JP6671255B2 - 非水電解液二次電池用セパレータ、非水電解液二次電池用積層セパレータ、非水電解液二次電池用部材および非水電解液二次電池 - Google Patents
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Description
(1−1)非水電解液二次電池用セパレータ
本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池用セパレータは、非水電解液二次電池において正極と負極との間に配置される膜状の多孔質フィルムである。
R2=I(MD)/(I(TD)+I(MD))
により算出される。ここで、I(MD)およびI(TD)は、X線の回折像の強度分布において、それぞれMD方向およびTD方向の配向に対応するピークの積分強度を示している。また、MD方向の配向度は、X線の回折像の強度分布において、MD方向の配向に対応するピークの半値幅Hを用いて、
配向度=[(180−H)/180]×100
より算出した。TD方向の配向度も同様である。
本発明の別の実施形態では、セパレータとして、上記の多孔質フィルムである非水電解液二次電池用セパレータと、多孔質層とを備えた非水電解液二次電池用積層セパレータ(以下、積層セパレータということがある。)を用いてもよい。多孔質フィルムについては上述したとおりであるため、ここでは多孔質層について説明する。
本発明に係る非水電解液二次電池用部材は、正極、非水電解液二次電池用セパレータまたは非水電解液二次電池用積層セパレータ、および負極がこの順で配置されてなる非水電解液二次電池用部材である。また、本発明に係る非水電解液二次電池は、非水電解液二次電池用セパレータまたは非水電解液二次電池用積層セパレータを備える。以下、非水電解液二次電池用部材として、リチウムイオン二次電池用部材を例に挙げ、非水電解液二次電池として、リチウムイオン二次電池を例に挙げて説明する。尚、上記非水電解液二次電池用セパレータ、上記非水電解液二次電池用積層セパレータ以外の非水電解液二次電池用部材、非水電解液二次電池の構成要素は、下記説明の構成要素に限定されるものではない。
以下の実施例および比較例に係る多孔質フィルムである非水電解液二次電池用セパレータの各種物性を、以下の方法で測定した。
多孔質フィルムの結晶性パラメータであるMD方向の配向割合、MD方向の配向度、TD方向の配向度は、X線解析装置(リガク社製、RAD−B型)を用いて測定した。
MD方向の配向割合R2=I(MD)/[I(MD)+I(TD)]×100
ここで、I(MD)はMD方向のピークの積分強度であり、I(TD)はTD方向のピークの積分強度である。
配向度=[(180−H)/180]×100
TD方向の配向度も同様に算出した。
JIS K7130に準拠してミツトヨ製VL-50Aにて、多孔質フィルムの膜厚測定を行った。測定はフィルム1m2あたり10箇所について行い、その平均値を算出した。
多孔質フィルムを一辺の長さ10cmの正方形に切り取り、重量W(g)を測定した。そして、目付(g/m2)=W/(0.1×0.1)の式に従って目付を算出した。
多孔質フィルムの透気度(ガーレー値(秒/100cc))は、JIS P8117に基づいて、株式会社東洋精機製作所製のB型デンソメータで測定した。測定はフィルム1m2あたり10箇所について行い、その平均値を算出した。
カトーテック社製KES−G5ハンディー圧縮試験器を用いて、針先端の曲率半径0.5mm、突刺速度3.3mm/secの条件で突刺試験を行い、最大突刺荷重(N)を突刺強度とした。ここでサンプルはΦ11.3mmの穴があいた金枠(試料ホルダー)にシリコンゴム製のパッキンも一緒に挟み固定した。
多孔質フィルムから直径19.4mmの円形状測定用サンプルを切り出し、測定用サンプルとした。また、2032型コインセルの部材(上蓋、下蓋、ガスケット、カプトンリング(外径16.4mm、内径8mm、厚さ0.05mm)、スペーサー(直径15.5mm、厚さ0.5mmの円形状スペーサー)、アルミリング(外径16mm、内径10mm、厚さ1.6mm))(宝泉株式会社製)を用意した。
測定装置としてウォーターズ社製ゲルクロマトグラフAlliance GPC2000型を使用して、多孔質フィルムに含まれるポリオレフィンの分子量を測定した。条件を以下に示す。
カラム:東ソー社製TSKgel GMHHR−H(S)HT 30cm×2、TSKgel GMH6−HTL 30cm×2
移動相:o−ジクロロベンゼン
検出器:示差屈折計
流 速:1.0mL/分
カラム温度:140℃
注入量:500μL
試料30mgをo−ジクロロベンゼン20mLに145℃で完全に溶解した後、その溶液を孔径が0.45μmの焼結フィルターでろ過し、そのろ液を供給液とした。なお、較正曲線は、分子量既知の16種の標準ポリスチレンを用いて作製した。
ポリオレフィンの分岐度は、以下の測定条件にて炭素核磁気共鳴(13C NMR)スペクトル測定し、13C NMRスペクトルにおいて、5〜50ppmに観測されるすべてのピークの総和を1000として、33.1〜33.3ppm、38.1〜38.3ppmおよび39.7〜39.9ppmに付近にピークトップを有するピークの積分値の総和を算出することによって求めた。
装置:ブルカー・バイオスピン(株)製 AVANCEIII 600HD
測定プローブ:10mmクライオプローブ
測定溶媒:1,2−ジクロロベンゼン/1,1,2,2−テトラクロロエタン−d2=85/15(容積比)の混合液
試料濃度:20mg/mL
測定温度:135℃
測定方法:プロトンデカップリング法
積算回数:3000回
パルス幅:45度
パルス繰り返し時間:4秒
測定基準:テトラメチルシラン。
測定装置としてセイコーインスツルメンツ社製DSC6200型を使用して以下の条件で、原料樹脂及び多孔質フィルムの融解熱量を測定した。
分析雰囲気:N2気流下 50mL/min
温度条件:1回目昇温 30℃−180℃(10℃/min)
2回目昇温 30℃−180℃(10℃/min)
サンプル量:原料樹脂:約5.0mg
多孔質フィルム 約1.4mg
2回目昇温時に得られた114〜140℃間の面積を質量当りの融解熱量に換算した。
高速巻き替え時の幅方向への変形評価として、40m/分で後述する耐熱層を高速塗工した際、巻き取り機の設定張力を120Nにして巻いた時の、塗工前の原反幅D1に対して、巻き取り後の幅D2としたときの維持率(%)を、D2÷D1×100で求めた。
後述する耐熱層が積層された多孔質フィルムから8cm×8cmのサンプル片にカッターで切出し、室温25℃、湿度50%の環境下で5分放置し、床面からのフィルム端の反り上がり量を測定した。
以下のようにして、非水電解液二次電池用セパレータまた非水電解液二次電池用積層セパレータに用いられる、実施例1〜3および比較例1、2に係る多孔質フィルムを作製した。
ポリエチレン粉末100重量部(GUR2024、セラニーズ製、重量平均分子量497万、融点134℃、融解熱量126mJ/mg)に対し、オレフィン系ワックス粉末43重量部(FNP115、日本精蝋製、重量平均分子量1000、融点115℃)と炭酸カルシウム(丸尾カルシウム、SEMで求めた平均粒子径0.10μm)170重量部をヘンシェルミキサーで混合し、その後2軸混練機にて230℃のシリンダ温度に設定し混練してポリオレフィン系樹脂組成物を得た。該ポリオレフィン系樹脂組成物を、表面温度が約150℃であり、同周速度で回転する一対のロールで圧延し、シート(1)を作製した。
ポリエチレン粉末100重量部(GUR2024、セラニーズ製、重量平均分子量497万、融点134℃、融解熱量126mJ/mg)に対し、オレフィン系ワックス粉末37重量部(FNP115、日本精蝋製、重量平均分子量1000、融点115℃)と炭酸カルシウム(丸尾カルシウム、SEMで求めた平均粒子径0.10μm)170重量部をヘンシェルミキサーで混合し、その後2軸混練機にて230℃に設定し混練してポリオレフィン系樹脂組成物を得た。該ポリオレフィン系樹脂組成物を、表面温度が約150℃であり、同周速度で回転する一対のロールで圧延し、シート(2)を作製した。
ポリエチレン粉末100重量部(GUR2024、セラニーズ製、重量平均分子量497万、融点134℃、融解熱量126mJ/mg)に対し、オレフィン系ワックス粉末43重量部(FNP115、日本精蝋製、重量平均分子量1000、融点115℃)と炭酸カルシウム(丸尾カルシウム、SEMで求めた平均粒子径0.10μm)170重量部をヘンシェルミキサーで混合し、その後2軸混練機にてシリンダ温度230℃に設定し混練してポリオレフィン系樹脂組成物を得た。該ポリオレフィン系樹脂組成物を、表面温度が約151℃であり、同周速度で回転する一対のロールで圧延し、シート(3)を作製した。
ポリエチレン粉末100重量部(GURX198、セラニーズ製、重量平均分子量479万、融点134℃、融解熱量112mJ/mg)に対し、オレフィン系ワックス粉末37重量部(FNP115、日本精蝋製、重量平均分子量1000、融点115℃)と炭酸カルシウム(丸尾カルシウム、SEMで求めた平均粒子径0.10μm)170重量部をヘンシェルミキサーで混合し、その後2軸混練機にて混練してポリオレフィン系樹脂組成物を得た。該ポリオレフィン系樹脂組成物を、表面温度が約150℃であり、同周速度で回転する一対のロールで圧延し、シート(5)を作製した。
市販されている非水電解液二次電池用のポリオレフィン多孔質フィルムの物性を表1に示した。
上述した「(9)高速ウェブハンドリング時の幅方向への維持率」および「(10)カール評価」を行う際に用いる耐熱層を、以下のようにして多孔質フィルムに積層した。
撹拌翼、温度計、窒素流入管および粉体添加口を有する、3リットルのセパラブルフラスコを使用して、ポリ(パラフェニレンテレフタルアミド)の製造を行った。フラスコを十分乾燥し,N−メチル−2−ピロリドン(NMP)2200gを仕込み、200℃で2時間真空乾燥した塩化カルシウム粉末151.07gを添加し、100℃に昇温して完全に溶解させた。室温に戻して、パラフェニレンジアミン68.23gを添加し完全に溶解させた。この溶液を20℃±2℃に保ったまま、テレフタル酸ジクロライド124.97gを10分割して約5分おきに添加した。その後も撹拌しながら、溶液を20℃±2℃に保ったまま1時間熟成した。そして、1500メッシュのステンレス金網でろ過した。得られた溶液は、パラアラミド濃度6%の液晶相で、光学的異方性を示した。パラアラミド溶液の一部をサンプリングし、水で再沈して得られたパラアラミドの固有粘度は、2.02dl/gであった。
なお、TおよびT0は、それぞれパラアラミド硫酸溶液および硫酸の流動時間であり、Cは、パラアラミド硫酸溶液中のパラアラミド濃度(g/dl)を示す。
先に重合したパラアラミド溶液100gをフラスコに秤取し、243gのNMPを添加し、最終的に、パラアラミド濃度が1.75重量%の等方相の溶液に調製して60分間攪拌した。上記のパラアラミド濃度が1.75重量%の溶液にアルミナC(日本アエロジル社製品)を6g(対パラアラミド100重量部)、アドバンスドアルミナAA-03(住友化学社製品)を6g(対パラアラミド100重量部)混合し、240分間攪拌した。アルミナ微細粒子を十分分散させた塗工ドープを1000メッシュの金網でろ過した。その後、酸化カルシウム0.73gを添加して240分攪拌して中和を行い、減圧下で脱泡しスラリー状の塗工液を得た。
実施例1〜3、及び比較例1,2の多孔質フィルムの巻き物(幅約1m、長さ1000m)を巻き出し機に取り付けた。このとき、正確な幅D1mmを測定した。そして、張力120N/m、ライン速度40m/分で引き出しながら塗工液を塗布し、連続的に多孔質フィルム上に耐熱層を作製した。
b:浴槽(アルカリ水溶液)
c:浴槽(水)
d:ガイドロール
e:乾燥ドラム(加熱ドラム)
f:巻取機
g:シート
Claims (7)
- 重量平均分子量が50万以上であるポリオレフィンを主成分とする多孔質フィルムであって、
MD方向の配向割合が58〜80%、MD方向への配向度が70〜80%、TD方向への配向度が65〜85%であり、
膜厚が14μm以下であることを特徴とする非水電解液二次電池用セパレータと、
パラアラミドを含む多孔質層と、を備えることを特徴とする非水電解液二次電池用積層セパレータ。 - ガーレー透気度が50〜300秒/100ccであることを特徴とする請求項1に記載の非水電解液二次電池用積層セパレータ。
- 前記多孔質フィルムに含まれるポリオレフィンは、炭素原子1000個当たり0.1〜0.9個の分岐を有していることを特徴とする請求項1または2に記載の非水電解液二次電池用積層セパレータ。
- 前記ポリオレフィンの結晶融解の熱量が115mJ/mg〜130mJ/mgであることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の非水電解液二次電池用積層セパレータ。
- シャットダウン温度が135〜144℃であり、突刺強度が3.4N以上であることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の非水電解液二次電池用積層セパレータ。
- 正極と、請求項1〜5の何れか1項に記載の非水電解液二次電池用積層セパレータと、負極とがこの順で配置されてなることを特徴とする、非水電解液二次電池用部材。
- 請求項1〜5の何れか1項に記載の非水電解液二次電池用積層セパレータを備えることを特徴とする非水電解液二次電池。
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