WO2012165624A1 - セパレータ、電気化学素子、及びセパレータの製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明のセパレータは、多孔質層と、多孔質シリカ、活性炭、及びゼオライトから成る群から選ばれた1種以上を含み、前記多孔質層の片面又は両面に形成された被覆層と、を備える。
Description
本国際出願は、2011年6月3日に日本国特許庁に出願された日本国特許出願第2011-125694号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第2011-125694号の全内容を本国際出願に援用する。
本発明は、セパレータ、電気化学素子、及びセパレータの製造方法に関する。
従来、第1世代のセパレータとして、オレフィン系樹脂、PDF系樹脂、PAN系樹脂、PMMA系樹脂、及びウレタン系樹脂のいずれかから成るセパレータが知られている。このセパレータは、携帯電話、デジタルカメラのような小型携帯機器用の二次電池や電気二重層キャパシタ(以下、EDLCと略す)に用いられる。なお、二次電池の外観は、小型角形であった。
また、加工性、及び価格の観点から、オレフィン系樹脂(特に、超高分子量のポリプロピレン(PP)やポリエチレン(PE))と微粒子状のアルミナやシリカとを混練し、一軸または二軸延伸法を用いて生産されたセパレータが実用化されてきた(特許文献1、2)。
図7A、図7B、及び図7Cは、代表的な第1世代のセパレータの構造を示す。図7Aは、PPの単層101から成るセパレータを示す。図7Bは、PEの単層103から成るセパレータを示す。図7Cは、PPの層105、PEの層107、及びPPの層109を積層したセパレータ111を示す。
第2世代のセパレータは、パソコン(PC)、電動工具、ロボット電源等を用途とする2次電池に使用される。なお、この二次電池は、18650型や26650型の中型捲回型、又は角形である。第2世代のセパレータを用いた二次電池は、第1世代を用いた二次電池よりも、高容量、高出力が要求される。また、高容量化にともない、充電時間の短縮化が要請される。さらに、二次電池の大型化により、一層の安全性が要請される。
上記の安全性を確保するために、セパレータにセラミック層を形成する方法が提案されている。例えば、図8Aに示す構造は、セパレータ117、陽極119、陽極集電体121、陰極123、及び陰極集電体125から成り、セパレータ117において、セパレータの本体113の表面にアルミナの絶縁層(HRL(Heat Resistance Layer)層)115がコーティングにより形成されている。このHRL層115は、耐熱性絶縁機能と金属のデンドライト防止機能とを奏する(特許文献3、4)。この構造は、Panasonic(株)で開発され、実用化されたものである。
また、図8Bに示す構造は、セパレータ127、陽極129、陽極集電体131、陰極133、及び陰極集電体135から成り、セパレータ127においては、セパレータの本体137の陽極側に、アルミナ等の無機微粒子(比表面積:4~6m2/g)をコーティングした層139を備えるとともに、陰極側に、板状の微粒子(7~10m2/g)をコーティングした層141を備える(特許文献5、6)。この構造は、日立マクセル(株)で開発製品化された構造である。
しかしながら、図7Aに示すセパレータ117では、片面にHRL115をコーティングし、乾燥させるときに、セパレータ117が反ってしまうという問題が生じる。また、図8Bに示すセパレータ127でも、層139と層141とで組成が異なるため、セパレータ127が反ってしまうという問題が生じる。
本発明は、反りを抑制できるセパレータ、そのセパレータを備えた電気化学素子、及びセパレータの製造方法を提供することをその一側面とする。
本発明のセパレータは、多孔質層と、多孔質シリカ、活性炭、及びゼオライトから成る群から選ばれた1種以上を含み、前記多孔質層の片面又は両面に形成された被覆層と、を備えることを特徴とする。本発明のセパレータは、反りが生じにくい。
本発明のセパレータの製造方法は、(A)多孔質シリカ、活性炭、及びゼオライトから成る群から選ばれた1種以上、(B)バインダー、(C)スラリー安定剤、及び(D)コーティング助剤を含むスラリーを、多孔質層の片面又は両面に塗布して被覆層を形成することを特徴とする。本発明のセパレータの製造方法によれば、反りが生じにくいセパレータを容易に製造することができる。
1、21・・・複合セパレータ、3、23、41、55、69・・・セパレータ、5、25、43、57、71・・・陽極、7、27、45、59、73・・・陰極、9、29、47、61、75・・・多孔質層、11、13、31、33、49、51、63、65、77、79・・・被覆層、35、37、81、83・・・導電層、39・・・コイン型EDLC、53・・・捲回型EDLC、67・・・リチウムイオン電池
本発明の実施形態を説明する。本発明における多孔質層としては、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、フッ化ビニリデン樹脂、アクリル樹脂、及びウレタン樹脂のうちのいずれかから成るものが挙げられる。特許文献1、2に記載されているオレフィンセパレータを多孔質層としてもよい。また、市販の微多孔質セパレータを多孔質層としてもよい。
また、他の多孔質層として、ポリオレフィン系樹脂(例えば超高分子量のポリオレフィン系樹脂)にアルミナ(Al2O3)やシリカ(SiO2)を添加し、一軸または二軸延伸法で得られるものが挙げられる。
多孔質層の膜厚は、10~110μmの範囲が好適である。特に、EDLCに用いるセパレータの場合は、耐熱性を高めるため、40~110μmの膜厚が好ましい。また、ポリオレフィン系樹脂から成る多孔質層の場合は、膜厚が8~20μmであり、多孔度が高いことが好ましい。こうすることにより、抵抗を小さくすることができる。
本発明における被覆層は、多孔質シリカ、活性炭、及びゼオライトから成る群から選ばれた1種以上を含む。多孔質シリカとしては、電気化学素子の実用温度範囲において結晶型がアモルファスであり、多孔質であるものが好ましい。
被覆層は、セパレータを電気化学素子に適用した場合、多量の電解液を含浸できる。そのため、注液時間を短縮化し、濃度分極を減少させることができる。また、瞬時に急速充放電を行っても、デンドライトの成長を抑制できる。また、被覆層を備えることにより、セパレータの機械的強度が向上する。
また、被覆層を備えることにより、寸法収縮率が改善される(寸法安定性が向上する)。その結果、内部ショートを防止し、セパレータの機械的強度を改善することができる。
また、被覆層を備えることにより、浸液性が向上する。その結果、電解液が早く含浸し、コンベアースピードを向上することができる。
また、被覆層を備えることにより、浸液性が向上する。その結果、電解液が早く含浸し、コンベアースピードを向上することができる。
また、被覆層を備えることにより、デンドライトが改善される。その結果、安全性、信頼性、歩留まりが向上する。
また、被覆層を備えることにより、保液性が向上する。その結果、効率的な放電が可能になる。
また、被覆層を備えることにより、保液性が向上する。その結果、効率的な放電が可能になる。
また、被覆層を備えることにより、耐熱性が向上する。その結果、急速充電特性が向上する。
被覆層の膜厚は、0.5~50μm(好ましくは3~15μm)の範囲が好ましい。0.5μm以上であることにより、被覆層を均一に形成しやすくなる。また、50μm以下であることにより、被覆層に亀裂が生じにくくなる。セパレータを捲回型の電気化学素子に適用する場合は、膜厚が15μm以下であることが好ましい。
被覆層の膜厚は、0.5~50μm(好ましくは3~15μm)の範囲が好ましい。0.5μm以上であることにより、被覆層を均一に形成しやすくなる。また、50μm以下であることにより、被覆層に亀裂が生じにくくなる。セパレータを捲回型の電気化学素子に適用する場合は、膜厚が15μm以下であることが好ましい。
被覆層は、多孔質層の片面に形成されていてもよいし、両面に形成されていてもよい。両面に形成すると、セパレータの反りを一層軽減することができる。
多孔質シリカの物性は、例えば、以下の範囲が好ましい。
多孔質シリカの物性は、例えば、以下の範囲が好ましい。
平均粒子径:0.1~8μm
比表面積:250~800m2/g
吸油量:50~350ml/100g
物性が上記の範囲内であることにより、本セパレータを適用した電気化学素子において、大電流の充放電や非接触瞬時充電が可能となる。また、平均粒子径が0.1μm以上であることにより、被覆層の形成に用いるスラリーにおけるスラリー安定剤の量が少なくて済む。また、平均粒子径が8μm以下であることにより、被覆層を均一化しやすくなる。
比表面積:250~800m2/g
吸油量:50~350ml/100g
物性が上記の範囲内であることにより、本セパレータを適用した電気化学素子において、大電流の充放電や非接触瞬時充電が可能となる。また、平均粒子径が0.1μm以上であることにより、被覆層の形成に用いるスラリーにおけるスラリー安定剤の量が少なくて済む。また、平均粒子径が8μm以下であることにより、被覆層を均一化しやすくなる。
また、比表面積が250m2/g以上であることにより、本セパレータを電気化学素子に適用した場合、電解液含液量を多くすることができる。また、シリカの比表面積が800m2/g以下であることにより、シリカの凝集粒子の機械的強度を高めることができる。その結果、充放電時におけるシリカ粒子の破壊を抑制できる。
また、吸油量が50ml/100g以上であることにより、本セパレータを電気化学素子に適用した場合、電解液含液量を多くすることができる。また、吸油量が350ml/100g以下であることにより、被覆層の機械的強度が向上する。
なお、平均粒子径の測定、比表面積の測定、及び吸油量の測定は、それぞれ、以下のとおりである。
平均粒子径の測定:レーザ回折式粒度分布測定装置により測定
比表面積の測定:容量法(より詳しくは、JIS K1150 “シリカゲル試験方法”に準拠する方法)により測定
吸油量の測定:JIS K5101-13-1“顔料試験方法-第13部 吸油量”に準拠する方法により測定
本発明における導電層は、例えば、被覆層を構成する粒子の表面に形成することができる。例えば、被覆層を構成する粒子を、オキシチオフェン(EDOT)、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)、酸化インジウムスズ(ITO)、ポリピロール、及びポリアニリンから選ばれた1種以上を含む塗料に含浸し、風乾、及び加熱乾燥(例えば150℃程度の温度での乾燥)を順次行うことで粒子の表面に導電層を形成できる。そして、導電層を備える粒子を用いて、被覆層を形成することができる。また、被覆層を形成した後、その上に導電層を積層してもよい。
平均粒子径の測定:レーザ回折式粒度分布測定装置により測定
比表面積の測定:容量法(より詳しくは、JIS K1150 “シリカゲル試験方法”に準拠する方法)により測定
吸油量の測定:JIS K5101-13-1“顔料試験方法-第13部 吸油量”に準拠する方法により測定
本発明における導電層は、例えば、被覆層を構成する粒子の表面に形成することができる。例えば、被覆層を構成する粒子を、オキシチオフェン(EDOT)、ポリエチレンジオキシチオフェン(PEDOT)、酸化インジウムスズ(ITO)、ポリピロール、及びポリアニリンから選ばれた1種以上を含む塗料に含浸し、風乾、及び加熱乾燥(例えば150℃程度の温度での乾燥)を順次行うことで粒子の表面に導電層を形成できる。そして、導電層を備える粒子を用いて、被覆層を形成することができる。また、被覆層を形成した後、その上に導電層を積層してもよい。
導電層を形成する材料としては、例えば、EDOT、PEDOT、ITO、ポリピロール、及びポリアニリンから選ばれた1種以上が挙げられる。導電層は、被覆層の抵抗を、例えば、10-1~10-2程度低くすることで、セパレータの静電気トラブルを軽減できる。なお、静電気トラブルとしては、静電気によってセパレータが延伸したり、断裂するトラブルが挙げられる。
本発明の電気化学素子としては、例えば、一次電池、二次電池、電気二重層キャパシタ(EDLC)、擬似電気二重層キャパシタ等が挙げられる。
本発明のセパレータは、例えば、(A)多孔質シリカ、活性炭、及びゼオライトから成る群から選ばれた1種以上、(B)バインダー、(C)スラリー安定剤、及び(D)コーティング助剤を含むスラリーを、多孔質層の片面又は両面に塗布して被覆層を形成することで製造できる。
本発明のセパレータは、例えば、(A)多孔質シリカ、活性炭、及びゼオライトから成る群から選ばれた1種以上、(B)バインダー、(C)スラリー安定剤、及び(D)コーティング助剤を含むスラリーを、多孔質層の片面又は両面に塗布して被覆層を形成することで製造できる。
バインダーとしては、例えば、オレフィン系バインダー、スチレン-ブタジエンゴム系バインダー(SBR系バインダー)、変性スチレン-ブタジエンゴム系バインダー(変性SBR系バインダー)、アクリレート系バインダー、セルロース系バインダー、弗素系バインダー(例えば、PTFE、PVDF等)、水系バインダー等が挙げられる。
特に、水系バインダー又はオレフィン系バインダーである第1のバインダーと、スチレン-ブタジエンゴム系バインダー、変性スチレン-ブタジエンゴム系バインダー(例えばアクリルドープ型)、アクリレート系バインダー、セルロース系バインダー、ビニールピロリドン、及び弗素系バインダーから成る群から選ばれた1種以上である第2のバインダーとの混合バインダーが好ましい。この混合バインダーを用いることにより、多孔質層に対するスラリーの濡れ性が向上し、また、多孔質層と被覆層との接着強度が向上する。
混合バインダーを用いる場合、第1のバインダーの配合量は、(A)成分100重量部に対し、0.5~2.0重量部の範囲が好ましく、第2のバインダーの配合量は、2~5重量部の範囲が好ましい。これらの範囲内であることにより、上述した混合バインダーの効果が一層顕著になる。
また、アクリレート系バインダーを用いる場合、その配合量は、(A)成分100重量部に対し、2~5重量部の範囲が好ましい。2重量部以上であることにより、被覆層の曲げ強度が向上する。また、5重量部以下であることにより、被覆層の注液含浸性が向上する。
スラリー安定剤としては、例えば、水溶性ポリマー、界面活性剤等が挙げられる。水溶性ポリマーとしては、ブロック型で、スルホン化率が5~30%のものが好ましい。すなわち、スルホン酸系水溶性ポリマーが好ましい。界面活性剤としては、弗素系のノニオン界面活性剤が好ましい。スラリーにスラリー安定剤を配合することにより、スラリーの調製が容易になり、スラリー寿命が延びる。
コーティング助剤としては、例えば、Na中和CMC、又はアンモニア中和CMC等が挙げられる。コーティング助剤を含むことにより、スラリーの安定性、被覆層の均一性が向上する。また、セパレータを電池やEDLCに適用した場合、それらの寿命が向上する。
本発明のセパレータは、例えば、図1に示す複合セパレータ1に適用することができる。複合セパレータ1は、セパレータ3と、陽極5と、陰極7とから構成される。セパレータ3は、多孔質層9と、その両側の被覆層11、13を備える。この複合セパレータ1は、種々の電気化学素子(例えば、一次電池、二次電池、EDLC等)に適用できる。
また、本発明のセパレータは、例えば、図2に示す複合セパレータ21に適用することができる。複合セパレータ21は、セパレータ23と、陽極25と、陰極27とから構成される。セパレータ23は、多孔質層29と、その両側の被覆層31、33と、さらにその外側の導電層35、37を備える。この複合セパレータ21は、種々の電気化学素子(例えば、一次電池、二次電池、EDLC等)に適用できる。
1.スラリーの調製
(1)スラリーS1
スラリーS1の製造方法を、図3に基づいて説明する。まず、多孔質シリカ(SiO2)を乾式混合し(P1)、次に、水とCMC(コーティング助剤)とを加えて湿式混合し(P2)、混練する(P3)。その後、オレフィン系バインダー(図3ではBinder1と表記)、変性SBR系バインダー(図3ではBinder2と表記)、及びスラリー安定剤を添加し、スラリーを得る(P4)。
(1)スラリーS1
スラリーS1の製造方法を、図3に基づいて説明する。まず、多孔質シリカ(SiO2)を乾式混合し(P1)、次に、水とCMC(コーティング助剤)とを加えて湿式混合し(P2)、混練する(P3)。その後、オレフィン系バインダー(図3ではBinder1と表記)、変性SBR系バインダー(図3ではBinder2と表記)、及びスラリー安定剤を添加し、スラリーを得る(P4)。
ここで、上記の配合成分は、具体的には、それぞれ以下のものである。
CMC:ダイセルファインケム(株)製 DN-800H
オレフィン系バインダー:三井化学(株)製 ケミパールS100
変性SBR系バインダー:JSR株式会社製 SBラテックス
スラリー安定剤:水溶性ポリマー(JSR株式会社製の界面活性剤)
また、使用した多孔質シリカの物性は、それぞれ以下のものである。
CMC:ダイセルファインケム(株)製 DN-800H
オレフィン系バインダー:三井化学(株)製 ケミパールS100
変性SBR系バインダー:JSR株式会社製 SBラテックス
スラリー安定剤:水溶性ポリマー(JSR株式会社製の界面活性剤)
また、使用した多孔質シリカの物性は、それぞれ以下のものである。
平均粒子径:2.7μm
比表面積:300m2/g
吸油量:330ml/100g
また、スラリーS1における各成分の配合量(単位は重量部)を表1に示す。
比表面積:300m2/g
吸油量:330ml/100g
また、スラリーS1における各成分の配合量(単位は重量部)を表1に示す。
(2)スラリーS2
まず、スラリーS1の調製で用いたものと同一の多孔質シリカの粒子表面に前もってEDOTから成る導電層を形成し、その後は、スラリーS1の場合と同様の工程により、スラリーS2を調製した。
まず、スラリーS1の調製で用いたものと同一の多孔質シリカの粒子表面に前もってEDOTから成る導電層を形成し、その後は、スラリーS1の場合と同様の工程により、スラリーS2を調製した。
多孔質シリカの表面にEDOTから成る導電層を形成する方法は以下のとおりである。すなわち、多孔質シリカをEDOT導電性塗料に含浸させ、風乾により表面乾燥後、さらに150℃で乾燥することで、多孔質シリカの表面にEDOTから成る導電層を形成する。この導電層により、多孔質シリカは、静電気除去機能を有する。
多孔質シリカの表面に存在するEDOTの量は、多孔質シリカ100重量部に対し、3重量部である。
(3)スラリーS3
基本的にはスラリーS1の場合と同様の方法であるが、多孔質シリカの代わりに比表面積700m2/gである同量の椰子殻活性炭を用いてスラリーS3を調製した。
(4)スラリーS4
基本的にはスラリーS1の場合と同様の方法であるが、多孔質シリカの代わりに同量の合成ゼオライトを用いてスラリーS3を調製した。
(3)スラリーS3
基本的にはスラリーS1の場合と同様の方法であるが、多孔質シリカの代わりに比表面積700m2/gである同量の椰子殻活性炭を用いてスラリーS3を調製した。
(4)スラリーS4
基本的にはスラリーS1の場合と同様の方法であるが、多孔質シリカの代わりに同量の合成ゼオライトを用いてスラリーS3を調製した。
2.セパレータの製造
市販のPP樹脂から、延伸法を用いて、厚さ15μmのフィルムと、厚さ25μmのフィルムとを製造した。このフィルムは微多孔性である。このフィルムを多孔質層として、その両側に、ブレードコーティング法でスラリーを塗布(P5)、乾燥して厚さ3μmの被覆層を形成し(P6)、セパレータを製造した(P7)(図3参照)。
市販のPP樹脂から、延伸法を用いて、厚さ15μmのフィルムと、厚さ25μmのフィルムとを製造した。このフィルムは微多孔性である。このフィルムを多孔質層として、その両側に、ブレードコーティング法でスラリーを塗布(P5)、乾燥して厚さ3μmの被覆層を形成し(P6)、セパレータを製造した(P7)(図3参照)。
上記の製造方法において、多孔質層の膜厚(15μm又は25μm)、及び塗布するスラリーの種類(S1~S4)を変えて、表2に示すE1~E6までの6種類のセパレータを製造した。E1、E2についてはスラリーS1を使用し、E3、E4についてはスラリーS2を使用し、E5についてはスラリーS3を使用し、E6についてはスラリーS4を使用した。
また、スラリーを塗布しない厚さ15μmのフィルムをセパレータR1とし、スラリーを塗布しない厚さ25μmのフィルムをセパレータR2とした。
3.セパレータの評価
(1)ガーレー値
JIS P8117に準拠して、各セパレータのガーレー値(通気度)を測定した。その結果を上記表2に示す。セパレータE1~E6の通気度は、被覆層を形成しても殆ど低下していないことが確認できた。
(2)熱風温度での収縮率
各セパレータに熱風を1時間吹きかける処理を行い、処理前に状態に対する収縮率(%)を測定した。測定は、熱風の温度が120℃の場合と、150℃の場合とのそれぞれについて行った。測定結果を上記表2に示す。セパレータE1~E6は、セパレータR1、R2に比べて、収縮率が小さかった。このことから、セパレータE1~E6は、反りにくいことが確認できた。
(3)EMIBF4の2μm含浸時間
粘度の高いイオン液体(EMIBF4)を各セパレータの上に2μm滴下し、そのイオン液体がセパレータ表面に拡散するまでの時間(sec)を測定した。その結果を上記表2に示す。セパレータE1~E6の場合は、短時間でイオン液体が拡散した。このことから、セパレータE1~E6は、液体(例えば電解液)に対する含浸性が高いことが確認できた。
(4)-65℃静電気防止特性
露点-65℃のドライルーム内において、帯電試験を実施し、静電気防止特性を評価した。その評価基準は以下のとおりである。
(1)ガーレー値
JIS P8117に準拠して、各セパレータのガーレー値(通気度)を測定した。その結果を上記表2に示す。セパレータE1~E6の通気度は、被覆層を形成しても殆ど低下していないことが確認できた。
(2)熱風温度での収縮率
各セパレータに熱風を1時間吹きかける処理を行い、処理前に状態に対する収縮率(%)を測定した。測定は、熱風の温度が120℃の場合と、150℃の場合とのそれぞれについて行った。測定結果を上記表2に示す。セパレータE1~E6は、セパレータR1、R2に比べて、収縮率が小さかった。このことから、セパレータE1~E6は、反りにくいことが確認できた。
(3)EMIBF4の2μm含浸時間
粘度の高いイオン液体(EMIBF4)を各セパレータの上に2μm滴下し、そのイオン液体がセパレータ表面に拡散するまでの時間(sec)を測定した。その結果を上記表2に示す。セパレータE1~E6の場合は、短時間でイオン液体が拡散した。このことから、セパレータE1~E6は、液体(例えば電解液)に対する含浸性が高いことが確認できた。
(4)-65℃静電気防止特性
露点-65℃のドライルーム内において、帯電試験を実施し、静電気防止特性を評価した。その評価基準は以下のとおりである。
◎:帯電なし
○:わずかに帯電
×:帯電有り
評価結果を上記表2に示す。セパレータE1~E6は、静電気を生じにくいことが確認できた。この特性は、セパレータを量産機械に適用した場合に有用である。すなわち、セパレータ、及びそれを備えた電気化学素子の製造工程において、静電気の発生を防止することができる。
○:わずかに帯電
×:帯電有り
評価結果を上記表2に示す。セパレータE1~E6は、静電気を生じにくいことが確認できた。この特性は、セパレータを量産機械に適用した場合に有用である。すなわち、セパレータ、及びそれを備えた電気化学素子の製造工程において、静電気の発生を防止することができる。
1.EDLCの構成
(1)コイン型EDLC39の構成
コイン型EDLC39の構成を図4に基づいて説明する。コイン型EDLC39は、直径4.8mm、厚さ1.4mmのコイン形状を有する。コイン型EDLC39は、セパレータ41と、陽極43と、陰極45とから成る積層構造を有する。さらに、セパレータ41は、多孔質層47と、その両側の被覆層49、51を備える。多孔質層47は、耐熱性仕様の微多孔性PPフィルムから成る。
(1)コイン型EDLC39の構成
コイン型EDLC39の構成を図4に基づいて説明する。コイン型EDLC39は、直径4.8mm、厚さ1.4mmのコイン形状を有する。コイン型EDLC39は、セパレータ41と、陽極43と、陰極45とから成る積層構造を有する。さらに、セパレータ41は、多孔質層47と、その両側の被覆層49、51を備える。多孔質層47は、耐熱性仕様の微多孔性PPフィルムから成る。
被覆層49、51は、多孔質層47の表面にスラリーS1を塗布、乾燥することによって形成した。また、陽極43及び陰極45は、活性炭、アセチレンブラック、バインダー、及びPTFE粉末から成る組成物を500μm厚にシート成型し、所定の形状に打ち抜く方法で作成した。電解液には、EMIBF4の100%原液を用いた。
多孔質層47の膜厚、及び被覆層49、51の膜厚を変えて、表3に示すE11~E14のコイン型EDLC39を製造した。E11~E14のコイン型EDLC39は、414型面実装キャパシタである。
また、被覆層49、51を形成せずに、その他の点はE11~E14のコイン型EDLC39と同様にして、R11、R12のコイン型EDLCを製造した。
(2)捲回型EDLC53の構成
捲回型EDLC53の構成を図5に示す。捲回型EDLC53は、直径18mm、長さ40mmの円筒形状を有するキャパシタである。捲回型EDLC53は、2つのセパレータ55と、陽極57と、陰極59とを積層したシートを捲き回した構造を有する。さらに、それぞれのセパレータ55は、多孔質層61と、その両側の被覆層63、65を備える。多孔質層61は、耐熱性仕様の微多孔性PPフィルムから成る。
捲回型EDLC53の構成を図5に示す。捲回型EDLC53は、直径18mm、長さ40mmの円筒形状を有するキャパシタである。捲回型EDLC53は、2つのセパレータ55と、陽極57と、陰極59とを積層したシートを捲き回した構造を有する。さらに、それぞれのセパレータ55は、多孔質層61と、その両側の被覆層63、65を備える。多孔質層61は、耐熱性仕様の微多孔性PPフィルムから成る。
被覆層63、65は、多孔質層61の表面にスラリーS1を塗布、乾燥することで形成した。また、陽極57及び陰極59は、活性炭、アセチレンブラック、バインダー、及びPTFE粉末から成る組成物を500μm厚にシート成型し、所定の形状に打ち抜く方法で作成した。電解液には、EMIBF4の100%原液を用いた。
多孔質層61の膜厚、及び被覆層63、65の膜厚を変えて、表4に示すE15~E18の捲回型EDLC53を製造した。E15~E18の捲回型EDLC53は、1840型である。
また、被覆層63、65を形成せずに、その他の点はE15~E18の捲回型EDLC53と同様にして、R13、R14の捲回型EDLCを製造した。
2.EDLCの評価
各EDLCについて、イオン液体含浸性、ESR、及び漏液性を評価した。
ここで、イオン液体含浸性の評価方法は、セパレータにEMIBF4電解液5μLを滴下し、染み込むまでの時間を測定する方法である。染み込むまでの時間が最も短いものから、◎、○、△、×と評価した。
各EDLCについて、イオン液体含浸性、ESR、及び漏液性を評価した。
ここで、イオン液体含浸性の評価方法は、セパレータにEMIBF4電解液5μLを滴下し、染み込むまでの時間を測定する方法である。染み込むまでの時間が最も短いものから、◎、○、△、×と評価した。
ESR(等価直列抵抗)は、電池試料のインピーダンス周波数特性により評価した。
漏液性の評価方法は、コイン型EDLCの場合は、100個のコイン型EDLCを260℃の温度環境下に10secさらし、電解液が漏洩したものの個数を求める方法である。また、捲回型EDLCの場合は、100個の捲回型EDLCを80℃の温度環境下に200時間保持し、電解液の漏れが生じるか、本体に膨れが生じたものの個数を求める方法である。
漏液性の評価方法は、コイン型EDLCの場合は、100個のコイン型EDLCを260℃の温度環境下に10secさらし、電解液が漏洩したものの個数を求める方法である。また、捲回型EDLCの場合は、100個の捲回型EDLCを80℃の温度環境下に200時間保持し、電解液の漏れが生じるか、本体に膨れが生じたものの個数を求める方法である。
評価結果を上記表3、及び上記表4に示す。E11~E18のEDLCは、イオン液体含浸性、ESR、及び漏液性において優れていることが確認できた。
1.リチウムイオン電池67の構成
リチウムイオン電池67の構成を図6に示す。リチウムイオン電池67は、直径18mm、長さ65mmの円筒形状を有する電池である。
リチウムイオン電池67の構成を図6に示す。リチウムイオン電池67は、直径18mm、長さ65mmの円筒形状を有する電池である。
リチウムイオン電池67は、2つのセパレータ69と、陽極71と、陰極73とを積層したシートを捲き回した構造を有する。さらに、それぞれのセパレータ69は、多孔質層75と、その両側の被覆層77、79と、さらにその外側の導電層81、83を備える。多孔質層75は、耐熱性仕様の微多孔性PPフィルムから成る。
被覆層77、79は、多孔質層75の表面にスラリーS1を塗布、乾燥することで形成した。また、導電層81、83は、EDOTを含む塗布液を塗布、乾燥することで形成した。また、陽極71は、Al集電体上に公知の方法で形成されたLiCoOxである。また、陰極73は、Cu箔集電体に人造黒鉛から成る陰極スラリーを塗布、乾燥して形成したものである。電解液には、濃度1.2mol/L のLiPF6(溶媒はEMC)を用いた。
多孔質層75の膜厚、及び被覆層77、79の膜厚を変えて、表5に示すE21~E24のリチウムイオン電池67を製造した。このリチウムイオン電池67は、18650型円筒型リチウムイオン電池である。
また、被覆層77、79を形成せずに、その他の点はE21~E24のリチウムイオン電池67と同様にして、R21、R22のリチウムイオン電池を製造した。
2.リチウムイオン電池の評価
各リチウムイオン電池について、電解液含浸性、膨れ-短絡個数を評価した。
2.リチウムイオン電池の評価
各リチウムイオン電池について、電解液含浸性、膨れ-短絡個数を評価した。
ここで、電解液含浸性の評価方法は、セパレータにEMIBF4電解液5μLを滴下し、染み込むまでの時間を測定する方法である。染み込むまでの時間が最も短いものから、◎、○、△、×と評価した。
膨れ-短絡個数の評価方法は、100個のリチウムイオン電池を60℃の温度環境下で200時間保持し、電池本体が膨れたもの、又は再充電できなくなったものの個数を求める方法である。
評価結果を上記表4に示す。E11~E18のEDLCは、電解液含浸性において優れ、膨れや短絡が生じにくいことが確認できた。
電解液含浸性が優れることにより、リチウムイオン電池の製造において、濃厚電解液の注入が容易になる。また、電解液を電極近傍に豊富に含浸することができるので、リチウムイオン電池が低抵抗化し、また、デンドライト形成を防止することができる。
電解液含浸性が優れることにより、リチウムイオン電池の製造において、濃厚電解液の注入が容易になる。また、電解液を電極近傍に豊富に含浸することができるので、リチウムイオン電池が低抵抗化し、また、デンドライト形成を防止することができる。
Claims (12)
- 多孔質層と、
多孔質シリカ、活性炭、及びゼオライトから成る群から選ばれた1種以上を含み、前記多孔質層の片面又は両面に形成された被覆層と、
を備えることを特徴とするセパレータ。 - 前記多孔質層が、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、フッ化ビニリデン樹脂、アクリル樹脂、及びウレタン樹脂のうちのいずれかから成ることを特徴とする請求項1記載のセパレータ。
- 前記多孔質層の膜厚が10~110μmの範囲内にあることを特徴とする請求項1又は2記載のセパレータ。
- 前記被覆層が多孔質シリカを含み、
その多孔質シリカの物性が以下のとおりであることを特徴とする請求項1~3のいずれか1項記載のセパレータ。
平均粒子径:0.1~8μm
比表面積:250~800m2/g
吸油量:50~350ml/100g - 前記被覆層の膜厚が0.5~50μmの範囲内にあることを特徴とする請求項1~4のいずれか1項記載のセパレータ。
- 前記被覆層を構成する粒子の表面に、EDOT、PEDOT、ITO、ポリピロール、及びポリアニリンから選ばれた1種以上を含む導電層を備えることを特徴とする請求項1~5のいずれか1項記載のセパレータ。
- 請求項1~6のいずれか1項記載のセパレータを備えた電気化学素子。
- 一次電池、二次電池、電気二重層キャパシタ、及び擬似電気二重層キャパシタのうちのいずれかであることを特徴とする請求項7記載の電気化学素子。
- (A)多孔質シリカ、活性炭、及びゼオライトから成る群から選ばれた1種以上、(B)バインダー、(C)スラリー安定剤、及び(D)コーティング助剤を含むスラリーを、多孔質層の片面又は両面に塗布して被覆層を形成することを特徴とするセパレータの製造方法。
- 前記バインダーが、水系バインダー又はオレフィン系バインダーである第1のバインダーと、スチレン-ブタジエンゴム系バインダー、変性スチレン-ブタジエンゴム系バインダー、アクリレート系バインダー、セルロース系バインダー、ビニールピロリドン、及び弗素系バインダーから成る群から選ばれた1種以上である第2のバインダーとの混合バインダーであることを特徴とする請求項9記載のセパレータの製造方法。
- 前記コーティング助剤が、Na中和CMC、又はアンモニア中和CMCを含むことを特徴とする請求項9又は10記載のセパレータの製造方法。
- 前記スラリー安定剤が、界面活性剤、又はスルフォン酸系水溶性ポリマーを含むことを特徴とする請求項9~11のいずれか1項記載のセパレータの製造方法。
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