JP5840990B2 - 電気化学素子用セパレータ及び電気化学素子 - Google Patents
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[1]「繊維同士が結合した不織布、および、羽毛状の無機粒子とポリビニルアルコールを含み構成されており、前記不織布の表面および空隙にのみ無機粒子が存在してなる、電気化学素子用セパレータであって、
前記不織布の空隙率が54%以上70%以下であると共に、
前記電気化学素子用セパレータ質量に占める前記無機粒子質量の百分率が55質量%以上71質量%以下であることを特徴とする、電気化学素子用セパレータ。」
[2]「請求項1に記載された電気化学素子用セパレータを用いた、電気化学素子。」
である。
R=(m/M)×100
ここで、Mは電気化学素子用セパレータの目付(単位:g/m2)、mは電気化学素子用セパレータが備えている無機粒子の担持量(単位:g/m2)をそれぞれ意味する。
P={1−(Fr1+Fr2+・・+Frn)}×100
Frnはセパレータを構成するn成分の充填率(単位:%)を示し、次の式から得られる値をいう。
Frn=(M×Prn)/(T×SGn)
そして、Mは不織布の目付(単位:g/m2)、Tは不織布の厚さ(単位:μm)、Prnは不織布におけるn成分の存在質量比率、SGnは成分nの比重(単位:g/cm3)をそれぞれ意味しており、例えば、不織布が繊維のみから構成されている場合には、不織布の空隙率P(単位:%)は次の式から得られる。
P={1−M/(T×SGn)}×100
なお、不織布の空隙率を調整するため、例えば、以下に例示する方法を用いることができる。
1.不織布を構成する繊維質量やバインダなどの構成成分の質量を調整する方法。
2.不織布を構成する繊維同士の絡合の程度を、例えば、カード装置、ニードルパンチ装置、水流絡合装置などによって、調整する方法。
3.不織布を加熱することによって、不織布を構成する繊維成分やバインダなどの構成成分を溶融させる方法。
4.不織布を溶媒に浸漬することによって、不織布を構成する繊維成分中やバインダなどの構成成分中から、前記溶媒に可溶な成分を除去する方法。
5.例えば、ニップローラ装置、カレンダロール装置などの装置を用いる、あるいは、平板間で不織布を挟むなどの方法を用いることで、不織布に圧力を作用させ不織布の厚さを変化させる方法。
塗工液を構成する溶媒の種類は特に限定するものではなく、例えば、水、アルコール類、エーテル類などを、単独あるいは混合して使用することができる。
また、塗工液には、例えば、界面活性剤(例えば、カチオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、ノニオン系界面活性剤など)、上述したバインダ(例えば、ポリビニルアルコールなど)などを添加しても良く、添加量は適宜調整する。
本発明者らは、水を含む溶媒にアルミナ粒子を分散させて塗工液を調製する場合、ポリビニルアルコールを添加した塗工液であると、塗工液中でアルミナ粒子が凝集するのを防いでアルミナ粒子が均一に分散した塗工液を調製できることを見出した。
塗工液を不織布へ塗付する方法は、特に限定されるものではないが、例えば、不織布に塗工液をスプレーする方法、グラビアロールを用いたキスコータ法を用いて不織布に塗工液を塗布する方法、不織布を塗工液中に浸漬する方法など、公知の方法を使用することができる。
塗工液が塗付された不織布から溶媒を除去する方法は、特に限定されるものではないが、例えば、近赤外線ヒータ、遠赤外線ヒータ、ハロゲンヒータなどの加熱により溶媒を除去する方法、あるいは、送風などにより溶媒を除去する方法、あるいは、加熱と送風を組み合わせた方法を使用することができる。また、塗工液が塗付された不織布を、例えば、室温(25℃)に放置する方法、減圧条件下に曝す方法、溶媒が揮発可能な温度以上の雰囲気下に曝す方法など、公知の方法を用いることができる。
1.不織布の調製方法
芯成分がポリプロピレン(融点:170℃)、鞘部がポリエチレン(融点:135℃)の芯鞘型複合繊維(繊度:0.8dtex、繊維長:10mm)67質量部と、ポリプロピレン極細繊維(融点:160℃、繊維径:2μm、繊維長:2mm)33質量部とを混合し、湿式抄造法により繊維ウェブを調製した。
その後、前記繊維ウェブを温度140℃の熱風で10秒間処理した後、80℃のカレンダーロールに供すると共に、繊維ウェブへかけるロール圧を調整して、不織布(空隙率:54%、厚さ:22μm、目付:10g/m2)を調製した。
更に、調製した不織布をプラズマ処理に供することで、親水化処理した不織布を得た(空隙率:54%、厚さ:22μm、目付:10g/m2)。
なお、不織布は繊維のみから構成されており、不織布を構成する繊維の平均比重は0.98g/cm3であった。
塗工成分としてアルミナ粒子(昭和電工(株)製、AI-45-A、平均粒子径(D50):790nm)94.2質量部とアルミナゾル(日産化学工業(株)製、アルミナゾル-200)0.8質量部とポリビニルアルコール(PVA、和光純薬工業製、完全けん化、重合度500)5質量部を水に混合して、固形分濃度が60質量部の塗工液を調製した。
なお、塗工液中でアルミナ粒子は、凝集することなく均一に分散した。
塗工成分の乾燥質量が14g/m2となるように、グラビアロールを用いたキスコータ法を用いて、親水化処理した不織布の表面全体に塗工液を塗付した。
塗工液が塗付された不織布を、遠赤外線ヒータを備えた乾燥機に供することで、親水化処理した不織布に塗付された塗工液から水を除去して、電気化学素子用セパレータ(目付:24g/m2、厚さ:28μm)を調製した。
実施例1の(3.塗工液の塗付方法)において、塗工成分の乾燥質量が20g/m2となるように、親水化処理した不織布の表面全体に塗工液を塗付したこと以外は、実施例1と同様にして電気化学素子用セパレータ(目付:30g/m2、厚さ:32μm)を調製した。
実施例1の(3.塗工液の塗付方法)において、塗工成分の乾燥質量が25g/m2となるように、親水化処理した不織布の表面全体に塗工液を塗付したこと以外は、実施例1と同様にして電気化学素子用セパレータ(目付:35g/m2、厚さ:35μm)を調製した。
実施例1の(3.塗工液の塗付方法)において、塗工成分の乾燥質量が29g/m2となるように、親水化処理した不織布の表面全体に塗工液を塗付したこと以外は、実施例1と同様にして電気化学素子用セパレータ(目付:39g/m2、厚さ:39μm)を調製した。
実施例1の(1.不織布の調製方法)において、繊維ウェブへかけるロール圧を調整して、実施例1-4よりも空隙率の高い親水化処理した不織布(空隙率:59%、厚さ:25μm、目付:10g/m2)を調製したこと以外は、実施例3と同様にして電気化学素子用セパレータ(目付:35g/m2、厚さ:37μm)を調製した。
実施例1の(1.不織布の調製方法)において、繊維ウェブへかけるロール圧を調整して、実施例1-5よりも空隙率の低い親水化処理した不織布(空隙率:49%、厚さ:20μm、目付:10g/m2)を調製したこと以外は、実施例3と同様にして電気化学素子用セパレータ(目付:35g/m2、厚さ:31μm)を調製した。
実施例1の(3.塗工液の塗付方法)において、塗工成分の乾燥質量が10g/m2となるように、親水化処理した不織布の表面全体に塗工液を塗付したこと以外は、実施例3と同様にして電気化学素子用セパレータ(目付:20g/m2、厚さ:26μm)を調製した。
次いで、実施例1-5および比較例1-2の電気化学素子用セパレータの、各種物性について以下の方法を用いて評価した。
実施例1-5および比較例1-2で調製した各々の電気化学素子用セパレータの主面を、目視で確認することで、電気化学素子用セパレータの主面におけるアルミナ粒子の塗付ムラの有無を確認した。
また、実施例1-5および比較例1-2で調製した各々の電気化学素子用セパレータを、以下に説明する各種の測定に供している間に、電気化学素子用セパレータからアルミナ粒子が粉落ちしたかどうかを、目視で確認した。
その結果、実施例1-5および比較例1-2いずれの電気化学素子用セパレータの主面にも、アルミナ粒子の塗付ムラは認められず、また、アルミナ粒子の粉落ちは認められなかった。
短冊形状(長辺6cm、短辺3cm)のニッケルめっき不織布を用意した。そして、ニッケルめっき不織布における一方の長辺の中心部分に端子を溶接して、仮想電極を作製した。同様にして仮想電極を合計16枚作製した。
次いで、実施例1-5および比較例1-2に係る各電気化学素子用セパレータから、長辺50cm、短辺3.5cmの帯状試験片を各々切り取った。
上述のようにして用意した各仮想電極と各帯状試験片を、100℃の真空乾燥機に供して1時間真空乾燥した。
そして、上述のようにして乾燥し調製した帯状試験片と2枚の仮想電極を、仮想電極-帯状試験片-別の仮想電極の順番で重ねて積層体を調製した。
このとき、積層体の態様を、積層体の態様を示す模式的側面図である、図1の態様となるようにした。積層体(10)の態様について、図1を用いて説明する、なお、図1では、帯状試験片(1)よりも紙面上の奥側に存在する仮想電極(2)を破線で図示している。
つまり、帯状試験片(1)の各主面上から各仮想電極(2)を構成しているニッケルめっき不織布部分(3)がはみ出ることなく、帯状試験片(1)における短辺と各仮想電極(2)における短辺とが平行をなすと共に、帯状試験片(1)の各長辺側の各々に各仮想電極(2)の各端子(4)が存在するようにして、積層体(10)を調製した。
同様にして、各帯状試験片を備えてなる測定素子を各々作製した。
ブランク測定素子における抵抗値(Ω)は、測定素子における端子間の最短距離における抵抗値(Ω)を意味しており、測定素子が示す最も低い抵抗値(Ω)である。
そのため、測定素子の抵抗値(Ω)を測定した結果が、ブランク測定素子の抵抗値である0.03Ωと同等の値を示す場合には、作製された測定素子を構成している帯状試験片の主面に破断あるいはピンホールが発生していることを意味することから、本測定では、作製した測定素子における抵抗値(Ω)の測定結果が0.05Ω以上である場合、測定素子を作製するのに使用した電気化学素子用セパレータは、耐ショート性に優れると評価した。
(1)正極の作成
コバルト酸リチウム(LiCoO2)粉末87質量部とアセチレンブラック6質量部、及びポリフッ化ビニリデン(PVdF)7質量部を、N−メチル−ピロリドン(NMP)に溶解させ、ポリフッ化ビニリデン濃度が13質量%の正極剤ペーストを作製した。次いで、このペーストを厚さ20μmのアルミ箔に塗布し、乾燥した後にプレスして、厚さ90μmの正極を作製した。
(2)負極の作成
負極活物質として天然黒鉛粉末90質量部とポリフッ化ビニリデン(PVdF)10質量部を、N−メチル−ピロリドン(NMP)に溶解させ、ポリフッ化ビニリデン濃度が13質量%の負極剤ペーストを作製した。このペーストを厚さ15μmの銅箔上に塗布し、乾燥した後にプレスして、厚さ70μmの負極を作製した。
(3)非水系電解液の用意
非水系電解液として、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートの混合溶媒(比率=50質量%:50質量%)に、LiPF6を溶解させた1M溶液(キシダ化学(株)製)を用意した。
(4)リチウムイオン二次電池の作製
CR−2032型コインセルに負極(直径:12mm)、電気化学素子用セパレータ(直径:16mm)、正極(直径:12mm)の順に積層した後、非水電解液を注液し、スペーサーを介して蓋をした後、コイン電池用かしめ機でパッキングを行い、リチウムイオン二次電池をそれぞれ作製した。なお、正極と負極の質量比率は1:1.1とした。
この時の、各リチウムイオン二次電池における、放電速度0.2Cにおける放電容量と、放電速度8Cにおける放電容量とを測定した。
この測定を、各3個のリチウムイオン二次電池において行ない、得られた放電速度0.2Cにおける放電容量(Cp0.2)と、放電速度8Cにおける放電容量(Cp8)の各算術平均値を算出した。
そして、測定された各リチウムイオン二次電池における時間あたりの理論容量2.5(mAh)の値と、上述のようにして算出された放電速度0.2Cにおける放電容量(Cp0.2)と、放電速度8Cにおける放電容量(Cp8)の値を以下の式に代入することで、0.2C放電時の利用効率(%)と8C放電時の利用効率(%)を算出した。
0.2C放電時の利用効率(%)=(Cp0.2/2.5)×100
8C放電時の利用効率(%)=(Cp8/2.5)×100
なお、0.2C放電時の利用効率(%)および8C放電時の利用効率(%)の算出値については、小数点以下を四捨五入した。
以上の結果から、実施例1-5の電気化学素子用セパレータは、比較例1の電気化学素子用セパレータよりも、8C放電時の利用効率(%)が高いことが判明した。
そのため、実施例1-5の電気化学素子用セパレータは、比較例1の電気化学素子用セパレータよりも、ハイレート放電特性に優れる電気化学素子用セパレータである。
そのため、実施例1-5の電気化学素子用セパレータは、比較例2の電気化学素子用セパレータよりも、ショートを発生し難い電気化学素子用セパレータである。
そのため、本発明の電気化学素子用セパレータを用いることで、例えば、リチウムイオン二次電池などのエネルギー密度が高い電気化学素子を調製できる。
2・・・仮想電極
3・・・ニッケルめっき不織布部分
4・・・端子
10・・・積層体
Claims (2)
- 繊維同士が結合した不織布、および、羽毛状の無機粒子とポリビニルアルコールを含み構成されており、前記不織布の表面および空隙にのみ無機粒子が存在してなる、電気化学素子用セパレータであって、
前記不織布の空隙率が54%以上70%以下であると共に、
前記電気化学素子用セパレータ質量に占める前記無機粒子質量の百分率が55質量%以上71質量%以下であることを特徴とする、電気化学素子用セパレータ。 - 請求項1に記載された電気化学素子用セパレータを用いた、電気化学素子。
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