JP7364739B2 - 熱伝達抑制シート及び組電池 - Google Patents
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Description
前記繊維成分に含まれる第1の無機繊維の主成分と、前記粒子成分に含まれる第1の無機粒子の主成分とが同一種であり、かつ、
前記第1の無機粒子における前記主成分の含有量が前記第1の無機繊維における前記主成分の含有量よりも多い、熱伝達抑制シート。
前記第2の無機繊維は、非晶質の繊維及び結晶質の繊維から選択される少なくとも1種からなる、[4]~[8]のいずれか1つに記載の熱伝達抑制シート。
前記第1の無機繊維は、一様に分散するとともにシートの主面に対して平行な一方向に配向されており、
前記第2の無機繊維は、前記第1の無機繊維と交絡して3次元ウエッブ構造を形成している、[4]~[12]のいずれか1つに記載の熱伝達抑制シート。
[1]~[15]のいずれか1つに記載の熱伝達抑制シートを用いた、組電池。
本発明の組電池は安定した動作が持続し、電池セルの熱暴走が起こっても、被害を最小限に抑制することができる。
〔第1実施形態〕
本発明の第1実施形態に係る熱伝達抑制シートは、
繊維成分と粒子成分とを含むとともに、
上記繊維成分に含まれる第1の無機繊維の主成分と、上記粒子成分に含まれる第1の無機粒子の主成分とが同一種であり、かつ、
上記第1の無機粒子における主成分の含有量が、上記第1の無機繊維における上記主成分の含有量よりも多い、ことを特徴とする。
繊維成分に含まれる第1の無機繊維1は非晶質の繊維が好ましく、ガラス繊維やグラスウール、スラグウール、ロックウール、アルカリアースシリケート繊維、リフラクトリーセラミック繊維、バサルトファイバ、ソルブルファイバを好適に用いることができ、これらはそれぞれ単独でも、複数種を混合して使用してもよい。中でも、融点が700℃未満である無機繊維が好ましく、多くの非晶質の無機繊維を用いることができる。特に、主成分として、優れた断熱性を有するシリカを含む繊維であることが好ましく、安価で、入手も容易で、取扱い性等に優れることから、ガラス繊維がより好ましい。
粒子成分に含まれる第1の無機粒子2は、その主成分が第1の無機繊維1の主成分と同一種である。上記したように、第1の無機繊維1としては主成分としてシリカを含む繊維が好ましいことから、第1の無機粒子2も、主成分が同一種のシリカであるシリカ粒子が好ましい。
繊維成分は、第2の無機繊維3を含んでいてもよい。第2の無機繊維3は、第1の無機繊維1及び第1の無機粒子2よりもガラス転移点が高い非晶質の繊維、及び結晶質の繊維から選択される少なくとも1種からなる。第2の無機繊維3としては、ガラス転移点が1000℃以上であることが好ましく、多くの結晶性の無機繊維を用いることができる。なお、結晶質の無機繊維の融点は通常非晶質の無機繊維のガラス転移点より高い。そのため、第1の無機繊維1及び第1の無機粒子2は、高温にさらされると、その表面が第2の無機繊維3より先に軟化する。
粒子成分は、第1の無機繊維1及び第1の無機粒子2よりも、ガラス転移点が高い第2の無機粒子4を含有してもよい。第2の無機粒子4の材質は特に限定されないが、酸化物粒子、炭化物粒子、窒化物粒子等を用いることができる。中でも、酸化物粒子を使用することが好ましく、ガラス転移点が1000℃以上であることが好ましい。酸化物粒子は、屈折率が高く、光を乱反射させる効果が強いため、第2の無機粒子4として酸化物粒子を使用すると、特に異常発熱などの高温度領域において放射伝熱を抑制することができる。具体的には、チタニア粒子、ジルコニア粒子、ジルコン粒子、チタン酸バリウム粒子、酸化亜鉛粒子、アルミナ粒子等を好適に用いることができ、中でも、チタニア粒子が好ましい。チタニア粒子は他の金属酸化物と比較して屈折率が高く、500℃以上の高温度領域において光を乱反射させ放射熱を遮る効果が高いため、熱伝達抑制シートの耐熱性を高める上で好ましい。すなわち、第1の無機粒子2としてシリカ粒子を使用し、第2の無機粒子4としてチタニア粒子を使用することが特に好ましい。
第1の無機繊維と第2の無機繊維は、下記に示す形状が好ましい。
捲縮度(%)=(繊維長さ-繊維末端間距離)/(繊維長さ)×100
また、第1の無機粒子2及び第2の無機粒子4は、下記の形状であることが好ましい。
第1実施形態において、それぞれ熱伝達抑制シート10の全質量に対して、第1の無機粒子2の含有量は25質量%以上80質量%以下であることが好ましく、第2の無機粒子4の含有量は1質量%以上30質量%以下であることが好ましいが、上記したように、第1の無機繊維1及び第1の無機粒子2は有機バインダが消失した際に代替するため、有機バインダ5の含有量以上であることが好ましい。なお、有機バインダ5の含有量は、結着性能を考慮すると、5質量%以上25質量%未満であることが好ましい。
本発明の熱伝達抑制シートには、第1の無機粒子2及び第2の無機粒子4とは異なる他の無機粒子、第1の無機繊維1及び第2の無機繊維3とは異なる他の無機繊維、有機繊維、有機バインダなど、従来から熱伝達抑制シートに配合されている材料を、必要に応じて配合してもよい。これらはいずれも熱伝達抑制シート10の補強や成形性の向上を目的とする上で有用であり、熱伝達抑制シート10の全質量に対する合計量で、10質量%以下とすることが好ましい。
2Al(OH)3→Al2O3+3H2O
上記含水多孔質体を複数種類組み合わせて用いることも好ましい。また上記含水多孔質体をより多く含む層を表面に設けることも、温度上昇の抑制のために好ましい。
第1実施形態において、熱伝達抑制シート10は、繊維成分及び粒子成分、更には他の配合材料を、乾式成形法又は湿式成形法により型成形して製造される。乾式成形法については、例えばプレス成形法(乾式プレス成形法)及び押出成形法(乾式押出成形法)を使用することができる。
乾式プレス成形法では、繊維成分、粒子成分及び他の配合材料を所定の割合でV型混合機等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、この混合物を所定の型内に投入し、プレス成形することにより、熱伝達抑制シートを得ることができる。プレス成形時に、必要に応じて加熱してもよい。
乾式押出成形法では、繊維成分、粒子成分及び他の配合材料を所定の割合で水に加え、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、更に乾燥させることにより、熱伝達抑制シートを得ることができる。乾式押出成形法を用いる場合には、有機バインダとして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、乾式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。
湿式成形法では、繊維成分、粒子成分及び他の配合材料を所定の割合で水に加え、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、濾過用のメッシュを介して、得られた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、熱伝達抑制シートを得ることができる。
図5は、本発明の第2実施形態に係る熱伝達抑制シートの構成を示す模式図である。
第2実施形態に係る熱伝達抑制シート32において、
(1)上記粒子成分を構成する無機粒子21は、一様に分散し、
(2)上記第1の無機繊維23は、一様に分散するとともにシートの主面に対して平行な一方向に配向されており、
(3)上記第2の無機繊維24は、上記第1の無機繊維23と交絡して3次元ウエッブ構造を形成している。
第2実施形態における熱伝達抑制シート32は断熱性能に優れるほど好ましく、第1の無機繊維23及び第2の無機繊維24ともに熱伝導率が低いことが好ましい。しかし、第2の無機繊維24は、層状に配向している第1の無機繊維同士をつなぐ伝熱パスになるため、第1の無機繊維23よりも熱伝導率が高いことが好ましい。そのため、断熱性能を考慮して、第2の無機繊維24の熱伝導率は41[W/m・K]以下であることが好ましい。
無機粒子21の含有量は、熱伝達抑制シート32の全質量に対して、30質量%以上80質量%以下であることが好ましい。無機粒子21の含有量は、より好ましくは、40質量%以上70質量%以下であり、50質量%以上60質量%以下である。
また、第1の無機繊維23と第2の無機繊維24との合計含有量は、熱伝達抑制シート32の全質量に対して、5質量%以上30質量%以下であることが好ましい。第1の無機繊維23と第2の無機繊維24と合計含有量は、より好ましくは、10質量%以上25質量%以下であり、15質量%以上20質量%以下である。
このような含有量にすることにより、無機粒子21による吸熱・断熱効果、第1の無機繊維23による保形性や押圧力耐性、抗風圧性、第2の無機繊維24による伝熱パス作用や無機粒子21の保持能力がバランスよく発現される。
第2実施形態に係る熱伝達抑制シートの製造方法としては、まず、無機粒子21、第1の無機繊維23及び他の配合材料を所定の割合で水に加え、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て第1部材を得る。この第1部材は、シート状の湿潤物であり、第1の無機繊維23が一方向に配向し、繊維間に無機粒子21が保持されている。
上記各実施形態において、熱伝達抑制シートの厚さは特に限定されないが、0.05~6mmの範囲にあることが好ましい。熱伝達抑制シートの厚さが0.05mm以上であると、充分な機械的強度を熱伝達抑制シートに付与することができる。一方、熱伝達抑制シートの厚さが6mm以下であると、良好な組付け性を得ることができる。
断熱性能を表す指標として、熱伝導率を挙げることができるが、上記各実施形態においては、熱伝達抑制シートの熱伝導率は1(W/m・K)未満であることが好ましく、0.5(W/m・K)未満であることがより好ましく、0.2(W/m・K)未満であることがより好ましい。さらに、熱伝導率は0.1(W/m・K)未満であることがより好ましく、0.05(W/m・K)未満であることがより好ましく、0.02(W/m・K)未満であることが特に好ましい。なお、熱伝導率は、JIS R 2251に記載の「耐火物の熱伝導率の試験方法」に準拠して、測定することができる。
組電池の構成は、上記図4における第1実施形態で例示したとおりである。ここで、本発明の第1実施形態に係る熱伝達抑制シート10を用いた組電池の構成及び効果について、図4を用いて具体的に説明する。
図4に示すように、第1実施形態に係る組電池100は、複数個の電池セル20a、20b、20cが並設され、直列又は並列に接続されて電池ケース30に格納されたものであり、電池セル20a、20b、20c間に、上記の熱伝達抑制シート10が介在されている。なお、図4では、電池セル20a、20b、20c間に、上記の熱伝達抑制シート10が介在されているが、熱伝達抑制シート10は必ずしも電池セル20a、20b、20c間に介在される必要はなく、例えば、電池セル20a、20b、20cと電池ケース30の間に配置されたり、電池ケース30の内面に貼り付けられるものであってもよい。
ただし、熱伝達抑制シートは、第1の無機繊維(ガラス繊維)1及び第1の無機粒子(ナノシリカ粒子)2のガラス転移点(Tg:500-550℃)よりもはるかに高い1000℃の高温に晒されていることから、図3のA部やB部で示されるように、第1の無機繊維(ガラス繊維)1及び第1の無機粒子(ナノシリカ粒子)2は、軟化して変形していることがわかる。そして、これらは第2の無機繊維(アルミナ繊維)3及び第2の無機粒子(チタニア粒子)4の隙間を埋めるように広がることで、結着剤として機能していると考えられる。
2 第1の無機粒子
3,24 第2の無機繊維
4 第2の無機粒子
5 有機バインダ
10,32 熱伝達抑制シート
20a,20b,20c 電池セル
21 無機粒子
30 電池ケース
100 組電池
Claims (10)
- 繊維成分と粒子成分とを含むとともに、
前記繊維成分に含まれる第1の無機繊維の主成分と、前記粒子成分に含まれる第1の無機粒子の主成分とが同一種であり、かつ、
前記第1の無機粒子における前記主成分の含有量が前記第1の無機繊維における前記主成分の含有量よりも多く、
前記繊維成分が、前記第1の無機繊維及び前記第1の無機粒子よりもガラス転移点が高い第2の無機繊維を含み、かつ、
前記第1の無機繊維の平均繊維径が、前記第2の無機繊維の平均繊維径よりも大きい、熱伝達抑制シート。 - 前記主成分が、シリカである、請求項1に記載の熱伝達抑制シート。
- 前記第1の無機繊維がガラス繊維であり、前記第1の無機粒子がシリカ粒子である、請求項1に記載の熱伝達抑制シート。
- 前記第1の無機繊維の平均繊維長が、前記第2の無機繊維の平均繊維長よりも大きい、請求項1に記載の熱伝達抑制シート。
- 前記第1の無機繊維は、非晶質の繊維であり、
前記第2の無機繊維は、非晶質の繊維である、請求項1に記載の熱伝達抑制シート。 - 前記第2の無機繊維が、アルミナシリケート繊維である、請求項1に記載の熱伝達抑制シート。
- 前記粒子成分を構成する無機粒子は、一様に分散し、
前記第1の無機繊維は、一様に分散するとともにシートの主面に対して平行な一方向に配向されており、
前記第2の無機繊維は、前記第1の無機繊維と交絡して3次元ウエッブ構造を形成している、請求項1に記載の熱伝達抑制シート。 - 前記第2の無機繊維の熱伝導率が41[W/m・K]以下である、請求項7に記載の熱伝達抑制シート。
- 前記第1の無機繊維及び前記第2の無機繊維の合計含有量は、熱伝達抑制シート全質量に対して、5質量%以上30質量%以下である、請求項7に記載の熱伝達抑制シート。
- 複数の電池セルを直列又は並列に接続した組電池において、
請求項1~9のいずれか1項に記載の熱伝達抑制シートを用いた、組電池。
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