(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量平均分子量が１×１０6 以上の超高分子量ポリオレフィンを含有するポリオレフィンと平板構造を有する無機物を含む無機粉体及び／又は無機繊維の総量５〜２５重量％並びに溶媒７５〜９５重量％からなる樹脂組成物を混練りし、シート状に成形し、延伸及び脱溶媒処理を行う工程を有する多孔質フィルムの製造方法。
【請求項２】
平板構造を有する無機物がカオリナイト、ナクライト、ディッカイト等のカオリン族粘土、モンモリロナイト、ザウコナイト等のモンモリロナイト鉱物、リザルダイト等の蛇紋石、イライト、セリサイト、海緑石等のマイカ、バーミキュライトからなる群より選ばれる１種以上のものである請求項１記載の製造方法。
【請求項３】
多孔質フィルムが、重量平均分子量が１×１０6 以上の超高分子量ポリオレフィンをポリオレフィン中に３０重量％以上含有するポリオレフィン３０〜８５重量％と無機粉体及び／又は無機繊維１５〜７０重量％からなる、請求項１又は２記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は多孔質フィルム及びその製造方法に関する。さらに詳しくは、電池の正極負極間に配置されてこれらを隔離させる電池用セパレータ等として好適に用いられる多孔質フィルム及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器のコードレス化等に対応するために、電池として軽量で、高起電力、高エネルギーが得られ、しかも自己放電が少ないリチウム電池が注目を集めている。このリチウム電池の正極負極の間には、正極負極の短絡防止のためにセパレータが設けられており、このセパレータとしては正極負極間のイオンの透過性を確保するために多数の微孔を有する多孔質フィルムが使用されている。かかる多孔質フィルムの材料としては、高分子量ポリオレフィンを用いた多孔質フィルムが種々提案されている。
【０００３】
例えば、高温での耐短絡性を向上させる方法として、ポリオレフィン系樹脂に無機粉体及び／又は無機繊維とから構成された厚さ１０〜２００μｍの無機質多孔膜をセパレータとして用いることが、特開平１０−５０２８７号公報に開示されている。該公報では無機粉体として酸化チタン、酸化アルミニウム、チタン酸カリウム等が挙げられ、一般に球形ないし針状の無機物が挙げられている。
【０００４】
また、前記無機質多孔膜の延伸倍率は１〜１０倍程度とする旨が記載されているが、この程度の延伸倍率は低いため、得られる膜強度は十分でない。また、球形の無機粉体や針状の無機繊維を用いた多孔質フィルムをリチウム電池セパレータとして用いた場合、膜強度を向上させるために延伸倍率をさらに大きくすると、膜の通気度が過度に低下し、膜抵抗が低下する。この場合、例えば、外部短絡等が生じた際に一瞬で大電流が流れ、電池内部の温度が劇的に上昇するが、セパレータのシャットダウン機能も一瞬では作用できず、非常に危険である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、微細孔構造及び適度な空孔率を有し、膜強度や通気度（ガーレ値）が高く、高温での正極負極間の短絡を防止する多孔質フィルム及び該多孔質フィルムの製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意検討した結果、重量平均分子量が１×１０6 以上の超高分子量ポリオレフィンを含有するポリオレフィンと、平板構造を有する無機物を含有する無機粉体及び／又は無機繊維とからなる樹脂組成物を混練してシート状に成形し、延伸及び溶媒除去することにより得られる多孔質フィルムが、微細孔構造を有し、適度な空孔率を有し、膜強度や通気度が高く、高温においても正極負極間の短絡を防止することを見出し、本発明に到達した。
【０００７】
即ち、本発明の要旨は、
〔１〕  重量平均分子量が１×１０6 以上の超高分子量ポリオレフィンを含有するポリオレフィンと平板構造を有する無機物を含む無機粉体及び／又は無機繊維の総量５〜２５重量％並びに溶媒７５〜９５重量％からなる樹脂組成物を混練りし、シート状に成形し、延伸及び脱溶媒処理を行う工程を有する多孔質フィルムの製造方法、
〔２〕  平板構造を有する無機物がカオリナイト、ナクライト、ディッカイト等のカオリン族粘土、モンモリロナイト、ザウコナイト等のモンモリロナイト鉱物、リザルダイト等の蛇紋石、イライト、セリサイト、海緑石等のマイカ、バーミキュライトからなる群より選ばれる１種以上のものである前記〔１〕記載の製造方法、
〔３〕  多孔質フィルムが、重量平均分子量が１×１０6 以上の超高分子量ポリオレフィンをポリオレフィン中に３０重量％以上含有するポリオレフィン３０〜８５重量％と無機粉体及び／又は無機繊維１５〜７０重量％からなる、前記〔１〕又は〔２〕記載の製造方法に関する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明に用いることができるポリオレフィンは、重量平均分子量が１×１０6 以上の超高分子量ポリオレフィンを含有したものである。
【０００９】
超高分子量ポリオレフィンとしては、エチレン、プロピレン、１−ブテン、４−メチル−１−ペンテン、１−ヘキセン等のオレフィンの単独重合体、共重合体及びこれらのブレンド物等が挙げられる。これらの中では、多孔質フィルムの高強度化の観点から、機械的強度に優れる超高分子量ポリエチレンを用いることが好ましい。
【００１０】
超高分子量ポリオレフィンの重量平均分子量は１×１０6 以上であり、好ましくは１．５×１０6 以上である。また、超高分子量ポリオレフィンのポリオレフィン中における含有量は、高温での高い溶融粘度を得る観点から、３０重量％以上が好ましく、５０〜１００重量％がより好ましい。
【００１１】
ポリオレフィンの多孔質フィルム中における含有量は、適度な通気度及び優れた高温での耐短絡性を得る観点から、３０〜８５重量％であり、好ましくは４０〜８０重量％、より好ましくは５０〜８０重量％である。
【００１２】
本発明に用いることができる無機粉体及び無機繊維は、平板構造を有する無機物を含有するものである。即ち、平板構造を有する無機粉体及び無機繊維が好適に使用される。
【００１３】
本明細書において、平板構造とは、粒子や繊維の平面図において、その輪郭に接する最短間隔の二つの平行線間の距離（短径ｂ）と、水平面に平行で粒子や繊維表面に接する平面の高さ（厚みｔ）から以下の式により計算される偏平度が５以上のものを示す。本発明では、平板構造を有する無機物の中でも偏平度が７以上の無機物が特に好適である。短径ｂと厚みｔの測定は、例えばＳＥＭ観察により行うことができる。
【００１４】
偏平度＝短径ｂ／厚みｔ
【００１５】
また、本発明において無機粉体の平均径は０．１〜５μｍであり、無機繊維としては、平均繊維厚０．０１〜１μｍ、平均繊維長０．５〜１０μｍのものが好適である。本発明においては、平板構造を有する無機物を含有する無機粉体及び／又は無機繊維を用いることに一つの大きな特徴があり、かかる平板構造を有する無機物を用いることにより、高温での電極間の短絡を効率よく防止し、フィルム厚みを低減し、かつ通気度を高く保ち、安全性を向上させるという優れた効果が発現される。
【００１６】
このような平板構造を有する無機物を用いた場合に、延伸処理において延伸倍率を高くして多孔質フィルムを製造しても、微細孔構造や適度な空孔率を有し、膜強度や通気度が高くしかも高温での耐短絡性が高い多孔質フィルムが得られる理由については必ずしも明らかではないが、例えば、球状又は針状の無機物を用いた場合、延伸すると無機物を取り巻くような大きな空隙が生じると共にポリオレフィンとの接触が小さくなるのに対し、本発明においては無機物は平板構造を有しているため、延伸されてもポリオレフィンとの接触面積が大きく、連通孔の増大を抑制するためと考えられる。
【００１７】
前記無機物としては、平板構造を有する無機粉体や無機繊維であれば特に限定されないが、例えば、絶縁体であり、電池内部で不活性な無機材料が好ましい。特に限定されないが、その具体例としては、カオリナイト、ナクライト、ディッカイト等のカオリン族粘土、モンモリロナイト、ザウコナイト等のモンモリロナイト鉱物、リザルダイト等の蛇紋石、イライト、セリサイト、海緑石等のマイカ、バーミキュライト等が挙げられる。これらの中では、カオリン族粘土やマイカが特に好ましい。これらの無機物は、２種以上を混合して用いてもよい。
【００１８】
平板構造を有する無機物の前記無機粉体及び無機繊維中における含有量は、好ましくは５０重量％以上、より好ましくは６０〜１００重量％である。また、平板構造をもたない無機粉体及び／又は無機繊維を耐熱性と通気度を電池の特性にあわせ制御する目的で含有していてもよいが、無機粉体及び無機繊維中に５０重量％未満の量とするのが好ましい。平板構造をもたない無機粉体及び無機繊維としては、酸化チタン、チタン酸カリウム、酸化アルミニウム等の球形又は針状無機物が挙げられる。
【００１９】
無機粉体及び／又は無機繊維の多孔質フィルム中における含有量は、耐熱性向上とフィルム強度の観点から、１５〜７０重量％であり、好ましくは２０〜６０重量％、より好ましくは３０〜６０重量％である。
【００２０】
ポリオレフィンと無機粉体及び／又は無機繊維からなる本発明の多孔質フィルムの厚みは、電池の容量の増大を容易にし、また膜強度を確保する観点から、好ましくは１０〜１００μｍ、より好ましくは１５〜５０μｍである。
【００２１】
多孔質フィルムの空孔率は、好ましくは４０％以上、より好ましくは４０〜  ７０％である。特に、本発明の多孔質フィルムは、かかる範囲の空孔率に加えて、ポリオレフィンのみからなる多孔質フィルムと同様な微細孔構造を有するため、優れた電解液保持性を有するという優れた効果が発現される。
【００２２】
多孔質フィルムの通気度は、外部短絡時に一瞬で大電流が流れるのを防ぎ、電池の安全性を確保する観点及び膜抵抗を適度にし、急速充放電を効率よく行う観点から、好ましくは１００〜１５００ｓｅｃ／１００ｃｃ、より好ましくは１００〜１０００ｓｅｃ／１００ｃｃである。
【００２３】
多孔質フィルムの膜強度は電池組み立て時におけるフィルムの破膜を防止する観点から、突刺強度が７００ｇｆ／２５μｍ以上であることが好ましく、８００ｇｆ／２５μｍ以上であることがより好ましい。
【００２４】
多孔質フィルムの高温での耐短絡性としては、例えば、短絡を生じる温度が１８０℃以上であることが好ましく、１９０℃以上であることがより好ましい。
【００２５】
本発明の多孔質フィルムは、例えば、ポリオレフィンと無機粉体及び／又は無機繊維を溶媒と混合して樹脂組成物を調製し、これを混練し、シート状に成形し、延伸及び脱溶媒処理をすることにより製造することができる。
【００２６】
ポリオレフィンと無機粉体及び／又は無機繊維の使用量としては、その総量が樹脂組成物中において、５〜２５重量％であることが好ましく、１０〜２５重量％であることがより好ましい。樹脂組成物の調製におけるポリオレフィンと無機粉体及び／又は無機繊維の配合比率、無機粉体及び／又は無機繊維中における平板構造を有する無機物の配合比率は、得られる多孔質フィルムを構成する各成分比率が本発明で規定する所望の範囲となるように適宜選択される。
【００２７】
溶媒としては、ポリオレフィンを溶解するものであればよく、例えば、ノナン、デカン、ウンデカン、ドデカン、デカリン、流動パラフィン等の脂肪族又は環状の炭化水素、あるいは沸点がこれらに対応する鉱油留分が挙げられ、これらの中では、流動パラフィン等の不揮発性溶媒が好ましい。
【００２８】
溶媒の使用量としては、混練りトルク、圧延、延伸応力がそれぞれ低く、優れた生産性を得る観点及びシート化する際のネックインを小さくして生産性を上げる観点から、樹脂組成物中において、７５〜９５重量％であることが好ましい。
【００２９】
なお、樹脂組成物には、必要に応じて、酸化防止剤、紫外線吸収剤等の添加剤を、目的を損なわない範囲で添加することができる。
【００３０】
得られた樹脂組成物を混練りし、シート状に成形する工程は、通常用いられる公知の方法により行うことができる。例えば、樹脂組成物をバンバリーミキサー、ニーダー等を用いてバッチ式で混練りし、次いで、冷却された金属板に挟み込み急冷して急冷結晶化によりシート状成形物にしてもよく、Ｔダイ等を取り付けた押出機等を用いてシート状成形物を得てもよい。
【００３１】
樹脂組成物の混練りの際の温度は、ポリオレフィンを効率良く分散し、ポリオレフィンの分解を抑える観点から、該ポリオレフィンを該溶媒が溶解を開始させる温度（溶解開始温度）〜＋６０℃の範囲が好ましく、溶解開始温度＋２０℃〜＋５０℃の範囲がより好ましい。
【００３２】
シート状に成形するに際しては、押出機等から出てくるシート状成形物をさらに急冷してもよい。この時、過冷却度（ΔＴ）が２０℃以上になる条件で急冷することがより好ましい。
【００３３】
このようにして、樹脂組成物のシート状成形物を得ることができる。ここで、シート状成形物の厚みとしては、特に限定されないが、１〜２０ｍｍのものが好ましく、３〜１５ｍｍのものがより好ましい。
【００３４】
次に、シート状成形物の延伸及び脱溶媒処理を行う。延伸処理の方式は、特に限定されるものではなく、通常の圧延法（プレス法）、テンター法、ロール法、インフレーション法又はこれらの方法の組合せであってもよく、また、一軸延伸、二軸延伸等のいずれの方式も適用することができる。また、二軸延伸の場合は、縦横同時延伸又は逐次延伸のいずれでもよい。さらに、本発明では、延伸処理に先立ち、シート状成形物の圧延等の処理を行ってもよい。
【００３５】
延伸処理の温度は、延伸の均一性が良好で、充分な膜強度を得る観点から、ポリオレフィンの融点（Ｔｍ）＋５℃以下が好ましい。また、延伸倍率は、２５〜４００倍が好ましく、５０〜３００倍がより好ましい。その他の延伸処理条件は、通常用いられる公知の条件を採用することができる。
【００３６】
脱溶媒処理は、シート状成形物から溶媒を除去して多孔質構造を形成させる工程であり、例えば、シート状成形物を溶剤で洗浄して残留する溶媒を除去することにより行うことができる。溶剤としては、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、デカン等の炭化水素、塩化メチレン、四塩化炭素等の塩素炭化水素、三フッ化エタン等のフッ化炭化水素、ジエチルエーテル、ジオキサン等のエーテル類等の易揮発性溶剤が挙げられ、これらは単独で又は２種以上を混合して用いることができる。かかる溶剤を用いた洗浄方法は、特に限定されず、例えば、シート状成形物を溶剤中に浸漬して溶媒を抽出する方法、溶剤をシート状成形物にシャワーする方法等が挙げられる。
【００３７】
なお、本発明において、脱溶媒処理は、延伸前後に適宜行えばよい。例えば、前記シート状成形物を脱溶媒処理してから延伸処理に供してもよく、またシート状成形物をそのまま延伸処理してから脱溶媒処理を行ってもよい。あるいは、延伸処理前に脱溶媒処理を行い、延伸処理後に再度脱溶媒処理を行って残存溶媒を除去する態様であってもよい。
【００３８】
また、前記工程により得られた多孔質構造を有する成形物をヒートセット処理することができる。本発明において、ヒートセット処理は、フィルムの寸法変化を抑制して連続熱風炉へ通す等の公知の方法を用いることができる。ヒートセット処理の温度は、ポリオレフィンのＴｍ−２０℃以上、Ｔｍ＋５℃以下が好ましい。また、ヒートセット処理時間は、温度により異なり一概には限定できないが、例えば、３０秒〜１時間程度行うのが好ましい。
【００３９】
また、本発明においては、予め超高分子量ポリオレフィンの融点−２０℃以下の温度で予熱を行った後にヒートセット処理を行ってもよい。
【００４０】
このようにして得られる本発明の多孔質フィルムは、微細孔構造及び適度な空孔率を有し、膜強度や通気度が高く、高温での耐短絡性が優れているため、電池のセパレータとしての用途だけでなく、各種フィルター、電解コンデンサー用隔膜等にも好適に使用することができる。
【００４１】
【実施例】
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はかかる実施例により何ら限定されるものではない。なお、各種特性については、下記要領にて測定を行う。
【００４２】
（１）空孔率
測定対象の多孔質フィルムを直径６ｃｍの円状に切り抜き、その体積と重量を求め、得られる結果から次式を用いて計算する。
【００４３】
空孔率（％）＝１００×〔体積（ｃｍ3 ）−重量（ｇ）／平均密度（ｇ／ｃｍ3 ）〕／体積（ｃｍ3 ）
なお、式中の「平均密度」はポリオレフィン並びに無機粉体及び／又は無機繊維の平均密度である。
【００４４】
（２）通気度（ガーレ値）
ＪＩＳ  Ｐ８１１７に準拠して測定する。
【００４５】
（３）耐熱性（高温での耐短絡性）
平均粒径１０μｍのＬｉＣｏＯ2 とカーボンブラック及びバインダーからなるペーストをステンレスメッシュに塗布した後乾燥固定した大きさφ１４ｍｍの正極と、平均粒径１０μｍのカーボンフレーク及びバインダーからなるペーストをステンレスメッシュに塗布した後乾燥固定した大きさφ１６ｍｍの負極でφ２０ｍｍ以上の大きさの多孔質フィルムを挟み、四フッ化エチレンシートを介してステンレス板に挟み、四隅のボルトをトルクレンチで１．０ｋｇｆ・ｃｍのトルクで締め、１０℃／ｍｉｎで昇温しながら両極の導通性をテスターにて調べて、短絡を生じた温度を測定する。
【００４６】
（４）膜強度（突刺強度）
突刺強度は、カトーテック（株）製の圧縮試験機「ＫＥＳ−Ｇ５」を使用して針突き刺し試験を行い、測定により得られた荷重変異曲線より最大荷重を読み取って突刺強度値とした。針は直径１．０ｍｍ、先端曲率半径０．５ｍｍを用い、突き刺しは２ｍｍ／秒の速度で行った。
【００４７】
実施例１
重量平均分子量が２×１０6 の超高分子量ポリエチレン（Ｔｍ：１３３℃、密度０．９４ｇ／ｃｍ3 ）１５重量部とマイカ（平均径２μｍ、密度２．６ｇ／ｃｍ3 、偏平度１５）１０重量部、流動パラフィン８５重量部をスラリー状に均一混合し、１６０℃の温度で小型ニーダーを用い、６０分間溶解混練りした。その後、これらの混練物を０℃に冷却された金属板に挟み込み、厚さ５ｍｍのシート状に急冷した。これらの急冷結晶化したシート状樹脂を、１２０℃でシート厚さが０．８ｍｍになるまでヒートプレス（延伸倍率６．１倍）し、１２０℃で同時に縦横３．５×３．５倍に二軸延伸し（総延伸倍率７５倍）、ヘプタンを用いて脱溶媒処理を行なった。次いで１３０℃で１０分間ヒートセット処理し、膜厚２７μｍ、空孔率５７％の微細孔構造を有する多孔質フィルムを得た。
【００４８】
比較例１
マイカを添加しない以外は実施例１と同様に製膜し、脱溶媒、ヒートセット処理を行ない、膜厚２５μｍ、空孔率５２％の多孔質フィルムを得た。
【００４９】
比較例２
マイカの代わりにチタン酸カリウム（繊維状、平均繊維厚０．１μｍ、平均繊維長５μｍ、密度３．３ｇ／ｃｍ3 、偏平度３）５重量部を添加した以外は実施例１と同様に製膜し、脱溶媒、ヒートセット処理を行ない、膜厚２８μｍ、空孔率６７％の多孔質フィルムを得た。
【００５０】
実施例１及び比較例１〜２で得られた多孔質フィルムの膜厚、空孔率、ガーレ値、短絡温度及び突刺強度を表１に示す。
【００５１】
【表１】
0004177929.tif 000002
【００５２】
以上の結果より、実施例１で得られた多孔質フィルムは、比較例１〜２で得られた多孔質フィルムに比べ、適度な空孔率を有し、ガーレ値（通気度）や膜強度が高く、耐熱性（高温での耐短絡性）に優れたものであることがわかる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明により、適度な空孔率を有し、膜強度や通気度が高く、高温での耐短絡性が高く、電解液保液性がよい多孔質フィルムを得ることができるという効果が奏される。また、本発明の多孔質フィルムは、電池セパレータとしての用途だけでなく、各種フィルター、電解コンデンサー用隔膜等に好適に用いることができる。