JP2023098198A - 熱伝達抑制シート及び組電池 - Google Patents
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Abstract
Description
ガラス転移点が1000℃以上である第3の無機繊維と、
を含む、熱伝達抑制シート。
前記第3の無機繊維は、非晶質の繊維及び結晶質の繊維から選択される少なくとも1種からなる、[1]~[5]のいずれか1つに記載の熱伝達抑制シート。
[1]~[13]のいずれか1つに記載の熱伝達抑制シートを用いた、組電池。
本発明の熱伝達抑制シートは、
(1)ガラス転移点が800℃以下で、かつ、ガラス転移点が互いに異なる第1の無機繊維及び第2の無機繊維と、
(2)ガラス転移点が1000℃以上である第3の無機繊維と、
を含む。
特に、熱伝達抑制シートが有機バインダを含有する場合において(通常使用時(製造直後)の熱伝達抑制シートを示す図1を参照)、電池セルが熱暴走を起こすと(電池セルの異常時)、熱伝達抑制シートは高温度に加熱され、まず、融点の低い有機バインダが消失するが(800℃加熱後の熱伝達抑制シートを示す図2を参照)、上記第1の無機繊維や第2の無機繊維が、消失した有機バインダに代替して、シートの保形性や強度などに寄与する。
その後、温度が高まっても、ガラス転移点が比較的高い第3の無機繊維が、熱伝達抑制シート中に残存し(1000℃加熱後の熱伝達抑制シートを示す図3を参照)、シート全体としての保形性や強度、圧縮特性などの低下を防ぐ。
第1の無機繊維及び第2の無機繊維は、ともにガラス転移点が800℃以下であり、互いにガラス転移点が異なる組合せとする。ガラス転移点が800℃以下であると、電池セルが熱暴走を起こし、ガラス転移点以上の高温になると、ガラス化(軟化)して結着剤として機能するため、熱伝達抑制シートの機械的強度の低下を防ぐことができる。また、第1の無繊維と第2の無機繊維のガラス転移点が異なると、熱暴走時に結着作用をきたす温度が多段になり、より広い温度範囲での機械的強度の低下を抑えることができる。
ガラス転移点が1000℃以上であれば特に制限はなく、非晶質の繊維及び結晶質の繊維から選択される少なくとも1種からなる繊維である。具体的には、アルミナ繊維、アルミナシリケート繊維、カーボン繊維、炭化ケイ素繊維、鉱物系繊維、ジルコニア繊維を好適に用いることができる。また、これらの繊維はそれぞれ単独でも、複数種を組みわせてもよい。
第1の無機繊維、第2の無機繊維及び第3の無機繊維は、それぞれ下記の形状的関係にあることが好ましい。
本発明において、平均繊維径が太い(太径の)無機繊維は、熱伝達抑制シートの強度や保形性を向上させる効果を有する。第1の無機繊維及び第2の無機繊維の少なくとも一方を、第3の無機繊維よりも太径にすることにより、上記効果を得ることができる。熱伝達抑制シートには、外部からの衝撃が作用することがあるため、太径の無機繊維が含まれることにより耐衝撃性が高まる。外部からの衝撃としては、例えば電池セルの膨張による押圧力や、電池セルの発火による風圧などである。
太径の無機繊維、すなわち第1の無機繊維及び第2の無機繊維の少なくとも一方は、長すぎても成形性や加工性が低下するおそれがあるため、繊維長を100mm以下とすることが好ましい。さらに、太径の無機繊維は短すぎても保形性や強度、圧縮特性などが低下するため、繊維長を0.1mm以上とすることが好ましい。
(第1の無機繊維及び第2の無機繊維が線状又は針状であり、第3の無機繊維が樹枝状又は縮れ状である)
熱伝達抑制シートの保形性や強度、圧縮特性などを向上させるためには、第1の無機繊維及び第2の無機繊維は線状又は針状であることが特に好ましい。なお、線状又は針状の繊維とは、後述の捲縮度が例えば10%未満、好ましくは5%以下である繊維をいう。
捲縮度(%)=(繊維長さ-繊維末端間距離)/(繊維長さ)×100
ここで、繊維長さ、繊維末端間距離ともに電子顕微鏡写真上での測定値である。すなわち、2次元平面上へ投影された繊維長、繊維末端間距離であり、現実の値よりも短くなっている。この式に基づき、第3の無機繊維の捲縮度は10%以上が好ましく、30%以上がより好ましい。捲縮度が小さいと、第1の無機繊維や第2の無機繊維、更には第2の無機繊維同志の絡み合い(ネットワーク)が形成されにくくなるとともに、無機粒子などの保持能力が十分に得られない。
それぞれ、熱伝達抑制シートの全質量に対して、第1の無機繊維の含有量は、3質量%以上30質量%以下であることが好ましく、第2の無機繊維の含有量は、3質量%以上30質量%以下であることが好ましく、第3の無機繊維の含有量は、3質量%以上30質量%以下であることが好ましい。各含有量がこのような範囲であると、熱伝達抑制シートの形状保持や強度、圧縮特性などに優れ、更に電池セルが熱暴走を起こした際の高温に十分に対応することができる。
本発明の熱伝達抑制シートには、第1の無機繊維、第2の無機繊維及び第3の無機繊維とは異なる他の無機繊維、有機繊維、無機粒子、バインダから選択された少なくとも1種を配合してもよい。
2Al(OH)3→Al2O3+3H2O
バインダとして無機バインダ及び有機バインダを用いることができるが、いずれも熱伝達抑制シートに従来から用いられているものを適宜用いることができ、シートの保形性などを高めることができる。特に、有機バインダは、常温で優れた結着能力を有することから好ましい。なお、有機バインダとしては、高分子凝集材やアクリルエマルジョンなどが挙げられる。
本実施形態において、熱伝達抑制シートの厚さは特に限定されないが、0.05~6mmの範囲にあることが好ましい。熱伝達抑制シートの厚さが0.05mm以上であると、充分な機械的強度を得られる。一方、熱伝達抑制シートの厚さが6mm以下であると、良好な組付け性を得ることができる。
断熱性能を表す指標として、熱伝導率を挙げることができるが、本実施形態においては、熱伝導率は1(W/m・K)未満であることが好ましく、0.5(W/m・K)未満であることがより好ましく、0.2(W/m・K)未満であることがより好ましい。さらに、熱伝導率は0.1(W/m・K)未満であることがより好ましく、0.05(W/m・K)未満であることがより好ましく、0.02(W/m・K)未満であることが特に好ましい。なお、熱伝導率は、JIS R 2251に記載の「耐火物の熱伝導率の試験方法」に準拠して、測定することができる。
熱伝達抑制シートは、少なくとも第1の無機繊維、第2の無機粒子及び第3の無機繊維(以下、「必須主要構成成分」という。)を含む材料を、乾式成形法又は湿式成形法により型成形して製造される。乾式成形法については、例えばプレス成形法(乾式プレス成形法)及び押出成形法(乾式押出成形法)を使用することができる。
乾式プレス成形法では、必須主要構成成分及び他の配合材料を所定の割合でV型混合機等の混合機に投入する。そして、混合機に投入された材料を充分に混合した後、この混合物を所定の型内に投入し、プレス成形することにより、熱伝達抑制シートを得ることができる。プレス成形時に、必要に応じて加熱してもよい。
乾式押出成形法では、必須主要構成成分及び他の配合材料を所定の割合で水に加え、混練機で混練することにより、ペーストを調製する。その後、得られたペーストを、押出成形機を用いてスリット状のノズルから押出し、更に乾燥させることにより、熱伝達抑制シートを得ることができる。乾式押出成形法を用いる場合には、有機バインダとしてメチルセルロース及び水溶性セルロースエーテル等を使用することが好ましいが、乾式押出成形法を用いる場合に一般的に使用される有機バインダであれば、特に限定されずに使用することができる。
湿式成形法では、必須主要構成成分及び他の配合材料を所定の割合で水に加え、水中で混合し、撹拌機で撹拌することにより、混合液を調製する。その後、濾過用のメッシュを介して、得られた混合液を脱水することにより、湿潤シートを作製する。その後、得られた湿潤シートを加熱するとともに加圧することにより、熱伝達抑制シートを得ることができる。
図4に示すように、本実施形態に係る組電池100は、複数個の電池セル20a、20b、20cが並設され、直列又は並列に接続されて電池ケース30に格納されたものであり、電池セル20a、20b、20c間に、上記の熱伝達抑制シート10が介在されている。なお、図4では、電池セル20a、20b、20c間に、上記の熱伝達抑制シート10が介在されているが、熱伝達抑制シート10は必ずしも電池セル20a、20b、20c間に介在される必要はなく、例えば、電池セル20a、20b、20cと電池ケース30の間に配置されたり、電池ケース30の内面に貼り付けられるものであってもよい。
ただし、熱伝達抑制シートは、第1の無機繊維(ガラス繊維)及び第2の無機繊維(ロックウール)1及び第1の無機粒子(ナノシリカ粒子)2のガラス転移点よりもはるかに高い1000℃の高温に晒されていることから、図3のA部やB部で示されるように、第1の無機繊維(ガラス繊維)及び第2の無機繊維(ロックウール)1及び第1の無機粒子(ナノシリカ粒子)2は、軟化して変形していることがわかる。そして、これらは第3の無機繊維(アルミナ繊維)3及び第2の無機粒子(チタニア粒子)4の隙間を埋めるように広がることで、結着剤として機能していると考えられる。
2 第1の無機粒子(ナノシリカ粒子)
3 第3の無機繊維(アルミナ繊維)
4 第2の無機粒子(チタニア粒子)
5 有機バインダ(アクリル樹脂)
10 熱伝達抑制シート
20a,20b,20c 電池セル
30 電池ケース
100 組電池
Claims (14)
- ガラス転移点が800℃以下で、かつ、ガラス転移点が互いに異なる第1の無機繊維及び第2の無機繊維と、
ガラス転移点が1000℃以上である第3の無機繊維と、
を含む、熱伝達抑制シート。 - 前記第1の無機繊維の平均繊維径及び前記第2の無機繊維の平均繊維径のうち少なくとも一方が、前記第3の無機繊維の平均繊維径よりも大きい、請求項1に記載の熱伝達抑制シート。
- 前記第1の無機繊維の平均繊維長及び前記第2の無機繊維の平均繊維長のうち少なくとも一方が、前記第3の無機繊維の平均繊維長よりも大きい、請求項1又は2に記載の熱伝達抑制シート。
- 前記第1の無機繊維の捲縮度及び前記第2の無機繊維の捲縮度のうち少なくとも一方が、前記第3の無機繊維の捲縮度よりも小さい、請求項1~3のいずれか1項に記載の熱伝達抑制シート。
- 前記第1の無機繊維及び前記第2の無機繊維がそれぞれ線状又は針状であり、前記第3の無機繊維が樹枝状又は縮れ状である、請求項1~4のいずれか1項に記載の熱伝達抑制シート。
- 前記第1の無機繊維及び前記第2の無機繊維はそれぞれ非晶質の繊維であり、
前記第3の無機繊維は、非晶質の繊維及び結晶質の繊維から選択される少なくとも1種からなる、請求項1~5のいずれか1項に記載の熱伝達抑制シート。 - 前記第1の無機繊維及び前記第2の無機繊維のそれぞれが、ガラス繊維、グラスウール、スラグウール、ロックウール、アルカリアースシリケート繊維、リフラクトリーセラミック繊維、バサルトファイバ及びソルブルファイバから選択される少なくとも1種からなる繊維である、請求項1~6のいずれか1項に記載の熱伝達抑制シート。
- 前記第3の無機繊維が、アルミナ繊維、アルミナシリケート繊維、カーボン繊維、炭化ケイ素繊維、鉱物系繊維及びジルコニア繊維から選択される少なくとも1種からなる繊維である、請求項1~7のいずれか1項に記載の熱伝達抑制シート。
- ガラス転移点が800℃以下である第1の無機粒子をさらに含む、請求項1~8のいずれか1項に記載の熱伝達抑制シート。
- 前記第1の無機粒子が、シリカ粒子、酸化亜鉛粒子、カルシア粒子及びマグネシア粒子から選択される少なくとも1種からなる粒子である、請求項9に記載の熱伝達抑制シート。
- ガラス転移点が1000℃以上である第2の無機粒子をさらに含む、請求項1~10のいずれか1項に記載の熱伝達抑制シート。
- 前記第2の無機粒子が、チタニア粒子、ジルコニア粒子、ジルコン粒子及びチタン酸バリウム粒子から選択される少なくとも1種からなる粒子である、請求項11に記載の熱伝達抑制シート。
- 有機バインダをさらに含む、請求項1~12のいずれか1項に記載の熱伝達抑制シート。
- 複数の電池セルを直列又は並列に接続した組電池において、
請求項1~13のいずれか1項に記載の熱伝達抑制シートを用いた、組電池。
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