JP7305895B2 - 蓄電デバイス用セパレータ及び蓄電デバイス - Google Patents
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Description
セパレータとしては、例えば、特許文献1において、非導電性粒子と、酸性基を含有する単量体単位を有する水溶性重合体と、粒子状重合体とを含むスラリーであって、水溶性重合体の量が所定の範囲にあり、且つ、非導電性粒子のBET比表面積が所定の範囲にあるスラリーを、ポリオレフィン系基材に塗工して得られるセパレータ(無機塗工セパレータ)が提案されている。かかるセパレータは、リチウムイオン二次電池の高温サイクル特性及び安全性を向上させるとされている。
ただし、正極材料のニッケル含有比率が増えると、熱分解温度が下がり、発熱量も大きくなるため、これまででは熱暴走に至らなかった電池温度でも発火や熱暴走等の事故につながる可能性がある。このような動作環境を想定すれば、電池の安全性を担保させる役割を果たすセパレータには、収縮、破膜に伴う僅かな短絡も許されなくなっている。
他方、電池容量の向上の観点から、充放電反応に寄与しないセパレータには薄膜化が求められており、セパレータの絶対強度を担保するべく、単位樹脂重量当たりの強度を向上させることが求められている。しかしながら、このようなセパレータは熱により収縮しやすく、電池の熱的安全性が低下する傾向にある。また、セパレータの熱収縮率は一般的に空気中で測定されているが、電池の発熱時、無機塗工セパレータの塗工層において結着剤として機能する高分子材料は、カーボネート系電解液中で膨潤することで強度が低下し、塗工層の強度や、塗工層とポリオレフィン系基材との結着強度が低下する傾向にある。そのため、空気中で測定した熱収縮が低い無機塗工セパレータであっても、電解液で満たされた電池内においては熱収縮が増大し、安全性を担保できなくなる可能性がある。このような状況において従来の無機塗工セパレータでは安全性を担保できなくなりつつある。
上述のとおり、特許文献1に記載の技術は、電解液中での熱収縮を抑制し、ニッケル含有量の多い正極材料と組み合わせた場合であっても安全性を確保できるセパレータとする観点から、更なる改善の余地がある。
[1]
ポリオレフィンを含む層(A)と、
前記層(A)の少なくとも一面上に配され、かつ、無機フィラーと非水溶性バインダと水溶性バインダとポリアクリル酸系分散剤とを含む層(B)と、
を備える蓄電デバイス用セパレータであって、
前記蓄電デバイス用セパレータのプロピレンカーボネート中における140℃下での熱収縮率S1が、5%以下である、蓄電デバイス用セパレータ。
[2]
ポリオレフィンを含む層(A)と、
前記層(A)の少なくとも一面上に配され、かつ、無機フィラーと非水溶性バインダと水溶性バインダとポリアクリル酸系分散剤とを含む層(B)と、
を備える蓄電デバイス用セパレータであって、
前記ポリアクリル酸系分散剤が、ポリアクリル酸の一価の金属イオンの中和塩、及び、アクリル酸の一価の金属イオンの中和塩とアクリル酸との共重合体、からなる群より選ばれる1種以上を含み、
前記水溶性バインダが、セルロースエーテルを含み、
プロピレンカーボネート中における前記層(A)と前記層(B)との間の界面剥離強度Hが3N/m以上である、蓄電デバイス用セパレータ。
[3]
前記層(A)の目付換算突刺強度が、40gf/(g/m2)以上である、[1]又は[2]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[4]
前記蓄電デバイス用セパレータの空気中における150℃下での熱収縮率S2が、5%以下である、[1]~[3]のいずれかに記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[5]
前記熱収縮率S1が、2.5%以下である、[1]、[3]、[4]のいずれかに記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[6]
前記蓄電デバイス用セパレータの厚みTが3μm以上16μm以下である、[1]~[5]のいずれかに記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[7]
層(B)の厚みTBと前記厚みTとの比が、TB/Tとして、0.1~0.3である、[1]~[6]のいずれかに記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[8]
蓄電デバイス用セパレータの突刺強度が、200gf以上である、[1]~[7]のいずれかに記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[9]
層(A)における層(B)側の表面をATR-IRで測定した際の1734cm-1/2918cm-1の吸収ピーク比が、0.025~0.125である、[1]~[8]のいずれかに記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[10]
前記ポリアクリル酸系分散剤が、ポリアクリル酸の一価の金属イオンの中和塩、及び、アクリル酸の一価の金属イオンの中和塩とアクリル酸との共重合体、からなる群より選ばれる1種以上を含む、[1]、[3]~[9]のいずれかに記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[11]
前記水溶性バインダが、セルロースエーテルを含む、[1]、[3]~[10]のいずれかに記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[12]
前記無機フィラーのD50粒子径が、0.1μm以上0.7μm以下である、[1]~[11]のいずれかに記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[13]
前記蓄電デバイス用セパレータの透気度が、50~500秒/100ccである、[1]~[12]のいずれかに記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[14]
前記層(A)の透気度が、30~450秒/100ccである、[1]~[13]のいずれかに記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[15]
LiとCoとNiとを含む正極と、
前記正極に対向する負極と、
前記正極と前記負極との間に配される、[1]~[14]のいずれかに記載の蓄電デバイス用セパレータと、
を備える蓄電デバイスであって、
前記正極中のLi以外の金属中の前記Co及びNiの含有比率が、それぞれ、20mоl%以下及び60mоl%以上である、蓄電デバイス。
本実施形態の第1の態様に係る蓄電デバイス用セパレータ(以下、「第1のセパレータ」ともいう。)は、ポリオレフィンを含む層(A)と、前記層(A)の少なくとも一面上に配され、かつ、無機フィラーと非水溶性バインダと水溶性バインダとポリアクリル酸系分散剤とを含む層(B)と、を備える蓄電デバイス用セパレータであって、前記蓄電デバイス用セパレータのプロピレンカーボネート中における140℃下での熱収縮率S1が、5%以下である。第1のセパレータは、上記構成を有するため、電解液中での熱収縮を抑制し、ニッケル含有量の多い正極材料と組み合わせた場合にあっても安全性を確保できる。
また、本実施形態の第2の態様に係る蓄電デバイス用セパレータ(以下、「第2のセパレータ」ともいう。)は、ポリオレフィンを含む層(A)と、前記層(A)の少なくとも一面上に配され、かつ、無機フィラーと非水溶性バインダと水溶性バインダとポリアクリル酸系分散剤とを含む層(B)と、を備える蓄電デバイス用セパレータであって、前記ポリアクリル酸系分散剤が、ポリアクリル酸の一価の金属イオンの中和塩、及び、アクリル酸の一価の金属イオンの中和塩とアクリル酸との共重合体、からなる群より選ばれる1種以上を含み、前記水溶性バインダが、セルロースエーテルを含み、プロピレンカーボネート中における前記層(A)と前記層(B)との間の界面剥離強度Hが3N/m以上である。上記構成を有する第2のセパレータもまた、電解液中での熱収縮を抑制し、ニッケル含有量の多い正極材料と組み合わせた場合にあっても安全性を確保できる。
なお、本明細書において、特に断りがない限り、蓄電デバイス用セパレータに関する以降の説明は、第1のセパレータ及び第2のセパレータの双方に係るものとする。また、「本実施形態の蓄電デバイス用セパレータ」は第1のセパレータ及び第2のセパレータを包含するものとして説明する。
層(A)は、ポリオレフィンを含むものであり、蓄電デバイス用セパレータの基材として機能する。層(A)は、ポリオレフィンを主成分として含むことが好ましく、層(A)におけるポリオレフィンの含有量としては、層(A)の全質量に対して、好ましくは75質量%以上、より好ましくは85質量%以上、更に好ましくは90質量%以上、より更に好ましくは95質量%以上、特に好ましくは98質量%以上である。上記含有量の上限は特に限定されず、100質量%であってもよい。
ポリオレフィンとしては、特に限定されないが、例えば、エチレン、プロピレン、1-ブテン、4-メチル-1-ペンテン、1-ヘキセン、及び1-オクテン等をモノマーとして用いて得られる、単独重合体、共重合体及び多段重合体等が挙げられ、これらの重合体を単独で用いても、2種以上を混合して用いてもよい。ポリオレフィンは、層(A)にセパレータとして適切な溶融粘度、シャットダウン及びメルトダウン特性を付与する観点から、ポリエチレン、ポリプロピレン、及びこれらの共重合体からなる群から選択される少なくとも一つを含むことが好ましく、ポリエチレンを含むことがより好ましい。また、本実施形態においては、諸物性を調整する観点から、ポリオレフィンがポリプロピレンを含むものであってもよく、例えば、ポリオレフィンがエチレン-プロピレン共重合体、又はポリエチレンとポリプロピレンの混合物を含むものであってもよい。
層(A)の190℃でのメルトインデックス(MI)は、製膜時にポリオレフィンを含む樹脂組成物(以下、「ポリオレフィン樹脂組成物」ともいう。)の高粘度を抑制して不良品の発生を抑制するという観点から、0.02g/10min~0.5g/10minであることが好ましく、0.05g/10min~0.3g/10minであることがより好ましい。より詳細には、0.02g/10min~0.50g/10minであることが好ましく、0.05g/10min~0.30g/10minであることがより好ましい。
層(A)の目付(g/m2)に換算されたときの突刺強度(以下、「目付換算突刺強度」という。)は、例えば30gf/(g/m2)以上とすることができ、40gf/(g/m2)以上であることが好ましい。層(A)が40gf/(g/m2)以上の目付換算突刺強度を有する場合、蓄電デバイスの衝撃試験において層(A)が破断し難くなる傾向にある。層(A)の強度を維持しながら蓄電デバイスの安全性、例えば耐衝撃性を向上させるという観点から、目付換算突刺強度は、より好ましくは50gf/(g/m2)以上であり、更に好ましくは60gf/(g/m2)以上であり、より更に好ましくは70gf/(g/m2)以上であり、一層好ましくは80gf/(g/m2)以上であり、より一層好ましくは90gf/(g/m2)以上である。目付換算突刺強度は、限定されるものではないが、例えば、200gf/(g/m2)以下であってもよく、150gf/(g/m2)以下であってもよく、120gf/(g/m2)以下であってもよい。
上記目付換算突刺強度は、後述する実施例に記載の方法により測定することができる。また、上記目付換算突刺強度は、例えば、後述する方法等により目付及び突刺強度の値を適宜調整することにより、上記範囲に調整することができる。より具体的には、例えば、ポリオレフィン樹脂組成物の分子量、ポリオレフィン樹脂組成物と可塑剤の混合比率、延伸温度、延伸倍率を調整することで上記範囲に調整することができる。
層(A)の目付は、強度を向上させる観点から、好ましくは1.5g/m2以上であり、より好ましくは2.0g/m2以上であり、更に好ましくは2.5g/m2以上であり、また蓄電デバイスの容量を向上させる観点から、好ましくは7.0g/m2以下であり、より好ましくは6.5g/m2以下であり、更に好ましくは5.5g/m2以下である。層(A)の目付は、後述する実施例に記載の方法により測定することができ、例えば、ダイリップ間隔、延伸工程における延伸倍率等を制御することにより調整することができる。
層(A)の目付に換算されていない突刺強度(以下、単に「突刺強度」という。)については、衝撃試験において層(A)の破断を抑制する観点から、100gf以上であることが好ましく、より好ましくは200gf以上であり、更に好ましくは250gf以上であり、より更に好ましくは300gf以上であり、一層好ましくは350gf以上であり、より一層好ましくは400gf以上であり、特に好ましくは450gf以上である。また、層(A)の製膜時の安定性の観点から、上記突刺強度は、1000gf以下であることが好ましく、より好ましくは900gf以下である。
ただし、上記突刺強度の下限値は、上述した例に限定されず、製膜および電池製造を安定して実施できる値であれば採用することができる。また、上記突刺強度の上限値としても、上述した例に限定されず、他の特性とのバランスで適宜設定することができる。
上記突刺強度は、後述する実施例に記載の方法により測定することができる。
ポリオレフィン樹脂組成物を押出成形して層(A)を得ることを想定すると、押出時に成形品に掛かる剪断力又は延伸による分子鎖の配向の増加により、上記突刺強度を高めることができる。残留応力の増加を避けて熱安定性を向上させる観点から、剪断力又は延伸による分子鎖の配向が過度に増加しないように制御することが好ましい。
層(A)の厚みは、強度や耐電圧性を向上させる観点から、好ましくは3μm以上であり、より好ましくは4μm以上であり、更に好ましくは5μm以上である。より詳細には、好ましくは3.0μm以上であり、より好ましくは4.0μm以上であり、更に好ましくは5.0μm以上である。また、蓄電デバイスの容量を向上させる観点から、層(A)の厚みは、好ましくは12μm以下であり、より好ましくは11μm以下であり、更に好ましくは10μm以下である。より詳細には、好ましくは12.0μm以下であり、より好ましくは11.0μm以下であり、更に好ましくは10.0μm以下である。層(A)の厚みは、後述する実施例に記載の方法により測定することができ、例えば、ダイリップ間隔、延伸工程における延伸倍率等を制御することにより調整することができる。
層(A)の気孔率は、透過性の観点から、好ましくは20%以上であり、より好ましくは30%以上であり、更に好ましくは35%以上であり、また膜強度や耐電圧の観点から、好ましくは70%以下であり、より好ましくは60%以下であり、更に好ましくは50%以下である。
上記気孔率は、後述する実施例に記載の方法により測定することができる。
また、上記気孔率は、例えば、ポリオレフィン樹脂組成物と可塑剤の混合比率、延伸温度、延伸倍率、熱固定温度、熱固定時の延伸倍率、及び熱固定時の緩和率等を制御すること、並びにこれらを組み合わせることにより調整することができる。
層(A)の透気度は、複数の電極間に層(A)を介して過剰な電流が流れないようにするという観点から、好ましくは10sec/100cm3以上、より好ましくは50sec/100cm3以上であり、更に好ましくは80sec/100cm3以上であり、また透過性の観点から、好ましくは1000sec/100cm3以下であり、より好ましくは300sec/100cm3以下であり、更に好ましくは200sec/100cm3以下であり、特に好ましくは160sec/100cm3以下である。
上記透気度は、後述する実施例に記載の方法により測定することができる。
また、上記透気度は、例えば、熱固定温度、熱固定時の延伸倍率、及び熱固定時の緩和率等を制御すること、並びにこれらを組み合わせることにより調整することができる。
層(A)の表面上に層(B)を形成する前に、層(A)にコロナ放電処理やプラズマ処理等を実施することによって表面性状を調整することが好ましい。かかる表面性状は、ATR-IRによって確認することができ、より具体的には、層(A)の表面をATR-IRで測定した際の1734cm-1/2918cm-1の吸収ピーク比によって確認することができる。本実施形態において、層(A)における層(B)側の表面をATR-IRで測定した際の1734cm-1/2918cm-1の吸収ピーク比は、例えば0.010~0.180とすることができ、0.025~0.125であることが好ましい。
上記吸収ピーク比が0.025以上である場合、層(A)の表面に形成されたカルボニル基、カルボキシル基を主とする酸素原子含有官能基と、層(B)中の非水溶性バインダ、及び水溶性バインダとの相互作用が大きくなり、結果として電解液中での熱収縮を十分に抑制できる傾向にある。また、上記吸収ピーク比が0.125以下である場合、層(B)を形成する際の塗工液中に含まれる樹脂成分の層(A)の孔への過度な含浸を抑制し、結果として透過性が向上する傾向にある。
上記観点から、上記吸収ピーク比は0.040~0.105であることがより好ましく、更に好ましくは0.055~0.085である。
上記吸収ピーク比は、後述する実施例に記載の方法により測定することができる。
また、上記吸収ピーク比は、例えば、後述する好ましい条件によりコロナ放電処理やプラズマ放電処理を行う等によって調整することができる。
層(A)の粘度平均分子量(Mv)は、好ましくは400,000以上1,300,000以下であり、より好ましくは450,000以上1,200,000以下であり、更に好ましくは500,000以上1,150,000以下である。層(A)のMvが400,000以上であると、溶融成形の際のメルトテンションが大きくなり、成形性が良好になると共に、重合体同士の絡み合いによって高い膜強度が得られる傾向にある。Mvが1,300,000以下であると、原料の均一な溶融混練が容易となり、シート成形性、特に厚み安定性に優れる傾向にあるだけでなく、蓄電デバイス用セパレータとして使用した際に、温度上昇時に孔が閉塞され易く、良好なヒューズ機能が得られる傾向にもある。
Mvは、ASTM-D4020に基づき、デカリン溶媒における135℃での極限粘度[η]から求めることができる。
ポリエチレンのMvは次式により算出できる。
[η]=6.77×10-4Mv0.67
ポリプロピレンについては、次式によりMvを算出できる。
[η]=1.10×10-4Mv0.80
層(A)は、リチウムイオン二次電池用セパレータへの適用、特にラミネート型リチウムイオン二次電池用セパレータとしての適用の観点から、イオン伝導性を有し、有機溶媒に対する耐性が高く、かつ孔径の微細なものが好ましい。そのため、層(A)の平均孔径は、好ましくは0.03μm以上0.70μm以下、より好ましくは0.04μm以上0.20μm以下、更に好ましくは0.05μm以上0.10μm以下、より更に好ましくは0.055μm以上0.09μm以下である。層(A)の平均孔径は、イオン伝導性と耐電圧性の観点から、0.03μm以上0.70μm以下であることが好ましい。
平均孔径は、例えば、ポリオレフィン樹脂組成物の組成比、ポリオレフィン又は可塑剤の種類、押出シートの冷却速度、延伸温度、延伸倍率、熱固定温度、熱固定時の延伸倍率、及び熱固定時の緩和率等を制御すること、並びにこれらを組み合わせることにより調整することができる。平均孔径は、ハーフドライ法に準拠し、パームポロメータを用いて測定することができる。
層(B)は、層(A)の少なくとも一面上に配され、かつ、無機フィラーと非水溶性バインダと水溶性バインダとポリアクリル酸系分散剤とを含むものである。層(B)は、蓄電デバイス用セパレータにおいて特に熱による収縮を抑制する機能を有する。
層(B)の厚みは、耐熱性を向上させる観点から、0.5μm以上であることが好ましく、より好ましくは0.6μm以上であり、更に好ましくは0.7μm以上であり、より更に好ましくは1.0μm以上である。また、蓄電デバイスの容量を向上させる観点から、層(B)の厚みは、5μm以下であることが好ましく、より好ましくは4μm以下であり、更に好ましくは3μm以下である。より詳細には、5.0μm以下であることが好ましく、より好ましくは4.0μm以下であり、更に好ましくは3.0μm以下である。
層(B)は層(A)の片面上のみに形成されていてもよいし、層(A)の両面に形成されていてもよい。層(B)が層(A)の両面に形成されていている場合、層(B)の合計厚みとして上述した範囲に包含されていることが好ましい。
層(B)の厚みは、後述する実施例に記載の方法により測定することができ、例えば、層(B)を形成する際に用いる塗工液の量や当該塗工液の塗布条件等により調整することができる。
層(B)における無機フィラーとしては、特に限定されないが、耐熱性及び電気絶縁性が高く、かつリチウムイオン二次電池の使用範囲で電気化学的に安定であるものが好ましい。そのような無機フィラーとしては、以下に限定されないが、例えば、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、マグネシア、セリア、イットリア、酸化亜鉛、及び酸化鉄などの酸化物系セラミックス;窒化ケイ素、窒化チタン、及び窒化ホウ素等の窒化物系セラミックス;シリコンカーバイド、炭酸カルシウム、硫酸マグネシウム、硫酸アルミニウム、硫酸バリウム、水酸化アルミニウム、水酸化酸化アルミニウム又はベーマイト、チタン酸カリウム、タルク、カオリナイト、ディカイト、ナクライト、ハロイサイト、パイロフィライト、モンモリロナイト、セリサイト、マイカ、アメサイト、ベントナイト、アスベスト、ゼオライト、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウム、ケイ藻土、及びケイ砂等のセラミックス;並びにガラス繊維などが挙げられる。これらの中でも、アルミナ、ベーマイト、及び硫酸バリウムから成る群から選ばれる少なくとも1つが、リチウムイオン二次電池内での安定性の観点から好ましい。また、ベーマイトとしては、電気化学素子の特性に悪影響を与えるイオン性の不純物を低減できる合成ベーマイトが好ましい。無機フィラーは、1種を単独で用いてもよく、複数種を併用してもよい。
無機フィラーのアスペクト比は、走査型電子顕微鏡(SEM)により撮影した画像を画像解析することにより求めることができる。
無機フィラーの体積平均粒子径D50は、後述する実施例に記載の方法により測定することができる。
無機フィラーの体積平均粒子径D50を上記のように調整する方法としては、例えば、ボールミル・ビーズミル・ジェットミル等を用いて無機フィラーを粉砕し、所望の粒径分布を得る方法、複数の粒径分布のフィラーを調製した後にブレンドする方法等が挙げられる。
層(B)から再分散させた無機フィラーの粒子径は、後述する実施例に記載の方法により測定することができる。
層(B)から再分散させた無機フィラーの粒子径を上記のように調整する方法としては、例えば、ボールミル・ビーズミル・ジェットミル等を用いて無機フィラーを粉砕し、所望の粒径分布を得る方法、複数の粒径分布のフィラーを調製した後にブレンドする方法等が挙げられる。
層(B)中の無機フィラーの一次粒子径は、後述する実施例に記載の方法により測定することができる。
層(B)中の無機フィラーの一次粒子径を上記のように調整する方法としては、例えば、ボールミル・ビーズミル・ジェットミル等を用いて無機フィラーを粉砕し、所望の粒径分布を得る方法、複数の粒径分布のフィラーを調製した後にブレンドする方法等が挙げられる。
層(B)における非水溶性バインダは、水中において粒子状で分散する、ガラス転移温度が10℃以下の粒子状重合体と定義される。水中において粒子状で分散することは、以下に限定されないが、例えば、後述する実施例に記載の方法に基づいて非水溶性バインダの粒子径分布が測定可能であることや、25℃において重合体乾燥物1.0gを100gの水に溶解した際に、不溶分が90質量%以上であること等から確認することができる。非水溶性バインダは、無機フィラーを電解液中で点状に結着させるものと考えられ、耐熱性と透過性を両立するものである。非水溶性バインダの具体例としては、以下に限定されないが、スチレン・ブタジエン系ラテックス、アクリロニトリル・ブタジエン系ラテックス、アクリルラテックス(メタクリル酸エステル-アクリル酸エステル共重合体、スチレン-アクリル酸エステル共重合体、及びアクリロニトリル-アクリル酸エステル共重合体など)等が挙げられる。分子設計の自由度の観点から、アクリルラテックスが好ましい。アクリルラテックスを構成し得るアクリル酸エステルとしては、以下に限定されないが、例えば、メチルアクリレート、メチルメタクリレート、エチルアクリレート、エチルメタクリレート、ブチルアクリレート、ブチルメタクリレート、2-エチルヘキシルアクリレート、2-エチルヘキシルアメタクリレート等の(メタ)アクリル酸アルキルエステルが挙げられる。これらのアクリル酸エステルは1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。
上記のような共重合体の重合方法は特に限定されないが、乳化重合が好ましい。乳化重合の方法としては、特に限定されず、既知の方法を用いることができる。単量体、及びその他の成分の添加方法については、特に限定されず、一括添加方法、分割添加方法、及び連続添加方法の何れも採用することができ、重合方法は、一段重合、二段重合、又は三段階以上の多段階重合のいずれも採用することができる。
非水溶性バインダは、1種を単独で用いてもよく、複数種を併用してもよい。
上記体積平均粒子径は後述する実施例に記載の方法により測定することができ、例えば、非水溶性バインダを製造する際の重合時間、重合温度、原料組成比、原料投入順序、pH、撹拌速度により調整することができる。
ガラス転移温度は、後述する実施例に記載の方法によって測定することができる。
ガラス転移温度は、例えば、非水溶性バインダを製造する際の重合時間、重合温度、原料組成比により調整することができる。
層(B)における水溶性バインダは、25℃において、重合体1.0gを100gの水に溶解した際に、不溶分が1.0質量%未満となる、重量平均分子量が20,000以上の重合体と定義され、電解液中で無機フィラーを被膜状に結着させ、耐熱性に寄与する機能を有する。
第1のセパレータの層(B)における水溶性バインダの具体例としては、以下に限定されないが、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルピロリドン(PVP)、セルロースエーテル、ポリアクリルアミド、ポリ(メタ)アクリル酸、ポリビニルアセトアミド、ポリエチレンイミン、ポリエチレンオキシド、ポリスチレンスルホン酸、キサンタンガム、グァーガム等が挙げられる。これらの中でも、剛直な分子構造により電解液中での強度を発現させる観点から、セルロースエーテルが好ましく、カルボキシメチルセルロースナトリウムがとりわけ好ましい。
第2のセパレータの層(B)における水溶性バインダは、セルロースエーテルを含む。第2のセパレータの層(B)における水溶性バインダは、セルロースエーテルの他に、PVA、PVP、ポリアクリルアミド、ポリ(メタ)アクリル酸、ポリビニルアセトアミド、ポリエチレンイミン、ポリエチレンオキシド、ポリスチレンスルホン酸、キサンタンガム、グァーガム等を含んでいてもよい。
第1のセパレータ及び第2のセパレータの双方において、水溶性バインダは、1種を単独で用いてもよく、複数種を併用してもよい。また、水溶性バインダは、上記から選択される少なくとも1種と他の共重合成分との共重合体であってもよい。
重量平均分子量は後述する実施例に記載の方法により測定することができ、例えば、水溶性バインダを製造する際の重合時間、重合温度、原料組成比、原料投入順序、撹拌速度等により調整することができる。
層(B)に水溶性バインダが含まれていることは、例えばセパレータを水に浸漬させ、水溶成分を水層に溶解させ、得られた水層成分をろ過し、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー等で分子量を測定し、水層成分の乾固物を赤外分光装置や核磁気共鳴装置、エネルギー分散型X線分光装置等で解析することで検出できる。
層(B)におけるポリアクリル酸系分散剤は、25℃において、重合体1.0gを100gの水に溶解した際に、不溶分が1.0重量%未満となる、重量平均分子量が500以上10,000以下のアクリル酸骨格を持つ重合体と定義され、無機フィラー表面に吸着し、分散性と電解液中での結着性に寄与する。
第1のセパレータの層(B)におけるポリアクリル酸系分散剤の具体例としては、以下に限定されないが、アクリル酸、アクリル酸ナトリウム、アクリル酸リチウム及びアクリル酸アンモニウムをモノマーとして用いて得られる、単独重合体及び共重合体等が挙げられる。これらの中でも、分散性及び電解液への低膨潤性の観点から、ポリアクリル酸の一価の金属イオンの中和塩、及び、アクリル酸の一価の金属イオンの中和塩とアクリル酸との共重合体、からなる群より選ばれる1種以上を含むことが好ましく、そのようなポリアクリル酸系分散剤の具体例としては、以下に限定されないが、ポリアクリル酸ナトリウム及びポリアクリル酸リチウム等が挙げられる。
第2のセパレータの層(B)におけるポリアクリル酸系分散剤は、ポリアクリル酸の一価の金属イオンの中和塩、及び、アクリル酸の一価の金属イオンの中和塩とアクリル酸との共重合体、からなる群より選ばれる1種以上を含む。第2のセパレータの層(B)におけるポリアクリル酸系分散剤は、ポリアクリル酸の一価の金属イオンの中和塩及びアクリル酸の一価の金属イオンの中和塩とアクリル酸との共重合体を除く、アクリル酸、アクリル酸ナトリウム、アクリル酸リチウム及びアクリル酸アンモニウムをモノマーとして用いて得られる、単独重合体及び共重合体等を含んでいてもよい。
第1のセパレータ及び第2のセパレータの双方において、ポリアクリル酸系分散剤は、1種を単独で用いてもよく、複数種を併用してもよい。
層(B)にポリアクリル酸系分散剤が含まれていることは、例えばセパレータを水に浸漬させ、水溶成分を水層に溶解させ、得られた水層成分をろ過し、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー等で分子量を測定し、水層成分の乾固物を赤外分光装置や核磁気共鳴装置、エネルギー分散型X線分光装置等で解析することで検出できる。
重量平均分子量は後述する実施例に記載の方法により測定することができ、例えば、ポリアクリル酸系分散剤を製造する際の重合時間、重合温度、原料組成比、原料投入順序、撹拌速度等により調整することができる。
(熱収縮率S1)
第1のセパレータのプロピレンカーボネート中における140℃下での熱収縮率S1は、5%以下である。熱収縮率S1が5%以下であることにより、ニッケル含有量の多い正極材料と組み合わせた場合にあっても、電池内でのセパレータの加熱による変形を抑制し、正負極間の短絡を防止することができる。かかる観点から、熱収縮率S1は5.0%以下であることが好ましく、より好ましくは4.5%以下であり、さらに好ましくは4.0%以下であり、よりさらに好ましくは3.5%以下であり、一層好ましくは3.0%以下であり、より一層好ましくは2.5%以下であり、さらに一層好ましくは2.0%以下であり、よりなお一層好ましくは1.5%以下であり、さらになお一層好ましくは1.0%以下であることが好ましく、特に好ましくは0.5%以下である。
第2のセパレータにおいては、熱収縮率S1を限定する趣旨ではないが、上記と同様の観点から上述した範囲にあることが好ましい。すなわち、第2のセパレータのプロピレンカーボネート中における140℃下での熱収縮率S1は、5%以下であることが好ましく、より好ましくは5.0%以下であり、さらに好ましくは4.0%以下であり、よりさらに好ましくは3.5%以下であり、一層好ましくは3.0%以下であり、より一層好ましくは2.5%以下であり、さらに一層好ましくは2.0%以下であり、よりなお一層好ましくは1.5%以下であり、さらになお一層好ましくは1.0%以下であることが好ましく、特に好ましくは0.5%以下である。
熱収縮率S1は、後述する実施例に記載の方法により測定することができる。
熱収縮率S1は、例えば、層(A)の表面に後述した好ましい条件でコロナ放電処理等の表面処理を実施すること、層(B)として非水溶性バインダと水溶性バインダとポリアクリル酸系分散剤とを併用すること等により、上述した範囲となる傾向にある。また、前述した因子に加え、無機フィラーの体積平均粒子径D50を前述した好ましい範囲に調整することで、値として更に小さくなる傾向にある。
本実施形態の蓄電デバイス用セパレータの空気中における150℃下での熱収縮率S2は、5%以下であることが好ましい。熱収縮率S2が5%以下であることにより、安全性がより向上する傾向にある。かかる観点から、熱収縮率S2は5.0%以下であることが好ましく、さらに好ましくは4.0%以下であり、よりさらに好ましくは3.5%以下であり、一層好ましくは3.0%以下であり、より一層好ましくは2.5%以下であり、さらに一層好ましくは2.0%以下であり、よりなお一層好ましくは1.5%以下であり、さらになお一層好ましくは1.0%以下であることが好ましく、特に好ましくは0.5%以下である。
熱収縮率S2は、後述する実施例に記載の方法により測定することができる。
熱収縮率S2は、例えば、層(B)として非水溶性バインダと水溶性バインダとポリアクリル酸系分散剤とを併用すること等により、上述した範囲となる傾向にある。また、前述した因子に加え、無機フィラーの体積平均粒子径D50を前述した好ましい範囲に調整することで、値として更に小さくなる傾向にある。
本実施形態の蓄電デバイス用セパレータの厚みTは、耐熱性、透過性及び電池容量の観点から、3μm以上16μm以下であることが好ましい。より詳細には3.0μm以上16.0μm以下であることが好ましい。厚みTが3μm以上である場合、耐熱性が向上する傾向にあり、厚みTが16μm以下である場合、透過性及び電池容量が向上する傾向にある。同様の観点から、厚みTは3μm以上15μm以下であることがより好ましく、更に好ましくは3μm以上14μm以下である。より詳細には3.0μm以上15.0μm以下であることがより好ましく、更に好ましくは3.0μm以上14.0μm以下である。
また、強度及び安全性の観点から、層(B)の厚みTBと厚みTとの比が、TB/Tとして、0.1~0.3であることが好ましい。より詳細には0.10~0.30であることが好ましい。TB/Tが0.3以下である場合、強度が向上する傾向にあり、TB/Tが0.1以上である場合、安全性が向上する傾向にある。同様の観点から、TB/Tは、0.14~0.27であることがより好ましく、更に好ましくは0.18~0.25である。
厚みT及びTB/Tは、後述する実施例に記載の方法により測定することができる。
本実施形態の蓄電デバイス用セパレータの突刺強度は、衝撃試験においてセパレータの破断を抑制する観点から、100gf以上であることが好ましく、より好ましくは200gf以上であり、更に好ましくは250gf以上であり、より更に好ましくは300gf以上であり、一層好ましくは350gf以上であり、より一層好ましくは400gf以上であり、特に好ましくは450gf以上である。また、層(A)の製膜時の安定性の観点から、上記突刺強度は、1000gf以下であることが好ましく、より好ましくは900gf以下である。
上記突刺強度は、後述する実施例に記載の方法により測定することができる。
上記突刺強度は、例えば、層(A)のポリオレフィン樹脂組成物の分子量、ポリオレフィン樹脂組成物と可塑剤の混合比率、延伸温度、延伸倍率により調整することができる。
本実施形態の蓄電デバイス用セパレータの目付換算突刺強度、20gf/(g/m2)以上であることが好ましい。蓄電デバイス用セパレータが20gf/(g/m2)以上の目付換算突刺強度を有する場合、蓄電デバイスの衝撃試験において層(A)が破断し難くなる傾向にある。層(A)の強度を維持しながら蓄電デバイスの安全性、例えば耐衝撃性を向上させるという観点から、目付換算突刺強度は、より好ましくは25gf/(g/m2)以上であり、更に好ましくは35gf/(g/m2)以上であり、より更に好ましくは40gf/(g/m2)以上であり、一層好ましくは45gf/(g/m2)以上であり、より一層好ましくは50gf/(g/m2)以上である。目付換算突刺強度は、限定されるものではないが、例えば、150gf/(g/m2)以下であってもよく、130gf/(g/m2)以下であってもよく、100gf/(g/m2)以下であってもよい。
上記目付換算突刺強度は、後述する実施例に記載の方法により突刺強度及び目付を測定し、算出することができる。
上記目付換算突刺強度は、例えば、層(A)のポリオレフィン樹脂組成物の分子量、ポリオレフィン樹脂組成物と可塑剤の混合比率、延伸温度、延伸倍率、層(B)の目付によって調整することができる。
本実施形態の蓄電デバイス用セパレータの透気度は、安全性を確保しつつ電池の抵抗を下げる観点から、30~500秒/100ccであることが好ましい。上記透気度が30秒/100cc以上である場合、大電流が流れることを効果的に防止でき、上記透気度が500秒/100cc以下である場合、電池の抵抗が低下する傾向にある。同様の観点から、上記透気度は、50~500秒/100ccであることがより好ましく、更に好ましくは50~400秒/100ccであり、よりさらに好ましくは50~300秒/100ccである。
上記透気度は、後述する実施例に記載の方法により測定することができる。
上記透気度は、例えば、層(A)の透気度や、層(B)の厚み、無機フィラーの体積平均粒子径、非水溶性バインダ、水溶性バインダ、ポリアクリル酸系分散剤の含有量等により調整することができる。
第2のセパレータのプロピレンカーボネート中における前記層(A)と前記層(B)との間の界面剥離強度Hは、耐熱性の観点から、3N/m以上である。同様の観点から、第2のセパレータの界面剥離強度Hは4N/m以上であることが好ましく、より好ましくは5N/m以上であり、よりさらに好ましくは8N/m以上であり、一層好ましくは10N/m以上であり、より一層好ましくは12N/m以上である。また、第2のセパレータの界面剥離強度Hは、透過性の観点から40N/m以下であることが好ましい。同様の観点から、界面剥離強度Hは35N/m以下であることがより好ましく、更に好ましくは25N/m以下である。
第2のセパレータが、電解液中での熱収縮を抑制し、ニッケル含有量の多い正極材料と組み合わせた場合にあっても安全性を確保できる理由としては、以下に限定する趣旨ではないが、次のように推測される。すなわち、第2のセパレータは、界面剥離強度Hが3N/m以上であることから、蓄電デバイス用のセパレータとして適用したとき、電解液中においても、層(B)が層(A)に強く結着するものと評価され、それによって所定のポリアクリル酸系分散剤および水溶性バインダを含む層(B)が有する熱収縮抑制能力をより効果的に発現させることができ、したがってハイニッケル正極でも安全性を確保できるものと考えられる。
第1のセパレータにおいては、界面剥離強度Hを限定する趣旨ではないが、上記と同様の観点から上述した範囲にあることが好ましい。すなわち、第1のセパレータのプロピレンカーボネート中における前記層(A)と前記層(B)との間の界面剥離強度Hは、耐熱性の観点から、3N/m以上であることが好ましい。同様の観点から、第1のセパレータの界面剥離強度Hは4N/m以上であることがより好ましく、更に好ましくは5N/m以上であり、よりさらに好ましくは8N/m以上であり、一層好ましくは10N/m以上であり、より一層好ましくは12N/m以上である。また、第1のセパレータの界面剥離強度Hは、透過性の観点から40N/m以下であることが好ましい。同様の観点から、第1のセパレータの界面剥離強度Hは35N/m以下であることがより好ましく、更に好ましくは25N/m以下である。
上記界面剥離強度Hは、後述する実施例に記載の方法により測定することができる。
上記界面剥離強度Hは、例えば、層(A)の表面に後述した好ましい条件でコロナ放電処理等の表面処理を実施すること、層(B)として非水溶性バインダと水溶性バインダとポリアクリル酸系分散剤とを併用すること等により、上述した範囲となる傾向にある。また、前述した因子に加え、無機フィラーの体積平均粒子径、非水溶性バインダ、水溶性バインダ、ポリアクリル酸系分散剤の含有量等により調整することができる。
本実施形態の蓄電デバイス用セパレータの製造方法は特に限定されず、層(A)を作製する工程と、当該層(A)の少なくとも一面上に層(B)を形成する工程を含むことができる。
(1)ポリオレフィン樹脂組成物と孔形成材とを溶融混練してシート状に成形後、必要に応じて延伸した後、孔形成材を抽出することにより多孔化させる方法、
(2)ポリオレフィン樹脂組成物を溶融混練して高ドロー比で押出した後、熱処理と延伸によってポリオレフィン結晶界面を剥離させることにより多孔化させる方法、
(3)ポリオレフィン樹脂組成物と無機充填材とを溶融混練してシート上に成形した後、延伸によってポリオレフィンと無機充填材との界面を剥離させることにより多孔化させる方法、
(4)ポリオレフィン樹脂組成物を溶解後、ポリオレフィンに対する貧溶媒に浸漬させてポリオレフィンを凝固させると同時に溶剤を除去することにより多孔化させる方法、
等が挙げられる。
可塑剤としては、特に限定されないが、例えば、ポリオレフィンの融点以上において均一溶液を形成しうる不揮発性溶媒、例えば、流動パラフィン、パラフィンワックス等の炭化水素類;フタル酸ジオクチル、フタル酸ジブチル等のエステル類;オレイルアルコール、ステアリルアルコール等の高級アルコール等が挙げられる。可塑剤の中でも、流動パラフィンは、ポリオレフィン樹脂がポリエチレン及び/又はポリプロピレンの場合には、これらとの相溶性が高く、溶融混練物を延伸しても樹脂と可塑剤の界面剥離が起こり難く、均一な延伸が実施し易くなる傾向にあるため好ましい。
無機材としては、特に限定されず、例えば、アルミナ、シリカ(珪素酸化物)、チタニア、ジルコニア、マグネシア、セリア、イットリア、酸化亜鉛、酸化鉄などの酸化物系セラミックス;窒化ケイ素、窒化チタン、窒化ホウ素等の窒化物系セラミックス;シリコンカーバイド、炭酸カルシウム、硫酸アルミニウム、水酸化アルミニウム、チタン酸カリウム、タルク、カオリンクレー、カオリナイト、ハロイサイト、パイロフィライト、モンモリロナイト、セリサイト、マイカ、アメサイト、ベントナイト、アスベスト、ゼオライト、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウム、ケイ藻土、ケイ砂等のセラミックス;ガラス繊維が挙げられる。これらは1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて用いられる。これらの無機材の中でも、電気化学的安定性の観点から、シリカ、アルミナ、チタニアが好ましく、抽出が容易である点から、シリカが特に好ましい。
上記で説明した蓄電デバイス用セパレータは、層(A)及び層(B)のいずれかの表面上に、さらに任意の層を設けてもよい。すなわち、層(A)の片面に層(B)が配される場合にあっては、さらに、層(B)の面上に任意の層を設けた態様、層(A)の面上に任意の層を設けた態様、並びに層(A)及び層(B)の両方の面上に任意の層を設けた態様のいずれもが本実施形態に包含される。また、層(A)の両面に層(B)が配される場合にあっては、さらに、一方の層(B)の面上に任意の層を設けた態様、及び両方の層(B)の面上に任意の層を設けた態様のいずれもが本実施形態に包含される。
これら任意の層の、種類、総数、存在形態(パターン)、及び厚さは、特に限定されず、本実施形態の作用効果を阻害しない範囲内とすることを考慮して適宜調整することができる。
本実施形態の蓄電デバイスは、本実施形態の蓄電デバイス用セパレータを含む。本実施形態の蓄電デバイスの構成の典型例としては、以下に限定されないが、正極と、蓄電デバイス用セパレータと、負極と、所望により電解液とを備えるものが挙げられる。
蓄電デバイスとしては、具体的には、リチウム電池、リチウム二次電池、リチウムイオン二次電池、ナトリウム二次電池、ナトリウムイオン二次電池、マグネシウム二次電池、マグネシウムイオン二次電池、カルシウム二次電池、カルシウムイオン二次電池、アルミニウム二次電池、アルミニウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、レドックスフロー電池、リチウム硫黄電池、リチウム空気電池、亜鉛空気電池などが挙げられる。これらの中でも、実用性の観点から、リチウム電池、リチウム二次電池、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、又はリチウムイオンキャパシタが好ましく、リチウムイオン二次電池がより好ましい。
正極、負極、電解液及びその他の蓄電デバイス部材については、蓄電デバイスの種類に応じて種々公知のものを適宜使用することができる。
本実施形態においては、電池安定性及びコストの観点から、Coの含有比率が0.1~20mol%であることが好ましい。Coの含有比率が20mоl%以下である場合、製造コストを低減できる傾向にある。Coの含有比率が0.1mоl%以上である場合、電池安定性が向上する傾向にある。同様の観点から、Coの含有比率が1~15mol%であることがより好ましく、更に好ましくは3~10mol%である。
また、本実施形態においては、電池安定性及び電池容量の観点から、Niの含有比率が60~99mol%であることが好ましい。Niの含有比率が60mоl%以上である場合、電池容量が向上する傾向にある。Niの含有比率が99mоl%以下である場合、電池安定性が向上する傾向にある。同様の観点から、Niの含有比率が70~97mol%であることがより好ましく、更に好ましくは80~95mol%である。
各種物性は、以下の測定方法及び評価方法により測定及び評価した。特に断りのない限り、評価は温度23℃、湿度40%の環境下で行った。
東洋精機(株)社製の微小測厚器「KBM(登録商標)」を用いて、室温23±2℃で各層の厚みを測定した。
層(A)から10cm×10cm角の試料を切り取り、その体積(cm3)と質量(g)を求め、それらと密度(g/cm3)より、次式を用いて気孔率を計算した。
気孔率(%)=(体積-質量/密度)/体積×100
JIS P-8117に準拠して測定を行った。すなわち、東洋精器(株)製のガーレー式透気度計「G-B2(登録商標)」を用いて温度23℃、湿度40%の雰囲気下で層(A)又はセパレータの透気抵抗度を測定し透気度とした。
10cm×10cm角の試料を層(A)又はセパレータから切り取り、株式会社島津製作所製の電子天秤AEL-200(商品名)を用いて質量を測定した。得られた質量を100倍にすることで1m2当たりの試料の目付(g/m2)を算出した。
カトーテック製のハンディー圧縮試験器KES-G5(登録商標)を用いて、開口部の直径11.3mmの試料ホルダーで層(A)又はセパレータを固定した。次に固定された層(A)の表面又はセパレータ(層(A)側)の表面の中央部を、針先端の曲率半径0.5mm、突刺速度2mm/secで、温度23℃、湿度40%の雰囲気下にて突刺試験を行うことにより、最大突刺荷重としての突刺強度(gf)を得た。
また、前述のとおりに測定された目付の値に基づいて、目付換算突刺強度(gf/(g/m2))を算出した。
コロナ処理を行った後の層(A)の表面に対し、アジレント・テクノロジー(株)社製670-IRを用い、プリズムにゲルマニウムを使用し、入射角45度にて一回反射ATR法を用い、積算回数256回、分解能4cm-1でIRスペクトルを採取した。得られたチャートに対し、解析ソフトAgilent Resolution Proを用い、1600cm-1、1900cm-1、2700cm-1、3000cm-1を補正点とし、直線タイプでベースライン補正を行った。得られたスペクトルからピークを検出し、表面処理によって形成されるカルボニル基由来の1734cm-1の吸収ピーク強度と、層(A)に含まれるポリエチレン由来の2918cm-1の吸収ピーク強度の比を吸収ピーク比とした。
塗工液をレーザー式粒度分布測定に供した。すなわち、マイクロトラック・ベル(株)製の測定装置(商品名「マイクロトラックMT3300EX」)を用いて、無機フィラーの体積平均粒子径分布を測定した。必要に応じて、ベースラインとして水又は非水溶性バインダの粒子径分布を用いて、無機フィラーの粒子径分布を調整した。累積頻度が50%となる粒径(D50粒子径)を無機フィラーの体積平均粒子径とした。
セパレータの層(B)中の無機フィラーを再分散させ、レーザー式粒度分布測定に供した。具体的には分散剤としてポリカルボン酸アンモニウム(SAN NOPCO社製「SNディスパーサント5468」)を固形分換算で1wt%となるように調整した水溶液10mL中に100cm2のサイズに切り出したセパレータを24時間浸漬させたのち、スパチュラ等で層(B)を擦り取り、サンプルとした。マイクロトラック・ベル(株)製の測定装置(商品名「マイクロトラックMT3300EX」)を用いて、無機フィラーの粒子径分布を測定した。粒子径測定の前には、装置に備え付けられた超音波照射機で70秒間超音波照射を行い、無機フィラーを再分散させた。このとき得られた粒子径分布のピークトップの値を層(B)から再分散させた無機フィラーの粒子径として採用した。再分散させた粒子の凝集等によりピークが二山以上となった場合は、粒子径が最も小さいピークの値を採用した。
セパレータを凍結割断し、Cペースト及びOsコーティングにより、導通処理を行い、その後、表面走査型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジー製HITACHI S-4800)を用いて、撮影倍率1~3万倍(10個以上の粒子数が観測されるように粒子径に応じて任意に設定)、加速電圧1.0kVの設定で層(B)の断面SEM像の電子画像を3視野撮影した。「一次粒子径」は個々の粒子が単独でマトリックス中に分散している状態での粒子径、または凝集していても、その中で構成されている最小の粒子径と定義した。観察した視野に存在する各無機フィラーに外接する円の直径をランダムに10点計測し、その平均値を採用した。
セパレータを凍結割断し、Cペースト及びOsコーティングにより、導通処理を行い、その後、表面走査型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジー製HITACHI S-4800)を用いて、撮影倍率1~3万倍(10個以上の粒子数が観測されるように粒子径に応じて任意に設定)、加速電圧1.0kVの設定で層(B)の断面SEM像の電子画像を3視野撮影した。観察した視野に存在する各無機フィラーに外接する円の直径を計測し、その最大値を無機フィラーの最大粒子径とした。
非水溶性バインダを含む水分散体を光散乱法による粒径測定に供した。すなわち、LEED&NORTHRUP社製の測定装置(商品名「MICROTRAC UPA150」)を用い、非水溶性バインダの体積平均粒子径分布を測定した。累積頻度が50%となる粒径(D50粒子径)を非水溶性バインダの体積平均粒子径とした。
非水溶性バインダを含む水分散体を、アルミ皿に適量とり、130℃の熱風乾燥機で30分間乾燥した。乾燥後の乾燥皮膜約10mgを測定用アルミ容器に詰め、DSC測定装置(島津製作所社製、型番:DSC6220)にて窒素雰囲気下におけるDSC曲線及びDDSC曲線を得た。なお、測定条件は下記のとおりとした。
(1段目昇温プログラム)
70℃で開始し、毎分15℃の速度で昇温した。110℃に到達後、その温度で5分間維持した。
(2段目降温プログラム)
110℃から毎分30℃の速度で降温した。-50℃に到達後、その温度で4分間維持した。
(3段目昇温プログラム)
-50℃から毎分15℃の速度で130℃まで昇温した。この3段目の昇温時にDSC及びDDSCのデータを取得した。
水溶性バインダ又はポリアクリル酸系分散剤を130℃で5時間乾燥させ、試料とした。試料0.1gを100mLの溶離液に溶解させた後、メンブランフィルターを用いて濾過し測定試料とした。各測定試料についてゲルパーミエーションクロマトグラフィー(日立ハイテクサイエンス社製、「Chromaster」)にて重量平均分子量(Mw)を測定した。
カラム:GF-710HQ, 310HQ
溶離液(水溶性バインダ):50mM NaCl水溶液
溶離液(ポリアクリル酸系分散剤):50mM リン酸塩緩衝液(pH7.0)/アセトニトリル=90/10
検量線:EasiVial PEG/PEO(ポリエチレングリコール/オキシド)
層(B)が上になるようにセパレータをステンレス板にエチレン-酢酸ビニル共重合樹脂(EVA樹脂)で固定した。試料が浸る程度にセパレータ上にプロピレンカーボネートを滴下し、24時間静置した。その後表面に付着した余分な液を除去し、測定サンプルとした。ダイプラ・ウィンテス社製NN-04型のSAICAS(Surface And Interfacial Cutting Analysis System)を用い、温度23℃、湿度40%の環境下にて測定に供した。具体的には、幅1mmのダイヤモンド切削刃を垂直方向に0.1μm/s,水平方向に2μm/sの速度に制御させながら層(B)を切削し、垂直方向の変位量が層(B)の厚みに達するまで事前に切削を行った。
切削刃が層(A)と層(B)の界面に到達したのち、水平方向に2μm/sの速度で10秒間塗工層を剥離させながら、剥離時に計測される、切削刃単位幅あたりの水平力の平均値をプロピレンカーボネート中における層(A)と層(B)との間の界面剥離強度Hの値として採用した。
セパレータをMD方向に50mm、TD方向に50mmに切り取り、テフロンシート(厚み100μm、60mm四方)で挟んだ。この積層体をアルミニウム製ラミネートフィルムで構成される包装体(厚み35μm、100mm四方)に収納し、プロピレンカーボネートを0.5mL注入し、セパレータをプロピレンカーボネートで浸し、残りの一片を封口し、サンプルとした。サンプルを24時間静置保管したのち、140℃のオーブン中に1時間静置した。サンプルをオーブンから取り出し冷却した後、セパレータの各方向の長さ(mm)を測定し、以下の式にて熱収縮率を算出した。測定はMD方向、TD方向で行い、数値の大きい方を採用した。
熱収縮率S1(%)={(50-加熱後の長さ)/50}×100
セパレータをMD方向に100mm、TD方向に100mmに切り取り、150℃のオーブン中に1時間静置した。このとき、温風が直接サンプルに当たらないよう、サンプルを2枚の紙に挟んだ。サンプルをオーブンから取り出し冷却した後、セパレータの各方向の長さ(mm)を測定し、以下の式にて熱収縮率を算出した。測定はMD方向、TD方向で行い、数値の大きい方を採用した。
熱収縮率S2(%)={(100-加熱後の長さ)/100}×100
(1)正極の作製
正極活物質としてのリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物(LiNi0.8Mn0.1Co0.1)粉末85質量部と、導電助剤としてのアセチレンブラック6質量部と、バインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)9質量部とを、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)を溶剤として均一になるように混合して、正極合剤含有ペーストを調製した。この正極合剤含有ペーストを、アルミニウム箔からなる厚さ20μmの集電体の両面に均一に塗布し、乾燥させた後、ロールプレス機で圧縮成形を行って、全厚が130μmになるように正極合剤層の厚みを調整した。短辺90mm、長辺150mmの長方形状シートに、短辺上部に長さ20mmの活物質未塗工のアルミニウム箔をリードタブとした正極(正極シート)を作製した。
(2)負極の作製
負極活物質としての黒鉛91質量部と、バインダとしてのPVdF9質量部とを、NMPを溶剤として均一になるように混合して、負極合剤含有ペーストを調製した。この負極合剤含有ペーストを、銅箔からなる厚さ15μmの集電体の両面に均一に塗布し、乾燥させた後、ロールプレス機で圧縮成形を行って、全厚が130μmになるように負極合剤層の厚みを調整した。短辺90mm、長辺150mmの長方形状シートに、短辺上部に長さ20mmの活物質未塗工の銅箔をリードタブとした負極(負極シート)を作製した。
(3)非水電解液の調製
非水電解液としてエチレンカーボネート:エチルメチルカーボネート:ジメチルカーボネート=1:1:1(体積比)の混合溶媒に、溶質としてLiPF6を濃度1.0mol/リットルとなるように溶解させて調製した。
(4)セル作製
上記の正極シート73枚、負極シート74枚を交互に重ね、それぞれをセパレータにて隔離することで電極板積層体を作製した。セパレータは155mm幅の帯状のセパレータで、これを交互に九十九折に折りたたむことで電極板積層体を作製した。この電極板積層体を平板状にプレス後、アルミニウム製ラミネートフィルムに収納し、3辺をヒートシールした。なお正極リードタブ、負極リードタブをラミネートフィルム1辺から導出させた。さらに、乾燥後、この容器内に上記の非水電解液を注入し、残りの1辺を封口した。このようにして作製されるリチウムイオン二次電池は、容量が40Ahとなるように設計された。
(5)加熱試験
上記のとおり作製したリチウムイオン二次電池を、25℃の環境下、放電電流0.5Cで電池電圧4.2Vまで充電した。充電した電池をオーブンに投入し、室温から150℃まで5℃/分で昇温し、150℃で所定の時間放置し、発火状況を確認した。なお、下記基準に基づいて試験結果を評価した。
S:放置時間90分以上でも発火しなかった。
A:放置時間70分以上90分未満で発火した。
B:放置時間50分以上70分未満で発火した。
C:放置時間30分以上50分未満で発火した。
D:昇温中に又は放置時間30分未満で発火した。
上記の安全性評価1で作製したリチウムイオン二次電池を、25℃の環境下、0.5Cの定電流で充電し、4.2Vまで充電した。
次に、25℃の環境下、充電後のリチウムイオン二次電池を平坦な面に横向きに置き、電池の中央部を横切るように、直径15.8mmのステンレスの丸棒を配置した。丸棒は、その長軸がセパレータの長手方向と平行となるように配置した。電池の中央部に配置した丸棒から電池の縦軸方向に対して、直角に衝撃が加わるように、18.2kgの錘を61cmの高さから落下させた。衝突後、電池の表面温度を測定した。5セルずつ試験を行い、下記基準に基づいて評価した。なお、電池の表面温度は、電池の外装体の底側から1cmの位置を熱電対(K型シールタイプ)で測定した温度とした。
A:全てのセルにおいて、表面温度が30℃以下。
B:表面温度が30℃超過100℃以下のセルがあるが、全てのセルにおいて表面温度が100℃以下。
C:発火はしないが、1個以上のセルで表面温度が100℃を超過。
D:1個以上のセルで発火。
上記の安全性評価1で作製したリチウムイオン二次電池を、25℃において、放電電流0.5Cで電池電圧4.2Vまで充電し、さらに4.2Vを保持するようにして電流値を3mAから絞り始めるという方法で、合計約6時間、電池作製後の最初の充電を行い、その後電流で電池電圧3.0Vまで放電した。
次に、25℃において、電流値6mA(約1.0C)で電池電圧4.2Vまで充電し、さらに4.2Vを保持するようにして電流値6mAから絞り始めるという方法で、合計約3時間充電を行い、その後電流値60mAで電池電圧3.0Vまで放電して、その時の放電容量を1C放電容量(mAh)とした。
次に、25℃において、電流値6mA(約1.0C)で電池電圧4.2Vまで充電し、さらに4.2Vを保持するようにして電流値を6mAから絞り始めるという方法で、合計約3時間充電を行い、その後電流値60mA(約10C)で電池電圧3.0Vまで放電して、その時の放電容量を10C放電容量(mAh)とした。
1C放電容量に対する10C放電容量の割合を算出し、この値をレート特性とした。
10Cでのレート特性(%)=(10C放電容量/1C放電容量)×100
10Cでのレート特性を以下の基準で評価した。
A:22%以上の10Cでのレート特性
B:22%未満の10Cでのレート特性
上記レート試験を行った電池を、温度25℃の条件下で、放電電流1Cで放電終止電圧3Vまで放電を行った後、充電電流1Cで充電終止電圧4.2Vまで充電を行った。これを1サイクルとして充放電を繰り返した。そして、初期容量(第1回目のサイクルにおける容量)に対する300サイクル後の容量保持率を用いて、以下の基準でサイクル特性を評価した。
サイクル特性の評価基準
A:85%以上の容量維持率
B:85%未満の容量維持率
(層(A)の作製)
粘度平均分子量800,000のポリエチレン100質量部に対して、酸化防止剤としてペンタエリスリチル-テトラキス-[3-(3,5-ジ-t-ブチル-4-ヒドロキシフェニル)プロピオネート]を1質量部添加し、タンブラーブレンダーを用いてドライブレンドすることにより、ポリマー等の混合物を得た。得られた混合物は窒素で置換を行った後に、二軸押出機へ窒素雰囲気下でフィーダーにより供給した。また流動パラフィン(37.78℃における動粘度7.59×10-5m2/s)を押出機シリンダーにプランジャーポンプにより注入した。
溶融混練し、押し出される全混合物中に占める流動パラフィン量比が72質量%(樹脂組成物濃度が28質量%)となるように、フィーダー及びポンプを調整した。溶融混練条件は、設定温度200℃であり、スクリュー回転数100rpm、吐出量230kg/hで行った。
続いて、溶融混練物を、T-ダイを経て表面温度25℃に制御された冷却ロール上に押出しキャストすることにより、厚み1450μmのゲルシートを得た。
次に、ゲルシートを同時二軸テンター延伸機に導き、二軸延伸を行った。設定延伸条件は、MD倍率7.0倍、TD倍率6.4倍、設定温度127℃とした。次に、塩化メチレン槽に導き、塩化メチレン中に充分に浸漬して流動パラフィンを抽出除去し、その後、塩化メチレンを乾燥除去し、多孔化体を得た。
次に、多孔化体をTDテンターに導き、熱固定を行った。熱固定温度は126℃で、TD最大倍率を1.5倍、緩和率は0.86とし、厚さ9.0μmの層(A)を得た。
層(A)の表面上に層(B)を形成するための塗工液としては、表1に記載の材料の混合液を使用した。すなわち、無機フィラーとしての水酸化酸化アルミニウム(ベーマイト、ブロック状;D50=0.40μm)100質量部と、水100質量部と、分散剤1(ポリアクリル酸ナトリウム;重量平均分子量6,000;1.0gを100gの水に溶解した際の不溶分1.0質量%未満)0.5質量部を混合し、ビーズミル処理を行った。ビーズミル処理は、条件として、ビーズ径0.1mm、ミル内の回転数2000rpmで行った。処理後の混合液に、非水溶性バインダとしてのアクリルラテックス1(ブチルアクリレートに由来する単位80質量%、メチルメタクリレートに由来する単位16質量%、アクリル酸に由来する単位3質量%及びアクリルアミドに由来する単位1質量%を有する共重合体;D50=150nm,Tg=-28℃)4質量部と、水溶性バインダ1(カルボキシメチルセルロースナトリウム;重量平均分子量360,000;エーテル化度=0.9;1.0gを100gの水に溶解した際の不溶分1.0質量%未満)0.5質量部と、添加剤1(ポリオキシエチレンアルキレンアルキルエーテル(花王社製エマルゲンLS-110))0.1質量部を混合し、塗工液を調製した。
層(A)の一面に、処理強度15W/(m2/min)でコロナ放電処理を実施した。かかる処理後の表面にグラビアコーターを用いて塗工液を塗工した。その後、層(A)上の塗布液を60℃にて乾燥して、水を除去し、層(A)の一面に、厚み3.0μmの層(B)を形成して、セパレータを得た。
得られたセパレータの物性と、当該セパレータを備える電池の評価結果を表1に示す。
層(A)及び層(B)として表1~12に記載のものを使用したことを除き、実施例1と同様にして当該蓄電デバイス用セパレータを作製し、その評価を行った。
なお、層(A)の目付についてはキャストするゲルシートの厚みを制御することにより、気孔率及び透気度については二軸延伸温度と熱固定温度制御することにより、突刺強度及び目付換算突刺強度については、二軸延伸温度と二軸延伸倍率を制御することにより、それぞれ、各表に記載の数値となるように調整した。
また、実施例2,18,28,53(及び後述する実施例70)のみ、層(A)の両面に厚み1.5μmの層(B)を形成した(層(B)の合計厚み3.0μm)。
実施例33の層(A)が露出している面に、処理強度10W/(m2/min)でコロナ放電処理を実施した。かかる処理後の表面にドット径200μm、深さ5μmにドット型刻印されたグラビアロールを用いて下記アクリルラテックス5の水分散体(固形分30質量%)をパターン塗布し、60℃にて乾燥して塗工液の水を除去した。コロナ放電処理を除いた同様の工程を層(B)面に対しても行い熱可塑性ポリマー含有層が両面に付与されたセパレータを得た。セパレータ上に形成されたドットの径は250μm、ドット同士の間隔は300μmであった。
アクリルラテックス5:ブチルアクリレートに由来する単位15質量%、メチルメタクリレートに由来する単位82質量%及びアクリル酸に由来する単位3質量%を有する共重合体;D50=500nm;Tg=68℃
実施例53の層(A)が露出している面と層(B)が露出している面の両方にドット径200μm、深さ5μmにドット型刻印されたグラビアロールを用いてアクリルラテックス5の水分散体(固形分30質量%)をパターン塗布し、60℃にて乾燥して塗工液の水を除去し、熱可塑性ポリマー含有層が両面に付与されたセパレータを得た。セパレータ上に形成されたドットの径は250μm、ドット同士の間隔は300μmであった。
アクリルラテックス3:ブチルアクリレートに由来する単位80質量%、メチルメタクリレートに由来する単位17質量%及びアクリル酸に由来する単位3質量%を有する共重合体;D50=150nm;Tg=-29℃
アクリルラテックス4:ブチルアクリレートに由来する単位80質量%、メチルメタクリレートに由来する単位17質量%及びアクリル酸に由来する単位3質量%を有する共重合体;D50=350nm;Tg=-29℃
分散剤3:アクリル酸ナトリウムに由来する単位50質量%とアクリロニトリルに由来する単位50質量%とを有する共重合体(重量平均分子量6,000;1.0gを100gの水に溶解した際の不溶分1.0質量%未満)
分散剤4:アクリル酸ナトリウムに由来する単位89質量%と3-アリロキシ-2-ヒドロキシプロパンスルホン酸ナトリウムに由来する単位11質量%の共重合体(重量平均分子量6000;1.0gを100gの水に溶解した際の不溶分1.0質量%未満)
分散剤5:ポリアクリル酸アンモニウム(重量平均分子量6,000;1.0gを100gの水に溶解した際の不溶分1.0質量%未満)
分散剤6:ポリアクリル酸(重量平均分子量6,000;1.0gを100gの水に溶解した際の不溶分1.0質量%未満)
水溶性ポリマー3:ポリビニルピロリドン(重量平均分子量360,000;1.0gを100gの水に溶解した際の不溶分1.0質量%未満)
添加剤3:ポリオキシエチレンアルキレンアルキルエーテル(花王社製エマルゲンLS-110;無機フィラー量に対して0.50質量%)
Claims (17)
- ポリオレフィンを含む層(A)と、
前記層(A)の少なくとも一面上に配され、かつ、無機フィラーと非水溶性バインダと水溶性バインダとポリアクリル酸系分散剤とを含む層(B)と、
を備えるリチウムイオン二次電池用セパレータであって、
前記リチウムイオン二次電池用セパレータのプロピレンカーボネート中における140℃下での熱収縮率S1が、5%以下である、リチウムイオン二次電池用セパレータ。 - ポリオレフィンを含む層(A)と、
前記層(A)の少なくとも一面上に配され、かつ、無機フィラーと非水溶性バインダと水溶性バインダとポリアクリル酸系分散剤とを含む層(B)と、
を備えるリチウムイオン二次電池用セパレータであって、
前記ポリアクリル酸系分散剤が、ポリアクリル酸の一価の金属イオンの中和塩、及び、アクリル酸の一価の金属イオンの中和塩とアクリル酸との共重合体、からなる群より選ばれる1種以上を含み、
前記水溶性バインダが、セルロースエーテルを含み、
プロピレンカーボネート中における前記層(A)と前記層(B)との間の界面剥離強度Hが3N/m以上である、リチウムイオン二次電池用セパレータ。 - 前記層(A)の目付換算突刺強度が、40gf/(g/m2)以上である、請求項1又は2に記載のリチウムイオン二次電池用セパレータ。
- 前記リチウムイオン二次電池用セパレータのプロピレンカーボネート中における140℃下での熱収縮率S1が、5%以下である、請求項2に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 前記リチウムイオン二次電池用セパレータの空気中における150℃下での熱収縮率S2が、5%以下である、請求項1~4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用セパレータ。
- 前記熱収縮率S1が、2.5%以下である、請求項1又は4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用セパレータ。
- 前記リチウムイオン二次電池用セパレータの厚みTが3μm以上16μm以下である、請求項1~6のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用セパレータ。
- 層(B)の厚みTBと前記厚みTとの比が、TB/Tとして、0.1~0.3である、請求項7に記載のリチウムイオン二次電池用セパレータ。
- リチウムイオン二次電池用セパレータの突刺強度が、200gf以上である、請求項1~8のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用セパレータ。
- 層(A)における層(B)側の表面をATR-IRで測定した際の1734cm-1/2918cm-1の吸収ピーク比が、0.025~0.125である、請求項1~9のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用セパレータ。
- 前記ポリアクリル酸系分散剤が、ポリアクリル酸の一価の金属イオンの中和塩、及び、アクリル酸の一価の金属イオンの中和塩とアクリル酸との共重合体、からなる群より選ばれる1種以上を含む、請求項1、3~10のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用セパレータ。
- 前記水溶性バインダが、セルロースエーテルを含む、請求項1、3~11のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用セパレータ。
- 前記無機フィラーのD50粒子径が、0.1μm以上0.7μm以下である、請求項1~12のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用セパレータ。
- 前記リチウムイオン二次電池用セパレータの透気度が、50~500秒/100ccである、請求項1~13のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用セパレータ。
- 前記層(A)の透気度が、10sec/100cm 3 以上1000sec/100cm 3 以下である、請求項1~14のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用セパレータ。
- LiとCoとNiとを含む正極と、
前記正極に対向する負極と、
前記正極と前記負極との間に配される、請求項1~15のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用セパレータと、
を備えるリチウムイオン二次電池であって、
前記正極中のLi以外の金属中の前記Co及びNiの含有比率が、それぞれ、20mоl%以下及び60mоl%以上である、リチウムイオン二次電池。 - 前記層(A)の目付換算突刺強度が、40gf/(g/m2)以上であり、
前記リチウムイオン二次電池用セパレータの厚みTが3μm以上16μm以下であり、
層(B)の厚みTBと前記厚みTとの比が、TB/Tとして、0.1~0.3であり、
リチウムイオン二次電池用セパレータの突刺強度が、200gf以上であり、
層(A)における層(B)側の表面をATR-IRで測定した際の1734cm-1/2918cm-1の吸収ピーク比が、0.025~0.125であり、
前記ポリアクリル酸系分散剤が、ポリアクリル酸の一価の金属イオンの中和塩、及び、アクリル酸の一価の金属イオンの中和塩とアクリル酸との共重合体、からなる群より選ばれる1種以上を含み、
前記水溶性バインダが、セルロースエーテルを含み、
前記無機フィラーのD50粒子径が、0.1μm以上0.7μm以下であり、
前記リチウムイオン二次電池用セパレータの透気度が、50~500秒/100ccであり、
前記層(A)の透気度が、30~450秒/100ccである、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用セパレータ。
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