JP6431621B2 - 蓄電デバイス用セパレータ並びにそれを用いた電極体及び蓄電デバイス - Google Patents

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Description

本発明は蓄電デバイス用セパレータに関する。
近年、リチウムイオン二次電池に代表される蓄電デバイスの開発が、活発に行われている。通常、蓄電デバイスには、微多孔膜(セパレータ)が正負極間に設けられている。セパレータは、正負極間の直接的な接触を防ぎ、かつ微多孔中に保持した電解液を通じイオンを透過させる機能を有する。
従来、セパレータには、異常加熱した場合には速やかに電池反応が停止される特性(ヒューズ特性)、高温になっても形状を維持して正極物質と負極物質が直接反応する危険な事態を防止する性能(ショート特性)等の安全性に関する性能が求められている。
安全性の高い電池を製造することを目的として、特許文献1には、ポリオレフィン微多孔膜上に、無機粒子と樹脂製バインダを含む多孔層を備えるセパレータを形成する技術が記載されている。
また、このような安全性の向上に加えて、充放電電流の均一化、及びリチウムデンドライト抑制の観点から、セパレータには電極との接着性の向上も求められている。
セパレータと電池電極との密接性を良くすることにより、充放電電流の不均一化が起こり難くなり、また、リチウムデンドライトが析出し難くなるため、結果として充放電サイクル寿命を長くすることが可能となる。
このような事情のもと、セパレータに接着性を持たせる試みとして、例えば、特許文献2では、粒子形状のアクリル系共重合体の水分散体を基材上に担持させる技術が提示されている。また、安全性を高める目的で、無機粒子と樹脂製バインダを含む多孔層を備えたポリオレフィン微多孔膜に対して、アクリル系バインダを担持させる技術も開示されている。
また、リチウムイオン二次電池の電気特性及び安全性を確保しながらセパレータに様々な性質を付与するために、アルキレングリコールに由来する化合物を、電極とセパレータの間に配置するか、又はセパレータ基材に組み込むことが提案されている(特許文献3〜10)。
従来、ポリアルキレングリコール基は、セパレータのイオン透過性を高める官能基として知られており、非水電解液用コポリマーに組み込まれる場合には有機溶剤中で一般に使用されていた。一方で、水系コポリマーを得るためには、一般に乳化重合法が使用される。ポリアルキレングリコール基は親水性であるため、乳化重合時に多量に使用されると、粒子状コポリマーの水系分散体を得られなかったり、乾燥工程での水の除去が難しかったりするという問題がある。
特許第5354735号公報 特開2015−128059号公報 特開平10−275633号公報 特開2001−283927号公報 特開2002−194133号公報 特開2002−241533号公報 特開2007−59271号公報 特開2003−96232号公報 特開2003−100349号公報 特許第5708872号公報
特許文献2に記載されたアクリル系バインダを担持させたポリオレフィン微多孔膜は、アクリル系バインダの膨潤度が低く、セパレータとして使用した場合にイオン透過性が低いという問題がある。
特許文献3には、ポリフッ化ビニリデン又はポリビニルアルコールと、分子中に1個以上のエチレンオキシド基を有するイオン伝導性高分子と、N−メチルピロリドン(NMP)等の有機溶媒とを含む接着剤をセパレータ基材に塗工し、接着剤の乾燥前にセパレータを電極と重ねることにより積層体を作製し、有機溶媒を蒸発させてから非水系電解液を積層体に注入して電池を作製することが記述されている。
しかしながら、特許文献3に記載のセパレータは、接着剤中に高分子と有機溶媒が残った状態(すなわち、ゲル状態)のままで電極に積層されるので、ハンドリング性及びドライ接着性については未だ改良の余地がある。セパレータの耐熱性という観点においても課題が残る。また、有機溶剤を使用するため、生産工程の環境負荷が高いという問題がある。
特許文献4には、電極とセパレータの積層捲回体を外装体に収納し、電解質塩を含む非水電解液と、ポリマー前駆体としてのエチレングリコールジアクリレートとから成るプレゲルを外装体に注入することにより電極とセパレータの間にプレゲルを配置した後に、プレゲルを加熱して架橋・重合させることによりゲル化して、セパレータと電極を一体化することが記述されている。
しかしながら、特許文献4では、電解液の注入後にプレゲルの加熱重合を行うため、セパレータ単体では電極への接着性に乏しく、電池の生産性についても改良の余地がある。
特許文献5には、ポリオレフィン樹脂と、電解液に対する親和性を有する樹脂としてのポリエチレングリコールジメタクリレートとを含む樹脂組成物から成る多孔質フィルム、及びそれを用いたセパレータが記述されている。
しかしながら、特許文献5では、樹脂組成物は、セパレータ基材そのものの形成に使用されるが、基材に塗工されるものではないので、電極に対するセパレータの接着性、又はセパレータ基材上に塗工膜を配置することに起因するイオン透過性の低下について、一切検証されていない。セパレータのイオン透過性の低下は、例えば、車載用リチウムイオン二次電池の高出力化及び高寿命化を阻害する要因となる。
特許文献6、8及び9には、電極に対する接着性をセパレータ自体に持たせるために、セパレータ基材上に高分子ゲル電解質を形成することが提案されており、具体的には、(i)ポリエーテルユニット含有高分子をセパレータ基材に担持させた後に、有機溶媒及び電解質塩を含む非水電解液を高分子に接触させて、高分子ゲル電解質を形成する方法、又は(ii)ポリエーテルユニット含有高分子と電解質塩とを基材に担持させた後に、非水電解液として有機溶媒を高分子及び電解質塩に接触させて、高分子ゲル電解質を形成する方法が記述されている。
しかしながら、特許文献6、8及び9では、ポリエーテルユニット含有高分子は、高分子ゲル電解質を形成するために有機溶媒に膨潤させられるものであるため、ゲル以外の形状及びポリエーテル以外のユニットについては詳細に検討されず、生産工程上のハンドリング性又は環境負荷への大きさ、セパレータとしての耐熱性に課題が残っている。
特許文献7には、エチレングリコールジアクリレート等の多官能モノマーを共重合成分として有する粒子状コポリマーを、セパレータ基材に担持することが記述されている。
しかしながら、特許文献7には、ポリエチレングリコールジメタクリレートのコモノマーとしての使用について言及がなく、粒子状コポリマー中のポリアルキレングリコール基についても一切検証されず、得られたセパレータのイオン透過性や耐熱性についても未だ改良の余地がある。
特許文献10には、酸性官能基を有する第一のモノマー、アミド基を有する第二のモノマー及びポリアルキレングリコール基を有する第三のモノマーから形成されたポリマー粒子と無機フィラーとを含む樹脂組成物を、負極又はセパレータ上に塗工して、負極又はセパレータ上に保護層を形成することが記述されている(合成例6、配合例6、実施例8及び実施例16)。
しかしながら、特許文献10に記載のポリマー粒子は、無機フィラー同士を点接着させるために無機フィラーに対してごく微量配合されており、負極又はセパレータのための保護層を形成するものである。すなわちセパレータの最表面にポリマーが存在しないため、電極とセパレータの間に介在して両者を積極的に接着させたり、ポリマー自体が耐熱性成分として機能したりするものではない。
本発明は、上記の事情に鑑みて、電極との接着性及びイオン透過性に優れた蓄電デバイス用セパレータ、さらには耐熱性とイオン透過性に優れるセパレータ、該セパレータを有し、かつ電池特性に優れる蓄電デバイス及びリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。
本発明者らは、セパレータ基材上に配置される樹脂バインダとして、ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体を単量体単位として含む共重合体バインダを用いることにより上記課題を解決できることを見出して、本発明を完成させた。すなわち、本発明は、以下の通りである。
[1]
多孔性基材、及び前記多孔性基材の少なくとも片面の少なくとも最表面の一部に配置された熱可塑性ポリマー層を含む蓄電デバイス用セパレータであって、
前記熱可塑性ポリマー層に含有される熱可塑性ポリマーが、ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)を単量体単位として有する共重合体を含み、かつ前記熱可塑性ポリマー層は、前記熱可塑性ポリマー層を100質量%として、前記熱可塑性ポリマーを3質量%超100質量%以下含む、前記蓄電デバイス用セパレータ。
[2]
前記熱可塑性ポリマー層は、電極と直接接着されることが予定されている、[1]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[3]
前記基材が少なくともポリオレフィンを含む、[1]又は[2]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[4]
前記基材と前記熱可塑性ポリマー層が直接接している、[1]〜[3]のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[5]
前記熱可塑性ポリマー層を構成する前記熱可塑性ポリマー100質量%中に、前記ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)を単量体単位換算として3〜50質量%含む、[1]〜[4]のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[6]
前記共重合体が、前記共重合体100質量%に対して2〜50質量%の前記ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)と、前記ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)と共重合可能な、ポリアルキレングリコール基を有していない単量体と、を単量体単位として有する、[5]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[7]
前記ポリアルキレングリコール基を有していない単量体が、カルボキシル基を有するエチレン性不飽和単量体(b1)、アミド基を有するエチレン性不飽和単量体(b2)、及びヒドロキシル基を有するエチレン性不飽和単量体(b3)から成る群より選択される少なくとも1種の単量体を、前記共重合体100質量%に対して0.1〜10質量%含む、[6]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[8]
前記ポリアルキレングリコール基を有していない単量体が、架橋性単量体(b4)を含む、[6]又は[7]に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[9]
前記ポリアルキレングリコール基を有していない単量体が、シクロアルキル基を有するエチレン性不飽和単量体(A)と、(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)とを含み、
前記(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)は、炭素数4以上のアルキル基及び(メタ)アクリロイルオキシ基から成る(メタ)アクリル酸エステル単量体であり、かつ
前記シクロアルキル基を有するエチレン性不飽和単量体(A)及び前記(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)の合計含有割合が、前記共重合体100質量%に対して50〜98質量%である、[6]〜[8]のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[10]
前記熱可塑性ポリマーは粒状である、[1]〜[9]のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[11]
前記熱可塑性ポリマー層についてボロノイ分割を行って得られるボロノイ多角形の面積(Si)を用いて下記数式:
{式中、Siは、ボロノイ多角形の面積の実測値であり、mは、ボロノイ多角形の面積の実測値の平均値であり、かつnは、ボロノイ多角形の総数である}
によって定義される分散(σ)が、0.01以上0.7以下である、[10]のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[12]
前記熱可塑性ポリマー層の塗工面積95%以下である、[1]〜[11]のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[13]
前記熱可塑性ポリマー層のベタツキが20N/m以下である、[1]〜[12]のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
[14]
正極と[1]〜[13]のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータと負極とから成る電極体。
[15]
[14]に記載の電極体と電解液とを含む蓄電デバイス。
本発明によれば、電極への接着性及びイオン透過性、耐熱性に優れる蓄電デバイス用セパレータが提供される。本発明の実施形態に係るセパレータを用いて蓄電デバイス及び二次電池を製造することにより、蓄電デバイス及び二次電池の生産性及び電池特性を向上させることができる。
図1は、ポリマー層の表面を観察した写真の一例を示す。 図2は、図1の観察視野に含まれる熱可塑性ポリマーを、画像処理ソフトウェアを用いて自動的に特定した結果の一例を示す。 図3は、図2で特定された複数の粒子にボロノイ分割を行なってボロノイ多角形を得た結果の一例を示す。 図4は、図3で得られたボロノイ多角形の面積を、画像処理ソフトウェアを用いて自動的に算出した結果の一例を示す。 図5は、セパレータ上に配置された熱可塑性ポリマー粒子を観察する95視野のうちの19視野から成る1区画を設定する方法の一例を示す。 図6は、セパレータ上に配置された熱可塑性ポリマー粒子を観察する95視野を包含する5区画を設定する方法の一例を示す。
<蓄電デバイス用セパレータ>
本発明の蓄電デバイス用セパレータは、多孔性基材、及び該多孔性基材やフィラー多孔層の少なくとも片面の少なくとも最表面の一部に配置された熱可塑性ポリマー層を含む。この蓄電デバイス用セパレータは、多孔性基材及び熱可塑性ポリマー層のみから成っていてもよいし、これら以外にフィラー多孔層を更に有していてもよい。本発明の蓄電デバイス用セパレータがフィラー多孔層を有する場合、該フィラー多孔層は、多孔性基材として使用されるか、ポリオレフィン多孔性基材の片面若しくは両面に配置されるか、又は積層された多孔性基材層の中間層として配置される。フィラー多孔層を有する面に熱可塑性ポリマー層を配置する場合、これらの相互位置関係は任意であるが、多孔性基材上に、フィラー多孔層及び熱可塑性ポリマー層をこの順に積層することが好ましい。
本発明の蓄電デバイス用セパレータを構成する各部材、及び蓄電デバイス用セパレータの製造方法の好ましい実施形態について、以下に詳細に説明する。
また、本明細書における「(メタ)アクリル」とは「アクリル」及びそれに対応する「メタクリル」を意味し、「(メタ)アクリレート」とは「アクリレート」及びそれに対応する「メタクリレート」を意味し、「(メタ)アクリロイル」とは「アクリロイル」及びそれに対応する「メタクリロイル」を意味する。
[多孔性基材]
本実施形態に用いる基材は、それ自体が、従来セパレータとして用いられていたものであってもよい。基材としては、電子伝導性がなくイオン伝導性があり、有機溶媒の耐性が高い、孔径の微細な多孔質膜または多孔質フィラー層であると好ましい。そのような多孔質膜としては、例えば、ポリオレフィン系(例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン及びポリ塩化ビニル)、及びそれらの混合物又は共重合体等の樹脂を主成分として含む微多孔膜、ポリエチレンテレフタレート、ポリシクロオレフィン、ポリエーテルスルホン、ポリアミド、ポリイミド、ポリイミドアミド、ポリアラミド、ポリシクロオレフィン、ナイロン、ポリテトラフルオロエチレン等の樹脂を主成分として含む微多孔膜、ポリオレフィン系の繊維を織ったもの(織布)、ポリオレフィン系の繊維の不織布、紙、並びに、絶縁性物質粒子の集合体が挙げられる。これらの中でも、塗工工程を経てポリマー層を得る場合に塗工液の塗工性に優れ、セパレータの膜厚をより薄くして、電池等の蓄電デバイス内の活物質比率を高めて体積当たりの容量を増大させる観点から、ポリオレフィン系の樹脂を主成分として含むポリオレフィン微多孔膜が好ましい。なお、ここで「主成分として含む」とは、50質量%を超えて含むことを意味し、好ましくは75質量%以上、より好ましくは85質量%以上、更に好ましくは90質量%以上、なおも更に好ましくは95質量%以上、特に好ましくは98質量%以上含み、100質量%であってもよい。
本実施形態では、ポリオレフィン微多孔膜におけるポリオレフィン樹脂の含有量は、特に限定されないが、蓄電デバイス用セパレータとして用いた場合のシャットダウン性能などの観点から、該多孔性基材を構成する全成分の50質量%以上100質量%以下をポリオレフィン樹脂が占めるポリオレフィン樹脂組成物から成る多孔膜であることが好ましい。ポリオレフィン樹脂が占める割合は60質量%以上100質量%以下がより好ましく、70質量%以上100質量%以下であることが更に好ましい。
ポリオレフィン樹脂は、特に限定されないが、通常の押出、射出、インフレーション、及びブロー成形等に使用するポリオレフィン樹脂でよく、エチレン、プロピレン、1−ブテン、4−メチル−1−ペンテン、1−ヘキセン、及び1−オクテン等のホモポリマー及びコポリマー、多段ポリマー等を使用することができる。また、これらのホモポリマー及びコポリマー、多段ポリマーから成る群から選ばれるポリオレフィンを単独で、又は混合して使用することもできる。
ポリオレフィン樹脂の代表例としては、特に限定されないが、例えば、低密度ポリエチレン、線状低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレン、アイソタクティックポリプロピレン、アタクティックポリプロピレン、エチレン−プロピレンランダムコポリマー、ポリブテン、エチレンプロピレンラバー等が挙げられる。
蓄電デバイス用セパレータとして使用するポリオレフィン多孔性基材の材料としては、低融点であり、かつ高強度であることから、特に高密度ポリエチレンを主成分とする樹脂を使用することが好ましい。また、これらのポリエチレンは柔軟性を付与する目的から2種以上を混合してもよい。これらのポリエチレンの製造の際に用いられる重合触媒も特に制限はなく、例えば、チーグラー・ナッタ系触媒、フィリップス系触媒及びメタロセン系触媒が挙げられる。
ポリオレフィン多孔性基材の耐熱性を向上させるために、ポリプロピレンと、ポリプロピレン以外のポリオレフィン樹脂とを含む樹脂組成物から成る多孔膜を用いることがより好ましい。
ここで、ポリプロピレンの立体構造は、限定されるものではなく、アイソタクティックポリプロピレン、シンジオタクティックポリプロピレン及びアタクティックポリプロピレンのいずれでもよい。
ポリオレフィン樹脂組成物中の総ポリオレフィンに対するポリプロピレンの割合は、特に限定されないが、耐熱性と良好なシャットダウン機能の両立の観点から、1〜35質量%であることが好ましく、より好ましくは3〜20質量%、更に好ましくは4〜10質量%である。
また、重合触媒も特に制限はなく、例えば、チーグラー・ナッタ系触媒及びメタロセン系触媒が挙げられる。
この場合、ポリプロピレン以外のポリオレフィン樹脂としては、限定されるものではなく、例えば、エチレン、1−ブテン、4−メチル−1−ペンテン、1−ヘキセン、1−オクテン等のオレフィン炭化水素のホモポリマー又はコポリマーが挙げられる。具体的には、ポリプロピレン以外のポリオレフィン樹脂としては、ポリエチレン、ポリブテン、エチレン−プロピレンランダムコポリマー等が挙げられる。
ポリオレフィン多孔性基材の孔が熱溶融により閉塞するシャットダウン特性の観点から、ポリプロピレン以外のポリオレフィン樹脂として、低密度ポリエチレン、線状低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレン等のポリエチレンを用いることが好ましい。これらの中でも、強度の観点から、JIS K 7112に従って測定した密度が0.93g/cm以上であるポリエチレンを使用することがより好ましい。
ポリオレフィン多孔性基材を構成するポリオレフィン樹脂の粘度平均分子量は、特に限定されないが、3万以上1,200万以下であることが好ましく、より好ましくは5万以上200万未満、更に好ましくは10万以上100万未満である。粘度平均分子量が3万以上であると、溶融成形の際のメルトテンションが大きくなり成形性が良好になると共に、ポリマー同士の絡み合いにより高強度となる傾向にあるため好ましい。一方、粘度平均分子量が1,200万以下であると、均一に溶融混練をすることが容易となり、シートの成形性、特に厚み安定性に優れる傾向にあるため好ましい。更に、粘度平均分子量が100万未満であると、温度上昇時に孔を閉塞し易く、良好なシャットダウン機能が得られる傾向にあるため好ましい。
例えば、粘度平均分子量100万未満のポリオレフィンを単独で使用する代わりに、粘度平均分子量200万のポリオレフィンと粘度平均分子量27万のポリオレフィンの混合物であって、その粘度平均分子量が100万未満の混合物を用いてもよい。
本実施形態におけるポリオレフィン多孔性基材は、任意の添加剤を含有することができる。このような添加剤は、特に限定されず、例えば、ポリオレフィン以外のポリマー;無機粒子;フェノール系、リン系、イオウ系等の酸化防止剤;ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸亜鉛等の金属石鹸類;紫外線吸収剤;光安定剤;帯電防止剤;防曇剤;着色顔料等が挙げられる。
これらの添加剤の合計含有量は、ポリオレフィン樹脂組成物100質量部に対して、20質量部以下であることが好ましく、より好ましくは10質量部以下、更に好ましくは5質量部以下である。
なお、粘度平均分子量(Mv)は、ASTM−D4020に基づき、溶剤としてデカリンを用い、測定温度135℃で測定された極限粘度[η]から、下記式により算出される。
ポリエチレン:[η]=6.77×10−4Mv0.67(Chiangの式)
ポリプロピレン:[η]=1.10×10−4Mv0.80
本実施形態におけるポリオレフィン多孔性基材の気孔率は、特に限定されないが、好ましくは20%以上、より好ましくは35%以上であり、好ましくは90%以下、好ましくは80%以下である。気孔率を20%以上とすることは、セパレータの透過性を確保する観点から好ましい。一方、気孔率を90%以下とすることは、突刺強度を確保する観点から好ましい。ここで、気孔率は、例えば、ポリオレフィン多孔性基材試料の体積(cm)、質量(g)、膜密度(g/cm)から、下記数式:
気孔率=(体積−質量/膜密度)/体積×100
により求めることができる。ここで、例えばポリエチレンから成るポリオレフィン多孔性基材の場合には、膜密度を0.95(g/cm)と仮定して計算することができる。気孔率は、ポリオレフィン多孔性基材の延伸倍率の変更等により調節可能である。
本実施形態におけるポリオレフィン多孔性基材の透気度は、特に限定されないが、好ましくは10秒/100cc以上、より好ましくは50秒/100cc以上であり、好ましくは1,000秒/100cc以下、より好ましくは500秒/100cc以下である。透気度を10秒/100cc以上とすることは、蓄電デバイスの自己放電を抑制する観点から好ましい。一方、透気度を1,000秒/100cc以下とすることは、良好な充放電特性を得る観点から好ましい。ここで、透気度は、JIS P−8117に準拠して測定される透気抵抗度である。透気度は、多孔性基材の延伸温度及び/又は延伸倍率の変更等により調節可能である。
本実施形態におけるポリオレフィン多孔性基材の平均孔径は、好ましくは0.15μm以下、より好ましくは0.1μm以下であり、下限として好ましくは0.01μm以上である。平均孔径を0.15μm以下とすることは、蓄電デバイスの自己放電を抑制し、容量低下を抑制する観点から好適である。平均孔径は、ポリオレフィン多孔性基材を製造する際の延伸倍率の変更等により調節可能である。
本実施形態におけるポリオレフィン多孔性基材の突刺強度は、特に限定されないが、好ましくは200g/20μm以上、より好ましくは300g/20μm以上であり、好ましくは2,000g/20μm以下、より好ましくは1,000g/20μm以下である。突刺強度が200g/20μm以上であることは、電池捲回時における脱落した活物質等による破膜を抑制する観点、及び充放電に伴う電極の膨張収縮によって短絡する懸念を抑制する観点からも好ましい。一方、突刺強度が2,000g/20μm以下であることは、加熱時の配向緩和による幅収縮を低減できる観点から好ましい。突刺強度は、後記の実施例の記載の方法により測定される。
上記突刺強度は、ポリオレフィン多孔性基材の延伸倍率及び/又は延伸温度等を調整することにより調節可能である。
本実施形態におけるポリオレフィン多孔性基材の膜厚は、特に限定されないが、好ましくは2μm以上、より好ましくは5μm以上であり、好ましくは100μm以下、より好ましくは60μm以下、更に好ましくは50μm以下である。この膜厚を2μm以上とすることは、機械強度を向上させる観点から好ましい。一方、この膜厚を100μm以下とすることは、電池におけるセパレータの占有体積が減るため、電池の高容量化の点において有利となる傾向があるので好ましい。
[フィラー多孔層]
フィラー多孔層は、無機フィラー及び樹脂バインダを含む。
(無機フィラー)
フィラー多孔層に使用する無機フィラーとしては、特に限定されないが、200℃以上の融点を持ち、電気絶縁性が高く、かつリチウムイオン二次電池の使用範囲で電気化学的に安定であるものが好ましい。
無機フィラーとしては、特に限定されないが、例えば、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、マグネシア、セリア、イットリア、酸化亜鉛、酸化鉄等の酸化物系セラミックス;窒化ケイ素、窒化チタン、窒化ホウ素等の窒化物系セラミックス;シリコンカーバイド、炭酸カルシウム、硫酸マグネシウム、硫酸アルミニウム、水酸化アルミニウム、水酸化酸化アルミニウム、チタン酸カリウム、タルク、カオリナイト、ディカイト、ナクライト、ハロイサイト、パイロフィライト、モンモリロナイト、セリサイト、マイカ、アメサイト、ベントナイト、アスベスト、ゼオライト、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウム、ケイ藻土、ケイ砂等のセラミックス;ガラス繊維等が挙げられる。これらは、単独で用いてもよいし、複数を併用してもよい。
これらの中でも、電気化学的安定性及びセパレータの耐熱特性を向上させる観点から、
アルミナ、水酸化酸化アルミニウム等の酸化アルミニウム化合物;及び
カオリナイト、ディカイト、ナクライト、ハロイサイト、パイロフィライト等の、イオン交換能を持たないケイ酸アルミニウム化合物が好ましい。
酸化アルミニウム化合物としては、水酸化酸化アルミニウム(AlO(OH))が特に好ましい。イオン交換能を持たないケイ酸アルミニウム化合物としては、安価で入手も容易なため、主としてカオリン鉱物から構成されているカオリンがより好ましい。カオリンには、湿式カオリン及びこれを焼成処理して成る焼成カオリンが知られている。本発明においては、焼成カオリンが特に好ましい。焼成カオリンは、焼成処理の際に、結晶水が放出されており、更に不純物も除去されていることから、電気化学的安定性の点で特に好ましい。
無機フィラーの平均粒径は、0.01μmを超えて4.0μm以下であることが好ましく、0.2μmを超えて3.5μm以下であることがより好ましく、0.4μmを超えて3.0μm以下であることが更に好ましい。無機フィラーの平均粒径を上記範囲に調整することは、フィラー多孔層の厚さが薄い場合(例えば、7μm以下)であっても、高温における熱収縮を抑制する観点から好ましい。無機フィラーの粒径及びその分布を調整する方法としては、例えば、ボールミル、ビーズミル、ジェットミル等の適宜の粉砕装置を用いて無機フィラーを粉砕して粒径を小さくする方法等を挙げることができる。
無機フィラーの形状としては、例えば、板状、鱗片状、針状、柱状、球状、多面体状、塊状等が挙げられる。これらの形状を有する無機フィラーの複数種を組み合わせて用いてもよい。
無機フィラーが、フィラー多孔層中に占める割合は、無機フィラーの結着性、セパレータの透過性、及び耐熱性等の観点から適宜決定されることができる。フィラー多孔層中の無機フィラーの割合は、20質量%以上100質量%未満であることが好ましく、より好ましくは50質量%以上99.99質量%以下、更に好ましくは80質量%以上99.9質量%以下、特に好ましくは90質量%以上99質量%以下である。
(樹脂バインダ)
フィラー多孔層に含有される樹脂バインダの種類としては、特に限定されないが、リチウムイオン二次電池の電解液に対して不溶であり、かつリチウムイオン二次電池の使用範囲において電気化学的に安定な樹脂バインダを用いることが好ましい。
このような樹脂バインダの具体例としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン;ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等の含フッ素樹脂;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、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及びその水素化物、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体及びその水素化物、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体及びその水素化物、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、ポリ酢酸ビニル等のゴム類;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、ポリエステル等の、融点及び/又はガラス転移温度が180℃以上の樹脂等が挙げられる。
フィラー多孔層のイオン抵抗を低減させるために、後述されるポリアルキレングリコール基含有熱可塑性ポリマーを樹脂バインダとしてフィラー多孔層に含有させることも好ましい。
樹脂バインダとしては、樹脂ラテックスバインダを用いることが好ましい。樹脂バインダとして樹脂ラテックスバインダを用いた場合、該バインダと無機フィラーとを含むフィラー多孔層を具備するセパレータは、樹脂バインダ溶液を基材上に塗布する工程を経て樹脂バインダを多孔膜上に結着させたセパレータと比較して、イオン透過性が低下し難く、出力特性の高い蓄電デバイスを与える傾向にある。更に、該セパレータを有する蓄電デバイスは、異常発熱時の温度上昇が速い場合においても、円滑なシャットダウン特性を示し、高い安全性が得られ易い傾向にある。
樹脂ラテックスバインダとしては、電気化学的安定性及び結着性を向上させる観点から、脂肪族共役ジエン系モノマー及び不飽和カルボン酸モノマー、並びにこれらと共重合可能な他のモノマーを共重合して得られるものが好ましい。この場合の重合方法に特に制限はないが、乳化重合が好ましい。乳化重合の方法としては、特に制限はなく、既知の方法を用いることができる。モノマー及びその他の成分の添加方法については、特に制限されるものではなく、一括添加方法、分割添加方法、及び連続添加方法の何れも採用することができ、重合方法は、一段重合、二段重合、又は三段階以上の多段階重合の何れも採用することができる。
樹脂バインダの平均粒径は、50〜500nmであることが好ましく、より好ましくは60〜460nm、更に好ましくは80〜250nmである。樹脂バインダの平均粒径が50nm以上である場合、該バインダと無機フィラーとを含むフィラー多孔層を具備するセパレータは、イオン透過性が低下し難く、高い出力特性の蓄電デバイスを与え易い。更に、異常発熱時の温度上昇が速い場合においても、円滑なシャットダウン特性を示し、高い安全性を有する蓄電デバイスが得られ易い。樹脂バインダの平均粒径が500nm以下である場合、良好な結着性を発現し、多層多孔膜とした場合に熱収縮が良好となり、安全性に優れる傾向にある。
樹脂バインダの平均粒径は、重合時間、重合温度、原料組成比、原料投入順序、pHなどを調整することで制御することが可能である。
フィラー多孔層の層厚は、耐熱性及び絶縁性を向上させる観点から、0.5μm以上であることが好ましく、電池の高容量化と透過性を向上させる観点から50μm以下であることが好ましい。
フィラー多孔層の層密度は、0.5〜3.0g/cmであることが好ましく、0.7〜2.0cmであることがより好ましい。フィラー多孔層の層密度が0.5g/cm以上であると、高温での熱収縮率が良好となる傾向にあり、3.0g/cm以下であると、透気度が低下する傾向にある。
フィラー多孔層の形成方法としては、例えば、基材の少なくとも片面に、無機フィラーと樹脂バインダとを含む塗工液を塗工する方法を挙げることができる。この場合の塗工液は、分散安定性及び塗工性の向上のために、溶剤、分散剤等を含んでいてもよい。
塗工液を基材に塗工する方法は、必要とする層厚及び塗工面積を実現できる限り特に限定されない。樹脂バインダを含んだフィラー原料と、ポリマー基材原料と、を共押出法により積層して押出してもよいし、基材とフィラー多孔膜とを個別に作製した後に貼り合せてもよい。
[熱可塑性ポリマー層]
本実施形態における熱可塑性ポリマー層は、多孔性基材やフィラー多孔層の少なくとも片面の少なくとも最表面の一部に配置される。熱可塑性ポリマー層は、多孔性基材やフィラー多孔層の全面に配置してもよいし、基材面やフィラー多孔層の一部にのみ配置してもよい。得られる電池が高いイオン透過性を示すように、熱可塑性ポリマー層をポリオレフィン多孔性基材やフィラー多孔層の面の一部にのみ配置することがより好ましい。熱可塑性ポリマー層は熱可塑性ポリマーを主成分として含む層であり、例えば無機フィラー粒子などを含んでもよい。高接着性の観点から、熱可塑性ポリマー層と多孔性基材が直接接触していることが好ましい。
熱可塑性ポリマー層中に占める熱可塑性ポリマーの質量比は電極に対する接着性を効率的に発現させる観点から、3質量%超が好ましく、10質量%以上がより好ましく、20質量%以上がさらに好ましく、40質量%以上がさらに好ましく、60質量%以上がさらに好ましく、80質量%以上がさらに好ましく、90質量%以上が最も好ましい。
また、熱可塑性ポリマー層にフィラー粒子を含む場合には、接着性とイオン透過性を両立させる観点から、熱可塑性ポリマー層中に占める無機フィラー粒子の質量比は96質量%以下が好ましく、90質量%以下がさらに好ましく、80質量%以下がさらに好ましく、60質量%以下がさらに好ましく、40質量%以下がさらに好ましく、20質量%以下がさらに好ましい。熱可塑性ポリマー層中に占める無機フィラー粒子の質量比の下限値は、0質量%であるか、0質量%を超えるか、又は0.1質量%以上でよい。接着性の観点から、熱可塑性ポリマー層中に占める無機フィラー粒子の質量比は、0質量%であることが最も好ましい。
本実施形態では、熱可塑性ポリマー層は、電極と直接接着されることが予定されているか、又は耐熱性であることが好ましい。蓄電デバイス用セパレータが、ポリオレフィン多孔性基材及び熱可塑性ポリマー層に加えて、フィラー多孔層等の他の層を含むとしても、少なくとも1つの熱可塑性ポリマー層は、電極と直接接着されるように、例えば、ポリオレフィン多孔性基材やフィラー多孔層の少なくとも片面の少なくとも一部と電極とが熱可塑性ポリマー層を介して接着されるか、又はポリオレフィン多孔性基材及びフィラー多孔層上に配置された他の層と電極とが熱可塑性ポリマー層を介して接着されるように、配置されるものとする。
本実施形態における熱可塑性ポリマー層の多孔性基材に対する塗工量は、固形分で0.05g/m以上が好ましく、0.1g/m以上がより好ましい。また、2.0g/m以下が好ましく、1.5g/m以下が更に好ましい。多孔性基材に対する熱可塑性ポリマーの塗工量を0.05g/m以上とすることは、得られるセパレータにおいて、熱可塑性ポリマー層と電極との接着力を向上させ、均一な充放電を実現し、電池特性(サイクル特性)を向上させる点で好ましい。セパレータに耐熱性を付与する点からも好ましい。一方で、2.0g/m以下とすることは、イオン透過性の低下を抑制する観点から好ましい。
本実施形態において、多孔性基材やフィラー多孔層の面のうちの、熱可塑性ポリマー層が配置される面の全面積に対する熱可塑性ポリマー層の面積割合は、100%以下、95%以下、80%以下、75%以下、又は70%以下であることが好ましく、また、この面積割合は、5%以上、10%以上、又は15%以上であることが好ましい。この熱可塑性ポリマー層の塗工面積を100%以下とすることは、熱可塑性ポリマーによる基材の孔の閉塞を更に抑制し、セパレータの透過性を一層向上する観点から好ましい。一方、塗工面積を5%以上とすることは、電極との接着性を一層向上する観点から好ましい。セパレータに耐熱性を付与する点からも好ましい。この面積割合は、得られるセパレータの熱可塑性ポリマー層形成面をSEMで観察することにより測定される。
また、熱可塑性ポリマー層が無機フィラーと混在した層である場合には、熱可塑性ポリマーと無機フィラーの全面積を100%として熱可塑性ポリマーの存在面積を算出する。
本実施形態におけるポリマー層の塗工量や塗工面積は、例えば、後述のセパレータの製造方法において、基材に塗布する塗布液中の熱可塑性ポリマー又は共重合体濃度、塗布液の塗布量、塗布方法及び塗布条件を変更することにより調整することができる。ただし、塗工量及び塗工面積の調整方法は、それらに限定されない。また、本実施形態における熱可塑性ポリマー層の塗工面積(表面被覆率)は、下記実施例に記載の方法に準じて測定される。
熱可塑性ポリマー層をポリオレフィン多孔性基材やフィラー多孔層の面の一部にのみ配置する場合、熱可塑性ポリマー層の配置パターンとしては、例えば、ドット状、斜線状、ストライプ状、格子状、縞状、亀甲状、ランダム状等、及びこれらの組み合わせが挙げられる。
本実施形態に係る蓄電デバイス用セパレータは、熱可塑性ポリマー層についてボロノイ分割を行って得られるボロノイ多角形の面積(s)の分散(σ)が、0.01以上0.7以下であることが好ましい。ここでいう熱可塑性ポリマーは、好ましくは粒状である。
ボロノイ分割とは、ある距離空間上の任意の位置に配置された複数個の点(母点)に対して、同一空間上の他の点がどの母点に近いかによって領域分けすることをいう。このようにして得られた領域を含む図は、ボロノイ図と呼ばれる。一般に、ボロノイ図において、複数の領域の境界線は、各母点の二等分線の一部になり、かつ各領域は多角形(ボロノイ多角形)を形成する。
セパレータ表面を特定の視野で観察するときに、その観察視野において、1つの熱可塑性ポリマー粒子を、平均直径(l)を有する1つの円と見做す。そして、隣接する複数の熱可塑性ポリマー粒子の間に、それぞれ垂直二等分線を引き、各粒子について前記垂直二等分線によって囲まれた多角形を「ボロノイ多角形」と称する。
ボロノイ多角形の面積(s)の分散(σ)とは、下記式:
{式中、sは、ボロノイ多角形の面積の実測値であり、mは、ボロノイ多角形の面積の実測値の平均値であり、かつnは、ボロノイ多角形の総数である}
により算出される値である。観察視野においてボロノイ分割を行なった時に、閉じられていない領域は、上記式の計算対象としないものとする。閉じられていない領域としては、例えば、観察視野の境界に粒子が存在し、その粒子の全体が観察されていない時に、その粒子に対してボロノイ分割を行なうことによって得られる領域が挙げられる。
従って、セパレータ表面の少なくとも一部の領域を撮影して得られた画像において、その画像の端に位置する粒子については、その粒子全体が観察されているか否かを確認することが好ましい。
本実施形態では、ボロノイ多角形の面積(s)の分散(σ)は、基材上における粒状の熱可塑性ポリマーの配置のばらつきの水準を示す指標となる。この分散(σ)は、粒状の熱可塑性ポリマーの塗工面における分布又は凝集状態を表していると考えられる。ボロノイ多角形の面積(s)の分散(σ)が0.01以上であると、粒状の熱可塑性ポリマーが適度に凝集してセパレータ表面に配置されていると評価できる。従って、この場合には、電極とセパレータとの間の接着性が十分である傾向にある。この分散(σ)が0.7以下であると、粒状の熱可塑性ポリマーがセパレータ表面において、過度に凝集していないと評価できる。従って、この場合には、セパレータ表面におけるイオン抵抗が均一化されており、表面の特定領域にリチウムイオンが集中せず、金属リチウムの発生が抑制されるので、蓄電デバイスの高温保存特性に優れる傾向にある。この分散(σ)の値は、0.01以上0.6以下であることが好ましく、0.01以上0.5以下であることがより好ましく、0.1以上0.4以下であることが更に好ましく、0.1以上0.35以下であることが特に好ましい。
粒状の熱可塑性ポリマー(以下、「熱可塑性ポリマー粒子」ともいう)の面積密度、及び熱可塑性ポリマー粒子についてボロノイ分割を行って得られるボロノイ多角形の面積(s)の分散(σ)を知るためには、セパレータ表面を観察する。その観察手段は、セパレータ上に塗工された熱可塑性ポリマー粒子の寸法又は分布状態によって適宜選定され、任意の方法を採用することが可能である。例えば、電子顕微鏡、原子間力顕微鏡、光学顕微鏡、微分干渉顕微鏡等を用いることが可能である。これらの中でも、本実施形態のような分散粒子の分布状態を扱う場合には、電子顕微鏡又は原子間力顕微鏡を用いるのが好適である。
観察視野内には、セパレータ表面に塗工されたポリマー層の平均的な観察視野が確保されるべきである。また、当該観察視野における投影面積は、分散粒子の平均的な分布状態が把握されるように適宜調整されるべきである。例えば、計算対象として採用される分散粒子は、約80個から200個/1視野であることが好ましい。この観察視野は、予め設定された観測手段及び倍率によってポリマー層を観察することにより、得ることができる。例えば、図1は、観測手段を走査型電子顕微鏡とし、倍率を1万倍として、ポリマー層の表面を観察した写真の一例である。図1は、粒子径約500nmの熱可塑性ポリマー粒子がポリマー層の表面に分散して存在している状態を明確に捉えている。このように熱可塑性ポリマー粒子がポリマー層の表面に分散した状態を捉えることにより熱可塑性ポリマー粒子の分散状態を、ボロノイ分割によって分析することができる。
走査型電子顕微鏡を用いる観察においては、熱可塑性ポリマー粒子の粒子径に応じて、ボロノイ分割による分析に適切な倍率を設定する。具体的には、1視野に観察される熱可塑性ポリマー粒子の数が、好ましくは40個〜300個、より好ましくは60個〜240個、更に好ましくは80個〜200個となる倍率に設定する。このことにより、ボロノイ分割による分析を適切に行うことができる。例えば、粒子径が500nm程度であれば倍率は1万倍とすることが適切であり、粒子径が200nm程度であれば倍率は3万倍程度の倍率設定とすることが、ボロノイ分割による分析に適切である。
上記観察方法により得られた観察視野に含まれる熱可塑性ポリマー粒子を特定する。例えば、肉眼で、又は画像処理ソフトウェアを用いて、観察視野から熱可塑性ポリマー粒子を特定する。図2は、図1の観察視野に含まれる熱可塑性ポリマー粒子を、画像処理ソフトウェアを用いて自動的に特定した結果を示す一例である。予め設定された方法及び倍率の観察視野において熱可塑性ポリマー粒子を特定することにより、粒子の総数、各粒子の直径、及び各粒子の投影面積が計算される(後述、図3も参照)。その場合、観察視野内に全体が含まれている粒子のみを特定することが好ましい。
セパレータ表面の特定の観察視野において特定された熱可塑性ポリマー粒子について、上記で定義されたボロノイ分割を行なうことができる。具体的には、セパレータ表面に熱可塑性ポリマーを塗工した後の塗工膜表面を撮影して、画像を得る。得られた画像中で特定された熱可塑性ポリマー粒子を平均直径(l(エル))の円と見なして、ボロノイ分割を行なうことにより、ボロノイ多角形を描画することができる。例えば、手動で、又は画像処理ソフトウェアを用いて、ボロノイ多角形を描画してよい。そして、描画されたボロノイ多角形の面積を算出する。
例えば、図3は、図2で特定された複数の熱可塑性ポリマー粒子にボロノイ分割を行なってボロノイ多角形を得た結果の一例である。図3に示されるボロノイ多角形の中で、閉じられた領域と対応しているボロノイ多角形の数及び面積を、画像処理ソフトウェアを用いて自動的に算出した結果を図4に示す。
上記の観察方法及び画像処理方法により、観察視野における投影面積が決定され、かつ該視野における熱可塑性ポリマー粒子の総数、投影面積、及びボロノイ多角形の面積が得られる。そして、上記の定義に従って、該視野における熱可塑性ポリマー粒子について、面積密度、及びボロノイ多角形の面積(s)の分散(σ)を算出することができる。
但し、熱可塑性ポリマー粒子の分布は、観測視野によって変化することがある。従って、面積密度及び分散(σ)としては、好ましくは複数の観察視野についてそれぞれ算出された値の平均値を採用することが好ましい。この視野数としては、3以上とすることが好ましい。
特に好ましくは、次のように決定された95視野について算出された値の平均値を採用することである。
i)各測定視野:走査電子顕微鏡で撮像した画像
ii)視野の設定方法:
a)起点の視野を設定し、
b)前記起点の視野に対して横方向に順次に隣接する領域からなる視野の9個と、縦方向に順次に隣接する領域からなる視野の9個と、前記起点の視野と、からなる19視野を設定し、
c)前記19視野によって規定される領域を起点の区画として設定し、
d)前記起点の区画に対して10mm間隔で一軸方向に順次に隣接する領域からなる区画を4個設定し、
e)前記4個の区画について、前記起点の区画における19視野と相似の位置に各19視野を設定し、そして
f)前記4個の区画及び前記起点の区画における全95視野(19視野×5区画)を測定視野として設定する。
前記各測定視野は、1視野に観察される熱可塑性ポリマー粒子の数が80〜200個となる倍率に設定して撮像された撮像画像であることが好ましい。
以下、図を参照しつつ、本実施形態における95視野の好ましい設定方法を説明する。
i)撮像画像としては、上記のとおり、倍率1万倍の走査電子顕微鏡で撮像した画像を採用することが好ましい。例えば図5に示す画像である。図5は、倍率1万倍の走査電子顕微鏡で撮像した、基材上の熱可塑性ポリマー粒子の画像の一部をモデル的に示した図である。
この図5の画像において、先ず、起点の視野(10)を設定する。1視野は倍率1万倍の走査電子顕微鏡で撮像した画像により構成されるため、その1視野のスケールは10μm×10μm程度であり、熱可塑性ポリマー粒子を基準としたボロノイ分割評価に適した視野を構成する。次に、前記起点の視野(10)に対して横方向(X軸方向)に順次に隣接する9個の視野(1〜9)を設定する。これらの視野(1〜9)は、それぞれ、起点の視野(10)と同じ倍率の撮像画像からなり、隣接する領域と一辺を共通にして一方向に順次に設定される。次に、前記起点の視野(10)に対して縦方向に順次に隣接する9個の視野(11〜19)を設定する。これらの視野(11〜19)は、それぞれ、起点の視野(10)と同じ領域からなり、隣接する領域と一辺を共通にして一方向に順次に設定される。
続いて、前記の19視野によって規定される領域を起点の区画(I)として設定する。該起点の区画(I)は、図5における視野1〜10の上辺と、視野10〜19の右辺とを2辺とする正方形の領域からなるため、1区画のスケールは100μm×100μm程度であり、倍率1,000倍の走査電子顕微鏡で撮像した画像に相当し、区画(I)を構成する19視野から算出した分散はセパレータ表面の状態をより正確に代表した値として評価できる。
本実施態様においては、更にセパレータ表面の状態を正確に評価すべく、上記1区画と同等の区画を5区画設けて評価を実施する。具体的には、図6を参照する。図6は、図5に示した基材上の熱可塑性ポリマー粒子の画像の全体像である。該図6において、前記起点の区画(I)に対して、10mm間隔で一軸方向に順次に隣接する4個の区画(II〜V)を設定する。これら4個の区画は、それぞれ、起点の区画(I)と同じ領域からなる。
次いで、これら4個の区画(II〜V)について、前記起点の区画(I)における19視野と相似の位置に各19視野を設定する。そして、前記4個の区画(II〜V)及び前記起点の視野(I)における全95視野(19視野×5区画)を、基材上における熱可塑性ポリマー粒子の観察視野として設定する。
上記のセパレータ表面の観察は、セパレータ表面のうちの、イオン伝導に関与していない領域について行われることが好ましい。例えば、製造直後のセパレータであって未だ蓄電素子に組み込まれていない状態のセパレータについて観察することができる。蓄電素子が使用中又は使用後である場合には、セパレータのうちの、所謂「耳」と呼ばれる部分(セパレータの外縁部近傍であって、イオン伝導に関与していない領域)について観察することも、本実施形態における好ましい態様である。
上記評価方法から理解されるとおり、95視野を観察対象とする場合、長さ約40mmのセパレータ片を測定対象とするため、セパレータ表面における熱可塑性ポリマーの分散状態を正確に評価することができる。
熱可塑性ポリマー粒子について、上記のようなボロノイ分割ができるということは、基材上に形成されたポリマー層において、該熱可塑性ポリマー粒子が実質的に重なり合うことなく、単層の粒子として存在していることを示している。例えばポリマー層中で熱可塑性ポリマー同士が幾重にも重なり合う場合には、単一の粒子が占有する面積という概念が成立しないため、ボロノイ分割を行うことができない。
本実施形態におけるセパレータは、基材上に形成されたポリマー層中の熱可塑性ポリマー粒子が、実質的に重なり合うことがないように配置されたうえで、上記の面積密度、及び分散(σ)が、それぞれ、上記した範囲に調整されることが好ましい。
熱可塑性ポリマーの面積密度及び分散(σ)を上記の範囲に調整する手段としては、限定されるものではないが、例えば、基材に塗布する塗布液における熱可塑性ポリマー含有量、塗布液の塗布量、並びに塗布方法及び塗布条件を変更することにより、調整することができる。より具体的には、熱可塑性ポリマー溶液の粘度を高く調整し、多孔膜の被塗工面に対してせん断力をかけながら塗工することにより、熱可塑性ポリマーを上記の範囲に分散して配置させることができる。
ポリマー層の基材上での存在形態(パターン)は、特に限定されるものではないが、上記分散を満たすように基材の全面にわたって熱可塑性ポリマー粒子が相互に分散して存在することが好ましい。熱可塑性ポリマー粒子が一部の領域においてクラスターを形成していてもよいが、全体として上記分散の範囲を満たす程度に各粒子が分散していることが必要となる。また、その一部の領域においてポリマー粒子同士が積み重なっていてもよいが、全体として上記分散の範囲を満たす程度に各粒子が分散していることが必要となる。
ポリオレフィン多孔性基材やフィラー多孔層上に配置される熱可塑性ポリマー層の厚さは、基材の片面当たり、0.01μm以上であることが好ましく、0.1μm以上であることがより好ましい。また5μm以下であることが好ましく、3μm以下であることがより好ましく、1μm以下であることが更に好ましい。ポリマー層の厚さを0.1μm以上とすることは、電極と多孔性基材間の接着力を均一に発現する点で好ましく、その結果、電池特性を向上させることができる。厚さ0.1μm以上のポリマー層は、耐熱性を付与する点でも好ましい。また、ポリマー層の厚さを5μm以下とすることはイオン透過性の低下を抑制する点で好ましい。
本実施形態におけるポリマー層の平均厚さは、例えば、基材に塗布する塗布液における熱可塑性ポリマー又は共重合体濃度や塗布液の塗布量、塗布方法及び塗布条件を変更することにより調整することができる。ただし、ポリマー層の平均厚さの調整方法は、それらに限定されない。
(熱可塑性ポリマー)
本実施形態では、熱可塑性ポリマー層は、熱可塑性ポリマーを含む。セパレータのイオン透過性と電極に対する接着性を両立するという観点、またセパレータのイオン透過性と耐熱性を両立するという観点から、使用される熱可塑性ポリマーの少なくとも1種は、ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体を単量体単位として有する共重合体を含むことが好ましい。なお、「エチレン性不飽和単量体」とは、分子内にエチレン性不飽和結合を1つ以上有する単量体を意味する。
ポリアルキレングリコール基(「ポリオキシアルキレン基」ともいう)を有するエチレン性不飽和単量体を単量体単位として有する共重合体は、その構造中にポリエーテルユニット(「ポリアルキレングリコール鎖」ともいう。以下「PEU」とも略記する)を有する熱可塑性コポリマー(以下「PEU含有熱可塑性コポリマー」という)である。
本実施形態では、熱可塑性ポリマー層がPEU含有熱可塑性コポリマーを含むことによって、セパレータのイオン透過性を高めつつ、電極に対する接着性や耐熱性をセパレータに付与することができる。
PEU含有熱可塑性コポリマーを含む熱可塑性ポリマー層は、例えば、単層構造;PEU含有熱可塑性コポリマーと、その少なくとも一部を囲むポリマーとから構成される構造;積層構造等を有してよい。
熱可塑性ポリマー層において、蓄電デバイス用セパレータの最表面に存在する熱可塑性ポリマーの少なくとも一部が、PEU含有熱可塑性コポリマーであることが好ましい。このような構造を有することにより、セパレータと電極との接着性、耐熱性、及びイオン透過性に優れ、電池作成時の工程時間短縮、電池特性の向上、安全性の向上に効果がある。
PEU含有熱可塑性コポリマーのポリエーテル部位中の酸素原子は、リチウム(Li)イオンと配位してLiイオンの拡散を促進するので、PEU含有熱可塑性コポリマーは、PEUを有していないアクリル系熱可塑性コポリマーよりもイオン抵抗を低減させることができる。したがって、基材の少なくとも片面にPEU含有熱可塑性コポリマーを適用すると、得られたセパレータを備える蓄電デバイスのイオン拡散性に優れる傾向にある。
PEU含有熱可塑性コポリマーのポリエーテル部位は、水和力が高いので、PEU含有熱可塑性コポリマーを水系塗料として基材に塗工する場合には、コポリマーの急激な乾燥が抑制され、塗料の塗工性が確保され、かつ基材と塗工層の結着強度が高まる。
多孔性基材への塗工層の塗工性と、セパレータの電極への接着性とのバランスを取りながらイオン拡散性を向上させるために、PEU含有熱可塑性コポリマーは、ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)、及びポリアルキレングリコール基を有していない単量体を共重合成分として含むように設計されることが好ましい。
ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)は、ポリアルキレングリコール基を有していない単量体と共重合可能である。ポリアルキレングリコール基は、ポリオキシアルキレン基とも呼ばれており、例えば、ポリオキシメチレン基、ポリオキシエチレン基、ポリオキシプロピレン基、ポリオキシブチレン基等でよい。ポリオキシアルキレン基を構成するオキシアルキレン基の炭素数は、好ましくは1〜6であり、より好ましくは1〜3であり、さらに好ましくは2である。ポリアルキレングリコール基中の炭化水素基は、直鎖でもよく、分岐していてもよく、環状構造を有していてもよい。
ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)中のアルキレングリコール単位の平均繰り返し数(n)は、特に限定されないが、1以上が好ましく、3以上がより好ましい。また100以下が好ましく、30以下がより好ましく、15以下が更に好ましく、8以下がより特に好ましい。
平均繰り返し数nが3以上であると、共重合体のイオン透過性が高くなる傾向がある。平均繰り返し数nが15以下であると、ポリアルキレングリコール基を有していない単量体との乳化重合時の共重合性が向上する傾向にある。
高接着性と低抵抗を両立する観点から、前記熱可塑性ポリマー層を構成する熱可塑性ポリマー100質量%中に、前記ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)を単量体単位換算として3〜50質量%含むことが好ましい。
前記ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体の検出方法は特に限定されないが、例えば熱分解GC−MSを用いた以下の方法で確認することができる。セパレータまたは、電池解体後に取り出したセパレータを、熱分解GC−MSで測定し、ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体に帰属されるm/z=59、69、103、113を確認することから、前記ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体を検出することができ、熱可塑性ポリマー層中の単量体のポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体の比率としてはGCチャートの積分比から確認することができる。
ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)としては、例えば、ポリアルキレングリコールモノ(メタ)アクリレート、ポリアルキレングリコールジ(メタ)アクリレート、又は分子中にポリアルキレングリコールユニットとアリル基等の反応性置換基とを有する単量体が挙げられる。
ポリアルキレングリコールモノ(メタ)アクリレートとしては、例えば、ポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコール(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコール−ポリプロピレングリコール(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコール−ポリブチレングリコール(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコール−ポリブチレングリコール(メタ)アクリレート、2−エチルヘキシルポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、フェノキシジエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、フェノキシポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、メトキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、メトキシジエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、エトキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、ブトキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、オクトキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、ラウロキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、ステアロキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、フェノキシポリエチレングリコール(メタ)アクリレート、メトキシポリプロピレングリコール(メタ)アクリレート、オクトキシポリエチレングリコール−ポリプロピレングリコール(メタ)アクリレート等のポリアルキレングリコール基を有する(メタ)アクリル酸エステル単量体が挙げられ、本発明による課題をより有効かつ確実に解決する観点から、これらが好ましい。他にも、単量体(P)としては、下記段落記載の反応性界面活性剤であってポリアルキレングリコール鎖を有するものも含む。単量体(P)の中では、メトキシジエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、メトキシポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、ブトキシポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、2−エチルヘキシルポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、メトキシポリプロピレングリコールモノ(メタ)アクリレートが共重合体調製時の重合安定性が良好である点で好ましい。
ポリアルキレングリコールジ(メタ)アクリレートとしては、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコール−ポリプロピレングリコールジ(メタ)アクリレート等が挙げられる。
分子中にポリアルキレングリコールユニットとアリル基とを有する単量体としては、例えば、ポリアルキレングリコールモノアリルエーテル等が挙げられ、具体的には、ポリエチレングリコールモノアリルエーテル、ポリプロピレングリコールモノアリルエーテル等を使用してよい。
上記熱可塑性ポリマーにおけるポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)の含有割合は、共重合体100質量%に対して、好ましくは2質量%以上であり、より好ましくは5質量%以上である。また50質量%以下であり、より好ましくは40質量%以下であり、さらに好ましくは30質量%以下であり、特に好ましくは20質量%以下である。ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)の含有割合が該範囲内にあると、セパレータのイオン透過性が向上するため好ましい。ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)の含有割合が50質量%以下であると、乳化重合時の共重合性が向上するため好ましい。
本実施形態における共重合体は、ポリアルキレングリコール基を有していない単量体として、シクロアルキル基を有するエチレン性不飽和単量体(A)を単量体単位として有することが好ましい。シクロアルキル基を有するエチレン性不飽和単量体(A)は、上記単量体(P)とは異なる単量体である。
シクロアルキル基を有するエチレン性不飽和単量体(A)としては、特に限定されないが、シクロアルキル基を有し、かつエチレン性不飽和結合を1つ有するものが挙げられる。ただし、本明細書では、シクロアルキル基は、共重合後のポリマー構造に残る基を意味し、したがって、重合及び架橋反応に使用される基、例えばエポキシ基、を除く。
シクロアルキル基を有するエチレン性不飽和単量体(A)に由来するシクロアルキル基含有単量体単位(A)としては、特に限定されないが、例えば、シクロヘキシルアクリレート単位、シクロヘキシルメタクリレート単位、イソボルニルアクリレート単位、イソボルニルメタクリレート単位、アダマンチルアクリレート単位、アダマンチルメタクリレート単位などの、シクロアルキル基を有する(メタ)アクリル酸エステル単量体単位が挙げられる。これらの中でも、シクロアルキル基と(メタ)アクリロイルオキシ基とを有する(メタ)アクリル酸エステル単量体単位が好ましく、シクロヘキシルアクリレート単位及びシクロヘキシルメタクリレート単位がより好ましい。このようなシクロアルキル基含有単量体単位(A)を用いることにより、本発明による課題をより有効かつ確実に解決できる傾向にある。また、共重合体バインダ調製時の重合安定性がより向上する傾向にある。シクロアルキル基含有単量体単位(A)は、1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。
上記で説明された単量体(A)の中では、シクロヘキシルアクリレート、及び/又はシクロヘキシルメタクリレートが、単量体(P)との乳化重合時の共重合性が良好である点で好ましい。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。
上記共重合体は、様々な品質及び物性を改良するために、ポリアルキレングリコール基を有さず、かつシクロアルキル基を有しない、その他の単量体(B)を単量体単位として有していてもよい。その他の単量体(B)は、上記単量体(A)および(P)とは異なる単量体であって、単量体(P)と共重合可能な単量体である。その他の単量体(B)としては、特に限定されないが、例えば、カルボキシル基を有するエチレン性不飽和単量体(b1)、アミド基を有するエチレン性不飽和単量体(b2)、ヒドロキシル基を有するエチレン性不飽和単量体(b3)、架橋性単量体(b4)、(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)、シアノ基を有するエチレン性不飽和単量体(b6)、及びその他のエチレン性不飽和単量体が挙げられる。その他の単量体(B)は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。また、その他の単量体(B)は、上記単量体(b1)〜(b6)のうち2種以上に同時に属するものであってもよい。すなわち、その他の単量体(B)は、カルボキシル基、アミド基、ヒドロキシル基、及びシアノ基からなる群より選ばれる2種以上の基を有するエチレン性不飽和単量体であってもよく、カルボキシル基、アミド基、ヒドロキシル基、及びシアノ基からなる群より選ばれる2種以上の基をエチレン性不飽和結合と共に有する架橋性単量体であってもよい。
なかでも、電極(電極活物質)との接着性向上の観点から、その他の単量体(B)は、カルボキシル基を有するエチレン性不飽和単量体(b1)を含むことが好ましい。カルボキシル基を有するエチレン性不飽和単量体(b1)としては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸のハーフエステル、マレイン酸のハーフエステル及びフマール酸のハーフエステルなどのモノカルボン酸単量体、並びに、イタコン酸、フマール酸及びマレイン酸などのジカルボン酸単量体が挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。なかでも、同様の観点から、好ましくはアクリル酸、メタクリル酸及びイタコン酸であり、より好ましくはアクリル酸及びメタクリル酸である。
同じく、電極(電極活物質)との接着性向上の観点から、その他の単量体(B)はアミド基を有するエチレン性不飽和単量体(b2)を含むことが好ましい。アミド基を有するエチレン性不飽和単量体(b2)としては、特に限定されないが、例えば、アクリルアミド、メタクリルアミド、N,N−メチレンビスアクリルアミド、ダイアセトンアクリルアミド、ダイアセトンメタクリルアミド、マレイン酸アミド及びマレイミドが挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。なかでも、好ましくはアクリルアミド及びメタクリルアミドである。アクリルアミド及び/又はメタクリルアミドを使用することで、セパレータの電極(電極活物質)との接着性が更に向上する傾向がある。
同じく、電極(電極活物質)との接着性向上の観点及び、共重合体の重合安定性の観点から、その他の単量体(B)はヒドロキシル基を有するエチレン性不飽和単量体(b3)を含むことが好ましい。ヒドロキシル基を有するエチレン性不飽和単量体(b3)としては、例えば、ヒドロキシエチルアクリレート、ヒドロキシエチルメタクリレート、ヒドロキシプロピルアクリレート、ヒドロキシプロピルメタクリレート、などのヒドロキシル基を有する(メタ)アクリレートが挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。なかでも、好ましくはヒドロキシエチルアクリレート及びヒドロキシエチルメタクリレートである。ヒドロキシエチルアクリレート及び/又はヒドロキシエチルメタクリレートを使用することで、共重合体の重合安定性が向上する傾向にある。
また、熱可塑性ポリマーの耐熱性を向上させて電池安全性を改善する観点、及び電解液に対する共重合体の不溶分を適度な量にする観点から、その他の単量体(B)は架橋性単量体(b4)を含むことが好ましい。架橋性単量体(b4)としては、特に限定されないが、例えば、ラジカル重合性の二重結合を2個以上有している単量体、重合中又は重合後に自己架橋構造を与える官能基を有する単量体が挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。
ラジカル重合性の二重結合を2個以上有している単量体としては、例えば、ジビニルベンゼン及び多官能(メタ)アクリレートが挙げられる。なかでも、少量でもより良好な耐電解液性を発現できる観点から、多官能(メタ)アクリレートが好ましい。
多官能(メタ)アクリレートとしては、2官能(メタ)アクリレート、3官能(メタ)アクリレート、4官能(メタ)アクリレートが挙げられ、例えば、ネオペンチルグリコールジアクリレート、ネオペンチルグリコールジメタクリレート、ブタンジオールジアクリレート、ブタンジオールジメタクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、トリメチロールプロパントリメタクリレート、ペンタエリスリトールテトラアクリレート、及びペンタエリスリトールテトラメタクリレートが挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。なかでも、上記と同様の観点から、トリメチロールプロパントリアクリレート及びトリメチロールプロパントリメタクリレートが好ましい。
重合中又は重合後に自己架橋構造を与える官能基を有する単量体としては、例えば、エポキシ基を有するエチレン性不飽和単量体、メチロール基を有するエチレン性単量体、アルコキシメチル基を有するエチレン性不飽和単量体、及び加水分解性シリル基を有するエチレン性不飽和単量体が挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。
エポキシ基を有するエチレン性不飽和単量体としては、例えば、グリシジルアクリレート、グリシジルメタクリレート、アリルグリシジルエーテル、メチルグリシジルアクリレート、及びメチルグリシジルメタクリレートが挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。なかでも、好ましくはグリシジルメタクリレートである。
メチロール基を有するエチレン性不飽和単量体としては、例えば、N−メチロールアクリルアミド、N−メチロールメタクリルアミド、ジメチロールアクリルアミド、及びジメチロールメタクリルアミドが挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。
アルコキシメチル基を有するエチレン性不飽和単量体としては、例えば、N−メトキシメチルアクリルアミド、N−メトキシメチルメタクリルアミド、N−ブトキシメチルアクリルアミド、及びN−ブトキシメチルメタクリルアミドが挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。
加水分解性シリル基を有するエチレン性不飽和単量体としては、例えば、ビニルシラン、γ−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γ−アクリロキシプロピルトリエトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、及びγ−メタクリロキシプロピルトリエトキシシランが挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。
架橋性単量体(b4)の中でも、多官能(メタ)アクリレートが架橋度のばらつきが少ない点で特に好ましい。
また、該共重合体を含む熱可塑性ポリマーの耐酸化性を良好にする観点及び乳化重合時の共重合性向上の観点からから、その他の単量体(B)は(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)を含むことが好ましい。(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)は上記単量体(b1)〜(b4)とは異なる単量体である。(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)としては、例えば、エチレン性不飽和結合を1つ有する(メタ)アクリル酸エステルが挙げられ、より具体的には、メチルアクリレート、エチルアクリレート、プロピルアクリレート、イソプロピルアクリレート、ブチルアクリレート、イソブチルアクリレート、t−ブチルアクリレート、n−ヘキシルアクリレート、2−エチルヘキシルアクリレート、ラウリルアクリレート、メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、プロピルメタクリレート、イソプロピルアクリレート、ブチルメタクリレート、イソブチルメタクリレート、t−ブチルメタクリレート、n−ヘキシルメタクリレート、2−エチルヘキシルメタクリレート、ラウリルメタクリレートなどのアルキル基を有する(メタ)アクリレート(より好ましくはアルキル基と(メタ)アクリロイルオキシ基とからなる(メタ)アクリレート)が挙げられる。これらの中では、乳化重合時の共重合性向上の観点から、炭素数4以上のアルキル基と(メタ)アクリロイルオキシ基とからなる(メタ)アクリル酸エステル単量体が好ましく、炭素数6以上のアルキル基と(メタ)アクリロイルオキシ基とからなる(メタ)アクリル酸エステル単量体がより好ましい。より具体的には、メチルメタクリレート、ブチルアクリレート、ブチルメタクリレート、2−エチルヘキシルアクリレートが好ましく、ブチルアクリレート、ブチルメタクリレート、2−エチルヘキシルアクリレートがより好ましく、2−エチルヘキシルアクリレートが更に好ましい。これらの(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。
シアノ基を有するエチレン性不飽和単量体(b6)としては、例えば、アクリロニトリル、及びメタクリロニトリルが挙げられる。また、芳香族基を有するエチレン性不飽和単量体としては、例えば、スチレン、ビニルトルエン及びα−メチルスチレンが挙げられる。なかでも、好ましくはスチレンである。
セパレータの接着性とイオン透過性を両立するという観点から、PEU含有熱可塑性コポリマー中の(メタ)アクリル酸エステル単量体の共重合割合(合計含有割合)は、PEU含有熱可塑性コポリマーの質量を基準として、好ましくは50〜99.9質量%であり、より好ましくは60〜99.9質量%であり、更に好ましくは70〜99.9質量%であり、なおも更に好ましくは80〜99.9質量%である。この段落において、(メタ)アクリル酸エステル単量体は、ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)のうち(メタ)アクリル酸エステルに該当するものと、シクロアルキル基を有する(メタ)アクリル酸エステル単量体(A)のうち(メタ)アクリル酸エステルに該当するものと、ポリアルキレングリコール基を有さず且つシクロアルキル基を有しない(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)との全てを包含する。(メタ)アクリル酸エステル単量体の含有割合が上記範囲内にあると、セパレータが非水系電解液二次電池に用いられる場合、電極との接着性、熱可塑性ポリマーの耐酸化性がより良好になる傾向にある。
その他の単量体(B)がカルボキシル基を有するエチレン性不飽和単量体(b1)もしくはアミド基を有するエチレン性不飽和単量体(b2)もしくはヒドロキシル基を有するエチレン性不飽和単量体(b3)を含む場合、共重合体中における(b1)、(b2)、(b3)の合計の含有割合は、共重合体100質量%に対して、0.1質量%以上が好ましい。また、好ましくは10質量%以下であり、より好ましくは7質量%以下であり、さらに好ましくは5質量%以下である。上記3種の合計の含有割合が、0.1質量%以上であると、セパレータと電極との接着性が向上する傾向にあり、10質量%以下であると、水分散体からの水の除去が容易になる傾向にある。
加えて、その他の単量体(B)がカルボキシル基を有するエチレン性不飽和単量体(b1)を含む場合、共重合体中における単量体(b1)の含有割合は、5質量%以下であることが好ましい。単量体(b1)の含有割合が5質量%以下であると、水分散体の分散安定性が向上する傾向にある。
その他の単量体(B)が架橋性単量体(b4)を含む場合、共重合体における架橋性単量体(b4)の含有割合は、共重合体100質量%に対して、好ましくは0.01質量%以上であり、より好ましくは0.1質量%以上である。また、10質量%以下であり、より好ましくは5質量%以下であり、さらに好ましくは3質量%以下である。架橋性単量体(b4)の含有割合が0.01質量%以上であると耐電解液性がさらに向上し、10質量%以下であるとセパレータと電極との接着性の低下をより抑制することができる。
本実施形態では、セパレータの電極への接着性及びイオン透過性の観点から、PEU含有熱可塑性共重合体は、ポリアルキレングリコール基を有していない単量体として、シクロアルキル基を有するエチレン性不飽和単量体(A)と、(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)とを含むことが好ましい。シクロアルキル基を有するエチレン性不飽和単量体(A)と(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)の合計含有割合は、PEU含有熱可塑性共重合体100質量%に対して、50〜98質量%、51〜97質量%、又は55〜95質量%であることが好ましい。
PEU含有熱可塑性コポリマーは、上記で説明した単量体以外の単量体を共重合ユニットとして含んでもよい。
熱可塑性ポリマー層において、PEU含有熱可塑性コポリマーとともに、PEU含有熱可塑性コポリマー以外の熱可塑性ポリマーがブレンドされていてもよい。
PEU含有熱可塑性コポリマー以外の熱可塑性ポリマーとしては、例えば、
ポリエチレン、ポリプロピレン、α−ポリオレフィン等のポリオレフィン樹脂;
ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系ポリマー又はこれらを含むコポリマー;
ブタジエン、イソプレン等の共役ジエンをモノマーユニットとして含むジエン系ポリマー若しくはこれらを含むコポリマー、又はこれらの水素化物;
(メタ)アクリレート等をモノマーユニットとして含み、かつPEUを有していないアクリル系ポリマー若しくはこれらを含むコポリマー、又はその水素化物;
エチレンプロピレンラバー、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル等のゴム類;
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;
ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール等の、重合性官能基を有していないポリアルキレングリコール;
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、ポリエステル等の樹脂:及び
これらの組み合わせが挙げられる。
これらの中でも、ジエン系ポリマー、アクリル系ポリマー又はフッ素系ポリマーが好ましく、電極活物質との接着性、熱可塑性ポリマー層の強度、及び柔軟性、塗工性の観点からは、特にアクリル系ポリマーが好ましい。
熱可塑性ポリマー層中のPEU含有熱可塑性コポリマーの含有量は、熱可塑性ポリマー層の質量を基準として、2質量%以上、5質量%以上、10質量%以上、15質量%、又は20質量%以上でよく、この含有量は、100質量%以下、99質量%以下、又は98質量%以下でよい。
本実施形態で使用される熱可塑性ポリマーのガラス転移温度(Tg)は、電極との接着性及びイオン透過性の観点から、−50℃以上であることが好ましく、−30℃以上であることがより好ましく、−30℃〜150℃の範囲内にあることがさらに好ましい。
本実施形態におけるガラス転移温度は、示差走査熱量測定(DSC)で得られるDSC曲線から決定される。具体的には、DSC曲線における低温側のベースラインを高温側に延長した直線と、ガラス転移の階段状変化部分の変曲点における接線との交点の温度を、ガラス転移温度として採用することができる。より詳細には、実施例に記載の方法を参照することができる。
また、「ガラス転移」はDSCにおいて試験片であるポリマーの状態変化に伴う熱量変化が吸熱側に生じたものを指す。このような熱量変化はDSC曲線において階段状変化の形状として観測される。「階段状変化」とは、DSC曲線において、曲線がそれまでの低温側のベースラインから離れ新たな高温側のベースラインに移行するまでの部分を示す。なお、階段状変化とピークとが組み合わされたものも階段状変化に含まれることとする。
さらに、「変曲点」とは、階段状変化部分のDSC曲線のこう配が最大になるような点を示す。また、階段状変化部分において、上側を発熱側とした場合に、上に凸の曲線が下に凸の曲線に変わる点と表現することもできる。「ピーク」とは、DSC曲線において、曲線が低温側のベースラインから離れてから再度同じベースラインに戻るまでの部分を示す。「ベースライン」とは、試験片に転移及び反応を生じない温度領域のDSC曲線のことを示す。
本実施形態では、熱可塑性ポリマーのガラス転移温度Tgは、例えば、熱可塑性ポリマーを製造する際に用いるモノマー成分及び各モノマーの投入比を変更することにより、適宜調整できる。すなわち、熱可塑性ポリマーの製造に用いられる各モノマーについて、一般に示されているそのホモポリマーのTg(例えば、「ポリマーハンドブック」(A WILEY−INTERSCIENCE PUBLICATION)に記載)と、モノマーの配合割合とから、ガラス転移温度の概略を推定することができる。例えば、約100℃のTgのホモポリマーを与えるメチルメタクリレ−ト、アクリルニトリル、メタクリル酸等のモノマーを高い比率で共重合したコポリマーのTgは高くなり;例えば、約−50℃のTgのホモポリマーを与えるn−ブチルアクリレ−ト、2−エチルヘキシルアクリレ−ト等のモノマーを高い比率で共重合したコポリマーのTgは低くなる。
また、コポリマーのTgは、下記数式(1):
1/Tg=W/Tg+W/Tg+・・・・・・+W/Tg+・・・・・・W/Tg (1)
{式中、Tg(K)はコポリマーのTgであり、Tg(K)はモノマーiのホモポリマーのTgであり、Wは各モノマーの質量分率である。}で表されるFOXの式によっても、概算することができる。
ただし、本実施形態における熱可塑性ポリマーのガラス転移温度Tgとしては、上記DSCを用いる方法により測定した値を採用する。
ポリオレフィン微多孔膜への濡れ性、ポリオレフィン微多孔膜と熱可塑性ポリマー層との結着性、及び電極との接着性の観点から、熱可塑性ポリマー層には、ガラス転移温度が20℃未満のポリマーがブレンドされていることがより好ましく、耐ブロッキング性及びイオン透過性の観点から、ガラス転移温度が20℃以上のポリマーもブレンドされていることがより好ましい。すなわち、熱可塑性ポリマー層には少なくとも2つのガラス転移点を有していることが好ましい。ガラス転移温度が20℃未満の熱可塑性ポリマーは、特にガラス転移温度が15℃以下であることが好ましく、0℃以下であることがより好ましく、またガラス転移温度が−30℃以上であることが好ましい。一方で、ガラス転移温度が20℃以上の熱可塑性ポリマーは、特にガラス転移温度が30℃以上であることがより好ましく、40℃以上であることが更に好ましく、50℃以上であることが最も好ましく、またガラス転移温度が120℃以下であることが好ましい。これにより、セパレータと電極との接着性及びハンドリング性に更に優れるという効果を奏する。
熱可塑性ポリマーがガラス転移温度を少なくとも2つ有することは、限定されるものではないが、2種類以上の熱可塑性ポリマーをブレンドする方法、コアシェル構造を備える熱可塑性ポリマーを用いる方法等によって達成できる。
コアシェル構造とは、中心部分に属するポリマーと、外殻部分に属するポリマーが異なる組成からなる、二重構造の形態をしたポリマーである。
特に、ポリマーブレンド及びコアシェル構造において、ガラス転移温度の高いポリマーと低いポリマーとを組み合せることにより、熱可塑性ポリマー全体のガラス転移温度を制御できる。また、熱可塑性ポリマー全体に複数の機能を付与できる。
本実施形態では、セパレータのブロッキング抑制性及びイオン透過性と接着性を両立する観点から、PEU含有熱可塑性コポリマーは、ガラス転移温度が20℃以上であり、粒子状であるものを含むことがより好ましい。また、ガラス転移温度が20℃未満のバインダがPEU含有熱可塑性コポリマーであってもよい。
ここで、「粒子状」とは、走査型電子顕微鏡(SEM)の測定において、個々の熱可塑性ポリマーが輪郭を持つ状態を指し、観察される粒子は、細長形状、球状、多角形状等の任意の形状でよい。
熱可塑性ポリマー層に粒子状熱可塑性コポリマーを含有させることによって、基材上に配置された熱可塑性ポリマー層の多孔性及びセパレータの耐ブロッキング性を確保することができる。
PEU含有熱可塑性コポリマーの平均粒径は、好ましくは10nm以上であり、より好ましくは50nm以上、更に好ましくは100nm以上である。また、1,000nm以下、より好ましくは800nm以下、更に好ましくは700nm以下である。この平均粒径を10nm以上とすることは、少なくとも多孔膜を含む基材に粒子状熱可塑性ポリマーを塗工したときに、基材の孔に入り込まない程度の粒子状熱可塑性ポリマーの寸法が確保され且つ、塗工層自体のイオン透過性を維持できることを意味する。従って、この場合、電極とセパレータとの間の接着性、及び蓄電デバイスのサイクル特性、レート特性を向上させるという観点から好ましい。また、この平均粒径を1,000nm以下とすることは、水分散体の分散安定性を確保する観点から好ましく、また塗工層厚みを柔軟に制御できる観点から好ましい。粒子状の熱可塑性ポリマーの平均粒径は、下記実施例に記載の方法に準じて測定することができる。
セパレータの接着性と耐ブロッキング性のバランスを取るために、それぞれ異なる平均粒径を有する2種類以上の熱可塑性ポリマー粒子を、熱可塑性ポリマー層に含有させることも好ましい。より好ましくは、10nm〜300nmの平均粒径を有する熱可塑性ポリマー粒子(以下「小粒径粒子」という)と、100nmを超え、かつ2,000nm以下の平均粒径を有する熱可塑性ポリマー粒子(以下「大粒径粒子」という)の組み合わせを用いる。
PEU含有熱可塑性コポリマーは、小粒径粒子と大粒径粒子の一方又は両方として使用されることができる。
上記で説明した粒子状熱可塑性ポリマーは、上記で説明した単量体を使用すること以外は、既知の重合方法によって製造することができる。重合方法としては、例えば、溶液重合、乳化重合、塊状重合等の適宜の方法を採用することができる。
特に粒子形状の分散体として得る目的で、乳化重合法が好ましい。乳化重合の方法に関しては特に制限はなく、従来公知の方法を用いることができる。例えば、水性媒体中で上述の単量体、界面活性剤、ラジカル重合開始剤、及び必要に応じて用いられる他の添加剤成分を基本組成成分とする分散系において、上記各単量体からなる単量体組成物を重合することにより共重合体が得られる。重合に際しては、供給する単量体組成物の組成を全重合過程で一定にする方法、重合過程で逐次又は連続的に変化させることによって、生成する樹脂分散体の粒子の形態的な組成変化を与える方法等、必要に応じて様々な方法が利用できる。共重合体を乳化重合により得る場合、例えば、水と、その水中に分散した粒子状の共重合体とを含む水分散体(ラテックス)の形態であってもよい。
界面活性剤は、一分子中に少なくとも1つ以上の親水基と1つ以上の親油基とを有する化合物である。界面活性剤としては、例えば、非反応性のアルキル硫酸エステル、ポリオキシエチレンアルキルエーテル硫酸エステル塩、アルキルベンゼンスルホン酸塩、アルキルナフタレンスルホン酸塩、アルキルスルホコハク酸塩、アルキルジフェニルエーテルジスルホン酸塩、ナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合物、ポリオキシエチレン多環フェニルエーテル硫酸エステル塩、ポリオキシエチレンジスチレン化フェニルエーテル硫酸エステル塩、脂肪酸塩、アルキルリン酸塩、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル硫酸エステル塩等のアニオン性界面活性剤、及び、非反応性のポリオキシエチレンアルキルエーテル、ポリオキシアルキレンアルキルエーテル、ポリオキシエチレン多環フェニルエーテル、ポリオキシエチレンジスチレン化フェニルエーテル、ソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンソルビトール脂肪酸エステル、グリセリン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレン脂肪酸エステル、ポリオキシエチレンアルキルアミン、アルキルアルカノールアミド、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル等のノニオン性界面活性剤が挙げられる。これらの他に、親水基と親油基とを有する界面活性剤の化学構造式の中にエチレン性二重結合を導入した、いわゆる反応性界面活性剤を用いてもよい。
反応性界面活性剤の中のアニオン性界面活性剤としては、例えば、スルホン酸基、スルホネート基又は硫酸エステル基及びこれらの塩を有するエチレン性不飽和単量体が挙げられ、スルホン酸基、又はそのアンモニウム塩若しくはアルカリ金属塩である基(アンモニウムスルホネート基、又はアルカリ金属スルホネート基)を有する化合物であることが好ましい。具体的には、例えば、アルキルアリルスルホコハク酸塩(例えば、三洋化成株式会社製エレミノール(商標)JS−20、花王株式会社製ラテムル(商標。以下同様。)S−120、S−180A、S−180が挙げられる。)、ポリオキシエチレンアルキルプロペニルフェニルエーテル硫酸エステル塩(例えば、第一工業製薬株式会社製アクアロン(商標。以下同様。)HS−10が挙げられる。)、α−〔1−〔(アリルオキシ)メチル〕−2−(ノニルフェノキシ)エチル〕−ω−ポリオキシエチレン硫酸エステル塩(例えば、株式会社ADEKA製アデカリアソープ(商標。以下同様。)SE−10Nが挙げられる。)、アンモニウム=α−スルホナト−ω−1−(アリルオキシメチル)アルキルオキシポリオキシエチレン(例えば、第一工業製薬株式会社製アクアロンKH−10が挙げられる。)、スチレンスルホン酸塩(例えば、東ソー有機化学株式会社製スピノマー(商標)NaSSが挙げられる。)、α−〔2−〔(アリルオキシ)−1−(アルキルオキシメチル)エチル〕−ω−ポリオキシエチレン硫酸エステル塩(例えば、株式会社ADEKA製アデカリアソープSR−10が挙げられる。)、ポリオキシエチレンポリオキシブチレン(3−メチル−3−ブテニル)エーテルの硫酸エステル塩(例えば、花王株式会社製ラテムルPD−104が挙げられる。)等が挙げられる。
また、反応性界面活性剤の中のノニオン性界面活性剤としては、例えば、α−〔1−〔(アリルオキシ)メチル〕−2−(ノニルフェノキシ)エチル〕−ω−ヒドロキシポリオキシエチレン(例えば、株式会社ADEKA製アデカリアソープNE−20、NE−30、NE−40が挙げられる。)、ポリオキシエチレンアルキルプロペニルフェニルエーテル(例えば、第一工業製薬株式会社製アクアロンRN−10、RN−20、RN−30、RN−50が挙げられる。)、α−〔2−〔(アリルオキシ)−1−(アルキルオキシメチル)エチル〕−ω−ヒドロキシポリオキシエチレン(例えば、株式会社ADEKA製アデカリアソープER−10が挙げられる。)、ポリオキシエチレンポリオキシブチレン(3−メチル−3−ブテニル)エーテル(例えば、花王株式会社製ラテムルPD−420が挙げられる。)等が挙げられる。
上記各種界面活性剤の中でも、反応性界面活性剤が好ましく、より好ましくはアニオン性の反応性界面活性剤であり、さらに好ましくはスルホン酸基を有する反応性界面活性剤である。界面活性剤は、単量体組成物100質量部に対して0.1〜5質量部用いることが好ましい。界面活性剤は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。
ラジカル重合開始剤としては、熱又は還元性物質によりラジカル分解して単量体の付加重合を開始させるものであり、無機系開始剤及び有機系開始剤のいずれも用いることができる。ラジカル重合開始剤としては、水溶性又は油溶性の重合開始剤を用いることができる。水溶性の重合開始剤としては、例えば、ペルオキソ二硫酸塩、過酸化物、水溶性のアゾビス化合物、過酸化物−還元剤のレドックス系が挙げられる。ペルオキソ二硫酸塩としては、例えば、ペルオキソ二硫酸カリウム(KPS)、ペルオキソ二硫酸ナトリウム(NPS)、及びペルオキソ二硫酸アンモニウム(APS)が挙げられ、過酸化物としては、例えば、過酸化水素、t−ブチルハイドロパーオキサイド、t―ブチルパーオキシマレイン酸、コハク酸パーオキシド、及び過酸化ベンゾイルが挙げられ、水溶性のアゾビス化合物としては、例えば、2,2−アゾビス(N−ヒドロキシエチルイソブチルアミド)、2、2−アゾビス(2−アミジノプロパン)2塩化水素、4,4−アゾビス(4−シアノペンタン酸)が挙げられ、過酸化物−還元剤のレドックス系としては、例えば、上記過酸化物にナトリウムスルホオキシレートホルムアルデヒド、亜硫酸水素ナトリウム、チオ硫酸ナトリウム、ヒドロキシメタンスルフィン酸ナトリウム、L−アスコルビン酸、及びその塩、第一銅塩、並びに第一鉄塩等の還元剤の1種又は2種以上を組み合わせたものが挙げられる。
ラジカル重合開始剤は、単量体組成物100質量部に対して、好ましくは0.05〜2質量部用いることができる。ラジカル重合開始剤は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。
なお、ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)と、シクロアルキル基を有するエチレン性不飽和単量体(A)と、その他の単量体(B)とを含む単量体組成物を乳化重合し、重合体粒子が溶媒(水)中に分散した分散体を形成する場合、得られた分散体の固形分としては、30質量%〜70質量%であることが好ましい。
また、分散体は、長期の分散安定性を保つため、そのpHを5〜12の範囲に調整されることが好ましい。pHの調整には、アンモニア、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、及びジメチルアミノエタノール等のアミン類を用いることが好ましく、アンモニア(水)又は水酸化ナトリウムによりpHを調整することがより好ましい。
本実施形態における水分散体は、上記特定の単量体を含む単量体組成物を共重合して得られる共重合体を、水中に分散した粒子(共重合体粒子)として含む。水分散体には、水及び共重合体以外に、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等の溶媒や、分散剤、滑剤、増粘剤、殺菌剤等が含まれていてもよい。
本実施形態では、熱可塑性ポリマー層を塗工によって容易に形成することができるので、乳化重合により粒子状熱可塑性ポリマーを形成し、それにより、得られた熱可塑性ポリマーエマルジョンを水系ラテックスとして使用することが好ましい。
(任意成分)
本実施形態における熱可塑性ポリマー層は、熱可塑性ポリマーのみを含有していてもよいし、熱可塑性ポリマーに加えて、これ以外の任意成分を含んでいてもよい。任意成分としては、例えば、フィラー多孔層を形成するために上記で説明された無機フィラー等が挙げられる。
<蓄電デバイス用セパレータの製造方法>
[ポリオレフィン多孔性基材の製造方法]
本実施形態におけるポリオレフィン多孔性基材を製造する方法は、特に限定されず、公知の製造方法を採用することができる。例えば、ポリオレフィン樹脂組成物と可塑剤とを溶融混練してシート状に成形後、場合により延伸した後、可塑剤を抽出することにより多孔化させる方法、ポリオレフィン樹脂組成物を溶融混練して高ドロー比で押出した後、熱処理と延伸によってポリオレフィン結晶界面を剥離させることにより多孔化させる方法、ポリオレフィン樹脂組成物と無機充填材とを溶融混練してシート上に成形後、延伸によってポリオレフィンと無機充填材との界面を剥離させることにより多孔化させる方法、ポリオレフィン樹脂組成物を溶解後、ポリオレフィンに対する貧溶媒に浸漬させポリオレフィンを凝固させると同時に溶剤を除去することにより多孔化させる方法等が挙げられる。
また、基材としての不織布又は紙を作製する方法は、公知のものであってもよい。その作製方法としては、例えば、ウェブをバインダに浸漬、乾燥して繊維間結合させるケミカルボンド法;ウェブに熱溶融性繊維を混ぜ込み、その繊維を部分的に溶融し繊維間結合させるサーマルボンド法;ウェブに刺のあるニードルを繰り返し突き刺し、繊維を機械的に絡めるニードルパンチ法;高圧の水流をノズルからネット(スクリーン)を介してウェブに噴射し、繊維間を絡める水流交絡法が挙げられる。
以下、ポリオレフィン多孔性基材を製造する方法の一例として、ポリオレフィン樹脂組成物と可塑剤とを溶融混練してシート状に成形後、可塑剤を抽出する方法について説明する。
先ず、ポリオレフィン樹脂組成物と可塑剤を溶融混練する。溶融混練方法としては、例えば、ポリオレフィン樹脂及び必要によりその他の添加剤を、押出機、ニーダー、ラボプラストミル、混練ロール、バンバリーミキサー等の樹脂混練装置に投入し、樹脂成分を加熱溶融させながら任意の比率で可塑剤を導入して混練する方法が挙げられる。この際、ポリオレフィン樹脂、その他の添加剤及び可塑剤を樹脂混練装置に投入する前に、予めヘンシェルミキサー等を用い所定の割合で事前混練しておくことが好ましい。より好ましくは、事前混練において可塑剤の一部のみを投入し、残りの可塑剤を樹脂混練装置サイドフィードしながら混練することである。
可塑剤としては、ポリオレフィンの融点以上において均一溶液を形成しうる不揮発性溶媒を用いることができる。このような不揮発性溶媒の具体例として、例えば、流動パラフィン、パラフィンワックス等の炭化水素類;フタル酸ジオクチル、フタル酸ジブチル等のエステル類;オレイルアルコール、ステアリルアルコール等の高級アルコール等が挙げられる。これらの中で、流動パラフィンが好ましい。
ポリオレフィン樹脂組成物と可塑剤の比率は、これらを均一に溶融混練して、シート状に成形できる範囲であれば特に限定はない。例えば、ポリオレフィン樹脂組成物と可塑剤とからなる組成物中に占める可塑剤の質量分率は、好ましくは30〜80質量%、より好ましくは40〜70質量%である。可塑剤の質量分率をこの範囲とすることにより、溶融成形時のメルトテンションと、均一かつ微細な孔構造の形成性と、が両立する観点で、好ましい。
次に、溶融混練物をシート状に成形する。シート状成形体を製造する方法としては、例えば、溶融混練物を、Tダイ等を介してシート状に押出し、熱伝導体に接触させて樹脂成分の結晶化温度より充分に低い温度まで冷却して固化する方法が挙げられる。冷却固化に用いられる熱伝導体としては、金属、水、空気、可塑剤自身等が使用できるが、金属製のロールが熱伝導の効率が高いため好ましい。この際、金属製のロールに接触させる際に、ロール間で挟み込むと、熱伝導の効率が更に高まると共に、シートが配向して膜強度が増し、シートの表面平滑性も向上するためより好ましい。Tダイよりシート状に押出す際のダイリップ間隔は400μm以上3,000μm以下であることが好ましく、500μm以上2,500μm以下であることが更に好ましい。
このようにして得たシート状成形体を、次いで延伸することが好ましい。延伸処理としては、一軸延伸又は二軸延伸のいずれも好適に用いることができる。得られる多孔性基材の強度等の観点から二軸延伸が好ましい。シート状成形体を二軸方向に高倍率延伸すると、分子が面方向に配向し、最終的に得られる多孔性基材が裂け難くなり、高い突刺強度を有するものとなる。延伸方法としては、例えば、同時二軸延伸、逐次二軸延、多段延伸、多数回延伸等の方法を挙げることができる。突刺強度の向上、延伸の均一性、シャットダウン性の観点から同時二軸延伸が好ましい。
延伸倍率は、面倍率で20倍以上100倍以下の範囲であることが好ましく、25倍以上50倍以下の範囲であることが更に好ましい。各軸方向の延伸倍率は、MD方向に4倍以上10倍以下、TD方向に4倍以上10倍以下の範囲であることが好ましく、MD方向に5倍以上8倍以下、TD方向に5倍以上8倍以下の範囲であることが更に好ましい。この範囲の総面積倍率とすることにより、十分な強度を付与することができるとともに、延伸工程における膜破断を防ぎ、高い生産性が得られる点で、好ましい。
上記のようにして得られたシート状成形体を、更に圧延してもよい。圧延は、例えば、ダブルベルトプレス機等を使用したプレス法にて実施することができる。圧延は特に表層部分の配向を増すことができる。圧延面倍率は1倍より大きく3倍以下であることが好ましく、1倍より大きく2倍以下であることがより好ましい。この範囲の圧延倍率とすることにより、最終的に得られる多孔性基材の膜強度が増加し、且つ、膜の厚さ方向に均一な多孔構造を形成することができる点で、好ましい。
次いで、シート状成形体から可塑剤を除去して多孔性基材とする。可塑剤を除去する方法としては、例えば、抽出溶剤にシート状成形体を浸漬して可塑剤を抽出し、充分に乾燥させる方法が挙げられる。可塑剤を抽出する方法はバッチ式、連続式のいずれであってもよい。多孔性基材の収縮を抑えるために、浸漬、乾燥の一連の工程中にシート状成形体の端部を拘束することが好ましい。また、多孔性基材中の可塑剤残存量は1質量%未満にすることが好ましい。
抽出溶剤としては、ポリオレフィン樹脂に対して貧溶媒で、かつ可塑剤に対して良溶媒であり、沸点がポリオレフィン樹脂の融点より低いものを用いることが好ましい。このような抽出溶剤としては、例えば、n−ヘキサン、シクロヘキサン等の炭化水素類;塩化メチレン、1,1,1−トリクロロエタン等のハロゲン化炭化水素類;ハイドロフルオロエーテル、ハイドロフルオロカーボン等の非塩素系ハロゲン化溶剤;エタノール、イソプロパノール等のアルコール類;ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等のエーテル類;アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類が挙げられる。なお、これらの抽出溶剤は、蒸留等の操作により回収して再利用してよい。
多孔性基材の収縮を抑制するために、延伸工程後、又は、多孔性基材形成後に熱固定や熱緩和等の熱処理を行ってもよい。多孔性基材に、界面活性剤等による親水化処理、電離性放射線等による架橋処理等の後処理を行ってもよい。
[熱可塑性ポリマー層の配置方法]
上記のようにして製造されたポリオレフィン多孔性基材の少なくとも片面上に、熱可塑性ポリマー層を配置する。ポリオレフィン多孔性基材上に、熱可塑性ポリマーを配置する方法としては、特に限定されず、例えば、該熱可塑性ポリマーを含有する塗布液をポリオレフィン多孔性基材に塗布する方法が挙げられる。また、ポリオレフィン多孔性基材上に設けられたフィラー多孔層上に熱可塑性ポリマー層を配置する方法も同様である。
塗布液としては、熱可塑性ポリマーを、該ポリマーを溶解しない溶媒中に分散させた分散体を好ましく用いることができる。特に好ましくは、熱可塑性ポリマーを乳化重合によって合成し、該乳化重合によって得られるエマルジョンをそのまま塗布液として使用する場合である。
ポリオレフィン多孔性基材上に、熱可塑性ポリマーを含有する塗布液を塗布する方法については、所望の塗布パターン、塗布膜厚、及び塗布面積を実現できる方法であれば特に限定はない。例えば、グラビアコーター法、小径グラビアコーター法、リバースロールコーター法、トランスファロールコーター法、キスコーター法、ディップコーター法、ナイフコーター法、エアドクタコーター法、ブレードコーター法、ロッドコーター法、スクイズコーター法、キャストコーター法、ダイコーター法、スクリーン印刷法、スプレー塗布法、インクジェット塗布法等が挙げられる。これらのうち、熱可塑性ポリマーの塗工形状の自由度が高く、かつ好ましい面積割合を容易に得られるという観点から、グラビアコーター法又はスプレー塗布法が好ましい。
塗布液の媒体としては、水、又は水及び水溶性有機媒体からなる混合溶媒が好ましい。水溶性有機媒体としては、特に限定されないが、例えば、エタノール、メタノール等を挙げることができる。これらの中でもより水が好ましい。塗布液を基材に塗布する際に、塗布液が基材の内部にまで入り込んでしまうと、共重合体を含む熱可塑性ポリマーが、基材の孔の表面及び内部を閉塞し透過性が低下し易くなる。この点、塗布液の溶媒又は分散媒として水を用いる場合には、基材の内部に塗布液が入り込み難くなり、共重合体を含む熱可塑性ポリマーは主に基材の外表面上に存在し易くなるため、透過性の低下をより効果的に抑制できるので好ましい。また、水と併用可能な溶媒又は分散媒としては、例えば、エタノール及びメタノールを挙げることができる。
塗布に先立ち、ポリオレフィン多孔性基材表面に表面処理を施しておくと、塗布液を塗布し易くなると共に、ポリオレフィン多孔性基材と熱可塑性ポリマーとの接着性が向上するため好ましい。表面処理の方法としては、例えば、コロナ放電処理法、プラズマ処理法、機械的粗面化法、溶剤処理法、酸処理法、紫外線酸化法等が挙げられる。
塗布後に塗布膜から溶媒を除去する方法については、多孔性基材及びポリマー層に悪影響を及ぼさない方法であれば特に限定はない。例えば、ポリオレフィン多孔性基材を固定しながらその融点以下の温度にて乾燥する方法、低温で減圧乾燥する方法、熱可塑性ポリマーに対する貧溶媒に浸漬して該熱可塑性ポリマーを粒子状に凝固させると同時に溶媒を抽出する方法等が挙げられる。
<蓄電デバイス用セパレータ>
本実施形態の蓄電デバイス用セパレータを備える蓄電デバイスは、特に限定されないが、例えば、非水系電解液二次電池等の電池、コンデンサー及びキャパシタが挙げられる。それらの中でも、本発明による作用効果による利益がより有効に得られる観点から、電池が好ましく、非水系電解液二次電池がより好ましく、リチウムイオン二次電池が更に好ましい。本実施形態の蓄電デバイス用セパレータは、多孔性基材上にポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体を単量体単位として有する共重合体を含む熱可塑性ポリマー層を備えており、電極活物質との接着性、及び透過性に優れる。
本実施形態の蓄電デバイス用セパレータは、これを電極と重ね合わせて電解液で濡らし、プレス温度100℃、プレス圧力1.0MPa、プレス時間2分間の条件でプレスをした際の剥離強度が2N/m以上であることが好ましい。電解液にはエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)の混合溶媒(EC:DEC(質量比)=2:3)にLiPFを1mol/L含んだものを使用する。これは本実施形態のセパレータが電極に対する接着性を有していることを意味する。剥離強度をこの範囲に設定することにより、セパレータと電極間の接着性が十分に確保され、充放電による電極の膨張収縮に伴うセパレータと電極間の剥がれ及び、電池厚みの増大を抑制できる。その結果、均一なリチウムイオンの行き来を可能にし、リチウムデンドライトの発生を抑え、良好なサイクル特性が達成される。
上記の剥離強度の測定に用いる電極は、正極及び負極のどちらであってもよいが、本実施形態の蓄電デバイス用セパレータの効果を適切に把握するためには、正極を用いることが適切である。特に、正極集電体上に、正極活物質を含む正極活物質層が形成されたリチウムイオン二次電池用正極を、前記正極活物質層がセパレータの熱可塑性ポリマー層形成面と相対するように重ね合わせ、上記のように熱プレスしたうえで測定されることが適切である。
このリチウムイオン二次電池用正極については後述される。
熱可塑性ポリマー層が存在するセパレータ最表面に対して、アルミニウム箔を温度25℃及び圧力5MPaの条件下で3分間に亘ってプレスした場合には、セパレータとアルミニウム箔の間の剥離強度(以下「常温剥離強度」又は「ベタツキ」ともいう)が、20N/m以下であることが好ましく、8N/m以下であることがより好ましく、7N/m以下であることがさらに好ましく、6N/m以下であることが特に好ましい。
アルミニウム箔は電極集電体として使用されるので、常温剥離強度の測定によって、常温でのセパレータの電極に対する接着性及び耐ブロッキング性(セパレータのハンドリング性)を簡便に確認することができる。常温剥離強度が20N/mを超えると、セパレータのベタツキ性が見られ、セパレータのスリット性又は捲回性に障害を生じる。そのため、常温剥離強度としては20N/m以下であることが好ましい。
熱可塑性ポリマー層が存在するセパレータ最表面に対して、アルミニウム箔を、温度80℃及び圧力10MPaの条件下で3分間に亘ってプレスした場合には、セパレータとアルミニウム箔の間の剥離強度(以下「加熱剥離強度」ともいう)が、9.8N/m以上であることが好ましく、14.7N/m以上であることがより好ましく、19.6N/m以上であることがさらに好ましい。
アルミニウム箔は電極集電体として使用されるので、加熱剥離強度の測定によって、加熱時のセパレータの電極に対する接着性を簡便に確認することができる。加熱剥離強度が9.8N/m未満であると、蓄電デバイスの組立工程又は使用時に、電極とセパレータの剥離が見られ、蓄電デバイスの性能が低下する原因となる。
常温剥離強度及び加熱剥離強度は実施例に記載の方法により測定される。
本実施形態の蓄電デバイス用セパレータの透気度は、好ましくは10〜10,000秒/100ccであり、より好ましくは10〜1,000秒/100ccであり、更に好ましくは50〜500秒/100ccである。このことにより、該セパレータをリチウムイオン二次電池に適用したときには、大きなイオン透過性を示すこととなる。
この透気度は、ポリオレフィン多孔性基材の透気度と同じく、JIS P−8117に準拠して測定される透気抵抗度である。
<蓄電デバイス>
本実施形態の蓄電デバイスは、蓄電デバイス用セパレータを備えるものであり、それ以外の構成は、従来知られているものと同様であってもよい。蓄電デバイスは、正極と本実施形態に係るセパレータと負極とから成る電極体、及び電解液を含んでよい。蓄電デバイスは、特に限定されないが、例えば、非水系電解液二次電池等の電池、コンデンサー及びキャパシタが挙げられる。それらの中でも、本発明による作用効果による利益がより有効に得られる観点から、電池が好ましく、非水系電解液二次電池がより好ましく、リチウムイオン二次電池が更に好ましい。以下、蓄電デバイスが非水系電解液二次電池である場合についての好適な態様について説明する。
本実施形態のセパレータを用いてリチウムイオン二次電池を製造する場合、正極、負極、及び非水電解液に限定はなく、それぞれ公知のものを用いることができる。
正極としては、正極集電体上に正極活物質を含む正極活物質層が形成されて成る正極を好適に用いることができる。正極集電体としては、例えばアルミニウム箔等を;正極活物質としては、例えば、LiCoO、LiNiO、スピネル型LiMnO、オリビン型LiFePO等のリチウム含有複合酸化物等を;それぞれ挙げることができる。正極活物質層には、正極活物質の他、バインダ、導電材等を含んでいてもよい。
負極としては、負極集電体上に負極活物質を含む負極活物質層が形成されて成る負極を好適に用いることができる。負極集電体としては、例えば銅箔等を;負極活物質としては、例えば、黒鉛質、難黒鉛化炭素質、易黒鉛化炭素質、複合炭素体等の炭素材料;シリコン、スズ、金属リチウム、各種合金材料等を;それぞれ挙げることができる。
非水電解液としては、特に限定されないが、電解質を有機溶媒に溶解した電解液を用いることができる。有機溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等が挙げられる。電解質としては、例えば、LiClO、LiBF、LiPF等のリチウム塩が挙げられる。
本実施形態の蓄電デバイス用セパレータを用いて蓄電デバイスを製造する方法は、特に限定されない。例えば以下の方法を例示することができる。
本実施形態のセパレータを、幅10〜500mm(好ましくは80〜500mm)、長さ200〜4,000m(好ましくは1,000〜4,000m)の縦長形状のセパレータとして製造し、当該セパレータを、正極−セパレータ−負極−セパレータ、又は負極−セパレータ−正極−セパレータの順で積層し、円又は扁平な渦巻状に巻回して巻回体を得、当該巻回体を電池缶内に収納し、更に電解液を注入することにより、製造することができる。或いは、シート状のセパレータ及び電極から成る積層体(例えば正極−セパレータ−負極−セパレータ−正極、又は負極−セパレータ−正極−セパレータ−負極の順に平板状に積層したもの)、又は電極及びセパレータを折り畳んで巻回体としたものを、電池容器(例えばアルミニウム製のフィルム)に入れて、電解液を注液する方法によって製造してもよい。
この時、前記積層体又は巻回体に対して、プレスを行うことができる。具体的には、本実施形態の蓄電デバイス用セパレータと、集電体及び該集電体の少なくとも片面上に形成された活物質層を有する電極とを、前者の熱可塑性ポリマー層と活物質層とが対向するように重ね合わせてプレスを行う方法を例示することができる。
プレス温度は、効果的に接着性を発現できる温度として例えば20℃以上が好ましい。また熱プレスによるセパレータ孔の目詰まり又は熱収縮を抑える点で、プレス温度はポリオレフィン多孔性基材の融点よりも低いことが好ましく、120℃以下がさらに好ましい。プレス圧力はセパレータ孔の目詰まりを抑える観点から20MPa以下が好ましい。プレス時間については、ロールプレスを用いたときに1秒以下でもよく、数時間の面プレスでもよい。本実施形態の蓄電デバイス用セパレータを用いて、上記の製造工程を経ると、電極及びセパレータからなる捲回体をプレス成形した際のプレスバックを抑制できる。また、シート状電極及びシート状セパレータからなる積層体をプレス成形した後の、剥がれ及び位置ズレを防ぐことができる。従って、電池組立工程における歩留まり低下を抑制し、生産工程時間を短縮することができ、好ましい。
また、前記積層体又は巻回体に対して電解液を注液後に熱プレスを行うこともできる。その場合、プレス温度は、効果的に接着性を発現できる温度として例えば20℃以上が好ましい。また熱プレスによるセパレータ孔の目詰まり又は熱収縮を抑える点で、120℃以下が好ましい。プレス圧力はセパレータ孔の目詰まりを抑える観点から20MPa以下が好ましい。プレス時間は生産性の観点から2時間以下が好ましい。
上記のようにして製造されたリチウムイオン二次電池は、高い接着性を有し、かつイオン抵抗を低減させたセパレータを具備するから、優れた電池特性(レート特性)と長期連続稼動耐性(サイクル特性)に優れる。
以下の実験例における物性評価は、以下の方法に従って行なった。
(1)固形分
得られた共重合体の水分散体をアルミ皿上に約1g精秤し、このとき量り取った水分散体の質量を(a)gとした。それを、130℃の熱風乾燥機で1時間乾燥し、乾燥後の共重合体の乾燥質量を(b)gとした。下記式により固形分を算出した。
固形分=(b)/(a)×100 [%]
(2)粒子径の測定
熱可塑性ポリマー粒子の平均粒径は、粒子径測定装置(日機装株式会社製、Microtrac UPA150)を使用し、測定した。測定条件としては、ローディングインデックス=0.15〜0.3、測定時間300秒とし、得られたデータにおける50%粒子径の数値を粒子径として記載した。
(3)ガラス転移温度の測定
共重合体を含む水分散体(固形分=38〜42質量%、pH=9.0)を、アルミ皿に適量取り、130℃の熱風乾燥機で30分間乾燥した。乾燥後の乾燥皮膜約17mgを測定用アルミ容器に詰め、DSC測定装置(島津製作所社製、DSC6220)にて窒素雰囲気下におけるDSC曲線及びDDSC曲線を得た。測定条件は下記の通りとした。
1段目昇温プログラム:70℃スタート、毎分15℃の割合で昇温。110℃に到達後5分間維持。
2段目降温プログラム:110℃から毎分40℃の割合で降温。−50℃に到達後5分間維持。
3段目昇温プログラム:−50℃から毎分15℃の割合で130℃まで昇温。この3段目の昇温時にDSC及びDDSCのデータを取得。
ベースライン(得られたDSC曲線におけるベースラインを高温側に延長した直線)と、変曲点(上に凸の曲線が下に凸の曲線に変わる点)における接線との交点をガラス転移温度(Tg)とした。
(4)粘度平均分子量Mv
ASRM−D4020に準拠して、デカリン溶剤中、135℃における極限粘度[η]を求めた。この[η]値を用いて、下記数式の関係から粘度平均分子量Mvを算出した。
ポリエチレンの場合:[η]=0.00068×Mv0.67
ポリプロピレンの場合:[η]=1.10×Mv0.80
(5)膜厚(μm)
ポリオレフィン微多孔膜から10cm×10cm角の試料を切り取り、格子状に9箇所(3点×3点)を選んで、微小測厚器(株式会社東洋精機製作所 タイプKBM)を用いて室温23±2℃で膜厚を測定した。得られた9箇所の測定値の平均値を、ポリオレフィン微多孔膜の膜厚として算出した。
(6)気孔率
ポリオレフィン多孔性基材から10cm×10cm角のサンプルを切り取り、その体積(cm)及び質量(g)を求めた。これらの値を用い、該多孔性基材の密度を0.95(g/cm)として、気孔率を下記数式:
気孔率(%)=(1−質量/体積/0.95)×100
により計算した。
(7)透気度(秒/100cc)
JIS P−8117に準拠し、東洋精器(株)製のガーレー式透気度計G−B2(商標)により測定した透気抵抗度を透気度とした。
(8)突刺強度(g)
カトーテック製のハンディー圧縮試験器KES−G5(商標)を用いて、開口部の直径11.3mmの試料ホルダーでポリオレフィン多孔性基材を固定した。次に、固定された多孔性基材の中央部を、先端の曲率半径0.5mmの針を用いて、突刺速度2mm/秒で、25℃雰囲気下において突刺試験を行うことにより、最大突刺荷重として突刺強度(g)を得た。
(9)ポリマー層の観察方法(ボロノイ分割)
i)3視野を用いる評価
走査型電子顕微鏡S−4800(株式会社日立ハイテクノロジーズ製)を用い、ポリマー粒子の粒径に応じて倍率1万倍又は3万倍でセパレータ上のポリマー層表面を3つの視野で写真撮影した。これら3つの視野に含まれる粒状の熱可塑性ポリマーについての面積密度、ボロノイ多角形の面積(s)の分散(σ)を、それぞれ3つの視野の平均値として得た。ここで、面積密度、ボロノイ多角形の面積(s)の分散(σ)は、画像処理ソフトウェア「A像くん」(登録商標;旭化成エンジニアリング株式会社製)を用いて自動的に算出された。また、観察視野においてボロノイ分割を行なった時に、閉じられていない領域は、ボロノイ多角形の面積を計算するための対象としなかった。
ii)95視野を用いる評価
走査型電子顕微鏡S−4800(株式会社日立ハイテクノロジーズ製)を用い、ポリマー粒子の粒径に応じて倍率1万倍又は3万倍でセパレータ上のポリマー層表面を写真撮影した。得られた画像を用いて図5及び6に示したように5区画95視野を設定した。これら95個の視野に含まれる粒状の熱可塑性ポリマーについての面積密度、ボロノイ多角形の面積密度、ボロノイ多角形の面積(s)の分散(σ)を、上記i)と同様にして、それぞれ95視野の平均値として得た。
(10)交流電気抵抗
22mmφに切り出した測定サンプル6枚を、電解液(1M 過塩素酸リチウム プロピレンカーボネート/ジメチルカーボネート=1/1)に十分に浸し、そのうちの1枚を蓋付きステンレス金属製容器に収容した。容器と蓋とはテフロン(登録商標)パッキン及び15.95mmφのテフロン(登録商標)ガイドによって直接接触することなく絶縁されており、SUS製の電極抑えによってのみ接していた。蓋はトルクレンチ(締め付けトルク:0.8Nm)を使用して閉めた。日置電機製「3522−50 LCRハイテスター」を用いて、周波数100Hz、開放電圧0.01Vの条件下、−30℃の恒温槽内に測定セルを設置して測定した。ここで得られた抵抗値をRとする。次に、測定容器を分解し、含浸させていた残りのサンプル5枚を容器内に重ねてセットし、再度組立てた後、同様の条件にて、6枚での抵抗を測定した。ここで得られた膜抵抗をRとする。得られたR及びRから下記式(2)に従って、サンプル1枚あたりの膜抵抗R(Ω・cm)を算出した。
R=(R−R)/5 (2)
式(2)より得られたセパレータの交流電気抵抗(Ω/cm)を20μm膜厚に換算した抵抗値として算出し、塗工前の基材の交流電気抵抗Rと塗工後の交流電気抵抗Rから下記式(3)に従って抵抗上昇率を求めた。
抵抗上昇率(%)={(R−R)/R}×100 (3)
抵抗上昇率を以下の評価基準に従ってランク分けした。
S(著しく良好):抵抗上昇率が50%未満
A(良好):抵抗上昇率が50%以上100%未満
B(許容):抵抗上昇率が100%以上200%未満
C(不良):抵抗上昇率が200%以上
(11)TD熱収縮率(%)
セパレータを各辺がMDとTDに平行となるように100mm四方に切り取り、130℃に温調したオーブン内に1時間放置した後に、TD熱収縮率を測定した。
(12)電極との接着性
各実施例及び比較例で得られた蓄電デバイス用セパレータと、被着体としての正極(enertech社製、正極材料:LiCoO、導電助剤:アセチレンブラック、バインダ:PVDF、LiCoO/アセチレンブラック/PVDF(重量比)=95/2/3、L/W:両側について36mg/cm、密度:3.9g/cc、Al集電体の厚み:15μm、プレス後の正極の厚み:107μm)とをそれぞれ幅15mm及び長さ60mmの長方形状に切り取り、セパレータの熱可塑性ポリマー層と、正極活物質とが相対するように重ね合わせて積層体を得た後、その積層体を、以下の条件でプレスした。
プレス圧:1MPa
温度:100℃
プレス時間:2分
プレス後の積層体について、(株)イマダ製のフォースゲージZP5N及びMX2−500N(製品名)を用いて、電極を固定し、セパレータを把持して引っ張る方式によって剥離速度50mm/分にて90°剥離試験を行い、剥離強度を調べた。このとき、上記の条件で行った長さ40mm分の剥離試験における剥離強度の平均値を剥離強度として採用し、電極との接着性を以下の基準で評価した。
S(著しく良好):剥離強度が10N/m以上である。
A(良好):剥離強度が2N/m以上10N/m未満である。
C(不良):剥離強度が2N/m未満である。
(13)加熱剥離強度
基材又はセパレータ及び被着体としての正極集電体(冨士加工紙株式会社製アルミニウム箔すなわちUACJ製箔のA1N30アルミ箔、厚さ:20μm)をそれぞれ30mm×150mmに切り取り、重ね合わせて積層体を得た後に、積層体をテフロン(登録商標)シート(ニチアス株式会社製ナフロン(商標)PTFEシート TOMBO−No.9000)で挟んでサンプルを得た。得られた各サンプルについて、温度80℃及び圧力10MPaの条件下で、3分間に亘って積層方向にプレスを行うことによって試験用プレス体を得た。
得られた各試験用プレス体の基材又はセパレータと正極集電体との間の剥離強度を、株式会社島津製作所製オートグラフAG−IS型(商標)を用いて、JIS K6854−2に準じて引張速度200mm/分で測定した。剥離強度の値に基づいて、下記評価基準により電極との接着性を評価した。
<評価基準>
A(良好):9.8N/m以上
B(許容):5N/m以上9.8N/m未満
C(不良):5N/m未満
(14)セパレータのハンドリング性(耐ブロッキング性、常温剥離強度)
温度25℃及び圧力5MPaの条件下で3分間に亘ってプレスを行ったこと以外は上記(12)と同様に試験用プレス体を得た。試験用プレス体の基材又はセパレータと正極集電体との間の剥離強度を、株式会社島津製作所製オートグラフAG−IS型(商標)を用いて、JIS K6854−2に準じて引張速度200mm/分で測定した。剥離強度の値に基づいて、下記評価基準によりハンドリング性を評価した。
<評価基準>
A(良好):8N/m以下
B(許容):8N/m超
C(不可):20/m超
(15)レート特性
a.正極の作製
正極活物質としてニッケル、マンガン、コバルト複合酸化物(NMC)(Ni:Mn:Co=1:1:1(元素比)、密度4.70g/cm)を90.4質量%、導電助材としてグラファイト粉末(KS6)(密度2.26g/cm、数平均粒子径6.5μm)を1.6質量%及びアセチレンブラック粉末(AB)(密度1.95g/cm、数平均粒子径48nm)を3.8質量%、並びにバインダとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)(密度1.75g/cm)を4.2質量%の比率で混合し、これらをN−メチルピロリドン(NMP)中に分散させてスラリーを調製した。このスラリーを、正極集電体となる厚さ20μmのアルミニウム箔の片面にダイコーターを用いて塗布し、130℃において3分間乾燥した後、ロールプレス機を用いて圧縮成形することにより、正極を作製した。この時の正極活物質塗布量は109g/mであった。
b.負極の作製
負極活物質としてグラファイト粉末A(密度2.23g/cm、数平均粒子径12.7μm)を87.6質量%及びグラファイト粉末B(密度2.27g/cm、数平均粒子径6.5μm)を9.7質量%、並びにバインダとしてカルボキシメチルセルロースのアンモニウム塩1.4質量%(固形分換算)(固形分濃度1.83質量%水溶液)及びジエンゴム系ラテックス1.7質量%(固形分換算)(固形分濃度40質量%水溶液)を精製水中に分散させてスラリーを調製した。このスラリーを負極集電体となる厚さ12μmの銅箔の片面にダイコーターで塗布し、120℃において3分間乾燥した後、ロールプレス機で圧縮成形することにより、負極を作製した。この時の負極活物質塗布量は5.2g/mであった。
c.非水電解液の調製
エチレンカーボネート:エチルメチルカーボネート=1:2(体積比)の混合溶媒に、溶質としてLiPFを濃度1.0mol/Lとなるように溶解させることにより、非水電解液を調製した。
d.電池組立
各実施例及び比較例で得られた蓄電デバイス用セパレータを24mmφ、正極及び負極をそれぞれ16mmφの円形に切り出した。正極と負極の活物質面とが対向するように、負極、セパレータ、正極の順に重ね、プレス又はヒートプレスをして、蓋付きステンレス金属製容器に収容した。容器と蓋とは絶縁されており、容器は負極の銅箔と、蓋は正極のアルミニウム箔と、それぞれ接していた。この容器内に前記非水電解液を0.4ml注入して密閉することにより、電池を組み立てた。
e.レート特性の評価
d.で組み立てた簡易電池を、25℃において、電流値3mA(約0.5C)で電池電圧4.2Vまで充電した後、4.2Vを保持するようにして電流値を3mAから絞り始めるという方法により、電池作成後の最初の充電を合計約6時間行った。その後、電流値3mAで電池電圧3.0Vまで放電した。
次に、25℃において、電流値6mA(約1.0C)で電池電圧4.2Vまで充電した後、4.2Vを保持するようにして電流値を6mAから絞り始めるという方法により、合計約3時間充電を行った。その後、電流値6mAで電池電圧3.0Vまで放電した時の放電容量を1C放電容量(mAh)とした。
次に、25℃において、電流値6mA(約1.0C)で電池電圧4.2Vまで充電した後、4.2Vを保持するようにして電流値を6mAから絞り始めるという方法により、合計約3時間充電を行った。その後、電流値12mA(約2.0C)で電池電圧3.0Vまで放電した時の放電容量を2C放電容量(mAh)とした。
そして、1C放電容量に対する2C放電容量の割合を算出し、この値をレート特性とした。
レート特性(%)=(2C放電容量/1C放電容量)×100
レート特性(%)の評価基準は以下のとおりとした。
S(著しく良好):レート特性が95%以上である。
A(良好):レート特性が85%以上95%未満である。
B(許容):レート特性が80%以上85%未満である。
C(不良):レート特性が80%未満である。
(16)サイクル特性
実施例及び比較例で得たセパレータをそれぞれ使用した他は上記(15)a〜dのように組み立てた簡易電池を用いて、サイクル特性の評価を行った。
上記の電池を、1/3Cの電流値で電圧4.2Vまで定電流充電した後、4.2Vの定電圧充電を8時間行い、その後1/3Cの電流で3.0Vの終止電圧まで放電を行った。次に、1Cの電流値で電圧4.2Vまで定電流充電した後、4.2Vの定電圧充電を3時間行い、更に1Cの電流で3.0Vの終止電圧まで放電を行った。最後に1Cの電流値で4.2Vまで定電流充電をした後、4.2Vの定電圧充電を3時間行い、前処理とした。なお、1Cとは電池の基準容量を1時間で放電する電流値を表す。
上記前処理を行った電池を、温度25℃の条件下で、放電電流1Aで放電終止電圧3Vまで放電を行った後、充電電流1Aで充電終止電圧4.2Vまで充電を行った。これを1サイクルとして充放電を繰り返した。そして、初期容量(第1回目のサイクルにおける容量)に対する200サイクル後の容量保持率を用いて、以下の基準でサイクル特性を評価した。
<サイクル特性の評価基準>
S(著しく良好):90%以上100%以下の容量保持率
A(良好) :85%以上90%未満の容量保持率
B(許容) :80%以上85%未満の容量保持率
C(不良) :80%未満の容量保持率
(17)釘刺し試験
上記前処理を行った電池に対し、直径2.5mmの釘を側面から5mm/secの速度で貫通させたときの電池表面の温度を計測した。
釘刺し試験は以下の基準に従って評価を行った。
最高到達温度が100℃未満:A
最高到達温度が100℃以上:C
<熱可塑性ポリマー粒子の合成>
[合成例1]
(水分散体a1)
撹拌機、還流冷却器、滴下槽及び温度計を取り付けた反応容器に、イオン交換水70.4質量部と、乳化剤として「アクアロンKH1025」(登録商標、第一工業製薬株式会社製25%水溶液、表中「KH1025」と表記。以下同様。)0.5質量部と、「アデカリアソープSR1025」(登録商標、株式会社ADEKA製25%水溶液、表中「SR1025」と表記。以下同様。)0.5質量部とを投入した。次いで、反応容器内部の温度を80℃に昇温し、80℃の温度を保ったまま、過硫酸アンモニウムの2%水溶液(表中「APS(aq)と表記。以下同様。」)を7.5質量部添加した。過硫酸アンモニウム水溶液を添加終了した5分後に、乳化液を滴下槽から反応容器に150分かけて滴下した。
なお、乳化液は、シクロアルキル基含有単量体単位(A)を構成するモノマーとしてシクロヘキシルメタクリレート(表中、「CHMA」と表記。以下同様。)25質量部、カルボキシル基含有単量体単位(b1)を構成するモノマーとしてメタクリル酸(表中、「MAA」と表記。以下同様。)1質量部、アクリル酸(表中、「AA」と表記。以下同様。)1質量部、アミド基含有単量体単位(b2)を構成するモノマーとしてアクリルアミド(表中、「AM」と表記。以下同様。)0.1質量部、ヒドロキシル基含有単量体単位(b3)を構成するモノマーとして2−ヒドロキシエチルメタクリレート(表中、「2HEMA」と表記。以下同様。)5質量部、架橋性単量体単位(b4)を構成するモノマーとしてトリメチロールプロパントリアクリレート(A−TMPT、新中村化学工業株式会社製商品名、表中、「A−TMPT」と表記。以下同様。)0.5質量部、上記以外の(メタ)アクリル酸エステル単量体単位(b5)を構成するモノマーとしてメチルメタクリレート(表中、「MMA」と表記。以下同様。)4.9質量部、ブチルメタクリレート(表中、「BMA」と表記。以下同様。)1.5質量部、ブチルアクリレート(表中、「BA」と表記。以下同様。)1.0質量部、2−エチルヘキシルアクリレート(表中、「2EHA」と表記。以下同様。)60質量部、乳化剤として「アクアロンKH1025」(登録商標、第一工業製薬株式会社製25%水溶液)3質量部と「アデカリアソープSR1025」(登録商標、株式会社ADEKA製25%水溶液)3質量部とp−スチレンスルホン酸ナトリウム(表中、「NaSS」と表記。以下同様。)0.05質量部、過硫酸アンモニウムの2%水溶液3.75質量部、及びイオン交換水52質量部の混合物をホモミキサーにより5分間混合させて調製した。
乳化液の滴下終了後、反応容器内部の温度を80℃に保ったまま90分間維持し、その後室温まで冷却した。得られたエマルジョンを、水酸化アンモニウム水溶液(25%水溶液)でpH=8.0に調整し、少量の水を加えて固形分40%の水分散体を得た(水分散体a1)。得られた水分散体a1中の共重合体について、上記方法により、平均粒径、及びガラス転移点を測定した。得られた結果を表7に示す。
[合成例2〜46]
(水分散体A1〜A40、a2〜a6)
原材料の種類及び配合比を表1〜表7に示すように変更した以外は、合成例1と同様にして、水分散体A1〜A40、a2〜a6を得た。
得られた水分散体A1〜A40、a2〜a6の共重合体について、上記方法により、粒子径、及びガラス転移点を測定した。得られた結果を表1〜表7に示す。なお、表中、原材料の組成は質量基準である。
また、表に記載の使用原料の略称は、それぞれ以下の意味である。
架橋性単量体
GMA:メタクリル酸グリシジル
MAPTMS:メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン
ポリアルキレングリコール基含有単量体(P)の略称に関しては表8に示す。
<ポリオレフィン多孔性基材の製造>
ポリオレフィン多孔性基材B1
Mvが70万であるホモポリマーの高密度ポリエチレンを45質量部と、
Mvが30万であるホモポリマーの高密度ポリエチレンを45質量部と、
Mvが40万であるホモポリマーのポリプロピレン5質量部と、
を、タンブラーブレンダーを用いてドライブレンドした。
得られたポリオレフィン混合物99質量部に酸化防止剤としてテトラキス−[メチレン−(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1質量部添加し、再度タンブラーブレンダーを用いてドライブレンドすることにより、混合物を得た。
得られた混合物を、窒素雰囲気下で二軸押出機へフィーダーにより供給した。
また、流動パラフィン(37.78℃における動粘度7.59×10−5/s)を押出機シリンダーにプランジャーポンプにより注入した。
押し出される全混合物中の、流動パラフィンの割合が65質量部、及びポリマー濃度が35質量部となるように、フィーダー及びポンプの運転条件を調整した。
次いで、それらを二軸押出機内で230℃に加熱しながら溶融混練し、得られた溶融混練物を、T−ダイを経て表面温度80℃に制御された冷却ロール上に押し出し、その押出物を冷却ロールに接触させ成形(cast)して冷却固化することにより、シート状成形物を得た。
このシートを同時二軸延伸機にて、温度112℃において倍率7×6.4倍に延伸した。その後、延伸物を塩化メチレンに浸漬して、流動パラフィンを抽出除去後、乾燥し、更にテンター延伸機を用いて温度130℃において横方向に2倍延伸した。
その後、この延伸シートを幅方向に約10%緩和して熱処理を行い、ポリオレフィン多孔性基材B1を得た。
ポリオレフィン多孔性基材B2
以下の材料:
SiO「DM10C」(商標、トクヤマ社製) 6.4質量部、
粘度平均分子量が70万の高密度ポリエチレン 12.2質量部、
粘度平均分子量が25万の高密度ポリエチレン 12.2質量部、
粘度平均分子量40万のホモポリプロピレン 1.3質量部、
可塑剤として、流動パラフィン 37.1質量部、及び
酸化防止剤として、ペンタエリスリチル−テトラキス−[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] 0.3質量部添加
をスーパーミキサーにて予備混合することにより、ポリオレフィン第1微多孔層の原料を調製した。
以下の原料:
粘度平均分子量が70万の高密度ポリエチレン10.8質量部、粘度平均分子量が25万の高密度ポリエチレン 10.8質量部、
粘度平均分子量40万のホモポリプロピレン 1.1質量部、
可塑剤として、流動パラフィン 46.3質量部、及び
酸化防止剤として、ペンタエリスリチル−テトラキス−[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] 0.3質量部
をスーパーミキサーにて予備混合することにより、ポリオレフィン第2微多孔層の原料を調製した。
上記の各原料を、フィーダーにより2台の二軸同方向スクリュー式押出機フィード口へ供給した。このとき、各原料とともに、溶融混練して押し出される全混合物中に占める可塑剤の量比が60質量%となるように、流動パラフィンを二軸押出機シリンダーへサイドフィードした。
押出機における溶融混練条件は、以下のとおりである。
第1微多孔層の原料
設定温度:200℃
スクリュー回転数:100rpm
吐出量:5kg/h
第2微多孔層の原料
設定温度:200℃
スクリュー回転数:120rpm
吐出量:16kg/h
続いて、溶融混練物をそれぞれ、220℃に温度設定されたギアポンプ、導管、及び2種3層の共押出しが可能なTダイを経て、表面温度30℃に制御された一対のロール間に押出し、前記第1微多孔層の原料からなる第1層を表層とするシート状の組成物を得た。その後、延伸温度と緩和率の調整をしたこと以外は、ポリオレフィン多孔性基材B1の製造例と同様の操作を行うことにより、ポリオレフィン多孔性基材B2を得た。
ポリオレフィン多孔性基材B3
ポリオレフィン多孔性基材B3としてポリプロピレン単層膜であるセルガードの型番「CG2500」を用意した。
ポリオレフィン多孔性基材B4
ポリオレフィン多孔性基材B1の製造例と同様にしてポリオレフィン多孔性基材B1を製造した。
次に、水酸化酸化アルミニウム(平均粒径1.0μm)97.0質量部、アクリルラテックス(固形分濃度40%、平均粒径145nm、最低成膜温度0℃以下)3.0質量部、及びポリカルボン酸アンモニウム水溶液(サンノプコ社製 SNディスパーサント5468)1.0質量部を100質量部の水に均一に分散させて塗布液を調製した。続いて、その塗布液を、ポリオレフィン多孔性基材B1の表面にグラビアコーターを用いて塗布した。その後、60℃において乾燥して水を除去した。このようにして、ポリオレフィン多孔性基材B1上に水酸化酸化アルミニウム層(無機フィラーの多孔層)を厚さ2μmで形成することにより、ポリオレフィン多孔性基材B4を得た。
ポリオレフィン多孔性基材B5
ポリオレフィン多孔性基材B1の両面に、B4と同様の方法で水酸化酸化アルミニウム層を厚さ2μmずつ形成することにより、厚み16μmの基材B5を得た。
ポリオレフィン多孔性基材B6
ポリオレフィン多孔性基材B1の製造例と同様にしてポリオレフィン多孔性基材B1を製造した。
次に、水酸化酸化アルミニウム(平均粒径1.0μm)97.0質量部、アクリルラテックス(固形分濃度40%、平均粒径145nm、最低成膜温度0℃以下)1.0質量部、及びポリカルボン酸アンモニウム水溶液(サンノプコ社製 SNディスパーサント5468)1.0質量部を100質量部の水に均一に分散させて塗布液を調製した。続いて、その塗布液を、ポリオレフィン多孔性基材B1の表面にグラビアコーターを用いて塗布した。その後、60℃において乾燥して水を除去した。このようにして、ポリオレフィン多孔性基材B1上に水酸化酸化アルミニウム層(無機フィラーの多孔層)を厚さ2μmで形成することにより、ポリオレフィン多孔性基材B6を得た。
基材B1〜B6の物性をそれぞれ下記表9に示す。
<実施例及び比較例>
[ポリオレフィン多孔性基材を含むセパレータ(実施例2bを除く)]
グラビアコーターを用いて、下記表10〜18のいずれかに記載の塗布液を、対応するポリオレフィン多孔性基材の両面上に、対応する塗工目付け及び塗工面積比率で塗布し、次に50℃で1分間加熱して乾燥することにより、ポリオレフィン多孔性基材上に熱可塑性ポリマー粒子層を形成し、蓄電デバイス用セパレータを得た。
なお表10〜17はリバースグラビアコーターを、表18はダイレクトグラビアコーターを用いて熱可塑性ポリマー粒子層を形成した。
実施例については、ポリオレフィン多孔性基材の片面もしくは両面に無機フィラー多孔層を備えた基材B4、基材B5及び基材B6の両面に塗布液を塗布した。
実施例及び比較例については、無機フィラーとしての水酸化酸化アルミニウムと熱可塑性ポリマーを含む水分散体を含む塗布液を、ポリオレフィン多孔性基材B1の両面上に、片面厚みとして2μmずつ塗布した。
[ポリオレフィン多孔性基材を含まないセパレータ層(実施例2b)]
[実施例2b]
上記「(15)レート特性」の項目「a.正極の作製」で得られた正極活物質層の表面に、下記表15の項目[実施例2b]に記載の塗布液を、バーコーターを用いて、対応する塗工目付け及び塗工面積比率で塗布し、次に50℃で1分間加熱して乾燥することにより、正極活物質層表面上に熱可塑性ポリマー粒子層を作製した。
次いで、熱可塑性ポリマー層上に水酸化酸化アルミニウム(平均粒径1.0μm)97.0質量部、アクリルラテックス(固形分濃度40%、平均粒径145nm、最低成膜温度0℃以下)3.0質量部、及びポリカルボン酸アンモニウム水溶液(サンノプコ社製 SNディスパーサント5468)1.0質量部を10質量部の水に均一に分散させて作製した塗布液をバーコーターを用いて塗工した。その後、60℃において乾燥して水を除去し厚さ14μmの無機層を形成した。更に再び下記表15の項目[実施例2b]に記載の塗布液をバーコーターを用いて対応する塗工目付け及び塗工面積比率で塗布し、次に50℃で1分間加熱して乾燥することにより、無機層表面上に熱可塑性ポリマー粒子層を作製した。
このようにして正極上に、ポリオレフィン微多孔膜を含まないセパレータ層を作製し、更に負極を載せて16mmφの円形に切り出すことで電極体を得た。
[評価結果]
得られたセパレータ又は電極体を用いて上述のとおりにリチウムイオン二次電池を組み立て、各種の評価を行なった。評価結果は表10〜18に示す。

Claims (23)

  1. 多孔性基材、及び前記多孔性基材の少なくとも片面の少なくとも最表面の一部に配置された熱可塑性ポリマー層を含む蓄電デバイス用セパレータであって、
    前記熱可塑性ポリマー層に含有される熱可塑性ポリマーが、ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)を単量体単位として有する共重合体を含み
    前記熱可塑性ポリマー層は、前記熱可塑性ポリマー層を100質量%として、前記熱可塑性ポリマーを3質量%超100質量%以下含み、
    前記熱可塑性ポリマー層を構成する前記熱可塑性ポリマー100質量%中に、前記ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)を単量体単位換算として3〜50質量%含み、
    前記共重合体が、前記共重合体100質量%に対して2〜50質量%の前記ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)と、前記ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)と共重合可能な、ポリアルキレングリコール基を有していない単量体と、を単量体単位として有し、
    前記ポリアルキレングリコール基を有していない単量体が、シクロアルキル基を有するエチレン性不飽和単量体(A)と、(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)とを含み、
    前記(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)は、炭素数4以上のアルキル基及び(メタ)アクリロイルオキシ基から成る(メタ)アクリル酸エステル単量体であり、かつ
    前記シクロアルキル基を有するエチレン性不飽和単量体(A)及び前記(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)の合計含有割合が、前記共重合体100質量%に対して50〜98質量%である蓄電デバイス用セパレータ。
  2. 前記ポリアルキレングリコール基を有していない単量体が、カルボキシル基を有するエチレン性不飽和単量体(b1)、アミド基を有するエチレン性不飽和単量体(b2)、及びヒドロキシル基を有するエチレン性不飽和単量体(b3)から成る群より選択される少なくとも1種の単量体を、前記共重合体100質量%に対して0.1〜10質量%含む、請求項1に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  3. 前記ポリアルキレングリコール基を有していない単量体が、架橋性単量体(b4)を含む、請求項1又は2に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  4. 多孔性基材、及び前記多孔性基材の少なくとも片面の少なくとも最表面の一部に配置された熱可塑性ポリマー層を含む蓄電デバイス用セパレータであって、
    前記熱可塑性ポリマー層に含有される熱可塑性ポリマーが、ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)を単量体単位として有する共重合体を含み、かつ前記熱可塑性ポリマー層は、前記熱可塑性ポリマー層を100質量%として、前記熱可塑性ポリマーを3質量%超100質量%以下含み、
    前記熱可塑性ポリマーは粒状であり、かつ
    前記熱可塑性ポリマー層についてボロノイ分割を行って得られるボロノイ多角形の面積(Si)を用いて下記数式:
    {式中、Siは、ボロノイ多角形の面積の実測値であり、mは、ボロノイ多角形の面積の実測値の平均値であり、かつnは、ボロノイ多角形の総数である}
    によって定義される分散(σ )が、0.01以上0.7以下である蓄電デバイス用セパレータ。
  5. 多孔性基材、及び前記多孔性基材の少なくとも片面の少なくとも最表面の一部に配置された熱可塑性ポリマー層を含む蓄電デバイス用セパレータであって、
    前記熱可塑性ポリマー層に含有される熱可塑性ポリマーが、ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)を単量体単位として有する共重合体を含み、かつ前記熱可塑性ポリマー層は、前記熱可塑性ポリマー層を100質量%として、前記熱可塑性ポリマーを3質量%超100質量%以下含み、かつ
    前記熱可塑性ポリマー層のベタツキが20N/m以下である蓄電デバイス用セパレータ。
  6. 多孔性基材、及び前記多孔性基材の少なくとも片面の少なくとも最表面の一部に配置された熱可塑性ポリマー層を含む蓄電デバイス用セパレータであって、
    前記熱可塑性ポリマー層に含有される熱可塑性ポリマーが、アルキレングリコール単位の平均繰り返し数(n)が4以上のポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)を単量体単位として有する共重合体を含み、かつ前記熱可塑性ポリマー層は、前記熱可塑性ポリマー層を100質量%として、前記熱可塑性ポリマーを3質量%超100質量%以下含む蓄電デバイス用セパレータ。
  7. 前記アルキレングリコール単位の平均繰り返し数(n)が15以下である、請求項6に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  8. 前記アルキレングリコール単位の平均繰り返し数(n)が8以下である、請求項6又は7に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  9. 前記熱可塑性ポリマー層は、前記熱可塑性ポリマー層を100質量%として、前記熱可塑性ポリマーを10質量%以上100質量%以下含む、請求項6〜8のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  10. 前記熱可塑性ポリマー層を構成する前記熱可塑性ポリマー100質量%中に、前記ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)を単量体単位換算として3〜50質量%含む、請求項4〜9のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  11. 前記共重合体が、前記共重合体100質量%に対して2〜50質量%の前記ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)と、前記ポリアルキレングリコール基を有するエチレン性不飽和単量体(P)と共重合可能な、ポリアルキレングリコール基を有していない単量体と、を単量体単位として有する、請求項10に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  12. 前記ポリアルキレングリコール基を有していない単量体が、カルボキシル基を有するエチレン性不飽和単量体(b1)、アミド基を有するエチレン性不飽和単量体(b2)、及びヒドロキシル基を有するエチレン性不飽和単量体(b3)から成る群より選択される少なくとも1種の単量体を、前記共重合体100質量%に対して0.1〜10質量%含む、請求項11に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  13. 前記ポリアルキレングリコール基を有していない単量体が、架橋性単量体(b4)を含む、請求項11又は12に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  14. 前記ポリアルキレングリコール基を有していない単量体が、シクロアルキル基を有するエチレン性不飽和単量体(A)と、(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)とを含み、
    前記(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)は、炭素数4以上のアルキル基及び(メタ)アクリロイルオキシ基から成る(メタ)アクリル酸エステル単量体であり、かつ
    前記シクロアルキル基を有するエチレン性不飽和単量体(A)及び前記(メタ)アクリル酸エステル単量体(b5)の合計含有割合が、前記共重合体100質量%に対して50〜98質量%である、請求項11〜13のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  15. 前記熱可塑性ポリマーは粒状である、請求項1〜3及び5〜9のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  16. 前記熱可塑性ポリマー層についてボロノイ分割を行って得られるボロノイ多角形の面積(Si)を用いて下記数式:
    {式中、Siは、ボロノイ多角形の面積の実測値であり、mは、ボロノイ多角形の面積の実測値の平均値であり、かつnは、ボロノイ多角形の総数である}
    によって定義される分散(σ)が、0.01以上0.7以下である、請求項15に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  17. 前記熱可塑性ポリマー層のベタツキが20N/m以下である、請求項1〜4及び6〜9のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  18. 前記熱可塑性ポリマー層は、電極と直接接着されることが予定されている、請求項1〜17のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  19. 前記基材が少なくともポリオレフィンを含む、請求項1〜18のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  20. 前記基材と前記熱可塑性ポリマー層が直接接している、請求項1〜19のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  21. 前記熱可塑性ポリマー層の塗工面積95%以下である、請求項1〜20のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  22. 正極と請求項1〜21のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータと負極とから成る電極体。
  23. 請求項22に記載の電極体と電解液とを含む蓄電デバイス。
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