JPWO2016047165A1 - 蓄電デバイス用セパレータ - Google Patents

蓄電デバイス用セパレータ Download PDF

Info

Publication number
JPWO2016047165A1
JPWO2016047165A1 JP2016521802A JP2016521802A JPWO2016047165A1 JP WO2016047165 A1 JPWO2016047165 A1 JP WO2016047165A1 JP 2016521802 A JP2016521802 A JP 2016521802A JP 2016521802 A JP2016521802 A JP 2016521802A JP WO2016047165 A1 JPWO2016047165 A1 JP WO2016047165A1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
thermoplastic polymer
separator
mass
storage device
monomer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2016521802A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6105816B2 (ja
Inventor
圭太郎 飴山
圭太郎 飴山
博 宮澤
博 宮澤
智志 橋本
智志 橋本
昌敏 池見
昌敏 池見
孝一郎 東
孝一郎 東
公夫 今泉
公夫 今泉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Asahi Kasei Corp
Original Assignee
Asahi Kasei Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Asahi Kasei Corp filed Critical Asahi Kasei Corp
Application granted granted Critical
Publication of JP6105816B2 publication Critical patent/JP6105816B2/ja
Publication of JPWO2016047165A1 publication Critical patent/JPWO2016047165A1/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/52Separators
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F212/00Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by an aromatic carbocyclic ring
    • C08F212/02Monomers containing only one unsaturated aliphatic radical
    • C08F212/04Monomers containing only one unsaturated aliphatic radical containing one ring
    • C08F212/06Hydrocarbons
    • C08F212/08Styrene
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F220/00Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical or a salt, anhydride ester, amide, imide or nitrile thereof
    • C08F220/02Monocarboxylic acids having less than ten carbon atoms; Derivatives thereof
    • C08F220/10Esters
    • C08F220/12Esters of monohydric alcohols or phenols
    • C08F220/14Methyl esters, e.g. methyl (meth)acrylate
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F220/00Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical or a salt, anhydride ester, amide, imide or nitrile thereof
    • C08F220/02Monocarboxylic acids having less than ten carbon atoms; Derivatives thereof
    • C08F220/10Esters
    • C08F220/12Esters of monohydric alcohols or phenols
    • C08F220/16Esters of monohydric alcohols or phenols of phenols or of alcohols containing two or more carbon atoms
    • C08F220/18Esters of monohydric alcohols or phenols of phenols or of alcohols containing two or more carbon atoms with acrylic or methacrylic acids
    • C08F220/1806C6-(meth)acrylate, e.g. (cyclo)hexyl (meth)acrylate or phenyl (meth)acrylate
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F220/00Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical or a salt, anhydride ester, amide, imide or nitrile thereof
    • C08F220/02Monocarboxylic acids having less than ten carbon atoms; Derivatives thereof
    • C08F220/10Esters
    • C08F220/12Esters of monohydric alcohols or phenols
    • C08F220/16Esters of monohydric alcohols or phenols of phenols or of alcohols containing two or more carbon atoms
    • C08F220/18Esters of monohydric alcohols or phenols of phenols or of alcohols containing two or more carbon atoms with acrylic or methacrylic acids
    • C08F220/1808C8-(meth)acrylate, e.g. isooctyl (meth)acrylate or 2-ethylhexyl (meth)acrylate
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F220/00Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical or a salt, anhydride ester, amide, imide or nitrile thereof
    • C08F220/02Monocarboxylic acids having less than ten carbon atoms; Derivatives thereof
    • C08F220/42Nitriles
    • C08F220/44Acrylonitrile
    • C08F220/46Acrylonitrile with carboxylic acids, sulfonic acids or salts thereof
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/02Elements
    • C08K3/04Carbon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L23/00Compositions of homopolymers or copolymers of unsaturated aliphatic hydrocarbons having only one carbon-to-carbon double bond; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L23/02Compositions of homopolymers or copolymers of unsaturated aliphatic hydrocarbons having only one carbon-to-carbon double bond; Compositions of derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment
    • C08L23/04Homopolymers or copolymers of ethene
    • C08L23/06Polyethene
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L9/00Compositions of homopolymers or copolymers of conjugated diene hydrocarbons
    • C08L9/10Latex
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/403Manufacturing processes of separators, membranes or diaphragms
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/403Manufacturing processes of separators, membranes or diaphragms
    • H01M50/406Moulding; Embossing; Cutting
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/411Organic material
    • H01M50/414Synthetic resins, e.g. thermoplastics or thermosetting resins
    • H01M50/42Acrylic resins
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/443Particulate material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/446Composite material consisting of a mixture of organic and inorganic materials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/409Separators, membranes or diaphragms characterised by the material
    • H01M50/449Separators, membranes or diaphragms characterised by the material having a layered structure
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
    • H01M50/489Separators, membranes, diaphragms or spacing elements inside the cells, characterised by their physical properties, e.g. swelling degree, hydrophilicity or shut down properties
    • H01M50/491Porosity
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08FMACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F220/00Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical or a salt, anhydride ester, amide, imide or nitrile thereof
    • C08F220/02Monocarboxylic acids having less than ten carbon atoms; Derivatives thereof
    • C08F220/10Esters
    • C08F220/12Esters of monohydric alcohols or phenols
    • C08F220/16Esters of monohydric alcohols or phenols of phenols or of alcohols containing two or more carbon atoms
    • C08F220/18Esters of monohydric alcohols or phenols of phenols or of alcohols containing two or more carbon atoms with acrylic or methacrylic acids
    • C08F220/1804C4-(meth)acrylate, e.g. butyl (meth)acrylate, isobutyl (meth)acrylate or tert-butyl (meth)acrylate
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L2203/00Applications
    • C08L2203/20Applications use in electrical or conductive gadgets
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L2205/00Polymer mixtures characterised by other features
    • C08L2205/02Polymer mixtures characterised by other features containing two or more polymers of the same C08L -group
    • C08L2205/025Polymer mixtures characterised by other features containing two or more polymers of the same C08L -group containing two or more polymers of the same hierarchy C08L, and differing only in parameters such as density, comonomer content, molecular weight, structure
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08LCOMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L2205/00Polymer mixtures characterised by other features
    • C08L2205/03Polymer mixtures characterised by other features containing three or more polymers in a blend
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/004Details
    • H01G9/02Diaphragms; Separators
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13Energy storage using capacitors
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Cell Separators (AREA)
  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

少なくとも多孔膜を含む基材と、前記基材の少なくとも一つの面に配置された熱可塑性ポリマーと、を備える蓄電デバイス用セパレータであって、前記熱可塑性ポリマー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面積(Si)を用いて下記数式によって定義される分散(σ2)が、0.01以上0.7以下である、蓄電デバイス用セパレータ。(式中、Siは、ボロノイ多角形の面積の実測値であり、mは、ボロノイ多角形の面積の実測値の平均値であり、かつnは、ボロノイ多角形の総数である)

Description

本発明は、蓄電デバイス用セパレータ(以下、単に「セパレータ」ともいう。)に関する。
近年、リチウムイオン電池を中心とする非水電解液電池の開発が活発に行われている。通常、非水電解液電池には、微多孔膜(セパレータ)が正負極間に設けられている。このようなセパレータは、正負極間の直接的な接触を防ぐとともに、微多孔中に保持した電解液を通じイオンを透過させる機能を有する。
非水電解液電池のサイクル特性、安全性等を向上するために、セパレータの改良が検討されている。また、近年、ポータブル機器の小型化及び薄型化に伴い、リチウムイオン二次電池等の蓄電デバイスにも小型化及び薄型化が求められている。一方で、ポータブル機器を長時間携帯することを可能にするために、体積エネルギー密度を向上させることによる蓄電デバイスの高容量化も図られている。
従来、セパレータには、異常加熱した場合には速やかに電池反応が停止される特性(ヒューズ特性)、高温になっても形状を維持して正極物質と負極物質とが直接反応する危険な事態を防止する性能(ショート特性)等の、安全性に関する性能が求められている。それらに加えて、最近では、充放電電流の均一化、及びリチウムデンドライト抑制の観点から、セパレータには電極との密着性の向上も求められている。
セパレータと電池電極との密接性を良くすることにより、充放電電流の不均一化が起こり難くなり、リチウムデンドライトが析出し難くなるため、結果として充放電サイクル寿命を長くすることが可能となる。
例えば、特許文献1及び2には、多孔膜用スラリーを電極上又はセパレータ上に塗工して、セパレータと電極とを接着固定することが提案されている。
また、特許文献3及び4には、多孔性基材上に形成された多孔性コーティング層の上に、更にポリマー溶液をドットパターン層として塗布してセパレータを得て、該セパレータのドットパターン層側と電極とを接着固定することが提案されている。
国際公開第2011/040562号 国際公開第2013/151144号 国際公開第2009/096671号 国際公開第2014/017651号
しかしながら、特許文献1及び2では、ポリマー粒子が密集するように多孔膜用スラリーを電極上又はセパレータ上に塗工しているので、電池のサイクル特性が低下するという問題を生じる。
また、特許文献2及び3でも、ポリマー溶液がドットパターン層として塗布されているので、ポリマー溶液の塗布部分に対応する基材の孔が閉塞してしまい、上記と同様、蓄電デバイスのサイクル特性が低下するという問題を生じる。
本発明は、有機塗工膜を介して電極とセパレータとを接着した場合でも、蓄電デバイスのサイクル特性を低下させずに、高温保存特性を向上させるとともに、電極−セパレータ接着体の厚さを小さくすることができる蓄電デバイス用セパレータを提供することを目的とする。
本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意検討した。その結果、粒状の熱可塑性ポリマーをセパレータ表面に塗工する際に、塗工層又は塗工面の少なくとも一部の領域において、該粒状の熱可塑性ポリマーを特定の分布又は凝集状態に調整することにより、上記課題が解決されることを見出し、本発明に到達した。具体的には、本発明者等は、セパレータ表面において、イオン抵抗を均一化し、リチウムイオンの集中を抑制し、金属リチウムの発生を抑制することにより、蓄電デバイスの高温保存特性を向上させることができ;粒状ポリマーを適度に凝集させてセパレータ表面に配置することにより、粒状ポリマー層が薄膜であった場合でも、電極とセパレータとの間に十分な接着を発現させ得ることを見出した。そして、このような発見に基づいて、本発明に至ったのである。
すなわち、本発明は以下のとおりである:
[1] 少なくとも多孔膜を含む基材と、前記基材の少なくとも一つの面に配置された熱可塑性ポリマーと、を備える蓄電デバイス用セパレータであって、
前記熱可塑性ポリマー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面積(Si)を用いて下記数式によって定義される分散(σ)が、0.01以上0.7以下である、蓄電デバイス用セパレータ。
(式中、Siは、ボロノイ多角形の面積の実測値であり、mは、ボロノイ多角形の面積の実測値の平均値であり、かつnは、ボロノイ多角形の総数である)
[2] 前記分散(σ)は、0.01以上0.6以下である、[1]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[3] 前記分散(σ)は、0.01以上0.5以下である、[1]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[4] 前記熱可塑性ポリマーは粒状である、[1]〜[3]のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[5] 前記熱可塑性ポリマーの平均粒径は、10nm〜2,000nmである、[1]〜[4]のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[6] 前記熱可塑性ポリマーの平均粒径は、50nm〜1,500nmである、[1]〜[4]のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[7] 前記熱可塑性ポリマーの平均粒径は、100nm〜1,000nmである、[1]〜[4]のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[8] 前記熱可塑性ポリマーの平均粒径は、130nm〜800nmである、[1]〜[4]のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[9] 前記熱可塑性ポリマーの面積密度は、30%以上80%以下である、[1]〜[8]のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[10] 前記熱可塑性ポリマーは、実質的に重なり合うことなく存在している、[1]〜[9]のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[11] 前記熱可塑性ポリマーが有する、740cm−1〜770cm−1波長における赤外吸収ピーク強度に対する1,720cm−1〜1,750cm−1の波長における赤外吸収ピーク強度の比が、1〜18である、[1]〜[10]のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[12] 前記熱可塑性ポリマーが有する、1,720cm−1〜1,750cm−1波長における赤外吸収ピーク強度に対する2,220cm−1〜2,260cm−1の波長における赤外吸収ピーク強度の比が、0.001〜0.320である、[1]〜[10]のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[13] 前記熱可塑性ポリマーは、下記(1)〜(3):
(1)(メタ)アクリル酸エステルを単量体単位として有する共重合体(但し、下記の(2)共重合体及び(3)共重合体を除く。)、
(2)シアノ基を有する単量体と(メタ)アクリル酸エステル単量体とを単量体単位として有する共重合体、及び
(3)芳香族ビニル化合物と(メタ)アクリル酸エステル単量体とを単量体単位として有する共重合体
から成る群より選択される少なくとも1種を含む、[1]〜[10]のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[14] 前記シアノ基を有する単量体が(メタ)アクリロニトリルである、請求項13に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[15] 前記芳香族ビニル化合物がスチレンである、[13]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[16] [1]〜[15]のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータを搭載した蓄電デバイス。
[17] 前記熱可塑性ポリマーを含む溶液の粘度を20mPa.s以上に調整する工程と、
前記調製された熱可塑性ポリマー溶液を、多孔膜を含む基材に対してせん断力を付与しながら塗工する工程と、
を含む、
蓄電デバイス用セパレータの製造方法。
[18] 前記分散(σ)は、前記基材に配置された熱可塑性ポリマーを倍率1万倍の走査電子顕微鏡で撮像した撮像画像より算出される、[1]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[19] 前記分散(σ2)は、以下のようにして設定された測定視野からそれぞれ算出された95個の分散(σ2)の平均値として定義される、[18]に記載の蓄電デバイス用セパレータ;
i)各測定視野:走査電子顕微鏡で撮像した画像
ii)視野の設定方法:
a)起点の視野を設定し、
b)前記起点の視野に対して横方向に順次に隣接する領域からなる視野の9個と、縦方向に順次に隣接する領域からなる視野の9個と、前記起点の視野と、からなる19視野を設定し、
c)前記19視野によって規定される領域を起点の区画として設定し、
d)前記起点の区画に対して10mm間隔で一軸方向に順次に隣接する領域からなる区画を4個設定し、
e)前記4個の区画について、前記起点の区画における19視野と相似の位置に各19視野を設定し、そして
f)前記4個の区画及び前記起点の区画における全95視野(19視野×5区画)を測定視野として設定する。
[20] 前記各測定視野は、1視野に観察される熱可塑性ポリマー粒子の数が80〜200個となる倍率に設定して撮像された撮像画像である、[19]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
本発明によれば、セパレータと電極との間の接着性を向上させ、蓄電デバイスの高温保存特性及びサイクル特性を向上させ、かつ電極−セパレータ接着体の薄膜化を達成することができる。
図1は、ポリマー層の表面を観察した写真の一例を示す。 図2は、図1の観察視野に含まれる熱可塑性ポリマーを、画像処理ソフトウェアを用いて自動的に特定した結果の一例を示す。 図3は、図2で特定された複数の粒子にボロノイ分割を行なってボロノイ多角形を得た結果の一例を示す。 図4は、図3で得られたボロノイ多角形の面積を、画像処理ソフトウェアを用いて自動的に算出した結果の一例を示す。 図5は、セパレータ上に配置された熱可塑性ポリマー粒子を観察する95視野のうちの19視野から成る1区画を設定する方法の一例を示す。 図6は、セパレータ上に配置された熱可塑性ポリマー粒子を観察する95視野を包含する5区画を設定する方法の一例を示す。
以下、本発明を実施するための形態(以下、「本実施形態」と略記する。)について詳細に説明する。本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
本発明の蓄電デバイス用セパレータについて説明する。
本発明の蓄電デバイス用セパレータは、少なくとも多孔膜を含む基材と、前記基材の少なくとも一つの面に配置された熱可塑性ポリマーと、を備える。このセパレータは、前記熱可塑性ポリマー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面積(s)の分散(σ)が、0.01以上0.7以下である。前記熱可塑性ポリマーは、好ましくは粒状である。該粒状の熱可塑性ポリマーの面積密度は、好ましくは30%以上80%以下である。
以下、本発明の蓄電デバイス用セパレータに係る各構成について説明する。
[ポリマー層]
熱可塑性ポリマーを含有する層(ポリマー層)について説明する。
上記ポリマー層は、多孔膜、又は少なくとも一方の表面に無機フィラー及び樹脂製バインダを含む多孔層を有する多孔膜(これらをあわせて「基材」ともいう。)の少なくとも片面上に形成される。ポリマー層は、前記基材の少なくとも片面の、少なくとも一部の領域に形成されていればよい。
上記ポリマー層は、熱プレスの工程を経ることにより、電極とセパレータとの間を接着させることができる。すなわち、前記ポリマー層は、接着層として機能し得るものである。
ポリマー層の基材に対する担持量は、固形分として0.05g/m以上1.50g/m以下が好ましく、より好ましくは0.07g/m以上1.00g/m以下であり、更に好ましくは0.10g/m以上0.70g/m以下である。ポリマー層の基材に対する担持量を0.05g/m以上1.50g/m以下の範囲に制御することは、得られるセパレータにおいて、基材の孔の閉塞によるサイクル特性(透過性)の低下を抑制しつつ、ポリマー層と基材との接着力を一層向上させる効果、を発現する観点から好ましい。
ポリマー層の基材に対する担持量は、例えば、塗布液中の熱可塑性ポリマー含有量、熱可塑性ポリマー溶液の塗布量等を変更することにより、調整することができる。但し、担持量の調整方法は上記に限定されない。
ポリマー層は、基材の一面当たりの表面積に対して、80%以下の表面被覆率で基材の表面上に存在することが好ましく、より好ましくは70%以下、更に好ましくは60%以下の表面被覆率で基材の表面上に存在する。また、ポリマー層が5%以上の表面被覆率で基材の表面上に存在することが好ましい。このポリマー層の表面被覆率を80%以下とすることは、熱可塑性ポリマーによる基材の孔の閉塞を更に抑制し、セパレータの透過性を一層向上する観点から好ましい。一方、表面被覆率を5%以上とすることは、電極との接着性を一層向上する観点から好ましい。
ポリマー層の表面被覆率は、例えば、後述のセパレータの製造方法において、基材に塗布する塗布液中の熱可塑性ポリマー含有量、塗布液の塗布量、並びに塗布方法及び塗布条件を変更することにより、調整することができる。但し、表面被覆率の調整方法は、それらに限定されない。
ポリマー層の平均厚さは、特に限定されないが、2.0μm以下であることが好ましく、より好ましくは1.0μm以下、更に好ましくは0.5μm以下である。ポリマー層の平均厚さを2.0μm以下とすることは、ポリマー層による透過性の低下を抑制するとともに、セパレータをロールとして保管した際のポリマー層同士又はポリマー層と基材との貼り付きを効果的に抑制する観点から好ましい。ポリマー層の平均厚さは、例えば、基材に塗布する塗布液における熱可塑性ポリマー含有量、塗布液の塗布量、並びに塗布方法及び塗布条件を変更することにより、調整することができる。ただし、ポリマー層の平均厚さの調整方法は、それらに限定されない。
ポリマー層における熱可塑性ポリマーは、粒状の熱可塑性ポリマーを含むことが好ましく、熱可塑性ポリマーのすべてが粒状の熱可塑性ポリマーであることがより好ましい。
本実施形態に係る蓄電デバイス用セパレータでは、粒状の熱可塑性ポリマーの面積密度が、30%以上80%以下であることが好ましい。
粒状の熱可塑性ポリマーの面積密度とは、セパレータ表面を特定の視野で観察する時に、その観察視野において、下記式:
面積密度(%)=100×(全ての粒状の熱可塑性ポリマーの投影面積の和/セパレータ表面の投影面積)
により算出される値をいう。この面積密度が30%以上であると、セパレータと電極との間の接着性に優れる傾向にある。この面積密度が80%以下であると、蓄電デバイスのサイクル特性に優れ、かつ電極−セパレータ接着体を薄くできる傾向にある。粒状の熱可塑性ポリマーの面積密度は、30%以上70%以下であることがより好ましく、30%以上65%以下であることが更に好ましい。
本実施形態に係る蓄電デバイス用セパレータは、熱可塑性ポリマー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面積(s)の分散(σ)が、0.01以上0.7以下である。ここでいう熱可塑性ポリマーは、好ましくは粒状である。
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。
セパレータ表面を特定の視野で観察するときに、その観察視野において、1つの熱可塑性ポリマー粒子を、平均直径(l)を有する1つの円と見做す。そして、隣接する複数の熱可塑性ポリマー粒子の間に、それぞれ垂直二等分線を引き、各粒子について前記垂直二等分線によって囲まれた多角形を「ボロノイ多角形」と称する。
ボロノイ多角形の面積(s)の分散(σ)とは、下記式:
{式中、sは、ボロノイ多角形の面積の実測値であり、mは、ボロノイ多角形の面積の実測値の平均値であり、かつnは、ボロノイ多角形の総数である}
により算出される値である。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、上記式の計算対象としないものとする。閉じられていない領域としては、例えば、観察視野の境界に粒子が存在し、その粒子の全体が観察されていない時に、その粒子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。
従って、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粒子については、その粒子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。
本実施形態では、ボロノイ多角形の面積(s)の分散(σ)は、基材上における粒状の熱可塑性ポリマーの配置のばらつきの水準を示す指標となる。この分散(σ)は、粒状の熱可塑性ポリマーの塗工面における分布又は凝集状態を表していると考えられる。ボロノイ多角形の面積(s)の分散(σ)が0.01以上であると、粒状の熱可塑性ポリマーが適度に凝集してセパレータ表面に配置されていると評価できる。従って、この場合には、電極とセパレータとの間の接着性が十分である傾向にある。この分散(σ)が0.7以下であると、粒状の熱可塑性ポリマーがセパレータ表面において、過度に凝集していないと評価できる。従って、この場合には、セパレータ表面におけるイオン抵抗が均一化されており、表面の特定領域にリチウムイオンが集中せず、金属リチウムの発生が抑制されるので、蓄電デバイスの高温保存特性に優れる傾向にある。この分散(σ)の値は、0.01以上0.6以下であることが好ましく、0.01以上0.5以下であることがより好ましく、0.1以上0.4以下であることが更に好ましく、0.1以上0.35以下であることが特に好ましい。
粒状の熱可塑性ポリマーの平均粒径は、好ましくは10nm〜2,000nm、より好ましくは50nm〜1,500nm、更に好ましくは100nm〜1,000nm、特に好ましくは130nm〜800nmであり、とりわけ好ましくは150〜800nmであり、最も好ましくは200〜750nmである。この平均粒径を10nm以上とすることは、少なくとも多孔膜を含む基材に粒状の熱可塑性ポリマーを塗工したときに、基材の孔に入り込まない程度の粒状の熱可塑性ポリマーの寸法が確保されることを意味する。従って、この場合、電極とセパレータとの間の接着性、及び蓄電デバイスのサイクル特性を向上させるという観点から好ましい。また、この平均粒径を2,000nm以下とすることは、電極とセパレータとの接着性、及び蓄電デバイスのサイクル特性を両立させるために必要な量の粒状の熱可塑性ポリマーを基材上に塗工するという観点から好ましい。粒状の熱可塑性ポリマーの平均粒径は、下記実施例に記載の方法に準じて測定することができる。
粒状の熱可塑性ポリマー(以下、「熱可塑性ポリマー粒子」ともいう)の面積密度、及び熱可塑性ポリマー粒子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面積(s)の分散(σ)を知るためには、セパレータ表面を観察する。その観察手段は、セパレータ上に塗工された熱可塑性ポリマー粒子の寸法又は分布状態によって適宜選定され、任意の方法を採用することが可能である。例えば、電子顕微鏡、原子間力顕微鏡、光学顕微鏡、微分干渉顕微鏡等を用いることが可能である。これらの中でも、本実施形態のような分散粒子の分布状態を扱う場合には、電子顕微鏡又は原子間力顕微鏡を用いるのが好適である。
観察視野内には、セパレータ表面に塗工されたポリマー層の平均的な観察視野が確保されるべきである。また、当該観察視野における投影面積は、分散粒子の平均的な分布状態が把握されるように適宜調整されるべきである。例えば、計算対象として採用される分散粒子は、約80個から200個/1視野であることが好ましい。この観察視野は、予め設定された観測手段及び倍率によってポリマー層を観察することにより、得ることができる。例えば、図1は、観測手段を走査型電子顕微鏡とし、倍率を1万倍として、ポリマー層の表面を観察した写真の一例である。図1は、粒子径約500nmの熱可塑性ポリマー粒子がポリマー層の表面に分散して存在している状態を明確に捉えている。このように熱可塑性ポリマー粒子がポリマー層の表面に分散した状態を捉えることにより熱可塑性ポリマー粒子の分散状態を、ボロノイ分割によって分析することができる。
走査型電子顕微鏡を用いる観察においては、熱可塑性ポリマー粒子の粒子径に応じて、ボロノイ分割による分析に適切な倍率を設定する。具体的には、1視野に観察される熱可塑性ポリマー粒子の数が、好ましくは40個〜300個、より好ましくは60個〜240個、更に好ましくは80個〜200個となる倍率に設定する。このことにより、ボロノイ分割による分析を適切に行うことができる。例えば、粒子径が500nm程度であれば倍率は1万倍とすることが適切であり、粒子径が200nm程度であれば倍率は3万倍程度の倍率設定とすることが、ボロノイ分割による分析に適切である。
上記観察方法により得られた観察視野に含まれる熱可塑性ポリマー粒子を特定する。例えば、肉眼で、又は画像処理ソフトウェアを用いて、観察視野から熱可塑性ポリマー粒子を特定する。図2は、図1の観察視野に含まれる熱可塑性ポリマー粒子を、画像処理ソフトウェアを用いて自動的に特定した結果を示す一例である。予め設定された方法及び倍率の観察視野において熱可塑性ポリマー粒子を特定することにより、粒子の総数、各粒子の直径、及び各粒子の投影面積が計算される(後述、図3も参照)。その場合、観察視野内に全体が含まれている粒子のみを特定することが好ましい。
セパレータ表面の特定の観察視野において特定された熱可塑性ポリマー粒子について、上記で定義されたボロノイ分割を行なうことができる。具体的には、セパレータ表面に熱可塑性ポリマーを塗工した後の塗工膜表面を撮影して、画像を得る。得られた画像中で特定された熱可塑性ポリマー粒子を平均直径(l(エル))の円と見なして、ボロノイ分割を行なうことにより、ボロノイ多角形を描画することができる。例えば、手動で、又は画像処理ソフトウェアを用いて、ボロノイ多角形を描画してよい。そして、描画されたボロノイ多角形の面積を算出する。
例えば、図3は、図2で特定された複数の熱可塑性ポリマー粒子にボロノイ分割を行なってボロノイ多角形を得た結果の一例である。図3に示されるボロノイ多角形の中で、閉じられた領域と対応しているボロノイ多角形の数及び面積を、画像処理ソフトウェアを用いて自動的に算出した結果を図4に示す。
上記の観察方法及び画像処理方法により、観察視野における投影面積が決定され、かつ該視野における熱可塑性ポリマー粒子の総数、投影面積、及びボロノイ多角形の面積が得られる。そして、上記の定義に従って、該視野における熱可塑性ポリマー粒子について、面積密度、及びボロノイ多角形の面積(s)の分散(σ)を算出することができる。
但し、熱可塑性ポリマー粒子の分布は、観測視野によって変化することがある。従って、面積密度及び分散(σ)としては、好ましくは複数の観察視野についてそれぞれ算出された値の平均値を採用することが好ましい。この視野数としては、3以上とすることが好ましい。
特に好ましくは、次のように決定された95視野について算出された値の平均値を採用することである。
i)各測定視野:走査電子顕微鏡で撮像した画像
ii)視野の設定方法:
a)起点の視野を設定し、
b)前記起点の視野に対して横方向に順次に隣接する領域からなる視野の9個と、縦方向に順次に隣接する領域からなる視野の9個と、前記起点の視野と、からなる19視野を設定し、
c)前記19視野によって規定される領域を起点の区画として設定し、
d)前記起点の区画に対して10mm間隔で一軸方向に順次に隣接する領域からなる区画を4個設定し、
e)前記4個の区画について、前記起点の区画における19視野と相似の位置に各19視野を設定し、そして
f)前記4個の区画及び前記起点の区画における全95視野(19視野×5区画)を測定視野として設定する。
前記各測定視野は、1視野に観察される熱可塑性ポリマー粒子の数が80〜200個となる倍率に設定して撮像された撮像画像であることが好ましい。
以下、図を参照しつつ、本実施形態における95視野の好ましい設定方法を説明する。
i)撮像画像としては、上記のとおり、倍率1万倍の走査電子顕微鏡で撮像した画像を採用することが好ましい。例えば図5に示す画像である。図5は、倍率1万倍の走査電子顕微鏡で撮像した、基材上の熱可塑性ポリマー粒子の画像の一部をモデル的に示した図である。
この図5の画像において、先ず、起点の視野(10)を設定する。1視野は倍率1万倍の走査電子顕微鏡で撮像した画像により構成されるため、その1視野のスケールは10μm×10μm程度であり、熱可塑性ポリマー粒子を基準としたボロノイ分割評価に適した視野を構成する。次に、前記起点の視野(10)に対して横方向(X軸方向)に順次に隣接する9個の視野(1〜9)を設定する。これらの視野(1〜9)は、それぞれ、起点の視野(10)と同じ倍率の撮像画像からなり、隣接する領域と一辺を共通にして一方向に順次に設定される。次に、前記起点の視野(10)に対して縦方向に順次に隣接する9個の視野(11〜19)を設定する。これらの視野(11〜19)は、それぞれ、起点の視野(10)と同じ領域からなり、隣接する領域と一辺を共通にして一方向に順次に設定される。
続いて、前記の19視野によって規定される領域を起点の区画(I)として設定する。該起点の区画(I)は、図5における視野1〜10の上辺と、視野10〜19の右辺とを2辺とする正方形の領域からなるため、1区画のスケールは100μm×100μm程度であり、倍率1,000倍の走査電子顕微鏡で撮像した画像に相当し、区画(I)を構成する19視野から算出した分散はセパレータ表面の状態をより正確に代表した値として評価できる。
本実施態様においては、更にセパレータ表面の状態を正確に評価すべく、上記1区画と同等の区画を5区画設けて評価を実施する。具体的には、図6を参照する。図6は、図5に示した基材上の熱可塑性ポリマー粒子の画像の全体像である。該図6において、前記起点の区画(I)に対して、10mm間隔で一軸方向に順次に隣接する4個の区画(II〜V)を設定する。これら4個の区画は、それぞれ、起点の区画(I)と同じ領域からなる。
次いで、これら4個の区画(II〜V)について、前記起点の区画(I)における19視野と相似の位置に各19視野を設定する。そして、前記4個の区画(II〜V)及び前記起点の視野(I)における全95視野(19視野×5区画)を、基材上における熱可塑性ポリマー粒子の観察視野として設定する。
上記のセパレータ表面の観察は、セパレータ表面のうちの、イオン伝導に関与していない領域について行われることが好ましい。例えば、製造直後のセパレータであって未だ蓄電素子に組み込まれていない状態のセパレータについて観察することができる。蓄電素子が使用中又は使用後である場合には、セパレータのうちの、所謂「耳」と呼ばれる部分(セパレータの外縁部近傍であって、イオン伝導に関与していない領域)について観察することも、本実施形態における好ましい態様である。
上記評価方法から理解されるとおり、95視野を観察対象とする場合、長さ約40mmのセパレータ片を測定対象とするため、セパレータ表面における熱可塑性ポリマーの分散状態を正確に評価することができる。
熱可塑性ポリマー粒子について、上記のようなボロノイ分割ができるということは、基材上に形成されたポリマー層において、該熱可塑性ポリマー粒子が実質的に重なり合うことなく、単層の粒子として存在していることを示している。例えばポリマー層中で熱可塑性ポリマー同士が幾重にも重なり合う場合には、単一の粒子が占有する面積という概念が成立しないため、ボロノイ分割を行うことができない。
本実施形態におけるセパレータは、基材上に形成されたポリマー層中の熱可塑性ポリマー粒子が、実質的に重なり合うことがないように配置されたうえで、上記の面積密度、及び分散(σ)が、それぞれ、上記した範囲に調整されることが好ましい。
熱可塑性ポリマーの面積密度及び分散(σ)を上記の範囲に調整する手段としては、限定されるものではないが、例えば、基材に塗布する塗布液における熱可塑性ポリマー含有量、塗布液の塗布量、並びに塗布方法及び塗布条件を変更することにより、調整することができる。より具体的には、熱可塑性ポリマー溶液の粘度を高く調整し、多孔膜の被塗工面に対してせん断力をかけながら塗工することにより、熱可塑性ポリマーを上記の範囲に分散して配置させることができる。
ポリマー層の基材上での存在形態(パターン)は、特に限定されるものではないが、上記分散を満たすように基材の全面にわたって熱可塑性ポリマー粒子が相互に分散して存在することが好ましい。熱可塑性ポリマー粒子が一部の領域においてクラスターを形成していてもよいが、全体として上記分散の範囲を満たす程度に各粒子が分散していることが必要となる。また、その一部の領域においてポリマー粒子同士が積み重なっていてもよいが、全体として上記分散の範囲を満たす程度に各粒子が分散していることが必要となる。
基材上でポリマー層がパターン状に存在する場合には、上記の面積密度及び分散(σ)は、それぞれ、ポリマー層が存在する領域を撮影した画像を用いて評価されることが好ましい。
上記ポリマー層に含まれる熱可塑性ポリマーの具体例としては、以下の1)〜4)が挙げられる。
1)共役ジエン系重合体、
2)アクリル系重合体、
3)ポリビニルアルコール系樹脂、及び
4)含フッ素樹脂。
中でも、電極とのなじみ易さの観点からは上記1)共役ジエン系重合体が好ましく、耐電圧性の観点からは上記2)アクリル系重合体及び4)含フッ素樹脂が好ましい。
また、上記ポリマー層は、その全量に対して、好ましくは60質量%以上、より好ましくは90質量%以上、更に好ましくは95質量%以上、特に好ましくは98質量%以上、上記熱可塑性ポリマーを含む。
更に、上記ポリマー層は、上記熱可塑性ポリマー以外に、本発明の課題解決を損なわない程度の、その他の成分を含んでもよい。
上記1)共役ジエン系重合体は、共役ジエン化合物を単量体単位として含む重合体である。上記共役ジエン化合物としては、例えば、1,3−ブタジエン、2−メチル−1,3−ブタジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、2−クロル−1,3−ブタジエン、置換直鎖共役ペンタジエン類、置換及び側鎖共役ヘキサジエン類等が挙げられ、これらは1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。中でも、特に1,3−ブタジエンが好ましい。
また、共役ジエン系重合体は、後述する(メタ)アクリル系化合物又は他の単量体を単量体単位として含んでいてもよい。具体的には、例えば、スチレン−ブタジエン共重合体及びその水素化物、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体及びその水素化物、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体及びその水素化物等である。
上記2)アクリル系重合体は、(メタ)アクリル系化合物を単量体単位として含む重合体である。上記(メタ)アクリル系化合物とは、(メタ)アクリル酸及び(メタ)アクリル酸エステルからなる群から選ばれる少なくとも一つを示す。
このような化合物としては、例えば、下記式(P1)で表される化合物が挙げられる。
CH=CRY1−COO−RY2 (P1)
式(P1)中、RY1は水素原子又はメチル基を示し、RY2は水素原子又は1価の炭化水素基を示す。RY2が1価の炭化水素基の場合は、置換基を有していてもよくかつ鎖内にヘテロ原子を有していてもよい。1価の炭化水素基としては、例えば、直鎖であっても分岐していてもよい鎖状アルキル基、シクロアルキル基、及びアリール基が挙げられる。また、置換基としては、例えば、ヒドロキシル基及びフェニル基が挙げられ、ヘテロ原子としては、例えばハロゲン原子、酸素原子等が挙げられる。(メタ)アクリル系化合物は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。
このような(メタ)アクリル系化合物としては、(メタ)アクリル酸、鎖状アルキル(メタ)アクリレート、シクロアルキル(メタ)アクリレート、ヒドロキシル基を有する(メタ)アクリレート、フェニル基含有(メタ)アクリレート等を挙げることができる。
Y2の1種である鎖状アルキル基として、より具体的には、メチル基、エチル基、n−プロピル基、及びイソプロピル基である炭素原子数が1〜3の鎖状アルキル基;n−ブチル基、イソブチル基、t−ブチル基、n−ヘキシル基、2−エチルヘキシル基、及びラウリル基等の、炭素原子数が4以上の鎖状アルキル基が挙げられる。また、RY2の1種であるアリール基としては、例えばフェニル基が挙げられる。
そのようなRY2を有する(メタ)アクリル酸エステル単量体の具体例としては、例えば、メチルアクリレート、エチルアクリレート、プロピルアクリレート、イソプロピルアクリレート、ブチルアクリレート、イソブチルアクリレート、t−ブチルアクリレート、n−ヘキシルアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート、ラウリルアクリレート、メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、プロピルメタクリレート、イソプロピルメタクリレート、ブチルメタクリレート、イソブチルメタクリレート、t−ブチルメタクリレート、n−ヘキシルメタクリレート、2−エチルヘキシルメタクリレート、ラウリルメタクリレート等の鎖状アルキル基を有する(メタ)アクリレート;
フェニル(メタ)アクリレート、ベンジル(メタ)アクリレート等の、芳香環を有する(メタ)アクリレートが挙げられる。
これらの中では、電極(電極活物質)との密着性向上の観点から、炭素原子数が4以上の鎖状アルキル基を有する単量体、より具体的には、RY2が炭素原子数4以上の鎖状アルキル基である(メタ)アクリル酸エステル単量体が好ましい。より具体的には、ブチルアクリレート、ブチルメタクリレート、及び2−エチルヘキシルアクリレートから成る群より選択される少なくとも1種が好ましい。なお、炭素原子数が4以上の鎖状アルキル基における炭素原子数の上限は特に限定されず、例えば14であってもよいが、7が好ましい。これら(メタ)アクリル酸エステル単量体は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。
(メタ)アクリル酸エステル単量体は、上記炭素原子数が4以上の鎖状アルキル基を有する単量体に代えて、或いはこれに加えて、RY2としてシクロアルキル基を有する単量体を含むことも好ましい。これによっても、電極との密着性が更に向上する。
そのようなシクロアルキル基を有する単量体としては、より具体的には、例えば、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、イソボルニル(メタ)アクリレート、アダマンチル(メタ)アクリレート等が挙げられる。シクロアルキル基の脂環を構成する炭素原子の数は、4〜8が好ましく、6及び7がより好ましく、6が特に好ましい。また、シクロアルキル基は置換基を有していても有していなくてもよい。置換基としては、例えば、メチル基及びt−ブチル基が挙げられる。これらの中では、シクロヘキシルアクリレート及びシクロヘキシルメタクリレートからなる群より選択される少なくとも1種が、アクリル系重合体調製時の重合安定性が良好である点で好ましい。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。
また、アクリル系重合体は、(メタ)アクリル酸エステル単量体として、上記のものに代えて、あるいは加えて、好ましくは上記のものに加えて、架橋性単量体を含むことが好ましい。架橋性単量体としては、特に限定されないが、例えば、ラジカル重合性の二重結合を2個以上有している単量体、重合中又は重合後に自己架橋構造を与える官能基を有する単量体等が挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。
ラジカル重合性の二重結合を2個以上有している単量体としては、例えば、ジビニルベンゼン、多官能(メタ)アクリレートが挙げられる。上記多官能(メタ)アクリレートは、2官能(メタ)アクリレート、3官能(メタ)アクリレート、及び4官能(メタ)アクリレートからなる群より選択される少なくとも1種であってよい。具体的には、例えば、ポリオキシエチレンジアクリレート、ポリオキシエチレンジメタクリレート、ポリオキシプロピレンジアクリレート、ポリオキシプロピレンジメタクリレート、ネオペンチルグリコールジアクリレート、ネオペンチルグリコールジメタクリレート、ブタンジオールジアクリレート、ブタンジオールジメタクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、トリメチロールプロパントリメタクリレート、ペンタエリスリトールテトラアクリレート、ペンタエリスリトールテトラメタクリレート等が挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。なかでも、上記と同様の観点から、トリメチロールプロパントリアクリレート及びトリメチロールプロパントリメタクリレートからなる群より選択される少なくとも1種が好ましい。
重合中又は重合後に自己架橋構造を与える官能基を有する単量体としては、例えば、エポキシ基を有する単量体、メチロール基を有する単量体、アルコキシメチル基を有する単量体、加水分解性シリル基を有する単量体などが挙げられる。上記エポキシ基を有する単量体としては、アルコキシメチル基を有するエチレン性不飽和単量体が好ましく、具体的には例えば、グリシジル(メタ)アクリレート、2,3−エポキシシクロヘキシル(メタ)アクリレート、3,4−エポキシシクロヘキシル(メタ)アクリレート、アリルグリシジルエーテル等が挙げられる。
メチロール基を有する単量体としては、例えば、N−メチロールアクリルアミド、N−メチロールメタクリルアミド、ジメチロールアクリルアミド、ジメチロールメタクリルアミド等が挙げられる。
上記アルコキシメチル基を有する単量体としては、アルコキシメチル基を有するエチレン性不飽和単量体が好ましく、具体的には例えば、N−メトキシメチルアクリルアミド、N−メトキシメチルメタクリルアミド、N−ブトキシメチルアクリルアミド、N−ブトキシメチルメタクリルアミド等が挙げられる。
上記加水分解性シリル基を有する単量体としては、例えば、ビニルシラン、γ−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γ−アクリロキシプロピルトリエトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン等が挙げられる。
これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。
また、上記アクリル系重合体は、様々な品質及び物性を改良するために、上記以外の単量体を単量体単位として更に有してもよい。そのような単量体としては、例えば、カルボキシル基を有する単量体(但し、(メタ)アクリル酸を除く。)、アミド基を有する単量体、シアノ基を有する単量体、ヒドロキシル基を有する単量体、芳香族ビニル単量体等が挙げられる。
更に、スルホン酸基、リン酸基等の官能基を有する各種のビニル系単量体、及び酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、バーサチック酸ビニル、ビニルピロリドン、メチルビニルケトン、ブタジエン、エチレン、プロピレン、塩化ビニル、塩化ビニリデン等も必要に応じて使用できる。
これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。また、上記他の単量体は、上記各単量体のうち2種以上に同時に属するものであってもよい。
アミド基を有する単量体としては、例えば、(メタ)アクリルアミド等が挙げられる。
シアノ基を有する単量体としては、シアノ基を有するエチレン性不飽和単量体が好ましく、具体的には、例えば、(メタ)アクリロニトリル等が挙げられる。
ヒドロキシル基を有する単量体としては、例えば、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート等が挙げられる。
芳香族ビニル単量体としては、例えば、スチレン、ビニルトルエン、α−メチルスチレン等が挙げられる。好ましくはスチレンである。
上記アクリル系重合体における(メタ)アクリル系化合物を単量体単位として含有する割合は、アクリル系重合体100質量%に対して、好ましくは5〜95質量%である。その下限値は、より好ましくは15質量%であり、更に好ましくは20質量%であり、特に好ましくは30質量%である。上記単量体単位の含有割合が5質量%以上であると、基材への結着性及び耐酸化性の点で好ましい。一方、より好ましい上限値は92質量%であり、更に好ましい上限値は80質量%であり、特に好ましい上限値は60質量%である。上記単量体の含有割合が95質量%以下であると、基材との密着性が向上するため好ましい。
アクリル系重合体が、鎖状アルキル(メタ)アクリレート又はシクロアルキル(メタ)アクリレートを単量体単位として有する場合、それらの含有割合の合計は、アクリル系重合体100質量%に対して、好ましくは、3〜92質量%であり、より好ましくは10〜90質量%であり、更に好ましくは15〜75質量%であり、特に好ましくは25〜55質量%である。これらの単量体の含有割合が3質量%以上であると耐酸化性の向上の点で好ましく、92質量%以下であると、基材との結着性が向上するため好ましい。
アクリル系重合体が、(メタ)アクリル酸を単量体単位として有する場合、その含有割合は、アクリル系重合体100質量%に対して、好ましくは0.1〜5質量%である。上記単量体の含有割合が、0.1質量%以上であると、セパレータは膨潤状態でのクッション性が向上する傾向にあり、5質量%以下であると、重合安定性が良好な傾向にある。
アクリル系重合体が、架橋性単量体を単量体単位として有する場合、アクリル系重合体における架橋性単量体の含有割合は、アクリル系重合体100質量%に対して、好ましくは0.01〜10質量%であり、より好ましくは0.1〜5質量%であり、更に好ましくは0.1〜3質量%である。上記単量体の含有割合が0.01質量%以上であると耐電解液性が更に向上し、10質量%以下であると膨潤状態でのクッション性の低下をより抑制することができる。
本実施の形態におけるアクリル系重合体としては、以下のいずれかの態様が好ましい。以下の共重合割合は、いずれも、共重合体100質量部を基準とする値である。
(1)(メタ)アクリル酸エステルを単量体単位として有する共重合体(但し、下記の(2)共重合体及び(3)共重合体を除く。)、好ましくは、
(メタ)アクリル酸5質量%以下(より好ましくは0.1〜5質量%)と、
(メタ)アクリル酸エステル単量体3〜92質量%(より好ましくは10〜90質量%、更に好ましくは15〜75質量%、特に好ましくは25〜55質量%)と、
アミド基を有する単量体、シアノ基を有する単量体、及びヒドロキシル基を有する単量体から成る群より選択される少なくとも1種15質量%以下(より好ましくは10質量%以下)と、
架橋性単量体10質量%以下(より好ましくは0.01〜5質量%、更に好ましくは0.1〜3質量%)と
の共重合体;
(2)芳香族ビニル単量体と(メタ)アクリル酸エステル単量体とを単量体単位として有する共重合体、好ましくは、
芳香族ビニル単量体5〜95質量%(より好ましくは10〜92質量%、更に好ましくは25〜80質量%、特に好ましくは40〜60質量%)と、
(メタ)アクリル酸5質量%以下(より好ましくは0.1〜5質量%)と、
(メタ)アクリル酸エステル単量体5〜95質量%(より好ましくは15〜85質量%、更に好ましくは20〜80質量%、特に好ましくは30〜75質量%)と、
アミド基を有する単量体、シアノ基を有する単量体、及びヒドロキシル基を有する単量体から成る群より選択される少なくとも1種10質量%以下(より好ましくは5質量%以下)と、
架橋性単量体10質量%以下(より好ましくは0.01〜5質量%、更に好ましくは0.1〜3質量%)と
の共重合体;並びに
(3)シアノ基を有する単量体と(メタ)アクリル酸エステル単量体とを単量体単位として有する共重合体、好ましくは、
シアノ基を有する単量体1〜95質量%(より好ましくは5〜90質量%、更に好ましくは50〜85質量%)と、
(メタ)アクリル酸5質量%以下(好ましくは0.1〜5質量%)と、
(メタ)アクリル酸エステル単量体1〜95質量%(より好ましくは5〜85質量%、更に好ましくは10〜50質量%)と、
アミド基を有する単量体、シアノ基を有する単量体、及びヒドロキシル基を有する単量体から成る群より選択される少なくとも1種10質量%以下(より好ましくは5質量%以下)と、
架橋性単量体10質量%以下(より好ましくは0.01〜5質量%、更に好ましくは0.1〜3質量%)と
の共重合体。
上記(2)共重合体において、(メタ)アクリル酸エステル単量体として(メタ)アクリル酸の炭化水素エステルを含むことが好ましい。この場合の(メタ)アクリル酸の炭化水素エステルの共重合割合は0.1〜5質量%であることが好ましい。また、上記(2)共重合体がアミド基を有する単量体成分を有する場合、その共重合割合は、0.1〜5質量%であることが好ましい。更に、上記(2)共重合体がヒドロキシル基を有する単量体成分を有する場合、その共重合割合は、0.1〜5質量%であることが好ましい。
上記(3)共重合体において、(メタ)アクリル酸エステル単量体としては、鎖状アルキル(メタ)アクリレート及びシクロアルキル(メタ)アクリレートから成る群より選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。上記鎖状アルキル(メタ)アクリレートとしては、炭素原子数が6以上の鎖状アルキル基を有する(メタ)アクリル酸エステルが好ましい。(3)共重合体における鎖状アルキル(メタ)アクリレートの共重合割合は、1〜95質量%であることが好ましく、3〜90質量%であることがより好ましく、5〜85質量%であることが更に好ましい。この共重合割合の上限値は、60質量%であってもよく、特に40質量%又は30質量%であってもよく、とりわけ好ましくは20質量%である。(3)共重合体におけるシクロヘキシルアルキル(メタ)アクリレートの共重合割合は、1〜95質量%であることが好ましく、3〜90質量%であることがより好ましく、5〜85質量%であることが更に好ましい。この共重合割合の上限値は、60質量%であってもよく、特に50質量%であってもよく、とりわけ好ましくは40質量%である。
また、上記(3)共重合体がアミド基を有する単量体成分を有する場合、その共重合割合は、0.1〜10質量%であることが好ましく、2〜10質量%であることがより好ましい。更に、上記(3)共重合体がヒドロキシル基を有する単量体成分を有する場合、その共重合割合は、0.1〜10質量%であることが好まし好ましく、1〜10質量%であることがより好ましい。
アクリル系重合体は、例えば、通常の乳化重合法によって得られる。乳化重合の方法に関しては特に制限はなく、従来公知の方法を用いることができる。
例えば、水性媒体中で上述の単量体、界面活性剤、ラジカル重合開始剤、及び必要に応じて用いられる他の添加剤成分を基本組成成分とする分散系において、上記各単量体を含む単量体組成物を重合することによりアクリル系重合体が得られる。重合に際しては、供給する単量体組成物の組成を全重合過程で一定にする方法、重合過程で逐次又は連続的に変化させることによって生成する樹脂分散体の粒子の形態的な組成変化を与える方法等、必要に応じて様々な方法が利用できる。アクリル系重合体を乳化重合により得る場合、例えば、水と、その水中に分散した粒子状のアクリル系重合体とを含む水分散体(ラテックス)の形態であってもよい。
界面活性剤は、一分子中に少なくとも1つ以上の親水基と1つ以上の親油基とを有する化合物である。各種界面活性剤には非反応性界面活性剤と反応性界面活性剤があり、好ましくは反応性界面活性剤が好ましく、より好ましくはアニオン性の反応性界面活性剤であり、更に好ましくはスルホン酸基を有する反応性界面活性剤である。
上記界面活性剤は、単量体組成物100質量部に対して0.1〜5質量部用いることが好ましい。界面活性剤は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。
ラジカル重合開始剤としては、熱又は還元性物質によりラジカル分解して単量体の付加重合を開始させるものであり、無機系開始剤及び有機系開始剤のいずれも用いることができる。また、ラジカル重合開始剤としては、水溶性又は油溶性の重合開始剤を用いることができる。
ラジカル重合開始剤は、単量体組成物100質量部に対して、好ましくは0.05〜2質量部用いることができる。ラジカル重合開始剤は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
上記3)ポリビニルアルコール系樹脂としては、例えば、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル等が;
上記4)含フッ素樹脂としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体等が、
それぞれ挙げられる。
上記の熱可塑性ポリマーの中でも、セパレータと電極の接着性、蓄電デバイスの高温保存特性及びサイクル特性を向上させ、かつ電極−セパレータ接着体の薄膜化を達成するためには、単量体と、乳化剤と、開始剤と、水とを含むエマルションから形成されるアクリル系コポリマーラテックスが好ましい。このアクリル系コポリマーラテックスを基材に塗工すると、基材上で粒状になり、かつ適度に凝集するので、熱可塑性ポリマー粒子の面積密度及びボロノイ多角形の面積(s)の分散(σ)を制御するという観点から好ましい。
熱可塑性ポリマーのガラス転移温度(以下、「Tg」とも表記する。)は、特に限定されないが、−50℃以上であってもよく、好ましくは20℃以上であり、より好ましくは20℃〜120℃であり、更に好ましくは20℃〜100℃である。熱可塑性ポリマーのTgが20℃以上であると、上記ポリマー層を備えるセパレータの最表面がべたつくことを抑制でき、ハンドリング性が向上する傾向にある。また、Tgが120℃以下であると、セパレータの電極(電極活物質)との密着性がより良好になる傾向にある。
ここで、ガラス転移温度は、示差走査熱量測定(DSC)で得られるDSC曲線から決定される。具体的には、DSC曲線における低温側のベースラインを高温側に延長した直線と、ガラス転移の階段状変化部分の変曲点における接線との交点により決定される。
また、「ガラス転移」はDSCにおいて試験片であるポリマーの状態変化に伴う熱量変化が吸熱側に生じたものを指す。このような熱量変化はDSC曲線において階段状変化の形状として観測される。「階段状変化」とは、DSC曲線において、曲線がそれまでの低温側のベースラインから離れ新たな高温側のベースラインに移行するまでの部分を示す。なお、階段状変化とピークとが組み合わされたものも階段状変化に含まれることとする。
更に、「変曲点」とは、DSC曲線の階段状変化部分のこう配が最大になるような点を示す。また、階段状変化部分において、上側を発熱側とした場合に、上に凸の曲線が下に凸の曲線に変わる点と表現することもできる。「ピーク」とは、DSC曲線において、曲線が低温側のベースラインから離れてから再度同じベースラインに戻るまでの部分を示す。「ベースライン」とは、試験片に転移及び反応を生じない温度領域のDSC曲線のことを示す。
熱可塑性ポリマーのTgは、例えば、熱可塑性ポリマーの製造に用いるモノマーの種類及び各モノマーの配合比を変更することにより、適宜調整できる。熱可塑性ポリマーのTgは、その製造に用いられる各モノマーについて一般に示されているそのホモポリマーのTg(例えば、「ポリマーハンドブック」(A WILEY−INTERSCIENCE PUBLICATION)に記載)とモノマーの配合比とから、概略で推定することができる。例えば約100℃のTgのポリマーを与えるスチレン、メチルメタクリレ−ト、及びアクリルニトリル等のモノマーを高比率で配合する熱可塑性ポリマーは、高いTgを有する。また、例えば約−80℃のTgのポリマーを与えるブタジエン、約−50℃のTgのポリマーを与えるn−ブチルアクリレ−ト及び2−エチルヘキシルアクリレ−ト等のモノマーを高い比率で配合した熱可塑性ポリマーは、低いTgを有する。
また、ポリマーのTgはFOXの式(下記式(2))より概算することができる。なお、熱可塑性ポリマーのガラス転移温度としては、上記DSCを用いた方法により測定したものを採用する。
1/Tg=W1/Tg1+W2/Tg2+‥‥+Wi/Tgi+‥‥Wn/Tgn (2)
ここで、式(2)中において、Tg(K)は、コポリマーのTgを示し、Tgi(K)は、各モノマーiのホモポリマーのTgを示し、Wiは、各モノマーの質量分率を示す。
熱可塑性ポリマーのゲル分率は、特に限定されないが、電解液中への溶解の抑制、及び電池内部での熱可塑性ポリマーの強度維持の観点から、80質量%以上が好ましく、より好ましくは85質量%以上、更に好ましくは90質量%以上である。ここで、ゲル分率は、トルエン不溶分の測定により求められる。
ゲル分率は、重合するモノマー成分及び各モノマーの投入比、重合条件を変更することにより、調整することができる。
熱可塑性ポリマーは、サイクル特性等の電池特性の点から、電解液に対する膨潤性を有することが好ましい。乾燥させた熱可塑性ポリマー(又は熱可塑性ポリマー分散液)に電解液を所定の時間浸透させ、洗浄した後の熱可塑性ポリマー(A)の質量をWa、Aを150℃のオーブン中に1時間静置した後の質量をWbとする時、以下の式により熱可塑性ポリマーの電解液に対する膨潤度を算出することができる。膨潤度は、6倍以下が好ましく、5倍以下がより好ましく、4.5倍以下が更に好ましく、4倍以下が特に好ましい。また、膨潤度は、1倍以上が好ましく、2倍以上がより好ましい。
熱可塑性ポリマーの電解液に対する膨潤度(倍)=(Wa−Wb)÷Wb
なお、ポリマー層が2種以上の共重合体を含む場合、膨潤度は、各々の共重合体の膨潤度の加重平均とする。
本実施形態のセパレータにおける熱可塑性ポリマーの電解液に対する膨潤性は、電解液のモデルとして、エチレンカーボネート(EC):エチルメチルカーボネート(EMC)との混合溶媒(体積比1:2)から成る混合溶媒、又はエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)との混合溶媒(質量比2:3)を用いて測定することが好ましい。
本実施形態のセパレータにおいて、エチレンカーボネート(EC):エチルメチルカーボネート(EMC)との混合溶媒(体積比1:2)に対する熱可塑性ポリマーの膨潤度が上記範囲にあることにより、得られる蓄電デバイスにおいて優れたサイクル特性が発現される。本実施形態のセパレータにおける熱可塑性ポリマーとして、上記の(1)(メタ)アクリル酸エステルを単量体単位として有する共重合体(但し、(2)共重合体及び(3)共重合体を除く。)を含むものである場合、このEC:EMC=1:2(体積比)混合溶媒に対する膨潤度を上記の範囲に容易に制御することが可能となる。
本実施形態のセパレータにおいて、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)との混合溶媒(質量比2:3)に対する熱可塑性ポリマーの膨潤度が、0.5倍〜6.0倍以下であると好ましく、1.0倍〜5.0倍であるとより好ましい。この膨潤度が6.0倍以下であることにより、セパレータのイオン抵抗が低下するのをより有効かつ確実に抑制することにより、蓄電デバイスの信頼性をより高めることができ、レート特性を向上させると共に、膜強度も更に高めることが可能となる。本実施形態のセパレータにおける熱可塑性ポリマーとして、上記の
(2)芳香族ビニル単量体と(メタ)アクリル酸エステル単量体とを単量体単位として有する共重合体、及び
(3)シアノ基を有する単量体と(メタ)アクリル酸エステル単量体とを単量体単位として有する共重合体
より成る群から選択される1種以上を含むものである場合、このEC:DEC=2:3(質量比)混合溶媒に対する膨潤度を上記の範囲に容易に制御することが可能となる。
また、熱可塑性ポリマー層がガラス転移温度を少なくとも2つ有していることが好ましい。これにより、電極への接着性とハンドリング性とのバランスをより良好に両立することができる。
熱可塑性ポリマー層がガラス転移温度を少なくとも2つ有している場合、上記ガラス転移温度のうちの少なくとも1つは、20℃未満の領域に存在することが好ましい。これにより、基材との密着性に一層優れることとなる。その結果、セパレータが電極との密着性により優れるという効果を奏する。同様の観点から、用いる熱可塑性ポリマーのガラス転移温度のうちの少なくとも1つが、15℃以下の領域に存在することがより好ましい。更に好ましくは−30℃以上15℃以下の領域に存在することである。熱可塑性ポリマーと基材との密着性を高めつつ、ハンドリング性を更に良好に保持する点から、20℃未満の領域に存在するガラス転移温度が−30℃以上15℃以下の領域にのみ存在することが好ましい。
熱可塑性ポリマーがガラス転移温度を少なくとも2つ有している場合、上記ガラス転移温度のうちの少なくとも1つが20℃以上の領域に存在することが好ましい。これにより、セパレータと電極との接着性及びハンドリング性に更に優れるという効果を奏する。また、用いる熱可塑性ポリマーのガラス転移温度のうちの少なくとも1つが20℃以上120℃以下の領域に存在することがより好ましい。更に好ましくは、50℃以上120℃以下である。上記範囲にガラス転移温度が存在することで、更に良好なハンドリング性を付与できる。更に、電池作製時の加圧により発現する電極とセパレータとの間の密着性を一層高めることができる。熱可塑性ポリマーと基材との密着性を一層高めつつ、ハンドリング性を更に良好に保持する点から、20℃以上の領域に存在するガラス転移温度は、20℃以上120℃以下の領域にのみ存在することが好ましく、50℃以上120℃以下の領域にのみ存在することがより好ましい。
熱可塑性ポリマーがガラス転移温度を少なくとも2つ有することは、例えば、2種類以上の熱可塑性ポリマーをブレンドする方法、コアシェル構造を備える熱可塑性ポリマーを用いる方法等によって達成できる。しかし、これらの方法に限定されない。コアシェル構造とは、中心部分に属するポリマーと、外殻部分に属するポリマーが異なる組成からなる、二重構造の形態をしたポリマーである。
特に、ポリマーブレンド及びコアシェル構造において、ガラス転移温度の高いポリマーと低いポリマーとを組み合せることにより、熱可塑性ポリマー全体のガラス転移温度を制御できる。また、熱可塑性ポリマー全体に複数の機能を付与できる。
例えば、ブレンドの場合は、特にガラス転移温度が20℃以上の領域に存在するポリマーと、ガラス転移温度が20℃未満の領域に存在するポリマーとを、2種類以上ブレンドすることにより、耐ベタツキ性と基材への塗れ性とを更に良好に両立することができる。ブレンドする場合の混合比としてはガラス転移温度が20℃以上の領域に存在するポリマーと、ガラス転移温度が20℃未満の領域に存在するポリマーとの比が、0.1:99.9〜99.9:0.1の範囲であることが好ましく、より好ましくは、5:95〜95:5であり、更に好ましくは50:50〜95:5であり、特に好ましくは60:40〜90:10である。
コアシェル構造の場合は、外殻ポリマーの種類を変えることにより、他材料(例えばポリオレフィン微多孔膜等)に対する接着性及び相溶性の調整ができる。また、中心部分に属するポリマーの種類を変更することにより、例えば熱プレス後の電極への接着性を高めたポリマーに調整することができる。或いは、粘性の高いポリマーと弾性の高いポリマーとを組み合わせることにより、粘弾性の制御をすることも可能である。
なお、コアシェル構造を備える熱可塑性ポリマーのシェルのガラス転移温度は、特に限定されないが、20℃未満が好ましく、15℃以下がより好ましく、−30℃以上15℃以下が更に好ましい。また、コアシェル構造を備える熱可塑性ポリマーのコアのガラス転移温度は、特に限定されないが、20℃以上が好ましく、20℃以上120℃以下がより好ましく、50℃以上120℃以下が更に好ましい。
本実施形態のセパレータの熱可塑性ポリマーについて赤外分光分析を行った場合、以下のいずれかの要件を満たすことが好ましい。
(A)前記熱可塑性ポリマーが有する、740cm−1〜770cm−1波長における赤外吸収ピーク強度に対する1,720cm−1〜1,750cm−1の波長における赤外吸収ピーク強度の比が、1〜18である、又は、
(B)前記熱可塑性ポリマーが有する、1,720cm−1〜1,750cm−1波長における赤外吸収ピーク強度に対する2,220cm−1〜2,260cm−1の波長における赤外吸収ピーク強度の比が、0.001〜0.320である。
前記(A)の赤外吸収ピーク強度の比は、より好ましくは2〜15であり、更に好ましくは5〜10である。波長740〜770cm−1の赤外ピークは芳香族ビニル化合物単量体の芳香環に由来し、波長1,720cm−1〜1,750cm−1の赤外ピークは(メタ)アクリル酸エステル単量体の(メタ)アクリロイル基に由来すると考えられる。従って、前記(A)の赤外吸収ピーク強度の比は、熱可塑性ポリマーとして上記(2)芳香族ビニル単量体と(メタ)アクリル酸エステル単量体とを単量体単位として有する共重合体を使用する場合に、容易に実現される。このピーク強度比を満たす熱可塑性ポリマーは、芳香族ビニル化合物単量体と(メタ)アクリル酸エステル単量体との合計を100質量%とした場合、芳香族ビニル化合物単量体を例えば約5質量%〜50質量%含むことになる。そのため、該熱可塑性ポリマーの使用は、電極への接着性と、ハンドリング性と、のバランスの観点から好ましい。
前記(B)の赤外吸収ピーク強度の比は、より好ましくは0.010〜0.320であり、更に好ましくは0.170〜0.320である。波長1,720cm−1〜1,750cm−1の赤外ピークは、前記のとおり、(メタ)アクリル酸エステル単量体の(メタ)アクリロイル基に由来すると考えられる。一方の波長2,220cm−1〜2,260cm−1の赤外ピークは、前記シアノ基を有する単量体に由来すると考えられる。従って、前記(B)の赤外吸収ピーク強度の比は、熱可塑性ポリマーとして上記(3)シアノ基を有する単量体と(メタ)アクリル酸エステル単量体とを単量体単位として有する共重合体を使用する場合に、容易に実現される。このピーク強度比を満たす熱可塑性ポリマーは、(メタ)アクリル酸エステル単量体とシアノを有する単量体との合計を100質量%とした場合、シアノ基を有する単量体を、例えば1質量%〜90質量%、好ましくは5質量%〜90質量%、より好ましくは50質量%〜90質量%含むことになる。そのため、該熱可塑性ポリマーの使用は、耐酸化性の観点から好ましい。
上記の赤外吸収ピーク強度の比は、いずれも、下記実施例に記載の赤外吸収分析から求めることができる。
[ポリマー層の形成方法]
ポリマー層を基材の少なくとも一方の面(片面)に担持する方法は、特に限定されない。
例えば、熱可塑性ポリマーを含有する塗布液を基材の少なくとも一方の面に塗布した後、必要に応じて塗布液の溶媒又は分散媒を除去する方法が挙げられる。上記塗布液としては、重合体粒子が媒体中に分散した分散体を用いることが好ましい。
上記分散体の固形分としては、30質量%〜70質量%であることが好ましい。
分散体には、ガラス転移温度の異なる複数の熱可塑性ポリマー粒子の混合物を含有させることが好ましい。また、複数の熱可塑性ポリマー粒子のいずれも100nm以上の平均粒径を有することが好ましい。上記混合物を含む分散体を基材に塗工すると、それぞれの粒子が基材上で粒状になり、かつ適度に凝集するので、熱可塑性ポリマー粒子の面積密度及びボロノイ多角形の面積(s)の分散(σ)を制御するという観点から好ましい。
具体的には、20℃未満のガラス転移温度を有する熱可塑性ポリマー粒子(1)と、20℃以上のガラス転移温度を有する熱可塑性ポリマー粒子(2)との混合物を使用することが好ましい。熱可塑性ポリマー粒子(1)のガラス転移温度は、15℃以下であることがより好ましく、−30℃以上15℃以下であることが更に好ましい。熱可塑性ポリマー粒子(2)のガラス転移温度は、20℃以上120℃以下であることがより好ましく、50℃以上120℃以下であることが更に好ましい。その場合、熱可塑性ポリマー粒子(1)及び(2)のいずれも約100nm以上の平均粒径を有することが好ましく、100nm以上1,000nm以下の平均粒径を有することがより好ましく、100nm以上800nm以下の平均粒径を有することが更に好ましい。
塗布液に含まれる溶媒又は分散媒としては、特に限定されないが、水が好ましい。塗布液を基材に塗布する際に、塗布液が基材の内部にまで入り込んでしまうと、熱可塑性ポリマーが、基材の孔の表面及び内部を閉塞し、得られるセパレータの透過性が低下し易くなる。この点、塗布液の溶媒又は分散媒として水を用いる場合には、基材の内部に塗布液が入り込み難くなり、熱可塑性ポリマーは主に基材の外表面上に存在し易くなる。そのため、得られるセパレータの透過性の低下をより効果的に抑制できるので、好ましい。また、この溶媒又は分散媒としては、水のみを用いてもよいし、水、及び水と相溶する他の溶媒又は分散媒とを併用してもよい。水と併用可能な溶媒又は分散媒としては、例えば、エタノール、メタノール等を挙げることができる。
媒体として水を用いる場合は、長期の分散安定性を保つため、そのpHが5〜12の範囲に調整されることが好ましい。pHの調整には、アンモニア、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、ジメチルアミノエタノール等のアミン類を用いることが好ましく、アンモニア(水)又は水酸化ナトリウムによりpHを調整することがより好ましい。
上記分散体には、他の成分として、分散剤、滑剤、増粘剤、殺菌剤等が、分散体の安定性を損なわない範囲で含まれていてもよい。
塗布液の粘度は、20mPa・s以上とすることが好ましい。塗布液をこのような粘度に調整することにより、熱可塑性ポリマー粒子の好ましい面積密度、ボロノイ多角形の面積(s)の分散(σ)、及び投影面積(c)とボロノイ多角形の面積(s)との比(c/s)を実現することが容易となる。塗布液の粘度は、1mPa・s〜50mPa・sがより好ましく、10mPa・s〜30mPa・sが更に好ましい。
本実施形態においては、塗布液に含有される熱可塑性ポリマーは、好ましくは10nm〜2,000nmという大きな粒径を有する粒子である。そのため、該熱可塑性ポリマーを含む塗布液は高粘度にはなり難いのが一般である。従って、塗布液には増粘剤を含有させて、塗布液粘度を上記の範囲に調整することが好ましい。ここで使用される増粘剤としては、例えば、ポリエチレングリコール類、ポリエーテル類、セルロース類、多糖類、ポリアクリルアミド類、ポリN−ピロリドン類等を挙げることができる。増粘剤の配合割合は、塗布液の全量に対して、好ましくは5質量%以下であり、より好ましくは3質量%以下である。
塗布液を基材に塗布する方法については、必要とする層厚及び塗布面積を実現できる方法であれば特に限定はない。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、スプレー塗布法が挙げられる。
基材上にポリマー層を担持させる時に、ポリマー層の厚さが熱可塑性ポリマー粒子の直径と概ね等しくなるようにとの観点から、塗布装置としてグラビアコーター、ワイヤーバー等を使用することが好ましい。特に好ましくは、グラビアコーターを使用して、リバース塗布法によって、塗布液に対してせん断力をかけながら塗布することである。
塗布液の塗布に先立ち、基材表面に表面処理を施しておくことが、塗布液をより塗布し易くするとともに、基材と熱可塑性ポリマーとの接着性をより向上させる観点から好ましい。表面処理の方法は、基材の構造(例えばポリオレフィン微多孔膜の多孔質構造)を著しく損なわない方法であれば特に限定はない。例えば、コロナ放電処理法、プラズマ処理法、機械的粗面化法、溶剤処理法、酸処理法、紫外線酸化法等が挙げられる。
基材に塗布した塗布液から溶媒を除去する場合には、基材に悪影響を及ぼさない方法であれば特に限定はない。例えば、基材としてポリオレフィン微多孔膜を用いる場合、基材を固定しながらその融点以下の温度において乾燥する方法、低温で減圧乾燥する方法、熱可塑性ポリマーに対する貧溶媒に浸漬して熱可塑性ポリマーを凝固させると同時に溶媒を抽出する方法等が挙げられる。
[多孔膜]
本発明における多孔膜について説明する。
上記多孔膜としては、電子伝導性が小さく、イオン伝導性を有し、有機溶媒に対する耐性が高く、孔径の微細なものが好ましい。
そのような多孔膜としては、例えば、ポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート、ポリシクロオレフィン、ポリエーテルスルホン、ポリアミド、ポリイミド、ポリイミドアミド、ポリアラミド、ポリシクロオレフィン、ナイロン、ポリテトラフルオロエチレン等から選択される樹脂を含む多孔膜;ポリオレフィン系の繊維を織ったもの(織布);ポリオレフィン系の繊維の不織布;ポリオレフィン系の繊維の紙;絶縁性物質粒子の集合体等が挙げられる。これらの中でも、塗工工程を経て多層多孔膜(セパレータ)を得る場合に、塗工液の塗工性に優れ、セパレータの膜厚をより薄くして、電池等の蓄電デバイス内の活物質比率を高めて体積当たりの容量を増大させる観点から、ポリオレフィン樹脂を含む多孔膜(以下、「ポリオレフィン樹脂多孔膜」ともいう。)が好ましい。
ポリオレフィン樹脂多孔膜は、電池用セパレータとした時のシャットダウン性能等を向上させる観点から、多孔膜を構成する樹脂成分の50質量%以上100質量%以下をポリオレフィン樹脂が占めるポリオレフィン樹脂組成物により形成される多孔膜であることが好ましい。ポリオレフィン樹脂組成物におけるポリオレフィン樹脂が占める割合は、60質量%以上100質量%以下であることがより好ましく、70質量%以上100質量%以下であることが更に好ましい。
ポリオレフィン樹脂組成物に含有されるポリオレフィン樹脂としては、特に限定されず、例えば、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−オクテン等から選択されるα−オレフィンをモノマーとして用いて得られるホモ重合体、共重合体、多段重合体等が挙げられる。これらのポリオレフィン樹脂は、単独で用いても、2種以上を混合して用いてもよい。
中でも、電池用セパレータとした時のシャットダウン特性の観点から、ポリオレフィン樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、若しくはこれらの共重合体、又はこれらの混合物が好ましい。
ポリエチレンの具体例としては、低密度ポリエチレン、線状低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレン等、
ポリプロピレンの具体例としては、アイソタクティックポリプロピレン、シンジオタクティックポリプロピレン、アタクティックポリプロピレン等、
共重合体の具体例としては、エチレン−プロピレンランダム共重合体、エチレンプロピレンラバー等、が挙げられる。
中でも、電池用セパレータとした時に低融点かつ高強度の要求性能を満たす観点からは、ポリオレフィン樹脂としてポリエチレン、特に高密度ポリエチレンを用いることが好ましい。なお、本発明において、高密度ポリエチレンとは密度0.942〜0.970g/cm3のポリエチレンをいう。なお、本発明においてポリエチレンの密度とは、JIS K7112(1999)に記載のD)密度勾配管法に従って測定した値をいう。
また、多孔膜の耐熱性を向上させる観点からは、ポリオレフィン樹脂としてポリエチレン及びポリプロピレンの混合物を用いることが好ましい。この場合、ポリオレフィン樹脂組成物中の、総ポリオレフィン樹脂に対するポリプロピレンの割合は、耐熱性と良好なシャットダウン機能を両立させる観点から、1〜35質量%であることが好ましく、より好ましくは3〜20質量%、更に好ましくは4〜10質量%である。
ポリオレフィン樹脂組成物には、任意の添加剤を含有させることができる。添加剤としては、例えば、ポリオレフィン樹脂以外の重合体;無機フィラー;フェノール系、リン系、イオウ系等の酸化防止剤;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。これらの添加剤の総添加量は、ポリオレフィン樹脂100質量部に対して、20質量部以下であることがシャットダウン性能等を向上させる観点から好ましく、より好ましくは10質量部以下、更に好ましくは5質量部以下である。
多孔膜は、非常に小さな孔が多数集まって緻密な連通孔を形成した多孔構造を有しているため、イオン伝導性に非常に優れると同時に耐電圧特性も良好であり、しかも高強度であるという特徴を有する。
多孔膜は、上述した材料からなる単層膜であってもよく、積層膜であってもよい。
多孔膜の膜厚は、0.1μm以上100μm以下が好ましく、より好ましくは1μm以上50μm以下、更に好ましくは3μm以上25μm以下である。機械的強度の観点から0.1μm以上が好ましく、電池の高容量化の観点から100μm以下が好ましい。多孔膜の膜厚は、ダイリップ間隔、延伸工程における延伸倍率等を制御すること等によって調整することができる。
多孔膜の平均孔径は、0.03μm以上0.70μm以下が好ましく、より好ましくは0.04μm以上0.20μm以下、更に好ましくは0.05μm以上0.10μm以下、特に好ましくは0.06μm以上0.09μm以下である。高いイオン伝導性と耐電圧の観点から、0.03μm以上0.70μm以下が好ましい。多孔膜の平均孔径は、後述する測定法で測定することができる。
平均孔径は、組成比、押出シートの冷却速度、延伸温度、延伸倍率、熱固定温度、熱固定時の延伸倍率、熱固定時の緩和率等から選択される1つ以上を制御することにより調整することができる。
多孔膜の気孔率は、好ましくは25%以上95%以下、より好ましく30%以上65%以下、更に好ましくは35%以上55%以下である。イオン伝導性向上の観点から25%以上が好ましく、耐電圧特性の観点から95%以下が好ましい。多孔膜の気孔率は、後述する方法で測定することができる。
多孔膜の気孔率は、ポリオレフィン樹脂組成物と可塑剤の混合比率、延伸温度、延伸倍率、熱固定温度、熱固定時の延伸倍率、熱固定時の緩和率等から選択される1つ以上を制御することによって調整することができる。
多孔膜がポリオレフィン樹脂多孔膜である場合、ポリオレフィン樹脂多孔膜の粘度平均分子量は、30,000以上12,000,000以下であることが好ましく、より好ましくは50,000以上2,000,000未満、更に好ましくは100,000以上1,000,000未満である。粘度平均分子量が30,000以上であると、溶融成形の際のメルトテンションが大きくなり成形性が良好になるとともに、重合体同士の絡み合いにより高強度となる傾向にあるため、好ましい。一方、粘度平均分子量が12,000,000以下であると、均一に溶融混練をすることが容易となり、シートの成形性、特に厚み安定性に優れる傾向にあるため好ましい。更に、電池用セパレータとした時に、粘度平均分子量が1,000,000未満であると、温度上昇時に孔を閉塞し易く、良好なシャットダウン機能が得られる傾向にあるため、好ましい。ポリオレフィン樹脂多孔膜の粘度平均分子量は、後述する方法で測定することができる。
[多孔膜の製造方法]
多孔膜を製造する方法としては特に制限はなく、公知の製造方法を採用することができる。例えば、
(1)ポリオレフィン樹脂組成物と孔形成材とを溶融混練してシート状に成形後、必要に応じて延伸した後、孔形成材を抽出することにより多孔化させる方法、
(2)ポリオレフィン樹脂組成物を溶融混練して高ドロー比で押出した後、熱処理及び延伸によって、ポリオレフィン結晶界面を剥離させることにより多孔化させる方法、
(3)ポリオレフィン樹脂組成物と無機充填材とを溶融混練してシート上に成形した後、延伸によってポリオレフィンと無機充填材との界面を剥離させることにより多孔化させる方法、
(4)ポリオレフィン樹脂組成物を溶解後、ポリオレフィンに対する貧溶媒に浸漬させてポリオレフィンを凝固させると同時に溶剤を除去することにより多孔化させる方法、
等が挙げられる。
以下、多孔膜を製造する方法の一例として、ポリオレフィン樹脂組成物と孔形成材とを溶融混練してシート状に成形後、孔形成材を抽出する方法について説明する。
まず、ポリオレフィン樹脂組成物及び孔形成材を溶融混練する。溶融混練方法としては、例えば、ポリオレフィン樹脂及び必要によりその他の添加剤を、例えば押出機、ニーダー、ラボプラストミル、混練ロール、バンバリーミキサー等の樹脂混練装置を用いて、樹脂成分を加熱溶融させながら任意の比率で孔形成材を導入して混練する方法が挙げられる。
上記孔形成材としては、可塑剤、無機材、又はそれらの組み合わせを挙げることができる。
可塑剤としては、特に限定されないが、ポリオレフィンの融点以上において均一溶液を形成し得る不揮発性溶媒を用いることが好ましい。このような不揮発性溶媒の具体例としては、例えば、流動パラフィン、パラフィンワックス等の炭化水素類;フタル酸ジオクチル、フタル酸ジブチル等のエステル類;オレイルアルコール、ステアリルアルコール等の高級アルコール等が挙げられる。特に、多成分との相溶性及び延伸時の均一性の観点から、流動パラフィンが好ましい。
可塑剤の混合方法として、好ましくは、樹脂混練装置に投入する前に、ポリオレフィン樹脂、その他の添加剤、及び可塑剤を、予めヘンシェルミキサー等を用いて所定の割合で事前混練しておくことである。より好ましくは、事前混練において、可塑剤はその一部のみを投入し、残りの可塑剤は、適宜加温しつつ樹脂混練装置にサイドフィードして混練する。このような混練方法を用いることにより、可塑剤の分散性が高まり、後の工程で樹脂組成物と可塑剤の溶融混練物のシート状成形体を延伸する際に、破膜することなく高倍率で延伸することができることになる。
ポリオレフィン樹脂組成物と可塑剤の比率は、これらを均一に溶融混練して、シート状に成形できる範囲であれば特に限定はない。例えば、ポリオレフィン樹脂組成物と可塑剤とからなる組成物中に占める可塑剤の質量分率として、好ましくは20〜90質量%、より好ましくは30〜80質量%である。可塑剤の質量分率が90質量%以下であると、溶融成形時のメルトテンションが成形性向上のために十分なものとなる傾向にある。一方、可塑剤の質量分率が20質量%以上であると、ポリオレフィン樹脂組成物と可塑剤との混合物を高倍率で延伸した場合でもポリオレフィン分子鎖の切断が起こらず、均一かつ微細な孔構造を形成し易く、強度も増加し易いため、好ましい。
無機材としては、特に限定されず、例えば、アルミナ、シリカ(珪素酸化物)、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、硫酸アルミニウム、水酸化アルミニウム、チタン酸カリウム、タルク、カオリンクレー、カオリナイト、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1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて用いられる。これらの中でも、電気化学的安定性の観点から、シリカ、アルミナ、又はチタニアが好ましく、抽出が容易である点から、シリカが特に好ましい。
ポリオレフィン樹脂組成物と無機材との比率は、良好な隔離性を得る観点から、これらの合計質量に対して、5質量%以上であることが好ましく、10質量%以上であることがより好ましく、高い強度を確保する観点から、ポリオレフィン樹脂組成物と無機材との合計質量に対して、99質量%以下であることが好ましく、95質量%以下であることがより好ましい。
次に、溶融混練物をシート状に成形する。シート状成形体を製造する方法としては、例えば、溶融混練物を、Tダイ等を介してシート状に押出し、熱伝導体に接触させて樹脂成分の結晶化温度より充分に低い温度まで冷却して固化する方法が挙げられる。冷却固化に用いられる熱伝導体としては、金属、水、空気、或いは可塑剤等が挙げられる。これらの中でも、熱伝導の効率が高いため、金属製のロールを用いることが好ましい。また、押出した混練物を金属製のロールに接触させる際に、ロール間に挟み込むことは、熱伝導の効率が更に高まると共に、シートが配向して膜強度が増し、シートの表面平滑性も向上する傾向にあるため、より好ましい。溶融混練物をTダイからシート状に押出す際のダイリップ間隔は200μm以上3,000μm以下であることが好ましく、500μm以上2,500μm以下であることがより好ましい。ダイリップ間隔が200μm以上であると、メヤニ等が低減され、スジや欠点等膜品位への影響が少なく、その後の延伸工程において膜破断等のリスクを低減することができる。一方、ダイリップ間隔が3,000μm以下であると、冷却速度が速く冷却ムラを防げるとともに、シートの厚み安定性を維持できる。
また、シート状成形体を圧延してもよい。圧延は、例えば、ダブルベルトプレス機等を使用したプレス法にて実施することができる。圧延を施すことにより、特に表層部分の配向を増すことができる。圧延面倍率は1倍を超えて3倍以下であることが好ましく、1倍を超えて2倍以下であることがより好ましい。圧延倍率が1倍を超えると、面配向が増加し最終的に得られる多孔膜の膜強度が増加する傾向にある。一方、圧延倍率が3倍以下であると、表層部分と中心内部の配向差が小さく、膜の厚さ方向に均一な多孔構造を形成することができる傾向にある。
次いで、シート状成形体から孔形成材を除去して多孔膜とする。孔形成材を除去する方法としては、例えば、抽出溶剤にシート状成形体を浸漬して孔形成材を抽出した後、充分に乾燥させる方法が挙げられる。孔形成材を抽出する方法は、バッチ式、連続式のいずれであってもよい。多孔膜の収縮を抑えるために、浸漬及び乾燥から成る一連の工程中に、シート状成形体の端部を拘束しておくことが好ましい。
シート状成形体から孔形成材を除去する際には、多孔膜中の孔形成材残存量を多孔膜全体の質量に対して1質量%未満にすることが好ましい。
孔形成材を抽出する際に用いられる抽出溶剤としては、孔形成材料に対して貧溶媒で、かつ孔形成材に対して良溶媒であり、沸点が孔形成材料の融点より低いものを用いることが好ましい。このような抽出溶剤としては、
孔形成材料としてポリオレフィン樹脂を用いる場合には、例えば、n−ヘキサン、シクロヘキサン等の炭化水素類;塩化メチレン、1,1,1−トリクロロエタン等のハロゲン化炭化水素類;ハイドロフルオロエーテル、ハイドロフルオロカーボン等の非塩素系ハロゲン化溶剤;エタノール、イソプロパノール等のアルコール類;ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等のエーテル類;アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類等を;
孔形成材として無機材を用いる場合には、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等の水溶液を、
それぞれ、抽出溶剤として用いることができる。
上記シート状成形体又は多孔膜を延伸することが好ましい。延伸は前記シート状成形体から孔形成材を抽出する前に行ってもよいし、前記シート状成形体から孔形成材を抽出した多孔膜に対して行ってもよい。更に、前記シート状成形体から孔形成材を抽出する前と後に行ってもよい。
延伸処理としては、一軸延伸又は二軸延伸のいずれも好適に用いることができる。得られる多孔膜の強度等を向上させる観点から、二軸延伸が好ましい。特に、シート状成形体を二軸方向に高倍率延伸すると、分子が面方向に配向し、最終的に得られる多孔膜が裂け難くなり、高い突刺強度を有するものとなる。延伸方法としては、例えば、同時二軸延伸、逐次二軸延伸、多段延伸、多数回延伸等の方法を挙げることができる。突刺強度の向上、延伸の均一性、及びシャットダウン性の観点からは、同時二軸延伸が好ましい。また、面配向の制御容易性の観点からは、遂次二軸延伸が好ましい。
延伸倍率は、面倍率として、20倍以上100倍以下の範囲であることが好ましく、25倍以上70倍以下の範囲であることがより好ましい。各軸方向の延伸倍率は、MDに4倍以上10倍以下、TDに4倍以上10倍以下の範囲であることが好ましく;MDに5倍以上8倍以下、TDに5倍以上8倍以下の範囲であることがより好ましい。総面積倍率が20倍以上であると、得られる多孔膜に十分な強度を付与できる傾向にあり、一方、総面積倍率が100倍以下であると、延伸工程における膜破断を防ぎ、高い生産性が得られる傾向にある。
多孔膜には、収縮を抑制する観点から熱固定を目的として熱処理を施すことが好ましい。熱処理の方法としては、物性の調整を目的とする延伸操作、並びに、延伸応力低減を目的とする緩和操作のうちの1つ以上が挙げられる。延伸操作を行った後に緩和操作を行っても構わない。これらの熱処理は、テンターやロール延伸機を用いて行うことができる。
延伸操作は、膜のMD及びTDのうちの1つ以上の方向に、1.1倍以上、より好ましくは1.2倍以上の延伸を施すことが、更なる高強度かつ高気孔率な多孔膜が得られる観点から好ましい。
緩和操作における緩和率(緩和操作後の膜の寸法を緩和操作前の膜の寸法で除した値)は、膜のMD及びTDのうちの1つ以上の方向に、1.0以下であることが好ましく、0.97以下であることがより好ましく、0.95以下であることが更に好ましい。緩和率は、膜品位の観点から0.5以上であることが好ましい。緩和操作は、MD及びTDの両方向で行ってもよいし、MD又はTDの片方だけについて行ってもよい。
この可塑剤抽出後の延伸及び緩和操作は、好ましくはTDに行う。延伸及び緩和操作における温度は、ポリオレフィン樹脂の融点(以下、「Tm」ともいう。)より低いことが好ましく、Tmより1℃から25℃低い範囲がより好ましい。延伸及び緩和操作における温度が上記範囲であると、熱収縮率低減と気孔率とのバランスの観点から好ましい。
[無機フィラーと樹脂製バインダとを含む多孔層]
無機フィラーと樹脂製バインダとを含む多孔層について説明する。
[無機フィラー]
前記多孔層に使用する無機フィラーとしては、特に限定されないが、耐熱性及び電気絶縁性が高く、かつリチウムイオン二次電池の使用範囲で電気化学的に安定であるものが好ましい。
無機フィラーとしては、例えば、アルミニウム化合物、マグネシウム化合物、その他化合物が挙げられる。
アルミニウム化合物としては、例えば、酸化アルミニウム、ケイ酸アルミニウム、水酸化アルミニウム、水酸化酸化アルミニウム、アルミン酸ソーダ、硫酸アルミニウム、リン酸アルミニウム、ハイドロタルサイト等が挙げられる。
マグネシウム化合物としては、例えば、硫酸マグネシウム、水酸化マグネシウム等が挙げられる。
その他化合物としては、例えば、酸化物系セラミックス、窒化物系セラミックス、粘土鉱物、シリコンカーバイド、炭酸カルシウム、チタン酸バリウム、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、ガラス繊維等が挙げられる。酸化物系セラミックスとしては、例えば、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、酸化鉄等が挙げられる。窒化物系セラミックスとしては、例えば、窒化ケイ素、窒化チタン、窒化ホウ素等が挙げられる。粘土鉱物としては、例えば、タルク、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。
上記の中でも、電気化学的安定性及び耐熱特性の観点から、酸化アルミニウム、水酸化酸化アルミニウム、及びケイ酸アルミニウムからなる群より選択される1種以上が好ましい。酸化アルミニウムの具体例としては、例えばアルミナ等が挙げられる。水酸化酸化アルミニウムの具体例としては、例えばベーマイト等が挙げられる。ケイ酸アルミニウムの具体例としては、例えば、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が挙げられる。
前記酸化アルミニウムとしては、電気化学的安定性の観点から、アルミナがより好ましい。多孔層を構成する無機フィラーとして、アルミナを主成分とする粒子を採用することにより、高い透過性を維持しながら、非常に軽量な多孔層を実現できる。更に、多孔層厚がより薄い場合であっても、多孔膜の高温における熱収縮が抑制され、優れた耐熱性を発現する傾向にある。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、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。この中でα−アルミナが、熱的・化学的に安定なので、最も好ましい。
前記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。多孔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により、高い透過性を維持しながら、非常に軽量な多孔層を実現できる。更に、多孔層厚がより薄い場合であっても、多孔膜の高温における熱収縮が抑制され、優れた耐熱性を発現する傾向にある。蓄電素子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、更に好ましい。
前記ケイ酸アルミニウムの中では、主にカオリン鉱物で構成されているカオリナイト(以下、カオリンともいう)が、軽量性及び透気度の観点から好ましい。カオリンには湿式カオリン及びこれを焼成処理した焼成カオリンがある。これらのうち焼成カオリンは、焼成処理の際に結晶水が放出されるのに加えて不純物が除去されるので、電気化学的安定性の点で特に好ましい。多孔層を構成する無機フィラーとして、焼成カオリンを主成分とする粒子を採用することにより、高い透過性を維持しながら、非常に軽量な多孔層を実現できる。更に、多孔層厚がより薄い場合であっても、多孔膜の高温における熱収縮が抑制され、優れた耐熱性を発現する傾向にある。
前記無機フィラーの平均粒径は、0.1μm以上10.0μm以下であることが好ましく、0.2μm以上5.0μm以下であることがより好ましく、0.4μm以上3.0μm以下であることが更に好ましい。無機フィラーの平均粒径を上記範囲に調整することは、透気度を高くするとともに、高温における熱収縮を抑制する観点から好ましい。
無機フィラーの粒度分布としては、以下のとおりであることが好ましい。最小粒径は、0.02μm以上であることが好ましく、0.05μm以上がより好ましく、0.1μm以上が更に好ましい。最大粒径は20μm以下が好ましく、10μm以下がより好ましく、7μm以下が更に好ましい。また、最大粒径/平均粒径の比率は、50以下が好ましく、30以下がより好ましく、20以下が更に好ましい。無機フィラーの粒度分布を上記範囲に調整することは、高温での熱収縮を抑制する観点から好ましい。無機フィラーの粒度分布は、最大粒径と最小粒径との間に、1つ又は複数の粒径ピークを更に有してもよい。無機フィラーの粒度分布を調整する方法としては、例えば、ボールミル、ビーズミル、ジェットミル等を用いて無機フィラーを粉砕し、所望の粒度分布に調整する方法、複数の粒径分布のフィラーを調整後ブレンドする方法等を挙げることができる。
無機フィラーの形状としては、板状、鱗片状、多面体、針状、柱状、球状、紡錘状、塊状等が挙げられる。上記形状を有する無機フィラーを複数種組み合わせて用いてもよい。これらの中でも、透過性向上の観点からは、板状、鱗片状、及び多面体からなる群より選択される1種以上の形状が好ましい。
前記無機フィラーが、前記多孔層中に占める割合としては、透過性、耐熱性等の観点から適宜決定することができる。上記割合は、50質量%以上であることが好ましく、より好ましくは70質量%以上、更に好ましくは80質量%以上、特に好ましくは95質量%以上、最も好ましくは97質量%以上とすることができる。また、上記割合は、100質量%未満であることが好ましく、より好ましくは99.99質量%以下、更に好ましくは99.9質量%以下、特に好ましくは99質量%以下である。
[樹脂製バインダ]
樹脂製バインダは、前述した無機フィラーを相互に結着する役割を果たす樹脂である。これに加えて、無機フィラーと多孔膜とを相互に結着する役割を果たす樹脂であることが好ましい。
樹脂製バインダの種類としては、セパレータとした時にリチウムイオン二次電池の電解液に対して不溶であり、かつリチウムイオン二次電池の使用範囲の環境において、電気化学的に安定なものを用いることが好ましい。
樹脂製バインダの具体例としては、例えば以下の1)〜7)が挙げられる。
1)ポリオレフィン:例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレンプロピレンラバー、及びこれらの変性体等;
2)共役ジエン系重合体:例えば、スチレン−ブタジエン共重合体及びその水素化物、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体及びその水素化物、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体及びその水素化物等;
3)アクリル系重合体:例えば、メタクリル酸エステル−アクリル酸エステル共重合体、スチレン−アクリル酸エステル共重合体、アクリロニトリル−アクリル酸エステル共重合体等;
4)ポリビニルアルコール系樹脂:例えば、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル;
5)含フッ素樹脂:例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体等;
6)セルロース誘導体:例えば、エチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等;
7)融点及び/又はガラス転移温度が180℃以上の樹脂、或いは融点を有しないが分解温度が200℃以上のポリマー:例えば、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリアミド、ポリエステル等。特に、耐久性の観点から全芳香族ポリアミド、中でもポリメタフェニレンイソフタルアミドが好適である。
中でも、電極とのなじみやすさの観点からは、上記2)共役ジエン系重合体が好ましく、耐電圧性の観点からは上記3)アクリル系重合体及び5)含フッ素樹脂空なる群より選択される1種以上が好ましい。
上記2)共役ジエン系重合体は、共役ジエン化合物を単量体単位として含む重合体である。
上記共役ジエン化合物としては、例えば、1,3−ブタジエン、2−メチル−1,3−ブタジエン、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、2−クロル−1,3−ブタジエン、置換直鎖共役ペンタジエン類、置換及び側鎖共役ヘキサジエン類等が挙げられる。これらは1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。中でも、特に1,3−ブタジエンが好ましい。
上記3)アクリル系重合体は、(メタ)アクリル系化合物を単量体単位として含む重合体である。上記(メタ)アクリル系化合物とは、(メタ)アクリル酸及び(メタ)アクリル酸エステルからなる群より選ばれる少なくとも1つを示す。
上記3)アクリル系重合体に用いられる(メタ)アクリル酸としては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸等を挙げることができる。
上記3)アクリル系重合体に用いられる(メタ)アクリル酸エステルとしては、例えば、(メタ)アクリル酸アルキルエステル、例えば、メチルアクリレート、メチルメタクリレート、エチルアクリレート、エチルメタクリレート、ブチルアクリレート、ブチルメタクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート、2−エチルヘキシルアメタクリレート等;
エポキシ基含有(メタ)アクリル酸エステル、例えば、グリシジルアクリレート、グリシジルメタクリレート等;が挙げられる。これらは1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。上記の中でも、特にアクリル酸及びメタクリル酸からなる群より選ばれる1種以上が好ましい。
上記2)共役ジエン系重合体及び3)アクリル系重合体は、それぞれ、共役ジエン化合物又は(メタ)アクリル系化合物と共重合可能な他の単量体を共重合させて得られるものであってもよい。用いられる共重合可能な他の単量体としては、例えば、不飽和カルボン酸アルキルエステル、芳香族ビニル系単量体、シアン化ビニル系単量体、ヒドロキシアルキル基を含有する不飽和単量体、不飽和カルボン酸アミド単量体、クロトン酸、マレイン酸、マレイン酸無水物、フマール酸、イタコン酸等が挙げられる。これらは1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。上記の中でも、特に不飽和カルボン酸アルキルエステル単量体が好ましい。不飽和カルボン酸アルキルエステル単量体としては、例えば、ジメチルフマレート、ジエチルフマレート、ジメチルマレエート、ジエチルマレエート、ジメチルイタコネート、モノメチルフマレート、モノエチルフマレート等が挙げられる。これらは1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。
上記2)共役ジエン系重合体は、他の単量体として上記(メタ)アクリル系化合物を共重合させて得られるものであってもよい。
[多孔層の構造及び形成方法]
多孔層の層厚は、耐熱性、絶縁性を向上させる観点から、1μm以上であることが好ましく、より好ましくは1.0μm以上、更に好ましくは1.2μm以上、特に好ましくは1.5μm以上、とりわけ好ましくは1.8μm以上、最も好ましくは2.0μm以上である。また、電池の高容量化と透過性を向上させる観点から、50μm以下であることが好ましく、より好ましくは20μm以下、更に好ましくは10μm以下、特に好ましくは7μm以下である。
多孔層における無機フィラーの充填率としては、軽量性及び高透過性の観点から、95体積%以下が好ましく、80体積%以下がより好ましく、70体積%以下が更に好ましく、60体積%以下が特に好ましい。熱収縮抑制及びデンドライト抑制の観点から、無機フィラー充填率の下限としては、20体積%以上が好ましく、30体積%以上がより好ましく、40体積%以上が更に好ましい。無機フィラーの充填率は、多孔層の層厚、並びに無機フィラーの質量及び比重から算出することができる。
多孔層は、多孔膜の片面にのみ形成しても、両面に形成してもよい。
多孔層の形成方法としては、例えば、ポリオレフィン樹脂を主成分とする多孔膜の少なくとも片面に、無機フィラーと樹脂製バインダとを含む塗布液を塗布して多孔層を形成する方法等を挙げることができる。
塗布液中の樹脂製バインダの形態としては、水に溶解又は分散した水系溶液又は分散液であっても、一般的な有機媒体に溶解又は分散した有機媒体系溶液又は分散液であってもよいが、樹脂製ラテックスが好ましい。「樹脂製ラテックス」とは、樹脂が媒体に分散した状態の分散液を示す。樹脂製ラテックスをバインダとして用いた場合、無機フィラーとバインダとを含む多孔層をポリオレフィン多孔膜の少なくとも片面に積層したときに、イオン透過性が低下し難く、高出力特性のセパレータが得られ易い。加えて、異常発熱時の温度上昇が速い場合においても、円滑なシャットダウン特性を示し、高い安全性が得られ易い。
樹脂製ラテックスバインダの平均粒径は、50〜1,000nmであることが好ましく、より好ましくは60〜500nm、更に好ましくは80〜250nmである。平均粒径が50nm以上である場合、無機フィラーとバインダとを含む多孔層をポリオレフィン多孔膜の少なくとも片面に積層した際、良好な結着性を発現し、セパレータとした場合に熱収縮が良好となり、安全性に優れる傾向にある。平均粒径が1,000nm以下である場合、イオン透過性が低下し難く、高出力特性が得られ易い。加えて、異常発熱時の温度上昇が速い場合においても、円滑なシャットダウン特性を示し、高い安全性が得られ易い。平均粒径は、樹脂製バインダを製造する際の重合時間、重合温度、原料組成比、原料投入順序、pH、撹拌速度等を調整することにより、制御することが可能である。
塗布液の媒体としては、前記無機フィラー及び前記樹脂製バインダを、均一かつ安定に分散又は溶解できるものが好ましい。具体的には、例えば、N−メチルピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、水、エタノール、トルエン、熱キシレン、塩化メチレン、ヘキサン等が挙げられる。
塗布液には、分散安定化、塗工性等の向上のために、界面活性剤等の分散剤;増粘剤;湿潤剤;消泡剤;酸又はアルカリを含むpH調整剤等の各種添加剤を加えてもよい。これら添加剤の総添加量は、無機フィラー100質量部に対して、その有効成分(添加剤が溶媒に溶解している場合は溶解している添加剤成分の質量)量として、20質量部以下が好ましく、より好ましくは10質量部以下、更に好ましくは5質量部以下である。
無機フィラーと樹脂製バインダとを、塗布液の媒体に分散又は溶解させる方法については、塗布工程に必要な塗布液の分散特性を実現できる方法であれば特に限定はない。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等が挙げられる。
塗布液を多孔膜に塗布する方法については、必要とする層厚及び塗布面積を実現できる方法であれば特に限定はない。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、スプレー塗布法等が挙げられる。
更に、塗布液の塗布に先立ち、多孔膜表面に表面処理を施すと、塗布液を塗布し易くなると共に、塗布後の無機フィラー含有多孔層と多孔膜表面との接着性が向上するため、好ましい。表面処理の方法としては、多孔膜の多孔質構造を著しく損なわない方法であれば特に限定はない。例えば、コロナ放電処理法、プラズマ放電処理法、機械的粗面化法、溶剤処理法、酸処理法、紫外線酸化法等が挙げられる。
塗布後に塗布膜から媒体を除去する方法については、多孔膜に悪影響を及ぼさない方法であれば特に限定はない。例えば、多孔膜を固定しながらその融点以下の温度において乾燥する方法、低温で減圧乾燥する方法、抽出乾燥等が挙げられる。また電池特性に著しく影響を及ぼさない範囲において溶媒を一部残存させても構わない。多孔膜及び多孔層を積層した多孔膜のMD方向の収縮応力を制御する観点から、乾燥温度、巻取り張力等を、適宜調整することが好ましい。
[蓄電デバイス用セパレータ]
本発明のセパレータは、基材上にポリマー層を備えることにより、電極活物質との接着性に優れる。
上記セパレータの透気度は、10秒/100cc以上650秒/100cc以下であることが好ましく、より好ましくは20秒/100cc以上500秒/100cc以下、更に好ましくは30秒/100cc以上450秒/100cc以下、特に好ましくは50秒/100cc以上400秒/100cc以下である。透気度が10秒/100cc以上であると、電池用セパレータとして使用した際の自己放電が少なくなる傾向にあり、650秒/100cc以下であると、良好な充放電特性が得られる傾向にある。
上記セパレータの最終的な膜厚は、2μm以上200μm以下であることが好ましく、より好ましくは5μm以上100μm以下、更に好ましくは7μm以上30μm以下である。膜厚が2μm以上であると、機械強度が十分となる傾向にある。また、200μm以下であると、セパレータの占有体積が減るため、電池の高容量化の点において有利となる傾向にある。
上記セパレータの剥離強度(セパレータと電極との接着性)は、セパレータの熱可塑性ポリマーを含有する層側を正極集電体のアルミニウム箔に、80℃において10MPaの圧力で2分間加圧した場合の剥離強度(以下、「加熱剥離強度」ともいう。)として測定される。上記セパレータの剥離強度としては、前記加熱剥離強度の値が4mN/mm以上であることが好ましい。加熱剥離強度が上記範囲にあるセパレータは、後述の蓄電デバイスに適用する際に、電極とセパレータとの密着性に優れる点で好ましい。上記の加熱剥離強度の測定方法については、後述の実施例において具体的に記載される。
また、本実施形態におけるセパレータは、該セパレータを2枚重ねて、その積層方向に、温度25℃において圧力5MPaで3分間加圧した後の90°剥離強度(以下、「常温剥離強度」ともいう。)が、40mN/mm以下であることが好ましく、20mN/mm以下であることがより好ましい。この要件を満たすことにより、セパレータが耐ブロッキング性に更に優れ、そのハンドリング性がより良好になるという効果が得られる。
常温剥離強度の具体的な測定方法は、後述の実施例において記載される。
常温剥離強度及び加熱剥離強度が上記範囲内であると、上記セパレータを電極に加熱プレスした際の密着性が更に向上する観点から好ましい。このような効果が得られる理由は定かでない。しかし本発明者等は、その理由を以下のように推察している。
常温剥離強度が上記範囲内にあることは、上記セパレータの熱可塑性ポリマーを含有する層において、その最表面側にガラス転移温度の高い熱可塑性樹脂が多く存在し、かつ、基材側にガラス転移温度の低い熱可塑性樹脂が多く存在していることを示していると考えられる。すなわち、熱可塑性ポリマーを含有する層の最表面側にガラス転移温度の高い熱可塑性樹脂が多く存在することによってベタツキ性が抑制される。また、ガラス転移温度の高い熱可塑性樹脂は、電極との密着性に優れる。その結果として、ベタツキ性が低いこと、及び電極への密着性に優れることの双方が両立されたセパレータが得られるものと推察される。
一方、熱可塑性ポリマーを含有する層の基材側にガラス転移温度の低い熱可塑性樹脂が多く存在することにより、基材と熱可塑性ポリマーとの接着性が向上する。その結果、基材と熱可塑性樹脂との界面における剥離が抑制され、結果として電極への密着性に優れたセパレータが得られるものと推察される。
[蓄電デバイス]
次に、本実施形態における蓄電デバイスについて説明する。
上記蓄電デバイスは、上記セパレータを備えるものである。それ以外の構成は、従来知られているものと同様であってよい。
本実施形態における蓄電デバイスとしては、特に限定されないが、例えば、非水電解液電池等の電池、コンデンサー、キャパシタ等であってよい。それらの中でも、非水電解液電池が好ましく、非水電解液二次電池がより好ましく、リチウムイオン二次電池が更に好ましい。以下、蓄電デバイスが非水電解液電池である場合についての好適な態様について説明する。
上記セパレータを備える非水電解液電池は、セパレータ以外に、正極、負極、及び非水電解液を備える。正極、負極、及び非水電解液としては、それぞれ、特に限定されず、公知のものを用いることができる。
正極材料(正極活物質)としては、特に限定されないが、例えば、LiCoO、LiNiO、スピネル型LiMnO、オリビン型LiFePO等のリチウム含有複合酸化物が挙げられる。また、負極材料としては、特に限定されないが、例えば、黒鉛質、難黒鉛化炭素質、易黒鉛化炭素質、複合炭素体等の炭素材料;シリコン、スズ、金属リチウム等の他、各種合金材料が挙げられる。正極及び負極は、それぞれ、集電体を備えてもよい。正極集電体としては、例えばアルミニウム箔が挙げられ、負極集電体としては、例えば銅箔が挙げられる。
非水電解液としては、特に限定されないが、電解質を有機溶媒に溶解した電解液を用いることができる。有機溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等、及びこれらの混合溶媒が挙げられる。また、電解質としては、例えば、LiClO、LiBF、LiPF等のリチウム塩が挙げられる。
上記蓄電デバイスは、特に限定されないが、例えば、下記のようにして製造される。
上記セパレータを、幅10〜500mm(好ましくは80〜500mm)、長さ200〜4,000m(好ましくは1,000〜4,000m)の縦長形状のセパレータとして作製する。次に、当該セパレータを、正極及び負極と共に、正極−セパレータ−負極−セパレータ、又は負極−セパレータ−正極−セパレータの順で重ねて積層物を得る。次いで、その積層物を、円筒形の又は扁平な渦巻状に巻回して巻回体を得る。そして、当該巻回体を外装体内に収納し、更に電解液を注入する等の工程を経ることにより、蓄電デバイスが得られる。
上記蓄電デバイスは、セパレータ、正極、及び負極を平板状に形成した後、正極−セパレータ−負極−セパレータ−正極、又は負極−セパレータ−正極−セパレータ−負極の順に積層して積層体を得た後、外装体内に収容し、そこに電解液を注入する等の工程を経て製造することもできる。
上記外装体としては、金属缶(電池缶)、袋状のフィルム等を用いることができる。これらの中でも、上記セパレータによる作用効果による利益がより有効に得られる観点から、角型電池缶又は袋状のフィルムを用いることが好ましい。
上記蓄電デバイスにおいて、上記セパレータは、電極と接着していることが好ましい。以下、上記セパレータと電極とを接着して得られたものを「電極−セパレータ接着体」、また単に「接着体」ともいう。ここで、「接着」とは、セパレータと電極との剥離強度が、好ましくは4mN/mm以上、より好ましくは6mN/mm以上、更に好ましくは8mN/mm以上であることをいう。
上記接着体を製造するための方法は、特に限定されないが、例えば、上記セパレータと電極とを重ねた後、加熱及びプレスのうちの少なくとも1種の加工を行うことにより、製造することができる。
上記の加熱及びプレスは、それぞれ、電極とセパレータとを重ねた状態で行うことができる。例えば、上述の巻回体又は積層体を形成して加熱及びプレスのうちの少なくとも1種の加工を行うことができる。
上記加熱及びプレスは、それぞれ、電極及びセパレータを、外装体に収容する前に行ってもよく、外装体に収容した後に行ってもよく、更には外装体に収容する前及び後の双方に行ってもよい。
加熱及びプレスのうちの少なくとも1種の加工を、電極及びセパレータを外装体に収容した後に行う場合には、外装体に電解液を注入する前に行ってもよく、注入した後に行ってもよく、更には、電解液を注入する前及び後の双方に行ってもよい。
特に外装体として袋状のフィルムを使用する場合には、電極及びセパレータを外装体に収容し、更に電解液を注入した後に、加熱及びプレスのうちの少なくとも1種の加工を行うことが好ましい。この時、電極及びセパレータのずれを防止する観点から、これらを外装体に収容する前に加熱及びプレスのうちの少なくとも1種の加工を行うことが好ましい。
上記加熱時の温度としては、40〜120℃が好ましい。加熱時間は5秒〜5時間が好ましい。
上記プレス時の圧力としては、1〜30MPaが好ましい。プレス時間は5秒〜5時間が好ましい。
また、加熱及びプレスの双方を行う場合、その順序は、加熱をしてからプレスをしても、プレスをしてから加熱をしても、プレスと加熱とを同時に行ってもよい。この中でも、プレスと加熱とを同時に行うことが好ましい。
次に、実施例及び比較例を挙げて本実施形態をより具体的に説明する。しかしながら、本実施形態はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
実施例又は比較例中の物性は、それぞれ以下の方法により測定した。なお、特に測定雰囲気が明示されていないものは、23℃、1気圧、及び相対湿度50%の大気中において測定した。
(1)ポリオレフィンの粘度平均分子量(Mv)
ASTM−D4020に準拠して、デカリン溶媒中における135℃での極限粘度[η](dl/g)を求めた。
ポリエチレンのMvは、次式により算出した。
[η]=6.77×10−4Mv0.67
ポリプロピレンのMvは、次式により算出した。
[η]=1.10×10−4Mv0.80
(2)厚さ
(2−1)基材及び蓄電デバイス用セパレータ層の厚さ(μm)
基材及び蓄電デバイス用セパレータからそれぞれMD10mm×TD10mmのサンプルを切り出した。該サンプル面上で格子状に9箇所(3点×3点)を選び、各箇所の膜厚を微小測厚器(東洋精機製作所(株) タイプKBM)を用いて室温23±2℃で測定した。各々、9箇所の測定値の平均値を、基材及び蓄電デバイス用セパレータの膜厚(μm)とした。
(2−2)ポリマー層の厚さ(μm)
ポリマー層の厚さは、走査型電子顕微鏡(SEM)「型式S−4800、HITACHI社製」を用い、セパレータの断面観察により測定した。セパレータのサンプルを1.5mm×2.0mm程度に切り取り、ルテニウム染色した。ゼラチンカプセル内に染色サンプル及びエタノールを入れ、液体窒素により凍結させた後、ハンマーでサンプルを割断した。このサンプルに対してオスミウムを蒸着したうえで、加速電圧1.0kV、30,000倍にて観察し、ポリマー層の厚さを算出した。なお、SEM画像にて基材断面の多孔構造が見えない最表面領域をポリマー層の領域とした。
(2−3)多孔膜及び多孔層の厚さ
基材が、多孔膜と多孔層とを含む多層多孔膜である場合、それぞれの膜厚は以下のように測定する。多孔膜及び多層多孔膜からそれぞれMD10mm×TD10mmのサンプルを切り出し、格子状に9箇所(3点×3点)を選んで、膜厚をダイヤルゲージ(尾崎製作所製PEACOCK No.25(登録商標))を用いて測定し、9箇所の測定値の平均値を多孔膜及び多層多孔膜の膜厚(μm)とした。また、このように測定された多層多孔膜の膜厚と多孔膜の膜厚との差を多孔層の層厚(μm)とした。
(3)多孔膜の気孔率
多孔膜から10cm×10cm角のサンプルを切り取り、その体積(cm)及び質量(g)を求めた。これらの値を用い、多孔膜の密度を0.95(g/cm)として、気孔率を次式により計算した。
気孔率(%)=(1−質量/体積/0.95)×100
(4)平均孔径(μm)
多孔膜のキャピラリー内部の流体は、流体の平均自由工程がキャピラリーの孔径より大きいときはクヌーセンの流れに、小さい時はポアズイユの流れに従うことが知られている。そこで、微多孔膜の透気度測定における空気の流れはクヌーセンの流れに、微多孔膜の透水度測定における水の流れはポアズイユの流れに、それぞれ従うと仮定する。
平均孔径d(μm)は、空気の透過速度定数Rgas(m/(m・sec・Pa))、水の透過速度定数Rliq(m/(m・sec・Pa))、空気の分子速度ν(m/sec)、水の粘度η(Pa・sec)、及び標準圧力Ps(=101325Pa)から、次式を用いて求めた。
d=2ν×(Rliq/Rgas)×(16η/3Ps)×10
ここで、Rgas及びRliqは、それぞれ、次式を用いて求められる。
gas=0.0001/(透気度×(6.424×10−4)×(0.01276×101325))
liq=透水度/100
なお、透気度及び透水度は、それぞれ、次のように求められる。
[透気度]
ここでいう透気度は、微多孔膜について後述の「(5)基材及びセパレータの透気度」の記載に準拠して測定することにより、透気抵抗度として得ることができる。
[透水度]
直径41mmのステンレス製の透液セルに、予めエタノールに浸しておいた微多孔膜をセットし、該膜のエタノールを水で洗浄した。その後、約50,000Paの差圧で水を透過させ、120sec経過した際の透水量(cm)より、単位時間・単位圧力・単位面積当たりの透水量を計算し、これを透水度とした。
また、νは気体定数R(=8.314)、絶対温度T(K)、円周率π、及び空気の平均分子量M(=2.896×10−2kg/mol)から、次式を用いて求められる。
ν={(8R×T)/(π×M)}1/2
(5)基材の透気度
JIS P−8117準拠のガーレー式透気度計(東洋精機製G−B2(商標)、内筒質量:567g)を用い、645mmの面積(直径28.6mmの円)の基材について、空気100ccが通過する時間(秒)を測定し、これを基材の透気度(秒/100cc)とした。
(6)突刺強度(g)
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の試料ホルダーで多孔膜(基材)を固定した。次に、固定された多孔膜の中央部を、先端の曲率半径0.5mmの針を用いて、突刺速度2mm/secで、25℃雰囲気下におい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(g)を得た。
(7)熱可塑性ポリマーのガラス転移温度
熱可塑性ポリマーの塗工液(不揮発分=38〜42%、pH=9.0)をアルミ皿に適量とり、130℃の熱風乾燥機で30分間乾燥した。乾燥後の乾燥皮膜約17mgを測定用アルミ容器に詰め、DSC測定装置(島津製作所社製、DSC6220)にて窒素雰囲気下におけるDSC曲線及びDDSC曲線を得た。なお測定条件は下記のとおりとした。
(1段目昇温プログラム)
70℃スタート、毎分15℃の割合で昇温、110℃に到達後5分間維持。
(2段目降温プログラム)
110℃から毎分所定の割合で降温、−50℃に到達後所定時間維持。
上記2段目降温プログラムにおける降温速度、及び−50℃の維持時間は、それぞれ、以下のとおりである。
(製造例A1及びA2)
降温速度 40℃/min
維持時間 5分間
(製造例A3〜A23及びA25)
降温速度 30℃/min
維持時間 4分間
(3段目昇温プログラム)
−50℃から毎分15℃の割合で130℃まで昇温。この3段目の昇温時にDSC及びDDSCのデータを取得した。
そして、ベースライン(得られたDSC曲線におけるベースラインを高温側に延長した直線)と、変曲点(上に凸の曲線が下に凸の曲線に変わる点)における接線との交点をガラス転移温度(Tg)とした。
(8)熱可塑性ポリマーのゲル分率(トルエン不溶分、製造例A1及びA2)
テフロン(登録商標)板上に、熱可塑性ポリマーの塗工液(不揮発分=38〜42%、pH=9.0)をスポイトで滴下し(直径5mm以下)、130℃の熱風乾燥機で30分間乾燥した。乾燥後、乾燥皮膜を約0.5g精秤(a)し、それを50mLポリエチレン容器に取り、そこに30mLのトルエンを注ぎ入れ、3時間室温で振とうした。その後、内容物を325メッシュでろ過し、メッシュ上に残ったトルエン不溶分をメッシュごと、130℃の熱風乾燥機で1時間乾燥させた。なお、ここで使用する325メッシュは、予めその乾燥質量を測っておいたものである。
そして、トルエンを揮発させた後、トルエン不溶分の乾燥体及び325メッシュの合計質量から、予め測っておいた325メッシュ質量を差し引くことにより、トルエン不溶分の乾燥質量(b)を得た。ゲル分率(トルエン不溶分)は、以下の計算式を用いて算出した。
熱可塑性ポリマーのゲル分率(トルエン不溶分)(%)=(b)/(a)×100
(9)熱可塑性ポリマーの電解液に対する膨潤度(倍)
熱可塑性ポリマー又は熱可塑性ポリマーを分散させた溶液を130℃のオーブン中に1時間静置した後、乾燥させた熱可塑性ポリマーを0.5gになるように切り取り、所定の成分及び混合比の混合溶媒10gと一緒に50mLのバイアル瓶に入れ、所定時間浸透させた後、サンプルを取り出し、上記混合溶媒にて洗浄し、質量(Wa)を測定した。その後、150℃のオーブン中に1時間静置したあと質量(Wb)を測定し、以下の式より熱可塑性ポリマーの電解液に対する膨潤度を測定した。
熱可塑性ポリマーの電解液に対する膨潤度(倍)=(Wa−Wb)/(Wb)
上記混合溶媒の成分、混合比、及び浸透時間は、それぞれ、以下のとおりとした。
混合比 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)
浸透時間 3時間
(10)ポリマー層の観察方法(ボロノイ分割)
i)3視野を用いる評価
走査型電子顕微鏡S−4800(株式会社日立ハイテクノロジーズ製)を用い、ポリマー粒子の粒径に応じて倍率1万倍又は3万倍でセパレータ上のポリマー層表面を3つの視野で写真撮影した。これら3つの視野に含まれる粒状の熱可塑性ポリマーについての面積密度、ボロノイ多角形の面積(s)の分散(σ)、及び投影面積(c)とボロノイ多角形の面積(s)との比(c/s)を、それぞれ3つの視野の平均値として得た。ここで、面積密度、ボロノイ多角形の面積(s)の分散(σ)、及び比(c/s)は、画像処理ソフトウェア「A像くん」(登録商標;旭化成エンジニアリング株式会社製)を用いて自動的に算出された。また、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、ボロノイ多角形の面積を計算するための対象としなかった。
ii)95視野を用いる評価
走査型電子顕微鏡S−4800(株式会社日立ハイテクノロジーズ製)を用い、ポリマー粒子の粒径に応じて倍率1万倍又は3万倍でセパレータ上のポリマー層表面を写真撮影した。得られた画像を用いて図5及び6に示したように5区画95視野を設定した。これら95個の視野に含まれる粒状の熱可塑性ポリマーについての面積密度、ボロノイ多角形の面積密度、ボロノイ多角形の面積(s)の分散(σ)、及び投影面積(c)とボロノイ多角形の面積(s)との比(c/s)を、上記i)と同様にして、それぞれ95視野の平均値として得た。
(11)熱可塑性ポリマーの平均粒径
熱可塑性ポリマーの平均粒径は、粒子径測定装置(日機装株式会社製、Microtrac UPA150)を使用し、測定した。測定条件としては、ローディングインデックス=0.15〜0.3、測定時間300秒とし、得られたデータにおける50%粒子径の数値を粒子径として記載した。
(12)ポリマー層の目付(ポリマー層の基材に対する担持量)
10cm×10cm角の試料を基材(ポリオレフィン微多孔膜、又は、ポリオレフィン微多孔膜+無機フィラー多孔層)から切り取り、(株)島津製作所製の電子天秤AEL−200を用いて質量を測定した。得られた質量を100倍することにより、1m当りの基材の目付け(g/m)を算出した。次に、10cm×10cm角の試料をセパレータ(ポリマー層+基材)から切り取り、(株)島津製作所製の電子天秤AEL−200を用いて質量を測定した。得られた質量を100倍することにより、1m当りのセパレータの目付け(g/m)を算出した。1m当りのセパレータの目付け(g/m)から1m当りの基材の目付け(g/m)を減算することにより、1m当りのポリマー層の目付け(ポリマー層の基材に対する担持量、g/m)を算出した。
(13)共重合体の赤外吸収分析
BIO RAD製の赤外吸収分析装置(製品名「FTS−60A/896 UMA300」)を用い以下のようにして測定した。
共重合体の水分散液を60℃にて24時間真空乾燥し、白色の測定サンプルを得た。これをめのう製乳鉢で粉砕した。同様にKBrを用意し、めのう製乳鉢で粉砕した。KBr100mgに対して、測定サンプル0.5mgを加え、測定サンプルとKBとをめのう製乳鉢で十分にすり混ぜた後、錠剤を作製した。この錠剤をサンプルにして、下記の条件下で測定を行った。なお、測定前にバックグラウンドの測定を行った。
測定モード:顕微透過法
検出器:MCT
ビームスプリッター:KBr(臭化カリウム)
スキャンスピード:20kHz
積算回数:64回
分解能:4cm−1
測定波長:4,000〜700cm−1
得られた赤外吸収スペクトルから、以下のようにしてA(Ac)、A(An)、及びA(Ar)を求め、赤外吸収ピーク強度比A(An)/A(Ac)又はA(Ar)/A(Ac)を計算した。
A(Ac):1,720cm−1〜1,750cm−1の波長範囲で最も強度が大きい赤外吸収ピークの強度
A(An):2,220cm−1〜2,260cm−1の波長範囲で最も強度が大きい赤外吸収ピークの強度
A(Ar):740cm−1〜770cm−1の波長範囲で最も強度が大きい赤外吸収ピークの強度
(14)加熱剥離強度
被着体として正極集電体(冨士加工紙(株)製アルミニウム箔、厚さ:20μm)を30mm×150mmに切り取った。一方、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを2:3の比率(体積比)にて混合した電解液(富山薬品工業製)に、セパレータ(サイズ:幅20mm、長さ100mm)を浸漬して十分に濡らした後に引き上げた。次いで、上記集電体に十分に濡らした基材を重ね合わせた後、それらを2枚のテフロン(登録商標)シート(ニチアス(株)製ナフロンPTFEシート TOMBO−No.9000(製品名))で挟んだ。それらに対して、80℃、10MPaの条件で、2分間プレスを行って得られた積層体を加熱剥離強度試験用のサンプルとした。得られた試験用サンプルのセパレータと集電体との間の90°剥離強度を、(株)イマダ製のフォースゲージZP5N及びMX2−500N(製品名)を用いて、引張速度50mm/分で測定し、以下の基準で評価した。
加熱剥離強度の評価基準
◎(極めて良好):剥離強度が、8mN/mm以上
○(良好):剥離強度が、6mN/mm以上8mN/mm未満
△(可):剥離強度が、4mN/mm以上6mN/mm未満
×(不良):剥離強度が、4mN/mm未満
(15)セパレータの接着性評価
上記「(14)加熱剥離強度において、基材の代わりに各実施例及び比較例で得たセパレータをそれぞれ用い、これをそのポリマー層側を接着面として集電体に重ね合わせた他は上記と同様にして評価した。
(16)レート特性
a.正極の作製
正極活物質としてニッケル、マンガン、コバルト複合酸化物(NMC)(Ni:Mn:Co=1:1:1(元素比)、密度4.70g/cm)を90.4質量%、導電助材としてグラファイト粉末(KS6)(密度2.26g/cm、数平均粒子径6.5μm)を1.6質量%及びアセチレンブラック粉末(AB)(密度1.95g/cm、数平均粒子径48nm)を3.8質量%、並びにバインダとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)(密度1.75g/cm)を4.2質量%の比率で混合し、これらを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を用いて塗布し、130℃において3分間乾燥した後、ロールプレス機を用いて圧縮成形することにより、正極を作製した。この時の正極活物質塗布量は109g/mであった。
b.負極の作製
負極活物質としてグラファイト粉末A(密度2.23g/cm、数平均粒子径12.7μm)を87.6質量%及びグラファイト粉末B(密度2.27g/cm、数平均粒子径6.5μm)を9.7質量%、並びにバインダ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質量%(固形分換算)(固形分濃度1.83質量%水溶液)及びジエンゴム系ラテックス1.7質量%(固形分換算)(固形分濃度40質量%水溶液)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布し、120℃において3分間乾燥した後、ロールプレス機で圧縮成形することにより、負極を作製した。この時の負極活物質塗布量は5.2g/mであった。
c.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/Lとなるように溶解させることにより、非水電解液を調製した。
d.電池組立
セパレータとしての基材を24mmφ、正極及び負極をそれぞれ16mmφの円形に切り出した。正極と負極の活物質面とが対向するように、負極、セパレータ、正極の順に重ね、蓋付きステンレス金属製容器に収容した。容器と蓋とは絶縁されており、容器は負極の銅箔と、蓋は正極のアルミニウム箔と、それぞれ接していた。この容器内に前記非水電解液を0.4ml注入して密閉することにより、電池を組み立てた。
e.レート特性の評価
d.で組み立てた簡易電池を、25℃において、電流値3mA(約0.5C)で電池電圧4.2Vまで充電した後、4.2Vを保持するようにして電流値を3mAから絞り始めるという方法により、電池作成後の最初の充電を合計約6時間行った。その後、電流値3mAで電池電圧3.0Vまで放電した。
次に、25℃において、電流値6mA(約1.0C)で電池電圧4.2Vまで充電した後、4.2Vを保持するようにして電流値を6mAから絞り始めるという方法により、合計約3時間充電を行った。その後、電流値6mAで電池電圧3.0Vまで放電した時の放電容量を1C放電容量(mAh)とした。
次に、25℃において、電流値6mA(約1.0C)で電池電圧4.2Vまで充電した後、4.2Vを保持するようにして電流値を6mAから絞り始めるという方法により、合計約3時間充電を行った。その後、電流値12mA(約2.0C)で電池電圧3.0Vまで放電した時の放電容量を2C放電容量(mAh)とした。
そして、1C放電容量に対する2C放電容量の割合を算出し、この値をレート特性とした。
レート特性(%)=(2C放電容量/1C放電容量)×100
レート特性(%)の評価基準
◎(極めて良好):レート特性が、90%超
○(良好):レート特性が、85%超90%以下
△(可):レート特性が、80%超85%以下
×(不良):レート特性が、80%以下
(17)サイクル特性
セパレータとして各実施例及び比較例で得たセパレータを使用した他は上記(17)a〜dのように組み立てた簡易電池を用いて、サイクル特性の評価を行った。
上記の電池を、1/3Cの電流値で電圧4.2Vまで定電流充電した後、4.2Vの定電圧充電を8時間行い、その後1/3Cの電流で3.0Vの終止電圧まで放電を行った。次に、1Cの電流値で電圧4.2Vまで定電流充電した後、4.2Vの定電圧充電を3時間行い、更に1Cの電流で3.0Vの終止電圧まで放電を行った。最後に1Cの電流値で4.2Vまで定電流充電をした後、4.2Vの定電圧充電を3時間行い、前処理とした。なお、1Cとは電池の基準容量を1時間で放電する電流値を表す。
上記前処理を行った電池を、温度25℃の条件下で、放電電流1Aで放電終止電圧3Vまで放電を行った後、充電電流1Aで充電終止電圧4.2Vまで充電を行った。これを1サイクルとして充放電を繰り返した。そして、初期容量(第1回目のサイクルにおける容量)に対する200サイクル後の容量保持率を用いて、以下の基準でサイクル特性を評価した。
サイクル特性の評価基準
◎(極めて良好):容量保持率95%以上100%以下
○(良好):容量保持率90%以上95%未満
△(可):容量保持率85%以上90%未満
×(不良):容量保持率85%未満
(18)高温保存特性
セパレータとして各実施例及び比較例で得たセパレータをそれぞれ使用した他は上記(16)a〜dのように組み立てた簡易電池を用いて、高温保存特定の評価を行った。
上記の電池を、25℃気下、3mA(約0.5C)の電流値で電池電圧4.2Vまで充電し、到達後4.2Vを保持するようにして電流値を3mAから絞り始めるという方法により、合計6時間の充電を行った。その後、3mAの電流値で電池電圧3.0Vまで放電した。
次に25℃雰囲気下、6mA(約1.0C)の電流値で電池電圧4.2Vまで充電し、到達後4.2Vを保持するようにして電流値を6mAから絞り始めるという方法により、合計3時間充電を行った。そして6mAの電流値で電池電圧3.0Vまで放電した時の放電容量をA(mAh)とした。
次に25℃雰囲気下、6mA(約1.0C)の電流値で電池電圧4.2Vまで充電し、到達後4.2Vを保持するようにして電流値を6mAから絞り始めるという方法により、合計3時間充電を行った。充電状態に保持したセルを60℃雰囲気下で7日間保持した。その後セルを取り出し、25℃雰囲気下、6mAの電流値で電池電圧3.0Vまで放電した。次に25℃雰囲気下、6mA(約1.0C)の電流値で電池電圧4.2Vまで充電し、到達後4.2Vを保持するようにして電流値を6mAから絞り始めるという方法により、合計3時間充電を行った。更に6mAの電流値で電池電圧3.0Vまで放電した時の放電容量をB(mAh)とした。
そして、BのAに対する比率を用いて、以下の基準により高温保存特性を評価した。
高温保存特性の評価基準
○(良好):BのAに対する比率が70%以上である。
×(不良):BのAに対する比率が70%未満である。
(19)耐酸化性
NCセルによるトリクル試験後のセパレータ表面の黒色化具合を観察して耐酸化性を評価した。
詳細には、以下のとおりである。
各実施例及び比較例で得られたセパレータのそれぞれを18mmφに切り出した。また、上記「(16)レート特性」と同様にして作製した正極及び負極を、それぞれ16mmφの円形(円板)に切り出した。そして、正極と負極との活物質面が対向するよう、正極、セパレータ、及び負極の順に積層した後に、蓋付きステンレス金属製容器に収納した。容器と蓋とは絶縁されており、容器は負極の銅箔と、蓋は正極のアルミニウム箔と、それぞれ接するように配置した。この容器内に上記電解液を注入して密閉し、その状態で室温にて1日放置することにより、電池を作製した。ここで、電解液としては、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ることにより調製したものを用いた。
次いで、上記の電池につき、25℃の雰囲気下、6mA(1.0C)の電流値で電池電圧4.2Vまで充電し、更に4.2Vを保持するようにして電流値を6mAから絞り始めるという方法により、合計3時間充電を行った。次に6mA(1.0C)の電流値で電池電圧3.0Vまで放電した。次に、60℃雰囲気下、6mA(1.0C)の電流値で電池電圧4.2Vまで充電し、更に4.2Vを保持するようにして電流値を6mAから絞り始めるという方法により、合計3時間充電を行った。次いで、4.2Vを保持するように充電を続けた状態にて60℃の雰囲気下で4日間保存を行った後、6mA(1.0C)の電流値で電池電圧3.0Vまで放電した。この電池からセパレータを取り出し、付着物を取り除くためにジメトキシエタン、エタノール、及び1規定の塩酸中で、順次に各15分間の超音波洗浄を行った。その後、空気中にて乾燥し、セパレータの正極接触面側の水分散液塗布部の黒色変色具合を目視にて観察し、耐酸化性の評価を行った。
黒色に変色した割合が面積当たりで5%以下のものを◎(極めて良好)、5%を超えて10%以下のものを○(良好)、10%を超えるものを×(不良)と判定した。
<基材の製造>
製造例B1
(基材B1−1の製造)
Mvが70万であるホモポリマーの高密度ポリエチレンを45質量部と、
Mvが30万であるホモポリマーの高密度ポリエチレンを45質量部と、
Mvが40万であるホモポリマーのポリプロピレン5質量部とを、
タンブラーブレンダーを用いてドライブレンドした。
得られたポリオレフィン混合物99質量部に酸化防止剤としてテトラキス−[メチレン−(3’,5’−ジ−t−ブチル−4’−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]メタンを1質量部添加し、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、混合物を得た。
得られた混合物を、窒素雰囲気下で二軸押出機へ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。
押し出される全混合物中の、流動パラフィンの割合が65質量部、及びポリマー濃度が35質量部となるように、フィーダー及びポンプの運転条件を調整した。
次いで、それらを二軸押出機内で230℃に加熱しながら溶融混練し、得られた溶融混練物を、T−ダイを経て表面温度80℃に制御された冷却ロール上に押し出し、その押出物を冷却ロールに接触させ成形(cast)して冷却固化することにより、シート状成形物を得た。
このシートを同時二軸延伸機にて、温度112℃において倍率7×6.4倍に延伸した。その後、延伸物を塩化メチレンに浸漬して、流動パラフィンを抽出除去後、乾燥し、更にテンター延伸機を用いて温度130℃において横方向に2倍延伸した。
その後、この延伸シートを幅方向に約10%緩和して熱処理を行い、ポリオレフィン樹脂多孔膜である基材B1−1を得た。
得られた基材B1−1について、上記方法により各種物性を測定した。得られた結果を表1に示す。
製造例B2
(基材B2−1の製造)
上記方法で基材B1−1を製造した。次に、水酸化酸化アルミニウム(平均粒径1.0μm)96.0質量部、アクリルラテックス(固形分濃度40%、平均粒径145nm、最低成膜温度0℃以下)4.0質量部、及び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)1.0質量部を100質量部の水に均一に分散させて塗布液を調製した。続いて、その塗布液を、ポリオレフィン樹脂多孔膜(基材B1−1)の表面にグラビアコーターを用いて塗布した。その後、60℃において乾燥して水を除去した。このようにして、ポリオレフィン樹脂多孔膜(基材B1−1)上に水酸化アルミニウム(無機フィラーの多孔層)を厚さ2μmで形成することにより、基材B2−1を得た。
得られた基材のそれぞれについて、上記方法により各種物性を測定した。得られた結果を表1に示す。
<原料ポリマーの製造>
製造例A1 水分散体(表中「原料ポリマー」と表記。以下同様。)A1の合成
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、「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、表中「KH1025」と表記。以下同様。)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、表中「SR1025」と表記。以下同様。)0.5質量部と、を投入し、反応容器内部温度を80℃に昇温した。その後、80℃の容器内部温度を保ったまま、過硫酸アンモニウム(2%水溶液)(表中「APS(aq)」と表記。以下同様。)を7.5質量部添加した。
一方、メタクリル酸メチル(表中「MMA」と表記。以下同様。)38.5質量部、アクリル酸n−ブチル(表中「BA」と表記。以下同様。)19.6質量部、アクリル酸2−エチルヘキシル(表中「EHA」と表記。以下同様。)31.9質量部、メタクリル酸(表中「MAA」と表記。以下同様。)0.1質量部、アクリル酸(表中「AA」と表記。以下同様。)0.1質量部、メタクリル酸2−ヒドロキシエチル(表中「HEMA」と表記。以下同様。)2質量部、アクリルアミド(表中「AM」と表記。以下同様。)5質量部、メタクリル酸グリシジル(表中「GMA」と表記。以下同様。)2.8質量部、「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、「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、p−スチレンスルホン酸ナトリウム(表中「NaSS」と表記。以下同様。)0.05質量部、トリメチロールプロパントリアクリレート(新中村化学工業株式会社製、表中「A−TMPT」と表記。以下同様。)0.7質量部、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン(表中「MPTMS」と表記。以下同様。)0.3質量部、過硫酸アンモニウム(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、乳化液を作製した。
得られた乳化液を滴下槽から上記反応容器に滴下した。滴下は反応容器に過硫酸アンモニウム水溶液を添加した5分後に開始し、150分かけて乳化液の全量を滴下した。乳化液の滴下中は、容器内部温度を80℃に維持した。
乳化液の滴下終了後、反応容器内部温度を80℃に保ったまま90分間維持し、その後室温まで冷却し、エマルジョンを得た。得られたエマルジョンを、水酸化アンモニウム水溶液(25%水溶液)を用いてpH=9.0に調整し、濃度40質量%のアクリル系コポリマーラテックスを得た(原料ポリマーA1)。得られた原料ポリマー(水分散体)A1について、上記方法により評価した。得られた結果を表2に示す。
製造例A2〜18 水分散体A2〜18の合成
モノマー及びその他使用原料の組成を、それぞれ、表2に記載のとおりに変更する以外は、原料ポリマー(水分散体)A1と同様にして、コポリマーラテックス(原料ポリマーA2〜18)をそれぞれ得た。得られた原料ポリマー(水分散体)A2〜18について、それぞれ、上記方法により評価した。得られた結果を表2に示す。
製造例A2−1
上記製造例A2で得た水分散体A2の一部をとり、これをシードポリマーとする多段重合を行うことにより、水分散体A2−1を合成した。
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、上記水分散体A2を固形分換算で20質量部を投入し、反応容器内部温度を80℃に昇温した。その後、80℃の容器内部温度を保ったまま、過硫酸アンモニウム(2%水溶液)を7.5質量部添加した。以上が初期仕込みである。
一方、メタクリル酸メチル71.5質量部、アクリル酸n−ブチル18.9質量部、アクリル酸2−エチルヘキシル2質量部、メタクリル酸0.1質量部、アクリル酸0.1質量部、メタクリル酸2−ヒドロキシエチル2質量部、アクリルアミド5質量部、メタクリル酸グリシジル0.4質量部、アクアロンKH1025(登録商標、25%水溶液)3質量部、アデカリアソープSR1025(登録商標、25%水溶液)3質量部、p−スチレンスルホン酸ナトリウム0.05質量部、トリメチロールプロパントリアクリレート0.4質量部、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン0.3質量部、過硫酸アンモニウム(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、乳化液を作製した。
得られた乳化液を滴下槽から上記反応容器に滴下した。滴下は反応容器に過硫酸アンモニウム水溶液を添加した5分後に開始し、150分かけて乳化液の全量を滴下した。乳化液の滴下中は、容器内部温度を80℃に維持した。
乳化液の滴下終了後、反応容器内部温度を80℃に保ったまま90分間維持し、その後室温まで冷却し、エマルジョンを得た。得られたエマルジョンを、水酸化アンモニウム水溶液(25%水溶液)を用いてpH=9.0に調整し、濃度40質量%のアクリル系コポリマーラテックスを得た(原料ポリマーA2−1)。得られた原料ポリマー(水分散体)A1について、上記方法により評価した。得られた結果を表2に示す。
製造例A2−2〜A18−2
シードポリマー、モノマー及びその他使用原料の組成を、それぞれ、表3に記載のとおりに変更する以外は、原料ポリマー(水分散体)A2−1と同様にして、多段重合によって各コポリマーラテックスを得た。得られた原料ポリマー(水分散体)について、それぞれ、上記方法により評価した。得られた結果を表3に示す。
上記表2及び3における原材料名の略称は、それぞれ、以下の意味である。
<乳化剤>
KH1025:アクアロンKH1025、第一工業製薬株式会社製、25%水溶液
SR1025:アデカリアソープSR1025、株式会社ADEKA製、25%水溶液
NaSS:p−スチレンスルホン酸ナトリウム
<開始剤>
APS:過硫酸アンモニウム(2%水溶液)
<単量体>
(酸モノマー)
MAA:メタクリル酸
AA:アクリル酸
((メタ)アクリル酸エステル)
MMA:メタクリル酸メチル
BA:アクリル酸n−ブチル
BMA:メタクリル酸n−ブチル
EHA:アクリル酸2−エチルヘキシル
CHMA:メタクリル酸シクロヘキシル
(芳香族ビニル単量体)
St:スチレン
(シアノ基含有単量体)
AN:アクリロニトリル
(その他の官能基含有モノマー)
HEMA:メタクリル酸2−ヒドロキシエチル
AM:アクリルアミド
(架橋性単量体)
GMA:メタクリル酸グリシジル
A−TMPT:トリメチロールプロパントリアクリレート
AcSi:γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン
[実施例1]
固形分で80質量部の水分散体A2と、固形分で20質量部の水分散体A1とを、水に均一に分散させて、熱可塑性ポリマーを含む塗布液(固形分10質量%)を調製した。このとき、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースが塗布液に対して1質量%となるように添加し、塗布液の粘度を20mPa・sに調整した。次いで、グラビアコーターを用い、リバース塗工によって、基材B1−1の片面の全面に塗布液を塗布した。その後、60℃にて塗布後の塗布液を乾燥して水を除去した。更に、基材B1−1のもう片面にも同様に塗布液を塗布し、再度上記と同様にして乾燥させた。こうして、基材B1−1の両面にポリマー層を形成したセパレータを得た。
[実施例2]
ポリマー担持量が0.5g/m2となるように、塗工条件を調整した以外は、実施例1と同様にしてセパレータを作製した。
[実施例3〜10及び13〜26]
基材及び塗布液の組成を、それぞれ、表4に記載のとおりに変更した以外は、実施例1と同様にして、セパレータを得た。
[実施例11]
増粘剤の種類をキサンタンガムとした以外は、実施例2と同様にして、セパレータを得た。
[実施例12]
増粘剤の種類を変性ポリウレタン系ポリエーテルとした以外は、実施例2と同様にして、セパレータを得た。
[比較例1及び2]
塗工条件を表4の通りとし、塗工方法をダイレクト塗工とした以外は、実施例1と同様にして、セパレータを得た。
[比較例3]
塗工条件を表4の通りとし、塗工方法をダイレクト塗工とした以外は、実施例1と同様にして、セパレータを得た。
[比較例4]
塗工条件を表4の通りとし、塗工方法をスプレー塗工とした以外は、実施例1と同様にして、セパレータを得た。
[評価結果]
上記各実施例及び比較例で得られたセパレータのそれぞれについて、上記方法により、各種特性を評価した。
得られた結果を表4に示す。
表4における増粘剤の略称は、それぞれ以下の意味である。
CMC:カルボキシメチルセルロース
XTG:キサンタンガム
MPE:変性ポリウレタン系ポリエーテル
前記(A)の赤外吸収ピーク強度の比は、より好ましくは2〜15であり、更に好ましくは5〜10である。波長740〜770cm−1の赤外ピークは芳香族ビニル単量体の芳香環に由来し、波長1,720cm−1〜1,750cm−1の赤外ピークは(メタ)アクリル酸エステル単量体の(メタ)アクリロイル基に由来すると考えられる。従って、前記(A)の赤外吸収ピーク強度の比は、熱可塑性ポリマーとして上記(2)芳香族ビニル単量体と(メタ)アクリル酸エステル単量体とを単量体単位として有する共重合体を使用する場合に、容易に実現される。このピーク強度比を満たす熱可塑性ポリマーは、芳香族ビニル単量体と(メタ)アクリル酸エステル単量体との合計を100質量%とした場合、芳香族ビニル単量体を例えば約5質量%〜50質量%含むことになる。そのため、該熱可塑性ポリマーの使用は、電極への接着性と、ハンドリング性と、のバランスの観点から好ましい。
すなわち、本発明は以下のとおりである:
[1] 少なくとも多孔膜を含む基材と、前記基材の少なくとも一つの面に配置された熱可塑性ポリマーと、を備える蓄電デバイス用セパレータであって、
前記熱可塑性ポリマー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面積(Si)を用いて下記数式によって定義される分散(σ)が、0.01以上0.7以下である、蓄電デバイス用セパレータ。
(式中、Siは、ボロノイ多角形の面積の実測値であり、mは、ボロノイ多角形の面積の実測値の平均値であり、かつnは、ボロノイ多角形の総数である)
[2] 前記分散(σ)は、0.01以上0.6以下である、[1]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[3] 前記分散(σ)は、0.01以上0.5以下である、[1]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[4] 前記熱可塑性ポリマーは粒状である、[1]〜[3]のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
セパレータ表面を特定の視野で観察するときに、その観察視野において、1つの熱可塑性ポリマー粒子を、平均直径(l)を有する1つの円と見做す。そして、隣接する複数の熱可塑性ポリマー粒子の間に、それぞれ垂直二等分線を引き、各粒子について前記垂直二等分線によって囲まれた多角形を「ボロノイ多角形」と称する。
ボロノイ多角形の面積(s)の分散(σ)とは、下記式:
{式中、sは、ボロノイ多角形の面積の実測値であり、mは、ボロノイ多角形の面積の実測値の平均値であり、かつnは、ボロノイ多角形の総数である}
により算出される値である。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、上記式の計算対象としないものとする。閉じられていない領域としては、例えば、観察視野の境界に粒子が存在し、その粒子の全体が観察されていない時に、その粒子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。
従って、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粒子については、その粒子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。
[13] 前記熱可塑性ポリマーは、下記(1)〜(3):
(1)(メタ)アクリル酸エステルを単量体単位として有する共重合体(但し、下記の(2)共重合体及び(3)共重合体を除く。)、
(2)シアノ基を有する単量体と(メタ)アクリル酸エステル単量体とを単量体単位として有する共重合体、及び
(3)芳香族ビニル化合物と(メタ)アクリル酸エステル単量体とを単量体単位として有する共重合体
から成る群より選択される少なくとも1種を含む、[1]〜[10]のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[14] 前記シアノ基を有する単量体が(メタ)アクリロニトリルである、[13]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[15] 前記芳香族ビニル化合物がスチレンである、[13]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[16] [1]〜[15]のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータを搭載した蓄電デバイス。

Claims (20)

  1. 少なくとも多孔膜を含む基材と、前記基材の少なくとも一つの面に配置された熱可塑性ポリマーと、を備える蓄電デバイス用セパレータであって、
    前記熱可塑性ポリマー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面積(Si)を用いて下記数式によって定義される分散(σ)が、0.01以上0.7以下である、蓄電デバイス用セパレータ。
    (式中、Siは、ボロノイ多角形の面積の実測値であり、mは、ボロノイ多角形の面積の実測値の平均値であり、かつnは、ボロノイ多角形の総数である)
  2. 前記分散(σ)は、0.01以上0.6以下である、請求項1に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  3. 前記分散(σ)は、0.01以上0.5以下である、請求項1に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  4. 前記熱可塑性ポリマーは粒状である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  5. 前記熱可塑性ポリマーの平均粒径は、10nm〜2,000nmである、請求項1〜4のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  6. 前記熱可塑性ポリマーの平均粒径は、50nm〜1,500nmである、請求項1〜4のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  7. 前記熱可塑性ポリマーの平均粒径は、100nm〜1,000nmである、請求項1〜4のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  8. 前記熱可塑性ポリマーの平均粒径は、130nm〜800nmである、請求項1〜4のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  9. 前記熱可塑性ポリマーの面積密度は、30%以上80%以下である、請求項1〜8のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  10. 前記熱可塑性ポリマーは、実質的に重なり合うことなく存在している、請求項1〜9のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  11. 前記熱可塑性ポリマーが有する、740cm−1〜770cm−1波長における赤外吸収ピーク強度に対する1,720cm−1〜1,750cm−1の波長における赤外吸収ピーク強度の比が、1〜18である、請求項1〜10のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  12. 前記熱可塑性ポリマーが有する、1,720cm−1〜1,750cm−1波長における赤外吸収ピーク強度に対する2,220cm−1〜2,260cm−1の波長における赤外吸収ピーク強度の比が、0.001〜0.320である、請求項1〜10のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  13. 前記熱可塑性ポリマーは、下記(1)〜(3):
    (1)(メタ)アクリル酸エステルを単量体単位として有する共重合体(但し、下記の(2)共重合体及び(3)共重合体を除く。)、
    (2)シアノ基を有する単量体と(メタ)アクリル酸エステル単量体とを単量体単位として有する共重合体、及び
    (3)芳香族ビニル化合物と(メタ)アクリル酸エステル単量体とを単量体単位として有する共重合体
    から成る群より選択される少なくとも1種を含む、請求項1〜10のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  14. 前記シアノ基を有する単量体が(メタ)アクリロニトリルである、請求項13に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  15. 前記芳香族ビニル化合物がスチレンである、請求項13に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  16. 請求項1〜15のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータを搭載した蓄電デバイス。
  17. 前記熱可塑性ポリマーを含む溶液の粘度を20mPa.s以上に調整する工程と、
    前記調製された熱可塑性ポリマー溶液を、多孔膜を含む基材に対してせん断力を付与しながら塗工する工程と、
    を含む、
    蓄電デバイス用セパレータの製造方法。
  18. 前記分散(σ)は、前記基材に配置された熱可塑性ポリマーを走査電子顕微鏡で撮像した撮像画像より算出される、請求項1に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  19. 前記分散(σ)は、以下のようにして設定された測定視野からそれぞれ算出された95個の分散(σ)の平均値として定義される、請求項18に記載の蓄電デバイス用セパレータ;
    i)各測定視野:走査電子顕微鏡で撮像した画像
    ii)視野の設定方法:
    a)起点の視野を設定し、
    b)前記起点の視野に対して横方向に順次に隣接する領域からなる視野の9個と、縦方向に順次に隣接する領域からなる視野の9個と、前記起点の視野と、からなる19視野を設定し、
    c)前記19視野によって規定される領域を起点の区画として設定し、
    d)前記起点の区画に対して10mm間隔で一軸方向に順次に隣接する領域からなる区画を4個設定し、
    e)前記4個の区画について、前記起点の区画における19視野と相似の位置に各19視野を設定し、そして
    f)前記4個の区画及び前記起点の区画における全95視野(19視野×5区画)を測定視野として設定する。
  20. 前記各測定視野は、1視野に観察される熱可塑性ポリマー粒子の数が80〜200個となる倍率に設定して撮像された撮像画像である、請求項19に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
JP2016521802A 2014-09-26 2015-03-03 蓄電デバイス用セパレータ Active JP6105816B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014197388 2014-09-26
JP2014197388 2014-09-26
PCT/JP2015/056199 WO2016047165A1 (ja) 2014-09-26 2015-03-03 蓄電デバイス用セパレータ

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP6105816B2 JP6105816B2 (ja) 2017-03-29
JPWO2016047165A1 true JPWO2016047165A1 (ja) 2017-04-27

Family

ID=55580707

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016521802A Active JP6105816B2 (ja) 2014-09-26 2015-03-03 蓄電デバイス用セパレータ

Country Status (8)

Country Link
US (1) US10361415B2 (ja)
EP (1) EP3200259B1 (ja)
JP (1) JP6105816B2 (ja)
KR (1) KR101963013B1 (ja)
CN (1) CN106104850B (ja)
HU (1) HUE040360T2 (ja)
PL (1) PL3200259T3 (ja)
WO (1) WO2016047165A1 (ja)

Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9945040B2 (en) 2010-07-04 2018-04-17 Dioxide Materials, Inc. Catalyst layers and electrolyzers
US10774431B2 (en) 2014-10-21 2020-09-15 Dioxide Materials, Inc. Ion-conducting membranes
JP6698326B2 (ja) * 2014-12-09 2020-05-27 旭化成株式会社 多層多孔膜及び蓄電デバイス用セパレータ
EP3370277B1 (en) * 2015-10-28 2024-02-21 Zeon Corporation Composition for adhesive layer of non-aqueous secondary battery, adhesive layer for non-aqueous secondary battery, adhesive layer-equipped separator for non-aqueous secondary battery, adhesive layer-equipped electrode for non-aqueous secondary battery, non-aqueous secondary battery, and method for producing same
PL3379602T3 (pl) * 2015-11-19 2020-07-27 Asahi Kasei Kabushiki Kaisha Separator dla urządzenia do magazynowania energii elektrycznej, korpus elektrody, w którym się go stosuje i urządzenie do magazynowania energii elektrycznej
JP7017344B2 (ja) * 2016-08-31 2022-02-08 旭化成株式会社 蓄電デバイス用セパレータ
WO2018139805A1 (ko) * 2017-01-26 2018-08-02 주식회사 엘지화학 분리막의 제조방법, 이로부터 제조된 분리막 및 이를 포함하는 전기화학소자
KR101909413B1 (ko) * 2017-03-03 2018-10-17 스미또모 가가꾸 가부시키가이샤 비수전해액 이차 전지용 세퍼레이터
JP6984156B2 (ja) * 2017-04-07 2021-12-17 トヨタ自動車株式会社 電池
KR102350567B1 (ko) 2017-04-14 2022-01-18 스미또모 가가꾸 가부시키가이샤 비수 전해액 이차 전지용 절연성 다공질층
US10396329B2 (en) * 2017-05-01 2019-08-27 Dioxide Materials, Inc. Battery separator membrane and battery employing same
JP7103760B2 (ja) * 2017-06-20 2022-07-20 旭化成株式会社 パターン塗工用スラリー
JP7057722B2 (ja) * 2017-06-20 2022-04-20 旭化成株式会社 蓄電デバイス用セパレータの捲回体、及びその製造方法
US11837693B2 (en) * 2017-08-31 2023-12-05 Asahi Kasei Kabushiki Kaisha Polyolefin microporous membrane with improved puncture elongation and thermomechanical properties and method for manufacturing the same
JP7017345B2 (ja) * 2017-08-31 2022-02-08 旭化成株式会社 蓄電デバイス用セパレータ
EP3667769A4 (en) * 2018-01-17 2020-10-14 Lg Chem, Ltd. SEPARATOR AND ELECTROCHEMICAL DEVICE INCLUDING THE LATTER
US11870037B2 (en) * 2018-04-10 2024-01-09 Apple Inc. Porous ceramic separator materials and formation processes
CN112088446B (zh) * 2018-05-17 2023-06-20 日本瑞翁株式会社 非水系二次电池用浆料、非水系二次电池用间隔件、非水系二次电池用电极、非水系二次电池用层叠体以及非水系二次电池
JP7176249B2 (ja) * 2018-06-27 2022-11-22 東レ株式会社 多孔性フィルム、二次電池用セパレータおよび二次電池
JP7331692B2 (ja) * 2018-06-27 2023-08-23 東レ株式会社 多孔性フィルム、二次電池用セパレータおよび二次電池
KR102279515B1 (ko) 2018-09-03 2021-07-20 삼성에스디아이 주식회사 리튬 이차 전지용 분리막 및 이를 포함하는 리튬 이차 전지
KR102601002B1 (ko) 2018-10-11 2023-11-14 아사히 가세이 가부시키가이샤 가교 세퍼레이터를 사용한 리튬 이온 전지
KR102609218B1 (ko) 2018-10-11 2023-12-05 아사히 가세이 가부시키가이샤 리튬 이온 전지용 세퍼레이터
JP6903090B2 (ja) * 2019-04-01 2021-07-14 旭化成株式会社 蓄電デバイス用セパレータ、及びそれを用いた捲回体、リチウムイオン二次電池、並びに蓄電デバイス
CN111900311A (zh) * 2020-03-30 2020-11-06 明基材料(芜湖)有限公司 一种隔离膜及其制造方法
CN114243215A (zh) * 2021-12-17 2022-03-25 蜂巢能源科技股份有限公司 一种涂层浆料及其制备方法以及复合隔膜和锂离子电池
WO2023136319A1 (ja) * 2022-01-13 2023-07-20 三井化学株式会社 二次電池セパレータ用コート材、二次電池セパレータおよび二次電池

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002166218A (ja) * 2000-09-22 2002-06-11 Teijin Ltd 両面同時塗工方法
JP2009272055A (ja) * 2008-04-30 2009-11-19 Panasonic Corp 非水電解液二次電池の製造方法
JP2010244875A (ja) * 2009-04-07 2010-10-28 Panasonic Corp リチウム二次電池用セパレータ、およびそれを用いたリチウム二次電池
WO2012099149A1 (ja) * 2011-01-20 2012-07-26 東レ株式会社 多孔質積層フィルム、蓄電デバイス用セパレータ、および蓄電デバイス
JP2012164655A (ja) * 2011-02-03 2012-08-30 Samsung Sdi Co Ltd リチウム二次電池用セパレータ及びこれを含むリチウム二次電池
US20130304434A1 (en) * 2012-05-11 2013-11-14 Samsung Electronics Co., Ltd. Computing system with high-throughput topical analysis for solid state electrolyte mechanism and method of operation thereof
JP2014149936A (ja) * 2013-01-31 2014-08-21 Nippon Zeon Co Ltd 二次電池用セパレータ、二次電池用セパレータの製造方法及び二次電池

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103928650A (zh) 2008-01-30 2014-07-16 株式会社Lg化学 用于改进与电极的结合力的隔膜以及含有所述隔膜的电化学装置
CN102630353B (zh) * 2009-09-30 2014-12-10 日本瑞翁株式会社 二次电池用多孔膜及二次电池
JP2011076851A (ja) * 2009-09-30 2011-04-14 Asahi Kasei E-Materials Corp 微多孔性フィルム及びその製造方法、並びに電池用セパレータ
JP2012087223A (ja) * 2010-10-20 2012-05-10 Asahi Kasei E-Materials Corp 微多孔性フィルム及び電池用セパレータ
WO2012165578A1 (ja) * 2011-06-02 2012-12-06 協立化学産業株式会社 電池電極又はセパレーター用コート剤組成物
CN103828114B (zh) * 2011-09-26 2018-03-09 住友化学株式会社 二次电池用粘合树脂组合物
KR102004561B1 (ko) * 2011-10-18 2019-07-26 제이에스알 가부시끼가이샤 보호막 및 그것을 제조하기 위한 조성물, 슬러리, 및 축전 디바이스
WO2013073503A1 (ja) * 2011-11-15 2013-05-23 帝人株式会社 非水系二次電池用セパレータ及びその製造方法、並びに非水系二次電池
CN108963165B (zh) * 2012-03-09 2021-12-31 帝人株式会社 非水系二次电池用隔膜、其制造方法及非水系二次电池
JP6191597B2 (ja) 2012-04-05 2017-09-06 日本ゼオン株式会社 二次電池用セパレータ
PL3054502T3 (pl) 2012-07-26 2019-07-31 Asahi Kasei Kabushiki Kaisha Separator dla urządzenia do magazynowania energii elektrycznej oraz urządzenie do magazynowania energii elektrycznej
JP2014153524A (ja) * 2013-02-08 2014-08-25 Dainippon Printing Co Ltd 反射防止物品及び画像表示装置
WO2015129408A1 (ja) * 2014-02-27 2015-09-03 日本ゼオン株式会社 二次電池多孔膜用バインダー組成物、二次電池多孔膜用スラリー、二次電池用多孔膜及び二次電池

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002166218A (ja) * 2000-09-22 2002-06-11 Teijin Ltd 両面同時塗工方法
JP2009272055A (ja) * 2008-04-30 2009-11-19 Panasonic Corp 非水電解液二次電池の製造方法
JP2010244875A (ja) * 2009-04-07 2010-10-28 Panasonic Corp リチウム二次電池用セパレータ、およびそれを用いたリチウム二次電池
WO2012099149A1 (ja) * 2011-01-20 2012-07-26 東レ株式会社 多孔質積層フィルム、蓄電デバイス用セパレータ、および蓄電デバイス
JP2012164655A (ja) * 2011-02-03 2012-08-30 Samsung Sdi Co Ltd リチウム二次電池用セパレータ及びこれを含むリチウム二次電池
US20130304434A1 (en) * 2012-05-11 2013-11-14 Samsung Electronics Co., Ltd. Computing system with high-throughput topical analysis for solid state electrolyte mechanism and method of operation thereof
JP2014149936A (ja) * 2013-01-31 2014-08-21 Nippon Zeon Co Ltd 二次電池用セパレータ、二次電池用セパレータの製造方法及び二次電池

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
物理学辞典, vol. 改訂版, JPN6016038726, 1992, pages 2047, ISSN: 0003495252 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN106104850A (zh) 2016-11-09
EP3200259A4 (en) 2017-12-13
US20170263907A1 (en) 2017-09-14
WO2016047165A1 (ja) 2016-03-31
US10361415B2 (en) 2019-07-23
PL3200259T3 (pl) 2019-03-29
CN106104850B (zh) 2018-12-25
KR101963013B1 (ko) 2019-03-27
JP6105816B2 (ja) 2017-03-29
EP3200259A1 (en) 2017-08-02
EP3200259B1 (en) 2018-11-28
HUE040360T2 (hu) 2019-03-28
KR20160129033A (ko) 2016-11-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6105816B2 (ja) 蓄電デバイス用セパレータ
US10811659B2 (en) Separator for electricity storage device, laminate and porous film
JP6893402B2 (ja) 蓄電デバイス用セパレータ
JP6718218B2 (ja) 蓄電デバイス用セパレータ
JP6431621B2 (ja) 蓄電デバイス用セパレータ並びにそれを用いた電極体及び蓄電デバイス
JP6698326B2 (ja) 多層多孔膜及び蓄電デバイス用セパレータ
JP6382051B2 (ja) 蓄電デバイス用セパレータ
JP6412760B2 (ja) 蓄電デバイス用セパレータ
JP2016072150A (ja) 電池用セパレータ
JP2019179698A (ja) 蓄電デバイス用セパレータ及びそれを用いた積層体、捲回体、リチウムイオン二次電池、並びに蓄電デバイス
JP6378998B2 (ja) 蓄電デバイス用セパレータの製造方法
JP6438725B2 (ja) 蓄電デバイス用セパレータ、及び電気化学素子
JP2017103206A (ja) 蓄電デバイス用セパレータ及びそれを用いた積層体、捲回体、リチウムイオン二次電池又は蓄電デバイス
JP2016071963A (ja) 蓄電デバイス用セパレータ
JP6762107B2 (ja) 蓄電デバイス用セパレータ
JP6613068B2 (ja) 蓄電素子用セパレータ
JP6574602B2 (ja) 蓄電デバイス用セパレータ、蓄電デバイス、及びリチウムイオン二次電池
JP7002229B2 (ja) パターン塗工用スラリー
JP2020170590A (ja) 蓄電デバイス用セパレータ、及びそれを用いた捲回体、リチウムイオン二次電池、並びに蓄電デバイス
JP6718669B2 (ja) 蓄電デバイス用セパレータ捲回体
JP2024072806A (ja) 蓄電デバイス用セパレータ、その製造方法及び蓄電デバイス

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20161011

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20161206

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20170110

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170126

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20170214

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20170302

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6105816

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350