(57)【要約】【課題】電気化学デバイスの正極と負極がリチウムデンドライドによって短絡することを防止するセパレータ、前記セパレータを使用した電気化学デバイスを提供する。【解決手段】１）正極２とリチウムイオンを含有する電解質４と負極３とを備える電気化学デバイス１において前記正極と前記負極を隔てるセパレータ１０であって、前記セパレータはリチウム金属と反応し得る犠牲物質を含み、前記セパレータの厚み方向に見て、前記正極側における前記犠牲物質の含有量が、前記負極側における前記犠牲物質の含有量よりも高いセパレータ。２）厚み方向に見て、前記正極側から前記負極側に向けて、前記犠牲物質の濃度が漸次又は段階的に低下する濃度勾配がある、前記セパレータ。３）前記セパレータが厚み方向に見て多層化されており、前記正極側に近い層に含まれる前記犠牲物質の含有量が、前記負極側に近い層に含まれる前記犠牲物質の含有量よりも高い前記セパレータ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極とリチウムイオンを含有する電解質と負極とを備える電気化学デバイスにおいて前記正極と前記負極を隔てるセパレータであって、
前記セパレータはアルミニウム、シリコン、ビスマス、インジウム、マンガン、チタン、バナジウム、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、鉛、錫、アンチモン、及びヒ素からなる群から選択される１種又は複数種の金属の酸化物を含み、
前記セパレータが厚み方向に見て多層化されており、
前記セパレータの厚み方向に見て、前記正極側に近い層における前記金属の酸化物の含有量が、前記負極側に近い層における前記金属の酸化物の含有量よりも高く、
前記負極側に最も近い層にポリメチル尿素樹脂粒子が含まれることを特徴とするセパレータ。
【請求項２】
前記正極側に近い層及び前記負極側に近い層は、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体を含む、請求項１に記載のセパレータ。
【請求項３】
前記金属の酸化物が二酸化ケイ素である、請求項１又は２に記載のセパレータ。
【請求項４】
前記セパレータは厚み方向に見て３層以上に多層化されており、前記正極側に近い第一の層から前記負極側に順次積層された２層以上にわたって、前記金属の酸化物の含有量が順次減少している、請求項１〜３の何れか一項に記載のセパレータ。
【請求項５】
前記負極側に最も近い層に前記金属の酸化物が含有されない、請求項１〜４の何れか一項に記載のセパレータ。
【請求項６】
前記負極側に最も近い層の厚みが０．１μｍ〜５０μｍである、請求項１〜５の何れか一項に記載のセパレータ。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか一項に記載のセパレータと、前記セパレータによって隔てられた正極及び負極と、リチウムイオンを含有する電解質と、を備えた電気化学デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正極と負極を隔てるセパレータ及び前記セパレータを使用した電気化学デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
二次電池、電気二重層キャパシタ等の電気化学デバイスは小型化、軽量化、高容量化、長寿命化等の改良が盛んに進められている。これらの電気化学デバイスの正極と負極を隔てて電気的短絡を防ぐ目的で、絶縁体からなるセパレータが従来使用されている。
【０００３】
リチウムイオン二次電池は従来の二次電池に比べてエネルギー密度が高く、携帯機器から大型の車載用途まで多種多様な用途が展開されている。リチウムイオン二次電池の製法においては、セパレータを介して正極及び負極が積層された電極積層体を捲回方式で同一円心状に巻いて円筒型に成形する製法と、ラミパック方式によって電極積層体をラミネート袋に封入して平板型に成形する製法と、の二方式が主流となっている。
【０００４】
ラミパック方式で製造する場合には、正極、セパレータ、負極の三者をそれぞれ別体として積層し、これをラミネート袋で圧縮して一体化する方法の他、セパレータを構成する樹脂組成物を負極の表面に塗布して、負極の表面にセパレータを接着してなる電極積層体を使用する方法も開示されている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
このように製法を工夫することにより製造効率の向上並びに小型化、軽量化等が図られている。一方、繰り返して充放電を行う間に負極から正極へ向けてリチウム金属を含むデンドライトが成長して、電池容量が低下したり、正極と負極が短絡したりする問題に対しても別途取り組みがなされている（例えば、下記の特許文献２）。
【０００６】
一般に、金属の電析は金属イオンの電極面への物質移動（拡散）と電極における電子の授受（電極反応）との２段階で進行するが、純リチウムの電析においては電極反応が速く、電析は電極面へのリチウムイオンの拡散により律速されるためデンドライトが成長し易いと考えられている。このデンドライトは樹枝状の結晶であり、負極表面で析出した後成長してセパレータを貫通し、正極と短絡する恐れがある。これを防ぐために、例えば負極材としてリチウム金属又はリチウム合金の結晶粒界に炭素を析出させた負極活物質の使用が提案されている（特許文献２）。結晶粒界に析出させた炭素が、充電時に析出するリチウムを拡散させる作用を有するため、デンドライトの成長を抑制することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２４３３０３号公報
【特許文献２】特開平７−２９６７９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、結晶粒界に析出した炭素は充放電を繰り返すと負極から剥離し易く、耐久性に課題があるとともに、製造時に炭素を析出させるためにプラズマ装置を使用するので製造コストが高くなる課題がある。このため、リチウムデンドライトによる短絡の発生を防止する新たな技術が求められている。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、電気化学デバイスの正極と負極がリチウムデンドライトによって短絡することを防止するセパレータ、前記セパレータを使用した電気化学デバイスの提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）正極とリチウムイオンを含有する電解質と負極とを備える電気化学デバイスにおいて前記正極と前記負極を隔てるセパレータであって、前記セパレータはアルミニウム、シリコン、ビスマス、インジウム、マンガン、チタン、バナジウム、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、鉛、錫、アンチモン、及びヒ素からなる群から選択される１種又は複数種の金属の酸化物を含み、前記セパレータが厚み方向に見て多層化されており、前記セパレータの厚み方向に見て、前記正極側に近い層における前記金属の酸化物の含有量が、前記負極側に近い層における前記金属の酸化物の含有量よりも高く、前記負極側に最も近い層にポリメチル尿素樹脂粒子が含まれることを特徴とするセパレータ。
（２）前記正極側に近い層及び前記負極側に近い層は、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体を含む、前記（１）に記載のセパレータ。
（３）前記金属の酸化物が二酸化ケイ素である、前記（１）又は（２）に記載のセパレータ。
（４）前記セパレータは厚み方向に見て３層以上に多層化されており、前記正極側に近い第一の層から前記負極側に順次積層された２層以上にわたって、前記金属の酸化物の含有量が順次減少している、前記（１）〜（３）の何れか一項に記載のセパレータ。
（５）前記負極側に最も近い層に前記金属の酸化物が含有されない、前記（１）〜（４）の何れか一項に記載のセパレータ。
（６）前記負極側に最も近い層の厚みが０．１μｍ〜５０μｍである、（１）〜（５）の何れか一項に記載のセパレータ。
（７）（１）〜（６）の何れか一項に記載のセパレータと、前記セパレータによって隔てられた正極及び負極と、リチウムイオンを含有する電解質と、を備えた電気化学デバイス。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のセパレータを使用した電気化学デバイスにおいて、充放電を繰り返した負極表面に発生したリチウムデンドライトが正極側へ向かって伸長した場合、正極側へ突き抜ける方向に成長するリチウムデンドライトは、セパレータ内の正極側に高濃度に存在する犠牲物質と反応して不活性化される又は更なる成長が抑制される。これにより、負極と正極がリチウムデンドライトによって短絡することを防止することができる。
一方、発生初期のリチウムデンドライトは、セパレータ内の負極側における犠牲物質の濃度が低いため、犠牲物質と反応していない状態のリチウム金属を含むデンドライトとして存在し得る。本発明のセパレータ及び電気化学デバイスにおいては、このリチウム金属が放電時にイオン化して、再び負極活物質又は電解液に吸収されて再活用され得る。つまり、電荷輸送体としてのリチウムイオンが犠牲物質と反応することによりセパレータ内で不活化される前に、リチウムイオンとして回収される猶予を与えることができる。この結果、電解質中のリチウムイオン濃度の低下を抑制し、電気化学デバイスが本来有する容量を高く維持したまま長寿命化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係るセパレータ１０を有するリチウムイオン二次電池の模式的な断面図である。
【図２】本発明に係るセパレータ２０を有するリチウムイオン二次電池の模式的な断面図である。
【図３】本発明に係るセパレータ３０を有するリチウムイオン二次電池の模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
≪セパレータ≫
本発明の第一態様のセパレータは、正極とリチウムイオンを含有する電解質と負極とを備える電気化学デバイスにおいて前記正極と前記負極を隔てるセパレータである。
前記電気化学デバイスの種類は特に限定されず、充放電することが可能なリチウムイオン二次電池、電解質二重層キャパシタが好適なものとして例示される。以下、リチウムイオン二次電池の場合を例として第一実施形態のセパレータを説明するが、第一実施形態のセパレータはリチウムイオン二次電池における使用には限定されず、種々の電気化学デバイスに適用可能である。
【００１４】
前記セパレータは電解質に含まれるリチウムイオンが内部を拡散することが可能な多孔質であることが好ましい。セパレータの多孔構造を構成する基材の種類は特に限定されず、従来のセパレータを構成する基材が適用可能であり、例えば、オレフィン系樹脂などのポリマーからなる多孔性樹脂シート、不織布、微粒子が結着してなる多孔質材等が挙げられる。
【００１５】
前記多孔性樹脂シート及び不織布を構成するポリマーは特に限定されず、例えば、電気化学的に安定な、フッ素樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリスルホン樹脂等が挙げられる。
【００１６】
前記微粒子は絶縁体又は半導体であることが好ましく、有機化合物、無機化合物の何れであってもよい。具体的には、例えば、ポリメチル尿素、メラミンホルムアルデヒト樹脂、ポリアクリル酸リチウム、ポリアミド、ポリ（２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸リチウム）等の有機微粒子や、二酸化ケイ素、アルミナ、チタニア、ジルコニア、酸化亜鉛、二酸化スズ、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、フッ化カリウム、フッ化リチウム、クレイ、ゼオライト、炭酸カルシウム等の無機粒子が例示できる。また、メソポーラスアルミノシリケート、メソポーラスニオブ−タンタル複合酸化物、メソポーラスマグネシウム−タンタル複合酸化物等の公知の複合酸化物が例示できる。前記微粒子は１種単独で使用されてもよいし、２種以上が併用されてもよい。
【００１７】
前記セパレータを構成する前記微粒子はバインダーによって結着されていてもよいし、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）等の粒子吹付け法によって物理的に接合されていてもよい。前記微粒子の平均粒子径は特に限定されず、透気度、空孔率、構造的強度等を考慮して適宜設定され得る。例えば０．０１μｍ〜１０μｍ程度の平均粒子径が好ましい。
【００１８】
前記微粒子を結着するバインダーとして、例えば、ポリビニルアルコール、カルボキシル基修飾ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸メチル、ポリアクリル酸ブチル、エチルヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリロニトリル、ポリウレタン、エチルビニルアセテートコポリマー、ポリエステルが挙げられる。
前記バインダーの材料として紫外線硬化性のバインダー前駆体（紫外線硬化性のモノマー、オリゴマー又はポリマー）を用いることもできる。
【００１９】
前記セパレータの透気度は電解質を構成するリチウムイオンが内部を拡散し得る範囲であれば特に限定されず、例えば、１〜２００ｓｅｃ／１００ｃｃ程度であることが好ましい。透気度が１ｓｅｃ／１００ｃｃ以上であることにより、正極と負極間のイオン移動が容易に起こり、円滑な電気化学反応を得ることができる。透気度が２００ｓｅｃ／１００ｃｃ以下であることにより、微小短絡を充分に防止することができる。
前記透気度は、ＪＩＳ Ｐ ８１１７に基づくガーレー試験機法によって求められる。
【００２０】
前記セパレータはリチウム金属と反応し得る犠牲物質を含む。犠牲物質は、負極の表面からセパレータ内に伸長して来たリチウムデンドライトと化学的に反応し得る物質である。セパレータ内に犠牲物質が存在しない場合には、リチウムデンドライトがセパレータの厚み方向へ急速に成長してセパレータを突き抜けて正極へ達する。しかし、リチウムデンドライトがセパレータ内で犠牲物質と反応すると、リチウムデンドライトの急速な成長が妨げられる。このメカニズムとしては、犠牲物質と反応したリチウム金属が伝導性を失い、この結果、リチウムデンドライトがセパレータの正極側に突き抜けることを抑制できる。
【００２１】
犠牲物質としては、例えば、アルミニウム、シリコン、ビスマス、インジウム、マンガン、チタン、バナジウム、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、鉛、錫、アンチモン、及びヒ素からなる群から選択される１種又は複数種の金属の酸化物が挙げられる。これらの金属酸化物はリチウム金属と反応又は合金化することが可能であり、反応又は合金化した後のリチウム金属酸化物の導電性が無くなるため好ましい。
【００２２】
前記セパレータ中に含まれる犠牲物質の形態は特に限定されず、セパレータの所定領域において犠牲物質が均一に分散される観点から、例えば小片状、粒子状、粉状等の形態が好適である。犠牲物質の最大径は特に限定されず、セパレータ内の所定領域における分散性及びリチウムデンドライトに対する反応性を考慮して、例えば、０．０１μｍ〜１０μｍ程度が好適である。
【００２３】
前記セパレータ中に含まれる犠牲物質の最適な濃度は、犠牲物質の種類及び形態によって異なるが、上記で例示した種類及び形態である場合、例えば、セパレータの全重量１００質量部中、１０重量部〜９０重量部（例えば、１０〜９０質量％）が挙げられる。
１０重量部以上であるセパレータ内の領域において、伸長して来たリチウムデンドライトの更なる成長を抑止することができる。９０重量部以下であるセパレータ内の領域において、犠牲物質と電極との電気化学的な反応を防ぎ、セパレータの絶縁性を充分に高めることができる。
【００２４】
前記セパレータの厚み方向に見て、正極側における犠牲物質の含有量は、負極側における犠牲物質の含有量よりも高い。この結果、充放電を繰り返すことによって負極の表面からセパレータ内に徐々に伸長して来たリチウムデンドライトが、セパレータ内の負極側にある初期の頃は犠牲物質に遭遇する確率は低く、正極側に伸長するにつれて犠牲物質に遭遇する確率は高まる。ここで、成長初期のリチウムデンドライトは、充放電の繰り返しにおいて成長と溶出が拮抗しているので、放電時にリチウムデンドライトからリチウムイオンが溶出して電解質に回収するチャンスがある。この回収経路を活用する目的で、リチウムデンドライトがセパレータ内の負極側にあることを許容する。一方、セパレータの正極側にまで伸長して来たリチウムデンドライトは、そのまま正極側へ突き抜ける恐れが高いため、犠牲物質によってリチウムデンドライトを捕捉することによって、その更なる成長を抑制する。
【００２５】
上記の様にリチウムデンドライトの成長を抑制する第一実施形態のセパレータは、その厚み方向に見て、セパレータの正極側から負極側に向けて、犠牲物質の濃度（含有量）、が漸次又は段階的に低下する濃度勾配がある。この構成であると、セパレータ内に伸長して来たリチウムデンドライトが、負極側においては犠牲物質と反応せずに、単体のリチウム金属として存在する割合を高められる。この結果、放電時にイオン化してリチウムイオンとして回収する割合を高められる。
【００２６】
図１に示すセパレータ１０は、正極２側から負極３側に向けて犠牲物質６の濃度が漸次低下する濃度勾配を有する。図１においては、犠牲物質の濃度勾配をハッチングの色の濃淡で表現している。セパレータ１０の正極２側の表面１０ａから所定の厚みにおいては、絶縁性を充分に保つ観点から、犠牲物質が存在しない厚み領域αが設けられている。領域αは、セパレータの表面１０ａが正極２と接触する場合を考慮して、セパレータ内の犠牲物質６と正極２とが接触しないことを目的として設けられている。犠牲物質が正極と接触しても構わない非導電体である場合或いは正極とセパレータの表面１０ａとが接触しない場合には、セパレータの表面１０ａ直下における犠牲物質の含有量が最も高い構成であっても構わない。
【００２７】
図２に示すセパレータ２０は、正極２側から負極３側に向けて犠牲物質６の濃度が二段階で低下する濃度勾配を有する。図２においても、犠牲物質の濃度勾配をハッチングの色の濃淡で表現している。セパレータ２０においては、セパレータの基材は１層であるが、犠牲物質を高濃度で含む厚み領域２０Ａと、犠牲物質を低濃度で含む若しくは犠牲物質を実質的には含まない厚み領域２０Ｂとに分かれている。また、セパレータ１０と同様に、犠牲物質が存在しない厚み領域α（不図示）が正極２側の表面２０ａに設けられてもよい。
【００２８】
第一実施形態のセパレータは、その厚み方向に見て当該セパレータを構成する基材が多層化されており、且つ、セパレータの正極側に近い層に含まれる犠牲物質の含有量が、当該セパレータの負極側に近い層に含まれる前記犠牲物質の含有量よりも高い、という構成を有してもよい。
【００２９】
図３に示すセパレータ３０は、正極２側から負極３側に向けて犠牲物質６の濃度が三段階で低下する濃度勾配を有する。セパレータ３０においては、正極２側から順に４つの基材（第四層３０Ｄ、第一層３０Ａ、第二層３０Ｂ、第三層３０Ｃ）が積層された４層構造を有する。最も正極側の第四層３０Ｄは、正極２に対する絶縁性を充分に保つために、導電性の犠牲物質６は含まれていない。第一層３０Ａには第二層３０Ｂよりも高濃度の犠牲物質６が含まれている。これは図３のハッチングの濃淡で表現されている。負極３側に最も近い第三層３０Ｃは、リチウムデンドライトの侵入を許容する領域であるため、犠牲物質６を低濃度で含有するか又は実質的に犠牲物質を含まない。
【００３０】
図３に示すように、負極３の表面に析出したリチウムデンドライト（Li-D）が成長して第三層３０Ｃに達し、更に伸長して第二層３０Ｂに達し、第二層３０Ｂに含まれる犠牲物質６又は第一層３０Ａに含まれる犠牲物質６と反応して、その更なる成長が抑制される。
第三層３０Ｃにあるリチウムデンドライトは犠牲物質によって不活性化されていないため、放電に伴ってリチウムイオンとして再び電解質４に回収されるチャンスがある。したがって、第三層３０Ｃの厚みを厚くすることにより、リチウムデンドライトからリチウムイオンを回収するチャンスを増やすことができる。
【００３１】
図３のセパレータ３０における各層の厚みは特に限定されないが、好適な厚みとして下記がそれぞれ例示できる。
第一層３０Ａの厚みは、例えば、０．１μｍ〜５０μｍが好ましく、３μｍ〜３０μｍがより好ましく、５μｍ〜２０μｍが更に好ましい。
上記０．１μｍ〜５０μｍの厚みであると、リチウムデンドライトと犠牲物質とが遭遇して反応する確率を充分に高められるので、リチウムデンドライトが正極側へ突き抜けることを確実に防止することができる。
第二層３０Ｂの厚みは、例えば、１μｍ〜５０μｍが好ましく、３μｍ〜３０μｍがより好ましく、５μｍ〜２０μｍが更に好ましい。
上記０．１μｍ〜５０μｍの厚みであると、リチウムデンドライトが第二層３０Ｂの中程まで伸長する可能性もあるが、伸長したリチウムデンドライトを電解質に回収するチャンスもある。
第三層３０Ｃの厚みは、例えば、１μｍ〜５０μｍが好ましく、３μｍ〜３０μｍがより好ましく、５μｍ〜２０μｍが更に好ましい。
上記０．１μｍ〜５０μｍの厚みであると、第三層３０Ｃにおいてリチウムデンドライトの成長を許容し、そのリチウムデンドライトからリチウムイオンを回収するチャンスを充分に得ることができる。
第四層３０Ｄの厚みは、例えば、１μｍ〜５０μｍが好ましく、３μｍ〜３０μｍがより好ましく、５μｍ〜２０μｍが更に好ましい。
上記０．１μｍ〜５０μｍの厚みであると、正極と第一層３０Ａに含まれる導電性の犠牲物質が電気的な化学反応を生じることを確実に防止することができる。
第一層３０Ａ、第二層３０Ｂ、第三層３０Ｃ及び第四層３０Ｄの厚みは、それぞれ独立に設定され得る。
【００３２】
≪セパレータの製造方法≫
前記セパレータを製造する方法は、セパレータ内に犠牲物質を含有させることが可能な方法であれば特に限定されない。例えば、従来のセパレータの製造方法として、電解質に対して不溶性であり絶縁性である無機又は有機フィラーをセパレータの基材内に含有させる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。従来のフィラーと同様に前記犠牲物質をセパレータ内に含有させることができる。
【００３３】
前述したセパレータ１０，２０のように犠牲物質の濃度勾配を形成する方法の一例として、犠牲物質を含まないセパレータを公知方法で製造した後、当該セパレータの一方の表面から犠牲物質を含有する溶液を浸透させて、当該セパレータの他方の表面に前記溶液が到達する前に浸透処理を止める方法が挙げられる。この方法によれば、一方の表面から他方の表面に向けて、犠牲物質の含有濃度が徐々に低下するセパレータを製造することができる。その後更に、一方の表面に犠牲物質を含まない溶媒を接触させて、一方の表面直下からのみ犠牲物質を溶出することにより、犠牲物質を殆ど含まない領域αを形成することもできる。
【００３４】
前述したセパレータ１０，２０のように犠牲物質の濃度勾配を形成する方法の一例として、次の方法も例示できる。セパレータの基材を構成するポリマーの材料であるモノマー溶液中に犠牲物質を添加して均一に撹拌混合した後、平板上に当該モノマー溶液をキャストして、比重の重い犠牲物質が徐々に沈降するのを待ち、所定の段階でモノマーを重合させることによって、ポリマーシートからなるセパレータを形成する。この方法により、当該セパレータの上面から下面に向けて犠牲物質の含有量が徐々に高まる濃度勾配を形成することができる。この製造方法においてセパレータを多孔質化する方法は特に限定されないが、例えば、前記モノマー溶液の比重と同等の溶解性粒子を犠牲物質とともに添加しておき、ポリマーシート全体に均一に分散配置させる。その後、溶解性粒子を溶出することが可能であり、犠牲物質を溶出しない溶媒にポリマーシートを浸漬することによって、当該ポリマーシートを多孔質にすることができる。溶解性粒子がモノマー溶液と同等の比重を有するものであれば、犠牲物質が沈降している間にも溶解性粒子は沈降せずに均一に分散するので、セパレータ全体の多孔質の程度（空孔率）を均一にすることができる。前記溶解性粒子及びこれを溶出する溶媒としては、公知の粒子及び溶媒が適用可能である。
【００３５】
前述したセパレータ３０のように犠牲物質の濃度勾配を形成する方法の一例として、次の方法が例示できる。第一層３０Ａの基材を構成するポリマーの原料組成物に予め所定量の犠牲物質を均一に混合して、犠牲物質を所定量で含有したポリマーからなる多孔質基材を公知方法で得る。同様の方法で第二層３０Ｂを作製する際、第二層３０Ｂの原料組成物に混合する犠牲物質の量を、前記所定量よりも少ない量にする。次いで、犠牲物質を含まない第三層３０Ｃ及び第四層３０Ｄを構成する多孔質基材を公知方法によって得る。続いて、下から第三層３０Ｃ、第二層３０Ｂ、第一層３０Ａ、第四層３０Ｄの順に重ね置き、各層を接着することによってセパレータ３０を製造することができる。ここで各層を接着する方法は特に限定されず、前記ポリマーが熱可塑性樹脂である場合には各層の界面が接着性を呈する様に一時的に加熱して接着する方法が適用可能であり、前記ポリマーが熱硬化性樹脂である場合には各層を半硬化状態（Ｂステージ）で準備して、これらを積層した後で完全硬化させる方法が適用可能である。また、各層の界面に接着剤を薄く塗布して接着する方法も例示できる。
【００３６】
前述したセパレータ３０のように犠牲物質の濃度勾配を形成する方法の一例として、次の方法も例示できる。第三層３０Ｃの基材を構成する微粒子、バインダー樹脂及び溶媒を含む原料組成物を、離型紙等の基台上にマイヤーロッド等を使用して塗工することにより、まず第三層３０Ｃを形成する。次に、第二層３０Ｂの基材を構成する微粒子等を含む前記原料組成物に予め所定量の犠牲物質を均一に混合して、先に形成した第三層３０Ｃの上に第二層３０Ｂを積層する。同様の方法で第二層３０Ｂの上に第一層３０Ａを積層する際、第一層３０Ａの原料組成物に混合する犠牲物質の量を、前記所定量よりも多い量にする。続いて、第一層３０Ａの上に、第四層３０Ｄの原料組成物を塗工して、先に形成した第一層３０Ａの上に第四層３０Ｄを積層することによってセパレータ３０を製造することができる。各層を積層する際は、先に形成した層の溶媒が乾燥除去された後で次の層を積層することが好ましい。
【００３７】
各層を積層する前記基台として離型紙を使用した場合には、作製後のセパレータ３０から離型紙を剥がして、所望の電気化学デバイスに設置することができる。
各層を積層する前記基台として、前記離型紙の代わりに電極表面を基台としてもよい。
例えば電極活物質層の表面に第一層〜第四層を積層することによって、当該電極の表面に接着した又は一体化したセパレータ３０を製造することができる。また、離型紙上で作製したセパレータ３０を公知の接着方法により電極表面に一体化させてもよい。
【００３８】
≪電気化学デバイス≫
本発明の第二態様の電気化学デバイスは、上述した第一態様のセパレータと、前記セパレータによって隔てられた正極及び負極と、リチウムイオンを含有する電解質とを備える。
前記電気化学デバイスの種類は特に限定されず、充放電することが可能なリチウムイオン二次電池、電気二重層キャパシタが好適なものとして例示される。
以下では、好ましい電気化学デバイスの一例として、リチウムイオン二次電池を構成する負極、正極及び電解質を例示する。
【００３９】
＜負極＞
前記リチウムイオン二次電池においては公知の負極が適用できる。負極の作製方法としては、例えば、負極活物質、バインダー樹脂、導電助剤及び溶媒が配合されてなる負極材を調製し、これを集電体上に塗布して乾燥することによって、集電体上に負極活物質層が形成された負極を作製する方法が挙げられる。
【００４０】
前記負極活物質及び導電助剤として、例えばグラファイト、ハードカーボン、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等の炭素材料が挙げられる。前記バインダー樹脂として、例えば、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸リチウム、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、スチレンブタジエンゴム、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレングリコール、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリルニトリル、ポリイミド等が挙げられる。
【００４１】
前記溶媒としては非水系溶媒が好ましく、例えば、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール等のアルコール；Ｎ−メチルピロリドン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド等の鎖状又は環状アミド；アセトン等のケトンが挙げられる。
前記集電体を構成する材料としては、例えば、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル、ステンレス鋼等の導電性を有する金属が挙げられる。
前記負極活物質、導電助剤、バインダー樹脂及び溶媒は、何れも一種が単独で使用されてもよいし、二種以上が併用されてもよい。
【００４２】
＜正極＞
前記リチウムイオン二次電池においては公知の正極が適用できる。正極の作製方法としては、例えば、正極活物質、バインダー樹脂、導電助剤及び溶媒が配合されてなる正極材を調製し、これを集電体上に塗布して乾燥することにより、集電体上に正極活物質層が形成された正極を作製する方法が挙げられる。
【００４３】
前記正極活物質としては、例えば、一般式「ＬｉＭｘＯｙ（式中、Ｍは金属であり；ｘ及びｙは、金属Ｍと酸素Ｏとの組成比である。）」で表される金属酸リチウム化合物が挙げられる。具体的には、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）等が例示できる。また、類似の組成であるオリビン型リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）を用いることもできる。
【００４４】
前記金属酸リチウム化合物は、前記一般式において、Ｍが複数種のものであってもよい。このような金属酸リチウム化合物としては、一般式「ＬｉＭ１ｐＭ２ｑＭ３ｒＯｙ（式中、Ｍ１、Ｍ２及びＭ３は互いに異なる種類の金属であり；ｐ、ｑ、ｒ及びｙは、金属Ｍ１、Ｍ２及びＭ３と酸素Ｏとの組成比である。）」で表されるものが例示できる。ここで、ｐ＋ｑ＋ｒ＝ｘである。具体的には、ＬｉＮｉ０．３３Ｍｎ０．３３Ｃｏ０．３３Ｏ２等が例示できる。
【００４５】
前記正極を構成するバインダー樹脂、導電助剤、溶媒及び集電体としては、前記負極におけるものと同様のものが例示できる。前記正極活物質、導電助剤、バインダー樹脂及び溶媒は、何れも一種が単独で使用されてもよいし、二種以上が併用されてもよい。
【００４６】
＜電解質＞
本発明の第二態様を構成する電解質は、リチウムイオンを含有するものであれば特に限定されず、公知のリチウムイオン二次電池、電気二重層キャパシタ等で使用される公知の電解質、電解液等が適用可能である。電解液としては、有機溶媒に電解質塩を溶解した混合溶液が例示できる。有機溶媒としては、高電圧に対する耐性を有するものが好ましく、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、スルホラン、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、テトロヒドラフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、ジオキソラン、メチルアセテートなどの極性溶媒、又はこれら溶媒の２種類以上の混合物が挙げられる。電解質塩としては、例えばリチウムイオン二次電池の場合、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣＦ６、ＬｉＣＦ３ＣＯ２、ＬｉＰＦ６ＳＯ３、ＬｉＮ（ＳＯ３ＣＦ３）２、Ｌｉ（ＳＯ２ＣＦ２ＣＦ３）２、ＬｉＮ（ＣＯＣＦ３）２及びＬｉＮ（ＣＯＣＦ２ＣＦ３）２等のリチウムを含む塩、又はこれら塩の２種以上の混合物が挙げられる。
【００４７】
本発明の第二態様の電気化学デバイスの製造方法は特に限定されず、例えば、図１〜３に示す様に、正極２と負極３の間に第一態様のセパレータを配置した電極積層体を得て、この電極積層体をアルミラミネート袋等の外装体５（筐体）に封入して、電解液を注入することによって、電極及びセパレータに電解質４が含浸されたリチウムイオン二次電池１を製造することができる。電極積層体を構成するセパレータの配置に際しては、正極側から負極側へ向けて犠牲物質の濃度（含有量が）低くなるように配置する。
【実施例】
【００４８】
次に、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。
【００４９】
［実施例１］
＜負極の製造＞
鱗片状黒鉛（９７．５質量部）と、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）（１重量部）と、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）（１．５質量部）とを混合して負極合剤を調製し、これを水中に分散させて、負極合剤スラリー（負極合剤用組成物）を調製した。次いで、この負極合剤スラリーを厚さ１０μｍの銅箔の両面に塗布し、１００℃、−０．１ＭＰａ、１０時間の条件で減圧乾燥させた後、ロールプレスすることにより、負極活物質層を銅箔の両面に形成した負極を得た。得られた負極は、負極活物質層の積層部分（１０４×６２ｍｍ）と、負極活物質層の非積層部分（タブ部分、２×２ｃｍ程度）を残してカットした。
【００５０】
＜正極の製造＞
ニッケル・コバルト・マンガン酸リチウム（Ｎｉ：Ｃｏ：Ｍｎ＝１：１：１）（ＬｉＮＭＣ）（９３質量部）と、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）（３質量部）と、導電助剤であるカーボンブラック（４質量部）とを混合して正極合剤を調製し、これをＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）中に分散させて、正極合剤スラリー（正極合剤用組成物）を調製した。次いで、この正極合剤スラリーを厚さ１５μｍのアルミニウム箔の両面に塗布し、１００℃、−０．１ＭＰａ、１０時間の条件で減圧乾燥させた後、ロールプレスすることにより、正極活物質層を形成した正極を得た。得られた正極は、正極活物質層の積層部分（１０２×６０ｍｍ）と、正極活物質層の非積層部分（タブ部分、２×２ｃｍ程度）を残してカットした。
【００５１】
＜リチウム金属吸収層の形成＞
平均粒子径１．０μｍの二酸化ケイ素粒子７０重量部、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体３０重量部をジメチルカーボネートに投入し、８０℃に加熱し撹拌することによって、二酸化ケイ素の分散溶液を得た。得られた分散溶液を、バーコーターを用いて正極の正極活物質層の表面に塗工した。形成されたリチウム金属吸収層の厚みは３μｍであった。
【００５２】
＜リチウム金属非吸収層の形成＞
平均粒子径３．０μｍのポリメチル尿素樹脂粒子７０重量部、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体３０重量部をジメチルカーボネートに投入し、８０℃に加熱し撹拌することによって、ポリメチル尿素樹脂の分散溶液を得た。得られた分散溶液を、バーコーターを用いて、上記で形成した正極のリチウム金属吸収層の表面にさらに塗工した。形成されたリチウム金属非吸収層の厚みは１５μｍであった。
【００５３】
次いで、作製した負極及び正極を重ね合せて配置し、各電極の端子用タブを負極及び正極の外方に突出させ、それぞれのタブを超音波溶接により接合することで、電極積層体を得た。
【００５４】
次いで、この電極積層体の負極及び正極から突出させた前記端子用タブが外部へ突出するように、アルミニウムラミネートフィルムを配置し、電極積層体に電解液を抽液後、このフィルムの外周をラミネート加工して電極積層体を真空封止することにより、ラミネートセルであるリチウムイオン二次電池を製造した。作製した電池の定格容量は２００ｍＡｈである。
【００５５】
＜リチウムイオン二次電池の評価＞
上記のリチウムイオン二次電池について、２５℃において０．２Ｃ（印加電流値／電池の定格容量）の定電流定電圧充電を、上限電圧４．２Ｖとして電流値が０．１Ｃに収束するまで行った後、０．２Ｃの定電流放電を２．７Ｖまで行った。その後、０℃において０．２Ｃでの充放電サイクルを２０回繰り返し行った。その後、２５℃において０．２Ｃでの充放電を１回実施し、「容量維持率＝０℃サイクル実施後の２５℃における放電容量／０℃サイクル実施前の２５℃における放電容量」を算出した。その結果、容量維持率は８９％であった。
【００５６】
［比較例１］
実施例１において、セパレータ層として厚さ１５μｍのポリオレフィンセパレータを使用し、リチウム非吸収層、リチウム吸収層を形成しなかったこと以外は、実施例１と同様の方法で実施した。比較例１のLi二次電池の容量維持率は実施例１と同等の８６％であった。しかしながら、充放電試験終了後、１か月後のセルを観察すると、ガスが発生し、ラミネートセルが膨張していることが確認された。ガスの発生は、電池内にリチウムデンドライトが形成されたことを示している。
【００５７】
以上で説明した各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は各実施形態によって限定されることはなく、請求項（クレーム）の範囲によってのみ限定される。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、リチウムイオン二次電池等の各種電気化学デバイスの分野で利用可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１…リチウムイオン二次電池、２…正極、３…負極、４…電解質、５…外装体、６…犠牲
物質、１０…セパレータ、１０ａ…セパレータの表面、２０…セパレータ、２０ａ…セパ
レータの表面、３０…セパレータ、３０ａ…セパレータの表面、３０Ａ…第一層、３０Ｂ
…第二層、３０Ｃ…第三層、３０Ｄ…第四層、Ｌｉ‐Ｄ…リチウムデンドライト
【図１】
2019197740.tif 000003
【図２】
2019197740.tif 000004
【図３】
2019197740.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】令和1年8月30日(2019.8.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極とリチウムイオンを含有する電解質と負極とを備える電気化学デバイスにおいて前記正極と前記負極を隔てるセパレータであって、
前記セパレータはアルミニウム、シリコン、ビスマス、インジウム、マンガン、チタン、バナジウム、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、鉛、錫、アンチモン、及びヒ素からなる群から選択される１種又は複数種の金属の酸化物を含み、
前記セパレータの厚み方向に見て、前記正極側から前記負極側に向けて、前記金属の酸化物の濃度が漸次的に低下する濃度勾配を有する、セパレータ。
【請求項２】
さらに、前記セパレータの一方の表面側に、前記金属の酸化物を含まない厚み領域が設けられている、請求項１に記載のセパレータ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のセパレータの製造方法であって、
前記セパレータを構成する多孔構造の基材の一方の表面から前記金属の酸化物を含有する溶液を浸透させる工程を含む、セパレータの製造方法。
【請求項４】
請求項１又は２に記載のセパレータの製造方法であって、
前記セパレータの基材を構成するポリマーの材料であるモノマーと、前記金属の酸化物と、を含む溶液を平板上にキャストする工程と、
前記平板上にキャストした溶液中で前記金属の酸化物を沈降させる工程と、
前記平板上にキャストした溶液中の前記モノマーを重合させる工程と、を含む、
セパレータの製造方法。
【請求項５】
請求項２に記載のセパレータの製造方法であって、
さらに、前記基材の一方の表面に、前記金属の酸化物を溶出し得る溶媒を接触させる工程を含む、請求項３又は４に記載のセパレータの製造方法。