JP2018204708A - 断熱材とそれを用いた発熱ユニット、および、電池ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】電池セルの膨張、圧縮応力に対し、シリカエアロゲルの構造を保持して熱伝導率の悪化を抑制する断熱材とそれを用いた発熱ユニット、および、電池ユニットを提供すること。【解決手段】繊維シートとシリカエアロゲルを含む複合層を有し、上記繊維シートは、折り返しされ、積層されている断熱材を用いる。また、発熱体間に上記断熱材が配置された発熱ユニットを用いる。さらに、上記断熱材を電池セル間に配置した電池ユニットを用いる。【選択図】 図１

Description

本発明は、疎水性エアロゲルを用いた断熱材とそれを用いた発熱ユニット、および、電池ユニットに関するものである。

近年、地球環境意識の高まりから電気自動車やハイブリッド自動車など二次電池を搭載した自動車が増加している。車載用の電池は、複数のリチウムイオン電池（電池セル）から構成されている。製造時の不具合や衝突、誤った取り扱いにより電池セルが熱暴走を起こすことが想定される。１つの電池セルが熱暴走し、大量の熱を隣接する電池セルの伝達することで類焼が発生し、大事故に至る。

そこで現在、電池セル間の類焼防止として、電池セル間に熱絶縁体として変性ＰＰＥ樹脂やアラミド樹脂が用いられている。

しかしながら、車載電池の小型により電池セル間の空隙が狭くなるため、電池セル間の類焼の危険性が増加している。現在、熱絶縁体としてセル間に使用されている変性ＰＰＥ樹脂やアラミド樹脂の熱伝導率は、０．１７Ｗ／ｍｋ、０．０４Ｗ／ｍｋと熱伝導率が高いため、電池セル間の縮小により類焼が発生する。そこで、電池セル間に熱絶縁体として、変性ＰＰＥ樹脂やアラミド樹脂よりも熱伝導率が低いシリカエアロゲルを用いて電池セル間の断熱が考えられている（特許文献１）。

特許第５６２４２５４号公報

シリカエアロゲルは、低い熱伝導率（０．０２Ｗ／ｍｋ）を特徴とするが、シリカエアロゲルのシリカ２次粒子同士の結合力が小さく極めて脆弱であるため、外部から応力が加わると、シリカエアロゲルが破壊され、特性が劣化する欠点がある。

電池セルの劣化により電池セルが膨張することで、セル間の隙間が少なくなり、脆弱なシリカエアロゲルに圧縮応力が発生し、シリカエアロゲルが破壊される。また、電池セルの膨張、収縮を繰り返すことでシリカエアロゲルの弾性力が低下し、電池セルと断熱材間に隙間が生じることで熱伝導率が増加し、電池セルの断熱特性が劣化することで電池セルの類焼防止が出来ない。

そこで、本発明では、上記課題に鑑み、電池セルの膨張、圧縮応力に対し、シリカエアロゲルの構造を保持して熱伝導率の悪化を抑制する断熱材とそれを用いた発熱ユニット、および、電池ユニットを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、繊維シートとシリカエアロゲルを含む複合層を有し、前記繊維シートは、折り返しされ、積層されている断熱材を用いる。

また、発熱体間に上記断熱材が配置された発熱ユニットを用いる。さらに、上記断熱材を電池セル間に配置した電池ユニットを用いる。

以上のように、本願発明の断熱材およびその製造方法によれば、電池セル間においてシリカエアロゲルに掛かる圧縮応力を厚み方向に繊維を積層することで、圧縮応力を吸収すると共に、積層した繊維の復元力により電池セルとの密着性が向上し、電池セルからの熱伝導率を抑制することができる。結果、電池のセル間の熱暴走による類焼を抑制でき、安全な車載用電池を提供できる

（ａ）実施の形態１の断熱材の断面図、（ｂ）実施の形態１の断熱材に使用される繊維シートの斜視図、（ｃ）実施の形態１の断熱材の繊維の側面図 実施の形態１の断熱材の応用例を示す断面図 実施の形態１のシリカエアロゲルの模式図 （ａ）従来の繊維構造の斜視図、（ｂ）従来の繊維を示す図、（ｃ）実施の形態１の繊維構造の斜視図、（ｄ）実施の形態１の繊維を示す図 実施の形態２の断熱材の応用例の断面図 （ａ）〜（ｂ）実施の形態２の繊維積層構造の断面図 実施の形態３の断熱材の応用例の断面図 実施の形態４の断熱材の応用例の断面図 実施の形態１〜４の断熱材の製造フローチャート図

以下に、実施の形態について、図を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１（ａ）は、本発明の実施の形態における断熱材１００ａの断面図である。図１（ｂ）は、実施の形態における断熱材１００ａに用いる繊維シート１１１の斜視図である。図１（ｃ）は、実施の形態における繊維シート１１１中の繊維１０２を示す。

図２に、実施の形態として車載用電池の電池セル１０８間に実施の形態の断熱材１００ａを装着した構造の断面図を示す。電池セル１０８間に断熱材１００ａを挟み込んだ構造である。

電池セル１０８の劣化により電池セル１０８が膨張、収縮することで、電池セル１０８間の隙間が変化し、断熱材１００ａが変形を受ける。この実施の形態では、上記変形により断熱材１００ａが劣化することを防止する断熱材の構造である。断熱材１００ａ中の脆弱なシリカエアロゲルに膨張、収縮による応力が発生すると、シリカエアロゲルが破壊され、断熱材１００ａが劣化する。実施の形態の断熱材１００ａの構造は、これを防止し、電池セル１０８間の類焼防止を抑制する。

＜断熱材１００ａ＞
図１（ａ）で、断熱材１００ａは、繊維シート１１１と、ナノサイズの多孔質構造を有するシリカエアロゲル１０６との複合層１０１を有している。繊維シート１１１は、図１（ｂ）に示すように、直線状の繊維１０２を複数回の折り曲げにより積層されたものである。折り曲げ回数、折り曲げ幅などは、必要に応じて決定される。

複合層１０１は、さらに必要に応じて、上下をラミネートフィルム１０７で覆われるが好ましい。

＜複合層１０１の製法＞
断熱材１００ａの主体となる複合層１０１は、シリカエアロゲル１０６のゲル原料を、繊維１０２に含浸させる。含浸後、繊維１０２を所望の厚みに対し積層する。その後、ゲル原料を反応させて湿潤ゲルを形成する。最後に湿潤ゲル表面を疎水化、熱風乾燥することにより、複合層１０１が得られる。

繊維シート１１１を構成している直線状の繊維１０２は、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）や安全性の観点から繊維に難燃処理を施した酸化アクリル、グラスウールなどを用いる。

繊維１０２の径は、０．１〜３０ｕｍが望ましい。繊維１０２の径が３０ｕｍより大きくなると繊維１０２を通じて熱が伝達しやすくなるため、熱伝導率が上昇し、断熱性が悪化することで電池セル１０８から発生した熱を隣の電池セルに伝えることで電池セルの温度上昇により類焼が発生させる。

＜シリカエアロゲル１０６＞
図３にシリカエアロゲル１０６の構造について説明する。シリカエアロゲル１０６は、１ｎｍ程度の径をもつシリカ１次粒子２０１が集合して形成された１０ｎｍ前後の径を持つシリカ２次粒子２０２が、１０〜６０ｎｍ程度の粒子間距離の空隙２０３をもつ網目構造の集合体である。

シリカエアロゲル１０６は、水ガラスやテトラメトキシシランのような金属アルコキシドをゲル原料として、水やアルコールなどの溶媒と必要に応じて触媒を混合することで、溶媒中でゲル原料と反応させ湿潤ゲルを形成し、内部の溶媒を乾燥させたものである。

しかしながら、湿潤ゲルを普通に熱風乾燥させたものは、溶媒が乾燥するときの表面張力により、収縮してしまい空隙を潰してしまい、断熱材として機能しない。従って、溶媒が乾燥するときに表面張力がほとんど働かないように、超臨界乾燥、あるいは湿潤ゲルの表面のシラノール基、シリル化剤を用いてシリル化することにより疎水化した後に熱風乾燥することが必要になる。

＜繊維シート１１１＞
従来の繊維シート１１２の構造を、図４（ａ）に示す。図４（ｂ）は、図４（ａ）の丸の部分の拡大図である。直線状の繊維１０２が絡みあって構成されている。この繊維１０２を単純に積層し、鉛直方向から加重Ａにて圧縮しても復元力はあまり期待出来ない。

一方、実施の形態の繊維シート１１１を、図４（ｃ）に示す。図４（ｄ）は、図４（ｃ）の丸の部分の拡大図である。繊維１０２を複数回の折り曲げにより積層した繊維シート１１１となっている。折り曲げにより発生した屈曲部１０５の繊維１０４は、断熱材１００ａの上下面に対して、垂直方向に並ぶ。複数の屈曲部１０５は、１つの断熱材１００ａ中で、厚み方向で重ならないのが好ましい。その部分は、他の部分より強度的に強く、他の部分にめり込むためである。

この垂直方向の繊維１０４は、加重Ａに対し、平行に存在するため、水平方向の繊維１０２と比較し反発応力は高い。この結果、電池セル１０８の膨張、収縮による電池セル１０８間の隙間変化に追従した断熱材１００ａを提供できる。ここで垂直方向とは、断熱材１００ａの厚み方向に平行方向である。

屈曲部１０５の繊維１０４を確実に屈曲させるには、低融点繊維を繊維１０２中に含有させることが有効である。低融点の繊維より高い熱を加え、屈曲させることで、他の繊維と溶着し、しっかりと屈曲できる。その結果、繊維強度が増し曲げ形状が保持できる。また、屈曲部１０５を、同一平面内に複数個存在させることが、弾性力の点から好ましい。

繊維１０２の積層段数および屈曲部１０５の個数は、図２の場合、電池セル１０８の膨張、収縮に合わせ設定する。図２の場合、繊維１０２の積層段数は、３段〜７段程度が望ましい。段数を増加させると繊維１０２のコストアップと生産性の低下を招く可能性がある。

特に、発熱に敏感な電池セル１０８間の断熱材１００ａとしては、電池セル１０８の膨張、収縮により電池セル１０８間の断熱材１００ａに圧縮応力が加わると、表面のシリカエアロゲルが破壊されることでクラック（空気の隙間）が発生し、熱伝導率を上昇させる。また、電池セル１０８の収縮に断熱材１００ａが追従しない場合、電池セル１０８と断熱材１００ａの間に隙間が出来るため、熱伝導率を上昇させ、類焼を発生させる。

＜断熱材１００ａの熱伝導率＞
この実施の形態では、電池のセル１０８間の絶縁体として、スペースが限られた空間に用いる断熱材１００ａを目的としている。図２の場合を考える。電池セル１０８と電池セル１０８の間に、断熱材１００ａが配置されている。

車載用電池の小型化により電池セル１０８間の隙間は約０．３ｍｍ〜１．０ｍｍ程度であり、従来の断熱材である変性ＰＰＥ樹脂の熱伝導率は、０．１７Ｗ／ｍｋであり１．０ｍｍの隙間に使用した場合、実験結果から類焼が確認されている。この場合、断熱材１００ａとして０．２０Ｗ／ｍｋ以下の熱伝導率が必要となる。

（実施の形態２）
図５に実施の形態２として、電池セル１０８に断熱材１００ｂを構成した場合の断面構造を示す。図５は、断熱材１００ｂに繊維シート１１１を３段に積層した場合である。繊維シート１１１の折り曲げ幅Ａ寸法および繊維シート１１１の積層数は、電池セル１０８の膨張、収縮により任意に設定できる。

図６（ａ）と図６（ｂ）に繊維シート１１１を積層した場合の断熱材１００ｂの断面図を示す。図６（ａ）と図６（ｂ）では、繊維シート１１１折り曲げ方が異なる例である。

図１（ｂ）は、側面からみるとＳの字の形状に折っている。図６（ａ）では、Ｓの字が反対方向を向いている折り方である。一方、図６（ｂ）では、Ｓの字が同じ方向を向いている折り方である。

なお、別の表現を以下で示す。図１（ｂ）の折り方は、外三つ折りである。図６（ｂ）は、複数の外三つ折りが、同じ方向を向いている折り方である。一方、図６（ａ）は、複数の外三つ折りが、反対方向を向いている折り方である。

両例とも、図２のような電池セル１０８の膨張に対し、断熱材１００ｂが繊維シート１１１により柔軟に応力を吸収できる。さらに、電池セル１０８の収縮に対しては、断熱材１００ｂが電池セル１０８の面に隙間なく追従できる。

（実施の形態３）
図７に、電池セル１０８に実施の形態３の断熱材１００ｃを形成した場合の断面図を示す。電池セル１０８の熱暴走が発生した時に、他の電池セル１０８への類焼を防止するため、積層された繊維シート１１１の積層間に放熱材料１０９を挟み込んだ構成となっている。

放熱材料１０９は、熱伝導の高いグラファイトシートや銅、アルミなどの熱伝導の高い金属を用いる。熱暴走により電池セル１０８から出た熱は、断熱材１００ｃにより断熱されることが望ましいが、一時的に熱暴走により電池セル１０８の高温熱が断熱材１００ｃに加わると断熱性能は低下する。

そこで急激な温度上昇を抑制するため、断熱材１００ｃの繊維シート１１１の層間に放熱材料１０９を構成することで、断熱材１００ｃ中の熱を熱伝導の高い放熱材料１０９にて電池フレームなどの他部位に熱を移動させることが出来る。この結果、電池セル１０８の類焼を効果的に抑制することが出来る。

（実施の形態４）
図８に実施の形態４の断熱材１００ｄの断面図を示す。図８に示すように積層した繊維シート１１１間に距離間隔Ｂを設けている。断熱材１００ｄを曲げずに使用する場合においては、Ｂ寸法は０．１ｍｍ以上、繊維シート１１１の積層厚み高さまでの範囲が望ましい。

曲面や屈曲部が存在する熱源１１０に対して、断熱材１００ｄを熱源１１０と密着させることで断熱特性を向上させることが出来る。そこで、曲面や屈曲部が存在する熱源１１０に対し、この距離間隔Ｂを繊維シート１１１の積層厚み高さ以上に広げることで、Ｂ部の繊維密度が低下し、柔軟性が生まれる。この柔軟性により、曲面や屈曲部が存在する熱源１１０に対し、断熱材１００ｄに曲げ加工を付与することが出来る。

繊維密度が高い積層した繊維シート１１１の部位にて曲げ加工することによって、シリカエアロゲル１０６が脱落し熱伝導率が上昇し、断熱性能を劣化させる。また、繊維密度が低いため、シリカエアロゲル１０６の充填率が向上し、熱伝導率を下げることが可能となり断熱特性を向上することができる。

＜断熱材１００ａ〜１００ｄの製造方法＞
断熱材１００ａ〜１００ｄの製造方法の一例をフローチャート図９に示す。

はじめに、繊維１０２（目付け量３４ｇ／ｍ^２、厚み０．６ｍｍ、寸法９ｃｍ×１４ｃｍ）に、ゾル液を用いて含浸させる。含浸させた繊維１０２を積層し、任意の数の積層部位を製作する。

ゾル液は、高モル珪酸ソーダ（珪酸水溶液、Ｓｉ濃度１４％）に触媒として濃塩酸（１２Ｎ）を１．４ｗｔ％添加し攪拌することにより調合する。

次に、室温２３℃で約２０分間放置し、ゾルをゲル化させる。このとき、ゲル化を促進し、時間短縮を行うため、ヒーター（約５０℃〜１３０℃）で加熱させてもよい。

次に、２軸ロール等を用いて所望の厚みに形成する。

次に、容器に、乾燥防止のために純水を注ぎ、８０℃の恒温槽に１２時間入れて、シラノールの脱水縮合反応を促進することにより、シリカ粒子を成長させ、多孔質構造を形成する。

次に、ゲルシートを塩酸（６〜１２規定）に浸漬後、常温２３℃で１時間放置してゲルシートの中に塩酸を取り込む。

次に、ゲルシートを、例えばシリル化剤であるオクタメチルトリシロキサンと２−プロパノール（ＩＰＡ）の混合液に浸漬させて、５５℃の恒温槽に入れて２時間反応さをせる。トリメチルシロキサン結合が形成され始めると、ゲルシートから塩酸が排出され、上層がトリシロキサン、下層が塩酸水に２液分離する。

次に、ゲルシートを１５０℃の恒温槽に移して２時間乾燥させることにより、繊維にナノサイズの多孔質構造を有する繊維にシリカエアロゲルを坦持させた断熱材１００ｃが出来る。

多孔質樹脂は、樹脂中にガスを分散させるなどして樹脂支柱を製作する。樹脂支柱の組成は、フッ素、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトンなどの樹脂を用いて製作することが出来る。
上記の製造により、電池セルの劣化により電池セルが膨張することで、セル間の隙間が少なくなり、脆弱なシリカエアロゲルにかかる圧縮応力を分散し、熱伝導率を保持することで電池セルの類焼を抑制することができる。

（全体として）
電池セル間に断熱材１００ａ〜１００ｄを用いる例を説明したが、断熱材１００ａ〜１００ｄは、他の熱源間、熱源周辺へも用いることができる。

本発明の製造方法によって製造される断熱材は、圧縮応力を分散することで断熱特性を保持できるものであって、広く車載用機器や電子機器内に利用される。情報機器、携帯電話、ディスプレイなど、熱に関わる製品へ応用される。

１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ 断熱材
１０１ 複合層
１０２ 繊維
１０４ 繊維
１０５ 屈曲部
１０６ シリカエアロゲル
１０７ ラミネートフィルム
１０８ 電池セル
１０９ 放熱材料
１１０ 熱源
１１１ 繊維シート
１１２ 繊維シート
２０１ シリカ１次粒子
２０２ シリカ２次粒子
２０３ 空隙

Claims (12)

1. 繊維シートとシリカエアロゲルを含む複合層を有し、
   前記繊維シートは、折り返しされ、積層されている断熱材。
2. 前記繊維シートは、３層に積層されている請求項１記載の断熱材。
3. 前記繊維シートは、外三つ折りされている請求項１または２記載の断熱材。
4. 前記繊維シートでは、複数の前記外三つ折りが反対方向を向いている請求項３記載の断熱材。
5. 前記繊維シートでは、複数の前記外三つ折りが同じ方向を向いている請求項３記載の断熱材。
6. 積層された前記繊維シート間に放熱材料を配置した請求項１〜５のいずれか１項に記載の断熱材。
7. 前記折り返し部分が複数ある請求項１〜６のいずれか１項に記載の断熱材。
8. 複数の前記折り返し部分は、前記断熱材の厚み方向で、重ならない請求項７に記載の断熱材。
9. 前記繊維シートが３層に積層されている積層部分は複数あり、複数の積層部分間は、前記繊維シートが１層である請求項２〜８のいずれか１項に記載の断熱材。
10. 前記複合層を覆うフィルムをさらに含む請求項１〜９のいずれか１項に記載の断熱材。
11. 発熱体間に請求項１〜１０のいずれか１項に記載の前記断熱材が配置された発熱ユニット。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の前記断熱材を電池セル間に配置した電池ユニット。

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