特許 6982738 複合シートおよびこれを用いた電池パック

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6982738

(24)【登録日】2021年11月25日

(45)【発行日】2021年12月17日

(54)【発明の名称】複合シートおよびこれを用いた電池パック

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/6555 20140101AFI20211206BHJP

   H01M 10/653 20140101ALI20211206BHJP

   H01M 10/651 20140101ALI20211206BHJP

   H01M 10/658 20140101ALI20211206BHJP

   H01M 10/613 20140101ALI20211206BHJP

   H01M 10/647 20140101ALI20211206BHJP

   H01M 10/617 20140101ALI20211206BHJP

   B32B 7/025 20190101ALI20211206BHJP

   B32B 7/027 20190101ALI20211206BHJP

【ＦＩ】

   H01M10/6555

   H01M10/653

   H01M10/651

   H01M10/658

   H01M10/613

   H01M10/647

   H01M10/617

   B32B7/025

   B32B7/027

【請求項の数】8

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2018-505874(P2018-505874)

(86)(22)【出願日】2017年3月9日

(86)【国際出願番号】JP2017009416

(87)【国際公開番号】WO2017159527

(87)【国際公開日】20170921

【審査請求日】2019年12月23日

(31)【優先権主張番号】特願2016-49294(P2016-49294)

(32)【優先日】2016年3月14日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106116

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 健司

(74)【代理人】

【識別番号】100115554

【弁理士】

【氏名又は名称】野村 幸一

(72)【発明者】

【氏名】坂口 佳也

(72)【発明者】

【氏名】河村 典裕

【審査官】 坂東 博司

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−０２８８８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０１８８１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−３１５２４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０８１３８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１６／０１７１６４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１５−２１６１８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０８４３４７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ １０／６５５５

Ｈ０１Ｍ １０／６５３

Ｈ０１Ｍ １０／６５１

Ｈ０１Ｍ １０／６５８

Ｈ０１Ｍ ５０／２０

Ｈ０１Ｍ １０／６１３

Ｈ０１Ｍ １０／６４７

Ｈ０１Ｍ １０／６１７

Ｂ３２Ｂ ７／０２５

Ｂ３２Ｂ ７／０２７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱伝導シートと、
前記熱伝導シートの一方の面を覆う第１の絶縁シートと、
前記熱伝導シートの他方の面を覆い、前記第１の絶縁シートとの間で前記熱伝導シートを封止する第２の絶縁シートと、
前記熱伝導シートと前記第１の絶縁シートとの間に積層され、前記熱伝導シートの少なくとも一部の領域を覆う断熱層と、
を備え、
前記熱伝導シートは、
前記断熱層が積層された断熱領域と、
前記熱伝導シートが積層され、かつ前記断熱層が積層されていない熱伝導領域と、
を有する、
複合シート。

【請求項2】

前記熱伝導シートは、グラファイトシートである、
請求項１に記載の複合シート。

【請求項3】

前記断熱層は、１００ｋＰａの圧力が加えられたときの厚み変化率が１０％以下である、請求項１または２に記載の複合シート。

【請求項4】

前記断熱層の熱伝導率は、空気の熱伝導率よりも小さい、
請求項１から３のいずれか一項に記載の複合シート。

【請求項5】

前記断熱層は、
不織布と、
前記不織布に担持されたキセロゲルと、
を有する、
請求項１から４のいずれか一項に記載の複合シート。

【請求項6】

前記第２の絶縁シートは、前記熱伝導シートに対向する第１の面の反対側の第２の面に設けられた粘着層を有する、
請求項１から５のいずれか一項に記載の複合シート。

【請求項7】

筺体と、
前記筺体の内部に配置された第１の電池セルと、
前記筺体の前記内部に配置されて前記第１の電池セルと隣り合う第２の電池セルと、
前記第１の電池セルの外面に貼り合わされた、請求項１から６のいずれかに記載の複合シートと、
を備え、
前記複合シートの前記第２の絶縁シートが前記第１の電池セルの外面に接し、
前記断熱層は第１の電池セルと前記第２の電池セルとの間に配置された、
電池パック。

【請求項8】

前記複合シートの前記熱伝導シートは前記断熱層が積層されていない熱伝導領域を有し、
前記第１の電池セルは、前記複合シートの前記熱伝導領域を介して前記筺体に接続されている、
請求項７に記載の電池パック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、複合シート、およびこれを用いた電池パックに関するものである。

【背景技術】

【0002】

電子機器の高性能化や小型化に伴い、電子機器に用いられる電子部品の発熱量が増大し、その放熱のために、グラファイトシートなどの熱伝導部材が用いられている。

【0003】

また、各種機器にリチウムイオン二次電池が搭載されるようになり、その電流容量も大きくなってきている。リチウムイオン二次電池の電流容量が大きくなり使用される電流も増大すると、その発熱量も大きくなり、その放熱のために、グラファイトシートなどの熱伝導部材が用いられるようになってきた。

【0004】

なお、この出願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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１５−２２５７６５号公報

【発明の概要】

【0006】

複合シートは、熱伝導シートと、熱伝導シートの一方の面を覆う第１の絶縁シートと、熱伝導シートの他方の面を覆い、第１の絶縁シートとの間で熱伝導シートを封止する第２の絶縁シートとを備える。複合シートは、熱伝導シートと第１の絶縁シートとの間に積層され、熱伝導シートの少なくとも一部の領域を覆う断熱層を備える。

【0007】

この複合シートは、熱伝導の優れた領域と断熱の優れた領域を有し、熱伝導部材の性能と断熱部材の性能を兼ね備える。

【0008】

電池パックは、筺体と、筺体の内部に配置された電池セルと、電池セルの外面に貼り合わされた複合シートとを備える。電池パックに貼り合わされた複合シートは、第２の絶縁シートの側において、電池セルの外面に接し、断熱層は、複合シートが貼り合わされた電池セルと隣接する他の電池セルとの間に配置される。

【0009】

この電池パックは、電池セルから筺体への放熱性に優れるとともに、隣接する電池セルの間の断熱性に優れ、高い信頼性を有する。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1A】図１Ａは、実施の形態における複合シートの平面図である。

【図1B】図１Ｂは、図１Ａに示す複合シートの線１Ｂ−１Ｂにおける断面図である。

【図1C】図１Ｃは、図１Ｂに示す複合シートの要部１Ｃにおける断面図である。

【図2A】図２Ａは、実施の形態における複合シートを用いた電池パックの断面図である。

【図2B】図２Ｂは、図２Ａに示す電池パックを構成する複合シートの断面図である。

【図2C】図２Ｃは、図２Ａに示す電池パック分解斜視図である。

【図3】図３は、他の実施の形態における装置の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、実施の形態における複合シートについて、図面を参照しながら説明する。図１Ａは、実施の形態における複合シート１１の平面図である。図１Ｂは、図１Ａに示す複合シート１１の線１Ｂ−１Ｂにおける断面図である。図１Ｃは、図１Ｂに示す複合シート１１の要部１Ｃにおける断面図である。

【0012】

複合シート１１は、熱伝導シート１２と、断熱層１５と、第１の絶縁シート１３と、第２の絶縁シート１４とを有する。熱伝導シート１２は相対的に熱伝導率が高く、断熱層１５は相対的に熱伝導率が低い。第１の絶縁シート１３と第２の絶縁シート１４は、電気絶縁性を有する。第１の絶縁シート１３は、熱伝導シート１２の一方の面１２ａを覆う。第２の絶縁シート１４は、熱伝導シート１２の他方の面１２ｂを覆う。第１の絶縁シート１３および第２の絶縁シート１４は、熱伝導シート１２よりも寸法が大きく、熱伝導シート１２の外周縁の外側で互いに接着され、熱伝導シート１２を封止する。断熱層１５は、熱伝導シート１２と第１の絶縁シート１３との間に積層され、熱伝導シート１２の少なくとも一部の領域を覆う。断熱層１５は、熱伝導シート１２とともに、第１の絶縁シート１３と第２の絶縁シート１４によって封止される。

【0013】

複合シート１１は、熱伝導特性の優れた部分と断熱特性の優れた部分を有し、単一部材で熱伝導部材と断熱部材の両方の特性を兼ね備える。複合シート１１は、特に小型の電子機器において、限られた空間内で熱伝導部材と断熱部材の両方の機能を果たし、電子機器の小型化に寄与する。

【0014】

熱伝導シート１２には、厚さ約５０μｍのグラファイトシートを用いた。グラファイトシートは熱伝導特性に優れ、そのシート面方向の熱伝導率は約１３００Ｗ／ｍ・Ｋである。グラファイトシートは、厚み方向よりもシート面方向の熱伝導率が高く、熱伝導性に異方性がある。複合シート１１は、熱伝導シート１２としてグラファイトシートを用いることにより、熱伝導特性が良好になり、特に好ましい。

【0015】

グラファイトシートからは、導電性を有するグラファイト粉末が発生する可能性があり、グラファイト粉末は電子回路に付着してショートなどの不具合を引き起こす可能性がある。そのため、グラファイトシートよりも寸法の大きい第１の絶縁シート１３と第２の絶縁シート１４を用いてグラファイトシートを挟み込み、グラファイトシートの外周縁の外側で封止する。これにより、グラファイト粉末の飛散を防止し、電子回路の不具合の発生を抑制することができる。

【0016】

熱伝導シート１２としては、グラファイトシートの他に、金フィルム、銀フィルム、アルミニウムフィルム、銅フィルムなどの熱伝導率の高い部材を用いることができる。

【0017】

断熱層１５としては、ポリエチレンテレフタレート（以下、ＰＥＴと記す）の不織布にシリカキセロゲルを担持させた厚さ約０．５ｍｍのシートを用いた。その熱伝導率は約０．０２０Ｗ／ｍ・Ｋであり、空気の熱伝導率である約０．０２６Ｗ／ｍ・Ｋよりも小さい。このように、断熱層１５の熱伝導率は、空気の熱伝導率よりも小さいため、複合シート１１の断熱層１５は、少ない容積で優れた断熱特性を有し、複合シート１１の小型化を可能にする。

【0018】

断熱層１５は、１００ｋＰａの圧力を加えた場合の厚み変化率が１０％以下となるものを用いることが望ましい。ＰＥＴの不織布にシリカキセロゲルを担持させた断熱層１５は、圧力が加えられたときの厚みの変化率が小さく、１００ｋＰａの圧力が加えられたときの厚みの変化率は約３％である。このように構成した断熱層１５は、圧力が加えられる状況においても断熱性能の低下が少なく信頼性が高い。

【0019】

以上のように、断熱層１５は、不織布と、不織布に担持されたキセロゲルとを有することにより、断熱性に優れ、圧力が加わるような状況下においても良好な断熱特性を維持できる。

【0020】

断熱層１５としては、この他に、空気層やウレタン製の発泡シートなどのように熱伝導率の低いものを用いることができる。断熱層１５として空気層や発泡シートを使用した場合、圧力が加えられると圧縮され、断熱性が低下する場合がある。

【0021】

第１の絶縁シート１３は、絶縁フィルムからなるベース層１３ａと、その一方の面に積層された粘着層１３ｂとを有する。ベース層１３ａは厚さ約１０μｍのポリエチレンテレテレフタレートの絶縁フィルムである。粘着層１３ｂは、厚み約１０μｍのアクリル系粘着剤からなる。第１の絶縁シート１３は、粘着層１３ｂを介して、熱伝導シート１２および第２の絶縁シート１４に貼り合わされる。

【0022】

第２の絶縁シート１４は、絶縁フィルムからなるベース層１４ａと、熱伝導シート１２に対向する第１の面１４ｄに粘着層１４ｂを有し、第１の面１４ｄと反対側の第２の面１４ｅに粘着層１４ｃを有する。ベース層１４ａは厚さ約１０μｍのポリエチレンテレテレフタレートの絶縁フィルムである。粘着層１４ｂおよび粘着層１４ｃは、厚み約１０μｍのアクリル系粘着剤からなる。第２の絶縁シート１４は、粘着層１４ｂを介して、熱伝導シート１２および第１の絶縁シート１３に貼り合わされる。

【0023】

アクリル系粘着剤はグラファイトシートに対して大きな接着力を有する。これにより、粘着層１３ｂおよび粘着層１４ｂは、第１の絶縁シート１３および第２の絶縁シート１４をグラファイトシートに良好に接着でき、良好な熱伝達特性と機械的強度が得られる。また、断熱層１５を良好に封止することができる。

【0024】

ＰＥＴの不織布にシリカキセロゲルを担持させた断熱層１５は、シリカ粒子が剥離しやすいため、粘着材との間の接着力は小さい。断熱層１５を熱伝導シート１２と第１の絶縁シート１３との間で挟んで封止することにより、シリカ粒子が複合シート１１の外部に飛散することを防止できる。これにより、シリカ粒子の飛散による不具合防止と断熱特性の維持ができる。また、断熱層１５を熱伝導シート１２と第１の絶縁シート１３との間で挟んで封止することにより、断熱層１５の位置ずれを防止できる。

【0025】

第２の絶縁シート１４は、複合シート１１の外部に向かって露出する第２の面１４ｅの側に粘着層１４ｃを有する。複合シート１１は、粘着層１４ｃを有することにより、複合シート１１を外部装置（図示せず）に貼り合わせる際の作業効率が向上する。また、粘着層１４ｃを介して複合シート１１を外部装置（図示せず）に貼り合わせることにより、複合シート１１と外部装置（図示せず）との間の熱抵抗を低減させ、熱伝導特性を向上させることができる。

【0026】

複合シート１１は、熱伝導シート１２が断熱層１５で覆われた断熱面３１と、断熱層１５で覆われていない熱伝導面３２を有する。複合シート１１は、断熱面３１に接した物体に対して優れた断熱特性を有し、熱伝導面３２に接した物体に対して優れた熱伝導特性を有する。複合シート１１は、単一の部材で断熱機能と熱伝導機能を併せ持ち、断熱および放熱を必要とする電子機器に用いることにより、電子機器の小型化に貢献できる。

【0027】

複合シート１１は、第１の絶縁シート１３と熱伝導シート１２と第２の絶縁シート１４が積層され、かつ、断熱層１５が積層されていない熱伝導領域３３を有する。熱伝導領域３３において、複合シート１１は、第１の絶縁シート１３が積層された側の面と第２の絶縁シート１４が積層された面の両方が熱伝導面３２である。熱伝導領域３３において、複合シート１１は、厚み方向およびシート面方向の熱伝導特性に優れ、熱伝導部材として有用である。

【0028】

複合シート１１は、第１の絶縁シート１３と熱伝導シート１２と断熱層１５と第２の絶縁シート１４が積層された断熱領域３４を有する。断熱領域３４において、複合シート１１は、熱伝導シート１２が断熱層１５で覆われた断熱面３１と、断熱層１５で覆われていない熱伝導面３２を有する。

【0029】

断熱領域３４において、複合シート１１は、断熱面３１に接した物体に対して優れた断熱特性を有し、熱伝導面３２に接した物体に対して優れた熱伝導特性を有し、断熱部材および熱伝導部材の両方の機能を有する。

【0030】

複合シート１１は、熱伝導領域３３と断熱領域３４を有することにより、断熱領域３４の熱伝導面３２から流入した熱を熱伝導領域３３の熱伝導面３２から放熱することができる。また、断熱面３１に対する熱伝導を抑制することができる。そのため、優れた断熱特性と優れた熱伝導特性を併せ持つ。

【0031】

複合シート１１は、熱伝導領域３３の熱伝導シート１２と断熱領域３４の熱伝導シート１２が、一体もので構成されているため、断熱領域３４の熱伝導面３２から流入した熱を熱伝導領域３３の熱伝導面３２に伝達する際の熱伝達特性に優れる。

【0032】

グラファイトシートは、熱伝導特性に異方性を有し、厚み方向の熱伝導特性と比較してシート面方向に特に高い熱伝導特性を有する。複合シート１１は、熱伝導シート１２として、グラファイトシートを使用することにより、断熱領域３４の熱伝導面３２から流入した熱を熱伝導領域３３の熱伝導面３２に伝達することができ、断熱面３１に対する断熱効果を高める。

【0033】

次に実施の形態における複合シートを用いた電池パックについて説明する。図２Ａは、実施の形態における複合シート１１を用いた電池パック５１の断面図である。図２Ｂは、図２Ａに示す電池パック５１を構成する複合シート１１の断面図である。図２Ｃは、図２Ａに示す電池パック５１の分解斜図である。

【0034】

電池パック５１は、金属製の筺体５２と、筺体５２の内部に配置された複数の電池セル５３と、各々の電池セル５３の外面５４に貼り合わされた複合シート１１とを有する。電池セル５３は角型リチウムイオン電池であり、一対の端子電極５５が上面に設けられている。ただし、断面図の記載において、電池セル５３の内部構造は省略する。熱伝導シート１２は、厚さ約５０μｍのグラファイトシートからなる。断熱層１５は、ＰＥＴの不織布にシリカキセロゲルが担持されてなり、厚さ約０．５ｍｍである。断熱層１５は、熱伝導シート１２の少なくとも一部に、熱伝導シート１２からはみ出さないように積層される。熱伝導シート１２と断熱層１５は、第１の絶縁シート１３と第２の絶縁シート１４とで挟まれて封止されている。

【0035】

複合シート１１は電池セル５３の一方の側面から底部およびもう一方の側面にかけて貼り合わせられる。ここで、複合シート１１は、第２の絶縁シート１４の側が、電池セル５３の外面５４に接するように貼り合わされる。すなわち、電池セル５３と貼り合わせる側の複合シート１１の面は、熱伝導シート１２が断熱層１５で覆われていない熱伝導面３２である。これにより、電池セル５３に生じた熱は速やかに熱伝導シート１２に伝達することができ、電池セル５３内の温度分布を小さくすることができる。

【0036】

断熱層１５は、複合シート１１が貼り合わされた電池セル５３と隣接する他の電池セル５３との間に配置される。すなわち、電池セル５３に貼り合わされた複合シート１１において、熱伝導シート１２が断熱層１５で覆われた断熱面３１が隣接する他の電池セル５３に面するように配置される。

【0037】

これにより、電池パック５１の中の１つの電池セル５３の温度が過度に上昇した場合であっても、断熱層１５によって、隣接する他の電池セル５３への熱の伝達が抑制され、過度の温度上昇が連鎖的に発生することを抑制できる。

【0038】

以上のように、電池パック５１は、電池セル５３内の温度差を小さくするとともに、電池セル５３の全体の温度上昇を抑制することができる。また一つの電池セル５３が熱暴走しても、隣接する他の電池セル５３との間に断熱層１５が配置されているため、連鎖的な熱暴走を防ぐことができる。

【0039】

一般に二次電池は劣化する際に内蔵する電池セルが膨張する場合がある。電池セル５３が膨張して断熱層１５に圧力がかかったときに、断熱層１５が圧縮されてしまうと断熱性が低下する。そうなると、電池セル５３に連鎖的な熱暴走が発生しやすくなり、安全性が損なわれる。電池パック５１の安全上、断熱層１５は、１００ｋＰａの圧力を加えた場合の厚み変化率が１０％以下となるものを用いることが望ましい。

【0040】

複合シート１１は、熱伝導シート１２に断熱層１５が積層されていない熱伝導領域３３を有する。複合シート１１が貼り合わされた電池セル５３は、複合シート１１の熱伝導領域３３を介して筺体５２と接続されている。電池セル５３は複合シート１１に接し、複合シート１１は筺体５２に接している。電池セル５３で発生した熱は熱伝導領域３３を経由して筺体５２に放熱することができるため、電池セル５３の温度上昇を抑制することができ、電池セル５３の劣化を抑制することができる。

【0041】

なお、複合シート１１と筺体５２との間には、シリコーングリスのような熱伝導材を設けても良い。こうすることにより、さらに効率的に電池セル５３の熱を筺体５２に伝えることができる。

【0042】

複合シート１１を有することにより、安全性が高く、劣化の少ない電池パック５１を得ることができる。

【0043】

次に、他の実施の形態における複合シート７５を用いた装置７１について説明する。

【0044】

図３は、他の実施の形態における複合シート７５を用いた装置７１の断面図である。他の実施の形態において、装置７１は、複合シート７５と発熱部品７２とヒートシンク７３と断熱を要する部品７４を有する。

【0045】

発熱部品７２は装置７１を動作させることによって、発熱する部品である。ヒートシンク７３は、装置７１の内部の熱を外部に放熱することのできる部材である。断熱を要する部品７４は、発熱部品７２からの熱の伝達を抑制する必要のある部品である。

【0046】

複合シート７５において、実施の形態の複合シート１１と共通する構成要素は同じ符号を付し、その説明を省略する。他の実施の形態の複合シート７５が、実施の形態の複合シート１１と異なる点は、断熱層１５が熱伝導シート１２の一方の側のほぼ全面を覆う点である。

【0047】

複合シート７５における断熱層１５が積層された側に断熱を要する部品７４が配置される。複合シート７５における熱伝導シート１２が積層された側に発熱部品７２とヒートシンク７３が配置される。複合シート７５と発熱部品７２の間、および、複合シート７５とヒートシンク７３の間は、熱伝達が良好に行われるように密着あるいは接着される。

【0048】

装置７１は、複合シート７５の断熱層１５が熱伝導シート１２の一方の側のほぼ全面を覆うことにより、断熱を要する部品７４が熱伝導シート１２の面積に匹敵する面積を有する場合であっても、優れた断熱特性を有する。

【0049】

装置７１は、複合シート７５の熱伝導シート１２が積層された側に、発熱部品７２とヒートシンク７３の両方が配置された場合であっても、発熱部品７２からヒートシンク７３に対して放熱することが可能になる。

【産業上の利用可能性】

【0050】

本開示の複合シートは、熱伝導性の高い領域と熱伝導性の低い領域とを有し、熱伝導部材あるいは断熱部材として産業上有用である。

【0051】

本開示の電池パックは、放熱性が良好で、局所的に過度の温度上昇を低減することができ、各種電子機器の電源として産業上有用である。

【符号の説明】

【0052】

１１ 複合シート
１２ 熱伝導シート
１２ａ，１２ｂ 面
１３ 第１の絶縁シート
１３ａ ベース層
１３ｂ 粘着層
１４ 第２の絶縁シート
１４ａ ベース層
１４ｂ 粘着層
１４ｃ 粘着層
１４ｄ 第１の面
１４ｅ 第２の面
１５ 断熱層
３１ 断熱面
３２ 熱伝導面
３３ 熱伝導領域
３４ 断熱領域
５１ 電池パック
５２ 筺体
５３ 電池セル
５４ 外面
５５ 端子電極
７１ 装置
７２ 発熱部品
７３ ヒートシンク
７４ 部品
７５ 複合シート

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3】