JPH09220453A - 電池セパレーターに適した微多孔膜 - Google Patents

電池セパレーターに適した微多孔膜

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JPH09220453A
JPH09220453A JP8029174A JP2917496A JPH09220453A JP H09220453 A JPH09220453 A JP H09220453A JP 8029174 A JP8029174 A JP 8029174A JP 2917496 A JP2917496 A JP 2917496A JP H09220453 A JPH09220453 A JP H09220453A
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理行 安達
Hiroshi Sogo
博 十河
Akira Takahashi
晃 高橋
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明の微多孔膜は、孔閉塞温度が低く、か
つ製膜時に破断が生じにくく、必要強度を備えており、
有機溶媒系電池セパレーターに適する。 【解決手段】 粘度平均分子量100万以上の超高分子
量ポリエチレン10〜50重量%、αーオレフィン含有
量が0.05〜2mol%未満であるポリエチレン共重
合体10〜50重量%、並びにαーオレフィン含有量が
2〜8mol%であるポリエチレン共重合体および/又
は低密度ポリエチレン35〜70重量%から成ることを
特徴とする微多孔膜である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、孔閉塞温度が低
く、かつ製膜時に破断が生じにくく、必要強度を備えた
微多孔膜に関する。更には、本発明の微多孔膜は、有機
溶媒系電池セパレーター用微多孔膜に適し、特にリチウ
ム一次電池、リチウムイオン二次電池及びリチウム二次
電池のセパレーターとして有用である。
【0002】
【従来の技術】有機溶媒系電池セパレーターとしてはポ
リエチレン製やポリプロピレン製のものが使用されてい
るが、特にポリエチレン製のセパレーターはポリプロピ
レン製のものに比べて融点が低いため、電池の誤使用等
により、電池内部で異常な温度上昇が起こった際により
低温にて溶融し、微孔を閉塞させるので、より早い段階
にて異常反応を停止させ、さらなる温度上昇を抑えるこ
とができる。従って電池の安全性の面から有用なもので
ある。この溶融する温度が低い程安全性に優れたセパレ
ーターであると言える。そのための手法として特開平2
ー21559号公報には粘度平均分子量30万以下のポ
リエチレンと粘度平均分子量100万以上の2種のポリ
エチレンを混合する技術が開示されている。さらに特開
平5ー25305号公報には、低い孔閉塞温度を得るた
めに超高分子量ポリエチレンと高密度ポリエチレンに融
点の低い低密度ポリエチレンを混合する技術及び超高分
子量ポリエチレンに低密度ポリエチレンを混合する技術
が開示されている。又、特開平7ー309965号公報
には、より狭い温度範囲で迅速に孔が閉塞するように、
ブレンドではなく高分子量エチレン・αーオレフィン共
重合体単一のみで作る技術が開示されている。
【0003】特開平8ー34873号公報には、引張強
度、高温での寸法安定性、電流遮断機能に優れたセパレ
ーターを得る目的で、極限粘度〔η〕が5dl/gの高
分子量ポリエチレンと、密度0.915ないし0.93
0g/ccの低密度ポリエチレン及び/または密度0.
950ないし0.970g/ccの高密度ポリエチレン
とを混合する技術が開示されている。
【0004】しかし、特開平8ー34873号公報のも
のは、高分子量ポリエチレンが60重量%以上と高くな
っており、孔閉塞温度の低下が不十分であり、更に成形
加工性に劣る。特開平2ー21559号公報に開示され
ているように2種のポリエチレンを混合する場合、超高
分子量ポリエチレンと高密度ポリエチレンを混合すると
融点の低下が不十分である。それを改善するために、分
子量の低い高密度ポリエチレンや分子量分布の広い高密
度ポリエチレンを使用すると膜強度が低下したりポリエ
チレン同士の相溶性が悪いため、製膜の途中段階におい
て破断しやすく、延伸による薄膜化及び高強度化に支障
が生じる。超高分子量ポリエチレンと低密度ポリエチレ
ンを混合した場合、低い孔閉塞温度は得られるが、ポリ
エチレン同士の相溶性の悪さが問題となる。特開平5ー
25305号公報に開示されているように、超高分子量
ポリエチレンと高密度ポリエチレンと低密度ポリエチレ
ン又は超高分子量ポリエチレンと低密度ポリエチレンの
混合では、やはりポリエチレン同士の相溶性の悪さが問
題となる。特開平7ー309965号公報には、高分子
量エチレン・αーオレフィン共重合体単一のみで作る技
術が開示されているが、高分子量物の単一組成故に孔閉
塞温度の低下が不十分である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、孔閉塞温度
が低く、かつ製膜時に破断が生じにくく、必要強度を備
えた微多孔膜を提供するものである。
【0006】
【問題を解決するための手段】即ち本発明は、粘度平均
分子量100万以上の超高分子量ポリエチレン10〜5
0重量%、αーオレフィン含有量が0.05〜2mol
%未満であるポリエチレン共重合体10〜50重量%、
並びにαーオレフィン含有量が2〜8mol%であるポ
リエチレン共重合体および/又は低密度ポリエチレン3
5〜70重量%から成ることを特徴とする微多孔膜であ
る。
【0007】これらの微多孔膜は、有機溶媒系電池セパ
レーターとして有効である。本発明に用いられる超高分
子量ポリエチレンは粘度平均分子量が100万以上であ
ることが必要で、好ましくは、200万〜350万であ
る。粘度平均分子量が100万以上のポリエチレンを添
加しないと必要な膜強度が得られない。又、膜強度と孔
閉塞温度の両立を考慮すると超高分子量ポリエチレンの
割合は、10〜50重量%であることが必要であり、好
ましくは20〜40重量%である。
【0008】本発明に用いられるαーオレフィン含有量
が0.05〜2mol%未満で、好ましくは0.2〜2
mol%未満であるポリエチレン共重合体を添加する
と、超高分子量ポリエチレンとαーオレフィン含有量が
2〜8mol%であるポリエチレン共重合体および/又
は低密度ポリエチレンの相溶性が改良され成形加工性が
良くなるため製膜途中で破断が生じにくく、高倍率延伸
による薄膜化及び高強度化が可能となった。従って、低
い孔閉塞温度及び必要強度を兼ね備えた膜の作製が可能
となった。αーオレフィンの含有量が0.05mol%
より少ないと、αーオレフィンの含有量が2〜8mol
%のポリエチレン共重合体あるいは低密度ポリエチレン
との相溶性が悪くなるため、相溶化剤として機能しな
い。一方、2mol%以上では、超高分子量ポリエチレ
ンとの相溶性が悪くなりやはり相溶化剤として機能しな
くなる。αーオレフィンの種類としてはプロピレン、ブ
テンー1、イソブテン、ヘキセンー1、オクテンー1等
が挙げられるが、プロピレンが好ましい。
【0009】αーオレフィン含有量が0.05〜2mo
l%未満であるポリエチレン共重合体の割合は、相溶化
剤としての機能を充分に発揮させるためには、10〜5
0重量%であり、好ましくは20〜40重量%である。
また、成形加工性を考慮するとこのポリエチレン共重合
体の粘度平均分子量は、5〜100万が好ましく、より
好ましくは5〜80万であり、更に好ましくは5〜35
万である。
【0010】本発明に用いられるαーオレフィン含有量
が2〜8mol%であるポリエチレン共重合体および低
密度ポリエチレンとしては、密度が0.930g/cm
3以下のものであり、中でも、αーオレフィン含有量が
2〜8mol%、更には2〜5mol%のポリエチレン
共重合体が好ましい。また、膜強度と孔閉塞温度の両立
を考慮すると、αーオレフィン含有量が2〜8mol%
であるポリエチレン共重合体および/又は低密度ポリエ
チレンの割合としては35〜70重量%であり、好まし
くは35〜50重量%である。成形加工性からメルトイ
ンデックスとしては0.01〜3g/10minである
ことが好ましく、更に好ましくは0.01〜1g/10
minである。
【0011】本発明における低密度ポリエチレンとし
は、高圧法により製造される、いわゆる分岐鎖のあるポ
リエチレンである。本発明における微多孔膜としては、
厚さが1〜50μm、空孔率が20〜80%、バブルポ
イント値が2〜10kg/cm2、孔閉塞温度が135℃以
下、突刺強度が300g以上であることが好ましく、さ
らに高強度化を考慮すると空孔率は20〜50%未満で
あることがより好ましい。又、電気抵抗値としては2Ω
・cm2以下、縦方向の弾性率としては5000kg/cm2
上、破膜温度としては150℃以上であることが好まし
い。
【0012】本発明における微多孔膜は、例えば下記の
(a)〜(e)の工程によって作られる。 (a)超高分子量ポリエチレンとαーオレフィン含有量
が0.05〜2mol%未満であるポリエチレン共重合
体、およびαーオレフィン含有量が2〜8mol%であ
るポリエチレン共重合体および/又は低密度ポリエチレ
ンよりなる混合ポリエチレンを有機液状物、無機フィラ
ー及び添加剤と共に造粒する工程。 (b)(a)工程で得た混合物を、先端にTーダイを装
着した押出機中で溶融混練し、T−ダイから押出しシー
ト状に成形する工程。 (c)(b)工程で得たシート状の成形物より、有機液
状物と無機フィラーを抽出除去する工程。 (d)有機液状物及び無機フィラーを抽出除去した成形
物を、1枚のまま、或いは数枚重ねて、一軸或いは二軸
に延伸処理する工程。
【0013】本発明の製造工程を更に詳しく説明する。
工程(a)において混合ポリエチレン、有機液状体、無
機フィラーの合計重量に対する混合ポリエチレンの割合
は10〜60重量%、有機液状体と無機フィラーの割合
の合計は40〜90重量%である。混合ポリエチレンの
割合が10重量%未満では強度が低く、60重量%を越
えると押出成形時の流動性が悪くなり成形加工性が困難
となる。有機液状体としてはフタル酸エステルやセバシ
ン酸エステル等のエステル類や流動パラフィン等が挙げ
られ、それらを単独で用いても或いは混合物として用い
てもよい。無機フィラーとしては、シリカ、マイカ、タ
ルク等が挙げられ、それらを単独で用いても或いは混合
物として用いてもよい。
【0014】なお、ポリエチレン、有機液状物、無機フ
ィラーの他に本発明を大きく阻害しない範囲で必要に応
じて酸化防止剤、紫外線吸収剤、滑剤、アンチブロッキ
ング剤等の各種添加剤を添加することができる。工程
(d)において、二軸延伸する場合は、逐次二軸延伸で
も同時二軸延伸でもどちらでもかまわない。又、延伸処
理後に必要に応じて、ヒートセット等の熱処理を施して
もかまわない。
【0015】
【発明の実施の形態】本発明の微多孔膜についての諸特
性は次の試験方法により評価した。 1.粘度平均分子量:溶剤(デカリン)を用い、測定温
度135℃にて[η]を測定し、(1)式により粘度平
均分子量(Mv)を算出した。 [η]=6.8×10-4Mv0.67……(1) 2.メルトインデックス:JIS K6760に準拠し
て測定した。 3.密度:ASTM D1238に準拠して測定した。 4.αーオレフィン含有量:13CーNMR測定より得ら
れる所与スペクトルにおいて、次式によりαーオレフィ
ン含有量(mol%)を求めた。
【0016】αーオレフィン含有量(mol%)=
(A)/[(A)+(B)]×100 式中、(A)は、αーオレフィン成分由来の共鳴強度ピ
ークのモル換算積分値、(B)は、エチレン単位由来の
共鳴強度ピークのモル換算積分値である。例えば、αー
オレフィンがプロピレンの場合、 (A)=(I1'+Im+Iα/2)/3 (B)=(I1+I2+I3+IM+Iα/2+Iβ+I
γ)/2 ここで、共鳴強度Iの右下の添字は、下記式の炭素原子
の位置を表す。
【0017】
【化1】
【0018】5.膜厚:最小目盛り1μmのダイヤルゲ
ージ(JISに規定)にて、温度23±2℃の下で測定
した。 6.空孔率:Xcm×Ycmのサンプルを切り出し
(2)式により算出した。 空孔率(%)={1ー(104×M)/(X×Y×T×ρ)}×100 (2) 式中、T;サンプル厚みμm、M;サンプル重量g、
ρ;密度/g/cm3 なお、密度は(3)式のように定義する。
【0019】 1/ρ=(1/ρ1)X1+(1/ρ2)X2+(1/ρ3)X3 …(3) 式中、X1 + X2 + X3 =1 X1 ;超高分子量ポリエチレンの重量分率 X2 ;αーオレフィン含有量が0.05〜2mol%未
満であるポリエチレン共重合体の重量分率 X3 ;αーオレフィン含有量が2〜8mol%であるポ
リエチレン共重合体又は低密度ポリエチレンの重量分率 ρ1;超高分子量ポリエチレンの密度 ρ2;αーオレフィン含有量が0.05〜2mol%未
満であるポリエチレン共重合体の密度 ρ3;αーオレフィン含有量が2〜8mol%であるポ
リエチレン共重合体又は低密度ポリエチレンの密度 ポリエチレンの混合組成物が「超高分子量ポリエチレン
+αーオレフィン含有量が0.05〜2mol%未満で
あるポリエチレン共重合体+αーオレフィン含有量が2
〜8mol%であるポリエチレン共重合体+低密度ポリ
エチレン」となった場合は、1/ρ=(1/ρ1)X1
(1/ρ2)X2+(1/ρ3)X3 +(1/ρ4)X4 但し、 X4;低密度ポリエチレンの重量分率 ρ4;低密度ポリエチレンの密度 7.バブルポイント値:ASTM Eー128ー61に
準拠しエタノール中のバブルポイント値を測定した。 8.電気抵抗値:安藤電気製LCRメーターAGー43
11と図1に示したセルを用いて1kHzの交流にて測
定し、(4)式にて算出した。
【0020】 電気抵抗値(Ω・cm2)=(膜が存在する時の抵抗値ー膜が存在しない時の抵 抗値)×0.785…(4) なお、電解液;プロピレンカーボネートとジメトキシエ
タンの混合溶液(50/50容量%)中の過塩素酸リチ
ウムの濃度を1mol/リットルとした。 電極;白金黒電極、極板面積;0.785cm2、極間
距離;3mm 9.突刺強度:(株)カトーテック社製のハンディー圧
縮試験器KESーG5型に、直径1mm、先端の曲率半
径0.5mmの針を装着し、温度23±2℃、針の移動
速度0.2cm/secで突刺試験を行った。 10.弾性率:(株)島津社製のオートグラフAG−A
型で引張試験を行った。弾性率はS−Sカーブにおい
て、伸度が1〜4%間の傾きで測定した。
【0021】測定条件は、温度;23±2℃、試験片の
大きさ;幅10mm×長さ10mm、チャック間距離;
50mm、引張速度;200mm/minである。 11.孔閉塞温度、破膜温度:図2(A)〜(C)に孔
閉塞温度及び破断温度の測定装置の概略図を示す。図2
(A)は測定装置の構成図である。1は微多孔膜であ
り、2A及び2Bは厚さ10μmのNi箔、3A及び3
Bはガラス板である。4は電気抵抗測定装置(安藤電気
製LCRメーターAGー4311)でありNi箔(2
A、2B)と接続されている。5は熱電対であり温度計
6と接続されている。7はデーターコレクターであり、
電気抵抗測定装置(4)及び温度計(6)と接続されて
いる。8はオーブンであり、微多孔膜を加熱する。
【0022】さらに、詳細に説明すると、微多孔膜
(1)には規定の電解液が含浸されており、図2(B)
に示すようにNi箔(2A)上に縦方向(製膜時の機械
方向)のみテフロンテープでとめられた形で固定されて
いる。規定の電解液とは1mol/lーホウフッ化リチ
ウム/プロピレンカーボネート溶液である。Ni箔(2
B)は図2(C)に示すように15mm×10mmの部
分を残してテフロンテープでマスキングされている。
Ni箔(2A)とNi箔(2B)を微多孔膜(1)をは
さむような形で重ね合わせ、さらにその両側からガラス
板(3A、3B)によって2枚のNi箔を挟み込む。2
枚のガラス板は市販のクリップではさむことにより固定
する。熱電対5はテフロンテープでガラス板(3B)に
固定する。
【0023】図2(A)に示した装置を用い、連続的に
温度と電気抵抗値を測定する。なお、温度は25℃から
200℃まで2℃/minの速度にて昇温させ、電気抵
抗値は、1kHzの交流にて測定する。図3中に示すよ
うに、孔閉塞温度及び破膜温度とは微多孔膜(1)の電
気抵抗値が103Ωに達する時の温度と定義する。
【0024】
【実施例1】超高分子量ポリエチレン12重量%、ポリ
エチレン共重合体−A12重量%、ポリエチレン共重合
体−D16重量%、フタル酸ジオクチル(DOP)4
2.4重量%、微粉シリカ17.6重量%を混合造粒し
た後、Tダイを装着した二軸押出機にて混練・押出し厚
さ80μmのシート状に成形した。該成形物からDOP
と微粉シリカを抽出除去し微多孔膜とした。該微多孔膜
を2枚重ねて118℃に加熱のもと、縦方向に5倍延伸
した後、横方向に1.5倍延伸した。使用したポリエチ
レンの特性を表1に、ポリエチレンの混合組成を表2
に、得られた微多孔膜の物性を表3及び図3ー(A)に
示す。
【0025】
【実施例2】超高分子量ポリエチレン4重量%、ポリエ
チレン共重合体−A20重量%、ポリエチレン共重合体
−D16重量%、DOP42.4重量%、微粉シリカ1
7.6重量%を使用したこと以外は実施例1と同様であ
る。使用したポリエチレンの特性を表1に、ポリエチレ
ンの混合組成を表2に、得られた微多孔膜の物性を表3
に示す。
【0026】
【実施例3】超高分子量ポリエチレン4重量%、ポリエ
チレン共重合体−A8重量%、ポリエチレン共重合体−
D28重量%、DOP42.4重量%、微粉シリカ1
7.6重量%を使用したこと以外は実施例1と同様であ
る。使用したポリエチレンの特性を表1に、ポリエチレ
ンの混合組成を表2に、得られた微多孔膜の物性を表3
及び図3ー(A)に示す。
【0027】
【実施例4】超高分子量ポリエチレン12重量%、ポリ
エチレン共重合体−B12重量%、ポリエチレン共重合
体−D16重量%、フタル酸ジオクチル(DOP)4
2.4重量%、微粉シリカ17.6重量%を使用したこ
と以外は実施例1と同様である。使用したポリエチレン
の特性を表1に、ポリエチレンの混合組成を表2に、得
られた微多孔膜の物性を表3に示す。
【0028】
【実施例5】超高分子量ポリエチレン4重量%、ポリエ
チレン共重合体−C20重量%、ポリエチレン共重合体
−D16重量%、フタル酸ジオクチル(DOP)42.
4重量%、微粉シリカ17.6重量%を使用したこと以
外は実施例1と同様である。使用したポリエチレンの特
性を表1に、ポリエチレンの混合組成を表2に、得られ
た微多孔膜の物性を表3に示す。
【0029】
【比較例1】超高分子量ポリエチレン12重量%、ポリ
エチレン共重合体−A16重量%、ポリエチレン共重合
体−D12重量%、DOP42.4重量%、微粉シリカ
17.6重量%を使用したこと以外は実施例1と同様で
ある。使用したポリエチレンの特性を表1に、ポリエチ
レンの混合組成を表2に、得られた微多孔膜の物性を表
3及び図3ー(B)に示す。
【0030】
【比較例2】超高分子量ポリエチレン4重量%、ポリエ
チレン共重合体−A4重量%、ポリエチレン共重合体−
D32重量%、DOP42.4重量%、微粉シリカ1
7.6重量%を使用したこと以外は実施例1と同様であ
る。使用したポリエチレンの特性を表1に、ポリエチレ
ンの混合組成を表2に、得られた微多孔膜の物性を表3
及び図3ー(B)に示す。
【0031】
【比較例3】超高分子量ポリエチレン4重量%、ポリエ
チレン共重合体−A24重量%、ポリエチレン共重合体
−D12重量%、DOP42.4重量%、微粉シリカ1
7.6重量%を使用したこと以外は実施例1と同様であ
る。使用したポリエチレンの特性を表1に、ポリエチレ
ンの混合組成を表2に、得られた微多孔膜の物性を表3
に示す。
【0032】
【比較例4】超高分子量ポリエチレン2重量%、ポリエ
チレン共重合体ーA22重量%、ポリエチレン共重合体
−D16重量%、DOP42.4重量%、微粉シリカ1
7.6重量%を使用した以外は実施例1と同様である。
使用したポリエチレンの特性を表1、ポリエチレンの混
合組成を表2、得られた微多孔膜の物性を表3に示す。
【0033】
【比較例5】超高分子量ポリエチレン12重量%、高密
度ポリエチレン12重量%、ポリエチレン共重合体−D
16重量%、DOP42.4重量%、微粉シリカ17.
6重量%を混合造粒した後、Tダイを装着した二軸押出
機にて混練・押出し厚さ80μmのシート状に成形し
た。該成形物からDOPと微粉シリカを抽出除去し微多
孔膜とした。該微多孔膜を2枚重ねて種々の条件にて縦
延伸を試みたが、破断が生じ、他例で得られた様な厚さ
が25μm膜は得られなかった。使用したポリエチレン
の特性を表1に、ポリエチレンの混合組成を表2に示
す。
【0034】
【比較例6】超高分子量ポリエチレン12重量%、ポリ
エチレン共重合体−D28重量%、DOP42.4重量
%、微粉シリカ17.6重量%を混合造粒した後、Tダ
イを装着した二軸押出機にて混練・押出し厚さ80μm
のシート状に成形した。該成形物からDOPと微粉シリ
カを抽出除去し微多孔膜とした。該微多孔膜を2枚重ね
て種々の条件にて縦延伸を試みたが、破断が生じ、他例
で得られた様な厚さが25μm膜は得られなかった。使
用したポリエチレンの特性を表1に、ポリエチレンの混
合組成を表2に示す。
【0035】
【比較例7】ポリエチレンとしてポリエチレン共重合体
ーC40重量%、DOP42.4重量%、微粉シリカ1
7.6重量%を使用した以外は実施例1と同様である。
使用したポリエチレンの特性を表1に、得られた微多孔
膜の物性を表3及び図3ー(B)に示す。
【0036】
【表1】
【0037】
【表2】
【0038】
【表3】
【0039】
【発明の効果】本発明の微多孔膜は、孔閉塞温度が低
く、かつ製膜時に破断が生じにくく、必要強度を備えて
おり、有機溶媒系電池セパレーターとして使用されるの
に適している。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の微多孔膜の電気抵抗を測定するための
セルの概略図。
【図2】図2(A)は、孔閉塞温度と破膜温度を測定す
る装置の概略図。図2(B)は、図2(A)のNi箔
(2A)面での断面図である。図2(C)は、図2
(A)のNi箔(2B)面での断面図である。
【図3】図3(A)は、実施例1、2の孔閉塞温度及び
破膜温度の測定図。図3(B)は、比較例1、2、7中
の孔閉塞温度及び破膜温度の測定図。
【符号の説明】
1 :微多孔膜 2A:Ni箔 2B:Ni箔 3A:ガラス板 3B:ガラス板 4:電気抵抗測定装置 5:熱電対 6:温度計 7:データーコレクター 8:オーブン

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 粘度平均分子量100万以上の超高分子
    量ポリエチレン10〜50重量%、αーオレフィン含有
    量が0.05〜2mol%未満であるポリエチレン共重
    合体10〜50重量%、並びにαーオレフィン含有量が
    2〜8mol%であるポリエチレン共重合体および/又
    は低密度ポリエチレン35〜70重量%から成ることを
    特徴とする微多孔膜。
  2. 【請求項2】 αーオレフィン含有量が0.05〜2m
    ol%未満であるポリエチレン共重合体中のαーオレフ
    ィンがプロピレンであることを特徴とする請求項1の微
    多孔膜。
  3. 【請求項3】 膜厚が1〜50μm、空孔率が20〜8
    0%、バブルポイントが2〜10Kg/cm2 、孔閉塞温
    度が135℃以下、突刺強度が300g以上であること
    を特徴とする請求項1又は2記載の微多孔膜。
  4. 【請求項4】 空孔率が20〜50%未満である請求項
    3記載の微多孔膜。
  5. 【請求項5】 有機溶媒系電池セパレーターに用いるこ
    とを特徴とする請求項1、2、3、4記載の微多孔膜。
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