JP7298872B2 - セパレータ、セパレータの製造方法及びリチウムイオン電池 - Google Patents

セパレータ、セパレータの製造方法及びリチウムイオン電池 Download PDF

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Description

本発明は、セパレータ、セパレータの製造方法及びリチウムイオン電池に関する。
現在、二次電池の一種であるリチウムイオン電池がよく知られている。リチウムイオン電池は、高エネルギー密度、高電圧、長寿命及び低自己放電率等の特徴を有する。このため、リチウムイオン電池は、携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラ等、多くの携帯型端末の電源として広く用いられている。さらに、設置型の電源や自動車（ハイブリット車及び電気自動車）用の電源のような大型・大容量の電源としてのリチウムイオン電池の需要も拡大している。
リチウムイオン電池においては、正極と負極との物理的接触を避けるため、両極の間にセパレータが配置されている。セパレータの特性はリチウムイオン電池の性能に大きな影響を与えるため、リチウムイオン電池の技術分野においては、セパレータの性能向上が求められている。
セパレータとしては、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）からなるシートを延伸等で多孔質化したもの（多孔質化樹脂シート）が広く一般に用いられている。一方、高温状態における安定性（耐熱性）、出力特性、サイクル寿命等を向上させるため、不織布を用いたセパレータについての研究も行われている。不織布を用いたセパレータとしては、不織布のみからなるセパレータが知られている（例えば、特許文献１参照。）。不織布からなる不織布基材層をセラミックでコーティングし、耐熱性や濡れ性等の特性の向上を図ったセパレータ（例えば、特許文献２参照。）も知られている。
特開平１１－３２９３９３号公報 特開２０１５－１５６３４２号公報
不織布を用いたセパレータは多くの優れた特性を持ちうることが判明しているが、多孔質化樹脂シートを用いたセパレータと比較して知見がまだ少ないこともあり、本格的な普及には至っていない。
そこで、本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、不織布を用い優れた特性を有するセパレータを提供することを目的とする。また、不織布を用い優れた特性を有するセパレータを製造可能なセパレータの製造方法を提供することを特徴とする。さらに、本発明のセパレータを用いた高品質なリチウムイオン電池を提供することも目的とする。
［１］本発明のセパレータは、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を主成分とする繊維を主に含む不織布基材層と、ポリアクリルアミド（ＰＡＭ）及びポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を主成分とするナノ繊維を主に含み、前記不織布基材層の少なくとも一方の面に形成されたナノ繊維層とを備えることを特徴とする。
本発明のセパレータによれば、不織布基材層とナノ繊維層とを備えるため、後述する実施例に示すように、不織布基材層をセラミックでコーティングしたセパレータ（以下、単に従来のセパレータという。）と比較して、引張強度を高くすることが可能となる。
また、本発明のセパレータによれば、ポリアクリルアミド（ＰＡＭ）及びポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を主成分とするナノ繊維を主に含むナノ繊維層を備えるため、後述する実施例に示すように、リチウムイオン電池の構成要素としては十分に高い耐熱性を有するようにすることが可能となる。
また、本発明のセパレータによれば、ナノ繊維層を備えるため、後述する実施例に示すように、従来のセパレータよりも電解液吸収率及び空隙率を高くすることが可能となる。
本発明のセパレータによれば、後述する実施例に示すように、上記のような特性を有するようにしつつ、従来のセパレータよりも薄型化することが可能となる。
以上のように、本発明のセパレータは、不織布を用い優れた特性を有するセパレータとなる。
また、本発明のセパレータによれば、ナノ繊維がナノ繊維の接着性を向上させるＰＡＮを含有するため、不織布基材層とナノ繊維層とを結合させるためのプレス工程を行わずに製造することが可能となる。その結果、本発明のセパレータによれば、プレス工程を行って製造するセパレータと比較して製造コストを低減することが可能となる。
［２］本発明のセパレータにおいては、前記不織布基材層は、ＰＥＴからなる繊維により構成されていることが好ましい。
このような構成とすることにより、ＰＥＴの特徴である優れた機械的強度及び耐熱性を十分に得ることが可能となる。
［３］本発明のセパレータにおいては、前記ナノ繊維層は、ＰＡＭ及びＰＡＮからなるナノ繊維により構成されていることが好ましい。
このような構成とすることにより、十分に高い耐熱性及び機械的強度を得ることが可能となる。
［４］本発明のセパレータにおいては、前記ナノ繊維の構成材料を重量で評価するとき、前記ナノ繊維は、ＰＡＮよりもＰＡＭを多く含むことが好ましい。
このような構成とすることにより、製造時の溶媒として水を用いることが可能となり、製造コスト及び環境負荷を低減することが可能となる。
［５］本発明のセパレータにおいては、前記不織布基材層の厚みは、５μｍ～３０μｍの範囲内にあり、前記ナノ繊維層の厚みは、１μｍ～５μｍの範囲内にあることが好ましい。
このような構成とすることにより、十分な機械的強度を得ることが可能となり、かつ、リチウムイオン電池の小型化や高エネルギー化を十分に達成することが可能となる。
また、上記のような構成とすることにより、十分な電解液吸収率及び空隙率を得ることが可能となり、かつ、必要以上の高コスト化を回避することが可能となる。
なお、不織布基材層の厚みが５μｍより小さい場合には、十分な機械的強度が得られない場合があり、不織布基材層の厚みが３０μｍより大きい場合には、リチウムイオン電池の構成要素として用いたときに、リチウムイオン電池の小型化や高エネルギー化を十分に達成することができない場合がある。
また、ナノ繊維層の厚みが１μｍより小さい場合には、十分な電解液吸収率及び空隙率が得られない場合があり、ナノ繊維層の厚みが５μｍより大きい場合には、ナノ繊維層が厚すぎることに起因して必要以上にコストが高くなってしまう場合がある。
［６］本発明のセパレータの製造方法は、溶質の主成分としてポリアクリルアミド（ＰＡＭ）及びポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を含有する紡糸溶液を準備する紡糸溶液準備工程と、前記紡糸溶液を用いた電界紡糸により、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を主成分とする繊維を主に含む不織布基材層の少なくとも一方の面に、ＰＡＭ及びＰＡＮを主成分とするナノ繊維を主に含むナノ繊維層を形成するナノ繊維層形成工程とを含むことを特徴とする。
本発明のセパレータの製造方法は、上記した紡糸溶液準備工程及びナノ繊維形成工程を含むため、不織布を用い優れた特性を有する本発明のセパレータを製造することが可能なセパレータの製造方法となる。
［７］本発明のセパレータの製造方法においては、前記不織布基材層は、ＰＥＴからなる繊維により構成されていることが好ましい。
このような製造方法とすることにより、ＰＥＴの特徴である優れた機械的強度及び耐熱性を十分に有するセパレータを製造することが可能となる。
［８］本発明のセパレータの製造方法においては、前記紡糸溶液は、前記ナノ繊維を形成するための高分子成分としてＰＡＭ及びＰＡＮのみを含有することを特徴とする請求項６又は７に記載のセパレータ。
このような製造方法とすることにより、十分に高い耐熱性及び機械的強度を有するセパレータを製造することが可能となる。
［９］本発明のセパレータの製造方法においては、前記紡糸溶液の溶質を重量で評価するとき、前記紡糸溶液は、ＰＡＮよりもＰＡＭを多く含むことが好ましい。
このような製造方法とすることにより、溶媒として水を用いることが可能となり、製造コスト及び環境負荷を低減することが可能となる。
［１０］本発明のセパレータの製造方法においては、前記ナノ繊維層形成工程においては、前記不織布基材層として、厚みが５μｍ～３０μｍの範囲内にあるものを用い、厚みが１μｍ～５μｍの範囲内となるように前記ナノ繊維層を形成することが好ましい。
このような製造方法とすることにより、十分な機械的強度を得ることが可能であり、かつ、リチウムイオン電池の小型化や高エネルギー化を十分に達成することが可能なセパレータを製造することが可能となる。
また、上記のような製造方法とすることにより、十分な電解液吸収率及び空隙率を得ることが可能であり、かつ、必要以上の高コスト化を回避することが可能なセパレータを製造することが可能となる。
［１１］本発明のセパレータの製造方法においては、前記紡糸溶液は、０．０５ｗｔ％～０．５ｗｔ％の過塩素酸テトラブチルアンモニウム（ＴＢＡＰ）をさらに含有することが好ましい。
このような製造方法とすることにより、紡糸溶液の電導性を高くして、繊維径の均一性が高い高品質なナノ繊維層を形成することが可能となる。
［１２］本発明のリチウムイオン電池は、上記［１］～［５］のいずれかに記載のセパレータを備えることを特徴とする。
本発明のリチウムイオン電池は、本発明のセパレータを用いた高品質なリチウムイオン電池となる。
実施形態に係るセパレータ１の断面図である。 実施形態に係るセパレータの製造方法のフローチャートである。 実施例における電界紡糸装置１００を説明するために示す模式図である。 実施例における各試料の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 実施例における引張試験の結果を示すグラフである。 実施例における濡れ性に関する試験結果を示す写真である。 実施例における耐熱性（熱安定性）に関する試験結果を示す写真である。 実施例における熱処理後の各試料の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 実施例における熱処理温度と電解質吸収率との関係を示す棒グラフである。 実施例における熱処理温度と空隙率との関係を示す棒グラフである。 実施例の電池試験における放電容量を示すグラフである。 実施例の電池試験における充電効率を示すグラフである。
以下、本発明に係るセパレータ、セパレータの製造方法及びリチウムイオン電池について、図に示す実施形態に基づいて説明する。以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている諸要素及びその組み合わせの全てが本発明に必須であるとは限らない。
［実施形態］
１．セパレータ
図１は、実施形態に係るセパレータ１の断面図である。
実施形態に係るセパレータ１は、図１に示すように、不織布基材層１０と、不織布基材層１０の少なくとも一方の面に形成されたナノ繊維層２０とを備える。なお、図１においては、ナノ繊維層２０は不織布基材層１０の一方の面のみに形成されているが、ナノ繊維層２０が不織布基材層１０の両方の面に形成されていてもよい。
不織布基材層１０は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を主成分とする繊維を主に含む。
本明細書において「主成分」とは、対象としてみるもの（繊維等）の重量の半分より多い重量を占める成分のことをいう。また、本明細書において、「ある繊維」について「主に含む」とは、繊維の過半が「ある繊維」であることをいう。
不織布基材層１０は、ＰＥＴの重量が不織布基材層１０の重量の半分以上を占めるものであることが好ましい。また、不織布基材層１０は、ＰＥＴからなる繊維により構成されていることが一層好ましい。
なお、「ＰＥＴからなる繊維」及び「ＰＥＴからなる繊維により構成されている不織布基材層」は、不可避的に混入する不純物や微量成分等の存在まで排除するものではない。また、「ＰＥＴからなる繊維」は、繊維の主骨格を構成する高分子物質がＰＥＴであるもののことをいう。「ＰＥＴからなる繊維」は、形状や物性を過剰に損なわない程度であれば、非高分子成分を含有していてもよい。
不織布基材層１０の厚みは、５μｍ～３０μｍの範囲内にあることが好ましい。
ナノ繊維層２０は、ポリアクリルアミド（ＰＡＭ）及びポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を主成分とするナノ繊維を主に含む。
本明細書における「ナノ繊維（ナノファイバー）」とは、直径がおおよそ１μｍ以下で長さが直径の１００倍以上の繊維状物質のことをいう。
ナノ繊維層２０は、ＰＡＭ及びＰＡＮを合計した重量がナノ繊維層２０の重量の半分以上を占めるものであることが好ましい。また、ナノ繊維層２０は、ＰＡＭ及びＰＡＮからなるナノ繊維により構成されていることが一層好ましい。
なお、「ＰＡＭ及びＰＡＮからなるナノ繊維により構成されている」とは、不可避的に混入する不純物や微量成分等の存在まで排除するものではない。また、「ＰＡＭ及びＰＡＮからなるナノ繊維」は、ナノ繊維の主骨格を構成する高分子物質がＰＡＭ及びＰＡＮであるもののことをいう。「ＰＡＭ及びＰＡＮからなるナノ繊維」は、形状や物性を過剰に損なわない程度であれば、非高分子成分（例えば、後述するＴＢＡＰ）を含有していてもよい。
セパレータ１においては、ナノ繊維の構成材料を重量で評価するとき、ナノ繊維は、ＰＡＮよりもＰＡＭを多く含む。ナノ繊維におけるＰＡＭとＰＡＮとの比率は、例えば、重量比でＰＡＭ：ＰＡＮ＝７０：３０～９９：１とすることができる。
ナノ繊維層２０の厚みは、１μｍ～５μｍの範囲内にあることが好ましい。
実施形態に係るセパレータ１の引張強度は、５０ＭＰａ以上であることが一層好ましい。このような構成とすることにより、後述する実施例に示すように、応力による破断に対する十分な耐性を得ることが可能となる。
実施形態に係るセパレータ１においては、セパレータ１を裁断して３０ｍｍ×３０ｍｍの試料とし、後述する実施例におけるＬｉＰＦ６溶液と同様の溶液（以下、所定の溶液という。）を試料に１滴滴下したとき、３０秒後の濡れ面積（濡れにより変色した部分の面積）が２ｃｍ２以上であることが好ましく、５ｃｍ２以上であることが一層好ましく、８ｃｍ２以上であることがより一層好ましい。このような構成とすることにより、電解質の保持力を十分に高くし、電解質をスムーズに拡散させることが可能となる。
実施形態に係るセパレータ１においては、昇温速度を２℃／ｍｉｎとし、２００℃、空気雰囲気中で３０分間熱処理（以下、所定の熱処理という。）を行ったときの熱収縮率（ある一方向における長さの変化率）が１％以下であることが好ましく、０．１％以下であることが一層好ましい。このような構成とすることにより、十分な耐熱性を有するようにして、高温環境下でも十分に安定して使用することが可能となる。
実施形態に係るセパレータ１においては、所定の溶液についての電解質吸収率（算出方法については、後述する実施例参照。）が２００％以上であることが好ましく、３００％以上であることが一層好ましい。このような構成とすることにより、十分に多量の電解質を保持することが可能となる。
また、上記所定の熱処理を行った後の電解質吸収率が２００％以上であることが好ましく、３００％以上であることが一層好ましい。このような構成とすることにより、高温環境にさらされても十分に多量の電解質を保持することが可能となる。
実施形態に係るセパレータ１においては、空隙率（算出方法については、後述する実施例参照。）が６０％以上であることが好ましく、７０％以上であることが一層好ましい。このような構成とすることにより、リチウムイオンの電導性を十分に高くすることが可能となる。
また、実施形態に係るセパレータ１においては、上記所定の熱処理を行った後の空隙率が６０％以上であることが好ましく、７０％以上であることが一層好ましい。このような構成とすることにより、高温環境にさらされてもリチウムイオンの電導性を十分に高くすることが可能となる。
２．セパレータの製造方法
図２は、実施形態に係るセパレータの製造方法のフローチャートである。
実施形態に係るセパレータの製造方法は、図２に示すように、紡糸溶液準備工程Ｓ１０と、ナノ繊維層形成工程Ｓ２０とを含む。
紡糸溶液準備工程Ｓ１０は、溶質の主成分としてポリアクリルアミド（ＰＡＭ）及びポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を含有する紡糸溶液を準備する工程である。紡糸溶液は、ナノ繊維を形成するための高分子成分としてＰＡＭ及びＰＡＮのみを含有することが好ましい。
また、紡糸溶液の溶質を重量で評価するとき、紡糸溶液は、ＰＡＮよりもＰＡＭを多く含む。紡糸溶液におけるＰＡＭとＰＡＮとの比率は、例えば、重量比でＰＡＭ：ＰＡＮ＝７０：３０～９９：１とすることができる。
紡糸溶液は、ＰＡＭ及びＰＡＮの他に、電界紡糸を補助するための物質等を含有していてもよい。
例えば、紡糸溶液は、０．０５ｗｔ％～０．５ｗｔ％の過塩素酸テトラブチルアンモニウム（Ｔｅｔｒａｂｕｔｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ Ｐｅｒｃｈｌｏｒａｔｅ、ＴＢＡＰ）をさらに含有することが好ましい。
ナノ繊維層形成工程Ｓ２０は、紡糸溶液を用いた電界紡糸により、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）主成分とする繊維を主に含む不織布基材層１０の少なくとも一方の面に、ＰＡＭ及びＰＡＮを主成分とするナノ繊維を主に含むナノ繊維層２０を形成する工程である。電界紡糸は、公知の種々の方法により実施することができる。
不織布基材層１０は、上記したセパレータ１における不織布基材層１０と同様のものであるため、再度の説明は省略する。
ナノ繊維層形成工程Ｓ２０においては、厚みが１μｍ～５μｍの範囲内となるようにナノ繊維層２０を形成することが好ましい。
ナノ繊維層形成工程Ｓ２０においては、不織布基材層１０として、実際に用いるサイズよりも大きいものを用いてもよい。また、不織布基材層１０として、実際に用いるサイズと同じ大きさのものを用いてもよい。
不織布基材層１０として実際に用いるサイズよりも大きいものを用いる場合においては、セパレータの製造方法は、セパレータ１を裁断等してサイズを調整する工程をさらに含んでいてもよい。
３．リチウムイオン電池
実施形態に係るリチウムイオン電池（図示せず。）は、実施形態に係るセパレータ１を備える。
本明細書における「リチウムイオン電池」は、「リチウムイオンが電気伝導を担う電池であって充電可能なもの」のことをいう。
以下、実施形態に係るリチウムイオン電池の構造を説明する。実施形態に係るリチウムイオン電池は、セパレータとして実施形態に係るセパレータ１を用いること以外は、一般に知られているリチウムイオン電池と同様の構成を有する。このため、実施形態に係るリチウムイオン電池に関しての図示は省略し、その構造についても簡単に説明するに留める。
リチウムイオン電池は、セパレータ１以外に、正極、負極、電解質（電解液）及び外装を備える。リチウムイオン電池の正極、負極、電解質及び外装としては、従来のリチウムイオン電池で用いられているものをそのまま用いることができる。
正極としては、例えば、活物質（リチウム遷移金属酸化物）、導電材（カーボンブラック等）、バインダー（高分子物質）を含むものを用いることができる。
負極としては、例えば、活物質（代表的には黒鉛）、導電材、バインダー等を含むものを用いることができる。
電解質としては、例えば、リチウム塩と溶媒（例えば、エチレンカーボネート）とを含むものを用いることができる。また、電解質は、電解質をゲル化させるための高分子物質（ポリマー）を含んでいてもよい。
外装は、代表的なものとして、金属缶（スチール缶、アルミ缶等）及びアルミラミネートフィルムパックを挙げることができる。
４．実施形態に係るセパレータ１、セパレータの製造方法及びリチウムイオン電池の効果
実施形態に係るセパレータ１は、不織布基材層１０とナノ繊維層２０とを備えるため、後述する実施例に示すように、不織布基材層をセラミックでコーティングしたセパレータ（従来のセパレータ）と比較して、引張強度を高くすることが可能となる。
また、実施形態に係るセパレータ１によれば、ポリアクリルアミド（ＰＡＭ）及びポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を主成分とするナノ繊維を主に含むナノ繊維層２０を備えるため、後述する実施例に示すように、リチウムイオン電池の構成要素としては十分に高い耐熱性を有するようにすることが可能となる。
また、実施形態に係るセパレータ１によれば、ナノ繊維層２０を備えるため、後述する実施例に示すように、従来のセパレータよりも電解液吸収率及び空隙率を高くすることが可能となる。
また、実施形態に係るセパレータ１によれば、後述する実施例に示すように、上記のような特性を有するようにしつつ、従来のセパレータよりも薄型化することが可能となる。
以上より、実施形態に係るセパレータ１は、不織布を用い優れた特性を有するセパレータとなる。
また、実施形態に係るセパレータ１によれば、ナノ繊維がナノ繊維の接着性を向上させるＰＡＮを含有するため、不織布基材層１０とナノ繊維層２０とを結合させるためのプレス工程を行わずに製造することが可能となる。その結果、実施形態に係るセパレータ１によれば、プレス工程を行って製造するセパレータと比較して製造コストを低減することが可能となる。
また、実施形態に係るセパレータ１によれば、不織布基材層１０がＰＥＴからなる繊維により構成されている場合には、ＰＥＴの特徴である優れた機械的強度及び耐熱性を十分に得ることが可能となる。
また、実施形態に係るセパレータ１によれば、ナノ繊維層２０がＰＡＭ及びＰＡＮからなるナノ繊維により構成されている場合には、十分に高い耐熱性及び機械的強度を得ることが可能となる。
また、実施形態に係るセパレータ１によれば、ナノ繊維の構成材料を重量で評価するとき、ナノ繊維は、ＰＡＮよりもＰＡＭを多く含むため、製造時の溶媒として水を用いることが可能となり、製造コスト及び環境負荷を低減することが可能となる。
また、実施形態に係るセパレータ１によれば、不織布基材層１０の厚みが５μｍ～３０μｍの範囲内にある場合には、十分な機械的強度を得ることが可能となり、かつ、リチウムイオン電池の小型化や高エネルギー化を十分に達成することが可能となる。
また、実施形態に係るセパレータ１によれば、ナノ繊維層２０の厚みが１μｍ～５μｍの範囲内にある場合には、十分な電解液吸収率及び空隙率を得ることが可能となり、かつ、必要以上の高コスト化を回避することが可能となる。
実施形態に係るセパレータの製造方法は、溶質の主成分としてポリアクリルアミド（ＰＡＭ）及びポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を含有する紡糸溶液を準備する紡糸溶液準備工程Ｓ１０と、紡糸溶液を用いた電界紡糸により、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を主成分とする繊維を主に含む不織布基材層１０の少なくとも一方の面に、ＰＡＭ及びＰＡＮを主成分とするナノ繊維を主に含むナノ繊維層２０を形成するナノ繊維層形成工程Ｓ２０とを含むため、不織布を用い優れた特性を有する実施形態に係るセパレータ１を製造することが可能なセパレータの製造方法となる。
また、実施形態に係るセパレータの製造方法によれば、不織布基材層１０がＰＥＴからなる繊維により構成されている場合には、ＰＥＴの特徴である優れた機械的強度及び耐熱性を十分に有するセパレータ１を製造することが可能となる。
また、実施形態に係るセパレータの製造方法によれば、紡糸溶液がナノ繊維を形成するための高分子成分としてＰＡＭ及びＰＡＮのみを含有する場合には、十分に高い耐熱性及び機械的強度を有するセパレータ１を製造することが可能となる。
また、実施形態に係るセパレータの製造方法によれば、紡糸溶液の溶質を重量で評価するとき、紡糸溶液は、ＰＡＮよりもＰＡＭを多く含むため、溶媒として水を用いることが可能となり、製造コスト及び環境負荷を低減することが可能となる。
また、実施形態に係るセパレータの製造方法によれば、不織布基材層１０として、厚みが５μｍ～３０μｍの範囲内にあるものを用いる場合には、十分な機械的強度を得ることが可能であり、かつ、リチウムイオン電池の小型化や高エネルギー化を十分に達成することが可能なセパレータ１を製造することが可能となる。
また、実施形態に係るセパレータの製造方法によれば、ナノ繊維層形成工程Ｓ２０において厚みが１μｍ～５μｍの範囲内となるようにナノ繊維層２０を形成する場合には、十分な電解液吸収率及び空隙率を得ることが可能であり、かつ、必要以上の高コスト化を回避することが可能なセパレータ１を製造することが可能となる。
また、実施形態に係るセパレータの製造方法によれば、紡糸溶液が０．０５ｗｔ％～０．５ｗｔ％の過塩素酸テトラブチルアンモニウム（ＴＢＡＰ）をさらに含有する場合には、紡糸溶液の電導性を高くして、繊維径の均一性が高い高品質なナノ繊維層２０を形成することが可能となる。
実施形態に係るリチウムイオン電池は、実施形態に係るセパレータ１を備えるため、実施形態に係るセパレータ１を用いた高品質なリチウムイオン電池となる。
［実施例］
実施例においては、実際に本発明に係るセパレータを製造し、構造の観察、物性等に関する試験等を行った。
まず、実施例で用いた原料、試薬、装置等について説明する。
実施例で用いたＰＡＭ・ＰＡＮ混合溶液及び不織布基材層（ＰＥＴシート）は、荒川化学工業株式会社より提供されたものを用いた。
比較対象である従来のセパレータ（不織布基材層をセラミックでコーティングしたセパレータ）は、中国のＧｕａｎｇｄｏｎｇ Ｊｕｎｄｏｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社より提供されたものを用いた。
ｎ－ブタノール、Ｎ,Ｎ－ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）及びアセトンは、和光純薬工業株式会社を通じて購入したものをそのまま用いた。過塩素酸テトラブチルアンモニウム（ＴＢＡＰ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）及びヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）溶液は、シグマアルドリッチを通じて購入したものをそのまま用いた。
ＬｉＰＦ６溶液は実施例における電解質（電解液）である。ＬｉＰＦ６溶液としては、炭酸エチレン（Ｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＥＣ）と炭酸エチルメチル（Ｅｔｈｙｌ Ｍｅｔｈｙｌ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＥＭＣ）との混合溶媒（体積比でＥＣ：ＥＭＣ＝１：１）にＬｉＰＦ６を溶解させたものを用いた。ＬｉＰＦ６溶液中のＬｉＰＦ６の濃度は１．０Ｍであった。
図３は、実施例における電界紡糸装置１００を説明するために示す模式図である。
実施例においては、図３に示すように、キャピラリーチップ１１２を取り付けたシリンジ１１０と、コレクタ１２０と、電源装置１３０とを備える電界紡糸装置１００を用いた。
シリンジ１１０としては、５ｍＬプラスチックシリンジを用いた。キャピラリーチップ１１２としては、内径が０．６ｍｍのものを用いた。
コレクタ１２０としては、接地した回転型ドラムコレクタを用いた。紡糸時には、コレクタ１２０をキッチンペーパー及びアルミ箔で覆った。
電源装置１３０としては、松定プレシジョン株式会社のＨａｒ－１００＊１２を用いた。電源装置１３０のアノードとシリンジ１１０内の紡糸溶液との間の電気的接続には、銅線１３２を用いた。
印加電圧及びキャピラリーチップ１１２－コレクタ１２０間の距離（ＴＣＤ）は、紡糸するナノ繊維ごとに決定した。ＰＡＭ及びＰＡＮからなるナノ繊維を紡糸するときには、印加電圧及びＴＣＤをそれぞれ１７．５ｋＶ及び１７ｃｍとした。ＰＶＤＦからなるナノ繊維を紡糸するときには、印加電圧及びＴＣＤをそれぞれ１４ｋＶ及び１７ｃｍとした。
走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）としては、日本電子株式会社（ＪＥＯＬ）のＪＳＭ－６０１０ＬＡを用いた。試料に導電性を持たせるためのスパッタ装置としては、日本電子株式会社のＪＦＣ－１６００を用いた。コーティング材料としては、白金を用いた。
引張試験機としては、株式会社エー・アンド・デイのテンシロン万能材料試験機を用いた。測定においては、１０Ｎのロードセルを用い、チャック間距離は５０ｍｍとし、移動速度は２０ｍｍ／ｍｉｎとした。
濡れ性の試験においては、濡れ面積の割り出しのためにＩｍａｇｅ Ｊを用いた。
電気炉としては、株式会社モトヤマのＮＨＶ－１５１５Ｄを用いた。
バッテリーテスティングシステムとしては、Ｎｅｗａｒｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｔｄ（中国）のＣＴ－４００８－５Ｖ６ａ－Ｓ１を用いた。
（１）セパレータの製造方法
次に、実施例に係るセパレータの製造方法について説明する。実施例においては、本発明に係るセパレータである「ＰＥＴからなる繊維により構成される不織布基材層と、ＰＡＭ及びＰＡＮからなるナノ繊維により構成されるナノ繊維層とを備えるセパレータ（以下、「実施例に係るセパレータ」という。）」を製造した。また、比較用に「ＰＥＴからなる繊維により構成される不織布基材層と、ＰＶＤＦからなるナノ繊維により構成されるナノ繊維層とを備えるセパレータ（以下、「比較例に係るセパレータ」という。）」を製造した。
（１－１）紡糸溶液準備工程
実施例に係るセパレータを製造するための紡糸溶液は、まず、ＰＡＭ・ＰＡＮ混合溶液と蒸留水とを重量比で８：２の割合となるように混合し、さらに、濃度が０．１ｗｔ％となるようにＴＢＡＰを添加し、その後撹拌することにより調製した。
また、比較例に係るセパレータを製造するための紡糸溶液は、ＤＭＦとアセトンとを体積比で６：４の割合となるように混合した溶媒を準備し、当該溶媒に濃度が２４ｗｔ％となるようにＰＶＤＦを添加し、その後攪拌することによりを調製した。
撹拌時間は、それぞれ２４ｈとした。
（１－２）ナノ繊維層形成工程
上記のようにして作製した紡糸溶液を用い、ＰＥＴからなる繊維により構成されている不織布基材層の一方の面にナノ繊維層を形成し、実施例に係るセパレータ及び比較例に係るセパレータを製造した。
電界紡糸（エレクトロスピニング）は、上記電界紡糸装置１００（図３参照。）を用いて実施した。紡糸時の温度は２０℃～３０℃とし、湿度は４０％～５０％とした。
（２）表面観察
図４は、実施例における各試料の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。図４（ａ）は不織布基材層のＳＥＭ画像であり、図４（ｂ）は従来のセパレータのＳＥＭ画像であり、図４（ｃ）は実施例に係るセパレータのＳＥＭ画像であり、図４（ｄ）は比較例に係るセパレータのＳＥＭ画像である。
まず、不織布基材層、従来のセパレータ、実施例に係るセパレータ及び比較例に係るセパレータについて、ＳＥＭを用いた表面観察を行った。
その結果、不織布基材層がマイクロサイズの繊維径を有する繊維からなることが確認できた（図４（ａ）参照。）。また、従来のセパレータにおいては、繊維上に粒子が付着していることが確認できた（図４（ｂ）参照。）。なお、当該粒子はべーマイト粒子であり、セパレータの耐熱性及び濡れ性を向上させる目的で塗布されているものである。
一方、実施例に係るセパレータ及び比較例に係るセパレータにおいては、ナノ繊維層が形成できていることが確認できた（図４（ｃ）及び図４（ｄ）参照。）。実施例に係るセパレータにおけるナノ繊維の平均繊維径は１２８．５２ｎｍであり、比較例に係るセパレータにおけるナノ繊維の平均繊維径は４０４．７６ｎｍであった。
なお、従来のセパレータの厚さは２５μｍであったのに対し、実施例に係るセパレータ及び比較例に係るセパレータの厚さは２０μｍであった。不織布基材層の厚さは１８μｍであったため、実施例に係るセパレータ及び比較例に係るセパレータにおけるナノ繊維層の厚さは２μｍであったということになる。
（３）機械的強度
図５は、実施例における引張試験の結果を示すグラフである。図５に示すグラフの縦軸は応力（単位：ＭＰａ）を表し、横軸はひずみ（単位：％）を表す。図５においては、実施例に係るセパレータについての結果を（ａ）で示し、比較例に係るセパレータについての結果を（ｂ）で示し、従来のセパレータについての結果を（ｃ）で示す。なお、図５のグラフにおいては、実施例に係るセパレータについての結果と比較例に係るセパレータについての結果とがほぼ重なっている。
実施例に係るセパレータ及び比較例に係るセパレータの引張強度は約５８ＭＰａであった。また、従来のセパレータの引張強度は約４５ＭＰａであった。このため、実施例に係るセパレータ及び比較例に係るセパレータは、従来のセパレータよりも引張強度について優れていることが確認できた（図５参照。）。
（４）濡れ性
図６は、実施例における濡れ性に関する試験結果を示す写真である。図６（ａ）は実施例に係るセパレータについての試験結果を示す写真であり、図６（ｂ）は比較例に係るセパレータについての試験結果を示す写真であり、図６（ｃ）は従来のセパレータについての試験結果を示す写真である。
濡れ性の高いセパレータは効果的に電解質を保持し、スムーズな電解質拡散を促進することができるため、セパレータの濡れ性は重要な特性である。
濡れ性に関する試験は、セパレータを裁断して３０ｍｍ×３０ｍｍの試料とし、試料にＬｉＰＦ６溶液を１滴滴下し、３０秒後に濡れにより変色した部分の面積である濡れ面積を画像解析ソフト（ｉｍａｇｅ Ｊ）で測定することにより行った。
その結果、実施例に係るセパレータにおける濡れ面積は８．１８ｃｍ２であった（図６（ａ）参照。）。また、比較例に係るセパレータにおける濡れ面積は５．０１ｃｍ２であった。また、従来のセパレータにおける濡れ面積は１．６２ｃｍ２であった。実施例に係るセパレータにおける濡れ面積は、従来のセパレータの約５．０５倍であった。
上記の試験により、実施例に係るセパレータ及び比較例に係るセパレータは、従来のセパレータよりも優れた濡れ性を有することが確認できた。これば、ナノ繊維層がセラミック粒子と比較して大きい比表面積を有することに起因すると考えられる。
また、実施例に係るセパレータは、比較例に係るセパレータよりも濡れ性に優れることが確認できた。表面観察の結果から確認できたように、実施例に係るセパレータにおけるナノ繊維（ＰＡＭ及びＰＡＮからなるナノ繊維）は、比較例に係るセパレータにおけるナノ繊維（ＰＶＤＦからなるナノ繊維）よりも繊維径が小さい。上記結果は、繊維径が小さくなるほど比表面積は増大することに起因すると考えられる。
（５）耐熱性（熱安定性）
図７は、実施例における熱安定性に関する試験結果を示す写真である。図７（ａ）は実施例に係るセパレータについての試験結果を示す写真であり、図７（ｂ）は比較例に係るセパレータについての試験結果を示す写真であり、図７（ｃ）は従来のセパレータについての試験結果を示す写真である。図７（ａ）～図７（ｃ）は、所定の温度（後述）を２００℃としたときの試験結果を示す写真である。
図８は、実施例における熱処理後の各試料の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。図８（ａ）は実施例に係るセパレータのＳＥＭ画像であり、図８（ｂ）は比較例に係るセパレータのＳＥＭ画像であり、図８（ｃ）は従来のセパレータのＳＥＭ画像である。図８（ａ）～図８（ｃ）に示すＳＥＭ画像は、所定の温度（後述）を２００℃としたときのＳＥＭ画像である。
耐熱性に関する試験は、電気炉を用いて行った。セパレータを裁断して８０ｍｍ×４０ｍｍの試料とし、当該試料を所定の温度、空気雰囲気中で３０分間熱処理（熱暴露）した。実施例においては、所定の温度を１５０℃とした試験と、所定の温度を２００℃とした試験とを行った。昇温速度は、いずれの試験においても２℃／ｍｉｎとした。熱処理後、それぞれの試料の寸法変化を測定し、熱収縮率を求めた。
熱収縮率（％）は、熱収縮率をＳとし、Ｌ０を熱処理前の試料の長さとし、Ｌ１を熱処理後の試料の長さとするとき、Ｓ＝（（Ｌ１－Ｌ０）／Ｌ０）×１００という式で求めることができる。
まず、所定の温度を１５０℃としたときにおいては、全ての試料において有意な熱収縮は確認できなかった（図示せず。）。一方、所定の温度を２００℃としたときには、比較例に係るセパレータにおいて大きな熱収縮が確認できた（図７（ｂ）参照。）。比較例に係るセパレータにおける縦方向の熱収縮率は３２．５％、横方向の熱収縮率は１３．７５％であった。これは、熱処理によりＰＶＤＦが融解したことに起因すると考えられる。
一方、実施例に係るセパレータ及び従来のセパレータにおいては、所定の温度を２００℃としても、有意な熱収縮は確認できなかった（図７（ａ）及び図７（ｃ）参照。）。つまり、実施例に係るセパレータは、リチウムイオン電池の使用において想定される温度環境では、従来のセパレータと同等の耐熱性を有していることが確認できた。
また、２００℃で熱処理した後の各セパレータについて、ＳＥＭを用いた表面観察を行った。比較例に係るセパレータにおいては、熱処理によりナノ繊維が融解していることが確認できた（図８（ｂ）参照。）。一方、実施例に係るセパレータ及び従来のセパレータにおいては、熱処理による特段の影響（表面の形態変化）は観察できなかった。
以上の結果から、実施例に係るセパレータは、リチウムイオン電池のセパレータとして優れた耐熱性を有していることが確認できた。
（６）電解質吸収率及び空隙率
図９は、実施例における熱処理温度と電解質吸収率との関係を示す棒グラフである。図９のグラフの縦軸は電解質吸収率（単位：％）を表す。図９においては、実施例に係るセパレータについての試験結果を（ａ）で示し、比較例に係るセパレータについての試験結果を（ｂ）で示し、従来のセパレータについての試験結果を（ｃ）で示す。
図１０は、実施例における熱処理温度と空隙率との関係を示す棒グラフである。図１０のグラフの縦軸は空隙率（単位：％）を表す。図１０においては、実施例に係るセパレータについての試験結果を（ａ）で示し、比較例に係るセパレータについての試験結果を（ｂ）で示し、従来のセパレータについての試験結果を（ｃ）で示す。
電解質吸収率は、試料をＬｉＰＦ６溶液に室温で１０分間浸漬する試験を行うことにより算出した。
電解質吸収率（％）は、電解質吸収率をＥとし、Ｗ０を浸漬前の試料の質量とし、Ｗ１を浸漬後の試料の質量とするとき、Ｅ＝（（Ｗ１－Ｗ０）／Ｗ０）×１００という式で求めることができる。
空隙率は、試料をｎ－ブタノールに室温で１０分間浸漬する試験を行うことにより算出した。
空隙率（％）は、空隙率をＰとし、ＷＷを浸漬前の試料の質量とし、Ｗｄを浸漬後の試料の質量とし、ρｂをｎ－ブタノールの密度とし、Ｖを試料の体積とするとき、Ｐ＝（（ＷＷ－Ｗｄ）／ρｂＶ）×１００という式で求めることができる。
その結果、実施例に係るセパレータについては、図９及び図１０に示すように、従来のセパレータの電解質吸収率（１３７．５％）及び空隙率（５２．４％）よりも高い電解質吸収率（３３８．４６％）及び空隙率（７４．１％）を有し、かつ、熱処理を行っても高い電解質吸収率（３０３．５％）及び空隙率（７１．９％）を維持できることが確認できた。
また、比較例に係るセパレータについては、熱処理前及び１５０℃での熱処理後においては従来のセパレータよりも高い電解質吸収率（３１６．６７％）及び空隙率（７０．３％）を有するが、２００℃での熱処理後には低い電解質吸収率（６９．６９％）及び空隙率（４２％）を有するようになったことが確認できた。
また、従来のセパレータについては、熱処理を行っても電解質吸収率及び空隙率には大きな変化は見られないことが確認できた。
以上の結果から、ナノ繊維層を備えるセパレータは、従来のセパレータよりも多くの電解質を吸収することができ、空隙率も高くなることが確認できた。
また、ＰＥＴからなる繊維及びＰＡＭ及びＰＡＮからなるナノ繊維は十分な耐熱性を有し、高温にさらされた後であっても高い電解質吸収率及び空隙率を維持できることが確認できた。
（７）電池試験（充放電試験）
図１１は、実施例の電池試験における放電容量を示すグラフである。図１１に示すグラフの縦軸は放電容量（単位：ｍＡｈ）を表し、横軸はサイクル数（試験数）を表す。図１１においては、実施例に係るセパレータについての試験結果を（ａ）で示し、比較例に係るセパレータについての試験結果を（ｂ）で示し、従来のセパレータについての試験結果を（ｃ）で示す。
図１２は、実施例の電池試験における充電効率を示すグラフである。図１２に示すグラフの縦軸は充電効率（単位：％）を表し、横軸はサイクル数を表す。図１２においては、実施例に係るセパレータについての試験結果を（ａ）で示し、比較例に係るセパレータについての試験結果を（ｂ）で示し、従来のセパレータについての試験結果を（ｃ）で示す。
実施例においては、実施例に係るセパレータ、比較例に係るセパレータ及び従来のセパレータを用いていわゆるコイン電池を作製した。これらのコイン電池を用い、充放電試験を１２０回行った。
コイン電池の負極はリチウム（Ｌｉ）とし、正極はマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）とした。電解液としては、濡れ性の試験で用いたものと同様のＬｉＰＦ６溶液を用いた。アセンブリー圧力は４０ｋｇ／ｃｍ２とした。
充放電試験においては、まず、作製したコイン電池をバッテリーテスティングシステムに接続した。この状態で、コイン電池を一定の電圧及び電流（電圧４．３Ｖ、電流０．９ｍＡ）で充電し、１０分間放置し、一定の電流（０．９ｍＡ）で放電するというプロセスからなるサイクルを、それぞれのコイン電池について１２０回繰り返す試験を行った。
その結果、実施例に係るセパレータを備えるコイン電池は、他のセパレータを備えるコイン電池と比較して放電容量が大きいことが確認できた（図１１参照。）。また、実施例に係るセパレータを備えるコイン電池の充電効率はほぼ９８％以上となり、他のセパレータを備えるコイン電池とあまり変わらないことが確認できた。
なお、実施例のように電池の負極としてＬｉを用いる場合であっても、リチウムイオンが電気伝導を担うことは変わらない。このため、セパレータを他のリチウムイオン電池（例えば、負極に黒鉛を用いたリチウムイオン電池）に適用した場合でも、本試験で得られた結果と同じ傾向が得られるものと考えられる。
以上の実施例により、本発明に係るセパレータ（実施例に係るセパレータ）が本発明に係るセパレータの製造方法により製造できることが確認できた。
また、本発明に係るセパレータが、薄さ、機械的強度、熱安定性、電解質吸収率及び空隙率について優れた特性を有することが確認できた。
さらに、本発明に係るセパレータを用いて本発明に係るリチウムイオン電池を構成できること、及び、従来のセパレータを用いた場合よりも放電容量を大きくすることが可能であることも確認できた。
以上、本発明を上記の実施形態及び実施例に基づいて説明したが、本発明は上記の実施形態、実施例及び各試験例に限定されるものではない。その趣旨を逸脱しない範囲において種々の様態において実施することが可能である。
例えば、上記実施形態及び各試験例において記載した工程や構成等は例示又は具体例であり、本発明の効果を損なわない範囲において変更することが可能である。
１…セパレータ、１０…不織布基材層、２０…ナノ繊維層、１００…電界紡糸装置、１１０…シリンジ、１１２…キャピラリーチップ、１２０…コレクタ、１３０…電源装置、１３２…銅線

Claims (12)

  1. ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を主成分とする繊維を主に含む不織布基材層と、
    ポリアクリルアミド（ＰＡＭ）及びポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を主成分とするナノ繊維を主に含み、前記不織布基材層の少なくとも一方の面に形成されたナノ繊維層とを備えることを特徴とするセパレータ。
  2. 前記不織布基材層は、ＰＥＴからなる繊維により構成されていることを特徴とする請求項１に記載のセパレータ。
  3. 前記ナノ繊維層は、ＰＡＭ及びＰＡＮからなるナノ繊維により構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のセパレータ。
  4. 前記ナノ繊維の構成材料を重量で評価するとき、前記ナノ繊維は、ＰＡＮよりもＰＡＭを多く含むことを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載のセパレータ。
  5. 前記不織布基材層の厚みは、５μｍ～３０μｍの範囲内にあり、
    前記ナノ繊維層の厚みは、１μｍ～５μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載のセパレータ。
  6. 溶質の主成分としてポリアクリルアミド（ＰＡＭ）及びポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を含有する紡糸溶液を準備する紡糸溶液準備工程と、
    前記紡糸溶液を用いた電界紡糸により、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を主成分とする繊維を主に含む不織布基材層の少なくとも一方の面に、ＰＡＭ及びＰＡＮを主成分とするナノ繊維を主に含むナノ繊維層を形成するナノ繊維層形成工程とを含むことを特徴とするセパレータの製造方法。
  7. 前記不織布基材層は、ＰＥＴからなる繊維により構成されていることを特徴とする請求項６に記載のセパレータの製造方法。
  8. 前記紡糸溶液は、前記ナノ繊維を形成するための高分子成分としてＰＡＭ及びＰＡＮのみを含有することを特徴とする請求項６又は７に記載のセパレータの製造方法。
  9. 前記紡糸溶液の溶質を重量で評価するとき、前記紡糸溶液は、ＰＡＮよりもＰＡＭを多く含むことを特徴とする請求項６～８のいずれかに記載のセパレータの製造方法。
  10. 前記ナノ繊維層形成工程においては、
    前記不織布基材層として、厚みが５μｍ～３０μｍの範囲内にあるものを用い、
    厚みが１μｍ～５μｍの範囲内となるように前記ナノ繊維層を形成することを特徴とする請求項６～９のいずれかに記載のセパレータの製造方法。
  11. 前記紡糸溶液は、０．０５ｗｔ％～０．５ｗｔ％の過塩素酸テトラブチルアンモニウム（ＴＢＡＰ）をさらに含有することを特徴とする請求項６～１０のいずれかに記載のセパレータの製造方法。
  12. 請求項１～５のいずれかに記載のセパレータを備えることを特徴とするリチウムイオン電池。
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