JPWO2019176290A1 - 非水系二次電池用セパレータ及び非水系二次電池 - Google Patents

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Abstract

多孔質基材と、前記多孔質基材の片面又は両面に設けられ、分子内にアミド結合及びイミド結合の少なくとも一方を有する耐熱樹脂、及びタッキファイヤーを含有する多孔質層と、を備えた非水系二次電池用セパレータ。

Description

本発明は、非水系二次電池用セパレータ及び非水系二次電池に関する。
リチウムイオン二次電池に代表される非水系二次電池は、ノートパソコン、携帯電話、デジタルカメラ、カムコーダ等の携帯型電子機器の電源として広く用いられている。また、リチウムイオン二次電池に代表される非水系二次電池は、エネルギー密度が高いという特徴から、電力貯蔵用や電動車両用の電池としての適用が検討されている。このような非水系二次電池の普及にともない、電池の安全性を高めることがますます求められている。
非水系二次電池を構成する部材の一つであるセパレータには、電池の安全性を担保するために、シャットダウン機能に加えて、電池内部が高温になっても容易に破膜しない耐熱性と、外部からの衝撃や充放電に伴う電極の膨張及び収縮によっても電極から容易に剥がれない接着性とが要求される。耐熱性を高めたセパレータとして、全芳香族ポリアミド等の耐熱樹脂を含有する多孔質層を多孔質基材上に備えたセパレータが知られている(例えば、特許文献1又は2)。電極への接着性を高めたセパレータとして、ポリフッ化ビニリデン系樹脂を含む多孔質層を多孔質基材上に備えたセパレータが知られている(例えば、特許文献3)。
特許第4291392号公報 特許第4364940号公報 特許第4127989号公報
全芳香族ポリアミド等の耐熱樹脂を含有する多孔質層を多孔質基材上に備えたセパレータは、該多孔質層が電極に接着しにくいので、電極への接着を担う層をさらに設ける場合があった。ポリフッ化ビニリデン系樹脂を含む多孔質層を多孔質基材上に備えたセパレータは、ポリフッ化ビニリデン系樹脂の耐熱性が全芳香族ポリアミド等の耐熱樹脂に比較して低いので、耐熱樹脂を含有する層をさらに設ける場合があった。
本開示の実施形態は、上記状況のもとになされた。
本開示の実施形態は、耐熱性と電極への接着性とに優れた多孔質層を備えた非水系二次電池用セパレータを提供することを目的とし、これを解決することを課題とする。
前記課題を解決するための具体的手段には、以下の態様が含まれる。
[1] 多孔質基材と、前記多孔質基材の片面又は両面に設けられ、分子内にアミド結合及びイミド結合の少なくとも一方を有する耐熱樹脂、及びタッキファイヤーを含有する多孔質層と、を備えた非水系二次電池用セパレータ。
[2] 前記タッキファイヤーは、溶解度パラメータが8.5〜9.5(J/cm0.5である、[1]に記載の非水系二次電池用セパレータ。
[3] 前記タッキファイヤーが、ロジン系樹脂、テルペンフェノール系樹脂、スチレン系樹脂及びクマロンインデン系樹脂からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む、[1]又は[2]に記載の非水系二次電池用セパレータ。
[4] 前記耐熱樹脂が、全芳香族ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリ−N−ビニルアセトアミド、ポリアクリルアミド、共重合ポリエーテルアミド、ポリイミド及びポリエーテルイミドからなる群より選ばれる少なくとも1種を含む、[1]〜[3]のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
[5] 前記多孔質層がアクリル系樹脂をさらに含有する、[1]〜[4]のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
[6] 前記多孔質層がポリフッ化ビニリデン系樹脂をさらに含有する、[1]〜[4]のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
[7] 前記多孔質層がアクリル系樹脂及びポリフッ化ビニリデン系樹脂をさらに含有する、[1]〜[4]のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
[8] 前記アクリル系樹脂が、単量体成分としてアクリル系モノマーとスチレン系モノマーとを含む共重合体を含む、[5]又は[7]に記載の非水系二次電池用セパレータ。
[9] 前記ポリフッ化ビニリデン系樹脂が、単量体成分としてフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとを含みヘキサフルオロプロピレン単量体成分の含有量が3質量%〜20質量%であり且つ重量平均分子量が10万〜150万である共重合体を含む、[6]又は[7]に記載の非水系二次電池用セパレータ。
[10] 前記多孔質層における前記耐熱樹脂の含有量が、すべての樹脂成分の合計質量に対して40質量%〜80質量%である、[1]〜[9]のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
[11] 前記多孔質層における前記タッキファイヤーの含有量が、すべての樹脂成分の合計質量に対して1質量%〜60質量%である、[1]〜[10]のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
[12] 前記多孔質層がフィラーをさらに含有し、前記多孔質層における前記フィラーの含有量が、前記多孔質層の全質量に対して5質量%〜80質量%である、[1]〜[11]のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
[13] 多孔質基材と、前記多孔質基材の一方の面に設けられ、分子内にアミド結合及びイミド結合の少なくとも一方を有する耐熱樹脂、及びタッキファイヤーを含有する第一の多孔質層と、前記多孔質基材の他方の面に設けられ、分子内にアミド結合及びイミド結合の少なくとも一方を有する耐熱樹脂、アクリル系樹脂及びポリフッ化ビニリデン系樹脂を含有する第二の多孔質層と、を備えた非水系二次電池用セパレータ。
[14] 正極と、負極と、前記正極及び前記負極の間に配置された[1]〜[13]のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータと、を備え、リチウムのドープ・脱ドープにより起電力を得る非水系二次電池。
[15] 分子内にアミド結合及びイミド結合の少なくとも一方を有する耐熱樹脂、及びタッキファイヤーを含有する、非水系二次電池用多孔質膜。
[16] アクリル系樹脂をさらに含有する、[15]に記載の非水系二次電池用多孔質膜。
[17] ポリフッ化ビニリデン系樹脂をさらに含有する、[15]に記載の非水系二次電池用多孔質膜。
[18] アクリル系樹脂及びポリフッ化ビニリデン系樹脂をさらに含有する、[15]に記載の非水系二次電池用多孔質膜。
本開示によれば、耐熱性と電極への接着性とに優れた多孔質層を備えた非水系二次電池用セパレータが提供される。
以下に、本開示の実施形態について説明する。これらの説明及び実施例は実施形態を例示するものであり、実施形態の範囲を制限するものではない。
本開示において「〜」を用いて示された数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示す。
本開示において「工程」との語は、独立した工程だけでなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。
本開示において組成物中の各成分の量について言及する場合、組成物中に各成分に該当する物質が複数種存在する場合には、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の物質の合計量を意味する。
本開示において、「MD方向」とは、長尺状に製造される多孔質基材及びセパレータにおいて長尺方向を意味し、「TD方向」とは、「MD方向」に直交する方向を意味する。本開示において、「MD方向」を「機械方向」ともいい、「TD方向」を「幅方向」ともいう。
本開示において、セパレータを構成する各層の積層関係について「上」及び「下」で表現する場合、基材に対してより近い層について「下」といい、基材に対してより遠い層について「上」という。
本開示において「(メタ)アクリル」との表記は「アクリル」又は「メタクリル」を意味する。
本開示において、共重合体の「単量体成分」とは、共重合体の構成要素であって、単量体が重合してなる構成要素を意味する。
本開示において、セパレータに電解液を含浸させて熱プレス処理を行うことを「ウェットヒートプレス」といい、セパレータに電解液を含浸させずに熱プレス処理を行うことを「ドライヒートプレス」という。
本開示において「耐熱樹脂」とは、180℃未満の温度領域において、ガラス転移せず、融解せず、且つ分解しない樹脂を指す。本開示における耐熱樹脂のより好ましい形態は、200℃未満の温度領域において、ガラス転移せず、融解せず、且つ分解しない樹脂である。
<非水系二次電池用セパレータ>
本開示の非水系二次電池用セパレータ(本開示において「セパレータ」ともいう。)は、多孔質基材と、多孔質基材の片面又は両面に設けられ、分子内にアミド結合及びイミド結合の少なくとも一方を有する耐熱樹脂、及びタッキファイヤーを含有する多孔質層と、を備える。
本開示において、分子内にアミド結合及びイミド結合の少なくとも一方を有する耐熱樹脂を「特定耐熱樹脂」という。本開示において、特定耐熱樹脂及びタッキファイヤーを含有する多孔質層を「耐熱接着性多孔質層」という。
これまで、特定耐熱樹脂とタッキファイヤーとを両方含有する多孔質層を備えたセパレータは知られていなかった。本発明者らは、特定耐熱樹脂とタッキファイヤーとが溶媒中に相溶すること、及び、特定耐熱樹脂及びタッキファイヤーが相溶した塗工液を用いて透過性に優れた多孔質構造が形成できることを初めて見出し、本発明を完成させた。
本開示のセパレータは、耐熱接着性多孔質層が特定耐熱樹脂を含有することにより耐熱性に優れると共に、耐熱接着性多孔質層がタッキファイヤーを含有することにより電極に対する接着性(特にドライヒートプレスした際の接着性)に優れる。
また、本開示のセパレータは、耐熱接着性多孔質層がタッキファイヤーを含有することにより、耐熱接着性多孔質層が多孔質基材から剥離しにくく、ハンドリング性に優れる。
本開示のセパレータは電極との接着に優れるので、本開示のセパレータを用いることにより、電池の製造歩留りを向上させることができる。
本開示のセパレータが電極との接着に優れるので、本開示のセパレータを用いて製造された電池は、外部からの衝撃又は充放電に伴う電極の膨張及び収縮が起っても、電極とセパレータとの間に隙間が形成されにくく、安全性に優れる。
本開示のセパレータが電極との接着に優れるので、本開示のセパレータを用いて製造された電池は、電池特性(例えば、サイクル特性、負荷特性)に優れる。
以下、本開示のセパレータが有する多孔質基材及び耐熱接着性多孔質層の詳細を説明する。
[多孔質基材]
本開示において多孔質基材とは、内部に空孔ないし空隙を有する基材を意味する。このような基材としては、微多孔膜;繊維状物からなる、不織布、紙等の多孔性シート;などが挙げられる。多孔質基材としては、セパレータの薄膜化及び強度の観点から、微多孔膜が好ましい。微多孔膜とは、内部に多数の微細孔を有し、これら微細孔が連結された構造となっており、一方の面から他方の面へと気体あるいは液体が通過可能となった膜を意味する。
多孔質基材の材料としては、電気絶縁性を有する材料が好ましく、有機材料又は無機材料のいずれでもよい。
多孔質基材は、多孔質基材にシャットダウン機能を付与するため、熱可塑性樹脂を含むことが望ましい。シャットダウン機能とは、電池温度が高まった際に、構成材料が溶解して多孔質基材の孔を閉塞することによりイオンの移動を遮断し、電池の熱暴走を防止する機能をいう。熱可塑性樹脂としては、融点200℃未満の熱可塑性樹脂が好ましい。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル;ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン;などが挙げられ、中でもポリオレフィンが好ましい。
多孔質基材としては、ポリオレフィンを含む微多孔膜(本開示において「ポリオレフィン微多孔膜」という。)が好ましい。ポリオレフィン微多孔膜としては、例えば、従来の電池セパレータに適用されているポリオレフィン微多孔膜が挙げられ、この中から十分な力学特性とイオン透過性を有するものを選択することが好ましい。
ポリオレフィン微多孔膜は、シャットダウン機能を発現する観点から、ポリエチレンを含む微多孔膜が好ましく、ポリエチレンの含有量としては、ポリオレフィン微多孔膜全体の質量に対して95質量%以上が好ましい。
ポリオレフィン微多孔膜は、高温に曝されたときに容易に破膜しない耐熱性を備える観点から、ポリプロピレンを含む微多孔膜が好ましい。
ポリオレフィン微多孔膜は、シャットダウン機能と、高温に曝されたときに容易に破膜しない耐熱性とを備える観点から、ポリエチレン及びポリプロピレンを含有するポリオレフィン微多孔膜が好ましい。
ポリエチレン及びポリプロピレンを含有するポリオレフィン微多孔膜の形態例として、ポリエチレンとポリプロピレンが1つの層において混在している微多孔膜が挙げられる。この微多孔膜は、シャットダウン機能と耐熱性の両立という観点から、微多孔膜全体の質量に対して0.1質量%〜30質量%のポリプロピレンを含有することが好ましい。
ポリエチレン及びポリプロピレンを含有するポリオレフィン微多孔膜の形態例として、2層以上の積層構造を備え、少なくとも1層はポリエチレンを含有し、少なくとも1層はポリプロピレンを含有するポリオレフィン微多孔膜が挙げられる。この微多孔膜は、シャットダウン機能と耐熱性の両立という観点から、一層は該層の質量に対して95質量%以上のポリエチレンを含有し、別の一層は該層の質量に対して30質量%以上のポリプロピレンを含有することが好ましい。
従来、ポリアミド類又はポリイミド類はポリプロピレンとの親和性が低く、ポリアミド類又はポリイミド類を含む耐熱樹脂層はポリプロピレンを含むポリオレフィン微多孔膜から剥離しやすかった。本開示のセパレータは、ポリプロピレンを含むポリオレフィン微多孔膜を多孔質基材として用いた場合であっても、タッキファイヤーの作用により、該微多孔膜から耐熱接着性多孔質層が剥離しにくい。
ポリオレフィン微多孔膜に含まれるポリオレフィンとしては、重量平均分子量(Mw)が10万〜500万のポリオレフィンが好ましい。ポリオレフィンのMwが10万以上であると、微多孔膜に十分な力学特性を付与できる。ポリオレフィンのMwが500万以下であると、微多孔膜のシャットダウン特性が良好であるし、微多孔膜の成形がしやすい。
ポリオレフィン微多孔膜の製造方法としては、溶融したポリオレフィン樹脂をT−ダイから押し出してシート化し、これを結晶化処理した後延伸し、次いで熱処理をして微多孔膜とする方法:流動パラフィンなどの可塑剤と一緒に溶融したポリオレフィン樹脂をT−ダイから押し出し、これを冷却してシート化し、延伸した後、可塑剤を抽出し熱処理をして微多孔膜とする方法;などが挙げられる。
繊維状物からなる多孔性シートとしては、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル;ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン;全芳香族ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルイミド等の耐熱樹脂;セルロース;などの繊維状物からなる、不織布、紙等の多孔性シートが挙げられる。
多孔質基材の表面には、耐熱接着性多孔質層を形成するための塗工液の濡れ性を向上させる目的で、多孔質基材の性質を損なわない範囲で、各種の表面処理を施してもよい。表面処理としては、コロナ処理、プラズマ処理、火炎処理、紫外線照射処理等が挙げられる。
[多孔質基材の特性]
多孔質基材の厚さは、イオン透過性の観点及び電池のエネルギー密度を高める観点から、25μm以下が好ましく、十分な力学特性を得る観点、セパレータの製造歩留り及び電池の製造歩留りの観点から、5μm以上が好ましい。
多孔質基材のガーレ値(JIS P8117:2009)は、イオン透過性又は電池の短絡抑制の観点から、50秒/100mL〜300秒/100mLが好ましい。
多孔質基材の空孔率は、適切な膜抵抗やシャットダウン機能を得る観点から、20%〜60%が好ましい。多孔質基材の空孔率は、下記の算出方法に従って求める。即ち、構成材料がa、b、c、…、nであり、各構成材料の質量がWa、Wb、Wc、…、Wn(g/cm)であり、各構成材料の真密度がda、db、dc、…、dn(g/cm)であり、膜厚をt(cm)としたとき、空孔率ε(%)は以下の式より求められる。
ε={1−(Wa/da+Wb/db+Wc/dc+…+Wn/dn)/t}×100
多孔質基材の平均孔径は、イオン透過性又は電池の短絡抑制の観点から、20nm〜100nmが好ましい。多孔質基材の平均孔径は、パームポロメーターを用いて、ASTM E1294−89に準拠して測定する。
多孔質基材の突刺強度は、セパレータの製造歩留り及び電池の製造歩留りの観点から、300g以上が好ましい。多孔質基材の突刺強度は、カトーテック社KES−G5ハンディー圧縮試験器を用いて、針先端の曲率半径0.5mm、突刺速度2mm/秒の条件で突刺試験を行って測定する最大突刺荷重(g)を指す。
[耐熱接着性多孔質層]
本開示のセパレータにおいて耐熱接着性多孔質層は、内部に多数の微細孔を有し、これら微細孔が連結された構造となっており、一方の面から他方の面へと気体あるいは液体が通過可能となっている。
本開示のセパレータにおいて耐熱接着性多孔質層は、多孔質基材の片面又は両面にセパレータの最外層として設けられることが好ましい。ただし、本開示のセパレータは、耐熱接着性多孔質層上にさらに他の層(例えば、後述する接着性多孔質層)を有する形態を排除しない。
耐熱接着性多孔質層は、多孔質基材の片面のみに最外層としてあるよりも、多孔質基材の両面に最外層としてある方が、電池のサイクル特性が優れる観点から好ましい。耐熱接着性多孔質層が多孔質基材の両面に最外層としてあると、セパレータの両面が耐熱接着性多孔質層を介して両電極とよく接着するからである。
本開示のセパレータにおいて耐熱接着性多孔質層は、少なくとも特定耐熱樹脂及びタッキファイヤーを含有する。耐熱接着性多孔質層は、特定耐熱樹脂及びタッキファイヤー以外の樹脂、無機フィラー、有機フィラー等を含有していてもよい。
−特定耐熱樹脂−
特定耐熱樹脂(分子内にアミド結合及びイミド結合の少なくとも一方を有する耐熱樹脂)は、180℃未満の温度領域において、ガラス転移せず、融解せず、且つ分解しない樹脂である。特定耐熱樹脂としては、200℃未満の温度領域において、ガラス転移せず、融解せず、且つ分解しない樹脂であることがより好ましい。
特定耐熱樹脂としては、例えば、全芳香族ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリ−N−ビニルアセトアミド、ポリアクリルアミド、共重合ポリエーテルポリアミド、ポリイミド及びポリエーテルイミド等が挙げられる。これら樹脂は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
特定耐熱樹脂は、ホモポリマーであってもよく、柔軟性の発揮など所望の目的に合わせて共重合体であってもよい。例えば、全芳香族ポリアミドには少量の脂肪族骨格が含まれていてもよい。
耐熱接着性多孔質層に含まれる特定耐熱樹脂の重量平均分子量は、1×10〜1×10が好ましく、5×10〜5×10がより好ましく、1×10〜1×10が更に好ましい。
本開示において樹脂の重量平均分子量は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により測定する。GPCによる分子量測定は、日本分光社製のGPC装置であるGPC−900を用い、カラムに東ソー社製TSKgel SUPER AWM−Hを2本用い、溶媒にN,N−ジメチルホルムアミドを使用し、温度40℃、流量10mL/分の条件で測定し、ポリスチレン換算の分子量を求める。
特定耐熱樹脂としては、耐久性の観点から、全芳香族ポリアミドが好ましい。全芳香族ポリアミドは、メタ型でもパラ型でもよい。全芳香族ポリアミドの中でも、多孔質層を形成しやすい観点及び電極反応において耐酸化還元性に優れる観点から、メタ型全芳香族ポリアミドが好ましい。全芳香族ポリアミドとしては、具体的には、ポリメタフェニレンイソフタルアミド又はポリパラフェニレンテレフタルアミドが好ましく、ポリメタフェニレンイソフタルアミドがより好ましい。
耐熱接着性多孔質層における特定耐熱樹脂の含有量は、セパレータの耐熱性の観点から、すべての樹脂成分の合計質量に対して、40質量%以上が好ましく、45質量%以上がより好ましく、50質量%以上が更に好ましい。耐熱接着性多孔質層における特定耐熱樹脂の含有量は、電極に対する接着性の観点から、すべての樹脂成分の合計質量に対して、80質量%以下が好ましく、70質量%以下がより好ましく、60質量%以下が更に好ましい。
−タッキファイヤー−
タッキファイヤーとしては、例えば、ロジン系樹脂、テルペン系樹脂、テルペンフェノール系樹脂、スチレン系樹脂、クマロン系樹脂、クマロンインデン系樹脂、キシレン系樹脂、キシレンホルムアルデヒド系樹脂、フェノール系樹脂、石油樹脂等が挙げられる。ロジン系樹脂としては、ロジン、不均化ロジン、水添ロジン、重合ロジン、ロジンエステル、重合ロジンエステル、ロジンフェノール等が挙げられる。テルペン系樹脂としては、α−ピネン樹脂、β−ピネン樹脂、リモネン樹脂、ロンギフォーレン樹脂、カリオフィレン樹脂等が挙げられる。スチレン系樹脂としては、ポリスチレン、スチレン−ブタジエン共重合体、スチレン−イソプレン共重合体、スチレン−ブタジエン−イソプレン共重合体等が挙げられる。タッキファイヤーは、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
タッキファイヤーとしては、特定耐熱樹脂との相溶性の観点から、ロジン系樹脂、テルペンフェノール系樹脂、スチレン系樹脂、又はクマロンインデン系樹脂が好ましい。
タッキファイヤーは、特定耐熱樹脂との相溶性の観点から、溶解度パラメータが8.5〜9.5(J/cm0.5であることが好ましい。
本開示において、タッキファイヤーの溶解度パラメータは、Fedorsの計算方法によって算出される値であり、単位が(J/cm0.5である。
耐熱接着性多孔質層におけるタッキファイヤーの含有量は、電極に対する接着性の観点から、すべての樹脂成分の合計質量に対して、1質量%以上が好ましく、5質量%以上がより好ましく、10質量%以上が更に好ましい。耐熱接着性多孔質層におけるタッキファイヤーの含有量は、特定耐熱樹脂の含有量を確保しセパレータの耐熱性を維持する観点から、すべての樹脂成分の合計質量に対して、60質量%以下が好ましく、50質量%以下がより好ましく、45質量%以下が更に好ましい。
−アクリル系樹脂−
本開示において耐熱接着性多孔質層は、電極に対する接着性(特にドライヒートプレスした際の接着性)を向上させる観点から、アクリル系樹脂を含有することが好ましい。
アクリル系樹脂としては、単量体成分として(メタ)アクリル酸、(メタ)アクリル酸塩、(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種のアクリル系モノマーを含む樹脂が好ましい。
(メタ)アクリル酸塩としては、(メタ)アクリル酸ナトリウム、(メタ)アクリル酸カリウム、(メタ)アクリル酸マグネシウム、(メタ)アクリル酸亜鉛等が挙げられる。
(メタ)アクリル酸エステルとしては、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸イソプロピル、(メタ)アクリル酸n−ブチル、(メタ)メタクリル酸イソブチル、(メタ)アクリル酸n−ヘキシル、(メタ)アクリル酸2−エチルヘキシル、(メタ)アクリル酸ラウリル、(メタ)アクリル酸ステアリル、(メタ)アクリル酸シクロヘキシル、(メタ)アクリル酸ジシクロペンタニル、(メタ)アクリル酸イソボルニル、(メタ)アクリル酸2−ヒドロキシエチル、(メタ)アクリル酸ヒドロキシプロピル、(メタ)アクリル酸4−ヒドロキシブチル、(メタ)アクリル酸2−(ジエチルアミノ)エチル、メトキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート等が挙げられる。
アクリル系モノマーとしては、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸イソプロピル、(メタ)アクリル酸n−ブチル、(メタ)アクリル酸ラウリル、(メタ)アクリル酸ステアリル、(メタ)アクリル酸2−エチルヘキシル、(メタ)アクリル酸2−ヒドロキシエチルが好ましい。
アクリル系樹脂としては、ポリフッ化ビニリデン系樹脂との相溶性が高い観点から、単量体成分として(メタ)アクリル酸の低級アルキルエステルを含むアクリル系樹脂が好ましく、単量体成分として(メタ)アクリル酸メチルを含むアクリル系樹脂がより好ましい。
アクリル系樹脂に単量体成分として含まれるアクリル系モノマーは、単量体成分全体に対して、50質量%〜90質量%が好ましく、60質量%〜80質量%がより好ましい。
アクリル系樹脂に単量体成分として含まれる(メタ)アクリル酸メチルは、単量体成分全体に対して、20質量%〜60質量%が好ましく、30質量%〜50質量%がより好ましい。
アクリル系樹脂は、アクリル系モノマーと他のモノマーとの共重合体であってもよく、他のモノマーとしては、スチレン系モノマーや不飽和カルボン酸無水物等が挙げられる。アクリル系樹脂は、単量体成分としてスチレン系モノマーを含むことが好ましい。
スチレン系モノマーとしては、例えば、スチレン、メタクロロスチレン、パラクロロスチレン、パラフルオロスチレン、パラメトキシスチレン、メタ−tert−ブトキシスチレン、パラ−tert−ブトキシスチレン、バラビニル安息香酸、パラメチル−α−メチルスチレン等が挙げられる。
スチレン系モノマーとしては、スチレン、パラメトキシスチレン、パラメチル−α−メチルスチレンが好ましく、アクリル系樹脂の電解液への溶解を抑制する観点から、スチレンが特に好ましい。
アクリル系樹脂が単量体成分としてスチレン系モノマーを含む場合、スチレン系モノマーの含有量は、単量体成分全体に対して、20質量%〜50質量%が好ましく、30質量%〜40質量%がより好ましい。
不飽和カルボン酸無水物としては、マレイン酸無水物、イタコン酸無水物、シトラコン酸無水物、4−メタクリロキシエチルトリメリット酸無水物、トリメリット酸無水物等が挙げられる。単量体成分として不飽和カルボン酸無水物が含まれると、不飽和カルボン酸無水物に由来する構成要素の分極の強さが電極の構成成分と分子間相互作用を生み出すこと、又は、不飽和カルボン酸無水物に由来する残存カルボキシ基が電極中の樹脂成分又は特定耐熱樹脂のアミノ末端と反応すること、により耐熱接着性多孔質層と電極との接着性を向上させる。
アクリル系樹脂が単量体成分として不飽和カルボン酸無水物を含む場合、不飽和カルボン酸無水物の含有量は、耐熱接着性多孔質層と電極との接着性を向上させる観点から、単量体成分全体に対して、1質量%以上が好ましく、5質量%以上がより好ましく、10質量%以上が更に好ましい。
アクリル系樹脂が単量体成分として不飽和カルボン酸無水物を含む場合、不飽和カルボン酸無水物の含有量は、アクリル系樹脂のガラス転移温度を80℃以下に抑える観点から、単量体成分全体に対して、50質量%以下が好ましく、40質量%以下がより好ましく、30質量%以下が更に好ましい。
アクリル系樹脂のガラス転移温度(Tg)としては、−70℃〜80℃の範囲が好ましい。一般的には、アクリル系樹脂のTgが低いほど、熱印加によりアクリル系樹脂の流動性が高まるので、電極表面の凹凸にポリマー鎖が入り込んでアンカー効果を発現し、電極と耐熱接着性多孔質層の接着を向上させる。本観点から、アクリル系樹脂のTgは、80℃以下が好ましい。アクリル系樹脂のTgが−70℃以上であると、耐熱接着性多孔質層がブロッキングを引き起こしにくい。
アクリル系樹脂のTgは、FOX式を指針にして、アクリル系モノマー、スチレン系モノマー、不飽和カルボン酸無水物等の共重合比を変更することにより制御できる。
アクリル系樹脂の重量平均分子量(Mw)は、1万〜50万が好ましい。アクリル系樹脂のMwが1万以上であると、電極との接着強度がより向上する。アクリル系樹脂のMwが50万以下であると、熱印加した際に耐熱接着性多孔質層の流動性が高まりやすい。アクリル系樹脂のMwは、2万〜30万がより好ましく、3万〜20万が更に好ましい。
耐熱接着性多孔質層にアクリル系樹脂が含まれる場合、耐熱接着性多孔質層におけるアクリル系樹脂の含有量は、先述の効果を得る観点から、すべての樹脂成分の合計質量に対して、5質量%以上が好ましく、10質量%以上がより好ましく、15質量%以上が更に好ましい。耐熱接着性多孔質層におけるアクリル系樹脂の含有量は、耐熱接着性多孔質層の凝集破壊を抑制する観点から、すべての樹脂成分の合計質量に対して、30質量%以下が好ましい。
−ポリフッ化ビニリデン系樹脂−
本開示において耐熱接着性多孔質層は、電極に対する接着性(特にウェットヒートプレスした際の接着性)を向上させる観点から、ポリフッ化ビニリデン系樹脂を含有することが好ましい。
一般的に、ポリアミド類又はポリイミド類とポリフッ化ビニリデン系樹脂との親和性が低いことにより両者が相溶した溶液を得ることは困難であるところ、両樹脂と親和性の高いタッキファイヤーが相溶化剤的な作用を示し、特定耐熱樹脂、タッキファイヤー及びポリフッ化ビニリデン系樹脂が相溶した溶液を調製することができる。この溶液を塗工液として用いて透過性に優れた多孔質構造が形成できる。
本開示において耐熱接着性多孔質層がポリフッ化ビニリデン系樹脂を含有する場合、特定耐熱樹脂とポリフッ化ビニリデン系樹脂との間で相溶化剤的な作用を示すアクリル系樹脂をさらに含有することが好ましい。
ポリフッ化ビニリデン系樹脂としては、フッ化ビニリデンの単独重合体(即ちポリフッ化ビニリデン);フッ化ビニリデンと他のモノマーとの共重合体(ポリフッ化ビニリデン共重合体);これらの混合物;が挙げられる。フッ化ビニリデンと共重合可能なモノマーとしては、例えば、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、トリフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、フッ化ビニル、トリクロロエチレン等が挙げられ、1種類又は2種類以上を用いることができる。
ポリフッ化ビニリデン系樹脂としては、電極に対する接着性の観点から、フッ化ビニリデン(VDF)とヘキサフルオロプロピレン(HFP)との共重合体(VDF−HFP共重合体)が好ましい。本開示においてVDF−HFP共重合体には、VDFとHFPのみを重合した共重合体、及び、VDFとHFPと他のモノマーを重合した共重合体のいずれも含まれる。
VDF−HFP共重合体としては、HFP単量体成分の含有量が全単量体成分の3質量%〜20質量%であり、且つ、重量平均分子量(Mw)が10万〜150万である共重合体が好ましい。
VDF−HFP共重合体のHFP単量体成分の含有量が3質量%以上であると、熱印加によりポリマー鎖の運動性が高まりやすく、電極表面の凹凸にポリマー鎖が入り込んでアンカー効果を発現し、電極と耐熱接着性多孔質層の接着を向上させる。また、VDF−HFP共重合体のHFP単量体成分の含有量が3質量%以上であると、電解液に膨潤しやすいことにより、ウェットヒートプレスを行った際、電極のバインダ樹脂と接着しやすい。これらの観点から、VDF−HFP共重合体のHFP単量体成分の含有量は、3質量%以上が好ましく、5質量%以上がより好ましく、6質量%以上が更に好ましい。
VDF−HFP共重合体のHFP単量体成分の含有量が20質量%以下であると、電解液に溶解しにくく過度に膨潤することもないので、電池内部において電極と耐熱接着性多孔質層との接着が保たれる。この観点から、VDF−HFP共重合体のHFP単量体成分の含有量は、20質量%以下が好ましく、18質量%以下がより好ましく、15質量%以下が更に好ましい。
VDF−HFP共重合体のMwが10万以上であると、耐熱接着性多孔質層の機械的強度が向上し電極との接着強度が向上する。また、VDF−HFP共重合体のMwが10万以上であると、電解液に溶解しにくいので、電池内部において電極と耐熱接着性多孔質層との接着が保たれる。これらの観点から、VDF−HFP共重合体のMwは、10万以上が好ましく、20万以上がより好ましく、30万以上が更に好ましく、50万以上が更に好ましい。
VDF−HFP共重合体のMwが150万以下であると、耐熱接着性多孔質層を形成するための塗工液の粘度が高くなり過ぎず成形性及び結晶形成がよく、耐熱接着性多孔質層の表面性状の均一性が高く、その結果として、電極に対する耐熱接着性多孔質層の接着が良好である。また、VDF−HFP共重合体のMwが150万以下であると、熱印加によりポリマー鎖の運動性が高まりやすく、電極表面の凹凸にポリマー鎖が入り込んでアンカー効果を発現し、電極と耐熱接着性多孔質層の接着を向上させる。これらの観点から、VDF−HFP共重合体のMwは、150万以下が好ましく、120万以下がより好ましく、100万以下が更に好ましい。
HFP単量体成分の含有量が全単量体成分の3質量%〜20質量%であり、且つ、重量平均分子量が10万〜150万であるVDF−HFP共重合体は、アクリル系樹脂との親和性が高い観点からも好ましい。
耐熱接着性多孔質層にポリフッ化ビニリデン系樹脂が含まれる場合、耐熱接着性多孔質層におけるポリフッ化ビニリデン系樹脂の含有量は、先述の効果を得る観点から、すべての樹脂成分の合計質量に対して、0.5質量%以上が好ましく、1質量%以上がより好ましく、2質量%以上が更に好ましい。耐熱接着性多孔質層におけるポリフッ化ビニリデン系樹脂の含有量は、特定耐熱樹脂の含有量を確保しセパレータの耐熱性を維持する観点から、すべての樹脂成分の合計質量に対して、25質量%以下が好ましい。
耐熱接着性多孔質層にアクリル系樹脂及びポリフッ化ビニリデン系樹脂が含まれる場合、耐熱接着性多孔質層におけるポリフッ化ビニリデン系樹脂の含有量は、アクリル系樹脂とポリフッ化ビニリデン系樹脂との合計質量に対して5質量%〜55質量%が好ましい。
−その他の樹脂−
耐熱接着性多孔質層は、特定耐熱樹脂、タッキファイヤー、アクリル系樹脂及びポリフッ化ビニリデン系樹脂以外のその他の樹脂を含んでいてもよい。
その他の樹脂としては、フッ素系ゴム、ビニルニトリル化合物(アクリロニトリル、メタクリロニトリル等)の単独重合体又は共重合体、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシアルキルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリビニルピロリドン、ポリエーテル(ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド等)などが挙げられる。
−フィラー−
本開示において耐熱接着性多孔質層は、セパレータの滑り性や耐熱性を向上させる目的で、無機物又は有機物からなるフィラーを含んでいてもよい。その場合、本開示の効果を妨げない程度の含有量や粒子サイズとすることが好ましい。フィラーとしては、セル強度の向上及び電池の安全性確保の観点から、無機フィラーが好ましい。
フィラーの平均粒子径は、0.01μm〜5μmが好ましい。その下限値としては0.1μm以上がより好ましく、上限値としては1μm以下がより好ましい。
耐熱接着性多孔質層におけるフィラーの含有量は、耐熱接着性多孔質層の全質量に対して5質量%〜80質量%が好ましい。
無機フィラーとしては、電解液に対して安定であり、且つ、電気化学的に安定な無機フィラーが好ましい。具体的には例えば、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化クロム、水酸化ジルコニウム、水酸化セリウム、水酸化ニッケル、水酸化ホウ素等の金属水酸化物;アルミナ、チタニア、マグネシア、シリカ、ジルコニア、チタン酸バリウム等の金属酸化物;炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等の炭酸塩;硫酸バリウム、硫酸カルシウム等の硫酸塩;ケイ酸カルシウム、タルク等の粘土鉱物;などが挙げられる。これらの無機フィラーは、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。無機フィラーは、シランカップリング剤等により表面修飾されたものでもよい。
無機フィラーとしては、電池内での安定性及び電池の安全性確保の観点から、金属水酸化物及び金属酸化物の少なくとも1種を含むことが好ましく、難燃性付与や除電効果の観点から、金属水酸化物を含むことが好ましく、水酸化マグネシウムを含むことが更に好ましい。
無機フィラーの粒子形状には制限はなく、球状、楕円体状、板状、針状、不定形のいずれでもよい。無機フィラーは、電池の短絡抑制の観点から、板状の粒子や、凝集していない一次粒子であることが好ましい。
耐熱接着性多孔質層に無機フィラーが含まれる場合、耐熱接着性多孔質層における無機フィラーの含有量は、耐熱接着性多孔質層の全質量に対して5質量%〜80質量%が好ましい。無機フィラーの含有量が5質量%以上であると、熱が印加された際にセパレータの熱収縮が抑制されるので寸法安定性に優れる。本観点から、無機フィラーの含有量は、より好ましくは45質量%以上、更に好ましくは50質量%以上である。無機フィラーの含有量が80質量%以下であると、耐熱接着性多孔質層の電極への接着が良好である。本観点から、無機フィラーの含有量は、より好ましくは75質量%以下、更に好ましくは70質量%以下である。
有機フィラーとしては、例えば、架橋ポリ(メタ)アクリル酸、架橋ポリ(メタ)アクリル酸エステル、架橋ウレタン樹脂、架橋ポリシリコーン、架橋ポリスチレン、架橋ポリジビニルベンゼン、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体架橋物、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ベンゾグアナミン−ホルムアルデヒド縮合物等の架橋高分子からなる粒子;ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、アラミド、ポリアセタール等の耐熱性高分子からなる粒子;などが挙げられる。これらの有機フィラーは、1種を単独で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
−その他の成分−
耐熱接着性多孔質層は、界面活性剤等の分散剤、湿潤剤、消泡剤、pH調整剤などの添加剤を含んでいてもよい。分散剤は、耐熱接着性多孔質層を形成するための塗工液に、分散性、塗工性及び保存安定性を向上させる目的で添加される。湿潤剤、消泡剤、pH調整剤は、耐熱接着性多孔質層を形成するための塗工液に、例えば、多孔質基材との馴染みをよくする目的、塗工液へのエア噛み込みを抑制する目的、又はpH調整の目的で添加される。
[耐熱接着性多孔質層の特性]
耐熱接着性多孔質層の厚さは、セパレータの耐熱性又は電極との接着性の観点から、片面0.5μm以上が好ましく、片面1.0μm以上がより好ましく、セパレータのハンドリング性又は電池のエネルギー密度の観点から、片面8.0μm以下が好ましく、片面6.0μm以下がより好ましい。
耐熱接着性多孔質層が多孔質基材の両面にある場合、一方の面における耐熱接着性多孔質層の厚さと、他方の面における耐熱接着性多孔質層の厚さとの差は、両面合計の厚さの20%以下であることが好ましく、差は小さいほど好ましい。
単位面積当たりの耐熱接着性多孔質層の質量は、セパレータの耐熱性又は電極との接着性の観点から、片面0.5g/m以上が好ましく、片面0.75g/m以上がより好ましく、イオン透過性の観点から、片面5.0g/m以下が好ましく、片面4.0g/m以下がより好ましい。
耐熱接着性多孔質層の空孔率は、イオン透過性の観点から、30%以上が好ましく、機械的強度の観点から、80%以下が好ましく、60%以下がより好ましい。耐熱接着性多孔質層の空孔率の求め方は、多孔質基材の空孔率の求め方と同様である。
耐熱接着性多孔質層の平均孔径は、イオン透過性の観点から、10nm以上が好ましく、電極との接着性の観点から、200nm以下が好ましい。耐熱接着性多孔質層の平均孔径(nm)は、すべての孔が円柱状であると仮定し、以下の式によって算出する。
d=4V/S
式中、dは耐熱接着性多孔質層の平均孔径(直径)、Vは耐熱接着性多孔質層1m当たりの空孔体積、Sは耐熱接着性多孔質層1m当たりの空孔表面積を表す。
耐熱接着性多孔質層1m当たりの空孔体積Vは、耐熱接着性多孔質層の空孔率から算出する。
耐熱接着性多孔質層1m当たりの空孔表面積Sは、以下の方法で求める。
まず、多孔質基材の比表面積(m/g)とセパレータの比表面積(m/g)とを、窒素ガス吸着法にBET式を適用することにより、窒素ガス吸着量から算出する。これらの比表面積(m/g)にそれぞれの目付(g/m)を乗算して、それぞれの1m当たりの空孔表面積を算出する。そして、多孔質基材1m当たりの空孔表面積をセパレータ1m当たりの空孔表面積から減算して、耐熱接着性多孔質層1m当たりの空孔表面積Sを算出する。
多孔質基材と耐熱接着性多孔質層との間の剥離強度は、電池の製造工程におけるセパレータのハンドリング性の観点から、0.10N/10mm以上が好ましく、0.20N/10mmがより好ましく、高いほど好ましい。該剥離強度の上限は制限されるものではないが、通常、2.0N/10mm以下である。
[その他の層]
本開示のセパレータは、多孔質基材上に耐熱接着性多孔質層以外のその他の層をさらに有していてもよい。その他の層としては、セパレータの片面又は両面に、電極との接着を主たる目的に最外層として設けられた接着性多孔質層が挙げられる。接着性多孔質層としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン系樹脂を含有する多孔質層が挙げられる。
従来、ポリアミド類又はポリイミド類を含有する耐熱樹脂層上に、ポリフッ化ビニリデン系樹脂を含有する多孔質層を形成した場合、両者の親和性が低く、ポリフッ化ビニリデン系樹脂を含有する多孔質層が耐熱樹脂層から剥離しやすい。これに対して、本開示における耐熱接着性多孔質層がタッキファイヤーを含有することにより、ポリフッ化ビニリデン系樹脂を含有する多孔質層は耐熱接着性多孔質層から剥離しにくい。
上記のポリフッ化ビニリデン系樹脂としては、例えば、フッ化ビニリデンの単独重合体(即ちポリフッ化ビニリデン);フッ化ビニリデンと他のモノマーとの共重合体(ポリフッ化ビニリデン共重合体);これらの混合物;が挙げられる。フッ化ビニリデンと共重合可能なモノマーとしては、例えば、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、トリフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、フッ化ビニル、トリクロロエチレン等が挙げられ、1種類又は2種類以上を用いることができる。中でも、電極に対する接着性の観点から、VDF−HFP共重合体が好ましい。
上記のポリフッ化ビニリデン系樹脂を含有する多孔質層は、セパレータの安全性(耐熱性、機械的強度など)の観点から、さらにフィラーを含有することが好ましい。フィラーとしては、耐熱接着性多孔質層に含まれるフィラーと同様のフィラーを使用できる。
[セパレータの実施形態例]
本開示のセパレータが多孔質基材の両面に耐熱接着性多孔質層を備える場合、一方の面の耐熱接着性多孔質層と、他方の面の耐熱接着性多孔質層とは、同じ組成の耐熱接着性多孔質層でもよく、異なる組成の耐熱接着性多孔質層でもよい。
本開示のセパレータが多孔質基材の片面に耐熱接着性多孔質層を備える場合、耐熱接着性多孔質層が配置されていない側の面には、耐熱接着性多孔質層以外の他の多孔質層が配置されていてもよい。ここで、他の多孔質層は、特に限定されず、例えば、セラミックス層、ポリアミド類又はポリイミド類を含む耐熱樹脂層、樹脂粒子(例えば、ポリフッ化ビニリデン系樹脂粒子、アクリル系樹脂粒子)が配列した層が挙げられる。
本開示は、セパレータの実施形態の一例として、多孔質基材の一方の面に、特定耐熱樹脂及びタッキファイヤーを含有する第一の多孔質層を備え、多孔質基材の他方の面に、特定耐熱樹脂、アクリル系樹脂及びポリフッ化ビニリデン系樹脂を含有する第二の多孔質層を備えたセパレータを提供する。本実施形態例は、第二の多孔質層が、ドライヒートプレスによっても、ウェットヒートプレスによっても、電極への接着性に優れる観点から好ましい。
第一の多孔質層は、少なくとも特定耐熱樹脂及びタッキファイヤーを含有し、さらに、無機フィラー、有機フィラー等を含有していてもよい。第一の多孔質層に含まれる、特定耐熱樹脂、タッキファイヤー、無機フィラー、有機フィラー等の詳細及び好ましい形態は、耐熱接着性多孔質層におけるこれら成分の詳細及び好ましい形態と同様である。
第一の多孔質層は、耐熱性と、多孔質基材及び電極に対する接着性とのバランスの観点から、第一の多孔質層に含まれる全樹脂の合計量に対して、50質量%〜80質量%の特定耐熱樹脂と、20質量%〜50質量%のタッキファイヤーとを含有することが好ましい。
第二の多孔質層は、少なくとも特定耐熱樹脂、アクリル系樹脂及びポリフッ化ビニリデン系樹脂を含有し、さらに、タッキファイヤー、無機フィラー、有機フィラー等を含有していてもよい。第二の多孔質層に含まれる、特定耐熱樹脂、アクリル系樹脂、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、タッキファイヤー、無機フィラー、有機フィラー等の詳細及び好ましい形態は、耐熱接着性多孔質層に含有される成分として先述した詳細及び好ましい形態と同様である。
第二の多孔質層は、耐熱性と、多孔質基材及び電極に対する接着性とのバランスの観点から、第二の多孔質層に含まれる全樹脂の合計量に対して、30質量%〜80質量%の特定耐熱樹脂と、10質量%〜40質量%のアクリル系樹脂と、10質量%〜30質量%のポリフッ化ビニリデン系樹脂とを含有することが好ましい。
第二の多孔質層は、該層の成形性の観点と、多孔質基材及び電極に対する接着性の観点とから、アクリル系樹脂とポリフッ化ビニリデン系樹脂との合計質量に対して、ポリフッ化ビニリデン系樹脂を5質量%〜55質量%含有することが好ましい。
上記形態のセパレータは、電池を製造する際において、第一の多孔質層及び第二の多孔質層の一方を正極に対向させ他方を負極に対向させる。どちらの多孔質層を正極に対向させてもよく、正極活物質層の材料又は負極活物質層の材料、電極へ接着させる際の熱処理の仕方(即ち、ドライヒートプレス、ウェットヒートプレスのどちらで電極へ接着させるか)等に応じて選択すればよい。
[セパレータの特性]
本開示のセパレータの厚さは、セパレータの機械的強度の観点から、5μm以上が好ましく、電池のエネルギー密度の観点から、35μm以下が好ましい。
本開示のセパレータの突刺強度は、セパレータの機械的強度又は電池の耐短絡性の観点から、250g〜1000gが好ましく、300g〜600gがより好ましい。セパレータの突刺強度の測定方法は、多孔質基材の突刺強度の測定方法と同様である。
本開示のセパレータの空孔率は、電極に対する接着性、ハンドリング性、イオン透過性又は機械的強度の観点から、30%〜65%が好ましく、30%〜60%がより好ましい。
本開示のセパレータのガーレ値(JIS P8117:2009)は、機械的強度と電池の負荷特性の観点から、100秒/100mL〜300秒/100mLが好ましい。
本開示のセパレータは、150℃で30分間熱処理したときのMD方向の収縮率が、35%以下であることが好ましく、30%以下がより好ましい。
本開示のセパレータは、150℃で30分間熱処理したときのTD方向の収縮率が、35%以下であることが好ましく、30%以下がより好ましい。
[セパレータの製造方法]
本開示のセパレータは、例えば、多孔質基材上に耐熱接着性多孔質層を湿式塗工法又は乾式塗工法で形成することにより製造できる。本開示において、湿式塗工法とは、塗工層を凝固液中で固化させる方法であり、乾式塗工法とは、塗工層を乾燥させて固化させる方法である。以下に、湿式塗工法の実施形態例を説明する。
湿式塗工法は、特定耐熱樹脂及びタッキファイヤーを含有する塗工液を多孔質基材上に塗工し、凝固液に浸漬して塗工層を固化させ、凝固液から引き揚げ水洗及び乾燥を行う方法である。
耐熱接着性多孔質層形成用の塗工液は、特定耐熱樹脂及びタッキファイヤーを溶媒に溶解又は分散させて作製する。塗工液には、必要に応じて、特定耐熱樹脂及びタッキファイヤー以外のその他の成分を溶解又は分散させる。
塗工液の調製に用いる溶媒は、特定耐熱樹脂及びタッキファイヤーを溶解する溶媒(以下、「良溶媒」ともいう。)を含むことが好ましい。良溶媒としては、N−メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルホルムアミド等の極性アミド溶媒が挙げられる。これら溶媒は、アクリル系樹脂及びポリフッ化ビニリデン系樹脂に対する良溶媒でもある。
塗工液の調製に用いる溶媒は、良好な多孔構造を有する多孔質層を形成する観点から、相分離を誘発させる相分離剤を含むことが好ましい。したがって、塗工液の調製に用いる溶媒は、良溶媒と相分離剤との混合溶媒であることが好ましい。相分離剤は、塗工に適切な粘度が確保できる範囲の量で良溶媒と混合することが好ましい。相分離剤としては、水、メタノール、エタノール、プロピルアルコール、ブチルアルコール、ブタンジオール、エチレングリコール、プロピレングリコール、トリプロピレングリコール等が挙げられる。
塗工液の調製に用いる溶媒としては、良好な多孔構造を形成する観点から、良溶媒と相分離剤との混合溶媒であって、良溶媒を60質量%以上含み、相分離剤を40質量%以下含む混合溶媒が好ましい。
塗工液の樹脂濃度は、良好な多孔構造を形成する観点から、1質量%〜15質量%が好ましく、2質量%〜13質量%がより好ましく、3質量%〜10質量%が更に好ましい。
塗工液は、樹脂成分が相溶した一相系、又は、樹脂成分が部分相溶状態にある二相系であることが好ましい。一相系又は二相系の塗工液を用いて塗工層を形成し、この塗工層を、相分離を誘発しつつ固化させることにより、透過性に優れた耐熱接着性多孔質層が形成される。
塗工液がポリフッ化ビニリデン系樹脂をさらに含有する場合、一相系又は二相系の塗工液を得る観点から、塗工液の調製に用いる特定耐熱樹脂とタッキファイヤーとポリフッ化ビニリデン系樹脂との混合比(質量比)は、30〜80:10〜40:10〜30が好ましい。同じ観点から、タッキファイヤーとポリフッ化ビニリデン系樹脂との混合比(質量比)は、45〜95:5〜55が好ましい。
塗工液がアクリル系樹脂及びポリフッ化ビニリデン系樹脂をさらに含有する場合、一相系又は二相系の塗工液を得る観点から、塗工液の調製に用いる各樹脂成分の混合比(質量比)は、特定耐熱樹脂:(タッキファイヤー+アクリル系樹脂):ポリフッ化ビニリデン系樹脂=30〜80:10〜40:10〜30が好ましい。同じ観点から、タッキファイヤー及びアクリル系樹脂とポリフッ化ビニリデン系樹脂との混合比(質量比)は、(タッキファイヤー+アクリル系樹脂):ポリフッ化ビニリデン系樹脂=45〜95:5〜55が好ましい。
塗工液が無機粒子を含む場合、塗工液の無機粒子濃度は、良好な多孔構造を形成する観点から、2質量%〜50質量%であることが好ましい。
多孔質基材への塗工液の塗工手段としては、マイヤーバー、ダイコーター、リバースロールコーター、ロールコーター、グラビアコーター等が挙げられる。耐熱接着性多孔質層を多孔質基材の両面に形成する場合、塗工液を両面同時に多孔質基材へ塗工することが生産性の観点から好ましい。
塗工層の固化は、塗工層を形成した多孔質基材を凝固液に浸漬し、塗工層において相分離を誘発しつつ樹脂成分を固化させることで行われる。これにより、多孔質基材と耐熱接着性多孔質層とからなる複合膜を得る。
凝固液は、水のみでもよいが、塗工液の調製に用いた良溶媒及び相分離剤と、水とを含むことが一般的である。良溶媒と相分離剤の混合比は、塗工液の調製に用いた混合溶媒の混合比に合わせるのが生産上好ましい。凝固液中の水の含有量は40質量%〜90質量%であることが、多孔構造の形成及び生産性の観点から好ましい。凝固液の温度は、例えば20℃〜50℃である。
凝固液中で塗工層を固化させた後、複合膜を凝固液から引き揚げ、水洗する。水洗することによって、複合膜から凝固液を除去する。さらに、乾燥することによって、複合膜から水を除去する。水洗は、例えば、複合膜を水浴中で搬送することによって行う。乾燥は、例えば、複合膜を高温環境中で搬送すること、複合膜に風をあてること、複合膜をヒートロールに接触させること等によって行う。乾燥温度は40℃〜120℃が好ましく、55〜105℃がより好ましい。
多孔質基材の一方の面に前記第一の多孔質層を備え、他方の面に前記第二の多孔質層を備えたセパレータは、ここまで説明した湿式塗工法を応用して製造することができる。即ち、多孔質基材の一方の面に塗工する塗工液と、他方の面に塗工する塗工液とを調製し、これら塗工液を用いて多孔質基材の各面をそれぞれ塗工することでセパレータを製造する。
本開示のセパレータは、乾式塗工法でも製造し得る。乾式塗工法は、塗工液を多孔質基材に塗工し、塗工層を乾燥させて溶媒を揮発除去することにより、耐熱接着性多孔質層を多孔質基材上に形成する方法である。ただし、乾式塗工法は湿式塗工法と比べて乾燥後の塗工層が緻密になりやすいので、良好な多孔質構造を得られる点で湿式塗工法の方が好ましい。
湿式塗工法又は乾式塗工法によって製造された本開示のセパレータは、特定耐熱樹脂を含みタッキファイヤーを含まない多孔質層を備えたセパレータに比べて、耐熱性に優れる場合がある。この理由は定かではないが、次のように推測される。
タッキファイヤーの分子構造を形成するロジン骨格やテルペン骨格は、ポリオレフィン微多孔膜などの、特定耐熱樹脂が接着しにくい多孔質基材との親和性が高い。特定耐熱樹脂及びタッキファイヤーが相溶した塗工液が多孔質基材上に塗工されると、タッキファイヤーが特定耐熱樹脂を多孔質基材内部に誘導し、多孔質基材内部の細孔表面に特定耐熱樹脂がコーティングされると推測される。その結果、湿式塗工法又は乾式塗工法によって製造された本開示のセパレータは、特定耐熱樹脂を含みタッキファイヤーを含まない多孔質層を備えたセパレータに比べて、優れた耐熱性を示す場合があると考えられる。
本開示のセパレータは、耐熱接着性多孔質層を独立したシートとして作製し、この耐熱接着性多孔質層を多孔質基材に重ねて、熱圧着や接着剤によって複合化する方法によっても製造し得る。耐熱接着性多孔質層を独立したシートとして作製する方法としては、先述した湿式塗工法又は乾式塗工法を適用して、剥離シート上に耐熱接着性多孔質層を形成する方法が挙げられる。
<非水系二次電池用多孔質膜>
本開示は、分子内にアミド結合及びイミド結合の少なくとも一方を有する耐熱樹脂(特定耐熱樹脂)と、タッキファイヤーと、を含有する非水系二次電池用多孔質膜を提供する。特定耐熱樹脂及びタッキファイヤーの詳細及び好ましい形態は、本開示のセパレータが備える耐熱接着性多孔質層におけるこれら成分の詳細及び好ましい形態と同様である。
本開示の非水系二次電池用多孔質膜は、例えば、下記の(i)〜(iv)の形態で用いられる。
(i)多孔質基材上に配置され、セパレータの一部(好ましくは最外層)を構成する多孔質膜。
(ii)正極活物質層又は負極活物質層上に配置され、電極の表面を構成する多孔質膜。
(iii)剥離シート上に配置された多孔質膜であり、熱圧着や接着剤によって多孔質基材と複合化してセパレータを製造するために用いられる多孔質膜。
(iv)剥離シート上に配置された多孔質膜であり、熱圧着によって正極活物質層又は負極活物質層と複合化して電極を製造するために用いられる多孔質膜。
本開示の非水系二次電池用多孔質膜は、アクリル系樹脂をさらに含有していてもよい。本開示の非水系二次電池用多孔質膜は、ポリフッ化ビニリデン系樹脂をさらに含有していてもよい。本開示の非水系二次電池用多孔質膜は、アクリル系樹脂及びポリフッ化ビニリデン系樹脂をさらに含有していてもよい。本開示の非水系二次電池用多孔質膜は、無機フィラー又は有機フィラーをさらに含有していてもよい。本開示の非水系二次電池用多孔質膜に含まれるアクリル系樹脂、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、無機フィラー、有機フィラーの詳細及び好ましい形態は、本開示のセパレータが備える耐熱接着性多孔質層におけるこれら成分の詳細及び好ましい形態と同様である。
本開示の非水系二次電池用多孔質膜の厚さは、例えば0.5μm〜8.0μmであり、1.0μm〜6.0μmが好ましい。
本開示の非水系二次電池用多孔質膜は、単位面積当たりの質量が、例えば0.5g/m〜5.0g/mであり、0.75g/m〜4.0g/mが好ましい。
本開示の非水系二次電池用多孔質膜は、先述の湿式塗工法又は乾式塗工法により、多孔質基材上、正極活物質層上、負極活物質層上、又は剥離シート上に形成することができる。
<非水系二次電池>
本開示の非水系二次電池は、リチウムのドープ・脱ドープにより起電力を得る非水系二次電池であり、正極と、負極と、本開示の非水系二次電池用セパレータとを備える。ドープとは、吸蔵、担持、吸着、又は挿入を意味し、正極等の電極の活物質にリチウムイオンが入る現象を意味する。
本開示の非水系二次電池は、例えば、負極と正極とがセパレータを介して対向した電池素子が電解液と共に外装材内に封入された構造を有する。本開示の非水系二次電池は、非水電解質二次電池、特にリチウムイオン二次電池に好適である。
本開示の非水系二次電池は、本開示のセパレータが電極と良好に接着することにより、製造歩留りが高く、また、電池のサイクル特性(容量維持率)に優れる。本開示の非水系二次電池は、本開示のセパレータが耐熱性に優れることにより、電池が高温になった際に多孔質基材の熱収縮を抑制し、安全性に優れる。
以下、本開示の非水系二次電池が備える正極、負極、電解液及び外装材の形態例を説明する。
正極の実施形態例としては、正極活物質及びバインダ樹脂を含む活物質層が集電体上に成形された構造が挙げられる。活物質層は、さらに導電助剤を含んでもよい。正極活物質としては、例えば、リチウム含有遷移金属酸化物が挙げられ、具体的にはLiCoO、LiNiO、LiMn1/2Ni1/2、LiCo1/3Mn1/3Ni1/3、LiMn、LiFePO、LiCo1/2Ni1/2、LiAl1/4Ni3/4等が挙げられる。バインダ樹脂としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、スチレン−ブタジエン共重合体等が挙げられる。導電助剤としては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛粉末等の炭素材料が挙げられる。集電体としては、例えば厚さ5μm〜20μmの、アルミ箔、チタン箔、ステンレス箔等が挙げられる。
本開示の非水系二次電池においては、本開示のセパレータの耐熱接着性多孔質層に含まれる特定耐熱樹脂が耐酸化性に優れることにより、耐熱接着性多孔質層を非水系二次電池の正極に接触させて配置することで、正極活物質として、4.2V以上の高電圧で作動可能なLiMn1/2Ni1/2、LiCo1/3Mn1/3Ni1/3等を適用しやすい。
負極の実施形態例としては、負極活物質及びバインダ樹脂を含む活物質層が集電体上に成形された構造が挙げられる。活物質層は、さらに導電助剤を含んでもよい。負極活物質としては、リチウムを電気化学的に吸蔵し得る材料が挙げられ、具体的には例えば、炭素材料;ケイ素、スズ、アルミニウム等とリチウムとの合金;ウッド合金;などが挙げられる。バインダ樹脂としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、スチレン−ブタジエン共重合体等が挙げられる。導電助剤としては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛粉末、極細炭素繊維等の炭素材料が挙げられる。集電体としては、例えば厚さ5μm〜20μmの、銅箔、ニッケル箔、ステンレス箔等が挙げられる。また、上記の負極に代えて、金属リチウム箔を負極として用いてもよい。
電解液は、リチウム塩を非水系溶媒に溶解した溶液である。リチウム塩としては、例えば、LiPF、LiBF、LiClO等が挙げられる。非水系溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、ジフルオロエチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等の環状カーボネート;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、及びこれらのフッ素置換体等の鎖状カーボネート;γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等の環状エステル;などが挙げられ、これらは単独で用いても混合して用いてもよい。電解液としては、環状カーボネートと鎖状カーボネートとを質量比(環状カーボネート:鎖状カーボネート)20:80〜40:60で混合し、リチウム塩を0.5mol/L〜1.5mol/Lの範囲にて溶解した溶液が好適である。
外装材としては、金属缶、アルミラミネートフィルム製パック等が挙げられる。電池の形状は角型、円筒型、コイン型等があるが、本開示のセパレータはいずれの形状にも好適である。
本開示の非水系二次電池の製造方法としては、ウェットヒートプレスを行って電極に接着させることを含む製造方法;ドライヒートプレスを行って電極に接着させることを含む製造方法;が挙げられる。
本開示の非水系二次電池は、正極と負極との間に本開示のセパレータを配置し、長さ方向に巻き回して巻回体を製造した後、この巻回体を用いて、例えば下記の製造方法1〜3により製造できる。巻回体の代わりに、正極、セパレータ、負極をこの順に少なくとも1層ずつ積層する方式(所謂スタック方式)によって製造した積層体を用いる場合も同様である。
製造方法1:巻回体にドライヒートプレスして電極とセパレータとを接着した後、外装材(例えばアルミラミネートフィルム製パック。以下同じ)に収容し、そこに電解液を注入し、外装材の上からさらに巻回体をウェットヒートプレスし、電極とセパレータとの接着と、外装材の封止とを行う。
製造方法2:巻回体を外装材に収容し、そこに電解液を注入し、外装材の上から巻回体をウェットヒートプレスし、電極とセパレータとの接着と、外装材の封止とを行う。巻回体を外装材に収容する前に常温プレス(常温下での加圧)を施して、巻回体を仮接着してもよい。
製造方法3:巻回体にドライヒートプレスして電極とセパレータとを接着した後、外装材に収容し、そこに電解液を注入し、外装材の封止を行う。
上記の製造方法1〜3において、外装材の封止前に、外装材の内部は真空状態にすることが好ましい。外装材の封止の方式としては、例えば、外装材の開口部を熱圧着する方式、外装材の開口部を接着剤で接着する方式が挙げられる。
上記の製造方法1〜3において、プレス条件は、電解液の分解を抑制する観点、電極とセパレータとを良好に接着する観点、セパレータを幅方向に適度に膨張させ電池の短絡を抑制する観点から、下記の条件が好ましい。
ドライヒートプレスの場合、プレス温度は、70℃〜120℃が好ましく、75℃〜110℃がより好ましく、80℃〜100℃が更に好ましい。プレス圧は、電極1cm当たりの荷重として0.5kg〜40kgが好ましい。プレス時間は、プレス温度及びプレス圧に応じて調節することが好ましく、例えば0.1分間〜60分間の範囲で調節する。
ウェットヒートプレスの場合、プレス温度は、50℃〜100℃が好ましく、60℃〜90℃がより好ましく、65℃〜85℃が更に好ましい。プレス圧は、電極1cm当たりの荷重として0.5kg〜20kgが好ましい。プレス時間は、プレス温度及びプレス圧に応じて調節することが好ましく、例えば0.1分間〜60分間の範囲で調節する。
以下に実施例を挙げて、本開示のセパレータ及び非水系二次電池をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理手順等は、本開示の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本開示のセパレータ及び非水系二次電池の範囲は、以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきではない。
<測定方法、評価方法>
実施例及び比較例で適用した測定方法及び評価方法は、以下のとおりである。
[樹脂の重量平均分子量]
樹脂の重量平均分子量(Mw)は、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により測定した。GPCによる分子量測定は、日本分光社製のGPC装置であるGPC−900を用い、カラムに東ソー社製TSKgel SUPER AWM−Hを2本用い、溶媒にN,N−ジメチルホルムアミドを使用し、温度40℃、流量10mL/分の条件で測定し、ポリスチレン換算の分子量を求めた。
[樹脂のガラス転移温度]
樹脂のガラス転移温度は、示差走査熱量測定(Differential Scanning Calorimetry、DSC)を行って得た示差走査熱量曲線(DSC曲線)から求めた。ガラス転移温度は、低温側のベースラインを高温側に延長した直線と、階段状変化部分の曲線の接線であって勾配が最大の接線とが交わる点の温度である。
[ポリフッ化ビニリデン系樹脂のHFP含有量]
ポリフッ化ビニリデン系樹脂におけるヘキサフルオロプロピレン単量体成分の含有量はNMRスペクトルから求めた。具体的には、ポリフッ化ビニリデン系樹脂20mgを重ジメチルスルホキシド0.6mLに100℃にて溶解し、100℃で19F−NMRスペクトルを測定した。
[多孔質基材及びセパレータの厚さ]
多孔質基材及びセパレータの厚さ(μm)は、接触式の厚み計(ミツトヨ社、LITEMATIC VL−50)にて20点を測定し、これを平均することで求めた。測定端子は直径5mmの円柱状の端子を用い、測定中に0.01Nの荷重が印加されるように調整した。
[多孔質層の厚さ]
多孔質層の厚さ(μm)は、セパレータの厚さ(μm)から多孔質基材の厚さ(μm)を減算して両面合計の厚さを求め、この半分を片面の厚さとした。
[ガーレ値]
多孔質基材及びセパレータのガーレ値(秒/100mL)は、JIS P8117:2009に従い、ガーレ式デンソメータ(東洋精機社、G−B2C)を用いて測定した。
[空孔率]
多孔質基材及び多孔質層の空孔率(%)は、下記の式に従って求めた。
ε={1−Ws/(ds・t)}×100
式中、εは空孔率(%)、Wsは目付(g/m)、dsは真密度(g/cm)、tは厚さ(μm)である。
[熱収縮率]
セパレータをTD方向60mm、MD方向180mmに切り出し、試験片とした。この試験片に、TD方向を2等分する線上で且つ一方の端から20mm及び170mmの箇所に印を付けた(それぞれ点A、点Bという)。さらに、MD方向を2等分する線上で且つ一方の端から10mm及び50mmの箇所に印を付けた(それぞれ点C、点Dという)。これにクリップをつけて(クリップをつける場所は、点Aから最も近い端と点Aとの間)、150℃に調整したオーブンの中につるし、無張力下で30分間熱処理を施した。AB間及びCD間の長さを熱処理の前後で測定し、下記の式により熱収縮率を算出し、さらに試験片3枚の熱収縮率を平均した。
MD方向の熱収縮率(%)={(熱処理前のABの長さ−熱処理後のABの長さ)÷熱処理前のABの長さ}×100
TD方向の熱収縮率(%)={(熱処理前のCDの長さ−熱処理後のCDの長さ)÷熱処理前のCDの長さ}×100
[多孔質基材と多孔質層との間の剥離強度]
セパレータにT字剥離試験を行った。具体的には、セパレータの一方の表面に粘着テープ(12mm幅)を貼り(貼る際に、粘着テープの長さ方向をセパレータのMD方向に一致させた。)、セパレータを粘着テープごと、TD方向12mm、MD方向70mmに切り出した。粘着テープを直下の多孔質層と共に少し剥がし、2つに分離した端部をテンシロン(オリエンテック社、RTC−1210A)に把持させてT字剥離試験を行った。なお、粘着テープは、多孔質層を多孔質基材から剥がすための支持体として用いたものである。T字剥離試験の引張速度は20mm/分とし、測定開始後10mmから40mmまでの荷重(N)を0.4mm間隔で採取し、その平均を算出し、幅10mmあたりの荷重(N/10mm)に換算した。さらに試験片3枚の荷重(N/10mm)を平均した。
[正極との接着強度]
正極活物質であるコバルト酸リチウム粉末89.5g、導電助剤であるアセチレンブラック4.5g、及びバインダであるポリフッ化ビニリデン6gを、ポリフッ化ビニリデンの濃度が6質量%となるようにN−メチル−ピロリドンに溶解又は分散し、双腕式混合機にて攪拌し、正極用スラリーを作製した。この正極用スラリーを厚さ20μmのアルミ箔の片面に塗布し、乾燥後プレスして、正極活物質層を有する正極を得た。
上記で得た正極を幅15mm、長さ70mmに切り出し、セパレータをTD方向18mm、MD方向75mmに切り出した。正極とセパレータとを重ね、温度80℃、圧力5.0MPa、時間3分の条件で熱プレスして、正極とセパレータとを接着させ、これを試験片とした。試験片の長さ方向(即ちセパレータのMD方向)の一端において正極からセパレータを少し剥がし、2つに分離した端部をテンシロン(オリエンテック社製RTC−1210A)に把持させてT字剥離試験を行った。T字剥離試験の引張速度は20mm/分とし、測定開始後10mmから40mmまでの荷重(N)を0.4mm間隔で採取し、その平均を算出し、さらに試験片3枚の測定値を平均して、セパレータの接着強度(N)とした。
[負極との接着強度]
負極活物質である人造黒鉛300g、バインダであるスチレン−ブタジエン共重合体の変性体を40質量%含有する水溶性分散液7.5g、増粘剤であるカルボキシメチルセルロース3g、及び適量の水を双腕式混合機にて攪拌して混合し、負極用スラリーを作製した。この負極用スラリーを厚さ10μmの銅箔の片面に塗布し、乾燥後プレスして、負極活物質層を有する負極を得た。
上記で得た負極を用いて、前記[正極との接着強度]と同様にしてT字剥離試験を行い、セパレータの接着強度(N)を求めた。
[電池のサイクル特性(容量維持率)]
前記の正極及び負極にリードタブを溶接し、正極、セパレータ、負極の順に積層した。この積層体をアルミラミネートフィルム製のパック中に挿入し、真空シーラーを用いてパック内を真空状態にして仮封止し、パックごと積層体の積層方向に熱プレス機を用いて熱プレスを行い、これにより、電極とセパレータとの接着を行った。熱プレスの条件は、温度90℃、電極1cm当たり20kgの荷重、プレス時間2分間とした。次いで、パック内に電解液(1mol/L LiPF−エチレンカーボネート:エチルメチルカーボネート[質量比3:7])を注入し、積層体に電解液をしみ込ませた後、真空シーラーを用いてパック内を真空状態にして封止し、試験用二次電池を得た。
なお、実施例13のセパレータを使用する場合は、第一の多孔質層を負極に対向させ、第二の多孔質層を正極に対向させて、試験用二次電池を作製した。
温度40℃の環境下、試験用二次電池に500サイクルの充放電を行った。充電は1C且つ4.2Vの定電流定電圧充電を行い、放電は1C且つ2.75Vカットオフの定電流放電を行った。500サイクル目の放電容量を初回の放電容量で除算し、電池10個の平均を算出し、得られた値(%)を容量維持率とした。
[電池の負荷特性]
前記[電池のサイクル特性(容量維持率)]における電池製造と同様にして試験用二次電池を製造した。温度15℃の環境下、電池に充放電を行い、0.2Cで放電した際の放電容量と、2Cで放電した際の放電容量とを測定し、後者を前者で除し、電池10個の平均を算出し、得られた値(%)を負荷特性とした。充電は0.2C且つ4.2Vの定電流定電圧充電を8時間行い、放電は2.75Vカットオフの定電流放電とした。
<セパレータの作製>
[実施例1]
メタ型全芳香族ポリアミド(ポリメタフェニレンイソフタルアミド、帝人テクノプロダクツ社「コーネックス」)と、ロジン系樹脂(ロジンエステル、ハリマ化成株式会社「ハリエスターSK−501BK」)とを、表1に示す質量割合にて、樹脂濃度が9.0質量%となるように、ジメチルアセトアミド(DMAc)とトリプロピレングリコール(TPG)の混合溶媒(DMAc:TPG=80:20[質量比])に攪拌混合し、塗工液を得た。
一対のマイヤーバーに塗工液を適量のせ、ポリエチレン微多孔膜(厚さ7.0μm、ガーレ値165秒/100mL、空孔率32%)をマイヤーバー間に通して、塗工液を両面に等量塗工した。これを、凝固液(水:DMAc:TPG=62.5:30:7.5[質量比]、液温35℃)に浸漬し、塗工層を固化させた。次いで、これを、水温25℃の水槽に搬送して洗浄し、引き上げた後、雰囲気温度60℃にて乾燥した。こうして、ポリエチレン微多孔膜の両面に多孔質層が形成されたセパレータを得た。
[実施例2]
メタ型全芳香族ポリアミド(実施例1と同じ材料)と、ロジン系樹脂(実施例1と同じ材料)と、アクリル系樹脂(アクリル酸ブチル−メタクリル酸メチル−スチレン共重合体、重合比[質量比]20:40:40、重量平均分子量3.2万、ガラス転移温度60℃)とを、表1に示す質量割合にて、樹脂濃度が9.0質量%となるように、DMAcとTPGの混合溶媒(DMAc:TPG=80:20[質量比])に攪拌混合し、塗工液を得た。この塗工液を使用して実施例1と同様にしてセパレータを作製した。
[実施例3]
メタ型全芳香族ポリアミド(実施例1と同じ材料)と、ロジン系樹脂(実施例1と同じ材料)と、ポリフッ化ビニリデン系樹脂(VDF−HFP共重合体、HFP含有量12.4質量%、重量平均分子量86万)とを、表1に示す質量割合にて、樹脂濃度が4.5質量%となるように、DMAcとTPGの混合溶媒(DMAc:TPG=80:20[質量比])に攪拌混合し、塗工液を得た。この塗工液を使用して実施例1と同様にしてセパレータを作製した。
[実施例4]
メタ型全芳香族ポリアミド(実施例1と同じ材料)と、ロジン系樹脂(実施例1と同じ材料)と、アクリル系樹脂(実施例2と同じ材料)と、ポリフッ化ビニリデン系樹脂(実施例3と同じ材料)とを、表1に示す質量割合にて、樹脂濃度が4.5質量%となるように、DMAcとTPGの混合溶媒(DMAc:TPG=80:20[質量比])に攪拌混合し、塗工液を得た。この塗工液を使用して実施例1と同様にしてセパレータを作製した。
[実施例5]
ロジン系樹脂をテルペンフェノール系樹脂(テルペンフェノール、ヤスハラケミカル株式会社「YSポリスターT80」)に変更した以外は、実施例1と同様にしてセパレータを作製した。
[実施例6]
ロジン系樹脂をテルペンフェノール系樹脂(実施例5と同じ材料)に変更した以外は、実施例2と同様にしてセパレータを作製した。
[実施例7]
ロジン系樹脂をテルペンフェノール系樹脂(実施例5と同じ材料)に変更した以外は、実施例3と同様にしてセパレータを作製した。
[実施例8]
ロジン系樹脂をテルペンフェノール系樹脂(実施例5と同じ材料)に変更した以外は、実施例4と同様にしてセパレータを作製した。
[実施例9]
ロジン系樹脂をスチレン系樹脂(ポリスチレン、ヤスハラケミカル株式会社「YSレジンSX100」)に変更し、材料の混合割合を表1に示す質量割合に変更した以外は、実施例1と同様にしてセパレータを作製した。
[実施例10]
ロジン系樹脂をスチレン系樹脂(実施例9と同じ材料)に変更し、材料の混合割合を表1に示す質量割合に変更した以外は、実施例2と同様にしてセパレータを作製した。
[実施例11]
ロジン系樹脂をスチレン系樹脂(実施例9と同じ材料)に変更し、材料の混合割合を表1に示す質量割合に変更した以外は、実施例3と同様にしてセパレータを作製した。
[実施例12]
ロジン系樹脂をスチレン系樹脂(実施例9と同じ材料)に変更し、材料の混合割合を表1に示す質量割合に変更した以外は、実施例4と同様にしてセパレータを作製した。
[実施例13]
実施例1において作製した塗工液と同じ塗工液を用意した。この塗工液を塗工液(1)という。
メタ型全芳香族ポリアミド(実施例1と同じ材料)と、アクリル系樹脂(実施例2と同じ材料)と、ポリフッ化ビニリデン系樹脂(実施例3と同じ材料)とを、表1に示す質量割合にて、樹脂濃度が4.5質量%となるように、DMAcとTPGの混合溶媒(DMAc:TPG=80:20[質量比])に攪拌混合し、塗工液(2)を得た。
一対のマイヤーバーの一方に塗工液(1)を適量のせ、他方に塗工液(2)を適量のせ、ポリエチレン微多孔膜(実施例1と同じ材料)をマイヤーバー間に通して、塗工液(1)を一方の面に、塗工液(2)を他方の面にそれぞれ塗工した。これを、凝固液(水:DMAc:TPG=62.5:30:7.5[質量比]、液温35℃)に浸漬し、塗工層を固化させた。次いで、これを、水温25℃の水槽に搬送して洗浄し、引き上げた後、雰囲気温度60℃にて乾燥した。こうして、ポリエチレン微多孔膜の両面に多孔質層が形成されたセパレータを得た。
[比較例1]
メタ型全芳香族ポリアミド(実施例1と同じ材料)を、濃度が9.0質量%となるように、DMAcとTPGの混合溶媒(DMAc:TPG=80:20[質量比])に攪拌混合し、塗工液を得た。この塗工液を使用して実施例1と同様にしてセパレータを作製した。
[比較例2]
メタ型全芳香族ポリアミド(実施例1と同じ材料)と、ポリフッ化ビニリデン系樹脂(VDF−HFP共重合体、HFP含有量5.1質量%、重量平均分子量113万)とを、表1に示す質量割合にて、樹脂濃度が9.0質量%となるように、DMAcとTPGの混合溶媒(DMAc:TPG=80:20[質量比])に攪拌混合し、塗工液を得た。この塗工液を使用して実施例1と同様にしてセパレータを作製した。塗工液は白濁しており、緻密な多孔質層が形成された。
[実施例14]
メタ型全芳香族ポリアミド(実施例1と同じ材料)と、ロジン系樹脂(実施例1と同じ材料)と、水酸化マグネシウム(一次粒子の体積平均粒径0.8μm、BET比表面積6.8m/g)とを、表2に示す質量割合にて、樹脂濃度が9.0質量%となるように、DMAcとTPGの混合溶媒(DMAc:TPG=80:20[質量比])に攪拌混合し、塗工液を得た。この塗工液を使用して実施例1と同様にしてセパレータを作製した。
[実施例15]
メタ型全芳香族ポリアミド(実施例1と同じ材料)と、ロジン系樹脂(実施例1と同じ材料)と、アクリル系樹脂(実施例2と同じ材料)と、ポリフッ化ビニリデン系樹脂(実施例3と同じ材料)と、水酸化マグネシウム(実施例14と同じ材料)とを、表2に示す質量割合にて、樹脂濃度が4.5質量%となるように、DMAcとTPGの混合溶媒(DMAc:TPG=80:20[質量比])に攪拌混合し、塗工液を得た。この塗工液を使用して実施例1と同様にしてセパレータを作製した。
[実施例16]
材料の混合割合を表2に示す質量割合に変更した以外は、実施例15と同様にしてセパレータを作製した。
[実施例17]
ロジン系樹脂をテルペンフェノール系樹脂(実施例5と同じ材料)に変更し、材料の混合割合を表2に示す質量割合に変更した以外は、実施例14と同様にしてセパレータを作製した。
[実施例18]
ロジン系樹脂をテルペンフェノール系樹脂(実施例5と同じ材料)に変更し、材料の混合割合を表2に示す質量割合に変更した以外は、実施例15と同様にしてセパレータを作製した。
[比較例3]
メタ型全芳香族ポリアミド(実施例1と同じ材料)と、水酸化マグネシウム(実施例14と同じ材料)とを、表2に示す質量割合にて、樹脂濃度が5.0質量%となるように、DMAcとTPGの混合溶媒(DMAc:TPG=80:20[質量比])に攪拌混合し、塗工液を得た。この塗工液を使用して実施例1と同様にしてセパレータを作製した。
[比較例4]
メタ型全芳香族ポリアミド(実施例1と同じ材料)と、ポリフッ化ビニリデン系樹脂(比較例2と同じ材料)と、水酸化マグネシウム(実施例14と同じ材料)とを、表2に示す質量割合にて、樹脂濃度が5.0質量%となるように、DMAcとTPGの混合溶媒(DMAc:TPG=80:20[質量比])に攪拌混合し、塗工液を得た。この塗工液を使用して実施例1と同様にしてセパレータを作製した。塗工液は白濁しており、緻密な多孔質層が形成された。
[実施例19]
ポリアミドイミド(ソルベイ社「トーロン4000TF」)と、ロジン系樹脂(実施例1と同じ材料)とを、表3に示す質量割合にて、樹脂濃度が9.0質量%となるように、DMAcとTPGの混合溶媒(DMAc:TPG=80:20[質量比])に攪拌混合し、塗工液を得た。
一対のマイヤーバーに塗工液を適量のせ、ポリエチレン微多孔膜(実施例1と同じ材料)をマイヤーバー間に通して、塗工液を両面に等量塗工した。これを、凝固液(水:DMAc:TPG=62.5:30:7.5[質量比]、液温35℃)に浸漬し、塗工層を固化させた。次いで、これを、水温25℃の水槽に搬送して洗浄し、引き上げた後、雰囲気温度60℃にて乾燥した。こうして、ポリエチレン微多孔膜の両面に多孔質層が形成されたセパレータを得た。
[実施例20]
ポリアミドイミド(実施例19と同じ材料)と、ロジン系樹脂(実施例1と同じ材料)と、アクリル系樹脂(実施例2と同じ材料)とを、表3に示す質量割合にて、樹脂濃度が9.0質量%となるように、DMAcとTPGの混合溶媒(DMAc:TPG=80:20[質量比])に攪拌混合し、塗工液を得た。この塗工液を使用して実施例19と同様にしてセパレータを作製した。
[実施例21]
ポリアミドイミド(実施例19と同じ材料)と、ロジン系樹脂(実施例1と同じ材料)と、ポリフッ化ビニリデン系樹脂(実施例3と同じ材料)とを、表3に示す質量割合にて、樹脂濃度が4.5質量%となるように、DMAcとTPGの混合溶媒(DMAc:TPG=80:20[質量比])に攪拌混合し、塗工液を得た。この塗工液を使用して実施例19と同様にしてセパレータを作製した。
[実施例22]
ポリアミドイミド(実施例19と同じ材料)と、ロジン系樹脂(実施例1と同じ材料)と、アクリル系樹脂(実施例2と同じ材料)と、ポリフッ化ビニリデン系樹脂(実施例3と同じ材料)とを、表3に示す質量割合にて、樹脂濃度が4.5質量%となるように、DMAcとTPGの混合溶媒(DMAc:TPG=80:20[質量比])に攪拌混合し、塗工液を得た。この塗工液を使用して実施例19と同様にしてセパレータを作製した。
[実施例23]
ロジン系樹脂をテルペンフェノール系樹脂(実施例5と同じ材料)に変更した以外は、実施例19と同様にしてセパレータを作製した。
[実施例24]
ロジン系樹脂をテルペンフェノール系樹脂(実施例5と同じ材料)に変更した以外は、実施例20と同様にしてセパレータを作製した。
[実施例25]
ロジン系樹脂をテルペンフェノール系樹脂(実施例5と同じ材料)に変更した以外は、実施例21と同様にしてセパレータを作製した。
[実施例26]
ロジン系樹脂をテルペンフェノール系樹脂(実施例5と同じ材料)に変更した以外は、実施例22と同様にしてセパレータを作製した。
[比較例5]
ポリアミドイミド(実施例19と同じ材料)を、濃度が9.0質量%となるように、DMAcとTPGの混合溶媒(DMAc:TPG=80:20[質量比])に攪拌混合し、塗工液を得た。この塗工液を使用して実施例19と同様にしてセパレータを作製した。
[比較例6]
ポリアミドイミド(実施例19と同じ材料)と、ポリフッ化ビニリデン系樹脂(比較例2と同じ材料)とを、表3に示す質量割合にて、樹脂濃度が9.0質量%となるように、DMAcとTPGの混合溶媒(DMAc:TPG=80:20[質量比])に攪拌混合し、塗工液を得た。この塗工液を使用して実施例19と同様にしてセパレータを作製した。塗工液は白濁しており、緻密な多孔質層が形成された。
[実施例27]
ポリアミドイミド(実施例19と同じ材料)と、ロジン系樹脂(実施例1と同じ材料)と、水酸化マグネシウム(実施例14と同じ材料)とを、表4に示す質量割合にて、樹脂濃度が9.0質量%となるように、DMAcとTPGの混合溶媒(DMAc:TPG=80:20[質量比])に攪拌混合し、塗工液を得た。この塗工液を使用して実施例19と同様にしてセパレータを作製した。
[実施例28]
ポリアミドイミド(実施例19と同じ材料)と、ロジン系樹脂(実施例1と同じ材料)と、アクリル系樹脂(実施例2と同じ材料)と、ポリフッ化ビニリデン系樹脂(実施例3と同じ材料)と、水酸化マグネシウム(実施例14と同じ材料)とを、表4に示す質量割合にて、樹脂濃度が4.5質量%となるように、DMAcとTPGの混合溶媒(DMAc:TPG=80:20[質量比])に攪拌混合し、塗工液を得た。この塗工液を使用して実施例19と同様にしてセパレータを作製した。
[実施例29]
ロジン系樹脂をテルペンフェノール系樹脂(実施例5と同じ材料)に変更した以外は、実施例27と同様にしてセパレータを作製した。
[実施例30]
ロジン系樹脂をテルペンフェノール系樹脂(実施例5と同じ材料)に変更した以外は、実施例28と同様にしてセパレータを作製した。
[比較例7]
ポリアミドイミド(実施例19と同じ材料)と、水酸化マグネシウム(実施例14と同じ材料)とを、表4に示す質量割合にて、樹脂濃度が9.0質量%となるように、DMAcとTPGの混合溶媒(DMAc:TPG=80:20[質量比])に攪拌混合し、塗工液を得た。この塗工液を使用して実施例19と同様にしてセパレータを作製した。
[比較例8]
ポリアミドイミド(実施例19と同じ材料)と、ポリフッ化ビニリデン系樹脂(比較例2と同じ材料)と、水酸化マグネシウム(実施例14と同じ材料)とを、表4に示す質量割合にて、樹脂濃度が9.0質量%となるように、DMAcとTPGの混合溶媒(DMAc:TPG=80:20[質量比])に攪拌混合し、塗工液を得た。この塗工液を使用して実施例19と同様にしてセパレータを作製した。塗工液は白濁しており、緻密な多孔質層が形成された。
実施例1〜30及び比較例1〜8の各セパレータの構成、物性及び評価結果を表1〜表4に示す。表1〜表4中、SP値は溶解度パラメータ(単位は(J/cm0.5)、Mwは重量平均分子量、Tgはガラス転移温度、アラミドは全芳香族ポリアミド、PAIはポリアミドイミド、TPRはテルペンフェノール系樹脂、PVDFはポリフッ化ビニリデン、HFPはヘキサフルオロプロピレンをそれぞれ意味する。
2018年3月16日に出願された日本国出願番号第2018−50126号の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

Claims (14)

  1. 多孔質基材と、
    前記多孔質基材の片面又は両面に設けられ、分子内にアミド結合及びイミド結合の少なくとも一方を有する耐熱樹脂、及びタッキファイヤーを含有する多孔質層と、
    を備えた非水系二次電池用セパレータ。
  2. 前記タッキファイヤーは、溶解度パラメータが8.5〜9.5(J/cm0.5である、請求項1に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  3. 前記タッキファイヤーが、ロジン系樹脂、テルペンフェノール系樹脂、スチレン系樹脂及びクマロンインデン系樹脂からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む、請求項1又は請求項2に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  4. 前記耐熱樹脂が、全芳香族ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリ−N−ビニルアセトアミド、ポリアクリルアミド、共重合ポリエーテルアミド、ポリイミド及びポリエーテルイミドからなる群より選ばれる少なくとも1種を含む、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  5. 前記多孔質層がアクリル系樹脂をさらに含有する、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  6. 前記多孔質層がポリフッ化ビニリデン系樹脂をさらに含有する、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  7. 前記多孔質層がアクリル系樹脂及びポリフッ化ビニリデン系樹脂をさらに含有する、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  8. 前記アクリル系樹脂が、単量体成分としてアクリル系モノマーとスチレン系モノマーとを含む共重合体を含む、請求項5又は請求項7に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  9. 前記ポリフッ化ビニリデン系樹脂が、単量体成分としてフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとを含みヘキサフルオロプロピレン単量体成分の含有量が3質量%〜20質量%であり且つ重量平均分子量が10万〜150万である共重合体を含む、請求項6又は請求項7に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  10. 前記多孔質層における前記耐熱樹脂の含有量が、すべての樹脂成分の合計質量に対して40質量%〜80質量%である、請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  11. 前記多孔質層における前記タッキファイヤーの含有量が、すべての樹脂成分の合計質量に対して1質量%〜60質量%である、請求項1〜請求項10のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  12. 前記多孔質層がフィラーをさらに含有し、
    前記多孔質層における前記フィラーの含有量が、前記多孔質層の全質量に対して5質量%〜80質量%である、請求項1〜請求項11のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータ。
  13. 多孔質基材と、
    前記多孔質基材の一方の面に設けられ、分子内にアミド結合及びイミド結合の少なくとも一方を有する耐熱樹脂、及びタッキファイヤーを含有する第一の多孔質層と、
    前記多孔質基材の他方の面に設けられ、分子内にアミド結合及びイミド結合の少なくとも一方を有する耐熱樹脂、アクリル系樹脂及びポリフッ化ビニリデン系樹脂を含有する第二の多孔質層と、
    を備えた非水系二次電池用セパレータ。
  14. 正極と、負極と、前記正極及び前記負極の間に配置された請求項1〜請求項13のいずれか1項に記載の非水系二次電池用セパレータと、を備え、リチウムのドープ・脱ドープにより起電力を得る非水系二次電池。
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