JP6680206B2 - ポリオレフィン微多孔質膜、電池用セパレータ及び電池 - Google Patents

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Description

本発明は、ポリオレフィン微多孔質膜、電池用セパレータ及び電池に関する。
ポリオレフィン微多孔質膜は、隔離材やフィルター等として広く用いられている。たとえば、隔離材としてはリチウムイオン二次電池、ニッケル−水素電池、ニッケル−カドミウム電池、ポリマー電池に用いる電池用セパレータや、電気二重層コンデンサ用セパレータ、フィルターとしては逆浸透濾過膜、限外濾過膜、精密濾過膜等、その他にも透湿防水衣料、医療用材料等に用いられている。なかでも、特に、リチウムイオン二次電池用セパレータとして好適に用いられる。
リチウムイオン二次電池はノートパソコン、携帯電話といった小型電子機器だけでなく、近年、電動工具等のパワーツールやハイブリッド電気自動車等に広く用いられている。
リチウムイオン二次電池において、セパレータはイオンの透過性を維持しながら、正極と負極との間の短絡を防止する機能を担っている。しかし、電池の充放電に伴う電極の膨張/収縮の影響により、セパレータは厚さ方向に対して力の負荷/解放が繰り返され、変形や透過性に変化が生じ、電池の容量低下(サイクル特性悪化)を招くおそれがあることが指摘されていた。そこで、電池のサイクル特性を維持するために、圧迫によるセパレータの変形や透過性の変化を小さく抑えることが求められている。
そのため、近年では耐圧縮性に着目したセパレータの開発が進められている。
特許文献1には、質量平均分子量が1×10以上の超高分子量ポリエチレンの含有量が、ポリエチレン全体を100質量%として5質量%以下のポリエチレンを主成分とする微多孔質膜について記載されている。この特許文献1の微多孔質膜では、空孔率が25〜80%であり、2.2MPaの圧力下で90度5分間加熱圧縮した後の膜厚変化率は、圧縮前の膜厚を100%として20%以下であり、上記条件で加熱圧縮した後の到達透気抵抗度(ガーレー値)は700sec/100cm/20μm以下であることが記載されている。
特許文献2では、粘度平均分子量(Mv)が30万未満であるポリオレフィンと、Mvが50万以上であるポリオレフィン及び、膜厚より大きい電気化学的不活性粒子を必須成分とし、前記粒子が膜表面から突出した部分の高さA(μm)と、膜厚B(μm)との間に、0<A/B×100<25が成り立つことを特徴とするポリオレフィン微多孔質膜が記載されている。両面より突出した粒子が選択的に圧縮されるため、孔構造を有している他の部分への圧縮負荷を低減し、空孔率は39〜43%、サンプルを50mm×50mmに切り出し20枚重ねたのち、突出した粒子を含む初期全体厚みの80%となるように55℃で5秒間、プレス機で圧縮したときの透気抵抗度が190〜430secであったことが記載されている。
特許文献3は、α‐オレフィンとプロピレン系エラストマーをポリオレフィン樹脂と押し出し、シート状に成形し、延伸、洗浄、乾燥することにより、耐熱性と柔軟性を兼ね備えた微多孔質膜を提案している。前記微多孔質膜の空孔率は、35〜75%であり、プレス機により、2.2MPaの圧力下、90℃で5分間加熱圧縮した後の膜厚変化率は、圧縮前の膜厚を100%として20%以下であることが望ましく、上記条件で加熱圧縮した後の到達透気抵抗度(ガーレー値)は600秒/100ml/20μm以下であることが記載されている。
特開2008−81513号公報 特開2007−262203号公報 特開2013−57045号公報
特許文献1〜3に開示された技術により耐圧縮性は改善され、電池のサイクル特性の悪化が抑制されてはいるものの、いまだ十分ではない。
サイクル特性の悪化の一因として、リチウムイオン二次電池の初期充電時におけるリチウムの析出が挙げられる。リチウムが析出すると、電解質中のリチウムイオン濃度が低下する等によりサイクル特性が悪化する。そして、初期充電時におけるリチウムの析出を抑制するためには、セパレータの透気抵抗度及びセパレータと電極との密着性が重要であることがわかった。セパレータの透気抵抗度が大きいとイオンの流れが阻害され、また、密着性が十分でないと電解液や電極の膨張によりセパレータと電極との間に隙間ができ、リチウムの析出を促しているためである。したがって、サイクル特性の悪化を抑制するためには、セパレータの透気抵抗度の上昇抑制及びセパレータと電極との密着性向上が必要である。
本発明者らは、セパレータの透気抵抗度及びセパレータと電極との密着性について鋭意検討した結果、電池の製造過程において、電池素子を作製し、これを電解液と共に外装に封入して、最後に熱プレスする工程があるが、高い圧力で熱プレスすることでセパレータの透気性及びセパレータと電極との密着性が損なわれ、サイクル特性の悪化につながっていることを見出した。すなわち、上記熱プレスでの圧力によっても透気抵抗度及び電極との密着性を維持できるセパレータによりサイクル特性の悪化を抑制できることを見出し、本発明に到達した。特許文献1〜3の技術は、電池の充放電に伴う2.2MPa程度の圧力を想定しているのみで、上記熱プレスでの圧力(3〜5MPa程度)は考慮されていない。
本発明は、電池の製造工程における高圧力のプレス加工によるセパレータの透気性の悪化を防ぐことのでき、耐圧縮性に優れたポリオレフィン微多孔膜を提供する。また、本発明のポリオレフィン微多孔膜を用いれば、サイクル特性に優れた電池を提供することができる。
上記課題を解決するために本発明の電池用セパレータは以下の構成を有する。
すなわち、
ポリオレフィン微多孔質膜であって、温度90℃、圧力5.0MPaで5分間の加熱圧縮後の透気抵抗度変化率が50%以下、かつ、温度90℃、圧力5.0MPaで5分間の加熱圧縮後の膜厚変化率が加熱圧縮前のポリオレフィン微多孔質膜の膜厚を100%として10%以下であるポリオレフィン微多孔質膜である。
本発明のポリオレフィン微多孔質膜は、重量平均分子量(Mw)が1×10以上の超高分子量ポリエチレンの含有量がポリエチレン全質量を100質量%として10〜40質量%であることが好ましい。
本発明のポリオレフィン微多孔質膜は、膜厚が16μm以下であることが好ましい。
本発明のポリオレフィン微多孔質膜は、空孔率が25〜40%であることが好ましい。
本発明のポリオレフィン微多孔質膜は、パームポロメータにより求めた平均孔径が0.05μm以下であり、バブルポイント(BP)細孔径が0.06μm以下であることが好ましい。
本発明のポリオレフィン微多孔質膜は、電池用セパレータであることが好ましい。
上記課題を解決するために本発明の電池は以下の構成を有する。
すなわち、
前記ポリオレフィン微多孔質膜からなる電池用セパレータを用いた電池である。
本発明によれば、本発明は、電池の製造工程における高圧力のプレス加工によるセパレータの透気抵抗度の悪化を防ぐことのできる、耐圧縮性に優れたポリオレフィン微多孔膜を提供する。また、本発明のポリオレフィン微多孔膜を用いれば、サイクル特性に優れた電池を提供することができる。
以下、本発明のポリオレフィン微多孔膜について詳細に説明する。
[1]ポリオレフィン樹脂
本発明のポリオレフィン微多孔質膜を構成するポリオレフィン樹脂は、ポリエチレン樹脂を主成分とする。ポリエチレン樹脂の含有量はポリオレフィン樹脂の全質量を100質量%として、70質量%以上であるのが好ましく、より好ましくは90質量%以上、さらに好ましくは100質量%である。従って、本発明のポリオレフィン微多孔質膜は、ポリマー成分がポリエチレン樹脂からなることが好ましく、その場合にはポリプロピレンを含まない。
ポリオレフィンとしては、エチレン、プロピレン、1−ブテン、4−メチルペンテン−1、1−ヘキセンなどを重合した2段重合体、又は共重合体及びこれらのブレンド物等が挙げられる。
ポリオレフィン樹脂の主成分であるポリエチレン樹脂は、重量平均分子量(Mw)が1×10未満のポリエチレン(以下、「ポリエチレン(A)」とよぶ。)と、Mwが1×10以上の超高分子量ポリエチレン(以下、「ポリエチレン(B)」とよぶ。)からなるポリエチレン組成物がさらに好ましい。
ポリエチレン(A)としては、高密度ポリエチレン(HDPE)、中密度ポリエチレン(MDPE)及び低密度ポリエチレン(LDPE)のいずれでもよく、Mw又は密度の異なるものを二種以上用いてもよい。特に、ポリエチレン(A)として高密度ポリエチレンを用いるのが好ましい。ポリエチレン(A)のMwは1×10以上〜5×10未満が好ましく、より好ましくは5×10以上〜4×10未満である。
ポリエチレン(B)は超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)であって、Mwは1×10以上であるが、Mwは1×10〜3×10がより好ましい。ポリエチレン(B)のMwを3×10以下にすることにより、溶融押し出しを容易にすることができる。
ポリエチレン樹脂中のポリエチレン(B)の含有量は、ポリエチレン樹脂の全質量を100質量%として10質量%以上、40質量%以下が好ましく、より好ましくは15質量%以上、30質量%以下である。ポリエチレン(B)の含有量が上記好ましい範囲内であると、同製造条件で、フィルム全体の平均孔径を小さくでき、圧縮により孔がつぶれにくくなる。また、ポリエチレン(B)の含有量が上記好ましい範囲内であると、熱収縮率を低く抑えることができる。
ポリオレフィン樹脂のMwは1×10以下が好ましく、より好ましくは1×10〜1×10、さらに好ましくは2×10〜1×10である。ポリオレフィン樹脂のMwを上記好ましい範囲にすることで二軸押出機での押出がしやすく、延伸時に破断を防ぐことができる。
ポリエチレン(A)、ポリエチレン(B)及びポリオレフィン樹脂の重量平均分子量(Mw)と数平均分子量(Mn)の比(Mw/Mn(分子量分布))は限定的でないが、いずれも5〜300が好ましく、5〜100がより好ましく、5〜25がさらに好ましい。Mw/Mnが上記好ましい範囲であると、溶融押出を容易にし、得られるポリオレフィン微多孔質膜の強度を高くできる。
電池用セパレータ用途としての特性を向上させるため、ポリオレフィン樹脂はシャットダウン機能を付与するポリオレフィンを含んでもよい。シャットダウン機能を付与するポリオレフィンとして、例えばLDPEやポリエチレンワックスを添加することができる。LDPEとしては、分岐状のLDPE、線状LDPE(LLDPE)、及びシングルサイト触媒により製造されたエチレン/α‐オレフィン共重合体からなる群から選ばれた少なくとも一種が好ましい。但し、その添加量はポリオレフィン樹脂の全質量を100質量%として20質量%以下であるのが好ましい。添加量を上記好ましい範囲内とすることで強度低下を防ぐことができる。
必要に応じて酸化防止剤、微粉珪酸(孔形成剤)等の各種添加剤を本発明の効果を損なわない範囲で添加しても良い。
[2]ポリオレフィン微多孔質膜の製造方法
本発明のポリオレフィン微多孔質膜の製造方法は、(1)上記ポリオレフィン樹脂に成膜用溶剤を添加した後、溶融混練し、ポリオレフィン樹脂溶液を調製する工程、(2)ポリオレフィン樹脂溶液をダイリップより押し出した後、冷却してゲル状成形物を形成する工程、(3)ゲル状成形物を少なくとも一軸方向に延伸する工程(第一の延伸工程)、(4)成膜用溶剤を除去する工程、(5)得られた膜を乾燥する工程、(6)乾燥した膜を少なくとも一軸方向に再び延伸する工程(第二の延伸工程)、(7)熱処理する工程、及び(8)巻取工程を含む。必要に応じて、(4)の成膜用溶剤除去工程の前に熱固定処理工程、熱ロール処理工程及び熱溶剤処理工程のいずれかを設けてもよい。更に(1)〜(7)の工程の後、乾燥工程、熱処理工程、電離放射による架橋処理工程、親水化処理工程、表面被覆処理工程等を設けることができる。
本発明のポリオレフィン微多孔膜の製造方法としては、下記の「ポリオレフィン樹脂溶液の調製工程」および「ゲル状成形物の形成工程」を経る湿式法であることが重要である。「ポリオレフィン樹脂溶液の調製工程」を経ない製造方法は乾式法と呼ばれる。
(1)ポリオレフィン樹脂溶液の調製工程
ポリオレフィン樹脂に適当な成膜用溶剤を添加した後、溶融混練し、ポリオレフィン樹脂溶液を調製する。溶融混練方法は公知であるので詳細な説明は省略するが、溶融混練方法として、例えば特許第2132327号公報及び特許第3347835号公報に記載の二軸押出機を用いる方法を利用することができる。ただし、ポリオレフィン樹脂溶液のポリオレフィン樹脂濃度は、ポリオレフィン樹脂と成膜用溶剤との合計質量を100質量%として、ポリオレフィン樹脂が25〜50質量%であることが好ましく、より好ましくは25〜45質量%である。ポリオレフィン樹脂の割合を上記好ましい範囲内にすることで生産性の低下を防ぎ、ゲル状成形物の成形性の低下を防ぐことができる。
(2)ゲル状成形物の形成工程
ポリオレフィン樹脂溶液を押出機を介してダイから押し出し、冷却してゲル状成形物を形成する。ダイより押し出されたポリオレフィン樹脂溶液を50℃以下まで冷却する速度は180℃/min以上が好ましく、より好ましくは200℃/min以上、さらに好ましくは210℃/min以上である。上記好ましい範囲内の冷却速度にすることで結晶核を増やし、微結晶の数を増加させる。これによりゲル状成形物は延伸時に結晶が配向しやすくなり、フィブリル強度が向上し、得られる微多孔膜は膜厚方向の圧縮に対する強度が上がることで潰れにくくなる。押出方法及びゲル状成形物の形成方法は公知であるので説明を省略するが、例えば特許第2132327号公報及び特許第3347835号公報に開示の方法を利用することができる。
(3)第一の延伸工程
ゲル状成形物を少なくとも一軸方向に延伸する。第一の延伸によりポリエチレン結晶ラメラ層間の開裂が起こり、ポリエチレン相が微細化し、多数のフィブリルが形成される。得られるフィブリルは三次元網目構造(三次元的に不規則に連結したネットワーク構造)を形成する。ゲル状成形物は成膜用溶剤を含むので、均一に延伸できる。第一の延伸は、ゲル状成形物を加熱後、通常のテンター法、ロール法、インフレーション法、圧延法又はこれらの方法の組合せにより所定の倍率で行うことができる。第一の延伸は一軸延伸でも二軸延伸でもよいが、二軸延伸が好ましい。二軸延伸の場合、同時二軸延伸又は逐次延伸のいずれを施してもよい。
延伸倍率はゲル状成形物の厚さにより異なるが、一軸延伸では2倍以上にするのが好ましく、3〜50倍にするのがより好ましい。二軸延伸ではいずれの方向でも少なくとも3倍以上が好ましい。
第一の延伸の温度はポリオレフィン樹脂の結晶分散温度以上〜結晶分散温度+30℃の範囲内にするのが好ましく、結晶分散温度+10℃〜結晶分散温度+25℃の範囲内にするのがより好ましく、結晶分散温度+15℃〜結晶分散温度+20℃の範囲内にするのが特に好ましい。延伸温度を上記好ましい範囲内にすることで延伸後の分子鎖の配向性の悪化を防ぎ、樹脂が十分に軟化することで、延伸による破膜を防ぎ、高倍率の延伸ができる。ここで結晶分散温度とは、ASTM D4065に基づいて動的粘弾性の温度特性測定により求められる値をいう。ポリオレフィン樹脂がポリエチレンの場合、その結晶分散温度は、一般的に90〜100℃である。よって、延伸温度は、通常90〜130℃が好ましく、より好ましくは100〜125℃であり、さらに好ましくは105〜120℃である。
第一の延伸時に、温度の異なる多段階の延伸を施してもよい。この場合、前段の温度より後段の温度が高い二段階の異なる温度で延伸するのが好ましい。その結果、強度低下や幅方向の物性低下を伴わずに、細孔径が大きく、高透過性を示す高次構造の微多孔質膜が得られる。限定的ではないが、前段と後段の延伸温度の差は5℃以上にするのが好ましい。前段から後段にかけて膜の温度を上げる際、(a)延伸を継続しながら昇温してもよいし、(b)昇温する間は延伸を止めて所定の温度に到達したのち後段の延伸を開始してもよいが、前者(a)が好ましい。いずれの場合でも、昇温の際に急熱するのが好ましい。具体的には0.1℃/秒以上の昇温速度で加熱するのが好ましく、1〜5℃/秒の昇温速度で加熱するのがより好ましい。言うまでもないが、前段及び後段の延伸温度並びにトータル延伸倍率は各々上記範囲内とする。
所望の物性に応じて、膜厚方向に温度分布を設けて延伸してもよく、これにより一層、機械的強度に優れたポリオレフィン微多孔質膜が得られる。その方法としては、例えば特許第3347854号公報に開示の方法を用いることができる。
(4)成膜用溶剤除去工程
成膜用溶剤の除去(洗浄)には洗浄溶媒を用いる。ポリオレフィン相は成膜用溶剤と相分離しているので、成膜用溶剤を除去すると多孔質の膜が得られる。洗浄溶媒及びこれを用いた成膜用溶剤の除去方法は公知であるので説明を省略するが、例えば特許第2132327号公報や特開2002‐256099号公報に開示の方法を利用することができる。
(5)膜の乾燥工程
成膜用溶剤除去により得られたポリオレフィン微多孔質膜は、加熱乾燥法、風乾法等により乾燥する。
(6)第二の延伸工程
乾燥後の膜を再び少なくとも一軸方向に延伸する。第二の延伸は、膜を加熱しながら、第一の延伸と同様にテンター法等により行うことができる。第二の延伸は一軸延伸でも二軸延伸でもよい。
第二の延伸の温度は、微多孔質膜を構成するポリオレフィン樹脂の結晶分散温度以上〜結晶分散温度+40℃以下の範囲内にするのが好ましく、結晶分散温度+10℃以上〜結晶分散温度+40℃以下の範囲内にするのがより好ましい。第二の延伸の温度を上記好ましい範囲内にすることで、透気性の低下と、横方向(幅方向:TD方向)に延伸した場合のシート幅方向の物性のばらつきの発生とを防ぐことができる。第二の延伸の温度を上記好ましい範囲内にすることで、特に透気抵抗度の延伸シート幅方向のばらつきの発生を抑えることができる。また、第二の延伸の温度を上記好ましい範囲内にすることで、ポリオレフィン樹脂が十分に軟化することができ、延伸において破膜を防ぎ、均一に延伸できる。ポリオレフィン樹脂がポリエチレンのみからなる場合、延伸温度を通常90〜140℃の範囲内にし、好ましくは100〜140℃の範囲内にする。
第二の延伸の一軸方向への倍率は1.0〜1.8倍にするのが好ましい。例えば一軸延伸の場合、長手方向(機械方向:MD方向)又はTD方向に1.0〜1.8倍にする。二軸延伸の場合、MD方向及びTD方向に各々1.0〜1.8倍にする。二軸延伸の場合、MD方向及びTD方向の各延伸倍率は1.0〜1.8倍である限り、各方向で互いに異なってもよいが、同じであるのが好ましい。倍率を上記好ましい範囲内にすることで、透過性、電解液吸収性及び耐圧縮性の低下を防ぐことができる。また、倍率を上記好ましい範囲内にすることで、フィブリルが細くなり過ぎることと、耐熱収縮性の低下とを防ぐことができる。第二の延伸の倍率は1.2〜1.6倍にするのがより好ましい。
第二の延伸の速度は延伸軸方向に3%/秒以上にするのが好ましい。例えば、一軸延伸の場合、MD方向又はTD方向に3%/秒以上にする。二軸延伸の場合、MD方向及びTD方向に各々3%/秒以上にする。延伸軸方向における延伸速度(%/秒)とは、膜(シート)が再延伸される領域において再延伸前の延伸軸方向の長さを100%とし、1秒間当りに伸ばされる長さの割合を表す。延伸速度を上記好ましい範囲内にすることで、透過性の低下を防ぐとともに、TD方向に延伸した場合にシート幅方向における物性のばらつきが大きくなるのを防ぐ。延伸速度を上記好ましい範囲内にすることで、特に延伸シート幅方向における透気抵抗度のばらつきの発生を防ぐことができる。第二の延伸の速度は5%/秒以上にするのが好ましく、10%/秒以上にするのがより好ましい。二軸延伸の場合、MD方向及びTD方向の各延伸速度は3%/秒以上である限り、MD方向とTD方向で互いに異なってもよいが、同じであるのが好ましい。第二の延伸の速度の上限に特に制限はないが、破断防止の観点から50%/秒以下であるのが好ましい。
(7)熱処理工程
第二の延伸後の膜を熱処理する。熱処理方法としては、熱固定処理及び/又は熱緩和処理を用いればよい。特に熱固定処理により膜の結晶が安定化する。熱固定処理を行うことにより、第二の延伸により形成されたフィブリルからなる網状組織が保持され、細孔径が大きく、強度に優れた微多孔質膜を作製できる。熱固定処理は、微多孔質膜を構成するポリオレフィン樹脂の結晶分散温度以上〜融点以下の温度範囲内で行う。熱固定処理は、テンター方式、ロール方式又は圧延方式により行う。また、熱緩和処理は、テンター方式、ロール方式又は圧縮方式により行うか、ベルトコンベア若しくはフローティングロールを用いて行ってもよい。熱緩和処理は少なくとも一方向に緩和率が20%以下の範囲で行うのが好ましく、更に好ましくは緩和率が10%以下の範囲で行う。
熱固定処理温度及び熱緩和温度は、第二の延伸の温度±5℃の範囲内であるのが好ましく、これにより物性が安定化する。この温度は第二の延伸の温度±3℃の範囲内であるのがより好ましい。熱緩和処理方法としては、例えば特開2002‐256099号公報に開示の方法を利用できる。
(8)巻取工程
製膜後のポリオレフィン微多孔質膜は、円筒形コアに巻きつけて巻き取りフィルムロールとし、熱処理をする。熱処理の温度は好ましくは50〜70℃である。本発明においてフィルムを巻き取るためのコアは、円筒形のもので、その材質は特に限定せず、紙やプラスチック、及びそれらを合わせたものなどがある。巻き取り方法は、巻き取りモーターにより張力をかけてコアにポリオレフィン微多孔質膜を巻取る方法が挙げられる。ポリオレフィン微多孔質膜をコアに巻き取る際の巻取張力は5〜15Nが好ましく、より好ましくは7〜15Nである。15N以上の巻き取り張力で巻くと、巻き取り後にロールの状態での延伸によるひずみが残りやすく、巻き出した後の熱収縮が大きくなる。1N以下の巻き取り張力では、巻きズレや巻き姿が悪化し、シワ不良の原因となる。さらに、フィルムロールを60℃で熱処理をすることで、収縮により3次元構造でのひずみが残りにくく、得られるポリオレフィン微多孔膜は熱プレス時の収縮が小さくなり、熱圧縮後の透気抵抗度変化率が小さくなる。
限定的ではないが、第一の延伸、成膜用溶剤除去、乾燥処理、第二の延伸及び熱処理を一連のライン上で連続的に施すインライン方式を採用するのが好ましい。ただし、必要に応じて乾燥処理後の膜を一旦巻いてフィルムロールとし、これを巻き戻しながら第二の延伸及び熱処理を施すオフライン方式を採用してもよい。
(9)その他の工程
第一の延伸を施したゲル状成形物から成膜用溶剤を除去(洗浄)する前に、熱固定処理工程、熱ロール処理工程及び熱溶剤処理工程のいずれかを設けてもよい。また洗浄後や第二の延伸工程中の膜に対して熱固定処理する工程を設けてもよい。
(i)熱固定処理
洗浄前及び/又は後の延伸ゲル状成形物、並びに第二の延伸工程中の膜を熱固定処理する方法は上記と同じでよい。
(ii)熱ロール処理工程
洗浄前の延伸ゲル状成形物の少なくとも一面に熱ロールを接触させる処理(熱ロール処理)を施してもよい。熱ロール処理として、例えば特開2007‐106992号公報に記載の方法を利用できる。特開2007‐106992号公報に記載の方法を利用すると、ポリオレフィン樹脂の結晶分散温度+10℃以上〜ポリオレフィン樹脂の融点未満に温調した加熱ロールに、延伸ゲル状成形物を接触させる。加熱ロールと延伸ゲル状成形物との接触時間は0.5秒〜1分間が好ましい。熱ロール処理としては、ロール表面に加熱オイルを保持した状態で接触させてもよい。加熱ロールとしては、平滑ロール又は延伸ゲル状成形物をロール側に吸引する機能を有するロール、あるいは延伸ゲル状成形物との接触面(外周面)に凹凸を有する凹凸ロールのいずれでもよい。
(iii)熱溶剤処理工程
洗浄前の延伸ゲル状成形物を熱溶剤に接触させる処理を施してもよい。熱溶剤処理方法としては、例えばWO2000/20493号に開示の方法を利用できる。
[3]ポリオレフィン微多孔質膜の物性
本発明の好ましい実施態様によるポリオレフィン微多孔質膜は、次の物性を有する。
(1)膜厚(μm)
ポリオレフィン微多孔質膜の膜厚は、近年は電池の高密度高容量化が進んでいるため、3〜16μmが好ましく、より好ましくは5〜12μm、さらに好ましくは6〜10μmである。
(2)平均孔径(平均流量孔径)及びバブルポイント(BP)細孔径(nm)
ポリオレフィン微多孔質膜は、パームポロメータにより求めた平均孔径が0.05μm以下であることが好ましい。また、バブルポイント(BP)細孔径は0.06μm以下が好ましい。膜全体の孔径を小孔径にすることで孔が潰れにくくなり、膜厚と透気抵抗度の変化が小さくなる。
(3)透気抵抗度(sec/100cm
透気抵抗度(ガーレー値)は、300sec/100cm以下が好ましい。300sec/100cm以下であれば、電池に用いたときに、良好な透過性を有する。
(4)空孔率(%)
空孔率は25〜80%が好ましい。空孔率が25%以上であると良好な透気抵抗度が得られる。空孔率が80%以下であると、微多孔質膜を電池セパレータとして用いた場合の強度が十分であり、短絡を抑えることができる。空孔率が25〜40%であると、圧縮時にセパレータの細孔がつぶれにくく好ましい。
(5)突刺強度(mN)
突刺強度は1,300mN以上である。突刺強度が1,300mN未満では、微多孔質膜を電池用セパレータとして電池に組み込んだ場合に、電極間の短絡が発生する恐れがある。
(6)引張破断強度(MPa)
引張破断強度はMD方向及びTD方向のいずれにおいても80MPa以上であることが好ましい。これにより破膜の心配がない。MD方向における引張破断強度は110MPa以上が好ましく、より好ましくは140MPaである。TD方向における引張破断強度は120MPa以上が好ましく、より好ましくは170MPaである。引張破断強度が上記好ましい範囲であると、電池の製造工程において高圧力で熱プレスされても破膜しにくく、細孔がつぶれにくい。
(7)引張破断伸度(%)
引張破断伸度はMD方向及びTD方向のいずれにおいても60%以上である。これにより破膜の心配がない。
(8)105℃の温度で8時間暴露後の熱収縮率(%)
105℃の温度で8時間暴露後の熱収縮率はMD方向及びTD方向ともに15%以下である。熱収縮率が15%を超えると、微多孔質膜をリチウム電池用セパレータとして用いた場合、発熱時にセパレータ端部が収縮し、電極間の短絡が発生する可能性が高くなる。熱収縮率はMD方向及びTD方向ともに8%以下であるのが好ましい。熱収縮率は更に好ましくはMD方向、TD方向共に4%以下であるのが好ましい。
(9)加熱圧縮した後の膜厚変化率(%)
5.0MPaの圧力下、90℃で5分間加熱圧縮した後の膜厚変化率は圧縮前の膜厚を100%として10%以下が好ましく、より好ましくは5%以下、さらに好ましくは3%以下である。膜厚変化率が10%以下であると、微多孔質膜を電池セパレータとして用いた場合に、リチウムの析出を防ぎ、サイクル特性が良好な電池を得ることができる。
(10)加熱圧縮した後の透気抵抗度変化率(%)
5.0MPaの圧力下、90℃で5分間加熱圧縮した後の透気抵抗度変化率(加熱圧縮前後のガーレー値(sec/100cm)の変化率)は50%以下が好ましく、より好ましくは40%以下、さらに好ましくは35%以下である。透気抵抗度変化率が50%以下であると、電池セパレータとして用いた場合に、電池製造時の高圧での熱プレス工程を経ても、目標とした電池のサイクル特性を出すことができる。
加熱圧縮した後の膜厚変化率及び加熱圧縮した後の透気抵抗度変化率(%)は、結晶の配向性、膜の細孔構造、熱収縮率等に影響されやすい。したがって、ポリオレフィン樹脂の組成、ポリオレフィン樹脂溶液をダイリップより押し出した後の冷却速度、捲回体の熱処理等により制御することができる。
[4]ポリオレフィン微多孔質膜を用いたセルの物性
本発明の好ましい実施態様によるポリオレフィン微多孔質膜を用いたセパレータをアノードとカソードとの間に配置し、電解質を含む電気化学セルは、次の物性を有する。
(1)インピーダンスの変化率(%)
後述する測定方法で測定したセルのインピーダンスの変化率は7%以下が好ましい。インピーダンスの変化率が上記好ましい範囲内であると、電池のサイクル特性の悪化を抑えることができる。
(2)セルの厚み変化率(%)
後述する測定方法で測定したセルの厚みの変化率は15%以下が好ましい。セルの厚みの変化率が15%以下であると、熱プレスによりセパレータと電極が十分に密着しており、初期充電時においてリチウムが析出しにくい。
[5]電池
本発明のポリオレフィン微多孔質膜からなるセパレータは、これを用いる電池の種類に特に制限はないが、特にリチウム二次電池用途に好適である。本発明の微多孔質膜からなるセパレータを用いたリチウム二次電池には、公知の電極及び電解液を使用すればよい。また本発明の微多孔質膜からなるセパレータを使用するリチウム二次電池の構造も公知のものでよい。
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。
ポリオレフィン微多孔質膜の物性は以下の方法により測定した。
(1)平均孔径(平均流量孔径)及びバブルポイント(BP)細孔径(nm)
ポリオレフィン微多孔質膜の平均孔径(平均流量孔径)及びバブルポイント(BP)細孔径(nm)は下記のように測定した。
PMI社のパームポロメータ(商品名、型式:CFP−1500A)を用いて、Dry−up、Wet−upの順で測定した。Wet−upには表面張力が既知のGalwick(商品名)で十分に浸したポリオレフィン微多孔質膜に圧力をかけ、空気が貫通し始める圧力から換算される孔径を最大孔径とした。平均流量径については、Dry−up測定で圧力、流量曲線の1/2の傾きを示す曲線と、Wet−up測定の曲線が交わる点の圧力から孔径を換算した。圧力と孔径の換算は下記の数式を用いた。
d=C・γ/P(式中、d(μm)は微多孔質膜の孔径、γ(dynes/cm)は液体の表面張力、P(Pa)は圧力、Cは圧力定数(2860)である。)
(2)透気抵抗度(sec/100cm
透気抵抗度(ガーレー値)は、平均膜厚TAVの微多孔膜に対してJIS P8117に準拠して測定した。
(3)空孔率(%)
空孔率は微多孔膜の質量wと、微多孔膜と同じポリエチレン組成物からなる同サイズの空孔のない膜の質量wから、空孔率(%)=(w−w)/w×100により算出した。
(4)突刺強度(mN)
突刺強度は、直径1mm(0.5mmR)の針を用い、速度2mm/secでポリオレフィン微多孔質膜を突刺したときの最大荷重値を測定した。
(5)引張破断強度(kPa)
引張破断強度は、幅10mmの短冊状試験片を用いてASTM D882により測定した。
(6)引張破断伸度(%)
引張破断伸度は、幅10mmの短冊状試験片をポリオレフィン微多孔質膜の幅方向の中心部分より3点取り、ASTM D882により測定し、平均値を算出することにより求めた。
(7)105℃の温度で8時間暴露後の熱収縮率(%)
熱収縮率は、微多孔質膜を105℃で8時間暴露したときのMD方向及びTD方向の収縮率をそれぞれ3回ずつ測定し、平均値を算出することにより求めた。
(8)加熱圧縮した後の膜厚変化率(%)
膜厚は接触厚さ計((株)ミツトヨ製)により測定した。
ポリオレフィン微多孔膜を、高平滑面を有する一対のプレス板の間に挟み、これをプレス機により5.0MPaの圧力下、90℃で5分間加熱圧縮する。圧縮前の膜厚み(a(μm))から圧縮後の膜厚み(b(μm))を引き、(a(μm))で割った値を百分率であらわしたもの((a−b)÷a×100)を膜厚変化率(%)とする。膜厚みはポリオレフィン微多孔質膜の幅方向の中心部分より3点取り、測定し、平均値を算出することにより求めた。
(9)加熱圧縮した後の透気抵抗度変化率(sec/100cm
上記(8)と同条件でポリオレフィン微多孔膜を加熱圧縮し、加熱圧縮する前の透気抵抗度(α(sec/100cm))を加熱圧縮した後の透気抵抗度(β(sec/100cm))から引き、(α(sec/100cm))で割った値を百分率であらわしたもの((β−α)÷α×100)を透気抵抗度変化率(%)とする。透気抵抗度はポリオレフィン微多孔質膜の幅方向の中心部分より3点取り、測定し、平均値を算出することにより求めた。
ポリオレフィン微多孔膜を用いたセルの物性は以下の方法により測定した。
(1)セルのインピーダンスの変化率(%)
高平滑面を有する一対のプレス板の間にセルを挟み、これをプレス機により3.0MPa及び5.0MPa圧力下でそれぞれ、90℃で5分間加熱圧縮した後に、インピーダンス測定装置(ソーラトロン製、SI1250、SI1287)を用いて測定した。通常のプレス圧力(3.0MPa)のインピーダンスの値(A)から高圧力(5.0MPa)でのインピーダンスの値(B)を引き、(A)で割った値をインピーダンス変化率(%)とする。
インピーダンス変化率(%)={(A)−(B)}/(A)×100
(2)セルの厚み変化率(%)
高平滑面を有する一対のプレス板の間にセルを挟み、これをプレス機により3.0MPa及び5.0MPa圧力下でそれぞれ、90℃で5分間加熱圧縮した後に下記条件で充電し、セル厚みを充電前と充電後で測定した。セルの厚みはセルの中央部を接触厚さ計((株)ミツトヨ製)により測定した。圧縮前のセル厚み(a)から圧縮後のセル厚み(b)を引き、(a)で割った値をセル厚み変化率(%)とする。
セル厚み変化率(%)={(a)−(b)}/(a)×100
実施例1
Mwが2.0×10のUHMWPE(Mw/Mn:8)18質量%、及びMwが3.0×10のHDPE(Mw/Mn:6)82質量%からなるポリエチレン(融点:135℃、結晶分散温度:100℃、Mw/Mn:10.0)に、酸化防止剤としてテトラキス[メチレン−3−(3,5−ジターシャリーブチル−4−ヒドロキシフェニル)-プロピオネート]メタンを、ポリエチレン100質量部当たり0.2質量部ドライブレンドし、ポリエチレン組成物を調製した。得られたポリエチレン組成物30質量部を二軸押出機に投入し、この二軸押出機のサイドフィーダーから70質量部の流動パラフィン[50cSt(40℃)]を供給し、210℃および300rpmの条件で溶融混練して、ポリオレフィン溶液を調整した。このポリオレフィン溶液を二軸押出機に設けたTダイから押し出し、30℃に温調した冷却ロールで冷却速度210℃/minで引き取り、ゲル状成形物を形成した。得られたゲル状成形物を、テンター延伸装置により115℃で長手方向および幅方向ともに5倍(面倍率25倍)に同時二軸延伸し[第一の延伸]、そのままテンター延伸装置で長手方向および幅方向の両方向に寸法変化が無いように固定して、110℃の温度で熱固定処理した。次いで延伸したゲル状成形物を塩化メチレン浴中に浸漬し、流動パラフィンを除去し、洗浄して得られた微多孔質膜を風乾した。続いて、得られた微多孔質膜を、テンター延伸装置により130℃で幅方向に1.36倍に再延伸し[第二の延伸]、次いで幅方向に緩和率3%で緩和させ、そのままテンター延伸装置に固定して長手方向および幅方向の両方向に寸法変化が無いように、130℃の温度で熱固定処理した。次いで、ポリオレフィン微多孔質膜を室温まで冷却した後、巻取ロールで7Nの巻取張力で巻き取り、厚さ7.1μmのポリオレフィン微多孔質膜を製造した。
電池でのセパレータの効果を確認する為に、以下のように、アノード、カソード、セパレータおよび電解質を含む電気化学セルを用いて既述の物性を測定した。カソードは、単位面積質量が13.4mg/cmで厚さ15μmのアルミニウム基板上の密度が3.55g/cmのLiCoO層を含む、40mm×40mmのシートを用いた。アノードは、単位面積質量が5.5mg/cmで厚さ10μmの銅フィルム基板上の密度が1.65g/cmの天然黒鉛を含む、45mm×45mmのシートを用いた。アノードおよびカソードを120℃の真空オーブンで乾燥させた後にセルを組み立てた。セパレータは、長さ50mm、幅60mmの本実施例で製造したポリオレフィン微多孔性膜である。セパレータを、50℃の真空オーブンで乾燥させた後にセルを組み立て、エチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートの混合物(エチレンカーボネート/メチルエチルカーボネート=4/6、V/V(体積割合))中にLiPFを溶解させて電解質を調製し、1M溶液を形成した。アルミラミネートの間にアノード、セパレータおよびカソードを積み重ね、セパレータに電解質を含浸させ、次いで真空シールすることによってセルを作製した。
実施例2
第一の延伸の温度を117.0℃にし、第二の延伸の倍率を1.41倍にし、第二の延伸後の緩和における緩和率を7%に設定し、巻取張力を9Nに設定した以外は実施例1と同様にして厚さ9.4μmのポリオレフィン微多孔質膜を製造した。このポリオレフィン微多孔質膜を用いて実施例1と同様の方法でセルも作製した。
実施例3
第一の延伸の温度を112.0℃にし、第二の延伸の倍率を1.34倍にし、第二の延伸後の緩和における緩和率を2%に設定した以外は実施例1と同様にして厚さ5.3μmのポリオレフィン微多孔質膜を製造した。このポリオレフィン微多孔質膜を用いて実施例1と同様にセルを作製した。
実施例4
Mwが2.0×10のUHMWPE(Mw/Mn:8)30質量%、及びMwが3.0×10のHDPE(Mw/Mn:6)70質量%からなるポリエチレン(融点:135℃、結晶分散温度:100℃、Mw/Mn:10.0)を用い、冷却ロールにおける冷却速度を200℃/minに設定し、第一の延伸の温度を118.5℃にし、第二の延伸の倍率を1.40倍にし、第二の延伸後の緩和における緩和率を14%に設定し、巻取張力を9Nに設定した以外は実施例1と同様にして厚さ11.7μmのポリオレフィン微多孔質膜を製造した。このポリオレフィン微多孔質膜を用いて実施例1と同様にセルを作製した。
実施例5
Mwが2.0×10のUHMWPE(Mw/Mn:8)40質量%、及びMwが3.0×10のHDPE(Mw/Mn:6)60質量%からなるポリエチレン(融点:135℃、結晶分散温度:100℃、Mw/Mn:10.0)を用い、得られたポリエチレン組成物25質量部を二軸押出機へ供給し、第一の延伸の温度を110℃にし、第二の延伸倍率を1.60倍、延伸温度を127℃にし、第二の延伸後の緩和における緩和率を9%に設定した以外は実施例1と同様にして厚さ3.0μmのポリオレフィン微多孔質膜を製造した。このポリオレフィン微多孔質膜を用いて実施例1と同様にセルを作製した。
実施例6
Mwが2.0×10のUHMWPE(Mw/Mn:8)40質量%、及びMwが3.0×10のHDPE(Mw/Mn:6)60質量%からなるポリエチレン(融点:135℃、結晶分散温度:100℃、Mw/Mn:10.0)を用い、得られたポリエチレン組成物25質量部を二軸押出機へ供給し、第一の延伸倍率を長手方向および幅方向ともに7倍(面倍率49倍)にし、第二の延伸倍率を1.60倍、延伸温度を127℃にし、第二の延伸後の緩和における緩和率を6%に設定した以外は実施例1と同様にして厚さ3.0μmのポリオレフィン微多孔質膜を製造した。このポリオレフィン微多孔質膜を用いて実施例1と同様にセルを作製した。
実施例7
Mwが2.0×10のUHMWPE(Mw/Mn:8)30質量%、及びMwが3.0×10のHDPE(Mw/Mn:6)70質量%からなるポリエチレン(融点:135℃、結晶分散温度:100℃、Mw/Mn:10.0)を用い、得られたポリエチレン組成物28.5質量部を二軸押出機へ供給し、第一の延伸温度を110℃、第二の延伸倍率を1.60倍、延伸温度を127℃にし、第二の延伸後の緩和における緩和率を9%に設定した以外は実施例1と同様にして厚さ3.0μmのポリオレフィン微多孔質膜を製造した。
実施例8
第一の延伸温度を110℃、第二の延伸倍率を1.60倍にし、第二の延伸後の緩和における緩和率を9%に設定した以外は実施例1と同様にして厚さ3.0μmのポリオレフィン微多孔質膜を製造した。このポリオレフィン微多孔質膜を用いて実施例1と同様にセルを作製した。
比較例1
Mwが2.0×10のUHMWPE(Mw/Mn:8)2質量%、及びMwが3.0×10のHDPE(Mw/Mn:6)98質量%からなるポリエチレン(融点:135℃、結晶分散温度:100℃、Mw/Mn:10.0)を用い、得られたポリエチレン組成物40質量部と流動パラフィン60質量部でポリオレフィン溶液を調整した。このポリオレフィン溶液を押し出し、第一の延伸の温度を119.5℃、第二の延伸の倍率を1.4倍にし、第二の延伸後に緩和はせず、巻取張力9Nの力で巻き取った以外は実施例1と同様にして厚さ9.0μmのポリオレフィン微多孔質膜を製造した。このポリオレフィン微多孔質膜を用いて実施例1と同様にセルを作製した。
比較例2
冷却速度を160℃/minに設定し、巻取張力16Nの力で巻き取った以外は実施例1と同様にして厚さ7.0μmのポリオレフィン微多孔質膜を製造した。このポリオレフィン微多孔質膜を用いて実施例1と同様にセルを作製した。
比較例3
Mwが2.0×10のUHMWPE(Mw/Mn:8)40質量%、及びMwが3.0×10のHDPE(Mw/Mn:6)60質量%からなるポリエチレン(融点:135℃、結晶分散温度:100℃、Mw/Mn:10.0)を用い、得られたポリエチレン組成物23質量部と流動パラフィン77質量部でポリオレフィン溶液を調整した。このポリオレフィン溶液を押し出し、第一の延伸の温度を117.0℃にし、第二の延伸の温度を128℃で1.6倍まで延伸した後、幅方向に12%緩和し、巻取張力16Nで巻き取った以外は、実施例1と同様にして厚さ11.8μmのポリオレフィン微多孔質膜を製造した。このポリオレフィン微多孔質膜を用いて実施例1と同様にセルを作製した。
比較例4
ポリエチレン組成物25質量部と流動パラフィン75質量部でポリオレフィン溶液を調整し、ポリオレフィン溶液を押し出し、冷却速度160℃/minで冷却し、第一の延伸の温度を118.0℃にし、第二の延伸の温度を126℃で1.4倍まで延伸した後、第二の延伸後に緩和を実施しない点以外は、実施例1と同様にして厚さ12.0μmのポリオレフィン微多孔質膜を製造した。このポリオレフィン微多孔質膜を用いて実施例1と同様にセルを作製した。
実施例1〜8、比較例1〜4の製造条件、得られたポリオレフィン微多孔膜及びそのポリオレフィン微多孔膜を用いたセルの物性を表1〜4に示す。
Figure 0006680206
Figure 0006680206
Figure 0006680206
Figure 0006680206

Claims (6)

  1. ポリエチレン樹脂からなり、前記ポリエチレン樹脂が重量平均分子量1×10以上の超高分子量ポリエチレンを10〜40質量%含有し、温度90℃、圧力5.0MPaで5分間の加熱圧縮後の透気抵抗度変化率が50%以下、かつ、温度90℃、圧力5.0MPaで5分間の加熱圧縮後の膜厚変化率が加熱圧縮前のポリオレフィン微多孔質膜の膜厚を100%として10%以下であるポリオレフィン微多孔質膜からなる電池用セパレータ
  2. MD方向の引張強度が110MPa以上であり、TD方向の引張強度が120MPa以上である請求項1に記載の電池用セパレータ
  3. 膜厚が16μm以下である請求項1又は2に記載の電池用セパレータ
  4. 空孔率が25〜40%である請求項1〜3のいずれか1つに記載の電池用セパレータ
  5. パームポロメータにより求めた平均孔径が0.05μm以下であり、バブルポイント(BP)細孔径が0.06μm以下である請求項1〜4のいずれか1つに記載の電池用セパレータ
  6. 請求項1〜5のいずれか1つに記載の電池用セパレータを用いた電池。
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