JP7462134B2

JP7462134B2 - 断熱シートおよびこれを用いた二次電池

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Publication number: JP7462134B2
Application number: JP2020567366A
Authority: JP
Inventors: 駿青田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2019-01-21
Filing date: 2019-10-10
Publication date: 2024-04-05
Anticipated expiration: 2039-10-10
Also published as: WO2020152923A1; CN113167430A; US20210351453A1; JPWO2020152923A1

Description

本発明は断熱対策として用いられる、断熱シートおよびこれを用いた二次電池に関する。

近年省エネルギー化の要求が増加しているが、その実現方法として機器の保温によりエネルギー効率を向上させるものがある。また複数個の電池セルを組み合わせた二次電池等では、ひとつの電池セルが高温になった場合に隣の電池セルに影響を与えないため、電池セル間を断熱したいという要望もある。これらの要望に応えるため、電池セルの間に断熱効果に優れた断熱シートを用いることがある。

特許文献１は上記の断熱シートに用いることのできる従来の断熱材を開示している。

国際公開第２０１８／００３５４５号

断熱シートは、内部に空間を有する繊維シートと、繊維シートの空間に担持されたシリカキセロゲルとを備える。断熱シートは、断熱シートの周縁部分に位置する第１の領域と、第１の領域に囲まれた第２の領域とを有する。第２の領域に１ＭＰａの圧力を加えたときの第２の領域の歪み率である第２の領域の圧縮歪み率は、第１の領域に１ＭＰａの圧力を加えたときの第１の領域の歪み率である第１の領域の圧縮歪み率よりも小さい。

この断熱シートは、断熱性を保持しながら、圧縮歪みを低減することが可能である。この断熱シートが二次電池に用いられた場合、電池セルの内圧増加に伴う膨張に対して二次電池の信頼性を向上させることができる。

図１は実施の形態における断熱シートの断面図である。図２は実施の形態における断熱シートの斜視図である。図３は実施の形態における断熱シートの密度と圧縮歪み率の関係性を示す図である。図４Ａは実施の形態における断熱シートの製造方法を示す断面図である。図４Ｂは実施の形態における断熱シートの製造方法を示す断面図である。図４Ｃは実施の形態における断熱シートの製造方法を示す断面図である。図５は実施の形態における断熱シートの製造工程におけるシリカ水溶液のＳｉＯ_２濃度とシート密度の関係を示す図である。図６は実施の形態における断熱シートを備えた二次電池の断面図である。図７は実施の形態における他の断熱シートの断面図である。図８は図７に示す断熱シートの斜視図である。

図１と図２はそれぞれ実施の形態における断熱シート５の断面図と斜視図である。図１は図２に示す断熱シート５の線Ｉ－Ｉにおおける断面を示す。断熱シート５は、内部に空間を有する繊維シート１と、繊維シート１の空間１ｐに担持されたシリカキセロゲル４とを備える。断熱シート５は、断熱シート５の周囲部分すなわち周縁部分に位置する領域２と、領域２に囲まれた領域３とを有している。領域２では、繊維シート１の空間１ｐにシート密度が０．２５ｇ／ｃｍ^３となるようにシリカキセロゲル４が担持されている。領域３では、繊維シート１の空間１ｐにシート密度が０．５ｇ／ｃｍ^３となるようにシリカキセロゲル４が担持されている。このように、領域２のシート密度が領域３のシート密度より小さくなるようにシリカキセロゲル４が繊維シート１の空間１ｐに担持されている。このような密度にすることにより、領域２の圧縮歪み率を約３５％とし、領域３の圧縮歪み率を約６％としている。ここで圧縮歪み率は、断熱シート５の或る領域に加えられた１ＭＰａの圧力に対するその領域の歪み率である。このように、領域３に或る圧力を加えたときの領域３の歪み率である領域３の圧縮歪み率は、領域２に同じ圧力を加えたときの領域２の歪み率である領域２の圧縮歪み率よりも小さい。具体的には、断熱シート５の或る領域（領域２または領域３）に加えられた圧力Ｐｎに対するその領域の圧縮歪み率Ｒｐは、断熱シート５のその領域の初期厚みＴｉと、圧力Ｐｎを加えたときの厚みＴｋとにより、Ｒｐ＝（Ｔｉ－Ｔｋ）／Ｔｉで計算される。

繊維シート１は、無機繊維類、樹脂類、天然類等の繊維よりなり、その目付量は５ｇ／ｍ^２以上かつ２００ｇ／ｍ^２以下である。シリカキセロゲル４はゲルが乾燥した状態の広義のエアロゲルであり、超臨界乾燥といった乾燥方法によって得られたものでも構わない。繊維シート１の空間１ｐに担持されているシリカキセロゲル４はナノサイズの空間を内部に有しており、空気の平均自由工程より小さく対流を抑制することで熱伝導率を低下させることが出来る。

断熱シート５が領域２のみで構成された場合は熱特性が優れている一方、圧縮歪み率が大きく、圧縮強度が低下することが懸念される。断熱シート５が領域３のみで構成された場合は圧縮強度が大きい一方、熱特性が悪化することが懸念される。実施の形態における断熱シート５では、圧縮強度が必要となる個所のみを圧縮強度を増加させることが出来るので、熱特性の悪化を抑制しつつ圧縮強度を向上させることが可能となる。また、断熱シート５の材料構成は繊維シート１とシリカキセロゲル４との２成分のみで構成されたシート構造であるため、その断熱性能を大きく損なうことなく全体として圧縮強度を増加することが出来る。

二次電池の寿命末期には、電池セル内部に発生したガス等により電池セルの中央部分が膨張する。均一な密度でシリカキセロゲルを繊維シートに担持させた断熱シートは、圧縮強度が小さい。そのため電池セル間にセパレータとして用いた場合、膨張による圧力に耐えきれず、シートの厚み方向に大きな圧縮歪みが生じる。

実施の形態における断熱シート５は、前述のように断熱性能を大きく損なうことなく全体として圧縮強度を増加することが出来る。

図３は実施の形態における断熱シート５の密度と圧縮歪み率の関係を示す図である。断熱シート５の領域２の密度が０．２ｇ／ｃｍ^３より小さくなると、シリカキセロゲル４を繊維シート１で担持することが困難となり、領域２の密度が０．３ｇ／ｃｍ^３より大きくなると熱特性が損なわれる。そのため、断熱シート５の領域２の密度は０．２ｇ／ｃｍ^３以上かつ０．３ｇ／ｃｍ^３以下であることが望ましい。断熱シート５の領域３の密度が０．４ｇ／ｃｍ^３より小さくなるとその圧縮強度が損なわれ、領域３の密度が０．６ｇ／ｃｍ^３より大きくなると、シリカキセロゲル４の原料の粘度が高くなり繊維シート１へ含浸することが困難となることから、断熱シート５の領域３の密度は０．４ｇ／ｃｍ^３以上かつ０．６ｇ／ｃｍ^３以下であることが望ましい。断熱シート５の同一面内には互いに密度の異なる領域２、３が存在するが、領域２、３の界面においてその密度は連続的に変化している。密度が連続的に変化していることから、電池セルの膨張する面に対して断熱シート５は良好に追従し、断熱シート５の熱特性及び圧縮強度のより高い効果が得られる。

実施の形態における断熱シート５の製造方法について説明する。図４Ａから図４Ｃは断熱シート５の製造方法を示す断面図である。まず、シリカゲル４の原料であるシリカゾルを繊維シート１に塗布及び含浸する工程を説明する。図５はシリカゲル４に含まれるシリカ水溶液のＳｉＯ２の濃度とシート密度の関係を示す。まず、図４Ａに示す内部に空間１ｐを有する繊維シート１を準備する。ＳｉＯ２濃度を２０％に調整したシリカ水溶液とゲル化剤として炭酸エステルとを混合したシリカゾル１０３を準備する。次に、図４Ｂに示すように、断熱シート５の領域３となる繊維シート１の部分にシリカゾル１０３を滴下させることで塗布して領域３での繊維シート１の空間１ｐに含浸させる。ここでのシリカ水溶液とは、水ガラス、アルコキシシランが挙げられる。また炭酸エステルは水に溶解しやすい炭酸ジメチル、炭酸エチレンが良好に用いられる。ＳｉＯ２濃度が２０％であるシリカ水溶液を含むシリカゾル１０３の滴下する重量を調整することで、繊維シート１の領域３となる部分の体積を調整する。この時、繊維シート１内に滴下されたシリカゾルは、厚み方向Ｄｔには重力により一定に浸透して拡大し、厚み方向Ｄｔに直角の面内方向Ｄｓにはシリカゾルの拡散により一定に浸透して拡大し、円柱状の形状を有して繊維シート１内に担持される。ＳｉＯ２の濃度を６％に調整したシリカ水溶液にゲル化剤として炭酸エステルとを混合したシリカゾル１０２を準備する。領域３へのシリカゾル１０２の塗布及び含浸が終了しシリカゾル１０２のゲル化が進行したのち、図４Ｃに示すように領域２となる部分にシリカゾル１０２を滴下することで塗布して領域２での繊維シート１の空間１ｐに含浸させる。その後シリカゾル１０２をゲル化させる。その後、ゲル化したシリカゾル１０２、１０３よりなるシリカキセロゲル４のナノポーラス構造の骨格を成長させ、シリカキセロゲル４に疎水化処理を施す。その後、シリカキセロゲル４と繊維シート１を常圧下において乾燥させる常圧乾燥を実施することで断熱シート５を得る。ただし、乾燥は常圧乾燥でなく、超臨界乾燥等の他の乾燥方法によりシートを乾燥させてもよい。

図６は実施の形態における断熱シート５を備えた二次電池２００の断面図である。二次電池２００は、筐体７と、筐体７内に固定された複数の電池セル６と、複数の電池セル６間にセパレータとして設けられた断熱シート５とを備える。断熱シート５の厚みは約１ｍｍである。複数の電池セル６のうちいずれかの電池セル６が高温になったときに、セパレータの断熱シート５によって熱伝導を妨げることができ、高温になった電池セル６の隣の電池セル６への伝熱を抑え、信頼性の高い二次電池２００を得ることが出来る。電池セル６は、充放電を繰り返すことで電池セル６内にガスが充満する。そのガスの内圧等により、電池セル６の断熱シート５と接触する接触面の中央付近が膨張する。電池セル６の膨張により、断熱シート５に対して付加される圧力は約１ＭＰａとなる。電池セル６への反力の影響を考慮すると圧力付加時の圧縮歪み率は１０％以下が望ましい。従来の断熱シートでは、中央部分に対して１ＭＰａの圧力が付加された場合、厚み方向に対して１５％～２０％程度の圧縮歪み率が生じる。従って、圧縮歪み率が１０％より大きくなり、電池セルへの反力が低下する悪影響が懸念される。これに対し、シート密度を０．４ｇ／ｃｍ^３以上かつ０．６ｇ／ｃｍ^３以下の領域３が中央部分に設けられた断熱シート５では、中央部分に対して１ＭＰａの圧力が付加された場合、１０％以下に圧縮歪み率を低減することが可能となる。従って、断熱性を向上させながら電池セル６の膨張の影響を小さくすることができる。

実施の形態において、断熱シート５に隣接する電池セル６に接することとなる断熱シート５の２つの面で電池セル６を連続的に繋げている場合に、領域３の立体の形状は円柱形状、立方体形状、また多面体柱形状の互いに反対側の平行な広い平面（低面）を有する柱形状であってもよい。

図７と図８はそれぞれ実施の形態における他の断熱シート２０５の断面図と斜視図である。図７は図８に示す断熱シート２０５の線ＶＩＩ－ＶＩＩにおける断面を示す。断熱シート２０５では、領域２は複数の領域３を囲んでいる。複数の領域３となる複数の立体がシート面内に存在している。その複数の立体の形状は、上記記載の形状の組み合わせとなっていてもよい。ただし、領域３は、少なくとも一か所がシート面内の幾何学的重心を含む。電池セル６の膨張個所となる中央付近は、接触しているシートの面中央付近となるため、圧縮強度を向上させた領域３がシート面内の幾何学的重心を含むことで、電池セル６の膨張の影響を小さくすることができる。

１繊維シート
２領域（第１の領域）
３領域（第２の領域）
４シリカキセロゲル
５断熱シート
６電池セル
７筐体

Claims

内部に空間を有する繊維シートと、
前記繊維シートの前記空間に担持されたシリカキセロゲルと、
を備えた断熱シートであって、
前記断熱シートは、前記断熱シートの周縁部分に位置する第１の領域と、前記第１の領域に囲まれた第２の領域とを有し、
前記第１の領域と前記第２の領域のそれぞれは、前記繊維シートと前記シリカキセロゲルを有し、
圧力を加えないときの前記第１の領域の厚さと前記第２の領域の厚さは実質的に同一であり、
前記第２の領域のシート密度は、前記第１の領域のシート密度よりも大きく、
前記第２の領域に１ＭＰａの圧力を加えたときの前記第２の領域の歪み率である前記第２の領域の圧縮歪み率は、前記第１の領域に１ＭＰａの圧力を加えたときの前記第１の領域の歪み率である前記第１の領域の圧縮歪み率よりも小さい、断熱シート。
前記第１の領域のシート密度は０．２ｇ／ｃｍ^３以上かつ０．３ｇ／ｃｍ^３以下であり、前記第２の領域のシート密度は０．４ｇ／ｃｍ^３以上かつ０．６ｇ／ｃｍ^３以下である、請求項１に記載の断熱シート。
前記第２の領域は前記断熱シート内の幾何学的重心を含む、請求項１または２に記載の断熱シート。
筐体と、
前記筐体内に固定された複数の電池セルと、
前記複数の電池セル間に設けられた断熱シートと、
を備え、
前記断熱シートは請求項１～３のいずれか１項に記載の断熱シートである、二次電池。
複数の電池セルの間に前記電池セルに隣接して設けられる断熱シートであって、
前記断熱シートは、前記断熱シートの周縁部分に位置する第１の領域と、前記第１の領域に囲まれた第２の領域とを有し、
前記第２の領域の少なくとも一部は、前記電池セルが膨張した際に前記電池セルから圧力を受ける部分であり、
前記第２の領域に１ＭＰａの圧力を加えたときの前記第２の領域の圧縮歪み率は、前記第１の領域に１ＭＰａの圧力を加えたときの前記第１の領域の圧縮歪み率よりも小さい、断熱シート。
前記第２の領域に１ＭＰａの圧力を加えたときの前記第２の領域の圧縮歪み率は、１０％以下である、請求項５に記載の断熱シート。
複数の電池セルと、
複数の前記電池セルの間に前記電池セルに隣接して設けられた断熱シートと、を有し、
前記断熱シートは、前記断熱シートの周縁部分に位置する第１の領域と、前記第１の領域に囲まれた第２の領域とを有し、
前記第２の領域の少なくとも一部は、前記電池セルが膨張した際に前記電池セルから圧力を受ける部分であり、
前記第２の領域に１ＭＰａの圧力を加えたときの前記第２の領域の圧縮歪み率は、前記第１の領域に１ＭＰａの圧力を加えたときの前記第１の領域の圧縮歪み率よりも小さい、二次電池。
前記第２の領域に１ＭＰａの圧力を加えたときの前記第２の領域の圧縮歪み率は、１０％以下である、請求項７に記載の二次電池。
内部に空間を有する繊維シートと、
前記繊維シートの前記空間に担持されたシリカキセロゲルと、
を備えた断熱シートであって、
前記断熱シートは、前記断熱シートの周縁部分に位置する第１の領域と、前記第１の領域に囲まれた第２の領域とを有し、
前記第１の領域と前記第２の領域のそれぞれは、前記繊維シートと前記シリカキセロゲルを有し、
前記第２の領域のシート密度は、前記第１の領域のシート密度よりも大きく、
前記第２の領域に１ＭＰａの圧力を加えたときの前記第２の領域の歪み率である前記第２の領域の圧縮歪み率は、前記第１の領域に１ＭＰａの圧力を加えたときの前記第１の領域の歪み率である前記第１の領域の圧縮歪み率よりも小さく、
前記第１の領域のシート密度は０．２ｇ／ｃｍ ^３以上かつ０．３ｇ／ｃｍ ^３以下であり、前記第２の領域のシート密度は０．４ｇ／ｃｍ ^３以上かつ０．６ｇ／ｃｍ ^３以下である、断熱シート。
筐体と、
前記筐体内に固定された複数の電池セルと、
前記複数の電池セル間に設けられた断熱シートと、
を備え、
前記断熱シートは、
内部に空間を有する繊維シートと、
前記繊維シートの前記空間に担持されたシリカキセロゲルと、
を備え、
前記断熱シートは、前記断熱シートの周縁部分に位置する第１の領域と、前記第１の領域に囲まれた第２の領域とを有し、
前記第１の領域と前記第２の領域のそれぞれは、前記繊維シートと前記シリカキセロゲルを有し、
前記第２の領域のシート密度は、前記第１の領域のシート密度よりも大きく、
前記第２の領域に１ＭＰａの圧力を加えたときの前記第２の領域の歪み率である前記第２の領域の圧縮歪み率は、前記第１の領域に１ＭＰａの圧力を加えたときの前記第１の領域の歪み率である前記第１の領域の圧縮歪み率よりも小さい、二次電池。
前記第１の領域のシート密度は０．２ｇ／ｃｍ ^３以上かつ０．３ｇ／ｃｍ ^３以下であり、前記第２の領域のシート密度は０．４ｇ／ｃｍ ^３以上かつ０．６ｇ／ｃｍ ^３以下である、請求項１０に記載の断熱シート。
前記第２の領域は前記断熱シート内の幾何学的重心を含む、請求項１０または１１に記載の断熱シート。