JP2018514052A - 電気化学装置の熱管理のためのシステム、構造及び材料 - Google Patents

電気化学装置の熱管理のためのシステム、構造及び材料 Download PDF

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Abstract

本開示は電気化学セルの熱管理及び保護のためのケーシング及び材料を提供する。ケーシングは電気化学セルの外側表面の少なくとも一部分と物理的接触にあるように構成された内側表面を含むことができる。内側表面は室温で実質的に固体でよい。ケーシングもそれ自身が２種以上の温度管理材料を含むポリマーマトリックスを含むことができる。２種以上の温度管理材料の少なくとも１種は少なくとも５ジュール毎グラムの潜熱及び０℃と１００℃の間の転移温度を有するマイクロカプセル化相変化材料を含み、２種以上の温度管理材料の少なくとも他の１種はエラストマー材料を含んでもよい。ポリマーマトリックスは実質的に均質であってよい。

Description

関連出願の交互参照
本出願は、２０１５年２月４日に出願され、発明の名称が「電気化学装置熱管理のためのシステム、構造及び材料（SYSTEMS, STRUCTURES AND MATERIALS FOR ELECTROCHEMICAL DEVICE THERMAL MANAGEMENT）」である、米国特許出願No.14/614,223に基づく優先権を主張する出願であり、その開示内容は以下に述べるように参照してここに含める。
概して、本開示は、電気化学装置の熱的特性を管理することによりその性能と安全性を向上させるために用いるシステム、構造及び組成物に関する。
携帯型エレクトロニクス、電力ツール、乗物部品、乗物自体に電力供給することができるバッテリー及びコンデンサなどの電気化学装置に対して需要が成長し続けている。多数のバッテリー又はコンデンサセルをお互いに近くにパックできる多くの最近のバッテリー及び電気二重層コンデンサシステム(EDLCS)は、操作のために高い電力及びエネルギー密度の要件がある。たとえば、リチウムイオン(Liイオン)、Liイオンポリマー、Liイオン液体バッテリーは、そのエネルギー密度、高電圧、無視できる記憶効果のゆえに、広範囲の用途、特に携帯型エレクトロニクス及び電気乗物のためにポピュラーな選択肢になっている。しかしながら、Liイオンバッテリーパックの大きい電力の要求及び増加するセル密度は高い操作温度（特に最大負荷時）となり、Liイオンバッテリー並びに多くのその他の商業的電気化学セルの化学は、高温で劣化又は老化を受けやすいため、後の充電/放電 サイクルの容量の急激な損失並びに全電力出力の低下をもたらす。
充放電時にバッテリーが放出する熱はバッテリーの性能及び寿命に有害な作用があることが知られている。この熱は安全に対して障害を成し得ることも知られている。その他の種類の電気化学セルでも同様の心配がある。バッテリー性能及び寿命に関して、操作熱(操作温度)の増加は、たとえ熱が安全障害を起こす程度ではないとしても、性能及び寿命を低下することが可能である。たとえば、単に10〜20℃の増加でもバッテリー寿命の劇的な減少をもたらし得る。外部熱条件はバッテリーを劣化させ得るが、操作におけるバッテリーの充放電の繰り返しは劇的な熱的上昇もたらし得る。従来技術では、現在、充放電時の大きい温度上昇を緩和することで、バッテリーの寿命中の性能低下を軽減し、バッテリーシステムの安全を増加することを意図する多くの絶縁物（断熱材）が存在する。セルを外的損傷から保護する機械的特性を有するバッテリーセルのカバー及びスリーブも存在する。既存のカバー、スリーブ及び絶縁物は有効性に差がある。
既存の商業的バッテリーセル及びパックは周囲条件及びセル操作の両方に基づく温度変動を管理するために、様々な受動的(passive)及び能動的(active)な冷却装置を利用する。能動的及び受動的の両方の熱管理システムはセル表面から熱を逃がして、コアの温度上昇を防止し、材料の劣化を制限することに依存している。コア温度を規制する有効性は、セル表面から熱を有効に逃がす能力とバッテリー材料の固有の熱的特性との両方の関数である。積極的冷却方法は、強制空気循環、流動冷却、熱パイプを含み、それらはポンプ、ファン、ラジエータ、機能のための接続に依存する。これらのシステムのために必要な装備は嵩張り、重く、高価であることが可能である。能動的冷却方法は、特に顕著な発熱中の、表面からの熱の逃がしを繰り返すことが効率的であるが、携帯型エレクトロニクスやツールなどの多くの用途ではその寸法及び複雑さが障害となる。
バッテリーの熱に関連する安全障害に関して、加熱したセルは、特に特定のセル又はその部品がお互いに直接に接触すると、火災や、爆発、その後に毒性の生成物及びガスの生成の可能性があることが知られている。バッテリーに依存する消費者向け製品の数が増加しているので、バッテリーの安全性の重要性は増加している。消費者が電話機、ラップトップ、その他の携帯機器においてバッテリーと物理的接触する機会が増加している。また、現在では多くの乗物部品及び乗物自体がバッテリーから電力供給を得ており、バッテリーの安全の要求はこれらの用途では特に高い。たとえば、航空機の部品に電力供給するために用いるバッテリーパックは、航空機における火災に基づく危険性の故に、極めて
耐火性でなければばらない。他の例として、バッテリーパックから電力供給される電気乗物は、衝突による衝撃からバッテリーパックの損傷の恐れがある。１つの問題は、過熱が熱暴走として知られる現象を起こし得ることであり、すなわち、１つのセルの過熱が近くの他のセルの過熱をもたらし、その複合効果によって同時に多数のセルの温度が爆発的に増大して、火災や爆発を起こす可能性があることである。セルがお互いに物理的に接触することを簡単に防止するために、PVCやカードボードなどの各種の材料からなるスリーブが用いられているが、それらの材料の多くは断熱作用をほとんど有していない。従来技術と比べて改良された保護及び熱管理を提供する電気化学セルのケーシング又はスリーブに対して需要が存在する。
例示の態様を以下にまとめる。これら及びその他の態様は以下により詳しく説明される。しかしながら、本開示は発明の概要及び発明の詳細な説明に記載したものに限定されないことが理解されるべきである。当業者には特許請求の範囲に記載した本開示の精神と範囲内であるクレームの変形、等価物、代替物の構成があることを理解可能である。
１つの側面において、電気化学セルの熱管理及び保護のためのケーシングが提供される。ケーシングは、電気化学セルの外側表面の少なくとも一部分と物理的接触するように構成された内側表面を含む。内側表面は室温で実質的に固体であることができる。ケーシングは、２種以上の温度管理材料を含むポリマーマトリックスを含むことができ、その２種以上の温度管理材料の少なくとも１種は、少なくとも5ジュール毎グラムの潜熱と0℃と100℃の間の転移温度を有するマイクロカプセル化相変化材料を含み、その２種以上の温度管理材料の他の少なくとも1種はエラストマー材料を含むことができる。ポリマーマトリックスは実質的に均質であることができる。
もう1つの側面において、電気化学セルの熱管理及び保護のためのもう１つのケーシングが提供される。ケーシングは、室温で実質的に固体であり、電気化学セルの外側表面の少なくとも一部分と物理的接触するように構成された内側表面と、２種以上の温度管理材料を含むポリマーマトリックスとを含むことができる。その２種以上の温度管理材料の少なくとも１種は、少なくとも5ジュール毎グラムの潜熱及び0℃と100℃の間の転移温度を有するポリマーの相変化材料を有することができる。その２種以上の温度管理材料の他の少なくとも１種は、エラストマー材料を含むことができる。ポリマーマトリックスは実質的に均質であることができる。
他の側面において、複数の電気化学セルと物理的接触するように構成された電気化学セルパックの熱管理及び保護のための容器が提供される。容器は室温で実質的に固体であることができる。ケーシングは２種以上の温度管理材料を含むポリマーマトリックスを含むことができる。その２種以上の温度管理材料の少なくとも１種は、少なくとも5ジュール毎グラムの潜熱及び0℃と100℃の間の転移温度を有するマイクロカプセル化相変化材料を含むことができる。その２種以上の温度管理材料の他の少なくとも１種は、エラストマー材料を含むことができる。ポリマーマトリックスは実質的に均質であることができる。
もう１つの側面では、携帯型の電気化学セルを電源とする装置を提供することできる。この装置は、１以上の電気化学セルと、１以上の電気化学セルのためのケーシングとを含むことができる。ケーシングは、室温で実質的に固体であることができる。ケーシングは、電気化学セルの外側表面の少なくとも一部分と物理的接触するように構成された内側表面を含むことができる。その２種以上の温度管理材料を含むポリマーマトリックスを含むことができる。その２種以上の温度管理材料の少なくとも１種は、少なくとも5ジュール毎グラムの潜熱及び0℃と100℃の間の転移温度を有するマイクロカプセル化相変化材料を含むことができる。その２種以上の温度管理材料の他の少なくとも1種は、エラストマー材料を含むことができる。ポリマーマトリックスは実質的に均質であることができる。
さらにもう１つの側面では、電気化学セルパックを電源とする少なくとも１つの部品と、複数の電気化学セルと物理的接触されるように構成された容器とを含む自動車を提供することができる。容器は室温で実質的に固体であることができる。ケーシングは２種以上の温度管理材料を含むポリマーマトリックスを含むことができる。その２種以上の温度管理材料の少なくとも１種は、少なくとも5ジュール毎グラムの潜熱及び0℃と100℃の間の転移温度を有するマイクロカプセル化相変化材料を含むことができる。その２種以上の温度管理材料の他の少なくとも１種は、エラストマー材料を含むことができる。ポリマーマトリックスは実質的に均質であることができる。
本開示のさらに他の側面において、電気化学セルの熱管理のためのケーシングを提供する。このケーシングは、電気化学セルの外側表面の少なくとも一部分と物理的接触するように構成された内側表面を含み、複合体ポリマー相変化材料 はポリエーテルポリオールと１種以上の分岐剤又は架橋剤とを含むことができる。分岐剤又は架橋剤がポリエーテルポリオールと反応すると、分岐剤又は架橋剤はポリエーテルポリオールの鎖の長さを変えることができ、ポリエーテルポリオールの元来の融点と潜熱を変えることができる。
もう１つの側面は電気化学セルの熱管理のための複合体ポリマー材料を提供する。この複合体ポリマー材料は電気化学セルのなくとも一部分と物理的接触するように構成された架橋ポリエーテルポリオール相変化材料を含むことができる。
もう１つの側面において、本開示は電気化学セルの熱管理のためのケーシングを提供する。本ケーシングは実質的に均質な架橋ポリエーテルポリオール相変化材料及び１以上の 電気化学セルを受領するように構成された１以上の受容器（receptacles）を含むことができる。
さらに、本開示のもう1つの側面 は、１以上の電気化学セルのためのケーシングを提供する。このケーシングは、実質的に均質な架橋ポリエーテルポリオール相変化材料からなる一体的な構造物であって、その一体的な構造物が１以上の電気化学セルを架橋ポリエーテルポリオール相変化材料と熱的接触を保持するように構成された１以上の開口部を有することができる。
多くの追加の側面及び態様が以下に記載され、当業者には理解されるであろう。
本開示の様々な目的及び利点及びより完全な理解は、図面を参照して、以下の発明の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲を参照すれば明らかであろう。
図１Ａは単一の円筒状バッテリーセルの図を示す。
図１Ｂは単一のプリズム型バッテリーセルの図を示す。
図１Ｃは単一の円筒状コンデンサセルの図を示す。
図１Ｄは単一のプリズム型コンデンサ セルの図を示す。
図１Ｅは円筒状バッテリーセル及びその内部保護部品を高いところから見た図である。
図２Ａは従来技術のケーシング中のバッテリーパックを示す。 図２Ｂは従来技術のケーシング中のバッテリーパックを示す。 図２Ｃは従来技術のケーシング中のバッテリーパックを示す。 図２Ｄは従来技術のケーシング中のバッテリーパックを示す。
図３はエラストマーの高次元の図である。
図４Ａは、本開示の態様に従う、空の円筒状ケーシングと円筒状ケーシング中のセルとを示す。
図４Ｂは、本開示の態様に従う、空の矩形状 ケーシングと、矩形状ケーシング中の矩形状又はプリズム型セルとを示す。
図４Ｃは本開示に従い多数の電気化学セルを保持することができる様々な態様のケーシングを示す。
図４Ｄは本開示に従い多数の電気化学セルを保持することができる追加の矩形状態様のケーシングを示す。
図５Ａはバッテリーセルを包囲するケーシングのスリーブ態様の上面図を示す。
図５Ｂはバッテリーセルを包囲するケーシングのテープ態様の上面図を示す。
図６Ａ−６Ｃは本開示の或る態様における熱管理材料の態様を示す。
図７は１態様の官能性ポリマー性相変化材料を示す。 図７Ａは１態様の官能性ポリマー性相変化材料を示す。 図７Ｂは１態様の官能性ポリマー性相変化材料を示す。 図７Ｃは１態様の官能性ポリマー性相変化材料を示す。 図８は１態様の官能性ポリマー性相変化材料を示す。 図８Ａは１態様の官能性ポリマー性相変化材料を示す。 図８Ｂは１態様の官能性ポリマー性相変化材料を示す。 図９Ａ-９Ｆは様々な態様の官能性ポリマー性相変化材料を示す。 図１０Ａ-１０Ｄは様々な態様の官能性ポリマー性相変化材料を示す。
図１１は不規則に分布したポリマーに比較した精確に分岐したポリマーの態様を示す。
図１２は様々なコポリマーのピークの融点を示すグラフである。
図１３は様々なコポリマーの結晶化の熱を示すグラフである。
図１４は様々なコポリマーの潜熱と融点を示すグラフである。
図１５Ａは本開示の様々の側において用いられるマイクロカプセルの詳細を示す。 図１５Ｂは本開示の様々の側において用いられるマイクロカプセルの詳細を示す。
図１６Ａ-１６Ｃは本開示の様々の側に関して用いられることができる様々の層構成を示す。
図１７は時間と共に低下するバッテリーセルの容量を示すグラフである。
図１８は、本開示の態様が如何に放電中のセルの操作温度を低下させるかを示すグラフである。
図１９は本開示の態様を試験する実験におけるセルの表面温度を示すグラフである。
図２０は図１９に示した実験におけるセルの放電容量保持を示すグラフである。
図２１は本開示の温度管理ケーシング内で充電及び放電したときの電気化学セルの性能特性を試験する実験のダイアグラムを示す。
図２２は実験中の図21のセルの温度を示すグラフを示す。
図２３は実験中の図２１のセルの温度を示すもう１つのグラフを示す。
図２４は異なる熱伝導特性を持つケーシングの様々な位置における温度を示すグラフである。
図２５は本開示の態様のケーシングのセルの放電保持容量を、ケーシングなしの対照セルと比べて示すグラフである。
その他の態様及び側面は、各種の図並びに本明細書に説明した方法を含み、以下に説明される。
本明細書を通して、本開示の側面による各種の材料、混合物、化学配合物、及び１種以上の材料、最終生成物又は組成物の各種の組合せに使用できる他の側面を参照する。当業者並びに米国特許庁及び世界中の特許庁の審査部門の両方は、材料、例及びその他の態様のリストの各々は、これらの個々の特徴の特別の請求項の置換なしで、それらを組合せて様々な代替態様にすることができることを当業者に教示するために含まれていることが理解されるべきである。現在の請求項並びにそれらの請求項の将来の補正の可能性のあるいずれかの特徴は、本開示の精神及び範囲を逸脱することなく、材料、範囲及びその他の代替物の１以上の組合せを含んでもよい。特に、当業者は単一の例又は態様、あるいは明細書の異なる部分に記載されているかに係らず、本明細書に開示された特徴の如何なる組合せについても明細書の記載に適切なサポートを認識し見出すであろう。これらの各種の例及び選択肢の記載は、米国特許法（35 U.S.C.）第112条及び欧州特許法第123(2)条並びに明細書の記載要件に関する類似する各国内国法に適合するように特別に起案されている。
本明細書の以下の部分において特定の組成物及び製造方法を記載するが、出願人は特許請求の範囲をこれらの特定の組成のいずれにも限定する意図はないことが理解されるべきである。反対に、本明細書に記載のすべての官能基、相変化材料、及び物品の全ての組合せを本開示の新規な側面を達成するために利用できることが予想されている。特許請求の範囲は本開示に記載され又は開示に含められるどの開示に記載されている特定の化合物のどれにも限定することを意図していない。
本開示は、電気化学セルの熱管理に関する材料、装置(apparatuses, devices)、システム、方法、及び製造方法について様々な記載を提供する。電気化学セルは広義であり、公知のタイプのバッテリー及びコンデンサを含む。用語「電気化学セル(electrochemical cell)」、「バッテリー(battery)」、「コンデンサ(capacitor)」及びそれらの複数形及び変形は、本開示をとおして互換的に用いられる。用語「セル」しばしば、限定するものではないが、アノード及びカソードなどの電極と電解液とを含む単一の閉鎖された電気化学セルを指称するために用いられ、また１又は多数の化学的相互作用から電気エネルギーを発生させること、あるいは電気エネルギーから１又は多数の化学的相互作用を促進させることができる装置を指称するために用いられる。多種類のバッテリーが知られており、特定の普通に商業的に入手可能なバッテリーを本開示をとおして説明と参照のために記載する。多種類のンデンサが知られており、特定の普通に商業的に入手可能なコンデンサ、たとえば 電気二重層コンデンサ又はスーパーコンデンサを説明のために本開示をとおして記載する。用語「パック」(屡々「バッテリーパック」)も、同様に、結合された端子を有する一群の閉鎖型セルを指称するために用いられる。本開示の目的のために、用語 「セル」は単一の電気化学セル (たとえば、バッテリー又はコンデンサセル)を参照するために用いられ、用語「パック」は結合された端子を有する多数の セルの配置を参照するために用いられる。用語 「電気化学装置」はパックに配置されあるいは配置されない１以上の電気化学セルをより広義に参照するために用いられる。本開示の多くの例は特定の用途のバッテリーセルを参照するが、これらの例は限定的ではなく、本開示の範囲を逸脱しない範囲内で他のタイプの電気化学セルにも適用可能であることが理解されるべきである。本開示の側面が利用可能なセル及びパックの特定の形状の例が以下に記載される。
電気化学装置の熱的特性を管理する既存の材料の問題は、必ずしも耐衝撃性のために構成されていないことである。既存の材料のもう１つの問題は電気化学装置に密にフィットするように設計されていないことである。後者の問題の一部は、電気化学装置が多くの寸法及び形状であること、また所定の形状でも、かなり多くの寸法があることによる。18650リチウムイオンセルが広く入手可能であり、公称の直径18.6 mm、長さ65.2mmであるが、直径は製造業者によって0.5〜1mm変化する。このような寸法変化は、セルの表面とスリーブとの間に、絶縁体として働く空気ギャップがあると、セルの温度を実際に増加させることがあるので問題であり、本開示においてさらに詳細に説明する。
冷却の受動的システムは典型的には熱源から熱を逃がす材料の使用を参照する。上記した能動的システムと対照的に、受動的システムは典型的には設計が単純であり、それらに電力を供給するための機械的装備及び追加の容量の必要性がなくなる。熱放散を管理する受動的システムの１つの有効な種類は、潜熱貯蔵材料（しばしば相変化材料として知られる）の使用を伴う。しかしながら、商業的セル及びバッテリーパックにおける相変化材料の適用は、現在入手可能な材料特性の欠陥のために最小限である。これらの欠陥のために熱的輸送/貯蔵性に劣り、適用の要件が厳しくなる。様々の業界において熱を貯蔵し放出するための相変化材料(PCM)は公知である。PCMは材料の相が変化する際に熱を吸収及び貯蔵する潜熱貯蔵材料である。PCM(マイクロカプセル化された又は素材のまま)の様々な形状及び組成の使用、その製造方法及びそれらの応用について、織物、繊維、建築絶縁、エレクトロニクスなどの分野において広く知られている。たとえば、米国特許No.8,587,945,“Systems, Structures and Materials for Electronic Device Cooling”を参照（その全開示は参照してここに含める）。さらに、バッテリーの熱的特性を管理するたけにPCMを使用することは知られている。たとえば、米国特許No.7,270,910,“Thermal Management Systems for Battery Packs"には、バッテリーを冷却するゲル内に分散されたＰＣＭが開示されている。同様に,米国特許No.6,942,944（“Battery System Thermal Management”）が参照され、これはバッテリーパック内の空隙を完全にPCMで充填することを開示する。しかしながら、これまでに開示されたシステム、組成物又は方法は、変化するバッテリー寸法、空気ギャップ、材料自身の寸法を変える必要性、利用及び輸送の容易性,防水性、耐食性、難燃性及び耐衝撃性の問題について適切に対処されていない。さらに、既存の組成物自身の熱管理性能は改良可能である。したがって、これらの欠陥をなくす必要性がある。
良好な熱管理材料は、高い熱伝導率、高い比熱容量、高い潜熱容量、高いポリトロピックな熱容量、低い熱膨張係数、低い空気含有量、良好なギャップ充填性、良好な表面濡れ性と接着性、及び良好なレオロジーを有すべきことが知られている。
本開示の１つの側面は、1種以上のPCMがもう１つの温度管理材料(TMM)のマトリックス内に分散され、個別電気化学セルの周りのタイトなケーシング又はスリーブとして形成されることができる。本開示をとおして、１種以上の分散したPCMを含むTMMケーシングはPCM-TMMケーシング又はスリーブあるいは代替的にTMM-PCMケーシング又はスリーブとして参照されることができる。ある態様では、用語PCM-TMM又はTMM-PCMは殆どがPCMと非常に少ない非PCM-TMMからなるか、その逆であるケーシング又はスリーブを参照することができる。或る態様では、電気化学セルは円筒状であり、セルの正極及び負極側の端子を露出させるためにスリーブは両端部において開放されていることができる。他の態様では、たとえば、電気化学セルはプリズム型又はポーチ型であり、両端子は一方の端部に配置されており、スリーブやその他のケーシングを一方の端部を閉鎖することができる。
本開示のもう1つの側面では、スリーブ又はケーシングは室温及び普通の電気化学装置操作(たとえば火炎に対する長時間の露出を除く)の実質的に全ての温度範囲内で固体であることができる。固体であるTMMマトリックス内に分散した1種以上のPCMからなるタイトなスリーブを形成する利点は、スリーブを容易に輸送して個々のセルに適用できることである。PCMを分散した固体TMMの公知の特性には、非腐食性、非毒性及び化学的不活性があり、その取扱いが容易である。その結果、電気化学セルの製造方法内あるいは電気化学装置を含む最終製品にスリーブを取付ける時と場合に大きな柔軟性がある。たとえば、バッテリーセル製造業者自身がスリーブを適用できるであろうし、あるいは最終製品製造業者が適用することもできよう。電気化学装置を所有する最終使用者さえもスリーブを使用される電気化学装置に適用して装置の性能及び寿命を延長することができるであろう。
本開示のもう1つの側面では、固体スリーブは、個別-セル-寸法化したユニット又は特定の電気化学装置の形状に適合するプリフォームのスリーブとして、形成することができる。そのような形状の例は本開示においてより詳細に説明される。個別-セル-寸法化したスリーブの利点は、パック中の他のセル又はスリーブが損傷していなくても、それが熱や衝撃で損傷した場合に取り外し及び交換することができることである。また、個別セル寸法のスリーブは、必要なスリーブの数を増減することができるので、広範囲の使用者及び業者によって実施されることができる。この利点のために、プラスチック、PVC又は金属製の個別セル寸法のスリーブは従来技術において使用されている。しかしながら、PCMは固体スリーブの形態に用いられておらず、PCM-充填ゲルが従来技術に用いられている。この固体スリーブは、たとえば、本開示に先に参照した米国特許No.7,270,910に開示されているように、バッテリーパック内の熱管理を提供するためにPCM-充填ゲルを用いるより有利である。PCMゲルは輸送及び適用が困難であり、製造プロセスの特定の工程では適用が制限されるかもしれない。ゲルは電気化学セル又はパックを取り囲む容器内に封鎖される必要があり、このような容器は電気化学装置の特定の形状のために特別の製造が必要であるようである。
同様に、個別セルの寸法にしたスリーブは、本開示で先に参照した米国特許No.6,942,944に記載されているように、時により固体であり時により液体であるPCMで、電気化学的パックのセルの間の間隙空気スペースを単純に充填するより利点がある。たとえば、電気化学的パック中の間隙スペースに充填することは、製造プロセス中に注入(injection)又は注ぎ入れ(pouring)を要するであろうから、それはその適用を製造プロセスの特定の工程に限定するであろう。このようなPCMの適用は個別の固体スリーブのように融通性(versatile)あるいは寸法拡張性(scalable)ではない。
特定の電気化学的パックのために構成されたプリフォームの一体型セットのスリーブは、利点を提供する。たとえば、１セットの個別スリーブを、多数のセルが同じ構造材料を共有するように、製造中にお互いに取付けることができる。一体型セットのスリーブは、２つだけ例示すると、一列の8スリーブ又はブロック状の64スリーブを含むことができる。特定の種類の消費者エレクトロニクス装置に用いる標準のバッテリーパック寸法のように特定の 商業的用途のために、これらの形状のスリーブを製造することは有益でありえる。
本開示の他の側面は、固体スリーブはエラストマー性（弾性）を有することができる。すなわち、マトリックスTMM自身及び/又はPCM自身は、たとえ「標準」寸法の商業的バッテリーセルが他の標準セルの寸法から僅かに変動していても、個々のバッテリーセルと密に接触するために伸長することができる。さらに、これらのエラストマー性（弾性）は熱弾性及び回復又は記憶を含む。すなわち、電気化学セル自体の熱が変化し、セルの物理的膨張及び収縮を引き起こすとき、スリーブは密な接触を維持するためにそれと一緒に膨張及び収縮することが可能である。この種のエラストマー性の利点がいくつかある。１つの利点は、エラストマー性（弾性）により非常に密な接触を維持して達成できる、スリーブとセル表面との間の空気ギャップの減少である。空気は熱源から放出される熱の伝導性が低いので、空気ギャップの減少は利点である。バッテリーセルと周囲の材料のどれかとの間に空気が捉えられると、周囲材料がない場合と比べて、空気ギャップは絶縁体として作用し、実際に電気化学セルをより熱くする。現在、プラスチック、PVC及び金属のスリーブが電気化学装置を保護し絶縁するために使用されている。これらの材料は、熱放散性に関してPCMより劣るのみならず、さらに、空気ギャップの作用を最小化するエラストマー性（弾性）も有していない。これらの材料が膨張及び収縮し、セル表面との接触を失うと、実際に空気ギャップが増加し、セルを包囲する熱も増加して、セルとスリーブが時間とともに劣化することになる。
さらにもう1つの開示の側面では、ゲル又はグリースを含むTMM及び/又はPCMを、スリーブの適用を促進しスリーブとセルの間の接触を増加するために、固体スリーブと関係して使用できる。ゲル及びグリースは液体状態であるので、膨張及び収縮し、微小なギャップを持ちえるセルとスリーブの間の領域に流動することができる。エラストマーのスリーブ及びゲル又はグリースの組合せは空気ギャップの存在を最小限化する。エラストマー性（弾性）及び/又はゲル及びグリースによって達成されるタイトなフィットのもう1つの利点は、セルの外側とTMMの間の接触はセルの全体としての温度の均一性を提供する。すなわち、あるセルは通常ホットスポットを生成するので、セルの一部が他の部分より高温になる。このようなホットスポットはセルの劣化をもたらす。密に接触するPCM-TMMスリーブは、ホットスポットで生成した熱をホットスポットからホットスポットに直接に接触しているPCM-TMMに放散させ、ホットスポットに直接に接触していないPCM-TMMに輸送することが可能である。その結果、セル全体の周りの温度が実質的に均質に維持される。
開示のもう1つの側面では、PCM-TMMケーシングは極寒天候環境においてセルを温暖に保つことが可能であることである。極寒ではセルの内部化学が崩壊するのでバッテリーセルの放電がより迅速になり、容量を失うことが知られている。PCMは潜熱貯蔵材料であるので、物品を熱損失から絶縁し、有害な作用をもたらすのに必要であろう温度を増加することが可能である。ある態様では、極寒からの保護を提供するPCMの層を、過剰の熱を放散する層と組合わせることができる。電気化学装置を極寒から絶縁するために必要な様々の範囲のPCM特性は本開示をとおして記載される。あるいは、TMMケーシングは主として過剰の熱を吸収するためのPCMを含むことができるが、過剰の寒冷から保護するための反射層又は反射絶縁などの一方向絶縁を含むこともできる。
本開示のさらにもう1つの側面では、スリーブ又はケーシングは耐腐食性、防水性、難燃性又は耐衝撃性 を有することができる。これらの側面ではPCM、TMM、又はその両方に添加剤を含むことができる。バッテリーセル及びバッテリーパックの用途におけるそのような特性の利点は、本開示においてさらに説明される。
本開示のもう1つの側面では、スリーブ又はケーシング構造の全体に均一な、実質的に均質な組成物に架橋したポリエーテルポリオールを含む特定の種類のPCM-TMMを含むスリーブ又はケーシングが提供される。これらの架橋したポリエーテルポリオールは、潜熱貯蔵性及び耐火性を有する形状安定で、成型可能で、機械加工可能なケーシングを形成するために、ポリエチレングリコール(PEG)又はポリエチレンオキサイド(PEO)を含むことができる。ポリエーテルポリオールの鎖長、したがって、モル重量を調整することを可能にする架橋を達成するために、様々な鎖長延長剤をポリエーテルポリオールと反応させることができる。多くの態様及び利点は本開示においてさらに詳細に説明される。
本開示の多くの側面は熱伝導に関する。材料における熱伝導率又は熱移動速度はワット毎メートルケルビン(W/(mK))又はWm-1K-1で表されるが、自由電子又は結晶格子振動(フォノン)の流れによって制御される。金属では伝導は主に自由電子によるが、非金属では主にフォノン輸送による。熱伝導（率）は材料、温度、物質の相、不純物などの様々なタイプに依存する。たとえば、熱伝導（率）の変化は、氷(熱伝導率2.18W/(mK)於0℃)が溶融して液体水(熱伝導0.58W/(mK)於0℃)になるときに起きる。純粋な結晶物質についてのもう１つの例では、所与の結晶軸に沿うフォノン結合のために異なる結晶軸に沿って異なる熱伝導性が示される。プラスチックの熱伝導（率）はポリマー(結晶性ポリマーの異方性)の結晶度に大きく依存する。これは主にフォノン輸送(流動性格子振動エネルギー)により、フォノン輸送は結晶軸に沿って効率的であるが、非晶質領域では又は他の方向の散乱プロセスによって実質的に減少する。
定義
以下の定義は、本開示の様々な側面と関連して記載する様々な要素に適用する。これらの定義は同様に本明細書において拡張できる。
本明細書において、用語 「単分散」はあるセット（組）の特性が実質的に均一であることを指称する。したがって、たとえば、単分散である１組のマイクロカプセルは、寸法分布の平均値など、寸法分布のモードの周りの狭い寸法分布を有するマイクロカプセルを指称することができる。別の例は、類似の分子量を有する１組のポリマー分子である。
本明細書において、用語「潜熱(latent heat)」は、材料が２つの状態間で転移(transition)するときに吸収又は放出する熱の量を指称する。したがって、潜熱は、材料が、液体状態と結晶固体状態との間、液体状態と気体状態との間、結晶固体状態と気体状態との間、2つの結晶固体状態の間、又は結晶状態と非結晶状態との間、あるいはこれらの組合せの間を転移するときに吸収又は放出する熱の量を指称する。
本明細書において、用語「転移温度(transition temperature)」は材料が２つの状態の間で転移が起きるときの大凡の温度を指称する。したがって、たとえば、転移温度は、材料が液体状態と結晶固体状態との間、液体状態と気体状態との間、結晶固体状態と気体状態との間、２つの結晶固体状態との間又は結晶状態と非結晶状態との間で転移する温度を指称することができる。非結晶材料がガラス状態とゴム状態の間で転移する温度も、材料又はその混合物の「ガラス転移温度」として指称することができる。
本明細書において、用語「相変化材料(phase change maerial)」は温度安定化範囲内において熱移動を調整するために熱を吸収又は放出する能力を有する材料を指称することができる。温度安定化範囲は特定の転移温度又はある範囲の転移温度を指称することができる。これによりこの転移範囲内での熱移動又は熱伝導を調整することを可能になる。場合によっては、相変化材料は、相変化材料が熱を吸収又は放出している期間中（典型的には相変化材料が2つの状態の間で転移が起きているとき）、熱移動を禁止可能であることができる。この作用は典型的には過渡的であり、加熱又は冷却工程で相変化材料の潜熱が吸収又は放出されるまで起きる。熱は相変化材料に貯蔵し又はそれから除去することができ、相変化材料は典型的には熱を放出又は吸収する源から効果的に「再充填(recharge)」される。特定の実施においては、相変化材料は2種以上の材料の混合物であることができる。2種以上の異なる材料を選択し混合物を形成することで温度安定化領域をすべての所望の用途に適合させることが可能である。得られる混合物は本明細書に記載の物品に組み入れられると２以上の異なる転移温度又は単一の修正された転移温度を示すことが可能である。
本明細書において、用語「ポリマー」は１組のマクロ分子を含む材料を指称する。ポリマーに含まれるマクロ分子は相互に同じ又はある形で異なることができる。マクロ分子は様々な骨格構造のどれを有してもよく、1種以上のモノマー単位を含むことが可能である。特に、マクロ分子は線状又は非線状の骨格構造を有することが可能である。非線状骨格構造の例には、分岐した骨格構造（たとえば、星型分岐、くし型分岐、樹枝状分岐）及びネットワーク骨格構造を含む。ホモポリマーに含まれるマクロ分子は典型的には１種のモノマー単位を含むが、コポリマーに含まれるマクロ分子は典型的には２種以上のモノマー単位を含む 。コポリマーの例には統計コポリマー、ランダムコポリマー、交互コポリマー、周期的コポリマー、ブロックコポリマー、ラジアルコポリマー及びグラフトコポリマーを含む。場合により、ポリマーの反応性及び官能性は１組の官能基を追加することで変更することが可能である。追加する官能基としては、たとえば、酸無水基、アミノ基及びその塩、Ｎ置換アミノ基、アミド基、カルボニル基、カルボキシ基及びその塩、シクロヘキシルエポキシ基、エポキシ基、グリシジル基、水酸基、イソシアネート基、ウレア基、アルデヒド基、エステル基、エーテル基、アルケニル基、アルキニル基、チオール基、ジスルフィド基、シリル又はシラン基、グリオキサルに基づく基、アジリジンに基づく基、活性メチレン化合物又はその他のｂ−ジカルボニル化合物に基づく基(たとえば、2,4-ペンタンジエン、マロン酸、アセチルアセトン、エチルアセトンアセテート、マロンアミド、アセトアセトアミド及びそのメチル類似体、エチルアセトアセテート、及びイソプロピルアセトアセテート)、ハロゲン基、ヒドリド基、又はその他の極性もしくはＨ結合基並びにそれらの混合物がある。このような官能基はポリマーの沿ういろいろの場所に追加することが可能である。たとえば、ポリマーに沿ってランダム又は規則的に分布して、ポリマーの端部に、結晶化可能側鎖の側部、端部又はいずれの部位に、ポリマーの分離されたダングリング 側基として 付加して、あるいはポリマーの骨格に直接に付加して、追加することが可能である。ポリマーは、周囲又は処理条件下でその機械的強度又はその劣化抵抗性を増加させるために、架橋、交絡(entanglement)、ネットワ−ク形成、イオン結合、共有結合又は水素結合をすることが可能である。理解されるように、ポリマーの分子量はポリマーを形成するために用いる処理条件に依存することができるので、ポリマーは異なる分子量を有する様々の形で提供されることが可能である。したがって、ポリマーは特定の分子量又はある範囲の分子量を有すると称することができる。本明細書においてポリマーを参照して用いるとき、用語「分子量」は ポリマーの数平均分子量、重量平均分子量又はメルトインデックスを参照することが可能である。
ポリマー (架橋及びバインダとして用いるポリマーを含む)の例には、ポリヒドロキシアルコネート、ポリアミド、ポリアミン、ポリイミド、ポリアクリル酸(polyacrylics)(たとえば、ポリアクリルアミド、ポリアクリロニトリル、及びメタクリル酸及びアクリル酸のエステル)、ポリカーボネート(たとえば、ポリビスフェノールＡカーボネート及びポリプロピレンカーボネート)、ポリジエン(たとえば、ポリブタジエン、ポリイソプレン及びポリノルボルネン)、ポリエポキシド(たとえば、ビスフェノールA、ビスフェノールF、アミン、酸、アルコール等で架橋しあるいは架橋しない多官能性のグリシジルに基づくエポキシ、ポリエステル(たとえば、ポリカプロラクトン、ポリアジピン酸エチレン、アジピン酸ポリブチレン、ポリスクシン酸プロピレン、ポリスクシン酸プロピレン、テレフタル酸に基づくポリエステル及びフタル酸に基づくポリエステル)、ポリエーテル(たとえば、ポリエチレングリコール又はポリエチレンオキサイド、ポリブチレングリコール、ポリプロピレンオキシド、ポリオキシメチレン又はパラホルムアルデヒド、ポリテトラメチレンエーテル又はポリテトラヒドロフラン、及びポリエピクロロヒドリン)、ポリフルオロカーボン、ホルムアルデヒドポリマー(たとえば、尿素-ホルムアルデヒド、メラミン-ホルムアルデヒド、及びフェノールホルムアルデヒドはそれらのモノマー又はポリマー形であることが可能であり、ある程度のヒドロキシルメチル化(hydroxyl methylation)、エーテル化、及び/又はアルキル化を有することが可能である)、天然ポリマー (たとえば、セルロース、キタン(chitan)、キトサン及びでんぷんなどの多糖類;リグニン;タンパク質;及びワックス)、ポリオレフィン(たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリブテン及び ポリオクテン)、ポリフェニレン、ケイ素含有ポリマー(たとえば、ポリジメチル シロキサン、ポリアルキルシロキサン及びポリカルボメチルシラン)、ポリウレタン、ポリビニル(たとえば、ポリビニルブチラール、ポリビニルアルコール、ポリビニルアルコールのエステル及びエーテル、ポリ酢酸ビニル、ポリスチレン、ポリメチルスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリビニルピロリドン、ポリメチルビニルエーテル、ポリエチルビニル エーテル、及び ポリビニルメチルケトン)、ポリアセタール、ポリアリーレート、アルキド系ポリマー(たとえば、グリセリド油に基づくポリマー)、コポリマー(たとえば、ポリエチレン-コ-酢酸ビニル及びポリエチレン-コ-アクリル酸、スチレン-ブタジエン、又は上記のすべての組合せ)、及びそれらの混合物を含む。用語ポリマーの意味は、本願出願後に入手可能になり、上述の一般的にポリマーの性質を示す物資を含むと解釈されるべきである。
本明細書において、用語「化学結合」及びその文法的変形は、吸引力(attractive interactions)に基づく２個以上の原子の結合、たとえば、安定な構造を形成することが可能な原子の結合を指称する。化学結合の例には、共有結合及びイオン結合がある。化学結合の他の例は、水素接合及びカルボキシ基とアミン基の間の吸引力がある。
本明細書において、用語「共有結合」は、原子間又は原子と他の共有結合との間で対電子を共有することを特徴とする形の化学結合を意味する。原子間で電子を共有するときに形成される吸引力対反発力の安定性は、共有結合として知られている。共有結合には、σ-結合、π-結合、金属-金属結合、アゴスチック相互作用(agostic interactions)、及び三中心二電子結合を含む多くの種類の相互作用(interactions)が含まれる。
本明細書において、用語「イオン結合(ionic bond)」又は「電子価結合(electrovalent bond)」は反対電荷イオン間の静電気吸引力によって形成される結合を意味する。たとえば、正帯電カチオンと負帯電アニオンの間。イオン結合は、Na、Fe、Ag等の金属及び非金属の間、又は２つの金属間で、又はアンモニアと酸などの非金属間で、形成可能である。イオン化合物は液体又は固体で溶融したとき電気伝導性であることが可能である。
本明細書において、用語「分子基(molecular group)」及びその明らかな変形は、分子の一部を形成する１組の原子を指称する。ある場合には、基は、お互いに化学結合して分子の一部を形成する２以上の原子を含む。基は、一方では中性であり、他方では帯電し、たとえば一価又は多価(たとえば、二価)に帯電して、分子の１組の追加の基への化学結合を可能にすることができる。たとえば、一価の基は分子の１組のヒドリド基が除去されて分子の他の基との化学結合を可能にすることを考えることができる。基は、中性、正帯電又は負帯電であることができる。たとえば、正帯電基は中性基に１個以上のプロトン(すなわち、H+)が追加されたものとして考えることができ、負帯電基は中性基から１個以上のプロトンが除去されたものとして考えることができる。特徴的な反応性又はその他の特性を示す基は官能基(functional group)、反応性官能性(reactive function)又は反応性官能基(reactive functional groups)として参照することができる。反応性官能基の例には、酸無水基、アミノ基、Ｎ置換アミノ基 及びそれらの塩、アミド基、カルボニル基、カルボキシ基及びそれらの塩、シクロヘキシルエポキシ基、エポキシ基、グリシジル基、水酸基、イソシアネート基、ウレア基、アルデヒド基、エステル基、エーテル基、アルケニル基、アルキニル基、チオール基、ジスルフィド基、シリル又はシラン基、グリオキサルに基づく基、アジリジンに基づく基、活性メチレン化合物又はその他のｂ−ジカルボニル化合物に基づく基(たとえば、2、4-ペンタンジエン、マロン酸、アセチルアセトン、エチルアセトンアセテート、マロンアミド、アセトアセトアミド及びそのメチル類似体、エチルアセトアセテート、及びイソプロピルアセトアセテート)、ハロゲン基、ヒドリド基、又はその他の極性もしくはＨ結合基並びにそれらの混合物などの反応基がある。
本明細書において用語「メルトフローインデックス」又はMFIはポリマーのメルトの流動性の容易性の指標である。学術的な用語としては、メルトフローは、所定の代替温度及び所定の代替重量により適用された圧力において、特定の直径と長さの細管(capillary)を通って１０分間に流れるグラム単位のポリマーの質量として定義される。この方法は、類似の標準である ASTM D1238及びISO1133に記載されている。
本明細書において、「分子量多分散性」(多分散度指数(PDI))は、所与のポリマー試料における分子量分布の指標である。PDI計算値は重量平均分子量を数平均分子量で割った値である。これはポリマーバッチにおける個々の分子量の分布を表す。PDIは１に等しいか、それ以上の値を有するが、ポリマー鎖が均一な鎖長に近づくにつれてPDIは単位(1)に近づく。或る天然ポリマーでは、PDIはほぼ一体(unity)とされる。重合からのPDIは下記のように記載される。
Mn は低分子量の分子により敏感であるが、Mwは高分子量の分子により敏感である。ポリマー材料は、その鎖長が広い範囲の分子量にわたり変化すると、用語多分散と記載される。
本明細書において、「立体化学」は分子内の原子の相対的な空間配置の研究を意味する。立体化学の一分野はカイラル分子である。立体化学は3D化学としても知られている。各種の立体化学の命名及び名称の規則の例、説明、記述及び定義は“Modern Physical Organic Chemistry”（Anslyn and Dougherty,(c)2005,University Science Books）の第6章「立体化学」にある。
ポリマー立体化学の記述であるアタクチック、シンジオタクチック、イソタクチック、cis-及びtrans-、R-及びS-、L-、D-及びMeso-を用いている。
本明細書において、「重合」は化学反応においてモノマー分子が一緒に反応して三次元ネットワーク又はポリマー鎖を形成するプロセスである。重合の多くの形及び異なるシステムが存在し、分類されているが、従来技術において公知である。
本明細書において、「レオロジー」は物質の流動特性であるが、「粘度(viscosity)」は流動又は変形に対する抵抗性の指標である。粘度は様々な手段で測定され、メルトフローインデックス(MFI)又は通常所定の温度又はせん断速度におけるセンチポイズ(cps)によって測定される。
本明細書において、用語「熱伝導率」(「k」、λ又はκとしても記述される)は、材料が熱を伝導する能力についての性質であり、W/mKで測定される。熱伝導率は、定常状態における単位温度勾配(ΔT)によって、そして、熱移動が温度勾配だけに依存する場合に、単位面積（A）の表面に垂直な方向における単位厚さ（L)を輸送される熱量（Q)として定義され、このときの等式は下記である。
熱伝導率 = 熱 × 距離 / (面積 × 温度勾配)
λ = Q × L / (A × ΔT)
概して、低伝導性材料ではk<0.1W/mK。良好な伝導性材料ではk=0.1-10W/m・K。高い伝導性の材料ではk>10W/mK。本開示の１つの側面では、熱管理及び熱放散材料はk値>0.5W/mKを有することが好ましい。もう１つの態様では、k>1.0W/mK であり、さらに他の態様ではk>10W/mKである。
本明細書において、用語「熱放散」は高温環境から低温環境へ熱が移動又は拡散すること、たとえば、温かいバッテリーから冷たい周囲空気への熱の移動を指称する。熱放散する方法は、高熱伝導材料、たとえば、金属又はセラミック放熱体、放熱板、ヒートシンク、ヒートパイプ、熱交換器、ループパイプ、液冷パイプ、放熱フィン、ファン、循環冷媒、又はこれらの組合せを用いて達成可能である。他の例にはThermo Cool Corp.及びThermacore Inc.などから供給される製品などがある。
電気化学装置の一般的構成
本開示の側面は電気化学セル及びパック自体の性能を低下させる熱を発生する広範囲の電気化学セル及びパックに用いることができる。本明細書では普通に商業的に入手可能なセル、たとえば、リチウムイオン18650type及びその他の円筒状バッテリーを参照するが、同じ特徴は、操作中に熱管理が必要であるか利点を得ることができる実質的にすべての電気化学セル又はパックに組み入れることができる。プルズム型(たとえば、携帯移動通信装置に給電する四角又は矩形状型)又はポーチ型(たとえば、特定の電子装置における金属外部缶のないもの)のために構成されるリチウムイオンセルは、本開示の側面に利用される形状の例である。さらに、リチウム系及び非リチウム系組成物のバッテリー（たとえば、リチウムイオンポリマー、リチウム金属、固体状リチウムイオン）、ニッケル系セル（ニッケル-カドミウム(NiCd)、ニッケル-金属-ヒドリド(NiMH)、ニッケル-鉄(NiFE)、ニッケル-亜鉛(NiZn)を含む）、鉛酸、亜鉛-空気溶融塩バッテリー（ナトリウム-硫黄、ナトリウム-ニッケル塩化物(Na-NiCl2)及びマグネシウム-アンチモン(MgSB)を含む）のバッテリーに分類される電気化学セルも、本開示の側面に利用できる。さらに、電気化学コンデンサ（たとえば、電気二重層コンデンサ、疑似コンデンサ及びハイブリッドコンデンサ）に分類される電気化学装置も本開示の側面に利用できることが意図される。さらに、その他のリチウム-硫黄 (Li/S)、リチウム-空気、ナトリウム-空気、デューアル炭素(dual carbon)、フッ化物イオン、カリウムイオン、ナトリウム-イオンなどの既存の及びこれから開発されるバッテリーセル及びバッテリーパックも本開示の側面に利用される。以上列挙した電気化学セル及びパックは、現在、完全電気自動車、化石燃料自動車の部品、航空機部品、電力ツール、ラップトップ、携帯電話、携帯計算装置、家庭電化製品、及びエンターテインメントシステムに利用されている。すべての発熱性の電気化学セル又はパックは、本開示の側面を利用して得られるより改良され又はより安定な性能特性から利益を得ることが可能である。
一般的に、本開示の側面は、発熱する個別の電気化学セル又はパックの上、上方又はその他近傍に相変化材料含有物質のケーシングを組み込むことにより、ある形の熱輸送基材を介して熱をそのセル又はパックから取出し、貯蔵し、及び/又は周囲環境へ散逸させる。相変化材料の物質及び構造を利用する特定のセル及びパックの構成の特定の例、並びにそれらの電気化学セル及びパックに使用される組成物の異なる態様を以下に記載する。
図1Aは正極端子101及び負極端子102を含むリチウムイオンバッテリー100の概略図を示す。標準の商業的に入手可能な円筒状リチウムイオン18650セル100は、公称電圧3.7V及び容量1.5Ahを有する。図1Aの特定の形状の円筒状リチウムイオンセル及び図1Bの特定の形状のプリズム型リチウムイオンセルを参照するが例示であり、本開示の新規な側面はこれらの特定のセルだけに適用されるべきではない。本明細書に特定的に開示される特定の形状及び層のリチウムイオンバッテリーセル及び電気二重層コンデンサは、公知のバッテリー及びその他の電気化学セル形状が如何に一般的に発熱するか（典型的には本開示の態様で軽減できる範囲内）を示し、また個々のセル又はパック全体を保護する試みの要旨を示す目的のためである。
図1Aは、またリチウムイオンセル(たとえば、商業的に入手可能な18650セル)が含む層を103に示す。バッテリーセルの各種の層104は電解液が正極及び負極(すなわち、アノード及びカソード)の間を移動することを可能にする。図1Aに示す例では、アノード120は炭素を含むことができる。その成分も説明される。カソード130はリチウムマンガン酸化物を含むことができる。その成分は説明される。当業者は広範囲の材料がアノード及びカソードとして使用できること、本明細書に列挙したものは例示であることを理解するであろう。現在のアノード及びカソード技術の開発はポリマー、さらには有機分子鎖を含むアノード及びカソードであることができる。本開示の態様はこれらの組成物を含むセルにも用いることを意図している。
特定の例の電解液は104に描かれた各種の層の間を流動することができるので視覚的には描かれていない。リチウムイオンバッテリーの電解液の例は、有機溶媒中の各種のリチウム塩を含む。図1Aに記載の層に注目し、最外層から最内層に移動すると、最初の層はセル缶105であり、これは金属製であることができ、通常は、円筒状形状である。多くのプリズム型形状で用いられるようなプラスチック又はポリマーなどの他の材料も意図される。あるいは、外側層はポーチ形状に普通に用いられる薄い金属又はプラスチックシートを含むことも可能である。次は第１のセパレータ層106であり、これはポリマーシートを含むことができる。当業者には、カソードを外側金属から分離して電気短絡を防止するのに適している限り、セパレータは様々の材料を含むことができることが理解される。
次はカソード130であり、これは第１のカソード層107、第２のカソード層108、及び 第３のカソード層109を含む。第１及び第３のカソード層107及び109はリチウム金属酸化物、たとえば、リチウムパーマンガネート、リチウムマンガン酸化物、または式Li(1+x)Mn2O4で表されるその変形物を含むことができる。その他のタイプのリチウムイオンバッテリーのカソードは、たとえば、リチウム-コバルト(LiCoO2)、リチウムリン酸塩(LiFePO4)又はリチウム-NMC(LiNiMnCoO2)を含むことができる。第２のカソード層108はアルミニウム(Al)を含むことができる。次の層は第２のセパレータ110である。第２のセパレータ109はポリマーなど第１のセパレータ106と同じ又は類似の材料を含むことができ、その機能はアノード及びカソードを分離して電気短絡を防ぐことである。次はアノード120であり、これは第１の炭素(C)層111、次いで銅層 (Cu)112及び第２の炭素層(C)113を含むことができる。
図1Bは正極端子151及び近くの負極端子152を有するプリズム型リチウムイオンバッテリー150を示す。商業的に入手可能なプリズム型リチウムイオンセルは2.5Vと4.2Vの間の範囲を含む電圧及び約1.2Ahの容量を有することが可能である。一般的に、プリズム型リチウムイオンセルの層構成は円筒状セルのそれと非常に類似することが可能である。図1Bでは、プリズム型セルの層はセル缶155、セパレータ156、アノード157、アルミニウム層158、セパレータ159、及びカソード（これは第１の炭素層160、銅層161、及び第２の炭素層162を含むことができる）を含むことができる。
図1Cは正極端子1101及び負極端子1102を含む電気化学コンデンサ1100の概略図である。標準の商業的に入手可能な円筒状電気化学コンデンサセル1100は公称電圧2.8V、容量3400 Faradを有する。図1Cの特定の形状の円筒状電気化学コンデンサ及び図1Dの特定の形状のプリズム型電気化学コンデンサを参照するが、これらは例示であり、本開示の新規な側面はこれらの特定のタイプのセルにだけ適用されると解釈してはならない。本明細書に開示する特定の形状及び層の電気化学コンデンサセルは、公知の電気化学コンデンサセル構造が本開示の態様で軽減できる範囲内で如何に発熱するかを示し、また電気化学コンデンサセル又はパック全体を保護する試みの要旨を示す目的のためである。
図1Cは電気化学コンデンサセル(たとえば、商業的に入手可能なMaxwell K2TM)セルが含むことができる層を1103で示す。電気化学コンデンサセルの1103で示される様々の層は、電解液が正電極及び負電極（すなわち、アノード及びカソード）の間を移動することが可能である。図1Cに示す例では、アノード1120は多孔質炭素を含むことができる。その成分は説明される。カソード1130も多孔質炭素を含むことができる。その成分は説明される。当業者は広範囲の材料がアノード及びカソードとして使用できること、本明細書に列挙したものは例示であることを理解するであろう。アノード及びカソードの現在の開発はポリマー、さらには有機分子鎖を含むアノード及びカソードであることができる。本開示の態様はこれらの組成物を含むセルにも用いることを意図している。
この特定の例の電解液は1103で描かれた様々の層の間を流動することができるので視覚的に描かれていない。電気化学コンデンサの電解液の例は、様々のリチウムイオン塩、たとえば、リチウムヘキサフルオロホスフェート並びに第４級/アルキルアンモニウム塩、たとえば、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート又はトリエチルメチルテトラフルオロボレートの有機溶媒（たとえば、アセトニトリル、プロピレンカーボネート、テトラヒドロフラン、ジエチルカーボネート、及びy-ブチロラクトン）溶液を含む。水性電解液、たとえば、硫酸、水酸化カリウム、第４級ホスホニウム塩、ナトリウムパークロレート、リチウムパークロレート、及びリチウムヘキサフルオリドヒ酸(Lithium hexafluoride arsenate)の溶液も、電気化学的コンデンサに用いる電解液の他の例である。純粋なイオン液体、あるいは上記のような有機溶媒と混合したイオン液体の両方は、電気化学コンデンサ 電解液の別の例である。電気化学コンデンサの外側はセル缶1140を含み、それは普通に円筒状形状に見られるように、金属を含むことができる。多くのプリズム型形状に用いられるようにプラスチック又はポリマーなどのその他の材料も意図される。あるいは、外側層はポーチ形状で用いられるように薄い金属又はプラスチックシートを含むことができる。
図1Cに記載の層に着目し、最外層から最内層に移動すると、第１の層は第１のセパレータ層1141であり、これは、ポリマーシートを含むことができる。当業者には、セパレータは、カソードを外側金属から分離して電気短絡を防止するのに適している限り、様々の材料を用いることができることが理解される。次は負電極又はカソード1142である。次は第２のセパレータ層1143であり、その次は正電極又はアノード1144である。一般的に、コンデンサの電極は、たとえば、電気二重層型コンデンサ用の、活性炭、炭素エアロゲル、グラファイト、グラフェン、カーボンナノチューブ、カーバイド由来カーボン及び炭素繊維布などで実現される、高表面積及び多孔質を有することができる。疑似コンデンサの電極は上記と同じ炭素材料並びに金属酸化物及び硫化物、たとえば、酸化ルテニウム、酸化鉄、酸化イリジウム、酸化マンガン、酸化イリジウム、チタン硫化物及び導電性ポリマー、たとえば、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロール及びポリチオフェンを含むことができる。ハイブリッドコンデンサ電極は、電気二重層及び疑似コンデンサの電極材料の上記の記載中の上記の材料並びにバッテリーインターカレーション材料、たとえば、再充電可能リチウムイオンバッテリー用に記載されるリチウムイオン材料、たとえば、過マンガン酸リチウム(lithium permanganate)、リチウムマンガン酸化物又は化学式Li(1+x)Mn2O4で表されるその変形物などを含むことができる。その他のタイプのコンデンサのカソードは、たとえば、リチウム-コバルト(LiCoO2)、リチウム-リン酸塩(LiFePO4)又はリチウム-NMC(LiNiMnCoO2)を含むことができる。当業者には、正電極及び負電極はいろいろな種類の材料を含むことができ、電気化学コンデンサはシンメトリック型の類似の構成の電極でもアシンメトリック型の非類似の電極でも組み立てられることができることが理解される。
図1Dは正極端子1151及び負極端子1152を持つプリズム型コンデンサセル1150を示す。円筒状コンデンサセル1100と同様に、プリズム型コンデンサセル1150は層1163を含むことができる。層1163はカソード1171、第１のセパレータ層1172、アノード1173、及び第２のセパレータ層1174を含むことができる。セパレータ層1172 及び 1174は図1Cにセパレータ材料1141及び1143として記載した上記の材料のいずれも含むことができる。同様に、アノード1173及びカソード1171は図1Cに電極1142及び1144として記載した上記の材料のいずれも含むことができる。
図1Aの円筒状バッテリーセル100及び図1Cの円筒状コンデンサセル1100及び図1Bのプリズム型セル150などの個々の電気化学セルが充放電中に発熱することは当業界において公知である。リチウムイオンセルでは、一貫した操作温度約60℃ではセルの容量が急激に減少することが知られている。この現象の説明は本開示においてさらになされる。各セル内の化学反応は温度のみならず内部圧力も増加させる。各セルは火災や爆発などの安全でない状態を防止するために熱及び圧力の蓄積を軽減するいくつかの内部部品を有していることができる。このような内部部品には高電流のための温度スイッチ、高圧力のための安全弁、過充電のための回路遮断装置がある。高電流、高圧力、過充電はバッテリーの通常の操作条件で起こり得る。さらに、製造工程の結果として極端な電流蓄積及び電気短絡が起こり得る。場合によっては、顕微鏡レベルの金属粒子が意図せずにセルの層の中に混入し得る。あるいは、セパレータが意図せずに不均一な間隔になる。これらの製造欠陥のいずれによっても電流の多大の蓄積をもたらし、顕著な電気短絡を生ずることができ、そのために内部のバッテリー温度が急激に増加し火災や爆発を起こし得る。
図1Eを参照すると、多くのリチウムイオンセルに共通である内部保護部品の例を特に記載したセルを示す。セル180は３つの内部安全手段を含む。第１は正の温度係数 (PTC)装置181である。一般に、PTC装置181は過剰の電流蓄積を遮断して過熱を防止する。第２は、回路遮断装置(CID)182であり、これは内部圧力の蓄積をもたらす過充電を防止する。圧力蓄積が大きすぎる場合に、第３の安全手段はガス放出ベント183であり、これはその名称のとおりセルの頂部近くの穴からガスをベントすることを可能にする。
当業者には、ここに特に開示したリチウムイオンバッテリーセルの層と安全部品は繊細であり、衝撃による損傷を受けやすいことが理解される。同様に、その他のタイプの電気化学セルに存在するその他の種類の内部保護部品も、一般的に繊細であり、衝撃による損傷を受けやすい。たとえば、くぼみや穴は、安全部品を破損し、セルを過熱させることができる。また、それらはセパラータ層を損傷してアノードとカソードをお互いに接触させて電気短絡や火災を起こし得る。
図2A、2B、2C及び2Dを参照すると、単一のセルと比べてより高い電圧及び/又は電流取扱容量を与えるためにパックに関連した個別の円筒状セルが示される。端子は、所望の全電圧(V)に到達するために直列に、あるいはバッテリーに所望の容量(Ah)とコンデンサにエネルギーを達成するために並列に、接続することができる。図2Aは従来技術の乗物のバッテリーパック201を例示する。バッテリーパック201のセルは、あるセルの正極端子203と隣のセルの負極端子204とを接続する端子コネクタ202を示す。これは、バッテリーパックに個別セルの電圧と比べて増加した電圧を与えるために業界で公知の構造である。図2Aでは、個別セルのそれぞれはプラスチック又はPVC材料を含むスリーブに収容されている。
図2Bは例示の従来技術の電力ツールのバッテリーパック206の個別セルの配置を示す。図2Aの乗物のバッテリー パックのように、各セルは少なくとも１個の他のセルの端子と連結された端子を有するが、これらの接続は図示されていない。図2Bでは、個別セルのそれぞれはカードボード材料を含むスリーブ207に収容されている。カードボード、プラスチック、PVC及び金属のスリーブは、内部及びが外部熱源に対する最小限レベルの保護を与えるが、より重要には、その機械的特性が穴やくぼみに対して保護するので、従来技術において普通に用いられている。先に述べたように、個別セルの繊細な内部組成物は落下、衝突、貫通などの物理的力によって容易に損傷する。
図2Cはもう１つの例示の従来技術の乗物のバッテリーパック208を示す。図示していないが、個別セルは図2Aと同様の仕方でお互いに連結されている。個別セルのそれぞれはプラスチック、PVC又は金属材料を含むスリーブ 209に収容されている。さらにバッテリーパック全体はハウジング210に包囲されている。ハウジング210はバッテリーパック208を衝撃及び分離から保護することが可能であり、輸送及び設置のための使用が容易にされることができ、また図からは直ちに明らかにならない他の機能、たとえばセル性能の電子的管理を提供することができる。たとえば、多くのバッテリーパックは個別セルの電圧や温度が高くなりすぎたときに個別セルの電圧を遮断する外部保護回路を含むことができる。保護回路は各個別セルをモニターするので、数ダースのセルを含むバッテリーパックは複雑で製造コストが高いことが可能である。さらに保護回路は充電欠陥又は外部電気的短絡などの外部源からだけの過剰電圧を禁止する。
図2Dはもう１つの例示の従来技術である、プラスチック又はPVC-タイプフィルム216で収縮ラップされたパック215を示す。図2A-2Cに図示した従来技術のように、セルの個別の端子は相互に連結されて、電圧、容量又はエネルギーを増加することができる。収縮ラップは個別セルを特定の形態に保持するために従来技術において普通に用いられるが、プラスチック及びPVC-タイプフィルムが収縮ラップ用途に通常用いられるので、これらのフィルムの熱管理及び機械的保護特性は最小限である。
結局、個別セルは内部及び外部源の両方からの熱により有害な作用を被る。内部源には、通常の充放電並びに電流蓄積及び内部短絡(即ち個別セルの熱暴走)を起こし得る製造欠陥から発生する熱を含む。外部源には、周囲の熱(携帯装置を太陽下に置くなどの事件により引き起こされる）、極端な冷却及び物理的衝撃などの物理的応力を含む。外部源には、過充電(欠陥充電器) や外部電気的短絡によるものなどの過剰な印加電圧も含まれる。最も究極の外部熱源は別のセルの熱暴走及び火災であり、それによりパック内の他のセルの熱的暴走が引き起こされることがある。
本開示の様々の態様はエラストマー（弾性体）及びエラストマーと称することができる特性を有する材料を含む。図3は「硬質」(又は堅固)セグメント301及び301Aと「軟質」(又は可撓性)セグメント302及び302Aとを有するブロックコポリマーを含むエラストマーの高次元図である。硬質セグメントは組み合わせて硬度(hardness)、剛性(rigidity)、堅固性(stiffness)、強靭性、安定性及び化学抵抗性を提供することができる。硬質セグメントは、高ガラス転移温度材料、セグメントが安定な結晶ドメインを形成する結晶化可能材料、形成された架橋がドメインを安定かつ堅固にする官能性架橋可能材料から構成されることができる。架橋は水素結合によることができる。軟質セグメントは一般的にアモルファス又はゴム相であり、他の軟質セグメントと配列又は相互作用しない。そのことにより、セグメントは可撓性であり、自由に動け、良好な伸び特性を有することが可能になる。軟質セグメントは低ガラス転移温度 材料、アモルファス (非晶質)材料を含むことができ、一般的に架橋が少ないか含まない。硬質又は軟質セグメントは異なる又は同じ化学構成(chemical makeup)であることが可能である。たとえば、ポリプロピレンエラストマーは、ランダム又はアタクチックポリマーのポリプロピレンの軟質セグメントに比べて、硬質の結晶性セグメントを可能にするシンジオ又はイソタクチックポリプロピレンセグメントからなることが可能である。セグメントは異なる相又は結晶構造によって異なる融点を有することができる。軟質セグメント又は硬質セグメントの濃度、化学種、分子量等によって、ポリマーは分散した軟質相を持つ連続硬質相を有することができ、あるいは硬質セグメントが低濃度であれば分散した硬質相を持つ連続軟質相を有することができる。ポリマー又は部分の製造中に発達する形状（morphology）、相の混合性、分散した相の寸法及びそれらの特性は、ポリマーの最終特性に強く影響する。本開示の特定の態様では、上記の組成物は、電気化学セルを外部力による凹みや突き刺しから保護するのに適したの望ましい硬度特性をもたらすことが可能である。たとえば、組成物はShore A硬度85超及び Shore D硬度25超（ASTM D2240）をもつことができる。さらに、上記の組成物は特定の電気化学セル又はパックと共に膨張及び収縮するのに適した望ましい弾性特性をもたらすことが可能である。たとえば、組成物は15ポンド毎平方インチより大きい弾性率（flex modulus）及び20%より大きい破断伸びをもつことができる。
次に図4Aを参照すると、スリーブ400が標準リチウムイオン18650バッテリーセル405を収容した本開示の態様が示される。固体スリーブ400はTMMマトリックス内に1種以上のPCMを含む。様々な材料を本開示に従う固体スリーブの構造に用いることができ、そのような材料の例は本開示の全体により詳細に記載されている。類似の形状のスリーブは、バッテリー及びその他の電気化学セルの他の寸法にフィットするために、他の態様では様々な寸法であることができることが意図される。
図4Bは矩形状ケーシング410に矩形状又はプリズム型電気化学セル415を収容した本開示の態様を示す。様々の材料を本開示に従う固体スリーブの構成に用いることができ、そのような材料例は本開示の全体により詳細に記載されている。類似の形状のスリーブは、バッテリー及びその他の電気化学セルの他の寸法にフィットするために、他の態様では様々な寸法であることができることが意図される。図示の態様では、矩形状ケーシング410の少なくとも１端が端子の露出のために開口している。他端は閉鎖していることができる。
図4Cは、電気化学セルのパックのためのケーシングの態様を示す。ケーシング421は多数の個別のスリーブ420を含み、それらはお互いに取付けられ、各セルの周りのPCM-TMM材料の完全なシリンダを形成している。この形状は各個別のスリーブ420の間に間隙スペースを積極的に創出することができ、その間隙スペースは空にして周囲環境への散逸を可能にしたり、あるいは、他の熱伝導性充填材を充填することができる。ケーシング425は個別のスリーブ424をもつ多数のバッテリーセル426を含むケーシング421を示す。他の態様では、ケーシング423はパックの特定数のセルにフィットするために完全に予備成形することができる。各セルは個別のケーシングセクション422に収容されることができるが、全体ケーシング423は間隙の空気スペースを全く有さないことができる。すなわち、ケーシング423は各個別セルの間のスペースにPCM-TMM材料を有することができる。図4Cに示すパックケーシングは本開示の範囲を逸脱しないで様々の形状及び寸法を用いることができることが意図される。
図4Dは、矩形状の形状であり、複数の電気化学セルを受領及び保持する構成される電気化学セルケーシングの追加の態様を示す。側面斜視図は各側面が平滑な表面である複数の受け部432を有する矩形状ケーシング430を示す。平面図は複数の受け部437をほぼ均一に配置した矩形状 ケーシング435を示す。
図5Aは図4Aに示すスリーブ400の例と類似の仕方でスリーブ500に収容した電気化学セル505の例の平面図であり、特定の特徴は説明のために拡大されている。スリーブ500は特定的にポリマーマトリックスを含むことができる。ポリマーマトリックスは1種以上の PCM501とブレンドしたエラストマー熱管理材料(TMM)502を含むことができる。図5Aに示すPCM 501は球形で表され、エラストマーTMM502の全体に不均一に分散されている。しかしながら、PCM501のこの図は説明のためであり、実際の態様では、PCM501は非球状であること、均一に分散されること、図示よりも大きくあるいは小さいことが可能である。さらに、バッテリーセル505に関するスリーブ500の厚みは薄片状(scale)である必要はない。エラストマーTMM502は、ポリオレンフィンコポリマー、たとえば、ポリエチレンと、C3-C30α-オレフィン、又は酢酸ビニル、その他のビニルモノマー、たとえばスチレン又はその類似物、アクリレート又はメタクリレートモノマー、ビニルエーテルモノマー、ビニルエステルモノマーとのコポリマー、アクリロニトリル、ゴム及び イソプレン、ブチル等からなるコポリマー、又はそれらの組合せ、ブレンド、混合物を含むことができる。ポリマー又はコポリマー はランダム又はブロックコポリマーであることができる。
エラストマーTMM502はポリエステル、シリコンゴム又はポリウレタンからなるポリマーエラストマーを含むことができる。その非限定的な例は、DuPont(登録商標)のHytrel(登録商標)ポリエステル；Kuraray Co.のKraton(登録商標) SEBS、SEPS、SBS又はSISブロックコポリマー、SeptonTM及びその他のエラストマー；Spandex(登録商標) typeポリウレタン；及びRTV又はLTVタイプのシリコンゴムがある。ポリマーマトリックスのエラストマー性（弾性）をさらに改良するために、マトリックス(即ち、エラストマーTMM 502及びPCM 501)を架橋して0.05-1.0架橋毎ポリマー鎖をもつ改良されたエラストマー性（弾性）にすることができる。
リチウムイオンセルが通常の操作で発熱する温度範囲の故に、スリーブ500はある態様では0-100℃の間、他の態様では特に40-80℃の間の転移温度を持つ少なくとも１種のPCM 501を含むことができる。PCMはある態様では>10J/g、他の態様では特に>60J/gの潜熱含分をもつことができる。さらに別の態様では,PCMは25℃と140℃の間などのより高い転移温度 範囲、及び>2J/gの潜熱を有することができる。図5の例では、PCM501はマイクロカプセル化PCM(mPCM)であるが、素材の又はカプセル化されていないPCM、たとえばpPCM(ポリマー系PCM)又はfpPCM (官能性ポリマー系 PCM)であることができる。ある態様では,スリーブ500内に２種以上のPCMがあることができる。他の態様では、実質的に均一な複合体 ポリマー系PCMが全スリーブをなすことができる。
スリーブ500とバッテリーセル505の外側表面との密な接触が必要であるので、エラストマーポリマーマトリックスは低熱膨張係数(CTE)及び高疲労またはクリープ抵抗により特徴づけられる良好な熱弾性特性を有することが可能である。記載の態様において,これらの値はCTEが<200ppm(ASTM E228)及び疲労破壊なし(ASTM D7791,方法A,2Hz,2mPa,応力、シノイダル波)であることが可能である。このような特性はセル505が充電/放電サイクルを経る時間につれてスリーブ500とセル505の間で空気ギャップが形成または拡大する傾向を最小限化することが可能である。
さらに図5Aを参照すると、ゲル層503は、本開示において以前に述べたように、スリーブ500とセル505との間の空気ギャップを充填するために用いてもよい。また、ゲル503は潤滑剤として作用し、スリーブ500の適用を容易にすることができる。ゲル503は特定の態様ではグリースまたはワックスとして特徴づけることができる。図5に示すゲル503は比較的に厚い層であるが、それは説明のためであり、必ずしも実際の寸法ではない。ゲル503はスリーブ500を構成する同じポリマーマトリックス、TMM及び/又はPCMブレンドのより低分子量バージョンでもよい。スリーブ 500の特性と比べて、ゲル503は熱輸送を改良するためにより高いパーセントの導電性添加剤(すなわち、グラフェン、グラファイト、炭素繊維、金属など)を有することができる。
以前に述べたように、耐衝撃性はセル505の内部部品を損傷から保護することが可能である。記載の態様において、スリーブ500はそのような保護を可能にする硬度及び剛性特性を有することが可能である。さらに、硬度及び剛性特性は輸送中における積載による空のスリーブの変形を防ぐことが可能である。したがって、スリーブ500はShore A硬度>85及びShore D硬度>25(ASTM D2240)を有してもよい。また、スリーブ500は弾性率>15psi(ASTM D790)及び破断伸び>20%(ASTM D638)を有してもよい。ここに記載したスリーブ500の上記の特性は本開示中の1種以上の化学構造によって達成することができる。
本開示のもう１つの態様は図5Bに示すように実現できる。図5Bはそれぞれ図4A及び5Aのバッテリーセル405及び505と類似するバッテリーセル515を示す。記載の態様のバッテリー ケーシングスリーブ510はセル515の周りに多数回数ラップしたフィルム又はテープとしてセル515に適用することが可能である。フィルム又はテープの層は508に示す。フィルム又はテープは図5でスリーブ 500を参照して記載したと類似する特性を持つポリマーマトリックスを含むことができるが、より薄くてもよい。フィルム又はテープは適用し易くするためにその１以上の端部で厚みが傾斜していてもよい。図5のスリーブ500を構成するために用いることができると記載した全ての材料が、フィルム又はテープを構成するために用いることができる。
接着剤507フィルム又はテープの第１の層をセル515の外側に最初に取付けるために用いることができる。接着剤507はフィルム又はテープ自身のTMM又はPCMのより低い分子量バージョンからなることができる。接着剤507はセル515の周囲のフィルム又はテープの各ラッピングが接着剤及びポリマーマトリックスの層となるように、フィルム又はテープ自身のバッキング（裏打ち）であることができる。接着剤はポリマーマトリックス自身と類似の熱管理 特性を有することができる。ポリマーマトリックスフィルム又はテープの特定の組成物は本来的に「粘り付く(sticky)」又は「粘着性(tacky)」の特性であり、フィルム又はテープを自身に積層するのに追加の接着剤材料は必要ないことを意図している。また、フィルム又はテープは「収縮ラップ(shrink wrap)」特性を有し、フィルム又はテープは配向した形態(ポリマー鎖が並んだ)で提供され、加熱されるとフィルム又はテープは(ポリマー鎖の不規則化により）収縮し、空気ギャップテープ/フィルム層又はバッテリー表面のどちらかにあるすべての空気ギャップを接着し充填することができるものであることができる。スリーブ510のフィルム又はテープ態様の利点は、スリーブの厚みを特定の用途に調整することが可能であることである。すなわち、高発熱用途ではフィルム又はテープを多く用いて、そこに用いるセルの熱特性を管理することが可能である。装置製造業者又は使用者が必要な熱管理をカスタマイズすることができるであろう。フィルム及びテープの様々の態様（組成及び製造方法を含む）は、同時所有、同時係属中の発明の名称“Thermal Management Films Containing phase Change Mateirals”の米国特許 出願No.14/614,236（ 2015年２月４日出願 (Attorney Docket No. OUTT.049.00US)）に完全に開示されており、その開示は参照してここに含める。
本開示の目的において、用語「温度管理材料(TMM)」はいくらかの温度管理特性を有する全ての単一の材料又は多数の材料の組成物を指称することができる。たとえば、スリーブ全体が温度管理材料からなることも、または、ゲル自身だけが温度管理材料であることも可能である。組み合せる他の材料と比べて温度を調製する比較的に低い有効性を持つ特定の材料は「熱伝導性充填材」と指称することができる。すなわち、これらの充填材は或る程度の温度管理特性を有しているが、他の有益な特性、たとえばエネルギー伝導、機械的強度、難燃性、レオロジー、粘性、弾性等の故に混合物に含まれることができる。熱伝導性充填材は液体又は固体でよい。PCMは温度管理材料自身を指称するが、それらは例外的な温度管理品質を有しているので、一般的に熱伝導性充填材とは指称されないであろう。以下に述べられるように、各種のPCMが存在する。
図6A-6Cは、本開示のマトリックス形態及び層形態の態様を形成するために用いることができるPCMを持つ、様々な配置におけるエラストマーの温度管理材料の様々な態様を示す。図6AはPCM602とエラストマーTMM604の均一な混合物(又はマトリックス) 600を示す。図6Aの例では、PCM602はマイクロカプセル化PCM(mPCM)であるが、pPCM(ポリマーPCM)又はfpPCM (官能性ポリマーPCM)のように素材のまたはその他の非カプセル化PCMであることも可能である。しかしながら、図6Aの例では相変化材料はマトリックス600に組み入れられており、マトリックスはその材料に或る程度の均質性をもつ均一な物質である。図6Aの例では特定の層は存在しない。
図6Bを参照すると、複数の層を含む層状組成物620が示されている。層状組成物は図5Aに示すスリーブ500のようなスリーブの一部をなすことができる。たとえば、図6Bに示す層の１つはスリーブの最内層又は最外層でよい。あるいは、図6Bに示す全ての層がバッテリーセル又は周囲環境と接触することなく、完全にスリーブ内に配置されることができるであろう。図6Bでは、層622はエラストマーTMMなどの熱伝導性充填材から形成され、層624は第１の相変化材料から形成され、層626は第２の相変化材料から形成される。層624及び層626はそれぞれmPCM、pPCM又はfpPCMのどれでもよく、又は層624及び層626はこれらの種類の相変化材料の1種以上の組合せ又はブレンドでよい。さらに、層624及び層626は各々は、特定の温度管理シナリオに適合するために必要な様々な組合せとして記載したPCM材料のどれでも利用することが可能である。たとえば、電気化学セルは、より多くの熱を発生し、またはより急な加熱曲線を有して、電気化学セルで起きる温度変化を有効に管理するために、より高い潜熱値又はより高いPCM 搭載要件を有するPCMの使用を保証することができる。他の用途は、より穏やかな温度変化プロファイルを有し、そのように大きい潜熱値をもつPCMを要求しないので、より少ない搭載量を利用できる。
図6Cを参照すると、複数の層を有するもう１つの層組成物640が示されている。層642はエラストマーTMMから形成され、層644は第１の相変化材料から形成され、層646は第２の相変化材料から形成される。図6Bの例のように、層644及び層646はそれぞれmPCM、pPCM又はfpPCMのどれでもよく、又は層644及び層646はこれらの種類の相変化材料の1種以上の組合せ又はブレンドでよい。さらに、層644及び層646はそれぞれは特定の温度管理シナリオに適合するために必要な様々な組合せに記載したPCM 材料のどれでも利用することが可能である。図6Cの態様及び例では、マイクロカプセル645を利用する層644が示されている。これらのマイクロカプセルはポリマーバインダー647(その独自のPCM及び潜熱品質を有しまたは有しないで)内であることができる。
図7A-15Bについては本開示において後に述べる。
図16A-16Cは温度管理及び熱放散のための構造(たとえば、スリーブ又はテープ)を構成するために用いることができる他の層形成オプションを示す。図16A-16Cに例示されるように、これらの異なる層の組合せも可能である。図16A-16Cでは、L1〜L8の各々はスリーブ500又は510内の異なる層またはスリーブ500又は510の個別の部分内の異なる領域を表す。これらの層の多くの異なる組合せが可能であり、本開示を図16A-16Cに示す物理的構造のいずれにも限定する意図はないことが理解されるべきである。これらは単にいくつかの可能性を表すに過ぎない。
PCM及び他の熱管理材料の使用
上記では本開示における温度制御及び熱管理の側面から利益を得ることができる電気化学セル及びパックと関連して用いることができる様々な組成物及び他の材料について記載した。しかしながら、如何なる特定の構造的態様又は如何なる詳細な及び特定の化学組成 (上記又はさらに本開示において)を参照するときも、特許請求の範囲の範囲をこれらのいずれにも限定する意図はない。反対に、当業者が特定の目的に働く形状を作り出すために個々の記載したセル及びバッテリーパックの１以上をここに記載した１以上の化学組成と組み合わせることができるように、明細書は配置されている。
温度制御に有用な相変化技術及び異なる種類の化学物質及び他の材料の上記の記載は、本開示の側面及び態様に一般的に適用でき関連性があるが、電気化学セル熱管理用途に特に関連性が見いだされるその他の側面及び固有の特徴もある。
電気化学セル温度制御のための熱管理材料(TMM)
PCMは、その高い結晶性が、良好な熱伝導、高潜熱容量及びエネルギー吸収（どれも改良された熱管理、低い蓄熱、セルの低い劣化速及び熱暴走の低い可能性に導く）の組合せを可能にする点で、電気化学セル及びパックの熱管理材料として用いるのに非常に有利である。
空気は非常に貧の熱伝導体であるから、TMM内のどこでも空気スペース又は空気ギャップは好ましくない。個別セルと熱管理材料の間などの空気ギャップ、TMM内のクラック又はボイド、粒子とTMM複合体又はマトリックス材料との間のボイド又はギャップなどは、いずれも良好な熱伝導にとって問題である。たとえば、スリーブをスライドするとき、またはバッテリーの周りにテープをラップするとき２つの固体表面を密な接触にもたらすことが必要である。残念ながら、如何に良好に準備しても、固体表面は決して密な接触を許容するように真に平坦又は平滑ではない。全ての表面は顕微鏡的な高低部位のために或る粗さを有している。表面粗さ以上に、凹部、凸部又は捩れの形状の巨視的非平坦性がある。そのような２つの表面を一緒にすると、表面の凸部だけが物理的に接触する。凹部は分離され、空気が充満したギャップを形成する。空気は貧な熱伝導体であるから、よりよい伝導体材料に置換して、接合部の伝導性を増加して熱的界面を通る熱流を改良すべきである。固体表面間の接触を作り出すことの困難に加えて、電気化学セルの特定の特性が追加の問題を生じさせる。たとえば、標準寸法の商業的に入手可能なバッテリー（たとえばリチウムイオン18650）でも、製造業者によって寸法が非常に僅かに異なる。したがって、標準寸法バッテリースリーブは或るバッテリー並びにその他によく適合しない。さらに、バッテリー自体が多数の加熱及び冷却サイクルを経るので、セル自身が僅かに膨張及び収縮をする。さらに続けて、バッテリーと接触する全ての材料は多数の膨張及び収縮サイクルを経るので、良好なエラストマー性（弾性）を有していない材料の全ては時間とともに接触を失う。熱管理材料は、良好なレオロジー特性及び表面濡れ性を有して、良好な「ギャップ充填性」特性、すなわち、ギャップ、クレビス、クラック等を流動し、乾燥し（wet out)、埋めて、空気ギャップを減少させ、熱移動を改良できる能力を有しているべきである。これらのTMM流動性は、添加剤を用いて材料中に仕込むこと、又はTMM分子中に設計することができる。TMMは固体TMMとバッテリーの間の接触を維持するためにゲル又はグリースのような液体形態でも使用できる。
TMMも、良好な接着性、粘着性又は結着性の特性を有して、電源を供与されている装置が、落下し(dropped)、損傷し、衝撃を受け、または高温又は低温に曝されるとき、TMMとバッテリーセルの間の接触が緩むことを防止すべきである。
電気化学セル及びパック用途のために、TMMは良好な衝撃及び突刺抵抗も有すべきである。前記のように、相互に直接に接触した過熱されたセルは熱暴走を引き起こして、火災及び爆発になる可能性がある。さらに、衝撃及び突刺によって損傷した電気化学セルはそれ自身が容易に引火して、近くのセル又は他の可燃性材料の引火及び爆発を引き起こす可能性がある。乗物の電気化学的パックは、乗物が衝突を伴ってパックが衝撃を受けると、火災を起こす可能性がある。乗物中に可燃性部品が存在するので、電気化学セル及びパックの物理的保護が明らかに必要である。
現在の電気化学装置の熱管理材料は貧な潜熱特性、適当な温度範囲における貧な熱冷却特性、貧なギャップ/ボイド充填特性、貧なレオロジー、などの多くの不利を有している。
図17-20はバッテリーセルと関連した本開示の側面を利用する利益と、セルの各種の充電、放電及びサイクル機能中における熱の蓄積を緩和する、本開示の態様の能力 を説明するグラフである。
図17は、温度に対して、多数回サイクルにおけるリチウムイオン18650セルの容量の低下を説明するグラフである。グラフで表される実験では、1710のｙ軸は0-18ミリアンペア時(mAh)で測定されたセルの容量を示す。1715のｘ軸はサイクル数であり、各セルは実験では0-140回サイクルする。グラフの1720の線は、温度が25℃に維持されて140サイクルまでサイクルされたときのセル容量を表す。グラフの1725の線は、温度が60℃に維持されて140サイクルまでサイクルされたときのセル容量を表す。グラフの線1720に示されるように、25℃のセルは最小限の低下-140サイクルで約16mAhから14mAhへ-を示した。これに対して、60℃のセルは顕著な低下-140サイクルで約16mAhから約5mAhへ-を示した。このグラフは、サイクルにおいてリチウムイオン18650セルの温度を低下させることで、性能及び寿命の利益を得ることができることを示す。
図18は、PCM含有TMM仕様が如何にして放電されるセルの操作温度を低下することができたことを示すグラフである。参照の簡便のために、実験に用いたPCM含有TMMのスリーブはPCM-TMMスリーブとして参照される。このグラフに表される実験では、３つの個別の リチウムイオン18650セルが８分間の間連続的に20Aの速度で放電され、時間はｘ軸に表される。特にリチウムイオンバッテリーの表面温度を管理するPCM-TMMスリーブの有効性を試験するために、たとえば、抵抗負荷テスターを用いて単一の20A放電試験レジームを用いた。テスターは、0.33Ωの抵抗器２個を平行にワイヤ接続し、リチウムイオンバッテリーを含むバッテリーホルダーに接続した回路を含む。試験は回路遮断スイッチを用いて手動で開始及び停止した。試験を通して、電圧をバッテリーホルダーの端子に取付けたリードでデジタルマルチメータによりモニターした。全ての試験は、各バッテリーについて開回路電位4.1Vで開始し、閉回路電圧が2.4Vに達したとき停止した。各セルの表面温度を赤外カメラ並びにセル表面 温度を直接に測定するためにデジタル読み出しに取付けた熱電対でモニターした。温度測定は各試験の開始から終了まで1分毎に測定した。
各バッテリーは異なる 温度制御を有した。第１のバッテリーセルは被覆なしであり、それを取り巻くスリーブがないことを意味する。その温度プロアイルは、グラフに「未被覆」で表す。第２のセルは対照ポリマースリーブに収納したものであり、ポリマーが特別の最適化熱管理品質を有さず、少しもPCMを含まないことを意味する。この対照スリーブに用いた特定のポリマーはエポキシであり、これは、従来技術において物理的にバッテリーセルを保護するために用いられている。その温度プロファイルは、グラフに「対照スリーブ」として表す。対照(エポキシのみ)スリーブ及びPCM-TMMスリーブはエポキシ複合体を用いてバッテリーの周りに形成した。対照スリーブはエポキシだけであり、PCMを含まないが、PCM-TMMスリーブは45%のマイクロカプセル化デコサン(mPCM)を含んだ。両方のスリーブは約12グラムであった。
図18のグラフに見られるように、PCM-TMMスリーブ付バッテリーの温度（グラフの線1809で示される）は、8分で平均温度50℃に達した。一方、対照スリーブ付セルはグラフの線1805に見られるように最終平均放電表面温度57℃に達した。グラフの線1801に示される未被覆セルは、連続８分間の放電後に72℃付近の温度に達した。
図19及び図20は異なる実験の結果を示し、これはバッテリー充放電試験によって、PCM-TMMスリーブの温度管理特性とバッテリーの容量保持に対する温度管理(たとえば、低い温度)の作用を評価した。1.95Ahの容量を持つ18650LiイオンバッテリーをPCM-TMMスリーブに収容し、スリーブなしの18650Liイオン制御バッテリーと比べた。両方のバッテリーは700回の充放電サイクルを経た。バッテリーの表面温度及びバッテリーの充放電容量を測定した。PCM-TMMスリーブは50%ポリオレンフィンコポリマーエラストマー中に50%マイクロカプセル化ドコサンを含む。スリーブは重量7.3グラムであり、セルの周りにぴったり取付けた。対照セル及びPCM-TMM-スリーブ付セルを各セルの表面に取付けた熱電対を持つ別々のバッテリーホルダーで試験した。PCM-TMM-スリーブ付セルでは、セル表面温度を直接に測定するために熱電対をスリーブの下に置いた。精確な電圧及び電流制御をしたコンピュータ制御の定電圧/定電位装置(galvanostat/potentiostat)を用いて、対照セルとPCM-TMM-スリーブ付セルの間の充放電容量保持挙動を比較した。放電容量保持の結果は図20を参照して説明する。この手段も用いて、各セルの表面に取付けた熱電対をリアルタイムモニターして相変化信頼性を測定した。相変化信頼性はその温度管理特性を失うことなく無制限にサイクルされるPCMの容量を指称する。良好な相変化信頼性をもつPCMは熱を吸収し、溶融し、熱を放出し、結晶化を繰り返すことが可能である。
試験プロトコールは次のステップから成る。最初に、セルを１分間放値してから1.95Aで、各セルの電圧が4.2Vに達するまで充電した。次に、セルを各セルの電流が0.25A未満に落ちるまでトリクル放電した。次いで、セルを2分間放置してから、20Aで各セルが電圧2.5Vに達するまで放電した。次いで、セルを15分間放置してから、充電サイクルに戻した。この一連のステップを700回繰り返した。図19は、２つのグラフの線に沿って、各サイクル後の対照及びPCM-TMM-スリーブ付セルの放電表面温度の終端を示す。対照セルの温度はグラフの線1901で表し、PCM-TMM-スリーブ付セルの温度はグラフの線1905で表す。図19のグラフに示すデータは、PCM-TMMスリーブは各サイクルにおいてバッテリー表面を約17℃低く保持したことを示す。
図20は700サイクルの充放電における対照セル及びPCM-TMM-スリーブ付セルの放電容量保持を示す。グラフの線2001は対照セルの放電容量保持を示し、グラフの線2005はPCM-TMM-スリーブ付セルの放電容量保持を示す。データに示される様に、PCM-TMM-スリーブ付セルの放電容量は全てのサイクルにおいて対照セルの放電容量より大きく維持され、サイクルの回数が増えるとともに２つのセルの間の差は大きくなる。この相違点は、PCM-TMM-スリーブ付セルの放電容量のより高い保持に示されるように、より低いバッテリー温度はより少ないバッテリー劣化及びより長い寿命をもたらすことを示している。
これらの実験におけるセル及び用途とは異なる種類のセル及び異なる用途(即ち、高電圧、高放電、長時間、高頻度サイクル)に用いるセルが、PCM含有TMMの異なる仕様を要することができることが意図されている。特定のセル及び用途に望ましい熱管理特性を達成する様々な方法は本開示をとおして説明される。図17-20の実験に記載したPCM-TMMスリーブ の仕様は本開示の例示の態様にすぎず、本開示の範囲を限定すると解釈されるべきではない。
上記の一般的用語及び定義のセクションに記載したように、用語「相変化材料」は熱を吸収又は放出して温度安定化範囲において熱移動を調整する能力を有する材料を指称する。温度安定化範囲は特定の転移温度又は転移温度の範囲を含む。場合によっては、相変化材料は相変化材料が熱を吸収しまたは放出するときに、典型的には相変化材料が２つの相の間を転移するときに、ある期間熱移動を禁止することが可能である。この作用は、典型的には遷移的であり、加熱又は冷却プロセスの間に相変化材料の潜熱が吸収又は放出されるまで起きるであろう。熱は貯蔵又は相変化材料から取り出すことができ、相変化材料は典型的には熱または冷却の源によって有効に再チャージされることが可能である。特定の実施においては、相変化材料は２以上の材料の混合物であることができる。2以上の異なる材料を選択して混合物を形成することで、温度安定化範囲を全ての望ましい用途に調整することが可能である。得られる混合物は本明細書に記載の物品に組み入れたとき２以上の異なる転移温度又は単一の修正された転移温度を示すことが可能である。
用いることができるPCMには、各種の有機及び無機物質が含まれる。有機PCMは本明細書に開示の態様において好適であることができる。相変化材料の例には、炭化水素 (たとえば、直鎖アルカン又はパラフィン炭化水素、分岐鎖アルカン、不飽和炭化水素、ハロゲン化炭化水素及び脂環式 炭化水素)、アルカン、アルケン、アルキン、アーレン、水和塩(たとえば、塩化カルシウム六水和物、臭化カルシウム六水和物、硝酸マグネシウム六水和物、硝酸リチウム三水和物、塩化カリウム四水和物、アンモニウムミョウバン、塩化マグネシウム六水和物、炭酸ナトリウム十水和物、リン酸二ナトリウム十二水和物、硫酸ナトリウム十水和物、及び酢酸ナトリウム三水和物)、ワックス、油、水、脂肪酸(カプロン酸、カプリル酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、アラキジン酸、ベヘン酸、リグノセリン酸及びセロチン酸など)、脂肪酸エステル(カプリル酸メチル、カプリン酸メチル、ラウリン酸メチル、ミリスチン酸メチル、パルミチン酸メチル、ステアリン酸メチル、アラキジン酸メチル、ベヘン酸メチル、リグノセリン酸メチル等)、脂肪族アルコール(カプリルアルコール、ラウリルアルコール、ミリスチルアルコール、セチルアルコール、ステアリルアルコール、アラキジルアルコール、ベヘニルアルコール、リグノセリルアルコール、セリルアルコール、モンタニルアルコール、ミリシルアルコール及びゲジルアルコール(geddyl alcohol)等)、二塩基酸、二塩基エステル、1-ヒドリド、第一級アルコール、第二級アルコール、第三級アルコール、芳香族化合物、包摂化合物(clathrate)、半包摂化合物(semi-clathrate)、気体包摂化合物(gas clathrate)、無水物 (たとえば、ステアリン酸無水物)、炭酸エチレン、メチル エステル、多価アルコール(たとえば、2、2-ジメチル-1、3-プロパンジオール、2-ヒドロキシメチル-2-メチル-1、3-プロパンジオール、エチレングリコール、ポリエチレングリコール、ペンタエリトリトール、ジペンタエリトリトール、ペンタグリセリン、テトラメチロールエタン、ネオペンチルグリコール、テトラメチロールプロパン、2-アミノ-2-メチル-1,3-プロパンジオール、モノアミノペンタエリトリトール、ジアミノペンタエリトリトール、及びトリス(ヒドロキシメチル)酢酸)、糖アルコール(エリトリトール、D-マンニトール、ガラクチトール、キシリトール、D-ソルビトール)、ポリマー(たとえば、ポリエチレン、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレン、ポリプロピレングリコール、ポリテトラメチレングリコール、ポリプロピレンマロネート、ポリネオペンチルグリコールセバケート、ポリペンタングルタレート、ポリミリスチン酸ビニル、ポリステアリン酸ビニル、ポリラウリン酸ビニル、ポリヘキサデシルメタクリレート、ポリオクタデシルメタクリレート、グリコール(又はその誘導体)と二酸(又はその誘導体)との重縮合により生成されるポリエステル、及びコポリマー、たとえばポリアクリレート又はポリ（メタ）アクリレートとアルキル炭化水素側鎖と又はポリエチレングリコール側鎖とのコポリマー、及びコポリマー、たとえばポリエチレン、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレン、ポリプロピレングリコール又はポリテトラメチレングリコールを含むコポリマー)、金属及びそれらの混合物が含まれる。天然アルコール、天然脂肪酸、糖類、セルロース及び天然グリコールのあらゆる組合せによりPCMを得ることができる。下記のような一般式（式中、m又はnは0-100であることができる。）:
ポリマー化アルコール、たとえば、ポリビニルアルコール、ポリグリセロール(分子量100-10,000)又は各種の脂肪酸でエステル化した多官能性 アルコール。
パラフィン系PCMはパラフィン炭化水素、すなわち、式 CnHn+2（式中、nは約10から約44の炭素原子の範囲でよい）で表される炭化水素でよい。本開示に有用なPCMは13〜50個の炭素原子を有するパラフィン炭化水素を含む。たとえば、均質なシリーズのパラフィン炭化水素の融点は下記の表に示されるように炭素原子数に直接に関連する。
TMMとしてのポリマー系相変化材料(PPCM)及び官能性ポリマー系相変化材料(FP-PCM)の使用反応性官能基
適当な反応性官能基の例は、官能基、たとえば、酸無水基、アミノ基、Ｎ置換アミノ基及びそれらの塩、アミド基、イミン基、イミド基、アジド基、アゾ基、アミン-ホルムアルデヒド基、カルボニル基、カルボキシ基及びそれらの塩、シクロヘキシルエポキシ基、エポキシ基、グリシジル基、水酸基、イソシアネート基、シアネート基、ウレア基、アルデヒド基、ケトン基、エステル基、エーテル基、アルケニル基、アルキニル基、チオール基、ジスルフィド基、シリル又はシラン基、ハロゲン化された脱離基、ペルオキシド基、塩基、グリオキサルに基づく基、アジリジンに基づく基、活性メチレン化合物又はその他のｂ−ジカルボニル化合物に基づく基 (たとえば、2,4-ペンタンジエン、マロン酸、アセチルアセトン、エチルアセトンアセテート、マロンアミド、アセトアセトアミド及びそのメチル類似体、エチルアセトアセテート、及びイソプロピルアセトアセテート)、ハロゲン基、ヒドリド基、又はその他の極性もしくはＨ結合基並びにそれらの混合物を含む。
１以上の本開示の側面に従い使用できる反応性官能基及び官能基の各種の例のさらなる詳細は、共所有の米国特許No.8,404,341及びNo.8,221,910に記載されており、その詳細は参照して本開示に含める。本明細書の後半で特定の組成及び方法の例を提供するが本出願人は特許請求の範囲をそれらのどの特定の組成にも限定する意図はないことが理解されるべきである。反対に、本明細書に記載した官能基、ポリマー系相変化材料及び物品の全ての組合せが本開示の新規な側面を達成するために利用できる。特許請求の範囲は本開示又は取り入れた全ての開示に記載されている特定の化合物のいずれにも限定する意図はない。
ポリマー系相変化材料及び反応性
本明細書で参照したいくつかの刊行物は固体-液体 PCMと固体-固体 PCMの間の中間ケースを表すポリマー系PCM(pPCM)を取り扱う。pPCMは相変化の前後の両方において固体である。違いはそれらの構造化の程度である。より低い温度では構造化の程度(degree)が昇温温度におけるより大きいので、相変化の温度で、pPCM はより構造化された形態からより少なく構造化された形態に変化する。典型的には、より構造化された形態ではポリマーのある部分はより多く配列状態にあり、より密に充填されている。より配列した部分は小結晶に類似する。したがって、pPCMを加熱時の相変化は、より結晶化された形態からより少なく結晶化された形態への変化であるということができる。言い換えると、昇温温度 (転移温度超で、pPCMは本質的にアモルファスである。より低温度 (転移温度未満)では、それらは異なる結晶度を有する。同様に、熱吸収時及び熱放出時の変化はそれぞれ脱結晶化及び再結晶化と称することができる。関連するエンタルピーも 脱結晶化のエンタルピーとして参照することができるであろう。
典型的には、pPCMはより配列してより密に充填されることが可能な部分を有する。そのような部分は結晶化可能部分と称することが可能であろう。ある態様では、本開示の側面に従い本明細書に記載した官能性ポリマー系PCMは、少なくとも１つのそのような結晶化可能部分を含む。本開示の態様に依れば、ポリマーは骨格と側鎖を含む。好ましくは、側鎖が結晶化可能部分を形成する。
官能性ポリマー相変化材料(fpPCM)
本明細書において、用語「反応性官能基」は他の化学基と反応して共有結合又はイオン結合（その例は前に記載した）を形成することができる化学基 (又は部分)を意味する。ある態様では、このような反応は、比較的低い温度、たとえば300℃未満、他の態様では200℃未満、他の態様では100℃未満、及び電気化学装置用途に適した条件で、実施可能である。本明細書において用語「官能基を持つ(carrying a function)」及びその明らかな変形は、それに結合した官能基、たとえば共有結合やイオン結合を有することを意味する。
反応性官能基は、fpPCM分子の如何なる部分、たとえば、側鎖に、骨格鎖に沿って又は骨格鎖又は側鎖の端部の少なくとも１つに位置する（持たれていれる又は共有結合又はイオン結合されている）ことができるであろう。本開示の様々な態様では、fpPCMは多数の反応性官能基を含み、これらの官能基は実質的に規則的な間隔で、立体的に(すなわちイソタクチック、シンジオタクチック又はアタクチック等)あるいは分子に沿って、たとえば骨格鎖に沿って不規則に分布する。これらの組合せも可能である。
ある態様におけるfpPCMの分子量は少なくとも500Dalton、他の態様では特定的に少なくとも2000Daltonであることができる。ある態様では、結晶化可能部分の重量はfpPCMの全重量の少なくとも20%、他の態様では少なくとも50%、他の態様では少なくとも70%をなる。分子量は超高分子量ポリエチレン (UHMWPE)の使用で例示されるように、500Daltonから数100万Daltonの範囲であることができる。
分子量 は全てのポリマー分子が多分散度で定義される同じ分子量又は異なる分子量である単分散又は多分散であることができる。Mnは数平均分子量、Mwは重量平均分子量であり、分子量 多分散度(Pd)はMn/Mwで定義される。Pd＝1.0は全ポリマー分子が単分散で、同じ分子量を有することを意味する。本開示に従い構成される組成物の側面は1.0-100の間、ある態様では1.0-10.0の間、さらに別の態様では1.0-5.0の間のPdを有する。
本開示の側面は単一の相変化温度又は多数のそのような温度を有するPCMの利用に関する。１つの態様によれば、fpPCMは-10℃と300℃の間の範囲に少なくとも１つの相変化温度を有する。他の態様では、この範囲は10℃と100℃の間である。これらの態様では、fpPCMは少なくとも25J/gの相変化エンタルピーを有することができる。もう１つの態様によれば、fpPCMは0℃〜100℃の範囲、他の態様では特に40℃〜80℃の間の転移温度を有する。もう１つの態様では、fpPCMは-60℃と60℃の間の転移温度を有する。場合によっては、相変化材料は少なくとも約1ジュール毎グラム(J/g)、少なくとも約5ジュール毎グラム(J/g)、少なくとも約10J/g、少なくとも約20J/g、少なくとも約30J/g、少なくとも 約40J/g、少なくとも約50J/g、少なくとも約 60J/g、少なくとも約70J/g、少なくとも約80J/g、少なくとも約90J/g、又は少なくとも約100J/gである潜熱を有することが可能である。したがって、たとえば、相変化材料は約5J/g〜約400J/g、約10J/g〜約100J/g、20J/g〜約100J/g、約60J/g〜約400J/g、約80J/g〜約400J/g、又は約100J/g〜約400J/gの潜熱を有することが可能である。
その温度のそれぞれにおける相変化は独自のエンタルピーを有するので、いくつかの態様では、用いる組成物は単一の相変化エンタルピーを有し、他の態様では、多数のそのようなエンタルピーを有する。本明細書において、用語「全相変化エンタルピー」は単一の相変化温度をもつ構造の場合の相変化のエンタルピー並びに多数の相変化温度の場合の組み合わせたエンタルピーを指称する。本開示のある態様によれば、組成物は少なくとも2.0ジュール毎グラム(J/g)の全相変化 エンタルピーを有する。
本開示の様々な側面によって用いるfpPCMは設計された立体特異性を有することができる。fpPCMはアタクチック、イソタクチック又はシンジオタクチックであることが可能である。fpPCMはL-、D-又はメソ-であることが可能である。
本開示のある態様によれば、fpPCMは親水性側鎖を有してよい。本開示の同じ又は他の態様によれば、fpPCMは疎水性側鎖を有してよい。これらの側鎖を提供できる側鎖又はモノマーの例は以下の表にある。
さらにfpPCMの他の結晶化可能部分が意図され、脂肪酸のラジカル、長鎖ジカルボン酸のラジカル、脂肪族アルコールのラジカル、ジアルコールのラジカル、ポリエステル-ポリカルボキシリック又は以前に記載したものを含む。
各pPCM分子少なくとも１つの反応性官能基を有するが、大きいfpPCM分子は多数の反応性官能基を有することができる。１つの態様によれば、fpPCMは1,000,000Daltonの分子量当たり少なくとも１つの反応性官能基を、或る態様では２つの反応性官能基を有する。
様々な態様において官能基は、骨格に沿って示されるが、それは１つの選択肢にすぎない。上記のごとく、官能基は骨格の端部、側鎖に及びそれらの組合せに配置できる。各fpPCMは単一のまたは多数の反応性官能基を有することができる。fpPCMは類似の化学的性質の多数の反応性官能基又は異なる化学的性質の反応性官能基の組合せを有することが可能である。
上記のように、fpPCMの反応性官能基は電気化学装置の外側表面を形成できる様々な基材と共有結合又はイオン結合を形成可能であるべきである。基材は、バッテリー又はその他の電気化学装置の表面、ケーシング、ボックス、容器又はパッケージを含む材料を含むことができる。共有結合を形成可能な反応性官能基の例は、酸無水基、アミノ基、N置換アミノ基及びそれらの塩、アミド基、イミン基、イミド基、アジド基、アゾ基、アミン-ホルムアルデヒド基、カルボニル基、カルボキシ基及びそれらの塩、シクロヘキシルエポキシ基、エポキシ基、グリシジル基、水酸基、イソシアネート基、シアネート基、ウレア基、アルデヒド基、ケトン基、エステル基、エーテル基、アルケニル基、アルキニル基、チオール基、ジスルフィド基、シリル又はシラン基、ハロゲン化された脱離基、ペルオキシド基、塩基、グリオキサルに基づく基、アジリジンに基づく基、活性メチレン化合物又はその他のｂ−ジカルボニル化合物に基づく基 (たとえば、2,4-ペンタンジエン、マロン酸、アセチルアセトン、エチルアセトンアセテート、マロンアミド、アセトアセトアミド及びそのメチル類似体、エチルアセトアセテート、及びイソプロピルアセトアセテート)、ハロゲン基、ヒドリド基、又はその他の極性もしくはＨ結合基並びにそれらの組合せである。共有結合を形成可能なfpPCMは、共譲渡された米国特許No.8,404,341（その教示はすべて参照してここに含める）に開示されている。イオン結合を形成可能な反応性官能基の例は、酸官能基、塩基官能基、正帯電錯体及び負帯電錯体である。イオン結合を形成可能なfpPCMは共譲渡された米国特許No.8,221,910（その教示はすべて参照してここに含める）に開示されている。たとえば、下記は好適な反応性官能基の例である。
１つの態様によれば、fpPCMは反応性官能基を１以上の末端基として有することができる。このようなfp-PCMの例は、α,ω-ジグリシジルポリエステル、α,ω-ジグリシジルエーテル、α,ω-ジイソシアネート、α,ω-ジウレア、α,ω-ジアルケン、α-グリシジルポリエステル、α-グリシジルエーテル、α-ウレア及びα-イソシアネート(たとえば図7-10に示す構造参照)である。
炭化水素−π結合の数と順序によって異なる官能基は、異なる化学及び極性を与える。以下のリストのそれぞれは、C--H結合を含むが、それぞれ反応性のタイプ（範囲）が異なる。
ハロゲン含有基--ハロアルカアンは炭素−ハロゲン結合によって規定される種類の分子である。この結合は比較的に弱いか（ヨードアルカンの場合のように)又は極めて安定的(フルオロアルカンの場合のように)であることができる。一般的に、フッ素化化合物の例外で、ハロアルカンは容易に親核置換反応又は脱離反応をする。炭素の置換、プロトン近傍の酸性度、溶媒条件などの全てがその反応性の結果に影響することが可能である。
酸素含有基--C-O 結合を含む化合物は夫々、sp2ハイブリッド化酸素の電子吸引作用及びsp3ハイブリッド化酸素の電子供与作用のために、C-O結合の位置及びハイブリッド化に基づいて異なる反応性を有する。
窒素含有基--このカテゴリーの窒素を含む化合物はアミドなどのC-O結合を含むことができる。
リン及び硫黄含有基--硫黄及びリンを含む化合物はその変化する極性、周期律表におけるより軽量の類似物である窒素及び酸素よりも結合をより形成する能力のために、固有の化学（反応性）を示す。
その他の化学種にはオルガノシラン、シロキシド、シリル ハライド、シリルヒドリド、ヒドロシリル化、シレン、シロール及び超原子価ケイ素(Hypercoordinated silicon)が含まれる。
もう１つの態様によれば、官能性 ポリマー系相変化材料は基材に化学的に結合することができる。その結合は、共有結合、イオン結合、直接結合又は化合物連結化合物を介した結合のいずれかであることができる。もう１つの態様によれば、結合は、fpPCMの反応性官能基と基材の反応性官能基の間の反応から得られるものであり、好ましくは結合はそのような反応の結果物である。基材は、たとえば、プラスチック又はポリマーの層、たとえば、プラスチックフィルム、プラスチックシート、ラミネート又は上記の組合せ、金属、複合体、その他のポリマー、炭素、セラミックス、ガラス、ガラス繊維又は、電気化学装置及びそのような装置の容器の外側表面の構成に用いられるその他の公知の材料から成る群から選択することが可能である。そのような外側表面の例にはバッテリー及び電気化学セルの壁、ケーシング、カバー、ボックス、保護層、ケーシング、及びパッケージを含む。
fpPCMは、コーティング、ラミネート、注入物、処理として、又は基材の近くに、上に又は内部に適当なコーティング、ラミネート、注入等の技法を用いて形成されるコーティング、ラミネート、注入物、処理の成分として具備することが可能である。使用中、fpPCMは電気化学装置の外側表面の近くに配置することで、内部コーティングとして作用させることが可能である。fpPCMは、同様に、外側環境に露出させて、外側コーティングとして作用するように位置させることも意図される。fpPCMは基材の少なくとも一部分を覆う。基材や用いるコーティング手法の性質に依存して、fpPCMは基材の頂部表面下を貫通し、基材の少なくとも一部分を浸透することが可能である。2層を記載しているが、物品は他の実施ではそれより少ない又は多い相を含むことが可能であることを意図している。特に、第3の層を含むことで基材の底部表面の少なくとも一部分を覆うことを意図している。そのような第3の層は、fpPCMと類似の仕方で実施することが可能であり、又は異なる官能性（たとえば撥水性、耐染性、剛性、耐衝撃性等）を提供する他の仕方で実施することができる。
１つの態様では、fpPCMはバインダーと混合でき、そのバインダーはまたバインダー中に分散された1組のマイクロカプセルを含むことができる。バインダーは、fpPCM及びまた可能性としてマイクロカプセルが分散されて、周囲又は処理条件に対してまたは使用中の摩耗(abrasion or wear)に対してfpPCM及びマイクロカプセルのある程度の保護を提供するマトリックスとして機能する適当な材料のいずれであることも可能である。たとえば、バインダーは、ポリマーまたは、特定のコーティング、ラミネート又は接着技術に用いられる他の適当な媒質であることが可能である。特定の実施では、バインダーは約-110℃〜約100℃、いくつかの態様では特に約-110℃〜約40℃の範囲のガラス転移温度を有するポリマーであることができる。水溶性又は水分散性のポリマーは有利であるが、水不溶性、または僅かに水溶性のポリマーも特定の実施にバインダーとして用いることが可能である。
バインダーの選択は、様々な考慮に依存することが可能であり、たとえば、fpPCM、PCM及び/又はマイクロカプセル又は基材に対する親和性、熱移動を修正する能力、呼吸可能性、可撓性、弾性、柔軟性、吸水性、コーティング形成能力、周囲又は処理条件での劣化抵抗、及び機械的強度などである。たとえば、バインダーの選択は、TMM構造(たとえば、スリーブ又はラップしたテープ)の硬度、剛性、破断伸び及び弾性率に影響を与えることが可能である。特定の態様で以前に述べたように、スリーブ構造はShore A硬度>85及びShore D硬度>25(ASTM D2240)を有することが望ましいことがある。また、スリーブ構造が弾性率>15psi(ASTM D790)及び破断伸び>20%(ASTM D638)を有することが望ましいことがある。バインダーの選択はこれらの特性を実現する１つの方法である。特に、特定の実施では、バインダーは、1組の官能基、酸無水基、アミノ基、Ｎ置換アミノ基及びそれらの塩、アミド基、イミン基、イミド基、アジド基、アゾ基、アミン-ホルムアルデヒド基、カルボニル基、カルボキシ基及びそれらの塩、シクロヘキシルエポキシ基、エポキシ基、グリシジル基、水酸基、イソシアネート基 シアネート基、ウレア基、アルデヒド基、ケトン基、エステル基、エーテル基、アルケニル基、アルキニル基、チオール基、ジスルフィド基、シリル又はシラン基、ハロゲン化された脱離基、ペルオキシド基、塩基、グリオキサルに基づく基、アジリジンに基づく基、活性メチレン化合物又はその他のｂ−ジカルボニル化合物に基づく基(たとえば、2,4-ペンタンジエン、マロン酸、アセチルアセトン、エチルアセトンアセテート、マロンアミド、アセトアセトアミド及びそのメチル類似体、エチルアセトアセテート、及びイソプロピルアセトアセテート)、ハロゲン基、ヒドリド基、又は、その他の極性もしくはＨ結合基並びにそれらの組合せを含むように選択することができる。
これらの官能基は、fpPCM、PCM、熱伝導性粒子、マイクロカプセル及び基材のいずれか、またはどれでもに含まれる補完的な官能基と化学結合し、よって処理中又は使用中の物品の耐久性を向上させることが可能である。したがって、たとえば、バインダーは、fpPCM、PCM、熱伝導性粒子及び/又はマイクロカプセルに含まれる1組のカルボキシ基と化学結合できる１組のエポキシ基を含むポリマーであることが可能である。もう１つの例では、バインダーは、fpPCM、PCM、熱伝導性粒子及び/又はマイクロカプセル又は基材に含まれる1組のカルボキシ基と化学結合できる１組のイソシアネート基又は１組のアミノ基を含むポリマーであることが可能である。
場合によって、コーティング組成物を形成するときに1組の触媒を添加することが可能である。このような触媒は、補完的官能基、たとえば、バインダーに含まれる基及びマイクロカプセルに含まれる基の間での化学結合を容易にすることが可能である。触媒として使用できる物質の例は、ホウ素 塩、次亜リン酸塩(たとえば、アンモニウム次亜リン酸塩及びナトリウム 次亜リン酸塩)、ホスフェート塩、スズ塩(たとえば、Sn+2又はSn+4の塩、たとえばジブチルスズジラウレート及びジブチルスズジアセテート)、及び亜鉛塩(たとえばZn+2の塩)を含む。コーティング組成物に添加するスズ塩又は亜鉛塩の望ましい量は乾燥重量で約0.001〜約1.0パーセント、たとえば約0.01〜約0.1パーセントであってよい。コーティング組成物に添加するホウ素塩又はホスフェート塩の望ましい量は乾燥重量で約0.1〜約5パーセント、たとえば約1〜約3パーセントであってよい。触媒として使用できる物質の他の例は、アルキル化金属、金属塩、金属ハライド、及び金属酸化物を含み、ここに適当な金属はLi, Be, Na, Mg, K, Ca, Rb, Sr, Ti, V, Mn, Fe, Co Ni, Cu Zn Ga, Ge As, Se, Al, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Cs, Ba, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Po, A Ra, Ac, Ce, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Th, Pa, U, Puなどを含む。これらの金属及びそれらの化合物はそれ単独でもあるいは混合して用いることが可能である。有機酸及び有機塩基、たとえば硫黄 (たとえば、硫酸基)、窒素(たとえば、硝酸基)、リン (たとえば、リン酸基)又はハロゲン化物 (たとえば、F、Cl、Br及びI)に基づく有機酸及び有機塩基も触媒として用いることが可能である。触媒として用いることが可能であるその他の材料の例は、クエン酸、イタコン酸、乳酸、フマル酸、ギ酸などの酸を含む。
基材、官能性相変化材料、バインダー、PCM、熱伝導性粒及び／又はマイクロカプセルの間の結合は、様々な態様により、共有結合、電子価結合又はそれらの様々な組合せである。結合は、直接又は間接、たとえば、化合物を接続する結合であることができる。いくつかの態様では、接続する化合物は官能性ポリマー相変化材料及びマイクロカプセルから成る群から選択される。その他のまたは同じ態様によれば、官能性ポリマー相変化材料 は第２のPCMの少なくとも一部分のためのバインダーを成していてもよい。
もう１つの態様によれば、fpPCMの反応性官能基は特定の基材と反応するのにより適当な別の反応性官能基に変換されることが可能である。
もう１つの態様によれば、fpPCMの反応性官能基は様々の化学的性質のものであることができるであろう。たとえば、様々の基材の反応性官能基と反応し、共有結合又はイオン結合を形成できる反応性官能基があり、その基材としては、たとえば、金属、プラスチック、電気化学セルの外部壁の部品、電気化学的パックの外部部品及び熱緩衝材料がある。
本開示のもう１つの態様によれば、反応性官能基は、１）グリシジル又はエポキシ、たとえばグリシジルメタクリレート又はグリシジルビニルエーテル;２）無水物、たとえばマレイン酸無水物又はイタコン酸無水物；３）イソシアネート、たとえばイソシアナートメタクリレート、TMI(登録商標)（Cytec Ind.）又はブロックト・イソシアネート、たとえば2-(0-[1’-メチルプロピリデン(proplyidene)アミノ]カルボキシアミノ)エチルメタクリレート；４）アミノ又はアミン-ホルムアルデヒド、たとえばN-メチロールアクリルアミド；並びに５）シラン、たとえばメタクリロキシプロピルトリエトキシシランのいずれであることも可能である。このような反応性官能基はセルロース基 材料のOH官能基、ポリエステル系材料の水酸基またはカルボキシ基及びナイロン官能性樹脂のアミド官能基と反応することができる。
本開示のさらにもう１つの態様によれば、反応性官能基は他の二重結合に結合して架橋点、重合点などを提供する二重結合であってもよい。連結又は架橋する上記の反応は、あらゆるエネルギー、たとえば、光、UV、IR、熱、サーモ、プラズマ、音響、マイクロ波、ラジオ波、圧力、Ｘ線、ガンマ線、あるいはあらゆる形の放射線又はエネルギーによって開始されてもよい。それらは、たとえば、フリーラジカル、アニオン性又はカチオン性触媒または開始剤などを用いる化学反応によって開始されることもできる。
fpPCMの反応性官能基は正電荷であり、基材の負電荷と電子的に結合することが可能である。もう１つの態様によれば、反応性官能基は負電荷であり、基材の正電荷と電子的に結合することが可能である。もう１つの態様によれば、基材及びfpPCM及び又はマイクロカプセルの両方の反応性官能基は負帯電であり、架橋剤として作用する多価カチオンによって結合してもよい。さらにもう１つの態様によれば、基材及びfpPCM及び又はマイクロカプセルの両方の反応性官能基は正帯電であり、架橋剤として作用する多価アニオンによって結合してもよい。架橋剤、架橋多価カチオン、アニオンまたはその両方は有機または無機であることができる。
PCMケーシングとしての架橋ポリエーテルポリオールの使用
1つの組成物のPCM及び異なる組成物のTMMを含む態様に加えて、本開示はスリーブ又はケーシング構造の全体に架橋ポリエーテルポリオールの均一な、実質的に均質なポリマー組成物を含むスリーブ又はケーシングの態様も提供する。これらの架橋 ポリエーテルポリオールはポリエチレングリコール(PEG)またはポリエチレンオキサイド(PEO)を含んで、潜熱貯蔵特性及び耐火性をもつ形状安定、成形可能及び機械加工可能なケーシングを形成してもよい。PEOはPEGの本質的に非常に高い分子量バージョンであり、両方のポリマーは同じ化学を有することが業界で知られている。一般に、PEGは、20,000g/mol未満のオリゴマー及びポリマーを指称し、PEOは分子量20,000g/mol超のオリゴマー及びポリマーを指称する。本開示をとおして、PEGまたはPEOのいずれか単独を参照する態様は、特に断らない限り、PEG及びPEOの両方（または一方）を含むと理解できる。業界で公知のように、ポリオールは反応に利用可能な多数の水酸基をもつ化合物を指称する。PEG及びPEOはとりわけポリオール(好ましくは２つの水酸基を含むジオール)であり、ポリエーテルポリオールとして知られている。それより多くまたは少ない水酸基をもつ他のポリオール並びに他の特定の種類のポリエーテルポリオールも本開示から逸脱しないで各種の態様に利用できる。
PEG及びPEOは従来技術においてPCMとして使用されているが、熱劣化感受性などの特定の制限がそれらをより高い転移温度を要する用途などの特定の用途に用いることを制約する。しかしながら、PEG/PEOが延長された鎖を有しまたは架橋されていると、システム 分子量が増加して、転移温度がその分子量、架橋密度、添加剤の種類または量、その他の配合変数に比例して変化することができる。本開示をとおして鎖延長及び／又は架橋によって多くの他の利点を得ることが可能である。用語：鎖延長及び架橋は、両方の反応は本開示の態様の望ましい特性を実現するために用いることができるので、互換的に用いられてよい。PEG/PEOは本開示の態様により変化する。たとえば、架橋 ポリエーテルポリオールは、硬化後に、異なる形状の電気化学セル及びパックのためのカスタム形状のケーシング及びハウジングを形成するために、機械加工及びミリングに耐える形状安定な材料を形成することができる。本開示の態様は図4Dに示すように電気化学セルを保持するように構成された複数の開口を含む実質的に矩形状ハウジングまたはケーシングとして形成してもよい。
架橋 ポリエーテルポリオールを熱管理材料として用いるもう１つの利点は、このような架橋ポリエーテルポリオール複合体の形状は熱サイクル中の電気化学セルの膨張及び収縮 に十分に耐え、本開示をとおして記載しているエラストマー材料を含まなくても、サイクルの間セルと密に接触を維持することができることである。さらにもう１つの利点は、複合体自体は、固体-固体PCMであるので、溶融しても液体にならずリークしないので、ハウジング又はケーシング全体を形成するために用いることができることである。結果として、別のハウジングまたは容器が必要でない：硬化した架橋 ポリエーテルポリオール自身を用いてケーシング全体を形成することができる。開示をとおして、架橋ポリエーテルポリオールから作製された一体構造を含むケーシングを、代替的に、潜熱貯蔵(LHS)ケーシングと指称することができる。本開示に記載したPCM材料は潜熱を貯蔵できるが架橋 ポリエーテルポリオールを含むケーシングはLHSケーシングと指称して、多種のポリマーPCM及びTMM材料を含む本開示の態様と区別することができる。
電気化学セルケーシングとしての架橋ポリエーテルポリオール複合体の更に別の利点は、複合体が本来的に難燃性であり、或る態様では難燃特性がUL-94(Standard for Tests for Flammability of Plastic materials for Parts in Devices and Appliances, http://ulsandards.ul.com/sandard/?id=94_6, UL LLC)の難燃試験をV0の評価で合格するのに十分に高いことである。ある態様では本開示に記載した種類の難燃添加剤を股クレーム用いないでも難燃性の評価を実現することができる。他の態様では、複合体は難燃添加剤の添加なしでV1又はV2の評価を実現できる。更に別の態様では、難燃添加剤を複合体が実現できる耐引火性を改良するために添加することができる。
架橋ポリエーテルポリオールケーシングの態様の多くは耐火性のPCMであるので、もう１つの利点は電気化学セルパックの熱暴走を防止することである。１つの側面では、ケーシング自身のPCM特性が電気化学セルを冷却して、個別セルが燃焼温度まで過熱することを防止することである。しかしながら、本開示において先に述べたように、製造欠陥や突刺などの制御不能な要因によって、時々、良好な熱管理にもかかわらず或る電気化学セルの熱暴走が引き起こされることがある。このような場合、ケーシング自身の耐火性は熱暴走が他の電気化学セルに拡大することを防止することができる。たとえば、UL-94 評価標準V0に合格するために、材料は、材料に炎を直接に一定時間適用されても、10秒超火炎燃焼せず、または30秒超輝燃焼をしてはならない。少なくともこの程度の耐火性を有する結果、たとえば、本開示の材料は多くの場合、セルの材料が完全に消失するまで燃焼している電気化学セルに暴露することができる。ケーシング材料はそれ自身が炎焼することなく、その間他のセルを熱から絶縁して、燃焼しているセルを有効に消火することができる。
架橋ポリエーテルポリオールを含むケーシングを用いるもう１つの利点は、温度管理 特性が、温度管理材料なしでできるよりもより高速で、電気化学セルを充電するよう補助することである。電気化学セルの多くの用途 (たとえば携帯装置バッテリー及び自動車バッテリー)は現在、製造業者及び消費者の要求からより高速の充電が求められている。しかしながら、より高速の充電は典型的にはより高温と過熱の可能性がある。本開示のケーシングは高速充電にもかかわらず電気化学セルの温度を冷たく維持することが可能であり、セルを冷たく維持しながらおり長時間にわたりより高速の充電を実現することができる。この冷却は、セルを本開示のケーシングに保持したとき、セルを温度管理材料に保持しない場合よりも、過熱の危険を最小限にし、より高速の充電を可能にする。
各種の鎖延長剤は、架橋を実現して、ポリエーテルポリオールの鎖長と分子量を調整するために、ポリエーテルポリオールと反応することができる。多くの態様において、各種のイソシアネートを架橋剤又は鎖延長剤として使用できる。特に、特定の態様では、以下に記載するような、ジイソシアネート、たとえば、ヘキサメチレンジイソシアネート(HDI)及び4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)、トルエンジイソシアネート(TDI)、メチレンジクロヘキシルジイソシアネート又は水素化MDI(HMDI)、又はイソホロンジイソシアネート(IPDI)を用いることができる。
上記の分子ダイアグラムに示されるように、全てのイソシアネートはR-NCO反応基を有し、ジイソシアネートは２つのR-NCO基を有する。以下の表及び図のいくつかにおいてイソシアネート及びジイソシアネートは簡単に「NCO」と略記することがある。一般的に、ジイソシアネートとポリエーテルポリオールとの組合せは反応体の存在において、以下に記載するようにポリエーテルポリオールの鎖を延長するように結合する。
各種の態様においてPEG又はPEOの鎖が延長及び又は架橋する程度は、用いられるジイソシアネートの種類、ジイソシアネートとPEG/PEOの混合比を含む様々な要因に依存する。各種の態様においてジイソシアネート対ポリエーテルポリオールの比は0.5:1と1.5:1の間でよい。この各種の比は得られる複合体の粘度、結晶性、融点及び潜熱に影響する。以下の表に示す本開示の態様の多くの例は、ジイソシアネート/ポリエーテルポリオールの組合せ、その比及び複合体の得られる物理的特性の間の関係を示す。
ジイソシアネートをポリエーテルポリオールの主たる架橋剤及び鎖延長剤として利用するのに加えて、他の分岐剤及び鎖延長剤も複合体と反応することができる。あるものはそれ自身ポリオールブレンドである。これらはブタンジオール(BDO)、ポリテトラメチレングリコール(PTMG)及び各種のポリエーテルアミンを含むことができる。下記表に列記した実験で使用したそのようなポリエーテルアミンは分子量1500のビス(3-アミノプロピル)ポリエチレングリコール(商業的にNPEG1500として知られている)を含むが、他の種類のポリエーテルアミンも使用できる。使用できる他の分岐剤及び鎖延長剤にはJeffamines(登録商標)（Huntsman International LLC.）があるが、これに限定されない。あるいは、商業的にBayhydur(登録商標)及びDesmodur(登録商標)（Covestro AG）及びSilmer NCO（Siltech Corp.）として知られるものなどのイソシアネートプレポリマーも使用できる。これらの分岐剤及び鎖延長剤は数多くの組合せや配合比を用いてポリエーテルポリオールの精密な制御を実現できる。
架橋ポリエーテルポリオール複合体のある態様では、架橋し融点及び潜熱を変更するために二無水物に比較的に低分子量のPEGを混合できる。PEGと反応する二無水物の例及びそれらの物理特性は以下の表４に記載されている。以下の二無水物並びにその他は本開示の態様におけるPEG/二無水物に使用できることを意図している。
ポリオールと、架橋剤、鎖延長剤及び／又は分岐剤との上記組合せのいずれかに加えて、本開示の複合体ポリマーは様々な種類及び濃度の熱伝導添加剤も含むことができる。架橋ポリエーテルポリオール自体が既に良好な熱伝導特性(相変化材料の特性を与えられる)を有するが、特定の熱伝導性材料を追加するとそのような特性をさらに向上させることができる。本開示び架橋ポリエーテルポリオール複合体に用いることができる熱伝導添加剤の例には、天然グラファイト、ベイン(vein)グラファイト、アモルファスグラファイト、フレークグラファイト、膨張性フレークグラファイト、合成グラファイト、表面強化グラファイト (SEFG)、ナノグラファイト、グラフェン、コークス、カーボン、活性炭、カーボンブラック、表面改質グラファイト／グラフェン(表面が酸化物、水酸基、カルボキシル及びアミンを含む)、セラミック(たとえば、窒化硼素、窒化アルミニウム等)、及び金属フレーク (たとえば、アルミニウム、銅等)がある。
以下の表は、実験で組み合わされその物理的特性が測定された架橋ポリエーテルポリオールの多くの態様及び組合わせを示す。これらの表は、反応体の組合せとそれらの複合体に得られる物理的特性との関係を説明するために、ポリエーテルポリオール、架橋剤、鎖延長剤、分岐剤及び添加剤の異なる組合せの種類に分けられている。
これらの実験複合体材料の各々の物理的特性に対する各種反応体の影響を調べるために同じ手順で複合体材料を作成してからそれらを測定した。各複合体材料はバッチ重合方法で作成した。全ての混合及び反応は乾燥N2雰囲気で行った。アルコール又はアミンを混合及び溶融してからイソシアネート又は無水反応体(anhydride reactant)を添加し混合した。反応体を混合した容器は次にシールして約70℃の温度に保持した。次に複合体を冷却してから目視で観察した。
各複合体材料の転移温度及び潜熱を測定するために、示差走査熱量計を用いた。各複合体試料を上記のように調製してから密閉アルミニウム試料パンに保持した。試験は一定のN2流下で行った。最初に、試料を-10℃に冷却してから４分間その温度に等温的に保持した。次に試料を-10℃から80℃へ5℃／分で加熱した。次いで試料を等温的に80℃に1分間保持した。次に試料を80℃から-10℃へ5℃／分で冷却した。冷却及び加熱のサイクルを各試料に２回繰り返した。各試料について第2の溶融ピークと第2の結晶化ピークを記録した。
各試料の熱伝導特性はC-Therm TCi analyzer（C-Therm Technologies Ltd.）として知られる熱伝導センサーを用いて測定した。試料ディスクはセンサーより1-2mm大きく、最小厚み5mmで作製した。少量のサーマルグリースをセンサーに塗って試料ディスクの表面と一致した完全な界面を提供した。材料が伝導率>1.1W/mKを有すると予想される場合にはC-サーモ「セラミックス」内部試験法として知られるセッティングを用いて、あるいは材料が伝導率 <1.1W/mKを有すると予想される場合にはC-サーモ「ポリマー」内部試験法として知られるセッティングを用いて実施した。試料ディスクはセンサーより1-2mm大きく、最小厚み5mmで作製した。少量のサーマルグリースをセンサーに塗って試料ディスクの表面と一致した完全な界面を提供した。各試料について10回試験し、試験の平均測定値を各表に示す。
本開示による複合体の多くの実験の組合せを以下の表に示すが、これらは多くの可能な組合せの一部に過ぎない。本開示は、開示されている熱管理の利益を達成するために架橋、鎖延長及び／又は分岐される全ての種類のポリエーテルポリオールを考慮している。本開示は以下の例に限定して解釈されるべきではない。
上記の表1は比較的に低分子量から比較的に高分子量までのPEG (1-4列;PEG1000、PEG6000、PEG10K及びTerathane(登録商標) 1800PTMG)のそれぞれを1種のジイソシアネート(6-10列;HMDI、MDI、IPDI、TDI)とだけ組み合わせた各種の組み合わせを示す。最初の３つのPEGの夫々は、ジイソシアネートと反応させることなく対照として測定した(1、6及び11欄)。次に各PEGを、異なるジイソシアネートと反応させた。各反応はポリオール対ジイソシアネートの比1:1であった。見られるように、複合体の転移温度及び潜熱はポリオール単独のそれらと異なり、異なる種類のジイソシアネートを用いると物理的特性も異なった。特に、PEG 材料自身並びにPEGとジイソシアネート（1:1比）との各組合せは難燃性評価V0であった。しかしながら、HDMIとTerathane(登録商標)との組合せ（比1:2及び1:1.3）は顕著に低い融点及び潜熱になるが、難燃性試験に不合格であった。上記の表は、ジイソシアネートの種類と反応体の比の両方を用いて所望の物理的特性に調整することが可能であることを示す。
表2は３つの異なる分子量のPEG(1-3列;PEG2000、PEG3000及びPEG6000)を脂肪族ジオール(4列;ブタンジオールBDO)及び又はジイソシアネート(5-6列;HMDI及びMDI)及び又は多官能性又は分岐イソシアネート架橋剤/鎖延長剤(7-9列、Desmodur(登録商標) DN、Silmer(登録商標) NCO C50、Silmer(登録商標) NCO Di100)と組み合わせた第2の組の実験を示す。見られるように、反応体及びその比を変えることで、特定の用途に適した融点、転移温度及び潜熱容量に調整することを可能にする。
表3は特定のポリオール(1-4列;PEG1500、PEG2000、PEG3000及びPEG4000)対特定のジイソシアネート架橋剤/鎖延長剤(6-7列;HMDI及びMDI)の異なる比を用いることで簡単に転移温度及び潜熱を調整できることを示す。見られるように、実験の各種のPEGを2種のジイソシアネート、HMDI及びMDIのそれぞれと、比1:1及び1.25:1で反応させた。一般に、融点及び潜熱容量は、PEG対ジイソシアネートの比が1.25:1のとき、同じ反応体の組合せが比1:1のときより低かった。以前の実験のように各組合せは耐火性の評価V0を達成した。
表4は本開示の別の態様の複合体の特性を示す。すなわち、アミン又は水酸基官能性ポリオール(1-3列;PEG400、PEG1000及びNPEG1500;NPEG1500はジアミンである)は二無水物 (5-6列、PDMA、EDTA二無水物)と架橋及び／又は鎖延長することが可能である。見られるように、架橋複合体の融点及び潜熱の値は、それぞれのポリオール単独の場合よりもすべて低かった。また、この結果は、異なる二無水物反応体を用いて僅かに異なる物理的特性のPCM 複合体を実現できることを示している。
表5は、様々な種類及び濃度の熱伝導添加剤と組み合わせた、本開示の態様による架橋 ポリエーテルポリオールの得られる物理的特性を示す。これらの実験では、PEG6000をMDIジイソシアネート及び何種類かの熱伝導添加剤(5-10列;グラファイトフレーク、ナノグラファイト、グラフェン、表面強化グラファイト及び窒化ホウ素)と組み合わせた。熱伝導添加剤は一般的に熱伝導率（W/m・K）を増加させ、複合体の高濃度の特定の添加剤は低濃度の同じ材料と比べて熱伝導率を増加させた。いくつかの場合(たとえば、実験番号56, 59, 60, 61, 64及び65)では、その態様の複合体はPEG/ジイソシアネートの組合せだけの場合と比べて熱伝導率を1.5倍にした。
表6は、１種以上のポリオール(1-3列;PEG2000、PEG6000、BDO)各種の多官能性架橋剤(5-9列;MDI,Desmodur(登録商標) DN）と反応させた実験を示す。得られ複合体のいくつかをさらに難燃添加剤(列11-13;膨張性グラファイトフレーク、Exolit(登録商標)AP760アンモニウムポリホスフェート、Firemaster(登録商標) 2100Rデカブロモジフェニル エタン:ATO(三酸化アンチモン))と混合した。これらの材料はClariant Inc.,Chemtura Corp.等の会社から得ることが可能である。見られるように、特定の架橋ポリオール複合体は難燃添加剤なしでは難燃性試験に不合格であったが(実験番号68及び69)、同じ複合体が難燃添加剤を添加すると難燃性評価V0を実現した(実験番号70及び71)。これらの結果は、特定の態様の架橋ポリエーテルポリオール複合体によって時々いろいろなレベルの難燃性が実現できるが、それらの特性は難燃添加剤を添加してさらに改良できることを示す。
図21-24は、本開示の架橋ポリエーテルポリオールを含む電気化学セルケーシングの熱管理特性並びにそのような熱管理用材料を用いて実現した電気化学セルの性能利益の両方を測定するために行った実験を説明する。
図21はハウジング2100に配置した４個の電気化学セル（ラベル1, 2, 3及び4）の図面であり、ハウジングは本開示による複合体ポリマー架橋ポリエーテルポリオールを含む。用語「ハウジング」及び「ケーシング」は互換的に使用できる。左の図2100A は各電気化学セルの正極端子の上面図を示し、したがって、各セルは1+、2+、3+及び4+とラベルされている。右の図2100Bは左図に示されていると同じ電気化学セルの底面図であり、電気化学セルの負極端子を示す。したがって、各セルは1-、2-、3-及び4-とラベルされている。ケーシングの性能特性を試験する実験では、4個の電気化学セル(1.5Ah Liイオン18650セルであった)を並列にしてバッテリーテスターに接続した。試験プログラムは、セルを1分間放置してから、電圧が4.2Vに達するまで 6Aで充電し、それから電流が0.25Aに低下するまでセルをトリクル充電した。それから、セルを30秒間放置した後、電圧が2.5Vに達するまでセルを80Aで放電した。その後、セルを10分間放値してから、サイクルの充電ステップを再スタートした。充放電サイクルは1000回繰り返した。セルの表面温度を試験するために、熱電対を図 21に示す位置に配置した。熱電対位置2103はセル 1の近くであった。熱電対位置2107はセル2の近くであり、熱電対位置2108はセル３の近くであった。熱電対配置の深さは図面から明らかでないが、熱電対はセルの正極端子と負極端子の中間に配置した。
ハウジングに収容した電気化学セルほかに、全くケーシングで覆われない対照セルについても同じ試験を実施した。以下のグラフは、対照セルとケーシング2100に収容した１以上のセル(「実験セルと指称できる」)に行った測定結果を比較する。
図22は対照セル(線2201)、実験セル1(線2203)、実験セル2(線2207)、実験セル3(線2208)のそれぞれが到達した外側表面温度を示す。セル表面温度は、対照セルでは65℃に到達したが、実験セルでは約52℃に到達するにすぎないことが見られる。
同様に、図23は対照セルと各実験セルの温度の時間経過を示す。表2301は対照セルでは最初に温度が約65℃に達し、時間とともに70℃近くまで昇温したことを示す。対照的に、表2303及び表2307に示される実験セル1及び2では、温度は最初に約50℃に到達したが、57℃を超えなかったことが示される。
上記の表6を参照して前に記載したように、本開示の複合体ポリマーケーシングの多くの態様はケーシングの熱伝導特性を向上させる熱伝導添加剤を有することができる。図24は本開示の１種以上の 熱伝導添加剤を含むそのような態様の熱伝導を測定するために行う熱モデルシミレーションの結果を示す。簡便のために、この態様を図 24に記載する試験では「熱伝導性ハウジング」と称する。熱伝導性ハウジングは、熱伝導添加剤なしの本開示の異なる PCM-TMM態様(「PCM-TMM ハウジング」)及び無視できる程度の熱管理特性を有するプラスチック対照ハウジングと比較した。これらの試験において、コンピュータシミレーションは3個の異なるハウジング温度をハウジングの３か所の異なる位置で算出した。第１のグラフ2401はハウジングの中心の温度を示し、プラスチック対照ハウジングは380Kを超える温度に達したが、熱伝導添加剤なしのPCM-TMMハウジング は僅かに360Kの温度に達し、熱伝導性ハウジングは355K未満に達した。どのハウジングの中心の材料も、多方向からセルによって包囲されているので、ハウジングの他の位置の最高温度に達したと考えられる。
図24の第2のグラフ2402はバッテリーハウジングの端部で温度を測定するとき、熱伝導性 ハウジングの端部の温度は、プラスチック対照ハウジング及びPCM-TMMハウジングの両方の端部におけるより緩やかな温度増加と比べて、急激かつシャープに増加した。第２のグラフ2402は熱伝導性ハウジングの熱伝導特性のゆえに、より多くの熱が消散し、相変化材料のより多い量全体に分散したことを示す。温度が熱伝導性ハウジングの端部でより高い事実は、熱伝導性ハウジングの他の位置の温度は、ハウジングの端部から有効に熱が移動されなかったときになるであろう温度より低いらしいことを示唆する。
図24の第３のグラフ2403は、熱伝導性ハウジングがバッテリーケーシングの角部であってもPCMの転移温度のより有効な利用を可能にすることを示す。熱伝導性ハウジングはPCM-TMM ハウジングより急速にその転移温度に達し、より長い時間そこにとどまることが見られる。
図25は、本開示のハウジングのケーシングに収容された電気化学セルバッテリーの放電容量保持を、ケーシングなしの電気化学セルと比較して、800サイクルを超える回数について、試験する別の実験を示す。見られるように、線2505で示される放電容量をもつ対照セルは、線2510で示されるハウジングに含まれる実験セルと比べて、より多くの放電容量を失った。約400サイクル後に、対照セルは時間とともにより顕著に放電容量を失った。
特定の用途に求められる転移温度、融点、潜熱、熱伝導性及び耐火性の特性を調整するために、上記の表に示すポリオール、架橋剤、鎖延長剤、分岐剤、触媒及び又は添加剤の全ての組合せを所望の比で組み合わせることができる。
上記の表、グラフ及び記載の観点から、本開示の態様は電気化学セル管理のための複合体ポリマー材料であって、架橋ポリエーテルポリオール相変化材料を含む複合体ポリマー材料を提供する。多くの態様において、この材料は電気化学セルの少なくとも一部分と物理的接触するように構成されてもよい。複合体ポリマー材料も、電気化学セル用のケーシングとして形成されることができ、ケーシングは実質的に均質な架橋ポリエーテルポリオール相変化材料を含む一体構造を含むことができ、その一体構造は１以上の電気化学セルを架橋ポリエーテルポリオール相変化材料との熱的接触を維持するように構成された１以上の開口部を有することができる。
ある態様では、複合体ポリマー材料は架橋剤又は鎖延長剤の一方とポリオールとを約 0.5:1と約1.5:1との間の比で含むことができる。ある態様では、ポリオールは線状又は分岐のどちらかのポリオールを含むことができる。さらに、ある態様では、架橋剤又は鎖延長剤は分岐又は線状でよい。多くの態様の複合体ポリマー材料は25℃と140℃の間、ある態様では特に45℃と60℃の間の転移温度を有してよい。この材料は2ジュール毎グラムより大きい、そして多くの態様では特に、70ジュール毎グラムと100ジュール毎グラムの間の潜熱を有してよい。各種の態様は固体-固体PCMを含むことができ、機械加工可能、成型可能及び／又は耐火性であることができる。複合体 ポリマー材料を含むケーシングは、１以上の電気化学セルの複数の充放電サイクルの間１以上の電気化学セルと関連して用いる場合、１以上の電気化学セルの元来の放電容量寿命と比べて、１以上の電気化学セルの放電容量寿命を延長する。
特定の態様では、ケーシングは熱伝導添加剤を含むことができる。このような態様では熱伝導添加剤を含む架橋ポリエーテルポリオールは架橋ポリエーテルポリオール単独の熱伝導率の1.5倍超の熱伝導率を有することができる。ある態様では、架橋ポリエーテルポリオールを作成するために、ポリオールと架橋剤又は分岐剤とを触媒を用いて反応させることができる。ある態様はさらに１以上の水捕捉剤、酸化防止剤又は難燃剤を含み、その例は、本開示中に記載されている。
fpPCM構造の例
図7-10Dは本開示の各種の側面において用いるfpPCMの概略図である。両方とも骨格鎖及び側鎖を含む。図7のfpPCMは長鎖アルキルポリアクリレート又はポリメタクリレートを表し、図7A-7Cにおいて、図7Aは長鎖アルキルビニルエステルであり、図7B は長鎖 ビニルエーテルであり、図7Cは長鎖 アルキルオレフィンである。
図8A及び8Bは長鎖グリコールポリアクリレート又はポリメタクリレートを表し、図8Aは長鎖グリコールビニルエステルであり、図8Bは長鎖グリコールビニル エーテルである。
図7及び8において、Rは上記の１以上反応性官能基を表す。これらの図において、官能基は骨格に沿って描かれているが、これは１つの選択肢にすぎない。前述の如く、官能基は骨格の端部、側鎖及びその組合せにあることもできる。各fpPCMは単一の又は多数の反応性官能基を有することができる。また、fpPCMは多数の類似の化学的性質の反応性官能基又は異なる化学的性質の反応性官能基の組合せを有することができる。側鎖の長さは可変の鎖長nによって示されるように異なる態様において変化できる。
図9A-9Fを参照すると、図9Aは塩基性又は高pHアミノ官能性基材とイオン的に相互作用する酸性又は低pHカルボキシル官能性fp-PCMを示す。図9Bは酸性又は低pHカルボキシル官能性基材とイオン的に相互作用する塩基性又は高pHアミノ官能性fpPCMを示す。図9Cは中性化されアミンなどのアニオンとイオン結合又は「架橋」された塩基性又は高pHアミノ官能性fpPCM及び塩基性又は高pHアミノ官能性基材を示す。図9Dは中性化され金属塩などのカチオンとイオン結合又は「架橋」された酸性又は低pHカルボキシル官能性fpPCM及び酸性又は低pHカルボキシル官能性基材を示す。図9Eは中性化されジカルボキシ官能性ポリマー又はジカルボキシ官能性fpPCMなどの負帯電有機化合物とイオン結合又は「架橋」された塩基性又は高pHアミノ官能性fpPCM及び塩基性又は高pHアミノ官能性基材を示す。図9Fは中性化されジアミン官能性ポリマー又はジアミン官能性fpPCMなどの正帯電有機化合物とイオン結合又は「架橋」された酸性又は低pHカルボキシル官能性fpPCM及び酸性又は低pHカルボキシル官能性基材を示す。
図10A-10Dを参照すると、図10AはfpPCMエポキシとセルロース基材の水酸基との反応からの共有結合のエーテル結合を示す。図10BはfpPCMイソシアネートと他の材料のアミンとの反応からの共有結合の尿素結合を示す。図10CはfpPCMの側鎖の端部のイソシアネートとセルロース基材からの水酸基との反応からの共有結合のウレタン結合を示す。図10Dはアミン官能性、fpPCM、多官能性イソシアネート架橋剤/バインダーと、セルロース基材の水酸基との反応からの共有結合の尿素結合及びウレタン結合を示す。
精密に分岐したfpPCMの使用
官能性ポリマー相変化材料用途及び各種の基材の使用と関連する上記の開示に加えて、以下の開示はより精密に分岐したポリマーがコポリマー添加のより精密で繰り返し可能な制御を提供できるかを示すことに焦点を当てる。図7-10に示す各態様は以下に開示し説明する精密に分岐したポリマーを利用するために変形することができる。当業者は精密に分岐したポリマーをどのように上記の例及び上記の例の変形に取り入れるかについては容易に理解するであろう。
標準の重合は、触媒を一般的にコ-モノマーに不規則に添加するのでコモノマー添加の精密で繰り返し可能な制御を提供しない。上記のごとく、現在商業的入手可能な多くのポリマーは不規則なモノマー配合を有する。現在の触媒及び重合技法は生成物中のポリマー鎖が広範囲のコモノマー組成を有する「漂流するコポリマー」構造を有するポリマーを製造する。コモノマー添加の不規則性のゆえに、溶融/結晶化温度及び結晶の量などのコポリマーの熱的特性についての制御が行われる程度が小さい。結晶化の量はパーセント結晶度、潜熱、溶融熱又はジュール毎グラムとして表すことができる。
以下に記載する精密分岐制御は、同じ融点を得るのにより多くのコモノマーを必要とする不規則コモノマー配合（より低いパーセント結晶度及びより低い潜熱を与える）と比べて、所与の融点でより大きい潜熱含分を可能にする。
図11-13を参照すると、融点と潜熱の両方の相違を示す各種のグラフが示される。図11-13において、精密分岐ポリマーはADMETと表記される。各種の態様、図及び例において、ADMETは非環状ジエンメタテーシス重合（Acyclic Diene Metathesis Polymerization）を表し、一般に精密に配置されたメチル分岐を有するポリマーを表す。
ポリオレンフィンポリマーでは融点及び潜熱はポリオレフェン骨格の最長炭素セグメントによって制御されることが業界において知られている。たとえば、ポリエチレンランダムコポリマーでは、エチレンの順序／列（sequences）の分布が変化する。ポリエチレンコポリマーの場合、厚いラメラ結晶がより長いエチレン列から形成され、それによりより高い溶融温度がもたらされる。短いエチレン列及び／又は分岐は、これらの結晶又はラメラには取り込まれず、低下した溶融熱又はジュール毎グラムをもたらす。
１つの態様及び例によれば、等しいエチレン列を有する精密に分岐したポリエチレン材料は以下の特徴を与える：より低い分岐含分でより速い融点の低下、融点のより良好な制御;ラメラ又は結晶に取り入れられるエチレン列のより多い全量（より高い潜熱を与える）。これらの精密に制御されたコポリマーを使用すると、向上した温度制御、熱吸収及び放熱特性を示す相変化材料をもつ材料を与える。電気化学装置用途に適当で及び以下に記載する融点をもつPCMの態様を得るために、多くの態様ではPCMは溶融潜熱>10ジュール毎グラム及び 他の特別な態様では>60ジュール毎グラムをもつ。PCMの潜熱は、１態様では>25ジュール毎グラム、もう１つの態様では>5ジュール毎グラム、さらに別の態様では5ジュール毎グラムと150ジュール毎グラムの間であり、1つの例のPCM は以下の特徴の１以上を持つ構造を有する：
-全ポリマー分子量(n)は各種の態様で100-10,000,000の間、1000-1,000,000の間又は10,000-500,000の間である。
-多分散又はPd=Mn/Mwで表される分子量分布が各種の態様で1-100の間、1-10の間又は1-5の間である。
-分岐間のエチレン長さは各種の態様で5-500,000の間、10-400,000の間又は10-20の間である。
上記の長さは、多くの仕方で表すことが可能である。たとえば、以下のダイヤグラム１におけるｍユニットの数、1000個の炭素当たりの分岐数(分岐/1000 C)、モル%分岐又は重量%分岐。またPCM構造は１以上の態様において以下の特徴も有することが可能である:
-ユニットの数は異なる態様において0-500,000の間、0-200,000の間又は5-15,000の間である。
-異なる態様において200-0の間、100-5の間又は100-0の間の分岐／1000炭素(分岐／1000C)がある。
-分岐のモル%は異なる態様において0-50%の間又は10-30%の間である。
-分岐の重量％は異なる態様において0-50%の間又は10-30%の間である。
ある態様では、分岐はコモノマーとしてのプロピレンからのメチルであることができ、プロピレンはポリマーの0-30 mole%であることができる。もう１つの態様では、プロピレンはポリマーの0-39重量%であることができる。
１つの態様を示すダイヤグラム１においてR1はCH3、C2H5、CnH2n+1、OCH3、OC2H5のいずれか、又はいずれかの官能基、極性基、ハロゲン基、それらのノルマル、分岐及び混合の基であってよい。特定の態様ではR１はCH3又はOCH3のいずれかから選択される。ダイヤグラム1においてR2= H、CH3であり、特定のある態様においてR2はHに限定される。
ダイヤグラム1において、R3= H、CH3又はある濃度の選択された官能基、極性基又はハロゲン基である。特定の態様では、R3はCH3に限定されるか又は１以上の濃度の官能基に限定される。
ダイヤグラム1において、R4及びR5はポリマー末端基であり、H、CH3又はいずれかの官能基、極性基又はハロゲン基、塩、金属、触媒端、架橋基、コポリマー(ブロック、グラフトなど)を形成するもう１つのポリマー鎖であることが可能である。ある態様ではR4、R5は同じ又は異なることができる。特定の態様では、R4及びR5はH、CH3又は官能基に限定される。
他の側面によればR1,R2,R3,R4,及びR5は或る程度の立体制御又はそれに伴う立体化学を有することが可能である。たとえば:
-R1,R2,R3はアタクチック、イソタクチック又はシンジオタクチックでよい。
-R1,R2,R3はL-及びD-キラルのホモ及びコポリマー(又は他の規定はR-及びS-ポリマー)を与えるキラルに制御されてもよい。
ポリマー鎖の立体化学に基づく異なるポリマーのアーキテクチャーは各種の結晶複合体を導くことが可能である。たとえば、シンジオタクチックホモ-及びコポリマーはイソタクチックホモ-及びコポリマーと複合することが可能である。反対のキラリティのポリマーを混合してラセミの立体複合体を形成可能である。ある態様では特定量のイソタクチックL-ポリマーをある量のイソタクチックD-ポリマーと混合して、L-又はD-キラルホモポリマーと異なる熱及び物理的特性を有するラセミ立体複合体を得ることが可能である(ポリマー立体複合体は、２つの相補の立体規則性ポリマーの間の、親ポリマーと異なる変化した物理的及び熱的特性を示す新しい複合体を相互ロック及び形成する立体選択的相互作用として定義される。）
これらのシンジオタクチック、イソタクチック又はL-及びD-キラルセグメントは異なる ポリマー鎖 (ホモポリマー セグメント)又は同じポリマー(立体ブロックコポリマーセグメント)にあることが可能である。シンジオタクチック、イソタクチック又はL-及びD-キラルセグメントは1-100% のポリマー又はコポリマーの間並びに各種の中間のパーセントの範囲のどこでも形成可能である。
シンジオタクチック、イソタクチック又はL-及びD-キラルセグメントは9:1と1:9の間の比で混合して、完全な又は部分的な立体複合体及びそれに続く熱的及び物理的特性の調整を与えることが可能である。その他の結晶複合体も異なるポリマー、たとえば、ポリアミド及びポリエステル、カチオン性/アニオン性、ポリエーテル/ポリ酸及び三重螺旋の間の複合体のように利用可能である。
R3,R4,R5はあらゆる官能基、極性基又はハロゲン基、塩、金属、触媒末端、架橋基、又はあらゆる下記の官能基:酸無水基、アミノ基、Ｎ置換アミノ基及びそれらの塩、アミド基、イミン基、イミド基、アジド基、アゾ基、アミン-ホルムアルデヒド基、カルボニル基、カルボキシ基及びそれらの塩、シクロヘキシルエポキシ基、エポキシ基、グリシジル基、水酸基、イソシアネート基、シアネート基、ウレア基、アルデヒド基、ケトン基、エステル基、エーテル基、アルケニル基、アルキニル基、チオール基、ジスルフィド基、シリル又はシラン基、ハロゲン化された脱離基、ペルオキシド基、塩基、グリオキサルに基づく基、アジリジンに基づく基、活性メチレン化合物又はその他のｂ−ジカルボニル化合物に基づく基 (たとえば、2、4-ペンタンジエン、マロン酸、アセチルアセトン、エチルアセトンアセテート、マロンアミド、アセトアセトアミド及びそのメチル類似体、エチルアセトアセテート、及びイソプロピルアセトアセテート)、ハロゲン基、ヒドリド基、又はその他の極性もしくはＨ結合基並びにそれらの混合物であることが可能である。
上記で述べた架橋基も、熱、音、フォトン、圧力又は化学物質(水、溶媒、イオン等)のエネルギーによって、架橋を可逆的に又は非可逆的に変更する能力を含んでもよい。
各種のその他の官能化については、以下の文献に記載されており、その内容は参照してこの明細書に含める: Synthesis of Functional Polyolefin using Metallocenes A; Comprehensive Review; Atiqullah M., et.al.; Polymer Reviews, 50:178-230, 2010; Comprehensive Organometallic Chemistry III: 11.20-Polymerization of Alkenes; Elsevier Ltd.; Fujita T., Makio H.; Vol. 11, 691-734, 2007; Functionalized Ethylene Copolymers and Materials via Olefin Metathesis Polymerization; Baughman, T., Univ. of Florida Dissertation, 2006。
もう1つの側面によれば、ポリマーは特定の程度の不飽和を含むことができ、あるいはポリマー中に二重結合及び三重結合、たとえばアルケン又はアルキン結合を含むことができる。この不飽和(全てでない価電子が「飽和し」又は他の原子と反応している)は、重合(イソプレン、ブタジエン、α-オレフィンなど)、ヒドリド脱離(β-ヒドリド脱離など)、各種の重合メカニズム(開環メタセシス重合(ROMP)）、非環式ジエンメタセシス(本明細書に記載のADMETなど)又は制御された水素化／脱水素化に用いるモノマーの制御によって組み入れることが可能である。たとえば、ダイヤグラム2及び図14に、ADMET重合とその後の水素化による開示の作成の例を示す。図14は不飽和の熱的特性に対する効果を示す。
見られるように、不飽和は低い融点と僅かに低い融解潜熱をもたらすが、不飽和の程度を制御することで、熱的特性を制御することも可能である。ある態様では不飽和は0〜99 mole%である。他の態様では不飽和は0〜15mole%である。各種の他の態様では各種の中間の範囲のmole %が利用される。
二重結合の異性体 配向も不飽和 ポリマーの特性に影響することができる。二重結合のcis/trans配向も水素化触媒又は水素化プロセス条件（時間、温度、圧力など）で制御することができる。
異性体の比、不飽和及び二重結合の配向はコモノマー組成、コモノマー分布及び重合条件に依存して変わる。本開示の側面による組成物の１つの目的地は好ましい温度範囲において潜熱を最大化することである。
本開示の側面により用いるコポリマーセグメントは、本明細書に記載の他のポリマー/コポリマーのいずれとのコポリマーでも又は混合物でもよい。さらに、本開示の側面により用いるコポリマーセグメントは高メルト又は低メルトであることができる。
核剤の使用
PCM、pPCM及び／又はfpPCMの結晶性及びしたがってこれらの材料の潜熱及び熱伝導を改良するために、核剤を添加することも可能である。核剤は材料の改良された結晶成長、結晶化速度、結晶形状及び寸法、結晶化の量及び結晶子の数に影響することが可能である。
さらに、核剤の粒子寸法及びそれらの混合は添加剤の最適の性能を実現するために重要な因子である。良好な溶融無反応核剤の特徴は以下の１以上から選択してよい:
・有機基及び極性基の両方を含む
・良好に分散される
・ポリマーに不溶解性であるか又は不溶解になり得る
・PCM結晶とエピタキシャル適合性を有する
・核剤の物理的又は化学的性質は広範囲であることが可能である。核剤は下記であることが可能である。
o不純物、即ち、触媒残渣
o安息香酸、炭化水素又は脂肪酸系材料などの有機化合物
o鉱物又は顔料などの無機化合物
o異物のポリマー結晶、即ち、オクタデカンについてのポリエチレンなど
o希釈剤、即ち、Tgを低下させるか又は鎖の移動性を改良して鎖の充填性を改良する材料
利用できる追加の核剤は、米国特許No.7569630（"β-Crystalline Polypropylene"；Chemtura Corp.）、米国特許No.7879933（"Blending Necleating Agents Composition and Methods"；Milliken & Company）及びHyperform(登録商標) products（Milliken & Company）に記載されている。その他の例は、脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素、アルコール、脂肪酸、脂肪酸塩、脂肪酸エステル、脂肪族アミド、脂肪族アミン、脂肪族アルコール、N-フェニル-N’-ステアリル尿素、亜鉛グリセロレート、安息香酸、安息香酸の塩及びエステル、安息香酸誘導体、Naベンゾエート、Liベンゾエート、Alヒドロキシ-4-tert.-ブチルベンゾエート、ホスフェートエステル、ホスフェートエステル塩、ナトリウム2,2’-メチレン-ビス-(4,6-ジ-tert-ブチルフェニル)ホスフェート、ジベンジリデンソルビトール、ジベンジリデンソルビトールの誘導体、線状又は分岐ポリフェニル、水素フタレートの塩、1, 2-シクロヘキサンジカルボキシル酸及びモノ又はジ中性化塩(すなわちNa, K, Al, B, Ti, Zn, Ca, Li, Mg, 等)、セチルアルコール、ステアリル アルコール、エイコサノール、ミリスチン酸、パルミチン酸、ベネン酸、ステアリン酸アミド、エチレンビスオレイン酸アミド、メチロールベネン酸アミド、1-オクタコサノール、1-ヘプタコサノール、1-ヘキサコサノール、1-ペンタコサノール、1-テトラコサノール、1-トリコサノール、1-ドコサノール、1-ヘネイコサノール、1-エイコサノール、1-ノナデカノール、1-オクタデカノール、1-ヘプタデカノール、1-ヘキサデカノール、1-ペンタデカノール、1-テトラデカノール、1-トリデカノール、トリデシルアミン、テトラデシルアミン、ペンタデシルアミン、ヘキサデシルアミン、ヘプタデシルアミン、オクタデシルアミン、ノナデシルアミン、エイコシルアミン、ヘネイコシルアミン、ドコシルアミン、トリコシルアミン、テトラコシルアミン、ペンタコシルアミン、ヘキサコシルアミン、ヘプタコシルアミン及びオクタコシルアミン、など。タルク、カオリン、炭酸カルシウム、TiO2、塩、NaCl及びNa炭酸塩などの鉱物も核剤として利用できる。これらの化合物は単一でも２種以上の混合物でも使用できる。
相変化材料のマイクロカプセル及び他の封じ込め及び／又は吸収構造
PCMはマイクロカプセル又は他の封じ込め構造又は粒子に含まれることが可能である。マイクロカプセル以外の封じ込め構造はその構造の元来の部分として又はその改変製造によるかのいずれかで、官能基を有することが可能である。たとえば、PCMは、如何なる数の粒子、たとえば、シリカ(フューム、沈降)、グラファイト、グラフェン、カーボンナノ粒子、炭素又は活性炭、ゼオライト、オルガノクレー、モンモリロナイト、ベントナイト、クレー、タルク、及びバーミキュライトに吸収され安定化されることが可能である。パラフィン又は疎水性 PCMは、可塑剤がプラスチックに吸収されるのと同様に、如何なる数のポリマー、特に架橋ポリマーにも吸収されることが可能である。たとえば、PCMはどのポリオレンフィン及びポリオレンフィンコポリマー、たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリオレフィン及びそのコポリマーの塩、ポリ（メタ）アクリレート、ポリ（メタ）アクリレートの塩、ポリビニル、脂肪族ポリエステル、ゴム、コポリマー(すなわち、Kraton(登録商標) copolymer, Elvaloy(登録商標))及び混合物に吸収されることが可能である。グリコールに基づくPCMは、ポリビニルアルコール、置換セルロース(CMC、HMCなど)などのどの親水性 ポリマーに吸収されることが可能である。
PCM、pPCM、fpPCMは以下に記載する熱伝導性充填材、補強材料、難燃添加剤などを含むいかなる粒子又は繊維にも含有され、吸収され又は注入されることが可能である。これらの含有又は吸収粒子は、いかなる形状、たとえば、円形、球状、円筒状、繊維、シート、フレーク、粉末、ウィスカー、チューブ、平板状、発泡状、メッシュ、これらの集まり又はその他の不規則形状であることが可能である。用途に応じて、単一の形状又は形状の混合物が粒子の接触の最適な充填及び配置を有利に提供することができる。これらの含有又は吸収粒子はいかなる寸法でもよいが、本開示の特定の態様では0.1nm〜100mmでよい。
架橋 ナトリウムポリアクリレートに基づく標準超吸収ポリマーなどのPCMを吸収又は含有できる他の材料も使用できる。いくつかを例示するとポリアクリルアミドコポリマー、エチレンマレイン酸無水物コポリマー、架橋カルボキシ-メチル-セルロース、ポリビニルアルコールコポリマー、架橋ポリエチレンオキサイド及びポリアクリロニトリルの澱粉グラフトコポリマーなどの他の材料も超吸収ポリマーを作成するために用いることができる。
マイクロカプセルによって相変化材料を含有することで、熱を吸収又は放出して熱移動を減少又は無くすことができる。特に、マイクロカプセルは相変化材料が置かれる内部区画を規定するシェルとして形成される。シェルは相変化材料を含有するいずれかの適当な材料で形成することができ、それによって周囲条件又は処理条件に対してまたは使用中の損失又は漏れに対して相変化材料を或る程度保護する。たとえば、シェルはポリマー又はいずれかのその他の適当なカプセル化材料から形成することができる。
マイクロカプセルのシェルを形成する材料の選択は各種の考慮、たとえば、TMMの他の材料についての親和性、バッテリーとの親和性又は接着性、相変化材料、TMM材料又はバッテリーとの反応性又は反応性の欠如、周囲又は処理条件下での劣化に対する抵抗性、機械的強度などに依存することが可能である。特に特定の実施においては、シェルを形成する材料は１組の官能基、酸無水基、アミノ基、Ｎ置換アミノ基及びそれらの塩、アミド基、イミン基、イミド基、アジド基、アゾ基、アミン-ホルムアルデヒド基、カルボニル基、カルボキシ基及びそれらの塩、シクロヘキシルエポキシ基、エポキシ基、グリシジル基、水酸基、イソシアネート基、シアネート基、ウレア基、アルデヒド基、ケトン基、エステル基、エーテル基、アルケニル基、アルキニル基、チオール基、ジスルフィド基、シリル又はシラン基、ハロゲン化された脱離基、ペルオキシド基、塩基、グリオキサルに基づく基、アジリジンに基づく基、活性メチレン化合物又はその他のｂ−ジカルボニル化合物に基づく基 (たとえば、2,4-ペンタンジエン、マロン酸、アセチルアセトン、エチルアセトンアセテート、マロンアミド、アセトアセトアミド及びそのメチル類似体、エチルアセトアセテート、及びイソプロピルアセトアセテート)、ハロゲン基、ヒドリド基、又はその他の極性もしくはＨ結合基並びにそれらの混合物を含むように選択することが可能である。これらの官能基の少なくともあるものは、シェルの外側表面に露出することが可能であり、基材又はその他のTMM材料のいずれか又は両方に含まれる相補の組の官能基と化学結合することが可能であり、それによって耐久性又は接着性を向上させることが可能である。このような仕方で、マイクロカプセルの少なくとも一部のものは他のPCM、pPCM、fpPCM又は充填剤に化学結合することが可能である。したがって、たとえば、シェルを形成する材料は１組のヒドロキシ基と化学結合することが可能な１組のカルボキシ基を含むことが可能である。もう１つの例として、シェルに含まれるこれらのカルボキシ基は１組のアミノ基と化学結合することが可能である。
シェルを形成するために使用できるポリマーの例には、「ポリマー」の定義に列挙されているものを含み、それはアクリル酸又はメタクリル酸に基づくモノマーユニットを含むポリマーのように、カルボキシ基を持つものを含む。特定の実施では、シェルは約1〜約100モルパーセントのカルボキシ基を含むモノマーユニット、たとえば、約20〜約80モルパーセント、約25〜約60モルパーセント又は約40〜約50モルパーセントのモノマーユニットを含むポリマーから形成することが可能である。場合によっては、モノマーユニットのモルパーセントをマイクロカプセルの寸法によって調整することが望ましい。たとえば、個別の１つのマイクロカプセルの寸法が減少すると、そのマイクロカプセルの外側表面積も典型的には減少する。したがって、化学結合に露出される望ましい量の官能基を維持するために、マイクロカプセルの寸法が減少するときはモノマーユニットのモルパーセントを増加することが望ましいことがある。他の例として、個別の１つのマイクロカプセルの寸法が増大すると、マイクロカプセルの重量も典型的には増加する。したがって、重量の増加に対応するために、マイクロカプセルの寸法が増大するときモノマーユニットのモルパーセントを増加することが望ましいことがある。表1にマイクロカプセルの寸法の関数としてモルパーセントの範囲の例を示す。表1を参照すると、マイクロカプセルは簡単のために球状であることが仮定されている。同様の考慮及びモルパーセントは、他の種類の官能基をもつポリマーにも適用することが可能である。
シェルを形成するために用いることができるポリマーの他の例にはいずれかの適当な 重合技法を用いてモノマーから形成されるものがある。表2は異なる種類の官能基を含むそのようなモノマーの例を示す。
マイクロカプセルはまた多壁であること又は多数のシェル層を有することも可能である。外側層は適合性又は接着特性を提供しながら、内側層は必要な強度、耐久性及び区画（封じ込め）を提供すべきである。マイクロカプセルの外側壁は、所望の温度で溶融又は軟化して流動し、粘性液体のように挙動し、又はマイクロカプセルを基材、他のマイクロカプセル又は他のTMM材料に融着する熱可塑性ポリマーであることが可能である。熱可塑性外側壁は電気化学セルの壁を損傷する温度より低いが通常の使用温度より高い溶融又はガラス転移温度(Tg)を有すべきである。外側壁は溶融し、軟化し、又は流動するいずれのポリマー、たとえば、ポリオレフィン、ゴム、ポリビニル、ポリ（メタ）アクリレート、ポリウレタンなど、又はコポリマーからなることが可能である。
マイクロカプセルは同じ形状又は異なる形状を有することができ、同じ寸法又は異なる寸法を有することができる。場合により、マイクロカプセルは実質的に回転楕円体又は球状であることができ、約0.1nm〜約1,000マイクロメートル、たとえば、約0.1nm〜約500マイクロメートル、約0.1nm〜約100マイクロメートル、約1〜約15マイクロメートルの範囲の寸法を有することが可能である。特定の実施では、実質的の部分、たとえば、少なくとも50パーセント又は少なくとも80パーセントのマイクロカプセルが特定された範囲、たとえば約1〜約15マイクロメートルの範囲内の寸法を有する。マイクロカプセルはその形状及び寸法の一方又は両方が単分散であることが望ましい場合もある。
マイクロカプセルは耐久性、破壊（崩壊）性又は制御された放出性であることが可能である。使用又は処理中にコア材料が漏れたり失われることを防止するために永久的に含有されたマイクロカプセルコア材料を有することが有利であることが可能である。高速(破壊性)又は低速(制御された放出)手段のいずれかで放出されるコア材料を有することも有利であることが可能である。マイクロカプセルを複合体に添加し、複合体を高温度で硬化するとき、複合体とマイクロカプセルのシェル壁との間で、マイクロカプセルと複合体の間の異なる膨張、マイクロカプセルと複合体の間の不適合性、又は形状の歪みなどのために、小さいボイドが形成されることが可能である。コア材料を放出し、それが流動してそのボイドを満たすと、大きく改良された熱伝導が可能にされる。これを図15A-15Bに示す。
PCM転移温度の選択
PCMの選択は典型的にはPCMを含めようとする特定の用途に望ましい転移温度に依存する。転移温度はPCMが固体から液体へ又は液体から固体へ相変化する温度又は温度範囲である。たとえば、多数の充放電サイクルの間にバッテリーが到達する通常の温度範囲に近い転移温度を有するPCMは、過熱、熱暴走及び火災を防止するために、バッテリー用途に望ましいことが可能である。本開示のある態様による相変化材料は約5℃〜約120℃の範囲の転移温度を有することが可能である。１つの態様では、転移温度は約10℃〜約80℃である。もう１つの態様では転移温度は約30℃〜約70℃である。もう１つの態様では、PCMは約40℃〜約60℃の転移温度を有する。もう１つの態様では、PCMは25℃と140℃の間の転移温度を有する。セルを極寒から保護し、操作中余分な熱を吸数する二重の目的で、１つのケーシングに多数の層のPCMを用いる態様のように、特定の態様では、１以上のPCMが-60℃〜60℃の範囲の転移温度を有してもよい。
転移温度は、PCMの純度、分子構造を変更し、PCMを混合し、mPCMを混合し、ポリマーPCMを混合し、それらのいずれかの混合物を混合するによって、拡張し又は狭くすることが可能である。
さらに、温度 制御は相を変化させること、好ましくはエネルギーを吸収し、溶融し、又は固化又は結晶化により熱を放出／放散することによる、エネルギーの吸収及び放出に依存する。本開示の態様の単一のPCM材料の融点(Tm)及び結晶化(Tp)温度は大きく分散していない(「過冷却(supercooling)」)。この差はDSCで測定したピーク融点とピーク結晶化温度との差、即ち、ΔT(℃) = Tm-Tcと定義することが可能である。ある態様ではこのΔTは<30℃であり、他の態様では<15℃であり、他の態様では<10℃であり、さらに他の態様では<5℃である。
PCM転移温度の混合及び層化
ある態様では、多数の又は広い転移温度を有することが有利であるかもしれない。単一の狭い転移温度を用いると、転移温度に到達する前に熱/エネルギー蓄積を起こすことが可能である。転移温度に到達すると、潜エネルギーが消費され、次いで温度が継続して増加するまでエネルギーが吸収されるであろう。広く又は多数の 転移温度は温度が増加し始めるとすぐに温度制御と熱吸収をして、あらゆる熱/エネルギー蓄積を低減することを可能にする。多数の又は広い転移温度は、熱吸収が重複し又は揺らぐことでバッテリーから熱をより有効に「抜き取る」又は逃がすことも可能である。たとえば、TMMは35〜40℃で吸収するPCM1を含み、38〜45℃で吸収するPCM2を含む。PCM1は吸収を開始して潜熱の大部分を使用するまで温度を制御し、そのときPCM2が吸収を開始してPCM1からエネルギーを伝導して、PCM1が再開始して機能を維持することを可能にする。あるいは、多数のPCMを層化すると、操作中のセルからの熱の消散とセルを過度に冷たい周囲温度から保護との両方を実現することに利用できる。各機能のために必要な転移温度は大きく異なる。転移温度の拡開又は混合は、すべての材料を混合するか又は各種の図に示すようにそれらを層化することで行うことが可能である。
潜熱値の選択
相変化材料の選択は相変化材料の潜熱に依存することが可能である。相変化材料の潜熱は典型的にはエネルギー/熱を吸収および放出し、又は物品の熱移動特性を変更する能力と関連している。相変化材料は少なくとも約10J/g、たとえば、少なくとも20J/g、少なくとも約40/g、少なくとも約50J/g、少なくとも約70J/g、少なくとも約80J/g、少なくとも約90J/g、又は少なくとも約100J/gである潜熱を有することが可能である。したがって、たとえば、相変化材料は約10J/g〜約60J/g、約20J/g〜約400J/g、たとえば約60J/g〜約400J/g、約80J/g〜約400J/g、又は約100J/g〜約400J/gの範囲の潜熱を有することが可能である。
TMMレオロジー、粘性、弾性、架橋及びPCMの物理的特性
TMMのレオロジー(即ち、粘性又は流動特性)は電気化学セル及びパックへの適用の多くの異なるプロセスに重要である。セルをスリーブ又はケーシングに挿入する、セルにテープ又はフィルムを巻く、またはその他のスプレー、流動、コーティング、感圧接着又は押出での適用などのいずれかによる、TMMをセル又はパックに一般的に適用する変数は、レオロジーによって制御される。この適用は、良好な熱伝導のために十分なギャップ充填及び空気スペースの減少を実現することと、セル又はパックにおけるTMMの構造及び安定性を維持することとの間で、レオロジーをバランスさせなければならない。すなわち、この材料はチューブ、スリーブ、ケーシング、フィルム、テープ又は他の周囲の材料がセルからスライドすることを許すべきではない。
相変化及び／又はポリマー特性をもつTMMは、低温度で固体、相変化温度以上の温度で変形性又は流動性の仕様にできるので、上記の問題を解決するために有利である。相変化温度はバッテリーセル又はバッテリーパックの通常の操作温度より低く、等しく又は高いことが可能である。これらのTMM 態様のチューブ、スリーブ、ラップフィルム及びテープも、引張強度、伸び、弾性率、靱性などの物理的特性を改良することができるので、グリースまたはワックス単独よりも有利である。
TMMのレオロジー、粘性、弾性及び流動性は、多くの異なる変数により制御することができる。その変数には、ポリマーの種類、ポリマーの構造、ポリマーの分子量、ポリマーの分岐(即ち、分岐の数、分岐の長さ、分岐の種類など)、ポリマーの官能基(即ち、種類と量)、コポリマー、他のポリマーとの適合性、ポリマーの架橋、架橋の種類、ポリマーの交絡、添加剤との適合性などのpPCM/fpPCM の特徴が含まれる。
TMMの弾性を制御できる１つの方法は、エラストマー性（弾性）をもつポリマー材料の部分による。このようなエラストマー材料には、ポリオレンフィンコポリマー、たとえば、ポリエチレンと、C3-C30α-オレフィン又は酢酸ビニル、その他のビニルモノマー（たとえば、スチレン又はその類似物、アクリレート又はメタクリレートモノマー、ビニル エーテルモノマー、ビニルエステルモノマー）とのコポリマー、アクリロニトリル、ゴム、及びイソプレン、ブチルなどによるコポリマー、またはこれらの組合せ、ブレンド、混合物がある。さらに、TMMはポリエステル、ケイ素ラバーまたはポリウレタンなどのポリマーエラストマーからなってもよい。これらの非限定的例はHytrel(登録商標)ポリエステル(DuPont(登録商標)), Spandex(登録商標)タイプのポリウレタン及びRTV又はLTVタイプのケイ素ラバー）である。
エラストマー性（弾性）に影響を与えられるもう１つの方法は架橋である。特定の態様ではTMM及びPCMはポリマー鎖当たり平均0.05-1個の架橋の量で架橋してよい。
ポリマーガラス転移温度(Tg、ポリマーがガラス状態からゴム状態に変化する温度)を制御して操作温度以下の温度で流動させることが可能である。Tgは-20℃と150℃の間、好ましくは15℃と90℃の間であることができる。
ポリマー分子量を制御して低又は高粘性を提供することが可能であり、高分子量のポリマーは低粘性又は非流動を提供する。ある態様のpPCM/fpPCMの分子量は少なくとも500Daltonであることが可能であり、他の態様では少なくとも2000Daltonであることが可能である。ある態様では分子量は、超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)の使用に例示されるように、500Daltonから100万Daltonまでの範囲であることが可能である。
ポリマーの分岐を制御して鎖の交絡及びレオロジー制御を抵抗することが可能である。ポリマー鎖の数と長さは任意である。ポリマーは0-1000個の分岐を有してい。分岐は少なくとも50Daltonである。分岐は不規則、櫛形など任意の形状であることが可能である。分岐は立体特異的形状であることが可能である。
ポリマーは「硬質」セグメントと「軟質」セグメントを含むコポリマー又はブロックコポリマーあることが可能である。硬質セグメントは高Tg部分又は結晶化可能部分を有することが可能であるが、軟質セグメントは低Tg部分又はアモルファス セグメントを有することが可能である。硬質セグメントは反応し、或る程度の固定又は高粘性を創出する架橋、交絡又は相互作用を形成することが可能である。軟質セグメントは熱または圧力で流動又は再配置されることが可能である。
ある態様では、結晶化可能部位の重量はpPCM/fpPCMの全重量を基準に少なくとも20%、他の態様では少なくとも50%、更に別の態様では少なくとも70%をなすことが可能である。
官能基の種類及び量はTMMのレオロジー、流動特性及び固化（setting）にも影響することが可能である。たとえば、TMMは電気化学セル又はパックに適用してから、以前に記載した官能性、反応又は架橋のメカニズムにより、完全に硬化し架橋することが可能である。
官能基は混合して異なる架橋反応及び異なる動力学(kinetics)の架橋反応を与えることが可能である。たとえば、エポキシ及びアミンは室温で急速に硬化して、急速の固化(set)、不粘着時間及び使用を可能にすることができる。この部分的硬化は、時間とともに、あるいは、TMMがバッテリーセル充放電サイクルから温められるとき-第２の架橋反応が起きてTMMを完全に架橋し完全に固化するときの、いずれかにおいて、僅かに流動又はギャップ充填することを可能にしてもよい。この架橋反応の第２の固化は、酸化、熱、UVなどによって開始されることが可能であり、たとえば、不飽和基、N-メチロール エーテル架橋基と水酸基又はカルボキシル基との酸素ラジカル架橋、あるいは不飽和部分との UV開始フリーラジカル反応がある。
異なる架橋反応及び動力学は異なる温度で反応する異なる触媒または開始剤を用いて制御することが可能である。たとえば、異なる分解温度を有する２つの異なるフリーラジカル(FR)開始剤(ペルオキシド、アゾ等)は各種の不飽和基を含むポリマーと組合わせることが可能である。第１のFR開始剤は適用温度で分解して部分的な硬化、架橋又は固化により、ある程度の流動及びギャップ充填をもたらすことが可能である。第2のFR開始剤が次に分解してより高温度でさらに反応することができる。
これらの反応、適用及び使用の各種の温度は外部環境を制御することでもたらすことが可能である。室温の架橋反応は、室温より低温又は凍結温度でTMMを調製、輸送／貯蔵及び適用した後に、バッテリーをその装置に設置するときあるいはバッテリーパックを組み立てるときに反応が進行するようにして、制御することが可能である。同様に、架橋は熱、光又はその他の形のエネルギーを添加して制御することが可能である。
レオロジー、粘性、流動及びギャップ充填も、可逆反応又は架橋の使用により制御することが可能である。これらは時々「自己回復（self-healing）」システムと呼ばれることがある。たとえば、TMMは容易に破壊し、流動を可能にし、再結合することが可能である、イオン性架橋に基づくZn+2カルボキシル塩又はS-Sジスルフィド結合を含むことが可能である。
可逆反応の例は、エステル結合の加水分解、ウレタン結合の水酸基とイソシアネートへの解離と再結合、ウレア結合のアミンとイソシアネートへの解離と再結合、架橋に基づくヂールスアドラー反応、金属に基づくイオン結合、金属配位又は有機塩、水素結合、金属配位、疎水性の力、ファンデルワース力、パイパイ相互作用及び静電気作用である。
上記の相変化又は化学的相関性は可逆的架橋、即ち、ポリマー結晶セグメントの溶融及び再結晶化として使用することも可能である。コポリマー又はブロックコポリマーの疎水性/親水性セクションの相関性。異なるTgセグメント、硬質/軟質セグメント等を有するコポリマー又はブロックコポリマー。
レオロジー、粘性、流動及びギャップ充填もレオロジー制御剤、増粘剤等の使用又は添加により制御することが可能である。これらの材料は、たとえば、シリカ、炭素粒子、タルク、ZnO、炭酸カルシウム、部分架橋又はゲルのポリマー、等である。下記の粒子及び充填剤もレオロジー制御剤又は粘性剤として使用できる。
充填剤及び添加剤-熱伝導性充填材
本開示の本明細書に記載の各種の相変化材料と組み合わせて熱伝導性充填剤を使用することに関する。上記の如く、熱伝導率k(λ又はκとも表記される)はW/mKで測定される熱を伝導する能力である材料の特性である。
熱伝導率は、定常状態で単位温度勾配(ΔT)によってかつ熱移動が温度勾配だけに依存するときに、単位面積(A)をその表面に垂直な方向に単位厚さ(L)だけ移動する熱量(Q)として定義される。
本明細書に記載のTMMは各種の伝導性添加物及び充填剤を有して各種の特性を改良することが可能である。熱伝導を向上させる材料を添加でき、それには各種の炭素 (グラフェン、グラファイト(合成又は天然、膨張又は薄片化など)、グラファイト酸化物、ダイヤモンド(合成又は天然)、ダイヤモンドエアロゲル、炭素繊維、カーボンナノチューブ (CNT又は 単ウォール(SWCNT))、多ウォール(MWCNT))、フラーレン(buckyballs)、ローズデーライト（loonsdaleite）、カービン（carbine）、ガラス状カーボン、アモルファスカーボン及びそれらの各種の形態の酸化物又はその他の官能化形態などがある。その他の熱伝導性粒子は、高結晶性又は高配向性の有機材料及びポリマー、たとえば、高密度ポリエチレン(低分子量又はUHMWPE、たとえばDyneema(登録商標) fibers or Spectra(登録商標) fibers)、ポリベンゾビスオキサゾール(PBO又はZylon(登録商標))、ポリ(p-フェニレンベンゾビスチアゾール)(PBT)、及びいずれかの他の液晶ポリマー(LCP)、金属、金属塩、金属カーバイド、金属酸化物、金属窒化物、金属硫化物誘導体、金属ホスフェート誘導体、ホウ素窒化物(立方晶及び六方晶)、炭化ホウ素、酸化ホウ素、アルミナ、Al、Al酸化物、Al2O3、Al窒化物、Ag、Au、金属化ガラス、Sn,Zn,ZnO,Cu,Mg,MgO,ウォラスストナイト、シリカ (フューズ、フューム、沈降、被覆、コロイド、凝集)、炭化ケイ素 (SiC)、シリコーン、シリカ被覆粒子及び合金 (シリカ被覆Al窒化物 )、サフャイア、石英、ポリヘドラルオリゴマーシルセスキオキサン(POSS)、Fe, Fe 酸化物, Pt, Pb, Ni, Ti, Ti酸化物, Cr, Bi, In, Ga, Ge, Ce, La, W, WC, Li, Be, Be酸化物, Ca, Rb, Sr, Cs, Ba, Fr, Ra, Sc, V, Mn, Co, As, Se, Y, Zr, Zr酸化物, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Cd, In, Sb, Te, Hf, Ta, Re, Os, Ir, Hg, Tl, Po, Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ac, Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lrなど、並びにこれらのブレンド、はんだ（solder）、共晶物及び合金がある。
低い融点又は可融解性温度の材料及び充填剤もレオロジー、ギャップ充填及び伝導性(電気及び熱)を向上させるために含むことが可能である。これらはGa, In, Sn又はそれらの合金及び酸化物を含む。低融点金属は任意にさらにAg, Bi, Cd, Cu, Pb, Zn, 又はこれらの組合せを含むことができる。適当な低融点金属、合金及びその酸化物の例は、次のものを含む。たとえば、Ga, In-Ga 合金, In-Ag合金, In-Bi 合金, In-Sn 合金, Bi-Sn 合金, Pb-Sn 合金, In-Pb 合金, In-Pb-Ag 合金, In-Bi-Sn 合金, Sn-In-Zn 合金, Sn-Bi-Zn 合金, Sn-In-Ag 合金, Sn-Ag-Bi 合金, Sn-Bi-Cu-Ag 合金, Sn-Ag-Cu-Sb 合金, Sn-Ag-Cu 合金, Sn-Ag 合金, Sn-Ag-Cu-Zn 合金, 及びこれらの組合せを含む。低融点金属は250℃以下、あるいは225℃以下の融点を有することができる。低融点金属は少なくとも50℃、あるいは少なくとも150℃の融点を有することができる。低融点金属は共晶合金、非共晶合金、酸化物又は純金属であることが可能である。低融点金属は商業的に入手可能である。低融点金属はTMMの重量の少なくとも約0.1〜約20%を含むことができる。これらの合金、酸化物又は金属はTMMの異なる層または分離された部分であることも可能である。
熱伝導性充填材は、直接の導電性経路を容易にするためには他の熱伝導性又は結晶性材料と密に接触し又は触れるていると、最も効率的に働く。したがって、充填剤及び他の熱的材料の濃度、不純物、結晶性、形状、寸法、適合性及び分布が重要である。
充填剤はTMMの2-95%であることが可能である。充填剤の量は適合性、レオロジーに対する作用などの多くの因子に依存するであろう。粒子は円形、球形、円筒状、繊維、シート、フレーク、粉末、ウィスカー、チューブ、小平板、発泡体、メッシュ、これらの形状の集まりまたはその他の不規則な形状などのいずれの形状でもよい。用途に応じて、単一の形状又は混合形状が最適の充填及び粒子接触配置を提供するために有利であることができる。
粒子はどのようなアスペクト比でも、完全な球状粒子の１から、ナノ材料の無限の比まで可能である。粒子寸法は、0.1ナノメートルから1mmまで可能である。粒子の寸法及び分布は用途に依存するであろう。たとえばナノメートル寸法の粒子は良好な分散、適合性と良好なギャップ充填を可能にするが、大きな粒子は低濃度で良好な熱伝導率のための粒子間のより多い接触の機会を提供することを可能にするであろう。用途に応じて、単一の 粒子寸法又は狭い粒子寸法分布はレオロジー最適化に有利であることができ、粒子の混合物は最も効率的な充填分布 曲線を可能にする。たとえば、より小さい平均粒子はより大きな平均粒子の間の間隙を充填して、効率的な熱輸送を提供する最適の充填理論分布曲線 を与えることが可能である。
粒子は、単分子層厚さ、層状又は寸法、たとえばより大きい粒子を形成する個別の小平板又は層であることが可能である。たとえばグラフェンは、ハニカム状結晶格子に密に充填されたsp2-結合炭素原子の１原子厚さの平坦シートである。グラフェンシートが積層するとグラファイトを形成する。
熱伝導は、それ自身が配列又は配向して電気化学セル又はパックから冷たい表面まで接続し経路を形成する材料を用いて改良することが可能である。たとえば、繊維、ウィスカ、フレーク、発泡体、又はシートを用いて材料を適用すると材料が各円筒状セルに関して放射状に配列させることが可能である。さらなる例では、TMMの厚さと等しいかそれより大きい長さを有する繊維、フレーク、発泡体又はシートを用いるものであり、繊維、フレーク、発泡体又はシートの一端部がセルに接触し、そして他の端部が表面に到達するか、あるいは冷たい表面、熱シンク又は放熱体に接触して、一定な非破壊の単一の粒子経路を提供する。あるいは、繊維、フレーク、発泡体又はシートはパック内の多数の セルと長手方向に配列して多数のセルの間の領域から熱を逃がすことができるであろう。これらの種類の充填剤TMMの強度及び補強を提供して引張、接着又は密着（cohesive）特性を改良することが可能である。
最適の 熱伝導を提供するために、充填剤は減少した含有元素材料の最大純度、95%より高い、好ましく>99% 、最も好ましくは>99.99999%の純度を持つべきである。より高い純度はより高い材料結晶性>50% 結晶度、好ましくは>90%結晶度、最も好ましくは>99%結晶度をもたらす。減少した元素不純物は低い放射線放出0.001 counts/cm2・hrより低い放射線粒子放出(すなわち、正帯電アルファ粒子(α)、正又は負帯電ベータ粒子(β)、フォトン又はガンマ粒子(γ)又はニュートロン及びニュートリノ)を意味する。
充填剤又は粒子のTMM、電気化学セル又はマトリックス材料との適合性を改良するために、粒子を表面処理することが有利であることがある。表面処理はTMMのレオロジー、粘性及び流動特性も改良することができる。表面処理粒子はTMMのバインダー、ポリマー又はマトリックス材料との適合性を改良することができ、それによって粒子の完全な被覆又は表面濡れ性、したがって、粒子の周りの少ない空気スペース又はボイドを可能にして、粒子の改良された熱伝導を提供することが可能である。粒子表面処理は、カップリング剤、酸化、酸、塩基、火炎、官能化等、プラズマ酸化、プラズマ硫化、紫外光の存在又は非存在でのオゾン処理、アルカリ表面加水分解、シラネーション(silanation)、シラン化(silanization)及びプラズマアンモニア処理による反応によることが可能である。
カップリング剤又は表面処理剤は、いかなる官能性材料でもよく、たとえば、fpPCM、塩官能性をもつfpPCM、親水性又は疎水性部分(すなわち、脂肪族エトキシレート、アルキルエトキシレート、アルキルフェノキシエトキシレート及びそれらの分岐類似物)をもつ非イオン性分子、アニオン性又はカチオン性分子又はポリマー（たとえば、カルボキシル基を含むもの、アミン中性化カルボキシ基を含むもの、アミン基を含むもの、酸中性化アミン基等を含むもの）、無水物及び不飽和ポリマー酸又はそれらの塩及び類似物(すなわち、マレイン化ポリブタジエン、マレイン化又は酸官能性ポリオレフィン、マレイン化又は酸官能性ポリ（メタ）アクリレート、マレイン化又は酸官能性ポリエステル；金属又はアミン塩を含む)、アルコキシシラン、アルコキシ-官能性オリゴシロキサン、アルキルチオール、脂肪酸、脂肪酸金属塩、脂肪酸アミン塩、脂肪族アミン、脂肪族アミン 塩、チタン酸塩、チタン酸塩カップリング剤、ジルコン酸塩、ジルコン酸塩カップリング剤、アルミン酸塩、アルミン酸塩カップリング剤、又はそれらの混合物がある。Kenrich Petrochemicals, Inc.、Capaute Chemicalから供給されるカップリング剤、又はDupont Inc.から供給されるTyzorTM、Evonik Degussa GmbH Germanyから供給されるDynasylan(登録商標)シラン及びオルガノ官能性シラン、Dow Corning Corp. から供給されるDow Corning(登録商標)「Z」Silanes又はXiameter(登録商標)「OFS」Silanesなどのカップリング剤もある。
処理剤及び処理方法は業界で知られており、たとえば米国特許No.6,169,142(4欄、42行〜5欄、2行)を参照できる。TMMは少なくとも約0.05%の処理剤を含むことができる。TMM約10%まで、あるいは約5%まで、あるいは約0.5%までの処理剤を含むことができる。処理剤は式:R5 xSi(OR6)(4-x)（式中、xは1、2、又は3であるか、あろいはxは3であり、R5は少なくとも約1個の炭素原子、あるいは少なくとも約8個の炭素原子の置換又は非置換一価炭化水素基である。R5は約50個までの炭素原子あるいは約30個までの炭素原子あるいは約18個までの炭素原子をもつ。）のアルコキシシランでよい。R5の例はアルキル基（たとえば、ヘキシル、オクチル、ドデシル、テトラデシル、ヘキサデシル、オクタデシル）及び芳香族基（たとえば、ベンジル、フェニルエチル）である。R5は飽和又は不飽和、分岐又は非分岐、及び非置換であることが可能である。R5は飽和、非分岐及び非置換であることが可能である。
R6は少なくとも約1個の炭素原子の非置換、飽和炭化水素基である。R6は約4個までの炭素原子あるいは約2個までの炭素原子をもってもよい。この処理剤の例はヘキシルトリメトキシシラン、オクチルトリエトキシシラン、デシルトリメトキシシラン、ドデシルトリメトキシシラン、テトラデシルトリメトキシシラン、フェニルエチルトリメトキシシラン、オクタデシルトリメトキシシラン、オクタデシルトリエトキシシラン、その組合せ、その他である。
アルコキシ-官能性オリゴシロキサンも処理剤として用いることができる。アルコキシ-官能性オリゴシロキサン及びその調製方法は業界において知られており、たとえば EP1,101,167A2を参照できる。たとえば、適当なアルコキシ-官能性オリゴシロキサンには式(R6O)aSi(OSiR7 2R8)4-aのものがある。この式中、aは1,2又は3であるか、あるいはaは3である。各R6はアルキル基であることができる。各R7は約1〜約10個の炭素原子の不飽和一価炭化水素から独立して選択される。各R8は少なくとも約11個の炭素原子をもつ不飽和一価炭化水素であることができる。
アルミナ又は不導態化アルミニウム窒化物のための処理剤にはアルコキシシリル官能性アルキルメチルポリシロキサン(たとえば、R9 bR10 cSi(O11)(4-b-c)の部分加水分解濃縮物又は共加水分解濃縮物又は混合物)、類似の材料（加水分解基はシラザン、アシロキシ又はオキシモがあるであろう）がある。これらの全てにおいて、式のR9のように Siに結合される基は、長鎖不飽和一価炭化水素又は一価芳香族-官能性 炭化水素である。R10は一価炭化水素基であり、R11は約1〜約4個の炭素原子の一価炭化水素基である。上記式中、bは1,2又は3であり、cは0,1又は2であるが、(b+c)は1,2又は3である。当業者は過度の実験をしなくても充填剤の分散に有用な特定の処理を最適化できるであろう。
オルガノ-官能性シランなどのその他の処理剤の特定例は、次の典型的な分子構造：X-CH2CH2CH2Si(OR)3-nR’n（式中、n = 0, 1, 2）を有する。多くの組合せが可能であるが、これらは２つの異なる反応器を含むことを特徴とする。OR基はメトキシ基、エトキシ基又はアセトキシ基などの加水分解基である。Xはエポキシ、アミノ、メタクリロキシ(以下に示す)又はスルフィドなどのオルガノ-官能基である。Si-アルキル基の存在は低い表面張力及び良好な濡れ特性を保証する。スルフィド-シランの典型例：(OR)3Si-(CH2)3-Sx-(CH2)3Si(OR)3（式中、x = 2〜8）
難燃剤又は耐火性添加剤の使用
電気化学セルから電力供給する装置の部品への火災の拡大の可能性を減少するために、電気化学的パック内で火災が拡大することを防止するために、または外部火災が電気化学的パックに火をつけることを防止するために、難燃剤又は耐火性添加剤を添加して燃焼を防止することが可能である。この材料としては、水酸化マグネシウム、水酸化Al、膨張グラファイト、アンモニウム ポリホスフェート、ホスフェート塩、ポリホスフェート塩（ポリホスフェートの分子量または重合の程度は任意である）、ペンタエリトリトール、処理モンモリロナイト、ハロゲン化化合物、アンモニウム臭化物、塩素化又は臭素化分子、アルカン及びポリマー、アンチモン酸化物、アンチモン三酸化物、赤リン、マグネシアセメント、マグネシウムオキシスルフェート、マグネシウムホスフェート、マグネシウムスルフェート、ホウ素化合物、ホウ酸塩(borate)、ホウ酸、ケイ素及びシリカ化合物、メラミン及びメラミン化合物、ゾル-ゲル、炭酸ナトリウム、ナトリウムシリケート、テトラキス(ヒドロキシメチル)ホスホニウム塩、ハロカーボン、たとえばクロレンド酸誘導体、ハロゲン化リン化合物、たとえばトリ-o-クレシルホスフェート、トリス(2、3-ジブロモプロピル)ホスフェート(TRIS)、ビス(2,3-ジブロモプロピル)ホスフェート、トリス(1-アジリジイル)-ホスフィンオキシド(TEPA)、蛍光体アミド、トリフェニルホスフェート(TPP)、レソルシノールジホスフェート (RDP)、ビスフェノール-a-ジスホスフェート(BPA-DP)、有機 ホスフィンオキシド、ハロゲン化エポキシ樹脂(テトラブロモビスフェノールA)等、並びにこれらのブレンド又は混合物、がある。
さらに、難燃添加剤は、以下の文献に開示されているように、シリカ、石英又はその他のセラミックに基づく、セラミックタイプの処理及びコーティングを含むことができる。米国特許No.6,921,431（Evans,“Thermal Protective Coating for Ceramic Surfaces,”）、米国特許No.7,105047（Simmons,“Thermal Protective Coating”）並びに非特許文献Rakotomalala et. al.,著 “Recent Developments in Halogen Free Flame Retardants for Epoxy Resins for Electrical and Electronic Applications”(Materials 2010, 3, 4300-4327),非特許文献Phosphorous, Inorganic and Nitrogen Flame Retardants Association刊 “Innovative Flame Retardants in E&E Applications”(June 2009）及び非特許文献Feldman著“Polymer Nanocomposite: Flammability”(Journal of Macromolecular Science, Part A: Pure and Applied Chemistry, 2013）、これらは参照してここに含める。また、難燃添加剤は米国特許出願No.12/947,377及びNo.12/806,267（両方共、Xu,“Ionic Liquid Flame Retardants”）に開示されているイオン性材料も含むが、これらも参照してここに含める。
もう１つの例は、マイクロカプセルのシェルの部分として難燃性材料を有することである。たとえばメラミン又はメラミン化合物は優れたマイクロカプセルのシェルを提供し、また良好な 難燃 特性を提供する。ソル-ゲルも追加の難燃保護を与えるためにmPCMシェル又は第２のシェルとして用いることが可能である。シェル材料、シェルポリマー又は第２のシェル層も改良された難燃特性をTMMに与えるために上記の難燃添加剤のどれでも含むことが可能である。
導電性及び静電的充電/放電材料及びポリマーの使用
本開示の特定の態様では、電気エネルギー又は静電エネルギー(static energy)を制御するために設計された材料を含むことが有利である。この電気エネルギーはこのエネルギーを移動する伝導、放電、消散、貯蔵又はその他の手段のいずれかであることが可能である。本開示において以前に記載したように、電気的短絡は、バッテリーセルの各種の部品を損傷させることが可能であり、ある場合には、電気エネルギーをセルの壁から遠ざけることが望ましいかもしれない。以前に記載した金属材料は、金属、合金、酸化物等のいずれも含むことが可能である。また以前に述べた如何なる形状又は寸法であることも可能である。以前に記載した熱伝導体の多くも電気伝導体として使用することが可能である。有機材料又は有機ドープ材料もTMMパッケージに含むことが可能である。これらの材料は下記の一般的なポリマー構造を含むことが可能である。
伝導性ポリマーのこれら及び他の一般的クラスは以下の表に示すように分類できる。
より特定的には、各種の材料、ポリマー及びモノマーはより具体的な電荷又は放射線伝導性材料に分類できる。以下の例の材料を用いる各種の組合せ又は混合物は無限であり、以下の例は完全でも包括的でもない。無限の組合せが電気伝導性及び静電気消散性を有することができる各種のポリマー、コポリマー、混合物等を提供できる。これらのポリマーは伝導性を向上させるために塩又は金属塩の無限の組合せでドープすることができる。
光感受性及び電荷輸送化合物、たとえば、1,1,4,4-テトラフェニル-1,3 ブタジエン、4-[2-[5-[4-(ジエチルアミノ)フェニル]-4,5-ジヒドロ-1-フェニル-1H-ピラゾール-3-yl]エテニル]-N,N-ジエチルアニリン、5,12-ビス(フェニルエチニル)ナフタセン、9,10-ビス(フェニルエチニル)アントラセン、9,10-ジ-p-トリルアントラセン、9,10-フェナントレンキノン、ベンゾ[ghi]ペリレン、コロネン、ジュロリジン、ペンタフェン-78、ペリレン-66、フェナントレン、フェナントリジン、フェナジン、フェナチオジン、ピラゾール-72、キナクリドンキノン、キノリン-65、チオキサントン-64、トリフェニレン、ビオラントロン-79、[4-[ビス(2-ヒドロキシエチル)アミノ]フェニル]-1,1,2-エチレントリカルボニトリル。
発光体、ドーパント、電子及びホール輸送材料、たとえば、5,12-ジヒドロ-5,12-ジメチルキノ[2,3-b]アクリジン-7,14-ジオン、8-ヒドロキシキノリン亜鉛、アントラセン、ベンズ[b]アントラセン、クマリン6、ジクロロトリス(1,10-フェナントロリン)ルテニウム(II)水和物、リチウムテトラ(2-メチル-8-ヒドロキシキノリナト)ホウ素、ペリレン、白金オクタエチルポルフィリン、ルブレン、トリス(2,2′-ビピリジル)ジクロロルテニウム(II)六水和物、トリス(2,2′-ビピリジル-d8)ルテニウム(II)ヘキサフルオロホスフェート、トリス(ベンゾイルアセトナト)モノ(フェナントロリン)ユーロピウム(III)、トリス(ジベンゾイルメタン)モノ(1,10-フェナントロリン)ユーロピウム(lll)、トリス(ジベンゾイルメタン) モノ(5-アミノ-1,10-フェナントロリン)ユーロピウム (lll)、トリス-(8-ヒドロキシキノリン)アルミニウム、トリス[1-フェニルイソキノリン-C2,N]イリジウム(III)、トリス[2-(4,6-ジフルオロフェニル)ピリジナト-C2,N]イリジウム(III)、トリス[2-(ベンゾ[b]チオフェン-2-yl)ピリジナト-C3,N]イリジウム(III)、トリス[2-フェニルピリジナト-C2,N]イリジウム(III)、金属及び塩ドーパント。
発光ポリマー、たとえば、シアノ-ポリフェニレンビニレン(CN-PPV)ポリマー、たとえば、ポリ(2,5-ジ(ヘキシルオキシ)シアノテレフタリリデン)、ポリ(2,5-ジ(オクチルオキシ)シアノテレフタリリデン)、ポリ(2,5-ジ(3,7-ジメチルオクチルオキシ)シアノテレフタリリデン)、ポリ(5-(2-エチルヘキシルオキシ)-2-メトキシ-シアノテレフタリリデン)、ポリ(5-(3,7-ジメチルオクチルオキシ)-2-メトキシ-シアノテレフタリリデン)。
窒素含有ポリマー、たとえば、ポリ(2,5 ピリジン)及びポリ(3,5 ピリジン)。
ポリ(フルオレニレンエチニレン)(PFE)ポリマー、たとえば、ポリ(9,9-ジオクチルフルオレニル-2,7-イレンエチニレン)、ポリ[9,9-ジ(3′,7′-ジメチルオクチル)フルオレン-2,7-イレンエチニレン]、ポリ[9,9-ジ(2′-エチルヘキシル)フルオレン-2,7-イレンエチニレン]、ポリ[9,9-ジドデシルフルオレニル-2,7-イレンエチルニレン]。
ポリ(フェニレンエチニレン)(PPE) ポリマー、たとえば、ポリ(2,5-ジ(3′,7′-ジメチルオクチル)フェニレン-1,4-エチニレン)、ポリ(2,5-ジシクロヘキシルフェニレン-1,4-エチニレン)、ポリ(2,5-ジ(2′-エチルヘキシル)-1,4-エチニレン)、ポリ(2,5-ジドデシルフェニレン-1,4-エチニレン)、及びポリ(2,5-ジオクチルフェニレン-1,4-エチニレン)。
ポリフルオレン(PFO)ポリマー及びコポリマー、たとえば、ポリ(9,9-ジ-n-ドデシルフルオレニル-2,7-ジイル)、ポリ(9,9-ジ-n-ヘキシルフルオレニル-2,7-ジイル)、ポリ(9,9-ジ-n-オクチルフルオレニル-2,7-ジイル)、ポリ(9,9-n-ジヘキシル-2,7-フルオレン-alt-9-フェニル-3,6-カルバゾール)、ポリ[(9,9-ジ-n-オクチルフルオレニル-2,7-ジイル)-alt-(ベンゾ[2,1,3]チアジアゾール-4,8-ジイル)]、ポリ[(9,9-ジヘキシルフルオレン-2,7-ジイル)-alt-(2,5-ジメチル-1,4-フェニレン)]、ポリ[(9,9-ジヘキシルフルオレン-2,7-ジイル)-コ-(9-エチルカルバゾール-2,7-ジイル)]、ポリ[(9,9-ジヘキシルフルオレン-2,7-ジイル)-コ-(アントラセン-9,10-ジイル)]、ポリ[(9,9-ジオクチルフルオレニル-2,7-ジイル)-コ-ビチオフェン] ポリ[9,9-ビス-(2-エチルヘキシル)-9H-フルオレン-2,7-ジイル]。
ポリフルオレン-ビニレン(PFV)コポリマー、たとえば、ポリ((9,9-ジヘキシル-9H-フルオレン-2,7-ビニレン)-コ-(1-メトキシ-4-(2-エチルヘキシルオキシ)-2,5-フェニレンビニレン))、ポリ(9,9-ジ-(2-エチルヘキシル)-9H-フルオレン-2,7-ビニレン)、ポリ(9,9-ジ-n-ヘキシルフルオレニル-2,7-ビニレン)、ポリ[(9,9-ジ-(2-エチルヘキシル)-9H-フルオレン-2,7-ビニレン)-コ-(1-メトキシ-4-(2-エチルヘキシルオキシ)-2,5-フェニレンビニレン)]、及びポリ[9-(2-エチルヘキシル)-3,6-カルバゾールビニレン-alt-2,6-ナフタレンビニレン]。
ポリフェニレンビニレン(PPV)ポリマー及びコポリマー、たとえば、ポリ(1-メトキシ-4-(3-プロピルオキシ-ヘプタイソブチル-PSS)-2,5-フェニレンビニレン)-コ-(1-メトキシ-4-(2-エチルヘキシルオキシ)-2,5-フェニレンビニレン)(60:40)、ポリ(1-メトキシ-4-(O-disperse Red 1))-2,5-フェニレンビニレン、ポリ(2,5-ビス(1,4,7,10-テトラオキサウンデシル)-1,4-フェニレンビニレン)、ポリ(2,5-ジヘキシルオキシ-1,4-フェニレンビニレン)、ポリ(2,5-ジオクチル-1,4-フェニレンビニレン)、ポリ(2,6-ナフタレンビニレン)、ポリ(p-キシレン テトラヒドロチオフェニウム クロリド)、ポリ[(m-フェニレンビニレン)-alt-(2,5-ジブトキシ-p-フェニレンビニレン)]、ポリ[(m-フェニレンビニレン)-alt-(2,5-ジヘキシルオキシ-p-フェニレンビニレン)]、ポリ[(m-フェニレンビニレン)-alt-(2-メトキシ-5-(2-エチルヘキシルオキシ)-p-フェニレンビニレン)]、ポリ[(m-フェニレンビニレン)-alt-(2-メトキシ-5-オクチルオキシ-p-フェニレンビニレン)]、ポリ[(m-フェニレンビニレン)-コ-(2,5-ジオクトキシ-p-フェニレンビニレン)]、ポリ[(o-フェニレンビニレン)-alt-(2-メトキシ-5-(2-エチルヘキシルオキシ)-p-フェニレンビニレン)]、ポリ[(p-フェニレンビニレン)-alt-(2-メトキシ-5-(2-エチルヘキシルオキシ)-p-フェニレンビニレン)]、ポリ[1-メトキシ-4-(3-プロピルオキシ-ヘプタイソブチル-PSS)-2,5-フェニレンビニレン]、ポリ[1-メトキシ-4-(3-プロピルオキシ-ヘプタイソブチル-PSS)-2,5-フェニレンビニレン]-コ-[1-メトキシ-4-(2-エチルヘキシルオキシ)-2, 5-フェニレンビニレン](30:70)、ポリ[2,5-ビス(3′,7′-ジメチルオクチルオキシ)-1,4-フェニレンビニレン]、ポリ[2,5-ビスオクチルオキシ)-1,4-フェニレンビニレン]、ポリ[2-(2′,5′-ビス(2″-エチルヘキシルオキシ)フェニル)-1,4-フェニレンビニレン]、ポリ[2-メトキシ-5-(2-エチルヘキシルオキシ)-1,4-フェニレンビニレン]、ポリ[2-メトキシ-5-(3′,7′-ジメチルオクチルオキシ)-1,4-フェニレンビニレン]、ポリ[5-メトキシ-2-(3-スルホプロポキシ)-1,4-フェニレンビニレン]カリウム塩、ポリ[トリス(2,5-ビス(ヘキシルオキシ)-1,4-フェニレンビニレン)-alt-(1,3-フェニレンビニレン)]及びポリ｛[2-[2′,5′-ビス(2″-エチルヘキシルオキシ)フェニル]-1,4-フェニレンビニレン]-コ-[2-メトキシ-5-(2′-エチルヘキシルオキシ)-1,4-フェニレンビニレン]｝。
ポリチオフェンポリマー及びコポリマー(レジオ規則的又はレジオ不規則的なステアリック形状)、たとえば、ポリ(3-(2-メトキシエトキシ)エトキシメチルチオフェン-2,5-ジイル)、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)、ポリ(3-ブチルチオフェン-2,5-ジイル)、ポリ(3-シクロヘキシル-4-メチルチオフェン-2,5-ジイル)、ポリ(3-シクロヘキシルチオフェン-2,5-ジイル)、ポリ(3-デシルオキシチオフェン-2,5-ジイル)、ポリ(3-デシルチオフェン-2,5-ジイル)、ポリ(3-ドデシルチオフェン-2,5-ジイル)、ポリ(3-ヘキシルチオフェン-2,5-ジイル)、ポリ(3-オクチルチオフェン-2,5-ジイル)、ポリ(3-オクチルチオフェン-2,5-ジイル-コ-3-デシルオキシチオフェン-2,5-ジイル)、ポリ(チオフェン-2,5-ジイル)、臭素末端、ポリ[(2,5-ジデシルオキシ-1,4-フェニレン)-alt-(2,5-チエニレン)]。
水溶性発光ポリマー、たとえば、ポリ(2,5-ビス(3-スロホナトプロポキシ)-1,4-フェニレン、ジナトリウム塩-alt-1,4-フェニレン)、ポリ[(2,5-ビス(2-(N,N-ジエチルアンモニウムブロミド)エトキシ)-1,4-フェニレン)-alt-1,4-フェニレン]、ポリ[5-メトキシ-2-(3-スルホプロポキシ)-1,4-フェニレンビニレン]カリウム 塩、ポリ｛[2,5-ビス(2-(N,N-ジエチルアミノ)エトキシ)-1,4-フェニレン]-alt-1,4-フェニレン｝。
ポリマーホール輸送及びホスト材料、たとえばポリ(1-ビニルナフタレン)、ポリ(2-ビニルカルバゾール)、ポリ(2-ビニルナフタレン)、ポリ(9-ビニルカルバゾール)及びポリ(N-エチル-2-ビニルカルバゾール)などのポリビニルポリマー。
伝導性ポリマー、コポリマー及びモノマー、たとえば、ポリ[1,2-ビス(エチルチオ)アセチレン]などのポリアセチレン、ポリ(フェニレンスルフィド)、ポリアニリン、コポリマー及びポリアニリンドーパント、たとえば、カンファー-10-スルホン酸(β)、ジノイルナフタレンスルホン酸、ドデシルベンゼンスルホン酸、ポリアニリン(エメラルジン塩基、エメラルジン塩、ロイコエメラルジン塩基、ニグラニリン、又はペルニグラニリン)、o-エトキシアニリン、ortho及びmetaモノ-及びジ-置換アニリン、ortho又はmeta-アミノアセトフェノン、及びm-トルイジン。
ポリピロール及びピロールモノマー、たとえば、1H-ピロール-1-プロパン酸、3,4-エチレンジオキシピロール-2,5-ジカルゴン酸、3,4-エチレンジオキシピロール、3,4-プロピレンジオキシピロール、4-(3-ピロリル)酪酸、ジエチル 1-ベンジル-3,4-エチレンジオキシピロール-2,5-ジカルボキシレート、及びポリピロール(伝導性、ドープト又は非ドープト)。
ポリチオフェン及びチオフェンモノマー、たとえば、3,4-エチレンジオキシチオフェン、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)、ビス-ポリ(エチレングリコール)、ラウリル末端、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)、テトラメタクリレート末端キャップト、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)-ブロック-ポリ(エチレングリコール)、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)-ポリ(スチレンスルホナート)、ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)、ポリ(チオフェン-3-[2-(2-メトキシエトキシ)エトキシ]-2,5-ジイル)。
ポリフルオレン、ポリ(o-アミノフェノール)(POAP)、ポリテトラチアフルバレン、ポリナフタレン、ポリ(パラフェニレンビニレン)、天然又は生物学的メラミン顔料ポリマーのスルホン化物。
有機光起電材料：伝導性材料、たとえば、5,5'''''-ジヘキシル-2,2':5',2'':5'',2''':5''',2'''':5'''',2'''''-セクシ(sexi)チオフェン、銅(II) 1,2,3,4,8,9,10,11,15,16,17,18,22,23,24,25-ヘキサデカフルオロ-29H,31H-フタロシアニン、銅(II)フタロシアニン、フラーレン-C60、フラーレン-C84、ペンタセン、ペリレン-3,4,9,10-テトラカルボン酸二無水物、ペリレン、ポリ(3-ドデシルチオフェン-2,5-ジイル)、ポリ(3-ヘキシルチオフェン-2,5-ジイル)レジオレギュラー、ポリ(3-オクチルチオフェン-2,5-ジイル)レジオレギュラー、ポリ[2-メトキシ-5-(3′,7′-ジメチルオクチルオキシ)-1,4-フェニレンビニレン]、トリス[4-(5-ジシアノメチリデンメチル-2-チエニル)フェニル]アミン、[5,6]-フラーレン-C70、[6,6]-ペンタデューテロフェニルC61酪酸メチルエステル、[6,6]-フェニルC61酪酸メチルエステル、[6,6]-フェニルC71酪酸メチル エステル、[6,6]-フェニルC85酪酸メチル エステル、[6,6]-チエニルC61酪酸メチルエステル、[6.6]ジフェニルC62ビス(酪酸 チルエステル)、及びα-セクシ(sexi)チオフェン。
染料、たとえば、1,3-ビス[4-(ジメチルアミノ)フェニル]-2,4-ジヒドロキシシクロブテンジイリウム ジヒドロキシド、ビス(内塩)、7-メチルベンゾ[a]ピレン、9,10-ジヒドロベンゾ[a]ピレン-7(8H)-オン、ベンゾ[e]ピレン、クマリン102、クマリン153、クマリン30、クマリン480D、クマリン6、メロシアニン540及びピレン。
粒子及びそのドープ、非ドープ、各種結晶形及び金属との混合物、チタン酸化物、チタン二酸化物、チタン+4酸化物及び二酸化物、及び亜鉛酸化物を含む。
n-型オリゴマー及びポリマーを含む有機半導体。たとえば、1,4,5,8-ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、2,3,5,6-テトラフルオロ-7,7,8,8-テトラシアノキノジメタン、5,10,15,20-テトラキス(ペンタフルオロフェニル)-21H,23H-ポルフィンパラジウム(II)、7,7,8,8-テトラシアノキノジメタン、銅(II)1,2,3,4,8,9,10,11,15,16,17,18,22,23,24,25-ヘキサデカフルオロ-29H,31H-フタロシアニン、フラーレン-C60、フラーレン-C84、N,N′-ジオクチル-3,4,9,10-ペリレンジカルボキシイミド、N,N′-ジペンチル-3,4,9,10-ペリレンジカルボキシイミド、N,N′-ジフェニル-3,4,9,10-ペリレンジカルボキシイミド、N,N′-ビス(2,5-ジ-tert-ブチルフェニル)-3,4,9,10-ペリレンジカルボキシイミド、ペリレン-3,4,9,10-テトラカルボン酸二無水物、[5,6]-フラーレン-C70、[6,6]-フェニルC61酪酸メチルエステル、6,6]-フェニルC71酪酸メチルエステル、[6,6]-フェニルC85酪酸メチル エステル、[6,6]-フェニル-C61酪酸ブチルエステル、[6,6]-フェニル-C61酪酸オクチルエステル、[6,6]-チエニルC61酪酸メチルエステル、[6.6]ジフェニルC62ビス(酪酸メチルエステル)、ポリ(2,5-ジ(ヘキシルオキシ)シアノテレフタリリデン)、ポリ(2,5-ジ(オクチルオキシ)シアノテレフタリリデン)、ポリ(2,5-ジ(3,7-ジメチルオクチルオキシ)シアノテレフタリリデン)、ポリ(5-(2-エチルヘキシルオキシ)-2-メトキシ-シアノテレフタリリデン)、ポリ(5-(3,7-ジメチルオクチルオキシ)-2-メトキシ-シアノテレフタリリデン)、ポリ(ベンズイミダゾベンゾフェナントロリン)、ポリ[(1,4-ジビニレンフェニレン)(2,4,6-トリイソプロピルフェニルボラン)]、及びポリ[(2,5-ジデシルオキシ-1,4-フェニレン)(2,4,6-トリイソプロピルフェニルボラン)]、ジフェニル末端。
p-型オリゴマー及びポリマー、たとえば、13,6-N-スルフィニルアセトアミドペンタセン、2,2':5',2'':5'',2'''-クオータチオフェン、3,3'''-ジドデシル-2,2':5',2'':5'',2'''-クオータチオフェン、3,3'''-ジヘキシル-2,2';5',2'':5'',2'''-クオータチオフェン、5,5'''''-ジヘキシル-2,2':5',2'':5'',2''':5''',2'''':5'''',2'''''-セクシ(sexi)チオフェン、5,5'-ジ(4-ビフェニリル)-2,2'-ビチオフェン、5,5'-ジヘキシル-2,2'-ビチオフェン、6,13-ジヒドロ-6,13-メタノペンタセン-15-オン、ベンズ[b]アントラセン、ベンズ[b]アントラセン、ビス(エチレンジチオ)テトラチアフルバレン、銅(II)フタロシアニン、昇華で精製したコロネン、ジベンゾテトラチアフルバレン、ペンタセン、ペンタセン-N-スルフィニル-n-ブチルカルバメート付加体、ペンタセン-N-スルフィニル-tert-ブチルカルバメート、白金 オクタエチルポルフィリン、ルビレン、テトラチアフルバレン、トリス[4-(5-ジシアノメチリデンメチル-2-チエニル)フェニル]アミン、α-セクシチオフェン、ポリ(3-ドデシルチオフェン-2,5-ジイル)レジオランダム又はレジオレギュラー、ポリ(3-ヘキシルチオフェン-2,5-ジイル)レジオランダム又はレジオレギュラー、ポリ(3-オクチルチオフェン-2,5-ジイル)レジオランダム又はレジオレギュラー、ポリ[(9,9-ジ-n-オクチルフルオレニル-2,7-ジイル)-alt-(ベンゾ[2,1,3]チアジアゾール-4,8-ジイル)]、ポリ[(9,9-ジオクチルフルオレニル-2,7-ジイル)-コ-ビチオフェン]、ポリ[2-メトキシ-5-(2-エチルヘキシルオキシ)-1,4-フェニレンビニレン]、ポリ[2-メトキシ-5-(3′,7′-ジメチルオクチルオキシ)-1,4-フェニレンビニレン]。
その他の添加剤の使用
適当な 酸化防止剤は知られており、商業的に入手可能である。適当な 酸化防止剤はフェノール系酸化防止剤及びフェノール系酸化防止剤と安定剤との組合せを含む。フェノール系酸化防止剤は完全な立体的ヒンダードフェノール及び部分的な立体的ヒンダードフェノールを含む。安定剤は、オルガノリン誘導体、たとえば三価オルガノリン化合物、ホソファイト、ホスホナート及びそれらの組合せ、チオ共力剤、たとえばオルガノ硫黄 化合物、たとえばスルフィド、ジアルキルジチオカルバメート、ジチオジプロピオナート及びそれらの組合せ、及び立体的ヒンダードアミン、たとえばテトラメチル-ピペリジン 誘導体を含む。適当な酸化防止剤及び安定剤はZweifel, Hans著, "Effect of Stabilization of Polypropylene During Processing and Its Influence on Long-Term Behavior under Thermal Stress"（Polymer Durability, Ciba-Geigy AG, Additives Division, CH-4002, Basel, Switzerland, American Chemical Society, vol. 25, pp. 375-396, 1996）に開示されている。適当な酸化防止剤は、BASF Corp.から商標Irgafos(登録商標)及びIrganox(登録商標)として、Chemtura Corp.から商標Naugalube(登録商標)及びNaugard(登録商標)の酸化防止剤として、Nanjing Union Rubber and Chemicals Co., Ltd.から安定剤及び酸化防止剤として供給される。
適当なフェノール系酸化防止剤にはビタミンE、IRGANOX B225及びIRGANOX 1010（BASF Corp.）があり、IRGANOX 1010はペンタエリトリトールテトラキス(3-(3,5-ジ-t-ブチル-4-ヒドロキシフェニル)プロピオネート)を含む。
反応触媒禁止剤は業界に知られており、商業的に入手可能であり、たとえば、米国特許No.5,929,164(1欄,65行〜3欄、65行)が参照される。禁止剤は、ホスフィン、ジホスフィン、アミン、ジアミン、アミン、有機スルフィド、アルケニル-官能性化合物、アルキニル-官能性 化合物、ヒドロキシ-官能性化合物、それらの組合せ、又はその他の遷移金属触媒毒であることができる。
適当なホスフィンは、トリアルキルホスフィン及びトリアリールホスフィン、たとえばトリフェニルホスフィンを含む。適当なジホスフィンはテトラフェニルエチレンジホスフィンを含む。適当なアミンはn-ブチルアミン及びトリエタノールアミンを含む。適当なジアミンはテトラメチレンジアミンを含む。適当な有機スルフィドはエチルフェニルスルフィドを含む。適当なアルケニル-官能性化合物は有機物、オルガノシリコーン又はオルガノシランであることができる。適当なアルケニル-官能性化合物はビニルシロキサン及びビニルシランを含む。適当なアルキニル官能性化合物は、アセチレン、プロピレン、1-ブチン、1-ペンチン、4,4-ジメチル-1-ペンチン、1-ヘキシン、5-メチル-1-ヘキシン及び1-デシンなどの有機物であることができる。
温度管理及び熱放散のためのPCM及びTMM−構造物の製造方法
TMMは、全ての成分を一緒に高温度で混合するなどの如何なる便宜のよい方法で調整してもよい。多くの態様では、この温度は PCM/pPCM/fpPCMの相変化温度より高い。TMMは充填剤及び粒子のカップリング剤又はシランによる予備的処理など、特別の反応又は相互作用を促進するために、特定の順序で成分を添加して製造することが可能である。TMMは低温、室温又は高温で混合することが可能である。TMMは混合容器、反応器、押出機などで調整することが可能である。
この態様は流動成型法、反応成型法、反応射出成型法、真空成型法、などの各種の公知の方法で製造することが可能である。複合体は、バッチで、成分の混合、脱気、型への注入又は射出により調整することが可能である。成分を別々に貯蔵した後、計量して混合チャンバ又は静的混合チューブに入れ、それから型にポンプ輸送又は充填する、二成分装置を用いて混合することも可能である。成型によって物品、ケーシング又はバッテリーブロックを最終形状にすることも、または型は一般的形状として、それから機械加工及び成形して最終形状にすることも可能である。
PCM-TMMsのフィルム、テープ及びコーティングの仕様及び製造
図5Aを参照して以前に記載したように、本開示のある態様では、PCM-TMM はチューブ、スリーブ又は類似のケーシングに成形してもよい。チューブ、スリーブ又は類似のケーシングは各種の方法、たとえば、射出成型法、プロファイル成型法、チューブ成型法、またはホース成型法で製造できる。成型プロセス中、PCM-TMMは液体状態でよい。
図5Bを参照して以前に記載したように、本開示のある態様では、PCM-TMMはバッテリーセルの周りにラップすることができるフィルム又はテープ中に配合して、所望の厚さ又は量を実現してもよい。一般的に、このフィルム又はテープは基材をキャスト又はコーティングして、または多量の材料をスカイブして作製することができる。キャスト又はコーティングプロセスの間、PCM-TMM (たとえば、１以上のpPCMを含むエラストマーTMM)は液体状態でよい。
フィルム、テープ又はシートを作成する代わりの方法は、PCM-TMM材料のビレット（billet）、プラグ、シリンダ、インゴット、シャフト、チューブ、ホイール、カートリッジ又はボビンを形成し、その材料 を様々な厚みのフィルム又はシートにスカイブする方法である。スカイブプロセスは、PCM-TMMの薄い層をシリンダから連続的にスライスしてシート又はフィルムを形成することを伴う。
PCM-TMMをキャスト又はコーティングする基材は接着性及び／又は伝導性であってもよい。伝導性基材は熱分散体、たとえば、金属箔(たとえば、銅、アルミニウム、金、銀、など)又はカーボン箔(たとえばグラファイト、グラフェン、ダイヤモンドなど)であることが可能である。これらの基材は、たとえば極冷から保護するために、反射性絶縁層を含むことができる。ここに記載した泊はいずれも、伝導性又は非伝導性のいずれかの接着剤からなる別の接着性裏打ちを有することができるであろう。あるいは、接着剤自身はPCM-TMMの基材であることができるであろう。
本開示の特定の態様では、基材を被覆してフィルム又はテープを作製するために使用されるPCM-TMMの仕様は約80%までのPCM マイクロカプセル及び／又は伝導性添加剤の粒子充填率を有する特に高い粒子充填率を有してもよい。そのような導電性添加剤は記載される。高い粒子充填率のために、適用のために溶剤が必要になるほど、コーティングの配合仕様が非常に厚く粘性であってもよい。厚いフィルム（膜）を被覆してからフィルムから溶剤を除去して乾燥し、それを硬化させることは、適用されるフィルムが厚すぎて溶剤をトラップするので、非常に難しい。このトラップは、溶剤をフィルムから取り出そうとするとき、発泡、気泡形成及び非平坦表面などの困難を生じる。
溶剤を用いるときに生じる問題に対処する１つの方法は、重合性又は反応性分子又はモノマーを溶剤として用いることである。溶剤として用いるこの重合可能モノマーも重合してポリマーPCM自身にされることは望ましいであろう。そのような溶剤の１例はオクタデシルメタクリレートモノマーである。これはマイクロカプセル化又はその他の含まれるPCMを含むTMM混合物と組合わせて低粘性コーティングを形成することが可能である。このコーティングは基材にキャスト又は適用することが可能であり、それが硬化したとき、オクタデシルメタクリレートモノマーはポリオクタデシルメタクリレート(これは融点〜30℃と潜熱〜81J/gを有する)のポリマーPCMを形成し、これもその他の含まれるPCM(即ち、マイクロカプセル化PCM、シリカ吸着PCM等)を含む。本開示に記載され、溶剤として使用でき、重合してポリマーPCMとなる可能性を有する、いかなるモノマー、オリゴマー及びその他の化学種も、コーティングプロセスで同様に用いることができる。
ここに記載した各種のフィルム及びテープ態様並びに各種のスリーブ態様は公知のUV及び放射線硬化法で硬化できる。UV及び放射線コーティングのそのようなプロセスは書籍“UV Coatings: Basics, Recent Developments, and New Applications”(Reinhold Schwalm, Elsevier, 2007,）に開示されており、その開示は参照してここに含める。そのようなプロセス及び技法は技報“Ultraviolet and Electron (UV/EB) Cured Coatings, Inks, and Adhesives”(米国環境保護庁,July 2001）にも開示されており、その開示は参照してここに含める。本開示の態様によるフィルムの組成物及び製造方法のさらなる開示は、共所有及び共係属中の出願“Thermal Management Films Containing Pahse Change Materials”(米国出願No._________, 出願日 _______）にあるが、これは既に参照してここに含められている。
追加の適用形態
fpPCM、pPCM、mPCM、PCM、添加剤及び完成TMMは、チューブ、スリーブ、ケーシング、コーティング、ラミネート、注入、処理、ゴム、ゲル、フィルム、シート、グリース、ワックス、又は、適当なコーティング、ラミネート、レイヤーリング、注入などの技法を用いて電気化学セルまたは電気化学セルの部品及び材料の近く、上に又は内部に形成される、コーティング中の成分、ラミネート、注入、処理、コーク(caulks)、ゴム(gums)、ゲル、フィルム、シート、テープ、グリース、ワックスとして実施することが可能である。適用技法及び形態には、下記が含まれる。手動又は機械適用を助けるためにゲル、グリースまたはワックスを用いてバッテリーセルの周りにチューブ、スリーブ又はケーシングを手動又は機械でスライドさせる方法、手動又は機械でフィルム又はテープを１回以上ラップする方法、スプレーコーティング、空気噴霧スプレー、空気レス噴霧スプレー、静電スプレー、スロットダイコーティング、コンタクトスロットコーティング、カーテンコーティング、ナイフコーティング、ローラコーティング、キスコーティング、トランスファーコーティング、フォームコーティング、ブラシング、スクリーン印刷、パッディング、ディッピング又は浸漬法、飽和法、印刷、圧力又は重力供給ノズル／ガン、ホットメルト適用法、ポンプガン、手動ガン、シリンジ、ニードルガン、各種形状及び寸法ノズル、モールド、オーバーモールド、注入モールド、RIM、プレPEG、樹脂トランスファー成型法(RTM)、真空注入法(VIP)及び真空アシストRTM(VARTM)などの樹脂注入法、引抜、押出、プラズマなど。TMMはパッキング／輸送のために剥離シート又はその他の臨時基材表面に適用してからバッテリー又はバッテリーパックに輸送すること、すなわち、間接輸送法も可能である。TMMはパッキング／輸送のために個別の 電気化学セルの寸法にしたチューブ又はスリーブとして作製してから最終使用者によって輸送されることも可能である。TMMは、個別セルの周りにラップするために上記したフィルム又はテープのシートに作製することもできる。このようなフィルム又はテープのシートは、シートが個別の 電気化学セルの周りにラップされる回数を予想した標準 寸法で作製することができ、標準の寸法及び形状は予想される用途に応じて変わることができる。
TMMは、図4Cに示すように、個別の電気化学セルのための個別の受領部を有する単一のケースとして構成することができる。たとえば、自動車又は航空機用のように、多数のセルを収容する特定の電気化学的パックは、TMM が予め決められた数のセルにフィットするハニカム様構造を含むように構成することができる。一体のケースは、個別の電気化学セルのための多数の受領部が線状、平方形、立方形、矩形、円形、スタック、その他の形状を形成するように、形成することができる。ケースは、1より多いが特定のバッテリーパックに必要な全てのスリーブより少ないモジュールサブユニットを含むことが可能である。たとえば、32個のセルを含む電気化学的パックは一体に形成された8個のスリーブのサブユニットを４列有することができる。
適用プロセスは、冷間、温暖、熱間又は室温、すなわち室温より高温又は低温、すなわち-100℃〜400℃で行うことができる。層間又は層内の結合を形成しあるいは追加の層の適用を容易にするためのTMM又は各種の層の硬化、架橋、乾燥またはその他の反応は、いかなるエネルギー源によって行ってもよい。たとえば、サーマル、熱、光、UV、IR、放射線、太陽、誘導、圧力、音響波又は音波、x線、ラジオ波、ガンマ波、マイクロ波、レーザー、e-ビーム、プラズマ、等である。
PCM-TMMを使用しまたは適用する間、PCM-TMMを研磨して、PCM-TMMを電気化学セルまたはパックとセル又はパックに電源を与える装置との間の領域の近くに配置させることで、セル又はパックを熱から保護し、装置部品自体を電気化学装置の熱から保護することを可能にすることができる。さらに、PCM-TMM はそれぞれが発熱する2個以上の電気化学セル の間に配置してもよい。PCM-TMMを外部環境に暴露して、温度を外部に移動させ、内部のセル パックを外部環境から保護し、又は使用者を電気化学装置の過熱から保護するように、PCM-TMMを配置することも意図されている。
PCM-TMMはどの所与の個別の電気化学セルの外部の周りにも均一な厚さを有してもよく、又は個別セルに関してPCM-TMMがどの位置に配置されるかに応じて、異なる厚さを有してもよい。たとえば、PCM-TMMは、２つのバッテリー間のPCM-TMMは１つではなく２つのバッテリーの温度を管理しなければならないので、バッテリーパックの２つのバッテリーの間で、バッテリーパックの１つのバッテリーの外側よりも厚くてもよい。あるいは、特定のバッテリーパックは外部温度がセル又はバッテリーパック自体がつくりだす温度よりも高い環境にあることがあるので、バッテリーパックの外側のPCM-TMMは、内側よりも厚くてもよい。いくつかの態様では、PCM-TMMはセルの全表面を覆わなくてもよい。たとえば、バッテリーの1方又は両方の端子は、電源を供給する装置の端子あるいはパックの他のバッテリーの端子に接触するために露出していてもよい。さらに、いくつかの態様では、PCM-TMMは特定のセルの周りに不均一な厚さで適用してもよい。たとえば、特定の用途では、セルの他の部分よりも多くの熱を発生するセルの部分の周りに、PCM-TMMをより高密度（厚く）に適用することが望ましいかもしれない。厚さの変化はスペースのより有効な利用を可能にする。
いくつかの態様では、異なる組成をもつPCM-TMMの多数の層が利用される。チューブ、スリーブ又はラップされたテープなどのすべてのPCM-TMM物品は、各種の実施のために必要な少数の又は多くの層を含むことができる。特に、PCM-TMMの他の層がセル又はパックをPCM-TMMの主層に対して異なる配向で被覆することを考慮している。たとえば、個別の 円筒状バッテリーセルを受領するために一体型に形成されたバッテリーパックはバッテリー端子を露出するために頂部及び底部に開口部を有することができるが、バッテリーを挿入した後で、端子の表面積のより多くを被覆するために底部又は頂部に追加のPCM-TMM材料を添加してもよい。たとえば、バッテリーパックは夫々がスリーブに挿入された多数のバッテリーを含むことができる。そして、各セル端子は相互に、装置の端子に、又は保護回路に接続することができる。そのような接続がされた後、追加のPCM-TMMの層を適用することができる。このような層は、PCM-TMMの最初のスリーブと同様の仕方で形成しても良いし、または異なる官能性、たとえば、形状適合性、撥水性、耐汚染性、剛性、耐衝撃性等を提供する異なる仕方で形成することもできる。PCM-TMMは連続コーティング、カプセル化、又は完全被覆を提供するように適用することができ、又はPCM-TMMは不連続パターンで用いることも可能である。
特定の組成物の例を提供することは、出願人が特許請求の範囲の範囲をそれらのどの特定の組成物にも限定する意図もないことが明瞭に理解されるべきである。反対に、記載されている官能基、ポリマー相変化材料及び物品の如何なる組合せも本開示の新規な側面を実現するために用いることができることが想定されている。特許請求の範囲は、上記の本開示、参照して含められた開示、又は例のどこかに記載した特定の化合物のいずれも、限定することを意図するものではない。
本開示は特定の態様を参照して記載したが、当業者には特許請求の範囲に記載された本開示の真の精神及び範囲から逸脱することなく、各種及びの変更をなし、等価物と置換することができることが理解されるべきである。さらに、特定の状況、材料、組成物、方法、工程に適合するために、本開示の目的、精神及び範囲のために多くの変形をすることができる。このような全ての変形は特許請求の範囲に記載の範囲内であることが意図されている。特に、開示の方法は特定の特定の順序で実施される特定の工程を参照して説明されたが、これらの工程は組合せ、さらに分割し、順序を変更して、本開示の教示を逸脱することなく等価な方法とすることができることが理解されるであろう。したがって、特に指定されない限り、工程の順序及びグループ化は本開示の限定ではない。

Claims (60)

  1. 電気化学セルの熱管理及び保護のためのケーシングであって、前記ケーシングは、
    電気化学セルの外側表面の少なくとも一部分と物理的接触するように構成され、室温で実質的に固体である内側表面と、
    ２種以上の温度管理材料を含むポリマーマトリックスとを含み、
    前記２種以上の温度管理材料の少なくとも１種は、少なくとも５ジュール毎グラムの潜熱及び０℃と１００℃の間の転移温度とを有する、マイクロカプセル化された相変化材料を含み、
    前記２種以上の温度管理材料の他の少なくとも１種は、エラストマー材料を含み、
    前記ポリマーマトリックスは実質的に均質である、ケーシング。
  2. 前記マイクロカプセル化された相変化材料はポリマー相変化材料である、請求項１に記載のケーシング。
  3. 前記相変化材料が官能性ポリマー相変化材料である、請求項２に記載のケーシング。
  4. 前記内側表面は標準寸法の商業的に入手可能な電気化学セルに係合するように構成され、かつ、前記エラストマー材料は、前記電気化学セルの複数回の充放電サイクル後に前記電気化学セルの内側表面と外側表面との間に前記係合が維持されるような、熱弾性及び回復の特性を有する、請求項１に記載のケーシング。
  5. １以上の温度管理材料を含む第２のポリマーマトリックスを更に含み、前記第２のポリマーマトリックスは前記２種以上の温度管理材料を含む前記ポリマーマトリックス上に層を形成している、請求項１に記載のケーシング。
  6. 前記ケーシングが円筒状スリーブを含む、請求項１に記載のケーシング。
  7. 前記ケーシングがフィルムを含む、請求項１に記載のケーシング。
  8. 前記ケーシングが８５より大きいShoreＡ硬度と２５より大きいShoreＤ硬度を有する(ASTM D2240基準)、請求項１に記載のケーシング。
  9. 前記ケーシングが１５ポンド毎平方インチより大きい弾性率（flex modulus）と２０％より大きい破断伸びを有する、請求項１に記載のケーシング。
  10. 前記ケーシングの前記内側表面と前記電気化学セルの前記外側表面の部分との間に配置されたゲルをさらに含む、請求項１に記載のケーシング。
  11. 前記ケーシングが第２のケーシングと物理的接触する外側表面を有する、請求項１に記載のケーシング。
  12. 前記ポリマーマトリックスはポリマー鎖当たり平均０．０５個から１．０個の間の架橋で架橋されている、請求項１に記載のケーシング。
  13. 前記相変化材料は１０ジュール毎グラムより大きく６０ジュール毎グラムより小さい潜熱含分を有する、請求項１に記載のケーシング。
  14. 前記ケーシングは難燃添加剤、エネルギー伝導添加剤、熱伝導添加剤、防水添加剤、核剤及び酸化防止剤から選ばれた１種以上の添加剤を更に含む、請求項１に記載のケーシング。
  15. 前記ケーシングは反射性絶縁層を含む、請求項１に記載のケーシング。
  16. 電気化学セルの熱管理及び保護のためのケーシングであって、前記ケーシングは、
    電気化学セルの外側表面の少なくとも一部分と物理的接触するように構成され、室温で実質的に固体である内側表面と、
    ２種以上の温度管理材料を含むポリマーマトリックスとを含み、
    前記２種以上の温度管理材料の少なくとも１種は、少なくとも５ジュール毎グラムの潜熱及び０℃と１００℃の間の転移温度とを有するポリマー相変化材料を有し、
    前記２種以上の温度管理材料の他の少なくとも１種は、エラストマー材料を含み、
    前記ポリマーマトリックスは実質的に均質である、ケーシング。
  17. 前記ポリマー相変化材料は官能性ポリマー相変化材料である、請求項１６に記載のケーシング。
  18. 前記内側表面は標準寸法の商業的に入手可能な電気化学セルに係合するように構成され、かつ、前記エラストマー材料は、前記電気化学セルの複数回の充放電サイクル後に前記電気化学セルの前記内側表面と前記外側表面との間に前記係合が維持されるような、熱弾性及び回復の特性を有する、請求項１６に記載のケーシング。
  19. １以上の温度管理材料を含む第２のポリマーマトリックスを更に含み、前記第２のポリマーマトリックスは前記２種以上の温度管理材料を含む前記ポリマーマトリックス上に層を形成している、請求項１６に記載のケーシング。
  20. 前記ケーシングが円筒状スリーブを含む、請求項１６に記載のケーシング。
  21. 前記ケーシングがフィルムを含む、請求項１６に記載のケーシング。
  22. 前記ケーシングが８５より大きいShoreＡ硬度と２５より大きいShoreＤ硬度を有する(ASTM D2240基準)、請求項１６に記載のケーシング。
  23. 前記ケーシングが１５ポンド毎平方インチより大きい弾性率（flex modulus）と２０％より大きい破断伸びを有する、請求項１６に記載のケーシング。
  24. 前記ケーシングの前記内側表面と前記電気化学セルの前記外側表面の部分との間に配置されたゲルをさらに含む、請求項１６に記載のケーシング。
  25. 前記ケーシングが第２のケーシングと物理的接触する外側表面を有する、請求項１６に記載のケーシング。
  26. 前記ポリマーマトリックスはポリマー鎖当たり平均０．０５個から１．０個の間の架橋で架橋されている、請求項１６に記載のケーシング。
  27. 前記相変化材料は１０ジュール毎グラムより大きく６０ジュール毎グラムより小さい潜熱含分を有する、請求項１６に記載のケーシング。
  28. 前記ケーシングは難燃添加剤、エネルギー伝導添加剤、熱伝導添加剤、防水添加剤、核剤及び酸化防止剤から選ばれた１種以上の添加剤を更に含む、請求項１６に記載のケーシング。
  29. 前記ケーシングは反射性絶縁層を含む、請求項１６に記載のケーシング。
  30. 複数の電気化学セルと物理的接触するように構成された電気化学セルパックの熱管理及び保護のための容器であって、
    前記容器は、室温で実質的に固体であり、かつ、
    ２種以上の温度管理材料を含むポリマーマトリックスを含み、
    前記２種以上の温度管理材料の少なくとも１種は、少なくとも５ジュール毎グラムの潜熱及び０℃と１００℃の間の転移温度とを有する、マイクロカプセル化された相変化材料を含む、
    前記２種以上の温度管理材料の他の少なくとも１種は、エラストマー材料を含み、
    ポリマーマトリックスは実質的に均質である、容器。
  31. 前記容器は複数の相互接続されたスリーブを含む、請求項３０に記載の容器。
  32. 前記マイクロカプセル化された相変化材料はポリマー相変化材料である、請求項３０に記載の容器。
  33. 前記ポリマー相変化材料は官能性ポリマー相変化材料である、請求項３２に記載の容器。
  34. 前記ポリマーマトリックスは複数の電気化学セルの周りを収縮ラップされている、請求項３０に記載の容器。
  35. 前記容器の内側表面と１以上の電気化学セルの外側表面の一部の間に配置されたゲルをさらに含む、請求項３０に記載の容器。
  36. 容器がフィルムを含む、請求項３０に記載の容器。
  37. 難燃添加剤、エネルギー伝導添加剤、熱伝導添加剤、防水添加剤、核剤及び酸化防止剤から選ばれた１種以上の添加剤を更に含む、請求項３０に記載の容器。
  38. 携帯型の電気化学セルを電源とする装置であって、
    前記装置は、
    １以上の電気化学セルと
    前記１以上の電気化学セルのためのケーシングとを含み、
    前記ケーシングは、
    電気化学セルの少なくとも一部分と物理的接触するように構成され、室温で実質的に固体である内側表面と、
    ２種以上の温度管理材料を含むポリマーマトリックスとを含み、
    前記２種以上の温度管理材料の少なくとも１種は、少なくとも５ジュール毎グラムの潜熱及び０℃と１００℃の間の転移温度とを有する、マイクロカプセル化された相変化材料を含み、
    前記２種以上の温度管理材料の他の少なくとも1種は、エラストマー材料を含み、
    前記ポリマーマトリックスは実質的に均質である、携帯型の電気化学セルを電源とする装置。
  39. 前記装置が電力ツールである、請求項３８に記載の電気化学セルを電源とする装置。
  40. 電気化学セルパックを電源とする少なくとも１つの部品と、
    複数の電気化学セルと物理的接触するように構成された容器とを含む自動車であって、
    前記容器は、室温で実質的に固体であり、かつ２種以上の温度管理材料を含むポリマーマトリックスを含み、
    前記２種以上の温度管理材料の少なくとも１種は、少なくとも５ジュール毎グラムの潜熱及び０℃と１００℃の間の転移温度とを有する、マイクロカプセル化された相変化材料を含み、
    前記２種以上の温度管理材料の他の少なくとも１種は、エラストマー材料を含み、
    ポリマーマトリックスは実質的に均質である、乗物。
  41. 電気化学セルの熱管理のためのケーシングであって、前記ケーシングは、
    電気化学セルの外側表面の少なくとも一部分と物理的接触するように構成された内側表面、及び
    ポリエーテルポリオールと１種以上の分岐剤又は架橋剤とを含む複合体ポリマーの相変化材料を含み、
    前記分岐剤又は架橋剤は前記ポリエーテルポリオールと反応して前記ポリエーテルポリオールの鎖長を変化させる複合体ポリマー相変化材料である、ケーシング。
  42. 前記ポリエーテルポリオールはポリエチレングリコールである、請求項４１に記載のケーシング。
  43. 前記架橋剤又は鎖延長剤は分岐した架橋剤又は鎖延長剤である、請求項４１に記載のケーシング。
  44. 電気化学セルの少なくとも一部分と物理的接触をするように構成された架橋ポリエーテルポリオールの相変化材料を含む、電気化学セルの熱管理のための複合体ポリマー材料。
  45. 架橋剤又は鎖延長剤の１方とポリオールとを約０．５：１と１．５：１の間の比で含む、請求項４４に記載の複合体ポリマー材料。
  46. 前記ポリオールは分岐ポリオールである、請求項４５に記載の複合体ポリマー材料。
  47. 前記架橋剤、または鎖延長剤が分岐した架橋剤又は鎖延長剤を含む、請求項４５に記載の複合体ポリマー材料。
  48. 前記材料が２５℃と１４０℃の間の転移温度と２ジュール毎グラムより大きい潜熱とを有する、請求項４４に記載の複合体ポリマー材料。
  49. 前記材料が機械加工可能である、請求項４４に記載の複合体ポリマー材料。
  50. 前記材料が成型可能である、請求項４４に記載の複合体ポリマー材料。
  51. 前記材料が固体-固体相変化材料である、請求項４４に記載の複合体ポリマー材料。
  52. 前記材料が難燃性である、請求項４４に記載の複合体 ポリマー材料。
  53. さらに熱伝導添加剤を含む、請求項４４に記載の複合体 ポリマー材料。
  54. 前記材料が架橋ポリエーテルポリオール単独の熱伝導率の１．５倍より大きい熱伝導率をもつ、請求項５３に記載の複合体 ポリマー材料。
  55. ポリオールと架橋剤又は分岐剤とが触媒を用いて反応する、請求項４５に記載の複合体 ポリマー材料。
  56. 下記の１種以上をさらに含む、請求項４４に記載の複合体ポリマー材料:
    水捕捉剤、
    酸化防止剤、または
    難燃添加剤。
  57. 電気化学セルの熱管理のためのケーシングであって、
    実質的に均質な架橋ポリエーテルポリオール相変化材料と、
    １以上の電気化学セルを受領するように構成された１以上の受領部とを含む、ケーシング。
  58. 前記ケーシングが、１以上の電気化学セルと関連して前記１以上の電気化学セルの複数の充放電サイクルの際に用いられるとき、前記１以上の電気化学セルの元来の放電容量寿命と比べて放電容量寿命を延長する、請求項５７に記載のケーシング。
  59. 電気化学セルが、ケーシング内に保持されるとき、ケーシングに保持されていない類似の電気化学セルより高速で充電可能である、請求項５７に記載のケーシング。
  60. １以上の電気化学セルのケーシングであって、
    実質的に均質な架橋ポリエーテルポリオール相変化材料を含む一体構造を有し、前記一体構造は前記１以上の電気化学セルを前記架橋ポリエーテルポリオール相変化材料との熱的な接触を保持するように構成された１以上の開口部を有する、ケーシング。
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