JP7164742B2 - 組電池用断熱シート及び組電池 - Google Patents
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Description
(1) 複数の電池セルを直列又は並列に接続した組電池における、前記電池セル間に介在される組電池用断熱シートであって、
シリカナノ粒子で構成される第1粒子と、金属酸化物からなる第2粒子と、を含み、
前記第1粒子の含有量は、前記第1粒子と第2粒子との合計質量に対して、60質量%以上95質量%以下である、組電池用断熱シート。
(2) 前記第1粒子は、平均粒子径が1nm以上100nm以下である、(1)に記載の組電池用断熱シート。
(3) 前記第2粒子は、チタニア、ジルコニア、ジルコン、チタン酸バリウム、酸化亜鉛、およびアルミナから選択された少なくとも1種である、(1)又は(2)に記載の組電池用断熱シート。
(4) 前記第2粒子はチタニアである、(1)~(3)のいずれか1項に記載の組電池用断熱シート。
(5) 前記第2粒子は、平均粒子径が0.1μm以上50μm以下である、(1)~(4)のいずれか1項に記載の組電池用断熱シート。
(6)繊維、バインダおよび耐熱樹脂から選択される少なくとも1種からなる結合材を含み、
前記結合材の含有量は組電池用断熱シート全質量に対して10質量%以上60質量%以下である、(1)~(5)のいずれか1項に記載の組電池用断熱シート。
(7) 組電池用断熱シート全質量に対し、60質量%以下の無機バルーンを含む、(1)~(6)のいずれか1項に記載の組電池用断熱シート。
(8) 前記無機バルーンは、シラスバルーン、シリカバルーン、フライアッシュバルーン、バーライトバルーン、およびガラスバルーンから選択された少なくとも1種である、(7)に記載の組電池用断熱シート。
(9) 前記無機バルーンは、平均粒子径が1μm以上100μm以下である、(7)または(8)に記載の組電池用断熱シート。
(10) 複数の電池セルが、(1)~(9)のいずれか1項に記載の組電池用断熱シートを介して配置され、該複数の電池セルが直列または並列に接続された組電池。
これは、シリカナノ粒子は、絶縁体であるので静電気による反発力で粒子間に細かな空隙ができやすく、かさ密度が低くクッション性があるように粒子が充填されるからであると考えられる。すなわち、断熱シートに、平均粒子径が1nm以上100nm以下であるシリカナノ粒子が含まれていると、圧縮応力が印加されても、シリカナノ粒子間に残った空隙と、多くの粒子間の接点が伝導伝熱を抑制し、断熱シートの断熱性を維持することができる。
しかし、第1粒子として、粒子径の小さなシリカナノ粒子を用いた断熱シートは、粒子間の空隙部が、例えば数10nmと小さくなり、空隙部の空気の移動は起こりにくく、対流伝熱の発生を抑制することができ、断熱性をより一層高めることができると考えられる。
なお、シリカナノ粒子は、細かな空隙を多く形成すること、粒子間の接点の数を増やすことが重要であり一次粒子でも、凝集した二次粒子で含有していてもよい。
図1は本発明の実施形態に係る組電池用断熱シートの構成を示す模式図であり、図2は図1に示す組電池用断熱シートを用いた組電池の実施形態を模式的に示す断面図である。断熱シート10には、シリカナノ粒子で構成される第1粒子21とチタニア(金属酸化物)からなる第2粒子22とが含まれている。
なお、上記シリカナノ粒子としては、一次粒子の平均粒子径が1nm以上100nm以下である粒子を用いることが望ましい。
なお、電池セル20は、例えば、リチウムイオン二次電池が好適に用いられるが、特にこれに限定されず、その他の二次電池にも適用され得る。
次に、組電池用断熱シートを構成する第1粒子および第2粒子について詳細に説明する。
本発明において、第1粒子としてはシリカナノ粒子を用いる。シリカナノ粒子としては、湿式シリカ、乾式シリカおよびエアロゲル等を使用することができる。
また、本発明においてシリカナノ粒子とは、球形あるいは球形に近い平均粒子径が1μm未満のナノメートルオーダーのシリカの粒子である。
上述の通り、第1粒子の粒子径は、断熱シートの断熱性に影響を与えることがあるため、第1粒子の平均粒子径を所定の範囲に限定すると、より一層高い断熱性を得ることができる。
すなわち、第1粒子の平均粒子径を1nm以上100nm以下とすると、特に500℃未満の温度領域において、断熱シート内における熱の対流伝熱および伝導伝熱を抑制することができ、断熱性をより一層向上させることができる。
なお、第1粒子の平均粒子径は、2nm以上であることがより好ましく、3nm以上であることがさらに好ましい。また、第1粒子の平均粒子径は、50nm以下であることがより好ましく、10nm以下であることがさらに好ましい。
本発明において、第2粒子としては金属酸化物を用いる。金属酸化物としては、チタニア、ジルコニア、ジルコン、チタン酸バリウム、酸化亜鉛、およびアルミナ等を使用することができる。特に、チタニアは他の金属酸化物と比較して屈折率が高い成分であり、500℃以上の高温度領域において光を乱反射させ輻射熱を遮る効果が高いため、チタニアを用いることが最も好ましい。
第2粒子の粒子径は、輻射熱を反射する効果に影響を与えることがあるため、第2粒子の平均粒子径を所定の範囲に限定すると、より一層高い断熱性を得ることができる。
すなわち、第2粒子の平均粒子径が0.1μm以上であると、加熱に寄与する光の波長よりも十分に大きく、光を効率よく乱反射させ、本発明における第2粒子の存在範囲(質量比)において、500℃以上の高温度領域において断熱シート内における熱の輻射伝熱が抑制され、より一層断熱性を向上させることができる。一方、第2粒子の平均粒子径が50μm以下であると、圧縮されても粒子間の接点や数が増えず、伝導伝熱のパスを形成しにくく、特に伝導伝熱が支配的な通常温度域の断熱性への影響を小さくすることができる。
なお、第2粒子の平均粒子径は、1μm以上であることがより好ましく、5μm以上であることがさらに好ましい。また、第2粒子の平均粒子径は、30μm以下であることがより好ましく、10μm以下であることがさらに好ましい。
本発明において平均粒子径は、顕微鏡で粒子を観察し、標準スケールと比較し、任意の粒子10個の平均をとることから求めることができる。
本発明においては、500℃以上の高温度領域においても断熱性を向上させるために、断熱シートが第2粒子を含むものとしているが、第1粒子に対して第2粒子の添加量が少量であっても、熱の輻射伝熱を抑制する効果を得ることができる。また、第1粒子によって、熱の対流伝熱及び伝導伝熱を抑制する効果を得るためには、第1粒子の第2粒子に対する添加量を増加させた方が好ましい。
なお、第1粒子はシリカナノ粒子であるのでかさ密度が低く(0.1g/cm3程度)、第2粒子は第1粒子より平均粒子径が大きいので空隙が少なく、第2粒子のかさ密度は第1粒子の10倍以上、例えばチタニアを選択した場合40倍程度(4g/cm3程度)となる。このため、体積比で表した場合は(質量比で表した場合と比べ)第2粒子の比率はごく少量となるが、第2粒子は輻射伝熱を抑えるため光を遮りさえすればよく、ごく少量でも有効に機能する。このように、第1粒子と第2粒子との質量比は、通常温度から500℃以上の高温度までの領域における断熱性に大きく影響するため、本発明においては、第1粒子と第2粒子との質量比を適切に調整することが必要である。
本発明の組電池用断熱シートの第1粒子の含有量は、第1粒子と第2粒子との合計質量に対して、70質量%以上であることがさらに好ましい。第1粒子の含有量が、第1粒子と第2粒子との合計質量に対して、70質量%以上であると、第1粒子がさらに体積の大部分を占有するようになり、断熱シート内における熱の対流伝熱または伝導伝熱を抑制し、断熱性がさらに高くなる。
本発明の組電池用断熱シートの第1粒子の含有量は、第1粒子と第2粒子との合計質量に対して、90質量%以下であることがさらに好ましい。第1粒子の含有量が、第1粒子と第2粒子との合計質量に対して、90質量%以下であると、第2粒子の含有量は10質量%以上となり、第2粒子によるによる輻射熱の遮蔽効果をさらに発揮できるようになる。このため、500℃以上の高温度領域において、断熱シート内における熱の輻射伝熱を抑制し、さらに圧縮されても断熱性を発揮することができる。
また、第2粒子の平均粒子径は、第1粒子の粒子径の10000倍以下であると、伝導伝熱のパスを形成しにくく、特に伝導伝熱が支配的な通常温度域の断熱性への影響を小さくすることができる。
第1粒子の平均粒子径が1nm以上100nm以下であると、多くの空隙が形成されクッション性も有しているので、外部から圧縮力が加わっても、通常の温度域を中心に広い温度域にわたって対流伝熱、伝導伝熱を効率よく抑制することができる。
また、第2粒子の平均粒子径が0.1μm以上50μm以下であると、500℃以上の高温度領域で効率よく輻射伝熱を抑制することができる。その結果、電池の通常使用時における温度から500℃以上の高温までの広い温度領域にわたって、外部から圧縮力が加わっても高い断熱性が得られると考えられる。
第1粒子の平均粒子径が1nm以上100nm以下であると、多くの空隙が形成されクッション性も有しているので、外部から圧縮力が加わっても、通常の温度域を中心に広い温度域にわたって対流伝熱、伝導伝熱を効率よく抑制することができる。
第2粒子の平均粒子径が0.1μm以上50μm以下であると、500℃以上の高温度領域で効率よく輻射伝熱を抑制することができる。
第1粒子の含有量が、第1粒子と第2粒子との合計質量に対して、60質量%以上95質量%以下であると、輻射伝熱の抑制に必要な第2の粒子の量と、伝導・対流伝熱の抑制とクッション性に必要な第1の粒子の量を最適化できる。
その結果、電池の通常使用時における温度から500℃以上の高温までの広い温度領域にわたって、外部から圧縮力が加わってもバランスよく高い断熱性が得られると考えられる。
本発明に係る組電池用断熱シートは、断熱シート全質量に対し、60質量%以下の無機バルーンを含んでいてもよい。
断熱シートに60質量%以下の範囲で無機バルーンが含まれると、500℃未満の温度領域において、断熱シート内における熱の対流伝熱または伝導伝熱を抑制することができ、断熱シートの断熱性をより一層向上させることができる。
断熱シート全質量に対する無機バルーンの質量は、50質量%以下であることがより好ましい。なお、無機バルーンとしては、シラスバルーン、シリカバルーン、フライアッシュバルーン、バーライトバルーン、およびガラスバルーンから選択された少なくとも1種を用いることができる。
本発明に係る組電池用断熱シートが無機バルーンを含む場合、無機バルーンの平均粒子径が適切に調整されていると、電池セルが熱膨張して、断熱シートに対して圧縮応力が加わった場合であっても、密度の変化が断熱性に対して与える影響を低減することができる。
すなわち、無機バルーンの平均粒子径が1μm以上100μm以下であると、断熱シート内における第1粒子及び第2粒子の密度が変化しても、断熱性が低下することをより一層抑制することができる。また、無機バルーンの平均粒子径は、3μm以上70μm以下であることがより好ましい。
本発明に係る組電池用断熱シートは、結合材を含まないものであっても、焼結等により形成されることができるが、特に組電池用断熱シートが第1粒子としてシリカナノ粒子を含む場合には、断熱シートとしての形状を保持するために、適切な含有量で結合材を添加することが好ましい。本発明において結合材とは、第1の粒子、第2の粒子を保持するために繋ぎ止めておくものでおくものであればよく、接着を伴うバインダ、粒子を物理的に絡める繊維、粘着力で付着する耐熱樹脂などその形態は問わない。
無機繊維は、線状または針状の繊維であり、断熱シートの電池セルからの圧縮応力に対する機械的強度および保形性の向上に寄与する。
このような効果を得るために、結合材として無機繊維を用いる場合には、その平均繊維径が0.1μm以上であることが好ましく、2μm以上であることがより好ましい。但し、無機繊維が太すぎると、断熱シートへの成形性、加工性が低下するおそれがあるため、20μm以下とすることが好ましく、15μm以下とすることがより好ましい。
結合材として無機繊維を用いると、断熱シートとして成形したときに繊維同士が好適に絡み合い、充分な面圧を得ることができる。
このような効果を得るために、無機繊維を用いる場合には、その平均繊維長が0.1mm以上であることが好ましく、0.5mm以上であることがより好ましい。但し、無機繊維の平均繊維長が長すぎると、抄造工程において水に無機繊維を分散したスラリー溶液の調製時に、無機繊維同士の絡み合いが強くなりすぎることがあり、シート状に成形した後に無機繊維が不均一に集積しやすくなることがある。
したがって、無機繊維の平均繊維長は20mm以下であることが好ましく、10mm以下であることがより好ましい。
なお、無機繊維の繊維径および繊維長は、ピンセットを使用して、成形後のシートから無機繊維を破断しないように抜き取り、顕微鏡で観察し標準スケールと比較することにより測定することができる。無機繊維の繊維径および繊維長は、任意の繊維10本の平均値から得られる。
本発明に係る組電池用断熱シートの厚さは特に限定されないが、0.1mm以上30mm以下の範囲にあることが好ましい。断熱シートの厚さが上記範囲内であると、充分な機械的強度を得ることができるとともに、容易に成形することができる。
続いて、本発明に係る組電池用断熱シートの製造方法について詳細に説明する。
湿式抄造法では、まず、第1粒子および第2粒子、ならびに必要に応じて結合材である無機繊維、有機繊維、または有機バインダを水中で混合し、撹拌機で撹拌することにより、混合液を調製する。その後、得られた混合液を、底面に濾過用のメッシュが形成された成形器に流し込み、メッシュを介して混合液を脱水することにより、湿潤シートを作製する。その後、得られた湿潤シートを加熱するとともに加圧することにより、断熱シートを得ることができる。なお、加熱および加圧工程の前に、湿潤シートに熱風を通気させて、シートを乾燥する通気乾燥処理を実施してもよいが、この通気乾燥処理を実施せず、湿潤した状態で加熱および加圧してもよい。
乾式成形法では、まず、第1粒子および第2粒子、ならびに必要に応じて結合材である無機繊維、有機繊維、または有機バインダを所定の割合でV型混合機などの混合機に投入する。そして、混合機に投入された材料を充分に混合した後、所定の型内に混合物を投入し、プレスすることにより断熱シートを得ることができる。プレス時には、必要に応じて加熱してもよい。
押出成形法では、まず、第1粒子および第2粒子、ならびに必要に応じて結合材である無機繊維、有機繊維、または有機バインダに水を加え、混練機で混練することにより、ペーストを調製する。その後、得られたペーストを、押出成形機を用いてスリット状のノズルから押出しさらに乾燥させることにより、組電池用断熱シートを得ることができる。有機バインダとしては、メチルセルロース及び水溶性セルロースエーテル等を使用することが好ましいが、押出成形法を用いる場合に一般的に使用される有機バインダであれば、特に限定されずに使用することができる。
本発明に係る組電池は、図2に例示したように、複数の電池セルが、上記の組電池用断熱シートを介して配置され、複数の電池セルが直列または並列に接続されたものである。
なお、乾燥は110℃で実施し、得られた断熱シートのサイズは、幅が80mm、長さが80mm、厚さが1mmであった。
10a、10b 面
20 電池セル
21 第1粒子
22 第2粒子
30 電池ケース
100 組電池
Claims (10)
- 複数の電池セルを直列又は並列に接続した組電池における、前記電池セル間に介在される、湿式抄造法による組電池用断熱シートであって、
湿式シリカで構成される第1粒子と、金属酸化物からなる第2粒子と、を含み、
前記湿式シリカは、前記湿式シリカ間に細かな空隙が形成されており、
前記第1粒子の含有量は、前記第1粒子と第2粒子との合計質量に対して、60質量%以上95質量%以下である、組電池用断熱シート。 - 前記第1粒子は、平均粒子径が1nm以上100nm以下である、請求項1に記載の組電池用断熱シート。
- 前記第2粒子は、チタニア、ジルコニア、ジルコン、チタン酸バリウム、酸化亜鉛、およびアルミナから選択された少なくとも1種である、請求項1又は2に記載の組電池用断熱シート。
- 前記第2粒子はチタニアである、請求項1~3のいずれか1項に記載の組電池用断熱シート。
- 前記第2粒子は、平均粒子径が0.1μm以上50μm以下である、請求項1~4のいずれか1項に記載の組電池用断熱シート。
- 繊維、バインダおよび耐熱樹脂から選択された少なくとも1種からなる結合材を含み、
前記結合材の含有量は組電池用断熱シート全質量に対して10質量%以上60質量%以下である、請求項1~5のいずれか1項に記載の組電池用断熱シート。 - 組電池用断熱シート全質量に対し、60質量%以下の無機バルーンを含む、請求項1~6のいずれか1項に記載の組電池用断熱シート。
- 前記無機バルーンは、シラスバルーン、シリカバルーン、フライアッシュバルーン、バーライトバルーン、およびガラスバルーンから選択された少なくとも1種である、請求項7に記載の組電池用断熱シート。
- 前記無機バルーンは、平均粒子径が1μm以上100μm以下である、請求項7または8に記載の組電池用断熱シート。
- 複数の電池セルが、請求項1~9のいずれか1項に記載の組電池用断熱シートを介して配置され、該複数の電池セルが直列または並列に接続された組電池。
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