JP5613069B2 - リチウム二次電池用セパレータ - Google Patents
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Description
下記に示す方法により、多孔質層用塗工液を調製し、リチウム二次電池用セパレータの作製に用いた。
酸化マグネシウム(宇部マテリアルズ製、商品名:UC99、平均粒子径2.1μm)100質量部とNMP100質量部を、ジルコニアビーズと共に容器に入れて、ペイントコンディショナーでレーザー回折法による平均粒子径が0.8±0.1μmになるまで粉砕・分散した。次いで、PVdF30質量部を加えて十分に混合撹拌して、多孔質層用塗工液「MG−1」を調製した。
酸化マグネシウム(宇部マテリアルズ製、商品名:UC99、平均粒子径2.1μm)をペイントコンディショナーで粉砕せずにそのまま使用した以外は、多孔質層用塗工液「MG−1」と同様にして多孔質層用塗工液「MG−2」を調製した。
水酸化マグネシウム(宇部マテリアルズ製、商品名:UD653、平均粒子径3.1μm)100質量部とNMP100質量部を、ジルコニアビーズと共に容器に入れて、ペイントコンディショナーでレーザー回折法による平均粒子径が0.8±0.1μmになるまで粉砕・分散した。次いで、PVdF30質量部を加えて十分に混合撹拌して、多孔質層用塗工液「MG−3」を調製した。
水酸化マグネシウム(宇部マテリアルズ製、商品名:UD653、平均粒子径3.1μm)をペイントコンディショナーで粉砕せずにそのまま使用した以外は、多孔質層用塗工液「MG−3」と同様にして多孔質層用塗工液「MG−4」を調製した。
平均粒子径が0.8μmのαアルミナ(酸化アルミニウム、昭和電工製、商品名:AL160SG−3)100質量部、NMP100質量部、PVdF30質量部を加えて十分に混合撹拌して、多孔質層用塗工液「AL−1」を調製した。
平均粒子径が0.8μmの水酸化アルミニウム(昭和電工製、商品名:H−43M)100質量部、NMP100質量部、PVdF30質量部を加えて十分に混合撹拌して、多孔質層用塗工液「AL−2」を調製した。
平均粒子径が0.8μmの板状ベーマイト(水酸化酸化アルミニウム)100質量部、NMP100質量部、PVdF30質量部を加えて十分に混合撹拌して、多孔質層用塗工液「AL−3」を調製した。
下記に示す方法によって多孔質基材(1)〜(10)を作製し、リチウム二次電池用セパレータの作製に用いた。
表1に示す配合部数で繊維を混合し、パルパーにより水中で離解させ、アジテーターによる撹拌のもと、濃度0.5質量%の均一な抄造用スラリーを調製した。この抄造用スラリーを円網抄紙機による湿式法で抄き上げ、130℃のシリンダードライヤーによって乾燥し、熱融着性のバインダー繊維を接着させて不織布強度を発現させ、目付10.5g/m2不織布とした。更に、この不織布にカレンダー処理を行って厚みを16±2μmに調整して多孔質基材(1)〜(10)を作製した。
市販の多孔質ポリプロピレンフィルム(厚み:16μm、ガーレー透気度:345秒)を多孔質基材(11)として用いた。
表2に示す組み合わせで多孔質基材と多孔質層用塗工液を準備し、多孔質層用塗工液を表2に示す配合部数で混合した。2本の金属ロールのクリアランスを30μmに調整し、2本のロールの間に多孔質基材を走行させながら、2本のロールの多孔質基材が進入する側に混合した多孔質層用塗工液を供給し、2本のロールで過剰な塗工液をしぼり落とすようにして、各々の多孔質基材の両面に多孔質用塗工液を塗設し、95℃の熱風にて乾燥させて、実施例1〜40のリチウム二次電池用セパレータを作製した。実施例38〜40は参考例である。
表2に示す質量比で多孔質層塗工液を混合して用いた以外は、実施例1と同様にして比較例1〜4のリチウム二次電池用セパレータを作製した。
多孔質基材(1)及び(11)を、多孔質層を設けずに、そのままリチウム二次電池用セパレータとして用いた。
実施例1〜40、比較例1〜4で得られたリチウム二次電池用セパレータについて、下記の評価を行った。結果を表3に示す。
以下のような電極及びセルを作製して電池特性の評価を行った。
正極活物質であるコバルト酸リチウム80質量部、導電助剤であるアセチレンブラック10質量部、及びバインダーであるポリフッ化ビニリデン(PVdF)5質量部をNMP中に均一に混合して、正極剤ペーストを作製した。このペーストを厚さ20μmのアルミニウム箔上に塗工し、乾燥、カレンダー処理を行って厚さ100μmの正極を作製した。
負極活物質である黒鉛90質量部と、バインダーであるPVdF5質量部とを、NMPを溶剤として均一になるように混合して、負極剤ペーストを作製した。この負極剤ペーストを厚さ20μmの銅箔上に塗工し、乾燥、カレンダー処理を行って厚さ90μmの負極を作製した。
実施例1〜40、比較例1〜4のリチウム二次電池用セパレータを介して、上記のようにして得られた正極と負極とを重ね合わせ、ラミネートフィルム外装材内に装填し、電解質として1mol/lのLiBF4を溶解させたエチレンカーボネート/ジエチルカーボネート(体積比1/1)溶液を注入し、真空封止を行ってリチウム二次電池を作製した。
作製したリチウム二次電池について、1Cでの定電流充電(4.1Vまで)と4.1Vでの定電圧充電を行い、1Cで3.0Vまでの定電流放電を繰り返し実施し、1回目に対する100回目の放電容量の比を百分率(%)で表した。
作製したリチウム二次電池の内部抵抗を交流インピーダンス法により、振幅10mV、周波数10kHzの条件で測定した。なお、内部抵抗は2Ω以下であることが望ましい。
作製したリチウム二次電池用セパレータについて、任意の10か所の厚さ測定を実施し、次の基準で評価した。なお、厚さはJIS B7502に規定された方法により測定した値、つまり、5N荷重時の外側マイクロメーターにより測定された値を意味する。
B:厚さの差が、0.80μmを超えて1.00μm以下であり実用上問題ない。
C:厚さの差が、1.00μmを超えて2.00μm以下である。
D:厚さの差が、2.00μmを超えている。
なお、A〜Cが使用に耐えられるレベルであり、Dは使用に耐えられない。
作製したセパレータについて、50mm幅×300mmの短冊状に切り揃え、直径10mmのポリテトラフルオロエチレン棒に巻き付けたときの多孔質膜の状態を目視で確認し、次の基準で評価した。
A:多孔質膜の状態に変化が認められず良好である。
B:多孔質膜の表面部分に剥がれは生じておらず、実用上問題ない。
C:ひび割れが多孔質膜の厚み全体に広がっているが、剥がれは生じていない。
なお、A〜Cはいずれも剥がれは生じておらず、使用には耐えられるレベルである。
作製したリチウム二次電池用セパレータを、150℃または170℃の恒温槽に入れ、60分間加熱処理を行い、各セパレータの収縮率を測定して耐熱性を評価した。収縮率の測定は以下のようにして行った。50mm×50mmのシートサンプルを切り出し、サンプルのCD辺をクリップで固定して耐熱ガラス板に挟んで、150℃または170℃の恒温槽内に60分間保管した後に取り出し、シートサンプルの長さを測定し、試験前の長さと比較して、長さの減少割合の百分率を収縮率とした値が2%未満となるものをA、2%以上5%未満となるものをB、5%以上8%未満となるものをC、8%以上となるものをDとして、耐熱性の評価とした。なお、A〜Cが使用に耐えられるレベルである。
作製したリチウム二次電池用セパレータを100mm幅×100mmに切り揃え、電解液0.3gと共にアルミパック中に封入した。電解液としては、LiPF6を1mol/l溶解させた混合溶液を使用した。混合溶液は、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートを質量比率で3:7としたものである。85℃で72時間放置後の体積変化から、絶縁性無機フィラー1g当たりのガスの発生量を測定した。
セパレータの片面に金属リチウム箔を、反対側に正極を配置して積層し、電解液を注入してラミネートセルを100個ずつ作製した。0.5mA/cm2で3.6Vまで定電流充電し、更に3.6Vを24時間印加し、過充電した。この過充電中に異常電流が流れた場合を内部短絡したと見なし、過充電を中止し、ラミネートセルを開封してリチウムデンドライトの発生状態を確認した。過充電によりリチウムデンドライトが発生して基材を貫通したセルの割合を示した。この割合が少ないほど、耐デンドライト性に優れることを意味する。正極には、活物質のコバルト酸リチウム、導電助剤のアセチレンブラック、結着剤のポリフッ化ビニリデンを質量比率で90:5:5に混合したスラリーをアルミ集電体に塗布したものを用いた。電解液としては、LiPF6を1mol/l溶解させた混合溶液を使用した。混合溶液は、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートを質量比率で3:7としたものである。
フィブリル化していないリヨセル単繊維(繊維径12μm、繊維長6mm、コートルズ社製)を、ダブルディスクリファイナーを用いて繊維径が1μm未満になるまでフィブリル化処理を行い、且つ処理回数を変えて変法濾水度の異なるフィブリル化リヨセルを作製した。再生セルロースであるレーヨンの繊維についても同様の方法にてフィブリル化処理を行った。
表4に示す配合部数で繊維を混合し、パルパーにより水中で離解させ、アジテーターによる撹拌のもと、濃度0.5質量%の均一な抄造用スラリーを調製した。この抄造用スラリーを円網抄紙機による湿式法で抄き上げ、130℃のシリンダードライヤーによって乾燥し、熱融着性のバインダー繊維を接着させて不織布強度を発現させ、目付10.5g/m2不織布とした。更に、この不織布にカレンダー処理を行って厚みを16±2μmに調整して多孔質基材(12)〜(21)を作製した。
表5に示す組み合わせで多孔質基材と多孔質層用塗工液を準備し、多孔質層用塗工液を表5に示す質量比で混合した。2本の金属ロールのクリアランスを30μmに調整し、2本のロールの間に多孔質基材を走行させながら、2本のロールの多孔質基材が進入する側に混合した多孔質層用塗工液を供給し、2本のロールで過剰な塗工液をしぼり落とすようにして、各々の多孔質基材の両面に多孔質用塗工液を塗設し、95℃の熱風にて乾燥させて、実施例41〜63のリチウム二次電池用セパレータを作製した。
表5に示す質量比で多孔質層塗工液を混合して用いた以外は、実施例43と同様にして比較例7〜8のリチウム二次電池用セパレータを作製した。
実施例41〜63、比較例7〜8で得られたリチウム二次電池用セパレータについて、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表6に示す。
表7に示す配合部数で繊維を混合し、パルパーにより水中で離解させ、アジテーターによる撹拌のもと、濃度0.5質量%の均一な抄造用スラリーを調製した。この抄造用スラリーを円網抄紙機による湿式法で抄き上げ、130℃のシリンダードライヤーによって乾燥し、熱融着性のバインダー繊維を接着させて不織布強度を発現させ、目付10.5g/m2不織布とした。更に、この不織布にカレンダー処理を行って厚みを16±2μmに調整して多孔質基材(22)〜(31)を作製した。
表8に示す組み合わせで多孔質基材と多孔質層用塗工液を準備し、多孔質層用塗工液を表8に示す質量比で混合した。2本の金属ロールのクリアランスを30μmに調整し、2本のロールの間に多孔質基材を走行させながら、2本のロールの多孔質基材が進入する側に混合した多孔質層用塗工液を供給し、2本のロールで過剰な塗工液をしぼり落とすようにして、各々の多孔質基材の両面に多孔質用塗工液を塗設し、95℃の熱風にて乾燥させて、実施例64〜86のリチウム二次電池用セパレータを作製した。
実施例64〜86で得られたリチウム二次電池用セパレータについて、耐熱性を150℃、170℃の2条件にて評価を行い、耐デンドライト性を24時間と72時間の2条件にて評価を行った以外は、実施例1と同様にして評価を行った。結果を表9に示す。
Claims (5)
- 多孔質基材の少なくとも一方の面に、絶縁性無機フィラーを含有した多孔質層が設けられたリチウム二次電池用セパレータにおいて、該多孔質層が、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウムまたは水酸化酸化アルミニウムから選ばれる少なくとも1種のアルミニウム系無機化合物(A)と、酸化マグネシウムまたは水酸化マグネシウムから選ばれる少なくとも1種のマグネシウム系無機化合物(B)を含有し、且つ(A)と(B)の含有量の比が、質量比で10:90〜90:10の範囲であり、該多孔質基材が、配向結晶化ポリエステル系繊維を30質量%以上含有することを特徴とするリチウム二次電池用セパレータ。
- 該配向結晶化ポリエステル系繊維が、繊維径が1.0μm以上8.0μm以下、繊維長が1mm以上7mm以下の配向結晶化ポリエステル系繊維である請求項1記載のリチウム二次電池用セパレータ。
- 該多孔質基材が、繊維径を1μm未満にフィブリル化した繊維を含有する請求項1又は2に記載のリチウム二次電池用セパレータ。
- 該繊維径を1μm未満にフィブリル化した繊維が、再生セルロースをフィブリル化した繊維である請求項3記載のリチウム二次電池用セパレータ。
- 該繊維径を1μm未満にフィブリル化した繊維が、アラミド系繊維、アクリル系繊維から選ばれる少なくとも1種をフィブリル化した繊維である請求項3記載のリチウム二次電池用セパレータ。
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