JP5113685B2 - Electrochemical element separator - Google Patents
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Description
本発明は、電気化学素子用セパレータに関する。 The present invention relates to a separator for an electrochemical element.
電気化学素子のひとつであるリチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高いという特徴を有し、携帯電話、携帯型音楽プレーヤー、ノート型パーソナルコンピューター等の携帯型電気機器の電源として広く利用されている。また、電気自転車、ハイブリッド自動車、電気自動車等の大型機器にもリチウムイオン二次電池を利用する動きが広がっている。そのため、リチウムイオン二次電池には高容量化、大電流での充放電特性といった性能が求められているが、リチウムイオン二次電池は非水系電池であるため、水系電池と比較して発煙、発火、破裂等の危険性が高いことが知られており、安全性の向上も要求されている。 A lithium ion secondary battery, which is one of the electrochemical elements, has a feature of high energy density, and is widely used as a power source for portable electric devices such as mobile phones, portable music players, and notebook personal computers. . In addition, the use of lithium-ion secondary batteries is expanding in large-sized devices such as electric bicycles, hybrid vehicles, and electric vehicles. For this reason, lithium ion secondary batteries are required to have high capacity and charge / discharge characteristics at a large current. However, since lithium ion secondary batteries are non-aqueous batteries, they emit smoke compared to aqueous batteries. It is known that there is a high risk of ignition, rupture, etc., and improvement in safety is also required.
リチウムイオン二次電池では、外熱による温度上昇、過充電、内部短絡、外部短絡等によって発煙等の危険性が高まる。これらは、外部保護回路によってある程度防ぐことが可能である。また、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が120℃付近で溶融し、孔が閉塞して電流やイオンの流れを遮断することによって、電池の温度上昇が抑制される。これは、シャットダウン機能と呼ばれている。しかし、外熱によって温度が上昇した場合や温度上昇によって電池内部で化学反応が起きた場合には、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、電池温度が150℃以上にまで達すると、多孔質フィルムが収縮して内部短絡が起こり、発火等が起きることがあった。 In a lithium ion secondary battery, the risk of smoking increases due to temperature rise due to external heat, overcharge, internal short circuit, external short circuit, and the like. These can be prevented to some extent by an external protection circuit. In addition, the polyolefin resin porous film used as a separator for lithium ion secondary batteries melts around 120 ° C., and the pores are blocked to block current and ion flow, thereby increasing the temperature of the battery. It is suppressed. This is called a shutdown function. However, when the temperature rises due to external heat or when a chemical reaction occurs inside the battery due to the temperature rise, the battery temperature further rises even if the shutdown function works. The porous film contracted, causing an internal short circuit, which could cause ignition.
このように、セパレータのシャットダウン機能では電池の発火を抑制することができ難くなっている。また、電池の高容量化に伴って充放電における大電流化も進んでおり、その際に発生するジュール熱を抑制するために、電解液を含浸したセパレータの抵抗値そのものを下げることも必要になっている。そのため、ポリオレフィン系樹脂の多孔質フィルムよりも熱収縮温度を上げることによって、内部短絡を起こり難くして電池の発火を抑制すると共に、抵抗値を下げることを目的として、金属酸化物微粒子を用いたセパレータが開発されている。このセパレータでは、金属酸化物微粒子によって細孔径をコントロールし、内部短絡の抑制、耐熱性の向上、抵抗値の低下が可能となっている。 As described above, it is difficult to suppress the ignition of the battery by the shutdown function of the separator. In addition, with the increase in capacity of batteries, the increase in current during charging and discharging is also progressing, and in order to suppress the Joule heat generated at that time, it is also necessary to lower the resistance value of the separator impregnated with the electrolyte. It has become. For this reason, metal oxide fine particles were used for the purpose of suppressing the ignition of the battery by lowering the resistance value while making it difficult to cause an internal short circuit by raising the heat shrinkage temperature than the porous film of polyolefin resin. Separator has been developed. In this separator, the pore diameter is controlled by the metal oxide fine particles, and it is possible to suppress internal short circuit, improve heat resistance, and lower the resistance value.
例えば、擬似ベーマイトとバインダーとを混合し、別に準備したフィルム上にコーティング後に乾燥及び剥離することによって、多孔質フィルムとして得られた微細多孔擬似ベーマイト層を有するセパレータが提案されている(例えば、特許文献1参照)。しかしながら、このセパレータは、熱収縮温度は向上しているものの、微細多孔擬似ベーマイト層を形成する際に、水系の場合ではポリビニルアルコール、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルピロリドン等の水溶性バインダーと紫外線硬化樹脂を併用しており、アルコール系の場合ではポリビニルブチラールをバインダーとして使用しているので、これらのポリマーが擬似ベーマイトの表面に付着して電解液の濡れ性を阻害して、セパレータの抵抗値が悪化するという欠点があった。また、粉落ちやひび割れが起こり易いために、巻き取り状のセパレータとして単独で取り出すのが難しく、電池製造時のハンドリングが悪いという問題があった。 For example, a separator having a microporous pseudoboehmite layer obtained as a porous film by mixing pseudoboehmite and a binder, drying and peeling after coating on a separately prepared film has been proposed (for example, patents) Reference 1). However, although this separator has an improved heat shrink temperature, when forming a microporous pseudo boehmite layer, in the case of an aqueous system, a water-soluble binder such as polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, and polyvinylpyrrolidone is used in combination with an ultraviolet curable resin. In the case of alcohol, polyvinyl butyral is used as a binder, so that these polymers adhere to the surface of the pseudo boehmite and impede the wettability of the electrolytic solution, and the resistance value of the separator deteriorates. There were drawbacks. Moreover, since powder fall and a crack are easy to occur, there was a problem that it was difficult to take out alone as a winding-type separator, and handling at the time of battery manufacture was bad.
また、不織布上及び不織布中に多孔性の無機被覆を有し、該無機被覆がアルミニウム(Al)、ケイ素(Si)及び/またはジルコニウム(Zr)の酸化物粒子を有しているセパレータが提案されている(例えば、特許文献2参照)。このセパレータは、基材として不織布を利用しているため、ハンドリングが向上しているものの、ゾルゲル法によって生成するシリカ微粒子によって他の金属酸化物を目止めしているために、衝撃や変形による粉落ちやひび割れが発生し易く、これがピンホールの生成につながって内部短絡の原因となり、有用なセパレータとはいい難かった。 Also proposed is a separator having a porous inorganic coating on and in the nonwoven fabric, the inorganic coating having aluminum (Al), silicon (Si) and / or zirconium (Zr) oxide particles. (For example, refer to Patent Document 2). Although this separator uses non-woven fabric as a base material, handling is improved, but other metal oxides are detected by silica fine particles generated by the sol-gel method. Drops and cracks are likely to occur, which leads to the generation of pinholes and causes internal short circuits, making it difficult to be a useful separator.
さらに、AlO(OH)またはAl2O3・H2Oで示される化合物(ベーマイト)を主成分とする粒子や酸化アルミニウムを不織布の空隙内に含有させたセパレータが開示されている(例えば、特許文献3及び4参照)。これらのセパレータでは、ベーマイトや酸化アルミニウムをカルボキシメチルセルロース、エチレンビニルアルコール共重合体系ラテックス、ポリビニルブチラール等のバインダーを使用して空隙内に目止めさせたり、シャットダウン機能を発現させるためにポリマー微粒子を含有させたりしているために、セパレータとしての抵抗値が大きくなる傾向にあり、問題となっている。 Furthermore, AlO (OH) or Al 2 O 3 · H compound represented by the 2 O separator particles or aluminum oxide as a main component (boehmite) is contained in the void of the nonwoven fabric have been disclosed (e.g., patent References 3 and 4). In these separators, boehmite and aluminum oxide are filled in the gaps using binders such as carboxymethyl cellulose, ethylene vinyl alcohol copolymer latex, polyvinyl butyral, etc., and polymer fine particles are included in order to develop a shutdown function. Therefore, the resistance value as a separator tends to increase, which is a problem.
ところで、電気二重層キャパシタ、電解コンデンサ、固体電解コンデンサ等のキャパシタと呼ばれる電気化学素子に用いられるセパレータとしては、溶剤紡糸セルロース繊維または再生セルロース繊維が叩解処理されてなる繊維を主体とする紙製セパレータが使用されている(例えば、特許文献5〜8参照)。紙製セパレータは、コスト的に有利であるだけなく、大きな空隙率や安定した細孔径を持ち、さらに、セルロース繊維の表面性に起因して、電解液に対する親和性が非常に高いため、電解液を含浸させたセパレータの抵抗値が非常に低く、電気化学素子の内部抵抗を引き下げる効果があった。 By the way, as a separator used for an electrochemical element called a capacitor such as an electric double layer capacitor, an electrolytic capacitor, or a solid electrolytic capacitor, a paper separator mainly composed of fibers obtained by beating a solvent-spun cellulose fiber or a regenerated cellulose fiber. Is used (for example, see Patent Documents 5 to 8). Paper separators are not only advantageous in terms of cost, but also have a large porosity and stable pore diameter, and furthermore, due to the surface properties of cellulose fibers, the affinity for the electrolyte is very high. The resistance value of the separator impregnated with was very low, and had the effect of reducing the internal resistance of the electrochemical element.
しかし、近年、リチウムイオン二次電池の技術潮流と同じように、キャパシタも高容量化が求められている。その結果、電極活物質の微細化が進んで、セルロース繊維によって細孔が形成された紙製セパレータでは、内部短絡を誘発する事態を招いており、細孔径のより小さいセパレータが求められている。また、電気二重層キャパシタの場合、電極に使用されている高い比表面積を有する活性炭や表面活性活物質から吸着水を除くためにキャパシタ製造時に加熱する必要があるが、紙製セパレータでは耐熱性が低いために、セルロース繊維への吸着水を充分に脱水することができず、残留した吸着水が電気二重層キャパシタの特性を低下させてしまうという問題もあり、耐熱性に優れたセパレータが必要とされている。
本発明の課題は、耐熱性に優れ、ハンドリングが良好であり、さらに、細孔径の小さい電気化学素子用セパレータを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a separator for an electrochemical device that has excellent heat resistance, good handling, and a small pore diameter.
上記課題を解決するために、鋭意検討した結果、(1)繊維マトリクス間に分散凝集径1μm未満の酸化アルミニウムとミクロフィブリル化セルロースが充填されてなる電気化学素子用セパレータ、(2)繊維マトリクス間に酸化アルミニウム、水酸化酸化アルミニウム及びミクロフィブリル化セルロースが充填されてなり、酸化アルミニウムと水酸化酸化アルミニウムとからなる凝集構造体の分散凝集径が1μm未満である電気化学素子用セパレータを見出した。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, (1) a separator for an electrochemical device in which an aluminum oxide having a dispersed aggregation diameter of less than 1 μm and a microfibrillated cellulose are filled between fiber matrices; In addition, the present inventors have found a separator for an electrochemical element in which aluminum oxide, aluminum hydroxide oxide, and microfibrillated cellulose are filled, and a dispersion aggregate diameter of an aggregate structure composed of aluminum oxide and aluminum hydroxide oxide is less than 1 μm.
本発明の電気化学素子用セパレータは、従来のポリエチレン多孔質フィルムや紙製セパレータと比べて、優れた耐熱性を有し、ハンドリングが良好であり、さらに、細孔径をサブミクロンサイズにまでコントロールすることができるので、電気化学素子の内部短絡抑制、製造時の歩留まり向上、さらには電気化学素子の特性向上が可能となる。 The separator for electrochemical devices of the present invention has excellent heat resistance, good handling, and controls the pore size to submicron size compared to conventional polyethylene porous films and paper separators. Therefore, it is possible to suppress the internal short circuit of the electrochemical element, improve the yield during production, and further improve the characteristics of the electrochemical element.
本発明の電気化学素子用セパレータ(1)は、分散凝集径1μm未満の酸化アルミニウムとミクロフィブリル化セルロースが繊維マトリクス間に充填されてなる。本発明の電気化学素子用セパレータ(2)は、分散凝集径1μm未満の酸化アルミニウムと水酸化酸化アルミニウムとからなる凝集構造体及びミクロフィブリル化セルロースが繊維マトリクス間に充填されてなる。 The separator (1) for an electrochemical element of the present invention is formed by filling aluminum fiber having a dispersed aggregation diameter of less than 1 μm and microfibrillated cellulose between fiber matrices. The separator (2) for an electrochemical element of the present invention is formed by filling an agglomerated structure composed of aluminum oxide having a dispersed aggregation diameter of less than 1 μm and aluminum hydroxide oxide and a microfibrillated cellulose between fiber matrices.
繊維マトリクスとは、有機繊維、無機繊維等を含んでなる繊維集合体のことである。有機繊維としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート及びそれらの誘導体、芳香族ポリエステル、全芳香族ポリエステルなどのポリエステル、ポリオレフィン、アクリル、ポリアセタール、ポリカーボネート、脂肪族ポリケトン、芳香族ポリケトン、脂肪族ポリアミド、芳香族ポリアミド、全芳香族ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリ(パラ−フェニレンベンゾビスチアゾール)、ポリ(パラ−フェニレン−2,6−ベンゾビスオキサゾール)、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルアルコール、ポリウレタン及びポリ塩化ビニルなどの樹脂からなる繊維ならびにセルロース繊維などが挙げられる。無機繊維としては、ガラス、アルミナ、シリカ、ジルコニア、炭化ケイ素、各種セラミックスからなる無機繊維が挙げられる。これらの繊維は、分割、フィブリル化されていても良い。2種以上の繊維を用いることもできる。なお、ポリエステル繊維は、繊維長、繊維径に自由度が高く、扱い易い材料であることから好ましく用いることができ、ポリエチレンテレフタレート繊維が特に好ましく用いられる。さらに、ポリエステル繊維には、芯鞘構造を有する熱融着性繊維も知られており、これを用いると、熱可塑性の繊維マトリクスが構成できて、加工性を大きく向上させることができる。 The fiber matrix is a fiber assembly including organic fibers, inorganic fibers and the like. Examples of organic fibers include polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate and derivatives thereof, aromatic polyester, polyester such as wholly aromatic polyester, polyolefin, acrylic, polyacetal, polycarbonate, aliphatic polyketone, aromatic polyketone, aliphatic polyamide, aromatic Polyamide, wholly aromatic polyamide, polyimide, polyamideimide, polyphenylene sulfide, polybenzimidazole, polyetheretherketone, polyethersulfone, poly (para-phenylenebenzobisthiazole), poly (para-phenylene-2,6-benzobis Oxazole), polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyvinyl alcohol, polyurethane, and polyvinyl chloride. Such as cellulose fibers and the like to. Examples of inorganic fibers include inorganic fibers made of glass, alumina, silica, zirconia, silicon carbide, and various ceramics. These fibers may be divided and fibrillated. Two or more kinds of fibers can also be used. Polyester fibers can be preferably used because they are materials that have a high degree of freedom in fiber length and fiber diameter and are easy to handle, and polyethylene terephthalate fibers are particularly preferably used. Furthermore, a heat-fusible fiber having a core-sheath structure is also known as a polyester fiber, and when this is used, a thermoplastic fiber matrix can be formed, and workability can be greatly improved.
繊維マトリクスは、湿式抄紙法、エレクトロスピニング法、メルトブローン法、フラッシュ紡糸法、スパンボンド法、カード法、これらの組み合わせた方法等で製造することができる。繊維マトリクスには、必要に応じて、ニードルパンチ、ウォータージェット等の交絡処理、カレンダー処理、熱カレンダー処理、熱処理などが施される。湿式抄紙法とは、繊維を水中で分散させて、均一化し、これを網等で抄き上げる方法であるが、より薄く、均一性の高い繊維マトリクスが必要な場合は湿式抄紙法による形成が有利である。 The fiber matrix can be produced by a wet papermaking method, an electrospinning method, a melt blown method, a flash spinning method, a spunbond method, a card method, a combination of these, and the like. The fiber matrix is subjected to a confounding process such as a needle punch and a water jet, a calendar process, a thermal calendar process, and a heat treatment as necessary. The wet papermaking method is a method in which fibers are dispersed in water and homogenized, and this is made with a net or the like, but if a thinner and more uniform fiber matrix is required, formation by the wet papermaking method is required. It is advantageous.
繊維マトリクスの厚みは、15〜120μmが好ましく、25〜70μmがより好ましい。厚みが15μmより薄いと、ピンホール発生の原因となり、内部短絡が生じ易くなることがある。厚みが120μmを超えると、電池容量の低下を招くことがある。また、繊維マトリクスの密度は、0.10〜0.40g/cm3が好ましく、0.15〜0.30g/cm3がより好ましい。密度が0.10g/cm3より小さいと、繊維マトリクスの機械的強度が極端に低下することがあり、密度が0.40g/cm3を超えると、空隙率が減少し、セパレータの内部抵抗が増大してしまうことがある。 The thickness of the fiber matrix is preferably 15 to 120 μm, and more preferably 25 to 70 μm. If the thickness is less than 15 μm, pinholes may be generated, and an internal short circuit may easily occur. When the thickness exceeds 120 μm, the battery capacity may be reduced. The density of the fiber matrix is preferably 0.10~0.40g / cm 3, 0.15~0.30g / cm 3 is more preferable. When the density is less than 0.10 g / cm 3 , the mechanical strength of the fiber matrix may be extremely reduced. When the density exceeds 0.40 g / cm 3 , the porosity is reduced and the internal resistance of the separator is reduced. May increase.
ミクロフィブリル化セルロースとは、繊維の表面にひげが発生した部分を有するセルロース系繊維、繊維自体が主に繊維軸と平行な方向に非常に細かく分割された微細繊維を有するセルロース系繊維を示す。ひげや分割された微細繊維の少なくとも一部分の繊維径は5μm以下が好ましく、1μm以下であることがより好ましい。 The microfibrillated cellulose refers to a cellulosic fiber having a portion where a whisker is generated on the surface of the fiber, and a cellulosic fiber having fine fibers in which the fiber itself is very finely divided mainly in a direction parallel to the fiber axis. The fiber diameter of at least a part of the whiskers or the divided fine fibers is preferably 5 μm or less, and more preferably 1 μm or less.
ミクロフィブリル化セルロースとしては、高結晶性、高配向性材料であるセルロース系材料を機械粉砕したもの、化学粉砕したもの、酵素粉砕したもの、バクテリアセルロース等を使用することができる。セルロース系材料としては、木材パルプ、楮、三椏、藁、ケナフ、竹、リンター、バガス、エスパルト、サトウキビ等の植物繊維、セルロース再生繊維であるレーヨン繊維、アセテート等の半合成繊維、リヨセル繊維、植物の柔細胞から得られる繊維等が挙げられる。なお、植物の柔細胞は、茎の内部柔組織や葉の葉肉、果実等を粉砕することで得られる。また、食品加工工場や製糖工場等から排出される、果実からのジュースの搾り粕、サトウダイコン、サトウキビ等からの搾汁粕を用いることができる。植物の柔細胞に対して、木材からパルプを製造する際のパルプ化処理を適用することによって、繊維を得ることができる。これらのセルロース系材料は、単独で使用しても良いし、2種類以上の組み合わせで使用しても良い。 As the microfibrillated cellulose, those obtained by mechanically pulverizing, chemically pulverizing, enzymatically pulverizing, bacterial cellulose, and the like, which are highly crystalline and highly oriented cellulose-based materials can be used. Cellulosic materials include: wood pulp, straw, cocoon, straw, kenaf, bamboo, linter, bagasse, esparto, sugarcane and other plant fibers, cellulose regenerated fibers such as rayon fiber, acetate and other semisynthetic fibers, lyocell fiber, plants And fibers obtained from parenchyma cells. The plant parenchyma can be obtained by crushing the internal parenchyma of the stem, the mesophyll of the leaf, the fruit and the like. In addition, juice squeezed from fruit, sugar beet, sugar cane, etc. discharged from food processing factories, sugar factories and the like can be used. Fibers can be obtained by applying a pulping treatment for producing pulp from wood to plant parenchymal cells. These cellulosic materials may be used alone or in combinations of two or more.
ミクロフィブリル化セルロースのアスペクト比(繊維長/繊維径)は、20以上100000以下の範囲に分布し、カナダ標準ろ水度(JIS P8121)は、500ml以下であることが好ましく、200ml以下であることがより好ましい。さらに質量平均繊維長が0.1mm以上2mm以下の範囲にあるものが好ましい。 The aspect ratio (fiber length / fiber diameter) of the microfibrillated cellulose is distributed in the range of 20 or more and 100000 or less, and the Canadian standard freeness (JIS P8121) is preferably 500 ml or less, and 200 ml or less. Is more preferable. Further, those having a mass average fiber length in the range of 0.1 mm to 2 mm are preferred.
酸化アルミニウムは、水酸化アルミニウム、硝酸アルミニウム、硫酸アルミニウム等を高温で焼結させてから粉砕して得る方法、塩化アルミニウムを燃焼させて得る方法等によって得ることができる。硬度の高いα−アルミナの含有量が多い酸化アルミニウムを用いると、カレンダー処理を行った場合に空隙率を保つことができるので、好ましい。 Aluminum oxide can be obtained by a method obtained by sintering aluminum hydroxide, aluminum nitrate, aluminum sulfate or the like after sintering at a high temperature, a method obtained by burning aluminum chloride, or the like. It is preferable to use aluminum oxide with a high content of α-alumina having high hardness because the porosity can be maintained when calendering is performed.
本発明(1)において、繊維マトリクス間に充填された酸化アルミニウムは多孔膜を形成しているが、酸化アルミニウムの粒子サイズがこの膜の多孔質性、特に、細孔径と空隙率に深く関わっている。多孔質性は、酸化アルミニウム分散時に光学的に測定できる分散凝集径に依存している。酸化アルミニウムの分散凝集径は1μm未満であり、50nm以上1μm未満がより好ましく、0.1μm以上0.8μm以下がさらに好ましい。分散凝集径が1μm以上では、細孔径が大きくなりすぎて、電気化学素子用のセパレータとしては適さない。また、50nmより小さいと、多孔質性が失われて空隙率が低下することがある。 In the present invention (1), the aluminum oxide filled between the fiber matrices forms a porous film. The particle size of the aluminum oxide is deeply related to the porosity of the film, particularly the pore diameter and the porosity. Yes. The porosity depends on the dispersion aggregation diameter that can be measured optically when aluminum oxide is dispersed. The dispersion aggregation diameter of aluminum oxide is less than 1 μm, more preferably from 50 nm to less than 1 μm, and further preferably from 0.1 μm to 0.8 μm. When the dispersion aggregation diameter is 1 μm or more, the pore diameter becomes too large, and it is not suitable as a separator for an electrochemical device. On the other hand, if it is smaller than 50 nm, the porosity may be lost and the porosity may be lowered.
酸化アルミニウムの一次粒子径は、3nm以上1μm未満が好ましく、さらに好ましくは8nm以上0.8μm以下である。一次粒子径が3nm未満になると、一次粒子の凝集が強くなりすぎることがあり、電気化学素子用セパレータ中で凝集構造体の多孔質性が失われてしまう場合がある。また、一次粒子径が1μm以上では、粒子間隙が広がってセパレータの細孔径が大きくなって、内部短絡の原因になることがあるほか、繊維マトリクス間に粒子が保持されなくなってセパレータとしての機能を喪失してしまったり、酸化アルミニウムを含有する分散液中で酸化アルミニウムが沈降分離し易くなったりする場合がある。 The primary particle diameter of aluminum oxide is preferably 3 nm or more and less than 1 μm, more preferably 8 nm or more and 0.8 μm or less. When the primary particle diameter is less than 3 nm, the aggregation of the primary particles may be too strong, and the porous property of the aggregated structure may be lost in the separator for electrochemical devices. In addition, when the primary particle diameter is 1 μm or more, the gap between the particles widens and the pore diameter of the separator increases, which may cause an internal short circuit. In addition, the particles are not retained between the fiber matrices and function as a separator. The aluminum oxide may be lost or the aluminum oxide may be easily precipitated and separated in the dispersion containing the aluminum oxide.
水酸化酸化アルミニウムとは、水酸化アルミニウムを300℃から800℃の間で熱分解させるときに現れる、含水アルミナの総称で、自然界にはベーマイトして存在している。水酸化酸化アルミニウムは、数nmから数十nmの微細な板状結晶体として得られるため、高い比表面積を有し、かつ、表面に水酸基を有しているので、親水性を有している。本発明に用いられる水酸化酸化アルミニウムの一次粒子径は、1〜20nmが好ましく、2〜15nmがより好ましい。比表面積は100m2/g以上であることが好ましい。 Aluminum hydroxide oxide is a general term for hydrous alumina that appears when aluminum hydroxide is thermally decomposed between 300 ° C. and 800 ° C., and is present in the natural world as boehmite. Since aluminum hydroxide oxide is obtained as a fine plate-like crystal having a thickness of several nm to several tens of nm, it has a high specific surface area and has a hydroxyl group on the surface, and thus has hydrophilicity. . The primary particle diameter of the aluminum hydroxide oxide used in the present invention is preferably 1 to 20 nm, and more preferably 2 to 15 nm. The specific surface area is preferably 100 m 2 / g or more.
水酸化酸化アルミニウムは、酸化アルミニウムに比べて粒子が柔らかく、酸化アルミニウムとの併用により、カレンダー処理等で圧力をかけることによって、充填形態を変化させることができるので、セパレータとしての細孔径をコントロールすることが可能となり、より高性能のセパレータとすることができる。 Aluminum hydroxide oxide has softer particles than aluminum oxide, and by using it together with aluminum oxide, the packing form can be changed by applying pressure during calendering, etc., so the pore size as a separator is controlled. And a higher performance separator can be obtained.
本発明(2)において、繊維マトリクス間に充填された酸化アルミニウムと水酸化酸化アルミニウムは多孔膜を形成しているが、酸化アルミニウムと水酸化酸化アルミニウムとからなる凝集構造体の分散凝集径がこの多孔膜の多孔質性、特に、細孔径と空隙率に深く関わっている。この凝集構造体の分散凝集径は1μm未満であり、50nm以上1μm未満がより好ましく、0.1μm以上0.8μm以下がさらに好ましい。分散凝集径が1μm以上では、細孔径が大きくなりすぎて、電気化学素子用のセパレータとしては適さない。また、50nmより小さいと、多孔質性が失われて空隙率が低下することがある。 In the present invention (2), the aluminum oxide and the aluminum hydroxide oxide filled between the fiber matrices form a porous film, but the dispersed aggregate diameter of the aggregate structure composed of the aluminum oxide and the aluminum hydroxide oxide is this. It is deeply related to the porous property of the porous membrane, particularly the pore diameter and porosity. The dispersion aggregate diameter of the aggregate structure is less than 1 μm, more preferably 50 nm or more and less than 1 μm, and further preferably 0.1 μm or more and 0.8 μm or less. When the dispersion aggregation diameter is 1 μm or more, the pore diameter becomes too large, and it is not suitable as a separator for an electrochemical device. On the other hand, if it is smaller than 50 nm, the porosity may be lost and the porosity may be lowered.
繊維マトリクス間に酸化アルミニウムとミクロフィブリル化セルロースが充填されてなる電気化学素子用セパレータにおいて、繊維マトリクスに対する酸化アルミニウムの含有量は、100質量%以上800質量%以下、好ましくは200質量%以上600質量%以下、さらに好ましくは250質量%以上500質量%以下である。酸化アルミニウムの含有量が100質量%未満になると、細孔径が広がって内部短絡し易くなることがある。酸化アルミニウムの含有量が800質量%を超えると、空隙率が下がって多孔質性が失われることがある。 In the separator for an electrochemical element in which aluminum oxide and microfibrillated cellulose are filled between the fiber matrix, the content of aluminum oxide with respect to the fiber matrix is 100% by mass to 800% by mass, preferably 200% by mass to 600% by mass. % Or less, more preferably 250 mass% or more and 500 mass% or less. When the content of aluminum oxide is less than 100% by mass, the pore diameter may increase and internal short circuit may be easily caused. When the content of aluminum oxide exceeds 800% by mass, the porosity may decrease and the porosity may be lost.
また、酸化アルミニウムに対するミクロフィブリル化セルロースの含有量は、0.01質量%以上5質量%以下が好ましく、0.02質量%以上2質量%以下がより好ましく、0.05質量%以上1質量%以下がさらに好ましい。ミクロフィブリル化セルロースの含有量が0.01質量%未満の場合、繊維マトリクスへの酸化アルミニウムの保持が充分ではなくなり、酸化アルミニウムはセパレータから脱離してしまうことがある。5質量%を超えた場合、酸化アルミニウムの凝集構造体が大きくなりすぎることがあり、酸化アルミニウムは繊維マトリクス間へ侵入しにくくなって、酸化アルミニウムが繊維マトリクスと相互作用することができずに、繊維マトリクスから脱離してしまうことがある。 Further, the content of microfibrillated cellulose with respect to aluminum oxide is preferably 0.01% by mass or more and 5% by mass or less, more preferably 0.02% by mass or more and 2% by mass or less, and 0.05% by mass or more and 1% by mass. The following is more preferable. When the content of the microfibrillated cellulose is less than 0.01% by mass, the aluminum oxide may not be sufficiently retained in the fiber matrix, and the aluminum oxide may be detached from the separator. When the amount exceeds 5% by mass, the aggregate structure of aluminum oxide may become too large, and the aluminum oxide becomes difficult to penetrate between the fiber matrices, so that the aluminum oxide cannot interact with the fiber matrix. May be detached from the fiber matrix.
酸化アルミニウム、水酸化酸化アルミニウム及びミクロフィブリル化セルロースが充填されてなる電気化学素子用セパレータにおいて、繊維マトリクスに対する水酸化酸化アルミニウムと酸化アルミニウムとの合計含有量は、100質量%以上800質量%以下が好ましく、200質量%以上600質量%以下がより好ましく、250質量%以上500質量%以下がさらに好ましい。この合計含有量が100質量%未満になると、細孔径が広がって内部短絡し易くなることがある。合計含有量が800質量%を超えると、空隙率が下がって多孔質性が失われることがある。 In the separator for an electrochemical element filled with aluminum oxide, aluminum hydroxide oxide and microfibrillated cellulose, the total content of aluminum hydroxide oxide and aluminum oxide with respect to the fiber matrix is 100% by mass or more and 800% by mass or less. Preferably, 200 mass% or more and 600 mass% or less are more preferable, and 250 mass% or more and 500 mass% or less are further more preferable. When the total content is less than 100% by mass, the pore diameter may be increased and internal short circuit may be easily caused. If the total content exceeds 800% by mass, the porosity may decrease and the porosity may be lost.
水酸化酸化アルミニウムと酸化アルミニウムの総和に対する水酸化酸化アルミニウムの含有量が90質量%を超えると、酸化アルミニウムによる水酸化酸化アルミニウムの保持能が低下して、粒子がセパレータから脱離する場合があるので、90質量%以下にすることが好ましく、85質量%以下がより好ましい。また、水酸化酸化アルミニウムと酸化アルミニウムの総和に対するミクロフィブリル化セルロースの含有量は、0.01質量%以上5質量%以下が好ましく、0.02質量%以上2質量%以下がより好ましく、0.05質量%以上1質量%以下がさらに好ましい。ミクロフィブリル化セルロースの含有量が0.01質量%未満の場合、繊維マトリクスへの酸化アルミニウムと水酸化酸化アルミニウムの保持が充分ではなくなり、粒子は繊維マトリクスから脱離してしまうことがある。5質量%を超えた場合、酸化アルミニウムと水酸化酸化アルミニウムの凝集構造体が大きくなって繊維マトリクス間へ侵入しにくくなって、繊維マトリクスから脱離してしまうことがある。 If the content of aluminum hydroxide oxide with respect to the sum of aluminum hydroxide oxide and aluminum oxide exceeds 90% by mass, the ability of aluminum hydroxide to retain aluminum hydroxide oxide may decrease, and particles may be detached from the separator. Therefore, it is preferable to set it as 90 mass% or less, and 85 mass% or less is more preferable. Further, the content of the microfibrillated cellulose with respect to the total of aluminum hydroxide oxide and aluminum oxide is preferably 0.01% by mass or more and 5% by mass or less, more preferably 0.02% by mass or more and 2% by mass or less. More preferably, the content is in the range of 05% by mass to 1% by mass. When the content of microfibrillated cellulose is less than 0.01% by mass, the aluminum matrix and the aluminum hydroxide oxide are not sufficiently retained in the fiber matrix, and the particles may be detached from the fiber matrix. When it exceeds 5 mass%, the aggregate structure of aluminum oxide and aluminum hydroxide oxide becomes large and difficult to enter between the fiber matrices, and may be detached from the fiber matrix.
本発明の電気化学素子用セパレータの製造方法を説明する。酸化アルミニウムまたは酸化アルミニウムと水酸化酸化アルミニウムは水に分散され、硝酸、硫酸、酢酸などの酸またはアンモニア等の塩基性物質が添加された後、さらに分散される。分散時または分散後にフィブリル化セルロースと混合され、分散液が得られる。得られた分散液は、繊維マトリクスに塗布または含浸された後乾燥されて、シート状物となる。得られたシート状物は、カレンダー処理によって、余分な空隙が除去され、繊維マトリクス間に、酸化アルミニウムまたは酸化アルミニウムと水酸化酸化アルミニウムがミクロフィブリル化セルロースと共に充填されて電気化学素子用セパレータとなる。カレンダー処理時の線圧としては、好ましくは、4.9〜20MPa、さらに好ましくは、7.8〜15MPaである。カレンダー処理時に熱を付与しても構わない。 The manufacturing method of the separator for electrochemical devices of this invention is demonstrated. Aluminum oxide or aluminum oxide and aluminum hydroxide oxide are dispersed in water and further dispersed after an acid such as nitric acid, sulfuric acid or acetic acid or a basic substance such as ammonia is added. It is mixed with fibrillated cellulose at the time of dispersion or after dispersion to obtain a dispersion. The obtained dispersion is applied to or impregnated into a fiber matrix and then dried to form a sheet. In the obtained sheet-like material, excess voids are removed by calendering, and aluminum oxide or aluminum oxide and aluminum hydroxide oxide are filled together with microfibrillated cellulose between the fiber matrix to form a separator for an electrochemical device. . The linear pressure during the calendar process is preferably 4.9 to 20 MPa, and more preferably 7.8 to 15 MPa. Heat may be applied during the calendar process.
カレンダー処理によって、高硬度の酸化アルミニウムと有機物であるフィブリル化セルロース間及び酸化アルミニウムと繊維マトリクス間で密着が促進され、酸化アルミニウムとフィブリル化セルロースが密に充填されることになり、高い空隙率を有しながら、細かな細孔径を示す均一性の高いセパレータが得られる。上述したように、水酸化酸化アルミニウムは柔らかくて、密着し易く、電気化学素子用セパレータの細孔径をコントロールすることが可能となる。 Calendering promotes adhesion between high hardness aluminum oxide and organic fibrillated cellulose and between aluminum oxide and fiber matrix, and the aluminum oxide and fibrillated cellulose are closely packed, resulting in high porosity. While having it, a highly uniform separator showing a fine pore diameter can be obtained. As described above, aluminum hydroxide oxide is soft and easily adhered, and the pore diameter of the separator for an electrochemical element can be controlled.
本発明の電気化学素子用セパレータの厚みは、15μm以上70μm以下が好ましく、20μm以上60μm以下がより好ましい。厚みが15μmより薄いと、ピンホールが形成され易く、内部短絡する場合がある。厚みが70μmを超えると、セパレータ部分の抵抗値が増大して、ジュール熱が発生し、エネルギーロスとなることがあるほか、電気化学素子の体積が増大して単位体積あたりの電極活物質の含有量が低下し、素子容量も低下することがある。また、電気化学素子用セパレータの密度は、0.2g/cm3以上1.6g/cm3以下が好ましく、0.8g/cm3以上1.4g/cm3以下がより好ましい。密度が0.2g/cm3より小さいと、含有されている酸化アルミニウムや水酸化酸化アルミニウムが少なく、細孔径が大きくなって内部短絡し易くなることがあり、密度が1.6g/cm3を超えると、充分な空隙率を保持できず、セパレータの抵抗値が増加してしまう場合がある。 The thickness of the separator for electrochemical elements of the present invention is preferably 15 μm or more and 70 μm or less, and more preferably 20 μm or more and 60 μm or less. If the thickness is less than 15 μm, pinholes are likely to be formed, and an internal short circuit may occur. When the thickness exceeds 70 μm, the resistance value of the separator portion increases, Joule heat is generated, and energy loss may occur, and the volume of the electrochemical element increases to include an electrode active material per unit volume. The amount may decrease and the element capacity may also decrease. Moreover, the density of the separator for electrochemical elements is preferably 0.2 g / cm 3 or more and 1.6 g / cm 3 or less, and more preferably 0.8 g / cm 3 or more and 1.4 g / cm 3 or less. If the density is less than 0.2 g / cm 3 , the contained aluminum oxide or aluminum hydroxide oxide is small, the pore diameter becomes large and internal short circuit may be easily caused, and the density may be 1.6 g / cm 3 . If it exceeds, sufficient porosity cannot be maintained, and the resistance value of the separator may increase.
次に本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに何ら限定されるものではない。 EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not limited to these at all.
<分散液A〜D(タイプI)の作製>
表3に示した処方で混合液を作製した。使用した酸化アルミニウムを表1及び表2に示した。この混合液をジルコニアビーズと共にポリプロピレン容器に入れ、ペイントコンディショナー(レッドデビル製)で2時間分散して、分散液A〜Dを作製した。
<Preparation of dispersions A to D (type I)>
A mixed solution was prepared according to the formulation shown in Table 3. The aluminum oxide used is shown in Tables 1 and 2. This mixed liquid was put into a polypropylene container together with zirconia beads, and dispersed for 2 hours with a paint conditioner (manufactured by Red Devil) to prepare dispersions A to D.
<分散液E〜F(タイプII)の作製>
表4に示した処方で混合液を作製した。使用した水酸化酸化アルミニウム、酸化アルミニウムを表1及び表2に示した。この混合液をジルコニアビーズと共にポリプロピレン容器に入れ、ペイントコンディショナー(レッドデビル製)で2時間分散して、分散液E〜Fを作製した。
<Preparation of dispersions E to F (type II)>
A mixed solution was prepared according to the formulation shown in Table 4. Tables 1 and 2 show the aluminum hydroxide oxide and aluminum oxide used. This mixed liquid was put into a polypropylene container together with zirconia beads, and dispersed for 2 hours with a paint conditioner (manufactured by Red Devil) to prepare dispersions E to F.
<分散液G〜L(タイプIII)の作製>
表5に示した処方で混合液を作製した。使用した水酸化酸化アルミニウム、酸化アルミニウムを表1及び表2に示した。この混合液をジルコニアビーズと共にポリプロピレン容器に入れ、ペイントコンディショナー(レッドデビル製)で2時間分散して、分散液G〜Lを作製した。
<Preparation of dispersions G to L (type III)>
A mixed solution was prepared according to the formulation shown in Table 5. Tables 1 and 2 show the aluminum hydroxide oxide and aluminum oxide used. This mixed liquid was put into a polypropylene container together with zirconia beads, and dispersed for 2 hours with a paint conditioner (manufactured by Red Devil) to prepare dispersions G to L.
<分散液M〜O(タイプIV)の作製>
表6に示した処方で混合液を作製した。使用した水酸化酸化アルミニウム、酸化アルミニウムを表1及び表2に示した。この混合液をジルコニアビーズと共にポリプロピレン容器に入れ、ペイントコンディショナー(レッドデビル製)で2時間分散して、分散液M〜Oを作製した。
<Preparation of dispersions M to O (type IV)>
A mixed solution was prepared according to the formulation shown in Table 6. Tables 1 and 2 show the aluminum hydroxide oxide and aluminum oxide used. This mixed solution was put into a polypropylene container together with zirconia beads, and dispersed for 2 hours with a paint conditioner (manufactured by Red Devil) to prepare dispersions M to O.
<分散液P〜R(タイプV)の作製>
表7に示した処方で混合液を作製した。使用した水酸化酸化アルミニウム、酸化アルミニウムを表1及び表2に示した。この混合液をジルコニアビーズと共にポリプロピレン容器に入れ、ペイントコンディショナー(レッドデビル製)で2時間分散して、分散液P〜Rを作製した。
<Preparation of dispersions P to R (type V)>
A mixed solution was prepared according to the formulation shown in Table 7. Tables 1 and 2 show the aluminum hydroxide oxide and aluminum oxide used. This mixed liquid was put into a polypropylene container together with zirconia beads, and dispersed for 2 hours with a paint conditioner (manufactured by Red Devil) to prepare dispersions P to R.
<分散凝集径の測定>
各分散液をイオン交換水で200倍に希釈して、サブミクロン粒子計(製品名;モデル N4、コールター製)を使って、分散凝集径を測定し、表1に結果を示した。
<Measurement of dispersion aggregation diameter>
Each dispersion was diluted 200 times with ion-exchanged water, and the dispersion aggregate diameter was measured using a submicron particle meter (product name; model N4, manufactured by Coulter Co.). Table 1 shows the results.
<繊維マトリクス(α)〜(γ)の作製>
表8〜10に示した配合で、繊維を一緒に混合し、パルパーの水中で離解させ、アジテーターによる撹拌のもと、均一な抄造用スラリー(1%濃度)を調製した。この抄造用スラリーを円網抄紙機による湿式抄紙法を用いて抄き上げ、120℃のシリンダードライヤーによって芯鞘ポリエステル繊維を接着させて強度を発現させ、不織布からなる繊維マトリクスを作製した。各繊維マトリクスの坪量及び密度を表11に示した。
<Production of fiber matrix (α) to (γ)>
Fibers were mixed together in the formulations shown in Tables 8 to 10, disaggregated in pulper water, and a uniform papermaking slurry (1% concentration) was prepared under stirring by an agitator. The papermaking slurry was made up by a wet papermaking method using a circular paper machine, and the core-sheath polyester fiber was adhered by a cylinder dryer at 120 ° C. to develop the strength, thereby producing a fiber matrix made of nonwoven fabric. Table 11 shows the basis weight and density of each fiber matrix.
<実施例1〜21>
表12〜14に示した組み合わせで、繊維マトリクスに分散液を塗布して乾燥させた後、180℃に加熱した熱カレンダーで処理を行った。熱カレンダーロールの線圧は14.7MPaであった。また、得られたセパレータの厚み、密度、空隙率、透気性、最大細孔径、平均細孔径、180℃中での形状変化、水中での変化、エタノール中での変化、屈伸による変化、セパレータを再分散した際の分散凝集径を表12〜14に示した。
<Examples 1 to 21>
In the combinations shown in Tables 12 to 14, the dispersion liquid was applied to the fiber matrix and dried, and then treated with a thermal calendar heated to 180 ° C. The linear pressure of the thermal calendar roll was 14.7 MPa. In addition, the thickness, density, porosity, air permeability, maximum pore diameter, average pore diameter, shape change at 180 ° C, change in water, change in ethanol, change due to bending and stretching, Tables 12 to 14 show the dispersion aggregation diameter when redispersed.
<厚みと密度>
JIS C2111に準拠して測定した。
<Thickness and density>
It measured based on JIS C2111.
<空隙率>
得られたシート(質量:Wall)を水中に入れ、浮力による質量減少(ΔW)を測定した。室温での水の比重を1として、ΔWをシート内に占める固形分の体積(Voc)として換算し、シートの全体体積(Vall)とVocの差から、シート内の空隙率を測定した。なお、疎水性フィルムで水に対して濡れないものは、エタノールを用いて測定した。
<Porosity>
The obtained sheet (mass: W all ) was put in water, and mass reduction (ΔW) due to buoyancy was measured. Taking the specific gravity of water at room temperature as 1, ΔW is converted as the volume of solid content (V oc ) in the sheet, and the void ratio in the sheet is measured from the difference between the total volume of the sheet (V all ) and V oc did. In addition, the thing which does not get wet with water with a hydrophobic film was measured using ethanol.
<透気度>
王研式透気度平滑度試験器を用いて測定した。
<Air permeability>
Measured using a Oken air permeability smoothness tester.
<最大細孔径と平均細孔径>
ASTM F316−86に規定されるバブルポイント法に準拠し、コールター製ポロシメーターIIを用いて測定した。
<Maximum pore size and average pore size>
Based on the bubble point method prescribed | regulated to ASTMF316-86, it measured using the porosimeter II by Coulter.
<180℃中での形状変化>
セパレータを180℃で3時間加熱し、その形状変化を目視で観察した。
<Shape change at 180 ° C>
The separator was heated at 180 ° C. for 3 hours, and the shape change was visually observed.
<水中での変化>
セパレータをイオン交換水中に入れて室温中で12時間放置し、セパレータからの粒子の脱離の有無を目視で観察した。セパレータから脱離した粒子でイオン交換水が白濁した場合、「脱離あり」とした。
<Changes in water>
The separator was placed in ion-exchanged water and allowed to stand at room temperature for 12 hours, and the presence or absence of particles from the separator was visually observed. When the ion-exchanged water became cloudy with particles desorbed from the separator, it was judged as “with desorption”.
<エタノール中での変化>
セパレータをエタノール中に入れて室温中で12時間放置し、セパレータからの粒子の脱離の有無を目視で観察した。セパレータから脱離した粒子でエタノールが白濁した場合、「脱離あり」とした。
<Change in ethanol>
The separator was placed in ethanol and allowed to stand at room temperature for 12 hours, and the presence or absence of particles from the separator was visually observed. When ethanol became cloudy with particles detached from the separator, it was judged as “with desorption”.
<屈伸による変化>
10cm×5cmのセパレータを取り出し、中央で二つ折りにし、さらに反対側に折るという動作を二回繰り返した。セパレータを折る段階での形状変化を目視で観察し、その様子を示した。
<Change due to bending and stretching>
The operation of taking out a 10 cm × 5 cm separator, folding it in the center and then folding it to the opposite side was repeated twice. The shape change at the stage of folding the separator was visually observed to show the state.
<セパレータを再分散した際の分散凝集径の測定>
セパレータ100質量部にイオン交換水100質量部を添加し、ジルコニアビーズと共にポリプロピレン容器に入れ、ペイントコンディショナー(レッドデビル製)で2時間分散した。この分散液中をイオン交換水で200倍に希釈して、サブミクロン粒子計(製品名;モデル N4、コールター製)を使って、分散凝集径を測定し、表1に結果を示した。
<Measurement of dispersion aggregate diameter when re-dispersing separator>
100 parts by mass of ion-exchanged water was added to 100 parts by mass of the separator, placed in a polypropylene container together with zirconia beads, and dispersed with a paint conditioner (manufactured by Red Devil) for 2 hours. The dispersion was diluted 200 times with ion-exchanged water, and the dispersion agglomerated diameter was measured using a submicron particle meter (product name; model N4, manufactured by Coulter). Table 1 shows the results.
<電気二重層キャパシタの作製>
活性炭粉末(比表面積2000m2/g)を電極活物質として、正、負の電極を作製し、この間に作製したセパレータを介して積層して、180℃で10時間乾燥した後、ポリエチレン被覆アルミニウム箔収納袋に収納し、電解液を注入して密閉し、電気二重層キャパシタを作製した。電解液は1.5モル/リットルのトリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボレートのプロピレンカーボネート溶液を用いた。作製した電気二重層キャパシタを充放電して動作の確認を行い、内部抵抗と漏れ電流を測定し、結果を表15に与えた。
<Production of electric double layer capacitor>
Using activated carbon powder (specific surface area 2000 m 2 / g) as an electrode active material, positive and negative electrodes are prepared, laminated through separators produced in the meantime, dried at 180 ° C. for 10 hours, and then coated with polyethylene-coated aluminum foil It was stored in a storage bag, and an electrolytic solution was injected and sealed to produce an electric double layer capacitor. As the electrolytic solution, a 1.5 mol / liter triethylmethylammonium tetrafluoroborate propylene carbonate solution was used. The manufactured electric double layer capacitor was charged and discharged to confirm operation, and the internal resistance and leakage current were measured. The results are given in Table 15.
<リチウムイオン二次電池の作製>
負極活物質である黒鉛95質量部とバインダーであるポリフッ化ビニリデン(PVDF)5質量部を、N−メチル−2−ピロリドンを溶剤として混合し、厚み10μmの銅箔上に塗布して乾燥し、負極電極を作製した。次に、正極活物質であるコバルト酸リチウム85質量部、アセチレンブラック10質量部、PVDF5質量部を、N−メチル−2−ピロリドンを溶剤として混合し、厚み15μmのアルミニウム箔上に塗布して乾燥し、正極電極を作製した。
<Production of lithium ion secondary battery>
95 parts by mass of graphite as a negative electrode active material and 5 parts by mass of polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder are mixed using N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent, applied onto a 10 μm thick copper foil and dried. A negative electrode was produced. Next, 85 parts by mass of lithium cobaltate as a positive electrode active material, 10 parts by mass of acetylene black, and 5 parts by mass of PVDF were mixed using N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent, applied onto an aluminum foil having a thickness of 15 μm, and dried. Thus, a positive electrode was produced.
両電極間をセパレータを介して積層して、180℃で2時間乾燥した後、ポリエチレン被覆アルミニウム箔収納袋に収納して、電解液を注入して密閉し、リチウムイオン二次電池を作製した。電解液は1モル/リットルのリチウムヘキサフルオロホスフェートのエチレンカーボネート/ジエチルカーボネート複合(1:1体積換算)溶液を用いた。作製したリチウムイオン二次電池は460mAhの初期容量を有していた。これを0.5Cで500回充放電した後、再度容量を測定し、容量保存率(500回充放電後の容量/初期容量×100)を求め、結果を表15に示した。 The two electrodes were laminated via a separator and dried at 180 ° C. for 2 hours, and then stored in a polyethylene-coated aluminum foil storage bag, and the electrolyte was injected and sealed to produce a lithium ion secondary battery. As the electrolytic solution, an ethylene carbonate / diethyl carbonate composite (1: 1 volume conversion) solution of 1 mol / liter lithium hexafluorophosphate was used. The produced lithium ion secondary battery had an initial capacity of 460 mAh. After charging / discharging this 500 times at 0.5 C, the capacity was measured again to determine the capacity retention rate (capacity after 500 charging / discharging / initial capacity × 100). The results are shown in Table 15.
<比較分散液(A)の作製>
表16に示した処方で混合液をジルコニアビーズと共にポリプロピレン容器に入れ、ペイントコンディショナー(レッドデビル製)で2時間分散して、比較分散液(A)を作製した。
<Preparation of Comparative Dispersion (A)>
The mixed liquid was put into a polypropylene container together with zirconia beads with the formulation shown in Table 16, and dispersed for 2 hours with a paint conditioner (manufactured by Red Devil) to prepare a comparative dispersion liquid (A).
<比較分散液(B)の作製>
表17に示した処方で作製した混合液をジルコニアビーズと共にポリプロピレン容器に入れ、ペイントコンディショナー(レッドデビル製)で2時間分散し、さらに、ウレタン系ラテックス(商品名;ボンディック1910NE、DIC製、固形分濃度40質量%)100gを添加して混合し、比較分散液(B)を作製した。
<Preparation of Comparative Dispersion (B)>
A mixed solution prepared according to the formulation shown in Table 17 is placed in a polypropylene container together with zirconia beads, dispersed with a paint conditioner (manufactured by Red Devil) for 2 hours, and further a urethane latex (trade name; Bondic 1910NE, manufactured by DIC, solid A comparative dispersion (B) was prepared by adding and mixing 100 g of a partial concentration of 40% by mass.
<比較分散液(C)の作製>
表18に示した処方で作製した混合液をジルコニアビーズと共にポリプロピレン容器に入れ、ペイントコンディショナー(レッドデビル製)で2時間分散し、さらに、テトラエトキシシラン34.7gを添加して混合し、比較分散液(C)を作製した。
<Preparation of Comparative Dispersion (C)>
The mixed solution prepared with the formulation shown in Table 18 is placed in a polypropylene container together with zirconia beads, dispersed with a paint conditioner (manufactured by Red Devil) for 2 hours, and further 34.7 g of tetraethoxysilane is added and mixed for comparative dispersion. A liquid (C) was produced.
<比較分散液(D)の作製>
表19に示した処方で作製した混合液をジルコニアビーズと共にポリプロピレン容器に入れ、ペイントコンディショナー(レッドデビル製)で2時間分散して、比較分散液(D)を作製した。
<Preparation of Comparative Dispersion (D)>
A mixed solution prepared according to the formulation shown in Table 19 was placed in a polypropylene container together with zirconia beads, and dispersed for 2 hours with a paint conditioner (manufactured by Red Devil) to prepare a comparative dispersion (D).
<比較分散液(E)の作製>
表20に示した処方で作製した混合液をジルコニアビーズと共にポリプロピレン容器に入れ、ペイントコンディショナー(レッドデビル製)で2時間分散して、比較分散液(E)を作製した。
<Preparation of Comparative Dispersion (E)>
A mixed solution prepared according to the formulation shown in Table 20 was placed in a polypropylene container together with zirconia beads and dispersed with a paint conditioner (manufactured by Red Devil) for 2 hours to prepare a comparative dispersion (E).
<比較分散液(F)の作製>
表21に示した処方で作製した混合液をジルコニアビーズと共にポリプロピレン容器に入れ、ペイントコンディショナー(レッドデビル製)で2時間分散して、比較分散液(F)を作製した。
<Preparation of Comparative Dispersion (F)>
A mixed liquid prepared according to the formulation shown in Table 21 was placed in a polypropylene container together with zirconia beads, and dispersed for 2 hours with a paint conditioner (manufactured by Red Devil) to prepare a comparative dispersion liquid (F).
<比較分散液(G)の作製>
表22に示した処方で作製した混合液をジルコニアビーズと共にポリプロピレン容器に入れ、ペイントコンディショナー(レッドデビル製)で2時間分散して、比較分散液(G)を作製した。
<Preparation of Comparative Dispersion (G)>
A mixed solution prepared according to the formulation shown in Table 22 was placed in a polypropylene container together with zirconia beads and dispersed with a paint conditioner (manufactured by Red Devil) for 2 hours to prepare a comparative dispersion (G).
<比較分散液(H)の作製>
表23に示した処方で作製した混合液をジルコニアビーズと共にポリプロピレン容器に入れ、ペイントコンディショナー(レッドデビル製)で2時間分散して、比較分散液(H)を作製した。
<Preparation of Comparative Dispersion (H)>
A mixed liquid prepared according to the formulation shown in Table 23 was placed in a polypropylene container together with zirconia beads, and dispersed for 2 hours with a paint conditioner (manufactured by Red Devil) to prepare a comparative dispersion liquid (H).
<比較分散液(I)の作製>
表24に示した処方で作製した混合液をジルコニアビーズと共にポリプロピレン容器に入れ、ペイントコンディショナー(レッドデビル製)で2時間分散して、比較分散液(I)を作製した。
<Preparation of Comparative Dispersion (I)>
A mixed liquid prepared according to the formulation shown in Table 24 was placed in a polypropylene container together with zirconia beads, and dispersed for 2 hours with a paint conditioner (manufactured by Red Devil) to prepare a comparative dispersion liquid (I).
<比較分散液(J)の作製>
表25に示した処方で作製した混合液をジルコニアビーズと共にポリプロピレン容器に入れ、ペイントコンディショナー(レッドデビル製)で2時間分散して、比較分散液(J)を作製した。
<Preparation of Comparative Dispersion (J)>
A mixed liquid prepared according to the formulation shown in Table 25 was placed in a polypropylene container together with zirconia beads, and dispersed for 2 hours with a paint conditioner (manufactured by Red Devil) to prepare a comparative dispersion liquid (J).
<比較例1>
市販のセルロースセパレータを比較例1の電気化学素子用セパレータとした。
<Comparative Example 1>
A commercially available cellulose separator was used as the electrochemical device separator of Comparative Example 1.
<比較例2>
市販のポリエチレン多孔質膜セパレータを比較例2の電気化学素子用セパレータとした。
<Comparative example 2>
A commercially available polyethylene porous membrane separator was used as the electrochemical device separator of Comparative Example 2.
<比較例3〜12>
表26〜27に示した組み合わせで、繊維マトリクスに比較分散液を塗布して乾燥させた後、180℃に加熱した熱カレンダーで処理を行い、比較例3〜12のセパレータを得た。熱カレンダーロールの線圧は14.7MPaであった。
<Comparative Examples 3-12>
In the combinations shown in Tables 26 to 27, the comparative dispersion liquid was applied to the fiber matrix and dried, and then treated with a thermal calendar heated to 180 ° C. to obtain separators of Comparative Examples 3 to 12. The linear pressure of the thermal calendar roll was 14.7 MPa.
得られた比較例のセパレータの厚み、密度、空隙率、透気性、最大細孔径、平均細孔径、180℃中での形状変化、水中での変化、エタノール中での変化、屈伸による変化、セパレータを再分散した際の分散凝集径を表26〜27に示した。また、比較例のセパレータを使用して、実施例と同様に電気二重層キャパシタ用セパレータとリチウムイオン二次電池用セパレータとしての評価を行い、結果を表28に与えた。 Thickness, density, porosity, air permeability, maximum pore diameter, average pore diameter, shape change at 180 ° C., change in water, change in ethanol, change due to bending and stretching, separator of the comparative example obtained Tables 26 to 27 show the dispersion agglomerate diameters when re-dispersed. Further, using the separator of the comparative example, evaluation as an electric double layer capacitor separator and a lithium ion secondary battery separator was performed in the same manner as in the example, and the results are given in Table 28.
実施例1〜21の電気化学素子用セパレータは、優れた耐熱性を有し(180℃中での形状変化)、ハンドリングが良好であり(水中での変化、エタノール中での変化、屈伸による変化)、さらに、細孔径が小さかった(最大細孔径、平均細孔径)。実施例1〜21の電気化学素子用セパレータを用いた電気二重層キャパシタとリチウムイオン二次電池は、内部短絡することなく、安定に作動した。 The separators for electrochemical elements of Examples 1 to 21 have excellent heat resistance (change in shape at 180 ° C.) and good handling (change in water, change in ethanol, change due to bending and stretching) ) Furthermore, the pore diameter was small (maximum pore diameter, average pore diameter). The electric double layer capacitor and the lithium ion secondary battery using the separators for electrochemical elements of Examples 1 to 21 operated stably without causing an internal short circuit.
比較例1の電気化学素子用セパレータでは、内部抵抗は低く抑えることができるが、漏れ電流が大きかった。比較例2の電気化学素子用セパレータでは180℃中での形状変化が見られ、耐熱性がなく、電気二重層キャパシタとリチウムイオン二次電池は作動しなかった。比較例3の電気化学素子用セパレータでは、酸化アルミニウムや水酸化酸化アルミニウムを繊維マトリクスに充填するときにバインダーを用いているので、内部抵抗が大きくなった。比較例4及び5の電気化学素子用セパレータでは、粉体の脱離が見られ、電気化学素子は安定に作動しなかった。 In the electrochemical element separator of Comparative Example 1, the internal resistance could be kept low, but the leakage current was large. The electrochemical device separator of Comparative Example 2 showed a change in shape at 180 ° C., had no heat resistance, and the electric double layer capacitor and the lithium ion secondary battery did not operate. In the electrochemical device separator of Comparative Example 3, since the binder was used when filling the fiber matrix with aluminum oxide or aluminum hydroxide oxide, the internal resistance increased. In the separators for electrochemical elements of Comparative Examples 4 and 5, detachment of powder was observed, and the electrochemical elements did not operate stably.
水酸化酸化アルミニウムとミクロフィブリル化セルロースが繊維マトリクスに充填されてなる比較例6の電気化学素子用セパレータは、粉体の脱離が見られ、細孔径が大きくなり、電気化学素子は安定に作動しなかった。比較例7の電気化学素子用セパレータでは、ミクロフィブリル化セルロースが含有されていないため、酸化アルミニウムを保持することができず、細孔径が大きくなり、電気化学素子は安定に作動しなかった。比較例8〜12の電気化学素子用セパレータでは、分散凝集径が1μmを超えているため、細孔径が大きくなったり、粉体が脱離したりして、内部短絡が発生し、電気化学素子が作動しなかった。 The separator for an electrochemical element of Comparative Example 6 in which a fiber matrix is filled with aluminum hydroxide oxide and microfibrillated cellulose shows powder detachment, a large pore diameter, and the electrochemical element operates stably. I did not. In the separator for an electrochemical element of Comparative Example 7, since microfibrillated cellulose was not contained, aluminum oxide could not be retained, the pore diameter was increased, and the electrochemical element did not operate stably. In the separators for electrochemical elements of Comparative Examples 8 to 12, since the dispersion aggregation diameter exceeds 1 μm, the pore diameter increases or the powder is detached, causing an internal short circuit. Didn't work.
本発明のセパレータを用いて耐熱性、低い内部抵抗、優れた繰り返し特性を有する電気化学素子を製造することができる。 An electrochemical device having heat resistance, low internal resistance, and excellent repeatability can be produced using the separator of the present invention.
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