JP6781227B2 - 電池被覆シートおよび電池パック - Google Patents

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Description

本発明は、複数の電池を整列配置させるために用いられる電池被覆シートと、当該電池被覆シートを用いた電池パックとに関する。
リチウムイオン電池は、充電可能な二次電池であること、小型軽量であること、単位容積または単位重量当たりの蓄電容量が大きいことなどの利点を有するため、例えば、携帯型電子機器の電源として広く用いられてきた。さらに近年では、例えば、電動車椅子、電動軽車両、または電気自動車のように、携帯型電子機器よりも電力消費が大きい電気機器、あるいは、住宅用(家庭用)の蓄電池の普及が広がりつつあり、これら用途にもリチウムイオン電池が用いられている。
ここで、より大きな消費電力に対応するための手法として、複数の電池を一体化した電池パックが知られている。このような電池パックでは、従来、複数の電池を並列に整列させるために、例えば、電池の外周形状に応じた複数の凹部または複数の空間部を有する電池ホルダが用いられている。このような電池ホルダでは、隣接する個々の電池の間隔を広げた状態で整列保持することができるので、電池間の熱連鎖(任意の電池で生じた熱が他の電池に波及する現象)を抑制することができる。
さらに、電池パックとしては、電池ホルダを用いたもの以外に、複数の電池の間をポッティング材(ポッティング樹脂)により充填したものが知られている。例えば、特許文献1には、複数の円筒型の電池を整列させた状態で、これら電池の間にポッティング樹脂部が充填形成されている電池パックが開示されている。
前述した電池ホルダでは、隣接する電池の間隔を広げることができるものの、電池パック全体として見たときに、単位容積当たりに収納できる電池の本数が少なくなるため、エネルギー密度が低下してしまう。特許文献1に開示の電池パックでは、電池ホルダの代わりにポッティング材を充填したポッティング樹脂部を形成することで、電池同士の間隔を1.0mm以下に近接させてエネルギー密度の低下を回避している。また、ポッティング樹脂部が電池の外周面に密着しているので、電池に生じた熱がポッティング樹脂部全体に分散され、熱連鎖の抑制を図っている。
特開2012−028244号公報
ポッティング材を用いた電池パックの製造方法では、一般的には、複数の電池を整列させてモジュール化して成形型などに収容し、成形型などの内部に液状のポッティング材を注入して硬化させる。そのため、ポッティング材を充填する際には、例えば、電池の間に充填されるポッティング材を均等な厚みに制御することが難しい、気泡を含まないようにポッティング材を充填することも容易ではない、充填させる必要がない箇所までポッティング材が流れ込んでしまう、といった充填時の課題が生じる。これら充填時の課題は、得られる電池パックの品質に影響を及ぼすおそれがある。
また、ポッティング材を硬化する際には、液状のポッティング材を硬化するために加熱が必要である、ポッティング材を硬化させるために所定の硬化時間が必要である、といった硬化時の課題も生じる。これら硬化時の課題は、電池パックの製造コストまたは製造効率などに影響を及ぼす恐れがある。また、得られた電池パックにおいても、電池の間に硬化したポッティング材が充填されているため、当該電池パックの検査も容易ではないという課題も生じる。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、ポッティング材を用いることなく良好な品質の電池パックを効率的に製造することを目的とする。
本発明に係る電池被覆シートは、前記の課題を解決するために、無機充填材を含有する樹脂組成物により形成されたシート材であり、電池の外面の形状に沿って当該外面の少なくとも一部を被覆可能とする柔軟性を有する構成である。
前記構成によれば、無機充填材を含有する樹脂組成物により少なくとも構成され、柔軟性を有するシート材である電池被覆シートを電池の外面に被覆するだけで、内部に電池を収納する電池ホルダを容易に製造することができる。しかも、電池被覆シートを被覆した電池(シート被覆電池)を複数整列してまとめるだけで電池パックを容易に製造することができる。この電池被覆シートには無機充填材が含有されているので、電池からの熱を良好に放散することができる。それゆえ、液状のポッティング材を充填するよりも製造効率を向上することができる。
また、前記構成によれば、液状のポッティング材を用いる必要がないので、ポッティング材が気泡を含んだり不要な箇所に流れ込んだりしないようにするための対応が不要となる。しかも、液状のポッティング材を硬化させることもないので、成形型または加熱手段(あるいはポッティング材が2液混合型であれば混合手段)等の設備が不要であるとともに、硬化時間も不要となる。そのため、電池パックの製造効率を向上できるだけでなく製造コストの増加も抑制することができる。
さらに、前記構成によれば、電池被覆シートの厚さを一定にすることが可能になるため、液状のポッティング材を充填するよりも電池同士の間隔の精度を向上することができる。しかも、電池被覆シートは柔軟性を有するため、電池の外面の形状に沿うように当該電池の外面を容易に被覆することができる。それゆえ、電池の種類によらず電池ホルダおよび電池パックを容易に製造することができる。
また、前記構成によれば、電池被覆シートを被覆した電池を複数まとめるだけで電池パックを構成することができるので、電池パックでは電池被覆シートを介した状態で電池同士を実質的に隙間なく並列配置することができる。それゆえ、ポッティング材と同様に電池からの熱を隣接する電池被覆シートに分散することもできる。さらに、1枚の電池被覆シートで複数の電池を被覆することもできるので、任意の電池からの熱が他の電池に及ばないように1枚の電池被覆シートで分散することもできる。
加えて、前記構成によれば、電池パックは、電池被覆シートを被覆した電池を複数まとめて整列配置させるだけなので、得られた電池パックを外観で確認するだけでも検査が可能となる。しかも、電池被覆シートを電池に被覆するだけでよいので、電池パックの製造に際して、例えば電池パックのパッケージの形状などに合わせて、電池の配列のさせ方またはまとめ方を調整することができる。そのため、電池パックの製造時の汎用性、応用性またはデザイン性を向上することが可能となる。
前記構成の電池被覆シートにおいては、前記樹脂組成物に含有される前記無機充填材は、前記樹脂組成物の全量を100質量%としたときに30〜95質量%の範囲内である構成であってもよい。
また、前記構成の電池被覆シートにおいては、前記シート材の厚さは、0.5〜3.0mmの範囲内である構成であってもよい。
また、前記構成の電池被覆シートにおいては、前記樹脂組成物は、樹脂成分として、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、およびメラミン樹脂からなる群より選択される構成であってもよい。
また、前記構成の電池被覆シートにおいては、前記無機充填材は、二価もしくは三価の金属水酸化物、二価の金属硫酸塩水和物、亜鉛のオキソ酸塩、シリカ、アルミナ、ドーソナイト、および炭酸水素ナトリウムからなる群より選択される少なくとも1種である構成であってもよい。
また、前記構成の電池被覆シートにおいては、前記シート材は、さらに繊維製基材を備えている構成であってもよい。
また、前記構成の電池被覆シートにおいては、前記繊維製基材を構成する繊維は、ガラス繊維、ポリエステル繊維、炭素繊維、ボロン繊維、アラミド繊維、ナイロン繊維、ポリエチレン繊維、ポリアレリート繊維、BPO繊維、ポリフェニレンサルファイド繊維、ポリイミド繊維、フッ素繊維からなる群から選択される少なくとも1種の繊維である構成であってもよい。
また、前記構成の電池被覆シートにおいては、前記繊維製基材は、組物、織物、編物、不織布、単繊維、またはロービングのいずれかで構成されてもよい。
また、前記構成の電池被覆シートにおいては、前記シート材における繊維体積含有率Vfは、0.5〜50%の範囲内である構成であってもよい。
また、本発明に係る電池パックは、電池の外面の少なくとも一部が、前記構成の電池被覆シートにより被覆されている構造を含むものであればよい。
前記構成の電池パックにおいては、前記電池被覆シートは、前記電池の外面のうち端面を除く周面全体を被覆した状態で固定されている構成であってもよい。
本発明では、以上の構成により、ポッティング材を用いることなく良好な品質の電池パックを効率的に製造することができる、という効果を奏する。
(A)は、本発明に係る電池被覆シートを電池の外面に被覆してシート被覆電池を作製する過程の代表的な一例を示す模式的斜視図であり、(B)は、(A)に示すシート被覆電池を上側から見た構成の一例を示す模式的上面図であり、(C)は、シート被覆電池の構成の他の例を示す模式的上面図である。 図1(A),(B)に示すシート被覆電池の一例を示す模式的断面図および模式的上面図の対比図である。 (A)および(B)は、図2に示すシート被覆電池をまとめて電池パックを構成する際の最少ユニットの一例を示す模式的上面図である。 (A)は、本発明に係る電池被覆シートを用いたシート被覆電池の他の構成例を示す模式的平面図であり、(B)は、本発明に係る電池被覆シートを用いたシート被覆電池の他の構成例を示す模式的斜視図である。 本発明に係る電池被覆シートを用いて複数の電池をまとめて構成される電池パックの他の例を示す模式的側面図である。
以下、本発明の代表的な実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
(実施の形態1)
[電池被覆シートおよびシート被覆電池]
本開示に係る電池被覆シートは、無機充填材を含有する樹脂組成物により形成されたシート材であり、電池の外面の形状に沿って当該外面の少なくとも一部を被覆可能とする柔軟性を有する構成であればよい。
本開示において被覆対象となる電池の具体的な種類は特に限定されず、公知のさまざまな電池を挙げることができる。具体的には、例えば、リチウムイオン電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池などの二次電池を挙げることができる。これらの中でもリチウムイオン電池が特に好ましい。また、被覆対象となる電池の形状も特に限定されず、円筒型(円柱型)、ラミネート型(平板型)あるいは角型(四角柱型または直方体型)、その他の柱型等の縦長の形状等を挙げることができる(後述する実施の形態2参照)。
本実施の形態1では、図1(A)および図2に示すように、円筒型リチウムイオン電池20Aに電池被覆シート10を被覆する場合を例に挙げて本開示を説明する。なお、電池被覆シート10が被覆された電池を、説明の便宜上「シート被覆電池」と称する。
図1(A)に模式的に示すように、電池被覆シート10は、円筒型リチウムイオン電池20Aの外面のうち、例えば両端面を除く外周面(側面)全体を覆う程度の大きさを有しており、このような電池被覆シート10を円筒型リチウムイオン電池20Aの外周面に巻き付けて(例えば図1(A)における左図の矢印C)、当該外周面を被覆する(図1(A)における中図)。
このように円筒型リチウムイオン電池20Aの外周面を電池被覆シート10で被覆すると、例えば、電池被覆シート10の端縁同士が突き合せられてつなぎ目10aが生じる。このままでは、電池被覆シート10による被覆状態を維持できないので、例えば、つなぎ目10aの上に接着テープ11を貼り合わせる(図1(A)における右図)。これにより、電池被覆シート10の端縁同士が突き合わされた状態が維持されるので、円筒型リチウムイオン電池20Aに電池被覆シート10が被覆されたシート被覆電池30Aが形成される。
電池被覆シート10は、前記の通り、無機充填材を含有する樹脂組成物により形成されたものであればよい。この樹脂組成物(および無機充填材)の具体的構成については後述する。電池被覆シート10は、樹脂組成物製のシート材であればよいが、前記の通り、電池の外面の形状に沿って当該外面を被覆することが可能な柔軟性を有していればよい。
柔軟性を評価する上での具体的な測定値(もしくは試験方法、測定方法)については特に限定されない。電池被覆シート10(樹脂組成物)の柔軟性を評価する一つの測定値としては25℃における貯蔵弾性率を挙げることができる。本開示においては、電池被覆シート10の貯蔵弾性率(25℃)は特に限定されないが、代表的には、0.1〜50MPaの範囲内を挙げることができる。
言い換えれば、本開示においては、電池被覆シート10(樹脂組成物)の貯蔵弾性率(25℃)が0.1〜50MPaの範囲内にあれば、電池を被覆するシート材として良好な柔軟性を実現することができる。特に、樹脂組成物がウレタン樹脂組成物である場合には、貯蔵弾性率がこの範囲内にあることで、電池の外面を良好に被覆することができる。もちろん、電池被覆シート10の貯蔵弾性率(25℃)は諸条件に応じて適宜設定することができるので、前記の範囲外であってもよいことは言うまでもない。
電池被覆シート10の具体的な形状は特に限定されず、被覆対象となる電池の形状に応じて、当該電池の外面を被覆可能な形状を有していればよい。通常は、矩形状(長方形状)であればよい(図1(A)参照)。また、電池被覆シート10は、樹脂組成物製のシート材であることから、被覆対象の電池の寸法あるいは電池の被覆領域の面積に応じて、好適な大きさに適宜切断することができる。したがって、本開示に係る電池被覆シート10は、予め電池に応じた大きさに切断されたものであってもよいし、電池の種類または被覆面積等の条件に応じて適宜切断できるように大判であってもよい。
また、電池被覆シート10の厚さは特に限定されない。電池被覆シート10は、電池パックを構成したときに、隣接する電池(例えば円筒型リチウムイオン電池20A)の間で類焼などの熱連鎖を抑制するように、所定の間隔を確保できればよい。それゆえ、電池被覆シート10の厚さは、隣接する電池同士の間隔(電池間距離)に応じて適宜設定することができる。
電池被覆シート10の厚さは、代表的には、0.5〜3.0mmの範囲内であればよい。上限については、2.0mm以下であってもよいし、1.5mm以下であってもよい。下限が0.5mmであれば、シート被覆電池30A同士を隣接させた状態では、隣接する円筒型リチウムイオン電池20A同士の最少間隔(最少の電池間距離)は1.0mm程度にすることができる。これにより熱連鎖を良好に抑制することができる。もちろん、最少間隔が1.0mm未満でもよい場合には、電池被覆シート10の厚さは0.5mm未満であってもよい。
電池被覆シート10の厚さが3.0mm以下であれば、電池の種類、電池パックの具体的な構成等の諸条件にもよるが、電池パックの単位容積当たりに収納できる電池の本数を好適化することができる。それゆえ、電池パックのエネルギー密度の低下を有効に抑制することができる。もちろん、諸条件によっては、電池被覆シート10の厚さが3.0mmを超えていても電池パックのエネルギー密度の低下を回避できる場合がある。このような場合では、例えば、熱連鎖の抑制を優先させて電池被覆シート10の厚さを設定すればよい。このように電池被覆シート10が均一な厚さを有するシート材であれば、従来の電池パックのように、液状のポッティング材を充填するよりも電池同士の間隔の精度を向上することができる。
シート被覆電池30Aは、図1(B)にも示すように、円筒型リチウムイオン電池20Aの外周面を被覆した状態で、当該電池被覆シート10のつなぎ目10aを固定するために、接着テープ11が用いられる。この接着テープ11の具体的な種類は特に限定されず、電池被覆シート10の被覆状態を維持できるようにつなぎ目10aを接着できるものであればよい。好ましくは、円筒型リチウムイオン電池20Aからの発熱を考慮して耐熱性を有するものを挙げることができる。後述する実施例では、公知のイミドテープ(ポリイミド粘着テープ)を用いているがこれに限定されない。
また、シート被覆電池30Aにおいて、電池の外面を被覆した状態の電池被覆シート10を固定するための固定部材は、接着テープ11に限定されない。例えば、図1(C)に模式的に示すように、電池被覆シート10のつなぎ目10aの隙間を埋めるように接着剤12を塗工してもよい。この接着剤12の種類も特に限定されず、公知のもの(好ましくは耐熱性を有するもの)を好適に用いることができる。
なお、接着テープ11または接着剤12等の固定部材は、必ずしも電池被覆シート10のつなぎ目10aを固定するものでなくてもよい。電池被覆シート10は、電池の外面の少なくとも一部に被覆されればよいので、電池被覆シート10を被覆した状態ではつなぎ目10aが形成されるとは限らない。この場合、電池被覆シート10の端縁を電池の外面に対して固定部材で固定してもよいし、電池被覆シート10の内面すなわち電池の外面に密着する面を部分的に固定部材で固定してもよい。この場合、固定部材は、耐熱性および絶縁性を少なくとも有していればよい。
図2においては、シート被覆電池30Aの模式的断面図(図2の下図)とこれに対応する上面図(図2上図)とを図示している。円筒型リチウムイオン電池20Aでは、一般的には、図1(A)〜図1(C)に示す円筒型リチウムイオン電池20Aにも図示しているように、円筒型リチウムイオン電池20Aの上端には端子キャップ21が露出している。図2に示すように、円筒型リチウムイオン電池20Aの上部には、端子キャップ21を含む封口体22が設けられている。また、円筒型リチウムイオン電池20Aの下部、すなわち、封口体22の下方には、電極群23が設けられている。封口体22および電極群23は、外装体24の内部に封入(収納)されている。
封口体22の具体的な構成は特に限定されないが、円筒型リチウムイオン電池20Aでは、代表的には、端子キャップ21以外に、金属フィルタ、ガスケット、金属弁体、並びに、ガス抜き弁25等を備えている。ガス抜き弁25は、円筒型リチウムイオン電池20Aの内部で発生したガスにより内圧が上昇した場合に、当該ガスを外部へ放出するよう構成されている。図2に示す模式的構成では、ガス抜き弁25は、封口体22の一部として端子キャップ21の下部に設けられている。
電極群23は、例えば、シート状の正極材および負極材、フィルム状のセパレータ、並びに、集電体等を備えている。正極材および負極材、並びにセパレータは、当該セパレータで正極材および負極材をそれぞれで挟持して重ね合わせて渦巻き状に巻き回した構成となっている。また、正極材および負極材は、それぞれ集電体に電気的に接続されている。外装体24は、下端に底が形成され、上端が開口している円筒型であり、一般的には金属製である。外装体24の下側に電極群23が収納されるが、電極群23が備える負極材集電体は、例えば外装体24の底面に対して電気的に接続される。
電極群23が収納された後に、外装体24の上端の開口から電解液が注入され、その後、封口体22が電極群23の上部に収納される。このとき、電極群23の正極材集電体は、封口体22が備える金属フィルタに対して電気的に接続される。また、円筒型リチウムイオン電池20Aでは、図2に模式的に示すように、外装体24の内周面に枠状に突出するように当該外装体24が加工され、これにより封口体22を位置決めする座部26が形成される。この座部26に封口体22が装着されることで、外装体24の上端の開口が封止(封口)される。その後、端子キャップ21の上面が露出するように、外装体24の上端の開口を閉止することにより、封口体22、電極群23、および電解液は、外装体24の内部に密封される。
なお、図2に示す円筒型リチウムイオン電池20Aの内部構成は一例であって、本開示に係る電池被覆シート10の装着対象となる円筒型の電池の構成は、これに限定されない。電池が円筒型でない場合(後述する実施の形態2に例示するラミネート型または角型等)、あるいは、電池の種類がリチウムイオン電池以外である場合であっても、公知の内部構成を採用すればよい。
ここで、図示しないが、円筒型リチウムイオン電池20Aの外側(外装体24の外周面)には、公知の樹脂製シートが被覆されていてもよい。さらに、外装体24の外周面には、金属製の本体以外に樹脂製の被覆層(カバー)が設けられてもよい。あるいは、円筒型リチウムイオン電池20Aの内部構成にもよるが、外装体24そのものが金属製ではなく樹脂製であってもよい。本開示に係る電池被覆シート10は、円筒型リチウムイオン電池20Aが外周面に備えてもよい樹脂製シート、被覆層、樹脂製の外装体24とは異なるものであり、円筒型リチウムイオン電池20Aに対して後から装着されるものである。
このように、本開示に係る電池被覆シート10は、円筒型リチウムイオン電池20Aの外周面に当該電池被覆シート10を被覆して固定するだけで、樹脂組成物製の「電池ホルダ」を形成することができる。また、電池被覆シート10を被覆したシート被覆電池30Aは、後述するように複数整列してまとめるだけで電池パックを製造することができる。それゆえ、従来の電池パックのように、液状のポッティング材を充填するよりも製造効率を向上することができる。
また、円筒型リチウムイオン電池20Aに電池被覆シート10を被覆したときには、当該電池被覆シート10が柔軟性を有するため、当該円筒型リチウムイオン電池20Aの外周面に電池被覆シート10の内周面を密着させることができる。電池被覆シート10は、無機充填材を含有するため、円筒型リチウムイオン電池20Aが発熱してもその熱を良好に放散(放熱)することができる。このように、電池被覆シート10の内周面が円筒型リチウムイオン電池20Aの外周面に良好に密着することで、放熱効率を向上させることができる。
[電池被覆シートを構成する樹脂組成物]
本開示に係る電池被覆シート10を構成する樹脂組成物は、樹脂成分および無機充填材を含有しているものであればよい。樹脂成分としては、電池パックの分野で公知の種々の樹脂(高分子またはプラスチック)を好適に用いることができる。代表的な樹脂成分としては、例えば、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、およびメラミン樹脂などを挙げることができる。これら樹脂は少なくとも1種類のみが用いられてもよいし、2種類以上が適宜組み合わせて(例えばポリマーブレンドまたはポリマーアロイ等として)用いられてもよい。
さらに、同じ種類の樹脂であっても、化学構造等の異なる樹脂が2種類以上組み合わせて用いられてもよい。例えば、樹脂成分がウレタン樹脂である場合、ポリイソシアネートおよびポリオールの組合せとして異なるものを用いた2種類以上のウレタン樹脂を用いることができる。また、ポリイソシアネートおよびポリオールの組合せが同じであるとしても、合成条件を変えて得られる2種類以上のウレタン樹脂を用いることもできる。
本開示に係る電池被覆シート10においては、前述した樹脂の中でも特にウレタン樹脂を樹脂成分として好ましく用いることができる。本開示に係る電池被覆シート10においては、前記の通り、電池の外面に沿って被覆可能なように柔軟性を有するが、ウレタン樹脂は、柔軟性について幅広いものを製造することができる。例えば、ウレタン樹脂としては、25℃の貯蔵弾性率が1MPa以下の柔らかいものから2×103 MPa程度の非常に硬いものまで製造することができる。
また、ウレタン樹脂は、幅広い柔軟性を実現できるということは、必要に応じて柔軟性を制御できることを意味する。それゆえ、電池被覆シート10または電池パックの構成等に応じて、良好な柔軟性を有するシート材を得ることが可能となる。さらに、ウレタン樹脂は、他の樹脂に比べて、加工時の粘度が相対的に低く、常温での硬化が可能であり高温を必要としない。そのため、電池被覆シート10を製造する際の加工性または製造効率を良好なものとすることができる。
ウレタン樹脂のより具体的な構成は特に限定されない。例えば、ウレタン樹脂の原料として用いられるポリイソシアネートおよびポリオールとしては、公知のものを適宜選択して用いることができる。例えば、ポリイソシアネートとしては、代表的には、イソシアネート基を2以上有する芳香族系、脂肪環族系、または脂肪族系のポリイソシアネート、もしくはこれらを変性した変性ポリイソシアネート等が挙げられる。これらポリイソシアネートはプレポリマーであってもよい。また、ポリオールとしては、代表的には、ポリエーテル系ポリオール、ポリエステル系ポリオール、多価アルコール、水酸基含有ジエン系ポリマー等を挙げることができる。これらポリイソシアネートまたはポリオールは、1種類のみを用いてもよいし、2種類以上を適宜組み合わせて用いてもよい。また、ポリイソシアネートおよびポリオールの樹脂化反応を促進させる触媒を用いてもよい。触媒としては、例えば、アミン触媒、金属化合物系触媒、イソシアヌレート化触媒などを挙げることができる。これら触媒も、1種類のみを用いてもよいし、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
電池被覆シート10を構成する樹脂組成物は、樹脂成分以外に少なくとも無機充填材を含有している。この無機充填材は、電池被覆シート10(シート材)の難燃性または放熱性に寄与することができる。具体的な無機充填材としては、例えば、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム等の二価もしくは三価の金属水酸化物;硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム等の二価の金属硫酸塩;ホウ酸亜鉛、スズ酸亜鉛等の亜鉛のオキソ酸塩;シリカ;アルミナ;ドーソナイト;炭酸水素ナトリウム;などを挙げることができる。これら無機充填材は1種類のみが用いられてもよいし2種類以上が適宜選択されて用いられてもよい。
本開示に係る電池被覆シート10においては、前述した無機充填材の中でも、特に二価もしくは三価の金属水酸化物、例えば、水酸化アルミニウムまたは水酸化マグネシウムなどが好ましく用いられる。二価もしくは三価の金属水酸化物は、加熱により水が発生するため、電池被覆シート10に対して良好な難燃性を付与することが可能になるとともに、電池被覆シート10の放熱性も良好なものとすることができる。
また、無機充填体としては、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム等の二価の金属硫酸塩も好ましく用いることができる。二価の金属硫酸塩は、水和物を形成しやすいため、二価もしくは三価の金属水酸化物と同様に加熱により水を発生する。あるいは、無機充填体としては、炭酸水素ナトリウムも好ましく用いることができる。炭酸水素ナトリウムも加熱により水を生成する。さらには、二価もしくは三価の金属水酸化物に対して炭酸水素ナトリウムを併用してもよい。炭酸水素ナトリウムは、水酸化アルミニウムまたは水酸化マグネシウムよりも相対的に安価である。そこで、これらを組み合わせて用いることで、良好な難燃性および放熱性を実現しつつ電池被覆シート10の製造コストの増加を低減することができる。
無機充填材は、粉末として樹脂成分に配合されればよい。無機充填材の平均粒径は特に限定されないが、一般的には、0.5〜40μmの範囲内であればよく、2〜20μmの範囲内がより好ましい。また、無機充填材の粉末の形状も特に限定されず、球状、フレーク状(鱗片状)、針状、不定形状などの各種の形状を採用することができる。なお、平均粒径の測定方法は特に限定されず、公知のレーザー回折法による粒度分析から求めればよい。
電池被覆シート10を構成する樹脂組成物には、樹脂成分および無機充填材以外に、公知の添加剤が含有されてもよい。添加剤としては、例えば、発泡剤、整泡剤、充填剤、安定剤、着色剤、難燃剤、可塑剤などを挙げることができるが、特に限定されない。特に、本開示においては、前述したように、電池被覆シート10が難燃性を有することが重要となる。そこで、樹脂組成物が難燃剤を含有することが好ましい。
具体的な難燃剤としては、特に限定されないが、例えば、リン系難燃剤、ハロゲン系難燃剤、メラミン系難燃剤などを挙げることができる。リン系難燃剤としては、トリス(2−クロロエチル)フォスフェート、トリス(2,3−ジブロモプロピル)フォスフェートなどのハロゲン含有リン酸エステル;トリメチルフォスフェート、トリクレジルフォスフェート、トリスキシレニルフォスフェート、トリフェニルフォスフェートなどのノンハロゲンリン酸エステル;ポリリン酸アンモニウム;等を挙げることができる。また、ハロゲン系難燃剤としては、デカブロモジフェニルエーテル、ペンタブロモジフェニルエーテル、ヘキサブロモシクロドデカン、テトラブロモビスフェノールA、ヘキサブロモベンゼンなどを挙げることができる。また、メラミン系難燃剤としては、メラミンシアヌレートなどを挙げることができる。さらに、三酸化アンチモンなどのアンチモン化合物も難燃剤として用いることができる。アンチモン化合物はハロゲン系難燃剤と併用することで難燃性をより向上することができる。
電池被覆シート10を構成する樹脂組成物の具体的な組成は特に限定されない。本開示においては、樹脂組成物は、少なくとも樹脂成分および無機充填材の2成分で構成されていればよいが、無機充填材の含有量は具体的に限定されない。得られる電池被覆シート10の難燃性を考慮すれば、樹脂組成物の全量(全樹脂組成物)を100質量%としたときに、無機充填材の含有量(含有率)は30〜95質量%の範囲内であればよく、45〜70質量%の範囲内であることが好ましい。
無機充填材の含有量が95質量%を超えると、樹脂成分の種類にもよるが、樹脂組成物全体における樹脂成分の含有量が少なくなり過ぎて、良好なシート材(電池被覆シート10)を得られない可能性がある。また、無機充填材の含有量が50質量%未満であると、無機充填材または樹脂成分の種類にもよるが、無機充填材が少なすシート材に良好な難燃性または放熱性を付与できなくなる可能性がある。もちろん、求められる樹脂組成物(シート材あるいは電池被覆シート10)の性質に応じて無機充填材の含有量は適宜設定することができ、前記の範囲内に特に限定されない。
[電池被覆シートが備える繊維製基材]
本開示に係る電池被覆シート10は、前記の通り、無機充填材を含有する樹脂組成物により少なくとも構成されていればよいが、さらに繊維製基材を備えてもよい。この繊維製基材を構成する繊維の具体的な種類は特に限定されず、公知の繊維材料を好適に用いることができる。具体的には、例えば、ガラス繊維、炭素繊維、ボロン繊維、バサルト繊維等の無機系繊維;ポリエステル繊維、アラミド繊維、ナイロン繊維、ポリエチレン繊維、ポリアリレート繊維、BPO繊維、ポリフェニレンサルファイド(PPS)繊維、ポリイミド繊維等の有機系樹脂繊維;フッ素繊維;等が挙げられる。これら繊維材料は1種類のみを用いてもよいし2種類以上を適宜組み合わせて用いてもよい。
繊維製基材に用いられる繊維材料の選択については、電池被覆シート10に求められる柔軟性、熱連鎖の抑制、シート材としての強度向上等といった諸条件に応じて、好適な材料を適宜選択することができる。例えば、電池被覆シート10の強度を重視する場合には、ガラス繊維、炭素繊維、ボロン繊維、バサルト繊維、パラ系アラミド繊維、ナイロン繊維、超高分子量ポリエチレン繊維、ポリアレリート繊維、BPO繊維等で構成される群から少なくとも1種の繊維材料を選択すればよい。あるいは、電池被覆シート10の耐熱性または難燃性を重視する場合には、ガラス繊維、バサルト繊維、PPS繊維、ポリイミド繊維、フッ素繊維、メタ系アラミド繊維、BPO繊維等で構成される群から少なくとも1種の繊維材料を選択すればよい。
繊維製基材を構成する繊維は、長繊維であってもよいし短繊維であってもよい。ただし、短繊維は、そのまま樹脂組成物に混合した場合、電池被覆シート10の「基材」ではなく当該樹脂組成物にとって「充填材」として機能する可能性がある。そこで、短繊維は、紡績して糸(スパン糸)として用いるか、または不織布として用いることが好ましい。なお、前述した代表的な繊維材料は、合成繊維または無機繊維等の化学繊維であり、長繊維を製造(紡糸)しやすい。そのため、繊維製基材としては長繊維で構成されたものを好適に用いることができる。
繊維製基材は、長繊維をそのまま用いて(フィラメント糸を用いて)構成されてもよいし、長繊維を撚糸または集束したもので構成されてもよい。例えば、繊維材料としてガラス繊維等の無機繊維を用いる場合には、ロービングを好適に用いることができる。ロービングは、ガラス繊維の単繊維(ガラス繊維の長繊維、フィラメント糸)を集束したストランドを引きそろえたものであり、通常は円筒状に巻き取られている。
繊維製基材が単繊維(長繊維、フィラメント糸)またはロービング等の「糸材」で構成される場合には、繊維製基材は、電池被覆シート10の長手方向に沿って糸材が並列して配置されるような構成であればよい。繊維製基材がこのような並列配置している構成であれば、樹脂組成物が繊維製基材の結合材のように機能する。
また、繊維製基材は、前記のように糸材をそのまま用いて構成されてもよいが、組物、織物、編物、または不織布として構成されてもよい。つまり、繊維製基材は糸状のものを製布して「布材」として用いてもよい。
繊維製基材を構成する布材の具体的な構成としては、例えば、組物としては、例えば、平打組物、丸打組物、角打組物、格子打組物等が挙げられ、織物としては、例えば、平織、斜紋織、朱子織等が挙げられ、編物としては、例えば、平編、ゴム編、両面編、パール編等が挙げられ、不織布としては、例えば、ニードルパンチ、サーマルボンド、スパンボンド、メルトブローン等が挙げられるが、いずれの布材の具体的構成も特に限定されない。これら布材のうち織物または編物は、変化組織で構成されるものであってもよいし、基本組織と変化組織とを含む構成であってもよい。また、不織布は、電池被覆シート10の諸物性に影響を及ぼさなければケミカルボンドであってもよい。
電池被覆シート10が樹脂組成物に加えて繊維製基材を備えている場合には、樹脂組成物と繊維製基材との複合化の状態は特に限定されない。例えば、繊維製基材は、樹脂組成物に完全に被覆されている(あるいは樹脂組成物内に繊維製基材が埋め込まれている)ように複合化されてもよいし、繊維製基材が樹脂組成物に完全に被覆されていなくてもよい。例えば、繊維製基材が布材で構成されていれば、布材の外周面または内周面にのみ樹脂組成物が積層されてもよい。あるいは、例えば織物の繊維製基材を構成する糸材が樹脂組成物により被覆され、糸材同士の間には隙間が形成されてもよい。これは編物等の他の布材でも同様である。
繊維製基材が布材である場合には、当該布材は1枚のみ用いられてもよいし、複数枚が積層されて用いられてもよい。繊維製基材(布材)の積層枚数を調整することで、電池被覆シート10の厚さを変化させることができる。なお、繊維製基材(布材)を複数枚積層した積層体(繊維製基材積層体)は、1枚の厚さの大きい繊維製基材(布材)として取り扱うことができる。繊維製基材が布材を積層したものである場合、その積層枚数は特に限定されず、電池被覆シート10の厚さに応じて適宜設定することができる。後述する実施例では、布材としてポリエステル不織布を例示しており、その枚数は2〜4枚であるが、電池被覆シート10の厚さに応じて1枚のみ用いてもよいし5枚以上を積層したものを用いてもよい。
電池被覆シート10を構成する樹脂組成物と繊維製基材との複合比率は特に限定されない。代表的には、電池被覆シート10における繊維体積含有率Vfが0.5〜50%の範囲内であればよく、好ましくは1〜30%の範囲内を挙げることができ、より好ましくは3〜15%の範囲内を挙げることができる。繊維体積含有率Vfは、例えば、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)の分野等において公知であり、繊維マトリクス材料からなる複合材料において、当該複合材料全体に含有される繊維の量(含有量)を体積比で示す指標である。本開示においても、繊維製基材および樹脂組成物から少なくとも構成されるシート材において、繊維製基材の含有量を繊維体積含有率Vfで示すことができる。なお、繊維体積含有率Vfの算出方法は、JIS K7075に順じて行えばよい。
繊維製基材を備える電池被覆シート10において繊維体積含有率Vfが50%以上であれば、諸条件にもよるが、柔軟性が低下して被覆対象となる電池(例えば円筒型リチウムイオン電池20A)の外周面に沿って、当該電池被覆シート10を被覆することが困難になるおそれがあるとともに、当該電池被覆シート10に含まれる樹脂組成物の絶対量が少なすぎて、当該電池被覆シート10に対して良好な難燃性または放熱性を付与できなくなるおそれがある。
一方、繊維体積含有率Vfが0.5%未満である電池被覆シート10を製造することは実質的に困難である。すなわち、電池被覆シート10が、少なくとも無機充填材を含有する樹脂組成物および繊維製基材で構成されている場合、繊維製基材として、強度向上が可能な最低レベルの薄いものを用いても繊維体積含有率Vfは0.5%以上になる。言い換えれば、もし繊維体積含有率Vfが0.5%未満となる電池被覆シート10を製造できるとしても、電池被覆シート10に含まれる繊維製基材の絶対量が少なすぎて、電池被覆シート10の強度を良好に向上できなくなる。
このように、本開示に係る電池被覆シート10が、無機充填材を含有する樹脂組成物に加えて繊維製基材を含有する場合には、当該電池被覆シート10では、樹脂組成物に含まれる無機充填材により、良好な難燃性または放熱性を実現することができるとともに、繊維製基材により良好な強度を実現することができる。そのため、例えば電池の外面に電池被覆シート10を被覆する際、あるいは、電池被覆シート10が被覆された電池(シート被覆電池30A)を電池パックとして構成する際等に、電池被覆シート10が破損するおそれを有効に抑制しつつ、電池からの熱を隣接する電池被覆シート10全体に分散することが可能となる。
なお、本開示においては、電池被覆シート10は、少なくとも、無機充填材を含有する樹脂組成物により構成されていればよく、好ましい一例として、前記の通り、樹脂組成物と繊維製基材とで構成されてもよいが、本開示はこれに限定されない。電池被覆シート10は、当該電池被覆シート10に求められる各種物性を妨げない範囲で、樹脂組成物および繊維製基材以外の成分または部材を含んでもよい。
[電池パック]
本開示に係る電池パックは、前述した電池被覆シート10が被覆された電池により構成されていればよく、その具体的な構成は特に限定されない。代表的には、個々の電池に電池被覆シート10を被覆してシート被覆電池30Aを構成してから、このシート被覆電池30Aを複数配列して電池パックを製造する手法を挙げることができる。これにより、電池パックのパッケージの形状などに合わせて、シート被覆電池30Aの配列のさせ方またはまとめ方を調整することができる。そのため、電池パックの製造時の汎用性、応用性またはデザイン性を向上することが可能となる。
電池パックを製造する際に、複数のシート被覆電池30Aをまとめた最小限のユニットとしては特に限定されないが、例えば、図4(A)または図4(B)に示すように、3つのシート被覆電池30Aをまとめて最小限のユニットである電池パックユニット31Aまたは電池パックユニット31Bを構成することができる。例えば、図3(A)に示す電池パックユニット31Aは、3つのシート被覆電池30Aを上面から見たときに三角形状に並列配置したユニットとして構成される。この電池パックユニット31Aであれば、隣接する3つのシート被覆電池30Aの間に、デッドスペース32が形成される。
シート被覆電池30Aは、円筒型リチウムイオン電池20Aの外周面に電池被覆シート10を被覆したものであるため、当該シート被覆電池30Aも円筒状となる。このようなシート被覆電池30Aを3本まとめれば、隣接する円筒同士の間に必然的にデッドスペース32が生じる。このデッドスペース32は、電池パックとして見たときに、樹脂が存在しない空間部となる。それゆえ、ポッティング材を充填する従来の電池パックに比べて、樹脂の重量を低減することができるので、電池パックの軽量化を図ることができる。
あるいは、図3(B)に示す電池パックユニット31Bは、電池パックユニット31Aとは異なり、3本のシート被覆電池30Aを上面から見たときに一列に並ぶように並列配置した平板状のユニットとして構成される。この電池パックユニット31Bでは、電池パックユニット31Aとは異なり、ユニットそのものにはデッドスペース32は形成されない。しかしながら、電池パックユニット31B同士を隣接配置することで、結果として、隣接する3本のシート被覆電池30Aの間に、電池パックユニット31Aと同様にデッドスペース32が生じる。それゆえ、ポッティング材を充填する従来の電池パックに比べて、樹脂の重量を低減することができるので、電池パックの軽量化を図ることができる。
また、前記の通り、電池被覆シート10は良好な柔軟性を有しているので、円筒型リチウムイオン電池20Aの外周面に巻き付けられた電池被覆シート10は、当該円筒型リチウムイオン電池20Aの外周面に実質的に密着させることができる。電池被覆シート10は、前記の通り、樹脂製で無機充填材を含有するので、円筒型リチウムイオン電池20Aから熱が生じても、これを良好に放散(放熱)できるだけでなく、図3(A),(B)に示す電池パックユニット31A,31Bのように、電池パックでは電池被覆シート10同士を密着させるので、任意の円筒型リチウムイオン電池20Aからの熱を、隣接するシート被覆電池30Aの電池被覆シート10全体に分散することもできる。これにより放熱効果をより一層向上することができる。
電池パックのより具体的な構成は特に限定されず、電池被覆シート10を除いて従来公知の構成を好適に用いることができる。例えば、前述した電池パックユニット31A,31B(あるいはシート被覆電池30A)を内部に収納する筐体(ケース)、並びに、電池同士を電気的に接続するリード部材等を備えていればよい。筐体の形状は公知の直方体状に限定されず、相対的に複雑な形状のものを採用することができる。これは、本開示では、最少ユニットである電池パックユニット31A,31Bを筐体の内部空間を満たすように収納していくことができるためである。
リード部材は、収納された電池パックユニット31A,31Bにおいて、円筒型リチウムイオン電池20Aなどの電池同士を電気的に接続することができれば、公知の構成を採用することができる。具体的には、例えば、板状部材または配線部材等を挙げることができる。なお、予め電池パックユニット31A,31Bにおいて、互いの電池同士をリード部材で接続しておき、さらに、複数の電池パックユニット31A,31B同士をリード部材で接続してもよい。
電池パックの製造(組立て)方法は特に限定されないが、例えば、前記の通り、筐体の内部に電池パックユニット31A,31Bもしくはシート被覆電池30Aを収納した後に、複数の電池同士をリード部材で接続する方法を挙げることができる。したがって、電池パックの製造方法には、シート被覆電池30Aの形成工程、すなわち、シート被覆電池30Aの製造方法が含まれてもよい。
ここで、図2に示すように、シート被覆電池30Aでは、巻き付けられた(被覆された)電池被覆シート10の上端および下端で円筒型リチウムイオン電池20Aの上端および下端が露出している。言い換えれば、シート被覆電池30Aでは、円筒型リチウムイオン電池20Aの外周面にのみ樹脂組成物製の電池被覆シート10が被覆されていることになる。それゆえ、ポッティング材を用いた従来の電池パックのように、例えば、ガス抜き弁25が位置する上端に樹脂が付着するような事態を防止することができる。従来の電池パックでは、液状のポッティング材を用いるため、ポッティング材が不要な箇所に流れ込み、電池の上端などにポッティング材が付着する可能性がある。
電池が円筒型リチウムイオン電池20Aである場合には、電池に何らかの異常が発生することで電解液の一部が分解してガスが発生し、電池内圧が上昇する場合がある。それゆえ、円筒型リチウムイオン電池20Aの封口体22には前記の通りガス抜き弁25が設けられている。電池内圧が所定値を超えるまで上昇すれば、ガス抜き弁25が開放される。これにより、内部のガスが外部に放出され、電池内圧の上昇を回避することができる。しかしながら、円筒型リチウムイオン電池20Aの上端にポッティング材などの樹脂が付着していれば、ガス抜き弁25が適切に作動せず、内部のガスを適切に放出できない可能性がある。
本開示によれば、電池被覆シート10は円筒型リチウムイオン電池20Aの外周面にのみ位置させることができる。それゆえ、ポッティング材の不適切な付着によりガス抜き弁25が適切に作動しない可能性を実質的に防止することができる。
また、ポッティング材を用いる場合には、電池パック内部にポッティング材を注入する際に、当該ポッティング材が気泡を含むおそれがある。ポッティング材が気泡を含んだ状態で硬化すれば、ポッティング材の特性に影響を及ぼすおそれがある。また、前記のように、電池の上端などのような不要な箇所にポッティング材が付着しないようにするためには、ポッティング材の流動を規制する枠材または型材が必要になる。また、液状のポッティング材を加熱硬化させるためには加熱手段が必要であり、あるいは、ポッティング材が2液混合型であれば、ポッティング材を調製するための混合手段も必要となる。
これに対して、本開示では、液状のポッティング材を用いず、柔軟性を有するシート材である電池被覆シート10を電池の外周面に被覆して固定するだけである。それゆえ、枠材、型材、加熱手段、混合手段等が不要になるだけでなく、ポッティング材を硬化させるための硬化時間も不要となる。そのため、電池パックを製造するに際して、その製造効率を向上できるだけでなく製造コストの増加も抑制することができる。
(実施の形態2)
前記実施の形態1では、電池被覆シート10の被覆対象となる電池として、円筒型リチウムイオン電池20Aを挙げて本開示について説明したが、本開示はこれに限定されない。本実施の形態2では、電池被覆シート10の被覆対象となる電池は、図4(A)に示すように、ラミネート型リチウムイオン電池20Bであってもよいし、図4(B)に示すように、角型リチウムイオン電池20Cであってもよい。
図4(A)に示す例では、ラミネート型リチウムイオン電池20Bの外面、例えば、電極が設けられている端部を除いた外面に電池被覆シート10を被覆することにより、シート被覆電池30Bを形成すればよい。このとき、図4(A)には図示しないが、前記実施の形態1に係るシート被覆電池30Aと同様に、接着テープ11または接着剤12等の固定部材により、ラミネート型リチウムイオン電池20Bの外面に電池被覆シート10を固定すればよい。
また、図4(B)に示す例では、角型リチウムイオン電池20Cの外面、例えば、両端部を除いた外周面に電池被覆シート10を被覆することにより、シート被覆電池30Cを形成すればよい。このとき、図4(B)に示す例では、前記実施の形態1に係るシート被覆電池30Aと同様に、被覆した電池被覆シート10の端縁同士が突き合せられたつなぎ目10aの上を接着テープ11(あるいは接着剤12もしくは他の固定部材)で固定すればよい。
また、図1(A)〜(C)または図4(A),(B)等に示す例では、シート被覆電池30A〜30Cのいずれにおいても、電池の外面全体を電池被覆シート10で被覆する(巻き付ける)構成となっているが、本開示はこれに限定されない。前述したように、電池の外面の一部のみ(例えば発熱の可能性が高いと想定される部位等)に電池被覆シート10を部分的に被覆してもよい。あるいは、電池の外面を複数回巻き回すように電池被覆シート10を被覆してもよい。この場合、電池の外面において電池被覆シート10は複数層に積層された状態となっている。
また、図1(A)〜(C)または図4(A),(B)等に示す例では、シート被覆電池30A〜30Cのいずれにおいても、電池被覆シート10が電池の外面全体を被覆している状態では、当該電池被覆シート10の端縁同士は、突き合せられている(つなぎ目10aを形成している)が、本開示はこれに限定されない。例えば、電池被覆シート10の端縁が部分的に重なり合ってもよい。ただし、電池間距離を一定に保持する観点では、このような端縁の重なり合いは回避されることが好ましい。
このように、シート被覆電池においては、電池の外面の少なくとも一部に電池被覆シートが被覆されていればよい。それゆえ、本開示に係る電池パックは、電池の外面の少なくとも一部が電池被覆シートにより被覆されている構造を含むものであればよい。好ましい一例としては、前記実施の形態1において例示したように、電池パックを構成する全てのシート被覆電池が、電池の外周面全体(端面を除く周面全体)を巻き回すように電池被覆シートが被覆される構造であってもよい(図3(A),(B)参照)。しかしながら、例えば熱連鎖を抑制する観点から部分的に電池被覆シートが被覆されたシート被覆電池によって電池パックが構成されてもよい。
さらに、電池パックは、単一の電池被覆シートにより複数の電池の外面を被覆する構造を含んでもよい。例えば、図5に示すように、被覆対象の電池がラミネート型リチウムイオン電池20Bである場合に、当該ラミネート型リチウムイオン電池20Bを複数枚(図5では4枚)積層し、1枚の電池被覆シート10により隣接するラミネート型リチウムイオン電池20Bの双方の外面を被覆するように、電池被覆シート10をつづら折り状に巻き回す構造を挙げることができる。
図5に示す構造では、積層された複数枚(4枚)のラミネート型リチウムイオン電池20Bとこれらをまとめるように被覆する1枚の電池被覆シート10により電池パックユニット32が構成される。図5に示す電池パックユニット32では、その両側面(図5の手前側の面および図示しない奥側の面)には電池被覆シート10は被覆されておらず、複数のラミネート型リチウムイオン電池20Bの側面が露出している。
また、電池パックユニット32の両端面(図5の左右側の面)は、電池被覆シート10により全体的に覆われている。図5に示すラミネート型リチウムイオン電池20Bは、その両端部に電極が設けられているので、電池パックユニット32の両端面には、各ラミネート型リチウムイオン電池20Bの電極が位置する。電池被覆シート10は、両端面に位置する複数の電極に密着しないように、当該量端面を包むように覆っている。
また、両端面を覆う電池被覆シート10のそれぞれの端縁は、接着テープ11により固定されている。図5における電池パックユニット32の右側の端面では、電池被覆シート10は、図中下から上に向かって当該端面を覆っているので、電池被覆シート10の端縁は図中上側に位置し、電池パックユニット32の上面に達している。そこで、電池被覆シート10の端縁を電池パックユニット32の上面の電池被覆シート10に接着テープ11で固定する。
また、図5における電池パックユニット32の左側の端面では、電池被覆シート10は、図中上から下に向かって当該端面を覆っているので、電池被覆シート10の端縁は図中下側に位置し、電池パックユニット32の下面に達している。そこで、電池被覆シート10の端縁を電池パックユニット32の下面の電池被覆シート10に接着テープ11で固定する。それゆえ、図5に示す電池パックユニット32では、両端面に位置する電池被覆シート10の端縁は、当該電池パックユニット32の最外面(上面または下面)に接着テープ11(あるいは他の固定部材)により固定されていることになる。
このように1枚の電池被覆シート10により複数の電池の外面を被覆することで、電池パックを構成する電池被覆シート10の絶対量を削減することができる。それゆえ、それぞれの電池を電池被覆シート10で被覆する場合に比べて、樹脂の重量を低減することができるので、電池パックの軽量化を図ることができる。
このように、本開示に係る電池被覆シートは、無機充填材を含有する樹脂組成物により少なくとも構成され、柔軟性を有するシート材である。それゆえ、このような電池被覆シートを電池の外面に被覆するだけで、内部に電池を収納する電池ホルダを容易に製造することができる。しかも、電池被覆シートを被覆した電池(シート被覆電池)を複数整列してまとめるだけで電池パックを容易に製造することができる。この電池被覆シートには無機充填材が含有されているので、電池からの熱を良好に放散することができる。それゆえ、液状のポッティング材を充填するよりも製造効率を向上することができる。
また、本開示に係る電池被覆シートを用いて電池パックを形成すれば、液状のポッティング材を用いる必要がないので、ポッティング材が気泡を含んだり不要な箇所に流れ込んだりしないようにするための対応が不要となる。しかも、液状のポッティング材を硬化させることもないので、成形型または加熱手段(あるいはポッティング材が2液混合型であれば混合手段)等の設備が不要であるとともに、硬化時間も不要となる。そのため、電池パックの製造効率を向上できるだけでなく製造コストの増加も抑制することができる。
さらに、本開示に係る電池被覆シートでは、その厚さを一定にすることが可能になるため、液状のポッティング材を充填するよりも電池同士の間隔の精度を向上することができる。しかも、電池被覆シートは柔軟性を有するため、電池の外面の形状に沿うように当該電池の外面を容易に被覆することができる。それゆえ、電池の種類によらず電池ホルダおよび電池パックを容易に製造することができる。
また、本開示に係る電池被覆シートを用いれば、当該電池被覆シートを被覆した電池を複数まとめるだけで電池パックを構成することができるので、電池パックでは電池被覆シートを介した状態で電池同士を実質的に隙間なく並列配置することができる。それゆえ、ポッティング材と同様に電池からの熱を隣接する電池被覆シートに分散することもできる。さらに、1枚の電池被覆シートで複数の電池を被覆することもできるので、任意の電池からの熱が他の電池に及ばないように1枚の電池被覆シートで分散することもできる。
加えて、本開示によれば、電池パックは、電池被覆シートを被覆した電池を複数まとめて整列配置させるだけなので、得られた電池パックを外観で確認するだけでも検査が可能となる。しかも、電池被覆シートを電池に被覆するだけでよいので、電池パックの製造に際して、例えば電池パックのパッケージの形状などに合わせて、電池の配列のさせ方またはまとめ方を調整することができる。そのため、電池パックの製造時の汎用性、応用性またはデザイン性を向上することが可能となる。
なお、前記の通り、本開示に係る電池被覆シート10は、前記の通り、単一の電池の外面を被覆するものであってもよい(図1(A)〜(C)参照)し、複数の電池の外面を被覆するものであってもよい(図5参照)。このとき、電池被覆シート10は、電池の外周面(前述した通り、外面のうち両端面を除く側面)のほぼ全体を被覆するものであればよいが、外周面の半分以上を被覆するものであってもよい。外周面の半分以上を被覆することで、より一層良好な難燃性および放熱性を実現することが可能になる。
本発明について、実施例および比較例に基づいてより具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。当業者は本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変更、修正、および改変を行うことができる。なお、以下の実施例における耐類焼試験、並びに、繊維体積含有率Vfの算出は次に示すようにして実施した。
(円筒型リチウムイオン電池の耐類焼試験)
18650型リチウムイオン電池(放電容量3Ah)の両端面を除く外周面に、実施例または比較例の電池被覆シートを被覆して接着テープとしてのイミドテープにより固定することによりシート被覆電池を構成した。このシート被覆電池を3本並列させて固定して試験用電池パックを作製した(図3(B)参照)。
試験用電池パックの3本のシート被覆電池のうち、一方の端のシート被覆電池に対して、その外周からN45鉄釘を30mm/秒の速度で刺して貫通させた。鉄釘を貫通させたシート被覆電池を「熱源電池」とし、当該熱源電池に隣接するシート被覆電池(中央のシート被覆電池)を「隣接電池」として、25℃の環境下において、隣接電池の温度を測定しながら、熱源電池から他のシート被覆電池に類焼が発生するか否かを確認した。類焼が発生しない場合を「○」、類焼が発生した場合を「×」として評価した。
また、試験用電池パックについて、類焼の発生を確認した後に、電池被覆シートに破断が生じているか否か、電池被覆シートが溶融流動していないか、についても評価した。これを電池被覆シートの試験後の評価とする。電池被覆シートに破断が生じていない場合を「○」、破断が生じている場合を「×」として評価した。また、電池被覆シートに溶融流動が生じていない場合を「○」、溶融流動が生じている場合を「×」として評価した。
(ラミネート型リチウムイオン電池の耐類焼試験)
縦140mm、横55mm、厚さ4.5mm、放電容量3Ahのラミネート型リチウムイオン電池を作製し、これを4枚重ねた状態で、1枚の電池被覆シートをつづら折り状に巻き回して試験用電池パックを作製した(図5参照)。
試験用電池パックの4枚のラミネート型リチウムイオン電池のうち、最下面に位置するリチウムイオン電池の外側に、角型のシート状ヒーター(株式会社八光電機製シリコンラバーヒーター、商品名:SBH2012、25mm×50mm)を設置した。シート状ヒーターに100Vの電圧を印加することにより、当該ヒーターの接する電池(最下面に位置するラミネート型リチウムイオン電池)を「熱源電池」とし、当該熱源電池に隣接する電池(下から2段目のラミネート型リチウムイオン電池)を「隣接電池」として、25℃の環境下において、隣接電池の温度を測定しながら、熱源電池から他のラミネート型リチウムイオン電池に類焼が発生するか否かを確認した。類焼が発生しない場合を「○」、類焼が発生した場合を「×」として評価した。
また、試験用電池パックにおいて、類焼の発生を確認した後に、電池被覆シートに破断が生じているか否か、電池被覆シートが溶融流動していないか、についても評価した(電池被覆シートの試験後の評価)。電池被覆シートに破断が生じていない場合を「○」、破断が生じている場合を「×」として評価した。また、電池被覆シートに溶融流動が生じていない場合を「○」、溶融流動が生じている場合を「×」として評価した。
(繊維体積含有率Vf)
JIS K7075に準じて、硝酸および硫酸分解法により、試験片であるシート材から樹脂分のみを取り除いて、無機充填材を含有する樹脂組成物の質量(樹脂組成物量)を算出した。この樹脂組成物量とシート材の質量とから繊維質量含有率Wfを算出した。このWfと、シート材の密度ρcと、シート材に用いられるガラス繊維またはポリエステル繊維の密度ρfとから、式:Vf=(Wf×ρc)/ρfにより繊維体積含有率Vfを算出した。
(実施例1)
樹脂成分としてウレタン樹脂(商品名:エイムフレックスEF−243、第一工業製薬株式会社製)、無機充填材として水酸化アルミニウムを用い、無機充填材の含有量が65質量%のウレタン樹脂組成物を調製(製造)した。繊維製基材として、ポリエステル繊維製の不織布(ポリエステル不織布、品番:B045S0−00X、タピルス株式会社製)を用い、所定の厚さのスリット成形型に2枚または3枚のポリエステル不織布を積層したもの(積層体)を入れ、当該スリット成形型の内部にウレタン樹脂組成物を真空注入することにより、ポリエステル不織布にウレタン樹脂組成物を含浸させてシート状に成形した。これにより、厚さが2.0mmで繊維体積含有率Vfが5%(ポリエステル不織布3枚)、および、厚さが1.0mmでVfが8%(ポリエステル不織布2枚)の2種類のシート材を作製(製造)し、それぞれ実施例1の電池被覆シートとした。
これら2種類の電池被覆シートを用いて構成される試験用電池パックでは、隣接する円筒型リチウムイオン電池間の距離(電池間距離)は、それぞれ4.0mmおよび2.0mmとなる。これら実施例1の電池被覆シートについて、前記の通り耐類焼試験を実施した。その結果(隣接電池の温度、類焼の評価、および試験後の評価)を表1に示す。
(実施例2)
樹脂成分として実施例1と同じウレタン樹脂を用いるとともに、無機充填材として水酸化アルミニウムを用い、無機充填材の含有量が65質量%のウレタン樹脂組成物を調製(製造)した。繊維製基材として、ガラス繊維(商品名:マルチエンドロービング 品番:ER 550E−2400、ダイソーケミカル株式会社製)を用い、このガラス繊維を並列配置した状態で連続して送り出し、これにウレタン樹脂組成物を含浸してシート状に成形した。これにより、厚さが2.0mmで繊維体積含有率Vfが20%、および、厚さが1.0mmでVfが20%の2種類のシート材を作製(製造)し、それぞれ実施例2の電池被覆シートとした。これら2種類の電池被覆シートを用いて構成される試験用電池パックでは、実施例1と同様に、電池間距離はそれぞれ4.0mmおよび2.0mmとなる。これら電池被覆シートについて前記の通り耐類焼試験を実施した。その結果を表1に示す。
(実施例3)
繊維製基材(ポリエステル不織布)を用いなかった以外は実施例1と同様にして、厚さ2.0mmおよび厚さ1.0mmの2種類のシート材(なお、Vfはいずれも0%)を作製し、それぞれ実施例3の電池被覆シートとした。これら電池被覆シートについて前記の通り耐類焼試験を実施した。その結果を表1に示す。
(実施例4)
無機充填材として水酸化マグネシウムを用いた以外は実施例1と同様にして、厚さが2.0mmでVfが5%、および、厚さが1.0mmでVfが8%の2種類のシート材を作製し、それぞれ実施例4の電池被覆シートとした。これら電池被覆シートについて前記の通り耐類焼試験を実施した。その結果を表1に示す。
(実施例5)
繊維製基材(ポリエステル不織布)を用いなかった以外は実施例4と同様にして、厚さ2.0mmおよび厚さ1.0mmの2種類のシート材(なお、Vfはいずれも0%)を作製し、それぞれ実施例5の電池被覆シートとした。これら電池被覆シートについて前記の通り耐類焼試験を実施した。その結果を表1に示す。
(実施例6)
無機充填材として炭酸水素ナトリウムを用いた以外は実施例1と同様にして、厚さが2.0mmでVfが5%、および、厚さが1.0mmでVfが8%の2種類のシート材を作製し、それぞれ実施例6の電池被覆シートとした。これら電池被覆シートについて前記の通り耐類焼試験を実施した。その結果を表1に示す。
(実施例7)
繊維製基材(ポリエステル不織布)を用いなかった以外は実施例6と同様にして、厚さ2.0mmおよび厚さ1.0mmの2種類のシート材(なお、Vfはいずれも0%)を作製し、それぞれ実施例7の電池被覆シートとした。これら電池被覆シートについて前記の通り耐類焼試験を実施した。その結果を表1に示す。
(実施例8)
無機充填材として硫酸マグネシウムを用いた以外は実施例1と同様にして、厚さが2.0mmでVfが5%、および、厚さが1.0mmでVfが8%の2種類のシート材を作製し、それぞれ実施例8の電池被覆シートとした。これら電池被覆シートについて前記の通り耐類焼試験を実施した。その結果を表1に示す。
(実施例9)
無機充填材として、水酸化アルミニウムおよび炭酸水素ナトリウムを1:1で混合したものを用いた以外は実施例1と同様にして、厚さが2.0mmでVfが5%、および、厚さが1.0mmでVfが8%の2種類のシート材を作製し、それぞれ実施例9の電池被覆シートとした。これら電池被覆シートについて前記の通り耐類焼試験を実施した。その結果を表1に示す。
(実施例10)
無機充填材として、水酸化マグネシウムおよび炭酸水素ナトリウムを1:1で混合したものを用いた以外は実施例1と同様にして、厚さが2.0mmでVfが5%、および、厚さが1.0mmでVfが8%の2種類のシート材を作製し、それぞれ実施例10の電池被覆シートとした。これら電池被覆シートについて前記の通り耐類焼試験を実施した。その結果を表1に示す。
(比較例1)
無機充填材を含有させなかった(すなわち無機充填材を配合せずウレタン樹脂のみを用いた)以外は実施例1と同様にして、厚さが2.0mmでVfが5%、および、厚さが1.0mmでVfが8%の2種類のシート材を作製し、比較例1の電池被覆シートとした。これら電池被覆シートについて前記の通り耐類焼試験を実施した。その結果を表1に示す。
(比較例2)
繊維製基材であるポリエステル不織布またはガラス繊維を用いず、無機充填材を配合しないウレタン樹脂のみを用いて、実施例1と同様にして、厚さ2.0mmおよび厚さ1.0mmの2種類のシート材を作製し、比較例2の電池被覆シートとした。これら電池被覆シートについて前記の通り耐類焼試験を実施した。その結果を表1に示す。
Figure 0006781227
(実施例11)
樹脂成分として実施例1と同じウレタン樹脂を用いるとともに、無機充填材として水酸化アルミニウムを用い、無機充填材の含有量が65質量%のウレタン樹脂組成物を調製(製造)した。繊維製基材として、実施例1と同じポリエステル不織布を用い、実施例1と同様にして、スリット成形型により2枚、3枚、または4枚のポリエステル不織布を積層したもの(積層体)にウレタン樹脂組成物を含浸させてシート状に成形した。これにより、厚さが3.0mmでVfが5%(ポリエステル不織布4枚)、厚さが2.0mmでVfが5%(ポリエステル不織布3枚)、および、厚さが1.0mmでVfが8%(ポリエステル不織布2枚)の3種類のシート材を作製(製造)し、それぞれ実施例11の電池被覆シートとした。
これら3種類の電池被覆シートを用いて構成される試験用電池パックでは、隣接するラミネート型リチウムイオン電池間の距離(電池間距離)は、それぞれ3.0mm、2.0mm、および1.0mm(すなわち電池被覆シートの厚さそのまま)となる。これら実施例11の電池被覆シートについて、前記の通り耐類焼試験を実施した。その結果(隣接電池の温度、類焼の評価、および試験後の評価)を表2に示す。
(実施例12)
樹脂成分として実施例1と同じウレタン樹脂を用いるとともに、無機充填材として水酸化アルミニウムを用い、無機充填材の含有量が65質量%のウレタン樹脂組成物を調製(製造)した。繊維製基材として、実施例2のガラス繊維を用い、このガラス繊維を並列配置した状態で連続して送り出し、これにウレタン樹脂組成物を含浸してシート状に成形した。これにより、厚さが3.0mmでVfが10%、厚さが2.0mmでVfが15%、および、厚さが1.0mmでVfが20%の3種類のシート材を作製(製造)し、それぞれ実施例12の電池被覆シートとした。
これら3種類の電池被覆シートを用いて構成される試験用電池パックでは、実施例11と同様に、電池間距離はそれぞれ電池被覆シートの厚さそのままとなる。これら電池被覆シートについて前記の通り耐類焼試験を実施した。その結果を表2に示す。
(実施例13)
繊維製基材(ポリエステル不織布)を用いなかった以外は実施例11と同様にして、厚さ3.0mm、2.0mmおよび厚さ1.0mmの3種類のシート材(なお、Vfはいずれも0%)を作製し、それぞれ実施例13の電池被覆シートとした。これら電池被覆シートについて前記の通り耐類焼試験を実施した。その結果を表2に示す。
(実施例14)
無機充填材として水酸化マグネシウムを用いた以外は実施例11と同様にして、厚さが3.0mmでVfが5%、厚さが2.0mmでVfが5%、並びに、厚さが1.0mmでVfが8%の3種類のシート材を作製し、それぞれ実施例14の電池被覆シートとした。これら電池被覆シートについて前記の通り耐類焼試験を実施した。その結果を表2に示す。
(実施例15)
繊維製基材(ポリエステル不織布)を用いなかった以外は実施例14と同様にして、厚さ3.0mm、2.0mmおよび厚さ1.0mmの3種類のシート材(なお、Vfはいずれも0%)を作製し、それぞれ実施例15の電池被覆シートとした。これら電池被覆シートについて前記の通り耐類焼試験を実施した。その結果を表2に示す。
(実施例16)
無機充填材として炭酸水素ナトリウムを用いた以外は実施例11と同様にして、厚さが3.0mmでVfが5%、厚さが2.0mmでVfが5%、並びに、厚さが1.0mmでVfが8%の3種類のシート材を作製し、それぞれ実施例16の電池被覆シートとした。これら電池被覆シートについて前記の通り耐類焼試験を実施した。その結果を表2に示す。
(実施例17)
繊維製基材(ポリエステル不織布)を用いなかった以外は実施例16と同様にして、厚さ3.0mm、2.0mmおよび厚さ1.0mmの3種類のシート材(なお、Vfはいずれも0%)を作製し、それぞれ実施例17の電池被覆シートとした。これら電池被覆シートについて前記の通り耐類焼試験を実施した。その結果を表2に示す。
Figure 0006781227
(実施例18)
無機充填材として硫酸マグネシウムを用いた以外は実施例11と同様にして、厚さが3.0mmでVfが5%、厚さが2.0mmでVfが5%、並びに、厚さが1.0mmでVfが8%の3種類のシート材を作製し、それぞれ実施例18の電池被覆シートとした。これら電池被覆シートについて前記の通り耐類焼試験を実施した。その結果を表3に示す。
(実施例19)
無機充填材として、水酸化アルミニウムおよび炭酸水素ナトリウムを1:1で混合したものを用いた以外は実施例11と同様にして、厚さが3.0mmでVfが5%、厚さが2.0mmでVfが5%、並びに、厚さが1.0mmでVfが8%の3種類のシート材(なお、Vfはいずれも40%)を作製し、それぞれ実施例19の電池被覆シートとした。これら電池被覆シートについて前記の通り耐類焼試験を実施した。その結果を表3に示す。
(実施例20)
無機充填材として、水酸化マグネシウムおよび炭酸水素ナトリウムを1:1で混合したものを用いた以外は実施例11と同様にして、厚さが3.0mmでVfが5%、厚さが2.0mmでVfが5%、並びに、厚さが1.0mmでVfが8%の3種類のシート材を作製し、それぞれ実施例20の電池被覆シートとした。これら電池被覆シートについて前記の通り耐類焼試験を実施した。その結果を表3に示す。
(比較例3)
無機充填材を含有させなかった(すなわち無機充填材を配合せずウレタン樹脂のみを用いた)以外は実施例11と同様にして、厚さが3.0mmでVfが5%、厚さが2.0mmでVfが5%、並びに、厚さが1.0mmでVfが8%の3種類のシート材を作製し、比較例3の電池被覆シートとした。これら電池被覆シートについて前記の通り耐類焼試験を実施した。その結果を表3に示す。
(比較例4)
繊維製基材であるポリエステル不織布またはガラス繊維を用いず、無機充填材を配合しないウレタン樹脂のみを用いて、実施例11と同様にして、厚さ3.0mm、2.0mmおよび厚さ1.0mmの3種類のシート材を作製し、比較例4の電池被覆シートとした。これら電池被覆シートについて前記の通り耐類焼試験を実施した。その結果を表3に示す。
Figure 0006781227
(実施例および比較例の対比)
実施例1〜20の結果から明らかなように、本実施例に係る電池被覆シートであれば、耐類焼試験によっても類焼が発生せず、良好な難燃性および放熱性を実現できることがわかる。また、類焼試験後においても、電池被覆シートには溶融流動は実質的に発生せず、また、電池被覆シートの破断もほとんど発生しない(繊維製基材を含有せず、かつ、厚さが小さい場合のみ発生が確認された)。それゆえ、本実施例に係る電池被覆シートは、良好な安定性を有することがわかる。また、電池被覆シートが繊維製基材を含む場合、ポリエステル不織布であってもガラス繊維であっても、良好な難燃性、放熱性、安定性を有することがわかる。
また、円筒型リチウムイオン電池を用いた実施例1〜10においても、ラミネート型リチウムイオン電池を用いた実施例11〜20においても、本実施例に係る電池被覆シートは、いずれも良好な難燃性、放熱性、および安定性を実現できる。それゆえ、本実施例に係る電池被覆シートは、さまざまな種類の電池に対して良好に適用できることがわかる。
一方、比較例1または比較例3に係る電池被覆シートは、無機充填材を含有しないウレタン樹脂を用いたため、良好な難燃性および放熱性が実現できなかった。また、類焼試験後には、電池被覆シートに破断が見られなかったものの、溶融流動が発生したため、良好な安定性も実現できなかった。
同様に、比較例2または比較例4に係る電池被覆シートは、無機充填材を含有しないウレタン樹脂を用いただけでなく、繊維製基材である無機系繊維または有機系樹脂繊維も用いなかったため、良好な難燃性および放熱性が実現できなかった。また、類焼試験後には、電池被覆シートに破断が生じるとともに溶融流動も生じたため、良好な安定性も実現できなかった。なお、比較例1〜4のいずれの電池被覆シートにおいても、耐類焼試験では、熱源電池から隣接電池だけでなく残りの電池にまで類焼が生じた。
なお、本発明は前記実施の形態の記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示した範囲内で種々の変更が可能であり、異なる実施の形態や複数の変形例にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施の形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明は、電池の形状または種類等に関わらず、電池パックの分野に広く好適に用いることができる。
10:電池被覆シート(シート材)
10a:つなぎ目
11:接着テープ(固定部材)
12:接着剤(固定部材)
20A:円筒型リチウムイオン電池(電池)
20B:ラミネート型リチウムイオン電池(電池)
20C:角型リチウムイオン電池(電池)
21:端子キャップ
22:封口体
23:電極群
24:外装体
30A〜30C:シート被覆電池
31A,31B,32:電池パックユニット
32:デッドスペース

Claims (11)

  1. 無機充填材を含有する樹脂組成物により形成されたシート材であり、
    電池の外面の形状に沿って当該外面の少なくとも一部を被覆可能とする柔軟性を有することを特徴とする、
    電池被覆シート。
  2. 前記樹脂組成物に含有される前記無機充填材は、前記樹脂組成物の全量を100質量%としたときに30〜95質量%の範囲内であることを特徴とする、
    請求項1に記載の電池被覆シート。
  3. 前記シート材の厚さは、0.5〜3.0mmの範囲内であることを特徴とする、
    請求項1または2に記載の電池被覆シート。
  4. 前記樹脂組成物は、樹脂成分として、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、およびメラミン樹脂からなる群より選択される少なくとも1種の樹脂を含有していることを特徴とする、
    請求項1から3のいずれか1項に記載の電池被覆シート。
  5. 前記無機充填材は、二価もしくは三価の金属水酸化物、二価の金属硫酸塩水和物、亜鉛のオキソ酸塩、シリカ、アルミナ、ドーソナイト、および炭酸水素ナトリウムからなる群より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から4のいずれか1項に記載の電池被覆シート。
  6. 前記シート材は、さらに繊維製基材を備えていることを特徴とする、
    請求項1から5のいずれか1項に記載の電池被覆シート。
  7. 前記繊維製基材を構成する繊維は、ガラス繊維、ポリエステル繊維、炭素繊維、ボロン繊維、アラミド繊維、ナイロン繊維、ポリエチレン繊維、ポリアレリート繊維、BPO繊維、ポリフェニレンサルファイド繊維、ポリイミド繊維、フッ素繊維からなる群から選択される少なくとも1種の繊維であることを特徴とする、
    請求項6に記載の電池被覆シート。
  8. 前記繊維製基材は、組物、織物、編物、不織布、単繊維、またはロービングのいずれかで構成されていることを特徴とする、
    請求項6または7に記載の電池被覆シート。
  9. 前記シート材における繊維体積含有率Vfは、0.5〜50%の範囲内であることを特徴とする、
    請求項6から8のいずれか1項に記載の電池被覆シート。
  10. 電池の外面の少なくとも一部が、請求項1から9のいずれか1項に記載の電池被覆シートにより被覆されている構造を含むことを特徴とする、
    電池パック。
  11. 前記電池被覆シートは、前記電池の外面のうち端面を除く周面全体を被覆した状態で固定されていることを特徴とする、
    請求項10に記載の電池パック。

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