JP6193333B2 - セパレータ及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、セパレータ及びその製造方法に関し、更に詳しくは、非水電解液二次電池用セパレータ及びその製造方法に関する。
非水電解液二次電池、特にリチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高いのでパーソナルコンピュータ、携帯電話、携帯情報端末などに用いる電池として広く使用されている。
これらのリチウムイオン二次電池に代表される非水電解液二次電池は、エネルギー密度が高い。電池の破損あるいは電池を用いている機器の破損等により内部短絡・外部短絡が生じた場合には、大電流が流れて異常発熱が起こることがある。そのため、非水電解液二次電池には一定以上の発熱を防止し、高い安全性を確保することが求められている。異常発熱の際に、セパレータは、一般的には、正−負極間のイオンの通過を遮断して、さらなる発熱を防止するシャットダウン機能を有する。シャットダウン機能を有するセパレータとしては、異常発熱時に溶融する材質からなる多孔膜を有するセパレータが挙げられる。 すなわち、該セパレータを用いた電池は、異常発熱時に該多孔膜が溶融および無孔化することにより、イオンの通過を遮断し、さらなる発熱を抑制することができる。
このようなシャットダウン機能を有するセパレータとしては例えば、ポリオレフィン製の多孔膜が用いられる。ポリオレフィン多孔膜からなるセパレータは、電池の異常発熱時には、約80〜180℃で溶融および無孔化することにより、イオンの通過を遮断(シャットダウン)することができ、さらなる発熱を抑制することができる。しかしながら、温度がさらに高くなる場合には、ポリオレフィン多孔膜からなるセパレータは、収縮や破膜等により、正極と負極が直接接触して、短絡を起こすおそれがある。このように、ポリオレフィン製の多孔膜からなるセパレータは、温度がさらに高くなる場合の形状安定性が不十分であり、短絡による異常発熱を抑制できないことがある。
一方で、ポリオレフィン多孔膜に耐熱性のある材質からなる多孔膜を積層することにより、セパレータに高温での形状安定性を付与する方法が検討されている。このような耐熱性の高いセパレータとして、例えば、再生セルロース膜が有機溶媒に浸漬されて得られた多孔膜と、ポリオレフィン多孔膜とが互いに積層されたセパレータが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。このようなセパレータは、高温での形状安定性に優れ、安全性がより高い非水電解液二次電池を与えることができるが、該セパレータを用いて得られる非水電解液二次電池の負荷特性が不十分になるという問題があった。
特許文献2には、シャットダウン性に加えて、高温での形状安定性に優れたセパレータとして、微粒子および水溶性ポリマーを含む多孔膜とポリオレフィン多孔膜とが積層されたセパレータが開示されている。該セパレータを非水電解液二次電池に用いることにより負荷特性、サイクル性、さらには安全性に優れた非水電解液二次電池が得られている。該セパレータは、水溶性ポリマーと微粒子と媒体とを含むスラリーをポリオレフィン多孔膜上に塗工する工程、および、得られた塗工膜から媒体を除去することにより、水溶性ポリマーと微粒子とを含む多孔膜をポリオレフィン多孔膜上に積層する工程により得ることができる。しかしながら、得られたセパレータの一部において、高温でのシャットダウン性及び形状安定性のバランスが、十分とは言い難い場合があった。すなわち、高温でのシャットダウン性及び形状安定性に優れたセパレータを、安定的に製造する観点から、改善の余地が残されていた。
特開平10−3898号公報 特開2004−227972号公報
本発明の目的は、シャットダウン性及び高温での形状安定性に優れた非水電解液二次電池用セパレータ、及び該セパレータを再現性よく製造する方法を提供することにある。
本発明は、以下を提供する。
<1> 微粒子と水溶性ポリマーとを含む多孔膜と、ポリオレフィン多孔膜とが互いに積層されたセパレータであって、
前記微粒子が、平均粒径が0.1μm未満、かつ、比表面積が50m2/g以上の微粒子(a)と、平均粒径が0.2μm以上の微粒子(b)とから実質的になり、
微粒子(a)に対する微粒子(b)の重量比が、0.05〜50であり、
水溶性ポリマーに対する微粒子の重量比が、1〜100であるセパレータ。
<2> 微粒子(b)の比表面積が20m2/g以下である<1>のセパレータ。
<3> 前記水溶性ポリマーが、セルロースエーテル、ポリビニルアルコール及びアルギン酸ナトリウムからなる群より選ばれる1種以上のポリマーである<1>又は<2>のセパレータ。
<4> 前記セルロースエーテルが、カルボキシメチルセルロースである<3>のセパレータ。
<5> 前記ポリオレフィン多孔膜が、ポリエチレン多孔膜である<1>から<4>のいずれかのセパレータ。
<6> <1>から<5>のいずれかのセパレータを有する非水電解液二次電池。
<7> 水溶性ポリマー、微粒子及び媒体を含むスラリーをポリオレフィン多孔膜上に塗工する工程、および、得られた塗工膜から媒体を除去することにより、水溶性ポリマーと微粒子とを含む多孔膜をポリオレフィン多孔膜上に積層する工程を含むセパレータの製造方法であって、
前記微粒子が、平均粒径が0.1μm未満、かつ、比表面積が50m2/g以上の微粒子(a)と、平均粒径が0.2μm以上の微粒子(b)とから実質的になり、
微粒子(a)に対する微粒子(b)の重量比が、0.05〜50であり、
水溶性ポリマーに対する前記微粒子の重量比が、1〜100であり、
かつ、水溶性ポリマーおよび媒体の合計における水溶性ポリマー濃度が、0.4重量%以上1.3重量%以下であるセパレータの製造方法。
<8> 微粒子(b)の比表面積が20m2/g以下である<7>のセパレータの製造方法。
<9> スラリー中の固形分濃度が、6〜50重量%である<7>又は<8>のセパレータの製造方法。
<10> 前記水溶性ポリマーが、セルロースエーテル、ポリビニルアルコール及びアルギン酸ナトリウムからなる群より選ばれる1種以上のポリマーである<7>から<9>のいずれかのセパレータの製造方法。
<11> 前記セルロースエーテルが、カルボキシメチルセルロースである<10>のセパレータの製造方法。
<12> ポリオレフィン多孔膜が、ポリエチレン多孔膜である<7>から<11>のいずれかのセパレータの製造方法。
本発明のセパレータは、高温での形状安定性に優れ、かつ、シャットダウン性、透気性にも優れている。また、本発明の方法によれば、該セパレータを再現よく製造することができる。
以下、本発明について詳しく説明する。
本発明のセパレータは、水溶性ポリマーと微粒子とを含む多孔膜(以下、「A膜」と称す場合がある。)とポリオレフィン多孔膜(以下、「B膜」と称す場合がある。)とが互いに積層されたセパレータであり、後述するように水溶性ポリマーと微粒子と媒体とを含むスラリーをポリオレフィン多孔膜(B膜)に塗工する工程、および得られた塗工膜から乾燥等により媒体を除去する工程を含む方法により製造することができる。A膜は、シャットダウンが生じる高温における耐熱性を有しており、セパレータに形状安定性の機能を付与する。B膜は、異常発熱時に、溶融および無孔化することにより、セパレータにシャットダウン機能を付与する。上記したA膜とB膜は、互いに積層されていればよく、3層以上でもよい。例えば、B膜の両面にA膜が積層された形態等が挙げられる。
まず、セパレータにおけるA膜について説明する。A膜は、微粒子と水溶性ポリマーとを含む多孔膜である。水溶性ポリマーの例としては、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、セルロースエーテル、アルギン酸ナトリウム、ポリアクリル酸、ポリアクリルアミド、ポリメタクリル酸等が挙げられ、セルロースエーテル、ポリビニルアルコール、アルギン酸ナトリウムが好ましく、セルロースエーテルがさらに好ましい。セルロースエーテルの例としては具体的には、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ヒドロキシエチルセルロース(HEC)、カルボキシエチルセルロース、メチルセルロース、エチルセルロース、シアンエチルセルロース、オキシエチルセルロース等が挙げられ、長時間にわたる使用における劣化が少ないのでCMCが特に好ましい。
本発明における微粒子としては、無機材料又は有機材料からなる微粒子を用いることができる。有機材料の例としては、具体的にはスチレン、ビニルケトン、アクリロニトリル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、グリシジルメタクリレート、グリシジルアクリレート、アクリル酸メチル等の単独重合体あるいは2種類以上の共重合体;ポリテトラフルオロエチレン、4フッ化エチレン−6フッ化プロピレン共重合体、4フッ化エチレン−エチレン共重合体、ポリビニリデンフルオライド等のフッ素系樹脂;メラミン樹脂;尿素樹脂;ポリエチレン;ポリプロピレン;ポリメタクリレート等が挙げられる。また、無機材料の例としては、炭酸カルシウム、タルク、クレー、カオリン、シリカ、ハイドロタルサイト、珪藻土、炭酸マグネシウム、炭酸バリウム、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム、硫酸バリウム、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、アルミナ、マイカ、ゼオライト、ガラス等が挙げられる。微粒子の材料としては、無機材料が好ましく、アルミナがより好ましい。これらの微粒子の材料は、それぞれ単独で用いることができる。2種以上の材料を混合して用いることもできる。
A膜を構成する微粒子は、平均粒径が0.1μm未満、かつ、比表面積が50m2/g以上の微粒子(a)と、平均粒径が0.2μm以上の微粒子(b)とから実質的になり、微粒子(a)に対する微粒子(b)の重量比が、0.05〜50である。微粒子(a)及び微粒子(b)の材料は、互いに同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。
2種類の微粒子のうち、粒径の大きい微粒子(b)は、A膜において主骨格となり、A膜の高温時の形状安定性に寄与する。粒径の小さい微粒子(a)は、微粒子(b)の隙間を適度に埋めてA膜の機械的強度をより高める作用を有し、また、後述するように、セパレータを製造する際に水溶性ポリマーのB膜細孔内への過剰な入り込みを抑制する作用も有する。A膜は、微粒子(a)と微粒子(b)の両方を含む。微粒子(a)と微粒子(b)の一方のみを使用した場合には、十分な通気性(イオン透過性)を保ちつつ、実用レベルでの高温時の形状安定性と、シャットダウン性とを併せ持つことが難しい。
微粒子(a)は、平均粒径が0.1μm未満であり、好ましくは0.05μm未満であり、かつ、微粒子(a)の比表面積は、50m2/g以上であり、好ましくは70m2/g以上である。平均粒径の下限に関して、微粒子(a)の平均粒径は、通常、0.01μm以上程度である。比表面積の上限に関して、微粒子(a)の比表面積は、通常、150m2/g以下程度である。微粒子(a)の形状の例としては、球形、瓢箪形等が挙げられる。微粒子(a)が、平均粒径0.1μm未満、および比表面積50m2/g以上の両方を満たさないと、セパレータのシャットダウン性(B膜の無孔化)が不十分となる。ここで、微粒子(a)の比表面積は、BET測定法によって測定した値である。また、微粒子(a)の平均粒径d(μm)は、BET比表面積B(m2/g)及び微粒子の真密度D(g/m3)を用いた以下の式で求めた値である。

平均粒径d(μm)=6×106/(B×D)
一方、微粒子(b)は、平均粒径が0.2μm以上であり、好ましくは0.25μm以上である。微粒子(b)の平均粒径が0.2μm未満であると、A膜の加熱時の収縮が十分に抑制できなくなり、高温での形状安定性が不十分となる。なお、微粒子(b)の比表面積は、特に限定はないが、好ましくは20m2/g以下、特に好ましくは10m2/g以下である。平均粒径の上限に関して、微粒子(b)の平均粒径は、通常、1.0μm以下程度である。比表面積の下限に関して、微粒子(a)の比表面積は、通常、4.0m2/g以上程度である。微粒子(b)の形状の例としては、球形、瓢箪形等が挙げられる。なお、微粒子(b)の平均粒径は、走査型電子顕微鏡(SEM)にて、25個ずつ粒子を任意に抽出して、それぞれにつき粒径(直径)を測定して、25個の粒径の平均値として算出した値である。また、微粒子(b)の形状が、球形以外の場合は、粒子における最大長を示す方向の長さをその粒径とする。また、微粒子(b)の比表面積は、BET測定法によって測定した値である。
また、A膜において、微粒子(a)に対する微粒子(b)の重量比(微粒子(a)を1としたときの微粒子(b)の重量割合)は、0.05〜50であり、好ましくは0.1〜15であり、特に好ましくは0.2〜10である。重量比が、0.05未満であると、A膜の熱収縮を十分に抑制できず、高温での形状安定性が不十分となり、50を超えると、セパレータのシャットダウン性が損なわれてしまう。
なお、本発明の効果を著しく損なわない範囲で、微粒子(a)と微粒子(b)以外の微粒子(以下、「その他の微粒子」と称す場合がある。)を含んでいてもよい。A膜におけるその他の微粒子の含有量の割合は、微粒子(a)と微粒子(b)との合計重量に対して、100重量%以下(0重量%を含む)であることが好ましく、50重量%以下(0重量%を含む)であることがより好ましい。
A膜の厚みは、通常0.1μm以上20μm以下であり、好ましくは2μm以上15μm以下である。厚すぎると、非水電解液二次電池を製造した場合に、該電池の負荷特性が低下するおそれがあり、薄すぎると、該電池の異常発熱が生じたときにポリオレフィン多孔膜の熱収縮に抗しきれずセパレータが収縮するおそれがある。なお、A膜がB膜の両面に形成される場合には、A膜の厚みは両面の合計厚みとする。
A膜は、多孔質の膜であるが、その孔径は、孔を球形に近似したときの球の直径として3μm以下が好ましく、1μm以下がさらに好ましい。孔径の平均の大きさ又は孔径が3μmを超える場合には、正極や負極の主成分である炭素粉やその小片が脱落したときに、短絡が起こるおそれがある。また、A膜の空隙率は30〜90体積%が好ましく、より好ましくは40〜85体積%である。
次に、セパレータにおけるB膜について説明する。B膜は、ポリオレフィンの多孔膜であり、非水電解液二次電池において、電解液に溶解しない。B膜は、分子量が5×105〜15×106である高分子量成分を含むことが好ましい。ポリオレフィンとしては、例えば、エチレン、プロピレン、1−ブテン、4−メチル−1−ペンテン、1−ヘキセンなどを重合した単独重合体又は共重合体が挙げられる。B膜はポリエチレンまたはポリプロピレンを含むことが好ましく、重量平均分子量が1×105以上の高分子量ポリエチレンを含むことがより好ましく、重量平均分子量が5×105以上の超高分子量ポリエチレンを含むことがさらにより好ましい。
B膜の空隙率は、20〜80体積%が好ましく、さらに好ましくは30〜70体積%である。該空隙率が20体積%未満では電解液の保持量が少なくなる場合があり、80体積%を超えるとシャットダウンが生じる高温における無孔化が不十分となり、電池の異常発熱が生じたときに電流を遮断できなくなるおそれがある。
B膜の厚みは、通常4〜50μmであり、好ましくは5〜30μmである。厚みが4μm未満であると、シャットダウンが不十分であるおそれがあり、50μmを超えると、セパレータ全体の厚みが厚くなり、電池の電気容量が小さくなるおそれがある。B膜の孔径は3μm以下が好ましく、1μm以下がさらに好ましい。
B膜は、その内部に連結した細孔を有する構造を持ち、一方の面から他方の面に気体や液体が透過可能である。B膜の透気度は、通常、ガーレ値で50〜400秒/100ccであり、好ましくは、50〜300秒/100ccである。
B膜の製造方法は特に限定されるものではなく、例えば特開平7−29563号公報に記載されたように、ポリオレフィンに可塑剤を加えてフィルム成形した後、該可塑剤を適当な溶媒で除去する方法や、特開平7−304110号公報に記載されたように、公知の方法により製造したポリオレフィンからなるフィルムを用い、該フィルムの構造的に弱い非晶部分を選択的に延伸して微細孔を形成する方法が挙げられる。また、例えば、B膜が、超高分子量ポリエチレン及び重量平均分子量1万以下の低分子量ポリオレフィンを含むポリオレフィンから形成される場合には、製造コストの観点から、以下に示すような方法により製造することが好ましい。
すなわち、(1)超高分子量ポリエチレン100重量部と、重量平均分子量1万以下の低分子量ポリオレフィン5〜200重量部と、炭酸カルシウム等の無機充填剤100〜400重量部とを混練してポリオレフィン樹脂組成物を得る工程
(2)前記ポリオレフィン樹脂組成物を用いてシートを成形する工程
(3)工程(2)で得られたシートから無機充填剤を除去する工程
(4)工程(3)で得られたシートを延伸してB膜を得る工程
を含む方法、又は
(1)超高分子量ポリエチレン100重量部と、重量平均分子量1万以下の低分子量ポリオレフィン5〜200重量部と、無機充填剤100〜400重量部とを混練してポリオレフィン樹脂組成物を得る工程
(2)前記ポリオレフィン樹脂組成物を用いてシートを成形する工程
(3)工程(2)で得られたシートを延伸して延伸シートを得る工程
(4)工程(3)で得られた延伸シートから無機充填剤を除去してB膜を得る工程
を含む方法である。
なお、B膜については上記記載の特性を有する市販品を用いることができる。
上記したA膜とB膜は互いに積層されてセパレータを構成する。セパレータは、A膜とB膜以外の、例えば、接着膜、保護膜等の多孔膜を本発明の目的を著しく損なわない範囲で含んでもよい。
セパレータ全体の厚み(A膜の厚み+B膜の厚みの合計)は、通常、5〜80μmであり、好ましくは、5〜50μmであり、特に好ましくは6〜35μmである。セパレータ全体の厚みが5μm未満では破膜しやすくなり、80μmを超えると電池の電気容量が小さくなるおそれがある。セパレータ全体の空隙率は、通常、30〜85体積%であり、好ましくは35〜80体積%である。本発明のセパレータを用いて非水電解液二次電池を製造した場合、高い負荷特性が得られるが、セパレータの透気度は50〜2000秒/100ccが好ましく、50〜1000秒/100ccがより好ましい。透気度が2000秒/100cc以上になると、セパレータのイオン透過性、及び電池の負荷特性が低くなるおそれがある。
シャットダウンが生じる高温における、セパレータの寸法維持率としては90%以上、好ましくは95%以上である。セパレータの寸法維持率は、B膜のMD方向およびTD方向に依存して異なる場合があるが、この場合、B膜のMD方向の寸法維持率およびTD方向の寸法維持率のうちの小さい値を用いる。ここで、MD方向とは、シート成形時の長尺方向、TD方向とはシート成形時の幅方向のことをいう。寸法維持率が90%未満であると、シャットダウンが生じる高温においてセパレータの熱収縮により、正−負極間で短絡を起こし、結果的にシャットダウン機能が不十分となるおそれがある。なお、シャットダウンが生じる高温とは80〜180℃の温度であり、通常は130〜150℃程度である。
次に、セパレータの製造方法について説明する。
本発明のセパレータは、水溶性ポリマー、微粒子及び媒体を含むスラリー(A膜形成用スラリー)をB膜上に塗工する工程、および、得られた塗工膜から媒体を除去する工程を含む方法により製造することができる。塗工膜は、B膜上に塗工された膜である。塗工膜から媒体を除去することにより、水溶性ポリマーと微粒子とを含む多孔膜(A膜)が得られ、A膜はB膜上に積層される。塗工膜が乾燥するときに微粒子の周囲に隙間が生じてA膜が生成するものと推測される。スラリーが微粒子を含まなければ、多孔膜は得られない。なお、スラリーをB膜の両面に塗工し、B膜の両面にA膜を形成してもよい。
本発明の方法におけるスラリーは、例えば、媒体中に水溶性ポリマーを溶解又は膨潤させ(塗工できれば水溶性ポリマーが膨潤した液でもよい。)、さらに微粒子をそれに添加して均一になるまで混合する方法によって得ることができる。混合の方法としては特に制限はなく、例えば、スリーワンモーター、ホモジナイザー、メディア型分散機、圧力式分散機など従来公知の分散機を使用することができる。
スラリーにおける微粒子は、平均粒径が0.1μm未満、かつ、比表面積が50m2/g以上の微粒子(a)と、平均粒径が0.2μm以上の微粒子(b)とから実質的になり、微粒子(a)に対する微粒子(b)の重量比は、0.05〜50であり、水溶性ポリマーに対する微粒子の重量比は、1〜100である。
媒体としては、水、または、エタノール、イソプロパノール等の有機溶媒、あるいは水とエタノール等の有機溶媒との混合溶媒が用いられる。
A膜形成用スラリーに含まれる、水溶性ポリマー、微粒子(a)、微粒子(b)は、上述のセパレータで説明したものと同じである。水溶性ポリマーとしてはセルロースエーテル、ポリビニルアルコール、アルギン酸ナトリウムが好ましく、CMCが特に好ましい。微粒子(a)及び微粒子(b)としては、無機材料又は有機材料からなる微粒子を用いることができる。微粒子の材料としては、無機材料が好ましく、特にアルミナが好ましい。微粒子(a)及び微粒子(b)の材料は、互いに同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。
また、本発明の目的を著しく損なわない範囲で微粒子(a)及び微粒子(b)以外のその他の微粒子を含んでいてもよい。スラリーにおけるその他の微粒子の含有量の割合は、微粒子(a)と微粒子(b)との合計重量に対して、100重量%以下(0重量%を含む)であることが好ましく、50重量%以下(0重量%を含む)であることがより好ましい。また、本発明の目的を著しく損なわない範囲でスラリーに界面活性剤、pH調整剤、分散剤、可塑剤等を添加することができる。
上述のように、従来のセパレータの製造工程において、水溶性ポリマーと微粒子と媒体とを含むスラリーをポリオレフィン多孔膜上に塗工した際に、スラリー中の水溶性ポリマーが媒体と共にポリオレフィン多孔膜の細孔内に過剰に入り込み、その状態で乾燥されることにより水溶性ポリマーが、該細孔内で析出するという問題がある。本発明の方法においては、スラリー中に含まれる微粒子(a)は、比表面積が大きいため、微粒子(a)の表面に媒体及び水溶性ポリマーが吸着および保持されることができる。微粒子(a)自身はその大きさにより、物理的にB膜の細孔内に入り込みづらい。結果として、スラリーが微粒子(a)を含むことにより、微粒子(a)が水溶性ポリマーのB膜細孔内への過剰な入り込みを抑制する。一方で、微粒子(a)は粒径が小さく嵩高いため、スラリーが微粒子(b)を含まず微粒子(a)のみを含む場合には、形成されるA膜の目付けに対して、厚みが大きくなり過ぎ、結果としてA膜の空隙率が大きくなり、A膜の高温での寸法維持性や、機械的強度を損ねてしまう。従って、微粒子(a)に対する微粒子(b)の重量比(微粒子(a)を1としたときの微粒子(b)の重量割合)は、0.05〜50であり、好適には0.1〜15であり、特に好適には0.2〜10である。微粒子(a)に対する微粒子(b)の重量比が上記範囲であると、A膜の厚みを適度に保つことができ、A膜の熱収縮を抑制することができ、A膜は十分な機械的強度を有することができる。
スラリーの水溶性ポリマーおよび媒体の合計における水溶性ポリマーの濃度は、(水溶性ポリマーおよび媒体の重量に対して)0.4重量%以上1.3重量%以下であり、好ましくは0.4重量%以上1.0重量%以下である。水溶性ポリマーの濃度が0.4重量%未満であると、上述の微粒子(a)による水溶性ポリマーの吸着保持効果が不十分となり、また、塗工膜の密着性が悪く、塗工膜の剥がれが起こって、B膜上に連続膜としてのA膜を形成できなくなるおそれがあり、1.3重量%を超えると、得られたセパレータのシャットダウン性が低下してしまう場合がある。また、塗工に適したスラリー粘度を得るよう、水溶性ポリマーの分子量等を適宜選択することができる。
また、上記スラリー中の固形分濃度(スラリーに対する微粒子(a)および微粒子(b)の合計の濃度)は、好ましくは6〜50重量%であり、より好ましくは9〜25重量%である。固形分濃度が、6重量%未満では、スラリーからの媒体除去時に除去しづらくなり、50重量%を越えると、B膜上にスラリーを薄く塗らなければならず、塗工しづらい。
A膜を製造するにあたり、B膜の上にA膜形成用スラリーを塗工した際に、該スラリーがB膜の細孔(空隙)内に入り込み、スラリー中の水溶性ポリマーが析出する、いわゆる「アンカー効果」により、A膜とB膜が接着する。このとき、スラリーがB膜の細孔内に過剰に入り込むと、水溶性ポリマーがB膜のより細孔深部にまで浸透後、析出することにより、シャットダウン時におけるB膜の円滑な溶融が阻害される問題がある。水溶性ポリマーを含むスラリーがB膜の細孔(空隙)内に過剰に入り込むことを抑制することにより、この問題を回避することができる。
スラリーが十分な比表面積を有する微粒子(a)を含有することによって、水溶性ポリマーが微粒子(a)に吸着および保持され、スラリー内の水溶性ポリマーがB膜の細孔(空隙)深部にまで浸透することを抑制することができる。該効果を得るためには、下記式で示されるS値が200m2/g以上であることが好ましく、より好ましくは300m2/g以上である。

S=[(微粒子(a)の比表面積(m2/g)×微粒子(a)の部数(PHR))+(微粒子(b)の比表面積(m2/g)×微粒子(b)の部数(PHR))]/(水溶性ポリマーの部数(PHR))
一方、A膜がフィラーとして十分な大きさを有する微粒子(b)を含むことにより、シャットダウンが生じる高温において、A膜は、B膜の熱収縮を抑制できる。微粒子(b)の平均粒径は、0.2μm以上、好ましくは0.25μm以上である。A膜が、平均粒径が0.2μm以上の微粒子(b)を含まないと、有為にB膜の熱収縮を抑制し、十分な寸法維持性を有するセパレータを得ることが難しい。なお、微粒子(b)の上限値はA膜の形状が保てる限り限定はないが、通常、20μm以下であり、好ましくは5μm以下であり、より好ましくは1μm以下であり、さらにより好ましくは0.8μm以下である。
スラリーをB膜に塗工して、塗工膜を得る方法は、均一にウェットコーティングできる方法であれば特に制限はなく、従来公知の方法を採用することができる。例えば、キャピラリーコート法、スピンコート法、スリット代コート法、スプレーコート法、ディップコート法、ロールコート法、スクリーン印刷法、フレキソ印刷法、バーコーター法、グラビアコーター法、ダイコーター法などを採用することができる。A膜の厚さは塗工膜の厚み、水溶性ポリマーのスラリー中の濃度、微粒子の水溶性ポリマーに対する比を調節することによって制御することができる。なお、B膜を支持する支持体として、樹脂製のフィルム、金属製のベルト、ドラム等を用いることができる。
塗工膜からの媒体の除去は、乾燥による方法が一般的である。除去方法の例として、該媒体には溶解することができるが水溶性ポリマーを溶かさない溶媒を準備し、塗工膜を該溶媒中に浸漬して該媒体を該溶媒に置換することにより、水溶性ポリマーを析出させ、媒体を除去し、溶媒を乾燥により除去する方法が挙げられる。なお、スラリーをB膜の上に塗工した場合、媒体又は溶媒の乾燥温度は、B膜の透気度を低下させない温度が好ましい。
次に、本発明の非水電解液二次電池について説明する。本発明の電池は、本発明のセパレータを含む。以下に、非水電解液二次電池として、リチウムイオン二次電池の一例を説明する。特に、セパレータ以外の構成要素を説明するが、これらに限定されるものではない。
非水電解液としては、例えばリチウム塩を有機溶媒に溶解させた非水電解液を用いることができる。リチウム塩としては、LiClO4、LiPF6、LiAsF6、LiSbF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO22、LiC(CF3SO23、Li210Cl10、低級脂肪族カルボン酸リチウム塩、LiAlCl4などのうち1種又は2種以上の混合物が挙げられる。これらの中でも、LiPF6、LiAsF6、LiSbF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO22、及びLiC(CF3SO23からなる群から選ばれる少なくとも1種のフッ素含有リチウム塩が好ましい。
非水電解液としては、例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、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、4−トリフルオロメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、1,2−ジ(メトキシカルボニルオキシ)エタンなどのカーボネート類;1,2−ジメトキシエタン、1,3−ジメトキシプロパン、ペンタフルオロプロピルメチルエーテル、2,2,3,3−テトラフルオロプロピルジフルオロメチルエーテル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなどのエーテル類;ギ酸メチル、酢酸メチル、Y−ブチロラクトンなどのエステル類;アセトニトリル、ブチロニトリルなどのニトリル類;N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミドなどのアミド類;3−メチル−2−オキサゾリドンなどのカーバメート類;スルホラン、ジメチルスルホキシド、1,3−プロパンサルトンなどの含硫黄化合物又は前記の物質にフッ素基を導入したものを用いることができるが、通常はこれらのうちの2種以上を混合して用いる。
これらの中でもカーボネート類を含むものが好ましく、環状カーボネートと非環状カーボネート、又は環状カーボネートとエーテル類の混合物がさらに好ましい。環状カーボネートと非環状カーボネートの混合物としては、作動温度範囲が広く、かつ負極の活物質として天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛材料を用いた場合でも難分解性であるという点で、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート及びエチルメチルカーボネートを含む混合物が好ましい。
正極シートは、通常、正極活物質、導電材及び結着剤を含む正極合剤を正極集電体上に担持したものを用いる。正極集電体に正極合剤を担持させる方法としては、加圧成型する方法;有機溶媒をさらに用いて正極合剤ペーストを得て、該ペーストを正極集電体に塗工し、乾燥して、得られたシートをプレスして、正極合剤を正極集電体に固着する方法などが挙げられる。具体的には、該正極活物質として、リチウムイオンをドープ・脱ドープ可能な材料を含み、導電材として炭素質材料を含み、結着剤として熱可塑性樹脂などを含むものを用いることができる。正極集電体としては、Al、Ni、ステンレスなどの導電体を用いることができるが、薄膜に加工しやすく、安価であるという点でAlが好ましい。該リチウムイオンをドープ・脱ドープ可能な材料としては、V、Mn、Fe、Co、Niなどの遷移金属を少なくとも1種含むリチウム複合酸化物が挙げられる。中でも好ましくは、平均放電電位が高いという点で、ニッケル酸リチウム、コバルト酸リチウムなどのα−NaFeO2型構造を有するリチウム複合酸化物、リチウムマンガンスピネルなどのスピネル型構造を有するリチウム複合酸化物が挙げられる。
該リチウム複合酸化物は、種々の金属元素を含んでもよく、特にTi、V、Cr、Mn、Fe、Co、Cu、Ag、Mg、Al、Ga、In及びSnからなる群から選ばれた少なくとも1種の金属元素のモル数とニッケル酸リチウム中のNiのモル数との和に対して、前記の少なくとも1種の金属元素が0.1〜20モル%であるように該金属元素を含む複合ニッケル酸リチウムを用いると、高容量での使用におけるサイクル性が向上するので好ましい。
該結着剤としては、ポリビニリデンフロライド、ビニリデンフロライドの共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフロロプロピレンの共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテルの共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレンの共重合体、ビニリデンフロライド−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレンの共重合体、熱可塑性ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの熱可塑性樹脂が挙げられる。
該導電剤としては、天然黒鉛、人造黒鉛、コークス類、カーボンブラックなどの炭素質材料が挙げられる。導電材として、それぞれ単独で用いてもよいし、例えば人造黒鉛とカーボンブラックとを混合して用いてもよい。
負極シートとしては、例えばリチウムイオンをドープ・脱ドーブ可能な材料、リチウム金属又はリチウム合金などを用いることができる。リチウムイオンをドープ・脱ドープ可能な材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛、コークス類、カーボンブラック、熱分解炭素類、炭素繊維、有機高分子化合物焼成体などの炭素質材料、正極よりも低い電位でリチウムイオンのドープ・脱ドープを行う酸化物、硫化物等のカルコゲン化合物が挙げられる。炭素質材料として、電位平坦性が高く、また平均放電電位が低いため正極と組み合わせた場合大きなエネルギー密度が得られるという点で、天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛材料を主成分とする炭素質材料が好ましい。
負極集電体としては、Cu、Ni、ステンレスなどを用いることができるが、特にリチウムイオン二次電池においてはリチウムと合金を作り難く、かつ薄膜に加工しやすいという点でCuが好ましい。該負極集電体に負極活物質を含む負極合剤を担持させる方法としては、加圧成型する方法;溶媒などをさらに用いて負極合剤ペーストを得て、該ペーストを負極集電体に塗工、乾燥して、得られたシートをプレスして、負極合剤を負極集電体に固着する方法等が挙げられる。
なお、電池の形状は、特に限定されるものではなく、ペーパー型、コイン型、円筒型、角形などのいずれであってもよい。
本発明の非水電解液二次電池用セパレータを用いて非水電解液二次電池を製造すると、高い負荷特性を有し、異常発熱が起こった場合でも、セパレータはシャットダウン機能を発揮し、さらなる発熱を抑制することができ、温度がさらに高くなっても、セパレータの収縮による正極と負極の接触を避けることができる非水電解液二次電池を得ることができる。
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
なお、実施例及び比較例においてセパレータの物性等は以下の方法で測定した。
(1)厚み測定(単位:μm)
セパレータの厚みは、JIS規格(K7130−1992)に従い、測定した。
(2)目付(単位:g/m2
得られたセパレータのサンプルを一辺の長さ10cmの正方形に切り、重量W(g)を測定した。目付(g/m2)=W/(0.1×0.1)で算出した。A膜の目付は、積層多孔質フィルム(セパレータ)の目付から基材であるポリオレフィン多孔膜(B膜)の目付を差し引いた上で算出した。
(3)空隙率(単位:体積%)
フィルムを一辺の長さ10cmの正方形に切り取り、重量:W(g)と厚み:D(cm)を測定した。サンプル中の材質の重量を計算で割りだし、それぞれの材質の重量:Wi(g)を真比重で割り、それぞれの材質の体積を算出して、次式より空隙率(体積%)を求めた。

空隙率(体積%)
=100−[{(W1/真比重1)+(W2/真比重2)+・・+(Wn/真比重n)}/(10×10×D)]×100
(4)透気度(単位:sec/100cc)
セパレータの透気度は、JIS P8117に基づいて、株式会社東洋精機製作所製のデジタルタイマー式ガーレ式デンソメータで測定した。
(5)シャットダウン到達抵抗測定
シャットダウン測定用セル(以降「セル」と称す。)にてシャットダウン温度を測定した。2×3cm角の長方形の膜に電解液を含浸した後、2枚のSUS製電極にはさみ、クリップで固定し、セルを作製した。電解液には、エチレンカーボネート50vol%:ジエチルカーボネート50vol%の混合溶媒に、1mol/LのLiBF4を溶解させたものを用いた。組み立てたセルの両極に、インピーダンスアナライザーの端子を接続した。1kHzでの抵抗値を測定した。オーブン中で15℃/分の速度で昇温しながら、抵抗の測定を実施した。最大抵抗値を到達抵抗値とした。シャットダウン性は下記の基準で評価した。
シャットダウン性の評価:
◎:到達抵抗値が500Ω以上
○:到達抵抗値が200Ω以上、500Ω未満
×:到達抵抗値が200Ω未満
(6)寸法維持率(加熱形状維持率)
フィルムを15cm角の正方形に切り出し、中央に10cm角で正方形の罫書き線を書き、離型剤を塗工した厚み0.5mmのアルミ板2枚の間に挟み、60℃に加熱したオーブンに入れた。オーブンの温度を1℃/分の速度で150℃に昇温して10分間保持したのち、取り出して正方形の寸法を測定し、寸法保持率を計算した。寸法保持率の計算方法は次の通りである。
MD方向の加熱前の罫書き線長さ:L1
TD方向の加熱前の罫書き線長さ:W1
加熱後のMD方向の罫書き線長さ:L2
加熱後のTD方向の罫書き線長さ:W2
寸法保持率(%)=((L2×W2)/(L1×W1))×100
A膜形成に使用した水溶性ポリマー、微粒子(a)及び微粒子(b)、並びにB膜は次の通りである。
<A膜>
「水溶性ポリマー」:
カルボキシメチルセルロース(CMC):第一工業製薬株式会社製セロゲン4H
「微粒子(a)」:
微粒子(a1):住友化学株式会社製AKP−G008
平均粒径:0.024μm
比表面積 :70m2/g
粒子形状 :略球状
微粒子(a2):住友化学株式会社製AKP−G15
平均粒径: 0.013μm
比表面積 :149m2/g
粒子形状 :非球状

「微粒子(b)」
微粒子(b1):住友化学株式会社製スミコランダムAA−03
平均粒径:0.42μm
比表面積 :4.8m2/g
粒子形状 :略球状
微粒子(b2):住友化学株式会社製AKP−3000
平均粒径: 0.54μm
比表面積 :4.3m2/g
粒子形状 :瓢箪型

<B膜>
ポリエチレン製多孔膜
「B1」:
膜厚:15μm
目付け:7g/m2
透気度:105秒/100cc

「B2」:
膜厚:13μm
目付け:6.5g/m2
透気度:120秒/100cc
実施例1
(1)スラリーの製造
実施例1のスラリーを以下の手順で作製した。
まず、CMCを水−エタノール混合溶媒(水:エタノール=2:1(重量比))に溶解させてCMC濃度0.6重量%([水溶性ポリマー+媒体]に対して)のCMC溶液を得た。次いで、CMC溶液(CMC100重量部)に、微粒子(a1)を1000重量部、微粒子(b1)を3000重量部を添加し、混合して、ゴーリンホモジナイザーを用いた高圧分散条件(60MPa)にて3回処理することで実施例1のスラリーを作製した。表1に実施例1のスラリーの組成を示す。なお、微粒子(a1)とCMCの仕込み量から算出した微粒子(a1)の全比表面積(m2/g)とCMC重量(g)との比は、700であった。
(2)セパレータの製造及び評価
B膜として、上記B1を用いた。B膜(MD方向100cm、TD方向30cm)をドラムに固定し、もう片方に0.6kgの重りをB膜に均等に荷重がかかるように吊り下げた。ドラムの最上部に直径20mmのステンレス製塗工バーをドラムとのクリアランスが40μmになるように平行に配置した。ドラムと塗工バーの間にB膜のテープで固定した側の端がくるようにドラムを回転させ止めた。塗工バー手前のB膜上に上記で調製したスラリーを供給しながら、ドラムを0.5rpmで回転させて、B膜の一方の面にスラリーを塗工した。塗工後、ドラムの回転を止め、そのまま70℃の雰囲気に30分間置いて十分乾燥させることにより、B膜の一方の面の上にA膜を積層した実施例1のセパレータを得た。得られたセパレータにおいて、A膜はB膜の上に密着しており剥離は確認されなかった。
表2に上記評価方法により得られたセパレータの固形分重量比、物性を示す。
実施例2〜8
(1)スラリーの製造
表1に示す微粒子(a)と微粒子(b)を、夫々表1に示す割合で使用した以外は実施例1のスラリーの作製方法と同様にして実施例2〜8のスラリーを得た。実施例2〜8のスラリー中の各成分の濃度を表1に示す。
(2)セパレータの製造及び評価
実施例2〜8のスラリーを使用した以外は実施例1と同様な操作を行い、実施例2〜8のセパレータを作製した。なお、使用したB膜を表2に示した。得られたセパレータの固形分重量比、物性を表2に示す。実施例2〜8のセパレータにおいて、A膜はB膜の上に密着し、剥離は確認されなかった。
実施例9
(1)スラリーの製造
微粒子(a1)と微粒子(b1)を表1に示す割合とした以外は実施例1のスラリーの作製方法と同様にして実施例9のスラリーを得た。実施例9のスラリー中の各成分の濃度を表1に示す。
(2)セパレータの製造及び評価
実施例9のスラリーを使用した以外は実施例1と同様な操作を行い、B膜の一方の面上にA膜を積層した。なお、使用したB膜を表2に示した。次いで、B膜のもう一方の面に、同様にA膜を積層することで、B膜の両面にA膜を積層した実施例9のセパレータを得た。実施例9のセパレータにおいて、A膜はB膜の上に密着し、剥離は確認されなかった。得られたセパレータの固形分重量比、物性を表2に示す。なお、A膜の厚みは、両面に設けられたA膜の合計厚みである。
実施例10〜12
(1)スラリーの製造
表1に示す微粒子(a)と微粒子(b)を、夫々表1に示す割合とした以外は実施例1のスラリーの作製方法と同様にして実施例10〜12のスラリーを得た。実施例10〜12のスラリー中の各成分の濃度を表1に示す。
(2)セパレータの製造及び評価
実施例10〜12のスラリーを使用した以外は実施例9と同様な操作を行い、B膜の両面にA膜を積層した実施例10〜12のセパレータを得た。なお、使用したB膜を表2に示した。実施例10〜12のセパレータにおいて、A膜はB膜の上に密着し、剥離は確認されなかった。得られたセパレータの固形分重量比、物性を表2に示す。なお、A膜の厚みは、両面に設けられたA膜の合計厚みである。
比較例1
(1)スラリーの製造
微粒子として微粒子(b1)のみを使用し、他の成分を表1に示す割合としたこと以外は、実施例1のスラリーの作製方法と同様にして比較例1のスラリーを得た。比較例1のスラリー中の各成分の濃度を表1に示す。
(2)セパレータの製造及び評価
比較例1のスラリーを使用した以外は実施例1と同様な操作を行い、比較例1のセパレータを作製した。なお、使用したB膜を表2に示した。得られたセパレータの固形分重量比、物性を表2に示す。比較例1のセパレータにおいて、A膜はB膜の上に密着し、剥離は確認されなかった。
比較例2
(1)スラリーの製造
微粒子として微粒子(a1)のみを使用し、他の成分を表1に示す割合としたこと以外は、実施例1のスラリーの作製方法と同様にして比較例1のスラリーを得た。比較例1のスラリー中の各成分の濃度を表1に示す。
(2)セパレータの製造及び評価
比較例2のスラリーを使用した以外は実施例1と同様な操作を行い、比較例2のセパレータを作製した。なお、使用したB膜を表2に示した。得られたセパレータの固形分重量比、物性を表2に示す。比較例2のセパレータにおいて、A膜はB膜の上に密着し、剥離は確認されなかった。
比較例3
(1)スラリーの製造
表1に示す微粒子(a)と微粒子(b)を使用し、他の成分を表1に示す割合としたこと以外は、実施例1のスラリーの作製方法と同様にして比較例3のスラリーを得た。比較例1のスラリー中の各成分の濃度を表1に示す。
(2)セパレータの製造及び評価
比較例3のスラリーを使用した以外は実施例1と同様な操作を行い、比較例3のセパレータを作製した。なお、使用したB膜を表2に示した。得られたセパレータの固形分重量比、物性を表2に示す。比較例3のセパレータはA膜の剥がれが顕著であり、B膜上に連続膜を形成することができなかった。
比較例4
(1)スラリーの製造
微粒子として微粒子(b2)のみを使用し、他の成分を表1に示す割合としたこと以外は、実施例1のスラリーの作製方法と同様にして比較例4のスラリーを得た。比較例1のスラリー中の各成分の濃度を表1に示す。
(2)セパレータの製造及び評価
比較例4のスラリーを使用した以外は実施例9と同様な操作を行い、B膜の両面にA膜を積層した比較例4のセパレータを得た。なお、使用したB膜を表2に示した。得られたセパレータの固形分重量比、物性を表2に示す。なお、A膜の厚みは、両面に設けられたA膜の合計厚みである。比較例4のセパレータにおいて、A膜はB膜の上に密着し、剥離は確認されなかった。
Figure 0006193333
Figure 0006193333
実施例1、7、9、10及び12、比較例1、2及び4について、寸法維持率(加熱形状維持率)及びSD特性の評価を行った。結果を表3に示す。
Figure 0006193333
本発明によれば、高温での形状安定性に加えて、シャットダウン性にも優れた非水電解液二次電池用セパレータが提供される。本発明のセパレータを用いることにより、異常発熱が起こった場合であってもセパレータが正極と負極が直接接触することを防止し、かつポリオレフィンの多孔膜の迅速に無孔化することにより絶縁性を維持することができる非水電解液二次電池が得られる。

Claims (6)

  1. 水溶性ポリマー、微粒子及び媒体を含むスラリーをポリオレフィン多孔膜上に塗工する工程、および、得られた塗工膜から媒体を除去することにより、水溶性ポリマーと微粒子とを含む多孔膜をポリオレフィン多孔膜上に積層する工程を含むセパレータの製造方法であって、
    前記微粒子が、平均粒径が0.01μm以上0.1μm未満、かつ、比表面積が50m2/g以上の微粒子(a)と、平均粒径が0.2μm以上の微粒子(b)とを含み、その他の微粒子の含有量の割合は微粒子(a)と微粒子(b)との合計重量に対して、100重量%以下(0重量%を含む)であり、
    微粒子(a)に対する微粒子(b)の重量比が、0.05〜50であり、
    水溶性ポリマーに対する微粒子(a)、微粒子(b)及びその他の微粒子の合計微粒子の重量比が、1〜100であり、かつ、水溶性ポリマーおよび媒体の合計における水溶性ポリマーの濃度が、0.4重量%以上1.3重量%以下であり、
    前記ポリオレフィン多孔膜が、孔径の平均の大きさが1μm以下のポリオレフィン多孔膜であるセパレータの製造方法。
  2. 微粒子(b)の比表面積が20m2/g以下である請求項1に記載のセパレータの製造方法。
  3. スラリー中の微粒子(a)および微粒子(b)の合計の濃度が、6〜50重量%である請求項1又は2に記載のセパレータの製造方法。
  4. 前記水溶性ポリマーが、セルロースエーテル、ポリビニルアルコール及びアルギン酸ナトリウムからなる群より選ばれる1種以上のポリマーである請求項1から3のいずれかに記載のセパレータの製造方法。
  5. 前記セルロースエーテルが、カルボキシメチルセルロースである請求項4に記載のセパレータの製造方法。
  6. ポリオレフィン多孔膜が、ポリエチレン多孔膜である請求項1から5のいずれかに記載のセパレータの製造方法。
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