JP6905085B2

JP6905085B2 - Ｌｄｈセパレータ及び亜鉛二次電池

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Publication number: JP6905085B2
Application number: JP2019561018A
Authority: JP
Inventors: 武内　幸久; 幸久武内; 直仁山田; 聡太大河内; 昌平横山; 直子犬飼
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2018-06-15
Filing date: 2018-12-13
Publication date: 2021-07-21
Anticipated expiration: 2038-12-13
Also published as: JPWO2019124212A1

Description

本発明は、ＬＤＨセパレータ及び亜鉛二次電池に関する。

ニッケル亜鉛二次電池、空気亜鉛二次電池等の亜鉛二次電池では、充電時に負極から金属亜鉛がデンドライト状に析出し、不織布等のセパレータの空隙を貫通して正極に到達し、その結果、短絡を引き起こすことが知られている。このような亜鉛デンドライトに起因する短絡は繰り返し充放電寿命の短縮を招く。

上記問題に対処すべく、水酸化物イオンを選択的に透過させながら、亜鉛デンドライトの貫通を阻止する、層状複水酸化物（ＬＤＨ）セパレータを備えた電池が提案されている。例えば、特許文献１（国際公開第２０１３／１１８５６１号）には、ニッケル亜鉛二次電池においてＬＤＨセパレータを正極及び負極間に設けることが開示されている。また、特許文献２（国際公開第２０１６／０７６０４７号）には、樹脂製外枠に嵌合又は接合されたＬＤＨセパレータを備えたセパレータ構造体が開示されており、ＬＤＨセパレータがガス不透過性及び／又は水不透過性を有する程の高い緻密性を有することが開示されている。また、この文献にはＬＤＨセパレータが多孔質基材と複合化されうることも開示されている。さらに、特許文献３（国際公開第２０１６／０６７８８４号）には多孔質基材の表面にＬＤＨ緻密膜を形成して複合材料（ＬＤＨセパレータ）を得るための様々な方法が開示されている。この方法は、多孔質基材にＬＤＨの結晶成長の起点を与えうる起点物質を均一に付着させ、原料水溶液中で多孔質基材に水熱処理を施してＬＤＨ緻密膜を多孔質基材の表面に形成させる工程を含むものである。

国際公開第２０１３／１１８５６１号国際公開第２０１６／０７６０４７号国際公開第２０１６／０６７８８４号

上述したようなＬＤＨセパレータを用いてニッケル亜鉛電池等の亜鉛二次電池を構成した場合、亜鉛デンドライトによる短絡等をある程度防止できる。しかしながら、デンドライト短絡防止効果の更なる改善が望まれる。

本発明者らは、今般、高分子多孔質基材の孔をＬＤＨで塞いで、平均気孔率が０．０３％以上１．０％未満になる程に高度に緻密化することで、亜鉛デンドライトに起因する短絡をより一層効果的に抑制可能なＬＤＨセパレータを提供できるとの知見を得た。

したがって、本発明の目的は、亜鉛デンドライトに起因する短絡をより一層効果的に抑制可能なＬＤＨセパレータを提供することにある。

本発明の一態様によれば、高分子材料製の多孔質基材と、前記多孔質基材の孔を塞ぐ層状複水酸化物（ＬＤＨ）とを含む、ＬＤＨセパレータであって、前記ＬＤＨセパレータが０．０３％以上１．０％未満の平均気孔率を有する、ＬＤＨセパレータが提供される。

本発明の他の一態様によれば、ＬＤＨセパレータを備えた、亜鉛二次電池が提供される。

本発明の他の一態様によれば、前記ＬＤＨセパレータを備えた、固体アルカリ形燃料電池が提供される。

本発明のＬＤＨセパレータを概念的に示す模式断面図である。例１〜８のデンドライト短絡確認試験で使用された測定装置の模式断面図である。例１〜８で使用されたＨｅ透過度測定系の一例を示す概念図である。図３Ａに示される測定系に用いられる試料ホルダ及びその周辺構成の模式断面図である。例１〜８で用いた電気化学測定系を示す模式断面図である。例４において作製されたＬＤＨセパレータの断面ＦＥ−ＳＥＭ像である。図中、灰色領域が高分子多孔質基材に、白色領域がＬＤＨに、黒色領域が残留気孔にそれぞれ相当する。例８（比較）において作製されたＬＤＨセパレータの断面ＦＥ−ＳＥＭ像である。図中、灰色領域が高分子多孔質基材に、白色領域がＬＤＨに、黒色領域が残留気孔にそれぞれ相当する。

ＬＤＨセパレータ
図１に模式断面図が概念的に示されるように、本発明のＬＤＨセパレータ１０は、多孔質基材１２と、層状複水酸化物（ＬＤＨ）１４とを含む。なお、本明細書において「ＬＤＨセパレータ」は、ＬＤＨを含むセパレータであって、専らＬＤＨの水酸化物イオン伝導性を利用して水酸化物イオンを選択的に通すものとして定義される。なお、図１においてＬＤＨセパレータ１０の上面と下面の間でＬＤＨ１４の領域が繋がっていないように描かれているが、これは断面として二次元的に描かれているためであり、奥行きを考慮した三次元的にはＬＤＨセパレータ１０の上面と下面の間でＬＤＨ１４の領域が繋がっており、それによりＬＤＨセパレータ１０の水酸化物イオン伝導性が確保されている。多孔質基材１２は高分子材料製であり、多孔質基材１２の孔をＬＤＨ１４が塞いでいる。もっとも、多孔質基材１２の孔は完全に塞がれている訳ではなく、残留気孔Ｐが僅かに存在する。かかる残留気孔Ｐに起因して、ＬＤＨセパレータ１０は０．０３％以上１．０％未満の平均気孔率を有する。すなわち、本発明のＬＤＨセパレータ１０は残留気孔Ｐ（ＬＤＨで塞がれていない気孔）が極めて少ないものである。０．０３％以上１．０％未満の平均気孔率は、多孔質基材１２の孔がＬＤＨで十分に塞がれて極めて高度な緻密性を有することを意味する。このように高分子多孔質基材１２の孔をＬＤＨで塞いで、平均気孔率が０．０３％以上１．０％未満になる程に高度に緻密化することで、亜鉛デンドライトに起因する短絡をより一層効果的に抑制可能なＬＤＨセパレータ１０を提供することができる。すなわち、従来のセパレータにおける亜鉛デンドライトの貫通は、（ｉ）セパレータに含まれる空隙又は欠陥に亜鉛デンドライトが侵入し、（ｉｉ）セパレータを押し広げながらデンドライトが成長及び進展し、（ｉｉｉ）最後にデンドライトがセパレータを貫通する、というメカニズムで起こるのではないかと推定される。これに対し、本発明のＬＤＨセパレータ１０は、０．０３％以上１．０％未満という平均気孔率で評価されるように、多孔質基材１２の孔がＬＤＨで十分に塞がれた形で緻密化されているため、亜鉛デンドライトが侵入及び伸展する余地を与えず、それ故、亜鉛デンドライトに起因する短絡をより一層効果的に抑制することができる。

また、本発明のＬＤＨセパレータ１０は、ＬＤＨの有する水酸化物イオン伝導性に基づき、セパレータとして要求される所望のイオン伝導性を備えることは勿論のこと、可撓性及び強度にも優れている。これは、ＬＤＨセパレータ１０に含まれる高分子多孔質基材１２自体の可撓性及び強度に起因するものである。すなわち、高分子多孔質基材１２の孔がＬＤＨで十分に塞がれた形でＬＤＨセパレータ１０が緻密化されているため、高分子多孔質基材１２とＬＤＨ１４とが高度に複合化された材料として渾然一体化しており、それ故、セラミックス材料であるＬＤＨ１４に起因する剛性や脆さが高分子多孔質基材１２の可撓性や強度によって相殺又は軽減されるといえる。

ＬＤＨセパレータ１０は、０．０３％以上１．０％未満の平均気孔率を有しており、好ましくは０．０５％以上０．９５％以下、より好ましくは０．０５％以上０．９％以下、さらに好ましくは０．０５〜０．８％、最も好ましくは０．０５〜０．５％である。上記範囲内の平均気孔率であると、多孔質基材１２の孔がＬＤＨ１４で十分に塞がれて極めて高度な緻密性をもたらし、それ故、亜鉛デンドライトに起因する短絡をより一層効果的に抑制することができる。また、有意に高いイオン伝導率を実現することができ、ＬＤＨセパレータ１０が水酸化物イオン伝導セパレータとしての十分な機能を呈することができる。平均気孔率の測定は、ａ）クロスセクションポリッシャ（ＣＰ）によりＬＤＨセパレータを断面研磨し、ｂ）ＦＥ−ＳＥＭ（電界放出形走査電子顕微鏡）により５０，０００倍の倍率で機能層の断面イメージを２視野取得し、ｃ）取得した断面イメージの画像データをもとに画像検査ソフト（例えばＨＤｅｖｅｌｏｐ、ＭＶＴｅｃＳｏｆｔｗａｒｅ製）を用いて２視野それぞれの気孔率を算出し、ｄ）得られた気孔率の平均値を求めることにより行うことができる。

ＬＤＨセパレータ１０はイオン伝導率が０．１ｍＳ／ｃｍ以上であるのが好ましく、より好ましくは１．０ｍＳ／ｃｍ以上、さらに好ましくは１．５ｍＳ／ｃｍ以上、特に好ましくは２．０ｍＳ／ｃｍ以上である。このような範囲内であるとＬＤＨセパレータが水酸化物イオン伝導セパレータとしての十分な機能を呈することができる。イオン伝導率は高ければ高い方が良いため、その上限値は特に限定されないが、例えば１０ｍＳ／ｃｍである。イオン伝導率は、ＬＤＨセパレータの抵抗、並びにＬＤＨセパレータの厚み及び面積に基づいて算出される。ＬＤＨセパレータ１０の抵抗は、所定濃度（例えば５．４Ｍ）のＫＯＨ水溶液中に浸漬させたＬＤＨセパレータ１０に対して、電気化学測定システム（ポテンショ／ガルバノスタット−周波数応答アナライザ）を用いて、周波数範囲１ＭＨｚ〜０．１Ｈｚ及び印加電圧１０ｍＶで測定を行い、実数軸の切片をＬＤＨセパレータの抵抗として求めることにより決定することができる。

ＬＤＨセパレータ１０は層状複水酸化物（ＬＤＨ）１４を含むセパレータであり、亜鉛二次電池に組み込まれた場合に、正極板と負極板とを水酸化物イオン伝導可能に隔離するものである。すなわち、ＬＤＨセパレータ１０は水酸化物イオン伝導セパレータとしての機能を呈する。好ましいＬＤＨセパレータ１０はガス不透過性及び／又は水不透過性を有する。換言すれば、ＬＤＨセパレータ１０はガス不透過性及び／又は水不透過性を有するほどに緻密化されているのが好ましい。なお、本明細書において「ガス不透過性を有する」とは、特許文献２及び３に記載されるように、水中で測定対象物の一面側にヘリウムガスを０．５ａｔｍの差圧で接触させても他面側からヘリウムガスに起因する泡の発生がみられないことを意味する。また、本明細書において「水不透過性を有する」とは、特許文献２及び３に記載されるように、測定対象物の一面側に接触した水が他面側に透過しないことを意味する。すなわち、ＬＤＨセパレータ１０がガス不透過性及び／又は水不透過性を有するということは、ＬＤＨセパレータ１０が気体又は水を通さない程の高度な緻密性を有することを意味し、透水性又はガス透過性を有する多孔性フィルムやその他の多孔質材料ではないことを意味する。こうすることで、ＬＤＨセパレータ１０は、その水酸化物イオン伝導性に起因して水酸化物イオンのみを選択的に通すものとなり、電池用セパレータとしての機能を呈することができる。このため、充電時に生成する亜鉛デンドライトによるセパレータの貫通を物理的に阻止して正負極間の短絡を防止するのに極めて効果的な構成となっている。ＬＤＨセパレータ１０は水酸化物イオン伝導性を有するため、正極板と負極板との間で必要な水酸化物イオンの効率的な移動を可能として正極板及び負極板における充放電反応を実現することができる。

ＬＤＨセパレータ１０は、単位面積あたりのＨｅ透過度が３．０ｃｍ／ｍｉｎ・ａｔｍ以下であるのが好ましく、より好ましくは２．０ｃｍ／ｍｉｎ・ａｔｍ以下、さらに好ましくは１．０ｃｍ／ｍｉｎ・ａｔｍ以下である。Ｈｅ透過度が３．０ｃｍ／ｍｉｎ・ａｔｍ以下であるセパレータは、電解液中においてＺｎの透過（典型的には亜鉛イオン又は亜鉛酸イオンの透過）を極めて効果的に抑制することができる。このように本態様のセパレータは、Ｚｎ透過が顕著に抑制されることで、亜鉛二次電池に用いた場合に亜鉛デンドライトの成長を効果的に抑制できるものと原理的に考えられる。Ｈｅ透過度は、セパレータの一方の面にＨｅガスを供給してセパレータにＨｅガスを透過させる工程と、Ｈｅ透過度を算出して水酸化物イオン伝導セパレータの緻密性を評価する工程とを経て測定される。Ｈｅ透過度は、単位時間あたりのＨｅガスの透過量Ｆ、Ｈｅガス透過時にセパレータに加わる差圧Ｐ、及びＨｅガスが透過する膜面積Ｓを用いて、Ｆ／（Ｐ×Ｓ）の式により算出する。このようにＨｅガスを用いてガス透過性の評価を行うことにより、極めて高いレベルでの緻密性の有無を評価することができ、その結果、水酸化物イオン以外の物質（特に亜鉛デンドライト成長を引き起こすＺｎ）を極力透過させない（極微量しか透過させない）といった高度な緻密性を効果的に評価することができる。これは、Ｈｅガスが、ガスを構成しうる多種多様な原子ないし分子の中でも最も小さい構成単位を有しており、しかも反応性が極めて低いためである。すなわち、Ｈｅは、分子を形成することなく、Ｈｅ原子単体でＨｅガスを構成する。この点、水素ガスはＨ_２分子により構成されるため、ガス構成単位としてはＨｅ原子単体の方がより小さい。そもそもＨ_２ガスは可燃性ガスのため危険である。そして、上述した式により定義されるＨｅガス透過度という指標を採用することで、様々な試料サイズや測定条件の相違を問わず、緻密性に関する客観的な評価を簡便に行うことができる。こうして、セパレータが亜鉛二次電池用セパレータに適した十分に高い緻密性を有するのか否かを簡便、安全かつ効果的に評価することができる。Ｈｅ透過度の測定は、後述する実施例の評価５に示される手順に従って好ましく行うことができる。

ＬＤＨセパレータ１０においては、ＬＤＨ１４が多孔質基材１２の孔を塞いでいる。一般的に知られているように、ＬＤＨ１２は、複数の水酸化物基本層と、これら複数の水酸化物基本層間に介在する中間層とから構成される。水酸化物基本層は主として金属元素（典型的には金属イオン）とＯＨ基で構成される。ＬＤＨの中間層は、陰イオン及びＨ_２Ｏで構成される。陰イオンは１価以上の陰イオン、好ましくは１価又は２価のイオンである。好ましくは、ＬＤＨ中の陰イオンはＯＨ⁻及び／又はＣＯ_３ ^２−を含む。また、ＬＤＨはその固有の性質に起因して優れたイオン伝導性を有する。

一般的に、ＬＤＨは、Ｍ^２＋ _１−ｘＭ^３＋ _ｘ（ＯＨ）_２Ａ^ｎ− _ｘ／ｎ・ｍＨ_２Ｏ（式中、Ｍ^２＋は２価の陽イオンであり、Ｍ^３＋は３価の陽イオンであり、Ａ^ｎ−はｎ価の陰イオンであり、ｎは１以上の整数であり、ｘは０．１〜０．４であり、ｍは０以上である）の基本組成式で代表されるものとして知られている。上記基本組成式において、Ｍ^２＋は任意の２価の陽イオンでありうるが、好ましい例としてはＭｇ^２＋、Ｃａ^２＋及びＺｎ^２＋が挙げられ、より好ましくはＭｇ^２＋である。Ｍ^３＋は任意の３価の陽イオンでありうるが、好ましい例としてはＡｌ^３＋又はＣｒ^３＋が挙げられ、より好ましくはＡｌ^３＋である。Ａ^ｎ−は任意の陰イオンでありうるが、好ましい例としてはＯＨ⁻及びＣＯ_３ ^２−が挙げられる。したがって、上記基本組成式において、Ｍ^２＋がＭｇ^２＋を含み、Ｍ^３＋がＡｌ^３＋を含み、Ａ^ｎ−がＯＨ⁻及び／又はＣＯ_３ ^２−を含むのが好ましい。ｎは１以上の整数であるが、好ましくは１又は２である。ｘは０．１〜０．４であるが、好ましくは０．２〜０．３５である。ｍは水のモル数を意味する任意の数であり、０以上、典型的には０を超える又は１以上の実数である。もっとも、上記基本組成式は、一般にＬＤＨに関して代表的に例示される「基本組成」の式にすぎず、構成イオンを適宜置き換え可能なものである。例えば、上記基本組成式においてＭ^３＋の一部または全部を４価またはそれ以上の価数の陽イオンで置き換えてもよく、その場合は、上記一般式における陰イオンＡ^ｎ−の係数ｘ／ｎは適宜変更されてよい。

例えば、ＬＤＨの水酸化物基本層は、Ｎｉ、Ｔｉ、ＯＨ基、及び場合により不可避不純物で構成されてもよい。ＬＤＨの中間層は、上述のとおり、陰イオン及びＨ_２Ｏで構成される。水酸化物基本層と中間層の交互積層構造自体は一般的に知られるＬＤＨの交互積層構造と基本的に同じであるが、本態様のＬＤＨは、ＬＤＨの水酸化物基本層を主としてＮｉ、Ｔｉ及びＯＨ基で構成することで、優れた耐アルカリ性を呈することができる。その理由は必ずしも定かではないが、本態様のＬＤＨにはアルカリ溶液に溶出しやすいと考えられる元素（例えばＡｌ）が意図的又は積極的に添加されていないためと考えられる。そうでありながらも、本態様のＬＤＨは、アルカリ二次電池用セパレータとしての使用に適した高いイオン伝導性も呈することができる。ＬＤＨ中のＮｉはニッケルイオンの形態を採りうる。ＬＤＨ中のニッケルイオンは典型的にはＮｉ^２＋であると考えられるが、Ｎｉ^３＋等の他の価数もありうるため、特に限定されない。ＬＤＨ中のＴｉはチタンイオンの形態を採りうる。ＬＤＨ中のチタンイオンは典型的にはＴｉ^４＋であると考えられるが、Ｔｉ^３＋等の他の価数もありうるため、特に限定されない。不可避不純物は製法上不可避的に混入されうる任意元素であり、例えば原料や基材に由来してＬＤＨ中に混入しうる。上記のとおり、Ｎｉ及びＴｉの価数は必ずしも定かではないため、ＬＤＨを一般式で厳密に特定することは非実際的又は不可能である。仮に水酸化物基本層が主としてＮｉ^２＋、Ｔｉ^４＋及びＯＨ基で構成されるものと想定した場合には、対応するＬＤＨは、一般式：Ｎｉ^２＋ _１−ｘＴｉ^４＋ _ｘ（ＯＨ）_２Ａ^ｎ− _２ｘ／ｎ・ｍＨ_２Ｏ（式中、Ａ^ｎ−はｎ価の陰イオン、ｎは１以上の整数、好ましくは１又は２であり、０＜ｘ＜１、好ましくは０．０１≦ｘ≦０．５、ｍは０以上、典型的には０を超える又は１以上の実数である）なる基本組成で表すことができる。もっとも、上記一般式はあくまで「基本組成」と解されるべきであり、Ｎｉ^２＋やＴｉ^４＋等の元素がＬＤＨの基本的特性を損なわない程度に他の元素又はイオン（同じ元素の他の価数の元素又はイオンや製法上不可避的に混入されうる元素又はイオンを含む）で置き換え可能なものとして解されるべきである。

あるいは、ＬＤＨの水酸化物基本層は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＯＨ基を含むものであってもよい。中間層は、上述のとおり、陰イオン及びＨ_２Ｏで構成される。水酸化物基本層と中間層の交互積層構造自体は一般的に知られるＬＤＨの交互積層構造と基本的に同じであるが、本態様のＬＤＨは、ＬＤＨの水酸化物基本層をＮｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＯＨ基を含む所定の元素ないしイオンで構成することで、優れた耐アルカリ性を呈することができる。その理由は必ずしも定かではないが、本態様のＬＤＨは、従来はアルカリ溶液に溶出しやすいと考えられていたＡｌが、Ｎｉ及びＴｉとの何らかの相互作用によりアルカリ溶液に溶出しにくくなるためと考えられる。そうでありながらも、本態様のＬＤＨは、アルカリ二次電池用セパレータとしての使用に適した高いイオン伝導性も呈することができる。ＬＤＨ中のＮｉはニッケルイオンの形態を採りうる。ＬＤＨ中のニッケルイオンは典型的にはＮｉ^２＋であると考えられるが、Ｎｉ^３＋等の他の価数もありうるため、特に限定されない。ＬＤＨ中のＡｌはアルミニウムイオンの形態を採りうる。ＬＤＨ中のアルミニウムイオンは典型的にはＡｌ^３＋であると考えられるが、他の価数もありうるため、特に限定されない。ＬＤＨ中のＴｉはチタンイオンの形態を採りうる。ＬＤＨ中のチタンイオンは典型的にはＴｉ^４＋であると考えられるが、Ｔｉ^３＋等の他の価数もありうるため、特に限定されない。水酸化物基本層は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＯＨ基を含んでいさえすれば、他の元素ないしイオンを含んでいてもよい。もっとも、水酸化物基本層は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＯＨ基を主要構成要素として含むのが好ましい。すなわち、水酸化物基本層は、主としてＮｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＯＨ基からなるのが好ましい。したがって、水酸化物基本層は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ、ＯＨ基及び場合により不可避不純物で構成されるのが典型的である。不可避不純物は製法上不可避的に混入されうる任意元素であり、例えば原料や基材に由来してＬＤＨ中に混入しうる。上記のとおり、Ｎｉ、Ａｌ及びＴｉの価数は必ずしも定かではないため、ＬＤＨを一般式で厳密に特定することは非実際的又は不可能である。仮に水酸化物基本層が主としてＮｉ^２＋、Ａｌ^３＋、Ｔｉ^４＋及びＯＨ基で構成されるものと想定した場合には、対応するＬＤＨは、一般式：Ｎｉ^２＋ _{１−ｘ−ｙ}Ａｌ^３＋ _ｘＴｉ^４＋ _ｙ（ＯＨ）_２Ａ^ｎ− _{（ｘ＋２ｙ）／ｎ}・ｍＨ_２Ｏ（式中、Ａ^ｎ−はｎ価の陰イオン、ｎは１以上の整数、好ましくは１又は２であり、０＜ｘ＜１、好ましくは０．０１≦ｘ≦０．５、０＜ｙ＜１、好ましくは０．０１≦ｙ≦０．５、０＜ｘ＋ｙ＜１、ｍは０以上、典型的には０を超える又は１以上の実数である）なる基本組成で表すことができる。もっとも、上記一般式はあくまで「基本組成」と解されるべきであり、Ｎｉ^２＋、Ａｌ^３＋、Ｔｉ^４＋等の元素がＬＤＨの基本的特性を損なわない程度に他の元素又はイオン（同じ元素の他の価数の元素又はイオンや製法上不可避的に混入されうる元素又はイオンを含む）で置き換え可能なものとして解されるべきである。

前述したとおり、ＬＤＨセパレータ１０はＬＤＨ１４と多孔質基材１２とを含み（典型的には多孔質基材１２及びＬＤＨ１４からなり）、ＬＤＨセパレータ１０は水酸化物イオン伝導性及びガス不透過性を呈するように（それ故水酸化物イオン伝導性を呈するＬＤＨセパレータとして機能するように）ＬＤＨが多孔質基材の孔を塞いでいる。ＬＤＨ１４は高分子多孔質基材１２の厚さ方向の全域にわたって組み込まれているのが特に好ましい。ＬＤＨセパレータの厚さは、好ましくは３〜８０μｍであり、より好ましくは３〜６０μｍ、さらに好ましくは３〜４０μｍである。

多孔質基材１２は高分子材料製である。高分子多孔質基材１２には、１）可撓性を有する（それ故薄くしても割れにくい）、２）気孔率を高くしやすい、３）伝導率を高くしやすい（気孔率を高めながら厚さを薄くできるため）、４）製造及びハンドリングしやすいといった利点がある。また、上記１）の可撓性に由来する利点を活かして、５）高分子材料製の多孔質基材を含むＬＤＨセパレータを簡単に折り曲げる又は封止接合することができるとの利点もある。高分子材料の好ましい例としては、ポリスチレン、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド、フッ素樹脂（四フッ素化樹脂：ＰＴＦＥ等）、セルロース、ナイロン、ポリエチレン及びそれらの任意の組合せが挙げられる。より好ましくは、加熱プレスに適した熱可塑性樹脂という観点から、ポリスチレン、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド、フッ素樹脂（四フッ素化樹脂：ＰＴＦＥ等）、ナイロン、ポリエチレン及びそれらの任意の組合せ等が挙げられる。上述した各種の好ましい材料はいずれも電池の電解液に対する耐性として耐アルカリ性を有するものである。特に好ましい高分子材料は、耐熱水性、耐酸性及び耐アルカリ性に優れ、しかも低コストである点から、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィンであり、最も好ましくはポリプロピレン又はポリエチレンである。多孔質基材が高分子材料で構成される場合、ＬＤＨが多孔質基材の厚さ方向の全域にわたって組み込まれている（例えば多孔質基材内部の大半又はほぼ全部の孔がＬＤＨで埋まっている）のが特に好ましい。このような高分子多孔質基材として、市販の高分子微多孔膜を好ましく用いることができる。

製造方法
本発明のＬＤＨセパレータは、（ｉ）高分子多孔質基材を用いて公知の方法に従いＬＤＨ含有複合材料（すなわち粗ＬＤＨセパレータ）を作製し、（ｉｉ）このＬＤＨ含有複合材料をプレスすることにより製造することができる。プレス手法は、例えばロールプレス、一軸加圧プレス、ＣＩＰ（冷間等方圧加圧）等であってよく、特に限定されないが、好ましくはロールプレスである。このプレスは加熱しながら行うのが高分子多孔質基材を軟化させることで、多孔質基材の孔をＬＤＨで十分に塞ぐことができる点で好ましい。十分に軟化する温度として、例えば、ポリプロピレンやポリエチレンの場合は６０〜２００℃で加熱するのが好ましい。このような温度域でロールプレス等のプレスを行うことで、ＬＤＨセパレータの残留気孔に由来する平均気孔率を大幅に低減することができる。その結果、ＬＤＨセパレータを極めて高度に緻密化することができ、それ故、亜鉛デンドライトに起因する短絡をより一層効果的に抑制することができる。ロールプレスを行う際、ロールギャップ及びロール温度を適宜調整することで残留気孔の形態を制御することができ、それにより所望の緻密性ないし平均気孔率のＬＤＨセパレータを得ることができる。

プレスされる前のＬＤＨ含有複合材料（すなわち粗ＬＤＨセパレータ）の製造方法は特に限定されず、既に知られるＬＤＨ含有機能層及び複合材料（すなわちＬＤＨセパレータ）の製造方法（例えば特許文献１〜３を参照）の諸条件を適宜変更することにより作製することができる。例えば、（１）多孔質基材を用意し、（２）多孔質基材に酸化チタンゾル或いはアルミナ及びチタニアの混合ゾルを塗布して熱処理することで酸化チタン層或いはアルミナ・チタニア層を形成させ、（３）ニッケルイオン（Ｎｉ^２＋）及び尿素を含む原料水溶液に多孔質基材を浸漬させ、（４）原料水溶液中で多孔質基材を水熱処理して、ＬＤＨ含有機能層を多孔質基材上及び／又は多孔質基材中に形成させることにより、ＬＤＨ含有機能層及び複合材料（すなわちＬＤＨセパレータ）を製造することができる。特に、上記工程（２）において酸化チタン層或いはアルミナ・チタニア層を多孔質基材に形成することで、ＬＤＨの原料を与えるのみならず、ＬＤＨ結晶成長の起点として機能させて多孔質基材の中に高度に緻密化されたＬＤＨ含有機能層をムラなく均一に形成することができる。また、上記工程（３）において尿素が存在することで、尿素の加水分解を利用してアンモニアが溶液中に発生することによりｐＨ値が上昇し、共存する金属イオンが水酸化物を形成することによりＬＤＨを得ることができる。また、加水分解に二酸化炭素の発生を伴うため、陰イオンが炭酸イオン型のＬＤＨを得ることができる。

特に、多孔質基材が高分子材料で構成され、機能層が多孔質基材の厚さ方向の全域にわたって組み込まれている複合材料（すなわちＬＤＨセパレータ）を作製する場合、上記（２）におけるアルミナ及びチタニアの混合ゾルの基材への塗布を、混合ゾルを基材内部の全体又は大部分に浸透させるような手法で行うのが好ましい。こうすることで最終的に多孔質基材内部の大半又はほぼ全部の孔をＬＤＨで埋めることができる。好ましい塗布手法の例としては、ディップコート、ろ過コート等が挙げられ、特に好ましくはディップコートである。ディップコート等の塗布回数を調整することで、混合ゾルの付着量を調整することができる。ディップコート等により混合ゾルが塗布された基材は、乾燥させた後、上記（３）及び（４）の工程を実施すればよい。

亜鉛二次電池
本発明のＬＤＨセパレータは亜鉛二次電池に適用されるのが好ましい。したがって、本発明の好ましい態様によれば、ＬＤＨセパレータを備えた、亜鉛二次電池が提供される。典型的な亜鉛二次電池は、正極と、負極と、電解液とを備え、ＬＤＨセパレータを介して正極と負極が互いに隔離されるものである。本発明の亜鉛二次電池は、亜鉛を負極として用い、かつ、電解液（典型的にはアルカリ金属水酸化物水溶液）を用いた二次電池であれば特に限定されない。したがって、ニッケル亜鉛二次電池、酸化銀亜鉛二次電池、酸化マンガン亜鉛二次電池、亜鉛空気二次電池、その他各種のアルカリ亜鉛二次電池であることができる。例えば、正極が水酸化ニッケル及び／又はオキシ水酸化ニッケルを含み、それにより亜鉛二次電池がニッケル亜鉛二次電池をなすのが好ましい。あるいは、正極が空気極であり、それにより亜鉛二次電池が亜鉛空気二次電池をなしてもよい。

固体アルカリ形燃料電池
本発明のＬＤＨセパレータは固体アルカリ形燃料電池に適用することも可能である。すなわち、高分子多孔質基材の孔をＬＤＨで塞いで、平均気孔率が０．０３％以上１．０％未満になる程に高度に緻密化させたＬＤＨセパレータを用いることで、燃料の空気極側への透過（例えばメタノールのクロスオーバー）に起因する起電力の低下を効果的に抑制可能な、固体アルカリ形燃料電池を提供できる。ＬＤＨセパレータの有する水酸化物イオン伝導性を発揮させながら、メタノール等の燃料のＬＤＨセパレータの透過を効果的に抑制できるためである。したがって、本発明の別の好ましい態様によれば、ＬＤＨセパレータを備えた、固体アルカリ形燃料電池が提供される。本態様による典型的な固体アルカリ形燃料電池は、酸素が供給される空気極と、液体燃料及び／又は気体燃料が供給される燃料極と、燃料極と空気極の間に介在されるＬＤＨセパレータとを備える。

その他の電池
本発明のＬＤＨセパレータはニッケル亜鉛電池や固体アルカリ形燃料電池の他、例えばニッケル水素電池にも使用することができる。この場合、ＬＤＨセパレータは当該電池の自己放電の要因であるナイトライドシャトル（ｎｉｔｒｉｄｅｓｈｕｔｔｌｅ）（硝酸基の電極間移動）をブロックする機能を果たす。また、本発明のＬＤＨセパレータは、リチウム電池（リチウム金属が負極の電池）、リチウムイオン電池（負極がカーボン等の電池）あるいはリチウム空気電池等にも使用可能である。

本発明を以下の例によってさらに具体的に説明する。なお、以下の例で作製されるＬＤＨセパレータの評価方法は以下のとおりとした。

評価１：ＬＤＨセパレータの同定
Ｘ線回折装置（リガク社製、ＲＩＮＴＴＴＲＩＩＩ）にて、電圧：５０ｋＶ、電流値：３００ｍＡ、測定範囲：１０〜７０°の測定条件で、ＬＤＨセパレータの結晶相を測定してＸＲＤプロファイルを得た。得られたＸＲＤプロファイルについて、ＪＣＰＤＳカードＮＯ．３５−０９６４に記載されるＬＤＨ（ハイドロタルサイト類化合物）の回折ピークを用いて同定を行った。

評価２：厚さの測定
マイクロメータを用いてＬＤＨセパレータの厚さを測定した。３箇所で厚さを測定し、それらの平均値をＬＤＨセパレータの厚さとして採用した。

評価３：平均気孔率測定
クロスセクションポリッシャ（ＣＰ）により、ＬＤＨセパレータを断面研磨し、ＦＥ−ＳＥＭ（ＵＬＴＲＡ５５、カールツァイス製）により、５０，０００倍の倍率でＬＤＨセパレータの断面イメージを２視野取得した。この画像データをもとに、画像検査ソフト（ＨＤｅｖｅｌｏｐ、ＭＶＴｅｃＳｏｆｔｗａｒｅ製）を用いて、２視野それぞれの気孔率を算出し、それらの平均値をＬＤＨセパレータの平均気孔率とした。

評価４：連続充電試験
図２に示されるような測定装置２１０を構築して亜鉛デンドライトを連続的に成長させる加速試験を行った。具体的には、ＡＢＳ樹脂の直方体型の容器２１２を用意して、その中に亜鉛極２１４ａ及び銅極２１４ｂを互いに０．５ｃｍ離間し且つ対向するように配置した。亜鉛極２１４ａは金属亜鉛板であり、銅極２１４ｂは金属銅板である。一方、ＬＤＨセパレータについてはその外周に沿ってエポキシ樹脂系接着剤を塗布して、中央に開口部を有するＡＢＳ樹脂製の治具に取り付けて、ＬＤＨセパレータ２１６を含むＬＤＨセパレータ構造体とした。このとき、治具とＬＤＨセパレータの接合箇所で液密性が確保されるように上記接着剤で十分に封止した。そして、容器２１２内にＬＤＨセパレータ構造体として配置して、亜鉛極２１４ａを含む第一区画２１５ａと銅極２１４ｂを含む第二区画２１５ｂとを互いにＬＤＨセパレータ２１６以外の箇所で液体連通を許容しないように隔離した。このとき、エポキシ樹脂系接着剤を用いてＬＤＨセパレータ構造体の外縁３辺（すなわちＡＢＳ樹脂製の治具の外縁３辺）を容器２１２の内壁に液密性を確保できるように接着させた。すなわち、ＬＤＨセパレータ２１６を含むセパレータ構造体と容器２１２の接合部分は液体連通を許容しないように封止された。第一区画２１５ａと第二区画２１５ｂにアルカリ水溶液２１８として５．４ｍｏｌ／ＬのＫＯＨ水溶液を飽和溶解度相当のＺｎＯ粉末とともに入れた。亜鉛極２１４ａ及び銅極２１４ｂを定電流電源の負極と正極にそれぞれ接続するとともに、定電流電源と並列に電圧計を接続した。第一区画２１５ａ及び第二区画２１５ｂのいずれにおいてもアルカリ水溶液２１８の水位はＬＤＨセパレータ２１６の全領域がアルカリ水溶液２１８に浸漬されるようにし、かつ、ＬＤＨセパレータ構造体（治具を含む）の高さを超えない程度とした。こうして構築された測定装置２１０において、亜鉛極２１４ａ及び銅極２１４ｂの間に２０ｍＡ／ｃｍ^２の定電流を最大２００時間にわたって継続的に流した。その間、亜鉛極２１４ａ及び銅極２１４ｂ間に流れる電圧の値を電圧計でモニタリングし、亜鉛極２１４ａ及び銅極２１４ｂ間における亜鉛デンドライト短絡（急激な電圧低下）の有無を確認した。このとき、１００時間以上（又は２００時間以上）にわたって短絡が生じなかった場合は「短絡なし」と判定し、１００時間未満（又は２００時間未満）で短絡が生じた場合は「短絡あり」と判定した。

評価５：Ｈｅ透過測定
Ｈｅ透過性の観点からＬＤＨセパレータの緻密性を評価すべく、Ｈｅ透過試験を以下のとおり行った。まず、図３Ａ及び図３Ｂに示されるＨｅ透過度測定系３１０を構築した。Ｈｅ透過度測定系３１０は、Ｈｅガスを充填したガスボンベからのＨｅガスが圧力計３１２及び流量計３１４（デジタルフローメーター）を介して試料ホルダ３１６に供給され、この試料ホルダ３１６に保持されたＬＤＨセパレータ３１８の一方の面から他方の面に透過させて排出させるように構成した。

試料ホルダ３１６は、ガス供給口３１６ａ、密閉空間３１６ｂ及びガス排出口３１６ｃを備えた構造を有するものであり、次のようにして組み立てた。まず、ＬＤＨセパレータ３１８の外周に沿って接着剤３２２を塗布して、中央に開口部を有する治具３２４（ＡＢＳ樹脂製）に取り付けた。この治具３２４の上端及び下端に密封部材３２６ａ，３２６ｂとしてブチルゴム製のパッキンを配設し、さらに密封部材３２６ａ，３２６ｂの外側から、フランジからなる開口部を備えた支持部材３２８ａ，３２８ｂ（ＰＴＦＥ製）で挟持した。こうして、ＬＤＨセパレータ３１８、治具３２４、密封部材３２６ａ及び支持部材３２８ａにより密閉空間３１６ｂを区画した。支持部材３２８ａ，３２８ｂを、ガス排出口３１６ｃ以外の部分からＨｅガスの漏れが生じないように、ネジを用いた締結手段３３０で互いに堅く締め付けた。こうして組み立てられた試料ホルダ３１６のガス供給口３１６ａに、継手３３２を介してガス供給管３３４を接続した。

次いで、Ｈｅ透過度測定系３１０にガス供給管３３４を経てＨｅガスを供給し、試料ホルダ３１６内に保持されたＬＤＨセパレータ３１８に透過させた。このとき、圧力計３１２及び流量計３１４によりガス供給圧と流量をモニタリングした。Ｈｅガスの透過を１〜３０分間行った後、Ｈｅ透過度を算出した。Ｈｅ透過度の算出は、単位時間あたりのＨｅガスの透過量Ｆ（ｃｍ^３／ｍｉｎ）、Ｈｅガス透過時にＬＤＨセパレータに加わる差圧Ｐ（ａｔｍ）、及びＨｅガスが透過する膜面積Ｓ（ｃｍ^２）を用いて、Ｆ／（Ｐ×Ｓ）の式により算出した。Ｈｅガスの透過量Ｆ（ｃｍ^３／ｍｉｎ）は流量計３１４から直接読み取った。また、差圧Ｐは圧力計３１２から読み取ったゲージ圧を用いた。なお、Ｈｅガスは差圧Ｐが０．０５〜０．９０ａｔｍの範囲内となるように供給された。

評価６：イオン伝導率の測定
電解液中でのＬＤＨセパレータのイオン伝導率を図４に示される電気化学測定系を用いて以下のようにして測定した。ＬＤＨセパレータ試料Ｓを両側から厚み１ｍｍシリコーンパッキン４４０で挟み、内径６ｍｍのＰＴＦＥ製フランジ型セル４４２に組み込んだ。電極４４６として、＃１００メッシュのニッケル金網をセル４４２内に直径６ｍｍの円筒状にして組み込み、電極間距離が２．２ｍｍになるようにした。電解液４４４として、５．４ＭのＫＯＨ水溶液をセル４４２内に充填した。電気化学測定システム（ポテンショ／ガルバノスタット−周波数応答アナライザ、ソーラトロン社製１２８７Ａ型及び１２５５Ｂ型）を用い、周波数範囲は１ＭＨｚ〜０．１Ｈｚ、印加電圧は１０ｍＶの条件で測定を行い、実数軸の切片をＬＤＨセパレータ試料Ｓの抵抗とした。得られたＬＤＨセパレータの抵抗と、ＬＤＨセパレータの厚み及び面積を用いて伝導率を求めた。

例１（比較）
（１）高分子多孔質基材の準備
気孔率５０％、平均気孔径０．１μｍ及び厚さ２０μｍの市販のポリエチレン微多孔膜を高分子多孔質基材として用意し、２．０ｃｍ×２．０ｃｍの大きさになるように切り出した。

（２）高分子多孔質基材へのアルミナ・チタニアゾルコート
無定形アルミナ溶液（Ａｌ−ＭＬ１５、多木化学株式会社製）と酸化チタンゾル溶液（Ｍ６、多木化学株式会社製）をＴｉ／Ａｌ（モル比）＝２となるように混合して混合ゾルを作製した。混合ゾルを、上記（１）で用意された基材へディップコートにより塗布した。ディップコートは、混合ゾル１００ｍｌに基材を浸漬させてから垂直に引き上げ、９０℃の乾燥機中で５分間乾燥させることにより行った。

（３）原料水溶液の作製
原料として、硝酸ニッケル六水和物（Ｎｉ（ＮＯ_３）_２・６Ｈ_２Ｏ、関東化学株式会社製、及び尿素（（ＮＨ_２）_２ＣＯ、シグマアルドリッチ製）を用意した。０．０１５ｍｏｌ／Ｌとなるように、硝酸ニッケル六水和物を秤量してビーカーに入れ、そこにイオン交換水を加えて全量を７５ｍｌとした。得られた溶液を攪拌した後、溶液中に尿素／ＮＯ_３ ⁻（モル比）＝１６の割合で秤量した尿素を加え、更に攪拌して原料水溶液を得た。

（４）水熱処理による成膜
テフロン（登録商標）製密閉容器（オートクレーブ容器、内容量１００ｍｌ、外側がステンレス製ジャケット）に原料水溶液とディップコートされた基材を共に封入した。このとき、基材はテフロン（登録商標）製密閉容器の底から浮かせて固定し、基材両面に溶液が接するように水平に設置した。その後、水熱温度１２０℃で２４時間水熱処理を施すことにより基材表面と内部にＬＤＨの形成を行った。所定時間の経過後、基材を密閉容器から取り出し、イオン交換水で洗浄し、７０℃で１０時間乾燥させて、多孔質基材の孔内にＬＤＨを形成させた。こうして、ＬＤＨを含む複合材料を得た。

（５）ロールプレスによる緻密化
上記ＬＤＨを含む複合材料を、１対のＰＥＴフィルム（東レ株式会社製、ルミラー（登録商標）、厚さ４０μｍ）で挟み、ロール回転速度３ｍｍ／ｓ、ロール温度１１０℃、ロールギャップ６０μｍにてロールプレスを行い、ＬＤＨセパレータを得た。

（６）評価結果
得られたＬＤＨセパレータに対して評価１〜６を行った。評価１の結果、本例のＬＤＨセパレータは、ＬＤＨ（ハイドロタルサイト類化合物）であることが同定された。評価２〜６の結果は表１に示されるとおりであった。表１に示されるように、１００時間までの連続充電時間では亜鉛デンドライト短絡が発生しなかったが、２００時間未満の連続充電時間で亜鉛デンドライト短絡が発生した。

例２〜７
上記（５）のロールプレスによる緻密化において、ローラ加熱温度を表１に示される値に変更したこと以外は、例１と同様にしてＬＤＨセパレータを作製し、同様に評価した。評価１の結果、本例のＬＤＨセパレータは、ＬＤＨ（ハイドロタルサイト類化合物）であることが同定された。評価２〜６の結果は表１に示されるとおりであった。表１に示されるように、例２〜７はいずれも２００時間以上の連続充電時間においても亜鉛デンドライト短絡が発生しなかった。また、図５に例４の評価３で得られたＬＤＨセパレータの断面ＦＥ−ＳＥＭ像を示す。

例８（比較）
上記（５）のロールプレスによる緻密化を行わなかったこと以外は、例１と同様にしてＬＤＨセパレータの作製及び評価を行った。評価１の結果、本例のＬＤＨセパレータは、ＬＤＨ（ハイドロタルサイト類化合物）であることが同定された。評価２〜６の結果は表１に示されるとおりであった。表１に示されるように、評価４は、１００時間未満の連続充電時間で亜鉛デンドライト短絡が発生した。また、図６に評価３で得られたＬＤＨセパレータの断面ＦＥ−ＳＥＭ像を示す。

例９〜１１
下記ａ）〜ｃ）以外は、例１と同様にしてＬＤＨセパレータの作製及び評価を行った。
ａ）上記（３）の原料として、硝酸ニッケル六水和物の代わりに、硝酸マグネシウム六水和物（Ｍｇ（ＮＯ_３）_２・６Ｈ_２Ｏ、関東化学株式会社製）を用い、０．０３ｍｏｌ／Ｌとなるように、硝酸マグネシウム六水和物を秤量してビーカーに入れ、そこにイオン交換水を加えて全量を７５ｍｌとし、得られた溶液を攪拌した後、溶液中に尿素／ＮＯ_３ ⁻（モル比）＝８の割合で秤量した尿素を加え、更に攪拌して原料水溶液を得たこと。
ｂ）上記（４）の水熱温度を９０℃としたこと。
ｃ）上記（５）のロールプレスによる緻密化において、ローラ加熱温度を表１に示される値に変更したこと。

評価１の結果、本例のＬＤＨセパレータは、ＬＤＨ（ハイドロタルサイト類化合物）であることが同定された。評価２〜６の結果は表１に示されるとおりであった。表１に示されるように、例９〜１１はいずれも２００時間以上の連続充電時間においても亜鉛デンドライト短絡が発生しなかった。

Claims

高分子材料製の多孔質基材と、前記多孔質基材の孔を塞ぐ層状複水酸化物（ＬＤＨ）とを含む、ＬＤＨセパレータであって、前記ＬＤＨセパレータが０．０３％以上１．０％未満の平均気孔率を有する、ＬＤＨセパレータ。
前記平均気孔率が０．０５％以上０．９％以下である、請求項１に記載のＬＤＨセパレータ。
前記ＬＤＨが前記多孔質基材の厚さ方向の全域にわたって組み込まれている、請求項１又は２に記載のＬＤＨセパレータ。
前記ＬＤＨセパレータの単位面積あたりのＨｅ透過度が３．０ｃｍ／ａｔｍ・ｍｉｎ以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＬＤＨセパレータ。
前記ＬＤＨセパレータのイオン伝導率が２．０ｍＳ／ｃｍ以上である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＬＤＨセパレータ。
前記高分子材料が、ポリスチレン、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド、フッ素樹脂、セルロース、ナイロン、及びポリエチレンからなる群から選択される、請求項１〜５のいずれか一項に記載のＬＤＨセパレータ。
前記多孔質基材及び前記ＬＤＨからなる、請求項１〜６のいずれか一項に記載のＬＤＨセパレータ。
請求項１〜７のいずれか一項に記載のＬＤＨセパレータを備えた、亜鉛二次電池。
請求項１〜７のいずれか一項に記載のＬＤＨセパレータを備えた、固体アルカリ形燃料電池。