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特表2024-529209エネルギー貯蔵システムで熱暴走イベントからの通気ガス及び噴出物を制御するためのデバイス、システム、及び方法
(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】2024-08-06
(54)【発明の名称】エネルギー貯蔵システムで熱暴走イベントからの通気ガス及び噴出物を制御するためのデバイス、システム、及び方法
(51)【国際特許分類】
H01M 10/658 20140101AFI20240730BHJP
H01M 50/293 20210101ALI20240730BHJP
H01M 50/204 20210101ALI20240730BHJP
H01M 50/291 20210101ALI20240730BHJP
H01M 50/262 20210101ALI20240730BHJP
H01M 50/342 20210101ALI20240730BHJP
H01M 10/613 20140101ALI20240730BHJP
H01M 10/6554 20140101ALI20240730BHJP
H01M 10/625 20140101ALI20240730BHJP
H01M 50/249 20210101ALI20240730BHJP
【ＦＩ】
H01M10/658
H01M50/293
H01M50/204 401H
H01M50/291
H01M50/204 101
H01M50/262 E
H01M50/342 201
H01M10/613
H01M10/6554
H01M10/625
H01M50/249
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023556785
(86)(22)【出願日】2022-07-01
(85)【翻訳文提出日】2023-11-09
(86)【国際出願番号】 US2022073359
(87)【国際公開番号】W WO2023279089
(87)【国際公開日】2023-01-05
(31)【優先権主張番号】63/218,205
(32)【優先日】2021-07-02
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】63/231,617
(32)【優先日】2021-08-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】63/273,845
(32)【優先日】2021-10-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】63/275,261
(32)【優先日】2021-11-03
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ケブラー
(71)【出願人】
【識別番号】506229844
【氏名又は名称】アスペン エアロゲルズ，インコーポレイティド
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100123582
【弁理士】
【氏名又は名称】三橋 真二
(74)【代理人】
【識別番号】100123593
【弁理士】
【氏名又は名称】関根 宣夫
(74)【代理人】
【識別番号】100208225
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 修二郎
(74)【代理人】
【識別番号】100217179
【弁理士】
【氏名又は名称】村上 智史
(72)【発明者】
【氏名】ジョン ウィリアムズ
(72)【発明者】
【氏名】オーウェン エバンズ
(72)【発明者】
【氏名】デイビッド バウアー
(72)【発明者】
【氏名】ジョージ グールド
(72)【発明者】
【氏名】キャスリン デクラフト
(72)【発明者】
【氏名】デイビッド ミハルシク
(72)【発明者】
【氏名】ブライアン カーヒル
(72)【発明者】
【氏名】ナム ヤンギュ
【テーマコード（参考）】
5H012
5H031
5H040
【Ｆターム（参考）】
5H012AA07
5H012BB08
5H031AA09
5H031HH00
5H031KK01
5H031KK02
5H040AA28
5H040AA31
5H040AA37
5H040AS07
5H040AS12
5H040AS14
5H040AS19
5H040AT06
5H040AY04
5H040CC34
5H040LL06
5H040NN00
(57)【要約】
本開示は、電池モジュールの熱暴走の問題を管理する材料及びシステムに関する。例示的な実施形態では、電池モジュールは、スペーサー要素によって分離された電池セルを含む。熱暴走の問題を軽減するために、スペーサー要素は筐体の内面まで延在し得る。シールは、スペーサー要素と内壁との間に形成され、隣接電池セルの間に熱バリアを形成する。
【選択図】なし
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電池モジュールであって、内面を含む筐体であって、前記内面は、第１の側壁と第２の側壁との間に及び上部プレートと底部プレートとの間に延在する、第１のエンドプレート及び第２のエンドプレートによって画定される、前記筐体と、
前記筐体の前記内部空間に配置された２つ以上の電池セルと、
隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素であって、前記スペーサー要素のそれぞれは少なくとも１つの熱容量層及び少なくとも１つの絶縁層を含む、前記１つ以上のスペーサー要素と、を含み、
前記スペーサー要素のそれぞれの一部が前記絶縁層から離れて延在し、熱バリアは前記隣接電池セルの間に形成されるように前記筐体の前記内面に接触する、前記電池モジュール。
【請求項2】
前記２つ以上の電池セルは、前記エンドプレートと平行に縦方向に配向され、前記スペーサー要素は、前記底面、上面、第１の側壁、及び第２の側壁のうちの少なくとも１つに接触し、隣接電池セルの間に前記熱バリアを形成する、請求項１に記載のモジュール。
【請求項3】
前記スペーサー要素のそれぞれは、前記内面の上に及び／または中に形成された１つ以上のチャネルに接触する、請求項１または２に記載のモジュール。
【請求項4】
前記１つ以上のチャネルは、前記第１のエンドプレート、前記第２のエンドプレート、前記第１の側壁、前記第２の側壁、前記上部プレート、及び前記底部プレートのうちの１つ以上から突出する、請求項３に記載のモジュール。
【請求項5】
前記１つ以上のチャネルは、前記第１のエンドプレート、前記第２のエンドプレート、前記第１の側壁、前記第２の側壁、前記上部プレート、及び前記底部プレートのうちの１つ以上の凹部である、請求項３に記載のモジュール。
【請求項6】
前記スペーサー要素のそれぞれは、前記スペーサー要素と前記内面との間にシールを形成する前記チャネルの１つ以上の部分に接触する、請求項３～５のいずれか１項に記載のモジュール。
【請求項7】
前記１つ以上のチャネルは、対向する側壁及び底面を有する実質的にＵ字形である、請求項３～６のいずれか１項に記載のモジュール。
【請求項8】
前記スペーサー要素は前記Ｕ字形チャネルの前記側壁に接触する、請求項７に記載のモジュール。
【請求項9】
ギャップは、前記スペーサー要素と、前記Ｕ字形チャネルの前記底面との間に存在する、請求項８に記載のモジュール。
【請求項10】
前記絶縁層は、前記絶縁層の厚さ寸法を通して、２５℃で約５０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満及び６００℃で約６０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満の熱伝導率を有する、請求項１～９のいずれか１項に記載のモジュール。
【請求項11】
前記絶縁層はエアロゲルを含む、請求項１０に記載のモジュール。
【請求項12】
前記熱容量層は、前記底面、上面、第１の側壁、または第２の側壁のうちの少なくとも１つに接触する、請求項１～１２のいずれかに記載のモジュール。
【請求項13】
前記１つ以上のスペーサー要素は、さらに、前記少なくとも１つの熱容量層及び少なくとも１つの絶縁層を覆う外部を含み、前記外部は、少なくとも１つの犠牲層及び少なくとも１つの封入材料層を含む、請求項１～１２のいずれか１項に記載のモジュール。
【請求項14】
前記少なくとも１つの犠牲材料層は、約２７ｋＰａ～約５５ｋＰａで２５％の圧縮力偏向を有する圧縮可能パッドを備える、請求項１３に記載のモジュール。
【請求項15】
前記少なくとも１つの封入材料層はポリマーを含む、請求項１３または１４に記載のモジュール。
【請求項16】
前記１つ以上のスペーサー要素及び前記筐体の前記内面は、一緒に、複数の別々の区画を画定するように構成され、１つの電池セルが各区画に配置される、請求項１～１５のいずれか１項に記載のモジュール。
【請求項17】
前記筐体の少なくとも一部は１つ以上の通気ポートを備え、前記１つ以上の通気ポートは、前記複数の別々の区画のうちの１つ以上に流体的に結合される、請求項１６に記載のモジュール。
【請求項18】
前記通気ポートのうちの１つ以上は圧力安全弁である、請求項１７に記載のモジュール。
【請求項19】
前記通気ポートのうちの１つ以上は、前記筐体の一部に形成された開口部を含む、請求項１７または１８に記載のモジュール。
【請求項20】
前記通気ポートのうちの１つ以上は、前記区画のうちの１つ以上と連通する、前記筐体の側壁または上部プレートに位置付けられる、請求項１７～１９のいずれか１項に記載のモジュール。
【請求項21】
電池モジュールであって、内面を含む筐体であって、前記内面は、第１の側壁と第２の側壁との間に及び上部プレートと底部プレートとの間に延在する、第１のエンドプレート及び第２のエンドプレートによって画定される、前記筐体と、
前記筐体の前記内部空間に配置された２つ以上の電池セルと、
隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素であって、前記スペーサー要素のそれぞれは少なくとも１つの熱容量層及び少なくとも１つの絶縁層を含む、前記１つ以上のスペーサー要素と、
前記筐体の内面に沿って配置された複数の別々のエッジ要素であって、前記エッジ要素は、圧縮可能であり、約１００℃よりも大きい化学分解の開始温度を有する材料を含む、前記複数の別々のエッジ要素と、を含み、
前記スペーサー要素のそれぞれが前記複数の別々のエッジ要素のうちの１つに接触することにより、前記スペーサー要素と、前記隣接電池セルを熱的に隔離する前記筐体の前記内面との間の前記エッジ要素によって、シールが形成される、
前記電池モジュール。
【請求項22】
前記エッジ要素は、膨張材料、形状記憶材料、または膨張材料及び形状記憶材料の組み合わせを含む、請求項２１に記載のモジュール。
【請求項23】
前記エッジ要素はシリコーンポリマーを含む、請求項２１に記載のモジュール。
【請求項24】
前記エッジ要素は、１つ以上の容量層及び１つ以上の絶縁層を含む、請求項２１に記載のモジュール。
【請求項25】
前記エッジ要素は、前記スペーサー要素の前記少なくとも１つの熱容量層の部分を含む、請求項２１に記載のモジュール。
【請求項26】
前記エッジ要素は、前記スペーサー要素の前記少なくとも１つの絶縁層の部分を含む、請求項２１に記載のモジュール。
【請求項27】
前記エッジ要素は、さらに、前記１つ以上の容量層及び前記１つ以上の絶縁層を覆う外部を含み、前記外部は少なくとも１つの圧縮可能層を含む、請求項２６に記載のモジュール。
【請求項28】
前記圧縮可能層は、約２７ｋＰａ～約５５ｋＰａで２５％の圧縮力偏向を有する、請求項２６に記載のモジュール。
【請求項29】
前記２つ以上の電池セルは、前記エンドプレートと平行に、前記第１の側壁と前記第２の側壁との間に配向され、前記スペーサー要素は前記底面に接触し、前記１つ以上のエッジ要素のうちの１つは前記スペーサー要素と前記上面との間に配置される、請求項２１～２８のいずれか１項に記載のモジュール。
【請求項30】
前記１つ以上のエッジ要素のうちの１つは、前記第１の側壁及び前記スペーサー要素ならびに／または前記第２の側壁及び前記スペーサー要素の間に配置される、請求項２９に記載のモジュール。
【請求項31】
前記スペーサー要素は前記第１の側壁及び前記第２の側壁に接触する、請求項２９に記載のモジュール。
【請求項32】
前記スペーサー要素のそれぞれは、前記第１の側壁及び前記第２の側壁に形成された１つ以上のチャネルに接触する、請求項３１に記載のモジュール。
【請求項33】
前記１つ以上のチャネルは前記第１の側壁及び／または前記第２の側壁の凹部である、請求項３２に記載のモジュール。
【請求項34】
前記１つ以上のチャネルは前記第１の側壁及び／または前記第２の側壁から突出する、請求項３２に記載のモジュール。
【請求項35】
前記スペーサー要素のそれぞれは、前記スペーサー要素と前記内面との間にシールを形成する前記チャネルの１つ以上の部分に接触する、請求項３２～３４のいずれか１項に記載のモジュール。
【請求項36】
前記１つ以上のチャネルは、対向する側壁及び底面を有する実質的にＵ字形である、請求項３２～３４のいずれか１項に記載のモジュール。
【請求項37】
前記スペーサー要素は前記Ｕ字形チャネルの前記側壁に接触する、請求項３６に記載のモジュール。
【請求項38】
ギャップは、前記スペーサー要素と、前記Ｕ字形チャネルの前記底面との間に存在する、請求項３７に記載のモジュール。
【請求項39】
前記スペーサー要素の前記絶縁層は、前記絶縁層の厚さ寸法を通して、２５℃で約５０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満及び６００℃で約６０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満の熱伝導率を有する、請求項２１～３８のいずれか１項に記載のモジュール。
【請求項40】
前記スペーサー要素の前記絶縁層はエアロゲルを含む、請求項３９に記載のモジュール。
【請求項41】
前記１つ以上のスペーサー要素は、さらに、前記少なくとも１つの熱容量層及び少なくとも１つの絶縁層を覆う外部を含み、前記外部は、少なくとも１つの犠牲層及び少なくとも１つの封入材料層を含む、請求項３９または４０に記載のモジュール。
【請求項42】
前記少なくとも１つの犠牲材料層は、約２７ｋＰａ～約５５ｋＰａで２５％の圧縮力偏向を有する圧縮可能パッドを備える、請求項４１に記載のモジュール。
【請求項43】
前記少なくとも１つの封入材料層はポリマーを含む、請求項４１または４２に記載のモジュール。
【請求項44】
前記１つ以上のスペーサー要素、前記１つ以上のエッジ要素、及び前記筐体の前記内面は、一緒に、複数の別々の区画を画定するように構成され、１つの電池セルが各区画に配置される、請求項２１～４３のいずれか１項に記載のモジュール。
【請求項45】
前記筐体の少なくとも一部は１つ以上の通気ポートを備え、前記１つ以上の通気ポートは、前記複数の別々の区画のうちの１つ以上に流体的に結合される、請求項４４に記載のモジュール。
【請求項46】
前記通気ポートのうちの１つ以上はバーストディスクである、請求項４５に記載のモジュール。
【請求項47】
前記通気ポートのうちの１つ以上は、前記筐体の一部に形成された開口部を含む、請求項４５または４６に記載のモジュール。
【請求項48】
前記通気ポートのうちの１つ以上は、前記区画のうちの１つ以上と連通する、前記筐体の側壁または上部プレートに位置付けられる、請求項４５～４７のいずれか１項に記載のモジュール。
【請求項49】
電池モジュールであって、内面を含む筐体であって、前記内面は、第１の側壁と第２の側壁との間に及び上部プレートと底部プレートとの間に延在する、第１のエンドプレート及び第２のエンドプレートによって画定される、前記筐体と、
前記筐体の前記内部空間に配置された２つ以上の電池セルと、
隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素であって、前記スペーサー要素のそれぞれは少なくとも１つの熱容量層及び少なくとも１つの絶縁層を含む、前記１つ以上のスペーサー要素と、
前記スペーサー要素から延在する１つ以上の延在部であって、前記延在部は実質的に弾性がある、前記延在部と、を含み、
前記１つ以上の延在部は偏向して、前記スペーサー要素と前記筐体との間にシールを形成する、前記電池モジュール。
【請求項50】
電池モジュールであって、内面を含み、内部に内部空間を包囲する筐体と、
前記筐体の前記内部空間に配置された２つ以上の電池セルと、
隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素であって、前記１つ以上のスペーサー要素のそれぞれは少なくとも１つの絶縁層を含む、前記１つ以上のスペーサー要素と、
前記１つ以上のスペーサー要素から延在する１つ以上の延在部であって、前記１つ以上の延在部は熱活性材料から形成される、前記１つ以上の延在部と、を含み、
前記１つ以上の延在部は偏向して、前記スペーサー要素と前記筐体との間にシールを形成する、前記電池モジュール。
【請求項51】
前記熱活性材料は形状記憶材料を含む、請求項５０に記載の電池モジュール。
【請求項52】
前記形状記憶材料は形状記憶合金である、請求項５１に記載の電池モジュール。
【請求項53】
前記熱活性材料は膨張材料を含む、請求項５０に記載の電池モジュール。
【請求項54】
前記熱活性材料は、形状記憶材料及び膨張材料の組み合わせを含む、請求項５０に記載の電池モジュール。
【請求項55】
前記１つ以上の延在部は、偏向するとき、前記電池モジュールの残りの部からシールされた前記電池モジュール内の領域を作成する、請求項５０～５４のいずれか１項に記載の電池モジュール。
【請求項56】
前記１つ以上の延在部は第１の延在部及び第２の延在部を含み、前記第１の延在部は前記第２の延在部の反対側の配向で偏向する、請求項５０～５４のいずれか１項に記載の電池モジュール。
【請求項57】
電池モジュールであって、内面を含み、内部に内部空間を包囲する筐体と、
前記筐体の前記内部空間に配置された２つ以上の電池セルと、
隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素であって、前記１つ以上のスペーサー要素のそれぞれは少なくとも１つの絶縁層を含む、前記１つ以上のスペーサー要素と、
前記筐体の前記内面から延在する１つ以上の延在部であって、前記１つ以上の延在部は熱活性材料から形成される、前記１つ以上の延在部と、を含み、
前記１つ以上の延在部は偏向して、前記スペーサー要素と前記筐体との間にシールを形成する、前記電池モジュール。
【請求項58】
前記熱活性材料は形状記憶材料である、請求項５７に記載の電池モジュール。
【請求項59】
前記熱活性材料は、形状記憶材料及び膨張材料の組み合わせである、請求項５７に記載の電池モジュール。
【請求項60】
前記１つ以上のスペーサー要素はエアロゲルを含む、請求項５７に記載の電池モジュール。
【請求項61】
前記１つ以上のスペーサー要素は膨張材料を含む、請求項５７に記載の電池モジュール。
【請求項62】
電池モジュールであって、内面を含み、内部に内部空間を包囲する筐体と、
前記筐体の前記内部空間に配置された２つ以上の電池セルと、
隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素であって、前記１つ以上のスペーサー要素のそれぞれは、形状記憶材料を含む少なくとも１つの熱伝導層と物理的接触する少なくとも１つの絶縁層を含む、前記１つ以上のスペーサー要素と、を含み、
前記少なくとも１つの伝導層の前記形状記憶材料は、熱活性化に応じて偏向し、前記スペーサー要素と、前記２つ以上の電池セルのうちの少なくとも１つとの間にギャップを形成する、前記電池モジュール。
【請求項63】
前記形状記憶材料はニチノールを含む、請求項６２に記載の電池モジュール。
【請求項64】
前記形状記憶材料はプレート形態である、請求項６２に記載の電池モジュール。
【請求項65】
前記形状記憶材料は、前記少なくとも１つの熱伝導層全体にわたって分散される、請求項６２に記載の電池モジュール。
【請求項66】
加熱によって活性化されるとき、前記形状記憶材料は拡張したばね形態である、請求項６５に記載の電池モジュール。
【請求項67】
前記２つ以上の電池セルと熱接触する冷却システムをさらに備える、請求項６２～６５のいずれかに記載の電池モジュール。
【請求項68】
前記冷却システムは冷却プレートである、請求項６７に記載の電池モジュール。
【請求項69】
請求項１～６８のいずれか１項に記載の複数の電池モジュールを含む、電気エネルギー貯蔵システム。
【請求項70】
請求項６９に記載の電気エネルギー貯蔵システムを含むデバイスまたは車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本願は、２０２１年７月２日に出願され、「Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｍｉｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｖｅｎｔｓ」と題された米国仮特許出願第６３／２１８，２０５号に対する利益及び優先権を主張し、その全内容は参照によって本明細書に組み込まれる。また、本願は、２０２１年８月１０日に出願され、「Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ，ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ Ｖｅｎｔ Ｇａｓｅｓ ａｎｄ Ｅｊｅｃｔａ ｆｒｏｍ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｒｕｎａｗａｙ Ｅｖｅｎｔｓ ｉｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ」と題された米国仮特許出願第６３／２３１，６１７号に対する利益及び優先権も主張し、その全内容は参照によって本明細書に組み込まれる。また、本願は、２０２１年１０月２９日に出願され、「Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ，ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ Ｖｅｎｔ Ｇａｓｅｓ ａｎｄ Ｅｊｅｃｔａ ｆｒｏｍ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｒｕｎａｗａｙ Ｅｖｅｎｔｓ ｉｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ」と題された米国仮特許出願第６３／２７３，８４５号に対する利益及び優先権も主張し、その全内容は参照によって本明細書に組み込まれる。また、本願は、２０２１年１１月３日に出願され、「Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ，ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ Ｖｅｎｔ Ｇａｓｅｓ ａｎｄ Ｅｊｅｃｔａ ｆｒｏｍ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｒｕｎａｗａｙ Ｅｖｅｎｔｓ ｉｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ」と題された米国仮特許出願第６３／２７５，２６１号に対する利益及び優先権も主張し、その全内容は参照によって本明細書に組み込まれる。
本願は、２０２１年７月２日に出願され、「Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｍｉｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｖｅｎｔｓ」と題された米国仮特許出願第６３／２１８，２０５号に対する利益及び優先権を主張し、その全内容は参照によって本明細書に組み込まれる。また、本願は、２０２１年８月１０日に出願され、「Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ，ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ Ｖｅｎｔ Ｇａｓｅｓ ａｎｄ Ｅｊｅｃｔａ ｆｒｏｍ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｒｕｎａｗａｙ Ｅｖｅｎｔｓ ｉｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ」と題された米国仮特許出願第６３／２３１，６１７号に対する利益及び優先権も主張し、その全内容は参照によって本明細書に組み込まれる。また、本願は、２０２１年１０月２９日に出願され、「Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ，ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ Ｖｅｎｔ Ｇａｓｅｓ ａｎｄ Ｅｊｅｃｔａ ｆｒｏｍ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｒｕｎａｗａｙ Ｅｖｅｎｔｓ ｉｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ」と題された米国仮特許出願第６３／２７３，８４５号に対する利益及び優先権も主張し、その全内容は参照によって本明細書に組み込まれる。また、本願は、２０２１年１１月３日に出願され、「Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ，ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ Ｖｅｎｔ Ｇａｓｅｓ ａｎｄ Ｅｊｅｃｔａ ｆｒｏｍ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｒｕｎａｗａｙ Ｅｖｅｎｔｓ ｉｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ」と題された米国仮特許出願第６３／２７５，２６１号に対する利益及び優先権も主張し、その全内容は参照によって本明細書に組み込まれる。
【0002】
本開示は、概して、エネルギー貯蔵システムにおける熱暴走の問題等の熱イベントを防止または軽減するための材料及びシステムに関する。特に、本開示は、少なくとも１つの絶縁層、少なくとも１つの圧縮可能パッド、及びオプションでの１つ以上の層を含む多層熱バリア材料を提供する。オプションでの１つ以上の層は、好ましい熱放散特性を有し、好ましい耐火特性、難燃特性、及び／もしくは摩耗抵抗特性を有し、ならびに／または熱バリアとして使用するための好ましい性能を有する。本開示は、さらに、多層熱バリア材料を含む１つ以上の電池セルを伴う電池モジュールまたは電池パックに関し、同様に、それらの電池モジュールまたはパックを含むシステムにも関する。
【背景技術】
【0003】
リチウムイオン電池等の再充電可能電池について、動力駆動のエネルギー貯蔵システムで広い用途があることが発見されている。リチウムイオン電池（ＬＩＢ）は、携帯電話、タブレット、ラップトップ、電動工具等のポータブル電子デバイスを給電する際に広く使用され、そして、従来の電池と比較して、その高い作動電圧、低いメモリ効果、及び高エネルギー密度のため、電気自動車等の他の高電流のデバイスを給電する際にも広く使用されている。しかしながら、再充電可能電池が過充電され（設計電圧を超えて充電される）、過放電され、高温及び高圧で動作するとき、または高温及び高圧に曝されるとき等、ＬＩＢは「過酷状態」の下で突発故障の影響を受けやすいので、安全上の懸念がある。結果として、ＬＩＢの設計範囲外の状態に曝されるとき急速な自己発熱または熱暴走イベントによってＬＩＢが故障し得るため、狭い動作温度範囲及び充電／放出速度はＬＩＢの使用上の制限がある。
【0004】
図１に示されるように、ＬＩＢの電気化学セルは、主に、正の電極、負の電極、リチウムイオンを導電することが可能である電解質、正の電極及び負の電極を分離するセパレータ、ならびに電流コレクタから成る。ＬｉＣｏＯ２，ＬｉＦｅＰＯ４，ＬｉＭｎ２Ｏ４，Ｌｉ２ＴｉＯ３，ＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．１５Ａｌ０．０５Ｏ２（ＮＣＡ）、及びＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２（ＮＭＣ）は、Ｌｉイオン電池で広く使用されている６つのタイプのカソード材料である。これらの６種類の電池が、現在の電池市場のマーケットシェアの大部分を占めている。電解質は、特有の溶媒（主に、エチレンカーボネート（ＥＣ）、炭酸ジエチル（ＤＥＣ）、炭酸ジメチル（ＤＭＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）を含む）で溶解されたリチウム塩から成る。リチウム塩は、一般的に、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＢＯＢ等から選択される。セパレータ材は、概して、ポリオレフィン系樹脂材料である。ポリプロピレン（ＰＰ）及びポリエチレン（ＰＥ）の微多孔膜は、通常、商業用リチウムイオン電池でセパレータとして使用される。アルミニウムホイルは、通常、正の電極用の電流コレクタ及び負の電極用の銅はくとして使用される。硬質炭素、カーボンナノチューブ、及びグラフェンを含む炭素系材料は、現在、商業用リチウムイオン電池のほとんどの負の電極の主要な選択肢となっている。また、チタン系酸化物、合金／脱合金材料、及び変換材料等の他の新規の負の電極材料も調査されており、これは良好な熱的性能及び電気化学的性能を示している。
【0005】
正常状態でのＬＩＢの動作
正常動作では、リチウムイオンは、電解質及びセパレータを通る一方の電極から他の電極への拡散及びマイグレーションによって移動する。
正常動作では、リチウムイオンは、電解質及びセパレータを通る一方の電極から他の電極への拡散及びマイグレーションによって移動する。
【0006】
ＬＩＢの充電により、電解質溶液中のリチウムイオンが、カソードからセパレータを通って、リチウムイオン自体がアノードに挿入するようにマイグレーションさせる（図２）。また荷電平衡電子はアノードに移動するが、充電器の外部回路を通って進む。放電されると、逆流プロセスが発生し、電子は電力が供給されているデバイスを通って流れる（図２）。このプロセス中、３つの主要なメカニズムによってセル内で発熱する。第１のメカニズムは、リチオ化プロセス（放電）及び脱リチウムプロセス（充電プロセス）の間に発生するレドックス反応と関連付けられたエントロピー変化によって生じる可逆熱である。また、可逆熱はエントロピー熱とも呼ばれる。第２のメカニズムは、セルの過電圧によって生じる電極分極と関連付けられた不可逆熱である。最後に、抵抗損と関連付けられた不可逆熱が存在し、これはジュール加熱と呼ばれる。ジュール加熱は、セル内のリチウムイオン及び電子の移動に起因している。正常状態で、自己発熱は非常に少なく、一般的に重要度が低く、容易に、良好な電池設計または電池温度管理システムによって放散できる。しかしながら、過酷状態で、熱暴走を生じさせるいくつかの副反応が発生する可能性がある。熱暴走の原因を理解することで、ＬＩＢの安全性及び信頼度を改善させるための機能材料の設計を導くことができる。
【0007】
熱暴走及び熱暴走伝播の概要
取り出しできる熱よりも多くの熱が発生する点まで内部の反応速度が増加するとき、熱暴走は発生し得、反応速度及び発熱の両方のさらなる増加をもたらす。熱暴走中、高温は、電池の発熱反応の連鎖を誘発し、電池の温度が急増する。多くの場合、熱暴走が一方の電池セルで発生するとき、発生した熱は、熱暴走を受けるセルに密接してセルを速く加熱させる。熱暴走反応に追加される各セルは、反応を継続させる追加エネルギーを封じ込め、電池パック内で熱暴走伝播を生じさせ（図３）、最終的に、火事または爆発が生じる大事故をもたらす。熱伝達経路の迅速な熱放散及び効果的なブロックは、熱暴走伝播によって生じる危険性を減らす効果的な対策であり得る。
取り出しできる熱よりも多くの熱が発生する点まで内部の反応速度が増加するとき、熱暴走は発生し得、反応速度及び発熱の両方のさらなる増加をもたらす。熱暴走中、高温は、電池の発熱反応の連鎖を誘発し、電池の温度が急増する。多くの場合、熱暴走が一方の電池セルで発生するとき、発生した熱は、熱暴走を受けるセルに密接してセルを速く加熱させる。熱暴走反応に追加される各セルは、反応を継続させる追加エネルギーを封じ込め、電池パック内で熱暴走伝播を生じさせ（図３）、最終的に、火事または爆発が生じる大事故をもたらす。熱伝達経路の迅速な熱放散及び効果的なブロックは、熱暴走伝播によって生じる危険性を減らす効果的な対策であり得る。
【0008】
熱暴走の誘起－過酷状態
熱暴走は、機械暴走、電気暴走、及び熱暴走を含む様々な種類の暴走によって誘発される可能性がある（図３）。暴走の各タイプは、昇温をもたらす電池の内部短絡（ＩＳＣ）を誘起し得る。過酷状態は外部または内部で開始できる。例えば、サービスにより誘起されたストレス、劣化、設計上のエラー、例えば、セル間隔、セル相互接続スタイル、セルフォームファクター等の構成パラメーター、製造、動作、及びメンテナンスは、様々な種類の暴走を生じさせる可能性がある内部要因である。外部要因は、セルの落下から、またはセルの貫入等から、ＬＩＢに対する損害または損傷を含む。
熱暴走は、機械暴走、電気暴走、及び熱暴走を含む様々な種類の暴走によって誘発される可能性がある（図３）。暴走の各タイプは、昇温をもたらす電池の内部短絡（ＩＳＣ）を誘起し得る。過酷状態は外部または内部で開始できる。例えば、サービスにより誘起されたストレス、劣化、設計上のエラー、例えば、セル間隔、セル相互接続スタイル、セルフォームファクター等の構成パラメーター、製造、動作、及びメンテナンスは、様々な種類の暴走を生じさせる可能性がある内部要因である。外部要因は、セルの落下から、またはセルの貫入等から、ＬＩＢに対する損害または損傷を含む。
【0009】
機械暴走
機械暴走は、主に、機械力によって生じ、通常、衝突、粉砕、貫入、及び曲げを含む深刻な自動車事故等の外部要因により発生する。電池または電池パックは衝突で衝撃を受ける、または巻き込まれるとき、セパレータの断裂及び可燃性電解質の漏出を含む電池内側の潜在的な損傷が発生し得、ＩＳＣが開始し、次に、熱暴走をもたらす。かけられた力によって生じる破壊的変形及び変位は、機械暴走の２つの一般的な特徴である。電池パックの変形は、車の衝突事故中に可能性が十分にある。電気自動車に搭載された電池パックのレイアウトは、電池パックの衝突応答に影響を与える。電池パックの変形は危険な影響をもたらし得る。電池セパレータは引き裂かれ得、内部短絡（ＩＳＣ）が発生する。可燃性の電解質は漏出し、潜在的に結果として火事を生じさせる。貫入は、車両衝突事故中に発生し得る別の一般的な現象である。粉砕状態を比較すると、貫入が開始するとき、激しいＩＳＣを瞬時に誘発できる。機械的破壊及び電気的短絡は同時に発生し、貫入の過酷状態は、単純な機械暴走または電気暴走よりもさらに深刻になる場合もある。
機械暴走は、主に、機械力によって生じ、通常、衝突、粉砕、貫入、及び曲げを含む深刻な自動車事故等の外部要因により発生する。電池または電池パックは衝突で衝撃を受ける、または巻き込まれるとき、セパレータの断裂及び可燃性電解質の漏出を含む電池内側の潜在的な損傷が発生し得、ＩＳＣが開始し、次に、熱暴走をもたらす。かけられた力によって生じる破壊的変形及び変位は、機械暴走の２つの一般的な特徴である。電池パックの変形は、車の衝突事故中に可能性が十分にある。電気自動車に搭載された電池パックのレイアウトは、電池パックの衝突応答に影響を与える。電池パックの変形は危険な影響をもたらし得る。電池セパレータは引き裂かれ得、内部短絡（ＩＳＣ）が発生する。可燃性の電解質は漏出し、潜在的に結果として火事を生じさせる。貫入は、車両衝突事故中に発生し得る別の一般的な現象である。粉砕状態を比較すると、貫入が開始するとき、激しいＩＳＣを瞬時に誘発できる。機械的破壊及び電気的短絡は同時に発生し、貫入の過酷状態は、単純な機械暴走または電気暴走よりもさらに深刻になる場合もある。
【0010】
電気暴走
電気暴走は、主に、ＬＩＢの内部短絡または外部短絡、過充電、及び過放電を含む。
電気暴走は、主に、ＬＩＢの内部短絡または外部短絡、過充電、及び過放電を含む。
【0011】
内部短絡は、過酷状態の９０％を超える割合で発生する。大まかに説明すると、電池セパレータの故障により、カソード及びアノードが相互にぶつかるとき、内部短絡が発生する。内部短絡は、（１）セパレータが貫入または粉砕によって故障されるときの機械暴走、（２）デンドライト成長によってセパレータが貫入するときの電気暴走（図４）、及び（３）セパレータが高温で圧壊するときの熱暴走、によって生じる可能性がある。
【0012】
電圧差がある電極が導体によって接続されるとき、外部短絡は形成される。電池パックの外部短絡は、車の衝突事故中の変形、浸水、導体による汚染、またはメンテナンス中の電気ショック等によって生じる可能性がある。貫入を比較すると、概して、外部短絡の回路上に放出された熱はセルを加熱しない。外部短絡は、電池で大電流及び高い発熱を生じさせる可能性があり、これは、主に、オームの法則に従う発熱によって生じる。温度が約７０℃を超え始めると、セルは断裂し始める。結果として、排出及び電解質漏出を誘発し得る。
【0013】
過充電は、その設計電圧を越えて電池を充電するものと定義できる。過充電は、アノード上のＬｉ金属の堆積を含む一連の問題点を引き起こす可能性があり、そして電池の電気化学的性能及び安全性に深刻に影響を与える、特有の高電流密度、活発な充電プロファイル等と、酸素を放出するカソード材料の分解と、そして、熱及びガス状生成物（Ｈ２，炭化水素，ＣＯ等）を放出する有機電解質の分解と、によって誘発され得る。過充電プロセスは３つの段階に分割できる。第１の段階では、（１）電圧及び温度は影響を受けなく、実質的に不変のままである。第２の段階では、（２）リチウムデンドライト堆積は電圧プラットフォームで発生する。そして、第３の段階では、（３）熱及びガスが生成されると、電圧が劇的に低下し、電池で熱暴走が生じる。
【0014】
過放電は、別の可能性がある電気過酷状態である。概して、電池パック内の複数のセルの電圧の不一致は避けられない。したがって、電池管理システムがいずれかの単一セルの電圧を監視できなくなると、最低電圧を伴うセルは過放電される。過放電暴走のメカニズムは他のメカニズムと異なり、潜在的危険性が軽視され得る。電池パックで最低電圧を伴うセルは、過放電中に直列に接続された他のセルによって、強制的に放出される可能性がある。強制的な放出中、極は逆になり、セルの電圧は負になり、過放電セルで異常発熱をもたらす。
【0015】
熱暴走
熱暴走は、一般的に、過熱によって誘発される。リチウムイオン電池の過熱は、機械暴走、電気暴走、及びコネクタの接触損失によって生じ得る。一般的に、正常の動作温度で、ＬＩＢが安定される。しかしながら、特定の温度を上回ると、ＬＩＢの安定性は予測不可能になり、そして、昇温において、電池ケース内の化学反応は、電池ケース内の内圧の増加をもたらすガスを生成する。これらのガスは、さらにカソードと反応する可能性があり、より多くの熱を放出し、酸素の存在下で電解質を発火させる可能性がある温度を電池の内部でまたは電池に隣接して生成する。電解質が燃焼するとき、酸素が生成され、さらに燃焼が激しくなる。ある時点において、電池ケース内の圧力の上昇は、電池ケースの断裂をもたらす。漏出ガスは点火し、燃焼し得る。
熱暴走は、一般的に、過熱によって誘発される。リチウムイオン電池の過熱は、機械暴走、電気暴走、及びコネクタの接触損失によって生じ得る。一般的に、正常の動作温度で、ＬＩＢが安定される。しかしながら、特定の温度を上回ると、ＬＩＢの安定性は予測不可能になり、そして、昇温において、電池ケース内の化学反応は、電池ケース内の内圧の増加をもたらすガスを生成する。これらのガスは、さらにカソードと反応する可能性があり、より多くの熱を放出し、酸素の存在下で電解質を発火させる可能性がある温度を電池の内部でまたは電池に隣接して生成する。電解質が燃焼するとき、酸素が生成され、さらに燃焼が激しくなる。ある時点において、電池ケース内の圧力の上昇は、電池ケースの断裂をもたらす。漏出ガスは点火し、燃焼し得る。
【0016】
機械過酷状態、電気過酷状態、及び熱過酷状態によって生じる熱暴走は、連続的な発熱を誘起し得、結果として、電池の内側で温度が上昇する。一連の連鎖反応は、温度が増加するにつれて、異なる段階で発生し得る。熱暴走は、例えば物理ブロセス及び／または化学プロセスの連鎖反応のメカニズムに従い、それらのプロセス中、電池構成要素材料の分解反応は次々に発生する（図３）。
【0017】
熱暴走中の連鎖反応の概要
これらの物理及び／または化学物質プロセスの進化を理解することは、ＬＩＢの熱暴走のための軽減対策を開発するのを助ける。ＬＩＢは、状態Ｉ：低温（＜０℃）、状態ＩＩ：正常温度（０～９０℃）、及び状態ＩＩＩ：高温（＞９０℃）を含む、異なる温度状態またはレジームで熱暴走に対する異なる誘起をもたらし得る（図５）。
これらの物理及び／または化学物質プロセスの進化を理解することは、ＬＩＢの熱暴走のための軽減対策を開発するのを助ける。ＬＩＢは、状態Ｉ：低温（＜０℃）、状態ＩＩ：正常温度（０～９０℃）、及び状態ＩＩＩ：高温（＞９０℃）を含む、異なる温度状態またはレジームで熱暴走に対する異なる誘起をもたらし得る（図５）。
【0018】
状態Ｉでは、低温では電気化学反応速度の低下をもたらすため、ＬＩＢは効率的に動作できない。低温において、電極材料の活性及び電解質中のリチウムイオン拡散速度の低下の結果として、電池性能は劇的に低下する。低温における化学反応が減速した結果は、不要なＬｉ堆積、めっき、及びデンドライト成長を含む。デンドライトは、電池のリチウムめっき上に形成される可能性がある木のような構造である。デンドライトは、電池のセパレータ、そして電池のアノードとカソードとの間に多孔質プラスチック膜に速く浸透する可能性がある（図４）。セル内のＬｉ堆積及びデンドライト成長は、低温における熱暴走を誘起するための主要な要因と見なされる。理論に縛られることを望まないで、不要なＬｉ堆積及びデンドライトが、電池でＩＳＣが生じ得、熱暴走をもたらすことが考えられる。
【0019】
状態ＩＩ（正常温度の動作）では、発熱は、熱暴走プロセスで生成された熱と比較して最小になる。この動作状態中の発熱は、主に、固体及び液相のＬｉイオン拡散、固液界面における電気化学反応、及び副反応によって生じる。発熱は、電池の内側で温度上昇及び温度差を生じさせる可能性があり、これらの温度差は、リチウムイオン電池の寿命及び安全性に影響を与え得る。段階ＩＩの間、電池が過充電されること、過度温度への露出、誤配線による外部短絡、またはセル欠陥による内部短絡等の上述した少なくとも１つの内部または外部の誘起の結果として、初期の過熱が発生する可能性がある。初期の過熱が開始するとき、温度が９０℃に向かって上昇するにつれて、電池動作は正常状態から異常状態に変化する。温度が４０℃よりも高くなると、リチウムイオン電池の寿命は、副反応が速まるため短縮し得、温度が約９０℃以上になると、固体電解質相間界面（ＳＥＩ）膜の分解を誘発する可能性があり、これは熱暴走の開始として定義される。ＳＥＩは、充電サイクルうちの最初の数個のサイクル中、リチウムイオン電池のアノード上に生成される。ＳＥＩはアノード表面上にパッシベーション層を提供し、パッシベーション層は、さらなる電解質分解を阻止し、多くの用途に必要な長いカレンダー寿命をもたらす。ＳＥＩの初期分解は、熱暴走の全プロセス中に発生する最初の副反応と見なされる。ＳＥＩの初期分解は８０～１２０℃で発生し、約１００℃にピークが示される。開始温度は、ＳＥＩの分解が５７℃と同じくらいの低い温度から開始する場合があると報告されたＷａｎｇ ｅｔ ａｌ．（Ｔｈｅｒｍｏｃｈｉｍ．Ａｃｔａ ４３７（２００５）１２－１６）のように、８０℃よりも低くなる可能性がある。
【0020】
ＳＥＩの分解
段階ＩＩＩが開始すると、内部温度は速く上昇しＳＥＩ膜の分解をもたらす。ＳＥＩ層は、主に、安定成分（ＬｉＦ及びＬｉ２ＣＯ３等）及び準安定成分（ポリマー、ＲＯＣＯ２Ｌｉ、（ＣＨ２ＯＣＯ２Ｌｉ）２、及びＲＯＬｉ等）から成る。しかしながら、準安定成分は、大体９０℃を超える温度で発熱分解でき、可燃性ガス及び酸素を放出する。ＳＥＩ膜の分解は熱暴走が開始し、その後、一連の発熱反応が誘発されると考えられる。
段階ＩＩＩが開始すると、内部温度は速く上昇しＳＥＩ膜の分解をもたらす。ＳＥＩ層は、主に、安定成分（ＬｉＦ及びＬｉ２ＣＯ３等）及び準安定成分（ポリマー、ＲＯＣＯ２Ｌｉ、（ＣＨ２ＯＣＯ２Ｌｉ）２、及びＲＯＬｉ等）から成る。しかしながら、準安定成分は、大体９０℃を超える温度で発熱分解でき、可燃性ガス及び酸素を放出する。ＳＥＩ膜の分解は熱暴走が開始し、その後、一連の発熱反応が誘発されると考えられる。
【0021】
ＳＥＩの分解が生じる場合、温度が上昇し、アノードのリチウム金属またはインターカレートされたリチウムは、電解質中の有機溶媒と反応し、可燃性炭化水素ガス（エタン、メタン等）を放出する。これは、温度上昇をさらに活発にする発熱反応である。
【0022】
セパレータの分解
Ｔ（温度）＞約１３０℃のとき、ポリエチレン（ＰＥ）／ポリプロピレン（ＰＰ）のセパレータが融解し始め、さらに、状況が悪化し、カソードとアノードとの間に短絡が生じる。ＰＥ／ＰＰセパレータの融解は熱吸着プロセスであるが、セパレータの融解によって生じるＩＳＣにより、熱暴走プロセスがさらに悪化する。
Ｔ（温度）＞約１３０℃のとき、ポリエチレン（ＰＥ）／ポリプロピレン（ＰＰ）のセパレータが融解し始め、さらに、状況が悪化し、カソードとアノードとの間に短絡が生じる。ＰＥ／ＰＰセパレータの融解は熱吸着プロセスであるが、セパレータの融解によって生じるＩＳＣにより、熱暴走プロセスがさらに悪化する。
【0023】
電解質のガス放射及び分解
Ｔ（温度）＞約１８０℃になると、ＩＳＣによって生成された熱は、リチウム金属酸化物カソード材料の分解が生じさせ、酸素の放出をもたらす。また、カソードの故障はより高い発熱が生じ、さらに温度及び圧力が増加し、結果として、さらに反応が加速する。次に、熱蓄積及びガス放出（酸素及び可燃性ガス）は、リチウムイオン電池の燃焼及び爆発を誘起する。
Ｔ（温度）＞約１８０℃になると、ＩＳＣによって生成された熱は、リチウム金属酸化物カソード材料の分解が生じさせ、酸素の放出をもたらす。また、カソードの故障はより高い発熱が生じ、さらに温度及び圧力が増加し、結果として、さらに反応が加速する。次に、熱蓄積及びガス放出（酸素及び可燃性ガス）は、リチウムイオン電池の燃焼及び爆発を誘起する。
【0024】
熱暴走プロセスでは、ＩＳＣによって生じる発熱はわずか２％であり、ＳＥＩ層の分解、電解質の分解等を含む化学反応による発熱は９８％である。カソードとアノードとの間の急速な酸化還元反応によって生じる発熱の最大の割合が約４８％である一方、アノード、カソード、及び電解質における他の化学反応の発熱ははるかに小さい。最小発熱はＳＥＩ膜の分解である。
【0025】
熱暴走に対する軽減対策の必要性
電池熱暴走をもたらすメカニズムの理解に基づいて、電池構成要素の合理的設計により安全上の危険性を減らす目標で、多くのアプローチが検討されている。そのようなカスケード熱暴走イベントが発生することを防止するために、一般的に、ＬＩＢは、貯蔵されるエネルギーを十分に低く維持すること、または電池モジュールもしくは電池パックの内部のセルの間の十分な絶縁材料を利用すること、または隣接セルで発生し得る熱イベントからセルを絶縁すること、あるいはそれらの組み合わせ、のいずれか一方で設計される。前者は、そのようなデバイスに潜在的に貯蔵され得るエネルギー量を厳密に制限する。後者は、クローズセルを設置できる方式を制限することによって、有効エネルギー密度が制限される。ＬＩＢの熱暴走の可能性を軽減するための効果的な絶縁及び熱放散対策が必要である。
電池熱暴走をもたらすメカニズムの理解に基づいて、電池構成要素の合理的設計により安全上の危険性を減らす目標で、多くのアプローチが検討されている。そのようなカスケード熱暴走イベントが発生することを防止するために、一般的に、ＬＩＢは、貯蔵されるエネルギーを十分に低く維持すること、または電池モジュールもしくは電池パックの内部のセルの間の十分な絶縁材料を利用すること、または隣接セルで発生し得る熱イベントからセルを絶縁すること、あるいはそれらの組み合わせ、のいずれか一方で設計される。前者は、そのようなデバイスに潜在的に貯蔵され得るエネルギー量を厳密に制限する。後者は、クローズセルを設置できる方式を制限することによって、有効エネルギー密度が制限される。ＬＩＢの熱暴走の可能性を軽減するための効果的な絶縁及び熱放散対策が必要である。
【0026】
ＬＩＢ用に使用される現在の熱放散手段
現在、エネルギー密度を最大限にする一方、カスケード熱暴走を防ぐように用心するために、いくつかの異なる手段が利用されている。１つのアプローチとして、セルの間に、またはセルのクラスターの間に十分な絶縁量を取り込むことがある。このアプローチは、概して、安全的な利点から望まれることが考えられる。しかしながら、このアプローチでは、必要な絶縁体の体積と組み合わされた熱を封じ込める絶縁材料の能力から、実現できるエネルギー密度の上限が決定される。別のアプローチは、相変化材料を使用することによって行われる。これらの材料は、特定の昇温に達すると、吸熱相変化を受ける。吸熱相変化は、生成されている熱の一部を吸収し、ひいては、局所領域を冷却する。一般的に、電気ストレージデバイスに関して、これらの相変化材料は、例えば、ワックス及び脂肪酸等の炭化水素材料に依存する。これらのシステムは冷却において効果的であるが、システム自体に可燃性があり、ひいては、ストレージデバイス内で点火が発生すると、熱暴走を防止するのに有益でない。膨張材料を取り入れることは、カスケード熱暴走を防止するための別の対策である。これらの材料は規定温度を上回ると拡張し、軽量になるように設計される炭化物を生成し、必要なとき、断熱を提供する。これらの材料は、絶縁の利点をもたらすのに効果的である可能性があるが、材料の拡張について、ストレージデバイスの設計を考慮する必要がある。
現在、エネルギー密度を最大限にする一方、カスケード熱暴走を防ぐように用心するために、いくつかの異なる手段が利用されている。１つのアプローチとして、セルの間に、またはセルのクラスターの間に十分な絶縁量を取り込むことがある。このアプローチは、概して、安全的な利点から望まれることが考えられる。しかしながら、このアプローチでは、必要な絶縁体の体積と組み合わされた熱を封じ込める絶縁材料の能力から、実現できるエネルギー密度の上限が決定される。別のアプローチは、相変化材料を使用することによって行われる。これらの材料は、特定の昇温に達すると、吸熱相変化を受ける。吸熱相変化は、生成されている熱の一部を吸収し、ひいては、局所領域を冷却する。一般的に、電気ストレージデバイスに関して、これらの相変化材料は、例えば、ワックス及び脂肪酸等の炭化水素材料に依存する。これらのシステムは冷却において効果的であるが、システム自体に可燃性があり、ひいては、ストレージデバイス内で点火が発生すると、熱暴走を防止するのに有益でない。膨張材料を取り入れることは、カスケード熱暴走を防止するための別の対策である。これらの材料は規定温度を上回ると拡張し、軽量になるように設計される炭化物を生成し、必要なとき、断熱を提供する。これらの材料は、絶縁の利点をもたらすのに効果的である可能性があるが、材料の拡張について、ストレージデバイスの設計を考慮する必要がある。
【0027】
ＬＩＢのシステムの機械的要求を満たす新規の熱バリアの必要性
充電中及び放電中にアノード及びカソードの膨張は、セルの寸法の（膨張）変化をもたらす可能性がある。例えば、シリコンは、インターカレーション中に一般的な最大３００％の体積変化をもたらし、グラファイトは、約１０％の体積膨張をもたらす。この変化は、正確なセル化学反応に依存する大きさがある、可逆成分及び不可逆成分の両方をもたらす。セル厚の可逆変化は、セルの充電状態（ＳＯＣ）だけに依存し、２％よりも大きい厚さの増加をもたらす可能性がある。セルの不可逆膨張はセルの内側に圧力の増加と関連付けられ、ＳＥＩの形成によって生じる。この変化の最大の要因は、ＳＥＩが最初に形成されるとき、第１の充電サイクル中に発生するが、セルの寿命中に膨張が継続する。
充電中及び放電中にアノード及びカソードの膨張は、セルの寸法の（膨張）変化をもたらす可能性がある。例えば、シリコンは、インターカレーション中に一般的な最大３００％の体積変化をもたらし、グラファイトは、約１０％の体積膨張をもたらす。この変化は、正確なセル化学反応に依存する大きさがある、可逆成分及び不可逆成分の両方をもたらす。セル厚の可逆変化は、セルの充電状態（ＳＯＣ）だけに依存し、２％よりも大きい厚さの増加をもたらす可能性がある。セルの不可逆膨張はセルの内側に圧力の増加と関連付けられ、ＳＥＩの形成によって生じる。この変化の最大の要因は、ＳＥＩが最初に形成されるとき、第１の充電サイクル中に発生するが、セルの寿命中に膨張が継続する。
【0028】
熱暴走の問題を防止する好ましい熱特性を保有する新規材料を作成するために広範囲の研究が行われているが、それらの材料の機械特性は、その重要性があるにもかかわらず、多くの注意が払われていない。例えば、セルの寿命中に継続するセルの膨張に適応するために圧縮変形に対する抵抗を提供できる電池モジュールまたは電池パック内のセルの間に使用される効果的な熱バリアが必要である。加えて、電池モジュールの初期の組立中、１ＭＰａ以下の比較的に低負荷は、一般的に、セルの間の材料に加えられる。電池モジュールまたは電池パックの内部のセルが、充電／放電サイクル中に拡張または膨張するとき、最大約５ＭＰａの負荷はセルの間の材料に加えられ得る。したがって、材料の圧縮率、圧縮弾力性、及びコンプライアンス、例えば、セルの間の熱バリアは重要な特性である。
【0029】
圧縮の特性が優れている断熱シートは、例えば、電池モジュールの電池セルの間のセパレータとして、これらの必要性に対処する際に有用であり得る。しかしながら、電池セルの間の断熱シートは、電池セルの間の直接的な熱伝導に対処できるが、その断熱シートは、高温ガス及び他の材料の封じ込めまたは指向に対処していない場合がある。従来の絶縁シートは、一般的に、電池セルのエッジ及び／またはモジュールの壁を越えて延在しない。絶縁シートが壁まで延在する場合、その絶縁シートは、壁に接触してシールまたはバリアを提供していない。結果として、電池セルから放出された高温ガス及び他の材料は、絶縁シートのエッジの周りを通過し、モジュールの他の電池セルに熱を伝達し得る。したがって、これらの材料の封じ込めまたは再指向によって、高温ガス及び粒子状物質（「噴出物」）の一方のセルから別のセルへの伝達をブロックできる絶縁シートが必要である。
【0030】
発泡体または繊維シート等の従来のタイプの絶縁は高温に耐えることができるが、絶縁または熱封じ込めが比較的低い能力を有する。そのような材料に関して、効果的な温度管理を提供するために、絶縁体の厚さを増加させる必要がある。しかしながら、電池モジュールの空間要件は、モジュールのサイズと同様に、モジュール内のセルの間の空間も制限する。同様に、電池モジュールの全重量を制限することが望ましい。さらに、充電／放電サイクル中に及びセルの寿命期間にわたって、電池セルの拡張及び収縮に適応するのに必要な機械的要件がある。したがって、熱伝播及び火災伝播に対する抵抗を実現し、それと同時に、必要な圧縮特性及び弾力特性ならびに熱特性を提供するために使用される材料の厚さ及び重量を最小にする必要がある。さらに、シート絶縁材料が使用されるとき、特に、封入がセパレータシートを封じ込めるために必要なとき、モジュールの側壁まで延在するセパレータシートを提供するために必要な製作公差を実現するのが困難になる可能性がある。効果的な絶縁、熱及びガスの封じ込め、ならびに火災伝播保護を提供する異なるタイプの絶縁システム、材料、及び方法が必要である。
【発明の概要】
【0031】
本開示の目的は、再充電可能電池、例えばリチウムイオン電池の熱暴走を防止または軽減するために、上述した前述の方法及び材料の少なくとも１つの不利点を未然に防ぐまたは軽減することである。
【0032】
特に、本開示の目的は、電気エネルギー貯蔵システムで熱バリアとして使用するための多層材料を提供し、電池モジュールまたは電池パックにおける熱伝播の問題点を解決し、１つのセルが熱暴走をもたらすとき、熱伝播を停止または軽減することである。本開示の多層材料の固有の構成は、セルの間の熱伝播の問題点を解決するのを助けることができる。
【0033】
軽減対策は、材料レベル、セルレベル、及びシステムレベルで効果を発揮する可能性があり、リチウムイオン電池等の再充電可能電池を使用するエネルギー貯蔵システムの全体的な安全性を保証する。本開示による多層材料は、以下の軽減ステップのうちの少なくとも１つを実行できる。（１）過酷状態の可能性を減らすステップ、（２）暴走が発生した時点の過酷状態をなくすステップ、（３）過酷状態に接触する電池セルの熱安定性を高めるステップ、（４）正常動作状態下及び熱暴走の場合に放出されたエネルギーを少なくするステップ、及び（５）伝播危険性を軽減し、限定的なエリアでの損傷を制限するステップ。
【0034】
本開示の別の目的は、１つのセルの熱暴走による熱損傷から電池パックを保護し、電池パックまたは電池モジュールの安全設計を確実にできる本発明に従った多層材料を含む電池モジュールまたは電池パックを提供することである。
【0035】
１つの全体的な態様では、本開示は、エアロゲル組成物、例えば補強エアロゲル組成物を含む新規の多層材料を提供する。エアロゲル組成物は、耐久性があり、扱うのが容易であり、使用される材料の厚さ及び重量を最小にしながら、熱伝播及び火災伝播に対する好ましい抵抗があり、また、圧縮率、圧縮弾力性、及びコンプライアンスに関する好ましい特性も有する。例えば、本明細書に開示される態様の従った多層材料は、エアロゲル組成物または補強エアロゲル組成物を含む少なくとも１つの絶縁層を含み得る。
【0036】
１つの全体的な態様では、本明細書に開示される多層材料は、任意の構成の電池の電池セルまたは電池構成要素、例えばパウチセル、円筒形セル、プリズムセル、同様に、そのような任意のセルを組み込むまたはそれを含むパック及びモジュールを分離、絶縁、及び保護するのに有用である。本明細書に開示される多層材料は、再充電可能電池、例えば、リチウムイオン電池、ソリッドステート電池、及びいずれかの他のエネルギー貯蔵デバイス、または分離、絶縁、及び保護を必要とする技術で有用である。
【0037】
１つの全体的な態様では、本開示は、動力電池の熱放散性能及び熱暴走保護性能を同時に改善するために使用される電池モジュール及び電池パックを提供することを目標とする。動力駆動式エネルギー貯蔵システムでは、いくつかのセルが電池モジュールを形成するために、事前に選択された構成（例えば、並行に、直列に、または組み合わせて）で一緒にパックされることが一般的である。そのようないくつかの電池モジュールは、さらに、当技術分野で既知の様々な電池パックを形成するように組み合わされ得るまたは接合され得る。動作中及び放電中、そのようなセル、電池モジュール、または電池パックは、通常、それから生じる性能に著しく悪影響を与える可能性がある熱量を生成または発生する。したがって、そのようなセル、または結果として生じる電池モジュールもしくは電池パックによって、所望または最適な性能を維持するために、一般的に、適正に狭い規定範囲内でそのようなセル、電池モジュール、または電池パックの温度を維持することは重要である。本開示の目標は、最適範囲内のそのようなセル、電池モジュール、または電池パックの温度を維持することである。
【0038】
規定範囲内にセルの温度を維持することに加えて、また、セルの構造的完全性を維持する目的もある。セル内の材料は、電池の動作中に体積の変化に適応する柔軟性及び復元力の両方があることが必要である。いくつかの実施形態では、材料は、熱イベントの後または最中に構造的完全性を維持するために、難燃性または耐火性がある必要がある。
【0039】
一態様では、電気エネルギー貯蔵システムの熱バリアとして使用するために本明細書に提供される多層材料は、その最大表面に垂直な方向に交互に積み重なる、少なくとも１つの絶縁層及び少なくとも１つの熱容量層の層状集合を含むコア部と、コア部の外側に配置された外部であって、約２７ｋＰａ～約５５ｋＰａで２５％の圧縮力偏向を有する圧縮可能パッドを含む少なくとも１つの犠牲材料層と、ポリマー、エラストマー、またはそれらの組み合わせから選択された少なくとも１つの封入材料層とを含む、外部と、を含む。
【0040】
別の態様では、電気エネルギー貯蔵システムの熱バリアとして使用するために本明細書に提供される多層材料は、その最大表面に垂直な方向に交互に積み重なる、少なくとも１つの絶縁層及び少なくとも１つの熱伝導層の層状集合を含むコア部と、コア部の外側に配置された外部であって、約２７ｋＰａ～約５５ｋＰａで２５％の圧縮力偏向を有する少なくとも１つの犠牲材料層と、ポリマー、エラストマー、またはそれらの組み合わせから選択された少なくとも１つの封入材料層とを含む、外部と、を含む。
【0041】
一態様では、電気エネルギー貯蔵システムの熱バリアとして使用するために本明細書に提供される多層材料は、少なくとも１つの絶縁層を含むコア部と、コア部の外側に配置された外部であって、約１ＭＰａ～約１２ＭＰａの圧縮係数を有する圧縮可能パッドを含む少なくとも１つの犠牲材料層と、ポリマー、エラストマー、またはそれらの組み合わせから選択された少なくとも１つの封入材料層とを含み、封入材料層はコア部と外部の犠牲材料層との間に挟着される、外部と、を含む。いくつかの実施形態では、コア部は、さらに、少なくとも約２００Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）の比熱容量を有する少なくとも１つの熱容量層を含む。いくつかの実施形態では、コア部は、その最大表面に垂直な方向に交互に積み重なる少なくとも１つの絶縁層及び少なくとも１つの熱容量層の層状集合を含む。いくつかの実施形態では、コア部は、さらに、該熱伝導層の面内寸法に沿って、少なくとも約２００ｍＷ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有する少なくとも１つの熱伝導層を含む。いくつかの実施形態では、コア部は、その最大表面に垂直な方向に交互に積み重なる少なくとも１つの絶縁層及び少なくとも１つの熱伝導層の層状集合を含む。
【0042】
別の態様では、電気エネルギー貯蔵システムの熱バリアとして使用するために本明細書に提供される多層材料は、約１ＭＰａ～約１２ＭＰａの圧縮係数を有する少なくとも１つの圧縮可能材料層を含む２つの側面と、オプションで、少なくとも１つの熱伝導層及び／または少なくとも１つの熱容量層とを有する、コア層と、該絶縁層の厚さ寸法を通して、２５℃で約５０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満及び６００℃で約６０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満の熱伝導率を有する、２つの絶縁層と、を含み、コア層は２つの絶縁層によって挟着され、オプションの少なくとも１つの熱伝導層は少なくとも約２００ｍＷ／ｍ・Ｋの面内の熱伝導率を有し、オプションの少なくとも１つの熱容量層は少なくとも約２００Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）の比熱容量を有し、多層材料は、オプションで、ポリマー、エラストマー、またはそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つから選択された封入材料に封入される。いくつかの実施形態では、コア層は、さらに、難燃層を含む。いくつかの実施形態では、コア層はオプションの少なくとも１つの熱伝導層が不足し、オプションの少なくとも１つの熱容量層が不足する。いくつかの実施形態では、コア層はオプションの少なくとも１つの熱伝導層を含み、オプションの少なくとも１つの熱容量層が不足する。いくつかの実施形態では、コア層は２つの熱伝導層及び１つの圧縮可能材料層を含み、圧縮可能材料層は２つの熱伝導層によって挟着される。いくつかの実施形態では、コア層はオプションの少なくとも１つの熱容量層を含み、オプションの少なくとも１つの熱伝導層が不足する。いくつかの実施形態では、コア層は２つの熱伝導層及び１つの圧縮可能材料層を含み、圧縮可能材料層は２つの熱伝導層によって挟着される。いくつかの実施形態では、コア層は１つの熱容量層及び２つの圧縮可能材料層を含み、熱容量層は２つの圧縮可能材料層によって挟着される。いくつかの実施形態では、多層材料はさらに２つの熱容量層を含み、各熱容量層は各絶縁層の外面上に配置される。
【0043】
上記の態様のいずれかの実施形態は、以下の特徴のうちの１つ以上を含み得る。例えば、いくつかの実施形態では、封入材料層は、コア部と犠牲材料層との間に挟着される。いくつかの実施形態では、犠牲材料層は、コア部と封入材料層との間に挟着される。いくつかの実施形態では、犠牲材料層は、シロキサン、ポリオレフィン、ポリウレタン、フェノール、メラミン、セルロースアセテート、及びポリスチレンから成るグループから選択された材料を含む。いくつかの実施形態では、犠牲材料層は発泡体の形態である。１つ以上の実施形態では、犠牲材料層の化学分解の開始温度は約２００℃～約４００℃の範囲である。
【0044】
いくつかの実施形態では、外部は、さらに、摩耗抵抗材料、膨張材料、難燃材料、不燃性の材料、またはそれらの組み合わせのグループから選択された材料から作られた層を含む。
【0045】
いくつかの実施形態では、熱容量層は、少なくとも約２００Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）の比熱容量を有する。いくつかの実施形態では、熱容量層は相変化材料である。いくつかの実施形態では、熱容量層はステンレス鋼を含む。
【0046】
いくつかの実施形態では、封入材料層はポリエチレンテレフタレート層である。
【0047】
いくつかの実施形態では、封入材料層は、さらに、封入層とコア部との間に配置された金属層を含む。
【0048】
いくつかの実施形態では、絶縁層は、該絶縁層の厚さ寸法を通して、２５℃で約５０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満及び６００℃で約６０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満の熱伝導率を有する。いくつかの実施形態では、絶縁層はエアロゲルを含む。いくつかの実施形態では、絶縁層は、さらに、雲母、細孔性シリカ、セラミック繊維、ミネラルウール、及びそれらの組み合わせから成るグループから選択された材料を含む。いくつかの実施形態では、絶縁層はエアロゲルが不足し、絶縁層は、さらに、雲母、細孔性シリカ、セラミック繊維、ミネラルウール、及びそれらの組み合わせから成るグループから選択された材料を含む。
【0049】
いくつかの実施形態では、熱伝導層は、該熱伝導層の面内寸法に沿って、少なくとも約２００ｍＷ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有する熱伝導層を含む。いくつかの実施形態では、熱伝導層は、金属、炭素、導電性ポリマー、またはそれらの組み合わせを含む、少なくとも１つの層を含む。いくつかの実施形態では、熱伝導層は相変化材料である。いくつかの実施形態では、熱伝導層は、アルミニウム、銅、及びスチールから選択された金属である。いくつかの実施形態では、熱伝導層は、局所的熱負荷から離れて、好ましくは、ある環境に熱を伝導する。いくつかの実施形態では、熱伝導層は、メッシュ、シート、有孔シート、ホイル、及び穿孔ホイルから成るグループから選択された形態である。いくつかの実施形態では、該絶縁層、例えば、２５℃でエアロゲルの厚さ寸法にわたる熱伝導率は、最大約５ＭＰａの負荷がかかるとき、同じままである、またはわずかな量が増加する。いくつかの実施形態では、該絶縁層の厚さ寸法にわたる熱伝導率は、最大約５ＭＰａの負荷がかかるとき、２５℃で約５０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満で増加する。いくつかの実施形態では、熱伝導層はアルミニウムを含む。
【0050】
いくつかの実施形態では、エアロゲルを含む絶縁層はさらに補強材を含む。いくつかの実施形態では、補強材は、有機ポリマー系繊維、無機繊維、炭素系繊維、またはそれらの組み合わせから選択された繊維である。いくつかの実施形態では、繊維は、別々の繊維、織布材料、ドライレイド不織布材料、ウエットレイド不織布材料、ニードルパンチ不織布、中綿、ウェブ、マット、フェルト、及び／またはそれらの組み合わせの形態である。いくつかの実施形態では、無機繊維は、ガラス繊維、岩石繊維、金属繊維、ホウ素繊維、セラミック繊維、玄武岩繊維、またはそれらの組み合わせから選択される。１つ以上の実施形態では、エアロゲルは、シリカ系エアロゲルを含む。１つ以上の実施形態では、エアロゲルは１つ以上の添加剤を含み、添加剤は、エアロゲルの少なくとも約５～４０重量パーセントのレベルで、好ましくは、エアロゲルの少なくとも約５～２０重量パーセントレベルで、より好ましくは、エアロゲルの少なくとも約１０～２０重量パーセントレベルで存在する。いくつかの実施形態では、１つ以上の添加剤は防火等級添加剤を含む。いくつかの実施形態では、１つ以上の添加剤は、Ｂ４Ｃ、珪藻土、マンガンフェライト、ＭｎＯ、ＮｉＯ、ＳｎＯ、Ａｇ２Ｏ、Ｂｉ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＷＣ、カーボンブラック、酸化チタン、鉄チタン酸化物、ケイ酸ジルコニウム、酸化ジルコニウム、酸化鉄（Ｉ）、酸化鉄（ＩＩＩ）、二酸化マンガン、鉄チタン酸化物（イルメナイト）、酸化クロム、またはそれらの混合物から選択された乳白剤を含む。いくつかの実施形態では、１つ以上の添加剤は炭化ケイ素を含む乳白剤を含む。いくつかの実施形態では、１つ以上の添加剤は防火等級添加剤及び乳白剤の組み合わせを含む。１つ以上の実施形態では、エアロゲルは約０．２５ｇ／ｃｃ～約１．０ｇ／ｃｃの範囲の密度を有する。いくつかの実施形態では、エアロゲルは約２ＭＰａ～約８ＭＰａの曲げ弾性率を有する。いくつかの実施形態では、エアロゲルは、約１０％～約２５％の範囲で約７０℃において設定された圧縮をもたらす。いくつかの実施形態では、エアロゲルは圧縮抵抗を示し、２５％ひずみの圧縮抵抗は約４０ｋＰａ～約１８０ｋＰａである。１つ以上の実施形態では、エアロゲルは、モノリス、ビーズ、粒子、顆粒、粉末、薄膜、シート、またはそれらの組み合わせの形態である。
【0051】
いくつかの実施形態では、熱伝導層は、金属、炭素、導電性ポリマー、またはそれらの組み合わせを含む、少なくとも１つの層を含む。いくつかの実施形態では、熱伝導層は相変化材料である。いくつかの実施形態では、熱伝導層は、アルミニウム、銅、及びスチールから選択された金属である。いくつかの実施形態では、熱伝導層は、局所的熱負荷から離れて、好ましくは、ある環境に熱を伝導する。いくつかの実施形態では、熱伝導層は、メッシュ、シート、有孔シート、ホイル、及び穿孔ホイルから成るグループから選択された形態である。いくつかの実施形態では、該絶縁層、例えば、２５℃でエアロゲルの厚さ寸法にわたる熱伝導率は、最大約５ＭＰａの負荷がかかるとき、同じままである、またはわずかな量が増加する。いくつかの実施形態では、該絶縁層の厚さ寸法にわたる熱伝導率は、最大約５ＭＰａの負荷がかかるとき、２５℃で約５０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満である。
【0052】
一態様では、単一の電池セル、または電池セルのグループを熱的に相互に分離するために、該単一の電池セルの複数のもの、または電池セルのグループを含む電池パックの上記の態様のいずれかの様々な実施形態に従った多層材料の使用が本明細書に提供される。いくつかの実施形態では、電池の一部の１つ以上の電池セルまたは電池セルのグループで発生する暴走イベントは、暴走イベントが発生する電池の部分から上記の態様のいずれか１つに従った多層材料によって分離される該電池の部分の電池セルまたは電池セルのグループに損傷をもたらない。
【0053】
別の態様では、単一の電池セル、または電池セルのグループを熱的に相互に分離するために、該単一の電池セルの複数のもの、または電池セルのグループを含む電池パックの上記の態様のいずれかの様々な実施形態、請求項に従った多層材料が本明細書に提供される。
【0054】
一態様では、本明細書に提供される電池モジュールは、第１の表面を有する第１の電池セルと、第２の表面を有する第２の電池セルであって、第２の表面は第１の表面に対して対向する、第２の電池セルと、第１の表面と第２の表面との間に配置された上記の態様のいずれかの様々な実施形態に従った多層材料と、を含む。いくつかの実施形態では、多層材料は、対向する第１の表面及び第２の表面の表面積の少なくとも約８０％を覆う。
【0055】
別の態様では、本明細書に提供される電池モジュールは、少なくとも１つの電池セルと、上記の態様のいずれかの様々な実施形態に従った多層材料とを含み、多層材料は、少なくとも１つの電池セルの表面上に、または電池モジュールの表面上に配置される。
【0056】
一態様では、本明細書に提供される電池パックは、複数のセルと、２つの隣接セルまたは２つの隣接モジュールの間に配置されたスペーサーとを含み、スペーサーは、上記の態様のいずれかに従った様々な実施形態に従った多層材料を含む。
【0057】
上記に態様のいずれかに従った電池モジュールまたは電池パックは、さらに、電池パックから熱を除去するように構成された冷却システムを含む。いくつかの実施形態では、多層材料の少なくとも１つの層は、冷却システムと熱連通する。いくつかの実施形態では、熱伝導層は冷却システムと熱連通する。
【0058】
別の態様では、本明細書に提供されるデバイスまたは車両は、上記の態様のいずれか１つに従った電池モジュールまたは電池パックを含む。いくつかの実施形態では、該デバイスは、ラップトップコンピューター、ＰＤＡ、携帯電話、タグスキャナ、オーディオデバイス、ビデオデバイス、ディスプレイパネル、ビデオカメラ、デジタルカメラ、デスクトップコンピューター、軍用ポータブルコンピューター、軍用電話、レーザー測距器、デジタル通信デバイス、機密情報収集センサー、電子統合型衣料品、暗視機器、電動工具、電卓、無線、リモート制御機器、ＧＰＳデバイス、ハンドヘルドテレビ及びポータブルテレビ、カースターター、懐中電灯、音響デバイス、ポータブル加熱デバイス、ポータブル電気掃除機、またはポータブル医療ツールである。いくつかの実施形態では、車両は電気自動車である。
【0059】
１つ以上の実施形態では、上記に態様のいずれかに従った多層材料は、非圧縮状態で約２ｍｍ～約１０ｍｍの範囲の平均厚さを有する。
【0060】
本明細書に説明される多層材料は、既存の熱暴走軽減対策に勝る１つ以上の利点をもたらす可能性がある。本明細書に説明される多層材料は、電池モジュールまたは電池パックのエネルギー密度に著しく影響を与えることなく、セルの熱暴走伝播、また組み立てコストを最小にする、またはなくすことができる。本開示の多層材料は、セルの耐用期間中に継続するセルの膨張に適応する圧縮率、圧縮弾力性、及びコンプライアンスに関する好ましい特性を提供できる一方、正常動作状態下で及び熱暴走状態下で好ましい熱特性を保有する。本明細書に説明される多層材料は、耐久性があり、扱うのが容易であり、使用される材料の厚さ及び重量を最小にしながら熱伝播及び火災伝播に対する好ましい抵抗があり、また、圧縮率、圧縮弾力性、及びコンプライアンスに関する好ましい特性も有する。
【0061】
別の態様では、電池モジュールは、内面を含む筐体であって、内面は、第１の側壁と第２の側壁との間に及び上部プレートと底部プレートとの間に延在する、第１のエンドプレート及び第２のエンドプレートによって画定される、筐体と、筐体の内部空間に配置された２つ以上の電池セルと、隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素であって、スペーサー要素のそれぞれは少なくとも１つの熱容量層及び少なくとも１つの絶縁層を含む、１つ以上のスペーサー要素と、を含む。スペーサー要素のそれぞれが筐体の内面に接触することにより、熱バリアは隣接電池セルの間に形成される。一実施形態では、２つ以上の電池セルは、第１の側壁と第２の側壁との間に、エンドプレートと平行に縦方向に配向され、スペーサー要素は、底面、上面、第１の側壁、及び第２の側壁に接触し、隣接電池セルの間に熱バリアを形成する。一実施形態では、本明細書に説明されるように、スペーサー要素は多層材料から形成される。
【0062】
一実施形態では、スペーサー要素のそれぞれは、内面の上に及び／または中に形成された１つ以上のチャネルに接触する。１つ以上のチャネルは、第１のエンドプレート、第２のエンドプレート、第１の側壁、第２の側壁、上部プレート、及び底部プレートのうちの１つ以上から突出し得る。代替として、１つ以上のチャネルは、第１のエンドプレート、第２のエンドプレート、第１の側壁、第２の側壁、上部プレート、及び底部プレートのうちの１つ以上の凹部である。スペーサー要素のそれぞれは、スペーサー要素と内面との間にシールを形成するチャネルの１つ以上の部分に接触する。一実施形態では、１つ以上のチャネルは、対向する側壁及び底面を有する実質的にＵ字形である。スペーサー要素はＵ字形チャネルの側壁に接触する。ギャップは、製造上のばらつきを考慮して、スペーサー要素と、Ｕ字形チャネルの底面との間に存在し得る。
【0063】
ある実施形態では、１つ以上のスペーサー要素及び筐体の内面は、一緒に、複数の別々の区画を画定するように構成され、１つの電池セルが各区画に配置される。ある実施形態では、１つ以上のスペーサー要素及び筐体の内面は、一緒に、複数の別々の区画を画定するように構成され、複数の電池セルは各区画に配置される。ある実施形態では、筐体の少なくとも一部は１つ以上の通気ポートを備え、１つ以上の通気ポートは、複数の別々の区画のうちの１つ以上に流体的に結合される。１つ以上の通気ポートは、区画のうちの１つ以上と連通する、筐体の側壁または上部プレートに位置付けられ得る。通気ポートは開口部または圧力安全弁であり得る。様々なガス偏向要素、チャネル、及び他の構成要素と併せて、通気ポートを使用して、高温ガス及び粒子を電池セルから離して伝導できるガス流管理経路を作成できる。
【0064】
別の態様では、電池モジュールは、内面を含む筐体であって、内面は、第１の側壁と第２の側壁との間に及び上部プレートと底部プレートとの間に延在する、第１のエンドプレート及び第２のエンドプレートによって画定される、筐体と、筐体の内部空間に配置された２つ以上の電池セルと、隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素であって、スペーサー要素のそれぞれは少なくとも１つの熱容量層及び少なくとも１つの絶縁層を含む、１つ以上のスペーサー要素と、筐体の内面に沿って配置された１つ以上のエッジ要素と、を含み、エッジ要素は、圧縮可能であり、以下の化学分解の開始温度を有する材料を含み、開始温度として、約１００℃以上、約１３０℃以上、約２００℃以上、約２３０℃以上、約２４０℃以上、約３３０℃以上、３５０℃以上、約４００℃以上、約４１５℃以上、約４２５℃以上、約４５０℃以上、約５００℃以上、約５５０℃以上、約６００℃以上、約６５０℃以上、約７００℃以上、約７５０℃以上、約８００℃以上、またはこれらの値のうちのいずれか２つの間の範囲の温度が挙げられる。スペーサー要素のそれぞれが別々のエッジ要素のうちの少なくとも１つ以上に接触することにより、スペーサー要素と、隣接電池セルを熱的に隔離する筐体の内面との間のエッジ要素によって、シールが形成される。ある実施形態では、２つ以上の電池セルは、エンドプレートと平行に、第１の側壁と第２の側壁との間に配向され、スペーサー要素は底面に接触し、１つ以上のエッジ要素のうちの１つはスペーサー要素と上面との間に配置される。一実施形態では、１つ以上のエッジ要素のうちの１つは、第１の側壁及びスペーサー要素及び／または第２の側壁及びスペーサー要素の間に配置される。
【0065】
ある実施形態では、エッジ要素は膨張材料を含む。別の実施形態では、エッジ要素は形状記憶材料を含む。別の実施形態では、エッジ要素は、膨張材料及び形状記憶材料の組み合わせを含む。別の実施形態では、エッジ要素はシリコーンポリマーを含む。別の実施形態では、エッジ要素は、１つ以上の容量層及び１つ以上の絶縁層を有する多層材料を含む。多層材料は、本明細書に説明されるように、エッジ要素として使用され得る。
【0066】
ある実施形態では、１つ以上のスペーサー要素、エッジ要素、及び筐体の内面は、一緒に、複数の別々の区画を画定するように構成され、１つの電池セルが各区画に配置される。ある実施形態では、１つ以上のスペーサー要素、エッジ要素、及び筐体の内面は、一緒に、複数の別々の区画を画定するように構成され、複数の電池セルは各区画に配置される。ある実施形態では、筐体の少なくとも一部は１つ以上の通気ポートを備え、１つ以上の通気ポートは、複数の別々の区画のうちの１つ以上に流体的に結合される。１つ以上の通気ポートは、区画のうちの１つ以上と連通する、筐体の側壁または上部プレートに位置付けられ得る。通気ポートは開口部または圧力安全弁であり得る。
【0067】
別の態様では、電池モジュールは、内面を含む筐体であって、内面は、第１の側壁と第２の側壁との間に及び上部プレートと底部プレートとの間に延在する、第１のエンドプレート及び第２のエンドプレートによって画定される、筐体と、筐体の内部空間に配置された２つ以上の電池セルと、隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素であって、スペーサー要素のそれぞれは少なくとも１つの熱容量層及び少なくとも１つの絶縁層を含む、１つ以上のスペーサー要素と、内面と接触し、スペーサー要素のうちの１つ以上の少なくとも一部を囲む、１つ以上のキャップと、を含む。１つ以上のキャップは、１つ以上のスペーサー要素と筐体の内面との間にシールを形成し、隣接電池セルを熱的に隔離するように構成される。ある実施形態では、２つ以上の電池セルは、エンドプレートと平行に、第１の側壁と第２の側壁との間に配向され、スペーサー要素は底面に接触し、１つ以上のエッジ要素のうちの１つはスペーサー要素と上面との間に配置される。一実施形態では、１つ以上のエッジ要素のうちの１つは、第１の側壁及びスペーサー要素及び／または第２の側壁及びスペーサー要素の間に配置される。
【0068】
ある実施形態では、キャップのうちの１つ以上はポリマーから形成される。ポリマーは、約１００℃以上、約１３０℃以上、約２００℃以上、約２３０℃以上、約２４０℃以上、約３３０℃以上、３５０℃以上、約４００℃以上、約４１５℃以上、約４２５℃以上、約４５０℃以上、約５００℃以上、約５５０℃以上、約６００℃以上、約６５０℃以上、約７００℃以上、約７５０℃以上、約８００℃以上、またはこれらの値のうちのいずれか２つの間の範囲の化学分解の開始温度を有する材料を含む。ある実施形態では、空間は、１つ以上のスペーサー要素のうちの１つを受けることができる１つ以上のキャップ内に画定される。１つ以上のキャップのうちの少なくとも１つは、使用中、キャップに配置されたスペーサー要素と、キャップの内壁との間にギャップが存在するように構成され得る。ある実施形態では、１つ以上のキャップのうちの少なくとも１つはキャップの第１の縦側に沿って伸びる実質的にＵ字形開口部を有し、１つ以上のスペーサー要素はＵ字形開口部の内部に収まる。ある実施形態では、１つ以上のキャップのうちの少なくとも１つは、筐体の内面の一部の形状を補完する形状の外面を有する。ある実施形態では、１つ以上のキャップのうちの少なくとも１つはキャップの端で開口部を有し、開口部は、キャップが１つ以上のスペーサー要素の１つにわたってスライドすることを可能にするように構成される。ある実施形態では、１つ以上のキャップのうちの少なくとも１つは、１つ以上のスペーサー要素のうちの１つの端を完全に覆う。ある実施形態では、１つ以上のキャップのうちの少なくとも１つは、筐体の底部プレートに接触する底面と、筐体の上部プレートに接触する上面とを有する。ある実施形態では、キャップのうちの少なくとも１つは、筐体の内面の第１の側壁または第２の側壁に接触する第２の縦側を有する。
【0069】
ある実施形態では、１つ以上のキャップのうちの少なくとも１つは、第１の側壁または第２の側壁に形成されるチャネルに接触する。一実施形態では、チャネルは第１の側壁及び／または第２の側壁の凹部である。別の実施形態では、１つ以上のチャネルは第１の側壁及び／または第２の側壁から突出する。ある実施形態では、１つ以上のキャップのうちの少なくとも１つは、チャネルの１つ以上の部分に接触し、キャップと内面との間にシールを形成する。内面の１つ以上のチャネルは、対向する側壁及び底面を有する実質的にＵ字形であり得る。キャップは、一実施形態では、Ｕ字形チャネルの側壁に接触する。いくつかの実施形態では、ギャップは、キャップと、Ｕ字形チャネルの底面との間に存在する。
【0070】
ある実施形態では、１つ以上のスペーサー要素、キャップ、及び筐体の内面は、一緒に、複数の別々の区画を画定するように構成され、１つの電池セルが各区画に配置される。ある実施形態では、１つ以上のスペーサー要素、キャップ、及び筐体の内面は、一緒に、複数の別々の区画を画定するように構成され、複数の電池セルは各区画に配置される。ある実施形態では、筐体の少なくとも一部は１つ以上の通気ポートを備え、１つ以上の通気ポートは、複数の別々の区画のうちの１つ以上に流体的に結合される。１つ以上の通気ポートは、区画のうちの１つ以上と連通する、筐体の側壁または上部プレートに位置付けられ得る。通気ポートは開口部または圧力安全弁であり得る。
【0071】
別の態様では、本明細書に提供される電池モジュールは、内面を含み、内部に内部空間を包囲する筐体と、筐体の内部空間に配置された２つ以上の電池セルと、隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素であって、１つ以上のスペーサー要素のそれぞれは少なくとも１つの絶縁層を含む、１つ以上のスペーサー要素と、１つ以上のスペーサー要素から延在する１つ以上の延在部であって、１つ以上の延在部は熱活性材料から形成される、１つ以上の延在部と、を含み、１つ以上の延在部は偏向して、スペーサー要素と筐体との間にシールを形成する。
【0072】
複数の実施形態では、熱活性材料は、例えば形状記憶合金（例えば、Ａｌ－Ｃｕ－Ｎｉ合金またはＮｉ－Ｔｉ合金）等の形状記憶材料を含む。複数の実施形態では、熱活性材料は膨張材料を含む。そして、いくつかの実施形態では、熱活性材料は、形状記憶材料及び膨張材料の組み合わせを含む。ある実施形態では、加熱によって活性化されるとき（例えば、１つ以上の延在部が偏向するとき）、１つ以上の偏向延在部は、電池モジュールの残りの部（例えば、シール領域Ａ－Ａの外側のエリア）からシールされる電池モジュール内に領域を作成する。いくつかの実施形態では、１つ以上の延在部は第１の延在部及び第２の延在部を含み、第１の延在部は第２の延在部の反対側の配向で偏向する。
【0073】
別の態様では、本明細書に提供される電池モジュールは、内面を含み、内部に内部空間を包囲する筐体と、筐体の内部空間に配置された２つ以上の電池セルと、隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素であって、１つ以上のスペーサー要素のそれぞれは少なくとも１つの絶縁層を含む、１つ以上のスペーサー要素と、筐体の内面から延在する１つ以上の延在部であって、１つ以上の延在部は熱活性材料から形成される、１つ以上の延在部と、を含み、１つ以上の延在部は偏向して、スペーサー要素と筐体との間にシールを形成する。
【0074】
ある実施形態では、熱活性材料は、Ｎｉ－Ｔｉ合金等の形状記憶材料である。いくつかの実施形態では、熱活性材料は、形状記憶材料及び膨張材料の組み合わせである。例えば、膨張材料から形成されたベースを有する要素と、形状記憶材料から形成された取り付けられた層またはキャップとが存在する。ある実施形態では、１つ以上のスペーサー要素はエアロゲルを含む（例えば、少なくとも１つの絶縁層はエアロゲルから形成される）。複数の実施形態では、１つ以上のスペーサー要素は膨張材料を含み得る。例えば、１つ以上のスペーサー要素は膨張材料から形成できる。いくつかの実施形態では、１つ以上のスペーサー要素は、エアロゲルと一緒に、膨張材料を含む。
【0075】
別の態様では、本明細書に提供される電池モジュールは、内面を含み、内部に内部空間を包囲する筐体と、筐体の内部空間に配置された２つ以上の電池セルと、隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素であって、１つ以上のスペーサー要素のそれぞれは、形状記憶材料を含む少なくとも１つの熱伝導層と物理的接触する少なくとも１つの絶縁層を含む、１つ以上のスペーサー要素と、を含み、少なくとも１つの伝導層の形状記憶材料は、熱活性化に応じて偏向し、１つ以上のスペーサー要素と、２つ以上の電池セルのうちの少なくとも１つとの間にギャップを形成する。
【0076】
ある実施形態では、形状記憶材料はニチノールである。ある実施形態では、形状記憶材料はプレート形態である。別の実施形態では、形状記憶材料は、少なくとも１つの熱伝導層全体にわたって分散される。加熱によって活性化されるとき、ある実施形態では、分散された形状記憶材料は拡張したばね形態である。本態様のいくつかの実施形態は、さらに、２つ以上の電池セルと熱接触する冷却システムを備える。冷却システムは冷却プレートを含み得る。
【0077】
別の態様では、本明細書に提供されるデバイスまたは車両は、上記の態様のいずれか１つに従った電池モジュールを含む。いくつかの実施形態では、該デバイスは、ラップトップコンピューター、ＰＤＡ、携帯電話、タグスキャナ、オーディオデバイス、ビデオデバイス、ディスプレイパネル、ビデオカメラ、デジタルカメラ、デスクトップコンピューター、軍用ポータブルコンピューター、軍用電話、レーザー測距器、デジタル通信デバイス、機密情報収集センサー、電子統合型衣料品、暗視機器、電動工具、電卓、無線、リモート制御機器、ＧＰＳデバイス、ハンドヘルドテレビ及びポータブルテレビ、カースターター、懐中電灯、音響デバイス、ポータブル加熱デバイス、ポータブル電気掃除機、またはポータブル医療ツールである。いくつかの実施形態では、車両は電気自動車である。
【0078】
したがって、一般的な用語で本開示に説明されるが、ここで、必ずしも縮尺通りに描かれていない添付図を参照する。
【図面の簡単な説明】
【0079】
【図1】Ｌｉイオン電池の電気化学セルの概略図である。
【図2】Ｌｉイオン電池の充放電プロセスの概略図である。
【図3】電池モジュール内の熱暴走過酷状態及び熱暴走伝播プロセスを概略的に示す。
【図4】電池のリチウムめっき上のデンドライト成長の概略図である。
【図5】熱暴走プロセスにもたらす３つの段階を概略的に示す。
【図6】電池セル、電池モジュール、及び電池パックを概略的に示す。
【図7】本明細書に開示される特定の実施形態による、多層材料を概略的に示す。
【図8】本明細書に開示される特定の実施形態による、多層材料を概略的に示す。
【図9A】本明細書に開示される実施形態による、電気エネルギー貯蔵システムの熱バリアとして使用するための多層材料を概略的に示す。
【図9B】本明細書に開示される実施形態による、電気エネルギー貯蔵システムの熱バリアとして使用するために別の多層材料を概略的に示す。
【図9C】本明細書に開示される実施形態による、電気エネルギー貯蔵システムの熱バリアとして使用するための多層材料を概略的に示す。
【図9D】本明細書に開示される実施形態による、電気エネルギー貯蔵システムの熱バリアとして使用するための多層材料を概略的に示す。
【図9E】本明細書に開示される実施形態による、電気エネルギー貯蔵システムの熱バリアとして使用するための多層材料を概略的に示す。
【図10】先行技術の電池モジュールの図である。
【図11A】延在するスペーサー要素を有する電池モジュールの図である。
【図11B】延在するスペーサー要素を有する電池モジュールの側面図である。
【図12A】突出チャネルに位置付けられたスペーサー要素を有する電池モジュールの図である。
【図12B】凹型チャネルに位置付けられたスペーサー要素を有する電池モジュールの図である。
【図13】電池モジュールの上部プレートの図である。
【図14】スペーサー要素と筐体との間にシールを形成するエッジ要素を有する電池モジュールの図である。
【図15】スペーサー要素とエッジ要素との間のインターフェースの拡大図である。
【図16】スペーサー要素とキャップとの間のインターフェースの拡大図である。
【図17】キャップに位置付けられたスペーサー要素を有する電池モジュールの代替の構成の図である。
【図18A】電池モジュール内の絶縁層の間に挟着された状態で延在した熱容量層または熱伝導層を有するスペーサー要素の実施形態を示す。
【図19A】電池モジュール内の延在部を有するスペーサー要素の実施形態を示す。
【図20A】延在部を有するスペーサー要素の代替の実施形態を示す。
【図21A】本明細書に開示される実施形態のいずれかに適用できる延在部の改良形態を示す。
【図22】筐体に対して電池セルの寸法を越えて延在する層を含むスペーサー要素の実施形態を示す。
【図23】一方の電池セルを覆い、他方の電池セルから少なくとも部分的に隔離できる、スペーサー要素、またはスペーサー要素の部分の実施形態を示す。
【図24】別々のエッジ要素が、スペーサー要素の予想場所に近接する場所における筐体壁に沿って位置付けられる実施形態を示す。
【図25A】スペーサー要素の位置付け前に、スペーサー要素と筐体の内部との間にシールを形成するために使用されるエッジ要素の実施形態を示す。
【図26】図２６Ａは、加熱誘発イベントの前の、形状記憶エッジ要素及び膨張エッジ要素を有する電池モジュールの図である。図２６Ｂは、加熱誘発イベントの後の、図２６Ａの電池モジュールの図である。図２６Ｃは、加熱誘発イベントの前の、形状記憶要素を有する電池モジュールの図である。図２６Ｄは、加熱誘発イベントの後の、図２６Ｃの電池モジュールの図である。
【図27】図２７Ａは、加熱誘発イベントの前の、形状記憶材料及び膨張材料の組み合わせから形成されるスペーサー／形状要素を有する電池モジュールの図である。図２７Ｂは、加熱誘発イベントの後の、図２７Ａの電池モジュールの図である。図２７Ｃは、加熱誘発イベントの前の、形状記憶エッジ要素及び膨張スペーサー要素を有する電池モジュールの図である。図２７Ｄは、加熱誘発イベントの後の、図２７Ｃの電池モジュールの図である。
【図28A】加熱誘発イベントの前の、電池セルと熱遮断層との間の挟着された形状記憶プレートを含む電池モジュールの一部の図である。
【図29A】加熱誘発イベントの前の、熱伝導層全体にわたって分散された形状記憶材料要素を含む熱伝導層を含む電池モジュールの一部の図である。
【図29C】全体にわたって分散された形状記憶材料要素を伴う熱伝導層の上面図を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0080】
好ましい実施形態の以下の詳細な説明では、その一部を形成し、実例として、本開示が実施され得る特定の実施形態が示される添付図への参照がなされる。本開示の範囲から逸脱することなく、他の実施形態が利用され得、構造的変化がなされ得ることを理解されたい。
【0081】
本開示は、エネルギー貯蔵システムにおける熱暴走の問題を管理するために、多層材料を含む該多層材料及びシステムを対象とする。例示的な実施形態は、少なくとも１つの絶縁層、少なくとも１つの圧縮可能パッド、及びオプションの１つ以上の層を含む多層材料を含む。オプションの１つ以上の層は、好ましい熱放散特性を有し、好ましい耐火特性、難燃特性、及び／または摩耗抵抗特性を有し、熱バリアとして使用するための好ましい性能を有する。本開示は、さらに、１つ以上の電池セルと、電池セルと熱連通して設置された多層熱バリア材料とを伴う電池モジュールまたは電池パックに関する。
【0082】
本明細書に開示される多層材料の１つ以上の絶縁層は、エアロゲル組成物または補強エアロゲル組成物を含み得る。エアロゲル材料は、他の一般的なタイプの断熱材、例えば、発泡体、繊維ガラス等の約２～６倍の熱抵抗を保有することが知られている。エアロゲルは、実質的に、断熱材の厚さを増加させることなく、または追加重量を追加しないで、効果的な遮蔽及び断熱を向上させることができる。エアロゲルは、低密度、オープンセル構造、大きい表面積、及びナノメートルスケール細孔径を有する構造分類であることが知られている。
【0083】
本開示の実施形態に従った多層材料、及びエアロゲル組成物を含む多層材料は、圧縮率、圧縮弾力性、及びコンプライアンスに関する好ましい特性を提供する。電池モジュール内のセルの間で熱バリアとして使用されるとき、多層材料は、電池の充電／放電サイクル中、活物質の劣化及び膨張に起因して、セルの拡張に適応する圧縮変形に対する抵抗をもたらす可能性がある。
【0084】
本開示は、また、電池セル上または電池モジュール上に配置される、例えば、少なくとも１つの電池セルの表面上、または電池モジュールの表面上に配置される、本明細書に開示される実施形態に従った少なくとも１つの電池セル及び多層材料を含む電池モジュールまたは電池パックを提供する。例えば、電池モジュールまたは電池パックは、内面及び外面を有する。特定の実施形態では、多層材料は、電池モジュールまたは電池パックの内面上にある。特定の実施形態では、多層材料は、電池モジュールまたは電池パックの外面上にある。
【0085】
本開示の多層材料は、熱的に及び／または機械的に好ましい特性を有する２つ以上の層が特定の方法で配置される様々な固有の構成を有し得る。図７は、本明細書に開示される実施形態による、多層材料４００を示す。一実施形態では、電気エネルギー貯蔵システムで熱バリアとして使用するための多層材料４００はコア部７００及び外部６００を含み、コア部７００は少なくとも１つの絶縁層４７０及び／または４８０と、少なくとも１つの熱容量層４３０，４４０，及び／または４５０との層状集合を含み、それらの絶縁層及び熱容量層はそれらの最大表面に垂直な方向に交互に積み重なり、外部６００はコア部７００の外側に配置され、外部６００は、約１ＭＰａ～約１２ＭＰａの圧縮係数を有する圧縮可能パッド４１０及び／または４６０を備える少なくとも１つの犠牲材料層と、ポリマー、エラストマー、またはそれらの組み合わせから選択された少なくとも１つの封入材料層４２０とを含み、熱容量層４３０，４４０，及び／または４５０は少なくとも約２００Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）の比熱容量を有し、絶縁層４７０及び／または４８０は、該絶縁層の厚さ寸法を通して、２５℃で約５０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満及び６００℃で約６０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満の熱伝導率を有する。
【0086】
いくつかの実施形態では、絶縁層４７０及び４８０は同じ材料から作られている。いくつかの実施形態では、絶縁層４７０及び４８０は、異なる熱特性及び／または機械特性を有する異なる材料から作られている。いくつかの実施形態では、熱容量層４３０、４４０、及び４５０は同じ材料から作られている。いくつかの実施形態では、熱容量層４３０、４４０、及び４５０は、異なる熱特性及び／または機械特性を有する異なる材料から作られている。また、圧縮可能パッド４１０及び４６０は、異なる材料または同じ材料から作ることができる。
【0087】
図８は、本明細書に開示される実施形態による、多層材料５００を示す。一実施形態では、電気エネルギー貯蔵システムの熱バリアとして使用するための多層材料４００はコア部７００及び外部６００を含み、コア部７００は少なくとも１つの絶縁層４７０及び／または４８０と、少なくとも１つの熱伝導層５３０、５４０、及び／または５５０との層状集合を含み、それらの絶縁層及び熱伝導層はそれらの最大表面に垂直な方向に交互に積み重なり、外部６００はコア部７００の外側に配置され、外部６００は、約１ＭＰａ～約１２ＭＰａの圧縮係数を有する圧縮可能パッド４１０及び／または４６０を備える少なくとも１つの犠牲材料層と、ポリマー、エラストマー、またはそれらの組み合わせから選択された少なくとも１つの封入材料層４２０とを含み、熱伝導層５３０、５４０、及び／または５５０は、該熱伝導層の面内寸法に沿って、少なくとも約２００ｍＷ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有し、絶縁層４７０及び／または４８０は、該絶縁層の厚さ寸法を通して、２５℃で約５０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満及び６００℃で約６０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満の熱伝導率を有する。
【0088】
いくつかの実施形態では、熱伝導層５３０、５４０、及び５５０は同じ材料から作られている。いくつかの実施形態では、熱伝導層５３０、４４０、及び５５０は、異なる熱特性及び／または機械特性を有する異なる材料から作られている。
【0089】
いくつかの実施形態では、図７及び図８に示されるように、封入材料層４２０は、コア部７００と、少なくとも１つの圧縮可能パッド４１０及び／または４６０を有する犠牲材料層との間に挟着される。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの圧縮可能パッド４１０及び／または４６０を有する犠牲材料層は、コア部７００と封入材料層４２０との間に挟着される。
【0090】
本明細書に開示される実施形態に従った多層材料は、非圧縮状態で約２ｍｍ～約１０ｍｍの範囲の平均厚さを有し得る。多層材料の平均厚さは、電池モジュールの初期組み立て中にセルの間の材料に加えられた荷重等、例えば１ＭＰａ以下の外部の機械的荷重に曝されると減少し得る。
【0091】
図９Ａに示される多層材料の例示的な構成では、電気エネルギー貯蔵システムの熱バリアとして使用するための多層材料８００は、約１ＭＰａ～約１２ＭＰａ（例えば、１．５ＭＰａ、２ＭＰａ、４ＭＰａ、５ＭＰａ、６ＭＰａ、８ＭＰａ、９ＭＰａ、１０ＭＰａ、１１ＭＰａ、１１．５ＭＰａ）の圧縮係数を有する少なくとも１つの圧縮可能パッド４１０及び／または４６０を備える２つの側面を有するコア層と、該絶縁層の厚さ寸法を通して、２５℃で約５０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満及び６００℃で約６０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満の熱伝導率を有する、２つの絶縁層４７０及び絶縁層４８０と、を有し、コア層は２つの絶縁層４７０及び絶縁層４８０によって挟着され、多層材料は、オプションで、ポリマー、エラストマー、またはそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つから選択された封入材料４２０に封入される。
【0092】
図９Ｂに示される多層材料の例示的な構成では、電気エネルギー貯蔵システムの熱バリアとして使用するための多層材料８１０は、約１ＭＰａ～約１２ＭＰａの圧縮係数を有する１つの圧縮可能パッド４１０または４６０を備える２つの側面と、２つの熱伝導層５３０、５４０、及び／または５５０とを有するコア層と、該絶縁層の厚さ寸法を通して、２５℃で約５０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満及び６００℃で約６０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満の熱伝導率を有する、２つの絶縁層４７０及び絶縁層４８０と、を有し、コア層は２つの絶縁層４７０及び絶縁層４８０によって挟着され、少なくとも１つの熱伝導層は少なくとも約２００ｍＷ／ｍ・Ｋの面内の熱伝導率を有し、多層材料は、オプションで、ポリマー、エラストマー、またはそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つから選択された封入材料４２０に封入される。
【0093】
図９Ｃに示される例示的な構成では、電気エネルギー貯蔵システムの熱バリアとして使用するための多層材料８２０は、約１ＭＰａ～約１２ＭＰａの圧縮係数を有する１つの圧縮可能パッド４１０または４６０を備える２つの側面と、２つの熱伝導層４３０、４４０、及び／または４５０とを有するコア層と、該絶縁層の厚さ寸法を通して、２５℃で約５０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満及び６００℃で約６０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満の熱伝導率を有する、２つの絶縁層４７０及び絶縁層４８０と、を有し、コア層は２つの絶縁層４７０及び絶縁層４８０によって挟着され、少なくとも１つの熱容量層は少なくとも約２００Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）の比熱容量を有し、多層材料は、オプションで、ポリマー、エラストマー、またはそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つから選択された封入材料４２０に封入される。
【0094】
図９Ｄに示される例示的な構成では、電気エネルギー貯蔵システムの熱バリアとして使用するための多層材料８３０は、約１ＭＰａ～約１２ＭＰａの圧縮係数を有する１つの圧縮可能パッド４１０または４６０を備える２つの側面と、２つの熱容量層４３０、４４０、または４５０とを有するコア層と、該絶縁層の厚さ寸法を通して、２５℃で約５０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満及び６００℃で約６０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満の熱伝導率を有する、２つの絶縁層４７０及び絶縁層４８０と、を有し、コア層は２つの絶縁層４７０及び絶縁層４８０によって挟着され、少なくとも１つの熱容量層は少なくとも約２００Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）の比熱容量を有し、多層材料は、オプションで、ポリマー、エラストマー、またはそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つから選択された封入材料４２０に封入され、多層材料８３０は、さらに、２つの熱容量層４３０、４４０、及び／または４５０を含み、熱容量層４３０、４４０、及び／または４５０のそれぞれは絶縁層４７０及び絶縁層４８０のそれぞれの外面上に配置される。
【0095】
図９Ｅに示される多層材料の例示的な構成では、電気エネルギー貯蔵システムの熱バリアとして使用するための多層材料８４０は、約１ＭＰａ～約１２ＭＰａの圧縮係数を有する２つの圧縮可能パッド４１０及び４６０を備える２つの側面と、１つの熱容量層４３０、４４０、または４５０とを有するコア層と、該絶縁層の厚さ寸法を通して、２５℃で約５０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満及び６００℃で約６０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満の熱伝導率を有する、２つの絶縁層４７０及び絶縁層４８０と、を有し、コア層は２つの絶縁層４７０及び絶縁層４８０によって挟着され、少なくとも１つの熱容量層は少なくとも約２００Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）の比熱容量を有し、多層材料は、オプションで、ポリマー、エラストマー、またはそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つから選択された封入材料４２０に封入され、熱容量層は２つの圧縮可能パッド４１０及び４６０によって挟着される。
【0096】
断熱層
本明細書に説明される多層材料の絶縁層は、小さな空間で発熱部からの熱流を確実に制御することに関与し、電子技術、工業技術、及び自動車技術の分野のそのような製品の火災伝播に対する安全及び予防を提供する。圧縮の特性が優れている断熱層は、これらの必要性に対処する際に有用であり得る。本開示の多くの実施形態では、絶縁層は、また、層自体だけで、または多層材料の他の層と組み合わせて、のいずれか一方で、炎／火災偏向層としても機能する。例えば、絶縁層、例えば金属または雲母の層等の不燃層と組み合わされたエアロゲル層は、炎及び／または高温ガスからの、同様に、熱暴走イベント中にＬＩＢから押し出され得る材料等の粒子材料が混入された炎／高温ガスからの下層の保護を提供できる。別の例を挙げると、絶縁層自体は、炎及び／または高温ガスに耐性があり、同様に粒子材料が混入した炎／高温ガスに耐性があり得る。雲母、細孔性シリカ、エアロゲル等の絶縁層は、不燃層と組み合わせて、炎／火偏向層として機能できる。本明細書の実施形態に開示される層等のエアロゲルを含む絶縁層は、耐久性があり、扱うのが容易であり、使用される材料の厚さ及び重量を最小にしながら、熱伝播及び火災伝播に対する好ましい抵抗があり、また、圧縮率、圧縮弾力性、及びコンプライアンスに関する好ましい特性も有する。
本明細書に説明される多層材料の絶縁層は、小さな空間で発熱部からの熱流を確実に制御することに関与し、電子技術、工業技術、及び自動車技術の分野のそのような製品の火災伝播に対する安全及び予防を提供する。圧縮の特性が優れている断熱層は、これらの必要性に対処する際に有用であり得る。本開示の多くの実施形態では、絶縁層は、また、層自体だけで、または多層材料の他の層と組み合わせて、のいずれか一方で、炎／火災偏向層としても機能する。例えば、絶縁層、例えば金属または雲母の層等の不燃層と組み合わされたエアロゲル層は、炎及び／または高温ガスからの、同様に、熱暴走イベント中にＬＩＢから押し出され得る材料等の粒子材料が混入された炎／高温ガスからの下層の保護を提供できる。別の例を挙げると、絶縁層自体は、炎及び／または高温ガスに耐性があり、同様に粒子材料が混入した炎／高温ガスに耐性があり得る。雲母、細孔性シリカ、エアロゲル等の絶縁層は、不燃層と組み合わせて、炎／火偏向層として機能できる。本明細書の実施形態に開示される層等のエアロゲルを含む絶縁層は、耐久性があり、扱うのが容易であり、使用される材料の厚さ及び重量を最小にしながら、熱伝播及び火災伝播に対する好ましい抵抗があり、また、圧縮率、圧縮弾力性、及びコンプライアンスに関する好ましい特性も有する。
【0097】
エアロゲルはオープンセルを伴う多孔質材の等級であり、細孔の対応する網状組織が骨格内で統合された、相互接続構造の骨格と、空気等のガスから主に成る細孔の網状組織内の間隙相とを含む。エアロゲルは、一般的に、低密度、高気孔率、大きい表面積、及び小細孔径を特徴とする。エアロゲルは、その物理的特性及び構造的特性によって、他の多孔質材と区別できる。
【0098】
したがって、いくつかの実施形態では、本開示の多層材料の絶縁層はエアロゲルを含む。いくつかの実施形態では、絶縁層は、さらに、雲母、細孔性シリカ、セラミック繊維、ミネラルウール、及びそれらの組み合わせから成るグループから選択された材料を含み得る。場合によっては、絶縁層はエアロゲルが不足する。いくつかの実施形態では、絶縁層は、雲母、細孔性シリカ、セラミック繊維、ミネラルウール、及びそれらの組み合わせから成るグループから選択された材料を含み得る。
【0099】
特定の実施形態では、本開示の絶縁層は、該絶縁層の厚さ寸法を通して、２５℃において、約５０ｍＷ／ｍＫ以下、約４０ｍＷ／ｍＫ以下、約３０ｍＷ／ｍＫ以下、約２５ｍＷ／ｍＫ以下、約２０ｍＷ／ｍＫ以下、約１８ｍＷ／ｍＫ以下、約１６ｍＷ／ｍＫ以下、約１４ｍＷ／ｍＫ以下、約１２ｍＷ／ｍＫ以下、約１０ｍＷ／ｍＫ以下、約５ｍＷ／ｍＫ以下、またはこれらの値のうちのいずれか２つの間の範囲の熱伝導率を有する。特定の実施形態では、本開示の絶縁層は、該絶縁層の厚さ寸法を通して、６００℃において、約６０ｍＷ／ｍＫ以下、約５０ｍＷ／ｍＫ以下、約４０ｍＷ／ｍＫ以下、約３０ｍＷ／ｍＫ以下、約２５ｍＷ／ｍＫ以下、約２０ｍＷ／ｍＫ以下、約１８ｍＷ／ｍＫ以下、約１６ｍＷ／ｍＫ以下、約１４ｍＷ／ｍＫ以下、約１２ｍＷ／ｍＫ以下、約１０ｍＷ／ｍＫ以下、約５ｍＷ／ｍＫ以下、またはこれらの値のうちのいずれか２つの間の範囲の熱伝導率を有する。
【0100】
本開示の絶縁層、例えばエアロゲルを含む絶縁層は、最大約５ＭＰａの荷重がかかるとき、熱伝導率（通常、ｍＷ／ｍ・Ｋの単位で測定される）のわずかな量を保持できる、または増加できる。特定の実施形態では、本開示の絶縁層は、該絶縁層の厚さ寸法を通して、最大約５ＭＰａの荷重がかかるとき、２５℃において、約５０ｍＷ／ｍＫ以下、約４０ｍＷ／ｍＫ以下、約３０ｍＷ／ｍＫ以下、約２５ｍＷ／ｍＫ以下、約２０ｍＷ／ｍＫ以下、約１８ｍＷ／ｍＫ以下、約１６ｍＷ／ｍＫ以下、約１４ｍＷ／ｍＫ以下、約１２ｍＷ／ｍＫ以下、約１０ｍＷ／ｍＫ以下、約５ｍＷ／ｍＫ以下、またはこれらの値のうちのいずれか２つの間の範囲の熱伝導率を有する。エアロゲル絶縁層が受ける荷重の結果として、エアロゲル絶縁層の厚さは減り得る。例えば、エアロゲル絶縁層の厚さは、約０．５０ＭＰａ～５ＭＰａの範囲で荷重がかかるとき、５０％以下、４０％以下、３０％以下、２５％以下、２０％以下、１５％以下、１０％以下、５％以下、またはこれらの値のうちのいずれか２つの間の範囲で減り得る。厚さが減るにつれて、エアロゲルを含む絶縁層の熱抵抗が減り得るが、熱伝導率は、わずかな量だけ、保持できる、または増加できる。
【0101】
特定の実施形態では、本開示の絶縁層は、約７５０ｃａｌ／ｇ以下、約７１７ｃａｌ／ｇ以下、約７００ｃａｌ／ｇ以下、約６５０ｃａｌ／ｇ以下、約６００ｃａｌ／ｇ以下、約５７５ｃａｌ／ｇ以下、約５５０ｃａｌ／ｇ以下、約５００ｃａｌ／ｇ以下、約４５０ｃａｌ／ｇ以下、約４００ｃａｌ／ｇ以下、約３５０ｃａｌ／ｇ以下、約３００ｃａｌ／ｇ以下、約２５０ｃａｌ／ｇ以下、約２００ｃａｌ／ｇ以下、約１５０ｃａｌ／ｇ以下、約１００ｃａｌ／ｇ以下、約５０ｃａｌ／ｇ以下、約２５ｃａｌ／ｇ以下、約１０ｃａｌ／ｇ以下、またはこれらの値のうちのいずれか２つの間の範囲の燃焼熱を有し得る。別の絶縁層に対して燃焼熱が改善された絶縁層は、参照絶縁層と比べて低い燃焼熱の値を有する。本開示の特定の実施形態では、絶縁層のＨＯＣは、防火等級添加剤を絶縁層に混和することによって改善される。
【0102】
特定の実施形態では、本開示の絶縁層は、約３００℃以上、約３２０℃以上、約３４０℃以上、約３６０℃以上、約３８Ｏ℃以上、約４００℃以上、約４２０℃以上、約４４０℃以上、約４６０℃以上、約４８０℃以上、約５００℃以上、約５１５℃以上、約５５０℃以上、約６００℃以上、またはこれらの値のうちのいずれか２つの間の範囲で熱分解の開始温度を有する。本明細書の文脈内で、例えば、第２の組成物の熱分解の開始温度よりも高い熱分解の開始温度を有する第１の組成物について、第２の組成物よりも第１の組成物のほうが改善することが考えられるであろう。１つ以上の防火等級添加剤を追加するとき、任意の防火等級添加剤を含まない組成物と比較して、組成物または材料の熱分解の開始温度が増加することが本明細書で想到される。
【0103】
「曲げ弾性率」または「弾性の曲げ係数」という用語は、３点曲げ試験として知られているサンプルの長いエッジに対して垂直に力が加わるとき、曲げに対する材料剛性／抵抗の測定値である。曲げ弾性率は材料が曲がる能力を示す。曲げ弾性率は、応力ひずみ曲線の初期直線部の傾きによって表され、応力の変化を対応するひずみの変化で割ることによって計算される。したがって、応力とひずみとの比は曲げ弾性率の測定値である。曲げ弾性率の国際標準単位は、パスカル（ＰａまたはＮ／ｍ２またはｍ－ｌ・ｋｇ・ｓ－２）である。使用される実用単位はメガパスカル（ＭＰａまたはＮ／ｍｍ２）またはギガパスカル（ＧＰａまたはｋＮ／ｍｍ２）である。米国慣用単位では、それは平方インチ当たり（ｐｓｉ）のポンド（力）として表される。特定の実施形態では、本開示の絶縁層は、約８ＭＰａ以下、約７ＭＰａ以下、約６ＭＰａ以下、約５ＭＰａ以下、約４ＭＰａ以下、約３ＭＰａ以下の曲げ弾性率を有する。好ましくは、本開示の絶縁層、例えばエアロゲルは、約２ＭＰａ～約８ＭＰａの曲げ弾性率を有する。
【0104】
上記に説明したように、セルの間のまたは電池モジュール及び電池パックの間の材料の圧縮特性及び弾力特性は、そのライフサイクル中にセルの膨張に適応するために重要である。特定の実施形態では、絶縁層、または絶縁層を含む多層材料は、（ｉ）その元の厚さまたは非圧縮時の厚さの少なくとも５０％、好ましくは少なくとも６５％、最も好ましくは少なくとも８０％圧縮可能であり、（ｉｉ）数秒間の圧縮後、絶縁層が、その元の厚さまたは非圧縮時の厚さの少なくとも７０％、好ましくは少なくとも７５％、最も好ましくは少なくとも８０％に戻るほど十分に復元力がある。
【0105】
特定の実施形態では、絶縁層（例えば、エアロゲルを含む層）、絶縁層を含む多層材料の圧縮可能構成要素、または多層材料の圧縮係数は、全体として、約１ＭＰａ、約２ＭＰａ、約３ＭＰａ、約４ＭＰａ、約５ＭＰａ、約６ＭＰａ、約７ＭＰａ、約８ＭＰａ、約９ＭＰａ、約１０ＭＰａ、約１１ＭＰａ、約１２ＭＰａ、またはこれらの値のうちのいずれか２つの間の範囲である。
【0106】
エアロゲル
本発明のエアロゲルは、有機、無機、またはそれらの混合物であり得る。いくつかの実施形態では、エアロゲルはシリカ系エアロゲルを含む。エアロゲルを含む多層材料の絶縁層はさらに補強材を含む。補強材は、弾力性、順応性、または構造的安定性をエアロゲル材料に提供する任意の材料であり得る。周知の補強材の例は、限定ではないが、オープンセル型マクロポーラスの骨格補強材、クローズドセル型マクロポーラス骨格補強材、オープンセル膜、ハニカム補強材、ポリマー補強材、ならびに別々の繊維、織布材料、不織布材料、ニードルパンチ不織布、中綿、ウェブ、マット、及びフェルト等の繊維補強材を含む。
本発明のエアロゲルは、有機、無機、またはそれらの混合物であり得る。いくつかの実施形態では、エアロゲルはシリカ系エアロゲルを含む。エアロゲルを含む多層材料の絶縁層はさらに補強材を含む。補強材は、弾力性、順応性、または構造的安定性をエアロゲル材料に提供する任意の材料であり得る。周知の補強材の例は、限定ではないが、オープンセル型マクロポーラスの骨格補強材、クローズドセル型マクロポーラス骨格補強材、オープンセル膜、ハニカム補強材、ポリマー補強材、ならびに別々の繊維、織布材料、不織布材料、ニードルパンチ不織布、中綿、ウェブ、マット、及びフェルト等の繊維補強材を含む。
【0107】
補強材は、有機ポリマー系繊維、無機繊維、炭素系繊維、またはそれらの組み合わせから選択できる。無機繊維は、ガラス繊維、岩石繊維、金属繊維、ホウ素繊維、セラミック繊維、玄武岩繊維、またはそれらの組み合わせから選択される。
【0108】
いくつかの実施形態では、補強材は、複数の層がある材料を含む補強材を含み得る。例えば、複数の層がある材料は一緒に結合できる。例示的な実施形態では、複数の層のうちの少なくとも１つは第１の材料を含み得、複数の層のうちの少なくとも１つの他の層は第２の材料を含み得る。第１の材料及び第２の材料は、同じまたは異なる材料特性を有し得る。例えば、第１の材料は第２の材料よりも圧縮可能であり得る。別の例を挙げると、第１の材料はクローズドセルを含み得、第２の材料はオープンセルを含み得る。
【0109】
エアロゲルは、通常、相互接続オリゴマー、ポリマー、またはコロイド粒子から成る相互接続構造の骨格として説明される。エアロゲル骨格は、無機前駆体材料（シリカ系エアロゲルを生成する際に使用される前駆体等）、有機前駆体材料（炭素系エアロゲルを生成する際に使用されるそのような前駆体）、ハイブリッド無機／有機前駆体材料、及びそれらの組み合わせを含む様々な前駆体材料から作られ得る。本開示の文脈内で、「アマルガムエアロゲル」という用語は、２つ以上の異なるゲル前駆体の組み合わせから生成されたエアロゲルを指す。対応する前駆体は「アマルガム前駆体」と呼ばれる。
【0110】
無機エアロゲル
無機エアロゲルは、概して、金属酸化物または金属アルコキシド材料から形成される。金属酸化物または金属アルコキシド材料は、酸化物を形成できるいずれかの金属の酸化物またはアルコキシドに基づき得る。そのような金属は、限定ではないが、シリコン、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、イットリウム、バナジウム、セリウム等を含む。無機シリカエアロゲルは、従来、シリカ系アルコキシド（テトラエトキシシラン等）の加水分解及び凝縮によって作られている、またはケイ酸もしくは水ガラスのゲル化によって作られている。シリカ系エアロゲル合成のための他の関連の無機前駆体材料は金属ケイ酸塩を含み、金属ケイ酸塩として、限定ではないが、ケイ酸ナトリウムもしくはケイ酸カリウム、アルコキシラン、部分加水分解アルコキシラン、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、部分加水分解ＴＥＯＳ、ＴＥＯＳの縮合ポリマー、テトラメトキシシラン（ＴＭＯＳ）、部分加水分解ＴＭＯＳ、ＴＭＯＳの縮合ポリマー、テトラ－ｎ－プロポキシシラン、テトラ－ｎ－プロポキシシランの部分加水分解ポリマー及び／または縮合ポリマー、ポリエチルシリケート、部分加水分解ポリエチルシリケート、モノマー型アルキルアルコキシシラン、ビストリアルコキシアルキルもしくはアリールシラン、多面体シルセスキオキサン、またはそれらの組み合わせ等が挙げられる。
無機エアロゲルは、概して、金属酸化物または金属アルコキシド材料から形成される。金属酸化物または金属アルコキシド材料は、酸化物を形成できるいずれかの金属の酸化物またはアルコキシドに基づき得る。そのような金属は、限定ではないが、シリコン、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、イットリウム、バナジウム、セリウム等を含む。無機シリカエアロゲルは、従来、シリカ系アルコキシド（テトラエトキシシラン等）の加水分解及び凝縮によって作られている、またはケイ酸もしくは水ガラスのゲル化によって作られている。シリカ系エアロゲル合成のための他の関連の無機前駆体材料は金属ケイ酸塩を含み、金属ケイ酸塩として、限定ではないが、ケイ酸ナトリウムもしくはケイ酸カリウム、アルコキシラン、部分加水分解アルコキシラン、テトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）、部分加水分解ＴＥＯＳ、ＴＥＯＳの縮合ポリマー、テトラメトキシシラン（ＴＭＯＳ）、部分加水分解ＴＭＯＳ、ＴＭＯＳの縮合ポリマー、テトラ－ｎ－プロポキシシラン、テトラ－ｎ－プロポキシシランの部分加水分解ポリマー及び／または縮合ポリマー、ポリエチルシリケート、部分加水分解ポリエチルシリケート、モノマー型アルキルアルコキシシラン、ビストリアルコキシアルキルもしくはアリールシラン、多面体シルセスキオキサン、またはそれらの組み合わせ等が挙げられる。
【0111】
本開示の特定の実施形態では、ＳｉｌｂｏｎｄＨ－５（ＳＢＨ５，Ｓｉｌｂｏｎｄ Ｃｏｒｐ）等の予備加水分解ＴＥＯＳは、水／シリカ比が約１．９～２で加水分解され、これは、市販品として使用されし得る、またはゲル化プロセスに混和する前にさらに加水分解され得る。ポリエチルシリケート（Ｓｉｌｂｏｎｄ４０）またはポリメチルシリケート等の部分加水分解ＴＥＯＳまたはＴＭＯＳは、また、市販品として使用される得る、または、ゲル化プロセスに混和される前に、さらに加水分解され得る。
【0112】
無機エアロゲルは、また、アルキル金属アルコキシド、シクロアルキル金属アルコキシド、及びアリール金属アルコキシド等の少なくとも１つの疎水基を含むゲル前駆体を含み得、これは、安定性及び疎水性等のゲルの特定の特性を付与または改善できる。無機シリカエアロゲルは、具体的には、アルキルシランまたはアリールシラン等の疎水性前駆体を含み得る。疎水性ゲル前駆体は、ゲル材料の骨格を形成するために１次前駆体材料として使用され得る。しかしながら、疎水性ゲル前駆体は、より一般的に、アマルガムエアロゲルの形成において、単純金属アルコキシドと組み合わせて共前駆体として使用される。シリカ系エアロゲル合成用の疎水性無機前駆体材料は、限定ではないが、トリメチルメトキシシラン（ＴＭＳ）、ジメチルジメトキシシラン（ＤＭＳ）、メチルトリメトキシシラン（ＭＴＭＳ）、トリメチルエトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン（ＤＭＤＳ）、メチルトリエトキシシラン（ＭＴＥＳ）、エチルトリエトキシシラン（ＥＴＥＳ）、ジエチルジエトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン（ＤＭＤＥＳ）、エチルトリエトキシシラン、プロピルトリメトキシシラン、プロピルトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン（ＰｈＴＥＳ）、ヘキサメチルジシラザン、ヘキサエチルジシラザン等を含む。上記の前駆体のいずれかのうちの任意の誘導体が使用され得、具体的には、他の化学基の特定のポリマーは、上記の前駆体のうちの１つ以に追加され得る、または架橋結合され得る。
【0113】
また、エアロゲルは、疎水性を付与または改善するように処置され得る。疎水処理は、ゾルゲル溶液、液体抽出前のウェットゲルに適用できる、または液体抽出に続いてエアロゲルに適用できる。疎水処理は、特に一般的に、シリカエアロゲル等の金属酸化物エアロゲルの生成物である。ゲルの疎水処理の例は、具体的には、シリカウェットゲルを処置することに関連して、さらに詳細に下記に説明される。しかしながら、本明細書に提供される具体例及び実例は、本開示の範囲をいずれかの特定のタイプの疎水処理またはエアロゲル基材に制限することが意図されない。本開示は、当業者に既知のいずれかのゲルまたはエアロゲルを含み、同様に、ウェットゲル形成または乾燥エアロゲル形成のいずれか一方でエアロゲルの疎水処理の関連方法を含み得る。
【0114】
疎水処理は、シリカゲルの骨格上に存在するシラノール基（Ｓｉ－ＯＨ）等のゲル上のヒドロキシ部分を、疎水化剤の官能基と反応させることによって実行される。結果として生じる反応は、シラノール基及び疎水化剤を、シリカゲルの骨格上の疎水基に変換する。疎水化剤化合物は、以下の反応に従って、ゲル上のヒドロキシル基と反応できる。ＲＮＭＸ４－Ｎ（疎水化剤）＋ＭＯＨ（シラノール）→ＭＯＭＲＮ（疎水基）＋ＨＸ。疎水処理は、シリカゲルの外側マクロ表面上と、ゲルの多孔質網状組織内の内部細孔表面上との両方で行うことができる。
【0115】
ゲルは、疎水化剤及びオプションの疎水処理溶媒の混合物に浸すことができ、それらは、疎水化剤が溶解性であり、また、ウェットゲルのゲル溶媒との混和性もある。メタノール、エタノール、イソプロパノール、キシレン、トルエン、ベンゼン、ジメチルホルムアミド、及びヘキサン等の溶媒を含む広範囲の疎水処理溶媒を使用できる。また、液体またはガス状の疎水化剤は、ゲルと直接接触され、疎水性が付与され得る。
【0116】
疎水処理プロセスは、疎水化剤がウェットゲルに浸透するのを助ける混合または攪拌を含み得る。疎水処理プロセスは、また、温度及びｐＨ等の他の条件を変え、さらに、処理反応を高めて最適化することを含み得る。反応が完了した後、ウェットゲルを洗い、未反応化合物及び反応による副産物を除去する。
【0117】
エアロゲルの疎水処理用の疎水化剤は、概して、以下の式の化合物である。ＲＮＭＸ４－Ｎ、ここで、Ｍは金属であり、ＲはＣＨ３、ＣＨ２ＣＨ３、Ｃ６Ｈ６、または同様の疎水性アルキル、シクロアルキル、もしくはアリール部分等の疎水基であり、そしてＸはハロゲンであり、通常Ｃｌである。疎水化剤の具体例は、限定ではないが、トリメチルクロロシラン（ＴＭＣＳ）、トリエチルクロロシラン（ＴＥＣＳ）、トリフェニルクロロシラン（ＴＰＣＳ）、ジメチルクロロシラン（ＤＭＣＳ）、ジメチルジクロロシラン（ＤＭＤＣＳ）等を含む。また、疎水化剤は以下の式であり得る。Ｙ（Ｒ３Ｍ）２、ここで、Ｍは金属であり、ＹはＮＨまたはＯ等の架橋基であり、そしてＲは、ＣＨ３、ＣＨ２ＣＨ３、Ｃ６Ｈ６、または同様の疎水性アルキル、シクロアルキル、またはアリール部分等の疎水基である。そのような疎水化剤の具体例は、限定ではないが、ヘキサメチルジシラザン［ＨＭＤＺ］及びヘキサメチルジシロキサン［ＨＭＤＳＯ］を含む。疎水化剤はさらに以下の化合物を含み得る。ＲＮＭＶ４－Ｎ、ここで、Ｖは、ハロゲン以外の反応性基または脱離基である。そのような疎水化剤の具体例は、限定ではないが、ビニルトリエトキシシラン及びビニルトリメトキシシランを含む。
【0118】
本開示の疎水処理は、また、ゲルの液体の除去、交換、または乾燥の間に行われ得る。特有の実施形態では、疎水処理は、超臨界流体環境（限定ではないが、超臨界二酸化炭素等）で行われ得、乾燥ステップまたは抽出ステップと組み合わされ得る。
【0119】
有機エアロゲル
有機エアロゲルは、概して、炭素系ポリマー前駆体から形成される。そのようなポリマー材料は、限定ではないが、レゾルシノールホルムアルデヒド（ＲＦ）、ポリイミド、ポリアクリレート、ポリメチルメタクリレート、アクリレートオリゴマー、ポリオキシアルキレン、ポリウレタン、ポリフェノール、ポリブタジアン、トリアルコキシシリル末端ポリジメチルシロキサン、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、ポリフルフラール、メラミンホルムアルデヒド、クレゾールホルムアルデヒド、フェノールフルフラール、ポリエーテル、ポリオール、ポリイソシアネート、ポリヒドロキシベンゼ、ポリビニルアルコールジアルデヒド、ポリシアヌレート、ポリアクリルアミド、様々なエポキシ、寒天、アガロース、キトサン、及びそれらの組み合わせを含む。一例として、有機ＲＦエアロゲルは、一般的に、アルカリ状態でホルムアルデヒドとのレゾルシノールまたはメラミンのゾル－ゲル重合から作られている。
有機エアロゲルは、概して、炭素系ポリマー前駆体から形成される。そのようなポリマー材料は、限定ではないが、レゾルシノールホルムアルデヒド（ＲＦ）、ポリイミド、ポリアクリレート、ポリメチルメタクリレート、アクリレートオリゴマー、ポリオキシアルキレン、ポリウレタン、ポリフェノール、ポリブタジアン、トリアルコキシシリル末端ポリジメチルシロキサン、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、ポリフルフラール、メラミンホルムアルデヒド、クレゾールホルムアルデヒド、フェノールフルフラール、ポリエーテル、ポリオール、ポリイソシアネート、ポリヒドロキシベンゼ、ポリビニルアルコールジアルデヒド、ポリシアヌレート、ポリアクリルアミド、様々なエポキシ、寒天、アガロース、キトサン、及びそれらの組み合わせを含む。一例として、有機ＲＦエアロゲルは、一般的に、アルカリ状態でホルムアルデヒドとのレゾルシノールまたはメラミンのゾル－ゲル重合から作られている。
【0120】
有機／無機ハイブリッドエアロゲル
有機／無機ハイブリッドエアロゲルは、主に、有機修飾シリカ（「オルモシル」）エアロゲルから成る。これらのオルモシル材料は、シリカネットワークに共有結合される有機物成分を含む。オルモシルは、一般的に、従来のアルコキシド前駆体Ｙ（ＯＸ）４を用いる、有機修飾シラン、Ｒ－－Ｓｉ（ＯＸ）３の加水分解及び凝縮によって形成される。これらの公式では、Ｘは例えばＣＨ３、Ｃ２Ｈ５、Ｃ３Ｈ７、Ｃ４Ｈ９を表し得、Ｙは例えばＳｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、またはＡｌを表し得、Ｒは、メチル、エチル、プロピル、ブチル、イソプロピル、メタクリレート、アクリレート、ビニル、エポキシド等のいずれかの有機フラグメントであり得る。オルモシルエアロゲルの有機物成分は、また、シリカネットワーク全体にわたって分散され得る、またはシリカネットワークに化学結合され得る。
有機／無機ハイブリッドエアロゲルは、主に、有機修飾シリカ（「オルモシル」）エアロゲルから成る。これらのオルモシル材料は、シリカネットワークに共有結合される有機物成分を含む。オルモシルは、一般的に、従来のアルコキシド前駆体Ｙ（ＯＸ）４を用いる、有機修飾シラン、Ｒ－－Ｓｉ（ＯＸ）３の加水分解及び凝縮によって形成される。これらの公式では、Ｘは例えばＣＨ３、Ｃ２Ｈ５、Ｃ３Ｈ７、Ｃ４Ｈ９を表し得、Ｙは例えばＳｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、またはＡｌを表し得、Ｒは、メチル、エチル、プロピル、ブチル、イソプロピル、メタクリレート、アクリレート、ビニル、エポキシド等のいずれかの有機フラグメントであり得る。オルモシルエアロゲルの有機物成分は、また、シリカネットワーク全体にわたって分散され得る、またはシリカネットワークに化学結合され得る。
【0121】
特定の実施形態では、本開示のエアロゲルは、好ましくはオリゴマー等の予備重合されたシリカ前駆体から主に形成された無機シリカエアロゲル、またはアルコール溶媒のケイ素アルコキシドから形成された加水分解されたケイ酸エステルである。特定の実施形態では、そのような予備重合されたシリカ前駆体または加水分解されたケイ酸エステルは、その場で、アルコキシシランまたは水ガラス等の他の前駆体またはケイ酸エステルから形成され得る。しかしながら、本開示は、全体として、当業者に既知のいずれかの他のエアロゲル組成物を用いて実践され得、いずれか１つの前駆体材料、または前駆体材料のアマルガム混合物に限定されない。
【0122】
マクロ孔
上記に説明したように、本開示の実施形態に従ったエアロゲル組成物は、マクロ孔を含むエアロゲル骨格を含み得る。動作のいずれかの特定の理論に縛られることなく、エアロゲル骨格内のマクロ孔の存在は、エアロゲル組成物、例えば補強エアロゲル組成物の圧縮が可能になり得、それと同時に、熱特性を維持する、またはさらに熱特性を改善する、例えば、熱伝導率が減る。例えば、マクロ孔は、組成物の圧縮によって、変形し得る、粉砕し得る、またはそうでなければサイズが減り得、それによって、荷重がかかるとき、組成物の厚さを減らすことが可能になる。しかしながら、マクロ孔が変形するにつれて、それらは効果的により小さい細孔になる。結果として、マクロ孔が変形するにつれて、エアロゲル骨格内の熱伝達用経路はより蛇行する可能性があり、それによって、熱特性を改善する、例えば、熱伝導率が減る。本開示の文脈内で、「メソ細孔」は、平均細孔径が約２ｎｍ～約５０ｎｍの範囲である細孔である。エアロゲル骨格は一般的にメソポーラス（すなわち、主に、約２ｎｍ～約５０ｎｍの範囲にわたる平均直径を伴う細孔を含む）である。特定の実施形態では、本開示のエアロゲル組成物のエアロゲル骨格はマクロ孔を含み得る。本開示の文脈内で、「マクロ孔」は、平均細孔径が約５０ｎｍよりも大きい細孔である。エアロゲル骨格はマクロ孔及びメソ細孔の両方を含み得る。例えば、エアロゲル骨格の細孔容積の少なくとも１０％はマクロ孔で構成でき、エアロゲル骨格の細孔容積の少なくとも５％はマクロ孔で構成でき、エアロゲル骨格の細孔容積の少なくとも７５％はマクロ孔で構成でき、エアロゲル骨格の細孔容積の少なくとも９５％はマクロ孔で構成でき、またはエアロゲル骨格の細孔容積の１００％はマクロ孔で構成できる。いくつかの特定の実施形態では、エアロゲル骨格がマクロポーラスエアロゲル骨格であり得るため、その細孔容積の大部分はマクロ孔で構成される。場合によっては、マクロポーラスエアロゲル骨格は、また、ミクロ細孔及び／またはメソ細孔を含み得る。いくつかの実施形態では、エアロゲル骨格の細孔の平均細孔径（直径）は、５０ｎｍよりも大きくなり、５０ｎｍ～５０００ｎｍ、２５０ｎｍ～２０００ｎｍ、５００ｎｍ～２０００ｎｍ、５００ｎｍ～１４００ｎｍ、または１２００ｎｍである可能性がある。特定の実施形態では、平均細孔径の直径は、５０ｎｍよりも大きくなり、５０ｎｍ～１０００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ～８００ｎｍ、より好ましくは２５０ｎｍ～７５０ｎｍである可能性がある。
上記に説明したように、本開示の実施形態に従ったエアロゲル組成物は、マクロ孔を含むエアロゲル骨格を含み得る。動作のいずれかの特定の理論に縛られることなく、エアロゲル骨格内のマクロ孔の存在は、エアロゲル組成物、例えば補強エアロゲル組成物の圧縮が可能になり得、それと同時に、熱特性を維持する、またはさらに熱特性を改善する、例えば、熱伝導率が減る。例えば、マクロ孔は、組成物の圧縮によって、変形し得る、粉砕し得る、またはそうでなければサイズが減り得、それによって、荷重がかかるとき、組成物の厚さを減らすことが可能になる。しかしながら、マクロ孔が変形するにつれて、それらは効果的により小さい細孔になる。結果として、マクロ孔が変形するにつれて、エアロゲル骨格内の熱伝達用経路はより蛇行する可能性があり、それによって、熱特性を改善する、例えば、熱伝導率が減る。本開示の文脈内で、「メソ細孔」は、平均細孔径が約２ｎｍ～約５０ｎｍの範囲である細孔である。エアロゲル骨格は一般的にメソポーラス（すなわち、主に、約２ｎｍ～約５０ｎｍの範囲にわたる平均直径を伴う細孔を含む）である。特定の実施形態では、本開示のエアロゲル組成物のエアロゲル骨格はマクロ孔を含み得る。本開示の文脈内で、「マクロ孔」は、平均細孔径が約５０ｎｍよりも大きい細孔である。エアロゲル骨格はマクロ孔及びメソ細孔の両方を含み得る。例えば、エアロゲル骨格の細孔容積の少なくとも１０％はマクロ孔で構成でき、エアロゲル骨格の細孔容積の少なくとも５％はマクロ孔で構成でき、エアロゲル骨格の細孔容積の少なくとも７５％はマクロ孔で構成でき、エアロゲル骨格の細孔容積の少なくとも９５％はマクロ孔で構成でき、またはエアロゲル骨格の細孔容積の１００％はマクロ孔で構成できる。いくつかの特定の実施形態では、エアロゲル骨格がマクロポーラスエアロゲル骨格であり得るため、その細孔容積の大部分はマクロ孔で構成される。場合によっては、マクロポーラスエアロゲル骨格は、また、ミクロ細孔及び／またはメソ細孔を含み得る。いくつかの実施形態では、エアロゲル骨格の細孔の平均細孔径（直径）は、５０ｎｍよりも大きくなり、５０ｎｍ～５０００ｎｍ、２５０ｎｍ～２０００ｎｍ、５００ｎｍ～２０００ｎｍ、５００ｎｍ～１４００ｎｍ、または１２００ｎｍである可能性がある。特定の実施形態では、平均細孔径の直径は、５０ｎｍよりも大きくなり、５０ｎｍ～１０００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ～８００ｎｍ、より好ましくは２５０ｎｍ～７５０ｎｍである可能性がある。
【0123】
同質及び異質の細孔径の分布
いくつかの実施形態では、エアロゲル骨格内の細孔径の変化は、エアロゲル骨格を通して同質に分布できる。例えば、平均細孔径は、エアロゲル骨格全体にわたって実質的に同じある可能性がある。
いくつかの実施形態では、エアロゲル骨格内の細孔径の変化は、エアロゲル骨格を通して同質に分布できる。例えば、平均細孔径は、エアロゲル骨格全体にわたって実質的に同じある可能性がある。
【0124】
他の実施形態では、エアロゲル骨格内の細孔径の変化は、エアロゲル骨格を通して異質に分布できる。例えば、平均細孔径は、エアロゲル骨格の特定の領域で異なる可能性がある。いくつかの例示的な実施形態では、平均細孔径は、エアロゲル骨格の上面、下面、または上側及び下面の両方の領域でより大きくなる可能性がある。例えば、マクロ孔が組成物内で分布できることにより、マクロ孔とメソ細孔との比は、下面よりも上面でさらに大きくなる、上面よりも下面でさらに大きくなる、または、上面と下面との間の中間領域よりも、上側及び下面の両方でさらに大きくなる。別の例を挙げると、マクロ孔が組成物内で分布できることにより、マクロ孔とメソ細孔との比は、下面の近くよりも上面の近くでさらに大きくなる、上面の近くよりも下面の近くでさらに大きくなる、または、上面と下面との間の中間領域よりも、上側及び下面の両方の近くでさらに大きくなる。他の実施形態では、平均細孔径は、エアロゲル骨格の上側と下面との間の中間領域でより大きくなる可能性がある。
【0125】
マクロ孔形成
マクロ孔は、エアロゲル組成物の生成中に形成できる。例えば、マクロ孔の形成は、ゲル組成物への遷移中にゲル前駆体材料に誘起できる。いくつかの実施形態では、例えばゲル前駆体溶液のスピノーダル分解を誘起することによって、マクロ孔の形成ができる。別の例を挙げると、マクロ孔の形成は、１つ以上の発泡剤を追加することによって誘起できる。
マクロ孔は、エアロゲル組成物の生成中に形成できる。例えば、マクロ孔の形成は、ゲル組成物への遷移中にゲル前駆体材料に誘起できる。いくつかの実施形態では、例えばゲル前駆体溶液のスピノーダル分解を誘起することによって、マクロ孔の形成ができる。別の例を挙げると、マクロ孔の形成は、１つ以上の発泡剤を追加することによって誘起できる。
【0126】
結果として生じるエアロゲル骨格に存在するマクロ孔は、メソ細孔及び／またはミクロ細孔と比較して、マクロ孔の形成に有利に働く処理条件を選択することによって形成できる。以下の変数のいずれか１つ、いずれかの組み合わせ、または全てを実施することによって、マクロ孔の量を調整できる。変数として、（１）重合用溶媒、（２）重合温度、（３）ポリマー分子量、（４）分子量分布、（５）共重合体組成、（６）分岐量、（７）架橋結合の量、（８）分岐方法、（９）架橋結合法、（１０）ゲルの形成に使用される方法、（１１）ゲルを形成するために使用される触媒のタイプ、（１２）ゲルを形成するために使用される触媒の化学組成、（１３）ゲルを形成するために使用される触媒の量、（１４）ゲル形成の温度、（１５）ゲル形成中の材料にわたって流れるガスのタイプ、（１６）ゲル形成中に材料にわたって流れるガスの流速、（１７）ゲル形成中の大気圧、（１８）ゲル形成中の溶解ガスの除去、（１９）ゲル形成中の樹脂の固体添加剤の存在、（２０）ゲル形成プロセスの時間、（２１）ゲル形成のために使用される基材、（２２）溶媒交換プロセスの各ステップで使用される１つの溶媒または複数の溶媒のタイプ、（２３）溶媒交換プロセスの各ステップで使用される１つの溶媒または複数の溶媒の組成、（２４）溶媒交換プロセスの各ステップで使用される時間、（２５）溶媒交換プロセスの各ステップの一部の滞在時間、（２６）溶媒交換での溶媒の流動速度、（２７）溶媒交換での溶媒の流動のタイプ、（２８）溶媒交換での溶媒の攪拌速度、（２９）溶媒交換プロセスの各ステップで使用される温度、（３０）溶媒交換での溶媒の体積と、ある部分の体積との比、（３１）乾燥方法、（３２）乾燥プロセスにおける各ステップの温度、（３３）乾燥プロセスの各ステップでの圧力、（３４）乾燥プロセスの各ステップで使用されるガスの組成物、（３５）乾燥プロセスの各ステップ中のガス流の速度、（３６）乾燥プロセスの各ステップ中のガスの温度、（３７）乾燥プロセスの各ステップ中の部分の温度、（３８）乾燥プロセスの各ステップ中の部分の周りにある筐体の存在、（３９）乾燥中の部分の周囲の筐体のタイプ、及び／または（４０）乾燥プロセスの各ステップで使用される溶媒、が挙げられる。多官能アミン及びジアミン化合物は、固体として１つ以上の部分で別々にまたは一緒に追加され、純粋であり得る、または適切な溶媒で溶解され得る。他の態様では、エアロゲルを作成する方法は、（ａ）多官能アミン化合物及び少なくとも１つのジアミン化合物を溶媒に提供し、溶液を形成するステップと、（ｂ）分岐ポリマーマトリクス溶液を形成するのに十分な状態で、少なくとも１つのジアンヒドリド化合物を、ステップ（ａ）の溶液に提供するステップであって、分岐ポリマーマトリクスは溶液中で可溶化される、提供するステップと、（ｃ）分岐ポリマーマトリクス溶液を、オープンセル構造を有するエアロゲルを形成するのに十分な状態に曝すステップと、を含み得る。結果として生じるエアロゲル骨格に存在するマクロ孔は、上記に記した方式で形成できる。好ましい非限定の一態様では、より小さいメソ細孔及びミクロ細孔と比較して、マクロ孔の形成は、主に、ゲル形成中のポリマー／溶媒のダイナミクスを制御することによって制御できる。
【0127】
上記に説明したように、本開示の実施形態に従ったエアロゲル組成物は、マエアロゲル骨格及び補強材を含み得、補強材の少なくとも一部はエアロゲルを含有しない。例えば、エアロゲル骨格は、補強材の厚さを通って部分的に延在できる。そのような実施形態では、補強材、例えばＯＣＭＦ、繊維、またはそれらの組み合わせの部分はエアロゲル材料を含み得、ある部分はエアロゲルがない可能性がある。例えば、いくつかの実施形態では、エアロゲルは、補強材の厚さの約９０％を通って、補強材の厚さの約５０％～約９０％の範囲を通って、補強材の厚さの約１０％～約５０％の範囲を通って、または補強材の厚さの約１０％を通って延在する。
【0128】
任意の特定の動作理論に縛られることなく、補強材の少なくとも一部がエアロゲルを含有しないエアロゲル組成物は、圧縮率、圧縮弾力性、及びコンプライアンスの好ましい特性を提供できる。例えば、補強材の特性は、十分な補強を提供し、エアロゲルを含有する領域の熱特性をサポートするために選択され、また、エアロゲルがない領域で十分な圧縮率、圧縮弾力性、及び／またはコンプライアンスを提供するためにも選択できる。補強エアロゲル組成物のエアロゲル含有部は、所望の熱伝導率、例えば約２５ｍＷ／ｍ＊Ｋ未満の熱伝導率を提供できる一方、エアロゲルがない補強部は、所望の物理的特性、例えば所望の圧縮率を提供または改善し得る。
【0129】
いくつかの実施形態では、補強材の少なくとも一部がエアロゲルを含有していない補強エアロゲル組成物は、本明細書に開示される方法を使用して形成でき、補強材は、前駆体溶液で補強材を部分的に充填するのに十分な量の前駆体溶液と組み合わされる。例えば、前駆体の体積が補強材の体積未満である可能性があるため、前駆体は補強部だけを部分的に通って延在する。上記に説明したように、乾燥したとき、結果として生じる補強エアロゲル組成物は、補強材の全厚よりも小さい範囲を通って延在するエアロゲル骨格を含む。他の実施形態では、補強材の少なくとも一部がエアロゲルを含有していない補強エアロゲル組成物は、表面エアロゲル層を補強エアロゲル組成物から除去することによって形成できる。
【0130】
いくつかの実施形態では、補強材の少なくとも一部がエアロゲルを含有していない補強エアロゲル組成物は、補強部の厚さを通って混合する特性を有する補強材を使用して形成できる。例えば、補強部は複数の層を含み得、各層は、様々な特性、例えば、平均細孔／セルの大きさの差異、材料組成、クローズドセル、オープンセル、表面処理、またはそれらの組み合わせを有する。複数の層は、例えば、接着剤を使用して、フレームボンディングによって、または本明細書に説明されるもの等の他の適切な方法または機構によって、相互に結合できる。補強材の異なる特性は、層を通るエアロゲルの分布の変化をもたらす可能性がある。例えば、補強材のオープンセル部はエアロゲル骨格を含み得る一方、クローズドセル部は実質的にエアロゲルがないままになる。同様に、補強材またはその層の他の材料特性により、補強部のエアロゲル内の分布、ひいては補強エアロゲル組成物内の分布を判定できる。
【0131】
いくつかの例示的な実施形態では、補強材の少なくとも一部がエアロゲルを含有していない補強エアロゲル組成物は、本明細書に開示される方法を使用して形成でき、補強材の特性、または補強材の層の特性により、前駆体溶液で補強材の部分的な充填を提供するように、例えば被覆プロセス中、材料または層を充填する前駆体溶液の量を制御またはそれに影響を与える。例えば、補強部の一方の層はオープンセルを有し得、補強部の別の層はクローズドセルを有し得る。前駆体溶液がそのような補強部と組み合わされるとき、ゲル前駆体溶液が層のオープンセルに浸潤できる一方、実質的に他の層のクローズドセルに浸潤しない。そのような組成物が乾燥するとき、結果として生じる補強エアロゲル組成物は、エアロゲルを含有しない一方の部分、例えばクローズドセル層を含み得る一方、別の部分、例えばオープンセル層はエアロゲルを含有する。
【0132】
いくつかの実施形態では、本明細書に開示される添加剤（例えば、吸熱添加剤、不透明添加剤、防火等級添加剤、または他の添加剤）は、補強エアロゲル組成物内に不均一に分散できる。例えば、添加材料は、エアロゲル組成物の厚さを通って、またはエアロゲル組成物の長さ及び／もしくは幅に沿って変わる可能性がある。例えば、添加剤はエアロゲル組成物の一方の側面に蓄積できる。いくつかの実施形態では、添加材料（複数可）は、エアロゲル合成物の１つの層で集結できる、または、本質的に合成物に隣接するまたはそれに取り付けられた添加剤から成る別々の層として提供できる。例えば、熱制御部材は、本質的に、石膏、重曹、マグネシア系セメント等の吸熱材から成る層を含み得る。さらなる例示的な実施形態では、エアロゲル組成物は、また、組成物内で、または表皮層として、のいずれか一方で、追加材料の少なくとも１つの層を含み得る。例えば、層は、ポリマーシート、金属シート、線維シート、高配向グラファイト材料（例えば熱分解グラファイトシート）、及びファブリックシートから成るグループから選択された層であり得る。いくつかの実施形態では、表皮層は、例えば、エアロゾル接着剤、ウレタン系接着剤、アクリレート接着剤、ホットメルト接着剤、エポキシ、ゴム樹脂接着剤、ポリウレタン合成物接着剤、及びそれらの組み合わせから成るものから選択された接着機構によって、組成物に取り付けできる。いくつかの実施形態では、表皮層は、非接着機構によって組成物に取り付けでき、例えば、フレームボンディング、ニードリング、スティッチ、シールバッグ、リベット、ボタン、クランプ、ラップ、ブレース、及びそれらの組み合わせから成るグループから選択された機構によって取り付けられる。いくつかの実施形態では、前述の接着機構及び非粘着機構のいずれかの組み合わせを使用して、表皮層を組成物に取り付けできる。
【0133】
粉末エアロゲル組成物
本明細書に説明されるように、エアロゲル組成物または合成物は、エアロゲルの微粒子、粒子、顆粒、ビーズ、または粉末を、接着剤等の結合剤、樹脂、セメント、発泡体、ポリマー、または同様の固体材料もしくは凝固材料と併せて、固体材料または半固体材料に混和する材料を含み得る。例えば、エアロゲル組成物は、補強材、エアロゲル粒子、及びオプションで結合剤を含み得る。例示的な実施形態では、エアロゲル粒子及び少なくとも１つのタイプの湿潤剤を含むスラリーを提供できる。例えば、エアロゲル粒子は、界面活性剤または分散剤等の少なくとも１つの湿潤剤でコーティングできる、または湿潤できる。エアロゲル粒子は、十分に湿潤できる、部分的に湿潤できる（例えば、表面湿潤）、またはスラリー中に存在できる。好ましい湿潤剤は揮発することが可能であり、疎水性エアロゲル粒子の疎水性の適切な回復を可能にする。湿潤剤がエアロゲル粒子の表面上にあるままである場合、残りの湿潤剤は、複合材料の全体的な熱伝導率に寄与する可能性がある。したがって、好ましい湿潤剤は、分解または他の手段を用いるまたは用いない揮発等によって、取り外し可能であるものである。概して、エアロゲルと互換性がある任意の湿潤剤を使用できる。
本明細書に説明されるように、エアロゲル組成物または合成物は、エアロゲルの微粒子、粒子、顆粒、ビーズ、または粉末を、接着剤等の結合剤、樹脂、セメント、発泡体、ポリマー、または同様の固体材料もしくは凝固材料と併せて、固体材料または半固体材料に混和する材料を含み得る。例えば、エアロゲル組成物は、補強材、エアロゲル粒子、及びオプションで結合剤を含み得る。例示的な実施形態では、エアロゲル粒子及び少なくとも１つのタイプの湿潤剤を含むスラリーを提供できる。例えば、エアロゲル粒子は、界面活性剤または分散剤等の少なくとも１つの湿潤剤でコーティングできる、または湿潤できる。エアロゲル粒子は、十分に湿潤できる、部分的に湿潤できる（例えば、表面湿潤）、またはスラリー中に存在できる。好ましい湿潤剤は揮発することが可能であり、疎水性エアロゲル粒子の疎水性の適切な回復を可能にする。湿潤剤がエアロゲル粒子の表面上にあるままである場合、残りの湿潤剤は、複合材料の全体的な熱伝導率に寄与する可能性がある。したがって、好ましい湿潤剤は、分解または他の手段を用いるまたは用いない揮発等によって、取り外し可能であるものである。概して、エアロゲルと互換性がある任意の湿潤剤を使用できる。
【0134】
湿潤剤
湿潤剤でコーティングされたスラリーまたはエアロゲルは、疎水性エアロゲルを、他の含水流体、スラリー、接着剤、結合剤材料等の様々な材料に容易に混和する方法に有用である可能性があり、これは、オプションで、固体材料、繊維、金属繊維、別々の繊維、織布材料、不織布材料、ニードルパンチ不織布、中綿、ウェブ、マット、フェルト、及びそれらの組み合わせを形成するために硬化できる。少なくとも１つの湿潤剤で湿潤されたエアロゲル、または少なくとも１つの湿潤剤を伴うエアロゲルを含むスラリーは、疎水性エアロゲルの容易な導入及び均一な分布を可能にする。米国特許第９，３９９，８６４号、米国特許第８，０２１，５８３号、米国特許第７，６３５，４１１号、及び米国特許第５，３９９，４２２号（それらの特許のそれぞれは全体として本明細書に参照により組み込まれる）で説明されるもの等のウェットレイドプロセスでは、水性スラリーを使用して、エアロゲル粒子、繊維、及び他の添加剤を分散する。次に、スラリーは、エアロゲル粒子、繊維、及び添加剤の層を形成するために脱水でき、それらの層は、乾燥し、オプションで、エアロゲル合成物を生成するためにカレンダー仕上げできる。
湿潤剤でコーティングされたスラリーまたはエアロゲルは、疎水性エアロゲルを、他の含水流体、スラリー、接着剤、結合剤材料等の様々な材料に容易に混和する方法に有用である可能性があり、これは、オプションで、固体材料、繊維、金属繊維、別々の繊維、織布材料、不織布材料、ニードルパンチ不織布、中綿、ウェブ、マット、フェルト、及びそれらの組み合わせを形成するために硬化できる。少なくとも１つの湿潤剤で湿潤されたエアロゲル、または少なくとも１つの湿潤剤を伴うエアロゲルを含むスラリーは、疎水性エアロゲルの容易な導入及び均一な分布を可能にする。米国特許第９，３９９，８６４号、米国特許第８，０２１，５８３号、米国特許第７，６３５，４１１号、及び米国特許第５，３９９，４２２号（それらの特許のそれぞれは全体として本明細書に参照により組み込まれる）で説明されるもの等のウェットレイドプロセスでは、水性スラリーを使用して、エアロゲル粒子、繊維、及び他の添加剤を分散する。次に、スラリーは、エアロゲル粒子、繊維、及び添加剤の層を形成するために脱水でき、それらの層は、乾燥し、オプションで、エアロゲル合成物を生成するためにカレンダー仕上げできる。
【0135】
エアロゲル粒子及び添加剤
他の実施形態では、エアロゲル組成物は、エアロゲル粒子、少なくとも１つの無機マトリクス材料を含み、オプションで、繊維、補助材料、添加剤、及びさらなる無機結合剤も含み得る。無機マトリクス材料は、いくつかの実施形態では、フィロケイ酸塩、例えば、カオリン、クレイ、もしくはベントナイト等の自然発生のフィロケイ酸塩、マガダイトもしくはケニヤイト等の合成フィロケイ酸塩等、またはこれらの混合物を含み得る。フィロケイ酸塩は燃やされ得る、または燃やされない場合があり、例えば、材料を乾燥し、結晶水を除く。無機マトリクス材料は、また、いくつかの実施形態では、フィロケイ酸塩と組み合わされた、セメント、石灰、石膏、またはそれらの適切な混合物等の無機結合剤も含み得る。また、無機マトリクス材料は、いくつかの実施形態では、本明細書に開示される防火等級添加剤、乳白剤、またはそれらの組み合わせ等の他の無機添加剤も含み得る。無機マトリクス材料を含むエアロゲル組成物及びその例示的なプロセスは、米国特許第６，１４３，４００号、米国特許第６，０８３，６１９号に開示されている（それらの特許のそれぞれは全体として本明細書に参照により組み込まれる）。いくつかの実施形態では、エアロゲル組成物は、織布材料、不織布材料、ニードルパンチ不織布、中綿、ウェブ、マット、フェルト、及びそれらの組み合わせの上にコーティングされた、またはそれらの中で吸収されたエアロゲル粒子を含み得る。接着剤結合剤は組成物に含まれ得る。また、本明細書に開示されるような防火等級添加剤、乳白剤、またはそれらの組み合わせ等の添加剤も含み得る。ファブリック上にコーティングされた、またはファブリックに吸収されたエアロゲル組成物及びその例示的なプロセスは、米国特許公開第２０１９／０２６４３８１Ａ１号に開示されている（その特許は全体として本明細書に参照により組み込まれる）。
他の実施形態では、エアロゲル組成物は、エアロゲル粒子、少なくとも１つの無機マトリクス材料を含み、オプションで、繊維、補助材料、添加剤、及びさらなる無機結合剤も含み得る。無機マトリクス材料は、いくつかの実施形態では、フィロケイ酸塩、例えば、カオリン、クレイ、もしくはベントナイト等の自然発生のフィロケイ酸塩、マガダイトもしくはケニヤイト等の合成フィロケイ酸塩等、またはこれらの混合物を含み得る。フィロケイ酸塩は燃やされ得る、または燃やされない場合があり、例えば、材料を乾燥し、結晶水を除く。無機マトリクス材料は、また、いくつかの実施形態では、フィロケイ酸塩と組み合わされた、セメント、石灰、石膏、またはそれらの適切な混合物等の無機結合剤も含み得る。また、無機マトリクス材料は、いくつかの実施形態では、本明細書に開示される防火等級添加剤、乳白剤、またはそれらの組み合わせ等の他の無機添加剤も含み得る。無機マトリクス材料を含むエアロゲル組成物及びその例示的なプロセスは、米国特許第６，１４３，４００号、米国特許第６，０８３，６１９号に開示されている（それらの特許のそれぞれは全体として本明細書に参照により組み込まれる）。いくつかの実施形態では、エアロゲル組成物は、織布材料、不織布材料、ニードルパンチ不織布、中綿、ウェブ、マット、フェルト、及びそれらの組み合わせの上にコーティングされた、またはそれらの中で吸収されたエアロゲル粒子を含み得る。接着剤結合剤は組成物に含まれ得る。また、本明細書に開示されるような防火等級添加剤、乳白剤、またはそれらの組み合わせ等の添加剤も含み得る。ファブリック上にコーティングされた、またはファブリックに吸収されたエアロゲル組成物及びその例示的なプロセスは、米国特許公開第２０１９／０２６４３８１Ａ１号に開示されている（その特許は全体として本明細書に参照により組み込まれる）。
【0136】
本明細書に説明されるように、エアロゲル合成物は、面材料の補強層等他の材料に積層または対面できる。一実施形態では、本開示は、補強エアロゲル組成物を含む少なくとも１つの基層と、少なくとも１つの表皮層とを含む多層ラミネートを提供する。一実施形態では、表皮層は補強材を含む。一実施形態では、補強エアロゲル組成物は繊維補強層またはオープンセル型発泡体補強層で補強される。一実施形態では、本開示は、補強エアロゲル組成物を含む基層と、補強材を含む少なくとも２つの表皮層とを含む多層ラミネートを提供し、２つの表皮層は基層の反対面上にある。例えば、米国特許出願第２００７／０１７３１５７号に説明されている方法及び材料に従って、多層エアロゲルラミネート合成物を生成できる。
【0137】
表皮層は、柔軟性の改善または表面の粉化の減少等、特有の特徴を最終合成構造に提供する助けをする材料を含み得る。面材料は硬質または柔軟であり得る。面材料は伝導層または反射ホイルを含み得る。例えば、面材料は金属材料または金属化材料を含み得る。面材料は不織布材料を含み得る。表皮層は、合成構造の表面上に配置できる、または合成構造を形成する補強エアロゲル合成物、例えば熱制御部材の表面上に配置できる。表皮層は、合成構造の周りに、または合成構造を形成する補強エアロゲル合成物、例えば熱制御部材の周りに連続的なコーティングまたはバッグを形成できる。いくつかの実施形態では、１つの表皮層または複数の表皮層は、合成構造、または合成構造を形成する補強エアロゲル合成物を封入できる。
【0138】
一実施形態では、表皮層は合成構造の周囲にポリマーシートを含み、より具体的には、ポリエステル、ポリエチレン、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、アラミドを含むポリマー材料、より具体的には、ポリエチレンテレフタレート、低密度ポリエチレン、エチレン－プロピレン共重合体、ポリ（４－メチルペンタン）、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ（ｌ－ブテン）、ポリスチレン、ポリビニルアセテート、ポリビニルクロリド、ポリビニリデンクロリド、ポリビニルフルオリド、ポリビニルアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレート、ポリオキシメチレン、ポリフェニレンサルフォン、セルローストリアセテート、ポリカーボネート、ポリエチレンナフタレート、ポリカプロラクタム、ポリヘキサメチレンアジパミド、ポリウンデカノアミド、ポリイミド、またはそれらの組み合わせ等のポリマーを含む。一実施形態では、ポリマーシートは、発泡ポリマー材料、より具体的には、ＰＴＦＥ（ｅＰＴＦＥ）、発泡ポリプロピレン（ｅＰＰ）、発泡ポリエチレン（ｅＰＥ）、発泡スチロール（ｅＰＳ）、またはそれらの組み合わせを含む発泡ポリマー材料を含み、または本質的にその材料から成る。１つの好ましい実施形態では、面材料は本質的に発泡ポリマー材料から成る。一実施形態では、ポリマーシートは、０．１μｍ～２１０μｍ、０．１μｍ～１１５μｍ、０．１μｍ～１５μｍ、または０．１μｍ～０．６μｍの範囲にわたる細孔径を特徴とする微小孔ポリマー材料を含む、または本質的にその材料から成る。
【0139】
一実施形態では、表皮層材料はフッ素ポリマー材料を含む、または本質的にその材料から成る。本開示の文脈内で、「フッ素ポリマー」または「フッ素ポリマー材料」という用語は、主にポリマーフルオロカーボンを含む材料を指す。適切なフッ素ポリマー表皮層材料は、限定ではないが、米国特許第５，８１４，４０５号に説明されている微小孔ＰＴＦＥと、Ｇｏｒｅ－Ｔｅｘ（登録商標）（Ｗ．Ｌ．Ｇｏｒｅから市販されている）等の発泡ＰＴＦＥ（ｅＰＴＦＥ）と、を含む、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ペルフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、エチレンクロロトリフルオロエチレン（ＥＣＴＦＥ）、及びそれらの組み合わせを含む。１つの好ましい実施形態では、面材料は本質的にフルオロポリマー材料から成る。１つの好ましい実施形態では、面材料は本質的に発泡ＰＴＦＥ（ｅＰＴＦＥ）材料から成る。
【0140】
一実施形態では、表皮層材料は非フッ素ポリマー材料を含む、または本質的にその材料から成る。本開示の文脈内で、「非フッ素ポリマー」または「非フッ素ポリマー材料」という用語は、フルオロポリマー材料を含まない材料を指す。適切な非フッ素ポリマー表皮層材料は、限定ではないが、アルミ蒸着マイラー、Ｔｙｖｅｋ（登録商標）（ＤｕＰｏｎｔから市販されている）等の低密度ポリエチレン、ゴムまたはゴム合成物、不織布材料、スパンデックス、ナイロン、ライクラ、またはエラステイン等の弾性繊維、及びそれらの組み合わせを含む。一実施形態では、面材料は柔軟な面材料である。
【0141】
いくつかの実施形態では、表皮層材料は、最大約１００℃、最大約１２０℃、または最大約１５０℃の最大使用温度を有する材料等の自動車用樹脂及びポリマーを含み得る。例えば、表皮層材料は、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリカーボネートＡＢＳ、ポリプロピレン、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリアミド、ＰＶＣ、またはそれらの組み合わせを含み得る。例えば、本明細書に開示される実施形態に従ったエアロゲル合成物及び熱制御部材は、自動車用樹脂または自動車用ポリマーの層、金属層または金属化層、及びエアロゲル層を含み得る。
【0142】
表皮層は、無機面材料または有機面材料を、基層の補強材に固定するのに適切な接着剤を使用することによって基層に取り付けできる。本開示で使用できる接着剤の例は、限定ではないが、セメント系接着剤、ケイ酸ナトリウム、ラテックス、粘着剤、シリコン、ポリスチレン、エアロゾル系接着剤、ウレタン、アクリル酸系接着剤、ホットメルト結合システム、３Ｍから市販されている結合システム、エポキシ樹脂、ゴム樹脂接着剤、米国特許第４，５３２，３１６号に説明されている接着剤等のポリウレタン系接着剤の混合物を含む。
【0143】
また、表皮層は、無機面材料または有機面材料を、基層の補強材に固定するのに適切な非接着剤または技術を使用することによっても基層に取り付けできる。本開示に使用できる非粘着剤材料または技術の例は、限定ではないが、熱融着、超音波ステッチング、ＲＦシーリング、スティッチまたはスレッディング、ニードリング、密封バッグ、リベットまたはボタン、クランプ、ラップ、または他の非粘着剤ラミネーション材料を含む。
【0144】
表皮層は、エアロゲル複合材料の生成の任意の段階で、基層に取り付けできる、一実施形態では、表皮層は、ゾルゲル溶液を基礎補強材に注入した後に、ただしゲル化前に、基層に取り付けられる。別の実施形態では、表皮層は、ゾルゲル溶液を基礎補強材に注入した後に、また後続のゲル化後に、ただしゲル材料が劣化または乾燥する前に、基層に取り付けられる。さらに別の実施形態では、表皮層は、ゲル材料がエイジングまたは乾燥した後に、基層に取り付けられる。好ましい実施形態では、表皮層は、ゾルゲル溶液を基礎補強材に注入する前に、基層に取り付けられる。表皮層は固体であり、流体が浸透不可能であり得る。表皮層は多孔性であり、流体が浸透可能であり得る。好ましい実施形態では、表皮層は多孔性であり、流体が浸透可能であり、流体が面材料を通って拡散することを可能にするくらい十分に大きい直径を伴う細孔または穴を含む。別の好ましい実施形態では、表皮層は、ゾルゲル溶液を基礎補強材に注入する前に、基層の補強材に取り付けられ、表皮層は多孔性であり、流体が浸透可能であり、流体が面材料を通って拡散することを可能にするくらい十分に大きい直径を伴う細孔または穴を含む。さらに別の好ましい実施形態では、表皮層は、ゾルゲル溶液を発泡補強材に注入する前に、オープンセル型発泡補強材に取り付けられ、表皮層は多孔性であり、流体が浸透可能であり、流体が面材料を通って拡散することを可能にするくらい十分に大きい直径を伴う細孔または穴を含む。
【0145】
乳白剤
エアロゲル組成物は、熱伝達の放射成分を減らす乳白剤を含み得る。ゲル形成の前の任意の時点で、不透明化合物またはその前駆体は、ゲル前駆体を含む混合物に分散され得る。不透明化合物の例は、限定ではないが、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）、珪藻土、マンガンフェライト、ＭｎＯ、ＮｉＯ、ＳｎＯ、Ａｇ２Ｏ、Ｂｉ２Ｏ３、カーボンブラック、グラファイト、酸化チタン、酸化チタン鉄、酸化アルミニウム、ケイ酸ジルコニウム、酸化ジルコニウム、酸化鉄（ＩＩ）、酸化鉄（ＩＩＩ）、二酸化マンガン、酸化鉄チタン（イルメナイト）、酸化クロム、炭化物（ＳｉＣ、ＴｉＣ、またはＷＣ盗等）、またはそれらの混合物を含む。不透明化合物の前駆体の例は、限定ではないが、ＴｉＯＳＣ４またはＴｉＯＣｌ２を含む。いくつかの実施形態では、添加剤として使用される不透明化合物について、炭化ケイ素のひげ結晶または繊維を除外できる。エアロゲル組成物が電気デバイスでの使用で意図されるとき、例えばバリア層として電池での使用、または他の関連の用途で意図されるとき、乳白剤を含む組成物は、高容量及び高い表面抵抗率を伴う高い絶縁耐力を望みどおりに保有できる。そのような実施形態では、乳白剤として使用される炭素添加剤は、非導電性であり得る、または電気伝導性を減らすように改良され得る。例えば、乳白剤は、電気伝導性を減らすために表面酸化できる。いくつかの実施形態では、固有の電気伝導性を伴う炭素添加剤は、電気デバイスでの使用が意図されるエアロゲル組成物中で乳白剤として使用できる。そのような実施形態では、導電性炭素添加剤は、電気デバイスに使用される適切な絶縁耐力を組成物に提供するように、浸透閾値を下回る濃度で使用できる。
エアロゲル組成物は、熱伝達の放射成分を減らす乳白剤を含み得る。ゲル形成の前の任意の時点で、不透明化合物またはその前駆体は、ゲル前駆体を含む混合物に分散され得る。不透明化合物の例は、限定ではないが、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）、珪藻土、マンガンフェライト、ＭｎＯ、ＮｉＯ、ＳｎＯ、Ａｇ２Ｏ、Ｂｉ２Ｏ３、カーボンブラック、グラファイト、酸化チタン、酸化チタン鉄、酸化アルミニウム、ケイ酸ジルコニウム、酸化ジルコニウム、酸化鉄（ＩＩ）、酸化鉄（ＩＩＩ）、二酸化マンガン、酸化鉄チタン（イルメナイト）、酸化クロム、炭化物（ＳｉＣ、ＴｉＣ、またはＷＣ盗等）、またはそれらの混合物を含む。不透明化合物の前駆体の例は、限定ではないが、ＴｉＯＳＣ４またはＴｉＯＣｌ２を含む。いくつかの実施形態では、添加剤として使用される不透明化合物について、炭化ケイ素のひげ結晶または繊維を除外できる。エアロゲル組成物が電気デバイスでの使用で意図されるとき、例えばバリア層として電池での使用、または他の関連の用途で意図されるとき、乳白剤を含む組成物は、高容量及び高い表面抵抗率を伴う高い絶縁耐力を望みどおりに保有できる。そのような実施形態では、乳白剤として使用される炭素添加剤は、非導電性であり得る、または電気伝導性を減らすように改良され得る。例えば、乳白剤は、電気伝導性を減らすために表面酸化できる。いくつかの実施形態では、固有の電気伝導性を伴う炭素添加剤は、電気デバイスでの使用が意図されるエアロゲル組成物中で乳白剤として使用できる。そのような実施形態では、導電性炭素添加剤は、電気デバイスに使用される適切な絶縁耐力を組成物に提供するように、浸透閾値を下回る濃度で使用できる。
【0146】
防火等級添加剤
エアロゲル組成物は、１つ以上の防火等級添加剤を含み得る。本開示の文脈内で、「防火等級添加剤」という用語は、火に対する反応に関連して、吸熱効果をもたらし、エアロゲル組成物に混和できる材料を指す。さらに、特定の実施形態では、防火等級添加剤は、防火等級添加剤が存在するエアロゲル組成物の熱分解（Ｔｄ）の開始温度に対して１００℃よりも大きくならない吸熱分解（ＥＤ）の開始温度を有し、また、特定の実施形態では、防火等級添加剤が存在するエアロゲル組成物のＴｄに対して５０℃よりも低くならないＥＤの開始温度を有する。言い換えれば、防火等級添加剤のＥＤは、（Ｔｄ－５０℃）～（Ｔｄ＋１００℃）の範囲を有する。
エアロゲル組成物は、１つ以上の防火等級添加剤を含み得る。本開示の文脈内で、「防火等級添加剤」という用語は、火に対する反応に関連して、吸熱効果をもたらし、エアロゲル組成物に混和できる材料を指す。さらに、特定の実施形態では、防火等級添加剤は、防火等級添加剤が存在するエアロゲル組成物の熱分解（Ｔｄ）の開始温度に対して１００℃よりも大きくならない吸熱分解（ＥＤ）の開始温度を有し、また、特定の実施形態では、防火等級添加剤が存在するエアロゲル組成物のＴｄに対して５０℃よりも低くならないＥＤの開始温度を有する。言い換えれば、防火等級添加剤のＥＤは、（Ｔｄ－５０℃）～（Ｔｄ＋１００℃）の範囲を有する。
【数1】
【0147】
ゾル（例えば、先行技術で理解されるような様々な方法で、ケイ酸アルキルまたは水ガラスから調合されたシリカゾル）との混和または混合よりも前に、混和または混合と同時に、またはさらに混和または混合に続いて、防火等級添加剤は、エタノールと、オプションで最大で体積比１０％の水とを含む媒体と混合できる、またはそうでなければ、その媒体中で分散できる。混合物は、媒体中に添加剤の実質的に均一分散を実現するために、必要に応じて混合され得る及び／または攪拌され得る。理論に縛られることなく、先述のクレイ及び他の防火等級添加剤の水和形態を利用することで、追加の吸熱効果をもたらす。例えば、ハロイサイトクレイ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍｉｎｅｒａｌｓ，Ｉｎｃ．から商品名ＤＲＡＧＯＮＩＴＥで、またはＩｍｅｒｙｓから単にＨａｌｌｏｙｓｉｔｅとして、市販されている製品）、カオリナイトクレイは、水和形態で、昇温で水和水を放出すること（ガス希釈）によって、吸熱効果をもたらすアルミニウムシリケートクレイである。別の例として、水和形態の炭素は、加熱温度で、または昇温で二酸化炭素を放出できる。
【0148】
本開示の文脈内で、「脱水熱」という用語は、昇温に曝されていないとき水和形態の材料から水を蒸発させるために（該当する場合、ジヒドロキシル化のためにも）必要な熱量を意味する。脱水熱は、一般的に、単位重量に基づいて表される。
【0149】
特定の実施形態では、本開示の防火等級添加剤は、約１００℃以上、約１３０℃以上、約２００℃以上、約２３０℃以上、約２４０℃以上、約３３０℃以上、３５０℃以上、約４００℃以上、約４１５℃以上、約４２５℃以上、約４５０℃以上、約５００℃以上、約５５０℃以上、約６００℃以上、約６５０℃以上、約７００℃以上、約７５０℃以上、約８００℃以上、またはこれらの値のうちのいずれか２つの間の範囲の熱分解の温度の開始温度を有する。特定の実施形態では、本開示の防火等級添加剤は、約４４０℃または５７０℃の熱分解の開始温度を有する。特定の実施形態では、本開示の防火等級添加剤は、防火等級添加剤が混和されるエアロゲル組成物（防火等級添加剤がない）のＴｄに対して大体５０℃よりも大きくならない、よりも大きくならない、大体４０℃よりも大きくならない、大体３０℃よりも大きくならない、大体２０℃よりも大きくならない、大体１０℃よりも大きくならない、大体５℃よりも大きくならない、またはこれらの値のうちのいずれか２つの間の範囲の熱分解の開始温度を有する。
【0150】
本開示の防火等級添加剤は、限定ではないが、以下のクレイ材料を含む。クレイ材料として、フィロケイ酸塩クレイ（イライト等）、カオリンまたはカオリナイト（ケイ酸アルミニウム；Ａｌ２Ｓｉ２Ｏ５（ＯＨ）４）、メタカオリン、ハロイサイト（ケイ酸アルミニウム；Ａｌ２Ｓｉ２Ｏ５（ＯＨ）４）、エンデライト（ケイ酸アルミニウム；Ａｌ２Ｓｉ２Ｏ５（ＯＨ）４）、雲母（シリカミネラル）、ダイアスポア（水酸化酸化アルミニウム；α－ＡｌＯ（ＯＨ））、ギブサイト（水酸化アルミニウム）、ベーマイト（水酸化酸化アルミニウム；γ－ＡｌＯ（ＯＨ））、モンモリロナイト、バイデライト、パイロフィライト（ケイ酸アルミニウム；Ａｌ２Ｓｉ４Ｏ１０（ＯＨ）２）、ノントロナイト、ブラバイサイト、スメクタイト、レバリエライト、レクトライト、セラドナイト、アタパルジャイト、クロロパール、ボルコンスコアイト、アロフェン、レースウィナイト、ディルナイト、セベライト、ミロサイト、コリライト、シモライト、ニュートナイト、重炭酸ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）、水酸化マグネシウム（または二水酸化マグネシウム、「ＭＤＨ」）、アルミナ三水和物（「ＡＴＨ」）、石膏（硫酸カルシウム二水和物；ＣａＳＯ４・２Ｈ２Ｏ）、バリントナイト（ＭｇＣＯ３・２Ｈ２Ｏ）、ネスケホナイト（ＭｇＣＯ３・３Ｈ２Ｏ）、ランスフォルダイト（ＭｇＣＯ３・５Ｈ２Ｏ）、水苦土石（水和炭酸マグネシウム；Ｍｇ５（ＣＯ３）４（ＯＨ）２・４Ｈ２Ｏ）、限定ではないがドロマイト及びリチウム炭素等の他の炭素、が挙げられる。本開示の特定の実施形態では、いくつかのクレイ材料の中でも、少なくとも部分的な層状構造を有するクレイ材料を使用する。本開示の特定の実施形態では、エアロゲル組成物中の防火等級添加剤としてのクレイ材料は、水和形態等の少なくとも一部の水を有する。添加剤は、水和結晶形態であり得る、または本開示の組成物の製造／処理で水和した状態になり得る。特定の実施形態では、防火等級添加剤は、また、化学組成で変化しないで熱を吸収する低融点添加剤も含む。この等級の例として、不活性ガラスビーズ等の低融点ガラスが挙げられる。本開示の組成物に有用であり得る他の添加剤は、限定ではないが、珪灰石（ケイ酸カルシウム）及び二酸化チタン（ＴｉＯ２）を含む。特定の実施形態では、他の添加剤は、限定ではないが二酸化チタンまたは炭化ケイ素等の赤外線乳白剤、限定ではないが低融点ガラスフリット、ケイ酸カルシウム等のセラミファイアー、または限定ではないがリン酸塩及び硫酸塩等のチャー形成剤を含み得る。特定の実施形態では、添加剤は、添加剤が均一に分布し、そして製品性能に変化を生じさせるように大量に凝集しないことを確実にする技術等の特殊処理の検討が必要になり得る。処理技術は、追加の静的ミキサー及び動的ミキサー、安定剤、プロセス状態の調整、及び当技術分野で他の既知のものを含み得る。
【0151】
添加剤の量
本明細書に開示されるエアロゲル組成物中の添加剤の量は、組成物の所望の特性に依存し得る。ゾルゲル組成物の調合及び処理の間に使用される添加剤の量は、一般的に、ゾルのシリカ含量に対する重量パーセントと呼ばれる。ゾル中の添加剤の量は、シリカ含量に対して重量が、約５ｗｔ％～約７０ｗｔ％で変わり得る。特定の実施形態では、ゾル中の添加剤の量はシリカ含量に対して１０ｗｔ％～６０ｗｔ％であり、特定の好ましい実施形態であり、その量は、シリカ含量に対して２０ｗｔ％～４０ｗｔ％である。例示的な実施形態では、シリカ含量に対するゾル中の添加剤の量は、シリカ含量に対して、約５％～約２０％、約１０％～約２０％、約１０％～約３０％、約１０％～約２０％、約３０ｗｔ％～約５０ｗｔ％、約３５ｗｔ％～約４５ｗｔ％、または約３５ｗｔ％～約４０ｗｔ％の範囲である。いくつかの実施形態では、ゾル中の添加剤の量は、シリカ含量に対して少なくとも約１０ｗｔ％である、またはシリカ含量に対して約１０ｗｔ％である。いくつかの実施形態では、添加剤の量はシリカ含量に対して約５ｗｔ％～約１５ｗｔ％の範囲である。特定の実施形態では、添加剤は２つ以上のタイプであり得る。１つ以上の防火等級添加剤は、また、最終的なエアロゲル組成物中にも存在し得る。ケイ酸アルミニウムの防火等級添加剤を含むいくつかの好ましい実施形態では、添加剤は、シリカ含量に対して約６０～７０ｗｔ％でエアロゲル組成物中に存在する。例えば、カオリン等のケイ酸アルミニウムの防火等級添加剤、またはカオリン等のケイ酸アルミニウム防火等級添加剤及びアルミナ三水和物（「ＡＴＨ」）の組み合わせを含むいくつかの好ましい実施形態では、エアロゲル組成物中に存在する添加剤の総量は、シリカ含量に対して約３０～４０ｗｔ％である。別の例を挙げると、添加剤が炭化ケイ素を含むいくつかの好ましい実施形態では、エアロゲル組成物中に存在する添加剤の総量は、シリカ含量に対して約３０～４０ｗｔ％、例えば３５ｗｔ％である。別の例を挙げると、添加剤が炭化ケイ素を含むいくつかの好ましい実施形態では、エアロゲル組成物中に存在する添加剤の総量は、シリカ含量に対して約５～１５ｗｔ％、例えば１０ｗｔ％である。
本明細書に開示されるエアロゲル組成物中の添加剤の量は、組成物の所望の特性に依存し得る。ゾルゲル組成物の調合及び処理の間に使用される添加剤の量は、一般的に、ゾルのシリカ含量に対する重量パーセントと呼ばれる。ゾル中の添加剤の量は、シリカ含量に対して重量が、約５ｗｔ％～約７０ｗｔ％で変わり得る。特定の実施形態では、ゾル中の添加剤の量はシリカ含量に対して１０ｗｔ％～６０ｗｔ％であり、特定の好ましい実施形態であり、その量は、シリカ含量に対して２０ｗｔ％～４０ｗｔ％である。例示的な実施形態では、シリカ含量に対するゾル中の添加剤の量は、シリカ含量に対して、約５％～約２０％、約１０％～約２０％、約１０％～約３０％、約１０％～約２０％、約３０ｗｔ％～約５０ｗｔ％、約３５ｗｔ％～約４５ｗｔ％、または約３５ｗｔ％～約４０ｗｔ％の範囲である。いくつかの実施形態では、ゾル中の添加剤の量は、シリカ含量に対して少なくとも約１０ｗｔ％である、またはシリカ含量に対して約１０ｗｔ％である。いくつかの実施形態では、添加剤の量はシリカ含量に対して約５ｗｔ％～約１５ｗｔ％の範囲である。特定の実施形態では、添加剤は２つ以上のタイプであり得る。１つ以上の防火等級添加剤は、また、最終的なエアロゲル組成物中にも存在し得る。ケイ酸アルミニウムの防火等級添加剤を含むいくつかの好ましい実施形態では、添加剤は、シリカ含量に対して約６０～７０ｗｔ％でエアロゲル組成物中に存在する。例えば、カオリン等のケイ酸アルミニウムの防火等級添加剤、またはカオリン等のケイ酸アルミニウム防火等級添加剤及びアルミナ三水和物（「ＡＴＨ」）の組み合わせを含むいくつかの好ましい実施形態では、エアロゲル組成物中に存在する添加剤の総量は、シリカ含量に対して約３０～４０ｗｔ％である。別の例を挙げると、添加剤が炭化ケイ素を含むいくつかの好ましい実施形態では、エアロゲル組成物中に存在する添加剤の総量は、シリカ含量に対して約３０～４０ｗｔ％、例えば３５ｗｔ％である。別の例を挙げると、添加剤が炭化ケイ素を含むいくつかの好ましい実施形態では、エアロゲル組成物中に存在する添加剤の総量は、シリカ含量に対して約５～１５ｗｔ％、例えば１０ｗｔ％である。
【0152】
最終的な補強エアロゲル組成物に言及するとき、添加剤の量は、一般的に、最終的な補強エアロゲル組成物の重量パーセントと呼ばれる。最終的な補強エアロゲル組成物中の添加剤の量は、補強エアロゲル組成物の重量に対して、約１％～約５０％、約１％～約２５％、または約１０％～約２５％で変わり得る。例示的な実施形態では、最終的な補強エアロゲル組成物中の添加剤の量は、補強エアロゲル組成物の重量に対して、約１０％～約２０％の範囲である。例示的な実施形態では、最終的な補強エアロゲル組成物中の添加剤の量は、組成物の重量パーセントとして、約１％、約２％約３％、約４％、約５％、約６％、約７％、約８％、約９％、約１０％、約１１％、約１２％、約１３％、約１４％、約１５％、約１６％、約１７％、約１８％、約１９％、約２０％、または前述の割合のいずれかの間の範囲内にある。特定の実施形態では、最終的な補強エアロゲル組成物中の添加剤の量は、補強エアロゲル組成物の重量に対して約１５％である。特定の実施形態では、最終的な補強エアロゲル組成物中の添加剤の量は、補強エアロゲル組成物の重量に対して約１３％である。例えば、炭化ケイ素等の添加剤を含むいくつかの好ましい実施形態では、エアロゲル組成物中に存在する添加剤の総量は、補強エアロゲル組成物の重量に対して約１０～２０ｗｔ％、例えば約１５ｗｔ％である。別の例を挙げると、添加剤が炭化ケイ素を含むいくつかの好ましい実施形態では、エアロゲル組成物中に存在する添加剤の総量は、補強エアロゲル組成物の重量に対して約３～５ｗｔ％、例えば約４ｗｔ％である。
【0153】
防火等級添加剤の熱分解の開始温度
特定の実施形態では、防火等級添加剤は、その熱分解の開始温度に基づいて、分類またはグループ化できる。例えば、防火等級添加剤は、約２００℃未満、約４００℃未満、または約４００℃よりも大きい熱分解の開始温度を有するものとして、分類またはグループ化できる。例えば、約２００℃未満の熱分解の開始温度を有する添加剤は、重曹（ＮａＨＣＯ３）、ネスケホン石（ＭｇＣＯ３・３Ｈ２Ｏ）、及び石膏（硫酸カルシウム二水塩；ＣａＳＯ４・２Ｈ２Ｏ）を含む。別の例を挙げると、約４００℃未満の熱分解の開始温度を有する添加剤は、アルミナ三水和物（「ＡＴＨ」）、水苦土石（水和マグネシウム炭素；Ｍｇ５（ＣＯ３）４（ＯＨ）２・４Ｈ２Ｏ）、及び水酸化マグネシウム（または二水酸化マグネシウム、「ＭＤＨ」）を含む。別の例を挙げると、約４００℃未満の熱分解の開始温度を有する添加剤は、ハロイサイト（ケイ酸アルミニウム；Ａｌ２Ｓｉ２Ｏ５（ＯＨ）４）、カオリンまたはカオリナイト（ケイ酸アルミニウム；Ａｌ２Ｓｉ２Ｏ５（ＯＨ）４）、ベーマイト（水酸化酸化アルミニウム；γ－ＡｌＯ（ＯＨ））、または高温相変化材料（ＰＣＭ）を含む。
特定の実施形態では、防火等級添加剤は、その熱分解の開始温度に基づいて、分類またはグループ化できる。例えば、防火等級添加剤は、約２００℃未満、約４００℃未満、または約４００℃よりも大きい熱分解の開始温度を有するものとして、分類またはグループ化できる。例えば、約２００℃未満の熱分解の開始温度を有する添加剤は、重曹（ＮａＨＣＯ３）、ネスケホン石（ＭｇＣＯ３・３Ｈ２Ｏ）、及び石膏（硫酸カルシウム二水塩；ＣａＳＯ４・２Ｈ２Ｏ）を含む。別の例を挙げると、約４００℃未満の熱分解の開始温度を有する添加剤は、アルミナ三水和物（「ＡＴＨ」）、水苦土石（水和マグネシウム炭素；Ｍｇ５（ＣＯ３）４（ＯＨ）２・４Ｈ２Ｏ）、及び水酸化マグネシウム（または二水酸化マグネシウム、「ＭＤＨ」）を含む。別の例を挙げると、約４００℃未満の熱分解の開始温度を有する添加剤は、ハロイサイト（ケイ酸アルミニウム；Ａｌ２Ｓｉ２Ｏ５（ＯＨ）４）、カオリンまたはカオリナイト（ケイ酸アルミニウム；Ａｌ２Ｓｉ２Ｏ５（ＯＨ）４）、ベーマイト（水酸化酸化アルミニウム；γ－ＡｌＯ（ＯＨ））、または高温相変化材料（ＰＣＭ）を含む。
【0154】
本開示の特定の実施形態では、クレイ材料、例えばハロイサイトまたはカオリナイト等のアルミノケイ酸塩クレイは、エアロゲル組成物中の添加剤として、脱水型であり、例えば、メタハロイサイトまたはメタカオリンである。本開示の組成物に有用であり得る他の添加剤は、限定ではないが、珪灰石（ケイ酸カルシウム）及び二酸化チタン（ＴｉＯ２）を含む。特定の実施形態では、他の添加剤は、限定ではないが二酸化チタンまたは炭化ケイ素等の赤外線乳白剤、限定ではないが低融点ガラスフリット、ケイ酸カルシウム等のセラミファイアー、または限定ではないがリン酸塩及び硫酸塩等のチャー形成剤を含み得る。特定の実施形態では、添加剤は、添加剤が均一に分布し、そして製品性能に変化を生じさせるように大量に凝集しないことを確実にする技術等の特殊処理の検討が必要になり得る。処理技術は、追加の静的ミキサー及び動的ミキサー、安定剤、プロセス状態の調整、及び当技術分野で他の既知のものを含み得る。１つ以上の防火等級添加剤は、また、最終的なエアロゲル組成物中にも存在し得る。
【0155】
特定の実施形態では、添加剤の含有物、例えば、本開示のエアロゲル材料及び組成物中のハロイサイトまたはカオリン等のアルミノケイ酸塩クレイ系材料は、高温収縮特性の改善をもたらす可能性がある。例示的な高温収縮の試験方法は、「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｌｉｎｅａｒ Ｓｈｒｉｎｋａｇｅ ｏｆ Ｐｒｅｆｏｒｍｅｄ Ｈｉｇｈ－Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ Ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ ｔｏ Ｓｏａｋｉｎｇ Ｈｅａｔ」（ＡＳＴＭ Ｃ３５６，ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｗｅｓｔ Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ，ＰＡ）である。そのような試験では、「熱ソーク」と呼ばれる材料は、最大６０分の期間中、１０００℃よりも大きい温度に曝される。特定の例示的な実施形態では、本開示のエアロゲル材料または組成物は、約２０％以下、約１５％以下、約１０％以下、約６％以下、約５％以下、４％以下、３％以下、２％以下、１％以下、またはこれらの値のうちのいずれか２つの間の範囲の高温収縮、すなわち、線収縮、幅収縮、厚さ収縮、または寸法収縮のいずれかの組み合わせを有し得る。
【0156】
いくつかの例示的な実施形態では、前駆体反応に触媒作用を及ぼすために使用される特定の塩基性触媒は、エアロゲル組成物中の微量レベルの他のアルカリ金属を生じさせる可能性がある。エアロゲル材料の微量レベル、例えばアルカリ、例えば、ナトリウムまたはカリウムの１００～５００ｐｐｍは、高温収縮及び熱耐久性に悪影響をもたらす可能性がある。しかしながら、いずれかの特定のメカニズムまたは理論に縛られることなく、ハロイサイトまたはカオリン等のアルミノケイ酸塩クレイ系材料は、放出されるアルカリ、例えばナトリウムまたはカリウムを隔離でき、それによって、収縮及び熱耐久性に対するアルカリの影響を減らす、またはなくす。本開示の特定の実施形態では、アルミノケイ酸塩クレイ材料は脱水型であり、例えばメタハロイサイトまたはメタカオリンである。例えば、シリカ含量に対して約０．５ｗｔ％よりも大きいメタカオリンまたはメタハロイサイトの量を含むエアロゲル材料または組成物は、熱収縮及び熱耐久性を著しく減らすことができる。例示的な実施形態では、エアロゲル材料または組成物は、シリカ含量に対して約０．５ｗｔ％～約３．０ｗｔ％の範囲のメタカオリンまたはメタハロイサイトの量を含み得る。
【0157】
封入層または封入材料層
いくつかの実施形態では、本明細書に開示される多層材料のコア部は、または多層材料は封入層によって封入され得る。例えば、封入層は、多層材料を囲む材料の単数の層もしくは複数の層、及び／または多層材料を囲む材料のコーティング、及び／または多層材料のコア部を含み得る。例えば、封入層は、薄膜、層、エンベロープ、またはコーティングを含み得る。封入部材は、合成構造、または合成構造を形成する補強エアロゲル合成物を包囲するのに適切ないずれかの材料から作ることができる。例えば、封入部材は、合成構造から落ちたほこりまたは粒子材料の生成を減らすことができる、またはなくすことができる。封入材料層は、ポリマー、エラストマー、またはそれらの組み合わせから選択できる。ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリイミド（ＰＩ）、及びナイロン等の適切なポリマーの例は、システム全体にわたる平面の熱伝導率を下げる影響をもたらす非常に低い熱伝導率（１Ｗ／ｍ未満）を有する。一実施形態では、封入層はポリエチレンテレフタレート層を含む。別の実施形態では、封入層はゴムを含む。
いくつかの実施形態では、本明細書に開示される多層材料のコア部は、または多層材料は封入層によって封入され得る。例えば、封入層は、多層材料を囲む材料の単数の層もしくは複数の層、及び／または多層材料を囲む材料のコーティング、及び／または多層材料のコア部を含み得る。例えば、封入層は、薄膜、層、エンベロープ、またはコーティングを含み得る。封入部材は、合成構造、または合成構造を形成する補強エアロゲル合成物を包囲するのに適切ないずれかの材料から作ることができる。例えば、封入部材は、合成構造から落ちたほこりまたは粒子材料の生成を減らすことができる、またはなくすことができる。封入材料層は、ポリマー、エラストマー、またはそれらの組み合わせから選択できる。ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリイミド（ＰＩ）、及びナイロン等の適切なポリマーの例は、システム全体にわたる平面の熱伝導率を下げる影響をもたらす非常に低い熱伝導率（１Ｗ／ｍ未満）を有する。一実施形態では、封入層はポリエチレンテレフタレート層を含む。別の実施形態では、封入層はゴムを含む。
【0158】
封入層は、パネルの内外に空気が流れることを可能にする少なくとも１つの通気口を含み得る。封入部材は、粒子状物質をろ過する少なくとも１つのフィルターを含み得る。例示的な実施形態では、封入層は、パネルの内外に空気が流れることを可能にする通気口と、粒子状物質を封入部材内に維持したままにする、通気口の上にある微粒子フィルターと、を含む。別の実施形態では、封入層は、少なくとも１つの通気口及び少なくとも１つの微粒子フィルターを含むエッジシールを含む。さらなる実施形態では、封入層は少なくとも１つの通気口及び少なくとも１つの微粒子フィルターを含むエッジシールを含み、エッジシールの通気口は封入部材エッジの内外に空気が流れることを可能にし、フィルターは気流中の粒子状物質を捕らえて保持し、粒子状物質による封入層の外側の空気汚染を防止する。
【0159】
熱キャパシタンス層
例示的な実施形態では、多層材料は、熱キャパシタンス（すなわち、熱容量材料）を提供する、材料、または材料の層を含み得、例えば、少なくとも約０．２Ｊ／（ｇ・℃）の比熱容量を有する材料を含む。いくつかの実施形態では、熱キャパシタンスを提供する材料は、少なくとも約０．５Ｊ／（ｇ・℃）の比熱容量を有する。例えば、熱容量を提供する材料は、アルミニウム、チタン、ニッケル、スチール、ステンレス鋼、鉄、またはそれらの組み合わせ等の金属を含み得る。いくつかの実施形態では、多層材料は、熱キャパシタンスを提供する材料の層またはコーティングを含み得る。いくつかの実施形態では、多層材料は、多層材料の層内に、例えばエアロゲル組成物の層内に配置された熱キャパシタンスを提供する材料の粒子を含み得る。特定の実施形態では、多層材料は、エアロゲル組成物に隣接して配置された熱キャパシタンスを提供する材料の少なくとも１つの層を含み得る。特定の実施形態では、多層材料は、エアロゲル組成物の複数の層のうちの少なくとも２つの間に配置された熱キャパシタンスを提供する材料の少なくとも１つの層を含み得る。例示的な実施形態では、多層材料は熱伝導及び熱容量材料の両方を含み得る。
例示的な実施形態では、多層材料は、熱キャパシタンス（すなわち、熱容量材料）を提供する、材料、または材料の層を含み得、例えば、少なくとも約０．２Ｊ／（ｇ・℃）の比熱容量を有する材料を含む。いくつかの実施形態では、熱キャパシタンスを提供する材料は、少なくとも約０．５Ｊ／（ｇ・℃）の比熱容量を有する。例えば、熱容量を提供する材料は、アルミニウム、チタン、ニッケル、スチール、ステンレス鋼、鉄、またはそれらの組み合わせ等の金属を含み得る。いくつかの実施形態では、多層材料は、熱キャパシタンスを提供する材料の層またはコーティングを含み得る。いくつかの実施形態では、多層材料は、多層材料の層内に、例えばエアロゲル組成物の層内に配置された熱キャパシタンスを提供する材料の粒子を含み得る。特定の実施形態では、多層材料は、エアロゲル組成物に隣接して配置された熱キャパシタンスを提供する材料の少なくとも１つの層を含み得る。特定の実施形態では、多層材料は、エアロゲル組成物の複数の層のうちの少なくとも２つの間に配置された熱キャパシタンスを提供する材料の少なくとも１つの層を含み得る。例示的な実施形態では、多層材料は熱伝導及び熱容量材料の両方を含み得る。
【0160】
例えば、多層材料は、熱キャパシタンス及び熱伝導率の両方を提供する材料を含み得、例えば、アルミニウム、チタン、ニッケル、スチール、鉄、またはそれらの組み合わせ等の金属を含む。別の例を挙げると、多層材料は、熱キャパシタンス、熱伝導率、またはそれらの組み合わせのいずれかをそれぞれが提供する、１つ以上の異なる材料、または材料の層を含み得、例えば、金属を含む層及び熱伝導ポリマーを含む層を含む。好ましくは、熱伝導層は、少なくとも３００℃、より好ましくは少なくとも６００℃、さらにより好ましくは少なくとも１０００℃、さらに一層より好ましくは少なくとも１５００℃の融解温度を有する。
【0161】
いくつかの実施形態では、熱容量材料は相変化材料から選択できる。相変化材料はエネルギー貯蔵システムで様々な用途に適切であり、そして、材料は、相変化中に比較的高い熱キャパシタンスを有するはずだけでなく、比較的低コストで、自立的であるはずであり、すなわち、デバイス、例えばパッケージ化されている電池モジュールの動作温度範囲にわたって、いずれかのシールまたは特殊な封じ込めが必要ではないことを認識できる。エネルギー貯蔵の用途に関する望ましい追加の特性は、発熱構成要素から離れるように熱を速く移送する高熱伝導率と、相変化が発生する温度をカスタマイズ能力とを含む。
【0162】
いくつかの実施形態では、熱容量材料は、面内寸法に沿って、少なくとも約２００ｍＷ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有する。
【0163】
熱伝導層
本明細書に開示される熱伝導層は、高熱負荷下で耐久性をさらに改善する多層材料ｘ－ｙ平面の全体にわたって熱を急速に放散する能力が著しく高まることを示すことが発見されている。高熱伝導材料の例は、炭素繊維、グラファイト、炭化ケイ素、金属を含み、金属は、限定ではないが、銅、スチール、ステンレス鋼、アルミニウム等、同様に、それらの組み合わせを含む。
本明細書に開示される熱伝導層は、高熱負荷下で耐久性をさらに改善する多層材料ｘ－ｙ平面の全体にわたって熱を急速に放散する能力が著しく高まることを示すことが発見されている。高熱伝導材料の例は、炭素繊維、グラファイト、炭化ケイ素、金属を含み、金属は、限定ではないが、銅、スチール、ステンレス鋼、アルミニウム等、同様に、それらの組み合わせを含む。
【0164】
例示的な実施形態では、多層材料は、熱伝導材料、または熱伝導率を提供する材料の層を含み得る。本開示の熱伝導層は、電池モジュールまたは電池パックの内部の局所的熱負荷から離れて熱を放散するのを助ける。例えば、熱伝導層は、面内寸法に沿って、少なくとも約２００ｍＷ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有し得る。熱伝導材料は、金属、炭素、導電性ポリマー、またはそれらの組み合わせを含む、少なくとも１つの層を含み得る。
【0165】
上記の態様のいくつかの実施形態では、多層材料は１つまたは複数の熱伝導層を含み得、すなわち、多層材料は、５０Ｗ／ｍＫよりも大きい、より好ましくは１００Ｗ／ｍＫよりも大きい、さらにより好ましくは２００Ｗ／ｍＫよりも大きい（全て、２５℃で測定された値である）熱伝導率がある。例えば、多層材料は、熱伝導材料を含む少なくとも１つの層を含み得、例えば、金属、炭素、熱伝導ポリマー、またはそれらの組み合わせを含む層を含む。これらの実施形態に関連して使用される場合、熱伝導材料は、絶縁材料、例えばエアロゲル組成物の値よりも大きい熱伝導率を有する材料を指す。特定の実施形態では、熱伝導材料は、エアロゲル組成物の値よりも少なくとも約１桁分大きい熱伝導率を有する。いくつかの実施形態では、多層材料はエアロゲル組成物の複数の層を含み得る。特定の実施形態では、多層材料は、エアロゲル組成物に隣接して配置された導電材料の少なくとも１つの層を含み得る。特定の実施形態では、多層材料は、エアロゲル組成物の複数の層のうちの少なくとも２つの間に配置された導電材料の少なくとも１つの層を含み得る。いくつかの実施形態では、多層材料は、多層材料の層内に、例えばエアロゲル組成物の層内に配置された導電材料の粒子を含み得る。
【0166】
熱の分布及び除去を補助するために、少なくとも１つの実施形態では、熱伝導層はヒートシンクに結合される。様々なヒートシンクのタイプ及び構成があるのと同様に、ヒートシンクを熱伝導層に結合するための異なる技術があることと、本開示は、ヒートシンク／結合技術のいずれかの１つのタイプの使用に限定されないことと、が認識される。例えば、本明細書に開示される多層材料の少なくとも１つの熱伝導層は、冷却システムの冷却プレートまたは冷却チャネル等、電池モジュールまたは電池パックの冷却システムの要素と熱連通できる。別の例を挙げると、本明細書に開示される多層材料の少なくとも１つの熱伝導層は、パック、モジュール、もしくはシステムの壁等、ヒートシンクとして機能できる、電池パック、電池モジュール、もしくは電池システムの他の要素と熱連通できる、または電池セルの間に配置された多層材料の他の要素と熱連通できる。本明細書により詳細に説明されるように、多層材料の熱伝導層と電池システム内のヒートシンク要素との間の熱連通は、多層材料に隣接する単数のセルまたは複数のセルからヒートシンクまで過剰熱を除去することが可能になり得、それによって、例えば、過剰熱を生成し得る熱イベントの影響、重症度、または伝播が減る。
【0167】
好ましくは、熱伝導層は、少なくとも３００℃、より好ましくは少なくとも６００℃、さらにより好ましくは少なくとも１０００℃、さらに一層より好ましくは少なくとも１５００℃の融解温度を有する。
【0168】
熱伝導層の厚さは、組成物、圧縮パッド等の多層の他の要素の特性、多層材料に含まれる熱伝導の数、及び組成物の様々な要因に依存し得る。機能的に述べると、熱伝導層は、所望の面内の熱伝導率を提供するのに十分に厚くするべきである。
【0169】
いくつかの実施形態では、熱伝導材料、例えば、熱分解グラファイトシート（ＰＧＳ）は、約０．０１０ｍｍ、０．０２５ｍｍ、０．０５ｍｍ、０．０７ｍｍ、０．１０ｍｍ、またはこれらの値のうちのいずれか２つの間の範囲の厚さと、約６００～約１９５０Ｗ／ｍＫの範囲の面内の熱伝導率とを有し得る。いくつかの実施形態では、熱伝導材料、例えば金属板は、約０．０５ｍｍ、約０．０７ｍｍ、約０．１０ｍｍ、約０．２０ｍｍ、約０．２５ｍｍ、約０．３０ｍｍ、約０．５ｍｍ、約０．７５ｍｍ、約１ｍｍ、約１．５ｍｍ、約２ｍｍ、約３ｍｍ、約４ｍｍ、約５ｍｍ、またはこれらの値のうちのいずれか２つの間の範囲の厚さを有し得る。
【0170】
いくつかの実施形態では、熱伝導材料は相変化材料から選択できる。
【0171】
いくつかの実施形態では、そのような層の間に均一に及び一貫して熱伝導を確実にするために、多層材料の層の間に熱ペーストを使用できる。本明細書に使用される場合、熱ペーストは、熱化合物、熱グリース、熱伝導材料（ＴＩＭ）、熱ゲル、熱ペースト、ヒートシンク化合物、及びヒートシンクペーストとしても知られている様々な材料を指す。例えば、熱ペーストの層は、エアロゲル組成物と、いずれかの他の層との間に配置できる。他の層として、熱伝導材料もしくは熱容量材料を含む単一の層もしくは複数の層、単一の表皮層もしくは複数の表皮層、または封入層等が挙げられる。
【0172】
犠牲材料層
例示的な実施形態では、多層材料は、犠牲材料、または犠牲材料の層を含み得る。本開示の文脈内で、「犠牲材料」または「犠牲層」という用語は、層が受けた機械的、熱的、化学的、及び／または電磁気的な状態に反応して、犠牲になる、または少なくとも部分的に除去することが意図される材料または層を指す。例えば、犠牲材料または犠牲層は、電池の熱暴走イベントの前または間に発生する温度等の高温に曝されるとき分解できる。いくつかの実施形態では、犠牲材料層は、外部表面上に配置できる。例えば、多層材料のコア部の外面、または多層材料の外部表面、例えば多層材料の外面の上に配置される。
例示的な実施形態では、多層材料は、犠牲材料、または犠牲材料の層を含み得る。本開示の文脈内で、「犠牲材料」または「犠牲層」という用語は、層が受けた機械的、熱的、化学的、及び／または電磁気的な状態に反応して、犠牲になる、または少なくとも部分的に除去することが意図される材料または層を指す。例えば、犠牲材料または犠牲層は、電池の熱暴走イベントの前または間に発生する温度等の高温に曝されるとき分解できる。いくつかの実施形態では、犠牲材料層は、外部表面上に配置できる。例えば、多層材料のコア部の外面、または多層材料の外部表面、例えば多層材料の外面の上に配置される。
【0173】
例示的な実施形態では、本開示の犠牲材料または層は、約１ＭＰａ、約２ＭＰａ、約３ＭＰａ、約４ＭＰａ、約５ＭＰａ、約６ＭＰａ、約７ＭＰａ、約８ＭＰａ、約９ＭＰａ、約１０ＭＰａ、約１１ＭＰａ、約１２ＭＰａ、またはこれらの値のうちのいずれか２つの間の範囲の圧縮係数を有する圧縮可能パッドを含み得る。犠牲材料層は、シロキサン、ポリオレフィン、ポリウレタン、フェノール、メラミン、セルロースアセテート、及びポリスチレンから成るグループから選択できる。いくつかの場合、材料層は発泡体の形態である。いくつかの実施形態では、圧縮可能パッドまたは発泡体は、機械的負荷（繰返し負荷がかけられる等）への露出により摩耗する可能性がある。いくつかの実施形態では、圧縮可能パッドまたは発泡体は、異常な機械的イベント、化学的イベント及び／または熱イベントへの露出後に分解する。
【0174】
いくつかの実施形態では、犠牲材料層の化学分解の開始温度は約２００℃～約４００℃の範囲である。
【0175】
本明細書に開示される実施形態で圧縮可能パッドとして使用するための適切な発泡体は、約１．０ｇ／ｃｃ以下、約０．９０ｇ／ｃｃ以下、約約０．８０ｇ／ｃｃ以下、約０．７０ｇ／ｃｃ以下、約０．６０ｇ／ｃｃ以下、約０．５０ｇ／ｃｃ以下、約０．４０ｇ／ｃｃ以下、約０．３０ｇ／ｃｃ以下、約０．２０ｇ／ｃｃ以下、約０．１６ｇ／ｃｃ、約０．１０ｇ／ｃｃ以下、約０．０８ｇ／ｃｃ以下、もしくは、これらの値のうちのいずれか２つの間の範囲よりも低い密度を有する、ならびに／または発泡体の合計体積に基づいて、少なくとも約２０～約９９％の空隙体積含量、具体的には約３０％以上の空隙体積含量を有する。例示的な実施形態では、発泡体は、約０．０８ｇ／ｃｃ～約０．５０ｇ／ｃｃの密度、約２７ｋＰａ～約５５ｋＰａで２５％の圧縮力偏向（ＣＦＤ）、及び約１０％未満、具体的には５％未満で約７０℃に設定された圧縮力を有する。ＣＦＤは、ＡＳＴＭＤ１０５６に従って、元の厚さの２５％までサンプルを圧縮するのに必要なｋＰａの力を計算することによって測定される。
【0176】
発泡体に使用されるポリマーは、様々な種類の熱可塑性樹脂、熱可塑性樹脂の混合物、または熱硬化性樹脂から選択できる。使用できる熱可塑性樹脂の例は、ポリアセタール、ポリアクリル、スチレンアクリロニトリル、ポリオレフィン、アクリロニトリル－ブタジエン－スチレン、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリアミド（限定ではないが、ナイロン６、ナイロン６，６、ナイロン６，１０、ナイロン６，１２，ナイロン１１、またはナイロン１２等）、ポリアミドイミド、ポリアリレート、ポリウレタン、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ）、ポリアリールスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリ塩化ビニル、ポリスルホン、ポリエーテルイミド、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化エチレンプロピレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン体等、または前述の熱可塑性樹脂のうちの少なくとも１つを含む組み合わせを含む。
【0177】
ポリマー発泡体で使用できる熱可塑性樹脂の混合物の例は、アクリロニトリル－ブタジエン－スチレン／ナイロン、ポリカーボネート／アクリロニトリル－ブタジエン－スチレン、アクリロニトリル－ブタジエン－スチレン／ポリ塩化ビニル、ポリフェニレンエーテル／ポリスチレン、ポリフェニレンエーテル／ナイロン、ポリスルホン／アクリロニトリル－ブタジエン－スチレン、ポリカーボネート／熱可塑性ウレタン、ポリカーボネート／ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート／ポリブチレンテレフタレート、熱可塑性エラストマーアロイ、ポリエチレンテレフタレート／ポリブチレンテレフタレート、スチレン－無水マレイン酸／アクリロニトリル－ブタジエン－スチレン、ポリエーテルエーテルケトン／ポリエーテルスルホン、スチレン－ブタジエンゴム、ポリエチレン／ナイロン、ポリエチレン／ポリアセタール、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ）等、または前述の混合物の少なくとも１つを含む組み合わせを含む。
【0178】
ポリマー発泡体で使用できるポリマー熱硬化性樹脂の例は、ポリウレタン、エポキシ、フェノール、ポリエステル、ポリアミド、シリコン等、または前述の熱硬化性樹脂のうちの少なくとも１つを含む組み合わせを含む。熱硬化性樹脂の混合物、及び熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂との混合物を使用できる。
【0179】
多層材料
上記に説明したように、本開示の実施形態に従った多層材料は、圧縮率、圧縮弾力性、及びコンプライアンスに関する好ましい特性を提供する。電池モジュール内のセルの間で熱絶縁体として使用されるとき、エアロゲル組成物を使用して形成された断熱シートは、電池の充電／放電サイクル中、活物質の劣化及び膨張に起因して、セルの拡張に適応する圧縮変形に対する抵抗をもたらす可能性がある。電池モジュールの初期の組立中、１ＭＰａ以下の比較的に低負荷は、一般的に、熱絶縁体、例えば本明細書に開示される多層材料に加えられる。使用中、例えば、電池モジュール内のセルが、充電／放電サイクル中に拡張または膨張するとき、最大約５ＭＰａの負荷は、本明細書に開示される多層材料に加えられ得る。
上記に説明したように、本開示の実施形態に従った多層材料は、圧縮率、圧縮弾力性、及びコンプライアンスに関する好ましい特性を提供する。電池モジュール内のセルの間で熱絶縁体として使用されるとき、エアロゲル組成物を使用して形成された断熱シートは、電池の充電／放電サイクル中、活物質の劣化及び膨張に起因して、セルの拡張に適応する圧縮変形に対する抵抗をもたらす可能性がある。電池モジュールの初期の組立中、１ＭＰａ以下の比較的に低負荷は、一般的に、熱絶縁体、例えば本明細書に開示される多層材料に加えられる。使用中、例えば、電池モジュール内のセルが、充電／放電サイクル中に拡張または膨張するとき、最大約５ＭＰａの負荷は、本明細書に開示される多層材料に加えられ得る。
【0180】
例示的な態様では、本開示は、多層材料が約２５ｋＰａで約２５％未満の圧縮率を示す多層材料を提供する。オプションで、圧縮解放されると、多層材料は、その元の厚さの少なくとも約８０％，７５％，６５％，６０％、または５０％に戻るのに十分に復元力がある可能性がある。いくつかの実施形態では、多層材料は、約２５ｋＰａ～約３５ｋＰａの範囲において約２５％未満の圧縮率、好ましくは約５０ｋＰａで約５０％未満の圧縮率を示す。いくつかの実施形態では、多層材料は、約５０ｋＰａで約２５％～約５０％の範囲の圧縮率を示す。例示的な実施形態では、多層材料は、約２４５ｋＰａで約８０％未満の圧縮率、例えば、約２３５ｋＰａで約７０％未満の圧縮率を示す。例示的な実施形態では、多層材料は、約３４５ｋＰａで約７０％未満の圧縮率を示す。補強エアロゲル組成物を含む多層材料の熱伝導率は、好ましくは、多層材料が圧縮されるとき、約２５ｍＷ／ｍ＊Ｋ未満で維持される。
【0181】
本明細書に説明されるように、多層材料は、絶縁層、熱伝導層、熱容量層、封入材料層、摩耗抵抗層、耐火層／難燃層、熱反射層、圧縮可能層、例えば、圧縮可能パッド、犠牲層、またはそれらの組み合わせ等の複数の層の材料を含み得る。多層材料の層の組み合わせ及び構成は、所望の特性の組み合わせ、例えば、圧縮率、弾力性、熱的性能、火反応、及び他の特性を取得するために選択できる。いくつかの実施形態では、多層材料は、補強エアロゲル組成物の少なくとも２つの層の間に配置された少なくとも１つの圧縮可能パッドを含む。例えば、圧縮可能パッドは、ポリオレフィン、ポリウレタン、フェノール、メラミン、セルロースアセテート、またはポリスチレン等の発泡体または他の圧縮可能材料であり得る。特定の実施形態では、多層材料は、また、熱伝導層または熱容量層の少なくとも１つの層と、補強エアロゲル組成物の複数の層のうちの少なくとも１つとを含み得る。熱伝導材料または熱容量材料は、多層材料内で熱を吸収及び／または分散できる。いくつかの実施形態では、多層材料は、さらに、熱反射層を含み得る。例えば、熱反射層は金属箔または金属シートを含み得る。
【0182】
いくつかの層を含む多層材料の実施形態では、層は、例えば、エアロゾル接着剤、ウレタン系接着剤、アクリレート接着剤、ホットメルト接着剤、エポキシ、ゴム樹脂接着剤、ポリウレタン合成物接着剤、及びそれらの組み合わせから成るものから選択された接着機構によって、他の層に取り付けできる。いくつかの実施形態では、層は、非接着機構によって取り付けでき、例えば、フレームボンディング、ニードリング、スティッチ、シールバッグ、リベット、ボタン、クランプ、ラップ、ブレース、及びそれらの組み合わせから成るグループから選択された機構によって取り付けられる。いくつかの実施形態では、前述の接着機構及び非粘着機構のいずれかの組み合わせを使用して、複数の層を一緒に取り付けできる。
【0183】
多層材料の最終製品
本開示の実施形態に従った多層材料を様々な最終製品に形成できる。最も単純な構成では、多層材料はシートの形態であり得る。シートは、例えば圧延品として、連続的または半連続的に形成できる、または、所望のサイズ及び形状のシートは、大きいシートから切断できる、またはそうでなければ形成できる。シート材料を使用して、電池セルの間で熱バリアを形成できる。他の構成では、補強エアロゲル組成物は、例えば電池のパウチセルを封じ込めるためにパウチに形成できる、または、円筒形電池セルを封じ込めるためにシリンダーに形成できる。
本開示の実施形態に従った多層材料を様々な最終製品に形成できる。最も単純な構成では、多層材料はシートの形態であり得る。シートは、例えば圧延品として、連続的または半連続的に形成できる、または、所望のサイズ及び形状のシートは、大きいシートから切断できる、またはそうでなければ形成できる。シート材料を使用して、電池セルの間で熱バリアを形成できる。他の構成では、補強エアロゲル組成物は、例えば電池のパウチセルを封じ込めるためにパウチに形成できる、または、円筒形電池セルを封じ込めるためにシリンダーに形成できる。
【0184】
本開示の多層材料は、パネリング、パイププリフォーム、ハーフシェルプリフォーム、エルボ、ジョイント、ポーチ、シリンダー、ならびに工業用途及び商業用途に対する絶縁材料の適用に通常必要な他の形状を含む、様々な３次元形態に成形され得る。
【0185】
本明細書及び添付の特許請求の範囲に使用される単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、及び「その（ｔｈｅ）」は、内容が明らかに他の意味が示される場合を除き、複数形の指示対象を含む。本明細書及び添付の特許請求の範囲に使用される「または（ｏｒ）」という用語は、概して、文脈上明らかに他の意味が示される場合を除き、「及び／または（ａｎｄ／ｏｒ）」を含む意味で利用される。
【0186】
本明細書に使用される「約（ａｂｏｕｔ）」は、「大体」または「ほぼ」を意味し、記載された数値または範囲に関連して、数値の±５％を意味する。ある実施形態では、「約（ａｂｏｕｔ）」という用語は、数値の有効数字に従って、従来の四捨五入を含み得る。加えて、『約「ｘ」～「ｙ」』という語句は、『約「ｘ」～約「ｙ」』を含む。
【0187】
本明細書に使用される「組成物」及び「合成物」という用語は、言い換え可能に使用される。
【0188】
本明細書に使用される「圧縮可能パッド」及び「圧縮可能層」という用語は、言い換え可能に使用される。
【0189】
本開示の文脈内で、「エアロゲル」、「エアロゲル材料」、または「エアロゲルマトリクス」という用語はゲルを指し、ゲルは、相互接続された細孔の対応する網状組織が骨格内に統合された、相互接続構造の骨格を含み、分散隙間媒体として空気等のガスを封じ込め、そして、ゲルは、以下の（ａ）～（ｃ）のエアロゲルに起因する以下の物理的特性及び構造的特性（窒素ポロシメトリー試験に従った特性）を特徴とする：（ａ）約２ｎｍ～約１００ｎｍの範囲にわたる平均孔径、（ｂ）少なくとも８０％以上の気孔率、及び（ｃ）約１００ｍ２／ｇ以上の表面積。
【0190】
したがって、本開示のエアロゲル材料は、前述の段落に記載された定義した要素を満足するいずれかのエアロゲルまたは他のオープンセル型材料を含み、それ以外の場合、キセロゲル、クライオゲル、アンビゲル、微小孔材料等として分類できる材料を含む。
【0191】
また、エアロゲル材料は、さらに、（ｄ）約２．０ｍＬ／ｇ以上、特に約３．０ｍＬ／ｇ以上の細孔容積、（ｅ）約０．５０ｇ／ｃｃ以下、特に約０．３ｇ／ｃｃ以下、さらに特に約０．２５ｇ／ｃｃ以下の密度、及び（ｆ）２～５０ｎｍの孔径を有する細孔を含む全細孔容積の少なくとも５０％を含む追加の物理的特性を特徴とし得る（しかし、下記により詳細に説明されるように、本明細書に開示される実施形態は、５０ｎｍよりも大きい孔径を有する細孔を含むエアロゲル骨格及び組成物を含む）。しかしながら、これらの追加特性を満たすために、エアロゲル材料として化合物の特性評価が必要ではない。
【0192】
本開示の文脈内で、「エアロゲル組成物」という用語は、合成物の構成要素としてエアロゲル材料を含むいずれかの複合材料を指す。エアロゲル組成物の例は、限定ではないが、繊維補強エアロゲル合成物と、乳白剤等の添加元素を含むエアロゲル合成物と、オープンセル型マクロポーラス骨格によって補強されたエアロゲル合成物と、エアロゲル－ポリマー合成物と、エアロゲルの微粒子、粒子、顆粒、ビーズ、または粉末を、結合剤、樹脂、セメント、発泡体、ポリマー、または同様の固体材料と併せて、固体材料または半固体材料に混和する、合成物材料と、を含む。エアロゲル組成物は、概して、本明細書に開示される様々なゲル材料から、溶媒の除去後に取得される。したがって、エアロゲル組成物は、さらに、追加の処理または処置を受け得る。また、様々なゲル材料は、溶媒除去（または、液体抽出または液体乾燥）を受ける前に、当技術分野で既知の、または有用な他の追加の処理または処置を受け得る。
【0193】
本開示のエアロゲル組成物は、補強エアロゲル組成物を含み得る。本開示の文脈内で、「補強エアロゲル組成物」という用語は、エアロゲル材料内の補強相を含むエアロゲル組成物を指し、補強相はエアロゲル骨格自体の一部ではない。
【0194】
本開示の文脈内で、「繊維補強エアロゲル組成物」という用語は、補強相として繊維補強材を含む補強エアロゲル組成物を指す。繊維補強材の例は、限定ではないが、別々の繊維、織布材料、ドライレイド不織布材料、ウエットレイド不織布材料、ニードルパンチ不織布、中綿、ウェブ、マット、フェルト、及び／またはそれらの組み合わせを含む。
【0195】
補強材は、有機ポリマー系繊維、無機繊維、炭素系繊維、またはそれらの組み合わせから選択できる。繊維補強材は、以下の材料を含む様々な材料を含み得る。材料は、限定ではないが、ポリエステル；ポリオレフィンテレフタレート；ポリ（エチレン）ナフタレート；ポリカーボネート（例えば、レーヨン、ナイロン）；綿（例えば、ＤｕＰｏｎｔ社製ライクラ）；カーボン（例えば、グラファイト）；ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）；酸化ＰＡＮ、未炭化熱処理ＰＡＮ（ＳＧＬ ｃａｒｂｏｎ社製のもの等）；ガラスまたはグラスファイバー系材料（Ｓガラス、９０１ガラス、９０２ガラス、４７５ガラス、Ｅガラス等）；石英等のシリカ系ファイバー（例えば、Ｓａｉｎｔ－Ｇｏｂａｉｎ社製のＱｕａｒｔｚｅｌ）；Ｑ－フェルト（Ｊｏｈｎｓ Ｍａｎｖｉｌｌｅ社製）、サフィル（Ｓａｆｆｉｌ社製）、デュラブランケット（Ｕｎｉｆｒａｘ社製）、及び他のシリカ繊維、デュラバック（Ｃａｒｂｏｒｕｎｄｕｍ社製）、ケブラー、ノーメックス、ソンテラ（全て、ＤｕＰｏｎｔ社製）、コーネックス（Ｔａｉｊｉｎ社製）等のポリアラミド繊維；タイベック（ＤｕＰｏｎｔ社製）、ダイニーマ（ＤＳＭ社製）、スペクトラ（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ社製）等のポリオレフィン；タイパー、ザバーン（両方とも、ＤｕＰｏｎｔ社製）等のその他のポリプロピレン繊維；テフロン（ＤｕＰｏｎｔ社製）、Ｇｏｒｅｔｅｘ（Ｗ．Ｌ．ＧＯＲＥ社製）という商品名を持つＰＴＦＥ等のフッ素ポリマー；ニカロン（ＣＯＩ Ｃｅｒａｍｉｃｓ社製）等の炭化ケイ素繊維；ネクステル（３Ｍ社製）等のセラミック繊維；アクリルポリマー；ウール、シルク、麻、皮革、スエード等の繊維；ＰＢＯ－ザイロン繊維（Ｔｙｏｂｏ社製）、Ｖｅｃｔａｎ（Ｈｏｅｃｈｓｔ社製）、Ｃａｍｂｒｅｌｌｅ繊維（ＤｕＰｏｎｔ社製）等の液晶材料；ポリウレタン、ポリアミド、木質繊維、ボロン、アルミニウム、鉄、ステンレス鋼繊維、及びＰＥＥＫ、ＰＥＳ、ＰＥＩ、ＰＥＫ、ＰＰＳ等の他の熱可塑性プラスチック、が挙げられる。ガラスまたは繊維ガラス系繊維補強材は、１つ以上の技術を使用して製造され得る。特定の実施形態では、カーディング及びクロスラッピングまたはエアレイドプロセスを使用して、それらの材料を作るのが望ましい。例示的な実施形態では、カーディング及びクロスラッピングされたガラスまたは繊維ガラス系繊維補強材は、エアレイド材料に勝る特定の利点をもたらす。例えば、カーディング及びクロスラッピングされたガラスまたは繊維ガラス系繊維補強材は、補強材の所与の基本重量に対する一貫した材料厚を提供できる。特定の追加の実施形態では、最終的なエアロゲル組成物の機械特性及び他の特性を高めるために、ｚ方向に繊維を織り合わせる必要があり、繊維補強材をさらにニードル加工するのが望ましい。
【0196】
本開示の文脈内で、「熱暴走」への言及は、概して、様々な動作要因によるセル温度及び圧力の突然の増加、急速な増加を指し、熱暴走は、さらには、関連のモジュール全体にわたって過度温度の伝播をもたらす可能性がある。そのようなシステムで熱暴走の潜在的な原因は、例えば、セルの欠陥及び／または短絡（内部及び外部の両方）、過充電、事故のイベント等のセルの絶縁破壊または断裂等、及び過度周辺温度（例えば、一般的に５５℃よりも大きい温度）を含み得る。通常の使用では、内部抵抗の結果として、セルは加熱する。通常の電力／電流の負荷及び周囲動作状態において、ほとんどのＬｉイオンのセル内の温度は、２０℃～５５℃の範囲にととどまるように比較的容易に制御できる。しかしながら、高いセル／周辺温度における高電力の引き出し、同様に個々のセルの欠陥等の負担のかかる状態では、局所発熱が急に増加し得る。特に、臨界温度を上回ると、セル内の発熱化学反応は活性化する。さらに、一般的に、化学的発熱により、温度が急激に増加する。結果として、発熱は利用可能な熱放散よりもはるかに大きい。熱暴走により、セルの通気口及び内部の温度が２００℃を超える可能性がある。
【0197】
本開示の文脈内で、「発泡体」という用語は、対応する網状組織または細孔の集合が骨格内で統合される、実質的に均一な組成物の相互接続ポリマー構造の骨格を含む材料を指し、発泡体は、ある割合のガスが気泡の形態で液体中または樹脂発泡体材料中に分散することによって形成され、その結果、気泡は、発泡体材料が固体構造を凝固するとき、細孔として保持される。概して、様々な種類のプロセスを使用して、発泡体を作ることができる。これは、例えば、米国特許第６，１４７，１３４号、第５，８８９，０７１号、第６，１８７，８３１号、及び第５，２２９，４２９号を参照されたい。したがって、本開示の発泡体材料は、この段落で記載された定義した要素を満足するいずれかの材料を含み、それ以外の場合、ＯＣＭＦ材料、マクロポーラス材料等として分類できる化合物を含む。本開示で定義される発泡体は、熱可塑性、エラストマー、及び熱硬化性樹脂（デュロマー）のタイプであり得る。
【0198】
本開示の文脈内で、「柔軟性のある」及び「柔軟性」という用語は、マクロ構造の故障がなく、材料または組成物が曲がるまたは屈曲する能力を指す。本開示の絶縁層は、巨視的故障がなく、少なくとも５°、少なくとも２５°、少なくとも４５°、少なくとも６５°、もしくは少なくとも８５°で曲がることが可能である、及び／または巨視的故障がなく、４フィート未満、２フィート未満、１フィート未満、６インチ未満未満、３インチ未満、２インチ未満、１インチ未満、もしくはＵインチ未満の曲げ半径を有する。同様に、「高い柔軟性がある」または「高い柔軟性」という用語は、巨視的故障がなく、少なくとも９０°まで曲がることが可能である材料、及び／またはＵインチ未満の曲げ半径を有する材料を指す。さらに、「分類された柔軟性」及び「柔軟性として分類される」という用語は、ＡＳＴＭ Ｃ１１０１（ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｗｅｓｔ Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ，ＰＡ）に従って、柔軟性があるとして分類できる材料または組成物を指す。
【0199】
本開示の絶縁層は、柔軟性があり得る、より高度な柔軟性があり得る、及び／または分類された柔軟性があり得る。また、本開示のエアロゲル組成物はドレープ可能でもあり得る。本開示の文脈内で、「ドレープ可能」及び「ドレープ能力」という用語は、巨視的故障がなく、約４インチ以下の曲率半径がある材料が９０°以上曲がるまたは屈曲する能力を指す。本開示の特定の実施形態に従った絶縁層は、組成物が非剛性であるように柔軟性があり、そして、組成物は、３次元の表面または物体に適用及び適合し得る、または設置もしくは適用を簡素にするために様々な形状及び構成にプレフォームされ得る。
【0200】
本開示の文脈内で、「添加剤」または「添加元素」という用語は、エアロゲル生成の前、最中、または後に、エアロゲル組成物に追加され得る材料を指す。添加剤を追加して、エアロゲルの望ましい特性を変質もしくは改善し得る、またはエアロゲルの望ましくない特性を弱め得る。一般的に、添加剤はエアロゲル材料に追加され、これは、前駆体液体へのゲル化前、遷移状態材料へのゲル化中、または固体材料もしくは半固体材料へのゲル化後、のいずれか一方で行われる。
【0201】
添加剤の例は、限定ではないが、マイクロファイバー、充填剤、補強剤、安定剤、増粘剤、弾性化合物、乳白剤、着色化合物または顔料化合物、放射線吸収化合物、放射線反射化合物、防火等級添加剤、腐食防止剤、熱伝導成分、熱キャパシタンスを提供する成分、相変化材料、ｐＨ調整剤、レドックス調整剤、ＨＣＮ緩和剤、オフガス緩和剤、導電性化合物、誘電性化合物、磁性化合物、レーダー遮断成分、硬化剤、収縮防止剤、及び当業者に既知の他のエアロゲル添加剤を含む。いくつかの実施形態では、熱容量を提供する成分は、少なくとも約０．３Ｊ／（ｇ・℃）の比熱容量を有する材料を含み得る。いくつかの実施形態では、熱キャパシタンスを提供する材料は、少なくとも約０．５Ｊ／（ｇ・℃）の比熱容量を有する。例えば、熱容量を提供する材料は、アルミニウム、チタン、ニッケル、スチール、鉄、またはそれらの組み合わせ等の金属を含み得る。いくつかの実施形態では、多層材料は、熱キャパシタンスを提供する材料の１つ以上の層またはコーティングを含み得る。いくつかの実施形態では、多層材料は、エアロゲル組成物を含む１つ以上の絶縁層内に配置された熱キャパシタンスを提供する材料の粒子を含み得る。
【0202】
特定の実施形態では、本明細書に開示されるエアロゲル組成物、補強エアロゲル組成物、及び多層材料は、高温イベント中に行うことができ、例えば、本明細書に開示されるような高温イベント中、熱保護を提供できる。高温イベントは、少なくとも２秒間で少なくとも約１ｃｍ２のエリアにわたって、少なくとも約２５ｋＷ／ｍ２、少なくとも約３０ｋＷ／ｍ２、少なくとも約３５ｋＷ／ｍ２、または少なくとも約４０ｋＷ／ｍ２の熱流束の持続を特徴とする。約４０ｋＷ／ｍ２の熱流束は、一般的な火から生じる熱流束と関連付けられている（Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ Ｃｈａｒｒｉｎｇ Ｓｏｌｉｄｓ ｕｎｄｅｒ Ｆｉｒｅ－Ｌｅｖｅｌ Ｈｅａｔ Ｆｌｕｘｅｓ；Ｍｉｌｏｓａｖｌｊｅｖｉｃ，Ｉ．，Ｓｕｕｂｅｒｇ，Ｅ．Ｍ．；ＮＩＳＴＩＲ ５４９９；Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ １９９４）。特殊な場合、高温イベントは、少なくとも１分の期間中、少なくとも約１０ｃｍ２のエリアにわたって約４０ｋＷ／ｍの熱流束である。
【0203】
本開示の文脈内で、「熱伝導率」及び「ＴＣ」という用語は、２つの表面の間で温度差がある材料または組成物のいずれかの側の２つの表面の間に熱を伝達する材料または組成物の能力の測定値を指す。熱伝導率は、具体的には、単位時間毎に及び単位表面積毎に伝達された熱エネルギーを温度差で割ったものとして測定される。通常、ＳＩ単位でｍＷ／ｍ＊Ｋ（ミリワット／メートル＊ケルビン）として記録される。材料の熱伝導率は、当技術分野で既知の以下の試験方法によって判定され得る。試験方法は、限定ではないが、Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｓｔｅａｄｙ－Ｓｔａｔｅ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｂｙ Ｍｅａｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｅａｔ Ｆｌｏｗ Ｍｅｔｅｒ Ａｐｐａｒａｔｕｓ（ＡＳＴＭ Ｃ５１８，ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｗｅｓｔ Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ，ＰＡ）、Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｓｔｅａｄｙ－Ｓｔａｔｅ Ｈｅａｔ Ｆｌｕｘ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｂｙ Ｍｅａｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｇｕａｒｄｅｄ－Ｈｏｔ－Ｐｌａｔｅ Ａｐｐａｒａｔｕｓ（ＡＳＴＭ Ｃ１７７，ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｗｅｓｔ Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ，ＰＡ）、Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｓｔｅａｄｙ－Ｓｔａｔｅ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｐｉｐｅ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ（ＡＳＴＭ Ｃ３３５，ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｗｅｓｔ Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ，ＰＡ）、Ｔｈｉｎ Ｈｅａｔｅｒ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ Ｔｅｓｔ（ＡＳＴＭ Ｃ１１１４，ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｗｅｓｔ Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ，ＰＡ）、Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（ＡＳＴＭ Ｄ５４７０，ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｗｅｓｔ Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ，ＰＡ）、Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｇｕａｒｄｅｄ ｈｏｔ ｐｌａｔｅ ａｎｄ ｈｅａｔ ｆｌｏｗ ｍｅｔｅｒ ｍｅｔｈｏｄｓ（ＥＮ １２６６７，Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ，Ｕｎｉｔｅｄ Ｋｉｎｇｄｏｍ）、またはＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ－Ｇｕａｒｄｅｄ ｈｏｔ ｐｌａｔｅ ａｐｐａｒａｔｕｓ（ＩＳＯ ８２０３，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ，Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ）を含む。場合によって異なる結果をもたらす異なる方法により、本開示の文脈内で、明示的に別段の定めをした場合を除き、熱伝導率の測定値は、周囲環境の大気圧で約３７．５℃の温度で、また約２ｐｓｉの圧縮負荷がかかるとき、ＡＳＴＭ Ｃ５１８規格（Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｓｔｅａｄｙ－Ｓｔａｔｅ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｂｙ Ｍｅａｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｅａｔ Ｆｌｏｗ Ｍｅｔｅｒ Ａｐｐａｒａｔｕｓ）に従って取得されることを理解されたい。ＡＳＴＭ Ｃ５１８のとおり報告された測定値は、一般的に、圧縮負荷に対するいずれかの関連の調整でＥＮ１２６６７のとおり行われた測定値のいずれかと十分に相関関係がある。
【0204】
また、熱伝導率の測定値は、圧縮時の大気圧において約１０℃の温度で獲得できる。１０℃における熱伝導率の測定値は、概して、３７．５℃における対応する熱伝導率の測定値よりも低い０．５～０．７ｍＷ／ｍＫである。特定の実施形態では、本開示の絶縁層は、１０℃において、約４０ｍＷ／ｍＫ以下、約３０ｍＷ／ｍＫ以下、約２５ｍＷ／ｍＫ以下、約２０ｍＷ／ｍＫ以下、約１８ｍＷ／ｍＫ以下、約１６ｍＷ／ｍＫ以下、約１４ｍＷ／ｍＫ以下、約１２ｍＷ／ｍＫ以下、約１０ｍＷ／ｍＫ以下、約５ｍＷ／ｍＫ以下、またはこれらの値のうちのいずれか２つの間の範囲の熱伝導率を有する。
【0205】
本開示の文脈内で、「密度」という用語は、材料または組成物の単位体積毎の質量の測定値を指す。「密度」という用語は、概して、材料の見掛け密度を指し、同様に、組成物のかさ密度を指す。密度は、一般的に、ｋｇ／ｍ３またはｇ／ｃｃとして記録される。材料または組成物の密度、例えばエアロゲルの密度は、当技術分野で既知の以下の方法によって判定され得る。方法は、限定ではないが、Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ａｎｄ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｒｅｆｏｒｍｅｄ Ｂｌｏｃｋ ａｎｄ Ｂｏａｒｄ－Ｔｙｐｅ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ（ＡＳＴＭ Ｃ３０３，ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｗｅｓｔ Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ，ＰＡ）、Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ａｎｄ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｂｌａｎｋｅｔ ｏｒ Ｂａｔｔ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｓ（ＡＳＴＭ Ｃ１６７，ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｗｅｓｔ Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ，ＰＡ）、Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐａｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｐｒｅｆｏｒｍｅｄ ｐｉｐｅ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ（ＥＮ １３４７０，Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ，Ｕｎｉｔｅｄ Ｋｉｎｇｄｏｍ）、またはＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐａｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｐｒｅｆｏｒｍｅｄ ｐｉｐｅ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ（ＩＳＯ １８０９８，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ，Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ）を含む。場合によって異なる結果をもたらす異なる方法により、本開示の文脈内で、密度の測定値は、特に記載がない限り、２ｐｓｉの圧縮力で、厚さ測定のために、ＡＳＴＭ Ｃ１６７規格（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ａｎｄ Ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｂｌａｎｋｅｔ ｏｒ Ｂａｔｔ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｓ）に従って得られることを理解されたい。特定の実施形態では、本開示のエアロゲル材料または組成物は、約１．０ｇ／ｃｃ以下、約０．９０ｇ／ｃｃ以下、約０．８０ｇ／ｃｃ以下、約０．７０ｇ／ｃｃ以下、約０．６０ｇ／ｃｃ以下、約０．５０ｇ／ｃｃ以下、約０．４０ｇ／ｃｃ以下、約０．３０ｇ／ｃｃ以下、約０．２５ｇ／ｃｃ以下、約０．２０ｇ／ｃｃ以下、約０．１８ｇ／ｃｃ以下、約０．１６ｇ／ｃｃ以下、約０．１４ｇ／ｃｃ以下、約０．１２ｇ／ｃｃ以下、約０．１０ｇ／ｃｃ以下、約０．０５ｇ／ｃｃ以下、約０．０１ｇ／ｃｃ以下、またはこれらの値のうちのいずれか２つの間の範囲の密度を有する。
【0206】
エアロゲル材料または組成物の疎水性は、水蒸気摂取量に関して表すことができる。本開示の文脈内で、「水蒸気摂取量」という用語は、水蒸気を吸収するエアロゲル材料または組成物の潜在力の測定値を指す。水蒸気摂取量は、特定の測定条件で水蒸気に曝されるとき、エアロゲル材料または組成物が吸収する、またはそうでなければ保持する水のパーセント（重量）として表すことができる。エアロゲル材料または組成物の水蒸気摂取量は、当技術分野で既知の方法によって判定され得る。既知の方法は、限定ではないが、Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｔｈｅ Ｗａｔｅｒ Ｖａｐｏｒ Ｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ Ｕｎｆａｃｅｄ Ｍｉｎｅｒａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ（ＡＳＴＭ Ｃ１１０４，ＡＳＴＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｗｅｓｔ Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ，ＰＡ）、Ｔｈｅｒｍａｌ ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｆｏｒ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｎｇ ｔｅｒｍ ｗａｔｅｒ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｂｙ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ（ＥＮ １２０８８，Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ，Ｕｎｉｔｅｄ Ｋｉｎｇｄｏｍ）を含む。場合によって異なる結果をもたらす異なる方法により、本開示の文脈内で、水蒸気摂取量の測定値は、特に記載がない限り、周囲圧力下で２４時間（ＡＳＴＭ Ｃ１１０４規格に従って９６時間から修正した）にわたって４９℃及び湿度９５％で、ＡＳＴＭ Ｃ１１０４規格（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｔｈｅ Ｗａｔｅｒ Ｖａｐｏｒ Ｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ Ｕｎｆａｃｅｄ Ｍｉｎｅｒａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ）に従って得られることを理解されたい。特定の実施形態では、本開示のエアロゲル材料または組成物は、約５０ｗｔ％以下、約４０ｗｔ％以下、約３０ｗｔ％以下、約２０ｗｔ％以下、約１５ｗｔ％以下、約１０ｗｔ％以下、約８ｗｔ％以下、約３ｗｔ％以下、約２ｗｔ％以下、約１ｗｔ％以下、約０．１ｗｔ％以下、またはこれらの値のうちのいずれか２つの間の範囲の水蒸気摂取量を有し得る。別のエアロゲル材料または組成物と比べて水蒸気摂取量が改善されているエアロゲル材料または組成物は、基準のエアロゲル材料または組成物と比べて、水蒸気の摂取量／保有量の割合が低くなる。
【0207】
エアロゲル材料または組成物の疎水性は、材料の表面との界面で水滴の平衡接触角を測定することによって表すことができる。本開示のエアロゲル材料または組成物は、約９０°以上、約１２０°以上、約１３０°以上、約１４０°以上、約１５０°以上、約１６０°以上、約１７０°以上、約１７５°以上、またはこれらの値のうちのいずれか２つの間の範囲の水接触角を有し得る。
【0208】
本開示の文脈内で、「燃焼熱」、「ＨＯＣ」、及び「ＡＨＣ」という用語は、材料または組成物の燃焼または発熱分解で放出された熱エネルギー量の測定値を指す。燃焼熱は、一般的に、エアロゲル材料または組成物のグラム毎に放出された熱エネルギーのカロリー（ｃａｌ／ｇ）の単位で、または材料もしくは組成物のキログラム毎に放出された熱エネルギーのメガジュール（ＭＪ／ｋｇ）の単位で記録される。材料または組成物の燃焼熱は、当技術分野で既知の方法によって判定され得る、限定ではないが、Ｒｅａｃｔｉｏｎ ｔｏ ｆｉｒｅ ｔｅｓｔｓ ｆｏｒ ｐｒｏｄｕｃｔｓ－Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒｏｓｓ ｈｅａｔ ｏｆ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ（ｃａｌｏｒｉｆｉｃ ｖａｌｕｅ）（ＥＮ ＩＳＯ １７１６，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ，Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ；ＥＮ ａｄｏｐｔｅｄ）を含む。本開示の文脈内で、燃焼熱の測定値は、特に記載がない限り、ＥＮ ＩＳＯ１７１６規格（Ｒｅａｃｔｉｏｎ ｔｏ ｆｉｒｅ ｔｅｓｔｓ ｆｏｒ ｐｒｏｄｕｃｔｓ－Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒｏｓｓ ｈｅａｔ ｏｆ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ（ｃａｌｏｒｉｆｉｃ ｖａｌｕｅ））に従って獲得される。
【0209】
本開示の文脈内で、全ての熱分析及び関連の定義は、空気が周囲圧力で、２５℃で開始し、毎分２０℃の速度で最大１０００℃まで上昇する条件で行われた測定値が参照されている。したがって、熱分解の開始温度、放熱のピーク温度、熱吸収のピーク温度等を測定及び計算する際に、これらのパラメーターのいずれかの変化を考慮する必要がある（または、これらの条件下で再度行う必要がある）。
【0210】
本開示の文脈内で、「熱分解の開始温度」及び「ＴＤ」という用語は、有機材料の分解からの急速な発熱反応が材料または組成物の中に現れる環境熱の最低温度の測定値を指す。熱重量分析（ＴＧＡ）を使用して、材料または組成物の中の有機材料の熱分解の開始温度を測定し得る。材料のＴＧＡ曲線は、周囲温度の増加に材料が曝されるときの材料の重量損失（％質量）を示し、したがって熱分解を示す。材料の熱分解の開始温度は以下のＴＧＡ曲線の接線の交点：ＴＧＡ曲線の基線に接する直線、及び、有機材料の分解に関する急速な発熱分解イベント中の最大傾斜点でＴＧＡ曲線に接する直線と相関関係があり得る。本開示の文脈内で、有機材料の熱分解の開始温度の測定値は、特に記載がない限り、この段落で提供されるようなＴＧＡ分析を使用して獲得される。
【0211】
また、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）分析を使用して、材料の熱分解の開始温度を測定し得る。材料のＤＳＣ曲線は、材料が周囲温度の漸増に曝されるとき、材料によって放出された熱エネルギー（ｍＷ／ｍｇ）を示す。材料の熱分解の開始温度は、ΔｍＷ／ｍｇ（熱エネルギー出力の変化）が最大で増加するＤＳＣ曲線の点と相関関係があり得、したがって、ＤＳＣ曲線はエアロゲル材料からの発熱生成量を示す。本開示の文脈内で、ＤＳＣ、ＴＧＡ、またはそれら両方を使用する熱分解の開始温度の測定値は、特に明確に記載しない限り、前述の段落でさらに定義された２０℃／分の温度上昇速度を使用して得られる。ＤＳＣ及びＴＧＡは、それぞれ、この熱分解の開始温度と同様の値を提供し、何回も、試験が同時に実行されることにより、試験結果はＤＳＣ及びＴＧＡの両方から取得される。
【0212】
本開示の文脈内で、「吸熱分解の開始温度」及び「ＴＥＤ」という用語は、分解または脱水からの吸熱反応が材料または組成物の中に現れる環境熱の最低温度の測定値を指す。熱重量分析（ＴＧＡ）を使用して、材料または組成物の中の吸熱分解の開始温度を測定し得る。材料のＴＧＡ曲線は、周囲温度の増加に材料が曝されるときの材料の重量損失（％質量）を示す。材料の熱分解の開始温度は以下のＴＧＡ曲線の接線の交点：ＴＧＡ曲線の基線に接する直線、及び、材料の急速な吸熱分解または脱水の期間中の最大傾斜点でＴＧＡ曲線に接する直線と相関関係があり得る。本開示の文脈内で、材料または組成物の吸熱分解の開始温度の測定値は、特に記載がない限り、この段落で提供されるようなＴＧＡ分析を使用して獲得される。
【0213】
本開示の文脈内で、「炉温上昇」及び「ΔＴＲ」という用語は、熱分解状態下での材料または組成物の最大温度（ＴＭＡＸ）を、熱分解状態（通常、最終温度またはＴＦＩＮ）のその材料または組成物の基準温度と比べた差の測定値を指す。炉温上昇は、一般的に、セ氏温度または℃の単位で記録される。材料または組成物の炉温上昇は、限定ではないが、Ｒｅａｃｔｉｏｎ ｔｏ ｆｉｒｅ ｔｅｓｔｓ ｆｏｒ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａｎｄ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｐｒｏｄｕｃｔｓ：Ｎｏｎ－ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｉｌｉｔｙ ｔｅｓｔ（ＥＮ ＩＳＯ １１８２，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ，Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ；ＥＮ ａｄｏｐｔｅｄ）を含む、当技術分野で既知の方法によって判定され得る。本開示の文脈内で、炉温上昇の測定値は、特に記載がない限り、ＥＮ ＩＳＯ １１８２規格（Ｒｅａｃｔｉｏｎ ｔｏ ｆｉｒｅ ｔｅｓｔｓ ｆｏｒ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａｎｄ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｐｒｏｄｕｃｔｓ：Ｎｏｎ－ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｉｌｉｔｙ ｔｅｓｔ）と同等の条件に従って得られる。特定の実施形態では、本開示のエアロゲル組成物は、約１００℃以下、約９０℃以下、約８０℃以下、約７０℃以下、約６０℃以下、約５０℃以下、約４５℃以下、約４０℃以下、約３８℃以下、約３６℃以下、約３４℃以下、約３２℃以下、約３０℃以下、約２８℃以下、約２６℃以下、約２４℃以下、またはこれらの値のうちのいずれか２つの間の範囲の炉温上昇をもたらし得る。昇温での組成物の安定性の状況の範囲内で、例えば、第２の組成物の炉温上昇よりも低い炉温上昇を有する第１の組成物について、第２の組成物よりも第１の組成物のほうが改善することが考えられるであろう。本明細書では、組成物と比較して、１つ以上の防火等級添加剤を追加するとき、組成物の炉温上昇は減ることが想到される。
【0214】
本開示の文脈内で、「火炎時間」及び「ＴＦＬＡＭＥ」という用語は、熱分解状態下での材料または組成物の火炎の持続時間の測定値を指し、「火炎時間の持続時間」は、５秒以上続く検査サンプルの可視部のいずれかの部分での火炎の存続時間である。火炎時間は、一般的に、秒または分の単位で記録される。材料または組成物の火炎時間は、限定ではないが、Ｒｅａｃｔｉｏｎ ｔｏ ｆｉｒｅ ｔｅｓｔｓ ｆｏｒ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａｎｄ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｐｒｏｄｕｃｔｓ：Ｎｏｎ－ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｉｌｉｔｙ ｔｅｓｔ（ＥＮ ＩＳＯ １１８２，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ，Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ；ＥＮ ａｄｏｐｔｅｄ）を含む、当技術分野で既知の方法によって判定され得る。本開示の文脈内で、火炎時間の測定値は、特に記載がない限り、ＥＮ ＩＳＯ１１８２規格（Ｒｅａｃｔｉｏｎ ｔｏ ｆｉｒｅ ｔｅｓｔｓ ｆｏｒ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａｎｄ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｐｒｏｄｕｃｔｓ：Ｎｏｎ－ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｉｌｉｔｙ ｔｅｓｔ）と同等の条件に従って得られる。特定の実施形態では、本開示のエアロゲル組成物は、約３０秒以下、約２５秒以下、約２０秒以下、約１５秒以下、約１０秒以下、約５秒以下、約２秒以下、またはこれらの値のうちのいずれか２つの間の範囲の火炎時間を有する。本明細書の文脈内で、例えば、第２の組成物の火炎時間よりも短い火炎時間を有する第１の組成物について、第２の組成物よりも第１の組成物のほうが改善することが考えられるであろう。本明細書では、いずれかの防火等級添加剤を含まない組成物と比較して、１つ以上の防火等級添加剤を追加するとき、組成物の火炎時間は短縮されることが想到される。
【0215】
本開示の文脈内で、「質量損失」及び「ΔＭ」という用語は、熱分解状態下で、損失するまたは焼却される材料、組成物、または合成物の量の測定値を指す。質量損失は、一般的に、重量パーセントまたはｗｔ％単位で記録される。材料、組成物、または合成物の質量損失は、限定ではないが、Ｒｅａｃｔｉｏｎ ｔｏ ｆｉｒｅ ｔｅｓｔｓ ｆｏｒ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａｎｄ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｐｒｏｄｕｃｔｓ：Ｎｏｎｃｏｍｂｕｓｔｉｂｉｌｉｔｙ ｔｅｓｔ（ＥＮ ＩＳＯ １１８２，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ，Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ；ＥＮ ａｄｏｐｔｅｄ）を含む、当技術分野で既知の方法によって判定され得る。本開示の文脈内で、質量損失の測定値は、特に記載がない限り、ＥＮ ＩＳＯ１１８２規格（Ｒｅａｃｔｉｏｎ ｔｏ ｆｉｒｅ ｔｅｓｔｓ ｆｏｒ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａｎｄ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｐｒｏｄｕｃｔｓ：Ｎｏｎ－ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｉｌｉｔｙ ｔｅｓｔ）と同等の条件に従って得られる。特定の実施形態では、本開示の絶縁層またはエアロゲル組成物は、約５０％以下、約４０％以下、約３０％以下、約２８％以下、約２６％以下、約２４％以下、約２２％以下、約２０％以下、約１８％以下、約１６％以下、またはこれらの値のうちのいずれか２つの間の範囲の質量損失を有し得る。本明細書の文脈内で、例えば、第２の組成物の質量損失よりも小さい質量損失を有する第１の組成物について、第２の組成物よりも第１の組成物のほうが改善することが考えられるであろう。本明細書では、いずれかの防火等級添加剤を含まない組成物と比較して、１つ以上の防火等級添加剤を追加するとき、組成物の質量損失は減ることが想到される。
【0216】
本開示の文脈内で、「放熱のピーク温度」という用語は、分解からの発熱放熱が最大である環境熱の温度の測定値を指す。ＴＧＡ分析、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）、またはそれらの組み合わせを使用して、材料または組成物の放熱のピーク温度を測定し得る。ＤＳＣ及びＴＧＡは、それぞれ、放熱のピーク温度の同様の値を提供するであろう。そして、何回も、試験は同時に実行されることにより、結果はＤＳＣ及びＴＧＡの両方から取得される。一般的なＤＳＣ分析では、熱流は昇温に対してプロットされ、放熱のピーク温度は、そのような曲線の最高ピークが発生する温度である。本開示の文脈内で、材料または組成物の放熱のピーク温度の測定値は、特に記載がない限り、この段落で提供されるようなＴＧＡ分析を使用して得られる。
【0217】
吸熱材料に関連して、「熱吸収のピーク温度」という用語は、分解からの吸熱の熱吸収が最大である環境熱の温度の測定値を指す。ＴＧＡ分析、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）、またはそれらの組み合わせを使用して、材料または組成物の熱吸収のピーク温度を測定し得る。一般的なＤＳＣ分析では、熱流は昇温に対してプロットされ、熱吸収のピーク温度は、そのような曲線の最低ピークが発生する温度である。本開示の文脈内で、材料または組成物の熱吸収のピーク温度の測定値は、特に記載がない限り、この段落で提供されるようなＴＧＡ分析を使用して得られる。
【0218】
本開示の文脈内で、「低可燃性」及び「低可燃性の」という用語は、以下、ｉ）５０℃以下の炉温上昇、ｉｉ）２０秒以下の火炎時間、及びｉｉｉ）５０ｗｔ％以下の質量損失、の特性の組み合わせを満たす材料または組成物を指す。本開示の文脈内で、「不燃性」及び「不燃性の」という用語は、以下、ｉ）４０℃以下の炉温上昇、ｉｉ）２秒以下の火炎時間、及びｉｉｉ）３０ｗｔ％以下の質量損失、の特性の組み合わせを満たす材料または組成物を指す。本明細書に説明されるように、組成物の可燃性（例えば、炉温上昇、火炎時間、及び質量損失の組み合わせ）が１つ以上の防火等級添加剤の含有物に応じて減ることが想到される。
【0219】
本開示の文脈内で、「低燃焼性」及び「低燃焼性の」という用語は、３ＭＪ／ｋｇ以下の燃焼熱（ＨＯＣ）の合計を有する低可燃性の材料または組成物を指す。本開示の文脈内で、「不燃焼性」及び「不燃焼性の」という用語は、２ＭＪ／ｋｇ以下の燃焼熱（ＨＯＣ）を有する不燃焼性の材料または組成物を指す。本明細書に説明されるように、組成物のＨＯＣが１つ以上の防火等級添加剤の含有物に応じて減ることが想到される。
【0220】
本開示の文脈内で、「疎水性結合シリコン」という用語は、シリコン原子に共有結合された少なくとも１つの疎水基を含むゲルまたはエアロゲルの骨格内のシリコン原子を指す。疎水性結合シリコンの例は、限定ではないが、少なくとも１つの疎水基（ＭＴＥＳまたはＤＭＤＳ等）を含むゲル前駆体から形成されるゲル骨格内のシリカ基のシリコン原子を含む。疎水性結合シリコンは、また、限定ではないが、追加の疎水基を組成物に混和することによって、疎水性を付与または改善するために、疎水化剤（ＨＭＤＺ等）で処置されるゲル骨格またはゲルの表面上にシリコン原子を含み得る。本開示の疎水基は、限定ではないが、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソプロピル基、ｔｅｒｔ－ブチル基、オクチル基、フェニル基、または当業者に既知の他の置換もしくは非置換の疎水性有機基を含む。本開示の文脈内で、「疎水基」、「疎水性有機材料」、及び「疎水性有機含量」という用語について、具体的には、有機溶媒とシラノール基との反応生成物であるゲル材料の骨格上の易加水分解性有機シリコン結合アルコキシ基が除外される。そのような除外された基は、ＮＭＲ分析によって、この疎水性有機含量と区別可能である。ＣＰ／ＭＡＳ２９Ｓｉ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ ＮＭＲ等のＮＭＲ分光法を使用して、エアロゲルに封じ込められた疎水性結合シリコンの量を分析できる。エアロゲルのＮＭＲ分析は、Ｍ型疎水性結合シリコン（ＴＭＳ誘導体等の単官能性シリカ）、Ｄ型疎水性結合シリコン（ＤＭＤＳ誘導体等の二官能性シリカ）、Ｔ型疎水性結合シリコン（ＭＴＥＳ誘導体等の三官能性シリカ）、及びＱ型シリコン（ＴＥＯＳ誘導体等の四官能性シリカ）の特性評価及び関連の定量化を可能にする。また、ＮＭＲ分析を使用して、特定のタイプの疎水性結合シリコンをサブタイプにカテゴリー化すること（Ｔ型疎水性シリコンをＴ１種、Ｔ２種、及びＴ３種にカテゴリー化すること等）が可能になることによって、エアロゲルに含有された疎水性シリコンの結合化学も分析できる。シリカ材料のＮＭＲ分析に関する具体的詳細は、Ｇｅｐｐｉ ｅｔ ａｌ．による論文「Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ ＮＭＲ ｔｏ ｔｈｅ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｏｒｇａｎｉｃ／Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ Ｍｕｌｔｉｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」（Ａｐｐｌ．Ｓｐｅｃ．Ｒｅｖ．（２００８），４４－１：１－８９）、具体的には７～９ページで見つけることができ、これは、本明細書によって、具体的に引用したページに従って参照によって組み込まれる。
【0221】
ＣＰ／ＭＡＳ２９ＳｉＮＭＲでの疎水性結合シリコンの特性評価は、以下の化学シフトのピークに基づいて分析できる。Ｍｌ（３０～１０ｐｐｍ）；ＤＩ（１０～－１０ｐｐｍ）、Ｄ２（－１０～－２０ｐｐｍ）；Ｔ１（－３０～－４０ｐｐｍ）、Ｔ２（－４０～－５０ｐｐｍ）、Ｔ３（－５０～－７０ｐｐｍ）；Ｑ２（－７０～－８５ｐｐｍ）、Ｑ３（－８５～－９５ｐｐｍ）、Ｑ４（－９５～－１１０ｐｐｍ）。これらの化学シフトピークは概算及び例示的であり、制限または限定することが意図されない。材料内の様々なシリコン種に起因する正確な化学シフトピークは、材料の特有の化学成分に依存する可能性があり、概して、当業者はルーチンの実験及び分析によって解読できる。
【0222】
本開示の文脈内で、「疎水性有機含量」または「疎水性物質含量」または「疎水性含量」という用語は、エアロゲル材料または組成物の骨格に結合された疎水性有機材料の量を指す。エアロゲル材料または組成物の疎水性有機含量は、エアロゲル材料または組成物の材料の総量と比べた、エアロゲル骨格上の疎水性有機材料の量の重量パーセントとして表すことができる。疎水性有機含量は、エアロゲル材料または組成物を生成する際に使用される材料の性質及び関連の濃度に基づいて、当業者によって計算できる。また、好ましくは酸素雰囲気で対象材料の熱重量分析（ＴＧＡ）を使用して、疎水性有機含量を測定できる（但し、代替のガス環境下のＴＧＡも有用である）。具体的には、エアロゲルの疎水性有機材料の割合は、ＴＧＡ分析中に燃焼熱温度に曝されるとき、疎水性エアロゲル材料または組成物の重量損失の割合と相関関係があり得、ＴＧＡ分析中、水分の損失、残りの溶媒の損失、及び易加水分解性アルコキシ基の損失に対して調整が行われる。示差走査熱量測定、元素分析（特に炭素）、クロマトグラフの技術、核磁気共鳴スペクトル、及び当業者に既知の他の分析技術等の他の代替の技術を使用して、本開示のエアロゲル組成物の疎水性含量を測定及び判定し得る。場合によっては、既知の技術の組み合わせは、本開示のエアロゲル組成物の疎水性含量を判定する際に有用または必要であり得る。
【0223】
本開示のエアロゲル材料または組成物は、５０ｗｔ％以下、４０ｗｔ％以下、３０ｗｔ％以下、２５ｗｔ％以下、２０ｗｔ％以下、１５ｗｔ％以下、１０ｗｔ％以下、８ｗｔ％以下、６ｗｔ％以下、５ｗｔ％以下、４ｗｔ％以下、３ｗｔ％以下、２ｗｔ％以下、１ｗｔ％以下、またはこれらの値のうちのいずれか２つの間の範囲の疎水性有機含量を有し得る。
【0224】
「燃料含量」という用語は、エアロゲル材料または組成物の可燃物の総量を指し、燃料含量は、ＴＧＡ分析中またはＴＧ－ＤＳＣ分析中に燃焼熱温度に曝されるとき、エアロゲル材料または組成物の重量損失の合計割合と相関関係があり得、水分の損失に対して調整が行われる。エアロゲル材料または組成物の燃料含量は、疎水性有機含量、ならびに他の可燃性残留アルコール溶媒、充填材、補強材、及び易加水分解性アルコキシ基を含み得る。
【0225】
本開示の文脈内で、「オルモシル」という用語は、前述の材料を含み、同様に「オルモセラ」と呼ばれることもある他の有機修飾材料も含む。オルモシルは、多くの場合、例えばゾルゲルプロセスを通して、オルモシル膜が基材上に被覆されるコーティングとして使用される。本開示の他の有機無機ハイブリッドエアロゲルの例は、限定ではないが、シリカ－ポリエーテル、シリカ－ＰＭＭＡ、シリカ－キトサン、炭化物、窒化物、ならびに化合物を形成する前述の有機無機エアロゲルの他の組み合わせを含む。公開されている米国特許出願第２００５０１９２３６７号（段落［００２２］－［００３８］及び［００４４］－［００５８］）は、そのようなハイブリッド有機無機材料の教示を含み、本明細書によって、個々に引用したセクション及び段落に従った参照により組み込まれる。
【0226】
電池モジュールまたは電池パックの内部での多層材料の使用
リチウムイオン電池（ＬＩＢ）は、従来の電池と比較して、その高い作動電圧、低いメモリ効果、及び高エネルギー密度のため、最も重要なエネルギー貯蔵技術のうちの１つであると考えられる。しかしながら、安全上の懸念は、ＬＩＢの大規模利用を妨げる障壁がかなりある。過酷状態下では、発熱反応は、後続の危険反応を誘発する可能性がある放熱をもたらし得る。過酷状態のセルからの放熱が連鎖反応を活性化する可能性があるとき状況が悪化し、突発的な熱暴走が生じる。
リチウムイオン電池（ＬＩＢ）は、従来の電池と比較して、その高い作動電圧、低いメモリ効果、及び高エネルギー密度のため、最も重要なエネルギー貯蔵技術のうちの１つであると考えられる。しかしながら、安全上の懸念は、ＬＩＢの大規模利用を妨げる障壁がかなりある。過酷状態下では、発熱反応は、後続の危険反応を誘発する可能性がある放熱をもたらし得る。過酷状態のセルからの放熱が連鎖反応を活性化する可能性があるとき状況が悪化し、突発的な熱暴走が生じる。
【0227】
ＬＩＢのエネルギー密度の継続的な改善により、電気デバイス、例えば電気自動車の開発に関して、その安全性を高めることがますます急を要するようになっている。安全性の問題の背後にあるメカニズムは、異なる電池化学反応ごとに変わる。本技術は、好ましい熱特性及び機械特性を取得するために、多層材料を調製することと、その調製した材料に対応する構成に注目している。本技術の多層材料は、正常状態下で、同様に熱暴走状態下で、効果的な熱放散対策を提供する一方、正常動作モード下でＬＩＢの安定性（例えば、加えられた圧縮応力に耐えること）を確実にする。
【0228】
本明細書に開示される多層材料は、任意の構成の電池の電池セルまたは電池構成要素、例えばパウチセル、円筒形セル、プリズムセル、同様に、そのような任意のセルを組み込むまたは含むパック及びモジュールを分離、絶縁、及び保護するのに有用である。本明細書に開示される多層材料は、再充電可能電池、例えば、リチウムイオン電池、ソリッドステート電池、及びいずれかの他のエネルギー貯蔵デバイス、または分離、絶縁、及び保護を必要とする技術で有用である。
【0229】
冷却システム等のパッシブデバイスは、電池モジュールまたは電池パックの内部の本開示の多層材料と併せて使用され得る。
【0230】
電池パックの本開示の様々な実施形態による多層材料は、単一の電池セル、または電池セルのモジュールを熱的に相互に分離するために、該単一の電池セルの複数のもの、または電池セルのモジュールを含む。
【0231】
例示的な実施形態では、電池モジュールは筐体に配置された２つ以上の電池セルを備える。図１０は先行技術の電池モジュールの概略図である。電池モジュール１０００は、電池セルの間に位置付けられたスペーサー１０２０を有する１つ以上の電池セル１０１０を含む。電池セル１０１０及びスペーサー要素１０２０は筐体１０３０の中に位置付けられる。筐体１０３０は、第１のエンドプレート１０３０ａ、第２のエンドプレート１０３０ｂ、第１の側壁１０３０ｃ、及び第２の側壁１０３０ｄによって画定された内面を有する。また、電池モジュールは、筐体をシールする上部プレート及び底部プレート（図１０に示されない）も有する。スペーサー要素１０２０は、一般的に、非導電性熱絶縁材から形成される。図１０に示されるように、従来の電池モジュールのスペーサー要素は、一般的に、セルのエッジ及び／または筐体の壁を越えて延在しない。そのような装置は、電池セルの間の直接の熱伝導を防止するのに有益になり得る。しかしながら、この装置は、電池セルが故障するとき、電池セルから押し出すことができる高温ガス及び粒子状物質の封じ込めまたは指向に対処していない場合がある。図１０から分かり得るように、電池セルから放出される高温ガス及び他の材料は、スペーサー要素のエッジの周りを通過し、モジュールの他のセルに熱を伝達できる。これにより、過熱が原因でモジュールの他の電池セルが故障しやすくなる可能性がある。
【0232】
本明細書に開示される実施形態では、スペーサー要素は、各電池セルの間に、または電池セルのグループの間に配置できる。例えば、電池モジュールは、セルの各グループの間のスペーサー要素を伴う電池セルのグループを含み得る。セルのグループは、任意の数のセル、例えば、２つのセル、３つのセル、４つのセル、５つのセル、６つのセル、７つ以上のセルであり得る。電池モジュール内のスペーサー要素間のセルの各グループは同じの数のセルを有し得る、またはグループは異なる数のセルを有し得る。スペーサー要素の間のセルのグループのセルの数は、グループにおける１つ以上のセルの熱暴走で放出された熱ポテンシャルエネルギーの総量と、スペーサー要素によってブロックまたは吸収できる熱エネルギーの量とを含む要因に基づいて選択できる。
【0233】
図１１Ａ～図１１Ｂは、先行技術の欠点に対処する例示的な実施形態を示す。図１１Ａは電池モジュール１１００の上面図を示す。図１１Ｂは電池モジュール１１００の切断図を示す。従来の電池モジュールと同様に、電池モジュール１１００は、電池セルの間に位置付けられたスペーサー要素１１２０を有する１つ以上の電池セル１１１０を含む。電池セル１１１０及びスペーサー要素１１２０は筐体１１３０の中に位置付けられる。筐体１１３０は、第１のエンドプレート１１３０ａ、第２のエンドプレート１１３０ｂ、第１の側壁１１３０ｃ、及び第２の側壁１１３０ｄによって画定された内面を有する。また、電池モジュール１１００は、筐体をシールする上部プレート１１４０及び底部プレート１１５０（図１１Ｂに示される）も有する。スペーサー要素１１２０は、非導電性熱絶縁材から形成される。
【0234】
電池モジュール１１００では、スペーサー要素１１２０は、スペーサー要素が筐体の内面に接触するように延在する。そのような構成のスペーサー要素が延在することにより、隣接電池セルの間に熱バリアが形成される。特有の実施形態では、２つ以上の電池セル１１１０は、第１のエンドプレート１１３０ａ及び第２のエンドプレート１１３０ｂと平行に、第１の側壁１１３０ｃと第２の側壁１１３０ｄとの間で縦方向に向いている。スペーサー要素１１２０は、底部プレート１１５０、上部プレート１１４０、第１の側壁１１３０ｃ、及び第２の側壁１１３０ｄに接触し、隣接電池セルの間に熱バリアが形成される。
【0235】
ある実施形態では、スペーサー要素のそれぞれは、筐体の内面に形成された１つ以上のチャネルに接触する。図１２Ａ及び図１２Ｂは、電池セルの間に、または電池セルのグループの間に熱バリアを形成するために、チャネルのスペーサー要素を使用する電池モジュールの実施形態を示す。図１２Ａに示される電池モジュール１２００は、電池セルの間に位置付けられたスペーサー要素１２２０を有する１つ以上の電池セル１２１０を含む。スペーサー要素１２２０は、非導電性熱絶縁材から形成される。電池セル１２１０及びスペーサー要素１２２０は筐体１２３０の中に位置付けられる。筐体１２３０は、第１のエンドプレート１２３０ａ、第２のエンドプレート１２３０ｂ、第１の側壁１２３０ｃ、及び第２の側壁１２３０ｄによって画定された内面を有する。また、電池モジュール１２００は、筐体をシールする上部プレート及び底部プレート（示されない）も有する。
【0236】
スペーサー要素と筐体の内面との間にインターフェースで良好なシールを作成するために、１つ以上のチャネルは筐体の内面の中及び／または上に形成され得る。図１２Ａでは、電池モジュール１２００は、少なくとも第１の側壁１２３０ａ及び第２の側壁１２３０ｂに形成されたチャネル１２６０を含む。側壁だけに示されているが、複数のチャネルは、第１のエンドプレート、第２のエンドプレート、第１の側壁、第２の側壁、上部プレート、及び底部プレートのうちの１つ以上から突出し得ることが理解されたい。スペーサー要素１２２０のそれぞれは、対向するチャネル１２６０の対の中に延在する。スペーサー要素は、スペーサー要素と内面との間にシールを形成するチャネルの一部に接触する。本明細書に使用される「シール」という用語は、高温ガス及び粒子状物質が、故障した電池セルから隣接電池セルに伝達することを阻止する２つの要素（例えば、スペーサー要素及びチャネル）の間で接触することを指す。ある実施形態では、スペーサー要素は、少なくとも、突出チャネルの側壁に接触する。スペーサー要素は、圧入によって、チャネルと接触し得る。圧入では、スペーサー要素がチャネルに配置されるとき、わずかに圧縮されることにより、シールはスペーサー要素とチャネルとの間に形成される。
【0237】
チャネルは、Ｕ字形（図１２Ａに示される）であり得る、またはスペーサー要素を補完するいずれかの他の形状であり得る。Ｕ字形チャネルは、対向する側壁及び底面を有する。ある実施形態では、スペーサー要素は、Ｕ字形チャネルの対向する側壁に接触し、スペーサー要素とＵ字形チャネルとの間にシールが形成され得る。ある実施形態では、スペーサー要素はチャネル内に延在するが、チャネルの底面まで延在しない。図１２Ａに示されるように、ギャップ１２６２は、スペーサー要素と、Ｕ字形チャネルの底面との間に存在する。ギャップにより、スペーサー要素及び筐体の製造上のばらつきが許容され得る。ギャップを残すことで、スペーサー要素が電池モジュールの組み立て中にチャネルに適切に適合することを確実にするのを助ける。
【0238】
図１２Ｂでは、電池モジュール１２００は、少なくとも第１の側壁１２３０ｃ及び第２の側壁１２３０ｄに形成されたチャネル１２６０を含む。スペーサー要素１２２０のそれぞれは、対向するチャネル１２６０の対の中に延在する。スペーサー要素は、スペーサー要素と内面との間にシールを形成するチャネルの一部に接触する。ある実施形態では、スペーサー要素は、少なくとも凹チャネルの側壁に接触する。上記に説明したように、スペーサー要素は、圧入によって、チャネルと接触し得る。
【0239】
チャネル１２６０は、Ｕ字形（図１２Ｂに示される）であり得る、またはスペーサー要素を補完するいずれかの他の形状であり得る。Ｕ字形チャネルは、対向する側壁及び底面を有する。ある実施形態では、スペーサー要素は、Ｕ字形チャネルの対向する側壁に接触し、スペーサー要素とＵ字形チャネルとの間にシールが形成され得る。スペーサー要素はチャネル１２６０の中に延在するが、チャネルの底面まで延在しない。図１２Ｂに示されるように、ギャップ１２６２は、スペーサー要素と、Ｕ字形チャネルの底面との間に存在し、製造上のばらつきに適応する。
【0240】
スペーサー要素を使用して、電池セルの間に熱バリアを作成し、通常の使用中に及び電池セルの故障中にも、一方の電池セルから他方の電池セルに熱が伝達されるのを防止する。スペーサー要素は、筐体の内面に接触することによって、電池セルの間に、または電池セルのグループの間に物理的バリアを形成できる。このように、別々の区画が作成され、各区画は単一の電池セルまたは複数の電池セルを保持する。区画は２つのスペーサー要素によって画定され単数の電池セルまたは複数の電池セルはスペーサー要素の間に配置される。図１１Ａでは、区画は破線の箱１１８０によって示される。
【0241】
電池セルが故障するとき、電池セルは熱暴走を被る可能性がある。熱暴走中、電池セルは９０℃を超える温度に達する可能性がある。９０℃を超える温度では、電池セルの構成要素が劣化し始め、電池セルが最終的に勢いよく開き、加熱ガス及び粒子を電池モジュールに放出する。電池セルを熱的に隔離する区画の形成は、故障した電池セルから作動中の電池セルへの熱伝達を軽減する。故障した電池セルからガスを高温で急速に放出すると、区画内で圧力の増加をもたらす可能性がある。場合によっては、圧力の増加は、スペーサー要素または筐体自体の故障をもたらす可能性がある。ある実施形態では、筐体は１つ以上の通気ポートを備える。１つ以上の通気ポートは、スペーサー要素によって画定された区画の１つ以上に流体的に結合される。通気ポートは筐体の一部に形成された開口部であり得る。代替として、圧力安全弁は通気ポートとして使用され得る。
【0242】
通気ポートは、区画のうちの１つ以上と連通する、筐体の側壁または上部プレートにあり得る。図１３は筐体の上部プレート１３００の実施形態を示す。複数の通気ポート１３５０は上部プレートに形成され、各通気ポートは区画と整合する。図１３には電池モジュールの上部プレート上に通気ポートが示されるが、通気ポートは、いずれかの組み合わせで、筐体の側壁端、エンドプレート、または底部プレートに位置付けられ得ることを理解されたい。
【0243】
電池モジュールの代替の実施形態は図１４に示される。電池モジュール１４００は、電池セルの間に位置付けられたスペーサー要素１４２０を有する１つ以上の電池セル１４１０を含む。電池セル１４１０及びスペーサー要素１４２０は筐体１４３０の中に位置付けられる。筐体１４３０は、第１のエンドプレート１４３０ａ、第２のエンドプレート１４３０ｂ、第１の側壁１４３０ｃ、及び第２の側壁１４３０ｄによって画定された内面を有する。また、電池モジュール１４００は、筐体をシールする上部プレート及び底部プレート（示されない）も有する。エッジ要素１４５０は筐体の内面に沿って配置される。
【0244】
図１５は、筐体及びスペーサー要素１４２０の上部プレート１４４０と接触するエッジ要素１４５０の拡大図を示す。接着剤材料はエッジ要素を内面に固定し得る。エッジ要素１４５０は、圧縮可能であり、以下の化学分解の開始温度を有する材料を含む。開始温度として、約１００℃以上、約１３０℃以上、約２００℃以上、約２３０℃以上、約２４０℃以上、約３３０℃以上、３５０℃以上、約４００℃以上、約４１５℃以上、約４２５℃以上、約４５０℃以上、約５００℃以上、約５５０℃以上、約６００℃以上、約６５０℃以上、約７００℃以上、約７５０℃以上、約８００℃以上、またはこれらの値のうちのいずれか２つの間の範囲の温度が挙げられる。エッジ要素は、好ましくは、スペーサー要素１４２０の端と、筐体の内面との間に筐体（１４３０ｃ及び１４３０ｄ）の側壁に沿って配置される。エッジ要素１４５０はスペーサー要素１４５０に接触し、スペーサー要素と筐体との間にシールが形成される。このように、熱バリアは隣接電池セルの間に作成される。また、適切なエッジ要素の使用は、熱暴走により突発している電池セルからの粒子状物質の拡散を制限するのを助ける。
【0245】
いくつかの材料をエッジ要素として使用できる。上記に留意したように、これらの材料は、圧縮可能であり、以下の化学分解の開始温度を有するはずである。開始温度として、約１００℃以上、約１３０℃以上、約２００℃以上、約２３０℃以上、約２４０℃以上、約３３０℃以上、３５０℃以上、約４００℃以上、約４１５℃以上、約４２５℃以上、約４５０℃以上、約５００℃以上、約５５０℃以上、約６００℃以上、約６５０℃以上、約７００℃以上、約７５０℃以上、約８００℃以上、またはこれらの値のうちのいずれか２つの間の範囲の温度が挙げられる。一実施形態では、エッジ要素は膨張材料から形成される。膨張材料は熱に曝されるときに膨れる材料である。電池モジュールに関連して、電池セルが故障し始めると、電池セルの温度は急増し、そして、モジュールの内側の温度を増加させることができる。この温度増加により、エッジ要素を形成するために使用される膨張材料の熱誘導により膨張を生じさせる可能性があり、スペーサー要素と筐体の内面との間のシールが増加する。この圧力増加により、電池セルが勢いよく開く場合に放出された高圧ガス及び粒子状物質に対する耐性の向上をもたらす可能性がある。例示的な膨張材料は、Ｈａｈｎ ｅｔ ａｌ．の米国特許第３，５１３，１１４号、ＭｃＧｉｎｎｉｓｓ ｅｔ ａｌ．の米国特許第５，４８７，９４６号、Ｄｅｏｇｏｎの米国特許第５，５９１，７９１号、Ｇｏｔｔｆｒｉｅｄの米国特許第５，７２３，５１５号、Ｎｇｕｙｅｎ ｅｔ ａｌ．の米国特許第６，７９０，８９３号、Ｂｕｃｋｉｎｇｈａｍ ｅｔ ａｌ．のＰＣＴ特許出願公開第ＷＯ９４／１７１４２号、ＪａｎｃｉのＰＣＴ特許出願公開第ＷＯ９８／０４６３９号、及びＦｌｅｅｔｗｏｏｄ ｅｔ ａｌ．のＰＣＴ特許出願公開第ＷＯ２０２０／０７７３３４号、に開示されており、これらの特許文献の全ては、参照により本明細書に完全に組み込まれている。
【0246】
また、他のポリマー材料はエッジ要素の材料として使用され得る。概して、高温安定性があり、かなりの圧縮率を有するポリマー材料は、エッジ要素材料としての使用に理想的である。使用できる例示的なポリマー材料は、シリコーンポリマー（ポリシロキサン、フルオロシリコーン）、ＦＫＭポリマー（ＶＩＴＯＮ等のフルオロエラストマー）、クロロスルホン化ポリエチレンゴム（ＨＹＰＡＬＯＮ）、水素化アクリロニトリルブタジエンゴム、及びエチレン－プロピレン－ジエンモノマーを含む。これらのポリマー及び他のポリマーは発泡体または弾性材料の形態であり得る。弾性材料は、薄膜またはガスケットの形状に形成され得る。
【0247】
別の実施形態では、エッジ材料は異なる層から成る複合材料であり得る。例えば、エッジ材料は、容量層及び１つ以上の絶縁層から成り得、圧縮層が絶縁層上に形成される。ある実施形態では、本明細書で前述に説明したように、エッジ要素は多層材料から形成される。
【0248】
前述に説明したように、スペーサー要素を使用して、電池セルの間に熱バリアを作成し、通常の使用中に及び電池セルの故障中にも、一方の電池セルから他方の電池セルに熱が伝達されるのを防止する。スペーサー要素は、エッジ要素に接触することによって、電池セルの間に、または電池セルのグループの間に物理的バリアを形成し、筐体の内面とスペーサー要素との間にシールを形成できる。このように、別々の区画が作成され、各区画は単一の電池セルまたは複数の電池セルを保持する。区画は２つのスペーサー要素及びエッジ要素によって画定され、単数の電池セルまたは複数の電池セルはスペーサー要素の間に配置される。
【0249】
前述に説明したように、筐体は１つ以上の通気ポートを含み得る。１つ以上の通気ポートは、スペーサー要素及びエッジ要素によって画定された区画の１つ以上に流体的に結合される。通気ポートは筐体の一部に形成された開口部であり得る。代替として、通気ポートは、既定の内圧で開く圧力安全弁を備え得る。ある実施形態では、複数の通気ポートは上部プレートに形成され、各通気ポートは区画と整合する。また、通気ポートは、いずれかの組み合わせで、筐体の側壁端、エンドプレート、または底部プレートにも位置付けられ得る。
【0250】
電池モジュールの代替の実施形態は図１６に示される。前述に説明したように、電池モジュールは内面を有する筐体を含む。内面は、第１の側壁と第２の側壁との間に及び上部プレートと底部プレートとの間に延在する、第１のエンドプレート及び第２のエンドプレートによって画定される。電池モジュールは、隣接電池セルの間に、２つ以上の電池セル及びスペーサー要素を有する。本実施形態では、１つ以上のキャップを使用して、スペーサー要素と筐体の内面との間にシールを形成する。キャップは、筐体の内面の一部と接触し、スペーサー要素の少なくとも一部を囲む。
【0251】
キャップの実施形態は図１６に示される。図１６では、キャップ１６１５は、電池モジュールの筐体の内面１６３０に結合される。本実施形態では、キャップ１６１５は、電池モジュールの筐体の内面１６３０に取り付けられる。空間は、スペーサー要素１６２０を受けることができるキャップ１６１５の内部に画定できる。好ましくは、空間は、スペーサー要素の幅に実質的に等しい幅を有する。電池モジュールの製造中、スペーサー要素は、図１６に示されるようにキャップ１６１５で画定された空間の内側に位置付けられる。
【0252】
キャップ１６１５の好ましい実施形態では、キャップは、キャップの第１の縦側に沿って伸びる実質的にＵ字形開口部を有する。図１６に示されるように、スペーサー要素１６２０は、キャップに形成されたＵ字形開口部の内部で適合する。キャップ１６１５は、また、１つ以上の凹部１６２５または他の形状を有し得、これにより、キャップの外面は、筐体の内面の一部の形状を補完する形状を有する。いくつかの実施形態では、キャップ１６１５は、キャップの底部に開口部を有し得る。キャップの底部に開口部を有することで、キャップがスペーサー要素の上をスライドすることを可能にする。これは、キャップを適所に設置する前に、筐体の内側で、電池セル、つまりスペーサー要素を組み合わせ得るため、製造目的で便利な特徴である。
【0253】
電池セルの間に熱及び微粒子バリアを作成するために、キャップ１６１５は、１つ以上のスペーサー要素の端を完全に覆い得る。スペーサー要素がキャップに結合されるとき、キャップによりスペーサー要素にわずかな圧力が働き、接触点でキャップとスペーサー要素との間にシールが形成される。隣接電池セルを相互にシールするために、キャップは、筐体の底部プレート及び上部プレートに接触し得る。具体的には、キャップは、筐体の上部プレートでシールを形成する上面と、筐体の底面でシールを形成する底面とを有し得る。キャップは、この構成では、隣接電池セルの間に十分なバリアを形成する。
【0254】
スペーサー要素と筐体の内面との間のインターフェースで良好なシールを作成するために、１つ以上のチャネル１６６０は筐体の内面の中及び／または上に形成され得る。図１６では、チャネル１６６０は、少なくとも第１の側壁及び第２の側壁に形成される。チャネルは、第１のエンドプレート、第２のエンドプレート、第１の側壁、第２の側壁、上部プレート、及び底部プレートのうちの１つ以上から突出し得る。キャップ１６１５はチャネルの一部の中に延在し、それに接触し、キャップと内面との間にシールを形成する。キャップは、圧入によって、チャネルと接触し得る。圧入では、キャップがチャネルに配置されるとき、わずかに圧縮されることにより、キャップとチャネルとの間にシールが形成される。代替として、接着剤を使用して、チャネルを筐体に取り付け得る。チャネルは、Ｕ字形（図１６に示される）であり得る、またはキャップを補完するいずれかの他の形状であり得る。
【0255】
ある実施形態では、キャップ１６１５はチャネル１６６０の中に完全に延在し、それにより、キャップは、チャネルの側壁及び底面と接触する。そのような実施形態では、スペーサー要素とキャップの内面との間にギャップ１６６５を意図的に残す。ギャップにより、スペーサー要素及び筐体の製造上のばらつきが許容され得る。ギャップを残すことで、スペーサー要素が電池モジュールの組み立て中にキャップに適切に適合することを確実にするのを助ける。スペーサー要素とキャップの内面との間にギャップが存在するようにモジュールを設計することで、製造目的に必要なギャップは、一方の電池セルから別の電池セルまで伝わる熱気及び粒子状物質用の経路を意図しないで作成しないことを確実にするのを助ける。
【0256】
図１７では、キャップ及びスペーサー要素構成の代替の実施形態が示される。本実施形態では、スペーサー要素１７２０はキャップ１７１５の中に完全に延在する。ある実施形態では、スペーサー要素は、図１７に示されるように、キャップの対向する側壁及び底面に接触し得る。前述の実施形態のように、ギャップを使用すると、スペーサー要素及び筐体の製造上のばらつきが許容され得る。この特定の実施形態では、ギャップ１７６５は、キャップ１７１５と筐体の側壁との間に存在する。キャップ１７１５は、チャネル１７６０との接触によって、側壁に結合される。好ましくは、摩擦及び／または圧入を使用して、キャップ１７１５をチャネル１７６０に結合する。筐体へのキャップの非粘着剤結合の使用により、スペーサー要素の長さの変化に適応するために、キャップが移動することを可能にする。
【0257】
チューブ１７１５は任意の適切な材料で作られ得る。適切な材料は射出金型ポリマーを含む。例示的な射出金型ポリマーは、限定ではないが、ポリプロピレン、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリエチレン、ポリアミド、ポリカーボネート、及びポリスチレンを含む。好ましくは、１５０℃よりも大きい化学分解の開始温度を有するポリマーを使用する。キャップを形成するために高温材料を使用して、熱暴走のインシデント中、電池セルに対する追加の保護を提供する。
【0258】
前述に説明したように、スペーサー要素を使用して、電池セルの間に熱バリアを作成し、通常の使用中に及び電池セルの故障中にも、一方の電池セルから他方の電池セルに熱が伝達されるのを防止する。スペーサー要素は、キャップに接触することによって、電池セルの間に、または電池セルのグループの間に物理的バリアを形成し、筐体の内面とスペーサー要素との間にシールを形成できる。このように、別々の区画が作成され、各区画は単一の電池セルまたは複数の電池セルを保持する。区画はキャップに結合された２つのスペーサー要素によって画定され、単数の電池セルまたは複数の電池セルはスペーサー要素の間に配置される。
【0259】
前述に説明したように、筐体は１つ以上の通気ポートを含み得る。１つ以上の通気ポートは、スペーサー要素及びキャップによって画定された区画の１つ以上に流体的に結合される。通気ポートは筐体の一部に形成された開口部であり得る。代替として、通気ポートは、既定の内圧で開く圧力安全弁を備え得る。ある実施形態では、複数の通気ポートは上部プレートに形成され、各通気ポートは区画と整合する。通気ポートは、いずれかの組み合わせで、筐体の側壁端、エンドプレート、または底部プレートに位置付けられ得る。
【0260】
ある実施形態では、電池モジュールは、２つ以上の電池セルと、隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素とを含み、スペーサー要素のそれぞれは少なくとも１つの熱容量層及び少なくとも１つの絶縁層を含む。ある実施形態では、スペーサー要素は、２つ以上の電池セルの表面積よりも大きい表面積を有し、スペーサー要素のそれぞれは、電池セルの外面を越えて延在する。
【0261】
特有の実施形態では、スペーサー要素は電池セルの上面の上を延在する。スペーサー要素は、電池セルの端を通り越して延在し、モジュールのケーシングに接触し得る。代替として、スペーサー要素の一部が電池セルの上面の上方に延在するように、スペーサー要素が曲がり得る。
【0262】
ある実施形態では、熱容量層、もしくは熱伝導層、スペーサー要素のいくつかの他の層、またはそれらの層の組み合わせは、絶縁層から延在し、モジュールのケーシングに接触する。例示的な実施形態では、絶縁層は、電池セルの表面積に実質的に等しい表面積を有し、スペーサー要素の熱容量層、熱伝導層、別の層、またはそれらの層の組み合わせは、電池セルの外面を越えて延在する。空間要素の熱容量層、熱伝導層、別の層、またはそれらの層の組み合わせは、絶縁層の外面に、または絶縁材料の２つ以上の層の間に配置できる。いくつかの実施形態では、単数の熱容量層または複数の熱容量層から分離して、例えば、ポリマー層またはラップによって、単数の絶縁層または複数の絶縁層を封入できる。スペーサーの熱容量層、熱伝導層、別の層、またはそれらの層の組み合わせは、絶縁層を通り越えて延在し、筐体の内面に接触する。熱暴走イベント中、電池セルのケーシングは故障する可能性があり、高温ガスと、高温粒子状物質及び／または燃焼粒子状物質（噴出物）とを放出することを可能にする。これらの材料は、セルから絶縁層の領域内に放出される。放出された材料が高温であるため、絶縁層が少なくとも部分的に損傷される、またはさらに部分的に破壊される可能性があり、ガス及び高温粒子が他のセルに達することを可能にする。これを防止するために、スペーサー要素の一部、例えば、スペーサーの熱容量層、熱伝導層、別の層、またはそれらの層の組み合わせは、側壁のうちの１つ以上、表面の上部または底部を含む筐体の内面に接触するまで延在する。スペーサーは、ガス及び粒子の予想温度に耐えることができる金属または高温ポリマーから作られた熱容量層等の層を含み得る。したがって、熱容量層、熱伝導層、もしくは別の層、またはそれらの層の組み合わせ等、スペーサー要素の一部が筐体の内部まで延在すると、近くの電池セルの熱伝達、過熱、または損傷を防止できるバリアとして働く。
【0263】
図２２は、筐体に対して電池セルの寸法を越えて延在する層を含むスペーサー要素の実施形態を示す。電池モジュール２２００は、スペーサー要素２２２０によって分離された複数の電池セル２２１０を含む。スペーサー要素は、絶縁層２２２０ｃと犠牲材料層２２２０ａとの間に挟着された熱容量層または熱伝導層２２２０ｂから成り得る。熱容量層または熱伝導層２２２０ｂは、絶縁部から離れて延在し、筐体２２３０の内面に接触し、隣接電池セル２２１０の間にバリアを形成する。熱暴走イベント中に部分的に破壊されている電池セルから押し出された高温ガス及び粒子状物質は、スペーサー要素から熱容量層または熱伝導層２２２０ｂによって閉じ込められ、一方の電池セルからの熱暴走イベントによりモジュール内における他方の電池セルの熱暴走を生じさせる可能性がより少なくなる。
【0264】
筐体の内面の側壁、上部、または底部のうちの１つ以上を含むスペーサー要素の層の筐体の内面までの延在は、相互に電池セルを隔離する「区画」を作成できる。図２２を参照すると、熱容量層または熱伝導層２２２０ｂが隣接スペーサーから筐体２２３０の内面まで延在することで、電池セルを少なくとも部分的に包囲する区画２２５０を形成する。そのような区画は、電池セルから押し出された高温ガス及び粒子状物質を封じ込めることができる。スペーサー要素によって形成された区画２２５０による高温ガスの封じ込めは、高温ガスが電池セル２２１０によって放出されるとき、区画内の圧力の増加により、モジュール内に応力を作成できる。電池モジュールへの潜在的な損傷をさらに軽減するために、１つ以上の通気ポート２２６０は筐体に形成され得る。通気ポートは、筐体の側壁（図２２に示される）または筐体の上部もしくは底部を含む、筐体のいずれかの部分に位置付けできる。通気ポートは開口部または圧力安全弁であり得る。
【0265】
電池モジュール及び電池パックの製造の許容範囲は変わる可能性がある。したがって、筐体の内壁に接触する必要がある熱容量層の延在部の正確な長さを判定することが困難になる可能性がある。ある実施形態では、筐体の内面と接触するとき、熱容量層の部分が曲がるまたは偏向するように、熱容量層は曲がり得る。ある実施形態では、熱容量層は設置前に変形し、復元形状を形成し得る。例えば、絶縁層を越えて延在する熱容量層または熱伝導層の部分の端領域は、モジュールの壁の内面に接触するように構成された弾力性のある形状を提供するように、そして、ガス及び／または粒子状物質に接触してバリアまたはシールを提供するように、湾曲でき、曲がることができ、またはそうでなければ変形できる。弾力性のある熱容量層または熱伝導層は、モジュールの製造中、筐体の一部の移動または圧縮を可能にするように位置付けられ得る。
【0266】
例示的な実施形態では、スペーサー要素は、ガス及び／または粒子状物質に対するバリアまたはシールを提供するために、絶縁層から延在する金属層（例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、チタン、ニッケル、スチール、鉄、またはそれらの組み合わせ）等の金属部品を含み得る。金属部品は、熱容量層、熱伝導層の延在部である得る、またはスペーサー要素の別々の構成要素であり得る。金属部品の一部は、モジュールの壁の内面に接触するように構成された弾力性のある形状を提供するように、そして、ガス及び／または粒子状物質に接触してバリアまたはシールを提供するように、湾曲でき、曲がることができ、またはそうでなければ変形できる。これらの実施形態の例は、図１８～図２１に示される。スペーサー要素が設置されるとき、金属部品（すなわち、絶縁層から離れて延在する構成要素）の延在部は、筐体の内面に接触し、偏向する。これにより、金属部品は必要とされる正確な寸法で形成されなくても、筐体の内部に接触して、密封の形成が可能になる。
【0267】
図１８Ａは、絶縁層１８２０ａの間に挟着された状態で延在した熱容量層または熱伝導層１８２０ｂを有するスペーサー要素１８２０の実施形態を示す。絶縁層は、示されるように、封入層１８２０ｃによって封入できる。本実施形態では、熱容量層または熱伝導層１８２０ｂの部分は、延在部１８２２を形成するように絶縁層を越えて延在する。延在部１８２２は、示されるように、スペーサー要素の側面のうちの１つ以上に沿って、例えばスペーサー要素の上部及び側面に沿って形成され得る。クリースまたは折り目１８２４は、延在部上に形成され、延在部を弾性的に偏向することを可能にする。使用中、スペーサー要素は電池セルの間に設置され、延在部１８２２は筐体の内面に接触し、図１８Ｂに示されるように、スペーサー要素と内面１８３０との間にシールが形成される。筐体の内面と接触するとき、延在部１８２２は偏向し、製造寸法のばらつきにもかかわらず、シールを形成することが可能になる。
【0268】
図１９Ａは、延在部を有するスペーサー要素の代替の実施形態を示す。スペーサー要素１９００は、絶縁層１９２０ａの間に挟着された２つの熱容量層または熱伝導層１９２０ｂを含む。熱伝導層または熱容量層のそれぞれは、絶縁層１９２０ａを越えて延在し、分岐する。これにより、絶縁層から離れて延在するＹ字形の延在部１９２２が作成される。前述の実施形態のように、図１９Ｂに示されるように、Ｙ字形延在部１９２２は、筐体の内面１９３０と接触するとき偏向し、スペーサーと筐体との間にシールを形成することを可能にする。
【0269】
図２０Ａは、延在部を有するスペーサー要素の代替の実施形態を示す。スペーサー要素２０００は、絶縁層２０２０ａを囲む２つの熱容量層及び熱伝導層２０２０ｃ、２０２０ｂを含む。本実施形態では、熱容量層または熱伝導層２０２０ｃ及び２０２０ｄは、スペーサー要素用の封入層として働くことができる。前述の実施形態のように、熱容量層または熱伝導層２０２０ｂは、絶縁層２０２０ａの間に存在する可能性がある。熱伝導層または熱容量層２０２０ｃ及び２０２０ｄのそれぞれは、絶縁層２０２０ａを越えて延在し、絶縁層から離れて分岐する。これにより、相互に離れて延在する延在部２０２２ａ及び２０２２ｂの分岐の対が作成される。図１９の実施形態のように、図２０Ｂに示されるように、延在部２０２２ａ及び２０２２ｂは、筐体の内面２０３０と接触するとき偏向し、スペーサー要素と筐体との間にシールを形成することを可能にする。
【0270】
図２１Ａは、本明細書に開示される実施形態、特に、図１８Ａ、図１８Ｂ、図１９Ａ、図１９Ｂ、図２０Ａ、及び図２０Ｂに示される実施形態のいずれかに適用できる延在部の改良形態を示す。図２０Ａ及び図２０Ｂと同様に、スペーサー要素２１００は、絶縁層２１２０ａを囲む２つの熱容量層２１２０ｃまたは熱伝導層２１２０ｄを含む。熱容量層または熱伝導層２１２０ｂは、絶縁層２１２０ａの間に存在する可能性がある。熱伝導層または熱容量層２１２０ｃ及び２１２０ｄのそれぞれは、絶縁層２１２０ａを越えて延在し、絶縁層から互いに離れて分岐し、相互に離れて延在する延在部２１２２ａ及び２１２２ｂの分岐の対が作成される。本実施形態では、延在部２１２２ａ及び２１２２ｂは、各々、円形端部２１２４ａ及び２１２４ｂを含む。円形端部により、設置中及び使用中、延在部が筐体内面２１３０に接触してより容易にスライドすることを可能にする。図２０Ｂの実施形態のように、図２１Ｂに示されるように、延在部２１２２ａ及び２１２２ｂは、筐体の内面２１３０と接触するとき偏向し、スペーサー要素と筐体との間にシールを形成することを可能にする。
【0271】
図２３に示される実施形態では、電池セル２３１０のそれぞれは、第１のスペーサー要素２３２０ａ及び第２のスペーサー要素２３２０ｂに隣接し、第１のスペーサー要素の部分２３２２ａは電池セル２３１０の上面の上方及び上に延在する。電池セルの上面の上に延在する第１のスペーサー要素の部分２３２２ａは、第２のスペーサー要素の延在部２３２２ｂに接触する。このように、スペーサー要素、またはスペーサー要素の部分の実施形態は、一方の電池セルを覆い、他方の電池セルから少なくとも部分的に隔離できる。
【0272】
電池セルから出てスペーサー要素領域に進むように高温ガス及び粒子が通過すると、大量の熱の増大を生じさせる可能性がある。バリア要素が、欠陥がある電池セルの周りで熱を封じ込めたままにするように設計され、他の電池セルから離れているため、熱はこのエリアで増大する可能性がある。異常な高温及び爆発力がある粒子は、筐体のインテグリティ、特に筐体の上部または側壁に影響を与える可能性がある。筐体の内部を保護するために、筐体は断熱層で保護され得る。この層は、雲母、細孔性シリカ、セラミック繊維、ミネラルウール、エアロゲル材料、及び金属等の耐熱材料及び難燃材料から形成され得る。筐体は、また、噴出物の流れ、すなわち電池セルから排出されたガス及び粒子材料を制御または指向するように構成された機能を含み得る。バッフル、突起、チャネル、フラップ、延在部、またはそれらの組み合わせ等のこれらの特徴は、エアロゲル、エアロゲル合成物、雲母、細孔性シリカ、セラミック繊維、ミネラルウール、金属、それらの組み合わせ等の熱保護材料、耐火材料、もしくは絶縁材料及びそれらの合成物から形成できる、もしくはそれらで覆うことができ、またはこれらの断熱材料、耐火材料、もしくは絶縁材料を含む材料から形成できる、もしくはそれらで覆うことができる。
【0273】
別の実施形態では、スペーサー要素はエッジ要素に接触し、スペーサー要素と筐体との間にシールが形成される。図２４は、別々のエッジ要素２４１５が、スペーサー要素２４１０の予想場所に近接する場所における筐体壁に沿って設置される実施形態を示す。別々のエッジ要素の使用により、電池セルに近接する筐体の部分を開いたままにすることを可能にし、エッジ要素を通過する必要がなく、電池セルに電気接続がなされることを可能にする。別々のエッジ要素は、スペーサー要素の幅よりもわずかに大きい幅を有し、製作公差の差を許容にする。
【0274】
図２５Ａ～図２５Ｂは、スペーサー要素と筐体の内部との間にシールを形成するために使用されるエッジ要素２４１５の実施形態を示す。図２５Ａでは、エッジ要素は、筐体の内面上に位置付けられることが示される。スペーサー要素（「Ｃ２Ｃバリア」）は、隣接電池セルの間に位置付けられる。図２５Ｂに示されるように、スペーサー要素の位置付け中、１つ以上の弾性部材２４３０はスペーサー要素を受けるように偏向する。弾性部材とスペーサー要素との接触により、熱暴走を受ける電池セルから押し出されたガス及び粒子に対するバリアを形成できる。図２５Ｂに示されるように、スペーサー要素よりも広いエッジ要素を作成することによって、エッジ要素に対するスペーサーの位置に対する横方向の許容範囲がいくらかある。いくつかの実施形態では、エッジ要素は、スペーサー要素のエッジと平行な方向に延在する部分を含み、それにより、エッジ要素は、スペーサー要素のエッジの長さに沿って、スペーサー要素の側面に対してシールを形成する。
【0275】
エッジ要素が筐体の内壁に取り付けられた別々の要素として示されるが、エッジ要素は、スペーサー要素の延在部に取り付けられる、またはスペーサー要素の延在部であり得ることを理解されたい。本実施形態では、スペーサー要素が設置され、スペーサー要素が筐体の内面に接触するとき、エッジ要素の弾性要素は偏向する。
【0276】
ある実施形態では、絶縁材料２４５０は別々のエッジ要素の間に位置付けられ得る。エッジ要素と隣接電池セルとの間の絶縁により、隣接電池セルへの熱及び粒子の流れを防止するのを助けることができる。
【0277】
前述に説明したように、エッジ要素は、耐熱材料及び難燃材料から形成できる。また、エッジ要素は膨張材料から成り得る。膨張材料を使用することに加えて、膨張材料の代わりに、または膨張材料と組み合わせて、形状記憶材料を使用できる。形状記憶材料は、特定の刺激がかかるとき、外観上かなり塑性変形した状態から、その元の形状に回復する能力の特徴がある。これは、形状記憶効果（ＳＭＥ）として知られている。形状記憶材料の例は、限定ではないが、銅－アルミニウム－ニッケルの合金及びニッケル－チタンの合金（例えば、ニチノール）を含む。
【0278】
例えば、形状記憶エッジ要素を使用して、モジュール内のセクションを囲むことができる。図２６Ａ及び図２６Ｂを参照すると、形状記憶エッジ要素２６２２は、熱によって誘発されるとき、上向きに素早く動く（図２６Ｂに示される）折り畳み部を含む。跳ね上げ部は、高温、火、及び熱で暴走する材料をブロックし、セルの間の熱伝播を防止する。図２６Ａ及び図２６Ｂに示される実施形態では、跳ね上げ部が、熱暴走が発生する可能性が高い場所等のＡ－Ａで目立つように示された領域をブロックするように、形状記憶エッジ要素が位置付けられる。領域Ａ－Ａにおける熱イベントの閉じ込めに加えて、追加熱管理要素を含み得る。例えば、領域Ａ－Ａ内で、膨張熱遮断層２６４２は、セルの間に、またはモジュール内の任意の所望の場所で組み込むことできる。これらの膨張熱遮断層２６４２は、熱イベントを誘発することによって活性化するとき、電池ケースの内部層の外向きに拡張でき、熱伝達及び物質伝達をブロックし、さらに、形状記憶エッジ要素２６２２の目的を妨げ、熱暴走する材料を領域Ａ－Ａに封じ込める。
【0279】
別の実施形態では、領域内に熱イベントを封じ込める代わりに、加熱、火、及び熱により暴走する材料が拡散することをブロックする誘発温度に反応して、バリアを形成する。図２６Ｃ及び図２６Ｄを参照すると、形状記憶エッジ要素２６２３ａ及び２６２３ｂは、２６２３ａ及び２６２３ｂが２つの異なる方向で上向きに素早く動く方式で２つの電池セルの間に位置付けられ、加熱、火、及び熱により暴走する材料の通過を防止する。
【0280】
また、形状記憶材料及び膨張材料を要素で一緒に使用して、モジュール内で加熱、火、及び熱による暴走する材料の拡散も防止できる。図２７Ａ及び図２７Ｂを参照すると、エッジ要素２７２２を作成するために、形状記憶材料及び膨張材料が層状になる実施形態が示される。具体的には、膨張ガスケットは、モジュール内で電池セルの間に位置付けできる。膨張ガスケットの上部に、形状記憶キャップは取り付けられる。図２７Ｂに示されるように、加熱誘発イベントが発生すると、膨張材料が拡張し、形状記憶キャップが外向きに曲がり、セルの間にバリアキャップを完全にする。図２７Ｃ及び図２７Ｄに示される別の実施形態では、形状記憶材料２７２３はモジュールケースの内部層に固定される一方、膨張材料２７２１はセルの間に挟着される。加熱誘発イベントが発生すると、膨張材料２７２１は自由に拡張し、炭化し、形状記憶材料２７２３は、拡張する膨張材料２７２１に向かって下に曲がり、バリアが作成される。
【0281】
いくつかの実施形態では、冷却プレート等の冷却システムと一緒に、形状記憶材料を使用できる。正常の充放電動作中、形状記憶材料（すなわち、一般的に合金）は、電池セルから離れて、冷却プレート等の冷却システムに熱を伝導する。モジュールの電池セルの間の熱遮断層は緩衝層として働き、充放電イベント中、セルの体積変化に適応する。熱暴走の場合、形状記憶材料を使用すると、電池セルと熱遮断層（例えば、発泡体／エアロゲル）の間に距離を置くことができ、これにより、熱は冷却システムに良好に伝導できる（すなわち、熱遮断層で受ける熱量の減少を生じさせる）。
【0282】
例えば、図２８Ａ及び図２８Ｂを参照すると、モジュールの部分２８００が示され、２つの電池セル２８１０が熱遮断層２８２０によって分離される。電池セル２８１０及び熱遮断層が冷却システム２８３０（例えば、冷却プレート）と熱接触する。熱遮断層２８２０を保護するために、形状記憶プレート２８４０は、電池セル２８１０と熱遮断層２８２０との間に挟着される。また、形状記憶プレート２８４０は冷却システム２８３０とも接触する。熱誘発イベント（図２８Ｂに示される）が発生すると、形状記憶プレート２８４０は、電池セル２８１０と熱遮断層２８２０との間で分離が生じるように湾曲する。電池セル２８１０で高温から放射された熱（すなわち、誘発イベントから生じる熱）は、湾曲した形状記憶プレート２８４０に伝導され、次に、冷却システム２８３０に伝導されることによって、遮断層に伝達された熱が減る。
【0283】
別の実施形態では、形状記憶材料要素を熱伝導層と組み合わせることができる。形状記憶材料要素は加熱によって活性化されたばねであり得、そのばねは、導体材料を押し、加熱誘発イベントを受ける電池セルから離す。図２９Ａ、図２９Ｂ、及び図２９Ｃを参照すると、モジュールの部分２９００は、冷却システム２９３０に接続された電池セル２９１０を含み得る。インターフェース面に配置された保護熱伝導層２９５０を有する熱遮断層２９２０は、電池セル２９１０間に挟着される。熱伝導層２９５０は、アルミニウムまたは銅等の任意の導電性金属または合金から形成できる。形状記憶材料要素２９５５は、熱伝導層２９５０の全体にわたって配置される（図２９Ｃに示される）。熱誘発イベント（図２９Ｂに示される）が発生すると、形状記憶要素２９５５（例えば、ばね等）は拡張し、熱伝導層２９５０を押し、加熱誘発イベントを受ける電池セルから離す。熱伝導層２９５０は熱遮断層２９２０に向かって押され、熱伝導層２９５０は、圧縮可能材料（例えば、発泡体、エアロゲル等）から形成され、その材料は、体積変化に適応し、電池セル２９１０と熱遮断層２９２０との間でバリア空間の形成を可能にし得る。
【0284】
電池セルの間のバリアを形成するとき、スペーサー要素は、セルの間で高温ガス及び粒子を直接的な伝達を防止するように位置付けられる。スペーサー要素は、いくつかの実施形態では、依然として、特に金属またはいくつかの他の熱伝導材料がスペーサーに位置付けられるとき、熱伝導経路を通ってセルの間に、熱を伝達できる。スペーサー要素を通して、またはスペーサー要素の周りで伝導熱の伝達を防止するために、意図的な熱遮断器は、スペーサーの熱伝導材料に設置され得る。これらの熱遮断器は、スペーサー要素を通る熱の熱伝達を中断できる。同様に、熱遮断器は、伝導による熱伝達を防止するために、エッジ要素に形成できる。いくつかの実施形態では、絶縁材料の追加層は、熱伝導材料に隣接して配置され、例えば、熱伝導材料と、単数の隣接セルまたは複数の隣接セルとの間に配置される。そのような実施形態では、絶縁材料の追加層は、熱スペーサー要素を通して、またはスペーサー要素の周りで、伝導による熱伝達を防止、制限、または中断する。
【0285】
上記に開示された方法、システム、及びデバイスは、電池セルの間にバリアを作成するのに適切であるが、筐体のコーナー領域は、いくつかの変形では、任意の絶縁材料がない可能性がある。ある実施形態では、絶縁要素は、筐体のカバー／蓋のコーナーに設置され得る。組立中、絶縁要素は筐体のコーナーの一部を充填し、追加の熱バリア及び／またはセルから排出され得るガス及び微粒子の流れを防止するバリアを提供する。絶縁要素は圧縮可能または剛性材料であり得る。一実施形態では、絶縁要素は、カバーが筐体上に設置されるときに圧縮されるロッドの形態であり得る。ロッドが圧縮可能材料である場合、その上部が筐体上に設置されると、ロッドは拡張し、コーナー空間を充填する。代替として、隆起は上部のコーナーに形成され得、上部が筐体上に設置されるとき、隆起はシールを形成する。
【0286】
本明細書に説明される様々な電池モジュールは、エネルギー貯蔵システムで使用され得る。エネルギー貯蔵システムは、１つ以上の電池モジュールを含み得る。説明される電池モジュールの熱及び微粒子バリアは、電池モジュール全体が熱暴走に陥る発生率を減らす。したがって、開示される実施形態は、エネルギー貯蔵システムの突発故障を防止できる。開示される電池モジュールは車両の電気貯蔵システムで使用できる。熱暴走の機会が減ることにより、多くのタイプの車両、特に自動車、航空機、及び宇宙船のための開示された電池モジュールをより安全にする。
【0287】
この特許では、特定の米国特許、米国特許出願、及び他の資料（例えば、論文）は参照によって組み込まれている。しかしながら、そのような米国特許、米国特許出願、及び他の資料の文章は、そのような文章と、本明細書に記載される他の主張及び図面との間に矛盾が存在しない範囲内だけで、参照によって組み込まれる。そのような矛盾がある場合、参照される米国特許、米国特許出願、及び他の資料によって、そのように組み込まれたいずれかのそのような矛盾する文章は、具体的には、この特許に参照によって組み込まれていない。
【0288】
本発明の様々な態様のさらなる改良形態及び代替形態の実施形態は、この説明を考慮して当業者に明らかである。したがって、この説明は、例証だけとして解釈され、本発明を実行する一般的な方式を当業者に教示する目的のためのものである。本明細書に示され及び説明される本発明の形式は、複数の実施形態の例として見なされることを理解されたい。本発明のこの説明の利益をもたらした後、全て当業者に明らかであろうように、要素及び材料は、本明細書に示され、説明されるものに置き換えられ得、そして部品及びプロセスは逆になり得、本発明の特定の特徴は、独立して利用され得る。以下の特許請求の範囲に説明されるような本発明の主旨及び範囲から逸脱することなく、本明細書に説明される要素において変更がなされ得る。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図9D】
【図9E】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図12A】
【図12B】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18A】
【図18B】
【図19A】
【図19B】
【図20A】
【図20B】
【図21A】
【図21B】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25A】
【図25B】
【図26】
【図27】
【図28A】
【図28B】
【図29A】
【図29B】
【図29C】
【手続補正書】
【提出日】2024-06-10
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２８８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0288】
本発明の様々な態様のさらなる改良形態及び代替形態の実施形態は、この説明を考慮して当業者に明らかである。したがって、この説明は、例証だけとして解釈され、本発明を実行する一般的な方式を当業者に教示する目的のためのものである。本明細書に示され及び説明される本発明の形式は、複数の実施形態の例として見なされることを理解されたい。本発明のこの説明の利益をもたらした後、全て当業者に明らかであろうように、要素及び材料は、本明細書に示され、説明されるものに置き換えられ得、そして部品及びプロセスは逆になり得、本発明の特定の特徴は、独立して利用され得る。以下の特許請求の範囲に説明されるような本発明の主旨及び範囲から逸脱することなく、本明細書に説明される要素において変更がなされ得る。
本発明に関連する発明の実施形態の一部を以下に示す。
［実施形態１］
電池モジュールであって、
内面を含む筐体であって、前記内面は、第１の側壁と第２の側壁との間に及び上部プレートと底部プレートとの間に延在する、第１のエンドプレート及び第２のエンドプレートによって画定される、前記筐体と、
前記筐体の前記内部空間に配置された２つ以上の電池セルと、
隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素であって、前記スペーサー要素のそれぞれは少なくとも１つの熱容量層及び少なくとも１つの絶縁層を含む、前記１つ以上のスペーサー要素と、を含み、
前記スペーサー要素のそれぞれの一部が前記絶縁層から離れて延在し、熱バリアは前記隣接電池セルの間に形成されるように前記筐体の前記内面に接触する、前記電池モジュール。
［実施形態２］
前記２つ以上の電池セルは、前記エンドプレートと平行に縦方向に配向され、前記スペーサー要素は、前記底面、上面、第１の側壁、及び第２の側壁のうちの少なくとも１つに接触し、隣接電池セルの間に前記熱バリアを形成する、実施形態１に記載のモジュール。
［実施形態３］
前記スペーサー要素のそれぞれは、前記内面の上に及び／または中に形成された１つ以上のチャネルに接触する、実施形態１または２に記載のモジュール。
［実施形態４］
前記１つ以上のチャネルは、前記第１のエンドプレート、前記第２のエンドプレート、前記第１の側壁、前記第２の側壁、前記上部プレート、及び前記底部プレートのうちの１つ以上から突出する、実施形態３に記載のモジュール。
［実施形態５］
前記１つ以上のチャネルは、前記第１のエンドプレート、前記第２のエンドプレート、前記第１の側壁、前記第２の側壁、前記上部プレート、及び前記底部プレートのうちの１つ以上の凹部である、実施形態３に記載のモジュール。
［実施形態６］
前記スペーサー要素のそれぞれは、前記スペーサー要素と前記内面との間にシールを形成する前記チャネルの１つ以上の部分に接触する、実施形態３～５のいずれか１項に記載のモジュール。
［実施形態７］
前記１つ以上のチャネルは、対向する側壁及び底面を有する実質的にＵ字形である、実施形態３～６のいずれか１項に記載のモジュール。
［実施形態８］
前記スペーサー要素は前記Ｕ字形チャネルの前記側壁に接触する、実施形態７に記載のモジュール。
［実施形態９］
ギャップは、前記スペーサー要素と、前記Ｕ字形チャネルの前記底面との間に存在する、実施形態８に記載のモジュール。
［実施形態１０］
前記絶縁層は、前記絶縁層の厚さ寸法を通して、２５℃で約５０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満及び６００℃で約６０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満の熱伝導率を有する、実施形態１～９のいずれか１項に記載のモジュール。
［実施形態１１］
前記絶縁層はエアロゲルを含む、実施形態１０に記載のモジュール。
［実施形態１２］
前記熱容量層は、前記底面、上面、第１の側壁、または第２の側壁のうちの少なくとも１つに接触する、実施形態１～１２のいずれかに記載のモジュール。
［実施形態１３］
前記１つ以上のスペーサー要素は、さらに、前記少なくとも１つの熱容量層及び少なくとも１つの絶縁層を覆う外部を含み、前記外部は、少なくとも１つの犠牲層及び少なくとも１つの封入材料層を含む、実施形態１～１２のいずれか１項に記載のモジュール。
［実施形態１４］
前記少なくとも１つの犠牲材料層は、約２７ｋＰａ～約５５ｋＰａで２５％の圧縮力偏向を有する圧縮可能パッドを備える、実施形態１３に記載のモジュール。
［実施形態１５］
前記少なくとも１つの封入材料層はポリマーを含む、実施形態１３または１４に記載のモジュール。
［実施形態１６］
前記１つ以上のスペーサー要素及び前記筐体の前記内面は、一緒に、複数の別々の区画を画定するように構成され、１つの電池セルが各区画に配置される、実施形態１～１５のいずれか１項に記載のモジュール。
［実施形態１７］
前記筐体の少なくとも一部は１つ以上の通気ポートを備え、前記１つ以上の通気ポートは、前記複数の別々の区画のうちの１つ以上に流体的に結合される、実施形態１６に記載のモジュール。
［実施形態１８］
前記通気ポートのうちの１つ以上は圧力安全弁である、実施形態１７に記載のモジュール。
［実施形態１９］
前記通気ポートのうちの１つ以上は、前記筐体の一部に形成された開口部を含む、実施形態１７または１８に記載のモジュール。
［実施形態２０］
前記通気ポートのうちの１つ以上は、前記区画のうちの１つ以上と連通する、前記筐体の側壁または上部プレートに位置付けられる、実施形態１７～１９のいずれか１項に記載のモジュール。
［実施形態２１］
電池モジュールであって、
内面を含む筐体であって、前記内面は、第１の側壁と第２の側壁との間に及び上部プレートと底部プレートとの間に延在する、第１のエンドプレート及び第２のエンドプレートによって画定される、前記筐体と、
前記筐体の前記内部空間に配置された２つ以上の電池セルと、
隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素であって、前記スペーサー要素のそれぞれは少なくとも１つの熱容量層及び少なくとも１つの絶縁層を含む、前記１つ以上のスペーサー要素と、
前記筐体の内面に沿って配置された複数の別々のエッジ要素であって、前記エッジ要素は、圧縮可能であり、約１００℃よりも大きい化学分解の開始温度を有する材料を含む、前記複数の別々のエッジ要素と、を含み、
前記スペーサー要素のそれぞれが前記複数の別々のエッジ要素のうちの１つに接触することにより、前記スペーサー要素と、前記隣接電池セルを熱的に隔離する前記筐体の前記内面との間の前記エッジ要素によって、シールが形成される、
前記電池モジュール。
［実施形態２２］
前記エッジ要素は、膨張材料、形状記憶材料、または膨張材料及び形状記憶材料の組み合わせを含む、実施形態２１に記載のモジュール。
［実施形態２３］
前記エッジ要素はシリコーンポリマーを含む、実施形態２１に記載のモジュール。
［実施形態２４］
前記エッジ要素は、１つ以上の容量層及び１つ以上の絶縁層を含む、実施形態２１に記載のモジュール。
［実施形態２５］
前記エッジ要素は、前記スペーサー要素の前記少なくとも１つの熱容量層の部分を含む、実施形態２１に記載のモジュール。
［実施形態２６］
前記エッジ要素は、前記スペーサー要素の前記少なくとも１つの絶縁層の部分を含む、実施形態２１に記載のモジュール。
［実施形態２７］
前記エッジ要素は、さらに、前記１つ以上の容量層及び前記１つ以上の絶縁層を覆う外部を含み、前記外部は少なくとも１つの圧縮可能層を含む、実施形態２６に記載のモジュール。
［実施形態２８］
前記圧縮可能層は、約２７ｋＰａ～約５５ｋＰａで２５％の圧縮力偏向を有する、実施形態２６に記載のモジュール。
［実施形態２９］
前記２つ以上の電池セルは、前記エンドプレートと平行に、前記第１の側壁と前記第２の側壁との間に配向され、前記スペーサー要素は前記底面に接触し、前記１つ以上のエッジ要素のうちの１つは前記スペーサー要素と前記上面との間に配置される、実施形態２１～２８のいずれか１項に記載のモジュール。
［実施形態３０］
前記１つ以上のエッジ要素のうちの１つは、前記第１の側壁及び前記スペーサー要素ならびに／または前記第２の側壁及び前記スペーサー要素の間に配置される、実施形態２９に記載のモジュール。
［実施形態３１］
前記スペーサー要素は前記第１の側壁及び前記第２の側壁に接触する、実施形態２９に記載のモジュール。
［実施形態３２］
前記スペーサー要素のそれぞれは、前記第１の側壁及び前記第２の側壁に形成された１つ以上のチャネルに接触する、実施形態３１に記載のモジュール。
［実施形態３３］
前記１つ以上のチャネルは前記第１の側壁及び／または前記第２の側壁の凹部である、実施形態３２に記載のモジュール。
［実施形態３４］
前記１つ以上のチャネルは前記第１の側壁及び／または前記第２の側壁から突出する、実施形態３２に記載のモジュール。
［実施形態３５］
前記スペーサー要素のそれぞれは、前記スペーサー要素と前記内面との間にシールを形成する前記チャネルの１つ以上の部分に接触する、実施形態３２～３４のいずれか１項に記載のモジュール。
［実施形態３６］
前記１つ以上のチャネルは、対向する側壁及び底面を有する実質的にＵ字形である、実施形態３２～３４のいずれか１項に記載のモジュール。
［実施形態３７］
前記スペーサー要素は前記Ｕ字形チャネルの前記側壁に接触する、実施形態３６に記載のモジュール。
［実施形態３８］
ギャップは、前記スペーサー要素と、前記Ｕ字形チャネルの前記底面との間に存在する、実施形態３７に記載のモジュール。
［実施形態３９］
前記スペーサー要素の前記絶縁層は、前記絶縁層の厚さ寸法を通して、２５℃で約５０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満及び６００℃で約６０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満の熱伝導率を有する、実施形態２１～３８のいずれか１項に記載のモジュール。
［実施形態４０］
前記スペーサー要素の前記絶縁層はエアロゲルを含む、実施形態３９に記載のモジュール。
［実施形態４１］
前記１つ以上のスペーサー要素は、さらに、前記少なくとも１つの熱容量層及び少なくとも１つの絶縁層を覆う外部を含み、前記外部は、少なくとも１つの犠牲層及び少なくとも１つの封入材料層を含む、実施形態３９または４０に記載のモジュール。
［実施形態４２］
前記少なくとも１つの犠牲材料層は、約２７ｋＰａ～約５５ｋＰａで２５％の圧縮力偏向を有する圧縮可能パッドを備える、実施形態４１に記載のモジュール。
［実施形態４３］
前記少なくとも１つの封入材料層はポリマーを含む、実施形態４１または４２に記載のモジュール。
［実施形態４４］
前記１つ以上のスペーサー要素、前記１つ以上のエッジ要素、及び前記筐体の前記内面は、一緒に、複数の別々の区画を画定するように構成され、１つの電池セルが各区画に配置される、実施形態２１～４３のいずれか１項に記載のモジュール。
［実施形態４５］
前記筐体の少なくとも一部は１つ以上の通気ポートを備え、前記１つ以上の通気ポートは、前記複数の別々の区画のうちの１つ以上に流体的に結合される、実施形態４４に記載のモジュール。
［実施形態４６］
前記通気ポートのうちの１つ以上はバーストディスクである、実施形態４５に記載のモジュール。
［実施形態４７］
前記通気ポートのうちの１つ以上は、前記筐体の一部に形成された開口部を含む、実施形態４５または４６に記載のモジュール。
［実施形態４８］
前記通気ポートのうちの１つ以上は、前記区画のうちの１つ以上と連通する、前記筐体の側壁または上部プレートに位置付けられる、実施形態４５～４７のいずれか１項に記載のモジュール。
［実施形態４９］
電池モジュールであって、
内面を含む筐体であって、前記内面は、第１の側壁と第２の側壁との間に及び上部プレートと底部プレートとの間に延在する、第１のエンドプレート及び第２のエンドプレートによって画定される、前記筐体と、
前記筐体の前記内部空間に配置された２つ以上の電池セルと、
隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素であって、前記スペーサー要素のそれぞれは少なくとも１つの熱容量層及び少なくとも１つの絶縁層を含む、前記１つ以上のスペーサー要素と、
前記スペーサー要素から延在する１つ以上の延在部であって、前記延在部は実質的に弾性がある、前記延在部と、を含み、
前記１つ以上の延在部は偏向して、前記スペーサー要素と前記筐体との間にシールを形成する、前記電池モジュール。
［実施形態５０］
電池モジュールであって、
内面を含み、内部に内部空間を包囲する筐体と、
前記筐体の前記内部空間に配置された２つ以上の電池セルと、
隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素であって、前記１つ以上のスペーサー要素のそれぞれは少なくとも１つの絶縁層を含む、前記１つ以上のスペーサー要素と、
前記１つ以上のスペーサー要素から延在する１つ以上の延在部であって、前記１つ以上の延在部は熱活性材料から形成される、前記１つ以上の延在部と、を含み、
前記１つ以上の延在部は偏向して、前記スペーサー要素と前記筐体との間にシールを形成する、前記電池モジュール。
［実施形態５１］
前記熱活性材料は形状記憶材料を含む、実施形態５０に記載の電池モジュール。
［実施形態５２］
前記形状記憶材料は形状記憶合金である、実施形態５１に記載の電池モジュール。
［実施形態５３］
前記熱活性材料は膨張材料を含む、実施形態５０に記載の電池モジュール。
［実施形態５４］
前記熱活性材料は、形状記憶材料及び膨張材料の組み合わせを含む、実施形態５０に記載の電池モジュール。
［実施形態５５］
前記１つ以上の延在部は、偏向するとき、前記電池モジュールの残りの部からシールされた前記電池モジュール内の領域を作成する、実施形態５０～５４のいずれか１項に記載の電池モジュール。
［実施形態５６］
前記１つ以上の延在部は第１の延在部及び第２の延在部を含み、前記第１の延在部は前記第２の延在部の反対側の配向で偏向する、実施形態５０～５４のいずれか１項に記載の電池モジュール。
［実施形態５７］
電池モジュールであって、
内面を含み、内部に内部空間を包囲する筐体と、
前記筐体の前記内部空間に配置された２つ以上の電池セルと、
隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素であって、前記１つ以上のスペーサー要素のそれぞれは少なくとも１つの絶縁層を含む、前記１つ以上のスペーサー要素と、
前記筐体の前記内面から延在する１つ以上の延在部であって、前記１つ以上の延在部は熱活性材料から形成される、前記１つ以上の延在部と、を含み、
前記１つ以上の延在部は偏向して、前記スペーサー要素と前記筐体との間にシールを形成する、前記電池モジュール。
［実施形態５８］
前記熱活性材料は形状記憶材料である、実施形態５７に記載の電池モジュール。
［実施形態５９］
前記熱活性材料は、形状記憶材料及び膨張材料の組み合わせである、実施形態５７に記載の電池モジュール。
［実施形態６０］
前記１つ以上のスペーサー要素はエアロゲルを含む、実施形態５７に記載の電池モジュール。
［実施形態６１］
前記１つ以上のスペーサー要素は膨張材料を含む、実施形態５７に記載の電池モジュール。
［実施形態６２］
電池モジュールであって、
内面を含み、内部に内部空間を包囲する筐体と、
前記筐体の前記内部空間に配置された２つ以上の電池セルと、
隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素であって、前記１つ以上のスペーサー要素のそれぞれは、形状記憶材料を含む少なくとも１つの熱伝導層と物理的接触する少なくとも１つの絶縁層を含む、前記１つ以上のスペーサー要素と、を含み、
前記少なくとも１つの伝導層の前記形状記憶材料は、熱活性化に応じて偏向し、前記スペーサー要素と、前記２つ以上の電池セルのうちの少なくとも１つとの間にギャップを形成する、前記電池モジュール。
［実施形態６３］
前記形状記憶材料はニチノールを含む、実施形態６２に記載の電池モジュール。
［実施形態６４］
前記形状記憶材料はプレート形態である、実施形態６２に記載の電池モジュール。
［実施形態６５］
前記形状記憶材料は、前記少なくとも１つの熱伝導層全体にわたって分散される、実施形態６２に記載の電池モジュール。
［実施形態６６］
加熱によって活性化されるとき、前記形状記憶材料は拡張したばね形態である、実施形態６５に記載の電池モジュール。
［実施形態６７］
前記２つ以上の電池セルと熱接触する冷却システムをさらに備える、実施形態６２～６５のいずれかに記載の電池モジュール。
［実施形態６８］
前記冷却システムは冷却プレートである、実施形態６７に記載の電池モジュール。
［実施形態６９］
実施形態１～６８のいずれか１項に記載の複数の電池モジュールを含む、電気エネルギー貯蔵システム。
［実施形態７０］
実施形態６９に記載の電気エネルギー貯蔵システムを含むデバイスまたは車両。
本発明に関連する発明の実施形態の一部を以下に示す。
［実施形態１］
電池モジュールであって、
内面を含む筐体であって、前記内面は、第１の側壁と第２の側壁との間に及び上部プレートと底部プレートとの間に延在する、第１のエンドプレート及び第２のエンドプレートによって画定される、前記筐体と、
前記筐体の前記内部空間に配置された２つ以上の電池セルと、
隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素であって、前記スペーサー要素のそれぞれは少なくとも１つの熱容量層及び少なくとも１つの絶縁層を含む、前記１つ以上のスペーサー要素と、を含み、
前記スペーサー要素のそれぞれの一部が前記絶縁層から離れて延在し、熱バリアは前記隣接電池セルの間に形成されるように前記筐体の前記内面に接触する、前記電池モジュール。
［実施形態２］
前記２つ以上の電池セルは、前記エンドプレートと平行に縦方向に配向され、前記スペーサー要素は、前記底面、上面、第１の側壁、及び第２の側壁のうちの少なくとも１つに接触し、隣接電池セルの間に前記熱バリアを形成する、実施形態１に記載のモジュール。
［実施形態３］
前記スペーサー要素のそれぞれは、前記内面の上に及び／または中に形成された１つ以上のチャネルに接触する、実施形態１または２に記載のモジュール。
［実施形態４］
前記１つ以上のチャネルは、前記第１のエンドプレート、前記第２のエンドプレート、前記第１の側壁、前記第２の側壁、前記上部プレート、及び前記底部プレートのうちの１つ以上から突出する、実施形態３に記載のモジュール。
［実施形態５］
前記１つ以上のチャネルは、前記第１のエンドプレート、前記第２のエンドプレート、前記第１の側壁、前記第２の側壁、前記上部プレート、及び前記底部プレートのうちの１つ以上の凹部である、実施形態３に記載のモジュール。
［実施形態６］
前記スペーサー要素のそれぞれは、前記スペーサー要素と前記内面との間にシールを形成する前記チャネルの１つ以上の部分に接触する、実施形態３～５のいずれか１項に記載のモジュール。
［実施形態７］
前記１つ以上のチャネルは、対向する側壁及び底面を有する実質的にＵ字形である、実施形態３～６のいずれか１項に記載のモジュール。
［実施形態８］
前記スペーサー要素は前記Ｕ字形チャネルの前記側壁に接触する、実施形態７に記載のモジュール。
［実施形態９］
ギャップは、前記スペーサー要素と、前記Ｕ字形チャネルの前記底面との間に存在する、実施形態８に記載のモジュール。
［実施形態１０］
前記絶縁層は、前記絶縁層の厚さ寸法を通して、２５℃で約５０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満及び６００℃で約６０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満の熱伝導率を有する、実施形態１～９のいずれか１項に記載のモジュール。
［実施形態１１］
前記絶縁層はエアロゲルを含む、実施形態１０に記載のモジュール。
［実施形態１２］
前記熱容量層は、前記底面、上面、第１の側壁、または第２の側壁のうちの少なくとも１つに接触する、実施形態１～１２のいずれかに記載のモジュール。
［実施形態１３］
前記１つ以上のスペーサー要素は、さらに、前記少なくとも１つの熱容量層及び少なくとも１つの絶縁層を覆う外部を含み、前記外部は、少なくとも１つの犠牲層及び少なくとも１つの封入材料層を含む、実施形態１～１２のいずれか１項に記載のモジュール。
［実施形態１４］
前記少なくとも１つの犠牲材料層は、約２７ｋＰａ～約５５ｋＰａで２５％の圧縮力偏向を有する圧縮可能パッドを備える、実施形態１３に記載のモジュール。
［実施形態１５］
前記少なくとも１つの封入材料層はポリマーを含む、実施形態１３または１４に記載のモジュール。
［実施形態１６］
前記１つ以上のスペーサー要素及び前記筐体の前記内面は、一緒に、複数の別々の区画を画定するように構成され、１つの電池セルが各区画に配置される、実施形態１～１５のいずれか１項に記載のモジュール。
［実施形態１７］
前記筐体の少なくとも一部は１つ以上の通気ポートを備え、前記１つ以上の通気ポートは、前記複数の別々の区画のうちの１つ以上に流体的に結合される、実施形態１６に記載のモジュール。
［実施形態１８］
前記通気ポートのうちの１つ以上は圧力安全弁である、実施形態１７に記載のモジュール。
［実施形態１９］
前記通気ポートのうちの１つ以上は、前記筐体の一部に形成された開口部を含む、実施形態１７または１８に記載のモジュール。
［実施形態２０］
前記通気ポートのうちの１つ以上は、前記区画のうちの１つ以上と連通する、前記筐体の側壁または上部プレートに位置付けられる、実施形態１７～１９のいずれか１項に記載のモジュール。
［実施形態２１］
電池モジュールであって、
内面を含む筐体であって、前記内面は、第１の側壁と第２の側壁との間に及び上部プレートと底部プレートとの間に延在する、第１のエンドプレート及び第２のエンドプレートによって画定される、前記筐体と、
前記筐体の前記内部空間に配置された２つ以上の電池セルと、
隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素であって、前記スペーサー要素のそれぞれは少なくとも１つの熱容量層及び少なくとも１つの絶縁層を含む、前記１つ以上のスペーサー要素と、
前記筐体の内面に沿って配置された複数の別々のエッジ要素であって、前記エッジ要素は、圧縮可能であり、約１００℃よりも大きい化学分解の開始温度を有する材料を含む、前記複数の別々のエッジ要素と、を含み、
前記スペーサー要素のそれぞれが前記複数の別々のエッジ要素のうちの１つに接触することにより、前記スペーサー要素と、前記隣接電池セルを熱的に隔離する前記筐体の前記内面との間の前記エッジ要素によって、シールが形成される、
前記電池モジュール。
［実施形態２２］
前記エッジ要素は、膨張材料、形状記憶材料、または膨張材料及び形状記憶材料の組み合わせを含む、実施形態２１に記載のモジュール。
［実施形態２３］
前記エッジ要素はシリコーンポリマーを含む、実施形態２１に記載のモジュール。
［実施形態２４］
前記エッジ要素は、１つ以上の容量層及び１つ以上の絶縁層を含む、実施形態２１に記載のモジュール。
［実施形態２５］
前記エッジ要素は、前記スペーサー要素の前記少なくとも１つの熱容量層の部分を含む、実施形態２１に記載のモジュール。
［実施形態２６］
前記エッジ要素は、前記スペーサー要素の前記少なくとも１つの絶縁層の部分を含む、実施形態２１に記載のモジュール。
［実施形態２７］
前記エッジ要素は、さらに、前記１つ以上の容量層及び前記１つ以上の絶縁層を覆う外部を含み、前記外部は少なくとも１つの圧縮可能層を含む、実施形態２６に記載のモジュール。
［実施形態２８］
前記圧縮可能層は、約２７ｋＰａ～約５５ｋＰａで２５％の圧縮力偏向を有する、実施形態２６に記載のモジュール。
［実施形態２９］
前記２つ以上の電池セルは、前記エンドプレートと平行に、前記第１の側壁と前記第２の側壁との間に配向され、前記スペーサー要素は前記底面に接触し、前記１つ以上のエッジ要素のうちの１つは前記スペーサー要素と前記上面との間に配置される、実施形態２１～２８のいずれか１項に記載のモジュール。
［実施形態３０］
前記１つ以上のエッジ要素のうちの１つは、前記第１の側壁及び前記スペーサー要素ならびに／または前記第２の側壁及び前記スペーサー要素の間に配置される、実施形態２９に記載のモジュール。
［実施形態３１］
前記スペーサー要素は前記第１の側壁及び前記第２の側壁に接触する、実施形態２９に記載のモジュール。
［実施形態３２］
前記スペーサー要素のそれぞれは、前記第１の側壁及び前記第２の側壁に形成された１つ以上のチャネルに接触する、実施形態３１に記載のモジュール。
［実施形態３３］
前記１つ以上のチャネルは前記第１の側壁及び／または前記第２の側壁の凹部である、実施形態３２に記載のモジュール。
［実施形態３４］
前記１つ以上のチャネルは前記第１の側壁及び／または前記第２の側壁から突出する、実施形態３２に記載のモジュール。
［実施形態３５］
前記スペーサー要素のそれぞれは、前記スペーサー要素と前記内面との間にシールを形成する前記チャネルの１つ以上の部分に接触する、実施形態３２～３４のいずれか１項に記載のモジュール。
［実施形態３６］
前記１つ以上のチャネルは、対向する側壁及び底面を有する実質的にＵ字形である、実施形態３２～３４のいずれか１項に記載のモジュール。
［実施形態３７］
前記スペーサー要素は前記Ｕ字形チャネルの前記側壁に接触する、実施形態３６に記載のモジュール。
［実施形態３８］
ギャップは、前記スペーサー要素と、前記Ｕ字形チャネルの前記底面との間に存在する、実施形態３７に記載のモジュール。
［実施形態３９］
前記スペーサー要素の前記絶縁層は、前記絶縁層の厚さ寸法を通して、２５℃で約５０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満及び６００℃で約６０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満の熱伝導率を有する、実施形態２１～３８のいずれか１項に記載のモジュール。
［実施形態４０］
前記スペーサー要素の前記絶縁層はエアロゲルを含む、実施形態３９に記載のモジュール。
［実施形態４１］
前記１つ以上のスペーサー要素は、さらに、前記少なくとも１つの熱容量層及び少なくとも１つの絶縁層を覆う外部を含み、前記外部は、少なくとも１つの犠牲層及び少なくとも１つの封入材料層を含む、実施形態３９または４０に記載のモジュール。
［実施形態４２］
前記少なくとも１つの犠牲材料層は、約２７ｋＰａ～約５５ｋＰａで２５％の圧縮力偏向を有する圧縮可能パッドを備える、実施形態４１に記載のモジュール。
［実施形態４３］
前記少なくとも１つの封入材料層はポリマーを含む、実施形態４１または４２に記載のモジュール。
［実施形態４４］
前記１つ以上のスペーサー要素、前記１つ以上のエッジ要素、及び前記筐体の前記内面は、一緒に、複数の別々の区画を画定するように構成され、１つの電池セルが各区画に配置される、実施形態２１～４３のいずれか１項に記載のモジュール。
［実施形態４５］
前記筐体の少なくとも一部は１つ以上の通気ポートを備え、前記１つ以上の通気ポートは、前記複数の別々の区画のうちの１つ以上に流体的に結合される、実施形態４４に記載のモジュール。
［実施形態４６］
前記通気ポートのうちの１つ以上はバーストディスクである、実施形態４５に記載のモジュール。
［実施形態４７］
前記通気ポートのうちの１つ以上は、前記筐体の一部に形成された開口部を含む、実施形態４５または４６に記載のモジュール。
［実施形態４８］
前記通気ポートのうちの１つ以上は、前記区画のうちの１つ以上と連通する、前記筐体の側壁または上部プレートに位置付けられる、実施形態４５～４７のいずれか１項に記載のモジュール。
［実施形態４９］
電池モジュールであって、
内面を含む筐体であって、前記内面は、第１の側壁と第２の側壁との間に及び上部プレートと底部プレートとの間に延在する、第１のエンドプレート及び第２のエンドプレートによって画定される、前記筐体と、
前記筐体の前記内部空間に配置された２つ以上の電池セルと、
隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素であって、前記スペーサー要素のそれぞれは少なくとも１つの熱容量層及び少なくとも１つの絶縁層を含む、前記１つ以上のスペーサー要素と、
前記スペーサー要素から延在する１つ以上の延在部であって、前記延在部は実質的に弾性がある、前記延在部と、を含み、
前記１つ以上の延在部は偏向して、前記スペーサー要素と前記筐体との間にシールを形成する、前記電池モジュール。
［実施形態５０］
電池モジュールであって、
内面を含み、内部に内部空間を包囲する筐体と、
前記筐体の前記内部空間に配置された２つ以上の電池セルと、
隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素であって、前記１つ以上のスペーサー要素のそれぞれは少なくとも１つの絶縁層を含む、前記１つ以上のスペーサー要素と、
前記１つ以上のスペーサー要素から延在する１つ以上の延在部であって、前記１つ以上の延在部は熱活性材料から形成される、前記１つ以上の延在部と、を含み、
前記１つ以上の延在部は偏向して、前記スペーサー要素と前記筐体との間にシールを形成する、前記電池モジュール。
［実施形態５１］
前記熱活性材料は形状記憶材料を含む、実施形態５０に記載の電池モジュール。
［実施形態５２］
前記形状記憶材料は形状記憶合金である、実施形態５１に記載の電池モジュール。
［実施形態５３］
前記熱活性材料は膨張材料を含む、実施形態５０に記載の電池モジュール。
［実施形態５４］
前記熱活性材料は、形状記憶材料及び膨張材料の組み合わせを含む、実施形態５０に記載の電池モジュール。
［実施形態５５］
前記１つ以上の延在部は、偏向するとき、前記電池モジュールの残りの部からシールされた前記電池モジュール内の領域を作成する、実施形態５０～５４のいずれか１項に記載の電池モジュール。
［実施形態５６］
前記１つ以上の延在部は第１の延在部及び第２の延在部を含み、前記第１の延在部は前記第２の延在部の反対側の配向で偏向する、実施形態５０～５４のいずれか１項に記載の電池モジュール。
［実施形態５７］
電池モジュールであって、
内面を含み、内部に内部空間を包囲する筐体と、
前記筐体の前記内部空間に配置された２つ以上の電池セルと、
隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素であって、前記１つ以上のスペーサー要素のそれぞれは少なくとも１つの絶縁層を含む、前記１つ以上のスペーサー要素と、
前記筐体の前記内面から延在する１つ以上の延在部であって、前記１つ以上の延在部は熱活性材料から形成される、前記１つ以上の延在部と、を含み、
前記１つ以上の延在部は偏向して、前記スペーサー要素と前記筐体との間にシールを形成する、前記電池モジュール。
［実施形態５８］
前記熱活性材料は形状記憶材料である、実施形態５７に記載の電池モジュール。
［実施形態５９］
前記熱活性材料は、形状記憶材料及び膨張材料の組み合わせである、実施形態５７に記載の電池モジュール。
［実施形態６０］
前記１つ以上のスペーサー要素はエアロゲルを含む、実施形態５７に記載の電池モジュール。
［実施形態６１］
前記１つ以上のスペーサー要素は膨張材料を含む、実施形態５７に記載の電池モジュール。
［実施形態６２］
電池モジュールであって、
内面を含み、内部に内部空間を包囲する筐体と、
前記筐体の前記内部空間に配置された２つ以上の電池セルと、
隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素であって、前記１つ以上のスペーサー要素のそれぞれは、形状記憶材料を含む少なくとも１つの熱伝導層と物理的接触する少なくとも１つの絶縁層を含む、前記１つ以上のスペーサー要素と、を含み、
前記少なくとも１つの伝導層の前記形状記憶材料は、熱活性化に応じて偏向し、前記スペーサー要素と、前記２つ以上の電池セルのうちの少なくとも１つとの間にギャップを形成する、前記電池モジュール。
［実施形態６３］
前記形状記憶材料はニチノールを含む、実施形態６２に記載の電池モジュール。
［実施形態６４］
前記形状記憶材料はプレート形態である、実施形態６２に記載の電池モジュール。
［実施形態６５］
前記形状記憶材料は、前記少なくとも１つの熱伝導層全体にわたって分散される、実施形態６２に記載の電池モジュール。
［実施形態６６］
加熱によって活性化されるとき、前記形状記憶材料は拡張したばね形態である、実施形態６５に記載の電池モジュール。
［実施形態６７］
前記２つ以上の電池セルと熱接触する冷却システムをさらに備える、実施形態６２～６５のいずれかに記載の電池モジュール。
［実施形態６８］
前記冷却システムは冷却プレートである、実施形態６７に記載の電池モジュール。
［実施形態６９］
実施形態１～６８のいずれか１項に記載の複数の電池モジュールを含む、電気エネルギー貯蔵システム。
［実施形態７０］
実施形態６９に記載の電気エネルギー貯蔵システムを含むデバイスまたは車両。
【手続補正2】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電池モジュールであって、内面を含む筐体であって、前記内面は、第１の側壁と第２の側壁との間に及び上部プレートと底部プレートとの間に延在する、第１のエンドプレート及び第２のエンドプレートによって画定される、前記筐体と、
前記筐体の前記内部空間に配置された２つ以上の電池セルと、
隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素であって、前記スペーサー要素のそれぞれは少なくとも１つの熱容量層及び少なくとも１つの絶縁層を含む、前記１つ以上のスペーサー要素と、を含み、
前記スペーサー要素のそれぞれの一部が前記絶縁層から離れて延在し、熱バリアは前記隣接電池セルの間に形成されるように前記筐体の前記内面に接触する、前記電池モジュール。
【請求項2】
前記２つ以上の電池セルは、前記エンドプレートと平行に縦方向に配向され、前記スペーサー要素は、前記底面、上面、第１の側壁、及び第２の側壁のうちの少なくとも１つに接触し、隣接電池セルの間に前記熱バリアを形成する、請求項１に記載のモジュール。
【請求項3】
前記スペーサー要素のそれぞれは、前記内面の上に及び／または中に形成された１つ以上のチャネルに接触する、請求項１に記載のモジュール。
【請求項4】
前記１つ以上のチャネルは、前記第１のエンドプレート、前記第２のエンドプレート、前記第１の側壁、前記第２の側壁、前記上部プレート、及び前記底部プレートのうちの１つ以上から突出する、請求項３に記載のモジュール。
【請求項5】
前記１つ以上のチャネルは、前記第１のエンドプレート、前記第２のエンドプレート、前記第１の側壁、前記第２の側壁、前記上部プレート、及び前記底部プレートのうちの１つ以上の凹部である、請求項３に記載のモジュール。
【請求項6】
前記スペーサー要素のそれぞれは、前記スペーサー要素と前記内面との間にシールを形成する前記チャネルの１つ以上の部分に接触する、請求項３に記載のモジュール。
【請求項7】
前記１つ以上のチャネルは、対向する側壁及び底面を有する実質的にＵ字形である、請求項３に記載のモジュール。
【請求項8】
前記スペーサー要素は前記Ｕ字形チャネルの前記側壁に接触する、請求項７に記載のモジュール。
【請求項9】
ギャップは、前記スペーサー要素と、前記Ｕ字形チャネルの前記底面との間に存在する、請求項８に記載のモジュール。
【請求項10】
前記絶縁層は、前記絶縁層の厚さ寸法を通して、２５℃で約５０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満及び６００℃で約６０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満の熱伝導率を有する、請求項１に記載のモジュール。
【請求項11】
前記絶縁層はエアロゲルを含む、請求項１０に記載のモジュール。
【請求項12】
前記熱容量層は、前記底面、上面、第１の側壁、または第２の側壁のうちの少なくとも１つに接触する、請求項１に記載のモジュール。
【請求項13】
前記１つ以上のスペーサー要素は、さらに、前記少なくとも１つの熱容量層及び少なくとも１つの絶縁層を覆う外部を含み、前記外部は、少なくとも１つの犠牲層及び少なくとも１つの封入材料層を含む、請求項１に記載のモジュール。
【請求項14】
前記少なくとも１つの犠牲材料層は、約２７ｋＰａ～約５５ｋＰａで２５％の圧縮力偏向を有する圧縮可能パッドを備える、請求項１３に記載のモジュール。
【請求項15】
前記少なくとも１つの封入材料層はポリマーを含む、請求項１３に記載のモジュール。
【請求項16】
前記１つ以上のスペーサー要素及び前記筐体の前記内面は、一緒に、複数の別々の区画を画定するように構成され、１つの電池セルが各区画に配置される、請求項１に記載のモジュール。
【請求項17】
前記筐体の少なくとも一部は１つ以上の通気ポートを備え、前記１つ以上の通気ポートは、前記複数の別々の区画のうちの１つ以上に流体的に結合される、請求項１６に記載のモジュール。
【請求項18】
前記通気ポートのうちの１つ以上は圧力安全弁である、請求項１７に記載のモジュール。
【請求項19】
前記通気ポートのうちの１つ以上は、前記筐体の一部に形成された開口部を含む、請求項１７に記載のモジュール。
【請求項20】
前記通気ポートのうちの１つ以上は、前記区画のうちの１つ以上と連通する、前記筐体の側壁または上部プレートに位置付けられる、請求項１７に記載のモジュール。
【請求項21】
電池モジュールであって、内面を含む筐体であって、前記内面は、第１の側壁と第２の側壁との間に及び上部プレートと底部プレートとの間に延在する、第１のエンドプレート及び第２のエンドプレートによって画定される、前記筐体と、
前記筐体の前記内部空間に配置された２つ以上の電池セルと、
隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素であって、前記スペーサー要素のそれぞれは少なくとも１つの熱容量層及び少なくとも１つの絶縁層を含む、前記１つ以上のスペーサー要素と、
前記筐体の内面に沿って配置された複数の別々のエッジ要素であって、前記エッジ要素は、圧縮可能であり、約１００℃よりも大きい化学分解の開始温度を有する材料を含む、前記複数の別々のエッジ要素と、を含み、
前記スペーサー要素のそれぞれが前記複数の別々のエッジ要素のうちの１つに接触することにより、前記スペーサー要素と、前記隣接電池セルを熱的に隔離する前記筐体の前記内面との間の前記エッジ要素によって、シールが形成される、
前記電池モジュール。
【請求項22】
前記エッジ要素は、膨張材料、形状記憶材料、または膨張材料及び形状記憶材料の組み合わせを含む、請求項２１に記載のモジュール。
【請求項23】
前記エッジ要素はシリコーンポリマーを含む、請求項２１に記載のモジュール。
【請求項24】
前記エッジ要素は、１つ以上の容量層及び１つ以上の絶縁層を含む、請求項２１に記載のモジュール。
【請求項25】
前記エッジ要素は、前記スペーサー要素の前記少なくとも１つの熱容量層の部分を含む、請求項２１に記載のモジュール。
【請求項26】
前記エッジ要素は、前記スペーサー要素の前記少なくとも１つの絶縁層の部分を含む、請求項２１に記載のモジュール。
【請求項27】
前記エッジ要素は、さらに、前記１つ以上の容量層及び前記１つ以上の絶縁層を覆う外部を含み、前記外部は少なくとも１つの圧縮可能層を含む、請求項２６に記載のモジュール。
【請求項28】
前記圧縮可能層は、約２７ｋＰａ～約５５ｋＰａで２５％の圧縮力偏向を有する、請求項２６に記載のモジュール。
【請求項29】
前記２つ以上の電池セルは、前記エンドプレートと平行に、前記第１の側壁と前記第２の側壁との間に配向され、前記スペーサー要素は前記底面に接触し、前記１つ以上のエッジ要素のうちの１つは前記スペーサー要素と前記上面との間に配置される、請求項２１に記載のモジュール。
【請求項30】
前記１つ以上のエッジ要素のうちの１つは、前記第１の側壁及び前記スペーサー要素ならびに／または前記第２の側壁及び前記スペーサー要素の間に配置される、請求項２９に記載のモジュール。
【請求項31】
前記スペーサー要素は前記第１の側壁及び前記第２の側壁に接触する、請求項２９に記載のモジュール。
【請求項32】
前記スペーサー要素のそれぞれは、前記第１の側壁及び前記第２の側壁に形成された１つ以上のチャネルに接触する、請求項３１に記載のモジュール。
【請求項33】
前記１つ以上のチャネルは前記第１の側壁及び／または前記第２の側壁の凹部である、請求項３２に記載のモジュール。
【請求項34】
前記１つ以上のチャネルは前記第１の側壁及び／または前記第２の側壁から突出する、請求項３２に記載のモジュール。
【請求項35】
前記スペーサー要素のそれぞれは、前記スペーサー要素と前記内面との間にシールを形成する前記チャネルの１つ以上の部分に接触する、請求項３２に記載のモジュール。
【請求項36】
前記１つ以上のチャネルは、対向する側壁及び底面を有する実質的にＵ字形である、請求項３２に記載のモジュール。
【請求項37】
前記スペーサー要素は前記Ｕ字形チャネルの前記側壁に接触する、請求項３６に記載のモジュール。
【請求項38】
ギャップは、前記スペーサー要素と、前記Ｕ字形チャネルの前記底面との間に存在する、請求項３７に記載のモジュール。
【請求項39】
前記スペーサー要素の前記絶縁層は、前記絶縁層の厚さ寸法を通して、２５℃で約５０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満及び６００℃で約６０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満の熱伝導率を有する、請求項２１に記載のモジュール。
【請求項40】
前記スペーサー要素の前記絶縁層はエアロゲルを含む、請求項３９に記載のモジュール。
【請求項41】
前記１つ以上のスペーサー要素は、さらに、前記少なくとも１つの熱容量層及び少なくとも１つの絶縁層を覆う外部を含み、前記外部は、少なくとも１つの犠牲層及び少なくとも１つの封入材料層を含む、請求項３９に記載のモジュール。
【請求項42】
前記少なくとも１つの犠牲材料層は、約２７ｋＰａ～約５５ｋＰａで２５％の圧縮力偏向を有する圧縮可能パッドを備える、請求項４１に記載のモジュール。
【請求項43】
前記少なくとも１つの封入材料層はポリマーを含む、請求項４１に記載のモジュール。
【請求項44】
前記１つ以上のスペーサー要素、前記１つ以上のエッジ要素、及び前記筐体の前記内面は、一緒に、複数の別々の区画を画定するように構成され、１つの電池セルが各区画に配置される、請求項２１に記載のモジュール。
【請求項45】
前記筐体の少なくとも一部は１つ以上の通気ポートを備え、前記１つ以上の通気ポートは、前記複数の別々の区画のうちの１つ以上に流体的に結合される、請求項４４に記載のモジュール。
【請求項46】
前記通気ポートのうちの１つ以上はバーストディスクである、請求項４５に記載のモジュール。
【請求項47】
前記通気ポートのうちの１つ以上は、前記筐体の一部に形成された開口部を含む、請求項４５に記載のモジュール。
【請求項48】
前記通気ポートのうちの１つ以上は、前記区画のうちの１つ以上と連通する、前記筐体の側壁または上部プレートに位置付けられる、請求項４５に記載のモジュール。
【請求項49】
電池モジュールであって、内面を含む筐体であって、前記内面は、第１の側壁と第２の側壁との間に及び上部プレートと底部プレートとの間に延在する、第１のエンドプレート及び第２のエンドプレートによって画定される、前記筐体と、
前記筐体の前記内部空間に配置された２つ以上の電池セルと、
隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素であって、前記スペーサー要素のそれぞれは少なくとも１つの熱容量層及び少なくとも１つの絶縁層を含む、前記１つ以上のスペーサー要素と、
前記スペーサー要素から延在する１つ以上の延在部であって、前記延在部は実質的に弾性がある、前記延在部と、を含み、
前記１つ以上の延在部は偏向して、前記スペーサー要素と前記筐体との間にシールを形成する、前記電池モジュール。
【請求項50】
電池モジュールであって、内面を含み、内部に内部空間を包囲する筐体と、
前記筐体の前記内部空間に配置された２つ以上の電池セルと、
隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素であって、前記１つ以上のスペーサー要素のそれぞれは少なくとも１つの絶縁層を含む、前記１つ以上のスペーサー要素と、
前記１つ以上のスペーサー要素から延在する１つ以上の延在部であって、前記１つ以上の延在部は熱活性材料から形成される、前記１つ以上の延在部と、を含み、
前記１つ以上の延在部は偏向して、前記スペーサー要素と前記筐体との間にシールを形成する、前記電池モジュール。
【請求項51】
前記熱活性材料は形状記憶材料を含む、請求項５０に記載の電池モジュール。
【請求項52】
前記形状記憶材料は形状記憶合金である、請求項５１に記載の電池モジュール。
【請求項53】
前記熱活性材料は膨張材料を含む、請求項５０に記載の電池モジュール。
【請求項54】
前記熱活性材料は、形状記憶材料及び膨張材料の組み合わせを含む、請求項５０に記載の電池モジュール。
【請求項55】
前記１つ以上の延在部は、偏向するとき、前記電池モジュールの残りの部からシールされた前記電池モジュール内の領域を作成する、請求項５０に記載の電池モジュール。
【請求項56】
前記１つ以上の延在部は第１の延在部及び第２の延在部を含み、前記第１の延在部は前記第２の延在部の反対側の配向で偏向する、請求項５０に記載の電池モジュール。
【請求項57】
電池モジュールであって、内面を含み、内部に内部空間を包囲する筐体と、
前記筐体の前記内部空間に配置された２つ以上の電池セルと、
隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素であって、前記１つ以上のスペーサー要素のそれぞれは少なくとも１つの絶縁層を含む、前記１つ以上のスペーサー要素と、
前記筐体の前記内面から延在する１つ以上の延在部であって、前記１つ以上の延在部は熱活性材料から形成される、前記１つ以上の延在部と、を含み、
前記１つ以上の延在部は偏向して、前記スペーサー要素と前記筐体との間にシールを形成する、前記電池モジュール。
【請求項58】
前記熱活性材料は形状記憶材料である、請求項５７に記載の電池モジュール。
【請求項59】
前記熱活性材料は、形状記憶材料及び膨張材料の組み合わせである、請求項５７に記載の電池モジュール。
【請求項60】
前記１つ以上のスペーサー要素はエアロゲルを含む、請求項５７に記載の電池モジュール。
【請求項61】
前記１つ以上のスペーサー要素は膨張材料を含む、請求項５７に記載の電池モジュール。
【請求項62】
電池モジュールであって、内面を含み、内部に内部空間を包囲する筐体と、
前記筐体の前記内部空間に配置された２つ以上の電池セルと、
隣接電池セルの間に配置された１つ以上のスペーサー要素であって、前記１つ以上のスペーサー要素のそれぞれは、形状記憶材料を含む少なくとも１つの熱伝導層と物理的接触する少なくとも１つの絶縁層を含む、前記１つ以上のスペーサー要素と、を含み、
前記少なくとも１つの伝導層の前記形状記憶材料は、熱活性化に応じて偏向し、前記スペーサー要素と、前記２つ以上の電池セルのうちの少なくとも１つとの間にギャップを形成する、前記電池モジュール。
【請求項63】
前記形状記憶材料はニチノールを含む、請求項６２に記載の電池モジュール。
【請求項64】
前記形状記憶材料はプレート形態である、請求項６２に記載の電池モジュール。
【請求項65】
前記形状記憶材料は、前記少なくとも１つの熱伝導層全体にわたって分散される、請求項６２に記載の電池モジュール。
【請求項66】
加熱によって活性化されるとき、前記形状記憶材料は拡張したばね形態である、請求項６５に記載の電池モジュール。
【請求項67】
前記２つ以上の電池セルと熱接触する冷却システムをさらに備える、請求項６２の電池モジュール。
【請求項68】
前記冷却システムは冷却プレートである、請求項６７に記載の電池モジュール。
【請求項69】
請求項１～６８のいずれか１項に記載の複数の電池モジュールを含む、電気エネルギー貯蔵システム。
【請求項70】
請求項６９に記載の電気エネルギー貯蔵システムを含むデバイスまたは車両。
【国際調査報告】