JP6988881B2 - ポリエチレン微多孔膜を含む二次電池用セパレータ - Google Patents
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Description
本明細書において、ポリオレフィン微多孔膜とは、ポリオレフィンを主成分として含む微多孔膜をいい、例えば、ポリオレフィンを微多孔膜全量に対して90質量%以上含む微多孔膜をいう。以下、本実施形態のポリオレフィン微多孔膜の物性について説明する。
本明細書において、電池の製造工程における耐圧縮性は、「温度80℃、圧力1MPaで60分間加熱圧縮した時の膜厚変化率」(以下、「加熱圧縮時の膜厚変化率」ともいう。)で評価する。例えば、特許文献5では、多層微小孔性膜の熱圧縮の後厚み変化の測定方法として、5分間、90℃で2.2MPa(22kgf/cm2)の圧力下で圧縮機械により熱圧縮して、平均の厚みを決定することが記載されている。しなしながら、従来の測定条件では、実際の電池の製造条件が反映されていなかった。そこで、発明者らは、実際の電池の製造工程における条件に対応するように、上記の条件で耐圧縮性の評価を行った。
式(1):
[(圧縮前の平均厚さ−圧縮した状態の平均厚さ)/(圧縮前の平均厚さ)]×100
なお、上記の加熱圧縮時の膜厚変化率は、上述のように、圧縮時(圧縮した状態)での膜厚を測定するので、膜が弾性復元する前に膜厚を測定することができ、膜の弾性復元、膜の温度履歴などによる測定値のばらつきがなく、上記した製造時の加圧などの実際の膜に生じる状態を反映した値となる。
ポリオレフィン微多孔膜のMD方向の引張強度(引張破断強度)の下限は、例えば、100MPa以上であり、好ましくは230MPa以上であり、より好ましくは250MPa以上であり、さらに好ましくは、280MPa以上である。MD方向の引張強度の上限は、特に限定されないが、例えば、600MPa以下である。MD方向の引張強度が上記範囲である場合、高い張力が掛かった場合も膜が破断しにくく、高い耐久性が要求される用途に用いることができる。例えば、上記のような強度に優れた微多孔膜をセパレータとして用いた場合、電池作製時や使用時における短絡を抑制するとともに、高い張力をかけてセパレータを巻回可能となり、電池の高容量化を図ることができる。また、薄膜化したポリオレフィン微多孔膜の少なくとも一方の表面にコーティング層を形成する場合、より高いMD方向の引張強度が要求される。よって、コーティング層の塗工性を向上させるという観点から、ポリオレフィン微多孔膜のMD方向の引張強度は、好ましくは230MPa以上であり、より好ましくは250MPa以上であり、さらに好ましくは、280MPa以上である。MD方向の引張強度が上記範囲である場合、塗工用の基材として好適に用いることができる。
ポリオレフィン微多孔膜のMD方向の引張伸度(引張破断伸度)は、特に限定されないが、例えば、50%以上300%以下であり、50%以上100%以下であるのが好ましい。MD方向の破断伸度が、上記の範囲である場合、塗工する時に高い張力が掛かった場合も変形しにくく、シワも発生しにくいので塗工欠陥が抑制され塗工表面の平面性が良いので好ましい。
ポリオレフィン微多孔膜の突刺強度の下限は、好ましくは1.96N以上であり、より好ましくは2.00N以上である。突刺強度の上限は、特に限定されないが、例えば、7.00N以下である。突刺強度が上記範囲である場合、ポリオレフィン微多孔膜の膜強度に優れる。また、このポリオレフィン微多孔膜をセパレータとして用いた二次電池は、電極の短絡の発生や自己放電が抑制される。突刺強度は、ポリオレフィン微多孔膜を製造する際、例えば、超高分子量ポリエチレン及び/又は核剤を含有させたり、ポリオレフィン微多孔膜を構成するポリオレフィン樹脂の重量平均分子量(Mw)や延伸倍率(特に、後述する乾燥後のフィルムの延伸倍率)を調整したりすることにより、上記範囲とすることができる。
式:突刺強度(5μm換算)=測定された突刺強度(N)×5(μm)/膜厚T1(μm)
(透気度)
ポリオレフィン微多孔膜の透気度(ガーレー値)は、特に限定されないが、例えば、50秒/100cm3以上300秒/100cm3以下である。ポリオレフィン微多孔膜の透気度は、二次電池用セパレータとして用いる場合、好ましくは250秒/100cm3以下であり、より好ましくは200秒/100cm3以下であり、さらに好ましくは150秒/100cm3以下である。透気度が上記範囲である場合、二次電池用セパレータとして用いた際、イオン透過性に優れ、二次電池のインピーダンスが低下し電池出力が向上する。透気度は、ポリオレフィン微多孔膜を製造する際の延伸条件などを調節することにより、上記範囲とすることができる。
ポリオレフィン微多孔膜の膜厚の上限は、特に限定されないが、例えば、30μm以下であり、好ましくは20μm以下、より好ましくは10μm以下、さらに好ましくは7μm以下である。膜厚の下限は、特に限定されないが、例えば、1μm以上であり、好ましくは3μm以上である。膜厚が上記範囲である場合、ポリオレフィン微多孔膜を電池用セパレータとして使用した際、電池容量が向上する。本実施形態のポリオレフィン微多孔膜は、高い突刺強度等を有し、薄膜化した際でも、高い自己放電特性及びレート特性を有する。
ポリオレフィン微多孔膜の空孔率の下限は、特に限定されないが、例えば、10%以上であり、好ましくは20%以上であり、さらに好ましくは40%以上である。空孔率の下限は、特に限定されないが、例えば、70%以下であり、60%以下であることが好ましく、50%以下であることがさらに好ましい。。ポリオレフィン微多孔膜を二次電池用セパレータとして用いる場合、ポリオレフィン微多孔膜の空孔率は、好ましくは20%以上60%以下であり、より好ましくは20%以上50%以下である。空孔率が上記範囲であることにより、電解液の保持量を高め、高いイオン透過性を確保することができる。また、空孔率が上記範囲であると、レート特性が向上する。また、イオン透過性及びレート特性をより高めるという観点から、空孔率が40%以上であることが好ましい。空孔率は、製造過程において、ポリオレフィン樹脂の構成成分の配合割合や延伸倍率、熱固定条件などを調節することにより、上記範囲とできる。
ポリオレフィン微多孔膜の目付の上限は、例えば、4.0g/m2以下であり、3.4g/m2未満であるのが好ましい。目付の下限は、特に限定されないが、例えば、1.0g/m2以上であり、1.5g/m2以上であることがより好ましい。ポリオレフィン微多孔膜の目付が上記範囲である場合、ポリオレフィン微多孔膜をセパレータとして用いたときに、単位体積当たりの電解液の保持量を高め、高いイオン透過性を確保することができ、また、ポリオレフィン微多孔膜の膜厚が薄い場合においても、自己放電特性に優れる。ポリオレフィン微多孔膜の目付は、製造過程において、ポリオレフィン樹脂の構成成分の配合割合や延伸倍率などを調節することにより、上記範囲とすることができる。なお、ポリオレフィン微多孔膜の目付は、1m2のポリオレフィン微多孔膜の重量である。
ポリオレフィン微多孔膜は、目付が3.4g/m2未満、及び、空孔率が40%以上、の少なくとも一方の条件を満たすことが好ましい。ポリオレフィン微多孔膜の目付または空孔率が上記範囲である場合、ポリオレフィン微多孔膜をセパレータとして用いたときに、単位体積当たりの電解液の保持量を増加させることができ、電池特性を向上させることができる。また、ポリオレフィン微多孔膜が上記条件を満たす場合、薄膜化したポリオレフィン微多孔膜の膜厚において、電池用セパレータとして用いた際に、自己放電特性、レート特性及びサイクル特性により優れる。
ポリオレフィン微多孔膜の105℃8時間におけるMD方向の熱収縮率は、例えば、10%以下であり、6%以下であるのが好ましく、4%以下であるのがより好ましい。ポリオレフィン微多孔膜の105℃におけるTD方向の熱収縮率は、例えば、10%以下であり、8%以下であるのが好ましく、6%以下であるのがより好ましい。MD方向の熱収縮率の下限、及びTD方向の熱収縮率の下限は、特に限定されないが、例えば、0.5%以上であるのが好ましい。MD方向の熱収縮率、及びTD方向の熱収縮率が上記範囲である場合、耐熱収縮性に優れ、ポリオレフィン微多孔膜をセパレータとして用いたとき等に、熱による膨張・収縮を抑制することができる。
ポリオレフィン微多孔膜は、ポリオレフィン樹脂を主成分として含む。ポリオレフィン樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどを用いることができる。例えば、ポリオレフィン微多孔膜全量に対して、ポリエチレンを50質量%以上含むことができる。ポリエチレンとしては、特に限定されず、種々のポリエチレンを用いることができ、例えば、高密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、分岐状低密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレン等が用いられる。なお、ポリエチレンは、エチレンの単独重合体であってもよく、エチレンと他のα−オレフィンとの共重合体であってもよい。α−オレフィンとしては、プロピレン、ブテン−1、ヘキセン−1、ペンテン−1、4−メチルペンテン−1、オクテン、酢酸ビニル、メタクリル酸メチル、スチレン等が挙げられる。
ポリオレフィン微多孔膜の製造方法は、上記の特性を有するポリオレフィン微多孔膜が得られれば、特に限定されず、公知のポリオレフィン微多孔膜の製造方法を用いることができる。ポリオレフィン微多孔膜の製造方法としては、例えば、乾式の製膜方法及び湿式の製膜方法が挙げられる。本実施形態のポリオレフィン微多孔膜の製造方法としては、膜の構造及び物性の制御の容易性の観点から湿式の製膜方法が好ましい。湿式の製膜方法としては、例えば、日本国特許第2132327号および日本国特許第3347835号の明細書、国際公開2006/137540号等に記載された方法を用いることができる。
第二延伸をロール延伸する場合、多段延伸することが好ましい。高倍延伸する場合、ロール上ですべり発生により延伸点が定まらず延伸ムラが発生しやすい。延伸段数を増加させることで、延伸ムラが低減させることができる。特に延伸倍率1.5以上になる場合、4段以上延伸することが好ましく、5段以上延伸することがより好ましい。
[膜厚]
微多孔膜の95mm×95mmの範囲内における5点の膜厚を接触厚み計(株式会社ミツトヨ製ライトマチック)により測定し、平均値を求めた。
微多孔膜の重量w1とそれと等価な空孔のないポリマーの重量w2(幅、長さ、組成の同じポリマー)とを比較した、以下の式によって、測定した。
空孔率(%)=(w2−w1)/w2×100
[目付]
目付は、1m2の微多孔膜の重量により測定した。
MD引張強度およびTD引張強度について、幅10mmの短冊状試験片を用いて、ASTM D882に準拠した方法により測定した。
MD引張強度およびTD引張強度について、ASTM D−882Aに準拠した方法により測定した。
先端が球面(曲率半径R:0.5mm)の直径1mmの針で、膜厚T1(μm)の微多孔質膜を2mm/秒の速度で突刺したときの最大荷重L1(N)を測定した。
膜厚T1(μm)の微多孔膜に対して、JIS P−8117に準拠して、透気度計(旭精工株式会社製、EGO−1T)で測定した透気抵抗度P1(sec/100cm3)を測定した。また、式:P2=(P1×5)/T1により、膜厚を5μmとしたときの透気抵抗度P2(5μm換算)(sec/100cm3/5μm)を算出した。
105℃8時間のMD熱収縮率およびTD熱収縮率は、次のようにして測定した。
(1)室温(25℃)におけるポリオレフィン微多孔膜の試験片の大きさをMDおよびTDの両方について測定する。
(2)ポリオレフィン微多孔膜の試験片を、荷重をかけずに8時間105℃の温度にて平衡化する。
(3)ポリオレフィン微多孔膜の大きさをMDおよびTDの両方について測定する。
(4)MD方向およびTD方向への熱収縮を、測定結果(3)を測定結果(1)で割り、得られた値を1から引き、その値を百分率(%)で表して算出した。
耐圧縮性は温度80℃、圧力1MPaで60分間、加熱圧縮した時のポリオレフィン微多孔膜の膜厚変化率で評価した。
10枚を積層したポリオレフィン微多孔膜を、一組の高度に水平な板の間に置き、60分間、80℃で1MPaの圧力下で圧縮機械(新東工業株式会社製、CYPT−20特)により加熱圧縮した際、圧縮した状態における膜厚を測定し、一枚あたりの平均厚さ(圧縮した状態の平均厚さ)を算出した。加熱圧縮したときのポリオレフィン微多孔膜の膜厚変化率は下記式により算出した。
[(圧縮前の平均厚さ−圧縮した状態の平均厚さ)/(圧縮前の平均厚さ)]×100
[透過率]
ポリオレフィン微多孔膜のMD方向における6.7cm/点サンプリングで20m分透過光量を測定し、平均透過率(Ave)とその標準偏差(σ)を求め、変動係数(σ/Ave)を平面性の指標とした。σ/Aveの値が小さいほど、延伸ムラが小さく、平面性が良好となる。次のようにして透過光量を測定した。
透過光量計(キーエンス社製、IB−30)を使用して、投受光間距離300mm、ポリオレフィン微多孔膜はその中央(150mm)で透過光量を測定した。6.7cm/点サンプリングで20m分透過光量を測定し、平均透過率(Ave)と標準偏差(σ)を算出した。
透過率変動係数=標準偏差σ/平均値Ave.
平面性(延伸ムラ)評価
×:透過率変動係数0.03以上。
○:透過率変動係数0.03未満。
・測定装置:Waters Corporation製GPC−150C
・カラム:昭和電工株式会社製Shodex UT806M
・カラム温度:135℃
・溶媒(移動相):o−ジクロルベンゼン
・溶媒流速:1.0 ml/分
・試料濃度:0.1 wt%(溶解条件:135℃/1h)
・インジェクション量:500μl
・検出器:Waters Corporation製ディファレンシャルリフラクトメーター(RI検出器)
・検量線:単分散ポリスチレン標準試料を用いて得られた検量線から、所定の換算定数(0.468)を用いて作成した。
自己放電特性は以下の方法で評価を行った。下記の(評価用電池の作製方法)にて組み立てた試験用二次電池0.5Cの電流値で電池電圧3.85Vまで定電流充電した後、電池電圧3.85Vで0.05Cになるまで定電圧充電を行った。この電池を24時間放置した後の開回路電圧を計測し、この値をV1とした。この電池について、さらに24時間放置、つまり充電後計48時間放置した後の開回路電圧を計測し、この値をV2とした。得られたV1、V2の値からK値を下記の式により算出した。
式:K値(mV/h)=(V1−V2)/24
×:K値0.03以上。
○:K値0.02以上0.03未満。
◎:K値0.02未満。
レート特性は以下の方法で評価を行った。レート特性の測定には下記の(評価用電池の作製方法)にて作製した試験用二次電池を用いた。電池電圧4.2Vまで1.0Cの電流値で定電流充電した後、電池電圧4.2Vで0.05Cの電流値になるまで定電圧充電を行った後、0.2Cの電流値で電池電圧が3.0Vになるまで放電(定電流放電)して放電容量を測定した。続いて、前述の手順にて再度4.2Vまで充電した後、5Cの電流値で電池電圧が3.0Vになるまで放電(定電流放電)して放電容量を測定した。下記の式により放電容量比を算出した。
式:放電容量比=5Cでの放電容量×100/0.2Cでの放電容量
×:放電容量比値85%未満。
○:放電容量比値85%以上90%未満。
◎:放電容量比値90%以上100%未満。
サイクル特性は以下の方法で評価を行った。サイクル特性の測定には上記(電池の作製)にて作製した試験用二次電池を用いた。電池電圧4.2Vまで1.0Cの電流値で定電流充電した後、電池電圧4.2Vで0.05Cの電流値になるまで定電圧充電を行った。10分の休止後、1.0Cの電流値で電池電圧が3.0Vになるまで定電流放電を行い、10分休止した。この充放電を1サイクルとして、500回充放電を繰り返し行った。
下記の式により残存容量比を算出した。
式:残存容量比=500サイクル目放電容量×100/1サイクル目放電容量
×:残存容量比値80%以下。
○:残存容量比値80%超過100%以下。
評価に用いた電池(評価用電池)は、正極活物質としてリチウムコバルト複合酸化物LiCoO2、負極活物質として黒鉛、電解液としてEC/EMC/DMCの混合溶媒に調製した1mol/LのLiPF6を使用し、正極、ポリオレフィン微多孔膜からなるセパレータ、及び、負極を積層した後、常法により巻回電極体を作製し、電池缶に挿入し、電解液を含浸させ、封口して、作製した。以下に、評価用電池の製造方法の詳細を説明する。
正極活物質としてリチウムコバルト複合酸化物LiCoO2、導電材としてアセチレンブラック、バインダーであるポリフッ化ビニリデン(PVDF)とを93.5:4.0:2.5の質量比で混合して、溶媒N−メチルピロリドン(NMP)に混合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12μmのアルミニウム箔の両面に塗布し、乾燥後、ロールプレス機で圧延した。圧延後のものを30mm幅にスリットして正極とした。
負極活物質として人造黒鉛、バインダーとしてカルボキシメチルセルロース、スチレン−ブタジエン共重合体ラテックスとを98:1:1の質量比となるように、精製水に混合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10μmの銅箔の両面に塗布し、乾燥後、ロールプレス機で圧延した。圧延後のものを33mm幅にスリットして負極とした。
エチレンカーボネート:エチルメチルカーボネート:ジメチルカーボネート=3:5:2(体積比)の混合溶媒に、溶質としてLiPF6を濃度1.15mol/リットルとなるように溶解させた。さらに、非水電解液100質量%に対して0.5質量%のビニレンカーボネートを添加し、非水電解液を調製した。
上記の正極、ポリオレフィン微多孔膜及び上記の負極を積層した後、扁平状の巻回電極体(高さ2.2mm×幅36mm×奥行29mm)を作製した。この扁平状の巻回電極体の各電極へ、シーラント付タブを溶接し、正極リード、負極リードとした。扁平状の巻回電極体部分をアルミラミネートフィルムで挟み、一部開口部を残してシールし、これを真空オーブンにて80℃で6時間乾燥、乾燥後は速やかに電解液を0.7mL注液し、真空シーラーでシールし、80℃、1MPaで1時間プレス成型した。続いて、充放電を実施した。充放電条件は300mA電流値で、電池電圧4.2Vまで定電流充電した後、電池電圧4.2Vで15mAになるまで定電圧充電を行った。10分の休止後、300mAの電流値で電池電圧3.0Vまで定電流放電を行い、10分休止した。以上の充放電を3サイクル実施し、電池容量300mAhの試験用二次電池を作製した。
表1,2に示す組成でポリオレフィン樹脂と流動パラフィンとを二軸押出機にて、溶融混練し、ポリオレフィン溶液を調製した。ポリオレフィン溶液を、二軸押出機からTダイに供給し、押し出した。押出し成形体を、冷却ロールで引き取りながら冷却し、ゲル状シートを形成した。ゲル状シートを、テンター延伸機により106℃以上112℃以下でMD方向及びTD方向ともに5倍で同時二軸延伸又は逐次二軸延伸(第一の延伸)した。延伸したゲル状シートを塩化メチレン浴中に浸漬し、流動パラフィンを除去した後、乾燥させ、乾燥膜を得た。乾燥膜をバッチ式延伸機を用いて、90℃以上113℃以下でMD方向に1.40倍以上1.90倍以下ロール延伸法で延伸(第二の延伸)した。その後、128.0℃以上133.0℃以下でTD方向に1.34倍以上2.11倍以下で延伸(第三の延伸)した。次に、得られた膜をテンター法により、129.0℃以上133.1℃以下の範囲で、2%以上10%以下の緩和率で緩和を行った。なお、緩和後におけるTD方向の延伸倍率は、1.32倍以上2.03倍以下であった。得られたポリオレフィン微多孔質膜の製造条件、評価結果等を表1,2に記載した。
表3に示す組成でポリオレフィン樹脂と流動パラフィンとを二軸押出機にて、溶融混練し、表3に示す製造条件でポリオレフィン微多孔膜の製造を行った。得られたポリオレフィン微多孔質膜の評価結果等を表3に記載した。
実施例1〜12のポリオレフィン微多孔膜は、膜厚3.2μm以上7.1μm以下において、熱圧縮時の膜厚変化率(1MPa、80℃、1hr)が0%以上15%以下であり、耐圧縮に優れ、自己放電特性に優れることが示された。中でも、目付が3.4g/m2未満、又は、空孔率が40%以上である場合、レート特性及びサイクル特性に優れることが確認される。一方、比較例1〜5のポリオレフィン微多孔膜は、熱圧縮時の膜厚変化率(1MPa、80℃、1hr)が15%超であり、かつ、自己放電特性が不良、又は、自己放電特性及びレート特性の両方が不良であった。
Claims (5)
- 目付が3.4g/m 2 未満、及び、空孔率が40%以上の条件を満たし、MD方向の引張強度が230MPa以上であり、下記式により算出される温度80℃、圧力1MPaで60分間加熱圧縮した時の膜厚変化率が、加熱圧縮前のポリエチレン微多孔質膜の膜厚100%に対して、0%以上15%以下であるポリエチレン微多孔膜を含む二次電池用セパレータ。
[(圧縮前の平均厚さ−圧縮した状態の平均厚さ)/(圧縮前の平均厚さ)]×100 - TD方向の引張伸度が100%以上である請求項1に記載のポリエチレンを含む二次電池用セパレータ。
- 請求項1または2に記載のポリエチレン微多孔膜を含む二次電池用セパレータを少なくとも1層有する多層ポリエチレン微多孔膜。
- 請求項1または2に記載のポリエチレン微多孔膜を含む二次電池用セパレータの少なくとも一方の表面に、1層以上のコーティング層を備える、積層ポリエチレン微多孔膜。
- 請求項1または2に記載のポリエチレン微多孔膜を含む二次電池用セパレータを用いてなる二次電池。
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