JP6699552B2 - ポリオレフィン微多孔膜、非水電解液系二次電池用セパレータ、及び非水電解液系二次電池 - Google Patents
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Description
(1)TMAで測定したTD方向のシャットダウン収縮温度と最大収縮温度の差が7.2℃以上であり、TD方向のシャットダウン収縮率と最大収縮率の差が25%未満であり、膜厚を16μmとしたときの突刺強度が400gf以上であり、膜厚を16μmとしたときの突刺強度と透気抵抗度の比が2.0〜4.0(gf/(sec/100cc))であることを特徴とするポリオレフィン製微多孔膜。
(2)空孔率が45%以上である、(1)に記載のポリオレフィン製微多孔膜
(3)分子量5.0×105以下のポリオレフィンの含有量が63重量%以下であり、分子量1.0×106以上のポリオレフィンの含有量が21重量%以上である、(1)または(2)に記載のポリオレフィン製微多孔膜。
(4)重量平均分子量1.0×106以上の超高分子量ポリオレフィンの含有量が15〜45重量%である、(1)〜(3)のいずれかに記載のポリオレフィン製微多孔膜。
(5)以下の(a)〜(f)の工程を含む、(1)〜(4)のいずれかに記載のポリオレフィン製微多孔膜の製造方法。
(a)重量平均分子量1.0×106以上の超高分子量ポリオレフィンを含むポリオレフィン樹脂と可塑剤とを溶融混練してポリオレフィン溶液を調製する工程
(b)工程(a)にて得られたポリオレフィン溶液を押出機より押し出して押出物を形成し、該押出物を冷却してゲル状シートを成形する工程
(c)工程(b)にて得られたシートを、縦方向(機械方向)に延伸する工程
(d)工程(c)にて得られたシートを、当該工程(c)に連続して、横方向(機械方向と直角方向)に延伸する工程
(e)工程(d)にて得られた延伸膜から可塑剤を抽出する工程
(f)工程(e)にて得られた膜を乾燥する工程
(6)(1)〜(4)のいずれかに記載のポリオレフィン製微多孔膜を用いてなる非水電解液系二次電池用セパレータ。
(7)(6)に記載の非水電解液系二次電池用セパレータを含む非水電解液系二次電池。
(a)重量平均分子量1.0×106以上の超高分子量ポリオレフィンを含むポリオレフィン樹脂と可塑剤とを溶融混練してポリオレフィン溶液を調製する工程
(b)工程(a)にて得られたポリオレフィン溶液を押出機より押し出して押出物を形成し、該押出物を冷却してゲル状シートを成形する工程
(c)工程(b)にて得られたシートを、縦方向(機械方向)に延伸する工程
(d)工程(c)にて得られたシートを、当該工程(c)に連続して、横方向(機械方向と直角方向)に延伸する工程
(e)工程(d)にて得られた延伸膜から可塑剤を抽出する工程
(f)工程(e)にて得られた膜を乾燥する工程
上記工程(a)においては、ポリオレフィン樹脂を、可塑剤に加熱溶解させたポリオレフィン溶液を調製する。可塑剤としては、ポリオレフィンを十分に溶解できる溶剤であれば特に限定されない。比較的高倍率の延伸を可能とするために、溶剤は室温で液体であるのが好ましい。液体溶剤としては、ノナン、デカン、デカリン、パラキシレン、ウンデカン、ドデカン、流動パラフィン等の脂肪族、環式脂肪族又は芳香族の炭化水素、および沸点がこれらに対応する鉱油留分、並びにジブチルフタレート、ジオクチルフタレート等の室温では液状のフタル酸エステルが挙げられる。液体溶剤の含有量の変化が少ない安定なゲル状シートを得るために、流動パラフィンのような不揮発性の液体溶剤を用いるのが好ましい。また、溶融混練状態ではポリオレフィンと混和するが室温では固体であるような溶剤を、上記液体溶剤に混合してもよい。このような固体溶剤として、ステアリルアルコール、セリルアルコール、パラフィンワックス等が挙げられる。ただし、固体溶剤のみを使用すると、延伸ムラ等が発生する恐れがあるため、液体溶剤と併用することが好ましい。
ポリオレフィン溶液を溶融混練する方法および装置は、均一に溶融混練できるものであれば特に限定されないが、高濃度のポリオレフィン溶液を調製する場合は、押出機、特に二軸押出機中で行うことが好ましい。必要に応じて、本発明の効果を損なわない範囲で酸化防止剤等の各種添加材を添加してもよい。特にポリエチレンの酸化を防止するために酸化防止剤を添加することが好ましい。
得られた押出物を冷却することによりゲル状シートが得られ、冷却により、溶剤によって分離されたポリエチレンのミクロ相を固定化することができる。冷却工程において結晶化終了温度以下まで冷却するのが好ましい。冷却はゲル状シートの表裏ともに、結晶化終了温度以下となるまで250℃/分以上の速度で行うことが好ましく、より好ましくは300℃/分以上の速度である。冷却速度が上記範囲であれば、ゲルを形成する結晶が粗大化せず、緻密な高次構造を得ることができるために、表面の粗さが不均一となりにくい。また、高次構造が細かいために、その後の延伸において分子配向が進みやすく、突刺強度と透気抵抗度の両立及び摩擦係数の制御が可能となる。ここで、結晶化終了温度は、JIS K7121(1987)に従って測定した補外結晶化終了温度のことである。具体的には、ポリエチレンの場合は約70〜90℃の補外結晶化終了温度を持つ。また、ここでの冷却速度は、押出機の出口における樹脂温度が結晶化完了温度となるまでの時間と、押出機出口の樹脂温度と結晶化完了温度との温度差によって求めることができる。したがって、冷却工程において、結晶化終了温度以下まで冷却する場合には、押出機出口の樹脂温度と冷却工程出口の表裏それぞれのゲル状シート温度との差分を、冷却工程を通過する時間で除したものとなる。ゲル状シートの一方の面(表面)の冷却速度ともう一方の面(裏面)の冷却速度をそれぞれ制御することにより、膜の表裏を重ね合わせた時の静摩擦係数が0.5〜1.0の微多孔膜を得ることができる。
本発明では得られたゲル状シートを縦方向(機械方向)に延伸(工程(c))した後、連続して横方向(機械方向と直角な方向)の延伸(工程(d))をする逐次延伸を行う。このように縦方向延伸と横方向延伸を別個かつ連続的に行うことによって突刺強度と透気抵抗度の両立、さらに所定の摩擦係数が得られやすくなる。延伸はゲル状シートを加熱し、通常のテンター法、ロール法、もしくはこれらの方法の組み合わせによって所定の倍率で行う。
次に、ゲル状シート中に残留する溶剤を、洗浄溶剤を用いて抽出・除去、すなわち洗浄する。ポリオレフィン相と溶媒相とは分離しているので、溶剤の除去により微多孔膜が得られる。洗浄溶剤としては、例えばペンタン、ヘキサン、ヘプタン等の飽和炭化水素、塩化メチレン、四塩化炭素等の塩素化炭化水素、ジエチルエーテル、ジオキサン等のエーテル類、メチルエチルケトン等のケトン類、三フッ化エタン、C6F14、C7F16等の鎖状フルオロカーボン、C5H3F7等の環状ハイドロフルオロカーボン、C4F9OCH3、C4F9OC2H5等のハイドロフルオロエーテル、C4F9OCF3、C4F9OC2F5等のパーフルオロエーテル等の易揮発性溶剤が挙げられる。これらの洗浄溶剤は低い表面張力(例えば、25℃で24mN/m以下)を有する。低い表面張力の洗浄溶剤を用いることにより、微多孔を形成する網状構造が洗浄後に乾燥時に気−液界面の表面張力により収縮するのが抑制され、もって高い空孔率および透過性を有する微多孔膜が得られる。これらの洗浄溶剤はポリオレフィン樹脂の溶解に用いた溶剤に応じて適宜選択し、単独もしくは混合して用いる。
洗浄後、微多孔膜を乾燥して洗浄溶剤を除去する。乾燥の方法は特に限定されないが、例えば、加熱乾燥法、風乾法等により乾燥することができる。乾燥温度は、ポリエチレン組成物の結晶分散温度Tcd以下であることが好ましく、特に、(Tcd−5℃)以下であることが好ましい。乾燥は、微多孔膜の乾燥重量を100重量%として、残存洗浄溶剤が5重量%以下になるまで行うのが好ましく、3重量%以下になるまで行うのがより好ましい。乾燥が不十分であると、後の熱処理で微多孔膜の空孔率が低下し、透過性が悪化するおそれがある。
突刺強度等の膜強度を向上させるために、洗浄乾燥後にさらに縦、または横、あるいは両方向に5%〜80%程度の延伸を行うこともできる。
1.ポリオレフィンの分子量分布測定
高温GPCによりポリオレフィンの分子量分布測定(重量平均分子量、分子量分布、所定成分の含有量などの測定)を行った。測定条件は以下の通りであった。
装置:高温GPC装置 (機器No. HT−GPC、Polymer Laboratories製、PL−220)
検出器:示差屈折率検出器RI
ガードカラム:Shodex G−HT
カラム:Shodex HT806M(2本) (φ7.8mm×30cm、昭和電工製)
溶媒:1,2,4−トリクロロベンゼン(TCB、和光純薬製)(0.1% BHT添加)
流速:1.0mL/min
カラム温度:145℃
試料調製:試料5mgに測定溶媒5mLを添加し、160〜170℃で約30分加熱攪拌した後、得られた溶液を金属フィルター(孔径0.5μm)にてろ過した。
注入量:0.200mL
標準試料:単分散ポリスチレン(東ソー製)
データ処理:TRC製GPCデータ処理システム
微多孔膜の厚みは、接触式厚さ計を用いて、無作為に選択したMD位置で測定した。このMD位置において、膜のTD(幅)方向に沿った点で、30cmの距離にわたって5mmの間隔で膜厚を測定した。そして、上記TD方向に沿った測定を5回行い、その算術平均を試料の厚さとした。
膜厚T1の微多孔膜に対して透気度計(旭精工株式会社製、EGO−1T)で透気抵抗度P1を測定し、式:P2=(P1×16)/T1により、膜厚を16μmとしたときの透気抵抗度P2を算出した。
先端に球面(曲率半径R:0.5mm)を有する直径1mmの針を、平均膜厚T1(μm)の微多孔膜に2mm/秒の速度で突刺して最大荷重L1(貫通する直前の荷重、単位:gf)を測定し、L2=(L1×16)/T1の式により、膜厚を16μmとしたときの突刺強度L2(gf)を算出した。
空孔率は、微多孔膜の質量w1と、微多孔膜と同じポリオレフィン組成物からなる同サイズの空孔のない膜の質量w2から、空孔率(%)=(w2−w1)/w2×100の式により算出した。
熱機械的分析装置(セイコー電子工業株式会社製、TMA/SS6600)を用い、長さ10mm(TD)、幅3mm(MD)の試験片を、一定の荷重(2gf)でTD方向に引っ張りながら、5℃/minの速度で室温から昇温して、融点付近で観測されたサンプル長の変曲点の温度をTD方向のシャットダウン収縮温度とした。また、シャットダウン収縮温度におけるTD方向長さの収縮率を、室温での長さを基準として算出し、得られた値をシャットダウン収縮率とした。同様に、サンプル長が最小となった温度をTD方向の最大収縮温度とし、最大収縮温度におけるTD方向長さの収縮率(室温を基準として算出したもの)を、TD方向の最大収縮率とした(図1を参照。)。すなわち、これらシャットダウン収縮温度におけるTD方向長さの収縮率(収縮率A)、及び最大収縮温度におけるTD方向長さの収縮率(収縮率B)は、シャットダウン収縮温度におけるTD方向長さを「寸法A」、最大収縮温度におけるTD方向長さを「寸法B」、室温でのTD方向長さを「寸法C」として表すと、以下の式にて求められる。
収縮率A={(寸法C)−(寸法A)}÷(寸法C)×100
収縮率B={(寸法C)−(寸法B)}÷(寸法C)×100
下記の手順に従って円筒電池を作成し、衝撃試験を実施した。
<正極の作製>
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%、導電剤としてリン片状グラファイトと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%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、活物質塗付量250g/m2、活物質嵩密度3.00g/cm3にて、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布した。そして、130℃で3分間乾燥し、ロールプレス機で圧縮成形した後、幅約57mmに切断して帯状にした。
<負極の作製>
活物質として人造グラファイト96.9質量%、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%とスチレン−ブタジエン共重合体ラテックス1.7質量%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、活物質塗付量106g/m2、活物質嵩密度1.55g/cm3という高充填密度にて、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付した。そして、120℃で3分間乾燥し、ロールプレス機で圧縮成形した後、幅約58mmに切断して帯状にした。
<非水電解液の調製>
エチレンカーボネート/エチルメチルカーボネート=1/2(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て調製した。
<セパレータ>
実施例、比較例に記載のセパレータを、60mmにスリットして帯状にした。
<電池組立て>
帯状負極、セパレータ、帯状正極、セパレータの順に重ね、250gfの巻取張力で渦巻状に複数回捲回することで電極板積層体を作製した。この電極板積層体を、外径が18mmで高さが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溶接した。そして、真空下80℃で12時間の乾燥を行った後、アルゴンボックス内にて容器内に上記非水電解液を注入し、封口した。
<前処理>
組立てた電池を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5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2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に4.2Vの定電圧充電を2時間行い前処理とした。
<衝撃試験>
上記方法により電池を20個作成した後、それぞれに対して衝撃試験を行い、短絡した電池の数に基づいて耐衝撃性(安全性)を評価した。まず、作成した電池を105℃で1時間加熱し、高さ2mから自由落下させた後、10分間放置した。その後、端子電圧の測定を行い、端子電圧が試験前の90%未満であったものを「短絡した状態」と判定した。そして、測定結果を集計し、短絡した電池の数が少ないほど耐衝撃性が良好であると評価した。評価基準は以下の通りである。
短絡した電池の数が20個中0〜4個の場合:◎(優)
20個中5〜10個短絡した場合:○(良)
20個中11〜14個短絡した場合:△(可)
20個中15個以上短絡した場合:×(不可)
超高分子量ポリオレフィンとしての超高分子量ポリエチレン(UHMWPE、重量平均分子量:2.89×106、分子量分布(Mw/Mn):5.28)15重量%と、高密度ポリエチレン(HDPE、重量平均分子量:5.72×105、分子量分布:4.81)85重量%とからなるポリエチレン組成物を準備した。このポリエチレン組成物全体を100重量%としたとき、分子量50万以下のポリエチレン成分の含有量は62重量%であり、分子量100万以上のポリエチレン成分の含有量は24重量%であった。得られたポリエチレン組成物100質量部に、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0.375質量部をドライブレンドし、混合物を得た。
得られた混合物30質量部を強混練タイプの二軸押出機に投入し(ポリエチレン組成物の投入量Q:54kg/h)、二軸押出機のサイドフィーダーから流動パラフィン70質量部を供給し、スクリュー回転数Nsを180rpmに保持しながら、210℃の温度で溶融混練して(Q/Ns:0.3kg/h/rpm)、ポリエチレン溶液を調製した。
得られたポリエチレン溶液を、二軸押出機からTダイに供給し、シート状成形体となるように押し出した。押し出した成形体を、35℃に温調した冷却ロールで引き取りながら冷却し、ゲル状シートを形成した。ここで、冷却ロール接触面を表、非接触面を裏として、表面の冷却速度は399℃/分、裏面の冷却速度は380℃/分であった。得られたゲル状シートを延伸温度115℃で延伸倍率5倍になるようにロール方式で縦延伸(MD延伸)を行い、引き続いてテンターに導き、延伸倍率6倍、延伸温度115℃にて横延伸(TD延伸)を実施した。
延伸後の膜を、20cm×20cmのアルミニウムフレームプレートに固定し、塩化メチレンの洗浄浴に浸漬し、10分間揺動させながら洗浄し、流動パラフィンを除去した後、洗浄した膜を室温で空気乾燥させた。その後、膜を125℃で10分間熱固定し、厚み16μmのポリオレフィン製微多孔膜を作製した。
ポリエチレン組成物の組成比を、UHMWPEが30重量%、HDPEが70重量%となるようにし、ポリエチレン溶液の樹脂濃度を、混合物が28.5質量部、流動パラフィンが71.5質量部となるように変更した他は、実施例1と同様にしてポリオレフィン製微多孔膜を作製した。なお、ポリエチレン組成物の分子量分布を測定したところ、分子量50万以下のポリエチレン成分の含有量は59重量%であり、分子量100万以上のポリエチレン成分の含有量は26重量%であった。
MD延伸の延伸温度を85℃とした他は、実施例2と同様にしてポリオレフィン製微多孔膜を作製した。
ポリエチレン組成物の組成比を、UHMWPEが40重量%、HDPEが60重量%となるようにし、ポリエチレン溶液の樹脂濃度を、混合物が25質量部、流動パラフィンが75質量部となるように変更した他は、実施例1と同様にしてポリオレフィン製微多孔膜を作製した。なお、ポリエチレン組成物の分子量分布を測定したところ、分子量50万以下のポリエチレン成分の含有量は51重量%であり、分子量100万以上のポリエチレン成分の含有量は35重量%であった。
MD延伸の延伸倍率を7倍とした他は、実施例4と同様にしてポリオレフィン製微多孔膜を作製した。
MD延伸の延伸倍率を9倍とした他は、実施例4と同様にしてポリオレフィン製微多孔膜を作製した。
MD延伸の延伸倍率を7倍とし、TD延伸の延伸倍率を5倍とした他は、実施例4と同様にしてポリオレフィン製微多孔膜を作製した。
MD延伸の延伸倍率を7倍とし、TD延伸の延伸倍率を7倍とした他は、実施例4と同様にしてポリオレフィン製微多孔膜を作製した。
超高分子量ポリオレフィンとして、重量平均分子量1.6×106、分子量分布(Mw/Mn)5.3の超高分子量ポリエチレンを用いた他は、実施例8と同様にしてポリオレフィン製微多孔膜を作製した。なお、ポリエチレン組成物の分子量分布を測定したところ、分子量50万以下のポリエチレン成分の含有量は56重量%であり、分子量100万以上のポリエチレン成分の含有量は29重量%であった。
ポリエチレン溶液の樹脂濃度を、混合物が28.5質量部、流動パラフィンが71.5質量部となるように変更した他は、実施例9と同様にしてポリオレフィン製微多孔膜を作製した。
延伸倍率や延伸温度など一部の条件を変更した他は、実施例2と同様にしてポリオレフィン微多孔膜を作製した。具体的には、延伸工程以降の実施条件を以下のように変更した。
Tダイから押し出した成形体を冷却ロールで引き取りながら実施例2と同様にして冷却し、ゲル状シートを形成した後、得られたゲル状シートを延伸温度115℃で延伸倍率8倍になるようにロール方式で縦延伸(MD延伸)を行い、引き続いてテンターに導き、延伸倍率8倍、延伸温度112℃にて横延伸(TD延伸)を実施した。
延伸後の膜を25℃に温調した塩化メチレンの洗浄槽内にて洗浄し、流動パラフィンを除去した。洗浄した膜を60℃に調整された乾燥炉で乾燥し、131℃のテンター内で、TD方向に1.4倍に延伸した後、最終的に1.3倍となるように緩和させ、さらに40秒間熱固定処理することにより厚さ12μmのポリオレフィン微多孔膜を得た。
ゲル状シートを延伸する際、逐次延伸の代わりに、延伸温度115℃、MD方向の延伸倍率5倍、TD方向の延伸倍率7倍にて同時二軸延伸を行った他は、実施例2と同様にしてポリオレフィン製微多孔膜を作製した。
TD方向の延伸倍率を6倍とした他は、比較例1と同様にしてポリオレフィン製微多孔膜を作製した。
ポリエチレン組成物の組成比を、UHMWPEが10重量%、HDPEが90重量%となるようにし、ポリエチレン溶液の樹脂濃度を、混合物が30質量部、流動パラフィンが70質量部となるように変更した他は、実施例8と同様にしてポリオレフィン製微多孔膜を作製した。なお、ポリエチレン組成物の分子量分布を測定したところ、分子量50万以下のポリエチレン成分の含有量は64重量%であり、分子量100万以上のポリエチレン成分の含有量は21重量%であった。
ポリエチレン組成物の組成比を、HDPEが100重量%となるようにし、ポリエチレン溶液の樹脂濃度を、混合物が40質量部、流動パラフィンが60質量部となるように変更した他は、実施例6と同様にしてポリオレフィン製微多孔膜を作製した。なお、ポリエチレン組成物の分子量分布を測定したところ、分子量50万以下のポリエチレン成分の含有量は68重量%であり、分子量100万以上のポリエチレン成分の含有量は16重量%であった。
ポリエチレン組成物の組成比を、PE1が60重量%、PE2が40重量%となるようにした他は、実施例1と同様にしてポリオレフィン製微多孔膜の作製を試みたが、工程の圧力上昇のため安定した製膜が行えず、微多孔膜を得ることができなかった。なお、ポリエチレン組成物の分子量分布を測定したところ、分子量50万以下のポリエチレン成分の含有量は43重量%であり、分子量100万以上のポリエチレン成分の含有量は42重量%であった。
Claims (7)
- TD方向の最大収縮温度からTMAで測定したTD方向のシャットダウン収縮温度を差し引いた値が7.2℃以上であり、TD方向のシャットダウン収縮率と最大収縮率の差が25%未満であり、膜厚を16μmとしたときの突刺強度が400gf以上であり、膜厚を16μmとしたときの突刺強度と透気抵抗度の比が2.0〜4.0(gf/(sec/100cc))であることを特徴とするポリオレフィン製微多孔膜。
- 空孔率が45%以上である、請求項1に記載のポリオレフィン製微多孔膜。
- 分子量5.0×105以下のポリオレフィンの含有量が63重量%以下であり、分子量1.0×106以上のポリオレフィンの含有量が21重量%以上である、請求項1または2に記載のポリオレフィン製微多孔膜。
- 重量平均分子量1.0×106以上の超高分子量ポリオレフィンの添加量が15〜45重量%である、請求項1〜3のいずれかに記載のポリオレフィン製微多孔膜。
- 以下の(a)〜(f)の工程を含む、請求項1〜4のいずれかに記載のポリオレフィン製微多孔膜の製造方法。
(a)重量平均分子量1.0×106以上の超高分子量ポリオレフィンを含むポリオレフィン樹脂と可塑剤とを溶融混練してポリオレフィン溶液を調製する工程
(b)工程(a)にて得られたポリオレフィン溶液を押出機より押し出して押出物を形成し、該押出物を冷却してゲル状シートを成形する工程
(c)工程(b)にて得られたシートを、縦方向(機械方向)に延伸する工程
(d)工程(c)にて得られたシートを、当該工程(c)に連続して、横方向(機械方向と直角方向)に延伸する工程
(e)工程(d)にて得られた延伸膜から可塑剤を抽出する工程
(f)工程(e)にて得られた膜を乾燥する工程 - 請求項1〜4のいずれかに記載のポリオレフィン製微多孔膜を用いてなる非水電解液系二次電池用セパレータ。
- 請求項6に記載の非水電解液系二次電池用セパレータを含む非水電解液系二次電池。
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