JP2000204188A - ポリエチレン微多孔膜 - Google Patents
ポリエチレン微多孔膜Info
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Abstract
電池の過充電時の短絡を防止するポリエチレン微多孔膜
を提供する。 【解決手段】 孔閉塞温度Tfが134℃以下で、融解
温度TmとTfの関係が次のような関係式で表せるポリ
エチレン微多孔膜。及びその美多孔膜からなる電池用セ
パレータ。 Tm−Tf>0
Description
膜、およびその電池セパレーターへの応用に関する。
池用セパレーター、コンデンサー用セパレーター等に使
用されている。このうち電池用セパレーター、特にリチ
ウムイオン二次電池用セパレーターには、過充電状態な
どで電池内部の温度が上昇したときに、ポリエチレン微
多孔膜の孔が閉塞し電流を遮断する「ヒューズ効果」が
要求されている。
微多孔膜セパレータをそのまま高容量電池セパレータに
応用した場合、その高い充電容量のため、セパレータが
ヒューズ効果を示す前に電極部における金属リチウム析
出による破膜や短絡などが生じやすいという欠点があっ
た。特に最近は、電池の高容量化が指向されており、従
来のセパレータ膜よりも一層、低温で速やかにヒューズ
効果を示すセパレータ膜が望まれている。
に高充電容量電池用セパレータとして電池の過充電時の
短絡を防止するポリエチレン微多孔膜を提供するもので
ある。
して鋭意研究を重ねた結果、特定の熱特性を有するポリ
エチレン微多孔膜が、上記課題を克服する上で、著しく
寄与することを見出し、本発明をなすに至った。すなわ
ち本発明は、(1)孔閉塞温度Tfが134℃以下で、
かつ融解温度TmとTfが次のような関係式で表せるポ
リエチレン微多孔膜、 Tm−Tf>0 (2)孔閉塞温度Tfが電解液を含浸した寸法固定状態
の昇温過程で電気抵抗が1000Ωとなる温度であり、
かつ、融解温度TmがDSCによる融解ピーク温度であ
る(1)に記載のポリエチレン微多孔膜、(3)上記
(1)ないし(2)のポリエチレン微多孔膜からなる電
池用セパレーター、(4)上記(3)の電池用セパレー
ターを用いた電池に関する。
ポリエチレン微多孔膜は厚み1〜200μm、空孔率2
0〜90%、平均孔径0.001〜2μmであることが
好ましく、孔閉塞温度Tfとは、電解液を含浸した微多
孔膜の電気透過性が実質的に失われる温度、あるいはセ
パレータとしての膜にヒューズ効果が認められる温度で
あって、134℃以下である。134℃を越えると、ヒ
ューズ効果が遅れるため電池の短絡を十分に防止できな
い場合があるので好ましくない。
−Tf>0であることが必要である。Tm−Tfが0よ
り小さいと、孔閉塞の前に膜が融解し、膜がヒューズ効
果を発揮しない内に溶融ポリエチレンが電極活物質内に
しみ込む等して、電極間の短絡が起こりやすくなりる。
融解温度Tmは、実質的にポリエチレン微多孔膜中の高
分子結晶が完全に融解する温度である。
を含浸し、寸法固定状態の昇温過程で測定した膜の電気
抵抗が1000Ωとなる温度(詳しくは発明の実施の形
態に記載)であり、また、融解温度Tmは好ましくは、
DSCによる膜の融解ピーク温度である。次に本発明の
ポリエチレン微多孔膜の製造法について説明する。
ば特定のポリエチレンと孔形成剤を融点以上で混練し、
形状付与後、これをポリエチレンの結晶化温度以下まで
冷却して高分子ゲルを生成し、次いで該高分子ゲルを延
伸したあと孔形成剤を抽出除去し、その後再度延伸し、
さらに好ましくは熱固定あるいは熱緩和等の熱処理を行
うことによって製造される。
ものを20%以上含み、かつ重量平均分子量が10万〜
400万、より好ましくは20万〜70万、さらに好ま
しくは25万〜50万である高密度ポリエチレンが用い
られる。重量平均分子量が10万より小さいと高分子ゲ
ルが脆くなり延伸などの加工が困難になり、400万よ
り大きいと混練が困難になるため好ましくない。また、
分子量1万未満のものの割合が、20%より少ない場
合、所望の熱特性を有する微多孔膜が得られず、このポ
リエチレンから成型した微多孔膜のTf温度が高くなり
すぎてしまう。
位に対してプロピレン、ブテン、ペンテン、ヘキセン、
オクテン等のα−オレフィンの単位を4モル%以下の割
合で含む共重合体(線状共重合ポリエチレン)であって
もよい。また、ブレンドや多段重合などの手段によって
重量平均分子量を好ましい範囲に調節しても良い。さら
に、これらに中密度ポリエチレン、線状低密度ポリエチ
レン、低密度ポリエチレン、EPR等のポリオレフィン
を30%以下の割合でブレンドしてもかまわない。
の範囲にコントロールするための方法としては、上記の
ような特定のポリエチレンを用いる方法が最も優れてい
る。孔形成剤としては、ポリエチレンの融点以上で均一
に相溶することのできる有機化合物で、好ましくは融点
が130℃以下で、沸点が200℃以上のものが用いら
れる。例えば、ジオクチルフタレート、ジイソノニルフ
タレート、ジヘプチルフタレート、ジシクロヘキシルフ
タレート、グリセリントリオレート、プロピレングリコ
ールジオレート、流動パラフィン等が挙げられる。
は10:90〜90:10の範囲が好ましい。特に好ま
しい範囲は20:80〜60:40である。このような
組成物の混練は140℃〜250℃の範囲で攪拌機や押
出機を用いて行い、混練後ダイスからシート状に押し出
してキャストロールなどでポリエチレンの結晶化温度以
下まで冷却し、ゲルシートとする。
40℃の範囲で、インフレーション法、圧延法、ロール
法、テンター法等で行い、一軸延伸でも二軸延伸でも良
いが少なくとも一軸方向に面積倍率で3倍以上延伸する
のが好ましい。次に延伸物から孔形成剤の抽出除去を残
留孔形成剤が5%未満になるまで任意の溶媒を用いて行
い、最後に抽出膜を再び少なくとも一軸方向に延伸す
る。延伸方法はテンター法、ロール法等が使用でき、8
0℃〜130℃の温度範囲で行うのが好ましい。
に、熱固定あるいは熱緩和等の熱処理を行ってもかまわ
ない。
に詳細に説明する。実施例において示される試験方法は
次の通りである。 (1)膜厚 ダイヤルゲージ(尾崎製作所:PEACOCK No.
25)にて測定した。 (2)気孔率 20cm四方のサンプルをとり、その体積と重量から次
式を用いて計算した。 気孔率(%)=(体積(cm3)−重量(g)/ポリエ
チレンの密度)/体積(cm3)×100 (3)突き刺し強度 カトーテック製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、突き刺し速度2m
m/secの条件で突き刺し試験を行い、最大突き刺し
荷重を突き刺し強度(g)とした。 (4)透気度 JIS P−8117準拠のガーレー式透気度計にて測
定した。測定値に25(μm)/膜厚(μm)を乗じる
事によって25μm換算透気度とした。 (5)孔閉塞温度 図1に孔閉塞温度の測定装置の概略図を示す。1は微多
孔膜であり、2A及び2Bは厚さ10μmのニッケル
箔、3A及び3Bはガラス板である。4は電気抵抗測定
装置(安藤電気製LCRメーターAG−4311)であ
りニッケル箔2A、2Bと接続されている。5は熱電対
であり温度計6と接続されている。7はデーターコレク
ターであり、電気抵抗装置4及び温度計6と接続されて
いる。8はオーブンであり、微多孔膜を加熱する。
にニッケル箔2A上に微多孔膜1を重ねて、縦方向にテ
フロンテープでニッケル箔2Aに固定されている。微多
孔膜1には電解液として1mol/リットルのホウフッ
化リチウム溶液(溶媒:プロピレンカーボネート/エチ
レンカーボネート/γ−ブチルラクトン=1/1/2)
が含浸されている。ニッケル箔2B上には図3に示すよ
うにテフロンテープを貼り合わせ、箔2Bの中央部分に
15mmX10mmの窓の部分を残してマスキングして
ある。
膜1をはさむような形で重ね合わせ、さらにその両側か
らガラス板3A、3Bによって2枚のニッケル箔をはさ
みこむ。このとき、箔2Bの窓の部分と、多孔膜1が相
対する位置に来るようになっている。2枚のガラス板は
市販のダブルクリップではさむことにより固定する。熱
電対5はテフロンテープでガラス板に固定する。
を測定する。なお、温度は25℃から200℃まで2℃
/minの速度にて昇温させ、電気抵抗値は1kHzの
交流にて測定する。孔閉塞温度とは微多孔膜の電気抵抗
値が103Ωに達するときの温度と定義する。 (6)DSC融解ピーク温度 セイコー電子工業(株)製DSC−220Cを使用し測
定した。サンプルは直径5mmの円形に打ち抜き、数枚
重ね合わせて3mgとし、これを直径5mmのアルミ製
オープンサンプルパンに敷き詰め、クリンピングカバー
をのせサンプルシーラーでアルミパン内に固定した。昇
温速度2℃/minで、30℃から180℃までを測定
し、融解吸熱曲線の極大となる温度をDSC融解ピーク
温度とした。 (7)過充電試験 LiCoO2を正極活物質とし、グラファイトおよびア
セチレンブラックを導電剤とし、フッ素ゴムを結着剤と
し各々LiCoO2:グラファイト:アセチレンブラッ
ク:フッ素ゴム=88:7.5:2.5:2の重量比で
混合したものをジメチルホルムアミドペーストとしてA
l箔に塗布乾燥したシートを正電極として用い、ニード
ルコークス:フッ素ゴム=95:5の重量比で混合した
ものをジメチルホルムアミドペーストとしてCu箔に塗
布乾燥したシートを負電極として用い、電解液としてプ
ロピレンカーボネートとブチロラクトンの混合溶媒(体
積比=1:1)にホウフッ化リチウムを1.0Mの濃度
で調整した液を用いてリチウムイオン電池を製造した。
この電池を4.2Vで5時間充電したあと、さらに定電
流で過充電を行った。過充電によって電池の内部温度は
上昇し、孔閉塞温度に達した時の電流の遮断状態を観察
した。なお、本試験は加速試験であるため実際の電池に
装備されているPTC素子等の安全装置は取り外した状
態で行った。
量35万、密度0.960の高密度ポリエチレン40
部、孔形成剤として流動パラフィン60部および酸化防
止剤として該ポリエチレンに対して0.3重量部のテト
ラキス−[メチレン−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]メタ
ンを2軸押出機を用いて250℃で混練し、Tダイから
押し出して冷却ロールで引き取り厚さ2mmのシートを
得た。得られたシートを二軸延伸機を用いて、延伸温度
130℃で7×7倍に延伸し、続いて塩化メチレン中に
浸漬して流動パラフィンを除去した後、乾燥して微多孔
膜を得た。さらにこの微多孔膜をテンターを用いて、延
伸温度125℃で幅方向に1.8倍延伸した後、幅方向
の延伸を17%緩和させつつ熱処理した。
ーとして用いた電池の特性を表1に記載した。
0万、密度0.950の高密度ポリエチレンを用いた以
外は、実施例1と同様に微多孔膜を作成した。得られた
膜の物性、またこれをセパレーターとして用いた電池の
特性を表1に記載した。
低密度ポリエチレン12部、分子量1万未満が1%の重
量平均分子量35万、密度0.954の高密度ポリエチ
レン28部を用いた以外は実施例1と同様に微多孔膜を
作成した。得られた膜の物性、またこれをセパレーター
として用いた電池の特性を表1に記載した。
な熱特性を持ち、特にリチウムイオン二次電池用セパレ
ーターに好適である。
Claims (4)
- 【請求項1】 孔閉塞温度Tfが134℃以下で、融解
温度TmとTfが次のような関係式で表せるポリエチレ
ン微多孔膜。 Tm−Tf>0 - 【請求項2】 孔閉塞温度Tfが電解液を含浸した寸法
固定状態の昇温過程で電気抵抗が1000Ωとなる温度
であり、かつ、融解温度TmがDSCによる融解ピーク
温度である請求項1に記載のポリエチレン微多孔膜。 - 【請求項3】 請求項1ないし2に記載のポリエチレン
微多孔膜からなる電池用セパレーター。 - 【請求項4】 請求項3に記載の電池用セパレーターを
用いた電池。
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