JP5747918B2 - 二次電池用多孔膜、製造方法、及び用途 - Google Patents
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Description
粒子の形状を特定のものとすること自体は、無機微粒子について検討した特許文献1及び2にも既に記載があるが、これまでは板状の形状や粒子が連鎖した形状等、非球形のものが好ましいと考えられていた。
しかしながら、本願発明者らが検討を行った結果、意外にも、有機微粒子の場合、無機微粒子の場合とは異なり、球形に近い非球形であるものにおいて、特に良好な効果が得られる場合があった。そのような良好な効果が得られる場合がどのような場合であるかについてさらに検討を行った結果、粒子の形状に加え、その形状係数の変動及び粒度の変動が効果の良否に大きく影響しており、これらの変動係数が特定以下の低い場合である場合に所望の効果が得られることが見出された。本発明は、上記知見に基づき完成されたものである。
即ち、本発明によれば、下記のものが提供される。
〔1〕 非導電性粒子及び多孔膜用バインダーを含む二次電池用多孔膜であって、
前記非導電性粒子が、重合体の粒子であり、
形状係数の算術平均値が1.05〜1.60であり、
前記形状係数の変動係数が16%以下であり、
粒径の変動係数が26%以下である粒子である
二次電池用多孔膜。
〔2〕 前記多孔膜用バインダーが(メタ)アクリル重合体であり、
前記二次電池用多孔膜中の前記(メタ)アクリル重合体の含有割合が、3〜20重量%である、〔1〕に記載の二次電池用多孔膜。
〔3〕 前記非導電性粒子の個数平均粒径が100〜1000nmである、〔1〕又は〔2〕に記載の二次電池用多孔膜。
〔4〕 前記非導電性粒子の、熱天秤により窒素雰囲気下で昇温速度10℃/分で加熱したときの減量割合が10重量%に達する温度が360℃以上である〔1〕〜〔3〕のいずれか1項に記載の二次電池用多孔膜。
〔5〕 〔1〕〜〔4〕のいずれか1項に記載の二次電池用多孔膜の製造方法であって、
重合性単量体組成物を重合して、
形状係数の算術平均値が1.05〜1.60であり、
前記形状係数の変動係数が16%以下であり、
粒径の変動係数が26%以下である非導電性粒子を得、
前記非導電性粒子、多孔膜用バインダー及び媒体を混合して、これらを含む多孔膜用スラリーを得、
前記多孔膜用スラリーを、基材上に塗布してスラリー層を得、
前記スラリー層を乾燥する
ことを含む、製造方法。
〔6〕 前記多孔膜用バインダーが(メタ)アクリル重合体であり、
前記媒体が水系媒体であり、
前記多孔膜用スラリーを得る工程が、前記多孔膜用スラリーを水性分散体として得ることを含む、〔5〕に記載の製造方法。
〔7〕 集電体、
電極活物質及び電極合剤層用結着剤を含み、前記集電体上に付着する電極合剤層、並びに
前記電極合剤層の表面に積層された、〔1〕〜〔4〕のいずれか1項に記載の多孔膜を有する二次電池用電極。
〔8〕 有機セパレーター層、及び前記有機セパレーター層上に積層された〔1〕〜〔4〕のいずれか1項に記載の多孔膜を有する二次電池用セパレーター。
〔9〕 正極、負極、セパレーター及び電解液を含む二次電池であって、前記正極、負極及びセパレーターの少なくともいずれかが、〔1〕〜〔4〕のいずれか1項に記載の多孔膜を有する、二次電池。
以下、実施形態及び例示物等を示して本発明について詳細に説明するが、本発明は以下に説明する実施形態及び例示物等に限定されるものではなく、本願の請求の範囲及びその均等の範囲を逸脱しない範囲において任意に変更して実施できる。
本発明の二次電池用多孔膜は、非導電性粒子及び多孔膜用バインダーを含む。本発明の二次電池用多孔膜において、非導電性粒子は、所定の形状を有する重合体の粒子である。
本発明において、非導電性粒子は、その形状係数の算術平均値、形状係数の変動係数、及び粒径の変動係数が特定の範囲内である。形状係数の算術平均値の下限は1.05以上であり、好ましくは1.07以上であり、より好ましくは1.09以上である。一方形状係数の算術平均値の上限は、1.60以下であり、好ましくは1.45以下であり、より好ましくは1.35以下である。形状係数の変動係数の上限は16%以下であり、好ましくは13%以下であり、より好ましくは10%以下である。形状係数の変動係数の下限は特に限定されないが、0%以上とすることができる。粒径の変動係数の上限は26%以下であり、好ましくは23%以下であり、より好ましくは20%以下である。粒径の変動係数の下限は特に限定されないが、0%以上とすることができる。
形状係数=((最大径/2)2×π)/投影面積 式(A)
粒子の形状の観察は、走査電子顕微鏡(例えば電界放出形走査電子顕微鏡(Hitachi S−4700:日立ハイテク社製))により非導電性粒子を拡大した画像を撮影することにより行う。観察倍率は、粒子の径に合わせて適宜調整しうるが、例えば50000倍とすることができる。得られた画像のノイズを除去し、画像解析ソフトウエア(例えば、analySIS Pro:オリンパス社製)を使用して画像の解析を行うことにより、形状係数の算術平均値及び変動係数を計算することができる。
即ち、形状係数は、これまで球形から大きく離れた形状が良好であるとされていた(特許文献1及び2等)が、重合体粒子の場合、それとは大きく異なる、より球形に近いが依然非球形の形状とすることにより、粒子同士の接触面積を確保することができ、高温での電池の短絡を防止する能力が高まる。しかしながら、そこで形状係数の変動係数及び粒径の変動係数が大きすぎる場合、粒子の充填密度が高くなり、粒子間の隙間が小さくなり且つ層中の弱い部分に力が集中し、割れ易く(裁断時に不所望な割れ目が入ったり粉落ちを起こしたりする)且つイオンの移動を阻害し易い多孔膜となってしまう。ここで、形状係数に加えて形状係数の変動係数及び粒径の変動係数を特定の値以下の小さい値とすることにより、結果として、高温での短絡が少なく、強度の分布が均一であり、且つイオンの移動の阻害が少ない多孔膜を得ることができる。さらに、重合体の粒子を採用することにより、無機粒子を採用する場合に比べて水分及び金属イオンの混入量を下げることができ、これによっても電池の性能を高めることができる。
また、形状係数がある程度以上大きくなると、粒子の形状にばらつきが生じることを避けることが困難となるので、形状係数の変動係数及び粒径の変動係数も必然的に高い値となるところ、本願の場合、従来良好であるとされていたより球形に近い非球形形状とすることにより、形状係数の変動係数及び粒径の変動係数も所望の効果を得られる範囲とすることができる。
個数平均粒径のより好ましい範囲は、下限は好ましくは200nm以上であり、より好ましくは300nm以上である。一方上限は好ましくは800nm以下であり、より好ましくは700nm以下である。
本発明において、平均粒径は、電子顕微鏡写真(倍率25,000)により測定した100個の粒子径の平均値としうる。
非導電性粒子の平均粒径を前記範囲とすることにより、二次電池の多孔膜として好ましい厚みの範囲(3〜10μm)において、非導電性粒子同士が接触部を有しつつ、イオンの移動が阻害されない程度に、非導電性粒子同士の隙間を形成できる。従って、非導電性粒子の平均粒径が前記範囲内であれば、いずれの平均粒径であっても、得られる多孔膜の厚みを均一にすることができ、それにより、多孔膜の強度が向上し、電池の短絡を防止し、電池のサイクル特性を向上することができるという効果が奏しうる。
平均粒径が大きすぎると、二次電池の多孔膜としての好ましい厚みの範囲(3〜10μm)において、非導電性粒子同士の接触部が少なくなり、且つ厚みが不均一となることがある。そのため、多孔膜の強度が不足し、電池の短絡が発生しやすくなるため好ましく無い。一方、平均粒径が小さすぎると、非導電性粒子同士の隙間が小さいため、イオンの移動が阻害され、電池のサイクル特性が低下しうるため好ましく無い。
本発明において、非導電性粒子は、重合体の粒子である。かかる重合体は、重合性単量体組成物を重合して粒子の形状とすることにより得ることができる。重合性単量体組成物を構成する単量体は、所望の性状が得られるよう適宜選択することができるが、例えば下記に述べる単量体を含有するものが好ましい。
重合性単量体組成物は、極性基含有単量体を含有することが好ましい。極性基含有単量体とは、分子構造中に極性基を含有し、且つ、重合性単量体組成物中の他の1種以上の単量体、特にジビニルベンゼン及びエチルビニルベンゼンと共重合しうる単量体である。極性基とは、水中で解離しうる官能基や分極を有する官能基のことをいい、具体的には、カルボキシル基、スルホン酸基、水酸基、アミド基、カチオン性基、シアノ基、エポキシ基などが挙げられる。
モノカルボン酸としては、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸、2−エチルアクリル酸、イソクロトン酸、α−アセトキシアクリル酸、β−trans−アリールオキシアクリル酸、α−クロロ−β−E−メトキシアクリル酸、β−ジアミノアクリル酸などが挙げられる。
ジカルボン酸としては、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸、メチルマレイン酸、ジメチルマレイン酸、フェニルマレイン酸、クロロマレイン酸、ジクロロマレイン酸、及びフルオロマレイン酸などが挙げられる。
ジカルボン酸誘導体としては、マレイン酸メチルアリル、マレイン酸ジフェニル、マレイン酸ノニル、マレイン酸デシル、マレイン酸ドデシル、マレイン酸オクタデシル、及びマレイン酸フルオロアルキルなどのマレイン酸エステルが挙げられる。
ジカルボン酸の酸無水物としては、無水マレイン酸、アクリル酸無水物、メチル無水マレイン酸、ジメチル無水マレイン酸などが挙げられる。
重合性単量体組成物は、ジビニルベンゼン及びエチルビニルベンゼンを含有することが好ましい。重合性単量体組成物を構成するジビニルベンゼン及びエチルビニルベンゼンとしては、いずれの異性体(オルト、メタ、パラ体)をも用いることができ、さらには複数の異性体の混合物を用いることもできる。
ジビニルベンゼン及びエチルビニルベンゼンは、所定割合の混合物として調製されたものが市販されており、これらはジビニルベンゼンのみ又はエチルビニルベンゼンのみに精製されたものより安価に入手することができる。本発明では、ジビニルベンゼン及びエチルビニルベンゼンを両方含有する単量体組成物を用いるため、そのような安価な調製品を材料として利用することで製造コストを低減できる。
重合性単量体組成物は、上記3種の単量体に加えて、必要に応じて任意の単量体を含みうる。かかる任意の単量体としては、極性基を含有せず、且つ、ジビニルベンゼン及びエチルビニルベンゼン以外の単量体であって、且つ、極性基含有単量体、ジビニルベンゼン及びエチルビニルベンゼンと共重合しうる単量体を挙げることができる。
ジアクリレート化合物としては、ポリエチレングリコールジアクリレート、1,3−ブチレングリコールジアクリレート、1,6−ヘキサングリコールジアクリレート、ネオペンチルグリコールジアクリレート、ポリプロピレングリコールジアクリレート、2,2´−ビス(4−アクリロキシプロピロキシフェニル)プロパン、及び2,2´−ビス(4−アクリロキシジエトキシフェニル)プロパンを挙げることができる。
トリアクリレート化合物としては、トリメチロールプロパントリアクリレート、トリメチロールエタントリアクリレート、及びテトラメチロールメタントリアクリレートを挙げることができる。
テトラアクリレート化合物としては、テトラメチロールメタンテトラアクリレートを挙げることができる。
ジメタクリレート化合物としては、エチレングリコールジメタクリレート、ジエチレングリコールジメタクリレート、トリエチレングリコールジメタクリレート、ポリエチレングリコールジメタクリレート、1,3−ブチレングリコールジメタクリレート、1,4−ブチレングリコールジメタクリレート、1,6−ヘキサングリコールジメタクリレート、ネオペンチルグリコールジメタクリレート、ジプロピレングリコールジメタクリレート、ポリプロピレングリコールジメタクリレート、及び2,2´−ビス(4−メタクリロキシジエトキシフェニル)プロパンを挙げることができる。
トリメタクリレート化合物としては、トリメチロールプロパントリメタクリレート、及びトリメチロールエタントリメタクリレートを挙げることができる。
重合性単量体組成物は、極性基含有単量体、ジビニルベンゼン及びエチルビニルベンゼンを、単量体合計重量中の割合として、それぞれ0.05〜4重量%、20〜80重量%、及び3.2〜48重量%含むことが好ましい。ここで単量体合計重量とは、極性基含有単量体、ジビニルベンゼン及びエチルビニルベンゼン、並びに存在する場合はそれら以外の任意の単量体の重量との合計である。
ジビニルベンゼンの割合が上記上限を超えると、非導電性粒子の架橋密度が高くなりすぎて、非導電性粒子と多孔膜用バインダーとの接着性が低下し、多孔膜の強度が低下し、電池の短絡が発生しやすくなるため好ましくない。一方、ジビニルベンゼンの割合が上記下限未満であると、非導電性粒子の耐熱性が低下することで、多孔膜の耐熱性が低下し、電池の短絡が発生しやすくなるため好ましくない。
エチルビニルベンゼンの割合が上記上限を超えると、エチルビニルベンゼンの可塑効果で非導電性粒子の耐熱性が低下し、多孔膜の耐熱性が低下し、電池の短絡が発生しやすくなるため好ましくない。また、高温で充放電サイクルを繰り返した際に非導電性粒子同士が融着し、多孔膜の空隙率が低下し、サイクル特性が低下するため好ましくない。一方、エチルビニルベンゼンの割合が上記下限未満であると、非導電性粒子の架橋密度が高くなりすぎて、非導電性粒子と多孔膜用バインダーとの接着性が低下し、多孔膜の強度が低下し、電池の短絡が発生しやすくなるため好ましくない。
重合性単量体組成物100重量部中のジビニルベンゼンのより好ましい含有割合の範囲は、下限は好ましくは25重量部以上であり、より好ましくは30重量部以上である。一方上限は好ましくは70重量部以下であり、より好ましくは60重量部以下である。
重合性単量体組成物100重量部中のエチルビニルベンゼンのより好ましい含有割合の範囲は、下限は好ましくは3.2重量部以上であり、より好ましくは10重量部以上である。一方上限は好ましくは48重量部以下であり、より好ましくは40重量部以下である。
重合性単量体組成物を重合して非導電性粒子を得る方法は特に限定されないが、分散媒に重合性単量体組成物及び必要に応じて他の任意の成分を溶解又は分散させ、かかる分散液中で重合する方法を好ましく挙げることができる。
この場合、重合性単量体組成物のうちの極性基含有単量体の一部又は全部(好ましくは全部)を、シードポリマーを形成する際に用いることが、粒子の安定性確保のため好ましい。さらに、シードポリマーを形成するための単量体として、任意成分の単量体であるスチレンを用いることが、シードポリマーの単量体吸収性確保のため好ましい。
重合の中期以降に単量体を添加すると、単量体がシードポリマー粒子に吸収されないため、微少粒子が多量に生じて重合安定性が悪くなり、重合反応を維持することができない場合がある。そのためシードポリマー粒子に対してすべての単量体を重合開始前に添加するか、重合転化率が30%程度に達する前にすべての単量体の添加を終了させておくことが好ましい。特に重合の開始前にシードポリマー粒子の水性分散体に単量体を加えて撹拌し、シードポリマーにこれを吸収させた後に重合を開始することが好ましい。
本発明に用いる非導電性粒子は、熱天秤により窒素雰囲気下で昇温速度10℃/分で加熱したときの減量割合が10重量%に達する温度(以下、この温度をT10値という。)が360℃以上であることが好ましい。非導電性粒子のT10値をこの範囲とすることにより、多孔膜の耐熱性が向上し、高温での短絡を防止する能力がより向上する。T10値の上限は、特に限定されないが、700℃以下とすることができる。
本発明の二次電池用多孔膜全重量を基準とした、非導電性粒子の含有割合の範囲は、その下限が好ましくは70重量%以上であり、より好ましくは80重量%以上である。一方上限は好ましくは97重量%以下であり、より好ましくは95重量%以下である。二次電池用多孔膜中の非導電性粒子の含有割合をこの範囲内とすることにより、非導電性粒子同士が接触部を有しつつ、イオンの移動が阻害されない程度に、非導電性粒子同士の隙間を形成できる。従って、非導電性粒子の平均粒径が前記範囲内であれば、多孔膜の強度が向上し、且つ電池の短絡を防止することができるため好ましい。
本発明の二次電池用多孔膜は、多孔膜用バインダーを含む。
本発明に用いる多孔膜用バインダーとしては、結着性を有するものであれば種々のものを用いることができる。例えば、ジエン重合体、(メタ)アクリル重合体、フッ素重合体、シリコン重合体などが挙げられる。中でも、得られる多孔膜における非導電性粒子の保持性や、柔軟性に優れ、かつ、酸化還元に安定であり寿命特性が優れる電池を得易い点から、(メタ)アクリル重合体が好ましい。(メタ)アクリル重合体は、アルミナ等の無機の粒子ではなく有機の重合体粒子を非導電性粒子として用いる多孔膜において、上記の特性が特に優れるため、本発明において特に好ましく用いうるものである。
アクリル酸エステル及び/又はメタクリル酸エステルモノマーとしては、メチルアクリレート、エチルアクリレート、n−プロピルアクリレート、イソプロピルアクリレート、n−ブチルアクリレート、t−ブチルアクリレート、ペンチルアクリレート、ヘキシルアクリレート、ヘプチルアクリレート、オクチルアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート、ノニルアクリレート、デシルアクリレート、ラウリルアクリレート、n−テトラデシルアクリレート、ステアリルアクリレートなどのアクリル酸アルキルエステル;メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、n−プロピルメタクリレート、イソプロピルメタクリレート、n−ブチルメタクリレート、t−ブチルメタクリレート、ペンチルメタクリレート、ヘキシルメタクリレート、ヘプチルメタクリレート、オクチルメタクリレート、2−エチルヘキシルメタクリレート、ノニルメタクリレート、デシルメタクリレート、ラウリルメタクリレート、n−テトラデシルメタクリレート、ステアリルメタクリレートなどのメタクリル酸アルキルエステルが挙げられる。これらの中でも、電解液に溶出せずに電解液への適度な膨潤によるリチウムイオンの伝導性を示すこと、加えて活物質の分散においてポリマーによる橋架け凝集を起こしにくいことから、非カルボニル性酸素原子に結合するアルキル基の炭素数が7〜13のアクリル酸アルキルエステルである、ヘプチルアクリレート、オクチルアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート、ノニルアクリレート、デシルアクリレート、ラウリルアクリレートが好ましく、非カルボニル性酸素原子に結合するアルキル基の炭素数が8〜10のオクチルアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート、ノニルアクリレートがより好ましい。
任意のモノマーの重合単位としては、酸性基を有するビニルモノマーの重合単位、α,β−不飽和ニトリルモノマーの重合単位、架橋性基を有するモノマーの重合単位が挙げられる。
カルボン酸基を有する単量体としては、モノカルボン酸、ジカルボン酸、ジカルボン酸の無水物、及びこれらの誘導体などが挙げられる。モノカルボン酸としては、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸、2−エチルアクリル酸、イソクロトン酸、α−アセトキシアクリル酸、β−trans−アリールオキシアクリル酸、α−クロロ−β−E−メトキシアクリル酸、β−ジアミノアクリル酸などが挙げられる。ジカルボン酸としては、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸、メチルマレイン酸、ジメチルマレイン酸、フェニルマレイン酸、クロロマレイン酸、ジクロロマレイン酸、フルオロマレイン酸、マレイン酸メチルアリル、マレイン酸ジフェニル、マレイン酸ノニル、マレイン酸デシル、マレイン酸ドデシル、マレイン酸オクタデシル、マレイン酸フルオロアルキルなどのマレイン酸エステル;が挙げられる。ジカルボン酸の酸無水物としては、無水マレイン酸、アクリル酸無水物、メチル無水マレイン酸、ジメチル無水マレイン酸などが挙げられる。
架橋性基と一分子あたり1つのオレフィン性二重結合を持つ単官能性単量体に含まれる架橋性基としては、エポキシ基、N−メチロールアミド基、オキセタニル基、及びオキサゾリン基からなる群から選ばれる少なくとも1種が好ましく、エポキシ基が架橋及び架橋密度の調節が容易な点でより好ましい。
炭素−炭素二重結合及びエポキシ基を含有する単量体としては、たとえば、ビニルグリシジルエーテル、アリルグリシジルエーテル、ブテニルグリシジルエーテル、o−アリルフェニルグリシジルエーテルなどの不飽和グリシジルエーテル;ブタジエンモノエポキシド、クロロプレンモノエポキシド、4,5−エポキシ−2−ペンテン、3,4−エポキシ−1−ビニルシクロヘキセン、1,2−エポキシ−5,9−シクロドデカジエンなどのジエン又はポリエンのモノエポキシド;3,4−エポキシ−1−ブテン、1,2−エポキシ−5−ヘキセン、1,2−エポキシ−9−デセンなどのアルケニルエポキシド;グリシジルアクリレート、グリシジルメタクリレート、グリシジルクロトネート、グリシジル−4−ヘプテノエート、グリシジルソルベート、グリシジルリノレート、グリシジル−4−メチル−3−ペンテノエート、3−シクロヘキセンカルボン酸のグリシジルエステル、4−メチル−3−シクロヘキセンカルボン酸のグリシジルエステルなどの不飽和カルボン酸のグリシジルエステル類;が挙げられる。
ハロゲン原子及びエポキシ基を有する単量体としては、たとえば、エピクロロヒドリン、エピブロモヒドリン、エピヨードヒドリン、エピフルオロヒドリン、β−メチルエピクロルヒドリンなどのエピハロヒドリン;p−クロロスチレンオキシド;ジブロモフェニルグリシジルエーテル;が挙げられる。
本発明の二次電池用多孔膜は、非導電性粒子及び多孔膜用バインダーに加えて、重金属捕捉化合物を含むことが好ましい。
本発明の二次電池用多孔膜は重金属捕捉化合物を含有することにより、該多孔膜を用いた二次電池の充放電時に電解液中に溶出する遷移金属イオンを捕捉することができるため、遷移金属イオンに起因した二次電池のサイクル特性と安全性の低下を防ぐことができる。
多孔膜には、上記成分のほかに、さらに任意の成分が含まれていてもよい。かかる任意の成分としては、分散剤、レベリング剤、酸化防止剤、上に述べた多孔膜用バインダー以外の結着剤、増粘剤、消泡剤や、電解液分解抑制等の機能を有する電解液添加剤等の成分を挙げることができる。これらは電池反応に影響を及ぼさないものであれば特に限られない。
本発明の多孔膜を製造する方法としては、1)非導電性粒子、多孔膜用バインダー及び媒体を含む多孔膜用スラリーを所定の基材上に塗布してスラリー層を得、次いでスラリー層を乾燥する方法;2)非導電性粒子、多孔膜用バインダー及び媒体を含む多孔膜用スラリーに基材を浸漬後、これを乾燥する方法;が挙げられる。この中でも、1)の方法が、多孔膜の膜厚を制御しやすいことから最も好ましい。以下においては、この方法を本発明の二次電池用多孔膜の製造方法として説明する。
本発明の製造方法に用いる多孔膜用スラリーは、非導電性粒子、多孔膜用バインダー、及び媒体を含む。非導電性粒子、多孔膜用バインダーとしては、多孔膜で説明したものと同様のものが挙げられる。
多孔膜用スラリーに用いる媒体としては、水及び有機溶媒のいずれも使用できる。有機溶媒としては、シクロペンタン、シクロヘキサンなどの環状脂肪族炭化水素類;トルエン、キシレン、エチルベンゼンなどの芳香族炭化水素類;アセトン、エチルメチルケトン、ジイソプロピルケトン、シクロヘキサノン、メチルシクロヘキサン、エチルシクロヘキサンなどのケトン類;メチレンクロライド、クロロホルム、四塩化炭素など塩素系脂肪族炭化水素;芳酢酸エチル、酢酸ブチル、γ−ブチロラクトン、ε−カプロラクトンなどのエステル類;アセトニトリル、プロピオニトリルなどのアシロニトリル類;テトラヒドロフラン、エチレングリコールジエチルエーテルなどのエーテル類:メタノール、エタノール、イソプロパノール、エチレングリコール、エチレングリコールモノメチルエーテルなどのアルコール類;N−メチルピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミドなどのアミド類があげられる。
これらの媒体は、単独で使用しても、これらを2種以上混合して混合媒体として使用してもよい。これらの中でも特に、非導電性粒子の分散性にすぐれ、沸点が低く揮発性が高い媒体が、短時間でかつ低温で除去できるので好ましい。具体的には、アセトン、トルエン、シクロヘキサノン、シクロペンタン、テトラヒドロフラン、シクロヘキサン、キシレン、水、若しくはN−メチルピロリドン、又はこれらの混合媒体が好ましい。
特に、多孔膜用バインダーとして上で説明した(メタ)アクリル重合体を用いる場合、媒体として水等の水系媒体を用い、多孔膜用スラリーを水性分散体として得ることが、製造プロセスや工程負荷を低減できるため特に好ましい。
固形分以外の成分は、乾燥の工程により揮発する成分であり、前記媒体に加え、例えば、非導電性粒子及び多孔膜用バインダーの調製及び添加に際しこれらを溶解又は分散させていた媒質をも含む。
本発明の多孔膜用スラリーは、本発明の多孔膜を形成するためのものであるので、多孔膜用スラリーの固形分全量中の、非導電性粒子、多孔膜用バインダー、及び任意成分(多孔膜の任意成分として上述した成分)の含有割合は、本発明の多孔膜について上述した通りの割合とすることができる。
多孔膜用スラリーの製法は、特に限定はされず、上記非導電性粒子、多孔膜用バインダー、及び媒体と必要に応じ添加される任意の成分を混合して得られる。
本発明においては上記成分を用いることにより混合方法や混合順序にかかわらず、非導電性粒子が高度に分散された多孔膜用スラリーを得ることができる。混合装置は、上記成分を均一に混合できる装置であれば特に限定されず、ホモミキサー、ボールミル、サンドミル、顔料分散機、擂潰機、超音波分散機、ホモジナイザー、プラネタリーミキサーなどを使用することができるが、中でも適度な分散シェアを加えることができる、ホモミキサーを使用することが特に好ましい。
多孔膜用スラリーの粘度は、均一塗工性、スラリー経時安定性の観点から、好ましくは10mPa・S〜10,000mPa・S、更に好ましくは50〜500mPa・sである。前記粘度は、B型粘度計を用いて25℃、回転数60rpmで測定した時の値である。
本発明の多孔膜の製造方法のある態様において、基材は、電池中の構成要素であって、多孔膜を有することが好ましい構成要素である。具体的には、二次電池用の電極若しくはセパレーターを基材とし、この上に多孔膜を形成することが好ましい。
本発明の多孔膜の製造方法においては、電極や有機セパレーター層以外の基材上に形成してもよい。本発明の多孔膜を、電極や有機セパレーター層以外の基材上に形成した場合は、多孔膜を基材から剥離し、直接電池を組み立てる時に、電極上や有機セパレーター層上に積層することにより使用することが出来る。この場合、基材としては、公知の剥離フィルム等の、適切な剥離フィルムを用いることができる。
塗布により得られたスラリー層を乾燥する方法としては例えば温風、熱風、低湿風による乾燥、真空乾燥、(遠)赤外線や電子線などの照射による乾燥法が挙げられる。乾燥温度は、使用する媒体の種類によってかえることができる。媒体を完全に除去するために、例えば、N−メチルピロリドン等の揮発性の低い媒体を用いる場合には送風式の乾燥機で120℃以上の高温で乾燥させることが好ましい。逆に揮発性の高い媒体を用いる場合には100℃以下の低温において乾燥させることもできる。多孔膜を後述する有機セパレーター上に形成する際は、有機セパレーターの収縮を起こさずに乾燥させることが必要である為、100℃以下の低温での乾燥が好ましい。
多孔膜の膜厚は、特に限定はされず、多孔膜の用途あるいは適用分野に応じて適宜に設定されるが、薄すぎると均一な膜を形成できず、逆に厚すぎると電池内での体積(重量)あたりの容量(capacity)が減ることから、1〜10μmが好ましく、2〜7μmがより好ましい。
本発明の二次電池用電極は、集電体;電極活物質及び電極合剤層用結着剤を含み、前記集電体上に付着する電極合剤層;並びに前記電極合剤層の表面に積層された前記本発明の多孔膜;を有する。
集電体は、電気導電性を有しかつ電気化学的に耐久性のある材料であれば特に制限されないが、耐熱性を有するとの観点から、例えば、鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス鋼、チタン、タンタル、金、白金などの金属材料が好ましい。中でも、リチウムイオン二次電池の正極用としてはアルミニウムが特に好ましく、リチウムイオン二次電池の負極用としては銅が特に好ましい。集電体の形状は特に制限されないが、厚さ0.001〜0.5mm程度のシート状のものが好ましい。集電体は、電極合剤層の接着強度を高めるため、予め粗面化処理して使用するのが好ましい。粗面化方法としては、機械的研磨法、電解研磨法、化学研磨法などが挙げられる。機械的研磨法においては、研磨剤粒子を固着した研磨布紙、砥石、エメリバフ、鋼線などを備えたワイヤーブラシ等が使用される。
また、電極合剤層の接着強度や導電性を高めるために、集電体表面に中間層を形成してもよい。
本発明の二次電池用電極に用いられる電極活物質は、電極が利用される二次電池に応じて選択すればよい。前記二次電池としては、リチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池が挙げられる。
無機化合物からなる正極活物質としては、遷移金属酸化物、リチウムと遷移金属との複合酸化物、遷移金属硫化物などが挙げられる。上記の遷移金属としては、Fe、Co、Ni、Mn等が使用される。正極活物質に使用される無機化合物の具体例としては、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、LiFePO4、LiFeVO4などのリチウム含有複合金属酸化物;TiS2、TiS3、非晶質MoS2等の遷移金属硫化物;Cu2V2O3、非晶質V2O−P2O5、MoO3、V2O5、V6O13などの遷移金属酸化物が挙げられる。これらの化合物は、部分的に元素置換したものであってもよい。有機化合物からなる正極活物質としては、例えば、ポリアセチレン、ポリ−p−フェニレンなどの導電性高分子化合物を用いることもできる。電気伝導性に乏しい、鉄系酸化物は、還元焼成時に炭素源物質を存在させることで、炭素材料で覆われた電極活物質として用いてもよい。また、これら化合物は、部分的に元素置換したものであってもよい。
本発明において、電極合剤層は、電極活物質の他に、結着剤(電極合剤層用結着剤)を含む。結着剤を含むことにより電極中の電極合剤層の結着性が向上し、電極の撒回時等の工程上においてかかる機械的な力に対する強度が上がり、また電極中の電極合剤層が脱離しにくくなることから、脱離物による短絡等の危険性が小さくなる。
ポリブチルアクリレート、ポリブチルメタクリレート、ポリヒドロキシエチルメタクリレート、ポリアクリルアミド、ポリアクリロニトリル、ブチルアクリレート・スチレン共重合体、ブチルアクリレート・アクリロニトリル共重合体、ブチルアクリレート・アクリロニトリル・グリシジルメタクリレート共重合体などの、アクリル酸又はメタクリル酸誘導体の単独重合体又はそれと共重合可能な単量体との共重合体である、アクリル系軟質重合体;
ポリイソブチレン、イソブチレン・イソプレンゴム、イソブチレン・スチレン共重合体などのイソブチレン系軟質重合体;
ポリブタジエン、ポリイソプレン、ブタジエン・スチレンランダム共重合体、イソプレン・スチレンランダム共重合体、アクリロニトリル・ブタジエン共重合体、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合体、ブタジエン・スチレン・ブロック共重合体、スチレン・ブタジエン・スチレン・ブロック共重合体、イソプレン・スチレン・ブロック共重合体、スチレン・イソプレン・スチレン・ブロック共重合体などジエン系軟質重合体;
ジメチルポリシロキサン、ジフェニルポリシロキサン、ジヒドロキシポリシロキサンなどのケイ素含有軟質重合体;
液状ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ−1−ブテン、エチレン・α−オレフィン共重合体、プロピレン・α−オレフィン共重合体、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体(EPDM)、エチレン・プロピレン・スチレン共重合体などのオレフィン系軟質重合体;
ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリステアリン酸ビニル、酢酸ビニル・スチレン共重合体などビニル系軟質重合体;
ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、エピクロルヒドリンゴムなどのエポキシ系軟質重合体;
フッ化ビニリデン系ゴム、四フッ化エチレン−プロピレンゴムなどのフッ素含有軟質重合体;
天然ゴム、ポリペプチド、蛋白質、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、塩化ビニル系熱可塑性エラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラストマーなどのその他の軟質重合体などが挙げられる。これらの軟質重合体は、架橋構造を有したものであってもよく、また、変性により官能基を導入したものであってもよい。
本発明の二次電池用セパレーターは、有機セパレーター層、及び前記セパレーター層上に積層された前記本発明の多孔膜を有する。
本発明に用いる有機セパレーター層としては、電子伝導性がなくイオン伝導性があり、有機溶媒の耐性が高い、孔径の微細な多孔質膜が用いられ、例えばポリオレフィン系(ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリ塩化ビニル)、及びこれらの混合物あるいは共重合体等の樹脂からなる微多孔膜、ポリエチレンテレフタレート、ポリシクロオレフィン、ポリエーテルスルフォン、ポリアミド、ポリイミド、ポリイミドアミド、ポリアラミド、ポリシクロオレフィン、ナイロン、ポリテトラフルオロエチレン等の樹脂からなる微多孔膜又はポリオレフィン系の繊維を織ったもの、又はその不織布、絶縁性物質粒子の集合体等が挙げられる。これらの中でも、前述の多孔膜用スラリーの塗工性が優れ、セパレーター全体の膜厚を薄くし電池内の活物質比率を上げて体積あたりの容量を上げることができるため、ポリオレフィン系の樹脂からなる微多孔膜が好ましい。
有機セパレーター層の厚さは、通常0.5〜40μm、好ましくは1〜35μm、更に好ましくは5〜30μmである。この範囲であると電池内でのセパレーターによる抵抗が小さくなり、また有機セパレーター層への塗工時の作業性が良い。
本発明の二次電池は、正極、負極、セパレーター及び電解液を含む二次電池であって、前記正極、負極及びセパレーターの少なくともいずれかが、前記本発明の多孔膜を有する。
リチウムイオン二次電池用の電解液としては、有機溶媒に支持電解質を溶解した有機電解液が用いられる。支持電解質としては、リチウム塩が用いられる。リチウム塩としては、特に制限はないが、LiPF6、LiAsF6、LiBF4、LiSbF6、LiAlCl4、LiClO4、CF3SO3Li、C4F9SO3Li、CF3COOLi、(CF3CO)2NLi、(CF3SO2)2NLi、(C2F5SO2)NLiなどが挙げられる。中でも、溶媒に溶けやすく高い解離度を示すLiPF6、LiClO4、CF3SO3Liが好ましい。これらは、二種以上を併用してもよい。解離度の高い支持電解質を用いるほどリチウムイオン伝導度が高くなるので、支持電解質の種類によりリチウムイオン伝導度を調節することができる。
セパレーターとしては、多孔膜を有する本発明のセパレーターを用いることができるが、その他のセパレーターを用いることもできる。例えば、有機セパレーター層として上に例示したものをそのままセパレーターとして用いることができる。
正極及び負極としては、多孔膜を有する本発明の二次電池用電極を用いることができるが、その他の電極を用いることもできる。例えば、上で述べた、集電体及びその上に付着する電極合剤層からなる積層物を、そのまま電極として用いることができる。
ただし、本発明の二次電池においては、正極、負極及びセパレーターの少なくともいずれかが、多孔膜を有する。
レーザー回折散乱粒度分布測定装置(LS230:ベックマン・コールター社製)を用いて測定した。ここで個数平均粒子径とは、粒径−個数積算分布において、積算分布の値が50%となる粒径である。また、粒径の変動係数は、個数平均粒子径と標準偏差から算出した。
電界放出形走査電子顕微鏡(Hitachi S−4700:日立ハイテク社製)により50000倍に非導電性粒子を拡大した写真を撮影し、ついでこの写真に基づいて画像解析ソフトウエア(analySIS Pro:オリンパス社製)を使用して写真画像の解析を行うことにより測定した。この際、画像中のノイズを除去し、非導電性粒子を任意に100個選択し、その形状を観察し、形状係数を下記式(A)にて算出した。
形状係数=((最大径/2)2×π)/投影面積 式(A)
ここで、最大径とは、非導電性粒子の平面上への投影像を2本の平行線で挟んだとき、その平行線の間隔が最大となる粒子の幅をいう。また、投影面積とは、非導電性粒子の平面上への投影像の面積をいう。
窒素雰囲気下において、示差熱熱重量同時測定装置(EXSTAR TG/DTA6000:エスアイアイ・ナノテクノロジー社製)により30℃から昇温速度10℃/分で加熱し、減量割合が10重量%に達する温度(℃)を観測した。
誘導結合プラズマ発光分光分析装置ICP−AES(SPS−5100:エスアイアイ・ナノテクノロジー社製)を用いて、非導電性粒子に含まれる金属イオンを定量分析した。
非導電性粒子は550℃の電気炉で灰化したものを硝酸水溶液に溶解させ、アルミナは王水に溶解させたものを測定した。
なお、定量対象の金属イオンは、電池性能への影響が懸念される、Ca、Co、Cr、Cu、Fe、Mg、Ni、Znとし、これらのイオンの合計量を非導電性粒子の金属イオン含有量とした。得られた金属イオン含有量を元に、以下の基準に基づき評価した。
(評価基準)
良:50 ppm未満
不良:50 ppm以上
多孔膜付電極または多孔膜付セパレーターを電極打ち抜き機で直径19mmの円形に打ち抜き、打ち抜き刃に対する多孔膜片付着の有無を目視で観察し、下記の基準により判定した。打ち抜き刃への多孔膜片の付着発生が遅いほど、電極合剤層上または有機セパレーター層上に形成した多孔膜層の粉落ち性が優れることを示す。なお、多孔膜片付着の有無は打ち抜き100回毎に行い、最大1000回まで確認した。
(評価基準)
A:1000回打ち抜いても多孔膜片の付着はみられない
B:501〜999回の打ち抜きで多孔膜片の付着が発生
C:101〜500回の打ち抜きで多孔膜片の付着が発生
D:100回以下の打ち抜きで多孔膜片の付着が発生
電極またはセパレーターを幅10cm×長さ10cmを切り出し試験片とする。試験片をドライルーム(温度25℃,露点−60℃以下)で1時間放置する。その後、電量滴定式水分計を用い、水分気化法(気化温度150℃)により試験片の水分量を測定し、電極またはセパレーターの単位体積あたりの水分量を算出する。
A:200μg/cc未満
B:200μg/cc以上500μg/cc未満
C:500μg/cc以上1000μg/cc未満
D:1000μg/cc以上
10セルのコイン型電池を0.2Cの定電流法によって4.3Vに充電し、3.0Vまで放電する充放電を繰り返し、電気容量を測定する。10セルの平均値を測定値とし、60サイクル終了時の電気容量と5サイクル終了時の電気容量の比(%)で表される充放電容量保持率を求め、下記基準でサイクル特性を評価する。この値が高いほどサイクル特性に優れている。
(評価基準)
A:80%以上
B:70%以上80%未満
C:60%以上70%未満
D:60%未満
多孔膜付セパレーターを直径19mmの円形に打ち抜き、非イオン性界面活性剤(花王社製;エマルゲン210P)の3重量%メタノール溶液中に浸漬して風乾した。この円形のセパレーターに電解液を含浸させ、一対の円形のSUS板(直径15.5mm)に挟み、(SUS板)/(円形のセパレーター)/(SUS板)という構成に重ね合わせた。ここで電解液はエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とをEC:DEC=1:2(20℃での容積比)で混合してなる混合溶媒にLiPF6を1モル/リットルの濃度で溶解させた溶液を用いた。これを2032型コインセルに封入した。コインセルからリード線をとり、熱電対を付けてオーブンの中に入れた。振幅10mV、1kHzの周波数の交流を印加しながら、昇温速度1.6℃/分で200℃まで昇温させ、この間のセル抵抗を測定することで短絡の発生状況を確認した。この試験を10回行ない、下記の評価基準で評価した。
(評価基準)
良:短絡発生なし
不良:短絡発生あり
セパレーター(単層のポリプロピレン製セパレーター、気孔率55%、厚さ25μm、実施例1で「有機セパレーター層」として用いられているものと同じ)を直径19mmの円形に打ち抜き、非イオン性界面活性剤(花王社製;エマルゲン210P)の3重量%メタノール溶液中に浸漬して風乾した。一方、測定対象の電極を直径19mmの円形に打ち抜いた。これらに電解液を含浸させ、これらを重ねて、一対の円形のSUS板(直径15.5mm)に挟み、(SUS板)/(円形のセパレーター)/(円形の電極)/(SUS板)という構成に重ね合わせた。円形の電極は、その多孔膜側の面がセパレーター側となるよう配置した。ここで電解液はエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とをEC:DEC=1:2(20℃での容積比)で混合してなる混合溶媒にLiPF6を1モル/リットルの濃度で溶解させた溶液を用いた。これを2032型コインセルに封入した。コインセルからリード線をとり、熱電対を付けてオーブンの中に入れた。振幅10mV、1kHzの周波数の交流を印加しながら、昇温速度1.6℃/分で200℃まで昇温させ、この間のセル抵抗を測定することで短絡の発生状況を確認した。この試験を10回行ない、下記の評価基準で評価した。
(評価基準)
良:短絡発生なし
不良:短絡発生あり
多孔膜付セパレーターもしくは多孔膜付電極を、幅6cm×長さ1mに切り出して、切り出した多孔膜付セパレーターもしくは多孔膜付電極の厚みを、幅方向3点×長さ方向5cmおきに20点の60点において測定し、膜厚の標準偏差と平均値から、下記式に基づきばらつきを計算し、下記の基準で評価した。
(評価基準)
A:3%未満
B:3%以上〜10%未満
C:10%以上
(1−1.シードポリマー粒子Aの製造)
撹拌機を備えた反応器に、スチレン95.0部、アクリル酸5.0部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム1.0部、イオン交換水100部、及び過硫酸カリウム0.5部を入れ、80℃で8時間重合させた。
これにより、個数平均粒子径58nmのシードポリマー粒子Aの水分散体を得た。
撹拌機を備えた反応器に、工程(1−1)で得たシードポリマー粒子A水分散体を固形分基準(即ちシードポリマー粒子A重量基準)で2部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを0.2部、過硫酸カリウムを0.5部、及びイオン交換水を100部入れて混合し混合物Aとし、80℃に昇温した。一方、別の容器中でスチレン82部、メタクリル酸メチル15.3部、イタコン酸2.0部、アクリルアミド0.7部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.5部、及びイオン交換水100部を混合して、単量体混合物1の分散体を調製した。この単量体混合物1の分散体を、4時間かけて、上で得た混合物A中に、連続的に添加して重合させた。単量体混合物1の分散体の連続的な添加中の反応系の温度は80℃に維持し、反応を行った。連続的な添加の終了後、さらに90℃で3時間反応を継続させた。
これにより、個数平均粒子径198nmのシードポリマー粒子Bの水分散体を得た。
次に、撹拌機を備えた反応器に、工程(1−2)で得たシードポリマー粒子Bの水分散体を固形分基準(即ちシードポリマー粒子B重量基準)で20部、単量体混合物2(ジビニルベンゼンとエチルビニルベンゼンの混合物、単量体混合比:ジビニルベンゼン/エチルビニルベンゼン=60/40、新日鐵化学社製、製品名:DVB−570)を100部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを0.5部、重合開始剤としてt−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート(日油社製、商品名:パーブチルO)を4部、イオン交換水を540部およびエタノール60部を入れ、35℃で12時間撹拌し、シードポリマー粒子Bに単量体混合物2及び重合開始剤を完全に吸収させた。その後、これを90℃で7時間重合させた。その後、スチームを導入して未反応の単量体およびエタノールを除去した。
これにより、非導電性粒子の水分散体を得た。
得られた非導電性粒子について、個数平均粒子径、粒径の変動係数、形状係数の算術平均、形状係数の変動係数、T10値、及び金属イオン含有量を測定した。結果を表1に示す。加えて、得られた非導電性粒子を走査電子顕微鏡で撮影した画像を、図1に示す。
撹拌機を備えた反応器に、イオン交換水70部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.4部及び過硫酸カリウム0.3部を入れて混合し混合物Bとし、60℃に昇温した。一方、別の容器中でイオン交換水50部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.8部、2−エチルヘキシルアクリレート77.7部、アクリロニトリル19.85部、メタクリル酸2部、及びアリルメタクリレート0.2部を混合して単量体混合物3を得た。この単量体混合物3を4時間かけて、上で得た混合物B中に、連続的に添加して重合させた。連続的な添加中の反応系の温度は60℃に維持し、反応を行った。連続的な添加の終了後、さらに70℃で3時間反応を継続させ、バインダーを含む水分散液を得た。
得られたバインダー水分散液を25℃に冷却後、これにアンモニア水を添加してpHを7に調整し、その後スチームを導入して未反応の単量体を除去した。その後、直ちに、バインダーの固形分100部に対して、EDTA 0.25部を添加し、これらを混合し、イオン交換水で固形分濃度調整を更に行いながら、200メッシュ(目開 約77μm)のステンレス製金網でろ過を行い、平均粒子径100nm、固形分濃度40%の多孔膜用バインダーの水分散液を得た。
工程(1−3)で得た非導電性粒子の水分散体、工程(1−4)で得た多孔膜用バインダーの水分散液及びカルボキシメチルセルロース(ダイセル化学社製、商品名:ダイセル1220)を、固形分重量比が83.1:12.3:4.6となるように水中で混合して、多孔膜用スラリーを得た。
正極活物質としてLiCoO2 95部に、バインダーとしてのPVDF(ポリフッ化ビニリデン、呉羽化学社製、商品名:KF−1100)を固形分換算量で3部となるように加え、さらに、アセチレンブラック2部、及びN−メチルピロリドン20部を加えて、これらをプラネタリーミキサーで混合して、スラリー状の正極用電極組成物を得た。この正極組成物を厚さ18μmのアルミニウム箔の片面に塗布し、120℃で3時間乾燥した後、ロールプレスして全厚みが100μmの、正極合剤層を有する正極を得た。
負極活物質としての粒径20μm、比表面積4.2m2/gのグラファイト98部と、バインダーとしてのSBR(スチレン−ブタジエンゴム、ガラス転移温度:−10℃)の固形分換算量1部とを混合し、この混合物にさらにカルボキシメチルセルロースを1.0部加えて、これらをプラネタリーミキサーで混合して、スラリー状の負極用電極組成物を調製した。この負極用組成物を厚さ18μmの銅箔の片面に塗布し、120℃で3時間乾燥した後、ロールプレスして全厚みが100μmの、負極合剤層を有する負極を得た。
乾式法により製造された単層のポリプロピレン製セパレータ(気孔率55%、厚さ25μm)を、有機セパレーター層として用意した。この有機セパレーター層の一方の面に、工程(1−5)で得た多孔膜用スラリーを、乾燥後の厚みが5μmとなるように塗布してスラリー層を得、スラリー層を50℃で10分間乾燥し、多孔膜を形成した。続いて、有機セパレーター層のもう一方の面にも、同様に多孔膜を形成し、両面に多孔膜を有する、多孔膜付セパレーターを得た。
工程(1−6)で得られた正極を直径13mmの円形に切り抜いて、円形の正極を得た。工程(1−7)で得られた負極を直径14mmの円形に切り抜いて、円形の負極を得た。また、工程(1−8)で得た多孔膜付セパレーターを直径18mmの円形に切り抜いて、円形の多孔膜付セパレーターを得た。
ポリプロピレン製パッキンを設けたステンレス鋼製のコイン型外装容器の内底面上に円形の正極を載置し、その上に円形の多孔膜付セパレーターを載置し、さらにその上に円形の負極を載置し、これらを容器内に収納した。円形の正極は、そのアルミニウム箔側の面が外装容器の底面側に向き、正極合剤層側の面が上側に向くよう載置した。円形の負極は、その負極合剤層側の面が円形の多孔膜付セパレーター側に向き、銅箔側の面が上側に向くよう載置した。
容器中に電解液を空気が残らないように注入し、ポリプロピレン製パッキンを介して外装容器に厚さ0.2mmのステンレス鋼のキャップをかぶせて固定し、電池缶を封止して、直径20mm、厚さ約3.2mmのリチウムイオンニ次電池(コインセルCR2032)を製造した。電解液としてはエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とをEC:DEC=1:2(20℃での容積比)で混合してなる混合溶媒にLiPF6を1モル/リットルの濃度で溶解させた溶液を用いた。
得られた多孔膜付セパレーターについて、多孔膜の粉落ち性、水分量、信頼性及び均一性を評価した。また、得られた二次電池について、サイクル特性を評価した。結果を表1に示す。
(2−1.シードポリマー粒子Bの製造)
下記の点を変更した他は、実施例1の工程(1−2)と同様に操作し、シードポリマー粒子Bの水分散体を製造した。
・単量体混合物1の分散体の調製に際し、スチレン82部、メタクリル酸メチル15.3部、イタコン酸2.0部、アクリルアミド0.7部、に代えて、スチレン92部、メタクリル酸4.0部、及びt−ドデシルメルカプタン4部を加えた(即ち、単量体混合物1の分散体の組成を、スチレン92部、メタクリル酸4.0部、t−ドデシルメルカプタン4部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.5部、及びイオン交換水100部とした)。
下記の点を変更した他は、実施例1の工程(1−3)と同様に操作し、非導電性粒子の水分散体を得た。
・シードポリマー粒子Bの水分散体として、実施例1の工程(1−2)で得たものに代えて、上記(2−1)で得たものを用いた。
・単量体混合物2(製品名:DVB−570)100部を加える代わりに、単量体混合物2の55部及びスチレン45部を加えた。
得られた非導電性粒子について、個数平均粒子径、粒径の変動係数、形状係数の算術平均、形状係数の変動係数、T10値、及び金属イオン含有量を測定した。結果を表1に示す。加えて、得られた非導電性粒子を走査電子顕微鏡で撮影した画像を、図3に示す。本実施例で得られた非導電性粒子は、実施例1で得られた非導電性粒子(形状係数算術平均値1.16)に比べると若干球に近いが、比較例3で得られた非導電性粒子(形状係数算術平均値1.04)に比べて、明らかに粗い表面構造を有していることが観察できる。
下記の点を変更した他は、実施例1の工程(1−4)〜(1−9)と同様に操作し、非導電性粒子、多孔膜付セパレーター、及び二次電池を製造した。
・工程(1−5)の多孔膜用スラリーの製造において、工程(1−3)で得た非導電性粒子の水分散体に代えて、上記工程(2−2)で得た非導電性粒子の水分散体を用いた。
得られた多孔膜付セパレーターについて、多孔膜の粉落ち性、水分量、信頼性及び均一性を評価した。また、得られた二次電池について、サイクル特性を評価した。結果を表1に示す。
(3−1.シードポリマー粒子Bの製造)
下記の点を変更した他は、実施例1の工程(1−2)と同様に操作し、シードポリマー粒子Bの水分散体を製造した。
・単量体混合物1の分散体の調製に際し、スチレン82部に代えて、スチレン76部、t−ドデシルメルカプタン4部、及び単量体混合物2(製品名:DVB−570)2部を加えた。
下記の点を変更した他は、実施例1の工程(1−3)〜(1−9)と同様に操作し、多孔膜付セパレーター、及び二次電池を製造した。
・工程(1−3)の非導電性粒子の製造において、工程(1−2)で得たシードポリマー粒子Bに代えて、上記工程(3−1)で得たシードポリマー粒子Bの水分散体を用いた。
得られた多孔膜付セパレーターについて、多孔膜の粉落ち性、水分量、信頼性及び均一性を評価した。また、得られた二次電池について、サイクル特性を評価した。結果を表1に示す。
また、得られた非導電性粒子について、個数平均粒子径、粒径の変動係数、形状係数の算術平均、形状係数の変動係数、T10値、及び金属イオン含有量を測定した。結果を表1に示す。
(4−1.非導電性粒子の製造)
下記の点を変更した他は、実施例1の工程(1−3)と同様に操作し、非導電性粒子の水分散体を得た。
・t−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート5部に代えて、過硫酸カリウム0.8部を加えた。
得られた非導電性粒子について、個数平均粒子径、粒径の変動係数、形状係数の算術平均、形状係数の変動係数、T10値、及び金属イオン含有量を測定した。結果を表1に示す。
下記の点を変更した他は、実施例1の工程(1−4)〜(1−9)と同様に操作し、非導電性粒子、多孔膜付セパレーター、及び二次電池を製造した。
・工程(1−5)の多孔膜用スラリーの製造において、工程(1−3)で得た非導電性粒子の水分散体に代えて、上記工程(4−1)で得た非導電性粒子の水分散体を用いた。
得られた多孔膜付セパレーターについて、多孔膜の粉落ち性、水分量、信頼性及び均一性を評価した。また、得られた二次電池について、サイクル特性を評価した。結果を表1に示す。
(5−1.非導電性粒子の製造)
撹拌機を備えた反応器に、実施例2の工程(2−1)で得たシードポリマー粒子Bの水分散体を固形分基準(即ちシードポリマー粒子B重量基準)で20部、単量体混合物2(ジビニルベンゼンとエチルビニルベンゼンの混合物、単量体混合比:ジビニルベンゼン/エチルビニルベンゼン=60/40、新日鐵化学社製、製品名:DVB−570)を100部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを1.0部、重合開始剤としてt−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート(日油社製、商品名:パーブチルO)を4部、イオン交換水を540部、イソアミルアルコール60部、デカン200部を入れ、35℃で12時間撹拌し、シードポリマー粒子Bに単量体混合物2、重合開始剤およびデカンを完全に吸収させた。その後、これを90℃で7時間重合させた。その後、スチームを導入して未反応の単量体、イソアミルアルコールおよびデカンを除去した。
これにより、非導電性粒子の水分散体を得た。
得られた非導電性粒子について、個数平均粒子径、粒径の変動係数、形状係数の算術平均、形状係数の変動係数、T10値、及び金属イオン含有量を測定した。結果を表1に示す。
下記の点を変更した他は、実施例1の工程(1−4)〜(1−9)と同様に操作し、非導電性粒子、多孔膜付セパレーター、及び二次電池を製造した。
・工程(1−5)の多孔膜用スラリーの製造において、工程(1−3)で得た非導電性粒子の水分散体に代えて、上記工程(5−1)で得た非導電性粒子の水分散体を用いた。
得られた多孔膜付セパレーターについて、多孔膜の粉落ち性、水分量、信頼性及び均一性を評価した。また、得られた二次電池について、サイクル特性を評価した。結果を表1に示す。
(6−1.非導電性粒子の製造)
撹拌機を備えた反応器に、実施例2の工程(2−1)で得たシードポリマー粒子Bの水分散体を固形分基準(即ちシードポリマー粒子B重量基準)で20部、単量体混合物2(ジビニルベンゼンとエチルビニルベンゼンの混合物、単量体混合比:ジビニルベンゼン/エチルビニルベンゼン=60/40、新日鐵化学社製、製品名:DVB−570)を100部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを1.0部、重合開始剤としてt−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート(日油社製、商品名:パーブチルO)を4部、イオン交換水を540部、イソアミルアルコール260部を入れ、35℃で12時間撹拌し、シードポリマー粒子Bに単量体混合物2および重合開始剤を完全に吸収させた。その後、これを90℃で7時間重合させた。その後、スチームを導入して未反応の単量体およびイソアミルアルコールを除去した。
これにより、非導電性粒子の水分散体を得た。
得られた非導電性粒子について、個数平均粒子径、粒径の変動係数、形状係数の算術平均、形状係数の変動係数、T10値、及び金属イオン含有量を測定した。結果を表1に示す。
下記の点を変更した他は、実施例1の工程(1−4)〜(1−9)と同様に操作し、多孔膜付セパレーター、及び二次電池を製造した。
・工程(1−5)の多孔膜用スラリーの製造において、工程(1−3)で得た非導電性粒子の水分散体に代えて、上記工程(6−1)で得た非導電性粒子の水分散体を用いた。
得られた多孔膜付セパレーターについて、多孔膜の粉落ち性、水分量、信頼性及び均一性を評価した。また、得られた二次電池について、サイクル特性を評価した。結果を表1に示す。
また、得られた非導電性粒子について、個数平均粒子径、粒径の変動係数、形状係数の算術平均、形状係数の変動係数、T10値、及び金属イオン含有量を測定した。結果を表1に示す。
(7−1.非導電性粒子の製造)
下記の点を変更した他は、実施例1の工程(1−3)と同様に操作し、非導電性粒子の水分散体を得た。
・t−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート5部に代えて、過硫酸カリウム1.6部を加えた。
得られた非導電性粒子について、個数平均粒子径、粒径の変動係数、形状係数の算術平均、形状係数の変動係数、T10値、及び金属イオン含有量を測定した。結果を表1に示す。
下記の点を変更した他は、実施例1の工程(1−4)〜(1−9)と同様に操作し、非導電性粒子、多孔膜付セパレーター、及び二次電池を製造した。
・工程(1−5)の多孔膜用スラリーの製造において、工程(1−3)で得た非導電性粒子の水分散体に代えて、上記工程(7−1)で得た非導電性粒子の水分散体を用いた。
得られた多孔膜付セパレーターについて、多孔膜の粉落ち性、水分量、信頼性及び均一性を評価した。また、得られた二次電池について、サイクル特性を評価した。結果を表1に示す。
(8−1.多孔膜用スラリーの製造)
実施例1の工程(1−3)で得た非導電性粒子の水分散体、SBR水分散体(日本ゼオン社製、製品名:BM−400B)及びカルボキシメチルセルロース(ダイセル化学社製、商品名:ダイセル1220)を、固形分重量比が83.1:12.3:4.6となるように水中で混合して、多孔膜用スラリーを得た。
下記の点を変更した他は、実施例1の工程(1−6)〜(1−9)と同様に操作し、多孔膜付セパレーター、及び二次電池を製造した。
・工程(1−8)の多孔膜付セパレーターの製造において、工程(1−5)で得た多孔膜用スラリーに代えて、上記工程(8−1)で得た多孔膜用スラリーを用いた。
得られた多孔膜付セパレーターについて、多孔膜の粉落ち性、水分量、信頼性及び均一性を評価した。また、得られた二次電池について、サイクル特性を評価した。結果を表1に示す。
(9−1.非導電性粒子乾燥品の製造)
実施例1の工程(1−3)で得た非導電性粒子の水分散体を、スプレードライヤー(藤崎電機社製、商品名:MDL−050M型、入口温度:70℃、出口温度:50℃、供給液量0.6kg/h)にて噴霧乾燥し、非導電性粒子を得た。得られた非導電性粒子の水分量をカールフィッシャー水分量計(京都電子工業社製、製品名:MKC−610)により測定したところ、0.1%以下であり、非導電性粒子が十分に乾燥していることを確認した。
工程(9−1)で得た非導電性粒子乾燥品及びPVDF(ポリフッ化ビニリデン、呉羽化学社製、商品名:KF−1100)を、固形分重量比が86.0:14.0となるようにNMP中で混合し、プラネタリーミキサーで分散処理することで多孔膜用スラリーを調製した。
下記の点を変更した他は、実施例1の工程(1−6)〜(1−9)と同様に操作し、多孔膜付セパレーター、及び二次電池を製造した。
・工程(1−8)の多孔膜付セパレーターの製造において、工程(1−5)で得た多孔膜用スラリーに代えて、上記工程(9−2)で得た多孔膜用スラリーを用いた。
得られた多孔膜付セパレーターについて、多孔膜の粉落ち性、水分量、信頼性及び均一性を評価した。また、得られた二次電池について、サイクル特性を評価した。結果を表2に示す。
(10−1.シードポリマー粒子Cの製造)
撹拌機を備えた反応器に、工程(1−2)で得たシードポリマー粒子Bの水分散体を固形分基準(即ちシードポリマー粒子B重量基準)10部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを0.2部、過硫酸カリウムを1部、及びイオン交換水を100部入れて混合し混合物Cとし、80℃に昇温した。一方、別の容器中でスチレン82部、メタクリル酸メチル15.3部、イタコン酸2.0部、アクリルアミド0.7部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.3部、及びイオン交換水100部を混合して、単量体混合物5の分散体を調製した。この単量体混合物5の分散体を、4時間かけて、上で得た混合物C中に、連続的に添加して重合させた。単量体混合物5の分散体の連続的な添加中の反応系の温度は80℃に維持し、反応を行った。連続的な添加の終了後、さらに90℃で3時間反応を継続させた。
これにより、個数平均粒子径370nmのシードポリマー粒子Cの水分散体を得た。
次に、撹拌機を備えた反応器に、工程(10−1)で得たシードポリマー粒子Cの水分散体を固形分基準(即ちシードポリマー粒子C重量基準)で10部、単量体混合物2(ジビニルベンゼンとエチルビニルベンゼンの混合物、単量体混合比:ジビニルベンゼン/エチルビニルベンゼン=60/40、新日鐵化学社製、製品名:DVB−570)を90部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを1部、重合開始剤としてt−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート(日油社製、商品名:パーブチルO)を5部、イオン交換水を270部およびエタノール30部を入れ、35℃で12時間撹拌し、シードポリマー粒子Cに単量体混合物2及び重合開始剤を完全に吸収させた。その後、これを90℃で7時間重合させた。その後、スチームを導入して未反応の単量体およびエタノールを除去した。
これにより、非導電性粒子の水分散体を得た。
得られた非導電性粒子について、個数平均粒子径、粒径の変動係数、形状係数の算術平均、形状係数の変動係数、T10値、及び金属イオン含有量を測定した。結果を表2に示す。
下記の点を変更した他は、実施例1の工程(1−4)〜(1−9)と同様に操作し、非導電性粒子、多孔膜付セパレーター、及び二次電池を製造した。
・工程(1−5)の多孔膜用スラリーの製造において、工程(1−3)で得た非導電性粒子の水分散体に代えて、上記工程(10−2)で得た非導電性粒子の水分散体を用いた。
得られた多孔膜付セパレーターについて、多孔膜の粉落ち性、水分量、信頼性及び均一性を評価した。また、得られた二次電池について、サイクル特性を評価した。結果を表2に示す。
(11−1.多孔膜付負極の製造)
実施例1の工程(1−7)で得た負極の負極合剤層側の面に、実施例1の工程(1−5)で得た多孔膜用スラリーを、負極合剤層が完全に覆われ、乾燥後の多孔膜厚みが5μmとなるように塗布してスラリー層を得た。スラリー層を50℃で10分間乾燥し、多孔膜を形成し、多孔膜付負極を得た。得られた多孔膜付負極は、(多孔膜)/(負極合剤層)/(銅箔)の層構成を有していた。
下記の点を変更した他は、実施例1の工程(1−6)、(1−8)及び(1−9)と同様に操作し、及び二次電池を製造した。
・工程(1−9)の電池の製造において、多孔膜付セパレーターに代えて、有機セパレーター層(単層のポリプロピレン製セパレーター、気孔率55%、厚さ25μm、実施例1の工程(1−8)で有機セパレーター層として用いられているものと同じ)をそのままセパレーターとして用いた。
・工程(1−9)の電池の製造において、負極に代えて、上記工程(11−1)で得た多孔膜付負極を用いた。円形の多孔膜付負極を外装容器内に載置するにあたっては、その多孔膜側の面が円形のセパレーター側に向き、銅箔側の面が上側に向くよう載置した。
得られた多孔膜付セパレーターについて、多孔膜の粉落ち性、水分量、信頼性及び均一性を評価した。また、得られた二次電池について、サイクル特性を評価した。結果を表2に示す。
(C1−1.非導電性粒子の製造)
撹拌機を備えた容器に、イオン交換水400部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.4部、単量体混合物2(ジビニルベンゼンとエチルビニルベンゼンの混合物、単量体混合比:ジビニルベンゼン/エチルビニルベンゼン=60/40、新日鐵化学社製、製品名:DVB−570)100部、重合開始剤としてt−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート(日油社製、商品名:パーブチルO)5部を添加し、生成する粗い液滴が安定するまで攪拌した。
これを、インライン型乳化分散機(太平洋機工社製、商品名:キャビトロン)を用いて、15,000rpmの回転数で1分間高速剪断攪拌して、重合性単量体組成物の分散液を得た。
得られた分散液を、撹拌機を備えた反応器に移し、90℃で12時間重合させた。その後、スチームを導入して未反応の単量体を除去した。
これにより、個数平均粒子径2400nmの非導電性粒子の水分散体を得た。この水分散体をメディア型分散機(ウィリー・エ・バッコーフェン社製、製品名:ダイノーミル)で処理することにより、非導電性粒子を解砕した。これにより、個数平均粒子径750nmの非導電性粒子の水分散体を得た。
得られた非導電性粒子について、個数平均粒子径、粒径の変動係数、形状係数の算術平均、形状係数の変動係数、T10値、及び金属イオン含有量を測定した。結果を表2に示す。
下記の点を変更した他は、実施例1の工程(1−4)〜(1−9)と同様に操作し、非導電性粒子、多孔膜付セパレーター、及び二次電池を製造した。
・工程(1−5)の多孔膜用スラリーの製造において、工程(1−3)で得た非導電性粒子の水分散体に代えて、上記工程(C1−1)で得た非導電性粒子の水分散体を用いた。
得られた多孔膜付セパレーターについて、多孔膜の粉落ち性、水分量、信頼性及び均一性を評価した。また、得られた二次電池について、サイクル特性を評価した。結果を表2に示す。
(C2−1.非導電性粒子の遠心分離処理)
比較例1の工程(C1−1)で得られた個数平均粒径750nmの非導電性粒子の水分散体を、遠心分離処理することで、微粉を除去し、個数平均粒子径880nmの非導電性粒子の水分散体を得た。
得られた非導電性粒子について、個数平均粒子径、粒径の変動係数、形状係数の算術平均、形状係数の変動係数、T10値、及び金属イオン含有量を測定した。結果を表2に示す。
下記の点を変更した他は、実施例1の工程(1−4)〜(1−9)と同様に操作し、非導電性粒子、多孔膜付セパレーター、及び二次電池を製造した。
・工程(1−5)の多孔膜用スラリーの製造において、工程(1−3)で得た非導電性粒子の水分散体に代えて、上記工程(C2−1)で得た非導電性粒子の水分散体を用いた。
得られた多孔膜付セパレーターについて、多孔膜の粉落ち性、水分量、信頼性及び均一性を評価した。また、得られた二次電池について、サイクル特性を評価した。結果を表2に示す。
(C3−1.非導電性粒子の製造)
撹拌機を備えた反応器に、単量体混合物2(製品名:DVB−570。ジビニルベンゼンとエチルビニルベンゼンとの混合物。実施例1の工程(1−3)で用いたものと同じ)99部、メタクリル酸1.0部、ポリビニルピロリドン20部、過硫酸カリウム1部、t−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート(日油社製、商品名:パーブチルO)1部、及びエタノール900部を入れ、70℃で24時間重合させた。
これにより、平均粒子径550nmの非導電性粒子のエタノール分散体を得た。
得られた非導電性粒子について、個数平均粒子径、粒径の変動係数、形状係数の算術平均、形状係数の変動係数、T10値、及び金属イオン含有量を測定した。結果を表2に示す。加えて、得られた非導電性粒子を走査電子顕微鏡で撮影した画像を、図2に示す。本比較例で得られた非導電性粒子(形状係数算術平均値1.04)は、実施例1で得られた非導電性粒子(形状係数算術平均値1.16)に比べて、明らかに球に近い構造を有していることが観察できる。
下記の点を変更した他は、実施例1の工程(1−4)〜(1−9)と同様に操作し、非導電性粒子、多孔膜付セパレーター、及び二次電池を製造した。
・工程(1−5)の多孔膜用スラリーの製造において、工程(1−3)で得た非導電性粒子の水分散体に代えて、上記工程(C3−1)で得た非導電性粒子の水分散体を用いた。
得られた多孔膜付セパレーターについて、多孔膜の粉落ち性、水分量、信頼性及び均一性を評価した。また、得られた二次電池について、サイクル特性を評価した。結果を表2に示す。
(C4−1.多孔膜用スラリーの製造)
個数平均粒径0.68μmのアルミナ、多孔膜用バインダー粒子及びカルボキシメチルセルロース(ダイセル化学社製、商品名:ダイセル1220)を、固形分重量比が94.8:3.8:1.4となるように水中で混合し、プラネタリーミキサーで分散処理することで多孔膜用スラリーを調製した。
使用したアルミナの粒径の変動係数、形状係数の算術平均、形状係数の変動係数、T10値、及び金属イオン含有量は、表2に示す通りである。
下記の点を変更した他は、実施例1の工程(1−6)〜(1−9)と同様に操作し、多孔膜付セパレーター、及び二次電池を製造した。
・工程(1−8)の多孔膜付セパレーターの製造において、工程(1−5)で得た多孔膜用スラリーに代えて、上記工程(C4−1)で得た多孔膜用スラリーを用いた。
得られた多孔膜付セパレーターについて、多孔膜の粉落ち性、水分量、信頼性及び均一性を評価した。また、得られた二次電池について、サイクル特性を評価した。結果を表2に示す。
形状係数算術平均値:非導電性粒子の形状係数の算術平均値。
形状係数変動係数:非導電性粒子の形状係数の変動係数。
粒径変動係数:非導電性粒子の粒径の変動係数。
バインダー種:多孔膜用バインダー種類。アクリル:アクリル重合体、SBR:SBR水分酸体(日本ゼオン社製、製品名:BM−400B)、PVDF:ポリフッ化ビニリデン。
個数平均粒径:非導電性粒子の個数平均粒径。
粒子T10:非導電性粒子のT10値(窒素雰囲気下における熱天秤により昇温速度10℃/分で加熱したときの減量割合が10重量%に達する温度、℃)。
多孔膜形成対象:多孔膜を形成した対象。セパレーター又は負極。
金属イオン量:非導電性粒子の金属イオン含有量。上に述べた通り評価した結果。
水分量:多孔膜付電極または多孔膜付セパレーターの水分量。上に述べた通り評価した結果。
多孔膜均一性:多孔膜付電極または多孔膜付セパレーターの均一性。上に述べた通り評価した結果。
粉落ち:多孔膜付電極または多孔膜付セパレーターの粉落ち性の評価結果。
高温短絡試験:多孔膜付電極または多孔膜付セパレーターの信頼性試験の評価結果。
電池サイクル特性:電池のサイクル特性試験の評価結果。
これに対し、非導電性粒子として、形状係数の算術平均値、形状係数の変動係数及び粒径の変動係数が所定範囲外である重合体の粒子を用いた場合(比較例1)、形状係数の平均値、形状係数の変動係数が所定範囲外である重合体の粒子を用いた場合(比較例2)、形状係数の算術平均値が所定範囲外である重合体の粒子を用いた場合(比較例3)は、金属イオン量及び水分量について良好な結果が得られたが、多孔膜均一性、粉落ち、高温短絡試験、電池サイクル特性の少なくとも一つにおいて不良な結果が得られた。非導電性粒子として、形状係数の算術平均値、形状係数の変動係数、粒径の変動係数は所定範囲内であるが、アルミナ粒子を用いた場合(比較例4)は、高温短絡試験について良好な結果が得られたが、金属イオン量、水分量、多孔膜均一性、粉落ち及び電池サイクル特性において、不良な結果が得られた。
(12−1.シードポリマー粒子Aの製造)
撹拌機を備えた反応器に、スチレン100部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム1.0部、イオン交換水100部、及び過硫酸カリウム0.5部を入れ、80℃で8時間重合させた。
これにより、個数平均粒子径60nmのシードポリマー粒子Aの水分散体を得た。
撹拌機を備えた反応器に、工程(12−1)で得たシードポリマー粒子A水分散体を固形分基準(即ちシードポリマー粒子A重量基準)で2部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを0.2部、過硫酸カリウムを0.5部、及びイオン交換水を100部入れて混合し混合物Aとし、80℃に昇温した。一方、別の容器中でスチレン97部、メタクリル酸3部、t−ドデシルメルカプタン4部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.5部、及びイオン交換水100部を混合して、単量体混合物1の分散体を調製した。この単量体混合物1の分散体を、4時間かけて、上で得た混合物A中に、連続的に添加して重合させた。単量体混合物1の分散体の連続的な添加中の反応系の温度は80℃に維持し、反応を行った。連続的な添加の終了後、さらに90℃で3時間反応を継続させた。
これにより、個数平均粒子径200nmのシードポリマー粒子Bの水分散体を得た。
次に、撹拌機を備えた反応器に、工程(12−2)で得たシードポリマー粒子Bの水分散体を固形分基準(即ちシードポリマー粒子B重量基準)で10部、単量体混合物2(ジビニルベンゼンとエチルビニルベンゼンの混合物、単量体混合比:ジビニルベンゼン/エチルビニルベンゼン=60/40、新日鐵化学社製、製品名:DVB−570)を90部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを1部、重合開始剤としてt−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート(日油社製、商品名:パーブチルO)を5部、及びイオン交換水を200部入れ、35℃で12時間撹拌することで、シードポリマー粒子Bに単量体混合物2及び重合開始剤を完全に吸収させた。その後、これを90℃で4時間重合させた。その後、スチームを導入して未反応の単量体を除去した。
これにより、個数平均粒子径400nmの非導電性粒子の水分散体を得て、諸物性を測定した。
シードポリマーの形成から、非導電性粒子を得るまでに用いた単量体(スチレン、極性基含有単量体であるメタクリル酸、ジビニルベンゼン、及びエチルビニルベンゼン)の合計に対する各単量体の重量比は下記の通りである。スチレン9.7%、メタクリル酸0.3%、ジビニルベンゼン54%、及びエチルビニルベンゼン36%。非導電性粒子のT10値は380℃であった。
非導電性粒子の粒径の変動係数は16.0%、形状係数の算術平均は1.17、形状係数の変動係数は5.2%、金属イオン含有量は50ppm未満であった。
実施例1の(1−4)と同様にして、平均粒子径100nm、固形分濃度40%の多孔膜用バインダーの水分散液を得た。
工程(12−3)で得た非導電性粒子の水分散体、工程(12−4)で得た多孔膜用バインダーの水分散液及びカルボキシメチルセルロース(ダイセル化学社製、商品名:ダイセル1220)を、固形分重量比が83.1:12.3:4.6となるように水中で混合して、多孔膜用スラリーを得た。
正極活物質としてLiCoO2 95部に、バインダーとしてのPVDF(ポリフッ化ビニリデン、呉羽化学社製、商品名:KF−1100)を固形分換算量で3部となるように加え、さらに、アセチレンブラック2部、及びN−メチルピロリドン20部を加えて、これらをプラネタリーミキサーで混合して、スラリー状の正極用電極組成物を得た。この正極組成物を厚さ18μmのアルミニウム箔の片面に塗布し、120℃で3時間乾燥した後、ロールプレスして全厚みが100μmの、正極合剤層を有する正極を得た。
実施例1の(1−7)と同様にして、全厚みが100μmの、負極合剤層を有する負極を得た。
乾式法により製造された単層のポリプロピレン製セパレータ(気孔率55%、厚さ25μm)を、有機セパレータ層として用意した。この有機セパレータ層の一方の面に、工程(12−5)で得た多孔膜用スラリーを、乾燥後の厚みが5μmとなるように塗布してスラリー層を得、スラリー層を50℃で10分間乾燥し、多孔膜を形成した。続いて、有機セパレータ層のもう一方の面にも、同様に多孔膜を形成し、両面に多孔膜を有する、多孔膜付セパレータを得た。
工程(12−6)で得られた正極を直径13mmの円形に切り抜いて、円形の正極を得た。工程(12−7)で得られた負極を直径14mmの円形に切り抜いて、円形の負極を得た。また、工程(12−8)で得た多孔膜付セパレータを直径18mmの円形に切り抜いて、円形の多孔膜付セパレータを得た。
ポリプロピレン製パッキンを設けたステンレス鋼製のコイン型外装容器の内底面上に円形の正極を載置し、その上に円形の多孔膜付セパレータを載置し、さらにその上に円形の負極を載置し、これらを容器内に収納した。円形の正極は、そのアルミニウム箔側の面が外装容器の底面側に向き、正極合剤層側の面が上側に向くよう載置した。円形の負極は、その負極合剤層側の面が円形の多孔膜付セパレータ側に向き、銅箔側の面が上側に向くよう載置した。
容器中に電解液を空気が残らないように注入し、ポリプロピレン製パッキンを介して外装容器に厚さ0.2mmのステンレス鋼のキャップをかぶせて固定し、電池缶を封止して、直径20mm、厚さ約3.2mmのリチウムイオンニ次電池(コインセルCR2032)を製造した。電解液としてはエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とをEC:DEC=1:2(20℃での容積比)で混合してなる混合溶媒にLiPF6を1モル/リットルの濃度で溶解させた溶液を用いた。
得られた多孔膜用スラリー、多孔膜付セパレータ、及び二次電池の諸物性を評価した。
得られた多孔膜用スラリーを24時間静置して、スラリーの貯蔵安定性を目視で確認した。その結果、フィラーの凝集及び沈降は観察されず、良好な貯蔵安定性を有することが分かった。
得られた多孔膜付きセパレータ上の多孔膜の均一性は、A(3%未満)と評価された。
得られた多孔膜付きセパレーターの信頼性は、良(短絡発生なし)と評価された。
得られた多孔膜付きセパレーター上の多孔膜の粉落ちを評価したところ、A(1000回打ち抜いても多孔膜片の付着はみられない)であった。
得られた多孔膜付きセパレーター上の多孔膜の水分量を測定したところ、A(200μg/cc未満)であった。
得られたコイン型二次電池を、20℃で0.2Cの定電流で4.3Vまで充電し、0.2Cの定電流で3.0Vまで放電する操作を1サイクルとし、充放電を繰り返した。2サイクル目における放電容量に対する100サイクル目おける放電容量の割合を百分率で算出したところ、95%以上であった。
Claims (9)
- 非導電性粒子及び多孔膜用バインダーを含む二次電池用多孔膜であって、
前記非導電性粒子が、有機重合体の粒子であり、
形状係数の算術平均値が1.05〜1.60であり、
前記形状係数の変動係数が16%以下であり、
粒径の変動係数が26%以下である粒子であり、
前記形状係数は、式(A):
形状係数=((最大径/2) 2 ×π)/投影面積 式(A)
(最大径とは、走査電子顕微鏡により非導電性粒子を撮影した画像において、非導電性粒子の平面上への投影像を2本の平行線で挟んだとき、その平行線の間隔が最大となる粒子の幅をいう。また、投影面積とは、走査電子顕微鏡により非導電性粒子を撮影した画像において、非導電性粒子の平面上への投影像の面積をいう。)
で示される値である
二次電池用多孔膜。 - 前記多孔膜用バインダーが(メタ)アクリル重合体であり、
前記二次電池用多孔膜中の前記(メタ)アクリル重合体の含有割合が、3〜20重量%である、請求項1に記載の二次電池用多孔膜。 - 前記非導電性粒子の個数平均粒径が100〜1000nmである、請求項1又は2に記載の二次電池用多孔膜。
- 前記非導電性粒子の、熱天秤により窒素雰囲気下で昇温速度10℃/分で加熱したときの減量割合が10重量%に達する温度が360℃以上である請求項1〜3のいずれか1項に記載の二次電池用多孔膜。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の二次電池用多孔膜の製造方法であって、
重合性単量体組成物を重合して、
形状係数の算術平均値が1.05〜1.60であり、
前記形状係数の変動係数が16%以下であり、
粒径の変動係数が26%以下である非導電性粒子を得、
前記非導電性粒子、多孔膜用バインダー及び媒体を混合して、これらを含む多孔膜用スラリーを得、
前記多孔膜用スラリーを、基材上に塗布してスラリー層を得、
前記スラリー層を乾燥する
ことを含み、
前記形状係数は、式(A):
形状係数=((最大径/2) 2 ×π)/投影面積 式(A)
(最大径とは、走査電子顕微鏡により非導電性粒子を撮影した画像において、非導電性粒子の平面上への投影像を2本の平行線で挟んだとき、その平行線の間隔が最大となる粒子の幅をいう。また、投影面積とは、走査電子顕微鏡により非導電性粒子を撮影した画像において、非導電性粒子の平面上への投影像の面積をいう。)
で示される値である、製造方法。 - 前記多孔膜用バインダーが(メタ)アクリル重合体であり、
前記媒体が水系媒体であり、
前記多孔膜用スラリーを得る工程が、前記多孔膜用スラリーを水性分散体として得ることを含む、請求項5に記載の製造方法。 - 集電体、
電極活物質及び電極合剤層用結着剤を含み、前記集電体上に付着する電極合剤層、並びに
前記電極合剤層の表面に積層された、請求項1〜4のいずれか1項に記載の多孔膜を有する二次電池用電極。 - 有機セパレーター層、及び前記有機セパレーター層上に積層された請求項1〜4のいずれか1項に記載の多孔膜を有する二次電池用セパレーター。
- 正極、負極、セパレーター及び電解液を含む二次電池であって、前記正極、負極及びセパレーターの少なくともいずれかが、請求項1〜4のいずれか1項に記載の多孔膜を有する、二次電池。
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