JP7075323B2

JP7075323B2 - 熱伝導性パテ組成物、並びにそれを用いた熱伝導性シート及び電池モジュール

Info

Publication number: JP7075323B2
Application number: JP2018178763A
Authority: JP
Inventors: 敏博厨子; 桂子芦田
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 2018-09-25
Filing date: 2018-09-25
Publication date: 2022-05-25
Anticipated expiration: 2038-09-25
Also published as: JP2020050701A

Description

本発明は、熱伝導性パテ組成物、並びにそれを用いた熱伝導性シート及び電池モジュールに関する。

二次電池モジュールの高エネルギー化や電子・電気回路基板の素子の高密度化に伴い、それら二次電池モジュール、電子・電気回路基板等の発熱する物品から発生する熱量が多くなり、その熱を効率的に放熱させる手段として、熱伝導シートが用いられている。

一方、寒冷地などで使用される二次電池モジュール、電子・電気回路基板等に対しては、二次電池モジュール、電子・電気回路基板を作動させる前に、一旦温めることが必要になり、その場合、外部（ヒータ等）から熱を効率よく二次電池モジュール、電子・電気回路基板に与える必要がある。

そうした中、近年、二次電池モジュールや電子・電気回路基板の表面との接触面積を大きくして熱伝導性（放熱性、与熱性）を高めるため、熱伝導シートの柔軟性を向上させる開発が進められている（例えば特許文献１及び２）。

特開２０１７－１４１４４３号公報特開２０１７－０６９３４１号公報

本発明の課題は、表面形状に追随して変形することにより高い熱伝導性（放熱性、与熱性）を得ることができる熱伝導性パテ組成物を提供することである。

本発明は、液状ポリマーと、水酸化アルミニウムと、ベントナイトとを含有し、前記水酸化アルミニウムの含有量が前記液状ポリマー１００質量部に対して１５０質量部以上１０００質量部以下であり、且つ前記ベントナイトの含有量が前記液状ポリマー１００質量部に対して５質量部以上２０質量部以下である熱伝導性パテ組成物である。

本発明は、本発明の熱伝導パテ性組成物をシート状に成形した熱伝導性シートである。また、本発明は、本発明の熱伝導性シートを有する電池モジュールである。

本発明によれば、所望する物品に接触させるとき、その表面形状に追随して変形させることができるので、広い面積で物品に接触することとなり、それにより高い熱伝導性（放熱性、与熱性）を得ることができる。

二次電池モジュールの斜視図である。二次電池モジュールの分解斜視図である。図１ＡにおけるII-II断面図である。図１ＡにおけるIII-III断面図である。

以下、実施形態について詳細に説明する。

実施形態に係る熱伝導性パテ組成物は、液状ポリマーと、水酸化アルミニウムと、ベントナイトとを含有する。水酸化アルミニウム及びベントナイトは、液状ポリマー中に分散している。

本出願における「液状ポリマー」とは、常温・常圧（２５℃、１気圧）で液状であるポリマーをいう。液状ポリマーとしては、例えば、液状ポリブタジエン、液状ポリイソプレン、液状ポリブテン、液状エチレンプロピレン共重合体などの液状ポリオレフィン；液状シリコーン；液状アクリル；液状ウレタン等が挙げられる。液状ポリマーは、これらのうちの１種又は２種以上を含むことが好ましく、液状ポリオレフィンを含むことがより好ましい。液状ポリマーは、燃焼時のハロゲンガスの発生を防ぐ観点から、分子中にハロゲン元素を含まないことが好ましい。

液状ポリマーは、液状ポリブタジエンを含むことが好ましく、液状ポリブタジエンのみで構成されていてもよい。また、液状ポリマーは、比較的低粘度の液状ポリブタジエンと高粘度の液状ポリブテンとの混合物を含むことが好ましく、それらの液状ポリブタジエンと液状ポリブテンとの混合物のみで構成されていてもよい。液状ポリマーが液状ポリブタジエンと液状ポリブテンとの混合物を含む場合、液状ポリブタジエンの含有量の液状ポリブテンの含有量に対する質量比（液状ポリブタジエンの含有量／液状ポリブテンの含有量）は、難燃性を高めるとともに、粘着性を付与して物品との密着性を高める観点から、好ましくは２０／８０以上９９／１以下、より好ましくは３０／７０以上６０／４０以下である。

水酸化アルミニウムは、熱伝導性パテ組成物に難燃性を付与する粒状物である。実施形態に係る熱伝導性パテ組成物の難燃性の指標の酸素指数は、好ましくは５０以上、より好ましくは６５以上である。水酸化アルミニウムの平均粒径は、熱伝導性とともに軟度を高める観点から、好ましくは０．５μｍ以上１００μｍ以下、より好ましくは１５μｍ以上６０μｍ以下である。

水酸化アルミニウムの粒度分布は、熱伝導性とともに液状ポリマーへの分散性及び難燃性を高める観点から、複数のピークを有することが好ましい。したがって、水酸化アルミニウムは、平均粒径が異なる複数種を含むことが好ましい。具体的には、例えば、水酸化アルミニウムは、平均粒径が１０μｍよりも大きく１００μｍ以下の水酸化アルミニウムＡと、平均粒径１０μｍ以下の水酸化アルミニウムＢとを、水酸化アルミニウムＡ１００質量部に対して、水酸化アルミニウムＢ５０質量部以上２００質量部以下の割合で含み、粒度分布が、平均粒径が１０μｍよりも大きく１００μｍ以下の第１ピークと、平均粒径１０μｍ以下の第２ピークとを有していてもよい。また、水酸化アルミニウムは、平均粒径が０．５μｍ以上１０μｍ未満の水酸化アルミニウムＸ、平均粒径が１０μｍ以上３０μｍ未満の水酸化アルミニウムＹ、及び平均粒径が３０μｍ以上１００μｍ以下の水酸化アルミニウムＺのうちの２種以上を、水酸化アルミニウムＹ及びＺ１００質量部に対して水酸化アルミニウムＸ５０質量部以上２００質量部以下の割合で含み、粒度分布が、平均粒径が３０μｍ以上１００μｍ以下の第１ピークと、平均粒径０．５μｍ以上３０μｍ未満の第２ピークとを有していてもよい。

実施形態に係る熱伝導性パテ組成物における水酸化アルミニウムの含有量は、熱伝導性とともに加工性を高める観点から、液状ポリマー１００質量部に対して、１５０質量部以上１０００質量部以下であり、好ましくは４００質量部以上７００質量部以下、より好ましくは４５０質量部以上６５０質量部以下である。

ベントナイトは、ＳｉＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３を主成分とする各種のモンモリロン石（例えば、モンモリロン石、マグネシアンモンモリロン石、テツモンモリロン石、テツマグネシアンモンモリロン石、バイデライト、アルミニアンバイデライト、ノントロン石、アルミニアンノントロナイト、サボー石、アルミニアンサボー石、ヘクトライト、ソーコナイト、ボルコンスコアイト等）を主成分とした粘土類である。ベントナイトは、モンモリロン石以外に、タンパク石、セキエイチョウ石、フッ石、火山ガラス等を含んでいてもよい。また、ベントナイトは、液状ポリマーへの分散性を高める観点から、Ｎａ、Ｃａ、Ｍｇ等の交換性塩基が有機アミンで置換されて有機化処理された有機ベントナイトを含むことが好ましい。

実施形態に係る熱伝導性パテ組成物におけるベントナイトの含有量は、熱伝導性とともに軟度を高める観点から、液状ポリマー１００質量部に対して、５質量部以上２０質量部以下であり、好ましくは７質量部以上１５質量部以下、より好ましくは９質量部以上１３質量部以下である。

実施形態に係る熱伝導性パテ組成物のＪＩＳＨ７９０３：２００８に準じて測定される熱伝導度（一方向熱流定常比較法（ＳＣＨＦ）測定温度：３３℃）は、好ましくは０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以上、より好ましくは２．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、更に好ましくは３．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。

実施形態に係る熱伝導性パテ組成物の軟度の指標としてのＪＩＳＡ５７５２：１９９４に準じて測定される針入量（測定温度：２３±３℃）は、好ましくは５０ｍｍ以上、より好ましくは７５ｍｍ以上であり、好ましくは１１０ｍｍ以下である。

このような実施形態に係る熱伝導性パテ組成物は、ニーダー等の混練機に、液状ポリマー、水酸化アルミニウム、及びベントナイトを投入し、混練加工温度を２０℃以上８０℃以下に管理しつつ、混練加工時間を３０分以上６０分間以下として混錬することにより作製することができる。

以上の構成の実施形態に係る熱伝導性パテ組成物によれば、液状ポリマーと、水酸化アルミニウムと、ベントナイトとを含有し、水酸化アルミニウムの含有量が液状ポリマー１００質量部に対して１５０質量部以上１０００質量部以下であり、且つベントナイトの含有量が液状ポリマー１００質量部に対して５質量部以上２０質量部以下であることにより、所望する物品に接触させるとき、その表面形状に追随して変形させることができるので、広い面積で物品に接触することとなり、それにより高い放熱性（又は与熱性）を得ることができる。加えて、水酸化アルミニウムは難燃剤としても機能することから、実施形態に係る熱伝導性パテ組成物は高いノンハロ難燃性（酸素指数６５以上）を得ることができる。

実施形態に係る熱伝導性パテ組成物からは、これを押出機による押出し成形やプレス機によるプレス成形等の公知の成形方法でシート状に成形することにより熱伝導性シートを作製することができる。このような熱伝導性シートは、物品に応じた適当な大きさに切り出し、所望する物品の表面に貼設するとともに適当な荷重を与えてやると、物品の表面形状に追随して変形し、広い面積で物品の表面に接触して高い放熱性（又は与熱性）を示す。熱伝導性シートの厚さは、好ましくは２ｍｍ以上、より好ましくは３ｍｍ以上で、好ましくは２０ｍｍ以下、より好ましくは１０ｍｍ以下である。

ここで、物品としては、例えば、二次電池モジュールや電子・電気回路基板等が挙げられる。

図１Ａ及びＢは、二次電池モジュール１０を示す。この二次電池モジュール１０は、モジュール本体１１と、実施形態に係る熱伝導性パテ組成物をシート状に成形した第１及び第２の熱伝導性シート１２とを有する。モジュール本体１１は、複数本の二次電池１１１と、一対の電池ホルダー１１２とを有する。

複数本の二次電池１１１は、それぞれが円柱状に形成されており、相互に間隔をおいて並行に設けられている。一対の電池ホルダー１１２は、それぞれがプレート状に形成されており、一方が複数本の二次電池１１１の一端側及び他方がそれらの他端側にそれぞれ設けられている。各電池ホルダー１１２は、複数本の二次電池１１１のそれぞれに対応するように有底円筒孔状の電池保持部１１２ａが形成されており、その電池保持部１１２ａに二次電池１１１の端部を嵌合保持するように構成されている。各電池保持部１１２ａの底面部の中央には丸孔１１２ｂが形成されており、その丸孔１１２ｂを介して二次電池１１１に電線が接続されるように構成されている。

第１の熱伝導性シート１２は、並行に設けられた複数本の二次電池１１１の外側の凹凸表面を覆うように設けられている。第１の熱伝導性シート１２は、その取付時に外側から押圧されることにより、図２に示すように、複数本の二次電池１１１の表面形状に追随して変形してモジュール内部の相互に隣接する二次電池１１１間に流入し、それにより広い面積で二次電池１１１に接触することとなって高い放熱性（又は与熱性）を得ることができる。

第２の熱伝導性シート１２は、一対の電池ホルダー１１２のそれぞれの外側の凹凸表面に貼設するように設けられている。第２熱伝導性シート１２は、その取付時に外側から押圧されることにより、図３に示すように、電池ホルダー１１２の表面形状に追随して変形して丸孔１１２ｂに流入し、それにより二次電池１１１に接触することとなって高い放熱性（又は与熱性）を得ることができる。

電子・電気回路基板の凹凸表面としては、例えば、抵抗、コンデンサー、半導体素子、ＬＥＤなどの素子や配線が高密度に設けられた素子側表面や多数のはんだ付跡が設けられた裏面側表面等が挙げられる。そのような電子・電気回路基板の凹凸表面に上記熱伝導性シートを貼設することにより、高い放熱性（又は与熱性）を得ることができる。

（熱伝導性パテ組成物）
＜実施例１＞
液状ポリブタジエン５０質量部と液状ブテン５０質量部との混合物を液状ポリマーとし、この液状ポリマー１００質量部に対して、水酸化アルミニウムとして、平均粒径が８μｍの水酸化アルミニウムＸ１７０質量部、平均粒径２７μｍの水酸化アルミニウムＹ１７０質量部、及び平均粒径５５μｍの水酸化アルミニウムＺ１１０質量部を配合するとともに、交換性塩基が有機アミンで置換されて有機化処理された有機ベントナイト１１質量部を配合し、容量２Ｌのニーダーで、混練加工温度を２０℃以上８０℃以下に管理しつつ、混練加工時間を４０分として混錬することにより調製した熱伝導性パテ組成物を実施例１とした。

＜実施例２＞
水酸化アルミニウムＺを液状ポリマー１００質量部に対して３１０質量部配合したことを除いて実施例１と同様にして調製した熱伝導性パテ組成物を実施例２とした。

＜実施例３＞
液状ポリブタジエン３０質量部と液状ブテン７０質量部との混合物を液状ポリマーとしたことを除いて実施例１と同様にして調製した熱伝導性パテ組成物を実施例３とした。

＜実施例４＞
液状ポリブタジエン７０質量部と液状ブテン３０質量部との混合物を液状ポリマーとしたことを除いて実施例１と同様にして調製した熱伝導性パテ組成物を実施例４とした。

＜実施例５＞
液状ポリブタジエン１００質量部を液状ポリマーとしたことを除いて実施例１と同様にして調製した熱伝導性パテ組成物を実施例５とした。

＜実施例６＞
液状ポリブタジエン１００質量部を液状ポリマーとしたことを除いて実施例２と同様にして調製した熱伝導性パテ組成物を実施例６とした。

＜実施例７＞
水酸化アルミニウムとして、水酸化アルミニウムＺのみを液状ポリマー１００質量部に対して５００質量部配合したことを除いて実施例５と同様にして調製した熱伝導性パテ組成物を実施例７とした。

＜比較例１＞
ベントナイトを配合していないことを除いて実施例１と同様にして調製した熱伝導性パテ組成物を比較例１とした。

＜比較例２＞
水酸化アルミニウムを配合していないことを除いて実施例１と同様にして調製した熱伝導性パテ組成物を比較例２とした。

（試験方法）
＜加工性＞
実施例１～７及び比較例１～２のそれぞれについて、押出機により押出し成形し、厚さ３ｍｍの熱伝導性シートが得られた場合をＡ判定とし、得られなかった場合をＢ判定とした。

＜熱伝導度＞
実施例１～７及び比較例１～２のそれぞれについて、ＪＩＳＨ７９０３：２００８に準じて、一方向熱流定常比較法（ＳＣＨＦ）により熱伝導度（測定温度：３３℃）を測定した。

＜軟度＞
実施例１～７及び比較例１～２のそれぞれについて、ＪＩＳＡ５７５２：１９９４に準じて、軟度の指標として針入量（測定温度：２３±３℃）を測定した。

（試験結果）
試験結果を表２に示す。

表２によれば、実施例１～７は、厚さ３ｍｍの熱伝導性シートが得られるとともに、熱伝導度及び軟度のいずれも高い水準であることが分かる。一方、比較例１は、厚さ３ｍｍの熱伝導性シートが得られず、熱伝導度及び軟度のいずれも測定すらできなかった。比較例２は、厚さ３ｍｍの熱伝導性シートが得られ、十分な軟度を有するものの、熱伝導度の水準が低いことが分かる。

本発明は、熱伝導性パテ組成物、並びにそれを用いた熱伝導性シート及び電池モジュールについて有用である。

１０二次電池モジュール
１１モジュール本体
１１１二次電池
１１２電池ホルダー
１１２ａ電池保持部
１１２ｂ丸孔
１２熱伝導性シート

Claims

液状ポリマーと、水酸化アルミニウムと、ベントナイトとを含有し、前記水酸化アルミニウムの含有量が前記液状ポリマー１００質量部に対して１５０質量部以上１０００質量部以下であり、且つ前記ベントナイトの含有量が前記液状ポリマー１００質量部に対して５質量部以上２０質量部以下である熱伝導性パテ組成物。
請求項１に記載された熱伝導性パテ組成物において、
前記液状ポリマーが、液状ポリブタジエン、又は、液状ポリブタジエンと液状ポリブテンとの混合物を含む熱伝導性パテ組成物。
請求項１又は２に記載された熱伝導性パテ組成物において、
前記水酸化アルミニウムの平均粒径が０．５μｍ以上１００μｍ以下である熱伝導性パテ組成物。
請求項１乃至３のいずれかに記載された熱伝導性パテ組成物において、
前記水酸化アルミニウムの粒度分布が複数のピークを有する熱伝導性パテ組成物。
請求項１乃至４のいずれかに記載された熱伝導性パテ組成物において、
前記ベントナイトが、交換性塩基が有機アミンで置換されて有機化処理された有機ベントナイトを含む熱伝導性パテ組成物。
請求項１乃至５のいずれかに記載された熱伝導パテ性組成物をシート状に成形した熱伝導性シート。
請求項６に記載された熱伝導性シートを有する電池モジュール。