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JP6856988B2 - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Description

本発明は蓄電デバイス用セパレータに関する。
近年、リチウムイオン二次電池に代表される蓄電デバイスの開発が、活発に行われていた。通常、蓄電デバイスには、微多孔膜(セパレータ)が正負極間に設けられている。セパレータは、正負極間の直接的な接触を防ぎ、かつ微多孔中に保持した電解液を通しイオンを透過させる機能を有する。
リチウムイオン二次電池の電気特性及び安全性を確保しながらセパレータに様々な性質を付与するために、セパレータ基材表面に無機フィラー及び樹脂バインダを含む層(以下「多孔層」又は「フィラー多孔層」ともいう)が配置されているセパレータが提案されている(特許文献1)。
特許文献1には、酸性官能基を有する第一の単量体、アミド基を有する第二の単量体及びポリオキシアルキレン基を有する第三の単量体から形成されたポリマー粒子と無機フィラーとを含む樹脂組成物を、セパレータ上に塗工して、セパレータ上に保護層を形成することが記述されている(合成例6、配合例6及び実施例16)。
従来、ポリアルキレングリコール基は、セパレータのイオン透過性を高める官能基として知られており、非水電解液用共重合体に組み込まれる場合には有機溶剤中で一般に使用されていた。一方で、水系共重合体を得るためには、一般に乳化重合法が使用される。さらに、ポリアルキレングリコール自体は、単独で使用可能な界面活性剤としても知られている。ポリアルキレングリコール基を水系コポリマーに組み込む場合、ポリアルキレングリコール基は親水性であるため、多量に使用されると、乳化重合時に粒子状コポリマーの水系分散体を得られなかったり、乾燥工程での水の除去が難しかったりするという問題がある。
特許第5708872号公報
特許文献1では、ポリマー粒子を構成する第三の単量体として、約200の分子量を有するメトキシポリエチレングリコールメタクリレート(MOEMA)が使用されており、かつMOEMA中のエチレングリコールユニットの平均繰り返し単位数は、分子量に基づいて算出されるときに約2である(合成例6、配合例6及び実施例16)。
特許文献1に記載のポリマー粒子は、樹脂組成物中の無機フィラー同士を点接着させるように機能し、セパレータのための保護層を形成するものであるが、特許文献1に記載のセパレータは、蓄電デバイスのレート特性と安全性を両立するという観点から未だに改良の余地がある。
本発明は、上記の事情に鑑みて、従来のセパレータと比べて高い水準で蓄電デバイスのレート特性と安全性を両立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。
本発明者らは、以下の技術的手段により上記課題を解決できることを見出して、本発明を完成させた。
[1]
多孔性基材と、無機フィラー及び樹脂バインダを含む多孔層とを含む蓄電デバイス用セパレータであって、
前記多孔層は、前記多孔性基材の少なくとも片面に配置されており、前記樹脂バインダは、ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)を単量体単位として有する共重合体を含み、かつ前記ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)のポリアルキレングリコール鎖の平均繰り返し単位数(n)が3以上である、
前記蓄電デバイス用セパレータ。
[2]
前記共重合体が、前記共重合体100質量%に対して2〜50質量%の前記ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)と、前記ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)と共重合可能な、ポリアルキレングリコール基を有していない単量体と、を単量体単位として有する、[1]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[3]
前記ポリアルキレングリコール基を有していない単量体が、カルボキシル基を有するエチレン性不飽和単量体(b1)、アミド基を有するエチレン性不飽和単量体(b2)、及びヒドロキシル基を有するエチレン性不飽和単量体(b3)から成る群より選択される少なくとも1種の単量体を、前記共重合体100質量%に対して0.1〜10質量%含む、[2]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[4]
前記ポリアルキレングリコール基を有していない単量体が、架橋性単量体(b4)を含む、[2]又は[3]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[5]
前記ポリアルキレングリコール基を有していない単量体が、シクロアルキル基を有するエチレン性不飽和単量体(A)と、(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)とを含み、
前記(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)は、炭素数4以上のアルキル基及び(メタ)アクリロイルオキシ基から成る(メタ)アクリル酸エステル単量体であり、かつ
前記シクロアルキル基を有するエチレン性不飽和単量体(A)及び前記(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)の合計含有割合が、前記共重合体100質量%に対して50〜98質量%である、[2]〜[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(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)は、炭素数6以上のアルキル基及び(メタ)アクリロイルオキシ基から成る(メタ)アクリル酸エステル単量体である、[5]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[7]
前記シクロアルキル基を有するエチレン性不飽和単量体(A)が、シクロヘキシルアクリレート又はシクロヘキシルメタクリレートである、[5]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[8]
正極と[1]〜[7]のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータと負極とから成る積層体。
[9]
正極と[1]〜[7]のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータと負極とが捲回されている捲回体。
[10]
[8]に記載の積層体又は[9]に記載の捲回体と電解液とを含む蓄電デバイス。
[11]
[8]に記載の積層体又は[9]に記載の捲回体と電解液とを含むリチウムイオン二次電池。
本発明によれば、蓄電デバイスのレート特性と安全性を両立することができる蓄電デバイス用セパレータが提供される。本発明の実施形態に係るセパレータを用いて蓄電デバイス及び二次電池を製造することにより、蓄電デバイス及び二次電池の電池特性と安全性を向上させることができる。
<蓄電デバイス用セパレータ>
本発明の蓄電デバイス用セパレータは、多孔性基材と、無機フィラー及び樹脂バインダを含む多孔層とを含み、かつ多孔層は多孔性基材の少なくとも片面に配置される。この蓄電デバイス用セパレータは、多孔性基材及び無機フィラー含有多孔層のみから成っていてもよいし、これら以外に熱可塑性ポリマー層を更に有していてもよい。
多孔層は、無機フィラーを含むためフィラー多孔層とも呼ばれ、そして多孔性基材の片面又は両面に配置される。多孔性基材上にフィラー多孔層と熱可塑性ポリマー層を配置する場合、これらの相互位置関係は任意であるが、蓄電デバイスのレート特性と安全性を両立する観点から、フィラー多孔層の少なくとも一部を露出させるように熱可塑性ポリマー層を配置してもよいし、フィラー多孔層の上に配置することが好ましい。
本発明の蓄電デバイス用セパレータを構成する各部材、及び蓄電デバイス用セパレータの製造方法の好ましい実施形態について、以下に詳細に説明する。
また、本明細書における「(メタ)アクリル」とは「アクリル」及びそれに対応する「メタクリル」を意味し、「(メタ)アクリレート」とは「アクリレート」及びそれに対応する「メタクリレート」を意味し、「(メタ)アクリロイル」とは「アクリロイル」及びそれに対応する「メタクリロイル」を意味する。
[多孔性基材]
本実施形態に用いる基材は、それ自体が、従来セパレータとして用いられていたものであってもよい。基材としては、電子伝導性がなくイオン伝導性があり、有機溶媒の耐性が高い、孔径の微細な多孔質膜であると好ましい。そのような多孔質膜としては、例えば、ポリオレフィン系(例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン及びポリ塩化ビニル)、及びそれらの混合物又は共重合体等の樹脂を主成分として含む微多孔膜、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の樹脂を主成分として含む微多孔膜、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、紙、並びに、絶縁性物質粒子の集合体が挙げられる。これらの中でも、塗工工程を経てポリマー層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、ポリオレフィン系の樹脂を主成分として含むポリオレフィン微多孔膜が好ましい。なお、ここで「主成分として含む」とは、50質量%を超えて含むことを意味し、好ましくは75質量%以上、より好ましくは85質量%以上、更に好ましくは90質量%以上、なおも更に好ましくは95質量%以上、特に好ましくは98質量%以上含み、100質量%であってもよい。
本実施形態では、ポリオレフィン微多孔膜におけるポリオレフィン樹脂の含有量は、特に限定されないが、蓄電デバイス用セパレータとして用いた場合のシャットダウン性能などの観点から、該多孔性基材を構成する全成分の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から成る多孔膜であることが好ましい。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は、特に限定されないが、通常の押出、射出、インフレーション、及びブロー成形等に使用するポリオレフィン樹脂でよく、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、及び1−オクテン等のホモポリマー及びコポリマー、多段ポリマー等を使用することができる。また、これらのホモポリマー及びコポリマー、多段ポリマーから成る群から選ばれるポリオレフィンを単独で、又は混合して使用することもできる。
ポリオレフィン樹脂の代表例としては、特に限定されないが、例えば、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、アイソ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、エチレン−プロピレンランダムコポリマー、ポリブテン、エチレンプロピレンラバー等が挙げられる。
蓄電デバイス用セパレータとして使用するポリオレフィン多孔性基材の材料としては、低融点であり、かつ高強度であることから、特に高密度ポリエチレンを主成分とする樹脂を使用することが好ましい。また、これらのポリエチレンは柔軟性を付与する目的から2種以上を混合してもよい。これらのポリエチレンの製造の際に用いられる重合触媒も特に制限はなく、例えば、チーグラー・ナッタ系触媒、フィリップス系触媒及びメタロセン系触媒が挙げられる。
ポリオレフィン多孔性基材の耐熱性を向上させるために、ポリプロピレンと、ポリプロピレン以外のポリオレフィン樹脂とを含む樹脂組成物から成る多孔膜を用いることがより好ましい。
ここで、ポリプロピレンの立体構造は、限定されるものではなく、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及びアタクティックポリプロピレンのいずれでもよい。
ポリオレフィン樹脂組成物中の総ポリオレフィンに対するポリプロピレンの割合は、特に限定されないが、耐熱性と良好なシャットダウン機能の両立の観点から、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。
また、重合触媒も特に制限はなく、例えば、チーグラー・ナッタ系触媒及びメタロセン系触媒が挙げられる。
この場合、ポリプロピレン以外のポリオレフィン樹脂としては、限定されるものではなく、例えば、エチレン、1−ブテン、4−メチル−1−ペンテン、1−ヘキセン、1−オクテン等のオレフィン炭化水素のホモポリマー又はコポリマーが挙げられる。具体的には、ポリプロピレン以外のポリオレフィン樹脂としては、ポリエチレン、ポリブテン、エチレン−プロピレンランダムコポリマー等が挙げられる。
ポリオレフィン多孔性基材の孔が熱溶融により閉塞するシャットダウン特性の観点から、ポリプロピレン以外のポリオレフィン樹脂として、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のポリエチレンを用いることが好ましい。これらの中でも、強度の観点から、JIS K 7112に従って測定した密度が0.93g/cm以上であるポリエチレンを使用することがより好ましい。
ポリオレフィン多孔性基材を構成するポリオレフィン樹脂の粘度平均分子量は、特に限定されないが、3万以上1,200万以下であることが好ましく、より好ましくは5万以上200万未満、更に好ましくは10万以上100万未満である。粘度平均分子量が3万以上であると、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共に、ポリマー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1,200万以下であると、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、粘度平均分子量が100万未満であると、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。
例えば、粘度平均分子量100万未満のポリオレフィンを単独で使用する代わりに、粘度平均分子量200万のポリオレフィンと粘度平均分子量27万のポリオレフィンの混合物であって、その粘度平均分子量が100万未満の混合物を用いてもよい。
本実施形態におけるポリオレフィン多孔性基材は、任意の添加剤を含有することができる。このような添加剤は、特に限定されず、例えば、ポリオレフィン以外のポリマー;無機粒子;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。
これらの添加剤の合計含有量は、ポリオレフィン樹脂組成物100質量部に対して、20質量部以下であることが好ましく、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。
なお、粘度平均分子量(Mv)は、ASTM−D4020に基づき、溶剤としてデカリンを用い、測定温度135℃で測定された極限粘度[η]から、下記式により算出される。
ポリエチレン:[η]=6.77×10−4Mv0.67(Chiangの式)
ポリプロピレン:[η]=1.10×10−4Mv0.80
本実施形態におけるポリオレフィン多孔性基材の気孔率は、特に限定されないが、好ましくは20%以上、より好ましくは35%以上であり、好ましくは90%以下、好ましくは80%以下である。気孔率を20%以上とすることは、セパレータの透過性を確保する観点から好ましい。一方、気孔率を90%以下とすることは、突刺強度を確保する観点から好ましい。ここで、気孔率は、例えば、ポリオレフィン多孔性基材試料の体積(cm)、質量(g)、膜密度(g/cm)から、下記数式:
気孔率=(体積−質量/膜密度)/体積×100
により求めることができる。ここで、例えばポリエチレンから成るポリオレフィン多孔性基材の場合には、膜密度を0.95(g/cm)と仮定して計算することができる。気孔率は、ポリオレフィン多孔性基材の延伸倍率の変更等により調節可能である。
本実施形態におけるポリオレフィン多孔性基材の透気度は、特に限定されないが、好ましくは10秒/100cc以上、より好ましくは50秒/100cc以上であり、好ましくは1,000秒/100cc以下、より好ましくは500秒/100cc以下である。透気度を10秒/100cc以上とすることは、蓄電デバイスの自己放電を抑制する観点から好ましい。一方、透気度を1,000秒/100cc以下とすることは、良好な充放電特性を得る観点から好ましい。ここで、透気度は、JIS P−8117に準拠して測定される透気抵抗度である。透気度は、多孔性基材の延伸温度及び/又は延伸倍率の変更等により調節可能である。
本実施形態におけるポリオレフィン多孔性基材の平均孔径は、好ましくは0.15μm以下、より好ましくは0.1μm以下であり、下限として好ましくは0.01μm以上である。平均孔径を0.15μm以下とすることは、蓄電デバイスの自己放電を抑制し、容量低下を抑制する観点から好適である。平均孔径は、ポリオレフィン多孔性基材を製造する際の延伸倍率の変更等により調節可能である。
本実施形態におけるポリオレフィン多孔性基材の突刺強度は、特に限定されないが、好ましくは200g/20μm以上、より好ましくは300g/20μm以上であり、好ましくは2,000g/20μm以下、より好ましくは1,000g/20μm以下である。突刺強度が200g/20μm以上であることは、電池捲回時における脱落した活物質等による破膜を抑制する観点、及び充放電に伴う電極の膨張収縮によって短絡する懸念を抑制する観点からも好ましい。一方、突刺強度が2,000g/20μm以下であることは、加熱時の配向緩和による幅収縮を低減できる観点から好ましい。突刺強度は、後記の実施例の記載の方法により測定される。
上記突刺強度は、ポリオレフィン多孔性基材の延伸倍率及び/又は延伸温度等を調整することにより調節可能である。
本実施形態におけるポリオレフィン多孔性基材の厚さは、特に限定されないが、好ましくは2μm以上、より好ましくは5μm以上であり、好ましくは100μm以下、より好ましくは60μm以下、更に好ましくは50μm以下である。この厚さを2μm以上に調整することは、機械強度を向上させる観点から好ましい。一方、この膜厚を100μm以下に調整することは、電池における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があるので好ましい。
[フィラー多孔層]
フィラー多孔層は、無機フィラー及び樹脂バインダを含む。
(無機フィラー)
フィラー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、200℃以上の融点を持ち、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、特に限定されないが、例えば、アルミナ、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、硫酸マグネシウム、硫酸アルミニウム、水酸化アルミニウム、水酸化酸化アルミニウム、チタン酸カリウム、タルク、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、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、単独で用いてもよいし、複数を併用してもよい。
これらの中でも、電気化学的安定性及びセパレータの耐熱特性を向上させる観点から、アルミナ、水酸化酸化アルミニウム等の酸化アルミニウム化合物;及びカオリナイト、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の、イオン交換能を持たないケイ酸アルミニウム化合物が好ましい。
なお、アルミナには、α−アルミナ、β−アルミナ、γ−アルミナ、θ−アルミナ等の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。これらの中でも、α−アルミナが熱的・化学的にも安定なので好ましい。
酸化アルミニウム化合物としては、水酸化酸化アルミニウム(AlO(OH))が特に好ましい。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で、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上に、より薄い多孔層においても多孔膜の高温での熱収縮が抑制され、優れた耐熱性を発現する傾向にある。電気化学デバイス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さらに好ましい。
イオン交換能を持たないケイ酸アルミニウム化合物としては、安価で入手も容易なため、主としてカオリン鉱物から構成されているカオリンがより好ましい。カオリンには、湿式カオリン及びこれを焼成処理して成る焼成カオリンが知られている。本実施形態では、焼成カオリンが特に好ましい。焼成カオリンは、焼成処理の際に、結晶水が放出されており、更に不純物も除去されていることから、電気化学的安定性の点で特に好ましい。
無機フィラーの平均粒径は、0.01μmを超えて4.0μm以下であることが好ましく、0.2μmを超えて3.5μm以下であることがより好ましく、0.4μmを超えて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、フィラー多孔層の厚さが薄い場合(例えば、7μm以下)であっても、高温における熱収縮を抑制する観点から好ましい。無機フィラーの粒径及びその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、ジェットミル等の適宜の粉砕装置を用いて無機フィラーを粉砕して粒径を小さく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、例えば、板状、鱗片状、針状、柱状、球状、多面体状、塊状等が挙げられる。これらの形状を有する無機フィラーの複数種を組み合わせて用いてもよい。
無機フィラーが、フィラー多孔層中に占める割合は、無機フィラーの結着性、セパレータの透過性、及び耐熱性等の観点から適宜決定されることができる。フィラー多孔層中の無機フィラーの割合は、20質量%以上100質量%未満であることが好ましく、より好ましくは50質量%以上99.99質量%以下、更に好ましくは80質量%以上99.9質量%以下、特に好ましくは90質量%以上99質量%以下である。
(樹脂バインダ)
樹脂バインダとしては、樹脂ラテックスバインダを用いることが好ましい。樹脂バインダとして樹脂ラテックスバインダを用いた場合、樹脂バインダ及び無機フィラーを含むフィラー多孔層を具備するセパレータは、樹脂バインダ溶液を基材上に塗工する工程を経て樹脂バインダを多孔膜上に結着させたセパレータと比較して、イオン透過性が低下し難く、出力特性の高い蓄電デバイスを与える傾向にある。更に、樹脂ラテックスバインダを用いて形成されたセパレータを有する蓄電デバイスは、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傾向にある。
本実施形態では、樹脂バインダは、ホモポリマー、共重合体等の樹脂を含んでよいが、蓄電デバイスのレート特性と安全性を両立するという観点から、樹脂バインダに含まれる共重合体の少なくとも1種は、ポリアルキレングリコール基(「ポリオキシアルキレン基」ともいう)を有するエチレン性不飽和単量体(P)を単量体単位として有する共重合体から成り、かつポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)のポリアルキレングリコール鎖(「アルキレングリコール繰り返しユニット」ともいう)の平均繰り返し単位数(n)が3以上であることが好ましい。なお、「エチレン性不飽和単量体」とは、分子内にエチレン性不飽和結合を1つ以上有する単量体を意味する。
樹脂バインダに含まれる共重合体が、平均3つ以上のアルキレングリコール繰り返しユニットを有するエチレン性不飽和単量体を共重合ユニットとして有することによって、アクリルバインダ等の従来の樹脂バインダと比べてセパレータのイオン抵抗を低減し、さらにフィラー多孔層の強度、粉落ち性又は柔軟性を改善するためにフィラー多孔層中の樹脂バインダ量を増やしてもイオン抵抗を上昇させず、レート特性等の電池特性を犠牲にしない。
さらに、樹脂バインダに含まれる共重合体は、平均3つ以上のアルキレングリコール繰り返しユニットの界面活性によって、無機フィラー及び樹脂バインダを含む塗工スラリーの分散性を向上させる。その結果として、均一な無機塗工層がセパレータ基材上に形成されるので、塗工層の剥離強度が高まるとともに、ポリオレフィン基材と無機塗工層の間の結着性も向上させることができ、蓄電デバイスの安全性が向上する。
本実施形態におけるセパレータは、このようにして蓄電デバイスのレート特性と安全性の両立に寄与するものと推察される。
樹脂バインダに含まれる共重合体は、アルキレングリコール繰り返しユニット中の酸素原子がリチウム(Li)イオンと配位してLiイオンの拡散を促進するので、セパレータのイオン透過性の向上にも効果的である。
ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)は、ポリアルキレングリコール基を有していない単量体と共重合可能である。ポリアルキレングリコール基は、ポリオキシアルキレン基とも呼ばれており、例えば、ポリオキシメチレン基、ポリオキシエチレン基、ポリオキシプロピレン基、ポリオキシブチレン基等でよい。ポリオキシアルキレン基を構成するオキシアルキレン基の炭素数は、好ましくは1〜6であり、より好ましくは1〜3であり、さらに好ましくは2である。ポリアルキレングリコール基中の炭化水素基は、直鎖でもよく、分岐していてもよい。
ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)のポリアルキレングリコール鎖の平均繰り返し単位数(n)は、上記で説明した通り、蓄電デバイスのレート特性と安全性を両立するという観点から3以上であり、100以下が好ましく、30以下がより好ましく、15以下がさらに好ましく、8以下が最も好ましい。平均繰り返し単位数(n)が8以下であると、ポリアルキレングリコール基を有していない単量体との乳化重合時の共重合性が向上する傾向にある。
ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)としては、例えば、ポリアルキレングリコールモノ(メタ)アクリレート、ポリアルキレングリコールジ(メタ)アクリレート、又は分子中にポリアルキレングリコールユニットとアリル基等の反応性置換基とを有する単量体が挙げられる。
ポリアルキレングリコールモノ(メタ)アクリレートとしては、例えば、ポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコール(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコール−ポリプロピレングリコール(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコール−ポリブチレングリコール(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコール−ポリブチレングリコール(メタ)アクリレート、2−エチルヘキシルポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、フェノキシジエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、フェノキシポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、メトキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、メトキシジエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、エトキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、ブトキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、オクトキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、ラウロキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、ステアロキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、フェノキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、メトキシポリプロピレングリコール(メタ)アクリレート、オクトキシポリエチレングリコール−ポリプロピレングリコール(メタ)アクリレート等のポリアルキレングリコール基を有する(メタ)アクリル酸エステル単量体が挙げられ、本発明による課題をより有効かつ確実に解決する観点から、これらが好ましい。
さらに、単量体(P)としては、下記段落記載の反応性界面活性剤であって、ポリアルキレングリコール鎖を有するものも含む。
単量体(P)の中では、メトキシジエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、メトキシポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、ブトキシポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、2−エチルヘキシルポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、及びメトキシポリプロピレングリコールモノ(メタ)アクリレートは、共重合体調製時の重合安定性が良好である点で好ましい。
ポリアルキレングリコールジ(メタ)アクリレートとしては、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコール−ポリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート等が挙げられる。
分子中にポリアルキレングリコールユニットとアリル基とを有する単量体としては、例えば、ポリアルキレングリコールモノアリルエーテル等が挙げられ、具体的には、ポリエチレングリコールモノアリルエーテル、ポリプロピレングリコールモノアリルエーテル等を使用してよい。
蓄電デバイスのレート特性及び安全性の観点から、ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)の共重合割合の下限値は、共重合体100質量%に対して、好ましくは2質量%以上であり、より好ましくは5質量%以上であり、さらに好ましくは10質量%以上である。また、上限値は、好ましくは50質量%以下であり、より好ましくは40質量%以下であり、さらに好ましくは30質量%以下であり、特に好ましくは20質量%以下である。ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)の含有割合が該範囲内にあると、セパレータのイオン透過性が向上するため好ましい。さらには、スラリー中のフィラー及びバインダの分散性が向上するため、塗工層の強度が良好な均一塗工層を形成できるだけでなく、アルキレングリコール基の効果によって、基材と塗工層間の結着性も高まる傾向にある。ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)の含有割合が50質量%以下であると、乳化重合時の共重合性が向上するため好ましい。
樹脂バインダに含まれる共重合体は、蓄電デバイスのレート特性と安全性を両立するという観点から、アルキレングリコールユニットの繰り返し数が3以上であるエチレン性不飽和単量体と、ポリアルキレングリコール基を有していない単量体とを共重合成分として含むように設計されることが好ましい。
ポリアルキレングリコール基を有していない単量体として、シクロアルキル基を有するエチレン性不飽和単量体が、単量体(P)との共重合性向上の観点から好ましい。シクロアルキル基を有するエチレン性不飽和単量体(A)は、上記単量体(P)とは異なる単量体である。
脂環式基としては、例えば、シクロプロピル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、アダマンチル基、イソボルニル基等が挙げられる。
シクロアルキル基を有するエチレン性不飽和単量体(A)の具体例としては、シクロヘキシルアクリレート、シクロヘキシルメタクリレート、イソボルニルアクリレート、イソボルニルメタクリレート、アダマンチルアクリレート、アダマンチルメタクリレートなどの、シクロアルキル基を有する(メタ)アクリル酸エステル単量体が、本発明による課題をより有効かつ確実に解決する観点から好ましい。
シクロアルキル基を有するエチレン性不飽和単量体(A)は、より好ましくは、シクロアルキル基と(メタ)アクリロイルオキシ基とから成る(メタ)アクリル酸エステル単量体である。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、ターシャリーブチル基が挙げられる。単量体(A)の中では、シクロヘキシルアクリレート、シクロヘキシルメタクリレートが、単量体(P)との乳化重合時の共重合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。
本実施形態に係る共重合体は、様々な品質及び物性を改良するために、ポリアルキレングリコール基を有さず、かつシクロアルキル基を有しない、その他の単量体(B)を単量体単位として有していてもよい。その他の単量体(B)は、上記単量体(A)および(P)とは異なる単量体であって、単量体(P)と共重合可能である。その他の単量体(B)としては、特に限定されないが、例えば、カルボキシル基を有するエチレン性不飽和単量体(b1)、アミド基を有するエチレン性不飽和単量体(b2)、ヒドロキシル基を有するエチレン性不飽和単量体(b3)、架橋性単量体(b4)、(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)、シアノ基を有するエチレン性不飽和単量体(b6)、その他のエチレン性不飽和単量体が挙げられる。
その他の単量体(B)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、その他の単量体(B)は、上記各単量体(b1)〜(b6)のうち2種以上に同時に属するものであってもよい。すなわち、その他の単量体(B)は、カルボキシル基、アミド基、ヒドロキシル基、及びシアノ基から成る群より選ばれる2種以上の基を有するエチレン性不飽和単量体であってもよく、カルボキシル基、アミド基、ヒドロキシル基、及びシアノ基から成る群より選ばれる2種以上の基をエチレン性不飽和結合と共に有する架橋性単量体であってもよい。
中でも、フィラーとの結着性向上の観点から、その他の単量体(B)は、カルボキシル基を有するエチレン性不飽和単量体(b1)を含むことが好ましい。カルボキシル基を有するエチレン性不飽和単量体(b1)としては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸のハーフエステル、マレイン酸のハーフエステル及びフマール酸のハーフエステルなどのモノカルボン酸単量体、並びに、イタコン酸、フマール酸及びマレイン酸などのジカルボン酸単量体が挙げられる。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、同様の観点から、好ましくはアクリル酸、メタクリル酸及びイタコン酸であり、より好ましくはアクリル酸及びメタクリル酸である。
同じく、フィラーとの結着性向上の観点から、その他の単量体(B)は、アミド基を有するエチレン性不飽和単量体(b2)を含むことが好ましい。アミド基を有するエチレン性不飽和単量体(b2)としては、特に限定されないが、例えば、アクリルアミド、メタクリルアミド、N,N−メチレンビスアクリルアミド、ダイアセトンアクリルアミド、ダイアセトンメタクリルアミド、マレイン酸アミド及びマレイミドが挙げられる。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。中でも、好ましくはアクリルアミド及びメタクリルアミドである。アクリルアミド及び/又はメタクリルアミドを使用することで、基材と塗工層の結着性が向上する傾向がある。
同じく、フィラーとの結着性向上の観点から、その他の単量体(B)は、ヒドロキシル基を有するエチレン性不飽和単量体(b3)を含むことが好ましい。ヒドロキシル基を有するエチレン性不飽和単量体(b3)としては、例えば、ヒドロキシエチルアクリレート、ヒドロキシエチルメタクリレート、ヒドロキシプロピルアクリレート、ヒドロキシプロピルメタクリレート、などのヒドロキシル基を有する(メタ)アクリレートが挙げられる。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。中でも、好ましくはヒドロキシエチルアクリレート及びヒドロキシエチルメタクリレートである。ヒドロキシエチルアクリレート及び/又はヒドロキシエチルメタクリレートを使用することで、フィラーとの結着性が向上する傾向にある。
また、電解液に対する共重合体の不溶分を適度な量にする観点から、その他の単量体(B)は、架橋性単量体(b4)を含むことが好ましい。架橋性単量体(b4)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、ジビニルベンゼン及び多官能(メタ)アクリレートが挙げられる。中でも、少量でもより良好な耐電解液性を発現できる観点から、多官能(メタ)アクリレートが好ましい。
多官能(メタ)アクリレートとしては、2官能(メタ)アクリレート、3官能(メタ)アクリレート、4官能(メタ)アクリレートが挙げられ、例えば、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、及びペンタエリスリトールテトラメタクリレートが挙げられる。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エチレン性不飽和単量体、メチロール基を有するエチレン性単量体、アルコキシメチル基を有するエチレン性不飽和単量体、及び加水分解性シリル基を有するエチレン性不飽和単量体が挙げられる。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。
エポキシ基を有するエチレン性不飽和単量体としては、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、アリルグリシジルエーテル、メチルグリシジルアクリレート、及びメチルグリシジルメタクリレートが挙げられる。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。中でも、好ましくはグリシジルメタクリレートである。
メチロール基を有するエチレン性不飽和単量体としては、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、及びジメチロールメタクリルアミドが挙げられる。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。
アルコキシメチル基を有するエチレン性不飽和単量体としては、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、及びN−ブトキシメチルメタクリルアミドが挙げられる。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。
加水分解性シリル基を有するエチレン性不飽和単量体としては、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、及びγ−メタクリロキシプロピルトリエトキシシランが挙げられる。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。
架橋性単量体(b4)の中でも、多官能(メタ)アクリレートは、架橋度のばらつきが少ない点で特に好ましい。
また、本実施形態に係る共重合体を含む樹脂バインダの耐酸化性を良好にする観点から、その他の単量体(B)は、(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)を含むことが好ましい。(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)は、上記単量体(b1)〜(b4)とは異なる単量体である。(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)としては、例えば、エチレン性不飽和結合を1つ有する(メタ)アクリル酸エステルが挙げられ、より具体的には、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、イソプロピルアクリレート、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などのアルキル基を有する(メタ)アクリレート(より好ましくはアルキル基と(メタ)アクリロイルオキシ基とからなる(メタ)アクリレート)が挙げられる。
これらの中では、(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)として、乳化重合時の共重合性向上の観点から、炭素数4以上のアルキル基と(メタ)アクリロイルオキシ基とからなる(メタ)アクリル酸エステル単量体が好ましく、炭素数6以上のアルキル基と(メタ)アクリロイルオキシ基とからなる(メタ)アクリル酸エステル単量体がより好ましい。より具体的には、メ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が好ましく、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がより好ましく、2−エチルヘキシルアクリレートが更に好ましい。これら(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)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。
シアノ基を有するエチレン性不飽和単量体(b6)としては、例えば、アクリロニトリル、及びメタクリロニトリルが挙げられる。また、芳香族基を有するエチレン性不飽和単量体としては、例えば、スチレン、ビニルトルエン及びα−メチルスチレンが挙げられる。なかでも、好ましくはスチレンである。
本実施形態では、ポリアルキレングリコール鎖の平均繰り返し単位数(n)が3以上であるエチレン性不飽和単量体(P)とともに、シクロアルキル基を有するエチレン性不飽和単量体(A)を積極的に使用することによって、ポリアルキレングリコール鎖の平均繰り返し単位数が3以上であるエチレン性不飽和単量体は一般に乳化重合に適さないとしても、複数のコモノマーの共重合性を高めて、得られた共重合体を水等の分散媒に容易に分散させることができる。
ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)は、ポリアルキレングリコール鎖の平均繰り返し単位数(n)が1を超え、かつ3未満である(メタ)アクリレート単量体を含んでもよい。ポリアルキレングリコール鎖の平均繰り返し単位数(n)が1を超え、かつ3未満である(メタ)アクリレート単量体としては、例えば、次式:
CH=C(R)−CO−O−(CH−CH−O)−R
{式中、R及びRは、それぞれ独立に、水素原子又はメチル基であり、かつnは、3>n>1を満たす数である}
で表される化合物等が挙げられる。
セパレータのイオン透過性とフィラー多孔層中の無機フィラー同士の接着性を両立するという観点、さらには多孔性基材と無機塗工層の間の結着性を高める観点から、樹脂バインダ中の(メタ)アクリル酸エステル単量体の共重合割合(合計含有割合)は、樹脂バインダを構成する共重合体の質量を基準として、好ましくは50〜99.9質量%であり、より好ましくは60〜99.9質量%であり、更に好ましくは70〜99.9質量%であり、なおも更に好ましくは80〜99.9質量%である。この段落において、(メタ)アクリル酸エステル単量体は、ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)のうち(メタ)アクリル酸エステルに該当するものと、シクロアルキル基を有するエチレン性不飽和単量体(A)のうち(メタ)アクリル酸エステルに該当するものと、ポリアルキレングリコール基を有さず且つシクロアルキル基を有しない(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)との全てを包含する。(メタ)アクリル酸エステル単量体の含有割合が上記範囲内にあると、セパレータが非水系電解液二次電池に用いられる場合、樹脂バインダの耐酸化性がより良好になる傾向にある。
その他の単量体(B)がカルボキシル基を有するエチレン性不飽和単量体(b1)を含む場合、共重合体中におけるカルボキシル基を有するエチレン性不飽和単量体(b1)の含有割合は、共重合体100質量%に対して、好ましくは0.1〜10質量%であり、より好ましくは0.1〜5質量%、さらにより好ましくは0.1〜3質量%である。カルボキシル基を有するエチレン性不飽和単量体(b1)の含有割合が、0.1質量%以上であると、フィラー間の結着性が向上する傾向にあり、10質量%以下であると、水分散体の分散安定性が向上する傾向にある。
その他の単量体(B)が、カルボキシル基を有するエチレン性不飽和単量体(b1)、アミド基を有するエチレン性不飽和単量体(b2)又はヒドロキシル基を有するエチレン性不飽和単量体(b3)を含む場合、共重合体中における(b1)、(b2)及び(b3)の合計の含有割合は、共重合体100質量%に対して、好ましくは0.1〜10質量%である。上記3種の合計の含有割合が、0.1質量%以上であると、フィラー間の結着性が向上する傾向にあり、10質量%以下であると、水分散体からの水の除去が容易になる傾向にある。
その他の単量体(B)が架橋性単量体(b4)を含む場合、共重合体における架橋性単量体(b4)の含有割合は、共重合体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、さらに好ましくは0.1〜3質量%である。架橋性単量体(b4)の含有割合が0.01質量%以上であると耐電解液性がさらに向上し、10質量%以下であるとフィラー間の結着性低下をより抑制することができる。
本実施形態では、セパレータの電極への接着性及びイオン透過性の観点から、樹脂バインダに含まれる共重合体は、ポリアルキレングリコール基を有していない単量体として、シクロアルキル基を有するエチレン性不飽和単量体(A)と、(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)とを含むことが好ましい。シクロアルキル基を有するエチレン性不飽和単量体(A)と(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)の合計含有割合は、共重合体100質量%に対して、50〜98質量%、51〜97質量%、又は55〜95質量%であることが好ましい。
樹脂バインダのガラス転移温度(以下、「Tg」とも表記する。)は、好ましくは−50℃以上であり、より好ましくは−40〜10℃である。共重合体バインダのガラス転移温度が上記範囲内であることにより、セパレータの耐熱性がより向上する傾向にある。
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。
さらに、「変曲点」とは、階段状変化部分のDSC曲線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。
樹脂バインダに含まれる共重合体を得る方法としては、特に限定されないが、粒子形状の分散体として得る目的で、乳化重合法が好ましい。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、上記各単量体からなる単量体組成物を重合することにより共重合体が得られる。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を利用できる。共重合体を乳化重合により得る場合、共重合体は、例えば、水と、その水中に分散した粒子状の共重合体とを含む水分散体(「水系ラテックス」ともいう)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。界面活性剤としては、例えば、非反応性のアルキル硫酸エステル、ポリオキシエチレンアルキルエーテル硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルフォン酸塩、アルキルナフタレンスルフォン酸塩、アルキルスルホコハク酸塩、アルキルジフェニルエーテルジスルフォン酸塩、ナフタレンスルフォン酸ホルマリン縮合物、ポリオキシエチレン多環フェニルエーテル硫酸エステル塩、ポリオキシエチレンジスチレン化フェニルエーテル硫酸エステル塩、脂肪酸塩、アルキルリン酸塩、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル硫酸エステル塩等のアニオン性界面活性剤、及び非反応性のポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシアルキレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレン多環フェニルエーテル、ポリオキシエチレンジスチレン化フェニルエーテル、ソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビトール脂肪酸エステル、グリセリン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンアルキルアミン、アルキルアルカノールアミド、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル等のノニオン性界面活性剤が挙げられる。これらの他に、親水基と親油基とを有する界面活性剤の化学構造式の中にエチレン性二重結合を導入した、いわゆる反応性界面活性剤を用いてもよい。
反応性界面活性剤の中のアニオン性界面活性剤としては、例えば、スルホン酸基、スルホネート基又は硫酸エステル基及びこれらの塩を有するエチレン性不飽和単量体が挙げられ、スルホン酸基、又はそのアンモニウム塩若しくはアルカリ金属塩である基(アンモニウムスルホネート基、又はアルカリ金属スルホネート基)を有する化合物であることが好ましい。具体的には、例えば、アルキルアリルスルホコハク酸塩(例えば、三洋化成株式会社製エレミノール(商標)JS−20、花王株式会社製ラテムル(商標。以下同様。)S−120、S−180A、S−180が挙げられる。)、ポリオキシエチレンアルキルプロペニルフェニルエーテル硫酸エステル塩(例えば、第一工業製薬株式会社製アクアロン(商標。以下同様。)HS−10が挙げられる。)、α−〔1−〔(アリルオキシ)メチル〕−2−(ノニルフェノキシ)エチル〕−ω−ポリオキシエチレン硫酸エステル塩(例えば、株式会社ADEKA製アデカリアソープ(商標。以下同様。)SE−10Nが挙げられる。)、アンモニウム=α−スルホナト−ω−1−(アリルオキシメチル)アルキルオキシポリオキシエチレン(例えば、第一工業製薬株式会社製アクアロンKH−10が挙げられる。)、スチレンスルホン酸塩(例えば、東ソー有機化学株式会社製スピノマー(商標)NaSSが挙げられる。)、α−〔2−〔(アリルオキシ)−1−(アルキルオキシメチル)エチル〕−ω−ポリオキシエチレン硫酸エステル塩(例えば、株式会社ADEKA製アデカリアソープSR−10が挙げられる。)、ポリオキシエチレンポリオキシブチレン(3−メチル−3−ブテニル)エーテルの硫酸エステル塩(例えば、花王株式会社製ラテムルPD−104が挙げられる。)が挙げられる。
また、反応性界面活性剤の中のノニオン性界面活性剤としては、例えば、α−〔1−〔(アリルオキシ)メチル〕−2−(ノニルフェノキシ)エチル〕−ω−ヒドロキシポリオキシエチレン(例えば、株式会社ADEKA製アデカリアソープNE−20、NE−30、NE−40が挙げられる。)、ポリオキシエチレンアルキルプロペニルフェニルエーテル(例えば、第一工業製薬株式会社製アクアロンRN−10、RN−20、RN−30、RN−50が挙げられる。)、α−〔2−〔(アリルオキシ)−1−(アルキルオキシメチル)エチル〕−ω−ヒドロキシポリオキシエチレン(例えば、株式会社ADEKA製アデカリアソープER−10が挙げられる。)、ポリオキシエチレンポリオキシブチレン(3−メチル−3−ブテニル)エーテル(例えば、花王株式会社製ラテムルPD−420が挙げられる。)が挙げられる。
上記各種界面活性剤の中でも、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、さら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。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。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。水溶性の重合開始剤としては、例えば、ペルオキソ二硫酸塩、過酸化物、水溶性のアゾビス化合物、過酸化物−還元剤のレドックス系が挙げられる。ペルオキソ二硫酸塩としては、例えば、ペルオキソ二硫酸カリウム(KPS)、ペルオキソ二硫酸ナトリウム(NPS)、及びペルオキソ二硫酸アンモニウム(APS)が挙げられ、過酸化物としては、例えば、過酸化水素、t−ブチルハイドロパーオキサイド、t―ブチルパーオキシマレイン酸、コハク酸パーオキシド、及び過酸化ベンゾイルが挙げられ、水溶性のアゾビス化合物としては、例えば、2,2−アゾビス(N−ヒドロキシエチルイソブチルアミド)、2、2−アゾビス(2−アミジノプロパン)2塩化水素、4,4−アゾビス(4−シアノペンタン酸)が挙げられ、過酸化物−還元剤のレドックス系としては、例えば、上記過酸化物にナトリウムスルホオキシレートホルムアルデヒド、亜硫酸水素ナトリウム、チオ硫酸ナトリウム、ヒドロキシメタンスルフィン酸ナトリウム、L−アスコルビン酸、及びその塩、第一銅塩、並びに第一鉄塩等の還元剤の1種又は2種以上を組み合わせたものが挙げられる。
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られる。
なお、ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)と、シクロアルキル基を有するエチレン性不飽和単量体(A)と、その他の単量体(B)とを含む単量体組成物を乳化重合し、共重合体粒子が溶媒(水)中に分散した水分散体を形成する場合、得られた水分散体の固形分は、30質量%〜70質量%であることが好ましい。
また、水分散体は、長期の分散安定性を保つため、そのpHを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、及び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。
水分散体は、上記特定の単量体を含む単量体組成物を共重合して得られる共重合体を、水中に分散した粒子(共重合体粒子)として含む。水分散体には、水及び共重合体以外に、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等の溶媒;分散剤、滑剤、増粘剤、殺菌剤等が含まれていてもよい。
共重合体粒子の平均粒径は、好ましくは30〜1000nm、より好ましくは30〜800nm、更に好ましくは100〜700nmである。共重合体粒子の平均粒径を30nm以上とすることは、イオン透過性が低下し難く、高い出力特性の蓄電デバイスを与え易い。更に、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、高い安全性を有する蓄電デバイスが得られ易い。また、共重合体粒子の平均粒径を1000nm以下とすることは、水分散体の分散安定性を確保する観点から好ましく、さらには良好な結着性を発現し、多層多孔膜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。共重合体粒子の平均粒径は、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。
ポリアルキレングリコール鎖の平均繰り返し単位数(n)が3以上であるエチレン性不飽和単量体を共重合ユニットとして有する共重合体のフィラー多孔層中の含有量は、フィラー多孔層の質量を基準として、0.1質量%以上、1質量%以上、2質量%以上、5質量%以上、又は10質量%以上でよく、この含有量は、80質量%未満、70質量%以下、60質量%以下、又は50質量%以下でよい。
樹脂バインダにおいて、3つ以上のアルキレングリコール繰り返しユニットを有するエチレン性不飽和単量体を共重合ユニットとして有するコポリマーとともに、その他のポリマーがブレンドされていてもよい。
その他のポリマーとしては、特に限定されないが、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において電気化学的に安定なポリマーを用いることが好ましい。
その他のポリマーの具体例としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン;ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等の含フッ素樹脂;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コポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレンコポリマー等の含フッ素ゴム;スチレン−ブタジエンコポリマー及びその水素化物、アクリロニトリル−ブタジエンコポリマー及びその水素化物、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマー及びその水素化物、メタクリル酸エステル−アクリル酸エステルコポリマー、スチレン−アクリル酸エステルコポリマー、アクリロニトリル−アクリル酸エステルコポリマー、エチレンプロピレンラバー、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル等のゴム類;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のセルロース誘導体;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、ポリエステル等が挙げられる。
本実施形態では、樹脂バインダに含まれるポリマーのガラス転移温度Tgは、例えば、ポリマーを製造する際に用いる単量体成分及び各単量体の投入比を変更することにより、適宜調整できる。すなわち、ポリマーの製造に用いられる各単量体について、一般に示されているホモポリマーのTg(例えば、「ポリマーハンドブック」(A WILEY−INTERSCIENCE PUBLICATION)に記載)と、単量体の配合割合とから、ガラス転移温度の概略を推定することができる。例えば、約100℃のTgのホモポリマーを与えるメチルメタクリレ−ト、アクリルニトリル、メタクリル酸等の単量体を高い比率で共重合したコポリマーのTgは高くなり;例えば、約−50℃のTgのホモポリマーを与えるn−ブチルアクリレ−ト、2−エチルヘキシルアクリレ−ト等の単量体を高い比率で共重合したコポリマーのTgは低くなる。
また、コポリマーのTgは、下記数式(1):
1/Tg=W/Tg+W/Tg+・・・・・・+W/Tg+・・・・・・W/Tg (1)
{式中、Tg(K)はコポリマーのTgであり、Tg(K)はモノマーiのホモポリマーのTgであり、Wは各単量体の質量分率である。}で表されるFOXの式によっても、概算することができる。
ただし、本実施形態におけるポリマーのガラス転移温度Tgとしては、上記DSCを用いる方法により測定した値を採用する。
フィラー多孔層の厚さは、耐熱性及び絶縁性を向上させる観点から、0.5μm以上であることが好ましく、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い。
フィラー多孔層の層密度は、0.5g/cm〜3.0g/cmであることが好ましく、0.7g/cm〜2.0g/cmであることがより好ましい。フィラー多孔層の層密度が0.5g/cm以上であると、高温での熱収縮率が良好となる傾向にあり、3.0g/cm以下であると、透気度が低下する傾向にある。
フィラー多孔層の形成方法としては、例えば、基材の少なくとも片面に、無機フィラー及び樹脂バインダを含む塗工液を塗工する方法を挙げることができる。この場合、塗工液は、分散安定性及び塗工性の向上のために、溶剤、分散剤等を含んでいてもよい。
塗工液を基材に塗工する方法は、必要とする層厚及び塗工面積を実現できる限り特に限定されない。例えば、樹脂バインダを含んだフィラー原料と、ポリマー基材原料とを共押出法により積層して押出してもよいし、基材とフィラー多孔膜とを個別に作製した後に貼り合せてもよい。
[熱可塑性ポリマー層]
蓄電デバイス用セパレータは、所望により、多孔性基材及びフィラー多孔層に加えて、熱可塑性ポリマー層を有していてもよい。熱可塑性ポリマー層は、多孔性基材の片面若しくは両面上に、又はフィラー多孔層上に配置されてよく、フィラー多孔層の少なくとも一部が露出するように配置されていても好ましい。
本実施形態において、多孔性基材の面のうちの、熱可塑性ポリマー層が配置される面の全面積に対する熱可塑性ポリマー層の面積割合は、100%以下、80%以下、75%以下、又は70%であることが好ましく、また、この面積割合は、5%以上、10%以上、又は15%以上であることが好ましい。この熱可塑性ポリマー層の塗工面積を100%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、塗工面積を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。この面積割合は、得られるセパレータの熱可塑性ポリマー層形成面をSEMで観察することにより測定される。
また、熱可塑性ポリマー層が無機フィラーと混在した層である場合には、熱可塑性ポリマーと無機フィラーの全面積を100%として熱可塑性ポリマーの存在面積を算出する。
熱可塑性ポリマー層を多孔性基材及び無機フィラー層の面の一部にのみ配置する場合、熱可塑性ポリマー層の配置パターンとしては、例えば、ドット状、ストライプ状、格子状、縞状、亀甲状、ランダム状等、及びこれらの組み合わせが挙げられる。
ポリオレフィン多孔性基材上に配置される熱可塑性ポリマー層の厚さは、基材の片面当たり、0.01μm〜5μmであることが好ましく、0.1μm〜3μmであることがより好ましく、0.1〜1μmであることが更に好ましい。
(熱可塑性ポリマー)
熱可塑性ポリマー層は、熱可塑性ポリマーを含む。熱可塑性ポリマー層は、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%以上の熱可塑性ポリマーを含んでよい。熱可塑性ポリマー層は、熱可塑性ポリマーに加えて、その他の成分を含んでもよい。
熱可塑性ポリマーとしては、例えば、以下の:
ポリエチレン、ポリプロピレン、α−ポリオレフィン等のポリオレフィン樹脂;
ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系ポリマー又はこれらを含むコポリマー;
ブタジエン、イソプレン等の共役ジエンを単量体ユニットとして含むジエン系ポリマー若しくはこれらを含むコポリマー、又はこれらの水素化物;
(メタ)アクリレート等を単量体ユニットとして含み、かつポリアルキレングリコールユニットを有していないアクリル系ポリマー、(メタ)アクリレート等を単量体ユニットとして含み、かつ1つ又は2つのポリアルキレングリコールユニットを有するアクリル系ポリマー、若しくはこれらを含むコポリマー、又はその水素化物;
エチレンプロピレンラバー、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル等のゴム類;
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のセルロース誘導体;
ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール等の、重合性官能基を有していないポリアルキレングリコール;
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、ポリエステル等の樹脂;
フィラー多孔層を形成するための樹脂バインダとして上記で説明された、アルキレングリコールユニットの繰り返し数が3以上であるエチレン性不飽和単量体を共重合ユニットとして有するコポリマー;及び
これらの組み合わせ;
が挙げられる。
これらの中でも、電極活物質との接着性、及び柔軟性、ポリマーのイオン透過性の観点からは、ジエン系ポリマー、アクリル系ポリマー又はフッ素系ポリマーが好ましい。
熱可塑性ポリマーのガラス転移温度(Tg)は、電極との接着性及びイオン透過性の観点から、−50℃以上であることが好ましく、−50℃〜150℃の範囲内にあることがより好ましい。
ポリオレフィン微多孔膜への濡れ性、ポリオレフィン微多孔膜と熱可塑性ポリマー層との結着性、及び電極との接着性の観点から、熱可塑性ポリマー層には、ガラス転移温度が20℃未満のポリマーがブレンドされていることが好ましく、耐ブロッキング性及びイオン透過性の観点から、ガラス転移温度が20℃以上のポリマーもブレンドされていることが好ましい。
熱可塑性ポリマーがガラス転移温度を少なくとも2つ有することは、限定されるものではないが、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。
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成る、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。
本実施形態では、セパレータのブロッキング抑制性及びイオン透過性の観点から、熱可塑性コポリマーは、ガラス転移温度が、例えば、20℃以上、25℃以上、又は30℃以上であるときに粒子状であることが好ましい。
熱可塑性ポリマー層に粒子状熱可塑性コポリマーを含有させることによって、基材上に配置された熱可塑性ポリマー層の多孔性及びセパレータの耐ブロッキング性を確保することができる。
粒子状熱可塑性コ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子状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子状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子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。粒子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。
上記で説明した粒子状熱可塑性ポリマーは、対応する単量体又はコモノマーを使用して既知の重合方法により製造することができる。重合方法としては、例えば、溶液重合、乳化重合、塊状重合等の適宜の方法を採用することができる。
本実施形態では、熱可塑性ポリマー層を塗工によって容易に形成することができるので、乳化重合により粒子状熱可塑性ポリマーを形成し、それにより、得られた熱可塑性ポリマーエマルジョンを水系ラテックスとして使用することが好ましい。
(任意成分)
本実施形態における熱可塑性ポリマー層は、熱可塑性ポリマーのみを含有していてもよいし、熱可塑性ポリマーに加えて、これ以外の任意成分を含んでいてもよい。任意成分としては、例えば、フィラー多孔層を形成するために上記で説明された無機フィラー等が挙げられる。
<蓄電デバイス用セパレータの製造方法>
[ポリオレフィン多孔性基材の製造方法]
本実施形態におけるポリオレフィン多孔性基材を製造する方法は、特に限定されず、公知の製造方法を採用することができる。例えば、ポリオレフィン樹脂組成物と可塑剤とを溶融混練してシート状に成形後、場合により延伸した後、可塑剤を抽出することにより多孔化させる方法、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、熱処理と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、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、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。
また、基材としての不織布又は紙を作製する方法は、公知のものであってもよい。その作製方法としては、例えば、ウェブをバインダに浸漬、乾燥して繊維間結合させるケミカルボンド法;ウェブに熱溶融性繊維を混ぜ込み、その繊維を部分的に溶融し繊維間結合させるサーマルボンド法;ウェブに刺のあるニードルを繰り返し突き刺し、繊維を機械的に絡めるニードルパンチ法;高圧の水流をノズルからネット(スクリーン)を介してウェブに噴射し、繊維間を絡める水流交絡法が挙げられる。
以下、ポリオレフィン多孔性基材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可塑剤とを溶融混練してシート状に成形後、可塑剤を抽出する方法について説明する。
先ず、ポリオレフィン樹脂組成物と可塑剤を溶融混練する。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し、樹脂成分を加熱溶融させながら任意の比率で可塑剤を導入して混練する方法が挙げられる。この際、ポリオレフィン樹脂、その他の添加剤及び可塑剤を樹脂混練装置に投入する前に、予めヘンシェルミキサー等を用い所定の割合で事前混練しておくことが好ましい。より好ましくは、事前混練において可塑剤の一部のみを投入し、残りの可塑剤を樹脂混練装置サイドフィードしながら混練することである。
可塑剤としては、ポリオレフィンの融点以上において均一溶液を形成しうる不揮発性溶媒を用いることができる。このような不揮発性溶媒の具体例として、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。これらの中で、流動パラフィンが好ましい。
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は、好ましくは30〜80質量%、より好ましくは40〜70質量%である。可塑剤の質量分率をこの範囲とすることにより、溶融成形時のメルトテンションと、均一かつ微細な孔構造の形成性と、が両立する観点で、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、可塑剤自身等が使用できるが、金属製のロールが熱伝導の効率が高いため好ましい。この際、金属製のロールに接触させる際に、ロール間で挟み込むと、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ためより好ましい。Tダイよりシート状に押出す際のダイリップ間隔は400μm以上3,000μm以下であることが好ましく、500μm以上2,500μm以下であることが更に好ましい。
このようにして得たシート状成形体を、次いで延伸することが好ましい。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。得られる多孔性基材の強度等の観点から二軸延伸が好ましい。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性基材が裂け難くなり、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、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、シャットダウン性の観点から同時二軸延伸が好ましい。
延伸倍率は、面倍率で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50倍以下の範囲であることが更に好ましい。各軸方向の延伸倍率は、MD方向に4倍以上10倍以下、TD方向に4倍以上10倍以下の範囲であることが好ましく、MD方向に5倍以上8倍以下、TD方向に5倍以上8倍以下の範囲であることが更に好ましい。この範囲の総面積倍率とすることにより、十分な強度を付与することができるとともに、延伸工程における膜破断を防ぎ、高い生産性が得られる点で、好ましい。
上記のようにして得られたシート状成形体を、更に圧延してもよい。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。圧延は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倍より大きく3倍以下であることが好ましく、1倍より大きく2倍以下であることがより好ましい。この範囲の圧延倍率とすることにより、最終的に得られる多孔性基材の膜強度が増加し、且つ、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点で、好ましい。
次いで、シート状成形体から可塑剤を除去して多孔性基材とする。可塑剤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可塑剤を抽出し、充分に乾燥させる方法が挙げられる。可塑剤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。多孔性基材の収縮を抑えるために、浸漬、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、多孔性基材中の可塑剤残存量は1質量%未満にすることが好ましい。
抽出溶剤としては、ポリオレフィン樹脂に対して貧溶媒で、かつ可塑剤に対して良溶媒であり、沸点がポリオレフィン樹脂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、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が挙げられる。なお、これらの抽出溶剤は、蒸留等の操作により回収して再利用してよい。
多孔性基材の収縮を抑制するために、延伸工程後、又は、多孔性基材形成後に熱固定や熱緩和等の熱処理を行ってもよい。多孔性基材に、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。
ポリオレフィン多孔性基材表面に表面処理を施しておくと、その後に塗工液を塗工し易くなると共に、ポリオレフィン多孔性基材とフィラー多孔層又は熱可塑性ポリマー層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、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。
[フィラー多孔層の配置方法]
フィラー多孔層は、例えば、無機フィラー、樹脂バインダ、及び所望により、溶剤(例えば水)、分散剤等の追加成分を含む塗工液を基材の少なくとも片面に塗工することにより、基材上に配置されることができる。樹脂バインダを乳化重合によって合成し、得られたエマルジョンをそのまま塗工液として使用してもよい。
塗工液を基材に塗工する方法は、必要とする層厚及び塗工面積を実現できる限り特に限定されない。塗工方法としては、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、スプレー塗工法、インクジェット塗工法等が挙げられる。中でも、グラビアコーター法は、塗工形状の自由度が高いため好ましい。
さらに、樹脂バインダを含んだフィラー原料と、ポリマー基材原料とを共押出法により積層して押出してもよいし、基材とフィラー多孔膜とを個別に作製した後に貼り合せてもよい。
塗工後に塗工膜から溶剤を除去する方法は、基材及び多孔層に悪影響を及ぼさないのであれば限定されない。例えば、基材を固定しながら、基材の融点以下の温度で乾燥する方法、低温で減圧乾燥する方法等が挙げられる。
[熱可塑性ポリマー層の配置方法]
熱可塑性ポリマーは、例えば、熱可塑性ポリマーを含む塗工液を基材に塗工することにより基材上に配置されることができる。熱可塑性ポリマーを乳化重合によって合成し、得られたエマルジョンをそのまま塗工液として使用してもよい。塗工液は、水、水と水溶性有機媒体(例えば、メタノール又はエタノール)の混合溶媒等の貧溶媒を含むことが好ましい。
ポリオレフィン多孔性基材上に、熱可塑性ポリマーを含有する塗工液を塗工する方法については、所望の塗工パターン、塗工膜厚、及び塗工面積を実現できる方法であれば特に限定はない。例えば、無機フィラー含有塗工液を塗工するために上記で説明された塗工方法を用いてよい。熱可塑性ポリマーの塗工形状の自由度が高く、かつ好ましい面積割合を容易に得られるという観点からは、グラビアコーター法又はスプレー塗工法が好ましい。
塗工後に塗工膜から溶媒を除去する方法については、多孔性基材及びポリマー層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、ポリオレフィン多孔性基材を固定しながらその融点以下の温度にて乾燥する方法、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該熱可塑性ポリマーを粒子状に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。
<蓄電デバイス用セパレータの物性>
本実施形態では、蓄電デバイス用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、さらに好ましくは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。この透気度は、ポリオレフィン多孔性基材の透気度と同じく、JIS P−8117に準拠して測定される透気抵抗度である。
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。
本実施形態の蓄電デバイス用セパレータは、このように非常に大きな透気度を示すことにより、リチウムイオン二次電池に適用されたときに、大きなイオン透過性を示す。
セパレータの最終的な厚さは、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、さらに好ましくは7μm以上30μm以下である。この厚さが2μm以上であると機械強度が十分となる傾向にあり、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。
<蓄電デバイス>
本実施形態の蓄電デバイス用セパレータは、これを正極、負極、及び非水電解液を組み合わせることにより、蓄電デバイスのセパレータとして好適に適用することができる。この蓄電デバイスとしては、例えばリチウムイオン二次電池を挙げることができる。
本実施形態のセパレータをリチウムイオン二次電池を製造する場合、正極、負極、非水電解液に限定はなく、それぞれ公知のものを用いることができる。
正極としては、正極集電体上に正極活物質を含む正極活物質層が形成されて成る正極を好適に用いることができる。正極集電体としては、例えばアルミニウム箔等を、正極活物質としては、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等をそれぞれ挙げることができる。正極活物質層には、正極活物質の他、バインダ、導電材等を含んでいてもよい。
負極としては、負極集電体上に負極活物質を含む負極活物質層が形成されて成る正極を好適に用いることができる。負極集電体としては、例えば銅箔等を、負極活物質としては、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、各種合金材料等をそれぞれ挙げることができる。
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が挙げられる。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。
本実施形態の蓄電デバイス用セパレータを用いて蓄電デバイスを製造する方法は、特に限定されない。例えば以下の方法を例示することができる。
本実施形態のセパレータを、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製造し、当該セパレータを、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−セパレータの順で積層し、円又は扁平な渦巻状に巻回して巻回体を得、当該巻回体を電池缶内に収納し、更に電解液を注入することにより、製造することができる。或いは、シート状のセパレータ及び電極からなる積層体、又は電極及びセパレータを折り畳んで巻回体としたものを、電池容器(例えばアルミニウム製のフィルム)に入れて、電解液を注液する方法によって製造してもよい。
この時、前記積層体又は巻回体に対して、プレスを行うことも好ましい。具体的には、本実施形態の蓄電デバイス用セパレータと、集電体及び該集電体の少なくとも片面上に形成された活物質層を有する電極とを、前者の熱可塑性ポリマー層と活物質層とが対向するように重ね合わせてプレスを行うことができる。プレス温度は、25℃以上120℃以下、又は50℃〜100℃でよい。プレスは、ロールプレスや面プレス等の公知のプレス装置を適宜用いて行なわれることができる。
上記のようにして製造されたリチウムイオン二次電池は、耐熱性と強度に優れた塗工層を持ち、イオン抵抗を低減させたセパレータを具備するから、優れた安全性と電池特性(特にレート特性)を示す。また、セパレータ最表面に熱可塑性ポリマーを備えた場合には、電極との優れた接着性を示すため、充放電に伴う電極とセパレータ間の剥れを抑制し、均一な充放電が成されるため、長期連続稼動耐性に優れる。
以下の実験例における物性評価は、以下の方法に従って行なった。
<評価>
(1)固形分
得られた共重合体の水分散体をアルミ皿上に約1g精秤し、このとき量り取った水分散体の質量を(a)gとした。それを、130℃の熱風乾燥機で1時間乾燥し、乾燥後の共重合体の乾燥質量を(b)gとした。下記式により固形分を算出した。
固形分=(b)/(a)×100 [%]
(2)ポリマー粒子径の測定
ポリマー粒子の平均粒径は、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。
(3)ガラス転移温度の測定
共重合体を含む水分散体(固形分=38〜42質量%、pH=9.0)を、アルミ皿に適量取り、130℃の熱風乾燥機で30分間乾燥した。乾燥後の乾燥皮膜試料約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。測定条件は下記の通りとした。
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40℃の割合で降温。−50℃に到達後5分間維持。
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。
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。
(4)粘度平均分子量Mv
ASRM−D4020に準拠して、デカリン溶剤中、135℃における極限粘度[η]を求めた。この[η]値を用いて、下記数式の関係から粘度平均分子量Mvを算出した。
ポリエチレンの場合:[η]=0.00068×Mv0.67
ポリプロピレンの場合:[η]=1.10×Mv0.80
(5)厚さ(μm)
ポリオレフィン多孔性基材又はセパレータからMD10cm×TD10cm角の試料を切り取り、格子状に9箇所(3点×3点)を選んで、ダイヤルゲージ(尾崎製作所PEACOCK No,25(登録商標))を用いて室温23±2℃で膜厚を測定した。得られた9箇所の測定値の平均値を試料の膜厚として算出した。
(6)気孔率
ポリオレフィン多孔性基材から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、該多孔性基材の密度を0.95(g/cm)として、気孔率を下記数式:
気孔率(%)=(1−質量/体積/0.95)×100
により計算した。
(7)透気度(秒/100cc)
JIS P−8117に準拠し、東洋精器(株)製のガーレー式透気度計G−B2(商標)により測定した透気抵抗度を透気度とした。
(8)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の試料ホルダーでポリオレフィン多孔性基材を固定した。次に、固定された多孔性基材の中央部を、先端の曲率半径0.5mmの針を用いて、突刺速度2mm/秒で、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。
(9)無機フィラー粒子径(μm)
無機フィラーを含む塗工液について、レーザー式粒度分布測定装置(日機装(株)製マイクロトラックMT3300EX)を用いて粒径分布を測定し、累積頻度が50%となる粒径を平均粒径(μm)とした。
(10)塗工層の厚み(μm)
塗工膜及びポリオレフィン微多孔膜基材からMD10cm×TD10cm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塗工膜及び基材の膜厚(μm)とした。また、このように測定された塗工膜及び基材の膜厚の差を塗工層の厚み(μm)とした。なお、表12では、基材の片面に形成された塗工層の厚みを「片面塗工厚み(μm)」として表し、そして基材の両面に形成された塗工層の合計厚みを「両面塗工厚み(μm)」として表した。
(11)塗工層の剥離強度(N/cm)
幅26mm、長さ76mmのスライドガラスに両面テープを張り付け、その上に塗工面が両面テープ側にくるようにセパレータを張り付けた。(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、スライドガラスを固定し、セパレータを把持して引っ張る方式によって剥離速度300mm/分にて180°剥離試験を行い、剥離強度を測定した。このとき、上記の条件で行った長さ40mm分の剥離試験における剥離強度の平均値を剥離強度として採用し、以下の基準で評価した。
◎(著しく良好):剥離強度が2.0N/cm以上
○(良好):剥離強度が1.0N/cm以上2.0N/cm未満
△(許容):剥離強度が0.45N/cm以上1.0N/cm未満
×(不良):剥離強度が0.45N/cm未満
(12)交流電気抵抗
22mmφに切り出した測定サンプル6枚を、電解液(1M 過塩素酸リチウム プロピレンカーボネート/ジメチルカーボネート=1/1)に十分に浸し、そのうちの1枚を蓋付きステンレス金属製容器に収容した。容器と蓋とはテフロン(登録商標)パッキン及び15.95mmφのテフロン(登録商標)ガイドによって直接接触することなく絶縁されており、SUS製の電極抑えによってのみ接していた。蓋はトルクレンチ(締め付けトルク:0.8Nm)を使用して閉めた。日置電機製「3522−50 LCRハイテスター」を用いて、周波数100Hz、開放電圧0.01Vの条件下、−30℃の恒温槽内に測定セルを設置して測定した。ここで得られた抵抗値をRとする。次に、測定容器を分解し、含浸させていた残りのサンプル5枚を容器内に重ねてセットし、再度組立てた後、同様の条件にて、6枚での抵抗を測定した。ここで得られた膜抵抗をRとする。得られたR及びRから下記式(2)に従って、サンプル1枚あたりの膜抵抗R(Ω・cm)を算出した。
R=(R−R)/5 (2)
式(2)より得られたセパレータの交流電気抵抗(Ω/cm)を20μm膜厚に換算した抵抗値として算出し、塗工前の基材の交流電気抵抗Rと塗工後の交流電気抵抗Rから下記の式(3)に従って抵抗上昇率を求めた。
抵抗上昇率(%)={(R−R)/R}×100 (3)
抵抗上昇率を以下の評価基準に従ってランク分けした。
◎(著しく良好):抵抗上昇率が50%未満
○(良好):抵抗上昇率が50%以上100%未満
×(不良):抵抗上昇率が100%以上
(13)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工し、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工量は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工し、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工量は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
各実施例及び比較例で得られた蓄電デバイス用セパレータを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、プレス又はヒートプレスをして、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
上記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(%)の評価基準は以下の通りとした。
◎(著しく良好):レート特性が95%以上である。
○(良好):レート特性が85%以上95%未満である。
×(不良):レート特性が85%未満である。
[合成例1]
(水分散体a1)
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、乳化剤として「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質量部とを投入した。次いで、反応容器内部の温度を80℃に昇温し、80℃の温度を保ったまま、過硫酸アンモニウムの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。過硫酸アンモニウム水溶液を添加終了した5分後に、乳化液を滴下槽から反応容器に150分かけて滴下した。
なお、乳化液は、シクロアルキル基含有単量体単位(A)を構成する単量体としてシクロヘキシルメタクリレート(表中、「CHMA」と表記。以下同様。)25質量部、カルボキシル基含有単量体単位(b1)を構成する単量体としてメタクリル酸(表中、「MAA」と表記。以下同様。)1質量部、アクリル酸(表中、「AA」と表記。以下同様。)1質量部、アミド基含有単量体単位(b2)を構成する単量体としてアクリルアミド(表中、「AM」と表記。以下同様。)0.1質量部、ヒドロキシル基含有単量体単位(b3)を構成する単量体として2−ヒドロキシエチルメタクリレート(表中、「2HEMA」と表記。以下同様。)5質量部、架橋性単量体単位(b4)を構成する単量体としてトリメチロールプロパントリアクリレート(A−TMPT、新中村化学工業株式会社製商品名、表中、「A−TMPT」と表記。以下同様。)0.5質量部、上記以外の(メタ)アクリル酸エステル単量体単位(b5)を構成する単量体としてメチルメタクリレート(表中、「MMA」と表記。以下同様。)4.9質量部、ブチルメタクリレート(表中、「BMA」と表記。以下同様。)1.5質量部、ブチルアクリレート(表中、「BA」と表記。以下同様。)1.0質量部、2−エチルヘキシルアクリレート(表中、「2EHA」と表記。以下同様。)60質量部、乳化剤として「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、過硫酸アンモニウムの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分間混合させて調製した。
乳化液の滴下終了後、反応容器内部の温度を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)でpH=8.0に調整し、少量の水を加えて固形分40%の水分散体を得た(水分散体a1)。得られた水分散体a1中の共重合体について、上記方法により、平均粒径、及びガラス転移温度(Tg)を測定した。得られた結果を表1に示す。
[合成例2〜31]
(水分散体A1〜A27、a2〜a4)
原材料の種類及び配合比を表1〜表5に示すように変更した以外は、合成例1と同様にして、水分散体A1〜A27、a2〜a4を得た。
得られた水分散体A1〜A27、a2〜a4の共重合体について、上記方法により、粒子径、及びガラス転移温度(Tg)を測定した。得られた結果を表1〜表5に示す。なお、表中、原材料の組成は質量基準である。
Figure 0006856988
Figure 0006856988
Figure 0006856988
Figure 0006856988
Figure 0006856988
表1〜5に記載の使用原料の略称は、それぞれ、以下の意味である。
(乳化剤)
KH1025:アクアロンKH1025、商品名、第一工業製薬株式会社製、25質量%水溶液
SR1025:アデカリアソープSR1025、商品名、株式会社ADEKA製、25質量%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質量%水溶液)
(中和剤)
AW:水酸化アンモニウム
(単量体)
ポリアルキレングリコール基含有単量体:下記表6に示される単量体
Figure 0006856988
シクロアルキル基含有単量体
CHMA:シクロヘキシルメタクリレート
カルボキシル基含有単量体
MAA:メタクリル酸
AA:アクリル酸
アミド基含有単量体
AM:アクリルアミド
ヒドロキシル基含有単量体
HEMA:メタクリル酸2−ヒドロキシエチル
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
MAPTMS:メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン
その他の(メタ)アクリレート
MMA:メタクリル酸メチル
BMA:ブチルメタクリレート
BA:アクリル酸n−ブチル
2EHA:2−エチルヘキシルアクリレート
<ポリオレフィン多孔性基材の製造>
ポリオレフィン多孔性基材B1
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、ポリオレフィン多孔性基材B1を得た。得られた基材B1の物性を下記表7に示す。
ポリオレフィン多孔性基材B2
以下の材料:
SiO「DM10C」(商標、トクヤマ社製) 6.4質量部、
粘度平均分子量が70万の高密度ポリエチレン 12.2質量部、
粘度平均分子量が25万の高密度ポリエチレン 12.2質量部、
粘度平均分子量40万のホモポリプロピレン 1.3質量部、
可塑剤として、流動パラフィン 37.1質量部、及び
酸化防止剤として、ペンタエリスリチル−テトラキス−[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート] 0.3質量部添加
をスーパーミキサーにて予備混合することにより、ポリオレフィン第1微多孔層の原料を調製した。
以下の原料:
粘度平均分子量が70万の高密度ポリエチレン10.8質量部、粘度平均分子量が25万の高密度ポリエチレン 10.8質量部、
粘度平均分子量40万のホモポリプロピレン 1.1質量部、
可塑剤として、流動パラフィン 46.3質量部、及び
酸化防止剤として、ペンタエリスリチル−テトラキス−[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート] 0.3質量部
をスーパーミキサーにて予備混合することにより、ポリオレフィン第2微多孔層の原料を調製した。
上記の各原料を、フィーダーにより2台の二軸同方向スクリュー式押出機フィード口へ供給した。このとき、各原料とともに、溶融混練して押し出される全混合物中に占める可塑剤の量比が60質量%となるように、流動パラフィンを二軸押出機シリンダーへサイドフィードした。
押出機における溶融混練条件は、以下のとおりである。
第1微多孔層の原料
設定温度:200℃
スクリュー回転数:100rpm
吐出量:5kg/h
第2微多孔層の原料
設定温度:200℃
スクリュー回転数:120rpm
吐出量:16kg/h
続いて、溶融混練物をそれぞれ、220℃に温度設定されたギアポンプ、導管、及び2種3層の共押出しが可能なTダイを経て、表面温度30℃に制御された一対のロール間に押出し、前記第1微多孔層の原料からなる第1層を表層とするシート状の組成物を得た。その後、延伸温度と緩和率の調整をしたこと以外は、ポリオレフィン多孔性基材B1の製造例と同様の操作を行うことにより、ポリオレフィン多孔性基材B2を得た。得られた基材B2の物性を下記表7に示す。
基材B3
基材B3としてセルガードの型番「CG2500」を用意した。
Figure 0006856988
<セパレータNo.S1>
水酸化酸化アルミニウム(平均粒径1.0μm)96.0質量部、樹脂バインダーA1を3.0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、ポリオレフィン多孔性基材B1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、ポリオレフィン多孔性基材B1上に水酸化酸化アルミニウム層(無機フィラーの多孔層)を厚さ4μmで形成することにより、セパレータS1を得た。
<セパレータNo.S2〜S53>
セパレータS1と同様の方法で、表8〜表13に従ってセパレータS2〜S53を作製した。
なお、セパレータS42〜S46は、基材B1の片面に塗布液を塗布し乾燥させた後、さらに、もう片面に塗布液を塗布することにより、無機フィラー層が基材B1の両面に塗工されたセパレータとして作製された。
得られたセパレータを用いて上述のとおりにリチウムイオン二次電池を組み立て、各種の評価を行なった。評価結果は表8〜13に示す。
Figure 0006856988
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Figure 0006856988
Figure 0006856988
Figure 0006856988
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Claims (9)

  1. 多孔性基材と、無機フィラー及び樹脂バインダを含む多孔層とを含む蓄電デバイス用セパレータであって、
    前記多孔層は、前記多孔性基材の少なくとも片面に配置されており、前記樹脂バインダは、ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)を単量体単位として有する共重合体を含み、かつ前記ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)のポリアルキレングリコール鎖の平均繰り返し単位数(n)が3以上であり、
    前記共重合体が、前記共重合体100質量%に対して2〜50質量%の前記ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)と、前記ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)と共重合可能な、ポリアルキレングリコール基を有していない単量体と、を単量体単位として有し、かつ
    前記ポリアルキレングリコール基を有していない単量体が、カルボキシル基を有するエチレン性不飽和単量体(b1)、アミド基を有するエチレン性不飽和単量体(b2)、及びヒドロキシル基を有するエチレン性不飽和単量体(b3)から成る群より選択される少なくとも1種の単量体を、前記共重合体100質量%に対して0.1〜10質量%含む、蓄電デバイス用セパレータ。
  2. 多孔性基材と、無機フィラー及び樹脂バインダを含む多孔層とを含む蓄電デバイス用セパレータであって、
    前記多孔層は、前記多孔性基材の少なくとも片面に配置されており、前記樹脂バインダは、ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)を単量体単位として有する共重合体を含み、かつ前記ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)のポリアルキレングリコール鎖の平均繰り返し単位数(n)が3以上であり、
    前記共重合体が、前記共重合体100質量%に対して2〜50質量%の前記ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)と、前記ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)と共重合可能な、ポリアルキレングリコール基を有していない単量体と、を単量体単位として有し、かつ
    前記ポリアルキレングリコール基を有していない単量体が、架橋性単量体(b4)を含む、蓄電デバイス用セパレータ。
  3. 多孔性基材と、無機フィラー及び樹脂バインダを含む多孔層とを含む蓄電デバイス用セパレータであって、
    前記多孔層は、前記多孔性基材の少なくとも片面に配置されており、前記樹脂バインダは、ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)を単量体単位として有する共重合体を含み、かつ前記ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)のポリアルキレングリコール鎖の平均繰り返し単位数(n)が3以上であり、
    前記共重合体が、前記共重合体100質量%に対して2〜50質量%の前記ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)と、前記ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)と共重合可能な、ポリアルキレングリコール基を有していない単量体と、を単量体単位として有し、
    前記ポリアルキレングリコール基を有していない単量体が、シクロアルキル基を有するエチレン性不飽和単量体(A)と、(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)とを含み、
    前記(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)は、炭素数4以上のアルキル基及び(メタ)アクリロイルオキシ基から成る(メタ)アクリル酸エステル単量体であり、かつ
    前記シクロアルキル基を有するエチレン性不飽和単量体(A)及び前記(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)の合計含有割合が、前記共重合体100質量%に対して50〜98質量%である、蓄電デバイス用セパレータ。
  4. 前記(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)は、炭素数6以上のアルキル基及び(メタ)アクリロイルオキシ基から成る(メタ)アクリル酸エステル単量体である、請求項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  5. 前記シクロアルキル基を有するエチレン性不飽和単量体(A)が、シクロヘキシルアクリレート又はシクロヘキシルメタクリレートである、請求項3又は4に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  6. 正極と請求項1〜のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータと負極とから成る積層体。
  7. 正極と請求項1〜のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータと負極とが捲回されている捲回体。
  8. 請求項に記載の積層体又は請求項に記載の捲回体と電解液とを含む蓄電デバイス。
  9. 請求項に記載の積層体又は請求項に記載の捲回体と電解液とを含むリチウムイオン二次電池。
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