JP6876905B2

JP6876905B2 - 熱伝導シートおよびこれを用いた電池パック

Info

Publication number: JP6876905B2
Application number: JP2018520743A
Authority: JP
Inventors: 佳也坂口; 藤井　健史; 健史藤井
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-05-30
Filing date: 2017-05-09
Publication date: 2021-05-26
Anticipated expiration: 2037-05-09
Also published as: WO2017208736A1; US20190051953A1; CN108698373B; CN108698373A; US10923784B2; JPWO2017208736A1

Description

本発明は、熱伝導シートおよびこれを用いた電池パックに関する。

各種機器にリチウムイオン二次電池が搭載されるようになり、その電流容量も大きくなってきている。リチウムイオン二次電池の電流容量が大きくなるとともに、熱対策の重要性が益々大きくなってきている。リチウムイオン二次電池は互いに接続された複数の電池セルよりなる電池モジュールとして使われている。このような電池モジュールでは、複数の電池セルの温度の差が大きくなる、あるいは電池セルの温度が高くなると、温度の高い電池セルの劣化が進みやすくなるため、均熱化の対策が重要となる。電池モジュール内に熱伝導体を配置して均熱化することができる。この熱伝導体としてグラファイトシートが用いられる。

上記の熱伝導体に類似の熱伝導体が、例えば特許文献１に開示されている。

特開２０１５−７１７２７号公報

熱伝導シートは、互いに重ねられた第１と第２の絶縁シートと、第１と第２の絶縁シートの間に設けられたグラファイトシートとを備える。グラファイトシートは、第１と第２の絶縁シートで全体を封止されている。グラファイトシートには第１のスリットが設けられている。第１と第２の絶縁シートにはグラファイトシートの第１のスリット内において第１と第２の絶縁シートを貫通する第２のスリットが設けられている。

この熱伝導シートは、グラファイトシートの面積が大きくても、発熱体との間に気泡を残さずに発熱体に貼り合わせることができる。

図１Ａは実施の形態における熱伝導シートの平面図である。図１Ｂは図１Ａに示す熱伝導シートの線１Ｂ−１Ｂにおける断面図である。図１Ｃは図１Ａに示す熱伝導シートの線１Ｃ−１Ｃにおける断面図である。図２は実施の形態における熱伝導シートを用いた電池パックの上面斜視図である。図３は実施の形態における電池パックの電池セルの上面斜視図である。図４は実施の形態における電池セルの上面斜視図である。図５は実施の形態における電池セルの下面斜視図である。

図１Ａは実施の形態における熱伝導シート１１の平面図である。図１Ｂは図１Ａに示す熱伝導シート１１の線１Ｂ−１Ｂにおける断面図である。図１Ｃは図１Ａに示す熱伝導シート１１の線１Ｃ−１Ｃにおける断面図である。厚さ約５０μｍのグラファイトシート１２の両面に、厚さ約１０μｍのポリエチレンテレフタレート（以下、ＰＥＴと記す）からなる絶縁シート１１３、２１３が貼り合わされている。絶縁シート１１３、２１３のグラファイトシート１２と対向する面１１３ａ、２１３ａには、アクリル系の粘着材が設けられている。絶縁シート１１３、２１３はグラファイトシート１２よりも大きな面積を有する。グラファイトシート１２が無い部分は絶縁シート１１３、２１３が粘着材により接着されることにより、グラファイトシート１２の全体を封止している。すなわち絶縁シート１１３、２１３の周囲の全体は互いに貼り合わされて接着されている。グラファイトシート１２には延伸方向Ｄ１４に細長く延びるスリット１４が設けられている。実施の形態では、延伸方向Ｄ１４に直角の方向におけるスリット１４の幅Ｗ１４は約２ｍｍである。スリット１４の周囲は絶縁シート１１３、２１３で封止されている。すなわち、スリット１４内で絶縁シート１１３、２１３は互いに貼り合わされて接着している。スリット１４内において絶縁シート１１３、２１３には絶縁シート１１３、２１３を貫通してかつ面１１３ａ、１１３ｂ、２１３ａ、２１３ｂと平行な延伸方向Ｄ１５に細長く延びるスリット１５が設けられている。実施の形態では、延伸方向Ｄ１５に直角の方向におけるスリット１５の幅Ｗ１５は約０．１ｍｍである。グラファイトシート１２の周囲は全て絶縁シート１１３、２１３で覆われているので、グラファイトシート１２から発生するグラファイト粉等は絶縁シート１１３，２１３の外には出ない。実施の形態では、スリット１４の延伸方向Ｄ１４はスリット１５の延伸方向Ｄ１５と同じであるが、異なっていてもよい。

熱伝導体を用いる場合、効率的に熱を運ぶためには電池セル等の発熱体に接する面に設けられた粘着材で熱伝送体を発熱体に密着させることが望ましい。携帯電話のような小さな電子機器に用いる場合、グラファイトシートも小さいため、問題なく貼り合わせられる。車載用の電池セル等大きな発熱体に熱伝導体を貼り合わせる場合、グラファイトシートも大きい面積を有する。これを電池セルに貼り合わせようとすると、粘着材と電池セルとの間に気泡を残しやすくなる。粘着材と電池セルとの間に気泡が存在すると、電池セルの温度が上がったときに気泡の中の空気が膨張し、さらに気泡の領域を広げる。その結果として電池セル内の温度分布における最高温度と最低温度の差が大きくなる可能性がある。

実施の形態における熱伝導シート１１が大きい面積を有する場合、熱伝導シート１１を電池セル等の発熱体に貼り合わせても、スリット１５から空気を抜くことができる。したがって、熱伝導シート１１と発熱体との間に気泡を残さずに熱伝導シート１１を発熱体に貼り合わせることができる。

スリット１５の幅Ｗ１５は、空気が通り抜けることができる限り、非常に狭くてもかなわない。スリット１５の幅Ｗ１５が広くなりすぎると、均熱性に劣るので、幅Ｗ１５は０．２ｍｍ以下であることが望ましく、スリット１５は幅Ｗ１５がほぼゼロである切り込みであってもよい。

スリット１４の幅Ｗ１４は、スリット１５が形成でき、スリット１４の周囲を絶縁シート１１３、２１３で封止するために、１．０ｍｍ以上であることが望ましい。スリット１４の幅Ｗ１４が大きくなりすぎると均熱性に劣るので、２．０ｍｍ以下であることが望ましい。

絶縁シート１１３、２１３の少なくとも一方は、両面に粘着材が設けられた両面テープであることが望ましい。このようにすることにより、電池セル等の発熱体に熱伝導シート１１を直接貼り合わせることができる。すなわち、グラファイトシート１２と絶縁シート２１３とに対向する絶縁シート１１３の面１１３ａは接着性を有していてもよく、面１１３ａの反対側の面１１３ｂも接着性を有していてもよい。さらに、グラファイトシート１２と絶縁シート１１３とに対向する絶縁シート２１３の面２１３ａは接着性を有していてもよく、面２１３ａの反対側の面２１３ｂも接着性を有していてもよい。

次に熱伝導シート１１の製造方法について説明する。

まずポリイミドフィルムを熱分解し、グラファイト化した後、なめすことにより柔軟なグラファイトシート１２を得る。次に金型による打ち抜き、あるいはレーザ加工によって、グラファイトシート１２にスリット１４を形成する。グラファイトシート１２の両面に絶縁シート１１３、２１３を貼り合わせる。その後、スリット１４の中央部の絶縁シート１１３，２１３の部分にスリット１５を形成する。

図２は、実施の形態における熱伝導シート１１を用いた電池パック２１の上面斜視図である。電池パック２１は、金属製の筐体２２と、筐体２２に収容された複数の電池セル１７とを備える。

図３と図４は電池セル１７の上面斜視図である。図５は電池セル１７の下面斜視図である。電池セル１７には熱伝導シート１１が貼り合わせられている。実施の形態において、電池セル１７は角型リチウムイオン電池であり、電池として機能する電池セル本体１１７と、電池セル本体１１７に設けられた端子電極１８とを有する。電池セル本体１１７は、上面１１７ａと、下面１１７ｂと、上面１１７ａと下面１１７ｂとに繋がる側面１１７ｃと、上面１１７ａと下面１１７ｂとに繋がりかつ側面１１７ｃの反対側の側面１１７ｄとを有する。端子電極１８は上面１１７ａに設けられている。熱伝導シート１１は、電池セル本体１１７の側面１１７ｃと下面１１７ｂと側面１１７ｄとに亘って貼り合わされている。この構成により、電池セル１７内の温度分布での最高温度と最低温度との差を小さくすることができ、下面１１７ｂから筐体２２に熱を逃がすことにより、電池セル１７全体の温度を下げることができる。

スリット１５は、電池セル本体１１７の上面１１７ａと下面１１７ｂとを結ぶ方向にグラファイトシート１２の一端から細長く延びる。実施の形態では、スリット１５は、電池セル本体１１７の上面１１７ａと下面１１７ｂとを結ぶ方向である上下方向Ｄ１に細長く延び、詳細には、グラファイトシート１２の上端１２ｔから下方に細長く延びる。スリット１４は上下方向Ｄ１に細長く延び、詳細には、絶縁シート１１３、２１３の上端１１３ｔ、２１３ｔから下方に細長く延びる。

筐体２２に収容された複数の電池セル１７のうちの互いに隣り合う電池セル１７に貼り合わされた熱伝導シート１１の絶縁シート２１３は互いに当接している。筐体２２に収容されて配列された複数の電池セル１７の両端に位置する電池セル１７に貼り合わされた熱伝導シート１１の絶縁シート２１３は筐体２２に当接する。この構成により、電池セル１７で発生した熱は互いに当接する熱伝導シート１１を介して筐体２２に伝わり、複数の電池セル１７を均一な温度に冷却することができる。

熱伝導体を用いる場合、効率的に熱を運ぶためには電池セル１７等の発熱体に接する面に設けられた粘着材で熱伝導体を発熱体に密着させることが望ましい。携帯電話のような小さな電子機器に用いる場合、グラファイトシートも小さいため、問題なく貼り合わせられる。車載用の電池セル等大きな発熱体に熱伝導体を貼り合わせる場合、グラファイトシートも大きい面積を有する。これを電池セルに貼り合わせようとすると、粘着材と電池セルとの間に気泡を残しやすくなる。粘着材と電池セルとの間に気泡が存在すると、電池セルの温度が上がったときに気泡の中の空気が膨張し、さらに気泡の領域を広げる。その結果として電池セル内の温度分布における最高温度と最低温度の差が大きくなる可能性がある。

電池セル１７が角型リチウムイオン電池である場合、端子電極１８に近い領域が最も発熱量が大きくなりやすい。したがって、スリット１４は電池セル本体１１７の上面１１７ａから下方に延びることが望ましい。電池セル１７で発生した熱は電池セル本体１１７（電池セル１７）の上面１１７ａから下面１１７ｂに向かって伝わり、電池セル１７内の温度分布での最高温度と最低温度との差をより小さくすることができる。また、熱伝導シート１１を電池セル１７に貼り合わせる際に、スリット１５から空気を逃がすことができ、端子電極１８付近の温度が高くなる領域において気泡がなく熱伝導シート１１を電池セル１７に密着させることができる。したがって、熱伝導シート１１は効果的に電池セル１７で発生した熱を伝えることができ、信頼性の高い電池パック２１を得ることができる。

実施の形態において、「上面」「下面」「上端」「上下方向」「下方」等の方向を示す用語は、電池セル１７や熱伝導シート１１等の電池パック２１の構成部材の相対的な位置関係でのみ決まる相対的な方向を示し、鉛直方向等の絶対的な方向を示すものではない。

１１熱伝導シート
１２グラファイトシート
１４スリット（第１のスリット）
１５スリット（第２のスリット）
１７電池セル
１８端子電極
２１電池パック
２２筐体
１１３絶縁シート（第１の絶縁シート）
１１７電池セル本体
２１３絶縁シート（第２の絶縁シート）
Ｄ１４延伸方向
Ｄ１５延伸方向

Claims

第１の絶縁シートと、
前記第１の絶縁シートに重ねられた第２の絶縁シートと、
前記第１の絶縁シートと前記第２の絶縁シートとの間に設けられて、前記第１の絶縁シートと前記第２の絶縁シートとで全体を封止されたグラファイトシートと、
を備え、
前記グラファイトシートには第１のスリットが設けられており、
前記第１の絶縁シートと前記第２の絶縁シートには前記グラファイトシートの前記第１のスリット内において前記第１の絶縁シートと前記第２の絶縁シートを貫通する第２のスリットが設けられている、熱伝導シート。
前記第１の絶縁シートは、前記グラファイトシートと前記第２の絶縁シートとに対向する接着性を有する第１の面と、前記第１の面の反対側の接着性を有する第２の面とを有する、請求項１に記載の熱伝導シート。
前記第２の絶縁シートは、前記グラファイトシートと前記第１の絶縁シートとに対向する接着性を有する第１の面と、前記第２の絶縁シートの前記第１の面の反対側の接着性を有する第２の面とを有する、請求項１または２に記載の熱伝導シート。
前記第１のスリットは延伸方向に細長く延び、
前記延伸方向に直角の方向における前記第１のスリットの幅は１．０ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下である、請求項１から３のいずれか一項に記載の熱伝導シート。
前記第２のスリットは延伸方向に細長く延び、
前記第２のスリットの前記延伸方向に直角の方向における前記第２のスリットの幅は０．２ｍｍ以下である、請求項４に記載の熱伝導シート。
前記第２のスリットは前記第１の絶縁シートと前記第２の絶縁シートとを貫通する切り込みである、請求項５に記載の熱伝導シート。
電池セルと、
前記電池セルに貼り合わされた熱伝導シートと、
を備え、
前記電池セルは、
上面と、下面と、前記上面と前記下面とに繋がる側面とを有する電池セル本体と、
前記電池セル本体の前記上面に設けられた電極端子と、
を有し、
前記熱伝導シートは、
前記電池セル本体の前記側面に貼り合わされた第１の絶縁シートと、
前記第１の絶縁シートに重ねられた第２の絶縁シートと、
前記第１の絶縁シートと前記第２の絶縁シートとの間に設けられて、前記第１の絶縁シートと前記第２の絶縁シートとで全体を封止されたグラファイトシートと、
を有し、
前記グラファイトシートには第１のスリットが設けられており、
前記第１の絶縁シートと前記第２の絶縁シートには、前記グラファイトシートの前記第１のスリット内において前記第１の絶縁シートと前記第２の絶縁シートを貫通する第２のスリットが設けられている、電池パック。
前記第１のスリットは、前記電池セル本体の前記上面と前記下面とを結ぶ方向に細長く延びる、請求項７に記載の電池パック。
前記第１のスリットは前記グラファイトシートの一端から細長く延びる、請求項８に記載の電池パック。
複数の電池セルと、
前記複数の電池セルに貼り合わされた複数の熱伝導シートと、
を備え、
前記複数の電池セルのそれぞれの電池セルは、
上面と、下面と、前記上面と前記下面とに繋がる側面とを有する電池セル本体と、
前記電池セル本体の前記上面に設けられた電極端子と、
を有し、
前記それぞれの電池セルは前記複数の熱伝導シートのそれぞれの熱伝導シートに張り合わされており、
前記それぞれの熱伝導シートは、
前記それぞれの電池セルの前記電池セル本体の前記側面に貼り合わされた第１の絶縁シートと、
前記第１の絶縁シートに重ねられた第２の絶縁シートと、
前記第１の絶縁シートと前記第２の絶縁シートとの間に設けられて、前記第１の絶縁シートと前記第２の絶縁シートとで全体を封止されたグラファイトシートと、
を備え、
前記グラファイトシートには第１のスリットが設けられており、
前記第１の絶縁シートと前記第２の絶縁シートには、前記グラファイトシートの前記第１のスリット内において前記第１の絶縁シートと前記第２の絶縁シートを貫通する第２のスリットが設けられている、電池パック。
前記第１のスリットは、前記電池セル本体の前記上面と前記下面とを結ぶ方向に細長く延びる、請求項１０に記載の電池パック。
前記第１のスリットは前記グラファイトシートの一端から細長く延びる、請求項１１に記載の電池パック。
前記複数の電池セルと前記複数の複数の熱伝導シートとを収容する筐体をさらに備えた、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の電池パック。