JP7832052B2 - Busbars and energy storage devices - Google Patents
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Description
本発明は、バスバー、及び複数の電池セルをバスバーで接続した蓄電装置に関する。 This invention relates to a busbar and an energy storage device in which multiple battery cells are connected by a busbar.
各種電子機器や、電動モータで駆動する電気自動車又はハイブリッド車、蓄電池などには、複数の電池セルを、バスバーにて直列又は並列に接続した蓄電装置が搭載されている。また、電池セルには、鉛蓄電池やニッケル水素電池などに比べて、高容量かつ高出力が可能なリチウムイオン二次電池が主に用いられている。 Various electronic devices, electric vehicles or hybrid vehicles driven by electric motors, and storage batteries are equipped with energy storage devices that connect multiple battery cells in series or parallel using busbars. Furthermore, lithium-ion secondary batteries, which offer higher capacity and output compared to lead-acid batteries and nickel-metal hydride batteries, are primarily used as battery cells.
しかし、充放電時に、電池セルに過電流が通電されると、接続に使用されているバスバーが発熱することがある。そこで、特許文献1では、雲母シートでバスバーを被覆している。 However, during charging and discharging, if an overcurrent is passed through the battery cell, the busbars used for connection may overheat. Therefore, Patent Document 1 describes covering the busbars with a mica sheet.
ところで、過充電などが原因で、ある電池セルが熱暴走を起こして、数百℃の高温になったり、場合によっては火炎を発することがある。このような異常時には、バスバーも同様の高温や火炎に晒され、バスバーを介して隣接する電池セルが高熱になる。 Incidentally, overcharging or other factors can cause a battery cell to overheat, reaching temperatures of several hundred degrees Celsius, and in some cases, even emitting flames. In such abnormal situations, the busbar is also exposed to similar high temperatures and flames, causing adjacent battery cells to become extremely hot via the busbar.
しかしながら、特許文献1は、バスバー自身の発熱を抑えるための対策であり、異常時における電池セルからの高温や火炎に対してバスバーを保護することに着目していない。しかも、雲母は結晶水を含むため、異常時に高温や火炎に晒された場合に、膨張したり、結晶水を放出して構造的に不安定になる。 However, Patent Document 1 addresses measures to suppress the heat generation of the busbar itself, and does not focus on protecting the busbar from high temperatures or flames from the battery cell during abnormal conditions. Furthermore, because mica contains crystalline water, it expands or releases crystalline water when exposed to high temperatures or flames during abnormal conditions, becoming structurally unstable.
そこで本発明は、異常時における電池セルからの高温や火炎から保護できるバスバーを提供することを目的とする。また、本発明は、このようなバスバーにより電池セル同士を接続し、異常時においても高い安全性を示す蓄電装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention aims to provide a busbar that can protect battery cells from high temperatures and flames during abnormal situations. Furthermore, the present invention aims to provide an energy storage device that connects battery cells using such a busbar, thereby demonstrating high safety even during abnormal situations.
本発明の上記目的は、バスバーに係る下記[1]の構成により達成される。 The above objective of the present invention is achieved by the following configuration [1] relating to the busbar.
[1] 電池セルを含む蓄電装置に用いられるバスバーであって、
導電性材料からなるバスバー本体が、無機繊維シートにより巻回されている、バスバー。
[1] A busbar used in an energy storage device including a battery cell,
A busbar in which the busbar body, made of a conductive material, is wound with an inorganic fiber sheet.
また、バスバーに係る本発明の好ましい実施形態は、以下の[2]~[19]に関する。 Furthermore, preferred embodiments of the present invention relating to busbars are described in the following [2] to [19].
[2] 前記無機繊維シートは、無機繊維クロスであることを特徴とする[1]に記載のバスバー。
[3] 前記無機繊維シートは、シリカ繊維、アルミナ繊維、ガラス繊維、ロックウール繊維、及びAES(アルカリアースシリケート)繊維から選択される少なくとも1種であることを特徴とする[1]に記載のバスバー。
[4] 前記無機繊維シートは、多重に巻回していることを特徴とする[1]に記載のバスバー。
[5] 前記無機繊維シートの前記電池セルと対向する側と、前記バスバー本体との間に無機断熱材が配置され、前記バスバー本体とともに前記無機繊維シートにより巻回されていることを特徴とする[2]に記載のバスバー。
[6] 前記無機断熱材は、無機粒子を含む湿式シート又は乾式シートであることを特徴とする[5]に記載のバスバー。
[7] 前記無機繊維クロスは、前記電池セルと対向する面とは反対側の面を除いて、前記無機繊維クロス同士及び前記無機繊維クロスと前記無機断熱材と前記バスバー本体とは接着されていないことを特徴とする[5]に記載のバスバー。
[8] 前記無機繊維クロスと前記無機断熱材と前記バスバー本体との間の少なくとも一つは、接着されておらず、空気層が存在することを特徴とする[5]に記載のバスバー。
[9] 前記電池セルと対向する側とは反対側で、前記無機繊維クロス間が接着されていることを特徴とする[2]に記載のバスバー。
[10] 前記無機断熱材は、無機繊維又は不融化繊維を含むことを特徴とする[5]に記載のバスバー。
[11] 前記不融化繊維は、炭素含有量が55~95質量%であることを特徴とする[10]に記載のバスバー。
[12] 前記不融化繊維は、短繊維からなることを特徴とする[10]に記載のバスバー。
[13] 前記不融化繊維は、繊維径が1~30μmであることを特徴とする[10]に記載のバスバー。
[14] 前記無機断熱材は、有機繊維を含むことを特徴とする[5]に記載のバスバー。
[15] 前記無機断熱材は、無機粒子を含むことを特徴とする[5]に記載のバスバー。
[16] 前記無機粒子は、互いに平均粒子径が異なる第1の無機粒子及び第2の無機粒子を含むことを特徴とする[15]に記載のバスバー。
[17] 前記第1の無機粒子は、酸化物粒子、炭化物粒子、窒化物粒子及び無機水和物粒子から選択される少なくとも1種からなることを特徴とする[16]に記載のバスバー。
[18] 前記第1の無機粒子は、ナノ粒子、中空粒子及び多孔質粒子から選択される少なくとも1種からなることを特徴とする[16]又は[17]に記載のバスバー。
[19] 前記第2の無機粒子は、金属酸化物粒子であることを特徴とする[16]に記載のバスバー。
[2] The bus bar according to [1], characterized in that the inorganic fiber sheet is an inorganic fiber cloth.
[3] The bus bar according to [1], characterized in that the inorganic fiber sheet is at least one selected from silica fiber, alumina fiber, glass fiber, rock wool fiber, and AES (alkali earth silicate) fiber.
[4] The bus bar according to [1], characterized in that the inorganic fiber sheet is wound in multiple layers.
[5] The busbar according to [2], characterized in that an inorganic heat insulating material is placed between the side of the inorganic fiber sheet facing the battery cell and the busbar body, and is wound together with the busbar body by the inorganic fiber sheet.
[6] The bus bar according to [5], characterized in that the inorganic thermal insulation material is a wet sheet or a dry sheet containing inorganic particles.
[7] The busbar according to [5], characterized in that the inorganic fiber cloth is not bonded to itself, nor to the inorganic fiber cloth, the inorganic heat insulating material, and the busbar body, except for the surface opposite to the surface facing the battery cell.
[8] The bus bar according to [5], characterized in that at least one between the inorganic fiber cloth, the inorganic insulation material, and the bus bar body is not bonded and an air layer exists.
[9] The bus bar according to [2], characterized in that the inorganic fiber cloths are bonded together on the side opposite to the side facing the battery cell.
[10] The bus bar according to [5], characterized in that the inorganic thermal insulation material includes inorganic fibers or infusible fibers.
[11] The bus bar according to [10], characterized in that the infusible fiber has a carbon content of 55 to 95% by mass.
[12] The bus bar according to [10], characterized in that the infusible fibers consist of short fibers.
[13] The bus bar according to [10], characterized in that the infusible fiber has a fiber diameter of 1 to 30 μm.
[14] The bus bar according to [5], characterized in that the inorganic heat insulating material contains organic fibers.
[15] The bus bar according to [5], characterized in that the inorganic heat insulating material contains inorganic particles.
[16] The bus bar according to [15], characterized in that the inorganic particles include first inorganic particles and second inorganic particles having different average particle diameters.
[17] The busbar according to [16], characterized in that the first inorganic particles consist of at least one selected from oxide particles, carbide particles, nitride particles and inorganic hydrate particles.
[18] The busbar according to [16] or [17], characterized in that the first inorganic particle consists of at least one selected from nanoparticles, hollow particles and porous particles.
[19] The bus bar according to [16], characterized in that the second inorganic particles are metal oxide particles.
また、本発明の上記目的は、蓄電装置に係る下記[20]の構成により達成される。 Furthermore, the above-mentioned objective of the present invention is achieved by the configuration of the energy storage device described in [20] below.
[20] 複数の電池セル又はモジュールを、[1]~[19]のいずれか1つに記載のバスバーで接続した、蓄電装置。 [20] A power storage device comprising multiple battery cells or modules connected by a busbar as described in any one of [1] to [19].
本発明のバスバーは、バスバー本体が無機繊維シートにより巻回されており、異常時に、熱暴走を起こした電池セルからの高温や火炎から保護される。 The busbar of this invention has its body wrapped in an inorganic fiber sheet, which protects it from high temperatures and flames from battery cells experiencing thermal runaway in the event of an abnormality.
また、本発明の蓄電装置は、このようなバスバーにより複数の電池セルやモジュールを接続しているため、異常時においても高い安全性を示す。 Furthermore, because the energy storage device of this invention connects multiple battery cells and modules using such busbars, it exhibits high safety even in the event of a malfunction.
以下、本発明の実施形態に関して図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下で説明する実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、任意に変更して実施することができる。 The embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described below, and can be modified and implemented as desired without departing from the spirit of the invention.
[バスバーの全体構成]
図1Aは、本発明のバスバー1の一例を示す斜視図であり、電池セル110に装着した状態を示している。図示されるように、導電性材料からなるバスバー本体5は、例えば、全体がZ字状の金属製の板部材であり、一方の先端の接続孔6aに電池セル110の電極111を挿入し、端子キャップ112を被せて固定される。また、バスバー本体5の他方の先端の接続孔6bには、隣接する電池セル(図示せず)や外部機器が接続される。そして、バスバー本体5の接続孔6a、6bを除く部分(表面)を、後述される無機繊維シート10を巻回してバスバー1が構成される。
[Overall configuration of the bus bar]
Figure 1A is a perspective view showing an example of the busbar 1 of the present invention, showing it attached to a battery cell 110. As shown in the figure, the busbar body 5, made of a conductive material, is for example a metal plate member that is Z-shaped overall. The electrodes 111 of the battery cell 110 are inserted into the connection hole 6a at one end, and a terminal cap 112 is placed over it to secure it. The connection hole 6b at the other end of the busbar body 5 is connected to an adjacent battery cell (not shown) or an external device. The busbar 1 is constructed by winding an inorganic fiber sheet 10, which will be described later, around the part (surface) of the busbar body 5 excluding the connection holes 6a and 6b.
また、バスバー本体5を、図1Bに示すように、全体がI字状の平板とすることもでき、両端の接続孔6a、6bを除く部分を無機繊維シート10で覆い、バスバー1とすることもできる。 Furthermore, the busbar body 5 can be made entirely of an I-shaped flat plate, as shown in Figure 1B, and the portion excluding the connection holes 6a and 6b at both ends can be covered with an inorganic fiber sheet 10 to form the busbar 1.
なお、バスバー1は電池セル110の電極111に直接的又は間接的に接続されてもよいし、電池セル110の電極111に電気的に接続されていてもよい。 Furthermore, the busbar 1 may be directly or indirectly connected to the electrodes 111 of the battery cell 110, or it may be electrically connected to the electrodes 111 of the battery cell 110.
<実施形態1> <Embodiment 1>
図2は、図1AのA-A矢視に沿って示す断面図であり、図中の下側に電池セル110が存在しており、異常時には、電池セル110から高温や火炎が発生する。そこで、バスバー本体5に無機繊維シート10を巻回している。無機繊維シート10は、図示の例では、バスバー本体5を3回巻回しているが、1回巻回してもよく、より多重に巻回してもよい。何れも、巻き終わり部分10aが、電池セル110と対向しない側に位置するようにする。 Figure 2 is a cross-sectional view taken along the line A-A in Figure 1A. The battery cell 110 is located at the bottom of the figure. In the event of a malfunction, high temperatures and flames will be generated from the battery cell 110. Therefore, an inorganic fiber sheet 10 is wound around the busbar body 5. In the illustrated example, the inorganic fiber sheet 10 is wound around the busbar body 5 three times, but it may be wound once or multiple times. In all cases, the end portion 10a of the winding should be located on the side that does not face the battery cell 110.
異常時には、電池セル110からの高温に加えて、火炎とともに電解液のガスや電池セル110の破片が発生するため、無機繊維シート10には、耐熱性能に優れ、ガスや破片へのバリア性を有することが好ましい。そのため、無機繊維シート10としては、無機繊維クロス(織布)が好ましく、シリカ繊維、アルミナ繊維、ガラス繊維、ロックウール繊維、及びAES(アルカリアースシリケート)繊維から選択される少なくとも1種が好適である。なお、AES繊維とは、高純度のシリカ、カルシア、マグネシアを原料とする人造鉱物繊維である。 In the event of an abnormality, in addition to the high temperature emanating from the battery cell 110, gas from the electrolyte and fragments of the battery cell 110 are generated along with flames. Therefore, it is preferable that the inorganic fiber sheet 10 has excellent heat resistance and barrier properties against gas and fragments. For this reason, an inorganic fiber cloth (woven fabric) is preferred as the inorganic fiber sheet 10, and at least one selected from silica fiber, alumina fiber, glass fiber, rock wool fiber, and AES (alkali earth silicate) fiber is preferred. AES fiber is an artificial mineral fiber made from high-purity silica, calcia, and magnesia.
また、巻回に際して、電池セル110と対向する側は、無機繊維シート10同士や、バスバー1と無機繊維シート10とを接着しなくてもよい。接着しないことにより、無機繊維シート10と隣接する無機繊維シート10との間、無機繊維シート10とバスバー本体5の電池セル110と対向する面5aとの間に、空気層が形成されて断熱性能が高まる。 Furthermore, during winding, the inorganic fiber sheets 10 do not need to be bonded to each other or to the busbar 1 and the inorganic fiber sheets 10 on the side facing the battery cell 110. By not bonding them, an air layer is formed between the inorganic fiber sheets 10 and adjacent inorganic fiber sheets 10, and between the inorganic fiber sheets 10 and the surface 5a of the busbar body 5 facing the battery cell 110, thereby improving heat insulation performance.
バスバー本体5の面5aとは反対側の面5bと、無機繊維シート10との間には、吸熱反応層20が介在してもよい。吸熱反応層40は、熱暴走を起こした電池セル110からの熱を吸収する作用を有し、断熱性能を高める。吸熱反応層40としては、各種の樹脂を使用することができるが、バスバー本体5と無機繊維シート10とを接着して固定できることから、樹脂基材の両面に接着剤層を形成した両面テープが好ましい。 A heat-absorbing reaction layer 20 may be interposed between the surface 5b of the busbar body 5 (opposite to surface 5a) and the inorganic fiber sheet 10. The heat-absorbing reaction layer 40 has the effect of absorbing heat from the battery cell 110 that has experienced thermal runaway, thereby enhancing the heat insulation performance. Various resins can be used as the heat-absorbing reaction layer 40, but a double-sided tape with adhesive layers formed on both sides of a resin base material is preferred because it can bond and fix the busbar body 5 and the inorganic fiber sheet 10 together.
また、吸熱反応層20は、無機繊維シート10のバスバー本体5の面5bと接する部分と、巻き終わり部分10aとの間に介在してもよく、断熱性能がより高まる。 Furthermore, the endothermic reaction layer 20 may be interposed between the portion of the inorganic fiber sheet 10 that contacts the surface 5b of the busbar body 5 and the end portion 10a of the winding, further enhancing the thermal insulation performance.
<実施形態2>
図3に示すように、バスバー本体5の面5aとの間に無機断熱材30を介在(配置)させて無機繊維シート10を巻回してもよい。無機断熱材30により、電池セル110と対向する側の断熱性能がより高まり、電池セル110が熱暴走を起こしたとしても、熱暴走の連鎖をより確実に防ぐことができる。
<Embodiment 2>
As shown in Figure 3, an inorganic heat insulating material 30 may be interposed (placed) between the surface 5a of the busbar body 5 and the inorganic fiber sheet 10 before winding it. The inorganic heat insulating material 30 further enhances the heat insulating performance on the side facing the battery cell 110, and even if the battery cell 110 experiences thermal runaway, the chain reaction of thermal runaway can be prevented more reliably.
電池セル110と対向する側、即ち、バスバー本体5の面5aと無機断熱材30との間、無機断熱材30と無機繊維シート10の電池セル110と対向する部分10bとの間を接着しなくてもよい。接着しないことにより、これらの間に、空気層が形成されて断熱性能が高まる。 The side facing the battery cell 110, i.e., the space between the surface 5a of the busbar body 5 and the inorganic insulation material 30, and the space between the inorganic insulation material 30 and the portion 10b of the inorganic fiber sheet 10 facing the battery cell 110, do not need to be bonded. By not bonding them, an air layer is formed between them, improving the insulation performance.
また、実施形態1と同様に、バスバー本体5の面5aとは反対側の面5bと、無機繊維シート10との間や、無機繊維シート10のバスバー本体5の面5bと接する部分と、巻き終わり部分10aとの間に、吸熱反応層20を介在してもよく、断熱性能がより高まる。 Furthermore, similar to Embodiment 1, the endothermic reaction layer 20 may be interposed between the surface 5b of the busbar body 5 opposite to surface 5a and the inorganic fiber sheet 10, or between the portion of the inorganic fiber sheet 10 that contacts surface 5b of the busbar body 5 and the winding end portion 10a, thereby further enhancing the thermal insulation performance.
〔無機断熱材30について〕
上記した実施形態1及び実施形態2ともに、無機断熱材30には制限はないが、断熱性能に優れることから下記の配合材料を含むことが好ましい。
[Regarding inorganic insulation material 30]
In both Embodiment 1 and Embodiment 2 described above, there are no restrictions on the inorganic thermal insulation material 30, but it is preferable to include the following compound materials because they have excellent thermal insulation performance.
(無機繊維)
無機断熱材30は、無機繊維を含むことができる。無機繊維としては、具体的には、融点が700℃未満である無機繊維が好ましく、多くの非晶質の無機繊維を用いることができる。中でも、SiO2を含む繊維であることが好ましく、安価で、入手も容易で、取扱い性等に優れることから、ガラス繊維であることがより好ましい。
(Inorganic fibers)
The inorganic thermal insulation material 30 may contain inorganic fibers. Specifically, inorganic fibers having a melting point of less than 700°C are preferred, and many amorphous inorganic fibers can be used. Among these, fibers containing SiO2 are preferred, and glass fibers are more preferred because they are inexpensive, readily available, and have excellent handling properties.
また、無機繊維が結晶質である場合に、具体的には、シリカ繊維、アルミナ繊維、アルミナシリケート繊維、ジルコニア繊維、カーボンファイバ、ソルブルファイバ、リフラクトリーセラミックファイバ、エアロゲル複合材、マグネシウムシリケート繊維、アルカリアースシリケート繊維、チタン酸カリウム繊維等のセラミックス系繊維、ガラス繊維、グラスウール等のガラス系繊維、ロックウール、バサルトファイバ、ウォラストナイト等の鉱物系繊維等を使用することができる。 Furthermore, when the inorganic fiber is crystalline, specifically, ceramic fibers such as silica fibers, alumina fibers, alumina silicate fibers, zirconia fibers, carbon fibers, soluble fibers, refractory ceramic fibers, aerogel composites, magnesium silicate fibers, alkali earth silicate fibers, potassium titanate fibers, glass fibers, glass wool, and other glass-based fibers, as well as mineral fibers such as rock wool, basalt fibers, and wollastonite, can be used.
また、融点が1000℃を超えるものであると、電池セルの熱暴走が発生しても、無機繊維は溶融又は軟化せず、その形状を維持することができるため、好適に使用することができる。無機繊維として挙げられた上記繊維のうち、例えば、シリカ繊維、アルミナ繊維及びアルミナシリケート繊維等のセラミックス系繊維、並びに鉱物系繊維を使用することがより好ましく、この中でも融点が1000℃を超えるものを使用することが更に好ましい。 Furthermore, if the melting point exceeds 1000°C, the inorganic fiber will not melt or soften even if thermal runaway occurs in the battery cell, and will maintain its shape, making it suitable for use. Among the inorganic fibers listed above, it is more preferable to use ceramic fibers such as silica fibers, alumina fibers, and alumina silicate fibers, as well as mineral fibers. Among these, it is even more preferable to use those with a melting point exceeding 1000°C.
(その他の配合材料)
無機断熱材30には、上記無機繊維の他に、有機バインダや有機繊維、無機粒子を含んでもよい。
(Other ingredients)
In addition to the inorganic fibers mentioned above, the inorganic insulation material 30 may also contain organic binders, organic fibers, and inorganic particles.
(樹脂バインダ)
上記無機繊維は、樹脂バインダにより結着することもできる。樹脂バインダとしては、後述する有機繊維のガラス転移点よりも低いガラス転移点を有するものであれば、特に限定されない。例えば、スチレン-ブタジエン樹脂、アクリル樹脂、シリコン-アクリル樹脂及びスチレン樹脂から選択される少なくとも1種を含む樹脂バインダを使用することができる。
(Resin binder)
The inorganic fibers described above can also be bound together with a resin binder. The resin binder is not particularly limited as long as it has a glass transition temperature lower than that of the organic fibers described later. For example, a resin binder containing at least one selected from styrene-butadiene resin, acrylic resin, silicone-acrylic resin, and styrene resin can be used.
樹脂バインダのガラス転移点は特に規定しないが、-10℃以上であることが好ましい。なお、樹脂バインダのガラス転移点が室温以上であると、樹脂バインダを有する無機断熱材30が室温で使用された場合に、無機断熱材30の強度をより一層向上させることができる。したがって、樹脂バインダのガラス転移点は、例えば20℃以上であることがより好ましく、30℃以上であることがさらに好ましく、50℃以上であることがさらにより好ましく、60℃以上であることが特に好ましい。 The glass transition temperature of the resin binder is not specifically defined, but it is preferably -10°C or higher. Furthermore, if the glass transition temperature of the resin binder is above room temperature, the strength of the inorganic insulation material 30 containing the resin binder can be further improved when used at room temperature. Therefore, the glass transition temperature of the resin binder is more preferably 20°C or higher, even more preferably 30°C or higher, even more preferably 50°C or higher, and particularly preferably 60°C or higher.
樹脂バインダの含有量は、無機断熱材30の全質量に対して0.5質量%以上であることが好ましく、1質量%以上であることがより好ましい。また、20質量%以下であることが好ましく、10質量%以下であることがより好ましい。 The resin binder content is preferably 0.5% by mass or more, more preferably 1% by mass or more, relative to the total mass of the inorganic insulation material 30. Furthermore, it is preferably 20% by mass or less, and more preferably 10% by mass or less.
(有機繊維)
上記無機繊維の他に、有機繊維を含有してもよい。有機繊維としては、例えば、ポリビニルアルコール(PVA)繊維、ポリエチレン繊維、ナイロン繊維、ポリウレタン繊維及びエチレン-ビニルアルコール共重合体繊維から選択される少なくとも1種を使用することができる。
(Organic fibers)
In addition to the inorganic fibers mentioned above, organic fibers may also be included. As organic fibers, at least one selected from polyvinyl alcohol (PVA) fibers, polyethylene fibers, nylon fibers, polyurethane fibers, and ethylene-vinyl alcohol copolymer fibers can be used.
なお、後述するように、無機断熱材30の製造は抄造法にて行うこともできるが、その際に加熱温度を250℃よりも高くすることは困難であるため、有機繊維のガラス転移点は、250℃以下とすることが好ましく、200℃以下とすることがより好ましい。 Furthermore, as will be described later, the inorganic insulation material 30 can also be manufactured by papermaking. However, since it is difficult to raise the heating temperature above 250°C in this process, the glass transition temperature of the organic fibers is preferably 250°C or lower, and more preferably 200°C or lower.
有機繊維のガラス転移点の下限値も特に限定されないが、上記樹脂バインダのガラス転移点との差が10℃以上であれば、製造時の冷却工程において、半溶融状態であった有機繊維が完全に固化した後に、樹脂バインダが固化するため、樹脂バインダによる骨格の補強効果を十分に得ることができる。したがって、樹脂バインダのガラス転移点と、有機繊維のガラス転移点との差は、10℃以上であることが好ましく、30℃以上であることがより好ましい。 While there are no particular limitations on the lower limit of the glass transition temperature of the organic fibers, if the difference between the glass transition temperature of the organic fibers and that of the resin binder is 10°C or more, the resin binder will solidify after the semi-molten organic fibers have completely solidified during the cooling process in manufacturing. Therefore, the reinforcing effect of the resin binder on the skeleton can be fully obtained. Accordingly, the difference between the glass transition temperature of the resin binder and that of the organic fibers is preferably 10°C or more, and more preferably 30°C or more.
一方、両者のガラス転移点の差が130℃以下であると、有機繊維が完全に固化してから、樹脂バインダが固化し始めるまでの時間を適切に調整することができ、樹脂バインダが良好な分散状態のまま固化するため、より一層骨格の補強効果を得ることができる。したがって、樹脂バインダのガラス転移点と、有機繊維のガラス転移点との差は、130℃以下であることが好ましく、120℃以下であることがより好ましく、100℃以下であることがさらに好ましく、80℃以下であることがさらにより好ましく、70℃以下であることが特に好ましい。 On the other hand, if the difference in the glass transition temperatures between the two is 130°C or less, the time between the complete solidification of the organic fibers and the start of solidification of the resin binder can be appropriately adjusted. Since the resin binder solidifies while maintaining a good dispersion state, an even greater reinforcement effect on the framework can be obtained. Therefore, the difference between the glass transition temperature of the resin binder and the glass transition temperature of the organic fibers is preferably 130°C or less, more preferably 120°C or less, even more preferably 100°C or less, even more preferably 80°C or less, and particularly preferably 70°C or less.
また、2種類以上の有機繊維を含むこともできるが、その場合に、少なくとも1種の有機繊維が骨格として作用する有機繊維、すなわち、樹脂バインダのガラス転移点よりも高いガラス転移点を有する有機繊維であればよい。なお、樹脂バインダのガラス転移点と、少なくとも1種の有機繊維のガラス転移点との差は、上記と同様に、10℃以上であることが好ましく、30℃以上であることがより好ましく、130℃以下であることが好ましく、120℃以下であることがより好ましく、100℃以下であることがさらに好ましく、80℃以下であることがさらにより好ましく、70℃以下であることが特に好ましい。 Furthermore, the mixture may contain two or more types of organic fibers. In this case, at least one of the organic fibers must act as a framework, i.e., an organic fiber having a glass transition temperature higher than that of the resin binder. The difference between the glass transition temperature of the resin binder and the glass transition temperature of at least one type of organic fiber is preferably 10°C or higher, more preferably 30°C or higher, preferably 130°C or lower, more preferably 120°C or lower, even more preferably 100°C or lower, even more preferably 80°C or lower, and particularly preferably 70°C or lower.
有機繊維及び樹脂バインダの含有量が適切に制御されていると、有機繊維による骨格としての機能を十分に得ることができるとともに、樹脂バインダによる骨格の補強効果を十分に得ることができる。有機繊維の含有量は、無機断熱材30の全質量に対して0.5質量%以上であることが好ましく、1質量%以上であることがより好ましい。また、12質量%以下であることが好ましく、8質量%以下であることがより好ましい。なお、樹脂バインダのガラス転移点よりも高いガラス転移点を有する複数の有機繊維を含む場合に、これら複数の有機繊維の合計量が、上記有機繊維の含有量の範囲内であることが好ましい。 When the content of organic fibers and resin binder is appropriately controlled, the function of the organic fibers as a skeleton can be fully obtained, as can the reinforcing effect of the resin binder on the skeleton. The content of organic fibers is preferably 0.5% by mass or more, more preferably 1% by mass or more, relative to the total mass of the inorganic insulation material 30. Furthermore, it is preferably 12% by mass or less, and more preferably 8% by mass or less. When multiple organic fibers having a glass transition temperature higher than the glass transition temperature of the resin binder are included, it is preferable that the total amount of these multiple organic fibers is within the above-mentioned organic fiber content range.
上述のとおり、2種類以上の有機繊維を含む場合に、少なくとも1種の有機繊維が、樹脂バインダのガラス転移点よりも高いガラス転移点を有するものであればよいが、その他の有機繊維として、ガラス転移点を有さない結晶状態の有機繊維を含有することがより好ましい。 As described above, when two or more types of organic fibers are included, it is sufficient if at least one type of organic fiber has a glass transition temperature higher than that of the resin binder. However, it is more preferable to include crystalline organic fibers that do not have a glass transition temperature as the other organic fibers.
ガラス転移点を有さない結晶状態の有機繊維を含有することもできるが、この結晶状態の有機繊維は軟化点を持たないため、骨格となる有機繊維が軟化するような高温に晒された場合であっても、無機断熱材30の強度を維持することができる。また、結晶状態の有機繊維を含有することにより、常温(20℃)において、この有機繊維も断熱材の骨格として作用する。したがって、無機断熱材30の柔軟性や取り扱い性を向上させることができる。 It is also possible to include organic fibers in a crystalline state that do not have a glass transition temperature. Since these crystalline organic fibers do not have a softening point, the strength of the inorganic insulation material 30 can be maintained even when exposed to high temperatures that would cause the skeletal organic fibers to soften. Furthermore, by including organic fibers in a crystalline state, these organic fibers also act as the skeletal structure of the insulation material at room temperature (20°C). Therefore, the flexibility and handling properties of the inorganic insulation material 30 can be improved.
なお、結晶状態の有機繊維としては、ポリエステル(PET)繊維が挙げられる。 Polyester (PET) fibers are an example of organic fibers in a crystalline state.
また、無機断熱材30の製造において抄造法を行う際に、分散液として水を使用することが好ましいが、有機繊維は水への溶解度が低いことが好ましい。水への溶解度を示す指標として「水中溶解温度」を使用できるが、有機繊維の水中溶解温度は60℃以上であることが好ましく、70℃以上であることがより好ましく、80℃以上であることがさらに好ましい。 Furthermore, when manufacturing the inorganic insulation material 30 using the papermaking method, it is preferable to use water as the dispersion liquid, but it is preferable that the organic fibers have low solubility in water. While the "water dissolution temperature" can be used as an indicator of solubility in water, the water dissolution temperature of the organic fibers is preferably 60°C or higher, more preferably 70°C or higher, and even more preferably 80°C or higher.
有機繊維の繊維長についても特に限定されないが、成形性や加工性を確保する観点から、平均繊維長は10mm以下とすることが好ましい。一方、有機繊維を骨格として機能させ、断熱材の圧縮強度を確保する観点から、平均繊維長は0.5mm以上とすることが好ましい。 While there are no particular limitations on the fiber length of the organic fibers, it is preferable that the average fiber length be 10 mm or less from the viewpoint of ensuring moldability and processability. On the other hand, from the viewpoint of allowing the organic fibers to function as a framework and ensuring the compressive strength of the thermal insulation material, it is preferable that the average fiber length be 0.5 mm or more.
(無機粒子)
さらに、無機粒子を含有することもできる。無機粒子の平均二次粒子径が0.01μm以上であると、入手しやすく、製造コストの上昇を抑制することができる。また、200μm以下であると、所望の断熱効果を得ることができる。したがって、無機粒子の平均二次粒子径は、0.01μm以上200μm以下であることが好ましく、0.05μm以上100μm以下であることがより好ましい。
(Inorganic particles)
Furthermore, inorganic particles can also be included. If the average secondary particle diameter of the inorganic particles is 0.01 μm or more, they are readily available and the increase in manufacturing costs can be suppressed. Also, if it is 200 μm or less, the desired heat insulating effect can be obtained. Therefore, the average secondary particle diameter of the inorganic particles is preferably 0.01 μm or more and 200 μm or less, and more preferably 0.05 μm or more and 100 μm or less.
無機粒子として、単一の無機粒子を使用してもよいし、2種以上の無機粒子(第1の無機粒子及び第2の無機粒子)を組み合わせて使用してもよい。第1の無機粒子及び第2の無機粒子としては、熱伝達抑制効果の観点から、酸化物粒子、炭化物粒子、窒化物粒子及び無機水和物粒子から選択される少なくとも1種の無機材料からなる粒子を使用することが好ましく、酸化物粒子を使用することがより好ましい。また、第1の無機粒子及び第2の無機粒子の形状についても特に限定されないが、ナノ粒子、中空粒子及び多孔質粒子から選択される少なくとも1種を含むことが好ましく、具体的には、シリカナノ粒子、金属酸化物粒子、マイクロポーラス粒子や中空シリカ粒子等の無機バルーン、熱膨張性無機材料からなる粒子、含水多孔質体からなる粒子等を使用することもできる。 As inorganic particles, a single inorganic particle may be used, or two or more types of inorganic particles (first inorganic particles and second inorganic particles) may be used in combination. From the viewpoint of heat transfer suppression effect, it is preferable to use particles made of at least one inorganic material selected from oxide particles, carbide particles, nitride particles, and inorganic hydrate particles as the first and second inorganic particles, and more preferably oxide particles. Furthermore, the shape of the first and second inorganic particles is not particularly limited, but it is preferable to include at least one selected from nanoparticles, hollow particles, and porous particles. Specifically, silica nanoparticles, metal oxide particles, inorganic balloons such as microporous particles and hollow silica particles, particles made of thermally expandable inorganic materials, particles made of water-containing porous materials, etc., can also be used.
なお、2種以上の熱伝達抑制効果が互いに異なる無機粒子を併用すると、多段に冷却することができ、吸熱作用をより広い温度範囲で発現できる。具体的には、大径粒子と小径粒子とを混合使用することが好ましい。例えば、一方の無機粒子として、ナノ粒子を使用する場合に、他方の無機粒子として、金属酸化物からなる無機粒子を含むことが好ましい。以下、小径の無機粒子を第1の無機粒子、大径の無機粒子を第2の無機粒子として、無機粒子についてさらに詳細に説明する。 Furthermore, by using two or more inorganic particles with different heat transfer suppression effects, multi-stage cooling is possible, and the endothermic effect can be exhibited over a wider temperature range. Specifically, it is preferable to use a mixture of large-diameter and small-diameter particles. For example, when using nanoparticles as one type of inorganic particle, it is preferable to include inorganic particles made of metal oxides as the other type of inorganic particle. Below, the inorganic particles will be described in more detail, with small-diameter inorganic particles referred to as the first inorganic particles and large-diameter inorganic particles as the second inorganic particles.
(第1の無機粒子)
(酸化物粒子)
第1の無機粒子として、酸化物粒子が好ましい。酸化物粒子は屈折率が高く、光を乱反射させる効果が強いため、特に異常発熱などの高温度領域において輻射伝熱を抑制することができる。酸化物粒子としては、シリカ、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る少なくとも1種の粒子を使用することができる。特に、シリカは断熱性が高い成分であり、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って、500℃以上の高温度領域において光を乱反射させ輻射熱を遮る効果が高いため、酸化物粒子としてシリカ及びチタニアを用いることが最も好ましい。
(First inorganic particle)
(Oxide particles)
As the first inorganic particles, oxide particles are preferred. Oxide particles have a high refractive index and a strong effect of diffusely reflecting light, so they can suppress radiative heat transfer, especially in high-temperature regions such as abnormal heat generation. As oxide particles, at least one particle selected from silica, titania, zirconia, zircon, barium titanate, zinc oxide, and alumina can be used. In particular, silica is a component with high heat insulation properties, and titania is a component with a higher refractive index compared to other metal oxides, and has a high effect of diffusely reflecting light and blocking radiant heat in high-temperature regions of 500°C or higher, so it is most preferable to use silica and titania as oxide particles.
酸化物粒子の粒子径は、輻射熱を反射する効果に影響を与えることがあるため、平均一次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、酸化物粒子の平均一次粒子径が0.001μm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るため、500℃以上の高温度領域において無機断熱材30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、酸化物粒子の平均一次粒子径が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いため、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。 The particle size of oxide particles can affect the effect of reflecting radiant heat; therefore, limiting the average primary particle size to a predetermined range can achieve even higher thermal insulation. Specifically, if the average primary particle size of the oxide particles is 0.001 μm or larger, it is sufficiently larger than the wavelength of light contributing to heating, efficiently scattering light. This suppresses radiative heat transfer in the inorganic thermal insulation material 30 in the high-temperature range of 500°C or higher, further improving thermal insulation. On the other hand, if the average primary particle size of the oxide particles is 50 μm or less, the number and contact points between particles do not increase even when compressed, making it difficult to form conduction heat transfer paths. Therefore, the impact on thermal insulation, especially in the normal temperature range where conduction heat transfer is dominant, can be reduced.
なお、本実施形態において平均一次粒子径は、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個の平均を取ることにより求めることができる。 In this embodiment, the average primary particle diameter can be determined by observing the particles under a microscope, comparing them to a standard scale, and taking the average of 10 arbitrary particles.
(ナノ粒子)
第1の無機粒子としてナノ粒子が好ましく、ナノ粒子は低密度であるため伝導伝熱を抑制し、更に空隙が細かく分散するため、対流伝熱を抑制する優れた断熱性を得ることができる。このため、通常の常温域の電池使用時において、隣接するナノ粒子間の熱の伝導を抑制することができる点で、ナノ粒子を使用することが好ましい。
(Nanoparticles)
Nanoparticles are preferred as the first inorganic particles. Because nanoparticles have a low density, they suppress conductive heat transfer, and because the voids are finely dispersed, they suppress convective heat transfer, resulting in excellent thermal insulation. For this reason, it is preferable to use nanoparticles when using batteries at normal room temperature, as they can suppress heat conduction between adjacent nanoparticles.
なお、ナノ粒子とは、球形又は球形に近い平均一次粒子径が1μm未満のナノメートルオーダーの粒子を表す。 Furthermore, nanoparticles refer to particles that are spherical or nearly spherical, with an average primary particle diameter of less than 1 μm, on the order of nanometers.
また、酸化物粒子として、平均一次粒子径が小さいナノ粒子を使用すると、電池セルの熱暴走に伴う膨張によって無機断熱材30の内部密度が上がった場合であっても、無機断熱材30の伝導伝熱の上昇を抑制することができる。これは、ナノ粒子が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、かさ密度が低いため、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。 Furthermore, by using nanoparticles with a small average primary particle diameter as oxide particles, it is possible to suppress the increase in conductive heat transfer of the inorganic insulation material 30 even when the internal density of the inorganic insulation material 30 increases due to expansion associated with thermal runaway of the battery cell. This is thought to be because nanoparticles easily create fine voids between particles due to electrostatic repulsion, and because their bulk density is low, the particles are packed in a way that provides cushioning.
なお、第1の無機粒子としてナノ粒子を使用する場合に、上記ナノ粒子の定義に沿ったものであれば、材質について特に限定されない。例えば、シリカナノ粒子は、断熱性が高い材料であることに加えて、粒子同士の接点が小さいため、シリカナノ粒子により伝導される熱量は、粒子径が大きいシリカ粒子を使用した場合と比較して小さくなる。また、一般的に入手されるシリカナノ粒子は、かさ密度が0.1(g/cm3)程度であるため、例えば、無機断熱材30に対して大きな圧縮応力が加わった場合であっても、シリカナノ粒子同士の接点の大きさ(面積)や数が著しく大きくなることはなく、断熱性を維持することができる。したがって、ナノ粒子としてはシリカナノ粒子を使用することが好ましい。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。 Furthermore, when nanoparticles are used as the first inorganic particles, the material is not particularly limited as long as it conforms to the above definition of nanoparticles. For example, silica nanoparticles are a material with high thermal insulation properties, and because the contact points between particles are small, the amount of heat conducted by silica nanoparticles is smaller compared to when silica particles with a larger particle size are used. In addition, since commonly available silica nanoparticles have a bulk density of about 0.1 (g/ cm³ ), even if a large compressive stress is applied to the inorganic thermal insulation material 30, for example, the size (area) and number of contact points between silica nanoparticles do not increase significantly, and thermal insulation properties can be maintained. Therefore, it is preferable to use silica nanoparticles as nanoparticles. As silica nanoparticles, wet silica, dry silica, aerogel, etc. can be used.
ナノ粒子の平均一次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、ナノ粒子の平均一次粒子径を1nm以上100nm以下とすると、特に500℃未満の温度領域において、断熱材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。また、圧縮応力が印加された場合であっても、ナノ粒子間に残った空隙と、多くの粒子間の接点が伝導伝熱を抑制し、無機断熱材30の断熱性を維持することができる。また、ナノ粒子の平均一次粒子径は、2nm以上であることがより好ましく、3nm以上であることが更に好ましい。一方、ナノ粒子の平均一次粒子径は、50nm以下であることがより好ましく、10nm以下であることが更に好ましい。 By limiting the average primary particle diameter of the nanoparticles to a predetermined range, even higher thermal insulation can be obtained. Specifically, by setting the average primary particle diameter of the nanoparticles to 1 nm or more and 100 nm or less, convective and conductive heat transfer within the insulating material can be suppressed, particularly in the temperature range below 500°C, thereby further improving thermal insulation. Furthermore, even when compressive stress is applied, the voids remaining between the nanoparticles and the numerous contact points between particles suppress conductive heat transfer, maintaining the thermal insulation properties of the inorganic insulating material 30. The average primary particle diameter of the nanoparticles is more preferably 2 nm or more, and even more preferably 3 nm or more. On the other hand, the average primary particle diameter of the nanoparticles is more preferably 50 nm or less, and even more preferably 10 nm or less.
(無機水和物粒子)
無機水和物粒子は、発熱体からの熱を受けて熱分解開始温度以上になると熱分解し、自身が持つ結晶水を放出して発熱体及びその周囲の温度を下げる、所謂「吸熱作用」を発現する。また、結晶水を放出した後は多孔質体となり、無数の空気孔により断熱作用を発現する。
(Inorganic hydrate particles)
Inorganic hydrate particles, when exposed to heat from a heat source and exceeding their decomposition start temperature, undergo thermal decomposition, releasing their crystalline water and lowering the temperature of the heat source and its surroundings—a phenomenon known as "endothermic action." After releasing the crystalline water, they become porous, exhibiting insulating properties through their numerous air pores.
無機水和物の具体例として、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)等が挙げられる。 Specific examples of inorganic hydrates include aluminum hydroxide (Al(OH) ₃ ), magnesium hydroxide (Mg(OH) ₂ ), calcium hydroxide (Ca(OH) ₂ ), zinc hydroxide (Zn(OH) ₂ ), iron hydroxide (Fe(OH) ₂ ), manganese hydroxide (Mn(OH) ₂ ), zirconium hydroxide (Zr(OH) ₂ ), and gallium hydroxide (Ga(OH) ₃ ).
例えば、水酸化アルミニウムは約35%の結晶水を有しており、下記式に示すように、熱分解して結晶水を放出して吸熱作用を発現する。そして、結晶水を放出した後は多孔質体であるアルミナ(Al2O3)となり、断熱材として機能する。
2Al(OH)3→Al2O3+3H2O
For example, aluminum hydroxide contains approximately 35% crystal water, and as shown in the formula below, it undergoes thermal decomposition to release crystal water, exhibiting an endothermic effect. After releasing the crystal water , it becomes a porous alumina ( Al₂O₃ ) and functions as an insulating material.
2Al(OH) 3 →Al 2 O 3 +3H 2 O
なお、熱暴走を起こした電池セルでは、200℃を超える温度に急上昇し、700℃付近まで温度上昇を続ける。したがって、無機粒子としては熱分解開始温度が200℃以上である無機水和物からなることが好ましい。 Furthermore, in battery cells experiencing thermal runaway, the temperature rapidly rises to over 200°C and continues to rise to around 700°C. Therefore, it is preferable that the inorganic particles consist of inorganic hydrates whose thermal decomposition initiation temperature is 200°C or higher.
上記に挙げた無機水和物の熱分解開始温度は、水酸化アルミニウムは約200℃、水酸化マグネシウムは約330℃、水酸化カルシウムは約580℃、水酸化亜鉛は約200℃、水酸化鉄は約350℃、水酸化マンガンは約300℃、水酸化ジルコニウムは約300℃、水酸化ガリウムは約300℃であり、いずれも熱暴走を起こした電池セルの急激な昇温の温度範囲とほぼ重なり、温度上昇を効率よく抑えることができることから、好ましい無機水和物であるといえる。 The thermal decomposition initiation temperatures for the inorganic hydrates listed above are approximately 200°C for aluminum hydroxide, 330°C for magnesium hydroxide, 580°C for calcium hydroxide, 200°C for zinc hydroxide, 350°C for iron hydroxide, 300°C for manganese hydroxide, 300°C for zirconium hydroxide, and 300°C for gallium hydroxide. These temperatures largely overlap with the temperature ranges at which battery cells undergo thermal runaway rapidly increase in temperature. Therefore, these inorganic hydrates are considered desirable because they can efficiently suppress temperature rise.
また、無機水和物粒子の平均粒子径が大きすぎると、無機断熱材30の中心付近にある無機水和物粒子が、その熱分解温度に達するまでにある程度の時間を要するため、無機断熱材30の中心付近の無機水和物粒子が熱分解しきれない場合がある。このため、無機水和物粒子の平均二次粒子径は、0.01μm以上200μm以下であることが好ましく、0.05μm以上100μm以下であることがより好ましい。 Furthermore, if the average particle size of the inorganic hydrate particles is too large, it may take a certain amount of time for the inorganic hydrate particles near the center of the inorganic insulation material 30 to reach their thermal decomposition temperature, resulting in the inorganic hydrate particles near the center of the inorganic insulation material 30 not being completely decomposed. Therefore, the average secondary particle size of the inorganic hydrate particles is preferably 0.01 μm or more and 200 μm or less, and more preferably 0.05 μm or more and 100 μm or less.
(熱膨張性無機材料からなる粒子)
熱膨張性無機材料としては、バーミキュライト、ベントナイト、雲母、パーライト等を挙げることができる。
(Particles made of thermally expandable inorganic material)
Examples of thermally expandable inorganic materials include vermiculite, bentonite, mica, and perlite.
(含水多孔質体からなる粒子)
含水多孔質体の具体例としては、ゼオライト、カオリナイト、モンモリロナイト、酸性白土、珪藻土、湿式シリカ、乾式シリカ、エアロゲル、マイカ、バーミキュライト等が挙げられる。
(Particles made of a water-containing porous material)
Specific examples of water-containing porous materials include zeolite, kaolinite, montmorillonite, acid clay, diatomaceous earth, wet silica, dry silica, aerogel, mica, and vermiculite.
(無機バルーン)
無機バルーンが含まれると、500℃未満の温度領域において、断熱材内における熱の対流伝熱又は伝導伝熱を抑制することができ、無機断熱材30の断熱性をより一層向上させることができる。
(Inorganic balloon)
The inclusion of inorganic balloons can suppress convective or conductive heat transfer within the insulating material in the temperature range below 500°C, thereby further improving the thermal insulation performance of the inorganic insulating material 30.
無機バルーンとしては、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、バーライトバルーン、及びガラスバルーンから選択される少なくとも1種を用いることができる。 As the inorganic balloon, at least one selected from shirasu balloons, silica balloons, fly ash balloons, barlite balloons, and glass balloons can be used.
無機バルーンの含有量としては、無機断熱材30の全質量に対し、60質量%以下が好ましい。 The inorganic balloon content is preferably 60% by mass or less relative to the total mass of the inorganic insulation material 30.
また、無機バルーンの平均粒子径としては、1μm以上100μm以下が好ましい。 Furthermore, the average particle size of the inorganic balloons is preferably between 1 μm and 100 μm.
(第2の無機粒子)
第2の無機粒子は、第1の無機粒子と材質や粒子径等が異なっていれば特に限定されない。第2の無機粒子としては、酸化物粒子、炭化物粒子、窒化物粒子、無機水和物粒子、シリカナノ粒子、金属酸化物粒子、マイクロポーラス粒子や中空シリカ粒子等の無機バルーン、熱膨張性無機材料からなる粒子、含水多孔質体からなる粒子等を使用することができ、これらの詳細については、上述のとおりである。
(Second inorganic particle)
The second inorganic particles are not particularly limited as long as they differ from the first inorganic particles in terms of material, particle size, etc. Examples of second inorganic particles include oxide particles, carbide particles, nitride particles, inorganic hydrate particles, silica nanoparticles, metal oxide particles, inorganic balloons such as microporous particles and hollow silica particles, particles made of thermally expandable inorganic materials, and particles made of water-containing porous materials. Details of these are as described above.
なお、ナノ粒子は伝導伝熱が極めて小さいとともに、無機断熱材30に圧縮応力が加わった場合であっても、優れた断熱性を維持することができる。また、チタニア等の金属酸化物粒子は、輻射熱を遮る効果が高い。さらに、大径の無機粒子と小径の無機粒子とを使用すると、大径の無機粒子同士の隙間に小径の無機粒子が入り込むことにより、より緻密な構造となり、熱伝達抑制効果を向上させることができる。したがって、上記第1の無機粒子として、ナノ粒子を使用した場合に、さらに、第2の無機粒子として、第1の無機粒子よりも大径である金属酸化物からなる粒子を、無機断熱材30に含有させることが好ましい。 Furthermore, nanoparticles exhibit extremely low conductive heat transfer and can maintain excellent thermal insulation even when compressive stress is applied to the inorganic thermal insulation material 30. Additionally, metal oxide particles such as titania have a high effect in blocking radiant heat. Moreover, using both large-diameter and small-diameter inorganic particles allows the small-diameter particles to fill the gaps between the large-diameter particles, resulting in a denser structure and improving the heat transfer suppression effect. Therefore, when nanoparticles are used as the first inorganic particles, it is preferable to further incorporate metal oxide particles, which are larger in diameter than the first inorganic particles, into the inorganic thermal insulation material 30 as the second inorganic particles.
金属酸化物としては、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化アルミニウム、チタン酸バリウム、酸化亜鉛、ジルコン、酸化ジルコニウム等を挙げることがでる。特に、酸化チタン(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させ輻射熱を遮る効果が高いため、チタニアを用いることが最も好ましい。 Examples of metal oxides include silicon dioxide, titanium dioxide, aluminum oxide, barium titanate, zinc oxide, zircon, and zirconium oxide. In particular, titanium dioxide (titania) has a higher refractive index compared to other metal oxides, and is highly effective at diffusely reflecting light and blocking radiant heat in high-temperature regions above 500°C; therefore, using titania is most preferable.
第2の無機粒子の平均一次粒子径は、1μm以上50μm以下であると、500℃以上の高温度領域で効率よく輻射伝熱を抑制することができる。第2の無機粒子の平均一次粒子径は、5μm以上30μm以下であることが更に好ましく、10μm以下であることが最も好ましい。 If the average primary particle diameter of the second inorganic particles is between 1 μm and 50 μm, radiative heat transfer can be efficiently suppressed in the high-temperature region of 500°C or higher. More preferably, the average primary particle diameter of the second inorganic particles is between 5 μm and 30 μm, and most preferably 10 μm or less.
(不融化繊維)
上記無機繊維に代えて、又はその一部を不融化繊維としてもよい。不融化繊維は、ポリアクリロニトリル、セルロース、ピッチなどの熱可塑性樹脂を不融化処理した繊維などが挙げられる。なお、不融化繊維とは、例えば不融化処理された繊維であり、不融化処理としては、放射線、電子線などを照射し架橋させる方法、酸素や水蒸気中で高温に曝し、酸素の作用により不融化させる方法などがある。
(Infusible fibers)
In lieu of, or in part thereof, the inorganic fibers mentioned above may be replaced with infusible fibers. Examples of infusible fibers include fibers obtained by infusifying thermoplastic resins such as polyacrylonitrile, cellulose, and pitch. Infusible fibers are, for example, fibers that have been treated to be infusible. Infusible treatment methods include irradiating with radiation or electron beams to cause crosslinking, or exposing to high temperatures in oxygen or water vapor to cause infusibility through the action of oxygen.
(炭素含有量)
不融化繊維は、炭素含有量が55~95質量%であることが好ましい。炭素含有量が55質量%以上であると、熱分解による重量減少が既に進行しているので、熱分解による収縮は少なく、熱暴走時、火炎に直接さらされても、原形をとどめ、断熱性を維持することができる。炭素含有量が95質量%以下であると、炭素以外の成分を脱離させ、炭素だけの構造に変化するために吸熱反応が起こるので、無機断熱材30の裏面に熱が到達する時間を遅らせることができる。
(Carbon content)
The infusible fibers preferably have a carbon content of 55 to 95% by mass. If the carbon content is 55% by mass or more, weight loss due to thermal decomposition has already begun, so shrinkage due to thermal decomposition is small, and even when directly exposed to flames during runaway thermal activity, the original shape can be retained and the insulating properties can be maintained. If the carbon content is 95% by mass or less, an endothermic reaction occurs as components other than carbon are removed and the structure changes to one consisting only of carbon, so the time it takes for heat to reach the back surface of the inorganic insulating material 30 can be delayed.
望ましい炭素含有量の下限は、60質量%以上である。また、望ましい炭素含有量の上限は90質量%以下、さらに望ましい炭素含有量の上限は85質量%以下である。 The desirable lower limit for carbon content is 60% by mass or more. Furthermore, the desirable upper limit for carbon content is 90% by mass or less, and the even more desirable upper limit for carbon content is 85% by mass or less.
炭素含有量は、熱処理することにより調整することができる。例えば150~300℃の範囲内の大気中あるいは酸素中での熱処理は、不融化をさらに促進するとともに炭素以外の成分を除去し炭素含有量を高めることができる。例えば300~1000℃の範囲内の熱処理は、縮合多環芳香族構造の形成を進行させるとともに分解ガスを発生し炭素含有量を高めることができる。 The carbon content can be adjusted by heat treatment. For example, heat treatment in air or oxygen within the range of 150 to 300°C further promotes infusibility and removes components other than carbon, thereby increasing the carbon content. For example, heat treatment within the range of 300 to 1000°C promotes the formation of condensed polycyclic aromatic structures and generates decomposition gases, thereby increasing the carbon content.
なお、不融化繊維は、熱可塑性繊維を不融化した繊維に限定されない。上記炭素含有量の範囲であれば、無機繊維であってもよい。 Furthermore, infusible fibers are not limited to thermoplastic fibers that have been made infusible. Inorganic fibers may also be used, as long as they fall within the carbon content range mentioned above.
(繊維形状)
不融化繊維は短繊維からなり、これらが集成して全体の形態としてマット、抄造体、ブランケットを構成することが好ましい。
(Fiber shape)
Infusible fibers consist of short fibers, and it is preferable that these fibers are aggregated to form a mat, paper-formed body, or blanket as an overall structure.
短繊維であるとは、連続繊維ではないことを示している。連続繊維では、クロス、フィラメントワインディングのように繊維の配向方向が揃って繊維束を形成するのに対し、繊維を用いることにより、繊維がランダムな方向を向いた集成体(マットやブランケット、抄造体)となる。そして、短繊維を用いた無機断熱材30は、導電パスが短いので、炭素化の進んだ繊維や、熱暴走に伴って炭素化が進行しても、導電性を低くすることができる。また、繊維がランダムに配向し、繊維同士が点接触となりやすく、熱伝導を低くすることができる。 The term "short fiber" indicates that the fibers are not continuous fibers. In continuous fibers, the fiber orientation is aligned to form a fiber bundle, as in cross-filament winding. However, using short fibers results in an aggregate (mat, blanket, or paper-formed material) where the fibers are randomly oriented. Furthermore, because the inorganic insulation material 30 using short fibers has short conductive paths, its conductivity can be kept low even if carbonization progresses through carbonization due to thermal runaway or if the fibers undergo significant carbonization. Additionally, the random orientation of the fibers makes point contact between them more likely, further reducing thermal conductivity.
抄造体は、不融化繊維のミルド繊維やチョップド繊維(繊維長0.01~10mm程度)を水に分散させ、抄造することによって得ることができる。マットやブランケットは、繊維長10~1000mm程度の不融化繊維を積層し、圧縮することによって得ることができる。その際、全体の強度や形状を保持するために、バインダを添加してもよい。なお、バインダとしては、樹脂などの有機バインダ、セラミックス前駆体などの無機バインダなどが利用できる。 Paper-formed materials can be obtained by dispersing milled or chopped infusible fibers (fiber length approximately 0.01 to 10 mm) in water and then forming the paper. Mats and blankets can be obtained by laminating and compressing infusible fibers with a fiber length of approximately 10 to 1000 mm. A binder may be added to maintain overall strength and shape. Suitable binders include organic binders such as resins and inorganic binders such as ceramic precursors.
また、不融化繊維は、繊維径が1~30μmであることが好ましい。不融化繊維の繊維径が1μm以上であると、高温に曝されても空気酸化、昇華の速度を抑制し、防炎の効果を長時間維持することができる。一方、不融化繊維の繊維径が30μm以下であると、高温に曝され炭素化しても一定のしなやかさを保持し、変形、衝撃が生じても破損しにくくすることができる。 Furthermore, the infusible fibers preferably have a fiber diameter of 1 to 30 μm. If the fiber diameter of the infusible fibers is 1 μm or larger, the rate of air oxidation and sublimation is suppressed even when exposed to high temperatures, allowing the flame-retardant effect to be maintained for a long period. On the other hand, if the fiber diameter of the infusible fibers is 30 μm or less, a certain degree of flexibility is maintained even when carbonized by exposure to high temperatures, making them less susceptible to damage even when deformed or impacted.
なお、不融化繊維の他にも、上記した有機繊維や無機粒子を含むことができる。 In addition to infusible fibers, the material may also contain the organic fibers and inorganic particles mentioned above.
また、無機断熱材30は、乾式シートであってもよく、湿式シートであってもよい。以下に製造方法について説明する。 Furthermore, the inorganic insulation material 30 may be a dry sheet or a wet sheet. The manufacturing method is described below.
(無機断熱材30の製造方法)
無機断熱材30は、繊維成分及び粒子成分、更には他の配合材料を、乾式成形法又は湿式成形法により型成形して製造される。乾式成形法については、例えばプレス成形法(乾式プレス成形法)及び押出成形法(乾式押出成形法)を使用することができる。
(Method for manufacturing inorganic thermal insulation material 30)
The inorganic thermal insulation material 30 is manufactured by molding fibrous components, particulate components, and other compounding materials using a dry molding method or a wet molding method. For the dry molding method, for example, a press molding method (dry press molding method) and an extrusion molding method (dry extrusion molding method) can be used.
(乾式プレス成形法を用いた製造方法)
乾式プレス成形法では、繊維成分、粒子成分及び他の配合材料を所定の割合でV型混合機等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、この混合物を所定の型内に投入し、プレス成形することにより、無機断熱材30を得ることができる。プレス成形時に、必要に応じて加熱してもよい。
(Manufacturing method using dry press molding)
In the dry press molding method, fiber components, particle components, and other compounding materials are put into a mixer such as a V-type mixer in predetermined proportions. After the materials put into the mixer are thoroughly mixed, this mixture is put into a predetermined mold and press-molded to obtain the inorganic heat insulating material 30. Heating may be performed during press molding as needed.
なお、プレス成形時のプレス圧は、0.98MPa以上9.80MPa以下の範囲であることが好ましい。プレス圧が0.98MPa未満であると、得られる無機断熱材30において、強度を保つことができずに崩れてしまうおそれがある。一方、プレス圧が9.80MPaを超えると、過度の圧縮によって加工性が低下したり、かさ密度が高くなるため固体伝熱が増加し、断熱性が低下するおそれがある。 Furthermore, the press pressure during press forming is preferably in the range of 0.98 MPa to 9.80 MPa. If the press pressure is less than 0.98 MPa, the resulting inorganic thermal insulation material 30 may collapse due to insufficient strength. On the other hand, if the press pressure exceeds 9.80 MPa, excessive compression may reduce processability, and the increased bulk density may lead to increased solid heat transfer and a decrease in thermal insulation performance.
また、乾式プレス成形法を用いる場合には、有機バインダとして、ポリビニルアルコール(PVA:PolyVinyl Alcohol)を使用することが好ましいが、乾式プレス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。 Furthermore, when using the dry press molding method, it is preferable to use polyvinyl alcohol (PVA) as the organic binder; however, any organic binder commonly used in dry press molding can be used without particular limitation.
(乾式押出成形法を用いた製造方法)
乾式押出成形法では、繊維成分、粒子成分及び他の配合材料を所定の割合で水に加え、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、更に乾燥させることにより、無機断熱材30を得ることができる。乾式押出成形法を用いる場合には、有機バインダとして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、乾式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。
(Manufacturing method using dry extrusion molding)
In the dry extrusion molding method, a paste is prepared by adding fiber components, particle components, and other compounding materials to water in predetermined proportions and kneading them in a kneader. Then, the obtained paste is extruded through a slit-shaped nozzle using an extruder and further dried to obtain the inorganic heat insulating material 30. When using the dry extrusion molding method, it is preferable to use methylcellulose and water-soluble cellulose ether as the organic binder, but any organic binder commonly used in the dry extrusion molding method can be used without particular limitation.
(湿式成形法を用いた製造方法)
湿式成形法では、繊維成分、粒子成分及び他の配合材料を所定の割合で水に加え、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、濾過用のメッシュを介して、得られた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、無機断熱材30を得ることができる。
(Manufacturing method using wet molding)
In the wet molding method, fiber components, particle components, and other compounding materials are added to water in predetermined proportions, mixed in the water, and stirred with a stirrer to prepare a mixture. Then, the resulting mixture is dewatered through a filtration mesh to produce a wet sheet. Subsequently, the obtained wet sheet is heated and pressurized to obtain the inorganic heat insulating material 30.
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。また、湿式成形法を用いる場合には、有機バインダとして、カチオン化デンプンやアクリル樹脂を選択することができる。 Furthermore, before the heating and pressurizing process, a ventilated drying treatment may be performed by passing hot air through the wet sheet to dry it. However, this ventilated drying treatment may be omitted, and heating and pressurizing may be performed while the sheet remains wet. Also, when using a wet molding method, cationized starch or acrylic resin can be selected as the organic binder.
[蓄電装置]
図4Aは、図1Aに示すバスバー1を用いた場合であるが、図示されるように、蓄電装置100は、複数の電池セル110を、電池ケース120に収容したものである。そして、隣接する電池セル110と電池セル110とを図1Aのバスバー1で接続している。
[Energy storage device]
Figure 4A shows the case using the busbar 1 shown in Figure 1A. As shown, the energy storage device 100 houses multiple battery cells 110 in a battery case 120. Adjacent battery cells 110 are connected by the busbar 1 shown in Figure 1A.
図4Bは、図1Bに示すバスバー1を用いた場合であるが、図示されるように、蓄電装置100は、複数の電池セル110を、電池ケース120に収容したものである。そして、隣接する電池セル110と電池セル110とを図1Bのバスバー1で接続している。 Figure 4B shows the case using the busbar 1 shown in Figure 1B. As illustrated, the energy storage device 100 houses multiple battery cells 110 in a battery case 120. Adjacent battery cells 110 are connected by the busbar 1 shown in Figure 1B.
バスバー1は、無機断熱材30と無機繊維シート10とを備える積層体で包囲されており、ある電池セル110が熱暴走を起こしても、バスバー1を保護できるとともに、バスバー1を介して隣接する電池セル110への熱暴走の連鎖を防ぐことができる。 The busbar 1 is surrounded by a laminate comprising an inorganic heat insulating material 30 and an inorganic fiber sheet 10. This protects the busbar 1 even if a battery cell 110 experiences thermal runaway, and prevents a chain reaction of thermal runaway to adjacent battery cells 110 via the busbar 1.
なお、図示は省略するが、複数のモジュールをバスバー1で接続してもよい。 Although not shown in the diagram, multiple modules may be connected via busbar 1.
1 バスバー
5 バスバー本体
6a、6b 接続孔
10 無機繊維シート
20 吸熱反応層
30 無機断熱材
100 蓄電装置
110 電池セル
111 電極
120 電池ケース
1 Busbar 5 Busbar body 6a, 6b Connection hole 10 Inorganic fiber sheet 20 Endothermic reaction layer 30 Inorganic insulation material 100 Energy storage device 110 Battery cell 111 Electrode 120 Battery case
Claims (14)
導電性材料からなるバスバー本体が、無機繊維シートにより巻回されており、
前記無機繊維シートは、無機繊維クロスであり、
前記無機繊維シートの前記電池セルと対向する側と、前記バスバー本体との間に無機断熱材が配置され、前記バスバー本体とともに前記無機繊維シートにより巻回されており、
前記無機断熱材は、無機粒子を含む湿式シート又は乾式シートであることを特徴とするバスバー。 A busbar used in an energy storage device including a battery cell,
The busbar body, made of conductive material, is wound with an inorganic fiber sheet.
The aforementioned inorganic fiber sheet is an inorganic fiber cloth,
An inorganic heat insulating material is placed between the side of the inorganic fiber sheet facing the battery cell and the busbar body, and is wound together with the busbar body by the inorganic fiber sheet.
The aforementioned inorganic thermal insulation material is a wet sheet or a dry sheet containing inorganic particles, and is characterized by this busbar .
導電性材料からなるバスバー本体が、無機繊維シートにより巻回されており、
前記無機繊維シートは、無機繊維クロスであり、
前記無機繊維シートの前記電池セルと対向する側と、前記バスバー本体との間に無機断熱材が配置され、前記バスバー本体とともに前記無機繊維シートにより巻回されており、
前記無機繊維クロスは、前記電池セルと対向する面とは反対側の面を除いて、前記無機繊維クロス同士及び前記無機繊維クロスと前記無機断熱材と前記バスバー本体とは接着されていないことを特徴とするバスバー。 A busbar used in an energy storage device including a battery cell,
The busbar body, made of conductive material, is wound with an inorganic fiber sheet.
The aforementioned inorganic fiber sheet is an inorganic fiber cloth,
An inorganic heat insulating material is placed between the side of the inorganic fiber sheet facing the battery cell and the busbar body, and is wound together with the busbar body by the inorganic fiber sheet.
The busbar is characterized in that, except for the surface opposite to the surface facing the battery cell, the inorganic fiber cloths are not bonded to each other, nor to the inorganic fiber cloths, the inorganic insulation material, and the busbar body.
導電性材料からなるバスバー本体が、無機繊維シートにより巻回されており、
前記無機繊維シートは、無機繊維クロスであり、
前記無機繊維シートの前記電池セルと対向する側と、前記バスバー本体との間に無機断熱材が配置され、前記バスバー本体とともに前記無機繊維シートにより巻回されており、
前記無機繊維クロスと前記無機断熱材と前記バスバー本体との間の少なくとも一つは、接着されておらず、空気層が存在することを特徴とするバスバー。 A busbar used in an energy storage device including a battery cell,
The busbar body, made of conductive material, is wound with an inorganic fiber sheet.
The aforementioned inorganic fiber sheet is an inorganic fiber cloth,
An inorganic heat insulating material is placed between the side of the inorganic fiber sheet facing the battery cell and the busbar body, and is wound together with the busbar body by the inorganic fiber sheet.
A busbar characterized in that at least one of the inorganic fiber cloth, the inorganic insulation material, and the busbar body is not bonded together, and an air layer exists between them.
導電性材料からなるバスバー本体が、無機繊維シートにより巻回されており、
前記無機繊維シートは、無機繊維クロスであり、
前記無機繊維シートの前記電池セルと対向する側と、前記バスバー本体との間に無機断熱材が配置され、前記バスバー本体とともに前記無機繊維シートにより巻回されており、
前記無機断熱材は、無機繊維又は不融化繊維を含むことを特徴とするバスバー。 A busbar used in an energy storage device including a battery cell,
The busbar body, made of conductive material, is wound with an inorganic fiber sheet.
The aforementioned inorganic fiber sheet is an inorganic fiber cloth,
An inorganic heat insulating material is placed between the side of the inorganic fiber sheet facing the battery cell and the busbar body, and is wound together with the busbar body by the inorganic fiber sheet.
The aforementioned inorganic thermal insulation material is characterized by containing inorganic fibers or infusible fibers.
導電性材料からなるバスバー本体が、無機繊維シートにより巻回されており、
前記無機繊維シートは、無機繊維クロスであり、
前記無機繊維シートの前記電池セルと対向する側と、前記バスバー本体との間に無機断熱材が配置され、前記バスバー本体とともに前記無機繊維シートにより巻回されており、
前記無機断熱材は、有機繊維を含むことを特徴とするバスバー。 A busbar used in an energy storage device including a battery cell,
The busbar body, made of conductive material, is wound with an inorganic fiber sheet.
The aforementioned inorganic fiber sheet is an inorganic fiber cloth,
An inorganic heat insulating material is placed between the side of the inorganic fiber sheet facing the battery cell and the busbar body, and is wound together with the busbar body by the inorganic fiber sheet.
The aforementioned inorganic insulation material is characterized by containing organic fibers.
導電性材料からなるバスバー本体が、無機繊維シートにより巻回されており、
前記無機繊維シートは、無機繊維クロスであり、
前記無機繊維シートの前記電池セルと対向する側と、前記バスバー本体との間に無機断熱材が配置され、前記バスバー本体とともに前記無機繊維シートにより巻回されており、
前記無機断熱材は、無機粒子を含むことを特徴とするバスバー。 A busbar used in an energy storage device including a battery cell,
The busbar body, made of conductive material, is wound with an inorganic fiber sheet.
The aforementioned inorganic fiber sheet is an inorganic fiber cloth,
An inorganic heat insulating material is placed between the side of the inorganic fiber sheet facing the battery cell and the busbar body, and is wound together with the busbar body by the inorganic fiber sheet.
The aforementioned inorganic thermal insulation material is a bus bar characterized by containing inorganic particles.
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