JP7551328B2 - Laminated separator for power storage device, and power storage device - Google Patents
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Description
本発明は、蓄電デバイス用積層セパレータ、及び当該セパレータを用いる蓄電デバイスに関する。 The present invention relates to a laminated separator for an electricity storage device and an electricity storage device using the separator.
蓄電デバイスは、民生機器用電源、車載用電源、定置用電源などの幅広い用途において利用されている。蓄電デバイスの中でも、リチウムイオン二次電池は、高エネルギー密度、高耐久性といった優れた特徴を持つことから、近年では電気自動車用の電源として急速に利用が拡大している。 Electricity storage devices are used in a wide range of applications, including as power sources for consumer devices, in-vehicle power sources, and stationary power sources. Among electricity storage devices, lithium-ion secondary batteries have excellent characteristics such as high energy density and high durability, and in recent years their use as a power source for electric vehicles has rapidly expanded.
リチウムイオン二次電池には、一般的にポリオレフィン微多孔膜がセパレータとして使用されている。セパレータは、正極及び負極の間に配置され、正負極の直接接触又は短絡による電子伝導を防ぐ一方で、その微多孔膜中に保持した電解液を介してイオン伝導を可能にしている。 In lithium-ion secondary batteries, a polyolefin microporous membrane is generally used as the separator. The separator is placed between the positive and negative electrodes and prevents electronic conduction due to direct contact or short-circuiting between the positive and negative electrodes, while allowing ionic conduction through the electrolyte held in the microporous membrane.
電気自動車用のリチウムイオン二次電池としては、一般的に大型電池が採用されている。大型電池を使用することで、電池を複数個接続して蓄電モジュールを構築した際のエネルギー密度が高まり、小型電池と比較すると電池の接続個数を減らせることから、蓄電モジュールの生産性も高まる。しかしながら、大型電池は、その大きさゆえに放熱性に劣り、電池が内部短絡などによって異常発熱を起こした場合には、電池中心部の温度は容易に400℃以上に達しうるため、発火などの深刻な事故に繋がり易い。 Large batteries are generally used as lithium-ion secondary batteries for electric vehicles. The use of large batteries increases the energy density when multiple batteries are connected to construct a storage module, and since the number of connected batteries can be reduced compared to small batteries, the productivity of the storage module is also improved. However, large batteries have poor heat dissipation properties due to their size, and if the battery generates abnormal heat due to an internal short circuit or the like, the temperature at the center of the battery can easily reach 400°C or more, which can easily lead to serious accidents such as fire.
さらに、電気自動車用の電池は、車内の限られたスペースを有効活用するために、高密度に配置されることが多い。そのため、一つの電池が発火すると、他の電池に対して容易に影響が及びうる。したがって、電気自動車に搭載された全ての電池の安全性を高度に維持する必要がある。 Furthermore, batteries for electric vehicles are often arranged in high density to make effective use of the limited space inside the vehicle. Therefore, if one battery catches fire, it can easily affect other batteries. Therefore, it is necessary to maintain a high level of safety for all batteries installed in electric vehicles.
このような背景の下、セパレータには、電池内部が高温になった場合でも電気的絶縁性を十分に保ち、電池の安全性を維持する特性が求められている。近年、セパレータの高温における絶縁性を向上するために、様々な試みが検討されてきたが、最も汎用されている方法は、ポリオレフィン微多孔膜などの基材上に、無機粒子を主体とする無機層を塗工によって形成する方法である。例えば、特許文献1では、ポリオレフィン微多孔膜上に、ベーマイトを主体とする無機層を塗工によって形成し、ポリオレフィン層及び無機層からなる積層セパレータを作製している。
In this context, separators are required to have the property of maintaining sufficient electrical insulation and maintaining the safety of the battery even when the temperature inside the battery becomes high. In recent years, various attempts have been made to improve the insulation of separators at high temperatures, but the most widely used method is to form an inorganic layer mainly made of inorganic particles on a substrate such as a polyolefin microporous film by coating. For example, in
他方で、塗工以外の方法で無機層を形成する技術も提案されてきた。例えば、特許文献2では、シリカを最大で98質量%含有する無機層を有する、二層のポリオレフィン層及び一層の無機層から構成される積層セパレータを共押出法によって作製している。また、特許文献3では、硫酸バリウムを最大で97質量%含有する無機層を有する、二層のポリオレフィン層及び一層の無機層から構成される積層セパレータを共押出法によって作製する技術が開示されている。
On the other hand, techniques for forming inorganic layers by methods other than coating have also been proposed. For example, in Patent Document 2, a laminated separator consisting of two polyolefin layers and one inorganic layer, with the inorganic layer containing up to 98% by mass of silica, is produced by a co-extrusion method. In addition,
しかしながら、特許文献1に記載の積層セパレータは、後述の比較例1で示すように、ポリオレフィン樹脂の融点以上の高温においては、温度が上がるほど膜抵抗値が減少し、高温において絶縁性を維持する特性は不十分である。また、この技術は、ポリオレフィン層の製造工程と無機層の製造工程とをそれぞれ必要とするため、工程数が多く、生産性が低いという課題もある。
However, as shown in Comparative Example 1 described later, the laminated separator described in
また、特許文献2に記載の積層セパレータは、後述の比較例2で示すように、無機層の密度が十分ではなく、高温において絶縁性を維持する特性は満足できるものではなく、さらに、電池の耐久性や出力特性の面でも改善の余地がある。 In addition, as shown in Comparative Example 2 described later, the laminated separator described in Patent Document 2 does not have sufficient density of the inorganic layer, and the property of maintaining insulation at high temperatures is not satisfactory. Furthermore, there is room for improvement in terms of battery durability and output characteristics.
そして、特許文献3に記載の積層セパレータは、後述の比較例3で示すように、無機層の密度が十分ではなく、高温において絶縁性を維持する特性には改善の余地がある。
The laminated separator described in
本発明は、上記事情を鑑みて、高温における絶縁性に優れる蓄電デバイス用積層セパレータ、及び当該セパレータを備える蓄電デバイスを提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, the present invention aims to provide a laminated separator for an electricity storage device that has excellent insulating properties at high temperatures, and an electricity storage device that includes the separator.
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、ポリオレフィン樹脂を含有する多孔質層Aと、無機粒子を多量に含有する多孔質層Bとを有し、高温において特定の抵抗挙動を示す蓄電デバイス用積層セパレータが上記課題を解決し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。本発明の一態様を以下に例示する。
[1]
ポリオレフィン樹脂を含有する多孔質層Aと、無機粒子を含有する多孔質層Bとを有し、前記多孔質層B中の前記無機粒子の含有量は60質量%以上100質量%未満であって、200℃膜抵抗値が200Ω・cm2以上かつ170℃膜抵抗値を超えて、かつ少なくとも一層の前記多孔質層Aと、少なくとも一層の前記多孔質層Bとが積層された、蓄電デバイス用積層セパレータ。
[2]
前記多孔質層Bの気孔率が30%以上70%以下である、項目1に記載の蓄電デバイス用積層セパレータ。
[3]
少なくとも二層の前記多孔質層Aと、少なくとも一層の前記多孔質層Bが積層された、項目1又は2に記載の蓄電デバイス用積層セパレータ。
[4]
少なくとも一層の前記多孔質層Aと、少なくとも二層の前記多孔質層Bが積層された、項目1又は2に記載の蓄電デバイス用積層セパレータ。
[5]
両表層が前記多孔質層Aまたは前記多孔質層Bである、項目1~4のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用積層セパレータ。
[6]
前記無機粒子は、表面処理された無機粒子である、項目1~5のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用積層セパレータ。
[7]
前記無機粒子は、平均粒径が31nm以上1000nm以下である、項目1~6のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用積層セパレータ。
[8]
前記無機粒子は、ベーマイト、アルミナ、チタニア、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、硫酸カルシウム、硫酸アルミニウム、硫酸バリウム、水酸化マグネシウム、リン酸リチウム、リン酸ナトリウム、及びリン酸マグネシウムから選ばれる一種以上である、項目1~7のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用積層セパレータ。
[9]
前記多孔質層A中に、粘度平均分子量が500,000以上5,000,000以下のポリエチレンを含有する、項目1~8のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用積層セパレータ。
[10]
前記多孔質層B中に、粘度平均分子量が200,000以上10,000,000以下のポリオレフィンを含有する、項目1~9のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用積層セパレータ。
[11]
前記蓄電デバイス用積層セパレータの透気度が、30秒/100ml以上150秒/100ml以下である、項目1~10のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用積層セパレータ。
[12]
正極と、負極と、項目1~11のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用積層セパレータとを備える、蓄電デバイス。
As a result of intensive research aimed at achieving the above object, the present inventors have found that the above-mentioned problems can be solved by a laminate separator for an electricity storage device, which has a porous layer A containing a polyolefin resin and a porous layer B containing a large amount of inorganic particles and exhibits a specific resistance behavior at high temperatures, and have completed the present invention. One embodiment of the present invention is exemplified below.
[1]
A laminated separator for an electricity storage device, comprising: a porous layer A containing a polyolefin resin; and a porous layer B containing inorganic particles, wherein the content of the inorganic particles in the porous layer B is 60% by mass or more and less than 100% by mass; the separator has a membrane resistance at 200°C of 200 Ω· cm2 or more and exceeds a membrane resistance at 170°C; and at least one layer of the porous layer A and at least one layer of the porous layer B are laminated.
[2]
2. The laminate separator for an electricity storage device according to
[3]
3. The laminate separator for an electricity storage device according to
[4]
3. The laminate separator for an electricity storage device according to
[5]
5. The laminate separator for an electricity storage device according to any one of
[6]
6. The laminate separator for an electricity storage device according to any one of
[7]
7. The laminate separator for an electrical storage device according to any one of
[8]
8. The laminate separator for an electricity storage device according to any one of
[9]
9. The laminate separator for an electrical storage device according to any one of
[10]
10. The laminate separator for an electrical storage device according to any one of
[11]
11. The laminate separator for an electricity storage device according to any one of
[12]
Item 12. An electricity storage device comprising: a positive electrode; a negative electrode; and the laminate separator for an electricity storage device according to any one of
本発明によれば、大型電池で異常発熱が起きた場合でも、電池の安全性を維持できる蓄電デバイス用積層セパレータ、及び当該セパレータを備える蓄電デバイスを提供することができる。 The present invention provides a laminated separator for an electricity storage device that can maintain the safety of a large battery even if the battery generates abnormal heat, and an electricity storage device that includes the separator.
以下、本発明を実施するための形態(以下、「本実施形態」と略記する。)について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。 The following is a detailed description of the embodiment of the present invention (hereinafter, abbreviated as "present embodiment"). Note that the present invention is not limited to the following embodiment, and can be modified in various ways within the scope of the gist of the invention.
《多孔質層A》
本実施形態に係る蓄電デバイス用積層セパレータは、ポリオレフィン樹脂を含有する多孔質層Aを有する。多孔質層Aは、積層セパレータ中に少なくとも一層であり、二層以上であってもよい。
<<Porous Layer A>>
The laminate separator for an electricity storage device according to this embodiment has a polyolefin resin-containing porous layer A. The laminate separator contains at least one porous layer A, and may contain two or more porous layers.
多孔質層Aの一層当たりの厚みは、好ましくは1μm以上であり、より好ましくは2μm以上であって、更に好ましくは3μm以上である。多孔質層Aの一層当たりの厚みが1μm以上であることで、積層セパレータの機械的強度や耐電圧性が向上する。また、多孔質層Aの一層あたりの厚みは、好ましくは17μm以下であり、より好ましくは15μm以下であって、更に好ましくは13μm以下である。多孔層Aの一層当たりの厚みが17μm以下であることで、蓄電デバイスのエネルギー密度を高めることができる。 The thickness of each layer of the porous layer A is preferably 1 μm or more, more preferably 2 μm or more, and even more preferably 3 μm or more. When the thickness of each layer of the porous layer A is 1 μm or more, the mechanical strength and voltage resistance of the laminated separator are improved. Furthermore, the thickness of each layer of the porous layer A is preferably 17 μm or less, more preferably 15 μm or less, and even more preferably 13 μm or less. When the thickness of each layer of the porous layer A is 17 μm or less, the energy density of the electricity storage device can be increased.
多孔質層Aの気孔率は、積層セパレータのイオン透過性を高める観点からは30%以上が好ましく、35%以上がより好ましく、40%以上が更に好ましい。一方で、積層セパレータの構造を維持する観点からは75%以下が好ましく、70%以下がより好ましく、65%以下が更に好ましい。 From the viewpoint of increasing the ion permeability of the laminated separator, the porosity of the porous layer A is preferably 30% or more, more preferably 35% or more, and even more preferably 40% or more. On the other hand, from the viewpoint of maintaining the structure of the laminated separator, the porosity is preferably 75% or less, more preferably 70% or less, and even more preferably 65% or less.
積層セパレータ全体に占める多孔質層Aの厚み割合は、積層セパレータの物理的強度を勘案すると、好ましくは5%以上、より好ましくは10%以上、更に好ましくは15%以上である。多孔質層Aの厚み割合が5%以上であると、積層セパレータにフューズ特性が付与されて、高温における絶縁性が高まるため好ましい。一方で、多孔質層Aの厚み割合は、積層セパレータのイオン透過性を高める観点からは、好ましくは90%以下、より好ましくは85%以下、更に好ましくは80%以下である。多孔質層Aの厚み割合が90%以下であると、積層セパレータの高温における寸法安定性が向上し、高温における絶縁性が高まるため好ましい。 The thickness ratio of the porous layer A to the entire laminate separator is preferably 5% or more, more preferably 10% or more, and even more preferably 15% or more, taking into consideration the physical strength of the laminate separator. If the thickness ratio of the porous layer A is 5% or more, the laminate separator is given fuse characteristics and the insulating properties at high temperatures are improved, which is preferable. On the other hand, from the viewpoint of increasing the ion permeability of the laminate separator, the thickness ratio of the porous layer A is preferably 90% or less, more preferably 85% or less, and even more preferably 80% or less. If the thickness ratio of the porous layer A is 90% or less, the dimensional stability of the laminate separator at high temperatures is improved, and the insulating properties at high temperatures are improved, which is preferable.
多孔質層Aの作製方法は、特に限定されず、様々な方法を用いることができ、具体的には、一軸延伸、二軸延伸などの延伸工程;抽出、揮発、分解などの方法によるポリオレフィン樹脂及びイオン性化合物以外の第三成分の除去工程などを使用することができる。第三成分としては、流動パラフィン、フタル酸ジオクチルなどの可塑剤;アセトン、水などの溶媒を単独で、又は複数を組み合わせて用いることができる。 The method for producing the porous layer A is not particularly limited, and various methods can be used. Specifically, a stretching process such as uniaxial stretching or biaxial stretching; a process for removing a third component other than the polyolefin resin and the ionic compound by a method such as extraction, volatilization, or decomposition can be used. As the third component, plasticizers such as liquid paraffin and dioctyl phthalate; solvents such as acetone and water can be used alone or in combination.
多孔質層Aの作製方法としては、積層セパレータの製造コストを低減し、膜厚の均一性などの品質を向上させる観点から、少なくとも延伸工程を有することが好ましく、延伸工程及び第三成分の除去工程を有することがより好ましく、延伸工程及び第三成分の抽出工程を有することが更に好ましく、二軸延伸工程及び可塑剤の抽出工程を有することが特に好ましい。これらの方法によって多孔質層Aを作製すると、多孔質層Aを均一に形成できるのみならず、蓄電デバイス用積層セパレータ全体の厚み、気孔率などの物性調整が容易になる。 From the viewpoint of reducing the manufacturing cost of the laminated separator and improving the quality such as the uniformity of the film thickness, the method of producing the porous layer A preferably includes at least a stretching step, more preferably includes a stretching step and a third component removal step, even more preferably includes a stretching step and a third component extraction step, and particularly preferably includes a biaxial stretching step and a plasticizer extraction step. When the porous layer A is produced by these methods, not only can the porous layer A be formed uniformly, but it also becomes easy to adjust the physical properties such as the thickness and porosity of the entire laminated separator for the electricity storage device.
《ポリオレフィン樹脂》
本実施形態に係る蓄電デバイス用積層セパレータは、ポリオレフィン樹脂を含有する多孔質層Aを有する。本実施形態において用いられるポリオレフィン樹脂とは、通常の押出、射出、インフレーション、及びブロー成形などに使用されるポリオレフィン樹脂であって、オレフィン炭化水素をモノマー成分として含むポリマーであり、例えば、エチレン、プロピレン、1-ブテン、2-ブテン、4-メチル-1-ペンテン、1-ヘキセン、及び1-オクテンなどのホモ重合体、共重合体、及び多段重合体である。また、これらのホモ重合体、共重合体、及び多段重合体から成る群から選ばれたポリオレフィンを単独で、又は混合して使用することもできる。
<Polyolefin resin>
The laminated separator for an electricity storage device according to this embodiment has a porous layer A containing a polyolefin resin. The polyolefin resin used in this embodiment is a polyolefin resin used in normal extrusion, injection, inflation, blow molding, and the like, and is a polymer containing an olefin hydrocarbon as a monomer component, such as a homopolymer, copolymer, or multistage polymer of ethylene, propylene, 1-butene, 2-butene, 4-methyl-1-pentene, 1-hexene, or 1-octene. Polyolefins selected from the group consisting of these homopolymers, copolymers, and multistage polymers can also be used alone or in combination.
ポリオレフィン樹脂として、具体的には、低密度ポリエチレン(密度0.910g/cm3以上0.930g/cm3未満)、線状低密度ポリエチレン(密度0.910g/cm3以上0.940g/cm3以下)、中密度ポリエチレン(密度0.930g/cm3以上0.942g/cm3未満)、高密度ポリエチレン(密度0.942g/cm3以上)、超高分子量ポリエチレン(密度0.910g/cm3以上0.970g/cm3以下)、アイソタクティックポリプロピレン、シンジオタクティックポリプロピレン、アタクティックポリプロピレン、ポリブテン、ポリメチルペンテン、エチレンプロピレンラバーが挙げられる。 Specific examples of polyolefin resins include low-density polyethylene (density 0.910 g/cm3 or more and less than 0.930 g/ cm3 ), linear low-density polyethylene (density 0.910 g/ cm3 or more and less than 0.940 g/ cm3 ), medium-density polyethylene (density 0.930 g/ cm3 or more and less than 0.942 g/ cm3 ), high-density polyethylene (density 0.942 g/ cm3 or more), ultra-high molecular weight polyethylene (density 0.910 g/ cm3 or more and 0.970 g/ cm3 or less), isotactic polypropylene, syndiotactic polypropylene, atactic polypropylene, polybutene, polymethylpentene, and ethylene propylene rubber.
ポリオレフィン樹脂の多孔質層A中に占める割合は、好ましくは70質量%以上、より好ましくは80質量%以上、更に好ましくは90質量%以上である。ポリオレフィン樹脂の割合が70質量%以上である場合、多孔質層Aの形成が容易になる上に、多孔質層Aに物理的強度やフューズ特性を付与することができる。また、この割合は、好ましくは100質量%以下、より好ましくは100質量%である。ポリオレフィン樹脂の割合が100質量%以下である場合、多孔質層Aの均一性が高まる傾向にある。 The proportion of polyolefin resin in porous layer A is preferably 70% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, and even more preferably 90% by mass or more. When the proportion of polyolefin resin is 70% by mass or more, the formation of porous layer A is facilitated, and physical strength and fuse characteristics can be imparted to porous layer A. In addition, this proportion is preferably 100% by mass or less, and more preferably 100% by mass. When the proportion of polyolefin resin is 100% by mass or less, the uniformity of porous layer A tends to be increased.
ポリオレフィン樹脂は、高密度ポリエチレンを含有することが好ましい。高密度ポリエチレンのポリオレフィン樹脂中に占める割合は、好ましくは70質量%以上、より好ましくは80質量%以上、更に好ましくは90質量%以上であり、100質量%であってもよい。高密度ポリエチレンのポリオレフィン樹脂に占める割合が70質量%以上である場合、高密度ポリエチレン分子鎖の絡み合いによって積層セパレータの機械的強度が高まる。 The polyolefin resin preferably contains high-density polyethylene. The proportion of high-density polyethylene in the polyolefin resin is preferably 70% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, and even more preferably 90% by mass or more, and may be 100% by mass. When the proportion of high-density polyethylene in the polyolefin resin is 70% by mass or more, the mechanical strength of the laminated separator is increased due to the entanglement of the high-density polyethylene molecular chains.
また、ポリオレフィン樹脂は、高分子量ポリエチレンを含有することが好ましい。高分子量ポリエチレンのポリオレフィン樹脂中に占める割合は、好ましくは70質量%以上、より好ましくは80質量%以上、更に好ましくは90質量%以上であり、100質量%であってもよい。高分子量ポリエチレンの粘度平均分子量(Mv)は、好ましくは500,000以上5,000,000以下、より好ましくは600,000以上4,000,000以下、更に好ましくは700,000以上3,000,000以下である。粘度平均分子量は、ASTM-D4020に基づき、デカリン溶媒の135℃での極限粘度を測定し、ポリオレフィン樹脂に応じた計算式から算出することで、求めることができる。
ポリエチレンについては、次式によりMvを算出できる。
[η]=6.77×10-4Mv0.67
ポリプロピレンについては、次式によりMvを算出できる。
[η]=1.10×10-4Mv0.80
The polyolefin resin preferably contains a high molecular weight polyethylene. The proportion of the high molecular weight polyethylene in the polyolefin resin is preferably 70% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, even more preferably 90% by mass or more, and may be 100% by mass. The viscosity average molecular weight (Mv) of the high molecular weight polyethylene is preferably 500,000 or more and 5,000,000 or less, more preferably 600,000 or more and 4,000,000 or less, and even more preferably 700,000 or more and 3,000,000 or less. The viscosity average molecular weight can be determined by measuring the intrinsic viscosity of the decalin solvent at 135 ° C. based on ASTM-D4020 and calculating from a calculation formula corresponding to the polyolefin resin.
For polyethylene, Mv can be calculated by the following formula:
[η]=6.77× 10-4 Mv 0.67
For polypropylene, Mv can be calculated by the following formula:
[η]=1.10×10 -4 Mv 0.80
粘度平均分子量500,000以上のポリオレフィン樹脂を用いることで、ポリオレフィン樹脂組成物を溶融混練する際に、メルトテンションを高く維持して良好な成形性を確保する観点、並びに、ポリオレフィン樹脂の分子鎖に対して十分な絡み合いを付与し、積層セパレータの機械的強度を高める観点から好ましい。一方、粘度平均分子量を5,000,000以下に調整することは、ポリオレフィン樹脂の押出成形の安定性を向上させる観点から好ましい。 The use of a polyolefin resin with a viscosity average molecular weight of 500,000 or more is preferable from the viewpoint of maintaining high melt tension and ensuring good moldability when melt-kneading the polyolefin resin composition, and from the viewpoint of imparting sufficient entanglement to the molecular chains of the polyolefin resin and enhancing the mechanical strength of the laminated separator. On the other hand, adjusting the viscosity average molecular weight to 5,000,000 or less is preferable from the viewpoint of improving the stability of extrusion molding of the polyolefin resin.
ポリオレフィン樹脂は、積層セパレータの耐熱性を向上させる観点から、ポリプロピレンを含むことが好ましい。ポリプロピレンのポリオレフィン樹脂中に占める割合は、好ましくは1質量%以上、より好ましくは3質量%以上、更に好ましくは5質量%以上である。また、ポリプロピレンのポリオレフィン樹脂中に占める割合は、好ましくは30質量%以下、より好ましくは25質量%以下、更に好ましくは20質量%以下である。ポリプロピレンの割合を1質量%以上に調整することは、積層セパレータの耐熱性を向上させる観点から好ましい。一方で、積層セパレータの均一性を高める観点から、ポリプロピレンの割合は30質量%以下であることが好ましい。 From the viewpoint of improving the heat resistance of the laminated separator, it is preferable that the polyolefin resin contains polypropylene. The proportion of polypropylene in the polyolefin resin is preferably 1 mass% or more, more preferably 3 mass% or more, and even more preferably 5 mass% or more. The proportion of polypropylene in the polyolefin resin is preferably 30 mass% or less, more preferably 25 mass% or less, and even more preferably 20 mass% or less. Adjusting the proportion of polypropylene to 1 mass% or more is preferable from the viewpoint of improving the heat resistance of the laminated separator. On the other hand, from the viewpoint of improving the uniformity of the laminated separator, it is preferable that the proportion of polypropylene is 30 mass% or less.
本実施形態で使用されるポリオレフィン樹脂には、本発明の利点を損なわない範囲で必要に応じて、フェノール系、リン系、硫黄系などの酸化防止剤;ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸リチウムなどの金属石鹸類;紫外線吸収剤、光安定剤、帯電防止剤、防曇剤、着色顔料などの添加剤を混合して使用できる。 The polyolefin resin used in this embodiment can be mixed with additives such as phenol-based, phosphorus-based, and sulfur-based antioxidants; metal soaps such as calcium stearate and lithium stearate; ultraviolet absorbers, light stabilizers, antistatic agents, antifogging agents, and color pigments, as necessary, within the scope of the advantages of the present invention.
《多孔質層B》
本実施形態に係る蓄電デバイス用積層セパレータは、無機粒子を多量に含有する多孔質層Bを有する。多孔質層Bは、積層セパレータ中に少なくとも一層であり、二層以上であってもよい。
<<Porous layer B>>
The laminate separator for an electricity storage device according to this embodiment has a porous layer B containing a large amount of inorganic particles. The laminate separator includes at least one porous layer B, and may include two or more porous layers.
多孔質層Bの一層当たりの厚みは、好ましくは1μm以上であり、より好ましくは2μm以上であって、更に好ましくは3μm以上である。多孔質層Bの一層当たりの厚みが1μm以上であることで、積層セパレータの高温における絶縁性が高まる。また、多孔質層Bの一層当たりの厚みは、好ましくは17μm以下であり、より好ましくは15μm以下であって、更に好ましくは13μm以下である。多孔層Bの一層当たりの厚みが17μm以下であることで、蓄電デバイスのエネルギー密度を高めることができる。 The thickness of each layer of the porous layer B is preferably 1 μm or more, more preferably 2 μm or more, and even more preferably 3 μm or more. When the thickness of each layer of the porous layer B is 1 μm or more, the insulating properties of the laminated separator at high temperatures are improved. Furthermore, the thickness of each layer of the porous layer B is preferably 17 μm or less, more preferably 15 μm or less, and even more preferably 13 μm or less. When the thickness of each layer of the porous layer B is 17 μm or less, the energy density of the electricity storage device can be increased.
多孔質層Bの気孔率は、積層セパレータのイオン透過性を高める観点からは30%以上が好ましく、35%以上がより好ましく、40%以上が更に好ましく、45%以上が特に好ましい。一方で、多孔質層Bの気孔率は、積層セパレータの高温における絶縁性を維持する観点からは70%以下が好ましく、68%以下がより好ましく、66%以下が更に好ましく、64%以下が特に好ましい。 From the viewpoint of increasing the ion permeability of the laminated separator, the porosity of the porous layer B is preferably 30% or more, more preferably 35% or more, even more preferably 40% or more, and particularly preferably 45% or more. On the other hand, from the viewpoint of maintaining the insulating properties of the laminated separator at high temperatures, the porosity of the porous layer B is preferably 70% or less, more preferably 68% or less, even more preferably 66% or less, and particularly preferably 64% or less.
積層セパレータ全体に占める多孔質層Bの厚み割合は、積層セパレータの高温における絶縁性を向上する観点からは、好ましくは5%以上、より好ましくは10%以上、更に好ましくは15%以上である。多孔質層Bの厚み割合が5%以上であると、積層セパレータの高温における絶縁性が高まるため好ましい。一方で、多孔質層Bの厚み割合は、積層セパレータの製造を容易に行う観点からは、好ましくは95%以上、より好ましくは90%、更に好ましくは85以下%である。 The thickness ratio of the porous layer B to the entire laminate separator is preferably 5% or more, more preferably 10% or more, and even more preferably 15% or more, from the viewpoint of improving the insulating properties of the laminate separator at high temperatures. If the thickness ratio of the porous layer B is 5% or more, the insulating properties of the laminate separator at high temperatures are improved, which is preferable. On the other hand, from the viewpoint of facilitating the manufacture of the laminate separator, the thickness ratio of the porous layer B is preferably 95% or more, more preferably 90%, and even more preferably 85% or less.
多孔質層Bの作製方法は、特に限定されず、様々な方法を用いることができるが、具体的には、一軸延伸、二軸延伸などの延伸工程;抽出、揮発、分解などの方法によるポリオレフィン樹脂及びイオン性化合物以外の第三成分の除去工程などを使用することができる。第三成分としては、流動パラフィン、フタル酸ジオクチルなどの可塑剤;アセトン、水などの溶媒を単独で、又は複数を組み合わせて用いることができる。 The method for producing the porous layer B is not particularly limited, and various methods can be used. Specifically, a stretching process such as uniaxial stretching or biaxial stretching; a process for removing a third component other than the polyolefin resin and the ionic compound by a method such as extraction, volatilization, or decomposition can be used. As the third component, plasticizers such as liquid paraffin and dioctyl phthalate; and solvents such as acetone and water can be used alone or in combination.
多孔質層Bの作製方法としては、積層セパレータの製造コストを低減し、膜厚の均一性などの品質を向上させる観点から、少なくとも延伸工程を有することが好ましく、延伸工程及び第三成分の除去工程を有することがより好ましく、延伸工程及び第三成分の抽出工程を有することが更に好ましく、二軸延伸工程及び可塑剤の抽出工程を有することが特に好ましい。これらの方法によって多孔質層Bを作製すると、多孔質層Bを均一に形成できるのみならず、蓄電デバイス用積層セパレータ全体の厚み、気孔率などの物性調整が容易になる。 From the viewpoint of reducing the manufacturing cost of the laminated separator and improving the quality such as the uniformity of the film thickness, the method of producing the porous layer B preferably includes at least a stretching step, more preferably includes a stretching step and a third component removal step, even more preferably includes a stretching step and a third component extraction step, and particularly preferably includes a biaxial stretching step and a plasticizer extraction step. When the porous layer B is produced by these methods, not only can the porous layer B be formed uniformly, but it also becomes easy to adjust the physical properties such as the thickness and porosity of the entire laminated separator for the electricity storage device.
多孔質層B中の無機粒子の含有量は、60質量%以上であり、好ましくは65質量%以上、より好ましくは70質量%以上、更に好ましくは75質量%以上である。無機粒子の含有量が60質量%以上である場合、積層セパレータの高温における絶縁性が高まる傾向にある。また、無機粒子の含有量は、100質量%未満であり、好ましくは99.5質量%以下、より好ましくは99質量%以下、更に好ましくは98.5質量%以下である。無機粒子の含有量が100質量%未満である場合、多孔質層Bからの無機粒子の脱落を抑制し、多孔質層Bの均一性を高めることができる。 The content of inorganic particles in the porous layer B is 60% by mass or more, preferably 65% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, and even more preferably 75% by mass or more. When the content of inorganic particles is 60% by mass or more, the insulating properties of the laminated separator at high temperatures tend to be improved. In addition, the content of inorganic particles is less than 100% by mass, preferably 99.5% by mass or less, more preferably 99% by mass or less, and even more preferably 98.5% by mass or less. When the content of inorganic particles is less than 100% by mass, the inorganic particles are prevented from falling off from the porous layer B, and the uniformity of the porous layer B can be improved.
多孔質層Bは、ポリオレフィン樹脂を含有してもよい。多孔質層Bがポリオレフィン樹脂を含有することで、無機粒子同士が結着されて、多孔質層Bからの無機粒子の脱落を抑制することができる。ポリオレフィン樹脂としては、例えば、エチレン、プロピレン、1-ブテン、2-ブテン、4-メチル-1-ペンテン、1-ヘキセン、及び1-オクテンなどのホモ重合体、共重合体、及び多段重合体が挙げられ、成形性を高める観点からは、好ましくはポリエチレン、ポリプロピレンである。ポリオレフィン樹脂は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 Porous layer B may contain a polyolefin resin. When porous layer B contains a polyolefin resin, inorganic particles are bonded to each other, and falling off of inorganic particles from porous layer B can be suppressed. Examples of polyolefin resins include homopolymers, copolymers, and multi-stage polymers of ethylene, propylene, 1-butene, 2-butene, 4-methyl-1-pentene, 1-hexene, and 1-octene, and from the viewpoint of improving moldability, polyethylene and polypropylene are preferable. One type of polyolefin resin may be used alone, or two or more types may be used in combination.
多孔質層B中のポリオレフィン樹脂は、多孔質層Bの成形性や物理的強度を確保する観点からは特定の分子量を有することが好ましい。多孔質層B中のポリオレフィン樹脂の粘度平均分子量(Mv)は、好ましくは200,000以上10,000,000以下、より好ましくは300,000以上8,000,000以下、更に好ましくは400,000以上6,000,000以下である。 The polyolefin resin in the porous layer B preferably has a specific molecular weight from the viewpoint of ensuring the moldability and physical strength of the porous layer B. The viscosity average molecular weight (Mv) of the polyolefin resin in the porous layer B is preferably 200,000 or more and 10,000,000 or less, more preferably 300,000 or more and 8,000,000 or less, and even more preferably 400,000 or more and 6,000,000 or less.
粘度平均分子量200,000以上のポリオレフィン樹脂を用いることで、多孔質層Bを構成する組成物を溶融混練する際に、メルトテンションを高く維持して良好な成形性を確保することができる。さらに、ポリオレフィン分子鎖に十分な絡み合いが付与されるため、多孔質層Bを延伸した際に均一に延伸することが可能になる。一方で、粘度平均分子量10,000,000以下のポリオレフィン樹脂を用いることで、多孔質層Bの高温における寸法安定性を高めることができるため、積層セパレータの高温における絶縁性を向上することができる。 By using a polyolefin resin with a viscosity average molecular weight of 200,000 or more, it is possible to maintain high melt tension and ensure good moldability when melt-kneading the composition constituting the porous layer B. Furthermore, since sufficient entanglement is imparted to the polyolefin molecular chains, it becomes possible to stretch the porous layer B uniformly when stretched. On the other hand, by using a polyolefin resin with a viscosity average molecular weight of 10,000,000 or less, it is possible to increase the dimensional stability of the porous layer B at high temperatures, thereby improving the insulating properties of the laminated separator at high temperatures.
多孔質層B中のポリオレフィン樹脂の含有量は、好ましくは0質量%を超えて、より好ましくは0.1質量%以上、更に好ましくは0.5質量%以上、特に好ましくは1質量%以上である。ポリオレフィン樹脂の含有量が0質量%を超える場合、多孔質層Bの均一性が高まり、多孔質層Bからの無機粒子の脱落を抑制できる傾向にある。また、このポリオレフィン樹脂の含有量は、好ましくは40質量%以下、より好ましくは20質量%以下、更に好ましくは10質量%以下、特に好ましくは5質量%以下である。ポリオレフィン樹脂の含有量が40質量%以下である場合、多孔質層Bの高温における寸法安定性を高めることができる。 The content of polyolefin resin in the porous layer B is preferably more than 0% by mass, more preferably 0.1% by mass or more, even more preferably 0.5% by mass or more, and particularly preferably 1% by mass or more. When the content of polyolefin resin exceeds 0% by mass, the uniformity of the porous layer B is increased, and the falling off of inorganic particles from the porous layer B tends to be suppressed. In addition, the content of this polyolefin resin is preferably 40% by mass or less, more preferably 20% by mass or less, even more preferably 10% by mass or less, and particularly preferably 5% by mass or less. When the content of polyolefin resin is 40% by mass or less, the dimensional stability of the porous layer B at high temperatures can be improved.
《無機粒子》
本実施形態に係る蓄電デバイス用積層セパレータは、無機粒子を含有する多孔質層Bを有する。本実施形態において用いられる無機粒子とは、主として炭素元素以外の元素から構成される粒子状の物質である。無機粒子としては、電子伝導性を有さず、分解温度又は融点が500℃以上であり、蓄電デバイス内部という特殊な環境下で化学的に安定であるものが望ましい。これらの特性を有する無機粒子を用いると、蓄電デバイス内部が異常発熱などにより高温になった場合でも、蓄電デバイスの安全性を保つことができる。
Inorganic particles
The laminated separator for an electricity storage device according to this embodiment has a porous layer B containing inorganic particles. The inorganic particles used in this embodiment are particulate substances mainly composed of elements other than carbon. It is desirable for the inorganic particles to have no electronic conductivity, a decomposition temperature or melting point of 500° C. or higher, and be chemically stable in the special environment inside the electricity storage device. By using inorganic particles having these characteristics, the safety of the electricity storage device can be maintained even if the inside of the electricity storage device becomes hot due to abnormal heat generation or the like.
無機粒子は、主として炭素元素以外の元素から構成される粒子状の物質であって、電子伝導性を有さず、分解温度又は融点が500℃以上であり、蓄電デバイス内部で化学的に安定であれば特に限定されないが、例えば、シリカ、ベーマイト、アルミナ、チタニア、酸化マグネシウム、酸化亜鉛などの金属酸化物;マイカ、クレイ、カオリンなどのケイ酸塩鉱物;硫酸ナトリウム、硫酸マグネシウム、硫酸カルシウム、硫酸バリウム、硫酸アルミニウムなどの硫酸塩;硝酸ナトリウム、硝酸マグネシウム、硝酸カリウムなどの硝酸塩;リン酸リチウム、リン酸ナトリウム、リン酸マグネシウムなどのリン酸塩;フッ化リチウム、塩化ナトリウム、臭化ナトリウムなどのハロゲン化物;炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウムなどの炭酸塩;水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウムなどの水酸化物が挙げられる。 The inorganic particles are particulate substances mainly composed of elements other than carbon, have no electronic conductivity, have a decomposition temperature or melting point of 500°C or higher, and are chemically stable inside the power storage device. There are no particular limitations on the inorganic particles, but examples include metal oxides such as silica, boehmite, alumina, titania, magnesium oxide, and zinc oxide; silicate minerals such as mica, clay, and kaolin; sulfates such as sodium sulfate, magnesium sulfate, calcium sulfate, barium sulfate, and aluminum sulfate; nitrates such as sodium nitrate, magnesium nitrate, and potassium nitrate; phosphates such as lithium phosphate, sodium phosphate, and magnesium phosphate; halides such as lithium fluoride, sodium chloride, and sodium bromide; carbonates such as lithium carbonate, sodium carbonate, and sodium bicarbonate; and hydroxides such as magnesium hydroxide and aluminum hydroxide.
無機粒子は、蓄電デバイス内部での安定性及びコストの両面を考慮すると、ベーマイト、アルミナ、チタニア、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、硫酸カルシウム、硫酸アルミニウム、硫酸バリウム、水酸化マグネシウム、リン酸リチウム、リン酸ナトリウム、及びリン酸マグネシウムが好ましく、ベーマイト、アルミナ、チタニア、酸化亜鉛、硫酸バリウム、水酸化マグネシウム、リン酸リチウム、及びリン酸ナトリウムがより好ましく、ベーマイト、アルミナ、チタニア、硫酸バリウムが更に好ましく、硫酸バリウムが特に好ましい。無機粒子は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 Considering both the stability inside the power storage device and the cost, the inorganic particles are preferably boehmite, alumina, titania, magnesium oxide, zinc oxide, calcium sulfate, aluminum sulfate, barium sulfate, magnesium hydroxide, lithium phosphate, sodium phosphate, and magnesium phosphate, more preferably boehmite, alumina, titania, zinc oxide, barium sulfate, magnesium hydroxide, lithium phosphate, and sodium phosphate, further preferably boehmite, alumina, titania, and barium sulfate, and particularly preferably barium sulfate. One type of inorganic particle may be used alone, or two or more types may be used in combination.
無機粒子の形状としては、板状、鱗片状、針状、柱状、球状、多面体状、塊状などが挙げられ、上記形状を有する無機粒子を複数種組み合わせて用いてもよい。無機粒子の形状は特に限定されないが、セパレータの破膜を抑制する観点からは、柱状、球状、又は多面体のものが好ましく、球状のものがより好ましい。 The shape of the inorganic particles may be plate-like, scaly, needle-like, columnar, spherical, polyhedral, or block-like, and a combination of multiple types of inorganic particles having the above shapes may be used. The shape of the inorganic particles is not particularly limited, but from the viewpoint of suppressing rupture of the separator, columnar, spherical, or polyhedral particles are preferred, and spherical particles are more preferred.
無機粒子の平均粒径は31nm以上が好ましく、40nm以上がより好ましく、50nm以上が更に好ましい。平均粒径が31nm以上であることで、無機粒子同士の凝集が抑制され、セパレータの破膜を抑制することができる。一方で、平均粒径は、1000nm以下が好ましく、900nm以下がより好ましく、800nm以下が更に好ましい。平均粒径が1000nm以下であることで、多孔質層Bを延伸する際に界面剥離による空孔形成が抑制されて、多孔質層Bの密度を高められる。なお、平均粒径とは、走査型電子顕微鏡で多孔質層Bを3万倍で観察した際に、視野像の中に確認できる無作為に選ばれた30点の無機粒子の粒子径の平均値を指す。平均粒径を算出する際には、個々の粒子が単独で存在している状態での粒子径を用いるのであって、粒子が凝集している場合には、凝集物を構成する一次粒子の粒子径を用いるものとする。 The average particle size of the inorganic particles is preferably 31 nm or more, more preferably 40 nm or more, and even more preferably 50 nm or more. By having an average particle size of 31 nm or more, aggregation between inorganic particles is suppressed, and the separator can be prevented from breaking. On the other hand, the average particle size is preferably 1000 nm or less, more preferably 900 nm or less, and even more preferably 800 nm or less. By having an average particle size of 1000 nm or less, the formation of voids due to interfacial peeling during stretching of the porous layer B is suppressed, and the density of the porous layer B can be increased. The average particle size refers to the average value of the particle sizes of 30 randomly selected inorganic particles that can be confirmed in the field of view when the porous layer B is observed at 30,000 times magnification with a scanning electron microscope. When calculating the average particle size, the particle size when each particle exists alone is used, and when the particles are aggregated, the particle size of the primary particles that make up the aggregate is used.
炭酸カルシウムなどの炭酸塩は、各種ポリマーの充填剤として古くから汎用されており、充填剤としての性能は様々な用途で実証されている。しかしながら、蓄電デバイス内部という特殊な環境においては、炭酸塩が分解して二酸化炭素を発生させる恐れがあるため、好ましくない。 Carbonates such as calcium carbonate have long been widely used as fillers for various polymers, and their performance as fillers has been proven in a variety of applications. However, in the special environment inside an electricity storage device, carbonates are not preferred because they may decompose and generate carbon dioxide.
また、シリカ及びケイ酸塩鉱物は、蓄電デバイスの使用条件によっては、蓄電デバイス内部で副生するフッ化水素と反応して、四フッ化ケイ素ガスを発生させる可能性がある。結果として、蓄電デバイスが膨張し、蓄電デバイスの安全性や耐久性が損なわれる可能性があるため、好ましくない。 In addition, depending on the conditions of use of the electricity storage device, silica and silicate minerals may react with hydrogen fluoride produced as a by-product inside the electricity storage device to generate silicon tetrafluoride gas. As a result, the electricity storage device may expand, and the safety and durability of the electricity storage device may be compromised, which is undesirable.
無機粒子は、表面処理剤によって表面処理されていても良い。表面処理剤としては、具体的には、ステアリン酸などの飽和脂肪酸及びその塩、オレイン酸などの不飽和脂肪酸及びその塩、ポリシロキサン、及びシランカップリング剤などを用いることができる。ポリオレフィン樹脂との相容性を高める観点からは、無機粒子の表面処理剤としては、好ましくは飽和脂肪酸及びその塩、不飽和脂肪酸及びその塩、並びにシランカップリング剤であり、より好ましくは炭素数8以上の飽和脂肪酸及びその塩、並びに炭素数8以上の不飽和脂肪酸及びその塩であり、更に好ましくは炭素数12以上の飽和脂肪酸及びその塩、並びに炭素数12以上の不飽和脂肪酸及びその塩である。表面処理剤は、1種を単独で用いてもよく、複数種を混合して用いてもよい。 The inorganic particles may be surface-treated with a surface treatment agent. Specifically, the surface treatment agent may be a saturated fatty acid such as stearic acid and its salt, an unsaturated fatty acid such as oleic acid and its salt, polysiloxane, or a silane coupling agent. From the viewpoint of improving compatibility with polyolefin resins, the surface treatment agent for inorganic particles is preferably a saturated fatty acid and its salt, an unsaturated fatty acid and its salt, or a silane coupling agent, more preferably a saturated fatty acid having 8 or more carbon atoms and its salt, or an unsaturated fatty acid having 8 or more carbon atoms and its salt, or even more preferably a saturated fatty acid having 12 or more carbon atoms and its salt, or an unsaturated fatty acid having 12 or more carbon atoms and its salt. The surface treatment agent may be used alone or in combination.
《蓄電デバイス用積層セパレータ》
本実施形態に係る蓄電デバイス用積層セパレータは、ポリオレフィン樹脂の融点を超えるような高温状態での膜抵抗値が高く、絶縁性に優れる。したがって、当該積層セパレータを用いる蓄電デバイスは、何らかの要因で高温になった場合でも安全性を維持することができる。
<Laminated separator for power storage device>
The laminate separator for an electricity storage device according to the present embodiment has a high film resistance at high temperatures exceeding the melting point of the polyolefin resin, and has excellent insulating properties. Therefore, an electricity storage device using the laminate separator can maintain safety even if it becomes hot due to some factor.
蓄電デバイス用積層セパレータの膜抵抗値(Ω・cm2)は、以下に記載する方法で測定する。図1Aに測定装置の概略図を示す。1はセパレータであり、2A及び2Bは実施例に記載した方法で作製された正極及び負極である。3は面積2cm2の真円形の穴が開けられているアラミドフィルムであり、実効電極面積を規定している。4はシリコーンゴムシートであり、1~3の部材に印加される面圧のばらつきを低減する役割がある。5は熱電対が埋め込まれたセラミックプレートである。6はヒーターであり、セパレータを加熱する。7は油圧プレス機であり、1~4の部材に面圧を印加する。8は交流電気抵抗測定装置であり、2A及び2Bの集電体部分と接続されて、2A及び2B間の抵抗値を測定する。9は温度計であり、5の熱電対と接続されて温度を測定する。10はデータコレクターであり、交流電気抵抗測定装置8及び温度計9と接続されて、抵抗値と温度を記録する。
The film resistance value (Ω·cm 2 ) of the laminated separator for an electricity storage device is measured by the method described below. FIG. 1A shows a schematic diagram of the measurement device. 1 is a separator, and 2A and 2B are positive and negative electrodes prepared by the method described in the examples. 3 is an aramid film with a circular hole of 2 cm 2 in area, which defines the effective electrode area. 4 is a silicone rubber sheet, which plays a role in reducing the variation in the surface pressure applied to the
さらに詳細に説明すると、まず、セパレータ1、正極2A及び負極2Bの電極活物質が塗布されている部分に電解液(ホウフッ化リチウム/プロピレンカーボネート/エチレンカーボネート/γ-ブチルラクトン/トリオクチルホスフェート=重量比7.2/23.3/25.7/43.3/0.5)を十分に含浸する。その後、セパレータ1と、正極2A及び負極2Bと、アラミドフィルム3と、シリコーンゴム4とを、図1Bに示すように重ね合わせて、セラミックプレート5上に配置する。
To explain in more detail, first, the
次いで、油圧プレス機7で1~4の部材に面圧4MPaを印加しながら、ヒーター6を昇温して、連続的に温度と抵抗値を測定する。なお、温度は室温23℃から200℃まで10℃/分の速度にて昇温し、抵抗値は1V、1kHzの交流にて測定する。得られた抵抗値(Ω)に実効電極面積2cm2を乗じて、膜抵抗値(Ω・cm2)を算出する。170℃及び200℃膜抵抗値(Ω・cm2)とは、セラミックプレート5に埋め込まれた熱電対で計測された温度がそれぞれ170℃及び200℃のときの膜抵抗値を指す。
Next, the
蓄電デバイス用積層セパレータの170℃膜抵抗値(Ω・cm2)は、積層セパレータの高温における絶縁性を高める観点からは、140Ω・cm2以上が好ましく、160Ω・cm2以上がより好ましく、180Ω・cm2以上が更に好ましい。一方で、積層セパレータの生産性を高める観点からは、170℃膜抵抗値は、10000Ω・cm2以下が好ましく、9000Ω・cm2以下がより好ましく、8000Ω・cm2以下が更に好ましい。 From the viewpoint of improving the insulating properties of the laminated separator at high temperatures, the 170°C membrane resistance value (Ω· cm2 ) of the laminated separator for an electricity storage device is preferably 140 Ω·cm2 or more, more preferably 160 Ω· cm2 or more, and even more preferably 180 Ω· cm2 or more. On the other hand, from the viewpoint of improving the productivity of the laminated separator, the 170°C membrane resistance value is preferably 10,000 Ω·cm2 or less, more preferably 9,000 Ω· cm2 or less, and even more preferably 8,000 Ω· cm2 or less.
蓄電デバイス用積層セパレータの200℃膜抵抗値(Ω・cm2)は、積層セパレータの高温における絶縁性を高める観点からは、200Ω・cm2以上であり、250Ω・cm2以上が好ましく、300Ω・cm2以上がより好ましく、350Ω・cm2以上が更に好ましい。一方で、積層セパレータの生産性を高める観点からは、200℃膜抵抗値は、20000Ω・cm2以下が好ましく、18000Ω・cm2以下がより好ましく、16000Ω・cm2以下が更に好ましい。 From the viewpoint of improving the insulating properties of the laminated separator at high temperatures, the 200°C membrane resistance value (Ω· cm2 ) of the laminated separator for an electricity storage device is 200 Ω· cm2 or more, preferably 250 Ω· cm2 or more, more preferably 300 Ω· cm2 or more, and even more preferably 350 Ω· cm2 or more. On the other hand, from the viewpoint of improving the productivity of the laminated separator, the 200°C membrane resistance value is preferably 20,000 Ω·cm2 or less, more preferably 18,000 Ω· cm2 or less, and even more preferably 16,000 Ω· cm2 or less.
蓄電デバイス用積層セパレータの170℃から200℃の温度域における膜抵抗値増加率(Ω・cm2/℃)は、0Ω・cm2/℃を超えて、好ましくは1Ω・cm2/℃以上であり、より好ましくは2Ω・cm2/℃以上であり、更に好ましくは3Ω・cm2/℃以上である。なお、170℃から200℃の温度域における膜抵抗値増加率は、200℃膜抵抗値(Ω・cm2)から170℃膜抵抗値(Ω・cm2)を差し引き、温度差30℃で除することで、170℃から200℃の温度域における膜抵抗値の1℃当たりの平均増加量として算出することができる。膜抵抗値増加率が高いことは、温度が上がるほどセパレータの絶縁性がより高まることを意味しており、膜抵抗値増加率が高いセパレータを用いると、蓄電デバイスの安全性が向上する。 The membrane resistance value increase rate (Ω·cm 2 /°C) of the laminated separator for an electricity storage device in the temperature range of 170°C to 200°C exceeds 0Ω·cm 2 /°C, and is preferably 1Ω·cm 2 /°C or more, more preferably 2Ω·cm 2 /°C or more, and even more preferably 3Ω·cm 2 /°C or more. The membrane resistance value increase rate in the temperature range of 170 °C to 200°C can be calculated as the average increase in membrane resistance value per 1°C in the temperature range of 170°C to 200°C by subtracting the 170°C membrane resistance value (Ω·cm 2 ) from the 200°C membrane resistance value (Ω·cm 2 ) and dividing by the temperature difference of 30°C. A high membrane resistance value increase rate means that the insulating properties of the separator are improved as the temperature increases, and the use of a separator with a high membrane resistance value increase rate improves the safety of the electricity storage device.
蓄電デバイス用積層セパレータの膜厚は、1μm以上100μm以下が好ましく、より好ましくは2μm以上50μm以下、さらに好ましくは3μm以上25μm以下である。機械的強度を確保する観点から1μm以上の膜厚が好ましく、蓄電デバイスのエネルギー密度を高める観点から100μm以下の膜厚が好ましい。膜厚は、ダイリップ間隔、延伸工程の延伸倍率などを制御することによって調整することができる。 The thickness of the laminated separator for an electricity storage device is preferably 1 μm or more and 100 μm or less, more preferably 2 μm or more and 50 μm or less, and even more preferably 3 μm or more and 25 μm or less. A thickness of 1 μm or more is preferable from the viewpoint of ensuring mechanical strength, and a thickness of 100 μm or less is preferable from the viewpoint of increasing the energy density of the electricity storage device. The thickness can be adjusted by controlling the die lip distance, the stretching ratio in the stretching process, etc.
蓄電デバイス用積層セパレータの平均孔径は、イオン伝導性と耐電圧性を両立する観点から、10nm以上100nm以下が好ましく、20nm以上90nm以下がより好ましく、30nm以上80nm以下がさらに好ましい。平均孔径は、組成比、押出シートの冷却速度、延伸温度、延伸倍率、熱固定温度、熱固定時の延伸倍率、熱固定時の緩和率を制御すること、又はこれらを組み合わせることにより調整することができる。 From the viewpoint of achieving both ionic conductivity and voltage resistance, the average pore size of the laminated separator for an electric storage device is preferably 10 nm or more and 100 nm or less, more preferably 20 nm or more and 90 nm or less, and even more preferably 30 nm or more and 80 nm or less. The average pore size can be adjusted by controlling the composition ratio, the cooling rate of the extruded sheet, the stretching temperature, the stretching ratio, the heat setting temperature, the stretching ratio during heat setting, and the relaxation rate during heat setting, or by combining these.
蓄電デバイス用積層セパレータの気孔率は、好ましくは25%以上95%以下、より好ましく30%以上90%以下、更に好ましくは35%以上85%以下、特に好ましくは40%以上80%以下である。イオン伝導性を向上するためには、25%以上の気孔率が好ましく、耐電圧性を確保するためには95%以下の気孔率が好ましい。セパレータの気孔率は、多孔質層A及び多孔質層Bの組成、延伸温度、延伸倍率、熱固定温度、熱固定時の延伸倍率、熱固定時の緩和率を制御すること、又はこれらを組み合わせることによって調整することができる。 The porosity of the laminated separator for an electricity storage device is preferably 25% or more and 95% or less, more preferably 30% or more and 90% or less, even more preferably 35% or more and 85% or less, and particularly preferably 40% or more and 80% or less. In order to improve ionic conductivity, a porosity of 25% or more is preferable, and in order to ensure voltage resistance, a porosity of 95% or less is preferable. The porosity of the separator can be adjusted by controlling the composition of the porous layer A and the porous layer B, the stretching temperature, the stretching ratio, the heat setting temperature, the stretching ratio during heat setting, and the relaxation rate during heat setting, or by combining these.
蓄電デバイス用積層セパレータの透気度は、好ましくは30秒/100ml以上、より好ましくは40秒/100ml以上、更に好ましくは50秒/100ml以上である。透気度が30秒/100ml以上であると、蓄電デバイスのセパレータとして使用した際に自己放電が抑制される傾向にある。一方で、透気度は、好ましくは150秒/100ml以下、より好ましくは140秒/100ml以下、更に好ましくは130秒/100ml以下である。透気度が150秒/100ml以下であると、蓄電デバイスのセパレータとして使用した際に良好な入出力特性が得られる傾向にあるため好ましい。 The air permeability of the laminated separator for an electricity storage device is preferably 30 sec/100 ml or more, more preferably 40 sec/100 ml or more, and even more preferably 50 sec/100 ml or more. If the air permeability is 30 sec/100 ml or more, self-discharge tends to be suppressed when used as a separator for an electricity storage device. On the other hand, the air permeability is preferably 150 sec/100 ml or less, more preferably 140 sec/100 ml or less, and even more preferably 130 sec/100 ml or less. If the air permeability is 150 sec/100 ml or less, good input/output characteristics tend to be obtained when used as a separator for an electricity storage device, which is preferable.
本実施形態の蓄電デバイス用積層セパレータの高温における絶縁性が高い理由は必ずしも明らかではなく、後述する作用又は原理によるものに限定されないが、本実施形態のセパレータは、主にポリオレフィン樹脂から成る多孔質層Aと、主に無機粒子から成る多孔質層Bとの界面が良好に形成されているからであると考えられる。塗工によって無機層を形成すると、乾燥によって媒体を揮発させる際に、基材と無機層の界面にバインダーや分散剤などの成分が偏析してしまうことがある。その場合、基材と無機層の相互作用が弱まり、高温状態などの厳しい条件においては、溶融した基材と無機層が分離してしまい、絶縁性が維持されず、膜抵抗値が下がる可能性がある。本実施形態の蓄電デバイス用積層セパレータは、共押出法で多孔質層Aと多孔質層Bを積層しているため、多孔質層Aと多孔質層Bの界面に何らかの成分が偏析することがなく、高温状態においても多孔質層Aと多孔質層Bが分離しないものと考えられる。 The reason why the laminate separator for a power storage device of this embodiment has high insulation at high temperatures is not necessarily clear, and is not limited to the action or principle described below, but it is believed that the separator of this embodiment has a good interface between the porous layer A, which is mainly made of polyolefin resin, and the porous layer B, which is mainly made of inorganic particles. When the inorganic layer is formed by coating, components such as binders and dispersants may segregate at the interface between the substrate and the inorganic layer when the medium is volatilized by drying. In that case, the interaction between the substrate and the inorganic layer is weakened, and under severe conditions such as high temperature conditions, the molten substrate and the inorganic layer may separate, the insulation may not be maintained, and the film resistance value may decrease. In the laminate separator for a power storage device of this embodiment, the porous layer A and the porous layer B are laminated by a co-extrusion method, so that it is believed that no components segregate at the interface between the porous layer A and the porous layer B, and the porous layer A and the porous layer B do not separate even at high temperatures.
また、本実施形態の蓄電デバイス用積層セパレータの一つの特徴として、ポリオレフィン樹脂が溶融するような高温状態において、温度が上がるほど膜抵抗値が増加することが挙げられる。本実施形態のセパレータは、多孔質層Bに含有される無機粒子に特定の表面処理を施していることで、無機粒子と多孔質層Aに含まれるポリオレフィン樹脂の親和性が高まり、高温において多孔質層Bと多孔質層Aの複合化が進み、膜抵抗値が増加している可能性がある。 One of the features of the laminated separator for an electricity storage device of this embodiment is that, at high temperatures where the polyolefin resin melts, the membrane resistance value increases as the temperature rises. In the separator of this embodiment, the inorganic particles contained in porous layer B are subjected to a specific surface treatment, which increases the affinity between the inorganic particles and the polyolefin resin contained in porous layer A, and the porous layers B and A are more likely to be combined at high temperatures, resulting in an increase in membrane resistance value.
さらに、本実施形態の蓄電デバイス用積層セパレータは、従来の共押出法で作製された積層セパレータと比較して、多孔質層Bの気孔率が低い、すなわち多孔質層Bの密度が高い。一般的に、セパレータの製作工程には面倍率50倍以上に延伸する工程が含まれる。このような工程を経ると、無機粒子を多量に含む多孔質層Bは、破膜することが多く、仮に延伸できたとしても多孔質層Bの気孔率が必要以上に高くなり易い。本実施形態の蓄電デバイス用積層セパレータは、多孔質層Bの密度を高められているため、高温状態において絶縁性が維持され易く、膜抵抗値が高いものと推定される。 Furthermore, the laminate separator for an electric storage device of this embodiment has a lower porosity of the porous layer B, i.e., a higher density of the porous layer B, compared to a laminate separator produced by a conventional co-extrusion method. Generally, the process of producing a separator includes a process of stretching the separator to an areal ratio of 50 times or more. After such a process, the porous layer B containing a large amount of inorganic particles is likely to break, and even if it can be stretched, the porosity of the porous layer B is likely to be higher than necessary. Since the density of the porous layer B of the laminate separator for an electric storage device of this embodiment is increased, it is assumed that the insulating properties are easily maintained at high temperatures and the membrane resistance value is high.
《蓄電デバイス用積層セパレータの製造方法》
本発明の蓄電デバイス用積層セパレータを得るための製造方法に関して一例を記述するが、必ずしも本例に限定される訳ではない。セパレータの製造方法は、例えば、以下の工程:
(1)ポリオレフィン樹脂及び可塑剤を溶融混練して多孔質層Aを構成するための溶融物を得る工程、
(2)無機粒子、ポリオレフィン樹脂、及び可塑剤を溶融混練して多孔質層Bを構成するための溶融物を得る工程、
(3)多孔質層A及び多孔質層Bが積層されたシート状溶融物を成形する工程、
(4)シート状溶融物を冷却固化する工程、
(5)シート状成形物を面倍率20倍以上200倍未満で、少なくとも一軸方向に延伸する工程、
(6)シート状成形物から可塑剤を抽出する工程、
を含んでいてもよい。
<<Method for producing laminated separator for power storage device>>
An example of a method for producing a laminated separator for an electric storage device according to the present invention will be described below, but the method is not necessarily limited to this example. The method for producing a separator may, for example, include the following steps:
(1) A step of melt-kneading a polyolefin resin and a plasticizer to obtain a melt for forming the porous layer A;
(2) A step of melt-kneading inorganic particles, a polyolefin resin, and a plasticizer to obtain a molten material for forming the porous layer B;
(3) A step of forming a sheet-like melt in which the porous layer A and the porous layer B are laminated;
(4) cooling and solidifying the sheet-like melt;
(5) stretching the sheet-like molded product at least uniaxially at an areal magnification of 20 times or more but less than 200 times;
(6) A step of extracting the plasticizer from the sheet-like molding.
may also include
(1)の工程では、ポリオレフィン樹脂及び可塑剤を溶融混練する。溶融混練方法としては、例えば、ポリオレフィン樹脂、可塑剤、及び必要に応じてその他の添加剤とを押出機、ニーダー、ラボプラストミル、混練ロール、バンバリーミキサーなどの樹脂混練装置に投入することで、樹脂成分を加熱溶融させながら任意の比率で可塑剤を導入して混練する方法が挙げられる。 In step (1), the polyolefin resin and the plasticizer are melt-kneaded. Examples of the melt-kneading method include a method in which the polyolefin resin, the plasticizer, and other additives as necessary are fed into a resin kneading device such as an extruder, kneader, lab plastomill, kneading roll, or Banbury mixer, and the plasticizer is introduced at any ratio while the resin components are heated and melted, and kneaded.
可塑剤としては、特に限定されないが、ポリオレフィン樹脂の融点以上において均一溶液を形成し得る不揮発性溶媒を用いることが好ましい。このような不揮発性溶媒の具体例としては、例えば、流動パラフィン、パラフィンワックスなどの炭化水素類;フタル酸ジオクチル、フタル酸ジブチルなどのエステル類;オレイルアルコール、ステアリルアルコールなどの高級アルコールなどが挙げられる。なお、これらの可塑剤は、抽出後、蒸留などの操作により回収して再利用してよい。 The plasticizer is not particularly limited, but it is preferable to use a non-volatile solvent that can form a homogeneous solution at or above the melting point of the polyolefin resin. Specific examples of such non-volatile solvents include, for example, hydrocarbons such as liquid paraffin and paraffin wax; esters such as dioctyl phthalate and dibutyl phthalate; and higher alcohols such as oleyl alcohol and stearyl alcohol. After extraction, these plasticizers may be recovered and reused by operations such as distillation.
また、樹脂混練装置に投入する前に、ポリオレフィン樹脂、及び必要に応じてその他の添加剤を、予めヘンシェルミキサーなどを用いて所定の割合で事前混練しておくことが好ましい。事前混練では、可塑剤を投入しないことが好ましく、可塑剤を投入するとしても、その一部のみを投入し、残りの可塑剤は、樹脂混練装置に適宜加温しサイドフィードしながら混練することが好ましい。このような混練方法を用いることにより、可塑剤の分散性が高まり、後の工程でシート状成形物を延伸する際に、破膜することなく高倍率で延伸することができる傾向にある。 In addition, it is preferable to pre-mix the polyolefin resin and, if necessary, other additives in a predetermined ratio using a Henschel mixer or the like before feeding them into the resin kneading device. It is preferable not to add a plasticizer in the pre-kneading, and if a plasticizer is added, it is preferable to add only a portion of it, and knead the remaining plasticizer while heating it appropriately and side-feeding it into the resin kneading device. By using such a kneading method, the dispersibility of the plasticizer is increased, and when the sheet-shaped molded product is stretched in the subsequent process, it tends to be possible to stretch it at a high ratio without film rupture.
可塑剤の中でも、流動パラフィンは、ポリオレフィン樹脂がポリエチレン又はポリプロピレンの場合には、これらとの相容性が高く、溶融混練物を延伸しても樹脂と可塑剤の界面剥離が起こり難く、均一な延伸が実施し易くなる傾向にあるため好ましい。 Among plasticizers, liquid paraffin is preferred because it has high compatibility with the polyolefin resin when it is polyethylene or polypropylene, and when the molten mixture is stretched, it is less likely to cause interfacial peeling between the resin and the plasticizer, making it easier to achieve uniform stretching.
ポリオレフィン樹脂及び可塑剤の比率は、これらを均一に溶融混練して、シート状に成形できる範囲であれば特に限定はない。例えば、ポリオレフィン樹脂及び可塑剤からなる組成物中に占める可塑剤の質量分率は、好ましくは10質量%以上90質量%以下、より好ましくは20質量%以上80質量%以下である。可塑剤の質量分率が90質量%以下であると、溶融成形時のメルトテンションが成形性向上のために十分なものとなる傾向にある。一方、可塑剤の質量分率が10質量%以上であると、ポリオレフィン樹脂組成物と可塑剤との混合物を高倍率で延伸した場合でもポリオレフィン分子鎖の切断が起こらず、均一かつ微細な孔構造が形成される傾向にある。 There is no particular limitation on the ratio of the polyolefin resin and the plasticizer, so long as they can be uniformly melt-kneaded and molded into a sheet. For example, the mass fraction of the plasticizer in a composition consisting of the polyolefin resin and the plasticizer is preferably 10% by mass or more and 90% by mass or less, more preferably 20% by mass or more and 80% by mass or less. When the mass fraction of the plasticizer is 90% by mass or less, the melt tension during melt molding tends to be sufficient to improve moldability. On the other hand, when the mass fraction of the plasticizer is 10% by mass or more, even when the mixture of the polyolefin resin composition and the plasticizer is stretched at a high ratio, the polyolefin molecular chains do not break, and a uniform and fine pore structure tends to be formed.
(2)の工程では、無機粒子、ポリオレフィン樹脂、及び可塑剤を溶融混練する。溶融混練方法としては、例えば、無機粒子、ポリオレフィン樹脂、可塑剤、及び必要に応じてその他の添加剤とを押出機、ニーダー、ラボプラストミル、混練ロール、バンバリーミキサーなどの樹脂混練装置に投入することで、樹脂成分を加熱溶融させながら任意の比率で可塑剤を導入して混練する方法が挙げられる。 In step (2), inorganic particles, polyolefin resin, and plasticizer are melt-kneaded. Examples of the melt-kneading method include a method in which inorganic particles, polyolefin resin, plasticizer, and other additives as necessary are fed into a resin kneading device such as an extruder, kneader, lab plastomill, kneading roll, or Banbury mixer, and the plasticizer is introduced at any ratio while the resin components are heated and melted, and kneaded.
可塑剤としては、特に限定されないが、(1)の工程で用いる可塑剤と同じものを使用することが好ましい。また、樹脂混練装置に投入する前に、無機粒子、ポリオレフィン樹脂、及び必要に応じてその他の添加剤を、予めヘンシェルミキサーなどを用いて所定の割合で事前混練しておくことが好ましい。事前混練では、可塑剤を投入しないことが好ましく、可塑剤を投入するとしても、その一部のみを投入し、残りの可塑剤は、樹脂混練装置に適宜加温しサイドフィードしながら混練することが好ましい。さらに、事前混練された混合物をローラーミル、ジェットミル、ハンマーミル、ピンミル、遊星ミル、振動ミル、ビーズミルなどを用いて、十分に解砕することが好ましい。このような混練方法を用いることにより組成物の均一性が高まり、後の工程でシート状成形物を延伸する際に、破膜することなく高倍率で延伸することができる傾向にある。 The plasticizer is not particularly limited, but it is preferable to use the same plasticizer as that used in step (1). In addition, it is preferable to pre-mix the inorganic particles, polyolefin resin, and other additives as necessary in a predetermined ratio using a Henschel mixer or the like before feeding them into the resin kneading device. It is preferable not to feed the plasticizer in the pre-kneading, and even if a plasticizer is added, it is preferable to add only a part of it, and knead the remaining plasticizer while appropriately heating it and side-feeding it into the resin kneading device. Furthermore, it is preferable to thoroughly disintegrate the pre-kneaded mixture using a roller mill, jet mill, hammer mill, pin mill, planetary mill, vibration mill, bead mill, or the like. By using such a kneading method, the uniformity of the composition is increased, and when the sheet-shaped molded product is stretched in the subsequent step, it tends to be possible to stretch it at a high ratio without film breakage.
無機粒子、ポリオレフィン樹脂、及び可塑剤の比率は、これらを均一に溶融混練して、シート状に成形できる範囲であれば特に限定はない。例えば、無機粒子、ポリオレフィン樹脂、及び可塑剤からなる組成物中に占める可塑剤の質量分率は、好ましくは1質量%以上50質量%以下、より好ましくは5質量%以上45質量%以下、更に好ましくは10質量%以上40質量%以下である。可塑剤の質量分率が50質量%以下であると、溶融成形時のメルトテンションが成形性向上のために十分なものとなる傾向にある。一方、可塑剤の質量分率が1質量%以上であると、溶融混練物に柔軟性が付与されて、混練物を高倍率で延伸した場合でも均一かつ微細な孔構造が形成される傾向にある。 The ratio of inorganic particles, polyolefin resin, and plasticizer is not particularly limited as long as they can be uniformly melted and kneaded and molded into a sheet. For example, the mass fraction of the plasticizer in a composition consisting of inorganic particles, polyolefin resin, and plasticizer is preferably 1% by mass or more and 50% by mass or less, more preferably 5% by mass or more and 45% by mass or less, and even more preferably 10% by mass or more and 40% by mass or less. When the mass fraction of the plasticizer is 50% by mass or less, the melt tension during melt molding tends to be sufficient to improve moldability. On the other hand, when the mass fraction of the plasticizer is 1% by mass or more, flexibility is imparted to the melt-kneaded product, and a uniform and fine pore structure tends to be formed even when the kneaded product is stretched at a high ratio.
(3)の工程では、多孔質層A及び多孔質層Bが積層されたシート状溶融物を作製する。積層シート状溶融物を成形する方法としては、各層をダイ内で層状に組み合せてシート状に押し出す方法(ダイ内接着法)、或いは各層を複数のダイからシート状に押し出してダイ外で接合する方法(ダイ外接着法)が挙げられるが、多孔質層A及び多孔質層Bの接着強度を高める観点からは、ダイ内接着法が好ましい。 In step (3), a sheet-like molten material is produced in which porous layer A and porous layer B are laminated. Methods for forming the laminated sheet-like molten material include a method in which each layer is combined in a die and extruded into a sheet (intra-die bonding method), and a method in which each layer is extruded into a sheet from multiple dies and bonded outside the die (extra-die bonding method). From the viewpoint of increasing the adhesive strength of porous layer A and porous layer B, the intra-die bonding method is preferred.
積層シート状溶融物を成形するための押出方法として、例えば、フラットダイ法及びインフレーション法を用いることができる。いずれの方法においても、ダイ内接着する場合は、多孔質層A及び多孔質層Bの溶融物を積層用ダイの別々のマニホールドに供給してダイリップ入口で層状に接合する方法(多数マニホールド法)、又は各溶融物を予め層状に組合せてダイに供給する方法(フィードブロック法)のいずれを用いてもよい。フラットダイのリップ間隔は、200μm以上3,000μm以下であることが好ましく、500μm以上2,500μm以下であることがより好ましい。ダイリップ間隔が200μm以上であると、メヤニ、スジ、欠点などが発生し辛く、セパレータの品位が向上する。一方で、ダイリップ間隔が3,000μm以下であると、積層シート状溶融物の冷却速度が高まり、冷却ムラを防げると共に、シートの厚み安定性を維持できる。 For example, the flat die method and the inflation method can be used as an extrusion method for forming the laminated sheet-like melt. In either method, when bonding in the die, either the method of feeding the melts of the porous layer A and the porous layer B to separate manifolds of the lamination die and bonding them in layers at the die lip inlet (multiple manifold method) or the method of combining each melt in layers in advance and feeding them to the die (feed block method) can be used. The lip spacing of the flat die is preferably 200 μm or more and 3,000 μm or less, and more preferably 500 μm or more and 2,500 μm or less. If the die lip spacing is 200 μm or more, it is difficult for scum, streaks, defects, etc. to occur, and the quality of the separator is improved. On the other hand, if the die lip spacing is 3,000 μm or less, the cooling speed of the laminated sheet-like melt is increased, preventing uneven cooling and maintaining the thickness stability of the sheet.
(4)の工程では、シート状溶融物を冷却固化し、シート状成形物を作製する。シート状溶融物を冷却固化する方法としては、例えば、シート状溶融物を熱伝導体に接触させて、樹脂成分の結晶化温度より充分に低い温度まで冷却固化する方法が挙げられる。冷却固化に用いられる熱伝導体としては、金属、水、空気、及び可塑剤などが挙げられる。これらの中でも、熱伝導の効率が高いため、金属製のロールを用いることが好ましい。また、押出した混練物を金属製のロールに接触させる際に、ロール間で挟み込むことは、熱伝導の効率がさらに高まり、シートが配向して膜強度が増し、加えてシートの表面平滑性も向上する傾向にあるためより好ましい In step (4), the sheet-shaped molten material is cooled and solidified to produce a sheet-shaped molded product. For example, the sheet-shaped molten material can be cooled and solidified by contacting it with a thermal conductor and cooling it to a temperature sufficiently lower than the crystallization temperature of the resin component. Examples of thermal conductors used for cooling and solidifying include metal, water, air, and plasticizers. Among these, it is preferable to use a metal roll because of its high thermal conductivity. In addition, it is more preferable to sandwich the extruded kneaded material between the metal rolls when contacting them, because this further increases the thermal conductivity, orients the sheet, increasing the film strength, and also tends to improve the surface smoothness of the sheet.
また、シート状成形物を圧延してもよい。圧延は、例えば、ダブルベルトプレス機などを使用したプレス法にて実施することができる。圧延を施すことにより、特に表層部分の配向を増すことができる。圧延面倍率は1倍を超えて3倍以下であることが好ましく、1倍を超えて2倍以下であることがより好ましい。圧延倍率が1倍を超えると、面配向が増加し、最終的に得られるセパレータの膜強度が増加する傾向にある。一方、圧延倍率が3倍以下であると、表層部分と中心内部の配向差が小さく、膜の厚さ方向に均一な多孔構造を形成することができる傾向にある。 The sheet-shaped molded product may also be rolled. Rolling can be performed, for example, by a pressing method using a double belt press or the like. Rolling can increase the orientation, particularly in the surface layer portion. The rolling area ratio is preferably more than 1 and not more than 3, and more preferably more than 1 and not more than 2. If the rolling ratio exceeds 1, the surface orientation increases, and the membrane strength of the finally obtained separator tends to increase. On the other hand, if the rolling ratio is 3 or less, the difference in orientation between the surface layer portion and the central interior is small, and a uniform porous structure tends to be formed in the thickness direction of the membrane.
(5)の工程では、シート状成形物を延伸する。延伸は上記シート状成形物から可塑剤を抽出した後に行ってもよい。さらに、上記シート状成形物から可塑剤を抽出する前と後に行ってもよい。 In step (5), the sheet-like molded product is stretched. The stretching may be performed after the plasticizer is extracted from the sheet-like molded product. Furthermore, the stretching may be performed both before and after the plasticizer is extracted from the sheet-like molded product.
延伸処理としては、一軸延伸又は二軸延伸のいずれも好適に用いることができるが、得られるセパレータの強度を向上させる観点から二軸延伸が好ましい。シート状成形物を二軸方向に高倍率延伸すると、分子が面方向に配向し、最終的に得られるセパレータが裂け難くなり、高い突刺強度を有するものとなる。延伸方法としては、例えば、同時二軸延伸、逐次二軸延伸、多段延伸、多数回延伸などの方法を挙げることができる。突刺強度の向上、延伸の均一性、フューズ特性の観点からは同時二軸延伸が好ましい。また、面配向の制御容易性の観点からは遂次二軸延伸が好ましい。 As the stretching process, either uniaxial stretching or biaxial stretching can be suitably used, but biaxial stretching is preferred from the viewpoint of improving the strength of the resulting separator. When a sheet-like molded product is stretched in the biaxial direction at a high magnification, the molecules are oriented in the plane direction, and the finally obtained separator becomes less likely to tear and has high puncture strength. Examples of the stretching method include simultaneous biaxial stretching, sequential biaxial stretching, multi-stage stretching, and multiple stretching. Simultaneous biaxial stretching is preferred from the viewpoints of improving puncture strength, uniformity of stretching, and fuse characteristics. Furthermore, sequential biaxial stretching is preferred from the viewpoint of ease of control of plane orientation.
同時二軸延伸とは、MD(セパレータ連続成形の機械方向)の延伸とTD(セパレータのMDを90°の角度で横切る方向)の延伸が同時に施される延伸方法をいい、各方向の延伸倍率は異なってもよい。逐次二軸延伸とは、MD及びTDの延伸が独立して施される延伸方法をいい、MD又はTDに延伸がなされているときは、他方向は非拘束状態又は定長に固定されている状態とする。 Simultaneous biaxial stretching refers to a stretching method in which stretching in MD (machine direction of separator continuous molding) and stretching in TD (direction crossing the separator MD at an angle of 90°) are performed simultaneously, and the stretching ratio in each direction may be different. Sequential biaxial stretching refers to a stretching method in which stretching in MD and TD is performed independently, and while stretching is performed in MD or TD, the other direction is in an unconstrained state or fixed at a fixed length.
延伸倍率は、面倍率で20倍以上200倍以下の範囲であることが好ましく、25倍以上150倍以下の範囲であることがより好ましい。各軸方向の延伸倍率は、MDに4倍以上15倍以下、TDに4倍以上15倍以下の範囲であることが好ましく、MDに5倍以上12倍以下、TDに5倍以上12倍以下の範囲であることがより好ましい。総面積倍率が25倍以上であると、得られるセパレータに十分な強度を付与できる傾向にあり、一方、総面積倍率が200倍以下であると、延伸工程でのセパレータの破断を防ぎ、高い生産性が得られる傾向にある。 The stretching ratio is preferably in the range of 20 to 200 times in area ratio, and more preferably in the range of 25 to 150 times. The stretching ratio in each axial direction is preferably in the range of 4 to 15 times in MD and 4 to 15 times in TD, and more preferably in the range of 5 to 12 times in MD and 5 to 12 times in TD. If the total area ratio is 25 times or more, the obtained separator tends to have sufficient strength, while if the total area ratio is 200 times or less, breakage of the separator during the stretching process tends to be prevented and high productivity tends to be obtained.
(6)の工程では、シート状成形物から可塑剤を除去してセパレータを形成する。可塑剤を除去する方法としては、例えば、抽出溶剤にシート状成形物を浸漬して可塑剤を抽出し、充分に乾燥させる方法が挙げられる。可塑剤を抽出する方法は、バッチ式と連続式のいずれであってもよい。セパレータの収縮を抑えるために、浸漬及び乾燥の一連の工程中にシート状成形物の端部を拘束することが好ましい。また、セパレータ中の可塑剤残存量は、セパレータ全体の質量に対して1質量%未満に調整することが好ましい。 In step (6), the plasticizer is removed from the sheet-like molded product to form a separator. For example, the plasticizer may be removed by immersing the sheet-like molded product in an extraction solvent to extract the plasticizer, followed by thorough drying. The method for extracting the plasticizer may be either a batch method or a continuous method. In order to prevent the separator from shrinking, it is preferable to restrain the ends of the sheet-like molded product during the series of immersion and drying steps. In addition, it is preferable to adjust the amount of plasticizer remaining in the separator to less than 1% by mass relative to the mass of the entire separator.
可塑剤を抽出する際に用いられる抽出溶剤としては、ポリオレフィン樹脂に対して貧溶媒であり、かつ可塑剤に対して良溶媒であり、沸点がポリオレフィン樹脂の融点より低いものを用いることが好ましい。このような抽出溶剤としては、例えば、n-ヘキサン、シクロヘキサンなどの炭化水素類;塩化メチレン、1,1,1-トリクロロエタンなどのハロゲン化炭化水素類;ハイドロフルオロエーテル、ハイドロフルオロカーボンなどの非塩素系ハロゲン化溶剤;エタノール、イソプロパノールなどのアルコール類;ジエチルエーテル、テトラヒドロフランなどのエーテル類;アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン類が挙げられる。なお、これらの抽出溶剤は、蒸留などの操作により回収して再利用してもよい。 The extraction solvent used to extract the plasticizer is preferably a poor solvent for the polyolefin resin and a good solvent for the plasticizer, with a boiling point lower than the melting point of the polyolefin resin. Examples of such extraction solvents include hydrocarbons such as n-hexane and cyclohexane; halogenated hydrocarbons such as methylene chloride and 1,1,1-trichloroethane; non-chlorine halogenated solvents such as hydrofluoroethers and hydrofluorocarbons; alcohols such as ethanol and isopropanol; ethers such as diethyl ether and tetrahydrofuran; and ketones such as acetone and methyl ethyl ketone. These extraction solvents may be recovered and reused by operations such as distillation.
セパレータの収縮を抑制するために、延伸工程後、又は、セパレータ形成後に熱固定を目的として熱処理を行うこともできる。また、セパレータに、界面活性剤などによる親水化処理、電離性放射線などによる架橋処理などの後処理を行ってもよい。 To suppress the shrinkage of the separator, a heat treatment can be performed for the purpose of heat fixing after the stretching process or after the separator is formed. The separator may also be subjected to post-treatment such as hydrophilization treatment using a surfactant or cross-linking treatment using ionizing radiation.
セパレータには、収縮を抑制する観点から熱固定を目的として熱処理を施すことが好ましい。熱処理の方法としては、物性の調整を目的として、所定の温度雰囲気及び所定の延伸率で行う延伸操作、及び/又は、延伸応力低減を目的として、所定の温度雰囲気及び所定の緩和率で行う緩和操作が挙げられる。延伸操作を行った後に緩和操作を行ってもよい。これらの熱処理は、テンター又はロール延伸機を用いて行うことができる。 The separator is preferably heat-treated for the purpose of heat setting in order to suppress shrinkage. Heat treatment methods include a stretching operation carried out in a predetermined temperature atmosphere and at a predetermined stretching rate for the purpose of adjusting physical properties, and/or a relaxation operation carried out in a predetermined temperature atmosphere and at a predetermined relaxation rate for the purpose of reducing stretching stress. A relaxation operation may be carried out after the stretching operation. These heat treatments can be carried out using a tenter or roll stretching machine.
延伸操作は、膜のMD及び/又はTDに好ましくは1.1倍以上、より好ましくは1.2倍以上の延伸を施すことが、更なる高強度かつ高気孔率なセパレータが得られる観点から好ましい。緩和操作は、膜のMD及び/又はTDへの縮小操作のことである。緩和率とは、緩和操作後の膜の寸法を緩和操作前の膜の寸法で除した値のことである。なお、MDとTDの双方を緩和した場合は、緩和率はMDの緩和率とTDの緩和率を乗じた値のことである。緩和率は、1.0以下であることが好ましく、0.97以下であることがより好ましく、0.95以下であることがさらに好ましい。緩和率はセパレータの品位を高める観点から0.5以上であることが好ましい。緩和操作は、MDとTDの両方向で行ってもよいが、MDとTDの片方だけ行ってもよい。 The stretching operation is preferably performed in the MD and/or TD of the membrane by 1.1 times or more, more preferably 1.2 times or more, from the viewpoint of obtaining a separator with even higher strength and higher porosity. The relaxation operation is a reduction operation in the MD and/or TD of the membrane. The relaxation rate is the value obtained by dividing the dimension of the membrane after the relaxation operation by the dimension of the membrane before the relaxation operation. When both the MD and TD are relaxed, the relaxation rate is the value obtained by multiplying the relaxation rate of the MD and the relaxation rate of the TD. The relaxation rate is preferably 1.0 or less, more preferably 0.97 or less, and even more preferably 0.95 or less. The relaxation rate is preferably 0.5 or more from the viewpoint of improving the quality of the separator. The relaxation operation may be performed in both the MD and TD directions, but may be performed in only one of the MD and TD directions.
この可塑剤抽出後の延伸及び緩和操作は、好ましくはTDに行う。延伸及び緩和操作の温度は、ポリオレフィン樹脂の融点(以下、「Tm」ともいう。)と比較して、好ましくはTm-20℃以上Tm+20℃以下、より好ましくはTm-10℃以上Tm+10℃以下である。延伸及び緩和操作の温度が上記範囲であると、熱収縮率低減と気孔率とのバランスの観点から好ましい。 The stretching and relaxation operations after the extraction of the plasticizer are preferably performed in TD. The temperature of the stretching and relaxation operations is preferably Tm-20°C or more and Tm+20°C or less, more preferably Tm-10°C or more and Tm+10°C or less, compared to the melting point (hereinafter also referred to as "Tm") of the polyolefin resin. If the temperature of the stretching and relaxation operations is in the above range, it is preferable from the viewpoint of the balance between the reduction of the thermal shrinkage rate and the porosity.
本実施形態の蓄電デバイス用積層セパレータは、単独でも蓄電デバイスのセパレータとして十分に機能するが、必要に応じて、無機材料及び/又は有機材料を塗布してもよい。 The laminated separator for an electricity storage device of this embodiment functions sufficiently as a separator for an electricity storage device by itself, but may be coated with an inorganic material and/or an organic material as necessary.
《蓄電デバイス》
本実施形態の蓄電デバイスは、正極と、負極と、本実施形態に係る蓄電デバイス用積層セパレータとを備える。蓄電デバイスとしては、具体的には、リチウム二次電池、リチウムイオン二次電池、ナトリウム二次電池、ナトリウムイオン二次電池、カリウム二次電池、カリウムイオン二次電池、マグネシウム二次電池、マグネシウムイオン二次電池、カルシウム二次電池、カルシウムイオン二次電池、アルミニウム二次電池、アルミニウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、レドックスフロー電池、リチウム硫黄電池、リチウム空気電池、亜鉛空気電池などが挙げられる。上記の中でも、実用性の観点から、リチウム二次電池、リチウムイオン二次電池、カリウムイオン二次電池、ニッケル水素電池、又はリチウムイオンキャパシタが好ましく、より好ましくはリチウムイオン二次電池又はカリウムイオン二次電池である。
<Electricity storage device>
The electric storage device of the present embodiment includes a positive electrode, a negative electrode, and the laminated separator for an electric storage device according to the present embodiment. Specific examples of the electric storage device include lithium secondary batteries, lithium ion secondary batteries, sodium secondary batteries, sodium ion secondary batteries, potassium secondary batteries, potassium ion secondary batteries, magnesium secondary batteries, magnesium ion secondary batteries, calcium secondary batteries, calcium ion secondary batteries, aluminum secondary batteries, aluminum ion secondary batteries, nickel hydrogen batteries, nickel cadmium batteries, electric double layer capacitors, lithium ion capacitors, redox flow batteries, lithium sulfur batteries, lithium air batteries, and zinc air batteries. Among the above, from the viewpoint of practicality, lithium secondary batteries, lithium ion secondary batteries, potassium ion secondary batteries, nickel hydrogen batteries, or lithium ion capacitors are preferred, and lithium ion secondary batteries or potassium ion secondary batteries are more preferred.
本実施形態の蓄電デバイスは、例えば、上述の正極と負極とを、セパレータを介して重ね合わせて、必要に応じて捲回して、積層電極体又は捲回電極体とした後、これを外装体に装填し、正負極と外装体の正負極端子とをリード体などを介して接続し、さらに、鎖状又は環状カーボネートなどの非水溶媒とリチウム塩などの電解質を含む非水電解液を外装体内に注入した後に外装体を封止して作製することができる。 The electricity storage device of this embodiment can be produced, for example, by stacking the above-mentioned positive and negative electrodes with a separator between them and winding them as necessary to form a laminated electrode body or a wound electrode body, which is then loaded into an exterior body, connecting the positive and negative electrodes to the positive and negative electrode terminals of the exterior body via a lead body or the like, and further injecting a nonaqueous electrolyte solution containing a nonaqueous solvent such as a chain or cyclic carbonate and an electrolyte such as a lithium salt into the exterior body, and then sealing the exterior body.
蓄電デバイスの外装体としては、特に限定されないが、金属製の缶容器、金属箔ラミネートフィルムから成るラミネート容器などを好適に用いることができる。なお、蓄電デバイスの形状としては、特に限定されず、一例を挙げると、円筒形、角型、コイン型、扁平形、シート状などの形状が採用される。 The exterior of the electricity storage device is not particularly limited, but a metal can container, a laminate container made of a metal foil laminate film, etc. can be suitably used. The shape of the electricity storage device is not particularly limited, and examples of shapes that can be used include a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, a flat shape, and a sheet shape.
《正極》
正極は、正極活物質に、アセチレンブラックなどの導電助剤、ポリフッ化ビニリデンなどの結着剤を適量加えて、正極合剤を調製し、これをアルミニウム箔などの集電材料に塗布乾燥後に加圧することで、集電材料上に正極合剤層を固着させて作製される。ただし、正極の作製方法は、上記例示の方法に限定されない。
Positive pole
The positive electrode is prepared by adding an appropriate amount of a conductive assistant such as acetylene black and a binder such as polyvinylidene fluoride to a positive electrode active material to prepare a positive electrode mixture, which is then applied to a current collecting material such as aluminum foil, dried, and then pressed to fix a positive electrode mixture layer onto the current collecting material. However, the method for preparing the positive electrode is not limited to the above-mentioned example method.
正極活物質としては、特に限定されないが、蓄電デバイスのエネルギー密度及び耐久性を高める観点から、好ましくは、一般式LiNixCoyMa1-x-yO2{式中、Maは、Mn及びAlから成る群より選ばれる一種以上を表し、0≦x≦1であり、0≦y≦1であり、かつx+y≦1である。}で示される層状酸化物正極活物質;一般式LiMn2-xMbxO4{式中、Mbは遷移金属から成る群より選ばれる一種以上を表し、かつ0.2≦x≦0.7である。}で示されるスピネル型酸化物正極活物質;Li2McO3とLiMdO2{式中、Mc及びMdは、別個独立に遷移金属から成る群より選ばれる一種以上を表す。}の複合酸化物であって、一般式zLi2McO3-(1-z)LiMdO2{式中、Mc及びMdは、別個独立に遷移金属から成る群より選ばれる一種以上を表し、かつ0.05≦z≦0.95である。}で示されるLi過剰層状酸化物正極活物質;LiMe1-xFexPO4{式中、Meは、Mn及びCoから成る群より選ばれる一種以上を表し、かつ0≦x≦1である。}で示されるオリビン型正極活物質;及びLi2MfPO4F{式中、Mfは、遷移金属から成る群より選ばれる一種以上を示す。}から成る群より選ばれる一種以上の正極活物質などが挙げられる。 The positive electrode active material is not particularly limited, but from the viewpoint of increasing the energy density and durability of the power storage device, preferred are layered oxide positive electrode active materials represented by the general formula LiNi x Co y Ma 1-xy O 2 {wherein Ma represents one or more selected from the group consisting of Mn and Al, 0≦x≦1, 0≦y≦1, and x+y≦1.}; spinel-type oxide positive electrode active materials represented by the general formula LiMn 2-x Mb x O 4 {wherein Mb represents one or more selected from the group consisting of transition metals, and 0.2≦x≦0.7.}; Li 2 McO 3 and LiMdO 2 {wherein Mc and Md each independently represent one or more selected from the group consisting of transition metals. }, a Li-excess layered oxide positive electrode active material represented by the general formula zLi 2 McO 3 -(1-z)LiMdO 2 {wherein Mc and Md are independently one or more selected from the group consisting of transition metals, and 0.05≦z≦0.95.}; an olivine type positive electrode active material represented by LiMe 1-x Fe x PO 4 {wherein Me is one or more selected from the group consisting of Mn and Co, and 0≦x≦1.}; and one or more positive electrode active materials selected from the group consisting of Li 2 MfPO 4 F {wherein Mf is one or more selected from the group consisting of transition metals.}.
一般式LiNixCoyMa1-x-yO2{式中、Maは、Mn及びAlから成る群より選ばれる一種以上を表し、0≦x≦1であって、0≦y≦1であり、かつx+y≦1である。}で示される層状酸化物正極活物質は、構造安定性の観点から、LiNixCoyMn1-x-yO2{式中、0≦x≦1であり、0≦y≦1であり、かつx+y≦1である。}又はLiNixCoyAl1-x-yO2{式中、0.7≦x≦1であり、0≦y≦0.3であり、かつx+y≦1である。}で示される組成を有することが好ましい。より好ましい組成としては、LiCoO2、LiNixCoyMn1-x-yO2{式中、0.3≦x≦1であり、0≦y≦0.4であり、かつx+y≦1である。}、及びLiNi0.85Co0.1Al0.05O2を挙げることができる。 From the viewpoint of structural stability, the layered oxide positive electrode active material represented by the general formula LiNi x Co y Ma 1-xy O 2 {wherein Ma represents one or more selected from the group consisting of Mn and Al, and 0≦x≦1, 0≦y≦1, and x+y≦1.} preferably has a composition represented by LiNi x Co y Mn 1-xy O 2 {wherein 0≦x≦1, 0≦y≦1, and x+y≦1.} or LiNi x Co y Al 1-xy O 2 {wherein 0.7≦x≦1, 0≦y≦0.3, and x+y≦1.}. More preferred compositions include LiCoO2 , LiNi x Co y Mn1 -xy O2 (wherein 0.3≦x≦1, 0≦y≦0.4, and x+y ≦ 1 ) , and LiNi0.85Co0.1Al0.05O2 .
《負極》
負極は、負極活物質に、カルボキシメチルセルロースなどの増粘剤、スチレンブタジエンゴムなどの結着剤を適量加えて、負極合剤を調製し、これを銅箔などの集電材料に塗布乾燥後に加圧することで、集電材料上に負極合剤層を固着させて作製することができる。ただし、負極の作製方法は、上記例示の方法に限定されない。
Negative pole
The negative electrode can be produced by adding an appropriate amount of a thickener such as carboxymethyl cellulose and a binder such as styrene butadiene rubber to a negative electrode active material to prepare a negative electrode mixture, which is then applied to a current collecting material such as copper foil, dried, and then pressed to fix a negative electrode mixture layer onto the current collecting material. However, the method for producing the negative electrode is not limited to the above-mentioned example method.
本実施形態において、負極に用いることができる負極活物質としては、特に限定されないが、例えば、Al、Si、Snなどの合金化合物;CuO、CoOなどの金属酸化物;チタン酸リチウムなどのリチウム含有化合物;及び炭素材料などを用いることができる。蓄電デバイスのエネルギー密度向上の観点から、比較的低い電位でのリチウムイオンの吸蔵・放出が可能である炭素材料が好ましい。このような炭素材料としては、特に限定されないが、例えば、ハードカーボン、ソフトカーボン、人造黒鉛、天然黒鉛、熱分解炭素、コークス、ガラス状炭素、有機高分子化合物の焼成体、有機天然物の焼成体、炭素繊維、メソカーボンマイクロビーズ、カーボンブラックなどが挙げられる。 In this embodiment, the negative electrode active material that can be used for the negative electrode is not particularly limited, but examples thereof include alloy compounds such as Al, Si, and Sn; metal oxides such as CuO and CoO; lithium-containing compounds such as lithium titanate; and carbon materials. From the viewpoint of improving the energy density of the power storage device, carbon materials that can absorb and release lithium ions at a relatively low potential are preferred. Examples of such carbon materials include, but are not limited to, hard carbon, soft carbon, artificial graphite, natural graphite, pyrolytic carbon, coke, glassy carbon, fired organic polymer compounds, fired organic natural products, carbon fibers, mesocarbon microbeads, and carbon black.
負極活物質に炭素材料を用いる場合、その炭素材料の(002)面の層間距離d002は、好ましくは0.37nm以下であり、より好ましくは0.35nm以下であり、さらに好ましくは0.34nm以下である。d002の下限値は、特に限定されないが、理論的には約0.335nmである。また、炭素材料のc軸方向の結晶子の大きさは、好ましくは3nm以上であり、より好ましくは8nm以上であり、さらに好ましくは25nm以上である。結晶子の大きさの上限は、特に限定されないが、通例200nm程度である。そして、炭素材料の平均粒径は、好ましくは3μm以上15μm以下であり、より好ましくは5μm以上13μm以下である。また、炭素材料の純度は、99.9%以上であることが好ましい。 When a carbon material is used for the negative electrode active material, the interlayer distance d 002 of the (002) plane of the carbon material is preferably 0.37 nm or less, more preferably 0.35 nm or less, and even more preferably 0.34 nm or less. The lower limit of d 002 is not particularly limited, but is theoretically about 0.335 nm. The size of the crystallite in the c-axis direction of the carbon material is preferably 3 nm or more, more preferably 8 nm or more, and even more preferably 25 nm or more. The upper limit of the crystallite size is not particularly limited, but is usually about 200 nm. The average particle size of the carbon material is preferably 3 μm or more and 15 μm or less, and more preferably 5 μm or more and 13 μm or less. The purity of the carbon material is preferably 99.9% or more.
本実施形態に係る蓄電デバイスは、安全性が高く、生産性にも優れることから、電気自動車用電池としてのみならず、スマートフォンなどの民生機器用電池を含む様々な機器の電源として幅広く利用することができる。 The energy storage device according to this embodiment is highly safe and easy to manufacture, and can therefore be widely used not only as a battery for electric vehicles, but also as a power source for a variety of devices, including batteries for consumer devices such as smartphones.
以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。なお、実施例及び比較例において使用された分析方法及び評価方法は、以下のとおりである。 The present invention will be described in detail below using examples, but the present invention is not limited to the following examples as long as it does not deviate from the gist of the invention. The analytical and evaluation methods used in the examples and comparative examples are as follows.
(1)膜厚(μm)
微小測厚器(株式会社東洋精機製作所,タイプKBM)を用いて、試料の膜厚を室温23℃で測定した。また、試料の各層の厚みは、試料の断面を走査型電子顕微鏡で観察することで測定した。
(1) Film Thickness (μm)
The film thickness of the sample was measured at room temperature of 23° C. using a micro thickness gauge (Type KBM, Toyo Seiki Seisakusho Co., Ltd.). The thickness of each layer of the sample was measured by observing the cross section of the sample with a scanning electron microscope.
(2)気孔率(%)
セパレータから10cm×10cm角の試料を切り取り、その体積(cm3)と質量(g)を求め、それらと膜密度(g/cm3)より、次式を用いて気孔率を計算した。
気孔率(%)=(体積-質量/膜密度)/体積×100
なお、膜密度としては、用いたポリオレフィン樹脂と無機粒子の各々の密度と混合比より計算で求められる値を用いた。
(2) Porosity (%)
A 10 cm×10 cm square sample was cut from the separator, and its volume (cm 3 ) and mass (g) were determined. From these and the membrane density (g/cm 3 ), the porosity was calculated using the following formula.
Porosity (%)=(volume−mass/film density)/volume×100
The film density was calculated from the respective densities and the mixing ratio of the polyolefin resin and inorganic particles used.
(3)透気度(秒/100ml)
JIS P-8117準拠のガーレー式透気度計(株式会社東洋精機製作所)にて試料の透気度を測定した。
(3) Air permeability (sec/100ml)
The air permeability of the sample was measured using a Gurley air permeability meter (Toyo Seiki Seisakusho Co., Ltd.) conforming to JIS P-8117.
(4)突刺強度(gf)
ハンディー圧縮試験器「KES-G5」(カトーテック株式会社)を用いて、開口部の直径11.3mmの試料ホルダーでセパレータを固定した。固定されたセパレータの中央部に対して、針先端の曲率半径0.5mm、突刺速度2mm/秒の条件下で、室温23℃で突刺試験を行うことにより、最大突刺荷重として突刺強度(gf)を測定した。
(4) Puncture strength (gf)
Using a handy compression tester "KES-G5" (Kato Tech Co., Ltd.), the separator was fixed with a sample holder having an opening diameter of 11.3 mm. The curvature of the needle tip with respect to the center of the fixed separator was The puncture test was carried out at room temperature of 23° C. under conditions of a radius of 0.5 mm and a puncture speed of 2 mm/sec, and the puncture strength (gf) was measured as the maximum puncture load.
(5)膜抵抗値(Ω・cm2)
セパレータから40mm×30mm角の試料を切り取り、試料1を準備した。また、後述する方法で作製された正極及び負極から55mm×20mm角の正極及び負極を切り取り、正極2A及び負極2Bを準備した。なお、2A及び2Bの長さ55mmのうち10mmは、電極活物質が塗布されておらず、集電体が剥き出しになっている。
(5) Film resistance (Ω·cm 2 )
A 40 mm × 30 mm square sample was cut from the separator to prepare
その後、試料1、正極2A及び負極2Bの電極活物質が塗布されている部分に電解液(ホウフッ化リチウム/プロピレンカーボネート/エチレンカーボネート/γ-ブチルラクトン/トリオクチルホスフェート=重量比7.2/23.3/25.7/43.3/0.5)を十分に含浸した。
Then, the parts of
そして、図1Aに示すように測定装置を準備して、試料1と、正極2A及び負極2Bと、面積2cm2の真円形の穴が開けられているアラミドフィルム3(厚み9μm)と、シリコーンゴム4(厚み4mm)とを、図1Bに示すように重ね合わせて、熱電対が埋め込まれたセラミックプレート5上に配置した。
Then, a measuring device was prepared as shown in FIG. 1A, and a
次いで、油圧プレス機7で1~4の部材に面圧4MPaを印加しながら、ヒーター6を昇温し、5の熱電対が接続された温度計9と、正極2A及び負極2Bの集電体部分が接続された交流電気抵抗測定装置8「AG-4311」(安藤電機株式会社)とを用いて、連続的に温度と抵抗値を測定した。なお、温度は室温23℃から200℃まで10℃/分の速度にて昇温し、抵抗値は1V、1kHzの交流にて測定した。
Next, while applying a surface pressure of 4 MPa to
得られた抵抗値(Ω)に実効電極面積2cm2を乗じて、膜抵抗値(Ω・cm2)を算出した。このとき、170℃及び200℃での膜抵抗値を、それぞれ170℃及び200℃膜抵抗値(Ω・cm2)とした。また、膜抵抗値増加率(Ω・cm2/℃)は、200℃膜抵抗値(Ω・cm2)から170℃膜抵抗値(Ω・cm2)を差し引き、温度差30℃で除して算出した。 The film resistance (Ω· cm2 ) was calculated by multiplying the obtained resistance (Ω) by the effective electrode area of 2 cm2. The film resistances at 170°C and 200°C were taken as the 170°C and 200°C film resistances (Ω· cm2 ), respectively. The film resistance increase rate (Ω· cm2 /°C) was calculated by subtracting the 170°C film resistance (Ω· cm2 ) from the 200°C film resistance (Ω· cm2 ) and dividing the result by the temperature difference of 30°C.
(6)リチウムイオン二次電池を用いた試験
《正極シートの作製》
正極活物質としてLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2(日本化学工業株式会社)と、導電助剤としてアセチレンブラック粉末(デンカ株式会社)と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン溶液(株式会社クレハ)とを、90:6:4の固形分質量比で混合し、分散溶媒としてN-メチル-2-ピロリドンを固形分40質量%となるように添加し、更に混合して、スラリー状の溶液を調製した。このスラリー状の溶液を、厚さ20μmの集電材料としてのアルミニウム箔の両面に塗布し、溶剤を乾燥除去し、その後、塗布されたアルミニウム箔をロールプレスで圧延して、正極合剤部分の空孔率が38%に調整された正極シートを得た。
(6) Test using lithium ion secondary battery 《Preparation of positive electrode sheet》
LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 (Nippon Chemical Industry Co., Ltd.) as a positive electrode active material, acetylene black powder (Denka Co., Ltd.) as a conductive assistant, and polyvinylidene fluoride solution (Kureha Co., Ltd.) as a binder were mixed in a solid content mass ratio of 90:6:4, and N-methyl-2-pyrrolidone was added as a dispersion solvent so that the solid content was 40 mass%, and further mixed to prepare a slurry solution. This slurry solution was applied to both sides of an aluminum foil as a current collector material with a thickness of 20 μm, the solvent was dried and removed, and then the applied aluminum foil was rolled with a roll press to obtain a positive electrode sheet in which the porosity of the positive electrode mixture portion was adjusted to 38%.
《負極シートの作製》
負極活物質として人造グラファイト(日立化成株式会社)、結着剤としてスチレンブタジエンゴム及びカルボキシメチルセルロース水溶液とを、100:1.5:1.8の固形分質量比で混合し、分散溶媒として水を固形分45質量%となるように添加し、更に混合して、スラリー状の溶液を調製した。このスラリー状の溶液を、厚さ18μmの集電材料としての銅箔の両面に塗布し、溶剤を乾燥除去し、その後、塗布された銅箔をロールプレスで圧延して、負極合剤部分の空孔率が40%に調整された負極シートを得た。
<<Preparation of negative electrode sheet>>
Artificial graphite (Hitachi Chemical Co., Ltd.) was mixed as the negative electrode active material, and styrene butadiene rubber and a carboxymethyl cellulose aqueous solution were mixed as the binder in a solid content mass ratio of 100:1.5:1.8, and water was added as a dispersion solvent so that the solid content was 45 mass%, and further mixed to prepare a slurry solution. This slurry solution was applied to both sides of a copper foil as a current collector material with a thickness of 18 μm, the solvent was dried and removed, and then the applied copper foil was rolled with a roll press to obtain a negative electrode sheet in which the porosity of the negative electrode mixture portion was adjusted to 40%.
《非水電解液の調製》
非水溶媒としてのエチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとを体積比1:2で混合した混合溶媒に、LiPF6を1mol/L含有させた溶液を調製した。
<Preparation of non-aqueous electrolyte>
A solution containing 1 mol/L of LiPF 6 in a mixed solvent of ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate in a volume ratio of 1:2 as a non-aqueous solvent was prepared.
《リチウムイオン二次電池の作製》
上述のようにして作製した正極シートと負極シートとを、後述する実施例及び比較例で得られたセパレータの両側に重ね合わせて積層体を得た。得られた積層体を、アルミニウム箔(厚さ40μm)の両面を樹脂層で被覆したアルミラミネートフィルムから成る袋(外装体)内に正負極の端子を突設させながら挿入した。その後、上述のようにして作製した非水電解液を袋内に注入し、袋に真空封止を行うことによって、パウチ型リチウムイオン二次電池を作製した。
<<Preparation of lithium-ion secondary battery>>
The positive electrode sheet and the negative electrode sheet prepared as described above were laminated on both sides of the separator obtained in the examples and comparative examples described below to obtain a laminate. The obtained laminate was inserted into a bag (exterior body) made of an aluminum laminate film in which both sides of an aluminum foil (thickness 40 μm) were covered with a resin layer, with the positive and negative terminals protruding. Thereafter, the nonaqueous electrolyte prepared as described above was injected into the bag, and the bag was vacuum sealed to produce a pouch-type lithium ion secondary battery.
《リチウムイオン二次電池の初充放電》
パウチ型リチウムイオン二次電池を、25℃に設定した恒温槽「PLM-73S」(株式会社二葉科学)に収容し、充放電装置「ACD-01」(アスカ電子株式会社)に接続した。次いで、その二次電池を、0.1Cの定電流で4.2Vの電圧に達するまで充電して、4.2Vの定電圧で1時間充電し、その後、0.1Cの定電流で3.0Vまで放電するという充放電サイクルを、3回繰り返した。その後、0.1Cの定電流で4.2Vの電圧に達するまで電池を充電して、リチウムイオン二次電池を満充電の状態とした。なお、1Cとは、電池の全容量を1時間で放電させる場合の電流値を表し、0.1Cとは、その1/10の電流値を表す。
<<First charge/discharge of a lithium-ion secondary battery>>
The pouch-type lithium-ion secondary battery was placed in a thermostatic chamber "PLM-73S" (Futaba Scientific Co., Ltd.) set at 25°C and connected to a charge/discharge device "ACD-01" (Asuka Electronics Co., Ltd.). The secondary battery was then charged at a constant current of 0.1C until a voltage of 4.2V was reached, charged at a constant voltage of 4.2V for 1 hour, and then discharged at a constant current of 0.1C to 3.0V. This charge/discharge cycle was repeated three times. The battery was then charged at a constant current of 0.1C until a voltage of 4.2V was reached, bringing the lithium-ion secondary battery into a fully charged state. Note that 1C represents the current value when the entire capacity of the battery is discharged in 1 hour, and 0.1C represents 1/10 of that current value.
《リチウムイオン二次電池の20C放電試験》
初充放電後のパウチ型リチウムイオン二次電池を、1/3Cの定電流で4.2Vの電圧に達するまで充電した後、4.2Vの定電圧で1時間充電し、1Cの定電流で3.0Vまで放電した。その後、1/3Cの定電流で4.2Vの電圧に達するまで電池を充電した後、4.2Vの定電圧で1時間充電し、20Cの定電流で3.0Vまで放電した。上記一連の充放電の結果から、20C容量維持率(%)を、以下の式によって算出した。
20C容量維持率(%)=20C放電容量/1C放電容量×100
<20C discharge test of lithium-ion secondary battery>
The pouch-type lithium ion secondary battery after the initial charge and discharge was charged at a constant current of 1/3 C until a voltage of 4.2 V was reached, then charged at a constant voltage of 4.2 V for 1 hour, and discharged at a constant current of 1 C to 3.0 V. Thereafter, the battery was charged at a constant current of 1/3 C until a voltage of 4.2 V was reached, then charged at a constant voltage of 4.2 V for 1 hour, and discharged at a constant current of 20 C to 3.0 V. From the results of the above series of charge and discharge, the 20 C capacity retention rate (%) was calculated by the following formula.
20C capacity retention rate (%) = 20C discharge capacity/1C discharge capacity x 100
《リチウムイオン二次電池のサイクル試験》
20C放電試験後のパウチ型リチウムイオン二次電池を、50℃に設定した恒温槽「PLM-73S」(株式会社二葉科学)に収容し、充放電装置「ACD-01」(アスカ電子株式会社)に接続した。次いで、その二次電池を、1Cの定電流で4.2Vの電圧に達するまで充電した後、4.2Vの定電圧で1時間充電し、1Cの定電流で3.0Vまで放電した。上記一連の充放電を1サイクルとして、これを500サイクルに亘って実施し、500サイクル後の容量維持率(%)を測定した。なお、500サイクル後容量維持率(%)は、以下の式で求めた。
500サイクル後容量維持率(%)=500サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量×100
<Lithium-ion secondary battery cycle test>
The pouch-type lithium-ion secondary battery after the 20C discharge test was placed in a thermostatic chamber "PLM-73S" (Futaba Scientific Co., Ltd.) set at 50°C, and connected to a charge/discharge device "ACD-01" (Aska Electronics Co., Ltd.). The secondary battery was then charged at a constant current of 1C until a voltage of 4.2V was reached, and then charged at a constant voltage of 4.2V for 1 hour, and discharged at a constant current of 1C to 3.0V. The above series of charge/discharge cycles was counted as one cycle, and this cycle was repeated for 500 cycles, and the capacity retention rate (%) after 500 cycles was measured. The capacity retention rate (%) after 500 cycles was calculated using the following formula:
Capacity retention rate after 500 cycles (%)=discharge capacity at 500th cycle/discharge capacity at 1st cycle×100
《リチウムイオン二次電池の安全性試験》
初充放電後の満充電状態のパウチ型リチウムイオン二次電池を、60℃に温度調整された防爆ブース内に設置された台座に静置した。その後、電池に釘(直径3mm、SUS304製)を、電池の平面部に対して90°の角度から、電池の中心部に対して、30mm/秒の速度で、釘が電池を貫通するまで刺した。釘を刺した後の電池の挙動を観察し、ハザードレベル(HL)のランク付けを行った。なお、HLの数値が低いほど、電池の安全性が維持されていることを意味する。
HL0:変化無し
HL1:保護機構作動
HL2:破損
HL3:漏出
HL4:噴出
HL5:発火
HL6:破裂
HL7:爆発
<Safety testing of lithium-ion secondary batteries>
A pouch-type lithium-ion secondary battery in a fully charged state after the first charge and discharge was placed on a pedestal installed in an explosion-proof booth whose temperature was adjusted to 60°C. A nail (
HL0: No change HL1: Protection mechanism activated HL2: Damage HL3: Leakage HL4: Eruption HL5: Ignition HL6: Rupture HL7: Explosion
[実施例1]
粘度平均分子量70万の高密度ポリエチレン(融点135℃)を47質量部と、粘度平均分子量25万の高密度ポリエチレン(融点137℃)を46質量部と、粘度平均分子量40万のポリプロピレン(融点163℃)を7質量部、酸化防止剤としてテトラキス[メチレン-3-(3’,5’-ジ-t-ブチル-4’-ヒドロキシフェニル)プロピオネート]メタンを0.3質量部とをタンブラーブレンダーを用いて混合して、多孔質層Aの原料となる組成物Aを調製した。
[Example 1]
Composition A, which is the raw material for porous layer A, was prepared by mixing 47 parts by mass of high-density polyethylene (melting point 135°C) having a viscosity average molecular weight of 700,000, 46 parts by mass of high-density polyethylene (melting point 137°C) having a viscosity average molecular weight of 250,000, 7 parts by mass of polypropylene (melting point 163°C) having a viscosity average molecular weight of 400,000, and 0.3 parts by mass of tetrakis[methylene-3-(3',5'-di-t-butyl-4'-hydroxyphenyl)propionate]methane as an antioxidant using a tumbler blender.
次に、平均粒径300nmの表面処理された硫酸バリウム(硫酸バリウム100質量部に対して、ステアリン酸ナトリウム1質量部を表面処理に用いた)を98質量部と、粘度平均分子量200万の超高分子量ポリエチレン(融点134℃)を2質量部と、酸化防止剤としてテトラキス[メチレン-3-(3’,5’-ジ-t-ブチル-4’-ヒドロキシフェニル)プロピオネート]メタンを0.012質量部とをヘンシェルミキサーで混合して、多孔質層Bの原料となる組成物Bを調製し、ジェットミルを用いて組成物Bを微粉砕した。 Next, 98 parts by mass of surface-treated barium sulfate with an average particle size of 300 nm (1 part by mass of sodium stearate was used for the surface treatment for 100 parts by mass of barium sulfate), 2 parts by mass of ultra-high molecular weight polyethylene (melting point 134°C) with a viscosity average molecular weight of 2 million, and 0.012 parts by mass of tetrakis[methylene-3-(3',5'-di-t-butyl-4'-hydroxyphenyl)propionate]methane as an antioxidant were mixed in a Henschel mixer to prepare composition B, which is the raw material for porous layer B, and composition B was finely pulverized using a jet mill.
組成物Aを二軸押出機へ供給し、溶融混練物中に占める組成物Aの割合が35質量%、かつ押出量が13kg/hとなるように、40℃の動粘度が70.6cStである流動パラフィンを二軸押出機シリンダーへサイドフィードして、二軸押出機内で180℃に加熱しながら溶融混練した。 Composition A was fed to a twin-screw extruder, and liquid paraffin with a kinetic viscosity of 70.6 cSt at 40°C was side-fed into the twin-screw extruder cylinder so that the proportion of composition A in the melt-kneaded product was 35% by mass and the extrusion rate was 13 kg/h. The mixture was melt-kneaded while being heated to 180°C in the twin-screw extruder.
組成物Bを二軸押出機へ供給し、溶融混練物中に占める組成物Bの割合が82質量%、かつ押出量が16kg/hとなるように、40℃の動粘度が70.6cStである流動パラフィンを二軸押出機シリンダーへサイドフィードして、二軸押出機内で180℃に加熱しながら溶融混練した。 Composition B was fed to a twin-screw extruder, and liquid paraffin with a kinetic viscosity of 70.6 cSt at 40°C was side-fed into the twin-screw extruder cylinder so that the proportion of composition B in the melt-kneaded product was 82% by mass and the extrusion rate was 16 kg/h. The mixture was melt-kneaded while being heated to 180°C in the twin-screw extruder.
得られた2種類の溶融混練物を、2種3層の共押出ができるTダイ内で、両表層が組成物A、中間層が組成物Bとなるように積層し、表面温度90℃に制御された冷却ロール上に押し出し、その押出物を冷却ロールに接触させ、成形して冷却固化することにより、シート状成形物を得た。 The two resulting molten mixtures were laminated in a T-die capable of co-extrusion of three layers of two kinds, with the outer layers being composition A and the middle layer being composition B, and extruded onto a cooling roll whose surface temperature was controlled at 90°C. The extrudate was brought into contact with the cooling roll, molded, and cooled to solidify, yielding a sheet-like molded product.
このシート状成形物を同時二軸延伸機に導き、温度122℃で、倍率7×7で同時二軸延伸を行った。次に、シート状延伸物を抽出槽に導き、塩化メチレンに浸漬して、流動パラフィンを抽出除去し、塩化メチレンの乾燥を行った。その後、得られた多孔質膜を一軸延伸機に導き、温度134℃で、幅方向に1.7倍に延伸した後に、幅方向に約20%緩和して、積層セパレータを得た。得られた積層セパレータの評価結果を表1及び図2に示す。 This sheet-like molded product was introduced into a simultaneous biaxial stretching machine and subjected to simultaneous biaxial stretching at a temperature of 122°C and a stretching ratio of 7x7. The sheet-like stretched product was then introduced into an extraction tank and immersed in methylene chloride to extract and remove the liquid paraffin, and the methylene chloride was dried. The resulting porous film was then introduced into a uniaxial stretching machine and stretched 1.7 times in the width direction at a temperature of 134°C, and then relaxed by approximately 20% in the width direction to obtain a laminated separator. The evaluation results of the resulting laminated separator are shown in Table 1 and Figure 2.
[実施例2]
実施例1の積層方法に代えて、両表層が組成物B、中間層が組成物Aとなるように積層したこと以外、実施例1と同様にして積層セパレータを作製した。得られた積層セパレータの評価結果を表1及び図2に示す。
[Example 2]
A laminate separator was produced in the same manner as in Example 1, except that, instead of the lamination method in Example 1, both surface layers were laminated with composition B and the intermediate layer was laminated with composition A. The evaluation results of the obtained laminate separator are shown in Table 1 and FIG.
[実施例3]
実施例1の組成物Bに代えて、平均粒径300nmの表面処理された硫酸バリウム(硫酸バリウム100質量部に対して、ステアリン酸ナトリウム1質量部を表面処理に用いた)を95質量部と、粘度平均分子量200万の超高分子量ポリエチレン(融点134℃)を5質量部と、酸化防止剤としてテトラキス[メチレン-3-(3’,5’-ジ-t-ブチル-4’-ヒドロキシフェニル)プロピオネート]メタンを0.03質量部とをヘンシェルミキサーで混合して調整した組成物Bを用いたこと以外、実施例1と同様にして積層セパレータを作製した。得られた積層セパレータの評価結果を表1に示す。
[Example 3]
A laminate separator was produced in the same manner as in Example 1, except that composition B was used, which was prepared by mixing 95 parts by mass of surface-treated barium sulfate having an average particle size of 300 nm (1 part by mass of sodium stearate was used for surface treatment for 100 parts by mass of barium sulfate), 5 parts by mass of ultra-high molecular weight polyethylene (melting point 134°C) having a viscosity average molecular weight of 2 million, and 0.03 parts by mass of tetrakis[methylene-3-(3',5'-di-t-butyl-4'-hydroxyphenyl)propionate]methane as an antioxidant in a Henschel mixer. The evaluation results of the obtained laminate separator are shown in Table 1.
[実施例4]
実施例3の積層方法に代えて、両表層が組成物B、中間層が組成物Aとなるように積層したこと以外、実施例3と同様にして積層セパレータを作製した。得られた積層セパレータの評価結果を表1に示す。
[Example 4]
A laminate separator was produced in the same manner as in Example 3, except that, instead of the lamination method in Example 3, both surface layers were laminated with composition B and the intermediate layer was laminated with composition A. The evaluation results of the obtained laminate separator are shown in Table 1.
[実施例5]
実施例1の組成物Bに代えて、平均粒径300nmの表面処理された硫酸バリウム(硫酸バリウム100質量部に対して、ステアリン酸ナトリウム1質量部を表面処理に用いた)を70質量部と、粘度平均分子量70万の高密度ポリエチレン(融点135℃)を30質量部と、酸化防止剤としてテトラキス[メチレン-3-(3’,5’-ジ-t-ブチル-4’-ヒドロキシフェニル)プロピオネート]メタンを0.18質量部とをヘンシェルミキサーで混合して調整した組成物Bを用いて、組成物Bを押出機に供給して溶融混練する際に押出量を22kg/hにしたこと以外、実施例1と同様にして積層セパレータを作製した。得られた積層セパレータの評価結果を表1に示す。
[Example 5]
Instead of composition B in Example 1, 70 parts by mass of surface-treated barium sulfate having an average particle size of 300 nm (1 part by mass of sodium stearate was used for surface treatment for 100 parts by mass of barium sulfate), 30 parts by mass of high-density polyethylene (melting point 135°C) having a viscosity average molecular weight of 700,000, and 0.18 parts by mass of tetrakis [methylene-3- (3',5'-di-t-butyl-4'-hydroxyphenyl) propionate] methane as an antioxidant were mixed in a Henschel mixer to prepare composition B, and a laminate separator was produced in the same manner as in Example 1, except that the extrusion rate was set to 22 kg / h when composition B was supplied to an extruder and melt-kneaded. The evaluation results of the obtained laminate separator are shown in Table 1.
[実施例6]
実施例5の積層方法に代えて、両表層が組成物B、中間層が組成物Aとなるように積層したこと以外、実施例5と同様にして積層セパレータを作製した。得られた積層セパレータの評価結果を表1に示す。
[Example 6]
A laminate separator was produced in the same manner as in Example 5, except that, instead of the lamination method in Example 5, both surface layers were laminated with composition B and the intermediate layer was laminated with composition A. The evaluation results of the obtained laminate separator are shown in Table 1.
[実施例7]
実施例1の平均粒径300nmの表面処理された硫酸バリウムに代えて、平均粒径300nmの表面処理されたベーマイト(ベーマイト100質量部に対して、ステアリン酸ナトリウム1質量部を表面処理に用いた)を用いて組成物Bを調整したこと以外、実施例1と同様にして積層セパレータを作製した。得られた積層セパレータの評価結果を表1に示す。
[Example 7]
A laminated separator was produced in the same manner as in Example 1, except that composition B was prepared using surface-treated boehmite having an average particle size of 300 nm (1 part by mass of sodium stearate was used for the surface treatment per 100 parts by mass of boehmite) instead of the surface-treated barium sulfate having an average particle size of 300 nm in Example 1. The evaluation results of the obtained laminated separator are shown in Table 1.
[実施例8]
実施例7の積層方法に代えて、両表層が組成物B、中間層が組成物Aとなるように積層したこと以外、実施例7と同様にして積層セパレータを作製した。得られた積層セパレータの評価結果を表2に示す。
[Example 8]
A laminate separator was produced in the same manner as in Example 7, except that, instead of the lamination method in Example 7, both surface layers were laminated with composition B and the intermediate layer was laminated with composition A. The evaluation results of the obtained laminate separator are shown in Table 2.
[実施例9]
実施例1の平均粒径300nmの表面処理された硫酸バリウムに代えて、平均粒径300nmの表面処理されたチタニア(チタニア100質量部に対して、ステアリン酸ナトリウム1質量部を表面処理に用いた)を用いて組成物Bを調整したこと以外、実施例1と同様にして積層セパレータを作製した。得られた積層セパレータの評価結果を表2に示す。
[Example 9]
A laminated separator was produced in the same manner as in Example 1, except that composition B was prepared using surface-treated titania having an average particle size of 300 nm (1 part by mass of sodium stearate was used for the surface treatment per 100 parts by mass of titania) instead of the surface-treated barium sulfate having an average particle size of 300 nm in Example 1. The evaluation results of the obtained laminated separator are shown in Table 2.
[実施例10]
実施例9の積層方法に代えて、両表層が組成物B、中間層が組成物Aとなるように積層したこと以外、実施例9と同様にして積層セパレータを作製した。得られた積層セパレータの評価結果を表2に示す。
[Example 10]
A laminate separator was produced in the same manner as in Example 9, except that, instead of the lamination method of Example 9, both surface layers were laminated with composition B and the intermediate layer was laminated with composition A. The evaluation results of the obtained laminate separator are shown in Table 2.
[実施例11]
実施例1の平均粒径300nmの表面処理された硫酸バリウムに代えて、平均粒径50nmの表面処理された硫酸バリウム(硫酸バリウム100質量部に対して、ステアリン酸ナトリウム3質量部を表面処理に用いた)を用いて組成物Bを調整したこと以外、実施例1と同様にして積層セパレータを作製した。得られた積層セパレータの評価結果を表2に示す。
[Example 11]
A laminated separator was produced in the same manner as in Example 1, except that composition B was prepared using surface-treated barium sulfate having an average particle size of 50 nm (3 parts by mass of sodium stearate was used for the surface treatment per 100 parts by mass of barium sulfate) instead of the surface-treated barium sulfate having an average particle size of 300 nm in Example 1. The evaluation results of the obtained laminated separator are shown in Table 2.
[実施例12]
実施例1の平均粒径300nmの表面処理された硫酸バリウムに代えて、平均粒径600nmの表面処理された硫酸バリウム(硫酸バリウム100質量部に対して、ステアリン酸ナトリウム0.5質量部を表面処理に用いた)を用いて組成物Bを調整したこと以外、実施例1と同様にして積層セパレータを作製した。得られた積層セパレータの評価結果を表2に示す。
[Example 12]
A laminated separator was produced in the same manner as in Example 1, except that composition B was prepared using surface-treated barium sulfate having an average particle size of 600 nm (0.5 parts by mass of sodium stearate was used for the surface treatment per 100 parts by mass of barium sulfate) instead of the surface-treated barium sulfate having an average particle size of 300 nm in Example 1. The evaluation results of the obtained laminated separator are shown in Table 2.
[比較例1]
特許文献1の実施例1に記載の方法に従って、積層セパレータを作製した。得られた積層セパレータの評価結果を表2及び図2に示す。なお、膜抵抗値の測定、及びリチウムイオン二次電池を用いた各種評価においては、無機塗工層が正極に対向するように積層セパレータを配置した。
[Comparative Example 1]
A laminated separator was produced according to the method described in Example 1 of
[比較例2]
特許文献2の実施例5に記載の方法に従って、積層セパレータを作製した。得られた積層セパレータの評価結果を表2及び図2に示す。
[Comparative Example 2]
A laminated separator was produced according to the method described in Example 5 of Patent Document 2. The evaluation results of the obtained laminated separator are shown in Table 2 and FIG.
[比較例3]
特許文献3の実施例5に記載の方法に従って、積層セパレータを作製した。得られた積層セパレータの評価結果を表2及び図2に示す。
[Comparative Example 3]
A laminated separator was produced according to the method described in Example 5 of
[比較例4]
実施例1の組成物Bを調整する際に、ジェットミルでの微粉砕を行わなかったこと以外、実施例1と同様にして積層セパレータの作製を試みた。しかしながら、積層セパレータを作製する際に度々破断が生じ、セパレータを安定して作製することができなかった。
[Comparative Example 4]
An attempt was made to produce a laminated separator in the same manner as in Example 1, except that fine pulverization with a jet mill was not performed when preparing composition B of Example 1. However, breakage frequently occurred during the production of the laminated separator, and the separator could not be produced stably.
表1及び2より、実施例1~12は、ポリオレフィン基材上に無機層を塗工によって形成して積層セパレータを作製している比較例1と比較すると、ポリオレフィン樹脂の融点以上の高温においては、温度が上がるほど膜抵抗値が増加し、高温において絶縁性を維持する特性に優れる。電池の安全性試験では、実施例1~12の積層セパレータを用いた場合、比較例1よりも電池の安全性が維持されている。また、実施例1~12は、電池の出力特性の面でも比較例1より優れている。 As can be seen from Tables 1 and 2, in comparison with Comparative Example 1, in which a laminated separator is produced by forming an inorganic layer by coating on a polyolefin substrate, Examples 1 to 12 have an excellent property of maintaining insulation at high temperatures, with the film resistance increasing as the temperature rises above the melting point of the polyolefin resin. In battery safety tests, when the laminated separators of Examples 1 to 12 are used, the safety of the battery is maintained better than in Comparative Example 1. Furthermore, Examples 1 to 12 are superior to Comparative Example 1 in terms of battery output characteristics.
次に、実施例1~12は、無機粒子としてシリカを用いて共押出法で積層セパレータを作製している比較例2と比較して、無機粒子を含有する多孔質層Bの密度が高く、高温において絶縁性を維持する特性に優れることに加え、電池のサイクル特性及び出力特性が高く、安全性にも優れている。 Next, in comparison with Comparative Example 2, in which a laminated separator was produced by co-extrusion using silica as the inorganic particles, Examples 1 to 12 have a higher density of porous layer B containing inorganic particles, and are excellent in terms of maintaining insulation properties at high temperatures. In addition, the battery has high cycle characteristics and output characteristics, and is also excellent in safety.
そして、実施例1~12は、無機粒子として硫酸バリウムを用いて共押出法で積層セパレータを作製している比較例3と比較して、無機粒子を含有する多孔質層Bの密度が高く、高温において絶縁性を維持する特性に優れる。結果として、電池の安全性試験では、実施例1~12の積層セパレータを用いた場合、比較例3よりも電池の安全性が維持されている。 In addition, in comparison with Comparative Example 3, in which a laminated separator was produced by co-extrusion using barium sulfate as the inorganic particles, Examples 1 to 12 have a higher density of porous layer B containing inorganic particles and are superior in the property of maintaining insulating properties at high temperatures. As a result, in a battery safety test, when the laminated separators of Examples 1 to 12 were used, the safety of the battery was maintained better than in Comparative Example 3.
以上のことから、ポリオレフィン樹脂を含有する多孔質層Aと、無機粒子を多量に含有する多孔質層Bとを有し、高温において特定の抵抗挙動を示す蓄電デバイス用積層セパレータは、セパレータとして良好に機能するだけでなく、高温での蓄電デバイスの安全性の向上に寄与し、更には蓄電デバイスの耐久性及び出力特性の向上にも資することが明確となった。 From the above, it has become clear that a laminate separator for an electricity storage device, which has a porous layer A containing a polyolefin resin and a porous layer B containing a large amount of inorganic particles and exhibits specific resistance behavior at high temperatures, not only functions well as a separator, but also contributes to improving the safety of electricity storage devices at high temperatures, and furthermore, helps to improve the durability and output characteristics of electricity storage devices.
1 セパレータ
2A,2B 正極,負極
3 面積2cm2の真円形の穴が開けられているアラミドフィルム
4 シリコーンゴムシート
5 熱電対が埋め込まれたセラミックプレート
6 ヒーター
7 油圧プレス機
8 交流電気抵抗測定装置
9 温度計
10 データコレクター
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