特許 7009534 バッテリーパック用断熱材およびバッテリーパック

(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】

(24)【登録日】2022-01-14

(45)【発行日】2022-01-25

(54)【発明の名称】バッテリーパック用断熱材およびバッテリーパック

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/658 20140101AFI20220118BHJP

   H01M 10/6555 20140101ALI20220118BHJP

   H01M 10/653 20140101ALI20220118BHJP

   H01M 10/651 20140101ALI20220118BHJP

【ＦＩ】

H01M10/658

H01M10/6555

H01M10/653

H01M10/651

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2020043369

(22)【出願日】2020-03-12

(65)【公開番号】P2021144879

(43)【公開日】2021-09-24

【審査請求日】2021-04-05

(73)【特許権者】

【識別番号】000219602

【氏名又は名称】住友理工株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100115657

【弁理士】

【氏名又は名称】進藤 素子

(74)【代理人】

【識別番号】100115646

【弁理士】

【氏名又は名称】東口 倫昭

(74)【代理人】

【識別番号】100196759

【弁理士】

【氏名又は名称】工藤 雪

(72)【発明者】

【氏名】片山 直樹

(72)【発明者】

【氏名】熊谷 信志

(72)【発明者】

【氏名】林 翔太

(72)【発明者】

【氏名】田口 祐太朗

(72)【発明者】

【氏名】新宅 裕二

【審査官】右田 勝則

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１９／１０７５６０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１２／０５００３５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００２－２６７０９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／１４１１８９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１２－１４５２０４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ １０／６５８

Ｈ０１Ｍ １０／６５５５

Ｈ０１Ｍ １０／６５３

Ｈ０１Ｍ １０／６５１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

断熱層と、該断熱層を挟んで配置される第一基材および第二基材と、を備え、
該断熱層は、複数の粒子が連結して骨格をなし、内部に細孔を有し、表面および内部のうち少なくとも表面に疎水部位を有する多孔質構造体と、補強繊維と、バインダーとしての金属酸化物のナノ粒子と、を有し、５００℃下で３０分間保持する熱重量分析における該断熱層の質量減量率は１０％以下であり、
該断熱層、該第一基材および該第二基材の積層方向を厚さ方向として、該厚さ方向に１５ＭＰａの荷重を加えて圧縮する圧縮試験を行った場合に、該圧縮試験前の厚さに対する該圧縮試験後の厚さの変化率は７０％より小さいことを特徴とするバッテリーパック用断熱材。

【請求項2】

前記ナノ粒子は、シリカ粒子である請求項１に記載のバッテリーパック用断熱材。

【請求項3】

前記多孔質構造体は、複数のシリカ粒子が連結して骨格をなすシリカエアロゲルである請求項１または請求項２に記載のバッテリーパック用断熱材。

【請求項4】

前記断熱層における前記多孔質構造体の含有量は、該多孔質構造体および前記補強繊維を除く成分の１００質量部に対して５０質量部以上２８０質量部以下である請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のバッテリーパック用断熱材。

【請求項5】

前記補強繊維は、ガラス繊維およびアルミナ繊維から選ばれる一種以上である請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のバッテリーパック用断熱材。

【請求項6】

前記断熱層における前記補強繊維の含有量は、前記多孔質構造体および該補強繊維を除く成分の１００質量部に対して５質量部以上２００質量部以下である請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のバッテリーパック用断熱材。

【請求項7】

前記補強繊維の直径は、６．５μｍ以上１８μｍ以下、長さは３ｍｍ以上２５ｍｍ以下である請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のバッテリーパック用断熱材。

【請求項8】

前記第一基材および前記第二基材の少なくとも一方は、ガラスクロスである請求項１ないし請求項７のいずれかに記載のバッテリーパック用断熱材。

【請求項9】

前記断熱層を挟んで前記第一基材および前記第二基材が積層される本体部と、該断熱層の周囲に該第一基材と該第二基材とが重なる周縁部と、を有する請求項１ないし請求項１８のいずれかに記載のバッテリーパック用断熱材。

【請求項10】

前記周縁部において、前記第一基材と前記第二基材とは融着されている請求項９に記載のバッテリーパック用断熱材。

【請求項11】

前記周縁部には、前記第一基材と前記第二基材とを固定する固定部材が配置される請求項９または請求項１０に記載のバッテリーパック用断熱材。

【請求項12】

前記固定部材は、弾性を有する請求項１１に記載のバッテリーパック用断熱材。

【請求項13】

リチウムイオン電池からなる複数のバッテリーセルと、
隣り合う該バッテリーセル間に配置され、請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載のバッテリーパック用断熱材と、を有することを特徴とするバッテリーパック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複数のバッテリーセルが収容されるバッテリーパックにおいて、バッテリーセル間に配置される断熱材に関する。

【背景技術】

【0002】

ハイブリッド自動車や電気自動車には、複数のバッテリーセルを収容したバッテリーパックが搭載される。バッテリーパックにおいては、複数のバッテリーセルが積層されてなるバッテリーモジュールが、積層方向の両側から締結部材により固定された状態で筐体内に収容される。例えば特許文献１には、隣り合うバッテリーセルの間に介装される複合シートが記載されている。当該複合シートは、断熱層を有し、一つのバッテリーセルの温度が上昇した際、隣接するバッテリーセルへの熱の伝達を抑制する。断熱層は、不織布にシリカキセロゲルを担時して形成されている。

【0003】

シリカキセロゲルやシリカエアロゲルは、シリカ微粒子が連結して骨格をなし１０～５０ｎｍ程度の大きさの細孔構造を有する多孔質材料である。この種の多孔質材料の熱伝導率は、空気の熱伝導率よりも小さい。よって、この種の多孔質材料は、断熱材の材料として広く使用されている。例えば特許文献２には、水分散性ポリウレタンによって結合されたシリカエアロゲルを含み、熱伝導率が０．０２５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の物品が記載されている。当該物品のようにシリカエアロゲルを用いる場合には、それを固定して脱落を抑制するために、ウレタン樹脂などのバインダーが使用される。しかしながら、ウレタンバインダーを使用した従来の断熱材を５００℃程度の高温雰囲気で使用すると、有機成分であるウレタンバインダーが分解、劣化して、ガスが発生したり、クラックが生じて形状が保持できないおそれがある。また、ウレタンバインダーは比較的軟質であるため、圧縮されると断熱材が潰れてしまい、断熱構造を維持することが難しいという問題があった。

【0004】

他方、例えば特許文献３～６には、ケイ酸塩などの無機化合物をバインダーとして使用した複合材料が提案されている。すなわち、特許文献３には、シリカエアロゲルと、有機バインダーまたは無機バインダーと、ガラス繊維と、を有する複合材料が記載されており、無機バインダーとしては水ガラス（ケイ酸ナトリウム）が記載されている。特許文献４には、エアロゲルを、水溶性バインダーおよび粉末ケイ酸ナトリウムなどの無機バインダーを用いて固形化した断熱材が記載されている。特許文献５には、不織布（バッティング）の上に、エアロゲルおよびケイ酸ナトリウムなどの無機バインダーを有する層が形成された可撓性絶縁構造体が記載されている。特許文献６には、シリカエアロゲル、水熱反応により結晶を形成できるセラミックス原料液、界面活性剤、および補強繊維を有する断熱材組成物が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】国際公開第２０１７／１５９５２７号

【文献】特表２０１３－５３４９５８号公報

【文献】特表平１１－５１３３４９号公報

【文献】特開２００４－１０４２３号公報

【文献】特開２０１７－１５５４０２号公報

【文献】国際公開第２０１３／１４１１８９号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

前述したように、バッテリーパックに収容される複数のバッテリーセルは、締結部材により積層方向両側から加圧される。このため、バッテリーセル間に介装される断熱材には、圧縮されても潰れにくく断熱性を維持できることが要求される。

【0007】

また、断熱材を構成する断熱層の材料として多孔質材料を用いる場合、断熱層には、高温雰囲気で使用しても形状を保持できること（耐熱性）、および圧縮されても潰れや割れが生じにくく断熱性を維持できること（耐圧縮性）の両方が要求される。しかしながら、バインダーとして無機化合物を使用すると、バインダーの分解、劣化による問題は改善されるが、成形体が硬く、脆くなる。上記特許文献３～５には、単に無機バインダーを使用することしか記載されていないため、これだけでは、耐熱性および耐圧縮性を向上させることは難しい。上記特許文献６においては、水熱反応により結晶を形成できるセラミックス原料液を使用し、それを含む断熱材組成物を脱水、加熱および加圧することにより、シリカエアロゲルおよび補強繊維の表面でセラミックス結晶の合成を進行させている。形成されたセラミックス結晶は、シリカエアロゲル同士を結合するバインダーとしての役割を果たす。特許文献６に記載された製造方法によると、断熱材組成物の調製、金型内への注入および脱水、得られた一次成形体の加熱および加圧という工程が必要である。よって、工数が多く煩雑でコストがかかる。加えて、金型を用いて成形するため、薄膜化が難しい。また、形成されたセラミックス結晶は、針状、繊維状などの形状を有し、粒径が１～５０μｍ程度のバルク結晶である（特許文献６の段落［００２８］、［００５７］）。このため、得られる断熱材は、所望の耐熱性および耐圧縮性を満足するものではない。

【0008】

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、断熱性だけでなく耐熱性および耐圧縮性にも優れた断熱層を有するバッテリーパック用断熱材を提供することを課題とする。また、当該バッテリーパック用断熱材を有するバッテリーパックを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

（１）上記課題を解決するため、本発明のバッテリーパック用断熱材は、断熱層と、該断熱層を挟んで配置される第一基材および第二基材と、を備え、該断熱層は、複数の粒子が連結して骨格をなし、内部に細孔を有し、表面および内部のうち少なくとも表面に疎水部位を有する多孔質構造体と、補強繊維と、バインダーとしての金属酸化物のナノ粒子と、を有し、５００℃下で３０分間保持する熱重量分析における該断熱層の質量減量率は１０％以下であり、該断熱層、該第一基材および該第二基材の積層方向を厚さ方向として、該厚さ方向に１５ＭＰａの荷重を加えて圧縮する圧縮試験を行った場合に、該圧縮試験前の厚さに対する該圧縮試験後の厚さの変化率は７０％より小さいことを特徴とする。

【0010】

（２）上記課題を解決するため、本発明のバッテリーパックは、リチウムイオン電池からなる複数のバッテリーセルと、隣り合う該バッテリーセル間に配置され、上記（１）の構成を有するバッテリーパック用断熱材と、を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

（１）本発明のバッテリーパック用断熱材（以下、単に「本発明の断熱材」と称す場合がある）によると、多孔質構造体を有する断熱層が二つの基材間に挟持される。これにより、多孔質構造体の脱落（粉落ち）が抑制される。また、本発明の断熱材について、厚さ方向に１５ＭＰａの荷重を加えて圧縮する圧縮試験を行った場合に、該圧縮試験前の厚さに対する該圧縮試験後の厚さの変化率は７０％より小さい。すなわち、本発明の断熱材は、圧縮されても潰れにくく、所望の断熱性を維持することができる。

【0012】

断熱層を構成する多孔質構造体は、複数の粒子が連結して骨格をなし、内部に細孔を有し、表面および内部のうち少なくとも表面に疎水部位を有する。多孔質構造体の骨格と骨格との間に形成される細孔の大きさは１０～５０ｎｍ程度であり、細孔の多くは、５０ｎｍ以下のいわゆるメソ孔である。メソ孔は、空気の平均自由行程よりも小さいため、熱の移動が阻害される。よって、当該断熱層を有する本発明の断熱材は、優れた断熱効果を発揮する。

【0013】

断熱層は、構成成分を結合させるバインダーとして、金属酸化物のナノ粒子を有する。バインダーとして有機材料を使用しないため、高温雰囲気で使用しても、バインダーの分解、劣化によるガスの発生やクラックの発生が生じない。よって、断熱層は、高温下においても形状を保持することができ、質量が減少しにくい。すなわち、断熱層を５００℃下で３０分間保持した場合、その前後の質量から算出される質量減量率は１０％以下である。

【0014】

バインダーとして金属酸化物のナノ粒子を使用すると、ウレタン樹脂などの有機材料を使用した場合と比較して、断熱層を硬質にすることができる。このため、圧縮されても断熱層が潰れにくく、断熱構造を維持することができる。また、バインダーを、上記特許文献６に記載されているバルク結晶ではなく、ナノ粒子（ナノメートルオーダーの粒子）にすることにより、無機化合物を有することによる硬さや脆さの欠点が改善される。

【0015】

加えて、断熱層は、補強繊維を有する。金属酸化物のナノ粒子と補強繊維との両方の作用により、高温下での形状保持性（耐熱性）が向上し、圧縮されても潰れにくく割れにくくなる（つまり、耐圧縮性が向上する）。これにより、断熱層は、圧縮されても断熱性を維持することができる。また、補強繊維を有することにより断熱層を形成するための塗料の安定性、成膜性が向上するため、断熱層の強度および耐熱性が向上する。以上より、本発明のバッテリーパック用断熱材は、断熱性、耐熱性および耐圧縮性に優れる。

【0016】

（２）本発明のバッテリーパックによると、隣り合うバッテリーセル間に、本発明の断熱材が介装される。前述したように、本発明の断熱材は、圧縮されても潰れにくい。したがって、本発明のバッテリーパックによると、複数のバッテリーセルが積層方向両側から加圧されていても、断熱材の断熱性が低下しにくい。また、本発明の断熱材を構成する断熱層は、断熱性だけでなく、高温下での形状保持性（耐熱性）に優れる。加えて、圧縮されても潰れにくく割れにくい（つまり、耐圧縮性に優れる）。したがって、本発明のバッテリーパックによると、一つのバッテリーセルの温度が上昇したとしても、そのバッテリーセルと隣接するバッテリーセルとの間に本発明の断熱材が介在することにより、隣接するバッテリーセル間における熱の伝達が抑制され、温度上昇の連鎖を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】第一実施形態のバッテリーパックの断面模式図である。

【図2】同バッテリーパックに収容されている断熱材の断面図である。

【図3】同断熱材の正面図である。

【図4】第二実施形態の断熱材の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明のバッテリーパック用断熱材およびバッテリーパックの実施の形態について説明する。

【0019】

＜第一実施形態＞
まず、第一実施形態のバッテリーパック用断熱材（以下、実施の形態の説明においては、単に「断熱材」と称す場合がある。）およびバッテリーパックの構成を説明する。図１に、本実施形態のバッテリーパックの構成を説明するための断面模式図を示す。図２に、同バッテリーパックに収容されている断熱材の断面図を示す。図３に、同断熱材の正面図を示す。図３においては、説明の便宜上、断熱層を透過して点線で示す。図１、図２に示すように、バッテリーパック１は、筐体１０と、複数のバッテリーセル２と、断熱材３と、を有している。

【0020】

筐体１０は、金属製であり箱状を呈している。複数のバッテリーセル２は、リチウムイオン電池からなる。複数のバッテリーセル２は、各々、矩形薄板状を呈しており、厚さ方向に積層されている。断熱材３は、隣り合うバッテリーセル２の間に配置されている。断熱材３は、断熱層３０と第一基材３１と第二基材３２とを有している。

【0021】

断熱層３０は、シリカエアロゲルとガラス繊維とシリカ粒子とを有している。シリカ粒子は、平均粒子径が１２ｎｍのナノ粒子である。シリカエアロゲルおよびガラス繊維は、シリカ粒子を介して結合されている。断熱層３０は、厚さ２ｍｍの矩形シート状を呈している。断熱層３０を５００℃下で３０分間保持した場合の質量減量率は１０％である。

【0022】

第一基材３１は、断熱層３０の厚さ方向の片側に配置されている。第一基材３１は、ガラスクロスからなる。第一基材３１の厚さは０．１ｍｍであり、面方向の大きさは断熱層３０のそれよりも一回り大きい。断熱層３０と第一基材３１との接触面において、断熱層３０は第一基材３１の網目に含浸されている。これにより、断熱層３０と第一基材３１とは接着されている。第二基材３２は、断熱層３０を挟んで第一基材３１とは反対側に配置されている。第二基材３２も第一基材３１と同じガラスクロスからなる。第二基材３２の厚さは０．１ｍｍであり、面方向の大きさは断熱層３０のそれよりも一回り大きい。断熱層３０と第二基材３２との接触面において、断熱層３０は第二基材３２の網目に含浸されている。これにより、断熱層３０と第二基材３２とは接着されている。

【0023】

第一基材３１および第二基材３２の材質、形状および大きさは、全て同じである。断熱層３０の周囲において、第一基材３１および第二基材３２は融着されている。すなわち、図３に示すように、断熱材３は、本体部３３と周縁部と３４とを有している。本体部３３は、断熱層３０、第一基材３１および第二基材３２が厚さ方向に重なっている部分である。周縁部３４は、断熱層３０の周囲において、第一基材３１および第二基材３２が重なっている部分である。周縁部３４には、第一基材３１と第二基材３２との融着により形成された融着部３５が配置されている。このように、断熱層３０は、第一基材３１および第二基材３２から形成される袋状の閉空間に収容されている。

【0024】

断熱層３０、第一基材３１および第二基材３２の積層方向を厚さ方向として、断熱材３について厚さ方向に１５ＭＰａの荷重を加えて圧縮する圧縮試験を行った場合に、断熱材３の圧縮試験前の厚さに対する圧縮試験後の厚さの変化率は５９％である。

【0025】

バッテリーパック１は、さらに図示しない締結部材を有している。締結部材は、複数のバッテリーセル２が断熱材３を介して積層されてなるバッテリーモジュールを、積層方向に締め付けて固定している。

【0026】

次に、本実施形態の断熱材およびバッテリーパックの作用効果を説明する。断熱材３は、シリカエアロゲル（多孔質構造体）を含む断熱層３０を有する。このため、断熱材３は、優れた断熱効果を発揮する。断熱層３０は、二枚のガラスクロス（第一基材３１および第二基材３２）から形成される袋状の閉空間に収容される。これにより、シリカエアロゲルの脱落（粉落ち）が抑制される。

【0027】

断熱層３０において、シリカエアロゲルなどの構成成分を結合するバインダーは、シリカ粒子である。バインダーとして有機材料を使用しないため、高温雰囲気で使用しても、バインダーの分解、劣化によるガスの発生やクラックの発生が生じない。よって、断熱層３０は、高温下においても形状を保持することができ、質量が減少しにくい。また、バインダーとしてシリカ粒子を使用すると、ウレタン樹脂などの有機材料を使用した場合と比較して、断熱層３０が硬質になる。このため、圧縮されても断熱層３０が潰れにくく、断熱構造を維持することができる。また、シリカ粒子はバルク結晶ではなく、ナノ粒子であるため、無機化合物を有していても断熱層３０は硬くなりすぎず、脆くなりにくい。

【0028】

断熱層３０は、ガラス繊維（補強繊維）を有する。シリカ粒子とガラス繊維との両方の作用により、高温下での形状保持性（耐熱性）が向上し、圧縮されても潰れにくく割れにくくなる（耐圧縮性が向上する）。具体的には、所定の圧縮試験を行った場合の断熱材３の厚さの変化率は、７０％より小さい。したがって、断熱材３は、圧縮されても潰れにくく、所望の断熱性を維持することができる。また、ガラス繊維を有することにより、断熱層３０を形成するための塗料の安定性、成膜性が向上する。このことも、断熱層３０の強度および耐熱性の向上に寄与する。

【0029】

バッテリーパック１においては、隣り合うバッテリーセル２間に、断熱材３が介装される。断熱材３は、圧縮されても潰れにくい。したがって、バッテリーパック１によると、複数のバッテリーセル２が積層方向両側から加圧されていても、断熱材３の断熱性が低下しにくい。また、断熱層３０は、断熱性および耐圧縮性だけでなく、高温下での形状保持性（耐熱性）に優れる。したがって、バッテリーパック１によると、一つのバッテリーセル２の温度が上昇したとしても、そのバッテリーセル２と隣接するバッテリーセル２との間に断熱材３が介在することにより、隣接するバッテリーセル２間における熱の伝達が抑制され、温度上昇の連鎖が抑制される。

【0030】

＜第二実施形態＞
本実施形態の断熱材およびバッテリーパックと第一実施形態のそれとの相違点は、断熱材の周縁部に融着部ではなく固定部材が配置されている点である。ここでは、主に相違点を説明する。図４に、本実施形態の断熱材の断面図を示す。図４は、前出図２に対応しており、図２と同じ部位については同じ符号で示す。

【0031】

図４に示すように、断熱材３は、断熱層３０と第一基材３１と第二基材３２とを有している。断熱層３０は、ガラスクロスからなる第一基材３１と第二基材３２との間に挟持されている。断熱材３は、本体部３３と周縁部３４とを有している。周縁部３４、すなわち断熱層３０の周囲における、第一基材３１と第二基材３２との間には、固定部材３６が配置されている。固定部材３６は、熱可塑性エラストマー製の接着剤からなる。固定部材３６の厚さは、断熱層３０の厚さとほぼ同じである。固定部材３６により、第一基材３１と第二基材３２とは接着されている。

【0032】

本実施形態の断熱材およびバッテリーパックと第一実施形態のそれとは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。本実施形態の断熱材３によると、周縁部３４に固定部材３６が配置される。固定部材３６は、熱可塑性エラストマー製であるため、弾性を有する。加えて、固定部材３６の厚さは、断熱層３０の厚さとほぼ同じである。これにより、断熱材３は、バッテリーセル２の積層方向における荷重を吸収することができる。よって、断熱材３は、バッテリーモジュールの締め付け後に生じるスプリングバックに対する追従性が高い。

【0033】

＜その他の実施形態＞
以上、本発明の断熱材およびバッテリーパックを実施する二つの形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に限定されるものではない。本発明の断熱材およびバッテリーパックは、当業者が行い得る変更、改良などを施した種々の形態にて実施することができる。

【0034】

［バッテリーパック用断熱材］
本発明のバッテリーパック用断熱材は、断熱層と、該断熱層を挟んで配置される第一基材および第二基材と、を備える。

【0035】

（１）断熱層
断熱層は、多孔質構造体と、補強繊維と、バインダーとしての金属酸化物のナノ粒子と、を有する。多孔質構造体は、複数の粒子が連結して骨格をなし、内部に細孔を有し、表面および内部のうち少なくとも表面に疎水部位を有する。多孔質構造体の構造、形状、大きさなどは、特に限定されない。例えば、骨格をなす粒子（一次粒子）の直径は２～５ｎｍ程度、骨格と骨格との間に形成される細孔の大きさは１０～５０ｎｍ程度であることが望ましい。

【0036】

多孔質構造体の最大長さを粒子径とした場合、多孔質構造体の平均粒子径は１～２００μｍ程度が望ましい。多孔質構造体の粒子径が大きいほど、表面積が小さくなり細孔（空隙）容積が大きくなるため、断熱性を高める効果は大きくなる。例えば、平均粒子径が１０μｍ以上のものが好適である。一方、断熱層を形成するための塗料の安定性や塗工のしやすさを考慮すると、平均粒子径が１００μｍ以下のものが好適である。また、粒子径が異なる二種類以上を併用すると、小径の多孔質構造体が大径の多孔質構造体間の隙間に入りこむため、充填量を多くすることができ、断熱性を高める効果が大きくなる。

【0037】

多孔質構造体の種類は特に限定されない。一次粒子として、例えば、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニアなどが挙げられる。なかでも化学的安定性に優れるという観点から、一次粒子がシリカである多孔質構造体が望ましい。例えば、複数のシリカ粒子が連結して骨格をなすシリカエアロゲルが挙げられる。なお、エアロゲルを製造する際の乾燥方法の違いにより、常圧で乾燥したものを「キセロゲル」、超臨界で乾燥したものを「エアロゲル」と呼び分けることがあるが、本明細書においては、その両方を含めて「エアロゲル」と称す。

【0038】

多孔質構造体は、表面および内部のうち少なくとも表面に疎水部位を有する。表面に疎水部位を有すると、水分などの染み込みを抑制することができるため、細孔構造が維持され、断熱性が損なわれにくい。例えば、少なくとも表面に疎水部位を有するシリカエアロゲルは、製造過程において、疎水基を付与するなどの疎水化処理を施して製造することができる。

【0039】

多孔質構造体の含有量は、断熱層の熱伝導率、硬さ、耐圧縮性などを考慮して適宜決定すればよい。例えば、熱伝導率を小さくし所望の耐圧縮性を実現するという観点では、多孔質構造体の含有量は、多孔質構造体および補強繊維を除く成分の１００質量部に対して２５質量部以上であることが望ましい。５０質量部以上であるとより好適である。一方、多孔質構造体が多すぎると成膜性が低下したり粉落ちしやすくなる。よって、多孔質構造体の含有量は、多孔質構造体および補強繊維を除く成分の１００質量部に対して２８０質量部以下であることが望ましい。

【0040】

補強繊維は、多孔質構造体の周りに物理的に絡み合って存在し、多孔質構造体の脱落を抑制すると共に、成膜性および耐熱性を向上させる。補強繊維の種類は特に限定されないが、高温下で使用した際に有機成分の分解、劣化を抑制するという観点から、無機系の繊維材料が望ましい。例えば、ガラス繊維、アルミナ繊維などのセラミック繊維が好適である。

【0041】

補強繊維の大きさは、断熱層の断熱性、耐熱性、断熱層を形成する際の成膜性などを考慮して適宜決定すればよい。例えば、補強繊維が細すぎると、凝集しやすくなるため、断熱層を形成するための塗料の粘度上昇を招いて成膜性が低下するおそれがある。好適な補強繊維の直径は、６．５μｍ以上である。反対に、補強繊維が太すぎると、補強効果が小さくなるため、成膜性や耐熱性が低下したり、熱の伝達経路が形成されやすくなるため熱伝導率が大きくなり断熱性が低下するおそれがある。好適な補強繊維の直径は、１８μｍ以下である。また、補強繊維が短すぎると、補強効果が小さくなるため、成膜性や耐熱性が低下するおそれがある。好適な長さは、３ｍｍ以上である。反対に、補強繊維が長すぎると、凝集しやすくなるため、断熱層を形成するための塗料の粘度上昇を招いて成膜性が低下するおそれがある。また、熱の伝達経路が形成されやすくなるため熱伝導率が大きくなり断熱性が低下するおそれがある。好適な補強繊維の長さは、２５ｍｍ以下である。

【0042】

補強繊維の含有量は、断熱層の成膜性、耐熱性などを考慮して適宜決定すればよい。例えば、成膜性を確保し、所望の耐熱性を実現するという観点では、補強繊維の含有量は、多孔質構造体および補強繊維を除く成分の１００質量部に対して５質量部以上であることが望ましい。一方、補強繊維が多すぎると凝集し、断熱層を形成するための塗料の粘度上昇を招いて成膜性が低下するおそれがある。また、熱の伝達経路が形成されやすくなるため熱伝導率が大きくなり断熱性が低下するおそれがある。よって、補強繊維の含有量は、多孔質構造体および補強繊維を除く成分の１００質量部に対して２００質量部以下、さらには１３０質量部以下であることが望ましい。

【0043】

金属酸化物のナノ粒子は、多孔質構造体、補強繊維などの断熱層の構成成分を結合させるバインダーである。金属酸化物の種類は特に限定されず、シリカ、チタニア、酸化亜鉛、ジルコニアなどが挙げられる。なかでも、多孔質構造体や補強繊維と相溶しやすく、安価で入手しやすいという理由から、シリカが好適である。すなわち、金属酸化物のナノ粒子はシリカ粒子であることが望ましい。

【0044】

断熱層は、５００℃下で３０分間保持する熱重量分析における質量減量率が１０％以下である。熱重量分析（ＴＧＡ）は、断熱層のサンプルを、５００℃下の空気雰囲気で３０分間保持して加熱前後の質量を測定する。質量減量率は、次式（Ｉ）により算出する。
質量減量率（％）＝（Ｗ_０－Ｗ_１）／Ｗ_０×１００ ・・・（Ｉ）
［Ｗ_０：加熱前のサンプル質量、Ｗ_１：加熱後のサンプル質量］
断熱層は、多孔質構造体、補強繊維、金属酸化物のナノ粒子に加えて、他の成分を有してもよい。例えば、断熱層を形成するための塗料を調製する際に、多孔質構造体の分散性を向上させるために添加される増粘剤、分散剤、界面活性剤などが挙げられる。

【0045】

（２）第一基材および第二基材
第一基材は断熱層の片側に配置され、第二基材は断熱層を挟んで第一基材とは反対側に配置される。材質、形状、大きさなどの点において、第一基材と第二基材とは同じでも異なっていてもよい。第一基材および第二基材としては、布帛、不織布、シート材などを使用すればよく、なかでも熱伝導率が比較的小さいものがよい。また、高温下においても形状保持性が高く、難燃性を有するものが望ましい。例えば、ガラス繊維や金属繊維などの無機繊維から製造される布帛、不織布が挙げられる。特に、ガラスクロスが好適である。第一基材および第二基材は、一層から構成されるものでも、二層以上の積層体でもよい。

【0046】

本発明の断熱材は、断熱層を挟んで第一基材および第二基材が積層される本体部と、断熱層の周囲に第一基材と第二基材とが重なる周縁部と、を有するよう構成することができる。この場合、周縁部において第一基材と第二基材とを固定することにより、二つの基材から形成される袋状の空間に断熱層を収容することができる。固定される周縁部は、一部でも全部でもよい。周縁部の全部を固定すると、断熱層を閉空間に収容できるため、多孔質構造体の粉落ち抑制に効果的である。固定方法は、特に限定されないが、例えば、レーザーなどを用いて第一基材と第二基材とを融着すればよい。あるいは、接着剤、クリップ部材、かしめ部材、板ばね部材などの固定部材を用いてもよい。また、熱可塑性エラストマーおよびゴムなどのエラストマー、樹脂、金属からなる部材を接着剤で固定して、固定部材としてもよい。接着剤としては、エラストマーまたは樹脂を用いた有機系の接着剤が挙げられる。例えば、接着剤が弾性を有すると、断熱材が積層方向（厚さ方向）に圧縮された場合に、その荷重を吸収することができる。また、バッテリーモジュールの締め付け後に生じるスプリングバックにも、追従することができる。この場合、接着剤の厚さを断熱層の厚さ以上にすると、断熱層の割れの抑制に効果的である。また、難燃性を高めるという観点から、有機系の接着剤であればフッ素ゴムなどの難燃性を有するものや、無機系の接着剤を用いることが望ましい。

【0047】

（３）バッテリーパック用断熱材の耐圧縮性
本発明のバッテリーパック用断熱材は、断熱層、第一基材および第二基材の積層方向を厚さ方向として、厚さ方向に１５ＭＰａの荷重を加えて圧縮する圧縮試験を行った場合に、圧縮試験前の厚さに対する圧縮試験後の厚さの変化率は７０％より小さい。

【0048】

圧縮試験は、次のようにして行うものとする。まず、予め厚さを測定した断熱材を、速度３ｍｍ／ｍｉｎにて圧縮圧が１５ＭＰａになるまで圧縮し、圧縮圧が１５ＭＰａに到達したらそのまま１分間保持する。その後、同様の速度で圧縮圧が０ＭＰａ（無負荷）になる状態まで戻す。そして、断熱材の厚さを測定し、厚さ変化率を次式（ＩＩ）により算出する。厚さ変化率は、６５％以下、さらには６０％以下であるとより好適である。
厚さ変化率（％）＝（Ｔ_０－Ｔ_１）／Ｔ_０×１００ ・・・（ＩＩ）
［Ｔ_０：圧縮前の断熱層の厚さ、Ｔ_１：圧縮後の断熱層の厚さ］
（４）バッテリーパック用断熱材の製造方法
本発明の断熱材は、多孔質構造体と、補強繊維と、金属酸化物のナノ粒子と、を有する組成物を固形化し、それを第一基材および第二基材で挟んで製造することができる。本発明の断熱材の製造方法の一例として、多孔質構造体と、補強繊維と、金属酸化物のナノ粒子が液体に分散している分散液と、を有する断熱層用塗料を調製する塗料調製工程と、該断熱層用塗料を第一基材に塗布する塗布工程と、形成された塗膜に第二基材を重ねて積層体を形成した後、該塗膜を硬化させる硬化工程と、を有する方法を挙げることができる。

【0049】

この製造方法においては、上記特許文献６に記載されているように、断熱層の製造過程において水熱反応を進行させてバルク結晶を合成する必要はなく、金型を使用する必要もない。よって、断熱層を比較的簡単に製造することができると共に、断熱層用塗料を塗布する方法を採用するため、断熱層の薄膜化が容易である。また、断熱層用塗料は、補強繊維を有するため、安定性、成膜性に優れる。よって、強度および耐熱性に優れた断熱層を製造することができる。

【0050】

塗料調製工程において、断熱層用塗料は、金属酸化物のナノ粒子が液体に分散している分散液に、多孔質構造体、補強繊維、および必要に応じて添加される成分を加えて撹拌して調製すればよい。分散液を構成する液体（分散媒）は、特に限定されないが、多孔質構造体の細孔への浸入を抑制するという観点から、疎水性の液体ではなく水（純水、水道水などを含む）などの親水性の液体を用いることが望ましい。例えば、金属酸化物のナノ粒子がシリカ粒子の場合、ケイ酸ナトリウム水溶液、水を分散媒とするコロイダルシリカなどが挙げられる。金属酸化物のナノ粒子がチタニア粒子の場合、チタニアの水分散液などが挙げられる。撹拌は、羽根撹拌でもよいが、積極的にせん断力を加えたり、超音波を加えたりしてもよい。自転公転撹拌装置や、メディア型撹拌装置を用いてもよい。

【0051】

塗布工程において、断熱層用塗料を塗布するには、バーコーター、ダイコーター、コンマコーター（登録商標）、ロールコーターなどの塗工機や、スプレーなどを使用すればよい。あるいは、断熱層用塗料に第一基材を浸漬した後、乾燥させてもよい。塗布、浸漬のいずれの方法においても、第一基材が布帛などの多孔質な材料からなる場合には、断熱層用塗料の一部を第一基材の内部に含浸させてもよい。また、第一基材と断熱層との接着性を向上させるため、第一基材の表面にカップリング処理を施すなどの下処理をしてから、断熱層用塗料を塗布してもよい。

【0052】

硬化工程においては、［第一基材／断熱層用塗料の塗膜／第二基材］からなる積層体を形成してから、塗膜を硬化させる。例えば、積層体を乾燥させて塗膜を硬化させればよい。乾燥は、断熱層用塗料の分散媒に応じて適宜行えばよく、例えば水の場合には、室温～１５０℃程度の温度下で所定時間保持すればよい。

【0053】

［バッテリーパック］
複数のバッテリーセルと、本発明の断熱材と、を積層させて、バッテリーパックを構成することができる。バッテリーセルの種類は特に限定されないが、例えばリチウムイオン電池などが挙げられる。本発明の断熱材を使用したバッテリーパックの一例として、本発明のバッテリーパックは、リチウムイオン電池からなる複数のバッテリーセルと、隣り合う該バッテリーセル間に配置される本発明の断熱材と、を有する。本発明のバッテリーパックにおける他の構成は限定されない。本発明のバッテリーパックは、複数のバッテリーセルと本発明の断熱材とが積層されてなるバッテリーモジュールを、積層方向の両側から締め付ける締結部材、バッテリーモジュールを収容する筐体などを有してもよい。

【実施例】

【0054】

次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。

【0055】

（１）バッテリーパック用断熱材の製造
まず、後出の表１、表２に示す配合量（単位は質量部）にて、種々の断熱層用塗料を調製した。次に、調製した断熱層用塗料を、第一のガラスクロスの表面に塗膜厚さ２ｍｍ狙いで塗布した。そして、塗膜の上に第二のガラスクロスを重ねて積層体を形成し、それを熱風オーブンに入れて８０℃で１時間保持した後、１００℃に昇温して質量減少が無くなる状態まで乾燥した。このようにして、［第一のガラスクロス／断熱層／第二のガラスクロス］からなるシート状の断熱材のサンプルを製造した。第一のガラスクロスは本発明における第一基材、第二のガラスクロスは本発明における第二基材の概念に含まれる。以下、各サンプルにおける断熱層用塗料の調製方法を詳しく説明する。

【0056】

［実施例１～１５、１７］
コロイダルシリカ（シリカ粒子の水分散液；シグマアルドリッチ社製「ＬＵＤＯＸ（登録商標） ＬＳ」）に、増粘剤としてのポリエチレンオキサイド（住友精化（株）製「ＰＥＯ（登録商標）－２９」）を添加して撹拌した。続いて、シリカエアロゲルの粉砕処理品を添加して攪拌し、その後さらにガラス繊維を添加して撹拌して断熱層用塗料を調製した。なお、断熱層用塗料の粘度調整が必要な場合は、コロイダルシリカを水で希釈して使用した。シリカエアロゲルの粉砕処理品は、表面および内部に疎水部位を有するシリカエアロゲル（キャボットコーポレーション製「Ｐ２００」）を家庭用ミキサーを用いて粉砕処理したものであり、その平均粒子径は１００μｍである。ガラス繊維については、日本電気硝子（株）製「チョップドストランド」の中から、アスペクト比（長さ／直径）が異なる五種類（Ａ～Ｅ）を選んで使用した。

【0057】

［実施例１６］
シリカエアロゲルの粉砕処理品に代えて、粉砕処理をしていないシリカエアロゲル（キャボットコーポレーション製「Ｐ２００」）を使用した以外は、実施例２と同様にして断熱層用塗料を調製した。実施例１～１７の断熱層用塗料は、本発明の断熱層用塗料の概念に含まれる。

【0058】

［比較例１］
バインダーとして無機バインダーではなく従来の有機バインダーを使用し、ガラス繊維を添加せずに断熱層用塗料を調製した。すなわち、水に、バインダーとしてのウレタン樹脂エマルジョン（三洋化成工業（株）製「パーマリン（登録商標）ＵＡ－３６８」、固形分５０質量％）、および増粘剤としてのポリエチレンオキサイド（同上）を添加して撹拌した後、シリカエアロゲルの粉砕処理品を添加して撹拌して、比較例１の断熱層用塗料を調製した。

【0059】

［比較例２］
シリカエアロゲルを添加しない点以外は実施例１～５と同様にして、比較例２の断熱層用塗料を調製した。

【0060】

［比較例３］
ガラス繊維を添加しない点以外は実施例２、実施例６～１５、１７と同様にして、比較例３の断熱層用塗料を調製した。

【0061】

［比較例４］
ガラス繊維を添加しない点以外は実施例１６（粉砕処理をしていないシリカエアロゲルを使用）と同様にして、比較例４の断熱層用塗料を調製した。

【表1】

【表2】

【0062】

（２）断熱層の質量減量率
本実施例の断熱材のサンプルには、断熱層以外に二枚のガラスクロスが含まれる。このため、断熱材のサンプルから断熱層のみを質量３～５ｍｇ分切り出し、それを質量減量率測定用サンプルとして、次のようにして断熱層の質量減量率を算出した。まず、質量減量率測定用サンプルを熱重量分析装置（ＴＡインスツルメント社製「Ｑ５００」）に入れ、空気雰囲気で室温から５００℃まで昇温速度８０℃／分で加熱した。５００℃に到達したらそのまま３０分間保持し、それから質量減量率測定用サンプルを取り出して質量を測定した。そして、質量減量率測定用サンプルの初期質量をＷ_０、５００℃下、３０分間保持後の質量をＷ_１として、前述した式（Ｉ）により断熱層の質量減量率を算出した。このようにして得られた断熱層の質量減量率を、前出の表１、表２にまとめて示す。

【0063】

（３）断熱材の評価方法
製造した断熱材のサンプルについて、成膜性、断熱性、耐圧縮性、および耐熱性を次の方法により評価した。

【0064】

［成膜性］
断熱材のサンプルの外観を目視観察し、クラックの有無を調べた。前出の表１、表２中、評価結果として、クラックが確認されなかった場合を〇印で、クラックが確認された場合を×印で示す。

【0065】

［断熱性］
断熱材のサンプルの熱伝導率を、英弘精機（株）製の熱伝導率測定器「クイックラムダ」を用いて測定した。この熱伝導率測定器は、熱伝導率の既知物質を検定用標準試料としてキャリブレーションした検定曲線を用いて相対的に熱伝導率を算出する。よって、まず標準試料として、比較例１のサンプルの製造方法と同じ方法で、シリカエアロゲルの配合量が異なる三種類の断熱材のサンプルを製造した。各サンプルにおけるシリカエアロゲルの配合量は、１５３質量部、２３０質量部、３０７質量部とした。次に、各サンプル（標準試料）の熱伝導率を、ＪＩＳ Ａ１４１２－２（１９９９）の熱流計法に準拠した英弘精機（株）製の熱流束計「ＨＣ－０７４」で測定し、この熱伝導率の値を使用して熱伝導率測定器のキャリブレーションを行った。前出の表１、表２中、評価結果として、熱伝導率が０．０４５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の場合を〇印で、０．０４５Ｗ／ｍ・Ｋより大きい場合を×印で示す。

【0066】

［耐圧縮性］
断熱材のサンプルから直径６０ｍｍの円板状のサンプルを切り出して、圧縮試験用サンプルとした。圧縮試験用サンプルを圧縮試験機に設置して、３ｍｍ／ｍｉｎの速度で圧縮圧が１５ＭＰａになるまで圧縮した。圧縮圧が１５ＭＰａに到達したら１分間保持し、その後、同様の速度で圧縮圧が０ＭＰａ（無負荷）になる状態まで戻した。

【0067】

圧縮後の圧縮試験用サンプルの熱伝導率を、前述した熱伝導率測定器を用いて測定した。前出の表１、表２中、評価結果として、熱伝導率が０．０４５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の場合を〇印で、０．０４５Ｗ／ｍ・Ｋより大きい場合を×印で示す。

【0068】

圧縮前と圧縮後の圧縮試験用サンプルの厚さを測定し、前述した式（ＩＩ）により厚さ変化率を算出した。前出の表１、表２中、評価結果として、厚さ変化率が７０％より小さい場合を○印で、厚さ変化率が７０％以上の場合を×印で示す。

【0069】

［耐熱性］
断熱材のサンプルを製造する時に調製した断熱層用塗料を、体積１ｃｍ^３の直方体状の型に流し込み、熱風オーブンに入れて８０℃で１時間保持した後、１００℃に昇温して質量減少が無くなる状態まで乾燥し脱型した。得られた成形体を、さらに６００℃で１０分間保持し、割れの有無を調べた。前出の表１、表２中、評価結果として、割れが確認されなかった場合を〇印で、割れが確認された場合を×印で示す。

【0070】

（４）断熱材の評価結果
断熱材の評価結果を、前出の表１、表２にまとめて示す。まず、表１に示すように、無機バインダー（シリカ粒子）を使用し、補強繊維（ガラス繊維）を有する実施例１～５のサンプルにおいては、いずれも断熱層の質量減量率は１０％以下であり、成膜性、断熱性、耐圧縮性、および耐熱性は良好であった。すなわち、実施例１～５のサンプルにおいては、クラックが無い薄膜状の断熱層が形成されており、熱伝導率は比較的小さく、圧縮しても潰れにくく断熱性を維持することができた。また、高温下で保持しても割れることなく形状を保持することができた。そして、シリカエアロゲルの配合量が多くなると、熱伝導率は小さくなる（断熱性は向上する）傾向が見られたが、圧縮による厚さ変化は大きくなる傾向が見られた。

【0071】

これに対して、有機バインダーを使用した比較例１のサンプルにおいては、断熱層の質量減量率は１０％より大きく、成膜性および断熱性は良好であったものの、圧縮により潰れてしまい熱伝導率を測定することができず、耐圧縮性に劣る結果になった。また、高温下で保持すると割れが生じてしまい耐熱性も劣る結果になった。また、シリカエアロゲルを有しない比較例２のサンプルにおいては、所望の断熱性を得ることはできなかった。補強繊維を有しない比較例３、４のサンプルにおいては、成膜性が低下したことに加え、高温下で形状を保持することもできなかった。

【0072】

次に、表２に示すように、実施例６～１７のサンプルにおいても、断熱層の質量減量率は１０％以下であり、成膜性、断熱性、耐圧縮性、および耐熱性は良好であった。補強繊維の配合量を変化させた実施例６～１１のサンプルを比較すると、補強繊維の配合量が多くなると、圧縮による厚さ変化は小さくなる傾向が見られ、耐圧縮性が向上することが確認された。なお、補強繊維の配合量が最も多い実施例１７のサンプルにおいては、断熱層用塗料の粘度が上昇して加工性の低下がみられた。実施例１２～１５のサンプルにおいては、補強繊維の種類（アスペクト比）が異なるが、いずれも成膜性、断熱性、耐圧縮性、および耐熱性は良好であった。実施例１６のサンプルは、実施例２のサンプルに対して、シリカエアロゲルの粉砕処理の有無が異なる。実施例２のように粉砕処理品を用いると、断熱層用塗料の粘度が低くなった。これにより、塗料調製時の混合分散時間を短縮することができ、加工性の向上が期待できる。また、シリカエアロゲルの粉落ち抑制効果や、形状保持性の向上も確認することができた。

【符号の説明】

【0073】

１：バッテリーパック、１０：筐体、２：バッテリーセル、３：断熱材、３０：断熱層、３１：第一基材、３２：第二基材、３３：本体部、３４：周縁部、３５：融着部、３６：固定部材。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】