JPWO2007069560A1 - ポリオレフィン製微多孔膜 - Google Patents

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Abstract

厚さが1μm以上50μm以下、気孔率が30%以上70%以下、膜厚1μmで換算した突刺強度が0.15N/μm以上、長さ方向の引張強度(MD引張強度)と幅方向の引張強度(TD引張強度)が各々30MPa以上であり、65℃での幅方向の熱収縮率(TD熱収縮率)が1%以下、65℃での長さ方向の熱収縮率と幅方向の熱収縮率との比(MD熱収縮率/TD熱収縮率)が2より大きいポリオレフィン製微多孔膜、及びその製造方法、それを用いた非水電解液二次電池。

Description

本発明は、物質の分離、選択透過などに用いられる分離膜、及びアルカリ、リチウム二次電池や燃料電池、コンデンサーなど電気化学反応装置の隔離材等として広く使用されている微多孔膜に関する。特に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る、ポリオレフィン製微多孔膜に関する。
ポリオレフィン製微多孔膜は、種々の物質の分離や選択透過に用いられる分離膜、及び隔離材等として広く用いられている。例えばポリオレフィン製微多孔膜は、精密ろ過膜、燃料電池用セパレータ、コンデンサー用セパレータ、機能材を孔の中に充填させ新たな機能を出現させるための機能膜の母材、電池用セパレータなどとして用いられている。これらの用途の中でも、ポリオレフィン製微多孔膜は、ノート型パーソナルコンピュータや携帯電話、デジタルカメラなどに広く使用されているリチウムイオン電池用のセパレータとして、特に好適に使用されている。その理由としては、ポリオレフィン製微多孔膜が優れた膜の機械強度や孔閉塞性を有していることが挙げられる。
孔閉塞性とは、電池内部が過充電状態等で過熱した時に、セパレータが溶融してその孔が閉塞し、電池反応を遮断することにより、電池の安全性を確保する性能のことである。孔閉塞の生じる温度が低いほど、安全性への効果は高いとされている。
また、電池捲回時やセパレータ捲回のテンションに耐えうるためや、電池内の異物などによる短絡防止、衝撃による破膜の防止の点から、セパレータはある程度以上の強度を有している必要がある。
加えて、近年のリチウムイオン二次電池においては、電池の高出力、高容量化のためにセパレータには高気孔率化が求められている。
一方、セパレータには、電池とした状態で高温貯蔵試験、高温サイクル試験、オーブン試験などにおいて優れた結果を示すなど、高温下での熱収縮特性にも優れている必要がある。一般に、セパレータの高温での熱収縮率、特に幅方向(機械と垂直方向、以下「TD」という)熱収縮率は低い方がよいとされている。しかしながら、一般的に高強度化、孔閉塞性及び高気孔率化と、TD熱収縮率の大きさとには相反する関係にあり、これら全てに優れたセパレータを提供することは従来困難であった。
また、セパレータには、角型電池等における捲回体収納性や電極との密着性が良好であることも要求される。
しかしながら、高強度で、孔閉塞性に優れ、高気孔率を有するセパレータで、電池捲回体収納性や高温下での熱収縮特性にも優れたセパレータはこれまで存在しなかった。
例えば、特許文献1、2では、共重合ポリエチレンや低密度ポリエチレンなど、低融点のポリエチレンを使用することにより孔閉塞性を改善した微多孔膜が提案されている。しかしながら、これらの方法では、孔閉塞性については改善の方向にあるが、熱収縮率については増加することが懸念され、電池捲回体収納性やオーブン試験における電池性能は十分ではない。
特許文献3では、異種積層膜の微多孔膜が提案されている。文献3で提案されている方法では、TD方向への延伸が行われていないため、TD方向への収縮は皆無といえる。しかしながら、文献3で得られる膜は、長さ方向(機械方向、以下「MD」という)のみの一軸による開孔法によるものであり、TD強度が不十分である極度な異方性を持った微多孔膜となっている。このため例えば電池圧壊試験や衝突試験などにおいては、一方向に裂けやすいことなどが懸念される。
特許文献4では、TD方向に収縮力緩和する工程を設けることで、高強度で低TD収縮率の微多孔膜が提案されている。しかしながら、斯様の熱緩和工程だけでは、スリットロール中の残存応力を十分に取り除くことは困難である。そのため、電池捲回体収納性やオーブン試験における電池性能は十分ではない。
特許文献5〜9では、製膜工程内で熱緩和処理と熱固定処理を設けることにより、高気孔率、高強度、低収縮な微多孔膜を得ることが提案されている。しかしながら、製膜工程内に長時間の熱緩和・熱固定処理工程を設けることは生産面において実質的でないばかりか、MDとTDの熱収縮率比が小さく、電池捲回体収納性やオーブン試験における電池性能は不十分といえる。
以上のとおり、高強度で、孔閉塞性に優れ、高気孔率を有するセパレータで、電池捲回体収納性や高温下での熱収縮特性にも優れたセパレータはこれまで存在しなかった。
特許3113287号公報 特許3681720号公報 特開2005−56851号公報 特開2001−81221号公報 特開2003−103624号公報 特開2003−103625号公報 特開2003−103626号公報 特開2003−105121号公報 特開2003−105122号公報
本発明は、電池とした場合に優れた電池特性と高温下での電池安全性を有するセパレータとして使用できるポリオレフィン製微多孔膜を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を達成するために検討した結果、電池の乾燥温度に近い65℃での熱収縮特性が、高温貯蔵試験、高温サイクル試験、オーブン試験等の高温下での電池安全性能や、角型電池等における捲回体収納性や電極との密着性に影響を与えることを見出した。
また、高気孔率、高強度、低熱収縮性で、優れた熱収縮率バランスを兼ね備えたポリオレフィン製微多孔膜を提供できる方法を見出した。従来の高強度化や高気孔率化が施されたセパレータにあっては、熱固定工程を経た後であっても、スリット製品中では収縮力が開放されることなく残存しており、電池捲回時に収縮力から開放されたセパレータが、電池乾燥工程や高温貯蔵試験などにおいて、TD方向への幅収縮が起こる可能性があった。そのため、高気孔率、高強度、低熱収縮性を同時に満足することは困難とされていた。しかしながら、本発明者らは鋭意検討の結果、セパレータの製造方法において特定の熱処理工程を設けること及び延伸バランスを最適化することで、高気孔率で高強度のポリオレフィン微多孔膜であっても、低熱収縮性、熱収縮率バランスに優れたセパレータが得られることを見出した。すなわち、本発明は以下の通りである。
(1)厚さが1μm以上50μm以下、気孔率が30%以上70%以下、膜厚1μmで換算した突刺強度が0.15N/μm以上、長さ方向の引張強度(MD引張強度)と幅方向の引張強度(TD引張強度)が各々30MPa以上であり、65℃での幅方向の熱収縮率(TD熱収縮率)が1%以下、65℃での長さ方向の熱収縮率と幅方向の熱収縮率との比(MD/TD熱収縮率比)が2より大きいポリオレフィン製微多孔膜。
(2)65℃での長さ方向の熱収縮率と幅方向の熱収縮率との比(MD熱収縮率/TD熱収縮率)が2.5より大きい、上記(1)のポリオレフィン製微多孔膜。
(3)105℃でのMD熱収縮率が5%より大きい、上記(1)又は(2)のポリオレフィン製微多孔膜。
(4)突刺強度が3N以上である、上記(1)〜(3)のいずれかのポリオレフィン製微多孔膜。
(5)長さ方向の引張伸度(MD引張伸度)と幅方向の引張伸度(TD引張伸度)が各々10%以上200%以下、MD引張伸度とTD引張伸度の合計が20%以上250%以下である、上記(1)〜(4)のいずれかのポリオレフィン製微多孔膜。
(6)ポリオレフィン樹脂と可塑剤を含む組成物から得られる、上記(1)〜(5)のいずれかのポリオレフィン製微多孔膜。
(7)上記(1)〜(6)のいずれかのポリオレフィン製微多孔膜を用いた電池用セパレータ。
(8)上記(1)〜(6)のいずれかのポリオレフィン製微多孔膜を用いた非水電解液二次電池。
(9)少なくともポリオレフィンと可塑剤を含有する樹脂組成物を溶融混練し押出してシート状物を得る工程、シート状物を延伸してフィルムを得る工程、シート状物又はフィルムから可塑剤を抽出する工程、熱固定する工程を含む、上記(1)〜(6)のいずれかのポリオレフィン製微多孔膜の製造方法。
本発明のポリオレフィン製微多孔膜は、従来のポリオレフィン製微多孔膜と比較して、気孔率、強度、及び熱収縮が改善されている。そのため、本発明の微多孔膜は電池セパレータとして使用された場合に、優れた電池特性と電池安全性を有する電池を提供することが可能である。
以下、本発明を好適な実施態様を用いて説明する。
本発明のポリオレフィン製微多孔膜の厚みは、膜強度の観点より1μm以上であり、5μm以上がより好ましい。また、微多孔膜の厚みは、透過性の観点より50μm以下であり、30μm以下がより好ましい。
本発明のポリオレフィン製微多孔膜の気孔率は、透過性の観点から30%以上である。サイクル特性などの電池特性が飛躍的に向上するという点から、40%以上が好ましく、43%以上が更に好ましく、44%以上であることが特に好ましい。また、微多孔膜の気孔率は、膜強度及び耐電圧の観点から70%以下であり、好ましくは60%以下である。
本発明のポリオレフィン製微多孔膜の透気度は低いほど好ましいが、厚み、気孔率とのバランスから1sec以上が好ましく、50sec以上がさらに好ましい。また、透過性の観点から1000sec以下が好ましく、500sec以下がさらに好ましい。
ポリオレフィン製微多孔膜の膜厚1μmで換算した突刺強度は、0.15N/μm以上であり、0.2N/μm以上がさらに好ましい。前記突刺強度が低いと、電池セパレータとして使用される場合、電極材等の鋭利部が微多孔膜に突き刺さり、ピンホールや亀裂が発生しやすくなるので、突刺強度は高いことが好ましい。特に近年のように薄膜化が進んでいる傾向にあっては、絶対強度が3N以上あることが好ましく、3.2N以上であることがより好ましい。
引張強度はMD、TD両方向において30MPa以上であり、40MPa以上が好ましく、50MPa以上がさらに好ましい。引張強度が弱いと、電池捲回性が悪くなったり、外部からの電池衝撃試験や、電池内の異物などにより短絡を生じやすくなる。特にTD方向の絶対強度が、10N/cmより大きいことが破壊試験に関しては有利である。
MD及びTD引張伸度は、各々10〜200%であることが好ましく、10〜150%がより好ましく、10〜120%であることが特に好ましい。また、MD引張伸度とTD引張伸度の合計は20〜250%であることが好ましく、20〜230%がより好ましく、20〜210%であることが特に好ましい。MD及びTD引張伸度が上記範囲にある微多孔膜は、電池捲回性が良好であるばかりでなく、電池衝撃試験などにおいて変形を受けにくくなるので好ましい。
ポリオレフィン製微多孔膜の65℃での熱収縮率は、TD方向では1%以下であり、好ましくは0.8%以下である。TD方向の熱収縮率が1%より大きいと、電池乾燥工程や電池高温サイクル試験、電池高温保存試験などにおいて、微多孔膜が幅方向に縮みやすくなるため、好ましくない。
また、65℃でのMD熱収縮率とTD熱収縮率の比(MD/TD熱収縮率比)は2より大きく、2.5より大きいことが好ましく、3より大きいことがより好ましい。MD/TD熱収縮率比が2以下であると、MD方向へ電池を巻き締める力が不十分となる。その結果、特に角型電池用へ成型した場合、捲回体全体の厚みが厚すぎるという問題が起きたり、電極とセパレータとの密着性が悪くなるため、オーブン試験などでセパレータがTD方向へ縮みやすくなり、好ましくない。ある程度の等方性の観点から65℃でのMD/TD熱収縮率比は40以下であることが好ましい。
上記効果を更に効果的に発現させるには、105℃でのMDの熱収縮率はある程度大きい方がよい。具体的には、5%より大きいことが好ましく、20%より小さいことが好ましい。6%以上が更に好ましく、7%以上が特に好ましく、8%以上が最も好ましい。熱収縮率が斯様の範囲にあるセパレータは、先述の、電池巻き締まりの効果がより発現するため好ましい。
更に、105℃のMD/TD熱収縮率比も2より大きいことが好ましい。これは65℃よりも高い温度である、80℃や90℃での熱プレス工程や、電池乾燥工程においても、先述の電池厚みなどにおいて効果的であるからである。ある程度の等方性の観点から、105℃のMD/TD熱収縮率比は40以下であることが好ましい。
次に、本発明の微多孔膜の好ましい製造方法について説明するが、得られる微多孔膜が本発明を満たす特性を有していれば、ポリマー種、溶媒種、押出方法、延伸方法、抽出方法、開孔方法、熱固定・熱処理方法などにおいて、何ら限定されることはない。
本発明の微多孔膜は、少なくともポリオレフィンと可塑剤を含有する樹脂組成物を溶融混練し押出してシート状物を得る工程、シート状物を延伸してフィルムを得る工程、シート状物又はフィルムから可塑剤を抽出する工程、熱固定する工程を含む製造方法により好適に得られる。
本発明の微多孔膜は、より具体的には以下の(a)〜(e)の工程からなる方法により好適に得られる。
(a)ポリオレフィン単体、ポリオレフィン混合物等のポリオレフィンと可塑剤、或いはポリオレフィンと可塑剤と無機剤とを溶融混練する。
(b)溶解物を押出し、シート状に成型して冷却固化させる。必要に応じて可塑剤および無機剤を抽出する。
(c)得られたシートを一軸以上の方向へ延伸を行う。
(d)延伸後、必要に応じて可塑剤および無機剤を抽出する。
(e)つづいて熱固定及び熱処理を行う。
本発明で使用されるポリオレフィンは、エチレンやプロピレンのホモ重合体、またはエチレン、プロピレン、1−ブテン、4−メチル−1−ペンテン、1−ヘキセンおよび1−オクテン、ノルボルネン等、上記重合体の混合物を包含する。これらのうち、多孔膜の性能の観点から、ポリエチレンおよびその共重合体が好ましい。このようなポリオレフィンの重合触媒としては、チーグラー・ナッタ系触媒、フィリップス系触媒、メタロセン触媒などが挙げられる。ポリオレフィンは、1段重合法によって得られたものでも良いし、多段重合法によって得られたものでもよい。
供給する組成としては、粘度平均分子量(Mv)700,000以上の超高分子量ポリオレフィンとMv300,000以下のポリオレフィンとを含むことが、低ヒューズ特性と高ショート特性とを兼ね備えるという点で好ましい。Mv1,000,000以上の超高分子量ポリオレフィンとMvが200,000以下のポリオレフィンを含むポリオレフィンが特に好ましい。
ポリオレフィンと可塑剤を含有する樹脂組成物には、ステアリン酸カルシウムや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、着色顔料などの公知の添加剤も混合して使用することが出来る。
ポリオレフィンと可塑剤を含有する樹脂組成物には、アルミナ、チタニアなどに代表されるような無機剤を添加することもできる。この無機剤は全工程内のいずれかで全量あるいは一部を抽出してもよいし、製品中に残存させてもよい。
本発明で使用される可塑剤とは、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うる有機化合物の事である。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。このうちパラフィン油、ジオクチルフタレートが好ましい。
可塑剤の割合は特に限定されないが、得られる膜の気孔率の観点から20重量%以上が好ましく、粘度の観点から90重量%以下が好ましい。より好ましくは50重量%から70重量%である。
本発明で使用される抽出溶媒としては、ポリオレフィンに対して貧溶媒であり、且つ可塑剤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望ましい。このような抽出溶媒としては、例えば、n−ヘキサンやシクロヘキサン等の炭化水素類、塩化メチレンや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、エタノールやイソプロパノール等のアルコール類、アセトンや2−ブタノン等のケトン類が挙げられる。これらの中から選択し、単独若しくは混合して使用する。これらの抽出溶媒は、可塑剤の抽出後に蒸留により再生し、再度使用しても構わない。
溶融混練される全混合物中に占める可塑剤と無機剤との合計重量割合は、膜の透過性と製膜性の観点より20〜95wt%が好ましく、30〜80wt%がさらに好ましい。
溶融混練時の熱劣化とそれによる品質悪化を防止する観点より、酸化防止剤を配合することが好ましい。酸化防止剤の濃度は、全ポリオレフィン重量に対して、0.3wt%以上が好ましく、0.5wt%以上がさらに好ましい。また、5wt%以下が好ましく、3wt%以下がさらに好ましい。酸化防止剤としては、1次酸化防止剤であるフェノール系酸化防止剤が好ましく、2,6−ジ−t−ブチル−4−メチルフェノール、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]、オクタデシル−3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート等が挙げられる。なお、2次酸化防止剤も併用して使用可能であり、トリス(2,4−ジ−t−ブチルフェニル)フォスファイト、テトラキス(2,4−ジ−t−ブチルフェニル)−4,4−ビフェニレン−ジフォスフォナイト等のリン系酸化防止剤、ジラウリル−チオ−ジプロピオネート等のイオウ系酸化防止剤などが挙げられる。
溶融混練及び押出しの方法として、まず、原材料の一部或いは全部を必要に応じてヘンシェルミキサー、リボンブレンダー、タンブラーブレンダー等で事前混合する。少量の場合は、手で撹拌しても良い。次いで、全ての原材料について、一軸押出機、二軸押出機等のスクリュー押出機、ニーダー、ミキサー等により溶融混練し、T型ダイや環状ダイ等より押出す。
本発明のポリオレフィン製微多孔膜は、原料ポリマーに酸化防止剤を所定の濃度で混合した後、窒素雰囲気に置換し、窒素雰囲気を維持した状態で溶融混練を行うことにより好適に得られる。溶融混練時の温度は、160℃以上が好ましく、180℃以上がさらに好ましい。また300℃未満が好ましく、240℃未満がより好ましく、230℃未満がさらに好ましい。
本発明における溶融物には、無機剤抽出工程で抽出可能な未溶融の無機剤を含んでも良い。また、溶融混練により均一化された溶融物は、膜品位向上のためスクリーンを通過させても良い。
次に、シート成形を行うことが好ましい。シート成形の方法として、溶融混練し押出された溶融物を、圧縮冷却により固化させる。冷却方法として、冷風や冷却水等の冷却媒体に直接接触させる方法、冷媒で冷却したロールやプレス機に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やプレス機に接触させる方法が、厚み制御が優れる点で好ましい。このときにバンク成形による圧延処理を施すほうが、本発明のMD/TD熱収縮率比を達成しやすいため好ましい。
続いて、延伸や可塑剤等の抽出を行うが、延伸と可塑剤抽出、或いは延伸と可塑剤抽出と無機剤抽出ついては、それらの順序、方法及び回数については特に制限はない。無機剤抽出は、必要に応じて行わなくても良い。
用いられる延伸方法としては、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、或い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、同時二軸テンターやインフレーション成形による同時二軸延伸などが挙げられる。延伸倍率はトータルの面倍率で、膜厚の均一性の観点より、8倍以上が好ましく、15倍以上がさらに好ましく、40倍以上がもっとも好ましい。同時二軸延伸をする場合には、MD/TD延伸比が1.1以上、特に1.2以上であると、本発明のMD/TD熱収縮率比を達成しやすいため好ましい。更に、逐次二軸延伸をする際は、先にMD方向へ延伸し、次いでTD方向へ延伸することが、本発明のMD/TD熱収縮率比を達成しやすいため、好ましい。
可塑剤抽出においては、抽出溶媒に浸漬、あるいはシャワーすることにより可塑剤を抽出する。その後、充分に乾燥させる。
熱固定の方法としては、所定の温度雰囲気で、所定の緩和率で緩和操作を行う。熱固定はテンターやロール延伸機を利用して行うことができる。緩和操作とは、膜のMD及び/或いはTDへの縮小操作のことである。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、或いは緩和操作後のTD寸法を操作前の膜のTD寸法で除した値、或いはMD、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。所定の温度として、熱収縮率の観点より100℃以上が好ましく、気孔率及び透過性の観点より135℃未満が好ましい。所定の緩和率としては、熱収縮率の観点より0.9以下が好ましく、0.8以下であることがさらに好ましい。また、しわ発生防止と気孔率及び透過性の観点より0.6以上であることが好ましい。緩和操作は、MD、TD両方向で行っても良い。MD或いはTD片方だけの緩和操作でも、操作方向だけでなく、操作と垂直方向についても、熱収縮率を低減することが可能である。
また、電子線照射、プラズマ照射、界面活性剤塗布、化学的改質などの表面処理を施すことも出来る。
上記熱固定後のマスターロールを所定の温度下で処理し、その後マスターロールの巻き返し作業を行うことが好ましい。この工程により、マスターロール内のポリオレフィンの残存応力が開放されるばかりか、本発明のMD/TD熱収縮比に調整することが容易になる。マスターロールを熱処理する温度は35℃以上が好ましく、45℃以上が更に好ましく、60℃以上が特に好ましい。透過性保持の観点から120℃以下が好ましい。
また、熱固定工程の後に加熱ロールを用いてアニーリングを施すことは、TD熱収縮率を低減させるばかりか、本発明のMD/TD熱収縮率比に調整することが容易になるため好ましい。加熱ロールの温度は60℃以上が好ましく、80℃以上が特に好ましい。透過性保持の観点から150℃以下が好ましい。
本発明で用いた各種物性は、以下の試験方法に基づいて測定した。
(1)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]を求める。ポリエチレンのMvは次式により算出した。
[η]=6.77×10−4Mv0.67
ポリプロピレンについては、次式によりMvを算出した。
[η]=1.10×10−4Mv0.80
(2)膜厚(μm)
東洋精機製の微小測厚器、KBM(商標)用いて室温23±2℃で測定した。
(3)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、それらと膜密度(g/cm)より、次式を用いて計算した。
気孔率=(体積−質量/膜密度)/体積×100
なお、膜密度は使用材料の密度より計算した。
(4)透気度(sec)
JIS P−8117に準拠し、ガーレー式透気度計(東洋精器(株)製、G−B2(商標))を用いた。内筒重量は567gで、直径28.6mm、645mmの面積を空気100mlが通過する時間を測定した。
(5)突刺強度(N/μm)
カトーテック製のハンディー圧縮試験器KES−G5(商標)を用いて、開口部の直径11.3mmの試料ホルダーで微多孔膜を固定した。次に固定された微多孔膜の中央部を針先端の曲率半径0.5mm、突刺速度2mm/secで、25℃雰囲気下にて突刺試験を行うことにより、最大突刺荷重として突刺強度(N)を得た。これに1/膜厚(μm)を乗じたることにより、膜厚1μmで換算した突刺強度(N/μm)を算出した。
(6)引張強度(MPa)、引張伸度(%)
JIS K7127に準拠し、島津製作所製の引張試験機、オートグラフAG−A型(商標)を用いて、MD及びTDサンプル(形状;幅10mm×長さ100mm)について測定した。また、サンプルはチャック間を50mmとし、サンプルの両端部(各25mm)の片面にセロハンテープ(日東電工包装システム(株)製、商品名:N.29)を貼ったものを用いた。更に、試験中のサンプル滑りを防止するために、引張試験機のチャック内側に、厚み1mmのフッ素ゴムを貼り付けた。
引張伸度(%)は、破断に至るまでの伸び量(mm)をチャック間距離(50mm)で除して、100を乗じることにより求めた。
引張強度(MPa)は、破断時の強度を、試験前のサンプル断面積で除することにより求めた。また、MDとTDの値を合計することにより、MD引張伸びとTD引張伸びの合計(%)を求めた。なお、測定は、温度23±2℃、チャック圧0.30MPa、引張速度200mm/分(チャック間距離を50mm確保できないサンプルにあっては、ひずみ速度400%/分)で行った。
(7)65℃熱収縮率
セパレータをMD方向に150mm、TD方向に200mmに切り取り、65℃のオーブン中に5時間静置する。このとき、温風が直接サンプルにあたらないよう、サンプルを2枚の紙にはさむ。サンプルをオーブンから取り出し冷却した後、長さ(mm)を測定し以下の式にてMD及びTDの熱収縮率を算出する。(サンプル長が確保できないものに関しては、150mm×200mmに入る範囲で、可能な限り長いサンプルを用いた。)
MD熱収縮率(%)=(150−加熱後のTDの長さ)/150×100
TD熱収縮率(%)=(200−加熱後のTDの長さ)/200×100
なお、MD/TD熱収縮率比は、次式に従って算出した。
MD/TD熱収縮率比=MD熱収縮率の絶対値/TD熱収縮率の絶対値
(8)105℃熱収縮率
セパレータをMD方向に100mm、TD方向に100mmに切り取り、105℃のオーブン中に1時間静置する。このとき、温風が直接サンプルにあたらないよう、サンプルを2枚の紙にはさむ。サンプルをオーブンから取り出し冷却した後、長さ(mm)を測定し、以下の式にてMD及びTDの熱収縮率を算出する。
MD熱収縮率(%)=(100−加熱後のMDの長さ)/100×100
TD熱収縮率(%)=(100−加熱後のTDの長さ)/100×100
なお、MD/TD熱収縮率比は、次式に従って算出した。(サンプル長が確保できないものに関しては、100mm×100mmに入る範囲で、可能な限り長いサンプルを用いた。)
MD/TD熱収縮率比=MD熱収縮率の絶対値/TD熱収縮率の絶対値
(9)電池評価
正極の作製:活物質としてリチウムコバルト複合酸化物LiCoOを92.2重量%、導電剤としてリン片状グラファイトとアセチレンブラックをそれぞれ2.3重量%、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)3.2重量%をN−メチルピロリドン(NMP)中に分散させてスラリーを調製した。このスラリーを正極集電体となる厚さ20μmのアルミニウム箔の片面にダイコーターで塗付し、130℃で3分間乾燥後、ロールプレス機で圧縮成形した。このとき、正極の活物質塗付量は250g/m,活物質嵩密度は3.00g/cmになるようにする。これを幅約40mmに切断して帯状にした。
負極の作製:活物質として人造グラファイト96.9重量%、バインダーとしてカルボキシメチルセルロースのアンモニウム塩1.4重量%とスチレン−ブタジエン共重合体ラテックス1.7重量%を精製水中に分散させてスラリーを調製した。このスラリーを負極集電体となる厚さ12μmの銅箔の片面にダイコーターで塗付し、120℃で3分間乾燥後、ロールプレス機で圧縮成形した。このとき、負極の活物質塗付量は106g/m,活物質嵩密度は1.35g/cmになるようにした。これを幅約40mmに切断して帯状にした。
非水電解液の調製: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/リットルとなるように溶解させて調製した。
電池組立:上記の微多孔膜セパレータ,帯状正極及び帯状負極を、帯状負極、セパレータ、帯状正極、セパレータの順に重ねて渦巻状に、所望の厚さになるまで複数回捲回することで電極板積層体を作製した。 この電極板積層体を平板状に65℃でプレス後、アルミニウム製容器に収納し、正極集電体から導出したアルミニウム製リードを容器壁に、負極集電体から導出したニッケル製リードを容器蓋端子部に接続した。
(a)このとき、アルミニウム製容器に電極版積層体がスムーズに収納できたものを○、収納が困難であったものを×とした。
(b)このとき、耐電圧チェッカーにより、電池100個中1個も短絡がないものを、短絡なしとした。
その後、真空下65℃で8時間乾燥後、この容器内に前記した非水電解液を注入し封口した。
こうして作製されるリチウムイオン電池は、縦(厚み)6.3mm,横30mm,高さ48mmの大きさである。この電池を25℃雰囲気下、(0.5C)の電流値で電池電圧4.2Vまで充電し、さらに4.2Vを保持するようにして電流値を絞り始めるという方法で、合計6時間電池作成後の最初の充電を行った。
(c)この電池をオーブン試験するため、充電後の電池を室温から150℃まで5℃/分で昇温し、150℃で10分間放置した。発火しなかったものを評価良好とした。
(d)この電池の衝撃試験をするため、1.9mの高さからコンクリート床に繰りかえし10回落下させた。その後電池を解体し、セパレータの状態を観察した。セパレータの変形による短絡を生じなかったものを良好とした。
本発明を実施例に基づいて説明する。
[実施例1]
Mvが250,000のホモポリマーのポリエチレンを95wt%と、Mv400,000のホモポリマーのポリプロピレンを5wt%とを、タンブラーブレンダーを用いてドライブレンドした。得られた純ポリマー混合物99wt%に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1wt%添加し、再度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、ポリマー等混合物を得た。得られたポリマー等混合物は窒素で置換を行った後に、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。
溶融混練し、押し出される全混合物中に占める流動パラフィン量比が55wt%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200℃であり、スクリュー回転数240rpm、吐出量12kg/hで行った。
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、厚み2000μmのゲルシートを得た。
次に、同時二軸テンター延伸機に導き、二軸延伸を行った。設定延伸条件は、MD倍率7.0倍、TD倍率6.4倍、設定温度118℃である。
次に、メチルエチルケトン槽に導き、メチルエチルケトン中に充分に浸漬して流動パラフィンを抽出除去し、その後メチルエチルケトンを乾燥除去した。
次に、TDテンターに導き、熱固定を行った。熱固定温度は125℃で、TD緩和率は0.80とした。その後、1000mに巻取ったマスターロールを、50℃の恒温室内に6時間放置したのち、10kg/mの捲回張力で巻き返しを行った。
得られた微多孔膜の物性を表1に示した。
電池評価の結果、いずれも良好な結果となった。
[実施例2]
Mvが700,000のホモポリマーのポリエチレンを47.5wt%と、Mvが250,000のホモポリマーのポリエチレンを47.5wt%と、Mv400,000のホモポリマーのポリプロピレンを5wt%とを、タンブラーブレンダーを用いてドライブレンドした。得られた純ポリマー混合物99wt%に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1wt%添加し、再度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、ポリマー等混合物を得た。得られたポリマー等混合物は窒素で置換を行った後に、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。
溶融混練し、押し出される全混合物中に占める流動パラフィン量比が65wt%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200℃であり、スクリュー回転数240rpm、吐出量12kg/hで行った。
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、厚み1300μmのゲルシートを得た。
次に、同時二軸テンター延伸機に導き、二軸延伸を行った。設定延伸条件は、MD倍率7.0倍、TD倍率6.4倍、設定温度120℃である。
次に、メチルエチルケトン槽に導き、メチルエチルケトン中に充分に浸漬して流動パラフィンを抽出除去し、その後メチルエチルケトンを乾燥除去した。
次に、TDテンターに導き、熱固定を行った。熱固定温度は125℃で、TD緩和率は0.80とした。その後、1000mに巻取ったマスターロールを、50℃の恒温室内に6時間放置したのち、10kg/mの捲回張力で巻き返しを行った。
得られた微多孔膜の物性を表1に示した。
電池評価の結果、いずれも良好な結果となった。
[実施例3]
冷却ロール上に押し出した後、バンク成形でキャストを行い、二軸延伸温度を118℃、熱固定温度を122℃、巻き取り後のマスターロールを60℃の恒温室内に6時間放置した以外は、実施例2と同様にして、微多孔膜を得た。
得られた微多孔膜の物性を表1に示した。
電池評価の結果、いずれも良好な結果となった。
[実施例4]
Mvが2,500,000のホモポリマーのポリエチレンを20wt%と、Mvが700,000のホモポリマーのポリエチレンを15wt%と、Mvが250,000のホモポリマーのポリエチレンを30wt%と、Mvが120,000のエチレンプロピレンコポリマー(コモノマー:プレピレン。含有比0.6mol%)を30wt%とを、タンブラーブレンダーを用いてドライブレンドした。得られた純ポリマー混合物99wt%に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1wt%添加し、再度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、ポリマー等混合物を得た。得られたポリマー等混合物は窒素で置換を行った後に、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。
溶融混練し、押し出される全混合物中に占める流動パラフィン量比が65wt%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200℃であり、スクリュー回転数240rpm、吐出量12kg/hで行った。
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、厚み1800μmのゲルシートを得た。
次に、同時二軸テンター延伸機に導き、二軸延伸を行った。設定延伸条件は、MD倍率7.0倍、TD倍率6.4倍、設定温度120℃である。
次に、メチルエチルケトン槽に導き、メチルエチルケトン中に充分に浸漬して流動パラフィンを抽出除去し、その後メチルエチルケトンを乾燥除去した。
次に、TDテンターに導き、熱固定を行った。熱固定温度は120℃で、TD緩和率は0.75とした。その後、1000mに巻取ったマスターロールを、60℃の恒温室内に10時間放置したのち、10kg/mの捲回張力で巻き返しを行った。
得られた微多孔膜の物性を表1に示した。
電池評価の結果、いずれも良好な結果となった。
[実施例5]
Mvが2,500,000のホモポリマーのポリエチレンを20wt%と、Mvが700,000のホモポリマーのポリエチレンを15wt%と、Mvが250,000のホモポリマーのポリエチレンを30wt%と、Mvが120,000のエチレンプロピレンコポリマー(コモノマー:プレピレン。含有比0.6mol%)を30wt%とを、タンブラーブレンダーを用いてドライブレンドした。得られた純ポリマー混合物99wt%に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1wt%添加し、再度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、ポリマー等混合物を得た。得られたポリマー等混合物は窒素で置換を行った後に、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。
溶融混練し、押し出される全混合物中に占める流動パラフィン量比が65wt%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200℃であり、スクリュー回転数240rpm、吐出量12kg/hで行った。
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、厚み800μmのゲルシートを得た。
次に、同時二軸テンター延伸機に導き、二軸延伸を行った。設定延伸条件は、MD倍率7.0倍、TD倍率6.4倍、設定温度118℃である。
次に、メチルエチルケトン槽に導き、メチルエチルケトン中に充分に浸漬して流動パラフィンを抽出除去し、その後メチルエチルケトンを乾燥除去した。
次に、TDテンターに導き、熱固定を行った。熱固定温度は120℃で、TD緩和率は0.80とした。その後、1000mに巻取ったマスターロールを、60℃の恒温室内に10時間放置したのち、8kg/mの捲回張力で巻き返しを行った。
得られた微多孔膜の物性を表1に示した。
電池評価の結果、いずれも良好な結果となった。
[実施例6]
Mvが2,500,000のホモポリマーのポリエチレンを20wt%と、Mvが700,000のホモポリマーのポリエチレンを15wt%と、Mvが250,000のホモポリマーのポリエチレンを30wt%と、Mvが120,000のエチレンプロピレンコポリマー(コモノマー:プレピレン。含有比0.6mol%)を30wt%とを、タンブラーブレンダーを用いてドライブレンドした。得られた純ポリマー混合物99wt%に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1wt%添加し、再度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、ポリマー等混合物を得た。得られたポリマー等混合物は窒素で置換を行った後に、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。
溶融混練し、押し出される全混合物中に占める流動パラフィン量比が65wt%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200℃であり、スクリュー回転数240rpm、吐出量12kg/hで行った。
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、厚み1200μmのゲルシートを得た。
次に、同時二軸テンター延伸機に導き、二軸延伸を行った。設定延伸条件は、MD倍率7.0倍、TD倍率6.4倍、設定温度118℃である。
次に、メチルエチルケトン槽に導き、メチルエチルケトン中に充分に浸漬して流動パラフィンを抽出除去し、その後メチルエチルケトンを乾燥除去した。
次に、TDテンターに導き、熱固定を行った。熱固定温度は115℃で、TD緩和率は0.80とした。その後、100℃に温調された加熱ドラムに5秒間接触させて巻き取った。
得られた微多孔膜の物性を表1に示した。
電池評価の結果、いずれも良好な結果となった。
[実施例7]
キャストシートの厚みを950μm、二軸延伸倍率を7×4倍、二軸延伸温度を117℃にする以外は、実施例6と同様にして微多孔膜を得た。
電池評価の結果、いずれもの良好な結果となった。
[比較例1]
キャストシートの厚みを800μm、二軸延伸倍率を5×5倍、二軸延伸温度を118℃、熱固定時のTD緩和率を0.90とする以外は、実施例2と同様にして微多孔膜を得た。電池評価の結果、短絡以外の項目で、良好な結果が得られなかった。
[比較例2]
二軸延伸温度を125℃とする以外は、実施例2と同様にして微多孔膜を得た。電池評価の結果、電池捲回体収納性と短絡において、良好な結果が得られなかった。
[比較例3]
熱固定温度を120℃に、マスターロールの熱処理および巻き返しを行わない以外は、実施例2と同様にして微多孔膜を得た。電池評価の結果、オーブン試験において、良好な結果が得られなかった。
[比較例4]
Mvが100,000、融点が135℃であるPEを45wt%、Mvが600,000、融点が135℃であるPEを60wt%、Mvが120,000、融点が131℃であり、プロピレンコモノマー含有量1.3mol%である供重合体PEを15wt%に、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1wt%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、ポリマー等混合物を得た。得られたポリマー等混合物は窒素で置換を行った後に、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。
溶融混練し、押し出される全混合物中に占める流動パラフィン量比が68wt%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240℃であり、スクリュー回転数120rpm、吐出量12kg/hで行った。
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、厚み1400μmのゲルシートを得た。
次に、同時二軸テンター延伸機に導き、二軸延伸を行った。設定延伸条件は、MD倍率7.0倍、TD倍率6.8倍、設定温123℃である。次に、メチルエチルケトン槽に導き、メチルエチルケトン中に充分に浸漬して流動パラフィンを抽出除去し、その後メチルエチルケトンを乾燥除去した。次にTDテンターに導き、熱固定を行った。熱固定温度は125℃で、TD緩和率は0.80とした。
電池評価の結果、電池捲回体収納性、オーブン試験において、良好な結果が得られなかった。
[比較例5]
Mvが300,000、Mw/Mnが7であるホモのPEを50wt%、Mvが1,000,000、Mw/Mnが7であるホモのPEを50wt%に、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1wt%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、ポリマー等混合物を得た。得られたポリマー等混合物は窒素で置換を行った後に、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。
溶融混練し、押し出される全混合物中に占める流動パラフィン量比が65wt%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250℃であり、スクリュー回転数200rpm、吐出量15kg/hで行った。
続いて、溶融混練物を、T−ダイを経て表面温度30℃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、厚み1600μmのゲルシートを得た。
次に、同時二軸テンター延伸機に導き、二軸延伸を行った。設定延伸条件は、MD倍率7.0倍、TD倍率7.0倍、設定温119℃である。
次に、メチルエチルケトン槽に導き、メチルエチルケトン中に充分に浸漬して流動パラフィンを抽出除去し、その後メチルエチルケトンを乾燥除去した。
次にTDテンターに導き、熱固定を行った。熱固定温度は125〜130℃で、TD緩和率は0.83とした。
電池評価の結果、電池捲回体収納性、オーブン試験において、良好な結果が得られなかった。
[比較例6]
Mvが2,000,000のPEを30wt%、Mvが300,000の高密度PEを70wt%に、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1wt%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、ポリマー等混合物を得た。得られたポリマー等混合物は窒素で置換を行った後に、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。
溶融混練し、押し出される全混合物中に占める流動パラフィン量比が80wt%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200℃であり、スクリュー回転数200rpm、吐出量12kg/hで行った。
続いて、溶融混練物を、T−ダイを経て表面温度30℃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、厚み1800μmのゲルシートを得た。
次に、同時二軸テンター延伸機に導き、二軸延伸を行った。設定延伸条件は、MD倍率7.0倍、TD倍率7.0倍、設定温度105℃である。
次に、メチルエチルケトン槽に導き、メチルエチルケトン中に充分に浸漬して流動パラフィンを抽出除去し、その後メチルエチルケトンを乾燥除去した。
次に得られた膜をロール延伸機を用いて、MD方向に115℃で1.4倍延伸した。次いでTDテンターに導き、TD方向に115℃で2.0倍とした。次いで直前の寸法と比較して、MDに95%、TDに95%となるように、テンターで110℃、10秒間緩和処理を行い、さらにテンターにより120℃で15分間熱固定処理を行った。
電池評価の結果、電池捲回体収納性、オーブン特性において、良好な結果が得られなかった。
[比較例7]
ポリエチレンとポリプロピレンの積層体であり、延伸開孔法によって得られた市販の微多孔膜を用いて同様にして微多孔膜を得た。
電池評価の結果、短絡と衝撃試験において、良好な結果が得られなかった。
Figure 2007069560
Figure 2007069560
本発明は、物質の分離や選択透過等に用いられる分離膜、及び隔離材等に用いられている微多孔膜に関し、特にリチウムイオン電池などのセパレータとして好適に使用される。

Claims (9)

  1. 厚さが1μm以上50μm以下、気孔率が30%以上70%以下、膜厚1μmで換算した突刺強度が0.15N/μm以上、長さ方向の引張強度(MD引張強度)と幅方向の引張強度(TD引張強度)が各々30MPa以上であり、65℃での幅方向の熱収縮率(TD熱収縮率)が1%以下、65℃での長さ方向の熱収縮率と幅方向の熱収縮率との比(MD/TD熱収縮率比)が2より大きいポリオレフィン製微多孔膜。
  2. 65℃でのMD/TD熱収縮率比が2.5より大きい、請求項1記載のポリオレフィン製微多孔膜。
  3. 105℃でのMD熱収縮率が5%より大きい請求項1又は2記載のポリオレフィン製微多孔膜。
  4. 突刺強度が3N以上である請求項1〜3のいずれか一項に記載のポリオレフィン製微多孔膜。
  5. 長さ方向の引張伸度(MD引張伸度)と幅方向の引張伸度(TD引張伸度)が各々10%以上200%以下、MD引張伸度とTD引張伸度の合計が20%以上250%以下である、請求項1〜4のいずれか一項に記載のポリオレフィン製微多孔膜。
  6. ポリオレフィン樹脂と可塑剤を含む組成物から得られる請求項1〜5のいずれか一項に記載のポリオレフィン製微多孔膜。
  7. 請求項1〜6のいずれか一項に記載のポリオレフィン製微多孔膜を用いた電池用セパレータ。
  8. 請求項1〜6のいずれか一項に記載のポリオレフィン製微多孔膜を用いた非水電解液二次電池。
  9. 少なくともポリオレフィンと可塑剤を含有する樹脂組成物を溶融混練し押出してシート状物を得る工程、シート状物を延伸してフィルムを得る工程、シート状物又はフィルムから可塑剤を抽出する工程、熱固定する工程を含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載のポリオレフィン製微多孔膜の製造方法。
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