JP7001092B2 - 多孔複合フィルム、電池用セパレータ、電池、及び多孔複合フィルムの製造方法 - Google Patents
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Description
このようなリチウムイオン二次電池を高性能化するため、電池容量の高容量化、入出力特性、寿命特性、温度特性、保存特性等、種々の電池特性の改良のための検討がなされており、電池を構成する各種材料についても検討が行われている。
その一つとして、正極と負極の間に配置されるセパレータについても、これまで種々の検討が行われており、特に接着性セパレータの検討が進められている。
特許文献2には、ポリオレフィン系樹脂からなる多孔質膜に、フッ素系樹脂を含む改質多孔質層を積層した電池用セパレータの製造方法が開示されている。この製造方法は、フッ素系樹脂を溶媒に溶解した塗工液を、多孔質膜の両面同時に塗工する工程と、凝固工程との間で、塗工後の多孔質膜をブレ防止装置に接触させ、搬送速度を30m/minにすることが記載されている。このようなブレ防止装置を用いた製造方法によれば、高い生産性が得られ、塗工スジを抑えることができることが記載されている。
特許文献4には、ポリオレフィン微多孔膜上に、特定のフッ素樹脂濃度のワニスを塗布する工程と、このポリオレフィン微多孔膜を特定の低湿度ゾーンに通過させる工程と、特定の高湿度ゾーンに通過させる工程と、凝固浴に浸漬させてフッ素系樹脂を含む塗布層を改質多孔層に変換させ、ポリオレフィン微多孔膜にフッ素系樹脂と粒子を含む改質多孔層が積層された電池用セパレータを得る工程が記載されている。このような製造方法で得られた電池用セパレータは、優れたシャットダウン性能と電極接着性を有し、且つ、優れた電解液浸透性を有する高容量電池に適していることが記載されている。
(i)前記多孔質層の断面空隙面積分布のD150の値が0.06μm2以上0.38μm2以下、かつ前記多孔質層の断面空隙面積分布のD190の値が0.20μm2以上1.15μm2以下である。
(ii)前記多孔質層の表面細孔面積分布のD250の値が0.0060μm2以上0.0072μm2以下、かつ前記多孔質層の表面細孔面積分布のD290の値が0.0195μm2以上0.0220μm2以下である。
(iii)前記多孔質層の空孔率が50%以上70%以下である。
本発明の他の態様によれば、上記の多孔複合フィルムを用いた電池用セパレータが提供される。
また本発明は、本発明の多孔複合フィルムを製造する方法であって、
フッ素含有樹脂を溶媒に溶解した塗工液を多孔質基材の少なくとも片面に塗工して塗膜を形成する工程と、
前記塗膜が形成された多孔質基材を水を含む凝固液に浸漬して前記フッ素含有樹脂を凝固(相分離)させて多孔質層を形成し、前記多孔質基材上に該多孔質層が形成された複合フィルムを得る工程と、
前記複合フィルムを水洗する工程と、
水洗後の前記複合フィルムを乾燥する工程を含み、前記凝固液の温度が10~25℃の範囲であり、かつ前記凝固液中の前記溶媒の濃度が22質量%未満である、多孔複合フィルムの製造方法である。
(i)前記多孔質層の断面空隙面積分布のD150の値が0.06μm2以上0.38μm2以下、かつ前記多孔質層の断面空隙面積分布のD190の値が0.20μm2以上1.15μm2以下である。
(ii)前記多孔質層の表面細孔面積分布のD250の値が0.0060μm2以上0.0072μm2以下、かつ前記多孔質層の表面細孔面積分布のD290の値が0.0195μm2以上0.0220μm2以下である。
(iii)前記多孔質層の空孔率が50%以上70%以下である。
本実施形態による多孔複合フィルムの多孔質基材と多孔質層は共に、リチウムイオンの伝導に好適な空隙を有する。この空隙に電解液を保持することにより、リチウムイオンを伝導することができる。
多孔質層の断面空隙面積分布のD150の値が、0.06μm2以上0.38μm2以下、かつD190の値が0.20μm2以上1.15μm2以下であることで、このような多孔質層を有する多孔複合フィルムは、比較的小さい空孔を含みつつも、比較的大きな空孔を持つ。そのため、多孔複合フィルムは、電解液を効果的に保持して高い接着性を保ちつつも、膜強度を高く保つことができる。
多孔質層の断面空隙面積分布のD150の値を0.06μm2以上、かつD190の値を0.20μm2以上とすることで、各々の断面空隙間の距離を十分にとることができ、多孔質層を形成するフッ素含有樹脂が相分離する際に、フィブリルが束になって存在することができる。そのため、多孔質層の膜強度が向上し、製造プロセスでの多孔質層の剥離を防ぎ、上記多孔複合フィルムは電極との接着性の指標である接着力が向上するため、そのフィルムを用いた電池のサイクル特性を向上させることができる。したがって、多孔質層の断面空隙面積分布のD150の値が0.06μm2以上、かつD190の値が0.20μm2以上であることにより、多孔質層は膜強度が高く、剥離しにくく、良好な接着力を有することで、サイクル特性の優れた電池を得ることができる。
多孔質層の表面細孔面積分布のD250の値が、0.0060μm2以上0.0072μm2以下、かつD290の値が0.0195μm2以上0.0220μm2以下であることで、表面緻密層が適度な緻密さを持つことができ、また、十分な膜強度を有することができる。このような多孔質層を有する多孔複合フィルムをセパレータに用いることにより、サイクル特性に優れた電池を得ることができる。
多孔質層の表面細孔面積分布のD250の値が0.0060μm2未満、またはD290の値が0.0195μm2未満であると、多孔質層最表面層が過度に緻密になる。このような最表面が過度に緻密化した多孔質層を有する多孔複合フィルムをセパレータに用いた電池は、充放電時の抵抗が上昇し、電圧降下が起こることでサイクル特性が低下する。したがって、多孔質層の表面細孔面積分布のD250の値が、0.0060μm2以上、かつD290の値が0.0195μm2以上であると、多孔質層は、適度な細孔をもつ表面緻密層を有し、結果、良好なサイクル特性の電池を得ることができる。
多孔質層の空孔率は50%~70%の範囲にあり、多孔複合フィルムの使用目的によって適宜設定することができる。例えば、本実施形態の多孔複合フィルムをリチウムイオン電池のセパレータに用いる場合、多孔質層の空孔率が50%より小さいと、十分な量の電解液を保持できないためリチウムイオンの伝導性が低くなり、抵抗が大きくなる。逆に、多孔質層の空孔率が70%より大きいと、膜強度が低下する。したがって、多孔質層の空孔率が50~70%の範囲にあることにより、多孔質層の膜強度を十分に保ちながら、十分な量の電解液を保持でき、リチウムイオンの伝導性が十分に得られるため、抵抗の増大を抑えることができる。
多孔質層がフッ素含有樹脂を含むことで、接着力が高い多孔質層を得ることができる。本実施形態による多孔複合フィルムをリチウムイオン電池のセパレータに用いた場合、接着力が高いと、電池のサイクル寿命を高めることができる。
フッ素含有樹脂としては、フッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン、トリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレンからなる重合単位種の群から選択される少なくとも1つの重合単位を含む単独重合体又は共重合体が好ましく、フッ化ビニリデン単位を含む重合体(ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン共重合体)がより好ましい。特に、電解液に対する膨潤性の観点から、フッ化ビニリデンと他の重合単位からなるフッ化ビニリデン共重合体が好ましく、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン-クロロトリフルオロエチレン共重合体が好ましい。
本実施形態による多孔複合フィルムは、その多孔質層にセラミックを含んでいてもよい。このセラミックとしては、例えば、二酸化チタン、シリカ、アルミナ、シリカ―アルミナ複合酸化物、ゼオライト、マイカ、ベーマイト、硫酸バリウム、酸化マグネシウム、水酸化マグネシウム、酸化亜鉛が挙げられる。
セラミックの平均粒子径は、好ましくは0.5μm~2.0μmの範囲に設定でき、0.5μm~1.5μmの範囲がより好ましい。ただし、セラミックの平均粒子径が多孔質層の厚みを上限として、セラミックの平均粒子径を選択することが好ましい。
セラミックの含有量は、フッ素含有樹脂とセラミックの総重量に対して50重量%~90重量%が好ましく、より好ましくは60重量%~80重量%である。
本実施形態による多孔複合フィルムは、その多孔質層の空隙径の平均値に関係する「断面空隙の平均面積」A1が0.054μm2以上0.098μm2以下であることが好ましく、0.054μm2以上0.095μm2以下がより好ましく、0.054μm2以上0.080μm2以下が更に好ましい。多孔質層の十分な接着力及び優れた強度を得る点から、多孔質層の断面空隙の平均面積A1が0.054μm2以上が好ましい。この多孔複合フィルムをセパレータに用いた電池のサイクル性能の低下を十分に抑える点から、断面空隙の平均面積A1が0.098μm2以下が好ましい。
本実施形態による多孔複合フィルムの全体の膜厚は、好ましくは4μm~30μmの範囲に設定でき、4μm~24μmの範囲がより好ましい。このような範囲に厚みを設定することで、できるだけ薄膜にしながらも、機械強度と絶縁性を確保することができる。
本実施形態による多孔複合フィルムの多孔質層の膜厚は、好ましくは1~5μmの範囲に設定でき、1~4μmの範囲がより好ましく、1~3μmが更に好ましい。多孔質層の厚みをこのような範囲に設定することで、必要最小限の厚みで、十分な多孔質層の形成効果と十分な接着力及び優れた強度を得ることができる。
本実施形態による多孔複合フィルムの多孔質層の電極との接着力が5.0N以上であることが好ましい。電極との接着力が5.0N未満の場合、電池反応による副生成物である気泡等が生じた際に、接着力の弱い部分で剥離し、その部分が電池の欠陥となってサイクル特性が低下する。一方、上限は特に規定しないが、10N以下であることが好ましく、8N以下であることがより好ましい。
本実施形態による多孔複合フィルムの多孔質層の凝集破壊する膜強度が2.0N以上であることが好ましく、2.4N以上であることがより好ましい。凝集破壊する膜強度が2.0N未満の場合、工程内で多孔質層の剥離が生じ、脱落物がロール等に付着することで生産性が低下する。一方、上限は特に規定しないが、多孔複合フィルムのハンドリング性(ブロッキング等)の観点から10N以下であることが好ましい。
本実施形態による多孔複合フィルムの多孔質基材は、ポリオレフィン多孔質膜であることが好ましい。ポリオレフィン樹脂としては、ポリエチレンやポリプロピレンが好ましい。また、単一物または2種以上の異なるポリオレフィン樹脂の混合物、例えばポリエチレンとポリプロピレンの混合物であってもよい。また、ポリオレフィンは単独重合体であっても共重合体であってもよく、例えばポリエチレンはエチレンの単独重合体でもよいし、他のαオレフィンの単位を含む共重合体であってもよく、ポリプロピレンはプロピレンの単独重合体であってもよく、他のαオレフィンの単位を含む共重合体であってもよい。多孔質基材は単層膜であっても二層以上の複数の層からなる積層膜であってもよい。
ポリオレフィン多孔質膜とは、ポリオレフィン多孔質膜中におけるポリオレフィン樹脂の含有量が55~100質量%である多孔質膜を意味する。ポリオレフィン樹脂の含有量が55質量%未満であると、十分なシャットダウン機能が得られないことがある。
多孔質基材の厚みは、3μm~25μmの範囲にあることが好ましく、3~20μmの範囲がより好ましい。多孔質基材の空孔率は、30~70%の範囲にあることが好ましく、35~60%の範囲がより好ましい。このような厚み、空孔率を有することにより、十分な機械的強度と絶縁性が得られ、また十分なイオン伝導性を得ることができる。
本実施形態による多孔複合フィルムの製造方法は、次の工程(a)~(d)を有し、凝固液の温度が10~25℃の範囲であり、かつ凝固液中の溶媒の濃度が22質量%未満である。
(a)フッ素含有樹脂を溶媒に溶解した塗工液を多孔質基材の少なくとも片面に塗工して塗膜を形成する工程
(b)塗膜が形成された多孔質基材を水を含む凝固液に浸漬して前記フッ素含有樹脂を凝固させて多孔質層を形成し、前記多孔質基材上に該多孔質層が形成された複合フィルムを得る工程
(c)複合フィルムを水洗する工程
(d)水洗後の複合フィルムを乾燥する工程
本実施形態による多孔複合フィルムの製造方法の一例を、図1を用いて以下に説明する。この製造方法では、多孔質基材が通過できるギャップを有するヘッドを用いて、多孔質基材の両面に塗工液を塗布(ディップコート)し、続いて凝固、洗浄、乾燥を経て、多孔質基材の両面に多孔質層が形成された多孔複合フィルムを得る。
まず、巻出ロール1より巻き出された多孔質基材は、ディップヘッド2へ、その上方から供給され、ディップヘッド2の下部にあるギャップを通過して下方へ引き出され、続いて凝固/水洗槽3へ供給される。このディップヘッド2は、通過する多孔質基材の両面にディップコートできるように塗工液を収容できる。引き出された多孔質基材の両面には塗膜が形成され、この塗膜の厚みは、ディップヘッドのギャップのサイズと搬送速度等で制御できる。
良溶媒としては、N,N-ジメチルアセトアミド(DMAc)、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)、リン酸ヘキサメチルトリアミド(HMPA)、N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)、ジメチルスルホキシド(DMSO)などが挙げられ、樹脂の溶解性に合わせて自由に選択できる。良溶媒としては、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)が好ましい。
塗工液のフッ素含有樹脂の濃度は、2重量%~7重量%の範囲にあることが好ましく、3重量%~6重量%の範囲がより好ましい。
図1には、ディップヘッドを用いたディップコート方式を示しているが、多孔質基材の片面に粘度600mPa・s以上1000mPa・s以下の塗工液を塗工厚5μm以上25μm以下で塗布でき、その幅方向の厚みバラツキが±10%となるように塗布できるのであれば、種々の塗工方式を採用できる。例えば、一般的なディップコート、キャスト、スピンコート、バーコート、スプレー、ブレードコート、スリットダイコート、グラビアコート、リバースコート、リップタイレクト、コンマコート、スクリーン印刷、鋳型塗布、印刷転写、インクジェットなどのウエットコート法等を挙げることができる。特に、連続的かつ例えば塗工速度30m/分以上で塗工する場合は、高粘度、薄膜、高速塗工に適した、かき取り方式であるリップダイレクト方式やコンマコート方式、ディップコート方式が好ましい。さらに、両面同時に多孔質層を形成できるという点から、ディップコート方式がより好ましい。ディップコート方式を採用することで、80m/分以上の速度で塗工することが可能になる。
連続的にコーティングを行う場合、搬送速度は、例えば5m/分~100m/分の範囲に設定でき、生産性と塗膜の厚みの均一性等の点から、塗工方式に応じて適宜設定することができる。
ディップヘッドで塗膜が形成された多孔質基材は、凝固/水洗槽内の凝固液中に浸漬される。
次に、最後の3次水洗槽6から巻き出された多孔複合フィルムは、乾燥炉7へ導入され、付着した洗浄液が除去され、乾燥した多孔複合フィルムが巻取ロール8に巻き取られる。
(1)多孔質層の断面空隙面積分布のD150、D190
多孔質層の断面空隙面積分布のD150、D190は次のようにして求めた。
基材面と垂直方向にイオンミリングによって断面だしを施した基材断面を、加速電圧2.0kV、倍率5000倍にて基材断面と垂直方向にランダムにSEM画像観察し、得られた断面SEM画像50枚について、それぞれ基材の厚み方向を1:1に内分する点で基材の面方向と平行に画像をカットし、その画像についてグレイ値を取得、その平均値が大きいほうの画像について画像解析ソフトHALCON(Ver.13.0,MVtec社製)にて、まず画像データの読み込みを行い、次に、輪郭強調(微分フィルタ(emphasize)、エッジ強調フィルタ(shock_filter)の順で処理)を行った後、2値化するという手順で実施した。なお、輪郭強調に用いる微分フィルタの「emphasize」、エッジ強調フィルタの「shock_filter」はHALCONに含まれる画像処理フィルタである。2値化について、グレイ値に対する閾値の下限を64、上限を255に設定し、64以上の部分はPVdF(ポリフッ化ビニリデン)等のフッ素含有樹脂(セラミック等のフィラーがある場合はそれを含む)が存在する部分とし、さらにそれら樹脂成分及びフィラーが存在している領域のグレイ値を255、その他の領域(断面空隙部)のグレイ値を0に置き換え、グレイ値0を持つ連続したピクセル同士を連結し、一つの画像から100個以上の断面空隙部の面積を抽出した。抽出した断面空隙部の面積を断面空隙面積とし、断面空隙面積のうち、式(1)を満たす断面空隙面積について、その面積値の分布におけるD150及びD190を算出した。ここで、D150とは各断面空隙面積を昇順に並び替え、全ての面積を足し合わせた総面積に対する、累積面積が50%となる面積であり、D190は累積面積が90%となる面積を指す。
多孔質層の表面細孔面積分布のD290、D250は次のようにして求めた。
加速電圧2.0kV、倍率10000倍にて基材表面と垂直方向にランダムにSEM画像観察し得られた表面SEM画像50枚について、画像解析ソフトHALCON(Ver. 13.0, MVtec社製)にて、まず画像データの読み込みを行い、次に、輪郭強調(微分フィルタ(emphasize)、エッジ強調フィルタ(shock_filter)の順で処理)を行った後、2値化するという手順で実施した。2値化について、グレイ値に対する閾値の下限を10、上限を255に設定し10以上の部分はPVdF等のフッ素含有樹脂(セラミック等のフィラーがある場合はそれを含む)が存在する部分とし、さらにそれら樹脂成分及びフィラーが存在している領域のグレイ値を255、その他の領域(表面細孔部)のグレイ値を0に置き換え、グレイ値0を持つ連続したピクセル同士を連結し、一つの画像から100個以上の表面細孔部の面積を抽出した。抽出した表面細孔部の面積を表面細孔面積とし、表面細孔面積のうち、式(2)を満たす表面細孔面積について、その面積値の分布におけるD290及びD250を算出した。ここで、D290とは各表面細孔面積を昇順に並び替え、全ての面積を足し合わせた総面積に対する、累積面積が90%となる面積であり、D250は累積面積が50%となる面積を指す。
多孔質層の空孔率Vは、以下の式を用いて算出した。
WA=塗工済みフィルムの目付(WA1)-基材の目付(WA2)
塗工済みフィルムの目付WA1及び基材の目付WA2の測定は、5cm角のサンプルを用意し、以下の式を用いて算出した。
WA1=「塗工済みフィルム5cm角サンプルの重さ」/0.0025
WA2=「基材5cm角サンプルの重さ」/0.0025
D=材料Aの密度×Aの配合率(質量比)+材料Bの密度×Bの配合率(質量比)+・・・・
t=塗工済みのフィルムの厚み(t1)-基材の厚み(t2)
多孔質層の断面空隙の平均面積A1を次のようにして測定した。
基材面と垂直方向にイオンミリングによって断面だしを施した断面を加速電圧2.0kV、倍率5000倍にてランダムにSEM画像観察した断面SEM画像50枚を、それぞれ基材の厚み方向を1:1に内分する点で基材の面方向と平行に画像をカットし、その画像についてグレイ値を取得、その平均値が大きい方の画像について、画像解析ソフトHALCON(Ver.13.0,MVtec社製)にて、まず画像データの読み込みを行い、次に、輪郭強調(微分フィルタ(emphasize)、エッジ強調フィルタ(shock_filter)の順で処理を行った後、2値化するという手順で実施した。2値化について、グレイ値に対する閾値の下限を64、上限を255に設定し64未満の部分を空隙、64以上の部分はPVdF(フィラーがある場合はそれを含む)が存在する部分とし、さらにそれら樹脂成分及びフィラーが存在している領域のグレイ値を255、その他の領域(空隙部)のグレイ値を0に置き換え、グレイ値0を持つ連続したピクセル同士を連結し、一つの画像から100個以上の断面空隙部の面積を抽出した。抽出した断面空隙部の面積を断面空隙面積とし、断面空隙面積のうち、式(1)を満たす断面空隙面積について、式(4)で断面空隙の平均面積A1を算出した。
本実施形態による多孔複合フィルムは、電池用セパレータとして用いることができ、リチウムイオン二次電池のセパレータとして好適に用いることができる。本実施形態による多孔複合フィルムをセパレータに用いることにより、サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池を提供することができる。
また、本実施形態による電池は、正極と、負極と、前記正極と前記負極の間に配置された本実施形態による電池用セパレータを含む。
本実施形態による多孔複合フィルムが適用されるリチウムイオン二次電池の例としては、負極と正極がセパレータを介して対向して配置された電池要素に電解質を含む電解液が含浸され、これらが外装材に封入された構造を有するものが挙げられる。
外装材としては、金属缶またはアルミラミネートパックなどが挙げられる。電池の形状は、コイン型、円筒型、角型、ラミネート型などが挙げられる。
各実施例及び各比較例の多孔複合フィルムについて、多孔質層の断面空隙面積分布のD150、D190については上記(1)に従い、多孔質層の表面細孔面積分布のD290、D250については上記(2)に従い、多孔質層の空孔率Vについては上記(3)に従い、多孔質層の断面空隙の平均面積A1については上記(4)に従って測定を行った。また、膜厚と接着力及び膜強度については、下記に従って測定した。
接触式膜厚計((株)ミツトヨ製“ライトマチック”(登録商標)series318)を使用して膜厚を測定した。この測定においては、超硬球面測定子φ9.5mmを用いて、加重0.01Nの条件で20点を測定し、得られた測定値の平均値を膜厚とした。
JIS C5016-1994の180°ピールに準拠した方法で膜強度を測定した。各多孔複合フィルムに、20mm×100mm程度にカットした両面テープ((株)清和産業製 透明フィルム両面テープSFR-2020)を貼り、金属板上に圧着し、サンプル表面中央部に15mm×90mm程度にカットしたセロテープ(登録商標)(植物系、No.405)を80mm程度貼り、多孔質基材と多孔質層との凝集破壊するようにセロテープ(登録商標)が180°方向に剥がれるように金属板及びセロテープ(登録商標)をオートグラフにセットし、100.0mm/minで引っ張り、テープ剥離時の応力を測定した。
前述の図1に示す製造プロセスに従って多孔複合フィルムを作製した。具体的には、まず、ロールから巻き出したポリオレフィン多孔質膜(膜厚7μm)を搬送速度7m/分で、ディップヘッドの上方から下方へディップヘッドのギャップに通過させ、ポリオレフィン多孔質膜の両面に塗工液を塗布し、続いて、凝固液中に浸漬させることでポリオレフィン多孔質膜上に塗膜が形成される。なお、ディップヘッドのギャップのサイズ(厚み方向の長さ)は45μmとした。塗工液の樹脂としてはPVdF(ポリフッ化ビニリデン)、この樹脂を溶解する良溶媒としてはNMP(N-メチル-2-ピロリドン)を用い、PVdFとNMPの質量比はPVdF:NMP=1:22とし、塗工厚(片面)は12.0μmとした(膜厚(片面)は1.5μm)。塗工液のセラミックとしてはアルミナを用い、PVdFとアルミナの質量比はPVdF:アルミナ=1:1.4とした。
凝固液中から引き出された段階で、ポリオレフィン多孔質膜上に多孔質層が形成された多孔複合フィルムが得られ、この多孔複合フィルムを、順に、1次水洗槽、2次水洗槽、3次水洗槽の水中に導入して、連続的に洗浄した。
続いて、最後の3次水洗槽から巻き出された多孔複合フィルムを、乾燥炉へ導入し、付着した洗浄液を除去して、乾燥した多孔複合フィルムを巻きとった。
得られた多孔複合フィルムについて、製造条件と測定結果について表1に示す。
多孔質層のPVdFの目付が同等になるようにディップヘッドのギャップのサイズ(塗工Gap)、塗工液のPVdFとアルミナの質量比、塗材粘度、凝固液の温度及び凝固液中のNMP濃度を表1に示す通りに調整した以外は、実施例1と同様にして多孔複合フィルムを作製した。測定結果を表1に示す。
実施例1と同じ多孔質基材に、PVdFの変わりにアクリル樹脂、セラミックスとしてはアルミナ、良溶媒として水を用いた塗工液をグラビア方式で片面に塗布し(塗工厚(片面):12.0μm)、乾燥して片面に多孔質層を形成した。測定結果を表1に示す。
(電解液の作製)
電解液として、エチレンカーボネート(EC):メチルエチルカーボネート(MEC):ジエチルカーボネート(DEC)=3:5:2(体積比)で混合した溶媒に、LiPF6(ヘキサフルオロリン酸リチウム)1.15Mとビニレンカーボネート(VC)0.5wt%を添加した電解液を調製した。
コバルト酸リチウム(LiCoO2)にアセチレンブラック黒鉛とポリフッ化ビニリデンとを加え、N-メチル-2-ピロリドン中に分散させてスラリーにした。このスラリーを、厚さ20μmの正極集電体用アルミニウム箔の両面に均一に塗布して乾燥して正極層を形成し、その後、ロールプレス機により圧縮成形して、集電体を除いた正極層の密度が3.6g/cm3の帯状の正極を作製した。
カルボキシメチルセルロースを1.5質量部含む水溶液を、人造黒鉛96.5質量部に加えて混合し、さらに固形分として2質量部のスチレンブタジエンラテックスを加えて混合して負極合剤含有スラリーを形成した。この負極合剤含有スラリーを、厚みが8μmの銅箔からなる負極集電体の両面に均一に塗付して乾燥して負極層を形成し、その後、ロールプレス機により圧縮成形して、集電体を除いた負極層の密度が1.5g/cm3の帯状の負極を作製した。
上記で作製された負極(機械方向161mm×幅方向30mm)と、上記の実施例又は比較例の多孔複合フィルム(機械方向160mm×幅方向34mm)を重ね、金属板(長さ300mm、幅25mm、厚さ1mm)を巻き芯として多孔複合フィルムが内側になるように多孔複合フィルムと負極を巻き取り、金属板を引き抜いて試験用巻回体を得た。試験用巻回体は長さ約34mm×幅約28mmとなった。
ポリプロピレンからなるラミネートフィルム(長さ70mm、幅65mm、厚さ0.07mm)2枚を重ね、4辺のうち3辺を溶着した袋状のラミネートフィルム内に試験用巻回体を入れた。エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートを体積比3:7で混合した溶媒にLiPF6を1mol/Lの割合で溶解させた電解液500μLをグローブボックス中でラミネートフィルムの開口部から注入し、試験用巻回体に含浸させ、真空シーラーで開口部の一辺を封止した。
次に、ラミネートフィルムに封入した試験用巻回体を2枚のガスケット(厚さ1mm、5cm×5cm)で挟み込み、精密加熱加圧装置(新東工業(株)製、CYPT-10)にて98℃、0.6MPaで2分間加圧し、室温で放冷した。ラミネートフィルムに封入したまま、加圧後の試験用巻回体について、万能試験機((株)島津製作所製、AGS-J)を用いて湿潤時曲げ強さを測定した。
次に、圧子としてアルミニウム製L字アングル(厚さ1mm、10mm×10mm、長さ4cm)の長さ方向の辺から試験用巻回体の長さ方向の辺(約34mm)がはみ出さないように、かつ平行にして、試験用巻回体の幅方向の辺の中点にアルミニウム製L字アングルの90°部分を合わせ、90°部分が下になるようにアルミニウム製L字アングルを万能試験機のロードセル(ロードセル容量50N)に固定した。3個の試験用巻回体を負荷速度0.5mm/minにて測定し、得られた最大試験力の平均値を接着力とした。
上記の正極、上記の実施例又は比較例の多孔複合フィルム、及び上記の負極を積層した後、扁平状の巻回電極体(高さ2.2mm×幅32mm×奥行32mm)を作製した。この扁平状の巻回電極体の各電極へ、シーラント付タブを溶接し、正極リード、負極リードとした。
次に、扁平状の巻回電極体部分をアルミラミネートフィルムで挟み、一部開口部を残してシールし、これを真空オーブンにて80℃で6時間乾燥した。乾燥後、速やかに電解液を0.75ml注液し、真空シーラーでシールし、90℃、0.6MPaで2分プレス成型した。
続いて、得られた電池の充放電を実施した。充放電条件は300mAの電流値で、電池電圧4.35Vまで定電流充電した後、電池電圧4.35Vで15mAになるまで定電圧充電を行った。10分の休止後、300mAの電流値で電池電圧3.0Vまで定電流放電を行い、10分休止した。以上の充放電を3サイクル実施し、電池容量300mAhの試験用二次電池(扁平捲回型電池セル)を作製した。
上記で作製した扁平捲回型電池セルについて、充放電測定装置を使用し、35℃の雰囲気下、充電を300mAで4.35Vまで、放電を300mAで3.0Vまでする充放電を繰り返し、容量維持率が60%に達するまでのサイクル数を求めた。このサイクル数が多いと、サイクル特性が良いことを示す。このときの充放電条件は、以下の通りとした。
充電条件:1C、CC-CV充電、4.35V、0.05 C Cut off
休止:10分
放電条件:1C、CC放電、3V Cut off
休止:10分。
図2a及び図2bは、それぞれ実施例2及び比較例3の多孔複合フィルムの断面のSEM画像であり、図3は、実施例1、5及び比較例3の多孔複合フィルムの表面のSEM画像である。
図2aに示す実施例2(NMP濃度:0.1質量%)の多孔複合フィルムは、図2bに示す比較例3(NMP濃度:24.8質量%)の多孔複合フィルムに対して、断面空隙面積分布のD150、D190及び断面空隙の平均面積A1が大きいことを反映した状態になっている。すなわち、実施例2の多孔質層は疎構造を有し、比較例3の多孔質層は密構造を有している。
このように実施例2の多孔複合フィルムの多孔質層表面の細孔分布は比較的密であり、その内側の領域(断面領域)は疎な構造であり、これに対して、比較例3の多孔複合フィルムの多孔質層表面の細孔分布は比較的疎であり、その内側の領域(断面流域)は密な構造である。多孔質層のこのような構造の違いが、膜強度とサイクル特性の違いに大きく影響していると考えられる。
本出願は、2017年9月29日出願の日本特許出願(特願2017-191838)に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
2:ディップヘッド
3:凝固/水洗槽
4:1次水洗槽
5:2次水洗槽
6:3次水洗槽
7:乾燥炉
8:巻取ロール
Claims (8)
- 多孔質基材と、当該多孔質基材の少なくとも片面に多孔質層が積層された多孔複合フィルムであって、前記多孔質層が、フッ素含有樹脂としてフッ化ビニリデン単位を含む重合体を含み、次の要件(i)、(ii)及び(iii)を満たす多孔複合フィルム。
(i)前記多孔質層の断面空隙面積分布のD150の値が0.06μm2以上0.38μm2以下、かつ前記多孔質層の断面空隙面積分布のD190の値が0.20μm2以上1.15μm2以下である。
(ii)前記多孔質層の表面細孔面積分布のD250の値が0.0060μm2以上0.0072μm2以下、かつ前記多孔質層の表面細孔面積分布のD290の値が0.0195μm2以上0.0220μm2以下である。
(iii)前記多孔質層の空孔率が50%以上70%以下である。 - 前記多孔質層の断面空隙の平均面積A1が0.054μm2以上0.098μm2以下である、請求項1に記載の多孔複合フィルム。
- 前記多孔質基材がポリオレフィン多孔質膜である、請求項1又は2に記載の多孔複合フィルム。
- 前記多孔質層がセラミックを含む、請求項1から3のいずれか一項に記載の多孔複合フィルム。
- 前記多孔質層が凝集破壊する膜強度が2.0N以上10.0N以下である、請求項1から4のいずれか一項に記載の多孔複合フィルム。
- 請求項1から5のいずれか一項に記載の多孔複合フィルムを用いた電池用セパレータ。
- 正極と、負極と、前記正極と前記負極の間に配置された請求項6に記載の電池用セパレータを含む電池。
- 請求項1から5のいずれか一項に記載の多孔複合フィルムを製造する方法であって、
フッ素含有樹脂を溶媒に溶解した塗工液を多孔質基材の少なくとも片面に塗工して塗膜を形成する工程と、
前記塗膜が形成された多孔質基材を水を含む凝固液に浸漬して前記フッ素含有樹脂を凝固させて多孔質層を形成し、前記多孔質基材上に前記多孔質層が形成された複合フィルムを得る工程と、
前記複合フィルムを水洗する工程と、
水洗後の前記複合フィルムを乾燥する工程を含み、
前記凝固液の温度が10~25℃の範囲であり、かつ前記凝固液中の前記溶媒の濃度が22質量%未満であることを特徴とする多孔複合フィルムの製造方法。
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