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JP2024156561A - 蓄電デバイス用セパレータ及び蓄電デバイス - Google Patents

蓄電デバイス用セパレータ及び蓄電デバイス Download PDF

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JP2024156561A JP2023071137A JP2023071137A JP2024156561A JP 2024156561 A JP2024156561 A JP 2024156561A JP 2023071137 A JP2023071137 A JP 2023071137A JP 2023071137 A JP2023071137 A JP 2023071137A JP 2024156561 A JP2024156561 A JP 2024156561A
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慎 伊藤
Shin Ito
駿 斎藤
Shun Saito
一徳 内田
Kazunori Uchida
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Abstract

【課題】本開示は、薄膜かつ透気度と突刺強度を両立した蓄電デバイス用セパレータを提供することを目的とする。
【解決手段】ポリプロピレンを主成分とする微多孔層(A)と、ポリエチレンを主成分とする微多孔層(B)との多層構造を有する蓄電デバイス用セパレータであって、微多孔層(A)のうち少なくとも一層は、セパレータ基材の少なくとも片面の最外層を構成し、荷重2.16kg及び温度230℃で測定した際の微多孔層(A)のMFRが、0.90g/10min以下であり、セパレータ基材の厚みが15μm以下であり、かつセパレータ基材の気孔率が40%以上である蓄電デバイス用セパレータが提供される。
【選択図】なし

Description

本開示は、蓄電デバイス用セパレータ等に関する。
微多孔膜、特にポリオレフィン系微多孔膜は、精密濾過膜、電池用セパレータ、コンデンサー用セパレータ、燃料電池用材料等の多くの技術分野で使用されており、特にリチウム二次電池、リチウムイオン二次電池に代表される蓄電デバイス用セパレータとして使用されている。リチウムイオン電池は、携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ等の小型電子機器用途のほか、ハイブリッド自動車、及びプラグインハイブリッド自動車を含む電気自動車等、様々な用途へ応用されている。
近年、高エネルギー容量、高エネルギー密度、かつ高い出力特性を有するリチウムイオン電池が求められ、それに伴い、薄膜であり、電池性能、電池の信頼性、安全性に優れたセパレータへの需要が高まっている。
例えば、特許文献1には、絶縁破壊及び強度を含む特性を改良し得る多層マイクロポーラス薄膜または膜が記載されている。好ましい多層マイクロポーラス膜は、ミクロ層及び1以上の積層バリアを含む。
引用文献2には、ポリオレフィンを主成分とし、温度230℃で測定した際の溶融張力が、30mN以下であり、荷重2.16kg、温度230℃で測定した際のメルトフローレート(MFR)が、0.9g/10min以下である、微多孔膜を有する蓄電デバイス用セパレータが記載されている。
また近年、ポリプロピレンを主成分とした微多孔層と、ポリエチレンを主成分とした微多孔層とを有する異種ポリオレフィン多層セパレータが近年注目を集めている。異種ポリオレフィン多層セパレータは、高融点のポリプロピレン層による高温耐久性能と、低融点のポリエチレン層による電池の熱暴走時のシャットダウン性能をあわせ持つことで、電池の安全性が向上する。
異種ポリオレフィン多層セパレータの製造方法として、主流となっているのはラミネートプロセスであり、各微多孔層を個別に成膜出来ることから、より厳密な温度管理、及び成膜時の配向付与が可能となると考えられる。
引用文献3には、ポリプロピレンを主成分とした微多孔層と、ポリエチレンを主成分とした微多孔層とを有する蓄電デバイス用セパレータが記載されている。
国際公開第2018/089748号 国際公開第2020/196120号 国際公開第2022/59744号
ラミネートプロセスを用いて製造した蓄電デバイス用セパレータは、各微多孔層を個別に成膜したものを積層するため、薄膜化に限界がある。また、セパレータの薄膜化に伴い、セパレータの物理的強度が低下するため、優れた透気度を保ちながら突刺強度を向上することが困難である。したがって、本開示は、薄膜かつ透気度と突刺強度を両立した蓄電デバイス用セパレータを提供することを目的とする。
本開示の実施形態の例を以下の項目[1]~[10]に列記する。
(1) ポリプロピレンを主成分とする微多孔層(A)と、ポリエチレンを主成分とする微多孔層(B)との多層構造を有する蓄電デバイス用セパレータであって、
前記微多孔層(A)のうち少なくとも一層は、セパレータ基材の少なくとも片面の最外層を構成し、
荷重2.16kg、温度230℃で測定した際の前記微多孔層(A)のメルトフローレート(MFR)が、0.90g/10min以下であり、
前記セパレータ基材の厚みが15μm以下であり、かつ
前記セパレータ基材の気孔率が40%以上である、蓄電デバイス用セパレータ。
(2) 走査型電子顕微鏡(SEM)による前記微多孔層(A)のMD-ND断面観察において、前記微多孔層(A)に存在する孔の面積平均長孔径が、150nm以下である、項目1に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
(3) 前記セパレータの厚みを8μmに換算した場合に、前記セパレータの透気度が200秒/100cm以下である、項目1又は2に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
(4) 走査型電子顕微鏡(SEM)による前記微多孔層(A)のMD-ND断面観察において、前記微多孔層(A)に存在する孔の面積平均長孔径が、100nm以上である、項目1~3のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
(5) 前記微多孔層(B)の厚みが5μm以下である、項目1~4のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
(6) 荷重2.16kg、温度230℃で測定した際の前記微多孔層(A)のMFRが、0.3g/10min以上である、項目1~5のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
(7) 前記セパレータ基材の厚みが9.5μm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セパレータ。
(8) 正極と、負極と、前記正極及び前記負極の間に配置された項目1~7のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータとを備える、蓄電デバイス。
(9) 以下の工程(1)~(3)を含む、項目1~7のいずれか1項に記載の蓄電デバイス用セパレータの製造方法:
工程(1):第一延伸工程における樹脂フィルムの延伸倍率(冷延伸倍率)が10%以上である;
工程(2):第二延伸工程における樹脂フィルムの延伸倍率(熱延伸倍率)が160%以上である;および
工程(3):アニール工程におけるアニール温度が125℃以上である。
(10) 前記微多孔層(A)及び前記微多孔層(B)が、共押出される、項目9に記載の蓄電デバイス用セパレータの製造方法。
本開示によれば、薄膜かつ透気度と突刺強度を両立した蓄電デバイス用セパレータが提供される。
《蓄電デバイス用セパレータ》
本開示の蓄電デバイス用セパレータは、ポリプロピレンを主成分とする微多孔層(A)と、ポリエチレンを主成分とする微多孔層(B)とを有するセパレータ基材を有する。セパレータ基材は、微多孔層(A)及び/又は微多孔層(B)上に、更に塗工層(「表面層」、「被覆層」などとも呼ばれる。以下、単に「塗工層」という。)を有してもよい。本願明細書において、「微多孔層」とは、セパレータの基材を構成する微多孔質の各層を意味し、「セパレータ基材」とは、任意の塗工層を除くセパレータの基材を意味し、「セパレータ」とは、任意の塗工層も含めたセパレータ全体を意味する。
〈微多孔層(A)〉
本開示の蓄電デバイス用セパレータは、微多孔層(A)を有する。蓄電デバイス用セパレータは、微多孔層(A)を一層のみ有していても、二層以上有していてもよい。微多孔層(A)のうち少なくとも一層は、セパレータ基材の少なくとも片面の最外層を構成する。蓄電デバイス用セパレータが微多孔層(A)を二層以上有する場合、微多孔層(A)は、セパレータ基材の両面の最外層を構成してもよい。微多孔層(A)はポリプロピレンを主成分とし、これによって、高温(例えば130℃)保存後も良好な電池性能を維持することができる。本願明細書において、ポリプロピレンを「主成分とする」とは、当該微多孔層(A)の全質量を基準として、ポリプロピレンを50質量%以上含むことを意味する。微多孔層(A)中のポリプロピレンの含有量の下限は、セパレータの濡れ性、薄膜化、及びシャットダウン特性等の観点から、50質量%以上であり、好ましくは55質量%以上、60質量%以上、70質量%以上、80質量%以上、90質量%以上、又は95質量%以上である。微多孔層(A)中のポリプロピレンの含有量の上限は、限定されないが、例えば、60質量%以下、70質量%以下、80質量%以下、90質量%以下、95質量%以下、98質量%以下、又は99質量%以下であってよく、100質量%であってもよい。
〈微多孔層(A)の材料〉
微多孔層(A)は、ポリプロピレンを主成分とする。ポリプロピレンの立体規則性としては、限定されないが、例えば、アタクチック、アイソタクチック、又はシンジオタクチックのホモポリマー等が挙げられる。本開示に係るポリプロピレンは、好ましくはアイソタクチック、又はシンジオタクチックの高結晶性ホモポリマーである。
微多孔層(A)のポリプロピレンは、好ましくはホモポリマーであり、プロピレン以外の少量のコモノマー、例えばα-オレフィンコモノマーを共重合したコポリマー、例えばブロックポリマーであってもよい。ポリプロピレンに繰り返し単位として含まれるプロピレン構造の量は、限定されないが、例えば70モル%以上、80モル%以上、90モル%以上、95モル%以上、又は99モル%以上であってよい。ポリプロピレンに含まれる、プロピレン構造以外のコモノマーに由来する繰り返し単位の量としては、限定されないが、例えば30モル%以下、20モル%以下、10モル%以下、5モル%以下、又は1モル%以下であってよい。ポリプロピレンは、1種を単独で、又は2種以上を混合して使用することができる。
微多孔層(A)のポリプロピレンの重量平均分子量(Mw)は、微多孔層の強度等の観点から、300,000以上であることが好ましく、良好な成膜性、生産性を担保する観点から、1,300,000以下であることが好ましい。ポリプロピレンのMwは、より好ましくは、500,000以上、1,200,000以下、さらに好ましくは、650,000以上、1,100,000以下、より更に好ましくは、750,000以上、1,000,000以下、特に好ましくは、800,000以上、1,000,000以下である。
微多孔層(A)のポリプロピレンの重量平均分子量(Mw)を数平均分子量(Mn)で除した値(Mw/Mn)の上限値は、好ましくは20以下であり、より好ましくは、18以下、16以下、14以下、又は12以下である。Mw/Mnを20以下とすることにより、良好な成膜性、生産性を担保することができる傾向にある。また、Mw/Mnは、好ましくは3以上、より好ましくは3.5以上、さらに好ましくは4以上である。ポリプロピレンのMw/Mnの値が大きくなるほど、得られる微多孔層の溶融張力も大きくなる傾向にあり、微多孔層(A)の高強度化においても微多孔層(A)の溶融張力を増大させることは好ましい。したがって、ポリプロピレンのMw/Mnの値が3以上であることは、微多孔層(A)の溶融張力を高く制御するために好ましい。なお、本開示のポリオレフィンの重量平均分子量、数平均分子量、Mw/Mnは、GPC(ゲルパーミエーションクロマトグロフィー)測定により得られるポリスチレン換算の分子量である。
微多孔層(A)のポリプロピレンの密度は、好ましくは0.85g/cm以上、例えば0.88g/cm以上、0.89g/cm以上、又は0.90g/cm以上であってよい。ポリプロピレンの密度は、好ましくは1.1g/cm以下、例えば1.0g/cm以下、0.98g/cm以下、0.97g/cm以下、0.96g/cm以下、0.95g/cm以下、0.94g/cm以下、0.93g/cm以下、又は0.92g/cm以下であってよい。ポリオレフィンの密度は、ポリプロピレンの結晶性に関連し、ポリプロピレンの密度を0.85g/cm以上とすることで微多孔層の生産性が向上し、特に乾式法において有利である。
微多孔層(A)はポリプロピレンを主成分とする限り、その他の樹脂を含有してもよい。その他の樹脂としては、例えば、ポリプロピレン以外のポリオレフィン(「その他のポリオレフィン」ともいう。)、ポリスチレンとポリオレフィンの共重合体が挙げられる。ポリオレフィンとは、炭素-炭素二重結合を有するモノマーを繰り返し単位として含むポリマーである。ポリプロピレン以外のポリオレフィンを構成するモノマーとしては、限定されないが、炭素-炭素二重結合を有する炭素原子数2又は4~10のモノマー、例えば、エチレン、1-ブテン、4-メチル-1-ペンテン、1-ヘキセン、及び1-オクテン等が挙げられる。ポリオレフィンは、例えば、ホモポリマー、コポリマー、又は多段重合ポリマー等であり、一例として、ポリエチレンを含有させることも可能である。ポリスチレンとポリオレフィンの共重合体としては、スチレン-(エチレン-プロピレン)-スチレン共重合体(SEPS)、スチレン-(エチレン-ブテン)-スチレン共重合体、スチレン-エチレン-スチレン共重合体などが好ましく上げることができる。特に好ましくは、スチレン-(エチレン―プロピレン)-スチレン共重合体(SEPS)である。
〈微多孔層(A)のメルトフローレート(MFR)〉
微多孔層(A)のメルトフローレート(MFR)(単層のMFR)の上限値は、より高強度の微多孔層(A)を得る観点から、0.90g/10分以下であり、例えば、0.6g/10分以下、0.55g/10分以下、又は0.5g/10分以下であってよい。微多孔層(A)のMFR(単層のMFR)の下限値は、微多孔層(A)の成形性及び薄膜成膜性等の観点から、限定されないが、例えば0.2g/10分以上、0.25g/10分以上、0.3g/10分以上、0.35g/10分以上、又は0.5g/10分以上であってよい。微多孔層(A)のMFRは、荷重2.16kg、及び温度230℃の条件下で測定する。
微多孔層(A)のMFRが0.90g/10分以下であることは、微多孔層(A)に含まれるポリオレフィンの分子量がある程度高いことを意味する。ポリオレフィンの分子量が高い場合には、結晶質同士を結合するタイ分子が多くなるため、高強度の微多孔層(A)が得られる傾向にあり、高強度のセパレータ基材が得られる傾向にある。また、ポリオレフィンの分子量が高い場合には、延伸工程にて孔が開き難くなるため、面積平均長孔径が低くなる傾向にある。
微多孔層(A)のMFRが0.2g/10分以上であることにより、微多孔層(A)の溶融張力が高くなり過ぎず、良好な成膜性、生産性を担保することが可能となる。
微多孔層(A)のポリプロピレンのMFRは、高強度かつ高溶融張力の微多孔層(A)を得る観点から、荷重2.16kg、及び温度230℃の条件下で測定した際に、0.2~0.9g/10分であることが好ましい。ポリプロピレンのMFRの上限値は、より高強度の微多孔層を得る観点から、例えば、0.9g/10分以下、0.6g/10分以下、0.55g/10分以下、又は0.5g/10分以下であってよい。ポリプロピレンのMFRの下限値は、限定されないが、微多孔層(A)の成形性及び薄膜成膜性等の観点から、例えば0.2g/10分以上、0.25g/10分以上、0.3g/10分以上、0.35g/10分以上、又は0.5g/10分以上であってよい。
〈微多孔層(A)のペンタッド分率〉
微多孔層(A)のポリプロピレンのペンタッド分率の下限値は、低透気度の微多孔層を得る観点から、好ましくは94.0%以上、例えば、95.0%以上、96.0%以上、96.5%以上、97.0%以上、97.5%以上、98.0%以上、98.5%以上、又は99.0%以上であってよい。ポリプロピレンのペンタッド分率の上限値は、限定されないが、99.9%以下、99.8%以下、又は99.5%以下であってよい。ポリプロピレンのペンタッド分率は、13C-NMR(核磁気共鳴法)で測定する。
ポリプロピレンのペンタッド分率が94.0%以上であるとは、ポリプロピレンの結晶性が高いことを示す。延伸開孔法、特に乾式法で得られるセパレータは、結晶質同士の間の非晶質部分が延伸されることにより開孔するため、ポリプロピレンの結晶性が高いと、開孔性が良好となり、透気度を低く抑えることもできるため、電池の高出力化が可能となる。
〈微多孔層(A)の溶融張力〉
微多孔層(A)の240℃での溶融張力Mtは、10mN以上、40mN以下であることが好ましい。溶融張力Mtの下限としては、十分に微細な孔構造、小孔径を達成し、強度向上効果を発現する観点から、好ましくは10mN以上、より好ましくは、13mN以上、さらに好ましくは、16mN以上、特に好ましくは20mN以上、最も好ましくは、23mN以上である。溶融張力Mtの上限としては、良好な成膜性、生産性の観点から、好ましくは40mN以下、より好ましくは、37mN以下、さらに好ましくは、34mN以下、最も好ましくは32mN以下である。
〈微多孔層(A)の面積平均長孔径〉
微多孔層(A)のMD-ND断面での面積平均長孔径(以下、単に「面積平均長孔径」ともいう。)は、好ましくは50nm以上、400nm以下である。本願明細書において、「ND」とは、微多孔層の厚み方向を示し、「MD」とは、微多孔層の成膜方向を示す。例えば、微多孔層を有するセパレータのMDは、ロールであれば長手方向である。「長孔径」とは、MDの孔径を意味する。また、微多孔層(A)及び/又は微多孔層(B)が二層以上ある場合は、各微多孔層の平均の面積平均長孔径値に基づいて、微多孔層(A)と微多孔層(B)の面積平均長孔径を比較する。微多孔層(A)の面積平均孔径の下限は、優れた透気度を保ち、蓄電デバイス中で良好な出力を担保する観点から、好ましくは、50nm以上、より好ましくは、80nm以上、さらに好ましくは、100nm以上、特に好ましくは、120nm以上、最も好ましくは130nm以上である。また、微多孔層(A)の面積平均孔径の上限は、より高強度の微多孔層(A)を得る観点から、好ましくは、400nm以下、より好ましくは、250nm以下、さらに好ましくは、200nm以下、特に好ましくは、170nm以下、最も好ましくは、150nm以下である。
ポリプロピレンを主成分とする微多孔層(A)と、ポリエチレンを主成分とする微多孔層(B)との多層構造を有する、乾式法かつ共押出プロセスによって得られた多層セパレータにおいては、微多孔層(A)の面積平均長孔径が小さくなることで、微多孔層(A)、及び、セパレータ基材が高強度化することが明らかになった。そのメカニズムは以下の通りだと推測される:
微多孔層(A)の面積平均長孔径が小さくなることで、単位面積当たりの孔数が増加する。各孔は結晶質同士を結合するタイ分子によって形成されることから、単位面積当たりのタイ分子の数が増加する。したがって、高強度の微多孔層(A)及びセパレータ基材が得られる傾向にある。また、面積平均長孔径が小さくなることで、突刺試験時に各孔の端部に掛かる応力が低下するため、高強度の微多孔層(A)及びセパレータ基材が得られる傾向にある。
面積平均長孔径は、セパレータのMD-ND断面の断面SEM観察を行い、得られた画像から画像解析により測定することができる。詳細の条件は実施例に示す。なお、断面SEM画像から平均孔径を測定する際には、数平均孔径、及び面積平均孔径を算出することができるが、よりセパレータの物性との相関が取れるよう、本願明細書では、平均孔径として面積平均孔径を用いる。
〈微多孔層(A)の気孔率〉
微多孔層(A)の気孔率は、蓄電デバイス中での目詰まり回避の観点、及びセパレータの良好な透気度を得る観点から、20%以上が好ましく、25%以上がより好ましく、30%以上がさらに好ましく、35%以上が特に好ましい。また、微多孔層(A)の気孔率は、セパレータの強度保持の観点から、70%以下が好ましく、65%以下がより好ましく、60%以下がさらに好ましい。
〈微多孔層(A)のMFRとセパレータ基材の気孔率の両立〉
本実施形態の蓄電デバイス用セパレータにおいて、微多孔層(A)は、MFRが0.90g/10分以下であり、かつ、膜厚は15μm以下であり、かつ、気孔率は40%以上である。従来、ポリプロピレンを主成分とする微多孔層と、ポリエチレンを主成分とする微多孔層との多層構造を有する、乾式法、かつ、共押出プロセスによって得られた多層セパレータにおいては、MFRが0.90g/10分以下の微多孔層(A)を用いて気孔率を40%以上、に調整することは非常に困難であった。ポリプロピレンを主成分とする微多孔層(A)のMFRが0.90g/10分以下と低い場合、ポリプロピレンの溶融粘度がポリエチレンと比べて著しく高い。そのため、押出成膜時に樹脂組成物が押出機からフィルム状に押し出される際、応力が高粘度のポリプロピレン樹脂に集中してしまい、低粘度のポリエチレン樹脂に十分に伝わらない。応力の伝わらなかったポリエチレンを主成分とする微多孔層(B)は、分子配向が低下することで開孔性が著しく低下し、微多孔層(B)及びセパレータ基材の気孔率が低下する傾向があった。
さらに、多層構造のセパレータは、各微多孔層の膜厚を特に薄くする必要がある。例えば、厚み13μmの三層構造のセパレータであれば、各微多孔層の厚み比を1:1:1とする場合、各微多孔層の厚みは4.3μmにする必要がある。このような薄膜で、高分子量のポリオレフィンを用いながら高気孔率を実現することは一層困難であった。本実施形態においては、これに限定されないが、後述の《蓄電デバイス用セパレータの製造方法》の項で例示するような精密に制御されたアニール及び延伸条件を適用することで、ポリプロピレンを主成分とする微多孔層(A)のMFRが0.90g/10分以下と低い場合においても、セパレータ基材の気孔率を上記範囲に制御可能である。
〈微多孔層(A)の厚み〉
微多孔層(A)の厚みは、蓄電デバイスの高エネルギー密度化等の観点から、好ましくは6μm以下、例えば5.5μm以下、5μm以下、4.5μm以下、4μm以下、3.5μm以下、又は3μm以下であってよい。微多孔層(A)の厚みの下限値は、強度等の観点から、好ましくは1μm以上、例えば2μm以上、2.5μm以上、又は3μm以上であってよい。
〈微多孔層(A)の添加剤〉
ポリプロピレンを主成分とする微多孔層(A)は、ポリプロピレン以外に、エラストマ、結晶核剤、酸化防止剤、フィラーなどの添加剤を必要に応じて更に含有してもよい。添加剤の量は、特に限定されないが、微多孔層(A)の合計質量を基準として、例えば、0.01質量%以上、0.1質量%以上又は1質量%以上、20質量%以下、10質量%以下又は7質量%以下であってよい。
〈微多孔層(B)〉
本開示の蓄電デバイス用セパレータは、微多孔層(B)を有する。蓄電デバイス用セパレータは、微多孔層(B)を一層のみ有していても、二層以上有していてもよい。微多孔層(B)はポリエチレンを主成分とし、これによって、電池の熱暴走時に低温でシャットダウン性能を発現できる。本願明細書において、ポリエチレンを「主成分とする」とは、当該微多孔層(B)の全質量を基準として、ポリエチレンを50質量%以上含むことを意味する。微多孔層(B)中のポリエチレンの含有量の下限は、セパレータの濡れ性、薄膜化等の観点から、好ましくは55質量%以上、60質量%以上、70質量%以上、80質量%以上、90質量%以上、又は95質量%以上であってもよい。微多孔層(B)中のポリエチレンの含有量の上限は、限定されないが、例えば60質量%以下、70質量%以下、80質量%以下、90質量%以下、95質量%以下、98質量%以下、又は99質量%以下であってよく、100質量%であってもよい。
〈微多孔層(B)の材料〉
微多孔層(B)は、ポリエチレンを主成分とする。
微多孔層(B)のポリエチレンは、好ましくはホモポリマーであり、エチレン以外の少量のコモノマー、例えばα-オレフィンコモノマーを共重合したコポリマー、例えばブロックポリマーであってもよい。ポリエチレンに繰り返し単位として含まれるエチレン構造の量は、限定されないが、例えば70モル%以上、80モル%以上、90モル%以上、95モル%以上、又は99モル%以上であってよい。ポリエチレンに含まれる、エチレン構造以外のコモノマーに由来する繰り返し単位の量としては、限定されないが、例えば30モル%以下、20モル%以下、10モル%以下、5モル%以下、又は1モル%以下であってよい。ポリエチレンは、1種を単独で、又は2種以上を混合して使用することができる。
微多孔層(B)のポリエチレンの密度は、好ましくは0.85g/cm以上、例えば0.88g/cm以上、0.89g/cm以上、又は0.90g/cm以上であってよい。ポリエチレンの密度は、好ましくは1.1g/cm以下、例えば1.0g/cm以下、0.98g/cm以下、0.97g/cm以下、0.96g/cm以下、0.95g/cm以下、0.94g/cm以下、0.93g/cm以下、又は0.92g/cm以下であってよい。ポリエチレンの密度は、ポリエチレンの結晶性に関連し、ポリエチレンの密度を0.85g/cm以上とすることで微多孔層の生産性が向上し、特に乾式法において有利である。
微多孔層(B)はポリエチレンを主成分とする限り、その他の樹脂を含有してもよい。その他の樹脂としては、例えば、ポリエチレン以外のポリオレフィン(「その他のポリオレフィン」ともいう。)が挙げられる。ポリオレフィンとは、炭素-炭素二重結合を有するモノマーを繰り返し単位として含むポリマーである。ポリエチレン以外のポリオレフィンを構成するモノマーとしては、限定されないが、炭素-炭素二重結合を有する炭素原子数3~10のモノマー、例えば、プロピレン、1-ブテン、4-メチル-1-ペンテン、1-ヘキセン、及び1-オクテン等が挙げられる。
〈微多孔層(B)のメルトフローレート(MFR)〉
微多孔層(B)のメルトフローレート(MFR)(単層のMFR)の上限値は、より高強度の微多孔層(B)を得る観点から、好ましくは2.0g/10分以下、より好ましくは1.0g/10分以下、さらに好ましくは0.8g/10分以下、特に好ましくは0.5g/10分以下である。微多孔層(B)のMFR(単層のMFR)の下限値は、良好な開孔性、及び目詰まり抑制の観点から、好ましくは0.1g/10分以上、より好ましくは0.15g/10分以上、さらに好ましくは0.18g/10分以上、特に好ましくは0.2g/10分以上である。微多孔層(B)のMFRは、荷重2.16kg、及び温度190℃の条件下で測定する。
微多孔層(B)のポリエチレンのMFRの上限値は、より高強度の微多孔層(B)を得る観点から、好ましくは2.0g/10分以下、より好ましくは1.0g/10分以下、さらに好ましくは0.8g/10分以下、特に好ましくは0.5g/10分以下である。微多孔層(B)のポリエチレンのMFRの下限値は、良好な開孔性、及び目詰まり抑制の観点から、好ましくは0.1g/10分以上、より好ましくは0.15g/10分以上、さらに好ましくは0.18g/10分以上、特に好ましくは0.2g/10分以上である。微多孔層(B)のポリエチレンのMFRは、荷重2.16kg、及び温度190℃の条件下で測定する。
〈微多孔層(B)の面積平均長孔径〉
微多孔層(B)のMD-ND断面での面積平均長孔径は、好ましくは100nm以上1000nm以下、より好ましくは200nm以上900nm以下、更に好ましくは300nm以上850nm以下、より更に好ましくは400nm以上750nm以下である。微多孔層(B)の面積平均長孔径がこの範囲内であると、高い気孔率を保ちながら、透気度と高強度を両立することができる。
〈微多孔層(B)の気孔率〉
微多孔層(B)の気孔率は、蓄電デバイス中での目詰まり回避の観点、及びセパレータの良好な透気度を得る観点から、20%以上が好ましく、セパレータの強度保持の観点から90%以下であることが好ましい。微多孔層(B)の気孔率は、より好ましくは、25%以上、85%以下、さらに好ましくは、25%以上、80%以下、特に好ましくは、30%以上、80%以下である。本実施形態においては、これに限定されないが、後述の《蓄電デバイス用セパレータの製造方法》の項で例示するような精密に制御されたアニール及び延伸条件を適用することで、ポリプロピレンを主成分とする微多孔層(A)のMFRが0.90g/10分以下と低い場合においても、微多孔層(B)の気孔率を上記範囲に制御可能である。
〈微多孔層(B)の厚み〉
本開示に係る微多孔層(B)の厚みは、蓄電デバイスの高エネルギー密度化等の観点から、好ましくは10μm以下、例えば8μm以下、6μm以下、5μm以下、4.5μm以下、4μm以下、又は3μm以下であってよい。微多孔層(B)の厚みの下限値は、強度等の観点から、好ましくは1μm以上、例えば1.5μm以上、2μm以上、又は2.5μm以上であってよい。
〈微多孔層(B)の添加剤〉
ポリエチレンを主成分とする微多孔層(B)は、ポリエチレン以外に、エラストマ、結晶核剤、酸化防止剤、フィラーなどの添加剤を必要に応じて更に含有してもよい。添加剤の量は、特に限定されないが、微多孔層(B)の合計質量を基準として、例えば、0.01質量%以上、0.1質量%以上又は1質量%以上、10質量%以下、7質量%以下又は5質量%以下であってよい。
〈微多孔層(A)と微多孔層(B)の関係〉
〈セパレータ基材の層構造〉
蓄電デバイス用セパレータの基材(本願明細書において、単に「セパレータ基材」ともいう。)は、微多孔層(A)と微多孔層(B)とを少なくとも一層ずつ有する。セパレータ基材は、微多孔層(A)及び/または、微多孔層(B)の少なくとも一方を2層以上有する3層以上の多層構造であってもよい。例えば、微多孔層(A)/微多孔層(B)の二層構造、微多孔層(A)/微多孔層(B)/微多孔層(A)の三層構造等が挙げられる。また、セパレータ基材は、微多孔層(A)及び微多孔層(B)以外の層を有していてもよい。例えば、微多孔層(A)及び微多孔層(B)以外の層としては、例えば、(A)(B)以外のポリオレフィンを主成分とする微多孔層、無機物を含む層、及び耐熱樹脂を含む層等を挙げることができる。例えば、セパレータ基材は、微多孔層(A)/微多孔層(B)/微多孔層(C)/微多孔層(A)など、4層以上の多層構造であってもよい。製造のし易さ、セパレータのカール抑制等の観点から、対称的な積層構造が好ましい。
微多孔層(A)の厚みに対する微多孔層(B)の厚みの比は、セパレータ基材の総厚としての薄膜化、及び透気度と突刺強度の両立の観点から、0.2~1.5、0.35~1.25、または0.5~1.0の範囲内にあることが好ましい。この比は、微多孔層(A)又は微多孔層(B)が多層の場合には、単層当たりの厚みに換算して算出するものとする。
蓄電デバイス用セパレータの基材の層構造としては、微多孔層(A)が、セパレータ基材の少なくとも片面の最外層を構成し、セパレータ基材の両面の最外層を構成することが好ましい。微多孔層(A)が最外層を構成すると強度が向上し易い傾向にある。
〈セパレータ基材の厚み〉
セパレータ基材の厚みの上限値は、蓄電デバイスの高エネルギー密度化等の観点から、15μm以下であり、好ましくは14μm以下であり、例えば13μm以下、12μm以下、11μm以下、10μm以下、または9.5μm以下であってよい。セパレータ基材の厚みの下限値は、強度等の観点から、好ましくは5μm以上であり、例えば6μm以上、7μm以上、8μm以上、又は9μm以上であってよい。
〈セパレータ基材の透気度〉
セパレータ基材の透気度の上限値は、セパレータ基材の厚みを8μmに換算した場合に、好ましくは250秒/100cm以下、より好ましくは200秒/100cm以下であり、例えば180秒/100cm以下、160秒/100cm以下、150秒/100cm以下、又は140秒/100cm以下であってよい。セパレータ基材の透気度の下限値は、限定されないが、例えば10秒/100cm以上、20秒/100cm以上、又は30秒/100cm以上であってよい。
なお、セパレータ基材の厚みを8μmに換算した場合のセパレータ基材の透気度(8μm膜厚換算透気度)は、下記の式を用いて算出する。
(8μm膜厚換算透気度[秒/100cm])=(セパレータ基材の透気度[秒/100cm])/(セパレータ基材の厚み[μm])×(8[μm])
〈セパレータ基材の気孔率〉
セパレータ基材の気孔率の下限値は、蓄電デバイス中での目詰まり回避の観点、及びセパレータの良好な透気度を得る観点から、40%以上であり、42%以上が好ましく、44%以上がより好ましく、45%以上が特に好ましい。また、セパレータ基材の気孔率の上限値は、セパレータの強度保持の観点から、70%以下が好ましく、65%以下がより好ましく、60%以下がさらに好ましく、55%以下が特に好ましい。
〈セパレータ基材の突刺強度〉
セパレータ基材の突刺強度の下限値は、電池の物理的損傷時の短絡抑制の観点から、セパレータ基材の厚みを8μmに換算した場合に、好ましくは145gf以上(約1.42N以上)、より好ましくは150gf以上、さらに好ましくは160gf以上、特に好ましくは170gf以上である。セパレータ基材の突刺強度の上限値は、限定されないが、セパレータ基材の厚みを8μmに換算した場合に、好ましくは500gf以下、例えば480gf以下、又は450gf以下であってよい。
なお、セパレータ基材の厚みを8μmに換算した場合のセパレータ基材の突刺強度(8μm膜厚換算突刺強度)は、下記の式を用いて算出する。
(8μm膜厚換算突刺強度[gf])=(セパレータ基材の突刺強度[gf])/(セパレータ基材の厚み[μm])×(8[μm])
〈セパレータ基材の熱収縮率〉
セパレータ基材は、150℃で1時間熱処理した後の幅方向(TD)の熱収縮率が、-1.0%以上3.0%以下であることが好ましい。すなわち、セパレータ基材は、高温においても、TDの熱収縮が非常に小さいことを意味する。当該熱収縮率が3.0%以下であることで、高温での短絡を効果的に抑制できる。当該熱収縮率が-1.0%以上である理由は、熱収縮率の測定時、基材がTDに膨張し、熱収縮率が0%より小さくマイナスの値になることがあるからである。当該熱収縮率は、0%以上、又は0%より大きくてもよい。当該熱収縮率が-1.0%以上3.0%以下であるセパレータ基材を製造する方法としては、例えば、MDの一軸延伸によるセパレータの製造方法があげられ、好ましくは一軸延伸の乾式法で製造する方法が挙げられる。湿式セパレータに代表されるMD、TDの二軸方向への延伸によるセパレータの製造方法では、一般的に、TDの熱収縮が非常に大きくなるのに対して、一軸延伸の乾式セパレータでは、当該熱収縮率が-1.0%以上3.0%以下であるセパレータ基材を得られ易い。
《蓄電デバイス用セパレータの製造方法》
蓄電デバイス用セパレータの製造方法は、ポリプロピレンまたはポリエチレンを主成分とする樹脂組成物(以下、「ポリオレフィン樹脂組成物」ともいう。)を溶融押出して樹脂フィルム(前駆体フィルム)を得る溶融押出工程、及び得られた前駆体フィルムを開孔して多孔化する孔形成工程を含む。微多孔層の製造方法は、孔形成工程に溶剤を使用しない乾式法と、溶剤を使用する湿式法とに大別される。
乾式法としては、ポリオレフィン樹脂組成物を溶融混練して押出した後、熱処理と延伸によってポリオレフィン結晶界面を剥離させる方法、ポリオレフィン樹脂組成物と無機充填材とを溶融混練してフィルム状に成形した後、延伸によってポリオレフィンと無機充填材との界面を剥離させる方法などが挙げられる。
湿式法としては、ポリオレフィン樹脂組成物と孔形成材とを溶融混練してフィルム状に成形し、必要に応じて延伸した後、孔形成材を抽出する方法、ポリオレフィン樹脂組成物の溶解後、ポリオレフィンに対する貧溶媒に浸漬させてポリオレフィンを凝固させると同時に溶剤を除去する方法などが挙げられる。
ポリオレフィン樹脂組成物の溶融混練には、単軸押出機、及び二軸押出機を使用することができ、これら以外にも、例えばニーダー、ラボプラストミル、混練ロール、及びバンバリーミキサー等を使用することもできる。
ポリオレフィン樹脂組成物は、微多孔層の製造方法に応じて、又は目的の微多孔層の物性に応じて、任意に、ポリプロピレン以外の樹脂、ポリエチレン以外の樹脂、及び添加剤等を含有してもよい。添加剤としては、例えば、孔形成材、フッ素系流動改質材、ワックス、結晶核材、酸化防止剤、脂肪族カルボン酸金属塩等の金属石鹸類、紫外線吸収剤、光安定剤、帯電防止剤、防曇剤、及び着色顔料等が挙げられる。孔形成材としては、可塑剤、無機充填材又はそれらの組み合わせが挙げられる。
可塑剤としては、例えば、流動パラフィン、パラフィンワックス等の炭化水素類;フタル酸ジオクチル、フタル酸ジブチル等のエステル類;オレイルアルコール、ステアリルアルコール等の高級アルコール等が挙げられる。
無機充填材としては、例えば、アルミナ、シリカ(珪素酸化物)、チタニア、ジルコニア、マグネシア、セリア、イットリア、酸化亜鉛、酸化鉄などの酸化物系セラミックス;窒化ケイ素、窒化チタン、窒化ホウ素等の窒化物系セラミックス;シリコンカーバイド、炭酸カルシウム、硫酸アルミニウム、水酸化アルミニウム、チタン酸カリウム、タルク、カオリンクレー、カオリナイト、ハロイサイト、パイロフィライト、モンモリロナイト、セリサイト、マイカ、アメサイト、ベントナイト、アスベスト、ゼオライト、ケイ酸カルシウム、ケイ酸マグネシウム、ケイ藻土、ケイ砂等のセラミックス;ガラス繊維が挙げられる。
セパレータ基材の製造方法としては、熱処理と延伸によってポリオレフィン結晶界面を剥離させる乾式ラメラ晶開孔プロセスが好ましい。ここで、微多孔層(A)と微多孔層(B)を有するセパレータ基材の製造方法としては、次の方法(i)及び(ii)が知られている:
(i)微多孔層(A)と微多孔層(B)を共押出成膜し、アニール、冷延伸、熱延伸、熱緩和工程に供する、共押出成膜によるセパレータ基材の製造方法;及び
(ii)微多孔層(A)と微多孔層(B)をそれぞれ別々に押出成膜し、ラミネートにより貼り合わせて、その後、アニール、冷延伸、熱延伸、熱緩和工程に供する、ラミネートによるセパレータ基材の製造方法。
上記、共押出プロセス(i)及びラミネートプロセス(ii)のうち、薄膜成膜性及び製造コスト等の観点から、共押出プロセス(i)を用いる。
ラミネートプロセス(ii)を用いない理由を以下に述べる:
多層構造のセパレータは、各微多孔層の膜厚を特に薄くする必要がある。例えば、厚み13μmの三層構造のセパレータであれば、各微多孔層の厚み比を1:1:1とする場合、各微多孔層の厚みは4.3μmにする必要がある。また、例えば、厚み9μmの三層構造のセパレータであれば、各微多孔層の厚み比を1:1:1とする場合、各微多孔層の厚みは3μmにする必要がある。また、例えば、厚み9.5μmの三層構造のセパレータであれば、各微多孔層の厚み比を1:0.5:1とする場合、最も薄い微多孔層の厚みは1.9μmにする必要がある。ラミネートプロセス(ii)では、各微多孔層をそれぞれ別々に押出成膜する必要があるが、例えば、4.3μm、または3μm、または1.9μmの樹脂フィルムを安定生産することは困難である。特に、ポリプロピレンを主成分とする微多孔層(A)のMFRが0.90g/10分以下である、すなわち高分子量のポリオレフィンを用いた場合に、例えば、4.3μm、または3μm、または1.9μmの樹脂フィルムを安定生産することは著しく困難である。
また、ラミネートプロセスは、各微多孔層を別々に押出製膜する工程、及び、ラミネートにより貼り合わせる工程があるため、共押出プロセスと比べて工程数が多く、製造コストが増加する。
共押出プロセス(i)において、微多孔層(A)、(B)の押出成膜条件としては、可能な限り低温で樹脂を吐出し、低温のエアを吹き付けることにより効果的に急冷させることが好ましい。成膜後にはエアにより急冷させることが好ましく、吹き付けるエアの温度としては、好ましくは20℃以下、より好ましくは15℃以下である。このような低温に制御した冷風を吹き付けることにより、成膜後の樹脂が均一にMDに配向する。
共押出とラミネートを製品から見分ける方法として、限定されるものではないが、例えば、次の2つの方法が挙げられる:
(ア)ラミネート製品は、断面SEM観察で任意の40点を、倍率5000倍の条件下で観察した際に、MDに長さ5000nm以上の剥離部(孔と同じコントラスト部分)が2点以上見られるのに対して、共押出製品は剥離箇所が全く見られないため、このような断面SEM観察方法による剥離箇所の有無の基準に基いて両品を見分けることができる;および
(イ)A層とB層から成るラミネート製品は、製品の表面と裏面に粘着テープ(ニチバン社製セロテープ(登録商標)No.405)を貼付し、この状態で、温度23℃、相対湿度50%の環境下に20分間放置し、その後、引き剥がし角度180°で粘着テープを剥がす。ラミネート製品について本操作を40回繰り返すと、A層とB層の剥離が10回以上で見られる傾向にある。これに対して、A層とB層から成る共押出製品で同様の操作を行うと、A層とB層の剥離が1回以下で見られる傾向にある。このような引き剥がし方法による剥離傾向の違いに基いて両品を見分けることができる。
上記、共押出プロセス(i)によるセパレータ基材の製造方法は、押出成膜後にアニール工程を含んでもよい。アニール工程を行うことにより、微多孔層(A)及び(B)の結晶構造が成長し、開孔性が改善する傾向にある。特定の温度で、所定時間アニールを付与することにより、微多孔層(A)及び(B)ともに良好な面積平均長孔径を得ることが可能となる傾向にある。その理由は、結晶構造が乱れることなく結晶が成長し、高い開孔性が得られるからであると考えられる。
アニール温度の下限値は、好ましくは125℃以上、より好ましくは128℃以上であり、特に好ましくは130℃以上である。ポリプロピレンを主成分とする微多孔層(A)のMFRが0.90g/10分以下と低い場合、ポリエチレンを主成分とする微多孔層(B)の分子配向が低下することで開孔性が著しく低下し、微多孔層(B)及びセパレータ基材の気孔率が低下する傾向があった。これは、ポリプロピレンを主成分とする微多孔層と、ポリエチレンを主成分とする微多孔層との多層構造を有する、乾式法、かつ、共押出プロセスによって得られた多層セパレータに特有の現象である。アニール温度がこの範囲内であると、結晶構造の成長によって開孔性が改善され、気孔率を向上できる。また、アニール温度の上限値は、好ましくは150℃以下、より好ましくは、140℃以下であり、特に好ましくは135℃以下である。アニール温度がこの範囲内であると、ポリエチレンの溶融などに起因する結晶構造の乱れが抑制され、開孔性が改善される。
アニール時間の下限値は、好ましくは10分以上、より好ましくは、15分以上、20分以上、25分以上、又は30分以上であり、特に好ましくは60分以上である。アニール時間がこの範囲内であると、結晶構造の成長によって開孔性が改善され、気孔率を向上できる。また、アニール時間の上限値は、好ましくは600分以下、より好ましくは、300分以下である。アニール時間がこの範囲内であると、セパレータの生産速度を高く保ったまま開孔性が改善される。
アニール工程は、共押出成膜によって得られた樹脂フィルムを走行させながら行ってもよく、樹脂フィルムをロール状に巻き取った状態で行ってもよい。
セパレータ基材の製造方法は、アニール工程の後に、延伸工程を含んでもよい。延伸処理としては、一軸延伸、又は二軸延伸のいずれも用いることができる。限定されないが、乾式法を使用する際の製造コスト、TDの熱収縮低減等の観点では、一軸延伸が好ましい。得られるセパレータ基材の強度等を向上させる観点では、二軸延伸が好ましい。二軸延伸としては、例えば、同時二軸延伸、逐次二軸延伸、多段延伸、多数回延伸等の方法を挙げることができる。
延伸工程は、第一延伸工程(以下、「冷延伸」ともいう。)と、この第一延伸工程に続く第二延伸工程(以下、「熱延伸」ともいう。)とを含むことが好ましい。
第一延伸工程において、樹脂フィルム中に生成されたラメラ同士を離隔させることで、ラメラ間の非晶質部分に微細な亀裂を生じさせ、この亀裂を起点として多数の微小孔を形成させる。第一延伸工程ではMDの一軸延伸を行う。
第一延伸工程において、樹脂フィルムの温度の下限は、好ましくは-20℃以上、より好ましくは0℃以上である。第一延伸工程において、樹脂フィルムの温度の上限は、好ましくは110℃以下、より好ましくは80℃以下である。温度が上記の下限以上である場合、延伸時の樹脂フィルムの破断が抑制され、温度が上記の上限以下である場合、ラメラ間の非晶質部分において亀裂が良好に発生し、フィルムのネックインが抑制される。
第一延伸工程における樹脂フィルムの延伸倍率(以下、「冷延伸倍率」ともいう。)の下限は、好ましくは10%以上、より好ましくは15%以上、さらに好ましくは20%以上、特に好ましくは25%以上である。ポリプロピレンを主成分とする微多孔層(A)のMFRが0.90g/10分以下と低い場合、ポリエチレンを主成分とする微多孔層(B)の分子配向が低い傾向にあるため、ラメラ間の非晶質部分において、微小孔の形成が進み難い。これは、ポリプロピレンを主成分とする微多孔層と、ポリエチレンを主成分とする微多孔層との多層構造を有する、乾式法、かつ、共押出プロセスによって得られた多層セパレータに特有の現象である。冷延伸倍率が上記の下限以上である場合、ラメラ間の非晶質部分において微小孔が形成され易い。
また、冷延伸倍率の上限は、好ましくは60%以下、より好ましくは50%以下、さらに好ましくは40%以下である。冷延伸倍率が上記の上限以下である場合、微小孔が過剰に形成されず、孔径が小さくなりすぎないため、透気度を低くできる。本開示において、冷延伸倍率とは、下記の式で表される:
冷延伸倍率(%)=((冷延伸後の樹脂フィルムの長さ/冷延伸前の樹脂フィルムの長さ)-1)×100
第一延伸工程における樹脂フィルムの延伸速度は、好ましくは10%/分以上、より好ましくは50%/分以上であり、好ましくは1000%/分以下、より好ましくは600%/分以下である。延伸速度が上記の下限以上である場合、ラメラ間の非晶質部分において微小孔が均一に形成され易く、上記の上限以下である場合、樹脂フィルムの破断を抑制できる。なお、本開示において、樹脂フィルムの延伸速度とは、単位時間当たりの樹脂フィルムの延伸方向における寸法の変化割合をいう。
上記第一延伸工程における樹脂フィルムの延伸方法は、樹脂フィルムを一軸延伸することができれば、特に限定されず、例えば、樹脂フィルムを、一軸延伸装置を用いて所定温度にて延伸する方法等が挙げられる。
次いで、第一延伸工程における一軸延伸後の樹脂フィルムに、好ましくは、装置内部の雰囲気温度が、第一延伸工程での一軸延伸時の雰囲気温度よりも高く、且つ樹脂フィルム(多層構造の場合は最も低融点の樹脂フィルム)の融点より1℃以上60℃以下低い温度以下(第一の態様において)、又は1℃以上40℃未満低い温度以下(第二の態様において)であるように、延伸する第二延伸工程を行う(すなわち、冷延伸としての第一の延伸工程と、熱延伸としての第二の延伸工程とを行う)ことが好ましい。第二延伸工程においても、樹脂フィルムを好ましくは機械方向にのみ一軸延伸する。このように、第一延伸工程における装置内雰囲気温度よりも高い雰囲気温度にて、樹脂フィルムに延伸処理を行うことによって、第一延伸工程にて樹脂フィルムに形成された多数の微小孔を成長させることができる。温度が上記の下限以上である場合、第一延伸工程において樹脂フィルムに形成された微小孔が成長し易く、得られる蓄電デバイス用セパレータの透気度を低くできる。温度が上記の上限以下である場合、第一延伸工程において樹脂フィルムに形成された微小孔が閉塞し難く、得られる蓄電デバイス用セパレータの透気度を低くできる。
第二延伸工程における樹脂フィルムの延伸倍率(以下、「熱延伸倍率」ともいう。)の下限は、好ましくは160%以上、より好ましくは170%以上であり、さらに好ましくは180%以上である。ポリプロピレンを主成分とする微多孔層(A)のMFRが0.90g/10分以下と低い場合、ポリエチレンを主成分とする微多孔層(B)の分子配向が低下することで開孔性が著しく低下し、微多孔層(B)及びセパレータ基材の気孔率及び透気度が低下する傾向があった。これは、ポリプロピレンを主成分とする微多孔層と、ポリエチレンを主成分とする微多孔層との多層構造を有する、乾式法、かつ、共押出プロセスによって得られた多層セパレータに特有の現象である。熱延伸倍率が上記の下限以上である場合、冷延伸時に樹脂フィルムに形成された微小孔が成長し易く、得られる蓄電デバイス用セパレータの透気度を低くできる。また、第二延伸工程における樹脂フィルムの延伸倍率の上限は、好ましくは300%以下、より好ましくは260%以下、さらに好ましくは220%以下である。熱延伸倍率が上記の上限以下である場合、冷延伸時において樹脂フィルムに形成された微小孔が閉塞し難く、得られる蓄電デバイス用セパレータの透気度を低くできる。本開示において、熱延伸倍率とは、下記の式で表される:
熱延伸倍率(%)=((熱延伸後の樹脂フィルムの長さ/熱延伸前の樹脂フィルムの長さ)-1)×(冷延伸倍率+100)
第二延伸工程において、樹脂フィルムの延伸速度は、第一延伸工程において形成された微小孔を均一に広げる観点から、好ましくは60%/分以下、又は30%/分以下である。延伸速度は、プロセス効率の観点から、例えば2%/分以上、又は3%/分以上であってよい。
第二延伸工程における樹脂フィルムの延伸方法としては、樹脂フィルムを一軸延伸することができれば、特に限定されず、例えば、一軸延伸装置を用いて所定温度にて一軸延伸する方法等が挙げられる。
延伸工程後(好ましくは第二延伸工程にて一軸延伸された後)の樹脂フィルムには、加熱によって残留応力を緩和する熱緩和工程が付与されてもよい。第二延伸工程における延伸によって樹脂フィルムに残存応力が生じることがある。熱緩和工程は、残存応力を緩和して、得られる樹脂微多孔層が、熱緩和工程とは別の加熱により熱収縮するのを抑制して、得られる蓄電デバイス用セパレータの安全性を向上するために行われる。熱緩和工程は、テンター又はロール延伸機を用いて行うことができる。
上述のとおり、樹脂微多孔層の加熱時における寸法安定性を良好にするためには樹脂フィルムの残存応力を緩和する必要がある。そのためには、熱緩和工程における装置内雰囲気温度は、樹脂フィルム(多層構造の場合は最も低融点の樹脂フィルム)の融点よりも、40℃低い温度若しくはそれ以上、又は20℃低い温度若しくはそれ以上であることが好ましい。また上記温度は、延伸工程で形成された微小孔の閉塞を抑制する観点から、樹脂フィルム(多層構造の場合は最も低融点の樹脂フィルム)の融点よりも、1℃以上、又は4℃以上、低いことが好ましい。
熱緩和工程における樹脂フィルムの熱収縮率(以下、「熱緩和倍率」ともいう。)の下限は、好ましくは25%以上、より好ましくは30%以上である。熱緩和倍率が上記の下限以上である場合、樹脂フィルムの残存応力が十分緩和され、得られる樹脂微多孔層の加熱時における寸法安定性が良好であり、高温時でのリチウムイオン二次電池等の蓄電デバイスの安全性が良好である。また、熱緩和倍率の上限は、好ましくは80%以下、より好ましくは60%以下、さらに好ましくは50%以下である。熱緩和倍率が上記の上限以下である場合、樹脂フィルムにたるみが生じ難く、ロールの巻き取り不良又は均一性の低下が抑制される。本開示において、熱緩和倍率とは、下記の式で表される:
熱緩和倍率(%)=((熱緩和工程後の樹脂フィルムの長さ/熱緩和工程前の樹脂フィルムの長さ)-1)×(冷延伸倍率+熱延伸倍率+100)
熱延伸及び熱緩和工程においては、応力を十分に緩和して熱緩和倍率を小さくする観点から、延伸速度及び搬送速度をこれらが過度に大きくならないように調整することが好ましい。
また、熱緩和工程の後に、熱緩和工程の温度と同じ温度又はそれ以上の温度で、且つ熱緩和工程の温度より20℃高い温度又はそれ以下の温度にて、再度、熱緩和を付与することが好ましい。本工程を付与することにより、より良好な熱収縮物性を有する蓄電デバイス用セパレータを得ることが可能となる。
以上のように上記した本発明の製造条件を採用することにより、共押出法でPE層を含む多層セパレータを作製する際に高MwPP樹脂を用いることによる課題、具体的には、「PP層とPE層の溶融粘度の差が大きくなってPE層の成膜不良が起こり、気孔率が大幅に低下する」という問題を解決でき、薄膜で、且つ、透気度と突刺し強度を同時に満足するセパレータを提供することが可能である。
得られたセパレータ基材は、それ自体をそのまま蓄電デバイス用セパレータとして使用することができる。任意に、セパレータ基材の片面又は両面に、塗工層等の更なる層を提供してもよく、必要に応じてコロナ処理等の表面処理を施してもよい。
《蓄電デバイス》
本開示の蓄電デバイスは、本開示の蓄電デバイス用セパレータを備える。本開示の蓄電デバイスは正極と負極とを有し、正極と負極との間に、本開示の蓄電デバイス用セパレータが配置されることが好ましい。
蓄電デバイスとしては、限定されないが、例えば、リチウム二次電池(全固体リチウム電池、リチウム硫黄電池、リチウム空気電池を含む)、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、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、及び亜鉛空気電池等が挙げられる。これらの中でも、高エネルギー密度、低コスト、耐久性の観点から、リチウム二次電池、リチウムイオン二次電池、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である。
蓄電デバイスは、例えば、正極と負極とを、上記で説明された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を形成した後、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等の非水溶媒とリチウム塩等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。
本蓄電デバイスは、より好ましくは、リチウムイオン二次電池であり、ここで、リチウムイオン二次電池の好ましい態様を記載する。
正極は、リチウムイオン二次電池の正極として作用するものであれば特に限定されず、公知のものを用いることができる。正極は、正極活物質としてリチウムイオンを吸蔵及び放出することが可能な材料からなる群より選ばれる1種以上を含有することが好ましい。正極としては、電池容量、安全性の観点から、好ましくは、LiCoOに代表されるリチウムコバルト酸化物、LiMnに代表されるスピネル系リチウムマンガン酸化物、LiMn1.5Ni0.5に代表されるスピネル系リチウムニッケルマンガン酸化物、LiNiOに代表されるリチウムニッケル酸化物、LiMO(MはNi、Mn、Co、AI及びMgからなる群より選ばれる2種以上の元素を示す)で表されるリチウム含有複合金属酸化物、LiFePOで表されるリン酸鉄リチウム化合物が挙げられる。この中でも、高安全性、長期安定性の観点から、より好ましくは、LiCoOに代表されるリチウムコバルト酸化物、LiNiOに代表されるリチウムニッケル酸化物、LiMO(MはNi、Mn、Co、AI及びMgからなる群より選ばれる2種以上の元素を示す)で表されるリチウム含有複合金属酸化物、LiFePOで表されるリン酸鉄リチウム化合物が挙げられ、特に好ましくは、LiFePOで表されるリン酸鉄リチウム化合物である。
負極は、リチウムイオンニ次電池の負極として作用するものであれば特に限定されず、公知のものであってもよい。負極は、負極活物質としてリチウムイオンを吸蔵及び放出することが可能な材料及び金属リチウムからなる群より選ばれる1種以上の材料を含有すると好ましい。すなわち、負極は、負極活物質として、金属リチウム、炭素材料、リチウムと合金形成が可能な元素を含む材料、及び、リチウム含有化合物からなる群より選ばれる1種以上の材料を含有すると好ましい。そのような材料としては、金属リチウムの他、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、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、メソカーボンマイクロビーズ、炭素繊維、活性炭、炭素コロイド、カーボンブラックに代表される炭素材料が挙げられる。
《測定及び評価方法》
[メルトフローレート(MFR)の測定]
微多孔層(A)のメルトフローレート(MFR)は、JIS K 7210に準拠し、温度230℃及び荷重2.16kgの条件下で測定した(単位はg/10分である)。微多孔層(B)のメルトフローレート(MFR)は、JIS K 7210に準拠し、温度190℃及び荷重2.16kgの条件下で測定した。ポリプロピレンのMFRは、JIS K 7210に準拠し、温度230℃及び荷重2.16kgの条件下で測定した。ポリエチレンのメルトフローレート(MFR)は、JIS K 7210に準拠し、温度190℃及び荷重2.16kgの条件下で測定した。
[GPC(ゲルパーミエーションクロマトグロフィー)によるMw及びMnの測定]
アジレント PL-GPC220を用い、標準ポリスチレンを以下の条件で測定して較正曲線を作成した。試料のポリマーについても同様の条件でクロマトグラフを測定し、較正曲線に基づいて、下記条件によりポリマーのポリスチレン換算の重量平均分子量(Mw)、数平均分子量(Mn)、及び重量平均分子量(Mw)を数平均分子量(Mn)で除したMWD(Mw/Mn)を算出した。
カラム :TSKgel GMHHR-H(20) HT(7.8mmI.D.×30 cm)2本
移動相 :1,2,4-トリクロロベンゼン
検出器 :RI
カラム温度:160℃
試料濃度 :1mg/ml
較正曲線 :ポリスチレン
[ペンタッド分率の測定]
ポリプロピレンのペンタッド分率は、高分子分析ハンドブック(日本分析化学会編集)の記載に基づいて帰属した13C-NMRスペクトルから、ピーク高さ法によって算出した。13C-NMRスペクトルの測定は、JEOL-ECZ500を使用して、ポリプロピレンペレットをo-ジクロロベンゼン-dに溶解させ、測定温度145℃、積算回数25000回の条件で行った。
[厚み(μm)の測定]
ミツトヨ社製のデジマチックインジケータIDC112を用いて、室温23±2℃で、セパレータ基材の厚み(μm)を測定した。各微多孔層の厚みは、後述する面積平均長孔径の評価方法で取得した断面SEMによる画像データから算出した。
[気孔率(%)の測定]
10cm×10cm角の寸法を有する試料をセパレータ又は微多孔層から切り取り、その体積(cm)と質量(g)を求め、それらと密度(g/cm)より、次式を用いて気孔率を計算した。
気孔率(%)=(体積-質量/密度)/体積×100
[透気度(秒/100cm)]
JIS P-8117に準拠したガーレー式透気度計を用いて、セパレータ基材の透気度(秒/100cm)を測定した。透気度(秒/100cm)をセパレータ厚み(μm)で除し8μmを乗じることにより、セパレータ基材の厚みを8μmに換算した場合の透気度(秒/100cm)を求めた。
[TD熱収縮率(%)]
セパレータ基材をMD/TDそれぞれ50mmの方形に切り出して得たサンプルを、熱風乾燥機(ヤマト科学社製、DF1032)にコピー紙にのせて入れ、常圧、大気中150℃で1時間熱処理を行った。熱風乾燥機よりサンプルを取り出し、25℃で10分間放冷し、その後、寸法収縮率を求めた。
熱収縮率(%):(加熱前の寸法(mm)-加熱後の寸法(mm))/(加熱前の寸法(mm))×100
[突刺強度]
先端が半径0.5mmの半球状である針を用意し、直径(dia.)11mmの開口部を有するプレート2つの間にセパレータを挟み、針、セパレータ及びプレートをセットした。株式会社イマダ製「MX2-50N」を用いて、針先端の曲率半径0.5mm、セパレータ保持プレートの開口部直径11mm及び突刺速度25mm/分の条件で突刺試験を行った。針とセパレータを接触させ、最大突刺荷重(すなわち、突刺強度(gf))を測定した。突刺強度(gf)をセパレータ厚み(μm)で除し8μmを乗じることにより、セパレータ基材の厚みを8μmに換算した場合の突刺強度(gf)を求めた。
[面積平均長孔径(nm)]
面積平均長孔径は断面SEM観察での画像解析により測定を行った。前処理として、セパレータにルテニウム染色を行い、凍結割断により、断面試料を作製した。断面はMD-ND面とする。上記断面試料を導電性接着剤(カーボン系)により断面観察用SEM試料台に固定、乾燥した後、導電処理としてオスミウムコーター(HPC-30W、株式会社真空デバイス製)を用いて、印加電圧調整つまみ設定4.5、放電時間0.5秒の条件でオスミウムコーティングを実施し、検鏡試料とした。次に、走査型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ製 S-4800)を用い、微多孔膜の各微多孔層断面の任意の8点を加速電圧1kV、検出信号LA10、作動距離5mm、倍率30000倍の条件で観察した。
観察画像を、プログラミング言語Pythonの環境下で、画像解析用ライブラリであるOpenCVの関数を使い、1つの微多孔層の断面のみが含まれるようにトリミングを行い、表面と外部と他の微多孔層を除いた後、Otsu法を用いて2値化処理し、樹脂部と孔部とを分け、孔部の平均長径を算出した。この際、撮影範囲と撮影範囲外に跨って存在している孔面積が0.001nm以下の孔については、測定対象から除外した。平均径は、各孔の面積から、面積平均により算出した。
《実施例1》
[微多孔層の作製]
微多孔層(A)の樹脂として、ポリプロピレン樹脂(MFR(230℃)=0.30g/10分、密度=0.91g/cm)100重量%を、2.5インチの押出機で溶融し、二種三層の共押出インフレーションダイの両外層へとギアポンプを使って、6kg/hの吐出量条件で、供給した。また、微多孔層(B)の樹脂として、ポリエチレン樹脂(MFR(190℃)=0.32g/10分、密度=0.96g/cm)を2.5インチの押出機で溶融し、上記二種三層の共押出インフレーションダイの内層へとギアポンプを使って、3kg/hの吐出量条件で、供給した。インフレーションダイの温度は240℃に設定し、溶融したポリマーをインフレーションダイから吐出後、吹込空気によって吐出樹脂を冷却しながら、ロールに巻き取ることで約14μm厚みのA/B/A層構造の前駆体フィルムを得た。ここで、インフレーションダイのリップ間距離(リップクリアランス)は、1.8mmに設定した。合計9kg/hの吐出量条件で吐出を行った。
次いで、得られた前駆体フィルムを乾燥機に投入し、130℃で、180分アニール処理を実施した。その後、アニールされた前駆体フィルムを室温にて冷延伸倍率30%まで冷延伸を行い、延伸後の膜を収縮させることなく120℃のオーブン中に投入し、熱延伸倍率180%まで熱延伸を行い、その後、130℃のオーブン中で熱緩和倍率40%まで熱緩和させることにより、A/B/A層から成る三層構造を有するセパレータ基材を得た。得られたセパレータ基材の構造及び物性を表1に示す。
《実施例2~8、比較例1~8》
表1に示すとおりに原料、吐出量条件、前駆体フィルムの厚み、アニール工程における温度条件、延伸工程における冷延伸倍率及び熱延伸倍率条件を変更したこと以外は実施例1と同じ方法に従って微多孔膜を得て、得られたセパレータを評価した。
表1から、各層の組成を厳密に制御し、かつ、アニール及び延伸条件を厳密に制御することにより、ポリプロピレンを主成分とする微多孔層(A)のMFRが0.90g/10分以下と低い場合においても、セパレータ基材の気孔率を制御することが可能になり、また、そのようなセパレータ構成とすることにより、薄膜かつ透気度と突刺強度を両立可能であることがわかる。
<表1中の略語の説明>
MFR:メルトフローレート
PP:ポリプロピレン
PE:ポリエチレン
Mw:重量平均分子量
MwD:分子量分布(重量平均分子量(Mw)を数平均分子量(Mn)で除した値(Mw/Mn))
本開示の蓄電デバイス用セパレータは、蓄電デバイス、例えばリチウムイオン二次電池等のセパレータとして好適に利用することができる。

Claims (10)

  1. ポリプロピレンを主成分とする微多孔層(A)と、ポリエチレンを主成分とする微多孔層(B)との多層構造を有する蓄電デバイス用セパレータであって、
    前記微多孔層(A)のうち少なくとも一層は、セパレータ基材の少なくとも片面の最外層を構成し、
    荷重2.16kg、温度230℃で測定した際の前記微多孔層(A)のメルトフローレート(MFR)が、0.90g/10min以下であり、
    前記セパレータ基材の厚みが15μm以下であり、かつ
    前記セパレータ基材の気孔率が40%以上である、蓄電デバイス用セパレータ。
  2. 走査型電子顕微鏡(SEM)による前記微多孔層(A)のMD-ND断面観察において、前記微多孔層(A)に存在する孔の面積平均長孔径が、150nm以下である、請求項1に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  3. 前記セパレータの厚みを8μmに換算した場合に、前記セパレータの透気度が200秒/100cm以下である、請求項1又は2に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  4. 走査型電子顕微鏡(SEM)による前記微多孔層(A)のMD-ND断面観察において、前記微多孔層(A)に存在する孔の面積平均長孔径が、100nm以上である、請求項3に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  5. 前記微多孔層(B)の厚みが5μm以下である、請求項1又は2に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  6. 荷重2.16kg、温度230℃で測定した際の前記微多孔層(A)のMFRが、0.3g/10min以上である、請求項1又は2に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  7. 前記セパレータ基材の厚みが9.5μm以下である、請求項1又は2に記載の蓄電デバイス用セパレータ。
  8. 正極と、負極と、前記正極及び前記負極の間に配置された請求項1又は2に記載の蓄電デバイス用セパレータとを備える、蓄電デバイス。
  9. 以下の工程(1)~(3)を含む、請求項1に記載の蓄電デバイス用セパレータの製造方法:
    工程(1):第一延伸工程における樹脂フィルムの延伸倍率(冷延伸倍率)が10%以上である;
    工程(2):第二延伸工程における樹脂フィルムの延伸倍率(熱延伸倍率)が160%以上である;および
    工程(3):アニール工程におけるアニール温度が125℃以上である。
  10. 前記微多孔層(A)及び前記微多孔層(B)が、共押出される、請求項9に記載の蓄電デバイス用セパレータの製造方法。
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