JP7276691B2 - セパレータ一体型電極の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、セパレータ一体型電極の製造方法に関する。
リチウム二次電池等の二次電池は、典型的には、正極、負極、および当該正極と当該負極とを絶縁するセパレータを有する電極体を備える。セパレータには、一般的に、電解液が透過可能なように、非水溶性高分子製の多孔質体が用いられている。
セパレータには、正極と負極とを絶縁する機能以外にも、いわゆるシャットダウン機能が求められている。シャットダウン機能は、内部短絡等によって電池温度が急激に上昇した際に、セパレータの孔を閉塞して、イオン透過（言い換えると電流）を遮断する機能である。シャットダウン機能を有するセパレータとして、一般的に、一軸延伸または二軸延伸されたポリオレフィン多孔質膜が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１７－０２５２９４号公報
しかしながら、ポリオレフィン多孔質膜をセパレータに用いる場合、電極体を作製する際に、セパレータを高精度で電極と積層する操作が必要となる。そのため、この場合には電極体の作製が容易ではないという短所がある。
一方で、電極上にセパレータ層が設けられたセパレータ一体型電極が知られている。このセパレータ一体型電極は、電極体の作製が容易になるという利点を有している。しかしながら、シャットダウン機能を有するセパレータ一体型電極を簡便に製造する方法については十分な開発がなされていない。
そこで本発明の目的は、非水溶性高分子を用いてシャットダウン機能を有するセパレータ一体型電極を容易に製造可能な方法を提供することにある。
ここに開示されるセパレータ一体型電極の製造方法は、非水溶性高分子の良溶媒および前記非水溶性高分子の貧溶媒を含有する混合溶媒に、前記非水溶性高分子が溶解し、かつポリエチレン粒子が分散した塗工液を調製する工程と、前記塗工液を、電極上に塗工する工程と、前記電極上に塗工した塗工液から、前記混合溶媒を気化させて除去する工程と、を包含する。前記貧溶媒の沸点は、前記良溶媒の沸点よりも高い。前記混合溶媒を気化させて除去することによって、空孔を形成して多孔質セパレータ層を形成する。
このような構成によれば、非水溶性高分子を用いてシャットダウン機能を有するセパレータ一体型電極を容易に製造可能な方法が提供される。
比較例１で得られたセパレータ一体型電極のセパレータ層の断面ＳＥＭ写真である。 実施例３で得られたセパレータ一体型電極のセパレータ層の断面ＳＥＭ写真である。 実施例４で得られたセパレータ一体型電極のセパレータ層の断面ＳＥＭ写真である。 実施例７で得られたセパレータ一体型電極のセパレータ層の断面ＳＥＭ写真である。
本発明のセパレータ一体型電極の製造方法は、非水溶性高分子の良溶媒および当該非水溶性高分子の貧溶媒を含有する混合溶媒に、当該非水溶性高分子が溶解し、かつポリエチレン粒子が分散した塗工液を調製する工程（以下、「塗工液調製工程」ともいう）と、当該塗工液を、電極上に塗工する工程（以下、「塗工液塗工工程」ともいう）と、当該電極上に塗工した塗工液から、当該混合溶媒を気化させて除去する工程（以下、「混合溶媒除去工程」ともいう）と、を包含する。ここで、当該貧溶媒の沸点は、当該良溶媒の沸点よりも高い。混合溶媒除去工程において、当該混合溶媒を気化させて除去することによって、空孔を形成して多孔質セパレータ層を形成する。
まず、塗工液調製工程について説明する。本発明において「非水溶性高分子の良溶媒」とは、非水溶性高分子に対し、２５℃において１質量％以上の溶解性を示す溶媒のことをいう。良溶媒は、非水溶性高分子に対し、２５℃において、２．５質量％以上の溶解性を示すことが好ましく、５質量％以上の溶解性を示すことがより好ましく、７．５質量％以上の溶解性を示すことがさらに好ましく、１０質量％以上の溶解性を示すことが最も好ましい。なお、本発明に使用される良溶媒の種類は、非水溶性高分子の種類に応じて適宜選択される。良溶媒は、単独の溶媒であってもよく、２種以上の溶媒が混合された混合溶媒であってもよい。
本発明において「非水溶性高分子の貧溶媒」とは、非水溶性高分子に対し、２５℃において１質量％未満の溶解性を示す溶媒のことをいう。貧溶媒は、非水溶性高分子に対し、２５℃において、０．５質量％以下の溶解性を示すことが好ましく、０．２質量％以下の溶解性を示すことがより好ましく、０．１質量％以下の溶解性を示すことがさらに好ましく、０．０５質量％以下の溶解性を示すことが最も好ましい。本発明に使用される貧溶媒の種類は、非水溶性高分子の種類に応じて適宜選択される。貧溶媒は、単独の溶媒であってもよく、２種以上の溶媒が混合された混合溶媒であってもよい。
特定の高分子化合物に対し、特定の溶媒が良溶媒であるか貧溶媒であるかの判断には、ハンセン溶解度パラメータ（ＨＳＰ）を利用することができる。例えば、当該高分子化合物のＨＳＰの分散項、分極項、および水素結合項をそれぞれδＤ１、δＰ１、δＨ１とし、当該溶媒のＨＳＰの分散項、分極項、および水素結合項をそれぞれδＤ２、δＰ２、δＨ２とした場合に、下記式で表される高分子化合物と溶媒とのＨＳＰの距離Ｒａ（ＭＰａ１／２）の値が小さいほど、高分子化合物の溶解度が高くなる傾向にある。
Ｒａ２＝４（δＤ１－δＤ２）２＋（δＰ１－δＰ２）２＋（δＨ１－δＨ２）２
また、上記特定の高分子化合物の相互作用半径をＲ０とした場合に、Ｒａ／Ｒ０の比が１未満だと可溶、Ｒａ／Ｒ０の比が０だと部分的に可溶、およびＲａ／Ｒ０の比が１を超えると不溶であると予測される。
あるいは、サンプル瓶等の中で特定の高分子化合物と特定の溶媒とを混合する試験を行うことにより、当該溶媒が、当該高分子化合物に対して良溶媒であるか貧溶媒であるかを容易に判別することができる。
上記良溶媒と上記貧溶媒とは、混合され、均一な溶媒として使用される。したがって、上記良溶媒および上記貧溶媒は互いに相溶性を有する。本発明においては、使用される貧溶媒の沸点は、使用される良溶媒の沸点よりも高い。空孔率が比較的高く、均質な多孔質体が得られ易いことから、貧溶媒の沸点は、良溶媒の沸点よりも１０℃以上高いことが好ましく、９０℃以上高いことがより好ましい。貧溶媒の沸点は、乾燥速度の観点から、３００℃未満であることが好ましい。
本発明において「非水溶性高分子」とは、２５℃における水に対する溶解度が１質量％未満である高分子のことをいう。非水溶性高分子の２５℃における水に対する溶解度は、０．５質量％以下が好ましく、０．２質量％以下がより好ましく、０．１質量％以下がさらに好ましい。
塗工液調製工程で用いられる「非水溶性高分子」は、セパレータ層を構成する非水溶性高分子と同じ高分子である。非水溶性高分子としては、良溶媒と貧溶媒とが存在するものが使用される。使用される非水溶性高分子の種類は、良溶媒と貧溶媒とが存在するものである限り特に制限はない。非水溶性高分子の例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン系樹脂；ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体等のフッ素系樹脂；ポリメチル（メタ）アクリレート、ポリエチル（メタ）アクリレート等の（メタ）アクリル系樹脂；ポリスチレン、スチレン－アクリロニトリル共重合体、アクリロニトリル－ブタジエン－スチレン共重合体等のスチレン系樹脂；エチルセルロース、酢酸セルロース、セルロースプロピオネート等の非水溶性セルロース誘導体；ポリ塩化ビニル、エチレン－塩化ビニル共重合体等の塩化ビニル系樹脂；エチレン－ビニルアルコール共重合体等が挙げられる。水溶性高分子を修飾して非水溶化したポリマー等も使用可能である。なかでも、非水溶性高分子の多孔質体の有用性およびその製造方法の有用性の観点から、非水溶性高分子は、脂肪族高分子化合物（すなわち、芳香環を有しない高分子化合物）であることが好ましい。空孔率が比較的高く、均質な多孔質体が得られ易いことから、非水溶性高分子は、付加重合型の高分子化合物（すなわち、エチレン性不飽和二重結合を有するモノマーの当該エチレン性不飽和二重結合の重合によって生成する高分子化合物；例、ビニル系重合体、ビニリデン系重合体）であることが好ましい。セパレータに特に適した特性を有していることから、非水溶性高分子は、より好ましくは、フッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体、またはエチレン－ビニルアルコール共重合体であり、最も好ましくは、フッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体である。フッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体を用いてセパレータ一体型電極を形成した場合には、電極に対するセパレータ層の接着性が高くなり、電極体を作製する際の積層操作や捲回操作の実施が容易になるという利点を有する。
非水溶性高分子の平均重合度は、特に限定はないが、好ましくは７０以上５００，０００以下であり、より好ましくは１００以上２００，０００以下である。なお、非水溶性高分子の平均重合度は、公知方法（例、ＮＭＲ測定）等により求めることができる。
以下、特定の非水溶性高分子を例に挙げて、好適な良溶媒および好適な貧溶媒について具体的に説明する。以下の非水溶性高分子に対して、以下説明する良溶媒と貧溶媒を使用することにより、本発明の製造方法を有利に実施することができる。なお、以下に挙げる良溶媒は、１種単独でまたは２種以上を組み合わせて用いることができる。以下に挙げる貧溶媒は、１種単独でまたは２種以上を組み合わせて用いることができる。
１．非水溶性高分子がフッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体である場合
フッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体（Ｐ（ＶＤＦ－ＨＦＰ））は、モノマー単位として、フッ化ビニリデン単位およびヘキサフルオロプロピレン単位を含有する共重合体である。これらの単位の共重合割合は特に制限はなく、セパレータの特性に応じて適宜決定すればよい。フッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体は、公知方法に従い合成して入手することができ、市販品（例、アルケマ社製Ｋｙｎａｒ ＦＬＥＸ ２８５０－００、２８００－００、２８００－２０、２７５０－０１、２５００－２０、３１２０－５０、２８５１－００、２８０１－００、２８２１－００、２７５１－００、２５０１－００等）としても入手可能である。
Ｐ（ＶＤＦ－ＨＦＰ）の好適な良溶媒としては、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類、テトラヒドロフラン等の環状エーテル類、Ｎ，Ｎ－ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ－ジメチルアセトアミド、Ｎ－メチルピロリドン等の含窒素極性溶媒（特に含窒素非プロトン性極性溶媒）；ＤＭＳＯ等の含硫黄極性溶媒（特に含硫黄非プロトン性極性溶媒）などが挙げられる。気化による除去が容易であることから、良溶媒としては、アセトン、メチルエチルケトン、またはテトラヒドロフランが好ましく、アセトンがより好ましい。
Ｐ（ＶＤＦ－ＨＦＰ）の好適な貧溶媒としては、水；１－ヘキサノール、１，３－ブタンジオール、１，４－ブタンジオール、１，５－ペンタンジオール、１，６－ヘキサンジオール、グリセリン等のアルコール類などが挙げられる。環境に対する負荷の低さ、入手の容易さ、取り扱いの容易さ等の観点から、貧溶媒としては、水が好ましい。
２．非水溶性高分子がエチレン－ビニルアルコール共重合体である場合
エチレン－ビニルアルコール共重合体（ＥＶＯＨ）は、モノマー単位として、エチレン単位およびビニルアルコール単位を含有する共重合体である。ＥＶＯＨ中のエチレン単位の含有量は、特に制限はないが、好ましくは１０モル％以上であり、より好ましくは１５モル％以上であり、さらに好ましくは２０モル％以上であり、特に好ましくは２５モル％以上である。また、ＥＶＯＨ中のエチレン単位の含有量は、好ましくは６０モル％以下であり、より好ましくは５０モル％以下であり、さらに好ましくは４５モル％以下である。ＥＶＯＨのけん化度は、特に制限はないが、好ましくは８０モル％以上であり、より好ましくは９０モル％以上であり、さらに好ましくは９５モル％以上である。けん化度の上限は、けん化に関する技術的限界により定まり、例えば、９９．９９モル％である。なお、ＥＶＯＨのエチレン単位の含有量およびけん化度は、公知方法（例、１Ｈ－ＮＭＲ測定等）により求めることができる。
また、ＥＶＯＨは、通常、エチレンとビニルエステルとの共重合体を、アルカリ触媒等を用いてけん化して製造される。そのため、ＥＶＯＨは、ビニルエステル単位を含有し得る。当該単位のビニルエステルは、典型的には酢酸ビニルであり、ギ酸ビニル、プロピオン酸ビニル、バレリン酸ビニル、カプリン酸ビニル、ラウリン酸ビニル等であってよい。ＥＶＯＨは、本発明の効果を顕著に損なわない範囲で、エチレン単位、ビニルアルコール単位、およびビニルエステル単位以外の他のモノマー単位を含有していてもよい。
ＥＶＯＨの好適な良溶媒としては、水とアルコールとの混合溶媒、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）等が挙げられる。混合溶媒に用いられるアルコールとしては、プロピルアルコールが好ましい。プロピルアルコールは、ｎ－プロピルアルコールおよびイソプロピルアルコールのいずれであってもよい。したがって、特に好適な良溶媒は、水とプロピルアルコールとの混合溶媒、またはＤＭＳＯである。
ＥＶＯＨの好適な貧溶媒としては、水、アルコール、γ－ブチロラクトン等の環状エステル類；炭酸プロピレン等の環状カーボネート類；スルホラン等の環状スルホン類；プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、２－エトキシエタノール等のエーテル基含有モノオール類、１，３－ブタンジオール、１，４－ブタンジオール、１，５－ペンタンジオール、１，６－ヘキサンジオール等のジオール類などが挙げられる。なかでも、環状エステル類、環状カーボネート類、環状スルホン類、またはエーテル基含有モノオール類が好ましく、γ－ブチロラクトン、炭酸プロピレン、スルホラン、またはエーテル基含有モノオール類がより好ましく、γ－ブチロラクトン、またはスルホランがさらに好ましい。貧溶媒の溶解パラメータ（ヒルデブラント（Hildebrand）のＳＰ値）δが、ＥＶＯＨの溶解パラメータδよりも１．６ＭＰａ１／２以上大きいことが好ましい。
なお、ＥＶＯＨでは、水およびアルコールは、ＥＶＯＨの貧溶媒であるが、水とアルコール（特にプロピルアルコール）との混合溶媒は良溶媒である。ここで、水とアルコールとの混合溶媒は、水が減量された良溶媒の、水とアルコールとの混合溶媒と、これよりも沸点が高い貧溶媒の水との混合溶媒みなすことができるため、ＥＶＯＨの溶液の調製に、水とアルコールとの混合溶媒を単独で用いることができる。よって、本発明において、特定の非水溶性高分子に対し、２種類以上の貧溶媒を混合した溶媒が良溶媒になる場合には、溶液調製のための非水溶性高分子の良溶媒および非水溶性高分子の貧溶媒を含有する混合溶媒として、この２種以上の貧溶媒の混合溶媒を単独で用いることができる。
３．非水溶性高分子が酢酸セルロースである場合
酢酸セルロースの好適な良溶媒としては、Ｎ，Ｎ－ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ－ジメチルアセトアミド、Ｎ－メチルピロリドン等の含窒素極性溶媒（特に含窒素非プロトン性極性溶媒）；蟻酸メチル、酢酸メチル等のエステル類；アセトン、シクロヘキサノン等のケトン類；テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジオキソラン等の環状エーテル類；メチルグリコール、メチルグリコールアセテート等のグリコール誘導体；塩化メチレン、クロロホルム、テトラクロロエタン等のハロゲン化炭化水素；炭酸プロピレン等の環状カーボネート類；ＤＭＳＯ等の含硫黄極性溶媒（特に含硫黄非プロトン性極性溶媒）などが挙げられる。なかでも、含硫黄非プロトン性極性溶媒が好ましく、ＤＭＳＯがより好ましい。
酢酸セルロースの好適な貧溶媒としては、１－ヘキサノール、１，３－ブタンジオール、１，４－ブタンジオール、１，５－ペンタンジオール、１，６－ヘキサンジオール等のアルコール類が挙げられる。アルコール類としては、炭素数４～６の１価または２価のアルコール類が好ましい。
４．非水溶性高分子がポリフッ化ビニリデンである場合
ポリフッ化ビニリデンの好適な良溶媒としては、Ｎ，Ｎ－ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ－ジメチルアセトアミド、Ｎ－メチルピロリドン等の含窒素極性溶媒（特に含窒素非プロトン性極性溶媒）；ＤＭＳＯ等の含硫黄極性溶媒（特に含硫黄非プロトン性極性溶媒）などが挙げられる。なかでも、含窒素非プロトン性極性溶媒が好ましく、Ｎ，Ｎ－ジメチルホルムアミドがより好ましい。
ポリフッ化ビニリデンの好適な貧溶媒としては、１－ヘキサノール、１，３－ブタンジオール、１，４－ブタンジオール、１，５－ペンタンジオール、１，６－ヘキサンジオール、グリセリン等のアルコール類；テトラヒドロフラン、ジオキサン、ジオキソラン等の環状エーテル類等が挙げられる。なかでも、アルコール類が好ましく、炭素数３～６の２価または３価のアルコール類がより好ましい。
非水溶性高分子、良溶媒、および貧溶媒の使用量は、使用するこれらの種類に応じて適宜選択するとよい。非水溶性高分子の混合量は、良溶媒１００質量部に対して、好ましくは１質量部以上、より好ましくは５質量部以上、さらに好ましくは１０質量部以上である。また、非水溶性高分子の混合量は、良溶媒１００質量部に対して、４０質量部以下、より好ましくは上３５質量部以下、さらに好ましくは３０質量部以下である。貧溶媒の混合量は、良溶媒１００質量部に対して、好ましくは３質量部以上、より好ましくは５質量部以上、さらに好ましくは１０質量部以上である。また、貧溶媒の混合量は、良溶媒１００質量部に対して、好ましくは４００質量部以下、より好ましく２００質量部以下、さらに好ましくは１００質量部以下である。これらの量を変化させることで、得られる多孔質体の孔の状態（例、空孔率、空孔径など）を制御することができる。
塗工液は、ポリエチレン粒子を含有する。塗工液中では、ポリエチレン粒子は、混合溶媒に溶解せずに分散している。ポリエチレン粒子は、内部短絡等によって電池温度が急激に上昇した際に、軟化または溶融することによって、セパレータ一体型電極のセパレータ層の孔を閉塞することができる。したがって、ポリエチレン粒子によってセパレータ一体型電極にシャットダウン機能が付与される。また、ポリエチレン粒子を含有する塗工液から、セパレータ一体型電極のセパレータ層を形成することによって、セパレータ層の表面に無孔化した層（いわゆるスキン層）が形成することを抑制することができる。ポリエチレン粒子は一般的に、無機粒子よりも比重が軽いため、このスキン層形成抑制効果は、無機粒子よりも大きい。
ポリエチレンは、様々な密度を有するものが知られている。本発明に用いられるポリエチレン粒子を構成するポリエチレンの密度は、特に限定されない。当該ポリエチレンの例としては、超低密度ポリエチレン（ＶＬＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、中密度ポリエチレン（Ｍ－ＤＰＥ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、直鎖状低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）等が挙げられる。なお、これらの分類に関して、ＪＩＳ Ｋ６９２２－１：１９９７を参照することができる。取り扱い性の面から、本発明に用いられるポリエチレン粒子を構成するポリエチレンの密度は、０．９０ｇ／ｃｍ３以上が好ましく、０．９２ｇ／ｃｍ３以上がより好ましく、０．９５ｇ／ｃｍ３以上がさらに好ましい。なお、ポリエチレンの密度の上限は、技術的限界によって定まり、０．９９ｇ／ｃｍ３以下であってよい。
ポリエチレンは、様々な融点および軟化点を有するものが知られている。本発明に用いられるポリエチレン粒子を構成するポリエチレンの融点および軟化点は、特に限定されず、所望のシャットダウン温度に応じて適宜選択すればよい。本発明に用いられるポリエチレン粒子を構成するポリエチレンの軟化点は、好ましくは１１０℃以上１４０℃以下であり、より好ましくは１２５℃以上１３５℃以下である。なお、ポリエチレンの軟化点は、例えばＪＩＳ Ｋ２２０７：１９９６に準拠した環球法によって測定することができる。
ポリエチレン粒子の平均粒子径は、特に限定されない。スキン層形成抑制効果が高いことから、ポリエチレン粒子の平均粒子径は、好ましくは０．５μｍ以上、より好ましくは１μｍ以上、さらに好ましくは２μｍ以上である。一方、セパレータ層内でのポリエチレン粒子の均一な分散状態が得られやすいことから、ポリエチレン粒子の平均粒子径は、好ましくは１０μｍ以下、より好ましくは６μｍ以下、さらに好ましくは５μｍ以下である。なお、このポリエチレン粒子の平均粒子径は、コールカウンター法により求めることができる。ポリエチレン粒子の平均粒子径が小さい場合（例えば、平均粒子径が１．５μｍ以下である場合）には、マイクロトラック法を採用して求めることができる。
ポリエチレン粒子の混合量は、シャットダウン機能が発揮されるように、作製されるセパレータ層の空孔度および平均空隙径等に応じて適宜設定するとよい。より高いシャットダウン性能の観点からは、非水溶性高分子に対するポリエチレン粒子の混合量が、多い方が好ましい。そのため、ポリエチレン粒子の混合量は、非水溶性高分子１００質量部に対して、好ましくは５０質量部以上、より好ましくは６０質量部以上、さらに好ましくは１００質量部以上である。一方、塗工液の粘度上昇抑制とポリエチレン粒子の均一分散の観点から、非水溶性高分子に対するポリエチレン粒子の混合量は、少ない方が好ましい。そのため、ポリエチレン粒子の混合量は、非水溶性高分子１００質量部に対して、好ましくは５００質量部以下、より好ましくは４００質量部以下、さらに好ましくは３００質量部以下である。
塗工液調製工程において、ポリエチレン粒子は、固形のものを用いてよいし、ディスパージョンを用いてもよい。ポリエチレン粒子のディスパージョンを用いる場合、その分散媒が、非水溶性高分子の良溶媒および貧溶媒のいずれかであることが好ましい。
ポリエチレン粒子のディスパージョンを用いる場合、その粘度は、特に限定されないが、好ましくは１０，０００ｍＰａ・ｓ以下、より好ましくは５，０００ｍＰａ・ｓ以下、さらに好ましくは３，０００ｍＰａ・ｓ以下である。ポリエチレン粒子のディスパージョンの粘度は、例えば、Ｂ型粘度計を用いて２５℃で６ｒｐｍの回転数で測定して求めることができる。
塗工液は、本発明の効果を著しく損なわない範囲内で、非水溶性高分子、混合溶媒、およびポリエチレン粒子以外の成分をさらに含有していてもよい。
塗工液の調製方法には特に制限はない。好適な塗工液の調製方法では、まず、公知方法に従って非水溶性高分子を良溶媒および貧溶媒の混合溶媒に溶解させた溶液を調製する。この溶液を調製する際には、非水溶性高分子を良溶媒に溶解させて、そこに貧溶媒を添加して均一に混合してもよい。非水溶性高分子を、良溶媒と貧溶媒との混合溶媒に添加して、非水溶性高分子を溶解させてもよい。この溶液の調製には、公知の撹拌装置、混合装置等を用いることができる。この溶液の調製の際には、超音波照射、加熱等を行ってもよい。加熱温度としては、例えば４０℃以上１００℃以下である。加熱により非水溶性高分子の溶液を調製した後、良溶媒と貧溶媒とが分離しない範囲で冷却してよい。また、この冷却は、非水溶性高分子が析出しない範囲で行うことが好ましい。析出した非水溶性高分子が不純物となり得るためである。
次いで、ポリエチレン粒子を、公知方法に従って当該溶媒中に分散させることにより塗工液を調製する。具体的に例えば、公知の分散装置（例、ホモジナイザー、ホモディスパー、プラネタリーミキサー、超音波分散機、顔料分散機、ボールミル等）を用いて、非水溶性高分子の溶液とポリエチレン粒子との混合と分散とを行うことによって塗工液を調製する。
ポリエチレン粒子をディスパージョンの形態で用いる場合には、塗工液は、非水溶性高分子、良溶媒、貧溶媒、およびポリエチレン粒子のディスパージョンを混合し、非水溶性高分子が溶解するまで撹拌することによって調製してもよい。
次に、塗工液塗工工程について説明する。当該塗工液塗工工程において用いられる電極としては、公知の電池の電極を何ら制限なく用いることができる。
一例として、電極が、リチウム二次電池の電極である場合について説明する。リチウム二次電池の電極は、典型的には、シート状の集電体と、当該集電体上に設けられた活物質層とを備える。
電極が正極である場合には、正極は、典型的には、シート状の正極集電体と、当該正極集電体上に設けられた正極活物質層とを備える。正極活物質層は、正極集電体の片面もしくは両面上に設けられ、好ましくは正極集電体の両面上に設けられる。
正極集電体としては、例えばアルミニウム箔等を用いることができる。
正極活物質層は、正極活物質を含有する。正極活物質としては、例えばリチウム遷移金属酸化物（例、ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＦｅＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ１．５Ｏ４等）、リチウム遷移金属リン酸化合物（例、ＬｉＦｅＰＯ４等）等が挙げられる。
正極活物質層は、活物質以外の成分、例えば導電材やバインダ等を含み得る。
導電材としては、例えばアセチレンブラック（ＡＢ）等のカーボンブラックやその他（例、グラファイト等）の炭素材料を好適に使用し得る。
バインダとしては、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等を使用し得る。
電極が負極である場合には、負極は、典型的には、シート状の正極集電体と、当該負極集電体上に設けられた負極活物質層とを備える。負極活物質層は、負極集電体の片面もしくは両面上に設けられ、好ましくは負極集電体の両面上に設けられる。
負極集電体としては、例えば銅箔等を用いることができる。
負極活物質層は、負極活物質を含有する。負極活物質としては、例えば黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン等の炭素材料を使用し得る。黒鉛は、天然黒鉛であっても人造黒鉛であってもよく、黒鉛が非晶質な炭素材料で被覆された形態の非晶質炭素被覆黒鉛であってもよい。
負極活物質層は、活物質以外の成分、例えばバインダや増粘剤等を含み得る。
バインダとしては、例えばスチレンブタジエンラバー（ＳＢＲ）等を使用し得る。
増粘剤としては、例えばカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）等を使用し得る。
電極は、正極および負極のいずれであってもよい。リチウム二次電池においては、負極活物質層の方が正極活物質層よりも大きな面積を有することから、セパレータ層は負極活物質層上に設けることが好ましい。よって、当該塗工液塗工工程で用いられる電極は、負極であることが好ましい。
当該塗工液塗工工程においては、上記調整した塗工液を電極上に塗工する。上記説明したリチウム二次電池の電極の例では、当該塗工液を、電極の活物質層上に塗工する。
塗工方法については、特に制限はない。塗工液の塗工は、例えば、ダイコーター、スリットコーター、コンマコーター、グラビアコーター、バーコーター等の公知の塗工装置を用いて行うことができる。
塗工量は、所望のセパレータ層の厚さおよび塗工液の固形分濃度に応じて適宜決定すればよい。
なお、塗工液塗工工程で塗工される塗工液は、非水溶性高分子の溶液であり、塗工液においては、相分離は起こっていない。そのため、塗工液からポリエチレン粒子を取り除いた測定液に対して比濁計によって測定される濁度は、通常、５０ＮＴＵ以下である。
次に、混合溶媒除去工程について説明する。当該混合溶媒除去工程においては、良溶媒および貧溶媒を気化（特に、揮発）させて除去する。この混合溶媒除去工程において、非水溶性高分子の多孔質状の骨格が形成される。この水溶性高分子の多孔質状の骨格には、ポリエチレン粒子が取り込まれている。この混合溶媒除去工程では、混合溶媒を除去する操作によって、具体的には貧溶媒の気化によって、空孔を形成して、多孔質のセパレータ層を形成する。典型的には、例えば、非水溶性高分子と、貧溶媒が高濃度化した混合溶媒とを相分離させることによって、空孔を形成する。具体的には、貧溶媒は、良溶媒よりも沸点が高いため、当該工程では、貧溶媒よりも良溶媒が優先的に気化する。良溶媒が減少していくと、混合溶媒中の貧溶媒の濃度が増加する。非水溶性高分子の貧溶媒に対する溶解度が、良溶媒に対する溶解度よりも小さいため、非水溶性高分子と、貧溶媒が高濃度化した混合溶媒とが相分離して、非水溶性高分子の多孔質状の骨格が形成される。この相分離は、スピノーダル分解であってよい。最終的には、良溶媒が除去されて非水溶性高分子が析出し、高沸点の貧溶媒が気化により除去されて空孔が生成する。このようにして、非水溶性高分子の多孔質体であってポリエチレン粒子が取り込まれた多孔質体であるセパレータ層が形成される。なお、非水溶性高分子と、貧溶媒が高濃度化した混合溶媒とを相分離させるには、良溶媒の種類と使用量および貧溶媒の種類と使用量を適切に選択するとよい。
良溶媒および貧溶媒の混合溶媒を気化させる方法は、例えば、加熱による方法、減圧下に置く方法、減圧下で加熱する方法、風乾による方法などが挙げられる。これらの方法は公知の乾燥方法と同様にして実施することができる。操作の実施の容易さの観点から、加熱による方法が好ましい。加熱温度は、特に制限はなく、溶媒の種類や加熱時間に応じて適宜決定すればよい。加熱温度は、混合溶媒が沸騰せず、ポリエチレン粒子が軟化せず、かつ非水溶性高分子および貧溶媒が分解しない温度であることが好ましい。加熱温度は、例えば２５℃以上、好ましくは３０℃以上、より好ましくは５０℃以上、さらに好ましくは７０℃以上である。また、加熱温度は、例えば、ポリエチレン粒子の軟化点よりも１０℃以上低い温度であり、具体的に例えば１１０℃未満、好ましくは１００℃以下、より好ましくは９０℃以下である。揮発性が高い溶媒を用いる場合には、加熱温度は３０℃以上６０℃以下程度であってよい。加熱時間は、溶媒の種類や加熱温度に応じて適宜決定すればよい。良溶媒および貧溶媒を気化させる間は、塗工液が塗布された電極を静置することが好ましい。
以上のようにして、セパレータ一体型電極を得ることができる。セパレータ層は、一つの主面から、それと対向する主面まで孔が連通した三次元ネットワーク状の多孔構造を有する。本発明においては、塗工液がポリエチレン粒子を含有することにより、形成されるセパレータ層の多孔度が高くなる。これは、ポリエチレン粒子が相分離の核となり、相分離が促進されるためと考えられる。本発明の製造方法によれば、セパレータ層の空孔度が、例えば４０％以上（特に５０％以上、さらには６０％以上、さらにまた７０％以上）９０％以下（特に８５％未満）のセパレータ一体型電極が得られ得る。なお、空孔率は、公知方法に従い、真密度と見かけ密度を用いて算出することができる。
本発明においては、塗工液調製工程、塗工液塗工工程、および混合溶媒気化工程で行われる操作が非常に容易である。したがって、本発明によれば、非水溶性高分子を用いてシャットダウン機能を有するセパレータ一体型電極を容易に製造することができる。
以上のようにして製造されたセパレータ一体型電極は、公知方法に従い、各種の電池に用いることができる。
電池として好適には、リチウム二次電池であり、当該リチウム二次電池は、パソコン、携帯端末等のポータブル電源や、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＶ）等の車両駆動用電源などに好適に用いることができる。
以下、本発明に関する実施例を説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。
実施例１
非水溶性高分子としてエチレン－ビニルアルコール共重合体（クラレ社製「エバール Ｌ１７１Ｂ」：エチレン含有率２７モル％、以下「ＥＶＯＨ」と記す）を用い、良溶媒として水とｎ－プロピルアルコール（ｎＰＡ）との混合溶媒を用い、貧溶媒としてγ－ブチロラクトン（ＧＢＬ）を用いた。
ＥＶＯＨと、水と、ｎＰＡと、ＧＢＬと、ポリエチレン粒子の水性ディスパージョン（三井化学社製「ケミパール Ｗ３００」）とを、各成分が表１に示す量になるように添加した。サンプル瓶を７０℃～８０℃に加熱し、ＥＶＯＨが溶媒に完全に溶解するまで撹拌して、ポリエチレン粒子が分散した塗工液を得た。
負極活物質としての黒鉛（Ｃ）（日立化成社製「ＳＭＧ－ＴＨ５」）と、バインダとしてのスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）（ＪＳＲ社製「ＴＲＤ １０４Ｂ」）と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）（日本製紙社製「ＭＡＣ８００ＬＣ」）とを、Ｃ：ＳＢＲ：ＣＭＣ＝９８：１：１の質量比でイオン交換水と混合して、負極ペーストを調製した。この負極ペーストを、長尺状の銅箔の両面に帯状に塗布して乾燥した後、プレスした。このようにして、銅箔上に負極活物質層が形成された負極シートを得た。負極活物質層の片面あたりの厚さは、６６μｍであり、片面あたりの目付量は３．３０ｍｇ／ｃｍ２であった。
塗工液を２５℃に冷却した後、負極シートの負極活物質層上にキャスティングにより塗布した。このとき、塗布厚みは１００μｍ～２００μｍであった。
これを、１００℃に設定した乾燥炉に入れて、良溶媒および貧溶媒を気化させることにより、セパレータ一体型電極を得た。
比較例１
ポリエチレン粒子の水性ディスパージョンを添加せず、水の添加量を増やして、水／ｎＰＡ＝３．５ｍＬ／１．５ｍＬに調整した以外は、実施例１と同様の方法で、セパレータ一体型電極を得た。
比較例１で得られたセパレータ一体型電極のセパレータ層の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察した。そのＳＥＭ写真を、図１にそれぞれ示す。
実施例２～９
ＥＶＯＨと、ｎＰＡと、ＧＢＬと、表１に記載のポリエチレン粒子の水性ディスパージョンと、必要に応じ水とを、各成分が表１に示す量になるように添加した。サンプル瓶を７０℃～８０℃に加熱し、ＥＶＯＨが溶媒に完全に溶解するまで撹拌して、ポリエチレン粒子が分散した塗工液を得た。
この塗工液を用いて、実施例１と同様にしてセパレータ一体型電極を得た。ただし、実施例７～９では、良溶媒および貧溶媒を気化させる際の乾燥炉の温度を８０℃に設定した。
また、実施例３、４および７については、セパレータ一体型電極のセパレータ層の断面をＳＥＭを用いて観察した。そのＳＥＭ写真を、図２～４にそれぞれ示す。図１と図２～４との比較より、ＥＶＯＨの多孔質骨格中にポリエチレン粒子が取り込まれている様子が把握できる。
実施例１０
非水溶性高分子としてフッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体（アルケマ社製「Ｋｙｎａｒ－ＦＬＥＸ ２８２１－００」、グレード：パウダータイプ、以下「Ｐ（ＶＤＦ－ＨＦＰ）」と記す）を用い、良溶媒としてアセトンを用い、貧溶媒として水を用いた。
Ｐ（ＶＤＦ－ＨＦＰ）と、アセトンと、ポリエチレン粒子の水性ディスパージョン（三井化学社製「ケミパール Ｗ３００」）とを、各成分が表１に示す量になるように添加した。サンプル瓶を４０℃～５０℃に加熱し、Ｐ（ＶＤＦ－ＨＦＰ）が溶媒に完全に溶解するまで撹拌して、ポリエチレン粒子が分散した塗工液を得た。
実施例１と同様にして負極シートを得た。
塗工液を２５℃に冷却した後、負極シートの負極活物質層上にキャスティングにより塗布した。このとき、塗布厚みは１００μｍ～２００μｍであった。
これを、１００℃に設定した乾燥炉に入れて、良溶媒および貧溶媒を気化させることにより、セパレータ一体型電極を得た。
比較例２
ポリエチレン粒子の水性ディスパージョンを添加せず、水を表１に示す量で添加した以外は、実施例１０と同様の方法で、セパレータ一体型電極を得た。
〔スキン層評価〕
各実施例および各比較例で得られたセパレータ一体型電極の表面に電解液を滴下して、電解液がセパレータ層内へ浸透する速さを目視で評価した。なお、電解液には、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とエチレンカーボネート（ＥＣ）とエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）とをＤＭＣ：ＥＣ：ＥＭＣ＝１：１：１の体積比で含む混合溶媒に、ＬｉＰＦ６を１．０ｍｏｌ／Ｌの濃度で溶解させたものを用いた。結果を表１に示す。なお、電解液が浸透しないことは、セパレータ層の表面にスキン層が形成されていることを意味する。また、電解液の浸透が速いことは、セパレータ層の表層部の多孔質化の程度が大きいこと、すなわちスキン層の形成が高度に抑制されていることを意味する。
〔シャットダウン機能の模擬試験〕
実施例および各比較例で得られたセパレータ一体型電極を、１４０℃～１５０℃に設定した乾燥炉に入れ、約１０分間加熱した。乾燥炉から取り出したセパレータ一体型電極のセパレータ層を観察して、孔の閉塞が起こっているかについて調べた。
セパレータ層の全面で孔の閉塞が起こったものを「〇」、セパレータ層の一部で孔の閉塞が起こったものを「△」、セパレータ層で孔の閉塞が起こらなかったものを「×」とした。結果を表１に示す。
Figure 0007276691000001
Ｗ３００：三井化学社製「ケミパール Ｗ３００」、平均粒子径：３μｍ、固形分濃度：４０質量％、粘度（Ｂ型粘度計）：１，０００ｍＰａ・ｓ、ポリエチレンの密度：０．９７ｇ／ｃｍ３、軟化点（環球法）：１３２℃
Ｗ７００：三井化学社製「ケミパール Ｗ７００」、平均粒子径：１μｍ、固形分濃度：４０質量％、粘度（Ｂ型粘度計）：８００ｍＰａ・ｓ、ポリエチレンの密度：０．９７ｇ／ｃｍ３、軟化点（環球法）：１３２℃
Ｍ２００：三井化学社製「ケミパール Ｍ２００」、平均粒子径：６μｍ、固形分濃度：４０質量％、粘度（Ｂ型粘度計）：５，０００ｍＰａ・ｓ、ポリエチレンの密度：０．９２ｇ／ｃｍ３
Ａ１００：三井化学社製「ケミパール Ａ１００」、平均粒子径：４μｍ、固形分濃度：４０質量％、粘度（Ｂ型粘度計）：５，０００ｍＰａ・ｓ、ポリエチレンの密度：０．８９ｇ／ｃｍ３
Ａ４００：三井化学社製「ケミパール Ａ４００」、平均粒子径：４μｍ、固形分濃度：４０質量％、粘度（Ｂ型粘度計）：８，０００ｍＰａ・ｓ、ポリエチレンの密度：０．８８５ｇ／ｃｍ３
以上の結果より、本発明によれば、非水溶性高分子を用いて、シャットダウン機能を有するセパレータ一体型電極を容易に製造できることがわかる。

Claims (2)

  1. 非水溶性高分子の良溶媒および前記非水溶性高分子の貧溶媒を含有する混合溶媒に、前記非水溶性高分子が溶解し、かつポリエチレン粒子が分散した塗工液を調製する工程と、
    前記塗工液を、電極上に塗工する工程と、
    前記電極上に塗工した塗工液から、前記混合溶媒を気化させて除去する工程と、
    を包含し、
    前記非水溶性高分子が、エチレン－ビニルアルコール共重合体、またはフッ化ビニリデン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体であり、
    前記貧溶媒の沸点が、前記良溶媒の沸点よりも高く、
    前記混合溶媒を気化させて除去することによって、空孔を形成して多孔質セパレータ層を形成する、
    セパレータ一体型電極の製造方法。
  2. 前記ポリエチレン粒子の平均粒子径が、１μｍ以上６μｍ以下である、請求項１に記載のセパレータ一体型電極の製造方法。
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