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JP2005056851A - 電池セパレータおよびその製造方法 - Google Patents

電池セパレータおよびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 セパレータ製造業者および電池製造業者の両方の側に、より大きいプライ間接着(剥離強度によって測定される、互いからの個々の層の剥離への抵抗性)を有するフィルムを有する電池セパレータを提供する。
【解決手段】 電池セパレータは、多層フィルムであって、前記フィルムの個々の層が、熱および圧力によって互いに接着されており、1mmあたり1.6グラムを超える剥離強度および25ミクロン以下の厚さを有するフィルムを含む。電池セパレータの製造方法は、第1先駆物質フィルムを押出して巻き取る工程、第2先駆物質フィルムを押出して巻き取る工程、第1および第2先駆物質フィルムを巻き出す工程、第1および第2先駆物質フィルムを積重ねて、単一の積重ねられた先駆物質を形成する工程、この単一の積重ねられた先駆物質フィルムを積層する工程、この積層された単一積重ね先駆物質フィルムを巻き取る工程、複数の積層された単一積重ね先駆物質フィルムを積重ねる工程、および積重ねられた複数の積層された単一積重ね先駆物質フィルムを微孔質にする工程を含む。
【選択図】 なし

Description

本発明は、電池セパレータおよびその製造方法に関し、特にリチウム二次電池における電気セパレータとして有用な微孔質積層膜、およびその製造方法に関する。
微孔質多層膜の電池セパレータとしての使用は、既に知られている。例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4、および特許文献5が参照できる。
特許文献1は、多層先駆物質を同時押出しすることによる、または予め形成された先駆物質層を152℃で熱溶接することによる、多層フィルムの形成を開示している。どちらかの技術によって形成された多層先駆物質は次いで、焼きなましおよび延伸(stretching)によって微孔質にされる。しかし、微孔形成工程に対して、先駆物質の積重ねについて言及されていない。
特許文献2は、多層先駆物質を同時押出しすることによる、または加熱(120〜140℃)および加圧(1〜3kg/cm2)下、3つまたはそれ以上の先駆物質層を一体化することによる、多層フィルムの形成を開示している。加熱および加圧下、0.5〜8m/分(1.6〜26.2ft/分)の速度で形成された先駆物質は、3〜60g/15mm(0.2〜4g/mm)の範囲の剥離強度を有する。これらの実施例において、一方の34μセパレータが1g/mmの剥離強度を有し、他方が約0.5g/mmを有する。どちらかの技術によって形成された多層先駆物質は次いで、焼きなましおよび延伸によって微孔質にされる。しかし、微孔形成工程に対して、先駆物質の積重ねについて言及されていない。
特許文献3は、クロスプライ微孔質フィルムを(熱および圧力によって、または接着剤によって)一体化して多層微孔質フィルムを形成することによる、多層フィルムの形成を開示している。これらの微孔質フィルムは、熱(110℃〜140℃)および圧力(300〜450psi)を用いて、15〜50ft/分(4.6〜15.2m/分)の線速度で互いに積層される。
特許文献4は、微孔質フィルムの熱および圧力(カレンダー操作)による、または接着剤による、またはパターン溶接による一体化によって多層微孔質フィルムを形成することによる、多層フィルムの形成を開示している。カレンダー操作は、2〜10分の滞留時間で125℃〜130℃で実施される。4つの積重ねられた多層微孔質先駆物質が、単一ニップロール間でカレンダー操作される。
特許文献5は、非多孔質先駆物質の押出し、非多孔質先駆物質の互いの接着、接着された非多孔質先駆物質の焼きなまし、およびこの接着された非多孔質先駆物質の延伸によって多層微孔質フィルムを形成することによる、多層フィルムの形成を開示している。少なくとも4つの3層先駆物質が、接着、焼きなまし、および延伸工程を同時に通される。接着は、ニップローラー間で、128℃(125℃〜135℃の範囲)において30ft/分(9.1m/分)の線速度で実施され、5.7g/in(0.2g/mm)の剥離強度を生じ、ニップローラー間で、128℃〜130℃において40ft/分(12.2m/分)の線速度で実施され、30g/in(1.2g/mm)の剥離強度を生じる。
米国特許第5,480,745号 米国特許第5,691,047号 米国特許第5,667,911号 米国特許第5,691,077号 米国特許第5,952,120号 米国特許第5,480,945号 米国特許第6,602,593号
上記の方法によって、電池セパレータとしての使用に適した、商業的に実現可能な多層微孔質フィルムが生産されているが、セパレータ製造業者および電池製造業者の両方の側に、より大きいプライ間接着(すなわち、剥離強度によって測定される、互いからの個々の層の剥離への抵抗性)を有するフィルムを提供することについては未だ十分ではなく、多くの要望が存在する。上記の1つの方法は、多層フィルムを同時押出しすることである。同時押出しから無限の剥離強度を得ることができるが、その理由は、これらの層の界面におけるポリマーが、押出しの間、ニッティングされるからである。しかしながら、個々の層が押出され、その後互いに接着(または積層)された時、剥離強度は(上記のように)制限されている。
したがって、先駆物質を互いに積層することによって、製造される多層微孔質フィルムの剥離強度を改良するニーズが存在している。
本発明の電池セパレータは、多層フィルムであって、前記フィルムの個々の層が、熱および圧力によって互いに接着されており、1mmあたり1.6グラムを超える(40g/インチ)の剥離強度および25ミクロン以下の厚さを有するフィルムを含む。本発明の電池セパレータの製造方法は、第1先駆物質フィルムを押出して巻き取る工程、第2先駆物質フィルムを押出して巻き取る工程、第1および第2先駆物質フィルムを巻き出す工程、第1および第2先駆物質フィルムを積重ねて、単一の積重ねられた先駆物質を形成する工程、この単一の積重ねられた先駆物質フィルムを積層する工程、この積層された単一積重ね先駆物質フィルムを巻き取る工程、複数の積層された単一積重ね先駆物質フィルムを積重ねる工程、および積重ねられた複数の積層された単一積重ね先駆物質フィルムを微孔質にする工程を含む。
電池セパレータとは、電気化学セルまたはキャパシターに用いるための微孔質フィルムまたは膜のことを言う。電気化学セルには、一次(非充電式)および二次(充電式)電池、例えばリチウム化学に基づいた電池が含まれる。これらのフィルムは通常、ポリオレフィン、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリメチルペンテン、これらの混合物、およびこれらのコポリマーから製造される。ポリプロピレン(アイソタクチックおよびアタクチックが含まれる)およびポリエチレン(LDPE、LLDPE、HDPE、およびUHMWPEが含まれる)、およびこれらの混合物、およびこれらのコポリマーが、これらの用途のために商業的に利用可能なフィルムを製造するために用いられる好ましいポリオレフィンである。これらのフィルムは、CELGARD(登録商標)プロセス(ドライプロセス、すなわち押出し−焼きなまし−延伸としても知られている)によって、または溶媒抽出プロセス(ウエットプロセスまたは転相プロセス、またはTIPS、熱誘発相分離プロセスとしても知られている)によって、または粒子延伸プロセスによって製造されてもよい。これらのフィルムのいくつか、すなわちドライプロセスによって製造されたフィルムは、多層フィルムであることが多い。多層フィルムが好ましいが、その理由は、これらがシャットダウン能力を有する(すなわち短絡の場合にイオン流を停止させることができる)からである。通常の多層フィルムは3層フィルムである。多く出回っている3層フィルムは、ポリプロピレン(PP)/ポリエチレン(PE)/ポリプロピレン(PP)構造を有し、もう1つの構造は、PE/PP/PEである。別のセパレータは、PP/PE/PP/PE/PPまたはPE/PP/PE/PP/PE構造を有する5層フィルムである。このようなセパレータは、3ミル(75ミクロン、μ)未満の厚さを有する。好ましくはこの厚さは、0.5〜1.5ミル(12〜38μ)である(厚さは、8psiでサンプルと接触する0.25インチ直径の円形シューを有する精密マイクロメーターを用いた、フィルムの幅の30回測定の平均である)。最も好ましくはこの厚さは、0.5〜1.0ミル(12〜25μ)である。接着力(プライ間接着、シャティロン(Chatillon)TCD−20剥離力テスター、デジタルグラムゲージモデル(Digital Gram Gauge Model)DFG−2、およびGF6カム型グリップ、サンプル−1インチ(2.54cm)×6〜8インチ(15.24〜20.32cm)を用い、透明テープを有する中間層から外側層1インチ(2.54cm)を剥がし返し、1つの外側層および中間層をグリップに入れて測定されたもの)は、40グラム/インチ(1.6g/mm)、好ましくは50g/in(2.0g/mm)超、および最も好ましくは60g/in(2.4g/mm)超である。ほかのフィルム特性は、次のとおりである。ガーレイ(Gurley)<30秒(ガーレイ−ASTM−D726(B)−ガーレイ・デンソメーター(Densometer)(例えばモデル4120)によって測定された空気流への抵抗性、12.2インチの水圧下、生成物1平方インチを通過する空気10ccを通すのに必要とされる時間(秒)であり、10個のサンプルの平均である)。坪量は0.5〜2.0mg/cm2である(坪量は、精度0.0001グラムの精密秤で重量測定されたサンプルの幅からの3つの1フィート平方サンプル平均である)。収縮率(%)は、5.0%以下である(収縮率は、フィルムの幅からの3つの10cmサンプルの平均である。これらは測定され、90℃空気に60分間暴露され、再測定され、平均が報告された)。破壊強度は≧360グラムである(破壊強度はサンプルの幅から行なわれた10回測定の平均である)。ミテック・スティーブンス(Mitech Stevens)LFRAテクスチャー・アナライザーが用いられる。ニードルは、直径1.65mm、半径0.5mmである。下降速度は2mm/秒であり、たわみ量は6mmである。フィルムは、11.3mmの中心穴を有するクランプ装置にしっかりと保持される。最大抵抗力は、破壊強度である。細孔サイズは約0.04×0.09μである。計算された細孔度は、60%未満、好ましくは約40%である。計算された密度は100(見掛け密度/樹脂密度)であり、多層フィルムの場合、計算された多孔度は、100Σ(見掛け密度/樹脂密度)iである。
これらのフィルムの製造において、この方法は一般に、非多孔質先駆物質を押出す工程、非多孔質先駆物質を互いに接着させる工程、および接着された非多孔質先駆物を微孔質にする工程を含む。例えばウエットプロセスにおいて、マトリックス成分と抽出可能な成分との混合物を押出して、非多孔質先駆物質フィルムを形成する。先駆物質フィルムを接着のために積重ねるが、この積重ねは所望の最終生成物の構成になっている。次いで積重ねられた先駆物質フィルムが接着される。その後、この接着された積重ね先駆物質フィルムは、このフルムを抽出浴へ付すことによって微孔質にされる。この場合、マトリックス成分から抽出可能な成分を除去するために溶媒が用いられるであろう。他方、ドライプロセスにおいて、マトリックス成分が押出され、非多孔質先駆物質フィルムが形成される。先駆物質フィルムが接着のために積重ねられるが、この積重ねは、所望の最終生成物の構成になっている。次いでこの積重ねられた先駆物質フィルムが接着される。その後、この接着された積重ね先駆物質フィルムは、このフィルムを焼きなましに付し、次いで延伸工程に付すことによって微孔質にされる。この工程で延伸は、マトリックス成分中の結晶性領域および非晶質領域の界面における細孔形成を誘発する。本発明は、ドライプロセスを参照してさらに詳しく記載される。
先駆物質フィルムの押出しは従来のものである。例えば特許文献6、特許文献2、特許文献3、特許文献4、特許文献5、および特許文献7を参照できる。マトリックス成分はポリオレフィンである。これらのポリオレフィンは好ましくは、ブローンフィルムまたはスロットダイフィルム生産に適したあらゆるポリオレフィンである。最も好ましいのは、ブローンフィルムまたはスロットダイフィルム生産に適したポリエチレンおよびポリプロピレンである。非多孔質先駆物質フィルムが押出され、巻き取られる。例えばブローンフィルムプロセスにおいて、管状パリソンが押出され、圧潰され、巻き取られ、スロットダイまたはTダイプロセスにおいては、フラットパリソンが押出され、巻き取られる。これらの非多孔質先駆物質フィルムの各々は、多層微孔質膜の層になるであろう。
非多孔質先駆物質フィルムの2つまたはそれ以上の積層(例えばニップローラーによる熱および圧力での接着)が次に実施される。非多孔質先駆物質フィルムが巻き出され、ラミネーターでの接着前に従来の方法で積重ねられる。巻き出しおよび積重ねは、特許文献4および特許文献5に例証されているように実施されてもよい。ただし、積重ねられた非多孔質先駆物質フィルムの一組のみ(すなわち所望の最終微孔質膜の構成においてレイアップされている先駆物質フィルムの積重ねである一組)が、一度に先駆物質の加熱ニップロールを通して流される。好ましい構成は、PP/PE/PPレイアップパターンを有する3層先駆物質である。加熱ニップローラーへの粘着を防ぐために、高い方の融点の材料(例えばPP/PE/PPにおけるPP)先駆物質は、低い方の融点の材料(例えばPP/PE/PPにおけるPE)よりも幅が広いことが好ましい。加熱ニップロールを通る線速度は、1分あたり50フィート(15.2m/分)超であり、一般的には50〜200fpm(15.2〜61m/分)である。好ましくはこれらの線速度は、100fpm(30.5m/分)、より好ましくは125fpm(38.1m/分)、および最も好ましくは150fpm(45.7m/分)超である。加熱ニップロール温度は、100〜175℃、好ましくは145〜170℃、および最も好ましくは155〜165℃である。ニップロール圧力は、1線インチあたり100〜800ポンド(pli)(1線cmあたり17.7〜141.7kg)、好ましくは100〜300pli(1線cmあたり17.7〜53.1kg)である。
その後、接着のために加熱されている、今や接着された積重ね非多孔質先駆物質が巻き取られる。しかしながら巻取りの前に、フィルムを冷却することが望ましい。この冷却は好ましくは、チルロールの使用によって実施される。チルロール温度は、20〜45℃、好ましくは25〜40℃であってもよい。このフィルムは、チルロールとの接触前に最も外側の層のガラス転移温度(Tg)以下であることが最も好ましい。これによってフィルムがチルロールに粘着するのを防ぐ。冷却、およびフィルム幅の冷却の均一性を補助するために、熱ニップローラーとチルロールとの間にエアナイフが用いられてもよい。最後に、接着された非多孔質積重ね先駆物質は、フィルムの側面縁部に沿ってカールすることがある。そうであるならば、巻取りの前にトリムナイフを用いて、このカールが除去されてもよい。二組の積重ねられた非多孔質先駆物質フィルムが、単一ロールに同時に巻き取られてもよい。
その後、接着された積重ね先駆物質フィルムは、微孔質にされる準備ができている。複数の接着された積重ね先駆物質フィルムが積重ねられる。少なくとも4つの接着された積重ね先駆物質フィルムが、さらなる加工処理のために積重ねられる。好ましくは少なくとも6つ、最も好ましくは少なくとも12、およびさらにより好ましくは少なくとも16が、さらなる加工処理のために積重ねられてもよい。次いで複数の接着された積重ねた先駆物質フィルムは、従来の方法で、同時に焼きなまされ、次いで延伸される。例えば、典型的な焼きなましおよび延伸条件については、特許文献6;特許文献2;特許文献3;特許文献4;特許文献5;および特許文献7を参照されたい。
本発明は、次の実施例によってさらに詳しく説明されるが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
次の実施例において、これらのフィルムは、同一方法によって製造された。ただし、実施例1および3は、本発明の方法によって互いに接着され、比較例2および4は、特許文献5に示されている方法にしたがって調製された。本発明の方法についての積層パラメーターは、上記の実施の形態で説明したものと同じであり、好ましい範囲を参照されたい。実施例1および比較例2は、公称厚さ25μを有し、実施例3および比較例4は、公称厚さ20μを有する。表1に、その結果を示す。
Figure 2005056851
引張り特性(TDおよびMD強度およびTDおよびMD%伸び)は、インストロンモデル4201(ウインドウズ用シリーズIX自動材料テストソフトウエア(Series IX Automated Materials Testing Software for Windows))、クロスヘッド速度508.00mm/分、サンプル5−1/2インチ(1.27cm)×6〜8インチ(15.24〜20.32cm)、クランプ圧−90psi(6.33Kgf/cm2)を用いて測定された。
電気抵抗(ER)は、
マクマレン数(MacMullen Number)(Nmac=rseparator/ρelectrolyteseparator、rseparator=R(セパレータの測定された抵抗)Aprobe(プローブの面積、cm2)、ρelectrolyte=電解質抵抗率(オーム−cm)、tseparator=セパレータの厚さ(cm))
として報告され、5210ロックイン増幅器およびパワースイート(PoweSuite)ソフトウエアとともに、テネシー州オークリッジ(Oak Ridge,TN)のEG&Gプリンストン・アプライド・リサーチ(Princeton Applied Research)273Aポテンシオスタット(Potentiostat)を用いた。テストセルは、湿潤セパレータに接触する1平方インチ(6.45平方cm)電極面を有する。セパレータは、3:7重量比のエチルカーボネート(EC)対エチルメチルカーボネート(EMC)において1モルLiPF6電解質で湿潤される。測定は、5mVのAC振幅および22,000〜24,000Hzの周波数範囲で行なわれた。結果は、4つの膜の平均であり、4つの膜が積重ねられ、測定され、次いで1つの膜を除去して、3つの膜を測定した。以下同様であり、これらの差が平均されている。
本発明は、本発明の技術的思想から逸脱することなく、他の実施の形態で具体化されてもよく、したがって本発明の範囲は前記発明の詳細な説明よりも特許請求の範囲によって定められるべきである。

Claims (31)

  1. 多層微孔質フィルムであって、前記フィルムの個々の層が、熱および圧力によって互いに接着されており、1mmあたり1.6グラムを超える(40g/インチ)の剥離強度および25ミクロン以下の厚さを有するフィルム、を含む電池セパレータ。
  2. 前記多層微孔質フィルムが、3層フィルムである、請求項1の電池セパレータ。
  3. 前記3層フィルムが、ポリプロピレン−ポリエチレン−ポリプロピレン構造を有する、請求項2の電池セパレータ。
  4. 前記フィルムが、20ミクロン以下の厚さを有する、請求項1の電池セパレータ。
  5. 前記フィルムが、15ミクロン以下の厚さを有する、請求項1の電池セパレータ。
  6. 多層微孔質フィルムであって、前記フィルムの個々の層が、熱および圧力によって互いに接着されており、1mmあたり1.6グラムを超える(40g/インチ)の剥離強度を有し、少なくとも1つの層が、実質的にポリプロピレンであり、もう1つの層が実質的にポリエチレンであり、15ミクロン以下の厚さを有するフィルム、を含む電池セパレータ。
  7. 第1先駆物質フィルムを押出して巻き取る工程と、
    第2先駆物質フィルムを押出して巻き取る工程と、
    第1および第2先駆物質フィルムを巻き出す工程と、
    第1および第2先駆物質フィルムを積重ねて、単一の積重ねられた先駆物質を形成する工程と、
    該単一の積重ねられた先駆物質フィルムを積層する工程と、
    該積層された単一積重ね先駆物質フィルムを巻き取る工程と、
    複数の積層された単一積重ね先駆物質フィルムを積重ねる工程と、
    前記複数の積層された単一積重ね先駆物質フィルムを微孔質にする工程と
    を含む、電池セパレータの製造方法。
  8. 前記第1または第2先駆物質の押出しがさらに、スロットダイ、Tダイ、またはブローンフィルムダイでの押出しも含む、請求項7の方法。
  9. 前記単一の積重ねられた先駆物質が3層先駆物質である、請求項7の方法。
  10. 前記3層先駆物質が、ポリプロピレン−ポリエチレン−ポリプロピレン先駆物質である、請求項9の方法。
  11. 積層が、30.5m/分(100ft/分)超の速度で行なわれる、請求項7の方法。
  12. 積層が、38.1m/分(125ft/分)超の速度で行なわれる、請求項11の方法。
  13. 積層が、45.7m/分(150ft/分)超の速度で行なわれる、請求項12の方法。
  14. 積層が、61.0m/分(200ft/分)超の速度で行なわれる、請求項13の方法。
  15. 積層が、加熱ニップローラー間で実施される、請求項7の方法。
  16. ニップローラーの温度が、145℃〜170℃である、請求項15の方法。
  17. ニップローラーの温度が、155℃〜165℃である、請求項16の方法。
  18. ニップローラーの圧力が、1線インチあたり100〜800ポンド(pli)である、請求項15の方法。
  19. ニップローラーの圧力が、100〜300pliである、請求項18の方法。
  20. チルロールがニップローラーに追従する、請求項7の方法。
  21. チルロール温度が20℃〜45℃である、請求項20の方法。
  22. チルロール温度が25℃〜40℃である、請求項21の方法。
  23. エアナイフが、ニップローラーとチルロールとの間に配置されている、請求項20の方法。
  24. エッジトリムナイフがチルロールに追従する、請求項20の方法。
  25. 複数の積層された単一積重ね先駆物質フィルムが、少なくとも6つの積層された単一積重ね先駆物質フィルムである、請求項7の方法。
  26. 複数の積層された単一積重ね先駆物質フィルムが、少なくとも12の積層された単一積重ね先駆物質フィルムである、請求項25の方法。
  27. 複数の積層された単一積重ね先駆物質フィルムが、少なくとも16の積層された単一積重ね先駆物質フィルムである、請求項26の方法。
  28. 前記複数の積層された単一積重ね先駆物質フィルムを微孔質にする工程が、ドライプロセスとウエットプロセスとからなる群から選択される、請求項7の方法。
  29. 先駆物質フィルムを押出す工程と、
    2つまたはそれ以上の先駆物質フィルムを互いに積層して、多層先駆物質フィルムを形成する工程と、
    少なくとも12の多層先駆物質フィルムを積重ねる工程と、
    この積重ねられた多層先駆物質フィルムを微孔質にする工程と
    を含む、電気セパレータの製造方法。
  30. 少なくとも16の多層先駆物質フィルムが積重ねられる、請求項29の方法。
  31. 積重ねられた多層先駆物質フィルムを微孔質にする工程が、ドライプロセスとウエットプロセスとからなる群から選択される、請求項29の方法。
JP2004231815A 2003-08-07 2004-08-09 電池セパレータおよびその製造方法 Expired - Lifetime JP4516796B2 (ja)

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