JP6917548B2

JP6917548B2 - 熱伝導シートおよびこれを用いた二次電池パック

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Publication number: JP6917548B2
Application number: JP2018525055A
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: 2016-07-01
Filing date: 2017-06-16
Publication date: 2021-08-11
Anticipated expiration: 2037-06-16
Also published as: US10985416B2; WO2018003547A1; JPWO2018003547A1; CN109328406A; US20190372181A1; CN109328406B

Description

本開示は、リチウムイオン二次電池等に用いられる熱伝導シートおよびこれを用いた電池パックに関するものである。

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が大電流化されるとともに、リチウムイオン二次電池の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通常、複数の電池セルを接続して電池モジュールとして使われている。リチウムイオン二次電池の電池セルの内部における温度差が大きくなる、あるいは複数の電池セルの間の温度差が大きくなると、リチウムイオン二次電池の劣化が進みやすくなる。そのため、リチウムイオン二次電池の劣化を防止するために、電池セルにおける均熱化の対策が重要となる。そのため、多くの技術は、電池モジュール内に熱伝導体を配置して電池セルを均熱化している。この熱伝導体としてグラファイトシートを用いることが行われている。

なお、この技術に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開２０１５−７１７２７号公報

熱伝導体を用いる場合、効率的に熱を運ぶためには発熱体に接する面に粘着材を設けて、発熱体に密着させることが望ましい。熱伝導体を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、貼り合わせるのに問題はない。しかし、熱伝導体を車載用の電池セル等大きなものに貼り合わせる場合、グラファイトシートも大面積のものを用いる必要がある。また、電池セルの温度を均一化するだけであれば、最も面積の大きい側面のみに熱伝導シートを貼り合わせるだけでよい。一方、電池セルの温度を下げようとすると、この側面から筐体に接する面、例えば底面等に熱伝導シートを伸ばすことが望ましい。グラファイトシートは導電性がある。そのため、通常グラファイトシートの両面に絶縁シートを貼り合わせ、この絶縁シートを貼り合わせたグラファイトシートを熱伝導シートとして用いる。このように両面に絶縁シートを貼り合わせたグラファイシートは曲げにくくなるため、電池セルの一面から直角をなす別の面にかけて貼り合わせしようとすると、角部で膨れてしまう等貼り合わせることが難しい。

本開示は上記課題を解決するために、グラファイトシートの全体を絶縁シートで挟んで封止した熱伝導シートであって、グラファイトシートには複数個の切り欠き部が直線状に並んで配置されているようにしたものである。

このようにすることにより、熱伝導シートを切り欠き部の領域で簡単に折り曲げることができ、電池セルの側面から底面にかけて熱伝導シートを容易に貼り合わせることができる。

本開示の第１の実施形態における熱伝導シートの上面図同熱伝導シートの図１に示す線II−II断面図同熱伝導シートの図１に示す線III−III断面図同熱伝導シートの好ましい例にかかる断面図同変形例１における熱伝導シートの部分断面図同変形例２における熱伝導シートの部分断面図同変形例３における熱伝導シートの部分断面図同変形例４における熱伝導シートの部分断面図同変形例５における熱伝導シートの部分上面図同変形例６における熱伝導シートの部分上面図同変形例７における熱伝導シートの部分上面図本開示の第２の実施形態における電池セルの斜視図同電池セルの図７に示す線VIII−VIII断面図同電池パックの概略図本開示の第３の実施形態における熱伝導シートの上面図同電池セルの斜視図同電池セルの図１１に示す線XII−XII断面図同電池パックの概略図本開示にかかるグラファイトシートの封止の仕方の一例を示す図本開示にかかるグラファイトシートの封止の仕方の別の一例を示す図

（第１の実施形態）
以下、本開示の第１の実施形態における熱伝導シートについて、図面を参照しながら説明する。

図１は本開示の第１の実施の形態における熱伝導シート１１の上面図である。図２は、図１に示す熱伝導シート１１の、II−II線に沿って紙面に垂直な面で切った断面図である。また、図３は、図１に示す熱伝導シート１１の、III−III線に沿って紙面に垂直な面で切った断面図である。II−II線は、複数の切り欠き部１４を含む、切り欠き部１４の配列方向に沿った線であり、III−III線は、１つの切り欠き部１４を通る、II−II線に垂直な方向に伸びる線である。

熱伝導シート１１は、厚さが約５０μｍのグラファイトシート１２の両面に、例えば、ポリエチレンテレフタレート（以下、ＰＥＴと記す）からなる厚さが約１０μｍの絶縁シート１３が１枚ずつ貼り合わされて構成されている。絶縁シート１３のグラファイトシート１２と対向する面には、例えば、アクリル系樹脂よりなる粘着材（図示せず）が設けられている。絶縁シート１３およびグラファイトシート１２は、ともに矩形の形状を有している。絶縁シート１３はグラファイトシート１２よりも大きな形状を有している。絶縁シート１３の端部において、グラファイトシート１２が無い部分の絶縁シート１３同士を、粘着材により接着することにより、グラファイトシート１２が封止される。なお、グラファイトシート１２は、例えば高分子フィルムの熱分解によって形成される。

グラファイトシート１２には、それぞれが矩形の形状を有しかつグラファイトシート１２を貫通する、複数個の切り欠き部１４が直線状に並んで配置されている。この切り欠き部１４の並んでいる方向の長さをＬ、切り欠き部１４と切り欠き部１４との間の長さをＳとして、Ｌ＝１０ｍｍ、Ｓ＝５ｍｍとしている。またこの切り欠き部１４の内側では、絶縁シート１３同士が粘着材により接着されている。接着された絶縁シート１３の一方には、切り欠き部１４に対応して凹部１６が形成される。

本実施の形態のように複数個の切り欠き部１４を直線状に並べで配置させたグラファイトシート１２の両面に、絶縁シート１３を貼り合わせた熱伝導シート１１では、切り欠き部１４に沿った線で容易に折り曲げることができる。そのため、例えば電池セルへの熱伝導シート１１の貼り合わせを容易とすることができる。グラファイトシート１２は面方向への熱伝導性に優れるため、切り欠き部１４があっても、当該切り欠き部１４以外の部分で熱を十分に伝えることができる。そのため、グラファイトシート１２を電池セルに貼り合わせた場合、側面から底面に熱を伝え、筐体を通じて放熱することができる。

切り欠き部１４の長さＬとし、切り欠き部１４と切り欠き部１４との間の長さをＳとする。このとき、ＬとＳとの関係を、

とすることがより望ましい。Ｌ／（Ｌ＋Ｓ）が０．５よりも小さくなると、折り曲げ性がやや劣ってくることがあり、逆に０．９よりも大きくなると、熱伝導性を阻害しやすくなるためである。

また切り欠き部１４の並んでいる方向とは垂直な方向の切り欠き部１４の幅をＷとし、グラファイトシート１２の厚さをＴ１、絶縁シート１３の厚さをＴ２としたとき、

とすることがより好ましい。Ｗが２・（Ｔ１＋２・Ｔ２）よりも小さくなると折り曲げにくくなり、１０・（Ｔ１＋２・Ｔ２）よりも大きくなると強度が劣化しやすく、また熱伝導性を阻害しやすくなるためである。なお、上記熱伝導シート１１に関しては、Ｔ１≒５０μｍであり、Ｔ２≒１０μｍである。

なお、切り欠き部１４の内側では、図２に示すように、絶縁シート１３同士が接合されていることが望ましい。さらに、切り欠き部１４の内側の絶縁シート１３には、図４に示すように凹部１６の代わりに貫通穴１７が形成されていることがより好ましい。貫通穴１７を形成することにより、例えば電池セルに貼り合わせるときに空気を巻き込んでも貫通穴１７から空気を逃がすことができ、電池セルに熱伝導シートを密着させることができる。なお、図４は、図２に示す断面図に対応する断面図である。

熱伝導シート１１の、切り欠き部１４およびその近傍における断面形状については、以下の変形例１〜４の場合も可能である。また、熱伝導シート１１の、切り欠き部１４およびその近傍における上面形状については、変形例５〜７の場合も可能である。

（変形例１）
変形例１にかかる熱伝導シート１１の、切り欠き部１４およびその近傍における断面形状として、図５Ａに示す形状も可能である。この図５Ａにおいては、貼り合わせる２枚の絶縁シート１３のうち、他方にある絶縁シート１３について、切り欠き部１４に対応する箇所に窪み１８が設けられた構成である。他の構成要件は、上記図２の場合と同様である。

（変形例２）
変形例２にかかる熱伝導シート１１の、切り欠き部１４およびその近傍における断面形状として、図５Ｂに示す形状も可能である。この図５Ｂにおいては、貼り合わせる２枚の絶縁シート１３のうち、一方の絶縁シート１３について、切り欠き部１４に対応する箇所に三角形状の溝１９が設けられた構成である。

なお、他方の絶縁シート１３について、切り欠き部１４に対応する箇所に窪み１８がなく、フラットな形状であってもよい。

また、三角形状の溝１９について、絶縁シート１３を貫通してもよい。この場合、熱伝導シート１１を例えば電池セルに貼り合わせるときに空気を巻き込んだとしても、溝１９から空気を逃がすことができ、電池セルに熱伝導シート１１を密着させることができる。

（変形例３）
変形例３にかかる熱伝導シート１１の、切り欠き部１４およびその近傍における断面形状として、図５Ｃに示す形状も可能である。この図５Ｃにおいては、貼り合わせる２枚の絶縁シート１３のうち、一方の絶縁シート１３について、切り欠き部１４に対応する箇所にスリット２０が設けられた構成である。このスリット２０は、絶縁シート１３に切り込みを設けることで形成される。

（変形例４）
変形例４にかかる熱伝導シート１１の、切り欠き部１４およびその近傍における断面形状として、図５Ｄに示す形状も可能である。この図５Ｄにおいては、図５Ｃにかかるスリット２０が絶縁シート１３を貫通した構成である。この場合、熱伝導シート１１を例えば電池セルに貼り合わせるときに空気を巻き込んだとしても、スリット２０から空気を逃がすことができ、電池セルに熱伝導シート１１を密着させることができる。

（変形例５）
変形例５にかかる熱伝導シート１１の、切り欠き部１４およびその近傍における平面形状として、図６Ａに示す形状も可能である。この図６Ａについては、切り欠き部１４の端部の角が取れて丸みを帯びた形状である。

（変形例６）
変形例６にかかる熱伝導シート１１の、切り欠き部１４およびその近傍における平面形状として、図６Ｂに示す形状も可能である。この図６Ｂについては、切り欠き部１４の端部が半円形の形状である。

（変形例７）
変形例７にかかる熱伝導シート１１の、切り欠き部１４およびその近傍における平面形状として、図６Ｃに示す形状も可能である。この図６Ｃについては、切り欠き部１４の端部が角張った形状である。

なお、この切り欠き部１４の、端部が角張った形状は、図６Ａ〜Ｃに限られず、様々な形状が可能である。

（第２の実施形態）
次に本開示の第１の実施形態にて説明した熱伝導シートを用いた電池パックについて説明する。

図７は、第１の実施形態における熱伝導シート１１を用いた、２次電池である電池セル２１の斜視図である。また、図８は、電池セル２１を、図７のVIII−VIII線を含む熱伝導シート１１の主面に垂直な面で切った断面図である。図７のVIII−VIII線は、熱伝導シート１１の長手方向沿った線分である。図９は、図８に示す電池セル２１により構成される電池パック２２の概略図である。

電池パック２２は、金属製の筐体２３の中に、複数個の電池セル２１が配置、固定されることによって構成される。電池セル２１の大きさは幅約１５０ｍｍ、高さ約１００ｍｍ、厚さ約２０ｍｍとなっている。各々の電池セル２１には熱伝導シート１１が貼り合わせられている。電池セル２１は角型リチウムイオン電池であり、その端子電極２４は上面に設けられている。熱伝導シート１１は、電池セル２１の一方の側面から、底面にかけて貼り合わされている。なお、電池セル２１は、その底面が熱伝導シート１１を介して筐体２３と接している。

この熱伝導シート１１はグラファイトシート１２の全体を絶縁シート１３で挟んで封止したものである。グラファイトシート１２には複数個の切り欠き部１４が直線状に並んで配置されており、この切り欠き部１４が並んでいる部分で折り曲げられている。この熱伝導シート１１の折り曲げられている部分が、電池セル２１の側面と底面との境界（角部）にくるように熱伝導シート１１が電池セル２１に貼り合わせられている。このようにすることで、熱伝導シート１１を切り欠き部１４の領域で簡単に折り曲げることができ、電池セル２１の側面から底面にかけて熱伝導シート１１を容易に貼り合わせすることができる。そのため電池セル２１内の温度分布を小さくできるとともに、電池セル２１の底面から筐体２３に熱を逃がすことにより、電池セル２１の全体の温度を下げることができる。

なお、熱伝導シート１１は電池セル２１の一方の側面から、底面、さらにもう一方の側面にかけて貼り合わされても良い。このようにすることによりさらに電池セル２１内の温度分布を小さくすることができる。

なお、上記第１および第２実施形態において、熱伝導シート１１を矩形としたが、矩形に限らず、電池セル２１の形状に応じ、三角形や六角形等の多角形でもよく、円や楕円、扇形の形状を有していてもよい。

また、上記第２の実施形態として、電池セル２１を例として説明したが、発熱体として、電池セル２１以外でもよい。

（第３の実施形態）
次に本開示の第３の実施形態における熱伝導シートと、それを用いた電池パックについて説明する。

図１０は、本開示の第３の実施の形態における熱伝導シート１５の上面図である。この熱伝導シート１５と、第１の実施形態にかかる熱伝導シート１１との違いは、切り欠き部１４が２列に配列されている点である。この切り欠き部１４の配列は、以下に示すように、電池セル２１の下部の角部に対応して設けられている。熱伝導シート１５を構成する材料および断面構造は、第１の実施形態で説明した熱伝導シート１１と同様である。なお、熱伝導シート１５は電池セル２１の一方の側面から、底面、さらにもう一方の側面にかけて貼り合わされている。このようにすることによりさらに電池セル２１内の温度分布を、さらに小さくすることができる。

図１１は、熱伝導シート１５を用いた、２次電池である電池セル２１の斜視図である。また、図１２は、電池セル２１を、図１１のXII−XII線を含む熱伝導シート１５の主面に垂直な面で切った断面図である。図１１のXII−XII線は、熱伝導シート１５の長手方向沿った線分である。図１３は、図１１に示す電池セル２１により構成される電池パック２２の概略図である。

電池パック２２は、金属製の筐体２３の中に、複数個の電池セル２１が配置、固定されることによって構成される。電池セル２１の大きさは幅約１５０ｍｍ、高さ約１００ｍｍ、厚さ約２０ｍｍとなっている。各々の電池セル２１には熱伝導シート１５が貼り合わせられている。電池セル２１は角型リチウムイオン電池であり、その端子電極２４は上面に設けられている。熱伝導シート１５は、電池セル２１の一方の側面から、底面および他方の側面にかけて貼り合わされている。なお、電池セル２１は、その底面が熱伝導シート１５を介して筐体２３と接している。

この熱伝導シート１５はグラファイトシート１２の全体を絶縁シート１３で挟んで封止したものである。グラファイトシート１２には複数個の切り欠き部１４が直線状に並んで配置されており、この切り欠き部１４が並んでいる部分で折り曲げられている。この熱伝導シート１５の折り曲げられている部分が、電池セル２１の２つの側面と底面との境界（角部）にくるように熱伝導シート１５が電池セル２１に貼り合わせられている。このようにすることで、熱伝導シート１５を切り欠き部１４の領域で簡単に折り曲げることができ、電池セル２１の側面から底面にかけて熱伝導シート１５を容易に貼り合わせすることができる。そのため電池セル２１内の温度分布を小さくできるとともに、電池セル２１の底面から筐体２３に熱を逃がすことにより、電池セル２１の全体の温度を下げることができる。

なお、上記第１〜第３実施形態において、熱伝導シート１１または熱伝導シート１５の形状を矩形としたが、当該形状は矩形に限らず、電池セル２１の形状に応じ、三角形や六角形等の多角形でもよく、円や楕円、扇形の形状を有していてもよい。

また、熱伝導シート１１または熱伝導シート１５における切り欠き部１４の数は、１でもよく、２以上であってもよい。切り欠き部１４の代わりに例えば貫通しない凹部を設けてもよい。熱伝導シート１１または熱伝導シート１５の上面からみた切り欠き部１４の形状としては、矩形や図６Ａ〜Ｃの形状に限らず、三角形や五角形、六角形といった多角形でもよく、円や楕円またはそれらが連なった形状でもよい。

また、本開示の熱伝導シート１１または熱伝導シート１５の大きさは、上記実施形態の場合に限定されず、様々な大きさが可能である。

また、絶縁シート１３として、ＰＥＴを例に説明したが、ＰＥＴに限らず、ポリイミドのような耐熱性樹脂を用いることも可能である。

また、絶縁シート１３がＰＥＴの場合、絶縁シート１３どうしを熱により圧着することも可能である。

また、上記第２および第３の実施形態として、電池セル２１を例として説明したが、発熱体として、電池セル２１以外でもよい。例えば、スマートフォンに搭載されるＩＣチップの場合でも本開示の熱伝導シートを用いることができる。また、発熱部品であるパワーモジュールに対しても本開示の熱伝導シートを用いることができる。

なお、熱伝導シート１１または１５は、グラファイトシート１２を、絶縁シート１３で挟んで封止することにより形成されるが、当該封止の仕方の一例として、図１４に示すように２枚の絶縁シート１３でもってグラファイトシート１２全体を挟んでもよい。また、別の封止の仕方の例として、図１５に示すように、１枚の大きな絶縁シートの上にグラファイトシートを戴置して、グラファイトシートの長辺または短辺にて絶縁シートを折り返してグラファイトシートを挟むようにしてもよい。

本開示に係る熱伝導シートおよびこれを用いた電池パックは、熱伝導シートとしてグラファイトシートの両面に絶縁シートが貼り合わせられたものを用いても、電池セルの一面から直交する別の面にかけて容易に貼り合わせすることができる。それにより、信頼性の高い電池パックを得ることができ、産業上有用である。

１１，１５熱伝導シート
１２グラファイトシート
１３絶縁シート
１４切り欠き部
１６凹部
１７貫通穴
１８窪み
１９溝
２０スリット
２１電池セル
２２電池パック
２３筐体
２４端子電極

Claims

グラファイトシート全体を絶縁シートで挟んで封止した熱伝導シートであって、
前記グラファイトシートには複数個の切り欠き部が直線状に並んで配置され、
前記切り欠き部の並んでいる方向とは垂直な方向の前記切り欠き部の幅をＷとし、前記グラファイトシートの厚さをＴ１、前記絶縁シートの厚さをＴ２としたとき、

としたことを特徴とする熱伝導シート。
前記切り欠き部の並んでいる方向の長さをＬ、前記切り欠き部と前記切り欠き部との間の長さをＳとしたとき、

としたことを特徴とする請求項１記載の熱伝導シート。
前記切り欠き部の内側では、前記絶縁シート同士が接合されていることを特徴とする請求項１記載の熱伝導シート。
複数個の二次電池セルを筐体の中に保持した二次電池パックであって、請求項１記載の熱伝導シートを前記複数個の切り欠き部が並んでいる部分で折り曲げ、前記二次電池セルの側面から底面に渡って前記熱伝導シートを当接させ、前記熱伝導シートの折り曲げられている部分が、前記二次電池セルの側面と底面との境界にくるように前記熱伝導シートを配置させたことを特徴とする二次電池パック。