JP7620113B2 - 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
[1]
ポリプロピレンを70質量%以上含む微多孔層(A)と、ポリプロピレンを70質量%以上含む微多孔層(B)とを有する基材を有し、
上記微多孔層(B)が有する孔のND-MD断面における面積平均長孔径が、上記微多孔層(A)が有する孔のND-MD断面における面積平均長孔径の0.95倍以下である、蓄電デバイス用セパレータ。
[2]
上記微多孔層(B)が有する孔のND-MD断面における面積平均長孔径が、上記微多孔層(A)が有する孔のND-MD断面における面積平均長孔径の0.30倍以上0.90倍以下である、項目1に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[3]
上記基材は、端部を拘束した状態で、大気下、140℃で30分加熱したときの透気度変化率が100%以下である、項目1又は2に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[4]
上記微多孔層(A)が有する孔のND-MD断面における面積平均長孔径は、100nm以上600nm以下である、項目1~3のいずれか一項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[5]
上記微多孔層(A)が上記基材の両面の最外層を構成する、項目1~4のいずれか一項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[6]
上記基材が、ポリオレフィンを50質量%以上含む微多孔層(C)をさらに有する、項目1~5のいずれか一項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[7]
上記微多孔層(C)が有する孔のND-MD断面における面積平均長孔径が、上記微多孔層(B)が有する孔のND-MD断面における面積平均長孔径の0.20倍以上0.90倍以下である、項目6に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[8]
上記基材が、微多孔層(A)と微多孔層(B)と微多孔層(C)とがこの順に積層された構造を含む、項目6又は7に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[9]
上記基材が、微多孔層(A)と微多孔層(B)と微多孔層(A)がこの順に積層された構造を含む、項目1~8のいずれか一項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[10]
上記基材の微多孔層(A)側の表面を第一の多孔質表面(X)、上記第一の多孔質表面(X)とは反対側の表面を第二の多孔質表面(Y)として、上記第一の多孔質表面(X)が有する孔の面積平均長孔径(SX)は、上記第二の多孔質表面(Y)が有する孔の面積平均長孔径(SY)の1.05倍以上10倍以下である、項目1~8のいずれか一項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[11]
上記平均長孔径(SX)が、80nm以上600nm以下である、項目10に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[12]
上記基材は、150℃で1時間加熱した後の幅方向の熱収縮率が、-1.0%以上3.0%以下である、項目1~11のいずれか一項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[13]
正極、負極、及び項目1~12のいずれか一項に記載の蓄電デバイス用セパレータを備える、蓄電デバイス。
[14]
上記微多孔層(A)が負極側に対向して配置される、項目13に記載の蓄電デバイス。
[15]
上記正極は、正極活物質としてリン酸鉄リチウムを含む、項目13又は14に記載の蓄電デバイス。
[16]
ポリオレフィンを70重量%以上含み、第一の多孔質表面(X)と、上記第一の多孔質表面(X)とは反対側の第二の多孔質表面(Y)と、を有する基材を含み、
上記第一の多孔質表面(X)が有する孔の面積平均長孔径(SX)は、上記第二の多孔質表面(Y)が有する孔の面積平均長孔径(SY)の1.05倍以上10倍以下である、蓄電デバイス用セパレータ。
[17]
上記平均長孔径(SX)が、80nm以上600nm以下である、項目16に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[18]
上記ポリオレフィンが、ポリプロピレンである、項目16又は17に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[19]
上記基材は、150℃で1時間加熱後の幅方向の熱収縮率が、-1.0%以上3.0%以下である、項目16~18のいずれか一項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[20]
正極、負極、及び項目16~19のいずれか一項に記載の蓄電デバイス用セパレータを備える、蓄電デバイス。
[21]
上記第一の多孔質表面(X)が負極側に対向して配置される、項目20に記載の蓄電デバイス。
[22]
上記正極は、正極活物質としてリン酸鉄リチウムを含む、項目20又は21に記載の蓄電デバイス。
[23]
ポリプロピレンを70質量%以上含む微多孔層(A)と、ポリプロピレンを70質量%以上含む微多孔層(B)とを有する基材を有し、
上記微多孔層(B)が有する孔のND-MD断面における面積平均長孔径が、上記微多孔層(A)が有する孔のND-MD断面における面積平均長孔径の0.95倍以下である、微多孔膜。
本開示の蓄電デバイス用セパレータは、ポリオレフィンを70質量%以上含む微多孔層を有する基材を有する。ポリオレフィンとしては、好ましくはポリプロピレンである。基材は、ポリプロピレンを70質量%以上含む単一の(一層の)微多孔層から構成されてもよく、あるいは、ポリプロピレンを70質量%以上含む微多孔層(A)と、ポリプロピレンを70質量%以上含む微多孔層(B)とを有してもよい。基材は、片面又は両面に、更に塗工層(「表面層」、「被覆層」などとも呼ばれる。以下、単に「塗工層」という。)を有してもよい。本願明細書において、「微多孔層」とは、セパレータの基材を構成する微多孔質の各層を意味し、「基材」とは、任意の塗工層を除くセパレータの基材を意味し、「セパレータ」とは、任意の塗工層も含めたセパレータ全体を意味する。基材は、ポリエチレンを50質量%以上含む層を有しないことが好ましい。
本開示の蓄電デバイス用セパレータは、ポリプロピレンを70質量%以上含む微多孔層(A)を有することが好ましい。蓄電デバイス用セパレータは、微多孔層(A)を一層のみ有していても、二層以上有していてもよい。微多孔層(A)のうち少なくとも一層は、基材の少なくとも片面の最外層を構成する。蓄電デバイス用セパレータが微多孔層(A)を二層以上有する場合、微多孔層(A)は、基材の両面の最外層を構成してもよい。微多孔層(A)はポリプロピレンを70質量%以上含み、これによって、高温(140℃)保存後も良好な電池性能を維持することができる。微多孔層(A)中のポリプロピレンの含有量の下限は、セパレータの濡れ性、薄膜化、及びシャットダウン特性等の観点から、70質量%以上であり、好ましくは75質量%以上、80質量%以上、85質量%以上、又は90質量%以上である。これらの下限と組み合わせることができる微多孔層(A)中のポリプロピレンの含有量の上限は、限定されないが、例えば、80質量%以下、90質量%以下、95質量%以下、98質量%以下、又は99質量%以下であってよく、100質量%であってもよい。
微多孔層(A)は、ポリプロピレンを70質量%以上含む。微多孔層(A)のポリプロピレンは、後述する微多孔層(B)及び微多孔層(C)のポリプロピレンと同一の材料であってもよく、化学構造的に異なるポリプロピレン、より具体的には、モノマー組成、立体規則性、分子量、及び結晶構造等の少なくとも一つが異なるポリプロピレンであってもよい。
微多孔層(A)のメルトフローレート(MFR)(単層のMFR)の上限値は、より高強度の微多孔層(A)を得る観点から、4.0g/10分以下が好ましく、例えば3.0g/10分以下、2.0g/10分以下、1.5g/10分以下、又は1.1g/10分以下であってよい。これらの上限と組み合わせることができる微多孔層(A)のMFR(単層のMFR)の下限値は、微多孔層(A)の成形性等の観点から、限定されないが、例えば0.3g/10分以上、0.35g/10分以上、0.4g/10分以上、0.45g/10分以上、又は0.5g/10分以上であってよい。微多孔層(A)のMFRは、荷重2.16kg、及び温度230℃の条件下で測定する。
微多孔層(A)のポリプロピレンのペンタッド分率の下限値は、低透気度の微多孔層を得る観点から、好ましくは94.0%以上、例えば、95.0%以上、96.0%以上、96.5%以上、97.0%以上、97.5%以上、98.0%以上、98.5%以上、又は99.0%以上であってよい。これらの下限と組み合わせることができるポリプロピレンのペンタッド分率の上限値は、限定されないが、99.9%以下、99.8%以下、又は99.5%以下であってよい。ポリプロピレンのペンタッド分率は、13C-NMR(核磁気共鳴法)で測定する。
微多孔層(A)が有する孔のND-MD断面における面積平均長孔径(以下、単に「面積平均長孔径」ともいう。)は、微多孔層(B)の面積平均長孔径より大きいことが好ましい。微多孔層(B)の面積平均長孔径は、微多孔層(A)の面積平均長孔径の0.99倍以下であることが好ましい。本願明細書において、「ND」とは、微多孔層の厚み方向を示し、「MD」とは、微多孔層の成膜方向を示す。例えば、微多孔層を有するセパレータのMDは、ロールであれば長手方向である。「長孔径」とは、MDの孔径を意味する。また、微多孔層(A)及び/又は微多孔層(B)が二層以上ある場合は、各層の平均の面積平均長孔径値に基づいて、微多孔層(A)と微多孔層(B)の面積平均長孔径を比較する。
微多孔層(A)の気孔率は、蓄電デバイス中での目詰まり回避の観点、およびセパレータの良好な透気度を得る観点から、20%以上が好ましく、セパレータの強度保持の観点から70%以下であることが好ましい。微多孔層(A)の気孔率は、より好ましくは、25%以上、65%以下、さらに好ましくは、30%以上、60%以下、特に好ましくは、35%以上、55%以下である。
微多孔層(A)の厚みは、蓄電デバイスの高エネルギー密度化等の観点から、好ましくは10μm以下、例えば8μm以下、7μm以下、6μm以下、5μm以下、4.5μm以下、又は4μm以下であってよい。これらの上限と組み合わせることができる微多孔層(A)の厚みの下限値は、強度等の観点から、好ましくは1μm以上、例えば2μm以上、3μm以上、又は3.5μm以上であってよい。
ポリプロピレンを70質量%以上含む微多孔層(A)は、ポリプロピレン以外に、エラストマー、結晶核剤、酸化防止剤、フィラーなどの添加剤を必要に応じて更に含有してもよい。添加剤の量は、特に限定されないが、微多孔層(A)の合計質量を基準として、例えば、0.01質量%以上、0.1質量%以上又は1質量%以上であり、これらの下限と組み合わせることができる添加剤の量の上限は、20質量%以下、10質量%以下又は7質量%以下であってよい。
本開示の蓄電デバイス用セパレータは、微多孔層(B)を有する。蓄電デバイス用セパレータは、微多孔層(B)を一層のみ有していても、二層以上有していてもよい。微多孔層(B)もまたポリプロピレンを70質量%以上含み、これによって、高温(140℃)保存後も良好な電池性能を維持することができる。微多孔層(B)中のポリプロピレンの含有量の下限は、セパレータの濡れ性、薄膜化、及びシャットダウン特性等の観点から、好ましくは75質量%以上、80質量%以上、85質量%以上、90質量%以上、又は95質量%以上であってもよい。これらの下限と組み合わせることができる微多孔層(B)中のポリプロピレンの含有量の上限は、限定されないが、例えば80質量%以下、90質量%以下、95質量%以下、98質量%以下、又は99質量%以下であってよく、100質量%であってもよい。
微多孔層(B)は、ポリプロピレンを70質量%以上含む。微多孔層(B)のポリプロピレンは、微多孔層(A)及び後述する微多孔層(C)のポリプロピレンと同一の材料であってもよく、化学構造的に異なるポリプロピレン、より具体的には、モノマー組成、立体規則性、分子量、及び結晶構造等の少なくとも一つが異なるポリプロピレンであってもよい。
微多孔層(B)のメルトフローレート(MFR)(単層のMFR)の上限値は、より高強度の微多孔層(B)を得る観点から、1.5g/10分以下が好ましく、例えば1.4g/10分以下、1.3g/10分以下、1.2g/10分以下、又は1.1g/10分以下であってよい。これらの上限と組み合わせることができる微多孔層(B)のMFR(単層のMFR)の下限値は、微多孔層(B)の成形性等の観点から、限定されないが、例えば0.2g/10分以上、0.25g/10分以上、0.3g/10分以上、0.35g/10分以上、又は0.4g/10分以上であってよい。微多孔層(B)のMFRは、荷重2.16kg、及び温度230℃の条件下で測定する。
微多孔層(B)のポリプロピレンのペンタッド分率の下限値は、低透気度の微多孔層を得る観点から、好ましくは94.0%以上、例えば、95.0%以上、96.0%以上、96.5%以上、97.0%以上、97.5%以上、98.0%以上、98.5%以上、又は99.0%以上であってよい。これらの下限と組み合わせることができるポリプロピレンのペンタッド分率の上限値は、限定されないが、99.9%以下、99.8%以下、又は99.5%以下であってよい。ポリプロピレンのペンタッド分率は、13C-NMR(核磁気共鳴法)で測定する。
微多孔層(B)が有する孔のND-MD断面における面積平均長孔径(以下、単に「面積平均長孔径」ともいう。)は、微多孔層(A)の面積平均長孔径よりも小さい。微多孔層(A)の面積平均長孔径との関係について詳細は、〈微多孔層(A)の面積平均長孔径〉の欄を参照されたい。
微多孔層(B)の気孔率は、蓄電デバイス中での目詰まり回避の観点、およびセパレータの良好な透気度を得る観点から、20%以上が好ましく、セパレータの強度保持の観点から70%以下であることが好ましい。微多孔層(B)の気孔率は、より好ましくは、25%以上、65%以下、さらに好ましくは、30%以上、60%以下、特に好ましくは、35%以上、55%以下である。
本開示に係る微多孔層(B)の厚みは、蓄電デバイスの高エネルギー密度化等の観点から、好ましくは10μm以下、例えば8μm以下、7μm以下、6μm以下、5μm以下、4.5μm以下、又は4μm以下であってよい。これらの上限と組み合わせることができる微多孔層(B)の厚みの下限値は、強度等の観点から、好ましくは1μm以上、例えば2μm以上、3μm以上、又は3.5μm以上であってよい。
ポリプロピレンを70質量%以上含む微多孔層(B)は、ポリプロピレン以外に、エラストマー、結晶核剤、酸化防止剤、フィラーなどの添加剤を必要に応じて更に含有してもよい。添加剤の量は、特に限定されないが、微多孔層(B)の合計質量を基準として、例えば、0.01質量%以上、0.1質量%以上又は1質量%以上であり、これらの下限と組み合わせることができる添加剤の量の上限は、10質量%以下、7質量%以下又は5質量%以下であってよい。
本開示の蓄電デバイス用セパレータは、微多孔層(A)及び微多孔層(B)に加えて、ポリオレフィンを50質量%以上含む微多孔層(C)を更に有してもよい。この場合、蓄電デバイス用セパレータは、微多孔層(C)を一層のみ有していても、二層以上有していてもよい。微多孔層(C)は、ポリプロピレンを50質量%以上含むことが好ましい。これによって、高温(140℃)保存後も良好な電池性能を維持することができる。微多孔層(C)中のポリプロピレンの含有量の下限は、セパレータの濡れ性、薄膜化、及びシャットダウン特性等の観点から、好ましくは55質量%以上、60質量%以上、70質量%以上、80質量%以上、90質量%以上、又は95質量%以上であってもよい。これらの下限と組み合わせることができる微多孔層(C)中のポリプロピレンの含有量の上限は、限定されないが、例えば60質量%以下、70質量%以下、80質量%以下、90質量%以下、95質量%以下、98質量%以下、又は99質量%以下であってよく、100質量%であってもよい。
微多孔層(C)のポリプロピレンは、微多孔層(A)及び微多孔層(B)のポリプロピレンと同一の材料であってもよく、化学構造的に異なるポリプロピレン、より具体的には、モノマー組成、立体規則性、分子量、及び結晶構造等の少なくとも一つが異なるポリプロピレンであってもよい。
微多孔層(C)のメルトフローレート(MFR)(単層のMFR)の上限値は、より高強度の微多孔層(C)を得る観点から、1.5g/10分以下が好ましく、例えば1.4g/10分以下、1.3g/10分以下、1.2g/10分以下、又は1.1g/10分以下であってよい。これらの上限と組み合わせることができる微多孔層(C)のMFR(単層のMFR)の下限値は、微多孔層(C)の成形性等の観点から、限定されないが、例えば0.2g/10分以上、0.25g/10分以上、0.3g/10分以上、0.35g/10分以上、又は0.4g/10分以上であってよい。微多孔層(C)のMFRは、荷重2.16kg、及び温度230℃の条件下で測定する。
微多孔層(C)のポリプロピレンのペンタッド分率の下限値は、低透気度の微多孔層を得る観点から、好ましくは94.0%以上、例えば、95.0%以上、96.0%以上、96.5%以上、97.0%以上、97.5%以上、98.0%以上、98.5%以上、又は99.0%以上であってよい。これらの下限と組み合わせることができるポリプロピレンのペンタッド分率の上限値は、限定されないが、99.9%以下、99.8%以下、又は99.5%以下であってよい。ポリプロピレンのペンタッド分率は、13C-NMR(核磁気共鳴法)で測定する。
微多孔層(C)が有する孔のND-MD断面における面積平均長孔径(以下、単に「面積平均長孔径」ともいう。)は、微多孔層(B)の面積平均長孔径よりも小さいことが好ましい。具体的には、微多孔層(C)の面積平均長孔径は、微多孔層(B)の面積平均長孔径の、好ましくは0.20倍以上0.90倍以下、より好ましくは0.50倍以上0.90倍以下である。これによって、より効果的にセパレータの目詰まりを低減し、かつ短絡を抑制することができる。なお、微多孔層(C)及び/又は微多孔層(B)が二層以上ある場合は、各層の平均の面積平均長孔径値に基づいて、微多孔層(C)と微多孔層(B)の面積平均長孔径を比較する。
微多孔層(C)の気孔率は、蓄電デバイス中での目詰まり回避の観点、およびセパレータの良好な透気度を得る観点から、20%以上が好ましく、セパレータの強度保持の観点から70%以下であることが好ましい。微多孔層(C)の気孔率は、より好ましくは、25%以上、65%以下、さらに好ましくは、30%以上、60%以下、特に好ましくは、35%以上、55%以下である。
本開示に係る微多孔層(C)の厚みは、蓄電デバイスの高エネルギー密度化等の観点から、好ましくは10μm以下、例えば8μm以下、7μm以下、6μm以下、5μm以下、4.5μm以下、又は4μm以下であってよい。これらの上限と組み合わせることができる微多孔層(C)の厚みの下限値は、強度等の観点から、好ましくは1μm以上、例えば2μm以上、3μm以上、又は3.5μm以上であってよい。
微多孔層(C)は、ポリプロピレン以外に、エラストマー、結晶核剤、酸化防止剤、フィラーなどの添加剤を必要に応じて更に含有してもよい。添加剤の量は、特に限定されないが、微多孔層(C)の合計質量を基準として、例えば、0.01質量%以上、0.1質量%以上又は1質量%以上であり、これらの下限と組み合わせることができる添加剤の量の上限は、10質量%以下、7質量%以下又は5質量%以下であってよい。
基材は、ポリオレフィンを主成分とし、第一の多孔質表面(X)と、第一の多孔質表面(X)とは反対側の第二の多孔質表面(Y)とを有することが好ましい。第一の多孔質表面(X)が有する孔の面積平均長孔径(SX)は、第二の多孔質表面(Y)が有する孔の面積平均長孔径(SY)の、好ましくは1.05倍以上10倍以下、より好ましくは1.1倍以上5倍以下、更に好ましくは1.2倍以上3倍以下である。表面(X)及び表面(Y)は、単一の(一層の)微多孔層から構成されてもよく、あるいは、表面(X)が、二層以上の積層された微多孔層のうち一つの微多孔層から構成され、表面(Y)が、当該積層された微多孔層のうち他の一つの微多孔層から構成されてもよい。基材が、微多孔層(A)と微多孔層(B)とを少なくとも一層ずつ有する積層構造である場合、微多孔層(A)側の表面が、上記第一の多孔質表面(X)に対応し、微多孔層(A)とは反対側の微多孔膜の表面が、第二の多孔質表面(Y)に対応する。
蓄電デバイス用セパレータの基材(本願明細書において、単に「基材」ともいう。)は、単一の(一層の)微多孔層から構成され、又は、微多孔層(A)と微多孔層(B)とを少なくとも一層ずつ有する。基材は、微多孔層(A)および/または、微多孔層(B)を2層以上有する3層以上の多層構造であってもよい。例えば、微多孔層(A)/微多孔層(B)の二層構造、微多孔層(A)/微多孔層(B)/微多孔層(A)の三層構造等が挙げられる。また、基材は、微多孔層(A)及び微多孔層(B)以外の層を有していてもよい。例えば、微多孔層(A)及び微多孔層(B)以外の層としては、例えば、上述の微多孔層(C)、無機物を含む層、及び耐熱樹脂を含む層等を挙げることができる。例えば、基材は、微多孔層(A)/微多孔層(B)/微多孔層(C)/微多孔層(A)など、4層以上の多層構造であってもよい。製造のしやすさ、セパレータのカール抑制等の観点から、対称的な積層構造が好ましい。
基材の厚みの上限値は、蓄電デバイスの高エネルギー密度化等の観点から、好ましくは25μm以下であり、例えば22μm以下、20μm以下、18μm以下、16μm以下、14μm以下、又は12μm以下であってよい。これらの上限と組み合わせることができる基材の厚みの下限値は、強度等の観点から、好ましくは6μm以上であり、例えば7μm以上、8μm以上、9μm以上、10μm以上であってよい。
基材の透気度の上限値は、基材の厚みを16μmに換算した場合に、好ましくは290秒/100cm3以下であり、例えば280秒/100cm3以下、270秒/100cm3以下、260秒/100cm3以下、又は250秒/100cm3以下であってよい。これらの上限と組み合わせることができる基材の透気度の下限値は、限定されないが、基材の厚みを16μmに換算した場合に、例えば50秒/100cm3以上、60秒/100cm3以上、又は70秒/100cm3以上であってよい。
本開示の基材は、端部を拘束した状態で、大気下、140℃で30分間加熱した後(以下、単に「高温処理後」ともいう。)の透気度変化率が100%以下であることが好ましい。透気度変化率は、下式:
透気度変化率(%)={加熱後の透気度(秒/100cm3)-加熱前の透気度(秒/100cm3)}÷加熱前の透気度(秒/100cm3)×100
によって求められる。なお、「端部を拘束した状態」とは、蓄電デバイス製造時にセパレータが固定されていることを想定して、基材の端部を固定した状態で熱処理することを意味する。
基材の気孔率は、蓄電デバイス中での目詰まり回避の観点、およびセパレータの良好な透気度を得る観点から、20%以上が好ましく、セパレータの強度保持の観点から70%以下であることが好ましい。基材の気孔率は、より好ましくは、25%以上、65%以下、さらに好ましくは、30%以上、60%以下、特に好ましくは、35%以上、55%以下である。
基材の突刺強度の下限値は、基材の厚みを16μmに換算した場合に、好ましくは230gf以上、240gf以上、250gf以上、260gf以上、280gf以上、300gf以上、又は320gf以上である。これらの下限と組み合わせることができる基材の突刺強度の上限値は、限定されないが、基材の厚みを16μmに換算した場合に、好ましくは550gf以下、例えば500gf以下、又は480gf以下であってよい。
基材は、150℃で1時間熱処理した後の幅方向(TD)の熱収縮率が、-1.0%以上3.0%以下であることが好ましい。すなわち、基材は、高温においても、幅方向の熱収縮が非常に小さいことを意味する。当該熱収縮率が3.0%以下であることで、高温での短絡を効果的に抑制できる。当該熱収縮率が-1.0%以上である理由は、熱収縮率の測定時、基材が幅方向に少し膨らんで、熱収縮率が0%より小さくマイナスの値になることがあるからである。当該熱収縮率は、0%以上、又は0%より大きくてもよい。当該熱収縮率が-1.0%以上3.0%以下である基材を製造する方法としては、例えば、一軸延伸の乾式法で製造する方法が挙げられる。湿式セパレータでは、一般的に、幅方向の熱収縮が非常に大きくなるのに対して、一軸延伸の乾式セパレータでは、当該熱収縮率が-1.0%以上3.0%以下である基材を得られやすい。
蓄電デバイス用セパレータの製造方法は、ポリプロピレンを主成分とする樹脂組成物(以下、「ポリプロピレン系樹脂組成物」ともいう。)を溶融押出して樹脂フィルムを得る溶融押出工程、及び得られた樹脂フィルムを開孔して多孔化する孔形成工程を含む。微多孔層の製造方法は、孔形成工程に溶剤を使用しない乾式法と、溶剤を使用する湿式法とに大別される。
(i)微多孔層(A)と微多孔層(B)を共押出成膜し、アニール、冷延伸、熱延伸、熱緩和工程に供する、共押出成膜による基材の製造方法;及び
(ii)微多孔層(A)と微多孔層(B)をそれぞれ別々に押出成膜し、ラミネートにより貼り合わせて、その後、アニール、冷延伸、熱延伸、熱緩和工程に供する、ラミネートによる基材の製造方法。
(i)微多孔層(A)と微多孔層(B)と微多孔層(C)を共押出成膜し、アニール、冷延伸、熱延伸、熱緩和工程に供する、共押出成膜による基材の製造方法;
(ii)微多孔層(A)と微多孔層(B)と微多孔層(C)の少なくとも一つを別々に押出成膜し、ラミネートにより貼り合わせて、その後、アニール、冷延伸、熱延伸、熱緩和工程に供する、ラミネートによる基材の製造方法。
本開示の蓄電デバイスは、本開示の蓄電デバイス用セパレータを備える。本開示の蓄電デバイスは正極と負極とを有し、蓄電デバイス用セパレータは、正極と負極との間に積層されることが好ましい。基材の最外層を構成する微多孔層(A)は、負極側に対向して配置されることが好ましい。蓄電デバイス中でのセパレータの目詰まりは、負極表面での堆積物に起因することがほとんどであるため、比較的大孔径である微多孔層(A)を負極側に対向させることにより、セパレータの目詰まりを効果的に低減することができる。基材の表面(X)は、負極側に対向して配置されることが好ましい。蓄電デバイス中でのセパレータの目詰まりは、負極表面での堆積物に起因することがほとんどであるため、比較的大孔径である表面(X)を負極側に対向させることにより、セパレータの目詰まりを効果的に低減することができる。
[メルトフローレート(MFR)の測定]
微多孔層のメルトフローレート(MFR)は、JIS K 7210に準拠し、温度230℃及び荷重2.16kgの条件下で測定した(単位はg/10分である)。ポリプロピレンのMFRは、JIS K 7210に準拠し、温度230℃及び荷重2.16kgの条件下で測定した。ただし、ポリエチレンのメルトフローレート(MFR)および、ポリエチレンを50質量%以上含有する微多孔層のメルトフローレート(MFR)は、JIS K 7210に準拠し、温度190℃及び荷重2.16kgの条件下で測定した。
アジレント PL-GPC220を用い、標準ポリスチレンを以下の条件で測定して較正曲線を作成した。試料のポリマーについても同様の条件でクロマトグラフを測定し、較正曲線に基づいて、下記条件によりポリマーのポリスチレン換算の重量平均分子量(Mw)、数平均分子量(Mn)、及び重量平均分子量(Mw)を数平均分子量(Mn)で除した値(Mw/Mn)を算出した。
カラム :TSKgel GMHHR-H(20) HT(7.8mmI.D.×30 cm)2本
移動相 :1,2,4-トリクロロベンゼン
検出器 :RI
カラム温度:160℃
試料濃度 :1mg/ml
較正曲線 :ポリスチレン
東洋精機製作所製キャピログラフを用いて、以下の条件で微多孔膜の溶融張力(mN)を測定した。
・キャピラリー:直径1.0mm、長さ20mm
・シリンダー押出速度:2mm/分
・引き取り速度:60m/分
・温度:230℃
ポリプロピレンのペンタッド分率は、高分子分析ハンドブック(日本分析化学会編集)の記載に基づいて帰属した13C-NMRスペクトルから、ピーク高さ法によって算出した。13C-NMRスペクトルの測定は、JEOL-ECZ500を使用して、ポリプロピレンペレットをo-ジクロロベンゼン-dに溶解させ、測定温度145℃、積算回数25000回の条件で行った。
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、基材の厚み(μm)を測定した。各微多孔層の厚みは、後述する面積平均長孔径の評価方法で取得した断面SEMによる画像データから算出した。
10cm×10cm角の寸法を有する試料をセパレータ又は微多孔層から切り取り、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に準拠したガーレー式透気度計を用いて、基材の透気抵抗度(秒/100cm3)を測定し、厚みで除した後16をかけることにより、厚み16μm換算の透気度を算出した。
基材をMD/TDそれぞれ100mmの方形に切り出して得たサンプルを、方形の4辺の端部を金枠に固定して熱風乾燥機(ヤマト科学社製、DF1032)に投入し、常圧、大気中、140℃、30分間熱処理を行った。熱処理後に熱風乾燥機よりサンプルを取り出し、室温で10分間放冷し、基材を金枠から取り外し、その後、JIS P-8117に準拠したガーレー式透気度計を用いて、基材の透気抵抗度(秒/100cm3)を測定し、厚みで除した後16をかけることにより、高温処理後透気度(厚み16μm換算)を算出した。透気度変化率は、下式:
透気度変化率(%)={加熱後の透気度(秒/100cm3)-加熱前の透気度(秒/100cm3)}÷加熱前の透気度(秒/100cm3)×100
によって求めた。
基材をMD/TDそれぞれ50mmの方形に切り出して得たサンプルを、熱風乾燥機(ヤマト科学社製、DF1032)に投入し、常圧、大気中、150℃、1時間熱処理を行った。熱処理後に熱風乾燥機よりサンプルを取り出し、室温で10分間放冷し、その後、寸法収縮率を求めた。サンプルは、乾燥機の内壁等に付着しないように、かつサンプル同士が融着しないように、コピー紙等の上に乗せた。
熱収縮率(%):(加熱前の寸法(mm)-加熱後の寸法(mm))/(加熱前の寸法(mm))×100
(1)ND-MD断面における面積平均長孔径
ND-MD断面における面積平均長孔径は、断面SEM観察での画像解析により測定を行った。前処理として、セパレータにルテニウム染色を行い、凍結割断により、ND-MD断面試料を作製した。上記断面試料を導電性接着剤(カーボン系)により断面観察用SEM試料台に固定、乾燥した後、導電処理としてオスミウムコーター(HPC-30W、株式会社真空デバイス製)を用いて、印加電圧調整つまみ設定4.5、放電時間0.5秒の条件でオスミウムコーティングを実施し、検鏡試料とした。次に、走査型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ製 S-4800)を用い、微多孔膜ND-MD断面の任意の3点を加速電圧1kV、検出信号LA10、作動距離5mm、倍率5000倍の条件で観察した。
基材の表面における面積平均長孔径は、表面SEM観察での画像解析により測定を行った。基材の表面に任意の塗工層を有する場合、前処理として、アセトン中に3分間浸漬した後塗工層を手で剥離することにより塗工層を除去し、その後、水で洗浄後、室温で1晩乾燥させた。上記試料を導電性接着剤(カーボン系)により表面観察用SEM試料台に固定、乾燥した後、導電処理としてオスミウムコーター(HPC-30W、株式会社真空デバイス製)を用いて、印加電圧調整つまみ設定4.5、放電時間0.5秒の条件でオスミウムコーティングを実施し、検鏡試料とした。次に、走査型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ製 S-4800)を用い、微多孔膜表面の任意の3点を加速電圧1kV、検出信号LA10、作動距離5mm、倍率5000倍の条件で観察した。得られた画像からMD方向に20μm×ND方向に3μmの範囲を観察画像とした。観察画像を、画像処理ソフトImageJを使い、Otsu法を用いて2値化処理し、樹脂部と孔部を分け、孔部の平均長径を算出した。この際、撮影範囲と撮影範囲外に跨って存在している微小孔部、及び孔面積が0.001μm2以下の孔については、測定対象から除外した。平均径は、各孔の面積から、面積平均により算出した。
電解液として、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとを体積比1:2で混合したものに、リチウム塩としてのLiPF6を1mol/L含有させた電解液を用いた。
サイクル容量維持率の評価に記載の方法で、シート状リチウムイオン二次電池を5セル作製した。得られたシート状リチウムイオン二次電池を、25℃に設定した恒温槽(二葉科学社製、商品名:PLM-73S)に収容し、充放電装置(アスカ電子(株)製、商品名:ACD-01)に接続し、16時間静置した。次いで、その電池を、0.05Cの定電流で充電して、電圧が4.35Vに到達してから4.35Vの定電圧で2時間充電した後、0.2Cの定電流で3.0Vまで放電するという充放電サイクルを、3回繰り返すことによって、電池の初期充放電を行った。なお、1Cとは、電池の全容量を1時間で放電させる場合の電流値を示す。
電解液として、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとを体積比1:2で混合したものに、リチウム塩としてのLiPF6を1mol/L含有させた電解液を用いた。
[微多孔層の作製]
微多孔層(A)の樹脂として、高分子量のポリプロピレン樹脂(表1中「PP1」、MFR(230℃)=1.0g/10分、密度=0.91g/cm3)を95質量%と、エチレンーブテンのランダム共重合型のエラストマー(表1中「C2C4」)を5質量%とをドライブレンドで混合し、樹脂材料を得た。得られた樹脂材料を、2.5インチの押出機で溶融し、二種三層の共押出Tダイの両外層へとギアポンプを使って供給した。また、微多孔層(B)の樹脂として、高分子量のポリプロピレン樹脂(表1中「PP1」、MFR(230℃)=1.0g/10分、密度=0.91g/cm3)を2.5インチの押出機で溶融し、上記二種三層の共押出Tダイの内層へとギアポンプを使って供給した。Tダイの温度は220℃に設定し、溶融したポリマーをTダイから吐出後、吹込空気によって吐出樹脂を冷却しながら、ロールに巻き取ることで約17μm厚みのA/B/A層構造の前駆体シートを得た。ここで、TダイのTDのリップ幅は500mm、Tダイのリップ間距離(リップクリアランス)は、2.4mmに設定し、6kg/hの吐出量条件で吐出を行った。
表1~3に示すとおりに原料および延伸条件を変更したこと以外は実施例1と同じ方法に従って微多孔膜を得て、得られたセパレータを評価した。なお、表1~3中、「PP1」、「PP2」、「PP3」、「PP4」及び「PP5」は、表4に示すポリプロピレン樹脂である。表1~3中「SEPS」は、スチレン-エチレンプロピレン-スチレンのブロック共重合体を示す。また、表1~3中「PE」はポリエチレン(MFR(190℃)=0.4g/10分)を示す。
二種三層の共押出Tダイのかわりに、二種二層の共押出Tダイを設置し、表1に示す通りの原料で、実施例1と同様の条件で成膜を行い、約17μm厚みのA/B層構造の前駆体シートを得た。
二種三層の共押出Tダイのかわりに、三種三層の共押出Tダイを設置し、表1に示す通りの原料で、実施例1と同様の条件で成膜を行い、約17μm厚みのA/B/C層構造の前駆体シートを得た。
電解液として、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとを体積比1:2で混合したものに、リチウム塩としてのLiPF6を1mol/L含有させた電解液を用いた。
[微多孔層の作製]
微多孔層(A)の樹脂として、高分子量のポリプロピレン樹脂(表5中「PP1」、MFR(230℃)=1.0g/10分、密度=0.91g/cm3)を95重量%と、スチレン-エチレンプロピレン-スチレンのブロック共重合体(表5中「SEPS」)を5重量%とをドライブレンドで混合して、樹脂材料を得た。得られた樹脂材料を、2.5インチの押出機で溶融し、二種二層の共押出Tダイの片側外層へとギアポンプを使って供給した。また、微多孔層(B)の樹脂として、高分子量のポリプロピレン樹脂(表5中「PP2」、MFR(230℃)=0.5g/10分、密度=0.91g/cm3)を2.5インチの押出機で溶融し、当該二種二層の共押出Tダイのもう片側の外層へとギアポンプを使って供給した。Tダイの温度は220℃に設定し、溶融したポリマーをTダイから吐出後、吹込空気によって吐出樹脂を冷却しながら、ロールに巻き取ることで約17μm厚みのA/B層構造の前駆体シートを得た。ここで、TダイのTD方向のリップ幅は500mm、Tダイのリップ間距離(リップクリアランス)は、2.4mmに設定し、6kg/hの吐出量条件で吐出を行った。
表5に示すとおりに原料を変更したこと以外は、実施例18と同じ方法に従って微多孔膜を得て、得られたセパレータを評価した。表5中、「C2C4」はエチレンーブテンのランダム共重合型のエラストマーを示す。
二種二層の共押出Tダイのかわりに、三種三層の共押出Tダイを設置し、表5に示すとおりの原料で、実施例18と同様の条件で成膜を行い、約17μm厚みのA/C/B層構造の前駆体シートを得た。
二種二層の共押出Tダイのかわりに、二種三層の共押出Tダイを設置し、表5に示す通りの原料で、実施例18と同様の条件で成膜を行い、約17μm厚みのA/C/B層構造の前駆体シートを得た。なお、表5中「PE」は、ポリエチレン(MFR(230℃)=0.4g/10分)を示す。
Claims (23)
- ポリプロピレンを70質量%以上含む微多孔層(A)と、ポリプロピレンを70質量%以上含む微多孔層(B)とを有する基材を有し、
前記微多孔層(B)が有する孔のND-MD断面における面積平均長孔径が、前記微多孔層(A)が有する孔のND-MD断面における面積平均長孔径の0.95倍以下である、蓄電デバイス用セパレータ。 - 前記微多孔層(B)が有する孔のND-MD断面における面積平均長孔径が、前記微多孔層(A)が有する孔のND-MD断面における面積平均長孔径の0.30倍以上0.90倍以下である、請求項1に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 前記基材は、端部を拘束した状態で、大気下、140℃で30分加熱したときの透気度変化率が100%以下である、請求項1又は2に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 前記微多孔層(A)が有する孔のND-MD断面における面積平均長孔径は、100nm以上600nm以下である、請求項1~3のいずれか一項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 前記微多孔層(A)が前記基材の両面の最外層を構成する、請求項1~4のいずれか一項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 前記基材が、ポリオレフィンを50質量%以上含む微多孔層(C)をさらに有する、請求項1~5のいずれか一項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 前記微多孔層(C)が有する孔のND-MD断面における面積平均長孔径が、前記微多孔層(B)が有する孔のND-MD断面における面積平均長孔径の0.20倍以上0.90倍以下である、請求項6に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 前記基材が、微多孔層(A)と微多孔層(B)と微多孔層(C)とがこの順に積層された構造を含む、請求項6又は7に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 前記基材が、微多孔層(A)と微多孔層(B)と微多孔層(A)がこの順に積層された構造を含む、請求項1~8のいずれか一項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 前記基材の微多孔層(A)側の表面を第一の多孔質表面(X)、前記第一の多孔質表面(X)とは反対側の表面を第二の多孔質表面(Y)として、前記第一の多孔質表面(X)が有する孔の面積平均長孔径(SX)は、前記第二の多孔質表面(Y)が有する孔の面積平均長孔径(SY)の1.05倍以上10倍以下である、請求項1~8のいずれか一項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 前記平均長孔径(SX)が、80nm以上600nm以下である、請求項10に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 前記基材は、150℃で1時間加熱した後の幅方向の熱収縮率が、-1.0%以上3.0%以下である、請求項1~11のいずれか一項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 正極、負極、及び請求項1~12のいずれか一項に記載の蓄電デバイス用セパレータを備える、蓄電デバイス。
- 前記微多孔層(A)が負極側に対向して配置される、請求項13に記載の蓄電デバイス。
- 前記正極は、正極活物質としてリン酸鉄リチウムを含む、請求項13又は14に記載の蓄電デバイス。
- ポリオレフィンを70質量%以上含む微多孔層(A)と、ポリオレフィンを70質量%以上含む微多孔層(B)とを有する基材を有する、蓄電デバイス用セパレータであって、
前記微多孔層(B)が有する孔のND-MD断面における面積平均長孔径が、前記微多孔層(A)が有する孔のND-MD断面における面積平均長孔径の0.95倍以下であり、
前記微多孔層(A)の側の表面を第一の多孔質表面(X)、前記第一の多孔質表面(X)とは反対側の表面を第二の多孔質表面(Y)として、前記第一の多孔質表面(X)が有する孔の面積平均長孔径(SX)は、前記第二の多孔質表面(Y)が有する孔の面積平均長孔径(SY)の1.05倍以上10倍以下である、蓄電デバイス用セパレータ。 - 前記平均長孔径(SX)が、80nm以上600nm以下である、請求項16に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 前記ポリオレフィンが、ポリプロピレンである、請求項16又は17に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 前記基材は、150℃で1時間加熱後の幅方向の熱収縮率が、-1.0%以上3.0%以下である、請求項16~18のいずれか一項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
- 正極、負極、及び請求項16~19のいずれか一項に記載の蓄電デバイス用セパレータを備える、蓄電デバイス。
- 前記第一の多孔質表面(X)が負極側に対向して配置される、請求項20に記載の蓄電デバイス。
- 前記正極は、正極活物質としてリン酸鉄リチウムを含む、請求項20又は21に記載の蓄電デバイス。
- ポリプロピレンを70質量%以上含む微多孔層(A)と、ポリプロピレンを70質量%以上含む微多孔層(B)とを有する基材を有し、
前記微多孔層(B)が有する孔のND-MD断面における面積平均長孔径が、前記微多孔層(A)が有する孔のND-MD断面における面積平均長孔径の0.95倍以下である、微多孔膜。
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