薄くて高強度なポリプロピレン系多孔質フィルムを開発――省エネ、省資源に貢献 三菱ケミカル

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3次元SEM画像

三菱ケミカルは2018年9月4日、ポリプロピレン(PP)系多孔質フィルムの空孔径、空孔率、空孔分布などの構造因子を材料設計とプロセス設計に落とし込み、空孔構造を精密に制御することで、薄く高強度なポリプロピレン系多孔質フィルムの開発に成功したと発表した。同フィルムは、リチウムイオン電池のセパレーターに適用すれば理論上電池容量を20%程度向上でき、分離膜などの各種多孔質フィルムに適用すれば機器を小型化できるという。

多孔質体は分離や吸着、断熱、吸音などの多機能を有することから種々の用途に使用されている。三菱ケミカルは、リチウムイオン電池のセパレーターに着目し、内閣府の革新的研究開発推進プログラム(ImPACT)のもとで、そのタフ化を目指した研究開発に取り組んできた。

リチウムイオン電池は、環境負荷低減などの観点から車載用への需要が高まっている。しかし、電気自動車の航続距離(1回の充電で走行できる距離)の延長には高容量化が必要だ。高容量化の1つの方法として、セパレーターの薄膜化が有効であると考えられている。

一般的に、高分子膜は「薄くすると破れやすくなる」という特性があり、膜厚と強度はトレードオフの関係にある。セパレーターを構成する高分子多孔質フィルムにおいても、高容量化のために薄くすると機械的強度が下がり、本来のセパレーターの機能を担保できないという問題があった。

セパレーターの製法には大きく分けて「湿式法」と「乾式法(一軸延伸と二軸延伸がある)」があるが、同研究では溶剤を使わず、汎用性の高い乾式法(二軸延伸)を選択。大学との連携を通して、電気特性を維持しながら、従来のトレードオフの関係を打破することを目指した。

まず、三菱ケミカルは「放射光X線散乱法」を用いる方法と、「走査型電子顕微鏡(SEM)」写真を3次元に視覚化する方法の2種類で、様々な高分子多孔質フィルムの空孔構造を解析し、各膜の間の違いを明確化した。その結果、放射光X線散乱法からはナノボイド(数十ナノメートルオーダーの空孔)とマイクロクレーズ(数百ナノメートルから数マイクロメートルオーダーの亀裂)の存在が分かった。また、3次元SEM写真からは、シミュレーションを併行することで、空孔径、空孔率、空孔分布などの情報が得られた。

次に、突刺し試験(突刺し針が試料を貫通するまで押し込ませた時の強度と変位を測定する試験)と亀裂進展速度試験(資料両端に一定の歪を与えながらノッチを入れた時の亀裂の進展速度を測定する試験)の測定結果をこの解析結果と突き合わせることで、機械的強度を高める上で理想的な空孔構造は「ナノボイドが異方性なく均一に形成されている」という指針を打ち出した。

突刺し試験

亀裂進展速度試験

この指針に沿って多孔質フィルムを具現化するため、材料と製膜プロセスの両面から結晶性制御や配向制御など、高次構造の精密制御を実施。その結果、膜厚が従来の1/4以下の5マイクロメートルであるにも関わらず、突刺し試験における単位厚み換算強度が従来膜の2~3倍という結果が得られた。また、亀裂進展速度試験では一定歪のもとで亀裂進展速度が遅くなり、薄膜化とタフ化の両立を確認。理論上、電池容量を20%程度向上させることが可能となった。

薄膜高強度化の達成(透気性を維持しながら)

突刺し強度とフィルム厚みの関係

突刺し強度と透気性の関係

さらに、薄膜化による電池特性への影響を調べるため、得られた厚み5マイクロメートルのセパレーターをセルに組み込み、リチウムイオン電池としての初期特性やサイクル特性(寿命)を評価した結果、電池性能上問題のないことも分かった。

今後は今回の解析手法や材料設計・プロセス設計の指針などをリチウムイオン電池のセパレーター以外の高分子多孔質フィルムにも適用して、PP系以外の様々な多孔質フィルムの性能向上や、分離膜や断熱シートなどの幅広い用途展開につなげることを目指すという。

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