JP7048831B1 - Ldh様化合物セパレータ及び亜鉛二次電池 - Google Patents

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Abstract

耐アルカリ性に優れ、かつ、亜鉛デンドライトに起因する短絡をより一層効果的に抑制可能な、LDHセパレータよりも優れた水酸化物イオン伝導セパレータが提供される。このLDH様化合物セパレータは、亜鉛二次電池用のものであり、高分子材料製の多孔質基材と、多孔質基材の孔を塞ぐ層状複水酸化物(LDH)様化合物とを含む。LDH様化合物セパレータはその内部にデンドライト緩衝層を有し、該デンドライト緩衝層が、(i)LDH様化合物が無いか又は欠乏している多孔質基材の孔に富んだ内部多孔層、(ii)LDH様化合物セパレータの一部を構成する隣り合う2つの層が剥離可能に接触している剥離性界面層、及び(iii)LDH様化合物セパレータの一部を構成する隣り合う2つの層が離間して形成される、LDH様化合物及び多孔質基材が存在しない内部空間層からなる群から選択される少なくとも1種である。

Description

本発明は、LDH様化合物セパレータ及び亜鉛二次電池に関するものである。
ニッケル亜鉛二次電池、空気亜鉛二次電池等の亜鉛二次電池では、充電時に負極から金属亜鉛がデンドライト状に析出し、不織布等のセパレータの空隙を貫通して正極に到達し、その結果、短絡を引き起こすことが知られている。このような亜鉛デンドライトに起因する短絡は繰り返し充放電寿命の短縮を招く。
上記問題に対処すべく、水酸化物イオンを選択的に透過させながら、亜鉛デンドライトの貫通を阻止する、層状複水酸化物(LDH)セパレータを備えた電池が提案されている。例えば、特許文献1(国際公開第2013/118561号)には、ニッケル亜鉛二次電池においてLDHセパレータを正極及び負極間に設けることが開示されている。また、特許文献2(国際公開第2016/076047号)には、樹脂製外枠に嵌合又は接合されたLDHセパレータを備えたセパレータ構造体が開示されており、LDHセパレータがガス不透過性及び/又は水不透過性を有する程の高い緻密性を有することが開示されている。また、この文献にはLDHセパレータが多孔質基材と複合化されうることも開示されている。さらに、特許文献3(国際公開第2016/067884号)には多孔質基材の表面にLDH緻密膜を形成して複合材料(LDHセパレータ)を得るための様々な方法が開示されている。この方法は、多孔質基材にLDHの結晶成長の起点を与えうる起点物質を均一に付着させ、原料水溶液中で多孔質基材に水熱処理を施してLDH緻密膜を多孔質基材の表面に形成させる工程を含むものである。
ところで、特許文献4(国際公開第2019/131688号)には、高分子材料製の多孔質基材と、多孔質基材の孔を塞ぐ層状複水酸化物(LDH)とを含む、亜鉛二次電池用のLDHセパレータであって、その内部にデンドライト緩衝層を有する、LDHセパレータが開示されている。このデンドライト緩衝層は、(i)LDHが無いか又は欠乏している多孔質基材の孔に富んだ内部多孔層、(ii)LDHセパレータの一部を構成する隣り合う2つの層が剥離可能に接触している剥離性界面層、及び(iii)LDHセパレータの一部を構成する隣り合う2つの層が離間して形成される、LDH及び多孔質基材が存在しない内部空間層からなる群から選択される少なくとも1種であるとされている。
国際公開第2013/118561号 国際公開第2016/076047号 国際公開第2016/067884号 国際公開第2019/131688号
上述したようなLDHセパレータを用いてニッケル亜鉛電池等の亜鉛二次電池を構成した場合、亜鉛デンドライトによる短絡等を通常防止できるが、何らかの欠陥等によりLDHセパレータ内への亜鉛デンドライト浸入を許すような万が一の事態を想定した場合、終局的には亜鉛デンドライトの貫通及びそれによる正負極間の短絡が起こりうるといえる。したがって、デンドライト短絡防止効果の更なる改善が望まれる。
本発明者らは、今般、従来のLDHの代わりに、水酸化物イオン伝導物質として、後述するLDH様化合物を用いることにより、耐アルカリ性に優れ、かつ、亜鉛デンドライトに起因する短絡をより一層効果的に抑制可能な水酸化物イオン伝導セパレータ(LDH様化合物セパレータ)を提供できるとの知見を得た。また、LDHセパレータ様化合物の内部に所定の構成のデンドライト緩衝層を設けることにより、亜鉛デンドライトに起因する短絡をより一層効果的に抑制可能なLDH様化合物セパレータを提供できるとの知見を得た。
したがって、本発明の目的は、耐アルカリ性に優れ、かつ、亜鉛デンドライトに起因する短絡をより一層効果的に抑制可能な、LDHセパレータよりも優れた水酸化物イオン伝導セパレータを提供することにある。
本発明の一態様によれば、高分子材料製の多孔質基材と、前記多孔質基材の孔を塞ぐ層状複水酸化物(LDH)様化合物とを含む、亜鉛二次電池用のLDH様化合物セパレータであって、
前記LDHセパレータがその内部にデンドライト緩衝層を有し、該デンドライト緩衝層が、
(i)前記LDH様化合物が無いか又は欠乏している前記多孔質基材の孔に富んだ内部多孔層、
(ii)前記LDH様化合物セパレータの一部を構成する隣り合う2つの層が剥離可能に接触している剥離性界面層、及び
(iii)前記LDH様化合物セパレータの一部を構成する隣り合う2つの層が離間して形成される、前記LDH様化合物及び前記多孔質基材が存在しない内部空間層
からなる群から選択される少なくとも1種である、LDH様化合物セパレータが提供される。
本発明の他の一態様によれば、前記LDH様化合物セパレータを備えた、亜鉛二次電池が提供される。
デンドライト緩衝層として内部多孔層を有する形態のLDH様化合物セパレータを示す模式断面図である。 デンドライト緩衝層として剥離性界面層を有する形態のLDH様化合物セパレータを示す模式断面図である。 デンドライト緩衝層として内部空間層を有する形態のLDH様化合物セパレータを示す模式断面図である。 例A1~A4の緻密性判定試験で使用された測定用密閉容器の分解斜視図である。 例A1~A4の緻密性判定試験で使用された測定系の模式断面図である。 例A1~A4のデンドライト短絡確認試験で使用された測定装置の模式断面図である。 例A1~D3で使用されたHe透過度測定系の一例を示す概念図である。 図6Aに示される測定系に用いられる試料ホルダ及びその周辺構成の模式断面図である。 例A1で作製されたLDHセパレータの断面SEM画像である。 例A1で作製されたLDHセパレータの断面SEM画像である。 例A2で作製されたLDHセパレータの断面SEM画像である。 例A3で作製されたLDHセパレータの断面SEM画像である。 例A2で作製されたLDHセパレータのデンドライト短絡確認試験後の状態を撮影した断面SEM画像である。図中、Dはデンドライトを意味する。 例B1~D3で用いた電気化学測定系を示す模式断面図である。 例B1において作製されたLDH様化合物セパレータの表面SEM像である。 例B1において作製されたLDH様化合物セパレータのX線回折結果である。 例B2において作製されたLDH様化合物セパレータの表面SEM像である。 例B2において作製されたLDH様化合物セパレータのX線回折結果である。 例B3において作製されたLDH様化合物セパレータの表面SEM像である。 例B3において作製されたLDH様化合物セパレータのX線回折結果である。 例B4において作製されたLDH様化合物セパレータの表面SEM像である。 例B4において作製されたLDH様化合物セパレータのX線回折結果である。 例B5において作製されたLDH様化合物セパレータの表面SEM像である。 例B5において作製されたLDH様化合物セパレータのX線回折結果である。 例B6において作製されたLDH様化合物セパレータの表面SEM像である。 例B6において作製されたLDH様化合物セパレータのX線回折結果である。 例B7において作製されたLDH様化合物セパレータの表面SEM像である。 例B8(比較)において作製されたLDHセパレータの表面SEM像である。 例B8(比較)において作製されたLDHセパレータのX線回折結果である。 例C1において作製されたLDH様化合物セパレータの表面SEM像である。 例D1において作製されたLDH様化合物セパレータの表面SEM像である。 例D2において作製されたLDH様化合物セパレータの表面SEM像である。
LDH様化合物セパレータ
本発明のLDH様化合物セパレータは、亜鉛二次電池用のLDH様化合物セパレータであって、多孔質基材と、層状複水酸化物(LDH)様化合物とを含む。なお、本明細書において「LDH様化合物セパレータ」は、LDH様化合物を含むセパレータであって、専らLDH様化合物の水酸化物イオン伝導性を利用して水酸化物イオンを選択的に通すものとして定義される。また、「LDH様化合物」とは、LDHとは呼べないが水酸化物イオン伝導性を有する層状結晶構造の水酸化物及び/又は酸化物であり、X線回折法においてLDHに起因するピークが検出されないものとして定義される。多孔質基材は高分子材料製であり、多孔質基材の孔をLDH様化合物が塞いでいる。そして、LDH様化合物セパレータがその内部にデンドライト緩衝層を有している。デンドライト緩衝層は、図1に示されるように(i)LDH様化合物が無いか又は欠乏している多孔質基材の孔に富んだ内部多孔層10bであってもよいし、図2に示されるように(ii)LDH様化合物セパレータの一部を構成する隣り合う2つの層が剥離可能に接触している剥離性界面層10b’であってもよいし、図3に示されるように(iii)LDH様化合物セパレータの一部を構成する隣り合う2つの層が離間して形成される(LDH様化合物及び多孔質基材が存在しない)内部空間層10b’’であってもよい。このように、LDH様化合物セパレータの内部に、上記(i)、(ii)及び(iii)からなる群から選択される少なくとも1種であるデンドライト緩衝層を設けることにより、亜鉛デンドライトに起因する短絡をより一層効果的に抑制可能なLDH様化合物セパレータを提供することができる。
すなわち、前述したように、従来のLDHセパレータを用いてニッケル亜鉛電池等の亜鉛二次電池を構成した場合、亜鉛デンドライトによる短絡等を通常防止できるが、何らかの欠陥等によりLDHセパレータ内への亜鉛デンドライト浸入を許すような万が一の事態を想定した場合、終局的には亜鉛デンドライトの貫通及びそれによる正負極間の短絡が起こりうるといえる。この点、従来のセパレータにおける亜鉛デンドライトの貫通は、(a)セパレータに含まれる空隙又は欠陥に亜鉛デンドライトが侵入し、(b)セパレータを押し広げながらデンドライトが成長及び進展し、(c)最後にデンドライトがセパレータを貫通する、というメカニズムで起こるのではないかと推定される。これに対し、本発明のLDH様化合物セパレータは、その内部に、上記(i)~(iii)のような亜鉛デンドライトの成長を許容する構成のデンドライト緩衝層を敢えて設けることで、例えば図10に示されるように亜鉛デンドライトDの析出及び成長をデンドライト緩衝層内のみに留め、結果として、デンドライトによるセパレータの貫通を阻止又は有意に遅延させることができ、それ故、亜鉛デンドライトに起因する短絡をより一層効果的に抑制することができる。とりわけ、従来のLDHの代わりに、水酸化物イオン伝導物質として、後述するLDH様化合物を用いることにより、耐アルカリ性に優れ、かつ、亜鉛デンドライトに起因する短絡をより一層効果的に抑制可能な水酸化物イオン伝導セパレータ(LDH様化合物セパレータ)を提供することができる。
また、本発明のLDH様化合物セパレータは、LDH様化合物の有する水酸化物イオン伝導性に基づき、セパレータとして要求される所望のイオン伝導性を備えることは勿論のこと、可撓性及び強度にも優れている。これは、LDH様化合物セパレータに含まれる高分子多孔質基材自体の可撓性及び強度に起因するものである。すなわち、高分子多孔質基材の孔がLDH様化合物で塞がれた形でLDH様化合物セパレータが緻密化されているため、セラミックス材料であるLDH様化合物に起因する剛性や脆さが高分子多孔質基材の可撓性や強度によって相殺又は軽減されるといえる。
本発明の好ましい態様によれば、図1に示されるLDH様化合物セパレータ10のように、デンドライト緩衝層が、(i)LDH様化合物が無いか又は欠乏している多孔質基材の孔に富んだ内部多孔層10bである。すなわち、本態様のLDH様化合物セパレータ10は、多孔質基材及びLDH様化合物を含む1対のLDH様化合物セパレータ本体部10aと、1対のLDH様化合物セパレータ本体部10a間に介在される内部多孔層10bとを含み、内部多孔層10bが多孔質基材のみからなるか、又は多孔質基材及び低減された量ないし密度のLDH様化合物を含むものである。LDH様化合物セパレータ本体部10a自体は、特許文献1~3に開示されるような従来のLDH様化合物セパレータと同様の構成であってよく、それ故従来のLDH様化合物セパレータと同様、デンドライト短絡防止効果を呈することができるが、更なる改善が望まれることは前述のとおりである。この点、本態様においては、1対のLDH様化合物セパレータ本体部10aで挟まれた内層として、LDH様化合物が無いか又は欠乏している多孔質基材の孔に富んだ部分が内部多孔層10bとして存在することで、LDH様化合物で埋まっていない多孔質基材の気孔に亜鉛デンドライトを優先的に析出及び成長させ、亜鉛デンドライトの析出及び成長を内部多孔層10b内のみに留め、結果として、デンドライトによるセパレータの貫通を阻止又は有意に遅延させることができる。本態様のLDH様化合物セパレータ10は1枚の多孔質基材を用いて、その両側が密となり且つ厚さ方向の中央が疎となるようにLDH様化合物を析出させる操作を行うことにより作製することができる。この操作は、例えば、多孔質基材をアルミナ・チタニア混合ゾルにディップコートする直前に、多孔質基材をエタノール等の溶媒に浸しておき、多孔質基材の厚み方向の中央部分に混合ゾルが含浸され難くなるようにすることにより行うことができる。内部多孔層10bの好ましい厚さは、0.5mm以下、より好ましくは0.3mm以下、さらに好ましくは0.1mm以下、特に好ましくは0.05mm以下、最も好ましいのは0.01mm以下である。デンドライト耐性においては内部多孔層10bは厚い方が好ましいといえるが、内部多孔層10bが厚くなるにつれて抵抗が高くなるため、電池への組み込みを想定すると薄い方が好ましい。
本発明の別の好ましい態様によれば、図2に示されるLDH様化合物セパレータ10’のように、デンドライト緩衝層が、(ii)LDH様化合物セパレータの一部を構成する隣り合う2つの層が剥離可能に接触している剥離性界面層10b’である。すなわち、本態様のLDH様化合物セパレータ10’は、多孔質基材及びLDH様化合物を含む1対のLDH様化合物セパレータ本体部10aと、1対のLDH様化合物セパレータ本体部10aが剥離可能に接触している剥離性界面層10b’とを含む。本明細書において「2つの層が剥離可能に接触している」とは、2つの層が全面的又は部分的に互いに接触しており、両層間の界面における亜鉛デンドライトの析出及び成長に伴って2つの層の接触面積が減少することが可能な状態(例えば一方の層が他方の層から少なくとも部分的に離れていくことが可能な状態)を意味する。LDH様化合物セパレータ本体部10a自体は、特許文献1~3に開示されるような従来のLDH様化合物セパレータと同様の構成であってよく、それ故従来のLDH様化合物セパレータと同様、デンドライト短絡防止効果を呈することができるが、更なる改善が望まれることは前述のとおりである。この点、本態様においては、1対のLDH様化合物セパレータ本体部10aが剥離可能に接触している剥離性界面層10b’が存在することで、剥離性界面層10b’に亜鉛デンドライトを優先的に析出及び成長させ、剥離性界面層10b’を押し広げながら亜鉛デンドライトの析出及び成長を剥離性界面層10b’内のみに留め、結果として、デンドライトによるセパレータの貫通を阻止又は有意に遅延させることができる。本態様のLDH様化合物セパレータ10’は、1対のLDH様化合物セパレータ本体部10aを積層することにより作製することができる。また、積層の際又は積層後、1対のLDH様化合物セパレータ本体部10aの積層体をプレスして緻密化するのが好ましい。プレス手法は、例えばロールプレス、一軸加圧プレス、CIP(冷間等方圧加圧)等であってよく、特に限定されないが、好ましくはロールプレスである。このプレスは加熱しながら行うのが高分子多孔質基材を軟化させることで、多孔質基材の孔をLDH様化合物で十分に塞ぐことができる点で好ましい。十分に軟化する温度として、例えば、ポリプロピレンの場合は、60℃以上で加熱するのが好ましい。
本発明の更に別の好ましい態様によれば、図3に示されるLDH様化合物セパレータ10''のように、デンドライト緩衝層が、(iii)LDH様化合物セパレータの一部を構成する隣り合う2つの層が離間して形成される(LDH様化合物及び多孔質基材が存在しない)内部空間層10b’’である。すなわち、本態様のLDH様化合物セパレータ10’’は、多孔質基材及びLDH様化合物を含む1対のLDH様化合物セパレータ本体部10aと、1対のLDH様化合物セパレータ本体部10a間に介在される(多孔質基材及びLDH様化合物の存在しない)内部空間層10b’’とを含む。LDH様化合物セパレータ本体部10a自体は、特許文献1~3に開示されるような従来のLDH様化合物セパレータと同様の構成であってよく、それ故従来のLDH様化合物セパレータと同様、デンドライト短絡防止効果を呈することができるが、更なる改善が望まれることは前述のとおりである。この点、本態様においては、1対のLDH様化合物セパレータ本体部10aの間に、多孔質基材及びLDH様化合物の存在しない内部空間層10b’’が存在することで、内部空間層10b’’に亜鉛デンドライトを優先的に析出及び成長させ、亜鉛デンドライトの析出及び成長を内部多孔層10b内のみに留め、結果として、デンドライトによるセパレータの貫通を阻止又は有意に遅延させることができる。本態様のLDH様化合物セパレータ10’’は1対のLDH様化合物セパレータ本体部10aを互いに離間させて配置することにより作製することができる。1対のLDH様化合物セパレータ本体部10aの間にはスペーサを介在させてもよい。スペーサは抵抗になりうるため、低抵抗であることが望まれる。低抵抗のスペーサの例としては、伝導性材料や、アルカリ水溶液を通すような(すなわち厚み方向に対して連通パスのある)多孔質基材が挙げられる。また、同様の理由から、スペーサは薄い方が好ましい。各々のLDH様化合物セパレータ本体部10aは上記配置に先立ち、プレスして緻密化するのが好ましい。プレス手法は、例えばロールプレス、一軸加圧プレス、CIP(冷間等方圧加圧)等であってよく、特に限定されないが、好ましくはロールプレスである。このプレスは加熱しながら行うのが高分子多孔質基材を軟化させることで、多孔質基材の孔をLDH様化合物で十分に塞ぐことができる点で好ましい。十分に軟化する温度として、例えば、ポリプロピレンの場合は、60℃以上で加熱するのが好ましい。内部空間層10b’’の好ましい厚さは、1mm以下であり、より好ましくは0.5mm以下、さらに好ましくは0.1mm以下、特に好ましくは0.05mm以下、最も好ましいのは0.01mm以下である。なお、内部空間層10b’’の厚さの下限値は限定されない。これは、内部空間層10b’’として僅かでも空間が存在していさえすればよく、電池(とりわけ小型電池)への組み込みを想定すると、そのような空間はできるだけ狭い方が好ましいためである。
LDH様化合物セパレータは層状複水酸化物(LDH)様化合物を含むセパレータであり、亜鉛二次電池に組み込まれた場合に、正極板と負極板とを水酸化物イオン伝導可能に隔離するものである。すなわち、LDH様化合物セパレータは水酸化物イオン伝導セパレータとしての機能を呈する。好ましいLDH様化合物セパレータはガス不透過性及び/又は水不透過性を有する。換言すれば、LDH様化合物セパレータはガス不透過性及び/又は水不透過性を有するほどに緻密化されているのが好ましい。なお、本明細書において「ガス不透過性を有する」とは、特許文献2及び3に記載されるように、水中で測定対象物の一面側にヘリウムガスを0.5atmの差圧で接触させても他面側からヘリウムガスに起因する泡の発生がみられないことを意味する。また、本明細書において「水不透過性を有する」とは、特許文献2及び3に記載されるように、測定対象物の一面側に接触した水が他面側に透過しないことを意味する。すなわち、LDH様化合物セパレータがガス不透過性及び/又は水不透過性を有するということは、LDH様化合物セパレータが気体又は水を通さない程の高度な緻密性を有することを意味し、透水性又はガス透過性を有する多孔性フィルムやその他の多孔質材料ではないことを意味する。こうすることで、LDH様化合物セパレータは、その水酸化物イオン伝導性に起因して水酸化物イオンのみを選択的に通すものとなり、電池用セパレータとしての機能を呈することができる。このため、充電時に生成する亜鉛デンドライトによるセパレータの貫通を物理的に阻止して正負極間の短絡を防止するのに極めて効果的な構成となっている。LDH様化合物セパレータは水酸化物イオン伝導性を有するため、正極板と負極板との間で必要な水酸化物イオンの効率的な移動を可能として正極板及び負極板における充放電反応を実現することができる。
LDH様化合物セパレータは、単位面積あたりのHe透過度が3.0cm/min・atm以下であるのが好ましく、より好ましくは2.0cm/min・atm以下、さらに好ましくは1.0cm/min・atm以下である。He透過度が3.0cm/min・atm以下であるセパレータは、電解液中においてZnの透過(典型的には亜鉛イオン又は亜鉛酸イオンの透過)を極めて効果的に抑制することができる。このように本態様のセパレータは、Zn透過が顕著に抑制されることで、亜鉛二次電池に用いた場合に亜鉛デンドライトの成長を効果的に抑制できるものと原理的に考えられる。He透過度は、セパレータの一方の面にHeガスを供給してセパレータにHeガスを透過させる工程と、He透過度を算出して水酸化物イオン伝導セパレータの緻密性を評価する工程とを経て測定される。He透過度は、単位時間あたりのHeガスの透過量F、Heガス透過時にセパレータに加わる差圧P、及びHeガスが透過する膜面積Sを用いて、F/(P×S)の式により算出する。このようにHeガスを用いてガス透過性の評価を行うことにより、極めて高いレベルでの緻密性の有無を評価することができ、その結果、水酸化物イオン以外の物質(特に亜鉛デンドライト成長を引き起こすZn)を極力透過させない(極微量しか透過させない)といった高度な緻密性を効果的に評価することができる。これは、Heガスが、ガスを構成しうる多種多様な原子ないし分子の中でも最も小さい構成単位を有しており、しかも反応性が極めて低いためである。すなわち、Heは、分子を形成することなく、He原子単体でHeガスを構成する。この点、水素ガスはH分子により構成されるため、ガス構成単位としてはHe原子単体の方がより小さい。そもそもHガスは可燃性ガスのため危険である。そして、上述した式により定義されるHeガス透過度という指標を採用することで、様々な試料サイズや測定条件の相違を問わず、緻密性に関する客観的な評価を簡便に行うことができる。こうして、セパレータが亜鉛二次電池用セパレータに適した十分に高い緻密性を有するのか否かを簡便、安全かつ効果的に評価することができる。He透過度の測定は、後述する実施例の評価5に示される手順に従って好ましく行うことができる。
本発明のLDH様化合物セパレータにおいては、LDH様化合物が多孔質基材の孔を塞いでおり、好ましくは多孔質基材の孔(但し、デンドライト緩衝層を除く)がLDH様化合物で完全に塞がれている。好ましくは、LDH様化合物は、
(a)Mgと、Ti、Y及びAlからなる群から選択される少なくともTiを含む1以上の元素とを含む層状結晶構造の水酸化物及び/又は酸化物である、又は
(b)(i)Ti、Y、及び所望によりAl及び/又はMgと、(ii)In、Bi、Ca、Sr及びBaからなる群から選択される少なくとも1種である添加元素Mとを含む、層状結晶構造の水酸化物及び/又は酸化物である、又は
(c)Mg、Ti、Y、及び所望によりAl及び/又はInを含む層状結晶構造の水酸化物及び/又は酸化物であり、該(c)において前記LDH様化合物がIn(OH)との混合物の形態で存在する。
本発明の好ましい態様(a)によれば、LDH様化合物14は、Mgと、Ti、Y及びAlからなる群から選択される少なくともTiを含む1以上の元素とを含む層状結晶構造の水酸化物及び/又は酸化物でありうる。したがって、典型的なLDH様化合物14は、Mg、Ti、所望によりY及び所望によりAlの複合水酸化物及び/又は複合酸化物である。LDH様化合物14の基本的特性を損なわない程度に上記元素は他の元素又はイオンで置き換えられてもよいが、LDH様化合物14はNiを含まないのが好ましい。例えば、LDH様化合物14は、Zn及び/又はKをさらに含むものであってもよい。こうすることで、LDH様化合物セパレータ10のイオン伝導率をより一層向上することができる。
LDH様化合物14はX線回折により同定することができる。具体的には、LDH様化合物セパレータ10は、その表面に対してX線回折を行った場合、典型的には5°≦2θ≦10°の範囲に、より典型的には7°≦2θ≦10°の範囲にLDH様化合物に由来するピークが検出される。前述のとおり、LDHは積み重なった水酸化物基本層の間に、中間層として交換可能な陰イオン及びHOが存在する交互積層構造を有する物質である。この点、LDHをX線回折法により測定した場合、本来的には2θ=11~12°の位置にLDHの結晶構造に起因したピーク(すなわちLDHの(003)ピーク)が検出される。これに対して、LDH様化合物14をX線回折法により測定した場合、典型的にはLDHの上記ピーク位置よりも低角側にシフトした上述の範囲でピークが検出される。また、X線回折におけるLDH様化合物に由来するピークに対応する2θを用いてBraggの式により、層状結晶構造の層間距離を決定することができる。こうして決定されるLDH様化合物14を構成する層状結晶構造の層間距離は0.883~1.8nmであるのが典型的であり、より典型的には0.883~1.3nmである。
上記態様(a)によるLDH様化合物セパレータ10は、エネルギー分散型X線分析(EDS)により決定される、LDH様化合物14におけるMg/(Mg+Ti+Y+Al)の原子比が0.03~0.25であるのが好ましく、より好ましくは0.05~0.2である。また、LDH様化合物14におけるTi/(Mg+Ti+Y+Al)の原子比は0.40~0.97であるのが好ましく、より好ましくは0.47~0.94である。さらに、LDH様化合物14におけるY/(Mg+Ti+Y+Al)の原子比は0~0.45であるのが好ましく、より好ましくは0~0.37である。そして、LDH様化合物14におけるAl/(Mg+Ti+Y+Al)の原子比は0~0.05であるのが好ましく、より好ましくは0~0.03である。上記範囲内であると、耐アルカリ性により一層優れ、かつ、亜鉛デンドライトに起因する短絡の抑制効果(すなわちデンドライト耐性)をより効果的に実現することができる。ところで、LDHセパレータに関して従来から知られるLDHは一般式:M2+ 1-x3+ (OH)n- x/n・mHO(式中、M2+は2価の陽イオン、M3+は3価の陽イオンであり、An-はn価の陰イオン、nは1以上の整数、xは0.1~0.4であり、mは0以上である)なる基本組成で表しうる。これに対して、LDH様化合物14における上記原子比は、LDHの上記一般式から概して逸脱している。このため、本態様におけるLDH様化合物14は、概して、従来のLDHとは異なる組成比(原子比)を有するといえる。なお、EDS分析は、EDS分析装置(例えばX-act、オックスフォード・インストゥルメンツ社製)を用いて、1)加速電圧20kV、倍率5,000倍で像を取り込み、2)点分析モードで5μm程度間隔を空け、3点分析を行い、3)上記1)及び2)をさらに1回繰り返し行い、4)合計6点の平均値を算出することにより行うのが好ましい。
本発明の別の好ましい態様(b)によれば、LDH様化合物14は、(i)Ti、Y、及び所望によりAl及び/又はMgと、(ii)添加元素Mとを含む、層状結晶構造の水酸化物及び/又は酸化物でありうる。したがって、典型的なLDH様化合物14は、Ti、Y、添加元素M、所望によりAl及び所望によりMgの複合水酸化物及び/又は複合酸化物である。添加元素Mは、In、Bi、Ca、Sr、Ba又はそれらの組合せである。LDH様化合物14の基本的特性を損なわない程度に上記元素は他の元素又はイオンで置き換えられてもよいが、LDH様化合物14はNiを含まないのが好ましい。
上記態様(b)によるLDH様化合物セパレータ10は、エネルギー分散型X線分析(EDS)により決定される、LDH様化合物14におけるTi/(Mg+Al+Ti+Y+M)の原子比が0.50~0.85であるのが好ましく、より好ましくは0.56~0.81である。LDH様化合物14におけるY/(Mg+Al+Ti+Y+M)の原子比は0.03~0.20であるのが好ましく、より好ましくは0.07~0.15である。LDH様化合物14におけるM/(Mg+Al+Ti+Y+M)の原子比は0.03~0.35であるのが好ましく、より好ましくは0.03~0.32である。LDH様化合物14におけるMg/(Mg+Al+Ti+Y+M)の原子比は0~0.10であるのが好ましく、より好ましくは0~0.02である。そして、LDH様化合物14におけるAl/(Mg+Al+Ti+Y+M)の原子比は0~0.05であるのが好ましく、より好ましくは0~0.04である。上記範囲内であると、耐アルカリ性により一層優れ、かつ、亜鉛デンドライトに起因する短絡の抑制効果(すなわちデンドライト耐性)をより効果的に実現することができる。ところで、LDHセパレータに関して従来から知られるLDHは一般式:M2+ 1-x3+ (OH)n- x/n・mHO(式中、M2+は2価の陽イオン、M3+は3価の陽イオンであり、An-はn価の陰イオン、nは1以上の整数、xは0.1~0.4であり、mは0以上である)なる基本組成で表しうる。これに対して、LDH様化合物14における上記原子比は、LDHの上記一般式から概して逸脱している。このため、本態様におけるLDH様化合物14は、概して、従来のLDHとは異なる組成比(原子比)を有するといえる。なお、EDS分析は、EDS分析装置(例えばX-act、オックスフォード・インストゥルメンツ社製)を用いて、1)加速電圧20kV、倍率5,000倍で像を取り込み、2)点分析モードで5μm程度間隔を空け、3点分析を行い、3)上記1)及び2)をさらに1回繰り返し行い、4)合計6点の平均値を算出することにより行うのが好ましい。
本発明の更に別の好ましい態様(c)によれば、LDH様化合物14は、Mg、Ti、Y、及び所望によりAl及び/又はInを含む層状結晶構造の水酸化物及び/又は酸化物であり、LDH様化合物14がIn(OH)との混合物の形態で存在するものでありうる。この態様のLDH様化合物は、Mg、Ti、Y、及び所望によりAl及び/又はInを含む、層状結晶構造の水酸化物及び/又は酸化物である。したがって、典型的なLDH様化合物は、Mg、Ti、Y、所望によりAl、及び所望によりInの、複合水酸化物及び/又は複合酸化物である。なお、LDH様化合物に含まれうるInは、LDH様化合物中に意図的に添加されたもののみならず、In(OH)の形成等に由来してLDH様化合物中に不可避的に混入したものであってもよい。LDH様化合物の基本的特性を損なわない程度に上記元素は他の元素又はイオンで置き換えられてもよいが、LDH様化合物はNiを含まないのが好ましい。ところで、LDHセパレータに関して従来から知られるLDHは一般式:M2+ 1-x3+ (OH)n- x/n・mHO(式中、M2+は2価の陽イオン、M3+は3価の陽イオンであり、An-はn価の陰イオン、nは1以上の整数、xは0.1~0.4であり、mは0以上である)なる基本組成で表しうる。これに対して、LDH様化合物における原子比は、LDHの上記一般式から概して逸脱している。このため、本態様におけるLDH様化合物は、概して、従来のLDHとは異なる組成比(原子比)を有するといえる。
上記態様(c)による混合物はLDH様化合物のみならずIn(OH)をも含む(典型的にはLDH様化合物及びIn(OH)で構成される)。In(OH)の含有により、LDH様化合物セパレータ10における耐アルカリ性及びデンドライト耐性を効果的に向上することができる。混合物におけるIn(OH)の含有割合は、LDH様化合物セパレータ10の水酸化物イオン伝導性を殆ど損なわずに耐アルカリ性及びデンドライト耐性を向上できる量であるのが好ましく、特に限定されない。In(OH)はキューブ状の結晶構造を有するものであってもよく、In(OH)の結晶がLDH様化合物で取り囲まれている構成であってもよい。In(OH)はX線回折により同定することができる。X線回折測定は、後述する実施例に示される手順に従って好ましく行うことができる。
前述したとおり、LDH様化合物セパレータはLDH様化合物と多孔質基材とを含み(典型的には多孔質基材及びLDH様化合物からなり)、LDH様化合物セパレータは水酸化物イオン伝導性及びガス不透過性を呈するように(それ故水酸化物イオン伝導性を呈するLDH様化合物セパレータとして機能するように)LDH様化合物が多孔質基材の孔を塞いでいる。LDHは、デンドライト緩衝層以外の多孔質基材の厚さ方向の全域にわたって組み込まれている(例えばデンドライト緩衝層以外の多孔質基材内部の大半又はほぼ全部の孔がLDH様化合物で埋まっている)のが特に好ましい。LDH様化合物セパレータの全体としての厚さ(デンドライト緩衝層を含む厚さ)は、好ましくは5μm~5mmであり、より好ましくは5μm~1mm、さらに好ましくは5μm~0.5mm、特に好ましくは5μm~0.3mmである。
多孔質基材は高分子材料製である。高分子多孔質基材には、1)可撓性を有する(それ故薄くしても割れにくい)、2)気孔率を高くしやすい、3)伝導率を高くしやすい(気孔率を高めながら厚さを薄くできるため)、4)製造及びハンドリングしやすいといった利点がある。また、上記1)の可撓性に由来する利点を活かして、5)高分子材料製の多孔質基材を含むLDH様化合物セパレータを簡単に折り曲げる又は封止接合することができるとの利点もある。高分子材料の好ましい例としては、ポリスチレン、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド、フッ素樹脂(四フッ素化樹脂:PTFE等)、セルロース、ナイロン、ポリエチレン及びそれらの任意の組合せが挙げられる。より好ましくは、加熱プレスに適した熱可塑性樹脂という観点から、ポリスチレン、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド、フッ素樹脂(四フッ素化樹脂:PTFE等)、ナイロン、ポリエチレン及びそれらの任意の組合せ等が挙げられる。上述した各種の好ましい材料はいずれも電池の電解液に対する耐性として耐アルカリ性を有するものである。特に好ましい高分子材料は、耐熱水性、耐酸性及び耐アルカリ性に優れ、しかも低コストである点から、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィンであり、最も好ましくはポリプロピレン又はポリエチレンである。このような高分子多孔質基材として、市販の高分子微多孔膜を好ましく用いることができる。
デンドライト緩衝層の形成方法は上述したとおりであるが、LDH様化合物セパレータのデンドライト緩衝層以外の部分、すなわちLDH様化合物セパレータ本体部20aの製造方法は特に限定されず、既に知られるLDH含有機能層及び複合材料(すなわちLDHセパレータ)の製造方法(例えば特許文献1~4を参照)の諸条件を適宜変更することにより作製することができる。例えば、(1)多孔質基材を用意し、(2)多孔質基材に、チタニアゾル(あるいはさらにイットリウムゾル及び/又はアルミナゾル)を含む溶液を塗布して乾燥することでチタニア含有層を形成させ、(3)マグネシウムイオン(Mg2+)及び尿素(あるいはさらにイットリウムイオン(Y3+))を含む原料水溶液に多孔質基材を浸漬させ、(4)原料水溶液中で多孔質基材を水熱処理して、LDH様化合物含有機能層を多孔質基材上及び/又は多孔質基材中に形成させることにより、LDH様化合物含有機能層及び複合材料(すなわちLDH様化合物セパレータ)を製造することができる。また、上記工程(3)において尿素が存在することで、尿素の加水分解を利用してアンモニアが溶液中に発生することによりpH値が上昇し、共存する金属イオンが水酸化物及び/又は酸化物を形成することによりLDH様化合物を得ることができるものと考えられる。
特に、多孔質基材が高分子材料で構成され、LDH様化合物が多孔質基材の厚さ方向の全域にわたって組み込まれている複合材料(すなわちLDH様化合物セパレータ)を作製する場合、上記(2)における混合ゾル溶液の基材への塗布を、混合ゾル溶液を基材内部の全体又は大部分に浸透させるような手法で行うのが好ましい。こうすることで最終的に多孔質基材内部の大半又はほぼ全部の孔をLDH様化合物で埋めることができる。好ましい塗布手法の例としては、ディップコート、ろ過コート等が挙げられ、特に好ましくはディップコートである。ディップコート等の塗布回数を調整することで、混合ゾル溶液の付着量を調整することができる。ディップコート等により混合ゾル溶液が塗布された基材は、乾燥させた後、上記(3)及び(4)の工程を実施すればよい。
多孔質基材12が高分子材料で構成される場合、上記方法等によって得られたLDH様化合物セパレータに対してプレス処理を施すのが好ましい。こうすることで、緻密性により一層優れたLDH様化合物セパレータを得ることができる。プレス手法は、例えばロールプレス、一軸加圧プレス、CIP(冷間等方圧加圧)等であってよく、特に限定されないが、好ましくはロールプレスである。このプレスは加熱しながら行うのが高分子多孔質基材を軟化させることで、多孔質基材の孔をLDH様化合物で十分に塞ぐことができる点で好ましい。十分に軟化する温度として、例えば、ポリプロピレンやポリエチレンの場合は60~200℃で加熱するのが好ましい。このような温度域でロールプレス等のプレスを行うことで、LDH様化合物セパレータの残留気孔を大幅に低減することができる。その結果、LDH様化合物セパレータを極めて高度に緻密化することができ、それ故、亜鉛デンドライトに起因する短絡をより一層効果的に抑制することができる。ロールプレスを行う際、ロールギャップ及びロール温度を適宜調整することで残留気孔の形態を制御することができ、それにより所望の緻密性のLDH様化合物セパレータを得ることができる。
亜鉛二次電池
本発明のLDH様化合物セパレータは亜鉛二次電池に適用されるのが好ましい。したがって、本発明の好ましい態様によれば、LDH様化合物セパレータを備えた、亜鉛二次電池が提供される。典型的な亜鉛二次電池は、正極と、負極と、電解液とを備え、LDH様化合物セパレータを介して正極と負極が互いに隔離されるものである。本発明の亜鉛二次電池は、亜鉛を負極として用い、かつ、電解液(典型的にはアルカリ金属水酸化物水溶液)をとして用いた二次電池であれば特に限定されない。したがって、ニッケル亜鉛二次電池、酸化銀亜鉛二次電池、酸化マンガン亜鉛二次電池、亜鉛空気二次電池、その他各種のアルカリ亜鉛二次電池であることができる。例えば、正極が水酸化ニッケル及び/又はオキシ水酸化ニッケルを含み、それにより亜鉛二次電池がニッケル亜鉛二次電池をなすのが好ましい。あるいは、正極が空気極であり、それにより亜鉛二次電池が亜鉛空気二次電池をなしてもよい。
その他の電池
本発明のLDH様化合物セパレータはニッケル亜鉛電池等の亜鉛二次電池の他、例えばニッケル水素電池にも使用することができる。この場合、LDH様化合物セパレータは当該電池の自己放電の要因であるナイトライドシャトル(nitride shuttle)(硝酸基の電極間移動)をブロックする機能を果たす。また、本発明のLDH様化合物セパレータは、リチウム電池(リチウム金属が負極の電池)、リチウムイオン電池(負極がカーボン等の電池)あるいはリチウム空気電池等にも使用可能である。
本発明を以下の例によってさらに具体的に説明する。
[例A1~A8]
以下に示す例A1~A8はLDHセパレータに関する参考例又は比較例であるが、これらの例における実験手順及び結果はLDH様化合物セパレータにも概ね同様に当てはまる。なお、以下の例で作製されるLDHセパレータの評価方法は以下のとおりとした。
評価1:LDHセパレータの同定
X線回折装置(リガク社製 RINT TTR III)にて、電圧:50kV、電流値:300mA、測定範囲:10~70°の測定条件で、LDHセパレータの結晶相を測定してXRDプロファイルを得た。得られたXRDプロファイルについて、JCPDSカードNO.35-0964に記載されるLDH(ハイドロタルサイト類化合物)の回折ピークを用いて同定を行った。
評価2:緻密性判定試験
LDHセパレータがガス不透過性を呈する程の緻密性を有することを確認すべく、緻密性判定試験を以下のとおり行った。まず、図4A及び4Bに示されるように、蓋の無いアクリル容器130と、このアクリル容器130の蓋として機能しうる形状及びサイズのアルミナ治具132とを用意した。アクリル容器130にはその中にガスを供給するためのガス供給口130aが形成されている。また、アルミナ治具132には直径5mmの開口部132aが形成されており、この開口部132aの外周に沿って試料載置用の窪み132bが形成されてなる。アルミナ治具132の窪み132bにエポキシ接着剤134を塗布し、この窪み132bにLDHセパレータを載置してアルミナ治具132に気密かつ液密に接着させた。そして、LDHセパレータ136が接合されたアルミナ治具132を、アクリル容器130の開放部を完全に塞ぐようにシリコーン接着剤138を用いて気密かつ液密にアクリル容器130の上端に接着させて、測定用密閉容器140を得た。この測定用密閉容器140を水槽142に入れ、アクリル容器130のガス供給口130aを圧力計144及び流量計146に接続して、ヘリウムガスをアクリル容器130内に供給可能に構成した。水槽142に水143を入れて測定用密閉容器140を完全に水没させた。このとき、測定用密閉容器140の内部は気密性及び液密性が十分に確保されており、LDHセパレータ136の一方の側が測定用密閉容器140の内部空間に露出する一方、LDHセパレータ136の他方の側が水槽142内の水に接触している。この状態で、アクリル容器130内にガス供給口130aを介してヘリウムガスを測定用密閉容器140内に導入した。圧力計144及び流量計146を制御してLDHセパレータ136内外の差圧が0.5atmとなる(すなわちヘリウムガスに接する側に加わる圧力が反対側に加わる水圧よりも0.5atm高くなる)ようにして、LDHセパレータ136から水中にヘリウムガスの泡が発生するか否かを観察した。その結果、ヘリウムガスに起因する泡の発生は観察されなかった場合に、LDHセパレータ136はガス不透過性を呈する程に高い緻密性を有するものと判定した。
評価3:断面微構造の観察
イオンミリング装置(日立ハイテクノロジーズ社製、IM4000によって、LDHセパレータの断面研磨面を得た後に、この断面研磨面の微構造を走査型電子顕微鏡(SEM、JSM-6610LV、JEOL社製)を用いて10kVの加速電圧で500倍、1000倍、2500倍、5000倍、10000倍の倍率で各1視野ずつ取得し、観察した。
評価4:デンドライト短絡確認試験
図5に示されるような測定装置210を構築して亜鉛デンドライトを連続的に成長させる加速試験を行った。具体的には、ABS樹脂の直方体型の容器212を用意して、その中に亜鉛極214a及び銅極214bを互いに0.5cm離間し且つ対向するように配置した。亜鉛極214aは金属亜鉛板であり、銅極214bは金属銅板である。一方、LDHセパレータについてはその外周に沿ってエポキシ樹脂系接着剤を塗布して、中央に開口部を有するABS樹脂製の治具に取り付けて、LDHセパレータ216を含むLDHセパレータ構造体とした。このとき、治具とLDHセパレータの接合箇所で液密性が確保されるように上記接着剤で十分に封止した。そして、容器212内にLDHセパレータ構造体として配置して、亜鉛極214aを含む第一区画215aと銅極214bを含む第二区画215bとを互いにLDHセパレータ216以外の箇所で液体連通を許容しないように隔離した。このとき、エポキシ樹脂系接着剤を用いてLDHセパレータ構造体の外縁3辺(すなわちABS樹脂製の治具の外縁3辺)を容器212の内壁に液密性を確保できるように接着させた。すなわち、LDHセパレータ216を含むセパレータ構造体と容器212の接合部分は液体連通を許容しないように封止された。第一区画215aと第二区画215bにアルカリ水溶液218として5.4mol/LのKOH水溶液を飽和溶解度相当のZnO粉末とともに入れた。亜鉛極214a及び銅極214bを定電流電源の負極と正極にそれぞれ接続するとともに、定電流電源と並列に電圧計を接続した。第一区画215a及び第二区画215bのいずれにおいてもアルカリ水溶液218の水位はLDHセパレータ216の全領域がアルカリ水溶液218に浸漬されるようにし、かつ、LDHセパレータ構造体(治具を含む)の高さを超えない程度とした。こうして構築された測定装置210において、亜鉛極214a及び銅極214bの間に20mA/cmの定電流を最大200時間にわたって継続的に流した。その間、亜鉛極214a及び銅極214b間に流れる電圧の値を電圧計でモニタリングし、亜鉛極214a及び銅極214b間における亜鉛デンドライト短絡(急激な電圧低下)の有無を確認した。このとき、100時間以上にわたって短絡が生じなかった場合は「短絡なし」と判定し、100時間未満で短絡が生じた場合は「短絡あり」と判定した。
評価5:He透過測定
He透過性の観点からLDHセパレータの緻密性を評価すべく、He透過試験を以下のとおり行った。まず、図6A及び図6Bに示されるHe透過度測定系310を構築した。He透過度測定系310は、Heガスを充填したガスボンベからのHeガスが圧力計312及び流量計314(デジタルフローメーター)を介して試料ホルダ316に供給され、この試料ホルダ316に保持されたLDHセパレータ318の一方の面から他方の面に透過させて排出させるように構成した。
試料ホルダ316は、ガス供給口316a、密閉空間316b及びガス排出口316cを備えた構造を有するものであり、次のようにして組み立てた。まず、LDHセパレータ318の外周に沿って接着剤322を塗布して、中央に開口部を有する治具324(ABS樹脂製)に取り付けた。この治具324の上端及び下端に密封部材326a,326bとしてブチルゴム製のパッキンを配設し、さらに密封部材326a,326bの外側から、フランジからなる開口部を備えた支持部材328a,328b(PTFE製)で挟持した。こうして、LDHセパレータ318、治具324、密封部材326a及び支持部材328aにより密閉空間316bを区画した。支持部材328a,328bを、ガス排出口316c以外の部分からHeガスの漏れが生じないように、ネジを用いた締結手段330で互いに堅く締め付けた。こうして組み立てられた試料ホルダ316のガス供給口316aに、継手332を介してガス供給管334を接続した。
次いで、He透過度測定系310にガス供給管334を経てHeガスを供給し、試料ホルダ316内に保持されたLDHセパレータ318に透過させた。このとき、圧力計312及び流量計314によりガス供給圧と流量をモニタリングした。Heガスの透過を1~30分間行った後、He透過度を算出した。He透過度の算出は、単位時間あたりのHeガスの透過量F(cm/min)、Heガス透過時にLDHセパレータに加わる差圧P(atm)、及びHeガスが透過する膜面積S(cm)を用いて、F/(P×S)の式により算出した。Heガスの透過量F(cm/min)は流量計314から直接読み取った。また、差圧Pは圧力計312から読み取ったゲージ圧を用いた。なお、Heガスは差圧Pが0.05~0.90atmの範囲内となるように供給された。
例A1(参考)
(1)高分子多孔質基材の準備
気孔率60%、平均気孔径0.05μm及び厚さ20μmの市販のポリプロピレン製多孔質基材を、2.0cm×2.0cmの大きさになるように切り出した。
(2)高分子多孔質基材へのアルミナ・チタニアゾルコート
無定形アルミナ溶液(Al-ML15、多木化学株式会社製)と酸化チタンゾル溶液(M6、多木化学株式会社製)をTi/Al(モル比)=2となるように混合して混合ゾルを作製した。上記(1)で用意された基材をエタノール中へ1分間含浸させた後、基材が乾燥しないように素早く混合ゾル中へ移し、基材に混合ゾルをディップコートにより塗布した。ディップコートは、混合ゾル100mlに基材を浸漬させてから垂直に引き上げ、90℃の乾燥機中で5分間乾燥させることにより行った。
(3)原料水溶液の作製
原料として、硝酸ニッケル六水和物(Ni(NO・6HO、関東化学株式会社製、及び尿素((NHCO、シグマアルドリッチ製)を用意した。0.015mol/Lとなるように、硝酸ニッケル六水和物を秤量してビーカーに入れ、そこにイオン交換水を加えて全量を75mlとした。得られた溶液を攪拌した後、溶液中に尿素/NO (モル比)=16の割合で秤量した尿素を加え、更に攪拌して原料水溶液を得た。
(4)水熱処理による成膜
テフロン(登録商標)製密閉容器(オートクレーブ容器、内容量100ml、外側がステンレス製ジャケット)に原料水溶液とディップコートされた基材を共に封入した。このとき、基材はテフロン(登録商標)製密閉容器の底から浮かせて固定し、基材両面に溶液が接するように水平に設置した。その後、水熱温度120℃で24時間水熱処理を施すことにより基材表面と内部にLDHの形成を行った。所定時間の経過後、基材を密閉容器から取り出し、イオン交換水で洗浄し、70℃で10時間乾燥させて、多孔質基材の孔内にLDHを形成させた。こうして、LDHセパレータを得た。
(5)評価結果
得られたLDHセパレータに対して以下の評価1~5を行った。評価1の結果、本例のLDHセパレータは、LDH(ハイドロタルサイト類化合物)であることが同定された。評価2の結果、本例のLDHセパレータは、ヘリウムガスに起因する泡の発生は観察されなかった。評価3の結果、図7A及び7Bに示されるように、本例のLDHセパレータは、1対のLDHセパレータ本体部の間にLDHが無いか又は欠乏している内部多孔層が存在することが確認された。評価4及び5の結果は表1に示されるとおりであった。
例A2(参考)
上記(2)においてエタノールへの含浸を経ることなく、基材への混合ゾルのディップコートを行ったこと以外は、例A1と同様にして、内部多孔層の無いLDHセパレータ層を作製した。こうして作製された2枚のLDHセパレータ層を積層して1対のPETフィルム(東レ株式会社製、ルミラー(登録商標)、厚さ40μm)で挟み、ロール回転速度3mm/s、ローラ加熱温度100℃、ロールギャップ150μmにてロールプレスを行って、剥離性界面層を含むLDHセパレータを得た後、例A1と同様にしてLDHセパレータの評価を行った。評価1の結果、本例のLDHセパレータは、LDH(ハイドロタルサイト類化合物)であることが同定された。評価2の結果、本例のLDHセパレータは、ヘリウムガスに起因する泡の発生は観察されなかった。評価3の結果、図8に示されるように、本例のLDHセパレータは、1対のLDHセパレータ本体部の間に2つのLDHセパレータ本体部が剥離可能に接触する剥離性界面層が存在することが確認された。評価4及び5の結果は表1に示されるとおりであった。また、図10に評価4におけるデンドライト短絡確認試験後のLDHセパレータの状態を撮影した断面SEM画像を示す。図中、Dなる符号はデンドライトを意味する。
例A3(参考)
上記(2)においてエタノールへの含浸を経ることなく、基材への混合ゾルのディップコートを行ったこと以外は、例A1と同様にして、内部多孔層の無いLDHセパレータ層を作製した。こうして作製された2枚のLDHセパレータ層を互いに約5μm程度離間させて隣り合うように配置させて、内部空間層を含む全体として1つのLDHセパレータを得た後、例A1と同様にしてLDHセパレータの評価を行った。評価1の結果、本例のLDHセパレータは、LDH(ハイドロタルサイト類化合物)であることが同定された。評価2の結果、本例のLDHセパレータは、ヘリウムガスに起因する泡の発生は観察されなかった。評価3の結果、図9に示されるように、本例のLDHセパレータは、1対のLDHセパレータ本体部の間に2つのLDHセパレータ本体部の間にLDH及び多孔質基材が存在しない内部空間層が存在することが確認された。評価4及び5の結果は表1に示されるとおりであった。
例A4(比較)
上記(2)においてエタノールへの含浸を経ることなく、基材への混合ゾルのディップコートを行ったこと以外は、例A1と同様にして内部多孔層の無いLDHセパレータを作製し、例A1と同様にしてLDHセパレータの評価を行った。評価1の結果、本例のLDHセパレータは、LDH(ハイドロタルサイト類化合物)であることが同定された。評価2の結果、本例のLDHセパレータは、ヘリウムガスに起因する泡の発生は観察されなかった。評価3の結果、本例のLDHセパレータは、単層のLDHセパレータでのみからなり、デンドライト緩衝層と見受けられる層は存在しなかった。評価4及び5の結果は表1に示されるとおりであった。
例A5(参考)
下記a)~c)以外は、例A1と同様にしてLDHセパレータの作製及び評価を行った。
a)上記(1)の高分子多孔質基材として、気孔率40%、平均気孔径0.05μm及び厚さ20μmの市販のポリエチレン製多孔質基材にしたこと。
b)上記(3)の原料として、硝酸ニッケル六水和物の代わりに、硝酸マグネシウム六水和物(Mg(NO・6HO、関東化学株式会社製)を用い、0.03mol/Lとなるように、硝酸マグネシウム六水和物を秤量してビーカーに入れ、そこにイオン交換水を加えて全量を75mlとし、得られた溶液を攪拌した後、溶液中に尿素/NO (モル比)=8の割合で秤量した尿素を加え、更に攪拌して原料水溶液を得たこと。
c)上記(4)の水熱温度を90℃としたこと。
評価1の結果、本例のLDHセパレータは、LDH(ハイドロタルサイト類化合物)であることが同定された。評価2の結果、本例のLDHセパレータは、ヘリウムガスに起因する泡の発生は観察されなかった。評価3の結果、例A1と同様に、本例のLDHセパレータは、1対のLDHセパレータ本体部の間にLDHが無いか又は欠乏している内部多孔層が存在することが確認された。評価4及び5の結果は表1に示されるとおりであった。
例A6(参考)
下記a)~d)以外は、例A1と同様にして内部多孔層の無いLDHセパレータ層を作製した。
a)上記(1)の高分子多孔質基材として、気孔率40%、平均気孔径0.05μm及び厚さ20μmの市販のポリエチレン製多孔質基材にしたこと。
b)上記(2)においてエタノールへの含浸を経ることなく、基材への混合ゾルのディップコートを行ったこと。
c)上記(3)の原料として、硝酸ニッケル六水和物の代わりに、硝酸マグネシウム六水和物(Mg(NO・6HO、関東化学株式会社製)を用い、0.03mol/Lとなるように、硝酸マグネシウム六水和物を秤量してビーカーに入れ、そこにイオン交換水を加えて全量を75mlとし、得られた溶液を攪拌した後、溶液中に尿素/NO (モル比)=8の割合で秤量した尿素を加え、更に攪拌して原料水溶液を得たこと。
d)上記(4)の水熱温度を90℃としたこと。
こうして作製された2枚のLDHセパレータ層を積層して1対のPETフィルム(東レ株式会社製、ルミラー(登録商標)、厚さ40μm)で挟み、ロール回転速度3mm/s、ローラ加熱温度100℃、ロールギャップ150μmにてロールプレスを行って、剥離性界面層を含むLDHセパレータを得た後、例A1と同様にしてLDHセパレータの評価を行った。評価1の結果、本例のLDHセパレータは、LDH(ハイドロタルサイト類化合物)であることが同定された。評価2の結果、本例のLDHセパレータは、ヘリウムガスに起因する泡の発生は観察されなかった。評価3の結果、例A2と同様に、本例のLDHセパレータは、1対のLDHセパレータ本体部の間に2つのLDHセパレータ本体部が剥離可能に接触する剥離性界面層が存在することが確認された。評価4及び5の結果は表1に示されるとおりであった。
例A7(参考)
下記a)~d)以外は、例A1と同様にして内部多孔層の無いLDHセパレータ層を作製した。
a)上記(1)の高分子多孔質基材として、気孔率40%、平均気孔径0.05μm及び厚さ20μmの市販のポリエチレン製多孔質基材にしたこと。
b)上記(2)においてエタノールへの含浸を経ることなく、基材への混合ゾルのディップコートを行ったこと。
c)上記(3)の原料として、硝酸ニッケル六水和物の代わりに、硝酸マグネシウム六水和物(Mg(NO・6HO、関東化学株式会社製)を用い、0.03mol/Lとなるように、硝酸マグネシウム六水和物を秤量してビーカーに入れ、そこにイオン交換水を加えて全量を75mlとし、得られた溶液を攪拌した後、溶液中に尿素/NO (モル比)=8の割合で秤量した尿素を加え、更に攪拌して原料水溶液を得たこと。
d)上記(4)の水熱温度を90℃としたこと。
こうして作製された2枚のLDHセパレータ層を互いに約5μm程度離間させて隣り合うように配置させて、内部空間層を含む全体として1つのLDHセパレータを得た後、例A1と同様にしてLDHセパレータの評価を行った。評価1の結果、本例のLDHセパレータは、LDH(ハイドロタルサイト類化合物)であることが同定された。評価2の結果、本例のLDHセパレータは、ヘリウムガスに起因する泡の発生は観察されなかった。評価3の結果、例A3と同様に、本例のLDHセパレータは、1対のLDHセパレータ本体部の間に2つのLDHセパレータ本体部の間にLDH及び多孔質基材が存在しない内部空間層が存在することが確認された。評価4及び5の結果は表1に示されるとおりであった。
例A8(比較)
下記a)~c)以外は、例A1と同様にして内部多孔層の無いLDHセパレータを作製し、例A1と同様にしてLDHセパレータの評価を行った。
a)上記(1)の高分子多孔質基材として、気孔率40%、平均気孔径0.05μm及び厚さ20μmの市販のポリエチレン製多孔質基材にしたこと。
b)上記(2)においてエタノールへの含浸を経ることなく、基材への混合ゾルのディップコートを行ったこと。
c)上記(3)の原料として、硝酸ニッケル六水和物の代わりに、硝酸マグネシウム六水和物(Mg(NO・6HO、関東化学株式会社製)を用い、0.03mol/Lとなるように、硝酸マグネシウム六水和物を秤量してビーカーに入れ、そこにイオン交換水を加えて全量を75mlとし、得られた溶液を攪拌した後、溶液中に尿素/NO (モル比)=8の割合で秤量した尿素を加え、更に攪拌して原料水溶液を得たこと。
d)上記(4)の水熱温度を90℃としたこと。
評価1の結果、本例のLDHセパレータは、LDH(ハイドロタルサイト類化合物)であることが同定された。評価2の結果、本例のLDHセパレータは、ヘリウムガスに起因する泡の発生は観察されなかった。評価3の結果、本例のLDHセパレータは、単層のLDHセパレータでのみからなり、デンドライト緩衝層と見受けられる層は存在しなかった。評価4及び5の結果は表1に示されるとおりであった。
Figure 0007048831000001
[例B1~B8]
以下に示す例B1~B7はLDH様化合物セパレータに関する参考例である一方、例B8はLDHセパレータに関する比較例である。LDH様化合物セパレータ及びLDHセパレータをまとめて水酸化物イオン伝導セパレータと総称する。なお、以下の例で作製される水酸化物イオン伝導セパレータの評価方法は以下のとおりとした。
評価1:表面微構造の観察
水酸化物イオン伝導セパレータの表面微構造を走査型電子顕微鏡(SEM、JSM-6610LV、JEOL社製)を用いて10~20kVの加速電圧で観察した。
評価2:層状構造のSTEM解析
水酸化物イオン伝導セパレータの層状構造を走査透過電子顕微鏡(STEM)(製品名:JEM-ARM200F、JEOL社製)を用いて、200kVの加速電圧で観察した。
評価3:元素分析評価(EDS)
水酸化物イオン伝導セパレータ表面に対してEDS分析装置(装置名:X-act、オックスフォード・インストゥルメンツ社製)を用いて組成分析を行い、Mg:Ti:Y:Alの組成比(原子比)を算出した。この分析は、1)加速電圧20kV、倍率5,000倍で像を取り込み、2)点分析モードで5μm程度間隔を空け、3点分析を行い、3)上記1)及び2)をさらに1回繰り返し行い、4)合計6点の平均値を算出することにより行った。
評価4:X線回折測定
X線回折装置(リガク社製、RINT TTR III)にて、電圧:50kV、電流値:300mA、測定範囲:5~40°の測定条件で、水酸化物イオン伝導セパレータの結晶相を測定してXRDプロファイルを得た。また、LDH様化合物に由来するピークに対応する2θを用いてBraggの式により、層状結晶構造の層間距離を決定した。
評価5:He透過測定
He透過性の観点から水酸化物イオン伝導セパレータの緻密性を評価すべくHe透過試験を例A1~A8の評価5と同様の手順で行った。
評価6:イオン伝導率の測定
電解液中での水酸化物イオン伝導セパレータの伝導率を図11に示される電気化学測定系を用いて以下のようにして測定した。水酸化物イオン伝導セパレータ試料Sを両側から厚み1mmシリコーンパッキン440で挟み、内径6mmのPTFE製フランジ型セル442に組み込んだ。電極446として、#100メッシュのニッケル金網をセル442内に直径6mmの円筒状にして組み込み、電極間距離が2.2mmになるようにした。電解液444として、5.4MのKOH水溶液をセル442内に充填した。電気化学測定システム(ポテンショ/ガルバノスタット-周波数応答アナライザ、ソーラトロン社製1287A型及び1255B型)を用い、周波数範囲は1MHz~0.1Hz、印加電圧は10mVの条件で測定を行い、実数軸の切片を水酸化物イオン伝導セパレータ試料Sの抵抗とした。上記同様の測定を水酸化物イオン伝導セパレータ試料S無しの構成で行い、ブランク抵抗も求めた。水酸化物イオン伝導セパレータ試料Sの抵抗とブランク抵抗の差を水酸化物イオン伝導セパレータの抵抗とした。得られた水酸化物イオン伝導セパレータの抵抗と、水酸化物イオン伝導セパレータの厚み及び面積を用いて伝導率を求めた。
評価7:耐アルカリ性評価
0.4Mの濃度で酸化亜鉛を含む5.4MのKOH水溶液を用意した。用意したKOH水溶液0.5mLと、2cm四方のサイズの水酸化物イオン伝導セパレータ試料をテフロン(登録商標)製密閉容器に入れた。その後、90℃で1週間(すなわち168時間)保持した後、水酸化物イオン伝導セパレータ試料を密閉容器から取り出した。取り出した水酸化物イオン伝導セパレータ試料を室温で1晩乾燥させた。得られた試料について、評価5と同様の方法でHe透過度を算出し、アルカリ浸漬前後におけるHe透過度の変化の有無を判定した。
評価8:デンドライト耐性の評価(サイクル試験)
水酸化物イオン伝導セパレータの亜鉛デンドライトに起因する短絡の抑制効果(デンドライト耐性)を評価すべくサイクル試験を以下のとおり行った。まず、正極(水酸化ニッケル及び/又はオキシ水酸化ニッケルを含む)と負極(亜鉛及び/又は酸化亜鉛を含む)の各々を不織布で包むとともに、電流取り出し端子を溶接した。こうして準備された正極及び負極を、水酸化物イオン伝導セパレータを介して対向させ、電流取り出し口が設けられたラミネートフィルムに挟んで、ラミネートフィルムの3辺を熱融着した。こうして得られた上部開放されたセル容器に電解液(5.4MのKOH水溶液中に0.4Mの酸化亜鉛を溶解させたもの)を加え、真空引き等により電解液を十分に正極及び負極に浸透させた。その後、ラミネートフィルムの残りの1辺も熱融着して、簡易密閉セルとした。充放電装置(東洋システム株式会社製、TOSCAT3100)を用いて、簡易密閉セルに対し、0.1C充電及び0.2C放電で化成を実施した。その後、1C充放電サイクルを実施した。同一条件で繰り返し充放電サイクルを実施しながら、正極及び負極間の電圧を電圧計でモニタリングし、正極及び負極間における亜鉛デンドライトに起因する短絡に伴う急激な電圧低下(具体的には直前にプロットされた電圧に対して5mV以上の電圧低下)の有無を調べ、以下の基準で評価した。
・短絡なし:300サイクル後も充電中に上記急激な電圧低下が見られなかった。
・短絡あり:300サイクル未満で充電中に上記急激な電圧低下が見られた。
例B1(参考)
(1)高分子多孔質基材の準備
気孔率50%、平均気孔径0.1μm及び厚さ20μmの市販のポリエチレン微多孔膜を高分子多孔質基材として用意し、2.0cm×2.0cmの大きさになるように切り出した。
(2)高分子多孔質基材へのチタニアゾルコート
酸化チタンゾル溶液(M6、多木化学株式会社製)を上記(1)で用意された基材にディップコートにより塗布した。ディップコートは、ゾル溶液100mlに基材を浸漬させてから垂直に引き上げ、室温で3時間乾燥させることにより行った。
(3)原料水溶液の作製
原料として、硝酸マグネシウム六水和物(Mg(NO・6HO、関東化学株式会社製)及び尿素((NHCO、シグマアルドリッチ製)を用意した。硝酸マグネシウム六水和物を0.015mol/Lとなるように秤量してビーカーに入れ、そこにイオン交換水を加えて全量を75mlとした。得られた溶液を攪拌した後、溶液中に尿素/NO (モル比)=48の割合で秤量した尿素を加え、更に攪拌して原料水溶液を得た。
(4)水熱処理による成膜
テフロン(登録商標)製密閉容器(オートクレーブ容器、内容量100ml、外側がステンレス製ジャケット)に原料水溶液とディップコートされた基材を共に封入した。このとき、基材はテフロン(登録商標)製密閉容器の底から浮かせて固定し、基材両面に溶液が接するように垂直に設置した。その後、水熱温度120℃で24時間水熱処理を施すことにより基材表面と内部にLDH様化合物の形成を行った。所定時間の経過後、基材を密閉容器から取り出し、イオン交換水で洗浄し、70℃で10時間乾燥させて、多孔質基材の孔内にLDH様化合物を形成させた。こうして、LDH様化合物セパレータを得た。
(5)ロールプレスによる緻密化
上記LDH様化合物セパレータを、1対のPETフィルム(東レ株式会社製、ルミラー(登録商標)、厚さ40μm)で挟み、ロール回転速度3mm/s、ローラ加熱温度70℃、ロールギャップ70μmにてロールプレスを行い、さらに緻密化されたLDH様化合物セパレータを得た。
(6)評価結果
得られたLDH様化合物セパレータに対して評価1~8を行った。結果は以下のとおりであった。
‐評価1:例B1で得られたLDH様化合物セパレータ(ロールプレス前)の表面微構造のSEM画像は図12Aに示されるとおりであった。
‐評価2:層状の格子縞が確認できるという結果からLDH様化合物セパレータの多孔質基材以外の部分が層状結晶構造の化合物であることが確認された。
‐評価3:EDS元素分析の結果、LDH様化合物セパレータ表面において、LDH様化合物の構成元素であるMg及びTiが検出された。また、EDS元素分析により算出された、LDH様化合物セパレータ表面のMg及びTiの組成比(原子比)は表2に示されるとおりであった。
‐評価4:図12Bに例B1で得られたXRDプロファイルを示す。得られたXRDプロファイルにおいて、2θ=9.4°付近にピークが観察された。通常、LDHの(003)ピーク位置は、2θ=11~12°に観察されるため、上記ピークはLDHの(003)ピークが低角側にシフトしたものであると考えられる。このため、上記ピークはLDHとは呼べないもののそれに類する化合物(すなわちLDH様化合物)に由来するピークであることを示唆するものである。なお、XRDプロファイルの20<2θ°<25に観察される2本のピークは、多孔質基材を構成するポリエチレン由来のピークである。また、LDH様化合物における層状結晶構造の層間距離は0.94nmであった。
‐評価5:表2に示されるとおり、He透過度0.0cm/min・atmという極めて高い緻密性が確認された。
‐評価6:表2に示されるとおり、高いイオン伝導率が確認された。
‐評価7:アルカリ浸漬後におけるHe透過度は評価5と同様、0.0cm/min・atmであり、90℃もの高温で1週間にわたるアルカリ浸漬によってもHe透過度が変化しないという優れた耐アルカリ性が確認された。
‐評価8:表2に示されるとおり、300サイクル後でも亜鉛デンドライトに起因する短絡が無いという優れたデンドライト耐性が確認された。
例B2(参考)
上記(3)の原料水溶液の作製を以下のように行ったこと、及び上記(4)における水熱処理の温度を90℃にしたこと以外は例B1と同様にしてLDH様化合物セパレータの作製及び評価を行った。
(原料水溶液の作製)
原料として、硝酸マグネシウム六水和物(Mg(NO・6HO、関東化学株式会社製)及び尿素((NHCO、シグマアルドリッチ製)を用意した。硝酸マグネシウム六水和物を0.03mol/Lとなるように秤量してビーカーに入れ、そこにイオン交換水を加えて全量を75mlとし、得られた溶液を攪拌した後、溶液中に尿素/NO-(モル比)=8の割合で秤量した尿素を加え、更に攪拌して原料水溶液を得た。
‐評価1:例B2で得られたLDH様化合物セパレータ(ロールプレス前)の表面微構造のSEM画像は図13Aに示されるとおりであった。
‐評価2:層状の格子縞が確認できるという結果からLDH様化合物セパレータの多孔質基材以外の部分が層状結晶構造の化合物であることが確認された。
‐評価3:EDS元素分析の結果、LDH様化合物セパレータ表面において、LDH様化合物の構成元素であるMg及びTiが検出された。また、EDS元素分析により算出された、LDH様化合物セパレータ表面のMg及びTiの組成比(原子比)は表2に示されるとおりであった。
‐評価4:図13Bに例B2で得られたXRDプロファイルを示す。得られたXRDプロファイルにおいて、2θ=7.2°付近にピークが観察された。通常、LDHの(003)ピーク位置は、2θ=11~12°に観察されるため、上記ピークはLDHの(003)ピークが低角側にシフトしたものであると考えられる。このため、上記ピークはLDHとは呼べないもののそれに類する化合物(すなわちLDH様化合物)に由来するピークであることを示唆するものである。なお、XRDプロファイルの20<2θ°<25に観察される2本のピークは、多孔質基材を構成するポリエチレン由来のピークである。また、LDH様化合物における層状結晶構造の層間距離は1.2nmであった。
‐評価5:表2に示されるとおり、He透過度0.0cm/min・atmという極めて高い緻密性が確認された。
‐評価6:表2に示されるとおり、高いイオン伝導率が確認された。
‐評価7:アルカリ浸漬後におけるHe透過度は評価5と同様、0.0cm/min・atmであり、90℃もの高温で1週間にわたるアルカリ浸漬によってもHe透過度が変化しないという優れた耐アルカリ性が確認された。
‐評価8:表2に示されるとおり、300サイクル後でも亜鉛デンドライトに起因する短絡が無いという優れたデンドライト耐性が確認された。
例B3(参考)
上記(2)の代わりに高分子多孔質基材へのチタニア・イットリアゾルコートを以下のように行ったこと以外は、例B1と同様にしてLDH様化合物セパレータの作製及び評価を行った。
(高分子多孔質基材へのチタニア・イットリアゾルコート)
酸化チタンゾル溶液(M6、多木化学株式会社製)及びイットリウムゾルをTi/Y(モル比)=4となるように混合した。得られた混合溶液を、上記(1)で用意された基材にディップコートにより塗布した。ディップコートは、混合溶液100mlに基材を浸漬させてから垂直に引き上げ、室温で3時間乾燥させることにより行った。
‐評価1:例B3で得られたLDH様化合物セパレータ(ロールプレス前)の表面微構造のSEM画像は図14Aに示されるとおりであった。
‐評価2:層状の格子縞が確認できるという結果からLDH様化合物セパレータの多孔質基材以外の部分が層状結晶構造の化合物であることが確認された。
‐評価3:EDS元素分析の結果、LDH様化合物セパレータ表面において、LDH様化合物の構成元素であるMg、Ti及びYが検出された。また、EDS元素分析により算出された、LDH様化合物セパレータ表面のMg、Ti及びYの組成比(原子比)は表2に示されるとおりであった。
‐評価4:図14Bに例B3で得られたXRDプロファイルを示す。得られたXRDプロファイルにおいて、2θ=8.0°付近にピークが観察された。通常、LDHの(003)ピーク位置は、2θ=11~12°に観察されるため、上記ピークはLDHの(003)ピークが低角側にシフトしたものであると考えられる。このため、上記ピークはLDHとは呼べないもののそれに類する化合物(すなわちLDH様化合物)に由来するピークであることを示唆するものである。なお、XRDプロファイルの20<2θ°<25に観察される2本のピークは、多孔質基材を構成するポリエチレン由来のピークである。また、LDH様化合物における層状結晶構造の層間距離は1.1nmであった。
‐評価5:表2に示されるとおり、He透過度0.0cm/min・atmという極めて高い緻密性が確認された。
‐評価6:表2に示されるとおり、高いイオン伝導率が確認された。
‐評価7:アルカリ浸漬後におけるHe透過度は評価5と同様、0.0cm/min・atm未満であり、90℃もの高温で1週間にわたるアルカリ浸漬によってもHe透過度が変化しないという優れた耐アルカリ性が確認された。
‐評価8:表2に示されるとおり、300サイクル後でも亜鉛デンドライトに起因する短絡が無いという優れたデンドライト耐性が確認された。
例B4(参考)
上記(2)の代わりに高分子多孔質基材へのチタニア・イットリア・アルミナゾルコートを以下のように行ったこと以外は、例B1と同様にしてLDH様化合物セパレータの作製及び評価を行った。
(高分子多孔質基材へのチタニア・イットリア・アルミナゾルコート)
酸化チタンゾル溶液(M6、多木化学株式会社製)、イットリウムゾル、及び無定形アルミナ溶液(Al-ML15、多木化学株式会社製)をTi/(Y+Al)(モル比)=2、及びY/Al(モル比)=8となるように混合した。混合溶液を、上記(1)で用意された基材にディップコートにより塗布した。ディップコートは、混合溶液100mlに基材を浸漬させてから垂直に引き上げ、室温で3時間乾燥させることにより行った。
‐評価1:例B4で得られたLDH様化合物セパレータ(ロールプレス前)の表面微構造のSEM画像は図15Aに示されるとおりであった。
‐評価2:層状の格子縞が確認できるという結果からLDH様化合物セパレータの多孔質基材以外の部分が層状結晶構造の化合物であることが確認された。
‐評価3:EDS元素分析の結果、LDH様化合物セパレータ表面において、LDH様化合物の構成元素であるMg、Al、Ti及びYが検出された。また、EDS元素分析により算出された、LDH様化合物セパレータ表面のMg、Al、Ti及びYの組成比(原子比)は表2に示されるとおりであった。
‐評価4:図15Bに例B4で得られたXRDプロファイルを示す。得られたXRDプロファイルにおいて、2θ=7.8°付近にピークが観察された。通常、LDHの(003)ピーク位置は、2θ=11~12°に観察されるため、上記ピークはLDHの(003)ピークが低角側にシフトしたものであると考えられる。このため、上記ピークはLDHとは呼べないもののそれに類する化合物(すなわちLDH様化合物)に由来するピークであることを示唆するものである。なお、XRDプロファイルの20<2θ°<25に観察される2本のピークは、多孔質基材を構成するポリエチレン由来のピークである。また、LDH様化合物における層状結晶構造の層間距離は1.1nmであった。
‐評価5:表2に示されるとおり、He透過度0.0cm/min・atmという極めて高い緻密性が確認された。
‐評価6:表2に示されるとおり、高いイオン伝導率が確認された。
‐評価7:アルカリ浸漬後におけるHe透過度は評価5と同様、0.0cm/min・atmであり、90℃もの高温で1週間にわたるアルカリ浸漬によってもHe透過度の変化が無いという優れた耐アルカリ性が確認された。
‐評価8:表2に示されるとおり、300サイクル後でも亜鉛デンドライトに起因する短絡が無いという優れたデンドライト耐性が確認された。
例B5(参考)
上記(2)の代わりに高分子多孔質基材へのチタニア・イットリアゾルコートを以下のように行ったこと、及び上記(3)の原料水溶液の作製を以下のように行ったこと以外は例B1と同様にしてLDH様化合物セパレータの作製及び評価を行った。
(高分子多孔質基材へのチタニア・イットリアゾルコート)
酸化チタンゾル溶液(M6、多木化学株式会社製)及びイットリウムゾルをTi/Y(モル比)=18となるように混合した。得られた混合溶液を、上記(1)で用意された基材にディップコートにより塗布した。ディップコートは、混合溶液100mlに基材を浸漬させてから垂直に引き上げ、室温で3時間乾燥させることにより行った。
(原料水溶液の作製)
原料として、硝酸マグネシウム六水和物(Mg(NO・6HO、関東化学株式会社製)及び尿素((NHCO、シグマアルドリッチ製)を用意した。硝酸マグネシウム六水和物を0.0075mol/Lとなるように秤量してビーカーに入れ、そこにイオン交換水を加えて全量を75mlとし、得られた溶液を攪拌した。この溶液中に尿素/NO (モル比)=96の割合で秤量した尿素を加え、更に攪拌して原料水溶液を得た。
‐評価1:例B5で得られたLDH様化合物セパレータ(ロールプレス前)の表面微構造のSEM画像は図16Aに示されるとおりであった。
‐評価2:層状の格子縞が確認できるという結果からLDH様化合物セパレータの多孔質基材以外の部分が層状結晶構造の化合物であることが確認された。
‐評価3:EDS元素分析の結果、LDH様化合物セパレータ表面において、LDH様化合物の構成元素であるMg、Ti及びYが検出された。また、EDS元素分析により算出された、LDH様化合物セパレータ表面のMg、Ti及びYの組成比(原子比)は表2に示されるとおりであった。
‐評価4:図16Bに例B5で得られたXRDプロファイルを示す。得られたXRDプロファイルにおいて、2θ=8.9°付近にピークが観察された。通常、LDHの(003)ピーク位置は、2θ=11~12°に観察されるため、上記ピークはLDHの(003)ピークが低角側にシフトしたものであると考えられる。このため、上記ピークはLDHとは呼べないもののそれに類する化合物(すなわちLDH様化合物)に由来するピークであることを示唆するものである。なお、XRDプロファイルの20<2θ°<25に観察される2本のピークは、多孔質基材を構成するポリエチレン由来のピークである。また、LDH様化合物における層状結晶構造の層間距離は0.99nmであった。
‐評価5:表2に示されるとおり、He透過度0.0cm/min・atmという極めて高い緻密性が確認された。
‐評価6:表2に示されるとおり、高いイオン伝導率が確認された。
‐評価7:アルカリ浸漬後におけるHe透過度は評価5と同様、0.0cm/min・atmであり、90℃もの高温で1週間にわたるアルカリ浸漬によってもHe透過度の変化が無いという優れた耐アルカリ性が確認された。
‐評価8:表2に示されるとおり、300サイクル後でも亜鉛デンドライトに起因する短絡が無いという優れたデンドライト耐性が確認された。
例B6(参考)
上記(2)の代わりに高分子多孔質基材へのチタニア・アルミナゾルコートを以下のように行ったこと、及び上記(3)の原料水溶液の作製を以下のように行ったこと以外は例B1と同様にしてLDH様化合物セパレータの作製及び評価を行った。
(高分子多孔質基材へのチタニア・アルミナゾルコート)
酸化チタンゾル溶液(M6、多木化学株式会社製)及び無定形アルミナ溶液(Al-ML15、多木化学株式会社製)をTi/Al(モル比)=18となるように混合した。混合溶液を、上記(1)で用意された基材にディップコートにより塗布した。ディップコートは、混合溶液100mlに基材を浸漬させてから垂直に引き上げ、室温で3時間乾燥させることにより行った。
(原料水溶液の作製)
原料として、硝酸マグネシウム六水和物(Mg(NO・6HO、関東化学株式会社製)、硝酸イットリウムn水和物(Y(NO・nHO、富士フイルム和光純薬株式会社製)及び尿素((NHCO、シグマアルドリッチ製)を用意した。硝酸マグネシウム六水和物を0.0015mol/Lとなるように秤量してビーカーに入れた。さらに、硝酸イットリウムn水和物を0.0075mol/Lとなるように秤量して上記ビーカーに入れ、そこにイオン交換水を加えて全量を75mlとし、得られた溶液を攪拌した。この溶液中に尿素/NO (モル比)=9.8の割合で秤量した尿素を加え、更に攪拌して原料水溶液を得た。
‐評価1:例B6で得られたLDH様化合物セパレータ(ロールプレス前)の表面微構造のSEM画像は図17Aに示されるとおりであった。
‐評価2:層状の格子縞が確認できるという結果からLDH様化合物セパレータの多孔質基材以外の部分が層状結晶構造の化合物であることが確認された。
‐評価3:EDS元素分析の結果、LDH様化合物セパレータ表面において、LDH様化合物の構成元素であるMg、Al、Ti及びYが検出された。また、EDS元素分析により算出された、LDH様化合物セパレータ表面のMg、Al、Ti及びYの組成比(原子比)は表2に示されるとおりであった。
‐評価4:図17Bに例B6で得られたXRDプロファイルを示す。得られたXRDプロファイルにおいて、2θ=7.2°付近にピークが観察された。通常、LDHの(003)ピーク位置は、2θ=11~12°に観察されるため、上記ピークはLDHの(003)ピークが低角側にシフトしたものであると考えられる。このため、上記ピークはLDHとは呼べないもののそれに類する化合物(すなわちLDH様化合物)に由来するピークであることを示唆するものである。なお、XRDプロファイルの20<2θ°<25に観察される2本のピークは、多孔質基材を構成するポリエチレン由来のピークである。また、LDH様化合物における層状結晶構造の層間距離は1.2nmであった。
‐評価5:表2に示されるとおり、He透過度0.0cm/min・atmという極めて高い緻密性が確認された。
‐評価6:表2に示されるとおり、高いイオン伝導率が確認された。
‐評価7:アルカリ浸漬後におけるHe透過度は評価5と同様、0.0cm/min・atmであり、90℃もの高温で1週間にわたるアルカリ浸漬によってもHe透過度の変化が無いという優れた耐アルカリ性が確認された。
‐評価8:表2に示されるとおり、300サイクル後でも亜鉛デンドライトに起因する短絡が無いという優れたデンドライト耐性が確認された。
例B7(参考)
上記(3)の原料水溶液の作製を以下のように行ったこと以外は例B6と同様にしてLDH様化合物セパレータの作製及び評価を行った。
(原料水溶液の作製)
原料として、硝酸マグネシウム六水和物(Mg(NO・6HO、関東化学株式会社製)、硝酸イットリウムn水和物(Y(NO・nHO、富士フイルム和光純薬株式会社製)及び尿素((NHCO、シグマアルドリッチ製)を用意した。硝酸マグネシウム六水和物を0.0075mol/Lとなるように秤量してビーカーに入れた。さらに、硝酸イットリウムn水和物を0.0075mol/Lとなるように秤量して上記ビーカーに入れ、そこにイオン交換水を加えて全量を75mlとし、得られた溶液を攪拌した。この溶液中に尿素/NO (モル比)=25.6の割合で秤量した尿素を加え、更に攪拌して原料水溶液を得た。
‐評価1:例B7で得られたLDH様化合物セパレータ(ロールプレス前)の表面微構造のSEM画像は図18に示されるとおりであった。
‐評価2:層状の格子縞が確認できるという結果からLDH様化合物セパレータの多孔質基材以外の部分が層状結晶構造の化合物であることが確認された。
‐評価3:EDS元素分析の結果、LDH様化合物セパレータ表面において、LDH様化合物の構成元素であるMg、Al、Ti及びYが検出された。また、EDS元素分析により算出された、LDH様化合物セパレータ表面のMg、Al、Ti及びYの組成比(原子比)は表2に示されるとおりであった。
‐評価5:表2に示されるとおり、He透過度0.0cm/min・atmという極めて高い緻密性が確認された。
‐評価6:表2に示されるとおり、高いイオン伝導率が確認された。
‐評価7:アルカリ浸漬後におけるHe透過度は評価5と同様、0.0cm/min・atmであり、90℃もの高温で1週間にわたるアルカリ浸漬によってもHe透過度の変化が無いという優れた耐アルカリ性が確認された。
‐評価8:表2に示されるとおり、300サイクル後でも亜鉛デンドライトに起因する短絡が無いという優れたデンドライト耐性が確認された。
例B8(比較)
上記(2)の代わりにアルミナゾルコートを以下のように行ったこと以外は、例B1と同様にしてLDHセパレータの作製及び評価を行った。
(高分子多孔質基材へのアルミナゾルコート)
無定形アルミナゾル(Al-ML15、多木化学株式会社製)を、上記(1)で用意された基材にディップコートにより塗布した。ディップコートは、無定形アルミナゾル100mlに基材を浸漬させてから垂直に引き上げ、室温で3時間乾燥させることにより行った。
‐評価1:例B8で得られたLDHセパレータ(ロールプレス前)の表面微構造のSEM画像は図19Aに示されるとおりであった。
‐評価2:層状の格子縞が確認できるという結果からLDHセパレータの多孔質基材以外の部分が層状結晶構造の化合物であることが確認された。
‐評価3:EDS元素分析の結果、LDHセパレータ表面において、LDH構成元素であるMg及びAlが検出された。また、EDS元素分析により算出された、LDHセパレータ表面のMg及びAlの組成比(原子比)は表2に示されるとおりであった。
‐評価4:図19Bに例B8で得られたXRDプロファイルを示す。得られたXRDプロファイルにおける2θ=11.5°付近のピークから、例B8で得られLDHセパレータは、LDH(ハイドロタルサイト類化合物)であることが同定された。この同定は、JCPDSカードNO.35-0964に記載されるLDH(ハイドロタルサイト類化合物)の回折ピークを用いて行った。なお、XRDプロファイルの20<2θ°<25に観察される2本のピークは、多孔質基材を構成するポリエチレン由来のピークである。
‐評価5:表2に示されるとおり、He透過度0.0cm/min・atmという極めて高い緻密性が確認された。
‐評価6:表2に示されるとおり、高いイオン伝導率が確認された。
‐評価7:90℃もの高温で1週間にわたるアルカリ浸漬の結果、評価5で0.0cm/min・atmであったHe透過度が10cm/min・atmを超えてしまったことから、耐アルカリ性に劣ることが判明した。
‐評価8:表2に示されるとおり、300サイクル未満で亜鉛デンドライトに起因する短絡が生じたことから、デンドライト耐性に劣ることが判明した。
Figure 0007048831000002
[例C1~C9]
以下に示す例C1~C9はLDH様化合物セパレータに関する参考例である。なお、以下の例で作製されるLDH様化合物セパレータの評価方法は、評価3でMg:Al:Ti:Y:添加元素Mの組成比(原子比)を算出したこと以外は、例B1~B8と同様とした。
例C1(参考)
(1)高分子多孔質基材の準備
気孔率50%、平均気孔径0.1μm及び厚さ20μmの市販のポリエチレン微多孔膜を高分子多孔質基材として用意し、2.0cm×2.0cmの大きさになるように切り出した。
(2)高分子多孔質基材へのチタニア・イットリア・アルミナゾルコート
酸化チタンゾル溶液(M6、多木化学株式会社製)、イットリウムゾル、及び無定形アルミナ溶液(Al-ML15、多木化学株式会社製)をTi/(Y+Al)(モル比)=2、及びY/Al(モル比)=8となるように混合した。混合溶液を、上記(1)で用意された基材にディップコートにより塗布した。ディップコートは、混合溶液100mlに基材を浸漬させてから垂直に引き上げ、室温で3時間乾燥させることにより行った。
(3)原料水溶液(I)の作製
原料として、硝酸マグネシウム六水和物(Mg(NO・6HO、関東化学株式会社製)及び尿素((NHCO、シグマアルドリッチ製)を用意した。硝酸マグネシウム六水和物を0.015mol/Lとなるように秤量してビーカーに入れ、そこにイオン交換水を加えて全量を75mlとした。得られた溶液を攪拌した後、溶液中に尿素/NO (モル比)=48の割合で秤量した尿素を加え、更に攪拌して原料水溶液(I)を得た。
(4)水熱処理による成膜
テフロン(登録商標)製密閉容器(オートクレーブ容器、内容量100ml、外側がステンレス製ジャケット)に原料水溶液(I)とディップコートされた基材を共に封入した。このとき、基材はテフロン(登録商標)製密閉容器の底から浮かせて固定し、基材両面に溶液が接するように垂直に設置した。その後、水熱温度120℃で22時間水熱処理を施すことにより基材表面と内部にLDH様化合物の形成を行った。所定時間の経過後、基材を密閉容器から取り出し、イオン交換水で洗浄し、70℃で10時間乾燥させて、多孔質基材の孔内にLDH様化合物を形成させた。
(5)原料水溶液(II)の作製
原料として、硫酸インジウムn水和物(In(SO・nHO、富士フイルム和光純薬株式会社製)を用意した。硫酸インジウムn水和物を0.0075mol/Lとなるように秤量してビーカーに入れ、そこにイオン交換水を加えて全量を75mlとした。得られた溶液を攪拌して原料水溶液(II)を得た。
(6)浸漬処理によるインジウム添加
テフロン(登録商標)製密閉容器(オートクレーブ容器、内容量100ml、外側がステンレス製ジャケット)に原料水溶液(II)と上記(4)で得たLDH様化合物セパレータを共に封入した。このとき、基材はテフロン(登録商標)製密閉容器の底から浮かせて固定し、基材両面に溶液が接するように垂直に設置した。その後、30℃で1時間浸漬処理を施すことによりインジウム添加を行った。所定時間の経過後、基材を密閉容器から取り出し、イオン交換水で洗浄し、70℃で10時間乾燥させて、インジウムが添加されたLDH様化合物セパレータを得た。
(7)ロールプレスによる緻密化
上記LDH様化合物セパレータを、1対のPETフィルム(東レ株式会社製、ルミラー(登録商標)、厚さ40μm)で挟み、ロール回転速度3mm/s、ローラ加熱温度70℃、ロールギャップ70μmにてロールプレスを行い、さらに緻密化されたLDH様化合物セパレータを得た。
(8)評価結果
得られたLDH様化合物セパレータに対して各種評価を行った。結果は以下のとおりであった。
‐評価1:例C1で得られたLDH様化合物セパレータ(ロールプレス前)の表面微構造のSEM画像は図20に示されるとおりであった。
‐評価2:層状の格子縞が確認できるという結果からLDH様化合物セパレータの多孔質基材以外の部分が層状結晶構造の化合物であることが確認された。
‐評価3:EDS元素分析の結果、LDH様化合物セパレータ表面において、LDH様化合物の構成元素であるAl、Ti、Y及びInが検出された。また、EDS元素分析により算出された、LDH様化合物セパレータ表面のAl、Ti、Y及びInの組成比(原子比)は表3に示されるとおりであった。
‐評価5:表3に示されるとおり、He透過度0.0cm/min・atmという極めて高い緻密性が確認された。
‐評価6:表3に示されるとおり、高いイオン伝導率が確認された。
‐評価7:アルカリ浸漬後におけるHe透過度は評価5と同様、0.0cm/min・atmであり、90℃もの高温で1週間にわたるアルカリ浸漬によってもHe透過度が変化しないという優れた耐アルカリ性が確認された。
‐評価8:表3に示されるとおり、300サイクル後でも亜鉛デンドライトに起因する短絡が無いという優れたデンドライト耐性が確認された。
例C2(参考)
上記(6)の浸漬処理によるインジウム添加において、浸漬処理の時間を24時間に変更したこと以外は、例C1と同様にしてLDH様化合物セパレータの作製及び評価を行った。
‐評価2:層状の格子縞が確認できるという結果からLDH様化合物セパレータの多孔質基材以外の部分が層状結晶構造の化合物であることが確認された。
‐評価3:EDS元素分析の結果、LDH様化合物セパレータ表面において、LDH様化合物の構成元素であるAl、Ti、Y及びInが検出された。また、EDS元素分析により算出された、LDH様化合物セパレータ表面のAl、Ti、Y及びInの組成比(原子比)は表3に示されるとおりであった。
‐評価5:表3に示されるとおり、He透過度0.0cm/min・atmという極めて高い緻密性が確認された。
‐評価6:表3に示されるとおり、高いイオン伝導率が確認された。
‐評価7:アルカリ浸漬後におけるHe透過度は評価5と同様、0.0cm/min・atmであり、90℃もの高温で1週間にわたるアルカリ浸漬によってもHe透過度が変化しないという優れた耐アルカリ性が確認された。
‐評価8:表3に示されるとおり、300サイクル後でも亜鉛デンドライトに起因する短絡が無いという優れたデンドライト耐性が確認された。
例C3(参考)
上記(2)の代わりにチタニア・イットリアゾルコートを以下のように行ったこと以外は、例C1と同様にしてLDH様化合物セパレータの作製及び評価を行った。
(高分子多孔質基材へのチタニア・イットリアゾルコート)
酸化チタンゾル溶液(M6、多木化学株式会社製)及びイットリウムゾルをTi/Y(モル比)=2となるように混合した。得られた混合溶液を、上記(1)で用意された基材にディップコートにより塗布した。ディップコートは、混合溶液100mlに基材を浸漬させてから垂直に引き上げ、室温で3時間乾燥させることにより行った。
‐評価2:層状の格子縞が確認できるという結果からLDH様化合物セパレータの多孔質基材以外の部分が層状結晶構造の化合物であることが確認された。
‐評価3:EDS元素分析の結果、LDH様化合物セパレータ表面において、LDH様化合物の構成元素であるTi、Y及びInが検出された。また、EDS元素分析により算出された、LDH様化合物セパレータ表面のTi、Y及びInの組成比(原子比)は表3に示されるとおりであった。
‐評価5:表3に示されるとおり、He透過度0.0cm/min・atmという極めて高い緻密性が確認された。
‐評価6:表3に示されるとおり、高いイオン伝導率が確認された。
‐評価7:アルカリ浸漬後におけるHe透過度は評価5と同様、0.0cm/min・atm未満であり、90℃もの高温で1週間にわたるアルカリ浸漬によってもHe透過度が変化しないという優れた耐アルカリ性が確認された。
‐評価8:表3に示されるとおり、300サイクル後でも亜鉛デンドライトに起因する短絡が無いという優れたデンドライト耐性が確認された。
例C4(参考)
上記(5)の原料水溶液(II)の作製を以下のように行ったこと、及び上記(6)の代わりに浸漬処理によるビスマス添加を以下のように行ったこと以外は、例C1と同様にしてLDH様化合物セパレータの作製及び評価を行った。
(原料水溶液(II)の作製)
原料として、硝酸ビスマス五水和物(Bi(NO・5HO)を用意した。硝酸ビスマス五水和物を0.00075mol/Lとなるように秤量してビーカーに入れ、そこにイオン交換水を加えて全量を75mlとした。得られた溶液を攪拌して原料水溶液(II)を得た。
(浸漬処理によるビスマス添加)
テフロン(登録商標)製密閉容器(オートクレーブ容器、内容量100ml、外側がステンレス製ジャケット)に原料水溶液(II)と上記(4)で得たLDH様化合物セパレータを共に封入した。このとき、基材はテフロン(登録商標)製密閉容器の底から浮かせて固定し、基材両面に溶液が接するように垂直に設置した。その後、30℃で1時間浸漬処理を施すことによりビスマス添加を行った。所定時間の経過後、基材を密閉容器から取り出し、イオン交換水で洗浄し、70℃で10時間乾燥させて、ビスマスが添加されたLDH様化合物セパレータを得た。
‐評価2:層状の格子縞が確認できるという結果からLDH様化合物セパレータの多孔質基材以外の部分が層状結晶構造の化合物であることが確認された。
‐評価3:EDS元素分析の結果、LDH様化合物セパレータ表面において、LDH様化合物の構成元素であるMg、Al、Ti、Y及びBiが検出された。また、EDS元素分析により算出された、LDH様化合物セパレータ表面のMg、Al、Ti、Y及びBiの組成比(原子比)は表3に示されるとおりであった。
‐評価5:表3に示されるとおり、He透過度0.0cm/min・atmという極めて高い緻密性が確認された。
‐評価6:表3に示されるとおり、高いイオン伝導率が確認された。
‐評価7:アルカリ浸漬後におけるHe透過度は評価5と同様、0.0cm/min・atmであり、90℃もの高温で1週間にわたるアルカリ浸漬によってもHe透過度の変化が無いという優れた耐アルカリ性が確認された。
‐評価8:表3に示されるとおり、300サイクル後でも亜鉛デンドライトに起因する短絡が無いという優れたデンドライト耐性が確認された。
例C5(参考)
上記浸漬処理によるビスマス添加において、浸漬処理の時間を12時間に変更したこと以外は、例C4と同様にしてLDH様化合物セパレータの作製及び評価を行った。
‐評価2:層状の格子縞が確認できるという結果からLDH様化合物セパレータの多孔質基材以外の部分が層状結晶構造の化合物であることが確認された。
‐評価3:EDS元素分析の結果、LDH様化合物セパレータ表面において、LDH様化合物の構成元素であるMg、Al、Ti、Y及びBiが検出された。また、EDS元素分析により算出された、LDH様化合物セパレータ表面のMg、Al、Ti、Y及びBiの組成比(原子比)は表3に示されるとおりであった。
‐評価5:表3に示されるとおり、He透過度0.0cm/min・atmという極めて高い緻密性が確認された。
‐評価6:表3に示されるとおり、高いイオン伝導率が確認された。
‐評価7:アルカリ浸漬後におけるHe透過度は評価5と同様、0.0cm/min・atmであり、90℃もの高温で1週間にわたるアルカリ浸漬によってもHe透過度の変化が無いという優れた耐アルカリ性が確認された。
‐評価8:表3に示されるとおり、300サイクル後でも亜鉛デンドライトに起因する短絡が無いという優れたデンドライト耐性が確認された。
例C6(参考)
上記浸漬処理によるビスマス添加において、浸漬処理の時間を24時間に変更したこと以外は、例C4と同様にしてLDH様化合物セパレータの作製及び評価を行った。
‐評価2:層状の格子縞が確認できるという結果からLDH様化合物セパレータの多孔質基材以外の部分が層状結晶構造の化合物であることが確認された。
‐評価3:EDS元素分析の結果、LDH様化合物セパレータ表面において、LDH様化合物の構成元素であるMg、Al、Ti、Y及びBiが検出された。また、EDS元素分析により算出された、LDH様化合物セパレータ表面のMg、Al、Ti、Y及びBiの組成比(原子比)は表3に示されるとおりであった。
‐評価5:表3に示されるとおり、He透過度0.0cm/min・atmという極めて高い緻密性が確認された。
‐評価6:表3に示されるとおり、高いイオン伝導率が確認された。
‐評価7:アルカリ浸漬後におけるHe透過度は評価5と同様、0.0cm/min・atmであり、90℃もの高温で1週間にわたるアルカリ浸漬によってもHe透過度の変化が無いという優れた耐アルカリ性が確認された。
‐評価8:表3に示されるとおり、300サイクル後でも亜鉛デンドライトに起因する短絡が無いという優れたデンドライト耐性が確認された。
例C7(参考)
上記(5)の原料水溶液(II)の作製を以下のように行ったこと、及び上記(6)の代わりに浸漬処理によるカルシウム添加を以下のように行ったこと以外は、例C1と同様にしてLDH様化合物セパレータの作製及び評価を行った。
(原料水溶液(II)の作製)
原料として、硝酸カルシウム四水和物(Ca(NO・4HO)を用意した。硝酸カルシウム四水和物を0.015mol/Lとなるように秤量してビーカーに入れ、そこにイオン交換水を加えて全量を75mlとした。得られた溶液を攪拌して原料水溶液(II)を得た。
(浸漬処理によるカルシウム添加)
テフロン(登録商標)製密閉容器(オートクレーブ容器、内容量100ml、外側がステンレス製ジャケット)に原料水溶液(II)と上記(4)で得たLDH様化合物セパレータを共に封入した。このとき、基材はテフロン(登録商標)製密閉容器の底から浮かせて固定し、基材両面に溶液が接するように垂直に設置した。その後、30℃で6時間浸漬処理を施すことによりカルシウム添加を行った。所定時間の経過後、基材を密閉容器から取り出し、イオン交換水で洗浄し、70℃で10時間乾燥させて、カルシウムが添加されたLDH様化合物セパレータを得た。
‐評価2:層状の格子縞が確認できるという結果からLDH様化合物セパレータの多孔質基材以外の部分が層状結晶構造の化合物であることが確認された。
‐評価3:EDS元素分析の結果、LDH様化合物セパレータ表面において、LDH様化合物の構成元素であるMg、Al、Ti、Y及びCaが検出された。また、EDS元素分析により算出された、LDH様化合物セパレータ表面のMg、Al、Ti、Y及びCaの組成比(原子比)は表3に示されるとおりであった。
‐評価5:表3に示されるとおり、He透過度0.0cm/min・atmという極めて高い緻密性が確認された。
‐評価6:表3に示されるとおり、高いイオン伝導率が確認された。
‐評価7:アルカリ浸漬後におけるHe透過度は評価5と同様、0.0cm/min・atmであり、90℃もの高温で1週間にわたるアルカリ浸漬によってもHe透過度の変化が無いという優れた耐アルカリ性が確認された。
‐評価8:表3に示されるとおり、300サイクル後でも亜鉛デンドライトに起因する短絡が無いという優れたデンドライト耐性が確認された。
例C8(参考)
上記(5)の原料水溶液(II)の作製を以下のように行ったこと、及び上記(6)の代わりに浸漬処理によるストロンチウム添加を以下のように行ったこと以外は、例C1と同様にしてLDH様化合物セパレータの作製及び評価を行った。
(原料水溶液(II)の作製)
原料として、硝酸ストロンチウム(Sr(NO)を用意した。硝酸ストロンチウムを0.015mol/Lとなるように秤量してビーカーに入れ、そこにイオン交換水を加えて全量を75mlとした。得られた溶液を攪拌して原料水溶液(II)を得た。
(浸漬処理によるストロンチウム添加)
テフロン(登録商標)製密閉容器(オートクレーブ容器、内容量100ml、外側がステンレス製ジャケット)に原料水溶液(II)と上記(4)で得たLDH様化合物セパレータを共に封入した。このとき、基材はテフロン(登録商標)製密閉容器の底から浮かせて固定し、基材両面に溶液が接するように垂直に設置した。その後、30℃で6時間浸漬処理を施すことによりストロンチウム添加を行った。所定時間の経過後、基材を密閉容器から取り出し、イオン交換水で洗浄し、70℃で10時間乾燥させて、ストロンチウムが添加されたLDH様化合物セパレータを得た。
‐評価2:層状の格子縞が確認できるという結果からLDH様化合物セパレータの多孔質基材以外の部分が層状結晶構造の化合物であることが確認された。
‐評価3:EDS元素分析の結果、LDH様化合物セパレータ表面において、LDH様化合物の構成元素であるMg、Al、Ti、Y及びSrが検出された。また、EDS元素分析により算出された、LDH様化合物セパレータ表面のMg、Al、Ti、Y及びSrの組成比(原子比)は表3に示されるとおりであった。
‐評価5:表3に示されるとおり、He透過度0.0cm/min・atmという極めて高い緻密性が確認された。
‐評価6:表3に示されるとおり、高いイオン伝導率が確認された。
‐評価7:アルカリ浸漬後におけるHe透過度は評価5と同様、0.0cm/min・atmであり、90℃もの高温で1週間にわたるアルカリ浸漬によってもHe透過度の変化が無いという優れた耐アルカリ性が確認された。
‐評価8:表3に示されるとおり、300サイクル後でも亜鉛デンドライトに起因する短絡が無いという優れたデンドライト耐性が確認された。
例C9(参考)
上記(5)の原料水溶液(II)の作製を以下のように行ったこと、及び上記(6)の代わりに浸漬処理によるバリウム添加を以下のように行ったこと以外は、例C1と同様にしてLDH様化合物セパレータの作製及び評価を行った。
(原料水溶液(II)の作製)
原料として、硝酸バリウム(Ba(NO)を用意した。硝酸バリウムを0.015mol/Lとなるように秤量してビーカーに入れ、そこにイオン交換水を加えて全量を75mlとした。得られた溶液を攪拌して原料水溶液(II)を得た。
(浸漬処理によるバリウム添加)
テフロン(登録商標)製密閉容器(オートクレーブ容器、内容量100ml、外側がステンレス製ジャケット)に原料水溶液(II)と上記(4)で得たLDH様化合物セパレータを共に封入した。このとき、基材はテフロン(登録商標)製密閉容器の底から浮かせて固定し、基材両面に溶液が接するように垂直に設置した。その後、30℃で6時間浸漬処理を施すことによりバリウム添加を行った。所定時間の経過後、基材を密閉容器から取り出し、イオン交換水で洗浄し、70℃で10時間乾燥させて、バリウムが添加されたLDH様化合物セパレータを得た。
‐評価2:層状の格子縞が確認できるという結果からLDH様化合物セパレータの多孔質基材以外の部分が層状結晶構造の化合物であることが確認された。
‐評価3:EDS元素分析の結果、LDH様化合物セパレータ表面において、LDH様化合物の構成元素であるAl、Ti、Y及びBaが検出された。また、EDS元素分析により算出された、LDH様化合物セパレータ表面のAl、Ti、Y及びBaの組成比(原子比)は表3に示されるとおりであった。
‐評価5:表3に示されるとおり、He透過度0.0cm/min・atmという極めて高い緻密性が確認された。
‐評価6:表3に示されるとおり、高いイオン伝導率が確認された。
‐評価7:アルカリ浸漬後におけるHe透過度は評価5と同様、0.0cm/min・atmであり、90℃もの高温で1週間にわたるアルカリ浸漬によってもHe透過度の変化が無いという優れた耐アルカリ性が確認された。
‐評価8:表3に示されるとおり、300サイクル後でも亜鉛デンドライトに起因する短絡が無いという優れたデンドライト耐性が確認された。
Figure 0007048831000003
[例D1及びD2]
以下に示す例D1及びD2はLDH様化合物セパレータに関する参考例である。なお、以下の例で作製されるLDH様化合物セパレータの評価方法は、評価3でMg:Al:Ti:Y:Inの組成比(原子比)を算出したこと以外は、例B1~B8と同様とした。
例D1(参考)
(1)高分子多孔質基材の準備
気孔率50%、平均気孔径0.1μm及び厚さ20μmの市販のポリエチレン微多孔膜を高分子多孔質基材として用意し、2.0cm×2.0cmの大きさになるように切り出した。
(2)高分子多孔質基材へのチタニア・イットリア・アルミナゾルコート
酸化チタンゾル溶液(M6、多木化学株式会社製)、イットリウムゾル、及び無定形アルミナ溶液(Al-ML15、多木化学株式会社製)をTi/(Y+Al)(モル比)=2、及びY/Al(モル比)=8となるように混合した。混合溶液を、上記(1)で用意された基材にディップコートにより塗布した。ディップコートは、混合溶液100mlに基材を浸漬させてから垂直に引き上げ、室温で3時間乾燥させることにより行った。
(3)原料水溶液の作製
原料として、硝酸マグネシウム六水和物(Mg(NO・6HO、関東化学株式会社製)、硫酸インジウムn水和物(In(SO・nHO、富士フイルム和光純薬株式会社製)及び尿素((NHCO、シグマアルドリッチ製)を用意した。硝酸マグネシウム六水和物及び硫酸インジウムn水和物をそれぞれ0.0075mol/L、尿素を1.44mol/Lとなるように秤量してビーカーへ入れた後に、イオン交換水を加えて全量を75mlとした。得られた溶液を攪拌して原料水溶液を得た。
(4)水熱処理による成膜
テフロン(登録商標)製密閉容器(オートクレーブ容器、内容量100ml、外側がステンレス製ジャケット)に原料水溶液とディップコートされた基材を共に封入した。このとき、基材はテフロン(登録商標)製密閉容器の底から浮かせて固定し、基材両面に溶液が接するように垂直に設置した。その後、水熱温度120℃で22時間水熱処理を施すことにより基材表面と内部にLDH様化合物の形成を行った。所定時間の経過後、基材を密閉容器から取り出し、イオン交換水で洗浄し、70℃で10時間乾燥させて、多孔質基材の孔内にLDH様化合物及びIn(OH)含有機能層を形成させた。こうして、LDH様化合物セパレータを得た。
(5)ロールプレスによる緻密化
上記LDH様化合物セパレータを、1対のPETフィルム(東レ株式会社製、ルミラー(登録商標)、厚さ40μm)で挟み、ロール回転速度3mm/s、ローラ加熱温度70℃、ロールギャップ70μmにてロールプレスを行い、さらに緻密化されたLDH様化合物セパレータを得た。
(6)評価結果
得られたLDH様化合物セパレータに対して評価1~8を行った。結果は以下のとおりであった。
‐評価1:例D1で得られたLDH様化合物セパレータ(ロールプレス前)の表面微構造のSEM画像は図21に示されるとおりであった。図21に示されるように、LDH様化合物セパレータ表面には、キューブ状の結晶が存在することが確認された。後述するEDS元素分析及びX線回折測定の結果から、このキューブ状の結晶はIn(OH)であると推定される。
‐評価2:層状の格子縞が確認できるという結果からLDH様化合物セパレータが層状結晶構造の化合物を含むことが確認された。
‐評価3:EDS元素分析の結果、LDH様化合物セパレータ表面において、LDH様化合物ないしIn(OH)の構成元素であるMg、Al、Ti、Y及びInが検出された。また、LDH様化合物セパレータ表面に存在するキューブ状の結晶中において、In(OH)の構成元素であるInが検出された。なお、EDS元素分析により算出された、LDH様化合物セパレータ表面のMg、Al、Ti、Y及びInの組成比(原子比)は表4に示されるとおりであった。
‐評価4:得られたXRDプロファイルのピークから、In(OH)がLDH様化合物セパレータ中に存在することが同定された。この同定は、JCPDSカードNo.01-085-1338に記載されるIn(OH)の回折ピークを用いて行った。
‐評価5:表4に示されるとおり、He透過度0.0cm/min・atmという極めて高い緻密性が確認された。
‐評価6:表4に示されるとおり、高いイオン伝導率が確認された。
‐評価7:アルカリ浸漬後におけるHe透過度は評価5と同様、0.0cm/min・atmであり、90℃もの高温で1週間にわたるアルカリ浸漬によってもHe透過度が変化しないという優れた耐アルカリ性が確認された。
‐評価8:表4に示されるとおり、300サイクル後でも亜鉛デンドライトに起因する短絡が無いという優れたデンドライト耐性が確認された。
例D2(参考)
上記(2)の代わりにチタニア・イットリアゾルコートを以下のように行ったこと以外は、例D1と同様にしてLDH様化合物セパレータの作製及び評価を行った。
(高分子多孔質基材へのチタニア・イットリアゾルコート)
酸化チタンゾル溶液(M6、多木化学株式会社製)及びイットリウムゾルをTi/Y(モル比)=2となるように混合した。得られた混合溶液を、上記(1)で用意された基材にディップコートにより塗布した。ディップコートは、混合溶液100mlに基材を浸漬させてから垂直に引き上げ、室温で3時間乾燥させることにより行った。
‐評価1:例D2で得られたLDH様化合物セパレータ(ロールプレス前)の表面微構造のSEM画像は図22に示されるとおりであった。図22に示されるように、LDH様化合物セパレータ表面には、キューブ状の結晶が存在することが確認された。後述するEDS元素分析及びX線回折測定の結果から、このキューブ状の結晶はIn(OH)であると推定される。
‐評価2:層状の格子縞が確認できるという結果からLDH様化合物セパレータが層状結晶構造の化合物を含むことが確認された。
‐評価3:EDS元素分析の結果、LDH様化合物セパレータ表面において、LDH様化合物ないしIn(OH)の構成元素であるMg、Ti、Y及びInが検出された。また、LDH様化合物セパレータ表面に存在するキューブ状の結晶中において、In(OH)の構成元素であるInが検出された。なお、EDS元素分析により算出された、LDH様化合物セパレータ表面のMg、Ti、Y及びInの組成比(原子比)は表4に示されるとおりであった。
‐評価4:得られたXRDプロファイルのピークから、In(OH)がLDH様化合物セパレータ中に存在することが同定された。この同定は、JCPDSカードNo.01-085-1338に記載されるIn(OH)の回折ピークを用いて行った。
‐評価5:表4に示されるとおり、He透過度0.0cm/min・atmという極めて高い緻密性が確認された。
‐評価6:表4に示されるとおり、高いイオン伝導率が確認された。
‐評価7:アルカリ浸漬後におけるHe透過度は評価5と同様、0.0cm/min・atmであり、90℃もの高温で1週間にわたるアルカリ浸漬によってもHe透過度が変化しないという優れた耐アルカリ性が確認された。
‐評価8:表4に示されるとおり、300サイクル後でも亜鉛デンドライトに起因する短絡が無いという優れたデンドライト耐性が確認された。
Figure 0007048831000004

Claims (10)

  1. 高分子材料製の多孔質基材と、前記多孔質基材の孔を塞ぐ層状複水酸化物(LDH)様化合物とを含む、亜鉛二次電池用のLDH様化合物セパレータであって、
    前記LDHセパレータがその内部にデンドライト緩衝層を有し、該デンドライト緩衝層が、
    (i)前記LDH様化合物が無いか又は欠乏している前記多孔質基材の孔に富んだ内部多孔層、
    (ii)前記LDH様化合物セパレータの一部を構成する隣り合う2つの層が剥離可能に接触している剥離性界面層、及び
    (iii)前記LDH様化合物セパレータの一部を構成する隣り合う2つの層が離間して形成される、前記LDH様化合物及び前記多孔質基材が存在しない内部空間層
    からなる群から選択される少なくとも1種である、LDH様化合物セパレータ。
  2. 前記LDH様化合物が、
    (a)Mgと、Ti、Y及びAlからなる群から選択される少なくともTiを含む1以上の元素とを含む層状結晶構造の水酸化物及び/又は酸化物である、又は
    (b)(i)Ti、Y、及び所望によりAl及び/又はMgと、(ii)In、Bi、Ca、Sr及びBaからなる群から選択される少なくとも1種である添加元素Mとを含む、層状結晶構造の水酸化物及び/又は酸化物である、又は
    (c)Mg、Ti、Y、及び所望によりAl及び/又はInを含む層状結晶構造の水酸化物及び/又は酸化物であり、該(c)において前記LDH様化合物がIn(OH)との混合物の形態で存在する、請求項1に記載のLDH様化合物セパレータ。
  3. 前記LDH様化合物が、前記デンドライト緩衝層以外の前記多孔質基材の厚さ方向の全域にわたって組み込まれている、請求項1又は2に記載のLDH様化合物セパレータ。
  4. 前記デンドライト緩衝層が、(i)前記LDH様化合物が無いか又は欠乏している前記多孔質基材の孔に富んだ内部多孔層である、請求項1~3のいずれか一項に記載のLDH様化合物セパレータ。
  5. 前記デンドライト緩衝層が、(ii)前記LDH様化合物セパレータの一部を構成する隣り合う2つの層が剥離可能に接触している剥離性界面層である、請求項1~3のいずれか一項に記載のLDH様化合物セパレータ。
  6. 前記デンドライト緩衝層が、(iii)前記LDH様化合物セパレータの一部を構成する隣り合う2つの層が離間して形成される、前記LDH様化合物及び前記多孔質基材が存在しない内部空間層である、請求項1~3のいずれか一項に記載のLDH様化合物セパレータ。
  7. 前記LDH様化合物セパレータの単位面積あたりのHe透過度が3.0cm/atm・min以下である、請求項1~6のいずれか一項に記載のLDH様化合物セパレータ。
  8. 前記高分子材料が、ポリスチレン、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド、フッ素樹脂、セルロース、ナイロン、ポリエチレンからなる群から選択される、請求項1~7のいずれか一項に記載のLDH様化合物セパレータ。
  9. 前記多孔質基材及び前記LDH様化合物からなる、請求項1~8のいずれか一項に記載のLDH様化合物セパレータ。
  10. 請求項1~9のいずれか一項に記載のLDH様化合物セパレータを備えた、亜鉛二次電池。
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