JP6954213B2

JP6954213B2 - 充填部材、組電池及び熱伝達の制御方法

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Publication number: JP6954213B2
Application number: JP2018070430A
Authority: JP
Inventors: 陽子渡邉; 川井　友博; 友博川井
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2021-10-27
Anticipated expiration: 2038-03-30
Also published as: JP2019185845A

Description

本発明は、充填部材、組電池及び熱伝達の制御方法に関する。

近年、車両等の電源としての二次電池の使用が急増している。車両等の限られた空間に搭載する際の自由度を向上させること、一度の充電に対して走行可能な航続距離を伸ばすこと等を目的として、二次電池の高エネルギー密度化の検討が進められている。

二次電池の安全性はエネルギー密度とは相反する傾向にあり、エネルギー密度が高くなるほど二次電池の安全性は低下する傾向にある。例えば、航続距離が数百ｋｍに及ぶような電気自動車に搭載される二次電池では、過充電や内部短絡等により二次電池が損傷した場合の電池表面温度が数百℃を超え、１０００℃近くに及ぶ場合もある。

車両等の電源に使用される二次電池は、一般に複数の単電池（以下、「セル」ともいう）から成る組電池として用いられる。このため、組電池を構成する単電池の一つが損傷し上記のような温度域に到達した場合、その発熱により隣接する電池が損傷を受け、連鎖的に組電池全体に損傷が拡がるおそれがある。

ところで、多数の単電池を連結して構成される組電池は、充放電する電流で発熱する。特に、車両用の電源装置として使用される組電池の発熱量は、充放電の電流が極めて大きいことから大きくなる。発熱による温度上昇は電池の電気特性を低下させる原因となる。また、多数の単電池を連結して出力電圧を高くしている車両用の組電池は、組電池を構成する個々の単電池間の温度差をできる限り小さくすることが極めて大切である。それは、単電池間の温度差が電池の電気特性のバランスを崩して残容量を不均一にし、特定の単電池の寿命を短くするからである。このため、通常、車両用の電源装置では、充放電時の温度上昇を少なくするために電池を冷却する装置を備えている。このような冷却装置について、連結された多数の単電池をできるだけ効率的に、かつ均等に冷却することが重要である。

例えば、特許文献１に記載されているように、通常、冷却装置は熱伝導率の良い金属等で構成される。しかし、電池と冷却装置とが直接に接触すると通電するおそれがあるため、電池と冷却装置の隙間には絶縁性を有する部材が設置される。また、電池と冷却装置の間に隙間ができ冷却効率が低下することを防ぐため、電池と冷却装置を密着させる目的においても充填材が設置される。

また、特許文献２では、以下の手法が提案されている。複数の単電池を連結した車両用の電源装置は、各々の単電池の間にあって、単電池の表面に熱結合状態に接触してなるセパレータを備える。また、上記電源装置において、単電池の間に冷却隙間を設けてセパレータを介して積層するように固定し、この冷却隙間に冷却気体を強制送風する送風機構を備える。さらに、上記電源装置は、各々の単電池の外周面に熱結合してなる温度均等化プレートを備え、この温度均等化プレートの熱伝導率を単電池間に備えられたセパレータの熱伝導率よりも大きくする。

特表２０１４−５０５３３３号公報特開２０１０−２７２４３０号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているような冷却装置は、組電池を構成する単電池のうちの一つが損傷し高温に達した場合にも、隣接する電池への熱の移動を促進してしまうおそれがある。つまり、冷却装置が他の単電池への熱伝導を促進する結果、他の単電池も損傷するおそれがあった。

一方、特許文献２においては、組電池を構成する単電池の一つが損傷を受けた場合に冷却用部材を介して隣接する電池に伝わる熱量について、組電池を構成する単電池の発熱量や、組電池を構成する電池以外の部材による伝熱の影響を定量的に考慮した上での検討は十分になされていない。また、異常時に冷却装置の冷媒フローが止まった場合を想定した上での検討はなされていない。異常時に冷却装置の冷媒フローが止まった場合には、冷却装置による組電池外部への除熱効率が低下し、冷却装置を介した隣接セルへの伝熱への寄与が高まるため、より延焼のおそれがある。このため、冷却装置の冷媒フローが止まった状態をも想定して安全性への対策を構築しておくことが極めて重要である。

本発明は、複数の単電池を含む組電池において、冷却部材を介した単電池間の熱移動を好適に制御する充填部材を提供することを目的とする。

本発明者は上述した従来技術において十分に検討されていなかった、冷却用部材を介して単電池間を伝達される熱量について着目し、その影響について詳細な検討を行った。その結果、組電池を構成する単電池と冷却用部材との間に介装される充填部材について、当該充填部材の熱移動抵抗を適切な範囲内に抑えることで、異常が発生した第１の単電池から冷却装置を介して第２の単電池に伝わる熱移動量を適切に制御することが重要であることを見出し、本発明に至った。本発明は以下の通りである。

[１] 厚み方向と前記厚み方向に直交する面方向とを有し、前記面方向に沿った第１の面と第２の面とを有し、前記第１の面において組電池を構成する複数の単電池と接触するとともに、前記第２の面において単電池を冷却可能な冷却部材と接触する充填部材であって、
組電池を構成する単電池のうちのいずれか一つを第１の単電池とした場合に、前記第１の単電池から発せられる熱が前記充填部材及び前記冷却部材を介して前記第１の単電池に隣接する第２の単電池へ移動する場合の前記充填部材の熱移動感度Ｓが以下の式１により定義され、
前記充填部材の熱移動感度Ｓ[Ｗ／Ｋ]＝
前記充填部材の熱伝導率ｋ[Ｗ／ｍ・Ｋ]×前記充填部材と前記第１及び第２の単電池との接触面積Ａ[ｍ^２]／前記充填部材の厚みｄ[ｍ]・・・（式１）
前記第１の単電池の温度が異常発熱状態の温度以上となった場合における熱移動感度が以下の式２を満たす、
０．５ ≦ Ｓ ≦ ４．０・・・（式２）
ことを特徴とする充填部材。

[２] 前記充填部材の厚み方向における熱伝導率が２．０×１０^−２Ｗ／ｍ・Ｋ以上５０．０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である、[１]に記載の組電池用部材。

[３] 前記充填部材の厚みが５．０×１０^−５ｍ以上５．０×１０^−２ｍ以下である、[１]又は[２]に記載の組電池用部材。

[４] [１]１から[３]のいずれか１項に記載の充填部材を含む組電池。

[１]から[３]のいずれか１項に記載の充填部材の熱移動感度Ｓが前記式（１）を満たして前記第１の単電池から前記充填部材を介して伝わる熱量を抑制することを含む熱伝達の制御方法。

本発明によれば、複数の単電池を含む組電池において、冷却用部材を介した単電池間の熱移動を好適に制御することができる。

図１は、実施形態に係る充填部材及び冷却部材の構成を説明するとともに、充填部材の熱移動感度を説明する図である。図２は、実施形態に係る組電池の一例を示す上面図である。図３は、図２に示した組電池の側面を、手前側の側板を外した状態で模式的に示す側面図である。図４は、単電池の一例を示す図である。図５は、図４に示した単電池の正面図である。図６は、図４に示した単電池の側面図である。図７は、仕切り部材の説明図である。図８は、単電池内部で発した熱の伝達経路を模式的に示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る充填部材、組電池、及び熱伝達の制御方法を説明する。以下に記載する実施形態の説明は一例であり、本発明は実施形態で説明する構成に限定されない。

本実施形態に係る充填部材は、厚み方向と厚み方向に直交する面方向とを有し、面方向に沿った第１の面と第２の面とを有し、第１の面において組電池を構成する複数の単電池と接触するとともに、第２の面において単電池を冷却可能な冷却部材と接触する充填部材である。
組電池を構成する単電池のうちのいずれか一つを第１の単電池とした場合に、第１の単電池から発せられる熱が充填部材及び冷却部材を介して第１の単電池に隣接する第２の単電池へ移動する場合の充填部材の熱移動感度Ｓが以下の式１により定義され、
充填部材の熱移動感度Ｓ[Ｗ／Ｋ]＝
充填部材の熱伝導率ｋ[Ｗ／ｍ・Ｋ]×充填部材と第１及び第２の単電池との接触面積Ａ[ｍ^２]／充填部材の厚みｄ[ｍ]・・・（式１）
第１の単電池の温度が異常発熱状態の温度以上となった場合における熱移動感度Ｓが以下の式２を満たす、
０．５ ≦ Ｓ ≦ ４．０・・・（式２）
ことを特徴とする。

ここで、本発明において、或る単電池を構成する電極や電解液等を構成する化学物質の一部ないし全てが、単電池の内部で発熱を伴いながら分解反応を起こすことにより、単電池の温度が上昇し、単電池の一部ないし全領域が２００℃以上になった状態を「異常発熱状態」という。

本実施形態に係る充填部材に関して、第１の単電池から発せられる熱が充填部材及び冷却部材を介して第２の単電池へ移動する場合の充填部材の熱移動感度Ｓは、上記式（１）により定義される。

また、本実施形態に係る充填部材では、第１の単電池（セル＃１）の温度が異常発熱状態の温度（本実施形態では２００℃）以上となった場合における熱移動感度Ｓが上記式（２）を満たす。

[熱移動感度]
図１は、本発明の実施の形態に係る充填部材及び冷却部材の構成を説明するとともに、充填部材の熱移動感度を説明する図である。図１を用いて、充填部材１０の熱移動感度Ｓを説明する。熱移動感度Ｓとは、組電池１００を構成する第１の単電池２００ａ（セル＃１ともいう）と第１の単電池２００ａと異なる第２の単電池２００ｂ（セル＃２ともいう）とが充填部材１０と接触しており、第１の単電池２００ａから発せられた熱が第２の単電池２００ｂに移動する際に、充填部材１０と第１の単電池２００ａ及び第２の単電池２００ｂとの接触部分を経由して移動する熱量の程度を示す尺度である。

熱移動感度Ｓは、充填部材１０として使用される材料の厚み方向における熱伝導率（ｋ［Ｗ／ｍ・Ｋ］）及び充填部材１０と第１の単電池２００ａ及び第２の単電池２００ｂとの接触部分の面積（Ａ［ｍ^２］）と、充填部材１０の厚み（ｄ［ｍ］）を用いて表すことができる。

ここで、セル＃１から充填部材１０及び冷却部材４００を介してセル＃２に伝わる熱量を考える。充填部材１０の厚み方向の２面（面方向に沿った２面）について、セル＃１及びセル＃２と接触する面（上面）を面１０ａ、その裏面（下面）を面１０ｂとする。図１において、充填部材１０の厚み方向は図１紙面の高さ方向に伸びており、充填部材１０の面方向は図１紙面の左右方向に伸びている。冷却部材４００は、図１の例では、充填部材１０の面１０ｂと密着する平面を有する板状に形成されている。また、充填部材１０の厚み方向の熱伝導率をｋ［Ｗ／ｍ・Ｋ］と定義し、充填部材１０の厚みをｄ［ｍ］とする。

さらに、充填部材１０の面１０ａとセル＃１とが接触する領域（領域ａ１とする）の平均温度をＴ１［℃］、領域ａ１と面対称の関係となる面１０ｂ上の領域（領域ｂ１とする）の平均温度をＴ２［℃］、充填部材１０の面１０ａとセル＃２とが接触する領域（領域ａ２とする）の平均温度をＴ４［℃］、領域ａ２と面対称の関係となる領域（領域ｂ２）の平均温度をＴ３［℃］とする。

平均温度Ｔ２が平均温度Ｔ１より低い場合、充填部材１０の領域ａ１と領域ｂ１とで表面温度差（Ｔ１−Ｔ２）が生じている。この場合、充填部材１０の領域ａ１の単位断面積当たりの熱流量（熱流束）ｑ１は、以下の式（３）によって表すことができる。
ｑ１＝ｋ（Ｔ１−Ｔ２）／ｄ［Ｗ／ｍ^２］・・・（３）

また、平均温度Ｔ４が平均温度Ｔ３より低い場合、充填部材１０の領域ｂ２と領域ａ２とで表面温度差（Ｔ３−Ｔ４）が生じている。この場合、充填部材１０の領域ｂ２の単位断面積当たりの熱流量（熱流束）ｑ２は、以下の式（４）によって表すことができる。
ｑ２＝ｋ（Ｔ３−Ｔ４）／ｄ［Ｗ／ｍ^２］・・・（４）

ここで、冷却部材４００は、例えば熱伝導性のよい金属等で構成することができる。このため、冷却部材４００から外部環境への除熱効率が低く、冷却部材４００の周囲が断熱された環境に近い状態となっている場合には、冷却部材４００の内部の温度はほぼ均一とみなすことができる。このような条件下では、平均温度Ｔ２と平均温度Ｔ３とがほぼ等しい（Ｔ２≒Ｔ３）と近似できる。この場合、充填部材１０の領域ｂ２の単位断面積当たりの熱流量（熱流束）ｑ２は、以下の式（４−２）によって表すことができる。
ｑ２ ≒ ｋ（Ｔ２−Ｔ４）／ｄ［Ｗ／ｍ^２］・・・（４−２）

以上より、セル＃１から冷却部材４００へ充填部材１０を経由して移動する接触面積Ａ[ｍ^２]当たりの熱量Ｑ１、及び、冷却部材４００からセル＃２へ充填部材１０を経由して移動する接触面積Ａ[ｍ^２]当たりの熱量Ｑ２は、以下の式（５）および（６）によって表すことができる。
Ｑ１＝Ａ × ｑ１＝Ａｋ（Ｔ１−Ｔ２）／ｄ［Ｗ］・・・（５）
Ｑ２＝Ａ × ｑ２＝Ａｋ（Ｔ２−Ｔ４）／ｄ［Ｗ］・・・（６）

充填部材１０の熱移動感度Ｓは、ある単電池から別の単電池に熱が移動する際、それらの単電池が充填部材１０に接触している場合に、その充填部材１０の接触部分を経由して移動する熱量の程度を示す尺度であるから、以下の式（７）および（８）で定義することができる。
Ｑ１＝Ｓ × （Ｔ１−Ｔ２）［Ｗ］・・・（７）
Ｑ２＝Ｓ × （Ｔ２−Ｔ４）[Ｗ] ・・・（８）

熱移動感度Ｓは、式（５）、式（６）、式（７）、式（８）より、以下の式（９）で表すことができる。
Ｓ＝Ｑ１／（Ｔ１−Ｔ２）＝Ｑ２／（Ｔ２−Ｔ４）
＝Ａｋ／ｄ［Ｗ／Ｋ］・・・（９）

＜組電池＞
本発明の実施形態に係る組電池１００について説明する。組電池１００は、例えば、電気自動車（ＥＶ、ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ、ＨｙｂｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）、プラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ、Ｐｌｕｇ−ｉｎＨｙｂｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）、電動重機、電動バイク、電動アシスト自転車、船舶、航空機、電車、無停電電源装置（ＵＰＳ、ＵｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙ）、家庭用蓄電システム、風力／太陽光／潮力／地熱等の再生可能エネルギーを利用した電力系統安定化用蓄電池システム等に搭載される電池パックに適用される。但し、組電池１００は、上述のＥＶ等以外の機器に電力を供給する電力源としても使用し得る。

図２は、複数の単電池２００を用いて形成された組電池１００の一例の上面図を示し、図３は、図２に示した組電池１００から側板３００ｄを取り外した状態を模式的に示す側面図である。

〔単電池〕
図４は組電池１００を構成する単電池２００の一例を示す図であり、図５は図４に示した単電池２００の正面図であり、図６は、単電池２００の右側面図である。図４、図５及び図６に示す一例において、単電池２００は、高さ方向（Ｈ）、幅方向（Ｗ）、厚み方向（Ｄ）を有する直方体状に形成されており、その上面に端子２１０、端子２２０が設けられている。単電池２００は、例えば、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な正極及び負極、並びに電解質を備えるリチウムイオン二次電池である。リチウムイオン二次電池以外に、リチウムイオン全固体電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池、鉛蓄電池等の二次電池を適用し得る。

〔組電池〕
図２及び図３において、組電池１００は、筐体３００と筐体３００内に収容された複数の単電池２００とを含む。複数の単電池２００は、その厚み方向“Ｄ”（図２の左右方向）に一列に並べて配置され、単電池２００の間に仕切り部材１が介装されている。筐体３００は、配列された複数の単電池２００の側方を囲むように設けられた側板３００ａ、３
００ｂ、３００ｃ及び３００ｄを有する。側板３００ａ及び側板３００ｂには、図示しない治具などを用いて両者間の距離が縮まるように圧力がかけられ、側板３００ａ及び側板３００ｂに挟まれた各単電池２００はその厚み方向に圧力（拘束圧）がかけられた状態で保持される。なお、図２及び図３では、一例として５個の単電池２００が例示されているが、単電池の数は適宜選択可能である。また、図２及び図３の例では、組電池１００は端子２１０及び端子２２０が上方を向くように配置される例を示しているが、組電池１００は端子２１０及び端子２２０が側方を向くように配置されてもよい。

上述したように、筐体３００内において、複数の単電池２００はその厚み方向に並べられ、単電池２００間には、仕切り部材１が配置されている。仕切り部材１を介して隣り合う（対向する）単電池２００の正極端子（例えば端子２１０）と負極端子（例えば端子２２０）とは、バスバー３０１によって電気的に直列に接続される。これによって、組電池１００は、所定の電圧の電力を出力する。

〔仕切り部材〕
仕切り部材１は、図７に示すように、高さ方向（Ｈ）、幅方向（Ｗ）及び厚み方向（Ｄ）を有する平行平板状、或いはシート状の全体形状を有する。仕切り部材１は、その厚み方向（Ｄ）において、組電池１００を構成する単電池２００の間、又は単電池２００と単電池２００以外の部材とを仕切るために使用される。仕切り部材１は、断熱材１１０等で構成することができる。また、仕切り部材１の厚みは、単電池２００の厚みがＬ［ｍｍ］である場合に、通常、Ｌ／５０ｍｍ以上Ｌ／１０ｍｍ以下の範囲であり、好ましくは、Ｌ／３０ｍｍ以上Ｌ／１５ｍｍ以下の範囲である。

〔断熱材〕
断熱材１１０は、多孔質体材料等で形成される。多孔質体は、例えば、繊維質（繊維状無機物ともいう）や粒子（粉状無機物ともいう）から形成されているものを例示することができる。断熱材１１０は、例えば、繊維質や粒子を押し固める等の所定の成型技術を用いて形成することができる。

繊維質（繊維状無機物）は、例えば、紙、コットンシート、ポリイミド繊維、アラミド繊維、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）繊維、ガラス繊維、ロックウール、セラミック繊維及び生体溶解性無機繊維からなる群から選ばれる少なくとも１つであることが好ましく、これらの中でもガラス繊維、ロックウール、セラミック繊維及び生体溶解性無機繊維から選ばれる少なくとも１つであることが特に好ましい。セラミック繊維は、主としてシリカとアルミナからなる繊維（シリカ：アルミナ＝４０：６０〜０：１００）であり、具体的には、シリカ・アルミナ繊維、ムライト繊維、アルミナ繊維を用いることができる。

また、粒子（粉末状無機物）は、例えば、シリカ粒子、アルミナ粒子、ケイ酸カルシウム、粘土鉱物、バーミキュライト、マイカ、セメント、パーライト、フュームドシリカ及びエアロゲルからなる群から選ばれる少なくとも１つであることが好ましく、これらの中でもシリカ粒子、アルミナ粒子、ケイ酸カルシウム及びバーミキュライトから選ばれる少なくとも１つが特に好ましい。粘土鉱物は主としてケイ酸マグネシウム（タルク、セピオライトを含む）、モンモリナイト、カオリナイトである。

〔充填部材及び冷却部材〕
図３に示すように、筐体３００の底部には、冷却部材（冷却装置ともいう）４００が配置されている。複数の単電池２００の夫々の底面は、平行平板状の充填部材１０の上面（面１０ａ：第１の面に相当）と接触し、充填部材１０の下面（面１０ｂ：第２の面に相当）の一部ないし全面は、冷却部材４００と接している。各単電池２００からの熱は、充填
部材１０を介して冷却部材４００へ伝達可能となっている。

冷却部材４００は、例えばヒートシンクなどである。冷却部材４００は、その内部で流体（冷媒）を移動（循環等）させるものであってもなくてもよい。充填部材１０は、例えば、一種類以上の材料、例えば一種類以上のプラスチック、プラスチックコンパウンド、プラスチック・金属複合材料などのうちの単独、又は適宜の組み合わせによって形成される。

図８は、単電池２００内部で発した熱の伝達経路を模式的に示す。単電池２００内部での発熱は、各種伝達経路を介して、他の単電池２００に伝達される。図８の例では、複数の単電池２００のうちの一つである単電池２００ａ（セル＃１）からの熱の伝達経路が模式的に示されている。例えば、セル＃１内部での発熱は、仕切り部材１を介して、他の単電池２００ｂ（セル＃２）に伝達することができる。また、単電池２００の夫々からの熱は、バスバー３０１を介して外部に放熱される。また、単電池２００の夫々からの熱は、充填部材１０を介して冷却部材４００に伝達され、冷却部材４００から外部へ放熱することができる。

＜組電池における発熱及び熱移動＞
ここで、組電池１００における発熱及び熱移動について説明する。単電池２００を構成する電極や電解液等を構成する化学物質の一部ないし全てが、単電池２００内部で発熱を伴いながら分解反応を起こすことにより、単電池２００の温度が上昇し、単電池２００の一部ないし全領域が２００℃以上になる場合がある。即ち、単電池２００が異常発熱状態となる場合がある。

一般に、単電池２００を構成する材料のうち正極材料の安全性について、充電による脱リチウム後の結晶構造の安定性が大きく影響していることが知られている。正極材料として一般に用いられるＬｉＣｏＯ_２、Ｌｉ（Ｎｉ_１／３Ｍｎ_１／３Ｃｏ_１／３）Ｏ_２、Ｌｉ（Ｎｉ_０．８Ｃｏ_０．１５Ａｌ_０．０５）Ｏ_２等の材料は、充電状態では高温下で、酸素放出を伴う結晶崩壊を起こす。正極から放出された酸素は電解液の酸化等を引き起こし、急激な発熱反応を伴う。放射光を用いた構造解析により、上記正極材料種では２００℃付近で結晶の相転移が起こることが報告されている。このため、単電池２００の一部ないし全領域が２００℃以上になる場合、正極の結晶崩壊が進行している、つまり単電池２００が熱暴走状態にあることを意味する（参考文献１：リチウムイオン電池の高安全技術と材料シーエムシー出版、Ｐ．４４／参考文献２：Ｊ．Ｄａｈｎｅｔａｌ．，ＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，９，２５３４−２５４０（２００７）／参考文献３：小林弘典、「放射光を用いたリチウムイオン二次電池用正極材料の評価・解析技術」Ｓｐｒｉｎｇ−８利用推進協議会ガラス・セラミックス研究会（第二回）（２０１１））。

また、単電池２００を構成する材料のうち負極材料の安全性について、充電負極（リチウム挿入炭素負極）は基本的にリチウム金属と同様の強い還元性を示し、電解液との反応で負極表面上に被膜が形成され、それによってさらなる反応が抑制されていることが知られている。従って、その保護被膜の化学的組成や構造、熱安定性が温度上昇時の充電負極の熱安定性に多大な影響を与える。通常、充電負極と電解液との反応は、保護被膜の形成と、それに続く被膜破壊による爆発的な還元分解反応により説明される。一般に、負極上での保護被膜形成反応は１３０℃付近から、引き続く被膜分解反応が２００℃付近で進行し、最終的に爆発的還元分解反応に至ることが報告されている。このため、単電池２００の一部ないし全領域が２００℃以上になる場合、負極表面の被膜破壊が進行している、つまり単電池２００が熱暴走状態にあることを意味する（参考文献４：電池ハンドブック第１版オーム社、Ｐ．５９１／参考文献５：リチウムイオン電池の高安全技術・評価技術
の最前線シーエムシー出版、Ｐ．９０）。

また、本発明において、単電池２００を構成する電極や電解液等を構成する化学物質が、単電池２００内部で一定以上の発熱速度を伴う分解反応を起こしていない状態を、「通常状態」という。ここで、反応性化学物質が断熱条件下で自己発熱分解する際の熱的挙動を定量的に測定する手段であるＡＲＣ（Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇｒａｔｅｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ）を用いて、単電池２００の発熱状態を評価することができる。例えばＤａｈｎらは、ＡＲＣにおいて観測される発熱速度が０．０４℃／ｍｉｎを上回る場合に、セル内部で自己発熱反応が進行しているものと定義しており、これに倣うことができる（参考文献６：Ｊ．Ｄａｈｎｅｔａｌ．，ＥｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａＡｃｔａ，４９，４５９９−４６０４（２００４））。

また、本発明において、通常状態の単電池２００を、「通常状態を保持している単電池」、通常状態を逸脱し異常発熱状態に至っていない単電池２００を、「通常状態を逸脱した単電池」という。単電池２００が通常状態を逸脱していない場合に想定される表面平均温度の上限値は通常８０℃である。ここで、汎用電解液成分の沸点は、下記表１に示すように９０℃以上である。汎用電解液成分は、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）である。単電池２００の表面平均温度が８０℃より低い場合は、単電池２００を構成する汎用電解液自体の沸騰には至らない。

例えば、仕切り部材１に接触する単電池２００が通常状態を逸脱し、異常発熱状態に至っていない場合に想定される表面平均温度の上限値が１８０℃とする。ここで、仕切り部材１の材料が、仮に、汎用セパレータ材であるポリエチレンやポリプロピレン製であると仮定する。この場合、そのメルトダウン温度は１６０〜２００℃であることが知られている。このため、単電池２００の表面平均温度が１８０℃を超える場合には、単電池２００を構成する汎用セパレータ材の一部がメルトダウンし、異常発熱状態に至るおそれがある。

＜異常発熱状態の単電池の冷却＞
本実施形態に係る組電池１００では、複数の単電池２００のうちの一つの単電池２００（例えば単電池２００ａ（セル＃１））が異常発熱状態になった場合に、セル＃１から発せられる熱の一部は、充填部材１０を介して冷却部材４００に伝達される。

また、充填部材１０に移動した熱のうちの一部は、充填部材１０や冷却部材４００を介して、異常発熱状態になった単電池２００以外の単電池２００に伝達される。異常発熱状態になった単電池２００以外の単電池２００は、例えば、異常発熱状態になった単電池２００と仕切り部材１を介して対向する（仕切り部材１を挟んで隣接する）単電池２００である。例えば、図８に示す例では、単電池２００の一つである単電池２００ａ（セル＃１）が異常発熱状態となった場合に、そのセル＃１からの熱の一部が充填部材１０及び冷却部材４００を介して単電池２００ｂ（セル＃２）に伝達される。

[充填部材]
このため、実施形態に係る充填部材１０は、一例として、図１に示した構成を備える。本実施形態では、充填部材１０は、平行平板状に形成され、その厚み方向は、仕切り部材１の高さ方向（Ｈ）に配置され、充填部材１０の面方向は、仕切り部材１の厚み方向（Ｄ）に配置されている。また、充填部材１０は、その面方向に沿った第１の面に相当する面１０ａ及び第２の面に相当する面１０ｂを有する。充填部材１０は、面１０ａにおいて、組電池１００を構成する第１及び第２の単電池２００ａ，２００ｂと接触する。また、充填部材１０は、面１０ｂにおいて、第１及び第２の単電池２００ａ，２００ｂを冷却可能な冷却部材４００と接触する。

＜実施例＞
次に実施例により本発明に係る充填部材の具体的態様を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。

以下に説明する実施例１〜５及び比較例１及び２では、異常発熱状態となった単電池２００（単電池２００ａとする）から他の単電池２００（単電池２００ｂとする）への伝熱経路のうち、単電池２００ａと冷却部材４００との間に配置される充填部材１０を介する熱移動量に着目し、充填部材１０による単電池２００ａと単電池２００ｂとの間の伝熱量抑制の可能性を検討した。

評価対象の組電池１００として、図８に示すような５つの単電池２００（セル＃１〜セル＃５）が連結された組電池モデルを構築し、セル＃１に異常発熱状態時相当の発熱量１．４×１０^９［Ｊ／ｍ^３］（ＮＭＣ系正極を用いたセル＃２の熱量評価から推定される総発熱量）を与え、以下の実施例１〜５並びに比較例１及び２の条件において、熱伝導方程式を有限要素法により解くことにより、セル＃１に隣接するセル＃２の温度推移を推算し、充填部材１０の熱移動感度の変化によるセル間の伝熱量抑制等の効果を評価した。ここで、解析にはＣＯＭＳＯＬＡＢ社製の汎用物理シミュレーションソフトウエアであるＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓを用い、下記参考文献９、１０を参照して解析した。なお、セル＃１とセル＃２との間の伝熱経路については、図８で説明した経路が想定される（参考文献９：特開２００６−０１０６４８号公報、参考文献１０：Ｒ．Ｍ．Ｓｐｏｔｎｉｔｚｅｔａｌ．，Ｊ．ＰｏｗｅｒＳｏｕｒｃｅｓ１６３，１０８０−１０８６，（２００７））。

以下の表２に、実施例１〜５並びに比較例１及び２の結果を示す。

実施例１〜５並びに比較例１及び２において、セル＃１〜＃５の夫々のサイズは、ドイツ自動車工業会で規定されているＰＨＥＶ２サイズ（縦９１ｍｍ、幅１４８ｍｍ、厚み２６．５ｍｍ）とした。また、簡単のため、冷却部材４００はアルミニウムやアルミニウム合金等の金属で構成された厚み約４ｍｍの板状材料であると想定し、熱伝導率は２００Ｗ／ｍ・Ｋとした。セル＃１及び＃２と冷却部材４００との間に設置される充填部材１０は、絶縁塗料等の塗膜またはプラスチックフィルムであると想定した。充填部材１０に関しては、膜厚、フィラー（充填部材１０内への詰め物）の種類や充填量、あるいは充填部材１０の構造体をなすプラスチックの種類で熱移動抵抗を変更できる。バスバー３０１は、アルミニウム製であるものと想定し、熱伝導率は２３７Ｗ／ｍ・Ｋとした。また、セル＃１とセル＃２の間に設置される仕切り部材１は断熱性の材料であると想定し、膜厚（厚み方向の寸法）は１ｍｍ、熱伝導率は０．１Ｗ／ｍ・Ｋとした。また、冷却部材４００に関して、冷媒の流れ（フロー）が止まった状態を想定し、冷却部材４００の周囲の環境には、自然対流相当の熱伝達係数を与えた。これらの条件下で、セル＃１に異常が発生し異常発熱状態に達してから３００秒間のセル＃２内の温度推移を推算した。

なお、実施例１〜５並びに比較例１及び２においては、異常発熱状態の温度に達した単電池２００から伝達された熱に起因する昇温の程度を明確にするため、セル＃１以外のセル＃２〜セル＃５については、セルの自己発熱による昇温を考慮していない。

（比較例１）
充填部材１０に熱伝導率２．０Ｗ／ｍ・Ｋの材料を用い、膜厚は１ｍｍとした。セル＃１に異常が発生してから１５２秒後に、セル＃２内部の最高温度が２１２．４℃に到達するものと推算された。この場合の充填部材１０の熱移動感度Ｓは７．８４Ｗ／Ｋであった。

（実施例１）
充填部材１０に熱伝導率１．０Ｗ／ｍ・Ｋの材料を用い、膜厚は１ｍｍとした。セル＃１に異常が発生してから１６８秒後に、セル＃２内部の最高温度が２０８．７℃に到達するものと推算された。この場合の充填部材１０の熱移動感度Ｓは３．９２Ｗ／Ｋであった。

（実施例２）
充填部材１０に熱伝導率０．８Ｗ／ｍ・Ｋの材料を用い、膜厚は１ｍｍとした。セル＃１に異常が発生してから１６８秒後に、セル＃２内部の最高温度が２０７．９℃に到達するものと推算された。この場合の充填部材１０の熱移動感度Ｓは３．１３Ｗ／Ｋであった。

（実施例３）
充填部材１０に熱伝導率０．６Ｗ／ｍ・Ｋの材料を用い、膜厚は１ｍｍとした。セル＃１に異常が発生してから１７５秒後に、セル＃２内部の最高温度が２０７．１℃に到達するものと推算された。この場合の充填部材１０の熱移動感度Ｓｂは２．３５Ｗ／Ｋであった。

（実施例４）
充填部材１０に熱伝導率０．４Ｗ／ｍ・Ｋの材料を用い、膜厚は１ｍｍとした。セル＃１に異常が発生してから１８８秒後に、セル＃２内部の最高温度が２０７．３℃に到達するものと推算された。この場合の充填部材１０の熱移動感度Ｓは１．５７Ｗ／Ｋであった。

（実施例５）
充填部材１０に熱伝導率０．２Ｗ／ｍ・Ｋの材料を用い、膜厚は１ｍｍとした。セル＃１に異常が発生してから１７９秒後に、セル＃２内部の最高温度が２０８．１℃に到達するものと推算された。この場合の充填部材１０の熱移動感度Ｓは０．７８Ｗ／Ｋであった。

（比較例２）
充填部材１０に熱伝導率０．１Ｗ／ｍ・Ｋの材料を用い、膜厚は１ｍｍとした。セル＃１に異常が発生してから２０８秒後に、セル＃２内部の最高温度が２１１．０℃に到達するものと推算された。この場合の充填部材１０の熱移動感度Ｓは０．３９Ｗ／Ｋであった。

実施例１〜５並びに比較例１及び２の結果から、以下のことがわかる。組電池１００を構成する単電池２００と電池温度の冷却および均等化のために備えられた冷却部材４００との間に設置される充填部材１０について、充填部材１０の熱移動抵抗（熱伝導率ｋ）を適切な範囲内に収めることで、異常が発生したセル＃１（第１の単電池）から冷却部材４００を介して伝わる熱量に起因するセル＃２（第２の単電池）の昇温の程度を制御できる、すなわち、実施例１〜５並びに比較例１及び２によれば、冷却部材４００を介した単電池２００間の熱移動を好適に制御できる可能性があることが示された。実施例１〜５では、セル＃２の最高温度を２１０℃より低い値にすることができるのに対し、比較例１及び２では、２１０℃を超える最高温度となった。これらより、セル＃２の温度を好適に抑えることが可能な熱移動感度Ｓとして、式（２）の範囲（０．５≦Ｓ≦４．０）を得ることができた。なお、実施例１〜５の結果より、熱移動感度Ｓは、好ましくは０．７以上３．２以下であり、さらに好ましくは１．５以上２．４以下であるといえる。

ここで、実施例１〜５並びに比較例１及び２では、充填部材１０の厚み（膜厚）を１ｍｍに固定したが、充填部材１０の厚みは、５．０×１０^−５ｍ以上５．０×１０^−２ｍ以下であってもよい。このため、実施例１〜５並びに比較例１及び２の結果から、充填部材１０の厚み方向における熱伝導率ｋが２．０×１０^−２Ｗ／ｍ・Ｋ以上５０．０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましいことがわかった。

１仕切り部材
１０充填部材
１０ａ、１０ｂ面
１００組電池
１１０断熱材
２００単電池
３００筐体
４００冷却部材

Claims

厚み方向と前記厚み方向に直交する面方向とを有し、前記面方向に沿った第１の面と第２の面とを有し、前記第１の面において組電池を構成する複数の単電池と接触するとともに、前記第２の面において単電池を冷却可能な冷却部材と接触する充填部材であって、
組電池を構成する単電池のうちのいずれか一つを第１の単電池とした場合に、前記第１の単電池から発せられる熱が前記充填部材及び前記冷却部材を介して前記第１の単電池に隣接する第２の単電池へ移動する場合の前記充填部材の熱移動感度Ｓが以下の式１により定義され、
前記充填部材の熱移動感度Ｓ[Ｗ／Ｋ]＝
前記充填部材の熱伝導率ｋ[Ｗ／ｍ・Ｋ]×前記充填部材と前記第１及び第２の単電池との接触面積Ａ[ｍ^２]／前記充填部材の厚みｄ[ｍ]・・・（式１）
前記第１の単電池の温度が異常発熱状態の温度以上となった場合における熱移動感度が以下の式２を満たす、
０．５ ≦ Ｓ ≦ ４．０・・・（式２）
ことを特徴とする充填部材。
前記充填部材の厚み方向における熱伝導率が２．０×１０^−２Ｗ／ｍ・Ｋ以上５０．０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である、請求項１に記載の充填部材。
前記充填部材の厚みが５．０×１０^−５ｍ以上５．０×１０^−２ｍ以下である、請求項１又は２に記載の充填部材。
請求項１から３のいずれか１項に記載の充填部材を含む組電池。
請求項１から３のいずれか１項に記載の充填部材の熱移動感度Ｓが前記式１を満たして前記第１の単電池から前記充填部材を介して伝わる熱量を抑制する
ことを含む熱伝達の制御方法。