JP6438725B2 - 蓄電デバイス用セパレータ、及び電気化学素子 - Google Patents
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Description
蓄電デバイスが異常加熱した場合に速やかに電池反応を停止する「ヒューズ特性」、
高温になっても当初の形状を維持して正極物質と負極物質が直接反応する危険な事態を防止する「ショート特性」
等が求められている。
このようなセパレータを構成する材料としては、例えば不織布、紙、ポリエチレンテレフタレート、ポリオレフィン等が知られている。
このような事情のもと、セパレータの密着性を向上させる目的で、ポリオレフィンからなる微多孔膜に接着性ポリマーを塗工する試みが行われている(例えば特許文献1及び2参照)。
この点、特許文献3には、電極との密着性と、セパレータ表面のべたつきの抑制とを両立するために、2種類以上の樹脂バインダーを混合使用する技術が;
特許文献4には、2種類以上の樹脂バインダーのマイグレーションをそれぞれ制御する技術が;
特許文献5には、2種類の樹脂バインダーを重ねて塗工する技術が、
それぞれ開示されている。
すなわち、本発明は以下の通りである。
無機充填剤(b−2)及び樹脂バインダー(b−1)を含む多孔層(B)と
を有する蓄電デバイス用セパレータであって、
前記樹脂バインダー(b−1)が2種類以上の樹脂バインダーを含み、
前記多孔層(B)の表面軟化温度が30〜60℃の範囲にあり、そして
前記多孔層(B)の断面における面積0.01μm2以上の孔において、各孔の長軸と前記多孔基材層(A)と前記多孔層(B)の界面に平行な軸とによって形成される角度θが60度以上120度以下である孔の割合が30%以上である
ことを特徴とする、前記蓄電デバイス用セパレータ。
[2] 前記樹脂バインダー(b−1)が、
ガラス転移温度30℃以上の第1の樹脂バインダー(b−1−1)と、
ガラス転移温度30℃未満の第2の樹脂バインダー(b−1−2)と
を含む、[1]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[3] 前記第2の樹脂バインダー(b−1−2)の比重が、前記第1の樹脂バインダー(b−1−1)の比重より大きいものである、[1]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[5] 前記第1の樹脂バインダー(b−1−1)が中空粒子である、[1]〜[4]のいずれか1記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[6] 前記多孔層(B)の外表面から0〜50%の厚み範囲(上半分領域)に存在する樹脂バインダー(b−1)のうち、前記第1の樹脂バインダー(b−1−1)が60質量%以上である、[1]〜[5]のいずれか一項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[8] [1]〜[7]のいずれか一項に記載の蓄電デバイス用セパレータと、電極と、が積層して成ることを特徴とする、積層体。
[9] [8]に記載の積層体を用いて成ることを特徴とする、電気化学素子。
本明細書において、マイグレーションとは、塗工液を多孔基材層(A)へ塗工した後に、該塗工層の不動化及び乾燥過程を経由して多孔層(B)を形成する工程において,樹脂バインダーが多孔層(B)中の外表面側へ移動する現象をいう。
本実施形態の蓄電デバイス用セパレータは、多孔基材層(A)と多孔層(B)と
を有する。
本発明における多孔基材層(A)について説明する。
上記多孔基材層(A)としては、電子伝導性が小さく、イオン伝導性を有し、有機溶媒に対する耐性が高く、孔径の微細なものが好ましい。
そのような多孔基材層(A)としては、例えば、ポリオレフィン樹脂を含む多孔基材層;ポリエチレンテレフタレート、ポリシクロオレフィン、ポリエーテルスルホン、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を含む多孔基材層;ポリオレフィン系の繊維を織ったもの(織布);ポリオレフィン系の繊維の不織布;紙;並びに、絶縁性物質粒子の集合体が挙げられる。これらの中でも、塗工工程を経て多層多孔基材層、すなわち電池用セパレータを得る場合に塗工液の塗工性に優れ、セパレータの膜厚をより薄くして、電池等の蓄電デバイス内の活物質比率を高めて体積当たりの容量を増大させる観点から、ポリオレフィン樹脂を含む多孔基材膜(以下、「ポリオレフィン樹脂多孔基材膜」ともいう。)が好ましい。
中でも、電池用セパレータとした時のシャットダウン特性の観点から、ポリオレフィン樹脂としてはポリエチレン、ポリプロピレン、及びこれらの共重合体、並びにこれらの混合物が好ましい。
ポリエチレンの具体例としては、低密度ポリエチレン、線状低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレン等が;
ポリプロピレンの具体例としては、アイソタクティックポリプロピレン、シンジオタクティックポリプロピレン、アタクティックポリプロピレン等が;
共重合体の具体例としては、エチレン−プロピレンランダム共重合体、エチレンプロピレンラバー、エチレン−ブチレン共重合体、エチレン−オクテン共重合体等が、
それぞれ挙げられる。
多孔基材層(A)は、上述した材料からなる単層であってもよく、積層であってもよい。
平均孔径は、組成比、押出シートの冷却速度、延伸温度、延伸倍率、熱固定温度、熱固定時の延伸倍率、熱固定時の緩和率を制御することや、これらを組み合わせることにより調整することができる。
多孔基材層(A)がポリオレフィン樹脂多孔基材膜からなる場合、その気孔率は、ポリオレフィン樹脂組成物と可塑剤の混合比率、延伸温度、延伸倍率、熱固定温度、熱固定時の延伸倍率、熱固定時の緩和率を制御することや、これらを組み合わせることによって調整することができる。
(1)ポリオレフィン樹脂組成物と孔形成材とを溶融混練してシート状に成形後、必要に応じて延伸した後、孔形成材を抽出することにより多孔化させる方法、
(2)ポリオレフィン樹脂組成物を溶融混練して高ドロー比で押出した後、熱処理と延伸によってポリオレフィン樹脂結晶界面を剥離させることにより多孔化させる方法、
(3)ポリオレフィン樹脂組成物と無機材とを溶融混練してシート上に成形した後、延伸によってポリオレフィン樹脂と無機材との界面を剥離させることにより多孔化させる方法、
(4)ポリオレフィン樹脂組成物を溶解後、ポリオレフィン樹脂に対する貧溶媒に浸漬させてポリオレフィン樹脂を凝固させると同時に溶剤を除去することにより多孔化させる方法
等が挙げられる。
可塑剤としては、特に限定されないが、ポリオレフィンの融点以上において均一溶液を形成しうる不揮発性溶媒を用いることが好ましい。このような不揮発性溶媒の具体例としては、例えば、流動パラフィン、パラフィンワックス等の炭化水素類;フタル酸ジオクチル、フタル酸ジブチル等のエステル類;オレイルアルコール、ステアリルアルコール等の高級アルコール等が挙げられる。なお、これらの可塑剤は、抽出後、蒸留等の操作により回収して再利用してよい。更に、好ましくは、樹脂混練装置に投入する前に、ポリオレフィン樹脂、その他の添加剤及び可塑剤を、予めヘンシェルミキサー等を用いて所定の割合で事前混練しておく。より好ましくは、事前混練においては、可塑剤はその一部のみを投入し、残りの可塑剤は、樹脂混練装置に適宜加温しサイドフィードしながら混練する。このような混練方法を用いることにより、可塑剤の分散性が高まり、後の工程で樹脂組成物と可塑剤の溶融混練物のシート状成形体を延伸する際に、破膜することなく高倍率で延伸することができる傾向にある。
延伸処理としては、一軸延伸又は二軸延伸のいずれも好適に用いることができるが、得られる多孔基材層(A)の強度等を向上させる観点から二軸延伸が好ましい。シート状成形体を二軸方向に高倍率延伸すると、分子が面方向に配向し、最終的に得られる多孔基材層が裂けにくくなり、高い突刺強度を有するものとなる。延伸方法としては、例えば、同時二軸延伸、逐次二軸延伸、多段延伸、多数回延伸等の方法を挙げることができる。突刺強度の向上、延伸の均一性、シャットダウン性の観点からは同時二軸延伸が好ましい。また面配向の制御容易性の観点からは遂次二軸延伸が好ましい。
緩和操作は、膜のMD及び/又はTDへの縮小操作のことである。緩和率とは、緩和操作後の膜の寸法を緩和操作前の膜の寸法で除した値のことである。なお、MD、TD双方を緩和した場合は、MDの緩和率とTDの緩和率を乗じた値のことである。緩和率は、1.0以下であることが好ましく、0.97以下であることがより好ましく、0.95以下であることが更に好ましい。緩和率は膜品位の観点から0.5以上であることが好ましい。緩和操作は、MD、TD両方向で行ってもよいが、MD或いはTD片方だけ行ってもよい。
本実施形態における多孔基材層(A)の突刺強度は、特に限定されないが、好ましくは200g/20μm以上、より好ましくは300g/20μm以上であり、好ましくは2,000g/20μm以下、より好ましくは1,000g/20μm以下である。突刺強度が200g/20μm以上であることは、蓄電デバイス捲回時における脱落した活物質等による破膜を抑制する観点から好ましい。また、充放電に伴う電極の膨張収縮によって短絡する懸念を抑制する観点からも好ましい。一方、2,000g/20μm以下とすることは、加熱時の配向緩和による幅収縮を低減できる観点から好ましい。ここで、突刺強度は、後記の実施例の記載の方法により測定される。
上記突刺強度は、延伸倍率、延伸温度を調整する等により調節可能である。
なお、上記透気度は、延伸温度、延伸倍率の変更等により調節可能である。
本実施形態の蓄電デバイス用セパレータにおける多孔層(B)は、無機充填剤(b−2)及び樹脂バインダー(b−1)を含む。前記樹脂バインダー(b−1)は、2種類以上の樹脂バインダーを含む。
前記多孔層(B)に使用する無機充填剤(b−2)としては、特に限定されないが、耐熱性及び電気絶縁性が高く、且つリチウムイオン二次電池の使用範囲で電気化学的に安定であるものが好ましい。
無機充填剤(b−2)としては、例えば、アルミニウム化合物、マグネシウム化合物、その他化合物が挙げられる。
アルミニウム化合物としては、酸化アルミニウム、ケイ酸アルミニウム、水酸化アルミニウム、水酸化酸化アルミニウム、アルミン酸ソーダ、硫酸アルミニウム、リン酸アルミニウム、ハイドロタルサイト等が挙げられる。
マグネシウム化合物としては、硫酸マグネシウム、水酸化マグネシウム等が挙げられる。
これらは単独で用いても良いし、複数を併用してもよい。
前記元素マッピング法としては、例えばEDX(エネルギー分散型X線分光法)を、それぞれ採用することができる。これらの分析において、無機充填剤(b−2)の主成分を構成する金属元素に着目して断面方向にマッピングすることにより、当該無機充填剤(b−2)の存在位置を知ることができる。無機充填剤(b−2)が例えばベーマイト又はカオリンである場合、その主成分を構成するAl(アルミニウム)元素の断面方向のマッピングにより、その存在位置を知ることができる。
樹脂バインダー(b−1)は、前述した無機充填剤(b−2)を相互に結着する役割を果たす樹脂である。また、無機充填剤(b−2)と多孔基材層(A)とを相互に結着する役割を果たす樹脂であることが好ましい。
樹脂バインダー(b−1)の種類としては、セパレータとしたときにリチウムイオン二次電池の電解液に対して不溶であり、且つリチウムイオン二次電池の使用範囲で電気化学的に安定なものを用いることが好ましい。
1)ポリオレフィン:例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレンプロピレンラバー、及びこれらの変性体;
2)共役ジエン系重合体:例えば、スチレン−ブタジエン共重合体及びその水素化物、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体及びその水素化物、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体及びその水素化物;
3)アクリル系重合体:例えば、メタクリル酸エステル−アクリル酸エステル共重合体、スチレン−アクリル酸エステル共重合体、アクリロニトリル−アクリル酸エステル共重合体;
5)含フッ素樹脂:例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体;
6)融点及び/又はガラス転移温度が180℃以上の樹脂あるいは融点を有しないが分解温度が200℃以上のポリマー:例えば、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリアミド、ポリエステル。特に、耐久性の観点から全芳香族ポリアミド、中でもポリメタフェニレンイソフタルアミドが好適である。
中でも、電極との馴染み易さの観点からは上記2)共役ジエン系重合体が好ましく、耐電圧性の観点からは上記3)アクリル系重合体及び5)含フッ素樹脂が好ましい。
上記共役ジエン化合物としては、例えば、1,3−ブタジエン、2−メチル−1,3−ブタジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、2−クロル−1,3−ブタジエン、置換直鎖共役ペンタジエン類、置換及び側鎖共役ヘキサジエン類等が挙げられ、これらは1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。中でも、特に1,3−ブタジエンが好ましい。
上記3)アクリル系重合体に用いられる(メタ)アクリル酸としては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸を挙げることができる。
上記3)アクリル系重合体に用いられる(メタ)アクリル酸エステルとしては、例えば、
(メタ)アクリル酸アルキルエステル、例えば、メチルアクリレート、メチルメタクリレート、エチルアクリレート、エチルメタクリレート、ブチルアクリレート、ブチルメタクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート、2−エチルヘキシルアメタクリレート、フェニルアクリレート、フェニルメタクリレート、シクロヘキシルアクリレート、シクロヘキシルメタクリレート;
エポキシ基含有(メタ)アクリル酸エステル、例えば、グリシジルアクリレート、グリシジルメタクリレート;が挙げられ、これらは1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。
なお、上記2)共役ジエン系重合体は、他の単量体として上記(メタ)アクリル系化合物を共重合させて得られるものであってもよい。
30℃以上の領域にガラス転移温度を示す第1の樹脂バインダー(b−1−1)と、
30℃未満の領域にガラス転移温度を示す第2の樹脂バインダー(b−1−2)と、
を含む混合物であることが好ましい。
高いガラス転移温度を示す第1の樹脂バインダー(b−1−1)のガラス転移温度は、30℃以上であり、好ましくは45℃以上、更に好ましくは70℃以上である。ガラス転移温度が30℃以上の場合、セパレータ最表面のべたつき性及びハンドリング性の観点から好ましい。
低いガラス転移温度を示す第2の樹脂バインダー(b−1−2)のガラス転移温度は、30℃未満であり、好ましくは5℃以下であり、更に好ましくは−10℃以下である。ガラス転移温度が30℃未満の場合、電極との密着性、多孔基材層(A)との接着強度、及び無機充填剤(b−2)の結着強度の観点から好ましい。
樹脂バインダー(b−1)のガラス転移温度と比重との関係について説明する。
本実施態様のセパレータ中の多孔層(B)は、
多層基材層(A)と接触する側の面においては十分な接着性を有し、
外表面側(多孔基材層(A)との接触面の反対側)においては過度の粘着性(べたつき性)を示さないことが好ましい。従って、形成後の多孔層(B)においては、外表面側には、ガラス転移温度の高い第1の樹脂バインダー(b−1−1)が、
多層基材層(A)との接触面側には、ガラス転移温度の低い第2の樹脂バインダー(b−1−2)が、
それぞれ多く存在することが有利である。
従って、
ガラス転移温度の高い第1の樹脂バインダー(b−1−1)の比重をより小さくし、
ガラス転移温度の低い第2の樹脂バインダー(b−1−2)の比重をより大きくすることが、有利である。
(1)樹脂バインダー(b−1)を合成する際に、
アクリル系モノマー及びフッ素モノマーから選択される1種以上の使用割合を多くすると、比重が大きくなる傾向にあり、
オレフィン系、ジエン系モノマー及びスチレン系モノマーの使用割合を高くすると、比重が小さくなる傾向にある。従って、第1の樹脂バインダー(b−1−1)を例えばスチレン/豚ジエン系共重合体とし、第2の樹脂バインダー(b−1−2)を例えばアクリル酸系共重合体とすることは、好ましい態様である。
(2)中実粒子は比重が大きくなる傾向にあり、
中空粒子は比重が小さくなる傾向にある。従って、第1の樹脂バインダー(b−1−1)を中空粒子とし、第2の樹脂バインダー(b−1−2)を中実粒子とすることは、好ましい態様である。
所望の高いガラス転移温度及び小さな比重を有する第1の樹脂バインダー(b−1−1)と、
所望の低いガラス温度及び大きな比重を有する第2の樹脂バインダー(b−1−2)と
を、容易に得ることができる。
本実施形態における多孔層(B)の層厚は、耐熱性及び絶縁性を向上させる観点から、1μm以上であることが好ましく、蓄電デバイスの高容量化及び透過性を向上させる観点から、50μm以下であることが好ましい。多孔層(B)の層厚は、より好ましくは1.5μm以上20μm以下、更に好ましくは2μm以上10μm以下、特に好ましくは2μm以上7μm以下である。
多孔層(B)の層密度は、0.5〜2.0g/cm3であることが好ましく、0.7〜1.5g/cm3であることがより好ましい。多孔層(B)の層密度が0.5g/cm3以上であると、セパレータの高温における熱収縮率が良好となる傾向にあり、2.0g/cm3以下であると、透気度が低下する傾向にある。
多孔層(B)中の外表面から0%〜50%の厚み範囲(上半分領域)に存在する樹脂バインダー(b−1)のうち、前記第1の樹脂バインダー(b−1−1)が占める割合は、好ましくは55質量%以上、より好ましくは60質量%以上、更に好ましくは65質量%以上95質量%以下、最も好ましくは70質量%以上90質量%以下である。この割合が55質量%以上であることは、セパレータ最表面のべたつき性及びハンドリング性の観点から好ましい。
多孔層(B)中の外表面から0〜50%の厚み範囲にある領域(上半分領域)及び50〜100%の厚み範囲にある領域(下半分領域)における各樹脂バインダー(b−1)の量は、該多孔層(B)を上半分領域と下半分領域とに分離後、各領域について、例えば以下の分析を行うことにより、知ることができる。
(2)DSC(示差走査熱量測定)測定により、DDSC(DSCの微分曲線)における高温側のピークを第1の樹脂バインダー、低温側のピークを第2の樹脂バインダーとして、それぞれのピーク面積の比から、両樹脂バインダーの存在割合を算出する。
本実施形態における多孔層(B)は、その断面における面積0.01μm2以上の孔において、各孔の長軸と前記多孔基材層(A)と前記多孔層(B)の界面に平行な軸とによって形成される角度θが60度以上120度以下である孔の割合が30%以上である。このことによって、本実施形態のセパレータは、耐熱性と出力特性とに優れることになる。
前記孔面積は、多孔層(B)の断面について、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて撮影倍率1万倍で観察して得られる断面SEM像を2値化処理することによって求めることができる。
先ず、セパレータに対し、BIB(ブロードイオンビーム)により断面加工を行う。この加工の際、熱ダメージを抑制するために、試料となるセパレータを必要に応じて加工直前まで冷却しておいてもよい。具体的には、−40℃の冷却装置にセパレータを一昼夜放置することができる。これにより、平滑なセパレータ断面が得られる。
このように上述したSEM撮像条件で撮像された画像の暗部を中心に孔部を認定していくことにより、様々な測定対象において本実施形態の技術的意義に合致した孔部を認定することができる。
具体的には、先ず評価エリアの選択を行うため、「Rectangular selections」を用いて、多孔層(B)の所望の領域を選択する。選択する際に、多孔層(B)の表層部は除外する。続いて、選択エリアを別ファイルへ作成するため、「Image」タブから「Dupulicate」を開いて、多孔層(B)のみの新しい電子画像を作成する。次に、得られた電子画像から、孔部を特定するための処理を行う。具体的には、「Image」から「Adjust」、更に「Threshold」を選択して、256階調のうち単色で塗りつぶす範囲を「0−100」として処理を行う。
前記角度θが60°≦θ≦120°である孔の割合は、樹脂バインダー(b−1)の多孔層(B)外表面へのマイグレーションを制御することにより調整することが可能である。特に、マイグレーションし易い第1の樹脂バインダー(b−1−1)が、孔の割合を変更する時に影響が大である。孔の割合の変更因子としては、樹脂バインダー(b−1)の量、及びガラス転移温度(特に、第1の樹脂バインダー(b−1−1));
無機充填剤(b−2)の形状、平均粒径、及び粒径分布、並びに
塗工液の乾燥温度、及び乾燥時の風量が挙げられる。
多孔層(B)の形成方法としては、例えば、多孔基材層(A)の少なくとも片面に、無機充填剤(b−2)と樹脂バインダー(b−1)とを含む塗工液を塗工して多孔層(B)を形成する方法を挙げることができる。
塗工液の溶媒としては、前記無機充填剤(b−2)、及び前記樹脂バインダー(b−1)を均一かつ安定に分散できるものが好ましく、例えば、N−メチルピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、水、エタノール、トルエン、熱キシレン、塩化メチレン、ヘキサン等が挙げられる。
該塗工液には、分散安定化及び塗工性の向上のために、界面活性剤等の分散剤;増粘剤;湿潤剤;消泡剤;酸、アルカリを含むpH調製剤等の各種添加剤を加えてもよい。これらの添加剤は、溶媒除去の際に同時に除去できるものが好ましいが、蓄電デバイスの使用範囲において電気化学的に安定で、電池反応を阻害せず、かつ200℃程度まで安定ならば、多孔層(B)内に残存してもよい。
塗工後に塗工膜から溶媒を除去する方法については、多孔基材層(A)に悪影響を及ぼさない方法であれば特に限定はなく、例えば、多孔基材層(A)を固定しながらその融点以下の温度にて乾燥する方法、低温で減圧乾燥する方法等が挙げられる。多孔基材層(A)及びセパレータのMD方向の収縮応力を制御する観点から、乾燥温度、巻取り張力等は適宜調整することが好ましい。
乾燥温度は、バインダーのマイグレーションの観点から、好ましくは20〜100℃、より好ましくは30〜80℃、更に好ましくは40〜70℃である。
乾燥時間は、バインダーのマイグレーションの観点から、好ましくは10秒〜30分、より好ましく30秒〜20分、更に好ましくは40秒〜10分、最も好ましくは1分〜3分である。
本実施の形態に係る蓄電デバイス用セパレータ(以下、単に「セパレータ」ともいう。)は、上記のような多孔基材層(A)の片面又は両面に、上記のような多孔層(B)が形成されて成る。
本実施形態におけるセパレータの透気度は、好ましくは10〜500秒/100ccであり、より好ましくは20〜400秒/100cc、更に好ましくは30〜300秒/100ccである。透気度が10秒/100cc以上の場合、蓄電デバイスの自己放電を抑制する観点から好ましく、500秒/100cc以下の場合、良好な充放電特性を得る観点から好ましい。
また、本実施形態のセパレータの多孔基材層(A)側にTgの低い第2の樹脂バインダー(b−1−2)が多く存在することにより、多孔基材層(A)と多孔層(B)との接着性が向上する結果、多孔基材層(A)と多孔層(B)との界面における剥離が抑制され、結果として電極への密着性に優れたセパレータが得られたものと考えられる。
また、電解液存在下でセパレータと負極を積層し、80℃、10MPaの圧力で2分間加圧した後、セパレータと負極を剥離した場合にセパレータ上に活物質が面積にして10%以上付着することが好ましい。
蓄電デバイス用セパレータは、耐熱性の指標であるショート温度が、好ましくは140℃以上であり、より好ましくは150℃以上であり、更に好ましくは160℃以上である。ショート温度を160℃以上とすることは、蓄電デバイス用セパレータとする場合に、蓄電デバイスの安全性の観点から好ましい。
本実施形態に係る積層体は、上記セパレータと電極とが積層したものである。本実施形態のセパレータは、電極と接着することにより、積層体として用いることができる。ここで、「接着」とは、セパレータと電極との加熱剥離強度が、好ましくは10gf/cm以上、より好ましくは15gf/cm以上、更に好ましくは20gf/cm以上であることをいう。この加熱剥離温度は、上記に説明したのと同様にして測定することができる。
本実施形態の積層体は、捲回時のハンドリング性及び蓄電デバイスのレート特性が優れ、更には、多孔基材層(A)と多孔層(B)との接着性及び透過性にも優れる。そのため、積層体の用途としては、特に限定されないが、例えば、非水電解液二次電池等の電池やコンデンサー、キャパシタ等の蓄電デバイス等に好適に使用できる。
本実施形態の積層体に用いられる電極としては、後述の蓄電デバイスの項目に記載のものを用いることができる。
本実施形態の積層体は、正極−セパレータ−負極−セパレータ、又は負極−セパレータ−正極−セパレータの順に平板状に積層し、必要に応じて加熱及び/又はプレスして製造される。より具体的には、本実施形態のセパレータを、幅10〜500mm(好ましくは80〜500mm)、長さ200〜4,000m(好ましくは1000〜4000m)の縦長形状のセパレータとして調製し、当該セパレータを、正極−セパレータ−負極−セパレータ、又は負極−セパレータ−正極−セパレータの順で重ね、必要に応じて加熱及び/又はプレスして製造することができる。
本実施の形態のセパレータは、電池、コンデンサー、キャパシタ等におけるセパレータの他、物質分離用としても用いることができる。特に、非水電解液電池(特にリチウムイオン二次電池)用のセパレータとして用いた場合に、電極への密着性と優れた電池性能とを付与することが可能となり、好ましい。
以下、蓄電デバイスが非水電解液二次電池である場合についての好適な態様について説明する。
本実施形態のセパレータを用いて非水電解液二次電池を製造する場合、使用する正極、負極、及び非水電解液に限定はなく、公知のものを用いることができる。
負極材料としては、特に限定されないが、例えば、黒鉛質、難黒鉛化炭素質、易黒鉛化炭素質、複合炭素体等の炭素材料;シリコン、スズ、金属リチウム、各種合金材料等が挙げられる。
非水電解液としては、特に限定されないが、電解質を有機溶媒に溶解した電解液を用いることができ、有機溶媒としては、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等が、;
解質としては、例えば、LiClO4、LiBF4、LiPF6等のリチウム塩
等が、それぞれ挙げられる。
なお、上述した各種パラメータの測定値については、特に断りの無い限り,後述する実施例における測定法に準じて測定される値である。
本実施形態のセパレータにおける多孔層(B)は、多孔基材層(A)上へ、無機充填剤(b−2)、ガラス転移温度(Tg)が30℃以上の第1の樹脂バインダー(b−1−1)、及びガラス転移温度(Tg)が30℃未満の第2の樹脂バインダー(b−1−2)を含む塗工液を塗工することによって、多孔層(B)を形成したセパレータであることが好ましい。
多孔層(B)を形成する工程(具体的には塗工・不動化・乾燥により多孔層(B)を形成する工程)において、第1の樹脂バインダー(b−1−1)及び第2の樹脂バインダー(b−1−2)として、比重差が大きい樹脂バインダーの組み合わせを選択することにより、樹脂バインダー間のマイグレーション差を明確に発現させることができる。すなわち、相対的に比重が大きい樹脂バインダーは、マイグレーションが小さく、又はほとんどマイグレーションしないから、多孔層(B)中の多孔基材層(A)側に偏在する。相対的に比重が小さい樹脂バインダーは、マイグレーションが大きいから、多孔層(B)中外表面側に偏在することなる。
Tgの低い第2の樹脂バインダー(b−1−2)として相対的に比重が大きい樹脂バインダーを選択する
ことにより、Tgの高い第1の樹脂バインダー(b−1−1)を多孔層(B)中の外表面側に偏在させ、かつ
Tgの低い第2の樹脂バインダー(b−1−2)を多孔層(B)中の多孔基材層(A)側に偏在させることできる。
このような機構により、樹脂バインダー(b−1)の結着性を維持しながら、多孔層(B)の表面軟化温度を特定範囲に制御することができることとなったのである。
(1)多孔基材層(A)の気孔率(%)
多孔基材層(A)から10cm×10cm角の試料を切り取り、その体積(cm3)と質量(g)を求め、膜密度を0.95(g/cm3)として次式を用いて計算した。
気孔率=(体積−質量/膜密度)/体積×100
JIS P−8117に準拠し、(株)東洋精機製作所製のガーレ式デンソメータG−B2(商標)により測定した透気抵抗度を透気度とした。
カトーテック製のハンディー圧縮試験器KES−G5(商標)を用いて、開口部の直径11.3mmの試料ホルダーで多孔基材層(A)を固定した。次に固定された多孔基材層(A)の中央部を、針先端の曲率半径0.5mm、及び突刺速度2mm/secで、25℃雰囲気下にて突刺試験を行うことにより、最大突刺荷重として突刺強度(g)を得た。
キャピラリー内部の流体は、流体の平均自由工程がキャピラリーの孔径より大きいときはクヌーセンの流れに、小さい時はポアズイユの流れに従うことが知られている。そこで、多孔基材層(A)の透気度測定における空気の流れがクヌーセンの流れに、また多孔基材層(A)の透水度測定における水の流れがポアズイユの流れに従うと仮定する。
平均孔径d(μm)及び曲路率τa(無次元)は、空気の透過速度定数Rgas(m3/(m2・sec・Pa))、水の透過速度定数Rliq(m3/(m2・sec・Pa))、空気の分子速度ν(m/sec)、水の粘度η(Pa・sec)、標準圧力Ps(=101,325Pa)、気孔率ε(%)、及び膜厚L(μm)から、次式を用いて求めた。
d=2ν×(Rliq/Rgas)×(16η/3Ps)×106
τa= (d×(ε/100)×ν/(3L×Ps×Pgas))1/2
ここで、Rgasは、透気度(sec)から次式を用いて求められる。
Rgas=0.0001/(透気度×(6.424×10−4)×(0.01276×101,325))
Rliq=透水度/100
なお、透水度は次のように求められる。直径41mmのステンレス製の透液セルに、あらかじめエタノールに浸しておいた多孔基材層(A)をセットし、該膜のエタノールを水で洗浄した後、約50,000Paの差圧で水を透過させ、120sec間経過した際の透水量(cm3)より、単位時間・単位圧力・単位面積当たりの透水量を計算し、これを透水度とした。
また、空気の分子速度νは、気体定数R(=8.314)、絶対温度T(K)、円周率π、空気の平均分子量M(=2.896×10−2kg/mol)から次式を用いて求められる。
ν=((8R×T)/(π×M))1/2
孔数B (個/μm2) は、下記数式より求めることができる。
B=4×(ε/100)/(π×d2×τa)
(5)−1 多孔基材層(A)及びセパレータの膜厚(μm)
多孔基材層(A)及びセパレータから、各々、10cm×10cmのサンプルを切り出し、格子状に9箇所(3点×3点)を選んで、膜厚を微小測厚器(東洋精機製作所(株) タイプKBM)を用いて室温23±2℃で測定した。各々、9箇所の測定値の平均値を、多孔基材層(A)及びセパレータの膜厚(μm)とした。
多孔層(B)の厚みは、走査型電子顕微鏡(SEM)「型式S−4800、HITACHI社製」を用い、セパレータの断面観察により測定した。サンプルのセパレータを1.5mm×2.0mm程度に切り取り、ルテニウム染色した。ゼラチンカプセル内に染色サンプルとエタノールを入れ、液体窒素により凍結させた後、ハンマーでサンプルを割断した。サンプルをオスミウム蒸着し、加速電圧1.0kV、30000倍にて観察し、多孔層(B)の厚みを調べた。
樹脂バインダー(b−1)含有ラテックス(不揮発分=38〜42%、pH=9.0)を、アルミ皿に適量とり、130℃の熱風乾燥機で30分間乾燥した。乾燥後の乾燥皮膜約17mgを測定用アルミ容器に詰め、DSC測定装置(島津製作所社製、DSC6220)にて窒素雰囲気下におけるDSC曲線及びDDSC(DSCの微分)曲線を得た。なお測定条件は下記の通りとした。
(1段目昇温プログラム)
70℃スタート、毎分15℃の割合で昇温。110℃に到達後5分間維持。
(2段目降温プログラム)
110℃から毎分40℃の割合で降温。−70℃に到達後5分間維持。
(3段目昇温プログラム)
−70℃から毎分15℃の割合で400℃まで昇温。この3段目の昇温時にDSC及びDDSCのデータを取得。DDSCのピークトップ温度をガラス転移温度とした。
セパレータから、ナイフを使用して多孔層(B)をかきとって分離した。かきとった紛体について、DSC測定装置(島津製作所社製、DSC6220)にて窒素雰囲気下におけるDSC曲線及びDDSC曲線を得た。なお測定条件は下記の通りとした。
(1段目昇温プログラム)
70℃スタート、毎分15℃の割合で昇温。110℃に到達後5分間維持。
(2段目降温プログラム)
110℃から毎分40℃の割合で降温。−70℃に到達後5分間維持。
(3段目昇温プログラム)
−70℃から毎分15℃の割合で300℃まで昇温。この3段目の昇温時にDSC及びDDSCのデータを取得。DDSCにおける低温側のピークトップ温度をTgの低い第2の樹脂バインダーのガラス転移温度、高温側のピークトップ温度をTgの高い第1の樹脂バインダーのガラス転移温度とした。またピークの開始点と終了点に線を引き、ピークと線で囲まれる面積をピーク面積として重量法で求めた。高温側のピーク面積をTgの高い第1の樹脂バインダーの量、低温側のピーク面積をTgの低い第2の樹脂バインダーの量とし、両樹脂バインダーの比率を求めた。
多孔層(B)外表面から0〜50%厚み範囲(上半分領域)と外表面から50〜100%厚み範囲(下半分領域)とについて、上記6−2と同様の処理および測定をして、各領域におけるTgの高い第1の樹脂バインダー(b−1−1)とTgの低い第2の樹脂バインダー(b−1−2)の比率をそれぞれ求めた。
多孔層(B)中の無機充填剤(b−2)の厚み方向の存在位置は、多孔層(B)の断面写真と元素マッピングを組み合わせる手法(SEM(走査型電子顕微鏡)−EDX(エネルギー分散型X線分光法))より求めた。
詳細には、EDX(エネルギー分散型X線分光)装置付きの走査型電子顕微鏡(SEM)「型式S−4800、HITACHI社製」を用いて行った。セパレータの断面を見るために、セパレータ試料を1.5mm×2.0mm程度に切り取り、ルテニウム染色した。ゼラチンカプセル内に染色サンプルとエタノールを入れ、液体窒素により凍結させた後、ハンマーでサンプルを割断した。サンプルをオスミウム蒸着し、加速電圧1.0kV、30,000倍にて観察し、多孔層(B)の断面を観察した。その時にEDX(エネルギー分散型X線分光)装置を用いて、無機充填剤(b−2)の主成分を構成する金属について、例えばアルミナ、ベーマイト、カオリンの場合、Al(アルミニウム)元素の断面方向の厚み方向マッピングより、無機充填剤(b−2)の存在位置を算出した。具体的な算出方法は、多孔層(B)を外表面から厚み方向に5分割し、すなわち0〜20%、20〜40%、40〜60%、60〜80%、80〜100%の分画に分割し、各分画同一面積当たりの元素ドット数をカウントした。
上記(6)で得たフィルム状試料から適当な大きさに切り出した測定用試料について、アルファーミラージュ社製の電子比重計SD−200Lを用いて、樹脂バインダーの比重を測定した。
樹脂バインダーの平均粒径は、粒子径測定装置(日機装株式会社製、Microtrac UPA150)を使用し、測定した。測定条件としては、ローディングインデックス=0.15〜0.3、測定時間300秒とし、得られたデータにおいて50%粒子径の数値を粒子径として記載した。
無機充填剤(b−2)を蒸留水に加え、ヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液を少量添加してから超音波ホモジナイザーで1分間分散させた後、レーザー式粒度分布測定装置(日機装(株)製マイクロトラックMT3300EX)を用いて粒径分布を測定し、累積頻度が50%となる粒径(メジアン径)を平均粒径(μm)とした。
セパレータの多孔層(B)表面と黒ラシャ紙を合わせて、カレンダーを用い、ロール温度20℃、カレンダーロール間線圧10kgf/cmの条件下で圧着させた後、両者引き離して、黒ラシャ紙のセパレータへの転写有無を確認した。転写無しの場合、カレンダーのロール温度を5℃上昇させ、同様な試験を実施した。以降、5℃刻みでロール温度を上昇させ、同様な試験を繰り返し、黒ラシャ紙のセパレータへの転写が見られたもっとも低い温度を、セパレータの多孔層(B)の表面軟化温度とした。
セパレータと電極との密着性は、以下の手順で評価した。
(正極の作製)
正極活物質としてリチウムコバルト複合酸化物(LiCoO2)を92.2質量%、並びに導電材としてリン片状グラファイト及びアセチレンブラックをそれぞれ2.3質量%、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)3.2質量%(固形分換算)をN−メチルピロリドン(NMP)中に分散させてスラリーを調製した。このスラリーを正極集電体となる厚さ20μmのアルミニウム箔の片面にダイコーターで塗工し、130℃で3分間乾燥後、ロールプレス機で圧縮成形した。このとき、正極の活物質塗工量は250g/m2、活物質嵩密度は3.00g/cm3になるようにした。
負極活物質として人造グラファイト96.9質量%、並びにバインダーとしてカルボキシメチルセルロースのアンモニウム塩1.4質量%及びスチレン−ブタジエンコポリマーラテックス(平均粒径80nm、ガラス転移温度−40℃)1.7質量%(固形分換算)を精製水中に分散させてスラリーを調製した。このスラリーを負極集電体となる厚さ12μmの銅箔の片面にダイコーターで塗工し、120℃で3分間乾燥後、ロールプレス機で圧縮成形した。このとき、負極の活物質塗工量は106g/m2、活物質嵩密度は1.35g/cm3になるようにした。
上記方法により得られた負極を幅20mm、長さ40mmにカットした。この電極上にエチレンカーボネートとジエチルカーボネートを2:3の比率(体積比)にて混合した電解液(富山薬品工業製)を負極が浸る程度にたらし、この上にセパレータを重ね、積層体を作製した。この積層体をアルミジップに入れ、80℃、10MPaの条件下で、2分間プレスを行った後、積層体を取り出してセパレータを電極から剥がし、いかの基準で評価した。
○:セパレータの30%以上に負極活物質が付着した場合。
△:セパレータの10%以上30%未満の面積に負極活物質が付着した場合。
×:セパレータの10%未満の面積に負極活物質が付着した場合。
セパレータと被着体として正極集電体(冨士加工紙(株)アルミ箔20μm)を30mm×150mmに切り取り、重ね合わせた後、その積層体をテフロン(登録商標)シート(ニチアス(株)ナフロンPTFEシート TOMBO‐No.9000)で挟んだ。各積層体について下記各条件にてプレスを行うことにより、プレス条件の異なる2種の試験用サンプルを得た。
条件1)温度25℃、圧力5MPaで3分間加圧
条件2)温度80℃、圧力10MPaで3分間加圧
[ベタツキ性]
条件1)のプレス後の剥離強度について、
◎(きわめて良好):剥離強度が、4gf/cm以下であった場合
○(良好):剥離強度が、4gf/cm超6gf/cm以下であった場合
△(可):剥離強度が、6gf/cm超8gf/cm以下であった場合
×(不良):剥離強度が、8gf/cm超であった場合
とし、ベタつき性、及びハンドリング性の指標とした。
[塗工層剥離強度]
条件2)のプレス後の剥離強度について、
○(良好):剥離強度が、10gf/cm以上
×(不良):剥離強度が、10gf/cm未満
とし、電極との密着性、多孔基材層(A)との接着強度、及び無機充填剤(b−2)の結着強度の指標とした。
(12−1)評価用試料の作製
<電極>
正極及び負極を、上記「(10)セパレータと電極との密着性」と同様にして作製した。正極を幅約57mmに、負極を幅約58mmに、切断してそれぞれ帯状にすることにより評価用電極を作製した。
非水電解液は、エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート=2/3(体積比)の混合溶媒に、溶質としてLiPF6を濃度1.0mol/Lとなるように溶解させることにより調製した。
実施例及び比較例で得られたセパレータを60mmにスリットして帯状にすることにより、評価用セパレータを作製した。
上記(12−1)で得られた各部材を使用して、負極、セパレータ、正極、及びセパレータを、この順に重ね、250gfの巻取張力で渦巻状に複数回捲回することにより、電極積層体を作製した。10個作製した電極積層体について、セパレータの撚れやシワの有無を目視で観察し、下記評価基準にて評価をした。
−評価基準−
○(良好):撚れやシワ等の外観不良が全く生じなかったもの。
△(可):撚れやシワ等の外観不良が1個生じたもの。
×(不良):撚れやシワ等の外観不良が2個以上発生したもの。
(12−5−1)電池組立て
上記(12−1)で得られた、負極、セパレータ、正極、及びセパレータを、この順に重ね、巻取張力を250gf、捲回速度を45mm/秒として、渦巻状に複数回捲回して電極積層体を作製した。この電極積層体を、外径が18mm、高さが65mmのステンレス製容器に収納し、正極集電体から導出したアルミニウム製タブを容器蓋端子部に、負極集電体から導出したニッケル製タブを容器壁に、それぞれ溶接した。その後、真空下、80℃において12時間の乾燥を行った。アルゴンボックス内にて、組立てた電池容器内に上記非水電解液を注入し、封口することにより、電池を組み立した。
組立てた電池につき、1/3Cの電流値で電圧4.2Vまで定電流充電した後、4.2Vの定電圧充電を8時間行い、その後1/3Cの電流で3.0Vの終止電圧まで放電を行った。次に、1Cの電流値で電圧4.2Vまで定電流充電した後、4.2Vの定電圧充電を3時間行い、その後1Cの電流で3.0Vの終止電圧まで放電を行った。最後に1Cの電流値で4.2Vまで定電流充電をした後、4.2Vの定電圧充電を3時間行い前処理とした。なお、1Cとは電池の基準容量を1時間で放電する電流値を表す。
上記前処理を行った電池につき、温度25℃の条件下、放電電流1Aにて放電終止電圧3Vまで放電を行った後、充電電流1Aで充電終止電圧4.2Vまで充電を行った。これを1サイクルとして充放電を繰り返し、初期容量に対する200サイクル後の容量保持率を用いて、以下の基準でサイクル特性を評価した。
(評価基準)
◎(きわめて良好):容量保持率95%以上100%以下
○(良好):容量保持率90%以上95%未満
×(不良):容量保持率90%未満
多孔層(B)の孔構造の角度θを規定するために、先ず、セパレータについて、BIB(ブロードイオンビーム)による断面加工を行った。加工の際、熱ダメージを抑制するために必要に応じてセパレータを直前まで冷却させた。具体的には、−40℃の冷却装置にセパレータを一昼夜放置した。これにより、平滑なセパレータ断面が得られた。
次に、得られたセパレータ断面を、Cペースト及びOsコーティングによる導通処理を行った後、「HITACHI S−4700」(日立ハイテクフィールディング社製)を用いて、撮影倍率1万倍、加速電圧1.0kV、検出器:二次電子(上方UPPER)の設定で撮影を行った。得られた断面SEM像の電子画像を取得し、孔の角度θを算出した。
前記角度θは、画像処理ソフト「ImageJ」(バージョン1.46)を用いて以下の方法で算出した。
対象となる断面SEMの電子画像を開き、線選択ツール「Straight」を用いて画像中にある既知の距離を測定した。「Analyze」から「SET SCALE」を開き、測定単位及び既知の距離を入力し、スケールの設定を行った。次に、2値化処理の前処理として「Paintbrush Tool」を用いて多孔層(B)中の孔部を空隙として黒で塗りつぶした。
上述したように孔部(空隙)を塗りつぶした後、2値化処理を行った。具体的には、評価エリアの選択を行うため「Rectangular selections」を用いて、所望の領域を選択した。選択する際に、B層の表層部は除外した。続いて、選択エリアを別ファイルへ作成するため、「Image」タブ中の「Dupulicate」を用いて、B層のみの新しい電子画像を作成した。次に、得られた電子画像から、孔部を特定するための処理を行った。具体的には、「Image」から「Adjust」、更に「Threshold」を選択し、256階調のうち単色で塗りつぶす範囲を「0−100」として処理を行った。その後、「Analyze particles」を選択し、「Size」の項目に「0.01μm2以上」を入力し、さらに、Showの項目に「Ellipse」を選択することで、一つ一つの孔を楕円化させた画像が得られた。最後に、楕円化させた孔の長軸と、多孔基材層(A)と多孔層(B)との界面に平行な軸線とによって形成される角度θを機械的に求め、面積が0.01μm2以上である孔の角度θデータをヒストグラム化させ、60°≦θ≦120°となるθの割合を算出した。
(製造例1a)アクリル系ポリマーラテックスの製造
撹拌機、還流冷却器、滴下槽及び温度計を取りつけた反応容器に、イオン交換水70.4質量部と、「アクアロンKH1025」(登録商標、第一工業製薬株式会社製25質量%水溶液)0.085質量部(固形分換算)と、「アデカリアソープSR1025」(登録商標、株式会社ADEKA製25質量%水溶液)0.085質量部(固形分換算)と、を投入し、反応容器内部温度を80℃に昇温し、80℃の温度を保ったまま、過硫酸アンモニウム(2質量%水溶液)を0.15質量部(固形分換算)添加した。
過硫酸アンモニウム水溶液を添加した5分後に、メタクリル酸メチル85質量部、アクリル酸n−ブチル5.4質量部、アクリル酸2−エチルヘキシル2質量部、メタクリル酸0.1質量部、アクリル酸0.1質量部、メタクリル酸2−ヒドロキシエチル2質量部、アクリルアミド5質量部、メタクリル酸グリシジル0.4質量部、トリメチロールプロパントリアクリレート(A−TMPT、新中村化学工業株式会社製)0.7質量部、「アクアロンKH1025」(登録商標、第一工業製薬株式会社製25質量%水溶液)0.75質量部(固形分換算)、「アデカリアソープSR1025」(登録商標、株式会社ADEKA製25質量%水溶液)0.75質量部(固形分換算)、p−スチレンスルホン酸ナトリウム0.05質量部、過硫酸アンモニウム(2質量%水溶液)0.15質量部(固形分換算)、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン0.3質量部、及びイオン交換水52質量部の混合物を、ホモミキサーにより5分間混合させて、乳化液を作製した。得られた乳化液を、滴下槽から反応容器に150分かけて滴下した。
撹拌機、還流冷却器、滴下槽、及び温度計を取りつけた反応容器に、イオン交換水70.4質量部と、「アクアロンKH1025」(登録商標、第一工業製薬株式会社製25質量%水溶液)0.15質量部(固形分換算)と、「アデカリアソープSR1025」(登録商標、株式会社ADEKA製25質量%水溶液)0.15質量部(固形分換算)と、を投入し、反応容器内部温度を80℃に昇温し、80℃の温度を保ったまま、過硫酸アンモニウム(2質量%水溶液)を0.15質量部(固形分換算)添加した。
過硫酸アンモニウム水溶液を添加した5分後に、メタクリル酸メチル38.5質量部、アクリル酸n−ブチル19.6質量部、アクリル酸2−エチルヘキシル31.9質量部、メタクリル酸0.1質量部、アクリル酸0.1質量部、メタクリル酸2−ヒドロキシエチル2質量部、アクリルアミド5質量部、メタクリル酸グリシジル2.8質量部、トリメチロールプロパントリアクリレート(A−TMPT、新中村化学工業株式会社製)0.7質量部、「アクアロンKH1025」(登録商標、第一工業製薬株式会社製25質量%水溶液)3質量部、「アデカリアソープSR1025」(登録商標、株式会社ADEKA製25質量%水溶液)3質量部、p−スチレンスルホン酸ナトリウム0.05質量部、過硫酸アンモニウム(2質量%水溶液)0.15質量部(固形分換算)、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン0.3質量部、及びイオン交換水52質量部の混合物を、ホモミキサーにより5分間混合させて、乳化液を作製した。得られた乳化液を、滴下槽から反応容器に150分かけて滴下した。
撹拌機を備えた温度調節可能な反応器の内部を予め窒素置換した後、イオン交換水850質量部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム20質量部(固形分換算)、水酸化ナトリウム0.1質量部、亜硫酸水素ナトリウム0.5質量部、硫酸第二鉄0.0005質量部、スチレン15質量部、メタクリル酸メチル30質量部、アクリル酸2−エチルヘキシル51質量部、アクリル酸2−ヒドロキシエチル2質量部、及びイタコン酸2質量部からなる単量体混合物を全量加えて、重合系内温度を90℃に調節した後、過硫酸アンモニウム1質量部(固形分換算)及びイオン交換水50質量部からなる均一な開始剤水溶液を一括添加した。その後2時間、重合系内温度を90℃に保持してから、重合系内温度を下げ、シードラテックスAを得た。得られたシードラテックスAの固形分濃度は10質量%、ポリマーの平均体積粒子径は16nm、ガラス転移温度は2℃、および質量平均分子量(Mw)は7万であった。
生成したラテックスは、200メッシュ金網で濾過した後に、水酸化アンモニウム水溶液(25質量%)を添加し、pH8に調整後、未反応単量体を除去した。更に濃縮後、ポリアクリル酸アンモニウム0.5重量部(固形分換算)及び水酸化アンモニウム水溶液を加え、最終的に固形分濃度50質量%、pH8のスチレン−ブタジエン系ポリマー(1d)ラテックスを得た。得られたラテックスポリマーの平均粒子径は200nm、比重は1.07g/cm3、ガラス転移温度は70℃であった。
撹拌機を備えた温度調節可能な反応器の内部を予め窒素置換した後、製造例1dの前段で調製したシードラテックスA0.05質量部(固形分換算)を加え、反応系内の液温を75℃に維持したまま、メタクリル酸メチル25.5質量部、アクリル酸ブチル70質量部、メタクリル酸0.5質量部、アクリル酸0.5質量部、ジメタクリル酸エチレングリコール1質量部、メタクリル酸グリシジル2.5質量部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.5質量部、及びイオン交換水200質量部からなる乳濁液と、過硫酸アンモニウム水溶液(固形分濃度5質量%)1質量部(固形分換算)と、をそれぞれ4時間かけて添加し、更に重合系内温度75℃を維持して2時間反応を継続し、平均粒径200nmのラテックスBを得た。
重合系内温度75℃にした後、前記ラテックスB9.6質量部(固形分換算)に対して、メタクリル酸メチル50質量部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.2質量部(固形分換算)、及びイオン交換水からなる乳化液、並びにスチレン48質量部、ジビニルベンゼン2質量部、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム2質量部(固形分換算)、及びイオン交換するからなる乳化液2を、重合系内温度75℃を維持しながら、各5時間かけてグラジュエント添加した(乳化液1:0質量%から100質量%、乳化液2:100質量%から0質量%)、添加終了後、更に重合系内温度を75℃で2時間維持したまま、反応を継続し、平均粒径450nm、固形分濃度25.6質量%のラテックスCを得た。
体積平均分子量70万のホモポリマーのポリエチレン47.5質量部と体積平均分子量25万のホモポリマーのポリエチレン47.5質量部と体積平均分子量40万のホモポリマーのポリプ口ピレン5質量部とを、タンブラ-ブレンダーを用いてドライブレンドした。得られたポリマ一混合物99質量部に対して酸化防止剤としてペンタエリスリチルーテトラキスー[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒド口キシフェニル)フ口ピオネー卜]を1質量部添加し、再度タンブラーブレンダーを用いてドライブレンドすることにより、ポリマ一等混合物を得た。得られたポリマ一等混合物は窒素で置換を行った後に、二軸押出機へ窒素雰囲気下でフィーダーにより供給した。また流動パラフィン(37.78℃における動粘度7.59×10−5m2/s)を押出機シリンダーにプランジャーポンプにより注入した。溶融混練し、押し出される全混合物中に占める流動パラフィン量比が67質量%(樹脂組成物濃度が33質量%)となるように、フィーダー及びポンプを調整した。溶融混練条件は、設定温度200℃であり、スクリユ一回転数100rpm、吐出量12kg/hで行った。続いて、溶融混練物を、T−ダイを経て表面温度25℃に制御された冷却ロール上に押出しキャス卜することにより、厚み1,600μmのゲルシートを得た。次に、同時二軸テンター-延伸機に導き、二軸延伸を行った。設定延伸条件は、MD倍率7/0倍、TD倍率6.1倍、設定温度121℃とした。次に、延伸後のゲルシートを、メチルエチルケトン槽に導き、メチルエチルケトン中に充分に浸漬して流動パラフィンを抽出除去し、その後メチルエチルケトンを乾燥除去した。続いて、流動パラフィン除去後のゲルシートをTDテンターに導き、熱固定を行った。熱固定温度は120℃、TD最大倍率を2.0倍、緩和率は0.90とした。その結果、膜厚17μm、気孔率60%、透気度84秒/100cc、気液法によって算出した平均孔径d=0.057μm、曲路率τa=1.45、孔数B=165個/μm2、突刺強度が25μm換算で5,679fのポリオレフィン樹脂多孔膜(A1)を得た。
このセパレータの評価結果は表1に示した。
上記実施例1において、樹脂バインダー(b−1)の種類を表1に記載のとおりに変更した他は、実施例1と同様にして、セパレータを得た。
このセパレータの評価結果は表1に示した。
上記実施例1において、塗工層の乾燥温度を80℃と高くしたほかは、実施例1と同様にして、セパレータを得た。
このセパレータの評価結果は表1に示した。
この比較例1は、電極密着性及び塗工層剥離強度に劣っていた。塗工層の乾燥温度が高くなったことにより、両樹脂バインダー{第1の樹脂バインダー(b−1−1)と第2の樹脂バインダー(b−1−2)}が独立して偏在せず、両樹脂バインダーとも多孔基材層(A)側に偏在したためであると考えられる。
上記実施例1において、塗工層の乾燥温度を45℃と低くしたほかは、実施例1と同様にして、セパレータを得た。
このセパレータの評価結果は表1に示した。
この比較例2は、電極との密着性、多孔基材層(A)との接着性、セパレータ最表面のべたつき性、及びハンドリング性のいずれも劣っていた。塗工層の乾燥温度が低くなったことにより、両樹脂バインダーが独立して偏在せず、両樹脂バインダーとも多孔層(B)にほぼ均一に存在することになったため、多孔層(B)の表面軟化温度が低くなったものと考えられる。
上記実施例1において、樹脂バインダー(b−1)の種類を表1に記載のとおりに変更した他は、実施例1と同様にして、セパレータを得た。
このセパレータの評価結果は表1に示した。
この比較例3は、電極密着性、塗工層剥離強度、及びベタつき性のいずれも十分な結果ではなかった。本比較例では、2種類の樹脂バインダーの比重差[(b−1−2)−(b−1−1)]がなく、従って両樹脂バインダーがマイグレーション時に同様に挙動したためと思われる。
Claims (7)
- 多孔基材層(A)と、
無機充填剤(b−2)及び樹脂バインダー(b−1)を含む多孔層(B)と
を有する蓄電デバイス用セパレータであって、
前記樹脂バインダー(b−1)が2種類以上の樹脂バインダーを含み、
前記多孔層(B)の表面軟化温度が30〜60℃の範囲にあり、そして
前記多孔層(B)の断面における面積0.01μm2以上の孔において、各孔の長軸と前記多孔基材層(A)と前記多孔層(B)の界面に平行な軸とによって形成される角度θが60度以上120度以下である孔の割合が30%以上であり、
前記樹脂バインダー(b−1)が、
ガラス転移温度30℃以上の第1の樹脂バインダー(b−1−1)と、
ガラス転移温度30℃未満の第2の樹脂バインダー(b−1−2)と
を含み、
前記第2の樹脂バインダー(b−1−2)の比重が、前記第1の樹脂バインダー(b−1−1)の比重より大きいものである
ことを特徴とする、前記蓄電デバイス用セパレータ。 - 前記第1の樹脂バインダー(b−1−1)が中空粒子である、請求項1に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 前記多孔層(B)の外表面から0〜50%の厚み範囲(上半分領域)に存在する樹脂バインダー(b−1)のうち、前記第1の樹脂バインダー(b−1−1)が60質量%以上である、請求項1又は2に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 前記多孔層(B)外表面から50%〜100%の厚み範囲(下半分領域)に存在する樹脂バインダー(b−1)のうち、前記第2の樹脂バインダー(b−1−2)が60質量%以上90質量%以下である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 透気度が10〜500秒/100ccの範囲にある、請求項1〜4のいずれか一項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載の蓄電デバイス用セパレータと、電極と、が積層して成ることを特徴とする、積層体。
- 請求項6に記載の積層体を用いて成ることを特徴とする、電気化学素子。
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