JP7567477B2 - 多孔性フィルム、二次電池用セパレータおよび二次電池 - Google Patents
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Description
(1)ポリオレフィン製多孔質基材の少なくとも片面に、融点が200℃以上であるもしくは融点を有さない耐熱性樹脂を含む多孔質層が積層され、前記多孔質層は空隙率が50%以上80%以下であり、且つ強度が0.4N/10mm以上であり、前記多孔質層の強度が長手方向の180度剥離試験における前記ポリオレフィン製多孔質基材と前記多孔質層の密着強度より低い多孔性フィルム。
(2)前記多孔性フィルムのジエチルカーボネートの浸透速度が4μm/分以上であり、ジエチルカーボネートの10秒後の浸透面積が500mm2以上である多孔性フィルム。
浸透速度は100μLのジエチルカーボネートを滴下して裏面に到達するまでの時間と多孔性フィルムの厚みから算出する。
浸透面積は100μLのジエチルカーボネートを滴下してから10秒間放置した後に撮影した画像から画像解析ソフトにてジエチルカーボネートの浸透面積を算出する。
(3)前記多孔質層が無機粒子を含む(1)または(2)に記載の多孔性フィルム。
(4)前記多孔性フィルムの落球破膜温度が250℃以上である、(1)~(3)のいずれかに記載の多孔性フィルム。
(5)前記多孔性フィルムのシャットダウン温度が135℃以下である、(1)~(4)のいずれかに記載の多孔性フィルム。
(6)前記多孔性フィルムのシャットダウン温度とメルトダウン温度の差が70℃以上である、(1)~(5)のいずれかに記載の多孔性フィルム。
(7)(1)~(6)のいずれかに記載の多孔性フィルムを用いてなる二次電池用セパレータ。
(8)(7)に記載の二次電池用セパレータを用いる二次電池。
以下、本発明について詳細に説明する。
(耐熱性樹脂)
多孔質層は、シャットダウン温度とセパレータが溶融する温度との温度差が大きいという特性、高温時での寸法安定性および耐熱破膜性を付与する。この観点から、多孔質層は(A)融点が200℃以上である耐熱性樹脂または(B)融点を有さない耐熱性樹脂を含有する。
化(1):
化(3)~(7):
多孔質層に耐異物性を付与する場合は、多孔質層に無機粒子を含むことが好ましい。耐異物性とは、正極、負極からの活物質の脱落物や電池の製造工程中に混入する異物に対しての耐性のことをいう。
本発明における多孔質層とは、内部に空孔を有する層をいう。ここで、多孔質層の組成や形成方法は特に制限されないが、一例として耐熱性樹脂として芳香族ポリアミド樹脂を含む多孔質層について以下に説明する。
(多孔質層の特性)
多孔質層の空隙率は50%以上80%以下である。空隙率は、55以上%80%以下が好ましく、より好ましくは55%以上75%以下である。多孔質層の空隙率が50%以上であると電池特性の悪化を防ぐことができる。多孔質層の空隙率が80%以下であると例えば耐熱性を十分に発現できる。また、多孔質層の空隙率が50%未満であるとイオンの透過性が低くなり、電池特性が悪化する場合があり、空隙率が80%より高くなると、耐熱性が低下したり無機粒子の粉落ちが発生する場合がある。多孔質層の空隙率は多孔質層における無機粒子の含有量、平均粒径等を調節することにより調整できる。また、多孔質層の空隙率は断面画像の2値化処理や多孔質層の親密度、厚み、目付により算出することができる。具体的には実施例に記載の測定方法により求めることができる。
本発明において、ポリオレフィン製多孔質基材としては、ポリオレフィンを含有する、内部に空孔を有する多孔膜、不織布、または繊維状物からなる多孔膜シートなどが挙げられる。ポリオレフィンを用いることでシャットダウン機能を付与することができる。ここでのシャットダウン機能とは、リチウムイオン電池が異常発熱した場合に、熱で溶融することで多孔構造を閉鎖し、イオン移動を停止させて、発電を停止させる機能のことである。
本発明の多孔性フィルムは、多孔質層の強度が0.4N/10mm以上であり、多孔質層の強度が長手方向の180度剥離試験におけるポリオレフィン製多孔質基材と多孔質層の密着強度より低い。
本発明の多孔性フィルムは、リチウムイオン電池等の二次電池用セパレータに好適に用いることができる。リチウムイオン電池は、正極活物質を正極集電体に積層した正極と、負極活物質を負極集電体に積層した負極との間に、二次電池用セパレータと電解質が介在した構成となっている。
(1)耐熱性樹脂の融点
JIS K7121(2012)に準拠して測定する示差走査熱量分析装置(DSC)にて、初めに昇温、冷却した後の2回目の昇温時の吸熱ピークの有無、その温度を測定した。
JIS Z0237(2009年)に記載の10.3 試験方法-方法1に従って、RHEO METER CR-3000EX-S(株式会社サン科学製)を用いて、サンプルの長手方向に対して引張速度は毎秒5.0mmで180度剥離試験を実施した。実施例で得られた多孔性フィルムから10mm×150mmサイズに切り出したサンプルを両面テープで試験板に張り付けた。サンプルの表面に同じサイズのセロハンテープ(ニチバン製)を、ロールプレス機を用いて0.5MPa、0.2m/分の条件で貼り付け、セロハンテープ背面が重なるようにテープの端を持って180°に折り返し,セロハンテープを引き剥がした。セロハンテープをサンプルから50%の長さを引き剥がしたとき、剥離箇所において1箇所でもポリオレフィン製多孔質基材が確認できた場合は、多孔質層の強度に対してポリオレフィン製多孔質基材と多孔質層の密着強度のほうが低く、ポリオレフィン製多孔質基材と多孔質層との界面で剥離したと判断した(表1「界面」)。つまり多孔質層の強度がポリオレフィン製多孔質基材と多孔質層の密着強度より高いことを示している。ポリオレフィン製多孔質基材が確認できない場合(引き■がされたサンプルのポリオレフィン製多孔質基材の表面が多孔質層を構成する樹脂又は粒子で覆われている場合)は、多孔質層の強度に対してポリオレフィン製多孔質基材と多孔質層の密着強度のほうが高く、多孔質層で凝集破壊したと判断した(表1「多孔質層」)。つまり、多孔質層の強度がポリオレフィン製多孔質基材と多孔質層の密着強度より低いことを示している。多孔質層の強度は、凝集破壊されるときの試験板から引き剥がされた50%の長さの測定値(ただし、測定開始後、最初の25%の長さの測定値を除く)を平均した値とした。測定は各サンプルにつき5回実施した。単位はN/10mmで表記した。なお、剥離した部分が最も強度が低い部分となる。
多孔質層の空隙率は、多孔性フィルムを液体窒素にて凍結し、上部からアルゴンビームを照射することで、断面を作製し(Cryo-BIB法)、断面にイオンコーターを用いてイオンコートを行い、測定用サンプルを作製した。得られたサンプルを、日立ハイテクノロジー社製電界放射型走査電子顕微鏡(FE-SEM)S4800を用いて加速電圧1.5kVにて、表面を撮影倍率2万倍、断面を撮影倍率4万倍で観察し、画像データを得た(スケールバーなどの表示がない、観察部のみの画像)。得られた画像データから多孔質層のみが残るように画像を切り取り、MVTec社製HALCON Ver.10.0を用いて画像解析を行い、多孔質層の空隙率を算出した。画像解析方法としては、まず256階調モノクロ画像に対して、11画素平均画像Aと3画素平均画像Bをそれぞれ生成し、画像B全体の面積(Area_all)を算出した。次に画像Bから画像Aを差として除去し、画像Cを生成し、輝度≧10となる領域Dを抽出した。抽出した領域Dを塊ごとに分割し、面積≧100となる領域Eを抽出した。その領域Eに対して、半径2.5画素の円形要素でクロージング処理した領域Fを生成し、横1×縦5画素の矩形要素でオープニング処理した領域Gを生成することで、縦サイズ<5の画素部を除去した。そして、領域Gを塊ごとに分割し、面積≧500となる領域Hを抽出することで、フィブリル領域を抽出した。さらに画像Cにて画像≧5となる領域Iを抽出し、領域Iを塊ごとに分割し、面積≧300となる領域Jを抽出した。領域Jに対して、半径1.5画素の円形要素でオープニング処理した後、半径8.5画素の円形要素でクロージング処理した領域Kを生成し、領域Kに対して、面積≧200となる領域Lを抽出した。領域Lにおいて、面積≧4,000画素の暗部を明部で埋めた領域Mを生成することでフィブリル以外の未開孔部の領域を抽出した。最後に、領域Hと領域Mの和領域Nを生成し、和領域Nの面積(Area_closed)を算出することで、未開孔部の面積を求めた。計算は、以下の式により算出した。
多孔質層の空隙率(%)=(Area_all - Area_closed) / Area_all×100
(4)ジエチルカーボネートの浸透速度、浸透面積
100mm×100mmサイズの試料を切り出しサンプルとした。サンプルを金枠(外径100mm×100mm、内径90mm×90mmです。)に貼り付けた後、サンプルに100μLのジエチルカーボネートを滴下した。ジエチルカーボネートがサンプルの裏面に到達する時間とサンプルの厚みからジエチルカーボネートの浸透速度を算出した。
50mm×50mmサイズの試料を切り出しサンプルとした。切り出したサンプルを真ん中にφ12mm穴が開いた金属枠で固定した。φ12mm孔部にφ10mmのタングステン球を置き、熱風オーブンにセットした。5℃/分で昇温を行い、タングステン球が落下した温度を測定し、各サンプルにつき5回実施して平均した温度を落球破膜温度とした。
ミクロトームにてサンプル断面を切り出し、その断面を電解放射型走査電子顕微鏡にて観察して、その観察領域内において、最も多孔質層内に食い込んでいる部分における頂点を選択し、多孔質層の底面(多孔質基材側)から表面まで当該最も高い点までの距離を多孔質層の膜厚として計測した。100mm×100mmサイズのサンプルから任意の5箇所についてそれぞれ観察、選択、計測し平均した値を多孔質層の膜厚とした。
シャットダウン温度、メルトダウンは、国際公開第2007/052663号に開示されている方法によって測定した。この方法に従い、多孔性フィルムを30℃の雰囲気中にさらして、5℃/分で昇温し、その間に膜の透気度を測定した。多孔性フィルムの透気度(王研)が最初に100,000秒/100cm3を超える時の温度を、多孔性フィルムのシャットダウン温度と定義した。また、メルトダウン温度は、透気度が100,000秒/100cm3以上となり、その後、最初に10秒/100cm3以下になった時の温度を、多孔性フィルムのメルトダウン温度と定義した。なお、メルトダウン温度の測定の上限は250℃である。多孔性フィルムの透気抵抗度は、王研式透気抵抗度計(旭精工株式会社製、EGO-1T)を用いてJIS P8117(2009年)に従って測定した。
王研式透気抵抗度計(旭精工株式会社製、EGO-1T)を使用して、JIS P8117(1998)に準拠して測定した。
正極シートは、正極活物質としてLi(Ni5/10Mn2/10Co3/10)O2を92質量部、正極導電助剤としてアセチレンブラックとグラファイトを2.5質量部ずつ、正極結着剤としてポリフッ化ビニリデン3質量部を、プラネタリーミキサーを用いてN-メチル-2-ピロリドン中に分散させた正極スラリーを、アルミ箔上に塗布、乾燥、圧延して作製した(塗布目付:9.5mg/cm2)。この正極シートを40mm×40mmに切り出した。この時、活物質層の付いていない集電用のタブ接着部が、前記活物質面の外側に5mm×5mmの大きさになるように切り出した。幅5mm、厚み0.1mmのアルミ製のタブをタブ接着部に超音波溶接した。負極シートは、負極活物質として天然黒鉛98質量部、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースを1質量部、負極結着剤としてスチレン-ブタジエン共重合体1質量部を、プラネタリーミキサーを用いて水中に分散させた負極スラリーを、銅箔上に塗布、乾燥、圧延して作製した(塗布目付:5.5mg/cm2)。この負極シートを45mm×45mmに切り出した。この時、活物質層の付いていない集電用のタブ接着部が、前記活物質面の外側に5mm×5mmの大きさになるように切り出した。正極タブと同サイズの銅製のタブをタブ接着部に超音波溶接した。次に、多孔性フィルムを55mm×55mmに切り出し、多孔性フィルムの両面に上記正極と負極を活物質層が多孔性フィルムを隔てるように重ね、正極塗布部が全て負極塗布部と対向するように配置して電極群を得た。1枚の90mm×200mmのアルミラミネートフィルムに上記正極・負極・多孔性フィルムを挟み込み、アルミラミネートフィルムの長辺を折り、アルミラミネートフィルムの長辺2辺を熱融着し、袋状とした。ジエチルカーボネート:ジエチルカーボネート=1:1(体積比)の混合溶媒に、溶質としてLiPF6を濃度1モル/リットルとなるように溶解させ、作製した電解液を用いた。袋状にしたアルミラミネートフィルムに電解液1.5gを注入し、減圧含浸させながらアルミラミネートフィルムの短辺部を熱融着させてラミネート型電池とした。
作製したラミネート型電池の放電レート特性を下記手順にて試験を行い、放電容量維持率にて評価した。充電条件を0.5C、4.25Vの定電流充電、放電条件を0.5Cと7C、2.7Vの定電流放電をそれぞれ行った。
〈放電容量維持率の算出〉
(7C時の放電容量)/(0.5C時の放電容量)×100で放電容量維持率を算出した。上記ラミネート型電池を5個作製し、その平均値を放電容量維持率とした。○:80%以上、△:75%以上80%未満、×:75%未満で判断した。
作製したラミネート型電池のサイクル特性を下記手順にて試験を行い、500サイクル後の放電容量維持率にて評価した。充電条件を2C、4.25Vの定電流充電、放電条件を2C、2.7Vの定電流放電をそれぞれ行った。
〈放電容量維持率の算出〉
(500サイクル時の放電容量)/(1サイクル時の放電容量)×100で放電容量維持率を算出した。上記ラミネート型電池を5個作製し、その平均値を放電容量維持率とした。良好(○):80%以上、普通(△):75%以上80%未満、悪い(×):75%未満で判断した。
作製したラミネート型電池のホットボックス試験を下記手順にて試験を行い、放電容量維持率にて評価した。充電条件を0.5C、4.25Vの定電流充電を行った電池を5℃/分で150℃まで昇温し、発煙発火の有無を確認する。上記ラミネート型電池を5個作製し、○:発煙発火なし、×:発煙発火ありで判断した。
脱水したN-メチル-2-ピロリドンに、ジアミン全量に対して85モル%に相当する2-クロロ-1,4-フェニレンジアミンと15モル%に相当する4,4’-ジアミノジフェニルエーテルを溶解させた。そこへ酸ジクロライドとして、ジアミン全量に対して99モル%に相当する2-クロロテレフタロイルクロライドを添加し撹拌を行うことで、芳香族ポリアミド樹脂を重合した。得られた重合溶液を、酸ジクロライド全量に対して97モル%の炭酸リチウムで中和し、さらに15モル%のジエタノールアミン、25モル%のトリエタノールアミンにて中和し、芳香族ポリアミド樹脂濃度が10質量%である芳香族ポリアミド樹脂溶液を得た。得られた芳香族ポリアミド樹脂は、測定温度範囲-20~230℃において、上記ピークトップを有さず、融点を有さない耐熱性樹脂であるといえる。また、得られた芳香族ポリアミドの対数粘度ηinhは4.5dl/gであった。得られた芳香族ポリアミド樹脂溶液にN-メチル-2-ピロリドンを加え、攪拌機で1次分散した。また、アルミナ粒子A(平均粒径0.4μm)とアルミナ粒子B(平均粒径0.05μm)にN-メチル-2-ピロリドンを加え、攪拌機で1次分散した。それぞれ1次分散した分散液を合わせて芳香族ポリアミド樹脂とアルミナ粒子の合計100質量部に対して、芳香族ポリアミド樹脂が10質量部、アルミナ粒子Aが85質量部、アルミナ粒子Bが5質量部になるように混合し、固形分濃度が20質量%となるようにN-メチル-2-ピロリドンを追加で添加した。その混合溶液を攪拌機でさらに1次分散した。作製した1次分散液をビーズミルを用いて分散を行った。ビーズは、φ0.5mmのジルコニア強化アルミナを使用し、周速5m/sで1回分散した後、周速7m/sで1回分散し、周速10m/sで2回分散し、2次分散液とした。得られた2次分散液の粘度は、1200mPa・sであった。得られた2次分散液をディップコートにて、空気雰囲気下でコロナ処理を行ったポリエチレン多孔質基材(厚み5μm、透気度120秒/100cc、表面の最大高低差160nm)の両面に塗工し、その後、水槽に浸漬し、含有される溶媒が揮発するまで乾燥することで多孔質層を形成し、本発明の多孔性フィルムを得た。得られた多孔性フィルムの特性の測定結果を表1に示す。
脱水したN-メチル-2-ピロリドンに、ジアミン全量に対して90モル%に相当する2-クロロ-1,4-フェニレンジアミンと10モル%に相当する4,4’-ジアミノジフェニルエーテルを溶解させ、得られた芳香族ポリアミドは、測定温度範囲-20~230℃において、上記ピークトップを有さず、融点を有さない耐熱性樹脂であるといえる。また、対数粘度ηinhは4.7dl/gであった。実施例1と同様にして、本発明の多孔性フィルムを得た。
脱水したN-メチル-2-ピロリドンに、ジアミン全量に対して95モル%に相当する2-クロロ-1,4-フェニレンジアミンと5モル%に相当する4,4’-ジアミノジフェニルエーテルを溶解させ、得られた芳香族ポリアミドは、測定温度範囲-20~230℃において、上記ピークトップを有さず、融点を有さない耐熱性樹脂であるといえる。また、対数粘度ηinhは4.9dl/gであった。実施例1と同様にして、本発明の多孔性フィルムを得た。
ポリエチレン多孔質基材の最大高低差を200nmとした以外は、実施例1と同様にして、本発明の多孔性フィルムを得た。
実施例3で得られた2次分散液をディップコートにて、空気雰囲気下でコロナ処理を行ったポリエチレン多孔質基材(厚み5μm、透気度120秒/100cc)の両面に塗工し、温度が60℃、湿度が70RH%のエアギャップを通過した以外は、実施例3と同様にして、本発明の多孔性フィルムを得た。
実施例3で得られた2次分散液をディップコートにて、空気雰囲気下でコロナ処理を行ったポリエチレン多孔質基材(厚み5μm、透気度120秒/100cc)の両面に塗工し、温度が65℃、湿度が75RH%のエアギャップを通過した以外は、実施例3と同様にして、本発明の多孔性フィルムを得た。
脱水したN-メチル-2-ピロリドンに、ジアミン全量に対して75モル%に相当する2-クロロ-1,4-フェニレンジアミンと25モル%に相当する4,4’-ジアミノジフェニルエーテルを溶解させ、得られた芳香族ポリアミドは、測定温度範囲-20~230℃において、上記ピークトップを有さず、融点を有さない耐熱性樹脂であるといえ、対数粘度ηinhは2.5dl/gであった。芳香族ポリアミド樹脂とアルミナ粒子Aの合計100質量部に対して、芳香族ポリアミド樹脂が10質量部、アルミナ粒子Aが90質量部とし、最大高低差が130nmのポリエチレン多孔質基材をコロナ処理を行わなかった以外は、実施例1と同様にして、多孔性フィルムを得た。
脱水したN-メチル-2-ピロリドンに、ジアミン全量に対して75モル%に相当する2-クロロ-1,4-フェニレンジアミンと25モル%に相当する4,4’-ジアミノジフェニルエーテルを溶解させ、得られた芳香族ポリアミドは、測定温度範囲-20~230℃において、上記ピークトップを有さず、融点を有さない耐熱性樹脂であるといえ、対数粘度ηinhは2.2dl/gであった。芳香族ポリアミド樹脂とアルミナ粒子Aの合計100質量部に対して、芳香族ポリアミド樹脂が30質量部、アルミナ粒子Aが70質量部とし、最大高低差が130nmのポリエチレン多孔質基材をコロナ処理を行わなかった以外は、実施例1と同様にして、多孔性フィルムを得た。
Claims (5)
- ポリオレフィン製多孔質基材の少なくとも片面に、融点が200℃以上であるもしくは融点を有さない耐熱性樹脂を含む多孔質層が積層された多孔性フィルムであって、
前記多孔質層は空隙率が50%以上80%以下であり、且つJIS Z0237(2009年)に記載の10.3 試験方法-方法1に従って測定された強度が0.4N/10mm以上であり、前記多孔質層の強度が長手方向の180度剥離試験における前記ポリオレフィン製多孔質基材と前記多孔質層の密着強度より低く、
前記多孔性フィルムのジエチルカーボネートの浸透速度が4μm/分以上であり、ジエチルカーボネートの10秒後の浸透面積が500mm 2 以上であり、かつ、
前記多孔性フィルムのシャットダウン温度とメルトダウン温度の差が70℃以上である、
多孔性フィルム。
浸透速度は100μLのジエチルカーボネートを滴下して裏面に到達するまでの時間と多孔性フィルムの厚みから算出する。
浸透面積は100μLのジエチルカーボネートを滴下してから10秒間放置した後に撮影した画像から画像解析ソフトにてジエチルカーボネートの浸透面積を算出する。 - 前記多孔質層が無機粒子を含む請求項1に記載の多孔性フィルム。
- 前記多孔性フィルムの落球破膜温度が250℃以上である、請求項1または2に記載の多孔性フィルム。
- 請求項1~3のいずれかに記載の多孔性フィルムを用いてなる二次電池用セパレータ。
- 請求項4に記載の二次電池用セパレータを用いる二次電池。
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