JP7828388B2 - シロキサン分散架橋型セパレータ - Google Patents
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Description
(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、1.0μm2~17.5μm2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、0.5μm2~8.5μm2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、6.0μm2~12.0μm2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、2.0μm2~4.0μm2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(CH2)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6.00μm2~12.00μm2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、2.00μm2~4.00μm2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-Nix-Mny-Coz{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。
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、1.0μm2~17.5μm2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、0.5μm2~8.5μm2の範囲内にある。
(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。
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。
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。
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、6.0μm2~12.0μm2の範囲内にある。
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。
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。
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。
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。
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(CH2)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(CH2)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(CH2)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。
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CH2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CH2数は、2~6の範囲内にあることがより好ましい。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
Rcc-O-C(O)O-Rdd
{式中、Rcc及びRddは、CH3、CH2CH3、CH2CH2CH3、CH(CH3)2、及び式CH2Rfee(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。
Rff-C(O)O-Rgg
{式中、Rffは、CH3、CH2CH3、CH2CH2CH3、CH(CH3)2、CF3CF2H、CFH2、CF2H、CF2Rfhh、CFHRfhh、及びCH2Rfiiから成る群より選択される少なくとも一つであり、Rggは、CH3、CH2CH3、CH2CH2CH3、CH(CH3)2、及びCH2Rfii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CF2Hである場合、RggはCH3ではない}で表すことができる。
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。
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1H-NMRスペクトルを得る。1H-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%
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%
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(-CH2-Si:1H,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(-CH3:13C,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(-CH3:13C,10.63ppm,s)可能である。
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 GMH6-HT(商標)2本+GMH6-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%
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。
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
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。
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。
10cm×10cm角の試料を微多孔膜から切り取り、その体積(cm3)と質量(g)を求め、それらと密度(g/cm3)より、次式を用いて気孔率を計算した。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
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。
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。
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。
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
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。
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-φ0)/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(°)
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。
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:(β12-β22)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
結晶化度X={I(110)+I(200)}/{I(110)+I(200)+Iamr}×100
Iamr:非晶ピークの面積
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])
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)
(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。
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)
(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。)
(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)
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。
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。
[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。
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。
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。
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
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。
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
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LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2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/cm3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。
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/cm3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。
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。
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。
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。
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。
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。
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「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。
正極活物質としてLiNi0.6Mn0.2Co0.2O2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/cm3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。
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/cm3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。
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LiPF6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。
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。
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。
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。
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(CH2)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(CH2)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。
ヘキサン55L/h、触媒成分としてMg6(C4H9)12Al(C2H5)3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。
3℃に調製したヘキサン40L/h、触媒成分としてMg6(C4H9)12Al(C2H5)3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。
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。
(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7.59×10-5m2/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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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7.59×10-5m2/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。
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7.59×10-5m2/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。
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。
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。
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7.59×10-5m2/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。
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。
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。
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。
[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CH2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7.59×10-5m2/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。
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。
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。
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。
[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。
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。
[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。
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。
[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。
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、N2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(Al2O3)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。
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。
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。
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。
ta 非晶部厚み
fc 結晶長周期
ac 結晶配向度
Claims (26)
- 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 2 ~17.5μm 2 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 2 ~8.5μm 2 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。 - 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。 - 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。
- 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、請求項3に記載の非水系二次電池用セパレータ。
- 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(CH2)の数が、2~10である、請求項1~4のいずれか一項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
- 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1~5のいずれか一項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
- 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6に記載の非水系二次電池用セパレータ。
- 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6又は7に記載の非水系二次電池用セパレータ。
- 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1~5のいずれか一項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
- 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1~5のいずれか一項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
- 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1~5のいずれか一項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
- 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11に記載の非水系二次電池用セパレータ。
- 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6.00μm2~12.00μm2の範囲にある、請求項1~12のいずれか一項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
- 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、2.00μm2~4.00μm2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。
- 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
- 正極と、負極と、請求項1~15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。
- 前記正極は、式:Li-Nix-Mny-Coz{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16に記載の非水系二次電池。
- 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16又は17に記載の非水系二次電池。
- 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16~18のいずれか1項に記載の非水系二次電池。
- 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16~19のいずれか1項に記載の非水系二次電池。
- 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6~8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。 - 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9に記載の非水系二次電池用セパレータの製造方法。 - 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10に記載の非水系二次電池用セパレータの製造方法。 - 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23に記載の非水系二次電池用セパレータの製造方法。 - 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11又は12に記載の非水系二次電池用セパレータの製造方法。 - 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25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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