特許 7549096 延焼防止シートおよびその製造方法ならびにバッテリー

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-02

(45)【発行日】2024-09-10

(54)【発明の名称】延焼防止シートおよびその製造方法ならびにバッテリー

(51)【国際特許分類】

   B32B 15/06 20060101AFI20240903BHJP

   B32B 25/04 20060101ALI20240903BHJP

   H01M 50/204 20210101ALI20240903BHJP

【ＦＩ】

B32B15/06 Z

B32B25/04

H01M50/204 401F

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2023117171

(22)【出願日】2023-07-19

【審査請求日】2024-03-15

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000190116

【氏名又は名称】信越ポリマー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110973

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 洋

(74)【代理人】

【識別番号】110002697

【氏名又は名称】めぶき弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】安藤 均

【審査官】上野 文城

(56)【参考文献】

【文献】実開昭４９－０２２２７８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０２３－０３４３８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－０００７３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２２／０２３５２７１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ３２Ｂ １５／０６

Ｂ３２Ｂ ２５／０４

Ｈ０１Ｍ ５０／２０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱源同士の間に介在させて熱源間の延焼を防止可能な延焼防止シートであって、
第１ゴムシートと、第２ゴムシートとの間に金属膜を挟んだラミネート構造を有し、
前記金属膜は、金属粒子が堆積した状態の膜であり、
前記第１ゴムシートは、スポンジ状の多孔シートであり、
前記金属膜は、前記第１ゴムシートの片面において、孔以外の面および孔の内部に入り込んで形成されていることを特徴とする延焼防止シート。

【請求項2】

前記第２ゴムシートは、スポンジ状の多孔シートであることを特徴とする請求項１に記載の延焼防止シート。

【請求項3】

前記第１ゴムシートおよび前記第２ゴムシートの内の少なくとも１つのゴムシートは、シリコーンゴムであることを特徴とする請求項１に記載の延焼防止シート。

【請求項4】

前記金属膜は、アルミニウム、銅、スズもしくはこれらの元素の内の少なくとも１つを含む合金の１または２以上の膜であることを特徴とする請求項１に記載の延焼防止シート。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか記載の延焼防止シートを製造する方法であって、
第１ゴムシートの厚さ方向片面に金属膜を形成する金属膜形成工程と、
前記第１ゴムシートの前記金属膜の面に第２ゴムシートを積層する積層工程と、
を含む延焼防止シートの製造方法。

【請求項6】

前記金属膜形成工程に先立ち、前記第１ゴムシートの前記厚さ方向片面に、前記金属膜の形成を容易にするプライマー処理工程を行うことを特徴とする請求項５に記載の延焼防止シートの製造方法。

【請求項7】

前記金属膜形成工程は、蒸着成膜またはスパッタリング成膜の処理により行われることを特徴とする請求項５に記載の延焼防止シートの製造方法。

【請求項8】

複数個のバッテリーセルを並べて備えるバッテリーであって、
請求項１から４のいずれか記載の延焼防止シートを前記バッテリーセル同士の間に介在させていることを特徴とするバッテリー。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、延焼防止シートおよびその製造方法ならびにバッテリーに関する。

【背景技術】

【0002】

自動車の動力は、ガソリンや軽油などの化石燃料を用いたエンジンから、バッテリーからの電気を用いたモータへと移行しつつある。バッテリーの１種であるリチウムイオンバッテリーでは、一般的に、複数個のバッテリーセル（単に「セル」ともいう。）が筐体内に配置されている。

【0003】

バッテリーセルは、充電時および放電時に発熱することがある。バッテリーセルが異常過熱すると、その熱が隣のバッテリーセルに伝わる結果、バッテリー全体が過熱して発火のリスクが高まる。このような事態を防止するには、バッテリーセル間の熱伝導を低減する材料をバッテリーセル間に介在させるのが好ましい。一方、バッテリーセルが過熱するとバッテリーセルの容器が膨張する。このような膨張を吸収するには、バッテリーセル間に弾性変形に富む材料を介在させるのが好ましい。

【0004】

本出願人の発明者は、本発明に先立ち、ゴム状弾性体からなるゴムシートと、ゴムシートの両面に積層されていて隣り合う複数の熱源の間の伝熱を低減可能な断熱シートと、ゴムシートと断熱シートとの間に介在してゴムシートの両面に断熱シートを接着する接着層と、を備える延焼防止シートを開発した（例えば、特許文献１を参照。）

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０２３－０６２５４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明者は、上記の従来から公知の延焼防止シートの知見に基づきさらに開発を行った結果、以下のような改良を考えるに至った。１つは、バッテリーセル等の熱源から発せられる熱を反射させやすくすることである。もう１つは、延焼防止シートが熱源の膨張をより確実に吸収できるだけの弾性変形を実現できるようにすることである。

【0007】

アルミニウムに代表される高熱伝導率の金属板をゴムシートの厚み方向両側に配置した積層シートを熱源同士の間に挟むと、過熱した熱源からの熱は、すぐに金属板に伝わる。この結果、金属板自体が熱くなるので好ましくない。また、通常の金属板を用いると、積層シートを構成するゴムシートの弾性変形を阻害する。この結果、熱源が膨張したときにその膨張に対応したゴムの弾性変形が発揮できなくなる。

【0008】

本発明は、上記の知見に基づき、熱源からの熱の反射を実現しながらも、熱源の膨張を効率的に吸収させる弾性変形を実現可能な延焼防止シートおよびそれを備えるバッテリーを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

（１）上記目的を達成するための一実施形態に係る延焼防止シートは、熱源同士の間に介在させて熱源間の延焼を防止可能なシートであって、第１ゴムシートと、第２ゴムシートとの間に金属膜を挟んだラミネート構造を有し、前記金属膜を、金属粒子が堆積した状態の膜としている。
（２）別の実施形態に係る延焼防止シートにおいて、好ましくは、前記第１ゴムシートおよび前記第２ゴムシートの内の少なくとも１つのゴムシートは、スポンジ状の多孔シートであっても良い。
（３）別の実施形態に係る延焼防止シートにおいて、好ましくは、前記第１ゴムシートおよび前記第２ゴムシートの内の少なくとも１つのゴムシートは、シリコーンゴムであっても良い。
（４）別の実施形態に係る延焼防止シートにおいて、好ましくは、前記金属膜は、アルミニウム、銅、スズもしくはこれらの元素の内の少なくとも１つを含む合金の１または２以上の膜であっても良い。
（５）上記目的を達成するための一実施形態に係る延焼防止シートの製造方法は、上述のいずれかの延焼防止シートを製造する方法であって、第１ゴムシートの厚さ方向片面に金属膜を形成する金属膜形成工程と、前記第１ゴムシートの前記金属膜の面に第２ゴムシートを積層する積層工程と、を含む。
（６）別の実施形態に係る延焼防止シートの製造方法において、好ましくは、前記金属膜形成工程に先立ち、前記第１ゴムシートの前記厚さ方向片面に、前記金属膜の形成を容易にするプライマー処理工程を行っても良い。
（７）別の実施形態に係る延焼防止シートの製造方法において、好ましくは、前記金属膜形成工程は、前記金属の蒸着成膜またはスパッタリング成膜の処理により行われても良い。
（８）上記目的を達成するための一実施形態に係るバッテリーは、複数個のバッテリーセルを並べて備えるバッテリーであって、上述のいずれかの延焼防止シートを前記バッテリーセル同士の間に介在させている。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、熱源からの熱の反射を実現しながらも、熱源の膨張を効率的に吸収させる弾性変形を実現可能な延焼防止シートおよびそれを備えるバッテリーを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、本発明の実施形態に係るバッテリーの主要部およびその一部Ａの拡大図を示す。

【図2】図２は、本発明の実施形態に係る延焼防止シートの斜視図を示す。

【図3】図３は、図２の延焼防止シートの主な製造工程を示す。

【図4】図４は、図２の延焼防止シートの製造工程の最初の段階を示す。

【図5】図５は、図４の状態に続く段階を示す。

【図6】図６は、図５の状態に続く段階を示す。

【図7】図７は、この実施形態に係る延焼防止シートの一例の延焼防止性能の評価手法（７Ａ）および評価結果（７Ｂ）を示す。

【発明を実施するための形態】

【0012】

次に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている諸要素及びその組み合わせの全てが本発明の解決手段に必須であるとは限らない。

【0013】

図１は、本発明の実施形態に係るバッテリーの主要部およびその一部Ａの拡大図を示す。

【0014】

この実施形態に係るバッテリー１は、例えば電気自動車用のバッテリーであって、好ましくはリチウムイオンバッテリーである。バッテリー１は、多数のバッテリーセル（単に、「セル」ともいう。）５を並べて搭載しており、バッテリーセル５同士の間に延焼防止シート１０を挟んでいる。延焼防止シート１０は、一部のバッテリーセル５が過熱状態となり、最悪、発火した場合でも隣のバッテリーセル５への延焼を最小限に抑えるためのシートである。また、延焼防止シート１０は、その厚さ方向に弾性変形可能なシートである。複数のバッテリーセル５は、その並ぶ方向に圧縮してバッテリー１内にセットされる。このとき、延焼防止シート１０は、バッテリーセル５からの圧縮を受けて圧縮変形する。一方、複数のバッテリーセル５の圧縮を解放すると、延焼防止シート１０は元の厚さに回復する。さらに、延焼防止シート１０は、熱源の一例であるバッテリーセル５が熱膨張したときに、その膨張に伴うバッテリーセル５の変形に応じて弾性的に変形可能である。

【0015】

図２は、本発明の実施形態に係る延焼防止シートの斜視図を示す。

【0016】

この実施形態に係る延焼防止シート１０は、当該シート１０の厚さ方向両側をバッテリーセル５に接触するようにバッテリー１内に備えられる。ただし、複数の延焼防止シート１０の内の１つは、当該シート１０の厚さ方向片側をバッテリーセル５に、当該片側の反対側をバッテリー１の筐体（不図示）に接触するようにバッテリー１内に備えられていても良い。延焼防止シート１０は、熱源の一例であるバッテリーセル５同士の間に介在させて熱源間の延焼を防止可能なシートである。

【0017】

延焼防止シート１０は、第１ゴムシート１１と、第２ゴムシート１２との間に金属膜１３を挟んだラミネート構造を有する。金属膜１３は、金属粒子が堆積した状態の膜である。本願では、金属粒子は、金属原子を含むように広義に解釈される。

【0018】

第１ゴムシート１１および第２ゴムシート１２の各厚さは、相対的にいずれが大きくあるいは同一でも良いが、好ましくは同一である。この結果、金属膜１３は、延焼防止シート１０の厚さのちょうど中央に配置される。第１ゴムシート１１および第２ゴムシート１２の各厚さの範囲は、特に制約はないが、好ましくは１ｍｍ以上１０ｍｍ以下、より好ましくは２ｍｍ以上５ｍｍ以下である。金属膜１３の総厚は、好ましくは０．１μｍ以上４．０μｍ以下、より好ましくは０．２μｍ以上１．５μｍ以下である。金属膜１３を構成する金属粒子の平均直径は、好ましくは０．１μｍ以上２．０μｍ以下、より好ましくは０．５μｍ以上１．５μｍ以下である。金属膜１３は、金属粒子が１層または２層以上が堆積した形態を有する。ここで、「平均直径」とは、ＳＥＭ像から１００個の粒子を任意に選んで得られた直径の平均値をいう。

【0019】

第１ゴムシート１１および第２ゴムシート１２は、例えば、シリコーンゴム、ウレタンゴム、イソプレンゴム、エチレンプロピレンゴム、天然ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、ニトリルゴム（ＮＢＲ）あるいはスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等の熱硬化性エラストマー； ウレタン系、エステル系、スチレン系、オレフィン系、ブタジエン系、フッ素系等の熱可塑性エラストマー、あるいはそれらの複合物等を含むように構成される。第１ゴムシート１１および第２ゴムシート１２としては、耐熱性に優れるシリコーンゴムシートが好ましい。第１ゴムシート１１および第２ゴムシート１２は、シリカ、グラファイト等のフィラーを含んでいても良い。また、第１ゴムシート１１および第２ゴムシート１２としては、伸縮性に富む多孔質のシート（スポンジ状の多孔シートともいう。）が好ましい。この実施形態では、第１ゴムシート１１および第２ゴムシート１２のより好ましい形態として、シリコーンゴム製の多孔質のシートを用いている。第１ゴムシート１１および第２ゴムシート１２の内部に空気を含む小さな空孔を有すると、シートの断熱性をより高めることができる。

【0020】

なお、第１ゴムシート１１および第２ゴムシート１２は、同じ種類のゴムから構成されていなくとも良い。例えば、第１ゴムシート１１または第２ゴムシート１２のいずれかのみをシリコーンゴムから構成し、他方を非シリコーンゴムから構成しても良い。また、第１ゴムシート１１または第２ゴムシート１２のいずれかのみをスポンジ状の多孔シートとし、他方を非スポンジ状のシートとしても良い。

【0021】

金属膜１３は、金属の種類に特別な制約はないが、好ましくはアルミニウム、銅、スズもしくはこれらの元素の内の少なくとも１つを含む合金の膜である。金属膜１３は、１種類の成分の膜でもよく、または２種類の成分の膜が積層された膜でも良い。金属膜１３は、例えば、アルミニウムの膜、銅の膜、スズの膜、アルミニウム合金の膜、銅合金の膜、スズ合金の膜、または上記単一の膜を２層以上積層した膜でも良い。金属膜１３は、金属の粒子（好ましくは結晶粒）が島状に堆積して成る薄膜である。金属膜１３は、前述した例示的厚みからもわかるように、非常に薄い。このため、金属膜１３が延焼防止シート１０の厚さ方向における弾性変形を阻害するリスクを低減できる。また、金属膜１３は、延焼防止シート１０の厚さ方向の内部に存在する。このため、熱源であるバッテリーセル５が発熱したときに、その熱を反射してバッテリーセル５に戻すリスクを低減できる。

【0022】

図３は、図２の延焼防止シートの主な製造工程を示す。図４から図６は、図２の延焼防止シートの製造工程を段階的に斜視図で示す。図５は、金属膜１３における一部Ｂ１を拡大し、さらにＢ１中のＢ２をも拡大して示す。

【0023】

この実施形態に係る延焼防止シート１０の製造方法は、図３に示すように、好ましくは、プライマー処理（Ｓ１００）と、金属膜形成工程（Ｓ２００）と、積層工程（Ｓ３００）と、を含む。プライマー処理は、オプションの工程であり、必須の工程ではない。

【0024】

（１）プライマー処理（Ｓ１００）
この工程は、金属膜形成工程（Ｓ２００）に先立ち、第１ゴムシート１１の厚さ方向片面に、金属膜１３の形成を容易にする工程である。プライマー処理は、第１ゴムシート１１の材料により種々選択可能である。例えば、第１ゴムシート１１がシリコーンゴムの場合には、プライマー処理として、シランカップリング剤の塗布を例示できる。シランカップリング剤としては、例えば、γ－グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ－グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、β－（３，４－エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン等のエポキシ官能性アルコキシシラン、γ－メルカプトプロピルトリメトキシシラン等のメルカプト官能性アルコキシシラン、γ－アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ－２－（アミノエチル）－３－アミノプロピルトリメトキシシラン等のアミン官能性アルコキシシラン、３－メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン等のメタクリル官能性アルコキシシランなどが挙げられる。

【0025】

（２）金属膜形成工程（Ｓ２００）
この工程は、図５に示すように、第１ゴムシート１１の厚さ方向片面に金属膜１３を形成する工程である。プライマー処理工程（Ｓ１００）を実施した場合には、金属膜１３は、第１ゴムシート１１のプライマー処理面に形成される。金属膜形成工程（Ｓ２００）は、好ましくは、金属の蒸着成膜またはスパッタリング成膜の処理により行われる。蒸着は、真空チャンバ内にて金属を蒸発させて第１ゴムシート１１の片面に金属膜１３を形成する方法である。金属を蒸着させる手法としては、抵抗加熱方式、電子ビーム照射方式、レーザ加熱方式、高周波誘導方式などを例示できる。スパッタリングは、真空チャンバ内にて、金属をターゲットにして、アルゴン等の不活性な気体をイオンとして当該ターゲットに衝突させて金属原子をターゲットから飛び出させて第１ゴムシート１１に金属膜１３を成膜させる方法である。スパッタリングの種類としては、マグネトロンスパッタリング、ＲＦスパッタリング、反応性スパッタリング、ＤＣスパッタリングなどを例示できる。

【0026】

図５の一部Ｂ１の拡大図およびその中の一部Ｂ２の拡大図にも示すように、金属膜１３は、金属粒子１５が堆積した膜である。第１ゴムシート１１がスポンジ状の多孔シートの場合、金属膜１３は、第１ゴムシート１１の孔１４以外の面に形成される。なお、金属粒子１５は孔１４の内部にも入り込む。このため、金属膜１３の一部は、孔１４の内部にも形成され得る。

【0027】

（３）積層工程（Ｓ３００）
この工程は、図６に示すように、第１ゴムシート１１の金属膜１３の面に第２ゴムシート１２を積層する工程である。この工程に先立ち、第２ゴムシート１２における金属膜１３との接触側の面に、プライマー処理工程（Ｓ１００）と同様の処理を行っても良い。また、積層工程（Ｓ３００）では、加熱、または加熱と加圧の併用を行っても良い。また、耐熱性の接着剤を用いて積層しても良い。

【0028】

図７は、この実施形態に係る延焼防止シートの一例の延焼防止性能の評価手法（７Ａ）および評価結果（７Ｂ）を示す。（７Ｂ）のグラフの横軸は経過時間（ｓｅｃ）を、縦軸は温度（℃）を示す。

【0029】

延焼防止性能は、（７Ａ）に示すように、発熱体（８００℃）２０と温度測定板２１との間にサンプルＸを挟み、発熱体が８００度に達した時点で発熱体２０と温度測定板２１との間を加圧する方法で行った。加圧時の圧力は０．１ＭＰａとした。温度の測定は、温度測定板２１の位置で行った。サンプルＸには、次の３種類を用いた。１つ目のサンプルは、比較材（Ｓａｍｐｌｅ Ａ）として用いた厚さ４．２ｍｍの発泡シリコーンゴムシート（比重：０．３６）である。２つ目のサンプルは、この実施形態の一例（Ｓａｍｐｌｅ Ｂ）として用いたシートであり、２枚の厚さ２．１ｍｍの発泡シリコーンゴムシート（比重：０．３６）の間に厚さ１μｍの銅の薄膜と厚さ０．３μｍのスズ系合金（Ｓｎ－Ａｇ－Ｐ合金）の薄膜との積層膜を挟んだ形態のシートである。銅の薄膜は、厚さ２．１ｍｍの発泡シリコーンゴムシートの片面に蒸着によって形成された。上記のスズ系合金の薄膜は、銅の薄膜の表面に蒸着によって形成された。蒸着は、ＵＬＶＡＣ社製のバッチ式蒸着装置（型番：ＬＰ１３００ＢＳＤ）を用いて、チャンバ内の真空度を１×１０^―４～１×１０^―６Ｐａの範囲として行った。また、蒸着は、蒸着用の金属を抵抗加熱方式で加熱して行った。３つ目のサンプルは、比較材（Ｓａｍｐｌｅ Ｃ）として用いたシートであり、２枚の厚さ２．１ｍｍの発泡シリコーンゴムシート（比重：０．３６）の間に厚さ１０μｍのアルミニウム箔を挟んだ形態のシートである。

【0030】

（７Ｂ）に示すように、時間の経過に従い、Ｓａｍｐｌｅ Ａ、Ｓａｍｐｌｅ ＢおよびＳａｍｐｌｅ Ｃは、ともに温度上昇を示した。全てのＳａｍｐｌｅとも、４００℃以下の温度を維持していることから、発熱体の温度（８００℃）に比べて、大幅な温度上昇抑制効果を示した。また、Ｓａｍｐｌｅ Ｂは、Ｓａｍｐｌｅ Ａに比べて大きな温度上昇抑制効果を示すことがわかった。さらに、Ｓａｍｐｌｅ Ｃは、Ｓａｍｐｌｅ Ｂよりも大きな温度上昇抑制効果を示した。しかし、Ｓａｍｐｌｅ Ｃのようにアルミニウム箔を発泡シリコーンゴムシート間に挟んだ構造の場合、積層シートの中央部に荷重を集中しても圧縮しにくいことがわかった。これは、アルミニウム箔が伸びにくいために、当該箔が発泡シリコーンゴムシートの変形を抑制したからと考えられる。このような現象は、Ｓａｍｐｌｅ Ｂの構造には見られなかった。以上の結果から、遮熱効果が比較的大きく、かつシリコーンゴムの変形をできるだけ抑制しないＳａｍｐｌｅ Ｂが総合的に優れた構造であると判断した。

【0031】

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されず、種々変形可能である。

【0032】

上述の実施形態において、第１ゴムシート１１および第２ゴムシート１２は、共に、スポンジ状の多孔シートであるが、いずれか一方のゴムシート１１，１２のみをスポンジ状の多孔シートとしても良い。また、両方のゴムシート１１，１２を非スポンジ状のゴムシートとしても良い。

【0033】

上述の実施形態において、金属膜１３は、第１ゴムシート１１の片面の全領域に形成されている。しかし、金属膜１３は、当該片面の一部における１または２以上の部位に形成されていても良い。

【0034】

延焼防止シート１０は、バッテリーセル５同士の間に配置されるのみならず、バッテリーセル５とバッテリーセル５を格納する筐体との間に配置されていても良い。また、延焼防止シート１０は、バッテリー１に設置される用途のみならず、電子機器における回路基板同士の間、電子部品同士の間、または回路基板と電子部品の間に配置される用途を有していても良い。

【産業上の利用可能性】

【0035】

本発明は、例えば、自動車用のバッテリーに利用できる。

【符号の説明】

【0036】

１・・・バッテリー、５・・・バッテリーセル（熱源の一例）、１０・・・延焼防止シート、１１・・・第１ゴムシート（例えば、スポンジ状の多孔シート）、１２・・・第２ゴムシート（例えば、スポンジ状の多孔シート）、１３・・・金属膜、１４・・・孔、１５・・・金属粒子。

【要約】

【課題】
熱源からの熱の反射を実現しながらも、熱源の膨張を効率的に吸収させる弾性変形を実現可能な延焼防止シートおよびそれを備えるバッテリーを提供する。
【解決手段】
本発明は、熱源５同士の間に介在させて熱源５間の延焼を防止可能な延焼防止シート１０であって、第１ゴムシート１１と、第２ゴムシート１２との間に金属膜１３を挟んだラミネート構造を有し、金属膜１３を、金属粒子１５が堆積した状態の膜とした延焼防止シート１０、その製造方法およびバッテリーに関する。
【選択図】図５

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】