JP5473442B2 - Battery separator and secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、二次電池に好適な電池セパレータ及び二次電池に関し、例えばアルカリ二次電池に最適の電池セパレータ及びアルカリ二次電池に関するものである。 The present invention relates to a battery separator and a secondary battery suitable for a secondary battery, for example, a battery separator and an alkaline secondary battery optimal for an alkaline secondary battery.
ニッケル水素二次電池などのアルカリ二次電池は、充放電特性、過充放電特性に優れ、長寿命で繰り返し使用できる。また、内部抵抗が低く大電流特性に優れるため、電気自動車や電気工具などのバッテリー用としての利用が期待されている。 Alkaline secondary batteries such as nickel metal hydride secondary batteries have excellent charge / discharge characteristics and overcharge / discharge characteristics, and can be used repeatedly with a long life. In addition, since it has low internal resistance and excellent large current characteristics, it is expected to be used for batteries such as electric vehicles and electric tools.
これらの電池に用いられるセパレータには、親液性を示し電解液を保持する能力、デンドライドなどによる正極−負極間のショートを防ぐのに十分な機械強度が求められる。また、機械強度は工程上でのハンドリング性を高めるという観点からも重要な特性である。 The separator used in these batteries is required to have a lyophilic property and an ability to retain an electrolyte, and a mechanical strength sufficient to prevent a short circuit between the positive electrode and the negative electrode due to dendrites or the like. The mechanical strength is also an important characteristic from the viewpoint of improving the handling properties in the process.
従来、この種の二次電池のセパレータとしては、親液性の高いポリアミド系の不織布が使われていた。しかしながら、ポリアミド系の不織布は、アルカリ電解液中でセパレータが徐々に分解されること、また分解時に発生するアンモニアが正極上で硝酸イオンに酸化され、負極上で還元されてアンモニアに戻るシャトル効果によって自己放電が大きくなるなどの問題があることが判明した(非特許文献1)。 Conventionally, as a separator for this type of secondary battery, a highly lyophilic polyamide nonwoven fabric has been used. However, the polyamide-based nonwoven fabric has a separator effect in which the separator is gradually decomposed in the alkaline electrolyte, and the ammonia generated during the decomposition is oxidized to nitrate ions on the positive electrode and reduced on the negative electrode to return to ammonia. It has been found that there are problems such as increased self-discharge (Non-Patent Document 1).
そこで、ポリアミド系の不織布に代わって化学的安定性に優れるポリオレフィン系の不織布がセパレータとして用いられるようになったが、ポリオレフィン系樹脂は親液性に劣るため、以下のような様々な親液化処理が提案されてきた。 Therefore, instead of polyamide nonwoven fabrics, polyolefin nonwoven fabrics with excellent chemical stability have come to be used as separators. However, polyolefin resins are inferior in lyophilicity, so various lyophilic treatments such as the following: Has been proposed.
(1)界面活性剤処理
(2)コロナ放電処理、プラズマ処理、UVオゾン処理
(3)フッ素ガス処理
(4)アクリル酸グラフト重合処理
(5)スルホン化処理
(1) Surfactant treatment (2) Corona discharge treatment, plasma treatment, UV ozone treatment (3) Fluorine gas treatment (4) Acrylic acid graft polymerization treatment (5) Sulfonation treatment
(1)の界面活性剤処理は、セパレータに界面活性剤を塗布する比較的容易な方法であるが、電池の充放電を繰り返すうちに界面活性剤が電解液中に溶け出し、セパレータ自身は親液性を失って電解液の保持能力が急激に低下する。 The surfactant treatment (1) is a relatively easy method of applying a surfactant to the separator. However, as the battery is repeatedly charged and discharged, the surfactant dissolves in the electrolyte and the separator itself is the parent. Loss of liquidity and the electrolyte holding capacity rapidly decreases.
(2)のコロナ放電処理、プラズマ処理、UVオゾン処理は、各々の方法で発生させたラジカルによって樹脂表面にカルボキシル基などの極性基を導入する安価な処理方法であるが、不織布表面のみにしか親液化を行えず、親液性の持続性も悪い。 The (2) corona discharge treatment, plasma treatment, and UV ozone treatment are inexpensive treatment methods in which polar groups such as carboxyl groups are introduced into the resin surface by radicals generated by the respective methods, but only on the nonwoven fabric surface. It cannot be lyophilic and its lyophilic persistence is poor.
(3)のフッ素ガス処理は、フッ素ガスを利用して極性基を樹脂に導入する。この処理では、樹脂内部まで親液化層が形成されるため、親液性の持続性が良いが、後述の自己放電抑制効果がスルホン化処理に劣る。 In the fluorine gas treatment (3), polar groups are introduced into the resin using fluorine gas. In this treatment, since the lyophilic layer is formed up to the inside of the resin, the lyophilic durability is good, but the self-discharge suppressing effect described below is inferior to the sulfonation treatment.
(4)のアクリル酸グラフト重合処理は、アクリル酸を繊維とグラフト重合させて親液性を付与する。スルホン化処理より親液性は高く、フッ素ガス処理には劣るが親液性の持続性も高い。 In the acrylic acid graft polymerization treatment (4), acrylic acid is graft polymerized with fibers to impart lyophilic properties. The lyophilic property is higher than that of the sulfonation treatment, which is inferior to the fluorine gas treatment, but the lyophilic property is high.
(5)のスルホン化処理は、濃硫酸やクロル硫酸、発煙硫酸、SO3ガスなどによりスルホン酸基を繊維に導入し、親液性を付与する。但し、一般に親液性はあまり高くない。 In the sulfonation treatment of (5), a sulfonic acid group is introduced into the fiber by concentrated sulfuric acid, chlorosulfuric acid, fuming sulfuric acid, SO 3 gas, etc., to impart lyophilicity. However, in general, lyophilicity is not so high.
特に、(4)アクリル酸グラフト重合処理と(5)スルホン化処理では、親液性の付与だけでなく電池の自己放電を抑制する効果も発現することが分っている。これは、シャトル効果の原因物質であるアンモニアをセパレータが吸着するためであると考えられている。このため、現在は、これらの処理のうち、親液性の持続性と自己放電抑制効果のバランスに優れるスルホン化処理が主に使われている。 In particular, it has been found that (4) acrylic acid graft polymerization treatment and (5) sulfonation treatment not only provide lyophilic properties but also exert an effect of suppressing self-discharge of the battery. This is considered to be because the separator adsorbs ammonia which is a causative substance of the shuttle effect. For this reason, among these treatments, the sulfonation treatment that is excellent in the balance between the lyophilic durability and the self-discharge suppression effect is mainly used.
しかしながら、スルホン化処理には、スルホン酸基の導入とともにセパレータの炭化が進むという副作用があり、処理の度合いを強めて親液性を向上させると、機械強度が低下するという問題があった。
上記スルホン化処理に伴う機械強度の低下に対する解決手段として、スルホン化されにくい素材とスルホン化されやすい素材を組み合わせたセパレータがいくつか提案されている。
However, the sulfonation treatment has a side effect that the carbonization of the separator proceeds with the introduction of the sulfonic acid group, and there is a problem that the mechanical strength decreases when the degree of treatment is increased to improve lyophilicity.
As a means for solving the mechanical strength reduction accompanying the sulfonation treatment, several separators that combine a material that is not easily sulfonated and a material that is easily sulfonated have been proposed.
これらは、スルホン化処理条件を穏やかな条件に抑えて、スルホン化されやすく高親液性となる素材とスルホン化されにくく強度を残した素材を混在させることによって、親液性と強度の両立を目指している。 By keeping the sulfonation treatment conditions mild and mixing materials that are easily sulfonated and highly lyophilic with materials that are not easily sulfonated and retain strength, both lyophilicity and strength can be achieved. want to be.
ここで、ポリプロピレンやポリエチレンに代表されるポリオレフィン樹脂は、結晶性でありスルホン化されにくい樹脂であるが、一般にポリプロピレンとポリエチレンを比べた場合はポリエチレンの方がスルホン化されやすい。また、他にスルホン化されやすい素材としては、ポリスチレンやポリビニルナフタレンまたはポリエーテルスルホンなどが挙げられる。 Here, a polyolefin resin typified by polypropylene and polyethylene is a resin that is crystalline and is not easily sulfonated. In general, when polypropylene and polyethylene are compared, polyethylene is more easily sulfonated. In addition, examples of materials that are easily sulfonated include polystyrene, polyvinyl naphthalene, and polyether sulfone.
例えば、特許文献1にはポリオレフィン樹脂とポリスチレン樹脂を樹脂レベルで混合した後に繊維にし、低温で濃硫酸によりスルホン化したセパレータが開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a separator in which a polyolefin resin and a polystyrene resin are mixed at a resin level and then made into a fiber and sulfonated with concentrated sulfuric acid at a low temperature.
しかしながら、繊維がポリオレフィン単一成分ではなく混合成分から成るため、相溶しなかった樹脂が繊維内部に析出し繊維が不均一となるので、スルホン化処理前の繊維自体の強度が不十分となる傾向があった。 However, since the fiber is not a single component of polyolefin but a mixed component, incompatible resin is deposited inside the fiber and the fiber becomes non-uniform, so that the strength of the fiber itself before sulfonation is insufficient. There was a trend.
また、表面に露出したポリスチレン樹脂にしかスルホン化がなされないのに、ポリスチレン樹脂の繊維表面への露出が十分でないため、スルホン化の効率が低くなる傾向があり、十分な親液性を得ることができていなかった。 Moreover, since only the polystyrene resin exposed on the surface is sulfonated, the exposure of the polystyrene resin to the fiber surface is not sufficient, so the efficiency of sulfonation tends to be low, and sufficient lyophilicity is obtained. Was not done.
他にも、特許文献2に記載のセパレータは、ポリオレフィン系樹脂とポリスチレンの分割繊維を使用した不織布にスルホン化処理していた。また特許文献3に記載のセパレータは、ポリスチレン、ポリビニルナフタレンまたはポリエーテルスルホン系の連続繊維とポリオレフィン系繊維を混合した不織布にスルホン化処理していた。 In addition, the separator described in Patent Document 2 was sulfonated into a nonwoven fabric using a polyolefin resin and polystyrene split fibers. In the separator described in Patent Document 3, a nonwoven fabric obtained by mixing continuous fibers of polystyrene, polyvinyl naphthalene or polyethersulfone and polyolefin fibers is sulfonated.
しかしながら、これらのセパレータは、繊維表面にスルホン化されやすい素材とスルホン化されにくい素材とが混在しているため、スルホン化の度合いが小さい場合にはスルホン化されにくい素材が親液性を阻害し、スルホン化の度合いが大きい場合にはスルホン化されやすい素材が強度の劣化を助長することとなり、強度と親液性を両立することはできていなかった。 However, these separators contain a mixture of materials that are easily sulfonated and materials that are not easily sulfonated on the fiber surface. Therefore, when the degree of sulfonation is small, the material that is not easily sulfonated impairs lyophilicity. When the degree of sulfonation is large, a material that is easily sulfonated promotes deterioration in strength, and it has not been possible to achieve both strength and lyophilicity.
また、特許文献4には、ポリプロピレン繊維にポリエチレンの分散液をふりかけて熱結着性を付与することによって作製された不織布にスルホン化したセパレータが提案されている。他にも一般に流通しているポリプロピレンとポリエチレンの芯鞘繊維を用いた湿式不織布にスルホン化したセパレータがある。これらの不織布は表面の大部分がポリエチレンであるため高い親液性を示すが、繊維の交絡点の大部分がポリエチレンの熱融着によって形成されているため、素材的に高い強度を実現しにくいものであった。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、高い親液性と高い機械強度を両立させる電池セパレータ及び該電池セパレータを用いた電池を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of said subject, Comprising: It aims at providing the battery separator using the battery separator which makes high lyophilic property and high mechanical strength compatible, and this battery separator.
上述した課題を解決する一手段として、本発明に係る一発明の実施の形態例は以下の構成を備える。すなわち、電池の正極と負極の間に挟まれて使用される電池セパレータであって、ポリプロピレン系樹脂を主構成材料とし、前記ポリプロピレン系樹脂同士が結着することによって構成された不織布表面にポリエチレン系樹脂表面を形成し、次いで、不織布の繊維表面にカルボキシル基を導入する処理を施し、更にスルホン化処理を施したことを特徴とする電池セパレータである。 As a means for solving the above-described problem, an embodiment of the present invention according to the present invention has the following configuration. That is, a battery separator that is used by being sandwiched between a positive electrode and a negative electrode of a battery, wherein a polypropylene resin is a main constituent material, and a polyethylene-based surface is formed by binding the polypropylene resins together. The battery separator is characterized in that a resin surface is formed, and then a treatment for introducing a carboxyl group is applied to the fiber surface of the nonwoven fabric, followed by a sulfonation treatment.
または、以上に記載したいずれかの電池セパレータを正極と負極の間に用いることを特徴とする電池とする。そして例えば、前記電池が、ニッケル水素蓄電池であることを特徴とする。 Alternatively, any one of the battery separators described above is used between the positive electrode and the negative electrode. For example, the battery is a nickel metal hydride storage battery.
本発明によれば、高い親水性と高い強度を両立させる電池セパレータ及び該電池セパレータを用いた電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a battery separator that achieves both high hydrophilicity and high strength and a battery using the battery separator.
以下、本発明に係る一発明の実施の形態例を詳細に説明する。本実施の形態例は、正極と負極の間に挟まれて使用される電池セパレータであって、ポリプロピレン系樹脂を主構成材料とし、前記ポリプロピレン系樹脂同士が結着することによって構成された不織布にポリエチレン系樹脂表面を形成し、次いで、不織布の繊維表面にカルボキシル基を導入する処理を施し、更にスルホン化処理を施したことを特徴とする電池セパレータである。 Hereinafter, an embodiment of an invention according to the present invention will be described in detail. The present embodiment is a battery separator that is used by being sandwiched between a positive electrode and a negative electrode, and has a polypropylene resin as a main constituent material, and a non-woven fabric formed by binding the polypropylene resins together. The battery separator is characterized in that a polyethylene-based resin surface is formed, and then a non-woven fiber surface is subjected to a treatment for introducing a carboxyl group and further subjected to a sulfonation treatment.
図1を参照して、本実施の形態例のセパレータの製造工程の概略を以下に説明する。図1は本発明に係る一発明の実施の形態例の電池用セパレータの製造方法の概略を説明するための工程図である。 With reference to FIG. 1, the outline of the manufacturing process of the separator of the present embodiment will be described below. FIG. 1 is a process diagram for explaining an outline of a method for manufacturing a battery separator according to an embodiment of the present invention.
まず工程S1において、任意の方法でシートを形成して基布とする。基布については、主構成材料にポリプロピレン系樹脂が用いられており、大部分の交絡点がポリプロピレン系樹脂同士の結着によって形成されていれば良い。具体的には、延伸の掛かった連続繊維から構成されるスパンボンド不織布が、高い機械特性を得る上で好適である。 First, in step S1, a sheet is formed by an arbitrary method to form a base fabric. As for the base fabric, a polypropylene resin is used as the main constituent material, and most of the entanglement points only need to be formed by binding of the polypropylene resins. Specifically, a spunbonded nonwoven fabric composed of stretched continuous fibers is suitable for obtaining high mechanical properties.
ポリプロピレン系樹脂としては、基本骨格がポリプロピレンで構成されていれば、その形状や大きさについては、電池の基本性能を阻害するものでなければどのようなものであっても良い。 As the polypropylene resin, as long as the basic skeleton is made of polypropylene, any shape and size may be used as long as they do not hinder the basic performance of the battery.
但し、アミンなど窒素含有の官能基や結合を有する構造のものは前述のポリアミド系不織布のようにシャトル効果を引き起こし、自己放電が大きくなるため好ましくない。 However, a structure having a nitrogen-containing functional group or bond such as amine is not preferable because it causes a shuttle effect and increases self-discharge like the above-mentioned polyamide-based nonwoven fabric.
次いで、工程S2でポリエチレン系樹脂エマルションの塗工などにより、基布表面にポリエチレン系樹脂層を形成する。 Next, in step S2, a polyethylene resin layer is formed on the surface of the base fabric by applying a polyethylene resin emulsion.
前記ポリエチレン系樹脂としては、ポリプロピレン系樹脂からなる基布の表面にポリエチレン系樹脂層を形成可能なものであれば良いので、基本骨格がポリエチレンであれば、その他の構成がどのようなものであっても十分使用できる。つまり、ポリエチレン系樹脂の分子構造中にエステル基やフェニル基などの官能基、または二重結合を有していても良い。但し、アミンなど窒素を含有する官能基や結合を有した場合、前述のシャトル効果を引き起こすため好ましくない。 The polyethylene resin is not particularly limited as long as the polyethylene resin layer can be formed on the surface of the base fabric made of polypropylene resin. Can be used. That is, the molecular structure of the polyethylene resin may have a functional group such as an ester group or a phenyl group, or a double bond. However, it is not preferable to have a functional group or bond containing nitrogen, such as amine, because the shuttle effect described above is caused.
また、ポリエチレン系樹脂エマルションの分散媒としては、取扱い上の安全性、入手のし易さおよび保管時の安定性から水を用いるのが好ましい。但し、前述のように、窒素を含んでいるとシャトル効果を促進させるため、界面活性剤や分散媒に窒素を含むものは好ましくない。 As a dispersion medium for the polyethylene resin emulsion, it is preferable to use water in view of safety in handling, availability, and stability during storage. However, as described above, when nitrogen is contained, the shuttle effect is promoted, so that the surfactant or the dispersion medium containing nitrogen is not preferable.
ポリエチレン系樹脂エマルションを塗工する手段としては、ポリエチレン系樹脂エマルションに基布を浸漬させる方法や、ディップ含浸など公知の手段を用いれば良い。例えば、基布にポリエチレン系樹脂エマルションを噴霧させるのも手段として有効である。 As a means for applying the polyethylene resin emulsion, a known means such as a method of immersing the base fabric in the polyethylene resin emulsion or dip impregnation may be used. For example, spraying a polyethylene resin emulsion on the base fabric is also effective as a means.
ポリプロピレン系樹脂からなる基布に対するポリエチレン系樹脂の付着量としては、基布の坪量に対して、ポリエチレン系樹脂が0.1〜10重量%であることが好ましい。 As the adhesion amount of the polyethylene resin to the base fabric made of polypropylene resin, the polyethylene resin is preferably 0.1 to 10% by weight with respect to the basis weight of the base fabric.
より好ましい範囲としては1〜5重量%であり、最適な付着量としては3重量%である。0.1重量%を下回った場合は所望の効果が得られないし、10重量%を上回った場合は基布を構成する繊維間の隙間を埋めてしまい、セパレータの気密度が高くなり、電池に組み込んだ際、内部抵抗が高くなりすぎるという懸念がある。 A more preferable range is 1 to 5% by weight, and an optimum adhesion amount is 3% by weight. If the amount is less than 0.1% by weight, the desired effect cannot be obtained. If the amount is more than 10% by weight, the gap between the fibers constituting the base fabric is filled, and the airtightness of the separator is increased, so that the battery There is concern that the internal resistance becomes too high when incorporated.
その後工程S3で表面処理を行い、カルボキシル基をポリエチレン系樹脂層表面に導入する。表面処理としては、例えば、コロナ放電、あるいはプラズマ放電処理、又はUVオゾン処理のいずれかの表面処理、あるいはこれらの処理を組み合わせた処理を行っても良い。いずれかの方法により表面処理を行うことにより、続く工程S4におけるスルホン化のかかりを良くすることができる。 Thereafter, surface treatment is performed in step S3, and carboxyl groups are introduced into the surface of the polyethylene resin layer. As the surface treatment, for example, any one of corona discharge, plasma discharge treatment, UV ozone treatment, or a combination of these treatments may be performed. By performing the surface treatment by any method, it is possible to improve the degree of sulfonation in the subsequent step S4.
ポリプロピレン系樹脂からなる基布にカルボキシル基を導入する目的は、ポリプロピレン系樹脂の樹脂表面は疎水性であるため、この疎水性樹脂表面にカルボキシル基を導入することで疎水性の樹脂表面を親水化し、後工程のスルホン化処理の効率を向上させるためである。カルボキシル基を導入する処理方法としては、コロナ放電処理や、プラズマ処理、UVオゾン処理等公知の手段であればなんでも良く、特に限定されるものではない。 The purpose of introducing carboxyl groups into a base fabric made of polypropylene resin is to make the hydrophobic resin surface hydrophilic by introducing carboxyl groups into the hydrophobic resin surface because the resin surface of the polypropylene resin is hydrophobic. This is to improve the efficiency of the sulfonation treatment in the subsequent step. The treatment method for introducing a carboxyl group may be any known means such as corona discharge treatment, plasma treatment, UV ozone treatment, and is not particularly limited.
このように表層のポリエチレン系樹脂のスルホン化処理効率をさらに上げることで、ごくごく緩やかな処理条件で十分な親液性を得ることができるようになり、機械強度の劣化を最大限抑えることができる。 In this way, by further increasing the sulfonation treatment efficiency of the polyethylene resin on the surface layer, it becomes possible to obtain sufficient lyophilicity under extremely mild processing conditions, and the deterioration of mechanical strength can be minimized. .
その後工程S4で基布にスルホン化処理を施す。スルホン化処理の処理方法としては、熱濃硫酸、発煙硫酸、SO3ガスによる方法など公知の処理方法であれば、いずれの処理方法でも好適に使用できる。
本実施の形態例では、工程S2において基布の表面全体にムラ無くポリエチレン系樹脂コーティング層が形成されているため、このポリエチレン系樹脂コーティング層がスルホン化による基布の劣化を有効に防ぐことができる。
Thereafter, in step S4, the base fabric is subjected to sulfonation treatment. As a treatment method for the sulfonation treatment, any treatment method can be suitably used as long as it is a known treatment method such as a method using hot concentrated sulfuric acid, fuming sulfuric acid, or SO 3 gas.
In this embodiment, since the polyethylene-based resin coating layer is uniformly formed on the entire surface of the base fabric in step S2, the polyethylene-based resin coating layer can effectively prevent deterioration of the base fabric due to sulfonation. it can.
また、本実施の形態例では、更に基布の劣化を最低限に抑えるため、より緩やかな条件でのスルホン化を行うが、これは、工程S3において表面処理を行っているため、スルホン化のかかりが良く、より緩やかな条件であっても十分にスルホン化ができるためである。 In this embodiment, sulfonation is performed under milder conditions in order to further suppress deterioration of the base fabric. This is because the surface treatment is performed in step S3. This is because it is easy to sulphonate even under milder conditions.
このように、機械強度の高いポリプロピレン系樹脂同士が結着している不織布を基布として用い、かつ、ポリエチレン系樹脂コーティング層を形成して極緩やかな条件でスルホン化処理を行うことで、スルホン化による強度低下を防ぎ、基布の強度をそのまま残すことで、高い機械強度をもったセパレータを実現することができる。 In this way, a non-woven fabric in which polypropylene resins having high mechanical strength are bonded together is used as a base fabric, and a sulfonation treatment is performed under extremely mild conditions by forming a polyethylene resin coating layer. A separator having high mechanical strength can be realized by preventing a decrease in strength due to crystallization and leaving the strength of the base fabric as it is.
また、スルホン化されやすいポリエチレン系樹脂層を不織布表面全体に形成することで、スルホン化処理によって不織布表面全体に高い親液性を付与することが可能となり、高い親液性をもったセパレータを実現することができる。
つまり、これらによって高い機械強度と高い親液性を両立した電池セパレータを得ることができる。
In addition, by forming a polyethylene-based resin layer that is easily sulfonated on the entire surface of the nonwoven fabric, it becomes possible to impart high lyophilicity to the entire surface of the nonwoven fabric by sulfonation treatment, realizing a highly lyophilic separator. can do.
That is, it is possible to obtain a battery separator that achieves both high mechanical strength and high lyophilicity.
また、このセパレータを電池に用いることで以下のような効果が期待できる。
(a)サイクル寿命の向上
電解液への親液性が高いため、サイクル寿命の向上が期待できる。
(b)電池製造工程における不良率の減少
機械強度が高いため、ライン適性や耐バリ性が高く、電池製造工程における不良率を減少させることができる。
次に本発明にかかる一実施例を比較例と共に説明する。
Moreover, the following effects can be expected by using this separator in a battery.
(A) Improvement of cycle life Since the lyophilicity to the electrolytic solution is high, improvement of the cycle life can be expected.
(B) Reduction of defective rate in battery manufacturing process Since the mechanical strength is high, line suitability and burr resistance are high, and the defective rate in the battery manufacturing process can be reduced.
Next, an embodiment according to the present invention will be described together with a comparative example.
目付重量53g、厚さ125μmのポリプロピレンスパンボンド不織布(以下「PP製スパンボンド不織布」と称す。)に、塗工率0.1重量%となるようにPEエマルション液(ケミパールM200、三井化学製)をディップ法にて塗工し、125℃で乾燥、定着させてポリエチレン(以下「PE」と称す。)をコーティングした。
次に、処理密度220kW/mm/minでコロナ放電処理を施した。その後、10vol%のSO3ガスを含む窒素ガスと25℃で2分間反応させてスルホン化処理を行い、約10wt%のNaOH水溶液に5分間浸漬してから水洗し、70℃で乾燥してスルホン化セパレータを作製した。
PE emulsion liquid (Chemical M200, manufactured by Mitsui Chemicals ) with a coating weight of 0.1% by weight on a polypropylene spunbond nonwoven fabric (hereinafter referred to as “PP spunbond nonwoven fabric”) having a basis weight of 53 g and a thickness of 125 μm . Was coated by a dip method, dried and fixed at 125 ° C., and coated with polyethylene (hereinafter referred to as “PE”) .
Next, a corona discharge treatment was performed at a treatment density of 220 kW / mm / min. Thereafter, a sulfonation treatment is performed by reacting with nitrogen gas containing 10 vol% SO 3 gas at 25 ° C. for 2 minutes, immersing in about 10 wt% NaOH aqueous solution for 5 minutes, washing with water, drying at 70 ° C. and sulfone. A separator was prepared.
PEエマルション液の塗工率を1重量%に変更した以外は、実施例1と同様の操作でスルホン化セパレータを得た。 A sulfonated separator was obtained in the same manner as in Example 1, except that the coating rate of the PE emulsion liquid was changed to 1% by weight.
PEエマルション液の塗工率を3重量%に変更した以外は、実施例1と同様の操作でスルホン化セパレータを得た。 A sulfonated separator was obtained in the same manner as in Example 1 except that the coating rate of the PE emulsion liquid was changed to 3% by weight.
PEエマルション液の塗工率を5重量%に変更した以外は、実施例1と同様の操作でスルホン化セパレータを得た。 A sulfonated separator was obtained in the same manner as in Example 1 except that the coating rate of the PE emulsion liquid was changed to 5% by weight.
PEエマルション液の塗工率を10重量%に変更した以外は、実施例1と同様の操作でスルホン化セパレータを得た。 A sulfonated separator was obtained in the same manner as in Example 1, except that the coating rate of the PE emulsion liquid was changed to 10% by weight.
PEエマルション液を「メイカテックス HP‐70」(明成化学工業製)とし、塗工率を3重量%に変更した以外は実施例1と同様の操作でスルホン化セパレータを得た。 A sulfonated separator was obtained in the same manner as in Example 1 except that the PE emulsion liquid was “Maycatex HP-70” (manufactured by Meisei Chemical Co., Ltd.) and the coating rate was changed to 3% by weight.
PEエマルション液の塗工率を3重量%とし、コロナ放電処理の代わりに紫外線照度約15mV/cm2、オゾン濃度約300ppmの条件で3分間UVオゾン処理を行った以外は、実施例1と同様の操作でスルホン化セパレータを得た。 The coating rate of the PE emulsion was 3 wt%, the ultraviolet intensity of about 15mV / cm 2 instead of the corona discharge treatment, except that UV ozone treatment for 3 minutes was performed under conditions of an ozone concentration of about 300 pp m is Example 1 A sulfonated separator was obtained in the same manner as described above.
目付重量53g、厚さ125μmのPP製スパンボンド不織布に、処理密度220kW・m/minでコロナ放電処理を施した。その後、10vol%のSO3ガスを含む窒素ガスと25℃で2分間反応させてスルホン化を行い、約10wt%のNaOH水溶液に5分間浸漬してから水洗し、70℃で乾燥してスルホン化セパレータを作製した。 Basis weight of 53 g, the PP made spunbonded nonwoven fabric having a thickness of 125 [mu] m, was subjected to corona discharge treatment in the process density 220k W · m / min. Then, sulfonation is performed by reacting with nitrogen gas containing 10 vol% SO 3 gas at 25 ° C. for 2 minutes, immersing in about 10 wt% NaOH aqueous solution for 5 minutes, washing with water, drying at 70 ° C. and sulfonation. A separator was produced.
繊維径11μm、繊維長5mmのポリプロピレン/ポリエチレンの芯鞘繊維を用いて湿式法にて目付重量53g、厚さ125μmの不織布を得た。これに処理密度220kW・m/minでコロナ放電処理を施した。その後、10vol%のSO3ガスを含む窒素ガスと5℃で2分間反応させてスルホン化を行い、約10wt%のNaOH水溶液に5分間浸漬してから水洗し、70℃で乾燥してスルホン化セパレータを作製した。 Using a polypropylene / polyethylene core-sheath fiber having a fiber diameter of 11 μm and a fiber length of 5 mm, a nonwoven fabric having a basis weight of 53 g and a thickness of 125 μm was obtained by a wet method. It was subjected to corona discharge treatment in this process the density 220k W · m / min. After that, sulfonation is performed by reacting with nitrogen gas containing 10 vol% SO 3 gas at 5 ° C. for 2 minutes, soaking in about 10 wt% NaOH aqueous solution for 5 minutes, washing with water, drying at 70 ° C. and sulfonation. A separator was produced.
目付重量53g、厚さ125μmのPP製スパンボンド不織布に、塗工率20重量%となるようにPEエマルション液をディップ法にて塗工し、125℃で乾燥、定着させてPEをコーティングした。 A PE emulsion liquid was applied to a spunbond nonwoven fabric made of PP having a basis weight of 53 g and a thickness of 125 μm by a dip method so that the coating rate was 20% by weight, and dried and fixed at 125 ° C. to coat PE.
セパレータの強度とスルホン化処理による強度劣化の度合いを比較するために、スルホン化前後でセパレータの引張強度の測定と強度維持率の算出を行った。引張試験は、幅15mmのサンプルを用いて、掴み間隔180mm、引張速度200mm/minで行った。 In order to compare the strength of the separator and the degree of strength deterioration due to the sulfonation treatment, the tensile strength of the separator was measured before and after the sulfonation and the strength maintenance ratio was calculated. The tensile test was performed using a sample having a width of 15 mm at a grip interval of 180 mm and a tensile speed of 200 mm / min.
さらに、得られたデータからセパレータの伸びにくさとスルホン化前後の強度維持率を以下の式を用いて算出した。
伸びにくさ(kgf/%)={引張強度(kgf)/伸び(%)}
強度維持率(%)={スルホン化後強度(kgf)/スルホン化前強度(kgf)}×100
Furthermore, from the obtained data, the elongation of the separator and the strength retention before and after sulfonation were calculated using the following formula.
Difficult to stretch (kgf /%) = {Tensile strength (kgf) / Elongation (%)}
Strength retention ratio (%) = {strength after sulfonation (kgf) / strength before sulfonation (kgf)} × 100
また、スルホン化処理による親水化の度合いを比較するために、70℃の30%KOH水溶液に30mm角のセパレータを浮かべ、セパレータが電解液に完全に濡れるまでの浸液時間を測定した。電解液との親和性が高いほど、浸液にかかる時間が短くなる。 Further, in order to compare the degree of hydrophilization by the sulfonation treatment, a 30 mm square separator was floated on a 30% KOH aqueous solution at 70 ° C., and the immersion time until the separator was completely wetted with the electrolyte was measured. The higher the affinity with the electrolytic solution, the shorter the time taken for immersion.
セパレータのガス透過性を評価するため、気密度を測定した。気密度は、JIS P 8117(紙及び板紙の透気度試験方法)の6mmφのアダプターを取り付けたB型測定器の下部試験片取り付け部分にセパレータ紙を押さえ付け、セパレータ紙の6mmφの部分を100mlの空気が通過するのに要する時間(分/100ml)により測定した。 In order to evaluate the gas permeability of the separator, the gas density was measured. The air density is JIS P 8117 (paper and paper board air permeability test method) with a 6 mmφ adapter attached to the lower test piece of the B-type measuring instrument, and the separator paper is pressed down to 100 ml. It was measured by the time (minute / 100 ml) required for the air to pass through.
表1に、それらの結果の一覧を示す。表1はスルホン化後の強度、その維持率と浸液時間を説明するための表である。
表1より、実施例1から実施例5のPEコーティングを施したセパレータは、PEコーティングにより、比較例1の未塗工のPP製スパンボンド不織布と較べてスルホン化処理による強度の劣化度合いが抑えられた。さらに、PP製の基布を使用しているので比較例2の湿式不織布製のセパレータよりも高い強度を示した。 From Table 1, the PE coated separators of Examples 1 to 5 are less affected by the sulfonation treatment than the uncoated PP spunbonded nonwoven fabric of Comparative Example 1 by PE coating. It was. Furthermore, since the base fabric made of PP was used, the strength was higher than that of the separator made of wet nonwoven fabric of Comparative Example 2.
一方、親水性という点においても、PEコーティングを施したセパレータは、比較例1のPP製スパンボンド不織布と較べて電解液との親和性が向上した。特に、PEエマルションの塗工率を10%にした実施例5のサンプルは、比較例2の湿式不織布セパレータとほぼ同じ親水性を示した。 On the other hand, also in terms of hydrophilicity, the separator coated with PE was more compatible with the electrolyte than the PP spunbonded nonwoven fabric of Comparative Example 1. In particular, the sample of Example 5 in which the coating rate of the PE emulsion was 10% showed almost the same hydrophilicity as the wet nonwoven fabric separator of Comparative Example 2.
しかし、PEエマルションの塗工率を上げていくと、PEエマルションが繊維の隙間を埋めてしまい、気密度が増加する傾向であった。特に、比較例3のPEエマルションの塗工率を20%としたサンプルでは、気密度が急激に高くなりセパレータとして使用できないレベルとなった。 However, when the coating rate of the PE emulsion is increased, the PE emulsion fills the gaps between the fibers, and the air density tends to increase. In particular, in the sample in which the coating rate of the PE emulsion of Comparative Example 3 was 20%, the air density rapidly increased, and the sample could not be used as a separator.
また、毛細管現象がうまく働かなくなったためか、塗工率が10%を越えたあたりから浸液時間も増加傾向となった。浸液時間と気密度のバランスから、実施例3における塗工率3%のサンプルが電池セパレータとしては好適である事が判明した。 In addition, the immersion time also tended to increase when the coating rate exceeded 10% because the capillary phenomenon did not work well. From the balance between the immersion time and the air density, it was found that the sample having a coating rate of 3% in Example 3 was suitable as a battery separator.
「ケミパール M200」の代わりに、エステル変性PEエマルション「メイカテックスHP−70」を塗工した実施例6のサンプルも比較例1の基布と比べて、スルホン化処理後の強度維持率と親水性が向上した。
同様に、コロナ処理の代わりに、UVオゾン処理を施した実施例7のサンプルも比較例1の基布と比べて、スルホン化処理後の強度維持率と親水性が向上した。
Compared with the base fabric of Comparative Example 1, the sample of Example 6 coated with the ester-modified PE emulsion “Mecatex HP-70” instead of “Chemipearl M200” also had a strength retention ratio and hydrophilicity after the sulfonation treatment. Improved.
Similarly, instead of the corona treatment, the sample of Example 7 subjected to UV ozone treatment also had improved strength retention and hydrophilicity after the sulfonation treatment as compared with the base fabric of Comparative Example 1.
次に、得られたセパレータを用いて密閉型ニッケル水素電池を作製した。電池の部材としては、正極には焼結式ニッケル電極を、負極には焼結式水素吸蔵合金を、電解液には30重量%の水酸化カリウム水溶液をそれぞれ用いた。なお、比較例3のサンプルは、気密度が高く、電池用セパレータとして明らかに不適であるので除外した。
作製した密閉型ニッケル水素電池は、充電0.1C率12時間、休止0.5時間、放電0.1C率で終止電圧1.0Vとして、10サイクル充放電を繰り返し、電池初期活性を行った。
Next, a sealed nickel-metal hydride battery was produced using the obtained separator. As battery members, a sintered nickel electrode was used for the positive electrode, a sintered hydrogen storage alloy was used for the negative electrode, and a 30 wt% aqueous potassium hydroxide solution was used for the electrolyte. The sample of Comparative Example 3 was excluded because it has a high air density and is clearly unsuitable as a battery separator.
The produced sealed nickel-metal hydride battery was initially charged and discharged for 10 cycles with a charging 0.1 C rate of 12 hours, a rest period of 0.5 hour, a discharge of 0.1 C rate and a final voltage of 1.0 V.
[不良率]
上記の方法で各セパレータを用いた電池を100個ずつ作製し、その不良率を調べた。
[Defect rate]
100 batteries using each separator were prepared by the above method, and the defect rate was examined.
[自己放電試験]
初期活性を行った密閉式ニッケル水素電池を、充電0.1C率で12時間、休止0.5時間、放電0.1C率で終止電圧1.0Vとし、5サイクル繰り返した後の放電容量に対し、同条件(0.1C率)での充電後、45℃下で14日間放置したときの残存容量(0.1C率放電、終止電圧1.0V)の比を自己放電後の容量保存率とした。なお、充放電は全て25℃で行った。
[Self-discharge test]
The sealed nickel-metal hydride battery that was initially activated was charged for 12 hours at a charging rate of 0.1 C, suspended for 0.5 hours, discharged at a discharging rate of 0.1 C, and a final voltage of 1.0 V. The ratio of the remaining capacity (0.1 C rate discharge, final voltage 1.0 V) when left at 45 ° C. for 14 days after charging under the same conditions (0.1 C rate) is the capacity storage rate after self-discharge. did. In addition, all charging / discharging was performed at 25 degreeC.
[サイクル寿命試験]
初期活性を行った密閉式ニッケル水素電池を25℃下で1.0C率、1.1時間充電し、1時間休止させた後、終止電圧を1.0Vとして1.0C率で放電して理論容量に対する利用率が80%以下になったときのサイクル数を求めた。
[Cycle life test]
The sealed nickel-metal hydride battery that was initially activated was charged at 1.0 C rate for 1.1 hours at 25 ° C., rested for 1 hour, and then discharged at a 1.0 C rate with a final voltage of 1.0 V. The number of cycles when the utilization ratio with respect to the capacity became 80% or less was determined.
これは、PEコーティングによって電解液との親和性が向上したため、電解液のドライアップが抑制されたためであると思われる。 This seems to be because the PE coating improved the affinity with the electrolytic solution, thereby suppressing the dry-up of the electrolytic solution.
以上説明したように本実施例によれば、表面にPE層を形成したPP製スパンボンド不織布に、コロナ放電処理、プラズマ処理、UVオゾン処理などの不織布表面にカルボキシル基を導入する処理を行った後にスルホン化処理を行うことによって、高い機械強度と電解液との高い親和性を併せ持った電池セパレータを提供することができる。 As described above, according to this example, a PP spunbond nonwoven fabric having a PE layer formed on the surface was subjected to a treatment for introducing a carboxyl group into the nonwoven fabric surface, such as corona discharge treatment, plasma treatment, and UV ozone treatment. Subsequent sulfonation treatment can provide a battery separator having both high mechanical strength and high affinity with the electrolyte.
Claims (7)
ポリプロピレン系樹脂を主構成材料とし、前記ポリプロピレン系樹脂同士が結着することによって構成された不織布表面に、当該不織布の坪量に対し0.1〜10.0重量%のポリエチレン系樹脂表面を形成し、次いで、不織布の繊維表面にカルボキシル基を導入する処理を施し、更にスルホン化処理を施したことを特徴とする電池セパレータ。 A battery separator used by being sandwiched between a positive electrode and a negative electrode of a battery,
A polypropylene resin is used as a main constituent material, and 0.1 to 10.0% by weight of a polyethylene resin surface is formed on the nonwoven fabric surface formed by binding the polypropylene resins together. Then, the battery separator is characterized in that the fiber surface of the nonwoven fabric is subjected to a treatment for introducing a carboxyl group and further subjected to a sulfonation treatment.
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