JP7184597B2 - 組電池用熱伝達抑制シート、シート構造体および組電池 - Google Patents
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Description
また、特許文献2においては、断熱緩衝部材の表面に凹凸を形成することで、電池セル間においては断熱が図れるとともに、電池セルの積層時にはこの溝により通風効果を図ることができるとあるものの、断熱緩衝部材はポリカーボネート樹脂製またはポリプロピレン樹脂製のシートからなるため、このシートに溝を設けた場合、後述するように、通常使用時に発熱する電池セルを冷却するには十分であるとは言えなかった。
更に、特許文献1及び特許文献2においては、組電池とする際の組み付けを容易にするシートの剛性や、電池セルの熱膨張による、隣接する電池セル間の寸法変動(寸法変化)にも対応可能なシートの柔軟性について言及されていない。
更に、本発明に係る組電池用熱伝達抑制シートは、波板状シートと平板状シートを一体化して補強したものであり、波板状シートにおける波の潰れを抑制することでシート全体の剛性が高められているため、組電池とする際の組み付けを容易にすることができる。加えて、波板状シートの波部分により柔軟性が増すため、電池セルの熱膨張による寸法変動を効果的に吸収できる。
[1-1.基本構成]
図1は、本実施形態に係る熱伝達抑制シート10の斜視図である。
本実施形態に係る熱伝達抑制シート10は、吸熱材及び/または断熱材を含有する平板状シート20と、吸熱材及び/または断熱材を含有する波板状シート30とを有し、平板状シート20の片面のみに波板状シート30が形成されている。別の表現として、波板状シート30の片面のみに平板状シート20が形成されているとも言える。これにより、平板状シート20と波板状シート30との間には、波板状シート30の波31の進行方向(すなわち、紙面の左右方向)に垂直な方向に向かうトンネル状の空間36が複数形成される。
また、組電池100において、平板状シート20は、電池セル50と面で接していることから、熱暴走を起こした電池セル50からの多量の熱を効率よく平板状シート20で受け取ることができるため、電池セル間の熱の伝播を抑制する効果を十分に発揮することができる。
なお、凹凸のピッチとは、隣接する凹部同士または凸部同士の中心間距離をいい、凹凸の深さとは、凹部の底部と凸部の頂部との間の距離をいう。
図3は、本実施形態の第1変形例に係る熱伝達抑制シート10の斜視図である。本変形例の熱伝達抑制シート10は、上記基本構成で説明したものと同様、吸熱材及び/または断熱材を含有する平板状シート20と、吸熱材及び/または断熱材を含有する波板状シート30とを有し、平板状シート20と波板状シート30が一体に形成されている。
なお、その他の構成及び効果は、上記基本構成で説明したものと同様である。
図4は、本実施形態の第2変形例に係る熱伝達抑制シート10の斜視図である。本変形例の熱伝達抑制シート10は、吸熱材及び/または断熱材を含有する平板状シート20の両面に、吸熱材及び/または断熱材を含有する波板状シート30が一体に形成されている。これにより、平板状シート20の両面側(すなわち、紙面の上下方向)に、平板状シート20と波板状シート30との間で形成されるトンネル状の空間36、及び電池セル50と波板状シート30との間で形成されるトンネル状の空間37が多数形成されるため、電池セル50の冷却性能がより向上する。
なお、その他の構成及び効果は、上記基本構成で説明したものと同様である。
図5は、本実施形態の第3変形例に係る熱伝達抑制シート10の斜視図であり、図6Aは、本実施形態の第4変形例に係る熱伝達抑制シート10の斜視図である。なお、図5及び図6Aにおいて、本来は波板状シート30の下部(紙面の下方向)に平板状シート20が形成されているが、説明の都合上、平板状シート20の図示を省略している。
図5に示すように、熱伝達抑制シート10は、吸熱材及び/または断熱材を含有する波板状シート30の一方の側の面30a(同図では「上面側」)において、隣接する波31の山31a,31b同士を、連結部35にて波31の進行方向、すなわち紙面の左右方向に連結したものである。連結部35がリブのように作用して、熱伝達抑制シート10の波31の潰れを抑制するとともに、シート全体の剛性を高める。その結果、組電池100(図10参照)を組み立てる際の組み付け性が更に向上する。
更に、連結部35は、図5で示すような、隣接する波31の山31a,31b同士の全部を連結するようなものであってもよいが、例えば、上記した補強効果と冷却性能とのバランスを鑑みて、隣接する波31の山31a,31b同士の一部を連結するようなものであってもよい。
図7は、本実施形態の第5変形例に係る熱伝達抑制シート10の斜視図である。本変形例の熱伝達抑制シート10は、上記基本構成で説明したものと同様、吸熱材及び/または断熱材を含有する平板状シート20と、吸熱材及び/または断熱材を含有する波板状シート30とを有し、平板状シート20と波板状シート30が一体に形成されている。
なお、貫通孔24は、波板状シート30にも設けられてもよい。この場合、冷却性能の更なる向上が期待できる。また、貫通孔24は、図示されるような円形の他、楕円や多角形等にすることも可能である。更に、貫通孔24の各々の大きさ(開口面積)が全て同じでも、個々に異なっていてもよい。また更に、貫通孔24は、格子状に等間隔に形成されていてもよいし、ランダムに形成されていてもよい。
なお、その他の構成及び効果は、上記基本構成で説明したものと同様である。
熱伝達抑制シート10は、吸熱材及び/または断熱材を含有する。すなわち、これらは、いずれか一方のみを含有しても良く、両方を含有してもよい。
このような吸熱材の具体的な材料としては、加熱により水分を放出することのできる無機水和物や脱水剤が好ましい。熱伝達抑制シート10が、加熱により水分を放出する材料を含有することで、吸熱層としての役割を担うことができる。
熱伝達抑制シート10が吸熱層の役割を果たす場合、電池セル50の異常時において、ある電池セル50で発生した熱により熱伝達抑制シート10が加熱されると、熱伝達抑制シート10はその熱を吸収しつつ、水分を放出する。この吸熱作用により、電池セル50の発熱量を低減することができる。よって、ある電池セル50に熱暴走が生じた場合、隣接する他の電池セル50への熱の伝播を効果的に抑制することができる。
上記無機水和物として、例えば、水酸化アルミニウム(Al(OH)3)、水酸化マグネシウム(Mg(OH)2)、水酸化カルシウム(Ca(OH)2)、水酸化亜鉛(Zn(OH)2)、水酸化鉄(Fe(OH)2)、水酸化マンガン(Mn(OH)2)、水酸化ジルコニウム(Zr(OH)2)、水酸化ガリウム(Ga(OH)3)などが挙げられる。
これらの無機水和物は、単独で使用してもよいし、2種以上組み合わせて使用してもよい。
2Al(OH)3→Al2O3+3H2O
この機能により、電池セル50で発生した高温の熱を吸収することができ、電池セル50の温度上昇を低減することができる。
上記脱水剤としては、150℃以下の温度で脱水可能な脱水剤を用いることも好ましい。通常使用時における電池セル50の温度範囲である、常温(20℃程度)から最大150℃程度までの温度範囲内で脱水可能な脱水剤を有することで、通常使用時に電池セル50の温度が比較的低温で上昇した場合に、脱水剤が水分を放出するため、通常使用時における電池セル50を効果的に冷却することができる。
亜硫酸塩水和物としては、例えば、亜硫酸亜鉛2水和物、亜硫酸ナトリウム7水和物等が挙げられる。
リン酸塩水和物としては、例えば、リン酸アルミニウム2水和物、リン酸コバルト8水和物、リン酸マグネシウム8水和物、リン酸マグネシウムアンモニウム6水和物、リン酸水素マグネシウム3水和物、リン酸水素マグネシウム7水和物、リン酸亜鉛4水和物、リン酸二水素亜鉛2水和物等が挙げられる。
酢酸塩水和物としては、例えば、酢酸亜鉛2水和物、酢酸コバルト4水和物等が挙げられる。
金属水和塩としては、例えば、塩化コバルト6水和物、塩化鉄4水和物等の塩化物塩、ホウ砂(四ホウ酸ナトリウム5水和物、四ホウ酸ナトリウム10水和物)、八ホウ酸二ナトリウム四水物、ホウ酸亜鉛3.5水和物等のホウ酸塩等が挙げられる。
しかし、水分を吸着していないゼオライトは不安定であるため、脱水したゼオライトは高い吸着作用を有するため、温度が低下した後は再び水分を吸着する。
これに対し、脱水剤の配合量の好ましい下限は10質量%であり、より好ましい下限は35質量%である。この配合量が10質量%未満では、十分な脱水効果が得られないおそれがある。また、この配合量が90質量%を超えると、熱伝達抑制シート1としての十分な強度を保つことができないおそれがある。
断熱材の具体的な材料としては、無機繊維及び無機粒子のうち少なくともいずれか一方を含むものであれば良く、これらのうちいずれか一方を含むことで断熱材としての効果を発揮させることができる。ただし、無機繊維および無機粒子の両方を含むことにより、無機繊維が絡み合って生じた構造中の連続した空隙を無機粒子が分断することができるため、熱伝達抑制シート1における対流伝熱を有効に低減することが可能となり、断熱効果をより効果的に発揮することができる。
無機繊維としては、例えば、シリカ-アルミナ繊維、アルミナ繊維、シリカ繊維、ロックウール、アルカリアースシリケート繊維、ガラス繊維、ジルコニア繊維およびチタン酸カリウムウィスカ繊維などが挙げられる。これらの無機繊維は、耐熱性、強度、入手容易性などの点で好ましい。無機繊維は、単独で使用してもよいし2種以上組み合わせて使用してもよい。無機繊維のうち、取り扱い性の観点から、特にシリカ-アルミナ繊維、アルミナ繊維、シリカ繊維、ロックウール、アルカリアースシリケート繊維、ガラス繊維が好ましい。
無機粒子としては、例えば、TiO2粉末、SiO2粉末、BaTiO3粉末、PbS粉末、ZrO2粉末、SiC粉末、NaF粉末およびLiF粉末などが挙げられる。これらの無機粒子は、単独で使用してもよいし、2種以上組み合わせて使用してもよい。
有機バインダーの配合量としては、熱伝達抑制シート1を構成する材料の合計重量に対して0.5~5.0質量%の範囲で必要に応じて使用することができる。
本発明は、上記の熱伝達抑制シート10を積層したシート構造体を含む。
図8に示すシート構造体40は、複数の熱伝達抑制シート10を、波板状シート30の波高方向に重ね合わせて構成されている。図示されるシート構造体40は、各熱伝達抑制シート10における波板状シート30の位相が合わされて(すなわち、同位相)、3層に積層されている。熱伝達抑制シート10を積層することで、単層の熱伝達抑制シート10と比較して、剛性がより向上するとともに、吸熱性能及び断熱性能もより向上する。また、熱伝達抑制シート10を積層することで、隣接する電池セル50の間隔に応じて、より多様な対応が可能になる。
本発明は、上記熱伝達抑制シート10やシート構造体40を、電池セル間に配置した組電池も含む。
図10及び図11に示すように、複数の電池セル50が、熱伝達抑制シート10を介して配置され、複数の電池セル50同士が直列または並列に接続された状態(接続された状態は図示を省略する。また、直列と並列の併用であっても構わない。)で、電池ケース60に格納されて組電池100が構成される。
その他の構成及び効果は、図10及び図11に示した組電池100と同様である。
続いて、熱伝達抑制シート10の製造方法について、図13を参照して説明する。なお、ここでは、図1に示す熱伝達抑制シート10を例にして説明する。
乾式成形法では、吸熱材及び/または断熱材、更に必要に応じて上記した他の材料を所定の割合でV型混合機などの混合機に投入する。そして、混合機に投入された材料を充分に混合した後、所定の型内に混合物を投入し、プレスすることにより平板状の熱伝達抑制シート素材10Aを得る。プレス時には、必要に応じて加熱してもよい。
湿式成形法では、吸熱材及び/または断熱材、更に必要に応じて上記した他の材料を水中で混合撹拌して充分に分散させ、その後、凝集剤を添加して、一次凝集体を得る。必要に応じて有機弾性物質のエマルジョンなどを所定の範囲内で上記水中に添加した後、高分子凝集剤を添加することにより凝集体を含むスラリーを得る。
得られた熱伝達抑制シート素材10Aは、図13に示すように、所望のエンボス形状を有し、対向配置された2つのエンボスローラー70で上下から挟みこんで、熱伝達抑制シート素材10Aを波形に形成して波板状シート30とする。次いで、一対のエンボスローラー70の下流側に配置されたフラットローラー72により、波板状シート30の下面に、平板状シート20となる熱伝達抑制シート素材10Aを接着剤等により接着することで、平板状シート20と波板状シート30が一体化された熱伝達抑制シート10が得られる。
図5に示すような波31を補強するための連結部35を形成する場合には、上記のエンボスローラー70及びフラットローラー72からなるユニットを2列、あるいは複数列、ある間隔を空けて隣接する。ユニットとユニットとの間は、ギア歯が存在しないため平坦面のままとなり、この平坦面が連結部35となる。
10A 熱伝達抑制シート素材
20 平板状シート
22 (平板状シートの表面における)凹凸形状
24 貫通孔
26 波板状シートの両端面
30 波板状シート
31 波
31a,31b 波の山
32 (波板状シートの表面における)凹凸形状
34 固体材料
35 連結部
36,37 空間
38 波の底部
39 波の頂部
40 シート構造体
50 電池セル
60 電池ケース
70 エンボスローラー
72 フラットローラー
100 組電池
tp 平板状シートの厚さ
tw 波板状シートの厚さ
Claims (22)
- 複数の電池セルが熱伝達抑制シートを介して配置され、該複数の電池セルが直列または並列に接続された組電池に用いられる熱伝達抑制シートであって、
吸熱材及び/または断熱材を含有する平板状シートと、吸熱材及び/または断熱材を含有する波板状シートとが一体化されてなり、
前記波板状シートの片面または両面において、隣接する波の山同士を、前記波の底部から頂部に向かう立壁を有する連結部により、前記波の進行方向に沿って連結していることを特徴とする組電池用熱伝達抑制シート。 - 前記波板状シートは、前記平板状シートの片面または両面に形成されている、請求項1に記載の組電池用熱伝達抑制シート。
- 前記波板状シートは、前記平板状シートの片面のみに形成されている、請求項1または2に記載の組電池用熱伝達抑制シート。
- 前記波板状シートは、前記平板状シートの両面に形成されている、請求項1または2に記載の組電池用熱伝達抑制シート。
- 前記連結部が、前記波の底部から頂部に至るまで形成されている、請求項1に記載の組電池用熱伝達抑制シート。
- 前記連結部が、前記波の底部から波高の途中まで形成されている、請求項1に記載の組電池用熱伝達抑制シート。
- 前記連結部が、前記波板状シートの両面において、前記波の底部から波高の途中まで形成されている、請求項1に記載の組電池用熱伝達抑制シート。
- 前記平板状シートの厚さは、前記波板状シートの厚さよりも厚い、請求項1~7のいずれか1項に記載の組電池用熱伝達抑制シート。
- 前記波板状シートおよび前記平板状シートの少なくとも一方は、シート厚み方向に複数の貫通孔を有する、請求項1~8のいずれか1項に記載の組電池用熱伝達抑制シート。
- 前記波板状シートおよび前記平板状シートの少なくとも一方は、前記吸熱材を必須として含有し、
前記吸熱材は、無機水和物及び/または脱水剤である、請求項1~9のいずれか1項に記載の組電池用熱伝達抑制シート。 - 前記吸熱材は、前記無機水和物を必須として含有し、
前記無機水和物は、熱分解開始温度が200℃以上である、請求項10に記載の組電池用熱伝達抑制シート。 - 前記無機水和物は、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化亜鉛、水酸化鉄、水酸化マンガン、水酸化ジルコニウムおよび水酸化ガリウムからなる群のうち少なくとも1つである、請求項11に記載の組電池用熱伝達抑制シート。
- 前記無機水和物が水酸化アルミニウムである、請求項12に記載の組電池用熱伝達抑制シート。
- 前記吸熱材は、前記脱水剤を必須として含有し、
前記脱水剤は、シリカゲル、活性アルミナ、活性炭、ゼオライト、イオン交換樹脂、硫酸塩水和物、亜硫酸塩水和物、リン酸塩水和物、硝酸塩水和物、酢酸塩水和物および金属水和塩からなる群のうち少なくとも1つである、請求項10に記載の組電池用熱伝達抑制シート。 - 前記波板状シートおよび前記平板状シートの少なくとも一方は、前記断熱材を必須として含有し、
前記断熱材は、無機繊維及び/または無機粒子である、請求項1~9のいずれか1項に記載の組電池用熱伝達抑制シート。 - 前記断熱材は、前記無機繊維を必須として含有し、
前記無機繊維は、シリカ-アルミナ繊維、アルミナ繊維、シリカ繊維、ロックウール、アルカリアースシリケート繊維およびガラス繊維からなる群のうち少なくとも1つである、請求項15に記載の組電池用熱伝達抑制シート。 - 前記断熱材は、前記無機粒子を必須として含有し、
前記無機粒子は、TiO2及びSiO2のうち少なくとも1つである、請求項15に記載の組電池用熱伝達抑制シート。 - 請求項1~17のいずれか1項に記載の組電池用熱伝達抑制シートを複数重ね合わせて一体化してなるシート構造体。
- 前記重ね合わせ方向に隣接する前記波板状シート同士において、該波板状シートの波形が互いに逆位相の関係を有する、請求項18に記載のシート構造体。
- 前記複数の組電池用熱伝達抑制シートのうち少なくとも1つは、前記波板状シートにおける波形の方向が他のものと異なる、請求項18または19に記載のシート構造体。
- 前記複数の電池セルが、請求項1~17のいずれか1項に記載の組電池用熱伝達抑制シート、及び/または、請求項18~20のいずれか1項に記載のシート構造体を介して配置され、該複数の電池セルが直列または並列に接続された組電池。
- 前記複数の電池セル間に介在する、前記組電池用熱伝達抑制シートまたは前記シート構造体のうち少なくとも1つは、前記波板状シートにおける波形の方向が他のものと異なる、請求項21に記載の組電池。
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