JPWO2019045077A1 - ポリオレフィン微多孔膜 - Google Patents
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Abstract
Description
近年、リチウムイオン2次電池は、携帯電話、ノート型パソコン等の小型電子機器、及び電気自動車、小型電動バイク等の電動車両へ応用が図られている。リチウムイオン2次電池用セパレータには、機械的特性及びイオン透過性だけでなく、2次電池の発熱に応じてセパレータの微多孔が熱溶融等により閉塞して、電解液内のイオン透過を抑制し、電気化学反応を停止させる性質(シャットダウン特性)、及び電池の熱暴走により電池の内部温度がポリオレフィンの融点以上になった場合にもセパレータが溶融破膜しない性質(耐メルトダウン特性)も要求される。セパレータの要求特性と関連して、ポリオレフィン微多孔膜の物性、製造条件等が検討されている(特許文献1〜3)。
しかしながら、特許文献1に記載の方法により製造された微多孔膜は、複数の物性のバランスを取りながら生産性の向上を図るものにすぎず、リチウムイオン2次電池に組み込まれたときの熱暴走の抑制について検討されていない。
特許文献2に記載の二軸配向ポリプロピレンフィルムは、突刺強度又は突刺伸度を特定の基準値よりも高くなるように調整して、異物の貫通、ショート破壊等を防ぐものであるが、2次電池の熱暴走の抑制については未だに改良の余地がある。
特許文献3に記載の製造方法は、耐カール性に優れる膜を生産できるが、この方法では突刺伸度をコントロールすることはできないため、異物に対する耐性に改善の余地がある。
これまでにも異物混入により発生する熱暴走を未然に防ぐための微多孔膜は開発されてきた。例えば、異物への耐性として突刺伸度が高いことを強みにしている微多孔膜では、いざ微多孔膜に耐性以上の衝撃が掛かり、異物により膜が貫通してしまった際に、異物の周囲の微多孔膜は破れ難いため、異物のみを介して電流が流れ、また電極同士に関しては接触しないか、又は接触したとしても接触面積が小さく、電流が流れる領域を十分に確保できないために、電流の局所的な集中を起こして、電池の表面温度が高温に至る危険性があった。したがって、従来の突刺伸度が高い微多孔膜では、破膜を防いで熱暴走を未然に防ぐ効果はあったが、一旦微多孔膜が破れてしまった場合に熱暴走を防ぐ効果は不十分であった。
更に、本発明が解決しようとする課題は、無機塗工層を設けた際にも、耐カール性に優れるポリオレフィン微多孔膜、及びそれを用いた2次電池用セパレータを提供することである。
[1]
突刺伸度が2.30mm以下であり、幅方向の熱機械分析(TMA)測定において、応力変異点の温度が80.0℃以上であり、かつ応力ピーク値が1.8g以下であるポリオレフィン微多孔膜。
[2]
前記突刺伸度が2.10mm以下であり、前記幅方向のTMA測定において前記応力変異点の温度が90.0℃以上であり、かつ前記応力ピーク値が1.4g以下である、[1]に記載のポリオレフィン微多孔膜。
[3]
長手方向のTMA測定において応力ピーク値が2.0g以下である、[1]又は[2]に記載のポリオレフィン微多孔膜。
[4]
単位厚み当たりの突刺強度が70gf/μm未満である、[1]〜[3]のいずれか1項に記載のポリオレフィン微多孔膜。
[5]
前記突刺伸度が0.5mm以上であり、前記幅方向のTMA測定において、前記応力変異点の温度が180.0℃以下であり、かつ前記応力ピーク値が0.3g以上である、[1]〜[4]のいずれか1項に記載のポリオレフィン微多孔膜。
[6]
長手方向のTMA測定において応力ピーク値が0.3g以上である、[1]〜[5]のいずれか1項に記載のポリオレフィン微多孔膜。
[7]
単位厚み当たりの突刺強度が10gf/μm以上である、[1]〜[6]のいずれか1項に記載のポリオレフィン微多孔膜。
[8]
以下の工程:
(A)ポリオレフィン樹脂及び孔形成材を含むポリオレフィン組成物を押し出して、ゲル状シートを形成する工程;
(B)前記ゲル状シートを二軸延伸して、延伸シートを形成する工程;
(C)前記延伸シートから前記孔形成材を抽出して、多孔膜を形成する工程;並びに
(D)前記多孔膜を熱固定する工程;
を含み、前記工程(B)における長手方向の歪速度が20%/秒以上50%/秒以下であり、かつ前記工程(D)における幅方向の歪速度に対する前記工程(B)における幅方向の歪速度の比が、2.0以上10.0以下であるポリオレフィン微多孔膜の製造方法。
[9]
前記工程(B)では、前記ゲル状シートを同時二軸延伸する、[8]に記載のポリオレフィン微多孔膜の製造方法。
[10]
得られたポリオレフィン微多孔膜は、2.30mm以下の突刺伸度を有し、幅方向の熱機械分析(TMA)測定において、応力変異点の温度が80.0℃以上であり、かつ応力ピーク値が1.8g以下である、[8]又は[9]に記載のポリオレフィン微多孔膜の製造方法。
[11]
得られたポリオレフィン微多孔膜は、0.5mm以上の突刺伸度を有し、幅方向の熱機械分析(TMA)測定において、応力変異点の温度が180.0℃以下であり、かつ応力ピーク値が0.3g以上である、[8]〜[10]のいずれか1項に記載のポリオレフィン微多孔膜の製造方法。
本発明によれば、衝突試験時に2次電池内に異物が混入していた場合、異物によってポリオレフィン微多孔膜が確実に貫通することによって衝撃直後の電極同士の接触面積を増やすことができるため、局所的な電流集中を防ぎ、それによって2次電池の生産性及び安全性を向上させることができる。また、もし衝撃の程度が非常に軽度であったために、異物周辺のポリオレフィン微多孔膜が十分に破れきれず、電極同士の接触面積を十分に確保できないために電池の温度が上昇してしまう場合にも、微多孔膜の耐熱性が優れることで、電池の表面温度の上昇に伴う微多孔膜の収縮を防ぐことができるため、電極同士の接触面積が、非常に軽度な衝撃を受けたときより拡大することを防ぎ、電池の熱暴走を防ぐことが可能となる。
本発明によれば、衝突以外の要因による短絡の発生によって2次電池の温度が上昇したとしても、ポリオレフィン微多孔膜の熱収縮が小さいため、電極同士の接触面積の拡大を抑制することができ、ひいては2次電池の安全性に寄与する。
更に、本発明によれば、ポリオレフィン微多孔膜を基材として使用し、基材に塗工液を塗工し、乾燥したときに、基材の熱収縮と塗工層の熱収縮のバランスを取ることができ、塗工速度及び乾燥温度を増加させたとしても塗工膜のカールを抑制することが可能となり、ひいては2次電池用セパレータの製造速度及び2次電池の生産性を向上させることができる。
本発明の一態様は、ポリオレフィン微多孔膜である。ポリオレフィン微多孔膜は、電解液を含んだ状態においてイオン透過性を有し、有機溶媒に対する耐性が高く、かつ孔径の微細なものが好ましい。また、ポリオレフィン微多孔膜は、2次電池用セパレータとして利用されることができる。
本明細書では、長手方向(MD)とは、微多孔膜連続成形の機械方向を意味し、幅方向(TD)とは、微多孔膜の長手方向を膜の平面上において90°の角度で横切る方向を意味する。
また、本明細書では、熱暴走とは、2次電池の連鎖的な発熱現象を意味する。
本発明によれば、衝突試験時に2次電池内に異物が混入していた場合、衝突の瞬間は異物によってポリオレフィン微多孔膜が確実に貫通し、電極同士の接触面積を十分確保することで局所的な電流集中を防ぎ、それによって2次電池の安全性を向上させることができる。また、もし衝撃の程度が非常に軽度であったために、衝突直後(例えば、衝突3秒後)に、異物周辺のポリオレフィン微多孔膜が十分に破れず、電極同士の接触面積を十分に確保できずに電池の温度が上昇してしまう場合にも、微多孔膜の耐熱性が優れるために、電池の温度の上昇に伴う微多孔膜の収縮を防ぐことができ、一定時間経過後(例えば、衝突3分後)にも、電極同士の接触面積が非常に軽度な衝撃を受けたときより拡大することがないために、電池の熱暴走を防ぐことが可能となる。
図1では、破膜時の電極接触面積について、従来のセパレータと第一の実施形態に係るセパレータが対比される。図1を参照して、破膜時の電極接触面積と熱暴走の発生の関係を説明する。
セパレータ(1)が異物(3)の動作に追従し易いと、セパレータ(1)が、異物(3)の移動方向に、例えばセパレータ(1)と電極板(2A,2B)の積層方向に伸びるため、セパレータ(1)の破膜時に、電極板(2A,2B)同士の接触部分(4)の面積が小さくなり、電流が一点に集中し、熱暴走が発生し易くなる(図1(a))。
セパレータ(1)が異物(3)の動作に追従し難いと、電池中への異物(3)の混入直後にセパレータ(1)が破膜して、電極板(2A,2B)同士の接触部分(4)の面積が大きくなり、電流の一点集中を抑制することができる(図1(b))。
したがって、特に異物混入に起因する熱暴走の抑制にとって、セパレータが破膜した直後は正負極間の接触面積をできる限り大きくするようにセパレータの異物に対する追従性を制御することが重要である。このような観点から、破膜時に異物への適切な追従性を有するポリオレフィン微多孔膜の構造が、下記(i)及び(ii):
(i)突刺伸度(mm)≦2.30;及び
(ii)幅方向のTMA測定において、応力変異点の温度(℃)≧80.0、かつ応力ピーク値(g)≦1.8以下;
により特定される。
本明細書では、突刺伸度とは、膜状試料の周縁を固定し、膜状試料の外表面から膜状試料の厚み方向に特定サイズの針を突き刺して、針が膜状試料に接触してから、穴が開くまでの移動距離(伸度)を意味する。突刺強度とは、膜状試料の周縁を固定し、膜状試料の外表面から膜状試料の厚み方向に特定サイズの針を突き刺すことにより掛けられた力に対する試料の応力を意味する。突刺伸度及び突刺強度の測定方法は、実施例において説明される。
ポリオレフィン微多孔膜は、2.30mm以下の突刺伸度を有すると、熱暴走の抑制にとって適切な異物追従性及び破膜挙動を示す傾向にある。
これに対して、第一の実施形態では、ポリオレフィン微多孔膜が2.30mm以下の突刺伸度を有すると、2次電池の衝突試験において、衝突の瞬間に異物がポリオレフィン微多孔膜を確実に貫通することで電極同士の接触面積を十分に確保でき、電流集中を防ぐことができるため、2次電池の安全性及び生産性が向上する。
突刺伸度は、例えば、微多孔膜を作製するためのポリオレフィン原料の選定、ポリオレフィン組成物の延伸時及び/又は熱固定時の歪み速度の制御などにより、上記で説明されたとおりに調整することができる。
2次電池の熱暴走の抑制、塗工層のカールの抑制、セパレータ中への異物の侵入の抑制などの観点から、ポリオレフィン微多孔膜の単位厚み当たりの突刺強度は、好ましくは70gf/μm未満、より好ましくは10gf/μm以上70gf/μm未満、さらに好ましくは20gf/μm以上60gf/μm以下、よりさらに好ましくは25gf/μm以上55gf/μm以下であり、最も好ましくは30gf/μm以上55gf/μm以下である。
本明細書では、熱機械分析(TMA)は、試料の熱に対する機械特性を定長モードで検出することにより行なわれる。定長モードでは、試料温度の変化に応じて、試料の長さを一定に保つための荷重の変化を検出する。
定長モードでは、加熱により試料が収縮しそうになったとしても、試料の長さ(すなわち、チャック間距離)が加熱前と同じになるように、試料に荷重を掛けて試料を引っ張る。定長モードでのTMAは、試料の昇温開始から試料の破膜まで継続して行われる。荷重発生部からプローブを介して試料に荷重を与えながら、ヒーターで試料の温度を変化させることにより、試料の温度変化に応じて、試料の長さを一定に保つための荷重の変化を検出することができ、検出されたTMAプロファイルから試料の軟化点、熱膨張挙動、熱収縮挙動などを知ることができる。TMA測定は、実施例に記載の方法に従って行われる。
これに対して、第一の実施形態では、幅方向のTMAプロファイルにおいて80.0℃以上の応力変異点の温度及び1.8g以下の応力ピーク値を有するポリオレフィン微多孔膜を基材として使用することによって、基材上に塗工液を塗工した後に乾燥したときに、基材の収縮と塗工層の熱収縮のバランスを取ることができ、塗工速度及び乾燥温度を増加させたとしても塗工層のカールを抑制することができるため、2次電池用セパレータの製造速度及び2次電池の生産性を向上させることができる。
さらに、ポリオレフィン微多孔膜の長手方向のTMA測定では、熱安定性の観点から、応力ピーク値が、好ましくは2.0g以下、より好ましくは0.3g以上1.9g以下である。
ポリオレフィン微多孔膜のTMA挙動は、ポリオレフィン原料の種類又は分子量、ポリオレフィン組成物の延伸条件又は熱固定条件などを制御することにより、上記(i)及び(ii)のとおりに制御されることができる。
第一の実施形態に係るポリオレフィン微多孔膜は、2.30mm以下の突刺伸度と上記(i)及び(ii)で示されるTMA挙動とを有し、突刺伸度とTMA挙動のバランスを取ることによって、例えば、衝突以外の要因による短絡の発生で電池の表面温度が上昇したとしても、ポリオレフィン微多孔膜の熱収縮が小さいために電極同士の接触面積の拡大を抑制し、相乗的に安全性を向上させることができる。
ポリオレフィン微多孔膜の構成要素及び好ましい実施形態について以下に説明する。
ポリオレフィン微多孔膜としては、例えば、ポリオレフィン樹脂を含む多孔膜、ポリエチレンテレフタレート、ポリシクロオレフィン、ポリエーテルスルフォン、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の樹脂を含む多孔膜、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などが挙げられる。これらの中でも、塗工工程を経て多層多孔膜、すなわち2次電池用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従来の水準より薄くして、2次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、2次電池用セパレータを形成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%以下であることがさらに好ましく、最も好ましくは95質量%以上100質量%以下である。
中でも、2次電池用セパレータを形成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、エチレン−プロピレン共重合体、エチレン−プロピレン−それら以外のモノマーの共重合体、並びに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。
ポリオレフィン微多孔膜は、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、電解液を含んだ状態においてイオン透過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。微多孔膜は、上述した材料から成る単層膜であってもよく、積層膜であってもよい。
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、熱固定時の緩和率などを制御すること、又はこれらを組み合わせることにより調整することができる。
微多孔膜の気孔率は、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、熱固定時の緩和率などを制御すること、又はこれらを組み合わせることによって調整することができる。
第1の実施形態に係るポリオレフィン微多孔膜は、その製造方法の一例として、以下に説明する工程(A)〜(D)を含むポリオレフィン微多孔膜の製造方法によって製造することができる。
本発明の別の態様は、ポリオレフィン微多孔膜の製造方法である。第二の実施形態に係るポリオレフィン微多孔膜の製造方法は、以下の工程:
(A)ポリオレフィン樹脂及び孔形成材を含むポリオレフィン組成物を押し出して、ゲル状シートを形成する工程;
(B)ゲル状シートを二軸延伸して、延伸シートを形成する工程;
(C)延伸シートから孔形成材を抽出して、多孔膜を形成する工程;並びに
(D)多孔膜を熱固定する工程;
を含む。
第二の実施形態では、工程(B)における長手方向の歪速度が20%/秒以上50%/秒以下であり、かつ工程(D)における幅方向の歪速度に対する工程(B)における幅方向の歪速度の比が、2.0以上10.0以下である。
ポリオレフィン微多孔膜の製造工程及び好ましい実施形態について以下に説明する。
工程(A)では、ポリオレフィン組成物を押し出して、ゲル状シートを形成する。ポリオレフィン組成物は、ポリオレフィン樹脂、孔形成剤等を含んでよい。ゲル状シートは、ポリオレフィン樹脂と孔形成材とを溶融混練してシート状に成形することにより得ることができる。
まず、ポリオレフィン樹脂と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に投入することで、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。
ポリオレフィン組成物中のポリオレフィン樹脂の割合は、シート成形性の観点から、ポリオレフィン組成物の質量を基準として、好ましくは10〜80質量%、より好ましくは20〜60質量%、さらに好ましくは30〜50質量%である。
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。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。なお、これらの可塑剤は、抽出後、蒸留等の操作により回収して再利用してよい。
可塑剤の中でも、流動パラフィンは、ポリオレフィン樹脂がポリエチレン又はポリプロピレンの場合に、これらとの相溶性が高く、溶融混練物を延伸しても樹脂と可塑剤の界面剥離が起こり難く、均一な延伸が実施し易くなる傾向にあるため好ましい。
ポリオレフィン樹脂組成物と可塑剤の比率は、均一な溶融混練及びシート成形性に応じて決定されることができる。ポリオレフィン樹脂組成物と可塑剤とから成る組成物中に占める可塑剤の質量分率は、好ましくは20〜90質量%、より好ましくは50〜70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。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。
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無機材が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、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。
工程(B)では、ゲル状シート又は成形シートを延伸する。工程(B)は、シートから孔形成材を抽出する工程(C)の前又は後に行うか、又は工程(C)の前と後に行ってよい。工程(B)では、ゲル状シート又は成形シートの延伸処理は、幅方向の膜厚分布と透気度分布を小さくするという観点から、長手方向と幅方向に少なくとも1回ずつ(すなわち、二軸延伸により)行われる。
工程(B)では、長手方向の歪速度が20%/秒以上50%/秒以下の範囲内である。本明細書では、歪速度とは、特定の処理に供される前後における物体の一次元寸法の単位時間当たりの変化率を意味し、伸び率とも呼ばれる。
工程(B)における幅方向の歪速度は、熱固定工程(D)における幅方向の歪速度に対する工程(B)における幅方向の歪速度の比が2.0以上10.0以下の範囲内になるように設定される。
(i)突刺伸度(mm)≦2.30;及び
(ii)幅方向のTMA測定において、応力変異点の温度(℃)≧80.0、かつ応力ピーク値(g)≦1.8以下;
を満たすポリオレフィン微多孔膜を製造することができ、それにより2次電池の熱暴走の抑制に寄与する。理由は定かではないが、工程(B)の長手方向の歪速度が高いほど、TMA測定における応力ピーク値が高くなる傾向にあり、突刺伸度は低くなる傾向にある。また理由は定かではないが、工程(D)に対する工程(B)の幅方向への歪速度の比が高いほど、TMA測定における応力ピーク値が低くなる傾向にあり、突刺伸度は高くなる傾向にある。このような観点から、突刺伸度とTMA測定における応力ピークのバランスを最も良好な範囲に制御するために、工程(B)における長手方向の歪速度は、好ましくは20%/秒以上40%/秒以下、より好ましくは20%/秒以上35%/秒以下の範囲内であり、熱固定工程(D)における幅方向の歪速度に対する工程(B)における幅方向の歪速度の比は、好ましくは2.0以上6.0以下、より好ましくは2.5以上5.0以下の範囲内である。
同時二軸延伸とは、長手方向の延伸と幅方向の延伸が同時に施される延伸方法をいい、各方向の延伸倍率は異なってもよい。逐次二軸延伸とは、長手方向及び幅方向の延伸が独立して施される延伸方法をいい、長手方向又は幅方向に延伸が為されているときは、他方向は非拘束状態又は定長に固定されている状態とする。
工程(B)の延伸温度は、ポリオレフィン樹脂の溶融性及び製膜性の観点から、好ましくは90〜150℃、より好ましくは100〜140℃、さらに好ましくは110〜130℃である。
工程(C)では、シート状成形体から孔形成材を除去して多孔膜を得る。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、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、バッチ式と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、浸漬及び乾燥の一連の工程中にシート状成形体の端部を拘束することが好ましい。また、多孔膜中の孔形成材残存量は、多孔膜全体の質量に対して1質量%未満であることが好ましい。
工程(D)では、多孔膜の収縮を抑制するために、延伸工程(B)後、又は抽出工程(C)後に、熱固定を目的として多孔膜の熱処理を行う。また、多孔膜に、界面活性剤等による親水化処理、電離性放射線等による架橋処理等の後処理を行ってもよい。
多孔膜の熱処理としては、物性の調整を目的として、所定の温度の雰囲気及び所定の延伸率で行う延伸操作、並びに/又は、延伸応力の低減を目的として、所定の温度の雰囲気及び所定の緩和率で行う緩和操作が挙げられる。これらの熱処理は、テンター又はロール延伸機を用いて行うことができる。
緩和操作は、膜の長手方向及び/又は幅方向への縮小操作のことである。緩和率とは、緩和操作後の膜の寸法を緩和操作前の膜の寸法で除した値のことである。なお、長手方向と幅方向の双方を緩和した場合の緩和率とは、長手方向の緩和率と幅方向の緩和率を乗じた値のことである。緩和率は、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以下であることがさらに好ましい。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、長手方向と幅方向の両方向で、又は長手方向と幅方向の片方だけで行ってよい。
この可塑剤抽出後の延伸及び緩和操作などを含む熱固定は、好ましくは幅方向に行う。その場合、幅方向の熱固定倍率は、好ましくは0.5〜2.5倍、より好ましくは0.7〜2.3倍、さらに好ましくは1.0〜2.0倍である。
安全性、寸法安定性、耐熱性などの観点から、ポリオレフィン微多孔膜表面に無機塗工層を設けることができる。無機塗工層は、無機粒子などの無機成分を含む層であり、所望により、無機粒子同士を結着させるバインダ樹脂、無機粒子をバインダ樹脂中に分散させる分散剤などを含んでよい。
バインダ樹脂としては、例えば、共役ジエン系重合体、アクリル系重合体、ポリビニルアルコール系樹脂、及び含フッ素樹脂などが挙げられる。また、バインダ樹脂は、ラテックスの形態であることができ、水又は水系溶媒を含むことができる。分散剤は、スラリー中で無機粒子表面に吸着し、静電反発などにより無機粒子を安定化させるものであり、例えば、ポリカルボン酸塩、スルホン酸塩、ポリオキシエーテル、界面活性剤などである。
第一の実施形態に係るポリオレフィン微多孔膜又は第二の実施形態に係る製造方法により得られるポリオレフィン微多孔膜は、2次電池用セパレータとして利用されることができる。セパレータは、リチウムイオン2次電池に組み込まれることによって、リチウムイオン2次電池の熱暴走を抑制することができる。
なお、上述した各種物性の測定値は、特に断りの無い限り、後述する実施例における測定法に準じて測定される値である。
ASTM−D4020に基づき、デカリン溶媒における135℃での極限粘度[η](dl/g)を求めた。
ポリエチレンについては、次式により算出した。
[η]=6.77×10−4Mv0.67
ポリプロピレンについては、次式によりMvを算出した。
[η]=1.10×10−4Mv0.80
示差走査熱量(DSC)測定装置「DSC−60」(島津製作所社製)を用いてポリオレフィン樹脂の融点を測定した。
東洋精機製の微少測厚器(タイプKBN、端子径Φ5mm)を用いて、雰囲気温度23±2℃で厚みを測定した。なお、厚みを測定する際には微多孔膜を2枚重ねて測定し、その総厚みを2で割った値を1枚の厚みとする。
膜の質量、密度及び膜厚に基づいて、下記式により気孔率を算出した。
密度は、材料密度より計算した。
気孔率=(1−(目付[g/m2]/膜厚[μm]/密度[kg/m3]))*100
旭精工株式会社の王研式透気度測定機「EGO2」で透気度を測定した。
透気度の測定値は、膜の幅方向に沿って両端から5cmの地点と中央1点との計3点の透気度を測定し、それらの平均値を算出した値である。
カトーテック製のハンディー圧縮試験器KES−G5(商標)を用いて、開口部の直径11.3mmの試料ホルダーで微多孔膜を固定した。次に固定された微多孔膜の中央部を、針先端の曲率半径0.5mm、突刺速度2mm/secで、23℃の雰囲気下にて突刺試験を行うことにより、最大突刺荷重として突刺強度(gf)を測定し、かつ針が微多孔膜に触れてから最大応力(突刺強度)に達するまでの針の変位(mm)を突刺伸度として測定した。また得られた突刺強度(gf)を微多孔膜の厚みで除することにより膜厚換算突刺強度(gf/μm)を算出した。
突刺試験の測定値は、膜の幅方向に沿って両端から5cmの地点と中央1点との計3点を測定し、それらの平均値を算出した値である。
島津製作所TMA50(商標)を用いて微多孔膜のTMA測定を行なった。微多孔膜から長手方向又は幅方向に幅3mmに切り出したサンプルを、チャック間距離が10mmとなるようにチャックに固定し、専用プロープにセットした。初期荷重を0.0098N(1.0gf)に設定し、相対湿度40%±2%の環境下で、30℃から10℃/分の速度で250℃まで昇温させ、サンプルが収縮することにより発生する荷重を測定した。読み取ったデータを温度(℃)−荷重(g)曲線としてプロットした場合に、ノイズ(±0.07gの値変動)を除いて、曲線の傾きが0から正の傾きに変化する点の温度が、応力変異点の温度(℃、表1中では「応力変異温度」として示す)であり、TMA読み取り値の最大荷重(g)が応力ピーク値(g)である。
TMA測定値は、膜の幅方向に沿って両端から5cmの地点と中央1点との計3点を測定し、それらの平均値を算出した値である。
各工程及び各方向への延伸の歪速度を以下のように計算した。
歪速度(%/sec)=(延伸倍率−1)*100/(延伸長(m)/((延伸前ライン速度(m/sec)+延伸後ライン速度(m/sec))/2))
歪速度の比=工程(B)幅方向歪速度(%/sec)/工程(D)幅方向歪速度(%/sec)
ここで、延伸長とは、工程(B)および工程(D)で、延伸開始から延伸終了までに膜が長手方向に移動する距離のことを指す。
また、工程(D)の幅方向の歪速度は、延伸操作の条件のみで算出されることを指し、緩和操作は計算に含まない。
無機塗工層を設けた微多孔膜を、長手方向20cm×幅方向20cmに切り出し、平らな台の上に置いた。30秒後に、微多孔膜が台と接している幅方向の長さA(cm)を計り、下記式に従ってカール値を算出した。
カール値(cm)=20(cm)−A(cm)
微多孔膜が台と接している幅方向の長さA(cm)としては、微多孔膜の長手方向において全て台と接している箇所を計測した。測定は、温度23±2℃、及び相対湿度40%±2%の条件下で行った。算出されたカール値を下記基準に従って評価した。
S(優):カール値が0.0cm以上3.1cm未満
A(良好):カール値が3.1cm以上6.1cm未満
B(許容):カール値が6.1cm以上9.0cm未満
C(不可):カール値が9.0cm以上20.0cm以下
a.正極の作製
正極活物質としてリチウムコバルト複合酸化物LiCoO2、並びに導電材としてグラファイト及びアセチレンブラックを、バインダであるポリフッ化ビニリデン(PVDF)及びN−メチルピロリドン(NMP)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15μmのアルミニウム箔にダイコーターで塗布し、130℃で3分間乾燥後、ロールプレス機で圧縮成形した。得られた成形体を57.0mm幅にスリットして正極を得た。
負極活物質として人造グラファイト、及び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とスチレン−ブタジエン共重合体ラテックスとを、精製水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銅箔にダイコーターで塗布し、120℃で3分間乾燥後、ロールプレス機で圧縮成形した。得られた成形体を58.5mm幅にスリットして負極を得た。
エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート:エチルメチルカーボネート=1:1:2(体積比)の混合溶媒に、溶質としてLiPF6を濃度1mol/Lとなるように溶解させて、非水電解液を調製した。
正極、実施例又は比較例で得られた多孔膜及び負極を積層した後、常法により巻回電極体を作製した。なお、PO微多孔膜の厚みによって巻回数を調整した。得られた巻回電極体の最外周端部を絶縁テープの貼付により固定した。負極リードを電池缶に、正極リードを安全弁にそれぞれ溶接して、巻回電極体を電池缶の内部に挿入した。その後、非水電解液を電池缶内に5g注入し、ガスケットを介して蓋を電池缶にかしめることにより、外径18mm、高さ65mmの円筒型2次電池を得た。この円筒型2次電池を25℃の雰囲気下、0.2C(定格電気容量の1時間率(1C)の0.2倍の電流)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絞り始めるという方法で、合計3時間充電を行った。続いて0.2Cの電流値で電池電圧3.0Vまで放電した。0%以上の容量を維持していたセルの割合(%)を、自己放電特性として算出した。
図2は、衝突試験の概略図である。
衝突試験では、試験台上に配置された試料の上に、試料と丸棒(φ=15.8mm)が概ね直交するように、丸棒を置いて、丸棒から61cmの高さの位置から、丸棒の上面へ18.2kgの錘を落すことにより、試料に対する衝撃の影響を観察する。
図2を参照して、実施例及び比較例における衝突試験の手順を以下に説明する。
25℃の環境下で、上記項目で得た2次電池を1Cの定電流で充電し、4.2Vに到達した後、4.2Vの定電圧で合計3時間充電した。
次に、25℃の環境下で、2次電池を平坦な面に横向きに置き、2次電池の中央部を横切るように、直径15.8mmのステンレスの丸棒を配置した。丸棒は、その長軸がセパレータの長手方向と平行となるように配置した。2次電池の中央部に配置した丸棒から2次電池の縦軸方向に対して、直角に衝撃が加わるように、18.2kgの錘を61cmの高さから落下させた。衝突後、3秒後と3分後に2次電池の表面温度を測定した。5セルずつ試験を行い、下記基準に即して評価した。本評価項目については、S(優)とA(良好)とB(許容)を合格の基準とした。なお、2次電池の表面温度とは、2次電池の外装体の底側から1cmの位置を熱電対(K型シールタイプ)で測定した温度である。
S(優):全てのセルにおいて、表面温度上昇が30℃以下。
A(良好):全てのセルにおいて、表面温度上昇が50℃以下。
B(許容):表面温度が50℃超過100℃以下のセルがあるが、全てのセルにおいて表面温度が100℃以下。
C(不可):1個以上のセルで表面温度が100℃を超過、又は発火。
つまり、3秒後の電池の表面温度が上昇していない場合、膜の突刺伸度が低いことで、異物等によって膜が確実に破膜し、電池の電流集中による短絡部分の局所的な発熱を防ぐことができたと考えられる。
また、3秒後の電池の表面温度は100℃未満の温度までは上昇したが、3分後の電池の表面温度はそれ以上上昇していない場合、衝突の重軽度、異物の大きさなどの影響により電池の熱暴走が起こりかけてしまったと考えられるが、膜の耐熱性が高いことで微多孔膜の収縮を防ぎ、ひいては電極同士の接触面積が衝撃を受けたときより拡大することを防ぐことができたため、3分後の熱暴走を抑制できたと考えられる。
さらに、3秒後及び3分後の電池の表面温度が上昇した場合は、異物等によって微多孔膜を貫通した際に、十分な電極同士の接触面積を確保できずに発熱し、その後も膜の耐熱性が低いことで、電極同士の接触面積がさらに拡大してしまい、熱暴走が継続して起こったものと考えられる。
(A)Mv70万の高密度ポリエチレンを45質量%、Mv25万の高密度ポリエチレンを45質量%、Mv40万のホモポリプロピレン10質量%をタンブラーブレンダーを用いてドライブレンドして、原料樹脂混合物を得た。32質量%の原料樹脂混合物と68質量%の流動パラフィンと1質量%の酸化防止剤とを配合して、ポリオレフィン組成物を得た。次に、ポリオレフィン組成物を二軸押出機に投入し、ダイリップ間隔820μmで溶融したポリオレフィン組成物を押出してゲル状シートを形成し、キャストロールで冷却固化した。
(B)同時二軸延伸機を用いて設定温度122℃、面倍率49倍(長手方向延伸倍率7倍、幅方向延伸倍率7倍)、長手方向の歪速度22%/秒、及び下記(D)での幅方向の歪速度に対して3.0倍の幅方向の歪速度で、冷却固化されたシートを延伸して延伸シートを得た。
(C)その後、延伸シートを塩化メチレンに浸漬し、流動パラフィンを抽出除去してから乾燥させて多孔化した。
(D)さらに、得られた多孔化物を一軸延伸機により温度130℃で幅方向に1.5倍延伸し、厚みが6.0μmのポリオレフィン微多孔膜を得た。
ポリオレフィン微多孔膜を上記方法に従って評価した。評価結果を表1に示す。また、ポリオレフィン微多孔膜のTMA測定における温度−荷重曲線を図3に示す。
表1に示される製造条件を使用したこと以外は実施例1と同様の方法でポリオレフィン微多孔膜を得て、評価した。評価結果を下記表1に示す。
[実施例12〜13]
(A)Mv200万のポリエチレンを25質量%、Mv70万の高密度ポリエチレンを15質量%、Mv25万の高密度ポリエチレンを30質量%、Mv15万の高密度ポリエチレンを30質量%をタンブラーブレンダーを用いてドライブレンドして、ポリオレフィン樹脂混合物を得た。35質量%の原料樹脂混合物と65質量%の流動パラフィンと1質量%の酸化防止剤とを配合して、ポリオレフィン組成物を得た。このようにして得られた樹脂組成物を用いて表1に示される製造条件を使用したこと以外、実施例1と同様の方法でポリオレフィン微多孔膜を得て、評価した。評価結果を下記表1に示す。
[比較例10]
(A)質量平均分子量が2.0×106の超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)20質量%と質量平均分子量が3.5×105の高密度ポリエチレン(HDPE)80質量%とからなり、酸化防止剤としてテトラキス[メチレン−3−(3,5−ジターシャリーブチル−4−ヒドロキシフェニル)−プロピオネート]メタンを組成物100質量部当たり0.375質量部加えたポリエチレン組成物を得た。このようにして得られた樹脂組成物を用いて表1に示される製造条件を使用したこと以外、実施例1と同様の方法でポリオレフィン微多孔膜を得て、評価した。評価結果を下記表1に示す。
[比較例11]
工程(B)の二軸延伸を、逐次二軸延伸に変更したこと以外は実施例1と同様の方法でポリオレフィン微多孔膜を得て評価した。評価結果を下記表1に示す。
PC:ポリオレフィン組成物中の原料樹脂混合物の割合[%]
C/C:ダイリップ間隔
HS:熱固定
2A,2B 電極板
3 異物
4 電極接触部分
Claims (11)
- 突刺伸度が2.30mm以下であり、幅方向の熱機械分析(TMA)測定において、応力変異点の温度が80.0℃以上であり、かつ応力ピーク値が1.8g以下であるポリオレフィン微多孔膜。
- 前記突刺伸度が2.10mm以下であり、前記幅方向のTMA測定において、前記応力変異点の温度が90.0℃以上であり、かつ前記応力ピーク値が1.4g以下である、請求項1に記載のポリオレフィン微多孔膜。
- 長手方向のTMA測定において応力ピーク値が2.0g以下である、請求項1又は2に記載のポリオレフィン微多孔膜。
- 単位厚み当たりの突刺強度が70gf/μm未満である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のポリオレフィン微多孔膜。
- 前記突刺伸度が0.5mm以上であり、前記幅方向のTMA測定において、前記応力変異点の温度が180.0℃以下であり、かつ前記応力ピーク値が0.3g以上である、請求項1〜4のいずれか1項に記載のポリオレフィン微多孔膜。
- 長手方向のTMA測定において応力ピーク値が0.3g以上である、請求項1〜5のいずれか1項に記載のポリオレフィン微多孔膜。
- 単位厚み当たりの突刺強度が10gf/μm以上である、請求項1〜6のいずれか1項に記載のポリオレフィン微多孔膜。
- 以下の工程:
(A)ポリオレフィン樹脂及び孔形成材を含むポリオレフィン組成物を押し出して、ゲル状シートを形成する工程;
(B)前記ゲル状シートを二軸延伸して、延伸シートを形成する工程;
(C)前記延伸シートから前記孔形成材を抽出して、多孔膜を形成する工程;並びに
(D)前記多孔膜を熱固定する工程;
を含み、前記工程(B)における長手方向の歪速度が20%/秒以上50%/秒以下であり、かつ前記工程(D)における幅方向の歪速度に対する前記工程(B)における幅方向の歪速度の比が、2.0以上10.0以下であるポリオレフィン微多孔膜の製造方法。 - 前記工程(B)では、前記ゲル状シートを同時二軸延伸する、請求項8に記載のポリオレフィン微多孔膜の製造方法。
- 得られたポリオレフィン微多孔膜は、2.30mm以下の突刺伸度を有し、幅方向の熱機械分析(TMA)測定において、応力変異点の温度が80.0℃以上であり、かつ応力ピーク値が1.8g以下である、請求項8又は9に記載のポリオレフィン微多孔膜の製造方法。
- 得られたポリオレフィン微多孔膜は、0.5mm以上の突刺伸度を有し、幅方向の熱機械分析(TMA)測定において、応力変異点の温度が180.0℃以下であり、かつ応力ピーク値が0.3g以上である、請求項8〜10のいずれか1項に記載のポリオレフィン微多孔膜の製造方法。
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