JP7436582B1 - 熱伝達抑制シート及び組電池 - Google Patents
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Abstract
Description
上記特許文献1に記載の電池セル熱暴走バリアは、有機封止層内に閉じ込められた気体が高温に加熱された際に、例えば、断熱材の周縁部に形成された開口部から、気体が外部に排出されるように構成されている。
前記断熱材を内包する樹脂フィルムと、を有する熱伝達抑制シートであって、
前記樹脂フィルムは複数の孔を有し、前記断熱材の厚さ方向に直交する第1面及び第2面側に配置された第1面側フィルム及び第2面側フィルムと、前記断熱材の厚さ方向に平行な端面側に配置された端面側フィルムとにより構成され、
前記第1面側フィルム及び第2面側フィルム全面積に対する、前記第1面側フィルム及び第2面側フィルムにおける前記孔の面積率は、前記端面側フィルム全面積に対する前記端面側フィルムにおける前記孔の面積率よりも大きいことを特徴とする、熱伝達抑制シート。
その結果、熱伝達抑制シートが、断熱材と、断熱材を内包し、複数の孔を備える樹脂フィルムとを有するものとし、断熱材の厚さ方向に直交する主面側の孔の面積率を、断熱材の厚さ方向に平行な端面側の孔の面積率よりも大きくすることが効果的であることを見出した。
<第1の実施形態>
図1は、本発明の第1の実施形態に係る熱伝達抑制シートの構造を示す斜視図である。図1に示すように、本実施形態に係る熱伝達抑制シート10は、無機粒子と、有機繊維と、を含む断熱材11と、断熱材11を内包する樹脂フィルム12とを有する。樹脂フィルム12には、複数の楕円形状の孔13が形成されている。また、樹脂フィルム12は、断熱材11の厚さ方向に直交する2主面、すなわち、第1面11a及び第2面11bをそれぞれ覆う第1面側フィルム12a及び第2面側フィルム12bと、断熱材11の厚さ方向に平行な4端面11cを覆う端面側フィルム12cとにより構成されている。そして、第1面側フィルム12a及び第2面側フィルム12bにおける孔13の面積率は、端面側フィルム12cにおける孔13の面積率よりも大きくなるように設計されている。
上記第1の実施形態に係る熱伝達抑制シート10は、断熱材11と、断熱材11の表面に密着する樹脂フィルム12とを有するものであったが、本発明は、必要に応じて断熱材11以外のものを有していてもよい。
これに対して、本実施形態においては、断熱材11の主面(第1面11a及び第2面11b)側に弾性シート16が配置されているため、電池セルが膨張した場合に応力を発生させることができ、電池セル20a、20b、20cへの押圧力を緩和することができるため、電池の性能を維持することができる。
<有機繊維>
有機繊維は、断熱材11に柔軟性を与える効果を有するとともに、有機繊維が骨格を形成することにより、断熱材11の強度を高める効果を有する。また、有機繊維の表面に無機粒子及び他の有機繊維が溶着されていると、シートの強度を向上させる効果及び形状を保持する効果をより一層向上させることができる。また、断熱材11に適切な含有量で有機繊維が含まれていると、断熱材11の内部に複数の空隙部が形成され、断熱材11が加熱された際に、空気や水分を、空隙部を介して外部に放出することができる。
本実施形態において、芯鞘構造のバインダ繊維を使用する場合に、芯部を構成する第1の有機材料は、芯部の外周面に存在する鞘部、すなわち第2の有機材料の融点よりも高いものであれば、特に限定されない。第1の有機材料としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン及びナイロンから選択された少なくとも1種が挙げられる。
第2の有機材料は、上記有機繊維を構成する第1の有機材料の融点よりも低いものであれば、特に限定されない。第2の有機材料としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン及びナイロンから選択された少なくとも1種が挙げられる。
なお、第2の有機材料の融点は、90℃以上であることが好ましく、100℃以上であることがより好ましい。また、第2の有機材料の融点は、150℃以下であることが好ましく、130℃以下であることがより好ましい。
本実施形態において、断熱材11における有機繊維の含有量が適切に制御されていると、骨格の補強効果を十分に得ることができる。
有機繊維の含有量は、断熱材11の全質量に対して5質量%以上であることが好ましく、10質量%以上であることがより好ましい。また、有機繊維の含有量が多くなりすぎると、無機粒子の含有量が相対的に減少するため、所望の断熱性能を得るためには、有機繊維の含有量は、断熱材11の全質量に対して25質量%以下であることが好ましく、20質量%以下であることがより好ましい。
有機繊維の繊維長については特に限定されないが、成形性や加工性を確保する観点から、有機繊維の平均繊維長は10mm以下とすることが好ましい。
一方、有機繊維を骨格として機能させ、熱伝達抑制シートの圧縮強度を確保する観点から、有機繊維の平均繊維長は0.5mm以上とすることが好ましい。
無機粒子として、単一の無機粒子を使用してもよいし、2種以上の無機粒子を組み合わせて使用してもよい。無機粒子の種類としては、熱伝達抑制効果の観点から、酸化物粒子、炭化物粒子、窒化物粒子及び無機水和物粒子から選択される少なくとも1種の無機材料からなる粒子を使用することが好ましく、酸化物粒子を使用することがより好ましい。また、形状についても特に限定されないが、ナノ粒子、中空粒子及び多孔質粒子から選択される少なくとも1種を含むことが好ましく、具体的には、シリカナノ粒子、金属酸化物粒子、マイクロポーラス粒子や中空シリカ粒子等の無機バルーン、熱膨張性無機材料からなる粒子、含水多孔質体からなる粒子等を使用することもできる。
(酸化物粒子)
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1の無機粒子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輻射伝熱を抑制することができる。酸化物粒子としては、シリカ、チタニア、ジルコニア、ジルコン、チタン酸バリウム、酸化亜鉛及びアルミナから選択された少なくとも1種の粒子を使用することができる。すなわち、無機粒子として使用することができる上記酸化物粒子のうち、1種のみを使用してもよいし、2種以上の酸化物粒子を使用してもよい。特に、シリカは断熱性が高い成分であり、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って、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、酸化物粒子としてシリカ及びチタニアを用いることが最も好ましい。
酸化物粒子の粒子径は、輻射熱を反射する効果に影響を与えることがあるため、平均一次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、酸化物粒子の平均一次粒子径が0.001μm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るため、500℃以上の高温度領域において熱伝達抑制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、酸化物粒子の平均一次粒子径が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いため、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。
本発明において、ナノ粒子とは、球形又は球形に近い平均一次粒子径が1μm未満のナノメートルオーダーの粒子を表す。ナノ粒子は低密度であるため伝導伝熱を抑制し、第1の無機粒子としてナノ粒子を使用すると、さらに細かい空隙部が分散するため、対流伝熱を抑制する優れた断熱性を得ることができる。このため、通常の常温域の電池使用時において、隣接するナノ粒子間の熱の伝導を抑制することができる点で、ナノ粒子を使用することが好ましい。
さらに、酸化物粒子として、平均一次粒子径が小さいナノ粒子を使用すると、電池セルの熱暴走に伴う膨張によって熱伝達抑制シートが圧縮され、内部の密度が上がった場合であっても、熱伝達抑制シートの伝導伝熱の上昇を抑制することができる。これは、ナノ粒子が静電気による反発力で粒子間に細かな空隙部ができやすく、かさ密度が低いため、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。
なお、本実施形態に係る熱伝達抑制シートは、材料を含む混合物を、乾式法によりシート状に加工する製造方法を用いることが好ましい。したがって、無機粒子としては、熱伝導率が低い乾式シリカ、シリカエアロゲル等を使用することが好ましい。
ナノ粒子の平均一次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、ナノ粒子の平均一次粒子径を1nm以上100nm以下とすると、特に500℃未満の温度領域において、熱伝達抑制シート内における熱の対流伝熱及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。また、圧縮応力が印加された場合であっても、ナノ粒子間に残った空隙部と、多くの粒子間の接点が伝導伝熱を抑制し、熱伝達抑制シートの断熱性を維持することができる。
なお、ナノ粒子の平均一次粒子径は、2nm以上であることがより好ましく、3nm以上であることが更に好ましい。一方、ナノ粒子の平均一次粒子径は、50nm以下であることがより好ましく、10nm以下であることが更に好ましい。
無機水和物粒子は、発熱体からの熱を受けて熱分解開始温度以上になると熱分解し、自身が持つ結晶水を放出して発熱体及びその周囲の温度を下げる、所謂「吸熱作用」を発現する。また、結晶水を放出した後は多孔質体となり、無数の空気孔により断熱作用を発現する。
無機水和物の具体例として、水酸化アルミニウム(Al(OH)3)、水酸化マグネシウム(Mg(OH)2)、水酸化カルシウム(Ca(OH)2)、水酸化亜鉛(Zn(OH)2)、水酸化鉄(Fe(OH)2)、水酸化マンガン(Mn(OH)2)、水酸化ジルコニウム(Zr(OH)2)、水酸化ガリウム(Ga(OH)3)等が挙げられる。
2Al(OH)3→Al2O3+3H2O
上記に挙げた無機水和物の熱分解開始温度は、水酸化アルミニウムは約200℃、水酸化マグネシウムは約330℃、水酸化カルシウムは約580℃、水酸化亜鉛は約200℃、水酸化鉄は約350℃、水酸化マンガンは約300℃、水酸化ジルコニウムは約300℃、水酸化ガリウムは約300℃であり、いずれも熱暴走を起こした電池セルの急激な昇温の温度範囲とほぼ重なり、温度上昇を効率よく抑えることができることから、好ましい無機水和物であるといえる。
また、第1の無機粒子として、無機水和物粒子を使用した場合に、その平均粒子径が大きすぎると、断熱材11の中心付近にある第1の無機粒子(無機水和物)が、その熱分解温度に達するまでにある程度の時間を要するため、断熱材11の中心付近の第1の無機粒子が熱分解しきれない場合がある。このため、無機水和物粒子の平均二次粒子径は、0.01μm以上200μm以下であることが好ましく、0.05μm以上100μm以下であることがより好ましい。
熱膨張性無機材料としては、バーミキュライト、ベントナイト、雲母、パーライト等を挙げることができる。
含水多孔質体の具体例としては、ゼオライト、カオリナイト、モンモリロナイト、酸性白土、珪藻土、湿式シリカ、乾式シリカ、エアロゲル、マイカ、バーミキュライト等が挙げられる。
本発明に用いる断熱材は、第1の無機粒子として無機バルーンを含んでいてもよい。
無機バルーンが含まれると、500℃未満の温度領域において、断熱材内における熱の対流伝熱又は伝導伝熱を抑制することができ、断熱材の断熱性をより一層向上させることができる。
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、及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。
無機バルーンの含有量としては、断熱材全質量に対し、60質量%以下が好ましい。
無機バルーンの平均粒子径としては、1μm以上100μm以下が好ましい。
熱伝達抑制シートに2種の無機粒子が含有されている場合に、第2の無機粒子は、第1の無機粒子と材質や粒子径等が異なっていれば特に限定されない。第2の無機粒子としては、酸化物粒子、炭化物粒子、窒化物粒子、無機水和物粒子、シリカナノ粒子、金属酸化物粒子、マイクロポーラス粒子や中空シリカ粒子等の無機バルーン、熱膨張性無機材料からなる粒子、含水多孔質体からなる粒子等を使用することができ、これらの詳細については、上述のとおりである。
金属酸化物としては、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化アルミニウム、チタン酸バリウム、酸化亜鉛、ジルコン、酸化ジルコニウム等を挙げることがでる。特に、酸化チタン(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。
金属酸化物からなる第2の無機粒子を熱伝達抑制シートに含有させる場合に、第2の無機粒子の平均一次粒子径は、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2の無機粒子の平均一次粒子径は、5μm以上30μm以下であることが更に好ましく、10μm以下であることが最も好ましい。
本実施形態において、断熱材11中の無機粒子の合計の含有量が適切に制御されていると、断熱材11の断熱性を十分に確保することができる。
無機粒子の合計の含有量は、断熱材11の全質量に対して60質量%以上であることが好ましく、70質量%以上であることがより好ましい。また、無機粒子の合計の含有量が多くなりすぎると、有機繊維の含有量が相対的に減少するため、骨格の補強効果及び無機粒子の保持効果を十分に得るためには、無機粒子の合計の含有量は、断熱材11の全質量に対して95質量%以下であることが好ましく、90質量%以下であることがより好ましい。
無機繊維として、単一の無機繊維を使用してもよいし、2種以上の無機繊維を組み合わせて使用してもよい。無機繊維としては、例えば、シリカ繊維、アルミナ繊維、アルミナシリケート繊維、ジルコニア繊維、カーボンファイバ、ソルブルファイバ、リフラクトリーセラミック繊維、エアロゲル複合材、マグネシウムシリケート繊維、アルカリアースシリケート繊維、チタン酸カリウム繊維、炭化ケイ素繊維、チタン酸カリウムウィスカ繊維等のセラミックス系繊維、ガラス繊維、グラスウール、スラグウール等のガラス系繊維、ロックウール、バサルトファイバ、ウォラストナイト、ムライト繊維等の鉱物系繊維等が挙げられる。
これらの無機繊維は、耐熱性、強度、入手容易性などの点で好ましい。無機繊維のうち、取り扱い性の観点から、特にシリカ-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、ガラス繊維が好ましい。
本実施形態において、断熱材11が無機繊維を含む場合に、無機繊維の含有量は、断熱材11の全質量に対して3質量%以上15質量%以下であることが好ましい。
(ホットメルトパウダー)
本実施形態においては、上記バインダ繊維、無機粒子の他に、混合物中にホットメルトパウダーを含有させてもよい。ホットメルトパウダーは、例えば上記第1の有機材料及び第2の有機材料とは異なる第3の有機材料を含有し、加熱により溶融する性質を有する粉体である。混合物中にホットメルトパウダーを含有させ、加熱することにより、ホットメルトパウダーは溶融し、その後冷却すると、周囲の無機粒子を含んだ状態で硬化する。したがって、断熱材11の無機粒子の脱落をより一層抑制することができる。
無機粒子の脱落を抑制するために、断熱材の材料中にホットメルトパウダーを含有させる場合に、その含有量は微量でも粉落ち抑制の効果を得ることができる。したがって、ホットメルトパウダーの含有量は、断熱材の材料全質量に対して0.5質量%以上であることが好ましく、1質量%以上であることがより好ましい。
一方、ホットメルトパウダーの含有量を増加させると、無機粒子等の含有量が相対的に減少するため、所望の断熱性能を得るためには、ホットメルトパウダーの含有量は、断熱材の材料全質量に対して5質量%以下であることが好ましく、4質量%以下であることがより好ましい。
本実施形態において、弾性シート16としては、電池セル20a、20b、20cの変形に対して柔軟に変形する弾性を有するシートを使用することができる。このような弾性シート16としては、例えば、ゴム、エラストマー等を用いることができる。なお、ゴムとして、具体的には発泡シリコーン等が挙げられる。
弾性シート16の厚さは特に限定されないが、弾性シート16についての上記効果を効果的に得るために、1mm以上10mm以下とすることが好ましい。また、弾性シート16の厚さ方向に直交する方向の面の形状及び大きさは、断熱材11の第1面11a及び第2面11bと略同一であることが好ましい。
樹脂フィルム12は、少なくとも上記断熱材11を内包するものであり、断熱材を構成する材料である粒子等の脱落を防止することができる。
樹脂フィルムを構成する材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、塩化ビニル、ナイロン、アクリル、エポキシ樹脂、ポリウレタン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニルスルフィド、ポリカーボネート及びアラミドから選択された少なくとも1種の樹脂を選択することができる。
本実施形態において、樹脂フィルム12は、断熱材等の外表面に密着し、粒子等の脱落を防止する効果を有するため、適切な厚さを有することが好ましい。さらに、樹脂フィルム12が、断熱材の形状に沿って少なくとも一部が密着した構成となるためには、樹脂フィルム12は適切な可撓性を有することが好ましい。
樹脂フィルム12の厚さが1mmを超えると、断熱材の形状に追従させることが困難となり、ひびや割れが発生するおそれがある。したがって、樹脂フィルム12の厚さは、1mm以下であることが好ましく、0.1mm以下であることがより好ましく、0.05mm以下であることがさらに好ましい。
一方、樹脂フィルム12の厚さの下限は特に限定されないが、電池セル等との摩擦により破れが発生しやすくなることを防止するために、0.005mm以上であることが好ましく、0.01mm以上であることがより好ましい。
また、樹脂フィルム12は、電池セル20a、20b、20cに接するため、難燃性を有することが好ましく、具体的には、無機物又は難燃材を含むことが好ましい。樹脂フィルム12を構成する材料として、無機物としては、タルク、炭酸カルシウム、水酸化アルミニウム、酸化チタン、バーミキュライト、ゼオライト、合成シリカ、ジルコニア、ジルコン、チタン酸バリウム、酸化亜鉛、アルミナが挙げられ、難燃材としては、臭素系難燃剤、塩素系難燃剤、リン系難燃剤、ホウ系難燃剤、シリコーン系難燃剤及び、窒素含有化合物が挙げられる。
本実施形態に係る熱伝達抑制シート15の製造方法の例について、以下に説明する。
例えば、芯鞘構造を有するバインダ繊維(図示せず)と無機粒子とを所定の割合でV型混合機などの混合機に投入し、混合物を作製する。
なお、上述のとおり、バインダ繊維としては、第1の有機材料からなる芯部と、第2の有機材料からなる鞘部とを有する芯鞘構造の繊維を使用することが好ましい。この場合に、第1の有機材料の融点は、第2の有機材料の融点よりも高いものとする。
本発明の実施形態に係る熱伝達抑制シート10を適用した、蓄電装置の一例である組電池の例は、上記図2に例示したとおりである。ここで、組電池の構成及び効果について、図2を用いて具体的に説明する。
図2に示すように、組電池100は、複数の電池セル20a、20b、20cと、本実施形態に係る熱伝達抑制シートと、を有し、該複数の電池セルが直列又は並列に接続されたものである。
例えば、図2に示すように、本実施形態に係る熱伝達抑制シート10は、電池セル20aと電池セル20bとの間、及び電池セル20bと電池セル20cとの間に介在されている。さらに、電池セル20a、20b、20c及び熱伝達抑制シート10は、電池ケース30に収容されている。
なお、熱伝達抑制シート10については、上述したとおりである。
また、本実施形態に係る熱伝達抑制シート10は、断熱材11が樹脂フィルム12に内包されているため、各電池セル20a、20b、20cの間に熱伝達抑制シート10を組み込む際に、粉落ちを抑制する効果を得ることができ、作業性が向上する。また、これら電池セルが発熱し、熱伝達抑制シート10における断熱材11の温度が上昇した際に、断熱材11の内部等の空気が、断熱材11の端面側から勢いよく噴出することを防止することができるため、電池ケース30内の汚染を抑制することができる。
例えば、本実施形態に係る組電池100は、電気自動車(EV:Electric Vehicle)等に使用され、搭乗者の床下に配置されることがある。この場合に、仮に電池セルが発火しても、搭乗者の安全を確保することができる。
また、熱伝達抑制シート10を、各電池セル間に介在させるだけでなく、電池セル20a、20b、20cと電池ケース30との間に配置することができるため、新たに防炎材等を作製する必要がなく、容易に低コストで安全な組電池100を構成することができる。
11 断熱材
12 樹脂フィルム
13 孔
14 融着部
16 弾性シート
20a,20b,20c 電池セル
30 電池ケース
100 組電池
Claims (11)
- 無機粒子と、有機繊維と、を含む断熱材と、
前記断熱材を内包する樹脂フィルムと、を有する熱伝達抑制シートであって、
前記樹脂フィルムは複数の孔を有し、前記断熱材の厚さ方向に直交する第1面及び第2面側に配置された第1面側フィルム及び第2面側フィルムと、前記断熱材の厚さ方向に平行な端面側に配置された端面側フィルムとにより構成され、
前記第1面側フィルム及び第2面側フィルム全面積に対する、前記第1面側フィルム及び第2面側フィルムにおける前記孔の面積率は、前記端面側フィルム全面積に対する前記端面側フィルムにおける前記孔の面積率よりも大きいことを特徴とする、熱伝達抑制シート。 - 前記端面側フィルムは、前記孔を有しないことを特徴とする、請求項1に記載の熱伝達抑制シート。
- 前記第1面側フィルム及び第2面側フィルムにおける前記孔の1つあたりの平均面積は、前記端面側フィルムにおける前記孔の1つあたりの平均面積よりも大きいことを特徴とする、請求項1に記載の熱伝達抑制シート。
- 前記端面側フィルムは、前記樹脂フィルム同士が融着した融着部を有することを特徴とする、請求項1に記載の熱伝達抑制シート。
- 前記第1面側フィルム及び第2面側フィルムにおける前記孔は、楕円形状であることを特徴とする、請求項1に記載の熱伝達抑制シート。
- 前記断熱材の第1面及び第2面は長方形の形状を有し、前記第1面側フィルム及び前記第2面側フィルムにおける前記孔は、前記断熱材の第1面及び第2面における長手方向に対して略同一の方向に長径を有する楕円形状であることを特徴とする、請求項5に記載の熱伝達抑制シート。
- 前記第1面側フィルム及び第2面側フィルムにおける前記孔は、前記断熱材の第1面及び第2面に略等間隔で複数配置されていることを特徴とする、請求項6に記載の熱伝達抑制シート。
- 前記複数の孔は前記断熱材の第1面及び第2面における長手方向及び前記長手方向に直交する方向に沿って配列されていることを特徴とする、請求項7に記載の熱伝達抑制シート。
- 前記断熱材は、複数の空隙部を有し、前記空隙部と前記樹脂フィルムの前記孔とが連通していることを特徴とする、請求項1に記載の熱伝達抑制シート。
- 前記断熱材の第1面と前記第1面側フィルムとの間、及び前記断熱材の第2面と前記第2面側フィルムとの間の少なくとも一方に、弾性シートを有することを特徴とする、請求項1に記載の熱伝達抑制シート。
- 複数の電池セルと、請求項1~10のいずれか1項に記載の熱伝達抑制シートを有し、前記複数の電池セルが直列又は並列に接続された、組電池。
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