(57)【要約】      （修正有）【課題】耐熱性及び機械的完全性が向上し、界面の電気的インピーダンスが低下した多孔質セパレータの提供。【解決手段】ａ）重量平均粒子径が５００ｎｍ未満である分散的なポリフッ化ビニリデン粒子２〜１５０部と、ｂ）所定の群から選択される１種以上の材料を含む１種以上の電気化学的に安定な無機粉末状粒子１０〜５００部と、ｃ）任意に１種以上の増粘剤０〜１０部と、ｄ）任意に１種以上のｐＨ調整剤と、ｅ）沈降防止剤及び界面活性剤からなる群から選択される１種以上の添加剤０〜１０部と、ｆ）任意に１種以上の湿潤剤０〜５部と、ｇ）所定の群から選択される１種以上の消散性接着促進剤１〜１００部とを含有する乾燥コーティングが上に直接被覆されており、前記コーティングはフッ素化界面活性剤を含有しておらず、前記多孔質セパレータが耐熱性エンジニアリングプラスチック又は天然物質若しくは合成物質の不織布である、多孔質セパレータ。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）重量平均粒子径が５００ｎｍ未満である分散的なポリフッ化ビニリデン粒子２〜１５０部と、
ｂ）ＢａＴｉＯ3、Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3、Ｐｂ1-xＬａxＺｒyＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、ＰＢＭｇ3Ｎｂ2/3）3、ＰｂＴｉＯ3、ハフニア（ＨｆＯ（ＨｆＯ2）、ＳｒＴｉＯ3、ＳｎＯ2、ＣｅＯ2、ＭｇＯ、ＮｉＯ、ＣａＯ、ＺｎＯ、Ｙ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＳｉＣ、ＺｒＯ2、ホウケイ酸塩、ＢａＳＯ4、ナノクレイ及びセラミックからなる群から選択される１種以上の材料を含む１種以上の電気化学的に安定な無機粉末状粒子１０〜５００部と、
ｃ）任意に１種以上の増粘剤０〜１０部と、
ｄ）任意に１種以上のｐＨ調整剤と、
ｅ）沈降防止剤及び界面活性剤からなる群から選択される１種以上の添加剤０〜１０部と、
ｆ）任意に１種以上の湿潤剤０〜５部と、
ｇ）Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルホスファミド、ジオキサン、テトラヒドロフラン、テトラメチル尿素、トリエチルホスフェート、トリメチルホスフェート、ジメチルスクシネート、ジエチルスクシネート、テトラエチル尿素、及びこれらの混合物からなる群から選択される１種以上の消散性接着促進剤１〜１００部と
を含有する乾燥コーティングが上に直接被覆されている多孔質セパレータであって、全ての部数は水１００重量部基準の重量部であり、前記コーティングはフッ素化界面活性剤を含有しておらず、前記多孔質セパレータが耐熱性エンジニアリングプラスチック又は天然物質若しくは合成物質の不織布である、多孔質セパレータ。
【請求項２】
前記ポリフッ化ビニリデンが、少なくとも７０モルパーセントのフッ化ビニリデン単位を含有するポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）コポリマーである、請求項１に記載の多孔質セパレータ。
【請求項３】
前記コーティングが１０〜５００部の１種以上の粉末状粒子を含有する、請求項１に記載の多孔質セパレータ。
【請求項４】
前記ポリフッ化ビニリデン粒子が４００μｍ未満の重量平均粒子径を有する、請求項１に記載の多孔質セパレータ。
【請求項５】
前記乾燥コーティングの厚さが１〜８μｍの範囲である、請求項１に記載の多孔質セパレータ。
【請求項６】
前記多孔質セパレータが、ポリオレフィン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエステル、ポリアセタール、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、及びポリエチレンナフタレンからなる群から選択される、膜又は繊維ウェブである、請求項１に記載の多孔質セパレータ。
【請求項７】
前記多孔質セパレータが、キャスト法によって作成されたキャスト膜、又は不織布である、請求項１に記載の多孔質セパレータ。
【請求項８】
請求項１の前記被覆されたセパレータを有する電気化学デバイス。
【請求項９】
前記デバイスが、非水系電池、キャパシタ、及び膜電極接合体からなる群から選択される、請求項８に記載の電気化学デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水性フルオロポリマーコーティングで被覆された、非水系電気化学デバイス用のセパレータに関する。フルオロポリマーは、好ましくはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）であり、より好ましくはポリフッ化ビニリデンのコポリマーである。フルオロポリマーコーティングは、電池や電気二重層キャパシタなどの非水系電気化学デバイスで用いられる多孔質基材上に多孔質コーティングを付与する。フルオロポリマーコーティングは耐熱性及び機械的完全性を向上させ、多孔質セパレータの界面の電気的インピーダンスを下げる。ある実施形態では、多孔質セパレータは水性のフルオロポリマー系組成物で被覆される。別の実施形態では、最初のフルオロポリマー分散液はフッ素化界面活性剤を含有していない。
【背景技術】
【０００２】
リチウム金属電池、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、及びリチウムイオンポリマー電池などのリチウム電池は、その駆動電圧や、水性電解質が用いられている従来の電池（Ｎｉ−ＭＨ電池など）よりも高いエネルギー密度から、利用が増加している。しかし、ほとんどのリチウム二次電池は、複数の要因による異なった安全特性を有している。これら電池の安全性は、発火及び燃焼の見地から厳しく制限される。現在入手可能なリチウムイオン電池及びリチウムイオンポリマー電池では、正極と負極との間でのショートを防ぐためにポリオレフィン系のセパレータが用いられている。しかし、このようなポリオレフィン系のセパレータは１４０℃以下の融点を有していることから、内的及び／又は外的要因によって電池の温度が上昇した場合、溶け縮んで体積変化を起こす場合があり、またそれによってショートする可能性がある。ショートすることによって、電気エネルギーの放出に起因する電池の爆発や発火などの事故を引き起こす可能性がある。そのため、高温で熱収縮を起こさないセパレータを提供することが必要である。
【０００３】
ポリフッ化ビニリデンは、その優れた電気−化学耐性と、フルオロポリマー間での優れた接着力のため、非水電解装置で用いられるセパレータコーティングに有用であることが見出された。米国特許第７６６２５１７号明細書、米国特許第７７０４６４１号明細書、米国特許出願公開第２０１０／０３３０２６８号明細書には（これらは参照によって本明細書に包含される）、非水系電池用のポリオレフィンセパレータのコーティングに粉末状金属酸化物材料と併用される、ＰＶＤＦコポリマーの有機溶媒溶液が記載されている。セパレータは電池中で負極と正極との間にバリアを形成する。多孔質有機セパレータに結合した無機粒子が浸透電解液の空間体積を増加させ、その結果イオン伝導度を上げることが見出された。
【０００４】
有機溶媒の役割は、一般的には、ＰＶＤＦコポリマーと多孔質セパレータとを、また、任意選択的に添加される粉末状粒子と多孔質セパレータとを、よく接着させる（非可逆接着）ためにＰＶＤＦコポリマーを溶解させることであり、有機溶媒が蒸発した多孔質セパレータでは、ポリオレフィンセパレータ上に多孔質コーティングが残される。
【０００５】
残念なことに、これら有機溶媒系のバインダー組成物に関しては複数の問題が存在する。高濃度のＰＶＤＦ（約１０〜２０重量％）では、溶液／スラリー系は異常に高い粘度を示すため、従来のコーティングセパレータの被覆工程では大量の溶媒が必要とされており、このためコーティング溶液／スラリーの調製が難しくなり、また溶液／スラリー組成物のゲル化抑制や粘度の低減も困難になっている。
【０００６】
更に、有機溶媒系の溶液／スラリーには、水系には存在しない安全性、健康、及び環境に関する危険性が存在する。有機溶媒は、一般的に有毒で可燃性であり、本質的に揮発性であり、リスクを軽減するため及び有機溶媒による環境汚染を低減するために特別な製造管理を必要とする。加えて、多量の二酸化炭素排出量は、環境的に望ましくない有機溶媒の使用に関連している。また、水性媒体中で生成したＰＶＤＦコポリマーを単離し、ＰＶＤＦ系ポリマーを乾燥して粉末にし、その後溶媒に粉末を溶解させるための、追加的な製造工程、時間、資金、及びエネルギーが必要とされる。
【０００７】
環境的見地及び安全性の見地から、大量に有機溶媒を使用することなしに、優れた、相互連結可能に良好に接着したＰＶＤＦ系のセパレータコーティングを製造可能にすることが望まれている。
【０００８】
セパレータコーティングに水性スラリーを効果的に用いるためには、現行の製造基準と互換性があり、中間生成物及び最終製品に所望の特性を与える、適切な処方を開発することが重要である。複数の共通的な基準としては、ａ）十分な貯蔵寿命を有する、水性フルオロポリマー分散液の安定性、ｂ）処方及び任意選択的な粉末状材料の混合後のスラリーの安定性、ｃ）水系キャスティングをし易くするための適切なスラリー粘度、ｄ）乾燥後に非可逆的である、セパレータへの十分な接着力、ｅ）ポリオレフィンセパレータ上での乾燥による多孔質コーティングの発泡、が挙げられる。更に、規制の観点からは、フッ素化界面活性剤なしで作られるフルオロポリマーが好ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
驚くべきことに、非水電気化学デバイスの多孔質セパレータのコーティングに有用な、安定な水性フルオロポリマーコーティング組成物が開発された。このコーティング組成物は、フルオロポリマーと、任意選択的な無機粒子又は有機繊維とを含有している。本発明の水性組成物で被覆されたセパレータによれば、溶媒系のＰＶＤＦ組成物及び溶媒に対して、多くの性能、製造上の利点、及び環境上の利点が得られる。
ａ）水性ＰＶＤＦ系組成物は、溶媒系のＰＶＤＦ組成物に比べて、使用及び処理が安全であり、健康への危険性が少なく、環境に優しい。
ｂ）水性ＰＶＤＦ分散液は、非フッ素化界面活性剤を用いて有利に合成した。
ｃ）水性ＰＶＤＦ分散液は、単離、粉末の乾燥、又はラテックスの濃縮の必要なしに合成されたものとして使用することができ、時間及びエネルギーの節約になる。
ｄ）水性ＰＶＤＦ分散液は、消散性接着促進剤を用いることによって、金属酸化物粒子及びポリオレフィンセパレータに接着するために軟化することが可能なＰＶＤＦコポリマー粒子を含有しており、その結果、乾燥後にセパレータ上に多孔質コーティングが得られる。
ｅ）ＰＶＤＦ系のコポリマーは、有利には、低いフィルム形成温度にすることができるように、及び／又は、消散性溶媒を少ししか要さないように、低い融点、又は、低い若しくはゼロの結晶含量を有している。
【００１０】
本発明は、
ａ）重量平均粒子径が５００ｎｍ未満であるフルオロポリマー粒子２〜１５０部と、
ｂ）任意選択的な１種以上の粒子１０〜５００部と、
ｃ）任意選択的な１種以上の増粘剤０〜１０部と、
ｄ）任意選択的な１種以上のｐＨ調整剤と、
ｅ）沈降防止剤と界面活性剤とからなる群から選択される１種以上の添加剤０〜１０部と、
ｆ）任意選択的な１種以上の湿潤剤０〜５部と、
ｇ）任意選択的な１種以上の消散性接着促進剤０〜１５０部と、
ｈ）水１００部と、
を含有する組成物が多孔質セパレータ上に直接被覆されている多孔質セパレータであって、全ての部数は水１００重量部基準の重量部であり、組成物はフッ素化界面活性剤を含有していない多孔質セパレータに関する。
【００１１】
好ましくはフルオロポリマーはポリフッ化ビニリデン系のポリマーである。
【００１２】
本発明は、更には、セパレータの被覆方法にも関する。
【００１３】
本発明は、更には、負極と正極との間のバリアとして本発明のセパレータを有する、非水電気化学デバイスにも関する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】被覆セパレータのＦＴＩＲスペクトルであり、本発明のセパレータコーティングの耐久性を示している。
【図２】非被覆セパレータのＦＴＩＲスペクトルである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、任意選択的に粒子を含有していてもよい、水性のフルオロポリマー系組成物で被覆された多孔質セパレータに関し、特にはポリフッ化ビニリデン系の組成物に関する。
【００１６】
「フッ素化界面活性剤を含まない」は、水性フルオロポリマー分散液の製造で使用される全ての界面活性剤がフッ素原子を含有しない（すなわち、これらは「非フッ素化界面活性剤」である）ことを意味する。この用語は、水性フルオロポリマー分散液の製造及び処理で使用される全ての界面活性剤のことを指し、好ましくは、重合工程中に使用される全ての界面活性剤（前もって添加される、又は重合中に連続的に供給される、又は一部は前もって供給されてその後重合中に供給される、又は重合開始後ある程度時間がたってから供給される）、及び好ましくはラテックスの安定性を向上させるために重合後に添加される全ての界面活性剤、を含む、本発明の組成物中の全ての界面活性剤のことを指す。
【００１７】
水性組成物のポリマーによって被覆されるセパレータとの関係で本明細書において使用される「不可逆的」は、水性組成物の乾燥後、その中のポリマーが多孔質基材に接着し、ポリマーコーティングが炭酸塩などの電解質溶液中に溶解又は再分散しないことを意味する。不可逆性は、ポリマー粒子が流動し、互いに接着し、セパレータに接着し、任意選択的な粉末状無機材料及び有機繊維のためのバインダーとして機能することで、相互連結性及び接着性が付与されることによるものである。
【００１８】
本発明を実施する方法を、その具体的実施形態に関して、すなわち、基本の乳化剤として非フッ素系乳化剤を使用して水性乳化重合で製造された、セパレータの作製に用いられるポリフッ化ビニリデン系のポリマーに関して、以下概略的に説明する。本発明の方法はＰＶＤＦ系のポリマー及びＶＤＦ−ＨＰＦコポリマーに関して概略的に説明されているものの、当業者であれば類似した重合技術をフッ化モノマーの他のホモポリマー及びコポリマーの製造並びにセパレータのコーティングの処方に通常適用できること、より具体的にはフッ化ビニリデン（ＶＤＦ）、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）、及び／又はクロロトリフルオロエチレン（ＣＴＦＥ）と、ヘキサフルオロプロピレンやパーフルオロビニルエーテルやプロパンや酢酸ビニルなどの共反応性モノマー（フッ化物又は非フッ化物）とのコポリマーに適用できることを認識するであろう。非フッ素化界面活性剤が好ましいものの、本発明からフッ素化界面活性剤の使用も想定される。
【００１９】
ＰＶＤＦ
本明細書において、用語「フッ化ビニリデンポリマー」（ＰＶＤＦ）は、その意味の中に通常は高分子量のホモポリマー、コポリマー、ターポリマーのいずれも含む。ＰＶＤＦのコポリマーは、低Ｔｍ、低融点、低結晶構造であり、柔らかいことから特に好ましい。そのようなコポリマーとしては、テトラフルオロエチレン、トリフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロペン、フッ化ビニル、ペンタフルオロプロペン、テトラフルオロプロペン、パーフルオロメチルビニルエーテル、パーフルオロプロピルビニルエーテル、及びフッ化ビニリデンと容易に共重合し得る他のモノマーからなる群から選択される少なくとも１種のコモノマーと共重合した、少なくとも５０モル％、好ましくは少なくとも７５モル％、より好ましくは少なくとも８０モル％、更に好ましくは少なくとも８５モル％のフッ化ビニリデンを含有するものが挙げられる。特に好ましいのは、少なくとも約７０モル％から９０モル％までのフッ化ビニリデンと、それに対応する１０〜３０モル％のヘキサフルオロプロペンからなるコポリマーである。フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロペンとテトラフルオロエチレンとのターポリマーも、本明細書で例示されるフッ化ビニリデンコポリマー類の代表的なものである。
【００２０】
ある実施形態では、フッ化ビニリデンポリマー中に、２０重量％までの、好ましくは１５重量％までのヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）単位と、８０重量％以上、好ましくは８５重量％以上のＶＤＦ単位とが存在する。最終用途の環境（電池など）で優れた寸法安定性を有するＰＶＤＦ−ＨＦＰコポリマーを得るために、ＨＦＰ単位はできる限り均一に分布することが望ましい。
【００２１】
セパレータコーティング組成物に用いるためのＰＶＤＦのコポリマーは、好ましくは高分子量である。本明細書において、高分子量とは、ＡＳＴＭ法Ｄ−３８３５に従って、４５０°Ｆ、１００ｓｅｃ-1で測定した溶融粘度が１．０ｋｉｌｏｐｏｉｓｅよりも大きいＰＶＤＦを意味する。
【００２２】
本発明で使用されるＰＶＤＦのコポリマーは、懸濁重合、溶液重合、及び超臨界ＣＯ2重合法を用いてもよいが、好ましくは水性フリーラジカル乳化重合によって製造される。一般的な乳化重合法では、反応器に脱イオン水と、重合中に反応物の塊の乳化が可能な水溶性界面活性剤と、任意選択的なパラフィンワックス防汚剤とが入れられる。混合物は撹拌され、脱酸素化される。その後、所定量の連鎖移動剤（ＣＴＡ）が反応器に入れられ、反応器温度が目標温度に上げられ、フッ化ビニリデン及び１種以上のコモノマーが反応器に供給される。モノマーが初回投入量分入れられて反応器圧力が目標値に達した後、開始剤エマルション又は開始剤溶液が入れられ重合反応が開始される。反応温度は使用する開始剤の特性によって変えることができ、当業者はその方法を知っているであろう。典型的には、温度は約３０〜１５０℃、好ましくは約６０〜１１０℃であろう。反応器中のポリマーが目標量に達すると、モノマーの供給は停止されるが、任意選択的には開始剤の供給は残りのモノマーを消費するために継続される。残った気体（未反応のモノマーを含む）は排気され、ラテックスは反応器から回収される。
【００２３】
重合で用いられる界面活性剤は、パーフルオロ化された界面活性剤、部分的にフッ素化された界面活性剤、又はフッ素化されていない界面活性剤を含む、ＰＶＤＦ乳化重合で有用であると当該技術分野で公知のいずれの界面活性剤であってもよい。好ましくは、規制の観点から、本発明のＰＶＤＦエマルションはフッ素化界面活性剤なしで製造される。ＰＶＤＦ重合で有用な非フッ素化界面活性剤としては、３−アリルオキシ−２−ヒドロキシ−１−プロパンスルホン酸塩、ポリビニルホスホン酸やポリアクリル酸やポリビニルスルホン酸及びこれらの塩、ポリエチレングリコール及び／又はポリプロピレングリコール及びこれらのブロックコポリマー、ホスホン酸アルキル、並びにシロキサン系界面活性剤など（これらに限定されない）、本質的にイオン性であっても非イオン性であってもよい。
【００２４】
ＰＶＤＦ重合によって、通常、固形分量が１０〜６０重量％、好ましくは１０〜５０％であり、重量平均粒子径が５００ｎｍ未満、好ましくは４００ｎｍ未満、より好ましくは３００ｎｍ未満であるラテックスが得られる。重量平均粒子径は通常少なくとも２０ｎｍであり、好ましくは少なくとも５０ｎｍである。本発明の組成物は、水１００部当たり２〜１５０重量部のＰＶＤＦコポリマーバインダー粒子を含有し、好ましくは１〜２５重量部である。結着特性を向上させ、連結性及び非可逆的な接着力を得るために、追加的な接着促進剤も添加してもよい。凍結融解安定性を向上させるために、エチレングリコールなどの１種以上の他の水混和性溶媒を少量ＰＶＤＦラテックスに混ぜてもよい。
【００２５】
本発明では、ＰＶＤＦ系のポリマーバインダーは通常コーティング組成物中で使用されるが、複数の異なるポリマーバインダーのブレンド物を、好ましくは全てフルオロポリマーであるバインダーを、最も好ましくは全てＰＶＤＦであるバインダーを使用してもよい。ある実施形態では、消散性接着促進剤によって軟化され得る熱可塑性フルオロポリマーのみがポリマーコーティング／バインダーとして使用される。
【００２６】
粉末状粒子
コーティング組成物中の粉末粒子状材料あるいは粉末状粒子は、これらの間に間隙容量を形成可能にし、それによって微小孔を形成し、スペーサーとしての物理形状を維持する役割を有する。更に、粉末状粒子は２００℃以上の高温であっても物性が変化しないことを特徴とするので、無機粒子を用いた被覆セパレータは優れた耐熱性を示すことができる。粉末状粒子は無機物であっても有機物であってもよく、また、粒子の形状であっても繊維の形状であってもよい。これらの混合物も想定される。
【００２７】
粉末粒子状材料は、電気化学的に安定でなければならない（駆動電圧の範囲で酸化及び／又は還元されない）。更に、粉末状材料は好ましくは高いイオン伝導度を有している。製造する電池の重量を減らせることから、高密度の材料よりも低密度の材料の方が好ましい。誘電率は好ましくは５以上である。本発明に有用な無機粉末状材料としては、ＢａＴｉＯ3、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3、Ｐｂ1-xＬａxＺｒyＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）、ＰＢＭｇ3Ｎｂ2/3）3、ＰｂＴｉＯ3、ハフニア（ＨｆＯ（ＨｆＯ2）、ＳｒＴｉＯ3、ＳｎＯ2、ＣｅＯ2、ＭｇＯ、ＮｉＯ、ＣａＯ、ＺｎＯ、Ｙ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＳｉＣ、ＺｒＯ2、ホウケイ酸塩、ＢａＳＯ4、ナノクレイ、セラミック、又はこれらの混合物が挙げられるが、これらに限定されない。有用な有機繊維としては、アラミドフィラー及び繊維、ポリエーテルエーテルケトン及びポリエーテルケトンケトン繊維、並びにＰＴＦＥ繊維及びナノファイバーが挙げられるが、これらに限定されない。
【００２８】
ある実施形態では、粒子又は繊維は、化学的に（エッチングや官能化によってなど）、機械的に、又は照射によって（プラズマ処理によってなど）、表面処理されていてもよい。
【００２９】
本発明のセパレータには、粉末状材料のサイズ、無機材料の含量、及び、無機材料とバインダーポリマーとの混合比を制御することによって、数ナノメーターから数マイクロメーターのサイズを有する空孔を形成することができる。空孔径及び空隙率を制御することもできる。
【００３０】
粉末状材料は、好ましくは０．００１〜１０ミクロンの平均径を有する。好ましくは、繊維は１ミクロン未満の直径を有し、繊維の重なりは、厚さ約４〜５ミクロンを超えない。サイズが０．００１ミクロン未満の場合、粒子は分散性が劣る。サイズが１０ミクロンより大きい場合、コーティングが同じ固形分含量条件で厚くなってしまい、その結果機械特性が低下する。更に、このように大き過ぎる空孔は、繰り返しの充電／放電サイクル中に発生する内部ショートの可能性を増加させ得る。
【００３１】
粉末状材料は、ポリマー固形分と粉末状材料の総重量基準で、コーティング組成物中に５０〜９９重量％、好ましくは６０〜９５重量％存在する。無機材料の含量が５０重量％未満の場合、ＰＶＤＦバインダーポリマーが多量に存在し過ぎて粉末状粒子間に形成される間隙容量を低下させ、その結果空孔径及び空隙率を下げ、電池の品質を損ねてしまう。この問題を回避するため、水性分散液の総固形分含量は低水準に調整することができる。粉末状材料の含量が９９重量％より大きい場合、ポリマー含量が低すぎて粒子間の接着が十分に行えず、最終的に形成される被覆セパレータの機械特性が劣化してしまう。
【００３２】
界面活性剤及び沈降防止剤
本発明のコーティング組成物は、水１００部当たり０〜１０部、好ましくは０．１〜１０部、より好ましくは０．５〜５部の１種以上の沈降防止剤及び／又は界面活性剤を含有する。ある実施形態では、沈降防止剤又は界面活性剤の量は水１００部当たり２．７〜１０部である。これらの沈降防止剤又は界面活性剤は、一般的に貯蔵安定性を向上させるため、及びスラリー調製時の安定性を更に高めるため、重合後にＰＶＤＦ分散液に添加される。また、重合工程時、本発明で使用される界面活性剤／沈降防止剤は、重合の前に全て添加されても、重合中に連続的に供給されても、一部は前もって供給されてその後重合中に供給されても、あるいは重合開始後ある程度時間がたってから供給されてもよい。
【００３３】
有用な沈降防止剤としては、アルキル硫酸塩、スルホン酸塩、リン酸塩、ホスホン酸塩等の塩（ラウリル硫酸ナトリウム、ラウリル硫酸アンモニウムなど）、及び部分的にフッ素化されたアルキル硫酸塩、カルボン酸塩、リン酸塩、ホスホン酸塩等の塩（ＤｕＰｏｎｔ社から商標名ＣＡＰＳＴＯＮＥとして販売されているものなど）などのイオン性物質、並びに、ＴＲＩＴＯＮ  Ｘシリーズ（Ｄｏｗ社製）及びＰＬＵＲＯＮＩＣシリーズ（ＢＡＳＦ社製）などの非イオン性界面活性剤が挙げられるが、これらに限定されない。ある実施形態では、アニオン性界面活性剤のみが使用される。重合工程で残った界面活性剤と、水性分散液の製造又は濃縮で重合後に添加された界面活性剤のいずれを問わず、組成物中にはフッ素化界面活性剤が存在しないことが好ましい。
【００３４】
湿潤剤
本発明のコーティング組成物は、任意選択的には水１００部当たり０〜５部、好ましくは０〜３部の１種以上の湿潤剤を含有する。界面活性剤を湿潤剤として機能させることもできるが、湿潤剤が非界面活性剤も含んでいてもよい。ある実施形態では、湿潤剤は有機溶媒とすることができる。任意選択的な湿潤剤を存在させることによって、フッ化ビニリデンポリマー水性分散物中に粉末状材料を均一に分散させることができる。有用な湿潤剤としては、ＴＲＩＴＯＮシリーズ（Ｄｏｗ社製）やＰＬＵＲＯＮＩＣシリーズ（ＢＡＳＦ社製）などのイオン性及び非イオン性の界面活性剤、ＢＹＫ−３４６（ＢＹＫ  Ａｄｄｉｔｉｖｅｓ社製）、並びに、ＮＭＰやＤＭＳＯやアセトン（これらに限定されない）などの水性分散液と相溶性の有機液体が挙げられるが、これらに限定されない。
【００３５】
湿潤剤／レオロジー改質剤
本発明の組成物は、水１００部当たり０〜１０部、好ましくは０〜５部の１種以上の増粘剤又はレオロジー改質剤を含有していてもよい。上述の分散液へ水溶性の増粘剤又はレオロジー改質剤を添加すると、キャスティング工程に好適なスラリー粘度になると同時に、粉末状材料の沈降が防止又は抑制される。有用な増粘剤としては、ＡＣＲＹＳＯＬシリーズ（Ｄｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ社製）、Ｌｕｂｒｉｚｏｌ社製のＣＡＲＢＯＰＯＬなどの部分的に中和されたポリ（アクリル酸）又はポリ（メタクリル酸）、並びに、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）などのカルボキシアルキルセルロースが挙げられるが、これらに限定されない。処方ｐＨの調整をすることで、一部の増粘剤の有効性を向上させることができる。有機レオロジー改質剤に加えて無機レオロジー改質剤も、単独で又は組み合わせて使用することができる。有用な無機レオロジー改質剤としては、モンモリロナイトやベントナイトなどの自然粘土、ラポニテなどの合成粘土、並びに、シリカやタルクなどの他の物を含む無機レオロジー改質剤（これらに限定されない）が挙げられるが、これらに限定されない。
【００３６】
増粘剤は、ＰＶＤＦと粉末状材料とを含有する水性組成物中で使用され、参考文献特開２０００−３５７５０５号公報で記載されているような第２のコーティング組成物としての純粋な形態では使用されない。
【００３７】
消散性接着促進剤
消散性接着促進剤は、好ましくは本発明の組成物から形成されるコーティングに必要とされる接着力を生じさせるために存在する。本明細書において、「消散性接着促進剤」は、多孔性基材へのコーティング後の組成物の接着力を上げる試薬を意味する。消散性接着促進剤は、その後、形成した基材から蒸発によって（薬品に関して）、又は散逸によって（加えたエネルギーに関して）、除去することができる。
【００３８】
消散性接着促進剤は、化学物質であっても、圧力と組み合わせたエネルギー源であっても、又は組み合わせであってもよく、コーティング形成時に水性組成物の成分の相互連結を生じさせる効果的な量で使用される。化学的な消散性接着促進剤に関しては、組成物は水１００部当たり、１種以上の消散性接着促進剤を０〜１５０部、好ましくは１〜１００部、より好ましくは２〜３０部含有する。好ましくはこれは水に溶解又は混和可能な有機液体である。この有機液体は、ＰＶＤＦ粒子の可塑剤として機能し、ＰＶＤＦ粒子を粘着性にし、乾燥工程時に分散的な接着点として機能させることができる。ＰＶＤＦポリマー粒子は、製造中に軟化、流動、並びに、セパレータへの及び任意選択的には粉末状材料への接着が可能であり、非可逆的な高い接着性及び連結性を有するセパレータコーティングとなる。ある実施形態では、有機液体は潜在溶剤であり、これは室温ではＰＶＤＦ樹脂を溶解させないあるいは実質的に膨潤させないが、高温ではＰＶＤＦ樹脂を溶媒和する溶媒である。ある実施形態では、有用な有機溶媒はＮ−メチル−２−ピロリドンである。他の有用な消散性接着促進剤としては、ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、ヘキサメチルホスファミド、ジオキサン、テトラヒドロフラン、テトラメチル尿素、トリエチルホスフェート、トリメチルホスフェート、ジメチルスクシネート、ジエチルスクシネート及びテトラエチル尿素が挙げられるが、これらに限定されない。
【００３９】
消散性接着促進剤としてのエネルギーの場合、有用なエネルギー源としては、熱、ＩＲ照射、及び高周波（ＲＦ）が挙げられるが、これらに限定されない。熱単独の場合、電極上でＰＶＤＦコポリマー組成物を処理する間の温度をポリマーの融点に近づける必要がある。
【００４０】
その他の添加剤
本発明のコーティング組成物は、必要とされる電極要件を満たしつつ、フィラー、レベリング剤、消泡剤、ｐＨ緩衝剤、及び水系処方で典型的に使用されるその他の助剤など（これらに限定されない）の他の添加剤を、効果的な量、更に含有していてもよい。
【００４１】
本発明の水性コーティング組成物は様々な方法で得ることができる。
【００４２】
ある実施形態では、ＰＶＤＦ処方液を調整し（好ましくはフッ素化界面活性剤なしで）、ラテックスに十分な貯蔵安定性を付与するために、所定量の沈降防止剤又は界面活性剤を水で希釈して撹拌しながらＰＶＤＦ分散液ラテックスに後添加する。このＰＶＤＦ分散液／沈降防止剤混合物に、撹拌しながら任意選択的な湿潤剤を添加し、続いて増粘剤、消散性接着促進剤を添加し、その後、必要であればｐＨを増粘剤を有効にする適切な範囲に上げる。ＣＭＣなどのいくつかの増粘剤は幅広い範囲のｐＨ、すなわちＣＭＣについては３〜９のｐＨで有効である。粉末状材料及び他の成分はその後混合物に添加される。水性ＰＶＤＦバインダー処方液と混合する前に材料を湿らせるために、消散性接着促進剤、潜在溶剤又は湿潤剤に粉末状材料を分散させることが有利である場合がある。
【００４３】
本発明の水性コーティング組成物で被覆される基材の選択は、基材が空孔を有する多孔質基材である限り特に制限はない。好ましくは、基材は融点が２００℃より高い耐熱性多孔質基材である。このような耐熱性多孔質基材は、外的な及び／又は内的な熱の影響下で被覆セパレータの熱安定性を向上させることができる。
【００４４】
本発明でセパレータとして有用な多孔質基材の例としては、ポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエステル、ポリアセタール、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィドロ、ポリエチレンナフタレン又はこれらの混合物が挙げられるが、これらに限定されない。その一方で、他の耐熱性エンジニアリングプラスチックも特に制限なく使用することができる。天然物質又は合成物質の不織布材料もセパレータの基材として使用してもよい。
【００４５】
多孔質基材は通常１〜５０ミクロンの厚さであり、典型的には不織布のキャスト膜である。多孔質基材は好ましくは５〜９５％の空隙率を有している。空孔サイズ（直径）は、好ましくは０．００１〜５０ミクロン、より好ましくは０．０１〜１０ミクロンの範囲である。空孔サイズと空隙率がそれぞれ０．０１ミクロン未満と５％未満である場合、多孔質基材は抵抗層として機能することができる。空孔サイズと空隙率がそれぞれ５０ミクロンと９５％より大きい場合、機械的特性を維持するのが困難である。
【００４６】
多孔質基材は、膜又は繊維ウェブの形態をとっていてもよい。多孔質基材が繊維の場合、スパンボンドウェブ又はメルトブローウェブなどの多孔質ウェブを形成する不織ウェブであってもよい。
【００４７】
別のとりうる方法は、フルオロポリマー粉末を用いることであり、フルオロポリマー分散液を作製するためにこれを水中に再分散する。この場合、粒子は凝集し、凝集粒子径は５００ｎｍを超えるであろう。
【００４８】
水性コーティング組成物は、刷毛、ローラー、インクジェット、スキージー、泡塗布装置、カーテンコーティング、真空コーティング、又は噴霧などの公知の手段によって、多孔質基材の少なくとも片面に、好ましくは両面に塗布される。その後、コーティングはセパレータ上で乾燥される。最終的な乾燥コーティングの厚さは、厚さ０．５〜１５ミクロン、好ましくは１〜８ミクロン、より好ましくは２〜４ミクロンである。
【００４９】
ある実施形態では、フルオロポリマーコーティングは、膨潤と溶解を制御するために更に架橋されていてもよい。有用な架橋機構としては、化学的架橋、並びに、照射による架橋、特には電子ビーム、紫外線照射、ＬＥＤ照射、及びガンマ線照射による架橋が挙げられる。
【００５０】
本発明のセパレータは、当該技術分野で公知の手段によって、電池、キャパシタ、電気二重層キャパシタ、膜電極接合体（ＭＥＡ）、又は燃料電池などの電気化学デバイスの製造に使用することができる。非水系の電池は、被覆されたセパレータの両側に負極及び正極を配置することによって作製することができる。
【実施例】
【００５１】
概要
本発明のラテックスは、乳化剤を用いた典型的なフルオロポリマーの製造方法によって製造した。乳化剤はポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、及び／又はポリテトラメチレングリコールのブロックを含むものなど、イオン性であっても非イオン性であってもよい。好ましくは、工程及び製造されるフルオロポリマーは、フッ素化された界面活性剤又は部分的にフッ素化された界面活性剤を含まない。製造されたフルオロポリマー分散液は優れたラテックス安定性及び貯蔵安定性を示し、凝集物を有さない。これら好ましい分散液は、合成時にも後添加時にもフッ素化界面活性剤が使用されておらず、フッ素化された界面活性剤又は部分的にフッ素化された界面活性剤を全く含まない。
【００５２】
重合工程では、乳化剤は重合前に全て添加されても、重合中に連続的に供給されても、一部は前もって供給されてその後重合中に供給されても、あるいは重合開始後ある程度時間がたってから供給されてもよい。
【００５３】
実施例１
８０ガロンのステンレス鋼製反応器の中に、３４５ｌｂｓの脱イオン水と、２５０グラムのＰＬＵＲＯＮＩＣ  ３１Ｒ１（ＢＡＳＦ社製のフッ素化されていない非イオン性界面活性剤）と、０．３ｌｂｓのプロパンとを入れた。脱気後、２３ｒｐｍで撹拌を開始し、反応器を加熱した。反応器温度が目標設定温度の１００℃に達した後、ＶＤＦの投入を開始した。その後、反応器へ約３５ｌｂｓのＶＤＦを入れることで反応器圧力を６５０ｐｓｉに上げた。反応器圧力が安定した後、１．０重量％の過硫酸カリウムと１．０重量％の酢酸ナトリウムとからなる開始剤溶液を４．５ｌｂｓ反応器に添加して重合を開始した。開始剤溶液を追加する速度は、最終的なＶＤＦ重合速度が１時間当たり約７０ポンドになり、それが維持されるように調整した。約１５０ポンドのＶＤＦが反応マスに入れられるまでＶＤＦの単独重合を継続した。ＶＤＦの供給を停止し、反応温度でバッチの反応を完結させて、圧力が低下した状態で残ったモノマーを消費した。２５分後、撹拌を停止し、反応器を冷却し、ガス抜きし、ラテックスを回収した。回収したラテックス中の固形分は、重量法によって測定したところ約２７重量％であり、ＡＳＴＭ法Ｄ−３８３５に従って４５０°Ｆ、１００ｓｅｃ-1で測定した溶融粘度は約２７ｋｐであった。樹脂の融点をＡＳＴＭ法Ｄ−３４１８に従って測定したところ、約１６２℃であることがわかった。重量平均粒子径をＮＩＣＯＭＰレーザー光散乱装置によって測定したところ、約１５０ｎｍであることがわかった。
【００５４】
実施例２
８０ガロンのステンレス鋼製反応器の中に、３４５ｌｂｓの脱イオン水と、２５０グラムのＰＬＵＲＯＮＩＣ  ３１Ｒ１（ＢＡＳＦ社製のフッ素化されていない非イオン性界面活性剤）と、０．６ｌｂｓの酢酸エチルとを入れた。脱気後、２３ｒｐｍで撹拌を開始し、反応器を加熱した。反応器温度が目標設定温度の１００℃に達した後、ＶＤＦモノマーとＨＦＰモノマーを、全モノマーの４０重量％となるＨＦＰ比で反応器に入れた。その後、反応器へ約３５ｌｂｓの全モノマーを入れることで反応器圧力を６５０ｐｓｉに上げた。反応器圧力が安定した後、１．０重量％の過硫酸カリウムと１．０重量％の酢酸ナトリウムとからなる開始剤溶液を５．０ｌｂｓ反応器へ添加して重合を開始した。開始に際し、ＶＤＦに対するＨＦＰの比率を、供給物中の全モノマーに対してＨＦＰが１６．５％になるように調整した。開始剤溶液を追加する速度も、最終的なＶＤＦとＨＦＰを併せた重合速度が１時間当たり約７０ポンドになり、それが維持されるように調整した。約１６０ポンドのモノマーが反応マスに入れられるまでＶＤＦとＨＰＦの共重合を継続した。ＨＦＰの供給を停止する一方で、約１８０ｌｂｓの全モノマーが反応器に供給されるまでＶＤＦの供給を続けた。ＶＤＦの供給を停止し、反応温度でバッチの反応を完結させて、圧力が低下した状態で残ったモノマーを消費した。４０分後、開始剤の供給と撹拌を停止し、反応器を冷却し、ガス抜きし、ラテックスを回収した。回収したラテックス中の固形分を重量法によって測定したところ約３２重量％であり、ＡＳＴＭ法Ｄ−３８３５に従って４５０°Ｆ、１００ｓｅｃ-1で測定した溶融粘度は約２８ｋｐであった。樹脂の融点をＡＳＴＭ  Ｄ３４１８に従って測定したところ、約１２０℃であることがわかった。重量平均粒子径をＮＩＣＯＭＰレーザー光散乱装置によって測定したところ、約１６０ｎｍであることがわかった。
【００５５】
実施例３
８０ガロンのステンレス鋼製反応器の中に、３４５ｌｂｓの脱イオン水と、２５０グラムのＰＬＵＲＯＮＩＣ  ３１Ｒ１（ＢＡＳＦ社製のフッ素化されていない非イオン性界面活性剤）と、０．３５ｌｂｓの酢酸エチルとを入れた。脱気後、２３ｒｐｍで撹拌を開始し、反応器を加熱した。反応器温度が目標設定温度の１００℃に達した後、ＶＤＦモノマーとＨＦＰモノマーを、全モノマーの１３．２重量％となるＨＦＰ比で反応器に入れた。その後、反応器へ約３５ｌｂｓの全モノマーを入れることで反応器圧力を６５０ｐｓｉに上げた。反応器圧力が安定した後、１．０重量％の過硫酸カリウムと１．０重量％の酢酸ナトリウムとからなる開始剤溶液を３．５ｌｂｓ反応器へ添加して重合を開始した。開始に際し、ＶＤＦに対するＨＦＰの比率を、供給物中の全モノマーに対してＨＦＰが４．４％になるように調整した。開始剤溶液を追加する速度も、最終的なＶＤＦとＨＦＰを併せた重合速度が１時間当たり約９０ポンドになり、それが維持されるように調整した。約１６０ポンドのモノマーが反応マスに入れられるまでＶＤＦとＨＰＦの共重合を継続した。ＨＦＰの供給を停止する一方で、約１８０ｌｂｓの全モノマーが反応器に供給されるまでＶＤＦの供給を続けた。ＶＤＦの供給を停止し、反応温度でバッチの反応を完結させて、圧力が低下した状態で残ったモノマーを消費した。４０分後、開始剤の供給と撹拌を停止し、反応器を冷却し、ガス抜きし、ラテックスを回収した。回収したラテックス中の固形分は、重量法によって測定したところ約３２重量％であり、ＡＳＴＭ法Ｄ−３８３５に従って４５０°Ｆ、１００ｓｅｃ-1で測定した溶融粘度は約３８ｋｐであった。樹脂の融点をＡＳＴＭ法Ｄ−３４１８に従って測定したところ、約１５２℃であることがわかった。重量平均粒子径をＮＩＣＯＭＰレーザー光散乱装置によって測定したところ、約１６０ｎｍであることがわかった。
【００５６】
その後、実施例１〜３の上述のＰＶＤＦ系ラテックスを水性セパレータコーティング組成物の中に配合し、セパレータに塗布して乾燥させた。
【００５７】
実施例４〜６
水性セパレータコーティング組成物は、最初にＢＹＫ−３４６（ＢＹＫ−Ｃｈｅｍｉｅ社製）の１．５％脱イオン水溶液からなるＡの原液、次にトリエチルホスフェート（ＴＥＰ）と原液Ａとの５０−５０混合物からなる原液Ｂ、を作ることによって調製した。その後、表１に示されているように、原液Ａ及びＢには、実施例３のＢＹＫ−３４６ラテックス５０ｇプラス０．５ｇが添加された。
【００５８】
【表１】
2018098212.tif 000002
【００５９】
実施例７〜９
水性セパレータコーティング組成物は、表２に示されているように、上で用意した原液とＢＹＫ−３４６を使用し、これに実施例２のラテックス５０ｇを添加することで調製した。
【００６０】
【表２】
2018098212.tif 000003
【００６１】
実施例１０〜１１
水性セパレータコーティング組成物は、表３に従い、上で用意した原液を使用し、これに実施例１のラテックス５０ｇを添加することで調製した。
【００６２】
【表３】
2018098212.tif 000004
【００６３】
薄膜形成評価
８０℃で４時間、対流式オーブン中に水性セパレータコーティング組成物及び比較例を、それぞれ１０ｇ置くことによって薄膜構造の質を評価した。実施例４〜１１由来の乾燥樹脂は十分に溶けて結合し、クラックなしの優れた連続薄膜が形成された。
【００６４】
更に、ポリオレフィンセパレータの試料であるＣＥＬＧＡＲＤ社製のＭ２４００（平均空孔径が４３ｎｍである厚さ２５マイクロメートルのポリプロピレンフィルム）を、実施例４〜１１の水性セパレータコーティング組成物に浸漬し、８０℃の対流式オーブン中で乾燥した。試料表面のＦＴＩＲ分析から、実施例１〜３のＰＶＤＦ系ポリマーからなる少なくとも３ミクロンの厚さの優れた均一な薄膜が、ポリオレフィンセパレータ上に製膜されたことが示された。
【００６５】
７〜９の被覆試料を、同比率のＥＣ／ＤＭＣ／ＤＥＣからなる炭酸塩溶液に室温で４時間浸漬し、オーブンで８時間乾燥した。ＦＴＩＲから、試料７〜９のセパレータ上のＰＶＤＦ系薄膜は、炭酸塩溶媒に浸漬後でも洗い落とされないことが示された。
【図１】
2018098212.tif 000005
【図２】
2018098212.tif 000006