JP2013245428A - セパレーター、セパレーター製造方法及びセパレーター製造装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ポリエチレンテフタレート繊維層110と、ナノ繊維層120,130とを備えるセパレーター101であって、ポリエチレンテフタレート繊維層110は、ポリエチレンテフタレート繊維を用いて、紙を製造するための紙製造法によりシート状に形成したのちに、加熱した状態で加圧することによって製造されている。これにより、高い機械的強度に加えて、高い絶縁性、高いデンドライト耐性、高い濡れ性及び高いイオン伝導性を有するセパレーターとなる。
【選択図】図1
Description
1.実施形態1に係るセパレーターの構成
まず、実施形態1に係るセパレーター101の構成を説明する。
図2は、実施形態1に係るセパレーター製造装置1の断面図である。なお、図2においては、ポリマー溶液供給部の図示を省略している。これは、後述する他の実施形態におけるセパレーター製造装置についても同様である。
以下、上記のように構成された実施形態1に係るセパレーター製造装置1を用いてセパレーター101を製造する方法(実施形態1に係るセパレーターの製造方法)について、図3を参照して説明する。なお、図3(a)〜図3(c)は各工程図である。
2台の電界紡糸装置20a,20bのそれぞれにおいてポリマー溶液を準備し、当該ポリマー溶液をノズルユニット22へ供給する。また、長尺シート状をなすポリエチレンテフタレート繊維層110(図3(a)参照。)を搬送装置10にセットし、その後、ポリエチレンテフタレート繊維層110を繰り出しローラー11から巻き取りローラー12に向けて所定の搬送速度で搬送する。
次に、電界紡糸装置20aにより、ポリエチレンテフタレート繊維層110の一方面(下側の面)にナノ繊維層120を形成する(図3(b)参照。)。その後、長尺シート反転機構15(反転ローラー16a,16b)により、ポリエチレンテフタレート繊維層110の一方面(ナノ繊維層120が形成されている側の面)が上側となり、他方面が下側となるようにポリエチレンテフタレート繊維層110を反転させる。
次に、電界紡糸装置20bにより、ポリエチレンテフタレート繊維層110の他方面にナノ繊維層130を形成する(図3(c)参照。)。
以上のような工程を経ることによって実施形態1に係るセパレーター101を製造することができる。
ナノ繊維層120,130におけるナノ繊維の原料となるポリマーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリ乳酸(PLA)、ポリプロピレン(PP)、ポリ酢酸ビニル(PVAc)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリアミド(PA)、ポリウレタン(PU)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリカプロラクトン(PCL)、ポリ乳酸グリコール酸(PLGA)、シルク、キトサンなどを用いることができる。
実施形態1に係るセパレーター101によれば、セパレーターの基材としてポリエチレンテフタレート繊維層110を備えるため、高い機械的強度を有する。また、実施形態1に係るセパレーター101によれば、繊維が細く空隙が微細かつ均一であるという特徴を有するナノ繊維層120,130を備えるため、高い絶縁性及び高いデンドライト耐性を有する。また、ナノ繊維層120,130は、前述したように、大きな空孔率(空孔率が40%〜85%の範囲)を有するため、高い濡れ性を有する。このため、高い電解液保持特性を有し、それによって高いイオン伝導性を有する。なお、空孔率は、40%〜85%の範囲としているが、当該範囲において、60%以上であることがより好ましい。
実施形態1に係るセパレーターの製造方法によれば、高い機械的強度に加えて、高い絶縁性、高いデンドライト耐性、高い濡れ性及び高いイオン伝導性を有する本発明のセパレーターを連続して高い生産性で製造することが可能となる。
実施形態1に係るセパレーター製造装置1によれば、高い機械的強度に加えて、高い絶縁性、高いデンドライト耐性、高い濡れ性及び高いイオン伝導性を有する本発明のセパレーターを連続して高い生産性で製造することが可能となる。
図4は、実施形態2に係るセパレーター製造装置2の断面図である。実施形態2に係るセパレーター製造装置2は、図4に示すように、基本的には実施形態1に係るセパレーター製造装置1と同様の構成を有するが、電界紡糸装置の構成が実施形態1に係るセパレーター製造装置1の場合と異なる。すなわち、実施形態2に係るセパレーター製造装置2は、図4に示すように、搬送されていくポリエチレンテフタレート繊維層110の一方面にナノ繊維層120を形成する電界紡糸装置20aと、他方面にナノ繊維層130を形成する電界紡糸装置20cとを同一直線上に備える。なお、電界紡糸装置20cは、下向き式のノズルを有する下向き式電界紡糸装置である。
1.実施形態3に係るセパレーターの構成
図6は、実施形態3に係るセパレーター製造装置3の断面図である。
図7は、実施形態3に係るセパレーター製造装置3によりセパレーター103が製造されていく様子を示す図である。
以下、上記のように構成された実施形態3に係るセパレーター製造装置3を用いてセパレーター103を製造する方法(実施形態1に係るセパレーターの製造方法)について図7を参照して説明する。なお、図7(a)〜図7(c)は各工程図である。
2台の電界紡糸装置20a,20bのそれぞれにおいてポリマー溶液を準備し、当該ポリマー溶液をノズルユニット22へ供給する。また、長尺シートとして、ポリエチレンテフタレート繊維層110の両面に接合用ナノ繊維層150,160が形成されている構造を有する長尺シートW(図7(a)参照。)を搬送装置10にセットし、その後、当該長尺シートWを繰り出しローラー11から巻き取りローラー12に向けて所定の搬送速度で搬送する。
次に、電界紡糸装置20aにより、ポリエチレンテフタレート繊維層の一方面(下側の面)に形成されている接合用ナノ繊維層150の表面にナノ繊維層120を形成する(図7(b)参照。)。その後、長尺シート反転機構15(反転ローラー16a,16b)により、ポリエチレンテフタレート繊維層110の一方面(ナノ繊維層120が形成されている側の面)が上側となり、ポリエチレンテフタレート繊維層110の他方面が下側となるように長尺シートWを反転させる。
(c)電界紡糸工程(その2)
次に、図7(c)に示す積層体180が接合装置50を通過することにより、接合用ナノ繊維層150,160における接合用ナノ繊維の一部が溶融し、それによって、ポリエチレンテフタレート繊維層110とナノ繊維層120,130とを接合する。
以上のような工程を経ることによって実施形態3に係るセパレーター103を製造することができる。
実施形態3に係るセパレーター103は、ポリエチレンテフタレート繊維層110とナノ繊維層120,130とを接合用ナノ繊維層150,160で接合した構造となっている。このため、実施形態3に係るセパレーター103によれば、実施形態1に係るセパレーター101で得られる効果に加えて、ポリエチレンテフタレート繊維層110とナノ繊維層120,130との接合を確実なものとすることができ、耐久性に優れたセパレーターとすることができるという効果が得られる。
実施形態3に係るセパレーターの製造方法は、ポリエチレンテフタレート繊維層110の両面に接合用ナノ繊維層150,160が形成されている構造を有する長尺シートWを予め準備しておき、当該準備しておいた長尺シートWを用いてセパレーター103を製造するものである。このため、実施形態3に係るセパレーターの製造方法によれば、実施形態1に係るセパレーターの製造方法で得られる効果に加えて、ポリエチレンテフタレート繊維層とナノ繊維層とを接合用ナノ繊維層によって確実に接合することができるため、耐久性に優れたセパレーターを製造することができるといった効果も得られる。
実施形態3に係るセパレーターの製造装置3は、ポリエチレンテフタレート繊維層110の両面に接合用ナノ繊維層150,160が形成されている構造を有する長尺シートWを予め準備しておき、当該準備しておいた長尺シートWを用いてセパレーター103を製造するものである。このため、実施形態3に係るセパレーターの製造装置3によれば、実施形態1に係るセパレーターの製造装置1で得られる効果に加えて、ポリエチレンテフタレート繊維層とナノ繊維層とを接合用ナノ繊維層によって確実に接合することができるため、耐久性に優れたセパレーターを製造することができるといった効果も得られる。
前述の実施形態3に係るセパレーター製造方法及び装置においては、図5に示すようなセパレーター103を製造する場合、ポリエチレンテフタレート繊維層110の両面(一方面及び他方面)に接合用ナノ繊維層150,160が形成されている構造を有する長尺シートWを準備しておくようにしたが、実施形態4においては、セパレーターの製造過程で、電界紡糸により接合用ナノ繊維層150,160を形成する。
図8は、実施形態4に係るセパレーター製造装置4の断面図である。
図9は、実施形態4に係るセパレーター製造装置4によりセパレーター104が製造されていく様子を示す図である。
紡糸準備工程は、電界紡糸装置20a,20bのそれぞれにおいてナノ繊維層120,130を形成するためのポリマー溶液を準備するとともに、電界紡糸装置20d,20eのそれぞれにおいて接合用ナノ繊維層150,160を形成するためのポリマー溶液を準備する。そして、それぞれのポリマー溶液を、それぞれ対応する各ノズルユニット22へ供給する。また、長尺シート状をなすポリエチレンテフタレート繊維層110(図9(a)参照。)を搬送装置10にセットし、その後、当該ポリエチレンテフタレート繊維層110を繰り出しローラー11から巻き取りローラー12に向けて所定の搬送速度で搬送する。
次に、電界紡糸装置20dにより、ポリエチレンテフタレート繊維層110の一方面(下側の面)に接合用ナノ繊維層150を形成する(図9(b)参照。)。続いて、電界紡糸装置20aにより、ポリエチレンテフタレート繊維層110の一方面(下側の面)に形成されている接合用ナノ繊維装置150の表面にナノ繊維層120を形成する(図9(c)参照。)。
次に、電界紡糸装置20eにより、ポリエチレンテフタレート繊維層110の他方面に接合用ナノ繊維層160を形成する(図9(d)参照。)。続いて、電界紡糸装置20bにより、ポリエチレンテフタレート繊維層110の他方面に形成されている接合用ナノ繊維装置160の表面にナノ繊維層130を形成する(図9(e)参照。)。これにより、ポリエチレンテフタレート繊維層110の一方面には接合用ナノ繊維層150を介してナノ繊維層120が形成され、ポリエチレンテフタレート繊維層110の他方面には接合用ナノ繊維層160を介してナノ繊維層130が形成された積層体180が製造される(図9(e)参照。)。
次に、図9(e)に示す積層体180が接合装置50を通過することにより、接合用ナノ繊維層150,160における接合用ナノ繊維の一部が溶融し、それによって、ポリエチレンテフタレート繊維層110とナノ繊維層120,130とを接合する。
実施形態4に係るセパレーター104は、実施形態3に係るセパレーター103と同様、ポリエチレンテフタレート繊維層110とナノ繊維層120,130とを接合用ナノ繊維層150,160により接合した構造となっている。このため、実施形態4に係るセパレーター104によれば、実施形態3に係るセパレーター103と同様に、実施形態1に係るセパレーター101で得られる効果に加えて、ポリエチレンテフタレート繊維層110とナノ繊維層120,130との接合を確実なものとすることができ、耐久性に優れたセパレーターとすることができるという効果が得られる。
実施形態4に係るセパレーターの製造方法は、セパレーターの製造過程の中で、ポリエチレンテフタレート繊維層110に接合用ナノ繊維層150,160を形成する。このようにしても、セパレーター104を連続して高い生産性で製造することが可能となり、製造されたセパレーター104は、実施形態3に係るセパレーターの製造方法により製造されたセパレーター103と同様に、ポリエチレンテフタレート繊維層とナノ繊維層とを接合用ナノ繊維層によって確実に接合することができるため、耐久性に優れたセパレーターとなる。
実施形態4に係るセパレーターの製造装置4は、セパレーターの製造過程の中で、ポリエチレンテフタレート繊維層110に接合用ナノ繊維層150,160を形成する。このようにしても、セパレーター104を連続して高い生産性で製造することが可能となり、製造されたセパレーター104は、実施形態3に係るセパレーターの製造装置3により製造されたセパレーター103と同様に、ポリエチレンテフタレート繊維層とナノ繊維層とを接合用ナノ繊維層によって確実に接合することができるため、耐久性に優れたセパレーターとなる。
図10は、実施形態5に係るセパレーター105を説明するために示す図である。図10(a)は芯材(符号を図示せず。)に巻いた状態のセパレーター105の斜視図であり、図10(b)はセパレーター105の拡大断面図である。
図11は、実施形態5に係るセパレーター105の変形例を説明するために示す図である。図11(a)は実施形態5に係るセパレーター105の第1変形例を示す図であり、図11(b)は実施形態5に係るセパレーター105の第2変形例を示す図である。
図11(a),(b)に示すような構造を有するセパレーター105A,105Bにおいても、ナノ繊維層が形成されている面においては、実施形態5に係るセパレーター105と同様に、積層構造となっているナノ繊維層121,122のうちの一方のナノ繊維層(例えば、ナノ繊維層121)に局所的な欠陥が存在していたとしても、他方のナノ繊維層122がその欠陥を補うことができる。
図13は、実施形態6に係るセパレーター107の製造工程を説明するために示す図である。図13(a)は紙、フィルム、不織布又は織物などからなる長尺シート201の一方面にポリエチレンテフタレート繊維層110を積層した第1積層体210を示し、図13(b)は紙、フィルム、不織布又は織物などからなる長尺シート202の一方面にナノ繊維層120と接合用ナノ繊維層150とを積層した第2積層体220を示し、図13(c)は、第1積層体210及び第2積層体220を用いて製造された実施形態6に係るセパレーター107を示している。
図15は、実施形態7に係るセパレーター107の製造工程を説明するために示す図である。図15(a)は図13(a)と同様の構造を有する第1積層体210を示し、図15(b)は図13(b)と同様の構造を有する第2積層体220を示し、図15(c)は紙、フィルム、不織布又は織物などからなる長尺シート203の一方面にナノ繊維層130と接合用ナノ繊維層160とを積層した第3積層体230を示している。また、図15(d)は実施形態7に係るセパレーター107の製造途中の状態を示しており、これは、図13(c)と同様の構造を有している。また、図15(e)は第1積層体210、第2積層体220及び第3積層体230を用いて製造された実施形態7に係るセパレーター108を示している。
本試験例は、本発明のセパレーターが、高い濡れ性を有することを示すための試験例である。
(1)試料1
実施形態1に用いたポリエチレンテレフタレート繊維層(ナノ繊維層を形成する前のもの、層厚:15μm、空孔率:40%)を試料1とした。なお、この場合の「層厚」とは、ポリエチレンテレフタレート繊維層の厚みを意味している。
実施形態1におけるナノ繊維層の作製条件と同様の条件でシート上の長尺紙上に作製したナノ繊維層(シート上の長尺紙から剥離したもの、材質:ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、層厚:5μm、空孔率:80%)を試料2とした。なお、この場合の「層厚」とは、ナノ繊維層の厚みを意味している。
韓国SKエナジー社の湿式セパレーター(製品名:Libs)を試料3とした。
旭化成イーマテリアルズ株式会社製の湿式セパレーター(製品名:ハイポア、製品番号:HD525)を試料4とした。
米国セルガード社製の乾式セパレーター(製品名:celgard、製品番号:CE1G30101-21-1C2460D1)を試料5とした。
宇部興産株式会社製の乾式セパレーター(製品名:U-Pore、製品番号:UP3074)を試料6とした。
(1)試験例1(端部浸漬試験)
各試料を1cm×10cmの寸法に裁断し、裁断した各試料の短辺側端部を電解液(リチウムイオン電池用有機溶媒電解液)に浸漬した。浸漬してから1分経過後に電解液の液面から電解液が浸み上がった距離を測定した。
各試料を10cm×10cmの寸法に裁断し、裁断した各試料の中心部に電解液(試験例1に用いたものと同じ電解液)を1滴滴下した。滴下してから1分経過後に電解液が広がった距離(中心部から端部までの距離)を測定した。
各試料を5cm×5cmの寸法に裁断し、それぞれの重量M1を測定した。裁断した各試料全体を電解液(試験例1に用いたものと同じ電解液)中に5分間浸漬した。その後、電解液から各試料を取り出すとともに各試料表面に付着している電解液を拭き取り重量M2を測定し、重量増加率「(M2−M1)/M1」を測定した。
図17は、試験例1〜3の結果を説明するために示す図である。なお、図17中、試験例1における数値は、電解液の液面から電解液が浸み上がった距離を示す。試料1(上記したポリエチレンテレフタレート繊維層)においては2.0cm、試料2(上記したナノ繊維層)においては2.2cmであり、試料3及び4(市販の湿式セパレーター)に比べて電解液が浸み上がり距離が大きいことが分かる。これは、試料1及び2の濡れ性が高いためである。
Claims (19)
- 少なくとも1つのポリエチレンテフタレート繊維層と、
少なくとも1つのナノ繊維層とを備えることを特徴とするセパレーター。 - 請求項1に記載のセパレーターにおいて、
前記ポリエチレンテフタレート繊維層は、ポリエチレンテフタレート繊維を用いて、紙を製造するための紙製造法によりシート状に形成したのちに、加熱した状態で加圧することによって製造されたものであることを特徴とするセパレーター。 - 請求項2に記載のセパレーターにおいて、
前記ポリエチレンテフタレート繊維は、前記加熱した状態で加圧した後においては、当該ポリエチレンテフタレート繊維の断面はほぼ楕円形をなし、当該ポリエチレンテフタレート繊維の断面における長径の平均値が、2μm〜10μmの範囲内にあり、当該ポリエチレンテフタレート繊維の断面における短径の平均値が、前記長径の平均値の1/10〜8/10の範囲内にあることを特徴とするセパレーター。 - 請求項2又は3に記載のセパレーターにおいて、
前記ポリエチレンテフタレート繊維は、前記加熱した状態で加圧する前においては、当該ポリエチレンテフタレート繊維の繊維径の平均値が、0.5μm〜5μmの範囲内にあることを特徴とするセパレーター。 - 請求項2〜4のいずれかに記載のセパレーターにおいて、
前記ポリエチレンテフタレート繊維層は、厚さが5μm〜20μmの範囲内にあり、空孔率が20%〜60%の範囲内にあり、かつ、空孔サイズの平均値が5μm〜20μmの範囲内にあることを特徴とするセパレーター。 - 請求項2〜5のいずれかに記載のセパレーターにおいて、
前記ポリエチレンテフタレート繊維層の引っ張り強度は、60メガパスカル以上であることを特徴とするセパレーター。 - 請求項2〜6のいずれかに記載のセパレーターにおいて、
前記ポリエチレンテフタレート繊維層の突き刺し強度は、0.3重量キログラム以上であることを特徴とするセパレーター。 - 請求項1〜7のいずれかに記載のセパレーターにおいて、
前記ナノ繊維層は、厚さが1μm〜5μmの範囲であり、空孔率が40%〜85%の範囲で、かつ、空孔サイズの平均値が0.1μm〜2μmの範囲であることを特徴とするセパレーター。 - 請求項1〜8のいずれかに記載のセパレーターにおいて、
前記ナノ繊維層は、前記ポリエチレンテフタレート繊維層の両面に形成されていることを特徴とするセパレーター。 - 請求項1〜9のいずれかに記載のセパレーターにおいて、
前記ナノ繊維層は、複数のナノ繊維層を積層した積層構造となっていることを特徴とするセパレーター。 - 請求項10に記載のセパレーターにおいて、
前記積層構造となっている複数のナノ繊維層の各ナノ繊維層の間に、前記ポリエチレンテフタレート繊維及び前記ナノ繊維よりも低温で溶融可能な繊維からなる接合用繊維層が介在されている構造を有することを特徴とするセパレーター。 - 請求項1〜11のいずれかに記載のセパレーターにおいて、
前記ポリエチレンテフタレート繊維層には、ガラス繊維が含まれていることを特徴とするセパレーター。 - 請求項1〜12のいずれかに記載のセパレーターにおいて、
前記ポリエチレンテフタレート繊維層と前記ナノ繊維層との間に、ポリエチレンテフタレート繊維及び前記ナノ繊維よりも低温で溶融可能な繊維からなる接合用繊維層が介在されている構造を有するセパレーター。 - 請求項1〜12のいずれかに記載のセパレーターを製造するためのセパレーターの製造方法であって、
前記ポリエチレンテフタレート繊維層からなる長尺シートを準備する工程と、
前記ポリエチレンテフタレート繊維層に前記ナノ繊維層を形成する工程と、
を含むことを特徴とするセパレーターの製造方法。 - 請求項13に記載のセパレーターを製造するためのセパレーターの製造方法であって、
前記ポリエチレンテフタレート繊維層に前記接合用繊維層が形成されている構造を有する長尺シートを準備する工程と、
前記ポリエチレンテフタレート繊維層に形成されている前記接合用繊維層に前記前記ナノ繊維層を形成する工程と、
前記ポリエチレンテフタレート繊維層と前記ナノ繊維層とを前記接合用繊維層によって接合する工程と、
を含むことを特徴とするセパレーターの製造方法。 - 請求項13に記載のセパレーターを製造するためのセパレーターの製造方法であって、
前記ポリエチレンテフタレート繊維層からなる長尺シートを準備する工程と、
前記ポリエチレンテフタレート繊維層に前記接合用繊維層を形成する工程と、
前記ポリエチレンテフタレート繊維層に形成された前記接合用繊維層に、前記ナノ繊維層を形成する工程と、
前記ポリエチレンテフタレート繊維層と前記ナノ繊維層とを前記接合用繊維層によって接合する工程と、
を含むことを特徴とするセパレーターの製造方法。 - 請求項1〜12のいずれかに記載のセパレーターを製造するためのセパレーター製造装置であって、
前記ポリエチレンテフタレート繊維層からなる長尺シートを搬送する搬送装置と、
前記長尺シートの搬送方向に沿って設置され、前記ポリエチレンテフタレート繊維層に前記ナノ繊維層を形成するための電界紡糸装置と、
を備えることを特徴とするセパレーター製造装置。 - 請求項13に記載のセパレーターを製造するためのセパレーター製造装置であって、
前記ポリエチレンテフタレート繊維層に前記接合用繊維層が形成されている構造を有する長尺シートを搬送する搬送装置と、
前記長尺シートの搬送方向に沿って設置され、前記ポリエチレンテフタレート繊維層に形成されている前記接合用繊維層に前記ナノ繊維層を形成するための電界紡糸装置と、
前記ポリエチレンテフタレート繊維層と前記ナノ繊維層とを前記接合用繊維層によって接合する接合装置と、
を備えることを特徴とするセパレーター製造装置。 - 請求項13に記載のセパレーターを製造するためのセパレーター製造装置であって、
前記ポリエチレンテフタレート繊維層からなる長尺シートを搬送する搬送装置と、
前記長尺シートの搬送方向に沿って設置され、前記ポリエチレンテフタレート繊維層に前記接合用繊維層を形成するための電界紡糸装置と、
前記長尺シートの搬送方向において前記接合用繊維層を形成するための電界紡糸装置の後段に設置され、前記ポリエチレンテフタレート繊維層に形成された前記接合用繊維層に前記ナノ繊維層を形成するための電界紡糸装置と、
前記ポリエチレンテフタレート繊維層と前記ナノ繊維層とを前記接合用繊維層によって接合する接合装置と、
を備えることを特徴とするセパレーター製造装置。
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