JP7437421B2 - 微多孔膜及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本開示は、微多孔膜およびその製造方法に関する。
リチウムイオン2次電池は、スマートフォン又は携帯用モバイル機器等に普及しており、またハイブリッドカー、電気自動車などの車載用途等においても市場が急激に拡大しており、それに伴いリチウムイオン2次電池に使用されるセパレータの需要も拡大している。そのセパレータとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、若しくはポリアミドの微多孔膜、これらの樹脂に無機フィラーを配合したもの、又はそれらの微多孔膜に無機フィラー含有塗工液を塗布したものや、アラミド樹脂を塗布したもの等が、多く使用されている。セパレータの原料樹脂としては、成型品物性、成型加工性、耐候性等のバランスが良いポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂が良好に使用されている。
ポリオレフィン系樹脂のセパレータの製造方法は、主に2つに大別される。一つは、特許文献1等に記載されるような、湿式法または熱誘起相分離法などと呼ばれる方法であり、典型的には、ポリエチレン樹脂等にパラフィン等の可塑剤を押出機の内部で混合し、若しくは予め適切に混合する工程と、Tダイ等で押し出す工程と、キャスト装置等で冷却する際に、樹脂と可塑剤を相分離させる工程と、可塑剤を溶媒で抽出し、押出成形体を開孔させる工程とを含む、方法である。この方法は、可塑剤の抽出工程前後に1軸または2軸の延伸機で押出成形体を延伸することにより、押出成形体に配向を掛け、微多孔膜を薄膜化させ、又は孔形状を整えて所望の性状の微多孔膜を得る工程を更に含んでもよい。延伸工程は複数の工程に分かれる場合もある。また、この方法では、キャスト等で相分離した可塑剤の部分が、抽出された後に孔となる。さらに、この方法では、同時または遂次の2軸延伸が容易に利用できるため、強度の等方性に優れた微多孔膜が得られ易い。
もう一つは、特許文献2等に記載されるような、延伸開孔法または乾式法等と呼ばれる方法であり、典型的には、ポリオレフィン樹脂等を、可塑剤を添加せずに押出す工程と、Tダイ等から押し出された溶融原反を、エアナイフ等で急冷しながら、かつMD(フィルムの流れ方向、縦方向)にドローダウン比(冷却固化後のフィルムの断面積をダイスの出口の断面積で除した値)が数十~数百である条件下で引張ながら、キャストロール装置等で冷却固化させて延伸前原反を得る工程と、この延伸前原反を延伸機に導き、常温(通常10℃~30℃)でのMD延伸、及びそれよりも高温でのMD延伸を連続的に行い、開孔させる工程とを含む、方法である。この方法は、一般にラメラ開孔とも呼ばれており、ドローダウン比を数十~数百に調整することで、押し出されたポリオレフィンの分子鎖が結晶化する際に、ポリオレフィンの結晶ラメラのc軸がMDに配列し、a軸がTD(流れ方向に対するフィルムの横方向)に並ぶ構造が形成され、さらに、その後のMD延伸の際に、これらのラメラ間が開裂し、孔を形成することが知られている。乾式法により得られる微多孔膜(乾式膜)は、一般にMD延伸のみが処されているため、TDの収縮は発生しない。その為、TDの収縮を忌避する電池では、乾式膜がセパレータとして有効に利用されている。特許文献2では、同種のポリオレフィンを用いて形成された3層構造を有する積層体等に乾式法を適用している。
特開2010-036355号公報 特開平11-123799号公報 特開2011-51330号公報 特開2009-114434号公報 特開2017-029338号公報 国際公開第2015/190264号 特開平5-258741号公報 国際公開第2014/084061号 特許第5596768号公報
特許文献1~4に記載されるような従来のセパレータによってもなお、リチウムイオン2次電池の生産性に改善の余地があった。すなわち、スマートフォン及びノートブックパソコン等の民生用途で主流である捲回型の円筒リチウムイオン2次電池あるいは車載用途等に用いられる捲回型の角型リチウムイオンにおいては、その電池製造の捲回工程において、リチウムイオン2次電池の捲回体を製造する際、セパレータの一面を巻芯に接して巻取り、捲回後に巻芯を抜き取る。この抜き取り工程において、セパレータの接触面の動摩擦係数が高いと、抜き取り工程において、巻芯が抜き取れず捲回体が破壊され、生産効率が悪化する。このため、動摩擦係数は一般的に低いことが要求される(以降、この現象を「巻芯抜け性」ともいう。)。この傾向は、パウチ型電池においても、捲回体を製造する際に巻芯を使うものでは同様に当てはまる。
一方で、セパレータの摩擦係数が低すぎると、セパレータの製造工程や、電池の製造工程にてセパレータのみを紙管等に巻き取ったロール(以降、「製膜原反ロール」ともいう。)を縦置きした際に、膜の自重でセパレータがズレ落ちる現象(以降、「ズレ現象」ともいう。)が起こる場合がある。昨今は生産工程の効率化のため、この製膜原反ロールに巻き取る量は増加する傾向で、例えば、1本で数千mにも及ぶ。その際、例えば1m幅のセパレータ原反を5000m巻き取れば、約50kgにも達する。巻き長さが長いほど重量が重くなるためズレ現象が起こりやすく、今後問題となりうる。またズレ現象は低温になるほど起こりやすい。ズレ現象を低減するためには、セパレータの摩擦係数が適度に高いことが要求される。上述のズレ現象は、製膜原反ロールを縦置きした場合に重力により発生する現象であるため、幅の広いセパレータで起こりやすいが、これを狭い幅、例えば65mm程度の幅にスリットしこれを巻き取ったスリットロールでも同様の現象は起こる。また、パウチ型のような捲回型以外の電池では、電極に対してセパレータが平面方向へズレる現象を低減するため、セパレータに適度の摩擦力が要求される。以上のように、セパレータの摩擦係数は、巻芯抜け性を向上させるためには低いことが要求され、一方のズレ現象を低減するためには高いことが要求される。
この様な問題に対して、特許文献5の共押出法を応用して、セパレータの一方の表面に塗工しやすい層を用いることが考えられる。しかしながら、この場合は、基本となる層に新たに接着性の良い層を付加的に設けることが必要であり、強度や透過性といった基本となる層の性能が減殺され、セパレータの押出機が複数必要となり固定費が向上し、かつ工程が煩雑化し生産コストの大幅な上昇を伴う。
そこで本開示は、電池の生産性、特に巻芯を使用した捲回電池製造時の巻芯からの抜き取り性、ロール状のセパレータのズレ現象の低減に優れた、微多孔膜およびその製造方法を提供することを目的の一つとする。
本開示の実施形態の例を以下の項目[1]~[32]に列記する。
[1]
表面A及び上記表面Aとは反対側の表面Bを有する、微多孔膜であって、
上記表面Aの動摩擦係数(F)に対する、上記表面Bの動摩擦係数(F)の比(F/F)が、1.2~20の範囲内である、微多孔膜。
[2]
上記表面A上の1μmあたりの孔数(N)が10個/μm~100個/μmであり、上記表面B上の1μmあたりの孔数(N)が20個/μm~200個/μmであり、N/Nが0.2~0.98であり、上記表面A上の1μmあたりの孔の面積の総和(S)が0.02μm~0.5μmであり、上記表面B上の1μmあたりの孔の面積の総和(S)が0.01μm~0.3μmであり、S/Sが1.1~10である、項目1に記載の微多孔膜。
[3]
単独層から成る微多孔膜であって、
上記微多孔膜の厚みが3μm~18μmであり、
上記微多孔膜の一方の表面を表面Aとし、他方の表面を表面Bとし、表面A1μmあたりの孔数をNとし、表面B1μmあたりの孔数をNとしたとき、Nが10個/μm~100個/μmであり、Nが20個/μm~200個/μmであり、N/Nが0.2~0.96であり、かつ
表面A1μmあたりの孔の面積の総和をSとし、表面B1μmあたりの孔の面積の総和をSとしたとき、Sが0.02μm/μm~0.5μm/μmであり、Sが0.01μm/μm~0.3μm/μmであり、S/Sが1.1~10である、微多孔膜。
[4]
表面Aの動摩擦係数(F)に対する表面Bの動摩擦係数(F)の比F/Fが1.2以上である、項目3に記載の微多孔膜。
[5]
上記表面Bは複数の突起状体を有し、上記表面Bの100μmあたりの上記突起状体の個数(W)が0.2個/100μm~1000個/100μmの範囲内である、項目1~4のいずれか一項に記載の微多孔膜。
[6]
表面A及び上記表面Aとは反対側の表面Bを有する、微多孔膜であって、
上記表面Bは複数の突起状体を有し、上記表面Bの100μmあたりの上記突起状体の個数(W)が0.2個/100μm~1000個/100μmの範囲内である、微多孔膜。
[7]
上記表面A上の1μmあたりの孔数(N)が10個/μm~100個/μmであり、上記表面B上の1μmあたりの孔数(N)が20個/μm~200個/μmであり、N/Nが0.2~0.98であり、上記表面A上の1μmあたりの孔の面積の総和(S)が0.02μm~0.5μmであり、上記表面B上の1μmあたりの孔の面積の総和(S)が0.01μm~0.3μmであり、S/Sが1.1~10である、項目6に記載の微多孔膜。
[8]
表面Aの動摩擦係数(F)に対する表面Bの動摩擦係数(F)の比F/Fが1.2以上である、項目6又は7に記載の微多孔膜。
[9]
表面Aの動摩擦係数(F)が0.3以下であり、かつ表面Bの動摩擦係数(F)が0.9以下である、項目1~8のいずれか一項に記載の微多孔膜。
[10]
上記微多孔膜の厚みが3μm~18μm、気孔率が20%~75%、厚み10μmに換算した突刺強度が300gf/10μm以上、厚み10μmに換算した透気度が30sec/100ml/10μm~1000sec/100ml/10μmである、項目1~9のいずれか一項に記載の微多孔膜。
[11]
上記表面Aは複数の突起状体を有し、上記表面Aの100μmあたりの上記突起状体の個数をWとし、上記表面Bは複数の突起状体を有し、上記表面Bの100μmあたりの上記突起状体の個数をWとすると、Wが0.2個/100μm未満であり、かつ、W>10×Wである、項目1~10のいずれか一項に記載の微多孔膜。
[12]
上記表面Bは複数の突起状体を有し、上記表面Bを正面から観察したときの上記表面Bの突起状体の大きさが0.01μm~5μmの範囲内である、項目1~11のいずれか一項に記載の微多孔膜。
[13]
上記表面Bは複数の突起状体を有し、上記表面Bの突起状体がポリエチレン又はポリプロピレンを主成分として含有する、項目1~12のいずれか一項に記載の微多孔膜。
[14]
上記微多孔膜の断面において、表面A近傍で観察される孔の総数のうち、孔径が0.12μm以上の孔の数の割合(%)をNC(0.12)、断面方向中央付近で観察される孔の総数のうち、孔径が0.12μm以上の孔の数の割合(%)をNC(0.12)、表面B近傍で観察される孔の総数のうち、孔径が0.12μm以上の孔の数の割合(%)をNC(0.12)としたとき、
NC(0.12)>NC(0.12)>NC(0.12)であり、
但し、上記微多孔膜の断面の厚み方向において、表面Aの位置を0%、表面Bの位置を100%としたとき、上記表面A近傍とは0%~10%の領域、上記中央付近とは45%~55%の領域、上記表面B近傍とは90%~100%の領域を意味する、項目1~13のいずれか一項に記載の微多孔膜。
[15]
NC(0.12)/NC(0.12)>1.2を更に満たす、項目14に記載の微多孔膜。
[16]
NC(0.12)は2%~5%、NC(0.12)は0.5%~3.0%である、項目14又は15に記載の微多孔膜。
[17]
上記微多孔膜の断面において、表面A近傍で観察される孔の総数のうち、孔径が0.1μm未満の孔の数の割合(%)をNC(0.10)、断面方向中央付近で観察される孔の総数のうち、孔径が0.10μm未満の孔の数の割合(%)をNC(0.10)、表面B近傍で観察される孔の総数のうち、孔径が0.10μm未満の孔の数の割合(%)をNC(0.10)としたとき、
NC(0.10)<NC(0.10)<NC(0.10)であり、
但し、上記微多孔膜の断面の厚み方向において、表面Aの位置を0%、表面Bの位置を100%としたとき、上記表面A近傍とは0%~10%の領域、上記中央付近とは45%~55%の領域、上記表面B近傍とは90%~100%の領域を意味する、項目1~16のいずれか一項に記載の微多孔膜。
[18]
上記微多孔膜の上記表面A及び上記表面Bが、ポリエチレンを主成分として含有する、項目1~13のいずれか一項に記載の微多孔膜。
[19]
上記微多孔膜の上記表面A及び上記表面Bが、ポリエチレンを主成分として含有し、上記ポリエチレンは、粘度平均分子量が2,000,000以上の成分を5質量%~30質量%含む、項目1~14のいずれか一項に記載の微多孔膜。
[20]
上記微多孔膜の上記表面A及び上記表面Bが、ポリエチレンを主成分として含有し、かつ上記ポリエチレンが、粘度平均分子量500,000~900,000の超高分子量ポリエチレンを10質量%以上含有する、項目1~15のいずれか一項に記載の微多孔膜。
[21]
上記微多孔膜の上記表面A及び上記表面Bが、粘度平均分子量1,000,000以上の超高分子量成分を20質量%以上含む、項目1~16のいずれか一項に記載の微多孔膜。
[22]
上記微多孔膜の厚み10μmに換算した突刺強度が、300gf/10μm以上、1200gf/10μm以下である、項目1~17のいずれか一項に記載の微多孔膜。
[23]
上記微多孔膜の、表面Bに観察される孔の平均孔径をΦとしたとき、Φが、5nm~100nmの範囲内である、項目11~18のいずれか一項に記載の微多孔膜。
[24]
上記微多孔膜の表面Aに観察される孔の平均孔径をΦ、表面Bに観察される孔の平均孔径をΦとしたとき、Φ>Φである、項目11~19のいずれか一項に記載の微多孔膜。
[25]
項目1~20のいずれか一項に記載の微多孔膜を含む、リチウムイオン2次電池用セパレータ。
[26]
微多孔膜を製造する方法であって、以下:
湿式法により、表面A及び上記表面Aとは反対側の表面Bを有する微多孔膜を形成する工程と;
上記微多孔膜の表面Bに、繊維径1μm~10μmのポリエチレン又はポリプロピレンを主成分として含有する突起状体を貼り付ける工程とを含む、方法。
[27]
微多孔膜を製造する方法であって、以下:
表面A及び上記表面Aとは反対側の表面Bを有する目的層と、補助層との共押出によって、上記目的層及び上記目的層の上記表面B上に上記補助層を有する微多孔膜原反を成形する共押出工程であって、上記目的層は、上記目的層の全質量を基準として40質量%以上の可塑剤を含有し、上記補助層は、上記補助層の全質量を基準として60質量%以下の可塑剤を含有する、共押出工程と;
上記共押出工程の後に、以下(a)~(c):
(a)上記微多孔膜原反を延伸する延伸工程と;
(b)抽出溶媒の存在下、上記微多孔膜原反から上記可塑剤を抽出する抽出工程と; (c)上記目的層の上記表面Bから上記補助層を剥離して、上記目的層を微多孔膜として得る剥離工程と
を任意の順序で含む、方法。
[28]
上記目的層は単独層である、項目23に記載の方法。
[29]
上記目的層の原料樹脂が、ポリエチレンを主成分として含有し、かつ上記補助層の原料樹脂が、ポリプロピレンを主成分として含有する、項目23又は24に記載の方法。
[30]
上記剥離工程後に、上記補助層は、透気度が3000sec/100ml以上の微多孔膜、又は無孔膜である、項目23~25のいずれか一項に記載の方法。
[31]
上記目的層中の上記可塑剤の含有量が、90質量%以下であり、かつ/又は上記補助層中の上記可塑剤の含有量が、0質量%より大きい、項目23~26のいずれか一項に記載の方法。
[32]
上記剥離工程後に、上記目的層に塗料を塗工する塗工工程をさらに含む、項目23~27のいずれか一項に記載の方法。
本開示によれば、電池の生産性、特に巻芯を使用した捲回電池製造時の巻芯からの抜き取り性、ロール状のセパレータのズレ現象の低減に優れた微多孔膜を得ることができる。
図1(a)は、本開示の微多孔膜の一方の面(表面A)の表面写真であり、図1(b)は、同じ微多孔膜の他方の面(表面B)の表面写真であり、その表面上に突起状体を有する写真である。 図2は、本開示の微多孔膜の製造ラインを部分的に例示する概略図である。 図3は、微多孔膜積合体を剥離するための巻取機の模式図である。 図4は、本願明細書における巻芯抜け性の評価方法を示す模式図である。 図5は、本願明細書におけるズレ現象の評価方法を示す模式図である。 図6は、本願明細書における搬送性の評価方法を示す模式図である。 図7は、本願明細書における傾斜構造の測定方法を説明するための、微多孔膜の断面の模式図である。
<<微多孔膜の層構造>>
本開示の微多孔膜(以下「目的層」と称する場合がある)は、一方の表面を「表面A」、表面Aとは反対側の他方の表面を「表面B」として区別する。表面Aを構成する材料は、表面Bを構成する材料と実質的に同一であってもよく、異なっていてもよい。微多孔膜は、リチウムイオン2次電池用セパレータ等の蓄電素子のセパレータとして利用することができる。微多孔膜は、単独層であってもよい。単独層とは、微多孔膜が、ラミネート法又は塗工法を用いていない、単層膜の微多孔膜からなるという意味である。但し、単層膜を得る際には、目的層(単層膜)と補助層とを2層以上に共押出して、その製造工程中で補助層を剥離して目的層(単層膜)を得てもよい。微多孔膜は、例えば表面層が同一の共押出2種3層構造等、多層膜であってもよい。多層膜の場合も、表面Aを構成する材料が表面Bを構成する材料と実質的に同一であることが好ましい。多層膜を得る際にも、目的層(多層膜)と補助層とを共押出して、その製造工程中で補助層を剥離して目的層(多層膜)を得てもよい。単層膜及び多層膜のいずれにおいても、補助層と接触する側が目的層の表面B(動摩擦係数が高い側)であり、もう一方側が表面Aとなる。補助層は、微多孔膜を容易に得ることのできる加工補助層としての役割を持つ。この補助層の働きにより、補助層と接する表面B側の動摩擦係数を表面A側の動摩擦係数よりも高くすることが容易になり、また、補助層と接するB表面側の孔の面積の総和をA表面側の孔の面積の総和よりも小さくすることも容易になる。補助層を剥離して目的層を得る場合、剥離された補助層の一部が表面Bに付着することがあるが、本願明細書において「表面Aを構成する材料が表面Bを構成する材料と実質的に同一である」という場合、表面Bに残存することのある補助層の存在を考慮しない。
<<微多孔膜の特徴>>
微多孔膜は、その片方の表面を表面Aとし、表面Aとは反対側の表面を表面Bとし、表面Aの動摩擦係数をFとし、表面Bの動摩擦係数をFとしたとき、Fは、好ましくは0.3以下、より好ましくは0.02~0.3、更に好ましくは0.1~0.3である。Fは、好ましくは0.9以下、より好ましくは0.1~0.9、更に好ましくは0.5以下、より更に好ましくは0.1~0.5である。Fに対するFの比(F/F)は、好ましくは1.2~20の範囲内である。すなわち、表面A、表面Bのうち動摩擦係数の高い方が表面Bである。F/Fが1.2~20であると、塗工層の接着性と電池捲回時の巻芯からの抜き取り性を両立しやすい。F/Fは、好ましくは1.2~10の範囲内である。ズレ現象は、表面Aと表面Bとが接する状態で起こる現象であるため、ズレ現象の低減には両方のバランス、即ちFB/が上記範囲内であることが特に好ましい。
微多孔膜は、好ましくは、Fが0.02~0.3、Fが0.1~0.9の範囲内である。Fが0.02以上であることにより、電池化捲回時に表面Aに巻芯を接触させた際に、巻芯に対して微多孔膜をより確実に固定することができる。また0.3以下であることにより、巻芯の抜き取り性が向上する。Fは好ましくは0.05~0.25、さらに好ましくは0.1~0.2の範囲内である。またFが0.1以上であることにより、ズレ現象が低減でき、また捲回時セパレータ同士が滑りすぎず良好に捲回ができる。Fが0.9以下であることにより、電池捲回時にセパレータと捲回機との接触部分とのすべり性が向上し、搬送性が良好となり、電池の生産性が向上する。また、ズレ現象も良好に低減できる。Fは、好ましくは0.1~0.7の範囲内、さらに好ましくは0.31~0.6の範囲内である。
微多孔膜は、その片方の表面を表面Aとし、表面Aとは反対側の表面を表面Bとした際、表面A上の1μmの孔数をN、表面B上の1μmの孔数をNとしたとき、Nは、好ましくは10個/μm~100個/μmであり、Nは、好ましくは20個/μm~200個/μmである。Nに対するNの比(N/N)は、好ましくは0.2~0.98である。Nが10個/μm以上であると、動摩擦係数が高くなりすぎず、芯抜け不良を抑えることができ、リチウムイオン透過性が向上する。Nが100個/μm以下であると微短絡が抑制され、また膜強度が向上し、その為製膜時のハンドリングが良好で、薄膜化が容易になる傾向にある。Nの範囲は、好ましくは20個/μm~90個/μmであり、さらに好ましくは30個/μm~70個/μmである。Nが20個/μm以上であると、動摩擦係数が下がりすぎず、ズレ現象、及び捲回不良を抑制でき、塗工層との接着性が良好になり、また、リチウムイオン透過性が向上する傾向にある。Nが200個/μm以下であると動摩擦係数が高くなりすぎず、また、微短絡が抑制される。Nの範囲は、好ましくは30個/μm~150個/μmであり、さらに好ましくは40個/μm~100個/μmである。N/Nが0.2以上であると透過性が良好で、0.98以下であると微短絡が抑制される傾向にある。N/Nは、より好ましくは0.2~0.96、更に好ましくは0.2より大きく0.90以下、より更に好ましくは0.3~0.90、特に好ましくは0.3~0.85、特に好ましくは0.5~0.8の範囲内である。N/Nがこの範囲内であると、A表面及びB表面の摩擦係数を本開示の好ましい範囲に調整しやすい。
表面A上の1μm(1平方ミクロン)の孔の面積の総和をSとし、表面B上の1μmあたり孔の面積の総和をSとしたとき、Sが0.02μm~0.5μmであり、Sが0.01μm~0.3μmであり、S/Sが1.1~10であることが好ましい。以下、このように微多孔膜の厚み方向に、微多孔膜の物性、例えば単位面積当たりの孔数や孔の面積が変化する構造を、本願明細書において「傾斜構造」と呼ぶ。
が0.02μm以上であると、動摩擦係数が高くなりすぎず、またリチウムイオン透過性が向上する傾向にある。Sが0.5μm以下であると微短絡が抑制され、また膜強度が向上し、その為製膜時のハンドリングが良好で、薄膜化が容易になる傾向にある。Sの範囲は、好ましくは0.03μm~0.3μmであり、さらに好ましくは0.05μm~0.2μmである。Sが0.01μm以上であると、リチウムイオン透過性が向上する。Sが0.3μm以下であると動摩擦係数が低くなりすぎず、ズレ現象の抑制、搬送性の向上、及び微短絡の抑制につながる傾向にある。Sの範囲は、好ましくは0.02μm~0.2μmであり、さらに好ましくは0.03μm~0.15μmである。S/Sが1.1~10の範囲内であると、上述の巻芯抜け性の向上、ズレ現象の低減、搬送性、及び塗工層の接着性を両立しやすく、また、イオン透過性が向上する。S/Sは、好ましくは1.5~5の範囲内であり、さらに好ましくは1.6~3の範囲内である。
本発明者らは、表面A、表面B上の孔の面積(S及びS)並びに孔数(N及びN)が上記の範囲内であれば、F、Fが好ましい範囲内のセパレータを得やすいことを見いだした。微多孔膜の使用法としては、孔面積が比較的大きい表面Aは動摩擦係数が低く、捲回型のリチウムイオン2次電池の生産時に巻芯と接触せると、巻芯抜け性が良好になる。一方、小径の孔数が多い表面Bは動摩擦係数が高いため、ズレ現象を低減できる。また、電極との密着性が良く、特に角型やパウチ型の大型電池において良好な電極との密着性を発揮する。また塗工型のセパレータにおいて、表面Bに塗工層を塗工すると、塗工層の接着性が良好になる。
微多孔膜は、表面Bに複数の突起状体を有し、表面Bの100μmあたりの突起状体の個数(W)が、0.2個/100μm~1000個/100μmの範囲内であることが好ましい。Wがこの範囲内であると、表面Bの動摩擦抵抗Fが好ましい範囲内になりやすい。Wは、より好ましくは0.3個/100μm~100個/100μmの範囲内であり、さらに好ましくは0.3個/100μm~50個/100μmの範囲内であり、より更に好ましくは0.5個/100μm~15個/100μmの範囲内である。Wが0.2個/100μm以上であると動摩擦係数が適度に大きくなり、ズレ現象が低減され、塗工層と微多孔膜の接着強度が向上する。Wが1000個/100μm以下であることにより、動摩擦係数が適度に小さくなりハンドリング性が向上する。
微多孔膜は、表面Aに複数の突起状体を有していてもよい。表面Aの100μmあたりの突起状体の個数(W)は、好ましくは0.2個/100μm未満であり、より好ましくは0個/100μmであるのが好ましい。WとWとの関係は、好ましくはW>10×Wであり、さらに好ましくはW>20×Wである。Wが0.2μm以下であることにより、表面Aの動摩擦係数を低くすることができる。
表面Bの突起状体の大きさは、表面Bを正面から観察したとき、好ましくは0.01μm~5μmであるのが好ましい。突起状体の大きさの測定方法は実施例に記載する。表面Bの突起状体の大きさは、表面Bの摩擦係数を制御するのに特に好ましい範囲がある。即ち、突起状体が5μm以下であることにより、動摩擦係数が低く抑えられやすく、また塗工型セパレータの場合に、塗工層と微多孔膜の接着強度が良好になり、電池用のセパレータとして使用した際に、微多孔膜の微多孔を閉塞しにくく、イオン透過性が向上する。表面Bの突起状体の大きさが0.01μm以上であることにより、表面Bの動摩擦係数が適度に大きく、ハンドリング性が向上する。表面Bの突起状体の大きさは、より好ましくは0.02μm~1μm、さらに好ましくは0.03μm~0.5μm、最も好ましくは0.1μm~0.5μmの範囲である。図1(b)に、表面Bの突起状体の例を示す。
表面Bの突起状体は、ポリエチレンまたはポリプロピレンを主成分とすることが好ましい。これらの樹脂は電池のセパレータ用の原料として、既に多く使用されているものである。なお、本明細書では、特定の成分を「主成分として含む」ことは、全成分の総質量を基準として、50質量%を超える割合で当該成分を含むことをいう。表面Bに突起状体を形成する方法は、例えば、表面A及び上記表面Aとは反対側の表面Bを有する微多孔膜を形成する工程と;上記微多孔膜の表面Bに、繊維径1μm~10μmのポリエチレン又はポリプロピレンを主成分として含有する突起状体を貼り付ける工程とを含む、方法が挙げられる。この方法では、上記の繊維またはそれを短く切断した断片が突起状体となる。表面Bに突起状体を形成する別の方法としては、表面A及び上記表面Aとは反対側の表面Bを有する目的層と、補助層との共押出によって、上記目的層及び上記目的層の上記表面B上に上記補助層を有する微多孔膜原反を成形する共押出工程と;上記共押出工程の後に、以下(a)~(c):(a)上記微多孔膜原反を延伸する延伸工程と;(b)抽出溶媒の存在下、上記微多孔膜原反から上記可塑剤を抽出する抽出工程と;(c)上記目的層の上記表面Bから上記補助層を剥離して、上記目的層を微多孔膜として得る剥離工程からなる製造方法が挙げられる。この方法では、突起状体は例えば、微多孔膜の表面にあるフィブリル部分が、引き出されたものとなり、大きさの小さい突起状体が得られる。これらいずれの方法でもよい。より詳細は、「微多孔膜の製造方法」の欄の記載も参照されたい。
微多孔膜は、微多孔膜の断面において、A表面近傍で観察される孔の総数のうち、孔径が0.12μm以上の孔の数の割合(%)をNC(0.12)、断面方向中央付近で観察される孔の総数のうち、孔径が0.12μm以上の孔の数の割合(%)をNC(0.12)、B表面近傍で観察される孔の総数のうち、孔径が0.12μm以上の孔の数の割合(%)をNC(0.12)としたとき、NC(0.12)>NC(0.12)>NC(0.12)であることが好ましい。すなわち、孔径0.12μm以上の孔数はA表面が多く、B表面に向かって減少していることを意味する。孔径0.12μm以上の孔数は、A表面からB表面に向かって単調に減少していることがより好ましい。
NC(0.12)/NC(0.12)>1.2であることが好ましい。この範囲であると、微短絡防止性、イオン透過性が良好となる。さらにはNC(0.12)/NC(0.12)>1.5であると、デンドライト抑制効果もさらに改善される。NC(0.12)/NC(0.12)>2.0であることもまた好ましい。この範囲であると、デンドライト抑制効果がさらに改善される傾向にある。
NC(0.12)は、好ましくは2%~5%、より好ましくは2%~3%である。NC(0.12)は、好ましくは0.5%~3.0%、より好ましくは0.5%~2.3%、0.5~1.9%、0.6%~3.0%、0.6%~2.3%、又は0.6%~1.9%である。これらの範囲であると、デンドライト抑制効果がさらに改善される傾向にある。
微多孔膜は、微多孔膜の断面において、A表面近傍で観察される孔の総数のうち、孔径が0.1μm未満の孔の数の割合(%)をNC(0.10)、断面方向中央付近で観察される孔の総数のうち、孔径が0.10μm未満の孔の数の割合(%)をNC(0.10)、表面B近傍で観察される孔の総数のうち、孔径が0.10μm未満の孔の数の割合(%)をNC(0.10)としたとき、NC(0.10)<NC(0.10)<NC(0.10)であることが好ましい。すなわち、孔径が0.1μm未満の孔数は、A表面からB表面に向かって増加していることを意味する。孔径0.1μm未満の孔数は、A表面からB表面に向かって単調に減少していることがより好ましい。この範囲であると、デンドライト抑制効果がさらに改善される傾向にある。
微多孔膜は、NC(0.12)>NC(0.12)>NC(0.12)であり、かつ、NC(0.10)<NC(0.10)<NC(0.10)であることがより好ましい。すなわち、孔径0.12μm以上の比較的大径の孔数はA表面が多く、B表面に向かって減少しており、かつ、孔径が0.1μm未満の比較的小径の孔数は、A表面からB表面に向かって増加していることを意味する。これによって、デンドライト抑制効果がさらに改善される傾向にある。
微多孔膜の表面に観察される孔のうち、A表面の孔の平均孔径をΦ、B表面の孔の平均孔径をΦとしたとき、Φ>Φであることが好ましい。すなわち小径の孔数が厚み方向に、B表面からA表面に向かって減少することに伴い、孔径はB表面からA表面に向かって増大することを意味する。このような孔構造を持つ膜は、例えばA表面からデンドライトがフィルム内部でB表面に向かって成長していった際、途中で孔径が小さくなるため、直進性が損なわれ、セパレータを貫通しにくくなる。逆にB表面から成長する場合はB表面からセパレータの内部に侵入しにくくなる。
デンドライト等の成長抑止の観点からは、微多孔膜の断面に観察される孔のうち、B表面の孔の平均孔径(直径)をΦとしたとき、Φは、できる限り小さく調整され、好ましくは5nm~100nm、より好ましくは10nm~80nm、さらに好ましくは20nm~70nmの範囲内にある。本開示の微多孔膜では、孔数、孔面積及び孔径は、それぞれ密接に関係しており、例えば、A表面からB表面に向かって小径の孔数が増えれば、基本的に平均孔面積は減少し、平均孔径も減少する、傾斜構造を有することが好ましい。
上記傾斜構造の技術的意義を以下に説明する。湿式法及び/又は乾式法により得られた微多孔膜は、リチウムイオン電池用セパレータとして利用されている。セパレータ用途の場合は、電池の充放電を繰り返すと、微短絡が発生し易くなるという問題があった。この原因の一つとして、負極表面に樹枝状の金属リチウム(リチウムデンドライト)が析出し、さらに充放電を繰り返すと、リチウムデンドライトが正極に向かって成長して行き、セパレータを突き破り、部分的に内部短絡を起こす現象が挙げられている。
特に、昨今は、リチウムイオン電池では、高出力化のために透過性を向上させることが開発の方向であり、このためには微多孔膜の大孔径化又は気孔率の向上という方法が採られる傾向にある。また、電池の小型化のためセパレータの厚みも薄くなる傾向であった。これらの透過性向上又は薄膜化という開発の方向は、前述の内部短絡防止とはトレードオフの関係であった。この問題を解決するために、特許文献8では、2層以上の多孔構成で、そのうち1層がデンドライトと反応しない層であるセパレータが記載されている。また、特許文献7には、2層以上の多層構成で、一方の層が小孔径、もう一方の層が大孔径であるセパレータが記載されている。また、特許文献6には、デンドライトの記載はないが、湿式法から成る、2層構造のリチウムイオン2次電池用セパレータが記載されており、その2層の孔径が異なり、かつ特定の比であるセパレータについて記されている。しかしながら、特許文献6~8に記載の技術は、いずれも透過性の改善とデンドライトの防止を十分には達成し得なかった。これらの文献に記載のセパレータまたは微多孔膜は、いずれも2層の多層構造から成るものであり、その界面での剥離の問題があった。また、複層のラミネートの場合は厚みが薄くできず、複層の共押出の場合は、其々の層が異質であるため共延伸時に破膜する問題があり、高倍率延伸ができず、高強度化が難しかった。
特許文献9には、ポリエチレン系樹脂から成るポリエチレン微多孔膜であって、厚さ方向に隣接する、平均細孔径が0.01μm~0.05μmの緻密構造領域と、平均細孔径が上記緻密構造領域の1.2倍~5.0倍の粗大構造領域とを有する単膜であり、粗大構造領域が少なくとも一面に形成されていることを特徴とするポリエチレン微多孔膜が記載されている。この微多孔膜は、成膜用溶剤との溶融混練物をダイより押し出し、押出機とダイスを通して得られた押出成形体を、片面キャストロールで膜厚方向に温度分布が生じるように冷却してゲル状シートを形成する方法により得られることが記載されている。特許文献9には、このように厚み方向に孔径の分布を持つ膜が得られることが記載されている。しかしながら、この方法により得られる微多孔膜は、膜を薄くすることが困難であった。昨今は、民生用途であれば、セパレータの厚みは18μm以下、多くは10μm以下であり、さらには6μm程度の薄い膜が主流である。特許文献9の実施例には、いずれも19μm~23μmの比較的厚い膜のみが記載されており、セパレータの強度の指標である突刺強度も厚さ10μmに換算して300gf以下の弱い強度の膜しか示されていない。これは、特許文献9に記載の方法では、約18μm以下に厚みが減じられると、微多孔膜の2つの表面間で温度差が減少し、厚み方向に沿った孔径の分布構造ができ難いためであった。また、この文献の好ましい実施態様では、キャスト冷却ロールを15℃に設定し、これと接触する面を冷却するという記述があるが、この方法ではこの面が急冷になり過ぎ、結晶化が不十分になり、摩擦が過大になり、捲回式の電池では、ピン抜け性が悪化する。また、この文献では、微多孔膜が分子量1,000,000以上の高分子量成分を、1~15質量%含むことが前提となっており、それを超えると粗大構造が出来ないとされている。
さらに、昨今は、ポリオレフィン等のセパレータ(以下、「塗工基材」等と称する場合がある。)にアルミナ、シリカ等の無機フィラー塗工層又はラテックス、アラミド樹脂等の有機塗工層を有するセパレータも、車載用途を中心に増加している。この塗工層は、無機フィラー層による熱収縮の防止及び高温での破膜防止の観点、又は有機塗工層による電極との密着性の向上による電池性能の向上を目的としたもので、広く普及している。また、車載用途では、電池そのものの小型化の要求から、セパレータの薄膜化を要求されている。しかしながら、これらの塗工層は、それ自体が2μm~6μmもの厚みを持つため、塗工基材にはより薄膜化を要求されていたが、特許文献6~9に記載のセパレータでは、薄膜化と、電極劣化防止などの電池性能の向上との両方を満足することが出来なかった。この点、微多孔膜が傾斜構造を有することにより、薄膜化と、電極劣化防止などの電池性能の向上との両方を満足する微多孔膜を得ることができる。その理由は、理論に限定されないが、以下のように考察している。すなわち、充放電を繰り返すうち、リチウムデンドライトが成長する。リチウムデンドライト等は充放電中に負極側から成長し、セパレータ表面から内部に取り込まれていく。このとき、比較的孔の面積の大きいA表面を負極に対向させ、小径の孔数が比較的多いB表面を正極に対向させるように配置することで、リチウムデンドライトの成長方向に向かって孔の面積が減少し、小径の孔数が増加することにより、リチウムデンドライトの成長速度を減殺することができると考えられる。したがって、孔の構造が厚み方向で徐々に変化する微多孔膜の方が、表面上の孔構造のみ異なる微多孔膜や、孔の構造が急激に変化する微多孔膜よりも、不純物やリチウムデンドライトがセパレータを貫通することを防止する効果に優れ、電極劣化防止性が高い傾向にある。この効果は、両表面上の孔面積及び孔数とも関係している。
微多孔膜の厚みは、3μm~18μmの範囲内であることが好ましい。厚みが3μm以上であると、機械強度が高まり、生産工程で裂け等のトラブルを抑制できる。厚みが18μm以下であると、微多孔膜を備える電池を薄くすることができる。機械強度、生産性及び電池厚みのバランスを取るという観点から、微多孔膜の厚みは、より好ましくは3μm~12μm、さらに好ましくは3μm~10μm、より更に好ましくは3μm~8μmである。
微多孔膜の突刺強度については、微多孔膜の厚み10μmに換算した突刺強度が300gf/10μm以上であることが好ましい。突刺強度を「微多孔膜の厚み10μmに換算」するとは、例えば、15μmの微多孔膜の突刺強度が600gfと観測された場合、10μm換算の突刺強度は600gf×10μm/15μm=400gf/10μmとして算出されるということである。特に、昨今は、厚み4μm~6μmの薄膜の微多孔膜も要求されつつあり、今後も薄膜化の傾向は変わらないと予想される。また、厚み5μm~6μmの薄膜では、捲回等の電池作製工程時の強度も必要であるため、絶対強度が要求される。これらの厚み4μm~6μmの薄膜では、突刺強度は、好ましくは350gf/10μm以上、より好ましくは400gf/10μm以上、さらに好ましくは500gf/10μm以上であり、上限は、好ましくは1200gf/10μm以下の範囲内である。突刺強度が1200gf/10μm以下であれば、過延伸が防止され、目的層の寸法安定性を向上することができる。なお、後述する微多孔膜の製造方法では、微多孔膜の突刺強度を上記の数値範囲内に制御することが可能となる。
微多孔膜の気孔率は20%~75%であることが好ましい。気孔率の上限は、機械強度の低下と熱収縮性の悪化を抑制する観点で任意に設定され、その下限は、リチウムイオン透過性、即ち電池性能の観点で任意に設定される他、微短絡を抑制する観点からも任意に設定される。微多孔膜の気孔率は、好ましくは30%~60%、より好ましくは35%~55%である。
微多孔膜の透気度については、微多孔膜の厚み10μmに換算した透気度が30sec/100ml/10μm~1000sec/100ml/10μmであることが好ましい。透気度を「微多孔膜の厚み10μmに換算」することは、先述の厚み10μm換算の突刺強度の算出と同じである。透気度の下限は、機械強度の低下と熱収縮性の悪化を抑制するという観点から規定され、上限は、リチウムイオン透過性、即ち電池性能により規定される他、微短絡を抑制することからも規定される。これらの観点は、好ましく規定される気孔率の場合とほぼ同様である。微多孔膜の厚み10μmに換算した透気度は、より好ましくは50sec/100ml/10μm~500sec/100ml/10μm、さらに好ましくは90sec/100ml/10μm~400sec/100ml/10μmである。
微多孔膜の表面A及び表面Bは、ポリエチレンを主成分として含有することが好ましい。ポリエチレンは、高密度ポリエチレン、線状低密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン等が用いられる。好ましくは強度の観点から分子量の高く、密度の高い高密度ポリエチレンである。ポリエチレンは、好ましくは、粘度平均分子量が2,000,000以上の成分を5質量%~30質量%含む。ポリエチレンは、好ましくは粘度平均分子量が500,000~900,000の超高分子量ポリエチレンである。ポリエチレンは、超高分子量ポリエチレンを、ポリエチレンの全質量を基準として、好ましくは10質量%以上、好ましくは10質量%~97質量%、より好ましくは20質量%~95質量%含有する。また、セパレータしての特性を損なわない範囲で、ポリプロピレン、プロピレン系エラストマー等の他のポリマーを含んでいてもよい。微多孔膜の表面A及び表面Bが、粘度平均分子量1,000,000以上の超高分子量成分を、微多孔膜を形成する全ポリマーの質量を基準として、20質量%以上含むこともまた好ましい。ポリエチレンは、全体として、粘度平均分子量が20万以上であることが好ましい。
<<塗工層>>
微多孔膜は、収縮特性をより向上させる観点から、無機フィラー又は有機塗料を含有する塗工層を更に有しても良い。塗工層は、好ましくは無機フィラーを含有する無機フィラー層である。微多孔膜は、表面Aと表面Bのどちらの面に塗工層を有してもよいが、表面Aに比べて、動摩擦抵抗が高く孔面積の比較的小さい表面B上に塗工層を有する方が、塗工層の接着強度と、塗料による孔の目詰まり防止の観点から好ましい。
無機フィラーを含有する無機フィラー層を形成するための塗料は、例えば、無機フィラー100質量部に対してバインダー1質量部~30質量部、及び必要に応じて溶媒を含む混合液であることができる。無機フィラーとしては、後述される補助層の含有成分と同様のものを用いることができる。また、バインダーとしては、例えば、ポリエチレン、及びポリプロピレン等のポリオレフィン;ポリフッ化ビニリデンやポリテトラフルオロエチレン等の含フッ素樹脂;フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン-テトラフルオロエチレン共重合体やエチレン-テトラフルオロエチレン共重合体等の含フッ素ゴム;スチレン-ブタジエン共重合体及びその水素化物、アクリロニトリル-ブタジエン共重合体及びその水素化物、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン共重合体及びその水素化物、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、アクリロニトリル-アクリル酸エステル共重合体、エチレンプロピレンラバー、ポリビニルアルコール、及びポリ酢酸ビニル等のゴム類;ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリアミド、及びポリエステル等の融点及び/又はガラス転移温度が180℃以上の樹脂が挙げられる。
<<微多孔膜の製造方法>>
本開示の微多孔膜を製造する方法の一つとして、微多孔膜の表面Bに突起状体を貼り付ける方法が挙げられる。例えば、湿式法により製造された微多孔膜の表面Bに、繊維径1μm~10μmのポリエチレン又はポリプロピレンを主成分として含有する突起状体を貼り付けてもよい。微多孔膜の表面Bに突起状体を貼り付けることにより、表面Aの動摩擦係数(F)に対する表面Bの動摩擦係数(F)の比(F/F)を、1.2~20の範囲内にすることが容易である。なお繊維径は、SEM写真上で測定すればよい。
より具体的には、微多孔膜の製造方法としては、例えば、メルトブロー法やスパンボンド法等、任意の方法で作られた不織布を裁断及び粉砕した直径1μm~3μm程度の不織繊維を、あらかじめ製造された微多孔膜の表面Bに、所定量になるように貼り付けし、その後、不織布の融点から50℃低い温度以上、かつ不織布の融点未満の範囲内で熱接着する方法などが挙げられる。所定量とは、不織繊維によって形成される突起状体の個数(W)が、例えば0.2個/100μm~1000個/100μmとなる量である。熱接着の温度としては、より具体的には、高密度ポリエチレンの微多孔膜に、アイソタクティックポリプロピレン製で直径が約2μmの不織繊維を貼り付ける場合、熱接着温度は、好ましくは100℃~150℃、さらに好ましくは120℃~135℃の範囲内である。熱接着の温度は、接着圧力や接着時間の影響を受けるが、当業者であれば、微多孔膜の孔構造が熱による変形を受け、さらに接着された不織布等により微多孔が閉塞されて透過性が悪化する可能性があることに配慮して、本来のセパレータとしての目的を達成できる範囲内の条件、即ち温度及び圧力等を選択することができる。
微多孔膜の別の製造方法としては、目的層(微多孔膜となる)、及び目的層から剥離可能な補助層を共押出しし、目的層及び補助層が積層された微多孔膜原反を得る共押出工程を含み、共押出工程の後に、微多孔膜原反を延伸する延伸工程と、微多孔膜原反から可塑剤を抽出除去する抽出工程と、目的層から剥離層を剥離する剥離工程とを任意の順序で含む、方法が挙げられる。より具体的には、微多孔膜を製造する方法であって、以下:表面A及びその反対側の表面Bを有し可塑剤を含有する目的層と、可塑剤を含有する補助層との共押出によって、目的層及び当該目的層の表面B上に補助層を含む微多孔膜原反を成形する共押出工程とを含む。方法は、上記共押出工程の後に、以下(a)~(c):(a)当該微多孔膜原反を延伸する延伸工程と;(b)抽出溶媒の存在下、微多孔膜原反から可塑剤を抽出する抽出工程と;(c)目的層の表面Bから補助層を剥離して、当該目的層を微多孔膜として得る、剥離工程とを、任意の順序で含んでもよい。目的層は、目的層の全質量を基準として40質量%以上の可塑剤を含有することが好ましい。補助層は、補助層の全質量を基準として60質量%以下の可塑剤を含有することが好ましい。方法は、所定温度で微多孔膜原反を再延伸する工程を更に含んでもよい。上記目的層とは本開示の微多孔膜となる層であり、補助層とは製膜に用いられる層で、剥離工程にて目的層から除去される層である。目的層は、単独層であってよい。
本発明者らは、上記微多孔膜の製造方法を用いれば、表面B状に突起状体が生成し易く、表面Aの動摩擦係数(F)に対する表面Bの動摩擦係数(F)の比(F/F)を、1.2~20の範囲内にすることが容易であることを見いだした。その理由は、剥離工程によって、既に生成された微多孔膜層表面のフィブリルが補助層に部分融着した状態で剥離方向に引っ張られるため、表面B上に微多孔層または/および補助層のフィブリルが引き出された状態で固定され、突起状体を形成するためであると考えられる。表面Bの突起状体の数Wは、剥離工程では剥離前の再延伸工程の融着の度合い等に大きく影響されるため、前述の再延伸工程における温度に対する樹脂の融点を考慮することが重要である。例えば、微多孔層に高密度ポリエチレンを主体とする樹脂組成物を用い、補助層にアイソタクティックポリプロピレンを主体とする樹脂組成物を用いる場合の再延伸温度は、好ましくは110℃~140℃の範囲内であり、さらに好ましくは120℃~135℃の範囲内である。
上記剥離工程、延伸工程及び抽出工程は、上記押出工程の後に行われる限り、いずれの順序で行ってもよい。微多孔膜の製造方法は、好ましくは、押出工程の後に、(a)延伸工程、(b)抽出工程、及び(c)剥離工程をこの順に含む。微多孔膜の製造方法は、再延伸工程を更に含む場合、より好ましくは、押出工程の後に、(a)延伸工程、(b)抽出工程、再延伸工程、及び(c)剥離工程をこの順に含む。
共押出工程により得られる微多孔膜原反は、微多孔膜積合体の前駆体、共押出原反、延伸前原反、共延伸前原反、前駆体シート、又は樹脂原反とも呼ばれる。共押出の際の微多孔膜原反の層構成は、目的層を含み2層以上であればよい。例えば、微多孔膜原反が3層構造であるなら、目的層/補助層/目的層の3層構造であり、2枚の目的層の補助層側が表面Bに相当し、もう一方が表面Aに相当する。この場合は1度の押出工程で2枚の目的層が得られるので、製膜設備当たりの生産性が極めて高くなる。微多孔膜の製造方法に使用される目的層及び補助層、及び各工程について以下更に説明する。
<目的層>
目的層の原料としては、成形加工性と電解液に対する耐溶剤性の観点、また低温シャットダウン性の観点から、ポリオレフィンを主成分とすることが好ましい。低温シャットダウン性とは、電池の熱暴走時でも、樹脂の融点付近に過熱された際にセパレータの孔が閉塞し、電流を遮断する安全機能であり、原料樹脂の融点温度付近で発動する。ポリオレフィンとしては、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等が挙げられる。
ポリエチレンとしては、例えば、高密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレン、線状低密度ポリエチレン、高圧法低密度ポリエチレン、及びこれらの混合物等が挙げられる。微多孔膜をセパレータとして用いる場合には、熱収縮を低減できる観点から、イオン重合による線状の高密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレン、又はこれらの混合物が好ましい。本願明細書において、超高分子量ポリエチレンとは、粘度平均分子量が500,000以上のポリエチレンを指す。超高分子量ポリエチレンが全ポリエチレン中に占める割合としては、好ましくは5質量%~97質量%、より好ましくは10質量%~97質量%、分散性の観点から、更に好ましくは20質量%~95質量%である。
ポリエチレンの粘度平均分子量(Mv)は、微多孔膜の強度を向上させる観点から、好ましくは200,000以上であり、より好ましくは300,000以上、さらに好ましくは500,000以上である。粘度平均分子量(Mv)は、複数種のポリエチレンを用いる場合には、その全体の粘度平均分子量を意味する。
ポリエチレンの分子量分布(Mw/Mn)は、無機粒子等を混合して混練する場合に、その混練性を向上させ、無機粒子が二次凝集した粒状の欠点が発生することを抑制する観点から、6以上であることが好ましく、より好ましくは8以上である。
ポリプロピレンとしては、例えば、アイソタクティックポリプロピレン、シンジオタクティックポリプロピレン、アタクティックポリプロピレン等のプロピレンのホモ重合体;及びプロピレンと、エチレン若しくはブテン、炭素数5以上のα-オレフィン等のコモノマーとを共重合させて得られるランダム共重合体又はブロック共重合体、ターポリマー等が挙げられる。さらに、メタロセン触媒等を利用し、立体規則性を低下させたポリプロピレンを目的層の原料樹脂に少量、好ましくは10質量%以下ブレンドしてもよい。上記の中でも、成形性と強度及び剛性等の物性のバランスの観点から、アイソタクティックポリプロピレンが好ましい。
ポリプロピレンの粘度平均分子量(Mv)は、溶融混練が容易となり、微多孔膜としたときにフィッシュアイ状の欠陥が改善される観点から、好ましくは1,200,000以下であり、より好ましくは900,000以下、さらに好ましくは800,000以下である。
微多孔膜原反の押出成形性、及びリチウムイオン2次電池のセパレータとして使用した際のシャットダウン温度を低温にする観点で、目的層の原料樹脂は、ポリプロピレンよりも一般的に融点の低いポリエチレンを主成分として含有することが好ましい。形成された微多孔膜は、ポリエチレンを主成分として含有することができる。微多孔膜中のポリエチレンの含有量は、押出成形性とシャットダウン温度の観点から、微多孔膜の不揮発成分の合計質量を基準として、好ましくは60質量%以上、より好ましくは85質量%以上、さらに好ましくは92質量%以上である。また、この含有量は、100質量%以下、99質量%以下、又は98質量%以下であることができる。また、微多孔膜中のポリエチレンは、微多孔膜の強度、透過性及び動摩擦係数のバランスを取るという観点からは、ポリエチレンの全質量を基準として、粘度平均分子量500,000~900,000の超高分子量ポリエチレンを、好ましくは10質量%以上、より好ましくは10質量%~97質量%、さらに好ましくは20質量%~90質量%又は20質量%~80質量%又は20質量%~70質量%含有する。また、微多孔膜は、強度の観点から、粘度平均分子量1000,000以上の超高分子量成分、例えば、粘度平均分子量1000,000以上の超高分子量ポリエチレン等を、微多孔膜の不揮発成分の合計質量を基準として、好ましくは20質量%以上、より好ましくは20質量%~80質量%、さらに好ましくは30質量%~70質量%含む。
<補助層>
微多孔膜の製造方法は、上述した微多孔膜(目的層)に隣接する少なくとも1枚の補助層を提供する工程を含んでもよい。
この補助層は、適切な組成を取ることで、微多孔膜の製造プロセスにおいて、目的層の表面A、及び表面Bのそれぞれの1μm(1平方ミクロン)当たりの孔数N、Nについて、N、N、及びN/Nを最適な範囲に制御する役割を果たすことができる。S、S、NC、NC、NCを制御する上でも同様である。
補助層は、共押出した微多孔膜原反を延伸する際、延伸補助層の役割を果たすことができる。即ち、目的層のみを延伸する場合には達成が困難な約3μm~6μmの薄い目的層であっても、補助層を使用する方法では、そのような薄い目的層を容易に生産できる。例えば、厚み4μmの目的層を生産する際に、補助層の厚みを4μmに調整し、目的層/補助層/目的層の3層共押出原反を用いれば、全層では厚み12μmとなるため、高倍率延伸が容易である。また、補助層の組成として、目的層の最適延伸温度よりも低温で延伸できる組成を選べば、目的層に高度の配向を掛けることができ、目的層の強度を上げることが可能である。
補助層の原料は、共押出性及び共延伸性だけでなく、目的層である微多孔膜との剥離性も考慮して選ぶのがよい。補助層の原料としては、例えば、ポリエチレン、及びポリプロピレン等のポリオレフィン;並びにポリアミド、ポリエステル、及びポリフッ化ビニリデン等が好適に用いられる。基本的には微多孔膜との剥離強度、又は剥離時の強度を補助層の原料選定の指標にすることができる。例えば、微多孔膜(目的層)の原料として、融点135℃の高密度ポリエチレンを用いる場合には、補助層の原料としては、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)等のポリエチレンよりも高融点の樹脂を選ぶのが好ましい。特に、補助層の原料樹脂としてポリプロピレンを用いる場合は、ポリエチレンを主成分として含む微多孔膜との共押出性及び共延伸性が良くなるため、膜厚分布に優れた微多孔膜が得られるので好ましい。また、補助層の原料樹脂として、融点が150℃以下のポリプロピレン、例えばランダム共重合体又は低立体規則性のポリプロピレンを用いれば、延伸性がさらに改善されるため、膜厚分布の改善だけでなく、得られる微多孔膜の透過性と強度のバランスも改善される。また、延伸助剤として、例えば、ポリブテン-1、石油樹脂、エチレン、プロピレン及び1-ブテンのコモノマーのうち2種または3種のランダム共重合エラストマー、スチレン-ブタジエンラバー等を補助層の樹脂原料と混合すれば、補助層自体の強度も改善され、補助層を薄膜化できる。延伸助剤としては、熱処理工程での目的層と補助層との熱融着を防ぐため、融点が130℃以上、好ましくは140℃以上、最も好ましくは150℃以上のエラストマー等が挙げられる。補助層の原料樹脂として、融点が160℃以上のホモポリプロピレンも挙げられ、この場合は、延伸助剤を原料樹脂と適宜混合することで延伸性が改善される。
補助層は、剥離性を向上させるために、無機フィラーを含んでいることが好ましい。無機フィラーとしては、例えば、アルミナ(例えば、α-アルミナ等)、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、及び酸化鉄等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、及びケイ砂等のセラミックス;並びにガラス繊維等が挙げられ、これらを単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。これらの中でも、シリカ、アルミナ、炭酸カルシウム、タルク、及び酸化亜鉛等が特に好ましい。
無機フィラーの粒子径は、好ましくは0.05μm~10μmの範囲内である。無機フィラーの粒子径がこの範囲内であると、無機フィラーが樹脂膜を補強し、補助層自体の強度を向上させるため、剥離工程の際に補助層が破れ難く、安定に生産を行うことができる。無機フィラーの粒子径は、より好ましくは0.05μm~8μm、更に好ましくは0.1μm~8μm、より更に好ましくは0.1μm~5μmの範囲内である。この範囲であると補助層の強度が高まり、剥離速度を上げ、生産性を向上することができる。
無機フィラーの含有量は、補助層中に含まれる樹脂成分を100質量部としたとき、5質量部~300質量部であると、剥離性が改善される傾向になるため好ましい。無機フィラーの含有量は、補助層の樹脂成分100質量部を基準として、より好ましくは5質量部~100質量部であり、この数値範囲内であると、補助層自体の強度が上がり、剥離の際に補助層が破れず、高速で剥離できるようになる。無機フィラーの含有量は、補助層の樹脂成分100質量部を基準として、さらに好ましくは8質量部~50質量部であり、この数値範囲内であると、剥離速度をさらに上げることができる。
微多孔膜原反から目的層を剥離したり、目的層と補助層とを分離したりする場合には、目的層である微多孔膜と隣接する補助層の剥離強度は、速度100mm/minの剥離速度において250gf/25mm幅以下であることが好ましい。この剥離強度を達成するために、目的層の微多孔膜から分離された少なくとも1枚の補助層は、透気度が3000sec/100ml以上の微多孔膜又は無孔膜であることが好ましい。ここでいう「無孔膜」とは、厳密には定義されないが、本願明細書において、透気度が概ね10000sec/100mlを超える膜をいう。
本発明者らは、補助層の透気度が3000sec/100ml以上であると、表面Aと表面Bの動摩擦係数F及びFの好ましい条件を満たす、及び/又は好ましい傾斜構造が目的層に形成され易いことを見いだした。この現象の理由については、理論に拘束されるものではないが、発明者らは以下のように推測している。すなわち、補助層の透気度を比較的高く設定する一方で目的層の透気度を低く設定するために、共押出の際、目的層に混合する可塑剤の量を目的層の全質量を基準として40質量%以上、補助層に混合する可塑剤の量を補助層の全質量を基準として60質量%以下とし、好ましくは、目的層に混合する可塑剤の量を補助層に混合する可塑剤の量より多くする。それによって、共押出の際、ダイス内で目的層のB表面/補助層が接する界面において、目的層のB表面近傍から補助層へ可塑剤が一部移行し、目的層の表面B付近の大孔径の孔数及び孔面積が減少することで、SがSに対して減少し、目的層の表面B付近の小孔径の孔数は増大する。そして、表面Bの大孔径の孔数が減少すると、接触面積が増え、表面Bの動摩擦係数が表面Aと比べて増大し、その結果、表面Aと表面Bの動摩擦係数F及びFの好ましい条件を満たす構造が目的層に形成され易いと推測している。また、B表面近傍からA表面に向かっても可塑剤が移行するため、それに伴い、A表面付近の大孔径の孔径及び孔面積が相対的に増大し、結果として大孔径の孔数NCも増大する。これによって、大孔径の孔数がA表面からB表面に向かって減少し、小さい孔径の孔数がA表面からB表面に向かって増大し、かつ、孔面積と平均孔径がA表面からB表面に向かって減少する傾斜構造が得られると推測している。この現象は、可塑剤量、温度、圧力等の押出条件、及びダイスの構造等で調整できる。また本願実施の製造法における補助層の組成等でも調整できる。
補助層は、突刺強度が40gf以上であることが好ましい。補助層の突刺強度が40gf以上であると、剥離工程時に、膜が破れず、良好に剥離できる傾向にある。補助層の突刺強度は、比較的広い幅を有する膜の剥離性の観点からは、より好ましくは80gf以上、高速剥離性の観点からは、より好ましくは120gf以上である。補助層の突刺強度は、最も好ましくは200gf以上であり、200gf以上であると、さらに剥離及び生産性が安定する。
<樹脂以外の成分>
目的層及び補助層は、可塑剤を含む。可塑剤としては、流動パラフィン、DBP:ジブチルイソフタレート、DOP:ジオクチルイソフタレート、DIDP:ジイソデシルイソフタレート、DTDP:ジテトラデシルイソフタレート等が挙げられる。目的層は、可塑剤を40質量%以上含有し、補助層は、可塑剤を60質量%以下含有する。
押出工程において、微多孔膜層(目的層)中の可塑剤の含有量は、微多孔膜の透過性能、リチウムイオン2次電池用セパレータの場合には電池の出力又はサイクル性能に関与するため40質量%以上であり、好ましくは50質量%、さらに好ましくは60質量%以上である。膜強度を高め、又はリチウムイオン2次電池用セパレータの場合には透過性が過剰に大きくなることを防止し、微短絡等を抑制するため、目的層中の可塑剤の含有量は、好ましくは90質量%以下である。目的層中の可塑剤の含有量は、補助層中の可塑剤の含有量より多いことが好ましい。
押出工程中の補助層中の可塑剤の含有量は60質量%以下であり、好ましくは40質量%以下、より好ましくは30質量%以下、更に好ましくは20質量%以下である。補助層中の可塑剤量が60質量%よりも多いと、本実施の形態に係る傾斜構造が得られ難く、また補助層膜の強度が弱くなり、剥離工程時に破膜し易くなる。補助層中の可塑剤の含有量は、0質量%より多いことが好ましく、例えば、0.1質量%以上、0.5質量%以上、1質量%以上、3質量%以上、又は5質量%以上であることができる。
目的層及び補助層は、酸化防止剤を含んでよい。酸化防止剤としては、例えば、「イルガノックス1010」、「イルガノックス1076」、「BHT」(いずれも商標、チバスペシャリティーケミカルズ社製)等のフェノール系酸化防止剤;リン系、若しくはイオウ系の二次酸化防止剤;及びヒンダードアミン系の耐候剤等が挙げられる。酸化防止剤は、単独で用いるか、又は複数を組み合わせて用いることができる。
微多孔膜原反又は微多孔膜の強度、光学性及び異物除去性の観点からは、酸化防止剤は、フェノール系酸化防止剤とリン系酸化防止剤の組合せが好ましい。具体的には、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]、オクタデシル-3-(3,5-ジ-t-ブチルヒドロキシフェニル)プロピオネート、及び1,3,5-トリメチル-2,4,6-トリス(3,5-ジ-t-ブチルヒドロキシベンジル)ベンゼン等から選択される一つ又は複数のフェノール系酸化防止剤と、トリス(2,4-ジ-t-ブチルフェニル)ホスファイト、テトラキス(2,4-ジ-t-ブチルフェニル)-4,4’-ビフェニレンホスファイト、及び6-[3-(3-t-ブチル-4-ヒドロキシ-5-メチルフェニル)プロポキシ]-2,4,8,10-テトラ-t-ブチルジベンゾ[d,f][1,3,2]ジオキシホスフェピン等から選択される一つ又は複数のリン系酸化防止剤との組合せである。
酸化防止剤の添加量は、微多孔膜の用途に応じて調整されることができ、一般に、各層の質量を基準として、100PPM~1質量%の範囲内である。フェノール系酸化防止剤とリン系酸化防止剤を併用する場合には、フェノール系/リン系酸化防止剤の質量比は、好ましくは1/3~3/1である。
目的層及び補助層は、層を改質するための添加剤を含んでよい。添加剤としては、例えば、グリセリンエステル等の防曇材;エルカ酸、ステアリン酸、オレイン酸等の脂肪酸アミドに代表されるスリップ材;帯電防止剤;シリカ、アルミナ等の無機フィラー;流動パラフィン等の可塑剤;ステアリン酸カルシウム等の潤滑油又は内部潤滑剤;シリコーン系の固体離形剤等の剥離助剤等が挙げられる。
帯電防止剤としては、アルキルジエタノールアミン、ヒドロキシアルキルエタノールアミン等のアミン類;ステアリルジエタノールアミンモノ脂肪酸エステル等のアミンエステル類;ラウリン酸ジエタノールアミド、ステアリン酸ジエタノールアミド等のアルキローアミド類;グリセリン、ジグリセリン等のモノ脂肪酸エステル類;アルキルベンゼンスルホン酸等のアニオン系帯電防止剤;ポリオキシエチレンアルキルエーテル類等が挙げられる。帯電防止剤は単独で用いても、複数を組み合わせて用いてもよい。帯電防止剤の配合量は、各層を形成する全樹脂固形分に対して、好ましくは500ppm~10,000ppmである。
無機フィラーとしては、例えば、アルミナ(例えば、α-アルミナ等)、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、酸化鉄等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;ガラス繊維等が挙げられ、これらを単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。無機フィラーの配合量は、各層を形成する全樹脂固形分に対して、好ましくは1質量%~50質量%であり、好ましくは5質量%~30質量%である。補助層に含まれうる無機フィラーについて更に詳細は、上記「<補助層>」の欄を参照されたい。
内部潤滑剤としては、ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸マグネシウム又はそれらの水和物、例えば、12-ヒドロキシステアリン酸ナトリウム等が挙げられる。内部潤滑剤の好ましい含有量は、各層を形成する全樹脂固形分を基準として、50ppm~5000ppmの範囲内である。
<目的層/補助層/目的層の3層構造の共押出原反から2枚の目的層を得る方法>
目的層である微多孔膜を2枚含み、かつ補助層を1枚含む目的層/補助層/目的層の3層構造の共押出原反から、2枚の目的層を得る方法の一例について説明する。以下の例は、目的層が、ポリエチレン(PE)を主成分として含む単独層であり、補助層がポリプロピレン(PP)を主成分として含む場合についての言及を含む。しかしながら、目的層が、多層膜である場合、及びポリエチレン(PE)以外の樹脂を主成分として含む場合、並びに補助層がポリプロピレン以外の樹脂を主成分として含む場合も、以下の方法に準じて2枚の目的層を一度に得ることができる。この3層構造の場合は、共押出であるため押出機が2台必要であるが、1度の押出で2枚の目的層が得られるため、非常に経済的である。また、一般には、押出機より下流の、キャスト装置及び延伸装置等は1台でよいため、設備費が大幅に改善される。
<混錬/押出/共押出工程>
1台の押出機で目的層となるポリエチレン原料と可塑剤とを所定量配合した原料組成物を押出し、もう1台の押出機で補助層となるポリプロピレンを主成分として含む樹脂原料と可塑剤とを、所定量で配合するか又は配合せずに押し出す。これらを共押出ダイス内で、例えば目的層/補助層/目的層の3層構造になるよう共押出し、キャスト成形により延伸前の微多孔膜原反(微多孔膜積合体の前駆体)を得る。
原料である樹脂組成物を混練する方法としては、あらかじめ原料樹脂と、場合により可塑剤をヘンシェルミキサー又はタンブラーミキサーで事前混練する工程を経て、得られた混練物を押出機に投入し、押出機中で加熱溶融させながら、必要に応じて任意の比率で所定量になるまで可塑剤を導入し、さらに混練する方法が挙げられる。この方法は、樹脂組成の分散性が良好なシートを得ることができ、目的層と補助層の各々が、高倍率でも破膜することなく、延伸することができるようになるという観点で好ましい。
溶融押出機としては、例えば二軸押出機を用いることができる。これにより強いせん断力を樹脂組成物に掛けられるため、原料が重合パウダーである場合は分散性が一層向上する。二軸押出機のスクリューのL/Dが、好ましくは20~70程度であり、より好ましくは30~60である。なお、Lはスクリュー長を、Dはスクリュー径をそれぞれ表す。そのスクリューには、フルフライトの部分と、一般にニーディングディスク又はローター等の混練部分とを配しているものが利用できる。一方、樹脂原料として、既に重合パウダーをペレットに加工してある場合には、単軸の押出機も用いることができる。
押出工程において、微多孔膜層(目的層)中の可塑剤の含有量は、微多孔膜の透過性能、リチウムイオン2次電池用セパレータの場合には電池の出力又はサイクル性能に関与するため、好ましくは40質量%以上、より好ましくは50質量%以上、さらに好ましくは60質量%以上である。但し、可塑剤が過剰に多すぎると、膜強度の問題、又はリチウムイオン2次電池用セパレータの場合には透過性が過剰に大きくなり、微短絡等の問題が発生するため、目的層中の可塑剤の含有量は、好ましくは90質量%以下である。
押出工程中の補助層中の可塑剤の含有量は、好ましくは60質量%以下、より好ましくは40質量%以下、さらに好ましくは30質量%以下、よりさらに好ましくは20質量%以下である。補助層中の可塑剤量が60質量%よりも多いと、傾斜構造が発現し難く、また補助層膜の強度が弱くなり、剥離工程時に破膜し易くなる。補助層中の可塑剤の含有量は、0質量%より多ければよく、例えば、0.1質量%以上、0.5質量%以上、1質量%以上、3質量%以上、又は5質量%以上であることができる。
押出機の先端に装着されるダイスとしては、特に限定されないが、Tダイス等が用いられる。無機粒子又は無機フィラーを用いる場合、又は劣化し易い樹脂組成物を用いる場合には、それらによる摩耗又は付着を抑制する対策を講じたもの、例えば、流路又はリップに、テフロン(登録商標)加工、セラミック加工、ニッケル加工、モリブデン加工、ハードクロムコートしたものが好適に用いられる。
ダイスとしては、共押出ダイを用いることが好ましく、Tダイの場合には、ダイスの内部で溶融樹脂を膜状に広げてから各層を合流させるコートハンガー式のマルチマニホールドダイスを用いることが、厚み制御の観点から特に好ましい。また、フィードブロックダイ、又はクロスヘッド式のダイスも用いることが可能である。サーキュラーダイスの場合にはスパイラル式ダイが、又は多層フィルムの中でも5層以上のフィルムの場合にはスタック式のダイスが、熱劣化防止の観点から好ましい。
微多孔膜と補助層とが共に溶融状態で共押出されることが好ましい。共押出では、ダイス内で両者を積合し、多層化することが好ましい。互いに接する2層の押出温度、せん断速度における溶融粘度の比としては、好ましくは1/3~3/1、より好ましくは1/2~2/1である。溶融粘度の比を上記範囲に設定することは、樹脂合流時の界面乱れ等を抑制し、偏肉を抑制する観点から好ましい。
共押出で得られる微多孔膜原反(微多孔膜積合体の前駆体)の厚みは、最終的に所望する目的層の厚み又は延伸倍率により決めればよい。即ち、例えば延伸倍率が100倍(面積比)、最終厚み6μmの微多孔膜を得る際には、微多孔膜積合体の前駆体は約600μm~800μmの厚みになる。この前駆体を、キャスト工程/延伸工程、抽出/多孔化工程、熱固定工程、剥離工程、及び塗工工程等の工程に供することによって、微多孔膜積合体を得ることができる。以下、それぞれの工程を詳述する。
<キャスト工程/延伸工程>
ダイスより押し出された溶融樹脂は、例えばキャスト装置に導入され、共延伸前の微多孔膜原反(微多孔膜積合体の前駆体)とすることができる。その後、高機械強度、縦横の物性バランス付与のために、微多孔膜原反を共延伸する(共延伸工程)。このときの延伸は二軸延伸であることが好ましく、より好ましくは同時二軸延伸、又は逐次二軸延伸である。延伸温度は、好ましくは100℃~155℃以下、より好ましくは110℃~140℃の範囲内である。延伸倍率は、膜強度の観点から、好ましくは面積倍率で3倍以上~200倍以下である。補助層を用いることで、補助層が延伸補助層としても寄与するため、一般のポリエチレンフィルムでは困難な厚み約3μm~6μmの目的層であっても、115℃~120℃で延伸することが可能であり、より高強度化が達成される。
<抽出/多孔化工程>
共延伸前の微多孔膜原反、又は共延伸後の微多孔膜原反を抽出溶媒に浸漬して、可塑剤及び/又は無機フィラーを抽出することにより多孔化し(抽出/多孔化工程)、その後、膜を十分乾燥させる。可塑剤のみを抽出する場合の抽出溶媒は、ポリオレフィン等の原料樹脂及び無機フィラーに対して貧溶媒であり、かつ可塑剤に対しては良溶媒であり、沸点が原料樹脂の融点よりも低いことが好ましい。このような抽出溶媒としては、例えば、塩化メチレン、1,1,1-トリクロロエタン等の塩素系溶剤;メチルエチルケトン、アセトン等のケトン類;ヒドロフルオロカーボン、ヒドロフルオロエーテル、環状ヒドロフルオロカーボン、ペルオロカーボン、ペルフルオロエーテル等のハロゲン系有機溶剤;ジエチルエーテルやテトラヒドロフラン等のエーテル類;n-ヘキサン、シクロヘキサン等の炭化水素類;メタノール、イソプロピルアルコール等のアルコール類が挙げられる。また、これらの抽出溶媒を2種類以上使用してもよい。上記の中では、特に塩化メチレンが好ましい。多孔化工程は、共延伸工程の前でもよいし、後でもよい。多孔化工程は、複数の抽出槽による多段抽出で行われてもよい。無機フィラーの抽出溶媒としては、例えば、アルカリ水等が挙げられる。ただし、無機フィラーは、強度向上などの目的で微多孔膜又は補助層の中に残してもよいが、抽出槽にて除去しても良い。
<熱固定工程>
可塑剤又は無機フィラーの抽出後には、膜厚、透気度等の膜物性の調整、又はフィルムの熱収縮防止のために、必要に応じて加熱延伸による熱固定を行なってもよい。抽出後の延伸としては、例えば、一軸延伸、同時二軸延伸、逐次二軸延伸、横1軸延伸等が挙げられる。延伸温度は、好ましくは100℃以上155℃以下である。延伸倍率は、好ましくは面積倍率で1倍を超えて10倍以下である。微多孔膜の寸法安定化のための熱処理を実施する場合は、高温雰囲気下での膜収縮を低減するために、例えば、二軸延伸機、一軸延伸機、又はそれらの両方を用いて、100℃以上150℃以下の温度で熱処理を行うことができる。好ましくは、原反、目的層又は補助層を構成する樹脂の融点以下の温度範囲で、幅方向、長さ方向、又はそれらの両方向に、その倍率及び/又は応力を緩和することにより熱処理を行う。熱固定の温度は、さらに好ましくは110℃以上140度以下、最も好ましくは120℃以上140度以下であり、この範囲内であると表面Bに前述の突起状体が生成し易い。
<剥離工程>
微多孔膜の製造方法は、剥離工程を含むことにより、補助層の剥離後に微多孔膜(目的層)を得ることができる。微多孔膜積合体から微多孔膜を分離する方法としては、微多孔膜積合体を巻取機等のピンチロールに導入し、ロールの出口側で複数枚(例えば、2枚以上)の膜に分離することが好ましい。この際、剥離工程後、微多孔膜をピンチロールに、好ましくは少なくとも(抱き角度)30度以上、より好ましくは60度~120度、更に好ましくは80度~100度で接触させるように、ロール類を設定するのが好ましい。
剥離工程が、目的層である微多孔膜の前駆体シート又は微多孔膜と、補助層とをピンチロールの下流側にて剥離する工程である場合には、剥離が常にロール上で行なわれるため、剥離点が安定し、剥離の際のシワ等が入り難く、また薄膜を剥離する場合でも破れ難くなる傾向にある。剥離に用いるピンチロールには、剥離ロールを設置すると、更に剥離が安定する傾向にあるため好ましい。この際、剥離速度は、生産性の観点から20m/min以上、さらに好ましくは50m/min以上が好ましく、最も好ましくは100m/min以上である。
<塗工工程>
剥離工程後の微多孔膜の熱収縮特性をより向上させるという観点から、微多孔膜の表面に塗工層を形成することができる。塗工層としては、無機フィラーを含有する無機フィラー層であることが好ましい。このような無機フィラー層を形成するための無機フィラー含有塗料は、上記項目<塗工層>において説明されたとおり、無機フィラーとバインダーの混合液であることができる。
無機フィラーとバインダーとを含む混合液を微多孔膜に塗布する方法は、必要とする層厚又は塗布面積を実現できる方法であれば、特に限定されない。例えば、グラビアコーター法、小径グラビアコーター法、リバースロールコーター法、トランスファロールコーター法、キスコーター法、ディップコータ-法、ナイフコータ-法、エアドクタコーター法、ブレードコーター法、ロッドコーター法、スクイズコーター法、キャストコーター法、ダイコーター法、スクリーン印刷法、及びスプレー塗布法等が挙げられる。また、用途に応じて、無機フィラー含有塗料を微多孔膜の片面だけに塗布してもよいし、両面に塗布してもよい。表面Aに比べて、動摩擦抵抗が高く孔面積の比較的小さい表面B上に塗工層を塗布する方が、塗工層の接着強度と、塗料による孔の目詰まり防止の観点から好ましい。
<<蓄電デバイス用セパレータ>>
本開示の微多孔膜は、好ましくは、リチウムイオン2次電池用セパレータとして使用することができる。本明細書でいうセパレータとは、リチウムイオン2次電池等の蓄電デバイス用セパレータにおいて複数の電極の間に配置され、かつイオン透過性及び必要に応じてシャットダウン特性を有する部材をいう。微多孔膜は、好ましくは、比較的孔の面積の大きいA表面を負極に対向させ、孔数の比較的多いB表面を正極に対向させるように配置する。これによって、電極劣化防止性が改善される傾向にある。
<<測定及び評価方法>>
(1)微多孔膜(目的層)と補助層の剥離強度(gf/25mm幅)
引張試験機(島津製作所製、AG-100A)にてサンプルの剥離強度を測定した。補助層を有する微多孔膜を、MD200mm、TD25mmの短冊状に切り出してサンプルとした。サンプルの一端をテープ等で20mm剥離した。この時点で剥離できないサンプルは、剥離強度が250gf/25mm超であり、「剥離不可」であると判断した。さらに80mm剥離し、剥離した2枚の端を引っ張り試験機のチャックにJIS K-7127に準じて固定し、速度100mm/minで剥離角度180度にて剥離させた時の、平均荷重を読み取った。
(2)各層の厚み(μm)
東洋精機製の微少測厚器(タイプKBN、端子径Φ5mm、測定圧62.47kPa)を用いて、雰囲気温度23±2℃で、サンプルの厚みを測定した。微多孔膜が多層膜である場合において、各層の厚みを測定する場合は、各層を剥離してから測定した。層を剥離できないサンプルについては、微多孔膜の断面写真を走査型電子顕微鏡「S4800」((株)日立製作所製、商標)で観察し、各層の厚みを読み取った。
(3)気孔率(%)
補助層を剥離した微多孔膜をサンプルとして、100mm四方の微多孔膜のサンプルの質量から、目付けW(g/cm)を算出した。次に微多孔膜を構成する成分(樹脂及び添加剤)の平均密度ρ(g/cm)を算出し、平均密度ρ(g/cm)と微多孔膜の厚みd(cm)とから、下記式にて気孔率を計算した。
気孔率=(W/(d×ρ))×100(%)
(4)透気度(秒、秒/100ml/10μm)
補助層を剥離した微多孔膜をサンプルとして、JIS P-8117に準拠し、ガーレー式透気度計「G-B2」(東洋精機製作所(株)製、商標)で測定した。また、測定された透気度を膜厚10μmに換算した。
(5)粘度平均分子量
ASTM-D4020に基づき、デカリン溶媒における135℃での極限粘度[η](dl/g)を求めた。
ポリエチレンについては、次式により算出した。
[η]=6.77×10-4 Mv0.67
ポリプロピレンについては、次式によりMvを算出した。
[η]=1.10×10-4 Mv0.80
(6)微多孔膜の孔面積(S、S)、孔数(N、N)、孔径(Φ、Φ
<走査型電子顕微鏡(SEM)による測定範囲の選択>
微多孔膜の表面をオスミウムコーティングした。次に、微多孔膜の表面A及びBにおける、それぞれ任意の5個所(合計10個所)について、加速電圧を1kV、検出信号を二次電子に設定した走査型電子顕微鏡「S4800」((株)日立製作所製、商標)を用いて観察した。なお、撮影範囲は、微多孔膜の表面において縦9.6μm×横12.8μmの平面長方形の範囲で、倍率は1万倍であった。この写真から縦8μm×横12.5μm(100平方μm)の長方形の範囲を切り取り選択し、測定範囲とした。孔数は1平方μmあたりの数に換算した。
<画像解析>
撮影した画像をパブリックドメインの画像処理ソフトウェアImageJ(アメリカ国立衛生研究所)を用い、大津法により二値化した。これにより現れた全ての孔の数及びサイズを測定して、S、S、S/S、N、N、N/N、Φ及びΦを求めた。測定範囲内と測定範囲外とに跨がって存在している孔については、測定対象から除外した。孔の数(N及びN)は、表面Aについて2個所の測定範囲で測定した平均値、表面Bについて2個所の測定範囲で測定した平均値を、それぞれN及びNとした。孔面積(S及びS)は、測定範囲における全ての孔の面積の平均値を求めた。孔径(Φ及びΦ)は、孔の輪郭上の任意の2点のうち最も離れた2点間の距離を測定し、測定範囲における全ての孔の平均値を求めた。
(7)突起状体の大きさ、並びに個数W及びW
<走査型電子顕微鏡(SEM)による測定範囲の選択>
微多孔膜の表面をオスミウムコーティングした。次に、微多孔膜の表面A及びBにおける、それぞれ任意の2個所(合計4個所)について、加速電圧を1kV、検出信号を二次電子に設定した走査型電子顕微鏡「S4800」((株)日立製作所製、商標)を用いて観察した。なお、撮影範囲は、微多孔膜の表面において縦9.6μm×横12.8μmの平面長方形の範囲で、倍率は1万倍であった。この写真から縦8μm横12.5μm(100平方μm)の長方形の範囲を選択し、測定範囲とした。
<画像解析>
撮影した画像を(6)微多孔膜の孔面積の項と同じ画像解析法で二値化した。上記測定範囲内に現れている突起状体の大きさを測定した。撮影した微多孔膜の画像で、突起状体の外接円の直径が0.2μmより大きいものを測定対象とする。なお突起状体の輪郭上の任意の2点のうち最も離れた2点間の距離を突起状体の大きさとした。測定範囲内に現れている全ての測定対象の突起状体の大きさを測定し、その平均値を算出した。なお、測定範囲内と測定範囲外とに跨がって存在している突起状体については、測定対象から除外した。表面Aについて2個所の測定範囲で測定した突起状体の大きさの平均値を、表面Aの突起状体の平均大きさとし、表面Bについて2個所の測定範囲で測定した突起状体の大きさの平均値を、表面Bの突起状体の平均大きさとした。上記で測定された突起状体のうち、大きさが0.2μm以上の突起状体の数を表面A及び表面Bのそれぞれ100μmの面積内で数えた。表面Aについて2個所の測定範囲で測定した突起状体の数の平均値、表面Bについて2個所の測定範囲で測定した突起状体の数の平均値を、それぞれ、W及びWとした。
(8)MFR(メルトフローレート)
JIS K7210に準拠して樹脂のMFRを測定した。ポリエチレンはコードD(190℃、2.16kgf荷重)、ポリプロピレンはコードM(230℃、2.16kgf荷重)に従って測定した。
(9)突刺強度(gf/10μm)
ハンディー圧縮試験器「KES-G5」(カトーテック株式会社製、商標)を用いて、針先端の曲率半径0.5mm、突刺速度2mm/secの条件下で突刺試験を行うことによりサンプルの突刺強度を測定した。また、測定された突刺強度を厚み10μmに換算した値を求めた。
(10)動摩擦係数
摩擦試験機「KES-SE」(カトーテック株式会社製、商標)を用いて、荷重50g、接触子面積10×10=100mm、接触子送りスピード1mm/秒、張力6kPa、温度23℃、及び湿度50%の条件下で測定した。接触子は、摩擦試験機のセンサー部であり、金属製のブロックに、0.5mmφの硬質ステンレス線SUS304製ピアノ線を、互いに隙間なく、かつ重ならないように20本巻きつけたものである。巻きつけた後のブロックの一面が面積10×10=100mmとなるよう設計されており、当該面をサンプルの表面に接触させる。MD50mm×TD200mmのサイズのサンプルについて、TD方向に両面(表面Aと表面B)を、それぞれ3回測定し、それぞれの平均値を求めて動摩擦係数を得た。
(11)巻芯抜け性(電池捲回性)
図4は、本願明細書における巻芯抜け性の評価方法を示す模式図である。図4(A)は、手動捲回機(皆藤製作所株式会社製)の全体構成を示す模式図である。長さ3m、幅60mmの微多孔膜(21)を2枚重ねで、直径20mmのSUS304製ピン(20)の中央に5周捲回し、自由端に荷重400gを掛けた。図4(B)は、微多孔膜(21)を巻いたピン(20)の中心部分の、長手方向の縦断面図(すなわち、図4(A)に示すX-Y断面図)である。ピン中心部を構成するピンI(22)、ピンII(23)は、円筒のピン(20)を円の中心で2分割した形状で、互いに上下に開いてスリット部が形成される構造であり、再び一体化することで円筒状のピン(20)となる。そのスリット部に微多孔膜(21)の端部(24)を差し込み、さらにピンI(22)とピンII(23)を挟持して微多孔膜(21)の端部を固定し、さらに微多孔膜(21)をピンの周りに巻き付ける。なお、図4(B)では、単に説明のため、ピンI及びIIと微多孔膜の端部との間に隙間があるが、実際は、両者は接触している。捲回された微多孔膜(21)からピンI(22)を図4(B)において右方向に10mm/秒の速度で引き抜き、その後、微多孔膜(21)を手で引っ張りピンII(23)からはずし、抜き終わった微多孔膜の捲回体を観察した。同じ微多孔膜につき10個の捲回体を評価し、ピン抜け特性を下記基準で評価した。
A:微多孔膜のピンとの接触部分がピンに引っ張られ、ピンを抜く前に対して1mm以上ずれるものが、0個/10個である。
B:微多孔膜のピンとの接触部分がピンに引っ張られ、ピンを抜く前に対して1mm以上ずれるものの割合が、1個/10個または2個/10個である。
C:微多孔膜のピンとの接触部分がピンに引っ張られ、ピンを抜く前に対して2mm以上ずれるものの割合が、3個以上/10個である。
(12)ズレ現象
図5は、本願明細書におけるズレ現象の評価方法を示す模式図である。図5(A)で示すように、幅50mm長さ1500mの微多孔膜(30)を、巻き取り張力0.03Nで巻き取り軸(31)の中央に巻き取り、最外端を外面に固定した。なお、巻き取り軸は、直径50mm、長さ100mmの紙管を使用した。巻き取った微多孔膜の捲回体を、室温23℃、湿度55%の環境で24時間静置した。その後、巻き取り軸を縦にした状態で鉛直方向に100mm持ち上げ、そのまま自然落下させ、落下の衝撃による最外層のズレ量を測定した。すなわち、図5(B)に示すように、初期の高さ(H)と落下後のズレ位置(H)を測定し、測定直後の値測定し、下記式によりズレ量(H)を求めた。
ズレ量(H)=初期位置(H)-ズレ位置(H
[ズレ現象の評価]
ズレ現象を、巻取りロールの端面(側面)のズレ量(H)から以下の基準で評価した。
A:ズレ量が1mm以下である。
B:ズレ量が1mmを超え2mm以下である。
C:ズレ量が2mmを超える。
(13)搬送性
図6は、本願明細書における搬送性を評価するための装置(40)を示す模式図である。図6(A)は、装置を横から見た模式図、図6(B)は、装置を上から見た模式図である。装置は、SUS304製、直径20mm、中心線平均表面粗さ(Ra)が6.3μm以下の固定バー(41)、及び駆動巻取軸(42)を備える。固定バーの上部に微多孔膜(43)のB表面が、角度120度で接触するようにして、幅50mmの微多孔膜を、駆動巻取軸に30m/minで1分間巻き取った。この際、搬送性の悪い膜は、固定バー15の上部で引っ掛かり振動し、駆動巻取軸で巻き取られる微多孔膜の両端部に巻きずれ(44)が見られ、搬送性のよい膜は、巻きずれが少ない。なお、巻きずれは、微多孔膜の両端部の合計値である。搬送性を、以下の基準で評価した。
A:搬送中に巻きずれが2mm未満である。
B:搬送中に巻きずれが2mm以上起こる。
(14)微多孔膜の断面における、孔面積0.12μm以上の孔数の割合NC、NC、NC
微多孔膜からBIBイオンミリング法によって断面試料を作製した。断面試料にオスミウムを0.3nmコーティングした。次に、任意の5箇所について、走査型電子顕微鏡((株)日立製作所製 S4100)による微多孔膜の断面試料を30,000倍にて観察した。微多孔膜断面の厚み方向において、A表面の位置を0%、B表面の位置を100%としたとき、0%~10%の領域を「A表面近傍」、45%~55%の領域を「中央付近」、90%~100%の領域を「B表面近傍」と定義した。孔の数、及び孔径を測定して、微多孔膜の断面における、A表面近傍、中央付近、B表面近傍の孔径0.12μm以上の孔の割合:NC(0.12)、NC(0.12)、NC(0.12)、NC(0.12)/NC(0.12)をもとめた。
図7は、本願明細書における傾斜構造の測定方法を説明するための、微多孔膜の断面の模式図である。図7に模式的に示す微多孔膜厚み×12.8μmの範囲(60)の面積の全孔数をカウントした。さらに、図6においてA表面近傍を示す矩形(61)に含まれる孔のうち孔径0.12μm以上の孔数をカウントし、これを先の全孔数で割った%をもってNC(0.12)とした。同様の方法でB表面近傍(62)、及び中央付近(63)を測定し、NC及びNCを求めた。微多孔膜の断面から任意の5箇所について測定し、それぞれ平均値として算出した。
撮影の条件は、加速電圧0.8kV、W.D3~5mm、LA3%であった。孔径は、各領域の各微小孔部の輪郭上の任意の2点のうち最も離れた2点間の距離を測定した。撮影範囲と、撮影範囲でない部分とに跨がって存在している微小孔部については、測定対象から除外した。画像解析には、画像処理ソフトウェアImageJ(アメリカ国立衛生研究所)を用い、二値化には大津法を用いた。また、測定部分と測定部分でない部分とに跨がって存在している孔は測定から除いた。0.001μm以上を閾値とし、それ未満の孔は測定から除いた。
(15)電極劣化防止性
下記の短絡防止性をもって、電極劣化防止性とした。
a.正極の作製
正極活物質としてリチウムコバルト複合酸化物(LiCoO)を92.2質量%、導電材として鱗片状グラファイトとアセチレンブラックをそれぞれ2.3質量%、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を3.2質量%、N-メチルピロリドン(NMP)中に分散させてスラリーを調製した。このスラリーを正極集電体となる厚さ20μmのアルミニウム箔の片面にダイコーターで塗布し、130℃で3分間乾燥させ、ロールプレス機で圧縮成形した。この時、正極の活物質塗布量は125g/m、活物質かさ密度は3.00g/cmになるよう調整した。得られた成形体を面積2.00cmの円形に打ち抜いた。
b.負極の作製
負極活物質として金属リチウム(Li)を用い、面積2.05cmの円形に打ち抜いた。
c.非水電解液
エチレンカーボネート:エチルメチルカーボネート=1:2(体積比)の混合溶媒に、溶質としてLiPFを濃度1.0mol/Lとなるように溶解させて調製した。
d.電池組立と評価
正極と負極の活物質面が対向するように、鉛直方向に沿って下から負極、セパレータ、正極の順に重ね、蓋付きステンレス金属製容器に収納した。この際セパレータはA表面側を負極に対向するように設置した。容器と蓋とは絶縁されており、容器は負極の銅箔と、蓋は正極のアルミ箔と接している。この容器内に、c.で調製した非水電解液を注入して密閉した。
上記のようにして組み立てたセルに0.1Cの設定電流値で、4.3V_定電流(CC)-定電圧(CV)充電(Cut Off条件:収束電流値0.03mA)を行なって通常充電量(i)を測定した。
通常充電量(i)を測定したセルとは別に新しいセルを作製し、20mA/cmの設定電流値で、4.3V_CC-CV充電(Cut Off条件:25mAhまたは収束電流値0.03mA)を行なって、過負荷充電値(ii)を測定した。
(ii)-(i)の値を、短絡による過充電値として、下記基準に従い評価した。
A: 0.9mAh未満
B: 0.9mAh以上1.0mAh未満
C: 1.0mAh以上
<<実施例及び比較例>>
実施例及び比較例で用いた材料は下記表1に示すとおりである。
Figure 0007437421000001
参考例1]
補助層を用いずに、単独層の微多孔膜を製造した。具体的には、表2に示す組成の目的層1を単独で押出温度200℃で押出し、温度123℃で同時2軸延伸し、可塑剤を抽出除去し、温度135℃で再延伸して、製膜した微多孔膜を得た。一方、メルトインデックス(MI)=0.8、密度0.954g/cmのモノフィラメント用ポリエチレンを、L/D=30の単軸押出機で押出温度200℃にて、直径2mmの紡口より押し出した。押し出された樹脂を冷却ロールにて直径40μmの原糸とし、これを10倍に延伸して直径4μmのポリエチレン繊維を得た。得られたポリエチレン繊維を粉砕し、最大長さ5μmの粉体を得た。この粉体を前述の製膜した微多孔膜の片面(表面Bとする)に所定量貼付け、微多孔が圧力で閉塞しないように留意しながら、120℃、0.11Mpaの圧力にてプレスした。このようにして得られた微多孔膜の特性を表3に示す。この微多孔膜は、動摩擦係数F、FおよびF/Fが本開示の範囲内であった。また、孔数、孔面積、及び突起状体等が本開示の好ましい範囲内であり、表面Aの巻芯抜け性、及び表面Bの電極との接着性は共に良好であった。しかしながら、孔構造が傾斜構造でないため、電極劣化性は改善されなかった。
[実施例2~11]
目的層/補助層/目的層の3層構成を有する微多孔膜積合体を製造した。ここで、2枚の目的層を区別するために、3層共押出の押出原反において、ダイスから出た約150℃~約230℃の原反が、キャスト装置の冷却ロール(以下、「キャストロール」という)に接触する側の目的層を目的層Xとし、反対側の目的層を目的層Yとした。なお、両面ともキャストロールに接する場合は、溶融樹脂原反が長時間接触する面を目的層Xと称する。ダイスとキャスト装置と微多孔膜積合体とを用いる微多孔膜製造ラインの一部分を図2に示す。
表2に示す配合割合(質量部)にて原料樹脂(樹脂成分)を配合した。また、当該原料樹脂100質量部に対し、酸化防止剤として0.3質量部のテトラキス-[メチレン-(3’、5’-ジ-t-ブチル-4’-ヒドロキシフェニル)プロピオネート]メタンを配合した。これらの原料をヘンシェルミキサーで攪拌し原料を調製した。
次に、目的層及び補助層の原料を、それぞれ2台の二軸押出機(口径44mm、L/D=49)に投入した。各押出機のシリンダーの途中部分において、表2に示す組成に対して、可塑剤としての流動パラフィンを追加した。目的層中の流動パラフィンの量は、目的層の全質量を基準として、65質量%であった。また、補助層中の流動パラフィンの量は補助層の全質量を基準として20質量%であった。得られた目的層X及びYの物性を表3及び4に示す。実施例2~11の微多孔膜はズレ現象の低減及び搬送性を両立でき良好であった。さらに、孔構造が傾斜構造であるため、電極劣化性も改善された。
Figure 0007437421000002
図2は、微多孔膜製造ラインの一部を模式的に示す。押出機とダイス(1)との間には、200メッシュのスクリーンを配したスクリーンチェンジャー、及びギヤポンプを配した。ダイス(1)としては、マルチマニホールド式の2種3層の共押出が可能なTダイを用いた。ダイス(1)内では、3層が1対1対1に配置されるように設計されており、表層(目的層)が中間層(補助層)の両側に積合された。ダイス(1)から出た溶融フィルム原反(3)は、キャストロール(2)で冷却固化させ、合計厚さ2mmのシートを成形した。なお、キャストロール温度は90℃に設定した。溶融フィルム原反(3)のキャストロール(2)と接触する側が目的層X(3i)であり、内層と反対側が目的層Y(3o)である。
このシートを同時二軸延伸機で123℃の条件で縦横等倍で面積倍率50倍に延伸した後、塩化メチレンに浸漬して、流動パラフィンを抽出除去後に乾燥し、さらに小形の延伸機により125℃~135℃の条件下で横方向に1.5倍延伸した。この延伸シートを135℃で7%幅方向に緩和して熱処理を行うことにより、表層の二層(目的層X、目的層Y)がほぼ同一の組成で、中間層が異なる2種3層構造を有する微多孔膜積合体を得た。フィルムの巻取り速度は10m/minであった。
図3は、微多孔膜積合体を剥離するための巻取機の模式図である。微多孔膜積合体を剥離用の巻取機(10)の繰出し機(14)からピンチロール(13)へと導入し、ピンチロールの出口側で目的層Xの単層膜(巻取り上軸(11)側)と、補助層/目的層Yの2層膜(巻取り下軸(12)側)との2枚の膜に分離し、更に2層膜を別のピンチロールに導き、補助層と目的層Yを1層ずつに剥離した。剥離速度は20m/minであったが、剥離点は安定しており、膜が破れたり、剥離の際に異音を生じたりすることは無く、巻き取った単体の目的層(微多孔膜X)、補助層、目的層(微多孔膜Y)の捲回体の端面も不揃い等無く揃っていた。ピンチロールは、微多孔膜を剥離後、微多孔膜が抱き角度90°または120°で接するように調整した。得られた微多孔膜X及び微多孔膜Yの物性を表3に示す。
上記のように、本開示の微多孔膜は、表面Aの巻芯抜け性が良好であり、ズレ現象が低減され、搬送性が良好であり、かつ突刺強度や透気度というセパレータに必要な物性も良好であった。さらに、実施例2~11は、1回の製膜で2枚の目的層を製造でき、経済的にも電池用セパレータとして良好であった。この効果は、表3に示すように、本開示の微多孔膜は、表裏同一の材料でありながら動摩擦係数を表裏で別個に調整できる、過去に無い特性を持つためと推察される。また、実施例2で得られた微多孔膜Yの表面A及び表面BのSEM写真を図1に示す。図1(a)は、実施例2の表面AのSEM写真であり、図1(b)は、同じ微多孔膜の表面BのSEM写真であり、その表面上に突起状体(図中、楕円で囲った部分)を有することが分かる。
参考例12~13]
参考例1と同じ方法で押出成形した目的層の組成で、かつ参考例1と同様の方法にして製膜した。なお、参考例12~13においてはキャストロールに接触して急冷される側をB表面とし、もう片方の空気による徐冷面をA表面と呼称する。膜の物性を表3に示す。参考例12~13は、ズレ現象の低減及び搬送性を両立でき良好であった。しかしながら、孔構造が傾斜構造でないため、電極劣化性は改善されなかった。
[比較例1]
参考例1において製膜した微多孔膜に、ポリエチレンの粉体を貼り付けなかった微多孔膜である。比較例1では、表面A、表面Bとも動摩擦係数はほぼ同じであり、従って巻芯抜け性の向上、ズレ現象の低減及び搬送性を両立することはできなかった。
Figure 0007437421000004
これらの結果から、実施例の微多孔膜は、リチウムイオン2次電池用セパレータとして充分な性能を示し、薄膜高強度と微短絡の防止を同時に果たし、また複数種の微多孔膜を同時に、生産速度を落とすことなく得ることが可能であったことが分かる。
本開示は、電池の生産性、特に巻芯を使用した捲回電池製造時の巻芯からの抜き取り性、ロール状のセパレータのズレ現象の防止に優れた、微多孔膜およびその製造方法を提供する。本開示の微多孔膜は、特にリチウムイオン2次電池のセパレータとして好適に利用できる。
1 ダイス
2 キャスト装置の冷却ロール(キャストロール)
3 溶融フィルム原反
3i 目的層X
3o 目的層Y
10 巻取機
11 巻取り上軸
12 巻取り下軸
13 ピンチロール
14 繰出し機
20 ピン
21 微多孔膜
22 ピンI
23 ピンII
24 微多孔膜の端部
30 微多孔膜
31 巻き取り軸
40 装置
41 固定バー
42 駆動巻取軸
43 微多孔膜
44 巻ずれ
60 微多孔膜の断面
61 A表面近傍を示す矩形
62 B表面近傍を示す矩形
63 中央付近を示す矩形

Claims (24)

  1. 表面A及び前記表面Aとは反対側の表面Bを有する、微多孔膜であって、
    前記微多孔膜は、単独層であり、
    前記表面AのSUS304に対する動摩擦係数(F)に対する、前記表面BのSUS304に対する動摩擦係数(F)の比(F/F)が、1.2~20の範囲内であり、
    前記表面Bは複数の突起状体を有し、前記表面Bの100μmあたりの前記突起状体の個数(W)が0.2個/100μm~1000個/100μmの範囲内である、微多孔膜。
  2. 前記表面A上の1μmあたりの孔数(N)が10個/μm~100個/μmであり、前記表面B上の1μmあたりの孔数(N)が20個/μm~200個/μmであり、N/Nが0.2~0.98であり、前記表面A上の1μmあたりの孔の面積の総和(S)が0.02μm~0.5μmであり、前記表面B上の1μmあたりの孔の面積の総和(S)が0.01μm~0.3μmであり、S/Sが1.1~10である、請求項1に記載の微多孔膜。
  3. 表面AのSUS304に対する動摩擦係数(F)が0.3以下であり、かつ表面BのSUS304に対する動摩擦係数(F)が0.9以下である、請求項1又は2に記載の微多孔膜。
  4. 前記微多孔膜の厚みが3μm~18μm、気孔率が20%~75%、厚み10μmに換算した突刺強度が300gf/10μm以上、厚み10μmに換算した透気度が30sec/100ml/10μm~1000sec/100ml/10μmである、請求項1~のいずれか一項に記載の微多孔膜。
  5. 前記表面Aは複数の突起状体を有し、又は有さず、前記表面Aの100μmあたりの前記突起状体の個数をWとし、前記表面Bは複数の突起状体を有し、前記表面Bの100μmあたりの前記突起状体の個数をWとすると、Wが0個/100μm以上0.2個/100μm未満であり、かつ、W>10×Wである、請求項1~4のいずれか一項に記載の微多孔膜。
  6. 前記表面Bは複数の突起状体を有し、前記表面Bを正面から観察したときの前記表面Bの突起状体の大きさが0.01μm~5μmの範囲内である、請求項1~のいずれか一項に記載の微多孔膜。
  7. 前記表面Bは複数の突起状体を有し、前記表面Bの突起状体がポリエチレン又はポリプロピレンを主成分として含有する、請求項1~のいずれか一項に記載の微多孔膜。
  8. 前記微多孔膜の断面において、表面A近傍で観察される孔の総数のうち、孔径が0.12μm以上の孔の数の割合(%)をNC(0.12)、断面方向中央付近で観察される孔の総数のうち、孔径が0.12μm以上の孔の数の割合(%)をNC(0.12)、表面B近傍で観察される孔の総数のうち、孔径が0.12μm以上の孔の数の割合(%)をNC(0.12)としたとき、
    NC(0.12)>NC(0.12)>NC(0.12)であり、
    但し、前記微多孔膜の断面の厚み方向において、表面Aの位置を0%、表面Bの位置を100%としたとき、前記表面A近傍とは0%~10%の領域、前記中央付近とは45%~55%の領域、前記表面B近傍とは90%~100%の領域を意味する、請求項1~のいずれか一項に記載の微多孔膜。
  9. NC(0.12)/NC(0.12)>1.2を更に満たす、請求項に記載の微多孔膜。
  10. NC(0.12)は2%~5%、NC(0.12)は0.5%~3.0%である、請求項8又は9に記載の微多孔膜。
  11. 前記微多孔膜の断面において、表面A近傍で観察される孔の総数のうち、孔径が0.1μm未満の孔の数の割合(%)をNC(0.10)、断面方向中央付近で観察される孔の総数のうち、孔径が0.10μm未満の孔の数の割合(%)をNC(0.10)、表面B近傍で観察される孔の総数のうち、孔径が0.10μm未満の孔の数の割合(%)をNC(0.10)としたとき、
    NC(0.10)<NC(0.10)<NC(0.10)であり、
    但し、前記微多孔膜の断面の厚み方向において、表面Aの位置を0%、表面Bの位置を100%としたとき、前記表面A近傍とは0%~10%の領域、前記中央付近とは45%~55%の領域、前記表面B近傍とは90%~100%の領域を意味する、請求項1~10のいずれか一項に記載の微多孔膜。
  12. 前記微多孔膜の前記表面A及び前記表面Bが、ポリエチレンを主成分として含有する、請求項1~のいずれか一項に記載の微多孔膜。
  13. 前記微多孔膜の前記表面A及び前記表面Bが、ポリエチレンを主成分として含有し、前記ポリエチレンは、粘度平均分子量が2,000,000以上の成分を5質量%~30質量%含む、請求項1~のいずれか一項に記載の微多孔膜。
  14. 前記微多孔膜の前記表面A及び前記表面Bが、ポリエチレンを主成分として含有し、かつ前記ポリエチレンが、粘度平均分子量500,000~900,000の超高分子量ポリエチレンを10質量%以上含有する、請求項1~のいずれか一項に記載の微多孔膜。
  15. 前記微多孔膜の前記表面A及び前記表面Bが、粘度平均分子量1,000,000以上の超高分子量成分を20質量%以上含む、請求項1~10のいずれか一項に記載の微多孔膜。
  16. 前記微多孔膜の厚み10μmに換算した突刺強度が、300gf/10μm以上、1200gf/10μm以下である、請求項1~11のいずれか一項に記載の微多孔膜。
  17. 前記微多孔膜の、表面Bに観察される孔の平均孔径をΦとしたとき、Φが、5nm~100nmの範囲内である、請求項5~12のいずれか一項に記載の微多孔膜。
  18. 前記微多孔膜の表面Aに観察される孔の平均孔径をΦ、表面Bに観察される孔の平均孔径をΦとしたとき、Φ>Φである、請求項5~13のいずれか一項に記載の微多孔膜。
  19. 請求項1~18のいずれか一項に記載の微多孔膜を含む、リチウムイオン2次電池用セパレータ。
  20. 請求項1~18のいずれか一項に記載の微多孔膜を製造する方法であって、以下:
    表面A及び前記表面Aとは反対側の表面Bを有する目的層と、補助層との共押出によって、前記目的層及び前記目的層の前記表面B上に前記補助層を有する微多孔膜原反を成形する共押出工程であって、前記目的層は、前記目的層の全質量を基準として40質量%以上の可塑剤を含有し、前記補助層は、前記補助層の全質量を基準として60質量%以下の可塑剤を含有する、共押出工程と;
    前記共押出工程の後に、以下(a)~(c):
    (a)前記微多孔膜原反を延伸する延伸工程と;
    (b)抽出溶媒の存在下、前記微多孔膜原反から前記可塑剤を抽出する抽出工程と;
    (c)前記目的層の前記表面Bから前記補助層を剥離して、前記目的層を微多孔膜として得る剥離工程と
    を任意の順序で含み、前記方法は、
    (d)前記剥離工程の前に、前記微多孔膜原反を再延伸する、再延伸工程を更に含み、前記再延伸工程における温度が、110℃~140℃の範囲内であり、
    前記目的層は、単独層である、方法。
  21. 前記目的層の原料樹脂が、ポリエチレンを主成分として含有し、かつ前記補助層の原料樹脂が、ポリプロピレンを主成分として含有する、請求項20に記載の方法。
  22. 前記剥離工程後に、前記補助層は、透気度が3000sec/100ml以上の微多孔膜、又は無孔膜である、請求項20又は21いずれか一項に記載の方法。
  23. 前記目的層中の前記可塑剤の含有量が、90質量%以下であり、かつ/又は前記補助層中の前記可塑剤の含有量が、0質量%より大きい、請求項20~22のいずれか一項に記載の方法。
  24. 前記剥離工程後に、前記目的層に塗料を塗工する塗工工程をさらに含む、請求項20~23のいずれか一項に記載の方法。
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