JP5286817B2 - セパレータ - Google Patents
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Description
<1>耐熱樹脂を含有する耐熱層と熱可塑性樹脂を含有するシャットダウン層とが積層されてなる積層多孔質フィルムからなるセパレータであって、該耐熱層の厚みが1μm以上10μm以下であり、該耐熱層がさらに略球状粒子から構成されるフィラーを含有するセパレータ。
<2>前記耐熱層の厚みが1μm以上5μm以下である前記<1>記載のセパレータ。
<3>前記耐熱樹脂が、含窒素芳香族重合体である前記<1>または<2>記載のセパレータ。
<4>前記耐熱樹脂が、パラ配向芳香族ポリアミドである前記<3>記載のセパレータ。
<5>前記熱可塑性樹脂が、ポリエチレンである前記<1>〜<4>のいずれかに記載のセパレータ。
<6>前記耐熱層の厚みをA(μm)、前記シャットダウン層の厚みをB(μm)としたとき、A/Bの値が、0.1以上1以下である前記<1>〜<5>のいずれかに記載のセパレータ。
<7>前記耐熱層の総重量を100としたとき、前記フィラーの重量が、20以上95以下である前記<1>〜<6>のいずれかに記載のセパレータ。
<8>前記略球状粒子が、アルミナ粒子である前記<1>〜<7>のいずれかに記載のセパレータ。
<9>前記略球状粒子が、実質的に破砕面を有さないアルミナ粒子である前記<8>記載のセパレータ。
<10>前記フィラーを構成する略球状粒子の数平均粒径が0.01μm以上1μm以下である前記<1>〜<9>のいずれかに記載のセパレータ。
まず、シャットダウン層の製造方法について説明する。本発明におけるシャットダウン層の製造方法は特に限定されるものではなく、例えば特開平7−29563号公報に記載されたように、熱可塑性樹脂に可塑剤を加えてフィルム成形した後、該可塑剤を適当な溶媒で除去する方法や、特開平7−304110号公報に記載されたように、公知の方法により製造した熱可塑性樹脂からなるフィルムを用い、該フィルムの構造的に弱い非晶部分を選択的に延伸して微細孔を形成する方法が挙げられる。本発明におけるシャットダウン層が、超高分子量ポリエチレンおよび重量平均分子量1万以下の低分子量ポリオレフィンを含むポリオレフィン系樹脂から形成されてなる場合には、製造コストの観点から、以下に示すような方法により製造することが好ましい。すなわち、
(1)超高分子量ポリエチレン100重量部と、重量平均分子量1万以下の低分子量ポリオレフィン5〜200重量部と、無機充填剤100〜400重量部とを混練してポリオレフィン系樹脂組成物を得る工程
(2)前記ポリオレフィン系樹脂組成物を用いてシートを成形する工程
(3)工程(2)で得られたシート中から無機充填剤を除去する工程
(4)工程(3)で得られたシートを延伸してシャットダウン層とする工程
を含む方法、または
(1)超高分子量ポリエチレン100重量部と、重量平均分子量1万以下の低分子量ポリオレフィン5〜200重量部と、無機充填剤100〜400重量部とを混練してポリオレフィン系樹脂組成物を得る工程
(2)前記ポリオレフィン系樹脂組成物を用いてシートを成形する工程
(3)工程(2)で得られたシートを延伸する工程
(4)工程(3)で得られた延伸シート中から、無機充填剤(C)を除去してシャットダウン層とする工程
を含む方法である。得られるシャットダウン層と耐熱層とを積層した本発明のセパレータのシャットダウン温度をより低くすることができる観点から、前者の方法、すなわちシート中の無機充填剤を除去した後延伸する方法が好ましい。
(a)耐熱樹脂100重量部を含む極性有機溶媒溶液に、該耐熱樹脂100重量部に対しフィラーを1〜1500重量部分散したスラリー状塗工液を調製する。
(b)該塗工液をシャットダウン層の少なくとも片面に塗工し、塗工膜を形成する。
(c)加湿、溶媒除去あるいは耐熱樹脂を溶解しない溶媒への浸漬等の手段で、前記塗工膜から耐熱樹脂を析出させた後、必要に応じて乾燥する。
塗工液は、特開2001−316006号公報に記載の塗工装置および特開2001−23602号公報に記載の方法により連続的に塗工することが好ましい。
正極集電体に前記の正極用電極合剤を塗布する方法としては、加圧成型による方法、溶媒などを用いて正極用電極合剤をペースト化し正極集電体上に塗布、乾燥後プレスし圧着する方法等が挙げられる。
前記の電解液が後述のエチレンカーボネートを含有しない場合において、ポリエチレンカーボネートを含有した負極用電極合剤を用いると、得られる電池のサイクル特性と大電流放電特性が向上することがあり好ましい。
(1)厚み測定
セパレータの厚み、シャットダウン層の厚みは、JIS規格(K7130−1992)に従い、測定した。また、耐熱層の厚みとしては、セパレータの厚みからシャットダウン層の厚みを差し引いた値を用いた。
(2)ガーレー法による透気度の測定
セパレータの透気度は、JIS P8117に基づいて、株式会社安田精機製作所製のデジタルタイマー式ガーレー式デンソメータで測定した。
(3)空孔率
得られた多孔質フィルムのサンプルを一辺の長さ10cmの正方形に切り取り、重量W(g)と厚みD(cm)を測定した。サンプル中のそれぞれの層の重量(Wi)を求め、Wiとそれぞれの層の材質の真比重(g/cm3)とから、それぞれの層の体積を求めて、次式より空孔率(体積%)を求めた。
空孔率(体積%)=100×{1−(W1/真比重1+W2/真比重2+・・+Wn/真比重n)/(10×10×D)}
(1)正極シートの作製
カルボキシメチルセルロース、ポリテトラフルオロエチレン、アセチレンブラック、正極活物質であるコバルト酸リチウム粉末および水を分散混練し、正極用電極合剤のペーストを得た。このペーストに含有される各成分の重量比としては、カルボキシメチルセルロース:ポリテトラフルオロエチレン:アセチレンブラック:コバルト酸リチウム粉末:水の重量比で0.75:4.55:2.7:92:45であった。該ペーストを正極集電体である厚さ20μmAl箔の両面の所定部分に塗布し、乾燥、ロールプレス、スリットし、正極シートを得た。正極用電極合剤が塗布されていない部分のAl箔の長さは1.5cmであり、その塗布されていない部分にアルミリードを抵抗溶接した。
(2)負極シートの作製
カルボキシメチルセルロース、天然黒鉛、人造黒鉛および水を分散混錬し、負極用電極合剤のペーストを得た。このペーストに含有される各成分の重量比としては、カルボキシメチルセルロース:天然黒鉛:人造黒鉛:水の重量比で2.0:58.8:39.2:122.8であった。該ペーストを負極集電体である厚さ12μmCu箔の両面の所定部分に塗布し、乾燥、ロールプレス、スリットを行って負極シートを得た。負極用電極合剤が塗布されていない部分のCu箔の長さは1.5cmであり、塗布されていない部分にニッケルリードを抵抗溶接した。
セパレータと、正極シート、負極シート(負極用電極合剤未塗布部30cm)とを、正極シート、セパレータ、負極シートの順になるように、また負極の合剤未塗布部が最外周になるように積層し、一端より巻き取って電極群とした。前記の電極群を電池缶に挿入し、電解液として、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとエチルメチルカーボネートの体積比16:10:74混合液にLiPF6を1モル/リットルとなるように溶解した電解液を含浸し、正極端子を兼ねる電池蓋を用いて、ガスケットを介して、蓋をして、シールし、18650サイズの円筒電池(非水電解質二次電池)を得た。尚、セパレータにおける耐熱層は正極シートと接するように、かつセパレータにおけるシャットダウン層は負極シートと接するようにして積層した。
上記のようにして得られた円筒電池を、50%充電して60℃で15時間放置するエージング処理を行った後、次の評価条件により、電池のレート特性(大電流放電特性)、サイクル特性を評価した。尚、電気容量としては、初回の放電時(充電最大電圧4.3V、充電時間3時間、充電電流1Cの条件で充電を行い、放電最小電圧3.0V、放電電流0.2Cの条件で放電した。)の容量の値を用いた。
<レート特性評価>
充電条件としては、充電最大電圧4.3V、充電時間3時間、充電電流1Cの条件で行い、放電条件としては、放電最小電圧3.0V、放電電流0.2C、1C、2Cの条件で行った。尚、それぞれの放電試験前には前記充電条件で充電を行った。
<サイクル特性>
充電条件としては、充電最大電圧4.3V、充電時間3時間、充電電流1Cの条件で行い、放電条件としては、放電最小電圧3.0V、放電電流1Cの条件で行い、この充放電を200回繰り返した。
(1)塗工液の製造
NMP4200gに塩化カルシウム272.7gを溶解した後、パラフェニレンジアミン132.9gを添加して完全に溶解させた。得られた溶液に、テレフタル酸ジクロライド(以下、TPCと略す)243.3gを徐々に添加して重合し、パラアラミドを得て、さらにNMPで希釈して、濃度2.0重量%のパラアラミド溶液(A)を得た。得られたパラアラミド溶液100gに、略球状粒子からなるアルミナ粉末(住友化学株式会社製スミコランダム、AA03、数平均粒径0.3μm)をフィラーとして4g添加して混合し、ナノマイザーで3回処理し、さらに1000メッシュの金網で濾過、減圧下で脱泡して、スラリー状塗工液(B)を製造した。パラアラミドおよびアルミナ粉末の合計重量に対するアルミナ粉末(フィラー)の重量は、67重量%となる。
シャットダウン層としては、ポリエチレン製多孔質膜(膜厚12μm、透気度140秒/100cc、平均孔径0.1μm、空孔率50%)を用いた。厚み100μmのPETフィルムの上に上記ポリエチレン製多孔質膜を固定し、テスター産業株式会社製バーコーターにより、該多孔質膜の上にスラリー状塗工液(B)を塗工した。PETフィルム上の塗工された該多孔質膜を一体にしたまま、貧溶媒である水中に浸漬させ、パラアラミド多孔質膜(耐熱層)を析出させた後、溶媒を乾燥させて、耐熱層とシャットダウン層とが積層されたセパレータ1を得た。セパレータ1の厚みは16μmであり、パラアラミド多孔質膜(耐熱層)の厚みは4μmであった。セパレータ1の透気度は180秒/100cc、空孔率は50%であった。セパレータ1における耐熱層の表面を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察をしたところ、0.04μm〜0.05μm程度の均一な微細孔を有することがわかった。
セパレータ1を用いて、上記のようにして得た円筒電池につき、電気容量の評価を行った結果、2000mAhと高かった。レート特性を評価したところ、0.2C放電時における容量に対する2C放電時における容量の比(2C/0.2C)は80%であった。サイクル特性を評価したところ、1回目の放電時における容量に対する200回目の放電時における容量の比(200回目/1回目)は90%であった。
実施例1におけるパラアラミド溶液(A)を塗工液として用いた以外は、実施例1と同様にして、セパレータ2を得た。セパレータ2の厚みは16μmであり、パラアラミド多孔質膜(耐熱層)の厚みは4μmであった。セパレータ2の透気度は170秒/100cc、空孔率は50%であった。セパレータ2における耐熱層の表面を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察をしたところ、0.05μ〜5μm程度の孔であり、孔径のバラツキが大きいことがわかった。
Claims (5)
- 耐熱樹脂を含有する耐熱層と熱可塑性樹脂を含有するシャットダウン層とが積層されてなる積層多孔質フィルムからなるセパレータであって、該耐熱層の厚みが1μm以上5μm以下であり、該耐熱樹脂がパラ配向芳香族ポリアミドであり、該熱可塑性樹脂がポリエチレンであり、該耐熱層の厚みをA(μm)、該シャットダウン層の厚みをB(μm)としたとき、A/Bの値が、0.1以上1以下であり、該耐熱層がさらに略球状粒子から構成されるフィラーを含有する非水電解質二次電池用セパレータ。
- 前記耐熱層の総重量を100としたとき、前記フィラーの重量が、20以上95以下である請求項1記載の非水電解質二次電池用セパレータ。
- 前記略球状粒子が、アルミナ粒子である請求項1または2記載の非水電解質二次電池用セパレータ。
- 前記略球状粒子が、実質的に破砕面を有さないアルミナ粒子である請求項3記載の非水電解質二次電池用セパレータ。
- 前記フィラーを構成する略球状粒子の数平均粒径が0.01μm以上1μm以下である請求項1〜4のいずれかに記載の非水電解質二次電池用セパレータ。
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