JP7088892B2 - 組電池用断熱シート及び組電池 - Google Patents
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Description
さらに、上記断熱シートは、エアロゲルが存在しない樹脂支柱とエアロゲルが存在する複合層とで断熱性が異なるため、シート内で断熱性や放熱性が均一となりにくい。そのため、電池セルから発生した熱の伝達も異なり、熱暴走が発生した場合、断熱シートでの熱伝達の抑制ができないことがある。
(1)複数の電池セルを直列又は並列に接続した組電池における、前記電池セル間に介在される組電池用断熱シートであって、
一様に分散したシリカナノ粒子からなる第1粒子と、一様に分散するとともに断熱シートの主面に対して平行な一方向に配向されている無機繊維と、を含む組電池用断熱シート。
(2)前記第1粒子の含有量は、組電池用断熱シート全質量に対して、30質量%以上80質量%以下である、(1)に記載の組電池用断熱シート。
(11)複数の電池セルが、(1)~(10)のいずれか1項に記載の組電池用断熱シートを介して配置され、該複数の電池セルが直列又は並列に接続された組電池。
(12)前記電池セルから発生する熱を放熱させるヒートシンクを有し、
前記組電池用断熱シートは、前記ヒートシンクの方向に向かって前記無機繊維が配向している、(11)に記載の組電池。
図1は、本発明の実施形態に係る組電池用断熱シート10の構成を示す模式図であり、図2は、図1に示す組電池用断熱シート10を用いた組電池100の実施形態を模式的に示す断面図である。断熱シート10には、シリカナノ粒子からなる第1粒子21と、ガラス繊維等からなる無機繊維23とが含まれている。なお、上記シリカナノ粒子として、平均粒子径が1nm以上100nm以下であるシリカナノ粒子を用いている。また、無機繊維23は、主に平面視横方向に配向している。
次に、組電池用断熱シート10を構成する第1粒子21及び無機繊維23について詳細に説明する。
本発明において、第1粒子21としてはシリカナノ粒子を用いる。シリカナノ粒子としては、湿式シリカ、乾式シリカ及びエアロゲル等を使用することができる。
また、本発明においてシリカナノ粒子とは、球形あるいは球形に近い平均粒子径が1μm未満のナノメートルオーダーのシリカの粒子である。
本発明の第1粒子21の含有量は、組電池用断熱シート全質量に対して、30質量%以上80質量%以下であることが好ましい。
断熱シート10中に第1粒子21として含まれるシリカナノ粒子は低密度であるため伝導伝熱を抑制し、さらに空隙が細かく分散しているため、空気の移動を起こりにくくし対流伝熱を抑制する優れた断熱性を有している。このため、シリカナノ粒子を用いた組電池用断熱シート10を電池セル20に密着して使用すると、熱がこもりかえって熱暴走を促進する。
本発明の組電池用断熱シート10では、第1粒子21の含有量は、組電池用断熱シート全質量に対して、30質量%以上とすることにより断熱性を確保し、第1粒子21の含有量を80質量%以下とすることにより、無機繊維23含有させる空間を十分に確保でき、放熱性を確保することができる。
上述の通り、第1粒子21の粒子径は、断熱シート10の断熱性に影響を与えることがあるため、第1粒子21の平均粒子径を所定の範囲に限定すると、より一層高い断熱性を得ることができる。
すなわち、第1粒子21の平均粒子径を1nm以上100nm以下とすると、特に500℃未満の温度領域において、断熱シート10内における熱の対流伝熱及び伝導伝熱を抑制することができ、断熱性をより一層向上させることができる。
なお、第1粒子21の平均粒子径は、2nm以上であることがより好ましく、3nm以上であることがさらに好ましい。また、第1粒子21の平均粒子径は、50nm以下であることがより好ましく、10nm以下であることがさらに好ましい。
本発明の無機繊維23の含有量は、組電池用断熱シート全質量に対して、5質量%以上30質量%以下であることが好ましい。
無機繊維23の含有量が5質量%以上であると、断熱シートの側方に熱を拡散させる効果を十分に確保することができる。また、無機繊維23の含有量が30質量%以下であると、断熱性の高い第1粒子を充填する空間を十分に確保でき、断熱性を確保することができる。
無機繊維23は、線状又は針状の太径の繊維であり、断熱シート10の電池セル20からの圧力に対する機械的強度及び保形性の向上に寄与する。このような効果を得るために、その平均繊維径が1μm以上であることが好ましく、2μm以上であることがより好ましい。ただし、無機繊維23が太すぎると、断熱シート10への成形性、加工性が低下するおそれがあるため、20μm以下とすることが好ましく、15μm以下とすることがより好ましい。
基材として無機繊維23を用いると、断熱シート10として成形したときに繊維同士が好適に絡み合い、充分な面圧を得ることができる。このような効果を得るために、無機繊維23を用いる場合には、その平均繊維長が0.1mm以上であることが好ましく、1mm以上であることがより好ましい。ただし、無機繊維23と第1粒子21をいったん混合し、後から無機繊維23を配向させるプロセスを採る場合、無機繊維23の平均繊維長が長すぎると、原材料の調製時に、無機繊維23同士の絡み合いが強くなりすぎることがあり、シート状に成形した後に無機繊維23が不均一に集積しやすくなることがある。したがって、無機繊維23の平均繊維長は300mm以下であることが好ましく、20mm以下であることがより好ましい。
なお、無機繊維23の繊維径及び繊維長は、組電池用断熱シート10にバインダ成分が含まれていれば、溶媒を用いてバインダ成分を除去したのち、ピンセットを使用して、成形後のシートから無機繊維23を破断しないように抜き取り、標準スケールと比較し得ることができる。必要に応じて光学顕微鏡で観察することにより測定することができる。
本発明において、第2粒子22としては金属酸化物を用いることが好ましい。金属酸化物としては、チタニア、ジルコニア、ジルコン、チタン酸バリウム、酸化亜鉛、アルミナ等を使用することができる。特に、チタニアは他の金属酸化物と比較して屈折率が高い成分であり、500℃以上の高温度領域において熱を乱反射する効果が高いため、チタニアを用いることが最も好ましい。
第2粒子22の粒子径は、熱を反射する効果に影響を与えることがあるため、第2粒子22の平均粒子径を所定の範囲に限定すると、より一層高い断熱性を得ることができる。
すなわち、第2粒子22の平均粒子径が1μm以上であると、加熱に寄与する光の波長よりも十分に大きく、光を効率よく乱反射させ、本発明における第2粒子22の存在範囲(質量比)において、500℃以上の高温度領域において断熱シート10内における熱の輻射伝熱が抑制され、より一層断熱性を向上させることができる。第2粒子22の平均粒子径が50μm以下であると、圧縮されても粒子間の接点、数が増えず、伝導伝熱のパスを形成しにくく、特に伝導伝熱が支配的な通常温度域の断熱性への影響を小さくすることができる。
なお、第2粒子22の平均粒子径は、3μm以上であることがより好ましく、5μm以上であることがさらに好ましい。また、第2粒子22の平均粒子径は、30μm以下であることがより好ましく、10μm以下であることがさらに好ましい。
本発明において平均粒子径は、顕微鏡で粒子を観察し、標準スケールと比較し、任意の粒子10個の平均をとることから求めることができる。
本発明においては、500℃以上の高温度領域における断熱性を向上させるために、断熱シート10が第2粒子22を含むことが好ましいとしているが、第2粒子22の添加量は少量であっても、熱の放射伝導を抑制する効果を得ることができる。また、第1粒子21によって、熱の対流伝熱及び伝導伝熱を抑制する効果を得るためには、第1粒子21の添加量を増加させた方が好ましい。このように、第2粒子22の質量比は、通常温度から500℃以上の高温度までの領域における断熱性に影響するため、本発明において、断熱シート10に第2粒子22として金属酸化物を含む場合には、第2粒子22の質量比を適切に調整することが好ましい。
一方、本発明の断熱シート10の望ましい第2粒子22の質量比は、断熱シート全質量に対し、40質量%以下である。第2粒子22の含有量が、断熱シート全質量に対して、40質量%を超えると、第1粒子21による十分な効果が得られないことがあり、500℃未満の温度領域において、断熱シート10内における熱の対流伝導又は固体伝導を抑制することが困難となり、断熱性が低下することがある。
本発明において、第1粒子21としてシリカナノ粒子とともに無機繊維23を含むので、無機繊維23が断熱シート10としての形状を保持することができるが、シリカナノ粒子の脱落を防止するため、適切な含有量でバインダを添加することが好ましい。
また、断熱シート10の全質量に対して、バインダの含有量が3質量%以上であると、断熱シート10からのシリカナノ粒子の脱落を少なくすることができる。また、断熱シート10の全質量に対するバインダの含有量は、5質量%以上であることが好ましい。
上述の通り、本発明に係る組電池用断熱シート10は、圧縮特性を所望の値に調整するために、バインダの種類及び含有量を適切に選択することが好ましい。バインダとしては、有機バインダ及び無機バインダ等を用いることができる。本発明においては、特に、有機バインダとして、メチルセルロース、水溶性セルロースエーテル、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース及びこれらの誘導体等を使用することが好ましい。また、無機バインダの種類について特に制限しないが、無機バインダとしては、例えばアルミナゾル、シリカゾル等を使用することができる。
本発明に係る組電池用断熱シート10の厚さは特に限定されないが、0.1mm以上30mm以下の範囲にあることが好ましい。断熱シート10の厚さが上記範囲内であると、充分な機械的強度を得ることができるとともに、容易に成形することができる。
続いて、本発明に係る組電池用断熱シート10の製造方法について詳細に説明する。
押出成形法では、まず、第1粒子21及び無機繊維23、並びに必要に応じて第2粒子22、バインダに水などの溶媒を加え混練することにより、ペースト状の原料を調製する。その後、得られたペースト状の原料を、押出成形機のノズルから押し出すことによってグリーンシートを得ることができる。さらに得られたグリーンシートを乾燥させ、適当なサイズに裁断することによって本発明の組電池用断熱シート10を得ることができる。上述の通り、有機バインダとしては、メチルセルロース及び水溶性セルロースエーテル等を使用することが好ましいが、押出成形法を用いる場合に一般的に使用される有機バインダであれば、特に限定されずに使用することができる。
湿式抄造法では、まず、第1粒子21及び無機繊維23、並びに必要に応じて第2粒子22、バインダを水中で混合し、撹拌機で撹拌することにより、混合液を調製する。その後、得られた混合液を、底面に濾過用のメッシュが形成された成形器に流し込み、メッシュを介して混合液を脱水することにより、湿潤シートを作製する。この時、濾過用のメッシュを水平でなく傾斜させて配置することにより、混合液が一方向に流れながら抄造されるので、傾斜した方向に無機繊維23が配向した湿潤シートを得ることができる。得られた湿潤シートを加熱するとともに加圧することにより、断熱シート40を得ることができる。なお、加熱及び加圧工程の前に、湿潤シートに熱風を通気させて、シートを乾燥する通気乾燥処理を実施してもよいが、この通気乾燥処理を実施せず、湿潤した状態で加熱及び加圧してもよい。
プレス成形法では、まず、第1粒子21及び、並びに必要に応じて第2粒子22、バインダ、溶媒を、撹拌機で撹拌することにより、スラリー状の原料を調製する。また別途無機繊維のスライバを準備し、スライバの繊維間にスラリー状の原料を浸透させる。得られた含浸体を乾燥させたのち、プレス成形することによって本発明の組電池用断熱シート40を得ることができる。なお、スライバとは、繊維が一方向に配向した太いひも状の集合体である。必要に応じてスライバを複数本並べることにより、平板状の断熱シート40を得ることができる。
本発明に係る組電池100は、図2に例示したように、複数の電池セル20が、上記の組電池用断熱シート10を介して配置され、複数の電池セル20が直列又は並列に接続されたものである。
ここで、組電池110が金属製の電池ケース30を有すると、電池セル20から発生した熱は断熱シート40に伝わった後、側方に拡散されて電池ケース30に伝播される。このとき、組電池用断熱シート40が無機繊維23を含んでおり、無機繊維23が上下方向(すなわち、電池セル20の積層方向に垂直な方向)に配向されていると、電池セル20から伝播された熱は、配向された無機繊維23を介して上下方向に伝播されやすくなり、電池ケース30及びヒートシンク25によって放熱されやすくなる。したがって、断熱シート40が例えば押出成形により成形されており、その主面に対して平行な一方向に配向された無機繊維23を有している場合には、配向の方向を考慮して組電池110に組み込むことが好ましい。
すなわち、ヒートシンク25の方向に向かって、断熱シート40内の無機繊維23が配向されるように断熱シート40が配置されていると、より一層、断熱シート40による放熱性を向上させつつ断熱することができる。また、ヒートシンク25に限定されず、蓄熱材などに放熱させてもよい。
10a、10b 面
20 電池セル
21 第1粒子
22 第2粒子
23 無機繊維
25 ヒートシンク
30 電池ケース
100、110 組電池
Claims (12)
- 複数の電池セルを直列又は並列に接続した組電池における、前記電池セル間に介在される、湿式抄造法による組電池用断熱シートであって、
一様に分散したシリカナノ粒子からなる第1粒子と、
一様に分散するとともに断熱シートの主面に対して平行な一方向に配向されている、線状又は針状の無機繊維と、
を含み、
前記シリカナノ粒子は、湿式シリカであり、かつ、静電気による反発力により前記シリカナノ粒子間に細かな空隙が形成されている、組電池用断熱シート。 - 前記第1粒子の含有量は、組電池用断熱シート全質量に対して、30質量%以上80質量%以下である、請求項1に記載の組電池用断熱シート。
- 前記第1粒子は、平均粒子径が1nm以上100nm以下である、請求項1又は2に記載の組電池用断熱シート。
- 前記無機繊維の含有量は、組電池用断熱シート全質量に対して、5質量%以上30質量%以下である、請求項1~3のいずれか1項に記載の組電池用断熱シート。
- 前記組電池用断熱シートはさらに、金属酸化物からなる第2粒子を含む、請求項1~4のいずれか1項に記載の組電池用断熱シート。
- 前記第2粒子は、チタニア、ジルコニア、ジルコン、チタン酸バリウム、酸化亜鉛及びアルミナから選択された少なくとも1種である、請求項5に記載の組電池用断熱シート。
- 前記第2粒子はチタニアである、請求項6に記載の組電池用断熱シート。
- 前記第2粒子は、平均粒子径が1μm以上50μm以下である、請求項5~7のいずれか1項に記載の組電池用断熱シート。
- 前記組電池用断熱シートは、さらにバインダを含む、請求項1~8のいずれか1項に記載の組電池用断熱シート。
- 前記バインダは、メチルセルロース、水溶性セルロースエーテル、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース及びこれらの誘導体から選択された少なくとも1種である、請求項9に記載の組電池用断熱シート。
- 複数の電池セルが、請求項1~10のいずれか1項に記載の組電池用断熱シートを介して配置され、該複数の電池セルが直列又は並列に接続された組電池。
- 前記電池セルから発生する熱を放熱させるヒートシンクを有し、
前記組電池用断熱シートは、前記ヒートシンクの方向に向かって前記無機繊維が配向している、請求項11に記載の組電池。
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