JP7307217B2 - 組電池用熱伝達抑制シートおよび組電池 - Google Patents
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Description
また、特許文献2においては、断熱緩衝部材の表面に凹凸を形成することで、電池セル間においては断熱が図れるとともに、電池セルの積層時にはこの溝により通風効果を図ることができるとあるものの、断熱緩衝部材はポリカーボネート樹脂製またはポリプロピレン樹脂製のシートからなるため、このシートに溝を設けた場合、後述するように、通常使用時に発熱する電池セルを冷却するには十分であるとは言えなかった。
(1)複数の電池セルが熱伝達抑制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に用いられる熱伝達抑制シートであって、無機粒子及び/または無機繊維を含有する熱伝達抑制層を有するとともに、前記熱伝達抑制層は、該熱伝達抑制層における面内方向の端面まで連通する溝部を有しており、前記溝部の表面が凹凸形状を有することを特徴とする組電池用熱伝達抑制シート。
(2)前記溝部は、一の前記端面と他の前記端面を連通する、(1)に記載の組電池用熱伝達抑制シート。
(3)前記熱伝達抑制層は、平面視における外形形状が四角形であり、前記溝部は、4つの前記端面のうち、隣接する2つの前記端面を連通する、(1)または(2)に記載の組電池用熱伝達抑制シート。
(4)前記熱伝達抑制層は、前記無機粒子を必須として含有し、前記無機粒子は、加熱により水分を放出する材料から構成される、(1)~(3)のいずれか1項に記載の組電池用熱伝達抑制シート。
(5)前記加熱により水分を放出する材料は、熱分解開始温度が200℃以上の無機水和物、及び/または、150℃以下の温度で脱水可能な脱水剤である、(4)に記載の組電池用熱伝達抑制シート。
(6)前記水分を放出する材料は、前記無機水和物を必須として含有し、前記無機水和物は、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化亜鉛、水酸化鉄、水酸化マンガン、水酸化ジルコニウムおよび水酸化ガリウムからなる群のうち少なくとも1つである、(5)に記載の組電池用熱伝達抑制シート。
(7)前記水分を放出する材料は、前記脱水剤を必須として含有し、前記脱水剤は、シリカゲル、活性アルミナ、活性炭、ゼオライト、イオン交換樹脂、硫酸塩水和物、亜硫酸塩水和物、リン酸塩水和物、硝酸塩水和物、酢酸塩水和物および金属水和塩からなる群のうち少なくとも1つである、(5)に記載の組電池用熱伝達抑制シート。
(8)前記熱伝達抑制層は、前記無機繊維を必須として含有し、前記無機繊維は、シリカ-アルミナ繊維、アルミナ繊維、シリカ繊維、ロックウール、アルカリアースシリケート繊維およびガラス繊維からなる群のうち少なくとも1つである、(1)~(7)のいずれか1項に記載の組電池用熱伝達抑制シート。
(9)前記熱伝達抑制層は、前記無機粒子を必須として含有し、前記無機粒子は、TiO2およびSiO2からなる群のうち少なくとも1つである、(1)~(8)のいずれか1項に記載の組電池用熱伝達抑制シート。
(10)前記熱伝達抑制層は、前記無機粒子及び/または前記無機繊維を含有する断熱層と、該断熱層の両面に形成され、前記加熱により水分を放出する材料を含有する吸熱層を有する、(4)~(7)のいずれか1項に記載の組電池用熱伝達抑制シート。
(11)前記複数の電池セルが、(1)~(10)のいずれか1項に記載の組電池用熱伝達抑制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。
まず、本発明の第1の実施形態に係る組電池用熱伝達抑制シートについて説明する。第1の実施形態は、熱伝達抑制シートが単層の場合である。
図1は、第1の実施形態に係る組電池用熱伝達抑制シート10の構成例を模式的に示す断面図である。
本実施形態に係る熱伝達抑制シート10は、無機粒子及び/または無機繊維を含有する熱伝達抑制層20を有している。また、熱伝達抑制層20は、熱伝達抑制層20の面内方向の端面26、28まで連通する溝部22を有している。なお、本実施形態においては、溝部22は、図1に示すように、格子状に形成された複数の溝を有する。
更に、図1における溝部22の拡大図に示すように、溝部22の表面は、微細な凹凸形状24を有している。
なお、外形形状である四角形は、正方形、長方形、台形などの種々の四角形を含めることができる。また、四角形の角部はR形状を有するものであっても良い。
凹凸のピッチ又は深さが0.5μm未満であると、熱伝達抑制層20中に生じる空隙が小さくなり過ぎて、対流が起きにくくなることで、熱と接触しづらくなるため、熱伝達抑制層20内に滞留する熱を効果的に外へ逃がすことができないおそれがある。一方、凹凸のピッチ又は深さが100μmを超えると、無機粒子30の平均粒径が大きすぎて、無機粒子30の比表面積が低下するため、熱伝達抑制層20内に滞留する熱を効果的に外へ逃がすことができないおそれがある。
なお、凹凸のピッチとは、隣接する凹部同士または凸部同士の中心間距離をいい、凹凸の深さとは、凹部の底部と凸部の頂部との間の距離をいう。
次に、組電池用熱伝達抑制シート10における各構成要素につき詳細に説明する。
組電池用熱伝達抑制シート10を構成する熱伝達抑制層20は、無機粒子及び/又は無機繊維を含有する。無機粒子および無機繊維は、いずれか一方のみを含有するものであっても良く、両方を含有するものであっても良い。
無機粒子30は、加熱により水分を放出する材料から構成されることが好ましい。熱伝達抑制層20が、加熱により水分を放出する材料を含有することで、吸熱層としての役割を担うことができる。熱伝達抑制層20が吸熱層の役割を果たす場合、電池セル50の異常時において、ある電池セル50で発生した熱により熱伝達抑制層20が加熱されると、熱伝達抑制層20はその熱を吸収しつつ、水分を放出する。この吸熱作用により、電池セル50の発熱量を低減することができる。よって、ある電池セル50に熱暴走が生じた場合、隣接する他の電池セル50への熱の伝播を効果的に抑制することができる。
すなわち、上述したような通常使用時における電池セル50の冷却効果の向上に加え、異常時における電池セル50間の熱伝達抑制の効果も向上させることができる。
これらの無機水和物は、単独で使用してもよいし、2種以上組み合わせて使用してもよい。
このような熱分解開始温度が異なる2種以上の無機水和物を併用すれば、温度上昇した電池セル50を広い温度領域で冷却することができ、熱暴走時における電池セル50間の熱の伝播を効果的に抑制することが可能となるため、好ましい。
2Al(OH)3→Al2O3+3H2O
この機能により、電池セル50で発生した高温の熱を吸収することができ、電池セル50の発熱量を低減することができる。
通常使用時における電池セル50の温度範囲である、常温(20℃程度)から最大150℃程度までの温度範囲内で脱水可能な脱水剤を有することで、通常使用時に電池セル50の温度が比較的低温で上昇した場合に、脱水剤が水分を放出するため、通常使用時における電池セル50を効果的に冷却することができる。
亜硫酸塩水和物としては、例えば、亜硫酸亜鉛2水和物、亜硫酸ナトリウム7水和物等が挙げられる。
リン酸塩水和物としては、例えば、リン酸アルミニウム2水和物、リン酸コバルト8水和物、リン酸マグネシウム8水和物、リン酸マグネシウムアンモニウム6水和物、リン酸水素マグネシウム3水和物、リン酸水素マグネシウム7水和物、リン酸亜鉛4水和物、リン酸二水素亜鉛2水和物等が挙げられる。
酢酸塩水和物としては、例えば、酢酸亜鉛2水和物、酢酸コバルト4水和物等が挙げられる。
金属水和塩としては、例えば、塩化コバルト6水和物、塩化鉄4水和物等の塩化物塩、ホウ砂(四ホウ酸ナトリウム5水和物、四ホウ酸ナトリウム10水和物)、八ホウ酸二ナトリウム四水物、ホウ酸亜鉛3.5水和物等のホウ酸塩等が挙げられる。
しかし、水分を吸着していないゼオライトは不安定であるため、脱水したゼオライトは高い吸着作用を有するため、温度が低下した後は再び水分を吸着する。
これに対し、脱水剤の配合量の好ましい下限は10質量%であり、より好ましい下限は35質量%である。この配合量が10質量%未満では、十分な脱水効果が得られないおそれがある。また、この配合量が90質量%を超えると、熱伝達抑制シート10としての十分な強度を保つことができないおそれがある。
有機バインダーの配合量としては、熱伝達抑制層20を構成する材料の合計重量に対して0.5~5.0質量%の範囲で必要に応じて使用することができる。
これは、通常使用時の温度範囲と、異常時の温度範囲との境界温度域(150℃~200℃程度)においても、有効に電池セル50の冷却を行うことができるため、好ましい。
熱伝達抑制層20が断熱層としての役割を果たす場合には、熱伝達抑制層20は、無機粒子および無機繊維のうち少なくともいずれか一方を含むものであれば良く、これらのうちいずれか一方を含むことで断熱材としての効果を発揮させることができる。ただし、無機粒子および無機繊維の両方を含むことにより、無機繊維が絡み合って生じた構造中の連続した空隙を無機粒子が分断することができるため、熱伝達抑制層20における対流伝熱を有効に低減することが可能となり、断熱効果をより効果的に発揮することができる。
続いて、本発明の第2の実施形態に係る組電池用熱伝達抑制シートについて説明する。第2の実施形態は、熱伝達抑制シートが複層(積層体)の場合である。
続いて、熱伝達抑制シート10の製造方法について詳細に説明する。
熱伝達抑制シート10を構成する熱伝達抑制層20は、少なくとも無機粒子または無機繊維から構成される材料を、乾式成形法または湿式成形法により型成形して製造される。以下に、熱伝達抑制層20をそれぞれの成形法により得る場合の製造方法について説明する。
まず、乾式成形法では、無機粒子及び/または無機繊維、更に必要に応じて、無機結合材、パルプ繊維、有機バインダーなどを所定の割合でV型混合機などの混合機に投入する。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熱伝達抑制層20を得る。プレス時には、必要に応じて加熱してもよい。
続いて、湿式成形法では、無機粒子及び/または無機繊維、更に必要に応じて、無機結合材、パルプ繊維、有機バインダーなどを水中で混合撹拌して充分に分散させ、その後、凝集剤を添加して、一次凝集体を得る。次に、必要に応じて有機弾性物質のエマルジョンなどを所定の範囲内で上記水中に添加した後、高分子凝集剤を添加することにより凝集体を含むスラリーを得る。
上記で得られた熱伝達抑制層20に溝部22を形成する方法について説明する。
例えば、図6Aに示すように、所望のエンボス形状を有する2つのエンボスローラー72を上下から挟みこんで、熱伝達抑制層20の両面に溝部22を形成することで、溝部22が両面に形成された熱伝達抑制シート10を得ることができる。また、片面にのみ溝部22を有する熱伝達抑制シート10を得る場合には、図6Bに示すように、エンボスローラー72とフラットローラー74を用いることができる。
あるいは、図8に示すように、エンドミル90を用いた加工により、熱伝達抑制層20の表面に所望の溝部22を形成することで、溝部22が形成された熱伝達抑制シート10を得ることができる。
20 熱伝達抑制層
22 溝部
24 凹凸形状
26 端面(一の端面)
28 端面(他の端面)
30 無機粒子(または無機繊維)
42 断熱層
44 吸熱層
50 電池セル
60 電池ケース
72 エンボスローラー
74 フラットローラー
82 プレス加工治具
84 台座
90 エンドミル
100 組電池
Claims (13)
- 複数の電池セルが熱伝達抑制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に用いられる熱伝達抑制シートであって、
無機粒子及び無機繊維を含有する熱伝達抑制層を有するとともに、
前記無機粒子が、前記無機繊維が絡み合った構造に包摂されており、
前記熱伝達抑制層は、該熱伝達抑制層における面内方向の端面まで連通する溝部を有しており、
前記溝部の表面が凹凸形状を有することを特徴とする組電池用熱伝達抑制シート。 - 前記熱伝達抑制層の一部または全部が緻密化されている、請求項1に記載の組電池用熱伝達抑制シート。
- 前記無機粒子を包摂した部分における前記無機繊維の構造が緻密化されている、請求項1または2に記載の組電池用熱伝達抑制シート。
- 前記溝部は、一の前記端面と他の前記端面を連通する、請求項1~3のいずれか1項に記載の組電池用熱伝達抑制シート。
- 前記熱伝達抑制層は、平面視における外形形状が四角形であり、
前記溝部は、4つの前記端面のうち、隣接する2つの前記端面を連通する、請求項1~4のいずれか1項に記載の組電池用熱伝達抑制シート。 - 前記無機粒子は、加熱により水分を放出する材料から構成される、請求項1~5のいずれか1項に記載の組電池用熱伝達抑制シート。
- 前記加熱により水分を放出する材料は、熱分解開始温度が200℃以上の無機水和物、及び/または、150℃以下の温度で脱水可能な脱水剤である、請求項6に記載の組電池用熱伝達抑制シート。
- 前記水分を放出する材料は、前記無機水和物を必須として含有し、
前記無機水和物は、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化亜鉛、水酸化鉄、水酸化マンガン、水酸化ジルコニウムおよび水酸化ガリウムからなる群のうち少なくとも1つである、請求項7に記載の組電池用熱伝達抑制シート。 - 前記水分を放出する材料は、前記脱水剤を必須として含有し、
前記脱水剤は、シリカゲル、活性アルミナ、活性炭、ゼオライト、イオン交換樹脂、硫酸塩水和物、亜硫酸塩水和物、リン酸塩水和物、硝酸塩水和物、酢酸塩水和物および金属水和塩からなる群のうち少なくとも1つである、請求項7に記載の組電池用熱伝達抑制シート。 - 前記無機繊維は、シリカ-アルミナ繊維、アルミナ繊維、シリカ繊維、ロックウール、アルカリアースシリケート繊維およびガラス繊維からなる群のうち少なくとも1つである、請求項1~9のいずれか1項に記載の組電池用熱伝達抑制シート。
- 前記無機粒子は、TiO2およびSiO2からなる群のうち少なくとも1つである、請求項1~10のいずれか1項に記載の組電池用熱伝達抑制シート。
- 前記熱伝達抑制層は、前記無機粒子及び/または前記無機繊維を含有する断熱層と、該断熱層の両面に形成され、前記加熱により水分を放出する材料を含有する吸熱層を有する、請求項6~9のいずれか1項に記載の組電池用熱伝達抑制シート。
- 前記複数の電池セルが、請求項1~12のいずれか1項に記載の組電池用熱伝達抑制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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