JP7163350B2 - リチウムイオン二次電池用の改善された微多孔膜セパレータおよび関連方法 - Google Patents
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関連出願の相互参照
本出願は、２０１４年１１月２６日に出願された、同時係属の米国仮特許出願第６２／０８４，６２８号に対する優先権およびその利益を主張し、全体として参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、２０１４年１１月２６日に出願された、同時係属の米国仮特許出願第６２／０８４，６２８号に対する優先権およびその利益を主張し、全体として参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、１つ以上の新規または改善された多孔質膜、ベースフィルムもしくは電池用セパレータならびに／またはかかる膜、フィルムもしくはセパレータを作製および／もしくは使用する様々な方法に関する。少なくとも選択された実施形態、態様または目的によれば、本出願または発明は、二次もしくは再充電リチウム電池、リチウムイオン二次電池、もしくは同様のものなどの、リチウム電池用の１つ以上の新規もしくは改善された微多孔膜電池用セパレータ、膜ベースフィルムもしくは膜セパレータ、ならびに／またはかかるセパレータおよび／もしくは電池を作製もしくは使用する様々な方法に関する。本明細書で説明する、ある特定の発明の電池用セパレータは、約１４μｍ未満の厚さを示し得、既知の電池用セパレータと比較すると、低減した裂け傾向または裂度によって定義されるような、増大した強度性能を示し得る。裂け破壊モードが調査されていて、裂け傾向または裂度における改善は、本明細書で開示する新規の試験方法により複合裂度指標（ＣＳＩ：Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｓｐｌｉｔｔｉｎｅｓｓ Ｉｎｄｅｘ）として定量化され得る。本明細書で説明する新規または改善された膜、フィルム、またはセパレータは、改善されたガーレーおよび他の改善も示し得る。
微多孔質電池用セパレータ膜、および特定の耐裂け性または耐断裂性微多孔膜における裂けを低減させるためのある以前の方法が知られており、米国特許第６，６０２，５９３号で説明されている。かかる特許では、とりわけ、インフレーションフィルム法による薄膜前駆体の押出およびインフレーションフィルム押出中の少なくとも約１．５のブローアップ比（ＢＵＲ）の使用を含む方法を説明している。
米国特許第８，７９５，５６５号は、とりわけ、制御されたＭＤ緩和工程ステップでの乾式前駆体膜のＭＤおよびＴＤの両方の延伸を伴う２軸延伸技術を説明している。特許第８，７９５，５６５号の図１～３に示されている膜などの、２軸延伸膜は、裂けまたは断裂が幾分、低減し得る。２軸で延伸された微多孔膜が突刺強度試験法を使用して強度試験される場合、試験サンプル穿刺場所は、細長い裂けとは対照的に丸い穴であり得る。
米国特許第８，４８６，５５６号は、とりわけ、セパレータ膜を通して短絡を生じるのに必要とされる力の測定方法である混合貫通力試験法によって明確にされるような改善された強度を備えた多層電池用セパレータ膜を開示している。ある溶融流動指標を有する高分子量のポリプロピレン樹脂を使用して、第８，４８６，５５６号特許で説明されている多層セパレータが、約２５μｍにまで及ぶ厚さ、約３７％にまで及ぶ多孔度、１３～２５秒のＡＳＴＭガーレー、および約２．５オームｃｍ２にまで及ぶイオン抵抗で作製された。
同様に知られているのは、典型的には同様に２軸で延伸されて、正しく均衡の取れたＭＤおよびＴＤ強度特性を有し得る、湿式微多孔質電池用セパレータ膜である。湿式法を使用して製造される微多孔膜の例は、米国特許第５，０５１，１８３号；第６，０９６，２１３号；６，１５３，１３３号；および第６，６６６，９６９号で開示されている可能性がある。
湿式電池用セパレータ膜は、５００，０００を上回る、場合によっては１，０００，０００を上回る分子量を有し得、可塑剤を使用して溶融押出しを可能にし得る、高分子量のポリマー樹脂を使用して製造され得る。かかる可塑剤、例えば、１つ以上の油は、高分子量の樹脂を溶融押出しするために使用され得る。可塑剤は、製造工程の一部として１つ以上の溶媒を使用して抽出され得る。製造工程の抽出ステップからの油／可塑剤含有溶媒は、抽出された溶媒および油を使用可能な純度品質にするために、再生利用する必要があり得る。これは、高くつき得る追加のエネルギー費用である。従って、電池用セパレータを作製する様々な湿式法は、無溶媒で、「グリーンな（ｇｒｅｅｎ）」、すなわち環境に優しい、乾式法の電池用セパレータ作製方法（Ｃｅｌｇａｒｄ乾式法とも呼ばれる）に比べると、費用のかかる溶媒処理および様々な処分問題を必要とし得る環境的に問題のある工程であるという不都合を有し得る。
ＢＵＲインフレーションフィルム法、乾式膜のＴＤ延伸を伴う方法、および多孔質膜のための湿式２軸延伸法などの様々な既知の方法は、微多孔セパレータまたは膜セパレータに対して、薄い微多孔セパレータまたは膜セパレータに対して、など、強度または性能特性のバランスを完全には最適化しない可能性がある。
また、以前の方法または製品では、リチウム電池、特に高エネルギーリチウムイオン電池における優れたサイクル性能および安全性を備えた微多孔質電池用セパレータまたは膜セパレータを製造するために、強度または性能特性を、無溶媒で環境的に負担の少ない工程と組み合わせない可能性がある。
上記状況に鑑み、少なくともある電池技術もしくは用途、エネルギー用途、および／もしくは同様のものなどに対する、新規もしくは改善された多孔質膜、ベースフィルムもしくは電池用セパレータならびに／または、かかる膜、フィルムもしくはセパレータの作製および／もしくは使用方法、様々な湿式製造方法に伴う、考えられる望ましくない問題なしで湿式電池用セパレータもしくは膜セパレータに近づくか、もしくは超える、約１４μｍ未満の厚さ、比較的低いガーレー数、比較的高い多孔度、および強度性能特性を備えた乾式微多孔質電池用セパレータもしくは膜セパレータの必要性がある。
少なくとも選択された実施形態、態様または目的によれば、本発明は、前述した必要性のうちの１つ以上に対処し得、かつ／または、１つ以上の新規もしくは改善された多孔質膜、ベースフィルムもしくは電池用セパレータならびに／またはかかる膜、フィルムもしくはセパレータを作製および／もしくは使用する様々な方法に関する。少なくとも選択された実施形態、態様または目的によれば、本出願または発明は、二次もしくは再充電リチウム電池、リチウムイオン二次電池、もしくは同様のものなどの、リチウム電池用の１つ以上の新規もしくは改善された微多孔膜電池用セパレータ、膜ベースフィルムもしくは膜セパレータ、ならびに／またはかかるセパレータおよび／もしくは電池を作製もしくは使用する様々な方法に関する。本明細書で説明する、ある特定の発明の電池用セパレータは、約１４μｍ未満の厚さを示し得、既知の電池用セパレータと比較すると、低減した裂け傾向または裂度によって定義されるような、増大した強度性能を示し得る。裂け破壊モードが調査されていて、裂けまたは裂度における改善は、本明細書で開示する新規の試験方法により複合裂度指標（ＣＳＩ）として定量化され得る。本明細書で説明する新規または改善された膜、フィルム、またはセパレータは、改善されたガーレーおよび他の改善も示し得る。
少なくとも選択された実施形態、態様または目的によれば、本発明は、前述した必要性のうちの１つ以上に対処し、かつ、１つ以上の新規もしくは改善された多孔質膜、ベースフィルムもしくは電池用セパレータ（または膜セパレータ）ならびに／またはかかる膜、フィルムもしくはセパレータを作製および／もしくは使用する様々な方法に関する。少なくとも選択された実施形態、態様または目的によれば、本発明は、リチウムイオン二次電池などのリチウム電池用の１つ以上の新規もしくは改善された微多孔膜電池用セパレータ、膜ベースフィルムもしくは膜セパレータ（または電池用セパレータで少なくとも１つの層として機能する膜）、ならびに／またはかかるセパレータもしくはフィルムを作製もしくは使用する様々な方法に関する。本明細書で説明する特定の発明の電池用セパレータは、約１４μｍ未満の厚さを示し得、既知の電池用セパレータと比較すると、低減した裂けまたは裂度によって明確にされるような、増大した強度性能を示し得る。裂け破壊モードが調査されていて、裂け傾向または裂度における改善は、本明細書で開示する新規の試験方法により複合裂度指標（ＣＳＩ）として定量化され得る。本明細書で説明する新規または改善された膜、フィルム、またはセパレータは、改善されたガーレーおよび他の改善も示し得、特にエネルギー用途に適し得る。
本発明は、１つ以上の新規もしくは改善された多孔質膜、ベースフィルムもしくは電池用セパレータならびに／またはかかる膜、フィルムもしくはセパレータを作製および／もしくは使用する様々な方法に関する。少なくとも選択された実施形態、態様または目的によれば、本発明は、リチウムイオン二次電池などのリチウム電池用の１つ以上の新規もしくは改善された微多孔膜電池用セパレータ、ならびに／またはかかるセパレータを作製もしくは使用する様々な方法に関する。本明細書で説明する、おそらく好ましい電池用セパレータは、約１４μｍ未満、約１３μｍ未満、または約８μｍ未満の厚さを示し得、同じ（またはそれ以上の）厚さの既知の電池用セパレータと比較すると、低減した裂度によって明確にされるような、増大した強度性能を驚くほど示し得る。裂けまたは裂度における改善は、本明細書で開示する試験方法により複合裂度指標（ＣＳＩ）として定量化され得、本明細書で説明する新規または改善されたセパレータは、２９～１３９の間のＣＳＩを有し得、改善されたガーレーおよび他の改善も示し得る。
本発明は、少なくとも選択された実施形態では、リチウムイオン二次電池用の新規もしくは改善された微多孔質電池用セパレータ、ならびに／またはかかるセパレータを作製および／もしくは使用する関連方法に関する。特定の発明の乾式電池用セパレータまたは膜セパレータは、約１４μｍ未満の厚さを示し、複合裂度指標（ＣＳＩ）として知られる新規の試験方法により定量化されるような、裂け抵抗または低減した裂度によって明確にされるような、増大した強度性能を有する。
ブローアップ比法は、インフレーションフィルムの環状ダイからの半径方向の膨張を伴い得る。結晶構造配向の横方向（ＴＤ）における増加したレベルは、約１．５を超えるブローアップ比を使用する押出し膜で達成され得る。ブロー押出成形前駆体フィルムの半径方向膨張によって達成されたかかるＴＤでの増加した結晶構造配向は、ＴＤ引張り強度およびＴＤ伸長をさらに改善し、その結果、延伸された微多孔膜での裂けが低減され得る。
丸い穿刺孔は、膜の低減した裂け傾向または裂度、強化された裂け抵抗、均衡の取れたＴＤおよびＭＤ強度ならびに良好なＴＤ伸長を示し得、従って、かかる膜が、電池用セパレータ、膜セパレータ、ベースフィルム、またはリチウムイオン電池内の電池用セパレータでの少なくとも１つの層として使用される場合に、優れた強度性能が予測され得る。
ＢＵＲインフレーションフィルム法、乾式膜のＴＤ延伸を伴う方法、および多孔質膜のための湿式２軸延伸法などの様々な既知の方法は、約１４μｍ未満の厚さの微多孔セパレータまたは膜に対して、以下の強度または性能特性のバランスを完全には最適化しない可能性がある：
・優れたＭＤおよびＴＤ引張り強度；
・優れたＴＤ伸長；
・高い突刺強度；
・望ましいガーレー；および／または
・裂度がない。
追加として、リチウムイオン電池などのリチウム電池における優れたサイクル性能および安全性を有する、微多孔質電池用セパレータ膜を製造するために、上で識別した特性を、無溶媒で環境的に負担の少ない工程の使用と組み合わせることは望ましくあり得る。
・優れたＭＤおよびＴＤ引張り強度；
・優れたＴＤ伸長；
・高い突刺強度；
・望ましいガーレー；および／または
・裂度がない。
追加として、リチウムイオン電池などのリチウム電池における優れたサイクル性能および安全性を有する、微多孔質電池用セパレータ膜を製造するために、上で識別した特性を、無溶媒で環境的に負担の少ない工程の使用と組み合わせることは望ましくあり得る。
新規または改善された微多孔質電池用セパレータがリチウムイオン二次電池での使用のために開発されてきた。本発明のセパレータは、好ましくは、押し出し成形される際に、可塑剤の使用を必要とせず、比較的高レベルの結晶ラメラ配向を有する内部微細構造をもつ前駆体膜を作り出す、高分子量で、低溶融流動指標のポリマー樹脂または高分子量で、低溶融流動指標のポリマー樹脂のブレンドを使用して製造された乾式単層または多層の微多孔質電池用セパレータ膜である。この高レベルの結晶ラメラ配向は、既知のセパレータと比較して、本発明のセパレータの改善された強度性能を提供し得る。非多孔性前駆体膜のラメラ構造における結晶化度の程度も、微多孔セパレータ、ベースセパレータもしくはベースフィルム（一方もしくは両方の側にコーティングされるか、または１つ以上の他の層に積層されるように適合された）または膜（セパレータまたはベースフィルムの少なくとも１つの層として働く）の乾式法製造における延伸ステップ中に、微細孔の形成に影響し得る。
家電業界向け電池の製造業者は、エネルギー密度を最適化して、リチウムイオン二次電池のサイクル寿命を改善するために、好ましくは約１４μｍ未満の厚さの薄い微多孔膜電池用セパレータまたは膜セパレータを好み得る。本発明の電池用セパレータまたは膜は、約１４μｍ未満の厚さ、および従来型の乾式延伸法などの同じ工程で作製された同じ厚さの他のセパレータと比較すると、低減した裂度によって明確にされるような改善された強度性能、または突刺の結果として低減した断裂を備えた、「薄い」電池用セパレータまたは膜である。
少なくとも選択された実施形態の本発明のセパレータまたは膜は、低減した裂度によって特徴付けられる約１４μｍ未満の厚さを有する、薄い乾式セパレータまたは膜を提供するので、以前の電池用セパレータまたは膜に比べて蛙跳び的な改善（ｌｅａｐ ｆｒｏｇ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ）を達し得る。おそらく好ましい発明のセパレータ膜は、好ましくは、溶媒および抽出ステップを使用することなく、乾式法を使用して押し出し成形される際に、（以前に知られていた前駆体膜と比べて）はるかに高い結晶ラメラ含有量を前駆体膜内に生じる、１つ以上の高分子量で、低溶融流動指標のポリマー樹脂またはブレンドを使用する。より高い結晶ラメラ含有量の前駆体膜を延伸して孔を作る場合、結果として生じる微多孔膜は、裂度挙動における低減、向上した強度、より高い多孔度、より低い電気抵抗およびより低いガーレーを示す。高分子量で、低溶融流動指標（ＭＦＩ）のポリマー樹脂を使用して製造された本発明の乾式微多孔質電池用セパレータまたは膜は、既知の湿式セパレータの性能特性と等しいか、またはそれに勝り得、乾式電池用セパレータ微多孔膜と湿式電池用セパレータ微多孔膜との間の差を低減するか、または等しくし得、かつリチウムイオン二次電池における電池サイクル寿命および安全性能を強化または改善する。
前駆体膜でのラメラ構造における結晶化度の量は、乾式延伸微多孔膜の多孔性微細構造の形成に影響し得る。Ｘ．Ｍ．Ｚｈａｎｇらによる「Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｂｌｏｗｎ Ｆｉｌｍｓ ＨＤＰＥ，ＬＬＤＰＥ ａｎｄ ＬＤＰＥ」，ＰＯＬＹＭＥＲ ４５（２００４）２１７－２２９およびＳ．Ｔａｂａｔａｂａｅｉらによる「Ｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓ Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ Ｏｂｔａｉｎｅｄ ｆｒｏｍ ＰＰ／ＨＤＰＥ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ Ｆｉｌｍｓ ｂｙ Ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ」，ＪＭＳ ３４５（２００９）１４８－１５９に、結晶相の構造がフィルムの機械的特性に強く影響を及ぼすと記載されている。断裂抵抗は、リチウムイオン電池で使用される微多孔膜にとって重要な機械的特性であり得る。微多孔膜は、電池の厳しい捲回および／または製造ステップ中に裂けに抵抗するために十分な機械的強度を必要とし得、かかる膜は、電池の寿命にわたって繰り返される充電と放電のサイクル中に生じる膨張および収縮力に耐える必要があり得る。
微多孔膜の断裂抵抗は、多くの場合、用語「裂度（ｓｐｌｉｔｔｉｎｅｓｓ）」を使用して説明され、裂度は、ＭＤまたはＴＤにおいて測定できる。膜の機械的強度を測定するための標準的な試験方法は、突刺強度試験として知られている。図１は、適切な位置にしっかりと固定された膜サンプルと、試験サンプルを貫通するように配置された検査用針で突刺強度試験を実施している膜サンプルの写真である。突刺強度試験は、圧縮伸長（ｍｍ単位）が負荷の関数として（重量グラム単位）示される「破壊時の負荷（ｌｏａｄ ａｔ ｂｒｅａｋ）」を測定する。
突刺強度試験データは、様々な多孔質膜の機械的強度性能の比較を可能にする。加えて、この試験方法は、力を印加した際の断裂または裂けに対する膜の抵抗を測定するために使用できる。膜試験サンプルが突刺強度を試験される場合、検査用針は試験サンプルを貫通して、貫通位置に印または孔が残る。本発明の膜につながる調査では、穿刺孔の形状は、膜の裂度に対する抵抗を評価するために使用できる手段を提供することが判明している。裂けに対して優れた抵抗を示す膜サンプルは、図２Ａに示すような円形の穿刺孔を有することが明らかになっており、他方、裂けやすい膜は、図２Ｂおよび図２Ｃに示す孔のような細長い裂けた孔を形成する傾向がある。
突刺強度試験中に裂ける電池用セパレータ膜は、リチウムイオン二次電池の製造時における厳しい電池の捲回ステップ中、および／またはかかる電池の使用中に、裂けるか、または破れる傾向があり得る。膜を裂くのに必要な力は、相当であり得る。容易に裂ける電池用セパレータ膜は、電池の電極および／またはセパレータを貫通する電極粒子の間の直接的または間接的な接触に起因した、起こり得る電池故障となり得、内部短絡を引き起こす。さらに、突刺強度試験中に裂けることが観察される電池用セパレータ膜は、おそらく、電池が機械的に故障して、陽極と陰極が接触可能になり、電池で内部短絡を引き起こし得る。
裂け挙動は、リチウムイオン電池内で電池用セパレータとして使用される一連の膜に対して測定されている。結果として生じるデータは、複合裂度指標（ＣＳＩ）として知られる発明の試験方法の適用により、ある電池内の微多孔膜セパレータまたはベースフィルムなどの、セパレータの裂度モードまたは潜在的な「裂け破壊」を判断するために使用されている。
少なくともある実施形態、態様、または目的によれば、新規または改善された微多孔質電池用セパレータが、リチウムイオン二次電池などの、リチウム電池での使用のために開発されてきた。本発明のセパレータ膜は、好ましくは、（後で抽出する必要がある可塑剤を必要とすることなく）押し出し成形される際に、高レベルの結晶ラメラ配向を有する内部微細構造をもつ前駆体膜を作り出す、高分子量で低溶融流動指標のポリマー樹脂または高分子量で低溶融流動指標のポリマー樹脂のブレンドを好ましくは使用して製造された乾式単層または多層の微多孔質電池用セパレータまたは膜である。この高レベルの結晶ラメラ配向は、本発明のセパレータまたは膜の優れた強度性能をもたらし得る。家電業界向け電池の製造業者は、様々なリチウムイオン二次電池、特にエネルギー電池またはセルのエネルギー密度および寿命を最適化するために、約１４μｍ未満の厚さの薄い微多孔質電池用セパレータまたは膜を好み得る。本発明の電池用セパレータまたは膜は好ましくは、約１４μｍ未満の厚さで、例えば、従来型の乾式延伸法で作製された同じ厚さの他のセパレータと比較すると、穿刺の結果として低減した裂度または断裂によって明確にされるような、改善された靭性および優れた強度性能を備えた、「薄い」膜電池用セパレータ、ベースフィルムまたは膜である。かかる微多孔膜および／または電池用セパレータは、高エネルギー電池が使用される様々な用途で特に有用であり得る。
前駆体膜における結晶ラメラ構造の量は、微細孔の形成に影響し得る。図３は、ＭＤまたはＴＤ延伸されていないエッチングされた非多孔質ポリプロピレン膜の積層ラメラ構造の表面ＳＥＭを示す。エッチング工程は、非結晶質部分を除去するために実行されて、結晶ラメラ構造のより良い可視化を可能にする。一般に知られている膜での孔形成のモードは、当技術分野で周知であり、Ｘ．Ｍ．Ｚｈａｎｇらによる「Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｂｌｏｗｎ Ｆｉｌｍｓ ＨＤＰＥ，ＬＬＤＰＥ ａｎｄ ＬＤＰＥ」，ＰＯＬＹＭＥＲ ４５（２００４）２１７－２２９およびＳ．Ｔａｂａｔａｂａｅｉらによる「Ｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓ Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ Ｏｂｔａｉｎｅｄ ｆｒｏｍ ＰＰ／ＨＤＰＥ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ Ｆｉｌｍｓ ｂｙ Ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ」，ＪＭＳ ３４５（２００９）１４８－１５９で発表されている。図４は、非多孔質膜の印加された応力に対する応答を示している典型的な応力／歪みプロットであり、応力の初期印加での積層結晶ラメラ板の引離しが示されている。ラメラ板のこの初期の分離に続いて、ポリマー鎖がラメラからさらに引き離されてフィブリルを形成する。孔の壁を形成するための、ポリマーフィブリルのさらなる伸長が図４に示されている。
図５および図６は、それぞれ、従来技術のポリプロピレン（ＰＰ）微多孔膜ＣＥ６およびＣＥ５の表面のマイクロスケール外観を示しているＳＥＭ画像であり、結晶ラメラおよびフィブリル構造が見えている。ＣＥ６およびＣＥ５膜の結晶ラメラ領域の比較で、ＣＥ６の方が厚い結晶ラメラ領域を有することが示されている。加えて、ＣＥ６の孔径は、ＣＥ５における孔径のおよそ２倍である。ＣＥ６およびＣＥ５膜は、異なる溶融流動指標をもつ（表１を参照）異なる分子量のポリプロピレン樹脂を使用して製造されており、溶融流動指標は、前駆体膜の溶融押出中に形成する結晶ラメラの量に影響を与え得る。
前駆体膜でのラメラ構造における結晶化度の量は、乾式延伸微多孔膜の内部多孔性微細構造の形成における要因であり得る。結晶相の構造はフィルムの機械的特性に影響を及ぼし得ると述べられている（Ｘ．Ｍ．Ｚｈａｎｇらによる「Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｂｌｏｗｎ Ｆｉｌｍｓ ＨＤＰＥ，ＬＬＤＰＥ ａｎｄ ＬＤＰＥ」，ＰＯＬＹＭＥＲ ４５（２００４）２１７－２２９）。
少なくとも選択された実施形態の本発明のセパレータ膜は、乾式法または乾式延伸法（ＣＥＬＧＡＲＤ（登録商標）乾式法としても知られる）によって準備でき、本発明の膜は、単層または多層であり得る。多層膜またはセパレータの場合、工程は：ＰＰおよび／またはポリエチレン（ＰＥ）非多孔性前駆体を押し出し成形すること、非多孔性前駆体を、例えば、ＰＰ／ＰＥ／ＰＰ積層構成に一緒に結合して、結合された非多孔性ＰＰ／ＰＥ／ＰＰ前駆体を形成すること、およびかかる前駆体を延伸して微多孔多層膜を形成することを含み得、ここで、孔形成は、非多孔性、半結晶の押出ポリマー前駆体の縦方向での延伸から生じる。追加の（例えば、ＴＤでの）延伸も起こり得る。
リチウムイオン電池で使用される微多孔膜に対して重要な機械的特性は断裂抵抗である。微多孔膜は、電池の捲回中に裂けたり破れたりせず、また電池の寿命にわたって繰り返される充電と放電のサイクル中に生じる膨張および収縮力に耐えることができるように、十分な断裂抵抗を持つべきである。
微多孔膜の断裂抵抗は、多くの場合、用語「裂度」を使用して説明され、裂度は、ＭＤまたはＴＤにおいて測定できる。膜の機械的強度を測定するための標準的な試験方法は、突刺強度試験として知られている。図１は、試験サンプルを貫通するように配置された検査用針と共にセットアップされた突刺強度検査機器内の適切な位置にしっかりと固定された膜サンプルの写真を示す。突刺強度試験は、負荷（応力）を印加して、ミリメートル単位での圧縮伸長（変位）を測定する。図８は、「破壊時の負荷」が、サンプルに孔が開いた時点における最大負荷として判断される、突刺強度プロットの例を示す。このプロット例では、試験サンプル上の１５の位置で穿刺試験が実施されたが、通常３０の位置で試験されて、破壊時の最大負荷が平均として定義される。この例では、試験膜サンプルが下方に約６ｍｍ変位した時点でそのサンプルに孔が開いた時、印加された負荷は、約３５０グラム重量まで増加した。印加された負荷と結果として生じた試験用膜の変位との間で認められた直線関係は、「単」峰性プロットを生じた。
突刺強度試験データは、様々な多孔質膜の強度性能の比較を可能にする。図９は、本発明の多層膜セパレータまたは膜の例であり、検査用針で最初に膜の１つの層に孔を開け、下方負荷を印加し続けて、さらに試験サンプルに完全に孔を開けて、二峰性プロットを生じる。最初の穿刺は、「第１の負荷頂点」として定義され、他方、第２の穿刺は、「第２の負荷頂点」として定義される。
破るための負荷の測定に加えて、この試験方法は、力を印加して、断裂または裂けに対する膜の抵抗を査定するために使用できる。突刺強度試験中、針は試験サンプルを貫通して、貫通位置に印または孔が残る。孔を測定するために必要な負荷だけでなく、穿刺孔の形状も、断裂もしくは裂けに対する比較抵抗を測定するか、または膜の裂度を測定するために使用できる手段を提供する。孔の長さ（または穿刺孔の形状が円形の場合は直径）は、市販の微多孔膜、および本発明に従った様々な膜について、定規を使用して最も近いミリメートルで測定された。裂けに対して優れた抵抗を示す膜サンプルは、図２Ａに示すような円形の孔を有することが分かっている。それに対して、図２Ｂは、突刺強度試験の結果、１つの試験で直線状に３．５ｃｍの長さに裂け、繰返し試験で９ｍｍ裂けた膜を示す。このように機械的に裂けて破損する膜は、電池の製造時における厳しい電池の捲回ステップ中に裂け、かつ／または、電池の使用中に陽極と陰極電極が接触するのを防ぐことができない可能性が高く、少なくともある電池または用途において内部短絡が生じる。
多孔質膜の機械的強度も縦方向（ＭＤ）および横方向（ＴＤ）における引張り強度を測定することにより一般に評価される。縦方向は、シート製造時における長手方向として定義され、他方、横方向は、シート製造時における幅方向として定義される。加えて、膜が、その元のサイズから破損する時点まで延伸する距離は、伸長率として定義されて、膜が、破損することなく被る歪みの量を査定する際に重要であり得る。伸長率は、ＭＤおよびＴＤにおいて測定できる。
機械的強度試験データは、裂度モードまたは「裂け破壊」傾向を調査するために使用されてきた。複合裂度指標（ＣＳＩ）として知られる発明の試験方法は、ＣＳＩ値が式１（以下に記述）によって定義される場合に開発されてきており、式１では、ＣＳＩは、突刺強度試験中に測定された、第１の負荷頂点、第２の負荷頂点、ＴＤ引張り強度、ＭＤ引張り強度、およびＴＤ伸長の関数である。
ＣＳＩ＝（Ａ－｜Ｂ－Ａ｜１．８）×Ｃ×（Ｄ×Ｅ）／１０６ 式１
式中：
Ａ＝第１の負荷頂点／厚さ×（１－多孔度率）
Ｂ＝第２の負荷頂点／厚さ
Ｃ＝ＴＤ伸長
Ｄ＝ＭＤ引張り強度
Ｅ＝ＴＤ引張り強度
ここで、第１および第２の負荷頂点は重量グラム単位、厚さ値はミクロン単位、ＭＤおよびＴＤ引張り強度は重量グラム単位であり、ＴＤ伸長は百分率で表される。高ＣＳＩ値により、製造工程における電池の捲回ステップ中、および電池の寿命にわたって繰り返される充電と放電のサイクル中に生じ得る膜の膨張と収縮中の両方で、リチウムイオン電池において優れた強度性能を有し得る微多孔膜が予測される。
ＣＳＩ＝（Ａ－｜Ｂ－Ａ｜１．８）×Ｃ×（Ｄ×Ｅ）／１０６ 式１
式中：
Ａ＝第１の負荷頂点／厚さ×（１－多孔度率）
Ｂ＝第２の負荷頂点／厚さ
Ｃ＝ＴＤ伸長
Ｄ＝ＭＤ引張り強度
Ｅ＝ＴＤ引張り強度
ここで、第１および第２の負荷頂点は重量グラム単位、厚さ値はミクロン単位、ＭＤおよびＴＤ引張り強度は重量グラム単位であり、ＴＤ伸長は百分率で表される。高ＣＳＩ値により、製造工程における電池の捲回ステップ中、および電池の寿命にわたって繰り返される充電と放電のサイクル中に生じ得る膜の膨張と収縮中の両方で、リチウムイオン電池において優れた強度性能を有し得る微多孔膜が予測される。
例
本発明に従って、様々な微多孔膜またはセパレータが作製された。特に、例１～例５は、単層ＰＰ膜または３層（ＰＰ／ＰＥ／ＰＰ）膜のいずれかとして製造され、様々な低ＭＦＩ（溶融流動指標）ポリプロピレン樹脂を使用して作製された。例のいくつかは（表２に示すように）わずかに異なる（低い）ＭＦＩ値を有するポリプロピレン樹脂のブレンドを含んでいた。
本発明に従って、様々な微多孔膜またはセパレータが作製された。特に、例１～例５は、単層ＰＰ膜または３層（ＰＰ／ＰＥ／ＰＰ）膜のいずれかとして製造され、様々な低ＭＦＩ（溶融流動指標）ポリプロピレン樹脂を使用して作製された。例のいくつかは（表２に示すように）わずかに異なる（低い）ＭＦＩ値を有するポリプロピレン樹脂のブレンドを含んでいた。
表２は、発明の膜例１～例５の樹脂および膜特性をリストする。加えて、比較例ＣＥ１～ＣＥ６が、本発明の膜と従来型の膜との比較を可能にするために提供される。
Ａ＝第１の負荷頂点／厚さ×（１－多孔度率）
Ｂ＝第２の負荷頂点／厚さ
Ｃ＝ＴＤ伸長
Ｄ＝ＭＤ引張り強度
Ｅ＝ＴＤ引張り強度
Ｂ＝第２の負荷頂点／厚さ
Ｃ＝ＴＤ伸長
Ｄ＝ＭＤ引張り強度
Ｅ＝ＴＤ引張り強度
例１～例３は、単層ＰＰ微多孔膜であり、他方、例４および例５は、３層ＰＰ／ＰＥ／ＰＰ微多孔膜の例である。本発明の膜は、約１３．５μｍ以下の厚さを有し、他方、比較膜は約１６μｍ～約２５μｍまでのもっと高い厚さ値を有し、ＣＥ４～ＣＥ６は例１～例３よりも３倍以上厚い。本発明の電池用セパレータ例の例１、例２および例３は、多孔度率の比較レベルにおいて、比較の従来技術例よりも４６％以上薄く、ＣＳＩ数によって明確にされる機械的強度において著しい増加を示す。ＣＳＩ数は、式１を使用して計算され、厚さ、多孔度率、突刺強度、ＴＤ伸長、ならびにＭＤおよびＴＤ引張り強度の関数である。
本発明の単層膜の例１～例３は、各々が約７μｍの厚さで、極めて薄い電池用セパレータまたは膜である。例えば、発明のＰＰ単層膜の例２は、７μｍの厚さで１３８のＣＳＩ値を有する。１６μｍの厚さ（例１～例３の厚さの２倍以上）の比較ＰＰ単層例ＣＥ１は、わずか１６のずっと低いＣＳＩ値を有する。さらに、発明の３層膜の例５は、１３．５μｍの厚さで１４１のＣＳＩ値を有する。３層の例５での外側のＰＰ層は、０．３ｇ／１０分のＭＦＩ値をもつＰＰ樹脂を使用して製造されて、低ＭＦＩ、高分子量、ＰＰ樹脂が多孔質セパレータ膜のＣＳＩ値に寄与できる利点を示している。厚さ１６．７μｍの比較従来技術の３層ＣＥ２は、－１００のずっと低いＣＳＩ値を有しており、このセパレータは、本発明のセパレータと比較すると、ある電池に対して、製造工程における電池の捲回ステップ中、および電池の寿命にわたって繰り返される充電と放電のサイクル中に生じ得る膜の膨張と収縮中に、低い強度性能しか有しない可能性があることが予測される。低ＣＳＩ値を有する膜は、ある電池に対して、裂けて、陽極と陰極電極が接触するのを機械的に防ぐことができない可能性があり、電池で内部短絡が生じ得る。
本発明の膜は、１つ以上の低溶融流動指標（ＭＦＩ）、より高いせん断粘度、高分子量のポリプロピレン重合体樹脂を使用して製造されるので、より高いレベルの結晶ラメラを有し得る。図７は、比較例と比べた、発明に関する例のせん断粘度を示す。例１～例５の膜は、ＣＥ１、ＣＥ３、ＣＥ４、ＣＥ５，およびＣＥ６と比較すると、より高いせん断粘度曲線を有する。より高いせん断粘度値は、発明に関する例の製造に使用された、より低いＭＦＩ、より高い分子量ＰＰ樹脂の直接の結果である。
図１０に示す本発明の膜の例５に対する、図５に示すＣＥ６の膜のＳＥＭでの比較により、本発明の膜の例５では、ＣＥ６と比較して、結晶ラメラ層のより広く認められる、均一の厚さ領域、およびこれらの結晶ラメラ領域のより高い均一性が示されている。本発明の膜では孔径がより小さいことにも留意されたい。図１１は、別の比較例ＣＥ１の表面のＳＥＭであり、図１０の本発明の膜と比べて、少ない量の結晶ラメラおよび大きな孔を示している。本発明の膜における高レベルの結晶ラメラ配向は、本発明の多孔質膜および／またはセパレータの改善された強度性能に影響を及ぼし得る。加えて、非多孔性前駆体膜の高度な結晶ラメラ構造の均一性は、本発明の多孔質膜および／またはセパレータの改善された強度性能に影響を及ぼし得る。さらに、非多孔性前駆体膜の高レベルの結晶ラメラ配向および高度な結晶ラメラ構造の均一性の両方は、延伸ステップ中に微細孔の形成に影響し得る。より高度で、より均一な結晶ラメラ前駆体膜が延伸されて孔を作り出す場合、結果として生じる微多孔膜は、裂度挙動における低減およびより高いＣＳＩ値を示す。
裂度モードの調査中、突刺強度試験で、本発明の膜は、比較膜とは異なる形状の穿刺孔を有することが示される。本発明の膜は円形状の穿刺孔を有するが、他方、比較従来技術の膜は、裂けて、細長い穴および／またはスリット形状の穴を有する傾向があり得る。突刺強度試験中の穿刺場所での穴の形状は、裂け破壊モードを理解する上での手掛かりとなる。図１２は、突刺強度試験後の例５の穿刺場所での円形状の穴を示す。図１３、図１４、および図１５に示す、本発明の膜の例１、例２、および例３も、突刺強度試験後に穿刺場所で円形状の穴を有する。それに対して、図１６、図１７、および図１８に示す、比較例ＣＥ４、ＣＥ２、およびＣＥ１は、それぞれ、細長い穴および／またはスリット形状の穴を有しており、ある電池に対して、電池の厳しい捲回製造ステップ中、および／または使用中に、おそらく裂け得る、機械的により弱い膜であることを示す。加えて、この突刺強度試験中に裂ける傾向を示す膜は、ある電池に対して、リチウムイオン電池の寿命にわたって繰り返される充電と放電のサイクル中に生じる膨張および収縮力に耐えることができないであろう。裂度または断裂抵抗は、リチウムイオン二次電池、特に、高エネルギー電池またはセル内の微多孔膜に対する機械的性能において重要な要件であり得る。
図１９は、式１を使用して計算されて、突刺強度試験サンプルから測定された穴のスリット長（ミリメートル単位）に対してプロットされた、複合裂度指標（ＣＳＩ）のプロットである。本発明の膜の例１、例２、例３、例４、および例５は、比較例ＣＥ２よりも高いＣＳＩ値および小さい穿刺孔径（裂度）を有しており、それは、本発明の膜の優れた機械的強度性能を示し、より高分子量で低溶融流動指標のＰＰ樹脂の選択によって、リチウムイオン電池用の微多孔膜の機械的特性を調整する新規の経路が提供されることを示している。
試験方法
厚さ
厚さは、試験手順ＡＳＴＭ Ｄ３７４に従い、Ｅｍｖｅｃｏ Ｍｉｃｒｏｇａｇｅ ２１０－Ａ精密マイクロメーター厚さ測定器を使用して測定する。厚さ値は、マイクロメートルの単位、μｍで報告される。
厚さ
厚さは、試験手順ＡＳＴＭ Ｄ３７４に従い、Ｅｍｖｅｃｏ Ｍｉｃｒｏｇａｇｅ ２１０－Ａ精密マイクロメーター厚さ測定器を使用して測定する。厚さ値は、マイクロメートルの単位、μｍで報告される。
突刺強度
試験サンプルを、まず、最低２０分間、７３．４℃および相対湿度５０％の前提条件にする。Ｉｎｓｔｒｏｎ Ｍｏｄｅｌ ４４４２を使用して、試験サンプルの突刺強度を測定する。１ １／４″×４０″の連続サンプル試料の対角方向にわたって３０回測定して、平均値を求める。針の半径は０．５ｍｍである。降下率は、２５ｍｍ／分である。Ｏリングを利用して試験サンプルを所定の位置にしっかりと保持する締め付け装置にフィルムをしっかりと取り付ける。この固定された領域の直径は２５ｍｍである。針で穴を開けたフィルムの変位（ｍｍ単位）を、試験されたフィルムによって生じた抵抗力（重量グラム単位）に対して記録する。最大抵抗力が、重量グラム（ｇｆ）単位での突刺強度である。負荷対変位プロットがこの試験方法で作成される。
試験サンプルを、まず、最低２０分間、７３．４℃および相対湿度５０％の前提条件にする。Ｉｎｓｔｒｏｎ Ｍｏｄｅｌ ４４４２を使用して、試験サンプルの突刺強度を測定する。１ １／４″×４０″の連続サンプル試料の対角方向にわたって３０回測定して、平均値を求める。針の半径は０．５ｍｍである。降下率は、２５ｍｍ／分である。Ｏリングを利用して試験サンプルを所定の位置にしっかりと保持する締め付け装置にフィルムをしっかりと取り付ける。この固定された領域の直径は２５ｍｍである。針で穴を開けたフィルムの変位（ｍｍ単位）を、試験されたフィルムによって生じた抵抗力（重量グラム単位）に対して記録する。最大抵抗力が、重量グラム（ｇｆ）単位での突刺強度である。負荷対変位プロットがこの試験方法で作成される。
裂度
試験サンプルの裂度は、（最も近いｍｍ単位で印が付けられた）定規を使用して測定して、突刺強度試験中に、試験サンプルに針を突き刺したか、または貫通させた結果として生じた穴（またはスリット）の長さを測定する。裂度は、ミリメートル（ｍｍ）で表されて、上の表２に「穴サイズ」として示されている。
試験サンプルの裂度は、（最も近いｍｍ単位で印が付けられた）定規を使用して測定して、突刺強度試験中に、試験サンプルに針を突き刺したか、または貫通させた結果として生じた穴（またはスリット）の長さを測定する。裂度は、ミリメートル（ｍｍ）で表されて、上の表２に「穴サイズ」として示されている。
孔径
孔径は、Ｐｏｒｏｕｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ（ＰＭＩ）から入手可能なＡｑｕａｐｏｒｅを使用して、測定する。孔径はμｍで表される。
孔径は、Ｐｏｒｏｕｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ（ＰＭＩ）から入手可能なＡｑｕａｐｏｒｅを使用して、測定する。孔径はμｍで表される。
多孔度
微多孔フィルムサンプルの多孔度は、ＡＳＴＭ法Ｄ－２８７３を使用して測定し、微多孔膜における空隙率（ｐｅｒｃｅｎｔ ｖｏｉｄ ｓｐａｃｅｓ）として定義される。
微多孔フィルムサンプルの多孔度は、ＡＳＴＭ法Ｄ－２８７３を使用して測定し、微多孔膜における空隙率（ｐｅｒｃｅｎｔ ｖｏｉｄ ｓｐａｃｅｓ）として定義される。
ＴＤおよびＭＤ引張り強度
ＭＤおよびＴＤに沿った引張り強度は、ＡＳＴＭ Ｄ－８８２法に従い、Ｉｎｓｔｒｏｎ Ｍｏｄｅｌ ４２０１を使用して測定する。
ＭＤおよびＴＤに沿った引張り強度は、ＡＳＴＭ Ｄ－８８２法に従い、Ｉｎｓｔｒｏｎ Ｍｏｄｅｌ ４２０１を使用して測定する。
溶融流動指標（ＭＦＩ）
ポリマー樹脂の溶融流動指標は、ＡＳＴＭ ＤＳ １２３８を使用して測定する；ポリエチレンのＭＦＩを測定するには：温度＝１９０℃で重さ２．１６Ｋｇを使用；ポリプロピレンについては：温度＝２３０℃で重さ２．１６Ｋｇを使用。ＭＦＩはグラム／１０分として測定する。
ポリマー樹脂の溶融流動指標は、ＡＳＴＭ ＤＳ １２３８を使用して測定する；ポリエチレンのＭＦＩを測定するには：温度＝１９０℃で重さ２．１６Ｋｇを使用；ポリプロピレンについては：温度＝２３０℃で重さ２．１６Ｋｇを使用。ＭＦＩはグラム／１０分として測定する。
電気抵抗（ＥＲ）（イオン抵抗ＩＲとしても知られる）
電気抵抗は、電解液で満たされたセパレータのオーム－ｃｍ２での抵抗値として定義される。電気抵抗の単位はオーム－ｃｍ２である。セパレータ抵抗は、製品原材料からセパレータの小片を切り出し、次いでそれらを２つのブロッキング電極の間に置くことによって特徴付けられる。セパレータを容積で３：７比のＥＣ／ＥＭＣ溶媒中に１．０ＭのＬｉＰＦ6塩を用いた電池の電解液を用いて飽和させる。セパレータの抵抗値Ｒ（オーム（Ω）単位）を、４プローブＡＣインピーダンス法により測定する。電極／セパレータ界面での測定誤差を抑制するために、さらに多くの層を加えることによる多重測定を必要とする。次いで、多重層測定に基づき、電解液を用いて飽和されたセパレータの電気（イオン）抵抗Ｒs（Ω）を、式Ｒs＝ρsｌ／Ａにより計算し、式中、ρsはセパレータのイオン抵抗率（Ω－ｃｍ単位）であり、Ａは電極面積（ｃｍ2単位）、ｌはセパレータの厚さ（ｃｍ単位）である。ρs／Ａの比率は、多重層（Δδ）に対するセパレータ抵抗値（ΔＲ）の変化率について計算した勾配であって、勾配＝ρs／Ａ＝ΔＲ／Δδで与えられる。
電気抵抗は、電解液で満たされたセパレータのオーム－ｃｍ２での抵抗値として定義される。電気抵抗の単位はオーム－ｃｍ２である。セパレータ抵抗は、製品原材料からセパレータの小片を切り出し、次いでそれらを２つのブロッキング電極の間に置くことによって特徴付けられる。セパレータを容積で３：７比のＥＣ／ＥＭＣ溶媒中に１．０ＭのＬｉＰＦ6塩を用いた電池の電解液を用いて飽和させる。セパレータの抵抗値Ｒ（オーム（Ω）単位）を、４プローブＡＣインピーダンス法により測定する。電極／セパレータ界面での測定誤差を抑制するために、さらに多くの層を加えることによる多重測定を必要とする。次いで、多重層測定に基づき、電解液を用いて飽和されたセパレータの電気（イオン）抵抗Ｒs（Ω）を、式Ｒs＝ρsｌ／Ａにより計算し、式中、ρsはセパレータのイオン抵抗率（Ω－ｃｍ単位）であり、Ａは電極面積（ｃｍ2単位）、ｌはセパレータの厚さ（ｃｍ単位）である。ρs／Ａの比率は、多重層（Δδ）に対するセパレータ抵抗値（ΔＲ）の変化率について計算した勾配であって、勾配＝ρs／Ａ＝ΔＲ／Δδで与えられる。
ガーレー
ガーレーは、日本工業規格（ＪＩＳ）によって定義され、ＯＨＫＥＮ透過性試験装置を使用して測定する。ＪＩＳガーレーは、１００ｃｃの空気を、４．９インチの一定水圧下で、１平方インチのフィルムを通過させるのに必要な時間（秒単位）として定義される。
ガーレーは、日本工業規格（ＪＩＳ）によって定義され、ＯＨＫＥＮ透過性試験装置を使用して測定する。ＪＩＳガーレーは、１００ｃｃの空気を、４．９インチの一定水圧下で、１平方インチのフィルムを通過させるのに必要な時間（秒単位）として定義される。
少なくとも選択された実施形態、態様または目的によれば、１つ以上の新規もしくは改善された多孔質膜、ベースフィルムもしくは電池用セパレータならびに／またはかかる膜、フィルムもしくはセパレータを作製および／もしくは使用する様々な方法が提供される。少なくともある実施形態、態様または目的によれば、本発明は、リチウムイオン二次電池などのリチウム電池用の１つ以上の新規もしくは改善された微多孔膜電池用セパレータ、ならびにかかるセパレータを作製もしくは使用する様々な方法に関する。本明細書で説明する電池用セパレータは、約１４μｍ未満の厚さを示し得、既知の電池用セパレータと比較すると、低減した裂度によって明確にされるような、増大した強度性能を示し得る。裂け破壊モードが調査されていて、裂度における改善は、本明細書で開示する試験方法により複合裂度指標（ＣＳＩ）として定量化され得る。本明細書で説明する新規または改善されたセパレータは、改善されたガーレーおよび他の改善も示し得る。
本発明は、少なくとも選択された実施形態では、リチウムイオン二次電池用の新規もしくは改善された微多孔質電池用セパレータ、ならびに／またはかかるセパレータを作製および／もしくは使用する関連方法に関する。特定の発明の乾式電池用セパレータまたは膜セパレータは、約１４μｍ未満の厚さを示し、低減した裂度によって明確にされるような、増大した強度性能を有する。裂け破壊モードが調査されていて、裂度における改善は、複合裂度指標（ＣＳＩ）として知られている新規の試験方法によって定量化された。
好ましい実施形態は、電池製造業者の必要性を満足するように設計された発明の堅牢なＣｅｌｇａｒｄ（登録商標）ブランドの電池用セパレータを含み、リチウム電池用途における優れたエネルギーおよび／または電力性能、寸法完全性、ならびに化学および熱的安定性を提供する。
本発明は、１つ以上の新規もしくは改善された多孔質膜、ベースフィルムもしくは電池用セパレータならびに／またはかかる膜、フィルムもしくはセパレータを作製および／もしくは使用する様々な方法に関し得る。少なくとも選択された実施形態、態様または目的によれば、本出願または発明は、二次もしくは再充電リチウム電池、リチウムイオン二次電池、もしくは同様のものなどの、リチウム電池用の１つ以上の新規もしくは改善された微多孔膜電池用セパレータ、膜ベースフィルムもしくは膜セパレータ、ならびに／またはかかるセパレータおよび／もしくは電池を作製もしくは使用する様々な方法に関する。本明細書で説明する、ある特定の発明の電池用セパレータは、約１４μｍ未満の厚さを示し得、既知の電池用セパレータと比較すると、低減した裂け傾向または裂度によって明確にされるような、増大した強度性能を示し得る。裂け破壊モードが調査されていて、裂け傾向または裂度における改善は、本明細書で開示する新規の試験方法により複合裂度指標（ＣＳＩ）として定量化され得る。本明細書で説明する新規または改善された膜、フィルム、またはセパレータは、改善されたガーレーおよび他の改善も示し得る。
本発明は、少なくとも選択された実施形態では、リチウムイオン二次電池用の新規もしくは改善された微多孔質電池用セパレータ、ならびに／またはかかるセパレータを作製および／もしくは使用する関連方法に関する。特定の発明の乾式電池用セパレータまたは膜セパレータは、約１４μｍ未満の厚さを示し、低減した裂度によって明確にされるような、増大した強度性能を有する。裂け破壊モードが調査されていて、裂度における改善は、複合裂度指標（ＣＳＩ）として知られている新規の試験方法によって定量化された。
少なくとも選択された実施形態は、改善されたベースフィルムもしくは電池用セパレータならびに／または、かかる膜、フィルムもしくはセパレータの作製および／または使用方法、少なくともある電池技術もしくは用途、エネルギー用途、および／または同様のものなどに対して、様々な湿式製造方法に伴う、考えられる望ましくない問題なしで、湿式電池用セパレータもしくは膜セパレータに近づくか、もしくは超える、約１４μｍ未満の厚さ、比較的低いガーレー数、比較的高い多孔度、および強度性能特性を備えた、乾式微多孔質電池用セパレータもしくは膜セパレータに関し得る。
本発明は、その精神および本質的な特質から逸脱することなく、他の形式で具現化され得、それに応じて、前述の明細書ではなく、添付の特許請求の範囲が、本発明の範囲を示しているとして、参照されるべきである。追加として、本明細書で開示する本発明は、本明細書では具体的には開示していない、任意の要素がなくても、適切に実施され得る。
本発明は、下記の態様も包含する。
（１）
少なくとも２９のＣＳＩを有する、リチウム電池用の改善されたセパレータ、膜またはベースフィルム。
（２）
前記セパレータは、単層のセパレータ、膜またはベースフィルムである、（１）に記載のセパレータ。
（３）
前記セパレータは、多層のセパレータ、膜またはベースフィルムである、（１）に記載のセパレータ。
（４）
前記セパレータは、３層のセパレータ、膜またはベースフィルムである、（１）に記載のセパレータ。
（５）
前記セパレータは、乾式延伸法で作製される、（１）に記載のセパレータ。
（６）
前記セパレータは、積層工程で作製される、（１）に記載のセパレータ。
（７）
前記セパレータは、少なくとも１３０ｇｆの突刺強度（ＰＳ）の第１の負荷頂点を有する、（１）に記載のセパレータ。
（８）
前記セパレータは、少なくとも１３０ｇｆの突刺強度（ＰＳ）の第１の負荷頂点を有し、かつ少なくとも７μｍの厚さを有する、（１）に記載のセパレータ。
（９）
前記セパレータは、少なくとも２５％の多孔度を有する、（１）に記載のセパレータ。
（１０）
前記セパレータは、少なくとも２７％の多孔度を有する、（１）に記載のセパレータ。
（１１）
前記セパレータは、少なくとも３１％の多孔度を有する、（１）に記載のセパレータ。
（１２）
前記セパレータは、約３０％～５０％の範囲内の多孔度を有する、（１）に記載のセパレータ。
（１３）
前記セパレータは、約３１％～４０％の範囲内の多孔度を有する、（１）に記載のセパレータ。
（１４）
前記セパレータは、家庭用電化製品で使用されるような、エネルギー電池に特に良く適している、（１）に記載のセパレータ。
（１５）
前記セパレータは、１．５オーム－ｃｍ２以下のＥＲを有し、少なくとも２５％の多孔度を有し、かつ高エネルギーセルまたは電池に適している、（１）に記載のセパレータ。
（１６）
前記セパレータは、少なくとも１５０ｋｇｆ／ｃｍ２のＴＤ引張り強度を有する、（１）に記載のセパレータ。
（１７）
前記セパレータは、３０より高いＣＳＩを有する、（１）に記載のセパレータ。
（１８）
前記セパレータは、少なくとも５０のＣＳＩを有する、（１）に記載のセパレータ。
（１９）
前記セパレータは、少なくとも１００のＣＳＩを有する、（１）に記載のセパレータ。
（２０）
前記ＣＳＩは、複合裂度指標（ＣＳＩ）として知られている発明の試験方法に基づき、前記ＣＳＩ値は、ＣＳＩが、突刺強度試験中に測定された、前記第１の負荷頂点、前記第２の負荷頂点、ＴＤ引張り強度、ＭＤ引張り強度、およびＴＤ伸長の関数である、式１（以下に記載）によって定義され：
ＣＳＩ＝（Ａ－｜Ｂ－Ａ｜１．８）×Ｃ×（Ｄ×Ｅ）／１０６ 式１
式中：
Ａ＝第１の負荷頂点／厚さ×（１－多孔度率）
Ｂ＝第２の負荷頂点／厚さ
Ｃ＝ＴＤ伸長
Ｄ＝ＭＤ引張り強度
Ｅ＝ＴＤ引張り強度
であり、第１および第２の負荷頂点は重量グラム単位、厚さ値はミクロン単位、ＭＤおよびＴＤ引張り強度は重量グラム単位であり、ＴＤ伸長は百分率で表され、かつ、高ＣＳＩ値は、二次リチウム電池において優れた強度性能を有し得る微多孔膜を予測し得る、（１）に記載のセパレータ。
（２１）
前記セパレータは、ポリオレフィン樹脂が押し出されて前記膜を形成する乾式法に従って製造された少なくとも１つの微多孔ポリオレフィン膜を含み、前記樹脂は約０．８グラム／１０分以下の溶融流動指標（ＭＦＩ）を有する、（１）に記載のセパレータ。
（２２）
前記セパレータは、ポリオレフィン樹脂が押し出されて前記膜を形成する乾式法に従って製造された少なくとも１つの微多孔ポリオレフィン膜を含み、前記樹脂は約０．５グラム／１０分以下の溶融流動指標（ＭＦＩ）を有する、（１）に記載のセパレータ。
（２３）
ポリオレフィン樹脂、混合物またはブレンドが押し出されて前記膜を形成する乾式法に従って製造された少なくとも１つの微多孔膜であって、前記樹脂は約０．８グラム／１０分以下の溶融流動指標（ＭＦＩ）を有し、かつ
前記セパレータは、約７μｍ以上の厚さと、約３０％～約５０％の範囲内の多孔度と、約１．５オーム－ｃｍ２以下の電気抵抗（ＥＲ）とを有し、かつ
任意選択で、前記セパレータは、単層、多層、２層または３層のセパレータまたはベースフィルムであり、乾式法で作製され、積層工程で作製され、少なくとも１３０ｇｆの突刺強度（ＰＳ）を有し、かつ少なくとも約７μｍの厚さを有し、少なくとも２００ｇｆの突刺強度（ＰＳ）を有し、かつ少なくとも約７μｍの厚さを有し、少なくとも３９０ｇｆの突刺強度（ＰＳ）を有し、かつ少なくとも約１３μｍの厚さを有し、少なくとも２００ｇｆの突刺強度（ＰＳ）を有し、かつ少なくとも約７μｍの厚さを有し、少なくとも２５％の多孔度を有し、少なくとも２７％の多孔度を有し、少なくとも３１％の多孔度を有し、約３０％～５０％の範囲内で多孔度を有し、約３１％～４０％の範囲内で多孔度を有し、家庭用電化製品で使用されるような、エネルギー電池に特に良く適しており、１．５オーム－ｃｍ２以下のＥＲを有し、少なくとも２５％の多孔度を有し、かつ高エネルギーセルまたは電池に適しており、ポリオレフィン樹脂が押し出されて前記膜を形成する乾式法に従って製造された少なくとも２つの微多孔ポリオレフィン膜を含み、前記樹脂は約０．８グラム／１０分以下の溶融流動指標（ＭＦＩ）を有し、ポリオレフィン樹脂が押し出されて前記膜を形成する乾式法に従って製造された少なくとも３つの微多孔ポリオレフィン膜を含み、前記樹脂は約０．８グラム／１０分以下の溶融流動指標（ＭＦＩ）を有し、少なくとも１つのポリエチレンもしくはポリプロピレン膜を含み、少なくとも２つのポリプロピレン膜を含み、ならびに／または同じ厚さの従来技術のセパレータ、多層セパレータ、もしくは３層セパレータと比較して改善された突刺強度もしくはＴＤ引張り強度を有する、
少なくとも１つの微多孔膜を含む、改善された多層セパレータまたはベースフィルム。
（１）
少なくとも２９のＣＳＩを有する、リチウム電池用の改善されたセパレータ、膜またはベースフィルム。
（２）
前記セパレータは、単層のセパレータ、膜またはベースフィルムである、（１）に記載のセパレータ。
（３）
前記セパレータは、多層のセパレータ、膜またはベースフィルムである、（１）に記載のセパレータ。
（４）
前記セパレータは、３層のセパレータ、膜またはベースフィルムである、（１）に記載のセパレータ。
（５）
前記セパレータは、乾式延伸法で作製される、（１）に記載のセパレータ。
（６）
前記セパレータは、積層工程で作製される、（１）に記載のセパレータ。
（７）
前記セパレータは、少なくとも１３０ｇｆの突刺強度（ＰＳ）の第１の負荷頂点を有する、（１）に記載のセパレータ。
（８）
前記セパレータは、少なくとも１３０ｇｆの突刺強度（ＰＳ）の第１の負荷頂点を有し、かつ少なくとも７μｍの厚さを有する、（１）に記載のセパレータ。
（９）
前記セパレータは、少なくとも２５％の多孔度を有する、（１）に記載のセパレータ。
（１０）
前記セパレータは、少なくとも２７％の多孔度を有する、（１）に記載のセパレータ。
（１１）
前記セパレータは、少なくとも３１％の多孔度を有する、（１）に記載のセパレータ。
（１２）
前記セパレータは、約３０％～５０％の範囲内の多孔度を有する、（１）に記載のセパレータ。
（１３）
前記セパレータは、約３１％～４０％の範囲内の多孔度を有する、（１）に記載のセパレータ。
（１４）
前記セパレータは、家庭用電化製品で使用されるような、エネルギー電池に特に良く適している、（１）に記載のセパレータ。
（１５）
前記セパレータは、１．５オーム－ｃｍ２以下のＥＲを有し、少なくとも２５％の多孔度を有し、かつ高エネルギーセルまたは電池に適している、（１）に記載のセパレータ。
（１６）
前記セパレータは、少なくとも１５０ｋｇｆ／ｃｍ２のＴＤ引張り強度を有する、（１）に記載のセパレータ。
（１７）
前記セパレータは、３０より高いＣＳＩを有する、（１）に記載のセパレータ。
（１８）
前記セパレータは、少なくとも５０のＣＳＩを有する、（１）に記載のセパレータ。
（１９）
前記セパレータは、少なくとも１００のＣＳＩを有する、（１）に記載のセパレータ。
（２０）
前記ＣＳＩは、複合裂度指標（ＣＳＩ）として知られている発明の試験方法に基づき、前記ＣＳＩ値は、ＣＳＩが、突刺強度試験中に測定された、前記第１の負荷頂点、前記第２の負荷頂点、ＴＤ引張り強度、ＭＤ引張り強度、およびＴＤ伸長の関数である、式１（以下に記載）によって定義され：
ＣＳＩ＝（Ａ－｜Ｂ－Ａ｜１．８）×Ｃ×（Ｄ×Ｅ）／１０６ 式１
式中：
Ａ＝第１の負荷頂点／厚さ×（１－多孔度率）
Ｂ＝第２の負荷頂点／厚さ
Ｃ＝ＴＤ伸長
Ｄ＝ＭＤ引張り強度
Ｅ＝ＴＤ引張り強度
であり、第１および第２の負荷頂点は重量グラム単位、厚さ値はミクロン単位、ＭＤおよびＴＤ引張り強度は重量グラム単位であり、ＴＤ伸長は百分率で表され、かつ、高ＣＳＩ値は、二次リチウム電池において優れた強度性能を有し得る微多孔膜を予測し得る、（１）に記載のセパレータ。
（２１）
前記セパレータは、ポリオレフィン樹脂が押し出されて前記膜を形成する乾式法に従って製造された少なくとも１つの微多孔ポリオレフィン膜を含み、前記樹脂は約０．８グラム／１０分以下の溶融流動指標（ＭＦＩ）を有する、（１）に記載のセパレータ。
（２２）
前記セパレータは、ポリオレフィン樹脂が押し出されて前記膜を形成する乾式法に従って製造された少なくとも１つの微多孔ポリオレフィン膜を含み、前記樹脂は約０．５グラム／１０分以下の溶融流動指標（ＭＦＩ）を有する、（１）に記載のセパレータ。
（２３）
ポリオレフィン樹脂、混合物またはブレンドが押し出されて前記膜を形成する乾式法に従って製造された少なくとも１つの微多孔膜であって、前記樹脂は約０．８グラム／１０分以下の溶融流動指標（ＭＦＩ）を有し、かつ
前記セパレータは、約７μｍ以上の厚さと、約３０％～約５０％の範囲内の多孔度と、約１．５オーム－ｃｍ２以下の電気抵抗（ＥＲ）とを有し、かつ
任意選択で、前記セパレータは、単層、多層、２層または３層のセパレータまたはベースフィルムであり、乾式法で作製され、積層工程で作製され、少なくとも１３０ｇｆの突刺強度（ＰＳ）を有し、かつ少なくとも約７μｍの厚さを有し、少なくとも２００ｇｆの突刺強度（ＰＳ）を有し、かつ少なくとも約７μｍの厚さを有し、少なくとも３９０ｇｆの突刺強度（ＰＳ）を有し、かつ少なくとも約１３μｍの厚さを有し、少なくとも２００ｇｆの突刺強度（ＰＳ）を有し、かつ少なくとも約７μｍの厚さを有し、少なくとも２５％の多孔度を有し、少なくとも２７％の多孔度を有し、少なくとも３１％の多孔度を有し、約３０％～５０％の範囲内で多孔度を有し、約３１％～４０％の範囲内で多孔度を有し、家庭用電化製品で使用されるような、エネルギー電池に特に良く適しており、１．５オーム－ｃｍ２以下のＥＲを有し、少なくとも２５％の多孔度を有し、かつ高エネルギーセルまたは電池に適しており、ポリオレフィン樹脂が押し出されて前記膜を形成する乾式法に従って製造された少なくとも２つの微多孔ポリオレフィン膜を含み、前記樹脂は約０．８グラム／１０分以下の溶融流動指標（ＭＦＩ）を有し、ポリオレフィン樹脂が押し出されて前記膜を形成する乾式法に従って製造された少なくとも３つの微多孔ポリオレフィン膜を含み、前記樹脂は約０．８グラム／１０分以下の溶融流動指標（ＭＦＩ）を有し、少なくとも１つのポリエチレンもしくはポリプロピレン膜を含み、少なくとも２つのポリプロピレン膜を含み、ならびに／または同じ厚さの従来技術のセパレータ、多層セパレータ、もしくは３層セパレータと比較して改善された突刺強度もしくはＴＤ引張り強度を有する、
少なくとも１つの微多孔膜を含む、改善された多層セパレータまたはベースフィルム。
Claims (10)
- 少なくとも２９のＣＳＩ（複合裂度指標）、
３１％～４０％の多孔度、
７μｍ以上１４μｍ未満の厚さ、及び
１．５オーム－ｃｍ２以下のＥＲ（電気抵抗）
を有する、リチウム電池用の多層セパレータであって、
前記ＣＳＩは、式１（以下に記載）によって定義され：
ＣＳＩ＝（Ａ－｜Ｂ－Ａ｜１．８）×Ｃ×（Ｄ×Ｅ）／１０６ 式１
式中：
Ａ＝第１の負荷頂点／厚さ×（１－多孔度率）
Ｂ＝第２の負荷頂点／厚さ
Ｃ＝ＴＤ伸長
Ｄ＝ＭＤ引張り強度
Ｅ＝ＴＤ引張り強度
であり、第１および第２の負荷頂点は重量グラム単位、厚さ値はミクロン単位、ＭＤおよびＴＤ引張り強度は重量グラム単位であり、ＴＤ伸長は百分率で表され、
前記セパレータの少なくとも１つの層は、０．８グラム／１０分以下の溶融流動指標（ＭＦＩ）を有するポリオレフィン樹脂である、
リチウム電池用の多層セパレータ。 - 前記セパレータは、少なくとも１３０ｇｆの突刺強度（ＰＳ）の第１の負荷頂点を有する、請求項１に記載の多層セパレータ。
- 前記セパレータは、３７％～４０％の範囲内の多孔度を有する、請求項１に記載の多層セパレータ。
- 前記セパレータは、少なくとも１５０ｋｇｆ／ｃｍ２のＴＤ（横方向）引張り強度を有する、請求項１に記載の多層セパレータ。
- 前記セパレータは、３０より高いＣＳＩを有する、請求項１に記載の多層セパレータ。
- 前記セパレータは、少なくとも５０のＣＳＩを有する、請求項１に記載の多層セパレータ。
- 前記セパレータは、少なくとも１００のＣＳＩを有する、請求項１に記載の多層セパレータ。
- 前記ポリオレフィン樹脂は０．５グラム／１０分以下のＭＦＩを有する、請求項１に記載の多層セパレータ。
- 前記多層セパレータは、３層のセパレータである、請求項１に記載の多層セパレータ。
- 前記多層セパレータは、押出及び乾式延伸法により形成される、請求項１に記載の多層セパレータ。
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