JP2009104834A - Multilayer porous membrane - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、耐酸化性に優れ、さらに高い透過性を備えてなる多層多孔膜であって、安全性、出力特性の高い非水系電解液二次電池等に用いられるセパレータ等に関する。 The present invention relates to a separator and the like used for a nonaqueous electrolyte secondary battery having excellent oxidation resistance and high permeability and having high safety and output characteristics.
多孔膜は、物質の分離や選択透過及び隔離材等として広く用いられている。その中で、ポリオレフィン製微多孔膜は種々の電池のセパレータとして使用されており、特にポリエチレン製微多孔膜は、リチウムイオン二次電池用セパレータとして好適に使用されている。ポリエチレン製微多孔膜は、電子絶縁性に優れる、電解液含浸によりイオン透過性を有する、耐電解液性・耐酸化性に優れる、適度の強度を持っているなどの基本特性に加え、電池異常昇温時に120〜150℃程度の温度において電流を遮断し過度の昇温を抑制する孔閉塞効果を具備しており、これらが好適に使用される理由とみられる。
リチウムイオン二次電池は、近年、自動車用途など高容量・高出力に向けての開発が進められているため、短絡時の危険性は一層増しており、セパレータにもより高いレベルでの安全性が求められている。また、作動電圧の高電圧化により正極近傍での酸化反応によるセパレータの劣化が大きな問題として浮上し、解決が求められている。
The porous membrane is widely used as a material separation, selective permeation and isolation material. Among them, polyolefin microporous membranes are used as separators for various batteries, and polyethylene microporous membranes are particularly preferably used as separators for lithium ion secondary batteries. Polyethylene microporous membrane has excellent electronic insulation, ion permeability when impregnated with electrolyte, excellent resistance to electrolyte and oxidation, moderate strength, etc. This is considered to be the reason why they are suitably used because they have a hole blocking effect that cuts off the current at a temperature of about 120 to 150 ° C. at the time of temperature rise and suppresses excessive temperature rise.
In recent years, lithium-ion secondary batteries have been developed for high capacity and high output such as automotive applications, so the danger at the time of short-circuiting has further increased, and the separator has a higher level of safety. Is required. In addition, due to the higher operating voltage, the deterioration of the separator due to the oxidation reaction in the vicinity of the positive electrode has emerged as a major problem, and a solution has been demanded.
特許文献1には、正極と対向する層の酸素指数が26以上であり、140℃以下のシャットダウンを有する層と熱変形温度が100℃以上である層を含む積層体が非水系二次電池用セパレータとして開示されている。酸素指数が26以上の材質の例としてポリフェニレンオキサイド(ポリフェニレンエーテルの別称)が挙げられている。
特許文献2には、ポリフェニレンエーテルからなるセパレータが開示されている。
しかしながら、いずれの先行技術においても透過性において課題が残り、耐酸化性と高透過性を併せ持つ多孔膜を得られるには至らず課題が残る。
However, in any of the prior arts, a problem remains in permeability, and a problem remains because a porous film having both oxidation resistance and high permeability cannot be obtained.
本発明の課題は、耐酸化性に優れさらに高い透過性を兼ね備え、高安全性および高出力が要求される非水電解液電池用セパレータ等として特に好適な多層多孔膜を提供することである。 An object of the present invention is to provide a multilayer porous membrane that is excellent in oxidation resistance and has high permeability, and that is particularly suitable as a separator for a nonaqueous electrolyte battery that requires high safety and high output.
本発明者等は、熱可塑性樹脂からなる多孔層とポリフェニレンエーテルからなる多孔層からなる積層体であり、ポリフェニレンエーテルからなる多孔層の透気度が60秒未満/100mlである多層多孔膜により、上記課題を解決できることを見出し、本発明を成すに至った。
すなわち本発明は以下のとおりである。
1.熱可塑性樹脂からなる多孔層とポリフェニレンエーテルからなる多孔層を含む積層体であり、ポリフェニレンエーテルからなる多孔層の透気度が60秒未満/100mlであることを特徴とする多層多孔膜。
2.ポリフェニレンエーテルからなる多孔層の透気度が熱可塑性樹脂からなる多孔層の透気度よりも小さいことを特徴とする1.に記載の多層多孔膜。
3.熱可塑性樹脂がポリオレフィン樹脂からなる多孔層であることを特徴とする1.又は2.に記載の多層多孔膜。
4.ポリフェニレンエーテルからなる多孔層の最大孔径が0.1μmより大きく20μm以下であることを特徴とする1.〜3.のいずれかに記載の多層多孔膜。
5.ポリフェニレンエーテルからなる多孔層が、平均繊維径が0.01μm以上10μm以下の極細繊維繊維集合体からなる多孔層であることを特徴とする1.〜3.のいずれかに記載の多層多孔膜。
6.1.〜5.のいずれかに記載の多層多孔膜からなる非水系電解液二次電池用セパレータ。
7.6.に記載のセパレータを用いた非水系電解液二次電池。
The present inventors are a laminate comprising a porous layer made of a thermoplastic resin and a porous layer made of polyphenylene ether, and a multi-layer porous film having an air permeability of less than 60 seconds / 100 ml of the porous layer made of polyphenylene ether, The present inventors have found that the above problems can be solved and have reached the present invention.
That is, the present invention is as follows.
1. A multilayer porous membrane comprising a porous layer made of a thermoplastic resin and a porous layer made of polyphenylene ether, wherein the air permeability of the porous layer made of polyphenylene ether is less than 60 seconds / 100 ml.
2. 1. The air permeability of a porous layer made of polyphenylene ether is smaller than the air permeability of a porous layer made of a thermoplastic resin. 2. The multilayer porous membrane described in 1.
3. 1. The thermoplastic resin is a porous layer made of a polyolefin resin. Or 2. 2. The multilayer porous membrane described in 1.
4). 1. The maximum pore size of a porous layer made of polyphenylene ether is greater than 0.1 μm and not more than 20 μm. ~ 3. A multilayer porous membrane according to any one of the above.
5). 1. The porous layer made of polyphenylene ether is a porous layer made of an ultrafine fiber fiber aggregate having an average fiber diameter of 0.01 μm or more and 10 μm or less. ~ 3. A multilayer porous membrane according to any one of the above.
6.1. ~ 5. A separator for a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising the multilayer porous membrane according to any one of the above.
7.6. A non-aqueous electrolyte secondary battery using the separator described in 1.
本発明の多層多孔膜は、優れた耐酸化性と優れた透過性を兼ね備えた多層多孔膜である。特に高安全性および高出力が要求される非水電解液電池用セパレータ等として特に好適である多層多孔膜を提供することができる。 The multilayer porous membrane of the present invention is a multilayer porous membrane having excellent oxidation resistance and excellent permeability. In particular, it is possible to provide a multilayer porous membrane that is particularly suitable as a separator for a non-aqueous electrolyte battery that requires particularly high safety and high output.
以下、本発明について詳述する。
<ポリフェニレンエーテルからなる多孔層の構造>
本発明の多層多孔膜はポリフェニレンエーテルからなる多孔層を少なくとも1層以上有する。ポリフェニレンエーテルからなる多孔層は、多層膜の片面もしくは両面の表層に配置されることが好ましい。本発明に用いるポリフェニレンエーテルとは、下記式の繰り返し単位構造からなり、
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
<Structure of porous layer made of polyphenylene ether>
The multilayer porous membrane of the present invention has at least one porous layer made of polyphenylene ether. The porous layer made of polyphenylene ether is preferably disposed on the surface layer of one or both sides of the multilayer film. The polyphenylene ether used in the present invention comprises a repeating unit structure of the following formula,
(R1、R4はそれぞれ独立して、水素、塩素、臭素、ヨウ素、第一級もしくは第二級の低級アルキル、フェニル、アミノアルキル、炭化水素オキシを表す。R2、R3はそれぞれ独立して、水素、第一級もしくは第二級の低級アルキル、フェニルを表す。)還元粘度(0.5g/dl、クロロホルム溶液、30℃測定)が0.15〜1.0dl/gの範囲にある単独重合体および共重合体であることが好ましい。さらに好ましい還元粘度は0.20〜0.70dl/gの範囲、最も好ましくは0.40〜0.60dl/gの範囲である。還元粘度が1.0dl/g以下であると耐酸化性により優れるので好ましい。また粘度がこの範囲にあると、静電紡糸法において多孔膜を製造する場合に、ポリマーの濃度、溶液の粘度を適切な範囲とすることができる。 (R 1 and R 4 each independently represents hydrogen, chlorine, bromine, iodine, primary or secondary lower alkyl, phenyl, aminoalkyl, hydrocarbon oxy. R 2 and R 3 each independently. Represents hydrogen, primary or secondary lower alkyl, and phenyl.) Reduced viscosity (0.5 g / dl, chloroform solution, measured at 30 ° C.) in the range of 0.15 to 1.0 dl / g. Preferred are certain homopolymers and copolymers. A more preferred reduced viscosity is in the range of 0.20 to 0.70 dl / g, most preferably in the range of 0.40 to 0.60 dl / g. A reduced viscosity of 1.0 dl / g or less is preferable because it is excellent in oxidation resistance. When the viscosity is in this range, the polymer concentration and the solution viscosity can be adjusted to an appropriate range when a porous membrane is produced by the electrospinning method.
このポリフェニレンエーテルの具体的な例としては、ポリ(2,6−ジメチル−1,4−フェニレンエーテル)、ポリ(2−メチル−6−エチル−1,4−フェニレンエーテル)、ポリ(2−メチル−6−フェニル−1,4−フェニレンエーテル)、ポリ(2,6−ジフェニル−1,4−フェニレンエーテル)、ポリ(2,6−ジクロロ−1,4−フェニレンエーテル)等が挙げられ、さらに、耐酸化性の観点から、2,6−ジメチルフェノールと他のフェノール類(例えば、2,3,6−トリメチルフェノールや2−メチル−6−ブチルフェノール)との共重合体のようなポリフェニレンエーテル共重合体も挙げられる。中でも、ポリ(2,6−ジメチル−1,4−フェニレンエーテル)、2,6−ジメチルフェノールと2,3,6−トリメチルフェノールとの共重合体が好ましく、さらにポリ(2,6−ジメチル−1,4−フェニレンエーテル)が好ましい。 Specific examples of the polyphenylene ether include poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene ether), poly (2-methyl-6-ethyl-1,4-phenylene ether), and poly (2-methyl -6-phenyl-1,4-phenylene ether), poly (2,6-diphenyl-1,4-phenylene ether), poly (2,6-dichloro-1,4-phenylene ether) and the like. From the viewpoint of oxidation resistance, a polyphenylene ether copolymer such as a copolymer of 2,6-dimethylphenol and other phenols (for example, 2,3,6-trimethylphenol or 2-methyl-6-butylphenol) is used. A polymer is also mentioned. Among them, poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene ether), a copolymer of 2,6-dimethylphenol and 2,3,6-trimethylphenol is preferable, and poly (2,6-dimethyl- 1,4-phenylene ether) is preferred.
ポリフェニレンエーテルは、単独で用いても構わないし、ポリフェニレンエーテルに相溶するポリマーが混合されていても構わないし、ポリフェニレンエーテルに非相溶なポリマーや無機粒子、ガラス繊維等が混合されていても構わない。ポリフェニレンエーテルに相溶するポリマーとしてはポリスチレン等が挙げられる。
ポリフェニレンエーテルからなる多孔層の透気度は60秒/100ml未満である。40秒/100ml以下が好ましく、10秒/100ml以下がさらに好ましい。透気度が60秒/100ml未満の場合は、電池用セパレータとして用いた場合に、良好な出力特性が得られる。このような透気度の低いポリフェニレンエーテルからなる多孔層を有する多層多孔膜を電池用セパレータとして用い、正極活物質層と接するセパレータ表面に該ポリフェニレンエーテルからなる多孔層を配置した場合には、耐酸化性においても著しく良好な結果が得られる。理由は定かではないが、以下のように考える。電池において、正極活物質層とセパレータ表面は密着した状態にあり、その界面におけるイオン移動抵抗は、セパレータ内部に比べて非常に大きい。イオン移動抵抗の増大は、内部抵抗の増大を引き起こすために、実際に電池へ印加される電圧は設定値よりも高くなり、正極はより電位の高い状態となる。
The polyphenylene ether may be used alone, a polymer compatible with the polyphenylene ether may be mixed, or an incompatible polymer, inorganic particles, glass fiber, etc. may be mixed with the polyphenylene ether. Absent. Examples of the polymer compatible with polyphenylene ether include polystyrene.
The air permeability of the porous layer made of polyphenylene ether is less than 60 seconds / 100 ml. It is preferably 40 seconds / 100 ml or less, and more preferably 10 seconds / 100 ml or less. When the air permeability is less than 60 seconds / 100 ml, good output characteristics can be obtained when used as a battery separator. When such a multilayer porous membrane having a porous layer made of polyphenylene ether having a low air permeability is used as a battery separator, and the porous layer made of polyphenylene ether is disposed on the separator surface in contact with the positive electrode active material layer, A remarkably good result can be obtained also in terms of chemical conversion. The reason is not clear, but think as follows. In the battery, the positive electrode active material layer and the separator surface are in close contact with each other, and the ion migration resistance at the interface is much larger than that in the separator. Since the increase in the ion transfer resistance causes an increase in the internal resistance, the voltage actually applied to the battery is higher than the set value, and the positive electrode is in a higher potential state.
そのために正極面においてセパレータの酸化劣化がより進行しやすい。しかしながらセパレータの透気度が60秒/100ml未満と著しく低い場合には、正極活物質層とセパレータ界面におけるイオン移動抵抗の増加は少なく、セパレータのバルクと同様な低抵抗な状態となっていると推察される。ゆえに、内部抵抗の増大は抑制されて、正極電位の上昇も抑制でき、セパレータの酸化劣化は低減出来ると推察している。透気度が60秒/100ml未満であれば、どのような多孔構造でも構わない。孔構造が微細な三次元網目構造からなる微多孔膜や繊維の集合体からなるものであってもよい。繊維の集合体とは、繊維が織り、編み、積層などの操作を受けることによって形成された構造体であり、例えば不織布などを挙げることが出来る。 Therefore, the oxidative degradation of the separator is more likely to proceed on the positive electrode surface. However, when the air permeability of the separator is as low as less than 60 seconds / 100 ml, the increase in ion migration resistance at the interface between the positive electrode active material layer and the separator is small, and the state is as low as the separator bulk. Inferred. Therefore, it is speculated that the increase in the internal resistance is suppressed, the increase in the positive electrode potential can be suppressed, and the oxidation deterioration of the separator can be reduced. Any porous structure may be used as long as the air permeability is less than 60 seconds / 100 ml. The pore structure may be composed of a microporous film having a fine three-dimensional network structure or an aggregate of fibers. The fiber aggregate is a structure formed by subjecting fibers to operations such as weaving, knitting, and lamination, and examples thereof include a nonwoven fabric.
好適な構造としては繊維の集合体が挙げられる。なかでも、平均繊維径が細い、極細繊維が好ましく、極細繊維の平均繊維径は、0.01μm以上10μm以下の範囲が好ましい。平均繊維径が10μm以下であると、それによって得られる多孔層の均一性、緻密性が優れるので好ましい。また、電池用セパレータとして用いた場合に界面におけるイオン移動抵抗の増大を抑制出来る傾向にあり好ましい。0.01μm以上であれば、強度に優れる。繊維の平均繊維径は、好ましくは0.03μm以上1μm以下であり、より好ましくは0.03μm以上0.5μm以下である。
ポリフェニレンエーテルからなる多孔層の厚みは、0.1μm以上20μm未満が好ましい。1μm以上15μm未満がより好ましく、3μm以上10μm未満がさらに好ましい。
A suitable structure includes an aggregate of fibers. Of these, ultrafine fibers having a small average fiber diameter are preferable, and the average fiber diameter of the ultrafine fibers is preferably in the range of 0.01 μm to 10 μm. An average fiber diameter of 10 μm or less is preferred because the resulting porous layer has excellent uniformity and denseness. Moreover, when it uses as a battery separator, it exists in the tendency which can suppress the increase in the ion migration resistance in an interface, and is preferable. If it is 0.01 micrometer or more, it is excellent in intensity | strength. The average fiber diameter of the fibers is preferably 0.03 μm or more and 1 μm or less, and more preferably 0.03 μm or more and 0.5 μm or less.
The thickness of the porous layer made of polyphenylene ether is preferably 0.1 μm or more and less than 20 μm. 1 μm or more and less than 15 μm is more preferable, and 3 μm or more and less than 10 μm is more preferable.
1μm以上では、例えば電池用セパレータとして用い、電極面と接する面をポリフェニレンエーテルからなる多孔層とした場合に、電極活物質がポリフェニレンエーテルからなる多孔層の下位層(電極との界面から数えて2層目以降)との接触を抑制でき、セパレータの劣化を抑制できる傾向にあり好ましい。20μm未満では、セパレータの占有体積が減るため、電池の高容量化の点において有利となる傾向がある。気孔率は40%以上99%以下が好ましく、60%以上95%以下がより好ましい。40%以上では界面における抵抗増大を抑制できる傾向にあり、99%以下では電極活物質がポリフェニレンエーテルからなる多孔層の下位層(電極との界面から数えて2層目以降)との接触を抑制でき、セパレータの劣化を抑制できる傾向にあり好ましい。ポリフェニレンエーテルからなる多孔層の最大孔径は0.1μmより大きく20μm以下が好ましく、より好ましくは0.2μm以上10μm以下である。0.1μmより大きければ、界面における抵抗増大を抑制できる傾向にあり、20μm以下では電極活物質がポリフェニレンエーテルからなる多孔層の下位層(電極との界面から数えて2層目以降)との接触を抑制でき、セパレータの劣化を抑制できる傾向にあり好ましい。 In the case of 1 μm or more, for example, when used as a battery separator and the surface in contact with the electrode surface is a porous layer made of polyphenylene ether, the electrode active material is a lower layer of the porous layer made of polyphenylene ether (2 counted from the interface with the electrode). It is preferable because contact with the second and subsequent layers can be suppressed, and deterioration of the separator can be suppressed. If the thickness is less than 20 μm, the occupied volume of the separator is reduced, which tends to be advantageous in terms of increasing the battery capacity. The porosity is preferably 40% or more and 99% or less, and more preferably 60% or more and 95% or less. If it is 40% or more, the increase in resistance at the interface tends to be suppressed, and if it is 99% or less, contact with the lower layer of the porous layer made of polyphenylene ether as the electrode active material (second and subsequent layers counted from the interface with the electrode) is suppressed. This is preferable because it tends to suppress the deterioration of the separator. The maximum pore size of the porous layer made of polyphenylene ether is preferably larger than 0.1 μm and not larger than 20 μm, more preferably not smaller than 0.2 μm and not larger than 10 μm. If it is larger than 0.1 μm, the increase in resistance at the interface tends to be suppressed, and if it is less than 20 μm, the electrode active material is in contact with the lower layer of the porous layer made of polyphenylene ether (the second and subsequent layers counted from the interface with the electrode). This is preferable because it can suppress the deterioration of the separator.
<熱可塑性樹脂からなる多孔層の構造>
本発明の多層多孔膜は熱可塑性樹脂からなる多孔層を少なくとも1層以上有する。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリオレフィン樹脂、フッ素樹脂、ポリスチレン、ABS樹脂、塩化ビニル樹脂、酢酸ビニル樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド樹脂、アセタール樹脂、ポリカーボネートなどが挙げられるが、特に非水電解液電池用セパレータとして用いる場合、耐電解液性の観点からポリオレフィン樹脂が好ましい。
ポリオレフィン樹脂とは、通常の押出、射出、インフレーション、及びブロー成形等に使用するポリオレフィン樹脂をいい、エチレン、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−オクテン等のホモ重合体及び共重合体、多段重合体等を使用することができる。また、これらのホモ重合体及び共重合体、多段重合体の群から選んだポリオレフィンを単独、もしくは混合して使用することもできる。前記重合体の代表例としては、低密度ポリエチレン、線状低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレン、アイソタクティックポリプロピレン、アタクティックポリプロピレン、ポリブテン、エチレンプロピレンラバー等が挙げられる。本発明の多孔膜を電池セパレータとして使用する場合、低融点樹脂であり、かつ高突刺強度の要求性能から、特に高密度ポリエチレンを主成分(例えば、10質量部以上)とする樹脂を使用することが好ましい。また、本発明においては、上記ポリオレフィン樹脂を単独で用いることもでき又は2種以上を混合して用いることもできる。
<Structure of porous layer made of thermoplastic resin>
The multilayer porous membrane of the present invention has at least one porous layer made of a thermoplastic resin. Examples of the thermoplastic resin include polyolefin resin, fluororesin, polystyrene, ABS resin, vinyl chloride resin, vinyl acetate resin, acrylic resin, polyamide resin, acetal resin, polycarbonate, etc., particularly for non-aqueous electrolyte batteries. When used as a separator, a polyolefin resin is preferred from the viewpoint of resistance to electrolytic solution.
The polyolefin resin refers to a polyolefin resin used for normal extrusion, injection, inflation, blow molding and the like, such as ethylene, propylene, 1-butene, 4-methyl-1-pentene, 1-hexene, and 1-octene. Homopolymers and copolymers, multistage polymers, and the like can be used. In addition, polyolefins selected from the group of these homopolymers, copolymers, and multistage polymers can be used alone or in combination. Representative examples of the polymer include low density polyethylene, linear low density polyethylene, medium density polyethylene, high density polyethylene, ultrahigh molecular weight polyethylene, isotactic polypropylene, atactic polypropylene, polybutene, and ethylene propylene rubber. . When the porous membrane of the present invention is used as a battery separator, a resin having a high melting point polyethylene as a main component (for example, 10 parts by mass or more) is used because it is a low melting point resin and requires high piercing strength. Is preferred. In the present invention, the above polyolefin resins can be used alone or in combination of two or more.
熱可塑性樹脂からなる多孔層の構造は連通孔を含む多孔層であれば、いかなる多孔層でも構わない。連通孔を含むとは、片面からもう一方の片面まで連通した孔構造を有していることであり、片面からもう一方の片面へ気体透過性を測定することで確認できる。気体透過性を示す指標である透気度が10000秒以下であれば多孔層であると言える。多孔層の構造は、孔構造が微細な三次元網目構造からなる微多孔膜や繊維の集合体からなるものであってもよい。繊維の集合体とは、繊維が織り、編み、積層などの操作を受けることによって形成された構造体であり、例えば不織布などを挙げることが出来る。電池用セパレータとして用いた場合に、信頼性の観点から微多孔膜が好ましい。 The porous layer structure made of thermoplastic resin may be any porous layer as long as it is a porous layer including communication holes. The inclusion of the communication hole means that it has a hole structure communicating from one side to the other side, and can be confirmed by measuring gas permeability from one side to the other side. If the air permeability, which is an indicator of gas permeability, is 10,000 seconds or less, it can be said to be a porous layer. The structure of the porous layer may be a microporous film or a collection of fibers having a three-dimensional network structure with a fine pore structure. The fiber aggregate is a structure formed by subjecting fibers to operations such as weaving, knitting, and lamination, and examples thereof include a nonwoven fabric. When used as a battery separator, a microporous membrane is preferred from the viewpoint of reliability.
熱可塑性樹脂からなる多孔層の厚みは1μm以上40μm以下が好ましく、2μm以上35μm以下がより好ましく、5μm以上30μm以下がさらに好ましい。例えば電池用セパレータとして用いた場合、1μm以上であればハンドリング、操作性に優れ、40μm以下であればセパレータの占有体積が減るため、電池の高容量化の点において有利となる傾向がある。気孔率は、好ましくは25%以上70%以下、より好ましくは30%以上60%以下の範囲である。気孔率が25%以上では、透過性が低下しにくく、一方70%以下では電池セパレータとして使用した場合に自己放電の可能性が少なく信頼性がある。透気度は、10秒/100ml以上1000秒/100ml以下が好ましく、60秒/100ml以上500秒/100ml以下がより好ましく、80秒/100ml以上300秒/100ml以下がさらに好ましい。 The thickness of the porous layer made of a thermoplastic resin is preferably 1 μm or more and 40 μm or less, more preferably 2 μm or more and 35 μm or less, and further preferably 5 μm or more and 30 μm or less. For example, when it is used as a battery separator, if it is 1 μm or more, it is excellent in handling and operability, and if it is 40 μm or less, the occupied volume of the separator is reduced, which tends to be advantageous in terms of increasing the capacity of the battery. The porosity is preferably in the range of 25% to 70%, more preferably 30% to 60%. When the porosity is 25% or more, the permeability is not easily lowered. On the other hand, when the porosity is 70% or less, there is little possibility of self-discharge when used as a battery separator, which is reliable. The air permeability is preferably 10 seconds / 100 ml or more and 1000 seconds / 100 ml or less, more preferably 60 seconds / 100 ml or more and 500 seconds / 100 ml or less, and still more preferably 80 seconds / 100 ml or more and 300 seconds / 100 ml or less.
透気度が10秒/100ml以上では電池用セパレータとして使用した際に自己放電が少なく、1000秒/100ml以下では良好な充放電特性が得られる。突き刺し強度は、2N以上が好ましく、3N以上がより好ましく、4N以上がさらに好ましい。2N以上では、電池捲回時における脱落した活物質等による破膜を抑制出来る。また充放電に伴う電極の膨張収縮によって短絡する懸念が少ない。上限は特に制限がないが、10N以下が熱収縮を低減できる観点から好ましい。最大孔径は、0.01μm以上0.5μm以下が好ましく、0.02μm以上0.3μm以下がより好ましく、0.03μm以上0.1μm未満がさらに好ましい。最大孔径が0.01μm以上であれば透過性は良好であり好ましい。0.5μm以下であれば、電池セパレータとして使用した場合に自己放電の可能性が少なく信頼性の観点から好ましい。 When the air permeability is 10 seconds / 100 ml or more, self-discharge is small when used as a battery separator, and when the air permeability is 1000 seconds / 100 ml or less, good charge / discharge characteristics are obtained. The piercing strength is preferably 2N or more, more preferably 3N or more, and further preferably 4N or more. If it is 2N or more, it is possible to suppress film breakage due to the dropped active material or the like during battery winding. In addition, there is little fear of short-circuiting due to the expansion and contraction of the electrodes accompanying charging and discharging. Although there is no restriction | limiting in particular in an upper limit, 10 N or less is preferable from a viewpoint which can reduce heat shrink. The maximum pore diameter is preferably from 0.01 μm to 0.5 μm, more preferably from 0.02 μm to 0.3 μm, and even more preferably from 0.03 μm to less than 0.1 μm. If the maximum pore diameter is 0.01 μm or more, the permeability is good and preferable. If it is 0.5 micrometer or less, when it uses as a battery separator, there is little possibility of a self-discharge and it is preferable from a viewpoint of reliability.
<多層多孔膜の構造>
本発明の多層多孔膜は、熱可塑性樹脂からなる多孔層とポリフェニレンエーテルからなる多孔層を含む積層体である。熱可塑性樹脂からなる多孔層とポリフェニレンエーテルからなる多孔層は結合していることが好ましい。多層多孔膜が三層以上の場合は、酸化劣化を抑制する観点からポリフェニレンエーテルからなる多孔層が表面層を形成することが好ましい。多層多孔膜の全体の厚みは2μm以上60μm未満が好ましく、4μm以上50μm未満がより好ましく、8μm以上40μm未満がさらに好ましい。例えば電池用セパレータとして用いた場合、2μm以上であればハンドリング、操作性に優れ、60μm未満であればセパレータの占有体積が減るため、電池の高容量化の点において有利となる傾向がある。透気度は、10秒/100ml以上1000秒/100ml以下が好ましく、60秒/100ml以上500秒/100ml以下がより好ましく、80秒/100ml以上300秒/100ml以下がさらに好ましい。透気度が10秒/100ml以上では電池用セパレータとして使用した際に自己放電が少なく、1000秒/100ml以下では良好な充放電特性が得られる。突き刺し強度は、2N以上が好ましく、3N以上がより好ましく、4N以上がさらに好ましい。2N以上では、電池捲回時における脱落した活物質等による破膜を抑制出来る。また充放電に伴う電極の膨張収縮によって短絡する懸念が少ない。上限は特に制限がないが、10N以下が熱収縮を低減できる観点から好ましい。
<Structure of multilayer porous membrane>
The multilayer porous membrane of the present invention is a laminate comprising a porous layer made of a thermoplastic resin and a porous layer made of polyphenylene ether. The porous layer made of a thermoplastic resin and the porous layer made of polyphenylene ether are preferably bonded. When the multilayer porous film has three or more layers, it is preferable that a porous layer made of polyphenylene ether forms a surface layer from the viewpoint of suppressing oxidative degradation. The total thickness of the multilayer porous membrane is preferably 2 μm or more and less than 60 μm, more preferably 4 μm or more and less than 50 μm, and even more preferably 8 μm or more and less than 40 μm. For example, when used as a battery separator, if it is 2 μm or more, it is excellent in handling and operability, and if it is less than 60 μm, the occupied volume of the separator is reduced, which tends to be advantageous in terms of increasing the capacity of the battery. The air permeability is preferably 10 seconds / 100 ml or more and 1000 seconds / 100 ml or less, more preferably 60 seconds / 100 ml or more and 500 seconds / 100 ml or less, and still more preferably 80 seconds / 100 ml or more and 300 seconds / 100 ml or less. When the air permeability is 10 seconds / 100 ml or more, self-discharge is small when used as a battery separator, and when the air permeability is 1000 seconds / 100 ml or less, good charge / discharge characteristics are obtained. The piercing strength is preferably 2N or more, more preferably 3N or more, and further preferably 4N or more. If it is 2N or more, it is possible to suppress film breakage due to the dropped active material or the like during battery winding. In addition, there is little fear of short-circuiting due to the expansion and contraction of the electrodes accompanying charging and discharging. Although there is no restriction | limiting in particular in an upper limit, 10 N or less is preferable from a viewpoint which can reduce heat shrink.
多層多孔膜の構成として、ポリフェニレンエーテルからなる多孔層の透気度は、熱可塑性樹脂層の透気度よりも低い方が好ましい。またポリフェニレンエーテルからなる多孔層の最大孔径は、熱可塑性樹脂の最大孔径よりも大きい方が好ましい。本発明の多層多孔膜のポリフェニレンエーテルからなる多孔層と熱可塑性樹脂からなる多孔層の構造を相違させることで電池用セパレータとして用いた場合に、優れた耐酸化性と出力特性を発現しやすい。
本発明の多層多孔膜の製造方法の一例を説明する。
本発明の多層多孔膜は、既存の微多孔膜の製法、繊維の集合体の製法を利用して達成してもよい。また各多孔層を単独で製造した後、その後の工程で積層体としてもよく、積層体とした後に多孔化してもよく、多孔層の上に多孔層を製造しても良い。
As the structure of the multilayer porous membrane, the air permeability of the porous layer made of polyphenylene ether is preferably lower than the air permeability of the thermoplastic resin layer. The maximum pore size of the porous layer made of polyphenylene ether is preferably larger than the maximum pore size of the thermoplastic resin. When used as a battery separator, the structure of the porous layer made of polyphenylene ether and the porous layer made of a thermoplastic resin of the multilayer porous film of the present invention are differentiated, so that excellent oxidation resistance and output characteristics are easily developed.
An example of the manufacturing method of the multilayer porous membrane of this invention is demonstrated.
The multilayer porous membrane of the present invention may be achieved by using an existing method for producing a microporous membrane or a method for producing a fiber assembly. Moreover, after manufacturing each porous layer independently, you may make it a laminated body in a subsequent process, and you may make it porous after making a laminated body, and you may manufacture a porous layer on a porous layer.
熱可塑性樹脂からなる多孔層の製造方法としては、例えば以下のような例があげられる。
(1)熱可塑性樹脂に後工程で容易に抽出除去可能な可塑剤を加えて成形を行い、その後可塑剤を適当な溶媒で除去して多孔化する抽出法
(2)結晶性高分子材料を成形した後、構造的に弱い非晶部分を選択的に延伸して微細孔を形成する延伸法
(3)熱可塑性樹脂に充填剤を加えて成形を行い、その後の延伸操作により熱可塑性樹脂と充填剤との界面を剥離させて微細孔を形成する界面剥離法
(4)熱可塑性樹脂を良溶媒に溶解しシート状にキャストした後、貧溶媒に接触させて多孔層を形成する相転換法
電池用セパレータとして用いる場合、緻密で均一な孔構造、高強度などの観点から(1)の抽出法、なかでも(1)の抽出法において、可塑剤抽出前または可塑剤抽出のいずれか、もしくは両方に延伸を併用した製法が好適である。
Examples of the method for producing a porous layer made of a thermoplastic resin include the following examples.
(1) An extraction method in which a plasticizer that can be easily extracted and removed in a subsequent process is added to a thermoplastic resin, and then molded, and then the plasticizer is removed with a suitable solvent to make it porous (2) A crystalline polymer material After forming, stretching method that selectively stretches structurally weak amorphous parts to form micropores (3) Perform molding by adding filler to thermoplastic resin, and then perform thermoplastic resin by stretching operation Interfacial exfoliation method in which the interface with the filler is exfoliated to form micropores (4) Phase conversion method in which a thermoplastic resin is dissolved in a good solvent, cast into a sheet, and then contacted with a poor solvent to form a porous layer When used as a battery separator, from the viewpoint of a dense and uniform pore structure, high strength, etc., in the extraction method (1), in particular, in the extraction method (1), either before plasticizer extraction or plasticizer extraction, or A production method in which both are combined with stretching is preferred.
具体的には以下のような(a)〜(d)の工程を含む製法が一例として挙げられる。
(a)ポリオレフィン樹脂、可塑剤、及び酸化防止剤等を窒素雰囲気下で溶融混練する工程。
(b)溶融物を押し出し、シート状に成形して冷却固化する工程。
(c)少なくとも一軸方向へ延伸を行う工程。
(d)可塑剤を抽出する工程。
これらの工程の順序及び回数については特に制限はないが、(a)工程→(b)工程→(c)工程→(d)工程の順序、 (a)工程→(b)工程→(c)工程→(d)工程→(c)工程の順序、或いは(a)工程→(b)工程→(d)工程→(c)工程の順序が好ましく、(a)工程→(b)工程→(c)工程→(d)工程の順序、 (a)工程→(b)工程→(c)工程→(d)工程→(c)工程の順序がさらに好ましい。
Specifically, a production method including the following steps (a) to (d) is exemplified.
(A) A step of melt-kneading a polyolefin resin, a plasticizer, an antioxidant, and the like in a nitrogen atmosphere.
(B) A step of extruding the melt, forming it into a sheet and cooling and solidifying it.
(C) A step of stretching in at least a uniaxial direction.
(D) A step of extracting the plasticizer.
The order and number of these steps are not particularly limited, but (a) step → (b) step → (c) step → (d) step order, (a) step → (b) step → (c) The order of process → (d) process → (c) process or (a) process → (b) process → (d) process → (c) process is preferable, and (a) process → (b) process → ( The order of c) process → (d) process, (a) process → (b) process → (c) process → (d) process → (c) process is more preferable.
また、必要に応じて、ステアリン酸カルシウムやステアリン酸亜鉛等の金属石鹸類、紫外線吸収剤、光安定剤、帯電防止剤、防曇剤、着色顔料等の公知の添加剤も、製膜性を損なうことなく、そして本発明の要件及び効果を損なわない範囲で混合して使用することが出来る。さらに、ポリオレフィン樹脂以外のポリマー材料や他の有機及び無機材料についても、製膜性を損なうことなく、そして本発明の要件及び効果を損なわない範囲で配合することができる。 In addition, if necessary, known additives such as metal soaps such as calcium stearate and zinc stearate, ultraviolet absorbers, light stabilizers, antistatic agents, antifogging agents, and coloring pigments also impair film formation. And can be mixed and used within a range not impairing the requirements and effects of the present invention. Furthermore, polymer materials other than polyolefin resins and other organic and inorganic materials can be blended without impairing the film forming property and within the range not impairing the requirements and effects of the present invention.
ポリフェニレンエーテルからなる多孔層の製造方法としては、以下のような例があげられる。
(1)ポリフェニレンエーテルに充填剤を加えて成形を行い、その後の延伸操作によりポリフェニレンエーテルと充填剤との界面を剥離させて微細孔を形成する界面剥離法
(2)ポリフェニレンエーテルを良溶媒に溶解しシート状にキャストした後、貧溶媒に接触させて多孔層を形成する相転換法
Examples of the method for producing a porous layer made of polyphenylene ether include the following.
(1) Interfacial exfoliation method in which a filler is added to polyphenylene ether, molding is performed, and then the interface between polyphenylene ether and filler is exfoliated by a stretching operation to form micropores. (2) Polyphenylene ether is dissolved in a good solvent. A phase change method in which a porous layer is formed by contact with a poor solvent after casting into a sheet
ポリフェニレンエーテルからなる多孔層の製造方法として、繊維の集合体の不織布を製造する場合には以下のような例があげられる。
(1) 紡績工程でのカードを使用し、又は空気中に分散した繊維をシート状に積層し、一つ又は二つ以上の結合方法で繊維を結合する乾式法。
(2)抄紙方式で、繊維を水等の分散液に分散し、それらをシート状に集積し、一つ又は二つ以上の結合方法で 繊維を結合する湿式法
(3)ポリフェニレンエーテルの溶融又は溶解によって、紡糸された連続繊維を動くスクリーン上に積層し、一つ又は二つ以上の結合方法で繊維を結合するスパンボンド法
(4)ポリフェニレンエーテル溶液を電極間で形成された静電場中にノズル等を用いて吐出することで、静電気力と溶媒の揮発により、溶液を細化・固化させて極細繊維状物質をコレクターに堆積させることによって、繊維の集合体を得る静電紡糸法
電池用セパレータとして用いる場合、緻密で均一な孔構造が得られる観点から、極細繊維の集合体が好ましく、(4)の静電紡糸法が好適である。
As a method for producing a porous layer made of polyphenylene ether, the following examples can be given when producing a non-woven fabric of fiber aggregates.
(1) A dry method in which the card used in the spinning process is used, or fibers dispersed in the air are laminated in a sheet shape, and the fibers are bonded by one or more bonding methods.
(2) Wet method in which fibers are dispersed in a dispersion liquid such as water by paper making, and these are accumulated in a sheet form, and the fibers are bonded by one or more bonding methods. (3) Melting of polyphenylene ether or A spunbond method in which spun continuous fibers are laminated on a moving screen by melting and the fibers are bonded by one or more bonding methods. (4) A polyphenylene ether solution is formed in an electrostatic field formed between the electrodes. Electrospinning method to obtain an aggregate of fibers by discharging using a nozzle, etc., by thinning and solidifying the solution by electrostatic force and volatilization of the solvent and depositing ultrafine fibrous material on the collector When used as a separator, an aggregate of ultrafine fibers is preferable from the viewpoint of obtaining a dense and uniform pore structure, and the electrostatic spinning method (4) is preferable.
ポリフェニレンエーテルからなる多孔層の製造方法の一例として、静電紡糸法にて製造する方法を記載する。
まず最初に、ポリフェニレンエーテルを溶媒に溶解したポリマー溶液を調製する段階について説明する。
溶媒は、常圧での沸点が250℃以下であり、常温で液体である物質で、ポリフェニレンエーテルを溶解可能な溶媒であれば特に制限は無く、例えば、クロロホルム、1,2−ジクロロエタン、1,1,2−トリクロロエタン、1,1,2,2−テトラクロロエタン等のハロゲン化炭化水素系溶媒が挙げられる。
As an example of a method for producing a porous layer made of polyphenylene ether, a method for producing by an electrospinning method will be described.
First, the step of preparing a polymer solution in which polyphenylene ether is dissolved in a solvent will be described.
The solvent is not particularly limited as long as it is a substance that has a boiling point of 250 ° C. or less at normal pressure and is a liquid at room temperature and can dissolve polyphenylene ether. For example, chloroform, 1,2-dichloroethane, 1, Halogenated hydrocarbon solvents such as 1,2-trichloroethane and 1,1,2,2-tetrachloroethane are exemplified.
また、ベンゼン、トルエン、o−キシレン等の芳香族炭化水素系溶媒、テトラヒドロフラン、ジオキサンなどの環状エーテル系溶媒、o−クロロフェノール等のフェノール系溶媒、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)が挙げられる。これらの溶媒は単独で用いても、2種類以上の混合溶媒として用いてもかまわない。
ハロゲン化炭化水素系化合物と沸点が140℃以上の低揮発性溶媒を含む混合溶媒がポリフェニレンエーテルの溶解性が良く、低揮発速度のため針汚れ、針詰まりが起こりにくく、長時間安定紡糸することが可能である点から好ましい。
芳香族炭化水素系溶媒と、N−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミドの中から選択される少なくとも1種類の溶媒との混合溶媒であることが溶媒の低毒性かつポリフェニレンエーテルの溶解性がよく、低揮発速度のため針汚れ、針詰まりが起こりにくく、長時間安定紡糸することが可能である点から好ましい。
In addition, aromatic hydrocarbon solvents such as benzene, toluene and o-xylene, cyclic ether solvents such as tetrahydrofuran and dioxane, phenol solvents such as o-chlorophenol, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) are listed. It is done. These solvents may be used alone or as a mixed solvent of two or more kinds.
A mixed solvent containing a halogenated hydrocarbon compound and a low-volatile solvent having a boiling point of 140 ° C. or higher has good solubility of polyphenylene ether, and because of low volatilization speed, needle contamination and needle clogging hardly occur, and stable spinning for a long time. Is preferable because it is possible.
The solvent should be a mixed solvent of an aromatic hydrocarbon solvent and at least one solvent selected from N-methyl-2-pyrrolidone, N, N-dimethylformamide, and N, N-dimethylacetamide. It is preferable because it has low toxicity and good solubility of polyphenylene ether, and since it has a low volatilization rate, needle contamination and needle clogging hardly occur and stable spinning can be performed for a long time.
溶媒の誘電率を上げるため、ポリフェニレンエーテルが析出しない程度の量の貧溶媒を混合してもよい。貧溶媒の例としては、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N,N−ジメチルアセトアミド(DMAc)等が挙げられる。
溶液の電気伝導度を上げるために、静電紡糸法の溶液に0.01〜5wt%の有機酸塩又は無機酸塩を含むことが好ましく、より好ましくは0.1〜2wt%の範囲である。例えば、無機酸塩としては塩化リチウム、塩化カリウム、塩化ナトリウム等、臭化リチウム、臭化カリウム、フッ化カリウム等の一価の無機塩、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、臭化カルシウム、フッ化カルシウム等の二価の無機塩、有機酸塩としては、テトラブチルアンモニウムクロリド、テトラブチルアンモニウムブロミド、ベンジルトリエチルアンモニウムクロリド等のアンモニウム塩が挙げられる。
In order to increase the dielectric constant of the solvent, an amount of poor solvent that does not cause polyphenylene ether to precipitate may be mixed. Examples of the poor solvent include N, N-dimethylformamide (DMF), N, N-dimethylacetamide (DMAc) and the like.
In order to increase the electrical conductivity of the solution, the electrospinning solution preferably contains 0.01 to 5 wt% of an organic acid salt or inorganic acid salt, more preferably in the range of 0.1 to 2 wt%. . Examples of inorganic acid salts include lithium chloride, potassium chloride, sodium chloride, monovalent inorganic salts such as lithium bromide, potassium bromide, potassium fluoride, calcium chloride, magnesium chloride, calcium bromide, calcium fluoride, etc. Examples of the divalent inorganic salt and organic acid salt include ammonium salts such as tetrabutylammonium chloride, tetrabutylammonium bromide, and benzyltriethylammonium chloride.
ポリフェニレンエーテル溶液のポリマー濃度としては、用いるポリマー分子量にもよるが、重量平均分子量5×104程度のものを用いた場合、5wt%以上20wt%以下である。
ポリマー濃度が5wt%以上では、繊維構造体を形成することが容易な溶液粘度であり好ましい。また、ポリマー濃度が20wt%以下では得られる繊維の繊維径が細くなり易い溶液粘度であり好ましい。
また、静電紡糸法において、ポリマー溶液をノズルで供給する場合に、溶媒が常圧における沸点が100℃以下の低沸点溶媒成分のみであるとノズル汚れや詰まりが発生しやすく、連続生産時に効率が悪くなる。そこで、溶媒として常圧での沸点が140℃以上の溶媒を20〜100重量%用いると針詰まりや針汚れが起こらず連続安定して極細繊維が生産可能になるので好ましい。より好ましい割合は50〜100重量%である。常圧で沸点が140℃以上の高沸点溶媒としては、N,N−ジメチルアセトアミド、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1,1,2,2−テトラクロロエタン、o−クロロフェノール、N−メチル−2−ピロリドン、o−キシレン等が挙げられる。
The polymer concentration of the polyphenylene ether solution is 5 wt% or more and 20 wt% or less when a polymer having a weight average molecular weight of about 5 × 10 4 is used, although it depends on the polymer molecular weight used.
When the polymer concentration is 5 wt% or more, it is preferable because the solution viscosity is easy to form a fiber structure. Moreover, when the polymer concentration is 20 wt% or less, the fiber diameter of the obtained fiber is preferably a solution viscosity that tends to be thin.
In addition, when supplying a polymer solution with a nozzle in an electrospinning method, if the solvent is only a low-boiling solvent component having a boiling point of 100 ° C. or less at normal pressure, nozzle contamination and clogging are likely to occur, which is effective during continuous production. Becomes worse. Therefore, it is preferable to use 20 to 100% by weight of a solvent having a boiling point of 140 ° C. or higher as a solvent because needle clogging and needle contamination do not occur and it becomes possible to produce ultrafine fibers stably and stably. A more desirable ratio is 50 to 100% by weight. Examples of the high boiling point solvent having a boiling point of 140 ° C. or higher at normal pressure include N, N-dimethylacetamide, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1,1,2,2-tetrachloroethane, o-chlorophenol, N- Examples include methyl-2-pyrrolidone and o-xylene.
次に、前記ポリマー溶液を静電紡糸法にて紡糸する段階について説明する。該溶液を静電場に導入するには、任意の便宜の方法を用いることができる。例えば、図1に示すように、溶液保持槽1に該溶液をいれ、定量ポンプ2により金属製ノズル3を通じて該溶液を任意の流量で押出すと同時に、高電圧発生装置4によりノズル3に高電圧を印加することで、ノズル3と接地されたコレクター5の間に静電場を形成させる。静電場中に押出されたポリマー溶液は溶液内の電荷の反発により引き伸ばされ極細繊維化し、コレクターに捕集される。ノズル3とコレクター5の間に熱可塑性樹脂からなる多孔膜6を配置することで、熱可塑性樹脂からなる多孔膜とポリフェニレンエーテルからなる多孔層の多層多孔膜を直接得ることが可能であり好ましい。
なお、本方法はノズル3とコレクター5との間に静電場を生じさせればよく、コレクターに高電圧を印加させ、ノズル4を接地しても構わない。また、印加する電圧の大きさは5kv以上100kV以下が好ましい。印加電圧が5kV以上だと溶液中の電荷の反発力が繊維化を起すのに十分であり、100kV以下では空気の絶縁破壊が生じにくく好ましい。より好ましい範囲は8〜50kVである。
Next, the step of spinning the polymer solution by an electrostatic spinning method will be described. Any convenient method can be used to introduce the solution into the electrostatic field. For example, as shown in FIG. 1, the solution is put into a
In this method, an electrostatic field may be generated between the
ノズル4とコレクター5の距離は1〜20cmが好ましい。コレクター5上に熱可塑性樹脂からなる熱可塑性樹脂からなる多孔膜6を配置し、直接多層多孔膜を得る場合には、1cm〜10cmの範囲が好適である。ノズル−コレクター間距離が1cm〜10cmの範囲では溶液が多孔膜に到達する前に、溶媒が完全に揮発しないことがあるので多孔膜との接着性が向上するために好ましい。コレクター5にポリフェニレンエーテル単独の繊維集合体を作成する場合には、5〜20cmの範囲が好ましい。20cmより短いと繊維化可能な静電場を形成させるのに、比較的小さな印加電圧で達成できるために好ましい。
ノズル4の内径は、0.1〜2mmであることが好ましく。生産性と得られる繊維径のバランスを考慮すると、0.5〜1.2mmがより好ましい。
また、ノズルは生産性を上げるためにマルチノズルを用いるのが好ましい。
溶液保持槽1およびノズル2の温度は、溶媒の組み合わせにもよるが、ポリマーが均一に溶解している範囲の温度なら任意に選ぶことができ、好ましくは20〜80℃の範囲である。
The distance between the
The inner diameter of the
Further, it is preferable to use a multi-nozzle for increasing productivity.
The temperature of the
以下、本発明の実施例を記載する。
実施例中にある各値は以下の方法により求めた。
(1)膜厚
ダイヤルゲージ(尾崎製作所:PEACOCK No.25)にて室温(23℃)にて測定した。
(2)透気度
JIS P−8117準拠のガーレー式透気度計にて測定した。
ポリフェニレンエーテルからなる多孔層を多層多孔膜より剥離可能な場合は、剥離した後にポリフェニレンエーテルからなる多孔層の透気度を測定した。ポリフェニレンエーテルからなる多孔層を多層多孔膜より剥離不可能な場合は、ポリフェニレンエーテルの良溶媒であり、多層多孔膜の熱可塑性樹脂を溶解しない溶媒を用い、ポリフェニレンエーテルからなる多孔層を溶解、除去した後に、透気度を測定し、多層多孔膜の透気度から差し引いた透気度をポリフェニレンエーテルからなる多孔層の透気度とした。
Examples of the present invention will be described below.
Each value in the examples was determined by the following method.
(1) Film thickness It measured at room temperature (23 degreeC) with the dial gauge (Ozaki Seisakusho: PEACOCK No.25).
(2) Air permeability It measured with the Gurley type air permeability meter based on JIS P-8117.
When the porous layer made of polyphenylene ether was peelable from the multilayer porous film, the air permeability of the porous layer made of polyphenylene ether was measured after peeling. If the porous layer made of polyphenylene ether cannot be removed from the multilayer porous membrane, use a solvent that is a good solvent for polyphenylene ether and does not dissolve the thermoplastic resin of the multilayer porous membrane, and dissolve and remove the porous layer made of polyphenylene ether Then, the air permeability was measured, and the air permeability subtracted from the air permeability of the multilayer porous membrane was defined as the air permeability of the porous layer made of polyphenylene ether.
(3)最大孔径
ASTM F−316−86に準拠し、エタノールを使用して測定した。
ポリフェニレンエーテルからなる多孔層を多層多孔膜より剥離可能な場合は、剥離した後にポリフェニレンエーテルからなる多孔層の最大孔径を測定した。ポリフェニレンエーテルからなる多孔層を多層多孔膜より剥離不可能な場合は、走査型電子顕微鏡を用いて表面を撮影して測定した。ポリフェニレンエーテルからなる多孔層が微多孔膜の場合は、孔の長径を孔径とした。測定した孔径の中で最大の孔径を最大孔径とする。ポリフェニレンエーテルからなる多孔層が繊維の集合体である場合には、1視野に数十繊維が観測される倍率で撮影し、4繊維から構成される四角形を孔とみなす。該四角形の内部にさらに四角形が構成される場合は、内部にある四角形を孔とみなす。最小単位の四角形を孔とし、その長径を孔径とする。測定した孔径の中で最大の孔径を最大孔径とする。
(3) Maximum pore diameter Based on ASTM F-316-86, it was measured using ethanol.
When the porous layer made of polyphenylene ether was peelable from the multilayer porous film, the maximum pore size of the porous layer made of polyphenylene ether was measured after peeling. When the porous layer made of polyphenylene ether could not be peeled off from the multilayer porous film, the surface was photographed using a scanning electron microscope and measured. When the porous layer made of polyphenylene ether is a microporous membrane, the major axis of the pore is defined as the pore size. Among the measured hole diameters, the maximum hole diameter is defined as the maximum hole diameter. When the porous layer made of polyphenylene ether is an aggregate of fibers, images are taken at a magnification at which several tens of fibers are observed in one field of view, and a quadrangle composed of four fibers is regarded as a hole. When a rectangle is further formed inside the rectangle, the rectangle inside is regarded as a hole. The square of the smallest unit is a hole, and the major axis is the hole diameter. Among the measured hole diameters, the maximum hole diameter is defined as the maximum hole diameter.
(4)平均繊維径
走査型電子顕微鏡を用いて1視野に数十繊維が観測される倍率で撮影し、任意の10本の繊維径を測定し、その平均値を平均繊維径Daとした。
(5)突刺強度
カトーテック製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、突き刺し速度2mm/secの条件で突き刺し試験を行い、最大突刺荷重(N)を突刺強度とした。
(6)還元粘度
ポリフェニレンエーテルをクロロホルムに0.5g/dlの濃度となるように溶解させ、30℃における粘度をウベローデ粘度管を用いて測定した。
(4) Average fiber diameter Photographed at a magnification at which several tens of fibers were observed in one field of view using a scanning electron microscope, measured the diameters of 10 arbitrary fibers, and the average value was defined as the average fiber diameter Da.
(5) Puncture strength Using a Kato-Tech KES-G5 handy compression tester, a puncture test was conducted under the conditions of a radius of curvature of the needle tip of 0.5 mm and a puncture speed of 2 mm / sec. It was.
(6) Reduced viscosity Polyphenylene ether was dissolved in chloroform to a concentration of 0.5 g / dl, and the viscosity at 30 ° C. was measured using an Ubbelohde viscosity tube.
(7)耐酸化性評価
a.正極の作製
正極活物質としてリチウムコバルト複合酸化物(LiCoO2)を92.2質量%、導電材としてリン片状グラファイトとアセチレンブラックをそれぞれ2.3質量%、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)3.2質量%をN−メチルピロリドン(NMP)中に分散させてスラリーを調製する。このスラリーを正極集電体となる厚さ20μmのアルミニウム箔の片面にダイコーターで塗布し、130℃で3分間乾燥後、ロールプレス機で圧縮成形する。この時、正極の活物質塗布量は250g/m2、活物質嵩密度は3.00g/cm3になるようにする。
(7) Evaluation of oxidation resistance a. Fabrication of positive electrode
92.2% by mass of lithium cobalt composite oxide (LiCoO 2 ) as a positive electrode active material, 2.3% by mass of flake graphite and acetylene black as a conductive material, and 3.2% of polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder, respectively. % Is dispersed in N-methylpyrrolidone (NMP) to prepare a slurry. This slurry is applied to one side of a 20 μm thick aluminum foil serving as a positive electrode current collector with a die coater, dried at 130 ° C. for 3 minutes, and then compression molded with a roll press. At this time, the active material coating amount of the positive electrode is 250 g / m 2 , and the active material bulk density is 3.00 g / cm 3 .
b.負極の作製
負極活物質として人造グラファイト96.6質量%、バインダーとしてカルボキシメチルセルロースのアンモニウム塩1.4質量%とスチレン−ブタジエン共重合体ラテックス1.7質量%を精製水中に分散させてスラリーを調製する。このスラリーを負極集電体となる厚さ12μmの銅箔の片面にダイコーターで塗布し、120℃で3分間乾燥後、ロールプレス機で圧縮成形する。この時、負極の活物質塗布量は106g/m2、活物質嵩密度は1.35g/cm3になるようにする。
c.非水電解液の調製
エチレンカーボネート:エチルメチルカーボネート=1:2(体積比)の混合溶媒に、溶質としてLiPF6を濃度1.0mol/Lとなるように溶解させて調製する。
b. Production of negative electrode
A slurry is prepared by dispersing 96.6% by mass of artificial graphite as a negative electrode active material, 1.4% by mass of ammonium salt of carboxymethyl cellulose and 1.7% by mass of styrene-butadiene copolymer latex as binders in purified water. This slurry is applied to one side of a 12 μm-thick copper foil serving as a negative electrode current collector with a die coater, dried at 120 ° C. for 3 minutes, and then compression molded with a roll press. At this time, the active material application amount of the negative electrode is set to 106 g / m 2 , and the active material bulk density is set to 1.35 g / cm 3 .
c. Preparation of Nonaqueous Electrolyte Solution Prepared by dissolving LiPF 6 as a solute in a mixed solvent of ethylene carbonate: ethyl methyl carbonate = 1: 2 (volume ratio) to a concentration of 1.0 mol / L.
d.電池組立
多層多孔膜を30mmφ,正極及び負極を16mmφの円形に切り出し、正極と負極の活物質面が対向するよう、正極、多層多孔膜、負極の順に重ね、蓋付きステンレス金属製容器に収納する。容器と蓋とは絶縁されており、容器は負極の銅箔と、蓋は正極のアルミ箔と接している。この容器内に前記した非水電解液を注入して密閉する。
室温にて1日放置した後、25℃雰囲気下、2mA(0.33C)の電流値で電池電圧4.2Vまで充電し、到達後4.2Vを保持するようにして電流値を2mAから絞り始めるという方法で、合計8時間電池作成後の最初の充電を行う。
続いて2mA(0.33C)の電流値で電池電圧3.0Vまで放電する。
d. Battery assembly
The multilayer porous membrane is cut into a circle of 30 mmφ, and the positive electrode and the negative electrode are cut into a circle of 16 mmφ. The container and the lid are insulated, the container is in contact with the negative electrode copper foil, and the lid is in contact with the positive electrode aluminum foil. The non-aqueous electrolyte described above is injected into this container and sealed.
After standing at room temperature for 1 day, the battery voltage was charged to 4.2V with a current value of 2mA (0.33C) in a 25 ° C atmosphere, and the current value was reduced from 2mA so as to maintain 4.2V after reaching the battery voltage. The first charge after making the battery for a total of 8 hours is performed by the method of starting.
Subsequently, the battery is discharged to a battery voltage of 3.0 V at a current value of 2 mA (0.33 C).
e.評価
25℃雰囲気下、6mA(1.0C)の電流値で電池電圧4.2Vまで充電し、到達後4.2Vを保持するようにして電流値を6mAから絞り始めるという方法で、合計3時間充電を行う。次に、4.4V保持するように充電を続けた状態にて70℃雰囲気下で7日間保存を行う。その後、セルを取り出し25℃雰囲気下、6mA(1.0C)の電流値で電池電圧3.0Vまで放電する。
また、この電池より多層多孔膜を取り出し、付着物を取り除くために、ジメトキシエタン、エタノール、及び1規定の塩酸中で各15分間、超音波洗浄を行う。
その後、空気中にて乾燥し、多層多孔膜の正極接触面側の黒色変色具合を目視にて観察し、耐酸化性評価を行う。ここで、黒色変色した割合が面積あたりで3%以下のものを黒色変色無し(◎)と判定し、10%以下のものを黒色変色ほぼ無し(○)と判定し、10%を超えるものを黒色変色有り(×)と判定した。
e. Evaluation In a 25 ° C atmosphere, the battery voltage was charged to 4.2 V at a current value of 6 mA (1.0 C), and after reaching the voltage value, the current value was started to be reduced from 6 mA so as to hold 4.2 V, for a total of 3 hours. Charge the battery. Next, the battery is stored for 7 days in an atmosphere of 70 ° C. while being charged so as to hold 4.4V. Thereafter, the cell is taken out and discharged to a battery voltage of 3.0 V at a current value of 6 mA (1.0 C) in a 25 ° C. atmosphere.
In addition, the multilayer porous membrane is taken out from the battery, and ultrasonic cleaning is performed in dimethoxyethane, ethanol, and 1 N hydrochloric acid for 15 minutes each in order to remove deposits.
Then, it dries in the air, visually observes the black discoloration on the positive electrode contact surface side of the multilayer porous membrane, and evaluates oxidation resistance. Here, when the ratio of black discoloration is 3% or less per area, it is determined that there is no black discoloration (A), and when it is 10% or less, it is determined that there is almost no black discoloration (O), and the ratio exceeds 10%. It was determined that there was a black discoloration (×).
(8)出力特性評価
耐熱性評価における、a.正極の作製、b.負極の作製、c.非水電解液の調製、d.電池組立、と同様の内容を実施し、簡易電池を作製した。
e.評価
25℃雰囲気下、6mA(1.0C)の電流値で電池電圧4.2Vまで充電し、到達後4.2Vを保持するようにして電流値を6mAから絞り始めるという方法で、合計3時間充電を行う。次に、6mA(1.0C)の電流値で電池電圧3.0Vまで放電する。その時の放電容量をA(mAh)とする。次に、6mA(1.0C)の電流値で電池電圧4.2Vまで充電し、到達後4.2Vを保持するようにして電流値を6mAから絞り始めるという方法で、合計3時間充電を行う。続いて、18mA(3.0C)の電流値で電池電圧3.0Vまで放電する。その時の放電容量をB(mAh)とする。1.0C放電時と3.0C放電時の放電容量の比率(B/A)より出力特性を比較した。
出力特性(%)=B/A×100
(8) Output characteristic evaluation In heat resistance evaluation, a. Making a positive electrode, b. Preparation of negative electrode, c. Preparation of a non-aqueous electrolyte, d. The same contents as the battery assembly were carried out to produce a simple battery.
e. Evaluation In a 25 ° C atmosphere, the battery voltage was charged to 4.2 V at a current value of 6 mA (1.0 C), and after reaching the voltage value, the current value was started to be reduced from 6 mA so as to hold 4.2 V, for a total of 3 hours. Charge the battery. Next, the battery is discharged to a battery voltage of 3.0 V at a current value of 6 mA (1.0 C). The discharge capacity at that time is A (mAh). Next, the battery is charged to a battery voltage of 4.2 V with a current value of 6 mA (1.0 C), and after reaching the voltage, the current value starts to be reduced from 6 mA so as to hold 4.2 V, and charging is performed for a total of 3 hours. . Subsequently, the battery is discharged to a battery voltage of 3.0 V at a current value of 18 mA (3.0 C). Let the discharge capacity at that time be B (mAh). The output characteristics were compared based on the ratio (B / A) of the discharge capacity at the time of 1.0 C discharge and 3.0 C discharge.
Output characteristics (%) = B / A × 100
[実施例1]
a.ポリオレフィン微多孔膜の作製
粘度平均分子量200万の超高分子量ポリエチレン12重量%、粘度平均分子量28万の高密度ポリエチレン12重量%、粘度平均分子量15万の直鎖状低密度ポリエチレン16重量%、フタル酸ジオクチル(DOP)42.4重量%、微粉シリカ17.6重量%を混合造粒した後、T−ダイを装着した二軸押出機にて混練・押出し厚さ90μmのシート状に成形した。該成形物からDOPと微粉シリカを抽出除去し微多孔膜とした。
該微多孔膜を2枚重ねてロール延伸機に導き、縦方向に117℃で5.0倍延伸した後、テンターへ導き横方向に115℃で1.9倍延伸し、128℃で5%熱緩和してポリオレフィン微多孔膜を得た。
[Example 1]
a. Preparation of microporous polyolefin membrane 12% by weight of ultrahigh molecular weight polyethylene with a viscosity average molecular weight of 2 million, 12% by weight of high density polyethylene with a viscosity average molecular weight of 280,000, 16% by weight of linear low density polyethylene with a viscosity average molecular weight of 150,000, phthalate After mixing and granulating 42.4% by weight of dioctyl acid (DOP) and 17.6% by weight of fine silica, it was kneaded and extruded into a sheet having a thickness of 90 μm by a twin screw extruder equipped with a T-die. DOP and fine silica were extracted and removed from the molded product to form a microporous membrane.
Two microporous membranes are stacked and guided to a roll stretching machine, stretched 5.0 times at 117 ° C in the longitudinal direction, then stretched 1.9 times at 115 ° C in the transverse direction and 5% at 128 ° C. A polyolefin microporous membrane was obtained by heat relaxation.
b.多層多孔膜の作製
還元粘度0.515g/dlのポリ(2,6−ジメチル−1,4−フェニレンエーテル)が10重量部、溶媒として1,1,2,2−テトラクロロエタンが89重量部、添加塩としてテトラブチルアンモニウムブロミドが1重量部を均一な溶液になるまで攪拌し、静電紡糸溶液を調製した。a.で得たポリオレフィン微多孔膜をコレクター5上に配置し、印加電圧が11kV、ノズル3−コレクター5間距離が6cm、吐出量が0.7ml/hr、電圧印加時間が3秒間の条件で静電紡糸を行い、ポリオレフィン多孔膜上にポリ(2,6−ジメチル−1,4−フェニレンエーテル)からなる繊維の集合体からなる多孔層を形成した。その後、水、およびエタノールに十分に浸漬し、添加塩であるテトラアンモニウムブロミドを除去、乾燥し多層多孔膜を得た。
b. Preparation of multilayer porous membrane 10 parts by weight of poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene ether) having a reduced viscosity of 0.515 g / dl, 89 parts by weight of 1,1,2,2-tetrachloroethane as a solvent, An electrospinning solution was prepared by stirring 1 part by weight of tetrabutylammonium bromide as an additive salt until a uniform solution was obtained. a. The polyolefin microporous film obtained in the above is placed on the
[実施例2]
実施例1において、還元粘度が0.515g/dlのポリ(2,6−ジメチル−1,4−フェニレンエーテル)のかわりに、還元粘度が0.54g/dlのポリ(2,6−ジメチル−1,4−フェニレンエーテル)を使用した以外は実施例1と同様にして多層多孔膜を得た。
[Example 2]
In Example 1, instead of poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene ether) having a reduced viscosity of 0.515 g / dl, poly (2,6-dimethyl-) having a reduced viscosity of 0.54 g / dl was used. A multilayer porous membrane was obtained in the same manner as in Example 1 except that 1,4-phenylene ether was used.
[実施例3]
実施例1において、電圧印加時間を10秒にした以外は実施例1と同様にして多層多孔膜を得た。
[Example 3]
In Example 1, a multilayer porous membrane was obtained in the same manner as in Example 1 except that the voltage application time was 10 seconds.
[実施例4]
粘度平均分子量95万の超高分子量ポリエチレン12質量部、粘度平均分子量27万の高密度ポリエチレン28質量部、酸化防止剤としてペンタエリスリチル−テトラキス−[3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオネート]を0.3質量部添加したものをヘンシェルミキサーにて予備混合した。得られた混合物をフィーダーにより二軸同方向スクリュー式押出機フィード口へ供給した。また溶融混練し押し出される全混合物(100質量部)中に占める流動パラフィン量比が60質量部となるように、流動パラフィンを二軸押出機シリンダーへサイドフィードした。続いて、溶融混練物をTダイを経て表面温度25℃に制御された冷却ロール間に押出し、厚み1200μmのシート状のポリオレフィン組成物を得た。次に連続して同時二軸テンターへ導き、縦方向に7倍、横方向に7倍に同時二軸延伸を行った。この時同時二軸テンターの設定温度は120℃である。次に塩化メチレン槽に導き、十分に塩化メチレンに浸漬して流動パラフィンを抽出除去した。その後塩化メチレンの乾燥を行った。さらに横テンターに導き横方向に125℃で1.6倍延伸したのち、130℃で12%熱緩和してポリオレフィン微多孔膜を得た。
得られたポリオレフィン微多孔膜を実施例1と同様にしてポリフェニレンエーテルを多層化した。
[Example 4]
12 parts by mass of ultra high molecular weight polyethylene having a viscosity average molecular weight of 950,000, 28 parts by mass of high density polyethylene having a viscosity average molecular weight of 270,000, and pentaerythrityl-tetrakis- [3- (3,5-di-t-butyl as an antioxidant What added 0.3 mass part of -4-hydroxyphenyl) propionate] was premixed with a Henschel mixer. The obtained mixture was supplied to the feed port of the twin-screw co-directional screw extruder by a feeder. Further, the liquid paraffin was side-fed to the twin-screw extruder cylinder so that the liquid paraffin content ratio in the total mixture (100 parts by mass) melt-kneaded and extruded was 60 parts by mass. Subsequently, the melt-kneaded material was extruded through a T-die between cooling rolls controlled at a surface temperature of 25 ° C. to obtain a sheet-like polyolefin composition having a thickness of 1200 μm. Next, it was continuously led to a simultaneous biaxial tenter, and simultaneous biaxial stretching was performed 7 times in the longitudinal direction and 7 times in the transverse direction. At this time, the set temperature of the simultaneous biaxial tenter is 120 ° C. Next, it was led to a methylene chloride bath and sufficiently immersed in methylene chloride to extract and remove liquid paraffin. Thereafter, methylene chloride was dried. Further, the film was led to a transverse tenter and stretched 1.6 times in the transverse direction at 125 ° C., and then thermally relaxed at 130 ° C. for 12% to obtain a microporous polyolefin membrane.
The resulting polyolefin microporous membrane was multilayered with polyphenylene ether in the same manner as in Example 1.
[比較例1]
実施例1において使用したポリオレフィン微多孔膜をポリ(2,6−ジメチル−1,4−フェニレンエーテル)で多層化せずに単独で使用した。
[Comparative Example 1]
The polyolefin microporous membrane used in Example 1 was used alone without being multilayered with poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene ether).
[比較例2]
ポリフェニレンエーテル(GEプラスチック社製、NOLYL PPO534)が25重量部、N−メチル−2−ピロリドンが75重量部を均一な溶液になるまで攪拌し、塗工溶液を調製した。実施例1において使用したポリオレフィン微多孔膜上にバーコーターを用い、該溶液を厚さ10μmで塗工し多層化した。イソプロピルアルコール中に該多層体を3分間浸漬させた後、乾燥してイソプロピルアルコールを除去して多層多孔膜を得た。
[Comparative Example 2]
A coating solution was prepared by stirring 25 parts by weight of polyphenylene ether (manufactured by GE Plastics, NOLYL PPO534) and 75 parts by weight of N-methyl-2-pyrrolidone until a uniform solution was obtained. Using a bar coater on the polyolefin microporous film used in Example 1, the solution was applied to a thickness of 10 μm to form a multilayer. The multilayer body was immersed in isopropyl alcohol for 3 minutes and then dried to remove isopropyl alcohol to obtain a multilayer porous membrane.
[比較例3]
溶媒可溶型ポリイミド(新日本理化社製、リカコートSN−20)にN,N−ジメチルホルムアミドを加え、固形分濃度が17重量部になるように静電紡糸溶液を調製した。実施例1で使用したポリオレフィン微多孔膜をコレクター5上に配置し、印加電圧が13kV、ノズル3−コレクター5間距離が20cm、吐出量が1.0ml/hr、電圧印加時間が10秒間の条件で静電紡糸を行い、ポリオレフィン多孔膜上にポリイミドからなる繊維の集合体からなる多層多孔膜を得た。
実施例1〜4、比較例1〜3で得られた多層多孔膜の特性を表1に示す。
[Comparative Example 3]
N, N-dimethylformamide was added to a solvent-soluble polyimide (manufactured by Shin Nippon Rika Co., Ltd., Rika Coat SN-20) to prepare an electrostatic spinning solution so that the solid concentration was 17 parts by weight. The polyolefin microporous film used in Example 1 was placed on the
Table 1 shows the characteristics of the multilayer porous membranes obtained in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3.
本発明の多層多孔膜は、安全性、出力特性の高い非水系電解液二次電池等に用いられるセパレータ等として好適に利用できる。 The multilayer porous membrane of the present invention can be suitably used as a separator used in a non-aqueous electrolyte secondary battery having high safety and output characteristics.
1.溶液保持槽
2.定量ポンプ
3.金属製ノズル
4.高電圧発生装置
5.コレクター
6.熱可塑性樹脂からなる多孔膜
1. 1.
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