JP2023170683A - バスバー及び蓄電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異常時における電池セルからの高温や火炎から保護できるバスバー、並びに異常時においても高い安全性を有する蓄電装置を提供する。【解決手段】電池セル１１０を含む蓄電装置１００に用いられるバスバー１は、導電性材料からなるバスバー本体５が、無機繊維シート１０により巻回されている。また、蓄電装置１００は、複数の電池セル１１０又はモジュールを上記のバスバー１で接続して電池ケース１２０に収容している。【選択図】図２

Description

本発明は、バスバー、及び複数の電池セルをバスバーで接続した蓄電装置に関する。

各種電子機器や、電動モータで駆動する電気自動車又はハイブリッド車、蓄電池などには、複数の電池セルを、バスバーにて直列又は並列に接続した蓄電装置が搭載されている。また、電池セルには、鉛蓄電池やニッケル水素電池などに比べて、高容量かつ高出力が可能なリチウムイオン二次電池が主に用いられている。

しかし、充放電時に、電池セルに過電流が通電されると、接続に使用されているバスバーが発熱することがある。そこで、特許文献１では、雲母シートでバスバーを被覆している。

特開２０２０－５２８６５０号公報

ところで、過充電などが原因で、ある電池セルが熱暴走を起こして、数百℃の高温になったり、場合によっては火炎を発することがある。このような異常時には、バスバーも同様の高温や火炎に晒され、バスバーを介して隣接する電池セルが高熱になる。

しかしながら、特許文献１は、バスバー自身の発熱を抑えるための対策であり、異常時における電池セルからの高温や火炎に対してバスバーを保護することに着目していない。しかも、雲母は結晶水を含むため、異常時に高温や火炎に晒された場合に、膨張したり、結晶水を放出して構造的に不安定になる。

そこで本発明は、異常時における電池セルからの高温や火炎から保護できるバスバーを提供することを目的とする。また、本発明は、このようなバスバーにより電池セル同士を接続し、異常時においても高い安全性を示す蓄電装置を提供することを目的とする。

本発明の上記目的は、バスバーに係る下記［１］の構成により達成される。

［１］ 電池セルを含む蓄電装置に用いられるバスバーであって、
導電性材料からなるバスバー本体が、無機繊維シートにより巻回されている、バスバー。

また、バスバーに係る本発明の好ましい実施形態は、以下の［２］～［１９］に関する。

［２］ 前記無機繊維シートは、無機繊維クロスであることを特徴とする［１］に記載のバスバー。
［３］ 前記無機繊維シートは、シリカ繊維、アルミナ繊維、ガラス繊維、ロックウール繊維、及びＡＥＳ（アルカリアースシリケート）繊維から選択される少なくとも１種であることを特徴とする［１］に記載のバスバー。
［４］ 前記無機繊維シートは、多重に巻回していることを特徴とする［１］に記載のバスバー。
［５］ 前記無機繊維シートの前記電池セルと対向する側と、前記バスバー本体との間に無機断熱材が配置され、前記バスバー本体とともに前記無機繊維シートにより巻回されていることを特徴とする［２］に記載のバスバー。
［６］ 前記無機断熱材は、無機粒子を含む湿式シート又は乾式シートであることを特徴とする［５］に記載のバスバー。
［７］ 前記無機繊維クロスは、前記電池セルと対向する面とは反対側の面を除いて、前記無機繊維クロス同士及び前記無機繊維クロスと前記無機断熱材と前記バスバー本体とは接着されていないことを特徴とする［５］に記載のバスバー。
［８］ 前記無機繊維クロスと前記無機断熱材と前記バスバー本体との間の少なくとも一つは、接着されておらず、空気層が存在することを特徴とする［５］に記載のバスバー。
［９］ 前記電池セルと対向する側とは反対側で、前記無機繊維クロス間が接着されていることを特徴とする［２］に記載のバスバー。
［１０］ 前記無機断熱材は、無機繊維又は不融化繊維を含むことを特徴とする［５］に記載のバスバー。
［１１］ 前記不融化繊維は、炭素含有量が５５～９５質量％であることを特徴とする［１０］に記載のバスバー。
［１２］ 前記不融化繊維は、短繊維からなることを特徴とする［１０］に記載のバスバー。
［１３］ 前記不融化繊維は、繊維径が１～３０μｍであることを特徴とする［１０］に記載のバスバー。
［１４］ 前記無機断熱材は、有機繊維を含むことを特徴とする［５］に記載のバスバー。
［１５］ 前記無機断熱材は、無機粒子を含むことを特徴とする［５］に記載のバスバー。
［１６］ 前記無機粒子は、互いに平均粒子径が異なる第１の無機粒子及び第２の無機粒子を含むことを特徴とする［１５］に記載のバスバー。
［１７］ 前記第１の無機粒子は、酸化物粒子、炭化物粒子、窒化物粒子及び無機水和物粒子から選択される少なくとも１種からなることを特徴とする［１６］に記載のバスバー。
［１８］ 前記第１の無機粒子は、ナノ粒子、中空粒子及び多孔質粒子から選択される少なくとも１種からなることを特徴とする［１６］又は［１７］に記載のバスバー。
［１９］ 前記第２の無機粒子は、金属酸化物粒子であることを特徴とする［１６］に記載のバスバー。

また、本発明の上記目的は、蓄電装置に係る下記［２０］の構成により達成される。

［２０］ 複数の電池セル又はモジュールを、［１］～［１９］のいずれか１つに記載のバスバーで接続した、蓄電装置。

本発明のバスバーは、バスバー本体が無機繊維シートにより巻回されており、異常時に、熱暴走を起こした電池セルからの高温や火炎から保護される。

また、本発明の蓄電装置は、このようなバスバーにより複数の電池セルやモジュールを接続しているため、異常時においても高い安全性を示す。

図１Ａは、本発明のバスバーの一例を示す斜視図である。 図１Ｂは、本発明のバスバーの他の例を示す斜視図である。 図２は、実施形態１について、図１ＡのＡ－Ａ矢視に沿って示す断面図である。 図３は、実施形態２について、図１ＡのＡ－Ａ矢視に沿って示す断面図である。 図４Ａは、図１Ａのバスバーを備える蓄電装置を示す断面図である。 図４Ｂは、図１Ｂのバスバーを備える蓄電装置を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態に関して図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下で説明する実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、任意に変更して実施することができる。

［バスバーの全体構成］
図１Ａは、本発明のバスバー１の一例を示す斜視図であり、電池セル１１０に装着した状態を示している。図示されるように、導電性材料からなるバスバー本体５は、例えば、全体がＺ字状の金属製の板部材であり、一方の先端の接続孔６ａに電池セル１１０の電極１１１を挿入し、端子キャップ１１２を被せて固定される。また、バスバー本体５の他方の先端の接続孔６ｂには、隣接する電池セル（図示せず）や外部機器が接続される。そして、バスバー本体５の接続孔６ａ、６ｂを除く部分（表面）を、後述される無機繊維シート１０を巻回してバスバー１が構成される。

また、バスバー本体５を、図１Ｂに示すように、全体がＩ字状の平板とすることもでき、両端の接続孔６ａ、６ｂを除く部分を無機繊維シート１０で覆い、バスバー１とすることもできる。

なお、バスバー１は電池セル１１０の電極１１１に直接的又は間接的に接続されてもよいし、電池セル１１０の電極１１１に電気的に接続されていてもよい。

＜実施形態１＞

図２は、図１ＡのＡ－Ａ矢視に沿って示す断面図であり、図中の下側に電池セル１１０が存在しており、異常時には、電池セル１１０から高温や火炎が発生する。そこで、バスバー本体５に無機繊維シート１０を巻回している。無機繊維シート１０は、図示の例では、バスバー本体５を３回巻回しているが、１回巻回してもよく、より多重に巻回してもよい。何れも、巻き終わり部分１０ａが、電池セル１１０と対向しない側に位置するようにする。

異常時には、電池セル１１０からの高温に加えて、火炎とともに電解液のガスや電池セル１１０の破片が発生するため、無機繊維シート１０には、耐熱性能に優れ、ガスや破片へのバリア性を有することが好ましい。そのため、無機繊維シート１０としては、無機繊維クロス（織布）が好ましく、シリカ繊維、アルミナ繊維、ガラス繊維、ロックウール繊維、及びＡＥＳ（アルカリアースシリケート）繊維から選択される少なくとも１種が好適である。なお、ＡＥＳ繊維とは、高純度のシリカ、カルシア、マグネシアを原料とする人造鉱物繊維である。

また、巻回に際して、電池セル１１０と対向する側は、無機繊維シート１０同士や、バスバー１と無機繊維シート１０とを接着しなくてもよい。接着しないことにより、無機繊維シート１０と隣接する無機繊維シート１０との間、無機繊維シート１０とバスバー本体５の電池セル１１０と対向する面５ａとの間に、空気層が形成されて断熱性能が高まる。

バスバー本体５の面５ａとは反対側の面５ｂと、無機繊維シート１０との間には、吸熱反応層２０が介在してもよい。吸熱反応層４０は、熱暴走を起こした電池セル１１０からの熱を吸収する作用を有し、断熱性能を高める。吸熱反応層４０としては、各種の樹脂を使用することができるが、バスバー本体５と無機繊維シート１０とを接着して固定できることから、樹脂基材の両面に接着剤層を形成した両面テープが好ましい。

また、吸熱反応層２０は、無機繊維シート１０のバスバー本体５の面５ｂと接する部分と、巻き終わり部分１０ａとの間に介在してもよく、断熱性能がより高まる。

＜実施形態２＞
図３に示すように、バスバー本体５の面５ａとの間に無機断熱材３０を介在（配置）させて無機繊維シート１０を巻回してもよい。無機断熱材３０により、電池セル１１０と対向する側の断熱性能がより高まり、電池セル１１０が熱暴走を起こしたとしても、熱暴走の連鎖をより確実に防ぐことができる。

電池セル１１０と対向する側、即ち、バスバー本体５の面５ａと無機断熱材３０との間、無機断熱材３０と無機繊維シート１０の電池セル１１０と対向する部分１０ｂとの間を接着しなくてもよい。接着しないことにより、これらの間に、空気層が形成されて断熱性能が高まる。

また、実施形態１と同様に、バスバー本体５の面５ａとは反対側の面５ｂと、無機繊維シート１０との間や、無機繊維シート１０のバスバー本体５の面５ｂと接する部分と、巻き終わり部分１０ａとの間に、吸熱反応層２０を介在してもよく、断熱性能がより高まる。

〔無機断熱材３０について〕
上記した実施形態１及び実施形態２ともに、無機断熱材３０には制限はないが、断熱性能に優れることから下記の配合材料を含むことが好ましい。

（無機繊維）
無機断熱材３０は、無機繊維を含むことができる。無機繊維としては、具体的には、融点が７００℃未満である無機繊維が好ましく、多くの非晶質の無機繊維を用いることができる。中でも、ＳｉＯ_２を含む繊維であることが好ましく、安価で、入手も容易で、取扱い性等に優れることから、ガラス繊維であることがより好ましい。

また、無機繊維が結晶質である場合に、具体的には、シリカ繊維、アルミナ繊維、アルミナシリケート繊維、ジルコニア繊維、カーボンファイバ、ソルブルファイバ、リフラクトリーセラミックファイバ、エアロゲル複合材、マグネシウムシリケート繊維、アルカリアースシリケート繊維、チタン酸カリウム繊維等のセラミックス系繊維、ガラス繊維、グラスウール等のガラス系繊維、ロックウール、バサルトファイバ、ウォラストナイト等の鉱物系繊維等を使用することができる。

また、融点が１０００℃を超えるものであると、電池セルの熱暴走が発生しても、無機繊維は溶融又は軟化せず、その形状を維持することができるため、好適に使用することができる。無機繊維として挙げられた上記繊維のうち、例えば、シリカ繊維、アルミナ繊維及びアルミナシリケート繊維等のセラミックス系繊維、並びに鉱物系繊維を使用することがより好ましく、この中でも融点が１０００℃を超えるものを使用することが更に好ましい。

（その他の配合材料）
無機断熱材３０には、上記無機繊維の他に、有機バインダや有機繊維、無機粒子を含んでもよい。

（樹脂バインダ）
上記無機繊維は、樹脂バインダにより結着することもできる。樹脂バインダとしては、後述する有機繊維のガラス転移点よりも低いガラス転移点を有するものであれば、特に限定されない。例えば、スチレン－ブタジエン樹脂、アクリル樹脂、シリコン－アクリル樹脂及びスチレン樹脂から選択される少なくとも１種を含む樹脂バインダを使用することができる。

樹脂バインダのガラス転移点は特に規定しないが、－１０℃以上であることが好ましい。なお、樹脂バインダのガラス転移点が室温以上であると、樹脂バインダを有する無機断熱材３０が室温で使用された場合に、無機断熱材３０の強度をより一層向上させることができる。したがって、樹脂バインダのガラス転移点は、例えば２０℃以上であることがより好ましく、３０℃以上であることがさらに好ましく、５０℃以上であることがさらにより好ましく、６０℃以上であることが特に好ましい。

樹脂バインダの含有量は、無機断熱材３０の全質量に対して０．５質量％以上であることが好ましく、１質量％以上であることがより好ましい。また、２０質量％以下であることが好ましく、１０質量％以下であることがより好ましい。

（有機繊維）
上記無機繊維の他に、有機繊維を含有してもよい。有機繊維としては、例えば、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）繊維、ポリエチレン繊維、ナイロン繊維、ポリウレタン繊維及びエチレン－ビニルアルコール共重合体繊維から選択される少なくとも１種を使用することができる。

なお、後述するように、無機断熱材３０の製造は抄造法にて行うこともできるが、その際に加熱温度を２５０℃よりも高くすることは困難であるため、有機繊維のガラス転移点は、２５０℃以下とすることが好ましく、２００℃以下とすることがより好ましい。

有機繊維のガラス転移点の下限値も特に限定されないが、上記樹脂バインダのガラス転移点との差が１０℃以上であれば、製造時の冷却工程において、半溶融状態であった有機繊維が完全に固化した後に、樹脂バインダが固化するため、樹脂バインダによる骨格の補強効果を十分に得ることができる。したがって、樹脂バインダのガラス転移点と、有機繊維のガラス転移点との差は、１０℃以上であることが好ましく、３０℃以上であることがより好ましい。

一方、両者のガラス転移点の差が１３０℃以下であると、有機繊維が完全に固化してから、樹脂バインダが固化し始めるまでの時間を適切に調整することができ、樹脂バインダが良好な分散状態のまま固化するため、より一層骨格の補強効果を得ることができる。したがって、樹脂バインダのガラス転移点と、有機繊維のガラス転移点との差は、１３０℃以下であることが好ましく、１２０℃以下であることがより好ましく、１００℃以下であることがさらに好ましく、８０℃以下であることがさらにより好ましく、７０℃以下であることが特に好ましい。

また、２種類以上の有機繊維を含むこともできるが、その場合に、少なくとも１種の有機繊維が骨格として作用する有機繊維、すなわち、樹脂バインダのガラス転移点よりも高いガラス転移点を有する有機繊維であればよい。なお、樹脂バインダのガラス転移点と、少なくとも１種の有機繊維のガラス転移点との差は、上記と同様に、１０℃以上であることが好ましく、３０℃以上であることがより好ましく、１３０℃以下であることが好ましく、１２０℃以下であることがより好ましく、１００℃以下であることがさらに好ましく、８０℃以下であることがさらにより好ましく、７０℃以下であることが特に好ましい。

有機繊維及び樹脂バインダの含有量が適切に制御されていると、有機繊維による骨格としての機能を十分に得ることができるとともに、樹脂バインダによる骨格の補強効果を十分に得ることができる。有機繊維の含有量は、無機断熱材３０の全質量に対して０．５質量％以上であることが好ましく、１質量％以上であることがより好ましい。また、１２質量％以下であることが好ましく、８質量％以下であることがより好ましい。なお、樹脂バインダのガラス転移点よりも高いガラス転移点を有する複数の有機繊維を含む場合に、これら複数の有機繊維の合計量が、上記有機繊維の含有量の範囲内であることが好ましい。

上述のとおり、２種類以上の有機繊維を含む場合に、少なくとも１種の有機繊維が、樹脂バインダのガラス転移点よりも高いガラス転移点を有するものであればよいが、その他の有機繊維として、ガラス転移点を有さない結晶状態の有機繊維を含有することがより好ましい。

ガラス転移点を有さない結晶状態の有機繊維を含有することもできるが、この結晶状態の有機繊維は軟化点を持たないため、骨格となる有機繊維が軟化するような高温に晒された場合であっても、無機断熱材３０の強度を維持することができる。また、結晶状態の有機繊維を含有することにより、常温（２０℃）において、この有機繊維も断熱材の骨格として作用する。したがって、無機断熱材３０の柔軟性や取り扱い性を向上させることができる。

なお、結晶状態の有機繊維としては、ポリエステル（ＰＥＴ）繊維が挙げられる。

また、無機断熱材３０の製造において抄造法を行う際に、分散液として水を使用することが好ましいが、有機繊維は水への溶解度が低いことが好ましい。水への溶解度を示す指標として「水中溶解温度」を使用できるが、有機繊維の水中溶解温度は６０℃以上であることが好ましく、７０℃以上であることがより好ましく、８０℃以上であることがさらに好ましい。

有機繊維の繊維長についても特に限定されないが、成形性や加工性を確保する観点から、平均繊維長は１０ｍｍ以下とすることが好ましい。一方、有機繊維を骨格として機能させ、断熱材の圧縮強度を確保する観点から、平均繊維長は０．５ｍｍ以上とすることが好ましい。

（無機粒子）
さらに、無機粒子を含有することもできる。無機粒子の平均二次粒子径が０．０１μｍ以上であると、入手しやすく、製造コストの上昇を抑制することができる。また、２００μｍ以下であると、所望の断熱効果を得ることができる。したがって、無機粒子の平均二次粒子径は、０．０１μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましく、０．０５μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。

無機粒子として、単一の無機粒子を使用してもよいし、２種以上の無機粒子（第１の無機粒子及び第２の無機粒子）を組み合わせて使用してもよい。第１の無機粒子及び第２の無機粒子としては、熱伝達抑制効果の観点から、酸化物粒子、炭化物粒子、窒化物粒子及び無機水和物粒子から選択される少なくとも１種の無機材料からなる粒子を使用することが好ましく、酸化物粒子を使用することがより好ましい。また、第１の無機粒子及び第２の無機粒子の形状についても特に限定されないが、ナノ粒子、中空粒子及び多孔質粒子から選択される少なくとも１種を含むことが好ましく、具体的には、シリカナノ粒子、金属酸化物粒子、マイクロポーラス粒子や中空シリカ粒子等の無機バルーン、熱膨張性無機材料からなる粒子、含水多孔質体からなる粒子等を使用することもできる。

なお、２種以上の熱伝達抑制効果が互いに異なる無機粒子を併用すると、多段に冷却することができ、吸熱作用をより広い温度範囲で発現できる。具体的には、大径粒子と小径粒子とを混合使用することが好ましい。例えば、一方の無機粒子として、ナノ粒子を使用する場合に、他方の無機粒子として、金属酸化物からなる無機粒子を含むことが好ましい。以下、小径の無機粒子を第１の無機粒子、大径の無機粒子を第２の無機粒子として、無機粒子についてさらに詳細に説明する。

（第１の無機粒子）
（酸化物粒子）
第１の無機粒子として、酸化物粒子が好ましい。酸化物粒子は屈折率が高く、光を乱反射させる効果が強いため、特に異常発熱などの高温度領域において輻射伝熱を抑制することができる。酸化物粒子としては、シリカ、チタニア、ジルコニア、ジルコン、チタン酸バリウム、酸化亜鉛及びアルミナから選択される少なくとも１種の粒子を使用することができる。特に、シリカは断熱性が高い成分であり、チタニアは他の金属酸化物と比較して屈折率が高い成分であって、５００℃以上の高温度領域において光を乱反射させ輻射熱を遮る効果が高いため、酸化物粒子としてシリカ及びチタニアを用いることが最も好ましい。

酸化物粒子の粒子径は、輻射熱を反射する効果に影響を与えることがあるため、平均一次粒子径を所定の範囲に限定すると、より一層高い断熱性を得ることができる。すなわち、酸化物粒子の平均一次粒子径が０．００１μｍ以上であると、加熱に寄与する光の波長よりも十分に大きく、光を効率よく乱反射させるため、５００℃以上の高温度領域において無機断熱材３０における熱の輻射伝熱が抑制され、より一層断熱性を向上させることができる。一方、酸化物粒子の平均一次粒子径が５０μｍ以下であると、圧縮されても粒子間の接点や数が増えず、伝導伝熱のパスを形成しにくいため、特に伝導伝熱が支配的な通常温度域の断熱性への影響を小さくすることができる。

なお、本実施形態において平均一次粒子径は、顕微鏡で粒子を観察し、標準スケールと比較し、任意の粒子１０個の平均を取ることにより求めることができる。

（ナノ粒子）
第１の無機粒子としてナノ粒子が好ましく、ナノ粒子は低密度であるため伝導伝熱を抑制し、更に空隙が細かく分散するため、対流伝熱を抑制する優れた断熱性を得ることができる。このため、通常の常温域の電池使用時において、隣接するナノ粒子間の熱の伝導を抑制することができる点で、ナノ粒子を使用することが好ましい。

なお、ナノ粒子とは、球形又は球形に近い平均一次粒子径が１μｍ未満のナノメートルオーダーの粒子を表す。

また、酸化物粒子として、平均一次粒子径が小さいナノ粒子を使用すると、電池セルの熱暴走に伴う膨張によって無機断熱材３０の内部密度が上がった場合であっても、無機断熱材３０の伝導伝熱の上昇を抑制することができる。これは、ナノ粒子が静電気による反発力で粒子間に細かな空隙ができやすく、かさ密度が低いため、クッション性があるように粒子が充填されるからであると考えられる。

なお、第１の無機粒子としてナノ粒子を使用する場合に、上記ナノ粒子の定義に沿ったものであれば、材質について特に限定されない。例えば、シリカナノ粒子は、断熱性が高い材料であることに加えて、粒子同士の接点が小さいため、シリカナノ粒子により伝導される熱量は、粒子径が大きいシリカ粒子を使用した場合と比較して小さくなる。また、一般的に入手されるシリカナノ粒子は、かさ密度が０．１（ｇ／ｃｍ^３）程度であるため、例えば、無機断熱材３０に対して大きな圧縮応力が加わった場合であっても、シリカナノ粒子同士の接点の大きさ（面積）や数が著しく大きくなることはなく、断熱性を維持することができる。したがって、ナノ粒子としてはシリカナノ粒子を使用することが好ましい。シリカナノ粒子としては、湿式シリカ、乾式シリカ及びエアロゲル等を使用することができる。

ナノ粒子の平均一次粒子径を所定の範囲に限定すると、より一層高い断熱性を得ることができる。すなわち、ナノ粒子の平均一次粒子径を１ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすると、特に５００℃未満の温度領域において、断熱材内における熱の対流伝熱及び伝導伝熱を抑制することができ、断熱性をより一層向上させることができる。また、圧縮応力が印加された場合であっても、ナノ粒子間に残った空隙と、多くの粒子間の接点が伝導伝熱を抑制し、無機断熱材３０の断熱性を維持することができる。また、ナノ粒子の平均一次粒子径は、２ｎｍ以上であることがより好ましく、３ｎｍ以上であることが更に好ましい。一方、ナノ粒子の平均一次粒子径は、５０ｎｍ以下であることがより好ましく、１０ｎｍ以下であることが更に好ましい。

（無機水和物粒子）
無機水和物粒子は、発熱体からの熱を受けて熱分解開始温度以上になると熱分解し、自身が持つ結晶水を放出して発熱体及びその周囲の温度を下げる、所謂「吸熱作用」を発現する。また、結晶水を放出した後は多孔質体となり、無数の空気孔により断熱作用を発現する。

無機水和物の具体例として、水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）_３）、水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）_２）、水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）_２）、水酸化亜鉛（Ｚｎ（ＯＨ）_２）、水酸化鉄（Ｆｅ（ＯＨ）_２）、水酸化マンガン（Ｍｎ（ＯＨ）_２）、水酸化ジルコニウム（Ｚｒ（ＯＨ）_２）、水酸化ガリウム（Ｇａ（ＯＨ）_３）等が挙げられる。

例えば、水酸化アルミニウムは約３５％の結晶水を有しており、下記式に示すように、熱分解して結晶水を放出して吸熱作用を発現する。そして、結晶水を放出した後は多孔質体であるアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）となり、断熱材として機能する。
２Ａｌ（ＯＨ）_３→Ａｌ_２Ｏ_３＋３Ｈ_２Ｏ

なお、熱暴走を起こした電池セルでは、２００℃を超える温度に急上昇し、７００℃付近まで温度上昇を続ける。したがって、無機粒子としては熱分解開始温度が２００℃以上である無機水和物からなることが好ましい。

上記に挙げた無機水和物の熱分解開始温度は、水酸化アルミニウムは約２００℃、水酸化マグネシウムは約３３０℃、水酸化カルシウムは約５８０℃、水酸化亜鉛は約２００℃、水酸化鉄は約３５０℃、水酸化マンガンは約３００℃、水酸化ジルコニウムは約３００℃、水酸化ガリウムは約３００℃であり、いずれも熱暴走を起こした電池セルの急激な昇温の温度範囲とほぼ重なり、温度上昇を効率よく抑えることができることから、好ましい無機水和物であるといえる。

また、無機水和物粒子の平均粒子径が大きすぎると、無機断熱材３０の中心付近にある無機水和物粒子が、その熱分解温度に達するまでにある程度の時間を要するため、無機断熱材３０の中心付近の無機水和物粒子が熱分解しきれない場合がある。このため、無機水和物粒子の平均二次粒子径は、０．０１μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましく、０．０５μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。

（熱膨張性無機材料からなる粒子）
熱膨張性無機材料としては、バーミキュライト、ベントナイト、雲母、パーライト等を挙げることができる。

（含水多孔質体からなる粒子）
含水多孔質体の具体例としては、ゼオライト、カオリナイト、モンモリロナイト、酸性白土、珪藻土、湿式シリカ、乾式シリカ、エアロゲル、マイカ、バーミキュライト等が挙げられる。

（無機バルーン）
無機バルーンが含まれると、５００℃未満の温度領域において、断熱材内における熱の対流伝熱又は伝導伝熱を抑制することができ、無機断熱材３０の断熱性をより一層向上させることができる。

無機バルーンとしては、シラスバルーン、シリカバルーン、フライアッシュバルーン、バーライトバルーン、及びガラスバルーンから選択される少なくとも１種を用いることができる。

無機バルーンの含有量としては、無機断熱材３０の全質量に対し、６０質量％以下が好ましい。

また、無機バルーンの平均粒子径としては、１μｍ以上１００μｍ以下が好ましい。

（第２の無機粒子）
第２の無機粒子は、第１の無機粒子と材質や粒子径等が異なっていれば特に限定されない。第２の無機粒子としては、酸化物粒子、炭化物粒子、窒化物粒子、無機水和物粒子、シリカナノ粒子、金属酸化物粒子、マイクロポーラス粒子や中空シリカ粒子等の無機バルーン、熱膨張性無機材料からなる粒子、含水多孔質体からなる粒子等を使用することができ、これらの詳細については、上述のとおりである。

なお、ナノ粒子は伝導伝熱が極めて小さいとともに、無機断熱材３０に圧縮応力が加わった場合であっても、優れた断熱性を維持することができる。また、チタニア等の金属酸化物粒子は、輻射熱を遮る効果が高い。さらに、大径の無機粒子と小径の無機粒子とを使用すると、大径の無機粒子同士の隙間に小径の無機粒子が入り込むことにより、より緻密な構造となり、熱伝達抑制効果を向上させることができる。したがって、上記第１の無機粒子として、ナノ粒子を使用した場合に、さらに、第２の無機粒子として、第１の無機粒子よりも大径である金属酸化物からなる粒子を、無機断熱材３０に含有させることが好ましい。

金属酸化物としては、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化アルミニウム、チタン酸バリウム、酸化亜鉛、ジルコン、酸化ジルコニウム等を挙げることがでる。特に、酸化チタン（チタニア）は他の金属酸化物と比較して屈折率が高い成分であり、５００℃以上の高温度領域において光を乱反射させ輻射熱を遮る効果が高いため、チタニアを用いることが最も好ましい。

第２の無機粒子の平均一次粒子径は、１μｍ以上５０μｍ以下であると、５００℃以上の高温度領域で効率よく輻射伝熱を抑制することができる。第２の無機粒子の平均一次粒子径は、５μｍ以上３０μｍ以下であることが更に好ましく、１０μｍ以下であることが最も好ましい。

（不融化繊維）
上記無機繊維に代えて、又はその一部を不融化繊維としてもよい。不融化繊維は、ポリアクリロニトリル、セルロース、ピッチなどの熱可塑性樹脂を不融化処理した繊維などが挙げられる。なお、不融化繊維とは、例えば不融化処理された繊維であり、不融化処理としては、放射線、電子線などを照射し架橋させる方法、酸素や水蒸気中で高温に曝し、酸素の作用により不融化させる方法などがある。

（炭素含有量）
不融化繊維は、炭素含有量が５５～９５質量％であることが好ましい。炭素含有量が５５質量％以上であると、熱分解による重量減少が既に進行しているので、熱分解による収縮は少なく、熱暴走時、火炎に直接さらされても、原形をとどめ、断熱性を維持することができる。炭素含有量が９５質量％以下であると、炭素以外の成分を脱離させ、炭素だけの構造に変化するために吸熱反応が起こるので、無機断熱材３０の裏面に熱が到達する時間を遅らせることができる。

望ましい炭素含有量の下限は、６０質量％以上である。また、望ましい炭素含有量の上限は９０質量％以下、さらに望ましい炭素含有量の上限は８５質量％以下である。

炭素含有量は、熱処理することにより調整することができる。例えば１５０～３００℃の範囲内の大気中あるいは酸素中での熱処理は、不融化をさらに促進するとともに炭素以外の成分を除去し炭素含有量を高めることができる。例えば３００～１０００℃の範囲内の熱処理は、縮合多環芳香族構造の形成を進行させるとともに分解ガスを発生し炭素含有量を高めることができる。

なお、不融化繊維は、熱可塑性繊維を不融化した繊維に限定されない。上記炭素含有量の範囲であれば、無機繊維であってもよい。

（繊維形状）
不融化繊維は短繊維からなり、これらが集成して全体の形態としてマット、抄造体、ブランケットを構成することが好ましい。

短繊維であるとは、連続繊維ではないことを示している。連続繊維では、クロス、フィラメントワインディングのように繊維の配向方向が揃って繊維束を形成するのに対し、繊維を用いることにより、繊維がランダムな方向を向いた集成体（マットやブランケット、抄造体）となる。そして、短繊維を用いた無機断熱材３０は、導電パスが短いので、炭素化の進んだ繊維や、熱暴走に伴って炭素化が進行しても、導電性を低くすることができる。また、繊維がランダムに配向し、繊維同士が点接触となりやすく、熱伝導を低くすることができる。

抄造体は、不融化繊維のミルド繊維やチョップド繊維（繊維長０．０１～１０ｍｍ程度）を水に分散させ、抄造することによって得ることができる。マットやブランケットは、繊維長１０～１０００ｍｍ程度の不融化繊維を積層し、圧縮することによって得ることができる。その際、全体の強度や形状を保持するために、バインダを添加してもよい。なお、バインダとしては、樹脂などの有機バインダ、セラミックス前駆体などの無機バインダなどが利用できる。

また、不融化繊維は、繊維径が１～３０μｍであることが好ましい。不融化繊維の繊維径が１μｍ以上であると、高温に曝されても空気酸化、昇華の速度を抑制し、防炎の効果を長時間維持することができる。一方、不融化繊維の繊維径が３０μｍ以下であると、高温に曝され炭素化しても一定のしなやかさを保持し、変形、衝撃が生じても破損しにくくすることができる。

なお、不融化繊維の他にも、上記した有機繊維や無機粒子を含むことができる。

また、無機断熱材３０は、乾式シートであってもよく、湿式シートであってもよい。以下に製造方法について説明する。

（無機断熱材３０の製造方法）
無機断熱材３０は、繊維成分及び粒子成分、更には他の配合材料を、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。

（乾式プレス成形法を用いた製造方法）
乾式プレス成形法では、繊維成分、粒子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、無機断熱材３０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。

なお、プレス成形時のプレス圧は、０．９８ＭＰａ以上９．８０ＭＰａ以下の範囲であることが好ましい。プレス圧が０．９８ＭＰａ未満であると、得られる無機断熱材３０において、強度を保つことができずに崩れてしまうおそれがある。一方、プレス圧が９．８０ＭＰａを超えると、過度の圧縮によって加工性が低下したり、かさ密度が高くなるため固体伝熱が増加し、断熱性が低下するおそれがある。

また、乾式プレス成形法を用いる場合には、有機バインダとして、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ：ＰｏｌｙＶｉｎｙｌ Ａｌｃｏｈｏｌ）を使用することが好ましいが、乾式プレス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。

（乾式押出成形法を用いた製造方法）
乾式押出成形法では、繊維成分、粒子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、無機断熱材３０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。

（湿式成形法を用いた製造方法）
湿式成形法では、繊維成分、粒子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、無機断熱材３０を得ることができる。

なお、加熱及び加圧工程の前に、湿潤シートに熱風を通気させて、シートを乾燥する通気乾燥処理を実施してもよいが、この通気乾燥処理を実施せず、湿潤した状態で加熱及び加圧してもよい。また、湿式成形法を用いる場合には、有機バインダとして、カチオン化デンプンやアクリル樹脂を選択することができる。

［蓄電装置］
図４Ａは、図１Ａに示すバスバー１を用いた場合であるが、図示されるように、蓄電装置１００は、複数の電池セル１１０を、電池ケース１２０に収容したものである。そして、隣接する電池セル１１０と電池セル１１０とを図１Ａのバスバー１で接続している。

図４Ｂは、図１Ｂに示すバスバー１を用いた場合であるが、図示されるように、蓄電装置１００は、複数の電池セル１１０を、電池ケース１２０に収容したものである。そして、隣接する電池セル１１０と電池セル１１０とを図１Ｂのバスバー１で接続している。

バスバー１は、無機断熱材３０と無機繊維シート１０とを備える積層体で包囲されており、ある電池セル１１０が熱暴走を起こしても、バスバー１を保護できるとともに、バスバー１を介して隣接する電池セル１１０への熱暴走の連鎖を防ぐことができる。

なお、図示は省略するが、複数のモジュールをバスバー１で接続してもよい。

１ バスバー
５ バスバー本体
６ａ、６ｂ 接続孔
１０ 無機繊維シート
２０ 吸熱反応層
３０ 無機断熱材
１００ 蓄電装置
１１０ 電池セル
１１１ 電極
１２０ 電池ケース

Claims (20)

1. 電池セルを含む蓄電装置に用いられるバスバーであって、
   導電性材料からなるバスバー本体が、無機繊維シートにより巻回されている、バスバー。
2. 前記無機繊維シートは、無機繊維クロスであることを特徴とする請求項１に記載のバスバー。
3. 前記無機繊維シートは、シリカ繊維、アルミナ繊維、ガラス繊維、ロックウール繊維、及びＡＥＳ（アルカリアースシリケート）繊維から選択される少なくとも１種であることを特徴とする請求項１に記載のバスバー。
4. 前記無機繊維シートは、多重に巻回していることを特徴とする請求項１に記載のバスバー。
5. 前記無機繊維シートの前記電池セルと対向する側と、前記バスバー本体との間に無機断熱材が配置され、前記バスバー本体とともに前記無機繊維シートにより巻回されていることを特徴とする請求項２に記載のバスバー。
6. 前記無機断熱材は、無機粒子を含む湿式シート又は乾式シートであることを特徴とする請求項５に記載のバスバー。
7. 前記無機繊維クロスは、前記電池セルと対向する面とは反対側の面を除いて、前記無機繊維クロス同士及び前記無機繊維クロスと前記無機断熱材と前記バスバー本体とは接着されていないことを特徴とする請求項５に記載のバスバー。
8. 前記無機繊維クロスと前記無機断熱材と前記バスバー本体との間の少なくとも一つは、接着されておらず、空気層が存在することを特徴とする請求項５に記載のバスバー。
9. 前記電池セルと対向する側とは反対側で、前記無機繊維クロス間が接着されていることを特徴とする請求項２に記載のバスバー。
10. 前記無機断熱材は、無機繊維又は不融化繊維を含むことを特徴とする請求項５に記載のバスバー。
11. 前記不融化繊維は、炭素含有量が５５～９５質量％であることを特徴とする請求項１０に記載のバスバー。
12. 前記不融化繊維は、短繊維からなることを特徴とする請求項１０に記載のバスバー。
13. 前記不融化繊維は、繊維径が１～３０μｍであることを特徴とする請求項１０に記載のバスバー。
14. 前記無機断熱材は、有機繊維を含むことを特徴とする請求項５に記載のバスバー。
15. 前記無機断熱材は、無機粒子を含むことを特徴とする請求項５に記載のバスバー。
16. 前記無機粒子は、互いに平均粒子径が異なる第１の無機粒子及び第２の無機粒子を含むことを特徴とする請求項１５に記載のバスバー。
17. 前記第１の無機粒子は、酸化物粒子、炭化物粒子、窒化物粒子及び無機水和物粒子から選択される少なくとも１種からなることを特徴とする請求項１６に記載のバスバー。
18. 前記第１の無機粒子は、ナノ粒子、中空粒子及び多孔質粒子から選択される少なくとも１種からなることを特徴とする請求項１６又は１７に記載のバスバー。
19. 前記第２の無機粒子は、金属酸化物粒子であることを特徴とする請求項１６に記載のバスバー。
20. 複数の電池セル又はモジュールを、請求項１又は２に記載のバスバーで接続した、蓄電装置。

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