JP6625147B2 - Secondary battery separator and method of manufacturing the same - Google Patents

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Description

本発明は、二次電池用セパレータ及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a separator for a secondary battery and a method for manufacturing the same.

高エネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池を代表とする二次電池は、携帯型電気機器や電気自転車等の電源として利用が拡大している中、さらなる高容量化や大電流での充放電といった性能が求められている。さらに、二次電池は水系の電解液を用いることができないため、十分な耐酸化還元性を有する非水電解液(有機電解液)を用いているが、それら非水電解液は可燃性であるため発火等の危険性があることから、二次電池には安全性の向上も要求されている。   Secondary batteries, such as lithium ion secondary batteries with high energy densities, are expanding their use as power sources for portable electric devices and electric bicycles. Performance is required. Furthermore, since a secondary battery cannot use an aqueous electrolyte, a nonaqueous electrolyte (organic electrolyte) having sufficient oxidation-reduction resistance is used, but these nonaqueous electrolytes are flammable. For this reason, there is a risk of ignition or the like, so that the secondary battery is also required to have improved safety.

例えば、リチウムイオン二次電池用セパレータとして使用されているポリオレフィン系樹脂の多孔質フィルムは、120℃付近の温度で溶融することによって自身の孔を閉塞し、電流やイオンの流れを遮断することによって電池の温度上昇を抑制するシャットダウン機能を有している。しかしながら、外熱等による温度上昇が生じた場合には、シャットダウン機能が働いても電池温度はさらに上昇し、例えば、電池温度が150℃以上にまで達した場合には、多孔質フィルムが収縮して正負極を隔離する機能が失われ、内部短絡が生じて発火等を引き起こす。   For example, a porous film of a polyolefin resin used as a separator for lithium ion secondary batteries closes its own pores by melting at a temperature around 120 ° C., and shuts off the flow of current and ions. It has a shutdown function to suppress battery temperature rise. However, when the temperature rises due to external heat or the like, the battery temperature further rises even when the shutdown function operates. For example, when the battery temperature reaches 150 ° C. or more, the porous film shrinks. As a result, the function of isolating the positive electrode and the negative electrode is lost, and an internal short circuit occurs to cause ignition.

このような課題に対し、nmサイズの繊維径を有するセルロース繊維(セルロースナノファイバー)を使用したセパレータが開発されている。しかし、セルロースナノファイバーで形成されたセパレータは、隔離性能などが向上する反面、内部抵抗が大きい。セルロースナノファイバーを用いたセパレータの内部抵抗を緩和させる方法として、下記特許文献1には、繊維径1μm以下のセルロースを原料とすることによって得られた、多孔質で低密度であると共に、気密性の高いセパレータが開示されている。   To solve such a problem, a separator using a cellulose fiber (cellulose nanofiber) having a fiber diameter of nm size has been developed. However, separators formed of cellulose nanofibers have high internal resistance, while improving isolation performance and the like. As a method of relaxing the internal resistance of a separator using cellulose nanofibers, Patent Document 1 listed below discloses a porous, low-density and airtight material obtained by using cellulose having a fiber diameter of 1 μm or less as a raw material. Are disclosed.

特開2006−049797号公報JP 2006-049797 A

しかしながら、特許文献1のセパレータは、用いるセルロースナノファイバーが100MPaを超える高圧でホモジナイズされているため、生産性が著しく低いという課題を有している。   However, the separator of Patent Document 1 has a problem that productivity is extremely low because the cellulose nanofiber used is homogenized at a high pressure exceeding 100 MPa.

本発明は、耐熱性に優れ、内部抵抗が低く、簡易な方法で製造が可能な二次電池用セパレータを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a separator for a secondary battery that has excellent heat resistance, low internal resistance, and can be manufactured by a simple method.

本発明者らは、鋭意検討した結果、水熱法を用いて得られる、セルロースナノファイバー(以下、「CNF」とも称される。)に複数のnmサイズのセラミックス粒子(以下、「セラミックスナノ粒子」と称する。)が直線的に連続して配列してなる形状を呈するnmサイズの集合体(以下、「ナノアレイ」と称する。)を、不織布に成型することで、薄膜でありながらも耐熱性に優れた不織布が得られることを見出し、本発明を完成させるに至った。   The present inventors have conducted intensive studies and found that a plurality of nanometer-sized ceramic particles (hereinafter, referred to as “ceramic nanoparticles”) are formed on a cellulose nanofiber (hereinafter, also referred to as “CNF”) obtained by using a hydrothermal method. ) Is formed into a non-woven fabric by forming a nanometer-sized aggregate (hereinafter, referred to as a “nanoarray”) having a shape formed by linearly and continuously arranged, so that it is a thin film and has heat resistance. It has been found that an excellent nonwoven fabric can be obtained, and the present invention has been completed.

本発明によれば、耐熱性に優れると共に、かかる優れた耐熱性により薄膜化が可能となることで内部抵抗が有効に緩和されて充放電特性にも優れる二次電池用セパレータが、簡易な方法で実現される。   Advantageous Effects of Invention According to the present invention, a separator for a secondary battery that is excellent in heat resistance and has excellent charge-discharge characteristics by effectively reducing internal resistance by being able to be thinned by such excellent heat resistance is a simple method. Is realized.

前記ナノアレイは、セラミックスナノ粒子がnmサイズの繊維径を有するCNFに担持又は誘導されてなる特異な形状を呈している。そして、このナノアレイは、構成材料の分離が生じ難いため、容易に不織布に成型することができ、これを用いた任意の膜厚を有する二次電池用セパレータを容易に製造することが可能である。   The nanoarray has a unique shape in which ceramic nanoparticles are carried or guided by CNF having a fiber diameter of nm size. This nanoarray can be easily formed into a nonwoven fabric because the constituent materials are unlikely to be separated from each other, and a secondary battery separator having an arbitrary film thickness using the nanoarray can be easily manufactured. .

また、本発明に係る二次電池用セパレータの製造方法は、
次の工程(I)〜(III):
(I)少なくとも1種の金属元素を含むセラミックス原料化合物及びセルロースナノファイバーを含有するスラリーを調製する工程、
(II)前記工程(I)で得られたスラリーを、水熱反応に付してナノアレイを得る工程、及び
(III)前記工程(II)で得られた前記ナノアレイを不織布に成型する工程
を含むことを特徴とする。
Further, the method for producing a separator for a secondary battery according to the present invention,
The following steps (I) to (III):
(I) a step of preparing a slurry containing a ceramic raw material compound containing at least one metal element and cellulose nanofibers;
(II) a step of subjecting the slurry obtained in the step (I) to a hydrothermal reaction to obtain a nanoarray, and (III) a step of molding the nanoarray obtained in the step (II) into a nonwoven fabric. It is characterized by the following.

かかる方法により、簡易な方法によって耐熱性に優れた不織布を製造することができ、この不織布を二次電池用セパレータとすることで、耐熱性と充放電特性に優れた二次電池が実現される。   By this method, a nonwoven fabric having excellent heat resistance can be produced by a simple method. By using this nonwoven fabric as a separator for a secondary battery, a secondary battery having excellent heat resistance and charge / discharge characteristics is realized. .

本発明によれば、耐熱性及び充放電特性に優れると共に、簡易な方法で製造が可能な二次電池用セパレータが実現される。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while being excellent in heat resistance and charge / discharge characteristics, the separator for secondary batteries which can be manufactured by a simple method is implement | achieved.

実施例1で得られたベーマイト(AlOOH)からなるナノアレイによる二次電池用セパレータを示すSEM写真である。3 is an SEM photograph showing a separator for a secondary battery using a nanoarray made of boehmite (AlOOH) obtained in Example 1. 実施例1で得られたベーマイト(AlOOH)からなるナノアレイによる二次電池用セパレータの端部を示すTEM写真である。3 is a TEM photograph showing an end of a separator for a secondary battery using a nanoarray made of boehmite (AlOOH) obtained in Example 1.

以下、本発明について詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

[構造]
本発明の二次電池用セパレータを構成するナノアレイは、セルロースナノファイバーに複数のセラミックスナノ粒子が直線的に連続して担持してなる、特異な形状を呈する。かかるナノアレイでは、隣接するセラミックスナノ粒子同士は必ずしも接触していなくてもよく、例えばセラミックスナノ粒子の粒径以下の間隔を有していても構わない。
[Construction]
The nanoarray constituting the separator for a secondary battery of the present invention has a unique shape in which a plurality of ceramic nanoparticles are linearly and continuously supported on cellulose nanofibers. In such a nanoarray, adjacent ceramic nanoparticles do not necessarily have to be in contact with each other, and may have an interval equal to or less than the particle diameter of the ceramic nanoparticles, for example.

上記ナノアレイは、セラミックスナノ粒子がCNFに直線的に連続して担持してなるため、凝集抑制を目的としてセラミックスナノ粒子に表面修飾を施したり、分散剤を使用する必要がなく、さらに適度な分散状態を保持していることから、簡便に不織布に成型することができる。また、セラミックスナノ粒子は強固にCNFに担持しているため、ナノアレイが分解してセラミックスナノ粒子が単一の独立粒子として振る舞うことはない。   In the nanoarray, since the ceramic nanoparticles are supported linearly and continuously on the CNF, it is not necessary to perform surface modification on the ceramic nanoparticles for the purpose of suppressing aggregation or use of a dispersant, and more appropriate dispersion is achieved. Since the state is maintained, it can be easily formed into a nonwoven fabric. In addition, since the ceramic nanoparticles are firmly supported on CNF, the nanoarray does not decompose and the ceramic nanoparticles do not behave as a single independent particle.

上記ナノアレイは、CNFの表面がセラミックスの不均質核生成の核生成部位となり、セラミックスナノ粒子が極細のCNFを囲い込むように結晶成長しつつ、同様に結晶成長中の隣接するナノ粒子と接するまで結晶成長を継続することによって、ナノ粒子が不要に凝集することなく、整然と連なりながらCNFに連続して堅固に担持されて、特異な形状が形成されてなるものと考えられる。   In the nanoarray, the surface of the CNF becomes a nucleation site for heterogeneous nucleation of ceramics, and the ceramic nanoparticle grows so as to surround the ultrafine CNF, and also contacts the adjacent nanoparticle during crystal growth. It is thought that by continuing the crystal growth, the nanoparticles are not unnecessarily aggregated, are continuously and firmly supported on the CNF while being connected in an orderly manner, and form a unique shape.

(CNF)
上記ナノアレイを構成するセルロースナノファイバー(CNF)とは、全ての植物細胞壁の約5割を占める骨格成分であって、かかる細胞壁を構成する植物繊維をナノサイズまで解繊等することにより得ることができる軽量高強度繊維であり、水への良好な分散性も有している。
(CNF)
The cellulose nanofiber (CNF) constituting the nanoarray is a skeletal component occupying about 50% of all plant cell walls, and can be obtained by, for example, defibrating the plant fibers constituting the cell wall to nano size. It is a lightweight, high-strength fiber that has good dispersibility in water.

CNFの平均繊維径は、例えば50nm以下であって、好ましくは20nm以下であり、より好ましくは10nm以下である。下限値については特に制限はないが、通常1nm以上である。   The average fiber diameter of CNF is, for example, 50 nm or less, preferably 20 nm or less, and more preferably 10 nm or less. The lower limit is not particularly limited, but is usually 1 nm or more.

CNFの平均長さは、不織布への加工を効率的に行う観点から、好ましくは100nm〜100μmであり、より好ましくは1μm〜100μmであり、さらに好ましくは5μm〜100μmである。   The average length of CNF is preferably from 100 nm to 100 μm, more preferably from 1 μm to 100 μm, and still more preferably from 5 μm to 100 μm, from the viewpoint of efficiently processing the nonwoven fabric.

上記CNFを用いた10質量%濃度のCNFスラリーの25℃における粘度は、好ましくは30000mPa・s〜200000mPa・sであり、より好ましくは40000mPa・s〜150000mPa・sであり、さらに好ましくは45000mPa・s〜120000mPa・sである。   The viscosity of the 10% by mass CNF slurry using CNF at 25 ° C. is preferably 30,000 mPa · s to 200,000 mPa · s, more preferably 40,000 mPa · s to 150,000 mPa · s, and still more preferably 45,000 mPa · s. 120120,000 mPa · s.

(セラミックスナノ粒子)
ナノアレイを構成するセラミックスナノ粒子としては、少なくとも1種の金属元素を含み、かつナノサイズの粒子を形成することが可能であって、電気絶縁性を有しているものであればよく、特に限定されない。かかるセラミックスナノ粒子としては、金属元素の酸化物、水酸化物、炭酸塩、リン酸塩、及びそれらの複合化物等の粒子が挙げられ、なかでも、加熱された際に吸熱反応である脱水反応が生じて電池の温度上昇を抑制する効果を有する水酸化物又は含水酸化物が好ましい。
(Ceramic nanoparticles)
The ceramic nanoparticles constituting the nanoarray are not particularly limited as long as they contain at least one kind of metal element and can form nano-sized particles and have electrical insulation properties. Not done. Examples of such ceramic nanoparticles include particles of metal element oxides, hydroxides, carbonates, phosphates, and composites thereof. Among them, a dehydration reaction which is an endothermic reaction when heated. Hydroxides or hydrated oxides that have the effect of suppressing the temperature rise of the battery due to the occurrence of are preferred.

セラミックスナノ粒子の構成材料として、具体的には、SiO、TiO、ZnO、SnO、Al、MnO、MnO、NiO、Eu、Y、Nb、Nb、InO、ZnO、Fe、Fe、Co、ZrO、CeO、VO、V、AlOOH、YAl12、BaTiO、In−SnO、MgO−Al−SiO、SiO−Al、SiO−TiO、SiO−ZrO、TiO−ZrO、SiO−Al−ZrO、AlOOH(ベーマイト)、Al(OH)、Mg(OH)、Ca(OH)、Ni(OH)、Mn(OH)、Fe(OH)、Zn(OH)、HBO、Cr・nHO、CaO・SiO・nHO、CaO・Al・nHO、CaCO、MgCO、BaCO、NaCO、KCO、AlPO、Ca(PO等が挙げられる。これらの中では、AlOOH、ZrO、Al(OH)、Mg(OH)、Ca(OH)、Ni(OH)、HBO、Cr・nHO、CaO・SiO・nHO、CaO・Al・nHOが好ましく、化学的安定性の高いAlOOH、ZrOがより好ましい。 As a constituent material of the ceramic nanoparticles, specifically, SiO 2 , TiO 2 , ZnO 2 , SnO 2 , Al 2 O 3 , MnO, MnO 2 , NiO, Eu 2 O 3 , Y 2 O 3 , Nb 2 O 3, Nb 2 O 5, InO , ZnO, Fe 2 O 3, Fe 3 O 4, Co 3 O 4, ZrO 2, CeO 2, VO 2, V 2 O 5, AlOOH, Y 3 Al 5 O 12, BaTiO 3, In 2 O 3 -SnO 2 , MgO-Al 2 O 3 -SiO 2, SiO 2 -Al 2 O 3, SiO 2 -TiO 2, SiO 2 -ZrO 2, TiO 2 -ZrO 2, SiO 2 -Al 2 O 3 -ZrO 2, AlOOH (boehmite), Al (OH) 3, Mg (OH) 2, Ca (OH) 2, Ni (OH) 2, Mn (OH) 2, Fe (OH) 2 , Zn (OH) 2 , H 3 BO 3 , Cr 2 O 3 .nH 2 O, CaO.SiO 2 .nH 2 O, CaO.Al 2 O 3 .nH 2 O, CaCO 3 , MgCO 3 , BaCO 3 , Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , AlPO 4 , Ca 3 (PO 4 ) 2 and the like. Among these, AlOOH, ZrO 2 , Al (OH) 3 , Mg (OH) 2 , Ca (OH) 2 , Ni (OH) 2 , H 3 BO 3 , Cr 2 O 3 .nH 2 O, CaO. SiO 2 .nH 2 O and CaO.Al 2 O 3 .nH 2 O are preferable, and AlOOH and ZrO 2 having high chemical stability are more preferable.

さらに、AlOOHは、非水系二次電池内に存在するフッ酸から正極を保護し、二次電池の耐久性を改善する効果がある、という観点からも好ましい。すなわち、非水系二次電池においては、フッ酸は正極活物質を侵し耐久性を低下させる原因となるが、AlOOHはフッ酸を吸着・共沈させる機能がある。このため、AlOOHを含有するセパレータを使用すれば、電解液中のフッ酸濃度を低いレベルに維持することが可能となり、二次電池の耐久性を改善することが可能となる。   Furthermore, AlOOH is also preferable from the viewpoint that it has an effect of protecting the positive electrode from hydrofluoric acid existing in the non-aqueous secondary battery and improving the durability of the secondary battery. That is, in a non-aqueous secondary battery, hydrofluoric acid corrodes the positive electrode active material and reduces durability, but AlOOH has a function of adsorbing and coprecipitating hydrofluoric acid. Therefore, if a separator containing AlOOH is used, the concentration of hydrofluoric acid in the electrolytic solution can be maintained at a low level, and the durability of the secondary battery can be improved.

ナノアレイを構成するセラミックスナノ粒子は、微結晶粒子からなる。具体的には、かかるセラミックスナノ粒子の平均粒子径は、好ましくは30nm以下であり、より好ましくは20nm以下である。下限値については特に制限はないが、通常3nm以上である。ここで、「平均粒子径」とは、電子顕微鏡による観察において、数十個の粒子の粒子径(長軸の長さ)の測定値の平均値を指す。   Ceramic nanoparticles constituting the nanoarray are composed of microcrystalline particles. Specifically, the average particle diameter of such ceramic nanoparticles is preferably 30 nm or less, more preferably 20 nm or less. The lower limit is not particularly limited, but is usually 3 nm or more. Here, the “average particle diameter” refers to an average value of measured values of particle diameters (lengths of major axes) of several tens of particles observed by an electron microscope.

このように、セラミックスナノ粒子は非常に微小な粒子であり、上記の平均繊維径の非常に細いCNFと相俟って、軸径の非常に細いナノアレイを構成することができるため、薄膜の二次電池用セパレータを形成することが可能となる。   As described above, the ceramic nanoparticles are very fine particles, and together with the above-mentioned CNF having a very small average fiber diameter, can form a nanoarray having a very small shaft diameter. A secondary battery separator can be formed.

セラミックスナノ粒子の晶癖(結晶の外形)としては、板状、針状、六面体、柱状等が挙げられる。なかでも、CNFとの担持が強固である観点から、CNFの軸長方向に伸延した六面体粒子が好ましい。   Examples of the crystal habit (crystal outline) of the ceramic nanoparticles include a plate shape, a needle shape, a hexahedron, and a column shape. Above all, hexahedral particles extended in the axial direction of CNF are preferable from the viewpoint of firmly supporting CNF.

なお、上記ナノアレイは、粒子径や形状が均一なセラミックスナノ粒子の集合体であることが好ましいが、粒子径や形状が異なるセラミックスナノ粒子の集合体であってもよく、また化学組成が異なる2種以上のセラミックスナノ粒子の集合体であってもよい。   The nanoarray is preferably an aggregate of ceramic nanoparticles having a uniform particle size and shape, but may be an aggregate of ceramic nanoparticles having a different particle size and shape. An aggregate of more than one kind of ceramic nanoparticles may be used.

(二次電池用セパレータ)
本発明の二次電池用セパレータは、250℃で1時間加熱した場合の熱収縮率が、10%以下であるのが好ましい。熱収縮率が10%を超える場合は、微小短絡で生じる発熱によりセパレータの破膜面積が広がり、大電流が流れるおそれがある。
(Separator for secondary battery)
The separator for a secondary battery of the present invention preferably has a heat shrinkage of 10% or less when heated at 250 ° C. for 1 hour. When the heat shrinkage exceeds 10%, the heat generated by the minute short circuit may increase the area of the separator rupture, and may cause a large current to flow.

二次電池用セパレータの熱収縮率の測定に際しては、所定の大きさで打ち抜いたセパレータについて、加熱処理前後における直径を複数点測定したときの平均値でもって面積を算定した後、加熱前後における面積の変化率によって熱収縮率を算定すればよい。   When measuring the heat shrinkage of the secondary battery separator, for the separator punched in a predetermined size, after calculating the area by the average value when measuring the diameter at a plurality of points before and after the heat treatment, the area before and after heating The heat shrinkage may be calculated from the rate of change of the heat shrinkage.

二次電池用セパレータの膜厚は、内部抵抗を低める観点から、175μm以下が好ましく、さらに50μm以下が好ましく、特に30μm以下が好ましい。セパレータの膜厚が175μmを超える場合、セパレータの内部抵抗が高くなり、これを適用した二次電池の出力特性が低下するため好ましくない。   The thickness of the secondary battery separator is preferably 175 μm or less, more preferably 50 μm or less, and particularly preferably 30 μm or less, from the viewpoint of reducing the internal resistance. If the thickness of the separator exceeds 175 μm, the internal resistance of the separator increases, and the output characteristics of the secondary battery using the separator are undesirably reduced.

なお、上記二次電池用セパレータを適用する二次電池は、正極、負極、電解液、及びセパレータを必須構成とするものであれば、特に限定されない。   The secondary battery to which the secondary battery separator is applied is not particularly limited as long as the secondary battery has a positive electrode, a negative electrode, an electrolytic solution, and a separator as essential components.

[製造方法]
本発明に係る二次電池用セパレータは、次の、工程(I)〜(III):
(I)少なくとも1種の金属元素を含むセラミックス原料化合物及びセルロースナノファイバーを含有するスラリーを調製する工程、
(II)前記工程(I)で得られたスラリーを、水熱反応に付してナノアレイを得る工程、及び
(III)前記工程(II)で得られた前記ナノアレイを不織布に成型する工程
を含む製造方法によって、得ることができる。
[Production method]
The separator for a secondary battery according to the present invention comprises the following steps (I) to (III):
(I) a step of preparing a slurry containing a ceramic raw material compound containing at least one metal element and cellulose nanofibers;
(II) a step of subjecting the slurry obtained in the step (I) to a hydrothermal reaction to obtain a nanoarray; and (III) a step of molding the nanoarray obtained in the step (II) into a nonwoven fabric. It can be obtained by a manufacturing method.

この製造方法を用いることで、簡易な方法により、有用な二次電池用セパレータが形成される。   By using this manufacturing method, a useful secondary battery separator is formed by a simple method.

(工程(I))
工程(I)は、少なくとも1種の金属元素を含むセラミックス原料化合物及びセルロースナノファイバーを含有するスラリーを調製する工程である。工程(I)では、先ず、少なくとも1種の金属元素を含むセラミックス原料化合物、水、及びセルロースナノファイバーを混合してスラリーAを得る。
(Step (I))
Step (I) is a step of preparing a slurry containing a ceramic raw material compound containing at least one metal element and cellulose nanofibers. In the step (I), first, a slurry A is obtained by mixing a ceramic raw material compound containing at least one metal element, water, and cellulose nanofiber.

セラミックス原料化合物としては、具体的には、例えば、アルミニウム化合物、マグネシウム化合物、カルシウム化合物、ニッケル化合物、クロム化合物、ケイ素化合物又はホウ素化合物等の金属化合物が挙げられる。なかでも、上記金属元素の硫酸塩、硝酸塩、炭酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩、酸化物、水酸化物、ハロゲン化物等を好適に使用することができる。   Specific examples of ceramic raw material compounds include metal compounds such as aluminum compounds, magnesium compounds, calcium compounds, nickel compounds, chromium compounds, silicon compounds, and boron compounds. Among them, sulfates, nitrates, carbonates, acetates, oxalates, oxides, hydroxides, halides and the like of the above metal elements can be suitably used.

これらセラミックス原料化合物及びセルロースナノファイバーを混合してスラリーAを調製する際、水を用いる。かかる水の使用量は、各原料の溶解性又は分散性、撹拌の容易性、及び水熱反応の効率等の観点から、セラミックス原料化合物の金属元素1モルに対して10モル〜300モルが好ましく、さらに50モル〜200モルが好ましい。また、スラリーA中におけるセルロースナノファイバーの含有量は、スラリーA中の水100質量部に対し、好ましくは0.1質量部〜20質量部であり、より好ましくは0.1質量部〜10質量部である。   Water is used when preparing the slurry A by mixing these ceramic raw material compounds and cellulose nanofibers. From the viewpoint of the solubility or dispersibility of each raw material, the ease of stirring, and the efficiency of the hydrothermal reaction, the amount of water is preferably 10 mol to 300 mol per 1 mol of the metal element of the ceramic raw material compound. And more preferably 50 mol to 200 mol. Further, the content of the cellulose nanofibers in the slurry A is preferably 0.1 to 20 parts by mass, more preferably 0.1 to 10 parts by mass, based on 100 parts by mass of the water in the slurry A. Department.

また、セラミックス原料化合物とセルロースナノファイバーとの混合比率は、セルロースナノファイバー100質量部に対して、セラミックス原料化合物が0.1質量部〜10000質量部であり、より好ましくは1質量部〜1000質量部であり、特に好ましくは5質量部〜200質量部である。セルロースナノファイバーに対する、セラミックス原料化合物の混合量が極めて多くなると、次工程(II)における水熱反応においてナノアレイ化されない余剰の金属成分同士が結合し、大径の結晶となってナノアレイ中の夾雑物となる。夾雑物を含むナノアレイから二次電池用セパレータを形成した場合、かかる夾雑物が電気抵抗となって放電特性が低下したり、夾雑物の周囲に孔径の大きな細孔が生じて短絡を生じる可能性がある。   The mixing ratio of the ceramic raw material compound and the cellulose nanofiber is 0.1 parts by mass to 10000 parts by mass, more preferably 1 part by mass to 1000 parts by mass, based on 100 parts by mass of the cellulose nanofiber. And particularly preferably 5 to 200 parts by mass. When the mixing amount of the ceramic raw material compound with respect to the cellulose nanofiber becomes extremely large, excess metal components that are not converted into a nanoarray in the hydrothermal reaction in the next step (II) are combined with each other to form a large-diameter crystal and contaminants in the nanoarray. It becomes. When a separator for a secondary battery is formed from a nanoarray containing impurities, such impurities may cause electrical resistance and decrease the discharge characteristics, or a short circuit may occur due to the formation of large pores around the impurities. There is.

工程(I)では、次に、上記スラリーAにアルカリ溶液を添加してスラリーBとし、中和反応によって、スラリーB中に溶解又は分散している金属成分を金属水酸化物にする。アルカリ溶液を添加するには、25℃におけるスラリーBのpHが10〜14に保持するのに充分な量を滴下するのが好ましい。かかるアルカリ溶液としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、アンモニア等の水溶液を用いることができ、そのなかでも、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム又はそれらの混合溶液を用いるのが好ましい。   In the step (I), an alkali solution is added to the slurry A to form a slurry B, and a metal component dissolved or dispersed in the slurry B is converted to a metal hydroxide by a neutralization reaction. In order to add the alkali solution, it is preferable to add dropwise an amount sufficient to maintain the pH of the slurry B at 25 ° C. at 10 to 14. As the alkaline solution, for example, an aqueous solution of sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, ammonia or the like can be used, and among them, it is preferable to use sodium hydroxide, sodium carbonate or a mixed solution thereof.

スラリーBは、金属水酸化物を良好に生成させる観点から、撹拌して中和反応を進行させるのが好ましい。中和反応中におけるスラリーBの温度は、5℃以上が好ましく、より好ましくは10℃〜60℃である。また、スラリーBの撹拌時間は、5分〜120分が好ましく、30分〜60分がより好ましい。   It is preferable that the slurry B is stirred to allow the neutralization reaction to proceed from the viewpoint of favorably generating a metal hydroxide. The temperature of the slurry B during the neutralization reaction is preferably 5 ° C. or higher, more preferably 10 ° C. to 60 ° C. Further, the stirring time of the slurry B is preferably from 5 minutes to 120 minutes, more preferably from 30 minutes to 60 minutes.

(工程(II))
工程(II)は、得られたスラリーBを、水熱反応に付して、上記ナノアレイを得る工程である。
(Step (II))
Step (II) is a step of subjecting the obtained slurry B to a hydrothermal reaction to obtain the nanoarray.

水熱反応中の温度は、セルロースナノファイバーの熱分解を抑制する観点から、190℃以下が好ましく、100℃〜190℃がより好ましく、130℃〜180℃がさらに好ましく、140℃〜160℃が特に好ましい。水熱反応は耐圧容器中で行うのが好ましく、190℃以下で行う場合、この時の圧力は1.2MPa以下であるのが好ましく、100℃〜190℃で水和反応を行う場合、0.1MPa〜1.2MPaであるのが好ましく、130℃〜180℃では0.3MPa〜0.9MPaであるのが好ましく、140℃〜160℃では0.3MPa〜0.6MPaであるのが好ましい。水熱反応時間は、0.5時間〜24時間が好ましく、さらに0.5時間〜15時間が好ましい。水熱反応時間が24時間を超える場合、ナノアレイを構成するセラミックスナノ粒子が過剰に大径化するおそれがある。   From the viewpoint of suppressing the thermal decomposition of the cellulose nanofiber, the temperature during the hydrothermal reaction is preferably 190 ° C or lower, more preferably 100 ° C to 190 ° C, further preferably 130 ° C to 180 ° C, and 140 ° C to 160 ° C. Particularly preferred. The hydrothermal reaction is preferably performed in a pressure-resistant container. When the reaction is performed at 190 ° C. or lower, the pressure at this time is preferably 1.2 MPa or less. It is preferably from 1 MPa to 1.2 MPa, preferably from 0.3 MPa to 0.9 MPa at 130 ° C. to 180 ° C., and more preferably from 0.3 MPa to 0.6 MPa at 140 ° C. to 160 ° C. The hydrothermal reaction time is preferably 0.5 hours to 24 hours, more preferably 0.5 hours to 15 hours. If the hydrothermal reaction time exceeds 24 hours, the ceramic nanoparticles constituting the nanoarray may have an excessively large diameter.

得られた水熱反応生成物は、セルロースナノファイバーと金属酸化物、又はセルロースナノファイバーと結晶水を有する金属化合物からなるナノアレイである。   The obtained hydrothermal reaction product is a nanoarray composed of cellulose nanofibers and a metal oxide, or a cellulose nanofiber and a metal compound having water of crystallization.

なお、セルロースナノファイバーの分散性を高めることで、高い分散性を有するナノアレイを得る観点から、工程(I)においてセルロースナノファイバーのスラリーを予め水熱処理した後、工程(II)においてセラミックス原料化合物のスラリーを添加して水熱反応に付すことによって、ナノアレイを得てもよい。   From the viewpoint of obtaining a nanoarray having high dispersibility by increasing the dispersibility of the cellulose nanofibers, the slurry of the cellulose nanofibers is subjected to hydrothermal treatment in advance in the step (I), and then the ceramic raw material compound is added in the step (II). A nanoarray may be obtained by adding a slurry and subjecting it to a hydrothermal reaction.

(工程(III))
工程(III)は、工程(II)によって得られたナノアレイを不織布に成型する工程である。この工程において、生成される不織布の膜厚が調整される。
(Step (III))
Step (III) is a step of molding the nanoarray obtained in step (II) into a nonwoven fabric. In this step, the thickness of the produced nonwoven fabric is adjusted.

具体的には、工程(II)で得られたナノアレイ又はナノアレイを含むスラリーに水を加えて、ナノアレイが高度に分散したスラリーCを作製した後、スラリーCを抄紙法や塗布法により製膜する。   Specifically, after adding water to the nanoarray or the slurry containing the nanoarray obtained in the step (II) to prepare a slurry C in which the nanoarray is highly dispersed, the slurry C is formed into a film by a papermaking method or a coating method. .

スラリーCの水量は、スラリーC中のナノアレイ100質量部に対して、好ましくは200質量部〜50000質量部であり、より好ましくは250質量部〜40000質量部でありであり、特に好ましくは300質量部〜30000質量部である。水量が200質量部未満であると、厚膜、且つ膜厚が不均斉な不織布が生成され、この不織布を二次電池のセパレータとして利用した場合には、セパレータの内部抵抗が上昇して二次電池の出力特性が低下してしまう。   The amount of water in the slurry C is preferably 200 parts by mass to 50,000 parts by mass, more preferably 250 parts by mass to 40000 parts by mass, and particularly preferably 300 parts by mass, based on 100 parts by mass of the nanoarray in the slurry C. Parts to 30,000 parts by mass. When the amount of water is less than 200 parts by mass, a thick film and a non-woven fabric having an uneven thickness are generated. When this non-woven fabric is used as a separator of a secondary battery, the internal resistance of the separator increases and the secondary The output characteristics of the battery deteriorate.

工程(II)で得られたナノアレイは、ろ過後、水で洗浄してから、スラリーCとするのがよい。洗浄に際しては、ナノアレイ1質量部に対し、水を5質量部〜100質量部用いるのが好ましい。なお、この水洗浄は、成型後の不織布に対して行ってもよい。   The nanoarray obtained in the step (II) is preferably filtered, washed with water, and then used as a slurry C. In washing, it is preferable to use 5 parts by mass to 100 parts by mass of water with respect to 1 part by mass of the nanoarray. This water washing may be performed on the nonwoven fabric after molding.

スラリーCは、分散媒に有機溶媒を含んでいてもよい。スラリーCに有機溶媒を含むことで、ナノアレイが分散して形成する網目構造が、乾燥後の不織布にも保持されやすくすることができる。有機溶媒としては、例えば、脂肪族炭化水素、環状炭化水素、芳香族炭化水素、ハロゲン化炭化水素のような低極性疎水性溶媒の1種又は2種以上が好適に使用できる。より具体的には、例えば、シクロヘキサン、シクロペンタン、n−ヘキサン、トルエン、四塩化炭素が好適に使用できる。   The slurry C may include an organic solvent in the dispersion medium. By including the organic solvent in the slurry C, the network structure formed by dispersing the nanoarray can be easily held by the dried nonwoven fabric. As the organic solvent, for example, one or more of low-polarity hydrophobic solvents such as aliphatic hydrocarbons, cyclic hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, and halogenated hydrocarbons can be suitably used. More specifically, for example, cyclohexane, cyclopentane, n-hexane, toluene, and carbon tetrachloride can be suitably used.

また、不織布の厚みの均一性を確保する観点から、スラリーC中のナノアレイは高度に分散させるのが好ましい。かかる分散状態の確保には、具体的には、例えば、ミキサー、ポリトロン、自励式超音波粉砕機、超音波発振機、高圧ホモジナイザーを好適に用いることができる。   From the viewpoint of ensuring the uniformity of the thickness of the nonwoven fabric, it is preferable that the nanoarray in the slurry C be highly dispersed. Specifically, for example, a mixer, a polytron, a self-excited ultrasonic pulverizer, an ultrasonic oscillator, and a high-pressure homogenizer can be suitably used to ensure such a dispersed state.

更に、得られた不織布に含まれる水分を除去するために、必要に応じて乾燥処理が施される。乾燥手段は、温風乾燥、凍結乾燥、真空乾燥が用いられ、温風乾燥が好ましい。温風乾燥を行う場合、温風の温度は、セルロースナノファイバーの熱分解を抑制する観点から、50℃〜230℃であればよく、70℃〜200℃が好ましい。また、乾燥に要する処理時間は温度に応じて適宜設定される。   Further, in order to remove moisture contained in the obtained nonwoven fabric, a drying treatment is performed as necessary. As the drying means, hot air drying, freeze drying, and vacuum drying are used, and hot air drying is preferable. When performing hot air drying, the temperature of the hot air may be 50 ° C to 230 ° C, and preferably 70 ° C to 200 ° C, from the viewpoint of suppressing the thermal decomposition of the cellulose nanofiber. The processing time required for drying is appropriately set according to the temperature.

以下、本発明について、実施例に基づき具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。なお、以下の実施例及び比較例に示す各不織布の膜厚は、膜厚計(Mitutoyo社製、ID−C112XB)による測定値である。   Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples, but the present invention is not limited to these examples. In addition, the film thickness of each nonwoven fabric shown in the following Examples and Comparative Examples is a value measured by a film thickness meter (manufactured by Mitutoyo, ID-C112XB).

[実施例1:ベーマイト(AlOOH)からなるナノアレイを含む不織布]
硫酸アルミニウムAl(SO・16HO 3.15g、セルロースナノファイバー3.89g(ダイセルファインケム社製、KY100G、含水量90質量%)、及び水55mLを60分間混合してスラリーA1を作製した。得られたスラリーA1に、10質量%濃度のNaOH水溶液12.0gを添加し、5分間混合してスラリーB1を作製した。
[Example 1: Nonwoven fabric including nanoarray composed of boehmite (AlOOH)]
3.15 g of aluminum sulfate Al 2 (SO 4 ) 3 .16H 2 O, 3.89 g of cellulose nanofibers (KY100G, manufactured by Daicel Finechem Co., Ltd., water content 90% by mass), and 55 mL of water were mixed for 60 minutes to form slurry A1. Produced. To the obtained slurry A1, 12.0 g of a 10 mass% NaOH aqueous solution was added and mixed for 5 minutes to prepare a slurry B1.

スラリーB1をオートクレーブに投入し、140℃、0.36MPaで1時間水熱反応を行った。得られた水熱反応生成物を放冷した後、所定量の水を添加し、撹拌混合して200mLの希釈スラリーC1を得た。   The slurry B1 was charged into an autoclave, and a hydrothermal reaction was performed at 140 ° C. and 0.36 MPa for 1 hour. After allowing the obtained hydrothermal reaction product to cool, a predetermined amount of water was added, and the mixture was stirred and mixed to obtain 200 mL of a diluted slurry C1.

得られた希釈スラリーC1のうちの、20mLの希釈スラリーC1をφ5.5cmのろ紙でろ過して、水で洗浄し、ろ過成型膜を得た。成型膜に含まれる水分を除去するために、80℃、4時間の温風乾燥を行い、ベーマイト(AlOOH)のセラミックスナノアレイからなる不織布D1(膜厚31μm、BET比表面積188m/g)を得た。不織布D1のSEM観察像を図1に、TEM観察像を図2に示す。 Out of the obtained diluted slurry C1, 20 mL of the diluted slurry C1 was filtered with a filter paper having a diameter of 5.5 cm, and washed with water to obtain a filtration molded membrane. In order to remove the moisture contained in the molded film, a hot air drying was performed at 80 ° C. for 4 hours, and a nonwoven fabric D1 (thickness 31 μm, BET specific surface area 188 m 2 / g) composed of a ceramic nanoarray of boehmite (AlOOH) was obtained. Obtained. FIG. 1 shows an SEM observation image of the nonwoven fabric D1, and FIG. 2 shows a TEM observation image.

[実施例2:ZrOからなるナノアレイを含む不織布]
硝酸ジルコニウムZrO(NO・2HO 1.34g、セルロースナノファイバー3.89g(ダイセルファインケム社製、KY100G、含水量90質量%)、及び水55mLを60分間混合してスラリーA2を作製した。得られたスラリーA2に、10質量%濃度のNaOH水溶液12.0gを添加し、5分間混合してスラリーB2を作製した。
[Example 2: Non-woven fabric including nanoarray composed of ZrO 2 ]
Preparation of zirconium nitrate ZrO (NO 3) 2 · 2H 2 O 1.34g, cellulose nanofibers 3.89 g (Daicel FineChem Co., KY100G, water content 90 wt%), and water 55mL were mixed for 60 minutes a slurry A2 did. To the obtained slurry A2, 12.0 g of a 10% by mass aqueous NaOH solution was added and mixed for 5 minutes to prepare a slurry B2.

スラリーB2をオートクレーブに投入し、140℃、0.36MPaで1時間水熱反応を行った。得られた水熱反応生成物を放冷した後、所定量の水を添加し、撹拌混合して200mLの希釈スラリーC2を得た。   The slurry B2 was put into an autoclave, and a hydrothermal reaction was performed at 140 ° C. and 0.36 MPa for 1 hour. After allowing the obtained hydrothermal reaction product to cool, a predetermined amount of water was added, and the mixture was stirred and mixed to obtain 200 mL of a diluted slurry C2.

得られた希釈スラリーC2のうちの、20mLの希釈スラリーC2をφ5.5cmのろ紙でろ過して、水で洗浄し、ろ過成型膜を得た。成型膜に含まれる水分を除去するために、80℃、4時間の温風乾燥を行い、ZrOのセラミックスナノアレイからなる不織布D2(膜厚27μm、BET比表面積201m/g)を得た。 Of the obtained diluted slurry C2, 20 mL of the diluted slurry C2 was filtered with a filter paper having a diameter of 5.5 cm, and washed with water to obtain a filtration molded membrane. In order to remove moisture contained in the molded film, drying with hot air at 80 ° C. for 4 hours was performed to obtain a nonwoven fabric D2 (thickness: 27 μm, BET specific surface area: 201 m 2 / g) composed of a ceramic nanoarray of ZrO 2 . .

[実施例3]
スラリーA1に代えて、硫酸アルミニウムAl(SO・16HO 6.30g、セルロースナノファイバー3.89g、及び水55mLを60分間混合して作製したスラリーA3を用いた以外、実施例1と同様の操作を行い、ベーマイト(AlOOH)のセラミックスナノアレイからなる不織布D3(膜厚30μm、BET比表面積93m/g)を得た。
[Example 3]
Example 2 was repeated except that the slurry A1 was prepared by mixing 6.30 g of aluminum sulfate Al 2 (SO 4 ) 3 .16H 2 O, 3.89 g of cellulose nanofiber, and 55 mL of water for 60 minutes instead of the slurry A1. The same operation as in Example 1 was performed to obtain a nonwoven fabric D3 (thickness: 30 μm, BET specific surface area: 93 m 2 / g) composed of a ceramic nanoarray of boehmite (AlOOH).

[実施例4]
スラリーA1に代えて、硫酸アルミニウムAl(SO・16HO 0.08g、セルロースナノファイバー3.89g、及び水55mLを60分間混合して作製したスラリーA4を用いた以外、実施例1と同様の操作を行い、ベーマイト(AlOOH)のセラミックスナノアレイからなる不織布D4(膜厚28μm、BET比表面積262m/g)を得た。
[Example 4]
Example 2 was repeated except that the slurry A4 was prepared by mixing 0.08 g of aluminum sulfate Al 2 (SO 4 ) 3 .16H 2 O, 3.89 g of cellulose nanofiber, and 55 mL of water for 60 minutes instead of the slurry A1. By performing the same operation as in Example 1, a nonwoven fabric D4 (film thickness 28 μm, BET specific surface area 262 m 2 / g) composed of a ceramic nanoarray of boehmite (AlOOH) was obtained.

[実施例5]
スラリーB1をオートクレーブに投入し、100℃、0.10MPaで1時間水熱反応を行った以外は、実施例1と同様の操作を行い、ベーマイト(AlOOH)のセラミックスナノアレイからなる不織布D5(膜厚28μm、BET比表面積204m/g)を得た。
[Example 5]
The same operation as in Example 1 was performed except that the slurry B1 was put into an autoclave and a hydrothermal reaction was performed at 100 ° C. and 0.10 MPa for 1 hour, and a nonwoven fabric D5 (membrane) made of a ceramic nanoarray of boehmite (AlOOH) was used. A thickness of 28 μm and a BET specific surface area of 204 m 2 / g) were obtained.

[実施例6]
スラリーB1をオートクレーブに投入し、160℃、0.61MPaで1時間水熱反応を行った以外は、実施例1と同様の操作を行い、ベーマイト(AlOOH)のセラミックスナノアレイからなる不織布D6(膜厚28μm、BET比表面積98m/g)を得た。
[Example 6]
The same operation as in Example 1 was performed except that the slurry B1 was put into an autoclave and a hydrothermal reaction was performed at 160 ° C. and 0.61 MPa for 1 hour, and a nonwoven fabric D6 (membrane) made of a ceramic nanoarray of boehmite (AlOOH) was used. A thickness of 28 μm and a BET specific surface area of 98 m 2 / g) were obtained.

[実施例7]
スラリーB1をオートクレーブに投入し、140℃、0.35MPaで24時間水熱反応を行った以外は、実施例1と同様の操作を行い、ベーマイト(AlOOH)のセラミックスナノアレイからなる不織布D7(膜厚32μm、BET比表面積91m/g)を得た。
[Example 7]
The same operation as in Example 1 was performed except that the slurry B1 was charged into an autoclave and a hydrothermal reaction was performed at 140 ° C. and 0.35 MPa for 24 hours, and a nonwoven fabric D7 (membrane) made of a ceramic nanoarray of boehmite (AlOOH) was used. A thickness of 32 μm and a BET specific surface area of 91 m 2 / g) were obtained.

[実施例8]
スラリーB1をオートクレーブに投入し、140℃、0.35MPaで1時間水熱反応を行った。得られた水熱反応生成物を放冷した後、所定量の水を添加し、撹拌混合して500mLの希釈スラリーC8を得た。得られた希釈スラリーC8のうちの、20mLの希釈スラリーC8をφ18.5cmのろ紙でろ過して、水で洗浄し、ろ過成型膜を得た。成型膜に含まれる水分を除去するために、80℃、4時間の温風乾燥を行い、ベーマイト(AlOOH)のセラミックスナノアレイからなる不織布D8(膜厚7μm、BET比表面積190m/g)を得た。
Example 8
The slurry B1 was charged into an autoclave, and a hydrothermal reaction was performed at 140 ° C. and 0.35 MPa for 1 hour. After allowing the obtained hydrothermal reaction product to cool, a predetermined amount of water was added thereto, followed by stirring and mixing to obtain 500 mL of a diluted slurry C8. Out of the obtained diluted slurry C8, 20 mL of the diluted slurry C8 was filtered with a filter paper having a diameter of 18.5 cm, and washed with water to obtain a filtration molded membrane. In order to remove the moisture contained in the molded film, a hot air drying was performed at 80 ° C. for 4 hours, and a nonwoven fabric D8 (thickness: 7 μm, BET specific surface area: 190 m 2 / g) composed of a ceramic nanoarray of boehmite (AlOOH) was obtained. Obtained.

[実施例9]
スラリーB1をオートクレーブに投入し、140℃、0.36MPaで1時間水熱反応を行った。得られた水熱反応生成物を放冷した後、所定量の水を添加し、撹拌混合して100mLの希釈スラリーC9を得た。得られた希釈スラリーC9のうちの、20mLの希釈スラリーC9をφ5.5cmのろ紙でろ過して、水で洗浄し、ろ過成型膜を得た。成型膜に含まれる水分を除去するために、80℃、4時間の温風乾燥を行い、ベーマイト(AlOOH)のセラミックスナノアレイからなる不織布D9(膜厚47μm、BET比表面積187m/g)を得た。
[Example 9]
The slurry B1 was charged into an autoclave, and a hydrothermal reaction was performed at 140 ° C. and 0.36 MPa for 1 hour. After allowing the obtained hydrothermal reaction product to cool, a predetermined amount of water was added, and the mixture was stirred and mixed to obtain 100 mL of a diluted slurry C9. Of the obtained diluted slurry C9, 20 mL of the diluted slurry C9 was filtered through a filter paper having a diameter of 5.5 cm and washed with water to obtain a filtration molded membrane. In order to remove the moisture contained in the molded film, hot air drying was performed at 80 ° C. for 4 hours, and a nonwoven fabric D9 (47 μm in film thickness, 187 m 2 / g in BET specific surface area) composed of a ceramic nanoarray of boehmite (AlOOH) was obtained. Obtained.

[実施例10]
スラリーB1をオートクレーブに投入し、140℃、0.35MPaで1時間水熱反応を行った。得られた水熱反応生成物80mLを、希釈せずにφ5.5cmのろ紙でろ過して、水で洗浄し、ろ過成型膜を得た。成型膜に含まれる水分を除去するために、80℃、4時間の温風乾燥を行い、ベーマイト(AlOOH)のセラミックスナノアレイからなる不織布D10(膜厚157μm、BET比表面積188m/g)を得た。
[Example 10]
The slurry B1 was charged into an autoclave, and a hydrothermal reaction was performed at 140 ° C. and 0.35 MPa for 1 hour. 80 mL of the obtained hydrothermal reaction product was filtered through a filter paper of 5.5 cm without dilution, and washed with water to obtain a filtration molded membrane. In order to remove the moisture contained in the molded film, a hot air drying was performed at 80 ° C. for 4 hours, and a nonwoven fabric D10 (film thickness 157 μm, BET specific surface area 188 m 2 / g) composed of a ceramic nanoarray of boehmite (AlOOH) was obtained. Obtained.

[比較例1:ポリオレフィン系薄膜]
二次電池用セパレータE1として、市販のポリエチレンセパレータ(ダブル・スコープ社製、COD−20−B)を採用した(膜厚15μm、BET比表面積30m/g)。
[Comparative Example 1: Polyolefin-based thin film]
As the secondary battery separator E1, a commercially available polyethylene separator (COD-20-B, manufactured by Double Scope Co., Ltd.) was used (film thickness 15 μm, BET specific surface area 30 m 2 / g).

[比較例2:ナノアレイが担持されていないセルロースナノファイバーを含む不織布]
スラリーA1に代えて、硫酸アルミニウムAl(SO・16HOを添加せず、セルロースナノファイバー3.89g、及び水55mLを60分間混合してスラリーA11を作製した。その後は、実施例1と同様の操作を行い、セルロースナノファイバーからなる不織布E2(膜厚29μm、BET比表面積273m/g)を得た。
[Comparative Example 2: Nonwoven fabric containing cellulose nanofibers not carrying a nanoarray]
Instead of Slurry A1, aluminum sulfate Al 2 (SO 4 ) 3 .16H 2 O was not added, and 3.89 g of cellulose nanofiber and 55 mL of water were mixed for 60 minutes to prepare Slurry A11. Thereafter, the same operation as in Example 1 was performed to obtain a nonwoven fabric E2 made of cellulose nanofibers (film thickness 29 μm, BET specific surface area 273 m 2 / g).

[比較例3]
スラリーB1をオートクレーブに投入し、200℃、1.54MPaで24時間水熱反応を行った以外は、実施例1と同様の操作を行い、ベーマイト(AlOOH)のセラミックスナノアレイからなる不織布E3(膜厚33μm、BET比表面積22m/g)を得た。
[Comparative Example 3]
The same operation as in Example 1 was performed except that the slurry B1 was put into an autoclave and a hydrothermal reaction was performed at 200 ° C. and 1.54 MPa for 24 hours, and a nonwoven fabric E3 (membrane) made of a ceramic nanoarray of boehmite (AlOOH) was used. A thickness of 33 μm and a BET specific surface area of 22 m 2 / g) were obtained.

<熱収縮率の評価>
各不織布又は二次電池用セパレータ(D1〜D10、E1〜E3)について、160℃で1時間の加熱処理を行ったときの加熱前後での熱収縮率、及び250℃で1時間の加熱処理を行ったときの加熱前後での熱収縮率を算定した。具体的には、φ17mmに打ち抜いた各不織布又は二次電池用セパレータの、上記加熱処理後の直径をノギスにより10点計測し、その平均値から加熱処理後の面積を算出した。なお、160℃はポリオレフィン系材料の融点近傍の温度に対応し、250℃はセルロースナノファイバーに含有される水分が脱水して脆化が開始される温度に対応する。
<Evaluation of heat shrinkage>
About each nonwoven fabric or the separator for secondary batteries (D1 to D10, E1 to E3), the heat shrinkage before and after heating when the heat treatment was performed at 160 ° C. for 1 hour, and the heat treatment at 250 ° C. for 1 hour. The heat shrinkage before and after heating was calculated. Specifically, the diameter of each nonwoven fabric or secondary battery separator punched to φ17 mm after the above heat treatment was measured at 10 points with calipers, and the area after the heat treatment was calculated from the average value. Note that 160 ° C. corresponds to a temperature near the melting point of the polyolefin-based material, and 250 ° C. corresponds to a temperature at which moisture contained in the cellulose nanofiber is dehydrated and embrittlement starts.

その後、加熱温度160℃、加熱温度250℃のそれぞれに対し、下記式により熱収縮率を算定した。
熱収縮率={(加熱前の不織布又は二次電池用セパレータの面積)−(加熱後の不織布又は二次電池用セパレータの面積)}/(加熱前の不織布又は二次電池用セパレータの面積)*100
Thereafter, the heat shrinkage was calculated by the following equation for each of the heating temperature of 160 ° C. and the heating temperature of 250 ° C.
Heat shrinkage = {(area of nonwoven fabric or separator for secondary battery before heating) − (area of nonwoven fabric or separator for secondary battery after heating)} / (area of nonwoven fabric or separator for secondary battery before heating) * 100

<二次電池における充放電特性の評価>
各不織布又は二次電池用セパレータ(D1〜D10、E1〜E3)をセパレータとする、リチウムイオン二次電池を作製した。
<Evaluation of charge / discharge characteristics in secondary battery>
Lithium ion secondary batteries were produced using each nonwoven fabric or secondary battery separator (D1 to D10, E1 to E3) as a separator.

正極活物質には、水熱法で製造したオリビン型リン酸マンガン鉄リチウム(LiMn0.7Fe0.3PO4)を用いた。この正極活物質、ケッチェンブラック、ポリフッ化ビニリデンを質量比90:5:5の配合割合で混合し、これにN−メチル−2−ピロリドンを加えて充分混練し、正極スラリーを調製した。次いで、塗工機を用いて、正極スラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔からなる集電体に塗布し、80℃で12時間の真空乾燥を行った。その後、φ14mmの円盤状に打ち抜いてハンドプレスを用いて16MPaで2分間プレスし、正極とした。 As the positive electrode active material, olivine-type lithium manganese iron phosphate (LiMn 0.7 Fe 0.3 PO 4 ) produced by a hydrothermal method was used. The positive electrode active material, Ketjen Black, and polyvinylidene fluoride were mixed at a mixing ratio of 90: 5: 5 by mass, N-methyl-2-pyrrolidone was added thereto, and the mixture was sufficiently kneaded to prepare a positive electrode slurry. Next, using a coating machine, the positive electrode slurry was applied to a current collector made of an aluminum foil having a thickness of 20 μm, and vacuum-dried at 80 ° C. for 12 hours. Then, it was punched out into a disk shape of φ14 mm and pressed at 16 MPa for 2 minutes using a hand press to obtain a positive electrode.

負極には、φ15mmに打ち抜いたリチウム箔を用いた。電解液には、エチレンカーボネート及びエチルメチルカーボネートを体積比1:1の割合で混合した混合溶媒に、LiPF6を1mol/Lの濃度で溶解したものを用いた。 As the negative electrode, a lithium foil punched into φ15 mm was used. As the electrolytic solution, a solution obtained by dissolving LiPF 6 at a concentration of 1 mol / L in a mixed solvent obtained by mixing ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate at a volume ratio of 1: 1 was used.

セパレータには、上記各実施例1〜10、比較例1〜3で得られた不織布又は二次電池用セパレータ(D1〜D10、E1〜E3)を用いた。   As the separator, the nonwoven fabric or the secondary battery separator (D1 to D10, E1 to E3) obtained in each of Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 3 was used.

これらの電池部品を露点が−50℃以下の雰囲気で常法により組み込み収容し、コイン型二次電池(CR−2032)を得た。   These battery parts were incorporated and housed in a conventional manner in an atmosphere having a dew point of -50 ° C or lower, to obtain a coin-type secondary battery (CR-2032).

得られた二次電池を用いて定電流密度での充放電特性を評価した。具体的には、気温30℃環境において放電容量測定装置(北斗電工社製HJ−1001SD8)を用いて行った。このときの充電条件は、電流0.2CA(17mA/g)、電圧4.5Vの定電流充電とし、放電条件は、電流0.2CA又は3CAとし、終止電圧2.0Vの定電流放電とした。   The charge / discharge characteristics at a constant current density were evaluated using the obtained secondary battery. Specifically, the measurement was performed in a 30 ° C. environment using a discharge capacity measuring device (HJ-1001SD8 manufactured by Hokuto Denko Corporation). The charging conditions at this time were constant current charging at a current of 0.2 CA (17 mA / g) and a voltage of 4.5 V, and discharging conditions were a constant current discharging at a current of 0.2 CA or 3 CA and a final voltage of 2.0 V. .

得られた結果を表1に示す。   Table 1 shows the obtained results.

表1より、実施例1〜10により得られた各不織布(D1〜D10)は熱収縮率が小さく、耐熱性に優れることが分かる。また、これらの各不織布(D1〜D10)からなるセパレータを含む二次電池は、上記の優れた耐熱性を有しつつ薄膜化が可能であり、内部抵抗を有効に低下させて充放電特性に優れていることが分かる。   Table 1 shows that each of the nonwoven fabrics (D1 to D10) obtained in Examples 1 to 10 has a small heat shrinkage and is excellent in heat resistance. In addition, a secondary battery including a separator composed of each of these nonwoven fabrics (D1 to D10) can be thinned while having the above-described excellent heat resistance, and effectively reduces internal resistance to improve charge / discharge characteristics. It turns out that it is excellent.

Claims (5)

セルロースナノファイバーに複数のセラミックスナノ粒子が直線的に連続して担持してなるナノアレイから構成される不織布からなり、BET比表面積が91m /g以上であることを特徴とする、二次電池用セパレータ。 A plurality of ceramic nanoparticles cellulose nanofibers Ri Do a nonwoven consisting of nano-arrays formed by carrying continuously linearly, and wherein the BET specific surface area of 91m 2 / g or more, a secondary battery For separator. 前記セラミックスナノ粒子の平均粒径が30nm以下であることを特徴とする、請求項1に記載の二次電池用セパレータ。   The secondary battery separator according to claim 1, wherein the ceramic nanoparticles have an average particle size of 30 nm or less. 前記セルロースナノファイバーの平均繊維径が50nm以下であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の二次電池用セパレータ。   3. The separator for a secondary battery according to claim 1, wherein the cellulose nanofiber has an average fiber diameter of 50 nm or less. 4. 前記複数のセラミックスナノ粒子が、AlOOH、及びZrOから選ばれる一種又は二種以上を含んでなることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の二次電池用セパレータ。 4. The separator for a secondary battery according to claim 1, wherein the plurality of ceramic nanoparticles include one or more selected from AlOOH and ZrO 2. 5 . 次の工程(I)〜(III):
(I)少なくとも1種の金属元素を含むセラミックス原料化合物及びセルロースナノファイバーを含有するスラリーを調製する工程、
(II)前記工程(I)で得られたスラリーを、100℃以上190℃以下で水熱反応に付してナノアレイを得る工程、及び
(III)前記工程(II)で得られた前記ナノアレイを不織布に成型する工程
を含むことを特徴とする、二次電池用セパレータの製造方法。
The following steps (I) to (III):
(I) a step of preparing a slurry containing a ceramic raw material compound containing at least one metal element and cellulose nanofibers;
(II) a step of subjecting the slurry obtained in the step (I) to a hydrothermal reaction at 100 ° C. or more and 190 ° C. or less to obtain a nanoarray; and (III) preparing the nanoarray obtained in the step (II). A method for producing a separator for a secondary battery, comprising a step of molding into a nonwoven fabric.
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