JP2014015697A - Fine fiber structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高分子微細繊維からなる多孔性微細繊維層を含んでなる微細繊維構造体に関し、詳細には、リチウムバッテリー、アルカリバッテリー等のバッテリーや、電気二重層キャパシタ、コンデンサ等のセパレータや絶縁材に好適に用いることができる微細繊維構造体に関する。 The present invention relates to a fine fiber structure comprising a porous fine fiber layer made of polymer fine fibers, and more specifically, a battery such as a lithium battery or an alkaline battery, a separator such as an electric double layer capacitor or a capacitor, or an insulation. The present invention relates to a fine fiber structure that can be suitably used for a material.
バッテリーは、アノードおよびカソード間の電気接続または短絡を防ぐためにアノードおよびカソードの間に位置されたセパレータを含む。短絡は、導電性粒子がセパレータを橋絡したときまたはセパレータが電極の接触を許容するまでに劣化したときに発生する。まれに、バッテリー短絡が一斉に生じることもあるが、むしろ、経時的な「ソフトショート」と呼ばれるきわめて小さい導電路の蓄積によって生じる。「デンドライトショート」は、例えば、アルカリバッテリーの場合には亜鉛酸塩、またはリチウムバッテリーの場合にはリチウム金属といった析出物を含んでなるデンドライトがバッテリーの一方の電極に形成されると共に、セパレータを介して他方の電極に成長して、アノードおよびカソード間に電気接続をもたらす状態を指す。 The battery includes a separator positioned between the anode and cathode to prevent electrical connection or short circuit between the anode and cathode. A short circuit occurs when the conductive particles bridge the separator or when the separator is degraded to allow electrode contact. In rare cases, battery shorts may occur all at once, but rather due to the accumulation of very small conductive paths called “soft shorts” over time. “Dendrite short” is, for example, formed on one electrode of a battery with a dendrite containing a precipitate such as zincate in the case of an alkaline battery, or lithium metal in the case of a lithium battery, and through a separator. The other electrode is grown to provide an electrical connection between the anode and the cathode.
一次アルカリバッテリーは、一般的にはカソード（ｃａｔｈｏｄｅ）、アノード（ａｎｏｄｅ）、カソードおよびアノードの間に配設されたセパレータ、およびアルカリ性電解質溶液を有する。カソードは、典型的には、ＭｎＯ２、炭素粒子およびバインダから形成される。アノードは、亜鉛粒子を含むゲルから形成されることが可能である。バッテリー全体に分散された電解質溶液は、最も一般的には、３０〜４０％水酸化カリウムを含有する水溶液である。アルカリバッテリーにおいて用いられるバッテリーセパレータは、一定の性能要求を有する。例えば、このようなセパレータは、強アルカリ性電解質（例えば３０〜４０％ＫＯＨ）の存在下において安定である必要がある。耐アルカリ薬品性の欠如は、機械的完全性の損失による電極間の内部短絡をもたらす可能性がある。良好な電解質吸収もまた必要であり、セパレータは、セルの電気化学反応のために必要な電解質溶液に十分に含浸されることを意味する。セパレータの他の要求は、セパレータを貫通して短絡を生じさせる可能性がある、セル中における電気化学反応により形成される導電性酸化亜鉛の成長するデンドライトに対するバリアであることである。セパレータはまた、電極間のイオンの移動を許容しなければならず、換言すると、セパレータは、イオン流に対して低い抵抗を示すべきである。 Primary alkaline batteries generally have a cathode, an anode, a separator disposed between the cathode and anode, and an alkaline electrolyte solution. The cathode is typically formed from MnO 2 , carbon particles and a binder. The anode can be formed from a gel containing zinc particles. The electrolyte solution dispersed throughout the battery is most commonly an aqueous solution containing 30-40% potassium hydroxide. Battery separators used in alkaline batteries have certain performance requirements. For example, such a separator needs to be stable in the presence of a strong alkaline electrolyte (eg, 30-40% KOH). The lack of alkali chemical resistance can lead to internal shorts between the electrodes due to a loss of mechanical integrity. Good electrolyte absorption is also necessary, meaning that the separator is fully impregnated with the electrolyte solution needed for the electrochemical reaction of the cell. Another requirement of the separator is a barrier to the growing dendrites of conductive zinc oxide formed by electrochemical reactions in the cell that can cause a short circuit through the separator. The separator must also allow the movement of ions between the electrodes, in other words, the separator should exhibit a low resistance to ion flow.
二次アルカリ亜鉛−ＭｎＯ２バッテリーは、類似のアノード、カソードおよび一次アルカリバッテリーとしての電解質を有する。一定の添加剤（例えばＢｉ２Ｏ３、ＢａＳＯ４、有機抑制剤等）が、度々、アノードおよびカソードに添加されて、バッテリーが放電した後に充電可能であるよう可逆性を向上すると共に、亜鉛腐食を低減させる。充電および放電中に、添加剤のいくつかは電解質中に溶解して、他の電極に移動することが可能である。良好なデンドライトバリア特性を有するセパレータの使用は、亜鉛−ＭｎＯ２二次バッテリーのサイクル寿命の延長化を助けるであろう。 Secondary alkaline zinc-MnO 2 batteries have similar anode, cathode and electrolyte as primary alkaline batteries. Certain additives (eg, Bi 2 O 3 , BaSO 4 , organic inhibitors, etc.) are often added to the anode and cathode to improve reversibility so that it can be charged after the battery is discharged and zinc corrosion Reduce. During charging and discharging, some of the additives can dissolve in the electrolyte and move to other electrodes. The use of a separator with good dendrite barrier properties will help extend the cycle life of the zinc-MnO 2 secondary battery.
アルカリバッテリーのためのバッテリーセパレータは、従来、良好な（低い）イオン抵抗を有するが、成長するデンドライトに対する比較的劣ったバリア（本願明細書において「デンドライトバリア」としても称される）を有する大きな孔を有する厚い、多層化不織布、または良好なデンドライトバリアを有するが、きわめて高いイオン抵抗を有するきわめて小さい孔をその上に有する微孔質メンブランを備えた多層化不織布のいずれかである。デンドライトバリアおよびイオン抵抗の改善されたバランスを有するセパレータを備えるアルカリバッテリーを有することが望ましい。 Battery separators for alkaline batteries traditionally have good (low) ionic resistance, but large pores with a relatively poor barrier to growing dendrites (also referred to herein as “dendritic barriers”). Or a multilayered nonwoven with a microporous membrane having a very small pore on it with a good dendrite barrier but very high ionic resistance. It would be desirable to have an alkaline battery with a separator having an improved balance of dendrite barrier and ionic resistance.
特許文献１は、少なくとも１つの不織層および、セロファン、ポリビニルアルコール、ポリスルホン、グラフト化ポリプロピレンまたはポリアミド製の微孔質層であり得るデンドライトショートを低減させる層を含む複合体バッテリーセパレータを開示する。複合体セパレータの厚さは約８．３ミルである。バッテリーセパレータは、１ＫＨｚで、４０％水酸化カリウム（ＫＯＨ）電解質溶液中に計測されたときに、９０ミリオーム−ｃｍ２未満のイオン抵抗を有する。微孔質層は、空気に対してきわめて高いレベルのバリアを有する混合ことが望ましいが、高いイオン抵抗、劣った電解質濡れ性、および劣った電解質吸収特性を有することは望ましくない。 U.S. Patent No. 6,057,031 discloses a composite battery separator that includes at least one nonwoven layer and a layer that reduces dendritic shorts, which can be a microporous layer made of cellophane, polyvinyl alcohol, polysulfone, grafted polypropylene or polyamide. The thickness of the composite separator is about 8.3 mil. The battery separator has an ionic resistance of less than 90 milliohm-cm 2 when measured in a 40% potassium hydroxide (KOH) electrolyte solution at 1 KHz. The microporous layer is desirably mixed with a very high level of barrier to air, but it is not desirable to have high ionic resistance, poor electrolyte wettability, and poor electrolyte absorption properties.
特許文献２は、厚さを低減させると共にアルカリバッテリーにおいて用いられるためのバッテリーセパレータのバリア特性を向上させるための、１．０デニール以上を有するセルロース繊維と組み合わせた、０．８デニール以下を有するＰＶＡ繊維の使用を開示する。しかし、セルロース繊維の繊度がこれより低減されると、より高い表面積繊維は、より速い劣化速度をもたらすこととなる。 U.S. Patent No. 6,057,049 PVA having 0.8 denier or less in combination with cellulose fibers having 1.0 denier or more to reduce thickness and improve barrier properties of battery separators for use in alkaline batteries. Disclose the use of fibers. However, if the fineness of the cellulose fibers is reduced below this, the higher surface area fibers will result in a faster degradation rate.
リチウムバッテリーは、リチウム一次バッテリー、リチウムイオン二次バッテリーおよびリチウムイオンゲルポリマーバッテリーの３つの一般的なカテゴリーに属する。リチウム一次バッテリーは、各々リチウムをアノードとして用いるがカソード材料および電解質が異なる、多くの異なるタイプのバッテリー化学を用いる。リチウムマンガンオキシドまたはＬｉ−ＭｎＯ２セルにおいては、リチウムがアノードとして用いられると共にＭｎＯ２がカソード材料として用いられ；電解質が、プロピレンカーボネートおよび１，２−ジメトキシエタンなどの混合有機溶剤中にリチウム塩を含有する。硫化鉄リチウムまたはＬｉ／ＦｅＳ２バッテリーは、リチウムをアノードとして、二硫化鉄をカソードとして、および有機溶剤ブレンド中のヨウ化リチウムを電解質として用いる。リチウムイオン二次バッテリーは、リチウム挿入炭素をアノードとして、リチウム金属酸化物（例えばＬｉＣｏＯ２）をカソードとしておよび１Ｍリチウムヘキサフルオロリン酸（ＬｉＰＦ６）との有機溶剤のブレンドを電解質として用いる。リチウムイオンゲルポリマーバッテリーは、同様のアノードおよびカソード材料をリチウムイオン二次バッテリーとして用いる。液体有機電解質が高分子セパレータとのゲルを形成し、これが、セパレータおよび電極間の良好な結合の提供を補助する。ゲル電解質のイオン抵抗は液体電解質のものより高いが、ゲル電解質は、安全性および形成要件（すなわち、異なる形状およびサイズにバッテリーを形成する可能性）に関していくつかの利点を提供する。 Lithium batteries belong to three general categories: lithium primary batteries, lithium ion secondary batteries and lithium ion gel polymer batteries. Lithium primary batteries use many different types of battery chemistries, each using lithium as the anode, but with different cathode materials and electrolytes. In lithium manganese oxide or Li-MnO 2 cells, lithium is used as the anode and MnO 2 is used as the cathode material; the electrolyte contains a lithium salt in a mixed organic solvent such as propylene carbonate and 1,2-dimethoxyethane. contains. Lithium iron sulfide or Li / FeS 2 batteries use lithium as the anode, iron disulfide as the cathode, and lithium iodide in the organic solvent blend as the electrolyte. Lithium ion secondary batteries use lithium-inserted carbon as an anode, lithium metal oxide (eg, LiCoO 2 ) as a cathode and an organic solvent blend with 1M lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) as an electrolyte. Lithium ion gel polymer batteries use similar anode and cathode materials as lithium ion secondary batteries. The liquid organic electrolyte forms a gel with the polymer separator, which helps provide a good bond between the separator and the electrode. Although the ionic resistance of gel electrolytes is higher than that of liquid electrolytes, gel electrolytes offer several advantages with respect to safety and forming requirements (ie, the possibility of forming batteries in different shapes and sizes).
特許文献３は、リチウム二次バッテリー中のバッテリーセパレータとして用いるための極微細繊維状多孔性ポリマーセパレータフィルムを開示し、このセパレータフィルムは、１〜１００μｍの厚さを有する。セパレータフィルムは、１〜３０００ｎｍの間の直径を有する、高分子溶融物または高分子溶液を電界紡糸することにより形成された微細繊維から形成される。 Patent Document 3 discloses an ultrafine fibrous porous polymer separator film for use as a battery separator in a lithium secondary battery, and the separator film has a thickness of 1 to 100 μm. The separator film is formed from fine fibers formed by electrospinning a polymer melt or polymer solution having a diameter between 1 and 3000 nm.
近年において、電子機器の小型化により、バッテリーは、従来のバッテリー性能を犠牲にすることなく小型化されなければならない。アルカリバッテリーにおいてセパレータとして簡便に用いられる不織材料は大径繊維を有し、それ故、薄いセパレータを達成することが困難となっている。このような不織布はまた、例えば約１５〜約３５μｍの間の大きな孔を有する。アノードおよびカソードの粒子は、大きな孔を通って相互に移動して、内部短絡を生じさせ得る。大きな孔径を補うと共に、セパレータのデンドライトバリアを向上させる（すなわち、短絡からの保護）ために、より厚いセパレータが多層を用いて形成されている。しかしながら、こうした厚いセパレータは、より高いイオン抵抗をもたらすため、バッテリー性能の観点からは好ましくなく、また、電子機器において有用であるコインセルおよび他の小型バッテリー等に用いる際は、セパレータが厚いため設計上の制約を受けるか、用途が限られることになる。従って、より高いエネルギー密度を有するバッテリーや、電気二重層キャパシタ、コンデンサとするためには、より薄いセパレータを有することが望ましいが、従来のセパレータを単に薄くした場合には、十分なデンドライトバリアが得られない。よって、薄く形成することが可能であり、バリア特性を犠牲にすることなく低いイオン抵抗を有するセパレータを有することが望ましい。
一方で、我々がエレクトロスピニング法やエレクトロブローイング法等で得られる微細繊維を、上記セパレータ等に応用しようとしたが、高い容量保持性が得られないといった問題があることがわかった。
In recent years, due to the miniaturization of electronic devices, batteries must be miniaturized without sacrificing conventional battery performance. Nonwoven materials that are easily used as separators in alkaline batteries have large diameter fibers and therefore it is difficult to achieve thin separators. Such nonwovens also have large pores, for example, between about 15 and about 35 μm. The anode and cathode particles can move to each other through large pores, creating an internal short circuit. To compensate for the large pore size and improve the separator's dendrite barrier (ie, protection from short circuit), thicker separators are formed using multiple layers. However, such a thick separator is not preferable from the viewpoint of battery performance because it provides higher ionic resistance, and when used in coin cells and other small batteries that are useful in electronic devices, the separator is thick, and thus is not designed. The usage is limited. Therefore, it is desirable to have a thinner separator for a battery having a higher energy density, an electric double layer capacitor, or a capacitor. However, if the conventional separator is simply made thinner, a sufficient dendrite barrier can be obtained. I can't. Therefore, it is desirable to have a separator that can be formed thin and has low ionic resistance without sacrificing barrier properties.
On the other hand, when we tried to apply the fine fibers obtained by the electrospinning method, the electroblowing method, etc., to the separator etc., it was found that there was a problem that high capacity retention could not be obtained.
本発明は上記背景技術に鑑みなされたもので、その目的は、イオン透過性や耐短絡性等が良好であり、かつ高レートでの容量保持性に優れ、バッテリー、電気二重層キャパシタ、コンデンサ等のセパレータや絶縁材として好適な微細繊維構造体を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned background art, and its purpose is good ion permeability, short-circuit resistance, etc., and excellent capacity retention at a high rate, such as a battery, an electric double layer capacitor, a capacitor, etc. Another object of the present invention is to provide a fine fiber structure suitable as a separator or an insulating material.
本発明者は、エレクトロスピニング法やエレクトロブローイング法等で得られる微細繊維からなる微細繊維構造体をバッテリー等のセパレータや絶縁材に用いたとき、高い容量保持性が得られないといった問題があることに着目し、検討を重ねた結果、次の構成によりかかる課題を解決できることを見出した。 The present inventor has a problem that high capacity retention cannot be obtained when a fine fiber structure composed of fine fibers obtained by an electrospinning method or an electroblowing method is used for a separator or an insulating material of a battery or the like. As a result of repeated examinations, it was found that the problem can be solved by the following configuration.
かくして本発明によれば、平均直径が５０〜３０００ｎｍの高分子微細繊維からなる多孔性微細繊維層を含んでなる微細繊維構造体であって、多孔性微細繊維層の表面において任意に１０箇所選んだ短辺９０μｍ、長辺１２０μｍの長方形の範囲における、平均直径の３倍以上の直径を有する節および塊の数の平均値が１０個未満であり、多孔性微細繊維層の、平均細孔径が０．０１〜１５μｍ、厚さが０．００２５〜０．３ｍｍ、多孔度が２０〜９０％、坪量が１〜９０ｇ／ｍ２、フラジール通気度が４６ｍ３／分／ｍ２未満、およびマクミラン数が２〜１５であることを特徴とする微細繊維構造体が提供される。 Thus, according to the present invention, a fine fiber structure comprising a porous fine fiber layer composed of polymer fine fibers having an average diameter of 50 to 3000 nm, which is arbitrarily selected at 10 positions on the surface of the porous fine fiber layer. However, the average number of nodes and lumps having a diameter of 3 times or more of the average diameter in the rectangular range of 90 μm short side and 120 μm long side is less than 10, and the average pore diameter of the porous fine fiber layer is 0.01-15 μm, thickness 0.0025-0.3 mm, porosity 20-90%, basis weight 1-90 g / m 2 , fragile air permeability less than 46 m 3 / min / m 2 , and Macmillan A fine fiber structure characterized in that the number is 2 to 15 is provided.
本発明の微細繊維構造体は、節や塊が極めて少なく、これをバッテリー等のセパレータや絶縁材に用い、イオン透過性や耐短絡性等が良好であり、かつ高レートでの容量保持性に優れている。このため、該微細繊維構造体からは、高性能のバッテリー、電気二重層キャパシタ、コンデンサ等を製造することができる。 The fine fiber structure of the present invention has very few nodes and lumps, which is used for separators and insulating materials such as batteries, has good ion permeability and short circuit resistance, etc., and has high capacity capacity retention. Are better. For this reason, a high performance battery, an electric double layer capacitor, a capacitor, etc. can be manufactured from this fine fiber structure.
本発明の微細繊維構造体は、薄く、低いイオン抵抗および良好なデンドライトバリア特性、ソフトショートバリア特性、耐短絡性等に同時に優れており、バッテリー、電気二重層キャパシタ、コンデンサ等のセパレータや絶縁材に用い優れた性能を発揮する。つまり、本発明の微細繊維構造体は、バッテリーに用いるセパレータや絶縁材としたとき、電解質を吸収する高い容量を有する一方で、電解質溶液で飽和されたときにおいても、該セパレータ等が、それらのデンドライトバリア特性を損失しないよう、実用における優れた構造維持性、化学的安定性、および寸法安定性を有している。また、電気二重層キャパシタ、コンデンサに用いるセパレータや絶縁材としたときも、電解質を吸収する高い容量を有する一方で、電解質溶液で飽和されたときにおいても、該セパレータ等が、それらのソフトショートバリア特性を損失しないよう、実用における優れた構造維持性、化学的安定性、および寸法安定性を有している。 The fine fiber structure of the present invention is excellent in thin, low ionic resistance and good dendrite barrier properties, soft short barrier properties, short circuit resistance, etc., and separators and insulating materials for batteries, electric double layer capacitors, capacitors, etc. Used for demonstrating excellent performance. That is, the fine fiber structure of the present invention has a high capacity for absorbing the electrolyte when used as a separator or insulating material for a battery, while the separator and the like are saturated even when saturated with an electrolyte solution. In order not to lose the dendrite barrier properties, it has excellent structure maintenance, chemical stability and dimensional stability in practical use. In addition, when used as a separator or an insulating material for an electric double layer capacitor or capacitor, the separator or the like has a high capacity for absorbing the electrolyte, and when the separator is saturated with the electrolyte solution, the soft short barrier In order not to lose the characteristics, it has excellent structure maintainability, chemical stability, and dimensional stability in practical use.
上記の、バッテリー、電気二重層キャパシタ、コンデンサのセパレータや絶縁材はいずれもその厚みが薄いほど、バッテリー、電気二重層キャパシタ、コンデンサにおいて用いられる材料（すなわちアノード、セパレータや絶縁材、およびカソード）の全厚が薄くなるため、高い電気化学的に活性な材料を特定容積中に内在させることが可能であり、大容量のバッテリー、電気二重層キャパシタや、コンデンサを製造できる。上記セパレータ等は、低いイオン抵抗を有し、イオンは、アノードおよびカソード間を流れやすくなる。これらの性能はマクミラン数が２〜１５、好ましくは２〜６となることによって実証されるが、本発明は後述する、微細繊維の平均直径、微細繊維構造体の構成等を満足させることによって実現できる。 As the above-mentioned battery, electric double layer capacitor, capacitor separator and insulating material are all thinner, the materials used in the battery, electric double layer capacitor and capacitor (ie, anode, separator, insulating material, and cathode) Since the total thickness is reduced, a high electrochemically active material can be contained in a specific volume, and a large-capacity battery, an electric double layer capacitor, and a capacitor can be manufactured. The separator or the like has a low ionic resistance, and ions easily flow between the anode and the cathode. These performances are demonstrated by a Macmillan number of 2 to 15, preferably 2 to 6, but the present invention is realized by satisfying the average diameter of the fine fibers, the structure of the fine fiber structure, etc., which will be described later. it can.
本発明の微細繊維構造体は、平均直径が５０〜３０００ｎｍ、好ましくは５０〜１０００ｎｍ、さらに好ましくは１００〜８００ｎｍの高分子微細繊維のからなる多孔性微細繊維層を少なくとも１層含んでいる。こうした微細繊維は、高い表面積を有する上記のバッテリー等のセパレータや絶縁材としたとき、良好な電解質吸収性および保持性を達成できる。 The fine fiber structure of the present invention includes at least one porous fine fiber layer composed of polymer fine fibers having an average diameter of 50 to 3000 nm, preferably 50 to 1000 nm, and more preferably 100 to 800 nm. Such fine fibers can achieve good electrolyte absorbability and retention when used as separators or insulating materials for the above-mentioned batteries having a high surface area.
本発明においては、多孔性微細繊維層の平均細孔径は０．０１〜１５μｍ、好ましくは０．０１〜５μｍ、より好ましくは０．０１〜１μｍである。平均細孔径が０．０１μｍより小さいと、通気度が低く、イオン抵抗度が高くなってしまう。一方、平均細孔径が１５μｍより大きいと、短絡しやすくなり好ましくない。 In the present invention, the average fine pore diameter of the porous fine fiber layer is 0.01 to 15 μm, preferably 0.01 to 5 μm, more preferably 0.01 to 1 μm. When the average pore diameter is smaller than 0.01 μm, the air permeability is low and the ionic resistance is high. On the other hand, if the average pore diameter is larger than 15 μm, short circuiting tends to occur, which is not preferable.
また、多孔性微細繊維層の多孔度は２０〜９０％、好ましくは４０〜８０％の多孔度を有する。上記多孔度を高くすることで、上記と同様にバッテリー等における良好な電解質の吸収性および保持性を達成できる。 The porosity of the porous fine fiber layer is 20 to 90%, preferably 40 to 80%. By increasing the porosity, it is possible to achieve good electrolyte absorption and retention in a battery or the like as described above.
本発明においては、多孔性微細繊維層の厚さは０．００２５〜０．３ｍｍ、好ましくは０．０１２７〜０．１２７ｍｍである。バッテリー等のセパレータや絶縁材に用いた場合、アノードおよびカソード間のデンドライト誘起ショートを防止するのに十分な厚さとし、一方で、カソードおよびアノード間で良好にイオンが流れるようにするため、上記範囲とすることが好ましい。上記のような薄い多孔性微細繊維層を含む微細繊維構造体は、セパレータや絶縁材としたとき、セル中の電極にさらなる空間を作ることができ、バッテリー等として性能を改善し、長寿命化を図ることができる。 In the present invention, the thickness of the porous fine fiber layer is 0.0025 to 0.3 mm, preferably 0.0127 to 0.127 mm. When used in separators and insulating materials for batteries, etc., the thickness should be sufficient to prevent dendrite-induced shorts between the anode and cathode, while allowing ions to flow well between the cathode and anode. It is preferable that The fine fiber structure including the thin porous fine fiber layer as described above can create more space in the electrode in the cell when used as a separator or an insulating material, improving performance as a battery, etc. Can be achieved.
本発明においては、多孔性微細繊維層の坪量は１〜９０ｇ／ｍ２、好ましくは５〜３０ｇ／ｍ２である。この坪量が９０ｇ／ｍ２を超える場合には、イオン抵抗が大きくなりすぎる可能性がある。一方、坪量が１ｇ／ｍ２未満の場合には、セパレータは、アノードおよびカソード間のデンドライトショートやソフトショートバリア特性を低減することができない場合がある。 In the present invention, the basis weight of the porous fine fiber layer is 1 to 90 g / m 2 , preferably 5 to 30 g / m 2 . When this basic weight exceeds 90 g / m < 2 >, ionic resistance may become large too much. On the other hand, when the basis weight is less than 1 g / m 2 , the separator may not be able to reduce the dendrite short and soft short barrier characteristics between the anode and the cathode.
本発明においては、多孔性微細繊維層のフラジール通気度は４６ｍ３／分／ｍ２未満、好ましくは８ｍ３／分／ｍ２未満、より好ましくは１．５ｍ３／分／ｍ２未満である。一般には、フラジール通気度が高いほど、セパレータとしたときのイオン抵抗は低くなるため高いフラジール通気度を有するセパレータが望ましい。 In the present invention, the fragile permeability of the porous fine fiber layer is less than 46 m 3 / min / m 2 , preferably less than 8 m 3 / min / m 2 , more preferably less than 1.5 m 3 / min / m 2. . In general, the higher the fragile air permeability, the lower the ionic resistance of the separator, so a separator having a high fragile air permeability is desirable.
本発明においては、多孔性微細繊維層の表面において任意に１０箇所選んだ短辺９０μｍ、長辺１２０μｍの長方形の範囲における、該平均直径の３倍以上の直径を有する節および塊の数の平均値が１０個未満であり、好ましくは８個以下、より好ましくは５個以下であることが肝要であり、節および塊の数が１０個以上では、本発明の目的とする高レートでの容量保持率を実現することが難しくなる。 In the present invention, the average number of nodes and lumps having a diameter of three times or more of the average diameter in a rectangular range having a short side of 90 μm and a long side of 120 μm arbitrarily selected on the surface of the porous fine fiber layer. It is important that the value is less than 10, preferably 8 or less, and more preferably 5 or less. When the number of nodes and lumps is 10 or more, the capacity at the high rate that is the object of the present invention. It becomes difficult to achieve the retention rate.
すなわち、本発明は、エレクトロスピニング法やエレクトロブローイング法などで得られる微細繊維からなる多孔性微細繊維層を含む繊維構造体を、セパレータや絶縁材としてバッテリー、キャパシタ、コンデンサ等に用いたとき、高レートでの容量保持率が得られないといった問題があることに着目し、その原因が該多孔微細繊維層に含まれる節および塊に起因することを突き止め、さらに、後述するように、エレクトロスピニング法などにおいて、ポリマー溶液を連続的に供給し、且つ周辺の温度、湿度を制御することにより、爆裂ポイントを固定化しノズルからのポリマー溶液の吐出が安定し、均一な微細繊維が得られ、上記微細繊維構造体が得られることを見出したものである。 That is, the present invention is highly effective when a fiber structure including a porous fine fiber layer made of fine fibers obtained by an electrospinning method or an electroblowing method is used for a battery, a capacitor, a capacitor, or the like as a separator or an insulating material. Focusing on the problem that the capacity retention rate at the rate cannot be obtained, the cause is determined to be caused by the nodes and lumps contained in the porous fine fiber layer, and further, as will be described later, the electrospinning method In such a case, by continuously supplying the polymer solution and controlling the ambient temperature and humidity, the explosion point is fixed, the discharge of the polymer solution from the nozzle is stabilized, and uniform fine fibers are obtained. It has been found that a fiber structure can be obtained.
本発明の微細繊維構造体に使用できる好適であるポリマーとしては、バッテリー、電気二重層キャパシタ、コンデンサ等に用いられる電解質溶液に対して実質的に不活性であるいずれかの熱可塑性および熱硬化性ポリマーが挙げられる。セパレータの繊維の形成に用いるために好適であるポリマーとしては、限定されないが、ポリビニルアルコール、脂肪族ポリアミド、半芳香族ポリアミド、芳香族ポリアミド、ポリスルホン、セルロースアセテート、セルロース、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン、ポリエチレンオキシド、ポリメチルペンテン、ポリアクリロニトリルポリフェニレンスルフィド、ポリアセチル、ポリウレタン、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレンならびにこれらのコポリマーまたは誘導体化合物、およびこれらの組み合わせが挙げられる。 Suitable polymers that can be used in the fine fiber structure of the present invention include any thermoplastic and thermosetting that is substantially inert to the electrolyte solution used in batteries, electric double layer capacitors, capacitors, etc. Polymers. Polymers suitable for use in forming the separator fibers include, but are not limited to, polyvinyl alcohol, aliphatic polyamide, semi-aromatic polyamide, aromatic polyamide, polysulfone, cellulose acetate, cellulose, polyethylene terephthalate, polypropylene terephthalate, poly Butylene terephthalate, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene, polyethylene oxide, polymethylpentene, polyacrylonitrile polyphenylene sulfide, polyacetyl, polyurethane, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polystyrene and copolymers or derivative compounds thereof, and these The combination of is mentioned.
本発明のいくつかの実施形態においては、多孔性構造を維持すると共に、構造的または機械的完全性を向上し、これによりこれから形成されるセパレータのデンドライトバリア、および熱安定性向上させるために、高分子微細繊維のポリマーを架橋することが好ましい。一定のポリマー、例えばポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレートは、電解質中に膨潤しまたはゲル化し、微細繊維構造の孔を塞ぐ傾向にある。また、電解質中において軟化または分解して、微細繊維構体の係蹄にの造的完全性をもたらすであろう。バッテリーセパレータのポリマーに応じて、種々の架橋剤および架橋条件を用いることが可能である。上述のポリマーのすべてを化学的架橋、電子ビーム架橋またはＵＶ架橋などの公知の手段によって架橋することが可能である。 In some embodiments of the invention, in order to maintain a porous structure and improve structural or mechanical integrity, thereby improving the dendrite barrier and thermal stability of separators formed therefrom, It is preferable to crosslink the polymer of the polymer fine fiber. Certain polymers, such as polyvinyl alcohol (PVA), polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene, polyethylene oxide, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, swell or gel in the electrolyte, plugging the pores of the fine fiber structure There is a tendency. It will also soften or decompose in the electrolyte, resulting in structural integrity to the snare of the fine fiber structure. Depending on the polymer of the battery separator, various crosslinking agents and crosslinking conditions can be used. All of the above polymers can be crosslinked by known means such as chemical crosslinking, electron beam crosslinking or UV crosslinking.
ＰＶＡは、化学的架橋、電子ビーム架橋またはＵＶ架橋のいずれかによって架橋されることが可能である。ＰＶＡ微細繊維層の化学的架橋は、ＰＶＡ層をジアルデヒドおよび酸で処理し、その後、酸をＮａＨＣＯ３で中和し、および層を水で洗浄することにより行うことが可能である。ＰＶＡの架橋は、これを不水溶性として、その機械的強度およびその耐酸化および耐薬品性を増加させる。 PVA can be crosslinked either by chemical crosslinking, electron beam crosslinking or UV crosslinking. Chemical cross-linking of the PVA fine fiber layer can be done by treating the PVA layer with dialdehyde and acid, then neutralizing the acid with NaHCO 3 and washing the layer with water. Cross-linking of PVA makes it water-insoluble and increases its mechanical strength and its oxidation and chemical resistance.
ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレンセパレータは、架橋剤（ＰＥＧＤＭＡオリゴマー）および架橋開始剤（２，２−アゾビスイソブチロニトリル）を添加すると共に、セパレータを８０℃で１２時間加熱することにより架橋することが可能である。ポリアクリロニトリルセパレータは、架橋剤（例えば、エチレングリコールジメタクリレート、またはトリエチレングリコールジメタクリレート）および開始剤（例えば、ベンゾイルパーオキシド）を添加すると共に６０℃で加熱することにより架橋することが可能である。 A polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene separator is crosslinked by adding a crosslinking agent (PEGDMA oligomer) and a crosslinking initiator (2,2-azobisisobutyronitrile) and heating the separator at 80 ° C. for 12 hours. It is possible. Polyacrylonitrile separators can be crosslinked by adding a crosslinking agent (eg, ethylene glycol dimethacrylate or triethylene glycol dimethacrylate) and an initiator (eg, benzoyl peroxide) and heating at 60 ° C. .
本発明の一実施形態はアルカリバッテリーに関する。バッテリーは、例えば、アノードが亜鉛であり、およびカソードがマンガンオキシド（ＭｎＯ２）である亜鉛−マンガンオキシドまたはＺｎ−ＭｎＯ２バッテリー、またはアノードが亜鉛であり、およびカソードが空気である亜鉛空気バッテリーといったアルカリ一次バッテリーであることができ、または例えば、アノードがカドミウムであり、およびカソードがニッケルオキシ−ヒドロキシド（ＮｉＯＯＨ）であるニッケルカドミウムバッテリー、アノードが亜鉛であり、およびカソードがＮｉＯＯＨであるニッケル亜鉛またはＮｉ−Ｚｎバッテリー、アノードが金属水素化物（例えばＬａＮｉ５）であり、およびカソードがＮｉＯＯＨであるニッケル金属水素化物（ＮｉＭＨ）バッテリーまたはアノードが水素（Ｈ２）であり、およびカソードがＮｉＯＯＨであるニッケル−水素またはＮｉＨ２バッテリーといったアルカリ二次バッテリーであることができる。アルカリバッテリーの他のタイプとしては、アノードが亜鉛であり、およびカソードが水銀オキシド（ＨｇＯ）である亜鉛／水銀オキシド、アノードがカドミウムであり、およびカソードが水銀オキシドであるカドミウム／水銀オキシド、アノードが亜鉛であり、およびカソードが銀色オキシド（ＡｇＯ）である亜鉛／銀色オキシド、アノードがカドミウムであり、およびカソードが銀色オキシドであるカドミウム／銀色オキシドが挙げられる。すべてのこれらのバッテリータイプは、３０〜４０％水酸化カリウムを電解質として用いる。 One embodiment of the invention relates to an alkaline battery. The battery can be, for example, a zinc-manganese oxide or Zn-MnO 2 battery in which the anode is zinc and the cathode is manganese oxide (MnO 2 ), or a zinc-air battery in which the anode is zinc and the cathode is air. Can be an alkaline primary battery or, for example, a nickel cadmium battery in which the anode is cadmium and the cathode is nickel oxy-hydroxide (NiOOH), nickel zinc or the anode is zinc and the cathode is NiOOH or A Ni—Zn battery, the anode is a metal hydride (eg, LaNi 5 ), and the cathode is NiOOH, a nickel metal hydride (NiMH) battery or the anode is hydrogen (H 2 ), and It can be hydrogen or NiH 2 alkaline secondary battery such as a battery - fine cathode nickel is NiOOH. Other types of alkaline batteries include zinc / mercury oxide where the anode is zinc and the cathode is mercury oxide (HgO), the anode is cadmium and the cadmium / mercury oxide where the cathode is mercury oxide, the anode is Zinc / silver oxide, which is zinc and the cathode is silver oxide (AgO), cadmium / silver oxide where the anode is cadmium and the cathode is silver oxide. All these battery types use 30-40% potassium hydroxide as the electrolyte.
本発明の他の実施形態はリチウムバッテリーに関する。本発明のリチウムバッテリーは、Ｌｉ−ＭｎＯ２またはＬｉ−ＦｅＳ２リチウム一次バッテリーなどのリチウム一次バッテリー、リチウムイオン二次バッテリーまたはリチウムイオンゲルポリマーバッテリーであることができる。 Another embodiment of the invention relates to a lithium battery. The lithium battery of the present invention can be a lithium primary battery, such as a Li—MnO 2 or Li—FeS 2 lithium primary battery, a lithium ion secondary battery, or a lithium ion gel polymer battery.
リチウム一次バッテリーは、多くの異なるタイプのバッテリー化学を利用し、各々はリチウムをアノードとして用いるが、異なるカソード材料（ＳＯ２、ＳＯＣｌ２、ＳＯ２Ｃｌ２、ＣＦｎ、ＣｕＯ、ＦｅＳ２、ＭｎＯ２等）および電解質を用いる。リチウムマンガンオキシドまたはＬｉ−ＭｎＯ２セルにおいて、リチウムがアノードとしておよびＭｎＯ２がカソード材料として用いられ；電解質は、リチウム塩を、プロピレンカーボネートおよび１，２−ジメトキシエタンなどの混合有機溶剤中に含有する。硫化鉄リチウムまたはＬｉ／ＦｅＳ２バッテリーは、リチウムをアノードとして、二硫化鉄をカソードとして、および有機溶剤ブレンド（例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメトキシエタン等）中のヨウ化リチウムを電解質として用いる。 Lithium primary batteries utilize many different types of battery chemistry, each using lithium as the anode, but different cathode materials (SO 2 , SOCl 2 , SO 2 Cl 2 , CFn, CuO, FeS 2 , MnO 2, etc. ) And an electrolyte. In lithium manganese oxide or Li-MnO 2 cells, lithium is used as the anode and MnO 2 as the cathode material; the electrolyte contains a lithium salt in a mixed organic solvent such as propylene carbonate and 1,2-dimethoxyethane. . Lithium iron sulfide or Li / FeS 2 batteries use lithium as the anode, iron disulfide as the cathode, and lithium iodide in an organic solvent blend (eg, propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethoxyethane, etc.) as the electrolyte.
リチウムイオン二次バッテリーは、リチウム挿入炭素をアノードとして、リチウム金属酸化物（例えば、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４等）をカソードとしておよび有機溶剤のブレンド（例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等）を１Ｍリチウムヘキサフルオロリン酸（ＬｉＰＦ６）と共に電解質として用いる。 Lithium ion secondary batteries use lithium-inserted carbon as an anode, lithium metal oxides (eg, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4, etc.) as cathodes and blends of organic solvents (eg, propylene carbonate, ethylene carbonate, Diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, etc.) are used as an electrolyte together with 1M lithium hexafluorophosphoric acid (LiPF 6 ).
リチウムイオンゲルポリマーバッテリーは、リチウムイオン二次バッテリーと類似のアノードおよびカソードを用いる。液体有機電解質は、高分子セパレータ（例えば、ＰＶｄＦ、ＰＶｄＦ−ＨＦＰ、ＰＭＭＡ、ＰＡＮ、ＰＥＯ等）とゲルを形成し、これが、セパレータおよび電極間の良好な接合を得るために補助する。ゲル電解質のイオン抵抗は液体電解質より高いが、安全性および形成要件の点で追加の利点を提供する。 Lithium ion gel polymer batteries use anodes and cathodes similar to lithium ion secondary batteries. The liquid organic electrolyte forms a gel with a polymeric separator (eg, PVdF, PVdF-HFP, PMMA, PAN, PEO, etc.), which helps to obtain a good bond between the separator and the electrode. Gel electrolytes have higher ionic resistance than liquid electrolytes, but offer additional advantages in terms of safety and formation requirements.
本発明の他の実施形態は電気二重層キャパシタであり、炭素ベースの電極を、例えば、アセトニトリルまたはプロピレンカーボネートの溶液および１．２モル濃度の第４級テトラフルオロアンモニウムホウ酸塩といった有機または非水性電解質、または例えば、３０〜４０％ＫＯＨ溶液といった水性電解質と共に用いる電気二重層キャパシタとすることができる。 Another embodiment of the present invention is an electric double layer capacitor, wherein the carbon-based electrode is organic or non-aqueous such as, for example, a solution of acetonitrile or propylene carbonate and a 1.2 molar quaternary tetrafluoroammonium borate. It can be an electric double layer capacitor used with an electrolyte or an aqueous electrolyte such as a 30-40% KOH solution.
また、本発明においては、キャパシタンスを提供する還元−酸化化学反応に依存する電気二重層キャパシタとすることができる。このような電気二重層キャパシタは、「擬似キャパシタ（ｐｓｅｕｄｏ ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ）」または「レドックスキャパシタ」として称される。擬似キャパシタは、炭素、貴金属水和酸化物、変性遷移金属酸化物および導電性ポリマーベースの電極、ならびに水性および有機電解質を用いることができる。 Moreover, in this invention, it can be set as the electric double layer capacitor depending on the reduction-oxidation chemical reaction which provides a capacitance. Such electric double layer capacitors are referred to as “pseudocapacitors” or “redox capacitors”. Pseudocapacitors can use carbon, noble metal hydrated oxides, modified transition metal oxides and conductive polymer based electrodes, as well as aqueous and organic electrolytes.
本発明の他の実施形態は、エッチングされたアルミニウム箔アノードと、アルミニウム箔またはフィルムカソードと、それらの間に介挿されたセパレータとを含むアルミニウム電解コンデンサである。本発明の微細繊維構造体からなるセパレータおよび絶縁材は、液体電解溶液または導電性ポリマーで含浸されている。液体電解質溶液は、極性溶媒と、無機酸、有機酸、無機酸塩および有機酸塩から選択された少なくとも１つの塩とを含有している。 Another embodiment of the present invention is an aluminum electrolytic capacitor that includes an etched aluminum foil anode, an aluminum foil or film cathode, and a separator interposed therebetween. The separator and insulating material comprising the fine fiber structure of the present invention are impregnated with a liquid electrolytic solution or a conductive polymer. The liquid electrolyte solution contains a polar solvent and at least one salt selected from an inorganic acid, an organic acid, an inorganic acid salt, and an organic acid salt.
本発明のコンデンサは、２つの導電性アルミニウム箔と、電解質に浸漬されたセパレータとを含み、導電性アルミニウム箔の一方は絶縁酸化物層でコートされているものを例示できる。酸化物層でコートされたアルミニウム箔はアノードである一方、液体電解質および第２の箔はカソードとして機能する。多層組立体が巻き上げられ、ピンコネクタで固定され、円筒アルミニウムケースに入れられる。箔は高純度アルミニウムであり、何十億もの微細なトンネルが化学的にエッチングされて、電解質と接触する表面積を広げる。アノード箔は、アノード箔上に化学的に成長した酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の薄層であるコンデンサの誘電体を支える。電解質は、電圧および動作温度範囲に従って異なる処方の成分のブレンドである。主な成分は、溶媒と、電気伝導する溶質としての導電性塩である。一般的な溶媒は、エチレングリコール（ＥＧ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）およびガンマブチルラクトン（ｇａｍｍａｂｕｔｒａｌａｃｔｏｎｅ）（ＧＢＬ）である。一般的な溶質は、ホウ酸アンモニウムおよびその他のアンモニウム塩である。少量の水を電解質に添加して、酸化アルミニウム誘電体の完全性を維持する。セパレータは、箔電解質が互いに接触したり、短絡したりするのを防ぎ、電解質の容器を保持させることができる。 The capacitor of the present invention includes two conductive aluminum foils and a separator immersed in an electrolyte, and one of the conductive aluminum foils may be coated with an insulating oxide layer. The aluminum foil coated with the oxide layer is the anode, while the liquid electrolyte and the second foil function as the cathode. The multilayer assembly is rolled up, secured with a pin connector, and placed in a cylindrical aluminum case. The foil is high purity aluminum and billions of fine tunnels are chemically etched to increase the surface area in contact with the electrolyte. The anode foil supports the capacitor dielectric, which is a thin layer of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) chemically grown on the anode foil. The electrolyte is a blend of components of different formulations according to voltage and operating temperature range. The main components are a solvent and a conductive salt as a solute that conducts electricity. Common solvents are ethylene glycol (EG), dimethylformamide (DMF) and gammabutyllactone (GBL). Common solutes are ammonium borate and other ammonium salts. A small amount of water is added to the electrolyte to maintain the integrity of the aluminum oxide dielectric. The separator can prevent the foil electrolytes from contacting each other or from being short-circuited, and can hold the electrolyte container.
本発明の微細繊維構造体層およびそれを構成する多孔性微細繊維層の形成プロセスは、公知のエレクトロスピニングプロセス、または、国際公開第２００３／０８０９０５号パンフレット（米国特許出願第１０／８２２，３２５号明細書）に開示されているエレクトロブローイングプロセスを採用することができる。 The fine fiber structure layer of the present invention and the formation process of the porous fine fiber layer constituting the fine fiber structure layer can be performed by a known electrospinning process, or WO2003 / 080905 (US Patent Application No. 10 / 822,325). The electroblowing process disclosed in the specification can be employed.
本発明では、例えば、上記プロセスを通る搬送収集手段を一度通過（すなわち、スピンパック下の搬送収集手段に一度通過）することにより一層からなる多孔性微細繊維層（繊維ウェブ）が形成される。繊維ウェブは、同一の搬送手段上を配置された１つもしくはそれ以上のスピンパック下を通過させることによって多層構造とすることもできる。 In the present invention, for example, a porous fine fiber layer (fiber web) composed of one layer is formed by passing once through the transport collection means passing through the above process (that is, once passing through the transport collection means under the spin pack). The fibrous web can also be multi-layered by passing under one or more spin packs arranged on the same conveying means.
収集された微細繊維層は、例えば繊維同士を結合することによって、その引張強度を向上させることができる。特に縦方向（長さ方向）の引張強度を高くすることによって、セルの巻回性を向上させ、かつ使用におけるセパレータとしたとき良好なデンドライトバリア性にも寄与する。微細繊維同士の結合方法は、特に限定されないが、加熱された平滑なニップロールの間での熱カレンダー加工、超音波結合、点結合、および高温雰囲気中を通過せる結合など公知の方法を採用することができる。繊維同士の結合により、微細繊維層は取り扱い性が向上し、かつバッテリー、電気二重層キャパシタ、コンデンサ用のセパレータや絶縁材への形成に必要は微細繊維層の強度を付与することもできる。また、接合方法に応じて、厚さ、密度、孔径、および形状などの物理特性を調整することができる。熱カレンダー加工を用いる場合、微細繊維が溶融し、個々の繊維形態が失われるまで過度に融着させ、完全なフィルム状としないようにする必要がある。 The collected fine fiber layer can improve the tensile strength by bonding fibers, for example. In particular, by increasing the tensile strength in the longitudinal direction (longitudinal direction), the winding property of the cell is improved, and it contributes to good dendrite barrier properties when used as a separator in use. The bonding method between the fine fibers is not particularly limited, but a known method such as thermal calendering between heated and smooth nip rolls, ultrasonic bonding, point bonding, and bonding that can pass through a high-temperature atmosphere should be adopted. Can do. Due to the bonding between the fibers, the fine fiber layer is improved in handleability, and the strength of the fine fiber layer can be imparted to form a separator for a battery, an electric double layer capacitor, a capacitor, or an insulating material. In addition, physical properties such as thickness, density, hole diameter, and shape can be adjusted depending on the bonding method. When using thermal calendering, it is necessary that the fine fibers are melted and fused excessively until individual fiber forms are lost, so as not to form a complete film.
本発明においては、例えば、エレクトロスピニングやエレクトロブローイング等により、ポリマー溶液を連続的に供給し、該ポリマー溶液を吐出する吐出ノズルの周囲の温度を２０〜３０℃、湿度を４５〜５５％に制御し、爆裂ポイントを吐出ノズルの下方１０〜７０ｃｍの範囲、好ましくは３０〜５０ｍｍの範囲に固定化、すなわちこの範囲で爆裂を均一に連続して発生させることにより、前述したように多孔微細繊維層表面の節や塊の数を極めて少なくすることができる。上記処理は、ポリマー等の限定はないが、特にポリイミドや芳香族ポリアミド、半芳香族ポリアミド等からなる微細繊維構造体に含まれる節や塊の数の低減に効果があることがわかった。 In the present invention, for example, the polymer solution is continuously supplied by electrospinning, electroblowing, etc., and the temperature around the discharge nozzle for discharging the polymer solution is controlled to 20 to 30 ° C., and the humidity is controlled to 45 to 55%. Then, by fixing the explosion point in the range of 10 to 70 cm below the discharge nozzle, preferably in the range of 30 to 50 mm, that is, by generating the explosion uniformly and continuously in this range, the porous fine fiber layer as described above The number of nodes and lumps on the surface can be extremely reduced. Although the above-mentioned treatment is not limited to polymers and the like, it has been found that the treatment is particularly effective in reducing the number of nodes and lumps contained in a fine fiber structure made of polyimide, aromatic polyamide, semi-aromatic polyamide or the like.
本発明の微細繊維構造体は、高分子微細繊維からなる多孔性微細繊維層の単一層または多層のいずれでもよい。繊維構造体が多層からなる場合、同一の高分子微細繊維からなる多孔性微細繊維層から構成されても、あるいは、異なる高分子微細繊維の多孔性微細繊維層から構成されていてもよい。多層の場合は、特に限定されないが、ポリマー、厚さ、坪量、孔径、繊維サイズ、多孔度、通気度、イオン抵抗および引張強度などの少なくともいずれかで異なる多孔性微細繊維層を積層するものであっても良い。また、本発明の微細繊維構造体は、少なくとも一層は本発明の要件を満たす多孔性微細繊維層を含んでいればよく、本発明の目的を阻害しない範囲で、本発明の要件を満たさない、例えば繊維直径が３０００ｎｍを超える繊維からなる湿式不織布、乾式不織布等の繊維構造体や、多孔樹脂膜等を含んでいてもよい。 The fine fiber structure of the present invention may be a single layer or a multilayer of porous fine fiber layers made of polymer fine fibers. When the fiber structure is composed of multiple layers, it may be composed of a porous fine fiber layer made of the same polymer fine fiber, or may be made of a porous fine fiber layer of different polymer fine fibers. In the case of multiple layers, although not particularly limited, a laminate of porous fine fiber layers that differ in at least one of polymer, thickness, basis weight, pore diameter, fiber size, porosity, air permeability, ionic resistance, tensile strength, etc. It may be. Further, the fine fiber structure of the present invention only needs to include at least one porous fine fiber layer that satisfies the requirements of the present invention and does not satisfy the requirements of the present invention as long as the object of the present invention is not impaired. For example, a fiber structure such as a wet nonwoven fabric or a dry nonwoven fabric made of fibers having a fiber diameter exceeding 3000 nm, a porous resin film, or the like may be included.
以下、実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。しかし、以下の例によって、本発明が限定されることはない。なお、実施例中の各特性値は下記の方法で測定した。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples. However, the present invention is not limited by the following examples. In addition, each characteristic value in an Example was measured with the following method.
＜繊維の平均直径＞
微細繊維を任意に５０本サンプリングし、走査型電子顕微鏡ＪＳＭ６３３０Ｆ（ＪＥＯＬ社製）にて測定し、繊維直径の平均値を求めた。なお測定は、２０，０００倍の倍率で行った。
<Average diameter of fiber>
Fifty fine fibers were arbitrarily sampled and measured with a scanning electron microscope JSM6330F (manufactured by JEOL), and the average value of the fiber diameters was determined. The measurement was performed at a magnification of 20,000 times.
＜坪量＞
多孔性微細繊維層を、１辺が２５ｍｍの正方形に切り出し、その重量を電子天秤を用いて測定し、１辺が１ｍの正方形として換算し、坪量とした。
<Basis weight>
The porous fine fiber layer was cut into a square having a side of 25 mm, the weight was measured using an electronic balance, and the basis weight was converted into a square having a side of 1 m.
＜厚さ＞
小野測器製デジタルリニアゲージＤＧ−９２５（測定端子部の直径１ｃｍ）を用い、多孔性微細繊維層の任意に選択した２０箇所において厚さを測定し、平均値を求めた。
<Thickness>
Using Ono Sokki's digital linear gauge DG-925 (measurement terminal diameter 1 cm), the thickness was measured at 20 arbitrarily selected porous fine fiber layers, and the average value was obtained.
＜平均細孔径＞
Ｃａｐｉｌｌａｒｙ Ｆｌｏｗ Ｐｏｒｏｍｅｔｅｒ ＣＦＰ−１２００−ＡＥＸＬ（Ｐｏｒｏｕｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ, Ｉｎｃ.社製）を用いて、多孔性微細繊維層の平均細孔径を求めた。
<Average pore diameter>
The average pore diameter of the porous fine fiber layer was determined using Capillary Flow Porometer CFP-1200-AEXL (manufactured by Porous Materials, Inc.).
＜フラジール通気度＞
多孔性微細繊維層からサンプルを切り出し、ＪＩＳ Ｌ１０９６（２０１０） ８．２６ Ａ法（フラジール形式）に準拠し、フラジール型試験機（ＴＥＸＴＥＳＴ社製 ＦＸ３３００）を用い測定範囲を５ｃｍ２として測定し、測定値を単位ｍ３／分／ｍ２で示した。
<Fragile air permeability>
A sample was cut out from the porous fine fiber layer, measured in accordance with JIS L1096 (2010) 8.26 A method (Fragile format), and measured using a Fragil tester (FX3300 manufactured by TEXTEST) with a measurement range of 5 cm 2. Values are given in units of m 3 / min / m 2 .
＜マクミラン数＞
多孔性微細繊維層を２０ｍｍΦに切り出し、２枚のＳＵＳ電極に挟み、１０ｋＨｚでの交流インピーダンスから算出した電導度で電解液のイオン電導度を除し、算出する。電解液は０．５モル濃度のリチウムトリフルオロメタンスルホネート（ＬｉＴＦＳ）、プロピレンカーボネート：エチレンカーボネート：ジメトキシエタン（２２：８：７０）を用い、測定温度は２５℃とした。
<Number of Macmillan>
A porous fine fiber layer is cut into 20 mmΦ, sandwiched between two SUS electrodes, and the ionic conductivity of the electrolyte is divided by the conductivity calculated from the AC impedance at 10 kHz. The electrolyte used was 0.5 molar lithium trifluoromethanesulfonate (LiTFS), propylene carbonate: ethylene carbonate: dimethoxyethane (22: 8: 70), and the measurement temperature was 25 ° C.
＜多孔度＞
多孔性微細繊維層の坪量（ｇ／ｍ３）、微細繊維を構成するポリマーの密度（ｇ／ｃｍ３）、厚さ（μｍ）から、次の式により算出した。
多孔度（％）＝１００−坪量／（ポリマーの密度×厚さ）×１００
<Porosity>
From the basis weight (g / m 3 ) of the porous fine fiber layer, the density (g / cm 3 ) of the polymer constituting the fine fiber, and the thickness (μm), the following formula was used.
Porosity (%) = 100-basis weight / (polymer density × thickness) × 100
＜節および塊の数＞
多孔性微細繊維層の表面において任意に１０箇所選んだ短辺９０μｍ、長辺１２０μｍの長方形の範囲を、走査型電子顕微鏡ＪＳＭ６３３０Ｆ（ＪＥＯＬ社製）にて観察し、微細繊維の平均直径の３倍以上の直径を有する、節および塊の数を数え、平均値を四捨五入し整数で表した。なお測定は、２０００倍の倍率で行った。
<Number of nodes and chunks>
Observed with a scanning electron microscope JSM6330F (manufactured by JEOL), a rectangular range with a short side of 90 μm and a long side of 120 μm arbitrarily selected on the surface of the porous fine fiber layer was 3 times the average diameter of the fine fibers. The number of nodes and lumps having the above diameter was counted, and the average value was rounded off and expressed as an integer. The measurement was performed at a magnification of 2000 times.
＜容量保持率（レート特性試験）＞
正極材料にマンガン酸リチウム、負極材料に天然黒鉛、電解液に１．０Ｍ−ＬｉＰＦ６−ＥＣ／ＥＭＣ＝３／７を用いて、設計容量６０ｍＡｈのラミネートセルを作成し、２０℃環境下で０．５Ｃ、４．２Ｖの定電流・定電圧充電（３．５時間）後、０．２Ｃ、２．７Ｖカットオフの定電流放電を実施し、２０℃環境下での電池容量を確認した後、再度、０．５Ｃ、４．２Ｖの定電流・定電圧充電（３．５時間）を実施し、その後、５．０Ｃ、２．７Ｖカットオフの定電流放電を実施し、０．２Ｃ放電対比での容量保持率を算出した。
<Capacity retention (rate characteristic test)>
A laminate cell having a design capacity of 60 mAh was prepared using lithium manganate as the positive electrode material, natural graphite as the negative electrode material, and 1.0M-LiPF 6 -EC / EMC = 3/7 as the electrolyte solution. After a constant current / constant voltage charge (3.5 hours) of .5C and 4.2V, after performing a constant current discharge of 0.2C and 2.7V and confirming the battery capacity in a 20 ° C. environment Again, 0.5C, 4.2V constant current / constant voltage charging (3.5 hours) was performed, then 5.0C, 2.7V cut-off constant current discharging was performed, and 0.2C discharging was performed. The capacity retention in comparison was calculated.
［実施例１］
特公昭４７−１０８６３号公報記載の方法に準じた下記の界面重合法により目的ポリマーを製造した。
イソフタル酸ジクロライド２５．１３ｇ（９９ｍｏｌ％）と第３成分としてテレフタル酸ジクロライド０．２５ｇ（１ｍｏｌ％）を水分含有率２ｍｇ／１００ｍｌのテトラヒドロフラン１２５ｍｌに溶解し、−２５℃に冷却した。これを撹拌しながらメタフェニレンジアミン１３．５２ｇ（１００ｍｏｌ％）を、上記テトラヒドロフラン１２５ｍｌに溶解した溶液を細流として約１５分間にわたって添加し、白色の乳濁液（Ａ）を作製した。これとは別に無水炭酸ナトリウム１３．２５ｇを水２５０ｍｌに室温で溶かし、これを撹拌しながら５℃まで冷却して炭酸ナトリウム水和物結晶を析出させ分散液（Ｂ）を作製した。上記乳濁液（Ａ）と分散液（Ｂ）とを激しく混合した。更に２分間混合を続けた後、２００ｍｌの水を加えて希釈し、生成重合体を白色粉末として沈殿させた。重合終了系からろ過、水洗、乾燥して目的とするポリマー（密度：１．３８ｇ／ｃｍ３）を得た。
得られた芳香族コポリアミドポリマーをＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミドに、ポリマー濃度が１６重量％となるように溶解させ紡糸溶液とした。この紡糸溶液をノズルから吐出させ、エレクトロスピニング法により印加電圧を５０ｋＶとし微細繊維を成形し、該ノズルから３０ｃｍ下の搬送ネットでこれを回収し微細繊維ウェッブを得た。
この際、一次爆裂ポイントを上記吐出ノズルから下方３０〜５０ｍｍの範囲に固定化させるため、温度を２２℃、湿度を５０％に制御した。その結果、上記範囲で爆裂は均一に連続して発生していた。続いて得られた微細繊維ウェッブに、金属製加熱ローラ（上下とも金属ローラとした）を用いて、該ローラ表面温度３４０℃、線圧５０ｋｇ／ｃｍで連続的に加熱加圧処理を行い、多孔性微細繊維層一層からなる微細繊維構造体を得た。結果を表１に示す。
[Example 1]
The target polymer was produced by the following interfacial polymerization method according to the method described in Japanese Patent Publication No. 47-10863.
25.13 g (99 mol%) of isophthalic acid dichloride and 0.25 g (1 mol%) of terephthalic acid dichloride as a third component were dissolved in 125 ml of tetrahydrofuran having a water content of 2 mg / 100 ml and cooled to −25 ° C. While stirring this, 13.52 g (100 mol%) of metaphenylenediamine was added over about 15 minutes as a trickle of a solution obtained by dissolving 125 ml of the above tetrahydrofuran to prepare a white emulsion (A). Separately, 13.25 g of anhydrous sodium carbonate was dissolved in 250 ml of water at room temperature, and this was cooled to 5 ° C. with stirring to precipitate sodium carbonate hydrate crystals to prepare a dispersion (B). The emulsion (A) and dispersion (B) were mixed vigorously. After further mixing for 2 minutes, 200 ml of water was added for dilution, and the resulting polymer was precipitated as a white powder. Filtration, washing with water and drying were carried out from the polymerization completed system to obtain the desired polymer (density: 1.38 g / cm 3 ).
The obtained aromatic copolyamide polymer was dissolved in N, N-dimethylacetamide so that the polymer concentration was 16% by weight to obtain a spinning solution. The spinning solution was discharged from a nozzle, an applied voltage was set to 50 kV by an electrospinning method, and fine fibers were formed. The fine fibers were collected by a transport net 30 cm below the nozzle to obtain a fine fiber web.
At this time, in order to fix the primary explosion point within a range of 30 to 50 mm below the discharge nozzle, the temperature was controlled to 22 ° C. and the humidity to 50%. As a result, explosions occurred uniformly and continuously within the above range. Subsequently, the obtained fine fiber web was subjected to continuous heat and pressure treatment at a roller surface temperature of 340 ° C. and a linear pressure of 50 kg / cm using a metal heating roller (both upper and lower metal rollers). A fine fiber structure comprising a single layer of conductive fine fiber was obtained. The results are shown in Table 1.
［実施例２］
湿度を４５％に変更した以外は、実施例１の製造方法に従い、微細繊維構造体を作成した。一次爆裂ポイントは吐出ノズルから下方１０〜７０ｍｍの範囲で均一に連続して発生していた。結果を表１に示す。
[Example 2]
A fine fiber structure was prepared according to the production method of Example 1 except that the humidity was changed to 45%. The primary explosion point occurred uniformly and continuously in a range of 10 to 70 mm below the discharge nozzle. The results are shown in Table 1.
［比較例１］
湿度を４２％に変更した以外は、実施例１と同様の製造方法に従い、微細繊維構造体を作成した。一次爆裂ポイントは吐出ノズルから下方１０〜７０ｍｍの範囲で不連続に発生、すなわちこの範囲で爆裂が発生したりしなかったりした。結果を表１に示す。
[Comparative Example 1]
A fine fiber structure was prepared according to the same production method as in Example 1 except that the humidity was changed to 42%. The primary explosion point occurred discontinuously in the range of 10 to 70 mm below the discharge nozzle, that is, explosion did not occur in this range. The results are shown in Table 1.
［比較例２］
湿度を６７％に変更した以外は、実施例１と同様の製造方法に従い、微細繊維構造体を作成した。一次爆裂ポイントは吐出ノズルから下方１０〜７０ｍｍの範囲で不連続に発生、すなわちこの範囲で爆裂が発生したりしなかったりした。結果を表１に示す。
[Comparative Example 2]
A fine fiber structure was prepared according to the same production method as in Example 1 except that the humidity was changed to 67%. The primary explosion point occurred discontinuously in the range of 10 to 70 mm below the discharge nozzle, that is, explosion did not occur in this range. The results are shown in Table 1.
本発明の微細繊維構造体は、節や塊が極めて少なく、これをバッテリー等のセパレータや絶縁材に用い、イオン透過性や耐短絡性等が良好であり、かつ高レートでの容量保持性に優れている。このため、該微細繊維構造体からは、高性能のバッテリー、電気二重層キャパシタ、コンデンサ等を製造することができる。 The fine fiber structure of the present invention has very few nodes and lumps, which is used for separators and insulating materials such as batteries, has good ion permeability and short circuit resistance, etc., and has high capacity capacity retention. Are better. For this reason, a high performance battery, an electric double layer capacitor, a capacitor, etc. can be manufactured from this fine fiber structure.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2012155543A JP2014015697A (en) | 2012-07-11 | 2012-07-11 | Fine fiber structure |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105355818A (en) * | 2015-12-15 | 2016-02-24 | 上海洁晟环保科技有限公司 | Compound nanofiber lithium battery diaphragm and preparation method thereof |
| JP2017091972A (en) * | 2015-11-16 | 2017-05-25 | トヨタ紡織株式会社 | Manufacturing method for cell element separator |
| KR20220041777A (en) | 2019-07-25 | 2022-04-01 | 도레이 카부시키가이샤 | Polyolefin microporous membrane and separator for non-aqueous electrolyte secondary battery |
-
2012
- 2012-07-11 JP JP2012155543A patent/JP2014015697A/en active Pending
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| CN105355818A (en) * | 2015-12-15 | 2016-02-24 | 上海洁晟环保科技有限公司 | Compound nanofiber lithium battery diaphragm and preparation method thereof |
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