JP6842978B2 - 非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層 - Google Patents
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Description
〔1〕構成単位として、(A)芳香族ヒドロキシカルボン酸由来の単位と、(B)芳香族ジカルボン酸由来の単位と、(C)芳香族ジアミンおよび水酸基を有する芳香族アミンから選ばれる、芳香族アミン由来の単位と、(D)芳香族ジオール由来の単位とを含み、
(A)〜(D)の単位のモル数の合計を100モル%としたときに、(A)の単位が10モル%以上30モル%未満、(B)の単位が35モル%を超え45モル%以下、(C)及び(D)の単位の和が35モル%を超え45モル%以下であり、(C)の単位に対する(D)の単位のモル比(D)/(C)が0.75以下である芳香族ポリエステルを含む、非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層。
〔2〕ポリオレフィン系樹脂を主成分とする多孔質基材と、上記多孔質基材の少なくとも一方の面に積層された〔1〕に記載の非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層と、を含む非水電解液二次電池用積層セパレータ。
〔3〕正極、〔1〕に記載の非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層もしくは〔2〕に記載の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。
〔4〕〔1〕に記載の非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層、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を含む、非水電解液二次電池。
本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層(以下、「非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層」を「多孔質層」と称する場合がある)は、構成単位として、(A)芳香族ヒドロキシカルボン酸由来の単位と、(B)芳香族ジカルボン酸由来の単位と、(C)芳香族ジアミンおよび水酸基を有する芳香族アミンから選ばれる、芳香族アミン由来の単位と、(D)芳香族ジオール由来の単位とを含み、(A)〜(D)の単位のモル数の合計を100モル%としたときに、(A)の単位が10モル%以上30モル%未満、(B)の単位が35モル%を超え45モル%以下、(C)及び(D)の単位の和が35モル%を超え45モル%以下であり、(C)の単位に対する(D)の単位のモル比(D)/(C)が0.75以下である芳香族ポリエステルを含むものである。
本明細書において、重合体の一般名称は、その重合体が有する主たる結合様式を表す。したがって、芳香族ポリエステルは、芳香族重合体における分子中の主鎖結合数の50%以上がエステル結合である。なお、「芳香族重合体」とは、重合体を構成するモノマーに芳香族化合物が含まれる重合体を意味する。
(式中、Ar1は、1,4−フェニレン、2,6−ナフタレンまたは4,4’−ビフェニレンを表わす。)
式(a)におけるAr1は、置換基を有していても良い。したがって、フェニレン環、ナフタレン環、ビフェニレン環もそれぞれ置換基を有していてもよい。上記置換基としては例えば、ハロゲン原子、アルキル基およびアリール基からなる群より選ばれる1以上の置換基が挙げられる。
(式中、Ar2は、1,4−フェニレン、1,3−フェニレンまたは2,6−ナフタレンを表わす。)
式(b)におけるAr2は、置換基を有していても良い。したがって、フェニレン環、ナフタレン環もそれぞれ置換基を有していてもよい。上記置換基としては例えば、ハロゲン原子、アルキル基およびアリール基からなる群より選ばれる1以上の置換基が挙げられる。
(式中、Ar3は1,4−フェニレン,1,3−フェニレンまたは2,6−ナフタレンを表わし、Xは−O−または−NH−を表わす。)
式(c)におけるAr3は、置換基を有していても良い。したがって、フェニレン環、ナフタレン環もそれぞれ置換基を有していてもよい。上記置換基としては例えば、ハロゲン原子、アルキル基およびアリール基からなる群より選ばれる1以上の置換基が挙げられる。
(Ar4は、1,4−フェニレン、1,3−フェニレンまたは4,4’−ビフェニレンを表す。)
式(d)におけるAr4は、置換基を有していても良い。したがって、フェニレン環、ナフタレン環もそれぞれ置換基を有していてもよい。上記置換基としては例えば、ハロゲン原子、アルキル基およびアリール基からなる群より選ばれる1以上の置換基が挙げられる。
本発明の一実施形態に係る多孔質層は、上記芳香族ポリエステル以外の樹脂を含んでもよい。その他の樹脂、つまり、上記芳香族ポリエステルとは異なる樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、及びエチレン−プロピレン共重合体等のポリオレフィン;ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、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共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−トリクロロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−フッ化ビニル共重合体、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、及びエチレン−テトラフルオロエチレン共重合体等の含フッ素樹脂;上記含フッ素樹脂の中でもガラス転移温度が23℃以下である含フッ素ゴム;芳香族重合体;ポリカーボネート;ポリアセタール;スチレン−ブタジエン共重合体およびその水素化物、メタ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、スチレン−アクリル酸エステル共重合体、エチレンプロピレンラバー、ポリ酢酸ビニル等のゴム類;ポリスルホン、ポリエステル等の融点又はガラス転移温度が180℃以上の樹脂;ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、セルロースエーテル、アルギン酸ナトリウム、ポリアクリル酸、ポリアクリルアミド、ポリメタクリル酸等の水溶性ポリマー等の熱可塑性樹脂が挙げられる。
(1)乾燥したフラスコにN−メチル−2−ピロリドン(以下、NMPと称する)を仕込み、200℃で2時間乾燥した塩化カルシウムを添加して100℃に昇温し、上記塩化カルシウムを完全に溶解させる。
(2)(1)にて得られた溶液の温度を室温に戻し、パラフェニレンジアミン(以下、PPDと略す)を添加した後、上記PPDを完全に溶解させる。
(3)(2)にて得られた溶液の温度を20±2℃に保ったまま、テレフタル酸ジクロライド(以下、TPCと称する)を10分割して約5分間おきに添加する。
(4)(3)にて得られた溶液の温度を20±2℃に保ったまま1時間熟成し、減圧下にて30分間撹拌して気泡を抜くことにより、PPTAの溶液を得る。
本発明の一実施形態に係る多孔質層がその他の樹脂を含む場合は、当該多孔質層の表面において、上記芳香族ポリエステルの存在比率と、上記その他の樹脂の存在比率との合計を100モル%としたときに、上記芳香族ポリエステルの存在比率が10モル%以上であることが好ましい。
算出されたC1s原子百分率から、多孔質層の表面における芳香族ポリエステルの存在比率を求める方法は、以下のとおりである。まず、多孔質層に用いられている芳香族ポリエステルのみ、および、上記その他の樹脂のみについて、それぞれXPSの測定を行い、上述の方法によって、上記芳香族ポリエステルおよび上記その他の樹脂のC1s原子百分率を算出する。芳香族ポリエステルのみからなる多孔質層では、表面における芳香族ポリエステルの存在比率は100モル%となり、上記その他の樹脂のみからなる多孔質層では、表面における芳香族ポリエステルの存在比率は0%となる。そのため、上記芳香族ポリエステルと、上記その他の樹脂とを含む多孔質層(混合多孔質層)の表面における芳香族ポリエステルの存在比率は、下記の式2に従って算出することができる。
上記混合多孔質層のC1s原子百分率は、上記混合多孔質層のXPS測定結果から、式1に基づいて算出することができる。式2に、上記混合多孔質層のC1s原子百分率、芳香族ポリエステルのC1s原子百分率、およびその他の樹脂のC1s原子百分率をそれぞれ代入することにより、上記混合多孔質層の表面における芳香族ポリエステルの存在比率(x%)を求めることができる。
本発明の一実施形態に係る多孔質層は、さらに無機フィラーを含んでもよい。上記無機フィラーは、絶縁性であり、その材質として、無機粉末からなるものであってもよい。
多孔質層の物性に関する下記説明においては、多孔質基材の両面に多孔質層が積層される場合には、非水電解液二次電池としたときの、多孔質基材における正極と対向する面に積層された多孔質層の物性を少なくとも指す。
本発明の一実施形態に係る多孔質層の製造方法としては、例えば、上記芳香族ポリエステルを溶媒に溶解させると共に、任意で上記その他の樹脂を該溶媒に溶解させ、さらに、任意で上記無機フィラーを該溶媒に分散させることにより、多孔質層を形成するための塗工液を調製する工程;該塗工液を基材に塗布し、乾燥させることにより、本発明の一実施形態に係る多孔質層を析出させる工程;を含む方法が挙げられる。なお、基材には、後述する多孔質基材、または、電極等を使用することができる。
本発明の実施形態2に係る非水電解液二次電池用積層セパレータは、ポリオレフィン系樹脂を主成分とする多孔質基材と、上記多孔質基材の少なくとも一方の面に積層された、本発明の実施形態1に係る多孔質層とを含む。
上記多孔質基材は、ポリオレフィン系樹脂を主成分とする多孔質フィルム(本明細書において「多孔質フィルム」とも称する)であり得る。また、上記多孔質フィルムは、微多孔膜、即ち、その内部に連結した細孔を有する構造を有し、一方の面から他方の面に気体や液体が透過可能であることが好ましい。上記多孔質フィルムは、1つの層から形成されるものであってもよいし、複数の層から形成されるものであってもよい。
(1)超高分子量ポリエチレン100重量部と、重量平均分子量1万以下の低分子量ポリオレフィン5重量部〜200重量部と、炭酸カルシウム等の無機充填剤100重量部〜400重量部とを混練してポリオレフィン樹脂組成物を得る工程、
(2)ポリオレフィン樹脂組成物を用いてシートを成形する工程、
(3)工程(2)で得られたシート中から無機充填剤を除去する工程、
(4)工程(3)で得られたシートを延伸する工程。
その他、上述した各特許文献に記載の方法を利用してもよい。
本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池用積層セパレータの製造方法としては、前述した本発明の一実施形態に係る多孔質層の製造方法において、基材として、上記ポリオレフィンを主成分とする多孔質フィルムを使用する方法が挙げられる。
本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池用積層セパレータの膜厚は、薄ければ薄いほど、電池のエネルギー密度を高めることができるため好ましいが、膜厚が薄いと強度が低下するため、製造する上での限界がある。以上の事項を考慮すると、上記非水電解液二次電池用積層セパレータの膜厚は、50μm以下が好ましく、より好ましくは25μm以下、さらに好ましくは20μm以下である。また上記膜厚は、5μm以上であることが好ましい。
(i)非水電解液二次電池用積層セパレータを12mmΦのワッシャで固定し、当該非水電解液二次電池用積層セパレータの多孔質層側からピン(ピン径1mmΦ、先端0.5R)を、200mm/minで突き刺したときの最大応力(gf)を測定し、その測定値を非水電解液二次電池用積層セパレータの突き刺し強度(Sp)とする。
本発明の実施形態3に係る非水電解液二次電池用部材は、正極、本発明の実施形態1に係る多孔質層、もしくは、本発明の実施形態2に係る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。
本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池部材および非水電解液二次電池における正極としては、一般に非水電解液二次電池の正極として使用されるものであれば、特に限定されない。例えば、正極活物質およびバインダー樹脂を含む活物質層が集電体上に成形された構造を備える正極シートを使用することができる。なお、上記活物質層は、更に導電剤を含んでもよい。
本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池部材および非水電解液二次電池における負極としては、一般に非水電解液二次電池の負極として使用されるものであれば、特に限定されないが、例えば、負極活物質およびバインダー樹脂を含む活物質層が集電体上に成形された構造を備える負極シートを使用することができる。なお、上記活物質層は、更に導電助剤を含んでもよい。
本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池における非水電解液は、一般に非水電解液二次電池に使用される非水電解液であれば特に限定されず、例えば、リチウム塩を有機溶媒に溶解してなる非水電解液を用いることができる。リチウム塩としては、例えば、LiClO4、LiPF6、LiAsF6、LiSbF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3、Li2B10Cl10、低級脂肪族カルボン酸リチウム塩およびLiAlCl4等が挙げられる。上記リチウム塩は、1種類のみを用いてもよく、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池用部材の製造方法としては、例えば、上記正極、本発明の一実施形態に係る多孔質層または本発明の一実施形態に係る非水電解液二次電池用積層セパレータ、および負極をこの順で配置する方法が挙げられる。
実施例1〜4、比較例1〜2にて製造された非水電解液二次電池用積層セパレータの物性値を以下に示す方法にて測定した。
(1)XPSの測定
非水電解液二次電池用積層セパレータの多孔質層の表面について、XPSを用いて組成分析を行い、得られたスペクトルから、C1sピーク面積およびN1sピーク面積をそれぞれ求めた。
測定にはThermo Fisher Scientific社製 VG ThetaProbe装置を用い、X線として単結晶分光AlKαを、X線スポット径を800×400 μm(楕円形)として、多孔質層の表面(多孔質層の表面から深さ6〜7nmの範囲)に照射し、得られたスペクトルから、C1sピーク面積およびN1sピーク面積をそれぞれ求めた。
(2)サイクリックボルタンメトリーの測定
非水電解液二次電池用積層セパレータをφ17mmの円盤状に切断し、厚み0.5mm、φ15.5mmのSUS板に同サイズのLi箔を張り付け、あらかじめ金蒸着したもう一方のSUS板に多孔質層を接する形で、非水電解液二次電池用積層セパレータを2枚のSUS板で挟み込んだ。
(3)突き刺し強度
非水電解液二次電池用積層セパレータの突き刺し強度(Sp)を、以下の(i)の工程からなる方法にて測定した。
(i)非水電解液二次電池用積層セパレータを12mmΦのワッシャで固定し、当該非水電解液二次電池用積層セパレータの多孔質層側からピン(ピン径1mmΦ、先端0.5R)を、200mm/minで突き刺したときの最大応力(N)を測定し、その測定値を非水電解液二次電池用積層セパレータの突き刺し強度(Sp)とした。
<パラアラミド溶液の調製>
撹拌翼、温度計、窒素流入管及び粉体添加口を有する5リットル(l)のセパラブルフラスコを使用してPPTAの合成を行った。
攪拌装置、トルクメータ、窒素ガス導入管、温度計および還流冷却器を備えた反応器に、4−ヒドロキシ安息香酸248.6g(1.8モル)、4−ヒドロキシアセトアニリド468.6g(3.1モル)、イソフタル酸681.1g(4.1モル)、ハイドロキノン110.1g(1.0モル)及び無水酢酸806.5g(7.90モル)を仕込んだ。そして、反応器内を十分に窒素ガスで置換した後、窒素ガス気流下で15分かけて150℃まで昇温し、その温度(150℃)を保持して3時間還流させた。
実施例1のポリマーAおよびポリマーB1のモル比率が、(ポリマーA):(ポリマーB1)=75モル%:25モル%となるように、ポリマーAを150重量部含むA1液と、ポリマーB1を50重量部含むB1液とを混合し、さらに平均粒径0.02μmのアルミナ粉末と、平均粒径0.3μmのアルミナ粉末をそれぞれ400重量部ずつ添加した。続いて固形分濃度が7%となるようにNMPで希釈してからホモジナイザーで撹拌し、さらに圧力式分散機で50MPa×2回処理することで塗工液1を得た。
ガラス板にPEセパレータ基材(透気度120秒/100cc、膜厚15μm)を貼り付け、テスター産業株式会社製バーコーターを使用して、塗工液1を当該PEセパレータ基材の表面(片面)に塗布した。この塗布物を60℃相対湿度80%の加湿オーブンに1分間入れ、その後イオン交換水で洗浄してから80℃のオーブンで乾燥させ、非水電解液二次電池用積層セパレータ1を得た。非水電解液二次電池用積層セパレータ1の突き刺し強度は4.7Nであった。
塗工液の調製において、実施例1のポリマーAおよびポリマーB1のモル比率が、(ポリマーA):(ポリマーB1)=62モル%:38モル%となるように、ポリマーAを124重量部含むA1液と、ポリマーB1を76重量部含むB1液とを混合し、続いて固形分濃度が8%となるようにNMPで希釈したこと以外は実施例1と同様の方法にて、非水電解液二次電池用積層セパレータ2を得た。非水電解液二次電池用積層セパレータ2の突き刺し強度は4.7Nであった。
塗工液の調製において、実施例1のポリマーAおよびポリマーB1のモル比率が、(ポリマーA):(ポリマーB1)=50モル%:50モル%となるように、ポリマーAを100重量部含むA1液と、ポリマーB1を100重量部含むB1液とを混合し、続いて固形分濃度が9%となるようにNMPで希釈したこと以外は実施例1と同様の方法にて、非水電解液二次電池用積層セパレータ3を得た。非水電解液二次電池用積層セパレータ3の突き刺し強度は4.9Nであった。
塗工液の調製において、実施例1のポリマーAおよびポリマーB1のモル比率が、(ポリマーA):(ポリマーB1)=40モル%:60モル%となるように、ポリマーAを80重量部含むA1液と、ポリマーB1を120重量部含むB1液とを混合し、続いて固形分濃度が10%となるようにNMPで希釈したこと以外は実施例1と同様の方法にて、非水電解液二次電池用積層セパレータ4を得た。非水電解液二次電池用積層セパレータ4の突き刺し強度は5.0Nであった。
塗工液として、ポリマーB1を200重量部含むB1液を用い、続いて固形分濃度が10%となるようにNMPで希釈したこと以外は実施例1と同様の方法にて、非水電解液二次電池用積層セパレータ5を得た。非水電解液二次電池用積層セパレータ5の突き刺し強度は5.3Nであった。
塗工液として、ポリマーAを200重量部含むA1液を用い、続いて固形分濃度が6%となるようにNMPで希釈したこと以外は実施例1と同様の方法にて、非水電解液二次電池用積層セパレータ6を得た。非水電解液二次電池用積層セパレータ6の突き刺し強度は4.5Nであった。
Claims (4)
- 構成単位として、(A)芳香族ヒドロキシカルボン酸由来の単位と、(B)芳香族ジカルボン酸由来の単位と、(C)芳香族ジアミンおよび水酸基を有する芳香族アミンから選ばれる、芳香族アミン由来の単位と、(D)芳香族ジオール由来の単位とを含み、
(A)〜(D)の単位のモル数の合計を100モル%としたときに、(A)の単位が10モル%以上30モル%未満、(B)の単位が35モル%を超え45モル%以下、(C)及び(D)の単位の和が35モル%を超え45モル%以下であり、(C)の単位に対する(D)の単位のモル比(D)/(C)が0.75以下である芳香族ポリエステルを含む、非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層。 - ポリオレフィン系樹脂を主成分とする多孔質基材と、上記多孔質基材の少なくとも一方の面に積層された請求項1に記載の非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層と、を含む非水電解液二次電池用積層セパレータ。
- 正極、請求項1に記載の非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層もしくは請求項2に記載の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。
- 請求項1に記載の非水電解液二次電池用絶縁性多孔質層、または、請求項2に記載の非水電解液二次電池用積層セパレータを含む、非水電解液二次電池。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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