JP2025035695A - 熱伝達抑制シート及び台座付き熱伝達抑制シート、並びに組電池 - Google Patents

Abstract

【課題】熱暴走を起こした電池セルからの高熱の伝熱を効果的に抑制できるとともに、電池セルの膨張・収縮への追従性にも優れた熱伝達抑制シートを提供する。また、このような熱伝達抑制シートを備え、安全性の高い組電池を提供する。
【解決手段】熱伝達抑制シート１は、断熱層１０と、熱伝導層３０とが、有機弾性層２０を介して積層している。また、台座付き熱伝達抑制シート６０は、熱伝達抑制シート１の片面又は両面に、電池セル４０を載置する断熱材料からなる電池セル用台座７０を一体に設けてなる。さらに、組電池１００は、複数の電池セル４０が、熱伝達抑制シート１の熱伝導層３０を電池セル４０の主面に当接させて介挿されているとともに、電池セル４０同士が直列又は並列に接続されている。また、組電池１００は、台座付き熱伝達抑制シート６０の電池セル用台座７０に電池セル４０が載置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、組電池に好適に使用される、熱伝達抑制シート及び台座付き熱伝達抑制シートに関する。また、本発明は、このような熱伝達抑制シートを備えた組電池に関する。

近年、環境保護の観点から電動モータで駆動する電気自動車又はハイブリッド車等の開発が盛んに進められている。この電気自動車又はハイブリッド車等には、駆動用電動モータの電源となるための、複数の電池セルが直列又は並列に接続された組電池が搭載されている。

電池セルには、鉛蓄電池やニッケル水素電池等に比べて、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。そして、電池の内部短絡や過充電等が原因で、ある電池セルが急激に昇温し、その後も発熱を継続するような熱暴走を起こした場合、熱暴走を起こした電池セルからの高熱や火炎が、隣接する他の電池セルに伝播するおそれがある。そのため、電池セル間に熱伝達抑制シートを介在させて、熱暴走の伝達や延焼を防止している。

熱伝達抑制シートとして、例えば特許文献１には、ゴム状弾性体からなるゴムシートと、ゴムシートの両面に積層される断熱シートと、断熱シートの外側に積層され、ゴムシートおよび断熱シートよりも熱伝導性に優れる熱伝導シートとで構成された多層体が開示される。ゴムシートは、クッション性を発揮させて熱源（電池セル）と熱伝導シートとの密着性を高める機能と、熱伝導シート及び断熱シートに加わる荷重によって熱伝導シート及び断熱シートが破損しないようにする保護部材として機能とを有する。

特開２０２１－９８３０８号公報

しかしながら、特許文献１の熱伝達抑制シートでは、ゴムシートの弾力性が断熱シートを介して熱伝導シートに伝達されるため、熱伝達シートの熱源への密着性が十分とはいえない。組電池では、熱暴走した電池セルへの対策とともに、電池セルが充放電の際に膨張・収縮するため熱伝達抑制シートの追従性も強く要求される。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、熱暴走を起こした電池セルからの高熱の伝熱を効果的に抑制できるとともに、電池セルの膨張・収縮への追従性にも優れた熱伝達抑制シートを提供することを目的とする。また、本発明は、熱暴走した電池セルからの伝熱を効果的に抑制するとともに、電池セルの膨張・収縮への追従性にも優れた熱伝達抑制シートを備え、安全性の高い組電池を提供することを目的とする。

本発明の上記目的は、熱伝達抑制シートに係る下記［１］の構成により達成される。

［１］ 断熱層と、熱伝導層とが、有機弾性層を介して積層していることを特徴とする熱伝達抑制シート。

熱伝達抑制シートに係る本発明の好ましい実施形態は、以下の［２］に関する。

［２］ 前記熱伝導層が、ＳｉＣ、ＢＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４及び炭素系材料から選ばれる少なくとも１種を含む樹脂からなることを特徴とする、［１］に記載の熱伝達抑制シート。

本発明の上記目的は、台座付き熱伝達抑制シートに係る下記［３］の構成により達成される。

［３］ 組電池において、電池セルとクーリングプレートとの間に介在して前記電池セルを載置する断熱材料からなる台座を、
断熱層と、熱伝導層とが、有機弾性層を介して積層している熱伝達抑制シートの片面又は両面に一体に設けたことを特徴とする台座付き熱伝達抑制シート。

台座付き熱伝達抑制シートに係る本発明の好ましい実施形態は、以下の［４］に関する。

［４］ 前記熱伝導層が、ＳｉＣ、ＢＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４及び炭素系材料から選ばれる少なくとも１種を含む樹脂からなることを特徴とする、［３］に記載の台座付き熱伝達抑制シート。

本発明の上記目的は、組電池に係る下記［５］又は［６］の構成により達成される。

［５］ 電池セル間において、［１］又は［２］に記載の熱伝達抑制シートが、前記熱伝導層を前記電池セルの主面に当接させて介挿されているとともに、
前記電池セル同士が直列又は並列に接続されていることを特徴とする、組電池。

［６］ クーリングプレート上に配設された［３］又は［４］に記載の台座付き熱伝達抑制シートにおける前記台座に電池セルが載置され、かつ、前記熱伝導層を前記電池セルの主面に当接させて介挿されているとともに、
前記電池セル同士が直列又は並列に接続されていることを特徴とする、組電池。

本発明の熱伝達抑制シートは、有機弾性層の弾性力が熱伝導層に効果的に伝達されて、熱伝導層と電池セルとの密着性が高まるため、電池セルの膨張・収縮への追従性が高まる。
また、熱暴走を起こした電池セルからの高熱や火炎が、熱伝導層を介して有機弾性層に伝導され、これにより有機弾性層が消失して空間が生成する。この空間は空気層であるため断熱性が高く、断熱層による断熱と相俟ってより高い断熱性が得られる。
さらには、熱伝導層が、ＳｉＣ、ＢＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４及び炭素系材料から選ばれる少なくとも１種を含む樹脂からなる場合、当該熱伝導層がチャー（炭素物質）を生成するため、断熱性がより一層高まる。

また、本発明の台座付き熱伝達抑制シートは、上記熱伝達抑制シートに、電池セルを載置するための断熱材料からなる台座を一体に設けたものであるため、上記熱伝達抑制シートによる上記効果に加え、電池セルの底面からの熱を効果的に断熱できるため、断熱性能がより高まる。

そして、本発明の熱伝達抑制シート又は台座付き熱伝達抑制シートを備える組電池は、熱暴走を起こした電池セルからの高熱や火炎が、隣接する電池セルに伝達することが効果的に抑えられ、更には電池セルの膨張・収縮への追従性にも優れるため、安全性に優れる。

図１は、本発明の熱伝達抑制シートの一実施形態を模式的に示す断面図である。 図２は、図１に示す熱伝達抑制シートにおいて、熱暴走を起こした電池セルに対する熱伝達抑制の作用効果を説明するための図である。 図３は、本発明の台座付き熱伝達抑制シートの一実施形態を模式的に示す断面図である。 図４は、図１に示す本発明の熱伝達抑制シートを備える組電池（その１）を示す模式図である。 図５は、図３に示す本発明の台座付き熱伝達抑制シートを備える組電池（その２）を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について、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。

［熱伝達抑制シート］
図１は、本発明の熱伝達抑制シート１の一実施形態を模式的に示す断面図である。熱伝達抑制シート１は、断熱層１０の両面に、有機弾性層２０を介して熱伝導層３０を積層して構成されている。各層は、接着剤や両面粘着テープで接着したり、熱融着するなどして一体化される。そして、組電池において、熱伝達抑制シート１が、図中の点線で示す電池セル４０間に介挿される。

断熱層１０を構成する断熱材には特に制限はなく、従来から用いられているものを利用することができるが、下記の配合物を含有することが好ましい。

断熱材は、無機粒子と有機繊維とを有する断熱材とすることができる。また、断熱材は、無機粒子及び有機繊維の間に、複数の三次元的に連結した空孔を有する。なお、有機繊維は、表面の少なくとも一部を被覆する溶着部を有し、無機粒子の少なくとも一部は、溶着部により有機繊維の表面に溶着されている。これにより、有機繊維の表面は無機粒子で覆われた構成となっている。

このように構成された断熱材においては、複数の三次元的に連結した空孔を有するため、空気断熱による効果が得られ、断熱性能を向上させることができる。また、断熱材は、高い柔軟性を有する有機繊維を含んでいるため、断熱材の柔軟性を高めることができるとともに、有機繊維同士が絡まりやすくなり、断熱材全体の強度を向上させる。さらに、空孔が存在することにより、断熱材全体のクッション性が向上するため、電池セル４０が充放電時に膨張した際に、断熱材は、電池セル４０の膨張分を吸収できる。したがって、このような断熱材を有する断熱層１０の破壊を抑制することができる。

また、空孔の少なくとも一部が断熱材の表面に連通しており、外方に向けて開口していることが好ましい。空孔がこのように構成されていると、電池セル４０が熱暴走した際に高熱が熱伝導層３０を介して断熱層１０に伝達し、有機繊維等が分解された場合であっても、その分解ガスが断熱材の内部にとどまることなく、空孔を介して外部に放出される。したがって、この点からも、断熱層１０の破壊を防止する効果を得ることができる。

上記したように、有機繊維の外周面における溶着部が無機粒子を有機繊維に固着させていると、無機粒子の脱落（粉落ち）を抑制する効果を得ることができる。したがって、例えば、電池セル４０が膨張して断熱層１０に圧縮応力や衝撃が加えられた場合でも、断熱材の形状を保持する効果をより一層高めることができ、断熱材の圧縮変形による断熱効果の低下を防止することができる。

また、断熱材は、無機繊維を含むことが好ましい。無機繊維は高温でも分解しにくいため、電池セル４０が熱暴走して断熱材の有機繊維が分解しても、無機繊維が残存するため、断熱材の形状を確実に保持することができる。また、比較的硬い無機繊維に、柔軟性を有する有機繊維が絡まりやすく、無機繊維と有機繊維とにより立体的な骨格が形成されるため、断熱材の強度をより一層向上させることができる。

なお、断熱材は、湿式法及び乾式法のいずれの方法で製造されていてもよい。

さらに、断熱材の厚さ方向と直交する第１面及び第２面の少なくとも一方に、マイカシートが積層されていてもよい。マイカは、耐熱性及び絶縁性に優れており、さらにマイカを含む材料をシート状に加工したマイカシートは、耐衝撃性にも優れている。したがって、電池セル４０が高温により破裂し、飛散物が発生した場合に、マイカシートによって断熱材が保護されるため、断熱層１０が破損することを抑制することができる。

有機弾性層２０は、その内部に気泡を有するスポンジ状の部材、又は気泡を含まないゴム状弾性体のいずれでもよいが、弾性性能や、気泡となる空気による断熱性能の面からスポンジ状の部材がより好ましい。有機弾性層２０を構成する有機材料としては、例えば、ウレタンゴム、イソプレンゴム、エチレンプロピレンゴム、天然ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、ニトリルゴム（ＮＢＲ）あるいはスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等の熱硬化性エラストマーや、ウレタン系、エステル系、スチレン系、オレフィン系、ブタジエン系、フッ素系、シロキサン系等の熱可塑性エラストマー、あるいはそれらの複合物を挙げることができる。

熱伝導層３０は、電池セル４０に当接して電池セル４０からの熱を伝達する部材であるとともに、電池セル４０と当接するため、高い絶縁性を有することも要求される。そのため、熱伝導性及び絶縁性に優れる材料であれば制限はないが、樹脂を焼成してなるグラファイト製のフィルムや、炭素と樹脂とを含むシート等を用いることができる。樹脂としては、例えば、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、芳香族ポリアミド（アラミド繊維）等の熱可塑性樹脂を挙げることができる。また、炭素としては、グラファイト、カーボンブラック、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン等を挙げることができる。

また、熱伝導性をより高めるために、ＳｉＣ、ＢＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４等の熱伝導性フィラーを樹脂中に分散させてもよい。

熱伝達抑制シート１は、上記の断熱層１０、有機弾性層２０及び熱伝導層３０の積層体であり、電池セル４０間に介挿される。図４に示すように、組電池１００では、電池セル４０はクーリングプレート５０に載置されているのが一般的であり、図１に示すように熱伝達抑制シート１は、一方の端面（図１の下端面）が、破線で示すクーリングプレート５０に当接している。そのため、電池セル４０からの熱の一部は電池セル４０の底面を通じてクーリングプレート５０に直接伝導するとともに、残りの熱は熱伝達抑制シート１の熱伝導層３０を介してクーリングプレート５０に伝導したり、有機弾性層２０を介して断熱層１０に伝導する。

なお、クーリングプレート５０は、冷却機能を有するものであれば特に制限はない。例えば、アルミニウムやアルミニウム合金などの金属板の内部に循環路を設け、循環路に冷却液を流通させる構造を有する。あるいは、ゲルプレートなども使用できる。

そして、図２に示すように、ある電池セル４０Ａが熱暴走を起こした際に、電池セル４０Ａからの高熱が、電池セル４０Ａに隣接している熱伝導層３０Ａを介して、熱伝導層３０Ａに隣接している有機弾性層２０Ａに伝わる。有機弾性層２０Ａは、有機材料であるため、比較的低温で容易に溶融、分解して消失する。それとともに、電池セル４０Ａからの爆風（セル膨張による圧力）により、熱伝導層３０Ａが断熱層１０の側に押されて電池セル４０Ａとの間や、熱伝導層３０Ａと断熱層１０との間に空間が生成する。この空間は、空気層であるため断熱性が高く、断熱層１０による断熱と相俟って、より高い断熱性が得られる。

また、熱伝導層３０Ａもチャー（炭素物質）を生成し、電池セル４０Ａからの火炎の延焼を防ぐ。

このように、熱伝達抑制シート１を、断熱層１０の両面に、有機弾性層２０を介して熱伝導層３０を積層して構成することにより、弾性性能及び断熱性能により優れるようになる。

［台座付き熱伝達抑制シート］
また、上記した熱伝達抑制シート１に、電池セル４０を載置するための電池セル用台座７０を一体に付設することもできる。図３に、電池セル用台座７０が一体となった台座付き熱伝達抑制シート６０の一実施形態を示す。台座付き熱伝達抑制シート６０は、熱伝達抑制シート１の熱伝導層３０の両面の下端に電池セル用台座７０が付設されている。また、電池セル用台座７０は、接着剤や両面粘着テープにより接着される。

電池セル用台座７０は断熱材料からなり、熱暴走を起こした電池セル４０の底面からの高熱や火炎から周囲を保護する。また、熱暴走を起こした電池セル４０の他の部位からの高熱や火炎は、上記した熱伝達抑制シート１と同様にして防がれる。

なお、電池セル用台座７０を構成する断熱材料は、上記した熱伝達抑制シート１の断熱層１０を構成する断熱材でもよく、他の断熱材料であってもよい。

［組電池（その１）］
図４は、図１に示す熱伝達抑制シート１を備える組電池１００を示す模式図である。図示されるように、組電池１００は、複数の電池セル４０が、クーリングプレート５０の面上に載置されており、電池セル４０間には、熱伝達抑制シート１が介在している。また、電池セル４０同士は、バスバーにより直列又は並列に接続されている。そして、熱伝達抑制シート１、電池セル４０、クーリングプレート５０が電池ケース１１０に収容されている。

熱伝達抑制シート１は、上記のように有機弾性層２０の消失により生成する空気層、熱伝導層３０のチャーの生成により、ある電池セル４０が熱暴走を起こしたときでも安全性を確保することができる。

［組電池（その２）］
図５は、図３に示した台座付き熱伝達抑制シート６０を備える組電池１００を示す模式図である。図示されるように、組電池１００は、台座付き熱伝達抑制シート６０をクーリングプレート５０の面上に載置し、更に電池セル用台座７０に電池セル４０を載置している。また、電池セル４０間には、熱伝達抑制シート１が介在している。そして、電池セル４０同士は、バスバーにより直列又は並列に接続されており、台座付き熱伝達抑制シート６０、電池セル４０、クーリングプレート５０が電池ケース１１０に収容されている。

台座付き熱伝達抑制シート６０は、有機弾性層２０の消失により生成する空気層、熱伝導層３０のチャーの生成による断熱効果に加えて、断熱材料からなる電池セル用台座７０の断熱効果が加味されて安全性がより高まる。

１ 熱伝達抑制シート
１０ 断熱層
２０、２０Ａ 有機弾性層
３０ 熱伝導層
４０ 電池セル
５０ クーリングプレート
６０ 台座付き熱伝達抑制シート
７０ 電池セル用台座
１００ 組電池
１１０ 電池ケース

Claims (6)

1. 断熱層と、熱伝導層とが、有機弾性層を介して積層していることを特徴とする熱伝達抑制シート。
2. 前記熱伝導層が、ＳｉＣ、ＢＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４及び炭素系材料から選ばれる少なくとも１種を含む樹脂からなることを特徴とする、請求項１に記載の熱伝達抑制シート。
3. 組電池において、電池セルとクーリングプレートとの間に介在して前記電池セルを載置する断熱材料からなる台座を、
   断熱層と、熱伝導層とが、有機弾性層を介して積層している熱伝達抑制シートの片面又は両面に一体に設けたことを特徴とする台座付き熱伝達抑制シート。
4. 前記熱伝導層が、ＳｉＣ、ＢＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４及び炭素系材料から選ばれる少なくとも１種を含む樹脂からなることを特徴とする、請求項３に記載の台座付き熱伝達抑制シート。
5. 電池セル間において、請求項１又は２に記載の熱伝達抑制シートが、前記熱伝導層を前記電池セルの主面に当接させて介挿されているとともに、
   前記電池セル同士が直列又は並列に接続されていることを特徴とする、組電池。
6. クーリングプレート上に配設された請求項３又は４に記載の台座付き熱伝達抑制シートにおける前記台座に電池セルが載置され、かつ、前記熱伝導層を前記電池セルの主面に当接させて介挿されているとともに、
   前記電池セル同士が直列又は並列に接続されていることを特徴とする、組電池。

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