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特許7567787電気化学素子用機能層付きセパレータ、および電気化学素子
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  • 特許-電気化学素子用機能層付きセパレータ、および電気化学素子 図1
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-10-07
(45)【発行日】2024-10-16
(54)【発明の名称】電気化学素子用機能層付きセパレータ、および電気化学素子
(51)【国際特許分類】
   H01M 50/451 20210101AFI20241008BHJP
   H01M 50/414 20210101ALI20241008BHJP
   H01M 50/434 20210101ALI20241008BHJP
   H01M 50/443 20210101ALI20241008BHJP
   H01M 50/446 20210101ALI20241008BHJP
   H01M 50/463 20210101ALI20241008BHJP
   H01M 50/489 20210101ALI20241008BHJP
   H01G 11/52 20130101ALI20241008BHJP
【FI】
H01M50/451
H01M50/414
H01M50/434
H01M50/443 B
H01M50/443 E
H01M50/443 M
H01M50/446
H01M50/463 A
H01M50/489
H01G11/52
【請求項の数】 8
(21)【出願番号】P 2021524816
(86)(22)【出願日】2020-05-29
(86)【国際出願番号】 JP2020021428
(87)【国際公開番号】W WO2020246394
(87)【国際公開日】2020-12-10
【審査請求日】2023-04-24
(31)【優先権主張番号】P 2019103928
(32)【優先日】2019-06-03
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000229117
【氏名又は名称】日本ゼオン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】230118913
【弁護士】
【氏名又は名称】杉村 光嗣
(74)【代理人】
【識別番号】100150360
【弁理士】
【氏名又は名称】寺嶋 勇太
(74)【代理人】
【識別番号】100209679
【弁理士】
【氏名又は名称】廣 昇
(72)【発明者】
【氏名】安中 浩二
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 雅信
【審査官】福井 晃三
(56)【参考文献】
【文献】特開2017-152268(JP,A)
【文献】特開2019-020578(JP,A)
【文献】特開2011-258351(JP,A)
【文献】特開2015-082459(JP,A)
【文献】国際公開第2016/152026(WO,A1)
【文献】特開2016-119221(JP,A)
【文献】国際公開第2018/037867(WO,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01M 50/40-50/497
H01G 11/00-11/86
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
セパレータ基材と、前記セパレータ基材の少なくとも一方の表面上に配置された電気化学素子用機能層と、を備える電気化学素子用機能層付きセパレータであって、
前記電気化学素子用機能層は、無機粒子と、粒子状重合体とを含み、
前記電気化学素子用機能層の表面の最大高さSzは、2.5μm以上であり、
前記電気化学素子用機能層は、表面に前記粒子状重合体を含む凸部を有し、
前記粒子状重合体が、エポキシ基含有不飽和単量体単位を含む、電気化学素子用機能層付きセパレータ。
【請求項2】
前記粒子状重合体中のエポキシ基含有不飽和単量体単位の含有割合が0.5質量%以上30.0質量%以下である、請求項1に記載の電気化学素子用機能層付きセパレータ。
【請求項3】
前記電気化学素子用機能層の表面の最大高さRzが、1.6μm以上である、請求項1または2に記載の電気化学素子用機能層付きセパレータ。
【請求項4】
前記電気化学素子用機能層の表面の算術平均高さSaが、0.2μm以上である、請求項1~3のいずれかに記載の電気化学素子用機能層付きセパレータ。
【請求項5】
前記電気化学素子用機能層における前記無機粒子と前記粒子状重合体との体積比(無機粒子/粒子状重合体)が、1.1以上2.1以下である、請求項1~のいずれかに記載の電気化学素子用機能層付きセパレータ。
【請求項6】
前記粒子状重合体の電解液膨潤度が1倍以上15倍以下である、請求項1~のいずれかに記載の電気化学素子用機能層付きセパレータ。
【請求項7】
前記粒子状重合体が、下記1)若しくは2)を満たす、請求項1~のいずれかに記載の電気化学素子用機能層付きセパレータ。
1)前記粒子状重合体のガラス転移温度が15℃以上90℃以下
2)前記粒子状重合体の融点が50℃以上
【請求項8】
請求項1~のいずれかに記載の電気化学素子用機能層付きセパレータを備える、電気化学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電気化学素子用機能層付きセパレータ、および電気化学素子に関するものである。
【背景技術】
【0002】
リチウムイオン二次電池や電気二重層キャパシタなどの電気化学素子は、小型で軽量、且つエネルギー密度が高く、更に繰り返し充放電が可能という特性があり、幅広い用途に使用されている。
【0003】
ここで、例えばリチウムイオン二次電池は、一般に、正極、負極、および、正極と負極とを隔離して正極と負極との間の短絡を防ぐセパレータなどの電池部材を備えている。
【0004】
そして近年では、リチウムイオン二次電池の更なる高性能化を目的として、セパレータの更なる改良が検討されている。
具体的には、例えば特許文献1では、セパレータ基材の上に、非導電性粒子およびバインダーを含有する耐熱層を形成するとともに、この耐熱層上に、所定の粒子状重合体を含有する接着剤層を更に設けてなるセパレータが提案されている。そして、特許文献1では、耐熱層の上に接着剤層を有するセパレータを使用することで、セパレータと電極とを良好に接着させ、二次電池の電池特性を向上させられることが報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】国際公開第2013/151144号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかし、耐熱層および接着剤層を備える上記従来のセパレータは、その製造に際し、セパレータ基材上への耐熱層の形成と、耐熱層上への接着剤層の形成とを順次実施する必要があり、製造工程が煩雑である。
【0007】
そこで、このような問題に対し、例えば、個別に設けられた耐熱層および接着剤層に替えて、耐熱性と接着性とを同時に発現させることが可能な単一の層(以下、このような層を「機能層」と称する。)をセパレータ基材に形成することで、セパレータの製造工程を簡素化し、生産性を高めることが考えられる。
【0008】
そこで、本発明者は、耐熱性に寄与する成分と、接着性に寄与する成分とを含む組成物を用いれば、得られる機能層において耐熱性および接着性を同時に発現させ得ることに着目した。しかし、本発明者が検討したところ、耐熱性に寄与する成分と、接着性に寄与する成分とを単に混合してなる組成物を用いて形成された機能層は、電気化学素子の製造プロセス中における部材同士の接着性(以下、「プロセス接着性」とも称する。)が不十分であることが明らかとなった。また、耐熱性と接着性はトレードオフの関係にあるため、十分な接着性を確保しつつ、優れた耐熱性を発揮し得る機能層を形成することは困難であることが明らかとなった。更に、機能層を用いて製造した電気化学素子は、電気化学素子を製造する際の電解液の注液性(以下、「電解液注液性」と称する。)が良好であることが求められている。
【0009】
そこで、本発明は、プロセス接着性および耐熱性に優れ、且つ、電解液注液性を良好にし得る機能層を備える電気化学素子用機能層付きセパレータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明者は、上記目的を達成するために鋭意検討を行った。そして、本発明者は、無機粒子と粒子状重合体とを含み、表面の最大高さSzが所定値以上であり、且つ、表面に粒子状重合体を含む凸部を有する電気化学素子用機能層をセパレータ基材上に形成すれば、プロセス接着性および耐熱性に優れ、且つ、電解液注液性を良好にし得る機能層を備える電気化学素子用機能層付きセパレータが得られることを見出し、本発明を完成させた。
【0011】
即ち、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の電気化学素子用機能層付きセパレータは、セパレータ基材と、前記セパレータ基材の少なくとも一方の表面上に配置された電気化学素子用機能層と、を備える電気化学素子用機能層付きセパレータであって、前記電気化学素子用機能層は、無機粒子と、粒子状重合体とを含み、前記電気化学素子用機能層の表面の最大高さSzは、2.5μm以上であり、前記電気化学素子用機能層は、表面に前記粒子状重合体を含む凸部を有することを特徴とする。このように、無機粒子と粒子状重合体とを含み、表面の最大高さSzが所定値以上であり、且つ、表面に粒子状重合体を含む凸部を有する電気化学素子用機能層をセパレータ基材上に形成すれば、プロセス接着性および耐熱性に優れ、且つ、電解液注液性を良好にし得る機能層を備える電気化学素子用機能層付きセパレータを提供することができる。
なお、本明細書中における「表面の最大高さSz」は、ISO25178に準拠するものとする。
また、本発明における「凸部」とは、機能層の表面のうち、機能層の算術平均高さSaの面を基準として、該基準より1μm以上突出している部分を指す。ここで、凸部が「表面に粒子状重合体を含む」とは、機能層付きセパレータを単独で観察した場合に、機能層が有する凸部の表面に粒子状重合体が露出している状態を指す。そして、機能層が有する「表面に粒子状重合体を含む凸部」は、SEM-EDX(走査型電子顕微鏡-エネルギー分散型X線分析法)により確認することができる。
【0012】
ここで、本発明の電気化学素子用機能層付きセパレータは、前記電気化学素子用機能層の表面の最大高さRzが、1.6μm以上であることが好ましい。このように、電気化学素子用機能層の表面の最大高さRzが上記所定値以上であれば、機能層のプロセス接着性を更に高めることができる。
なお、本明細書中における「表面の最大高さRz」は、JIS B 0601に準拠するものとする。
【0013】
また、本発明の電気化学素子用機能層付きセパレータは、前記電気化学素子用機能層の表面の算術平均高さSaが、0.2μm以上であることが好ましい。このように、電気化学素子用機能層の表面の算術平均高さSaが上記所定値以上であれば、機能層のプロセス接着性を更に高めることができる。
なお、本明細書中における「算術平均高さSa」は、ISO25178に準拠するものとする。
【0014】
さらに、本発明の電気化学素子用機能層付きセパレータは、前記電気化学素子用機能層における前記無機粒子と前記粒子状重合体との体積比(無機粒子/粒子状重合体)が、1.1以上2.1以下であることが好ましい。このように、電気化学素子用機能層における無機粒子と粒子状重合体との体積比が上記所定範囲内であれば、機能層におけるプロセス接着性と耐熱性とのバランスが良好になる。
【0015】
また、本発明の電気化学素子用機能層付きセパレータは、前記粒子状重合体の電解液膨潤度が1倍以上15倍以下であることが好ましい。このように、粒子状重合体の電解液膨潤度が上記所定範囲内であれば、機能層の電解液中での接着性を高めると共に、機能層を備えた電気化学素子の電気化学特性を向上させることができる。
【0016】
さらに、本発明の電気化学素子用機能層付きセパレータは、前記粒子状重合体が、下記1)若しくは2)を満たすことが好ましい。
1)前記粒子状重合体のガラス転移温度が15℃以上90℃以下
2)前記粒子状重合体の融点が50℃以上
このように、粒子状重合体のガラス転移温度が上記所定の範囲内であれば、機能層の良好な接着性を確保しつつ、機能層のブロッキングを抑制することができる。また、粒子状重合体の融点が50℃以上であれば、粒子状重合体が結晶性高分子重合体を含む場合であっても、機能層の良好な接着性を確保することができる。
なお、本発明において、「ガラス転移温度」および「融点」は、本明細書の実施例に記載の方法を用いて測定することができる。
【0017】
また、本発明の電気化学素子用機能層付きセパレータは、前記粒子状重合体が、エポキシ基含有不飽和単量体単位を含むことが好ましい。このように、粒子状重合体がエポキシ基含有不飽和単量体単位を含めば、機能層の電解液中での接着性を高めると共に、機能層を備えた電気化学素子の保存特性を向上させることができる。
【0018】
さらに、本発明の電気化学素子用機能層付きセパレータは、前記粒子状重合体中のエポキシ基含有不飽和単量体単位の含有割合が0.5質量%以上30.0質量%以下であることが好ましい。このように、粒子状重合体中のエポキシ基含有単量体単位の含有割合が上記の所定の値以上であれば、機能層の電解液中での接着性を高めると共に、機能層を備えた電気化学素子の保存特性を向上させることができ、また、粒子状重合体中のエポキシ基含有単量体単位の含有割合が上記所定の値以下であれば、安定して粒子状重合体を作製することができる。
【0019】
そして、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の電気化学素子は、上述した電気化学素子用機能層付きセパレータを備えることを特徴とする。このように、本発明の電気化学素子用機能層付きセパレータを備えることにより、優れた電気化学特性を発揮し得る電気化学素子を提供することができる。
【発明の効果】
【0020】
本発明によれば、プロセス接着性および耐熱性に優れ、且つ、電解液注液性を良好にし得る機能層を備える電気化学素子用機能層付きセパレータを提供することができる。
また、本発明によれば、優れた電気化学特性を発揮し得る電気化学素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
図1図1は、本発明に係る電気化学素子用機能層付きセパレータの一例を示す模式的な断面図である。
図2図2は、本発明に係る電気化学素子用機能層付きセパレータの他の一例を示す模式的な断面図である。
図3図3は、本発明に係る電気化学素子用機能層付きセパレータの更に他の一例を示す模式的な断面図である。
図4図4は、本発明に係る電気化学素子用機能層付きセパレータが有する機能層の表面を平面視したときの、機能層の構成の一例を示す模式的な平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0022】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
ここで、本発明の電気化学素子用機能層付きセパレータは、本発明の電気化学素子を製造する際に使用することができる。そして、本発明の電気化学素子は、少なくとも本発明の電気化学素子用機能層付きセパレータを備える電気化学素子である。
【0023】
(電気化学素子用機能層付きセパレータ)
本発明の電気化学素子用機能層付きセパレータ(以下、単に、「機能層付きセパレータ」とも称する。)は、セパレータ基材と、セパレータ基材の少なくとも一方の表面に配置された所定の電気化学素子用機能層とを備える。そして、本発明によれば、プロセス接着性および耐熱性に優れ、且つ、電解液注液性を良好にし得る機能層を備える電気化学素子用機能層付きセパレータを提供することができる。
【0024】
<セパレータ基材>
セパレータ基材としては、特に限定されることなく、例えば特開2012-204303号公報に記載のものを用いることができる。これらの中でも、機能層付きセパレータ全体の膜厚を薄くすることができ、これにより、リチウムイオン二次電池内の電極活物質の比率を高くして体積当たりの容量を高くすることができるという観点から、ポリオレフィン系の樹脂(ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリ塩化ビニル)からなる微多孔膜が好ましい。
【0025】
<電気化学素子用機能層>
本発明の機能層付きセパレータが備える電気化学素子用機能層(以下、単に「機能層」との称する。)は、無機粒子と、粒子状重合体とを含み、任意に、その他の成分を更に含み得る。そして、本発明の機能層付きセパレータが備える電気化学素子用機能層は、表面の最大高さSzが所定値以上であり、表面に粒子状重合体を含む凸部を有する。本発明の機能層付きセパレータが備える機能層は、プロセス接着性および耐熱性に優れ、且つ、電解液注液性を良好にすることができる。
【0026】
<<機能層の性状>>
〔最大高さSz〕
ここで、機能層の表面の最大高さSzは、2.5μm以上であることが必要であり、5.0μm以上であることが好ましく、7.5μm以上であることがより好ましく、15.0μm以下であることが好ましく、10.0μm以下であることがより好ましい。機能層の表面の最大高さSzが上記下限以上であると、機能層は優れたプロセス接着性を発揮することができる。一方、機能層の表面の最大高さSzが上記上限以下であれば、機能層のプロセス接着性を更に高めることができる。
〔最大高さRz〕
また、機能層の表面の最大高さRzは、1.6μm以上であることが好ましく、2.5μm以下であることが好ましく、2.0μm以下であることがより好ましい。機能層の表面の最大高さRzが上記所定範囲内であれば、機能層のプロセス接着性を更に高めることができる。
〔算術平均高さSa〕
さらに、機能層の表面の算術平均高さSaは、0.2μm以上であることが好ましく、0.4μm以上であることがより好ましく、1.0μm以下であることが好ましく、0.8μm以下であることがより好ましい。機能層の表面の算術平均高さSaが上記所定範囲内であれば、機能層のプロセス接着性を更に高めることができる。
【0027】
〔表面に粒子状重合体を含む凸部〕
そして、機能層は、表面に粒子状重合体を含む凸部を有している。なお、粒子状重合体の詳細については後述する。
ここで、凸部の表面に占める粒子状重合体の面積割合は10%以上であることが好ましく、50%以上であることがより好ましく、100%であることが特に好ましい。凸部の表面に占める粒子状重合体の面積割合が上記所定値以上であれば、機能層のプロセス接着性を更に高めることができる。なお、凸部の表面に占める粒子状重合体の面積割合は、セパレータ表面をSEM-EDXで測定し、C、Al等の元素Mappingを行なうことにより測定することができる。
【0028】
また、機能層の表面を平面視したときに、表面に粒子状重合体を含む凸部が機能層の表面の単位面積当たりに占める面積(凸部の占有面積)の割合は、10%以下であることが好ましく、8%以下であることがより好ましく、6%以下であることが更に好ましく、1%以上であることが好ましく、2%以上であることがより好ましく、3%以上であることが更に好ましい。凸部の占有面積の割合が上記下限以上であれば、機能層のプロセス接着性を更に高めることができる。一方、凸部の占有面積の割合が上記上限以下であれば、注液性を更に高めることができる。なお、凸部の占有面積の割合は、レーザー変位計顕微鏡(キーエンス製、型式:VK-X1000)を用いて、基準となる算術平均高さSaの面から1μm以上突出した箇所の面積を算出することにより測定することができる。
【0029】
以下に、本発明に係る機能層付きセパレータの具体例を示す図を交えて、上述した凸部について更に詳述する。
【0030】
図1は、本発明に係る機能層付きセパレータの一例を示す模式的な断面図である。図1に示すように、機能層1は、セパレータ基材2上に形成され、無機粒子11と、粒子状重合体12とを含んでいる。ここで、複数の無機粒子11が機能層1の厚み方向に重なり合うことで、無機粒子層13が形成されている。そして、粒子状重合体12は、無機粒子層13に埋め込まれ、粒子状重合体12の一部が無機粒子層13(機能層1)の表面から突出し、凸部を形成している。
【0031】
図2は、本発明に係る機能層付きセパレータの他の一例を示す模式的な断面図である。図2に示すように、機能層1は、セパレータ基材2上に形成され、無機粒子11と、粒子状重合体12とを含んでいる。ここで、複数の無機粒子11が機能層1の厚み方向に重なり合うことで、無機粒子層13が形成されている。なお、無機粒子層13は、セパレータ基材2の表面全体に形成されている。そして、無機粒子層13上に、複数の粒子状重合体12からなる凸部が形成されている。なお、図示しないが、機能層1を平面視した場合の当該凸部の形状は、特に限定されず、例えば、ドット状、線状(ストライプ)、円形状(クレーター外輪状)等である。
【0032】
図3は、本発明に係る機能層付きセパレータの更に他の一例を示す模式的な断面図である。図3に示すように、機能層1は、セパレータ基材2上に形成され、無機粒子11と、粒子状重合体12とを含んでいる。ここで、複数の無機粒子11が機能層1の厚み方向に重なり合うことで、無機粒子層13が形成されている。そして、無機粒子層13は、セパレータ基材2の表面全体には形成されておらず、セパレータ基材2の一部にのみ形成されている。即ち、セパレータ基材2の一部は無機粒子層13によって被覆されておらず、露出している。なお、図示はしないが、機能層1を平面視した場合の無機粒子層13の形状は、特に限定されず、例えば、ドット状、線状(ストライプ)、円形状(クレーター外輪状)等である。さらに、無機粒子層13の表面の少なくとも一部を被覆するように、複数の粒子状重合体12からなる集合体が配置されている。これにより、無機粒子層13と、無機粒子層13の少なくとも一部を被覆する粒子状重合体12とが一体となって凸部を形成している。なお、機能層1を平面視した場合の複数の粒子状重合体12からなる集合体の形状は、特に限定されず、ドット状、線状(ストライプ)、円形状(クレーター外輪状)等である。また、機能層1を平面視した場合の複数の粒子状重合体12からなる集合体の形状は、無機粒子層13の形状と一致していてもよいし、異なっていてもよい。
【0033】
なお、図1~3のいずれの場合においても、無機粒子層13の厚みは、好ましくは0.5μm以上であり、より好ましくは0.8μm以上であり、更に好ましくは1μm以上であり、好ましくは6μm以下であり、より好ましくは5μm以下であり、更に好ましくは4μm以下である。無機粒子層13の厚みが上記下限以上であれば、機能層の耐熱性を向上させることができる。一方、無機粒子層13の厚みが上記上限以下であれば、機能層を備えた電気化学素子のエネルギー密度の低下を抑制することができる。また、機能層の接着性を良好にすることができる。
【0034】
<<無機粒子>>
機能層中に含まれる無機粒子は、機能層の耐熱性を高くするために用いられる。そして、通常、機能層中では、複数の無機粒子が機能層の厚み方向に重なることで、無機粒子層が形成されている。なお、機能層中において、無機粒子層と、詳しくは後述する粒子状重合体とは、機能層の厚み方向において、重なり合っていてもよいし、重なり合っていなくてもよい。
【0035】
〔無機粒子の占有面積〕
図4は、本発明に係る電気化学素子用機能層の表面を平面視したときの、電気化学素子用機能層の構成の一例を示す模式的な平面図である。図4に示すように、機能層1は、粒子状重合体12と、無機粒子層13とを含んでいる。
【0036】
そして、機能層の表面を平面視したときに、機能層の表面の単位面積当たりに無機粒子が占める面積(無機粒子の占有面積)の割合は、90%超であることが好ましく、92%以上であることがより好ましく、93%以上であることが更に好ましく、99%以下であることが好ましく、98%以下であることがより好ましく、97%以下であることが更に好ましい。無機粒子の占有面積の割合が90%超であれば、機能層の耐熱性を優れたものとすることができる。また、機能層を備えた電気化学素子の電気化学特性(特に、出力特性)、および電解液注液性を向上させることができる。一方、無機粒子の占有面積の割合が上記上限以下であれば、機能層に優れた接着性を付与することができる。
【0037】
〔無機粒子の体積平均粒子径〕
そして、無機粒子の体積平均粒子径(D50)は、好ましくは0.1μm以上、より好ましくは0.2μm以上、更に好ましくは0.3μm以上であり、好ましくは1μm以下、より好ましくは0.9μm以下、更に好ましくは0.8μm以下である。無機粒子の体積平均粒子径が上記下限以上であれば、機能層中で無機粒子が密に充填される。そのため、機能層中のイオン伝導性が低下するのを抑制して、電気化学素子の電気化学特性(特に、出力特性)をより向上させることができる。また、無機粒子の体積平均粒子径が上記上限以下であれば、無機粒子層の厚みを薄くした場合でも、優れた耐熱性を機能層に発揮させることができるため、電気化学素子の容量を高めることができる。
【0038】
〔無機粒子の材料〕
ここで、無機粒子の材料としては、電気化学素子の使用環境下で安定に存在し、電気化学的に安定であることが好ましい。このような観点から無機粒子の好ましい材料として、酸化アルミニウム(アルミナ)、酸化アルミニウムの水和物(ベーマイト(AlOOH))、ギブサイト(Al(OH)3)、酸化ケイ素、酸化マグネシウム(マグネシア)、水酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化チタン(チタニア)、チタン酸バリウム(BaTiO3)、ZrO、アルミナ-シリカ複合酸化物等の酸化物粒子;窒化アルミニウム、窒化ホウ素等の窒化物粒子;シリコン、ダイヤモンド等の共有結合性結晶粒子;硫酸バリウム、フッ化カルシウム、フッ化バリウム等の難溶性イオン結晶粒子;タルク、モンモリロナイト等の粘土微粒子;などが挙げられる。これらの中でも、酸化アルミニウム、ベーマイト、酸化チタン、および硫酸バリウムが好ましく、酸化アルミニウムがより好ましい。また、これらの無機粒子は、必要に応じて元素置換、表面処理、固溶体化等が施されていてもよい。
なお、これらの無機粒子は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
【0039】
<<粒子状重合体>>
機能層中に含まれる粒子状重合体は、セパレータ基材上に、表面の最大高さSzが所定値以上となり、且つ、表面に粒子状重合体を含む凸部を有する機能層を形成し得る限り、特に限定されることはない。
【0040】
〔無機粒子と粒子状重合体との混合比率〕
そして、機能層における無機粒子と粒子状重合体との体積比(無機粒子/粒子状重合体)は、1.1以上であることが好ましく、1.4以上であることがより好ましく、2.1以下であることが好ましく、1.6以下であることがより好ましい。無機粒子と粒子状重合体との体積比が上記所定範囲内であれば、機能層の耐熱性と接着性のバランスが良好になる。
【0041】
また、機能層における無機粒子と粒子状重合体との質量比(無機粒子/粒子状重合体)は、55/45以上であることが好ましく、60/40以上であることがより好ましく、65/35以上であることが更に好ましく、95/5以下であることが好ましく、93/7以下であることがより好ましく、90/10以下であることが更に好ましい。無機粒子と粒子状重合体の混合比率が質量比で上記所定範囲内であれば、機能層の耐熱性と接着性のバランスがより良好になる。
【0042】
なお、機能層に含まれる粒子状重合体としては、1種類のものを単独で使用してもよいし、複数種類のものを任意の比率で混合して使用してもよいものとする。そして、複数種類の粒子状重合体を使用する場合、上述した無機粒子と粒子状重合体との体積比および質量比における「粒子状重合体」は当該複数種類の粒子状重合体の合計量を指すものとする。
【0043】
〔粒子状重合体の具体例〕
ここで、本発明の機能層付きセパレータの機能層が上述した図1に示す構成である場合に、機能層が好適に含み得る粒子状重合体として、無機粒子層の厚みよりも大きい体積平均粒子径を有する粒子状重合体(X)、および、無機粒子層の厚みよりも小さい体積平均粒子径を有する粒子状重合体(Y)について以下に詳述する。
〔〔粒子状重合体(X)〕〕
本発明の機能層付きセパレータの機能層に好適に含み得る粒子状重合体(X)は、上述した無機粒子層の厚みよりも大きい体積平均粒子径を有している。そして、粒子状重合体(X)は、機能層付きセパレータを他の部材(電極など)と機能層を介して接着させる際に、良好な接着性を発揮し得る成分である。なお、粒子状重合体(X)は、機能層を介して部材同士を接着した後は、粒子形状であってもよいし、その他の任意の形状であってもよい。更に、粒子状重合体(X)は、結晶性高分子重合体であっても、非結晶性高分子重合体であってもよく、これらの混合物であってもよい。
【0044】
-粒子状重合体(X)の体積平均粒子径-
そして、粒子状重合体(X)は、体積平均粒子径が1.0μm以上であることが好ましく、2.5μm以上であることがより好ましく、5.0μm以上であることが更に好ましく、5.0μmを超えることが特に好ましく、10.0μm以下であることが好ましく、9.0μm以下であることがより好ましく、8.0μm以下であることが更に好ましい。粒子状重合体(X)の体積平均粒子径が上記下限以上であれば、機能層の厚み方向表面において、無機粒子に対して粒子状重合体(X)が突出しやすくなるため、より良好な接着性を得ることができる。また、機能層の耐熱性が向上する。更に、機能層を備える部材と他の部材とを接着する際に、機能層の厚み方向において、無機粒子層と、他の部材との間に隙間が確保される。そして、この隙間から電解液が注液されるため、電解液注液性が良好となる。ここで、上述したように機能層の耐熱性が向上する理由は明らかではないが、次のように推察される。即ち、耐熱性を高めるためには、機能層中の無機粒子の割合が高い必要がある。そして、機能層の厚み方向表面において、無機粒子に対して粒子状重合体(X)が突出することにより、見かけ上、無機粒子層中の無機粒子の割合が高くなるため、耐熱性が高くなると考えられる。また、粒子状重合体(X)の体積平均粒子径が上記上限以下であれば、機能層の良好な接着性を得ることができると共に、機能層の耐ブロッキング性を向上させることができる。
ここで、粒子状重合体(X)の体積平均粒子径は、粒子状重合体(X)を調製する際に用いる金属水酸化物の種類や量によって調整することができる。金属水酸化物については詳しくは後述する。
なお、「体積平均粒子径」は、本明細書の実施例に記載の方法により測定することができる。
【0045】
-無機粒子層の厚みに対する粒子状重合体(X)の体積平均粒子径の比-
また、無機粒子層の厚みに対する粒子状重合体(X)の体積平均粒子径の比(粒子状重合体(X)の体積平均粒子径/無機粒子層の厚み)は、好ましくは1.1以上、より好ましくは1.2以上、更に好ましくは1.3以上であり、一層好ましくは1.5以上であり、より一層好ましくは3.0以上であり、好ましくは10.0以下、より好ましくは5.0以下であり、更に好ましくは4.5以下であり、一層好ましくは4.0以下である。無機粒子層の厚みに対する粒子状重合体(X)の体積平均粒子径の比が上記下限以上であれば、無機粒子層の厚み方向表面において、無機粒子の表面に対して粒子状重合体(X)がより突出し易くなるため、より良好な接着性が発揮され得る。また、無機粒子層の厚みに対する粒子状重合体(X)の体積平均粒子径の比が上記下限以上であれば、機能層中で粒子状重合体(X)がより安定して保持されるため、機能層を構成する粒子状重合体(X)などの成分が機能層から脱落すること(粉落ち)をより抑制して、より均一な機能層を維持することができる。
【0046】
-無機粒子と粒子状重合体(X)との混合比率-
そして、機能層における無機粒子と粒子状重合体(X)との体積比(無機粒子/粒子状重合体)は、55/45以上であることが好ましく、60/40以上であることがより好ましく、65/35以上であることが更に好ましく、95/5以下であることが好ましく、80/20以下であることがより好ましく、75/25以下であることが更に好ましく、70/30以下であることが特に好ましい。無機粒子と粒子状重合体(X)との体積比が上記所定範囲内であれば、機能層の耐熱性と接着性のバランスが良好になる。
【0047】
また、機能層における無機粒子と粒子状重合体(X)との質量比(無機粒子/粒子状重合体)は、49/51以上であることが好ましく、58/42以上であることがより好ましく、64/39以上であることが更に好ましく、99/1以下であることが好ましく、94/6以下であることがより好ましく、91/9以下であることが更に好ましい。無機粒子と粒子状重合体(X)との質量比が上記所定範囲内であれば、機能層の耐熱性と接着性のバランスがより良好になる。
【0048】
-粒子状重合体(X)のガラス転移温度-
また、粒子状重合体(X)のガラス転移温度(Tg)は、好ましくは15℃以上、より好ましくは20℃以上、更に好ましくは30℃以上、特に好ましくは40℃以上であり、好ましくは90℃以下、より好ましくは80℃以下である。粒子状重合体(X)のガラス転移温度が上記下限以上であれば、例えば機能層を備えた電気化学素子を保管している間などに、機能層のブロッキングが発生することを抑制することができる。一方、粒子状重合体(X)のガラス転移温度が上記上限以下であれば、機能層を介して部材同士をプレスして接着した際にも、機能層の良好な接着性を得ることができる。
なお、「ガラス転移温度」は、本明細書の実施例に記載の方法により測定することができる。
【0049】
-粒子状重合体(X)の融点-
さらに、粒子状重合体(X)の融点(Tm)は、好ましくは50℃以上、より好ましくは100℃以上である。粒子状重合体(X)の融点が上記下限以上であれば、粒子状重合体(X)が結晶性高分子重合体を含む場合であっても、機能層の良好な接着性を確保することができる。
なお、粒子状重合体(X)がガラス転移温度および融点との双方を有する場合には、機能層の接着性をより向上させる観点からは、粒子状重合体(X)の融点が上記下限以上であることが好ましい。
なお、「融点」は、本明細書の実施例に記載の方法により測定することができる。
【0050】
-粒子状重合体(X)の電解液膨潤度-
さらに、粒子状重合体(X)の電解液膨潤度は、好ましくは1.0倍以上、より好ましくは1.2倍以上、更に好ましくは1.3倍以上であり、好ましくは15倍以下、より好ましくは10倍以下、更に好ましくは7倍以下である。粒子状重合体(X)の電解液膨潤度が上記下限以上であれば、電解液中での機能層の接着力を強固なものとすることができる。一方、粒子状重合体(X)の電解液膨潤度が上記上限以下であれば、電解液中で機能層の抵抗が小さくなるため、機能層を備えた電気化学素子の電気化学特性を向上させることができる。
なお、「電解液膨潤度」は、本明細書の実施例に記載の方法により測定することができる。
【0051】
-粒子状重合体(X)の組成-
粒子状重合体(X)は、上述したように、体積平均粒子径が無機粒子層の厚みよりも大きければ、粒子状重合体(X)の組成は特に限定されることはない。したがって、粒子状重合体(X)として、例えば、機能層を形成する際に結着材として使用し得る既知の重合体を用いることができる。
【0052】
そして、粒子状重合体(X)を構成する単量体単位としては、例えば、芳香族ビニル単量体単位、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位、フッ素含有単量体単位、および架橋性単量体単位などが挙げられる。なお、本発明において、「(メタ)アクリル」とは、アクリルおよび/またはメタクリルを意味する。
なお、本発明において、重合体が「単量体単位を含む」とは、その単量体を用いて得た重合体中に単量体由来の繰り返し単位が含まれていることを意味する。
【0053】
--芳香族ビニル単量体単位--
ここで、芳香族ビニル単量体単位を形成し得る芳香族ビニル単量体の例としては、特に限定されることなく、例えば、スチレン、α-メチルスチレン、スチレンスルホン酸、ブトキシスチレン、ビニルナフタレン等が挙げられ、中でも、スチレンが好ましい。
なお、これらの芳香族ビニル単量体は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
【0054】
そして、粒子状重合体(X)中の芳香族ビニル単量体単位の含有割合は、粒子状重合体中の全単量体単位を100質量%とした場合に、好ましくは30質量%以上、より好ましくは50質量%以上であり、好ましくは95質量%以下、より好ましくは90質量%以下、更に好ましくは80質量%以下、一層好ましくは70質量%以下である。芳香族ビニル単量体単位の含有割合が上記下限以上であれば、粒子状重合体(X)の弾性が向上し、得られる機能層の強度が確保され、機能層の基材との密着性を高めることができる。一方、芳香族ビニル単量体単位の含有割合が上記上限以下であれば、粒子状重合体(X)の柔軟性が高まるため、機能層と基材との密着性を高めることができる。
なお、本発明において、各「単量体単位の含有割合」は、1H-NMRなどの核磁気共鳴(NMR)法を用いて測定することができる。
【0055】
--(メタ)アクリル酸エスエル単量体単位--
そして、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を形成し得る(メタ)アクリル酸エステル単量体の例としては、メチルアクリレート、エチルアクリレート、n-プロピルアクリレート、イソプロピルアクリレート、n-ブチルアクリレートおよびt-ブチルアクリレートなどのブチルアクリレート、ペンチルアクリレート、ヘキシルアクリレート、ヘプチルアクリレート、2-エチルヘキシルアクリレートなどのオクチルアクリレート、ノニルアクリレート、デシルアクリレート、ラウリルアクリレート、n-テトラデシルアクリレート、ステアリルアクリレート等のアクリル酸アルキルエステル;並びにメチルメタクリレート、エチルメタクリレート、n-プロピルメタクリレート、イソプロピルメタクリレート、n-ブチルメタクリレートおよびt-ブチルメタクリレートなどのブチルメタクリレート、ペンチルメタクリレート、ヘキシルメタクリレート、ヘプチルメタクリレート、2-エチルヘキシルメタクリレートなどのオクチルメタクリレート、ノニルメタクリレート、デシルメタクリレート、ラウリルメタクリレート、n-テトラデシルメタクリレート、ステアリルメタクリレート等のメタクリル酸アルキルエステルなどが挙げられる。中でも、n-ブチルアクリレート、2-エチルヘキシルアクリレートおよびメチルメタクリレートが好ましく、n-ブチルアクリレートがより好ましい。
なお、これらの(メタ)アクリル酸エステル単量体は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
【0056】
そして、粒子状重合体(X)中の(メタ)アクリル酸エステル単量体単位の含有割合は、粒子状重合体の全繰り返し単位を100質量%とした場合に、好ましくは10質量%以上であり、好ましくは80質量%以下、より好ましくは75質量%以下である。(メタ)アクリル酸エステル単量体単位の含有割合が上記下限以上であれば、粒子状重合体(X)のガラス転移温度が過度に低下することを回避して、得られる機能層の耐ブロッキング性を向上させることができる。一方、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位の含有割合が上記上限以下であれば、機能層と基材との密着性を良好なものとすることができる。
【0057】
--フッ素含有単量体単位--
また、フッ素含有単量体単位を形成し得るフッ素含有単量体の例としては、特に限定されることなく、例えば、フッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、三フッ化塩化ビニル、フッ化ビニル、パーフルオロアルキルビニルエーテルなどが挙げられる。中でも、フッ化ビニリデンが好ましい。
なお、これらのフッ素含有単量体は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
【0058】
ここで、粒子状重合体(X)がフッ素含有単量体単位を含む場合には、機能層のより良好な接着性を確保できる観点から、粒子状重合体(X)は、フッ素含有単量体としてフッ化ビニリデンを用いたフッ素含有重合体であることが好ましい。中でも、フッ素含有重合体としては、フッ化ビニリデンの単独重合体、フッ化ビニリデンとこれと共重合可能な他のフッ素含有単量体との共重合体、フッ化ビニリデンとこれと共重合可能な他のフッ素含有単量体とこれらと共重合可能な単量体との共重合体が好ましい。そして、フッ素含有重合体の中でも、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVdF-HFP)、ポリフッ化ビニル、テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体が好ましい。
【0059】
--架橋性単量体単位--
さらに、粒子状重合体(X)は、上記単量体単位に加え、架橋性単量体単位を含んでいてもよい。ここで、架橋性単量体単位とは、加熱またはエネルギー線の照射により、重合中または重合後に架橋構造を形成しうる単量体単位である。
そして、粒子状重合体(X)は、架橋性単量体単位として、エポキシ基含有不飽和単量体単位、および、エポキシ基含有不飽和単量体単位以外の架橋性単量体単位のいずれも含み得るが、機能層の電解液中での接着性を高めると共に、電気化学素子の保存特性を良好にする観点から、少なくともエポキシ基含有不飽和単量体単位を含むことが好ましい。
【0060】
=エポキシ基含有不飽和単量体単位=
ここで、エポキシ基含有不飽和単量体単位を形成し得るエポキシ基含有不飽和単量体としては、ビニルグリシジルエーテル、アリルグリシジルエーテル、ブテニルグリシジルエーテル、o-アリルフェニルグリシジルエーテル、グリシジル(2-ブテニル)エーテル等の不飽和グリシジルエーテル;ブタジエンモノエポキシド、クロロプレンモノエポキシド、4,5-エポキシ-2-ペンテン、3,4-エポキシ-1-ビニルシクロヘキセン、1,2-エポキシ-5,9-シクロドデカジエン等の、ジエンまたはポリエンのモノエポキシド;3,4-エポキシ-1-ブテン、1,2-エポキシ-5-ヘキセン、1,2-エポキシ-9-デセン等のアルケニルエポキシド;グリシジルアクリレート、グリシジルメタクリレート、グリシジルクロトネート、グリシジル-4-ヘプテノエート、グリシジルソルベート、グリシジルリノレート、グリシジル-4-メチル-3-ペンテノエート、3-シクロヘキセンカルボン酸のグリシジルエステル、4-メチル-3-シクロヘキセンカルボン酸のグリシジルエステル等の不飽和カルボン酸のグリシジルエステル類;などが挙げられる。中でも、機能層の電解液中での接着性を更に高めると共に、電気化学素子の保存特性を更に良好にする観点から、不飽和グリシジルエーテル、および不飽和カルボン酸のグリシジルエステル類を用いることが好ましく、アリルグリシジルエーテル、グリシジル(2-ブテニル)エーテル、およびグリシジルメタクリレートを用いることがより好ましい。
なお、これらのエポキシ基含有不飽和単量体は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
【0061】
そして、粒子状重合体(X)中のエポキシ基含有不飽和単量体単位の含有割合は、粒子状重合体(X)の全単量体単位の量を100質量%とした場合に、好ましくは0.5質量%以上であり、より好ましくは2.0質量%以上、更に好ましくは10.0質量%以上であり、好ましくは30.0質量%以下であり、より好ましくは25.0質量%以下であり、更に好ましくは20.0質量%以下である。粒子状重合体(X)中のエポキシ基含有不飽和単量体単位の含有割合が上記下限以上であれば、機能層の電解液中での接着性を更に高めると共に、電気化学素子の保存特性を更に良好にすることができる。一方、エポキシ基含有不飽和単量体単位の含有割合が上記上限以下であれば、安定して粒子状重合体(X)を作製することができる。
【0062】
=エポキシ基含有不飽和単量体単位以外の架橋性単量体単位=
また、エポキシ基含有不飽和単量体単位以外の架橋性単量体単位を形成し得る単量体としては、例えば、当該単量体に2個以上の重合反応性基を有する多官能単量体が挙げられる。このような多官能単量体としては、例えば、ジビニルベンゼン等のジビニル化合物;ジエチレングリコールジメタクリレート、エチレングリコールジメタクリレート、ジエチレングリコールジアクリレート、1,3-ブチレングリコールジアクリレート等のジ(メタ)アクリル酸エステル化合物;トリメチロールプロパントリメタクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート等のトリ(メタ)アクリル酸エステル化合物;などが挙げられる。中でも、エチレングリコールジメタクリレートが好ましい。
なお、これらの架橋性単量体は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
【0063】
そして、粒子状重合体(X)中のエポキシ基含有不飽和単量体単位以外の架橋性単量体単位の含有割合は、粒子状重合体(X)の全単量体単位の量を100質量%とした場合に、好ましくは0.02質量%以上であり、好ましくは2質量%以下、より好ましくは1.5質量%以下、更に好ましくは1質量%以下である。粒子状重合体(X)中の架橋性単量体単位の含有割合が上記範囲内であれば、粒子状重合体(X)の電解液中への溶出を十分に抑制することができる。
【0064】
--その他の単量体単位--
そして、粒子状重合体(X)は、芳香族ビニル単量体単位、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位、フッ素含有単量体単位、および架橋性単量体単位以外のその他の単量体単位を含んでいてもよい。ここで、その他の単量体単位としては、特に限定されないが、例えば、ニトリル基含有単量体単位、および後述の「粒子状重合体(Y)」の項で説明する酸基含有単量体単位などが挙げられる。
【0065】
=ニトリル基含有単量体単位=
ここで、ニトリル基含有単量体単位を形成し得るニトリル基含有単量体の例としては、α,β-エチレン性不飽和ニトリル単量体が挙げられる。具体的には、α,β-エチレン性不飽和ニトリル単量体としては、ニトリル基を有するα,β-エチレン性不飽和化合物であれば特に限定されないが、例えば、アクリロニトリル;α-クロロアクリロニトリル、α-ブロモアクリロニトリルなどのα-ハロゲノアクリロニトリル;メタクリロニトリル、α-エチルアクリロニトリルなどのα-アルキルアクリロニトリル;などが挙げられる。
なお、これらのニトリル基含有単量体は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
【0066】
そして、粒子状重合体(X)中のニトリル基含有単量体単位の含有割合は、粒子状重合体(X)中の全繰り返し単位を100質量%とした場合に、3質量%以上であることが好ましく、4質量%以上であることがより好ましく、6質量%以上であることが更に好ましく、30質量%以下であることが好ましく、27質量%以下であることがより好ましく、25質量%以下であることが更に好ましい。ニトリル基含有単量体単位の含有割合が上記下限以上であれば、粒子状重合体(X)の結着力を向上させ、機能層のピール強度を高めることができる。一方、ニトリル基含有単量体単位の含有割合が上記上限以下であれば、粒子状重合体(X)の柔軟性を高めることができる。
【0067】
そして、粒子状重合体(X)中のその他の単量体単位の含有割合は、好ましくは0質量%以上であり、好ましくは10質量%以下、より好ましくは7質量%以下、更に好ましくは5質量%以下である。その他の単量体単位の含有割合が10質量%以下であれば、機能層を形成するために用いる機能層用組成物の安定性が低下するのを抑制することができる。
【0068】
-粒子状重合体(X)の調製-
粒子状重合体(X)は、上述した単量体を含む単量体組成物を、例えば水などの水系溶媒中で重合することにより調製することができる。ここで、単量体組成物中の各単量体の割合は、通常、粒子状重合体(X)中の各単量体単位の割合と同様とする。
【0069】
そして、重合様式は、特に限定されず、例えば、懸濁重合法、乳化重合凝集法、粉砕法などのいずれの方法も用いることができる。中でも、粒子状重合体(X)を効率的に調製する観点から、懸濁重合法および乳化重合凝集法が好ましく、懸濁重合法がより好ましい。また、重合反応としては、ラジカル重合、リビングラジカル重合などいずれの反応も用いることができる。
【0070】
また、粒子状重合体(X)を調製する際に用いる単量体組成物には、連鎖移動剤、重合調整剤、重合反応遅延剤、反応性流動化剤、充填剤、難燃剤、老化防止剤、着色料などのその他の配合剤を任意の配合量で配合することができる。
【0071】
ここで、一例として、懸濁重合法による粒子状重合体(X)の調製方法について説明する。
【0072】
--懸濁重合法による粒子状重合体(X)の調製--
(1)単量体組成物の調製
はじめに、所望の粒子状重合体(X)を構成する単量体単位を形成し得る単量体、および必要に応じて添加されるその他の配合剤を混合し、単量体組成物の調製を行う。
【0073】
(2)液滴の形成
次に、単量体組成物を、水中に分散させ、重合開始剤を添加した後、単量体組成物の液滴を形成する。ここで、液滴を形成する方法は特に限定されず、例えば、単量体組成物を含む水系媒体を、乳化分散機などの分散機を用いて剪断撹拌することにより形成することができる。
【0074】
その際、用いる重合開始剤としては、例えば、t-ブチルパーオキシ-2-エチルヘキサノエート、アゾビスイソブチロニトリルなどの油溶性重合開始剤が挙げられる。なお、重合開始剤は、単量体組成物が水中に分散された後、液滴を形成する前に添加してもよく、水中へ分散される前の単量体組成物に添加してもよい。
【0075】
そして、形成された単量体組成物の液滴を水中で安定化させる観点からは、分散安定剤を水中に添加して単量体組成物の液滴を形成することが好ましい。その際、分散安定剤としては、例えば、水酸化マグネシウムなどの金属水酸化物や、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムなどを用いることができる。
【0076】
(3)重合
そして、単量体組成物の液滴を形成後、当該形成された液滴を含む水を昇温して重合を開始することで、水中に粒子状重合体(X)が形成される。その際、重合の反応温度は、好ましくは50℃以上95℃以下である。また、重合の反応時間は、好ましくは1時間以上10時間以下であり、好ましくは8時間以下、より好ましくは6時間以下である。
【0077】
(4)洗浄、濾過、脱水および乾燥工程
重合終了後、粒子状重合体(X)を含む水を、常法に従い、洗浄、濾過、および乾燥を行うことで、粒子状重合体(X)を得ることができる。
【0078】
〔〔粒子状重合体(Y)〕〕
機能層は、上述した粒子状重合体(X)に加えて、無機粒子層の厚みよりも小さい体積平均粒子径を有し、結着材として機能する粒子状重合体(Y)を更に含んでいてもよい。結着材としての粒子状重合体(Y)は、機能層に含まれる無機粒子および粒子状重合体(X)などの成分が機能層から脱落するのを抑制し得る成分である。
【0079】
-粒子状重合体(Y)の組成-
ここで、粒子状重合体(Y)の組成としては、特に限定されることなく、例えば、非水溶性で、水などの分散媒中に分散可能な既知の重合体、例えば、熱可塑性エラストマーおよびポリフッ化ビニリデン(PVDF)などの結着樹脂が挙げられる。そして、熱可塑性エラストマーとしては、共役ジエン系重合体、およびアクリル系重合体が好ましく、アクリル系重合体がより好ましい。
【0080】
ここで、共役ジエン系重合体とは、共役ジエン単量体単位を含む重合体を指す。そして、共役ジエン系重合体の具体例としては、特に限定されることなく、スチレン-ブタジエン共重合体(SBR)などの芳香族ビニル単量体単位および脂肪族共役ジエン単量体単位を含む共重合体、ブタジエンゴム(BR)、アクリルゴム(NBR)(アクリロニトリル単位およびブタジエン単位を含む共重合体)、並びに、それらの水素化物などが挙げられる。
また、アクリル系重合体とは、(メタ)アクリル酸エステル単量体単位を含む重合体を指す。
なお、これらの粒子状重合体(Y)は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
【0081】
そして、粒子状重合体(Y)として好ましく使用し得るアクリル系重合体としては、特に限定されることなく、例えば、上述した(メタ)アクリル酸エステル単量体単位と、架橋性単量体単位と、以下に説明する酸基含有単量体単位とを含有する単量体などが挙げられる。
【0082】
ここで、酸基含有単量体単位を形成し得る酸基含有単量体としては、例えば、カルボン酸基を有する単量体、スルホン酸基を有する単量体、リン酸基を有する単量体、および、水酸基を有する単量体が挙げられる。
【0083】
そして、カルボン酸基を有する単量体としては、例えば、モノカルボン酸、ジカルボン酸などが挙げられる。モノカルボン酸としては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸などが挙げられる。ジカルボン酸としては、例えば、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸などが挙げられる。
また、スルホン酸基を有する単量体としては、例えば、ビニルスルホン酸、メチルビニルスルホン酸、(メタ)アリルスルホン酸、(メタ)アクリル酸-2-スルホン酸エチル、2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸、3-アリロキシ-2-ヒドロキシプロパンスルホン酸などが挙げられる。
なお、本明細書において、「(メタ)アリル」とは、アリルおよび/またはメタリルを意味し、(メタ)アクリルとは、アクリルおよび/またはメタクリルを意味する。
さらに、リン酸基を有する単量体としては、例えば、リン酸-2-(メタ)アクリロイルオキシエチル、リン酸メチル-2-(メタ)アクリロイルオキシエチル、リン酸エチル-(メタ)アクリロイルオキシエチルなどが挙げられる。
なお、本明細書において、「(メタ)アクリロイル」とは、アクリロイルおよび/またはメタクリロイルを意味する。
また、水酸基を有する単量体としては、例えば、アクリル酸-2-ヒドロキシエチル、アクリル酸-2-ヒドロキシプロピル、メタクリル酸-2-ヒドロキシエチル、メタクリル酸-2-ヒドロキシプロピルなどが挙げられる。
なお、これらの酸基含有単量体は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。
【0084】
なお、アクリル系重合体における(メタ)アクリル酸エステル単量体単位の割合は、好ましくは50質量%以上、より好ましくは55質量%以上、更に好ましくは58質量%以上であり、好ましくは98質量%以下、より好ましくは97質量%以下、更に好ましくは96質量%以下である。(メタ)アクリル酸エステル単量体単位の割合を上記範囲の下限値以上にすることにより、機能層のピール強度をより高くすることができる。また、上限値以下にすることにより、機能層を備える電気化学素子の電気化学特性をより高めることができる。
【0085】
また、アクリル系重合体における架橋性単量体単位の割合は、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは1.0質量%以上であり、好ましくは3.0質量%以下、より好ましくは2.5質量%以下である。架橋性単量体単位の割合を上記限以上にすることにより、機能層を備える電気化学素子の電気化学特性を更に高めることができる。また、架橋性単量体単位の割合を上記上限値以下にすることにより、機能層のピール強度をより一層高くすることができる。
【0086】
そして、アクリル系重合体における酸基含有単量体単位の割合は、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは0.3質量%以上、更に好ましくは0.5質量%以上であり、好ましくは20質量%以下、より好ましくは10質量%以下、更に好ましくは5質量%以下である。酸基含有単量体単位の割合を上記下限以上にすることにより、機能層中における粒子状重合体(Y)の分散性を高め、機能層を備える電気化学素子の電気化学特性を十分に高めることができる。また、酸基含有単量体単位の割合を上記上限値以下にすることにより、機能層の残存水分量を低減して電気化学素子の電気化学特性を十分に高めることができる。
【0087】
さらに、アクリル系重合体は、その他の単量体単位を含んでいてもよい。そして、アクリル系重合体に含まれ得るその他の単量体単位を形成し得るその他の単量体としては、1,3-ブタジエン、2-メチル-1,3-ブタジエン、2,3-ジメチル-1,3-ブタジエン、2-クロル-1,3-ブタジエン等の肪族共役ジエン単量体;「粒子状重合体(X)の組成」の項で説明した芳香族ビニル単量体およびニトリル基含有単量体、エチレン、プロピレン等のオレフィン単量体;塩化ビニル、塩化ビニリデン等のハロゲン原子含有単量体;酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、酪酸ビニル、安息香酸ビニル等のビニルエステル単量体;メチルビニルエーテル、エチルビニルエーテル、ブチルビニルエーテル等のビニルエーテル単量体;メチルビニルケトン、エチルビニルケトン、ブチルビニルケトン、ヘキシルビニルケトン、イソプロペニルビニルケトン等のビニルケトン単量体;並びに、N-ビニルピロリドン、ビニルピリジン、ビニルイミダゾール等の複素環含有ビニル化合物単量体が挙げられる。中でも、その他の単量体としては、アクリロニトリルが好ましい。
なお、これらその他の単量体は、1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を任意の比率で組み合わせて用いてもよい。また、アクリル系重合体におけるその他の単量体単位の含有割合は、適宜調整すればよい。
【0088】
-粒子状重合体(Y)のガラス転移温度-
そして、粒子状重合体(Y)のガラス転移温度(Tg)は、-100℃以上であることが好ましく、-90℃以上であることがより好ましく、-80℃以上であることが更に好ましく、-40℃以上であることが一層好ましく、30℃未満であることが好ましく、20℃以下であることがより好ましく、15℃以下であることが更に好ましい。粒子状重合体(Y)のガラス転移温度が上記下限以上であれば、粒子状重合体(Y)の接着性および強度を高めることができる。一方、粒子状重合体(Y)のガラス転移温度が上記上限未満、または上記上限以下であれば、機能層の柔軟性をより高めることができる。
【0089】
-粒子状重合体(Y)の体積平均粒子径-
また、粒子状重合体(Y)の体積平均粒子径は、粒子状重合体(X)の体積平均粒子径よりも小さく、且つ、無機粒子層の厚みよりも小さい限り、特に限定されない。
より具体的に、粒子状重合体(Y)の体積平均粒子径は、0.05μm以上であることが好ましく、0.10μm以上であることがより好ましく、0.8μm以下であることが好ましく、0.5μm以下であることがより好ましい。粒子状重合体(Y)の体積平均粒子径が上記下限以上であれば、セパレータの目詰まりを抑制可能である。一方、粒子状重合体(Y)の体積平均粒子径が上記上限以下であれば、機能層を構成する粒子同士、および、機能層とセパレータ基材との接着強度を高めることが可能である。
【0090】
-粒子状重合体(Y)の含有量-
そして、機能層中の粒子状重合体(Y)の含有量は、無機粒子100質量部当たり、好ましくは0.1質量部以上、より好ましくは0.2質量部以上、更に好ましくは0.5質量部以上であり、好ましくは20質量部以下、より好ましくは15質量部以下、更に好ましくは10質量部以下である。粒子状重合体(Y)の含有量が上記下限以上であれば、粒子状重合体(X)などの成分が機能層から脱落するのを十分に防止するとともに、機能層のピール強度を十分に高めることができる。一方、粒子状重合体(Y)の含有量が上記上限以下であれば、機能層のイオン伝導性が低下するのを抑制し、電気化学素子の電気化学特性が低下するのを抑制することができる。
【0091】
-粒子状重合体(Y)の調製-
なお、粒子状重合体(Y)は、特に限定されることなく、例えば、上述した単量体を含む単量体組成物を、例えば水などの水系溶媒中で重合することにより調製することができる。ここで、単量体組成物中の各単量体の割合は、通常、結着材中の各単量体単位の割合と同様とする。
【0092】
そして、重合方法および重合反応としては、特に限定されず、例えば、上述した粒子状重合体(X)の重合方法で挙げた重合方法および重合反応を用いることができる。
【0093】
<<その他の成分>>
また、機能層は、上述した無機粒子および粒子状重合体以外のその他の成分を含んでいてもよい。ここで、機能層に含まれ得るその他の成分は、電気化学素子における電気化学反応に影響を及ぼさないものであれば特に限定されず、例えば、分散剤、粘度調整剤、濡れ剤などの既知の添加剤が挙げられる。これらのその他の成分は、1種類を単独で使用してもよいし、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
また、機能層は、上述した粒子状重合体(Y)以外の結着材を含んでいてもよい。このような結着材としては、粒子状重合体に該当しないものであれば、特に限定されず、例えば、ポリビニルアルコールなどの水溶性の重合体を用いることができる。
【0094】
<<電気化学素子用機能層の形成方法>>
機能層の形成方法は、特に限定されることなく、例えば、上述した無機粒子と、粒子状重合体と、分散媒としての水と、必要に応じて用いられるその他の成分とを混合して得られた機能層用組成物を用いて形成することができる。
【0095】
そして、機能層用組成物の調製方法は、特に限定されることなく、例えば、上述した粒子状重合体と、無機粒子と、分散媒としての水と、必要に応じて用いられるその他の成分とを混合することにより調製できる。なお、水中で単量体組成物を重合して粒子状重合体を調製した場合には、粒子状重合体は、水分散体の状態でそのまま他の成分と混合してもよい。また、粒子状重合体を水分散体の状態で混合する場合には、水分散体中の水を分散媒として用いてもよい。
【0096】
ここで、上述した成分の混合方法は特に制限されないが、各成分を効率よく分散させるべく、混合装置として分散機を用いて混合を行うことが好ましい。そして、分散機は、上記成分を均一に分散および混合できる装置が好ましい。分散機としては、ボールミル、サンドミル、顔料分散機、擂潰機、超音波分散機、ホモジナイザー、プラネタリーミキサーなどが挙げられる。
【0097】
そして、上述した機能層用組成物は、例えば、適切な基材上に形成することができる。ここで、機能層用組成物を用いて基材上に機能層を形成する方法としては、特に限定されず、例えば、
1)機能層用組成物を基材の表面に塗布し、次いで乾燥する方法
2)機能層用組成物に基材を浸漬後、これを乾燥する方法
3)機能層用組成物を離型基材上に塗布し、乾燥して機能層を形成し、得られた機能層を基材の表面に転写する方法
が挙げられる。なお、機能層は、基材の片面のみの上に形成してもよいし、基材の両面上に形成してもよい。
【0098】
これらの中でも、上記1)の方法が、機能層の厚みを制御し易いことから好ましい。そして、上記1)の方法は、例えば、機能層用組成物を基材上に塗布する工程(塗布工程)と、基材上に塗布された機能層用組成物を乾燥させて機能層を形成する工程(機能層形成工程)を含んでいてもよい。
【0099】
[塗布工程]
そして、塗布工程において、機能層用組成物を基材上に塗布する方法としては、特に制限は無く、例えば、ドクターブレード法、リバースロール法、ダイレクトロール法、グラビア法、エクストルージョン法、ハケ塗り法などの方法が挙げられる。
【0100】
[機能層形成工程]
また、機能層形成工程において、基材上の機能層用組成物を乾燥する方法としては、特に限定されず公知の方法を用いることができ、例えば温風、熱風、低湿風による乾燥、真空乾燥、赤外線や電子線などの照射による乾燥法が挙げられる。乾燥条件は特に限定されないが、乾燥温度は好ましくは50~150℃で、乾燥時間は好ましくは1~30分である。
【0101】
そして、基材に形成された機能層は、基材の耐熱性を高める耐熱層としての機能と、部材同士を強固に接着させる接着剤層としての機能とを同時に発現させる単一の層として、好適に使用することができる。
【0102】
また、上述のように機能層用組成物を用いて形成された機能層を備える基材(以下、「機能層付き基材」と称することもある。)は、従来の耐熱層および接着剤層を備える基材に比べて、より短縮した工数および時間で製作することができるため、生産性が高い。
【0103】
〔機能層の最大厚み〕
そして、機能層用組成物を基材に塗布して形成される機能層の最大厚みは、1.0μm以上であることが好ましく、1.5μm以上であることがより好ましく、2.0μm以上であることが更に好ましく、2.5μm以上であることが特に好ましく、5.0μm以上であることが最も好ましく、10.0μm以下であることが好ましく、9.0μm以下であることがより好ましく、8.0μm以下であることが更に好ましい。機能層の最大厚みが上記下限以上であれば、機能層の耐熱性が極めて良好となる。一方、機能層の最大厚みが上記上限以下であれば、機能層のイオン拡散性を確保して、電気化学素子の電気化学特性(出力特性)を更に十分に高めることができる。
なお、本明細書において、「機能層の最大厚み」は、例えば、電解放出型操作電子顕微鏡(FE-SEM)を用いて測定することができる。
【0104】
<電気化学素子用機能層付きセパレータの製造方法>
本発明の電気化学素子用機能層付きセパレータは、例えば、上述した「電気化学素子用機能層」の項で挙げた機能層を形成する方法において、基材としてセパレータ基材を用い、当該セパレータ基材上に機能層を形成することにより製造することができる。
【0105】
(電気化学素子)
本発明の電気化学素子は、少なくとも本発明の電気化学素子用機能層付きセパレータを備えていればよい。従って、本発明の電気化学素子は、本発明の効果を著しく損なわない限り、本発明の機能層以外の構成要素を備えていてもよい。
【0106】
そして、本発明の電気化学素子は、特に限定されることなく、例えば、リチウムイオン二次電池や電気二重層キャパシタであり、好ましくはリチウムイオン二次電池である。
【0107】
ここで、以下では、本発明の電気化学素子の一例としてのリチウムイオン二次電池について説明する。本発明に係るリチウムイオン二次電池は、上述した本発明の機能層を備えるものである。より具体的には、リチウムイオン二次電池は、正極と、負極と、本発明の機能層付きセパレータと、電解液とを備えるものである。なお、機能層は、セパレータ基材の片面のみ上に形成されていてもよいし、セパレータ基材の両面上に形成されていてもよい。
【0108】
そして、本発明に係るリチウムイオン二次電池では、機能層により、正極とセパレータ基材、および/または、負極とセパレータ基材が、電解液中において強固に接着されている。そのため、充放電の繰り返しに伴う電極の極板間の距離の拡大も抑制されて、サイクル特性などの電池特性が良好なものとなっている。また、このリチウムイオン二次電池においては、機能層により、セパレータ基材の耐熱性が向上している。更に、このリチウムイオン二次電池は、従来の耐熱層および接着剤層を備えるセパレータを使用する場合と比較し、セパレータの製造に要する時間を短縮して高い生産性で製造することができる。
【0109】
なお、上述した正極、負極および電解液としては、リチウムイオン二次電池において用いられている既知の正極、負極および電解液を使用することができる。
【0110】
<正極および負極>
具体的には、電極(正極および負極)としては、電極合材層を集電体上に形成してなる電極を用いることができる。なお、集電体としては、鉄、銅、アルミニウム、ニッケル、ステンレス鋼、チタン、タンタル、金、白金等の金属材料からなるものを用いることができる。これらの中でも、負極用の集電体としては、銅からなる集電体を用いることが好ましい。また、正極用の集電体としては、アルミニウムからなる集電体を用いることが好ましい。更に、電極合材層としては、電極活物質とバインダーとを含む層を用いることができる。
【0111】
<電解液>
電解液としては、通常、有機溶媒に支持電解質を溶解した有機電解液が用いられる。支持電解質としては、例えば、リチウムイオン二次電池においてはリチウム塩が用いられる。リチウム塩としては、例えば、LiPF6、LiAsF6、LiBF4、LiSbF6、LiAlCl4、LiClO4、CF3SO3Li、C49SO3Li、CF3COOLi、(CF3CO)2NLi、(CF3SO22NLi、(C25SO2)NLi等が挙げられる。なかでも、溶媒に溶けやすく高い解離度を示すことから、LiPF6、LiClO4、CF3SO3Liが好ましい。なお、電解質は1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。通常は、解離度の高い支持電解質を用いるほどリチウムイオン伝導度が高くなる傾向があるので、支持電解質の種類によりリチウムイオン伝導度を調節することができる。
【0112】
電解液に使用する有機溶媒としては、支持電解質を溶解できるものであれば特に限定されないが、例えばリチウムイオン二次電池においては、ジメチルカーボネート(DMC)、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、メチルエチルカーボネート(エチルメチルカーボネート(EMC))、ビニレンカーボネート等のカーボネート類;γ-ブチロラクトン、ギ酸メチル等のエステル類;1,2-ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン等のエーテル類;スルホラン、ジメチルスルホキシド等の含硫黄化合物類;等が好適に用いられる。
【0113】
またこれらの溶媒の混合液を用いてもよい。中でも、誘電率が高く、安定な電位領域が広いことから、カーボネート類が好ましい。通常、用いる溶媒の粘度が低いほどリチウムイオン伝導度が高くなる傾向があるので、溶媒の種類によりリチウムイオン伝導度を調節することができる。
なお、電解液中の電解質の濃度は適宜調整することができる。また、電解液には、既知の添加剤を添加してもよい。
【0114】
<リチウムイオン二次電池の製造方法>
本発明の電気化学素子としてのリチウムイオン二次電池は、例えば、上述した正極と負極とを機能層付きセパレータを介して重ね合わせ、これを必要に応じて、巻く、折る等して電池容器に入れ、電池容器に電解液を注入して封口することで製造し得る。ここで、電池容器には、必要に応じてエキスパンドメタルや、ヒューズ、PTC素子等の過電流防止素子、リード板等を入れ、電池内部の圧力上昇、過充放電の防止をしてもよい。電池の形状は、例えば、コイン型、ボタン型、シート型、円筒型、角形、扁平型等、何れであってもよい。
【実施例
【0115】
以下、本発明について実施例に基づき具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。なお、以下の説明において、量を表す「%」および「部」は、特に断らない限り、質量基準である。
また、複数種類の単量体を共重合して製造される重合体において、ある単量体を重合して形成される構造単位の前記重合体における割合は、別に断らない限り、通常は、その重合体の重合に用いる全単量体に占める当該ある単量体の比率(仕込み比)と一致する。
【0116】
実施例および比較例において、ガラス転移温度、融点、体積平均粒子径、電解液膨潤度、無機粒子層の厚み、無機粒子層の厚みに対する粒子状重合体(X)の体積平均粒子径の比、無機粒子と粒子状重合体との混合比率(体積比および質量比)、凸部の占有面積の割合、凸部の表面に占める粒子状重合体の面積割合、機能層の表面の最大高さSz、Rz、機能層の表面の算術平均高さSaは、下記の方法で測定した。また、機能層のプロセス接着性、機能層の電解液中における接着性、機能層の耐ブロッキング性、機能層の耐熱性、電解液注液性、二次電池のサイクル特性、二次電池の出力特性、および二次電池の保存特性は、下記の方法で測定および評価した。
【0117】
<ガラス転移温度>
実施例および比較例で調製した粒子状重合体(X)および粒子状重合体(Y)(結着材)を測定試料とした。測定試料10mgをアルミパンに計量し、示差熱分析測定装置(エスアイアイ・ナノテクノロジー社製「EXSTAR DSC6220」)にて、リファレンスとして空のアルミパンを用い、測定温度範囲-100℃~500℃の間で、昇温速度10℃/分で、JIS Z 8703に規定された条件下で測定を実施し、示差走査熱量分析(DSC)曲線を得た。この昇温過程で、微分信号(DDSC)が0.05mW/分/mg以上となるDSC曲線の吸熱ピークが出る直前のベースラインと、吸熱ピーク後に最初に現れる変曲点でのDSC曲線の接線との交点を、ガラス転移温度(℃)として求めた。
【0118】
<融点>
実施例5で調製した粒子状重合体(X)の融点(Tm)の測定は、以下のようにして行った。まず、粒子状重合体を、加熱によって融解させ、融解した重合体をドライアイスで急冷し、これにより、非晶質性の重合体を得た。続いて、非晶質性の重合体を試験体として用いて、示差走査熱量計(DSC)を用いて、10℃/分の昇温速度(昇温モード)で、融点(Tm)を測定した。
【0119】
<体積平均粒子径>
<<粒子状重合体(X)の体積平均粒子径>>
実施例および比較例で調製した粒子状重合体(X)を測定試料とした。測定試料0.1g相当量を秤量し、ビーカーに取り、分散剤としてアルキルベンゼンスルホン酸水溶液(富士フイルム社製、「ドライウエル」)0.1mLを加えた。上記ビーカーに、更に、希釈液(ベックマン・コールター社製、「アイソトンII」)を10~30mL加え、20W(Watt)の超音波分散機で3分間分散させた。その後、粒径測定機(ベックマン・コールター社製、「マルチサイザー」)を用いて、アパーチャー径:20μm、媒体:アイソトンII、測定粒子個数:100,000個の条件下で、測定試料の体積平均粒子径を求めた。
【0120】
<<結着材(粒子状重合体(Y))の体積平均粒子径>>
実施例で調製した結着材(粒子状重合体(Y))の体積平均粒子径は、レーザー回折法にて測定した。具体的には、調製した結着材を含む水分散溶液(固形分濃度0.1質量%に調整)を試料とした。そして、レーザー回折式粒子径分布測定装置(ベックマン・コールター社製、「LS-230」)を用いて測定された粒子径分布(体積基準)において、小径側から計算した累積体積が50%となる粒子径D50を、体積平均粒子径とした。
【0121】
<<無機粒子の体積平均粒子径>>
レーザー回折法にて測定した粒子径分布(体積基準)において、小径側から計算した累積体積が50%となる粒子径(D50)を、無機粒子の体積平均粒子径とした。
【0122】
<電解液膨潤度>
実施例および比較例で調製した粒子状重合体(X)を含む水分散液をポリテトラフルオロエチレン製のシャーレに入れ、25℃、48時間の条件で乾燥して粉末を調製した。得られた粉末0.2g程度を、200℃、5MPaで、2分プレスしフィルムを得た。そして、得られたフィルムを1cm角に裁断し、試験片を得た。この試験片の質量W0を測定した。
また、上述の試験片を、電解液に60℃で72時間浸漬した。その後、試験片を電解液から取り出し、試験片の表面の電解液を拭き取り、浸漬試験後の試験片の質量W1を測定した。
測定した質量W0およびW1を用いて、電解液膨潤度S(倍)を、S=W1/W0にて計算した。
なお、電解液としては、エチレンカーボネート(EC)と、ジエチルカーボネート(DEC)と、ビニレンカーボネート(VC)との混合溶媒(体積比:EC/DEC/VC=68.5/30/1.5)に、支持電解質としてLiPF6を1mol/Lの濃度で溶かしたものを用いた。
【0123】
<無機粒子層の厚み>
機能層付きセパレータの断面を、上記電界放出型走査電子顕微鏡(FE-SEM)を用いて観察し、得られたSEM画像から、無機粒子層の厚みを算出した。なお、無機粒子層の厚みは、スラリー組成物が塗布されたセパレータ基材の表面から鉛直方向に最も離れた無機粒子までの距離とした。
【0124】
<無機粒子層の厚みに対する粒子状重合体(X)の体積平均粒子径の比>
上述のようにして得た粒子状重合体(X)の体積平均粒子径、および無機粒子層の厚みに基づいて、無機粒子層の厚みに対する粒子状重合体(X)の体積平均粒子径の比(粒子状重合体(X)の体積平均粒子径/無機粒子層の厚み)を求めた。
【0125】
<無機粒子と粒子状重合体の混合比率>
スラリー組成物を調製した際の無機粒子(アルミナ)および粒子状重合体の仕込量から、無機粒子(アルミナ)と粒子状重合体(X)との混合比率(体積比および質量比)、無機粒子(アルミナ)と粒子状重合体(X)および粒子状重合体(Y)の合計量との混合比率(体積比および質量比)をそれぞれ求めた。なお、アルミナの密度は4g/cm3として計算した。
【0126】
<凸部の占有面積の割合>
凸部の占有面積の割合は、レーザー変位計顕微鏡(キーエンス製、型式:VK-X1000)を用いて、基準となる算術平均高さSaの面から1μm以上突出した箇所の面積を算出することにより測定した。
【0127】
<凸部の表面に占める粒子状重合体の面積割合>
凸部の表面に占める粒子状重合体の面積割合は、セパレータ表面をSEM-EDXで測定し、C、Alの元素Mappingを行なうことにより測定した。
【0128】
<機能層の表面の最大高さSz、Rz、算術平均高さSa>
実施例および比較例で作製した電気化学素子用機能層付きセパレータを、レーザー変位計顕微鏡(キーエンス製、型式:VK-X1000)を用いて観察した。機能層表面上の任意の100μm四方の領域を10箇所測定し、機能層の表面の最大高さSzおよび算術平均高さSaを算出した。また、機能層表面の任意の100μm四方の領域上にて、上方から見て平行に7μm等間隔で引いた10本の輪郭曲線のそれぞれについて最大高さRzを算出し、それらの平均値を1箇所での測定値とし、合計10箇所で上記同様の測定をして得られた測定値の平均値を、機能層の表面の最大高さRzとした。
【0129】
<機能層のプロセス接着性>
実施例および比較例で作製した正極、負極、および機能層付きセパレータを、それぞれ幅10mm、長さ50mmに切り出し、正極と機能層付きセパレータとを、正極合材層側の表面が機能層付きセパレータに対向するようにして積層させ、温度70℃、荷重8kN/m、プレス速度30m/分の条件で、ロールプレスを用いてプレスし、正極と機能層付きセパレータとを一体化させた一体化物を得た。
得られた一体化物を、正極の集電体側の面を下にして、電極の表面にセロハンテープを貼り付けた。この際、セロハンテープとしてはJIS Z1522に規定されるものを用いた。また、セロハンテープは水平な試験台に固定しておいた。その後、機能層付きセパレータの一端を鉛直上方に引張り速度50mm/分で引っ張って剥がしたときの応力を測定した。
また、実施例および比較例で作製した負極に対しても、正極を用いた場合と同様の操作を行い、応力を測定した。
上述の応力の測定を、正極および機能層付きセパレータの一体化物、並びに、負極および機能層付きセパレータの一体化物でそれぞれ3回、計6回行い、応力の平均値を求めて、得られた平均値をピール強度(N/m)とした。
そして、算出されたピール強度を用いて、以下の基準により電極と機能層付きセパレータとのプロセス接着性を評価した。ピール強度が大きいほど、機能層がプロセス接着性に優れていることを示す。
A:ピール強度3N/m以上
B:ピール強度2N/m以上3N/m未満
C:ピール強度2N/m未満
【0130】
<機能層の電解液中での接着性>
実施例および比較例で作製した負極、および機能層付きセパレータをそれぞれ幅10mm、長さ50mmに切り出し、負極と機能層付きセパレータとを、負極合材層側の表面が機能層付きセパレータに対向するようにして積層させ、温度70℃、荷重10kN/mのロールプレスを用いて、30m/分のプレス速度でプレスした後、電解液に浸漬させて24時間放置して、試験片を得た。
その後、電解液から試験片を取り出した後、セパレータ側に電解液蒸発防止用のポリエチレンテレフタレート(PET)製フィルムを置き、負極の集電体側の面を下にして、電極の表面にセロハンテープを貼り付けた。この際、セロハンテープとしてはJIS Z1522に規定されるものを用いた。また、セロハンテープは水平な試験台に固定しておいた。そして、セパレータ基材の一端を鉛直上方に引張り速度50mm/分で引っ張って剥がしたときの応力を測定した。
上記測定を3回実施し、得られた合計3回の応力の平均値をピール強度(N/m)として求め、機能層の電解液中での接着性として下記の基準で評価した。ピール強度が大きいほど、機能層の電解液中での接着性が良好であることを示す。
A:ピール強度0.30N/m以上
B:ピール強度0.15N/m以上0.30N/m未満
C:ピール強度0.15N/m未満
【0131】
<機能層の耐ブロッキング性>
実施例および比較例で作製した機能層付きセパレータを幅4cm×長さ4cmのサイズに2枚切り出して試験片とした。得られた2枚の試験片を、機能層側が対向するようにして重ね合わせた後に、温度40℃、圧力5MPaの加圧下で、2分間プレスしてプレス体を得た。得られたプレス体の一方端を固定し、プレス端の他方端を引張速度50mm/分で鉛直上方に引っ張って剥がしたときの応力を測定し、得られた応力をブロッキング強度とした。そして、ブロッキング強度を、以下の基準で評価した。ブロッキング強度が小さいほど、機能層はブロッキングの発生を良好に抑制する、即ち、機能層の耐ブロッキング性が高いことを示す。
A:4N/m未満
B:4N/m以上6N/m未満
C:6N/m以上
【0132】
<機能層の耐熱性>
実施例および比較例で作製した機能層付きセパレータを、幅12cm×長さ12cmの正方形に切り出し、得られた正方形の内部に1辺が10cmの正方形を描いて試験片とした。そして、試験片を150℃の恒温槽に入れて1時間放置した後、内部に描いた正方形の面積変化〔={(放置前の正方形の面積-放置後の正方形の面積)/放置前の正方形の面積}×100%〕を熱収縮率として求め、以下の基準で評価した。熱収縮率が小さいほど、機能層付きセパレータの耐熱性が優れていることを示す。
A:熱収縮率が3%未満
B:熱収縮率が3%以上5%未満
C:熱収縮率が5%以上
【0133】
<電解液注液性>
実施例および比較例で作製したリチウムイオン二次電池に電解液を注液した。そして、リチウムイオン二次電池の内部を-100kPaまで減圧しその状態で1分間保持した。その後ヒートシールを実施した。そして、10分後に電極(正極)を解体し、電極における電解液の含浸状態を目視で確認した。そして以下の基準により評価した。電極において、電解液が含浸されている部分が多いほど、電解液注液性が高いことを示す。
A:電解液が電極のすべての面に含浸されている。
B:電極において、電解液が含浸されていない部分が、1cm2未満残っている(すべての面に含浸されていることを除く)
C:電極において、電解液が含浸されていない部分が、1cm2以上残っている
【0134】
<二次電池のサイクル特性>
実施例および比較例で作製したリチウムイオン二次電池を、電解液注液後、温度25℃で5時間静置した。次に、温度25℃、0.2Cの定電流法にて、セル電圧3.65Vまで充電し、その後、温度60℃で12時間エージング処理を行った。そして、温度25℃、0.2Cの定電流法にて、セル電圧3.00Vまで放電した。その後、0.2Cの定電流法にて、CC-CV充電(上限セル電圧4.20V)を行い、0.2Cの定電流法にて3.00VまでCC放電した。この0.2Cにおける充放電を3回繰り返し実施した。
その後、温度25℃の環境下、セル電圧4.20-3.00V、1.0Cの充放電レートにて充放電の操作を100サイクル行った。その際、第1回目のサイクルの放電容量をX1,第100回目のサイクルの放電容量をX2と定義した。
そして、放電容量X1および放電容量X2を用いて、容量維持率ΔC´=(X2/X1)×100(%)を求め、以下の基準により評価した。容量維持率ΔC´の値が大きいほど、二次電池はサイクル特性に優れていることを示す。
A:容量維持率ΔC´が93%以上
B:容量維持率ΔC´が90%以上93%未満
C:容量維持率ΔC´が87%以上90%未満
【0135】
<二次電池の出力特性>
実施例および比較例で作製したリチウムイオン二次電池を、温度25℃の雰囲気下で、4.3Vまで定電流定電圧(CCCV)充電し、セルを準備した。準備したセルを、0.2Cおよび1.5Cの定電流法によって、3.0Vまで放電し、電気容量を求めた。そして、電気容量の比(=(1.5Cでの電気容量/0.2Cでの電気容量)×100(%))で表わされる放電容量維持率を求めた。この測定を、リチウムイオン二次電池5セルについて行なった。そして、各セルの放電容量維持率の平均値を求め、以下の基準で評価した。放電容量維持率の値が大きいほど、二次電池は出力特性に優れていることを示す。
A:放電容量維持率の平均値が90%以上
B:放電容量維持率の平均値が85%以上90%未満
C:放電容量維持率の平均値が75%以上85%未満
【0136】
<二次電池の保存特性>
各実施例および比較例で製造したリチウムイオン二次電池を、温度25℃に設定した恒温槽内で、4.2Vまで定電流定電圧(CCCV)充電した。その後、恒温槽の温度を60℃に上げた後1ヶ月間保管した。その後、恒温槽の温度を25℃まで下げ、2時間の除熱を行った後、3Vまで0.2C定電流放電した後、再度0.2Cの定電流法にて、CC-CV充電(上限セル電圧4.20V)を行い、0.2Cの定電流法にて3.00VまでCC放電した。60℃での保管前後の0.2Cでの放電容量の比率を保存特性とし、以下の基準により評価した。保存特性の値が大きいほど、二次電池は保管特性に優れていることを示す。
A:保存特性が93%以上
B:保存特性90%以上93%未満
C:保存特性が90%未満
【0137】
(実施例1)
<粒子状重合体(X1)の調製>
<<単量体組成物(X1)の調製>>
芳香族ビニル単量体としてのスチレン81.9部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としての2-エチルヘキシルアクリレート18部、および架橋性単量体としてのエチレングリコールジメタクリレート0.1部を混合して、単量体組成物(X1)を調製した。
【0138】
<<金属水酸化物の調製>>
イオン交換水200部に塩化マグネシウム8.0部を溶解してなる水溶液に、イオン交換水50部に水酸化ナトリウム5.6部を溶解してなる水溶液を攪拌下で徐々に添加して、金属水酸化物としての水酸化マグネシウムを含むコロイド分散液(X1)を調製した。
【0139】
<<懸濁重合法>>
懸濁重合法により粒子状重合体(X1)を調製した。具体的には、上記水酸化マグネシウムを含むコロイド分散液(X1)に、上述のようにして得た単量体組成物(X1)を投入し、更に攪拌した後、重合開始剤としてのt-ブチルパーオキシ-2-エチルヘキサノエート(日油社製、「パーブチルO」)2.0部を添加して混合液を得た。得られた混合液を、インライン型乳化分散機(太平洋機工社製、「キャビトロン」)を用いて15,000rpmの回転数で1分間高剪断攪拌して、水酸化マグネシウムを含むコロイド分散液(X1)中に、単量体組成物(X1)の液滴を形成した。
【0140】
それから、上記水酸化マグネシウムを含むコロイド分散液(X1)を反応器に入れ、90℃に昇温して5時間重合反応を行ない、粒子状重合体(X1)を含む水分散液を得た。
上記粒子状重合体(X1)を含む水分散液を用いて、粒子状重合体(X1)の体積平均粒子径および電解液膨潤度を測定した。結果を表1に示す。
【0141】
更に、上記粒子状重合体(X1)を含む水分散液を撹拌しながら、室温(25℃)下で硫酸を滴下し、pHが6.5以下となるまで酸洗浄を行った。次いで、濾過分離を行い、得られた固形分にイオン交換水500部を加えて再スラリー化させて、水洗浄処理(洗浄、濾過および脱水)を数回繰り返し行った。それから、濾過分離を行い、得られた固形分を乾燥器の容器内に入れ、40℃で48時間乾燥を行い、乾燥した粒子状重合体(X1)を得た。
得られた粒子状重合体(X1)のガラス転移温度を測定した。結果を表1に示す。
【0142】
<結着材(α)(粒子状重合体(Y1))を含む水分散液の調製>
撹拌機を備えた反応器に、イオン交換水70部、乳化剤としてのラウリル硫酸ナトリウム(花王ケミカル社製、「エマール(登録商標)2F」)0.15部、および重合開始剤としての過流酸アンモニウム0.5部を供給し、気相部を窒素ガスで置換し、60℃に昇温した。
一方、別の容器で、イオン交換水50部、分散安定剤としてのドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.5部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としてのn-ブチルアクリレート94部、酸基含有単量体としてのメタクリル酸2部、およびニトリル基含有単量体としてのアクリロニトリル2部、並びに架橋性単量体としてのアリルメタクリレート1部およびアリルグリシジルエーテル1部を混合して、単量体組成物(α)を調製した。
得られた単量体組成物(α)を4時間かけて上述した撹拌機を備えた反応器に連続的に添加して重合を行った。添加中は、60℃で反応を行った。添加終了後、更に70℃で3時間撹拌してから反応を終了し、アクリル重合体としての粒子状の結着材(α)(粒子状重合体(Y1))を含む水分散液を得た。得られた結着材(α)(粒子状重合体(Y1))の体積平均粒子径およびガラス転移温度を測定した。結果を表1に示す。
【0143】
<スラリー組成物の調製>
無機粒子としてのアルミナ(住友化学社製、「AKP3000」、体積平均粒子径:0.7μm)100部に分散剤としてのポリアクリル酸0.5部を添加し、結着材(α)(粒子状重合体(Y1))を含む水分散液を固形分相当で6部と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース1.5部とを添加し、固形分濃度が55%となるようにイオン交換水を加え、ボールミルを用いて混合し、混合前スラリーを得た。
粒子状重合体(X1)100部に対して、乳化剤としてのドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム(花王ケミカル社製、「ネオぺレックスG-15」)0.2部を添加し、固形分濃度が40%となるようにイオン交換水を加えて混合して混合物を得た。得られた混合液と、上記のようにして得た混合前スラリーとを、無機粒子(アルミナ)と粒子状重合体(X1)との混合比率が表1に示す混合比率となるように混合し、更に固形分濃度が40%となるようにイオン交換水を添加して、スラリー組成物(機能層用組成物)を得た。また、スラリー組成物を調製した際の無機粒子(アルミナ)および粒子状重合体(X1)および粒子状重合体(Y1)の仕込量から、無機粒子(アルミナ)と粒子状重合体(X1)および粒子状重合体(Y1)の合計量との混合比率(体積比および質量比率)を求めた。結果を表1に示す。
【0144】
<機能層付きセパレータの作製>
ポリエチレン製の微多孔膜(厚み:12μm)をセパレータ基材として用意した。このセパレータ基材の一方の面に、上述のようにして得たスラリー組成物をバーコーター法により塗布した。次に、スラリー組成物が塗布されたセパレータ基材を50℃で1分間乾燥し、機能層を形成した。同様の操作をセパレータ基材の他方の面に対しても行い、セパレータ基材の両面にそれぞれ機能層を備える機能層付きセパレータを作製した。なお、それぞれの機能層における無機粒子層の厚みを測定したところ、いずれも2.0μmであった。
【0145】
<正極の作製>
正極活物質としてのLiCoO2(体積平均粒子径:12μm)を100部、導電材としてのアセチレンブラック(電気化学工業社製、「HS-100」)を2部、正極合材層用結着材としてのポリフッ化ビニリデン(クレハ社製、「#7208」)を固形分相当で2部、および溶媒としてのN-メチルピロリドンを混合し、全固形分濃度を70%とした。これらをプラネタリーミキサーにより混合し、正極用スラリー組成物を調製した。
上記正極用スラリー組成物を、コンマコーターで、集電体としての厚さ20μmのアルミ箔の上に、乾燥後の膜厚が150μm程度になるように塗布し、乾燥させた。この乾燥は、アルミ箔を0.5m/分の速度で60℃のオーブン内を2分間かけて搬送することにより行った。その後、120℃にて2分間加熱処理して、プレス前の正極原反を得た。このプレス前の正極原反をロールプレスで圧延して、正極合材層(厚さ:60μm)を備えるプレス後の正極を得た。
【0146】
<負極の作製>
攪拌機付き5MPa耐圧容器に、1,3-ブタジエン33部、イタコン酸3.5部、スチレン63.5部、乳化剤としてのドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム0.4部、イオン交換水150部および重合開始剤としての過硫酸カリウム0.5部を入れ、十分に攪拌した後、50℃に加温して重合を開始した。重合転化率が96%になった時点で冷却して反応を停止し、負極合材層用結着材(SBR)を含む混合物を得た。この負極合材層用結着材を含む混合物に、5%水酸化ナトリウム水溶液を添加して、pH8に調整後、加熱減圧蒸留によって未反応単量体の除去を行った。その後、30℃以下まで冷却し、所望の負極合材層用結着材を含む水分散液を得た。
負極活物質(1)としての人造黒鉛(体積平均粒子径:15.6μm)80部、負極活物質(2)としてシリコン系活物質SiOx(体積平均粒径:4.9μm)16部を配合し、粘度調整剤としてのカルボキシメチルセルロースナトリウム塩(日本製紙社製、「MAC350HC」)の2%水溶液を固形分相当で2.5部、およびイオン交換水を混合して固形分濃度68%に調整した後、25℃で60分間さらに混合した。更にイオン交換水で固形分濃度を62%に調整した後、25℃で15分間さらに混合し、混合液を得た。この混合液に、上記負極合材層用結着材を含む水分散液を固形分相当量で1.5部、およびイオン交換水を入れ、最終固形分濃度が52%となるように調整し、さらに10分間混合し、混合液を得た。この混合液を減圧下で脱泡処理して流動性の良い負極用スラリー組成物を得た。
上記負極用スラリー組成物を、コンマコーターで、集電体としての厚さ20μmの銅箔の上に、乾燥後の膜厚が150μm程度になるように塗布し、乾燥させた。この乾燥は、銅箔を0.5m/分の速度で60℃のオーブン内を2分間かけて搬送することにより行った。その後、120℃にて2分間加熱処理して、プレス前の負極原反を得た。このプレス前の負極原反をロールプレスで圧延して、負極合材層(厚さ:80μm)を備えるプレス後の負極を得た。
【0147】
上述のようにして得た機能層付きセパレータを用いて、無機粒子の占有面積、無機粒子層の厚み、および無機粒子層の厚みに対する粒子状重合体の体積平均粒子径の比を求めた。また、当該機能層付きセパレータを用いて、機能層の表面の最大高さSzおよびRz、並びに算術平均高さSaを測定した。さらに、上述のようにして得た機能層付きセパレータ、正極、および負極を用いて、機能層のプロセス接着性、機能層の電解液中における接着性、機能層の耐ブロッキング性、機能層の耐熱性、および機能層の耐粉落ち性を評価した。結果を表1に示す。
また、上述のようにして得た機能層付きセパレータの断面を、エネルギー分散型X線分光法(SEM-EDX)(SEM本体:カールツァイス社製「Ultra-55」-EDX:Bruker社製「Quantax-400」)により分析したところ、機能層が、表面に粒子状重合体を含む凸部を複数有することを確認した。
【0148】
<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プレス後の正極を49cm×5cmの長方形に切り出して、正極合材層側の表面が上側になるように置き、その正極合材層上に、120cm×5.5cmに切り出した上記機能層付きセパレータを、正極が機能層付きセパレータの長手方向の一方側に位置するように配置した。更に、上述のようにして作製したプレス後の負極を50cm×5.2cmの長方形に切り出し、機能層付きセパレータ上に、負極合材層側の表面が機能層付きセパレータに対向し、且つ、負極が機能層付きセパレータの長手方向の他方側に位置するように配置した。そして、得られた積層体を捲回体によって捲回し、捲回体を得た。
この捲回体を70℃、1MPaでプレスし、扁平体とした後、電池の外装としてのアルミ包材外装で包み、電解液[溶媒:エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート/ビニレンカーボネート(体積比)=68.5/30/1.5、電解質:濃度1molのLiPF6)]を空気が残らないように注入した。そして、アルミ包材外装の開口を温度150℃でヒートシールして閉口して、容量800mAhの捲回型リチウムイオン二次電池を作製した。
得られたリチウムイオン二次電池を用いて、二次電池の電解液注液性、サイクル特性、出力特性、保存特性を評価した。結果を表1に示す。
【0149】
(実施例2)
スラリー組成物を調製するに当たり、粒子状重合体(X1)に替えて、以下のようにして調製した粒子状重合体(X2)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、機能層付きセパレータ、正極、および負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定および評価を行った。結果を表1に示す。
【0150】
<粒子状重合体(X2)の調製>
粒子状重合体を調製するに当たり、金属水酸化物としての水酸化マグネシウムを含むコロイド分散液(X1)に替えて、水酸化マグネシウムを含むコロイド分散液(X2)を使用した以外は、実施例1と同様の操作を行い、粒子状重合体(X2)を調製した。
なお、水酸化マグネシウムを含むコロイド分散液(X2)は、イオン交換水200部に塩化マグネシウム10.0部を溶解してなる水溶液に、イオン交換水50部に水酸化ナトリウム7.0部を溶解してなる水溶液を攪拌下で徐々に添加することにより調製した。
【0151】
(実施例3)
スラリー組成物を調製するに当たり、粒子状重合体(X1)に替えて、以下のようにして調製した粒子状重合体(X3)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、機能層付きセパレータ、正極、および負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定および評価を行った。結果を表1に示す。
【0152】
<粒子状重合体(X3)の調製>
粒子状重合体を調製するに当たり、金属水酸化物としての水酸化マグネシウムを含むコロイド分散液(X1)に替えて、水酸化マグネシウムを含むコロイド分散液(X3)を使用した以外は、実施例1と同様の操作を行い、粒子状重合体(X3)を調製した。
なお、水酸化マグネシウムを含むコロイド分散液(X3)は、イオン交換水200部に塩化マグネシウム8.0部を溶解してなる水溶液に、イオン交換水50部に水酸化ナトリウム5.6部を溶解してなる水溶液を攪拌下で徐々に添加することにより調製した。
【0153】
(実施例4)
スラリー組成物を調製するに当たり、粒子状重合体(X1)に替えて、以下のようにして調製した粒子状重合体(X4)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、機能層付きセパレータ、正極、および負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定および評価を行った。結果を表1に示す。
【0154】
<粒子状重合体(X4)の調製>
粒子状重合体を調製するに当たり、単量体組成物(X1)に替えて、単量体組成物(X4)を使用した以外は、実施例1と同様の操作を行い、粒子状重合体(X4)を調製した。
単量体組成物(X4)は、(メタ)アクリル酸エステル単量体としてのn-ブチルアクリレート20.9部、ニトリル基含有単量体としてのアクリロニトリル20部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としてのメチルメタクリレート59部、および架橋性単量体としてのエチレングリコールジメタクリレート0.1部を混合して調製した。
【0155】
(実施例5)
スラリー組成物を調製するに当たり、粒子状重合体(X1)に替えて、以下のようにして調製した粒子状重合体(X5)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、機能層付きセパレータ、正極、および負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定および評価を行った。結果を表1に示す。
【0156】
<粒子状重合体(X5)の調製>
攪拌機付き1Lのオートクレーブの内部を十分に窒素置換した後、脱酸素した純水400g、および乳化剤としてのパーフルオロデカン酸アンモニウム4g、および分散安定剤としてポバールを仕込み、100rpmで撹拌しながら60℃まで昇温した。次いで、フッ化ビニリデン(VDF)90部および六フッ化プロピレン(HFP)10部からなる混合ガスを、内圧が3MPa(ゲージ圧)に達するまで仕込んだ。その後、重合開始剤としてのジイソプロピルパーオキシジカーボネートを添加し、重合を開始させて、3時間反応を継続させた。反応液を冷却するとともに撹拌を停止し、未反応単量体を放出して反応を停止させ、粒子状重合体(X5)としてのフッ素含有重合体のラテックスを得た。
【0157】
(実施例6)
スラリー組成物を調製するに当たり、スラリー組成物中の無機粒子(アルミナ)と粒子状重合体(X1)との混合比率が、体積比[無機粒子(アルミナ):粒子状重合体(X1)]で80:20になるように調整したこと以外は、実施例1と同様にして、機能層付きセパレータ、正極、および負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定および評価を行った。結果を表1に示す。
【0158】
(実施例7)
スラリー組成物を調製するに当たり、スラリー組成物中の無機粒子(アルミナ)と粒子状重合体(X1)との混合比率が、体積比[無機粒子(アルミナ):粒子状重合体(X1)]で60:40になるように調整したこと以外は、実施例1と同様にして、機能層付きセパレータ、正極、および負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定および評価を行った。結果を表1に示す。
【0159】
(実施例8)
スラリー組成物を調製するに当たり、粒子状重合体(X1)に替えて、以下のようにして調製した粒子状重合体(X6)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、機能層付きセパレータ、正極、および負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定および評価を行った。結果を表1に示す。
【0160】
<粒子状重合体(X6)の調製>
粒子状重合体を調製するに当たり、単量体組成物(X1)に替えて、単量体組成物(X6)を使用した以外は、実施例1と同様の操作を行い、粒子状重合体(X6)を調製した。
単量体組成物(X6)は、芳香族ビニル単量体としてのスチレン60部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としての2-エチルヘキシルアクリレート39.9部、および架橋性単量体としてのエチレングリコールジメタクリレート0.1部を混合して調製した。
【0161】
(実施例9)
スラリー組成物を調製するに当たり、粒子状重合体(X1)に替えて、以下のようにして調製した粒子状重合体(X7)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、機能層付きセパレータ、正極、および負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定および評価を行った。結果を表1に示す。
【0162】
<粒子状重合体(X7)の調製>
粒子状重合体を調製するに当たり、単量体組成物(X1)に替えて、単量体組成物(X7)を使用した以外は、実施例1と同様の操作を行い、粒子状重合体(X7)を調製した。
単量体組成物(X7)は、芳香族ビニル単量体としてのスチレン89.9部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としての2-エチルヘキシルアクリレート10部、および架橋性単量体としてのエチレングリコールジメタクリレート0.1部を混合して調製した。
【0163】
(実施例10)
スラリー組成物を調製するに当たり、結着材(α)(粒子状重合体(Y1))を含む水分散液に替えて、以下のようにして調製した結着材(β)(粒子状重合体(Y2))を含む水分散液を用いた以外は、実施例1と同様にして、機能層付きセパレータ、正極、および負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定および評価を行った。結果を表1に示す。
【0164】
<結着材(β)(粒子状重合体(Y2))を含む水分散液の調製>
撹拌機を備えた反応器に、イオン交換水70部、乳化剤としてのポリオキシエチレンラウリルエーテル(花王ケミカル社製、「エマルゲン(登録商標)120」)0.15部、および重合開始剤としての過流酸アンモニウム0.5部を供給し、気相部を窒素ガスで置換し、60℃に昇温した。
一方、別の容器で、イオン交換水50部、乳化剤としてのポリオキシエチレンラウリルエーテル(花王ケミカル社製、「エマルゲン(登録商標)120」)0.5部、(メタ)アクリル酸アルキルエステル単量体としての2-エチルヘキシルアクリレート70部、芳香族ビニル単量体としてのスチレン25部、架橋性単量体としてのアリルグリシジルエーテル1.7部およびアリルメタクリレート0.3部、並びに酸基含有単量体としてのアクリル酸3部を混合して、単量体組成物(β)を調製した。
得られた単量体組成物(β)を4時間かけて上述した撹拌機を備えた反応器に連続的に添加して重合を行った。添加中は、70℃で反応を行った。添加終了後、更に80℃で3時間撹拌してから反応を終了し、粒子状の結着材(β)(粒子状重合体(Y2))を含む水分散液を得た。得られた結着材(β)(粒子状重合体(Y2))を含む水分散液を用いて、結着材(β)(粒子状重合体(Y2))の体積平均粒子径およびガラス転移温度を測定した。表1に示す。
【0165】
(実施例11)
スラリー組成物を調製するに当たり、結着材(α)(粒子状重合体(Y1))を含む水分散液に替えて、以下のようにして調製した結着材(γ)(粒子状重合体(Y3))を含む水分散液を用いた以外は、実施例1と同様にして、機能層付きセパレータ、正極、および負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定および評価を行った。結果を表1に示す。
【0166】
<結着材(γ)(粒子状重合体(Y3))を含む水分散液の調製>
脂肪族共役ジエン単量体としての1,3-ブタジエン33部、芳香族ビニル単量体としてのスチレン62部、カルボン酸基含有単量体としてのイタコン酸4部、連鎖移動剤としてのt-ドデシルメルカプタン0.3部、および乳化剤としてのラウリル硫酸ナトリウム0.3部を含む混合物を容器Aに投入した。そして、容器Aから、耐圧容器Bへと混合物の添加を開始すると同時に、重合開始剤としての過硫酸カリウム1部の耐圧容器Bへの添加を開始し、重合反応を開始した。その際、反応温度は75℃を維持した。
また、重合開始から4時間後(即ち、上記混合物の70%を耐圧容器Bへと添加した後)に、水酸基含有単量体としての2-ヒドロキシエチルアクリレート(アクリル酸-2-ヒドロキシエチル)1部を1時間30分にわたって耐圧容器Bに加えた。
重合開始から5時間30分後に、上述した単量体の全量の添加が完了した。その後、更に85℃に加温して6時間反応させた。
重合転化率が97%になった時点で冷却し、反応を停止して、粒子状の重合体(γ1)を含む混合物を得た。得られた混合物に5%水酸化ナトリウム水溶液を添加して、pHを8に調整した。その後、加熱減圧蒸留によって未反応単量体の除去を行った。そして、冷却し、粒子状の結着材(γ)(粒子状重合体(Y3))としてのスチレン-ブタジエン共重合体(SBR)を含む水分散液(固形分濃度:40%)を得た。得られた結着材(γ)(粒子状重合体(Y3))を含む水分散液を用いて、結着材(γ)(粒子状重合体(Y3))の体積平均粒子径およびガラス転移温度を測定した。結果を表1に示す。
【0167】
(実施例12)
スラリー組成物を調製するに当たり、結着材(α)(粒子状重合体(Y1))の水分散液に替えて、結着材(δ)として、水溶性重合体であるポリビニルアルコール(クラレ製、「クラレポバールPVA110」)1部(固形分相当)加えた以外は、実施例1と同様にして、機能層付きセパレータ、正極、および負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定および評価を行った。結果を表1に示す。
【0168】
(実施例13)
スラリー組成物を調製するに当たり、粒子状重合体(X1)に替えて、以下のようにして調製した粒子状重合体(X8)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、機能層付きセパレータ、正極、および負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定および評価を行った。結果を表1に示す。
【0169】
<粒子状重合体(X8)の調製>
粒子状重合体を調製するに当たり、単量体組成物(X1)に替えて、単量体組成物(X8)を使用した以外は、実施例1と同様の操作を行い、粒子状重合体(X8)を調製した。
単量体組成物(X8)は、芳香族ビニル単量体としてのスチレン78.5部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としてのn-ブチルアクリレート20部、架橋性単量体としてのグリシジルメタクリレート(エポキシ基含有不飽和単量体)1部、エチレングリコールジメタクリレート0.5部を混合して調製した。
【0170】
(実施例14)
スラリー組成物を調製するに当たり、粒子状重合体(X1)に替えて、以下のようにして調製した粒子状重合体(X9)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、機能層付きセパレータ、正極、および負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定および評価を行った。結果を表1に示す。
【0171】
<粒子状重合体(X9)の調製>
粒子状重合体を調製するに当たり、単量体組成物(X1)に替えて、単量体組成物(X9)を使用した以外は、実施例1と同様の操作を行い、粒子状重合体(X9)を調製した。
単量体組成物(X9)は、芳香族ビニル単量体としてのスチレン59.5部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としてのn-ブチルアクリレート20部、架橋性単量体としてのグリシジルメタクリレート(エポキシ基含有不飽和単量体)20部、エチレングリコールジメタクリレート0.5部を混合して調製した。
【0172】
(実施例15)
スラリー組成物を調製するに当たり、粒子状重合体(X1)に替えて、以下のようにして調製した粒子状重合体(X10)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、機能層付きセパレータ、正極、および負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定および評価を行った。結果を表1に示す。
【0173】
<粒子状重合体(X10)の調製>
粒子状重合体を調製するに当たり、単量体組成物(X1)に替えて、単量体組成物(X10)を使用した以外は、実施例1と同様の操作を行い、粒子状重合体(X10)を調製した。
単量体組成物(X10)は、芳香族ビニル単量体としてのスチレン78.5部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としてのn-ブチルアクリレート20部、架橋性単量体としてのアリルグリシジルエーテル(エポキシ基含有不飽和単量体)1部、エチレングリコールジメタクリレート0.5部を混合して調製した。
【0174】
(実施例16)
スラリー組成物を調製するに当たり、粒子状重合体(X1)に替えて、以下のようにして調製した粒子状重合体(X11)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、機能層付きセパレータ、正極、および負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定および評価を行った。結果を表1に示す。
【0175】
<粒子状重合体(X11)の調製>
粒子状重合体を調製するに当たり、単量体組成物(X1)に替えて、単量体組成物(X11)を使用した以外は、実施例1と同様の操作を行い、粒子状重合体(X11)を調製した。
単量体組成物(X11)は、芳香族ビニル単量体としてのスチレン59.5部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としてのn-ブチルアクリレート20部、架橋性単量体としてのアリルグリシジルエーテル(エポキシ基含有不飽和単量体)20部、エチレングリコールジメタクリレート0.5部を混合して調製した。
【0176】
(実施例17)
スラリー組成物を調製するに当たり、粒子状重合体(X1)に替えて、以下のようにして調製した粒子状重合体(X12)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、機能層付きセパレータ、正極、および負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定および評価を行った。結果を表1に示す。
【0177】
<粒子状重合体(X12)の調製>
粒子状重合体を調製するに当たり、単量体組成物(X1)に替えて、単量体組成物(X12)を使用した以外は、実施例1と同様の操作を行い、粒子状重合体(X12)を調製した。
単量体組成物(X12)は、芳香族ビニル単量体としてのスチレン78.5部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としてのn-ブチルアクリレート20部、架橋性単量体としてのグリシジル(2-ブテニル)エーテル(エポキシ基含有不飽和単量体)1部、エチレングリコールジメタクリレート0.5部を混合して調製した。
【0178】
(実施例18)
スラリー組成物を調製するに当たり、粒子状重合体(X1)に替えて、以下のようにして調製した粒子状重合体(X13)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、機能層付きセパレータ、正極、および負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定および評価を行った。結果を表1に示す。
【0179】
<粒子状重合体(X13)の調製>
粒子状重合体を調製するに当たり、単量体組成物(X1)に替えて、単量体組成物(X13)を使用した以外は、実施例1と同様の操作を行い、粒子状重合体(X13)を調製した。
単量体組成物(X13)は、芳香族ビニル単量体としてのスチレン59.5部、(メタ)アクリル酸エステル単量体としてのn-ブチルアクリレート20部、架橋性単量体としてのグリシジル(2-ブテニル)エーテル(エポキシ基含有不飽和単量体)20部、エチレングリコールジメタクリレート0.5部を混合して調製した。
【0180】
(比較例1)
スラリー組成物をセパレータ基材に塗布して層を形成するに当たり、無機粒子層の厚みが3.5μmとなるように調整した以外は、実施例2と同様にして、機能層付きセパレータ、正極、および負極を作製し、リチウムイオン二次電池を得た。そして、実施例1と同様にして、各種測定および評価を行った。結果を表1に示す。
また、上述のようにして得た機能層付きセパレータの断面を、エネルギー分散型X線分光法(SEM-EDX)(SEM本体:カールツァイス社製「Ultra-55」-EDX:Bruker社製「Quantax-400」)により分析したところ、機能層が、表面に粒子状重合体を含む凸部は確認されなかった。
【0181】
【表1】
【0182】
なお、表1中、
「ST」は、スチレンを示し、
「2EHA」は、2-エチルヘキシルアクリレートを示し、
「EDMA」は、エチレングリコールジメタクリレートを示し、
「BA」は、n-ブチルアクリレートを示し、
「PVdF-HFP」は、フッ素重合体のラテックスを示し、
「AN」は、アクリロニトリルを示し、
「MAA」は、メタクリル酸を示し、
「MMA」は、メチルメタクリレートを示し、
「AGE」は、アリルグリシジルエーテルを示し、
「AMA」は、アリルメタクリレートを示し、
「AA」は、アクリル酸を示し、
「SBR」は、スチレン-ブタジエン共重合体を示し、
「GMA」は、グリシジルメタクリレートを示す。
【0183】
表1より、無機粒子と粒子状重合体とを含み、表面の最大高さSzが所定値以上であり、且つ、表面に粒子状重合体を含む凸部を有する機能層をセパレータ基材上に形成した実施例1~18では、プロセス接着性および耐熱性に優れ、且つ、電解液注液性を良好にし得る電気化学素子用機能層付きセパレータが得られることが分かる。
一方、機能層の表面の最大高さSzが所定値未満である比較例1の電気化学素子用機能層付きセパレータは、機能層の耐熱性および電解液注液性は良好であるものの、機能層のプロセス接着性に劣ることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【0184】
本発明によれば、プロセス接着性および耐熱性に優れ、且つ、電解液注液性を良好にし得る機能層を備える電気化学素子用機能層付きセパレータを提供することができる。
また、本発明によれば、優れた電気化学特性を発揮し得る電気化学素子を提供することができる。
【符号の説明】
【0185】
1 機能層
2 セパレータ基材
11 無機粒子
12 粒子状重合体
13 無機粒子層
図1
図2
図3
図4