多孔質層は、増粘剤を含んでいてもよい。増粘剤を含む塗工液で形成された耐熱性多孔質層は、樹脂粒子及び無機フィラーの偏りが抑制されている。
増粘剤としては、例えば、セルロース、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリビニルピロリドン、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリアクリル酸、高級アルコール類等の樹脂及びこれらの塩が挙げられる。中でも、セルロース及びセルロース塩が好ましく、例えば、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、メチルセルロース、及びこれらのナトリウム塩やアンモニウム塩が好ましい。
樹脂粒子、無機フィラー、及び増粘剤の合計量に占める増粘剤の割合は、セパレータの熱寸法安定性、水分量、及びイオン透過性の観点で、10質量%以下が好ましく、5質量%以下がより好ましく、3質量%以下が更に好ましい。樹脂粒子、無機フィラー、及び増粘剤の合計量に占める増粘剤の割合は、耐熱性多孔質層における樹脂粒子及び無機フィラーの偏りを抑制してイオン透過性を向上させる観点で、0.1質量%以上が好ましく、0.3質量%以上がより好ましく、0.5質量%以上が更に好ましい。
−その他の成分−
耐熱性多孔質層は、本発明の効果を阻害しない範囲で、上述した化合物以外の成分を含んでいてもよい。該成分としては、耐熱性多孔質層を形成するための塗工液に添加し得る、分散剤、湿潤剤、消泡剤、pH調整剤等が挙げられる。ただし、耐熱性多孔質層は、層全量の90質量%以上を樹脂粒子及び無機フィラーが占めることが好ましい。
〔耐熱性多孔質層の形成方法〕
耐熱性多孔質層を多孔質基材上に形成する方法は、特に制限されない。セパレータを効率よく製造する観点からは、次の方法が好ましい。すなわち、樹脂粒子と無機フィラーとを含有する水系分散物を多孔質基材の片面又は両面に塗工する塗工工程と、塗工された水系分散物を乾燥する乾燥工程と、を実施する方法である。
・塗工工程
塗工工程は、樹脂粒子と無機フィラーとを含有する水系分散物を、多孔質基材の片面又は両面に塗工する工程である。
水系分散物は、耐熱性多孔質層を形成するための塗工液であり、樹脂粒子と無機フィラーとを、溶媒に分散、懸濁、又は乳化することで調製される。水系分散物の溶媒としては、少なくとも水が用いられ、さらに、水以外の溶媒を加えてもよい。水以外の溶媒としては、樹脂粒子を溶解せず、固体状態で、分散、懸濁又は乳化し得る溶媒であれば特に限定されるものではない。例えば、メタノール、エタノール、2−プロパノール、アセトン、テトラヒドロフラン、メチルエチルケトン、酢酸エチル、N−メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルホルムアミド等の有機溶剤が挙げられる。環境への負荷の低さ、安全性及び経済的な観点からは、水、又は、水とアルコールとの混合液に、樹脂粒子及び無機フィラーを乳化した水系エマルションが好ましい。
水系分散物は、多孔質基材上に塗工するのに適切な粘度に調整する目的で、増粘剤を含有していてもよい。水系分散物は、樹脂粒子及び無機フィラーの分散性を上げる目的で、界面活性剤等の分散剤を含有していてもよい。水系分散物は、多孔質基材との馴染みをよくする目的で、湿潤剤を含有していてもよい。水系分散物は、消泡剤やpH調整剤を含有していてもよい。これらの添加剤は、電池の使用環境下において電気化学的に安定で電池内反応を阻害しないものであれば、残存するものであってもよい。
水系分散物中の樹脂粒子の含有量は、1質量%〜25質量%であることが好ましい。水系分散物中の無機フィラーの含有量は、2質量%〜50質量%であることが好ましい。
多孔質基材への水系分散物の塗工には、例えば、マイヤーバー、ダイコーター、リバースロールコーター、グラビアコーター、マイクログラビアコーター、スプレーコート等を用いた従来の塗工方式を適用してよい。耐熱性多孔質層を多孔質基材の両面に形成する場合、水系分散物を片面ずつ塗工して乾燥してもよく、水系分散物を両面同時に塗工して乾燥してもよい。生産性の観点では、後者が好ましい。
・乾燥工程
乾燥工程は、塗工工程で多孔質基材に塗工された水系分散物を乾燥する工程である。水系分散物を乾燥させることで、溶媒が除去され、樹脂粒子がバインダーとして機能して、耐熱性多孔質層が多孔質基材上に固定化される。
上述の形成方法は、湿式塗工法により多孔質基材上に耐熱性多孔質層を直接形成する方法である。ほかに、別途製造した耐熱性多孔質層のシートを、多孔質基材上に、接着剤等を用いて接着する方法や熱融着又は圧着する方法によっても、多孔質基材上に耐熱性多孔質層を形成できる。
〔耐熱性多孔質層の諸特性〕
耐熱性多孔質層の厚さは、耐熱性及びハンドリング性の観点から、片面0.5μm以上が好ましく、片面1μm以上がより好ましく、ハンドリング性及び電池容量の観点から、片面15μm以下が好ましく、片面10μm以下がより好ましい。耐熱性多孔質層が多孔質基材の片面のみにある場合でも両面にある場合でも、両面の合計として、下限値は1μmが好ましく、2μmがより好ましく、3μmが更に好ましく、上限値は20μmが好ましく、15μmがより好ましく、12μmが更に好ましい。
耐熱性多孔質層の空孔率は、40%〜70%が好ましい。耐熱性多孔質層の空孔率が40%以上であると、セパレータのイオン透過性がより優れる。この観点で、空孔率は45%以上がより好ましく、50%以上が更に好ましく、55%以上が更に好ましい。一方、耐熱性多孔質層の空孔率が70%以下であると、セパレータの熱寸法安定性がより優れる。この観点で、空孔率は68%以下がより好ましく、65%以下が更に好ましい。
耐熱性多孔質層は、空孔率と前記Vf/CPVCの積が40%〜60%であることが好ましい。当該積が上記範囲であると、セパレータのイオン透過性と熱寸法安定性とが両立されやすい。その下限値としては43%がより好ましく、45%が更に好ましく、上限値としては55%がより好ましく、50%が更に好ましい。
〔第一実施形態に係るセパレータの諸特性〕
第一実施形態に係るセパレータの厚さは、機械強度と電池のエネルギー密度の観点から、5μm〜35μmが好ましく、5μm〜30μmがより好ましく、10μm〜25μmが更に好ましい。
第一実施形態に係るセパレータの空孔率は、機械強度、ハンドリング性、及びイオン透過性の観点から、30%〜60%が好ましい。
第一実施形態に係るセパレータのガーレ値(JIS P8117(2009))は、機械強度とイオン透過性のバランスがよい点で、50秒/100cc〜800秒/100ccが好ましく、100秒/100cc〜500秒/100ccがより好ましく、100秒/100cc〜400秒/100ccが更に好ましい。
第一実施形態に係るセパレータの突刺強度は、耐短絡性、機械強度、及びハンドリング性の観点から、250g〜1000gが好ましく、300g〜1000gがより好ましく、300g〜600gが更に好ましい。
第一実施形態に係るセパレータの膜抵抗は、電池の負荷特性の観点から、0.5ohm・cm〜10ohm・cmが好ましく、1ohm・cm〜8ohm・cmがより好ましい。
第一実施形態に係るセパレータは、150℃で30分間熱処理した際の熱収縮率が、MD方向、TD方向ともに、3%以下が好ましく、2%以下がより好ましい。熱収縮率がこの範囲であると、セパレータの形状安定性が高く、高温に曝されても短絡が生じにくい電池を提供し得る。
第一実施形態に係るセパレータは、昇温速度5℃/分で、熱可塑性樹脂の流動伸び変形温度まで加熱した際のMD方向の熱寸法変化率が、3%以下が好ましく、2%以下がより好ましい。MD方向の熱寸法変化率がこの範囲であると、セパレータと電極を長手方向に巻回して作製した電池において、セパレータのMD方向の熱変形度が少なく、耐熱性の高い電池を提供し得る。
第一実施形態に係るセパレータは、昇温速度5℃/分で、熱可塑性樹脂の流動伸び変形温度まで加熱した際のTD方向の熱寸法変化率が、3%以下が好ましく、2%以下がより好ましい。TD方向の熱寸法変化率がこの範囲であると、セパレータと電極を重ね合わせて作製した電池(円筒型電池、角型電池、ラミネート電池等)において、セパレータのTD方向の熱変形度が少なく、耐熱性の高い電池を提供し得る。また、セパレータのTD方向への熱変形を見越してセパレータの幅を調整する必要がなく、電池容量の向上にも寄与する。
上記熱寸法変化率は、具体的には、下記の方法で求められる温度である。セパレータを、TD方向3mm×MD方向16mm、及び、MD方向3mm×TD方向16mmに切り出す。TMA測定装置にサンプルを設置し、サンプルの長さ方向に荷重19.6mNをかけ、昇温速度:5℃/分、到達温度:熱可塑性樹脂の流動伸び変形温度、の条件でTMA(熱機械分析、Thermomechanical Analysis)を行い、MD方向及びTD方向それぞれについて、横軸に温度、縦軸にサンプル長をプロットしたTMAチャートを作成する。TMAチャートから、セパレータの最大の変化量を抽出し、その絶対値を最大変形量とし、以下の式によって熱寸法変化率を算出する。
MD方向の熱寸法変化率(%)=(MD方向の最大変形量)/(加熱前のMD方向長)×100
TD方向の熱寸法変化率(%)=(TD方向の最大変形量)/(加熱前のTD方向長)×100
第一実施形態に係るセパレータの熱収縮率及び熱寸法変化率は、例えば、耐熱性多孔質層中の無機フィラーの含有量、耐熱性多孔質層の厚さ、耐熱性多孔質層の空孔率、セパレータ全体の内部応力等によって制御し得る。
<第二実施形態に係る非水系二次電池用セパレータ>
第二実施形態に係るセパレータは、多孔質基材と、前記多孔質基材の片面又は両面に設けられた耐熱性多孔質層と、前記多孔質基材及び前記耐熱性多孔質層の積層体の両面に設けられた接着性多孔質層と、を備えている。そして、前記耐熱性多孔質層は、樹脂及びフィラーを含み、下記の式(2)を満たし、前記接着性多孔質層は、接着性樹脂を含む。
式(2) 0.40≦Vf/CPVC≦0.99
式(2)中、Vfは、前記耐熱性多孔質層における前記フィラーの体積割合(体積%)であり、CPVCは、前記フィラーの臨界顔料体積濃度(体積%)である。
第二実施形態に係るセパレータは、耐熱性多孔質層を有することにより耐熱性に優れる。また、第二実施形態に係るセパレータは、接着性多孔質層を両面に有することにより電極との接着性に優れ、その結果、サイクル特性に優れる。第二実施形態のセパレータを適用した電池は、電池内に異物が混入した場合でも発火が起きにくい。
第二実施形態に係るセパレータは、耐熱性多孔質層が含有するフィラーについて、フィラーの体積割合(体積%)と、フィラーの臨界顔料体積濃度(Critical Pigment Volume Concentration;CPVC)(体積%)との比Vf/CPVCが、0.40〜0.99である。Vf/CPVCが0.40以上であることにより、耐熱性多孔質層の熱収縮率が低く、電池の安全性を確保し得る。この観点で、Vf/CPVCは0.45以上が好ましく、0.50以上がより好ましい。一方、Vf/CPVCが0.99以下であることにより、耐熱性多孔質層からフィラーが脱落しにくく、また、耐熱性多孔質層が多孔質基材から剥がれにくいので、耐熱性を維持できる。この観点で、Vf/CPVCは0.95以下が好ましく、0.90以下がより好ましい。
フィラーの臨界顔料体積濃度(Critical Pigment Volume Concentration;CPVC)とは、単位質量当たりのアマニ油吸油量をJIS K−5101−13−1(2004)に従って測定し、下記の式によって算出される物性値である。
フィラーのCPVC(体積%)=単位質量当たりのアマニ油吸油量(ml/g)×フィラーの比重(g/cm)×100
フィラーのCPVCは、フィラーの材質、粒径、粒度分布、形状等の因子が総合して決まる物性であり、これら因子をそれぞれ調整することによって制御可能である。例えば、フィラーを粉砕したり、粒径の異なるフィラーを混合したりすることで、CPVCを調整し得る。
耐熱性多孔質層におけるフィラーの体積割合Vfは、以下の式によって算出する。
フィラーの体積割合Vf(体積%)=単位面積当たりのフィラーの体積(cm/m)÷単位面積当たりの耐熱性多孔質層の体積(cm/m)×100
単位面積当たりのフィラーの体積(cm/m)は、単位面積当たりのフィラーの重量(g/m)を、フィラーの比重(g/cm)で除算して求める。単位面積当たりの耐熱性多孔質層の体積(cm/m)は、耐熱性多孔質層の厚さと単位面積の積によって求める。単位面積当たりのフィラーの重量(g/m)は、単位面積当たりの耐熱性多孔質層の重量(目付、g/m)と耐熱性多孔質層の組成から求めてもよく、熱重量分析(thermogravimetric analysis;TGA)で求めてもよい。
耐熱性多孔質層におけるフィラーの体積割合Vfは、耐熱性多孔質層の組成や空孔率によって制御し得る。
以下に、第二実施形態に係るセパレータを構成する構成要素、及び構成要素に含まれる成分について説明する。
〔多孔質基材〕
第二実施形態における多孔質基材は、第一実施形態における多孔質基材と同義である。第二実施形態における多孔質基材の具体的態様及び好ましい態様は、第一実施形態における多孔質基材の具体的態様及び好ましい態様と同じである。
〔耐熱性多孔質層〕
第二実施形態に係るセパレータは、多孔質基材の片面又は両面に耐熱性多孔質層を有する。耐熱性多孔質層が多孔質基材の片面にのみある場合は、セパレータ全体の厚さを抑えることができるため、電池容量の向上に寄与することができ、また、積層数が少ないことで良好なイオン透過性が得られやすい。一方、耐熱性多孔質層が多孔質基材の両面にある場合は、セパレータの耐熱性がより優れ、電池の安全性を高めることができる。また、両面にある場合は、セパレータにカールが発生しにくい。
第二実施形態において、耐熱性多孔質層は、樹脂及びフィラーを含む層である。耐熱性多孔質層は、下記の態様A及び態様Bが好ましい態様である。
−態様A−
態様Aの耐熱性多孔質層は、内部に多数の微細孔を有する層であり、微細孔が一方の面から他方の面へ連通した構造となっており、一方の面から他方の面へと気体あるいは液体が通過可能となった層である。態様Aは、例えば、樹脂がフィブリル状となって3次元の網目構造を形成し、この網目構造にフィラーが補足された態様;フィラーの含有量が比較的多い場合、樹脂がフィラー表面の少なくとも一部に付着してフィラー同士を連結し、フィラー間に隙間が形成された態様;が好ましい。
−態様B−
態様Bの耐熱性多孔質層は、粒子状の樹脂(樹脂粒子)とフィラー(無機フィラーが好ましい。)の集合体である。即ち、複数の樹脂粒子と複数のフィラーとが連結して層状の集合体を形成し、該集合体は、樹脂粒子の少なくとも一部を介して多孔質基材の表面に固定されている。該集合体は、全体として多孔質の層形状を構成しており、一方の面から他方の面へと気体あるいは液体が通過可能となっている。該集合体を構成する樹脂粒子は、粒子形状を保ちつつ互いに及びフィラーと連結していることが好ましい。樹脂粒子が粒子形状を保持していることは、耐熱性多孔質層表面を走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope;SEM)で観察することにより確認し得る。態様Bは、態様Aよりも、セパレータの生産性に優れる。
−樹脂−
樹脂としては、電解液に安定であり、電気化学的に安定であり、且つ、フィラーを連結する機能を有する物が好ましい。
フィラーとして耐熱性の低い材料を用いる場合は、耐熱性樹脂(融点が200℃以上のポリマー、又は、融点を有さず分解温度が200℃以上のポリマー)を用いることが好ましい。フィラーとして耐熱性に優れた材料を用いる場合は、耐熱性でない樹脂を用いてもよく、耐熱性樹脂を用いてもよく、セパレータの耐熱性をより向上させる観点では、耐熱性樹脂を用いることが好ましい。
耐熱性樹脂としては、例えば、全芳香族ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルイミド、セルロース、ポリビニルアルコール等が挙げられる。中でも、電解液の保持性に優れる観点から、全芳香族ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリスルホンが好ましい。
耐熱性樹脂以外の樹脂としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、ポリオレフィン、ポリメチルペンテン、ポリエステル等が挙げられる。
粒子状の樹脂(樹脂粒子)としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、フッ素系ゴム、スチレン−ブタジエンゴム、エチレン−アクリレート共重合体、エチレン−アクリル酸共重合体、ポリエチレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体、架橋アクリル樹脂等の樹脂を含む粒子が挙げられる。中でも、耐酸化性に優れる点で、ポリフッ化ビニリデン系樹脂を含む粒子が好ましい。
樹脂粒子を構成するポリフッ化ビニリデン系樹脂としては、例えば、フッ化ビニリデンの単独重合体(ポリフッ化ビニリデン)、フッ化ビニリデンと他のモノマーとの共重合体(ポリフッ化ビニリデン共重合体)、ポリフッ化ビニリデンとアクリル系ポリマーの混合物、ポリフッ化ビニリデン共重合体とアクリル系ポリマーの混合物が挙げられる。
フッ化ビニリデンと共重合可能なモノマーとしては、例えば、フッ化ビニル、クロロトリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、トリフルオロエチレン、トリクロロエチレン、トリフロロパーフルオロプロピルエーテル、エチレン、(メタ)アクリル酸、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エステル、酢酸ビニル、塩化ビニル、アクリロニトリル等が挙げられる。これらモノマーは、1種単独で使用してもよく、又は2種以上を組み合わせて使用してもよい。
樹脂粒子を構成するポリフッ化ビニリデン及びポリフッ化ビニリデン共重合体の重量平均分子量は、1000〜500万が好ましく、1万〜200万がより好ましく、5万〜100万が更に好ましい。ポリフッ化ビニリデン及びポリフッ化ビニリデン共重合体は、乳化重合又は懸濁重合で合成し得る。
樹脂粒子を構成するアクリル系ポリマーとしては、例えば、ポリ(メタ)アクリル酸、ポリ(メタ)アクリル酸塩、ポリ(メタ)アクリル酸エステル、架橋ポリ(メタ)アクリル酸、架橋ポリ(メタ)アクリル酸塩、架橋ポリ(メタ)アクリル酸エステル等が挙げられ、変性されたアクリル系ポリマーでもよい。これらは、1種単独で使用してもよく、又は2種以上を組み合わせて使用してもよい。
樹脂粒子を構成する樹脂としては、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデンとテトラフロロエチレンの共重合体、フッ化ビニリデンとヘキサフロロプロピレンの共重合体、フッ化ビニリデンとトリフロロエチレンの共重合体、ポリフッ化ビニリデンとアクリル系ポリマーの混合物、ポリフッ化ビニリデン共重合体とアクリル系ポリマーの混合物が好ましい。ポリフッ化ビニリデン共重合体は、電池製造時の加圧や加熱に耐え得る機械強度を得る観点で、フッ化ビニリデン由来の構成単位を50モル%以上有する共重合体が好ましい。
樹脂粒子を構成するポリフッ化ビニリデンとアクリル系ポリマーの混合物、及びポリフッ化ビニリデン共重合体とアクリル系ポリマーの混合物は、耐酸化性の観点から、ポリフッ化ビニリデン又はポリフッ化ビニリデン共重合体を20質量%以上含むことが好ましい。
樹脂粒子の体積平均粒子径は、ハンドリング性や製造性の観点から、0.01μm〜1μmが好ましく、0.02μm〜1μmがより好ましく、0.05μm〜1μmが更に好ましい。
耐熱性多孔質層における樹脂の含有量は、1質量%〜50質量%が好ましい。樹脂の含有量が1質量%以上であることで、耐熱性多孔質層からフィラーが脱落しにくく、また、耐熱性多孔質層が多孔質基材から剥がれにくく、接着性多孔質層が耐熱性多孔質層から剥がれにくい。この観点で、樹脂の含有量は2質量%以上がより好ましく、3質量%以上が更に好ましい。一方、樹脂の含有量が50質量%以下であることで、セパレータの熱寸法安定性及びイオン透過性がより優れる。この観点で、樹脂の含有量は40質量%以下がより好ましく、30質量%以下が更に好ましい。
−フィラー−
フィラーとしては、電解液に安定であり、且つ、電気化学的に安定な物が好ましい。フィラーは、有機フィラー及び無機フィラーのいずれでもよい。フィラーは、1種単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してよい。
有機フィラーとしては、例えば、架橋ポリ(メタ)アクリル酸、架橋ポリ(メタ)アクリル酸エステル、架橋ポリシリコーン、架橋ポリスチレン、架橋ポリジビニルベンゼン、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体架橋物、ポリイミド、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ベンゾグアナミン−ホルムアルデヒド縮合物等の架橋高分子からなる粒子;ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、アラミド、ポリアセタール、熱可塑性ポリイミド等の耐熱性高分子からなる粒子;などが挙げられる。中でも、架橋ポリ(メタ)アクリル酸、架橋ポリ(メタ)アクリル酸エステル、架橋ポリシリコーンが好ましい。
無機フィラーとしては、例えば、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化クロム、水酸化ジルコニウム、水酸化セリウム、水酸化ニッケル、水酸化ホウ素等の金属水酸化物;アルミナ、ジルコニア等の金属酸化物;炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等の炭酸塩;硫酸バリウム、硫酸カルシウム等の硫酸塩;ケイ酸カルシウム、タルク等の粘土鉱物;などが挙げられる。中でも金属水酸化物及び金属酸化物が好ましく、難燃性付与や除電効果の観点から、マグネシウムの水酸化物又は酸化物が好ましく、特に水酸化マグネシウムが好ましい。無機フィラーは、シランカップリング剤等により表面修飾されたものでもよい。
フィラーのCPVCは、20体積%〜80体積%が好ましい。フィラーのCPVCが80体積%以下であると、耐熱性多孔質層と接着性多孔質層との界面において空孔が閉塞されにくく、セパレータのイオン透過性がより良好である。また、フィラーのCPVCが80体積%以下であると、フィラー添加量が少なくても、耐熱性多孔質層の熱収縮率を抑えることができ、電池の安全性を確保し得る。さらに、フィラーのCPVCが80体積%以下であると、耐熱性多孔質層からのフィラーの脱落が発生しにくい。これらの観点で、フィラーのCPVCは、75体積%以下がより好ましく、70体積%以下が更に好ましく、60体積%以下が更に好ましい。一方、フィラーのCPVCが20体積%以上であると、耐熱性多孔質層を湿式塗工によって形成する際、塗工液の塗工性が良好であり、塗工筋等の欠陥発生が抑えられる。この観点で、フィラーのCPVCは、25体積%以上がより好ましく、40体積%以上が更に好ましく、43体積%以上が更に好ましい。
フィラーの体積平均粒子径は、0.01μm〜10μmが好ましい。その下限値としては0.1μmがより好ましく、上限値としては5μmがより好ましい。
フィラーの粒度分布は、0.1μm<d90−d10<3μmであることが好ましい。ここで、d10は、粒度分布において、小粒子側から累計10質量%の粒子径(μm)を表し、d90は累計90質量%の粒子径(μm)を表す。粒度分布測定は、例えば、レーザー回折式粒度分布測定装置を用い、分散媒として水を用い、必要に応じて分散剤として非イオン性界面活性剤(例えばTritonX−100)を用いて測定する。
フィラーの粒子形状は任意であり、球形、楕円形、板状、棒状、不定形のいずれでもよい。電池の短絡防止の観点からは、板状の粒子や、凝集していない一次粒子であることが好ましい。
耐熱性多孔質層におけるフィラーの含有量は、2.0g/m〜20.0g/mが好ましい。フィラーの含有量が2.0g/m以上であると、セパレータの耐熱性がより優れる。この観点で、フィラーの含有量は、2.5g/m以上がより好ましく、3.0g/m以上が更に好ましい。一方、フィラーの含有量が20.0g/m以下であると、耐熱性多孔質層が多孔質基材から剥がれにくい。この観点で、フィラーの含有量は、15.0g/m以下がより好ましく、12.0g/m以下が更に好ましい。
耐熱性多孔質層においてフィラーは、樹脂とフィラーの合計量の50質量%〜98質量%を占めることが好ましい。フィラーの割合が50質量%以上であることで、セパレータの熱寸法安定性及びイオン透過性がより優れる。この観点で、フィラーの割合は60質量%以上がより好ましく、65質量%以上が更に好ましく、70質量%以上が更に好ましく、80質量%以上が更に好ましく、85質量%以上が更に好ましい。一方、フィラーの割合が98質量%以下であることで、耐熱性多孔質層からフィラーが脱落しにくく、また、耐熱性多孔質層が多孔質基材から剥がれにくく、接着性多孔質層が耐熱性多孔質層から剥がれにくい。この観点で、フィラーの割合は97.5質量%以下がより好ましく、97質量%以下が更に好ましく、95質量%以下が更に好ましく、90質量%以下が更に好ましい。
−増粘剤−
耐熱性多孔質層は、増粘剤を含んでいてもよい。増粘剤を含む塗工液で形成された耐熱性多孔質層は、樹脂及びフィラーの偏りが抑制されている。
増粘剤としては、例えば、セルロース、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリビニルピロリドン、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリアクリル酸、高級アルコール類等の樹脂及びこれらの塩が挙げられる。中でも、セルロース及びセルロース塩が好ましく、例えば、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、メチルセルロース、及びこれらのナトリウム塩やアンモニウム塩が好ましい。
樹脂、フィラー、及び増粘剤の合計量に占める増粘剤の割合は、セパレータの熱寸法安定性、水分量、及びイオン透過性の観点で、10質量%以下が好ましく、5質量%以下がより好ましく、3質量%以下が更に好ましい。樹脂、フィラー、及び増粘剤の合計量に占める増粘剤の割合は、耐熱性多孔質層における樹脂粒子及び無機フィラーの偏りを抑制してイオン透過性を向上させる観点で、0.1質量%以上が好ましく、0.3質量%以上がより好ましく、0.5質量%以上が更に好ましい。
−その他の成分−
耐熱性多孔質層は、本発明の効果を阻害しない範囲で、上述した化合物以外の成分を含んでいてもよい。該成分としては、耐熱性多孔質層を形成するための塗工液に添加し得る、分散剤、湿潤剤、消泡剤、pH調整剤等が挙げられる。ただし、耐熱性多孔質層は、層全量の90質量%以上を樹脂及びフィラーが占めることが好ましい。
〔耐熱性多孔質層の形成方法〕
耐熱性多孔質層を多孔質基材上に形成する方法は、特に制限されない。耐熱性多孔質層は、例えば、下記の方法1や方法2によって形成可能である。
−方法1−
方法1は、前記態様Aの耐熱性多孔質層を形成するための方法である。方法1は、以下の工程A1〜工程A5を有する。
・工程A1:スラリーの作製工程
樹脂を溶剤に溶かし、これにフィラーを分散させて、耐熱性多孔質層を形成するためのスラリーを作製する。溶剤は樹脂を溶解するものであればよく、特に限定はない。溶剤としては、極性溶剤が好ましく、例えば、ジメチルスルホキシド、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン等が挙げられる。当該溶剤は、極性溶剤に加えて樹脂に対して貧溶剤となる溶剤も加えることができる。貧溶剤を適用することでミクロ相分離構造が誘発され、耐熱性多孔質層の多孔化が容易となる。貧溶剤としては、アルコール類が好適であり、特にグリコールのような多価アルコールが好適である。スラリー中の樹脂の濃度は4質量%〜9質量%が好ましい。フィラーとして無機フィラーを用いる場合、無機フィラーの分散性が好ましくないときは、無機フィラーをシランカップリング剤等で表面処理し、分散性を改善してもよい。
スラリーは、多孔質基材上に塗工するのに適切な粘度に調整する目的で、増粘剤を含有していてもよい。スラリーは、フィラーの分散性を上げる目的で、界面活性剤等の分散剤を含有していてもよい。スラリーは、多孔質基材との馴染みをよくする目的で、湿潤剤を含有していてもよい。スラリーは、消泡剤やpH調整剤を含有していてもよい。これらの添加剤は、電池の使用環境下において電気化学的に安定で電池内反応を阻害しないものであれば、残存するものであってもよい。
・工程A2:塗工工程
スラリーを多孔質基材の片面又は両面に塗工する。多孔質基材の両面に耐熱性多孔質層を形成する場合は、基材の両面に同時に塗工することが、工程の短縮という観点で好ましい。スラリーを塗工する方法としては、ナイフコーター法、グラビアコーター法、マイヤーバー法、ダイコーター法、リバースロールコーター法、ロールコーター法、スクリーン印刷法、インクジェット法、スプレー法等が挙げられる。中でも、塗工層を均一に形成するという観点において、リバースロールコーター法が好適である。
・工程A3:凝固工程
多孔質基材上に塗工したスラリーを、凝固液で処理することにより、樹脂を凝固させて、耐熱性多孔質層を形成する。凝固液で処理する方法としては、スラリーを塗工した面に凝固液をスプレーで吹き付ける方法や、スラリーを塗工した多孔質基材を凝固液の入った浴(凝固浴)中に浸漬する方法等が挙げられる。凝固液としては、樹脂を凝固できるものであればよく、水、又は、スラリーに用いた溶剤に水を適当量混合させたものが好ましい。凝固浴の水の混合量は、凝固効率や多孔化の観点から、40質量%〜80質量%が好ましい。
・工程A4:水洗工程
凝固後の塗工層を水洗することによって、塗工層中の凝固液を除去する。
・工程A5:乾燥工程
水洗後の塗工層を乾燥して、水を除去する。乾燥方法は特に限定はない。乾燥温度は50℃〜80℃が好適であり、高い乾燥温度を適用する場合は、熱収縮による寸法変化が起こらないようにするためにロールに接触させる方法などを適用することが好ましい。
−方法2−
方法2は、前記態様Bの耐熱性多孔質層を形成するための方法である。方法2は、以下の工程B1〜工程B3を有する。
・工程B1:スラリーの作製工程
樹脂粒子とフィラーとを、溶媒に分散、懸濁、又は乳化することで、耐熱性多孔質層を形成するためのスラリーを調製する。溶媒としては、少なくとも水が用いられ、さらに、水以外の溶媒を加えてもよい。水以外の溶媒としては、樹脂粒子を溶解せず、固体状態で、分散、懸濁又は乳化し得る溶媒であれば特に限定されるものではない。例えば、メタノール、エタノール、2−プロパノール、アセトン、テトラヒドロフラン、メチルエチルケトン、酢酸エチル、N−メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルホルムアミド等の有機溶剤が挙げられる。環境への負荷の低さ、安全性及び経済的な観点からは、水、又は、水とアルコールとの混合液に、樹脂粒子及び無機フィラーを乳化した水系エマルションが好ましい。
スラリーは、多孔質基材上に塗工するのに適切な粘度に調整する目的で、増粘剤を含有していてもよい。スラリーは、樹脂粒子及びフィラーの分散性を上げる目的で、界面活性剤等の分散剤を含有していてもよい。スラリーは、多孔質基材との馴染みをよくする目的で、湿潤剤を含有していてもよい。スラリーは、消泡剤やpH調整剤を含有していてもよい。これらの添加剤は、電池の使用環境下において電気化学的に安定で電池内反応を阻害しないものであれば、残存するものであってもよい。
スラリー中の樹脂粒子の含有量は、1質量%〜25質量%であることが好ましい。スラリー中のフィラーの含有量は、2質量%〜50質量%であることが好ましい。
・工程B2:塗工工程
工程B2は、上記工程A2と同様の工程を採用してよい。
・工程B3:乾燥工程
多孔質基材上のスラリーを乾燥して、溶媒を除去することで、樹脂粒子がバインダーとして機能し、樹脂粒子とフィラーとを含む塗工層が多孔質基材上に固定化される。
方法1及び方法2は、湿式塗工法により多孔質基材上に耐熱性多孔質層を直接形成する方法である。ほかに、別途製造した耐熱性多孔質層のシートを、多孔質基材上に、接着剤等を用いて接着する方法や熱融着又は圧着する方法によっても、多孔質基材上に耐熱性多孔質層を形成できる。
〔耐熱性多孔質層の諸特性〕
耐熱性多孔質層の厚さは、耐熱性及びハンドリング性の観点から、片面0.5μm以上が好ましく、片面1μm以上がより好ましく、ハンドリング性及び電池容量の観点から、片面5μm以下が好ましい。耐熱性多孔質層が多孔質基材の片面のみにある場合でも両面にある場合でも、両面の合計として、下限値は1μmが好ましく、2μmがより好ましく、3μmが更に好ましく、上限値は10μmが好ましく、8μmがより好ましく、5μmが更に好ましい。
耐熱性多孔質層の空孔率は、40%〜70%が好ましい。耐熱性多孔質層の空孔率が40%以上であると、セパレータのイオン透過性がより優れる。この観点で、空孔率は45%以上がより好ましく、50%以上が更に好ましく、55%以上が更に好ましい。一方、耐熱性多孔質層の空孔率が70%以下であると、セパレータの熱寸法安定性がより優れる。この観点で、空孔率は68%以下がより好ましく、65%以下が更に好ましい。
〔接着性多孔質層〕
第二実施形態において、接着性多孔質層は、セパレータの両面に最外層として存在し、接着性樹脂を含み電極と接着し得る層である。第二実施形態に係るセパレータは、接着性多孔質層を両面に有するので、電池の両電極との接着性に優れる。また、第二実施形態に係るセパレータは、接着性多孔質層を両面に有するので、該層を片面に有する場合に比べて、電池のサイクル特性(容量維持率)に優れる。
接着性多孔質層は、下記の態様A’及び態様B’が好ましい態様である。
−態様A’−
態様A’の接着性多孔質層は、内部に多数の微細孔を有する層であり、微細孔が一方の面から他方の面へ連通した構造となっており、一方の面から他方の面へと気体あるいは液体が通過可能となった層である。態様A’は、樹脂がフィブリル状となって3次元の網目構造を形成した態様が好ましく、フィラーを含む場合はこの網目構造にフィラーが補足された態様が好ましい。
−態様B’−
態様B’の接着性多孔質層は、粒子状の樹脂(樹脂粒子)の集合体である。即ち、複数の樹脂粒子が連結して層状の集合体を形成し、該集合体は、樹脂粒子の少なくとも一部を介して多孔質基材又は耐熱性多孔質層の表面に固定されている。該集合体は、全体として多孔質の層形状を構成しており、一方の面から他方の面へと気体あるいは液体が通過可能となっている。フィラーを含む場合は、樹脂粒子にフィラーが連結して集合体を形成する態様が好ましい。
−接着性樹脂−
接着性多孔質層に含まれる接着性樹脂は、電極と接着し得るものであれば特に制限されない。例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン共重合体等のポリフッ化ビニリデン系樹脂;フッ素系ゴム;スチレン−ブタジエン共重合体;アクリロニトリル、メタクリロニトリル等のビニルニトリル類の単独重合体又は共重合体;カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシアルキルセルロース等のセルロース;ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリビニルピロリドン等のポリビニル化合物;ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド等のポリエーテル;などが好適である。中でも、ポリフッ化ビニリデン系樹脂がより好適である。接着性多孔質層は、接着性樹脂を1種含んでもよく、2種以上含んでもよい。
ポリフッ化ビニリデン系樹脂としては、フッ化ビニリデンの単独重合体(ポリフッ化ビニリデン)、フッ化ビニリデンと他のモノマーとの共重合体(ポリフッ化ビニリデン共重合体)、これらの混合物が挙げられる。フッ化ビニリデンと共重合可能なモノマーとしては、例えば、ヘキサフロロプロピレン、テトラフロロエチレン、トリフロロエチレン、トリクロロエチレン、フッ化ビニル等が挙げられ、1種類又は2種類以上を用いることができる。ポリフッ化ビニリデン系樹脂は、乳化重合又は懸濁重合で合成し得る。
ポリフッ化ビニリデン系樹脂は、その構成単位としてフッ化ビニリデンが95モル%以上(より好ましくは98モル%以上)含まれていることが好ましい。フッ化ビニリデンが95モル%以上含まれていると、電池製造時の加圧や加熱に耐え得る機械強度と耐熱性とを確保しやすい。
ポリフッ化ビニリデン系樹脂としては、電極との接着性の観点から、フッ化ビニリデンとヘキサフロロプロピレンの共重合体が好ましく、ヘキサフロロプロピレン由来の構成単位を0.1モル%〜5モル%(好ましくは0.5モル%〜2モル%)含む共重合体がより好ましい。
接着性樹脂(特にポリフッ化ビニリデン系樹脂)は、重量平均分子量が30万〜300万であることが好ましい。重量平均分子量が30万以上であると、接着性多孔質層が電極との接着処理に耐え得る力学特性を確保でき、十分な接着性が得られる。一方、重量平均分子量が300万以下であると、塗工成形する際の塗工液の粘度が高くなり過ぎず成形性及び結晶形成がよく、多孔化が良好である。重量平均分子量はより好ましくは30万〜200万であり、更に好ましくは50万〜150万であり、特に好ましくは60万〜100万である。
粒子状の樹脂(樹脂粒子)としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、フッ素系ゴム、スチレン−ブタジエンゴム、エチレン−アクリレート共重合体、エチレン−アクリル酸共重合体、ポリエチレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体、架橋アクリル樹脂等の樹脂を含む粒子が挙げられる。中でも、耐酸化性に優れる点で、ポリフッ化ビニリデン系樹脂を含む粒子が好ましい。
樹脂粒子を構成するポリフッ化ビニリデン系樹脂としては、例えば、フッ化ビニリデンの単独重合体(ポリフッ化ビニリデン)、フッ化ビニリデンと他のモノマーとの共重合体(ポリフッ化ビニリデン共重合体)、ポリフッ化ビニリデンとアクリル系ポリマーの混合物、ポリフッ化ビニリデン共重合体とアクリル系ポリマーの混合物が挙げられる。
フッ化ビニリデンと共重合可能なモノマーとしては、例えば、フッ化ビニル、クロロトリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、トリフルオロエチレン、トリクロロエチレン、トリフロロパーフルオロプロピルエーテル、エチレン、(メタ)アクリル酸、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エステル、酢酸ビニル、塩化ビニル、アクリロニトリル等が挙げられる。これらモノマーは、1種単独で使用してもよく、又は2種以上を組み合わせて使用してもよい。
樹脂粒子を構成するポリフッ化ビニリデン及びポリフッ化ビニリデン共重合体の重量平均分子量は、1000〜500万が好ましく、1万〜200万がより好ましく、5万〜100万が更に好ましい。ポリフッ化ビニリデン及びポリフッ化ビニリデン共重合体は、乳化重合又は懸濁重合で合成し得る。
樹脂粒子を構成するアクリル系ポリマーとしては、例えば、ポリ(メタ)アクリル酸、ポリ(メタ)アクリル酸塩、ポリ(メタ)アクリル酸エステル、架橋ポリ(メタ)アクリル酸、架橋ポリ(メタ)アクリル酸塩、架橋ポリ(メタ)アクリル酸エステル等が挙げられ、変性されたアクリル系ポリマーでもよい。これらは、1種単独で使用してもよく、又は2種以上を組み合わせて使用してもよい。
樹脂粒子を構成する樹脂としては、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデンとテトラフロロエチレンの共重合体、フッ化ビニリデンとヘキサフロロプロピレンの共重合体、フッ化ビニリデンとトリフロロエチレンの共重合体、ポリフッ化ビニリデンとアクリル系ポリマーの混合物、ポリフッ化ビニリデン共重合体とアクリル系ポリマーの混合物が好ましい。ポリフッ化ビニリデン共重合体は、電池製造時の加圧や加熱に耐え得る機械強度を得る観点で、フッ化ビニリデン由来の構成単位を50モル%以上有する共重合体が好ましい。
樹脂粒子を構成するポリフッ化ビニリデンとアクリル系ポリマーの混合物、及びポリフッ化ビニリデン共重合体とアクリル系ポリマーの混合物は、耐酸化性の観点から、ポリフッ化ビニリデン又はポリフッ化ビニリデン共重合体を20質量%以上含むことが好ましい。
樹脂粒子の体積平均粒子径は、ハンドリング性や製造性の観点から、0.01μm〜1μmが好ましく、0.02μm〜1μmがより好ましく、0.05μm〜1μmが更に好ましい。
−フィラー−
接着性多孔質層は、フィラーを含んでいてもよい。フィラーとしては、電解液に安定であり、且つ、電気化学的に安定な物が好ましい。フィラーは、有機フィラー及び無機フィラーのいずれでもよく、具体的には、耐熱性多孔質層に含まれるものとして例示したフィラーが挙げられる。フィラーは、1種単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してよい。
接着性多孔質層にフィラーを含ませる場合、樹脂とフィラーの合計量に占めるフィラーの割合は、1質量%〜30質量%が好ましい。
〔接着性多孔質層の形成方法〕
接着性多孔質層の形成方法に特に制限はない。接着性多孔質層は、例えば、耐熱性多孔質層を形成する前記方法1及び方法2と同様の方法によって形成可能である。
〔接着性多孔質層の諸特性〕
接着性多孔質層の厚さは、電極との接着性とイオン透過性の観点から、片面につき0.5μm〜10μmが好ましく、1μm〜5μmがより好ましい。
接着性多孔質層の塗工量は、電極との接着性とイオン透過性の観点から、両面合計で0.5g/m〜3.5g/mが好ましい。
接着性多孔質層は、イオン透過性の観点から十分に多孔化された構造であることが好ましく、空孔率が30%〜70%であることが好ましい。空孔率が70%以下であると、電池製造時の加圧や加熱に耐え得る機械強度を確保できる。また、空孔率が70%以下であると、表面開孔率が高過ぎず電極との接着性が良好である。これらの観点で、空孔率は60%以下がより好ましい。一方、空孔率が30%以上であると、イオン透過性が良好である。この観点で、空孔率は35%以上がより好ましく、40%以上が更に好ましく、45%以上が更に好ましい。
耐熱性多孔質層と接着性多孔質層との間の剥離強度は、0.05N/cm以上が好ましく、0.06N/cm以上がより好ましく、0.07N/cm以上が更に好ましい。
〔第二実施形態に係るセパレータの諸特性〕
第二実施形態に係るセパレータの厚さは、機械強度と電池のエネルギー密度の観点から、5μm〜35μmが好ましく、5μm〜30μmがより好ましく、10μm〜25μmが更に好ましい。
第二実施形態に係るセパレータの空孔率は、機械強度、ハンドリング性、及びイオン透過性の観点から、30%〜60%が好ましい。
第二実施形態に係るセパレータは、耐熱性多孔質層の空孔率と接着性多孔質層の空孔率の平均が、良好なイオン透過性を得る観点から、30%〜70%であることが好ましい。その下限値としては35%がより好ましく、40%が更に好ましく、45%が更に好ましく、上限値としては65%がより好ましく、60%が更に好ましい。
耐熱性多孔質層の空孔率と接着性多孔質層の空孔率の平均は、下記の式によって算出する。下記式において、耐熱性多孔質層の厚さ及び接着性多孔質層の厚さはそれぞれ両面の合計である。
空孔率の平均(%)={耐熱性多孔質層の空孔率(%)×耐熱性多孔質層の厚さ(μm)+接着性多孔質層の空孔率(%)×接着性多孔質層の厚さ(μm)}÷{耐熱性多孔質層の厚さ(μm)+接着性多孔質層の厚さ(μm)}
第二実施形態に係るセパレータのガーレ値(JIS P8117(2009))は、機械強度とイオン透過性のバランスがよい点で、50秒/100cc〜800秒/100ccが好ましく、100秒/100cc〜500秒/100ccがより好ましく、100秒/100cc〜400秒/100ccが更に好ましい。
第二実施形態に係るセパレータの曲路率は、イオン透過性の観点から、1.5〜2.5が好ましい。
第二実施形態に係るセパレータの突刺強度は、耐短絡性、機械強度、及びハンドリング性の観点から、250g〜1000gが好ましく、300g〜1000gがより好ましく、300g〜600gが更に好ましい。
第二実施形態に係るセパレータの引張強度は、耐短絡性、機械強度、及びハンドリング性の観点から、10N以上が好ましい。
第二実施形態に係るセパレータの膜抵抗は、電池の負荷特性の観点から、0.5ohm・cm〜10ohm・cmが好ましく、1ohm・cm〜8ohm・cmがより好ましい。
第二実施形態に係るセパレータは、ポリオレフィンからなる多孔質基材を用いる場合、シャットダウン温度が130℃〜155℃であることが好ましい。
第二実施形態に係るセパレータは、150℃で30分間熱処理した際の熱収縮率が、MD方向においては20%以下が好ましく、10%以下がより好ましく、TD方向においては10%以下が好ましく、5%以下がより好ましい。熱収縮率がこの範囲であると、セパレータの形状安定性が高く、高温に曝されても短絡が生じにくい電池を提供し得る。
第二実施形態に係るセパレータは、130℃で30分間熱処理した際の熱収縮率が、MD方向においては10%以下が好ましく、8%以下がより好ましく、TD方向においては5%以下が好ましく、3%以下がより好ましい。熱収縮率がこの範囲であると、セパレータの形状安定性が高く、高温に曝されても短絡が生じにくい電池を提供し得る。
第二実施形態に係るセパレータは、昇温速度5℃/分で、熱可塑性樹脂の流動伸び変形温度まで加熱した際のMD方向の熱寸法変化率が、3%以下が好ましく、2%以下がより好ましい。MD方向の熱寸法変化率がこの範囲であると、セパレータと電極を長手方向に巻回して作製した電池において、セパレータのMD方向の熱変形度が少なく、耐熱性の高い電池を提供し得る。
第二実施形態に係るセパレータは、昇温速度5℃/分で、熱可塑性樹脂の流動伸び変形温度まで加熱した際のTD方向の熱寸法変化率が、3%以下が好ましく、2%以下がより好ましい。TD方向の熱寸法変化率がこの範囲であると、セパレータと電極を重ね合わせて作製した電池(円筒型電池、角型電池、ラミネート電池等)において、セパレータのTD方向の熱変形度が少なく、耐熱性の高い電池を提供し得る。また、セパレータのTD方向への熱変形を見越してセパレータの幅を調整する必要がなく、電池容量の向上にも寄与する。
上記熱寸法変化率は、具体的には、下記の方法で求められる温度である。セパレータを、TD方向3mm×MD方向16mm、及び、MD方向3mm×TD方向16mmに切り出す。TMA測定装置にサンプルを設置し、サンプルの長さ方向に荷重19.6mNをかけ、昇温速度:5℃/分、到達温度:熱可塑性樹脂の流動伸び変形温度、の条件でTMA(熱機械分析、Thermomechanical Analysis)を行い、MD方向及びTD方向それぞれについて、横軸に温度、縦軸にサンプル長をプロットしたTMAチャートを作成する。TMAチャートから、セパレータの最大の変化量を抽出し、その絶対値を最大変形量とし、以下の式によって熱寸法変化率を算出する。
MD方向の熱寸法変化率(%)=(MD方向の最大変形量)/(加熱前のMD方向長)×100
TD方向の熱寸法変化率(%)=(TD方向の最大変形量)/(加熱前のTD方向長)×100
第二実施形態に係るセパレータの熱収縮率及び熱寸法変化率は、例えば、耐熱性多孔質層中のフィラーの含有量、耐熱性多孔質層の厚さ、接着性多孔質層の厚さ、耐熱性多孔質層の空孔率と接着性多孔質層の空孔率の平均、セパレータ全体の内部応力等によって制御し得る。
<非水系二次電池>
本発明の非水系二次電池は、リチウムのドープ・脱ドープにより起電力を得る非水系二次電池であって、正極と、負極と、本発明の非水系二次電池用セパレータを備える。非水系二次電池は、負極と正極とがセパレータを介して対向した構造体に電解液が含浸された電池要素が、外装材内に封入された構造を有する。ドープとは、吸蔵、担持、吸着、又は挿入を意味し、電極の活物質にリチウムイオンが入る現象を意味する。
本発明の非水系二次電池は、セパレータとして、前記第一実施形態のセパレータ及び前記第二実施形態のセパレータの少なくとも一方を適用することにより、電池特性に優れ且つ安全性が高い。
本発明の非水系二次電池は、前記第一実施形態のセパレータを適用する場合、電池の耐久性の観点で、セパレータの耐熱性多孔質層がポリフッ化ビニリデン系樹脂粒子を含み、且つ該層が正極と接するようにセパレータが配置されていることが好ましい。一般に正極の酸化雰囲気が非水系二次電池の耐久性に影響を及ぼすところ、ポリフッ化ビニリデン系樹脂は酸素指数が高く耐酸化性が高いので、該樹脂を含む耐熱性多孔質層を正極と接するようにセパレータを配置すると、セパレータ表面が酸化や炭化を起しにくく、電池の耐久性が良好である。
本発明の非水系二次電池は、前記第二実施形態のセパレータを適用する場合、電池の耐久性の観点で、セパレータの接着性多孔質層がポリフッ化ビニリデン系樹脂を含むことが好ましい。一般に正極の酸化雰囲気が非水系二次電池の耐久性に影響を及ぼすところ、ポリフッ化ビニリデン系樹脂は酸素指数が高く耐酸化性が高いため、接着性多孔質層が該樹脂を含むと、セパレータ表面が酸化や炭化を起しにくく、電池の耐久性が良好である。
本発明の非水系二次電池は、非水電解質二次電池、特にリチウムイオン二次電池に好適である。
〔正極〕
正極は、正極活物質及びバインダー樹脂を含む活物質層が集電体上に成形された構造としてよい。活物質層は、さらに導電助剤を含んでもよい。
正極活物質としては、例えばリチウム含有遷移金属酸化物等が挙げられ、具体的にはLiCoO、LiNiO、LiMn1/2Ni1/2、LiCo1/3Mn1/3Ni1/3、LiMn、LiFePO、LiCo1/2Ni1/2、LiAl1/4Ni3/4等が挙げられる。
4.2V以上の高電圧で作動可能なLiMn1/2Ni1/2、LiCo1/3Mn1/3Ni1/3といった正極活物質は、正極と接する層にポリフッ化ビニリデン系樹脂を含むセパレータと組み合わせることが望ましい。
バインダー樹脂としては、例えばポリフッ化ビニリデン系樹脂などが挙げられる。
導電助剤としては、例えばアセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛粉末といった炭素材料が挙げられる。
集電体としては、例えば厚さ5μm〜20μmの、アルミ箔、チタン箔、ステンレス箔等が挙げられる。
〔負極〕
負極は、負極活物質及びバインダー樹脂を含む活物質層が集電体上に成形された構造としてよい。活物質層は、さらに導電助剤を含んでもよい。
負極活物質としては、リチウムを電気化学的に吸蔵し得る材料が挙げられ、具体的には例えば、炭素材料;ケイ素、スズ、アルミニウム等とリチウムとの合金;などが挙げられる。
バインダー樹脂としては、例えばポリフッ化ビニリデン系樹脂、スチレン−ブタジエンゴムなどが挙げられる。
導電助剤としては、例えばアセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛粉末といった炭素材料が挙げられる。
集電体としては、例えば厚さ5μm〜20μmの、銅箔、ニッケル箔、ステンレス箔等が挙げられる。
上記の負極に代えて、金属リチウム箔を負極として用いてもよい。
〔電解液〕
電解液は、リチウム塩を非水系溶媒に溶解した溶液である。
リチウム塩としては、例えばLiPF、LiBF、LiClO等が挙げられる。
非水系溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、フロロエチレンカーボネート、ジフロロエチレンカーボネート等の環状カーボネート;ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、及びそのフッ素置換体等の鎖状カーボネート;γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等の環状エステル;などが挙げられ、これらは単独で用いても混合して用いてもよい。
電解液としては、環状カーボネートと鎖状カーボネートとを質量比(環状カーボネート/鎖状カーボネート)20/80〜40/60で混合し、リチウム塩を0.5M〜1.5M溶解したものが好適である。
〔非水系二次電池の製造方法〕
本発明の非水系二次電池は、例えば、正極と負極との間に本発明のセパレータを配置した積層体に、電解液を含浸させて外装材に収容し、前記外装材の上から前記積層体をプレスすることで製造し得る。
正極と負極との間にセパレータを配置する方式は、正極、セパレータ、負極をこの順に少なくとも1層ずつ積層する方式(所謂スタック方式)でもよく、正極、セパレータ、負極、セパレータをこの順に重ね、長さ方向に捲き回す方式でもよい。
外装材としては、金属缶やアルミラミネートフィルム製パック等が挙げられる。
ポリフッ化ビニリデン系樹脂を含む最表面層を有するセパレータを用いた場合は、セパレータと電極の接着性が良好であるので、外部からの衝撃や、充放電に伴う電極の膨張・収縮によっても、電極とセパレータの間に隙間が形成されにくい。したがって、上記セパレータは、アルミラミネートフィルム製パックを外装材とするソフトパック電池に好適である。
電池の形状は角型、円筒型、コイン型等があるが、本発明の非水系二次電池はいずれの形状でもよい。
以下に実施例を挙げて、本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。
<測定方法>
本発明の実施例及び比較例で適用した測定方法は、以下のとおりである。
〔樹脂の重量平均分子量〕
樹脂の重量平均分子量は、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)で測定した。
・装置:ゲル浸透クロマトグラフAlliance GPC2000型(Waters製)
・カラム:TSKgel GMH6−HTを2本、TSKgel GMH6−HTLを2本(東ソー社製)
・カラム温度:140℃、
・移動相:o−ジクロロベンゼン
・カラム温度:140℃
・分子量較正用の標準物質:単分散ポリスチレン(東ソー社製)
〔ポリフッ化ビニリデン系樹脂の組成〕
ポリフッ化ビニリデン系樹脂20mgを重ジメチルスルホキシド0.6mlに100℃にて溶解し、100℃で19F−NMRスペクトルを測定し、NMRスペクトルからポリフッ化ビニリデン系樹脂の組成を求めた。
〔樹脂粒子の平均粒子径〕
樹脂粒子を水に分散させ、レーザー回折式粒度分布測定装置(シスメックス社製マスターサイザー2000)を用いて粒子径を測定し、体積粒度分布における中心粒子径(D50)を平均粒子径とした。
〔フィラーのCPVC〕
単位質量当たりのアマニ油吸油量をJIS K−5101−13−1(2004)に従って測定し、下記の式によってフィラーのCPVCを算出した。
フィラーのCPVC(体積%)=単位質量当たりのアマニ油吸油量(ml/g)×フィラーの比重(g/cm)×100
〔フィラーの体積割合Vf〕
耐熱性多孔質層におけるフィラーの体積割合Vfは、以下の式によって算出した。
フィラーの体積割合Vf(体積%)=単位面積当たりのフィラーの体積(cm/m)/単位面積当たりの耐熱性多孔質層の体積(cm/m)×100
単位面積当たりのフィラーの体積(cm/m)は、単位面積当たりのフィラーの重量(g/m)を、フィラーの比重(g/cm)で除算して求めた。単位面積当たりのフィラーの重量(g/m)は、単位面積当たりの耐熱性多孔質層の重量(目付、g/m)と、耐熱性多孔質層形成用塗工液のフィラーの組成比から求めた。単位面積当たりの耐熱性多孔質層の体積(cm/m)は、耐熱性多孔質層の厚さと単位面積の積によって求めた。
〔膜厚〕
セパレータ等の膜厚(μm)は、接触式の厚み計(ミツトヨ社製LITEMATIC)にて、10cm×30cm内の任意の20点を測定し、これを平均することで求めた。測定端子は直径5mmの円柱状のものを用い、測定中に7gの荷重が印加されるように調整した。
耐熱性多孔質層の厚さは、多孔質基材と耐熱性多孔質層との積層体の厚さから多孔質基材の厚さを差し引いて求めた。接着性多孔質層の厚さは、多孔質基材と耐熱性多孔質層と接着性多孔質層との積層体の厚さから多孔質基材と耐熱性多孔質層との積層体の厚さを差し引いて求めた。
〔目付〕
目付(1m当たりの質量)は、サンプルを10cm×30cmに切り出し質量を測定し、この質量を面積で除することで求めた。
〔耐熱性多孔質層中のフィラーの含有量〕
多孔質基材と耐熱性多孔質層との積層体の目付から多孔質基材の目付を差し引くことで、耐熱性多孔質層の単位面積当たりの質量(g/m)を求めた。そして、耐熱性多孔質層形成用塗工液のフィラーの組成比から、耐熱性多孔質層におけるフィラーの含有量(g/m)を算出した。こうして算出されるフィラーの含有量は、多孔質基材の両面の合計量である。
〔空孔率〕
各層の空孔率は、下記の算出方法に従って求めた。
構成材料がa、b、c、・・・、nであり、各構成材料の質量がWa、Wb、Wc、・・・、Wn(g/cm)であり、各構成材料の真密度がda、db、dc、・・・、dn(g/cm)であり、着目する層の膜厚をt(cm)としたとき、空孔率ε(%)は以下の式より求められる。
ε={1−(Wa/da+Wb/db+Wc/dc+・・・+Wn/dn)/t}×100
耐熱性多孔質層の空孔率と接着性多孔質層の空孔率の平均(塗工層の空孔率の平均)は、下記の式によって算出した。下記の式において、耐熱性多孔質層の厚さ及び接着性多孔質層の厚さはそれぞれ両面の合計である。
空孔率の平均(%)={耐熱性多孔質層の空孔率(%)×耐熱性多孔質層の厚さ(μm)+接着性多孔質層の空孔率(%)×接着性多孔質層の厚さ(μm)}÷{耐熱性多孔質層の厚さ(μm)+接着性多孔質層の厚さ(μm)}
〔ガーレ値〕
ガーレ値(秒/100cc)は、JIS P8117(2009)に従い、ガーレ式デンソメータ(東洋精機社製G−B2C)を用いて測定した。
〔熱可塑性樹脂の流動伸び変形温度〕
多孔質基材を、TD方向3mm×MD方向16mm、及び、MD方向3mm×TD方向16mmに切り出した。TMA測定装置(TAインスツルメント社製Q400 V22.4 Build 30)にサンプルを設置し、サンプルの長さ方向に荷重19.6mNをかけ昇温速度5℃/分でTMA(熱機械分析、Thermomechanical Analysis)を行い、MD方向及びTD方向それぞれについて、横軸に温度、縦軸にサンプル長をプロットしたTMAチャートを作成した。MD方向及びTD方向それぞれについて、TMAチャートから、サンプルの伸び率15%の温度を求め、両者の平均を算出し、多孔質基材を構成する熱可塑性樹脂の流動伸び変形温度とした。
〔熱寸法変化率〕
セパレータを、TD方向3mm×MD方向16mm、及び、MD方向3mm×TD方向16mmに切り出した。TMA測定装置(TAインスツルメント社製Q400 V22.4 Build 30)にサンプルを設置し、サンプルの長さ方向に荷重19.6mNをかけ、昇温速度:5℃/分、到達温度:熱可塑性樹脂の流動伸び変形温度、の条件でTMAを行い、MD方向及びTD方向それぞれについて、横軸に温度、縦軸にサンプル長をプロットしたTMAチャートを作成した。TMAチャートから、セパレータの最大の変化量を抽出し、その絶対値を最大変形量とし、以下の式によって熱寸法変化率を算出した。
MD方向の熱寸法変化率(%)=(MD方向の最大変形量)/(加熱前のMD方向長)×100
TD方向の熱寸法変化率(%)=(TD方向の最大変形量)/(加熱前のTD方向長)×100
〔熱収縮率〕
セパレータをMD方向18cm×TD方向6cmに切り出し、試験片とした。TD方向を2等分する直線上で、かつ、一方の端から2cm及び17cmの2点(点A及び点B)に印をつけた。また、MD方向を2等分する直線上で、かつ、一方の端から1cm及び5cmの2点(点C及び点D)に印を付けた。点Aから最も近い端と点Aとの間をクリップで把持し、150℃(又は130℃)のオーブンの中にMD方向が重力方向となるように試験片をつるし、無張力下で30分間熱処理を行った。熱処理前後のAB間の長さ及びCD間の長さを測定し、以下の式から熱収縮率(%)を算出した。
MD方向の熱収縮率(%)={(熱処理前のAB間の長さ−熱処理後のAB間の長さ)/熱処理前のABの長さ}×100
TD方向の熱収縮率(%)={(熱処理前のCD間の長さ−熱処理後のCD間の長さ)/熱処理前のCDの長さ}×100
〔膜抵抗(1)〕
セパレータを2.6cm×2.0cmのサイズに切り出し、非イオン性界面活性剤(花王社製エマルゲン210P)を3質量%溶解したメタノール溶液に浸漬し、風乾した。厚さ20μmのアルミ箔を2.0cm×1.4cmに切り出し、リードタブを付けた。このアルミ箔を2枚用意して、アルミ箔間に切り出したセパレータをアルミ箔が短絡しないように挟み、セパレータに電解液である1MのLiBF−プロピレンカーボネート/エチレンカーボネート(質量比1/1)を含浸させた。これをアルミラミネートパック中にタブがアルミパックの外に出るようにして減圧封入した。このようなセルを、アルミ箔中にセパレータが1枚、2枚、3枚となるようにそれぞれ作製した。セルを20℃の恒温槽中に入れ、交流インピーダンス法にて振幅10mV、周波数100kHzの条件でセルの抵抗を測定した。測定したセルの抵抗値をセパレータの枚数に対してプロットし、このプロットを線形近似し、傾きを求めた。この傾きに、電極面積である2.0cm×1.4cmを乗じてセパレータ1枚当たりの膜抵抗(ohm・cm)を求めた。
〔膜抵抗(2)〕
セパレータに、電解液として1M LiBF−プロピレンカーボネート/エチレンカーボネート(質量比1/1)を含浸させ、これをリードタブ付きのアルミ箔電極に挟みアルミパックに封入して試験セルを作製した。この試験セルの抵抗(ohm・cm)を、20℃下、交流インピーダンス法(測定周波数100kHz)により測定した。
〔ハンドリング性(1)〕
接着性多孔質層を有しないセパレータのハンドリング性を以下の方法で評価した。
セパレータを、ステンレス製レザー刃を用いて100mm×100mmの大きさに切った際に、切断部周辺の耐熱性多孔質層の剥がれの有無を肉眼で観察し、下記の評価基準に従って評価した。
G:剥がれが確認されなかった。
NG:剥がれが確認された。
〔ハンドリング性(2)〕
接着性多孔質層を有するセパレータのハンドリング性を以下の方法で評価した。
セパレータを、搬送速度:40m/分、巻き出し張力:0.3N/cm、巻取り張力:0.1N/cmにて搬送した際の接着性多孔質層の剥がれの有無を肉眼で観察し、下記の評価基準に従って評価した。剥がれによって発生した異物は、セパレータから脱落したもの、巻き取りロールの端面に挟まっているもの、及び、ロール表面に観察されるものを数えた。
A:剥がれがなかった。
B:剥がれによって発生した異物が1000mあたり1個以上5個以下であった。
C:剥がれによって発生した異物が1000mあたり6個以上20個以下であった。
D:剥がれによって発生した異物が1000mあたり21個以上であった。
〔スリット性〕
接着性多孔質層を有するセパレータのスリット性を以下の方法で評価した。
セパレータを、搬送速度:40m/分、巻き出し張力:0.3N/cm、巻取り張力:0.1N/cmにて水平に搬送しながら、セパレータにステンレス製レザー刃を60°の角度で当て、1000mスリット処理した。このスリット処理中に発生した、0.5mm以上の接着性多孔質層由来の切粉を肉眼で数え、下記の評価基準に従って評価した。切粉は、セパレータから脱落したもの、及び、スリット端面に観察されるものを数えた。
A:0.5mm以上の接着性多孔質層由来の切粉が5個以下であった。
B:0.5mm以上の接着性多孔質層由来の切粉が6個以上10個以下であった。
C:0.5mm以上の接着性多孔質層由来の切粉が11個以上20個以下であった。
D:0.5mm以上の接着性多孔質層由来の切粉が21個以上であった。
〔剥離強度〕
接着性多孔質層を有するセパレータにT字剥離試験を行った。具体的には、3M社製のメンディングテープを両面に張り付けたセパレータを10mm幅に切り取り、メンディングテープの端を引張試験機(ORIENTEC社製 RTC−1210A)で速度20mm/分で引っ張り、応力を測定し、SS曲線を作成した。SS曲線において10mmから40mmまでの応力を0.4mmピッチで抽出し平均し、更に試験片3個の結果を平均し、剥離強度とした。
〔電極との接着性〕
試験用電池10個を解体し、セパレータから負極と正極とをそれぞれ剥がす際の力の大きさを、引張試験機を用いて測定し、合計20個の測定値を平均した。ただし、接着性多孔質層を片面にしか形成していないセパレータにおいては、接着性多孔質層と接触している電極を剥がす際の力の大きさを測定し、合計10個の測定値を平均した。実施例101又は実施例201における力の大きさを指数100とし、各実施例・比較例の指数を算出し、下記の評価基準に従って評価した。
A:60以上
B:40以上60未満
C:40未満
〔サイクル特性(容量維持率)〕
試験用電池10個に、充電条件を1C、4.2Vの定電流定電圧充電、放電条件を1C、2.75Vカットオフの定電流放電とし、30℃の環境下で充放電を繰返した。300サイクル目の放電容量を初期容量で除して得た値を容量維持率(%)とし、試験用電池10個の平均を算出した。
〔オーブンテスト〕
試験用電池10個を4.2Vまで充電した後、オーブンに入れ、5kgの錘をのせた。この状態で電池温度が2℃/分で昇温するようにオーブンを設定し、オーブン内を150℃まで昇温させ、その際の電池電圧の変化を観察し、下記の評価基準に従って評価した。
G:電池10個とも150℃まで電池電圧の変化が殆どなかった。
NG:少なくとも電池1個において、150℃近傍で急激な電池電圧の低下が確認された。
〔短絡テスト(1)及び(2)〕
試験用電池3個又は5個に、JIS C8714(2007)に従って強制内部短絡試験を行い、下記の評価基準に従って評価した。
−短絡テスト(1):試験数3個−
A:1個も発火しなかった。
B:1個発火した。
C:2個又は3個発火した。
−短絡テスト(2):試験数5個−
AA:1個も発火しなかった。
A:1個発火した。
B:2個又は3個発火した。
C:4個又は5個発火した。
〔耐酸化性〕
試験用電池10個に、60℃の環境下、8mA/4.3Vの定電流・定電圧充電を100時間行った。100時間の充電後に電池を分解してセパレータを肉眼で観察し、下記の評価基準に従って評価した。セパレータは、耐酸化性が高いと、着色が起こりにくい。
G:セパレータに着色が認められなかった。
NG:セパレータに着色が認められた。
≪本発明の第一実施形態≫
本発明の第一実施形態に係るセパレータ、及び該セパレータを使用した電池を作製し、セパレータ及び電池の性能評価を行った。なお、実施例10及び実施例12は、参考例として示す。
<実施例1>
〔セパレータの作製〕
ポリフッ化ビニリデン系樹脂(フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)、PVDF−HFP、モル比95/5)70質量%とアクリルポリマー30質量%との混合物である平均粒子径250nmの樹脂粒子を含む水系エマルションを用意した。
無機フィラーとして、平均粒子径880nm、比重2.35g/cm、CPVC43体積%の水酸化マグネシウム(Mg(OH))を用意した。
樹脂粒子を含む水系エマルション、水酸化マグネシウム、カルボキシメチルセルロース(carboxymethylcellulose、CMC)、イオン交換水、及び2−プロパノールを混合し分散処理して、固形分濃度28.4質量%の耐熱性多孔質層形成用塗工液を作製した。塗工液は、無機フィラー、樹脂粒子、及びCMCの質量比が94.0/5.0/1.0となるように調整し、イオン交換水及び2−プロパノールの質量比が72.7/27.3となるように調整した。
耐熱性多孔質層形成用塗工液を、ポリエチレン微多孔膜(膜厚20μm、ガーレ値170秒/100cc、空孔率48%、ポリエチレンの流動伸び変形温度138.1℃)の片面に、#6バーコータを使用して塗工し、60℃で乾燥した。
こうして、ポリエチレン微多孔膜の片面に、樹脂粒子と無機フィラーの集合体である耐熱性多孔質層が形成されたセパレータを得た。
〔試験用電池の作製〕
−負極の作製−
負極活物質である人造黒鉛300g、バインダーであるスチレン−ブタジエン共重合体の変性体を40質量%含む水溶性分散液7.5g、増粘剤であるカルボキシメチルセルロース3g、及び適量の水を双腕式混合機にて攪拌し、負極形成用スラリーを作製した。この負極形成用スラリーを負極集電体である厚さ10μmの銅箔に塗布し、乾燥後プレスして、負極活物質層を有する負極を得た。
−正極の作製−
正極活物質であるコバルト酸リチウム粉末89.5g、導電助剤であるアセチレンブラック4.5g、及びバインダーであるポリフッ化ビニリデン6gを、ポリフッ化ビニリデンの濃度が6質量%となるようにN−メチル−2−ピロリドンに溶解し、双腕式混合機にて攪拌し、正極形成用スラリーを作製した。この正極形成用スラリーを正極集電体である厚さ20μmのアルミ箔に塗布し、乾燥後プレスして、正極活物質層を有する正極を得た。
−電池の作製−
正極と負極にリードタブを溶接し、正極、セパレータ、負極の順に積層し、積層体を作製した。積層体に電解液をしみ込ませ、アルミラミネートフィルム製パック中に収容した。電解液は1M LiPF−エチレンカーボネート/エチルメチルカーボネート(質量比3/7)を用いた。次に、真空シーラーを用いてパック内を真空状態にして仮封止し、熱プレス機を用いてパックごと積層体を熱プレスし、これにより、電極とセパレータとの接着と、パックの封止とを行った。熱プレスの条件は、電極1cm当たり20kgの荷重、温度90℃、プレス時間2分とした。
<実施例2>
実施例1と同様にして、ただし、無機フィラー、樹脂粒子、及びCMCの質量比を表1に示すとおりに変更して、固形分濃度28.4質量%の耐熱性多孔質層形成用塗工液を作製した。
耐熱性多孔質層形成用塗工液を、ポリエチレン微多孔膜(膜厚9μm、ガーレ値160秒/100cc、空孔率43%、ポリエチレンの流動伸び変形温度140.4℃)の両面に、#6バーコータを使用して等量塗工し、60℃で乾燥した。
こうして、ポリエチレン微多孔膜の両面に、樹脂粒子と無機フィラーの集合体である耐熱性多孔質層が形成されたセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例1と同様にして、試験用電池を作製した。
<実施例3〜5、7〜9>
耐熱性多孔質層形成用塗工液における無機フィラー、樹脂粒子、及びCMCの質量比を表1に示すとおりに変更し、塗工量を表1に示すとおりに変更した以外は実施例2と同様にしてセパレータを得た。そして、各セパレータを用いて、実施例1と同様にして、試験用電池を作製した。
<実施例6>
耐熱性多孔質層形成用塗工液における無機フィラー、樹脂粒子、及びCMCの質量比を表1に示すとおりに変更し、ポリエチレン微多孔膜の片面に塗工した以外は実施例2と同様にしてセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例1と同様にして、試験用電池を作製した。
<実施例10>
ポリフッ化ビニリデン系樹脂(PVDF−HFP、モル比95/5)70質量%とアクリルポリマー30質量%との混合物である平均粒子径250nmの樹脂粒子を含む水系エマルションを用意した。
無機フィラーとして、平均粒子径880nm、比重2.35g/cm、CPVC43体積%の水酸化マグネシウム(Mg(OH))を用意した。
樹脂粒子を含む水系エマルション、水酸化マグネシウム、CMC、及びイオン交換水を混合し分散処理して、固形分濃度30.8質量%の耐熱性多孔質層形成用塗工液を作製した。塗工液は、無機フィラー、樹脂粒子、及びCMCの質量比が73.8/25.0/1.2となるように調整した。
耐熱性多孔質層形成用塗工液を、ポリエチレン微多孔膜(膜厚9μm、ガーレ値160秒/100cc、空孔率43%、ポリエチレンの流動伸び変形温度140.4℃)の両面に、#6バーコータを使用して等量塗工し、60℃で乾燥した。
こうして、ポリエチレン微多孔膜の両面に、樹脂粒子と無機フィラーの集合体である耐熱性多孔質層が形成されたセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例1と同様にして、試験用電池を作製した。
<実施例11>
耐熱性多孔質層形成用塗工液における無機フィラー、樹脂粒子、及びCMCの質量比を表1に示すとおりに変更し、固形分濃度を31.4質量%に変更し、塗工量を表1に示すとおりに変更した以外は実施例10と同様にしてセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例1と同様にして、試験用電池を作製した。
<実施例12>
スチレン−ブタジエンゴム(styrene-butadiene rubber、SBR)からなる平均粒子径150nmの樹脂粒子を含む水系エマルションを用意した。
無機フィラーとして、平均粒子径880nm、比重2.35g/cm、CPVC43体積%の水酸化マグネシウムを用意した。
樹脂粒子を含む水系エマルション、水酸化マグネシウム、CMC、及びイオン交換水を混合し分散処理して、固形分濃度28.4質量%の耐熱性多孔質層形成用塗工液を作製した。塗工液は、無機フィラー、樹脂粒子、及びCMCの質量比が94.0/5.0/1.0となるように調整した。
耐熱性多孔質層形成用塗工液を、表面をコロナ処理したポリエチレン微多孔膜(膜厚9μm、ガーレ値160秒/100cc、空孔率43%、ポリエチレンの流動伸び変形温度140.4℃)の両面に、#6バーコータを使用して等量塗工し、60℃で乾燥した。
こうして、ポリエチレン微多孔膜の両面に、樹脂粒子と無機フィラーの集合体である耐熱性多孔質層が形成されたセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例1と同様にして、試験用電池を作製した。
<実施例13>
ポリフッ化ビニリデン系樹脂(PVDF−HFP、モル比95/5)70質量%とアクリルポリマー30質量%との混合物である平均粒子径250nmの樹脂粒子を含む水系エマルションを用意した。
無機フィラーとして、平均粒子径1.0μm、比重3.95g/cm、CPVC58体積%のα−アルミナ(Al)を用意した。
樹脂粒子を含む水系エマルション、α−アルミナ、CMC、及びイオン交換水を混合し分散処理して、固形分濃度28.4質量%の耐熱性多孔質層形成用塗工液を作製した。塗工液は、無機フィラー、樹脂粒子、及びCMCの質量比が98.5/1.0/0.5となるように調整した。
耐熱性多孔質層形成用塗工液を、表面をコロナ処理したポリエチレン微多孔膜(膜厚9μm、ガーレ値160秒/100cc、空孔率43%、ポリエチレンの流動伸び変形温度140.4℃)の両面に、#6バーコータを使用して等量塗工し、60℃で乾燥した。
こうして、ポリエチレン微多孔膜の両面に、樹脂粒子と無機フィラーの集合体である耐熱性多孔質層が形成されたセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例1と同様にして、試験用電池を作製した。
<実施例14>
α−アルミナを酸化マグネシウム(MgO)(平均粒子径1.0μm、比重3.58g/cm、CPVC50体積%)に替え、耐熱性多孔質層形成用塗工液における無機フィラー、樹脂粒子、及びCMCの質量比を表1に示すとおりに変更し、塗工量を表1に示すとおりに変更した以外は実施例13と同様にしてセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例1と同様にして、試験用電池を作製した。
<実施例15>
α−アルミナを水酸化アルミニウム(Al(OH))(平均粒子径1.0μm、比重2.42g/cm、CPVC48体積%)に替え、耐熱性多孔質層形成用塗工液における無機フィラー、樹脂粒子、及びCMCの質量比を表1に示すとおりに変更し、塗工量を表1に示すとおりに変更した以外は実施例13と同様にしてセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例1と同様にして、試験用電池を作製した。
<実施例16>
α−アルミナをカオリン(AlSi10(OH))(平均粒子径1.0μm、比重2.60g/cm、CPVC46体積%)に替え、耐熱性多孔質層形成用塗工液における無機フィラー、樹脂粒子、及びCMCの質量比を表1に示すとおりに変更し、塗工量を表1に示すとおりに変更した以外は実施例13と同様にしてセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例1と同様にして、試験用電池を作製した。
<比較例1>
耐熱性多孔質層形成用塗工液における無機フィラー、樹脂粒子、及びCMCの質量比を表1に示すとおりに変更し、固形分濃度を26.3質量%に変更し、塗工量を表1に示すとおりに変更した以外は実施例2と同様にしてセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例1と同様にして、試験用電池を作製した。
<比較例2>
耐熱性多孔質層形成用塗工液における無機フィラー、樹脂粒子、及びCMCの質量比を表1に示すとおりに変更し、固形分濃度を35.3質量%に変更し、塗工量を表1に示すとおりに変更した以外は実施例2と同様にしてセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例1と同様にして、試験用電池を作製した。
<比較例3>
ポリフッ化ビニリデン系樹脂(PVDF−HFP、モル比95/5)70質量%とアクリルポリマー30質量%との混合物である平均粒子径250nmの樹脂粒子を含む水系エマルションを用意した。また、ポリエチレン粒子(三井化学社製ケミパールW100、平均粒子径3μm)を用意した。
無機フィラーとして、平均粒子径880nm、比重2.35g/cm、CPVC43体積%の水酸化マグネシウム(Mg(OH))を用意した。
ポリフッ化ビニリデン系樹脂を含む樹脂粒子を含む水系エマルション、ポリエチレン粒子、水酸化マグネシウム、CMC、及びイオン交換水を混合し分散処理して、固形分濃度30.8質量%の耐熱性多孔質層形成用塗工液を作製した。塗工液は、無機フィラー、ポリフッ化ビニリデン系樹脂を含む樹脂粒子、ポリエチレン粒子、及びCMCの質量比が54.5/3.6/36.4/5.5となるように調整した。
耐熱性多孔質層形成用塗工液を、ポリエチレン微多孔膜(膜厚9μm、ガーレ値160秒/100cc、空孔率43%、ポリエチレンの流動伸び変形温度140.4℃)の両面に、#6バーコータを使用して等量塗工し、60℃で乾燥した。
こうして、ポリエチレン微多孔膜の両面に、樹脂粒子及び無機フィラーを含む耐熱性多孔質層が形成されたセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例1と同様にして、試験用電池を作製した。
実施例1〜16及び比較例1〜3のセパレータ及び試験用電池の諸特性及び評価結果を表1及び表2に示す。
表2に示す結果から、実施例1〜16のセパレータは、イオン透過性と熱寸法安定性に優れていること、実施例1〜16のセパレータを用いて作製した電池は、電池特性及び安全性に優れていることがわかる。
実施例1〜16のセパレータについて、以下の方法で水分率を測定した。
セパレータから、水分気化装置(三菱アナリテック社製VA−100型)を用い120℃で水分を気化させた後、カールフィッシャー水分計(三菱化学社製CA−100)を用いて水分を測定した。その結果、実施例1〜16のセパレータの水分率は、いずれも1000ppm以下であった。
≪本発明の第二実施形態(1)≫
本発明の第二実施形態に係るセパレータ、及び該セパレータを使用した電池を作製し、セパレータ及び電池の性能評価を行った。
<実施例101>
〔セパレータの作製〕
−耐熱性多孔質層の形成−
ポリフッ化ビニリデン系樹脂(フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)、PVDF−HFP、モル比95/5)70質量%とアクリルポリマー30質量%との混合物である平均粒子径250nmの樹脂粒子を含む水系エマルションを用意した。
フィラーとして、平均粒子径880nm、比重2.35g/cm、CPVC43体積%の水酸化マグネシウム(Mg(OH))を用意した。
樹脂粒子を含む水系エマルションに、水酸化マグネシウムを分散させて、耐熱性多孔質層形成用塗工液を作製した。塗工液は、樹脂の濃度が7.4質量%となるように調整し、樹脂とフィラーの合計量に占めるフィラーの割合が90質量%となるように調整した。
耐熱性多孔質層形成用塗工液を、ポリエチレン微多孔膜(膜厚9μm、ガーレ値160秒/100cc、空孔率43%、ポリエチレンの流動伸び変形温度140.4℃)の両面に、バーコータを使用して等量塗工し、60℃で乾燥した。
こうして、ポリエチレン微多孔膜の両面に、樹脂粒子と無機フィラーの集合体である耐熱性多孔質層が形成された積層体を得た。
−接着性多孔質層の形成−
ポリフッ化ビニリデン系樹脂(PVDF−HFP、モル比97/3、重量平均分子量100万)を用意した。
PVDF−HFPを濃度が5質量%となるように、ジメチルアセトアミドとトリプロピレングリコールの混合溶媒(ジメチルアセトアミド/トリプロピレングリコール=7/3[質量比])に溶解し、接着性多孔質層形成用塗工液を作製した。
接着性多孔質層形成用塗工液を前記積層体の両面に等量塗工し、これを40℃の凝固液(水/ジメチルアセトアミド/トリプロピレングリコール=57/30/13[質量比])に浸漬して固化させた。次いで、これを水洗し乾燥させた。
こうして、前記積層体の両面に、PVDF−HFPからなる接着性多孔質層が形成されたセパレータを得た。
〔試験用電池の作製〕
−負極の作製−
負極活物質である人造黒鉛300g、バインダーであるスチレン−ブタジエン共重合体の変性体を40質量%含む水溶性分散液7.5g、増粘剤であるカルボキシメチルセルロース3g、及び適量の水を双腕式混合機にて攪拌し、負極形成用スラリーを作製した。この負極形成用スラリーを負極集電体である厚さ10μmの銅箔に塗布し、乾燥後プレスして、負極活物質層を有する負極を得た。
−正極の作製−
正極活物質であるコバルト酸リチウム粉末89.5g、導電助剤であるアセチレンブラック4.5g、及びバインダーであるポリフッ化ビニリデン6gを、ポリフッ化ビニリデンの濃度が6質量%となるようにN−メチル−2−ピロリドンに溶解し、双腕式混合機にて攪拌し、正極形成用スラリーを作製した。この正極形成用スラリーを正極集電体である厚さ20μmのアルミ箔に塗布し、乾燥後プレスして、正極活物質層を有する正極を得た。
−電池の作製−
正極と負極にリードタブを溶接し、正極、セパレータ、負極の順に積層し、積層体を作製した。積層体に電解液をしみ込ませ、アルミラミネートフィルム製パック中に収容した。電解液は1M LiPF−エチレンカーボネート/エチルメチルカーボネート(質量比3/7)を用いた。次に、真空シーラーを用いてパック内を真空状態にして仮封止し、熱プレス機を用いてパックごと積層体を熱プレスし、これにより、電極とセパレータとの接着と、パックの封止とを行った。熱プレスの条件は、電極1cm当たり20kgの荷重、温度90℃、プレス時間2分とした。
<実施例102〜104>
耐熱性多孔質層形成用塗工液における、樹脂とフィラーの合計量に占めるフィラーの割合を表3に示すとおりに変更した以外は実施例101と同様にしてセパレータを得た。そして、各セパレータを用いて、実施例101と同様にして、試験用電池を作製した。
<実施例105>
耐熱性多孔質層形成用塗工液をポリエチレン微多孔膜の片面に塗工した以外は実施例101と同様にしてセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例101と同様にして、試験用電池を作製した。
<実施例106>
耐熱性多孔質層形成用塗工液をポリエチレン微多孔膜の片面に塗工した以外は実施例104と同様にしてセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例101と同様にして、試験用電池を作製した。
<実施例107>
−耐熱性多孔質層の形成−
スチレン−ブタジエンゴム(styrene-butadiene rubber、SBR)からなる平均粒子径150nmの樹脂粒子を含む水系エマルションを用意した。
フィラーとして、平均粒子径880nm、比重2.35g/cm、CPVC43体積%の水酸化マグネシウム(Mg(OH))を用意した。
SBRを含む水系エマルションに、水酸化マグネシウムを分散させて、耐熱性多孔質層形成用塗工液を作製した。塗工液は、SBRの濃度が7.4質量%となるように調整し、樹脂とフィラーの合計量に占めるフィラーの割合が70質量%となるように調整した。
耐熱性多孔質層形成用塗工液を、表面をコロナ処理したポリエチレン微多孔膜(膜厚9μm、ガーレ値160秒/100cc、空孔率43%、ポリエチレンの流動伸び変形温度140.4℃)の両面に、バーコータを使用して等量塗工し、60℃で乾燥した。
こうして、ポリエチレン微多孔膜の両面に、樹脂粒子と無機フィラーの集合体である耐熱性多孔質層が形成された積層体を得た。
前記積層体の両面に、実施例101と同様にして接着性多孔質層を形成し、セパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例101と同様にして、試験用電池を作製した。
<実施例108>
耐熱性多孔質層形成用塗工液において、SBRの濃度を5.0質量%に変更し、樹脂とフィラーの合計量に占めるフィラーの割合を80質量%に変更し、ポリエチレン微多孔膜の片面に塗工した以外は実施例107と同様にしてセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例101と同様にして、試験用電池を作製した。
<実施例109>
−耐熱性多孔質層の形成−
ポリフッ化ビニリデン系樹脂(PVDF−HFP、モル比97/3、重量平均分子量100万)を用意した。
フィラーとして、平均粒子径880nm、比重2.35g/cm、CPVC43体積%の水酸化マグネシウム(Mg(OH))を用意した。
PVDF−HFPを濃度が5質量%となるように、ジメチルアセトアミドとトリプロピレングリコールの混合溶媒(ジメチルアセトアミド/トリプロピレングリコール=7/3[質量比])に溶解させ、ここに水酸化マグネシウムを分散させて、耐熱性多孔質層形成用塗工液を作製した。塗工液は、樹脂とフィラーの合計量に占めるフィラーの割合が90質量%となるように調整した。
耐熱性多孔質層形成用塗工液を、ポリエチレン微多孔膜(膜厚9μm、ガーレ値160秒/100cc、空孔率43%、ポリエチレンの流動伸び変形温度140.4℃)の両面に等量塗工し、これを40℃の凝固液(水/ジメチルアセトアミド/トリプロピレングリコール=57/30/13[質量比])に浸漬して固化させた。次いで、これを水洗し乾燥させた。
こうして、ポリエチレン微多孔膜の両面に、樹脂及びフィラーを含む耐熱性多孔質層が形成された積層体を得た。
前記積層体の両面に、実施例101と同様にして接着性多孔質層を形成し、セパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例101と同様にして、試験用電池を作製した。
<実施例110>
耐熱性多孔質層形成用塗工液において、PVDF−HFPをポリフッ化ビニリデン(poly(vinylidene fluoride)、PVDF、重量平均分子量100万)に替え、樹脂とフィラーの合計量に占めるフィラーの割合を80質量%に変更した以外は実施例109と同様にしてセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例101と同様にして、試験用電池を作製した。
<実施例111>
−耐熱性多孔質層の形成−
ポリビニルアルコール(polyvinyl alcohol、PVA、鹸化度98以上、平均重合度2400)を含む水溶液を用意した。
フィラーとして、平均粒子径880nm、比重2.35g/cm、CPVC43体積%の水酸化マグネシウム(Mg(OH))を用意した。
PVAを含む水溶液に、水酸化マグネシウムを分散させて、耐熱性多孔質層形成用塗工液を作製した。塗工液は、PVAの濃度が7.4質量%となるように調整し、樹脂とフィラーの合計量に占めるフィラーの割合が70質量%となるように調整した。
耐熱性多孔質層形成用塗工液を、ポリエチレン微多孔膜(膜厚9μm、ガーレ値160秒/100cc、空孔率43%、ポリエチレンの流動伸び変形温度140.4℃)の両面に、バーコータを使用して等量塗工し、60℃で乾燥した。
こうして、ポリエチレン微多孔膜の両面に、樹脂及びフィラーを含む耐熱性多孔質層が形成された積層体を得た。
前記積層体の両面に、実施例101と同様にして接着性多孔質層を形成し、セパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例101と同様にして、試験用電池を作製した。
<実施例112>
耐熱性多孔質層形成用塗工液において、水酸化マグネシウムをα−アルミナ(Al)(平均粒子径1.0μm、比重3.95g/cm、CPVC58体積%)に替え、樹脂とフィラーの合計量に占めるフィラーの割合を65質量%に変更した以外は実施例101と同様にしてセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例101と同様にして、試験用電池を作製した。
<実施例113>
耐熱性多孔質層形成用塗工液において、水酸化マグネシウムを酸化マグネシウム(MgO)(平均粒子径1.0μm、比重3.58g/cm、CPVC50体積%)に替え、樹脂とフィラーの合計量に占めるフィラーの割合を70質量%に変更した以外は実施例101と同様にしてセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例101と同様にして、試験用電池を作製した。
<実施例114>
耐熱性多孔質層形成用塗工液において、水酸化マグネシウムを水酸化アルミニウム(Al(OH))(平均粒子径1.0μm、比重2.42g/cm、CPVC48体積%)に替え、樹脂とフィラーの合計量に占めるフィラーの割合を86質量%に変更した以外は実施例101と同様にしてセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例101と同様にして、試験用電池を作製した。
<実施例115>
耐熱性多孔質層形成用塗工液において、水酸化マグネシウムをカオリン(AlSi10(OH))(平均粒子径1.0μm、比重2.60g/cm、CPVC46体積%)に替え、樹脂とフィラーの合計量に占めるフィラーの割合を50質量%に変更した以外は実施例101と同様にしてセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例101と同様にして、試験用電池を作製した。
<実施例116>
耐熱性多孔質層形成用塗工液において、水酸化マグネシウムをタルク(MgSi10(OH))(平均粒子径1.0μm、比重2.70g/cm、CPVC51体積%)に替え、樹脂とフィラーの合計量に占めるフィラーの割合を80質量%に変更した以外は実施例101と同様にしてセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例101と同様にして、試験用電池を作製した。
<実施例117>
耐熱性多孔質層形成用塗工液において、水酸化マグネシウムを板状ベーマイト(Al・HO)(平均粒子径1.2μm、比重2.70g/cm、CPVC26体積%)に替え、樹脂とフィラーの合計量に占めるフィラーの割合を50質量%に変更した以外は実施例101と同様にしてセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例101と同様にして、試験用電池を作製した。
<実施例118>
耐熱性多孔質層形成用塗工液において、水酸化マグネシウムを板状炭酸カルシウム(CaCO)(平均粒子径1.1μm、比重2.60g/cm、CPVC24体積%)に替え、樹脂とフィラーの合計量に占めるフィラーの割合を50質量%に変更した以外は実施例101と同様にしてセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例101と同様にして、試験用電池を作製した。
<実施例119>
−耐熱性多孔質層の形成−
ポリビニルアルコール(polyvinyl alcohol、PVA、鹸化度98以上、平均重合度2400)を含む水溶液を用意した。
フィラーとして、平均粒子径1.1μm、比重2.60g/cm、CPVC24体積%の板状炭酸カルシウム(CaCO)を用意した。
PVAを含む水溶液に、板状炭酸カルシウムを分散させて、耐熱性多孔質層形成用塗工液を作製した。塗工液は、PVAの濃度が7.4質量%となるように調整し、樹脂とフィラーの合計量に占めるフィラーの割合が80質量%となるように調整した。
耐熱性多孔質層形成用塗工液を、ポリエチレン微多孔膜(膜厚9μm、ガーレ値160秒/100cc、空孔率43%、ポリエチレンの流動伸び変形温度140.4℃)の両面に、バーコータを使用して等量塗工し、60℃で乾燥した。
こうして、ポリエチレン微多孔膜の両面に、樹脂及びフィラーを含む耐熱性多孔質層が形成された積層体を得た。
前記積層体の両面に、実施例101と同様にして接着性多孔質層を形成し、セパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例101と同様にして、試験用電池を作製した。
<実施例120>
接着性多孔質層形成用塗工液に、フィラーとして平均粒子径1.8μmのポリメタクリル酸メチル樹脂(poly(methyl methacrylate)、PMMA)を2.1質量%分散させた以外は実施例101と同様にしてセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例101と同様にして、試験用電池を作製した。
<実施例121>
スチレン−ブタジエンゴム(styrene-butadiene rubber、SBR)からなる樹脂粒子(平均粒子径150nm)を濃度5.0質量%で含む水系エマルションを、接着性多孔質層形成用塗工液として使用し、塗工後に乾燥させて接着性多孔質層を形成した以外は実施例103と同様にしてセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例101と同様にして、試験用電池を作製した。
<比較例101>
耐熱性多孔質層形成用塗工液における樹脂とフィラーの合計量に占めるフィラーの割合を70質量%に変更し、接着性多孔質層を片面に形成した以外は実施例101と同様にしてセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例101と同様にして、試験用電池を作製した。
<比較例102>
耐熱性多孔質層形成用塗工液における樹脂とフィラーの合計量に占めるフィラーの割合を50質量%に変更し、接着性多孔質層を片面に形成した以外は実施例101と同様にしてセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例101と同様にして、試験用電池を作製した。
<比較例103>
耐熱性多孔質層を形成せず、接着性多孔質層の厚さを変えた以外は実施例101と同様にしてセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例101と同様にして、試験用電池を作製した。
<比較例104>
耐熱性多孔質層形成用塗工液における樹脂とフィラーの合計量に占めるフィラーの割合を99質量%に変更した以外は実施例101と同様にしてセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例101と同様にして、試験用電池を作製した。
<比較例105>
耐熱性多孔質層形成用塗工液において、樹脂の濃度を7.0質量%に変更し、樹脂とフィラーの合計量に占めるフィラーの割合を50質量%に変更した以外は実施例101と同様にしてセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例101と同様にして、試験用電池を作製した。
<比較例106>
耐熱性多孔質層形成用塗工液において、フィラーとして2種類の水酸化マグネシウムの混合物(平均粒子径0.8μmの水酸化マグネシウムと平均粒子径0.2μmの水酸化マグネシウムを質量比1:1の割合で混合した混合物。比重2.36g/cm、CPVC80体積%)を使用し、樹脂とフィラーの合計量に占めるフィラーの割合を50質量%に変更した以外は実施例101と同様にしてセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例101と同様にして、試験用電池を作製した。
実施例101〜121及び比較例101〜106のセパレータ及び試験用電池の諸特性及び評価結果を表3及び表4に示す。
表4に示す結果から、実施例101〜121のセパレータは、耐熱性、電極との接着性、及びイオン透過性をバランスよく備えていること、実施例101〜121のセパレータを用いて作製した電池は、電池特性及び安全性に優れていることがわかる。
≪本発明の第二実施形態(2)≫
本発明の第二実施形態に係るセパレータ、及び該セパレータを使用した電池を作製し、セパレータ及び電池の性能評価を行った。
<実施例201>
〔セパレータの作製〕
−耐熱性多孔質層の形成−
ポリフッ化ビニリデン系樹脂(フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)、PVDF−HFP、モル比95/5)70質量%とアクリルポリマー30質量%との混合物である平均粒子径250nmの樹脂粒子を含む水系エマルションを用意した。
フィラーとして、平均粒子径880nm、比重2.35g/cm、CPVC43体積%の水酸化マグネシウム(Mg(OH))を用意した。
樹脂粒子を含む水系エマルション、水酸化マグネシウム、カルボキシメチルセルロース(carboxymethylcellulose、CMC)、及びイオン交換水を混合し分散処理して、固形分濃度24.8質量%の耐熱性多孔質層形成用塗工液を作製した。塗工液は、フィラー、樹脂粒子、及びCMCの質量比が96.0/3.0/1.0となるように調整した。
耐熱性多孔質層形成用塗工液を、表面をコロナ処理したポリエチレン微多孔膜(膜厚13μm、ガーレ値183秒/100cc、空孔率36%、ポリエチレンの流動伸び変形温度132.4℃)の片面に、マイクログラビアを使用して塗工し、60℃で乾燥した。
こうして、ポリエチレン微多孔膜の片面に、樹脂粒子と無機フィラーの集合体である耐熱性多孔質層が形成されたセパレータを得た。
−接着性多孔質層の形成−
重合比[モル比]98.9/1.1且つ重量平均分子量195万のPVDF−HFPと、重合比[モル比]95.2/4.8且つ重量平均分子量47万のPVDF−HFPとを、質量比1:1の割合で混合し、混合物を調製した。
この混合物を濃度が5質量%となるように、ジメチルアセトアミドとトリプロピレングリコールの混合溶媒(ジメチルアセトアミド/トリプロピレングリコール=8/2[質量比])に溶解し、接着性多孔質層形成用塗工液を作製した。
接着性多孔質層形成用塗工液を前記積層体の両面に等量塗工し、これを40℃の凝固液(水/ジメチルアセトアミド/トリプロピレングリコール=62.5/30/7.5[質量比])に浸漬して固化させた。次いで、これを水洗し乾燥させた。
こうして、前記積層体の両面に、PVDF−HFPからなる接着性多孔質層が形成されたセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例101と同様にして、試験用電池を作製した。
<実施例202>
耐熱性多孔質層形成用塗工液におけるフィラー、樹脂粒子、及びCMCの質量比を94.0/5.0/1.0に変更した以外は実施例201と同様にしてセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例101と同様にして、試験用電池を作製した。
<実施例203>
耐熱性多孔質層形成用塗工液に、更にPVDF樹脂エマルション(アルケマ社製Kynar Aquatec(登録商標))を添加し、フィラー、樹脂粒子、Kynar Aquatec(登録商標)、及びCMCの質量比を81.0/9.0/9.0(固形分量)/1.0となるように調整した以外は実施例201と同様にしてセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例101と同様にして、試験用電池を作製した。
<実施例204>
耐熱性多孔質層形成用塗工液におけるフィラー、樹脂粒子、及びCMCの質量比を78.0/20.0/2.0に変更した以外は実施例201と同様にしてセパレータを得た。そして、該セパレータを用いて、実施例101と同様にして、試験用電池を作製した。
実施例201〜204のセパレータ及び試験用電池の諸特性及び評価結果を表5及び表6に示す。
表6に示す結果から、実施例201〜204のセパレータは、耐熱性、電極との接着性、及びイオン透過性をバランスよく備えていること、実施例201〜204のセパレータを用いて作製した電池は、電池特性及び安全性に優れていることがわかる。
2012年11月30日に出願の日本国出願番号第2012−262515号、2012年11月30日に出願の日本国出願番号第2012−262516号、2013年3月19日に出願の日本国出願番号第2013−056710号、2013年3月19日に出願の日本国出願番号第2013−056712号、及び2013年6月12日に出願の日本国出願番号第2013−123873号の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

Claims (17)

  1. 熱可塑性樹脂からなる多孔質基材と、
    前記多孔質基材の片面又は両面に設けられ、樹脂粒子と無機フィラーの集合体であり、下記の式(1)を満たす耐熱性多孔質層と、
    を備え、
    前記樹脂粒子が、ポリフッ化ビニリデン系樹脂を含む樹脂粒子であり、
    前記無機フィラーが、金属水酸化物、金属酸化物、炭酸塩、硫酸塩、及び粘土鉱物から選ばれる少なくとも1種であり、
    前記耐熱性多孔質層において、前記樹脂粒子と前記無機フィラーの合計量に占める前記無機フィラーの割合が81.4質量%以上99質量%以下である、
    非水系二次電池用セパレータ。
    式(1) 0.65≦Vf/CPVC≦0.99
    式(1)中、Vfは、前記耐熱性多孔質層における前記無機フィラーの体積割合(体積%)であり、CPVCは、前記無機フィラーの臨界顔料体積濃度(体積%)である。
  2. 前記耐熱性多孔質層の空孔率が40%以上70%以下である、請求項1に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  3. 前記耐熱性多孔質層の空孔率と前記Vf/CPVCとの積が40%以上60%以下である、請求項2に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  4. 前記耐熱性多孔質層における前記無機フィラーの含有量が2.0g/m以上20.0g/m以下である、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  5. 前記無機フィラーの臨界顔料体積濃度が20体積%以上70体積%以下である、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  6. 前記非水系二次電池用セパレータは、昇温速度5℃/分で前記熱可塑性樹脂の流動伸び変形温度まで加熱した際の、長手方向の熱寸法変化率及び幅方向の熱寸法変化率が3%以下である、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  7. 前記非水系二次電池用セパレータは、150℃で30分間熱処理した際の、長手方向の熱収縮率及び幅方向の熱収縮率が3%以下である、請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  8. 前記無機フィラーが水酸化マグネシウム又は酸化マグネシウムである、請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  9. 熱可塑性樹脂からなる多孔質基材と、
    前記多孔質基材の片面又は両面に設けられ、樹脂及び無機フィラーを含み、下記の式(2)を満たす耐熱性多孔質層と、
    前記多孔質基材及び前記耐熱性多孔質層の積層体の両面に設けられ、接着性樹脂を含む接着性多孔質層と、
    を備え、
    前記耐熱性多孔質層に含まれる前記樹脂が、耐熱性樹脂、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、及びスチレン−ブタジエンゴムから選ばれる少なくとも1種であり、
    前記接着性多孔質層に含まれる前記接着性樹脂が、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、及びスチレン−ブタジエンゴムから選ばれる少なくとも1種であり、
    前記無機フィラーが、金属水酸化物、金属酸化物、炭酸塩、硫酸塩、及び粘土鉱物から選ばれる少なくとも1種である、
    非水系二次電池用セパレータ。
    式(2) 0.40≦Vf/CPVC≦0.99
    式(2)中、Vfは、前記耐熱性多孔質層における前記無機フィラーの体積割合(体積%)であり、CPVCは、前記無機フィラーの臨界顔料体積濃度(体積%)である。
  10. 前記耐熱性多孔質層の空孔率と前記接着性多孔質層の空孔率の平均が30%以上70%以下である、請求項9に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  11. 前記耐熱性多孔質層において、前記樹脂と前記無機フィラーの合計量に占める前記無機フィラーの割合が50質量%以上98質量%以下である、請求項9又は請求項10に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  12. 前記無機フィラーの臨界顔料体積濃度が20体積%以上80体積%以下である、請求項9〜請求項11のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  13. 前記耐熱性多孔質層と前記接着性多孔質層との間の剥離強度が0.05N/cm以上である、請求項9〜請求項12のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  14. 前記耐熱性多孔質層に含まれる前記樹脂が、ポリフッ化ビニリデン系樹脂を含む樹脂粒子であり、
    前記耐熱性多孔質層が、前記樹脂粒子と前記無機フィラーの集合体である、
    請求項9〜請求項13のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  15. 前記無機フィラーが水酸化マグネシウム又は酸化マグネシウムである、請求項9〜請求項14のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  16. 前記耐熱性多孔質層は、さらに増粘剤を含む、請求項1〜請求項15のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  17. 正極と、負極と、前記正極及び前記負極の間に配置された請求項1〜請求項16のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータと、を備え、リチウムのドープ・脱ドープにより起電力を得る、非水系二次電池。
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