JP7828388B2 - シロキサン分散架橋型セパレータ - Google Patents

シロキサン分散架橋型セパレータ

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Description

本発明は、非水系二次電池用セパレータ、及びその製造方法又はそれを含む非水系二次電池に関する。
微多孔膜は、種々の物質の分離又は選択透過分離膜、及び隔離材等として広く用いられており、その用途例としては、精密ろ過膜、燃料電池用、コンデンサー用セパレータ、又は機能材を孔の中に充填させて新たな機能を発現させるための機能膜の母材、電池用セパレータ等が挙げられる。中でも、ポリオレフィン製微多孔膜は、電気自動車、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話、デジタルカメラ等に広く使用されているリチウムイオン電池用セパレータとして好適に使用されている。
電池の安全性を確保するため、電池用セパレータには、シャットダウン機能の発動と破膜温度の向上の両立が求められている。
また、電池の安全性とサイクル特性を確保するため、電池用セパレータには機械強度の向上、シャットダウン機能の発動、破膜温度の向上などが求められている。電池用セパレータに機能性を付与するという観点から、微多孔膜への変性ポリオレフィンの含有、微多孔膜を構成する樹脂の結晶構造、微多孔膜への樹脂または無機含有スラリーの塗工などが検討されている。
例えば、リチウムイオン電池用セパレータとして使用可能なポリオレフィン微多孔膜に、無機粒子とポリオレフィン樹脂とを含有させることが提案されている(特許文献1)。
また、シラン架橋構造等の高次構造をポリオレフィン微多孔膜に導入して安全性を向上させるという観点から、電池内でシラン架橋反応が開始される電池用セパレータ(特許文献2)、又は中分子量ポリエチレンにシラン変性ポリエチレンをブレンドすることにより海島構造を有するポリオレフィン微多孔膜(特許文献3)が提案されている。
また、特許文献2には、ポリオレフィン製微多孔膜にシラン変性ポリオレフィン等を含有させて、ポリオレフィン製微多孔膜の少なくとも片面に、無機粒子および樹脂バインダを含む無機多孔質層を配置することも記述されている。
例えば、特許文献4に記載のシラン架橋性ポリオレフィン製セパレータの製造プロセスにおいて、シラン変性ポリオレフィンのエチレン由来の繰り返し単位、エチレン以外のオレフィン由来の繰り返し単位、及びエチレン以外のオレフィン由来の繰り返し単位の分岐鎖の炭素数が検討されている。
例えば、ポリオレフィン製微多孔膜にシラン変性ポリオレフィン等を含有させて、X線回折(XRD)において測定されたポリオレフィン製微多孔膜のポリエチレン結晶化度およびポリエチレン結晶子サイズ、並びに断面結晶配向度が検討されている(特許文献5)。また、ポリオレフィン製微多孔膜(特許文献6)および延伸ポリプロピレンフィルム(特許文献7)について小角X線散乱法(SAXS)により測定される結晶長周期も検討されている。
特許文献8には、延伸ポリエチレンフィルムの膜厚と、膜厚方向からX線照射したときの(110)面の回折ピークの面積I(110)と(200)面の回折ピークの面積I(200)とで示される面積比率R=I(110)/(I(110)+I(200))とが検討されており、そして延伸ポリエチレンフィルムにアラミド樹脂等を塗工することが記述されている。
なお、非特許文献1には、例えば、四配位型アリルシランの五配位型アリルシリケートへの合成スキーム等が検討されている。非特許文献1には、低分子量の有機Si化合物が、フッ化アルカリ金属存在下で、高次配位錯体を形成して、Siがルイス酸的な性質を示すだけでなく、酸素との高い親和性から、酸素化合物の非共有電子対が配位する構造を取ることもでき、それにより、高次配位錯体のβ位からの電子付加反応が、立体規則性の影響による熱力学的に安定化のために、促進されることが記述されている。
非特許文献2には、Si含有負極活物質を用いる電池において、リチウムイオンがSi含有粒子へ充電、放電されるとともに、Si含有負極活物質が大きく体積膨張又は収縮することが記述されている。
国際公開第2008/035674号 国際公開第2020/075866号 国際公開第2020/040389号 韓国公開特許第10-2020-0078407号公報 国際公開第2020/067161号 国際公開第2014/175252号 国際公開第2015/012324号 特許第6012839号公報
「特集シリコーンポリマー 有機ケイ素化学」日本ゴム協会誌 第62巻 第12号(1989) 「Volume Expansion during Lithiation of Amorphous Silicon Thin Film Electrodes Studied by In-Operando Neutron Reflectometry」J.Phys.Chem. C2014,118,9395-9399 「Near-Shore Aggregation Mechanism of Electrolyte Decomposition Products to Explain Solid Electrolyte Interphase Formation」J. Electrochem. Soc.C2015, 162, 2670-2678 「Coupled LiPF6 Decomposition and Carbonate Dehydrogenation Enhanced by Highly Covalent Metal Oxides in High-Energy Li-Ion Batteries」J. Phys. Chem. C2018, 122, 48, 27368-27382
近年、モバイルデバイス搭載用又は車載用リチウムイオン二次電池の高出力化と高エネルギー密度化が進んでいる一方、電池セルの小型化と長期使用時の安定なサイクル性能または生産性の向上とが求められている。さらに、求められる電池安全性の水準も従来品より厳格となっているため、特許文献1~4に記載の電池用セパレータには、電池の安全性を確保しながら電池の長寿命化を達成することについて改良の余地がある。特許文献2,5~8に記載の電池用セパレータには、生産性の確保、電池の安全性の向上、電池の長寿命化、および/または、それらのバランスを取ることについて改良の余地がある。
一般に、正極材表面で生成したSFC(SEI film components)が凝集し負極材表面に堆積することで負極材表面を覆うように固体電解質界面(SEI)層が形成されることが知られている(非特許文献3)。SEI層は、電極表面での電解液の分解を妨げて電池劣化を抑制する一方、リチウムイオン(Li)の移動を阻害して内部抵抗を高める。また、SFCの生成は、温度に依存し、高温であるほど厚いSEI層が形成される。例えば、電池のエネルギー密度向上、または高出力化のために電池が大型化すると、電池の中心側と外側の放熱能力差により、電池の外側に比べ中心部の温度が高くなる傾向にあり、電池中心部付近でSFCの生成が顕著である。SFCの分散性が不十分であると不均一なSEI層が形成され、ひいてはSEI層中にLiイオンが拘束されることでサイクル試験容量維持率が低下する。電池を大型化する方法としては、例えば、電池径および長さを大きくする方法があり、現在広く実用化されている18650型円筒電池に替えて、4680型円筒電池を使用することが考えられる。加えて、ニッケル酸化物を含む正極材を採用した電池では、ニッケル(Ni)含有割合を高めることでエネルギー密度向上を向上できる一方、非特許文献4に述べられるとおり、酸化電位が下がり、SFCの生成が促進されるため、SFCの拡散性が不十分であると、不均一なSEI層が形成され易い傾向にある。
また、リチウムイオン二次電池は充放電により電極の体積変化と電池内部の温度上昇が起きる。電極の体積変化は電池内部に不均一な応力分布を発生させる。不均一な応力分布が発生した状態で電池内部の温度が上昇すると、高温下で応力が印可された樹脂が徐々に変形する現象(熱クリープ)によりセパレータが不均一に変形し、セパレータの微多孔構造が不均一に潰れる。すると充放電時にリチウムイオンの流れが部分的に阻害され、サイクル特性が低下する。さらに負極上でリチウムイオンが不均一に出入りし、リチウムデンドライトが成長され、ひいてはサイクル特性および圧壊試験合格率が悪化する。特に円筒型電池や角型電池では、巻回工程や経時変化で発生する巻き締まりにより、電池内部に不均一な応力分布が発生し易く、サイクル特性および圧壊試験合格率が悪化し易い。
また、上述のとおり、SEI層は、電解液の分解を抑制し電池劣化を抑制する一方、過度に形成されると電池の内部抵抗を高め、電解液中のLiイオンを蓄積するためサイクル特性を悪化させる。従って、適切な厚みのSEI層が均一に形成されることが好ましい。セパレータの不均一な変形が発生し、セパレータの微多孔構造が不均一に潰れることで、電解液の分解物の流れも部分的に阻害される。するとSEI層が不均一に形成されサイクル特性が低下する。特に電池を大型化すると高出力化とエネルギー密度の向上を図れるが、電池内に発生する応力差も大きくなりセパレータの不均一な変形も起き易くなる。さらに電池が大型化するほど、電池内の中心側と外縁側で、放熱能力の違いから温度差が大きくなる。これにより電極の熱変形、セパレータの熱収縮、熱クリープ等が発生し易くなることで電池内に発生する応力差も大きくなり、ひいては上記メカニズムによりサイクル特性の悪化と圧壊試験での安全性低下が起き易くなる。大型電池の例としては、例えば4680型円筒電池や大型角型電池が挙げられる。
また、シリコン含有負極材を用いた電池ではエネルギー密度の向上を図れるが、充放電時の負極材の膨張率が大きく、セパレータの不均一な変形が発生し易く、セパレータの微多孔構造が不均一に潰れ易い。ひいては、上記メカニズムによりサイクル特性の悪化と圧壊試験での安全性低下が起きる。さらにニッケル酸化物を含む正極材を採用した電池では、エネルギー密度の向上を図れる一方、電極面で電解液の分解が進み易く、SFCが不均一に生成され易い。SFCが十分に拡散されないまま負極表面に到達すると、不均一なSEI層が形成され易く、サイクル特性が悪化し易い。ニッケル酸化物を含む正極材としては、例えばNMC111、NMC611、NMC811等が挙げられる。
本発明は、上記問題点に鑑みて、非水系二次電池の安全性と長寿命化を両立することができる非水系二次電池用セパレータ、及びその製造方法又はそれを備える非水系二次電池を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、以下の構成を有する非水系二次電池用セパレータ、及びその製造方法又はそれを含む非水系二次電池を用いることによって、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。本発明の態様の一例は以下のとおりである。
(1) ケイ素(Si)含有分子を含む非水系二次電池用セパレータであって、
前記非水系二次電池用セパレータの飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF-SIMS)測定で検出されたSi含有画像について、ボロノイ分割を行なって得られるボロノイ多角形のうち最大頻度のボロノイ面積(mu)が、1.0μm~17.5μmの範囲内にあり、かつ
前記TOF-SIMS測定で検出されたSi含有画像のボロノイ面積頻度分布の広がり(σ)が、0.5μm~8.5μmの範囲内にある非水系二次電池用セパレータ。
(2) 前記最大頻度のボロノイ面積(mu)に対する前記ボロノイ面積頻度分布の広がり(σ)の比(σ/mu)が、0.06~0.70である、項目1に記載の非水系二次電池用セパレータ。
(3) ケイ素(Si)含有分子を含む非水系二次電池用セパレータであって、
前記非水系二次電池用セパレータの飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF-SIMS)測定で検出されたSi含有画像について、ボロノイ分割を行なって得られるボロノイ多角形のうち最大頻度のボロノイ面積(mu)が、6.0μm~12.0μmの範囲内にある非水系二次電池用セパレータ。
(4) 前記TOF-SIMS測定で検出されたSi含有画像のボロノイ面積頻度分布の広がり(σ)が、2.0μm~4.0μmの範囲内にある、項目3に記載の非水系二次電池用セパレータ。
(5) 前記最大頻度のボロノイ面積(mu)に対する前記ボロノイ面積頻度分布の広がり(σ)の比(σ/mu)が、0.20~0.40である、項目3又は4に記載の非水系二次電池用セパレータ。
(6) 前記非水系二次電池用セパレータにおいて、前記Si含有分子が、海島構造ではない状態で分散されている、項目1~5のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
(7) 前記非水系二次電池用セパレータがポリエチレン製微多孔膜であり、かつ
厚みの30%が圧縮された時の透気度変化倍率(圧縮された後の透気度Sh/圧縮される前の透気度Sj)が、1.1~7.0倍である、項目1~6のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
(8) ポリエチレン製微多孔膜を含む非水系二次電池用セパレータであって、
厚みの30%が圧縮された時の透気度変化倍率(圧縮された後の透気度Sh/圧縮される前の透気度Sj)が、1.1~7.0倍である非水系二次電池用セパレータ。
(9) シラン変性ポリエチレンと、前記シラン変性ポリエチレン以外のポリオレフィンとを含む、項目8に記載の非水系二次電池用セパレータ。
(10) シラン変性ポリオレフィンを含む非水系二次電池用セパレータであって、小角X線散乱測定で検出されたポリエチレンの結晶長周期が20~50nmであり、かつ広角X線散乱測定で検出された結晶化度が60%~80%であり、かつ広角X線散乱測定で検出されたポリエチレンの結晶子サイズ(110)が10~50nmである非水系二次電池用セパレータ。
(11) 前記小角X線散乱測定で検出されたポリエチレンの結晶長周期と前記広角X線散乱測定で検出された結晶化度から下記式:
式:非晶部厚み[nm]=(結晶長周期[nm])×(1-結晶化度[%]/100)
で計算された非晶部厚みが、3~23nmである、項目10に記載の非水系二次電池用セパレータ。
(12) 広角X線散乱測定でMD方向から測定されたポリエチレンの断面結晶配向度が0.70~0.99であり、かつTD方向から測定されたポリエチレンの断面結晶配向度が0.70~0.99である、項目10又は11に記載の非水系二次電池用セパレータ。
(13) 前記MD方向から測定されたポリエチレンの断面結晶配向度と前記TD方向から測定されたポリエチレンの断面結晶配向度の比MD/TDが、0.5~1.2である、項目10~12のいずれか一項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
(14) 広角X線散乱測定で検出されたポリエチレンの結晶子サイズ(110)とポリエチレンの結晶子サイズ(200)の比(110)/(200)が、0.9~2.0である、項目10~13のいずれか一項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
(15) 前記シラン変性ポリオレフィンがシラン変性ポリエチレンである、項目10~14のいずれか一項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
(16) 前記シラン変性ポリオレフィンのケイ素(Si)を含む官能基において、主鎖に対する有機部位の連結部を構成するメチレン(CH)の数が、2~10である、項目10~15のいずれか一項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
(17) 基材としてのポリオレフィン製微多孔膜と、前記ポリオレフィン製微多孔膜の少なくとも片面に積層された、無機粒子および樹脂バインダを含む無機多孔質層とを備える、項目10~16のいずれか一項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
(18) 前記無機多孔質層に含まれる前記無機粒子の含有量が、前記無機多孔質層の全質量を基準として、5質量%~99質量%である、項目17に記載の非水系二次電池用セパレータ。
(19) 前記無機粒子が、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、マグネシア、セリア、イットリア、酸化亜鉛、酸化鉄、窒化ケイ素、窒化チタン、窒化ホウ素、シリコンカーバイド、水酸化酸化アルミニウム、タルク、カオリナイト、ディカイト、ナクライト、ハロイサイト、パイロフィライト、モンモリロナイト、セリサイト、マイカ、アメサイト、ベントナイト、アスベスト、ゼオライト、ケイ藻土、ケイ砂、およびガラス繊維から成る群から選択される少なくとも一つである、項目17又は18に記載の非水系二次電池用セパレータ。
(20) 基材としてのポリオレフィン製微多孔膜と、前記ポリオレフィン製微多孔膜の少なくとも片面に形成された熱可塑性ポリマー含有層とを備え、かつ前記熱可塑性ポリマー含有層に含まれる熱可塑性ポリマーが、(メタ)アクリル酸エステル、及び/又は(メタ)アクリル酸の重合単位、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン(PVDF-HFP)、並びにポリフッ化ビニリデン-クロロトリフルオロエチレン(PVDF-CTFE)の少なくともいずれか一つを含む、項目10~16のいずれか一項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
(21) 基材としてのポリオレフィン製微多孔膜と、前記ポリオレフィン製微多孔膜の少なくとも片面に配置された活性層とを備え、前記活性層が、ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン(PVDF-HFP)、及びポリフッ化ビニリデン-クロロトリフルオロエチレン(PVDF-CTFE)から成る群から選択される少なくとも一つのフッ素原子含有ポリビニル化合物と、無機粒子とを含有する、項目10~16のいずれか一項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
(22) 基材としてのポリオレフィン製微多孔膜と、前記ポリオレフィン製微多孔膜の少なくとも片面に積層された、耐熱性樹脂を含む耐熱性樹脂層とを備え、かつ前記耐熱性樹脂が、全芳香族ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリスルホン、ポリケトン、ポリエーテル、ポリエーテルケトン、ポリエーテルイミド及びセルロースから成る群から選択される少なくとも1種を含む、項目10~16のいずれか一項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
(23) 前記耐熱性樹脂層は、平均粒子径が0.2μm~0.9μmの無機フィラーを30質量%~90質量%含有する、項目22に記載の非水系二次電池用セパレータ。
(24) 前記シラン変性ポリオレフィン以外のポリオレフィンをさらに含む、項目10~23のいずれか一項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
(25) 前記非水系二次電池用セパレータの飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF-SIMS)測定で検出されたSi含有画像について、ボロノイ分割を行って得られるボロノイ多角形のうち最大頻度のボロノイ面積(mu)が6.00μm~12.00μmの範囲にある、項目10~24のいずれか一項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
(26) 前記TOF-SIMS測定で検出されたSi含有画像のボロノイ面積頻度分布の広がり(σ)が、2.00μm~4.00μmの範囲内にある、項目25に記載の非水系二次電池用セパレータ。
(27) 前記最大頻度のボロノイ面積(mu)に対する前記ボロノイ面積頻度分布の広がり(σ)の比(σ/mu)が、0.20~0.40である、項目25又は26に記載の非水系二次電池用セパレータ
(28) 正極と、負極と、項目1~27のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータと、非水系電解液とを備える非水系二次電池。
(29) 前記正極は、式:Li-Ni-Mn-Co{式中、xはNi割合を表し、yはMn割合を表し、zはCo割合を表し、かつx+y+z=1である}で表されるリチウム(Li)-ニッケル(Ni)-マンガン(Mn)-コバルト(Co)複合酸化物を含み、かつ前記式中のNi割合xが、5~9である、項目28に記載の非水系二次電池。
(30) 前記負極が負極活物質を含み、かつ前記負極活物質中のSi割合が、5重量%~90重量%である、項目28又は29に記載の非水系二次電池。
(31) 前記非水系電解液が、リチウム塩を1.2mol/L~10mol/Lの範囲内の濃度で含む、項目28~30のいずれか1項に記載の非水系二次電池。
(32) 前記非水系電解液がエチルメチルカーボネート(EMC)及び/又はアセトニトリル(AcN)を含み、かつ前記非水系電解液中のEMCとAcNの合計含有量が、50質量%~90質量%の範囲内にある、項目28~31のいずれか1項に記載の非水系二次電池。
(33) 以下の工程:
(1)前記シラン変性ポリオレフィン、ポリエチレン及び可塑剤を押出機でシート状に押出し、冷却固化させ、シート状成形体に加工するシート成形工程;
(2)前記シート状成形体を20倍以上250倍以下の面倍率で二軸延伸して、延伸物を成形する延伸工程;
(3)前記延伸物から前記可塑剤を抽出して、多孔体を形成する多孔体形成工程;
(4)前記多孔体を熱処理に供して、幅方向に延伸及び緩和を行って、熱処理多孔体を得る熱処理工程;
(5A)前記無機粒子および前記樹脂バインダと、界面活性剤とを含有し、かつpHが6.7以下または7.5以上である塗工液を前記熱処理多孔体の少なくとも一方の表面に塗布することで、前記無機多孔質層を、前記熱処理多孔体の少なくとも一方の表面に形成する塗工工程;
(6)前記無機多孔質層中の溶媒を乾燥除去する乾燥工程;並びに
(7)電極及び前記非水系二次電池用セパレータの積層体又はその巻回体と、非水電解液とを外装体に収納する組立工程;
を含み、かつ前記(5A)、(6)および(7)のうち少なくとも1つの工程で前記シラン変性ポリオレフィンが架橋構造を形成する、項目17~19のいずれか一項に記載の非水系二次電池用セパレータの製造方法。
(34) 以下の工程:
(1)前記シラン変性ポリオレフィン、ポリエチレン及び可塑剤を押出機でシート状に押出し、冷却固化させ、シート状成形体に加工するシート成形工程;
(2)前記シート状成形体を20倍以上250倍以下の面倍率で二軸延伸して、延伸物を成形する延伸工程;
(3)前記延伸物から前記可塑剤を抽出して、多孔体を形成する多孔体形成工程;
(4)前記多孔体を熱処理に供して、幅方向に延伸及び緩和を行って、熱処理多孔体を得る熱処理工程;
(5B)前記熱可塑性ポリマーと界面活性剤とを含有し、かつpHが6.7以下または7.5以上である塗工液を前記熱処理多孔体の少なくとも一方の表面に塗布することで、前記熱可塑性ポリマー含有層を、前記熱処理多孔体の少なくとも一方の表面に形成する塗工工程;
(6)前記熱可塑性ポリマー含有層中の溶媒を乾燥除去する乾燥工程;並びに
(7)電極及び前記非水系二次電池用セパレータの積層体又はその巻回体と、非水電解液とを外装体に収納する組立工程;
を含み、かつ前記(5B)、(6)および(7)のうち少なくとも1つの工程で前記シラン変性ポリオレフィンが架橋構造を形成する、項目20に記載の非水系二次電池用セパレータの製造方法。
(35) 以下の工程:
(1)前記シラン変性ポリオレフィン、ポリエチレン及び可塑剤を押出機でシート状に押出し、冷却固化させ、シート状成形体に加工するシート成形工程;
(2)前記シート状成形体を20倍以上250倍以下の面倍率で二軸延伸して、延伸物を成形する延伸工程;
(3)前記延伸物から前記可塑剤を抽出して、多孔体を形成する多孔体形成工程;
(4)前記多孔体を熱処理に供して、幅方向に延伸及び緩和を行って、熱処理多孔体を得る熱処理工程;
(5C)前記フッ素原子含有ポリビニル化合物と前記無機粒子と有機溶媒とを含有する塗工液を前記熱処理多孔体の少なくとも一方の表面に塗布することで、前記活性層を、前記熱処理多孔体の少なくとも一方の表面に形成する塗工工程;
(6)前記活性層中の溶媒を乾燥除去する乾燥工程;並びに
(7)電極及び前記非水系二次電池用セパレータの積層体又はその巻回体と、非水電解液とを外装体に収納する組立工程;
を含み、かつ前記(5C)、(6)および(7)のうち少なくとも1つの工程で前記シラン変性ポリオレフィンが架橋構造を形成する、項目21に記載の非水系二次電池用セパレータの製造方法。
(36) 前記塗工工程(5C)と前記乾燥工程(6)の間に、以下の工程:
(5.5C)前記活性層中の有機溶媒を水系溶媒と置換する水洗工程;
を含み、かつ前記(5.5C)の工程で前記シラン変性ポリオレフィンが架橋構造を形成する、項目35に記載の非水系二次電池用セパレータの製造方法。
(37) 以下の工程:
(1)前記シラン変性ポリオレフィン、ポリエチレン及び可塑剤を押出機でシート状に押出し、冷却固化させ、シート状成形体に加工するシート成形工程;
(2)前記シート状成形体を20倍以上250倍以下の面倍率で二軸延伸して、延伸物を成形する延伸工程;
(3)前記延伸物から前記可塑剤を抽出して、多孔体を形成する多孔体形成工程;
(4)前記多孔体を熱処理に供して、幅方向に延伸及び緩和を行って、熱処理多孔体を得る熱処理工程;
(5D)前記耐熱性樹脂と有機溶媒とを含有する塗工液を前記熱処理多孔体の少なくとも一方の表面に塗布することで、前記耐熱性樹脂層を、前記熱処理多孔体の少なくとも一方の表面に形成する塗工工程;
(6)前記耐熱性樹脂層中の溶媒を乾燥除去する乾燥工程;並びに
(7)電極及び前記非水系二次電池用セパレータの積層体又はその巻回体と、非水電解液とを外装体に収納する組立工程;
を含み、かつ前記(5D)、(6)、および(7)のうち少なくとも1つの工程で前記シラン変性ポリオレフィンが架橋構造を形成する、項目22又は23に記載の非水系二次電池用セパレータの製造方法。
(38) 前記塗工工程(5D)と前記乾燥工程(6)の間に、以下の工程:
(5.5D)前記耐熱性樹脂層中の有機溶媒を水系溶媒と置換する水洗工程;
を含み、かつ前記(5.5D)の工程で前記シラン変性ポリオレフィンが架橋構造を形成する、項目37に記載の非水系二次電池用セパレータの製造方法。
本発明によれば、非水系二次電池用セパレータを備える非水系二次電池の安全性と長寿命化とを両立させることができ、より詳細には、例えば、釘刺試験およびHotbox試験における安全性、低温サイクル特性および高温サイクル特性を含むサイクル特性、ならびに生産性を向上することが出来る。
実施例1に係るセパレータのTOF-SIMS分析結果を示す画像である。 実施例1のTOF-SIMSスペクトルの画像処理におけるフィルター3次元画像の一例である。 実施例1のTOF-SIMSスペクトルの画像処理におけるフィルター2次元画像の一例である。 実施例1のTOF-SIMSスペクトルについて画像処理(1)~(2)を行なった状態の一例である。 実施例1のTOF-SIMSスペクトルについて画像処理(1)~(6)を行なった状態の一例である。 実施例1のTOF-SIMSスペクトルのボロノイ分割によるボロノイ領域の一例を図示する。 実施例1の結果から有効と判断されたボロノイ面積の一例を図示する。 実施例1のボロノイ面積のヒストグラムである。 実施例1のボロノイ面積を実際の面積に換算した後のヒストグラムである。 実施例1のボロノイ面積のフィッティング結果を図示する一例である。 比較例1に係るセパレータのTOF-SIMS分析結果を示す画像である。 比較例1のTOF-SIMSスペクトルについて画像処理(1)~(2)を行なった状態の一例である。 比較例1のTOF-SIMSスペクトルについて画像処理(1)~(6)を行なった状態の一例である。 比較例1のTOF-SIMSスペクトルのボロノイ分割によるボロノイ領域の一例を図示する。 比較例1の結果から有効と判断されたボロノイ面積の一例を図示する。 比較例1のボロノイ面積のヒストグラムである。 比較例1のボロノイ面積を実際の面積に換算した後のヒストグラムである。 比較例1のボロノイ面積のフィッティング結果を図示する一例である。 ポリエチレン等の結晶性樹脂を用いたセパレータ中の結晶部と非晶部の繰返し周期構造を説明するための模式図及びその部分拡大図である。
以下、本発明を実施するための形態(以下、単に「実施形態」という。)について詳細に説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。本明細書において、「~」を用いて記載される数値範囲は、その前後に記載される数値を含む。略語「MD」とは、セパレータを連続製膜する際、及び電池捲回体の長手方向のことを指し、Machine Directionの略称である。略語「TD」とは、MDを90°の角度で横切る方向(以下、幅方向ともいう。)であり、Transverse Directionの略称である。以下に示される各種の測定方法と各種の評価方法は、特に言及する場合を除き、実施例に記載の方法に従って行われる。
<非水系二次電池用セパレータ>
非水系二次電池用セパレータ(以下、単に「セパレータ」ともいう。)は、絶縁性とイオン透過性が必要なため、一般的には、多孔質体構造を有する絶縁材料である紙、ポリオレフィン製不織布又は樹脂製微多孔膜などから形成される。特に、リチウムを吸蔵・放出することが可能な正極及び負極と、非水系溶媒に電解質を溶解して成る非水系電解液とを備える非水系二次電池に使用されるセパレータ基材としては、酸化還元耐性を持ち、緻密で均一な多孔質構造を構築できるポリオレフィン製微多孔膜が優れている。したがって、非水系二次電池用セパレータは、ポリオレフィン製微多孔膜を含むことができる。所望により、非水系二次電池用セパレータは、ポリオレフィン製微多孔膜に加えて、その片面又は両面に形成された層、例えば、熱可塑性ポリマー含有層、活性層、無機多孔質層、耐熱性樹脂層などを含んでよい。
<実施形態1:セパレータのケイ素含有構造及びボロノイ分割(1)>
実施形態1に係るセパレータは、ケイ素(Si)含有分子を含み、セパレータの飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF-SIMS)測定で検出されたSi含有画像について、ボロノイ分割を行なって得られるボロノイ多角形のうち最大頻度のボロノイ面積(mu)が、1.0μm~17.5μmの範囲内にあり、かつTOF-SIMS測定で検出されたSi含有画像のボロノイ面積頻度分布の広がり(σ)が、0.5μm~8.5μmの範囲内にある。
実施形態1に係るセパレータは、100μm四方面積でTOF-SIMS測定を行ったときに、ケイ素を含む構造が少なくとも1つ以上検出され、好ましくは、Si含有分子が、セパレータにおいて、海島構造ではない状態で分散されていることが検出される。なお、海島構造とは、固体の物質が大きく見て2種類からなっており,比較的連続的に見える方(海にたとえる)の中に不連続的に他の一方(島にたとえる)が混在している状態の構造である。
実施形態1では、ボロノイ分割により得られる各種の数値は、セパレータがポリオレフィン微多孔膜のときに測定されるものであり、セパレータ表面におけるSi含有分子のばらつきの水準を示す指標となり得る。セパレータのTOF-SIMS測定は図1~図6と図11~図14を参照して、及びTOF-SIMS画像のボロノイ分割は図7~図10と図15~図18を参照して、それぞれ実施例に記載のとおりに行われることができる。
上記ボロノイ分割を行なって得られるボロノイ多角形のうち最大頻度のボロノイ面積(mu)が1.0μm~17.5μmの範囲内にあると、セパレータにおいて、Si含有分子が、海島構造ではない状態で分散されている傾向が強い。例えば、非水系二次電池がリチウムイオン二次電池である場合には、Si元素が均一分散されたセパレータが、酸素原子等の非共有電子対を有する電解液により溶媒和したリチウム(Li)錯体と共存すると、下記(ア)及び(イ)の現象によって、電池のサイクル特性試験において製品寿命を延ばすことが考えられる:
(ア)Li錯体が、Si原子と高い親和性を示すため、分散したSi原子周辺に高確率で存在する。このような現象にとっては、電解液の分子構造に有する非供給電子対がSi原子へ配位する反応が重要である。非特許文献1にも述べられるように、Si原子は原子半径が大きいため、4配位以上が可能となり、4電子3中心結合やd-軌道を用いた構造が存在可能であるという特殊な性質を持つ。すなわち、セパレータ全面に均一にLiイオンが流れ易いパスができる。よって、例えばリチウム(Li)-ニッケル(Ni)-マンガン(Mn)-コバルト(Co)複合酸化物を含むNMC正極などの正極を含む二次電池が均一充放電されることにより、結晶破壊が抑えられる傾向にある;及び
(イ)また、例えば負極がSi含有負極である場合には、均一に負極中のSi元素への充放電を行うことができ、Si含有負極の均一な膨張収束により二次電池内部の変形が抑制されることができる。
上記(ア)及び(イ)の現象は、理論に拘束されることを望まないが、非水系二次電池において、下記スキーム1:
{式中、Solは、電解液中の非水系溶媒を表し、Xは、電解質としてのリチウム塩のカウンターアニオンを表し、かつ非水系溶媒の一例として、エチレンカーボネート(EC)が含まれ、実施形態1に係るセパレータの構成樹脂の一例として、シラン変性ポリエチレンが含まれ、そしてRは、例えば、メチル、エチル、n-プロピル、イソプロピル、n-ブチル、sec-ブチル、イソブチル、tert-ブチル等、又は近辺のシラノールと架橋したシロキサン結合を表す}
に示すようにセパレータ上に錯体が均質に形成され、それに伴ってセパレータのLiイオンの流れも均一になることにより起こることが考えられる。
また、電解質としてヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF)を含む非水系二次電池系においては、リン原子の有するヤン・テラー効果により、系内で一定濃度の解離Fアニオン、もしくはフッ化リチウム(LiF)として存在するため、LiFは、Siに付加した状態では、付加前の状態より強いルイス酸効果を示し、それにより上記(ア)及び(イ)の現象がより顕著となり、ひいては良好な低温サイクル特性も示すことができる。これは、本発明により見出され、下記スキーム2:
{式中、Solは、電解液中の非水系溶媒を表し、非水系溶媒の一例として、エチレンカーボネート(EC)が含まれ、電解質の一例として、LiPFが含まれ、実施形態1に係るセパレータの構成樹脂の一例として、シラン変性ポリエチレンが含まれ、そしてRは、例えば、H,Me,Et、Bu等、又は近辺のシラノールと架橋したシロキサン結合を表す}
に示すように、物理的に溶媒和したLiが、セパレータの構成高分子中のSi含有分子のSi原子へ安定的に配位して、得られる配位錯体が高確率で存在するためであると考えられる。このような考え方は、後述される樹脂Aおよび、樹脂Bまたは樹脂Cを用いた高分子組成物の製膜により得られる非結晶構造に特有であり、非特許文献1に記述されるような低分子量アリルシラン化合物の配位錯体のSiのルイス酸的性質とは異なるアプローチである。
さらに、Si含有分子は架橋性を有することが多く、例えばシラン架橋性を有する場合には、非水系二次電池内においても分散されたSi含有分子のシラン架橋性を確保でき、さらにはシロキサン結合の安定性を確保でき、長期間に亘ってセパレータの架橋構造を維持できると考えられ、それにより、例えば釘刺試験などの安全性試験において、安全性を確保することができる。リチウムイオン電池の充放電時、リチウムイオンの流れムラが、電極へのインターカレーション反応より遅い速度で移動した場合は、リチウムイオンが、電気学的な滞留部に蓄積し、デンドライトを形成することが知られている。特に、電池の低温作動時では、電解液の粘度上昇により、系内のイオンが移動し難くなることで、デンドライトを形成する傾向があり、それによって、低温サイクル後での電池安全性が著しく低下する懸念がある。このような現象は、モバイルデバイス電源や電池自動車の電池などのように、寒暖差の激しい季節、地域での使用において大きな課題である。実施形態1は、Si含有原子を海島構造でない状態で分散(マトリックス構造ではない)させたセパレータを設計することで、リチウムイオンの流れ均一性を改善でき、課題解決に至った。
セパレータ及びそれを含む非水系二次電池の安全性を更に向上させるという観点から、セパレータは、例えばSi含有分子として、シラン変性ポリエチレンを含むことが好ましく、セパレータが電解液と接触するとシラン変性ポリエチレンのシラン架橋反応が進行することがより好ましい。
非水系二次電池のサイクル特性の長寿命化と安全性を両立し、かつ/又はそれらのバランスを取るという観点から、上記ボロノイ分割を行なって得られるボロノイ多角形のうち最大頻度のボロノイ面積(mu)が、1.5μm~17.0μmの範囲内にあることが好ましく、4.0μm~16.0μmの範囲内にあることがより好ましく、6.0μm~13.0μmの範囲内にあることがさらに好ましい。同様の観点から、上記TOF-SIMS測定で検出されたSi含有画像のボロノイ面積頻度分布の広がり(σ)が、0.5μm~8.5μmの範囲内にあり、1.7~6.3の範囲内にあることが好ましく、1.8μm~4.2μmの範囲内にあることがより好ましい。
ボロノイ分割とは、ある距離空間上の任意の位置に配置された複数個の点(母点)に対して、同一空間上の他の点がどの母点に近いかによって領域分けすることをいう。このようにして得られた領域を含む図は、ボロノイ図と呼ばれる。一般に、ボロノイ図において、複数の領域の境界線は、各母点の二等分線の一部になり、かつ各領域は多角形(ボロノイ多角形)を形成する。
なお、観察視野においてボロノイ分割を行なった時に、閉じられていない領域は、ボロノイ分割の対象から外すものとする。閉じられていない領域としては、例えば、観察視野の境界に対象が存在し、その対象の全体が観察されていない時に、その対象に対してボロノイ分割を行なうことによって得られる領域が挙げられる。したがって、セパレータ表面の少なくとも一部の領域を撮影して得られた画像において、その画像の端に位置する対象については、その対象全体が観察されているか否かを確認することが好ましい。
TOF-SIMS測定で検出されたSi含有画像について、最大頻度のボロノイ面積(mu)に対するボロノイ面積頻度分布の広がり(σ)の比(σ/mu)が、次の関係を満たすことが好ましい。
0.06≦σ/mu≦0.70
実施形態1では、ボロノイ分割における比(σ/mu)は、セパレータ表面にSi含有分子が均一に分散しているかどうかを示す指標として見なすことができる。比(σ/mu)が0.06~0.70の範囲内にあると、セパレータ表面にSi含有分子が均一分散し、非水系二次電池において、電解液由来のLi錯体とセパレータとの共存、セパレータのシラン架橋反応などに十分に寄与して、電池のサイクル製品寿命を延ばすことができる。理論的に拘束されることを望まないが、Li錯体がセパレータ面内において配位した中間体が存在する濃度、又は中間体が平衡状態の寿命などが重要であり、実施形態1では、限定されたボロノイ分割における比(σ/mu)が、均一に電極へのインターカレーション反応へ寄与できることを実験的に発見した。電池のサイクル製品寿命をさらに延ばすという観点から、比(σ/mu)は、0.07~0.57の範囲内にあることが好ましく、0.19~0.38の範囲内にあることがより好ましい。
実施形態1に係るセパレータのボロノイ分割により得られる数値は、例えば、Si含有分子の構造、セパレータ構成原料の分子量又は分子量分布、セパレータ構成原料の配合範囲などを制御することにより上記で説明された範囲内に調整されることができる。
<実施形態2:セパレータのケイ素含有構造及びボロノイ分割(2)>
実施形態2に係るセパレータは、ケイ素(Si)含有分子を含み、セパレータのTOF-SIMS測定で検出されたSi含有画像について、ボロノイ分割を行なって得られるボロノイ多角形のうち最大頻度のボロノイ面積(mu)が、6.0μm~12.0μmの範囲内にある。
実施形態2に係るセパレータは、100mm四方面積でTOF-SIMS測定を行ったときに、ケイ素を含む構造が少なくとも1つ以上検出され、好ましくは、Si含有分子が、セパレータにおいて、海島構造ではない状態で分散されていることが検出される。
実施形態2では、ボロノイ分割により得られる各種の数値は、セパレータがポリオレフィン微多孔膜のときに測定されるものであり、セパレータ表面におけるSi含有分子のばらつきの水準を示す指標となり得る。
ボロノイ多角形のうち最大頻度のボロノイ面積(mu)が6.0μm~12.0μmの範囲内にあると、実施形態1と同様に、セパレータにおいてSi含有分子が海島構造ではない状態で分散される傾向が強く、セパレータを備える非水系二次電池の安全性の確保とサイクル特性の長寿命化を両立し、Liイオン流れの均一化、ルイス酸効果又はSi含有分子の架橋性により低温サイクル特性や釘刺試験の安全性を確保できる。それに加えて、実施形態2では、Si元素が均一分散されたセパレータは、電解液が正極材表面で化学反応を起こすことにより生成したオリゴマー(SFC:SEI film components)と共存すると、下記のスキーム3に示すとおり、SFCの分子構造中にある酸素の非共有電子対がSi原子へ配位することができ、SFCがSi原子と親和性を示すため、SFCの拡散性が向上する。
{式中、Solは、電解液中の非水系溶媒を表し、Xは、電解質としてのリチウム塩のカウンターアニオンを表す。一例として、右辺では非水系溶媒がエチレンカーボネート(EC)であり、SFCが、EC2分子が還元重合して生成したオリゴマーであり、セパレータの構成樹脂に、シラン変性ポリエチレンが含まれる場合を示した。そしてRは、例えば、メチル、エチル、n-プロピル、イソプロピル、n-ブチル、sec-ブチル、イソブチル、tert-ブチル等、又は近辺のシラノールと架橋したシロキサン結合を表す。}
実施形態2では、セパレータのボロノイ面積(mu)が6.0μm~12.0μmの範囲内にあると、セパレータにおいてSi含有分子が微細かつ均一に分散されているので、スキーム3に示すようにSFCがセパレータ全体に均一に分散され、電解液の分解を抑制する程度の均一な厚みを有するSEI層が負極上に均一に形成され、ひいてはサイクル試験容量維持率が改善されると考えられる。セパレータのボロノイ面積が大きすぎる(すなわち、Si含有分子間の距離が大きすぎる)と、SFCの拡散性が不足し、不均一なSEI層が形成され易く、ひいてはサイクル試験容量維持率が悪化する。一方でボロノイ面積が小さすぎる(すなわち、Si原子間の距離が小さすぎる)としても、狭い範囲にSi原子に配位したSFCが密集することで立体障害によりSFCの移動が阻害され、SFCの拡散性が不足し、ひいてはサイクル試験容量維持率が悪化する。
セパレータ及びそれを含む非水系二次電池の安全性を更に向上させるという観点から、実施形態2に係るセパレータは、例えばSi含有分子として、シラン変性ポリエチレンを含むことが好ましく、セパレータが電解液と接触するとシラン変性ポリエチレンのシラン架橋反応が進行することがより好ましい。
SFCがセパレータ全体に均一に分散し、非水系二次電池のサイクル特性と安全性を並立し、かつ/又はそれらのバランスを取るという観点から、実施形態2に係るセパレータについて上記ボロノイ分割を行なって得られるボロノイ多角形のうち最大頻度のボロノイ面積(mu)が、6.5μm~11.5μmの範囲内にあることが好ましく、7.0μm~11.0μmの範囲内にあることがより好ましく、7.5μm~10.5μmの範囲内にあることがさらに好ましい。同様の観点から、上記TOF-SIMS測定で検出されたSi含有画像のボロノイ面積頻度分布の広がり(σ)が、2.0μm~4.0μmの範囲内にあることが好ましく、2.2μm~3.8μmの範囲内にあることがより好ましく、2.5μm~3.5μmの範囲内にあることがさらに好ましい。
TOF-SIMS測定で検出されたSi含有画像について、最大頻度のボロノイ面積(mu)に対するボロノイ面積頻度分布の広がり(σ)の比(σ/mu)が、次の関係を満たすことが好ましい。
0.20≦σ/mu≦0.40
実施形態2では、ボロノイ分割における比(σ/mu)は、セパレータ表面にSi含有分子が均一に分散しているかどうかを示す指標として見なすことができる。実施形態2に係る比(σ/mu)が0.20~0.40の範囲内にあると、実施形態1と同様に、セパレータ表面にSi含有分子が均一分散し、非水系二次電池において、電解液由来のLi錯体とセパレータとの共存、セパレータのシラン架橋反応などに十分に寄与して、電池のサイクル特性を延ばすことができる。それに加えて、実施形態2では、SFCの分散性を高め、SEI層の均一形成を促すことで、電池のサイクル特性を向上することが出来る。電池のサイクル製品寿命をさらに延ばすという観点から、実施形態2に係る比(σ/mu)は、0.22~0.38の範囲内にあることがより好ましく、0.25~0.35の範囲内にあることが更に好ましい。
実施形態2に係るセパレータのボロノイ分割により得られる数値は、例えば、Si含有分子の構造、セパレータ構成原料の分子量又は分子量分布、セパレータ構成原料の配合範囲などを制御することにより上記で説明された範囲内に調整されることができる。
<実施形態3:セパレータの圧縮前後の透気度変化>
実施形態3に係るセパレータは、ポリエチレン製微多孔膜を含み、かつ厚みの30%が圧縮された時の透気度変化倍率(圧縮された後の透気度Sh/圧縮される前の透気度Sj)が、1.1倍~7.0倍の範囲内にある。
実施形態3では、透気度変化倍率(透気度Sh/透気度Sj)が1.1倍~7.0倍の範囲内にあると、たとえセパレータを含む非水系二次電池がセパレータの厚み方向に圧縮されたとしても、イオン透過性を維持することができ、電池の釘刺試験における安全性と低温サイクル特性とを確保することができる傾向にある。この傾向は、電池の負極がSi含有負極などの易膨張性負極である場合に顕著である。このような観点から、透気度変化倍率(透気度Sh/透気度Sj)は、好ましくは1.3倍~6.9倍にある。
透気度変化倍率(透気度Sh/透気度Sj)は、セパレータがポリオレフィン微多孔膜のときに測定されるものであり、その測定は、実施例に記載の方法により行われることができる。
<実施形態4:シラン変性ポリオレフィンの含有と結晶構造>
実施形態4に係るセパレータは、シラン変性ポリオレフィンを含み、小角X線散乱(SAXS)測定で検出されたポリエチレンの結晶長周期が20~50nmであり、かつ広角X線散乱(WAXS)測定で検出された結晶化度が60%~80%であり、かつ広角X線散乱(WAXS)測定で検出されたポリエチレンの結晶子サイズ(110)が10~50nmである。
一般に、ポリエチレンなどの結晶性樹脂を用いたセパレータでは、セパレータ中に結晶部と非晶部の繰返し周期構造が存在する(図19)。結晶長周期(f)とは、結晶部と非晶部の繰り返し周期の1周期の長さの平均のことを意味し、結晶部厚み(t)とは、結晶部と非晶部の繰り返し周期のうち結晶部の厚みの平均のことを意味し、非晶部厚み(t)とは、結晶部と非晶部の繰り返し周期のうち非晶部の厚みの平均のことを意味し、結晶子サイズとは、個々の結晶子の大きさの平均のことを意味し、結晶化度とは、全体に占める結晶部の割合のことを意味し、結晶配向度(a)とは、結晶部の或る方向への配向度合いを意味する。例えば、結晶子サイズ(110)とは、個々のポリエチレン結晶子の(110)方向の大きさの平均を意味し、結晶子サイズ(200)とは、個々のポリエチレン結晶子の(200)方向の大きさの平均を意味し、MD断面結晶配向度とは、セパレータをMDに垂直な平面で切断した断面(MD断面)において、ポリエチレン結晶の(110)面がMD-TD平面に並行に配列している度合いを意味し、そしてTD断面結晶配向度とは、セパレータをTDに垂直な平面で切断した断面(TD断面)において、ポリエチレン結晶の(110)面がMD-TD平面に並行に配列している度合いを意味する。セパレータの結晶構造は、X線構造評価装置を用いて測定することが出来る。
実施形態4では、基材としてのセパレータのSAXS及びWAXS測定を行うものであり、したがって、セパレータが多層膜又は積層膜の形態である場合には、ポリオレフィン微多孔膜以外の層を除いてからSAXS及びWAXS測定を行うものとする。
実施形態4では、SAXS及びWAXSという特定のX線構造解析の組み合わせにおいて、結晶長周期が20nm~50nmの範囲内にあり、かつ結晶化度が60%~80%の範囲内にあり、かつポリエチレンの結晶子サイズ(110)が10~50nmの範囲にあると、セパレータの耐熱クリープ性を向上しつつシラン変性ユニット同士の距離が最適化され、塗工工程で塗工液と接触した際に架橋反応が促進され、ひいては架橋のための工程を追加することなく電池の圧壊試験合格率、サイクル試験容量維持率、および高温サイクル寿命を向上させることができる
セパレータが塗工された後、組立工程、仕上げ工程(充放電、ガス抜き)、検査工程を経て、早ければ塗工後1~5日で非水系二次電池が製造される。それまでに架橋反応を十分進行させるという観点からも架橋の進行し易さ(反応の速さ)は重要である。
架橋の反応速度は、溶媒の液性や温度などの環境要因に依存することが知られているが、一方で官能基間距離や立体障害など構造的要因がもたらす影響は十分に研究されていない。本発明者らは、SAXS及びWAXSという特定のX線構造解析と、所望によりTOF-SIMSという特定の官能基分散状態解析の組み合わせにおいて、セパレータの架橋反応が進行し易い条件を見出し、さらに耐熱クリープ性も考慮して非水系二次電池用セパレータに最適な条件を見出した。理論的な拘束を望まないが、本発明によれば、結晶構造を定めるように設計することで、非晶層中のタイ分子数が増加して耐熱クリープ性が向上し、ひいては電池内で不均一な応力が発生した場合にもセパレータの不均一な変形が抑制され、Liイオンおよび電解液分解物の流れの部分的な阻害が抑制されることで、高温サイクル寿命が向上すると考えられる。
また、本発明では、結晶構造に関する数値を定めるように設計し、かつケイ素(Si)含有官能基の分散状態を定めるように設計することで、ケイ素(Si)含有官能基中のSi元素との相互作用によりLiイオン錯体の拡散性が向上し、ひいてはLiデンドライトの局所成長が抑制されることでサイクル特性が向上すると考えられる。また、結晶構造に関する数値を定めるように設計し、かつケイ素(Si)含有官能基の分散状態を定めるように設計することでケイ素(Si)含有官能基同士が接近し、架橋反応が進行し易くなり、ひいてはセパレータの製造プロセス中、塗工工程において架橋反応を進行することができると考えられる。また、結晶構造に関する数値を定めるように設計し、かつケイ素(Si)含有官能基の分散状態を定めるように設計することで架橋数が増加し、高温での樹脂の流動性が低下することで、圧壊試験での安全性が向上すると考えられる。塗工工程においては、ポリオレフィンへの含侵性が高い塗工液を用いることで、ポリオレフィンの分子鎖間に浸透した溶媒により、前記ケイ素(Si)含有官能基の熱振動が促進され、架橋反応をより促進することが可能となり、極性分子を含む塗工液を用いることで、塗工液中の極性分子及び/または水素イオン及び/又は水酸化物イオンが触媒として作用することで、前記ケイ素(Si)含有官能基間の架橋反応をより促進することが可能となる。これらにより、セパレータの高温での流動性を低下させることができ、ひいては非水系二次電池の高温サイクル寿命および圧壊安全性を向上させることが出来る。
セパレータの架橋の進行し易さ、ならびに電池の圧壊試験合格率、サイクル試験容量維持率、高温サイクル寿命を向上する、および/または、それらのバランスを取る観点から、セパレータのSAXSおよびWAXS測定では、ポリオレフィンの結晶構造を解析することが好ましく、ポリエチレンの結晶構造を解析することがより好ましい。実施形態4に係るシラン変性ポリオレフィンは、セパレータの任意の位置に含有されてよく、例えば、ポリオレフィン製微多孔膜のみから成る単層型セパレータの場合には微多孔膜中または微多孔膜表面に存在してよく、微多孔膜の片面又は両面に形成された層を含む多層型セパレータの場合には、微多孔膜中もしくは微多孔膜表面、または形成された層の中または面上に存在してよく、上記と同様の観点からは、基材としてのポリオレフィン製微多孔膜の中または表面上に存在することが好ましい。WAXS測定は、透過法でもよく、反射法(XRD)でもよい。セパレータ表面だけでなく、内部の結晶構造も含めて解析する観点から、セパレータのWAXS測定は透過法で行うことが好ましい。
SAXS検出された結晶長周期は、同様の観点から、20nm超49nm以下であることが好ましく、22nm以上47nm以下であることがより好ましい。同様の観点から、WAXS検出された結晶化度は、60%超80%未満であることが好ましく、62%以上78%以下であることがより好ましい。電池の圧壊試験合格率、サイクル試験容量維持率、高温サイクル寿命を向上する、および/または、それらのバランスを取る観点から、シラン変性ポリオレフィンを含むセパレータのWAXS測定において検出されたポリエチレンの結晶子サイズ(110面)は、10nm~50nmの範囲内にあることが好ましく、12nm~47nmの範囲内にあることがより好ましい。
結晶長周期が大きすぎると、Gibbs-Thomson効果により結晶の融解温度が上がり、シャットダウン温度が高くなる。また、結晶長周期が大きすぎるとタイ分子数が減少するため、耐熱クリープ性が低下する。ひいては圧壊試験合格率の低下および高温サイクル寿命の低下が起きる。また、結晶長周期を大きくするためには延伸工程での変形量を大きくする必要があり、セパレータの熱収縮性が悪化する。
他方、結晶長周期が小さすぎると、非晶部においてシラン変性ユニット同士の距離が小さくなりすぎ、溶媒の含侵性の低下しおよび/またはシラン変性基同士の立体障害が発生するとこにより架橋性が低下するため、溶融時の粘弾性が低下し、メルトダウン温度が低下する。ひいては、圧壊試験合格率の低下、高温サイクル寿命の低下が起きる。また、結晶長周期を小さくするためには延伸工程での延伸量を小さくする必要があり、セパレータの孔径および孔数が小さくなり、透過性が悪化する。ひいては、圧壊試験合格率の低下、サイクル試験容量維持率の低下、および高温サイクル寿命の低下が起きる。
同様に、結晶化度が大きすぎると、Gibbs-Thomson効果により結晶の融解温度が上がり、セパレータのシャットダウン温度が上がり、タイ分子数が減少するため、耐熱クリープ性が低下する。向かい合う結晶面間でシラン変性ユニット同士の距離が小さくなり、溶媒の含侵性の低下および分岐鎖の立体渉外により架橋性が低下し、溶融時の粘弾性とメルトダウン温度が低下する。ひいては、圧壊試験合格率の低下、および高温サイクル寿命の低下が起きる。
一方で、結晶化度が小さすぎると、セパレータ製膜性の制限から熱収縮性が悪化し、またタイ分子数が減少するため、耐熱クリープ性が低下する。また、向かい合う結晶面間でシラン変性ユニット同士の距離が大きくなり架橋性が低下し、溶融時の粘弾性とメルトダウン温度が低下する。ひいては、圧壊試験合格率の低下、および高温サイクル寿命の低下が起きる。
結晶子サイズが大きすぎると、Gibbs-Thomson効果により結晶の融解温度が上がり、シャットダウン温度も上がる。またタイ分子数が減少するため、耐熱クリープ性が低下する。ひいては、圧壊試験合格率の低下、および高温サイクル寿命の低下が起きる。
一方で、結晶子サイズを小さくしようとすると、シート成形後に低温、高引張力で延伸、熱処理を行う必要があり、セパレータに残留応力が残り易く、ひいては、セパレータの熱収縮性の悪化に繋がる。ひいては、圧壊試験合格率の低下、および高温サイクル寿命の低下が起きる。
セパレータの架橋の進行し易さ、ならびに電池の圧壊試験合格率、サイクル試験容量維持率、高温サイクル寿命を向上する、および/または、それらのバランスを取る観点から、セパレータにおいて、XRD測定されたポリエチレンの結晶子サイズ(110)は14.2~40.0nmであることが好ましく、かつ/又はXRD測定された結晶化度は80~99%であることが好ましい。
シラン変性ポリオレフィンを含むセパレータのWAXS測定において検出された(110)面に垂直な方向の結晶子サイズと(200)面に垂直な方向の結晶子サイズの比(110)/(200)は、電池の圧壊試験合格率、サイクル試験容量維持率、高温サイクル寿命等を向上する、および/または、それらのバランスを取る観点から0.9~2.0であることが好ましく、1.0~1.7の範囲内にあることがより好ましい。
上記と同様の観点から、シラン変性ポリオレフィンを含むセパレータの非晶部厚み(非晶部長)は、小角X線散乱測定で検出されたポリエチレンの結晶長周期と広角X線散乱測定で検出された結晶化度から下記式:
式:非晶部厚み[nm]=(結晶長周期[nm])×(1-結晶化度[%]/100)
で計算され、3nm~23nmの範囲内にあることが好ましく、5nm~15nmの範囲内にあることがより好ましく、8nm~13nmの範囲内にあることが更に好ましい。非晶部厚み(非晶部長)が大きすぎると、非晶部での分子鎖の絡み合いが増えることから結晶間拘束が強くなり、シャットダウン温度が上がる。また、向かい合う結晶面間でシラン変性ユニット同士の距離が大きくなり架橋性が低下し、溶融時の粘弾性とメルトダウン温度が低下する。ひいては、圧壊試験合格率の低下、および高温サイクル寿命の低下が起きる。一方で、非晶部長が小さすぎると、分子鎖の絡み合いが減り、耐熱クリープ性が低下する。また、向かい合う結晶面間でシラン変性ユニット同士の距離が小さくなり、溶媒の含侵性の低下および分岐鎖の立体障害により架橋性が低下し、溶融時の粘弾性とメルトダウン温度が低下する。ひいては、圧壊試験合格率の低下、および高温サイクル寿命の低下が起きる。
シラン変性ポリオレフィンを含むセパレータの結晶部厚みは、上記と同様の観点から、15nm~36nmの範囲内にあることが好ましく、17nm~34nmの範囲内にあることがより好ましい。結晶部厚み(結晶長)が大きすぎると、Gibbs-Thomson効果により結晶の融解温度が上がり、シャットダウン温度も上がる。また、タイ分子数が減少するため耐熱クリープ性が低下する。ひいては、圧壊試験合格率の低下、および高温サイクル寿命の低下が起きる。一方で、結晶長を小さくしようとすると、シート成形後に低温、高引張力で延伸、熱処理を行う必要があり、セパレータに残留応力が残り易く、ひいては熱収縮性の悪化に繋がる。ひいては、圧壊試験合格率の低下、および高温サイクル寿命の低下が起きる。
上記と同様の観点から、シラン変性ポリオレフィンを含むセパレータのWAXS測定において、セパレータのMD方向から測定されたポリエチレンの断面結晶配向度が0.70~0.99、かつTD方向から測定されたポリエチレンの断面結晶配向度が0.70~0.99の範囲内にあることが好ましい。MD及びTDから測定された断面結晶配向度が、0.70以上であると、セパレータ強度を確保し易く、他方では0.99以下であるとセパレータを製膜し易い。セパレータの強度と製膜性の観点から、セパレータのMD方向から測定されたポリエチレンの断面結晶配向度は、0.76~0.98の範囲内にあることがより好ましく、かつ/又はセパレータのTD方向から測定されたポリエチレンの断面結晶配向度は、0.74~0.93の範囲内にあることがより好ましい。
断面結晶配向度が大きすぎると、溶融時に配向方向への変形量が大きくなり、熱収縮性が悪化する。ひいては、圧壊試験合格率、および高温サイクル寿命が低下する。一方で、断面結晶配向度が小さすぎると圧壊試験合格率の低下、および高温サイクル寿命の低下が起きる。一般に樹脂材料に応力が加えられるとき、応力方向に配向を持ったタイ分子が少ないほど耐熱クリープ性が低下することが知られている。断面結晶配向度が小さすぎると、電池内で不均一な応力が発生した際にセパレータが不均一に変形し、SFCの流れが不均一化し、不均一なSEI層が形成され、ひいては圧壊試験合格率の低下、および高温サイクル寿命の低下が起きる。
セパレータの機械強度、電池の圧壊試験合格率、サイクル試験容量維持率、高温サイクル寿命を向上する、および/または、それらのバランスを取る観点から、XRD測定されたセパレータのMD方向のポリエチレンの断面結晶配向度は0.85~0.99であることが好ましく、かつ/又はTD方向のポリエチレンの断面結晶配向度は0.85~0.99であることが好ましい。
上記と同様の観点から、セパレータのMD方向から測定されたポリエチレンの断面結晶配向度とTD方向から測定されたポリエチレンの断面結晶配向度の比MD/TDが、0.45~1.35または0.5~1.2の範囲にあることが好ましく、0.50~1.20または0.60~1.25の範囲にあることがより好ましく、0.80~1.15の範囲にあることが更に好ましい。セパレータのMD方向から測定されたポリエチレンの断面結晶配向度とTD方向から測定されたポリエチレンの断面結晶配向度の比MD/TDが上記範囲に入ることで、セパレータの機械強度が上昇し電池内で不均一に発生する複雑な応力に対して、クリープ変形が起こり難くなり、ひいては電池の圧壊試験合格率、サイクル試験容量維持率、高温サイクル寿命が向上する。
セパレータのSAXS及び/又はWAXS測定で検出される数値は、例えば、セパレータの製造プロセスにおいて、均一なSi含有分子構造の配置のためのシラン変性ポリオレフィンのSi変性率、C/C分子構造、数平均分子量(Mn)、重量平均分子量(Mw)、分散度(Mn/Mw)などにより定量または選定し、かつ/又はシラン変性ポリオレフィン以外のポリオレフィン樹脂をMn、Mw、Mn/Mwなどにより定量または選定し、かつ/又はシラン変性ポリオレフィンとシラン変性ポリオレフィン以外のポリオレフィン樹脂の配合比率を定量することにより上記で説明された範囲内に調整されることができる。
シラン変性ポリオレフィンを含むセパレータのTOF-SIMS測定で検出されたSi含有画像について、ボロノイ分割を行なって得られるボロノイ多角形のうち最大頻度のボロノイ面積(mu)が、6.00m~12.00μmの範囲内にあることが好ましい。最大頻度のボロノイ面積(mu)が6.00μm~12.00μmであると、電池の圧壊試験合格率、サイクル試験容量維持率、高温サイクル寿命を向上し、および/または、それらのバランスを取り易くなる傾向にある。より詳細には、上記ボロノイ分割を行なって得られるボロノイ多角形のうち最大頻度のボロノイ面積(mu)が6.00μm~12.00μmの範囲内にあると、セパレータにおいて、Si含有分子が、海島構造ではない状態で分散されている傾向が強い。例えば、非水系二次電池がリチウムイオン二次電池である場合には、Si元素が均一分散されたセパレータが、酸素原子等の非共有電子対を有する電解液により溶媒和したリチウム(Li)錯体と共存すると、実施形態1について説明された上記項目(ア)及び(イ)の現象によって、電池のサイクル特性試験において製品寿命を延ばすことが考えられる。
さらに、Si含有分子は架橋性を有することが多く、例えばシラン架橋性を有する場合には、非水系二次電池内においても分散されたSi含有分子のシラン架橋性を確保でき、さらにはシロキサン結合の安定性を確保でき、長期間に亘ってセパレータの架橋構造を維持できると考えられ、それにより、例えば圧壊試験などの安全性試験において、安全性を確保することができる。
実施形態4に係るセパレータは、100μm四方面積でTOF-SIMS測定を行ったときに、ケイ素を含む構造が少なくとも1つ以上検出され、好ましくは、Si含有分子が、セパレータにおいて、海島構造ではない状態で分散されていることが検出される。
セパレータ及びそれを含む非水系二次電池の安全性を更に向上させるという観点から、実施形態4に係るセパレータは、例えばSi含有分子として、シラン変性ポリエチレンを含むことが好ましく、セパレータが塗工液または電解液と接触するとシラン変性ポリエチレンのシラン架橋反応が進行することがより好ましい。
電池の圧壊試験合格率、サイクル試験容量維持率、高温サイクル寿命を向上し、および/または、それらのバランスを取る観点から、上記ボロノイ分割を行なって得られるボロノイ多角形のうち最大頻度のボロノイ面積(mu)が、6.20μm~11.80μmの範囲内にあることがより好ましい。
上記TOF-SIMS測定で検出されたSi含有画像のボロノイ面積頻度分布の広がり(σ)は、2.00μm~4.00μmの範囲内にあることが好ましい。セパレータのσが、2.00μm以上であるとセパレータを製膜し易く、他方では4.00μm以下であると電池の圧壊試験合格率、サイクル試験容量維持率、高温サイクル寿命を向上し得る。このような観点から、セパレータのσは2.30μm~3.60μmの範囲内にあることがより好ましい。
TOF-SIMS測定で検出されたSi含有画像について、最大頻度のボロノイ面積(mu)に対するボロノイ面積頻度分布の広がり(σ)の比(σ/mu)が、次の関係を満たすことが好ましい。
0.20≦σ/mu≦0.40
ボロノイ分割における比(σ/mu)は、セパレータ表面にSi含有分子が均一に分散しているかどうかを示す指標として見なすことができる。比(σ/mu)が0.20~0.40の範囲内にあると、セパレータ表面にSi含有分子が均一分散し、非水系二次電池において、電解液由来のLi錯体とセパレータとの共存、セパレータのシラン架橋反応などに十分に寄与して、シラン変性ポリオレフィンを含むセパレータの製膜性と非水系二次電池のサイクル特性とを両立させることができる。理論的に拘束されることを望まないが、Li錯体がセパレータ面内において配位した中間体が存在する濃度、又は中間体が平衡状態の寿命などが重要であり、実施形態4では、上記の数値範囲内にある比(σ/mu)が、均一に電極へのインターカレーション反応へ寄与できることを実験的に発見した。セパレータの製膜性を確保しながら電池のサイクル製品寿命をさらに延ばすという観点から、比(σ/mu)は、0.22以上0.38以下であることがより好ましい。
実施形態4に係るセパレータのボロノイ分割により得られる数値は、例えば、Si含有分子の構造、セパレータ構成原料の分子量又は分子量分布、セパレータ構成原料の配合範囲などを制御することにより上記で説明された範囲内に調整されることができる。
所望により、実施形態4に係るセパレータは多層構造を有してよく、そしてセパレータを備える非水系二次電池として提供されることができる。
<実施形態5:セパレータのシラン変性ポリオレフィン含有構造及びボロノイ分割と圧縮前後の透気度変化と結晶構造>
実施形態5では、実施形態1~4に係る構成を組み合わせた非水系二次電池用セパレータが提供される。
実施形態5に係る非水系二次電池用セパレータは、シラン変性ポリオレフィンを含むポリオレフィン微多孔膜であり、セパレータのTOF-SIMS測定で検出されたSi含有画像について、ボロノイ分割を行なって得られるボロノイ多角形のうち最大頻度のボロノイ面積(mu)が、1.0μm~17.5μmまたは6.0μm~12.0μmの範囲内にあり、TOF-SIMS測定で検出されたSi含有画像のボロノイ面積頻度分布の広がり(σ)が、0.5μm~8.5μmの範囲内にあり、セパレータの厚みの30%が圧縮された時の透気度変化倍率(圧縮された後の透気度Sh/圧縮される前の透気度Sj)が、1.1~7.0倍の範囲内にあり、SAXS測定で検出されたポリエチレンの結晶長周期が20~50nmであり、WAXS測定で検出された結晶化度が60%~80%であり、かつ/又はWAXS測定で検出されたポリエチレンの結晶子サイズ(110)が10~50nmである。
実施形態1~5に係るセパレータの構成要素について以下に説明する。
<ポリオレフィン>
ポリオレフィンとしては、特に限定されないが、例えば、エチレン若しくはプロピレンのホモ重合体、又はエチレン、プロピレン、1-ブテン、4-メチル-1-ペンテン、1-ヘキセン、1-オクテン、ノルボルネン及び変性ポリオレフィンから成る群より選ばれる少なくとも2つのモノマーから形成される共重合体などが挙げられる。この中でも、孔が閉塞せずに、より高温で熱固定(「HS」と略記することがある)が行えるという観点から、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)又は変性ポリオレフィンが好ましく、高密度ポリエチレン、UHMWPE又は変性ポリオレフィンがより好ましい。一般に、UHMWPEの重量平均分子量は、1,000,000以上であることが知られている。なお、ポリオレフィンは、1種単独で用いても、2種以上を併用してもよい。
上記で説明されたボロノイ分割により得られる特性、SAXS及び/又はWAXSにより得られる特性などをセパレータに付与するという観点から、ポリオレフィンとしては、変性ポリオレフィンを用いることが好ましく、シラン変性ポリエチレン(以下、樹脂Aという)を用いることがより好ましい。
非水系二次電池のサイクル特性の長寿命化と安全性の両立を図り、それらのバランスを取るという観点からだけでなく、均一なSi含有分子構造の配置、SAXS及び/又はWAXS測定とボロノイ分割について上記で説明された各種の値の最適化し、セパレータの架橋の進行し易さ、並びに電池の圧壊試験合格率、サイクル試験容量維持率、高温サイクル寿命を向上する、および/または、それらのバランスを取る観点からも、樹脂Aに加えて、シラン変性ポリエチレン以外のポリオレフィンを少なくとも1種用いることが好ましく、シラン変性ポリエチレン以外のポリオレフィンとして、粘度平均分子量(Mv)が1,800,000以上のUHMWPE(以下、樹脂Bという)を用いることがより好ましく、樹脂Bだけでなく、Mvが1,800,000未満のポリエチレン(以下、樹脂Cという)も用いることがさらに好ましい。
(セパレータのケイ素含有構造及びボロノイ分割)
セパレータ中のシラン変性ポリオレフィンのケイ素(Si)含有官能基において、主鎖に対する連結部を構成するメチレン(CH)の数が、2~10であることが好ましい。主鎖に対する連結部を構成するメチレン(CH)の数とは、シラン変性ポリオレフィンの主鎖とSi原子とを連結する(CH)の数のことを言い、例えば下記式(I)中のnの値のことである。
{式中、Rとしては、メチル、エチル、n-プロピル、イソプロピル、n-ブチル、sec-ブチル、イソブチル、tert-ブチル等が挙げられ、かつnは、上記で説明された主鎖に対する連結部を構成するメチレン(CH)の数である。}
例えば、シラン変性ポリオレフィンのSi含有官能基については、ポリエチレン等を主成分として含むポリオレフィン主鎖に対して、連結部を構成するCHの数が、2~10の範囲内にあると、シラン架橋反応を起こし易い高次構造を構築し易くなる。セパレータの架橋し易さを確保し、電池の圧壊試験合格率、サイクル試験容量維持率、高温サイクル寿命を向上する、および/または、それらのバランスを取る観点から、このCH数は、2~6の範囲内にあることがより好ましい。
<樹脂A:シラン変性ポリエチレン>
シラン変性ポリエチレン(樹脂A)を含むセパレータは、塗工液または電解液と接触するとシラン変性ポリエチレンのシラン架橋反応が進行するので好ましい。シラン変性ポリエチレンとしては、例えば、シラングラフト変性ポリエチレンなどが挙げられる。セパレータを構成するポリオレフィンに含まれる官能基は、ポリオレフィンの結晶部に取り込まれず、非晶部において架橋されると考えられるので、実施形態1~5係るセパレータは、電解液と接触すると、電解液中の化学物質を利用して、架橋構造を形成し、それにより内部応力の増加又は作製された電池の変形を抑制して、釘刺試験などの安全性を向上させることができる。
また、実施形態1~5係るセパレータは、塗工液中のHイオン、または-OH基と反応して架橋反応を進行させることができ、それにより内部応力の増加又は作製された電池の変形を抑制して、圧壊試験などの安全性を向上させることができる。理論に拘束されることを望まないが、水系の塗工液が酸性の場合には、反応系の活性エネルギーが低下して、セパレータの架橋反応が進行し易くなることが考えられる。水系塗工液が塩基性の場合には、OHの存在によりセパレータのシラン架橋反応は促進されることが考えられる。非水系塗工液の場合には、塗工液の有機溶媒がセパレータのポリエチレン非晶部に入り込み、分子運動が促進されることにより、シラン架橋反応が促進されることが考えられる。
セパレータにおいて、シラン変性ポリエチレンによってシラン架橋構造(ゲル化構造)を構築することで、高温耐破膜性を発現して、圧壊試験などの安全性を向上させることができる。これは、混合樹脂中に分散する、ポリエチレン同士;及び/又はポリエチレンとポリエチレン以外のポリオレフィンとが、シラン架橋構造によって好適に連結するためであると推察される。すなわち、ポリオレフィン製微多孔膜を含むセパレータ全体としてのモロフォロジーが変化することで、引張伸度の向上も図られ、これにより、電池が外力により変形したときにセパレータが破断する可能性を低減できることが期待される。
シラン変性ポリオレフィンは、主鎖がポリオレフィンであり、その主鎖にアルコキシシリル基をグラフトする構造で構成されている。シラン変性ポリオレフィンは、例えばポリオレフィンの主鎖に、アルコキシシリル基をグラフトすることで得ることができる。シラン非変性ポリオレフィンとしては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、エチレンとプロピレンの共重合体などが挙げられる。シラン変性ポリエチレンとしては、例えば高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレンなどのポリエチレンに、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、およびビニルトリアセトキシシランなどの不飽和シラン化合物をグラフト化して得られるグラフト共重合体、またはエチレン-エチレン性不飽和シラン化合物共重合体が挙げられる。
シラン変性ポリエチレンのアルコキシシリル基は、水による加水分解反応を経てシラノール基へ変換され、架橋反応を起こし、シロキサン結合を形成すると推定されている(下記式で表される加水分解反応、縮合反応、及び脱水縮合反応を参照;T0構造から、T1構造、T2構造又はT3構造に変化する割合は任意であり、下記式では、上記式(I)において説明した主鎖に対する連結部を構成するメチレン(CH)の数nが2の場合について記載しているが、nは3~10でもよい)。アルコキシシリル基に置換したアルコキシドとしては、特に制限されないが、例えば、メトキシド、エトキシド、ブトキシド等が挙げられる。例えば、下記式中、Rは、メチル、エチル、n-プロピル、イソプロピル、n-ブチル、sec-ブチル、イソブチル、tert-ブチル等が挙げられる。
シラン変性ポリエチレンにおいて、主鎖とグラフト間は共有結合で繋がれている。かかる共有結合を形成する構造としては、特に制限されないが、例えば、アルキル、エーテル、グリコール、エステル等が挙げられる。
均一なSi含有分子構造の配置、またLi錯体配位中間の平衡状態の寿命の観点からだけでなく、SAXS及び/又はWAXS測定とボロノイ分割について上記で説明された各種の値の最適化し、セパレータの架橋の進行し易さ、ならびに電池の圧壊試験合格率、サイクル試験容量維持率、高温サイクル寿命を向上する、および/または、それらのバランスを取る観点からも、樹脂Aの架橋反応を行う前の段階では、樹脂Aには、シラノールユニットが0.03~1.0モル%含まれる(すなわち、シラノールユニット変性率が0.03~1.0モル%である)ことが好ましく、このシラノールユニット変性率は、より好ましくは0.05~0.35モル%、さらに好ましくは0.07~0.32モル%、特に好ましくは0.08~0.30モル%、最も好ましくは0.12~0.28モル%である。実施形態1~5では、シラン変性ユニットはセパレータの非結晶部のみに存在し、またシラン変性ユニット同士の距離、-10℃~80℃での熱振動運動などに着目し、架橋反応が構築し易い分子構造を設計した。上記式中、T0、T1、T2、T3構造のいずれもLi錯体との配位中間体を構築することが可能であるが、Li錯体は、非結晶部ではSi原子間で配位、配位脱離、再配位がランダムに進行すると考えられるため、樹脂Aのシラノールユニット変性量を調整することで、効果の最大化に至った。
上記と同様の観点から、樹脂Aは、プロピレン変性(C)ユニット0.01~2.0モル%により、ブテン(C)ユニット0.01~2.0モル%により、又はCユニットとCユニットの合計0.01~2.0モル%により変性されることが好ましい。
上記と同様の観点から、樹脂AのCユニット変性率は、0.01~1.2モル%であることがより好ましく、0.01~0.75モル%であることがさらに好ましく、0.02~0.60モル%であることが特に好ましく、0.05~0.30モル%であることが最も好ましい。
非水系二次電池のサイクル特性と安全性に加えて、セパレータのFUSE機能の観点から、樹脂Aの架橋反応を行う前の段階では、樹脂AのCユニット変性率としては、0.01~1.0モル%がより好ましく、0.30~0.70モル%がさらに好ましく、0.48~0.65モル%が特に好ましい。他方、セパレータ製膜時の熱固定(HS)工程では、樹脂AのCユニット変性率としては、0.43モル%以下が好ましく、0.40モル%以下がより好ましく、0.1モル%以下がさらに好ましい。
非水系二次電池のサイクル特性と安全性の観点からだけでなく、セパレータのSAXS及び/又はWAXS測定とボロノイ分割について上記で説明された各種の値を最適化し、非水系二次電池の圧壊試験合格率、サイクル試験容量維持率、高温サイクル寿命を向上する、および/または、それらのバランスを取る観点からも、樹脂AのCユニットとCユニットの合計変性率としては、1.5モル%以下がより好ましく、1.0モル%以下がさらに好ましく、0.6モル%以下が特に好ましく、0.3モル%以下が最も好ましい。
樹脂Aの数平均分子量(Mn)は、非水系二次電池のサイクル特性と安全性の観点から、好ましくは10,000~20,000であり、16,000以下であることがより好ましく、15,000以下であることがさらに好ましい。
上記と同様の観点から、樹脂Aの重量平均分子量(Mw)は、好ましくは45,000~200,000であり、140,000以下であることがより好ましく、129,000以下であることがさらに好ましく、100,000以下であることが特に好ましく、72,000以下であることが最も好ましい。
上記と同様の観点から、樹脂AのMw/Mnは、好ましくは3.0~12であり、4.0~9.0であることがより好ましく、4.1~8.0であることが更に好ましい。
上記と同様の観点から、樹脂Aの結晶化度は、好ましくは40~70%であり、50~68%であることがより好ましく、60~65%であることがさらに好ましい。
上記と同様の観点から、樹脂Aの結晶子サイズ(110)は、好ましくは15~30nmであり、17~28nmであることがより好ましく、20~25nmであることがさらに好ましい。
上記と同様の観点から、樹脂Aの結晶長周期は、好ましくは15~30nmであり、17~27nmであることがより好ましく、20~25nmであることがさらに好ましい。
樹脂Aについては、限定されるものではないが、その粘度平均分子量(Mv)は、例えば20,000~150,000でよく、その密度は、例えば0.90~0.97g/cm3でよく、その190℃でのメルトマスフローレート(MFR)は、例えば0.1~15g/minでよい。
シラン変性ポリエチレンを構成するポリエチレンとしては、1種単独のエチレンから構成されていてもよく、2種以上のエチレンから構成されていてもよい。異なるエチレンから構成された、2種以上のシラン変性ポリエチレンが併用されてもよい。
<樹脂B:Mvが1,800,000以上のUHMWPE>
樹脂Bは、Mvが1,800,000以上のUHMWPEであり、樹脂Aと併用されることが好ましく、所望により樹脂Cと併用されることができる。
樹脂BのMnは、非水系二次電池のサイクル特性と安全性の観点からだけでなく、セパレータのSAXS及び/又はWAXS測定とボロノイ分割について上記で説明された各種の値を最適化し、非水系二次電池の圧壊試験合格率、サイクル試験容量維持率、高温サイクル寿命等を向上する、および/または、それらのバランスを取る観点からも、好ましくは200,000~1,400,000であり、より好ましくは210,000~1,200,000であり、さらに好ましくは250,000~1,000,000である。
上記と同様の観点から、樹脂BのMwは、1,500,000~8,800,000であることが好ましく、1,600,000~7,100,000であることがより好ましく、1,700,000~6,200,000であることがさらに好ましい。
上記と同様の観点から、樹脂BのMnに対するMwの比(Mw/Mn)は、3.0~12であることが好ましく、4.0~9.0であることがより好ましく、6.0~8.8であることがさらに好ましい。
上記と同様の観点から、樹脂BのMvは、1,800,000超10,000,000以下であることが好ましく、1,850,000~8,500,000であることがより好ましく、1,950,000~7,800,000であることがさらに好ましく、2,000,000~6,500,000であることが特に好ましい。
<樹脂C:Mvが1,800,000未満のポリエチレン>
樹脂Cは、Mvが1,800,000未満のポリエチレンであり、樹脂Aと併用されることが好ましく、所望により樹脂Bと併用されることができる。
樹脂CのMnは、非水系二次電池のサイクル特性と安全性の観点からだけでなく、セパレータのSAXS及び/又はWAXS測定とボロノイ分割について上記で説明された各種の値を最適化し、非水系二次電池の圧壊試験合格率、サイクル試験容量維持率、高温サイクル寿命等を向上する、および/または、それらのバランスを取る観点からも、好ましくは20,000~250,000であり、30,000~200,000であることがより好ましく、32,000~150,000であることがさらに好ましく、40,000~110,000であることが特に好ましい。
上記と同様の観点から、樹脂CのMwは、好ましくは230,000~1,500,000であり、より好ましくは280,000~1,300,000であり、さらに好ましくは320,000~1,200,000であり、特に好ましくは400,000~1,000,000である。
上記と同様の観点から、樹脂CのMnに対するMwの比(Mw/Mn)は、3.0~12であることが好ましく、4.0~9.0であることがより好ましく、6.0~8.8であることがさらに好ましい。
上記と同様の観点から、樹脂CのMvは、好ましくは250,000以上1,800,000未満、より好ましくは、300,000以上1,600,000以下、さらに好ましくは320,000以上1,100,000以下、特に好ましくは450,000~800,000である。
<任意成分>
セパレータに含まれることができる任意成分としては、樹脂A~樹脂Cのいずれとも異なる成分が挙げられ、例えば、樹脂A~樹脂Cのいずれとも異なるポリマー又は後述する添加剤の少なくとも一方が挙げられる。任意成分は単数種に限られない。セパレータは、樹脂A~樹脂Cのいずれとも異なるポリマーを複数種含んでよく、添加剤を複数種含んでよく、また、セパレータは、該ポリマーと該添加剤との両方を含んでよい。ポリマーの任意成分の例として、例えばポリプロピレン(PP)、ポリスチレン(PS)、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)、ポリエステル、ポリカーボネート(PC)、ポリスルホン(PSU)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリフェニレンオキシド(PPO)、ポリアリーレンエーテル系ポリマー、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリフェニレンスルフィドスルホン、ポリパラフェニレン(PPP)、ポリアリーレン系ポリマー、ポリアリーレンケトン、ポリエーテルケトン(PEK)、ポリアリーレンホスフィンオキシド、ポリエーテルホスフィンオキシド、ポリベンズオキサゾール(PBO)、ポリベンズチアゾール(PBT)、ポリベンズイミダゾール(PBI)、ポリアミド(PA)、ポリイミド(PI)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリイミドスルホン(PIS)のうち少なくとも1つを含む単重合体および共重合体が挙げられ、添加剤の例としてフェノール系化合物、リン系化合物、イオウ系化合物等の酸化防止剤;ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸亜鉛等の金属石鹸類;紫外線吸収剤;光安定剤;帯電防止剤;防曇剤;着色顔料等が挙げられる。セパレータが複数種の任意成分を含む場合、その複数種の任意成分の合計の含有比が20質量%以下でよい。
セパレータは、上記で例示された添加剤だけでなく、可塑剤等の既知の添加剤を含んでもよいが、有機金属含有触媒(脱水縮合触媒)は含まないことが好ましい。
(脱水縮合触媒)
アルコキシリル基は水による加水分解反応を経て、シロキサン結合を形成する。しかしながら、その反応速度が遅いため、多くの場合は、有機金属含有触媒を用いて縮合反応を促進できる。有機金属含有触媒の金属は、例えば、スカンジウム、バナジウム、銅、亜鉛、ジルコニウム、パラジウム、ガリウム、スズ、チタン、鉄、ニッケル及び鉛から成る群から選択される少なくとも1つでよい。有機金属含有触媒は特にジーブチルスズージーラウレート、ジーブチルスズージーアセテート、ジーブチルスズージーオクトエートなどとして挙げられ、Wei jら(F. W. van. de r. Wei」:Macromol. Chem., 181, 2541, 1980.) によって提唱された反応機構で反応速度を圧倒的に促進できることが知られているが、近年では、有機スズによる環境、人体への健康被害を避けるために、銅又はチタンのキレート錯体のルイス機能を利用して、有機塩基と組み合わせることによって、有機スズ錯体と同様にアルコキシシリル基同士のシロキサン結合を形成する反応を促進できることが知られている。
有機金属含有触媒(脱水縮合触媒)はアルコキシシリル基含有樹脂のシロキサン結合形成反応の触媒としても機能することが知られている。本明細書では、シート成形工程の前(例えば、必要により行われる混錬工程の段階)において、シラン変性ポリエチレンを含有する樹脂に有機金属含有触媒(又は脱水縮合触媒)を事前に添加したものをマスターバッチ樹脂と呼ぶ。
セパレータは有機金属含有触媒(脱水縮合触媒)やそれを含むマスターバッチ樹脂を含まないことが好ましい。
<セパレータ特性>
以下のセパレータ特性は、ポリオレフィン微多孔平膜又は単層膜の場合である。以下の特性は、微多孔膜が積層膜の形態である場合には、積層膜からポリオレフィン微多孔膜以外の層を除いてから測定されることができる。
セパレータの気孔率は、好ましくは20%以上であり、より好ましくは30%以上であり、さらに好ましくは32%以上又は35%以上である。気孔率が20%以上であることにより、セパレータの突刺強度とリチウムイオンの急速な移動に対する追従性とがより向上する傾向にある。他方、セパレータの気孔率は、好ましくは90%以下、より好ましくは80%以下、さらに好ましくは50%以下である。気孔率が90%以下であることにより、膜強度がより向上し、自己放電がより抑制され、かつ/又は透気度が最適化される傾向にある。セパレータの気孔率は、実施例に記載の方法により測定することができる。
セパレータの透気度は、圧縮試験に供されていない状態、又は圧縮試験前の状態では、好ましくは1秒以上、より好ましくは30秒以上であり、更に好ましくは50秒以上であり、より更に好ましくは55秒以上であり、特に好ましくは70秒以上であり、最も好ましくは75秒以上である。透気度が1秒以上であることにより、膜厚と気孔率と孔径のバランスが向上する傾向にあるか、又は突刺強度が向上する傾向にある。また、セパレータの透気度は、好ましくは400秒以下であり、より好ましくは300秒以下であり、更に好ましくは270秒以下である。透気度が400秒以下であることにより、イオン透過性がより向上する傾向にある。セパレータの透気度は、実施例に記載の方法により測定することができる。
セパレータの引張強度は、MD及びTDの両方向において、それぞれ、好ましくは1000kgf/cm以上であり、より好ましくは1050kgf/cm以上であり、さらに好ましくは1100kgf/cm以上である。引張強度が1000kgf/cm以上であることにより、スリット又は電極との積層若しくは捲回時での破断がより抑制されるか、電池内の異物等による短絡がより抑制される傾向にある。他方、セパレータの引張強度は、好ましくは5000kgf/cm以下であり、より好ましくは4500kgf/cm以下であり、さらに好ましくは4000kgf/cm以下である。引張強度が5000kgf/cm以下であることにより、加熱試験時にセパレータが早期に緩和して収縮力が弱まり、結果として安全性が高まる傾向にある。
セパレータの引張弾性率は、MD及びTDの両方向において、それぞれ、好ましくは120N/cm以下であり、より好ましくは100N/cm以下であり、さらに好ましくは90N/cm以下である。120N/cm以下の引張弾性率は、非水系二次電池用セパレータとしては極度に配向していないことを示しており、加熱試験等において、例えばポリエチレンなどの閉塞剤が溶融し収縮する際に、早期にポリエチレンなどが応力緩和を起こし、これによって電池内でのセパレータの収縮が抑えられ、電極同士の短絡を防ぎ易くなる傾向にある(すなわち、セパレータの、加熱時の安全性を向上し得る)。このような低引張弾性率を有するセパレータは、セパレータ基材としてのポリオレフィン製微多孔膜を形成するポリオレフィン中に重量平均分子量が500,000以下のポリエチレンを含むことによって達成し易い。一方、セパレータの引張弾性率の下限値は、特に制限はないが、好ましくは10N/cm以上であり、より好ましくは30N/cm以上であり、さらに好ましくは50N/cm以上である。引張弾性率は、延伸の程度を調整したり、必要に応じ延伸後に緩和を行ったりすること等により適宜調整することができる。
セパレータの膜厚は、好ましくは1.0μm以上であり、より好ましくは2.0μm以上であり、さらに好ましくは3.0μm以上、4.0μm以上である。膜厚が1.0μm以上であることにより、膜強度がより向上する傾向にある。また、セパレータの膜厚は、好ましくは24μm以下であり、より好ましくは22μm以下であり、さらに好ましくは20μm以下、18μm以下である。膜厚が24μm以下であることにより、イオン透過性がより向上する傾向にある。セパレータの膜厚は実施例に記載の方法により測定することができる。
セパレータ中のポリエチレン結晶構造において、X線回折(XRD)において測定されたポリエチレン結晶化度は、60~99%が好ましく、ポリエチレンの(110)結晶子サイズは、14.2~50.0nmが好ましく、断面配向度は0.65~0.99が好ましく、ラメラ厚みは15~40nmが好ましく、結晶長周期は25~55nmが好ましい。セパレータは、圧縮弾性回復率が高いこと、外力によるクリープ変形し難いこと等の機械的物性などから、このようなX線構造解析で求められる結晶構造が優れている。
セパレータの突刺強度は、ハンドリング性の確保、HotBox試験の安全性、および熱収縮率の安定化の観点から、200gf~600gfの範囲内にあることが好ましく、210gf~390gfの範囲内にあることがより好ましい。同様の観点から、セパレータの目付換算突刺強度(セパレータの突刺強度(gf)/セパレータの目付(g/m))は、50gf・m/g~100gf・m/gの範囲内にあることが好ましく、60gf・m/g~90gf・m/gの範囲内にあることがより好ましい。
<層構成>
セパレータは、単層構造と多層構造のいずれを有してもよく、酸化還元耐性と緻密で均一な多孔質構造とを有するという観点から、少なくとも1つのポリオレフィン製微多孔膜を含むことが好ましい。ポリオレフィン製微多孔膜は、単数のポリオレフィン含有微多孔層から成る単層膜、複数のポリオレフィン含有微多孔層から成る多層膜、又はポリオレフィン系樹脂層とそれ以外の樹脂を主成分として含む層、例えば、熱可塑性ポリマー含有層、活性層、耐熱性樹脂層等もしくは無機多孔質層との多層膜であることができる。
2つのポリオレフィン含有微多孔層から形成される二層膜の場合には、両層のポリオレフィン組成は異なることができる。また、3つ以上のポリオレフィン含有微多孔層から形成される多層膜の場合には、その最外部と最内部のポリオレフィン組成は異なることができ、例えば三層膜であることができる。
(好ましい多層構造1)
好ましい多層構造1を有するセパレータは、基材としてのポリオレフィン製微多孔膜と、ポリオレフィン製微多孔膜の少なくとも片面に積層された、無機粒子および樹脂バインダを含む無機多孔質層とを備えることが好ましい。熱収縮を抑制し、非水系二次電池の圧壊試験合格率、サイクル試験容量維持率、高温サイクル寿命を向上する、および/または、それらのバランスを取る観点から、無機多孔質層に含まれる無機粒子の含有量は、無機多孔質層の全質量を基準として、5質量%~99質量%であることが好ましく、10質量%以上99質量%未満であることがより好ましい。
(別の好ましい多層構造2~4)
次に例示される多層構造2~4を有するセパレータも好ましい。また、多層構造1~4の任意の組み合わせも好ましい。
多層構造2を有するセパレータは、基材としてのポリオレフィン製微多孔膜と、ポリオレフィン製微多孔膜の少なくとも片面に形成された熱可塑性ポリマー含有層とを備える。熱可塑性ポリマー含有層に含まれる熱可塑性ポリマーは、(メタ)アクリル酸エステル及び/又は(メタ)アクリル酸の重合単位を含むか、またはポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン(PVDF-HFP)、及びポリフッ化ビニリデン-クロロトリフルオロエチレン(PVDF-CTFE)から成る群から選択される少なくとも一つのフッ素原子含有ポリビニル化合物を含むことが好ましい。熱可塑性ポリマー含有層を備えることで電極とセパレータの接着力が向上するため、電池製造時のハンドリングが向上する。
多層構造3を有するセパレータは、基材としてのポリオレフィン製微多孔膜と、ポリオレフィン製微多孔膜の少なくとも片面に配置された活性層とを備える。活性層は、ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン(高分子PVDF-HFP)、ポリフッ化ビニリデン-クロロトリフルオロエチレン(高分子PVDF-CTFE)、PVDFホモポリマー、PVDFとテトラフルオロエチレン・エチレン共重合体(ETFE)の混合物、又はフッ化ビニリデン-テトラフルオロエチレン-エチレン三元重合体から成る群から選択される少なくとも一つが好ましく、高分子PVDF-HFP、及び高分子PVDF-CTFEから成る群から選択される少なくとも一つがより好ましい。HFP又はCTFEをフッ化ビニリデンと共重合することによって、フッ素系樹脂の結晶性を適度な範囲に制御できるため、電極との接着処理の際に活性層の流動を抑制することができる。さらに、電極との接着処理の際、その接着力が向上するため、二次電池用セパレータとして用いた際に、界面ずれが生じ辛くなるため、圧壊試験合格率が向上する。
PVDFの具体例は、アルケマ社のKynar Flex(登録商標)シリーズ、例え
ば、LBG、LBG8200等;SOLVAY社のソレフ(登録商標)シリーズ、例えば
、グレード1015、6020等である。
高分子PVDF-HFPの具体例は、SOLVAY社のソレフ(登録商標)シリーズ、
例えば、グレード21216、21510(いずれもアセトンに溶解する)等である。高
分子PVDF-CTFEの具体例は、SOLVAY社のソレフ(登録商標)シリーズ、例
えば、グレード31508(アセトンに溶解する)等である。
多層構造4を有するセパレータは、基材としてのポリオレフィン製微多孔膜と、ポリオレフィン製微多孔膜の少なくとも片面に積層された、耐熱性樹脂を含む耐熱性樹脂層とを備える。耐熱性樹脂は、全芳香族ポリアミド(アラミドとも呼ばれる)、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリスルホン、ポリケトン、ポリエーテル、ポリエーテルケトン、ポリエーテルイミド及びセルロースから成る群から選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。中でも、耐久性の観点から全芳香族ポリアミドが好ましく、パラ型芳香族ポリアミド及び/又はメタ型芳香族ポリアミドがより好ましい。また、多孔質層の形成性及び耐酸化還元性の観点からは、メタ型芳香族ポリアミドが好ましい。メタ型のポリアミドの例としては、ポリメタフェニレンイソフタルアミド等が挙げられる。また、パラ型のポリアミドの例としては、コポリパラフェニレン・3.4’オキシジフェニレン・テレフタラミド、ポリパラフェニレンテレフタラミド等が挙げられる。また、耐熱性樹脂層は、平均粒子径が0.2μm~0.9μmの無機を30質量%~90質量%含有することが好ましい。耐熱性樹脂層を備えることで、電池内部で局所短絡が発生した際にもセパレータの熱変形を抑制し、圧壊試験合格率が向上する。
多層構造1及び/又は3に係る無機粒子、並びに多層構造4に係る無機フィラーは、非水系二次電池用セパレータの製造方法について後述される無機材料でよく、中でも、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、マグネシア、セリア、イットリア、酸化亜鉛、酸化鉄、窒化ケイ素、窒化チタン、窒化ホウ素、シリコンカーバイド、水酸化酸化アルミニウム、タルク、カオリナイト、ディカイト、ナクライト、ハロイサイト、パイロフィライト、モンモリロナイト、セリサイト、マイカ、アメサイト、ベントナイト、アスベスト、ゼオライト、ケイ藻土、ケイ砂、およびガラス繊維から成る群から選択される少なくとも一つであることが好ましい。
<非水系二次電池用セパレータの製造方法>
(ポリオレフィン製微多孔膜の製造方法)
非水系二次電池用セパレータの製造方法として、ポリオレフィン製微多孔膜が単層膜(平膜)の場合について以下に説明するが、平膜以外の形態を除く意図ではない。実施形態1~5に係る微多孔膜の製造方法は、以下の工程:
(1)シート成形工程;
(2)延伸工程;
(3)多孔体形成工程;及び
(4)熱処理工程;
を含む。実施形態1~5に係る微多孔膜の製造方法は、所望により、シート成形工程(1)前の樹脂変性工程若しくは混錬工程、及び/又は熱処理工程(3)後の捲回・スリット工程を含んでよいが、電池に収納されるときまで微多孔膜の架橋性を維持するという観点から、架橋構造形成工程又は架橋促進触媒との接触工程を含まないことが好ましい。
架橋構造形成工程は、(1)微多孔膜に含まれる複数の官能基同士を縮合反応させる副次的工程、(2)微多孔膜に含まれる官能基を電池内部の化学物質と反応させる副次的工程、又は(3)微多孔膜に含まれる官能基を他の官能基と反応させる副次的工程を含むものである。架橋促進触媒は、架橋反応、例えば、(I)複数の同一官能基の縮合反応、(II)複数の異種官能基間の反応、(III)官能基と電解液の連鎖縮合反応、(IV)官能基と添加剤の連鎖縮合反応などを促進することが可能な任意の触媒である。架橋促進触媒は、例えば有機金属含有触媒などでよい。
(多層膜の製造方法)
非水系二次電池用セパレータの製造方法として、次に、多層膜の場合について以下に説明する。多層膜の製造方法は、以下の工程:
(1)シート成形工程;
(2)延伸工程;
(3)多孔体形成工程;
(4)熱処理工程;
(5)塗工工程;
(6)乾燥工程;及び
(7)組立工程
を含み、工程(5)と工程(6)の間に、工程(5.5)水洗工程を含んでよい。
多層膜の製造方法では、工程(1)~(4)を単層膜の製造方法と同様に行うことによりポリオレフィン製微多孔膜を形成し、得られたポリオレフィン製微多孔膜または熱処理工程(4)により得られた熱処理多孔体の少なくとも一方の表面に塗工液を塗布する塗工工程(5)、塗工液を乾燥除去する乾燥工程(6)、並びに電極及びセパレータの積層体又はその巻回体と、非水電解液とを外装体に収納する組立工程(7)を行なう。工程(5)と工程(6)の間に、塗工液中の溶媒成分を別の溶媒成分と置換する水洗工程(5.5)を含んでよい。また、多層膜の製造方法は、塗工工程(5)、水洗工程(5.5)、乾燥工程(6)及び組立工程(7)のうちの少なくとも1つの工程で多層膜に含まれるシラン変性ポリオレフィンの架橋構造を形成することを特徴とし、好ましくは、塗工工程(5)および組立工程(7)でシラン変性ポリオレフィンの架橋構造を形成する。
単層膜および多層膜の製造方法に含まれる各工程について以下に説明する。
混練工程では、混錬機を用いて、例えば、ポリオレフィンと、所望により他の樹脂と、可塑剤又は無機材とを混錬することができる。製造プロセスにおいて樹脂凝集物の発生を抑制し、かつ電池に収納されるときまで微多孔膜の架橋性を維持するという観点から、架橋促進触媒を含有するマスターバッチ樹脂を混錬物に加えないことが好ましい。
混錬工程又はシート成形工程(1)に供されるポリオレフィンは、オレフィンホモポリマーに限られず、官能基を有する単量体を共重合されたポリオレフィン、又は官能基変性ポリオレフィンであることができる。その官能基は、架橋構造の形成に関与することが可能な官能基であり、例えば、上記で説明されたアルコキシシリル基でよい。シラン変性ポリエチレン(樹脂A)を原料として準備することにより、樹脂変性工程を省略することができる。
他方、ポリオレフィン原料が、架橋構造の形成に関与することが可能な官能基を有していないか、そのような官能基のモル分率が所定の割合に満たない場合には、ポリオレフィン原料を樹脂変性工程に供し、樹脂骨格に官能基を組み込むか、又は官能基のモル分率を増加させて、官能基変性ポリオレフィンを得ることができる。樹脂変性工程は、既知の方法により行われることができる。例えば、架橋性官能基をポリオレフィン骨格に導入できるように、液体噴霧、気体噴霧、乾式混合、浸漬、塗布などによりポリオレフィン原料を反応試薬と接触させることができる。
上記で説明されたボロノイ分割又は圧縮前後の透気度変化率により得られる特性をセパレータに付与するという観点からだけでなく、Si含有分子の結晶構造、並びにSAXS及び/又はWAXS測定とボロノイ分割について上記で説明された各種の値を上記のとおりに最適化するという観点からも、ポリオレフィン原料として、シラン変性ポリエチレン(樹脂A)を準備することが好ましく、樹脂Aだけでなく上記で説明された樹脂B及び/又は樹脂Cも準備することがより好ましい。
均一なSi含有分子構造の配置とLi錯体の配位中間体の平衡状態の寿命の観点;均一な押出・混練の観点;Si含有分子の結晶構造、並びにSAXS及び/又はWAXS測定とボロノイ分割について上記で説明された各種の値を上記のとおりに最適化するという観点から、樹脂A及び樹脂B,Cが特定された分子設計又は配合を実行することができる。上述のとおり、Si含有分子は、ポリオレフィン樹脂の非結晶部にしか存在せず、樹脂Aのシロキサンユニット、C3,C4ユニットを全体的に設計に組み込むことで、Li錯体の配位中間体の平衡状態の寿命を制御できる。他方、樹脂Aを樹脂B,Cと配合することで、適切な非結晶の絡み合い構造を構築でき、非特許文献1に記載のような分子軌道の角度設計による反応選択性を発展させて、分子の熱振動を制御する観点で、すなわち、熱力学的な視点から、Li錯体の配位中間体の平衡状態の寿命を制御することができる。
シート成形工程(1)に供されるポリオレフィン原料中の樹脂Aの含有量は、上記で説明されたボロノイ分割により得られる特性をセパレータに付与するという観点からだけでなく、Si含有分子の結晶構造、並びにSAXS及び/又はWAXS測定とボロノイ分割について上記で説明された各種の値を上記のとおりに最適化するという観点からも、ポリオレフィン原料の固形分の全質量を基準として、好ましくは3~70質量%であり、より好ましくは5~60質量%、さらに好ましくは10~50質量%である。
上記と同様の観点から、ポリオレフィン原料中の樹脂Bの含有量は、ポリオレフィン原料の固形分の全質量を基準として、好ましくは3~70質量%であり、より好ましくは5~60質量%、さらに好ましくは5~40質量%である。
上記と同様の観点から、ポリオレフィン原料中の樹脂Cの含有量は、ポリオレフィン原料の固形分の全質量を基準として、好ましくは1~90質量%であり、より好ましくは5~60質量%、さらに好ましくは5~50質量%である。
上記と同様の観点から、シート成形工程(1)に供される樹脂Bに対する樹脂Aの質量比(A/B)は、好ましくは0.07~12.00であり、より好ましくは0.10~11.00であり、さらに好ましくは0.50~10.00である。
上記と同様の観点から、シート成形工程(1)に供される樹脂Cに対する樹脂Aの質量比(A/C)は、好ましくは0.07~12.00であり、より好ましくは0.10~11.00であり、さらに好ましくは0.20~10.00である。
上記と同様の観点から、シート成形工程(1)に供される樹脂Cに対する樹脂Bの質量比(B/C)は、好ましくは0.06~7.00であり、より好ましくは0.10~7.00であり、さらに好ましくは0.12~6.90である。
上記と同様の観点から、シート成形工程(1)に供される樹脂A~Cの分子量Mn,Mw,Mv、又はMw/Mnは、セパレータ構成要素について上記で説明されたものと同じであることが好ましい。
シート成形工程(1)に供される原料の分子量、分子量分布、配合比などを上記のとおり適切に制御することにより、実施形態1~5に係るセパレータのボロノイ分割に関する特性が達成され易くなる。
低温サイクル性と高温での耐破膜性を有しながら電池破壊時の熱暴走を抑制して安全性を向上させるという観点から、シート成形工程では、樹脂Aは、アルコキシシリル基の架橋反応を促進する触媒をシート成形工程前から含有するマスターバッチ樹脂ではないことが好ましい。
シート成形工程(1)に使用される可塑剤としては、特に限定されないが、例えば、沸点以下の温度でポリオレフィンと均一な溶液を形成し得る有機化合物が挙げられる。より具体的には、デカリン、キシレン、ジオクチルフタレート、ジブチルフタレート、ステアリルアルコール、オレイルアルコール、デシルアルコール、ノニルアルコール、ジフェニルエーテル、n-デカン、n-ドデカン、パラフィン油等が挙げられる。これらの中でも、パラフィン油、ジオクチルフタレートが好ましい。可塑剤は、1種単独で用いても、2種以上を併用してもよい。可塑剤の割合は特に限定されないが、得られる微多孔膜の気孔率の観点から、ポリオレフィンとシラン変性ポリオレフィンは、必要に応じて、合計質量に対して20質量%以上が好ましく、溶融混練時の粘度の観点から90質量%以下が好ましい。
シート成形工程(1)は、得られた混練物、又はポリオレフィンと可塑剤の混合物を押出機で押出し、冷却固化させ、シート状に成型加工してシートを得る工程である。シート成形の方法としては、特に限定されないが、例えば、溶融混練し押出された溶融物を、圧縮冷却または変形冷却により固化させる方法が挙げられる。冷却方法としては、冷風、冷却水等の冷却媒体に溶融物を直接接触させる方法、冷媒で冷却したロール又はプレス機に溶融物を接触させる方法等が挙げられるが、冷媒で冷却したロール又はプレス機に接触させる方法が、膜厚制御性が優れる点で好ましい。
延伸工程(2)は、得られたシートから、必要に応じて可塑剤又は無機材を抽出し、更にシートを少なくとも一軸方向へ延伸する工程である。シートの延伸方法としては、ロール延伸機によるMD一軸延伸、テンターによるTD一軸延伸、ロール延伸機とテンター又はテンターとテンターとの組み合わせによる逐次二軸延伸、同時二軸テンター又はインフレーション成形による同時二軸延伸等が挙げられる。より均一な膜を得るという観点からは、同時二軸延伸であることが好ましい。トータルの面倍率は、膜厚の均一性、引張伸度と気孔率と平均孔径のバランスの観点から、好ましくは8倍以上であり、より好ましくは15倍以上であり、さらに好ましくは20倍以上又は30倍以上である。トータルの面倍率が8倍以上であることにより、高強度で厚み分布が良好のものが得られ易くなる傾向にある。また、この面倍率は、破断防止などの観点から、250倍以下でよい。
多孔体形成工程(3)は、延伸工程後の延伸物から可塑剤を抽出して、延伸物を多孔化する工程である。可塑剤の抽出方法としては、特に限定されないが、例えば、延伸物を抽出溶媒に浸漬する方法、延伸物に抽出溶媒をシャワーする方法等が挙げられる。抽出溶媒としては、特に限定されないが、例えば、ポリオレフィンに対して貧溶媒であり、かつ、可塑剤又は無機材に対しては良溶媒であり、沸点がポリオレフィンの融点よりも低いものが好ましい。このような抽出溶媒としては、特に限定されないが、例えば、n-ヘキサン又はシクロヘキサン等の炭化水素類;塩化メチレン又は1,1,1-トリクロロエタン、フルオロカーボン系等ハロゲン化炭化水素類;エタノール又はイソプロパノール等のアルコール類;アセトン又は2-ブタノン等のケトン類;アルカリ水等が挙げられる。抽出溶媒は、1種単独で用いても、2種以上を併用してもよい。
熱処理工程(4)は、延伸工程の後、さらに必要に応じてシートから可塑剤を抽出し、更に熱処理を行い、微多孔膜を得る工程である。熱処理の方法としては、特に限定されないが、例えば、テンターやロール延伸機を利用して、延伸及び緩和操作等を行う熱固定方法が挙げられる。緩和操作とは、膜の機械方向(MD)及び/又は幅方向(TD)へ、所定の温度及び緩和率で行う縮小操作のことをいう。緩和率とは、緩和操作後の膜のMD寸法を操作前の膜のMD寸法で除した値、又は緩和操作後のTD寸法を操作前の膜のTD寸法で除した値、又はMDとTD双方を緩和した場合は、MDの緩和率とTDの緩和率を乗じた値のことである。熱処理工程(4)での延伸及び緩和操作は、少なくともTDに行うことが好ましい。
塗工工程(5)では、上述のとおりに得られたポリオレフィン製微多孔膜の少なくとも一方の表面、または熱処理工程(4)により得られた熱処理多孔体の少なくとも一方の表面に、塗工液を塗布する。塗工工程(5)としては、既知の塗工方法を採用でき、例えば、塗工液を基材、微多孔膜または熱処理多孔体に塗工する方法、微多孔膜の原料と、他の層の原料とを共押出法により積層して押し出す方法、両層を個別に作製した後にそれらを貼り合せる方法等が挙げられる。
より詳細には、塗工工程(5)は、以下の工程(5A)~(5D)のいずれか又は任意の組み合わせでよい:
(5A)無機粒子および樹脂バインダと、界面活性剤とを含有し、かつpHが6.7以下または7.5以上である塗工液を、ポリオレフィン製微多孔単層膜または熱処理多孔体の少なくとも一方の表面に塗布することで、無機多孔質層を、ポリオレフィン製微多孔単層膜または熱処理多孔体の少なくとも一方の表面に形成する塗工工程;
(5B)熱可塑性ポリマーと界面活性剤とを含有し、かつpHが6.7以下または7.5以上である塗工液を、ポリオレフィン製微多孔単層膜または熱処理多孔体の少なくとも一方の表面に塗布することで、熱可塑性ポリマー含有層を、ポリオレフィン製微多孔単層膜または熱処理多孔体の少なくとも一方の表面に形成する塗工工程;
(5C)フッ素原子含有ポリビニル化合物と無機粒子と有機溶媒とを含有する塗工液を、ポリオレフィン製微多孔単層膜または熱処理多孔体の少なくとも一方の表面に塗布することで、活性層を、ポリオレフィン製微多孔単層膜または熱処理多孔体の少なくとも一方の表面に形成する塗工工程;並びに
(5D)耐熱性樹脂と有機溶媒とを含有する塗工液を、ポリオレフィン製微多孔単層膜または熱処理多孔体の少なくとも一方の表面に塗布することで、耐熱性樹脂層を、ポリオレフィン製微多孔単層膜または熱処理多孔体の少なくとも一方の表面に形成する塗工工程。
塗工工程(5A)により、ポリオレフィン製微多孔膜と、上記で説明された好ましい多層構造1に係る無機多孔質層とを備える多層膜を形成することができる。
塗工工程(5B)により、ポリオレフィン製微多孔膜と、上記で説明された好ましい多層構造2に係る熱可塑性ポリマー含有層とを備える多層膜を形成することができる。
塗工工程(5C)により、ポリオレフィン製微多孔膜と、上記で説明された好ましい多層構造3に係る活性層とを備える多層膜を形成することができる。
塗工工程(5D)により、ポリオレフィン製微多孔膜と、上記で説明された好ましい多層構造4に係る耐熱性樹脂層とを備える多層膜を形成することができる。
塗工工程(5A)および(5B)では、水系または非水系の塗工液のpHが6.7以下であると、塗工液と接触するシラン変性ポリオレフィンの反応系の活性エネルギーが低下して、シラン架橋反応を起こり易くする。他方、水系または非水系の塗工液のpHが7.5以上であると、OHの存在によりシラン変性ポリオレフィンのシラン架橋反応は促進させることができる。
塗工工程(5C)及び(5D)では、非水系塗工液に含まれる有機溶媒が、ポリオレフィン製微多孔単層膜または熱処理多孔体の非晶部に入り込むことによりシラン変性ポリオレフィンのシラン架橋反応を促進することができる。
熱可塑性ポリマー含有層を形成するための塗工液には、熱可塑性ポリマーを含有させ、そして熱可塑性ポリマーは、(メタ)アクリル酸エステル、及び/又は(メタ)アクリル酸の重合単位、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン(PVDF-HFP)、並びにポリフッ化ビニリデン-クロロトリフルオロエチレン(PVDF-CTFE)から成る群から選択される少なくとも一つを含むことが好ましい。
活性層を形成するための塗工液には、フッ素原子含有ポリビニル化合物を含有させ、そしてフッ素原子含有ポリビニル化合物は、ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン(PVDF-HFP)、及びポリフッ化ビニリデン-クロロトリフルオロエチレン(PVDF-CTFE)から成る群から選択される少なくとも一つであることが好ましい。
塗工液は、所望により、樹脂バインダ、無機粒子または無機フィラー、分散剤、界面活性剤、溶媒などを含んでよい。無機多孔質層を形成するための塗工液には、無機粒子と樹脂バインダとを含有させる。
樹脂バインダとしては、例えば、以下の:
ポリエチレン、ポリプロピレン、α-ポリオレフィン等のポリオレフィン樹脂;
ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系ポリマー又はこれらを含むコポリマー;
ブタジエン、イソプレン等の共役ジエンを単量体ユニットとして含むジエン系ポリマー若しくはこれらを含むコポリマー、又はこれらの水素化物;
(メタ)アクリレート、(メタ)アクリル酸等を単量体ユニットとして含み、かつポリアルキレングリコールユニットを有していないアクリル系ポリマー、(メタ)アクリレート、(メタ)アクリル酸等を単量体ユニットとして含み、かつ1つ又は2つのポリアルキレングリコールユニットを有するアクリル系ポリマー、若しくはこれらを含むコポリマー、又はその水素化物;
エチレンプロピレンラバー、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル等のゴム類;
ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール等の、重合性官能基を有していないポリアルキレングリコール;
ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリエステル等の樹脂;
アルキレングリコールユニットの繰り返し数が3以上であるエチレン性不飽和単量体を共重合ユニットとして有するコポリマー;及び
これらの組み合わせ;
が挙げられ、または上述の熱可塑性ポリマーを採用することができる
これらの中でも、セパレータを備える電池の突刺試験における安全性を向上させるという観点から、樹脂バインダは、(メタ)アクリル酸エステルおよび/又は(メタ)アクリル酸の重合単位を含むことが好ましい。
上記で説明した樹脂バインダは、対応する単量体又はコモノマーを使用して既知の重合方法により製造することができる。重合方法としては、例えば、溶液重合、乳化重合、塊状重合等の適宜の方法を採用することができる。
樹脂バインダについては、乳化重合により粒子状バインダポリマーを形成し、それにより、得られたポリマーエマルジョンを水系ラテックスとして使用することが好ましい。
無機多孔質層、活性層または耐熱性樹脂層を形成するための塗工液には、無機粒子または無機フィラーを含有させる。無機粒子または無機フィラーとしては、特に限定されないが、例えば、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、マグネシア、セリア、イットリア、酸化亜鉛、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、硫酸マグネシウム、硫酸アルミニウム、水酸化アルミニウム、水酸化酸化アルミニウム、チタン酸カリウム、タルク、カオリナイト、ディカイト、ナクライト、ハロイサイト、パイロフィライト、モンモリロナイト、セリサイト、マイカ、アメサイト、ベントナイト、アスベスト、ゼオライト、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウム、ケイ藻土、ケイ砂等のセラミックス;ガラス繊維等が挙げられる。これらは、単独で用いてもよいし、複数を併用してもよい。
これらの中でも、電気化学的安定性及びセパレータの耐熱特性を向上させる観点から、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、マグネシア、セリア、イットリア、酸化亜鉛、酸化鉄、窒化ケイ素、窒化チタン、窒化ホウ素、シリコンカーバイド、水酸化酸化アルミニウム、タルク、カオリナイト、ディカイト、ナクライト、ハロイサイト、パイロフィライト、モンモリロナイト、セリサイト、マイカ、アメサイト、ベントナイト、アスベスト、ゼオライト、ケイ藻土、ケイ砂、およびガラス繊維から成る群から選択される少なくとも一つが好ましく、アルミナ、水酸化酸化アルミニウム等の酸化アルミニウム化合物;及びカオリナイト、ディカイト、ナクライト、ハロイサイト、パイロフィライト等の、イオン交換能を持たないケイ酸アルミニウム化合物がより好ましい。
なお、アルミナには、α-アルミナ、β-アルミナ、γ-アルミナ、θ-アルミナ等の多くの結晶形態が存在するが、いずれも好適に使用することができる。これらの中でも、α-アルミナが熱的・化学的にも安定なので好ましい。
酸化アルミニウム化合物としては、水酸化酸化アルミニウム(AlO(OH))が特に好ましい。水酸化酸化アルミニウムとしては、リチウムデンドライトの発生に起因する内部短絡を防止する観点から、ベーマイトがより好ましい。例えば耐熱性樹脂層を構成する無機フィラーとして、ベーマイトを主成分とする粒子を採用することで、高い透過性を維持しながら、非常に軽量な多孔質層を実現できる上に、より薄い多孔質層においても微多孔膜の高温での熱収縮が抑制され、優れた耐熱性を発現する傾向にある。電気化学デバイスの特性に悪影響を与えるイオン性の不純物を低減できる合成ベーマイトがさらに好ましい。
無機多孔質層を形成するための塗工液に含まれる無機粒子の含有量は、塗工液の全固形分の質量を基準として、5質量%~99質量%であることが好ましく、10質量%以上99質量%未満であることがより好ましい。
耐熱性樹脂層を形成するための塗工液に含まれる無機フィラーは、0.2μm~0.9μmの平均粒子径を有することが好ましく、かつ/又は塗工液中の無機フィラーの含有量は、塗工液の全固形分の質量を基準として、30質量%~90質量%であることが好ましい。
塗工液に含まれる分散剤としては、例えば、ポリカルボン酸アンモニウム水溶液などが挙げられる。塗工液に含まれる界面活性剤としては、例えば、乳化剤、石鹸などが挙げられる。
塗工液に含まれる溶媒としては、例えば、水(例えば、イオン交換水、純水など)、水系溶媒(例えば、水とアルコールとの混合物など)、有機溶媒などが挙げられる。有機溶媒は、例えば、アルコール、N-メチルピロリドン(NMP)、N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)、N,N-ジメチルアセトアミド(DMA)、エタノール、トルエン、熱キシレン、塩化メチレン、ヘキサンなどを使用してよい。
無機粒子または無機フィラーを含む塗工液の調製方法としては、例えば、ボールミル、ビーズミル、遊星ボールミル、振動ボールミル、サンドミル、コロイドミル、アトライター、ロールミル、高速インペラー分散、ディスパーザー、ホモジナイザー、高速衝撃ミル、超音波分散、撹拌羽根等による機械撹拌法などが挙げられる。
無機粒子または無機フィラーを含む塗工液の塗工方法としては、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、ディップコーター法、ナイフコーター法、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、スプレー塗布法などが挙げられる。
塗工工程(5D)において、塗工膜の形成後に、塗工膜を湿度50%以上の雰囲気下に導くか、又は塗工面にスチームを吹き付ける工程を含んでもよい。塗工面に湿度を持たせることで、アラミド樹脂の析出を促すことができる。
乾燥工程(6)では、塗工工程(5)で形成された塗工膜から溶媒を除去する。溶媒を除去する方法については、微多孔膜を構成する材料の融点以下の温度にて乾燥する方法、低温で減圧乾燥する方法、塗工液に含まれる溶媒を他の溶媒に置換してから乾燥する方法等が挙げられる。また、非水系二次電池の特性に著しく影響を及ぼさない範囲内であれば、溶媒を一部残存させてよい。塗工液に含まれる溶媒を他の溶媒に置換する方法としては、膜を、上記で説明された他の溶媒に浸漬させる方法;膜に、上記で説明された他の溶媒を吹き付ける方法などが挙げられる。
水洗工程(5.5)において、塗工工程(5)で形成された塗工膜中の溶媒を別の溶媒に置換してもよい。置換前の溶媒としては例えばDMF、DMA、NMP、DMSO等の溶媒が挙げられ、置換後の溶媒としては例えば水、アルコール等の溶媒が挙げられる。
セパレータの製造方法は、所望により捲回/スリット工程を含んでよい。捲回/スリット工程は、得られた微多孔膜を、必要に応じてスリットして、所定のコアへ捲回する工程である。
組立工程(7)では、電極及びセパレータの積層体又はその巻回体と、非水電解液とを外装体に収納する。工程(7)は、後述される非水系二次電池の製造と同様に行われることができ、そして工程(7)で使用される電極、非水電解液、および外装体は、非水系二次電池について説明されるものでよい。
塗工工程(5)及び/又は水洗工程(5.5)及び/又は乾燥工程(6)及び/又は組立工程(7)では、好ましくは塗工工程(5)及び水洗工程(5.5)及び乾燥工程(6)及び組立工程(7)では、セパレータに含まれるシラン変性ポリオレフィンが架橋構造を形成する。
上記で説明された各種の工程を含む方法により得られたセパレータは、リチウムを吸蔵・放出することが可能な正極及び負極と、非水系溶媒に電解質を溶解して成る非水系電解液とを備える非水系二次電池に利用されることができ、好ましくは、リチウム二次電池又はリチウムイオン二次電池に利用されることができる。
<非水系二次電池>
非水系二次電池は、正極、負極、セパレータ、及び非水系電解液が、任意の電池外装体中に収納されて構成される。
正極は、非水系二次電池内で正極リード体と接続され、かつ負極は、非水系二次電池内で負極リード体と接続され、そして正極リード体及び負極リード体は、それぞれ、外部の機器等と接続可能なように、片端側が電池外装体の外側に引き出されており、それらのアイオノマー部分が、電池外装体の1辺とともに熱融着される。
正極は、正極集電体と、正極活物質層とから構成される。負極は、負極集電体と、負極活物質層とから構成される。正極活物質層は正極活物質を含み、負極活物質層は負極活物質を含む。正極及び負極は、セパレータを介して正極活物質層と負極活物質層とが対向するように配置される。
正極としては、既知の電池用正極を使用することができ、本発明の作用効果の観点から、熱分解又はО放出し易い正極も使用することができる。また、リチウムと他の金属の複合正極活物質を使用することができ、ニッケル、マンガン、及びコバルトから成る群から選択される少なくとも1つの金属とリチウムとの複合正極、例えば、LNO正極、NCA正極、LCO正極、正極活物質としてリチウム(Li)-ニッケル(Ni)-マンガン(Mn)-コバルト(Co)複合酸化物を含む正極(NMC正極)等も使用することができる。
中でも、本発明の作用効果の観点から、NMC正極が好ましく、NMC正極のうちニッケル含有率の相対的に高いものが、より好ましく使用され、正極のニッケル、マンガン及びコバルトの総量に対するニッケル(Ni)量のモル比率が、3~9、5~9、6~9、5~8、又は6~8であることがさらに好ましく、5~9であることが特に好ましい。具体的には、式:Li-Ni-Mn-Co{式中、xはNi割合を表し、yはMn割合を表し、zはCo割合を表し、かつx+y+z=1である}で表されるリチウム(Li)-ニッケル(Ni)-マンガン(Mn)-コバルト(Co)複合酸化物を含む正極について、式中のNi割合xが、5~9であることが好ましい。
正極集電体は、例えば、アルミニウム箔、ニッケル箔、ステンレス箔等の金属箔により構成されることができる。
負極を構成する負極活物質は、例えば、ハードカーボン、黒鉛、熱分解炭素、コークス、ガラス状炭素、有機高分子化合物の焼成体、マイクロビーズ、炭素繊維、活性炭、炭素コロイド、及びカーボンブラックに代表される炭素材料に加えて、金属リチウム、金属酸化物、金属窒化物、リチウム合金、スズ合金、ケイ素(Si)含有材料、金属間化合物、有機化合物、無機化合物、金属錯体、有機高分子化合物等が挙げられる。負極活物質は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。
中でも、本発明の作用効果の観点から、負極活物質としてSi含有材料が好ましく、例えば、シリコン、Si合金、Si酸化物等が挙げられる。同様の観点から、負極活物質中のSi割合が5~90モル%であることが好ましい。
Si含有負極活物質は、リチウムイオンの蓄積能力が炭素材料負極より著しく向上し、同時に、リチウムイオンがSi含有粒子へ充電、放電されるとともに、非特許文献2に示されたようにSi含有負極活物質が大きく体積膨張収縮することが知られている。その際に、電池内容積が一定であり、セパレータは、Si含有負極活物質によって、厚み方向において大きく圧縮又は変形される。本発明によれば、樹脂原料の種類および配合の調整、セパレータのSAXS及び/又はWAXS測定とボロノイ分割について上記で説明された各種の値の最適化などによって、非水系二次電池においてセパレータが厚み方向に圧縮又は変形された状態でも、透過性を維持でき、強度とイオン拡散性のバランスに優れ、非水系二次電池の圧壊試験合格率、サイクル試験容量維持率、高温サイクル寿命を向上する、および/または、それらのバランスを取ることができることが見出された。
さらに、本発明により見出したSi原子の海島構造ではない状態で分散された構造を有するセパレータは、上述のように、均一にSi含有負極活物質へのインターカレーション反応を進行させることで、電池内部で均一なSi含有負極活物質の膨張、収縮に繋がり、電池内部の捲回構造のズレを抑制でき、電池サイクル性能の改善と電池安全性の向上とを達成することができた。
負極集電体は、例えば、銅箔、ニッケル箔、ステンレス箔等の金属箔により構成されることができる。
〈非水系電解液〉
本明細書において、非水系電解液とは、非水系溶媒中に電解質を含有し、全質量を基準として水の量が1質量%以下電解液をいう。非水系電解液は、水をできる限り含まないことが好ましいが、ごく微量の水分を含有してよい。そのような水分の含有量は、非水系電解液の全量当たり、好ましくは300質量ppm以下、より好ましくは200質量ppm以下である。
電池中の電解液は、水分を含んでよく、そして電池作製後の系内に含まれる水分は、電解液に含有される水分、又は電極若しくはセパレータ等の部材に含まれた持ち込み水分であってもよい。電解液は、非水系溶媒を含むことができる。非水系溶媒に含まれる溶媒として、例えば、メタノール、エタノール等のアルコール類;非プロトン性溶媒等が挙げられる。中でも、非水系溶媒としては、非プロトン性溶媒が好ましい。
非プロトン性溶媒としては、例えば、環状カーボネート、フルオロエチレンカーボネート、ラクトン、硫黄原子を有する有機化合物、鎖状フッ素化カーボネート、環状エーテル、モノニトリル、アルコキシ基置換ニトリル、ジニトリル、環状ニトリル、短鎖脂肪酸エステル、鎖状エーテル、フッ素化エーテル、ケトン、上記非プロトン性溶媒のH原子の一部または全部をハロゲン原子で置換した化合物等が挙げられる。
環状カーボネートとしては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、1,2-ブチレンカーボネート、トランス-2,3-ブチレンカーボネート、シス-2,3-ブチレンカーボネート、1,2-ペンチレンカーボネート、トランス-2,3-ペンチレンカーボネート、シス-2,3-ペンチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、4,5-ジメチルビニレンカーボネート、及びビニルエチレンカーボネート等が挙げられる。
フルオロエチレンカーボネートとしては、例えば、4-フルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン、4,4-ジフルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン、シス-4,5-ジフルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン、トランス-4,5-ジフルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン、4,4,5-トリフルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン、4,4,5,5-テトラフルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン、及び4,4,5-トリフルオロ-5-メチル-1,3-ジオキソラン-2-オン等が挙げられる。
ラクトンとしては、例えば、γ-ブチロラクトン、α-メチル-γ-ブチロラクトン、γ-バレロラクトン、γ-カプロラクトン、δ-バレロラクトン、δ-カプロラクトン、及びε-カプロラクトン等が挙げられる。
硫黄原子を有する有機化合物としては、例えば、エチレンサルファイト、プロピレンサルファイト、ブチレンサルファイト、ペンテンサルファイト、スルホラン、3-スルホレン、3-メチルスルホラン、1,3-プロパンスルトン、1,4-ブタンスルトン、1-プロペン1,3-スルトン、ジメチルスルホキシド、テトラメチレンスルホキシド、及びエチレングリコールサルファイト等が挙げられる。
鎖状カーボネートとしては、例えば、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、メチルイソプロピルカーボネート、ジプロピルカーボネート、メチルブチルカーボネート、ジブチルカーボネート、エチルプロピルカーボネート等が挙げられる。
環状エーテルとしては、例えば、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、1,4-ジオキサン、及び1,3-ジオキサン等が挙げられる。
モノニトリルとしては、例えば、アセトニトリル、プロピオニトリル、ブチロニトリル、バレロニトリル、ベンゾニトリル、及びアクリロニトリル等が挙げられる。
アルコキシ基置換ニトリルとしては、例えば、メトキシアセトニトリル及び3-メトキシプロピオニトリル等が挙げられる。
ジニトリルとしては、例えば、マロノニトリル、スクシノニトリル、メチルスクシノニトリル、グルタロニトリル、2-メチルグルタロニトリル、アジポニトリル、1,4-ジシアノヘプタン、1,5-ジシアノペンタン、1,6-ジシアノヘキサン、1,7-ジシアノヘプタン、2,6-ジシアノヘプタン、1,8-ジシアノオクタン、2,7-ジシアノオクタン、1,9-ジシアノノナン、2,8-ジシアノノナン、1,10-ジシアノデカン、1,6-ジシアノデカン、及び2,4-ジメチルグルタロニトリル、エチレングリコールビス(プロピオニトリル)エーテル等が挙げられる。
環状ニトリルとしては、例えば、ベンゾニトリル等が挙げられる。
短鎖脂肪酸エステルとしては、例えば、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、イソ酪酸メチル、酪酸メチル、イソ吉草酸メチル、吉草酸メチル、ピバル酸メチル、ヒドロアンゲリカ酸メチル、カプロン酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸エチル、イソ酪酸エチル、酪酸エチル、イソ吉草酸エチル、吉草酸エチル、ピバル酸エチル、ヒドロアンゲリカ酸エチル、カプロン酸エチル、酢酸プロピル、プロピオン酸プロピル、イソ酪酸プロピル、酪酸プロピル、イソ吉草酸プロピル、吉草酸プロピル、ピバル酸プロピル、ヒドロアンゲリカ酸プロピル、カプロン酸プロピル、酢酸イソプロピル、プロピオン酸イソプロピル、イソ酪酸イソプロピル、酪酸イソプロピル、イソ吉草酸イソプロピル、吉草酸イソプロピル、ピバル酸イソプロピル、ヒドロアンゲリカ酸イソプロピル、カプロン酸イソプロピル、酢酸ブチル、プロピオン酸ブチル、イソ酪酸ブチル、酪酸ブチル、イソ吉草酸ブチル、吉草酸ブチル、ピバル酸ブチル、ヒドロアンゲリカ酸ブチル、カプロン酸ブチル、酢酸イソブチル、プロピオン酸イソブチル、イソ酪酸イソブチル、酪酸イソブチル、イソ吉草酸イソブチル、吉草酸イソブチル、ピバル酸イソブチル、ヒドロアンゲリカ酸イソブチル、カプロン酸イソブチル、酢酸tert-ブチル、プロピオン酸tert-ブチル、イソ酪酸tert-ブチル、酪酸tert-ブチル、イソ吉草酸tert-ブチル、吉草酸tert-ブチル、ピバル酸tert-ブチル、ヒドロアンゲリカ酸tert-ブチル、及びカプロン酸tert-ブチル等が挙げられる。
鎖状エーテルとしては、例えば、ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、1,3-ジオキソラン、ジグライム、トリグライム、及びテトラグライム等が挙げられる。
フッ素化エーテルとしては、例えば、一般式Rfaa-ORbb(式中、Rfaaは、フッ素原子を含有するアルキル基であり、かつRbbは、フッ素原子を含有してよい有機基である)で表される化合物等が挙げられる。
ケトンとしては、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、及びメチルイソブチルケトン等が挙げられる。
上記非プロトン性溶媒のH原子の一部または全部をハロゲン原子で置換した化合物としては、例えば、ハロゲン原子がフッ素である化合物等を挙げることができる。
ここで、鎖状カーボネートのフッ素化物としては、例えば、メチルトリフルオロエチルカーボネート、トリフルオロジメチルカーボネート、トリフルオロジエチルカーボネート、トリフルオロエチルメチルカーボネート、メチル2,2-ジフルオロエチルカーボネート、メチル2,2,2-トリフルオロエチルカーボネート、メチル2,2,3,3-テトラフルオロプロピルカーボネートが挙げられる。上記のフッ素化鎖状カーボネートは、下記の一般式:
cc-O-C(O)O-Rdd
{式中、Rcc及びRddは、CH、CHCH、CHCHCH、CH(CH、及び式CHRfee(式中、Rfeeは、少なくとも1つのフッ素原子で水素原子が置換された炭素数1~3のアルキル基である)で表される基から成る群より選択される少なくとも一つであり、そしてRcc及び/又はRddは、少なくとも1つのフッ素原子を含有する。}
で表すことができる。
また、短鎖脂肪酸エステルのフッ素化物としては、例えば、酢酸2,2-ジフルオロエチル、酢酸2,2,2-トリフルオロエチル、酢酸2,2,3,3-テトラフルオロプロピルに代表されるフッ素化短鎖脂肪酸エステルが挙げられる。フッ素化短鎖脂肪酸エステルは、下記の一般式:
ff-C(O)O-Rgg
{式中、Rffは、CH、CHCH、CHCHCH、CH(CH、CFCFH、CFH、CFH、CFRfhh、CFHRfhh、及びCHRfiiから成る群より選択される少なくとも一つであり、Rggは、CH、CHCH、CHCHCH、CH(CH、及びCHRfiiから成る群より選択される少なくとも一つであり、Rfhhは、少なくとも1つのフッ素原子で水素原子が置換されてよい炭素数1~3のアルキル基であり、Rfiiは、少なくとも1つのフッ素原子で水素原子が置換された炭素数1~3のアルキル基であり、そしてRff及び/又はRggは、少なくとも1つのフッ素原子を含有し、RffがCFHである場合、RggはCHではない}で表すことができる。
非水系電解液は、本発明の作用効果の観点から、非水系溶媒として、エチルメチルカーボネート(EMC)及び/又はアセトニトリル(AcN)を含むことが好ましく、かつ/又は非水系電解液中のEMCとAcNの合計含有量が、50質量%~90質量%の範囲内にあることが好ましい
電解質としては、リチウム塩が好ましく、シラン架橋反応を促進する観点から、フッ化水素(HF)を発生するフッ素含有リチウム塩が更に好ましい。フッ素含有リチウム塩としては、例えば、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF)、フルオロスルホン酸リチウム(LiFSO)、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiN(SOCF)、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiN(SOF))、ホウフッ化リチウム(LiBF)、及びリチウムビスオキサレートボレート(LiBC)等が挙げられる。理論に拘束されないが、例えば、電解質がLiPFを含む場合には、LiPFと蓄電デバイス内に含まれる僅かな水分(例えば、電極、セパレータ、電解液などの部材に含まれる水分)が反応し、HF、又はHFに由来するフッ素含有有機物が生成する。これらのHF、又はHFに由来するフッ素含有有機物は、電解液に溶け込み、架橋性シラン基を有するポリオレフィン中の非晶部へ膨潤及び拡散されることで、シラン架橋反応を触媒すると考えられる。
非水系電解液は、本発明の作用効果の観点から、リチウム塩の濃度が相対的に高いほど好ましく、リチウム塩を1.2mol/L~10mol/Lの範囲内の濃度で含むことがより好ましく、リチウム塩の濃度が1.5mol/L以上がさらに好ましく、3.0mol/L以上が特に好ましい。特に電解質としてヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF)を含む非水系二次電池系においては、リン原子の有するヤン・テラー効果により、系内で一定濃度の解離Fアニオン、もしくはフッ化リチウム(LiF)として存在する。一般的には解離Fアニオンによる電極腐食などの電池寿命低下現象が知られているが、LiFは、Siに付加した状態では、付加前の状態より強いルイス酸効果を示し、それにより上記(ア)及び(イ)の現象がより顕著となり、ひいては良好な低温サイクル特性も示すことができる。なお、リチウム塩の濃度が飽和溶解濃度を超えないように電解質および電解液の組み合わせを選択することが好ましい。
非水系電解液は、シラン架橋反応に触媒作用を及ぼす物質として、上記以外に、例えば、無機酸又は有機酸等の、非水電解液および/または非水電解液中に微量含まれる水分と反応し水素イオンを発生する物質(酸源)、非水電解液および/または非水電解液中に微量含まれる水分と反応し水酸化物イオンを発生する物質(アルカリ源)などを含んでもよい。アルカリ源としては、例えば、水酸化アルカリ金属類、水酸化アルカリ土類金属類、アルカリ金属の炭酸塩、アルカリ金属のリン酸塩、アンモニア、アミン化合物などが挙げられる。これらの中でも、蓄電デバイスの安全性とシラン架橋性の観点から、水酸化アルカリ金属類又は水酸化アルカリ土類金属類が好ましく、水酸化アルカリ金属類がより好ましく、水酸化ナトリウムがさらに好ましい。
非水系二次電池の電池外装体としては、既知の構成を採用することができる。例えば、電池外装体として、電池缶又はラミネートフィルム外装体を用いてよい。
非水系二次電池の形状は、例えば、角型、角筒型、円筒型、楕円型、ボタン型、コイン型、扁平型、ラミネート型等に適用できる。
非水系二次電池は、上記の非水系電解液、正極、負極、セパレータ、及び電池外装体を用いること以外は、既知の製造方法と同様に作製することができる。
以下、実施例によって本発明を更に詳細に説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されない。なお、実施例中の物性は以下の方法により測定した。基材目付、基材膜厚、基材気孔率、基材透気度、基材突刺強度、SAXS、WAXS、NMR、及びTOF-SIMSに関しては、基材上に塗工層がある場合には塗工層を削り取ってから測定した。圧壊試験合格率、サイクル試験容量維持率、及びサイクル寿命試験に関しては基材上に塗工層がある場合にも塗工層を削り取らずに測定した。電池評価試験(圧壊試験、サイクル容量維持率、高温サイクル寿命)は、いずれも塗工液をセパレータに塗工してから4日後に行った。
<セパレータに含まれるシラン変性ポリオレフィンの検出方法>
セパレータに含まれるシラン変性ポリオレフィンが架橋した状態では、有機溶剤に対して、不溶であるか、又は溶解度が不足するため、セパレータから直接的にシラン変性ポリオレフィンの含有を測定することが困難な場合がある。その場合、サンプルの前処理として、副反応が起こらないオルトギ酸メチルを用いて、シロキサン結合をメトキシシラノールへ分解した後、溶液NMR測定を行うことによって、セパレータに含まれるシラン変性ポリオレフィンを検出したり、そのGPC測定を行なったりすることができる。前処理の実験は、特許第3529854号公報及び特許第3529858号公報を参照して行われることができる。なお、開重合反応後はTMA、DMA等の熱分析も可能である。
具体的には、セパレータ製造に用いる原料としてのシラン変性ポリオレフィンのH又は13CのNMRの同定を、セパレータに含まれるシラン変性ポリオレフィンの検出方法に活用することができる。H及び13CのNMRの測定手法の一例を以下に説明する。
HのNMR測定)
試料をo-ジクロロベンゼン-d4に140℃で溶解し、プロトン共鳴周波数が600MHzのH-NMRスペクトルを得る。H-NMRの測定条件は、下記のとおりである。
装置:Bruker社製 AVANCE NEO 600
試料管直径:5mmφ
溶媒:o-ジクロロベンゼン-d4
測定温度:130℃
パルス角:30°
パルス待ち時間:1sec
積算回数:1000回以上
試料濃度:1 wt/vol%
13CのNMR測定)
試料をo-ジクロロベンゼン-d4に140℃で溶解し、13C-NMRスペクトルを得る。13C-NMRの測定条件は下記のとおりである。
装置:Bruker社製 AVANCE NEO 600
試料管直径:5mmφ
溶媒:o-ジクロロベンゼン-d4
測定温度:130℃
パルス角:30°
パルス待ち時間:5sec
積算回数:10000回以上
試料濃度:10 wt/vol%
H及び/又は13CのNMR測定により、ポリオレフィン原料においては、シラン変性ポリオレフィン中のシランユニット変性量、ポリオレフィンのアルキル基変性量、C4ユニット変性率(モル%)、シラングラフト連結部のメチレン(CH)の数などを確認することができ、そしてセパレータ中では、シラン変性ポリオレフィンの含有の同定が可能である。
なお、樹脂A中のシラノールユニットの変性量は、Si原子の横のメチレンのNMRケミカルシフト、積分値によって定量(-CH-Si:H,0.69ppm,t;13C,6.11ppm,s)可能である。プロピレン変性(C3)は、末端部のメチル基のNMRケミカルシフト、積分値によって定量(-CH13C,19.42ppm,s)可能である。ブテン変性(C4)は、末端部のメチル基のNMRケミカルシフト、積分値によって定量(-CH13C,10.63ppm,s)可能である。
<重量平均分子量と数平均分子量>
Waters社製 ALC/GPC 150C型(商標)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。また、下記各ポリマーについても同様の条件でクロマトグラムを測定し、較正曲線に基づいて、下記方法により各ポリマーの重量平均分子量を算出した。
カラム :東ソー製 GMH-HT(商標)2本+GMH-HTL(商標)2本
移動相 :o-ジクロロベンゼン
検出器 :示差屈折計
流速 :1.0ml/min
カラム温度:140℃
試料濃度 :0.1wt%
(ポリエチレン、ポリプロピレンおよびシラン変性ポリオレフィンの重量平均分子量と数平均分子量)
得られた較正曲線における各分子量成分に、0.43(ポリエチレンのQファクター/ポリスチレンのQファクター=17.7/41.3)又は0.64(ポリプロピレンのQファクター/ポリスチレンのQファクター=26.4/41.3)を乗じることにより、ポリエチレン換算又はポリプロピレン換算の分子量分布曲線を得て、重量平均分子量と数平均分子量を算出した。なお、シラン変性ポリエチレンはポリエチレンと同一Qファクター、シラン変性ポリプロピレンはポリプロピレンと同一Qファクターを使用した。
(樹脂組成物の重量平均分子量)
最も質量分率の大きいポリオレフィンのQファクター値を用い、その他はポリエチレンの場合と同様にして重量平均分子量を算出した。
<粘度平均分子量(Mv)>
ASTM-D4020に基づき、デカリン溶媒における135℃での極限粘度[η]を求めた。ポリエチレンおよびシラン変性ポリエチレンのMvを次式により算出した。
[η]=6.77×10-4Mv0.67
ポリプロピレンのMvを次式により算出した。
[η]=1.10×10-4Mv0.80
<メルトマスフローレイト(MFR)(g/10min)>
東洋精機製メルトマスフローレイト測定機(メルトインデックサF-F01)を用いて、ポリエチレンおよびシラン変性ポリエチレンは190℃及び加重2.16kgの条件下、10分間で押出された樹脂物の重量をMFR値として定めた。ポリポリプロピレンおよびシラン変性ポリプロピレンは230℃にてMFR測定を行なった。
<膜厚(μm)>
東洋精機製の微小測厚器、KBM(商標)用いて、室温23±2℃及び相対湿度60%で微多孔膜の膜厚を測定した。具体的には、TD方向全幅に亘って、ほぼ等間隔に5点の膜厚を測定し、それらの平均値を得た。
なお、塗工膜厚については、SEMによる任意の倍率での断面または側面観察により算出する。
<気孔率(%)と基材気孔率(%)>
10cm×10cm角の試料を微多孔膜から切り取り、その体積(cm)と質量(g)を求め、それらと密度(g/cm)より、次式を用いて気孔率を計算した。なお、混合組成物の密度は、用いた原料の各々の密度と混合比より計算して求められる値を用いた。
気孔率(%)=(体積-質量/混合組成物の密度)/体積×100
<透気度(sec/100cm)と基材透気度(sec/100cm)>
JIS P-8117(2009年)に準拠し、旭精工株式会社製の王研式透気度平滑度試験機、EGO1-55-1MR(商標)により試料の透気度を測定した。
<突刺強度(gf)と基材突刺強度(gf)>
ハンディー変形試験器「KES-G5」(カトーテック製、商標)を用いて、針先端の曲率半径0.5mm、及び突刺速度2mm/secの条件下で突刺試験を行うことにより微多孔膜の突刺強度を求めた。
<SAXS(透過法)測定と結晶長周期(nm)>
セパレータ基材としてのポリオレフィン製微多孔膜の透過法による小角X線散乱(SAXS)は、以下の条件で測定した。
(測定)
リガク社製Nano-Viewerを用い、透過法の小角線散乱(SAXS)測定を行った。CuKα線を、試料であるセパレータ基材に照射し(ただし、X線入射方向は、試料の膜厚方向に平行である)、DECTRIS社PILATUS 100Kにより散乱を検出した。試料と検出器との距離は841.5mm、出力は60kV、45mAの条件で測定を行った。光学系はポイントフォーカスを採用し、スリット径は1st slit:ψ=0.4mm、2nd slit:ψ=0.2mm、guard slit:=0.8mmの条件で行った。測定の前処理として、粒径由来の散乱を低減するため、試料とプロピレングリコールを重量比1:1で混合したスラリーを作製し測定した。
(解析:結晶長周期(nm))
得られたピークについて、以下の方法により結晶長周期の解析を実施した。
イメージングプレートから得られたX線散乱パターンに対して、空セル散乱補正を行い、円環平均により一次元SAXSプロフィールI(q)を得た。なお、qは散乱ベクトルの絶対値である。結晶長周期dを算出するため、SAXSプロフィールに対して、散乱ベクトルの絶対値の2乗を乗じ、結晶長周期由来の散乱を強調した。続いて、SAXSプロフィールに散乱ベクトルの絶対値の2乗を乗じたものと、散乱ベクトルの絶対値それぞれを、10を底として対数をとり、縦軸、横軸としてプロットした。横軸はlog10qを表し、縦軸は、log10(I(q)×q2)を表す。
プロットしたデータに対して、ラメラ由来のピーク位置より小角側と広角側それぞれ1点ずつで接するような接線を引き、データから接線を差し引く操作を行った。続いて、2点の接点間で最大値を取る横軸位置Xmを求めた。最後に、結晶長周期dを、以下の式により求めた。
qm=10Xm d=2π/qm
<WAXS(反射法)とMD,TD断面結晶配向度(%)>
セパレータ基材としてのポリオレフィン製微多孔膜の反射法による広角X線散乱(WAXS)は、以下の条件で測定した。
(測定)
リガク社製X線構造評価装置NANO-Viewerを用いて、反射法による広角X線散乱測定を行った。CuKα線を試料に照射し、イメージングプレートにより散乱を検出した。試料-検出器間距離95.2mm、出力60kV及び45mAの条件下で広角X線散乱測定を行った。光学系にはポイントフォーカスを採用し、スリット径については、1st slit:φ=0.4mm、及び2nd slit:φ=0.2mmの条件下で測定を行った。なお、試料は、試料断面とX線入射方向とが10.5°の角度を成すようにセットした。測定は微多孔膜の厚みが薄いと精度が得られないため、必要に応じて重ねて十分な強度が得られる膜厚にしてから行う。
(解析:MD,TD断面結晶配向度(%))
試料面法線方向のうち、上流側を向いている方向を検出器面に射影した方向を方位角φ=0°とし、検出器面上で時計回りに方位角φ=-180°からφ=180°まで定義する。続いて、イメージングプレートから得られたX線散乱パターンに対して検出器のバックグラウンド補正と空セル散乱補正を行った。その後、各方位角φにおける、ポリエチレンの(110)面回折ピークが存在する19.5°<2θ<21.3°の範囲の積算強度I(φ)を方位角φに対して、方位角-45°<φ<45°の範囲でプロットする。I(φ)は、断面において、分子鎖がフィルム面と平行方向に配向していた場合、φ=0°を中心とする単一ピークとなる。この曲線を、式2で示すような定数とガウス関数の足し合わせでフィットし、フィッティング結果のガウス関数の半値全幅より、式3に従って、断面配向度f’を算出した。
I(φ)=A+B×exp(-((φ-φ)/w)2) 式2
式2中の記号の説明
I(φ):バックグラウンド補正、空セル散乱補正後のある方位角φにおける19.5°<2θ<21.3°の範囲の積算強度
φ:方位角(rad)
f’=1-FWHM/180 式3
式3中の記号の説明
f:断面配向度
FWHM:フィッティング結果より得られたガウス関数の半値全幅(°)
<WAXS(透過法)測定と結晶化度(%)と結晶子サイズ(110)(nm)と結晶子サイズ(200)(nm)と膜厚方向結晶配向度(%)>
セパレータ基材としてのポリオレフィン製微多孔膜の透過法による広角X線散乱(WAXS)は、下記条件で測定した。
(測定)
リガク社製X線構造評価装置NANO-Viewerを用いて、透過法による広角X線散乱測定を行った。CuKα線を試料に照射し、イメージングプレートにより散乱を検出した。試料-検出器間距離95.2mm、出力60kV及び45mAの条件下で広角X線散乱測定を行った。光学系にはポイントフォーカスを採用し、スリット径については、1st slit:φ=0.4mm、及び2nd slit:φ=0.2mmの条件下で測定を行った。なお、試料は、試料面とX線入射方向とが10.5°の角度を成すようにセットした。測定は微多孔膜の厚みが薄いと精度が得られないため、必要に応じて重ねて十分な強度が得られる膜厚にしてから行う。
(解析:結晶子サイズ(110)(nm)および結晶子サイズ(200)(nm)および結晶化度%)
イメージングプレートから得られたX線散乱パターンの2θ=9.7°から2θ=29.0°までの範囲を斜方晶(110)面回折ピークと斜方晶(200)面回折ピークと非晶ピークの3つに分離し、(110)面回折ピークの半値全幅より、シェラーの式(式1)に従って、結晶子サイズを算出した。(110)面回折ピークと(200)面回折ピークはvoigt関数で近似し、非晶ピークはgauss関数で近似した。なお、非晶ピークのピーク位置は、2θ=19.6°、半値全幅は6.3°で固定し、結晶ピークのピーク位置と半値全幅は特に固定せずにピーク分離を行った。ピーク分離により算出された(110)面回折ピークの半値全幅より、シェラーの式(式1)に従って、結晶子サイズを算出した。
D(110または200)=Kλ/(βcosθ) 式1
式1中の記号の説明
D(110または200):結晶子サイズ(nm)
K:0.9 (定数)
λ:X線の波長(nm)
β:(β1-β2)0.5
β1:ピーク分離の結果算出された(hkl)ピークの半値全幅(rad)
β2:入射ビームの広がりの半値全幅(rad)
θ:ブラッグ角
また、結晶化度(X)は下記式により算出した。
結晶化度X={I(110)+I(200)}/{I(110)+I(200)+Iamr}×100
Iamr:非晶ピークの面積
また、結晶子サイズ比(110)/(200)は、式1により算出された結晶子サイズを用いて、下記式により算出される。
結晶子サイズ比(110)/(200)=(結晶子サイズ(110)[nm])/(結晶子サイズ(200)[nm])
<非晶部厚み(nm)と結晶部厚み(nm)>
上記の方法により測定されたSAXSの結晶長周期およびWAXSの結晶化度を用いて、下記式に従って非晶部厚み(nm)と結晶部厚み(nm)を算出した。
非晶部厚み[nm]=(結晶長周期[nm])×(1-結晶化度[%]/100)
<基材セパレータTOF-SIMS分析・画像処理>
(I)セパレータのTOF-SIMS分析
実施例及び比較例で得られたセパレータについて、TOF-SIMS分析を実施した。TOF-SIMS質量分析計としては、アルバック・ファイ社製のnano-TOFを用いた。分析条件は以下のとおりである。
(イメージ測定条件)
一次イオン:ビスマス(Bi)
加速電圧:30kV
イオン電流:約0.5nA(DCとして)
分析面積:100μm×100μm
分析時間:90分
検出イオン:正イオン(m/z=28)
中和:電子銃+Arモノマーイオン
真空度:約5.0×10-5Pa (Siの検出強度を上げるために酸素導入)
(深さ方向の測定条件)
《分析条件》
一次イオン:ビスマス(Bi)
加速電圧:30kV
イオン電流:約1.2nA(DCとして)
分析面積:100μm×100μm
分析時間:5フレーム/サイクル
検出イオン:正イオン(m/z=28)
中和:電子銃+Arモノマーイオン
真空度:約5.0×10-5Pa (Siの検出強度を上げるために酸素導入)
《スパッタ条件》
スパッタイオン:GCIB(Ar2500
加速電圧:20kV
イオン電流:約5nA
スパッタ面積:400μm×400μm
スパッタ時間:30秒/サイクル
中和:電子銃+Arモノマーイオン
上記の条件下で、Siイオン(m/z=28の正イオンに相当)のスペクトル検出を行った。一例として、実施例1のセパレータのTOF-SIMS分析結果を図1に、比較例1のセパレータのTOF-SIMS分析結果を図11に、それぞれ示す。なお、図1の縦軸および横軸の単位はpixelであり、図11の縦軸および横軸の単位はpixelである。
(II)画像処理
上述のようにして得られたTOF-SIMSスペクトルの画像データを、下記の手順に従って画像処理した。
(1)ビーム形状(直径2μm、画素分解能0.39μm)に合わせたフィルターを作成する。フィルターの3次元画像を図2に、2次元画像を図3に示す。また、フィルター値h1を下記表1に示す。なお、図2の縦軸および横軸の単位はpixelであり、図3の各軸の単位はpixelである。
(フィルター値の計算方法)
Mathworks社製の数値演算ソフトウェアMATLAB(登録商標)のImage Processing Toolboxの関数fspecialを使用して算出した。
fspecia(「gaussian」,[13 13],1.69865)
(2)作成したフィルターを2次元データに適用する。
(3)フィルター適用後の2次元データの平均値と標準偏差を計算する。
(4)平均値+標準偏差×3をしきい値として二値化する。
(ただし、正規分布の場合は、平均値+標準偏差×3の範囲に値の99.74%が収まるため、数値的には特異な部分を抽出すことを意図した。)
(5)7ピクセル分の膨張収縮を行って近傍にある抽出領域を接続する。
(6)面積の小さな(50ピクセル以下)領域を除去。
(7)残った各領域のパラメーターを計算
抽出面積(ピクセル)、単純重心位置(x0, y0)
領域中の最大値、領域の平均値、重み付き重心位置(xm, ym)
(8)各重み付き重心位置間の距離を計算
Mathworks社製の数値演算ソフトウェアMATLABのImage Processing Toolboxの関数regionpropsのWeightedCentroidオプションを使用して算出した。
regionprops(cc,I,‘WeightedCentroid’)
ここで、ccは、抽出した領域を示す変数であり、かつIは、フィルター適用後の2次元データを格納した変数である。
一例として、セパレータのTOF-SIMS分析結果について、上記(1)~(2)までの画像処理を行ったものを図4(実施例1)と図12(比較例1)に示し、上記(1)~(6)までの画像処理を行ったものを図5(実施例1)と図13(比較例1)に示す。なお、図4の縦軸および横軸の単位はpixelであり、図12の縦軸および横軸の単位はpixelであり、図5の縦軸および横軸の単位はpixelであり、図13の縦軸および横軸の単位はpixelである。
(III)ボロノイ分割
先に算出した重み付き重心位置(xm,ym)を元にボロノイ分割を行い、ボロノイ領域を得て、その面積を算出した。計算にはMathworks社の数値演算ソフトウェアMATLABを使用した。
図6(実施例1)又は図14(比較例1)に示されるようなボロノイ領域の図は、次の計算手順によって得ることができる。なお、図6の縦軸および横軸の単位はpixelであり、図14の縦軸および横軸の単位はpixelである。VXB及びVYBは計算に用いる一時変数である。
[VXB,VYB]=voronoi(xm,ym);
plot(VXB,VYB,‘-b‘,xm,ym,’.r‘);
ボロノイ分割による領域の計算とその面積の算出は以下に示す手順により行った。はじめに次の計算手順を行う。
DTB=delaunayTriangulation([xm,ym]);
[VB,rB]=voronoiDaigram(DTB);
DTBは計算の中間で使用する一時変数であり、delaunayTriangulation(xm,ym)は、その一時変数の要素であるDelaunary三角分割を作成する関数である。VBはボロノイ分割を構成する三角形の端点の位置を示す位置のリストを格納した行列変数であり、rBはボロノイ分割された個々のボロノイ領域がVBに含まれるどの端点を使用するかを示すリストの列である。
次にそれぞれのrBの列が示すそれぞれのボロノイ領域をその列の順番に次の計算を行う。計算はrBに示されたリストの列を1から順番にその最後まで順番に計算する。そのk番目の列のリストに対する計算は次のように行う。
(1)rBのk番目のリストrB{k}が示すVBの端点において、画像の領域の外側に相当する点を含む場合は、その領域を閉じられていない領域として計算対象から除外する。これは画像のエッジに接している領域は島構造を示すボロノイ分割ではない画像のエッジという境界を含むためこの領域は本来の島構造の特徴を示す面積を持たないと考えられるためである。ここで除外する点を持たなかったkが示すリストが、有効なボロノイ領域を表すと判定される。
(2)先の判定により有効と判定できたボロノイ領域kについて、その面積Aは次のように計算される。
rBK=rB{k};
XPB=VB(rBK,1);
YPB=VB(rBK,2);
A(i)=polyarea(XPB,YPB);
iは有効と判断されたエリアに対して順番に附番する番号であり、1から始まり上記の計算で代入が行われるたびに1ずつ増加させる。rBK及びXPB、YPBは計算で使用するための一時変数である。
これらの計算(1)と(2)について、kを1から順番に増加させ、rBのリストの最後まで計算が終わると、Aにはボロノイ領域として有効と判断されたエリアの面積のみ代入される。
この計算の結果、有効として判断されて面積が計算されたボロノイエリアを図示したものが、例えば、図7(実施例1)と図15(比較例1)である。なお、図7の縦軸および横軸の単位はpixelであり、図15の縦軸および横軸の単位はpixelである。
面積の計算結果の一例として、セパレータのヒストグラムを図8(実施例1)と図16(比較例1)に示す。
ボロノイ面積の計算は画像を元に行っているためピクセル数で表記されているが、この画像を得るときの撮像条件から実際の面積に換算できる。撮像時に設定した条件から得たピクセルの1辺の長さがlp(μm)であれば、1ピクセルに相当する面積はlp(μm)となる。ピクセル数で表記されたボロノイ領域の面積にこの1ピクセルの面積を乗ずると実際の面積を得ることができる。例えば、100μm四方のエリアを256×256ピクセルで撮像した場合は、ピクセルの1辺の長さは0.39μmとなり、1ピクセルの面積は0.153μmとなる。例えば面積が100ピクセルと計算されたボロノイ領域の実際の面積は153μmである。このようにピクセル単位で画像から得られた面積は容易に実際の面積に換算することができる。換算後のヒストグラムの例を図9(実施例1)と図17(比較例1)に示す。また、ピクセルの1辺の長さがlp(μm)であれば、1ピクセルに相当する面積はlp(μm)となること以外は上記と同様にして、ボロノイ領域の実際の面積を換算し、換算後のヒストグラムを得てよい。
次にこのヒストグラムからボロノイ領域の面積の分布の特徴を表すパラメーターの算出方法を示す。この算出は、面積の分布を、次に示す確率分布関数にフィッティングすることによって行った。
ここで、xは入力するデータである。フィッティングパラメーターは、形状パラメーターk、最大値を示す位置パラメーターμ、ばらつきを示すスケールパラメーターσの3つである。
計算にはMathworks社製の数値演算ソフトウェアMATLABのStatistics and Machine Learning Toolboxのfitdist関数のGeneralizedExtremeValueDistributionオプションを使用して算出した。実行はxとして先に計算した面積Aを用いて次のように行われる。
pd=fitdist(A,‘GeneralizedExtremeValueDistribution’);
出力されたpdはフィッティング結果を含む構造体として、先に述べたk、μ、σの値を保持しており、個々のデータは、それぞれpd.k、pd.mu、pd.sigmaとしてアクセスすることができる。フィッティング結果を図示した例を図10(実施例1)と図18(比較例1)に示す。今回は、このフィッティングによって得られた分布パラメーターのうち、ピーク位置とばらつきを示すσとを用いた。得られたmuとσを用いてσ/muも算出することができる。
<圧縮耐性試験>
セパレータを2枚、10cm×10cmに切り出し、重ね合わせ、透気度Sjを測定した。さらに上面視において対角線の交点を基準として8cm×8cmの面積内の任意の9点で厚みを測定し、それらの平均値を算出し、次にその上下から2枚のPETフィルム(10cm×10cm)でカバーして積層体を形成した。さらに、積層体を、その上下から厚み5mmの2枚のゴムシート(10cm×10cm)で挟み、TOYOSEIKI社製ミニテストプレス(品番:MP-WCH)を用いて、加熱しながら圧力を掛けた。なお、PETフィルムとゴムシートは均一に全面に圧力を掛けるように使用し、かつ圧力センサーでその均一性を確認した。プレス機の上下ヒータ温度は90℃であり、10cm×10cmのサンプルに8Mpaが均一に加えられるように、3分間保持した。加熱圧縮操作後に、2枚重ねたセパレータの透気度Shを測定した。さらに2枚重ねたセパレータの厚みを、上面視において対角線の交点を基準として8cm×8cmの面積内の任意の9点で測定し、それらの平均値を算出した。下記式に従って、圧縮操作前の厚みと圧縮操作後の厚みの変化を厚み減少率(%)として定量し、圧縮された後の透気度と圧縮される前の透気度の変化を透気度変化倍率として定量した。
厚み減少率(%)=((圧縮操作後厚み(μm)-圧縮操作前厚み(μm))/圧縮操作前厚み(μm))×100
透気度変化倍率(%)=((圧縮された後の透気度Sh(sec)-圧縮される前の透気度Sj(sec))/圧縮される前の透気度Sj(sec))×100
<塗工液の接触角(°)>
協和界面科学社製接触角計(CA-V)(型式名)を用いて、清浄なセパレータ基材表面に各塗工液を2μl滴下し、40秒経過後に接触角を測定した。接触角は、MD、TDそれぞれ3回測定した平均の値を採用した。また、この測定方法を、セパレータ基材としての微多孔膜の表面、裏面の両面に対して実施し、どちらか一方の数値の大きい方の値を採用した。
<塗工工程での架橋反応進行の確認>
セパレータ基材としてのポリオレフィン微多孔膜に塗工液を塗工する前後のTMA破断温度を測定し、両温度の対比から塗工工程での架橋反応の進行を確認した。TMA破断温度について、次の基準に従って架橋反応の進行を評価した。
(無機多孔質層または熱可塑性ポリマー含有層の塗工)
〇(良好):190℃以上
△(許容):170℃~190℃
×(不良):170℃以下
(活性層または耐熱性樹脂層の塗工)
〇(良好):200℃以上
△(許容):180℃~200℃
×(不良):180℃以下
<電池評価I:サイクル試験とホットボックス試験と釘刺試験>
以下の手順で、ラミネートセルもしくは4680型円筒電池を作製し、サイクル試験(1)とホットボックス試験と釘差し試験はラミネートセルを用いて実施し、サイクル試験(2)は4680型円筒電池を用いて実施した。
(安全性試験に用いられる電池の作製)
a.正極の作製
正極活物質としてLiNi0.8Mn0.1Co0.1と、導電助剤としてカーボンブラックと、結着剤としてポリフッ化ビニリデン溶液とを、91:5:4の固形分質量比で混合し、分散溶媒としてN-メチル-2-ピロリドンを固形分68質量%となるように添加し、更に混合して、スラリー状の溶液を調製した。このスラリー状の溶液を、厚さ15μmのアルミニウム箔の両面に、アルミニウム箔の一部が露出するように塗布した後、溶剤を乾燥除去した。更に正極合剤部分の密度が2.8g/cmとなるようにロールプレスで圧延した。その後アルミニウム箔露出部を含むように裁断し正極を得た。
b.負極の作製
負極活物質として人造黒鉛、結着剤としてスチレンブタジエンゴム及びカルボキシメチルセルロース水溶液とを、96.4:1.9:1.7の固形分質量比で混合し、分散溶媒として水を固形分50質量%となるように添加し、更に混合して、スラリー状の溶液を調製した。このスラリー状の溶液を、厚さ10μmの銅箔の一部が露出するように塗布した後、溶剤を乾燥除去した。更に負極合剤部分の密度が1.45g/cmとなるようにロールプレスで圧延した。その後銅箔露出部を含むように裁断し、負極を得た。
c.非水系電解液の調製
表18と表19に示すとおり、電解液と電解質を配合して、非水系電解液を調製した。
d-1.ラミネートセルの電池組立
正極と負極の活物質面が対向するように、かつ正極と負極との間に介在するように、幅55mmの長尺のセパレータをつづら折りしながら、両面負極15枚、両面正極14枚からなる積層体とした。この時、試料1の耐熱性B層が正極に対向するように配置した。この積層体の14枚の正極アルミニウム箔の露出部に、シーラント付きのアルミニウム製リード片を溶接し、15枚の負極銅箔の露出部に、シーラント付きのニッケル製リード片を溶接した後、アルミニウムラミネート外装体内に挿入し、正・負極リード片が露出する辺とその他2辺との計3辺をラミネートシールした。次に上記非水系電解液を外装体内に注入し、その後開口部を封止して、28対向のラミネート型電池を作製した。得られた電池を室温にて1日放置した後、25℃雰囲気下、330mA(0.3C)の定電流で電池電圧4.2Vまで充電し、到達後4.2Vを保持するように定電圧充電を行うという方法で、合計8時間、電池作製後の最初の充電を行った。続いて、330mA(0.3C)の電流値で電池電圧3.0Vまで電池を放電した。
d-2.円筒電池の電池組立
上記の正極と負極と電解液を用い、かつ正極と負極の活物質面が対向するように、かつ正極と負極との間に介在するように、長尺のセパレータを用い、円筒型(4680型)のリチウム二次電池(電池寸法:直径46mm、高さ80mm)を作成した。電池を作製する際には、正極及び負極の長さは電池容器の内部に入れられる最大の長さの電極を封入した。この時、セパレータの塗工層が正極に対向するように配置した。得られた電池を室温にて1日放置した後、25℃雰囲気下、5A(0.3C)の定電流で電池電圧4.2Vまで充電し、到達後4.2Vを保持するように定電圧充電を行うという方法で、合計8時間、電池作製後の最初の充電を行った。続いて、5A(0.3C)の電流値で電池電圧3.0Vまで電池を放電した。
(サイクル試験(1):5℃時と50℃時)
上記「d-1.ラミネートセルの電池組立」で得られた電池の充放電は、5℃と50℃のそれぞれの雰囲気下で、1000サイクル実施した。充電については、1A(1.0C)の定電流で電池電圧4.2Vまで充電し、到達後4.2Vを保持するように定電圧充電を行うという方法で、合計3時間電池を充電した。放電については、1A(1.0C)の電流値で電池電圧3.0Vまで電池を放電した。1000サイクル目の放電容量と1サイクル目の放電容量から、容量維持率を算出した。容量維持率が高い場合、良好なサイクル特性を有するものと評価した。
(ホットボックス試験)
上記「d-1.ラミネートセルの電池組立」により得られた電池の5℃での充放電を300サイクル実施した後に、136℃の高温に設定されたホットボックスにおいて、1時間保存し、保存中及び保存後に電池の状態を観察した。
高温保存により、セパレータとして電池に収納された微多孔膜の熱収縮が進むと、電池の両電極である正極及び負極において内部短絡が起きて、発火又は爆発が観察されることがある。このような発火又は爆発が観察された電池を不合格品として評価した。発火又は爆発が観察されなかった電池を合格品として評価した。
このホットボックス試験を同一セパレータについて100個の電池に対して行って、合格率(%)を算出した。
(釘刺試験)
4.2Vまで充電した、上記「d-1.ラミネートセルの電池組立」により得られた電池に直径3mmφの鉄釘を20mm/secの速度で打ち込み、貫通させて、内部短絡を起こす試験を行なった。本試験は、内部短絡による電池の電圧低下の時間変化挙動および内部短絡による電池表面温度上昇挙動を測定することで、内部短絡時の現象を明らかにできる。また、内部短絡時にセパレータの不十分なシャットダウン機能や低温での破膜により、電池の急激な発熱が生じる場合があり、それに伴い、電解液が発火し、電池が発煙及び/又は爆発することがある。
上記のとおりに釘刺試験を行なった電池の合否を判定した。この釘刺試験を同一セパレータについて100個の電池に対して行ない、発火・発煙・爆発しなかった電池の数Xを合格割合(X/100)として算出して、表2~17に示した。
(サイクル試験(2))
上記「d-2.円筒電池の電池組立」で得られた電池の充放電を、40℃の雰囲気下で、500サイクル実施した。充電については、17.5A(1.0C)の定電流で電池電圧4.2Vまで充電し、到達後4.2Vを保持するように定電圧充電を行うという方法で、合計3時間電池を充電した。放電については、17.5A(1.0C)の電流値で電池電圧3.0Vまで電池を放電した。1000サイクル目の放電容量と1サイクル目の放電容量から、容量維持率を算出した。容量維持率が高い場合、良好なサイクル特性を有するものと評価した。
<電池評価II>
(電池作製)
電池評価は以下の手順で試料片を含む非水系二次電池を作製して評価した。圧壊試験とサイクル試験容量維持率とサイクル寿命試験は4680型円筒電池を作製し、セパレータに塗工を行ってから4日後に測定した。
a.正極の作製
正極活物質としてLiNi0.6Mn0.2Co0.2と、導電助剤としてカーボンブラックと、結着剤としてポリフッ化ビニリデン溶液とを、91:5:4の固形分質量比で混合し、分散溶媒としてN-メチル-2-ピロリドンを固形分68質量%となるように添加し、更に混合して、スラリー状の溶液を調製した。このスラリー状の溶液を、厚さ15μmのアルミニウム箔の両面に、アルミニウム箔の一部が露出するように塗布した後、溶剤を乾燥除去した。更に正極合剤部分の密度が2.8g/cmとなるようにロールプレスで圧延した。その後アルミニウム箔露出部を含むように裁断し正極を得た。
b.負極の作製
負極活物質として炭素被覆された珪素粉末と、リチウムドープされ炭素被覆された酸化珪素粉末及び黒鉛粉末、結着剤としてスチレンブタジエンゴム及びカルボキシメチルセルロース水溶液とを、3:27:66.4:1.9:1.7の固形分質量比で混合し、分散溶媒として水を固形分50質量%となるように添加し、更に混合して、スラリー状の溶液を調製した。このスラリー状の溶液を、厚さ10μmの銅箔の両面に銅箔の一部が露出するように塗布した後、溶剤を乾燥除去した。更に負極合剤部分の密度が1.45g/cmとなるようにロールプレスで圧延した。その後銅箔露出部を含むように裁断し、負極を得た。
c:電解液の作製
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非水電解液を調製した。
d.電池組立
上記の正極と負極と電解液を用い、かつ正極と負極の活物質面が対向するように、かつ正極と負極との間に介在するように、長尺のセパレータを用い、円筒型(4680型)のリチウム二次電池(電池寸法:直径46mm、高さ80mm)を作成した。電池を作製する際には、正極及び負極の長さは電池容器の内部に入れられる最大の長さの電極を封入した。この時、セパレータの塗工層が正極に対向するように配置した。得られた電池を室温にて1日放置した後、25℃雰囲気下、1A(0.06C)の定電流で電池電圧4.2Vまで充電し、到達後4.2Vを保持するように定電圧充電を行うという方法で、合計8時間、電池作製後の最初の充電を行った。続いて、1A(0.06C)の電流値で電池電圧3.0Vまで電池を放電した。
(バーインパクト試験(圧壊試験))
上記電池評価IIの「d.電池組立」で得られた電池を用いて、直径15.8mmφのSUS棒を電池の長さ方向に垂直に配備させた後、高さ61cmの位置から、重さ9.1kgの重りを自由落下させて衝突させ、電池の温度上昇や、発火状況の確認を所定の数のセルで実施した。衝突後、80℃以上の発熱を有したセルを不合格品として評価し、全セル数に基づく合格率(%)を算出した。
(サイクル試験容量維持率(%))
上記電池評価IIの「d.電池組立」で得られた電池の充放電を、55℃の雰囲気下で、500サイクル実施した。充電については、8.7A(0.5C)の定電流で電池電圧4.2Vまで充電し、到達後4.2Vを保持するように定電圧充電を行うという方法で、合計3時間電池を充電した。放電については、8.7A(0.5C)の電流値で電池電圧3.0Vまで電池を放電した。1000サイクル目の放電容量と1サイクル目の放電容量から、容量維持率を算出した。容量維持率が高い場合、良好なサイクル特性を有するものと評価した。
(サイクル寿命試験)
上記電池評価IIの「d.電池組立」で得られた電池の充放電を、65℃の雰囲気下で、容量維持率が50%以下となるまで繰り返した。充電については、8.7A(0.5C)の定電流で電池電圧4.2Vまで充電し、到達後4.2Vを保持するように定電圧充電を行うという方法で、合計3時間電池を充電した。放電については、8.7A(0.5C)の電流値で電池電圧3.0Vまで電池を放電した。容量維持率が50%以下となったサイクル数を、サイクル寿命として記録した。サイクル寿命が高い場合、良好なサイクル特性を有するものと評価した。
[シラン変性ポリオレフィンの製法]
シラン変性ポリオレフィンに用いる原料ポリオレフィンは、粘度平均分子量(Mv)が1万以上かつ100万以下であり、重量平均分子量(Mw)が3万以上かつ92万以下、数平均分子量は1万以上かつ15万以下でよく、プロピレン又はブテン共重合αオレフィンでもよい。原料ポリエチレンを押出機で溶融混練しながら、有機過酸化物(ジ-t-ブチルパーオキサイド)を添加し、αオレフィンポリマー鎖内でラジカルを発生させた後、トリメトキシアルコキシド置換ビニルシランを注液し、付加反応により、αオレフィンポリマーへアルコキシシリル基を導入し、シラングラフト構造を形成させる。また、同時に系中のラジカル濃度を調整するために、酸化防止剤(ペンタエリトリトールテトラキス[3-(3,5-ジ-t-ブチル-4-ヒドロキシフェニル)プロピオナート])を適量添加し、αオレフィン内の鎖状連鎖反応(ゲル化)を抑制する。得られたシラングラフトポリオレフィン溶融樹脂を水中で冷却し、ペレット加工を行った後、80℃で2日加熱乾燥し、水分又は未反応のトリメトキシアルコキシド置換ビニルシランを除く。なお、未反応のトリメトキシアルコキシド置換ビニルシランのペレット中の残留濃度は3000ppm以下である。なお、トリメトキシアルコキシド置換ビニルシランの代わりにオクテニルトリアルコキシシランを用いることで前記主鎖に対する連結部を構成するメチレン(CH)の数が8であるシラン変性ポリオレフィンを製造することができ、トリメトキシアルコキシド置換ビニルシランの代わりにドデシルトリアルコキシシランを用いることで、前記主鎖に対する連結部を構成するメチレン(CH)の数が12であるシラン変性ポリオレフィンを製造することができる。
[シラン変性ポリオレフィン以外のポリオレフィンの製法]
シラン変性ポリオレフィン以外のポリオレフィンの製法として用いるポリオレフィンは、限定されることを好まないが、以下の方法により作製することができる。ヘキサン、エチレン、1-ペンテンまたは1-ブテン等のα-オレフィン、水素、チーグラ・ナッタ触媒やメタロセン触媒などの触媒成分、トリイソブチルアルミニウム及びジイソブチルアルミニウムハイドライド等の助触媒成分、静電気防止剤を、撹拌装置が付いたベッセル型重合反応器に連続的に供給し、ポリエチレンの重合スラリーを得る。このときジャケット冷却により重合温度を一定に保ち、重合反応器のレベルが一定に保たれるように重合スラリーを、連続的に温度一定のフラッシュドラムに抜き、未反応のエチレン及び水素を分離する。さらに遠心分離機を用いて溶媒を分離し、窒素ブローにより乾燥しポリエチレンパウダーを得る。得られたポリエチレンパウダーに対して、メタノールなどの脂肪族飽和アルコールと、ステアリン酸カルシウムを添加し、ヘンシェルミキサーで均一混合し、さらに適当な目開きの篩を用いて、篩を通過しなかったものを除去することで、シラン変性ポリオレフィン以外のポリオレフィンを得ることが出来る。
[樹脂原料の作製]
(樹脂原料A1の作製)
粘度平均分子量150,000のポリオレフィン100質量部に対して、ビニルトリメトキシシラン1.4質量部、有機過酸化物としてジーt-ブチルパーオキサイド0.025質量部、ステアリン酸カルシウム0.15質量部をそれぞれ配合、ヘンシェルミキサーで混合し、日本製鋼所社製TEX-44(スクリュー径44mm、L/D=35)の二軸押出成形機を利用し、220℃の温度で溶融混錬して樹脂原料A1を造粒した。
(樹脂原料B1の作製)
ヘキサン55L/h、触媒成分としてMg(C12Al(Cと四塩化チタンを含むチーグラ・ナッタ触媒0.5g/h、助触媒成分としてトリイソブチルアルミニウム及びジイソブチルアルミニウムハイドライドの混合物(9:1混合物)9mmol/hを、ジャケット冷却により53℃に保ったベッセル型300L重合反応器に供給しながら、重合圧力が0.3MPaとなるようにエチレンを連続供給することで重合反応を行い、ポリエチレンの重合スラリーを得た。このとき、静電気防止剤としてSTATSAFE3000をポリエチレンパウダーに対する濃度が15ppmになるよう添加した。またα-オレフィンとして1-ブテンを気相エチレン濃度に対して6.9mol%となるように連続的に添加した。ポリエチレンの重合スラリーは重合反応器のレベルが一定に保たれるように連続的に圧力0.05MPaのフラッシュドラムに抜き、未反応のエチレンを分離した。その後遠心分離により溶媒分離を行い、ジャケット80℃、酸素濃度80ppmに調整したドラム式乾燥機を用いて窒素気流下で乾燥を行い、ポリエチレンパウダーを得た。得られたポリエチレンパウダーにメタノールを150ppb、ステアリン酸カルシウム(湿式製法)を1,000ppmの濃度になるよう添加し、目開き425μmの篩を用いて、篩を通過しなかったものを除去し、樹脂原料B1を得た。
(樹脂原料C2の作製)
3℃に調製したヘキサン40L/h、触媒成分としてMg(C12Al(Cと四塩化チタンを含むチーグラ・ナッタ触媒0.2g/h、助触媒成分としてトリイソブチルアルミニウム及びジイソブチルアルミニウムハイドライドの混合物(9:1混合物)10mmol/hを、ジャケット冷却により80℃に保ったベッセル型300L重合反応器に供給しながら、重合圧力が0.5MPaとなるようにエチレンを連続供給することで重合反応を行い、ポリエチレンの重合スラリーを得た。このとき、静電気防止剤としてSTATSAFE3000をポリエチレンパウダーに対する濃度が15ppmになるよう添加した。またα―オレフィンとして1-ブテンを気相エチレン濃度に対して5mol%となるように連続的に添加した。さらに水素を、気相エチレンに対する水素濃度が5.5mol%になるように供給した。ポリエチレンの重合スラリーは重合反応器のレベルが一定に保たれるように連続的に圧力0.05Mpaのフラッシュドラムに抜き、未反応のエチレンを分離した。その後遠心分離により溶媒分離を行い、ジャケット80℃、酸素濃度80ppmに調整したドラム式乾燥機を用いて窒素気流下で乾燥を行い、ポリエチレンパウダーを得た。得られたポリエチレンパウダーにメタノールを150ppb、ステアリン酸カルシウム(湿式製法)を1,000ppmの濃度になるよう添加し、目開き425μmの篩を用いて、篩を通過しなかったものを除去し、樹脂原料C2を得た。
(その他の樹脂原料の作製)
原料ポリオレフィンの分子量およびコポリマー濃度、トリメトキシアルコキシド置換ビニルシランの投入量、混錬条件を変更した以外は上記の樹脂原料A1の作製と同様にして、表20~25に示す樹脂原料A2~A12および樹脂原料D1~D14を作製した。ただし、樹脂原料D13を作製するときはトリメトキシアルコキシド置換ビニルシランのかわりにオクテニルオクテニルトリアルコキシシランを使用し、D14を作製するときはトリメトキシアルコキシド置換ビニルシランのかわりにドデシルトリアルコキシシランを使用した。原料投入量、重合反応器温度、重合圧力を変更した以外は上記の樹脂原料B1の作製と同様にして、表20~25に示す樹脂原料B2~B6およびE1~E5を作製した。原料投入量、重合反応器温度、重合圧力を変更した以外は上記の樹脂原料C2の作製と同様にして、表20~25に示す樹脂原料C1,C3~C5およびF1~F4を作製した。
[実施例1]セパレータの作製と評価
(セパレータとしてのポリオレフィン製微多孔膜の作製)
樹脂A1を30質量%、樹脂B1を30質量%、樹脂C2を40質量%の混合樹脂組成に全体に対して、酸化防止剤としてペンタエリスリチル-テトラキス-[3-(3,5-ジ-t-ブチル-4-ヒドロキシフェニル)プロピオネート]を1000質量ppm添加し、タンブラーブレンダーを用いてドライブレンドすることにより、混合物を得た。得られた混合物を、二軸押出機へ窒素雰囲気下でフィーダーにより供給した。また、流動パラフィン(37.78℃における動粘度7.59×10-5/s)を押出機シリンダーにプランジャーポンプにより注入した。
押出機内で混合物と流動パラフィンを溶融混練し、押し出されるポリオレフィン組成物中に占める流動パラフィン量比が質量75%となるように(即ち、ポリマー濃度が25質量%となるように)、フィーダー及びポンプを調整した。溶融混練条件は、設定温度230℃、スクリュー回転数100rpm、及び吐出量80kg/hであった。
続いて、溶融混練物を、T-ダイを経て表面温度25℃に制御された冷却ロール上に押出しキャストすることにより、原反膜厚1250μmのゲルシート(シート状成型体)を得た。
次に、シート状成型体を同時二軸テンター延伸機に導き、二軸延伸を行なって、延伸物を得た。設定延伸条件は、MD倍率7.0倍、TD倍率6.4倍(即ち、7×6.4倍)、二軸延伸温度125℃とした。次に、延伸後のゲルシートをジクロロメタン槽に導き、ジクロロメタン中に充分に浸漬して流動パラフィンを抽出除去し、その後ジクロロメタンを乾燥除去し、多孔体を得た。次に、熱固定(HS)を行なうべく多孔体をTDテンターに導き、熱固定温度133℃、TDテンター入り口でのシート幅を基準として延伸倍率1.8倍でHSを行い、その後、TDテンター入り口でのシート幅を基準としてTD1.6倍まで緩和操作を行って微多孔膜を得た。その後、得られた微多孔膜について、端部を裁断し、幅1,100mm、長さ5,000mのマザーロールとして巻き取った。
<無機塗工層の塗工>
(アクリルラテックスの製法)
樹脂バインダとして用いられるアクリルラテックスは以下の方法で製造される。撹拌機、還流冷却器、滴下槽及び温度計を取り付けた反応容器に、イオン交換水70.4質量部と、乳化剤として「アクアロンKH1025」(登録商標、第一工業製薬株式会社製25%水溶液)0.5質量部と、「アデカリアソープSR1025」(登録商標、株式会社ADEKA製25%水溶液)0.5質量部とを投入した。次いで、反応容器内部の温度を80℃に昇温し、80℃の温度を保ったまま、過硫酸アンモニウムの2%水溶液を7.5質量部添加し、初期混合物を得た。過硫酸アンモニウム水溶液を添加終了した。5分後に、乳化液を滴下槽から反応容器に150分かけて滴下した。なお、上記乳化液は:ブチルアクリレート70質量部;メタクリル酸メチル29質量部;メタクリル酸1質量部;乳化剤として「アクアロンKH1025」(登録商標、第一工業製薬株式会社製25%水溶液)3質量部と「アデカリアソープSR1025」(登録商標、株式会社ADEKA製25%水溶液)3質量部;過硫酸アンモニウムの2%水溶液7.5質量部;及びイオン交換水52質量部の混合物を、ホモミキサーにより5分間混合させて調製した。
乳化液の滴下終了後、反応容器内部の温度を80℃に保ったまま90分間維持し、その後室温まで冷却した。得られたエマルジョンを、25%の水酸化アンモニウム水溶液でpH=8.0に調整し、少量の水を加えて固形分40%のアクリルラテックスを得た。得られたアクリルラテックスは数平均粒子径145nm、ガラス転移温度-23℃であった。
(無機多孔質層の形成)
無機粒子として95重量部の水酸化酸化アルミニウム(平均粒径1.4μm)と、イオン性分散剤として0.4重量部(固形分換算)のポリカルボン酸アンモニウム水溶液(サンノプコ社製SNディスパーサント5468、固形分濃度40%)とを、100重量部の水に均一に分散させて分散液を調整した。得られた分散液を、ビーズミル(セル容積200cc、ジルコニア製ビーズ径0.1mm、充填量80%)にて解砕処理し、無機粒子の粒度分布を、D50=1.0μmに調整した。粒度分布を調整した分散液に、樹脂バインダとして4.6重量部(固形分換算)のアクリルラテックス(固形分濃度40%、平均粒径145nm、ガラス転移温度-23℃、構成モノマー:ブチルアクリレート、メタクリル酸メチル、メタクリル酸)を添加することによって無機粒子含有スラリーを作製した。
次に、上記微多孔膜マザーロールから微多孔膜を連続的に繰り出し、微多孔膜の片面に無機粒子含有スラリーをグラビアリバースコーターで塗工し、続いて60℃の乾燥機で乾燥させて水を除去し、巻き取って、セパレータのマザーロールを得た。
評価時には、マザーロールから巻き出したセパレータを必要に応じてスリットして、評価用セパレータとして使用した。
得られたポリオレフィン製微多孔膜の厚み、透気度、気孔率、突刺強度、厚みの30%を圧縮する圧縮試験前後の透気度変化倍率などを測定して、表2に示す。評価用セパレータ及びそれを含む電池について、上記評価方法に従って各種の評価を行って、評価結果を表2に示した。
[実施例2~33,比較例4及び7]セパレータの作製と評価
表2~8に示されるように、ポリオレフィン製微多孔膜の分子量混合組成、作製条件、複合化構成条件などを変更したこと以外は、実施例1と同様の操作を行って、表2~8に示すセパレータを得た。得られたセパレータ及びそれを含む電池について、上記評価方法に従って各種の評価を行って、評価結果も表2~8に示した。
なお、実施例28、30記載のシラン変性PPは、上記[シラン変性ポリオレフィンの製法]欄に記載の製法と同様にプライムポリマー社製ポリプロピレン(E―100GV)を用いて製造し、使用した。PPはプライムポリマー社製ポリプロピレン(E―100GV)を使用した。
実施例28記載のPP-PEはJSR社製オレフィン結晶・エチレンブチレン・オレフィン結晶のブロックポリマー(DYNARON6201B)を使用した。
[比較例1]セパレータの作製と評価
樹脂B1と樹脂C2を50:50(質量比)で用いて、かつ表7に示すように、ポリオレフィン製微多孔膜の作製条件、複合化構成条件などを変更したこと以外は、実施例1と同様の操作を行って、表7に示すセパレータを得た。得られたセパレータ及びそれを含む電池について、上記評価方法に従って各種の評価を行って、評価結果も表7に示した。
[比較例2]セパレータの作製と評価
押出機において、重量平均分子量35万、融点136.2℃のシラン非変性ポリエチレン(大韓油化工業製 VH035)24kg/h、樹脂原料A1を24kg/h、流動パラフィン(37.78℃における動粘度7.59×10-5/s)112kg/hを混合した。このときシラン非変性ポリエチレン:シラン変性ポリエチレン:流動パラフィンの重量比は15:15:70であった。さらにシラン非変性ポリエチレン、シラン変性ポリエチレン、流動パラフィンの合計100質量部を基準として炭素-炭素二重結合基含有アルコキシシラン化合物としてのビニルトリエトキシシランを0.5質量部、炭素-炭素二重結合基含有アルコキシシラン化合物100質量部を基準として架橋触媒としてのジブチル錫ジラウレートを2質量部、炭素-炭素二重結合基含有アルコキシシラン化合物100質量部を基準として開始剤としての2,5-ジメチル-2,5-ジ(tert-ブチルパーオキシ)ヘキサン(DHBP)を押出機に導入して混合した。そして、200℃の温度で押出を行い、シラン変性ポリエチレン組成物を得た。得られたシラン変性ポリエチレン組成物を、Tダイと冷却キャスティングロールを用いてシート状に成形し、テンター型逐次延伸機でMD延伸、次いでTD延伸の二軸延伸を行った。MD延伸倍率は5.5倍、TD延伸倍率は5.0倍であった。延伸温度は、MDが105℃、TDが125℃であった。延伸したシートから塩化メチレンを用いて流動パラフィンを抽出し、126℃で延伸倍率1.3倍から1.1倍で熱固定して多孔質膜を作製した。この多孔質膜について、85℃、相対湿度85%の条件下で水性架橋を48時間行い、表7に示すセパレータを得た。得られたセパレータ及びそれを含む電池について、上記評価方法に従って各種の評価を行って、評価結果も表7に示した。
[比較例3]セパレータの作製と評価
短鎖分岐(SCB)として炭素原子数3のアルキレン基を炭素原子数1,000を基準として平均7.7個含む変性ポリオレフィンH3-1(大韓油化工業製 VH035H)を調製した。この変性ポリオレフィンは、重量平均分子量が38万で、融点が129.1℃であった。このとき、変性ポリオレフィンは、エチレンから誘導される繰り返し単位とα-オレフィンから誘導される繰り返し単位を含むポリオレフィンであり、α-オレフィンから誘導される繰り返し単位は1-ペンテンから誘導されるものであった。投入ポリオレフィンとして調製した変性ポリオレフィンH3-1を7.5kg/h、重量平均分子量30万、融点135℃のシラン非変性ポリエチレン(大韓油化工業製 VH035)7.5kg/h、可塑剤として流動パラフィン(37.78℃における動粘度7.59×10-5/s)35kg/h、開始剤として2,5-ジメチル-2,5-ジ(tert-ブチルパーオキシ)ヘキサン(DHBP)、架橋剤としてビニルトリメトキシシラン(VTMS)などの炭素-炭素二重結合基含有アルコキシシラン、触媒としてジブチル錫ジラウレート(DBTDL)を押出機に投入、混合した。このとき、変性ポリオレフィンH3-1とシラン非変性ポリオレフィンの重量比は、50:50であり、α-オレフィンに由来する繰り返し単位のアルキル基の炭素数が3のとき、投入ポリオレフィンの主ポリオレフィン鎖の炭素数は、1,000であった。投入ポリオレフィンと可塑剤の重量比は30:70であった。炭素-炭素二重結合部含有アルコキシビニルシランの含有量は、投入ポリオレフィンと可塑剤の合計含有量100重量部を基準として0.3重量部であり、開始剤の含有量は、炭素-炭素二重結合部含有アルコキシシラン100重量部を基準として1.7重量部であり、架橋触媒の含有量は、炭素-炭素二重結合部含有アルコキシシラン100重量部を基準として6.7重量部であった。その後、押出機で混合した結果、得られた混合物について、190℃の温度条件で押出を行い、シラン変性ポリオレフィン組成物H3-2を得た。得られたシラン変性ポリオレフィン組成物H3-2をTダイと冷却キャスティングロールを用いてシート状に成形し、MD延伸後にTD延伸を行うテンター型逐次延伸機で二軸延伸を行った。MD延伸倍率とTD延伸倍率はともに7.0倍であった。延伸温度は、MDが103℃、TDが118℃であった。変性ポリオレフィンの溶融温度を考慮して、一般的なポリオレフィン単体に使用する組成よりも低い温度で延伸した。延伸したシートから塩化メチレンを用いて流動パラフィンを抽出し、124℃で熱固定して多孔質膜を作製した。この多孔質膜について、85℃、相対湿度85%の条件下で水性架橋を24時間行い、表7に示すセパレータを得た。得られたセパレータ及びそれを含む電池について、上記評価方法に従って各種の評価を行って、評価結果も表7に示した。
[比較例5]セパレータの作製と評価
粘度平均分子量(Mv)27万の高密度ポリエチレン「SH800」(商標、旭化成ケミカルズ(株)製)を18質量部、Mv200万の超高分子量ポリエチレン「UH850」(商標、旭化成ケミカルズ(株)製)を12質量部、平均一次粒径が15nmであるシリカ「DM10C」(商標、(株)トクヤマ製 ジメチルジクロロシランで疎水処理実施)を20質量部、可塑剤として流動パラフィン「スモイル P-350P」(商標、(株)松村石油研究所製)を30質量部、酸化防止剤としてペンタエリスリチル-テトラキス-[3-(3,5-ジ-t-ブチル-4-ヒドロキシフェニル)プロピオネート]を0.3質量部添加したものをスーパーミキサーにて予備混合した。得られた混合物をフィーダーにより二軸同方向スクリュー式押出機フィード口へ供給した。また、溶融混練し押し出される全混合物(100質量部)中に占める流動パラフィン量比が50質量部となるように、流動パラフィンを二軸押出機シリンダーへサイドフィードした。押出機における、溶融混練条件は、設定温度200℃、スクリュー回転数180rpm、吐出量12kg/hで行った。続いて、溶融混練物を、それぞれ220℃に温度設定されたギアポンプ、導管、Tダイを経て表面温度25℃に制御された冷却ロール間に押出し、シート状のポリオレフィン組成物を得た。次に、シート状のポリオレフィン組成物を、連続して同時二軸テンターへ導き、縦方向に7倍、横方向に7倍に同時二軸延伸を行った。この時、同時二軸テンターの設定温度は123℃である。次に、シート状のポリオレフィン組成物を、塩化メチレン槽に導き、十分に塩化メチレンに浸漬して、流動パラフィンを抽出除去した。その後、塩化メチレンの乾燥を行った。さらに、シート状のポリオレフィン組成物を、横テンターに導き、横方向に1.4倍延伸した後、最終出口は1.2倍となるように緩和し、巻取りを行い、表7に示すセパレータを得た。横延伸部の設定温度は132℃であり、緩和部の設定温度は137℃である。得られたセパレータ及びそれを含む電池について、上記評価方法に従って各種の評価を行って、評価結果も表8に示した。
[比較例6]セパレータの作製と評価
重量平均分子量(Mw)が38万、分子量分布(Mw/Mn)が5の高密度ポリエチレン(HDPE)25重量部、40℃の動粘度を有する樹脂原料A1を0.5重量部、パラフィンオイル70重量部を混合し、二軸押出機(内径58mm、L/D=56、二軸押出機)に導入した。この混合物を、200℃、スクリュー回転速度40rpmの条件下で、二軸押出機から幅300mmのTダイに吐出した。その後、吐出物を40℃の温度でキャスティングロールに通して、厚さ800μmのベースシートを作製した。このベースシートを110℃のロール延伸機で縦方向に6回延伸した後、125℃のテンター延伸機で横方向に7回延伸して、延伸フィルムを作製した。この延伸フィルムを、25℃のジクロロメタン浸出槽に1分間含浸させてパラフィン油を抽出除去し、多孔質膜を作製した。この多孔質膜を50℃で乾燥させた後、テンター式延伸機で125℃に加熱し、延伸前と比較して横方向(TD)に1.25倍で熱固定を行った。この多孔質膜を、温度85℃、湿度85%の恒温恒湿槽で72時間架橋し、表8に示すセパレータを得た。得られたセパレータ及びそれを含む電池について、上記評価方法に従って各種の評価を行って、評価結果も表8に示した。
[比較例8]セパレータの作製と評価
押出機において、重量平均分子量90万、融点135℃のシラン非変性ポリエチレンを22.4kg/h、樹脂原料A1を22.4kg/h、流動パラフィン(37.78℃における動粘度7.59×10-5/s)115.2kg/hを混合した。このときシラン非変性ポリエチレン:シラン変性ポリエチレン:流動パラフィンの重量比は14:14:72であった。さらにシラン非変性ポリエチレン、シラン変性ポリエチレン、流動パラフィンの合計100質量部を基準として炭素-炭素二重結合基含有アルコキシシラン化合物としてのビニルトリエトキシシランを0.5質量部、炭素-炭素二重結合基含有アルコキシシラン化合物100質量部を基準として架橋触媒としてのジブチル錫ジラウレートを2質量部、炭素-炭素二重結合基含有アルコキシシラン化合物100質量部を基準として開始剤としての2,5-ジメチル-2,5-ジ(tert-ブチルパーオキシ)ヘキサン(DHBP)を押出機に導入して混合した。そして、200℃の温度で押出を行い、シラン変性ポリエチレン組成物を得た。得られたシラン変性ポリエチレン組成物を、Tダイと冷却キャスティングロールを用いてシート状に成形し、テンター型逐次延伸機でMD延伸、次いでTD延伸の二軸延伸を行った。MD延伸倍率は5.5倍、TD延伸倍率は5.0倍であった。延伸温度は、MDが105℃、TDが125℃であった。延伸したシートから塩化メチレンを用いて流動パラフィンを抽出し、126℃で延伸倍率1.3倍から1.1倍で熱固定して多孔質膜を作製した。この多孔質膜について、85℃、相対湿度85%の条件下で水性架橋を48時間行い、表8に示すセパレータを得た。得られたセパレータ及びそれを含む電池について、上記評価方法に従って各種の評価を行って、評価結果も表8に示した。
[実施例1,34~39、比較例1,4,7,9,10]
表2,7,9~14に示すとおり、実施例1,34~39と比較例1,4,7,9,10で得られたセパレータについて、厚み方向30%圧縮時の透気度変化倍率の順に並べて、第1の電池構成(表9,表10)と、第2の電池構成(表11,表12)と、第3の電池構成(表13,表14)とに対する影響をそれぞれ試験した。
[実施例1のセパレータと各種の電池構成との関係:実施例1A~1Q]
実施例1で得られたセパレータについて、表15~表17に示すとおりに電池構成を変更することにより作製した電池の評価を行なった。電池構成に応じて実施例1A~1Qの枝番を付して、電池評価結果も表15~表17に示す。
[電解液配合条件,電解質配合条件,樹脂原料組成]
電池及びセパレータの作製と各種の評価に用いた電解液配合条件を表18に、電解質配合条件を表19に、樹脂原料組成を表20~表22にそれぞれ示す。
<多層構造を有するセパレータ及びそれを含む電池の評価>
(アクリルラテックスの製法)
熱可塑性ポリマーまたは樹脂バインダとして用いられるアクリルラテックスは以下の方法で製造される。撹拌機、還流冷却器、滴下槽及び温度計を取り付けた反応容器に、イオン交換水70.4質量部と、乳化剤として「アクアロンKH1025」(登録商標、第一工業製薬株式会社製25%水溶液)0.5質量部と、「アデカリアソープSR1025」(登録商標、株式会社ADEKA製25%水溶液)0.5質量部とを投入した。次いで、反応容器内部の温度を80℃に昇温し、80℃の温度を保ったまま、過硫酸アンモニウムの2%水溶液を7.5質量部添加し、初期混合物を得た。過硫酸アンモニウム水溶液を添加終了した。5分後に、乳化液を滴下槽から反応容器に150分かけて滴下した。なお、上記乳化液は:ブチルアクリレート70質量部;メタクリル酸メチル29質量部;メタクリル酸1質量部;乳化剤として「アクアロンKH1025」(登録商標、第一工業製薬株式会社製25%水溶液)3質量部と「アデカリアソープSR1025」(登録商標、株式会社ADEKA製25%水溶液)3質量部;過硫酸アンモニウムの2%水溶液7.5質量部;及びイオン交換水52質量部の混合物を、ホモミキサーにより5分間混合させて調製した。
乳化液の滴下終了後、反応容器内部の温度を80℃に保ったまま90分間維持し、その後室温まで冷却した。得られたエマルジョンを、25%の水酸化アンモニウム水溶液でpH=8.0に調整し、少量の水を加えて固形分40%のアクリルラテックスを得た。得られたアクリルラテックスは数平均粒子径145nm、ガラス転移温度-23℃であった。
(その他の樹脂)
市場から入手可能なPVDFラテックスおよびポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン(PVDF-HFP)を用意した。また、上記アクリルラテックスとPVDFラテックスとを用いて、PVDFとアクリルの水系混合物(混合比は、下記表に示す)を調製した。さらに、コアシェル型重合によりアクリル樹脂を形成して、PVDF/アクリル(コアシェル型重合)混合物を用意した。
<セパレータ基材への無機多孔質層の塗工により架橋することの確認>
[実施例40-1:セパレータの作製と評価と塗工工程での架橋確認]
(セパレータ基材としてのポリオレフィン製微多孔膜の作製)
樹脂D2(シラングラフト連結部CHの数2)を30.0質量%、樹脂E3を30.0質量%、樹脂F3を40.0質量%の混合樹脂組成に全体に対して、酸化防止剤としてペンタエリスリチル-テトラキス-[3-(3,5-ジ-t-ブチル-4-ヒドロキシフェニル)プロピオネート]を1000質量ppm添加し、タンブラーブレンダーを用いてドライブレンドすることにより、混合物を得た。得られた混合物を、二軸押出機へ窒素雰囲気下でフィーダーにより供給した。また、流動パラフィン(37.78℃における動粘度7.59×10-5/s)を押出機シリンダーにプランジャーポンプにより注入した。
押出機内で混合物と流動パラフィンを溶融混練し、押し出されるポリオレフィン組成物中に占める流動パラフィン量比が質量75%となるように(即ち、ポリマー濃度が25質量%となるように)、フィーダー及びポンプを調整した。溶融混練条件は、設定温度230℃、スクリュー回転数100rpm、及び吐出量80kg/hであった。続いて、溶融混練物を、T-ダイを経て表面温度25℃に制御された冷却ロール上に押出しキャストすることにより、原反膜厚1250μmのゲルシート(シート状成型体)を得た。
次に、シート状成型体を同時二軸テンター延伸機に導き、二軸延伸を行なって、延伸物を得た。設定延伸条件は、MD倍率7.0倍、TD倍率6.4倍(即ち、7×6.4倍)、二軸延伸温度125℃とした。次に、延伸後のゲルシートをジクロロメタン槽に導き、ジクロロメタン中に充分に浸漬して流動パラフィンを抽出除去し、その後ジクロロメタンを乾燥除去し、多孔体を得た。次に、熱固定(HS)を行なうべく多孔体をTDテンターに導き、熱固定温度133℃、延伸倍率1.8倍でHSを行い、その後、TDテンター入り口でのシート幅を基準としてTD1.6倍まで緩和操作を行って微多孔膜を得た。その後、得られた微多孔膜について、端部を裁断し、幅1,100mm、長さ5,000mのマザーロールとして巻き取った。
得られたポリオレフィン製微多孔膜をセパレータ基材として使用し、上記の方法に従って測定及び評価を行なって、評価結果を表26に示した。
(無機多孔質層の塗工と架橋確認)
次に、表26に示すとおりに無機粒子としてベーマイトを選択した。
さらに、無機粒子と、イオン性分散剤としてのポリカルボン酸アンモニウム水溶液(サンノプコ社製SNディスパーサント5468、固形分濃度40%)とを、所定の割合で、100重量部の水に均一に分散させて分散液を調整した。得られた分散液を、ビーズミル(セル容積200cc、ジルコニア製ビーズ径0.1mm、充填量80%)にて解砕処理し、無機粒子の粒度分布を、D50=1.0μmに調整した。粒度分布を調整した分散液に対して、表26に示される無機粒子重量比率になるように、樹脂バインダとしての上記アクリルラテックス(固形分濃度40%、平均粒径145nm、ガラス転移温度-23℃、構成モノマー:ブチルアクリレート、メタクリル酸メチル、メタクリル酸)を添加することによって無機粒子含有スラリーを作製した。
上記の方法に従って、無機粒子含有スラリーのpH、清浄なセパレータ基材表面に対する塗工液の接触角も測定した。
上記微多孔膜マザーロールから微多孔膜を連続的に繰り出し、微多孔膜の片面に無機粒子含有スラリーをグラビアリバースコーターで塗工し、続いて60℃の乾燥機で乾燥させて水を除去し、巻き取って、表26に示すとおりの塗工膜厚の多層型セパレータのマザーロールを得た。また、塗工前後でのTMA破断温度の対比から、塗工工程での架橋反応の進行を確認した。
評価時には、マザーロールから巻き出した多層型セパレータを必要に応じてスリットして、評価用セパレータとして使用した。
得られた評価用セパレータについて、上記評価方法に従って各種の評価を行って、評価結果も表26に示した。
(無機多孔質層が塗工された多層型セパレータを含む電池の試験)
実施例40-1では、ポリオレフィン製微多孔膜から成るセパレータ基材と、無機多孔質層が塗工された多層型セパレータとを得た。さらに、多層型セパレータを用いて、上記で説明された電池作製の方法に従って非水系二次電池を作製し、電池の評価を行なって電池評価結果も表26に示す。
[実施例40-2~実施例40-53,比較例11-1~比較例11-7]
表26に示されるように、ポリオレフィン製微多孔膜の樹脂組成と分子量混合組成、作製条件、基材特性、無機粒子の種類と比率、塗工液の組成と物性などを変更したこと以外は、実施例40-1と同様の操作を行って、ポリオレフィン製微多孔膜から成るセパレータ基材と、無機多孔質層が塗工された多層型セパレータとを得た。得られたセパレータ基材及び多層型セパレータについて、上記評価方法に従って各種の評価を行って、評価結果も表26に示した。さらに、無機多孔質層が塗工された多層型セパレータを用いて、非水系二次電池を得た。得られた電池について、上記評価方法に従って各種の評価を行って、評価結果も表26に示した。
<セパレータ基材への熱可塑性ポリマー含有層の塗工により架橋することの確認>
[実施例41-1]
表27に示されるように、ポリオレフィン製微多孔膜の作製条件などを変更したこと以外は、実施例40-1と同様の操作を行って、ポリオレフィン製微多孔膜から成るセパレータ基材を得た。
次に、表27に示されるように、樹脂の種類と有機溶剤濃度を調整して熱可塑性ポリマー含有塗工液を得て、上記の方法に従って、塗工液のpH、清浄なセパレータ基材表面に対する塗工液の接触角も測定した。
さらに、実施例40-1と同様にグラビアリバースコーターでセパレータ基材に塗工液を塗工して、表27に示すとおりの塗工膜厚の多層型セパレータを得た。また、塗工前後でのTMA破断温度の対比から、塗工工程での架橋反応の進行を確認した。得られた多層型セパレータについて、上記評価方法に従って各種の評価を行って、評価結果も表27に示した。
さらに、多層型セパレータを用いて、上記で説明された電池作製の方法に従って非水系二次電池を作製し、電池の評価を行なって電池評価結果も表27に示す。
[実施例41-2~実施例41-49,比較例12-1~比較例12-7]
表27に示されるように、ポリオレフィン製微多孔膜の樹脂組成と分子量混合組成、作製条件、基材特性、熱可塑性樹脂の種類、塗工液の組成と物性などを変更したこと以外は、実施例41-1と同様の操作を行って、ポリオレフィン製微多孔膜から成るセパレータ基材と、熱可塑性ポリマー含有層が塗工された多層型セパレータとを得た。得られたセパレータ基材及び多層型セパレータについて、上記評価方法に従って各種の評価を行って、評価結果も表27に示した。
さらに、熱可塑性ポリマー含有層が塗工された多層型セパレータを用いて、非水系二次電池を得た。得られた電池について、上記評価方法に従って各種の評価を行って、評価結果も表27に示した。
<セパレータ基材への活性層の塗工により架橋することの確認>
[実施例42-1]
表28に示されるように、ポリオレフィン製微多孔膜の作製条件などを変更したこと以外は、実施例40-1と同様の操作を行って、ポリオレフィン製微多孔膜から成るセパレータ基材を得た。
次に、表28に示されるように、フッ素系樹脂として、市場から入手可能なPVDF-HFPを用意した。さらに、無機粒子として95重量部の水酸化酸化アルミニウム(平均粒径1.4μm)と、PVDF-HFPと、有機溶剤としてN-メチル-2-ピロリドン(NMP)とを表28に示す有機溶剤濃度を有する塗工液を調製した。
さらに、実施例40-1と同様にグラビアリバースコーターでセパレータ基材に塗工液を塗工し、続いて水洗浄・乾燥を行って、表28に示すとおりの塗工膜厚の多層型セパレータを得た。また、塗工前後でのTMA破断温度の対比から、塗工工程での架橋反応の進行を確認した。得られた多層型セパレータについて、上記評価方法に従って各種の評価を行って、評価結果も表28に示した。
さらに、多層型セパレータを用いて、上記で説明された電池作製の方法に従って非水系二次電池を作製し、電池の評価を行なって電池評価結果も表28に示す。
[実施例42-2~実施例42-43,比較例13-1~比較例13-7]
表28に示されるように、ポリオレフィン製微多孔膜の樹脂組成と分子量混合組成、作製条件、基材特性、フッ素系樹脂の種類、塗工液の組成と物性などを変更したこと以外は、実施例42-1と同様の操作を行って、ポリオレフィン製微多孔膜から成るセパレータ基材と、活性層が塗工された多層型セパレータとを得た。得られたセパレータ基材及び多層型セパレータについて、上記評価方法に従って各種の評価を行って、評価結果も表28に示した。
さらに、活性層が塗工された多層型セパレータを用いて、非水系二次電池を得た。得られた電池について、上記評価方法に従って各種の評価を行って、評価結果も表28に示した。
<セパレータ基材への耐熱性樹脂層の塗工により架橋することの確認>
[実施例43-1]
表29に示されるように、ポリオレフィン製微多孔膜の作製条件などを変更したこと以外は、実施例40-1と同様の操作を行って、ポリオレフィン製微多孔膜から成るセパレータ基材を得た。
次に、表29に示されるとおり、所定の無機粒子粒径を有する無機フィラーを用意し、所定の無機粒子重量比率及び有機溶剤濃度になるようにパラ芳香族アラミドまたはメタ芳香族アラミド含有塗工液に配合した。
(パラ芳香族アラミドの場合)
N-メチル-2-ピロリドン(NMP)/塩化カルシウム溶液(塩化カルシウム濃度=7.1質量%)5000質量部にパラフェニレンジアミン150質量部を添加し、N雰囲気下、溶解・攪拌させ、次いで、テレフタル酸ジクロライド273.94質量部を添加し、攪拌し、1時間反応させ、ポリパラフェニレンテレフタルアミド重合液を得た。重合液1000質量部、NMP3000質量部、及び所定量のアルミナ(Al)粒子(表29に示される粒子粒径を有する)を攪拌混合して、ホモジナイザーで分散して、塗工液を得た。ドラム固定式バーコーターを用いて、クリアランス20μm~30μm、及び表29に示される塗工膜厚の条件下、塗工液をポリオレフィン製微多孔膜の片面に塗布して、約70℃の温度で乾燥させて、多層型セパレータを得た。
(メタ芳香族アラミドの場合)
100質量部のメタ芳香族ポリアミドと所定量のベーマイト(表29に示される粒子粒径を有する)とを混合し、これらをメタ芳香族ポリアミド濃度が3質量%となるように、ジメチルアセトアミド(DMAc)とトリプロピレングリコール(TPG)の混合溶媒(質量比=1:1)と混合して、塗工液を得た。マイヤーバーコーターを用いて、クリアランス20μm~30μm、及び表29に示される塗工膜厚の条件下、塗工液をポリオレフィン製微多孔膜の片面に塗布して、塗布セパレータを得た。塗布セパレータを、質量比として水:DMAc:TPG=2:1:1及び温度35℃の凝固液中に浸漬し、続いて水洗浄・乾燥を行って、多層型セパレータを得た。
パラまたはメタ芳香族アラミドと無機フィラーを含有する耐熱性樹脂層が塗工された多層型セパレータについて、塗工前後でのTMA破断温度の対比から、塗工工程での架橋反応の進行を確認した。得られた多層型セパレータについて、上記評価方法に従って各種の評価を行って、評価結果も表29に示した。
(耐熱性樹脂層が塗工された多層型セパレータを含む電池の試験)
実施例43-1では、さらに、多層型セパレータを用いて、上記で説明された電池作製の方法に従って非水系二次電池を作製し、電池の評価を行なった。電池評価結果も表29に示す。
[実施例43-2~実施例43-50,比較例14-1~比較例14-7]
表29に示されるように、ポリオレフィン製微多孔膜の樹脂組成と分子量混合組成、作製条件、基材特性、無機フィラーの種類と粒径と比率、アラミド樹脂の種類、塗工液の組成と物性などを変更したこと以外は、実施例43-1と同様の操作を行って、ポリオレフィン製微多孔膜から成るセパレータ基材と、耐熱性樹脂層が塗工された多層型セパレータとを得た。得られたセパレータ基材及び多層型セパレータについて、上記評価方法に従って各種の評価を行って、評価結果も表29に示した。
さらに、耐熱性樹脂層が塗工された多層型セパレータを用いて、非水系二次電池を得た。得られた電池について、上記評価方法に従って各種の評価を行って、評価結果も表29に示した。
結晶部厚み
非晶部厚み
結晶長周期
結晶配向度

Claims (26)

  1. シラン変性ポリエチレと、前記シラン変性ポリエチレン以外のポリエチレンとを含む非水系二次電池用セパレータであって、
    前記非水系二次電池用セパレータの飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF-SIMS)測定で検出されたSi含有画像について、ボロノイ分割を行なって得られるボロノイ多角形のうち最大頻度のボロノイ面積(mu)が、1.0μm ~17.5μm の範囲内にあり、
    前記TOF-SIMS測定で検出されたSi含有画像のボロノイ面積頻度分布の広がり(σ)が、0.5μm ~8.5μm の範囲内にあり、
    前記最大頻度のボロノイ面積(mu)に対する前記ボロノイ面積頻度分布の広がり(σ)の比(σ/mu)が、0.06~0.70であり、
    小角X線散乱測定で検出されたポリエチレンの結晶長周期が20~50nmであり、かつ広角X線散乱測定で検出された結晶化度が60%~80%であり、広角X線散乱測定で検出されたポリエチレンの結晶子サイズ(110)が10~50nmであり、かつ広角X線散乱測定で検出されたポリエチレンの結晶子サイズ(110)とポリエチレンの結晶子サイズ(200)の比(110)/(200)が、0.9~2.0である、非水系二次電池用セパレータ。
  2. 前記小角X線散乱測定で検出されたポリエチレンの結晶長周期と前記広角X線散乱測定で検出された結晶化度から下記式:
    式:非晶部厚み[nm]=(結晶長周期[nm])×(1-結晶化度[%]/100)
    で計算された非晶部厚みが、3~23nmである、請求項1に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  3. 広角X線散乱測定でMD方向から測定されたポリエチレンの断面結晶配向度が0.70~0.99であり、かつTD方向から測定されたポリエチレンの断面結晶配向度が0.70~0.99である、請求項1又は2に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  4. 前記MD方向から測定されたポリエチレンの断面結晶配向度と前記TD方向から測定されたポリエチレンの断面結晶配向度の比MD/TDが、0.5~1.2である、請求記載の非水系二次電池用セパレータ。
  5. 前記シラン変性ポリエチレンのケイ素(Si)を含む官能基において、主鎖に対する有機部位の連結部を構成するメチレン(CH)の数が、2~10である、請求項1~のいずれか一項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  6. 基材としてのポリオレフィン製微多孔膜と、前記ポリオレフィン製微多孔膜の少なくとも片面に積層された、無機粒子および樹脂バインダを含む無機多孔質層とを備える、請求項1~のいずれか一項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  7. 前記無機多孔質層に含まれる前記無機粒子の含有量が、前記無機多孔質層の全質量を基準として、5質量%~99質量%である、請求項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  8. 前記無機粒子が、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、マグネシア、セリア、イットリア、酸化亜鉛、酸化鉄、窒化ケイ素、窒化チタン、窒化ホウ素、シリコンカーバイド、水酸化酸化アルミニウム、タルク、カオリナイト、ディカイト、ナクライト、ハロイサイト、パイロフィライト、モンモリロナイト、セリサイト、マイカ、アメサイト、ベントナイト、アスベスト、ゼオライト、ケイ藻土、ケイ砂、およびガラス繊維から成る群から選択される少なくとも一つである、請求項又はに記載の非水系二次電池用セパレータ。
  9. 基材としてのポリオレフィン製微多孔膜と、前記ポリオレフィン製微多孔膜の少なくとも片面に形成された熱可塑性ポリマー含有層とを備え、かつ前記熱可塑性ポリマー含有層に含まれる熱可塑性ポリマーが、(メタ)アクリル酸エステル、及び/又は(メタ)アクリル酸の重合単位、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン(PVDF-HFP)、並びにポリフッ化ビニリデン-クロロトリフルオロエチレン(PVDF-CTFE)の少なくともいずれか一つを含む、請求項1~のいずれか一項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  10. 基材としてのポリオレフィン製微多孔膜と、前記ポリオレフィン製微多孔膜の少なくとも片面に配置された活性層とを備え、前記活性層が、ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン(PVDF-HFP)、及びポリフッ化ビニリデン-クロロトリフルオロエチレン(PVDF-CTFE)から成る群から選択される少なくとも一つのフッ素原子含有ポリビニル化合物と、無機粒子とを含有する、請求項1~のいずれか一項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  11. 基材としてのポリオレフィン製微多孔膜と、前記ポリオレフィン製微多孔膜の少なくとも片面に積層された、耐熱性樹脂を含む耐熱性樹脂層とを備え、かつ前記耐熱性樹脂が、全芳香族ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリスルホン、ポリケトン、ポリエーテル、ポリエーテルケトン、ポリエーテルイミド及びセルロースから成る群から選択される少なくとも1種を含む、請求項1~のいずれか一項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  12. 前記耐熱性樹脂層は、平均粒子径が0.2μm~0.9μmの無機フィラーを30質量%~90質量%含有する、請求項1に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  13. 前記非水系二次電池用セパレータの飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF-SIMS)測定で検出されたSi含有画像について、ボロノイ分割を行って得られるボロノイ多角形のうち最大頻度のボロノイ面積(mu)が6.00μm~12.00μmの範囲にある、請求項1~1のいずれか一項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  14. 前記TOF-SIMS測定で検出されたSi含有画像のボロノイ面積頻度分布の広がり(σ)が、2.00μm~4.00μmの範囲内にある、請求項1~13のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  15. 前記最大頻度のボロノイ面積(mu)に対する前記TOF-SIMS測定で検出されたSi含有画像のボロノイ面積頻度分布の広がり(σ)の比(σ/mu)が、0.20~0.40である、請求項1~14のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ
  16. 正極と、負極と、請求項1~1のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータと、非水系電解液とを備える非水系二次電池。
  17. 前記正極は、式:Li-Ni-Mn-Co{式中、xはNi割合を表し、yはMn割合を表し、zはCo割合を表し、かつx+y+z=1である}で表されるリチウム(Li)-ニッケル(Ni)-マンガン(Mn)-コバルト(Co)複合酸化物を含み、かつ前記式中のNi割合xが、5~9である、請求項1に記載の非水系二次電池。
  18. 前記負極が負極活物質を含み、かつ前記負極活物質中のSi割合が、5重量%~90重量%である、請求項1又は1に記載の非水系二次電池。
  19. 前記非水系電解液が、リチウム塩を1.2mol/L~10mol/Lの範囲内の濃度で含む、請求項118のいずれか1項に記載の非水系二次電池。
  20. 前記非水系電解液がエチルメチルカーボネート(EMC)及び/又はアセトニトリル(AcN)を含み、かつ前記非水系電解液中のEMCとAcNの合計含有量が、50質量%~90質量%の範囲内にある、請求項119のいずれか1項に記載の非水系二次電池。
  21. 以下の工程:
    (1)前記シラン変性ポリエチレン、前記シラン変性ポリエチレン以外のポリエチレン及び可塑剤を押出機でシート状に押出し、冷却固化させ、シート状成形体に加工するシート成形工程;
    (2)前記シート状成形体を20倍以上250倍以下の面倍率で二軸延伸して、延伸物を成形する延伸工程;
    (3)前記延伸物から前記可塑剤を抽出して、多孔体を形成する多孔体形成工程;
    (4)前記多孔体を熱処理に供して、幅方向に延伸及び緩和を行って、熱処理多孔体を得る熱処理工程;
    (5A)前記無機粒子および前記樹脂バインダと、界面活性剤とを含有し、かつpHが6.7以下または7.5以上である塗工液を前記熱処理多孔体の少なくとも一方の表面に塗布することで、前記無機多孔質層を、前記熱処理多孔体の少なくとも一方の表面に形成する塗工工程;
    (6)前記無機多孔質層中の溶媒を乾燥除去する乾燥工程;並びに
    (7)電極及び前記非水系二次電池用セパレータの積層体又はその巻回体と、非水電解液とを外装体に収納する組立工程;
    を含み、かつ前記(5A)、(6)および(7)のうち少なくとも1つの工程で前記シラン変性ポリエチレンが架橋構造を形成する、請求項のいずれか一項に記載の非水系二次電池用セパレータの製造方法。
  22. 以下の工程:
    (1)前記シラン変性ポリエチレン、前記シラン変性ポリエチレン以外のポリエチレン及び可塑剤を押出機でシート状に押出し、冷却固化させ、シート状成形体に加工するシート成形工程;
    (2)前記シート状成形体を20倍以上250倍以下の面倍率で二軸延伸して、延伸物を成形する延伸工程;
    (3)前記延伸物から前記可塑剤を抽出して、多孔体を形成する多孔体形成工程;
    (4)前記多孔体を熱処理に供して、幅方向に延伸及び緩和を行って、熱処理多孔体を得る熱処理工程;
    (5B)前記熱可塑性ポリマーと界面活性剤とを含有し、かつpHが6.7以下または7.5以上である塗工液を前記熱処理多孔体の少なくとも一方の表面に塗布することで、前記熱可塑性ポリマー含有層を、前記熱処理多孔体の少なくとも一方の表面に形成する塗工工程;
    (6)前記熱可塑性ポリマー含有層中の溶媒を乾燥除去する乾燥工程;並びに
    (7)電極及び前記非水系二次電池用セパレータの積層体又はその巻回体と、非水電解液とを外装体に収納する組立工程;
    を含み、かつ前記(5B)、(6)および(7)のうち少なくとも1つの工程で前記シラン変性ポリエチレンが架橋構造を形成する、請求項に記載の非水系二次電池用セパレータの製造方法。
  23. 以下の工程:
    (1)前記シラン変性ポリエチレン、前記シラン変性ポリエチレン以外のポリエチレン及び可塑剤を押出機でシート状に押出し、冷却固化させ、シート状成形体に加工するシート成形工程;
    (2)前記シート状成形体を20倍以上250倍以下の面倍率で二軸延伸して、延伸物を成形する延伸工程;
    (3)前記延伸物から前記可塑剤を抽出して、多孔体を形成する多孔体形成工程;
    (4)前記多孔体を熱処理に供して、幅方向に延伸及び緩和を行って、熱処理多孔体を得る熱処理工程;
    (5C)前記フッ素原子含有ポリビニル化合物と前記無機粒子と有機溶媒とを含有する塗工液を前記熱処理多孔体の少なくとも一方の表面に塗布することで、前記活性層を、前記熱処理多孔体の少なくとも一方の表面に形成する塗工工程;
    (6)前記活性層中の溶媒を乾燥除去する乾燥工程;並びに
    (7)電極及び前記非水系二次電池用セパレータの積層体又はその巻回体と、非水電解液とを外装体に収納する組立工程;
    を含み、かつ前記(5C)、(6)および(7)のうち少なくとも1つの工程で前記シラン変性ポリエチレンが架橋構造を形成する、請求項1に記載の非水系二次電池用セパレータの製造方法。
  24. 前記塗工工程(5C)と前記乾燥工程(6)の間に、以下の工程:
    (5.5C)前記活性層中の有機溶媒を水系溶媒と置換する水洗工程;
    を含み、かつ前記(5.5C)の工程で前記シラン変性ポリエチレンが架橋構造を形成する、請求項2に記載の非水系二次電池用セパレータの製造方法。
  25. 以下の工程:
    (1)前記シラン変性ポリエチレン、前記シラン変性ポリエチレン以外のポリエチレン及び可塑剤を押出機でシート状に押出し、冷却固化させ、シート状成形体に加工するシート成形工程;
    (2)前記シート状成形体を20倍以上250倍以下の面倍率で二軸延伸して、延伸物を成形する延伸工程;
    (3)前記延伸物から前記可塑剤を抽出して、多孔体を形成する多孔体形成工程;
    (4)前記多孔体を熱処理に供して、幅方向に延伸及び緩和を行って、熱処理多孔体を得る熱処理工程;
    (5D)前記耐熱性樹脂と有機溶媒とを含有する塗工液を前記熱処理多孔体の少なくとも一方の表面に塗布することで、前記耐熱性樹脂層を、前記熱処理多孔体の少なくとも一方の表面に形成する塗工工程;
    (6)前記耐熱性樹脂層中の溶媒を乾燥除去する乾燥工程;並びに
    (7)電極及び前記非水系二次電池用セパレータの積層体又はその巻回体と、非水電解液とを外装体に収納する組立工程;
    を含み、かつ前記(5D)、(6)、および(7)のうち少なくとも1つの工程で前記シラン変性ポリエチレンが架橋構造を形成する、請求項1又は1に記載の非水系二次電池用セパレータの製造方法。
  26. 前記塗工工程(5D)と前記乾燥工程(6)の間に、以下の工程:
    (5.5D)前記耐熱性樹脂層中の有機溶媒を水系溶媒と置換する水洗工程;
    を含み、かつ前記(5.5D)の工程で前記シラン変性ポリエチレンが架橋構造を形成する、請求項2に記載の非水系二次電池用セパレータの製造方法。
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