JP7716618B2 - 断熱シートおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、断熱対策として用いられる断熱シートおよびその製造方法に関するものである。

近年省エネルギー化の要求が増加している。省エネルギー化の実現方法として機器を保温することによりエネルギー効率を向上させる方法がある。また複数個の電池セルを組み合わせた二次電池等では、ひとつの電池セルが高温になった場合に隣の電池セルに影響を与えないように、隣り合う２つの電池セルの間を断熱したいという要望もある。これらの対策として隣り合う２つの電池セルの間に、断熱効果に優れたシリカキセロゲルを用いた断熱シートを用いることがある。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開２０１１－１３６８５９号公報 国際特許公開公報ＷＯ２０１４／１３２６５２号

シリカキセロゲルを用いた断熱シートは、空気の対流を抑えることにより断熱性を発揮する。しかしながら当該断熱シートを隣り合う２つの電池セルの間に用いる場合、一方の電池セルが高温になり過ぎると、一方の電池セルから他方の電池セルへ直接の熱伝導だけではなく、赤外線輻射により熱が伝わることになる。これに対してシリカキセロゲルは、赤外線を透過しやすい。そのため、隣り合う２つの電池セルのうち一方の電池セルが高温になったときにその表面から赤外線が輻射される。この赤外線が断熱シートを透過して他方の電池セルを輻射することにより他方の電池セルに熱が伝わる。その結果、他方の電池セルの温度を上昇させてしまうという問題が生じる。

本開示にかかる発明は上記問題を解決するために、繊維シートにシリカキセロゲルを担持した断熱シートであって、この断熱シートには重量比で２％以上、１５％以下の赤外線吸収材が含まれるように構成したものである。

以上のように構成することにより、通常の温度ではシリカキセロゲルにより断熱性を発揮し、ひとつの電池セルが高温になって赤外線を輻射しても、断熱シートに含まれる赤外線吸収材に吸収されて、隣の電池セルへの熱の伝達を抑えることができる。

本開示の一実施の形態における断熱シートの断面図 同断熱シートの平面図 本開示の一実施の形態の断熱シートの製造方法を示すフローチャート図

以下、本開示の一実施の形態における断熱シートについて説明する。

なお、以下に示す断熱シートの構成や大きさ、形状等はあくまで例示であって、特に断りのない限り当該構成等に限定される趣旨ではない。

図１は本開示の一実施形態における断熱シート１１の断面図である。図２は、断熱シート１１の平面図である。図１は、図２に示す線分Ｉ－Ｉを通りかつ断熱シート１１の上面に垂直な面で切った部分の断面図である。断熱シート１１は、内部に空間を有するガラス繊維シート１２と、このガラス繊維シート１２の空間に担持したシリカキセロゲル１３と、から構成され、縦約１５０ｍｍ、横約１００ｍｍの長方形状であり、厚さは約１ｍｍとなっている。ガラス繊維シート１２は、平均繊維太さ約１０μｍのガラス繊維からなり、ガラス繊維シート１２の中で空間の占める割合は約９０％となっている。このガラス繊維シート１２の内部の空間にシリカキセロゲル１３が充填されている。このシリカキセロゲル１３は内部にナノサイズの空間を有しているため、このシリカキセロゲル１３が充填されている部分の熱伝導率は、約３０ｍＷ/ｍ・Ｋとなっている。なおこのシリカキセロゲルは、ゲルが乾燥した状態の広義のキセロゲルであり、通常の乾燥だけでなく、超臨界乾燥、凍結乾燥等の方法によって得られるものでもかまわない。さらにこの断熱シート１１の全体に赤外線吸収材１４として水が分散して含まれ、断熱シート１１全体の重量に対する水の重量の割合を約６％としている。

この断熱シートの２５℃での熱伝導率は、２５ｍＷ／ｍ・Ｋ以上、６０ｍＷ／ｍ・Ｋ以下とすることが望ましい。このようにすることにより、常温でも高温になったときでも断熱効果を十分に得ることができる。

以上のように構成した断熱シート１１を電池セル間に配置する。通常使用される温度では熱の伝達はほとんどが熱伝導で行われるため、この断熱シート１１により電池セル間の熱移動を十分に抑止することができる。しかしながら一つの電池セルが高温になった場合、通常の熱伝導だけでなく、赤外線輻射によっても熱が伝達されることになる。ガラス繊維シート１２あるいはシリカキセロゲル１３は赤外線をほとんど透過させてしまうため、赤外線輻射による熱は、そのまま隣の電池セルに伝達され、隣の電池セルも高温になり、隣の電池セルに影響を及ぼしてしまう可能性がある。このため水分を含まない断熱シート１１に対しアルミニウム（Ａｌ）の層を設ける。当該アルミニウムの層が赤外線を反射することで、断熱シートが熱遮蔽を行うことが試みられている（特許文献２）。しかしながら反射するだけでは赤外線が電池セルへ戻ってくるためさらに温度が上がりやすくなり、十分な効果が得られない。これに対して本実施の形態の断熱シート１１は、断熱シート１１に分散された水分が赤外線を吸収し、温度が上がると気化することによって潜熱を奪うため、温度上昇を抑止することができる。

通常のシリカキセロゲル１３を用いた断熱シートではシリカキセロゲル１３を疎水化しているため、水分の含有量は０．２％未満であるためほとんど赤外線を吸収させることはできないが、本実施の形態のシリカキセロゲル１３では赤外線吸収材１４としての水分を約６％含有しているため、十分に赤外線を吸収させることができる。水の含有率は、重量比で断熱シート１１の２％以上、１５％以下とすることが望ましい。含有率が２％よりも低くなると十分に赤外線を吸収することができず、１５％を超えると水の熱伝導により、断熱シート１１自体の熱伝導率が高くなってしまうためである。

水は３μｍの波長に対して厚さ１０μｍあたり約９６％の吸収率を有する。一方、電池セルの表面が６００℃くらいになったときの赤外線輻射のピークは約３μｍとなっている。すなわち水は電池セルが６００℃くらいになったときの赤外線を十分に吸収することになる。以上のように断熱シート１１に水を分散させることにより、高温になったセルから輻射される赤外線を吸収し、熱の伝達を妨げることができる。さらに水が気化するときに潜熱を奪うため、さらに温度の上昇を妨げることができる。

また断熱シート１１としてみたときに波長３μｍの赤外線に対して厚さ１ｍｍあたり２％以下の透過率を有するようにすることが望ましい。このようにすることにより、一つの電池セルが高温になったときにも、他の電池セルに悪影響を及ぼすことを防ぐことができる。

なお、断熱シート１１に含まれる水が全てなくなると、赤外線吸収の効果はなくなるが、電池セルが高温になるのは数分程度であるため、この時間の間だけでも熱の伝達を妨げられれば、隣の電池セルへの影響を少なくすることができる。この場合において、一度高温になった電池セルについては、その後新しい電池セルに交換すればよい。その際、高温になった電池セルに接する断熱シート１１も新しい断熱シート１１に交換すればよい。そのようにすれば、複数個の電池セルを組み合わせた電池を引き続き使用することができる。複数個の電池セルを組み合わせた電池としては、例えば二次電池が挙げられる。

また断熱シート１１に含有させる材料は水でなくても構わない。波長３μｍの赤外線に対して厚さ１０μｍあたり９０％以上の吸収率を有する材料であれば、同様の効果を得ることができる。一例としてエチレングリコールを用いることができる。エチレングリコールを赤外線吸収材１４として用いた場合、水よりも沸点が高いため、自然に蒸発してことを防ぐことができる。

また赤外線吸収材は常温で液状となる材料であることが望ましい。熱を吸収して液体から気化するときに潜熱を奪うため温度上昇を妨げることができる。

また、断熱シート１１が水分を含有するとともに、細かく切ったアルミニウム箔や細かく切った他の金属層、または数十μｍ程度のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）粒子等を添加し、断熱シート１１が赤外線を反射させるようにしてもよい。

また、断熱シート１１の表面を保護フィルムで覆ってもよい。このようにすれば水の蒸発を防ぐことができる。保護フィルムとしては、例えばポリイミドよりなるフィルムが挙げられる。また、保護フィルムとして、ポリイミドだけでなく、他の有機フィルムや無機フィルムも挙げることができる。また、保護フィルムとして、コーティング膜も挙げることができる。

以下、本開示の一実施の形態における断熱シートの製造方法について説明する。当該製造方法は、図３のフローチャートに示す各工程の順に行われる。

まず、内部に空間を有するガラス繊維シート１２を準備する（準備工程）。

次に、高モル珪酸水溶液に触媒としてポリエチレンカーボネートを添加してシリカヒドロゾル溶液を調整する。ここでは厚み約１ｍｍのガラス繊維からなるガラス繊維シート１２の内部空間にシリカヒドロゾル溶液を溶媒除去後のガラス繊維シート１２とシリカゾル溶液由来のシリカキセロゲル１３の重量比が約１：１．１となるように含浸させる。なお、含浸方法としてシリカヒドロゾル溶液を滴下あるいは印刷等の方法で含浸させる方法をとっても良い。シリカヒドロゾル溶液を含浸した状態で約１分放置し、ゲル化するのを待つ。ゲル化が確認できたらプレスして厚みを均一にする。厚みの整え方は、ロールプレス等の方法を用いてもよい。厚みを整えたものを容器に入れ、繊維シートの内部空間に存在するシリカヒドロゲルの骨格を約９０℃、湿度約９０%の条件で成長させる。このようにして繊維シートの内部空間にシリカヒドロゲルを含浸する（ゾル溶液含侵工程）。

ガラス繊維シート１２に含浸させたシリカヒドロゲルの内部に存在する水をイソプロピルアルコール（以下ＩＰＡと記す）に約３０分浸漬することで溶媒の置換を行う。この置換時間は溶媒の種類、断熱材の厚みによって変更してもよい。この時の溶媒は、ＩＰＡだけではなく３０ｍＮ／ｍ以下の表面張力の低い溶媒であればその他アルコール溶液等でもよい。これにより乾燥時の毛細管力を低下させシリカキセロゲル１３の凝集破壊を防止することができる（養生工程）。

骨格の強度を促進させるために約４００℃の温度で約２時間加熱することで、溶媒除去を行い、繊維シート内部のシリカヒドロゲルからシリカキセロゲル１３を得るとともに、ゲルの表面からのシラノール基の脱水反応を促進させ、シロキサン結合を形成させることでシリカキセロゲル１３の骨格を強化する（骨格強化工程）。このようにすることにより、シリカキセロゲル１３を疎水化しなくても、後の工程でシリカキセロゲル１３の内部構造が破壊されるのを防ぐことができる。シリカキセロゲル１３の骨格を強化する工程で、温度を３００℃以上、４５０℃以下とすることが望ましい。この温度が３００℃よりも低くなるとシラノール基の脱水反応を起こしにくい。逆に４５０℃を超えるとガラス繊維が軟化するため望ましくない。

これにより得られた断熱シート１１は、赤外線吸収材１４を断熱シート１１に内包させた際にも毛細管力による応力によってシリカキセロゲル１３の内部構造が破壊されなくなる。

次に断熱シート１１に対して８５℃かつ赤外線吸収材１４の飽和蒸気８５%の蒸気圧となるような環境、約１２時間保管する（赤外線吸収材含侵工程）。ここでは例として赤外線吸収材１４として水を用いで断熱シート中のシリカキセロゲル１３の表面に対して水を吸着させることで、赤外線吸収材１４を断熱シート１１の内部に約６％の水分を内包させることができる。水の含有率は、重量比で断熱シート１１の２％以上、１５％以下とすることが望ましい。この含有率が２％よりも低くなると十分に赤外線を吸収することができず、１５％を超えると水の熱伝導により、断熱シート１１自体の熱伝導率が高くなってしまうためである。

以上の方法で作成された断熱シート１１においてシリカキセロゲルは粉落ちしやすく、また、赤外線吸収材１４の断熱材からの脱離を防ぐためにも溶媒を遮断するような保護フィルムで覆うことが望ましい。保護フィルムとしては、例えばポリイミドよりなるフィルムが考えられる。このようにして水の蒸発を防ぐことができ、長期間にわたってひとつの電池セルが高温になっても、隣の電池セルに影響を及ぼしにくくすることができる。

なお、保護フィルムとしては、例えばポリイミドよりなるフィルムが挙げられる。また、保護フィルムとして、ポリイミドだけでなく、他の有機フィルムや無機フィルムも挙げることができる。また、保護フィルムとして、コーティング膜も挙げることができる。

なお、上記に示した断熱シート１１の製造方法はあくまで最適な製造方法の一例であって、他の製造方法を適用して本開示にかかる断熱シート１１を得ることも可能である。

本開示に係る断熱シートおよびその製造方法は、通常の温度ではシリカキセロゲルにより断熱性を発揮し、ひとつの電池セルが高温になって赤外線を輻射しても、断熱シートに含まれる赤外線吸収材に吸収されて、隣の電池セルへの熱の伝達を抑えることができ、産業上有用である。

１１ 断熱シート
１２ ガラス繊維シート
１３ シリカキセロゲル
１４ 赤外線吸収材

Claims (2)

1. 内部に空間を有するガラス繊維シートを準備する工程と、
   前記ガラス繊維シートの内部空間にシリカゾル溶液を含浸させる工程と、
   前記シリカゾル溶液をゲル化させて前記ガラス繊維にシリカキセロゲルを担持させる養生工程と、
   前記シリカキセロゲルを形成したシートを所定の温度に保持することにより前記シリカキセロゲルを軟化させゲル骨格を強化する強化工程と、
   前記シリカキセロゲルを担持させたシートを赤外線吸収材の雰囲気に置くことにより前記赤外線吸収材を含浸させる工程と、を備え、
   前記シリカキセロゲルを担持させたシートには重量比で２％以上、１５％以下の赤外線吸収材が含まれるようにする断熱シートの製造方法。
2. 前記強化工程において、保持する温度を３００℃以上、４５０℃以下とする請求項１記載の断熱シートの製造方法。