JPWO2012137374A1 - 非水系二次電池用セパレータおよび非水系二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
1. 多孔質基材と、前記多孔質基材の少なくとも一方の面に形成されたポリフッ化ビニリデン系樹脂を含む接着性多孔質層と、を備えた非水系二次電池用セパレータであって、前記接着性多孔質層の結晶サイズが1nm以上13nm以下であることを特徴とする非水系二次電池用セパレータ。
2. 前記多孔質基材の一方の面に形成されている前記接着性多孔質層の重量が0.5g/m2以上〜1.5g/m2以下であることを特徴とする上記1に記載の非水系二次電池用セパレータ。
3. 前記接着性多孔質層は前記多孔質基材の表裏両面に形成されていることを特徴とする上記1または2に記載の非水系二次電池用セパレータ。
4. 前記多孔質基材の両面に形成された前記接着性多孔質層の両面合計の重量が、1.0g/m2以上3.0g/m2以下であり、前記接着性多孔質層の一面側の重量と他面側の重量の差が、両面合計の重量に対して20%以下であることを特徴とする上記3に記載の非水系二次電池用セパレータ。
5. 前記接着性多孔質層を形成した状態の前記非水系二次電池用セパレータのガーレ値から、前記多孔質基材のガーレ値を減算した値が、300秒/100cc以下であることを特徴とする上記1〜4のいずれかに記載の非水系二次電池用セパレータ。
6. 前記多孔質基材がポリエチレンを含むポリオレフィン微多孔膜であることを特徴とする上記1〜5のいずれかに記載の非水系二次電池用セパレータ。
7. 前記多孔質基材がポリエチレンとポリプロピレンとを含むポリオレフィン微多孔膜であることを特徴とする上記1〜5のいずれかに記載の非水系二次電池用セパレータ。
8. 前記ポリオレフィン微多孔膜が少なくとも2層以上の構造となっており、当該2層のうち一方の層はポリエチレンを含み、他方の層はポリプロピレンを含むことを特徴とする上記7に記載の非水系二次電池用セパレータ。
9. 上記1〜8のいずれかに記載のセパレータを用いた非水系二次電池。
本発明において、多孔質基材とは内部に空孔ないし空隙を有する基材を意味する。このような基材としては、微多孔膜や、不織布、紙状シート等の繊維状物からなる多孔性シート、あるいは、これら微多孔膜や多孔性シートに他の多孔性層を1層以上積層させた複合多孔質シート等を挙げることができる。なお、微多孔膜とは、内部に多数の微細孔を有し、これら微細孔が連結された構造となっており、一方の面から他方の面へと気体あるいは液体が通過可能となった膜を意味する。
本発明の非水系二次電池用セパレータには、重量平均分子量が10万〜300万のポリフッ化ビニリデン系樹脂が好適に用いられる。重量平均分子量が10万より小さいポリフッ化ビニリデン樹脂を適用すると、電極との接着力が弱くなる傾向にあるため好ましくない。重量平均分子量は、接着力の観点から、50万以上であることがさらに好ましい。また、重量平均分子量が300万より大きくなると、樹脂を含むスラリーの粘度が高くなるため、接着性多孔質層の成形が困難となったり、接着性多孔質層に良好な結晶を形成することができず、好適な多孔構造を得ることが困難となる場合があるため好ましくない。このような成形性の観点から、重量平均分子量は200万以下がより好ましく、120万以下がさらに好ましい。ここでポリフッ化ビニリデン系樹脂の重量平均分子量はゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC法)により求めることができる。
本発明において、接着性多孔質層の結晶構造は重要な技術要素である。その結晶構造は、結晶サイズが1〜13nmの範囲である。ここで、接着性多孔質層とは、ポリフッ化ビニリデン系樹脂を含んで構成されており、内部に多数の微細孔を有し、これら微細孔が連結された構造となっており、一方の面から他方の面へと気体あるいは液体が通過可能となった多孔質層を意味する。また、結晶サイズはX線回折法で得られた2θ=20°のピークのブラック角、半値幅を用いて下記式(1)に示すScherrerの式から算出することができる。
D:結晶サイズ
K:Scherrer定数
λ:X線波長
β:半値幅
θ:回折線のブラック角
本発明の非水系二次電池用セパレータは、上述したように、多孔質基材と、多孔質基材の少なくとも一方の面に形成されたポリフッ化ビニリデン系樹脂を含む接着性多孔質層とを備えている。ここで、接着性多孔質層は、電解液を含んだ状態で熱プレスによって電極と接着する接着層であるため、セパレータの最外層として存在する必要がある。当然、正極および負極の両方とセパレータを接着させた方がサイクル寿命の観点から好ましいので、多孔質基材の表裏に接着性多孔質層を形成させた方が好ましい。
上述した本発明の非水系二次電池用セパレータは、ポリフッ化ビニリデン系樹脂を含む溶液を多孔質基材上に直接塗工して、ポリフッ化ビニリデン系樹脂を固化させることで、接着性多孔質層を多孔質基材上に一体的に形成する方法で製造できる。
本発明の非水系二次電池は、上述した本発明のセパレータを用いたことを特徴とする。
本発明において、非水系二次電池は、正極および負極の間にセパレータが配置され、これらの電池素子が電解液と共に外装内に封入された構成となっている。非水系二次電池としてはリチウムイオン二次電池が好適である。
(接着性多孔質層の結晶サイズの測定方法)
セパレータから剥ぎ取ったポリフッ化ビニリデン系樹脂を試料とし、これをX線回折法により結晶サイズを求めた。測定には「NANO−Viewer」(リガク社製)を用い、25℃で透過法にて行い、イメージングプレートを用いて検出した。イメージングプレートで得られた2次元データを2θプロファイルに変換し概ね2θ=8〜30°の範囲をカーブフィッティング(ガウス関数/ローレンツ関数=50/50)した。カーブフィッティングで分離した概ね2θ=20°のピークについてブラック角と半値幅を求め、下記式(2)に示すScherrerの式から結晶サイズを算出した。
D=K×λ/βcosθ … (2)
D:結晶サイズ
K:Scherrer定数
λ:X線波長(ターゲットにCuKαを用いているのでλ=0.1542nm)
β:半値幅
θ:回折線のブラック角
接触式の厚み計(LITEMATIC ミツトヨ社製)を用いて測定した。測定端子は直径5mmの円柱状のものを用い、測定中には7gの荷重が印加されるように調整して行った。
サンプルを10cm×10cmに切り出し、その重量を測定した。重量を面積で割ることで目付を求めた。
エネルギー分散型蛍光X線分析装置(EDX−800HS 島津製作所)を用いてFKαのスペクトル強度からポリフッ化ビニリデン系樹脂の重量を測定した。この測定ではX線を照射した面のポリフッ化ビニリデン系樹脂の重量が測定される。よって表裏両面にポリフッ化ビニリデン系樹脂からなる多孔質層を形成した場合、表裏各々の測定を行うことで表裏各々のポリフッ化ビニリデン系樹脂の重量が測定され、それを合計することで表裏合計の重量が測定できる。
複合セパレータの空孔率ε(%)は以下の式3から算出した。
ε={1―(Wa/0.95+Wb/1.78)/t}×100 … (3)
ここで、Waは基材の目付(g/m2)、Wbはポリフッ化ビニリデン系樹脂の重量(g/m2)、tは膜厚(μm)である。
JIS P8117に従い、ガーレ式デンソメータ(G−B2C 東洋精機社製)にて測定した。
ポリフッ化ビニリデン系樹脂としてポリフッ化ビニリデンであるARKEM社のKYNAR761を用いた。該ポリフッ化ビニリデン系樹脂を6重量%の濃度でジメチルアセトアミド/トリプロピレングリコール=7/3重量比である混合溶媒に溶解し、塗工液を作製した。これを膜厚9μm、ガーレ値160秒/100cc、空孔率43%のポリエチレン微多孔膜(TN0901:SK社製)の両面に等量塗工し、水/ジメチルアセトアミド/トリプロピレングリコール=57/30/13重量比の凝固液(20℃)に浸漬することで固化させた。これを水洗、乾燥することでポリオレフィン系微多孔膜の表裏両面にポリフッ化ビニリデン系樹脂からなる接着性多孔質層が形成された本発明の非水系二次電池用セパレータを得た。このセパレータについて、接着性多孔質層の結晶サイズ(PVdF系樹脂の結晶サイズ)、セパレータの膜厚、目付けおよび空孔率、接着性多孔質層の重量(両面の合計重量、表面の重量、裏面の重量、表面側の重量と裏面側の重量差の両面合計重量に対する割合)、ガーレ値の測定結果を表1に示す。なお、以下の実施例および比較例のセパレータについても同様に表1にまとめて示す。
ポリフッ化ビニリデン系樹脂としてポリフッ化ビニリデンであるクレハ化学社製のKFポリマー W#1700を用い、凝固液の温度を0℃とした以外は、実施例1と同様にして本発明の非水系二次電池用セパレータを得た。
実施例1と同様の塗工液、およびポリエチレン微多孔膜を用い、同様の方法で、表1に示したように塗工量のみ変化させて、本発明の非水系二次電池用セパレータを得た。
実施例1と同様の塗工液、およびポリエチレン微多孔膜を用い、同様の方法で、表1に示したように表裏の塗工量のみ変化させて本発明の非水系二次電池用セパレータを得た。
ポリプロピレン/ポリエチレン/ポリプロピレンの3層構造からなる膜厚12μm、ガーレ値425秒/100cc、空孔率38%のポリオレフィン微多孔膜(M824 セルガード社)をポリオレフィン微多孔膜として用いた以外は、実施例1と同様にして本発明の非水系二次電池用セパレータを得た。
ポリフッ化ビニリデン系樹脂としてポリフッ化ビニリデンであるARKEM社のKYNAR761を用いた。該ポリフッ化ビニリデン系樹脂を3.5重量%の濃度でジメチルアセトアミド/トリプロピレングリコール=8/2重量比である混合溶媒に溶解し、塗工液を作製した。これを膜厚9μm、ガーレ値160秒/100cc、空孔率43%のポリエチレン微多孔膜(TN0901:SK社製)の両面に等量塗工し、水/ジメチルアセトアミド/トリプロピレングリコール=57/30/13重量比の凝固液(10℃)に浸漬することで固化させた以外は、実施例1と同様にして本発明の非水系二次電池用セパレータを得た。
凝固液の温度を60℃とした以外は、実施例1と同様にして非水系二次電池用セパレータを得た。
共重合組成がフッ化ビニリデン/ヘキサフロロプロピレン/クロロトリフロロエチレン=92.0/4.5/3.5重量比となるポリフッ化ビニリデン系樹脂を乳化重合にて作製した。このポリフッ化ビニリデン系樹脂の重量平均分子量は41万であった。該ポリフッ化ビニリデンを12重量%の濃度でジメチルアセトアミド/トリプロピレングリコール=60/40重量比である混合溶媒に溶解し、塗工液を作製した。これを膜厚9μm、ガーレ値160秒/100cc、空孔率43%のポリエチレン微多孔膜(TN0901:SK社製)の両面に等量塗工し、水/ジメチルアセトアミド/トリプロピレングリコール=50/30/20重量比の凝固液(40℃)に浸漬することで固化させ、これを水洗、乾燥することで、ポリオレフィン系微多孔膜にポリフッ化ビニリデン系樹脂からなる接着性多孔質層が形成された非水系二次電池用セパレータを得た。
フッ化ビニリデン/ヘキサフロロプロピレン共重合体(クレハ化学社製#8500)の3質量%ジメチルカーボネート溶液を、膜厚9μm、ガーレ値160秒/100cc、空孔率43%のポリエチレン微多孔膜(TN0901:SK社製)の両面に等量塗工し、これを乾燥した。しかし、得られた塗工膜は緻密膜であり、接着性多孔質層を備えた非水系二次電池用セパレータは得られなかった。なお、当該複合膜のガーレ値を測定したところ、2000秒/100cc以上であり、透過性が著しく悪いものであった。
(負極の作製)
負極活物質である人造黒鉛(MCMB25−28 大阪ガス化学社製)300g、バインダーである日本ゼオン製の「BM−400B」(スチレン−ブタジエン共重合体の変性体を40重量%含む水溶性分散液)7.5g、増粘剤であるカルボキシメチルセルロース3g、適量の水を双腕式混合機にて攪拌し、負極用スラリーを作製した。この負極用スラリーを負極集電体である厚さ10μmの銅箔に塗布し、得られた塗膜を乾燥し、プレスして負極活物質層を有する負極を作製した。
正極活物質であるコバルト酸リチウム(セルシードC 日本化学工業社製)粉末を89.5g、導電助剤のアセチレンブラック(デンカブラック 電気化学工業社製)4.5g、バインダーであるポリフッ化ビニリデン(KFポリマー W#1100 クレハ化学社製)を6重量%となるようにNMPに溶解した溶液をポリフッ化ビニリデンの重量が6重量%となるように双腕式混合機にて攪拌し、正極用スラリーを作製した。この正極用スラリーを正極集電体である厚さ20μmのアルミ箔に塗布し、得られた塗膜を乾燥し、プレスして正極活物質層を有する正極を作製した。
前記の正極と負極にリードタブを溶接し、セパレータを介してこれら正負極を接合させ、電解液をしみ込ませてアルミパック中に真空シーラーを用いて封入した。ここで電解液は1M LiPF6 エチレンカーボネート/エチルメチルカーボネート(3/7重量比)を用いた。これを熱プレス機により電極1cm2当たり20kgの荷重をかけ、90℃、2分の熱プレスを行うことで試験電池を作製した。
負荷特性試験は前記作製した非水系二次電池を用いて実施した。電池の負荷特性は25℃にて0.2Cの放電容量を基準にした2Cの相対放電容量を測定し、これを指標とした。この試験を実施例1〜8、実施例10、比較例1〜2のセパレータを用いた電池について実施した。その結果を表2に示す。
充放電サイクル試験は前記作製した非水系二次電池を用いて実施した。充電条件は1C、4.2Vの定電流定電圧充電、放電条件は1C、2.75Vカットオフの定電流放電としサイクル特性試験を実施した。ここでサイクル特性の指標は100サイクル後の容量維持率とした。この試験を実施例1〜8、実施例10、比較例1〜2のセパレータを用いた電池について実施した。その結果を表2に示す。
充放電サイクル試験後の電池を解体し、セパレータと電極との接着性を確認した。接着性は接着力と均一性の観点から確認し、その結果を表2に示す。なお、接着力に関しては、正極側および負極側のそれぞれについて、実施例1のセパレータを用いた場合の剥離強度を100としたときの相対値で表2に示す。均一性に関しては、正極側および負極側のそれぞれについて剥離テストを行なった後に、接着性多孔質層がほぼ全て電極表面に付着していたものを均一性が良好(〇)と判断し、接着性多孔質層の大部分が電極表面に付着しているが一部破損しているものは均一性が中程度(△)と判断し、接着性多孔質層の大部分が電極表面に付着しておらず著しく破損していたものは均一性が不良(×)と判断した。
実施例1のセパレータと実施例9のセパレータ耐熱性を熱機械物性測定(TMA)により比較した。具体的には、それぞれのセパレータを幅4mmに切り出し、その両端をチャックで押さえ、チャック間距離が10mmとなるようにセットした。印加荷重10mNとし昇温速度10℃/minで昇温させていきセパレータが破断する温度を測定した。実施例1のセパレータは155℃で破断が確認されたの対し、実施例9のセパレータは180℃で破断が確認された。ポリプロピレンを適用することは耐熱性の観点からは好ましいことが分かる。
実施例1と比較例1〜2のセパレータについて、各種電解液を用いて、上記と同様にして電極との接着性テストを実施した。なお、電解液Aとして1M LiPF6 エチレンカーボネート/エチルメチルカーボネート(3/7重量比)を用い、電解液Bとして1M LiPF6 エチレンカーボネート/プロピレンカーボネート/エチルメチルカーボネート(3/2/5重量比)を用い、電解液Cとして1M LiPF6 エチレンカーボネート/プロピレンカーボネート(1/1重量比)を用いた。結果を表3に示す。なお、表3には、実施例1のセパレータの正極、負極おのおので得られた剥離強度を100としたときの剥離強度の相対値で、正極と負極の剥離強度の平均値が70以上のものについては〇と記載し、50以上70未満のものについては△と記載し、50未満のものについては×と記載した。
Claims (9)
- 多孔質基材と、前記多孔質基材の少なくとも一方の面に形成されたポリフッ化ビニリデン系樹脂を含む接着性多孔質層と、を備えた非水系二次電池用セパレータであって、
前記接着性多孔質層の結晶サイズが1nm以上13nm以下であることを特徴とする非水系二次電池用セパレータ。 - 前記多孔質基材の一方の面に形成されている前記接着性多孔質層の重量が0.5g/m2以上〜1.5g/m2以下であることを特徴とする請求項1に記載の非水系二次電池用セパレータ。
- 前記接着性多孔質層は前記多孔質基材の表裏両面に形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の非水系二次電池用セパレータ。
- 前記多孔質基材の両面に形成された前記接着性多孔質層の両面合計の重量が、1.0g/m2以上3.0g/m2以下であり、
前記接着性多孔質層の一面側の重量と他面側の重量の差が、両面合計の重量に対して20%以下であることを特徴とする請求項3に記載の非水系二次電池用セパレータ。 - 前記接着性多孔質層を形成した状態の前記非水系二次電池用セパレータのガーレ値から、前記多孔質基材のガーレ値を減算した値が、300秒/100cc以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の非水系二次電池用セパレータ。
- 前記多孔質基材がポリエチレンを含むポリオレフィン微多孔膜であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の非水系二次電池用セパレータ。
- 前記多孔質基材がポリエチレンとポリプロピレンとを含むポリオレフィン微多孔膜であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の非水系二次電池用セパレータ。
- 前記ポリオレフィン微多孔膜が少なくとも2層以上の構造となっており、当該2層のうち一方の層はポリエチレンを含み、他方の層はポリプロピレンを含むことを特徴とする請求項7に記載の非水系二次電池用セパレータ。
- 請求項1〜8のいずれかに記載のセパレータを用いた非水系二次電池。
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