TW202335353A - 斷熱材和斷熱材的製造方法 - Google Patents
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Abstract
目的在於提供斷熱性和機械強度都優異的斷熱材。所述斷熱材具有包含二氧化矽粒子和無機纖維的斷熱層,將上述斷熱層的密度ρ[g/cm
3]以及上述斷熱層所包含的上述無機纖維基於預定的條件進行匯總,基於預定的計算式而算出的纖維長超過0mm且小於4mm的累積比例R
1和纖維長3mm以上且小於30mm的累積比例R
2滿足下述關係式(I),斷熱材成為斷熱性和機械強度都優異的斷熱材。
關係式(I):0.23R
1+0.24<ρ≦-0.11R
2+0.53
Description
發明領域
本發明係關於斷熱材和斷熱材的製造方法,更詳細地說,關於包含含有特定的無機纖維的斷熱層的斷熱材和斷熱材的製造方法。
發明背景
作為混合動力汽車、電動汽車等電動車輛、便攜終端、便攜電話和筆記本型個人電腦等便攜電子設備、可穿戴設備等的電源,廣泛使用鋰離子二次電池等非水系電解質二次電池。非水系電解質二次電池一般而言,將具備正極、負極和非水系電解質的電池單元複數層疊而具備。
非水系電解質二次電池中,用於電池性能提高的高能量密度化正在進展,但是有時由於使用中的過充電、内部短路,電池單元產生熱失控。進一步在一個電池單元熱失控的情況下,有時熱傳遞至相鄰的電池單元,發生相鄰的電池單元也熱失控的熱連鎖反應。在這樣的情況下,為了抑制所具備的相鄰的電池單元彼此的接觸而將電池單元間斷熱,在電池單元彼此之間設置有斷熱材。
作為非水系電解質二次電池所使用的斷熱材,例如,公開了波紋板狀的彈簧地構成,作為冷却媒體的通路起作用的同時,與電池的變形相對應而彈性變形,具有將電池的負荷維持於基本上一定的彈性特性的隔離物(例如,参照專利文獻1)。
先實施技術文獻
專利文獻
專利文獻1:日本特開2000-48867號公報
<發明欲解決之問題>
本發明的一態樣的目的在於提供斷熱性和機械強度都優異的斷熱材。
用於解決問題的方法
本發明涉及的斷熱材的一態樣為具有親水性鍛製二氧化矽和無機纖維的斷熱材,上述無機纖維的纖維長為6mm以上且小於35mm,上述斷熱材的表面所形成的空隙的面積相對於上述斷熱材的表面的整體的面積,大於0%且小於22%。
<發明之功效>
本發明涉及的斷熱材的一態樣能夠提供斷熱性和機械強度都優異的斷熱材。
較佳實施例之詳細說明
以下,對於本發明的實施方式,詳細地說明。另外,為了說明理解的容易,各附圖中對於同一構成要素附上同一符號,省略重複的說明。此外,附圖中的各構件的比例尺有時與實時不同。在本說明書中表示數值範圍的「~」只要沒有特別規定,是指將其前後所記載的數值包含作為下限值和上限值。
<斷熱材>
對於本發明的實施方式涉及的斷熱材進行說明。本實施方式涉及的斷熱材具有包含二氧化矽粒子和無機纖維的斷熱層,可以由斷熱層構成。
圖1為表示本實施方式涉及的斷熱材的一例的立體圖,圖2為圖1的I-I斷面圖。圖1和圖2所示的那樣,本實施方式涉及的斷熱材1A由包含作為二氧化矽粒子的親水性鍛製二氧化矽11以及無機纖維12的斷熱層形成。斷熱層為包含親水性鍛製二氧化矽11和無機纖維12的成型體。斷熱材1A片狀地形成,俯視時大致矩形地形成。
另外,本說明書中,將斷熱材1A的厚度方向(垂直方向)作為Z軸向,將與厚度方向正交的横方向(水平方向)設為X軸向和Y軸向。將作為斷熱材1A的一方的主面側的圖1和圖2中的上方向設為+Z軸向,將作為斷熱材1A的另一方的主面側的圖1和圖2中的下方向設為-Z軸向。以下說明中,從方便說明考慮,將+Z軸向稱為上或上方,將-Z軸向稱為下或下方,但是不表示普遍的上下關係。
斷熱層為將其密度ρ[g/cm
3]以及斷熱層所包含的無機纖維基於下述(a)級別劃分、下述(b)級別值條件和下述(c)度數條件進行匯總,基於下述(d)累積比例計算式而算出的纖維長超過0mm且小於4mm的累積比例R
1和纖維長3mm以上且小於30mm的累積比例R
2時,滿足下述式(I)。
關係式(I):0.23R
1+0.24<ρ≦-0.11R
2+0.53
(a)級別劃分:纖維長超過0mm且小於1mm,纖維長1mm以上且小於2mm,纖維長2mm以上且小於3mm,・・・,纖維長29mm以上且小於30mm
(b)級別值條件:各級別的中央值(纖維長0.5mm,纖維長1.5mm,纖維長2.5mm,・・・,纖維長29.5mm)
(c)度數條件:屬於各級別的無機纖維的數目
(d)累積比例計算式:
R
1={(纖維長超過0mm且小於1mm的級別的級別值與度數的積)+(纖維長1mm以上且小於2mm的級別的級別值與度數的積)+(纖維長2mm以上且小於3mm的級別的級別值與度數的積)+(纖維長3mm以上且小於4mm的級別的級別值與度數的積)}/(全部級別的級別值與度數的積的總和)
R
2={(纖維長3mm以上且小於4mm的級別的級別值與度數的積)+(纖維長4mm以上且小於5mm的級別的級別值與度數的積)+・・・+(纖維長29mm以上且小於30mm的級別的級別值與度數的積)}/(全部級別的級別值與度數的積的總和)
「將斷熱層所包含的無機纖維基於(a)級別劃分、(b)級別值條件和(c)度數條件進行匯總」,是指測定斷熱層所包含的各無機纖維的纖維長,將(a)級別劃分作為基準進行各級別地分類,進一步測定藉由分類而明確的所屬的各級別的無機纖維的數目,決定各級別的級別值與度數。各級別的級別值是(b)級別值條件作為「各級別的中央值」,因此自然被決定,各級別的度數由於(c)度數條件成為「屬於各級別的無機纖維的數目」,因此藉由測定無機纖維的數目來決定。
另一方面,「基於(d)累積比例計算式來算出」,是指將藉由匯總而得的各級別的級別值與度數分別代入用於算出纖維長超過0mm且小於4mm的累積比例R
1的累積比例計算式,以及用於算出纖維長3mm以上且小於30mm的累積比例R
2的累積比例計算式,算出它們的累積比例。
此外,累積比例計算式的「~的級別的級別值與度數的積」是指將該級別的級別值和該級別的度數相乘而得的數值(積),「全部級別的級別值與度數的積的總和」是指在全部級別算出級別值與度數的積,將全部級別的積相加得到的數值(總和)。
另外,累積比例計算式為將特定範圍的級別的級別值與度數的積的總和除以全部級別的級別值與度數的積的總和的式子,因此可以說表示相對於全部級別,特定範圍的級別的占有比例。
可以說纖維長超過0mm且小於4mm的累積比例R
1表示纖維長比較短的無機纖維的占有比例,纖維長3mm以上且小於30mm的累積比例R
2表示纖維長比較長的無機纖維的占有比例。另外,在斷熱層包含纖維長0.1mm以下的無機纖維和纖維長30mm以上的無機纖維的情況下,將這些無機纖維作為不屬於任一級別進行匯總。
無機纖維的纖維長和該數的測定並不一定必須從斷熱層整體觀測全部無機纖維來進行,例如在可視為一定程度斷熱層的材料分佈等均勻的情況下,可以觀測斷熱層的一部分,測定該部分所包含的無機纖維的纖維長、其數目來進行。此外,無機纖維的纖維長和其數目的測定能夠藉由例如IST AG社製FiberShape進行。
本發明人等明確了為了求得斷熱性和機械強度都優異的斷熱層而反復深入研究,結果斷熱層的密度和無機纖維的纖維長分佈對於斷熱性和機械強度大幅起作用。例如,藉由提高斷熱層的密度,從而能夠提高斷熱層的機械強度,另一方面,可能成為斷熱性會降低的原因。此外,發現如果無機纖維的纖維長中,短的無機纖維的比例過高,相反地長的無機纖維的比例過高,則斷熱層的機械強度會降低。而且,本發明人等利用「斷熱層的密度ρ」、表示纖維長比較短的無機纖維的比例的「累積比例R
1」以及表示纖維長比較長的無機纖維的比例的「累積比例R
2」作為變量,以滿足「式(I):0.23R
1+0.24<ρ≦-0.11R
2+0.53」的方式,藉由管理這些變量,從而成為斷熱性和機械強度都優異的斷熱層。
如果斷熱層的密度ρ滿足式(I),則沒有特別限定,通常為0.2~0.5g/cm
3,優選為0.30g/cm
3以上,更優選為0.35g/cm
3以上,進一步優選為0.37g/cm
3以上,優選為0.45g/cm
3以下。如果斷熱層的密度ρ在上述範圍内,則易於確保優異的斷熱性和機械強度。
如果累積比例R
1滿足式(I),則沒有特別限定,優選為0.9以下,更優選為0.85以下,進一步優選為0.8以下,特別優選為0.75以下,優選為0.05以上。如果累積比例R
1在上述範圍内,則易於確保優異的斷熱性和機械強度。
如果累積比例R
2滿足式(I),則沒有特別限定,優選為0.1以上,更優選為0.2以上,進一步優選為0.25以上,特別優選為0.3以上,優選為0.99以下。如果累積比例R
2在上述範圍内,則易於確保優異的斷熱性和機械強度。
以下,對於斷熱層所包含的「二氧化矽粒子」,「無機纖維」等進行詳細地說明。
二氧化矽(二氧化矽、SiO
2)能夠作為結構的特徵分類為結晶質二氧化矽、非晶質二氧化矽等,能夠根據獲得方法分類為天然二氧化矽、合成二氧化矽等。此外,合成二氧化矽之中,能夠根據製造方法分類為乾式二氧化矽、濕式二氧化矽、二氧化矽氣凝膠等,進一步在乾式二氧化矽之中,能夠分類為藉由燃燒法而得的二氧化矽、藉由弧法而得的二氧化矽等,在濕式二氧化矽之中,能夠分類為藉由凝膠法而得的二氧化矽、藉由沉降法而得的二氧化矽等。本發明中的二氧化矽粒子的種類沒有特別限定,優選為乾式二氧化矽、二氧化矽氣凝膠,進一步作為乾式二氧化矽的1種,更優選為熱解法二氧化矽,熱解法二氧化矽之中,特別優選為親水性鍛製二氧化矽。
另外,親水性鍛製二氧化矽(Fumed Silica)表示表面主要具有親水性的矽烷醇基(Si-OH)的鍛製二氧化矽,一般而言表示藉由表面處理等,矽烷醇基沒有被置換為疏水性基的鍛製二氧化矽。
二氧化矽粒子一般作為一次粒子凝集而成的凝集體而存在,有時凝集體進一步凝集而作為聚集粒子來存在。斷熱層中的二氧化矽粒子可以以一次粒子的狀態分散,也可以以凝集體的狀態分散,可以以聚集粒子的狀態分散,此外可以作為它們的組合分散。
二氧化矽粒子的平均一次粒徑沒有特別限定,通常為1nm~100nm,優選為2nm以上,更優選為4nm以上,優選為80nm以下,更優選為40nm以下,進一步優選為30nm以下,特別優選為20nm以下。二氧化矽粒子為鍛製二氧化矽的情況下的平均一次粒徑通常為1nm~40nm,優選為2nm以上,更優選為4nm以上,優選為30nm以下,更優選為20nm以下,進一步優選為18nm以下。二氧化矽粒子為二氧化矽氣凝膠的情況下的平均一次粒徑通常為1nm~20nm,優選為18nm以下,更優選為10nm以下。如果二氧化矽粒子的平均一次粒徑在上述範圍内,則易於確保良好的斷熱性。
另外,作為掌握二氧化矽粒子的平均一次粒徑的方法,可舉出使用掃描型電子顯微鏡(SEM)、透射型電子顯微鏡(TEM)等電子顯微鏡進行測定的方法。具體而言,可舉出隨機地選擇電子顯微鏡中顯出的二氧化矽粒子,測定粒徑,算出該數值的平均值的方法。作為粒徑,可舉出在粒子為球狀的情況下採用其直徑,在粒子為橢圓形的情況下採用其短徑和長徑的中間值,在不定形粒子的情況下,採用其短邊和長邊的中間值。
二氧化矽粒子的二次凝集體(一次粒子的凝集體)的平均粒徑沒有特別限定,通常為0.1μm~100μm,優選為1μm以上,更優選為2μm以上,優選為90μm以下,更優選為80μm以下。另外,作為掌握二氧化矽粒子的二次凝集體的平均粒徑的方法,可舉出使用與一次粒徑同樣的方法而測定的方法。
二氧化矽粒子的BET比表面積沒有特別限定,通常為90m
2/g以上,優選為130m
2/g以上,更優選為175m
2/g以上,進一步優選為200m
2/g以上,通常為400m
2/g以下,優選為350m
2/g以下,更優選為320m
2/g以下,進一步優選為200m
2/g以下。如果二氧化矽粒子的BET比表面積在上述範圍内,則高溫高濕條件下的斷熱性也易於確保。另外,BET比表面積能夠藉由按照國際標準化機構ISO 5794/1的測定方法,由多點氮吸著法(BET法)進行測定。此外,例如AEROSIL社製「AEROSIL380」的BET比表面積的公稱值為380m
2/g,如果考慮誤差,則表述為350m
2/g~410m
2/g。該情況下,在本說明書中,考慮將公稱值的380m
2/g作為基準。
二氧化矽粒子的表觀比重沒有特別限定,通常為30g/L~130g/L,優選為40g/L以上,更優選為50g/L以上,優選為100g/L以下,更優選為80g/L以下,進一步優選為60g/L以下。另外,二氧化矽粒子的表觀比重可舉出將二氧化矽粒子填充於250mL量筒等能夠測定容積的容器,測定二氧化矽粒子的填充質量(Xg)和填充容積(YmL),將填充質量除以填充容積([表觀比重(g/L)]=X/Y×1000)而得的數值。
作為二氧化矽粒子,可舉出作為親水性鍛製二氧化矽的AEROSIL系列(日本AEROSIL社製)的AEROSIL50、90、130、200、300、380、REOLOSIL系列(TOKUYAMA社製)的QS-09、QS-10、QS-102、QS-20、QS-30、QS-40、HDK系列(WACKER ASAHIKASEI SILICON社製)的HDKV15、N20、T30、T40等、作為疏水性鍛製二氧化矽的AEROSIL系列(日本AEROSIL社製)的AEROSIL R972、R976S、HDK系列(WACKER ASAHIKASEI SILICON社製)的HDK H15、H20、H30等、作為二氧化矽氣凝膠的airlica(TOKUYAMA社製)等。另外,斷熱層可以含有1種二氧化矽粒子,可以含有2種以上的二氧化矽粒子。
斷熱層的二氧化矽粒子的含量沒有特別限定,通常為50質量%~99.5質量%,優選為60質量%以上,更優選為70質量%以上,進一步優選為80質量%以上,優選為95質量%以下,更優選為90質量%以下,進一步優選為85質量%以下。如果二氧化矽粒子的含量在上述範圍内,則易於確保良好的斷熱性和機械強度。
無機纖維的種類沒有特別限定,可舉出二氧化矽纖維、玻璃纖維、氧化鋁纖維、二氧化矽-氧化鋁纖維、二氧化矽-氧化鋁-氧化鎂纖維、生物體溶解性無機纖維、玻璃纖維、氧化鋯纖維、矽酸鹼土金属鹽纖維、鹼地面矽酸酯(AES)纖維、玻璃棉、岩棉和玄武岩纖維等。如果無機纖維為上述材料,則耐熱性提高。另外,斷熱層可以含有1種無機纖維,可以含有2種以上的無機纖維。
斷熱層的無機纖維的含量沒有特別限定,通常為0.5質量%~50質量%,優選為1質量%以上,更優選為3質量%以上,進一步優選為5質量%以上,優選為40質量%以下,更優選為35質量%以下,進一步優選為30質量%以下。如果纖維的含量在上述範圍内,則易於確保良好的熱電阻的同時,易於製造斷熱層。
無機纖維的平均纖維長沒有特別限定,通常為3.5mm~35mm,優選為4mm以上,更優選為5mm以上,進一步優選為5.5mm以上,優選為30mm以下,更優選為25mm以下,進一步優選為20mm以下,可以為15mm以下,可以為10mm以下。如果纖維的平均纖維長在上述範圍内,則易於確保良好的斷熱性和機械強度。
無機纖維的平均纖維徑沒有特別限定,通常為0.1μm~50μm,優選為1μm以上,更優選為5μm以上,進一步優選為7μm以上,優選為25μm以下,更優選為20μm以下,進一步優選為15μm以下。如果纖維的平均纖維徑在上述範圍内,則易於確保良好的斷熱性和機械強度。
斷熱層除了無機纖維以外,可以包含有機纖維。作為有機纖維的具體例,可舉出纖維素纖維、由聚酯、聚丙烯等形成的氈等。有機纖維的使用從緩衝性的提高、對於重複壓力疲勞的耐久性的提高等觀點考慮變得有利。斷熱層中的有機纖維的含量能夠以獲得所期望的使用效果的方式適當設定,可以相對於無機纖維100質量份,例如超過0質量份且1質量份以上,4質量以上、8質量份以上或16質量份以上。另一方面,在若干態樣中,從耐熱性等觀點考慮,斷熱層中的有機纖維的含量相對於無機纖維100質量份小於100質量份是適當的,小於50質量份是有利的,可以小於20重量份,可以小於10重量份,可以小於5重量份或小於1重量份,可以為不含有機纖維的斷熱層。
斷熱層如果為上述包含二氧化矽粒子和無機纖維的層,則可以包含其它成分,具體而言,可舉出包含黏合劑(黏合劑)、二氧化矽粒子以外的無機粒子(以下,有時縮寫為「其它無機粒子」。)。斷熱材包含黏合劑的情況下的黏合劑的種類沒有特別限定,具體而言,可舉出熱塑性樹脂、熱固性樹脂、糖類等。斷熱層可以包含1種黏合劑,可以包含2種以上的黏合劑。藉由包含上述黏合劑,從而形狀穩定性提高。
斷熱層包含黏合劑的情況下的黏合劑種類沒有特別限定,能夠分類為有機黏合劑和無機黏合劑。作為有機黏合劑的具體例,可舉出熱塑性樹脂、熱塑性彈性體、熱固性樹脂、熱固性彈性體、糖類、水溶性高分子等。作為無機黏合劑的具體例,可舉出氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、氧化鈦、氧化鈣等。如果黏合劑為上述材料,則形狀穩定性提高。另外,斷熱層可以包含1種黏合劑,可以包含2種以上的黏合劑。
斷熱層包含黏合劑的情況下的黏合劑的含量沒有特別限定,通常為0.01質量%~10質量%,優選為0.05質量%以上,更優選為0.1質量%以上,進一步優選為0.2質量%以上,優選為5質量%以下,更優選為3質量%以下,進一步優選為1質量%以下。如果黏合劑的含量在上述範圍内,則斷熱層易於兼具斷熱性和形狀穩定性。如果黏合劑的含量在上述範圍内,則易於兼具斷熱性和形狀穩定性。
斷熱層包含其它無機粒子的情況下的其它無機粒子的種類沒有特別限定,可舉出抑制熱輻射的輻射抑制材。輻射抑制材只要能夠降低由輻射帶來的傳熱即可,例如,能夠使用紅外線區域具有吸收峰的金属氧化物。另外,紅外線區域的吸收峰能夠藉由紅外分光光度計來測定。輻射抑制材可以作為使無機纖維12彼此結著的黏合劑起作用。
作為輻射抑制材的材質,可舉出氧化鈦、碳化矽、鈦鐵礦(鈦鐵礦、FeTiO)、矽酸鋯、氧化鐵(III)、鐵(II)(方鐵礦(FeO)、磁鐵礦(Fe
3O
4)、赤鐵礦(Fe
2O
3))、二氧化鉻、氧化鋯、二氧化錳、氧化鋯溶膠、二氧化鈦溶膠、二氧化矽溶膠、氧化鋁溶膠、膨潤土和高嶺土等。斷熱層可以包含1種無機粒子,可以包含2種以上的無機粒子。
斷熱層為上述包含二氧化矽粒子和無機纖維的層,優選為將包含二氧化矽粒子和無機纖維的混合物成型而得的成型體。斷熱層為將包含二氧化矽粒子和無機纖維的混合物成型而得的成型體的情況下的二氧化矽粒子和無機纖維等的混合方法等的詳細情況進行後述。
斷熱層的厚度沒有特別限定,通常為0.5~10mm,優選為1mm以上,更優選為1.5mm以上,進一步優選為2mm以上,優選為7mm以下,更優選為5mm以下,進一步優選為3mm以下。如果斷熱層的厚度在上述範圍内,則易於確保良好的斷熱性的同時,能夠抑制斷熱材的大型化。另外,可舉出斷熱層的厚度採用將斷熱層的斷面利用測厚儀(例如,尾崎製作所製的數字測厚儀JAN-257(測頭Φ20))測定數處(例如,10處)的數值的平均值。
斷熱層優選在斷熱層的表面上具有空隙。斷熱層的表面上的空隙的面積比例通常超過0%且小於22%,優選為2%以上,更優選為3%以上,優選為20%以下,更優選為18%以下,進一步優選為16%以下。如果空隙的面積比例在上述範圍内,則易於確保優異的斷熱性和機械強度。斷熱層的表面出現的空隙部分成為二氧化矽粒子等的含量相對地變低,難以確保斷熱性的部分,進一步無機纖維等的含量也相對地降低,成為難以確保機械強度的部分。另一方面,斷熱層的表面完全沒有空隙,即空隙的面積比例為0%的情況下,認為成為不易彎曲等變形的斷熱層,難以確保機械強度。
另外,空隙的面積比例不一定需要觀測斷熱層的全部表面來算出,例如在可視為一定程度空隙均勻地分佈的情況下,可以觀測斷熱層的一表面,測定該觀測表面所顯現的空隙的面積,算出觀測表面上的空隙所占的面積比例。
此外,空隙的面積的測定可舉出使用掃描型電子顯微鏡(SEM)、透射型電子顯微鏡(TEM)等電子顯微鏡,取得斷熱層的表面畫像,以將所得的畫像區分為空隙部分和非空隙部分的方式,二值化處理來測定。
二值化處理能夠使用能夠二值化處理的畫像處理軟體,以能夠準確地區分為空隙部分和非空隙部分的方式設定閾值來進行。空隙的面積比例的算出也能夠適當利用畫像處理軟體的功能來算出,例如,在以使空隙部分成為白色,非空隙部分成為黑色的方式進行二值化處理的情況下,能夠將成為白色的部分的面積除以畫像内顯現的斷熱層的表面的總面積,為了成為%單位的數值,能夠乘以100來算出。
斷熱層的彎曲強度沒有特別限定,通常為10N/cm
2~150N/cm
2,優選為15N/cm
2以上,更優選為20N/cm
2以上,進一步優選為25N/cm
2以上,優選為140N/cm
2以下,更優選為130N/cm
2以下,進一步優選為120N/cm
2以下。
另外,斷熱層的彎曲強度能夠藉由日本產業規格JIS A9521:2017「建築用斷熱材 6.11彎曲強度」和日本產業規格JIS K7221-2「硬質發泡塑膠−彎曲試驗」所記載的方法來測定。具體而言,可舉出將斷熱層切斷為預定的大小(例如,長度100mm×寬度40mm×厚度2mm)以製作樣品,使用抗拉壓縮萬能試驗機,支點間距離成為50mm來測定。
斷熱層的80℃,2MPa加壓條件下的導熱率優選為0.010W/K・m以上,優選為0.3W/K・m以下,更優選為0.1W/K・m以下,更優選為0.08W/K・m以下,更優選為0.06W/K・m以下,更優選為0.055W/K・m以下,更優選為0.045W/K・m以下,進一步優選為0.04W/K・m以下。斷熱層的600℃,2MPa加壓條件下的導熱率優選為0.010W/K・m以上,優選為0.3W/K・m以下,更優選為0.2W/K・m以下,更優選為0.1W/K・m以下,更優選為0.08W/K・m以下,進一步優選為0.075W/K・m以下。
以使沒有加壓時的厚度成為2mm的方式調製的情況下的斷熱層的80℃,2MPa加壓條件下的熱電阻優選為0.020(K・m
2)/W以上,更優選為0.025(K・m
2)/W以上,更優選為0.03(K・m
2)/W以上,進一步優選為0.035(K・m
2)/W以上,優選為0.1(K・m
2)/W以下。初始2mm厚度的斷熱層的600℃,2MPa加壓條件下的熱電阻優選為0.010(K・m
2)/W以上,更優選為0.015(K・m
2)/W以上,進一步優選為0.020(K・m
2)/W以上,優選為0.1(K・m
2)/W以下。
斷熱層的導熱率能夠藉由日本產業規格JIS A 1412-2:1999「熱絕緣材的熱電阻和導熱率的測定方法-第2部:熱流計法(HFM法)」所記載的方法來測定。
另外,熱流計法(HFM法)為將作為試驗體的平板狀的熱絕緣材(斷熱層)與標準板進行比較,測定導熱率、熱電阻等傳熱特性的二次測定法或比較測定法。以下,說明詳細的測定步驟和測定條件。
將斷熱層切斷為預定的大小(例如,20mm×20mm)製成試驗體,作為標準板,例如,準備Almina Composite Material(「RS-100」,ZIRCAR Refractory Composites,Inc.社製,厚度:5mm,導熱率:0.66W/K・m)等。接下來,在氣壓壓製機的下盤面,從上起以第1熱電偶、鈦板、斷熱層、鈦板、第2熱電偶、標準板和第3熱電偶的順序設置,將上盤與下盤夾持以使試驗體、標準板、熱電偶等密合。而且,將上盤和下盤分別加熱至預定的測定溫度,進一步以成為預定的測定壓力的方式,藉由氣壓壓製機,對於試驗體等施加負荷以加壓。
另外,作為測定溫度,可舉出使第1熱電偶側的上盤的溫度為80℃,使第3熱電偶側的下盤的溫度為30℃。另一方面,作為成為高溫條件時的測定溫度,可舉出使第1熱電偶側的上盤的溫度為600℃,第3熱電偶側的下盤的溫度為40℃。
此外,作為測定壓力,可舉出2MPa(負荷:800N)。能夠以被加熱加壓的狀態,持續測定直至各熱電偶的檢測溫度穩定,由溫度穩定後的各熱電偶的檢測溫度、斷熱層的加壓時的厚度、標準板的導熱率、標準板的加壓時的厚度,將斷熱層的導熱率k1藉由下述式(I)來算出。
k1=k2×(L1×ΔT1)/(L2×ΔT2) ・・・(I)
(式中,k1為斷熱層的導熱率[W/(m・K)],k2為標準板的導熱率[W/(m・K)],L1為斷熱層的加壓時厚度,L2為標準板的厚度,ΔT1為第2熱電偶的溫度與第3熱電偶的溫度的溫度差,ΔT2為第1熱電偶的溫度與第2熱電偶的溫度的溫度差。)
另外,所謂檢測溫度穩定,可舉出10分鐘前後的溫度變化在預定的範圍内(例如,±0.1℃以内)。
斷熱層的熱電阻能夠由上述導熱率k1和加壓時厚度L1,藉由下述式(II)來算出。
R1=L1/k1 ・・・(II)
(式中,R1為斷熱層的熱電阻[(m
2・K)/W],k1為斷熱層的導熱率[W/(m・K)],L1為斷熱層的加壓時厚度。)
斷熱層的數目通常為1以上,通常為10以下,優選為7以下,進一步優選為5以下。
斷熱層可以與相鄰的層藉由接著劑或黏著劑來接合,此外可以不藉由接著劑或黏著劑來接合,優選不藉由接著劑或黏著劑來接合。不藉由接著劑或黏著劑來接合,即沒有使用接著劑或黏著劑,從而與使用的情況相比,能夠降低導熱率。
斷熱層的形狀沒有特別限定,俯視的情況下的形狀通常可舉出矩形(例如,四邊形等多邊形)、圓形、橢圓形等。
斷熱材可以具有上述斷熱層以外的層,例如可舉出具有發揮抑制斷熱層的二氧化矽粒子等的脫落,或保護斷熱層的作用的被覆層,發揮輔助僅僅斷熱層而不足的物理的性質等的作用的緩衝層。以下,對於「被覆層」、「緩衝層」等進行詳細地說明。
圖3為表示本實施方式涉及的斷熱材的另一例的立體圖,圖4為圖3的II-II斷面圖,圖5為圖4的平面圖。圖3和圖4所示的那樣,斷熱材1B具備斷熱層10以及被覆斷熱層10的被覆層20,斷熱層10包含親水性鍛製二氧化矽11和無機纖維12。斷熱材1B片狀地形成,圖5所示的那樣,俯視時大致矩形地形成。
被覆層的樹脂的種類沒有特別限定,作為具體例,可舉出聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚醯亞胺(PI)、阻燃聚碳酸酯(PC)、分子量為100萬~700萬的透氣性多孔質聚乙烯(PE)、阻燃聚乙烯(PE)、雙軸拉伸尼龍膜(Ny)等。
被覆層的厚度沒有特別限定,通常為0.001mm~0.2mm,優選為0.005mm以上,更優選為0.007mm以上,進一步優選為0.010mm以上,優選為0.15mm以下,更優選為0.10mm以下,進一步優選為0.050mm以下。如果被覆層的厚度在上述範圍内,則易於確保優異的斷熱性和機械強度,進一步延燒性。另外,被覆層的厚度的測定能夠與斷熱層同樣地測定。
被覆層的數目通常為1以上,優選為2以上,通常為5以下,優選為4以下,進一步優選為3以下。另外,被覆層由1張樹脂膜形成,可以將1張樹脂膜折疊,分別插入斷熱層、緩衝層之間,製成2層的被覆層。認為這樣折疊的情況下的被覆層的數目為2層。
在斷熱材為2層以上的被覆層層疊而成的情況下,2層以上的被覆層可以將斷熱層從厚度方向夾持並包合,密閉被覆層的間隙。另外,密閉被覆層的間隙的方法沒有特別限定,通常可舉出在被覆層的外緣設置密封部,貼合被覆層間的密封部彼此。密封部的貼合方法也沒有特別限定,可舉出利用熱溶著、超聲波溶著等的溶著,利用接著劑、黏著劑等的接著。此外,溶著可以將被覆層的樹脂直接溶著,也可以另行設置溶著用的樹脂層而溶著。
被覆層可以與相鄰的斷熱層藉由接著劑或黏著劑而接合,此外可以不藉由接著劑或黏著劑而接合,優選不藉由接著劑或黏著劑而接合。
在斷熱材層疊2層以上的被覆層,2層以上的被覆層密閉被覆層的間隙的情況下,優選被覆層具有將間隙與外部空間連接的通氣口。藉由具有通氣口,從而作為包装方法能夠採用使用了收縮包装,深拉成型膜的包装。
被覆層的通氣口的數目通常為1以上,優選為2以上,通常為50以下,優選為25以下,進一步優選為10以下。
被覆層的通氣口的合計開口面積通常為0.000079cm
2~10cm
2,優選為0.0001cm
2以上,更優選為0.005cm
2以上,進一步優選為0.01cm
2以上,優選為5cm
2以下,更優選為4cm
2以下,進一步優選為3cm
2以下。如果被覆層的通氣口的合計開口面積在上述範圍内,則被覆層能夠抑制從斷熱層的粉體流出。
被覆層的通氣口可以被通氣膜被覆。通氣膜的透氣度通常為4cm
3/(cm
2・s)~500cm
3/(cm
2・s),優選為7cm
3/(cm
2・s)以上,更優選為10cm
3/(cm
2・s)以上,進一步優選為21cm
3/(cm
2・s)以上,優選為250cm
3/(cm
2・s)以下,更優選為200cm
3/(cm
2・s)以下,進一步優選為100cm
3/(cm
2・s)以下。
斷熱材可以包含上述斷熱層、被覆層以外的層,可舉出包含發揮輔助僅僅斷熱層而不足的物理的性質等的作用的緩衝層。以下,對於緩衝層進行詳細地說明。
緩衝層的壓縮彈性模量(屈服點應力/應變)通常為0.5MPa~20MPa,優選為0.7MPa以上,更優選為0.9MPa以上,進一步優選為1.1MPa以上,優選為18MPa以下,更優選為16MPa以下,進一步優選為14MPa以下。
緩衝層的壓縮應力和壓縮彈性模量(屈服點應力/應變)能夠使用精密萬能試驗機自動繪圖器等來測定。具體而言,能夠將緩衝層切斷成預定的大小,製成試驗體(將與壓縮方向上垂直的面平行的斷面積設為用於壓縮應力的算出的斷面積),測定將試驗體以預定的壓縮速度(例如,0.5m/min)壓縮時的壓縮應力和位移,從而能夠算出。
作為緩衝層,可舉出由含有纖維的纖維成型體(以下,有時縮寫為「纖維成型體」。)或含有發泡體的發泡成型體(以下,有時縮寫為「發泡成型體」。)形成的緩衝層。
纖維成型體為含有纖維的成型體,上述斷熱層也優選為將含有二氧化矽粒子、無機纖維和非高分子型分散劑的混合物成型而得的成型體。因此,在斷熱層為成型體的情況下,該成型體與緩衝層中的纖維成型體的區分能夠由是否含有二氧化矽粒子來判斷。即,能夠使含有二氧化矽粒子的層為斷熱層,不含有二氧化矽粒子而含有纖維的層為緩衝層來判斷。緩衝層中的纖維成型體優選為含有纖維,不含有二氧化矽粒子的成型體。
纖維成型體所含有的纖維的種類沒有特別限定,與斷熱層同樣地能夠分類為無機纖維和有機纖維。作為具體例,可舉出玻璃棉、岩棉等無機纖維、纖維素纖維、由聚酯、聚丙烯等形成的氈等,優選為無機纖維,特別優選為玻璃棉。玻璃棉為包含纖維和熱固性樹脂的固化物,纖維彼此利用熱固性樹脂被接合。此外,具有提高壓縮應力,並且發揮緩衝功能的效果。另外,纖維成型體可以含有1種纖維,可以含有2種以上的纖維。此外,纖維的集合形態可以為無紡織物、織物、編物等的任一者,通常為無紡織物的狀態。
纖維成型體的纖維的含量沒有特別限定,通常為50質量%~99質量%,優選為60質量%以上,更優選為70質量%以上,進一步優選為80質量%以上,優選為97質量%以下,更優選為95質量%以下,進一步優選為93質量%以下。如果纖維的含量在上述範圍内,則纖維成型體易於發揮緩衝性。
纖維成型體所含有的纖維的平均纖維長沒有特別限定,通常為1mm~200mm,優選為5mm以上,更優選為10mm以上,進一步優選為20mm以上,優選為175mm以下,更優選為150mm以下,進一步優選為125mm以下。如果纖維的平均纖維長在上述範圍内,則易於發揮緩衝性。
纖維成型體所含有的纖維的平均纖維徑沒有特別限定,通常為3μm~13μm,優選為4μm以上,更優選為4.5μm以上,進一步優選為5μm以上,優選為10μm以下,更優選為9μm以下,進一步優選為8μm以下。如果纖維的平均纖維徑在上述範圍内,則纖維成型體易於兼具緩衝性和低導熱率。
纖維成型體為含有纖維的成型體,除了纖維以外,優選含有黏合劑(黏合劑)。纖維成型體所含有的黏合劑的種類沒有特別限定,能夠分類為有機黏合劑和無機黏合劑。
作為有機黏合劑的具體例,可舉出熱塑性樹脂、熱塑性彈性體、熱固性樹脂、熱固性彈性體、糖類、水溶性高分子等。作為無機黏合劑的具體例,可舉出氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、氧化鈦、氧化鈣等。如果黏合劑為上述化合物,則形狀穩定性提高。另外,斷熱層可以含有1種黏合劑,可以含有2種以上的黏合劑。
纖維成型體的黏合劑的含量沒有特別限定,通常為1質量%~50質量%,優選為2質量%以上,更優選為5質量%以上,進一步優選為7質量%以上,優選為40質量%以下,更優選為30質量%以下,進一步優選為20質量%以下。如果黏合劑的含量在上述範圍内,則低導熱率並且緩衝性變得良好。
纖維成型體為含有纖維的成型體,優選為將含有纖維和黏合劑,不含有親水性鍛製二氧化矽的混合物成型而得的成型體。另外,纖維成型體所使用的纖維具有以作為黏合劑的熱固性樹脂被分散的狀態而被銷售的纖維,這樣的纖維能夠切斷為目標的形態之後,進行加熱壓縮,從而成為纖維成型體。
發泡成型體為含有發泡體的成型體,發泡體的材質通常為熱塑性樹脂、熱固性樹脂等樹脂,發泡體的成型能夠適當採用公知的成型方法和其條件來成型。
發泡體成型體所含有的發泡體的樹脂的種類沒有特別限定,作為具體的樹脂,可舉出聚乙烯、聚丙烯等聚烯烴系樹脂、聚對苯二甲酸乙二醇酯樹脂、氯乙烯樹脂(PVC)、聚苯乙烯等苯乙烯系樹脂、聚氨基甲酸酯樹脂等聚氨酯系樹脂、酚樹脂(PF)等甲階酚醛樹脂型酚樹脂、三聚氰胺樹脂(MF)等三聚氰胺系樹脂、環氧樹脂(EP)等環氧系樹脂等發泡泡沫等。
發泡成型體的氣泡結構可以為獨立氣泡,可以為連續氣泡,能夠根據目的的物理的性質等來適當選擇。
在斷熱材包含緩衝層的情況下,緩衝層的厚度通常為0.5mm~10mm,優選為1mm以上,更優選為1.5mm以上,進一步優選為2mm以上,優選為7mm以下,更優選為6mm以下,進一步優選為5mm以下。如果緩衝層的厚度在上述範圍内,則能夠適當地緩衝由電池膨脹產生的應力。
另外,緩衝層的厚度的測定與斷熱層同樣地,可舉出使用測厚儀(數字測厚儀JAN-257,測頭Φ20,尾崎製作所製),測定緩衝層的斷面的厚度來進行,進一步採用將該測定在任意的10處進行而得的數值群的平均值。
緩衝層的導熱率沒有特別限定,80℃,2MPa條件下,優選為0.030W/K・m以上,更優選為0.040W/K・m以上,進一步優選為0.050W/K・m以上,優選為0.2W/K・m以下,更優選為0.2.5W/K・m以下,進一步優選為0.1W/K・m以下。緩衝層的600℃,2MPa條件下的導熱率優選為0.04W/K・m以上,更優選為0.05W/K・m以上,進一步優選為0.06W/K・m以上,優選為0.30W/K・m以下,更優選為0.25W/K・m以下,進一步優選為0.20W/K・m以下。另外,導熱率能夠藉由與斷熱材的導熱率的測定方法同樣的方法來測定。
緩衝層的熱電阻沒有特別限定,在80℃,2MPa條件下,優選為0.020(K・m
2)/W以上,更優選為0.025(K・m
2)/W以上,進一步優選為0.03(K・m
2)/W以上,優選為0.07(K・m
2)/W以下,更優選為0.06(K・m
2)/W以下,進一步優選為0.05(K・m
2)/W以下。斷熱層的600℃,2MPa條件下的熱電阻優選為0.001(K・m
2)/W以上,更優選為0.003(K・m
2)/W以上,進一步優選為0.005(K・m
2)/W以上,優選為0.1(K・m
2)/W以下,更優選為0.05(K・m
2)/W以下,進一步優選為0.01(K・m
2)/W以下。另外,熱電阻能夠藉由與斷熱材的導熱率的測定方法同樣的方法來測定。
緩衝層的數目通常為10以下,優選為5以下,進一步優選為3以下,可以為2,也可以為1。
緩衝層可以與相鄰的層藉由接著劑或黏著劑來接合,此外可以不藉由接著劑或黏著劑來接合,優選不藉由接著劑或黏著劑來接合。不藉由接著劑或黏著劑來接合,即不使用接著劑或黏著劑,從而與使用的情況相比,能夠抑制導熱率的增加。
緩衝層的形狀沒有特別限定,俯視的情況下的形狀通常可舉出矩形(例如,四邊形等多邊形)、圓形、橢圓形等。
斷熱材如果滿足上述的條件,則其它沒有特別限定,斷熱材的80℃,2MPa條件下的導熱率優選為0.02W/K・m以上,更優選為0.03W/K・m以上,進一步優選為0.04W/K・m以上,優選為0.2W/K・m以下,更優選為0.15W/K・m以下,進一步優選為0.10W/K・m以下。另外,導熱率的測定方法可舉出藉由與斷熱層同樣的方法來測定。
以使沒有加壓時的厚度為2mm的方式來調製的情況下的斷熱材的80℃,2MPa條件下的熱電阻沒有特別限定,優選為0.01(K・m
2)/W以上,更優選為0.02(K・m
2)/W以上,進一步優選為0.03(K・m
2)/W以上,優選為0.10(K・m
2)/W以下,更優選為0.09(K・m
2)/W以下,進一步優選為0.08(K・m
2)/W以下。另外,熱電阻的測定方法可舉出藉由與斷熱層同樣的方法來測定。
本實施方式涉及的斷熱材的用途沒有特別限定,能夠適當用於利用斷熱材的公知的用途,作為配置於電池組的單元間的斷熱材而使用,更具體而言,特別優選作為配置於鋰離子電池組的單元間的斷熱材而使用。
圖6為表示鋰離子電池組的一例的立體圖,圖7為鋰離子電池組的部分斷面圖。圖6所示的那樣,鋰離子電池組30具備複數(圖6中4個)的單元31、複數的斷熱材32以及筐體33,將複數的單元31藉由斷熱材32,沿單元31的厚度方向配置於筐體33内。圖7所示的那樣,複數的斷熱材32各自在單元31的厚度方向上,在複數的單元31彼此之間,與單元31彼此的對抗面51a相接的方式來配置。斷熱材32的溶著部32a以與筐體33的内面相接的方式來配置。斷熱材32抑制單元31彼此之間的熱的傳導。斷熱材32具備斷熱層321以及被覆斷熱層321的被覆層322。斷熱層321包含親水性鍛製二氧化矽321A和無機纖維321B。被覆層322可以由一對樹脂膜322A和322B來形成。
(斷熱材的製造方法)
斷熱材的製造方法沒有特別限定,能夠適當採用公知的工序來製造,通常可舉出包含下述工序的製造方法。
・將二氧化矽粒子和平均纖維長為4mm~35mm的無機纖維在表面張力為21mN/m~73mN/m的溶劑中混合,獲得稠度為60~160的混合液的工序。
・塗佈工序:塗佈由混合工序獲得的混合液以獲得塗佈膜的工序。
・將由成型工序獲得的塗佈膜進行成型以獲得斷熱層的工序。
以下,對於「混合工序」,「塗佈工序」,「成型工序」等進行詳細地說明。
混合工序為將二氧化矽粒子和平均纖維長為4mm~35mm的無機纖維在表面張力為21mN/m~73mN/m的溶劑中混合,獲得稠度為60~160的混合液的工序,這是所謂濕式法,具體而言,為在溶劑中,將二氧化矽粒子與無機纖維混合以調製混合液(漿料狀態)的工序。混合工序中的混合可舉出使用例如分散器、labo小型混煉機(Plastmill)、tri mix、行星式混合機、捏合機等。
溶劑的表面張力為21mN/m~73mN/m,優選為22mN/m以上,優選為50mN/m以下,更優選為40mN/m以下,進一步優選為30mN/m以下。如果溶劑的表面張力在上述範圍内,則斷熱性和機械強度變得良好。另外,溶劑的表面張力的測定方法可舉出藉由環法來測定。
溶劑的種類沒有特別限定,可舉出醇、醯胺、水等質子性溶劑、酯、酮、腈、醚等非質子性溶劑等。
混合工序中配合的無機纖維的平均纖維長為4mm~35mm,優選為5mm以上,更優選為5.5mm以上,進一步優選為6mm以上,優選為30mm以下,更優選為25mm以下,進一步優選為20mm以下,可以為15mm以下,可以為10mm以下。如果纖維的平均纖維長在上述範圍内,易於製造斷熱層。
無機纖維的平均纖維徑沒有特別限定,通常為0.1μm~50μm,優選為1μm以上,更優選為5μm以上,進一步優選為7μm以上,優選為25μm以下,更優選為20μm以下,進一步優選為15μm以下。如果纖維的平均纖維徑在上述範圍内,則易於確保良好的斷熱性和機械強度。
混合溫度沒有特別限定,通常為20℃以上溶劑的沸點以下,優選為22℃以上,優選為50℃以下,更優選為40℃以下,進一步優選為30℃以下。如果混合溫度在上述範圍内,則溶劑(例如有機溶劑)不易揮發,配合比不易變化。
混合時間沒有特別限定,通常為1分鐘~5小時,優選為5分鐘以上,優選為4小時以下,更優選為2小時以下,進一步優選為1小時以下。如果混合時間在上述範圍内,能夠效率良好地製作斷熱材。
混合液的稠度為60~180,優選為62以上,更優選為63以上,進一步優選為65以上,優選為170以下,更優選為160以下,進一步優選為150以下,特別優選為140以下。如果混合液的稠度在上述範圍内,則使纖維均勻分散時能夠降低纖維折彎。
另外,混合液的稠度的測定方法可舉出日本產業規格JIS K 2220:2013「潤滑脂 -第7部:稠度試驗方法」所記載的方法,特別是可舉出作為「不混合稠度」而測定。能夠測定稠度的測定設備被市售,具體而言,可舉出日化engineering製PENETRO METER等。作為測定步驟,準備使圓錐的秤砣降下時秤砣沒有接觸的程度的大小的秤,在其中填充混合液,配置於安裝有秤砣的測定設備。接下來調節秤砣的位置,設定於秤砣與混合液接觸的位置,將該位置設為0點。而且,在室溫(25℃)的條件下,使秤砣5秒(±0.1秒)降下,將侵入至混合液的秤砣的深度(mm)×10作為稠度而算出。
另外,圓錐的秤砣可舉出使用日本產業規格所規定的標準圓錐,可舉出使用秤砣的全質量為102.5g±0.05g,秤砣的保持具的質量為47.5g±0.05g的秤。
塗佈工序中的塗佈方法和塗佈條件沒有特別限定,能夠適當採用公知的方法,例如可舉出使用逗點塗佈機、旋轉塗佈機、模塗機、分配器等來塗佈。
成型工序中的成型方法和成型條件沒有特別限定,能夠適當採用公知的方法,可舉出以成為密度0.3g/cm
3~0.5g/cm
3的方式,例如使用熱壓、真空壓製進行壓縮成型,例如,使用浮動烘箱、IR烘箱等來乾燥。作為乾燥條件,乾燥溫度優選為例如,60℃~150℃。乾燥時間優選為例如,4分鐘~20分鐘。
實施例
以下,示例以進一步具體地說明實施方式,實施方式並不限定於這些例子。
<斷熱層(斷熱材)的製造>
[實施例1]
相對於作為質子性溶劑的乙酸(表面張力:27mN/m)300質量份和水(表面張力:73mN/m)60質量份的混合溶劑(表面張力:33mN/m),添加親水性鍛製二氧化矽粒子(「AEROSIL(注冊商標) 200」,日本AEROSIL社製,平均一次粒徑:約12nm,BET比表面積:200m
2/g)100質量份和作為無機纖維的玻璃纖維(「CS 25K-871」,日東紡績社製,平均纖維徑:13μm,平均纖維長:25mm)20質量份,在後述的稠度測定中,以使混合液的稠度成為60~180的方式混合。另外,所得的混合液的實時的稠度為70。
接下來,將所得的混合液以使厚度成為4mm的方式塗佈於基材來形成塗佈膜。進一步以使塗佈膜成為厚度2mm且密度為0.3~0.5g/cm
3的片狀的方式,利用熱壓機壓縮成型後,在100℃,乾燥10分鐘,製作出作為將含有親水性鍛製二氧化矽和玻璃纖維的混合物進行了成型的成型體的斷熱層(斷熱材)。另外,所得的斷熱層的厚度為2mm,進行後述的密度測定,結果密度為0.4g/cm
3。
此外,將所得的斷熱層切出為40mm見方,利用超聲波振動,使親水性鍛製二氧化矽分散後,將玻璃纖維利用丙酮回收。提取玻璃纖維的一部分,轉移至培養皿,添加少量的丙酮,使玻璃纖維鬆散後,利用電熱板使丙酮氣化(另外,無機纖維在丙酮中的稀釋倍率只要稀釋為例如0.01wt%即可。此外,優選以在培養皿内包含100根以上的無機纖維的方式提取。)。
關於培養皿内的玻璃纖維,進行光學顯微鏡(OM)觀察,測定各玻璃纖維的纖維長。而且,基於下述表1的(a)級別劃分、(b)級別值和(c)度數進行匯總,基於下述(d)累積比例計算式,算出纖維長超過0mm且小於4mm的累積比例R
1和纖維長3mm以上且小於30mm的累積比例R
2。累積比例R
1為0.02,關係式(I)的左邊「0.23R
1+0.24」為0.245,與密度ρ的0.4[g/cm
3]相比成為小的值。另一方面,斷熱層所包含的無機纖維的累積比例R
2為0.99,關係式(I)的右邊「-0.11R
2+0.53」為0.421,與密度ρ的0.4[g/cm
3]相比成為大的值。因此,實施例1的斷熱層滿足關係式(I)。
(d)累積比例計算式:
R
1={(纖維長超過0mm且小於1mm的級別的級別值與度數的積)+(纖維長1mm以上且小於2mm的級別的級別值與度數的積)+(纖維長2mm以上且小於3mm的級別的級別值與度數的積)+(纖維長3mm以上且小於4mm的級別的級別值與度數的積)}/(全部級別的級別值與度數的積的總和)
R
2={(纖維長3mm以上且小於4mm的級別的級別值與度數的積)+(纖維長4mm以上且小於5mm的級別的級別值與度數的積)+・・・+(纖維長29mm以上且小於30mm的級別的級別值與度數的積)}/(全部級別的級別值與度數的積的總和)
[實施例2]
實施例1的乙酸的配合量變更為400質量份,水的配合量變更為80質量份,除此以外,藉由與實施例1的同一方法,製作出厚度2mm的斷熱層。此外,藉由與實施例1的同一方法,算出累積比例R
1和累積比例R
2。將結果顯示於表1。
[實施例3]
將實施例1的作為玻璃纖維的「CS 25K-871」變更為「CS 13J-803」(日東紡績社製,平均纖維徑:9.5μm,平均纖維長:13mm),除此以外,藉由與實施例1的同一方法,製作出厚度2mm的斷熱層。此外,藉由與實施例1的同一方法,算出累積比例R
1和累積比例R
2。將結果顯示於表1。
[實施例4]
實施例3的乙酸的配合量變更為400質量份,水的配合量變更為80質量份,除此以外,藉由與實施例3的同一方法,製作出厚度2mm的斷熱層。此外,藉由與實施例1的同一方法,算出累積比例R
1和累積比例R
2。將結果顯示於表1。
[實施例5]
將實施例1的作為玻璃纖維的「CS 25K-871」變更為「CS 6J-888」(日東紡績社製,平均纖維徑:11μm,平均纖維長:6mm),除此以外,藉由與實施例1的同一方法,製作出厚度2mm的斷熱層。此外,藉由與實施例1的同一方法,算出累積比例R
1和累積比例R
2。將結果顯示於表1。
[比較例1]
實施例5的乙酸的配合量變更為400質量份,水的配合量變更為80質量份,除此以外,藉由與實施例5的同一方法,製作出厚度2mm的斷熱層。此外,藉由與實施例1的同一方法,算出累積比例R
1和累積比例R
2。將結果顯示於表1。
[比較例2]
將實施例1的作為玻璃纖維的「CS 25K-871」變更為「CS 3J-888」(日東紡績社製,平均纖維徑:11μm,平均纖維長:3mm),除此以外,藉由與實施例1的同一方法,製作出厚度2mm的斷熱層。此外,藉由與實施例1的同一方法,算出累積比例R
1和累積比例R
2。將結果顯示於表1。
[實施例6]
實施例1的乙酸的配合量變更為360質量份,水的配合量變更為0質量份,除此以外,藉由與實施例1的同一方法,製作出厚度2mm的斷熱層。此外,藉由與實施例1的同一方法,算出累積比例R
1和累積比例R
2。將結果顯示於表1。
[實施例7]
使實施例1的無機纖維除了玻璃纖維「CS 25K-871」以外,配合AES纖維(「BS13 ENGINEERED FIBER 100/50」,Isolite工業社製,密度:2~3g/mm
3,平均纖維徑:4μm,平均纖維長:0.1mm)3質量份,作為輻射抑制材配合氧化鈦30質量份,進一步乙酸的配合量變更為440質量份,水的配合量變更為90質量份,除此以外,藉由與實施例1的同一方法,製作出厚度2mm的斷熱層。此外,藉由與實施例1的同一方法,算出累積比例R
1和累積比例R
2。將結果顯示於表1。
[實施例8]
實施例7的乙酸的配合量變更為750質量份,水的配合量變更為125質量份,除此以外,藉由與實施例7的同一方法,製作出厚度2mm的斷熱層。此外,藉由與實施例1的同一方法,算出累積比例R
1和累積比例R
2。將結果顯示於表1。
[比較例3]
將實施例1的作為玻璃纖維的「CS 25K-871」變更為平均纖維長35mm的玻璃纖維(平均纖維長:35mm,平均纖維徑:16μm),除此以外,藉由與實施例1的同一方法,製作出厚度2mm的斷熱層。此外,藉由與實施例1的同一方法,算出累積比例R
1和累積比例R
2。將結果顯示於表1。
[比較例4]
將實施例5的親水性熱解法二氧化矽與玻璃纖維的混合從使用了溶劑的濕式法變更為沒有使用溶劑的乾式法,進行下述壓縮成型,除此以外,藉由與實施例5的同一方法,製作出斷熱層。另外,乾式法的混合為相對於親水性鍛製二氧化矽粒子100質量份和玻璃纖維20質量份,添加黏合劑(聚乙烯醇,「Gohsenol N-300」,三菱化學社製)2質量份,不使用溶劑來進行。此外,將所得的混合物利用熱壓機壓縮成型而得的結果是斷熱層成為密度0.29g/cm
3,厚度2mm。此外,藉由與實施例1的同一方法,算出累積比例R
1和累積比例R
2。將結果顯示於表1。
[比較例5]
將實施例5的親水性熱解法二氧化矽與玻璃纖維的混合從使用了溶劑的濕式法變更為不使用溶劑的乾式法,進行下述壓縮成型,除此以外,藉由與實施例5的同一方法,製作出斷熱層。另外,乾式法的混合為相對於親水性鍛製二氧化矽粒子100質量份和玻璃纖維20質量份,添加黏合劑(聚乙烯醇,「Gohsenol N-300」,三菱化學社製)2質量份,不使用溶劑而進行。此外,將所得的混合物利用熱壓機壓縮成型的結果(與比較例4的不同在於,以使密度成為更高密度的方式進行壓縮成型這一點。)是斷熱層成為密度0.52g/cm
3,厚度2mm。此外,藉由與實施例1的同一方法,算出累積比例R
1和累積比例R
2。將結果顯示於表1。
[比較例6]
實施例1的乙酸的配合量變更為0質量份,水的配合量變更為480質量份,除此以外,藉由與實施例1的同一方法,製作出厚度2mm的斷熱層。此外,藉由與實施例1的同一方法,算出累積比例R
1和累積比例R
2。將結果顯示於表1。
[表1]
<斷熱層(斷熱材)等的評價>
(1) 混合液的初始稠度測定
關於由實施例1~8和比較例1~6獲得的各混合液,按照日本產業規格JIS K 2220:2013「潤滑脂 -第7部:稠度試驗方法」所記載的内容,作為「不混合稠度」測定稠度。具體而言,準備使圓錐的秤砣降下時秤砣沒有接觸的程度的大小的秤,在其中填充混合液,配置於安裝有秤砣的日化engineering製PENETRO METER。接下來調節秤砣的位置,設定於秤砣與混合液接觸的位置,將該位置設為0點。而且,在室溫(25℃)的條件下,使秤砣5秒(±0.1秒)降下,將侵入至混合液的秤砣的深度(mm)×10作為稠度而算出。另外,圓錐的秤砣為日本產業規格所規定的標準圓錐,使用全質量為102.5g的圓錐,秤砣的保持具的質量為47.5g±0.05g的圓錐。將所得的混合液的稠度的結果顯示於表2。
[表2]
(2) 斷熱層(斷熱材)的密度測定
關於由實施例1~8和比較例1~6獲得的各斷熱層,藉由下述方法,測定密度。將斷熱層切斷為20mm×20mm的大小,測定質量和厚度,將質量除以體積以算出密度[g/cm
3]。將所得的斷熱層的密度顯示於表3。
(3) 斷熱層(斷熱材)的表面上的空隙的面積比例測定
關於由實施例1~8和比較例1~6獲得的各斷熱層,藉由下述方法,測定表面上的空隙的面積比例。
首先,從各斷熱材採集30mm×30mm的大小的試樣製成測定試樣。將該測定試樣分別使用掃描電子顯微鏡(「S-3400N」日立High-Technologies社製),觀察倍率30倍下的表面形狀。將所得的SEM像利用2值化軟體「ImageJ」進行畫像解析,將對象的畫像選擇x=760,y=760的範圍,選擇Crop並剪裁。選擇Threshold,將剪裁的畫像進行白黑化。選擇Binary>Watershed,然後選擇Analyze Particles,算出黑色部分的比例。藉由下述式(1),求出表面的空隙比例。將所得的斷熱材的空隙的面積比例顯示於表3。
表面的空隙比例=1-(黑色部分的比例) ・・・(1)
另外,將利用SEM觀察實施例1、比較例5、比較例6的斷熱層的表面的SEM像,進行了二值化處理的圖分別顯示於圖8~圖13。圖8表示實施例1的表面的SEM照片,圖9為將實施例1的表面進行了二值化的圖。圖10表示比較例5的表面的SEM照片,圖11為將比較例5的表面進行了二值化的圖。圖12表示比較例6的表面的SEM照片,圖13為將比較例6的表面進行了二值化的圖。
(4) 導熱率
關於由實施例1~8和比較例1~6獲得的各斷熱層,藉由下述方法,測定導熱率,算出熱電阻。
導熱率按照日本產業規格JIS A 1412-2:1999「熱絕緣材的熱電阻和導熱率的測定方法-第2部:熱流計法(HFM法)」所記載的内容,分別進行80℃,2MPa條件下和600℃,2MPa條件下的2次測定。首先,將斷熱層(沒有加壓時的厚度為2mm)切斷為20mm×20mm的大小,製作出樣品。此外,準備標準板(矽酸鈣板(「Hi Luck」,A&A Material社製,厚度5mm,0.22W/(m・K)),鋁板(「A1060P」,厚度0.2mm)。80℃下的測定中,使用矽酸鈣板(「Hi Luck」,A&A Material社製,厚度5mm,0.22W/(m・K)),600℃時,使用矽鋁酸鹽板(「RS-100」ZIRCAR Refractory Composites社製,3/16inch,0.62W/(m・K))。
接下來,在氣壓壓製機(井元製作所社製)的下盤面上,從上以熱電偶1(鞘熱電偶K類型(SCHS1-0),φ=0.15,種類JIS1,Chino社製)、鋁板、斷熱材、鋁板、熱電偶2(鞘熱電偶K類型(SCHS1-0),φ=0.15,種類JIS1,Chino社製)、標準板、熱電偶3(鞘熱電偶K類型(SCHS1-0),φ=0.15,種類JIS1,Chino社製)的順序夾持以將各構件密合。以使上盤和下盤加溫至預定的溫度的壓製機的負荷成為800N(相當於2MPa)的方式調整後,加壓。以被加溫加壓的狀態,繼續測定直至熱電偶的檢測溫度穩定。另外,作為測定溫度,分別進行上盤為80℃,下盤為30℃的情況,以及上盤為600℃,下盤為40℃的情況下的2次的測定。此外,溫度穩定,是指10分鐘前後的溫度變化處於±0.1℃以内。由溫度穩定後的各熱電偶的檢測溫度和斷熱材的壓縮時的厚度,標準試樣的導熱率和厚度,藉由以下式(i)求出斷熱材的導熱率k1。將所得的斷熱層的導熱率顯示於表3。
k1=k2×(L1×ΔT1)/(L2×ΔT2) ・・・(i)
(式中,k1為斷熱層的導熱率[W/(m・K)],k2為標準板的導熱率[W/(m・K)],L1為斷熱層的加壓時厚度,L2為標準板的厚度,ΔT1為第2熱電偶的溫度與第3熱電偶的溫度的溫度差,ΔT2為第1熱電偶的溫度與第2熱電偶的溫度的溫度差。)
(5) 熱電阻
熱電阻按照「JIS A 1412-1:2016 熱絕緣材的熱電阻和導熱率的測定方法-第2部:熱流計法(HFM法)」,測定80℃,2MPa下的熱電阻。與上述的導熱率測定方法同樣地,算出導熱率k1,藉由以下式(ii),算出熱電阻θ1。
θ1=L1/k1 ・・・(ii)
(式中,θ1為斷熱層的熱電阻[(m
2・K)/W],k1為斷熱層的導熱率[W/(m・K)],L1為斷熱材的加壓時厚度。)
(6) 彎曲強度
彎曲強度以所謂3點抗彎強度進行評價。3點抗彎強度按照日本產業規格JIS A9521:2017,使用抗拉壓縮萬能試驗機(「TG-5kN」MinebeaMitsumi社製),實施3點彎曲試驗。試驗片的尺寸為100mm×40mm×2mmt,支點間距離為50mm。將所得的斷熱層的彎曲強度顯示於表3。
(7) 切斷加工性
切斷加工性使用刮刀替換刀(「EA524B-5」esco社製),以20N的力裁斷斷熱層,製作30mm×30mm的試驗片,基於下述評價基準進行評價。將所得的斷熱層的切斷加工性顯示於表3。
(評價基準)
A:斷熱材容易切斷,保持試驗片的形狀
B:斷熱材的切斷困難,從切斷面產生粉末脫落,沒有保持試驗片的形狀
[表3]
如上,說明了實施方式,上述實施方式作為例子進行提示,本發明不限定於上述實施方式。上述實施方式能夠以其它各種形態實施,在不脫離發明的主旨的範圍內,能夠進行各種組合、省略、置換,變更等。這些實施方式、其變形包含於發明的範圍、主旨,並且包含於請求項所記載的發明和其均等的範圍。
另外,本發明的實施方式的態樣例如,如下。
<1>一種斷熱材,其具有包含二氧化矽粒子和無機纖維的斷熱層,
將上述斷熱層的密度ρ[g/cm
3]以及上述斷熱層所包含的上述無機纖維基於下述(a)級別劃分、下述(b)級別值條件和下述(c)度數條件進行匯總,基於下述(d)累積比例計算式而算出的纖維長超過0mm且小於4mm的累積比例R
1和纖維長3mm以上且小於30mm的累積比例R
2滿足下述關係式(I)。
關係式(I):0.23R
1+0.24<ρ≦-0.11R
2+0.53
(a)級別劃分:纖維長超過0mm且小於1mm,纖維長1mm以上且小於2mm,纖維長2mm以上且小於3mm,・・・,纖維長29mm以上且小於30mm
(b)級別值條件:各級別的中央值(纖維長0.5mm,纖維長1.5mm,纖維長2.5mm,・・・,纖維長29.5mm)
(c)度數條件:屬於各級別的無機纖維的數目
(d)累積比例計算式:
R
1={(纖維長超過0mm且小於1mm的級別的級別值與度數的積)+(纖維長1mm以上且小於2mm的級別的級別值與度數的積)+(纖維長2mm以上且小於3mm的級別的級別值與度數的積)+(纖維長3mm以上且小於4mm的級別的級別值與度數的積)}/(全部級別的級別值與度數的積的總和)
R
2={(纖維長3mm以上且小於4mm的級別的級別值與度數的積)+(纖維長4mm以上且小於5mm的級別的級別值與度數的積)+・・・+(纖維長29mm以上且小於30mm的級別的級別值與度數的積)}/(全部級別的級別值與度數的積的總和)
<2>根據<1>所述的斷熱材,上述累積比例R
1滿足下述式(II)。
式(II):R
1≦0.85
<3>根據<1>或<2>所述的斷熱材,上述累積比例R
2滿足下述式(III)。
式(III)R
2≧0.30
<4>根據<1>~<3>中任一項所述的斷熱材,上述斷熱層的密度ρ為0.2g/cm
3~0.5g/cm
3。
<5>根據<1>~<4>中任一項所述的斷熱材,上述斷熱層的表面上的空隙的面積比例超過0%且小於22%。
<6>根據<1>~<5>中任一項所述的斷熱材,上述二氧化矽粒子為選自由乾式二氧化矽、濕式二氧化矽和二氧化矽氣凝膠所組成的組中的至少1種。
<7>根據<1>~<6>中任一項所述的斷熱材,上述二氧化矽粒子為親水性鍛製二氧化矽。
<8>根據<1>~<7>中任一項所述的斷熱材,上述斷熱層的80℃,2MPa加壓條件下的導熱率小於0.045W/(m・K)。
<9>根據<1>~<8>中任一項所述的斷熱材,上述斷熱層的彎曲強度為10N/cm
2~150N/cm
2。
<10>根據<1>~<9>中任一項所述的斷熱材,其進一步包含由樹脂膜形成的被覆層,
上述斷熱層和上述被覆層被層疊。
<11>根據<10>所述的斷熱材,上述被覆層層疊有2層以上,
2層以上的上述被覆層將上述斷熱層從厚度方向夾持並包合,密閉上述被覆層間的間隙。
<12>根據<10>或<11>所述的斷熱材,上述被覆層具有將上述間隙與外部空間連接的通氣口。
<13>根據<1>~<12>中任一項所述的斷熱材,其配置於電池組的單元間。
<14>一種斷熱材的製造方法,其特徵在於,包括下述工序:
將二氧化矽粒子和平均纖維長為4mm~35mm的無機纖維在表面張力為21mN/m~73mN/m的溶劑中進行混合,獲得稠度為60~160的混合液的混合工序,
塗佈由上述混合工序獲得的上述混合液以獲得塗佈膜的塗佈工序,和
將由上述塗佈工序獲得的上述塗佈膜進行成型以獲得斷熱層的成型工序。
<15>根據<14>所述的斷熱材的製造方法,上述溶劑為質子性溶劑。
本申請主張基於2021年10月8日於日本特許庁申請的特願2021-166144號的優先權,將特願2021-166144號的全部内容援用至本申請。
1A,1B:斷熱材
11,321A:親水性鍛製二氧化矽
12,321B:無機纖維
10,321:斷熱層
20,322:被覆層
30:鋰離子電池
31:單元
32:斷熱材
33:筐體
圖1為表示本發明的實施方式涉及的斷熱材的一例的立體圖。
圖2為圖1的I-I斷面圖。
圖3為表示本發明的實施方式涉及的斷熱材的另一例的立體圖。
圖4為圖3的II-II斷面圖。
圖5為圖4的平面圖。
圖6為表示鋰離子電池組的一例的立體圖。
圖7為鋰離子電池組的部分斷面圖。
圖8為實施例1的表面的SEM照片。
圖9為將實施例1的表面進行了二值化的圖。
圖10為比較例5的表面的SEM照片。
圖11為將比較例5的表面進行了二值化的圖。
圖12為比較例6的表面的SEM照片。
圖13為將比較例6的表面進行了二值化的圖。
1A:斷熱材
11:親水性鍛製二氧化矽
12:無機纖維
Claims (15)
- 一種斷熱材,其具有包含二氧化矽粒子和無機纖維的斷熱層, 將該斷熱層的密度ρ[g/cm 3]以及該斷熱層所包含的該無機纖維基於下述(a)級別劃分、下述(b)級別值條件和下述(c)度數條件進行匯總,基於下述(d)累積比例計算式而算出的纖維長超過0mm且小於4mm的累積比例R 1和纖維長3mm以上且小於30mm的累積比例R 2滿足下述關係式(I), 關係式(I):0.23R 1+0.24<ρ≦-0.11R 2+0.53 (a)級別劃分:纖維長超過0mm且小於1mm,纖維長1mm以上且小於2mm,纖維長2mm以上且小於3mm,・・・,纖維長29mm以上且小於30mm (b)級別值條件:各級別的中央值(纖維長0.5mm,纖維長1.5mm,纖維長2.5mm,・・・,纖維長29.5mm) (c)度數條件:屬於各級別的無機纖維的數目 (d)累積比例計算式: R 1={(纖維長超過0mm且小於1mm的級別的級別值與度數的積)+(纖維長1mm以上且小於2mm的級別的級別值與度數的積)+(纖維長2mm以上且小於3mm的級別的級別值與度數的積)+(纖維長3mm以上且小於4mm的級別的級別值與度數的積)}/(全部級別的級別值與度數的積的總和) R 2={(纖維長3mm以上且小於4mm的級別的級別值與度數的積)+(纖維長4mm以上且小於5mm的級別的級別值與度數的積)+・・・+(纖維長29mm以上且小於30mm的級別的級別值與度數的積)}/(全部級別的級別值與度數的積的總和)。
- 根據請求項1所述的斷熱材, 該累積比例R 1滿足下述式(II) 式(II):R 1≦0.85。
- 根據請求項1所述的斷熱材, 該累積比例R 2滿足下述式(III) 式(III)R 2≧0.30。
- 根據請求項1所述的斷熱材, 該斷熱層的密度ρ為0.2g/cm 3~0.5g/cm 3。
- 根據請求項1所述的斷熱材, 該斷熱層的表面上的空隙的面積比例超過0%且小於22%。
- 根據請求項1所述的斷熱材, 該二氧化矽粒子為選自由乾式二氧化矽、濕式二氧化矽和二氧化矽氣凝膠所組成的組中的至少1種。
- 根據請求項6所述的斷熱材, 該二氧化矽粒子為親水性鍛製二氧化矽。
- 根據請求項1所述的斷熱材, 該斷熱層的80℃,2MPa加壓條件下的導熱率小於0.045W/(m・K)。
- 根據請求項1所述的斷熱材, 該斷熱層的彎曲強度為10N/cm 2~150N/cm 2。
- 根據請求項1所述的斷熱材, 其進一步包含由樹脂膜形成的被覆層, 該斷熱層和該被覆層被層疊。
- 根據請求項10所述的斷熱材, 該被覆層層疊有2層以上, 2層以上的該被覆層將該斷熱層從厚度方向夾持並包合,密閉該被覆層間的間隙。
- 根據請求項11所述的斷熱材, 該被覆層具有將該間隙與外部空間連接的通氣口。
- 根據請求項1所述的斷熱材, 其配置於電池組的單元間。
- 一種斷熱材的製造方法,其特徵在於,包括下述工序: 將二氧化矽粒子和平均纖維長為4mm~35mm的無機纖維在表面張力為21mN/m~73mN/m的溶劑中進行混合,獲得稠度為60~160的混合液的混合工序, 塗佈由該混合工序獲得的該混合液以獲得塗佈膜的塗佈工序,以及 將由該塗佈工序獲得的該塗佈膜進行成型以獲得斷熱層的成型工序。
- 根據請求項14所述的斷熱材的製造方法, 該溶劑為質子性溶劑。
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