JP7440233B2 - 組電池用断熱シート及び組電池 - Google Patents
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Description
(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、
シリカナノ粒子からなる第1断熱材と、シリカ成分を含み、湾曲面を有する板形状粒子からなる第2断熱材と、を含む組電池用断熱シート。
(2)前記第2断熱材は、面方向に配向している、(1)に記載の組電池用断熱シート。
前記結合材の含有量は組電池用断熱シート全質量に対して10質量%以上60質量%以下である、(1)~(12)のいずれか1項に記載の組電池用断熱シート。
(14) 複数の電池セルが、(1)~(13)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。
これは、シリカナノ粒子は絶縁体であるため、静電気による反発力で粒子間に細かな空隙ができやすく、かさ密度が低くクッション性があるように粒子が充填されるからであると考えられる。すなわち、断熱シートに、平均粒子径が1nm以上100nm以下であるシリカナノ粒子が含まれていると、圧縮応力が印加されても、シリカナノ粒子間の空隙と、多くの粒子間の接点が伝導伝熱を抑制し、断熱シートの断熱性を維持することができる。
しかし、第1断熱材として、粒子径の小さなシリカナノ粒子を用いた断熱シートは、粒子間の空隙部が、例えば数10nmと小さくなり、空隙部の空気の移動は起こりにくく、対流伝熱の発生を抑制することができ、断熱性をより一層高めることができると考えられる。
なお、本発明においては、シリカナノ粒子により、細かな空隙を多く形成すること、粒子間の接点の数を増やすことが重要であるため、シリカナノ粒子は、一次粒子でも、凝集した二次粒子で含有していてもよい。
第1断熱材(シリカナノ粒子)のみからなる断熱材を用いた断熱シートは、粒子間の接点が弱いため、シートとしての形状保持性が十分に得られないことがあるが、本発明においては、断熱シートが湾曲面を有する板形状粒子からなる第2断熱材を含んでいるため、優れた断熱シートの形状保持性を得ることができる。
さらに上記空隙部に、シリカナノ粒子が充填され、空気の流れを遮断し、対流伝熱を抑制し、優れた断熱性を得ることができる。
なお仮に、第2断熱材が、単なる平面状の板形状粒子である場合には、断熱シート中で密着し合って熱を伝えやすくなるうえに、シリカナノ粒子を保持する空隙が形成されにくいため保持力が低下し、振動などでシリカナノ粒子が脱落しやすくなる。本発明の断熱シートでは、第2断熱材が湾曲面を有しているため、形状が保持されるとともに、断熱性能も得られる。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る組電池用断熱シートにおいて、熱の伝導状態を模式的に示す断面図である。図2は、本発明の第1の実施形態に係る組電池用断熱シートの一部を拡大して模式的に示した斜視図である。また、図3は、第1の実施形態に係る組電池用断熱シートのSEM観察結果を示す図面代用写真である。図4は、図3における第2断熱材をより明確に示した模式図である。さらに、図5は、図1~図4に示す組電池用断熱シートを用いた組電池の実施形態を模式的に示す断面図である。
次に、組電池用断熱シート10を構成する第1断熱材21及び第2断熱材22について詳細に説明する。
本発明において、第1断熱材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。
上述の通り、第1断熱材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断熱材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断熱材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。
第1断熱材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断熱材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。
本発明において、第2断熱材22としては、シリカ成分を含み、湾曲面を有する板形状粒子を用いる。上述の通り、第2断熱材22がこのような形状を有していることにより、面方向の強度を強くし、形状保持性を高めるとともに、厚み方向には熱を伝えにくい。また、断熱シート10に対して大きな圧縮応力が加わった場合に、第1断熱材21(シリカナノ粒子)が充填された上記ドーム状の空隙部を有する第2断熱材22が撓みながら圧力に対抗するため、断熱効果が大きい第1断熱材21(シリカナノ粒子)の脱落を防止することができる。第2断熱材22としては、シラスバルーン、シリカバルーン、フライアッシュバルーン、パーライトバルーン及びガラスバルーンから選択された少なくとも1種のバルーンの破片を用いることができる。
図5の断熱シート10に示すように、第2断熱材22は、断熱シート10の面方向に配向していることが好ましい。第2断熱材22は、湾曲面を有する板形状粒子であるため、第2断熱材22が配向すると、熱伝導、強度に異方性が形成される。第2断熱材22が面方向に配向することによって、断熱シート10が厚み方向に熱伝導を抑制し、面方向に強度が高くなるようなる。なお、本願明細書において、第2断熱材22が断熱シート10の面方向に配向しているとは、全ての第2断熱材22が完全に同一方向に配列されている必要はなく、大部分の第2断熱材22が略同一方向で配列されていることを表す。
第2断熱材22が適切な大きさであると、第2断熱材22による上記効果を十分に得ることができ、適度な大きさの空隙部が形成される。すなわち、第2断熱材22の平均粒子長が0.1μm以上であると、空隙に多くの第1断熱材21を充填し、外部から圧縮応力が加わった時に、湾曲面が変形することにより圧力に対抗し、第1断熱材21の脱落を防止することができるため、好ましい。
一方、第2断熱材22の平均粒子長が100μm以下であると、一粒の第2断熱材22の粒子が熱を伝える距離を短くできるため、厚さ方向に配向した粒子が存在しても伝導伝熱のパスが形成されず、断熱性が低下することを防止することができるため、好ましい。
なお、本発明において平均粒子長は、断熱シート10を顕微鏡で撮影し、任意の10個の粒子の長径を標準スケールと比較し平均をとることで求められる。なお、どのような顕微鏡を使用してもよく、SEM、偏光顕微鏡などが利用できる。
第2断熱材22の曲率半径の測定は、断熱シート10の断面が確認できるように樹脂埋めし、顕微鏡の拡大画像から曲面の中心を特定し、標準スケールと比較して得ることができる。顕微鏡の種類は、対象物によって適宜選定することができ、偏光顕微鏡、SEMなどが利用できる。
本発明においては、適度な断熱性を確保するように、第1断熱材21の比率を適切に調整することが好ましい。第1断熱材21の含有量が、断熱シート全質量に対して、10質量%以上であると、もともと第1断熱材21は伝導伝熱、対流伝熱に対して高い断熱性を有している素材であるため、断熱性の高い断熱シート10を得ることができるため、好ましい。したがって、第1断熱材21の含有量は、断熱シート全質量に対して、10質量%以上であることが好ましく、15質量%以上であることがより好ましく、20質量%以上であることがさらに好ましい。
本発明においては、適度な断熱性と形状保持性を確保するように、第2断熱材22の比率を適切に調整することが好ましい。第2断熱材22の含有量が、断熱シート全質量に対して、10質量%以上であると、第2断熱材22の湾曲面を有する板形状粒子が、第1断熱材21を包み込み、振動、応力、変形が加わっても落下しないよう保持することができるため、好ましい。したがって、第2断熱材22の含有量は、断熱シート全質量に対して、10質量%以上であることが好ましく、15質量%以上であることがより好ましく、20質量%以上であることがさらに好ましい。
本発明に係る断熱シート10は、金属酸化物からなる第3断熱材23を含むことが好ましい。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、酸化亜鉛及び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光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3断熱材23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3断熱材23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3断熱材23の平均粒子径が0.1μm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なるため、光を効率よく乱反射させることができる。したがって、本発明において第3断熱材23が好ましい存在範囲(質量比)であるとき、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。一方、第3断熱材23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や数が増えず、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3断熱材23の平均粒子径は、1μm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3断熱材23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3断熱材23を含むことが好ましいとしているが、第3断熱材23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断熱材21及び第2断熱材22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断熱材21及び第2断熱材22の添加量を増加させた方が好ましい。このように、第3断熱材23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3断熱材23として金属酸化物を含む場合には、第3断熱材23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3断熱材23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3断熱材23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断熱材21及び第2断熱材22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。
本発明に係る組電池用断熱シート10は、結合材を含まないものであっても、焼結等により形成されることができるが、特に組電池用断熱シート10が第1断熱材21としてシリカナノ粒子を含む場合には、断熱シート10としての形状を保持するために、適切な含有量で結合材を添加することが好ましい。本発明において結合材とは、第1の断熱材21、第2の断熱材22を保持するために繋ぎ止めておくものであればよく、接着を伴うバインダ、粒子を物理的に絡める繊維、粘着力で付着する耐熱樹脂などその形態は問わない。
無機繊維は、線状又は針状の繊維であり、断熱シート10の電池セル20からの圧縮応力に対する機械的強度及び形状保持性の向上に寄与する。
このような効果を得るために、結合材として無機繊維を用いる場合には、その平均繊維径が0.1μm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。但し、無機繊維が太すぎると、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。
結合材として無機繊維を用いると、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、0.5mm以上であることがより好ましい。但し、無機繊維の平均繊維長が長すぎると、抄造工程において水に無機繊維を分散したスラリー溶液の調製時に、無機繊維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、無機繊維の平均繊維長は20mm以下であることが好ましく、10mm以下であることがより好ましい。
なお、無機繊維の繊維径及び繊維長は、ピンセットを使用して、成形後のシートから無機繊維を破断しないように抜き取り、顕微鏡で観察し標準スケールと比較することにより測定することができる。無機繊維の平均繊維径及び平均繊維長は、任意の繊維10本の平均値から得られる。
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の製造方法について詳細に説明する。
本実施形態に係る断熱シート10は、第1断熱材21と第2断熱材22とを含む断熱シート用材料を、湿式抄造法、乾式成形法、又は湿式成形法により型成形して製造しても、押出成形法により製造してもよい。以下に、断熱シート10をそれぞれの成形法により得る場合の製造方法について説明する。
湿式抄造法では、まず、第1断熱材21及び第2断熱材22、ならびに必要に応じて結合材である無機繊維、有機繊維、又は有機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。その後、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10を得ることができる。また、濾過、加圧の段階で第2断熱材22が面方向に配向する。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。
乾式成形法では、まず、第1断熱材21及び第2粒断熱材22、ならびに必要に応じて結合材である無機繊維、有機繊維、又は有機バインダを所定の割合で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、断熱シート10を得ることができる。プレス時には、必要に応じて加熱してもよい。また、プレスの段階で第2断熱材22が面方向に配向する。
押出成形法では、まず、第1断熱材21及び第2断熱材22、ならびに必要に応じて結合材である無機繊維、有機繊維、又は有機バインダに水を加え、混練機で混練することにより、ペーストを調製する。その後、得られたペーストを、押出成形機を用いてスリット状のノズルから押出し、さらに乾燥させることにより、断熱シート10を得ることができる。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。なお、押出成形法では、押出方向に第2断熱材22が配向する。
本発明に係る組電池100は、図5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。
10a、10b、40a、40b 面
20 電池セル
21 第1断熱材
22 第2断熱材
23 第3断熱材
30 電池ケース
100 組電池
Claims (14)
- 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、
シリカナノ粒子からなる第1断熱材と、シリカ成分を含み、湾曲面を有する板形状粒子(ただし、前記板形状粒子は、多孔質板状フィラーを除く。)からなる第2断熱材と、を含む組電池用断熱シート。 - 前記第2断熱材は、面方向に配向している、請求項1に記載の組電池用断熱シート。
- 前記第1断熱材の含有量は、組電池用断熱シート全質量に対して、10質量%以上60質量%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。
- 前記第1断熱材は、平均粒子径が1nm以上100nm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。
- 前記板形状粒子は、無機バルーンの破片である、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。
- 前記無機バルーンは、シラスバルーン、シリカバルーン、フライアッシュバルーン、パーライトバルーン及びガラスバルーンから選択された少なくとも1種の無機バルーンである、請求項5に記載の組電池用断熱シート。
- 前記第2断熱材は、平均粒子長が0.1μm以上100μm以下である板形状粒子である、請求項1~6のいずれか1項に記載の組電池用断熱シート。
- 前記第2断熱材の含有量は、組電池用断熱シート全質量に対して、10質量%以上60質量%以下である、請求項1~7のいずれか1項に記載の組電池用断熱シート。
- 金属酸化物からなる第3断熱材をさらに含む、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。
- 前記金属酸化物は、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種の粒子である、請求項9に記載の組電池用断熱シート。
- 前記金属酸化物は、平均粒子径が0.1μm以上50μm以下である、請求項9又は10に記載の組電池用断熱シート。
- 前記第3断熱材の含有量は、組電池用断熱シート全質量に対して、5質量%以上40質量%以下である、請求項9~11のいずれか1項に記載の組電池用断熱シート。
- 無機繊維、バインダ及び耐熱樹脂から選択された少なくとも1種からなる結合材を含み、
前記結合材の含有量は断熱シート全質量に対して10質量%以上60質量%以下である、請求項1~12のいずれか1項に記載の組電池用断熱シート。 - 複数の電池セルが、請求項1~13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。
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