JP5147976B2 - 連結多孔質シート及びその製造方法、非水系二次電池用セパレータ、及び非水系二次電池及びその製造方法 - Google Patents
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Description
形状の自由化や大型化の観点からは、例えば、電極とセパレータを複数積層しその積層体をラミネートパックにより包装した構造のラミネート型電池等の積層型電池が好ましい。ところが、このような積層構造を有する電池の場合、外部からの衝撃等により電極とセパレータとの位置にずれが生じてしまい、短絡が発生するおそれがある。このような観点から、従来よりセパレータを折りたたんで端部を熱融着等により接合して袋状にした中に電極を収納して電極の動きを規制した積層型電池が知られている(例えば、特許文献3参照)。
本発明の第一の目的は、高温下での安全性が高く、また製品の製造過程での連続生産適性を有し、製造効率が向上する連結多孔質シート及びその製造方法を提供することにある。また、
本発明の第二の目的は、セパレータ及び電極を積み重ねた積層型電池への適用が可能で、積層ズレを解消しつつ高温下での安全性がより確保された非水系二次電池用セパレータを提供することにある。さらに、
本発明の第三の目的は、熱暴走や発火などが抑制された安全性の高い非水系二次電池及びその製造方法を提供することにある。
<2> 前記耐熱性多孔質層は、厚みが3μm以上12μm以下であり、空孔率が40%以上90%以下である上記<1>に記載の連結多孔質シートである。
<3> 前記ポリオレフィンは、分子量が20万以上200万以下のポリエチレンを含む上記<1>又は上記<2>に記載の連結多孔質シートである。
<4> 前記耐熱性多孔質層の空孔率[%]をεa、厚み[μm]をtaとし、前記多孔質基材の空孔率をεb[%]、厚み[μm]をtbとしたとき、下記式(1)を満たす上記<1>〜上記<3>のいずれか1つに記載の連結多孔質シートである。
(εa/100)×ta≦〔1−(εb/100)〕×tb ・・・(1)
<5> 前記耐熱性樹脂が、融点が200℃以上のポリマー、あるいは融点を有しないが分解温度が200℃以上のポリマーである上記<1>〜上記<4>のいずれか1つに記載の連結多孔質シートである。
<7> 上記<1>〜上記<6>のいずれか1つに記載の連結多孔質シートを含む非水系二次電池用セパレータである。
<8> 正極、負極、及び前記正極と前記負極との間に一部が配置された上記<7>に記載の非水系二次電池用セパレータを含む複数の電池ユニットと、前記複数の電池ユニットを重ねた状態で封入する外装材と、リチウムイオンを含有する電解液と、を備え、リチウムのドープ・脱ドープにより起電力を得る非水系二次電池である。
<9> ポリオレフィンを含む多孔質基材と、前記多孔質基材の片面又は両面に設けられ、耐熱性樹脂を含む耐熱性多孔質層とを有する1つ又は複数の多孔質シートを連結して、連結多孔質シートを製造する方法であって、前記多孔質シートの前記耐熱性多孔質層の一部と該多孔質シートの前記多孔質基材又は前記耐熱性多孔質層の一部とを、前記ポリオレフィンを加熱溶融させることにより連結するか、あるいは、複数の多孔質シートから選ばれる第1の多孔質シートの耐熱性多孔質層の一部と、前記第1の多孔質シートと異なる第2の多孔質シートの前記多孔質基材及び前記耐熱性多孔質層の少なくとも一方の一部とを、前記ポリオレフィンを加熱溶融させることにより連結する熱融着工程を含む、連結多孔質シートの製造方法である。
<10> 前記熱融着工程は、インパルス方式の熱融着法により前記多孔質シートの両外面側から加熱し熱融着する上記<9>に記載の連結多孔質シートの製造方法である。
<11> 前記熱融着工程は、熱融着温度150〜220℃、熱融着圧力0.01MPa以上、熱融着時間0.1秒以上の条件で熱融着する上記<9>又は上記<10>に記載の連結多孔質シートの製造方法である。
<12> 前記熱融着工程は、インパルス方式の熱融着法によって、熱融着温度190〜220℃、熱融着圧力0.1〜5MPa、熱融着時間1〜15秒の条件で熱融着する上記<9>〜上記<11>のいずれか1つに記載の連結多孔質シートの製造方法である。
<14> 前記正極、前記負極、及び前記セパレータを所定のシート形状に裁断する工程と、前記正極、前記負極、及び前記セパレータを、正極/セパレータ/負極/セパレータの重層構造を一つの構成単位として、あるいは、セパレータ/正極/セパレータ/負極の重層構造を一つの構成単位として、一単位以上の構成単位を重ねる工程と、を更に有し、前記熱融着工程は、前記複数のセパレータの互いに対向する端部同士を熱融着して、前記複数のセパレータを連結し、前記正極、前記負極、及び前記セパレータを固定化する工程を含む上記<13>に記載の非水系二次電池の製造方法である。
<15> 前記熱融着工程では、熱融着温度190〜220℃、熱融着圧力0.1〜5MPa、熱融着時間1〜15秒の条件で熱融着する上記<13>又は上記<14>に記載の非水系二次電池の製造方法である。
本発明によれば、セパレータ及び電極を積み重ねた積層型電池への適用が可能で、積層ズレを解消しつつ高温下での安全性がより確保された非水系二次電池用セパレータが提供される。さらに、
本発明によれば、熱暴走や発火などが抑制された安全性の高い非水系二次電池及びその製造方法が提供される。
本発明の連結多孔質シートは、ポリオレフィンを含む多孔質基材と、前記多孔質基材の片面又は両面に設けられ、耐熱性樹脂を含む耐熱性多孔質層とを有する1つ又は複数の多孔質シートを含んでおり、(1)前記多孔質シートの前記耐熱性多孔質層の一部と該多孔質シートの前記多孔質基材又は前記耐熱性多孔質層の一部とが、前記ポリオレフィンを加熱溶融させることにより連結された連結部位、及び、(2)複数の多孔質シートから選ばれる第1の多孔質シートの耐熱性多孔質層の一部と、前記第1の多孔質シートと異なる第2の多孔質シートの前記多孔質基材及び前記耐熱性多孔質層の少なくとも一方の一部とが、前記ポリオレフィンを加熱溶融させることにより連結された連結部位、の少なくとも一方を設けて構成されたものである。
本発明の連結多孔質シートは、電極及びセパレータをそれぞれ複数重ねた重層構造を有する積層型電池(以下、単に「積層型電池」ともいう。)に適用する場合には、熱暴走や発火などに対する安全性が従来に比べより確保された非水系二次電池用セパレータ等の作製用途に利用できる。また、セパレータ以外の用途として、本発明の連結多孔質シートは、例えばフィルターや半透膜等の用途に適用することができる。さらに他の用途として、耐熱性多孔質層の有する耐熱性とポリオレフィンを含む多孔質基材の有する機械的強度等を活用すると共に、熱融着適性を具えることにより、本発明の連結多孔質シートは、任意の形状に加工した製品の作製用途に適用することができる。
例えば、連結多孔質シートが複数枚の多孔質シートからなる場合、図1に示すように、それぞれ同じ形をした四角形状の多孔質シート1を複数枚重ね合わせ、4辺のうち3辺の端部あるいはその近傍をまとめて熱融着し、コ字状の連結部位2(鎖線部)を形成する例が挙げられる。このような構成の場合、熱融着後の各多孔質シート間がポケットとなるため、そこに正極3、負極4を交互に配置すれば、積層型電池用の電池素子を構成することができる。
また、例えば、連結多孔質シートが1枚の多孔質シートからなる場合、積層型電池を作製するという観点では、1枚の多孔質シートを1つ又は2つ以上の折り曲げ部を設けて折りたたみ、互いに向き合う表面(例えば、耐熱性多孔質層表面の端部又はその近傍の領域同士)を熱により融着させて袋状に形成する例が挙げられる。このとき、連結多孔質シートには、熱融着により互いに向き合う表面が連結され、連結部位が形成されている。この場合の折りたたみ方としては、図2に示すように、長方形状の多孔質シート11、21を半分に折りたたむ方法や、図3に示すように、長尺の多孔質シート41を、山折谷折を繰り返して2つ以上の折り曲げ部を設けてジグザグ状に折りたたむ方法が挙げられる。そして、折りたたんだ状態で互いに向き合う2つの面の各1辺又は2辺以上の端部又はその近傍の領域同士を熱融着する。
連結多孔質シート10、20を用いて非水系二次電池を作製する場合、図2に示すように、耐熱性多孔質層を内側にして折り畳んで向き合った2つの面とこれらを連結する連結部位とで形成された袋の中に電極31、35を挿入し、さらに互いに連結された連結多孔質シート10と連結多孔質シート20との間に電極37を挿入し、更に図示しないが連結多孔質シート10、20の各々と他の連結多孔質シートとの間に電極33、39を挿入することにより、正極、負極、及び正極と負極との間に一部が配置された非水系二次電池用セパレータを重ねてなる3つの電池ユニットを有する構造を形成することができる。
なお、電極31,33,35,37,39には、それぞれ引き出し線32が接続されている。
連結多孔質シート41を用いて非水系二次電池を作製する場合、図3に示すように、耐熱性多孔質層を内側にして折り畳んで向き合った2つの面とこれら2面を連結する連結部位とで形成された5つの袋の中に電極51,53,55,57,59をそれぞれ挿入することにより、正極、負極、及び正極と負極との間に一部が配置された非水系二次電池用セパレータを重ねてなる5つの電池ユニットを有する構造を形成することができる。また加えて、連結多孔質シート41の両端の面と図示しない他の連結多孔質シートとの間に熱融着により袋を形成し、その中にさらに電極を挿入し、必要に応じて同様の操作を繰り返し行なうことにより、6つ以上の電池ユニットが積層された構造を形成することが可能である。
なお、電極51,53,55,57,59には、それぞれ引き出し線52が接続されており、電極51,55,59に接続された引き出し線は、多孔質シート41の折り曲げ部に形成された孔を通じて引き出されるようになっている。
このとき、多孔質シート61、63は、多孔質基材の片側に最表層として耐熱性多孔質層が設けられていてもよく、この場合は第一の多孔質シート61の多孔質基材の表面と第二の多孔質シート63の耐熱性多孔質膜の表面との間で熱融着されてもよい。また、例えば多孔質シート61及び63が多孔質基材の両側に最表層として耐熱性多孔質層を有する場合には、耐熱性多孔質層同士が熱融着される。同様に、例えば、多孔質シート63及び65がともに多孔質基材の片側に最表層として耐熱性多孔質層を有する場合には、第二の多孔質シート63の多孔質基材の表面と第三の多孔質シート65の耐熱性多孔質膜の表面とが熱融着されてもよく、また多孔質シート63及び65がともに多孔質基材の両側に最表層として耐熱性多孔質層を有する場合には耐熱性多孔質層同士が熱融着されることになる。
また、熱融着による連結部位は、例えば多孔質シートが4辺を持つ四角形である場合は、その4辺の全てに形成されてもよいし、1辺のみ、又は2辺、3辺に形成してもよい。
本発明の連結多孔質シートを構成する多孔質シートは、ポリオレフィンを含む多孔質基材を備えている。
多孔質基材としては、微多孔膜状、不織布状、紙状、その他三次元ネットーワーク状の多孔質構造を有した層を挙げることができるが、より優れた融着が実現できる点で、微多孔膜状の層であることが好ましい。ここで、微多孔膜状の層(以下、単に「微多孔膜」ともいう。)とは、内部に多数の微細孔を有し、これら微細孔が連結された構造となっており、一方の面から他方の面へと気体あるいは液体が通過可能となっている層をいう。
本発明では、良好な熱融着及び基材としての強度が得られるという点では、多孔質基材を構成するポリオレフィンは、分子量が20万以上200万以下のポリエチレンを含むことが好ましい。前記ポリエチレンの分子量は、更に30万〜100万の範囲である場合が、熱融着の観点から好ましい。また、多孔質基材中におけるポリエチレンの含有量は、10質量%以上が好ましい。ここでいう分子量とは、重量平均分子量等の平均値ではなく、下記の方法で求められる値である。また、ポリエチレンの含有量は、多孔質基材を構成するポリオレフィン中における分子量20万〜200万のポリエチレンの割合(質量%)を意味する。なお、ポリオレフィンの分子量が20万以上であれば多孔質基材の機械的強度が向上し、200万以下であれば良好な熱融着が得られ易い。
ポリエチレンの含有量(質量%)は、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)で下記方法で測定される。すなわち、試料15mgにGPC測定用移動相20mlを加えて145℃で完全に溶解した後、ステンレス製焼結フィルター(孔径1.0μm)で濾過する。次いで、濾液400μlを装置に注入して測定に供し、以下の条件でGPC曲線を得る。得られたGPC曲線を分子量2.0×105〜2.0×106の区間で積分した値S1と、GPC曲線を分子量0〜4.0×107までの区間で積分した値S2とを求め、S1をS2で除算して100を乗じることで求められる。
以下、本発明で用いられる多孔質基材の好ましい製造法について述べる。
本発明の多孔質基材の製造法には、特に制限はないが、具体的には例えば下記(1)〜(6)の工程を含む方法により製造できる。
ポリオレフィンをパラフィン、流動パラフィン、パラフィン油、鉱油、ひまし油、テトラリン、エチレングリコール、グリセリン、デカリン、トルエン、キシレン、ジエチルトリアミン、エチルジアミン、ジメチルスルホキシド、ヘキサン等、あるいはこれらの混合溶媒等の溶剤に溶解させた溶液を調製する。ポリオレフィン溶液の濃度は1〜35質量%が好ましい。
調製した溶液を一軸押出機、もしくは二軸押出機で混練し、融点以上かつ融点+60℃以下の温度でTダイもしくはIダイで押し出す。好ましくは二軸押出機を用いる。そして、押し出した溶液をチルロール又は冷却浴に通過させて、ゲル状組成物を形成する。この際、ゲル化温度以下に急冷しゲル化することが好ましい。
(3)ゲル状組成物の乾燥
延伸温度で揮発する溶剤を使用する場合、ゲル状組成物を乾燥する。
(4)ゲル状組成物の延伸
ゲル状組成物を延伸する。ここで、延伸処理の前に弛緩処理を行なってもよい。延伸処理は、ゲル状成形物を加熱し、通常のテンター法、ロール法、圧延法もしくはこれらの方法の組合せによって所定の倍率で2軸延伸する。2軸延伸は、同時又は逐次のどちらであってもよい。また縦多段延伸や3、4段延伸とすることもできる。
延伸時の加熱温度は90℃以上で、製膜に使用するポリオレフィンの融点未満であることが好ましく、さらに好ましくは100〜120℃である。また、延伸倍率は、原反の厚さによって異なるが、1軸方向で少なくとも2倍以上、好ましくは4〜20倍で行う。延伸後は、必要に応じて熱固定を行ない、熱寸法安定性を持たせてもよい。
(5)溶剤の抽出・除去
延伸後のゲル状組成物を抽出溶剤に浸漬して、溶媒を抽出する。抽出溶剤としてはペンタン、ヘキサン、ヘプタン、シクロヘキサン、デカリン、テトラリンなどの炭化水素、塩化メチレン、四塩化炭素、メチレンクロライドなどの塩素化炭化水素、三フッ化エタンなどのフッ化炭化水素、ジエチルエーテル、ジオキサン等のエーテル類など易揮発性のものを用いることができる。これらの溶剤は、ポリオレフィン組成物の溶解に用いた溶媒に応じて適宜選択し、単独もしくは混合して用いることができる。溶媒の抽出は、多孔質基材中の溶媒を1質量%未満に迄除去する。
(6)多孔質基材のアニール
多孔質基材をアニールにより熱セットする。アニールは80〜150℃で実施する。
なお、上記のような湿式法以外にも、溶剤を用いない乾式法によってポリオレフィン微多孔膜を製造してもよい。また、ポリオレフィンを含む繊維状物を抄造して不織布や紙等の多孔質基材を形成してもよい。
本発明の連結多孔質シートを構成する多孔質シートは、上記の多孔質基材の片面又は両面に少なくとも一層の耐熱性多孔質層を備えている。ここで、「耐熱性」とは、200℃未満の温度領域で溶融ないし分解等を起こさない性状をいう。
耐熱性多孔質層の空孔率[%]をεa、厚み[μm]をtaとし、前記多孔質基材の空孔率[%]をεb、厚み[μm]をtbとしたとき、下記式(1)を満たす構成が好ましい。
(εa/100)×ta≦〔1−(εb/100)〕×tb ・・・(1)
ここで、式(1)の左辺は、耐熱性多孔質層の空孔体積の目安であり、右辺は多孔質基材の体積の目安となっている。すなわち、充分な熱融着力を確保するには、耐熱性多孔質層の空孔体積より多孔質基材の体積が大きいことが好ましい。
耐熱性多孔質層に用いられる耐熱性樹脂は、融点200℃以上のポリマー、あるいは融点を有しないが分解温度が200℃以上のポリマーが適当である。このような耐熱性樹脂の好ましい例としては、全芳香族ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルイミド、セルロース、及びポリテトラフルオロエチレンからなる群から選ばれる少なくとも1種の樹脂が挙げられる。特に、耐久性の観点から、全芳香族ポリアミドが好適であり、多孔質層を形成しやすく耐酸化還元性に優れるという観点から、メタ型全芳香族ポリアミドであるポリメタフェニレンイソフタルアミドがさらに好適である。
本発明において、耐熱性多孔質層には、無機フィラーが含まれていることが好ましい。耐熱性多孔質層が無機フィラーを含んでいても、無機フィラーの粒径と含有量をバランスよく調整することにより熱融着は可能である。
本発明における耐熱性多孔質層を積層する方法は、上述した構成の多孔質シートを製造できれば特に限定されない。具体的には、例えば下記(1)〜(5)の工程を含む方法により製造することが可能である。
耐熱性樹脂を溶剤に溶かし、塗工用スラリーを作製する。溶剤は、耐熱性樹脂を溶解するものであればよく、特に限定はないが、具体的には極性溶剤が好ましい。極性溶剤としては、例えば、N−メチルピロリドン、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドなどが挙げられる。また、該溶剤には、これらの極性溶剤に加えて、耐熱性樹脂に対して貧溶剤となる溶剤も加えることができる。このような貧溶剤を適用することでミクロ相分離構造が誘発され、耐熱性多孔質層を形成する上で多孔化が容易となる。貧溶剤としては、アルコールの類が好適であり、特にグリコールのような多価アルコールが好適である。塗工用スラリー中の耐熱性樹脂の濃度は4〜9質量%が好ましい。また必要に応じ、これに無機フィラーを分散させて塗工用スラリーとする。
スラリーをポリオレフィン多孔質基材の少なくとも一方の表面に塗工する。ポリオレフィン多孔質基材の両面に耐熱性多孔質層を形成する場合は、基材の両面に同時に塗工することが、工程の短縮という観点で好ましい。塗工用スラリーを塗工する方法としては、ナイフコーター法、グラビアコーター法、スクリーン印刷法、マイヤーバー法、ダイコーター法、リバースロールコーター法、インクジェット法、スプレー法、ロールコーター法などが挙げられる。この中でも、塗膜を均一に形成するという観点において、リバースロールコーター法が好適である。
スラリーが塗工された基材を、前記耐熱性樹脂を凝固させることが可能な凝固液で処理する。これにより、耐熱性樹脂を凝固させて、耐熱性樹脂からなる耐熱性多孔質層あるいは、耐熱性樹脂に無機フィラーが結着された耐熱性多孔質層を形成する。凝固液で処理する方法としては、塗工用スラリーを塗工した基材に対して凝固液をスプレーで吹き付ける方法や、当該基材を凝固液の入った浴(凝固浴)中に浸漬する方法などが挙げられる。凝固液としては、当該耐熱性樹脂を凝固できるものであれば特に限定されないが、水、又は、スラリーに用いた溶剤に水を適当量混合させたものが好ましい。ここで、水の混合量は凝固液に対して40〜80質量%が好適である。
(4)凝固液の除去
凝固液を水洗することによって除去する。
(5)乾燥
シートから水を乾燥して除去する。乾燥方法は特に限定はないが、乾燥温度は50〜80℃が好適であり、高い乾燥温度を適用する場合は熱収縮による寸法変化が起こらないようにするために、ロールに接触させるような方法を適用することが好ましい。
なお、上記のような湿式凝固法以外にも、スラリーの塗工後に凝固を行なわずに乾燥によって溶媒を除去する乾式法によって耐熱性多孔質層を形成してもよい。また、耐熱性樹脂を含む繊維状物を抄造して不織布や紙等の耐熱性多孔質シートを別途形成し、これをポリオレフィン多孔質基材に融着あるいは接着するような構成でもよい。
本発明の連結多孔質シートの製造方法は、既述の本発明の連結多孔質シートを作製するものである。すなわち、本発明の連結多孔質シートの製造方法は、ポリオレフィンを含む多孔質基材と、前記多孔質基材の片面又は両面に設けられ、耐熱性樹脂を含む耐熱性多孔質層とを有する1つ又は複数の多孔質シートを連結して、連結多孔質シートを製造する方法であり、前記多孔質シートの前記耐熱性多孔質層の一部と該多孔質シートの前記多孔質基材又は前記耐熱性多孔質層の一部とを、前記ポリオレフィンを溶融させることにより連結するか、あるいは、複数の多孔質シートから選ばれる第1の多孔質シートの耐熱性多孔質層の一部と、前記第1の多孔質シートと異なる第2の多孔質シートの前記多孔質基材及び前記耐熱性多孔質層の少なくとも一方の一部とを、前記ポリオレフィンを溶融させることにより連結する熱融着工程を設けて構成されている。
インパルス方式の熱圧着装置は、熱融着時間のみの制御で温度を制御できるものが好ましく、更には、温度、時間はともに熱融着に重要な因子であるため、熱融着時間と熱融着温度をともに独立に制御できるものがより好ましい。
上記のようなインパルス方式の熱融着装置では、通電により瞬時に熱融着可能な条件に加熱することができ、熱融着後には瞬時に冷却されるため、熱圧着するステージ上から多孔質シートの取り外すときには十分な力学強度を確保することができる。したがって、ハンドリングの観点で有利である。特に上記のように多孔質基材の表面に耐熱性多孔質層が設けられたタイプの多孔質シートでは、インパルス方式の熱融着装置を用いると、熱融着をより容易に行なえ、高い接着強度を確保しやすい利点がある。
また、本発明においては、ポリオレフィン多孔質基材と耐熱性多孔質層を有する多孔質シートを熱融着する場合、耐熱性多孔質層を間に介した状態で熱融着する必要がある。すなわち、多孔質シートが一枚あるいは複数枚のいずれの場合であっても、耐熱性多孔質層と他の耐熱性多孔質層を当接させるか、あるいは、耐熱性多孔質層と他のポリオレフィン多孔質基材とを当接するように、シート同士を重ねて熱融着する必要がある。従来は、耐熱性多孔質層が存在する場合は熱融着自体が困難と考えられていたが、本発明では、多孔質基材のポリオレフィンが溶融して、これが耐熱性多孔質層中に染み込むことで多孔質シート同士が接着されるという機構を見出したことに技術的意義がある。ただし、インパルス方式の熱融着装置を用いた場合はこの限りでなく、ポリオレフィン多孔質基材と他のポリオレフィン多孔質基材を熱融着してもよい。
中でも、熱融着の好ましい条件として、熱融着温度150〜220℃、熱融着圧力0.01MPa以上、熱融着時間0.1秒以上の条件が好適である。
前記融着時間は、0.1秒以上であることが好ましく、このような条件であれば多孔質シート間の熱融着をより良好に行なうことができる。熱融着時間は1秒以上であることがより好ましい。融着時間の上限は360秒が望ましい。
具体的に、熱融着時の熱融着温度としては、190〜220℃の範囲が好適である。熱融着温度が190℃以上であることで、多孔質シート同士の接着強度がより確保され、また熱融着温度が220℃以下であることで、多孔質シートの酸化劣化が防止され、黄変色の回避に有利である。
本発明の非水二次電池用セパレータは、上述した連結多孔質シートを用いて構成されている。本発明の連結多孔質シートを備えた非水系二次電池用セパレータによれば、基材となるポリオレフィン含有の多孔質基材によりシャットダウン機能が得られると共に、耐熱性多孔質層により、シャットダウン温度以上の温度に達してポリオレフィンが溶融した場合でも、ポリオレフィンが耐熱性多孔質層に付着した状態で保持されるため、メルトダウンが防止される。これより、高温時の安全性を確保することができる。また、本発明においては、非水系二次電池用セパレータに熱融着による連結部位を設けて重層構造に積み重ねられた電極とセパレータのズレが防止され、ズレに伴なう電極間の短絡が回避されるので、安全性をより確保できる。従って、本発明の非水二次電池用セパレータによれば、従来に比べてさらに安全性に優れた非水系二次電池を提供することができる。
本発明の非水系二次電池用セパレータの空孔率は、透過性及び機械的強度の観点から30〜70%であることが好ましい。
本発明の非水系二次電池用セパレータのガーレ値(JIS P8117)は、機械強度と膜抵抗の観点から、100〜500sec/100ccであることが好ましい。
本発明の非水系二次電池用セパレータの膜抵抗値は、非水系二次電池の負荷特性の観点から、1.5〜10ohm・cm2であることが好ましい。
本発明の非水系二次電池用セパレータの突刺強度は、耐短絡性の観点から、250g以上であることが好ましい。
本発明の非水系二次電池用セパレータの引張強度は、電池の製造製の観点から、10N以上であることが好ましい。
本発明の非水系二次電池用セパレータのシャットダウン温度は、電池の高温下での安全性の観点から、130〜155℃であることが好ましい。ここで、シャットダウン温度は、抵抗値が103ohm・cm2となったときの温度をさす。シャットダウン温度が130℃以上の場合、同時にポリオレフィン微多孔膜が完全溶融しにくいため、短絡現象が発生するメルトダウンと呼ばれる現象が低温で発生しにくくなり、安全上好ましい。また、シャットダウン温度が155℃以下である場合、高温時の安全機能が期待できる。好ましくは135〜150℃である。
本発明の非水系二次電池用セパレータの105℃における熱収縮率は、形状安定性とシャットダウン特性の観点から、0.5〜10%であることが好ましい。
本発明の非水系二次電池は、リチウムのドープ・脱ドープにより起電力を得る非水系二次電池であって、上述した構成の本発明の非水系二次電池用セパレータを設けて構成されている。非水系二次電池は、負極と正極とがセパレータを介して対向配置されている電池要素に電解液が含浸され、これが外装に封入された構造となっている。
負極は、負極活物質、導電助剤及びバインダーからなる負極合剤が、集電体上に成形された構造となっている。負極活物質としては、リチウムを電気化学的にドープすることが可能な材料が挙げられ、例えば炭素材料、シリコン、アルミニウム、スズ、ウッド合金などが挙げられる。導電助剤は、アセチレンブラック、ケッチェンブラックといった炭素材料が挙げられる。バインダーは有機高分子からなり、例えばポリフッ化ビニリデン、カルボキシメチルセルロースなどが挙げられる。集電体には銅箔、ステンレス箔、ニッケル箔などを用いることが可能である。
正極は、正極活物質、導電助剤及びバインダーからなる正極合剤が、集電体上に成形された構造となっている。正極活物質としては、リチウム含有遷移金属酸化物等が挙げられ、具体的にはLiCoO2、LiNiO2、LiMn0.5Ni0.5O2、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2、LiMn2O4、LiFePO4等が挙げられる。導電助剤はアセチレンブラック、ケッチェンブラックといった炭素材料が挙げられる。バインダーは有機高分子からなり、例えばポリフッ化ビニリデンなどが挙げられる。集電体にはアルミ箔、ステンレス箔、チタン箔などを用いることが可能である。
電解液は、リチウム塩を非水系溶媒に溶解した構成である。リチウム塩としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4などが挙げられる。非水系溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、ビニレンカーボネートなどが挙げられ、これらは単独で用いても混合して用いてもよい。
本発明の非水系二次電池は、フィルム等の外装材を用いて、電池ユニットをラミネートパックすることにより封入されている。外装材は、アルミラミネートパック等が挙げられる。外装材の厚みについては、特に制限はなく、適宜選択することができる。
図6に示すように、非水系二次電池80は、電極として正極81及び負極85と、正極及び負極の間に一部分が配置され、図4に示すように複数の多孔質シートが互いの重なり部を熱融着して連結された長尺状の連結多孔質シート83と、負極85の連結多孔質シート83と対向しない側に配置され、連結多孔質シート83と同様に熱融着による連結部位を有する長尺状の連結多孔質シート87とをこの順に重ね、巻取り軸89に巻き取って形成される円筒形状を有している。非水系二次電池80は、図示しないアルミラミネートフィルムを用い、形成された円筒形状を封入して円筒型に構成される。
本発明の非水系二次電池の製造方法は、上述した連結多孔質シートの製造方法を利用したものであれば、いずれの方法でもよい。
特に、本発明においては次の方法が好ましい。すなわち、正極、負極、及びセパレータを含む非水系二次電池を製造する方法であって、前記セパレータとして、ポリオレフィンを含む多孔質基材と、前記多孔質基材の片面又は両面に設けられ、耐熱性樹脂を含む耐熱性多孔質層とを有する複数の多孔質シートを用い、複数の多孔質シートから選ばれる第1の多孔質シート(セパレータ)の前記多孔質基材又は前記耐熱性多孔質層の一部と、前記第1の多孔質シート(セパレータ)と異なる第2の多孔質シート(セパレータ)の前記多孔質基材又は前記耐熱性多孔質層の一部とを、前記ポリオレフィンを加熱溶融させることにより連結する熱融着工程を含み、前記熱融着工程では、インパルス方式の熱融着法により、前記複数の多孔質シートの両外面側から加熱し熱融着するものである。
このような方法によれば、インパルス方式の熱融着法により、電極とセパレータを容易に固定化することができる。
上記の熱融着工程では、インパルス法により良好な熱融着が得られる観点から、熱融着温度190〜220℃、熱融着圧力0.1〜5MPa、熱融着時間1〜15秒の条件で熱融着することが好ましい。
すなわち、本発明の連結多孔質シートと正極及び負極をなす電極板とを用意し、正極と負極との間に連結多孔質シートの一部を挟んで正極/連結多孔質シート/負極の積層状態となるように重ね、この状態でラミネータに通す。ラミネータで互いに向かい合うシートとシートとの間を熱融着し固定することにより電池ユニットを作製する。そして、得られた電池ユニットを複数積み重ね、全体をフィルム等の外装材で包装することにより二次電池を得ることができる。
また、他の方法として、図2〜図3に示すように予め多孔質シートを熱融着させて連結部位を有する連結多孔質シートを作製した後、これに正極と負極をなす電極板を配置し、正極/連結多孔質シート/負極の重層構造を持つ電池ユニットを作製する。ここで得られた電池ユニットを複数積み重ね、全体をフィルム等の外装材で包装することにより二次電池を得ることができる。
下記の実施例1〜10、比較例1〜2について、以下の方法に従って測定及び評価を行なった。
非水系二次電池用セパレータの厚み(ポリオレフィン微多孔膜及び耐熱性多孔質層の合計厚み)及びポリオレフィン微多孔膜の厚みを、接触式の膜厚計(ミツトヨ社製)にて20点測定し、これを平均することにより求めた。ここで、接触端子は、底面が直径0.5cmの円柱状のものを用いた。
(2)目付
非水系二次電池用セパレータ及びポリオレフィン微多孔膜の目付は、サンプルを10cm×10cmに切り出し重量を測定する。この重量を面積で割ることで1m2当たりの重量である目付を求めた。
(3)空孔率
非水系二次電池用セパレータ及びポリオレフィン微多孔膜の空孔率は、下記式から求めた。
ε={1−Ws/(ds・t)}×100
ここで、ε:空孔率(%)、Ws:目付(g/m2)、ds:真密度(g/cm3)、t:膜厚(μm)である。
(4)ガーレ値
非水系二次電池用セパレータ及びポリオレフィン微多孔膜のガーレ値は、JIS P8117に従って求めた。
非水系二次電池用セパレータ及びポリオレフィン微多孔膜の膜抵抗は、以下の方法で求めた。
サンプルを2.6cm×2.0cmのサイズに切り出す。非イオン性界面活性剤(花王社製のエマルゲン210P)3質量%を溶解したメタノール溶液(メタノール:和光純薬工業社製)に切り出したサンプルを浸漬し、風乾する。厚さ20μmのアルミ箔を2.0cm×1.4cmに切り出し、リードタブを付ける。このアルミ箔を2枚用意して、アルミ箔間に切り出したサンプルをアルミ箔が短絡しないように挟む。サンプルに電解液である1MのLiBF4 プロピレンカーボネート/エチレンカーボネート(1/1質量比)(キシダ化学社製)を含浸させる。これをアルミラミネートパック中にタブがアルミパックの外に出るようにして減圧封入する。このようなセルをアルミ箔中にセパレータが1枚、2枚、3枚となるようにそれぞれ作製する。該セルを20℃の恒温槽中に入れ、交流インピーダンス法で振幅10mV、周波数100kHzにて該セルの抵抗を測定する。測定されたセルの抵抗値をセパレータの枚数に対してプロットし、このプロットを線形近似し、傾きを求める。この傾きに電極面積である2.0cm×1.4cmを乗じてセパレータ1枚当たりの膜抵抗(ohm・cm2)を求めた。
非水系二次電池用セパレータ及びポリオレフィン微多孔膜の突刺強度は、カトーテック社製KES−G5ハンディー圧縮試験器を用いて、針先端の曲率半径0.5mm、突刺速度2mm/secの条件で突刺試験を行ない、最大突刺荷重を突刺強度とした。ここでサンプルはφ11.3mmの穴があいた金枠(試料ホルダー)にシリコンゴム製のパッキンも一緒に挟み固定した。
(7)引張強度
非水系二次電池用セパレータ及びポリオレフィン微多孔膜の引張強度は、10×100mmに調整したサンプルを、引張試験機(A&D社製、RTC−1225A)を用い、ロードセル荷重5kgf、チャック間距離50mmの条件で測定した。
(8)シャットダウン温度
非水系二次電池用セパレータ及びポリオレフィン微多孔膜のシャットダウン温度(SD温度)は、以下の方法で求めた。
サンプルをφ19mmに打ち抜き、非イオン性界面活性剤(花王社製エマルゲン210P)を3質量%溶解したメタノール溶液(メタノール:和光純薬工業社製)に切り出したサンプルを浸漬し、風乾した。サンプルをφ15.5mmのSUS板に挟んだ。サンプルに電解液である1MのLiBF4 プロピレンカーボネート/エチレンカーボネート(1/1質量比)(キシダ化学社製)を含浸させた。これを2032型コインセルに封入した。コインセルからリード線をとり、熱電対を付けてオーブンの中に入れた。昇温速度1.6℃/分で昇温させ、同時に交流インピーダンス法で振幅10mV、周波数100kHzにて該セルの抵抗を測定した。抵抗値が103ohm・cm2以上となった温度をシャットダウン温度とした。
非水系二次電池用セパレータ及びポリオレフィン微多孔膜の熱収縮率は、サンプルを105℃で1時間加熱することによって測定した。なお、測定方向は機械方向である。
(10)熱圧着温度
非水系二次電池用セパレータの熱圧着温度は、シーラー(TCW−125B、日本アビオニクス社製)の温度を設定して熱圧着し、熱圧着可能となった最低温度を熱圧着可能温度とした。
(11)放電性
非水系二次電池の放電性評価を、以下の方法で実施した。
1.6mA、4.2Vで8時間定電流・定電圧充電、1.6mA、2.75Vで定電流放電の充放電サイクルを10サイクル実施し、10サイクル目に得られた放電容量[mAh]をこの電池の放電容量とした。次に、1.6mA、4.2Vで8時間定電流・定電圧充電、16mA、2.75Vで定電流放電を行なった。このとき得られた容量を10サイクル目の電池の放電容量で除算し、得られた数値を負荷特性[%]の指標とした。
(12)耐短絡性
非水系二次電池セパレータの耐短絡性を、以下の方法で実施した。
上記(11)に記載の放電性評価の実施後、非水系二次電池を1.6mA、4.2Vで8時間定電流・定電圧充電した。充電後、振とう機(MK161、ヤマト科学社製)を用いて1時間振盪させた。その後、非水系二次電池の電圧を測定した。
(13)サイクル特性
上記(11)に記載の放電性評価を300サイクル実施し、300サイクル目に得られた放電容量を10サイクル目に得られた放電容量[mAh]で除算し、得られた数値をサイクル特性[%]の指標とした。
(14)ポリエチレンの含有量
ポリオレフィン多孔質基材中の分子量20万〜200万のポリエチレンの含有量は、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)で測定した。具体的には、試料15mgに、GPC測定用移動相20mlを加え、145℃で完全に溶解し、ステンレス製焼結フィルター(孔径1.0μm)で濾過した。次に、濾液400μlを装置に注入して測定に供し、以下の条件で、GPC曲線を得た。そして、GPC曲線を分子量2.0×105から2.0×106までの区間で積分した値S1と、GPC曲線を分子量0から4.0×107までの区間で積分した値S2を求め、S1をS2で除算して100を乗じることで、ポリオレフィン多孔質基材中の分子量20万〜200万のポリエチレンの含有量(質量%)を求めた。
<条件>
・装置:ゲル浸透クロマトグラフ Alliance GPC2000型(Waters製)
・カラム:東ソー(株)製、TSKgel GMH6−HT×2+TSKgel GMH6−HT×2
・カラム温度:140℃
・移動相:o−ジクロロベンゼン
・検出器:示差屈折計(RI)
・分子量較正:東ソー(株)製、単分散ポリスチレン
ポリエチレンパウダーとしてTicona社製のGUR2126(重量平均分子量415万、融点141℃)とGURX143(重量平均分子量56万、融点135℃)を用いた。GUR2126とGURX143を2:8(質量比)となるようにして、ポリエチレン濃度が30質量%となるように流動パラフィン(松村石油研究所社製のスモイルP−350:沸点480℃)とデカリン(和光純薬工業社製、沸点193℃)の混合溶媒中に溶解させ、ポリエチレン溶液を作製した。作製したポリエチレン溶液の組成は、ポリエチレン:流動パラフィン:デカリン=30:67.5:2.5(質量比)である。このとき、分子量が20万〜200万に相当するポリエチレンの含有量は、48質量%であった。
参考例1で得られたポリオレフィン微多孔膜を用い、この両面に耐熱性樹脂からなる耐熱性多孔質層を積層させて、本発明の非水系二次電池用セパレータを製造した。
具体的に、耐熱性樹脂として、ポリメタフェニレンイソフタルアミド(帝人テクノプロダクツ社製、コーネックス)を用いた。この耐熱性樹脂を、ジメチルアセトアミド(DMAc)とトリプロピレングリコール(TPG)が質量比50:50となっている混合溶媒に溶解させて、塗工用スラリーを作製した。なお、塗工用スラリーにおけるポリメタフェニレンイソフタルアミドの濃度は、5.5質量%となるように調整した。そして、マイヤーバーを2本対峙させ、その間に塗工液を適量のせた。この後、ポリオレフィン微多孔膜を、塗工液がのっているマイヤーバー間を通過させて、ポリオレフィン微多孔膜の表裏面に塗工液を塗工した。ここで、マイヤーバー間のクリアランスは20μmに設定し、マイヤーバーの番手は2本とも#6を用いた。これを質量比で水:DMAc:TPG=50:25:25で40℃となっている凝固液中に浸漬し、次いで水洗・乾燥を行なった。これにより、ポリオレフィン微多孔膜の表裏両面に厚み3μmの耐熱性多孔質層を形成して非水系二次電池用セパレータを得た。
ここで形成された耐熱性多孔質層の空孔率を前記方法で測定したところ、60%であった。
また、得られた非水系二次電池用セパレータの特性(膜厚、目付、ガーレ値、空孔率、膜抵抗、突刺強度、引張強度、シャットダウン温度(SD温度)、熱収縮率)を測定し、その測定結果を下記表1に示す。
このようにして、図2に示すように連結部位を付して袋状に形成された連結セパレータを得た。
実施例1において、塗工用スラリーとして、上記のポリメタフェニレンイソフタルアミド、DMAc、及びTPGからなるポリマー溶液に、α−アルミナ(岩谷化学工業社製、SA−1、平均粒子径0.8μm)を分散させて作製した塗工用スラリーを用いた以外は、実施例1と同様にして非水系二次電池用セパレータを得た。なお、塗工用スラリーは、DMAcとTPGとが質量比50:50となっている混合溶媒に、ポリメタフェニレンイソフタルアミドを濃度5.5質量%となるように溶解させ、このポリマー溶液に無機フィラーを分散させて作製したものである。ポリメタフェニレンイソフタルアミドと無機フィラーとの質量比は、25:75とした。
得られた非水系二次電池用セパレータは、ポリオレフィン微多孔膜の表裏両面に厚み3μmの耐熱性多孔質層が形成されており、耐熱性多孔質層の空孔率は60%であった。
この非水系二次電池用セパレータについて、実施例1と同様の手順かつ表1に示す熱融着条件で、袋状に形成された連結セパレータを得た。
実施例2において、無機フィラーとして用いたα−アルミナを水酸化マグネシウム(協和化学工業社製、キスマ−5P、平均粒子径1.0μm)に代えたこと以外は、実施例2と同様にして、非水系二次電池用セパレータを作製し、さらに袋状に形成された連結セパレータを得た。得られた非水系二次電池用セパレータは、ポリオレフィン微多孔膜の表裏両面に厚み3μmの耐熱性多孔質層が形成されており、耐熱性多孔質層の空孔率は60%であった。
実施例3において、マイヤーバー間のクリアランスを20μmから50μmに設定変更したこと以外は、実施例3と同様にして、非水系二次電池用セパレータを得た。得られた非水系二次電池用セパレータは、ポリオレフィン微多孔膜の表裏両面に厚み10μmの耐熱性多孔質層が形成されており、耐熱性多孔質層の空孔率は60%であった。
実施例3において、マイヤーバー間のクリアランスを20μmから15μmに設定変更したこと以外は、実施例3と同様にして、非水系二次電池用セパレータを得た。得られた非水系二次電池用セパレータは、ポリオレフィン微多孔膜の表裏両面に厚み1μmの耐熱性多孔質層が形成されており、耐熱性多孔質層の空孔率は60%であった。
正極活物質であるコバルト酸リチウム(LiCoO2:日本化学工業社製のセルシードC)89.5質量部、アセチレンブラック(電気化学工業社製、商品名:デンカブラック;導電助剤)4.5質量部、ポリフッ化ビニリデン(KFポリマー、W#1100、クレハ化学社製;バインダー)6質量部となるように、N−メチル−ピロリドンを用いてこれらを混練し、スラリーを作製した。得られたスラリーを厚さが20μmのアルミ箔上に塗布乾燥させ、その後プレスして、100μmの正極を得た。
ここで、電解液には、1M LiPF6エチレンカーボネート/エチルメチルカーボネート(=3/7[質量比]、キシダ化学社製)を用いた。
得られた非水系二次電池の特性(放電容量、負荷特性、耐短絡性、サイクル特性)を測定し、その測定結果を下記表2に示す。
実施例6において、非水系二次電池用セパレータとして実施例2で得られた袋状の連結セパレータを用いたこと以外は、実施例6と同様にして、非水系二次電池を得た。
実施例6において、非水系二次電池用セパレータとして実施例3で得られた袋状の連結セパレータを用いたこと以外は、実施例6と同様にして、非水系二次電池を得た。
実施例6において、非水系二次電池用セパレータとして実施例4で得られた袋状の連結セパレータを用いたこと以外は、実施例6と同様にして、非水系二次電池を得た。
実施例6において、非水系二次電池用セパレータとして実施例5で得られた袋状の連結セパレータを用いたこと以外は、実施例6と同様にして、非水系二次電池を得た。
実施例1において、熱融着を行なわなかったこと以外は、実施例1と同様にして連結部位のない非水系二次電池用セパレータを作製した。次に、実施例6において、実施例1で作製した袋状の連結セパレータを、上記の連結部位のない非水系二次電池用セパレータに代えたこと以外は、実施例6と同様にして、非水系二次電池を得た。
実施例1において、熱融着に代えて接着剤(EXTRA2000、東亜合成社製)を付与することにより袋状の対比用連結セパレータを作製した。そして、実施例6において、実施例1で作製した袋状の連結セパレータを、上記の対比用連結セパレータに代えたこと以外は、実施例6と同様にして、非水系二次電池を得た。
下記の実施例11〜21について、上述の測定・評価方法以外にも、以下の方法に従って測定及び評価を行なった。
作製した連結セパレータの融着箇所の外観を目視により観察し、ちぎれや波打ち、斑状などの発生の有無について評価した。
作製した連結セパレータの融着箇所の外観を目視により観察し、熱融着前後での黄変色の有無を評価した。
作製した連結セパレータに対し、JIS C 60068−1に準拠した試験を行ない、剥離強度を計測し、接着強度を評価する指標とした。評価は、実施例11の測定値を100に規格化し、相対値を求めて行なった。
作製した非水系二次電池を充電電圧4.2V、充電電流0.2Cでの定電流・定電圧充電に供し、充電後、放電電流0.2C、2.75Vカットオフでの定電流放電を行なうことにより、非水系二次電池の充放電試験を実施した。
作製した非水系二次電池を、充電電圧4.2V、充電電流1Cでの定電流・定電圧充電と、放電電流1C、2.75Vカットオフでの定電流放電とを行なう操作を1サイクルとし、これを100サイクル繰り返す充放電条件にて、充放電サイクル試験を行なった。
耐熱性樹脂であるポリメタフェニレンイソフタルアミド(コーネックス、帝人テクノプロダクツ社製)を、ジメチルアセトアミド/トリプロピレングリコール(=60/40;質量比)に5質量%溶解した。この溶液に、ポリメタフェニレンイソフタルアミドの質量に対して4倍の水酸化マグネシウムフィラー(キスマ5P(平均粒子径0.8μm)、協和化学(株)製)を分散させ、塗工液を調製した。この塗工液を膜厚16μmのポリエチレン微多孔膜(TN1601、SK社製)の両面に塗工し、これを30℃のジメチルアセトアミド/トリプロピレングリコール/水(=18/12/70;質量比)の凝固液に浸漬した。更に、水洗、乾燥した。このようにして、ポリエチレン微多孔膜の両面に耐熱性多孔質層が形成された非水系二次電池用セパレータを作製した。
その結果、融着部位は良好に熱融着されていることが確認され、融着箇所の外観も良好であった。また、上記方法にて融着箇所の接着強度を測定した。
実施例11において、インパルス式の熱融着装置を熱板プレス式の装置に代えたこと以外は、実施例11と同様にして熱融着を行なった。
その結果、融着箇所は、部分的にちぎれたり、波打ちがみられ、実施例11よりは劣るものの、比較的良好な外観が得られた。これは、実施例11のインパルス式では、熱融着後、瞬時に冷却がなされサンプルを取り出すときには充分に冷えていたのに対し、熱板プレス式では瞬時冷却が基本的に困難であり、200℃の状態でサンプルを取り出したため、外観上の差異が生じたものと考えられる。
また、接着強度は、実施例11での接着強度を100とした相対値で65であった。
実施例11において、重ねた2枚のセパレータの上下両側から行なった加熱を、一方側(下側)からのみ行なうようにしたこと以外は、実施例11と同様にして熱融着を行なった。
その結果、実施例11に比べて熱融着が弱いものの、融着されていることが確認された。融着箇所の外観は良好であった。接着強度は、実施例11での接着強度を100とした相対値で1であった。実施例11との対比から、このようなセパレータの熱融着にはセパレータの両外面側から加熱する方式が熱融着性の点でより有効であることが分かった。
実施例11において、熱融着温度を200℃から170℃としたこと以外は、実施例11と同様にして熱融着を行なった。
その結果、融着部位は良好に熱融着されていることが確認され、融着箇所の外観も良好であった。融着箇所の接着強度を測定した結果、その接着強度は、実施例11での接着強度を100とした相対値で50であった。
実施例11において、熱融着温度を200℃から250℃としたこと以外は、実施例11と同様にして熱融着を行なった。
その結果、融着部位では熱融着が行なわれていることが確認され、融着箇所の外観を観察すると、良好ではあるが、融着箇所がやや黄色く変色していた。また、接着強度は、実施例11での接着強度を100とした相対値で95であった。
実施例11において、熱融着時間を7秒から0.5秒としたこと以外は、実施例11と同様にして熱融着を行なった。
その結果、融着部位では熱融着が行なわれていることが確認され、融着箇所の外観は良好であった。融着箇所の接着強度を測定した結果、その接着強度は、実施例11での接着強度を100とした相対値で44であった。
実施例11において、熱融着時間を7秒から60秒としたこと以外は、実施例11と同様にして熱融着を行なった。
その結果、融着部位では熱融着が行なわれていることが確認され、融着箇所の外観を観察すると、良好ではあるが、やや黄色く変色していた。また、接着強度は、実施例11での接着強度を100とした相対値で97であった。
実施例11において、熱融着圧力を0.5MPaから0.01MPaとしたこと以外、実施例11と同様に熱融着を行なった。
その結果、融着部位では熱融着が行なわれていることが確認され、融着箇所の外観は良好であった。また、融着箇所の接着強度を測定した結果、その接着強度は、実施例11での接着強度を100とした相対値で45であった。
実施例11において、熱融着圧力を0.5MPaから10MPaとしたこと以外は、実施例11と同様にして熱融着を行なった。
その結果、融着部位では熱融着が行なわれていることが確認された。融着箇所の外観を観察すると、融着箇所が斑になっており、融着箇所の接着強度を測定した結果、その接着強度は、実施例11での接着強度を100とした相対値で72であった。
耐熱性樹脂であるポリメタフェニレンイソフタルアミド(コーネックス、帝人テクノプロダクツ社製)を、ジメチルアセトアミド/トリプロピレングリコール(=60/40;質量比)に5質量%溶解した。この溶液に、ポリメタフェニレンイソフタルアミドの質量に対して4倍の水酸化マグネシウムフィラー(キスマ5P(平均粒子径0.8μm)、協和化学(株)製)を分散させ、塗工液を調製した。この塗工液を膜厚16μmのポリエチレン微多孔膜(TN1601、SK社製)の片面に塗工し、これを30℃のジメチルアセトアミド/トリプロピレングリコール/水(=18/12/70;質量比)の凝固液に浸漬し、水洗、乾燥した。このようにして、ポリエチレン微多孔膜の片面に耐熱性多孔質層が形成された非水系二次電池用セパレータを作製した。
その結果、融着箇所の外観は、波打ちが現れていたものの、融着部位では熱融着が行なわれていることが確認された。融着箇所の接着強度を測定した結果、その接着強度は、実施例11での接着強度を100とした相対値で89であった。
耐熱性樹脂であるポリメタフェニレンイソフタルアミド(帝人テクノプロダクツ社製、コーネックス)をジメチルアセトアミド/トリプロピレングリコール(=60/40;質量比)に5質量%溶解した。この溶液に、ポリメタフェニレンイソフタルアミドの質量に対して4倍の水酸化マグネシウムフィラー(キスマ5P(平均粒子径0.8μm)、協和化学(株)製)を分散させ、塗工液を調製した。この塗工液を膜厚16μmのポリエチレン微多孔膜(TN1601、SK社製)の片面に塗工し、これを30℃のジメチルアセトアミド/トリプロピレングリコール/水(=18/12/70;質量比)の凝固液に浸漬し、水洗、乾燥した。このようにして、ポリエチレン微多孔膜の片面に耐熱性多孔質層が形成された非水系二次電池用セパレータを作製した。
その結果、融着部位は良好に熱融着されていることが確認された。一方、融着箇所が斑になっていた。融着箇所の接着強度を測定した結果、その接着強度は、実施例11での接着強度を100とした相対値で52であった。
(1)負極の作製
負極活物質である人造黒鉛(MCMB25−28 大阪ガス化学社製)87.0g、導電助剤のアセチレンブラック(デンカブラック、電気化学工業社製)3.0gを、バインダーであるポリフッ化ビニリデン(KFポリマー、W#9300、クレハ化学社製)10.0gを6質量%となるようにN−メチル−2−ピロリドン(NMP、以下同様)に溶解した溶液に、双腕式混合機にて攪拌することで分散し、負極用スラリーを作製した。この負極用スラリーを、負極集電体である厚さ20μmの銅箔に塗布し、得られた塗膜を乾燥しプレスして、負極活物質層を有する負極を作製した。
正極活物質であるコバルト酸リチウム(セルシードC 日本化学工業社製)粉末89.5gと、導電助剤のアセチレンブラック(デンカブラック 電気化学工業社製)4.5gと、バインダーであるポリフッ化ビニリデン(KFポリマー、W#1100、クレハ化学社製)をNMPに溶解した溶液の、ポリフッ化ビニリデンの質量が6質量%となる量とを、双腕式混合機にて混合、攪拌し、正極用スラリーを作製した。この正極用スラリーを正極集電体である厚さ20μmのアルミ箔に塗布し、得られた塗膜を乾燥しプレスして、正極活物質層を有する正極を作製した。
耐熱性樹脂であるポリメタフェニレンイソフタルアミド(コーネックス、帝人テクノプロダクツ社製;分解温度200℃以上)を、ジメチルアセトアミド/トリプロピレングリコール(=60/40;質量比)に5質量%溶解した。この溶液に、ポリメタフェニレンイソフタルアミドの質量に対して4倍の水酸化マグネシウムフィラー(キスマ5P(平均粒子径0.8μm)、協和化学(株)製)を分散させ、塗工液を調製した。この塗工液を膜厚16μmのポリエチレン微多孔膜(TN1601、SK社製)の両面に塗工し、これを30℃のジメチルアセトアミド/トリプロピレングリコール/水(=18/12/70;質量比)の凝固液に浸漬し、水洗、乾燥した。
このようにして、ポリエチレン微多孔膜の両面に耐熱性多孔質層が形成された非水系二次電池用セパレータを作製した。
上記で作製した正極を10cm×10cmに、負極を11cm×11cmに、非水系二次電池用セパレータを12.5cm×12.5cmのサイズにそれぞれ切り出し、これらを正極/セパレータ/負極/セパレータ/正極/セパレータ/負極/セパレータ/正極の重層構造になるように積層した。得られた重層体の4辺のうち、3辺をインパルス方式の熱融着装置で熱融着させた。このときの融着条件は、両端に配置された両正極側から挟み込んで加圧する加熱方式において、熱融着温度:200℃、熱融着時間:7秒、熱融着圧力:0.5MPaとした。
そして、正極、負極ともにリードタブを溶接した後、残りの1辺を同様の条件で熱融着した。これをアルミラミネートパックに入れ、電解液(1M LiPF6エチレンカーボネート/エチルメチルカーボネート(=3/7;質量比))を注入した。その後、封止することによって、非水系二次電池を作製した。
更に、作製した非水系二次電池について、前記方法により充放電サイクル試験を行なった結果、100サイクル後の容量維持率は93%であり、良好なサイクル特性を示した。このサイクル試験の後、電池を解体し、電池内部の電極とセパレータの位置を確認したところ、有意に位置がズレている箇所は認められなかった。また、電池からセパレータを取り出し、セパレータの融着箇所の接着状態を確認したところ、その接着強度は良好であることが確認された。
2・・・連結部位
3・・・正極
4・・・負極
10,20,40,60,83,87・・・連結多孔質シート(二次電池用セパレータ)
11,21,41,61,63,65・・・多孔質シート
15a,15b,25a,25b,43a〜43f・・・連結部位
27・・・連結部位
31,33,35,37,39・・・電極
51,53,55,57,59・・・電極
70,80・・・非水系二次電池
73・・・板状外装材
Claims (15)
- ポリオレフィンを含む多孔質基材と、前記多孔質基材の片面又は両面に設けられ、耐熱性樹脂を含む耐熱性多孔質層とを有する1つ又は複数の多孔質シートを含み、
前記多孔質シートの前記耐熱性多孔質層の一部と該多孔質シートの前記多孔質基材又は前記耐熱性多孔質層の一部とが、前記ポリオレフィンを加熱溶融させることにより連結された連結部位、及び、
複数の多孔質シートから選ばれる第1の多孔質シートの耐熱性多孔質層の一部と、前記第1の多孔質シートと異なる第2の多孔質シートの前記多孔質基材及び前記耐熱性多孔質層の少なくとも一方の一部とが、前記ポリオレフィンを加熱溶融させることにより連結された連結部位、
の少なくとも一方を有する連結多孔質シート。 - 前記耐熱性多孔質層は、厚みが3μm以上12μm以下であり、空孔率が40%以上90%以下である請求項1に記載の連結多孔質シート。
- 前記ポリオレフィンは、分子量が20万以上200万以下のポリエチレンを含む請求項1又は請求項2に記載の連結多孔質シート。
- 前記耐熱性多孔質層の空孔率[%]をεa、厚み[μm]をtaとし、前記多孔質基材の空孔率をεb[%]、厚み[μm]をtbとしたとき、下記式(1)を満たす請求項1〜請求項3のいずれかに記載の連結多孔質シート。
(εa/100)×ta≦〔1−(εb/100)〕×tb ・・・(1) - 前記耐熱性樹脂が、融点が200℃以上のポリマー、あるいは融点を有しないが分解温度が200℃以上のポリマーである請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の連結多孔質シート。
- 前記多孔質基材の両面に前記耐熱性多孔質層が形成された請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の連結多孔質シート。
- 請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の連結多孔質シートを含む非水系二次電池用セパレータ。
- 正極、負極、及び前記正極と前記負極との間に一部が配置された請求項7に記載の非水系二次電池用セパレータを含む複数の電池ユニットと、
前記複数の電池ユニットを重ねた状態で封入する外装材と、
リチウムイオンを含有する電解液と、
を備え、リチウムのドープ・脱ドープにより起電力を得る非水系二次電池。 - ポリオレフィンを含む多孔質基材と、前記多孔質基材の片面又は両面に設けられ、耐熱性樹脂を含む耐熱性多孔質層とを有する1つ又は複数の多孔質シートを連結して、連結多孔質シートを製造する連結多孔質シートの製造方法であって、
前記多孔質シートの前記耐熱性多孔質層の一部と該多孔質シートの前記多孔質基材又は前記耐熱性多孔質層の一部とを、前記ポリオレフィンを加熱溶融させることにより連結するか、あるいは、
複数の多孔質シートから選ばれる第1の多孔質シートの耐熱性多孔質層の一部と、前記第1の多孔質シートと異なる第2の多孔質シートの前記多孔質基材及び前記耐熱性多孔質層の少なくとも一方の一部とを、前記ポリオレフィンを加熱溶融させることにより連結する熱融着工程を含む、連結多孔質シートの製造方法。 - 前記熱融着工程は、インパルス方式の熱融着法により前記多孔質シートの両外面側から加熱し熱融着する請求項9に記載の連結多孔質シートの製造方法。
- 前記熱融着工程は、熱融着温度150〜220℃、熱融着圧力0.01MPa以上、熱融着時間0.1秒以上の条件で熱融着する請求項9又は請求項10に記載の連結多孔質シートの製造方法。
- 前記熱融着工程は、インパルス方式の熱融着法によって、熱融着温度190〜220℃、熱融着圧力0.1〜5MPa、熱融着時間1〜15秒の条件で熱融着する請求項9〜請求項11のいずれか1項に記載の連結多孔質シートの製造方法。
- 正極、負極、及びセパレータを含む非水系二次電池を製造する方法であって、
前記セパレータとして、ポリオレフィンを含む多孔質基材と、前記多孔質基材の片面又は両面に設けられ、耐熱性樹脂を含む耐熱性多孔質層とを有する複数の多孔質シートを用い、
前記複数の多孔質シートから選ばれる第1の多孔質シートの前記多孔質基材又は前記耐熱性多孔質層の一部と、前記第1の多孔質シートと異なる第2の多孔質シートの前記多孔質基材又は前記耐熱性多孔質層の一部とを、前記ポリオレフィンを加熱溶融させることにより連結する熱融着工程を含み、
前記熱融着工程では、インパルス方式の熱融着法により、前記複数の多孔質シートの両外面側から加熱し熱融着する、非水系二次電池の製造方法。 - 前記正極、前記負極、及び前記セパレータを所定のシート形状に裁断する工程と、
前記正極、前記負極、及び前記セパレータを、正極/セパレータ/負極/セパレータの重層構造を一つの構成単位として、あるいは、セパレータ/正極/セパレータ/負極の重層構造を一つの構成単位として、一単位以上の構成単位を重ねる工程と、
を更に有し、
前記熱融着工程は、前記複数のセパレータの互いに対向する端部同士を熱融着して、前記複数のセパレータを連結し、前記正極、前記負極、及び前記セパレータを固定化する工程を含む請求項13に記載の非水系二次電池の製造方法。 - 前記熱融着工程は、熱融着温度190〜220℃、熱融着圧力0.1〜5MPa、熱融着時間1〜15秒の条件で熱融着する請求項13又は請求項14に記載の非水系二次電池の製造方法。
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