JP7448867B2 - 電池外装体用フッ素樹脂フィルム、電池外装体及び二次電池 - Google Patents
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Description
リチウムイオン二次電池は、シート状の積層体である本体を電池ケースに収納するのが一般的な形態である。中でも、ラミネート型電池の電池ケースは、アルミニウム等の金属層と樹脂フィルムとを有する積層体からなるものが一般的である(特許文献1,2)。
当該フィルムを180℃×3分間熱処理した後にその片面又は両面の表面状態を走査型X線光電子分光分析装置(XPS/ESCA)によって測定した際の酸素元素比率が1.35atomic%以上であり、
当該フィルムを180℃×10分間の熱処理後に25℃まで冷却し測定した際、熱処理前後のMDおよびTDの寸法変化率の絶対値が2%以下であることを特徴とする
電池外装体用フッ素樹脂フィルムである。
上記電池外装体用フッ素樹脂フィルムは、テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニルエーテル(PFA)又はテトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン(FEP)を含むことが好ましい。
上記電池外装体用フッ素樹脂フィルムは、電解液透過性が、50g/m2・day以下であることが好ましい。
当該金属層およびフッ素樹脂フィルム以外の層は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、液晶ポリマー、ポリフェニレンスルファイド、シクロオレフィンポリマー、ポリスチレン、エポキシ樹脂、ビスマレイミド、ポリフェニレンオキサイド、ポリフェニレンエーテル、及び、ポリブタジエンからなる群から選択される少なくとも1種であってもよい。
上記電池外装体は、上記金属層がアルミニウムであることが好ましい。
上記電池外装体は、上記アルミニウムと、フッ素樹脂フィルムとの接着強度が500N/m以上であることが好ましい。
上記二次電池は、上記電池外装体のフッ素樹脂フィルムが、電解液と接する位置に存在することが好ましい。
本開示は、電池外装体用フッ素樹脂フィルムに関するものである。電池外装体用フッ素樹脂フィルムは、フッ素樹脂を含む組成物からなる。ここでのフッ素樹脂フィルムを構成する樹脂は特に限定されるものではなく、フッ素原子を一部に含む重合体であればよい。
フッ素原子を一部に含む重合体は二種類以上を使用してもよい。フッ素樹脂は、カルボニル基含有基(たとえば、酸無水物基、炭化水素基の炭素原子間にカルボニル基を有する基、カーボネート基、カルボキシ基、ハロホルミル基、アルコキシカルボニル基など)、ヒドロキシ基、エポキシ基、アミド基、アミノ基およびイソシアネート基などから選択される少なくとも一種の官能基を含んでいても良い。また、フッ素樹脂を含む組成物は、フッ素樹脂以外のその他の樹脂、ゴム、添加剤、フィラーなどを含んでもよい。
これら溶融成形可能なフッ素樹脂の中でも、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)が好ましい。特に、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)が好ましい。
上記FEPは、MFRが0.01~100g/10分であることが好ましく、0.1~80g/10分であることがより好ましく、1~60g/10分であることが更に好ましく、1~50g/10分であることが特に好ましい。なお、本明細書においてMFRは、ASTM D3307に準拠して、温度372℃、荷重5.0kgの条件下で測定し得られる値である。
含有することができる成分としては特に限定されず、シリカ粒子、ガラス短繊維などのフィラー、フッ素を含まない熱硬化性樹脂・熱可塑性樹脂等を挙げることができる。フッ素樹脂以外の成分の含有量は、特に限定はしないが、例えば、フッ素樹脂フィルム中、5質量%以上、60質量%以下であることが好ましい。より好ましくは10質量%以上、40質量%以下である。
上記寸法変化率は、1.8%以下であることがより好ましく、1.5%以下であることが最も好ましい。
本開示において、寸法変化率は、300mm角にカットしたフィルムサンプルに180mm間隔で標点をつけ、180℃に設定したAir雰囲気下の電気炉で、荷重をかけずに10分間熱処理を行った後、25℃まで冷却したフィルムのMD方向およびTD方向それぞれの標点間隔を測定し、熱処理前後の標点間隔の変化量から算出したものである。
具体的には、例えば、アルミニウム箔と、温度が320℃、加圧力1.5MP、時間が100~300秒の条件でヒートシーラを用いて接着した場合の接着強度が、500N/m以上であることが好ましく、700N/m以上であることがより好ましく、900N/m以上であることが更に好ましく、1000N/m以上であることが最も好ましい。ここでの接着強度は、前記条件で接着を行った積層体について、実施例に記載した条件で測定した接着強度を意味する。
本開示のフッ素樹脂フィルムの厚みは、5~500μmがより好ましく、12.5~150μmが更に好ましい。上記範囲の厚みとすることで、耐電解液透過性を維持しつつ積層体の厚みを薄くすることができ、電池の外装体として用いた場合、電池の小型化につながる。
以下に、上述した本開示のフッ素樹脂フィルムの製造方法の例を詳述する。なお、本開示のフッ素樹脂フィルムは、以下の製造方法によって製造されたものに限定されない。
本開示のフッ素樹脂フィルムは、フィルム状態とする際の成形方法を特に限定するものではないが、例えば、押出成形等の溶融成形による方法、フッ素樹脂を含有する溶液又は分散液を調製した後、基材上に塗布・乾燥させることによるキャスト法による方法等を挙げることができる。さらに、フィルムを一軸延伸又は二軸延伸の方法で延伸したものであってもよいし、未延伸のフィルムであってもよい。
フッ素樹脂フィルムに対するアニール処理とは、一般に加熱処理である。このため、表面処理後にアニール処理を行った場合、酸素原子量が低下し、接着能の低減を生じてしまう。また、ラミネート時の予熱工程による接着能低減も生じるため、アニール処理を行う場合は、表面処理及びアニール処理の条件として適切な条件を選定する必要がある。また、このようなアニール処理による問題を生じさせないために、フィルムの製造工程を調整することによって、内部応力を低減する等の手法を採用してもよい。
本開示においては、上記各種条件を調整し、上述した要件を満たすフッ素樹脂フィルムとすることで、ラミネート時の不良を低減し、同時に良好な接着性を得るものである。
フッ素樹脂フィルムの表面改質は、従来行なわれているコロナ放電処理やグロー放電処理、プラズマ放電処理、スパッタリング処理などによる放電処理が採用できる。例えば、放電雰囲気中に酸素ガス、窒素ガス、水素ガスなどを導入することで表面自由エネルギーをコントロールできる他、有機化合物を含む不活性ガスである有機化合物含有不活性ガスの雰囲気に改質すべき表面を曝し、電極間に高周波電圧をかけることにより放電を起こさせ、これにより表面に活性種を生成し、ついで有機化合物の官能基を導入もしくは重合性有機化合物をグラフト重合することによって表面改質を行うことができる。上記不活性ガスとしては、たとえば窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガスなどが挙げられる。
アニール処理は、熱処理によって行うことができる。当該熱処理は、例えば、ロールtoロールの方式で加熱炉の中を通すことによって行うことができる。
本開示は、上述したフッ素樹脂フィルムと金属層とを備える電池用外装体でもある。
電池外装体は、正極と負極と電解液とを備える電池素子を内部に収納し、電池を使用する際に外部からの衝撃、環境劣化などを防ぐために使用されるものである。
本開示の電池外装体は、上述したフッ素樹脂フィルムと金属層により層構造を有するものである。
特に、本開示の電池外装体は、ラミネート型電池用として好適に用いられる。本開示の電池外装体は、耐電解液透過性に優れるものである。
具体的には、例えば、アルミニウム箔と、温度が320℃、加圧力1.5MP、時間が100~300秒の条件でヒートシーラを用いて接着した場合の接着強度が、500N/m以上であることが好ましく、700N/m以上であることがより好ましく、900N/mm以上であることが更に好ましく、1000N/m以上であることが最も好ましい。
ここでの、接着強度は、前記条件で接着を行った積層体について、実施例に記載した条件で測定した接着強度を意味する。
上記金属層およびフッ素樹脂フィルム以外の層は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、液晶ポリマー、ポリフェニレンスルファイド、シクロオレフィンポリマー、ポリスチレン、エポキシ樹脂、ビスマレイミド、ポリフェニレンオキサイド、ポリフェニレンエーテル、及びポリブタジエンからなる群から選択される少なくとも1種からなるフィルム等が挙げられる。
上記したように、本開示のフッ素樹脂フィルムは、金属層との接着性に優れるものであるから、金属層と直接接するように構成することが好適である。
本開示の電池外装体は、上記フッ素樹脂フィルムが、厚み方向の少なくとも一方の面に設けられており、電池としたときに電解液に接する位置に存在するようにすることが好適である。
特に、集電端子を介して樹脂層を熱融着して密閉構造とする場合には、金属と樹脂との接合も良好に行うことができる。
二次電池としては、アルカリ金属またはアルカリ土類金属二次電池等が挙げられる。具体的には、リチウムイオン二次電池、リチウム金属二次電池、ナトリウム電池、カルシウム電池等が挙げられる。
また、二次電池の形状としては、ラミネート型、円筒形、角形、ピン形等がある。
特に、ラミネート型リチウムイオン二次電池が好適である。
本開示の二次電池は、公知の二次電池において使用される、負極、正極、電解液、セパレータ等を使用することができる。以下、これらについて詳述する。
本開示の二次電池において、負極は、負極活物質を含む負極活物質層と、集電体とから構成されるものが好適である。
また、Si又はSnを第一の構成元素とし、それに加えて第2、第3の構成元素を含む複合材料が挙げられる。第2の構成元素は、例えば、コバルト、鉄、マグネシウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム及びジルコニウムからなる群より選択される少なくとも1種である。第3の構成元素は、例えば、ホウ素、炭素、アルミニウム及びリンからなる群より選択される少なくとも1種である。
特に、高い電池容量及び優れた電池特性が得られることから、上記金属材料として、ケイ素又はスズの単体(微量の不純物を含んでよい)、SiOv(0<v≦2)、SnOw(0≦w≦2)、Si-Co-C複合材料、Si-Ni-C複合材料、Sn-Co-C複合材料、Sn-Ni-C複合材料等好ましい。
MpTiqM8rO4
[式中、Mは、Li、Na及びKからなる群より選択される少なくとも1種の金属であり;M8は、Na、K、Co、Al、Fe、Ti、Mg、Cr、Ga、Cu、ZnおよびNbからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を表す。]
で表される化合物であることが好ましい。
(i)1.2≦p≦1.4、1.5≦q≦1.7、r=0
(ii)0.9≦p≦1.1、1.9≦q≦2.1、r=0
(iii)0.7≦p≦0.9、2.1≦q≦2.3、r=0
である化合物が、電池性能のバランスが良好なため特に好ましい。
上記結着剤としては、電極製造時に使用する溶媒や電解液に対して安全な材料であれば、任意のものを使用することができ、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、芳香族ポリアミド、キトサン、アルギン酸、ポリアクリル酸、ポリイミド、セルロース、ニトロセルロース等の樹脂系高分子;SBR(スチレン・ブタジエンゴム)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、フッ素ゴム、NBR(アクリロニトリル・ブタジエンゴム)、エチレン・プロピレンゴム等のゴム状高分子;スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体又はその水素添加物;EPDM(エチレン・プロピレン・ジエン三元共重合体)、スチレン・エチレン・ブタジエン・スチレン共重合体、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体又はその水素添加物等の熱可塑性エラストマー状高分子;シンジオタクチック-1,2-ポリブタジエン、ポリ酢酸ビニル、エチレン・酢酸ビニル共重合体、プロピレン・α-オレフィン共重合体等の軟質樹脂状高分子;ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化ビニリデン共重合体、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体等のフッ素系高分子;アルカリ金属イオン(特にリチウムイオン)のイオン伝導性を有する高分子組成物等が挙げられる。これらは、1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
水系溶媒としては、水、アルコール等が挙げられ、有機系溶媒としてはN-メチルピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N,N-ジメチルアミノプロピルアミン、テトラヒドロフラン(THF)、トルエン、アセトン、ジエチルエーテル、ジメチルアセトアミド、ヘキサメチルホスファルアミド、ジメチルスルホキシド、ベンゼン、キシレン、キノリン、ピリジン、メチルナフタレン、ヘキサン等が挙げられる。
薄膜の厚さは任意であるが、通常1μm以上、好ましくは3μm以上、より好ましくは5μm以上、また、通常1mm以下、好ましくは100μm以下、より好ましくは50μm以下である。薄膜がこの範囲よりも薄いと集電体として必要な強度が不足する場合がある。逆に、薄膜がこの範囲よりも厚いと取り扱い性が損なわれる場合がある。
本開示の二次電池において、正極は、正極活物質を含む正極活物質層と、集電体とから構成されるものが好適である。
なかでも、正極活物質としては、特に、高電圧を産み出すアルカリ金属含有遷移金属複合酸化物が好ましい。上記アルカリ金属イオンとしては、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン等が挙げられる。好ましい態様において、アルカリ金属イオンは、リチウムイオンであり得る。即ち、この態様において、アルカリ金属イオン二次電池は、リチウムイオン二次電池である。
式:MaMn2-bM1 bO4
(式中、Mは、Li、Na及びKからなる群より選択される少なくとも1種の金属であり;0.9≦a;0≦b≦1.5;M1はFe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Sn、Cr、V、Ti、Mg、Ca、Sr、B、Ga、In、SiおよびGeよりなる群より選択される少なくとも1種の金属)で表されるリチウム・マンガンスピネル複合酸化物、
式:MNi1-cM2cO2
(式中、Mは、Li、Na及びKからなる群より選択される少なくとも1種の金属であり;0≦c≦0.5;M2はFe、Co、Mn、Cu、Zn、Al、Sn、Cr、V、Ti、Mg、Ca、Sr、B、Ga、In、SiおよびGeよりなる群より選択される少なくとも1種の金属)で表されるリチウム・ニッケル複合酸化物、または、
式:MCo1-dM3 dO2
(式中、Mは、Li、Na及びKからなる群より選択される少なくとも1種の金属であり;0≦d≦0.5;M3はFe、Ni、Mn、Cu、Zn、Al、Sn、Cr、V、Ti、Mg、Ca、Sr、B、Ga、In、SiおよびGeよりなる群より選択される少なくとも1種の金属)
で表されるリチウム・コバルト複合酸化物が挙げられる。上記において、Mは、好ましくは、Li、Na及びKからなる群より選択される1種の金属であり、より好ましくはLiまたはNaであり、さらに好ましくはLiである。
MNihCoiMnjM5 kO2 (3)
(式中、Mは、Li、Na及びKからなる群より選択される少なくとも1種の金属であり、M5はFe、Cu、Zn、Al、Sn、Cr、V、Ti、Mg、Ca、Sr、B、Ga、In、Si及びGeからなる群より選択される少なくとも1種を示し、(h+i+j+k)=1.0、0≦h≦1.0、0≦i≦1.0、0≦j≦1.5、0≦k≦0.2である。)
MeM4 f(PO4)g
(式中、Mは、Li、Na及びKからなる群より選択される少なくとも1種の金属であり、M4はV、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni及びCuからなる群より選択される少なくとも1種を示し、0.5≦e≦3、1≦f≦2、1≦g≦3)で表される化合物が挙げられる。上記において、Mは、好ましくは、Li、Na及びKからなる群より選択される1種の金属であり、より好ましくはLiまたはNaであり、さらに好ましくはLiである。
上記リチウム含有遷移金属リン酸化合物としては、オリビン型構造を有するものが好ましい。
上記正極活物質が上記硫黄単体の場合、上記正極活物質に含まれる硫黄の含有量は、上記硫黄の含有量と等しい。
なお、本開示では、タップ密度は、正極活物質粉体5~10gを10mlのガラス製メスシリンダーに入れ、ストローク約20mmで200回タップした時の粉体充填密度(タップ密度)g/cm3として求める。
上記正極活物質の粒子は、二次粒子の平均粒子径が40μm以下で、かつ、平均一次粒子径が1μm以下の微粒子を、0.5~7.0体積%含むものであることが好ましい。平均一次粒子径が1μm以下の微粒子を含有させることにより、電解液との接触面積が大きくなり、電極と電解液との間でのリチウムイオンの拡散をより速くすることができ、その結果、電池の出力性能を向上させることができる。
また、正極活物質の、正極活物質層中の含有量は、好ましくは80質量%以上、より好ましくは82質量%以上、特に好ましくは84質量%以上である。また上限は、好ましくは99質量%以下、より好ましくは98質量%以下である。正極活物質層中の正極活物質の含有量が低いと電気容量が不十分となる場合がある。逆に含有量が高すぎると正極の強度が不足する場合がある。
上記結着剤としては、電極製造時に使用する溶媒や電解液に対して安全な材料であれば、任意のものを使用することができ、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、芳香族ポリアミド、キトサン、アルギン酸、ポリアクリル酸、ポリイミド、セルロース、ニトロセルロース等の樹脂系高分子;SBR(スチレン・ブタジエンゴム)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、フッ素ゴム、NBR(アクリロニトリル・ブタジエンゴム)、エチレン・プロピレンゴム等のゴム状高分子;スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体又はその水素添加物;EPDM(エチレン・プロピレン・ジエン三元共重合体)、スチレン・エチレン・ブタジエン・スチレン共重合体、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体又はその水素添加物等の熱可塑性エラストマー状高分子;シンジオタクチック-1,2-ポリブタジエン、ポリ酢酸ビニル、エチレン・酢酸ビニル共重合体、プロピレン・α-オレフィン共重合体等の軟質樹脂状高分子;ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化ビニリデン共重合体、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体等のフッ素系高分子;アルカリ金属イオン(特にリチウムイオン)のイオン伝導性を有する高分子組成物等が挙げられる。これらは、1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
本開示の二次電池は、更に、セパレータを備えることが好ましい。
上記セパレータの材質や形状は、電解液に安定であり、かつ、保液性に優れていれば特に限定されず、公知のものを使用することができる。樹脂、ガラス繊維、無機物等が用いられ、保液性に優れた多孔性シート又は不織布状の形態の物等を用いることが好ましい。
なかでも、上記セパレータは、電解液の浸透性やシャットダウン効果が良好である点で、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンを原料とする多孔性シート又は不織布等であることが好ましい。
例えば、正極の両面に90%粒径が1μm未満のアルミナ粒子を、フッ素樹脂を結着剤として多孔層を形成させることが挙げられる。
本開示の二次電池において、電解液としては、非水電解液を用いることが好ましい。非水電解液としては、公知の電解質塩を公知の電解質塩溶解用有機溶媒に溶解したものが使用できる。
上記電解質としては、例えば、上記に例示したものが挙げられる。具体的には、Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)2N、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiTaF6、LiClO4、LiCF3SO3等のリチウム塩が挙げられる。
上記溶媒としては、例えば、上記したカーボネート系有機溶媒が挙げられる。
上記ゲルマトリックス(マトリックスポリマー)としては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、PVDF、PVDF-HFP、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)等が挙げられる。
本開示の電池外装体を用いる二次電池は、特に、ラミネート型電池などの薄型電池が好適である。ラミネート型電池の外観は、電池ケースの中に電池構成材料を収納し、電極端子の一部を前記電池の外部に突出させたものである。電池構成材料の収納の状態としては、電池外装体は、起電部セルと該セルから延長された電極端子の一部を含み、電池外装体の外部に突出する電極端子と電池外装体内の電極端子との間の部分は、電池外装体の形成の際にヒートシール部において密着接着され、密封状態となっている。電極端子は外装体の外部に突出させるため、電池外装体が外装体として密封を確実にするために、電極端子の一部は外装体のヒートシール部において、ヒートシール樹脂と熱接着される。
本開示のフッ素樹脂フィルムは、電解液に対して安定であることから、二次電池において、本開示のフッ素樹脂フィルムを電池外装体の最内層とし、本開示のフッ素樹脂フィルムが電解液に接するようにすることで、耐電解液透過性の効果がより発揮される二次電池とすることができる。
次いで、上述のエレメントにタブを取り付ける。各タブは両端から出る場合、またはタブが同じ側から出る場合がある。
そして、シート状の外装体をエレメントの両側から挟み、シールする。このとき、電解液を注液するために、一辺分をシールさせずに口が開いた状態にし、そこから電解液を注液したり、ラミネート材の形状を元から注液しやすい形(注液口を設けておくなど)にしておき、そこから注液するようにしたりしてもよい。
次に、注液部もシールすることで、ラミネート型電池が得られる。
19F-NMR分析により測定した。
DSC装置を用い、10℃/分の速度で昇温して測定したときの融解ピークから算出した。
固体動的粘弾性装置(DMA)を用い、周波数10Hz、歪み0.1%、5℃/分の速度で昇温して測定したときのtanδピークから算出した。
ASTM D3307に準拠して、温度372℃、荷重5.0kgの条件下で測定した。
マイクロメーターを用いて測定した。
試料フィルムを、180℃×3分間熱処理した後にその片面又は両面の表面状態を走査型X線光電子分光分析装置(XPS/ESCA) PHI5000VersaProbeII(アルバック・ファイ株式会社製)を用いてX線源:単色化AlKα線、入射角45°で測定し、フッ素、炭素、酸素、窒素に占める酸素元素比率を算出した。
なお、下記深さ方向の酸素元素比率差を求めるときには、180℃×3分間熱処理は行わず、フッ素樹脂フィルム表面の酸素元素比率を算出した。
試料フィルムを、アルゴンガスクラスターイオンビームを用いたエッチングを入射角45°、スパッタ条件:2.5kV×10nAで深さ方向に15分間エッチングした後、前記記載の条件で分析をおこない、酸素元素比率を算出し、前記記載のフッ素樹脂フィルム表面の酸素元素比率との差をとった。
300mm角にカットしたフィルムサンプルのMD・TD方向それぞれに180mm間隔で標点をつけ、PTFE含浸ガラスクロスを張った金属板の上に置き、180℃に設定したAir雰囲気下の電気炉で、荷重をかけずに10分間熱処理を行った後、25℃まで冷却(25℃の部屋で30分以上静置)したフィルムのMD方向およびTD方向それぞれの標点間隔をノギス(mm単位・少数第二位まで計測可)で測定し、熱処理前後の標点間隔の変化から下記の計算式で算出した。
熱収縮率={(熱処理後の長さ-熱処理前の長さ)/熱処理前の長さ}×100(%)
目視で皺の有無を確認した。
〇・・・フィルムの変形(波打ち)発生なし
×・・・フィルムの変形(波打ち)発生あり
ロール状に巻き取った後に室温で1ヶ月間保管した後の外観を目視判定した。
〇・・・巻締まりによる皺の発生・増加なし
×・・・巻締まりによる皺の発生・増加あり
フッ素樹脂フィルムの表面処理面同士を重ね、ヒートプレス(200℃・0.2MPa・120s)で作製したサンプルを10mm幅の短冊状にカットし、テンシロン万能試験機(株式会社島津製作所製)を用いて、短冊状サンプルの接着されていない部分をテンシロンの上下のチャックで掴みながら、毎分100mmの速度で引張ることで引きはがし強さを測定し、得られた値を接着強度とした。
透過性を評価するフィルム(樹脂フィルム層)をΦ6cmに切り出し、図1に示すように、2つのガラス器具間に挟んだ(図1において、3は評価するフィルムを示す)。ガラス器具の一方の部屋2には2-プロパノールを200mL満たし、もう一方の部屋4にはエチレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネートおよびジメチルカーボネートの体積比20/10/70からなる溶液にLiPF6を1.2モル/リットルの濃度となるように添加した電解液を200mL満たし、二つ部屋を密栓で閉鎖した。このガラス器具全体を60℃の温浴1に浸漬し、30日経過後の2-プロパノールを採取し、樹脂フィルム層を透過した電解液をガスクロマトグラフィーによって定量した。電解液透過性を1日あたりの単位面積(m2)あたりの透過量(g)で算出した。
フィルムの表面処理された面とアルミニウム箔8079材(東洋アルミニウム株式会社製、膜厚40μm)が接するように、アルミ箔/フィルム/アルミ箔の順に重ね、真空ヒートプレス機(型番:MKP-1000HVWH-S7/ミカドテクノス株式会社製)を用いて、プレス温度320℃、予熱時間60秒、加圧力1.5MPa、加圧時間300秒で熱プレスすることで接着させ、真空ヒートプレスにて作製した積層体の片面に粘着テープでアルミ板を貼り付け、テンシロン万能試験機(株式会社島津製作所製)を用いて、毎分50mmの速度で、積層体の平面に対して90°の方向に10mm幅のアルミ箔を掴んで引っ張ることでアルミ箔の引きはがし強さを測定し、得られた値を接着強度とした。
フッ素樹脂として、PFA(TFE/PPVE共重合体、組成:TFE/PPVE=98.4/1.6(mol%)、MFR:15.8g/10分、融点:305℃)をTダイ法で溶融押出成形し巻き取ることで得られた厚み50μmの長尺ロールフィルムの両面に表面処理(コロナ放電装置の放電電極とロール状接地電極の近傍に酢酸ビニルが0.50容量%含まれる窒素ガスを流しながら、フィルムをロール状接地電極に添わせて連続的に通過させ、放電量1324W・min/m2でフィルムの両面をコロナ放電処理)を行いロール状に表面処理された長尺フィルムを巻き取った。ESCA表面分析による表面処理されたフィルムの表面酸素元素比率は20.42atomic%であった。また、このフィルムのガラス転移温度は92℃であった。
特公昭57-040847号公報の比較例5の製造方法で作られたFEP(TFE/HFP共重合体:組成:TFE/HFP=93.2/6.8(mol%)、MFR7.5(g/10分)、融点270(℃))を、Tダイ法で溶融押出成形し巻き取ることで厚み50μmの長尺ロールフィルムを得た。この長尺ロールフィルムの両面に表面処理(コロナ放電装置の放電電極とロール状接地電極の近傍に酢酸ビニルが0.50容量%含まれる窒素ガスを流しながら、フィルムをロール状接地電極に添わせて連続的に通過させ、放電量1324W・min/m2でフィルムの両面をコロナ放電処理)を行いロール状に表面処理された長尺フィルムを巻き取った。ESCA表面分析による表面処理されたフィルムの表面酸素元素比率は19.87atomic%であった。また、このフィルムのガラス転移温度は81℃であった。
放電量を265W・min/m2とした以外はサンプル2と同様にして、厚み50μmのフィルムの両面に表面処理されたサンプルを得た。ESCA表面分析による表面処理されたフィルムの表面酸素元素比率は10.21atomic%であった。
放電量を132W・min/m2とした以外はサンプル2と同様にして、厚み50μmのフィルムの両面に表面処理されたサンプルを得た。ESCA表面分析による表面処理されたフィルムの表面酸素元素比率は4.33atomic%であった。
放電量を66W・min/m2とした以外はサンプル2と同様にして、厚み50μmのフィルムの両面に表面処理されたサンプルを得た。ESCA表面分析による表面処理されたフィルムの表面酸素元素比率は2.61atomic%であった。
市販の熱融着層用の無延伸ポリプロピレンフィルム(東洋紡株式会社製CT P1146、膜厚50μm)を購入した。
サンプル1のフィルムを用い、樹脂フィルムの電解液透過性の評価をおこなった結果、18g/m2・dayであった。
サンプル2のフィルムを用い、樹脂フィルムの電解液透過性の評価をおこなった結果、7g/m2・dayであった。
サンプル6のフィルムを用い、樹脂フィルムの電解液透過性の評価をおこなった結果、2597g/m2・dayであった。
サンプル1のフィルムをロールtoロール方式で180℃のアニール炉(Air雰囲気下)に通し、冷却ゾーンでフィルムを冷却し、ロール状に長尺フィルムを巻き取った。この時、アニール後のフィルムの変形(波打ち)の有無を目視で評価した。次に、この長尺ロールフィルムからサンプリングしたカットフィルムを180℃の電気炉へ入れ10分間熱処理したあと室温まで冷却した。そしてMD・TD方向の寸法変化率を測定し、その絶対値を求めた。また。コアへ巻き取ったフィルムを1ヶ月間室温保管し、巻締まりの評価を行った。
サンプル2のフィルムを用いた以外は実施例3と同様にしてアニール処理とその後のフィルムの変形(波打ち)有無評価および寸法変化率の測定と巻締まりの評価を行った。
アニール炉の温度を200℃にした以外は実施例4と同様にしてアニール処理とその後のフィルムの変形(波打ち)有無評価および寸法変化率の測定と巻締まりの評価を行った。
サンプル3のフィルムを用いた以外は実施例3と同様にしてアニール処理とその後のフィルムの変形(波打ち)有無評価および寸法変化率の測定と巻締まりの評価を行った。
サンプル4のフィルムを用いた以外は実施例3と同様にしてアニール処理とその後のフィルムの変形(波打ち)有無評価および寸法変化率の測定と巻締まりの評価を行った。
サンプル5のフィルムを用いた以外は実施例4と同様にしてアニール処理とその後のフィルムの変形(波打ち)有無評価および寸法変化率の測定と巻締まりの評価を行った。
アニール工程において冷却ゾーンを入れなかったこと以外は、実施例4と同様にしてアニール処理とその後のフィルムの変形(波打ち)有無評価および寸法変化率の測定と巻締まりの評価を行った。
アニール炉の温度を250℃にした以外は実施例4と同様にしてアニール処理とその後のフィルムの変形(波打ち)有無評価および寸法変化率の測定と巻締まりの評価を行った。
アニール処理を行っていないサンプル2の寸法変化率の測定と巻締まりの評価を行った。
実施例3でアニール処理したフィルム(サンプル1:180)を100mm角にカットし、金属トレイの上に置いて180℃の電気炉(Air雰囲気)に入れ3分間熱処理を行った。このフィルムを用いて、熱処理の間Airに接していた側の表面をESCAで分析した。
次に、熱処理したフッ素樹脂フィルムの表面分析を行った面と同じ面が、アルミニウム箔8079材(東洋アルミニウム株式会社製、膜厚40μm)と接するように重ね、真空ヒートプレス機(型番:MKP-1000HVWH-S7/ミカドテクノス株式会社製)を用いて、プレス温度320℃、予熱時間60秒、加圧力1.5MPa、加圧時間300秒で熱プレスすることで接着させ、テンシロン万能試験機で90°で剥離させ接着強度を測定した。
実施例4でアニール処理したフィルム(サンプル2:180)を用いた以外は、実施例10と同様に、ESCAによる表面分析および接着強度の測定を行った。
実施例6でアニール処理したフィルム(サンプル3:180)の表面をESCAで分析した結果、酸素元素比率は8.12atomic%であった。また、アルゴンガスクラスターイオンビームを用いて入射角45°、スパッタ条件:2.5kV×10nA、で深さ方向に15分間エッチングしたのち、その表面をESCA分析した結果、酸素元素比率は0.91atomic%であった。2つの結果の差は7.21atomic%であった。また、このアニール処理したフィルムとアルミニウム箔との接着強度は968N/mであり、フィルム処理面同士の接着強度は237N/mであった。
次に、同じく実施例6でアニール処理したフィルム(サンプル3:180)を100mm角にカットし、金属トレイの上に置いて180℃の電気炉(Air雰囲気)に入れ3分間熱処理を行った。このフィルムを用いて、熱処理の間Airに接していた側の表面をESCAで分析した。
次に、熱処理したフッ素樹脂フィルムの表面分析を行った面と同じ面が、アルミニウム箔8079材(東洋アルミニウム株式会社製、膜厚40μm)と接するように重ね、真空ヒートプレス機(型番:MKP-1000HVWH-S7/ミカドテクノス株式会社製)を用いて、プレス温度320℃、予熱時間60秒、加圧力1.5MPa、加圧時間300秒で熱プレスすることで接着させ、テンシロン万能試験機で90°で剥離させ接着強度を測定した。
実施例7でアニール処理したフィルム(サンプル4:180)を用いた以外は、実施例10と同様に、ESCAによる表面分析および接着強度の測定を行った。
サンプル5のフィルムをロールtoロール方式で180℃のアニール炉(Air雰囲気下)に通し、冷却ゾーンでフィルムを冷却し、ロール状に長尺フィルムを巻き取った。アニール後のフィルム表面の酸素元素比率は1.69%であった。また、アルゴンガスクラスターイオンビームを用いて入射角45°、スパッタ条件:2.5kV×10nA、で深さ方向に15分間エッチングしたのち、その表面をESCA分析した結果、酸素元素比率は0.84atomic%であった。2つの結果の差は0.85atomic%であった。
次に、実施例11と同様に、180℃×3分間の熱処理と表面分析およびアルミ箔との接着強度測定を行った。熱処理後のフィルム表面の酸素元素比率は1.28%であり、アルミ箔との接着強度は650N/mmであった。
サンプル2と同様にTダイ法で溶融押出成形した厚み50μmのフィルムの両面を有機化合物含有不活性ガスを使用しない放電処理で表面処理を行った。このフィルムをロールtoロール方式で180℃のアニール炉(Air雰囲気下)に通し、冷却ゾーンでフィルムを冷却し、ロール状に巻き取った。アニール後のフィルム表面の酸素元素比率は4.01%であった。また、フィルム処理面同士の接着強度は26N/mであった。次に、実施例11と同様に、180℃×3分間の熱処理と表面分析およびアルミ箔との接着強度測定を行った。熱処理後のフィルム表面の酸素元素比率は0.88%であり、アルミ箔との接着強度は142N/mmであった。
実施例3でアニール処理したフィルム(サンプル1:180)の表面処理をした面とアルミニウム箔8079材(東洋アルミニウム株式会社製、膜厚40μm)とを接するように重ね、真空ヒートプレス機(型番:MKP-1000HVWH-S7/ミカドテクノス株式会社製)を用いて、プレス温度320℃、予熱時間60秒、加圧力1.5MPa、加圧時間300秒で熱プレスすることで接着させ積層体を作製した。この積層体から10cm×10cmの正方形形状の積層体を2枚の切り出し、樹脂層を対向させた状態で重ね合わせ3辺を、インパルスヒートシーラーで270℃、圧力0.2MPa、圧着時間120秒、シール幅5mmでヒートシールした。得られた袋状構造物の未シール辺からエチレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネートおよびジメチルカーボネートの体積比20/10/70からなる溶液にLiPF6を1.2モル/リットルの濃度となるように添加した電解液を5mL加え、未シール辺をクリップで封止した。未シール辺と反対側の辺を下にし、袋状構造物の下部から1cmつかるように2-プロパノールの90日間浴槽につけ、2-プロパノール中に溶出した電解液量をガスクロマトグラフィーによって定量することで、ヒートシール部からの電解液透過性を1か月(30日)あたりの透過量(g)で算出した。
実施例4でアニール処理したフィルム(サンプル2:180)を用いた以外は実施例14と同様にしてヒートシール部からの電解液透過性の評価をおこなった。
熱融着層としてポリプロピレンフィルムが使用されている市販の電池用アルミラミネートフィルム(大日本印刷株式会社製 D-EL40H)を用い、この積層体から10cm×10cmの正方形形状の積層体を2枚の切り出し、熱融着層を対向させた状態で重ね合わせ3辺を、インパルスヒートシーラー(富士インパルス株式会社製FCB-200)で200℃、圧着時間3秒、シール幅5mmでヒートシールした以外は実施例12と同様にしてヒートシール部からの電解液透過性の評価をおこなった。
(実施例16)
実施例4でアニール処理したフィルム(サンプル2:180)の表面処理をした面とアルミニウム箔8079材(東洋アルミニウム株式会社製、膜厚40μm)とが接するように重ね、真空ヒートプレス機(型番:MKP-1000HVWH-S7/ミカドテクノス株式会社製)を用いて、プレス温度320℃、予熱時間60秒、加圧力1.5MPa、加圧時間300秒で熱プレスすることで接着させ積層体を作製した。この積層体から幅125mm、長さ140mmを切り出し電池外装体とした。
無延伸ポリプロピレンフィルム(東洋紡株式会社製CT P1146、膜厚50μm)の表面処理をした面と、実施例16と同様にして作製した積層体のアルミニウムが露出している面とを接するように重ね、真空ヒートプレス機(型番:MKP-1000HVWH-S7/ミカドテクノス株式会社製)を用いて、プレス温度180℃、予熱時間30秒、加圧力1.5MPa、加圧時間300秒で熱プレスすることで接着させ、ポリプロピレンフィルム/アルミニウム箔/FEPフィルムの3層からなる積層体を作製した。この積層体から幅125mm、長さ140mmを切り出し電池外装体とした。
アルミニウム箔8079材(東洋アルミニウム株式会社製、膜厚40μm)、実施例4でアニール処理したフィルム(サンプル2:180)、120℃で12時間乾燥させたポリイミドフィルム(東レ・デュポン株式会社製100H、膜厚25μm)、実施例4でアニール処理したフィルム(サンプル2:180)をこの順に重ね、真空ヒートプレス機(型番:MKP-1000HVWH-S7/ミカドテクノス株式会社製)を用いて、プレス温度275℃、予熱時間180秒、加圧力1.5MPa、加圧時間420秒で熱プレスすることで接着させ積層体を作製した。この積層体から幅125mm、長さ140mmを切り出し電池外装体とした。
[電解液の調製]
高誘電率溶媒であるエチレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネートおよび低粘度溶媒であるジメチルカーボネートを、体積比20/10/70になるように混合し、これにLiPF6を1.2モル/リットルの濃度となるように添加して、非水電解液を得た。
正極活物質としてのLiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NMC)95質量%と、導電材としてのアセチレンブラック2質量%と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)3質量%とを、N-メチルピロリドン溶媒中で混合して、スラリー化した。厚さ15μmのアルミ箔集電体上に、得られたスラリーを、厚さ15μmのアルミ箔の片面に塗布して、乾燥し、プレス機にてロールプレスしたものを、活物質層のサイズとして幅50mm、長さ30mm、及び幅5mm、長さ9mmの未塗工部を有する形状に切り出して正極とした。
炭素質材料(グラファイト)98質量部に、増粘剤及びバインダーとして、カルボキシメチルセルロースナトリウムの水性ディスパージョン(カルボキシメチルセルロースナトリウムの濃度1質量%)1質量部及びスチレン-ブタジエンゴムの水性ディスパージョン(スチレン-ブタジエンゴムの濃度50質量%)1質量部を加え、ディスパーザーで混合してスラリー化した。得られたスラリーを厚さ10μmの銅箔に塗布して乾燥し、プレス機で圧延したものを、活物質層のサイズとして幅52mm、長さ32mm、及び幅5mm、長さ9mmの未塗工部を有する形状に切り出して負極とした。
[アルミラミネートセルの作製]
実施例16で得られた電池外装体を、フッ素樹脂フィルム層を内側にして長さ方向に半分に折り、その内部に厚さ20μmの微孔性ポリエチレンフィルム(セパレータ、幅45mm、長さ77mm)を介して上記正極と負極を対向させるように配置し、1辺を残し封止した。ここに上記で得られた非水電解液を注入し、上記非水電解液がセパレータ等に充分に浸透した後、封止し予備充電、エージングを行い、リチウムイオン二次電池を作製した。
Claims (13)
- フッ素樹脂を含む組成物からなる電池外装体用フッ素樹脂フィルムであって、
当該フィルムを180℃×3分間熱処理した後にその片面又は両面の表面状態を走査型X線光電子分光分析装置(XPS/ESCA)によって測定した際の酸素元素比率が1.35atomic%以上であり、
当該フィルムを180℃×10分間の熱処理後に25℃まで冷却し測定した際、熱処理前後のMDおよびTDの寸法変化率の絶対値が2%以下であることを特徴とする
電池外装体用フッ素樹脂フィルム。 - 上記酸素元素比率は、1.5atomic%以上である請求項1記載の電池外装体用フッ素樹脂フィルム。
- テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニルエーテル(PFA)又はテトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン(FEP)を含む請求項1又は2に記載の電池外装体用フッ素樹脂フィルム。
- 請求項1又は2のいずれかに記載の電池外装体用フッ素樹脂フィルムであって、
片面又は両面の表面状態を走査型X線光電子分光分析装置(XPS/ESCA)によって測定した際の酸素元素比率と、当該フィルムをアルゴンガスクラスターイオンビームによって、入射角45°で深さ方向に15分間エッチングしたあと、走査型X線光電子分光分析装置(XPS/ESCA)によって測定した際の酸素元素比率の差が1.0atomic%以上の電池外装体用フッ素樹脂フィルム。 - 請求項1又は2のいずれかに記載の電池外装体用フッ素樹脂フィルムであって、片面のみまたは両面において、フィルムの同一面内同士を200℃で貼り合わせたときの接着強度が30N/mより大きい電池外装体用フッ素樹脂フィルム。
- 電解液透過性が、50g/m2・day以下である請求項1又は2に記載の電池外装体用フッ素樹脂フィルム。
- 請求項1又は2のいずれかに記載のフッ素樹脂フィルムと金属層とを備えることを特徴とする電池外装体。
- 更に、上記金属層およびフッ素樹脂フィルム以外の層を有し、
当該金属層およびフッ素樹脂フィルム以外の層は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、液晶ポリマー、ポリフェニレンスルファイド、シクロオレフィンポリマー、ポリスチレン、エポキシ樹脂、ビスマレイミド、ポリフェニレンオキサイド、ポリフェニレンエーテル、及び、ポリブタジエンからなる群から選択される少なくとも1種である請求項7に記載の電池外装体。 - 上記フッ素樹脂フィルムが、厚み方向の少なくとも一方の面に設けられており、電池としたとき電解液と接する位置に存在するようにすることを特徴とする請求項7に記載の電池外装体。
- 上記金属層がアルミニウムである請求項7に記載の電池外装体。
- 上記アルミニウムと、フッ素樹脂フィルムとの接着強度が500N/m以上である請求項10に記載の電池外装体。
- 請求項7記載の電池外装体及び電解液を有する二次電池。
- 上記電池外装体のフッ素樹脂フィルムが、電解液と接する位置に存在する請求項12に記載の二次電池。
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