JP2015181110A - 耐熱性微多孔膜、リチウムイオン二次電池用セパレータ及びリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
耐熱性樹脂は、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、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共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体等の含フッ素ゴム、スチレン−ブタジエン共重合体およびその水素化物、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体およびその水素化物、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体およびその水素化物、メタクリル酸エステル−アクリル酸エステル共重合体、スチレン−アクリル酸エステル共重合体、アクリロニトリル−アクリル酸エステル共重合体、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、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、ポリアミド及びポリエステルから選択された少なくとも一種を含み、
耐熱性粒子は、金属酸化物、金属窒化物及び金属炭化物から選択された少なくとも一種を含み、
耐熱性粒子の凝集塊であり、耐熱層の高さ平均面を基準として耐熱性粒子の平均粒径の2倍以上の高さを有する突起物の個数が、耐熱層の表面面積0.0418mm2当たり60個以下であり、かつ、突起物の耐熱層表面法線方向からの面積が、耐熱層の表面面積0.0418mm2当たり500μm2以下であり、
熱収縮率が3.5%未満であることを特徴とする。
1.第1の実施の形態(この発明の耐熱性微多孔膜の例)
2.第2の実施の形態(この発明の耐熱性微多孔膜を用いた電池の例)
第1の実施の形態における耐熱性微多孔膜1は、耐熱性樹脂と耐熱性粒子とを含む耐熱層を基材層の少なくとも一方の面に形成したものであり、耐熱層表面から突出する耐熱性粒子の凝集塊を所定値以下としたものである。この耐熱性微多孔膜1は、電池のセパレータ用途に限らず、一般的な耐熱性樹脂フィルム用途にも用いることができる。以下、この発明の耐熱性微多孔膜1について詳細に説明する。
第1の実施の形態における耐熱性微多孔膜1は、図1に示すように、強度に優れる微多孔膜からなる基材2と、基材2の少なくとも一方の面に形成され、耐熱性、耐収縮性に優れる耐熱層3とを備える。耐熱性微多孔膜1を電池用途、すなわちセパレータとして用いる場合、耐熱性微多孔膜1は電池内において正極と負極とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。
基材2は、イオン透過度が大きく、所定の機械的強度を有する絶縁性の薄膜から構成される樹脂製多孔質膜である。このような樹脂材料としては、例えばポリプロピレン(PP)またはポリエチレン(PE)などのポリオレフィン系の合成樹脂、アクリル樹脂、スチレン樹脂、ポリエステル樹脂またはナイロン樹脂等を用いることが好ましい。特に、低密度ポリエチレン(LDPE)、高密度ポリエチレン(HDPE)、線状ポリエチレン等のポリエチレン、もしくはそれらの低分子量ワックス分、またはポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂が溶融温度が適当で、入手が容易なので好適に用いられる。また、これら2種以上の多孔質膜を積層した構造、もしくは、2種以上の樹脂材料を溶融混練して形成した多孔質膜としてもよい。ポリオレフィン系の多孔質膜を含むものは、正極と負極との分離性に優れ、内部短絡や開回路電圧の低下をいっそう低減することができる。
耐熱層3は、基材2の少なくとも一方の面に形成されるものであり、耐熱性樹脂と、耐熱性粒子とを含有する。耐熱性微多孔膜1は、電池内に配設される際に、耐熱層3が少なくとも正極と対向するように、すなわち、耐熱層3が正極と基材2との間に位置するように配設される。耐熱層3は、耐熱性粒子を含んでいるものの、耐熱性粒子が基材2に形成された微少な孔の目詰まりを起こすことのない機能層として存在している。
まず、耐熱性樹脂とN−メチル−2−ピロリドン(NMP)等の分散溶媒とを、所定の重量比で混合し、耐熱性樹脂をN−メチル−2−ピロリドンに十分に溶解させて、耐熱性樹脂が溶解された耐熱性樹脂溶液を作製する。次に、耐熱性樹脂溶液に、アルミナ等の耐熱性粒子微粉末を所定量添加し、ビーズミル等の攪拌性の高い装置を用いて攪拌し、塗布スラリーを作製する。
第2の実施の形態は、第1の実施の形態による耐熱性微多孔膜を電池用セパレータとして用いた非水電解質電池である。
図4は、この発明の第2の実施の形態による非水電解質電池の一構成例を示す斜視図である。また、図5は、この発明の第2の実施の形態による非水電解質電池の電極積層構造(図4の非水電解質電池のI−I断面)を示す断面図である。
外装部材19は、例えば、熱融着層、金属層および外装樹脂層をこの順に積層しラミネート加工などにより貼り合わせた構造を有するラミネートフィルムである。外装部材19は、例えば、熱融着層の側を内側として、各外縁部が融着あるいは接着剤により互いに密着されている。
正極11は、正極活物質を含有する正極活物質層11Bが、正極集電体11Aの両面上に形成されたものである。正極集電体11Aとしては、例えばアルミニウム(Al)箔、ニッケル(Ni)箔あるいは、ステンレス(SUS)箔などの金属箔を用いることができる。
負極12は、負極活物質を含有する負極活物質層12Bが、負極集電体12Aの両面上に形成されたものである。負極集電体12Aとしては、例えば銅(Cu)箔、ニッケル(Ni)箔あるいはステンレス(SUS)箔などの金属箔を用いることができる。
セパレータ13は、第1の実施の形態の耐熱性微多孔膜1を用いることができる。セパレータ13は、電池内に配設される際に、耐熱層3が少なくとも正極と対向するように、すなわち、少なくとも耐熱層3が正極11と基材2との間に位置するように配設される。これにより、高充電電圧時における正極近傍の酸化環境および高温環境からセパレータ13を保護することができる。
電解質層14は、非水電解液と、この非水電解液を保持する高分子化合物とを含有しており、いわゆるゲル状となっている。非水電解液は、電解質塩と、この電解質塩を溶解する溶媒とを含んでいる。電解質塩としては、例えば、例えば、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ化ヒ酸リチウム(LiAsF6)、テトラフェニルホウ酸リチウム(LiB(C6H5)4)、メタンスルホン酸リチウム(LiCH3SO3)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、テトラクロロアルミン酸リチウム(LiAlCl4)、六フッ化ケイ酸二リチウム(Li2SiF6)、塩化リチウム(LiCl)あるいは臭化リチウム(LiBr)などが挙げられる。電解質塩にはいずれか1種を用いてもよいが、2種以上を混合して用いてもよい。
ピレン(PC)、炭酸ブチレン(BC)、炭酸ビニレン(VC)、炭酸ジメチル(DMC)、炭酸エチルメチル(EMC)あるいは炭酸ジエチル(DEC)などの炭酸エステル系溶媒、1,2−ジメトキシエタン、1−エトキシ−2−メトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフランあるいは2−メチルテトラヒドロフランなどのエーテル系溶媒、アセトニトリルなどのニトリル系溶媒、スルフォラン系溶媒、リン酸類、リン酸エステル溶媒、またはピロリドン類などの非水溶媒が挙げられる。溶媒は、いずれか1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
[正極の製造方法]
正極活物質と、結着剤と、導電剤とを混合して正極合剤を調製し、この正極合剤をN−メチル−2−ピロリドンなどの溶剤に分散して混合液を調製する。次に、この正極合剤スラリーを正極集電体11Aに塗布し乾燥させたのち、ロールプレス機などにより圧縮成型して正極活物質層11Bを形成し、正極11を得る。
負極活物質と、結着剤とを混合して負極合剤を調製し、この負極合剤をN−メチル−2−ピロリドンなどの溶剤に分散させて負極合剤スラリーとする。次に、この負極合剤スラリーを負極集電体12Aに塗布し溶剤を乾燥させたのち、ロールプレス機などにより圧縮成型して負極活物質層12Bを形成し、負極12を得る。
まず、非水溶媒と、電解質塩と、必要に応じて溶剤とを含む前駆溶液を調整する。この前駆溶液を、正極11および負極12のそれぞれの表面に塗布した後、溶剤を揮発させてゲル状の電解質層14を形成する。続いて、正極集電体11Aおよび負極集電体12Aにそれぞれ正極リード15および負極リード16を取り付ける。ここで、正極リード15および負極リード16は、電解質層14の形成前に正極集電体11Aおよび負極集電体12Aに取り付けておくようにしても良い。
まず、重量平均分子量1000000のポリフッ化ビニリデン樹脂(PVdF)とN−メチル−2−ピロリドン(NMP)とを、重量比でPVdF:NMP=10:90となるように混合し、ポリフッ化ビニリデンをN−メチル−2−ピロリドンに十分に溶解させて、ポリフッ化ビニリデンが10重量%溶解されたポリフッ化ビニリデン溶液を作製した。
基材の両面に設ける耐熱層の片面厚さを1.55μm、両面厚さ3.1μmとした以外は、実施例1と同様にして耐熱層を有する微多孔膜を形成した。
基材の両面に設ける耐熱層の片面厚さを2.75μm、両面厚さ5.5μmとした以外は、実施例1と同様にして耐熱層を有する微多孔膜を形成した。
塗布スラリー作製時に、ビーズミルの代わりにディスパーミルを用いて攪拌するとともに、基材の両面に設ける耐熱層の片面厚さを2.75μm、両面厚さ5.5μmとした以外は、実施例1と同様にして耐熱層を有する微多孔膜を形成した。
塗布スラリー作製時に、ビーズミルを用いずにポリフッ化ビニリデン溶液とアルミナとを入れた容器を手で振って攪拌するとともに、基材の両面に設ける耐熱層の片面厚さを2.75μm、両面厚さ5.5μmとした以外は、実施例1と同様にして耐熱層を有する微多孔膜を形成した。
(a)熱収縮量性
実施例1〜実施例4および比較例1のセパレータそれぞれをMD(Machine Direction)方向に60mm、TD(Transverse Direction)方向に60mmに切り出した後、切り出した試料を90℃に調節した恒温槽で1時間保持した。この後、試料を取り出して室温に放冷してから試料の長さを測定した。試料の大きさは、MD方向およびTD方向のそれぞれについて測定した。
熱収縮率[%]=[{高温保存前長さ(60)−高温保存後長さ}/高温保存前長さ(60)]×100
そして、MD方向熱収縮率と、TD方向熱収縮率とを比較し、値が大きい方を熱収縮率とした。
2・・・基材層
3・・・耐熱層
10・・・巻回電極体
11・・・正極
11A・・・正極集電体
11B・・・正極活物質層
12・・・負極
12A・・・負極集電体
12B・・・負極活物質層
13・・・セパレータ
14・・・電解質(層)
15・・・正極端子
16・・・負極端子
17・・・密着フィルム
18・・・保護テープ
19・・・外装部材
Claims (32)
- 基材と、
上記基材の両面に形成され、耐熱性樹脂と耐熱性粒子を含有する耐熱層と、を含み、
上記耐熱性樹脂は、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、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共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体等の含フッ素ゴム、スチレン−ブタジエン共重合体およびその水素化物、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体およびその水素化物、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体およびその水素化物、メタクリル酸エステル−アクリル酸エステル共重合体、スチレン−アクリル酸エステル共重合体、アクリロニトリル−アクリル酸エステル共重合体、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、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、ポリアミド及びポリエステルから選択された少なくとも一種を含み、
上記耐熱性粒子は、金属酸化物、金属窒化物及び金属炭化物から選択された少なくとも一種を含み、
上記耐熱性粒子の凝集塊であり、上記耐熱層の高さ平均面を基準として該耐熱性粒子の平均粒径の2倍以上の高さを有する突起物の個数が、該耐熱層の表面面積0.0418mm2当たり60個以下であり、かつ、該突起物の該耐熱層表面法線方向からの面積が、該耐熱層の表面面積0.0418mm2当たり500μm2以下であり、
熱収縮率が3.5%未満である
耐熱性微多孔膜。 - 上記熱収縮率が2.8%以下である、請求項1に記載の耐熱性微多孔膜。
- 上記耐熱性粒子が、球状、繊維状又はランダム形状である、請求項1又は2に記載の耐熱性微多孔膜。
- 上記耐熱層が、さらに粘土鉱物を含む、請求項1乃至3のいずれか一に記載の耐熱性微多孔膜。
- 上記金属酸化物が、アルミナ(Al2O3)、マグネシア(MgO)、チタニア(TiO2)、ジルコニア(ZrO2)及びシリカ(SiO2)から選択された少なくとも一種を含む、請求項1乃至4のいずれか一に記載の耐熱性微多孔膜。
- 上記金属窒化物が、窒化ケイ素(Si3N4)、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ホウ素(BN)及び窒化チタン(TiN)から選択された少なくとも一種を含む、請求項1乃至4のいずれか一に記載の耐熱性微多孔膜。
- 上記金属炭化物が、炭化ケイ素(SiC)及び炭化ホウ素(B4C)から選択された少なくとも一種を含む、請求項1乃至4のいずれか一に記載の耐熱性微多孔膜。
- 上記基材が、ポリオレフィン系樹脂を含む、請求項1乃至7のいずれか一に記載の耐熱性微多孔膜。
- 上記基材の厚さが、12μm以上20μm以下である、請求項1乃至8のいずれか一に記載の耐熱性微多孔膜。
- 上記基材の空隙率が、40%以上50%以下である、請求項1乃至9のいずれか一に記載の耐熱性微多孔膜。
- 上記耐熱性樹脂の融点およびガラス転移温度の少なくとも一方が、180℃以上である、請求項1乃至10のいずれか一に記載の耐熱性微多孔膜。
- 上記耐熱性樹脂がポリフッ化ビニリデンである、請求項1乃至11のいずれか一に記載の耐熱性微多孔膜。
- 基材と、
上記基材の両面に形成され、耐熱性樹脂と耐熱性粒子を含有する耐熱層と、を含み、
上記耐熱性樹脂は、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、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共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体等の含フッ素ゴム、スチレン−ブタジエン共重合体およびその水素化物、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体およびその水素化物、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体およびその水素化物、メタクリル酸エステル−アクリル酸エステル共重合体、スチレン−アクリル酸エステル共重合体、アクリロニトリル−アクリル酸エステル共重合体、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、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、ポリアミド及びポリエステルから選択された少なくとも一種を含み、
上記耐熱性粒子は、金属酸化物、金属窒化物及び金属炭化物から選択された少なくとも一種を含み、
上記耐熱性粒子の凝集塊であり、上記耐熱層の高さ平均面を基準として該耐熱性粒子の
平均粒径の2倍以上の高さを有する突起物の個数が、該耐熱層の表面面積0.0418m
m2当たり60個以下であり、かつ、該突起物の該耐熱層表面法線方向からの面積が、該
耐熱層の表面面積0.0418mm2当たり500μm2以下であり、
熱収縮率が3.5%未満である
リチウムイオン二次電池用セパレータ。 - 上記熱収縮率が2.8%以下である、請求項13に記載のリチウムイオン二次電池用セパレータ。
- 正極と、負極と、正極と負極の間に設けられたセパレータを含む二次電池であって、
上記セパレータは、基材と、該基材の両面に形成され、耐熱性樹脂と耐熱性粒子を含有する耐熱層を含み、
上記耐熱性樹脂は、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、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共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体等の含フッ素ゴム、スチレン−ブタジエン共重合体およびその水素化物、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体およびその水素化物、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体およびその水素化物、メタクリル酸エステル−アクリル酸エステル共重合体、スチレン−アクリル酸エステル共重合体、アクリロニトリル−アクリル酸エステル共重合体、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、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、ポリアミド及びポリエステルから選択された少なくとも一種を含み、
上記耐熱性粒子は、金属酸化物、金属窒化物及び金属炭化物から選択された少なくとも一種を含み、
上記耐熱性粒子の凝集塊であり、上記耐熱層の高さ平均面を基準として該耐熱性粒子の
平均粒径の2倍以上の高さを有する突起物の個数が、該耐熱層の表面面積0.0418m
m2当たり60個以下であり、かつ、該突起物の該耐熱層表面法線方向からの面積が、該
耐熱層の表面面積0.0418mm2当たり500μm2以下であり、
熱収縮率が3.5%未満である
リチウムイオン二次電池。 - 上記熱収縮率が2.8%以下である、請求項15に記載のリチウムイオン二次電池。
- 上記正極は、正極集電体上に正極活物質層を有し、
上記正極活物質層は、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)およびマンガン(Mn)から選択される少なくとも一種を含むリチウム複合酸化物、又は、リチウムを有しない金属硫化物若しくは金属酸化物を含む、請求項16に記載のリチウムイオン二次電池。 - 上記負極は、負極集電体上に負極活物質層を有し、
上記負極活物質層は、少なくとも下記(1)〜(3)のいずれか一種を含む、請求項16又は請求項17に記載のリチウムイオン二次電池。
(1)炭素材料、
(2)リチウム金属、
(3)マグネシウム(Mg)、ホウ素(B)、アルミニウム、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、ビスマス(Bi)、カドミウム(Cd)、銀(Ag)、亜鉛(Zn)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)、パラジウム(Pd)及び白金(Pt)から選択される少なくとも一種の金属元素若しくは半金属元素の単体、合金又は化合物。 - 上記負極活物質層は、酸素(O)若しくは炭素(C)を含有するケイ素又はスズの化合物を含む、請求項18に記載のリチウムイオン二次電池。
- 上記セパレータに非水電解質が含まれている、請求項16乃至19のいずれか一に記載のリチウムイオン二次電池。
- 非水電解液と該非水電解液を保持する高分子化合物を含む、ゲル状電解質層を備えた、請求項16乃至19のいずれか一に記載のリチウムイオン二次電池。
- 上記非水電解液は、電解質塩と溶媒を含み、
上記溶媒は、ラクトン系溶媒、炭酸エステル溶媒、エーテル系溶媒、ニトリル系溶媒、スルフォラン系溶媒、リン酸類、リン酸エステル溶媒及び非水溶媒から選ばれた少なくとも一種を含む、請求項21に記載のリチウムイオン二次電池。 - 上記非水電解液は、電解質塩と溶媒を含み、
上記溶媒は、環状エステルまたは鎖状エステルの水素の一部または全部がフッ素化された化合物を含む、請求項21又は22に記載のリチウムイオン二次電池。 - 上記高分子化合物は、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ビニリデンフルオライド(VdF)とヘキサフルオロプロピレン(HFP)との共重合体、ポリエチレンオキサイド(PEO)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリプロピレンオキサイド(PPO)及びポリメチルメタクリレート(PMMA)から選ばれた少なくとも一種を含む、請求項21乃至23のいずれか一に記載のリチウムイオン二次電池。
- 円筒型、角型、積層型またはコイン型である、請求項16乃至24のいずれか一に記載のリチウムイオン二次電池。
- 上記正極、上記負極及び上記セパレータを含む巻回電極体が、フィルム状の外装部材に収納されている、請求項16乃至24のいずれか一に記載のリチウムイオン二次電池。
- 上記外装部材は、少なくとも熱融着層、金属層及び外装樹脂層が貼り合わせられた構造を有する、請求項26に記載のリチウムイオン二次電池。
- 上記正極には正極リードが接続されており、
上記負極には負極リードが接続されており、
上記外装部材と、上記正極リード及び上記負極リードとの間には、それぞれ密着フィルムが挿入されている、請求項26又は27に記載のリチウムイオン二次電池。 - 上記熱融着層、上記外装樹脂層及び上記密着フィルムの少なくとも一は、ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリエチレン及び変性ポリプロピレンから選ばれた少なくとも一種を含む、請求項27又は28に記載のリチウムイオン二次電池。
- 上記金属層は、アルミニウム、ステンレス、ニッケル及び鉄から選ばれた少なくとも一種を含む、請求項27乃至29のいずれか一に記載のリチウムイオン二次電池。
- 上記巻回電極体の最外周部には、保護テープが貼着されている、請求項26乃至30のいずれか一に記載のリチウムイオン二次電池。
- 請求項15乃至31に記載のいずれか一の上記リチウムイオン二次電池を含む、電子機器。
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