JP6458835B2 - 多孔質フィルムの製造方法 - Google Patents
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Description
リチウムイオン二次電池に代表される非水電解液二次電池は、エネルギー密度が高いため、電池の破損、又は異物の貫通等によって内部短絡が生じた際に、大電流が流れて電池が激しく発熱する。そのため、非水電解液二次電池には、一定以上の発熱を防止する機能が求められている。そのような機能を有する非水電解液二次電池として、シャットダウン機能を有するセパレータを含む電池が知られている。シャットダウン機能とは、異常発熱の際に、セパレータにより正−負極間のイオンの通過を遮断する機能である。この機能によって、さらなる発熱を防止できる。
セパレータに水分が多く含まれると、水分が電解液に溶け出し、フッ化水素等の発生や電解液の分解を促進することが知られている。そのため、セパレータ中に含まれる水分量は極力低く維持されていることが好ましい。
このような多孔質フィルムの変形は、電池を作製する際に作業性を低下させる。
[1](1)〜(3)の工程を含む、含水率が1000ppm未満である多孔質フィルムの製造方法。
(1)含水率が1000ppm以上である多孔質フィルム(A)を得る工程
(2)得られた多孔質フィルム(A)と、乾燥剤とを水蒸気バリア性梱包容器に収納し、該容器を密閉することで梱包体を得る工程
(3)得られた梱包体を保管する工程
[2]水蒸気バリア性梱包容器の、温度40℃、湿度90%RHにおける水蒸気透過度が0.1g/m2/24hr〜5g/m2/24hrである[1]に記載の製造方法。
[3]水蒸気バリア性梱包容器に収納される乾燥剤の量が、前記多孔質フィルム(A)の質量のX質量%以上である[1]又は[2]に記載の製造方法。
[前記Xは下記式(I)から算出する。
X=Y/(a×100) (I)
(式中、aは温度24℃湿度10%における、前記乾燥剤100gあたりの吸水量(g)を表し、Yは前記多孔質フィルム(A)の含水率(ppm)を表す。)]
[4]多孔質フィルムが非水二次電池用セパレータである[1]〜[3]のいずれかに記載の製造方法。
[5]含水率が1000ppm未満であるロール状の多孔質フィルムと、乾燥剤とが水蒸気バリア性梱包容器に収納され、密閉された梱包体。
[6]乾燥剤の含水率が10000ppm以上である[5]に記載の梱包体。
[7]水蒸気バリア性梱包容器の、温度40℃、湿度90%RHにおける水蒸気透過度が0.1g/m2/24hr〜5g/m2/24hrである[5]又は[6]に記載の梱包体。
[8]乾燥剤の量が51g以上2530g以下である[5]〜[7]のいずれかに記載の梱包体。
[9]含水率が1000ppm未満であるロール状の多孔質フィルムが、非水二次電池用セパレータである[5]〜[8]のいずれかに記載の梱包体。
[10]乾燥剤がロール状の多孔質フィルム以外の部材に固定されている[5]〜[9]のいずれかに記載の梱包体。
本発明における多孔質フィルムは、第1の多孔層のみからなる多孔質フィルムでもよく、第1の多孔層と、その他の多孔層(以下、第2の多孔層ということがある)とが積層された多孔質フィルムであってもよい。
第1の多孔層は微多孔膜であればよく、ポリオレフィン系樹脂を主成分として含むものであると好ましい。すなわち、第1の多孔層は、その内部に連結した細孔を有す構造を有し、一方の面から他方の面に気体や液体が透過可能であるポリオレフィン系樹脂を主成分とする多孔質フィルムであることが好ましい。また、電池が発熱したときに溶融して、多孔質フィルム(換言すれば、セパレータ)を無孔化することにより、該多孔質フィルムにシャットダウン機能を付与するものであり得る。本明細書における主成分とは、全体量に対して50質量%以上含まれる成分のことをいう。
第1の多孔層の透気度は、通常、ガーレ値で30秒/100cc〜1000秒/100ccの範囲であり、好ましくは、50秒/100cc〜800秒/100ccの範囲である。第1の多孔層が、上記範囲の透気度を有すると、セパレータとして用いた際に、十分なイオン透過性を得ることができる。
(a)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重量部〜200重量部と、炭酸カルシウム等の無機充填剤100重量部〜400重量部とを混練してポリオレフィン樹脂組成物を得る工程
(b)前記ポリオレフィン樹脂組成物を用いてシートを成形する工程
(c)工程(b)で得られたシート中から無機充填剤を除去する工程
(d)工程(c)で得られたシートを延伸して第1の多孔層を得る工程
その他、上述した各特許文献に記載の方法を利用してもよい。
第2の多孔層は、内部に多数の微細孔を有し、これら微細孔が連結された構造となっており、一方の面から他方の面へと気体及び液体が通過可能となった層であり得る。また、第2の多孔層は、第1の多孔層の片面又は両面に、多孔質フィルムの最外層として設けられ、セパレータとして使用する際に電極と接着し得る層であってもよい。
機能層とは、第1の多孔層又は耐熱層が有する機能以外の機能を有する層である。かかる機能としては、密着、保護、及び第1の多孔層よりも低い温度で発現するシャットダウン機能等が挙げられる。
第2の多孔層を構成する機能層としては、例えば、直径1μm以下の骨格が三次元網目状に連結した構造を有するものが挙げられる。かかる構造を有するものは、例えば、ポリフッ化ビニリデン系樹脂(以下、単に「PVDF系樹脂」と称する場合もある。)を含むものであることが好ましい。このような機能層を有する多孔質フィルムは、イオン透過性及びハンドリング性に優れ、かつ、電極と当該多孔質フィルムを熱プレスにより接合した場合に良好な密着性を得ることができる。
・第一の樹脂:ヘキサフロロプロピレンの含有量が0モル%超1.5モル%以下であるフッ化ビニリデン/ヘキサフロロプロピレン共重合体、又はフッ化ビニリデン単独重合体(ヘキサフロロプロピレンの含有量が0モル%)
・第二の樹脂:ヘキサフロロプロピレンの含有量が1.5モル%超であるフッ化ビニリデン/ヘキサフロロプロピレン共重合体
前記2種類のPVDF系樹脂を含有する機能層は、いずれか一方を含有しない機能層に比べて、電極との密着性が向上する。また、前記2種類のPVDF系樹脂を含有する機能層は、いずれか一方を含有しない機能層に比べて、第1の多孔層との密着性が向上し、これら層間の剥離力が向上する。第一の樹脂と第二の樹脂との混合比(質量比、第一の樹脂:第二の樹脂)は、15:85〜85:15が好ましい。
また、第2の多孔層を構成する機能層としては、樹脂微粒子を含むもの、及び樹脂微粒子の集合体を含むものが挙げられる。樹脂微粒子は、炭素数2〜4のα−オレフィンに由来する構造単位を有する樹脂又はPVDF系樹脂を含むものであることが好ましく、炭素数2〜4のα−オレフィンに由来する構造単位を有する樹脂を含むものがより好ましい。
このような機能層を有する多孔質フィルムは、イオン透過性及びハンドリング性に優れ、かつ、電極と当該多孔質フィルムを熱プレスにより接合した場合に良好な密着性を得ることができる。
(i)の構成は、樹脂微粒子が一次粒子で第1の多孔層に固定化された構成、又は、樹脂微粒子同士もしくは樹脂微粒子とフィラーとの凝集体(二次粒子)として第1の多孔層に固定化された構成である。
(ii)の構成は、互いに隣接する複数の樹脂微粒子同士又は樹脂微粒子とフィラーとが一体的に連結されて層状になっていて、この層における樹脂微粒子の少なくとも一部が第1の多孔層の表面に固定されて、層状をなす全体が第1の多孔層に固定(一体化)した構成である。
耐熱層は、耐熱性材料を含み、シャットダウンが生じる高温において耐熱性を有している層であればよく、その他の構成は特に限定されない。
厚みが1μm以上であると、事故等により電池の発熱が生じたときに、第1の多孔層の熱収縮を抑制でき、セパレータの収縮を回避できる。一方、厚みが25μm以下である場合、第2の多孔層の厚みが厚くなり過ぎず、電池の容量が小さくなることを回避できる。多孔質フィルムが複数の耐熱層を有する場合は、それらの合計厚みが上記範囲であればよい。
第1の多孔層と第2の多孔層とを有する多孔質フィルムの製造方法は、当該多孔質フィルムを得ることができれば特に限定されず、種々の方法にて製造することができる。
(方法1)
(a)PVDF系樹脂が溶媒に溶解した溶液を調製する。
(b)該溶液を第1の多孔層に塗工し、塗工膜を形成する。
(c)湿潤状態の該塗工膜を、該PVDF系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PVDF系樹脂を析出させる。
(d)必要に応じて湿潤状態の該PVDF系樹脂が析出した塗工膜を、該PVDF系樹脂を溶解しない溶媒に、さらに浸漬させ洗浄する。
(e)湿潤状態の該PVDF系樹脂が析出した塗工膜を乾燥する。
(方法2)
(a)必要に応じバインダー樹脂が水に溶解した水溶液に、PVDF系樹脂が分散した塗工膜を調製する。このとき、PVDF系樹脂は微粒子であってもよい。
(b)塗工液を第1の多孔層に塗工し、塗工膜を形成する。
(c)水を乾燥除去する。
ただし、乾式塗工法は湿式塗工法と比べて塗工層が緻密になり易いので、良好な多孔質構造を得られる点で湿式塗工法のほうが好ましい。
第2の多孔層を独立したシートとして作製する方法としては、PVDF系樹脂及びフィラーを含む塗工液を剥離シート上に塗工し、上述した湿式塗工法あるいは乾式塗工法を適用して第2の多孔層を形成し、剥離シートから第2の多孔層を剥離する方法が挙げられる。
乾燥方法としては、例えば、自然乾燥、送風乾燥、加熱乾燥、減圧乾燥等が挙げられ、加熱乾燥が好ましい。使用する溶媒にも依存するが、乾燥温度は30〜80℃であることが好ましく、50〜80℃がより好ましい。30℃以上であれば十分な乾燥速度が得られ、80℃以下であれば、外観が良好な多孔質フィルムが得られる。
含水率が1000ppm以上である多孔質フィルム(A)(以下、多孔質フィルム(A)ということがある)の製造方法は特に限定されないが、通常、上記の方法によって製造された多孔質フィルムを大気下に保管することによって得られる。換言すれば、上記の多孔質フィルムを大気下に保管すれば、多孔質フィルムは大気中の水分を吸収又は吸着し、自ずと1000ppm以上の含水率となる。
かくして得られた含水率が1000ppm以上である多孔質フィルム(A)と、乾燥剤とを水蒸気バリア性梱包容器に収納し、該容器を密閉することで梱包体を得る。
X=Y/(a×100) (I)
(式中、aは温度24℃湿度10%における乾燥剤100gあたりの吸水量(g)を表し、Yは多孔質フィルム(A)の含水率(ppm)を表す。)
多孔質フィルム(A)の含水率は、下記実施例に記載の方法によって測定することができる。
一つの袋に収納される乾燥剤の量は、通常0.5g〜300gであり、好ましくは1g〜200gであり、より好ましくは10g〜100gである。当該範囲であると多孔質フィルムの乾燥がより十分に進行する傾向がある。
当該多孔質フィルムの含水率は、下記実施例に記載の方法によって測定することができる。
当該乾燥剤の含水率は、下記実施例に記載の方法によって測定することができる。
非水電解液二次電池は、リチウムのドープ・脱ドープにより起電力を得る非水系二次電池であって、正極と、負極と、セパレータを備えるものであればよく、その他の構成は特に限定されない。非水電解液二次電池は、負極と正極とがセパレータを介して対向した構造体に電解液が含浸された電池要素が、外装材内に封入された構造を有する。非水電解液二次電池は、非水電解質二次電池、特にはリチウムイオン二次電池に好適である。なお、ドープとは、吸蔵、担持、吸着、又は挿入を意味し、正極等の電極の活物質にリチウムイオンが入る現象を意味する。本発明の製造方法によって得られた多孔質フィルムをセパレータとして用いて製造された非水電解液二次電池は、セパレータの作業性に優れるので、製造歩留まりが高い。
導電助剤としては、例えばアセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛粉末といった炭素材料が挙げられる。
導電助剤としては、例えばアセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛粉末といった炭素材料が挙げられる。
(多孔質フィルム(A)の含水率)
多孔質フィルム(A)を8cm×8cm角の正方形を3枚切り出し、微量水分測定装置(株式会社三菱化学アナリテック製;CA−200、VA−230)を用いて、200mL/minの流速で窒素気流下、150℃に加熱して検出される水分量を測定した。切り出した3枚それぞれについて、150℃で加熱する前の多孔質フィルム(A)の全重量に対する上記水分量の割合を含水率として求めた。求めた各含水率の平均値を、多孔質フィルム(A)の含水率とした。
(梱包体から取り出された多孔質フィルムの含水率)
多孔質フィルム(A)の重量と、梱包体から取り出された多孔質フィルムの重量との差と、多孔質フィルム(A)が含む水分量と、から、梱包体から取り出された多孔質フィルムが含む水分量を算出し、算出された水分量を、梱包体から取り出された多孔質フィルムの重量で除することで求めた。
(梱包体から取り出された乾燥剤の含水率)
水蒸気バリア性梱包容器から取出した乾燥剤の重量(W1)と、その乾燥剤を真空下110℃6時間乾燥させた後の重量(W0)の差を、W0で除することで求めた。
温度24℃湿度50%環境下において梱包体から多孔質フィルムを取り出し、8cm×8cm角の正方形に切り出し、端部の持ち上がった高さを測定した。また、外観を以下の基準で判断した。なお、Cは完全にカールした状態を示し、A及びBの状態が好ましく、Aが最も好ましい状態とする。
・A:端部の持ち上がりなし。
・B:端部の持ち上がりはあるが、端部以外の大部分は持ち上がりがなく、平坦な状態。
・C:両端部が近づき、筒状に巻き込んだ状態。
アルミナ微粒子(住友化学株式会社製;商品名「AKP3000」)100重量部、カルボキシメチルセルロース(ダイセルファインケム製;品番1110)3重量部の混合物に、固形分が29質量%となるように水を添加し、得られた混合物を自転・公転ミキサー「あわとり練太郎」(株式会社シンキー製;登録商標)で室温下、2000rpm、30秒の条件で2回撹拌・混合した。得られた混合物に、2−プロパノール14質量部を加え、混合し、固形分が28質量%の塗工液を得た。得られた塗工液を、コロナ処理20W/(m2/分)を施したポリエチレンの多孔膜(第一の多孔層、長さ950m、幅0.19m、厚さ17μm、空隙率36%)上に、塗工液中のアルミナ微粒子とカルボキシメチルセルロースとの重さの和が、1平方メートルあたり7.0gとなるように、ドクターブレード法により塗工した。得られた塗工物である積層体を65℃で5分間乾燥させた後、ボビンに巻き取ることによって、ロール状の多孔質フィルム(1)を得た。
すなわち、X=4900/(5×100)=9.8と算出される。
また、前記400gのシリカゲルは、多孔質フィルム(1)の質量3775gの10.5質量%に相当するため、収納された乾燥剤の量はX質量%以上である。
得られた梱包体(1)を温度24℃湿度50%雰囲気に7日間保管した後、当該雰囲気下で梱包体(1)を開封し、ロール状の多孔質フィルムを取り出した。取り出されたロール状の多孔質フィルムに捲きズレはなかった。その後速やかに、得られた多孔質フィルム、及び取り出された乾燥剤の含水率を測定したところ、多孔質フィルムの含水率は771ppmであり、乾燥剤の含水率は51000ppmであった。また、多孔質フィルムに反り等の変形はなく、反り測定ではAと判断された。
ポリエチレンの多孔膜の長さを1050mとした以外は実施例1と同様にしてロール状の多孔質フィルム(2)を得た。
得られた梱包体(2)を温度24℃湿度50%雰囲気に7日間保管した後、当該雰囲気下で梱包体(2)を開封し、ロール状の多孔質フィルムを取り出した。その後速やかに、得られた多孔質フィルムの含水率を測定したところ4900ppmであった。
ロール状の多孔質フィルム(2)を、80℃に加熱された真空乾燥機で24時間乾燥した。真空乾燥機に収納する前のロール状の多孔質フィルム(2)の含水率は4900ppmであった。
その後、真空乾燥機の温度を30℃に冷却し、真空乾燥機内を窒素で置換した後に、真空乾燥機からロール状の多孔質フィルムを取り出した。取り出されたロール状の多孔質フィルムには捲きズレがあった。その後速やかに、得られた多孔質フィルムの含水率を測定したところ400ppmであった。また、反り等の変形があり、反り測定ではBと判断された。
11 乾燥剤
12 水蒸気バリア性梱包容器
13 固定冶具
14 巻芯
Claims (8)
- 密閉された水蒸気バリア性梱包容器と、
前記水蒸気バリア性梱包容器の中に収められた、含水率が1000ppm以上である多孔質フィルム(A)と、
前記水蒸気バリア性梱包容器の中に収められた、前記多孔質フィルム(A)の質量のX質量%以上の量の乾燥剤とを備える、密閉された梱包体。
[前記Xは下記式(I)から算出する。
X=Y/(a×100) (I)
(式中、aは温度24℃湿度10%における、前記乾燥剤100gあたりの吸水量(g)を表し、Yは前記多孔質フィルム(A)の含水率(ppm)を表す。)] - 密閉された後に、1時間以上保管された請求項1に記載の密閉された梱包体。
- 含水率が1000ppm未満である多孔質フィルムと、乾燥剤とが、水蒸気バリア性梱包容器に収納された、請求項2に記載の密閉された梱包体。
- 前記乾燥剤の含水率が10000ppm以上である、請求項3に記載の密閉された梱包体。
- 水蒸気バリア性梱包容器の、温度40℃、湿度90%RHにおける水蒸気透過度が0.1g/m 2 /24hr〜5g/m 2 /24hrである請求項1〜4のいずれかに記載の密閉された梱包体。
- 前記多孔質フィルムがロール状の多孔質フィルムである請求項1〜5のいずれかに記載の密閉された梱包体。
- 前記多孔質フィルムが非水二次電池用セパレータである請求項1〜6のいずれかに記載の密閉された梱包体。
- 密閉された水蒸気バリア性梱包容器と、
前記水蒸気バリア性梱包容器の中に収められた、含水量が1000ppm未満である多孔質フィルムと、
前記水蒸気バリア性梱包容器の中に収められた、含水量が10000ppm以上の乾燥剤とを備え、
前記乾燥剤の乾燥時の質量は、前記乾燥剤に含まれる水分の一部を前記多孔質フィルムに、前記多孔質フィルムの含水量が1000ppmになるように移動させた場合に、前記水分が移動された後の多孔質フィルム(A’)の質量のX’質量%以上となる、密閉された梱包体。
[前記X’は下記式から算出する。
X’=Y’/(a×100)
(式中、aは温度24℃湿度10%における、前記乾燥剤100gあたりの吸水量(g)を表し、Y’は前記水分が移動された後の多孔質フィルム(A’)の含水率である1000ppmを表す。)]
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