JP7409777B2 - リチウムイオン二次電池用セパレータ - Google Patents
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Description
[1]
ポリオレフィン樹脂を主成分とする微多孔層と、前記微多孔層上の機能層と、を含むセパレータであって、
前記機能層が非水溶性有機繊維を含み、
前記微多孔層の平均長孔径が1μm以下である、セパレータ。
[2]
前記非水溶性有機繊維がセルロースナノファイバを含む、[1]に記載のセパレータ。
[3]
前記機能層が樹脂バインダを含む、[1]又は[2]に記載のセパレータ。
[4]
前記樹脂バインダが水溶性高分子、及び/又は樹脂エマルジョンを含む、[3]に記載のセパレータ。
[5]
前記樹脂バインダが、前記水溶性高分子であるポリエチレンオキシドを含む、[4]に記載のセパレータ。
[6]
前記樹脂バインダの破断伸度が100%以上である、[3]~[5]のいずれか1項に記載のセパレータ。
[7]
前記機能層が無機フィラーを含む、[1]~[6]のいずれか1項に記載のセパレータ。
[8]
前記無機フィラーの平均粒径が0.01~10μmである、[7]に記載のセパレータ。
[9]
前記非水溶性有機繊維の繊維径が5~2000nmである、[1]~[8]のいずれか1項に記載のセパレータ。
[10]
前記機能層の破断伸度が2.0%以上である、[1]~[9]のいずれか1項に記載のセパレータ。
[11]
前記微多孔層の平均長孔径が10~500nm以下である、[1]~[10]のいずれか1項に記載のセパレータ。
[12]
乾式法により多孔化された前記微多孔層を含む、[1]~[11]のいずれか1項に記載のセパレータ。
[13]
湿式法により多孔化された前記微多孔層を含む、[1]~[11]のいずれか1項に記載のセパレータ。
[14]
前記微多孔層は、
前記ポリオレフィン樹脂を含むポリマーマトリックスと、
前記ポリマーマトリックスから前記微多孔層の一方向に延在し、かつ前記ポリオレフィン樹脂を含むフィブリルと、
複数の前記フィブリルの間に存在する多孔と、を含む、[1]~[11]のいずれか1項に記載のセパレータ。
[15]
前記微多孔層は、
前記ポリオレフィン樹脂を含むポリマーマトリックスと、
前記ポリマーマトリックスから三次元的に延在し、かつ前記ポリオレフィン樹脂を含むフィブリルと、
複数の前記フィブリルの間に存在する多孔と、を含む、[1]~[11]のいずれか1項に記載のセパレータ。
[16]
ポリオレフィン樹脂を主成分とする微多孔層上に形成可能な機能層を作製するためのスラリーであって、
非水溶性有機繊維を含む、スラリー。
[17]
前記非水溶性有機繊維がセルロースナノファイバを含む、[16]に記載のスラリー。
[18]
前記スラリーは、樹脂バインダを更に含み、
前記樹脂バインダの含有割合は、前記非水溶性有機繊維に対して10~150質量%である、[16]又は[17]に記載のスラリー。
[19]
前記樹脂バインダが水溶性高分子、及び/又は樹脂エマルジョンを含む、[18]に記載のスラリー。
[20]
前記樹脂バインダが、前記水溶性高分子であるポリエチレンオキシドを含む、[19]に記載のスラリー。
[21]
前記樹脂バインダの破断伸度が100%以上である、[18]~[20]のいずれか1項に記載のスラリー。
[22]
無機フィラーを更に含む、[16]~[21]のいずれか1項に記載のスラリー。
[23]
前記無機フィラーの平均粒径が0.01~10μmである、[22]に記載のスラリー。
[24]
前記非水溶性有機繊維の繊維径が5~2000nmである、[16]~[23]のいずれか1項に記載のスラリー。
[25]
非水溶性有機繊維を含む、機能層。
[26]
前記非水溶性有機繊維がセルロースナノファイバを含む、[25]に記載の機能層。
[27]
樹脂バインダを含む、[25]又は[26]に記載の機能層。
[28]
前記樹脂バインダが水溶性高分子、及び/又は樹脂エマルジョンを含む、[27]に記載の機能層。
[29]
前記樹脂バインダが、前記水溶性高分子であるポリエチレンオキシドを含む、[28]に記載の機能層。
[30]
前記樹脂バインダの破断伸度が100%以上である、[27]~[29]のいずれか1項に記載の機能層。
[31]
無機フィラーを含む、[25]~[30]のいずれか1項に記載の機能層。
[32]
前記無機フィラーの平均粒径が0.01~10μmである、[31]に記載の機能層。
[33]
前記非水溶性有機繊維の繊維径が5~2000nmである、[25]~[32]のいずれか1項に記載の機能層。
[34]
前記機能層の破断伸度が2.0%以上である、[25]~[33]のいずれか1項に記載の機能層。
本明細書中の「~」という表現は、特に断りがない場合、その両端の数値を上限値、及び下限値として含む意味である。
本明細書中の「層上」、「膜上」又は「面上」という表現は、層、膜又は面に対する積層方向の位置関係を意味するため、各部材の位置関係が層の直上、膜の直上又は面の直上であることに限定されない。このため例えば、「微多孔層上の機能層」という表現は、微多孔層と機能層との間に任意の層(例えば、微多孔層と機能層とのいずれにも該当しない無機層)を含む態様を除外しない。
本明細書中、略語「MD」とは、微多孔膜を連続して成形するときの機械方向を意味し、略語「TD」とは、MDを90°の角度で横切る方向を意味する。
微多孔膜は、単数若しくは複数のポリオレフィン系微多孔層から成る膜、ポリオレフィン系微多孔層以外の樹脂層から成る微多孔単層膜、ポリオレフィン系樹脂とそれ以外の樹脂とを有する複合微多孔単層膜、の少なくとも一つを意味する。このような微多孔膜は、微多孔層とも呼ばれることがある。
微多孔積層状膜は、複数のポリオレフィン系微多孔層が積層されている多層膜、ポリオレフィン系微多孔膜と他の樹脂を含む微多孔膜とが積層されている複合微多孔膜、の少なくとも一つを意味する。以下では単に「積層体」として呼ばれることがある。
ポリプロピレン系微多孔膜は、ポリプロピレンを主成分とするポリプロピレン樹脂組成物から形成される。
本明細書中、ポリプロピレン樹脂組成物がポリプロピレンを主成分とする、とは、ポリプロピレン樹脂組成物中のポリプロピレンの割合が、ポリプロピレン樹脂組成物の総質量に対して50質量%以上であることを意味する。
セパレータは、基材の少なくとも片面に機能層を備える。従って、基材の片面に機能層を備える態様と、基材の両面に機能層を備える態様と、のいずれも本発明に含まれる。
セパレータは、所望により、任意の層(微多孔層と機能層とのいずれにも該当しない層)を更に備えてよい。セパレータは、このような任意の層を、例えば、微多孔層上に備えてもよいし、機能層上に備えてもよいし、微多孔層と機能層との間に備えてもよい。
本発明の一態様は、蓄電デバイス用セパレータである。かかるセパレータは、ポリオレフィン樹脂を主成分とする微多孔層と、その微多孔層上の機能層と、を含む。そして、機能層が非水溶性有機繊維を含み、微多孔層の平均長孔径が1μm以下である。
機能層に含まれる非水溶性有機繊維は、その非水溶性有機繊維同士の結着又は絡み合い構造を生じさせ、これにより、機能層を高強度化することでき、ひいては、その機能層を含むセパレータを高強度化することできる。特に、表面に大量の水酸基を有するセルロースナノファイバ(「微細セルロース繊維」とも呼ばれる)は、ファイバ同士の水素結合に由来する結着力によって高強度化すると推測される。また、アスペクト比(繊維長/繊維径)が高い繊維を用いることで、繊維同士の絡み合いが多くなったり、また、繊維1本に対してより多数の繊維が結着したりすることが推察され、これにより高強度化が図られると考えられる。
以下、本実施形態に係るセパレータを構成可能な各部材について説明する。
微多孔層は、ポリオレフィン樹脂を主成分とする。微多孔層中のポリオレフィン樹脂の含有量は、セパレータの良好な基本物性を確保する観点から、微多孔層の総質量を基準として、好ましくは55~99.9質量%又は55~98質量%である。微多孔層中のポリオレフィン樹脂の含有量は60質量%以上であってもよく、70質量%以上であってもよく、80質量%以上であってもよい。
(ア)微多孔層の平均長孔径が、10~500nmである;
(イ)微多孔層の平均長孔径aと、平均長孔径aと直交する孔径bとの孔径比a/bが、1.5以上、30以下である;
(ウ)微多孔層の平均長孔径が、微多孔層の一方向(例えばMD)に沿って配列する。
なお、平均長孔径の測定方法は、実施例において説明される。
ただし、微多孔層の平均長孔径は、上記の好ましい範囲に限定されず、例えば500nmを超えてもよいが、1μm以下(例えば、1000nm)である必要がある。上記のとおり、本発明と異なるセパレータ、例えば、不織布を主たる構成成分とする基材を備えたセパレータであると、1μm以下という極めて小さい平均長孔径を達成できず、ひいては、本発明が奏する作用効果が得られない。
(i)ポリオレフィン樹脂を含むポリマーマトリックスと、
(ii)ポリマーマトリックスから上記微多孔層の一方向に延在し、かつポリオレフィン樹脂を含むフィブリルと、
(iii)複数のフィブリルの間に存在する多孔と、
を有する。
上記項目(i)~(iii)により特定される微多孔層は、例えば、乾式法、例えば、乾式延伸法、乾式ラメラ開孔法等により達成される。
ここで、「一方向に延在」とは、SEM写真において、90%以上のフィブリルが、その延在方向±20度の角度範囲内に含まれることを意味する。つまり、SEM写真において、90%以上の孔部の長軸が、互いに±20度の角度範囲内に含まれていることを意味する。
上記のとおり、上記項目(i)~(iii)により特定される微多孔層は、例えば、乾式法により達成されるので、SEM写真において、上記の定義に該当しない微多孔層(すなわち、90%以上のフィブリルが互いに、その延在方向±20度の角度範囲を超えて交わる関係にある微多孔層)は、後述する湿式法により達成された微多孔層である可能性がある。
(i)ポリオレフィン樹脂を含むポリマーマトリックスと、
(ii)ポリマーマトリックスから三次元的に延在し、かつポリオレフィン樹脂を含むフィブリルと、
(iii)複数のフィブリルの間に存在する多孔と、
を有する。
上記項目(i)~(iii)により特定される微多孔層は、例えば、湿式法により達成される。
上記の乾式法により多孔化された微多孔層の場合、SEM写真においては、一方向(例えばMD)に長軸が沿った略楕円形状の孔部が観察されるが、湿式法により多孔化された微多孔層の場合、SEM写真においては、円形、楕円形、角形又は不定形等、各種の形状の孔部が観察されることになる。
なお、本明細書中、単なる「透気抵抗度」又は「セパレータの透気抵抗度」は、セパレータの透気抵抗度の実測値をセパレータの膜厚で除してから14μmを乗ずることにより得られる値(14μmの膜厚換算の透気抵抗度)である。
(I)ポリプロピレン層(a)/ポリエチレン層(b)
(II)ポリプロピレン層(a)/ポリエチレン層(b)/ポリプロピレン層(a)
(III)ポリエチレン層(b)/ポリプロピレン層(a)/ポリエチレン層(b)
(IV)ポリエチレン層(b)/ポリエチレン層(b)/ポリプロピレン層(a)
(V)ポリプロピレン層(a)/ポリエチレン層(b)/ポリエチレン層(b)/ポリプロピレン層(a)
中でも、ポリプロピレン層(a)とポリエチレン層(b)とが交互に積層された構成が好ましく、生産性の向上を図る観点から、表面層の二層が同一で、中間層が異なる二種三層構造がより好ましく、上記(II)の構成が特に好ましい。
(非水溶性有機繊維)
機能層は、非水溶性有機繊維を含む。非水溶性有機繊維は、非水溶性の有機原料を微細化し、繊維状に形成した微細繊維をいう。そして、ここでの「非水溶性」は、機能層を可能な程度に水系に分散し得る性質をいう。このような非水溶性有機繊維は、セパレータの強度、及びイオン透過性の向上を図る観点から、酸変性したポリオレフィン繊維、水溶性高分子を配合したポリオレフィン繊維、アクリル系繊維、及びセルロースナノファイバから成る群より選択される少なくとも1つを含むことが好ましい。セパレータの強度とセパレータの耐熱性との両立を図る観点から、特にセルロースナノファイバを含むことが好ましい。セルロースナノファイバは、木材由来であってもよく、木材以外の有機物由来であってもよい。更に、セルロースナノファイバとして、表面の化学処理を加えたセルロース系の微細繊維、及び/又はTEMPO酸化触媒によって6位の水酸基が酸化され、カルボキシル基(酸型、塩型を含む)となったセルロース系の微細繊維を使用することもできる。前者の場合は、目的に応じて種々の表面化学処理を施すことにより、使用することができる。例えば、微細セルロース繊維の表面に存在する一部又は大部分の水酸基が、酢酸エステル、硝酸エステル、硫酸エステルを含むエステル化されたもの、メチルエーテルを代表とするアルキルエーテル、カルボキシメチルエーテルを代表とするカルボキシエーテル、シアノエチルエーテルを含むエーテル化されたものを、適宜調製して使用することができる。また、後者、すなわち、TEMPO酸化触媒によって6位の水酸基が酸化された微細セルロース繊維の調製においては、必ずしも高圧ホモジナイザーのような高エネルギーを要する微細化装置を使用することは必要なく、微細セルロースの分散体を得ることができる。例えば、文献(A.Isogai et al.,Biomacromolecules,7,1687-1691(2006))に記載されるように、天然セルロースの水分散体に2,2,6,6-テトラメチルピペリジノオキシラジカルのようなTEMPOと呼ばれる触媒とハロゲン化アルキルを共存させ、これに次亜塩素酸のような酸化剤を添加し、一定時間反応を進行させることにより、水洗等の精製処理後に、通常のミキサー処理を施すことにより極めて容易にセルロースナノファイバを得ることができる。
機能層が含む非水溶性有機繊維は、上記のいずれか1種に限定されず、2種以上が含まれてもよい。従って、例えば、非水溶性有機繊維として、セルロースナノファイバと、ポリオレフィンナノファイバ(例えば、ポリエチレンナノファイバ)を併用してもよい。2種以上の非水溶性有機繊維を併用する場合、これらの配合比率は適宜調節可能である。
ただし、非水溶性有機繊維の具体例は上記に限定されない。
機能層は樹脂バインダを含むことで、その機能層に柔軟性を付与することができ、その結果、高強度化することができる。非水溶性有機繊維は高い結着性を有するが故、得られる機能層は伸度が低くなり脆くなる場合がある。一方、樹脂バインダを用いることで、機能層の伸度が改善され柔軟になり易く、結果的に強靭な機能層を得るのが容易になる。
また、樹脂バインダとして樹脂エマルジョンを含む場合、その樹脂バインダの融点(例えば、樹脂バインダがポリオレフィン重合体を含む場合)又は最低造膜温度(例えば、樹脂バインダがアクリル共重合体を含む場合)が、80℃以下であることが好ましい。80℃以下であるとエマルジョンの粒子が乾燥時に融着し易く、機能層のTD引張強度が向上する傾向にある。
樹脂バインダがポリオレフィン重合体である場合にはその融点、樹脂バインダがアクリル共重合体である場合にはその最低造膜温度が、機能層用スラリーの乾燥温度の目安となる。従って、後述する実施例において、樹脂バインダがアクリル共重合体である実施例1、4、及び比較例1では、アクリル共重合体の融点の項目を「不明」としてある(表2参照)。
樹脂バインダの引張強度は100MPa以下であることが好ましい。樹脂バインダの引張強度が100MPa以下であると、機能層の破断ひずみが改善されTD引張強度も向上する傾向にある。なお、引張強度の測定方法は、実施例欄において説明される。
機能層は、無機フィラーを含むことで、機能層の開孔性が向上し、イオン透過性を向上させることができる。非水溶性有機繊維は高い結着性を有するため、繊維間の空隙構造が潰れる傾向があり、結果的にイオン透過性が悪化する場合がある。樹脂バインダについても繊維間の空隙構造間に入り込み、更にイオン透過性を悪化する場合がある。これに対して、無機フィラーを加えることで、空閨構造が形成され易くなり、イオン透過性を確実に改善することができる。
本実施形態に係るスラリー(分散液)は、ポリオレフィン樹脂を主成分とする微多孔層上に形成可能な、上記の機能層を作製するために用いられる。かかる分散液は、非水溶性有機繊維を含む。非水溶性有機繊維については上記のとおりである。
このような分散液は、上記の非水溶性有機繊維を水中に分散させ、必要により混錬することで得ることができる。また、分散液は、上記の非水溶性有機繊維に加え、上記の樹脂バインダ、上記の無機フィラー等を必要により含むこともできる。樹脂バインダ、無機フィラーを含むスラリーを得るには、非水溶性有機繊維を分散させる水中に、樹脂バインダ、無機フィラーを併せて分散させるようにすればよい。無機フィラーについては、微粉化処理を行うと共にその水分散体を作製しておき、その水分散体を、非水溶性有機繊維を分散させる水中に配合させるようにしてもよい。
セパレータの厚さは、特に限定されないが、例えば、好ましくは1~60μm、より好ましくは5~40μm、更に好ましくは10~20μmである。膜厚が1μm以上であると、機械強度を向上させ易くなる。また、膜厚が60μm以下であると、蓄電デバイスにおけるセパレータの占有体積が減るため、蓄電デバイスの高容量化の点において有利となる傾向がある。なお、セパレータの厚さの測定方法は、実施例欄において説明される。
(延伸開孔)
本実施形態に係る微多孔層は、共押出設備又はラミネート設備を用いてフィルム化することができる。一例としては、同一成分の樹脂組成物を2層以上に積層化して原反フィルムを作製し、その後2層以上の積層膜を延伸開孔させて微多孔積層膜を作ることができる。同一の樹脂組成物の1層フィルムを作製するよりも1層フィルムを2層以上に積層化させてフィルムの原反を作製してから開孔工程を経て微多孔層を作製する方が、高強度の微多孔層を得ることが容易である。
結晶界面での開孔法は、例えば、ポリエチレン等の結晶性樹脂を高いドローダウン比で溶融押出して前駆体フィルムを成形し、前駆体フィルムを結晶性樹脂の結晶融点より5~50℃低い範囲の温度でアニールしてアニール前駆体フィルムを形成し、アニール前駆体フィルムを-20~70℃の範囲の温度で1.1~2倍に一軸冷延伸した後、結晶性樹脂の結晶融点より5~50℃低い範囲の温度で1.5~5倍に一軸延伸して、微多孔層を得る(例えば、膜に空隙を設ける)方法が挙げられる。
上記で説明された、ポリオレフィン樹脂と、所望により副成分(B)とを含むポリオレフィン樹脂組成物は、単軸又は2軸押出機の溶融混練法により製造されることができる。
非多孔質前駆体の内部歪みを抑制する観点から、非多孔質前駆体は、工程(ア)中、工程(イ)後又は工程(イ)の延伸前に、アニールすることができる。アニーリングは、例えば、主成分としてのポリプロピレン樹脂の融点よりも50℃低い温度と、ポリプロピレン樹脂の融点よりも10℃低い温度との間の範囲内で又は主成分としてのポリプロピレン樹脂の融点よりも50℃低い温度と、ポリプロピレン樹脂の融点よりも15℃低い温度との間の範囲内で、行なわれることができる。
機能層を作製するには、上記の機能層スラリー(分散液)を微多孔層上に塗布し、必要により乾燥させることで得ることができる。なお、微多孔層に対しては、分散液との親和性等を改良する目的で、コロナ放電処理機、プラズマ処理機、オゾン処理機、火炎処理機等の公知技術により、その表面を処理することも可能である。分散液を微多孔層上に塗布するには、公知の手法を用いることができる。乾燥時間や乾燥温度については、特に限定されない。
蓄電デバイスは、正極と、負極と、上記のセパレータとを備える。蓄電デバイスの代表例であるLIBは、例えば、正極と負極とを、上記のセパレータを介して重ね合わせて、必要に応じて捲回して、積層電極体又は捲回電極体を形成した後、これを外装体に装填し、正負極と外装体の正負極端子とをリード体等を介して接続し、更に、鎖状又は環状カーボネート等の非水溶媒とリチウム塩等の電解質を含む非水電解液を外装体内に注入した後に、外装体を封止して作製することができる。
微多孔層の平均長孔径は、微多孔層の表面をSEMにて観察し、得られたSEM画像の孔径を測定することにより得た。具体的には、微多孔膜表面を3万倍でSEM観察し、4.2μm×3μmの画像範囲内の微多孔の長孔径を測定し、平均を算出することで、平均長孔径を得た。
繊維を塗布乾燥させた表面に関して、無作為に三か所、SEMによる観察を繊維径に応じて10,000~100,000倍相当の倍率で行なった。得られたSEM画像に対し、画面に対して水平方向と垂直方向にラインを引き、ラインに交差する繊維の繊維径を拡大画像から実測して、交差する繊維の個数と各繊維の繊維径を数える。こうして一つの画像につき縦横2系列の測定結果を用いて数平均繊維径を算出した。更に抽出した他の2つのSEM画像についても同様に数平均繊維径を算出し、合計3画像分の結果を平均化し、対象とする試料の繊維径とした。
セパレータにおける機能層破膜時点でのTD破断伸度は、引張試験機(ミネベア(株)製TG―1kN型)を用いて、試験前の試料長さを35mmにし、速度100mm/minで引張、機能層が切断(破断)したときの伸度とした。樹脂バインダの破断伸度は、熱プレス法又はキャスト法により試料を作成し、機能層の破断伸度(上記のTD破断伸度)を測定するのと同様の手法で行い、樹脂バインダ切断(破膜)したときの伸度とした。破断伸度は下記式によって算出する。
引張伸び(%)=100×(L-L0)/L0
L0:試験前の試料長さ L:破断時の試料長さ
セパレータのTD引張強度は、引張試験機(ミネベア(株)製TG―1kN型)を用いて、試験前の試料長さを35mmにし、速度100mm/minで引張、試料が切断(破断)したときの強度(引張荷重値を試験片の断面積で除した値)とした。
レーザー式粒度分布測定装置(日機装(株)製マイクロトラックMT3300EX)を用いて粒径分布を測定し、累積頻度が50%となる粒径を平均粒径とした。
セパレータから10cm角のサンプルを切り取った。ミツトヨ社製のデジマチックインジケータIDC112を用いて室温23±2℃で、サンプルの厚さを測定した。
上記の10cm角のサンプルの質量(g)を測定し、cm2あたりの質量に換算した。
JIS P-8117に準拠したガーレー式透気度計で、セパレータの透気抵抗度を測定した。
(微多孔層の作製)
ポリプロピレン樹脂(MFR2.0、密度0.91)を、孔径30mm、L/D(L:押出機の原料供給口から排出口までの距離(m)、D:押出機の内径(m)。以下、同じ。)=30、及び温度200℃に設定した単軸押出機にフィーダーを介して投入し、押出機先端に設置したリップ厚2.5mmのTダイ(200℃)から押し出した。その後直ちに、溶融した樹脂にエアナイフを用いて25℃の冷風を当て、95℃に設定したキャストロールでドロー比200、及び巻き取り速度20m/分の条件下で巻き取り、フィルムを成形した。
得られたフィルムを、145℃に加熱された熱風循環オーブン中で1時間に亘ってアニールを施した。次に、アニール後のフィルムを25℃の温度で縦方向に1.2倍で一軸延伸して、冷延伸フィルムを得た。次いで、冷延伸フィルムを140℃の温度で縦方向に2.5倍で一軸延伸して、150℃で熱固定し一軸延伸フィルムを得た。更に、一軸延伸フィルムを145℃の温度で横方向に4.0倍で一軸延伸して、145℃で熱固定し、微多孔層(C0)を得た。なお、上記の評価方法に従い、得られた微多孔層(C0)の平均長孔径が1μm以下であることを確認した。
ベーマイト(大明化学製、C01)1kgと蒸留水9kgとを混合し、微粒化装置として(株)スギノマシン製スターバースト(HJP-25090)を用いて操作圧力200MPa下で5回の微粒化処理を行い、ベーマイトの水分散体B1(固形分濃度:10wt%)を得た。水分散体B1の平均粒径は0.1μmであった。
また、非水溶性有機繊維として、微細セルロース繊維の水分散(スギノマシン製、BMa、繊維径20~50nm)の固形分2.2%液を20.0g用意した。また、樹脂バインダとして、アクリル共重合体の水分散物(旭化成製、A65S)に蒸留水を加えた固形分13wt%調整液を0.44g用意した。更に、無機フィラーとして、ベーマイトの分散体B1を5.0g用意した。これらの非水溶性有機繊維、樹脂バインダ、及び無機フィラーを樹脂製容器に秤量し、脱泡混錬機(日本精機 NBK-1)で1500rpm、5分間処理することで分散液を得た。得られた分散液における、各原料の組成(質量%)を表1に示す。なお、以降、表1における組成(質量%)は、機能層における組成(質量%)とも理解される。
(セパレータC2の作製)
天然セルロースであるリンターパルプを4重量%となるように水に浸液させてオートクレーブ内で130℃、4時間の熱処理を行い、得られた膨潤パルプを水洗し、水を含浸させた状態の膨潤パルプ(水分散体)を得た。ディスクレファイナー装置として相川鉄工(株)製SDR14型ラボリファイナー(加圧型DISK式)を用い、ディスク間のクリアランスを1mmで該水分散体を20分間叩解処理した。それに引き続き、クリアランスをゼロに近いレベルにまで低減させた条件下で徹底的に叩解を行い、叩解水分散体(固形分濃度:1.60重量%)を得た。得られた叩解水分散体を、そのまま高圧ホモジナイザー(ニロ・ソアビ社(伊)製NS015H)を用いて操作圧力100MPa下で10回の微細化処理を実施し、微細セルロース繊維の水分散体M1(固形分濃度:共に1.60重量%)を得た。
また、非水溶性有機繊維として、微細セルロース繊維の水分散体M1に蒸留水を加えた固形分1.10%調整液を20.0g用意した。また、樹脂バインダとして、ポリオレフィン系重合体の水分散物(住友精化製、ザイクセンL)に蒸留水を加えた固形分13wt%調整液を0.42g用意した。これらの非水溶性有機繊維、及び樹脂バインダを樹脂製容器に秤量し、脱泡混錬機(日本精機 NBK-1)で1500rpm、5分間処理することで分散液を得た。得られた分散液における、各原料の組成(質量%)を表1に示す。
(セパレータC3の作製)
非水溶性有機繊維として、微細セルロース繊維の水分散体M1に蒸留水を加えた固形分1.54%調整液を20.0g用意した。また、樹脂バインダとして、ポリエチレンオキシド(明成化学製、E30、分子量40万)に蒸留水を加えた固形分8wt%調整液を0.94g用意した。これらの非水溶性有機繊維、及び樹脂バインダを樹脂製容器に秤量し、脱泡混錬機(日本精機 NBK-1)で1500rpm、5分間処理することで分散液を得た。得られた分散液における、各原料の組成(質量%)を表1に示す。
(セパレータC4の作製)
非水溶性有機繊維として、微細セルロース繊維の水分散体M1に蒸留水を加えた固形分0.70%調整液を15.0g用意した。また、樹脂バインダとして、アクリル共重合体の水分散物(旭化成製、A65S)に蒸留水を加えた固形分13wt%調整液を0.40g用意した。更に、無機フィラーとして、ベーマイトの分散体B1に蒸留水を加えて固形分5%調整液を2.1g用意した。これらの非水溶性有機繊維、樹脂バインダ、及び無機フィラーを樹脂製容器に秤量し、脱泡混錬機(日本精機 NBK-1)で1500rpm、5分間処理することで分散液を得た。得られた分散液における、各原料の組成(質量%)を表1に示す。
(セパレータC5の作製)
ベーマイト(河合石灰製、BMMW、平均粒径1.9μm)70gと蒸留水630gとを混合し、分散剤(サンノプコ製、E-D001、低分子ポリカルボン酸アンモニウム型)をベーマイトに対して1.0%になるように加えて、スリーワンモーターで3分間攪拌することで、ベーマイトの水分散体B2(固形分濃度:10wt%)を得た。水分散体B2の平均粒径は1.9μmであった。
また、非水溶性有機繊維として、微細セルロース繊維の水分散体M1に蒸留水を加えた固形分1.54%調整液を20.0g用意した。また、樹脂バインダとして、ポリエチレンオキシド(明成化学製、E60、分子量100万)に蒸留水を加えた固形分5wt%調整液を1.5g用意した。更に、無機フィラーとして、ベーマイトの分散体B2(固形分10%)を1.5g用意した。これらの非水溶性有機繊維、樹脂バインダ、及び無機フィラーを樹脂製容器に秤量し、脱泡混錬機(日本精機 NBK-1)で1500rpm、5分間処理することで分散液を得た。得られた分散液における、各原料の組成(質量%)を表1に示す。
(セパレータC6の作製)
アルミナ(日本軽金属製、LS-110F、平均粒径1.1μm)70gと蒸留水630gとを混合し、分散剤(サンノプコ製、E-D001、低分子ポリカルボン酸アンモニウム型)をベーマイトに対して1.0%になるように加えて、微粒化装置として広島メタル&マシナリー製ビーズミル(UAM-015)を用いてジルコニアビーズΦ0.1、充填率64%、周速10m/MIN下で1回の微粒化処理を行い、アルミナの水分散体B3(固形分濃度:10重wt%)を得た。水分散体B3の平均粒径は0.6μmであった。
また、非水溶性有機繊維として、微細セルロース繊維の水分散体M1に蒸留水を加えた固形分1.54%調整液を20.0g用意した。また、樹脂バインダとして、ポリエチレンオキシド(明成化学製、E60、分子量100万)に蒸留水を加えた固形分5wt%調整液を1.5g用意した。更に、無機フィラーとして、アルミナの分散体B3(固形分10%)を1.5g用意した。これらの非水溶性有機繊維、樹脂バインダ、及び無機フィラーを樹脂製容器に秤量し、脱泡混錬機(日本精機 NBK-1)で1500rpm、5分間処理することで分散液を得た。得られた分散液における、各原料の組成(質量%)を表1に示す。
(セパレータC7の作製)
ポリオレフィンバインダ繊維(三井化学製、E600、固形分33%)0.3kgと蒸留水9.9kgとを混合し、微粒化装置として(株)スギノマシン製スターバースト(HJP-25090)を用いて操作圧力200MPa下で5回の微粒化処理を行い、ポリオレフィン繊維の水分散体M2(固形分濃度:1.0wt%)を得た。
また、非水溶性有機繊維として、微細セルロース繊維の水分散体M1に蒸留水を加えた固形分1.54%調整液を20.5gと、ポリオレフィン繊維の水分散体M2(固形分1.0%)を16gとを用意した。また、樹脂バインダとして、ポリエチレンオキシド(明成化学製、E240、分子量500万)に蒸留水を加えた固形分2wt%調整液を6.0g用意した。これらの非水溶性有機繊維、及び樹脂バインダを樹脂製容器に秤量し、脱泡混錬機(日本精機 NBK-1)で1500rpm、5分間処理することで分散液を得た。得られた分散液における、各原料の組成(質量%)を表1に示す。
(セパレータC8の作製)
無機フィラーとして、ベーマイト(河合石灰製、BMMW、平均粒径1.9μm)10gに蒸留水10gを混合したものを用意した。また、樹脂バインダとして、アクリル共重合体の水分散物(旭化成製、A65S、固形分65wt%)4gを用意した。これらの無機フィラー、及び樹脂バインダをフラスコに秤量し、スターラーで攪拌して分散液を得た。得られた分散液における、各原料の組成(質量%)を表1に示す。
実施例1で得た微多孔層(C0)に非水溶性有機繊維で処理することなく、性能を確認した。結果、微多孔層(C0)のTD引張強度は130kgf/cm2であり、透気抵抗度は225秒/100mlであった。TD破断伸度は未検出である。
Claims (20)
- ポリオレフィン樹脂を主成分とする微多孔層と、前記微多孔層上の機能層と、を含むセパレータであって、
前記機能層がセルロースナノファイバと樹脂バインダとを含み、
前記微多孔層の平均長孔径が1μm以下であり、
前記樹脂バインダが水溶性高分子、及び/又は樹脂エマルジョンを含み、
前記機能層における前記樹脂バインダの含有量が、6質量%~20質量%であり、かつ、目付1.1g/m2~5.3g/m2の前記機能層を有し、
前記機能層は、平均粒径が0.6μm~3μmの無機フィラーを含む、セパレータ。 - 前記樹脂バインダが、前記水溶性高分子であるポリエチレンオキシドを含む、請求項1に記載のセパレータ。
- 前記樹脂バインダの破断伸度が100%以上である、請求項1又は2に記載のセパレータ。
- 前記無機フィラーの平均粒径が1.9~3μmである、請求項1~3のいずれか1項に記載のセパレータ。
- 前記非水溶性有機繊維の繊維径が5~2000nmである、請求項1~4のいずれか1項に記載のセパレータ。
- 前記機能層の破断伸度が2.0%以上である、請求項1~5のいずれか1項に記載のセパレータ。
- 前記微多孔層の平均長孔径が10~500nm以下である、請求項1~6のいずれか1項に記載のセパレータ。
- 前記微多孔層は、
前記ポリオレフィン樹脂を含むポリマーマトリックスと、
前記ポリマーマトリックスから前記微多孔層の一方向に延在し、かつ前記ポリオレフィン樹脂を含むフィブリルと、
複数の前記フィブリルの間に存在する多孔と、を含む、請求項1~7のいずれか1項に記載のセパレータ。 - 前記微多孔層は、
前記ポリオレフィン樹脂を含むポリマーマトリックスと、
前記ポリマーマトリックスから三次元的に延在し、かつ前記ポリオレフィン樹脂を含むフィブリルと、
複数の前記フィブリルの間に存在する多孔と、を含む、請求項1~8のいずれか1項に記載のセパレータ。 - ポリオレフィン樹脂を主成分とする微多孔層上に形成可能な機能層を作製するためのスラリーであって、
前記スラリーは、
セルロースナノファイバを含む非水溶性有機繊維と、
水溶性高分子、及び/又は樹脂エマルジョンを含む樹脂バインダと、を含み、
前記樹脂バインダの含有割合は、前記非水溶性有機繊維に対して10~150質量%であり、
前記機能層における前記樹脂バインダの含有量が、6質量%~20質量%であり、平均粒径が0.6μm~3μmの無機フィラーを含み、かつ、乾燥により目付1.1g/m2~5.3g/m2の前記機能層を形成する、スラリー。 - 前記樹脂バインダが、前記水溶性高分子であるポリエチレンオキシドを含む、請求項10に記載のスラリー。
- 前記樹脂バインダの破断伸度が100%以上である、請求項10又は11に記載のスラリー。
- 前記無機フィラーの平均粒径が1.9~3μmである、請求項12に記載のスラリー。
- 前記非水溶性有機繊維の繊維径が5~2000nmである、請求項10~13のいずれか1項に記載のスラリー。
- セルロースナノファイバを含む非水溶性有機繊維と、
水溶性高分子、及び/又は樹脂エマルジョンを含む樹脂バインダと、を含み、
前記樹脂バインダの含有量が、6質量%~20質量%であり、平均粒径が0.6μm~3μmの無機フィラーを含み、かつ、
目付1.1g/m2~5.3g/m2である、機能層。 - 前記樹脂バインダが、前記水溶性高分子であるポリエチレンオキシドを含む、請求項15に記載の機能層。
- 前記樹脂バインダの破断伸度が100%以上である、請求項15又は16に記載の機能層。
- 前記無機フィラーの平均粒径が1.9~3μmである、請求項17に記載の機能層。
- 前記非水溶性有機繊維の繊維径が5~2000nmである、請求項15~18のいずれか1項に記載の機能層。
- 前記機能層の破断伸度が2.0%以上である、請求項15~19のいずれか1項に記載の機能層。
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