特表 2024-526776 バッテリシステム用の断熱マット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-07-19

(54)【発明の名称】バッテリシステム用の断熱マット

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/6555 20140101AFI20240711BHJP

   H01M 50/293 20210101ALI20240711BHJP

   H01M 50/209 20210101ALI20240711BHJP

   H01M 50/204 20210101ALI20240711BHJP

   H01M 50/227 20210101ALI20240711BHJP

   H01M 50/291 20210101ALI20240711BHJP

   H01M 50/224 20210101ALI20240711BHJP

   H01M 10/613 20140101ALI20240711BHJP

   H01M 10/647 20140101ALI20240711BHJP

   H01M 10/658 20140101ALI20240711BHJP

   H01M 10/653 20140101ALI20240711BHJP

   H01M 10/625 20140101ALN20240711BHJP

【ＦＩ】

H01M10/6555

H01M50/293

H01M50/209

H01M50/204 401H

H01M50/227

H01M50/291

H01M50/224

H01M10/613

H01M10/647

H01M10/658

H01M10/653

H01M10/625

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024502069

(86)(22)【出願日】2022-07-13

(85)【翻訳文提出日】2024-02-19

(86)【国際出願番号】 EP2022069541

(87)【国際公開番号】W WO2023285504

(87)【国際公開日】2023-01-19

(31)【優先権主張番号】102021118437.1

(32)【優先日】2021-07-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】509170017

【氏名又は名称】エリコン フリクション システムズ（ジャーマニー） ゲーエムベーハー

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100098501

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 拓

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100134315

【弁理士】

【氏名又は名称】永島 秀郎

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】ヘリベルト ヴァルター

(72)【発明者】

【氏名】ミヒャエル マーク

(72)【発明者】

【氏名】トビアス フリッツ

(72)【発明者】

【氏名】アレックス トーマシュポルスキ

(72)【発明者】

【氏名】ジェシカ ウーレマン

(72)【発明者】

【氏名】トーマス イュープラー

【テーマコード（参考）】

5H031

5H040

【Ｆターム（参考）】

5H031AA09

5H031CC01

5H031EE01

5H031EE03

5H031EE04

5H031KK02

5H040AA28

5H040AS07

5H040AT02

(57)【要約】

本発明は、バッテリシステム内で隣り合うバッテリセル（２）、特に角形バッテリセル同士を離隔するための断熱マット（１）であって、繊維・エラストマー複合体製の弾性変形可能な基板（７）から成り、基板（７）の２つの主面に、互いに平行にかつ互いに間隔をあけて基板（７）の主面を横断して延びる所定の数のリブ（８）が設けられており、２つの主面のリブユニットは、環状のフレーム（１０）によって包囲されており、リブ（８）とフレーム（１０）との間にはギャップ（１１）が存在しており、基板（７）の繊維・エラストマー複合体は、鉱物繊維から成る少なくとも１つの中間層が埋設されたエラストマーマトリックスから形成されており、断熱マットは同時に、セル成分の化学的劣化と、充電時および放電時のセルの周期的な膨張および収縮とに基づくバッテリセルのシステム固有の体積変化を補償することができる、断熱マット（１）に関する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

特にバッテリシステム内で隣り合うバッテリセル（２）間を離隔するための断熱マット（１）であって、繊維・エラストマー複合体から成る弾性変形可能な基板（７）を備えており、
前記基板（７）の２つの主面に、互いに平行にかつ互いに間隔をあけて前記基板（７）の前記主面を横断して延びる所定の数のリブ（８）が設けられており、
前記２つの主面のリブユニットは、環状のフレーム（１０）によって包囲されており、前記リブ（８）と前記フレーム（１０）との間にはギャップ（１１）が存在しており、
前記基板（７）の前記繊維・エラストマー複合体は、鉱物繊維から成る少なくとも１つの中間層を含むエラストマーマトリックスから形成されている、
断熱マット（１）。

【請求項2】

前記エラストマー材料は、シリコーンエラストマーのうち、スチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、アクリロニトリル－ブタジエンゴム（ＮＢＲ）、天然ゴム（ＮＲ）、ブチルゴム、イソブタン－イソプレンゴム（ＩＩＲ）、イソプレンゴム（ＩＲ）、およびポリウレタン（ＰＵＲ）から選択されている、請求項１記載の断熱マット（１）。

【請求項3】

前記エラストマーは、シリコーンエラストマーおよびポリウレタンから選択されている、請求項２記載の断熱マット（１）。

【請求項4】

前記中間層用の前記鉱物繊維は、ガラス繊維、バサルト繊維、シリカ繊維および酸化物セラミック繊維から選択されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の断熱マット（１）。

【請求項5】

圧縮荷重が加えられていない状態では、前記環状のフレーム（１０）の高さは前記リブ（８）の高さよりも高くなっており、前記環状のフレーム（１０）の変形抵抗は前記リブ（８）の変形抵抗よりも大きい、請求項１から４までのいずれか１項記載の断熱マット（１）。

【請求項6】

前記環状のフレーム（１０）の幅は、前記リブ（８）の幅よりも大きい、請求項５記載の断熱マット（１）。

【請求項7】

２つの隣り合う前記リブ（８）の間の間隔（９）の幅は、前記リブ（８）の幅の少なくとも１．５倍～２倍である、請求項１から６までのいずれか１項記載の断熱マット（１）。

【請求項8】

前記リブ（８）および前記環状のフレーム（１０）は、エラストマー材料から形成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の断熱マット（１）。

【請求項9】

前記リブ（８）は、または前記リブ（８）と前記環状のフレーム（１０）は両方共、前記基板と同じエラストマー材料から形成されている、請求項８記載の断熱マット（１）。

【請求項10】

前記基板（７）は、鉱物繊維から成る２つ以上の中間層（１２）を有している、請求項１から９までのいずれか１項記載の断熱マット（１）。

【請求項11】

鉱物繊維から成る２つの前記中間層（１２）の間には、バインダとしてエラストマー材料が設けられている、請求項１０記載の断熱マット（１）。

【請求項12】

前記基板（７）には、赤外線を反射する金属シートが設けられている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の断熱マット（１）。

【請求項13】

前記基板（７）と、前記リブ（８）と、前記環状のフレーム（１０）とは、一体の部品である、請求項１から１２までのいずれか１項記載の断熱マット（１）。

【請求項14】

前記リブ（８）を横断する中断部（１６）が設けられており、かつ／または前記環状のフレーム（１０）に、反応ガスの導出用の少なくとも１つの出口開口（１７，１８）が設けられている、請求項１から１３までのいずれか１項記載の断熱マット（１）。

【請求項15】

角形バッテリセルを備えたバッテリシステムに対する、請求項１から１４までのいずれか１項記載の断熱マットの使用。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、バッテリシステム、特にリチウムイオンバッテリシステム用の断熱マットに関し、この場合、断熱マットが、バッテリシステムの単セルの間に配置されており、これにより、例えばバッテリセルの過熱の結果としてバッテリセルが故障した場合に、隣接するバッテリセルへの過熱の進行を阻止する。本発明による断熱マットは、有利には、電気自動車の分野で使用されるようなバッテリシステムに使用することができる。

【背景技術】

【0002】

バッテリシステムは一般に、複数の単セルから構成されており、これにより、必要とされる高いエネルギ密度を得ることができる。この場合、所定数の単セルが１つのモジュールにまとめられ、単モジュールが１つのスタックにまとめられて、互いに電気的に接続される。得られたバッテリシステムは、外部の影響から保護するために、気密に閉鎖されるハウジング内に収納される。

【0003】

原則としてバッテリの種類は、円筒形セルと、角形セルと、パウチ型セルとに区別される。角形セルは、（セルカップとも呼ばれる）剛性のハウジングを備えた直方体形を有しており、これに対してコーヒーバッグ型セルとも呼ばれるパウチ型セルは、シートから成るフレキシブルなカバーを有している。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明は特に、蓄電池とも呼ばれる再充電可能な電池、いわゆる二次電池を備えたバッテリシステムに関する。例えば電気自動車の分野で頻繁に使用されるバッテリシステムは、リチウムイオン電池を基礎としたバッテリシステムである。

【0005】

複数の単セルから成るバッテリシステムの確実な作動を保証するために、例えば過熱の結果、１つのバッテリセルのセル火災が発生した場合には、隣接するセルに、バッテリシステム全体の焼損（熱暴走）に至るまでセル火災が広がることを阻止することが必須である。

【0006】

セル火災の場合には、ほんの数秒以内に６００℃以上の高温が生じる。隣接セルへの火災の過熱と広がりとを防止するためには、隣接セルの温度が臨界値を超えて上昇することを阻止する対策を講じる必要がある。

【0007】

リチウムイオン電池においてこの臨界温度値を決定する要素は、特に電解質またはその組成およびシャットダウンセパレータの発動範囲である。

【0008】

リチウムイオン電池用には、１００℃の沸点を有し発火し易い成分を含む電解液が使用される。したがって、気密に閉鎖されたセル内の圧力上昇を回避するために、セル温度を沸点未満に保たねばならない。セル内部圧力が極度に高い場合には、形成されたガスを逃がす安全弁が開くようになっており、これらの条件下で高反応性の電解質は、通常直ちに発火する。シャットダウンセパレータは、臨界温度を超過した場合にセパレータの微細孔が塞がれることにより、イオンの移動を阻止すると共に電流の流れを中断する安全手段である。２つのポリマーシートからなる積層体から形成されたシャットダウンセパレータが知られており、この場合、ポリマーはそれぞれ異なる融点を有している。例えば、頻繁に使用されるシャットダウンセパレータは、融点が１２０℃のポリエチレンと、１７０℃のポリプロピレンとを含む、ポリエチレン／ポリプロピレン積層体から形成されている。より低い融点を有するポリマーシート、この場合はポリエチレンの融点を超過すると、このポリマーシートが溶融して、より高温で溶融するポリマーシート、この場合はポリプロピレンの孔を塞ぐ。

【0009】

上述のことから、セルの過熱と、これに関連した安全上のリスクとを回避するためには、セル温度を必然的に１５０℃未満、特に１２０℃未満、好適には可能な限り１００℃未満に保たねばならないことが明らかである。

【0010】

隣接するセルが臨界温度を超えて加熱されること、ひいては、セル火災の発動を阻止するために、隣り合うセルの間に断熱装置を設けることが知られている。

【0011】

断熱の他に、バッテリシステムの安全な作動のためにはさらに別の観点が考慮され得る。

【0012】

つまり、断熱手段は同時に、セルまたはセルハウジングに印加される、１つのモジュールのセル間の電位差を電気的に絶縁する電気絶縁体の機能を同時に有することが望ましい。

【0013】

リチウムイオン電池システムを形成する際の１つの別の重要な観点は、システムに起因する、（膨張としても知られている）バッテリセルの体積変化である。その原因は、一方ではセル成分の化学的な劣化に基づく連続的なセル膨張であり、他方では充電時および放電時のセルの周期的な膨張および収縮である。このシステム固有の体積変化は、特に角形セルを基礎とするバッテリシステムの製造に際して、その固いセルハウジングに基づき考慮されるべきである。この場合、セル成分の体積増加は、大きな主面の中央領域における膨張につながる。これに対して、縁部領域は、隣接する面につながる角隅部により、機械的に安定化されている。

【0014】

長さ２３６ｍｍ、高さ１１５ｍｍ、厚さ３２ｍｍの、自動車使用分野の角形セルの典型的な寸法の場合、劣化した角形セルに充電すると、主面は０．２ｍｍ～１ｍｍ未満だけ膨張することがあり、これにより、通常１０～１４の単セルを含む１つのモジュールに、２ｍｍ～１０ｍｍ未満の総膨張量が生じる恐れがある。

【0015】

したがって、有利には、断熱マットが、隣り合うバッテリセルの断熱および電気的な絶縁に加えて、充電および放電の過程における周期的な体積変化と、連続的な体積増加の両方のセルの体積膨張を、セルの耐用年数にわたり補償することができることが望ましい。

【0016】

さらに、断熱マットは、最低限の重量を有していること、省スペース式に取り付けること、および廉価であることが望ましい。

【0017】

断熱とは、６００℃以上の熱が発生するセル火災の場合に、隣接するセルに僅か３０秒以内に伝達される熱が、有利には１００℃未満に制限されるべきであることを意味する。

【0018】

寿命にわたり、セルの体積変化の補償を保証することは、材料が弾性変形可能でありかつ十分に小さな圧縮ひずみを有しており、したがって、圧縮荷重および温度変動に基づき固化はしないことを必要とする。

【0019】

さらに考慮すべきなのは、モジュールを組み立てるためには所望の数の、典型的には１２～１４個の単セルが１つのスタックにまとめられ、例えば５～１９ｋＮの所定の予荷重力により加圧され、この予荷重力に基づき固定され、これにより、所定のスタック幾何学形状が得られる、ということである。断熱マットは、モジュールの寸法安定性を保証するために、この予荷重を全寿命にわたり維持することができねばならない。

【課題を解決するための手段】

【0020】

本発明に基づき、上で示した問題は、繊維・エラストマー複合体から成る弾性変形可能な基板を備えた断熱マットであって、基板の両主面に、互いに平行にかつ互いに間隔をあけて基板の主面を横断して延びる所定の数のリブが設けられており、両主面のリブは、互いにずらされて配置されており、リブ構造を有する基板は、環状のフレームによって包囲されており、リブは、フレームから分離されている、断熱マットによって解決される。好適には、フレームも同様に、エラストマー材料から形成されている。

【0021】

リブの「ずらされた配置」とは、基板の一方の主面のリブが、基板の他方の主面の２つのリブの間の間隔内に延びていることを意味する。リブ同士の間の間隔は、リブが延びる幅よりも広幅であることが望ましく、これにより、リブが間隔内へばね弾性的に撓むことを可能にする。

【0022】

「分離されている」とは、リブがフレームに結合されていないこと、すなわちリブの端面も、最も外側の各リブの外側に位置する側面も、フレームには接触していないことを意味する。

【0023】

本発明による断熱マットの寸法設定は、各用途に従う。本明細書で説明する形態では、断熱マットは、特に角形セルの間で使用するように設計されている。ただし、断熱マットを別の形式のバッテリと共に使用するために、容易に適合させることもできる。

【0024】

角形バッテリセルの中間絶縁体として使用するために、断熱マットは、実質的に矩形の基本形状を有している。断熱マットの周は、取付け状態においてバッテリセルの周と整合していてよい。代替的に、フレームまたはフレームの縁部は、例えば長辺または短辺またはその両方でもって、バッテリセルの周を越えて突出していてもよい。

【0025】

弾性変形可能な基板は、２つの主面を有する面状の矩形形状を有している。各主面には、互いに平行にかつ互いに間隔をあけて配置され、主面を横断して延びる所定の数のリブが設けられており、この場合、２つの主面のリブは、互いにずらされて配置されている。

【0026】

リブユニットを備えた基板は、環状のフレームによって包囲されている。本発明による断熱マットは、隣り合う角形バッテリセルの間に主面同士が接触するように配置される。フレームの露出した上面は、取付け状態では隣接する１つまたは複数のバッテリセルに接触している。

【0027】

よって組立状態では、断熱マットのフレームは、バッテリセルの、寸法的に剛性の縁部に沿って延びており、縁部に支持されることができる。このようにして、モジュールを構成する際にバッテリセルと断熱マットのフレームとに加えられる予圧荷重を、環状のフレームを介して受け止めて補償することができる。

【0028】

フレームは、予圧荷重によってせいぜい極僅かに変形するだけに過ぎず、これに相応して、低圧縮性を有していることが望ましい。フレームの圧縮強さは、材料の弾性、フレームの幅、およびフレームの構造により様々な影響を及ぼされて調整することができる。例えば、フレームの製造に使用されるエラストマー材料の圧縮弾性率に応じて、モジュール構成中に緊締した後に所望のフレーム厚さが得られるように、フレーム高さを選択することができる。

【0029】

劣化および充電過程による体積増加に基づくセルの主面の膨張は、以下で詳しく説明するように、弾性変形可能な基板に関連したリブを介して補償される。

【0030】

１つのバッテリセルの一方の主面の膨張により、隣接する本発明による断熱マットのリブに圧力が加えられると、リブは、基板の変形により、各リブの下側に位置する、基板の他方の面に配置されたリブの間の間隔内に変位する。例えば、放電に基づき膨張部が収縮して放圧されると、基板の弾性に基づき、リブは再びその初期状態に戻ることができる。リブが配置された弾性変形可能な基板は、ばね部材として作用し、この場合、圧縮荷重が加えられるとばね弾性的に撓み、圧縮が軽減されるとばね弾性的に初期状態に戻る。

【0031】

１つの有利な構成では、リブが配置された、ばね部材として作用する基板を介して追加的に、調整可能な圧力をセル表面に加えることができるようになっているので、セルスタックは、緊締圧力に追加して軽度に圧縮されることになる。このようにして得ることができる追加的な圧力は、スタックのセルのサイクル安定性にポジティブな影響を及ぼし得るということがわかった。

【0032】

ばね弾性的な撓みの程度は、単独で、または２つ以上を組み合わせて使用されてもよい複数の様々な手段によって制御することができる。

【0033】

例えば、ばね弾性的な撓みの程度は幾何学形状的に、リブ幅の少なくとも１．５～２倍であることが望ましいリブ間の間隔によって制御することができる。リブ幅に比べて間隔が広幅であるほど、基板とリブとから成る構造体はより一層変形可能になる、すなわち、リブが基板と共に、間隔内により深く押し込まれることになる。

【0034】

さらに、ばね弾性的な撓みの程度は、基板の構成および材料により決定される。基板は、エラストマープラスチック（エラストマー）から成るマトリックスを有する繊維・エラストマー複合体から形成されており、かつ基板には、繊維から成る少なくとも１つの中間層（繊維中間層とも呼ばれる）が埋設されている。エラストマーは、セル火災の場合に高温に耐えることができるようにするために、必要とされる弾性の他に十分な耐熱性を有している必要がある。

【0035】

適切な耐高温性のエラストマーの例は、シリコーンエラストマー、例えば、メチル－フェニル－シリコーンゴム（ＰＭＱ）、メチル－フェニル－ビニル－シリコーンゴム（ＰＶＭＱ）、メチル－シリコーンゴム、メチル－ビニル－シリコーンゴム（ＶＭＱ）、フルオロ－ビニル－メチル－シリコーンゴム（ＦＶＭＱ）、エチレン－プロピレン－ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、スチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、アクリロニトリル－ブタジエンゴム（ＮＢＲ）、天然ゴム（ＮＲ）、ブチルゴム、イソブタン－イソプレンゴム（ＩＩＲ）、およびイソプレンゴム（ＩＲ）ならびにポリウレタン（ＰＵＲ）である。

【0036】

エラストマーの弾性は、好適には２０～８０、特に４５～７５、特に好適には５０～６０のショアＡ硬度の範囲にあることが好ましい。

【0037】

所望の耐熱性の観点から、繊維から成る中間シートには、鉱物繊維、例えばガラス繊維、バサルト繊維、シリカ繊維および酸化物セラミック繊維が使用される。鉱物繊維は、織布またはスクリム等の面状造形物の形態で存在していてよく、この場合、面状造形物自体は、これらの繊維から成る粗糸または糸から製造されていてよい。繊維は、典型的には２０ｇ／ｍ^２～２００ｇ／ｍ^２の単位面積当たりの重量でもって使用される。例えば、２つ以上の繊維中間層が設けられる場合には、個々の層の単位面積当たりの重量は、下の範囲内にあってよいか、またはそれどころかそれ未満であってよい。

【0038】

繊維は、補強中間層としてエラストマーマトリックス内に埋設されている。２つ以上の繊維中間層の場合、個々の繊維中間層の間に、バインダとしてエラストマーから成る薄い層が設けられていてよい。

【0039】

基板用の１つの好適な材料の組合せは、ガラス繊維織布から成る１つまたは２つの中間層を含むシリコーンエラストマーである。

【0040】

エラストマーの種類の他に、基板の変形性ひいてはばね弾性的な撓みの程度は、繊維の配向により決定される。最小の変形性を示すのは０°／９０°の配向であり、この場合、ばね弾性的な撓みは全くまたはせいぜい極僅かにしか生じない。これに対して、繊維は±４５°の配向において、リブ相互の最大のばね弾性的な撓みを伴うファイバの最大の移動を示す。これらの値の間に位置する適切な配向の一例は、３０°／１２０°の配向である。ばね弾性的に撓むと、基板は長手方向に伸長し、このとき、繊維間の角度は減少する、すなわち、マトリックスと繊維との間に相互作用が生じる。

【0041】

さらに、エラストマーマトリックスに無機充填材を添加することにより、弾性を変化させることができる。この場合、充填材は、純粋に機械的な機能を引き受けることができる。エラストマーが変形すると、充填材粒子同士の間隔が、充填材粒子同士が接触するまで減少し、これにより、エラストマーのさらなる変形が阻止される。阻止効果の実現には、充填度、粒径および粒子形状、粒径分布（モノモーダル、バイモーダルまたはトリモーダル）等の複数のパラメータを介して影響を及ぼすことができる。例えば、粒子形状、例えば丸いまたは鋭利な粒子形状は、粒子同士のマトリックス内での滑り特性および阻止特性に影響を及ぼす。

【0042】

充填剤は、基本的にセラミック質、炭素に基づく性質または金属質であってよい。ただし、充填材を選択する際には、本発明による断熱マットの基本的な断熱機能および電気絶縁機能に関して、充填材の熱的特性および電気的特性が考慮されるべきである。したがって、最低限の導電性を有する充填材、例えばセラミック充填材が好適である。

【0043】

機械的特性および電気的特性の調整の他に、充填材は、エラストマーの熱的挙動を改善するために添加されてもよい。

【0044】

例えば、熱伝導を低下させる充填材を使用することができる。これは、中空体、例えばガラス中空球等の絶縁性のエアクッションまたはガスクッションを形成する材料であってもよいし、またはエアロゲル、アエロジルまたは膨張材等の、多孔率の高い材料であってもよい。

【0045】

火災温度で吸熱反応して系から熱エネルギを除去する充填材も使用することができる。これらは例えば、火炎温度でセラミック化する、ガラス化または炭化する、冷却作用を及ぼす、かつ酸素を除去する、例えば基本的にプラスチック用の防火手段として知られた材料である。適切な例は、加熱すると水が分離して保護セラミック層を形成する金属水酸化物または金属オキシ水酸化物、例えば約２００℃から反応してＡｌ２Ｏ３および水を形成する水酸化アルミニウム（アルミニウム三水和物）（ＡＴＨ）、または約３００℃から反応してＭｇＯおよび水を形成する水酸化マグネシウム等である。熱を除去する適切な充填材の別の例は、メラミンポリホスファートまたはアンモニウムポリホスファート等のポリホスファートを基礎としたものであり、これらはアンモニア（ＮＨ３）の分離状態で膨れあがり（膨張し）、かつアンモニアが窒素および水に反応することにより酸素を除去するように作用する。

【0046】

原則として、充填材および充填度の変更により、有利には材料特性を的確に調整して適合させることができる。この場合、達成すべき充填度は、充填材粒子の粒径分布、粒径および表面反応性に大幅に左右される。例えば充填度は、大きさが１０～１００μｍの粒子の主成分を含む粒子に関しては最大６０重量％であってよく、ナノスケール粒子の場合には１００体積パーセントを大幅に上回っていてよい。全ての充填材に関する前提条件は、これらがエラストマーの弾性挙動にネガティブな影響を及ぼさないということである。

【0047】

１つの有利な構成では、必要に応じて、本発明による断熱マット内に、充填材の反応とエラストマーの熱分解とにより形成されるガスを導出するための通路が設けられていてよい。これらの通路でもって、１つのモジュール内のバッテリセルの壁と断熱マットとの間の、予圧荷重によって実質的に気密にシールされた領域における過剰圧力の発生に抗して作用することができる。

【0048】

このために、リブを横断する中断部が設けられていてよく、かつ／または環状のフレームに出口開口が設けられていてよい。この場合、形成された反応ガスを場合により、中断部に沿って基板の面にわたり分散させ、かつ出口開口を介して逃がすことができる。特に有利なのは、中断部が連続的な配置形式を有している場合である。この場合、中断部は、隣接するリブにおいて互いに延長されて設けられており、このようにして、リブ間の間隔により中断された１つの連続する通路を形成している。中断部の連続的な配置に基づき、ガスを方向付けて逃がすことができる。

【0049】

既に述べたように、本発明による断熱マットの寸法およびその構造は、具体的な使用要件により定められている。複数の角形バッテリセルから成るバッテリシステム、例えばモジュールにおいて中間断熱材として使用するために、本発明による断熱マットは、最小限の総厚さを有していることが望ましい。

【0050】

好適には、厚さは、無荷重状態において３ｍｍを上回らず、０．４～０．５ｍｍのリブ高さ、１．０ｍｍ～３．０ｍｍの範囲内のリブ幅、およびリブ幅の１．５～３倍の範囲内のリブ間の間隔、ならびに５～１０ｍｍのフレーム厚さであることが望ましい。有利には、断熱マットの総厚さは、バッテリモジュールの５ｋＮの予圧荷重下で１．５ｍｍ以下、特に１ｍｍ以下である。

【0051】

これらの値は例示的なものであり、その時々の要求に応じて容易に変更され得ることは自明である。

【0052】

１つの別の有利な構成では、基板に追加的に、赤外線を反射する金属シート、例えばアルミニウムシートから成る中間層が設けられていてよい。省スペースの要件に関して、シートは可能な限り薄いこと、例えば約０．１ｍｍであることが望ましい。

【0053】

本発明による断熱マットの製造には、繊維強化プラスチックから成る部品を製造するために知られているような一般的な製造方法を使用することができる。１つの例は、部品の所望の構造に相応して形成された型を使用した流し込み法またはプレス法である。つまり、例えば型にまず、リブ構造と、場合により環状のフレーム用の構造とを形成するための第１のエラストマー層を置き、次いで繊維中間層用の繊維材料を入れ、次いで型に、繊維含浸用ならびに別のリブ構造および場合によりフレーム構造の形成用の別のエラストマー材料を充填することができる。

【0054】

本発明により提供される断熱マットは、実際の使用に望ましいあらゆる要求を満たすことができる。すなわち：
・この断熱マットは、材料厚さが約１．５ｍｍで高温側の温度が７００℃の場合に、低温側の温度は１００℃未満である断熱性能を示す。
・繊維・エラストマー複合体から成る基板は、少なくとも０．４ｍｍだけ圧縮されることができ、これにより、セルの劣化および充電サイクルに基づくバッテリセルの膨張を補償することができる。
・圧縮ひずみが極僅かでしかなく、これにより、バッテリモジュールの全寿命にわたり、セル複合体における予圧荷重を維持しながら行程補償機能を保証することができる。
・所望の電気絶縁性能に関して、絶縁耐力を有利には少なくとも３ｋＶに調整可能である。
・所要スペースを、バッテリシステム用に所望される低いパッケージ密度に関して少なく抑えることができる。
・この断熱マットは、簡単かつ廉価に製造することができる。

【0055】

以下に、本発明によるセル断熱マットを、角形バッテリセルに適した本発明による断熱マットの１つの実施形態を概略的に示す添付の図面に基づき、より詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0056】

【図1】４つの角形バッテリセルの配置と、その間に配置された本発明による断熱マットとを示す図である。

【図2】膨張した状態の角形バッテリセルを示す側面図である。

【図3】本発明による断熱マットを上から見た図である。

【図4】図３に示した本発明による断熱マットを上から見た側面図である。

【図5a】無荷重状態の、図４に示した本発明による断熱マットのリブおよびフレームの縦断面図である。

【図5b】図５ａに示した図を、圧縮荷重が加えられた状態で示す図である。

【図6】本発明による断熱マットをフレーム無しで概略的に示す分解図である。

【図7】ずらされて配置されたリブを備えた基板を、荷重が加えられた（ばね弾性的に撓んだ）状態で概略的に示す図である。

【図8a】無荷重状態の、繊維・エラストマー複合体から成る本発明による基板の基本構造を上から見た図である。

【図8b】図８ａに示した構造を、荷重が加えられた（ばね弾性的に撓んだ）状態で示す図である。

【図9a】充填材が混合された、繊維・エラストマー複合体から成る基板の基本構造の１つの実施形態を、無荷重状態で概略的に示す図である。

【図9b】図９ａに示した構造を、荷重が加えられた（ばね弾性的に撓んだ）状態で概略的に示す図である。

【図10】ガス導出用の通路構造の１つの実施形態を備えた本発明による断熱マットを概略的に示す平面図である。

【図11】本発明により製造されたサンプルにおける伝熱測定の結果を示すグラフである。

【図12】リブ間隔に応じた、本発明により製造されたサンプルのばね特性線を示すグラフである。

【図13】シリコーンエラストマーの硬度（ショアＡ）に応じた、本発明により製造されたサンプルのばね特性線を示すグラフである。

【図14】リブ間隔に応じた、本発明により製造されたサンプルの変形挙動の比較を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0057】

図１には、従来技術による４つの角形バッテリセル２を備えたバッテリユニットが示されており、この場合、２つの隣り合うセル２の間にはそれぞれ、本発明による断熱マット１が設けられている。

【0058】

バッテリセル２の内部構造は、固い直方体形または角柱形のセルハウジングによって気密に包囲されており、セルハウジングは、１つの狭幅の側面に２つの接続端子３，４と１つの安全弁５とを有している。

【0059】

安全弁５は、セル内部圧力が、温度上昇の結果形成された反応ガスによって臨界値を超えると開いて、ガスを逃がすことができ、セルの爆発が阻止されるようになっている。

【0060】

図２には、セルハウジングの主面６が膨張した角形バッテリセル２が示されている。この変形は、実質的に主面６の中央領域にのみ生じる。なぜなら、セルハウジングの角隅部を経て隣接するより小さな側面に到る縁部は機械的に安定的であり、通常の動作では変形しないからである。

【0061】

図３は、本発明による断熱マット１を上から見た図であり、本発明による断熱マットのリブ配置が明確にわかり、基板７と、複数のリブ８とが設けられており、リブ８は、互いに平行にかつ互いに間隔９をあけて基板７を横断して延びている。この場合、間隔９はリブ８よりも広幅である。リブユニットは、環状のフレーム１０によって包囲されており、リブ８はフレーム１０から分離されており、すなわちリブ８はフレーム１０に接触していない。リブ８の端面も、外側に位置するリブの側面も、フレーム１０には結合されていないため、リブ８の端面とフレーム１０との間にはギャップ１１が存在する。

【0062】

フレーム１０は、ここでは平坦な露出した上面を有しており、この上面でもってフレーム１０は、取付け状態においてバッテリセルの環状の縁部に接触している。また、フレーム１０は、図示の構成ではリブ８よりも広幅であるので、フレーム１０は、リブよりも高い変形抵抗を有している。取り付けられて荷重が加えられた状態では、フレーム１０は予圧荷重を補償することができ、予圧荷重がリブに影響を及ぼすことはない。

【0063】

図４には、本発明による断熱マット１を斜め前から見た図が示されている。図中、基板７の上側の主面上のリブ８の配置、ならびに間に基板７が配置された上側のリブユニットと下側のリブユニットとを取り囲んで延びる環状のフレーム１０が明確に認められる。基板７は、繊維材料から成る中間層１２を有している。

【0064】

図５ａおよび図５ｂには、リブ８ならびに環状のフレーム１０に沿った縦断面が、無荷重状態（図５ａ）と、バッテリモジュールの組立て時の予圧荷重によってフレーム１０に圧力が加えられたときの荷重が加えられた状態とで示されている。無荷重状態では、フレーム１０の高さはリブ８の高さよりも高くなっている。リブ８の端面とフレーム１０との間には、リブユニット全体を取り囲むように続くギャップ１１が存在する。

【0065】

図５ｂは、組立て時にバッテリモジュールに加えられる予圧荷重によって圧縮荷重が加えられたときの状態を示している。予圧荷重により、フレーム１０は高さが圧縮され、このときフレーム１０の高さとリブ８の高さとは互いに一様になる。フレーム１０に圧縮荷重が加えられた場合でもギャップ１１は残留しているので、フレーム１０に圧縮荷重が加えられた場合でも、環状のフレーム１０からのリブ８の分離が生じている。

【0066】

所望の変形抵抗は、フレームの幅を介して設定することができ、この場合、変形抵抗は幅と共に増大する。さらに、変形抵抗は、材料、エラストマーの架橋度、圧縮率等の選択により適合させることができる。

【0067】

その結果、２つのバッテリセル２の間に本発明による断熱マット１が配置されて組み立てられたモジュールでは、フレーム１０には予圧荷重によって荷重が加えられるが、リブ８は実質的に無荷重状態のままである。

【0068】

図６には、本発明による断熱マット１の一実施形態の分解図が示されており、構造を明示するために、環状のフレーム１０は省かれている。

【0069】

基板７の主面上に複数のリブ８が配置されていることがわかり、この場合、各主面には複数のリブ８が互いに平行にかつ互いに間隔９をあけて配置されており、リブ８は主面を横断して延びている。

【0070】

この場合、主面のリブ８の間の間隔９は、リブ８の幅よりも大きく、好適には間隔９は、リブ８の幅の少なくとも１．５倍～２倍である。

【0071】

両主面のリブは、互いにずらされて配置されており、この場合、一方の主面のリブ８は、他方の主面の間隔９に沿って延びている。

【0072】

基板７は、鉱物繊維から成る中間層１２を含むエラストマー材料から形成されている。

【0073】

別の実施形態に基づき繊維材料から成る１つまたは２つの別の中間層１２が設けられている場合、繊維材料から成る２つの中間層の間には、バインダとして追加的なエラストマー材料が設けられていてよい。

【0074】

繊維材料から成る中間層１２を備えた基板７の製造用およびリブ８用には、同じエラストマー材料を使用することができ、この場合、リブ８を、基板７の一体の構成部分として成形することができる。フレーム１０も、同じエラストマー材料から形成することができ、一体の構成部分として基板７と共に成形することができる。

【0075】

図７に示すように、バッテリセルの主面（ここには図示せず）の膨張部が増大する過程で、リブ８に圧力が加えられ、リブ８は、その下に位置する基板７と共に、基板７の反対側に位置する主面にずらされて配置されたリブ８の間隔９内に押し込まれる。

【0076】

ばね弾性的に撓んだこの状態では、基板７は、上向きまたは下向きに各間隔９内に交互に突入する湾曲部を有するジグザグ延在部を形成している。例えば、バッテリセルの放電の過程で圧縮荷重が減少すると、これらの変形部は相応して、基板７の弾性に基づき元の状態に戻る。

【0077】

変形の程度は、実質的に間隔９の幅と基板７の変形性とにより決定され、基板７の変形性は、例えば図８ａ、図８ｂならびに図９ａ、図９ｂに明示されているように、特にエラストマーの硬度（弾性）と、繊維の配向とにより影響を及ぼされる。

【0078】

図８ａ、図８ｂならびに図９ａ、図９ｂにはそれぞれ、内部構造が概略的に図示された、繊維中間層１２を備えた基板７の平面図が、無荷重状態（図８ａおよび図９ａ）およびばね弾性的に撓んだ状態（図８ｂおよび図９ｂ）で示されている。

【0079】

繊維中間層１２の繊維は、それぞれ±４５°の配向を有しているため、異なる符号を有する繊維同士が９０°の角度１４ａで交差している。繊維が埋め込まれているエラストマーマトリックス１３は、グレーの面として示されている。さらに、この面を横断して延びるリブ８が示されている。リブ８に沿って左右に延在する縁部は、その下に位置する、基板７の下面に設けられずらされて配置されたリブ８の間の間隔９を示している。

【0080】

ここに示す無荷重状態では、異なる符号を有する繊維が９０°の角度１４ａで交差している。

【0081】

図８ｂに示すように、断熱マット１に圧力が加えられ、リブ８のばね弾性的な撓みが生じると、基板７の繊維・マトリックス複合材は、幅を減少させつつ（図の上縁部および下縁部における矢印により示唆）長くなる（左向きまたは右向きの矢印により示唆）。その結果、繊維間の交差角度１４ｂは、ここでは６０°に減少する。

【0082】

図９ａに無荷重状態で示し、かつ図９ｂにばね弾性的に撓んだ状態で示すように、エラストマー材料に充填材粒子１５が添加された基板のリブ８に圧力を加え、ばね弾性的に撓んだ場合の変形も同様に進行する。ここでも、繊維中間層１２内の繊維の±４５°の配向が、９０°の交差角度１４ａと共に存在している。この例には、それぞれ異なる大きさの充填材粒子１５が使用された。

【0083】

隣接するバッテリセル（図示せず）の膨張による加圧に基づき圧縮されると、基板７は長くなり（左右の矢印）、基板７の幅は減少する（上下の矢印）。同時に、符号が異なる繊維の交差角度１４ｂは６０°に減少する。

【0084】

図８ａおよび図８ｂとは異なり、ここでは変形の程度が追加的に充填材粒子１５により制御される。なぜなら、圧縮によって粒子１５同士の間の間隔が小さくなるからである。粒子１５同士が接触して互いに引っ掛かる程度に間隔が小さくなると直ちに、さらなる変形は停止する。なぜなら、繊維は最早互いに移動することができないからである。

【0085】

図１０は、平行に配置されたリブ８と、環状のフレーム１０と、リブ８と環状のフレーム１０との間のギャップ１１とを備えた本発明による断熱マット１の平面図であり、この場合、リブ８は、実質的にリブ８を横断して延びる中断部１６から成る構造を有している。

【0086】

これらの中断部１６および出口開口１７，１８は、過熱時の特に充填材の相転移および分解によって生じ得る反応ガスの導出に用いられる。これにより生じる気相は、エラストマーの熱分解の結果として生じる気相と共に、フレーム１０によってシールされた、セル壁と基板７との間の領域内に、極めて高いガス圧を生じさせることがある。この圧力を低下させるために、図１０の例に示すように、ガス抜き補助手段として、中断部１６および出口開口１７，１８を断熱マット１に組み込むことが有利な場合がある。

【0087】

中断部１６は、ここでは連続する複数のリブ８に、連続的な構造として形成されている。この場合、１つのリブ８の左側または右側に配置されたリブに設けられた中断部１６は、これらの中断部１６の間に位置するリブ８に設けられた中断部１６の続きを形成している。その結果、ガス導出用の連続的な通路が得られる。図１０に具体的に示す例では、中断部１６はそれぞれ対角線上で、基板の中央から出発して４つの角隅部の方向に延びており、全体図では広がったＸの形状が生じている。さらに追加的に、反応ガスをセル壁と断熱マット１との間の中間空間領域から導出するための出口開口１７，１８が、環状のフレーム１０の短辺に設けられている。

【0088】

本発明による断熱マットの断熱作用およびひずみ特性に関する調査を実施した。結果を図１１～図１４のグラフに示す。

【0089】

サンプルの製造用には、シリコーンエラストマーとして、室温で架橋する市販の、それぞれ異なるショアＡ硬度の二成分液状シリコーンを使用した。製品データおよびメーカは、表１に記載されている。

【0090】

【表1】

【0091】

例示的なセル断熱マットにおける伝熱測定の結果を図１１に示す。この調査は、膨張過程をシミュレーションするために１．９ｂａｒの圧力を加えたときの伝熱測定レベルで実施された。サンプルピースは、それぞれ１６３ｇ／ｍ^２の単位面積当たりの重量を有する２層のＥガラスファイバ織布を含む、ショアＡ４５の、ＥＬＡＮＴＡＳ社のシリコーンエラストマーＳＫ８５Ｌ７から製造された。サンプルピースの寸法は、典型的な角形セルの寸法に相応して、２３５ｍｍ×１１３．５ｍｍ×２．０ｍｍであった。リブ高さは０．４ｍｍであり、リブ幅は１．０ｍｍであり、リブ間隔は２．０ｍｍであった。

【0092】

測定のために、サンプルをまず５分間、均一な温度分布のために５０℃に保ち、この時間の最中に圧力を調整した。次いで、２００秒以内に７００℃に加熱した（圧力の後調整無し）。表側および裏側における温度上昇を、パイロメータを用いて測定した。結果として、表側の温度が５０℃から７００℃に上昇した後でも、裏側の温度は１００℃未満でしかないことが確認された。よって、裏側の温度は明らかに、実際に使用するために要求される範囲内にあった。

【0093】

図１２および図１３には、本発明によるセル断熱マット用の複数の典型的な材料サンプルのばね特性線により、応力ひずみ曲線が示されている。

【0094】

サンプルピースの寸法は４０ｍｍ×４０ｍｍであり、０．４ｍｍのリブ高さ、２ｍｍのリブ幅および２ｍｍの試料の総厚さを有していた。繊維中間層の厚さは、０．８～０．９ｍｍであった。

【0095】

この場合、図１２には、リブ間隔に応じた、その他の点では同じ条件下でのばね特性が示されており、図１３には、ガラスファイバ織布を含むシリコーンエラストマーの硬度に応じた、その他の点では同じ条件下でのばね特性の変化が示されている。

【0096】

図１２に示す試験には、ショアＡ硬度が４５であり、かつ単位面積当たりの重量が２５ｇ／ｍ^２で＋／－４５°の配向を有する亜麻布の製織形式のＥガラスファイバ織布から成る繊維中間層を含むシリコーンエラストマーＡＤＤＶ－４２から成るサンプルピースを使用した。

【0097】

図１３に示した試験に関して、材料サンプルのリブ間隔は一様に２ｍｍであった。繊維中間層はそれぞれ、単位面積当たりの重量が８０ｇ／ｍ^２で０°／９０°の配向を有する亜麻布の製織形式のＥガラスファイバ織布であった。どのサンプルも、ここでは４０％のひずみまではほぼ均一な特性を示し、この場合、それぞれショアＡ硬度４５または５５を有するＳＫ８５ Ｌ７－４５およびＱＳｉｌ ５５０から成るサンプルの曲線７および８が最も小さな増加量を有している。

【0098】

図１４には、リブ間隔に応じた、異なる総厚さのサンプルの、予荷重下および全荷重下での変形特性が示されている。サンプルピースの寸法は、図１２および図１３に示した試験に関して上述したものと同様であるが、リブ間隔を変化させた。材料構造に関しては、単位面積当たりの重量が８０ｇ／ｍ^２で＋／－４５°の配向を有する亜麻布の製織形式のＥガラスファイバ織布から成る２つの繊維中間層を含む、表１に記載のシリコーンエラストマーＳＫ８５ Ｌ７－４５が使用された。個々のサンプルの、圧縮荷重無しの初期厚さは、１．８６０ｍｍ～１．５３０ｍｍまで様々である。これらのサンプルを、０．１８６Ｎ／ｍｍ^２の予荷重および１．１１５Ｎ／ｍｍ^２の最大面圧にさらし、変形の程度を測定した。この場合、予荷重強度は、一般に使用される５ｋＮの予荷重強度に相当した。調べたいのは、角形バッテリセルを用いる用途に関して今日典型的に目標とされるような、予荷重下での１．４ｍｍの目標厚さの前後における変形の変化である。

【0099】

この場合に最良の結果を示したのは、２ｍｍのリブ間隔を有するサンプルと、１．５ｍｍまたは２．５ｍｍのリブ間隔を有するサンプルであり、これらのサンプルの予荷重厚さは、１．４ｍｍの所望値を極僅かにしか上回っていなかった。

【0100】

本発明は、バッテリシステム内で隣り合うバッテリセル２、特に角形バッテリセルを離隔するための断熱マット１であって、繊維・エラストマー複合体製の弾性変形可能な基板７から成り、基板７の２つの主面に所定数のリブ８が設けられており、リブ８は、互いに平行にかつ互いに離間して基板７の主面を横断して延びており、２つの主面のリブユニットは、環状のフレーム１０によって包囲されており、リブ８とフレーム１０との間にはギャップ１１が存在しており、基板７の繊維・エラストマー複合体は、鉱物繊維から成る少なくとも１つの中間層が埋設されたエラストマーマトリックスから形成されており、断熱マットは同時に、セル成分の化学的な劣化と、充電時および放電時のセルの周期的な膨張および収縮とに基づくバッテリセルのシステム固有の体積変化を補償することができる。

【符号の説明】

【0101】

１ 断熱マット
２ バッテリセル
３，４ 接続端子
５ 熱的な安全弁
６ バッテリセルの膨張した主面
７ 基板
８ リブ
９ （２つのリブの間の）間隔
１０ 環状のフレーム
１１ （リブとフレームとの間の）ギャップ
１２ 繊維から成る中間層
１３ エラストマーマトリックス
１４ａ，ｂ 交差角度
１５ 充填材粒子
１６ 中断部
１７，１８ フレーム１０における出口開口

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5a】

【図5b】

【図6】

【図7】

【図8a】

【図8b】

【図9a】

【図9b】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【国際調査報告】