JP2017182898A

JP2017182898A - バッテリ

Info

Publication number: JP2017182898A
Application number: JP2016063590A
Authority: JP
Inventors: 昌彦山縣; Masahiko Yamagata; 寺本　師士; Moroshi Teramoto; 師士寺本
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2016-03-28
Filing date: 2016-03-28
Publication date: 2017-10-05

Abstract

【課題】バッテリの冷却のための構造を確保しつつ、耐火性能を向上させたバッテリの提供。【解決手段】複数のバッテリモジュールを備えたバッテリ１は、隣り合うバッテリモジュール２の隣り合う側面の少なくとも一方に熱膨張性耐火材４が配置され、隣り合うバッテリモジュールの間には通気可能な空間５が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリに関し、より詳しくは複数のバッテリモジュールを備えたバッテリに関する。

リチウム電池に代表される各種バッテリでは、異常発熱に起因してバッテリが発火することがある。これを防ぐためにバッテリに異常発熱を抑制するためのバッテリ冷却機構が設けられているが、バッテリが発火した際にバッテリが焼失しないように、耐火性能を向上させることも重要である。

従来は、バッテリの耐火性能を向上させるために、バッテリモジュールの外装を金属製の耐火断熱ケースとしたり（特許文献１）、難燃樹脂で形成したりしていた。しかしながら、金属素材は電気絶縁性の点で不利である。また、難燃樹脂は耐火性能に限界がある。

特開2013-251127

本発明の目的は、バッテリの冷却のための構造を確保しつつ、耐火性能を向上させたバッテリを提供することにある。

本発明者らは、上記の目的を達成すべく、熱膨張性耐火材を複数のバッテリモジュールの各々の少なくとも一面に設けることにより、隣り合うバッテリモジュール間に空間を保持しつつ、火災による加熱時には耐火性を発揮できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明によれば、複数のバッテリモジュールを備えたバッテリであって、隣り合うバッテリモジュールの隣り合う側面の少なくとも一方に熱膨張性耐火材が配置され、前記隣り合うバッテリモジュールの間には通気可能な空間が設けられている、バッテリが提供される。

本発明によれば、バッテリの冷却と、火災による加熱時の延焼の抑制とが可能となる。

本発明の第１実施形態のバッテリの斜視図。図１のバッテリが加熱された状態を示す斜視図。本発明の第２実施形態のバッテリの斜視図。本発明の第３実施形態のバッテリの斜視図。本発明の第４実施形態のバッテリの斜視図。

以下、本発明の第１実施形態のバッテリを図１，２を参照しながら説明する。

図１に示すように、本発明の第１実施形態の電源装置としてのバッテリ１は、複数のバッテリモジュール２（図では２個）を備え、複数のバッテリモジュール２の各々は、各バッテリモジュール２の幅広面に対して水平な方向（図で左右方向）に並べて配置され、各バッテリモジュール２は、電池３と、電池３の一側面に取り付けられた熱膨張性耐火材４とを備えている。電池３は充電できる電池であり、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等の充電池が挙げられる。

熱膨張性耐火材４の材料についてはより詳しく後述する。熱膨張性耐火材４は、隣り合うバッテリモジュール２の隣り合う側面の両方に配置され、かつ２つの熱膨張性耐火材４の間には通気可能な空間５が設けられている。隣り合うバッテリモジュール２が通気可能な空間５により隔てられているため、バッテリモジュール２が動作時に発熱した場合には、通気可能な空間５を介してバッテリモジュール２から発せられた熱を放出することができる。

通気可能な空間５には、隣り合うバッテリモジュール２を冷却するための冷却媒体を通流させてもよい。冷却媒体としては、冷却された空気を含む、種々様々な液状又は気体の任意の媒体が使用可能である。

図２に示すように、火災等により、熱膨張性耐火材４が加熱されると、隣り合う熱膨張性耐火材４は膨張して接触し、通気可能な空間５が埋められる。このため、火炎の進路が遮断され、バッテリ１の延焼を防ぐことができる。

このように、第１実施形態のバッテリ１の構成によれば、隣り合うバッテリモジュール２の間に放熱用の空間５を保持しつつ、火災による加熱時には熱膨張性耐火材４が膨張して耐火性を発揮することができる。

ここで、熱膨張性耐火材４を構成する耐火樹脂材料について説明する。熱膨張性耐火材４を構成する耐火樹脂材料は、マトリックス成分に、熱膨張性層状無機物を含む樹脂組成物である。熱膨張性耐火材４は、樹脂組成物の各成分を単軸押出機、二軸押出機、バンバリーミキサー、ニーダーミキサー、混練ロール、ライカイ機、遊星式撹拌機等公知の装置を用いて混練し、公知の成形方法で成形することにより得ることができる。

マトリックス成分としては、例えば、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、ゴム物質、及びそれらの組み合わせが挙げられる。

熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリ（１−）ブテン樹脂、ポリペンテン樹脂等のポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、（メタ）アクリル系樹脂、ポリアミド樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ノボラック樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイソブチレン等の合成樹脂が挙げられる。

熱硬化性樹脂としては、例えば、ポリウレタン、ポリイソシアネート、ポリイソシアヌレート、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド等の合成樹脂が挙げられる。

ゴム物質としては、天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、１，２−ポリブタジエンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ニトリルゴム、ブチルゴム、塩素化ブチルゴム、エチレン−プロピレンゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム（EPDM）、クロロスルホン化ポリエチレン、アクリルゴム、エピクロルヒドリンゴム、多加硫ゴム、非加硫ゴム、シリコンゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム等のゴム物質等が挙げられる。

これらの合成樹脂及び／又はゴム物質は、一種もしくは二種以上を使用することができる。

これらの合成樹脂及び／又はゴム物質の中でも、柔軟でゴム的性質を有しているものが好ましい。この様な性質を有する樹脂成分は無機充填材を高充填することが可能であり、またゴム物質は自己粘着性を有するため、電池３と熱膨張性耐火材４との間に接着剤又は接着シート等の接着手段を用いなくとも、熱膨張性耐火材４を電池３に取り付けることができる。

熱膨張性層状無機物は加熱時に膨張するものであり、特に限定はなく、例えば、バーミキュライト、カオリン、マイカ、熱膨張性黒鉛等を挙げることができる。熱膨張性黒鉛とは、加熱時に膨張する従来公知の物質であり、天然鱗状グラファイト、熱分解グラファイト、キッシュグラファイト等の粉末を、濃硫酸、硝酸、セレン酸等の無機酸と、濃硝酸、過塩素酸、過塩素酸塩、過マンガン酸塩、重クロム酸塩、重クロム酸塩、過酸化水素等の強酸化剤とで処理してグラファイト層間化合物を生成させたものであり、炭素の層状構造を維持したままの結晶化合物の一種である。

上記のように酸処理して得られた熱膨張性黒鉛は、更にアンモニア、脂肪族低級アミン、アルカリ金属化合物、アルカリ土類金属化合物等でさらに中和してもよい。熱膨張性黒鉛の市販品としては、例えば、東ソー社製「ＧＲＥＰ−ＥＧ」、ＧＲＡＦＴＥＣＨ社製「ＧＲＡＦＧＵＡＲＤ」等が挙げられる。

上記樹脂組成物は、膨張断熱層の強度を向上させるために、無機充填剤をさらに含有することができる。無機充填剤としては特に限定されず、例えば、アルミナ、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化鉄、酸化錫、酸化アンチモン、フェライト等の金属酸化物；水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、ハイドロタルサイト等の金属水酸化物；塩基性炭酸マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、炭酸亜鉛、炭酸ストロンチウム、炭酸バリウム等の金属炭酸塩；難燃剤としての無機リン酸塩；硫酸カルシウム、石膏繊維、ケイ酸カルシウム等のカルシウム塩；シリカ、珪藻土、ドーソナイト、硫酸バリウム、タルク、クレー、マイカ、モンモリロナイト、ベントナイト、活性白土、セピオライト、イモゴライト、セリサイト、ガラス繊維、ガラスビーズ、シリカ系バルン、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、カーボンブラック、グラファイト、炭素繊維、炭素バルン、木炭粉末、各種金属粉、チタン酸カリウム、硫酸マグネシウム、チタン酸ジルコン酸鉛、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カルシウム、アルミニウムボレート、硫化モリブデン、炭化ケイ素、ステンレス繊維、ホウ酸亜鉛、各種磁性粉、スラグ繊維、フライアッシュ、脱水汚泥等が挙げられる。これらの無機充填剤は一種もしくは二種以上を使用することができる。

無機充填剤のうち、水酸化アルミニウムの具体例としては、例えば、水酸化アルミニウムでは、粒径１８μｍの「ハイジライトＨ−３１」（昭和電工社製）、粒径２５μｍの「Ｂ３２５」（ＡＬＣＯＡ社製）、炭酸カルシウムでは、粒径１．８μｍの「ホワイトンＳＢ赤」（備北粉化工業社製）、粒径８μｍの「ＢＦ３００」（備北粉化工業社製）等が挙げられる。

熱膨張性耐火材を構成する樹脂組成物は、膨張断熱層の強度を増加させ防火性能を向上させるために、前記の各成分に加えて、さらにリン化合物を含むことができる。リン化合物としては、特に限定されず、例えば、赤リン；トリフェニルホスフェート、トリクレジルホスフェート、トリキシレニルホスフェート、クレジルジフェニルホスフェート、キシレニルジフェニルホスフェート等の各種リン酸エステル；リン酸ナトリウム、リン酸カリウム、リン酸マグネシウム等のリン酸金属塩；ポリリン酸アンモニウム；下記化学式（１）で表される化合物等が挙げられる。これらのうち、防火性能の観点から、赤リン、ポリリン酸アンモニウム、及び、下記化学式（１）で表される化合物が好ましく、性能、安全性、コスト等の点においてポリリン酸アンモニウムがより好ましい。

化学式（１）中、Ｒ¹及びＲ³は、同一又は異なって、水素、炭素数１〜１６の直鎖状もしくは分岐状のアルキル基、又は、炭素数６〜１６のアリール基を示す。Ｒ²は、水酸基、炭素数１〜１６の直鎖状もしくは分岐状のアルキル基、炭素数１〜１６の直鎖状あるいは分岐状のアルコキシル基、炭素数６〜１６のアリール基、又は、炭素数６〜１６のアリールオキシ基を示す。

赤リンとしては、市販の赤リンを用いることができるが、耐湿性、混練時に自然発火しない等の安全性の点から、赤リン粒子の表面を樹脂でコーティングしたもの等が好適に用いられる。ポリリン酸アンモニウムとしては特に限定されず、例えば、ポリリン酸アンモニウム、メラミン変性ポリリン酸アンモニウム等が挙げられるが、取り扱い性等の点からポリリン酸アンモニウムが好適に用いられる。市販品としては、例えば、クラリアント社製「ＡＰ４２２」、「ＡＰ４６２」、ＢｕｄｅｎｈｅｉｍＩｂｅｒｉｃａ社製「ＦＲＣＲＯＳ４８４」、「ＦＲＣＲＯＳ４８７」等が挙げられる。

化学式（１）で表される化合物としては特に限定されず、例えば、メチルホスホン酸、メチルホスホン酸ジメチル、メチルホスホン酸ジエチル、エチルホスホン酸、ｎ−プロピルホスホン酸、ｎ−ブチルホスホン酸、２−メチルプロピルホスホン酸、ｔ−ブチルホスホン酸、２，３−ジメチル−ブチルホスホン酸、オクチルホスホン酸、フェニルホスホン酸、ジオクチルフェニルホスホネート、ジメチルホスフィン酸、メチルエチルホスフィン酸、メチルプロピルホスフィン酸、ジエチルホスフィン酸、ジオクチルホスフィン酸、フェニルホスフィン酸、ジエチルフェニルホスフィン酸、ジフェニルホスフィン酸、ビス（４−メトキシフェニル）ホスフィン酸等が挙げられる。中でも、ｔ−ブチルホスホン酸は、高価ではあるが、高難燃性の点において好ましい。前記のリン化合物は、単独で用いることもできるし、２種以上を併用することもできる。

上記樹脂組成物は、前記熱可塑性樹脂、マトリックス成分１００重量部に対し、熱膨張性層状無機物を１０〜３５０重量部及び無機充填材を３０〜４００重量部の範囲で含むものが好ましい。この配合によれば、前記熱膨張性耐火材は火災等の加熱によって膨張し、必要な体積膨張率を得ることができ、膨張後は所定の断熱性能を有すると共に所定の強度を有する残渣を形成することもでき、安定した防火性能を達成することができる。

また、熱膨張性層状無機物及び無機充填材の合計は、樹脂成分１００重量部に対し、５０〜６００重量部の範囲が好ましい。上記樹脂組成物における熱膨張性層状無機物及び無機充填材の合計量は、５０重量部以上では燃焼後の残渣量を満足して十分な耐火性能が得られ、６００重量部以下であると機械的物性が維持される。

さらに本発明に使用する前記樹脂組成物は、それぞれ本発明の目的を損なわない範囲で、必要に応じて、可塑剤の他、フェノール系、アミン系、イオウ系等の酸化防止剤、金属害防止剤、帯電防止剤、安定剤、架橋剤、滑剤、軟化剤、顔料、粘着付与樹脂、成型補助材等の添加剤、ポリブテン、石油樹脂等の粘着付与剤を含むことができる。

熱膨張性耐火材は市販品としても入手可能であり、例えば、住友スリーエム社製のファイアバリア（クロロプレンゴムとバーミキュライトとを含有する樹脂組成物からなる熱膨張性耐火材、膨張率：３倍、熱伝導率：０．２０ｋｃａｌ／ｍ・ｈ・℃）、三井金属塗料社のメジヒカット（ポリウレタン樹脂と熱膨張性黒鉛とを含有する樹脂組成物からなる熱膨張性耐火材、膨張率：４倍、熱伝導率：０．２１ｋｃａｌ／ｍ・ｈ・℃）、積水化学工業社製フィブロック等の熱膨張性耐火材等が挙げられる。

前記熱膨張性耐火材は、火災時等の高温にさらされた際にその膨張層により断熱し、かつその膨張層の強度があるものであれば特に限定されない。５０ｋＷ／ｍ²の加熱条件下で３０分間加熱した後の体積膨張率が３〜５０倍のものであれば好ましい。前記体積膨張率が３倍以上であると、膨張体積が前記樹脂成分の焼失部分を十分に埋めることができ、また５０倍以下であると、膨張層の強度が維持され、火炎の貫通を防止する効果が保たれる。

次に、本発明の第２実施形態のバッテリについて説明する。なお、第１実施形態と同じ部材は同じ符号で示し、説明を省略する。

図３に示すように、本発明の第２実施形態のバッテリ１では、熱膨張性耐火材４が、隣り合うバッテリモジュール２の隣り合う側面の片方のみに配置され、かつ熱膨張性耐火材４と隣りのバッテリモジュール２との間には通気可能な空間５が設けられている。この場合も、隣り合うバッテリモジュール２が通気可能な空間５により隔てられているため、バッテリモジュール２が動作時に発熱した場合には、通気可能な空間５を介してバッテリモジュール２から発せられた熱を放出することができる。

また、第２実施形態の場合も、火災等により熱膨張性耐火材４が加熱されると、隣り合う熱膨張性耐火材４は膨張して接触し、通気可能な空間５が埋められる。このため、火炎の進路が遮断され、バッテリ１の延焼を防ぐことができる。

次に、本発明の第３実施形態のバッテリについて説明する。なお、第１実施形態と同じ部材は同じ符号で示し、説明を省略する。

図４に示すように、本発明の第３実施形態のバッテリ１は、第３実施形態では、複数のバッテリモジュール２が２×２に並べられた４つのバッテリモジュール２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄからなり、電池３は電池３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄからなり、熱膨張性耐火材４は熱膨張性耐火材４ａ１及び４ａ２、４ｂ１及び４ｂ２、４ｃ１及び４ｃ２、並びに４ｄ１及び４ｄ２からなる。

各バッテリモジュール２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄはそれぞれ電池３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄと、電池３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの２つの側面に取り付けられた熱膨張性耐火材４ａ１及び４ａ２、４ｂ１及び４ｂ２、４ｃ１及び４ｃ２、並びに４ｄ１及び４ｄ２とを備えている。熱膨張性耐火材４ａ１と熱膨張性耐火材４ｂ１、熱膨張性耐火材４ａ２と熱膨張性耐火材４ｃ２、熱膨張性耐火材４ｂ２と熱膨張性耐火材４ｄ２、熱膨張性耐火材４ｃ１と熱膨張性耐火材４ｄ１が隣り合い、それぞれの熱膨張性耐火材の間には通気可能な空間５が設けられている。通気可能な空間５には、隣り合うバッテリモジュールを冷却する冷却媒体が通流されてもよい。火災等により加熱されると、隣り合う熱膨張性耐火材４ａ１と熱膨張性耐火材４ｂ１、熱膨張性耐火材４ａ２と熱膨張性耐火材４ｃ２、熱膨張性耐火材４ｂ２と熱膨張性耐火材４ｄ２、熱膨張性耐火材４ｃ１と熱膨張性耐火材４ｄ１は膨張して当接し、通気可能な空間５が埋められる。

第３実施形態のバッテリ１の構成によっても、隣り合うバッテリモジュール２ａ及び２ｂ、２ｂ及び２ｄ，２ａ及び２ｃ，２ｃ及び２ｄ間に放熱用の空間５を保持しつつ、火災による加熱時には熱膨張性耐火材４ａ１及び４ａ２、４ｂ１及び４ｂ２、４ｃ１及び４ｃ２、並びに４ｄ１及び４ｄ２が膨張して耐火性を発揮することができる。

次に、本発明の第４実施形態のバッテリについて説明する。なお、第１実施形態と同じ部材は同じ符号で示し、説明を省略する。

図５に示すように、本発明の第４実施形態のバッテリ１は、第１実施形態のバッテリ１と比較して、各バッテリモジュール２の下面に熱膨張性耐火材４ｅをさらに備えている。このため、複数のバッテリモジュール２を各バッテリモジュール２の幅広面に対して垂直な方向（図で上下方向）に並べて配置する場合に、上下のバッテリモジュール間に耐火性能が付与される。

第４の実施形態のバッテリ１の構成によっても、隣り合うバッテリモジュール２間に放熱用の空間５を保持しつつ、火災による加熱時には熱膨張性耐火材４及び４ｄが膨張して耐火性を発揮することができる。

ここまで、本発明を第１〜４実施形態を例にとって説明してきたが、本発明はこれに限られず、本発明の技術的思想に基づく以下のような種々の変形が可能である。
・熱膨張性耐火材４は、各バッテリモジュール２の４つの側面全周に設けられていてもよい。
・バッテリモジュール２の数は限定されず、バッテリ１のすべての隣り合うバッテリモジュール２の隣り合う側面に熱膨張性耐火材４が配置されてもよいし、一部の隣り合うバッテリモジュール２の隣り合う側面に熱膨張性耐火材４が配置されてもよい。
・一つのバッテリ１において、第１〜４実施形態のバッテリモジュール２の配置を組み合わせてもよい。例えば、ある隣り合うバッテリモジュール２は第１実施形態のように隣り合う側面の両方に熱膨張性耐火材が配置され、別の隣り合うバッテリモジュール２は第２実施形態のように隣り合う側面の片方のみに熱膨張性耐火材が配置されていてもよい。
・熱膨張性耐火材４が加熱され、膨張して通気可能な空間５を埋める場合、空間５を完全に埋めるだけでなく、空間５を部分的に埋める場合も本発明の範囲に含まれる。
・バッテリモジュール２と熱膨張性耐火材４の間に、接着剤又は接着シート等の層又は別の追加の層が介在していてもよい。
・複数のバッテリモジュール２は、金属製等の耐火断熱ケース内にさらに収容されてもよい。
・複数のバッテリモジュール２の複数の電池３を直列に接続してブロックとし、出力電圧を大きくしてもよいし、複数の電池３を並列に接続して出力電流を大きくしてもよい、例えば、そのようなブロックの出力電圧を３０Ｖ〜１００Ｖ、充電容量を５Ａｈ〜１００Ａｈとし得る。

また、本発明は以下の構成をとることもできる。
（１）複数のバッテリモジュールを備えたバッテリであって、
隣り合うバッテリモジュールの隣り合う側面の少なくとも一方に熱膨張性耐火材が配置され、隣り合うバッテリモジュールの間には通気可能な空間が設けられている、バッテリ。
（２）前記隣り合うバッテリモジュールの隣り合う側面の両方に熱膨張性耐火材が配置され、２つの熱膨張性耐火材の間に前記空間が設けられている、（１）に記載のバッテリ。
（３）前記通気可能な空間に、前記隣り合うバッテリモジュールを冷却する冷却媒体が通流する、（１）または（２）に記載のバッテリ。
（４）前記熱膨張性耐火材が、加熱により膨張し、通気可能な空間を埋める、（１）〜（３）のいずれかに記載のバッテリ。

１・・・バッテリ、２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ…バッテリモジュール、３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ…電池、４，４ａ１，４ａ２，４ｂ１，４ｂ２，４ｃ１，４ｃ２，４ｄ１，４ｄ２…熱膨張性耐火材、５…空間。

Claims

複数のバッテリモジュールを備えたバッテリであって、
隣り合うバッテリモジュールの隣り合う側面の少なくとも一方に熱膨張性耐火材が配置され、前記隣り合うバッテリモジュールの間には通気可能な空間が設けられている、バッテリ。
前記隣り合うバッテリモジュールの隣り合う側面の両方に熱膨張性耐火材が配置され、２つの熱膨張性耐火材の間に前記空間が設けられている、請求項１に記載のバッテリ。
前記通気可能な空間に、前記隣り合うバッテリモジュールを冷却する冷却媒体が通流する、請求項１又は２に記載のバッテリ。