JP6652888B2 - 多孔フィルム、電池用セパレータおよび多孔フィルムの製造方法 - Google Patents
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Description
したがって、セパレータの耐熱温度とシャットダウン温度の差がより大きいセパレータが望まれていた。
しかし、このようなセパレータの多層化は、多層化自体にコストがかかることや、セバレータの厚みが増すことで、電池の小型化、高容量化の妨げとなるので、単層のフィルムであって、耐熱温度が高く、シャットダウン温度の低いセパレータが望まれている。
また本発明の多孔フィルムの製造方法は、本発明の多孔フィルムを生産性よく製造できるという効果を奏する。
本発明の多孔フィルムは、ポリビニルアルコール系樹脂(以下、PVA系樹脂ともいう。)を主成分とする多孔フィルムである。
本発明で用いられるPVA系樹脂としては、公知のPVA系樹脂が適用可能である。
かかるPVA系樹脂は、例えば、ビニルエステル系モノマーを重合して得られたビニルエステル系樹脂をケン化することにより得られる。
前記アルカリ触媒としては、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、ナトリウムメチラート、ナトリウムエチラート、カリウムメチラート、リチウムメチラート等のアルカリ金属の水酸化物やアルコラートを用いることができる。
通常、無水アルコール系溶媒下、アルカリ触媒を用いたエステル交換反応が反応速度の点や脂肪酸塩等の不純物を低減できるなどの点で好適に用いられる。
かかる平均重合度が大きすぎると、PVA系樹脂を主成分とする多孔フィルムに安定したクレーズが発生しにくくなる傾向がある。また、平均重合度の下限としては通常200以上、特には1000以上、さらには1500以上が好ましい。平均重合度が小さすぎると、PVA系樹脂を主成分とする多孔フィルムの強度が低下する傾向がある。
かかるケン化度が低すぎると、完全ケン化のPVA系樹脂の融点が240℃付近であるのに対して、融点がより低くなり、電池セパレータとして使用し、電池が熱暴走した場合にセパレータの形状の安定性が保ちにくくなる傾向がある。
2種または3種以上のPVA系樹脂を混合する場合、混合後のPVA系樹脂の平均重合度は、好ましくは200以上、4000以下であり、特に好ましくは1000以上、2000以下、さらに好ましくは1500以上、2000以下である。2種または3種以上のPVA系樹脂の混合比については、混合後のPVA系樹脂の平均重合度が上記の好ましい範囲となるように適宜調整することが好ましく、例えば、平均重合度が500以下のPVA系樹脂(a)と平均重合度が1500以上のPVA系樹脂(b)とを混合する場合の混合比〔(a)/(b)〕は、10/90〜40/60の範囲から選ばれる。
本発明におけるPVA系樹脂を主成分とするフィルム(PVA系樹脂フィルム)を作製する方法については、例えば、PVA系樹脂の水溶液を型に流し込み静置乾燥する方法や、流延法等の方法を採用することができる。
流延法にて製膜する際のPVA系樹脂水溶液の固形分濃度は、通常5〜30重量%、好ましくは8〜20重量%、特に好ましくは10〜15重量%である。かかるPVA系樹脂水溶液の固形分濃度が低すぎると生産性が低下する傾向があり、高すぎると高粘度となって水溶液の脱泡に時間を要したり、フィルム製膜時にダイラインが発生しやすくなる傾向がある。
乾燥温度としては、通常50〜140℃、好ましくは60〜120℃である。かかる温度が低すぎると乾燥に時間を要してしまう傾向があり、高すぎると製膜時に発泡してしまう傾向がある。
また、乾燥には常圧の乾燥機を用いても良いし、真空乾燥機を用いてもよい。
乾燥時間は、乾燥方法により異なるが、通常0.1時間〜10日間であり、乾燥後の揮発成分の含有量は1重量%以下とすることが好ましい。
本発明においてPVA系樹脂を主成分とするとは、PVA系樹脂フィルム中、PVA系樹脂を80重量%以上、好ましくは90重量%以上、特に好ましくは95重量%以上含有することをいう。
なお、本明細書において「クレーズ」とは、PVA系樹脂フィルムに形成される直線状または略直線状のひび、あるいは割れ目を表し、PVA系樹脂フィルムの断面にフィブリルが残存している狭義の「クレーズ」のみならず、フィブリルが残存していない「クラック」をも包括する概念である。
また、100℃で30分間の熱処理後の気体透過係数は、1×10−9cm3・cm/cm2・sec・cmHg以下であり、好ましくは0.5×10−9cm3・cm/cm2・sec・cmHg以下、特に好ましくは0.3×10−9cm3・cm/cm2・sec・cmHg以下、さらに好ましくは0.1×10−9cm3・cm/cm2・sec・cmHg以下である。
なお、気体透過係数は、直径13mmに切り出した多孔フィルムに窒素ガスを透過し、デジタルフローメーター(ジーエルサイエンス社製、GLF−1000)により測定した値であり、24℃において0.2MPaの圧力で5回行なった値の平均値である。
本発明の多孔フィルムにクレーズを形成するためのクレージング処理については特に限定されないが、例えば、図1に示すような、鋭角な稜状の先端部を有する刃2を備える装置を用いる方法が挙げられる。図1は、ポリビニルアルコール系樹脂フィルムにクレーズを形成するための装置を模式的に示す概略断面図である。
刃2の先端部の角度θ2としては15〜110°が好ましく、15〜35°が特に好ましい。刃2の先端部の角度θ2が小さすぎる場合、刃先がフィルムを切断する可能性が高くなる傾向があり、角度θ2が大きすぎる場合、刃先によるフィルム折り曲げ角度θ1を120°より大きくする必要があるため、フィルムの曲げが小さくなりクレーズの発生を起こし難くする傾向がある。
刃2の先端部をPVA系樹脂フィルム1の表面に当接した状態で、PVA系樹脂フィルムを徐々に移動させることによって、移動方向と直交または略直交する方向に、連続的な縞状のクレーズを形成させることができる。フィルムの移動速度としては5〜500mm/minが好ましく、20〜200mm/minが特に好ましい。移動速度が低すぎる場合、破断する可能性が高くなる傾向があり、移動速度が高すぎる場合、クレーズの密度が減少する傾向がある。
本発明の多孔フィルムは、上記のクレージング処理などによってクレーズが形成された部分に微細な貫通孔を有する。微細な貫通孔はクレーズの部分に対応する縞状の部分に特に高密度に形成されるので、本発明の微多孔性フィルムをリチウムイオン二次電池のセパレータとして用いた場合、正負極間が通電され、電池の安全性の低下を抑制することが可能となる。
本発明の多孔フィルムからなる電池用セパレータは、100℃での気体透過度が低く、低温でのシャットダウン機能を発揮できると共に、 融点が高く、仮に温度上昇が続いたとしても溶融し難く、フィルムの変形が生じ難いことから、セパレータの耐熱温度とシャットダウン温度の差が従来のものよりも大きく、安全性が高い。また、単層構造の多孔フィルムからセパレータを形成することができるので、コスト削減、電池の小型化、高容量化が可能となる。
平均重合度2000のPVA系樹脂88重量部と、平均重合度238のPVA系樹脂12重量部とを混合し、90℃で水に溶解させ、濃度4重量%の水溶液を得た。かかる水溶液を室温まで冷却し、5cm×30cmのPETフィルムの型に流し込み、23℃、50%RHの条件下で3日間風乾した後、80℃の真空乾燥機内で7日間乾燥させて、厚さ20μmの乾燥フィルムを得た。
図1に示した刃2(先端角度θ2:30°)を、上記の絶乾フィルムに折り曲げ角度θ1が110°になるように当接し、−5℃の雰囲気下で、14〜21MPaの張力をかけながら、40mm/minの速度でフィルムを移動させることで、フィルムにクレーズを発生させて、多孔フィルムを得た。
また、比較例として、市販の電池セパレータ用ポリオレフィン系フィルムについても同様に、24℃での気体透過係数、および100℃で30分間、乾燥機内で熱処理を行った後の気体透過係数を測定した。
これらの結果を表1に示す
したがって、実施例の多孔フィルムは、リチウムイオン二次電池などの電池に用いられるセパレータとして好適に利用できることが分かる。
2:刃
θ1(°):PVA系樹脂フィルム1の折り曲げ角度
θ2(°):刃2の先端部の角度
3:PVA系樹脂フィルム1の移動方向
Claims (6)
- ポリビニルアルコール系樹脂を主成分とする多孔フィルムであって、気体透過係数が1×10−7cm3・cm/cm2・sec・cmHg以上であり、100℃で30分間の熱処理後の気体透過係数が1×10−9cm3・cm/cm2・sec・cmHg以下であり、前記ポリビニルアルコール系樹脂は、平均重合度が1500以上のポリビニルアルコール系樹脂と平均重合度が500以下のポリビニルアルコール系樹脂との混合物であることを特徴する多孔フィルム。
- 前記ポリビニルアルコール系樹脂の平均重合度が4000以下であること特徴とする請求項1に記載の多孔フィルム。
- 前記ポリビニルアルコール系樹脂の平均重合度が200以上であること特徴とする請求項1または2に記載の多孔フィルム。
- 前記ポリビニルアルコール系樹脂のケン化度が80モル%以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の多孔フィルム。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の多孔フィルムからなる電池用セパレータ。
- ポリビニルアルコール系樹脂を主成分するフィルムにクレージング処理を施すことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の多孔フィルムの製造方法。
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