JP6885791B2 - Thermal runaway prevention sheet - Google Patents
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Description
本発明は、熱暴走防止シートに関する。 The present invention relates to a thermal runaway prevention sheet.
地球温暖化の抑制、循環型社会の推進の為、よりエコな電気自動車が普及しつつある。しかしながら、エネルギー密度の向上なしには、実用的な航続距離の実現は難しい。一方で、エネルギー密度を向上した電池は、熱暴走を誘発し易く、熱暴走を起こすと、バッテリーセル(以後、セルと称する)の温度は急激に上昇して300〜400℃以上に達する場合がある。また、一つのセルが熱暴走を起こすと隣接するセルも熱暴走を起こす可能性が高く、その結果、大きな事故を引き起こす可能性がある。このため、熱暴走を抑制する部材が求められていた。 More eco-friendly electric vehicles are becoming widespread in order to curb global warming and promote a sound material-cycle society. However, it is difficult to achieve a practical cruising range without improving the energy density. On the other hand, a battery with improved energy density tends to induce thermal runaway, and when thermal runaway occurs, the temperature of the battery cell (hereinafter referred to as the cell) may rise sharply to reach 300 to 400 ° C. or higher. is there. In addition, if one cell causes thermal runaway, the adjacent cell is also likely to cause thermal runaway, and as a result, a major accident may occur. Therefore, there has been a demand for a member that suppresses thermal runaway.
複数のセルが連続して暴走すること(以下、連爆と称する)を防止するために、特許文献1では、隣接する二次電池の間にプラスチック製の熱暴走防止壁を設けることが記載されている。しかしながら、特許文献1の熱暴走防止壁は、放熱のために内面の形状を二次電池の外形に等しい形状に成形した熱伝導筒に一体的に形成されており、熱暴走防止壁が熱伝導筒の一部となった複雑な構造となっている。
In order to prevent a plurality of cells from running away in succession (hereinafter referred to as continuous explosion),
本発明の目的は、1つのセルが熱暴走したときに隣接するセルへの熱伝導を抑制する熱暴走防止シート、電池構造体、及び電子機器を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a thermal runaway prevention sheet, a battery structure, and an electronic device that suppress heat conduction to an adjacent cell when one cell has a thermal runaway.
上記課題を解決するために、本発明の以下の態様が提供される。
[1]鉱物系粉体及び難燃剤のうちの少なくとも一方を含有し、100〜1000℃で吸熱反応を開始し、該吸熱反応により相変化、膨張、発泡及び硬化から成る群から選択される少なくとも一種の構造変化が起こる、熱暴走防止シート。
[2]構造変化による体積変化率が80%〜500%又は反応圧力が0〜5MPaである項1に記載の熱暴走防止シート。
[3]400℃における熱伝導率λが0.1W/m・K以下である項1又は2に記載の熱暴走防止シート。
[4]前記鉱物系粉体は、珪藻土、タルク、炭酸カルシウム、水酸化アルミニウム、酸化チタン、ヒル石(パーミキュライト)、ゼオライト、及びホワイトカーボン(合成シリカ)から成る群から選択される少なくとも一種の粉体を含み、
前記難燃剤は、臭素系難燃剤、塩素系難燃剤、リン系難燃剤、ホウ素系難燃剤、シリコーン系難燃剤、及び窒素含有化合物から成る群から選択される少なくとも一種の粉体を含む項1〜3のいずれか一項に記載の熱暴走防止シート。
[5]熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー、及びゴムから選択される少なくとも一種のマトリックス樹脂を含む項1〜4のいずれか一項に熱暴走防止シート。
[6]鉱物系粉体及び難燃剤のうちの少なくとも一方を含有する熱吸熱性材料層と、耐火性断熱層とから構成される項1〜3のいずれか一項に記載の熱暴走防止シート。
[7]鉱物系粉体及び難燃剤のうちの少なくとも一方を含有する熱吸熱性材料層と、熱吸熱性材料層には含まれない鉱物系粉体及び難燃剤のうちの一方を含有する耐火性断熱層とから構成される項1〜3のいずれか一項に記載の熱暴走防止シート。
[8]前記吸熱性材料層の厚みが0.1〜1mmであり、前記耐火性断熱層が、厚み0.1〜1mmの不燃性基材を含有する項6に記載の熱暴走防止シート。
[9]前記シートが以下の(i)又は(ii)の3層を少なくとも備える項6又は7に記載の熱暴走防止シート。
(i)前記耐火性断熱層と、その両側に配置された2層の前記吸熱性材料層
(ii)前記吸熱性材料層と、その両側に配置された2層の前記耐火性断熱層
[10]前記耐火性断熱層と前記吸熱性材料層とが一体成形されている一体化された項6〜9のいずれかに記載の熱暴走防止シート。
[11]前記吸熱性材料層の25℃における熱伝導率をλ1、前記耐火性断熱層の25℃における熱伝導率をλ2とすると、
式 0<λ2/λ1<15
である項6〜9のいずれか一項に記載の熱暴走防止シート。
[12]電池構造体の躯体間に使用される熱暴走防止シートであって、
前記シートは吸熱性材料層を備え、セルが熱暴走した際に、躯体に接した前記シートが膨張、発泡又は硬化することで、熱暴走を抑制するとともに、躯体の変形を抑制する、熱暴走防止シート。
[13]項1〜12のいずれか一項に記載の熱暴走防止シートを備えた電池構造体。
[14]項13に記載の電池構造体を搭載した電子機器。
In order to solve the above problems, the following aspects of the present invention are provided.
[1] Containing at least one of a mineral powder and a flame retardant, an endothermic reaction is started at 100 to 1000 ° C., and at least selected from the group consisting of phase change, expansion, foaming and hardening due to the endothermic reaction. A thermal runaway prevention sheet that undergoes a kind of structural change.
[2] The thermal runaway prevention sheet according to
[3] The thermal runaway prevention sheet according to
[4] The mineral powder is at least one powder selected from the group consisting of diatomaceous earth, talc, calcium carbonate, aluminum hydroxide, titanium oxide, hiruishi (permiculite), zeolite, and white carbon (synthetic silica). Including the body
[5] The heat runaway prevention sheet according to any one of
[6] The thermal runaway prevention sheet according to any one of
[7] A fire resistant material layer containing at least one of a mineral powder and a flame retardant and a fire resistant material layer containing one of a mineral powder and a flame retardant not contained in the endothermic material layer.
[8] The thermal runaway prevention sheet according to
[9] The thermal runaway prevention sheet according to
(I) The fire-resistant heat insulating layer and two layers of the endothermic material layer arranged on both sides thereof (ii) The heat-absorbing material layer and two layers of the fire-resistant heat insulating material arranged on both sides thereof [10 ] The thermal runaway prevention sheet according to any one of
[11] Assuming that the thermal conductivity of the endothermic material layer at 25 ° C. is λ1 and the thermal conductivity of the refractory heat insulating layer at 25 ° C. is λ2.
Equation 0 <λ2 / λ1 <15
The thermal runaway prevention sheet according to any one of
[12] A thermal runaway prevention sheet used between the frames of a battery structure.
The sheet is provided with an endothermic material layer, and when the cell undergoes thermal runaway, the sheet in contact with the skeleton expands, foams, or hardens, thereby suppressing thermal runaway and suppressing deformation of the skeleton. Prevention sheet.
[13] A battery structure provided with the thermal runaway prevention sheet according to any one of
[14] An electronic device equipped with the battery structure according to item 13.
本発明によれば、簡単な構成で高い断熱性能を発現し、隣接するセルの連続的な熱暴走を防止することができる。本発明の熱暴走防止シートは、薄くても十分な断熱性を有するため、電子機器内のバッテリに優れた断熱性性能を付与することができる。 According to the present invention, it is possible to exhibit high heat insulating performance with a simple configuration and prevent continuous thermal runaway of adjacent cells. Since the thermal runaway prevention sheet of the present invention has sufficient heat insulating properties even if it is thin, it is possible to impart excellent heat insulating properties to the battery in the electronic device.
本明細書において、熱暴走とは、外部短絡、内部短絡、過充電、過放電、加熱等の原因により電池の内部温度が60℃以上に上昇し、且つ電池内部の化学反応が進んで電池内部の温度上昇が加速的に進む状態のことを指す。特に熱暴走は電池の内部温度が200℃以上の場合に顕著となる。 In the present specification, thermal runaway means that the internal temperature of the battery rises to 60 ° C. or higher due to the causes of external short circuit, internal short circuit, overcharge, overdischarge, heating, etc., and the chemical reaction inside the battery proceeds to promote the inside of the battery. Refers to the state in which the temperature rise of the battery progresses at an accelerating rate. In particular, thermal runaway becomes remarkable when the internal temperature of the battery is 200 ° C. or higher.
本明細書において、「バッテリー」とは、リチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池、ニッケル・水素電池、リチウム・硫黄電池、ニッケル・カドミウム電池、ニッケル・鉄電池、ニッケル・亜鉛電池、ナトリウム・硫黄電池、鉛蓄電池、空気電池等の二次電池を意味する。 In the present specification, the term "battery" refers to a lithium ion battery, a lithium ion polymer battery, a nickel / hydrogen battery, a lithium / sulfur battery, a nickel / cadmium battery, a nickel / iron battery, a nickel / zinc battery, a sodium / sulfur battery, and the like. It means a secondary battery such as a lead storage battery or an air battery.
上記バッテリーは、セルの形状により、円筒型、角型、ラミネート型に分類される。 The battery is classified into a cylindrical type, a square type, and a laminated type according to the shape of the cell.
本明細書において、「バッテリーセル」とは、正極材、負極材、セパレータ、正極タブ又は正極端子、負極タブ又は負極端子等が外装部材に収容されたバッテリーの構成単位を指す。単に「セル」とも言う。 In the present specification, the “battery cell” refers to a constituent unit of a battery in which a positive electrode material, a negative electrode material, a separator, a positive electrode tab or a positive electrode terminal, a negative electrode tab, a negative electrode terminal, and the like are housed in an exterior member. Also called simply "cell".
バッテリーセルが円筒型の場合、正極材、負極材、セパレータ、正極タブ、負極タブ、絶縁材、ガス排出弁、ガスケット、正極キャップ等が外装缶に収容されているバッテリーの構成単位を指す。 When the battery cell has a cylindrical shape, it refers to a constituent unit of a battery in which a positive electrode material, a negative electrode material, a separator, a positive electrode tab, a negative electrode tab, an insulating material, a gas discharge valve, a gasket, a positive electrode cap, etc. are housed in an outer can.
バッテリーセルが角型の場合、正極材、負極材、セパレータ、正極端子、負極端子、絶縁材、ガス排出弁等が外装缶に収容されているバッテリーの構成単位を指す。 When the battery cell has a square shape, it refers to a constituent unit of a battery in which a positive electrode material, a negative electrode material, a separator, a positive electrode terminal, a negative electrode terminal, an insulating material, a gas discharge valve, and the like are housed in an outer can.
バッテリーセルがラミネート型の場合、正極材、負極材、セパレータ、正極タブ、負極タブ、等が外装フィルムに収容されているバッテリーの構成単位を指す。外装フィルムとしては例えば、ポリエチレンテレフタレートフィルムが積層されたアルミニウムフィルム等が挙げられる。 When the battery cell is a laminated type, it refers to a constituent unit of a battery in which a positive electrode material, a negative electrode material, a separator, a positive electrode tab, a negative electrode tab, and the like are housed in an exterior film. Examples of the exterior film include an aluminum film on which a polyethylene terephthalate film is laminated.
本明細書において、「バッテリーモジュール」とは複数のバッテリーセルを筐体に収容したバッテリーの構成単位を指し、「バッテリーパック」とは複数のバッテリーモジュールを筐体に収容したものを指し、バッテリーモジュール、バッテリーパック及びバッテリーの内部には、バッテリーセルの他に、バッテリーセルと電気的に接続される電気接続ケーブル等必要な部材が必要に応じて使用される。 In the present specification, the "battery module" refers to a component unit of a battery in which a plurality of battery cells are housed in a housing, and the "battery pack" refers to a battery in which a plurality of battery modules are housed in a housing. In addition to the battery cell, necessary members such as an electric connection cable electrically connected to the battery cell are used inside the battery pack and the battery as needed.
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1を参照すると、本発明の第一実施形態の熱暴走防止シート1は吸熱性材料層2を備えている。吸熱性材料層2は、鉱物系粉体及び難燃剤のうちの少なくとも一方を含有し、100〜1000℃で吸熱反応を開始し、該反応に従って相変化、膨張、発泡及び硬化から成る群から選択される少なくとも一種の構造変化が起こる。
Referring to FIG. 1, the thermal
吸熱性材料層2は、鉱物系粉体及び難燃剤の両方を含んでいてもよいし、鉱物系粉体及び難燃剤のうちの片方のみを含んでいてもよい。
The
鉱物系粉体としては、珪藻土、タルク、炭酸カルシウム、水酸化アルミニウム、酸化チタン、ヒル石(パーミキュライトとも言う)、ゼオライト、及びホワイトカーボン(合成シリカとも言う)から成る群から選択される少なくとも一種の粉体が挙げられる。これらの鉱物系粉体は、脱水反応により吸熱し、無機断熱層を形成する。より優れた吸熱性のためには、鉱物系粉体としては水酸化アルミニウムが好ましい。鉱物系粉体は1つを単独で、又は2種以上を組み合わせて用いることができる。 The mineral powder is at least one selected from the group consisting of diatomaceous earth, talc, calcium carbonate, aluminum hydroxide, titanium oxide, hilarite (also called permiculite), zeolite, and white carbon (also called synthetic silica). Examples include powder. These mineral powders absorb heat by a dehydration reaction to form an inorganic heat insulating layer. For better endothermic properties, aluminum hydroxide is preferred as the mineral powder. One mineral powder can be used alone, or two or more kinds can be used in combination.
難燃剤としては、臭素系難燃剤、塩素系難燃剤、リン系難燃剤、ホウ素系難燃剤、シリコーン系難燃剤、及び窒素含有化合物から成る群から選択される少なくとも一種の難燃剤が挙げられる。難燃剤は1つを単独で、又は2種以上を組み合わせて用いることができる。 Examples of the flame retardant include at least one flame retardant selected from the group consisting of brominated flame retardants, chlorine flame retardants, phosphorus flame retardants, boron flame retardants, silicone flame retardants, and nitrogen-containing compounds. One flame retardant may be used alone, or two or more kinds may be used in combination.
臭素系難燃剤は、臭素系ガスを発生し酸素を遮断することにより、燃焼を抑制する。臭素系難燃剤としては、テトラブロモビスフェノールA、デカブロモビフェニル、ペンタブロモジフェニルエーテル等が挙げられる。 The brominated flame retardant suppresses combustion by generating bromine-based gas and blocking oxygen. Examples of the brominated flame retardant include tetrabromobisphenol A, decabromobiphenyl, pentabromodiphenyl ether and the like.
塩素系難燃剤は、塩素系ガスを発生し酸素を遮断することにより、燃焼を抑制する。塩素系難燃剤としては、塩素系パラフィン、塩素系ポリエチレン等が挙げられる。 Chlorine-based flame retardants suppress combustion by generating chlorine-based gas and blocking oxygen. Examples of the chlorine-based flame retardant include chlorine-based paraffin and chlorine-based polyethylene.
リン系難燃剤は、炭化層を生成することにより、酸素、熱を遮断する。リン系難燃剤としては、リン酸エステル、ポリリン酸アンモニウム等が挙げられる。 Phosphorus-based flame retardants block oxygen and heat by forming a carbonized layer. Examples of the phosphorus-based flame retardant include phosphoric acid ester and ammonium polyphosphate.
ホウ素系難燃剤は、炭化層を生成することにより、酸素、熱を遮断する。ホウ素系難燃剤としては、ポリホウ酸ナトリウム、ホウ砂、ホウ酸亜鉛等が挙げられる。 Boron-based flame retardants block oxygen and heat by forming a carbonized layer. Examples of the boron-based flame retardant include sodium polyborate, borax, zinc borate and the like.
シリコーン系難燃剤は、Si−C無機断熱層を形成する。シリコーン系難燃剤としてはシリコーン樹脂等が挙げられる。 The silicone flame retardant forms a Si—C inorganic heat insulating layer. Examples of the silicone-based flame retardant include silicone resin and the like.
窒素含有化合物は、窒素系ガスにより酸素を遮断する。窒素含有化合物としては、リン酸アンモニウム、グアニジン化合物、メラミン化合物等が挙げられる。 Nitrogen-containing compounds block oxygen with a nitrogen-based gas. Examples of the nitrogen-containing compound include ammonium phosphate, guanidine compound, melamine compound and the like.
吸熱反応の開始温度は、鉱物系粉体及び/又は難燃剤の種類及び量を適宜選択することにより、100〜1000℃となるように調整することができる。 The start temperature of the endothermic reaction can be adjusted to 100 to 1000 ° C. by appropriately selecting the type and amount of the mineral powder and / or the flame retardant.
吸熱性材料層2は、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、熱可塑性エラストマー及びゴムから選択される少なくとも一種のマトリックス樹脂を含有することができる。
The
熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリ(1−)ブテン樹脂、ポリペンテン樹脂等のポリオレフィン樹脂、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル樹脂、ポリスチレン樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン(ABS)樹脂、エチレン酢酸ビニル共重合体(EVA)、ポリカーボネート樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、(メタ)アクリル系樹脂、ポリアミド樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂(PVC)、ノボラック樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイソブチレン等の合成樹脂が挙げられる。 Examples of the thermoplastic resin include polypropylene resin, polyethylene resin, poly (1-) butene resin, polyolefin resin such as polypentene resin, polyester resin such as polyethylene terephthalate, polystyrene resin, acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) resin, and ethylene. Examples thereof include synthetic resins such as vinyl acetate copolymer (EVA), polycarbonate resin, polyphenylene ether resin, (meth) acrylic resin, polyamide resin, polyvinyl chloride resin (PVC), novolak resin, polyurethane resin and polyisobutylene.
熱硬化性樹脂としては、例えば、ポリウレタン、ポリイソシアネート、ポリイソシアヌレート、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド等の合成樹脂が挙げられる。 Examples of the thermosetting resin include synthetic resins such as polyurethane, polyisocyanate, polyisocyanurate, phenol resin, epoxy resin, urea resin, melamine resin, unsaturated polyester resin, and polyimide.
エラストマーの例としてはオレフィン系エラストマー、スチレン系エラストマー、エステル系エラストマー、アミド系エラストマー、塩化ビニル系エラストマー、これらの組み合わせ等が挙げられる。 Examples of the elastomer include olefin-based elastomers, styrene-based elastomers, ester-based elastomers, amide-based elastomers, vinyl chloride-based elastomers, and combinations thereof.
ゴム物質としては、天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、1,2−ポリブタジエンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ニトリルゴム、ブチルゴム、塩素化ブチルゴム、エチレン−プロピレンゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム(EPDM)、クロロスルホン化ポリエチレン、アクリルゴム、エピクロルヒドリンゴム、多加硫ゴム、非加硫ゴム、シリコンゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム等のゴム物質等が挙げられる。 Rubber substances include natural rubber, isoprene rubber, butadiene rubber, 1,2-polybutadiene rubber, styrene-butadiene rubber, chloroprene rubber, nitrile rubber, butyl rubber, chlorinated butyl rubber, ethylene-propylene rubber, and ethylene-propylene-diene rubber (EPDM). ), Chlorosulfonated polyethylene, acrylic rubber, epichlorohydrin rubber, polyvulture rubber, non-vulture rubber, silicon rubber, fluororubber, urethane rubber and other rubber substances.
これらの合成樹脂及び/又はゴム物質は、一種もしくは二種以上を使用することができる。 As these synthetic resins and / or rubber substances, one kind or two or more kinds can be used.
これらの合成樹脂及び/又はゴム物質の中でも、成形加工性の点では、PVC、EVAが好ましい。柔軟でゴム的性質を得るためには、ブチルゴム等の非加硫ゴム及びポリオレフィン樹脂が好ましい。耐火性の点では、PVCが好ましい。樹脂自体の難燃性を上げて防火性能を向上させるという観点からは、エポキシ樹脂が好ましい。 Among these synthetic resins and / or rubber substances, PVC and EVA are preferable in terms of molding processability. In order to obtain flexible and rubbery properties, non-vulcanized rubber such as butyl rubber and polyolefin resin are preferable. PVC is preferable in terms of fire resistance. Epoxy resin is preferable from the viewpoint of increasing the flame retardancy of the resin itself and improving the fire protection performance.
吸熱性材料層2は、好ましくはマトリックス樹脂及び水酸化アルミニウムを含有する。
The
マトリックス樹脂があることで、膨張途中に膨張構造の崩壊を抑制し、残渣硬さの強度を上げることができる。また熱による残渣の崩壊に対する耐久性を付与できる。その結果、吸熱性材料層2の昇温速度を抑えることができる。
The presence of the matrix resin can suppress the collapse of the expanded structure during expansion and increase the strength of the residual hardness. In addition, durability against the decay of the residue due to heat can be imparted. As a result, the rate of temperature rise of the
水酸化アルミニウムは、200℃程度から結晶構造の相変化が起こり、脱水分解することで吸熱反応を伴うため、セルの昇温を抑制できる。 Since aluminum hydroxide undergoes a phase change in crystal structure from about 200 ° C. and undergoes an endothermic reaction by dehydration decomposition, it is possible to suppress the temperature rise of the cell.
吸熱性材料層2は、膨張性材料をさらに含有することができる。
膨張性材料は、断熱層を形成し、かつ火や熱の流路となる空間を閉塞するよう機能する。
The
The expandable material functions to form a heat insulating layer and to block the space that serves as a flow path for fire and heat.
膨張性材料としては、熱膨張性マイクロカプセル、水を含有するマイクロカプセル、発泡剤、マイクロカプセル化発泡剤、熱膨張性層状無機物、及びこれらの組み合わせが挙げられる。 Examples of the expandable material include heat-expandable microcapsules, water-containing microcapsules, foaming agents, microencapsulated foaming agents, heat-expandable layered inorganic substances, and combinations thereof.
熱膨張性マイクロカプセルは、1種類又は複数の種類のモノマーと、架橋剤とを含む組成物を重合させて得られた可塑性ポリマーから形成されたシェルの中に、該ポリマーの軟化点以下の温度でガス状になる揮発性膨張剤を内包させたものである。例えばシェルが、(メタ)アクリロニトリルを95重量%以上含有し、(メタ)アクリロニトリル中の70重量%以上がアクリロニトリルであるモノマー混合物を重合させてなる重合体からなり、かつ架橋度が60重量%以上である熱膨張性マイクロカプセルが国際公開第2010/052972号に記載されている。ポリマーが(メタ)アクリロニトリル以外のモノマーを含む場合、そのようなモノマーとしてはメタクリル酸エステル、アクリル酸エステル、スチレン、塩化ビニリデン及び酢酸ビニルからなる群から選択されるモノマーが挙げられる。 The heat-expandable microcapsules are formed in a shell formed of a plastic polymer obtained by polymerizing a composition containing one or more kinds of monomers and a cross-linking agent, and have a temperature below the softening point of the polymer. It contains a volatile swelling agent that becomes gaseous. For example, the shell is composed of a polymer obtained by polymerizing a monomer mixture containing 95% by weight or more of (meth) acrylonitrile and 70% by weight or more of (meth) acrylonitrile being acrylonitrile, and has a degree of cross-linking of 60% by weight or more. The heat-expandable microcapsules are described in WO2010 / 052972. When the polymer contains a monomer other than (meth) acrylonitrile, such monomer includes a monomer selected from the group consisting of methacrylic acid ester, acrylic acid ester, styrene, vinylidene chloride and vinyl acetate.
上記揮発性膨張剤としては、例えば、低沸点有機溶剤や加熱により熱分解してガス状になる化合物等が挙げられ、好適に用いられるが、なかでも低沸点有機溶剤が特に好適に用いられる。これらの揮発性膨張剤は、単独で用いられても良いし、2種類以上が併用されても良い。 Examples of the volatile swelling agent include a low boiling point organic solvent and a compound which is thermally decomposed into a gas by heating and are preferably used. Among them, a low boiling point organic solvent is particularly preferably used. These volatile leavening agents may be used alone or in combination of two or more.
上記低沸点有機溶剤としては、例えば、エタン、エチレン、プロパン、プロペン、n−ブタン、イソブタン、n−ブテン、イソブテン、n−ペンタン、イソペンタン、ネオペンタン、n−へキサン、ヘプタン、ノナン、デカン、石油エーテルなどの炭化水素;CCl3F、CCl2F2、CClF3、CClF2−CCl2F2などのクロロフルオロカーボン;テトラメチルシラン、トリメチルエチルシラン、トリメチルイソプロピルシラン、トリメチル−n−プロピルシランなどのテトラアルキルシラン等が挙げられ、好適に用いられるが、なかでもn−ブタン、イソブタン、n−ペンタン、イソペンタン、n−ヘキサン、ノナン、デカン及び石油エーテル等の炭化水素を用いることができ、好ましくは炭素数3から12が用いられる。更に直鎖炭化水素やエステルも併せて用いても良い。特に好ましくは炭素数が4以上の炭化水素が特に好適に用いられる。これらの低沸点有機溶剤は、単独で用いられても良いし、2種類以上が併用されても良い。
Examples of the low boiling point organic solvent include ethane, ethylene, propane, propene, n-butane, isobutane, n-butane, isobutane, n-pentane, isopentane, neopentane, n-hexane, heptane, nonane, decane, and petroleum. hydrocarbons such as ethers; CCl 3 F, chlorofluorocarbons such as CCl 2 F 2, CClF 3, CClF 2 -CCl 2
水を含有するマイクロカプセルは、水を内封した上記のマイクロカプセルである。 The water-containing microcapsules are the above-mentioned microcapsules containing water.
発泡剤としては、無機系発泡剤、有機系発泡剤、及びこれらの組み合わせが挙げられる。 Examples of the foaming agent include an inorganic foaming agent, an organic foaming agent, and a combination thereof.
無機系発泡剤としては例えば、水、炭酸水素ナトリウム等の無機化合物であるガス発生材料が挙げられる。これら無機系発泡剤は、何れか1種、あるいは2種類以上を組合わせて使用することが出来る。 Examples of the inorganic foaming agent include gas-generating materials that are inorganic compounds such as water and sodium hydrogen carbonate. These inorganic foaming agents can be used alone or in combination of two or more.
有機系発泡剤としては例えば、エタン、エチレン、プロパン、プロペン、n−ブタン、イソブタン、n−ブテン、イソブテン、n−ペンタン、イソペンタン、ネオペンタン、n−へキサン、ヘプタン、ノナン、デカン、石油エーテルなどの炭化水素;アゾジカルボンアミド(ADCA)、アゾジアミノベンゼン等のアゾ化合物含有発泡剤;ジニトロソペンタメチレンテトラミン(DPT)、N,N’-ジニトロソ-N,N’-ジメチルテレフタルアミド等のニトロソ化合物含有発泡剤;ベンゼンスルホニルヒドラジド、p,p'-オキシビスベンゼンスルホニルヒドラジド(OBSH)、ヒドラゾジカルボンアミド(HDCA)等のスルホニル・ヒドラジド含有発泡剤等が挙げられる。これら有機系発泡剤の1種、又は2種類以上を組合わせて使用することが出来る。 Examples of the organic foaming agent include ethane, ethylene, propane, propene, n-butane, isobutane, n-butene, isobutene, n-pentane, isopentan, neopentane, n-hexane, heptane, nonane, decane, petroleum ether and the like. Hydrocarbons; azo compound-containing foaming agents such as azodicarbonamide (ADCA) and azodiaminobenzene; nitroso compounds such as dinitrosopentamethylenetetramine (DPT), N, N'-dinitroso-N, N'-dimethylterephthalamide. Containing foaming agents: sulfonyl / hydrazide-containing foaming agents such as benzenesulfonylhydrazide, p, p'-oxybisbenzenesulfonylhydrazide (OBSH), hydrazodicarbonamide (HDCA) and the like. One of these organic foaming agents or a combination of two or more of these organic foaming agents can be used.
マイクロカプセル化発泡剤は、上述の発泡剤の一種もしくは二種以上をマイクロカプセルに封入したものである。マイクロカプセルに使用する合成樹脂としては、例えば、一定温度以上になれば溶融し、マイクロカプセルが割れず略球状に膨張する粘度を有する熱可塑性合成樹脂を使用すればよい。 The microencapsulated foaming agent is one or two or more of the above-mentioned foaming agents encapsulated in microcapsules. As the synthetic resin used for the microcapsules, for example, a thermoplastic synthetic resin having a viscosity that melts when the temperature rises above a certain level and the microcapsules do not crack and expand substantially spherically may be used.
熱暴走防止シート1(及び吸熱性材料層2)に対し、マイクロカプセル化発泡剤を添加しておくことにより、熱暴走防止シート1(及び吸熱性材料層2)が一定温度以上に加熱された場合には、合成樹脂が溶融するため、熱暴走防止シート1(及び吸熱性材料層2)を発泡させることができる。 By adding the microencapsulating foaming agent to the heat runaway prevention sheet 1 (and the endothermic material layer 2), the heat runaway prevention sheet 1 (and the endothermic material layer 2) was heated to a certain temperature or higher. In this case, since the synthetic resin melts, the heat runaway prevention sheet 1 (and the endothermic material layer 2) can be foamed.
熱膨張性層状無機物は加熱時に膨張するものであり、特に限定はなく、例えば、バーミキュライト、カオリン、マイカ、熱膨張性黒鉛等を挙げることができる。熱膨張性黒鉛とは、加熱時に膨張する従来公知の物質であり、天然鱗状グラファイト、熱分解グラファイト、キッシュグラファイト等の粉末を、濃硫酸、硝酸、セレン酸等の無機酸と、濃硝酸、過塩素酸、過塩素酸塩、過マンガン酸塩、重クロム酸塩、重クロム酸塩、過酸化水素等の強酸化剤とで処理してグラファイト層間化合物を生成させたものであり、炭素の層状構造を維持したままの結晶化合物の一種である。 The heat-expandable layered inorganic substance expands when heated and is not particularly limited, and examples thereof include vermiculite, kaolin, mica, and heat-expandable graphite. Thermally expandable graphite is a conventionally known substance that expands when heated. Powders such as natural scaly graphite, thermally decomposed graphite, and kiss graphite are mixed with inorganic acids such as concentrated sulfuric acid, nitric acid, and selenic acid, and concentrated nitrate and perchloric acid. A graphite interlayer compound is formed by treatment with a strong oxidizing agent such as chloric acid, perchlorate, permanganate, dichromate, dichromate, hydrogen peroxide, etc., and is a layer of carbon. It is a kind of crystalline compound that maintains its structure.
上記のように酸処理して得られた熱膨張性黒鉛は、更にアンモニア、脂肪族低級アミン、アルカリ金属化合物、アルカリ土類金属化合物等でさらに中和処理してもよい。 The heat-expandable graphite obtained by the acid treatment as described above may be further neutralized with ammonia, an aliphatic lower amine, an alkali metal compound, an alkaline earth metal compound or the like.
熱暴走防止シート1(及び吸熱性材料層2)中の膨張性材料の含有量は、膨張倍率に応じて適宜設定できる。膨張性材料は、樹脂成分100質量部に対して、通常0.1〜20質量部であり、1〜10質量部が好ましい。熱暴走防止シート1(及び吸熱性材料層2)の80℃を超える温度で膨張を開始し、厚み方向の膨張倍率(膨張後の厚み/膨張前の厚み)は、2〜50倍、好ましくは3〜30倍程度となるように調整する。また、この配合によれば、熱暴走防止シート1(及び吸熱性材料層2)から形成された熱膨張性シートは電池の発熱等の加熱によって膨張し、必要な体積膨張率を得ることができ、かつ膨張後は所定の断熱性能を有すると共に所定の強度を有する残渣を形成することもでき、安定した防火性能を達成することができる。また、膨張開始温度の低い膨張性材料を使用することで、熱暴走防止シート1(及び吸熱性材料層2)を比較的低温でも膨張を開始するよう設計することができる。 The content of the expandable material in the thermal runaway prevention sheet 1 (and the endothermic material layer 2) can be appropriately set according to the expansion ratio. The expandable material is usually 0.1 to 20 parts by mass, preferably 1 to 10 parts by mass, based on 100 parts by mass of the resin component. The thermal runaway prevention sheet 1 (and the endothermic material layer 2) starts expanding at a temperature exceeding 80 ° C., and the expansion ratio in the thickness direction (thickness after expansion / thickness before expansion) is 2 to 50 times, preferably 2 to 50 times. Adjust so that it is about 3 to 30 times. Further, according to this formulation, the heat-expandable sheet formed from the thermal runaway prevention sheet 1 (and the endothermic material layer 2) expands due to heating such as heat generation of the battery, and a required coefficient of thermal expansion can be obtained. In addition, after expansion, a residue having a predetermined heat insulating performance and a predetermined strength can be formed, and stable fire protection performance can be achieved. Further, by using an expandable material having a low expansion start temperature, the thermal runaway prevention sheet 1 (and the endothermic material layer 2) can be designed to start expansion even at a relatively low temperature.
吸熱性材料層2は、可塑剤をさらに含有することができる。
The
前記可塑剤は、一般にポリ塩化ビニル樹脂成形体を製造する際に使用されている可塑剤であれば、特に限定されない。具体的には、例えば、ジ−2−エチルヘキシルフタレート(DOP)、ジブチルフタレート(DBP)、ジヘプチルフタレート(DHP)、ジイソデシルフタレート(DIDP)等のフタル酸エステル可塑剤、
ジ−2−エチルヘキシルアジペート(DOA)、ジイソブチルアジペート(DIBA)、ジブチルアジペート(DBA)等の脂肪酸エステル可塑剤;エポキシ化大豆油等のエポキシ化エステル可塑剤;アジピン酸エステル、アジピン酸ポリエステル等のポリエステル可塑剤;トリー2−エチルヘキシルトリメリテート(TOTM)、トリイソノニルトリメリテート(TINTM)等のトリメリット酸エステル可塑剤;鉱油等のプロセスオイルなどが挙げられる。可塑剤は一種もしくは二種以上を使用することができる。
The plasticizer is not particularly limited as long as it is a plasticizer generally used in producing a polyvinyl chloride resin molded product. Specifically, for example, phthalate plasticizers such as di-2-ethylhexyl phthalate (DOP), dibutyl phthalate (DBP), diheptyl phthalate (DHP), and diisodecyl phthalate (DIDP),
Fatty acid ester plasticizers such as di-2-ethylhexyl adipate (DOA), diisobutyl adipate (DIBA), dibutyl adipate (DBA); epoxidized ester plasticizers such as epoxidized soybean oil; polyesters such as adipic acid ester and adipate polyester Plasticizers; Trimellitic acid ester plasticizers such as Tory 2-ethylhexyl trimellitate (TOTM) and Triisononyl trimellitate (TINTM); Process oils such as mineral oils and the like. One type or two or more types of plasticizers can be used.
前記可塑剤の含有量は、少ないと射出成型性、押出成形性等が低下する傾向があり、多くなると得られた成形体が柔らかくなり過ぎる傾向がある。このため可塑剤の含有量は限定されないが、吸熱性材料層2中に0〜40質量%、より好ましくは5〜35質量%であることが好ましい。
If the content of the plasticizer is small, the injection moldability, extrusion moldability, etc. tend to decrease, and if the content is large, the obtained molded product tends to be too soft. Therefore, the content of the plasticizer is not limited, but it is preferably 0 to 40% by mass, more preferably 5 to 35% by mass in the
吸熱性材料層2においては、本発明の目的が損なわれない範囲で、必要に応じて各種の添加成分を含有させることができる。この添加成分の種類は特に限定されず、発泡成形に通常使用される各種添加剤を用いることができる。このような添加剤として、例えば、滑剤、収縮防止剤、気泡核剤、結晶核剤、可塑剤、着色剤(顔料、染料等)、紫外線吸収剤、酸化防止剤、老化防止剤、上記熱伝導体を除いた充填剤、補強剤、難燃剤、難燃助剤、帯電防止剤、界面活性剤、加硫剤、及び表面処理剤等が挙げられる。添加剤の添加量は、気泡の形成等を損なわない範囲で適宜選択でき、通常の樹脂の発泡及び成形に用いられる添加量を採用できる。かかる添加剤は、単独で又は二種以上組み合わせて用いることができる。
The
本発明の熱暴走防止シートの厚みは特に限定されないが、0.1mm〜1mmであることが好ましい。なお、本明細書でいう熱暴走防止シートの「厚み」とは、熱暴走防止シートの幅方向3点の平均厚みを指す。 The thickness of the thermal runaway prevention sheet of the present invention is not particularly limited, but is preferably 0.1 mm to 1 mm. The "thickness" of the thermal runaway prevention sheet as used herein refers to the average thickness of the three points in the width direction of the thermal runaway prevention sheet.
吸熱性材料層2は吸熱反応に従って、相変化、膨張、発泡及び硬化から成る群から選択される少なくとも一種の構造変化が起こる。
The
「相変化」は、化学的、物理的に一様な部分である相が、温度、圧力等の外部刺激変化によって液相、固相、気相、プラズマ相、結晶構造の相等の異なる相に転移することを指す。例えば、水酸化アルミニウムは、白色粉末の結晶で約200℃までは安定しており、それより高い温度になると結晶水の解離反応が起こり、66%の酸化アルミニウムと34%の結晶水とに分かれ結晶構造が変化する。 "Phase change" means that a phase that is a chemically and physically uniform part changes to a different phase such as a liquid phase, a solid phase, a gas phase, a plasma phase, or a crystal structure phase due to changes in external stimuli such as temperature and pressure. Refers to transfer. For example, aluminum hydroxide is a white powder crystal that is stable up to about 200 ° C., and at higher temperatures, a dissociation reaction of water of crystallization occurs, and it is separated into 66% aluminum oxide and 34% water of crystallization. The crystal structure changes.
「膨張」は、前後で対象物質そのものの体積や長さが大きくなることを指す。例えば、熱膨張性黒鉛は100〜300℃程度に加熱されると、黒鉛層間にある酸が放出され、黒鉛の体積が3〜100倍程度に膨張する。 "Expansion" means that the volume and length of the target substance itself increase before and after. For example, when heat-expandable graphite is heated to about 100 to 300 ° C., the acid between the graphite layers is released, and the volume of graphite expands to about 3 to 100 times.
「発泡」は、気相の膜構造体の形成を指す。例えば、珪酸塩やホウ酸塩は加熱されると発泡して発泡体となる。 “Foam” refers to the formation of a gas phase membrane structure. For example, silicates and borates foam when heated to form foams.
「硬化」は、状態が硬くなることを指す。硬化剤との反応による架橋、もしくは重合反応によって硬くなる。その硬さは反応の進行度、重合体の構造によって決まる。フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン等は加熱による重合反応で硬化する。 "Curing" refers to the hardening of the condition. It becomes hard by cross-linking by reaction with a curing agent or by polymerization reaction. Its hardness is determined by the progress of the reaction and the structure of the polymer. Phenol resin, epoxy resin, polyurethane, etc. are cured by a polymerization reaction by heating.
第一実施形態の熱暴走防止シート1は、該熱暴走防止シート1が取り付けられているセルが熱暴走することにより加熱されると、相変化、膨張、発泡及び硬化から成る群から選択される少なくとも一種の構造変化が起こる。このため、熱暴走防止シート1により隣接するセル間の距離を確保することにより、1つのセルの熱暴走による熱が隣接するセルに伝達するのを抑制し、ひいては隣接するセルへの連続的な熱暴走を抑制することができる。
The thermal
熱暴走防止シート1、つまり吸熱性材料層2の反応圧力は、好ましくは0〜5MPaである。ここでいう「反応圧力」は、吸熱反応により生じる構造変化によって吸熱性材料層2が受ける圧力を指す。構造変化が硬化の場合、硬化収縮するために体積変化率が100%以下であり、吸熱性材料層2が押されることはなく反応圧力はほぼ0MPaとなる。構造変化が硬化の場合の体積変化率は好ましくは80%以上、100%以下である。
The reaction pressure of the thermal
構造変化が相変化、膨張、又は発泡の場合、構造変化による体積変化率が100%を超え、反応圧力は0MPaより大きく、5MPa以下となる。構造変化が相変化、膨張、又は発泡の場合、体積変化率が100%を超え500%以下である。 When the structural change is phase change, expansion, or foaming, the volume change rate due to the structural change exceeds 100%, and the reaction pressure is greater than 0 MPa and less than 5 MPa. When the structural change is phase change, expansion, or foaming, the volume change rate is more than 100% and less than 500%.
熱暴走防止シート又は吸熱性材料層2の構造変化による体積変化率が80%〜500%及び/又は反応圧力が0〜5MPaであることが、断熱効果による隣接セルへの伝熱の抑制の点で好ましい。
The fact that the volume change rate due to the structural change of the thermal runaway prevention sheet or the
このように、吸熱性材料層2は硬化するか、体積が拡大するため、熱暴走防止シート1により、隣接するセル間の距離をより確実に確保することができる。
As described above, since the
また、熱暴走防止シート1、つまり吸熱性材料層2の400℃における熱伝導率λは、好ましくは0.1W/m・K以下である。このため、1つのセルに熱暴走が生じても、吸熱性材料層2の断熱効果により、隣接するセル間の距離を確保することにより、1つのセルの熱暴走による熱が隣接するセルに伝達するのを抑制し、ひいては隣接するセルへの連続的な熱暴走を抑制することができる。
Further, the thermal conductivity λ of the thermal
熱暴走防止シートは、上記のマトリックス成分、鉱物系粉体及び難燃剤のうちの少なくとも一方、及び任意選択のその他の成分を単軸押出機、二軸押出機、射出成型機、バンバリーミキサー、ニーダーミキサー、混練ロール、ライカイ機、遊星式撹拌機等の公知の装置を用いて混合した組成物を、塗工又は成形することにより製造することができる。成形にはプレス成形、押出し成形、射出成形が含まれる。塗工又は成形は当該技術分野において周知である。 The thermal runaway prevention sheet contains at least one of the above matrix components, mineral powder and flame retardant, and other components of the option, such as a single-screw extruder, a twin-screw extruder, an injection molding machine, a Banbury mixer, and a kneader. It can be produced by coating or molding a mixed composition using a known device such as a mixer, a kneading roll, a raikai machine, or a planetary stirrer. Molding includes press molding, extrusion molding and injection molding. Coating or molding is well known in the art.
図2に示されるように、第一実施形態の熱暴走防止シート1を施工したバッテリーモジュール10の筐体6内には複数のバッテリーセル7(図では3個を図示)が互いに離間して垂直方向に延在するように並べて収容されており、隣り合うバッテリーセル7の間には、熱暴走防止シート1が配置され、熱暴走防止シート1はバッテリーセル7の一面に取り付けられている。
As shown in FIG. 2, a plurality of battery cells 7 (three are shown in the figure) are vertically separated from each other in the
バッテリーセル7の少なくとも一面(例えば片面又は対をなす両面)の一部又は全部に熱暴走防止シート1を設置する方法としては、例えば、熱暴走防止シート1を一つのバッテリーセル7の表面に粘着材を介して又は熱暴走防止シート1の自己粘着性により貼り付けて固定する方法や、バッテリーセル7と熱暴走防止シート1とを積層した後で枠を用いて固定する方法等が挙げられる。
As a method of installing the thermal
熱暴走防止シート1の寸法は特に限定されず、バッテリーセル7の大きさ及びバッテリーモジュール10内の空間の大きさに応じて変更され得る。
The dimensions of the thermal
筐体6は例えば金属製又は樹脂成型品の筐体であるが、これに限定されない。バッテリーセル7及び熱暴走防止シート1は図2では平板状の略直方体であり、互いに略平行に配置されている。筐体6内のバッテリーセル7及び熱暴走防止シート1の周囲、ならびにバッテリーセル7と該バッテリーセル7に隣り合う熱暴走防止シート1との間は空間8が設けられている。空間8はバッテリーセル7の放熱のための空気の通路として作用する。例えばバッテリーセル7は作動時に加熱される場合があるが、かかる空間8を確保することによりバッテリーセル7をより早く放熱することができる。
The
熱暴走防止シート1は、異常発熱又は火災等により熱暴走防止シート1が加熱されると、100〜1000℃で吸熱反応を開始し、相変化、膨張、発泡及び硬化から成る群から選択される少なくとも一種の構造変化が起こり、隣り合うバッテリーセル7の間に断熱層を形成する。さらに、構造変化が相変化、膨張、発泡の場合は、隣り合うバッテリーセル7の間の火や熱の流路となる空間を閉塞する。このため、熱暴走防止シート1は断熱層として機能し、あるバッテリーセル7から隣りのバッテリーセル7への熱伝達、及び連爆を防止又は抑制することができ、隣りのバッテリーセル7への連続的な熱暴走を防止又は抑制することができ、バッテリーセル7及びこれを備えたバッテリーモジュール1の安全性が確保される。
The thermal
このように、電池構造体の躯体間に使用される熱暴走防止シート1であって、シート1は吸熱性材料層2を備え、セルが熱暴走した際に、躯体に接したシート1が膨張、発泡又は硬化することで、熱暴走を抑制するとともに、躯体の変形を抑制する熱暴走防止シート1は本発明の範囲に包含される。
As described above, the thermal
なお、躯体とは、正極端子と負極端子が互いに逆向きとなるように配置された単電池、これら単電池の各々を被覆する絶縁部材、外装材を含む構成単位を指し、特には上述のバッテリーセルを指す。 The skeleton refers to a cell cell in which the positive electrode terminal and the negative electrode terminal are arranged so as to be opposite to each other, an insulating member covering each of the cell cells, and a structural unit including an exterior material, and in particular, the above-mentioned battery. Point to a cell.
電池構造体とは、少なくとも1つ及び複数のバッテリーセルを配線等によってつなぎ、1つのモジュール化して容器に密閉したものを指し、特には上述のバッテリーモジュールを指す。 The battery structure refers to a structure in which at least one and a plurality of battery cells are connected by wiring or the like to be modularized and sealed in a container, and particularly refers to the above-mentioned battery module.
次に、本発明の第二実施形態の熱暴走防止シート1について説明する。
Next, the thermal
図3を参照すると、本発明の第二実施形態の熱暴走防止シート1は、吸熱性材料層2と、吸熱性材料層2に積層された耐火性断熱層3とを備えている。吸熱性材料層2の詳細については第一実施形態の吸熱性材料層2について説明したのと同じである。本実施形態では、吸熱性材料層2と耐火性断熱層3は一体成形され、融合している。吸熱性材料層2及び耐火性断熱層3の成形は、プレス又は他の各種成形法により行うことができる。
Referring to FIG. 3, the thermal
耐火性断熱層3は、厚み5μm〜1mm、より好ましくは厚み0.1mm〜1mmの不燃性基材を含有する。好ましくは、吸熱性材料層2の厚みが0.1〜1mmであり、耐火性断熱層3の厚みが0.1〜1mmである。不燃性基材は好ましくは不燃性繊維である。このような構成とすることで、吸熱成分が繊維に浸透し、高い昇温抑制効果を奏することができる。その結果、電池の体積エネルギー密度を高くすることが可能となる。
The refractory
耐火性断熱層3に使用される不燃性基材としては、金属、無機基材としての無機材等の一種もしくは二種以上を挙げることができる。金属としては、例えば、アルミニウム、鉄、ステンレス、錫、鉛、錫鉛合金、銅等が挙げられる。
Examples of the nonflammable base material used for the refractory
また金属として金属箔を使用することが好ましく、前記金属箔としては、例えば、アルミニウム箔、鉄箔、ステンレス箔、錫箔、鉛箔、錫鉛合金箔、銅箔等が挙げられる。 Further, it is preferable to use a metal foil as the metal, and examples of the metal foil include aluminum foil, iron foil, stainless steel foil, tin foil, lead foil, tin-lead alloy foil, and copper foil.
無機材としては、例えば、グラスウール、ロックウール、セラミックウール、石膏繊維、炭素繊維、ステンレス繊維、スラグ繊維、シリカアルミナ繊維、アルミナ繊維、シリカ繊維、ジルコニア繊維等が挙げられる。無機繊維層は、前記無機繊維を用いた無機繊維クロスを使用することが好ましい。また無機繊維層に使用する無機繊維は、金属箔をラミネートしたものを使用することが好ましい。 Examples of non-equipment include glass wool, rock wool, ceramic wool, gypsum fiber, carbon fiber, stainless fiber, slag fiber, silica-alumina fiber, alumina fiber, silica fiber, zirconia fiber and the like. As the inorganic fiber layer, it is preferable to use an inorganic fiber cloth using the inorganic fiber. Further, as the inorganic fiber used for the inorganic fiber layer, it is preferable to use one in which a metal foil is laminated.
金属箔ラミネート無機繊維の具体例としては、例えば、アルミニウム箔ラミネートガラスクロス、銅箔ラミネートガラスクロス等がさらに好ましい。 As specific examples of the metal foil laminated inorganic fiber, for example, an aluminum foil laminated glass cloth, a copper foil laminated glass cloth and the like are more preferable.
耐火性断熱層3は、吸熱性材料層2に関して説明した鉱物系粉体及び難燃剤の両方を含んでいてもよいし、鉱物系粉体及び難燃剤のうちの片方のみを含んでもよいし、鉱物系粉体及び難燃剤の両方を含まなくてもよい。一実施形態では、耐火性断熱層3は、熱吸熱性材料層2には含まれない鉱物系粉体及び難燃剤のうちの一方を含有する。このような構成により、熱暴走防止シートが吸熱性材料層2の一層からなる場合よりも、断熱性能又は防火性能をより向上させることができる。
The fire-resistant
また、好ましくは、吸熱性材料層2の25℃における熱伝導率をλ1、耐火性断熱層3の25℃における熱伝導率をλ2とすると、
式 0<λ2/λ1<15
を満たす。このような構成とすることで、昇温速度を抑えることができ、且つ隣接セルに温度を伝えにくくできる。そのため熱伝導抑制と断熱性の両立という効果を奏することができる。λ2/λ1は好ましくは0.1以上である。またλ2/λ1は、好ましくは10以下、より好ましくは5以下である。
Further, preferably, the thermal conductivity of the
Equation 0 <λ2 / λ1 <15
Meet. With such a configuration, the rate of temperature rise can be suppressed, and it is possible to make it difficult to transmit the temperature to the adjacent cells. Therefore, it is possible to achieve the effect of suppressing heat conduction and achieving both heat insulating properties. λ2 / λ1 is preferably 0.1 or more. Further, λ2 / λ1 is preferably 10 or less, more preferably 5 or less.
図4に示されるように、第二実施形態の熱暴走防止シート1を施工したバッテリーモジュール10の筐体6内には複数のバッテリーセル7(図では3個を図示)が互いに離間して垂直方向に延在するように並べて収容されており、隣り合うバッテリーセル7の間には、熱暴走防止シート1が配置され、熱暴走防止シート1はバッテリーセル7の一面に取り付けられている。
As shown in FIG. 4, a plurality of battery cells 7 (three are shown in the figure) are vertically separated from each other in the
バッテリーモジュール10内の各構成要素については図2に関して説明した通りである。
Each component in the
第二実施形態の熱暴走防止シート1は、異常発熱又は火災等により熱暴走防止シート1が加熱されると、100〜1000℃で吸熱反応を開始し、相変化、膨張、発泡及び硬化から成る群から選択される少なくとも一種の構造変化が起こり、隣り合うバッテリーセル7の間に断熱層を形成する。さらに、構造変化が相変化、膨張、発泡の場合は、隣り合うバッテリーセル7の間の火や熱の流路となる空間を閉塞する。このため、熱暴走防止シート1は断熱層として機能し、あるバッテリーセル7から隣りのバッテリーセル7への熱伝達、及び連爆を防止又は抑制することができ、隣りのバッテリーセル7への連続的な熱暴走を防止又は抑制することができ、バッテリーセル7及びこれを備えたバッテリーモジュール1の安全性が確保される。
The thermal
次に、本発明の第三実施形態の熱暴走防止シート1について説明する。
Next, the thermal
図5を参照すると、本発明の第三実施形態の熱暴走防止シート1は、耐火性断熱層3と、その両側に配置された2層の吸熱性材料層2とを備えている。つまり、第三実施形態の熱暴走防止シート1は、吸熱性材料層2、耐火性断熱層3、吸熱性材料層2がこの順で積層された積層体を備えている。吸熱性材料層2及び耐火性断熱層3の詳細については第一実施形態の吸熱性材料層2について説明したのと同じである。第三実施形態の熱暴走防止シート1は1又は2の他の追加層を備えてもよい。
Referring to FIG. 5, the thermal
第三実施形態の熱暴走防止シート1も、図2及び図4に示したように、バッテリーモジュール10内のあるバッテリーセル7から隣りのバッテリーセル7への熱伝達、及び連爆を防止又は抑制するために施工することができる。
As shown in FIGS. 2 and 4, the thermal
次に、本発明の第四実施形態の熱暴走防止シート1について説明する。
Next, the thermal
図6を参照すると、本発明の第四実施形態の熱暴走防止シート1は吸熱性材料層2と、その両側に配置された2層の耐火性断熱層3とを備えている。つまり、第四実施形態の熱暴走防止シート1は、耐火性断熱層3、吸熱性材料層2、耐火性断熱層3、がこの順で積層された積層体を備えている。吸熱性材料層2及び耐火性断熱層3の詳細については第一実施形態の吸熱性材料層2について説明したのと同じである。第四実施形態の熱暴走防止シート1は1又は2の他の追加層を備えてもよい。
Referring to FIG. 6, the thermal
第四実施形態の熱暴走防止シート1も、図2及び図4に示したように、バッテリーモジュール10内のあるバッテリーセル7から隣りのバッテリーセル7への熱伝達、及び連爆、及び連爆を防止又は抑制するために施工することができる。
As shown in FIGS. 2 and 4, the thermal
図7は、図1の第一実施形態の熱暴走防止シート1を施工したバッテリーモジュール10の別例である。この実施形態では、各バッテリーセル7と各熱暴走防止シート1(つまり吸熱性材料層2)とが、水又は冷媒が中を流れる配管を備えた水冷システム9に接続されている。そのため、例えばバッテリーセル7は作動時に加熱される場合があるが、水冷システム9を確保することにより、水冷システム9に接触したバッテリーセル7をより早く放熱することができる。本実施形態では、各バッテリーセル7及び各熱暴走防止シート1が水冷システム9により冷却されるので、バッテリーセル7と各熱暴走防止シート1の間に空間8が存在しなくてもよい。
FIG. 7 is another example of the
図8は、図3の第二実施形態の熱暴走防止シート1を施工したバッテリーモジュール10の別例である。この実施形態でも、各バッテリーセル7と各熱暴走防止シート1(つまり吸熱性材料層2)とが、水又は冷媒が中を流れる配管を備えた水冷システム9に接続されている。そのため、例えばバッテリーセル7は作動時に加熱される場合があるが、水冷システム9を確保することにより、水冷システム9に接触したバッテリーセル7をより早く放熱することができる。本実施形態では、各バッテリーセル7及び各熱暴走防止シート1が水冷システム9により冷却されるので、バッテリーセル7と各熱暴走防止シート1の間に空間8が存在しなくてもよい。
FIG. 8 is another example of the
図5〜7に示した第三又は四実施形態の熱暴走防止シート1を、図2、4、7、8に示すようにバッテリーモジュール10に施工してもよい。
The thermal
上述の本発明の実施形態の熱暴走防止シート1を備えた電池構造体、並びにかかる電池構造体を搭載した電子機器も本発明の範囲に包含される。
The battery structure provided with the thermal
「電子機器」は、電流が回路に流れることによって、電気エネルギーを特定の動作、表示等を行う運動エネルギーに変換する機械を指す。例えば、自動車、電動自転車、携帯電話、デジタルカメラ、ビデオカメラ、電子手帳、パーソナルコンピューター、ラジオ、音楽プレイヤー、記憶媒体プレイヤー、記憶媒体レコーダー、ゲーム機、テレビ、プリンター、掃除機等が挙げられる。 "Electronic equipment" refers to a machine that converts electrical energy into kinetic energy that performs a specific operation, display, etc. by flowing an electric current through a circuit. Examples thereof include automobiles, electric bicycles, mobile phones, digital cameras, video cameras, electronic organizers, personal computers, radios, music players, storage medium players, storage medium recorders, game consoles, televisions, printers, vacuum cleaners and the like.
本発明の熱暴走防止シート1の用途は、電池に限定されず、例えば建築物の防炎材、発電炉の冷却材、窓に貼る断熱材にも使用することができる。
The application of the thermal
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.
以下に図面を参照しつつ実施例により本発明を詳細に説明する。なお本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples with reference to the drawings. The present invention is not limited to these examples.
熱膨張性成分としてADT社製熱膨張性黒鉛「ADT501」、無機発泡成分として太平化学産業社製「APA−100」、鉱物系粉体として、日本タルク社製タルク「SG−2000」、巴工業社製水酸化アルミニウム「B−303」、リン系難燃剤として、太平化学産業社製「TAIEN−E」、クラリアント社製「AP422」、マトリックス樹脂成分として、徳山積水工業社製 塩ビ系樹脂「HA−53F」、三井化学社製エチレン−プロピレン−ジエンゴム「EPT3092M(EPDM)」、積水化学工業社製 ポリビニルアルコール「SELVOL」、その他成分として白石カルシウム社製 炭酸カルシウム「BF−300」、日本精鉱社製三酸化アンチモン「PATOX−C」、ジェイプラス社製 可塑剤「DIDP」、ADEKA社製 Ca/Zn系塩ビ用安定剤「RX−218」、堺化学工業社製 ステアリン酸カルシウム「SC−100」、昭和電工社製 塩素化ポリエチレン「エラスレン」、三菱化学社製 メタブレン「P−530A」、不燃性基材としてカンボウプラス株式会社製 アルミガラスクロスを用いた。 Thermally expandable graphite "ADT501" manufactured by ADT as a heat-expandable component, "APA-100" manufactured by Taihei Chemical Industry Co., Ltd. as an inorganic foaming component, talc "SG-2000" manufactured by Nippon Tarku Co., Ltd. as a mineral powder, Tomoe Kogyo Aluminum hydroxide "B-303" manufactured by Taihei Kagaku Sangyo Co., Ltd. as a phosphorus-based flame retardant, "AP422" manufactured by Clariant Co., Ltd., and PVC resin "HA" manufactured by Tokuyama Sekisui Kogyo Co., Ltd. as a matrix resin component. -53F ", Mitsui Chemicals'ethylene-propylene-diene rubber" EPT3092M (EPDM) ", Sekisui Chemicals' polyvinyl alcohol" SELVOL ", Shiraishi Calcium's calcium carbonate" BF-300 ", Nippon Seiko Co., Ltd. Antimon trioxide "PATOX-C", J-PLUS plastic agent "DIDP", ADEKA Ca / Zn-based PVC stabilizer "RX-218", Sakai Chemical Industry's calcium stearate "SC-100", Showa Denko Co., Ltd. chlorinated polyethylene "Eraslen", Mitsubishi Chemical Co., Ltd. Metabrene "P-530A", and Kanbow Plus Co., Ltd. aluminum glass cloth were used as nonflammable substrates.
実施例1、実施例2、比較例1
表1に示した組成で配合した樹脂組成物から、実施例1、実施例2及び比較例1の熱暴走防止シートを製造した。表中、「−」は含有しないことを示す。各物性測定値を示す。表中、「−」は測定値がないことを示す。
Example 1, Example 2, Comparative Example 1
The thermal runaway prevention sheets of Example 1, Example 2 and Comparative Example 1 were produced from the resin compositions blended with the compositions shown in Table 1. In the table, "-" is not contained. The measured values of each physical property are shown. In the table, "-" indicates that there is no measured value.
実施例3〜7、比較例2
熱吸熱性材料層(吸熱層3−7、比較吸熱層2)と耐火性断熱層(断熱層3−7、比較断熱層2)を、表2及び表3に示した組成で配合した。表中、「−」は含有しないことを示す。各物性測定値を示す。表中、「−」は測定値がないことを示す。表2及び表3で作製した熱吸熱性材料層と耐火性断熱層を表4に示した組成で組み合わせ、規定の厚みに加工することで実施例3〜7及び比較例2の熱暴走防止シートを得た。
(成型性)
表1及び表2に示した組成の、鉱物系粉体及び難燃剤を含有する樹脂組成物を、一軸押出機に供給し、170〜190℃で押出成形し、実施例1、実施例2及び比較例1の熱暴走防止シートを得た。また得られた熱吸熱性材料層、耐火性断熱層シートを組み合わせ、プレス加工又は多色成形することで、170〜190℃で表面が美麗な実施例3〜7及び比較例2の熱暴走防止シートを得た。成形した後のスクリュー及び金型への配合物の付着もなく、成形性は良好であった。
(アスペクト比)
SEM 断面写真を用いて熱膨張性黒鉛の写真のスケール長さを測定し、換算してアスペクト比を算出した。
(体積変化率、反応圧力)
得られた実施例1〜7及び比較例1〜2の熱膨張性の耐火性樹脂材料の成形体から作製した試験片(長さ100mm、幅100mm、厚さ1.0mm)の上にアルミ板(材質A1012、調質H24、厚さ2.0mm、56g)を電気炉に供給し、400℃で10分間加熱した後、試験片の厚さを測定し、(加熱後の試験片の厚さ)/(加熱前の試験片の厚さ)を体積変化率、反応圧力の指標として算出した。
(残渣硬さ)
得られた熱暴走防止シートから作製した試験片(長さ100mm、幅100mm、厚さ1.0mm)を電気炉に供給し、600℃で30分間加熱した後、膨張倍率を測定した加熱後の試験片を圧縮試験機(カトーテック社製、「フィンガーフイリングテスター」)に供給し、0.25cm2の圧子で0.1cm/秒の速度で圧縮し、破断点応力を測定した。
(残渣の形状保持性)
上記残渣硬さは膨張後の残渣の硬さの指標になるが、測定が残渣の表面部分に限られるため、残渣全体の硬さの指標にならないことがあるので、残渣全体の硬さの指標として形状保持性を測定した。残渣の形状保持性は、膨張倍率を測定した試験片の両端部を手で持って持ち上げて、その際の残渣の崩れやすさを目視して測定した。試験片が崩れることなく持ち上げられた場合を合格(PASS)と評価し、試験片が崩壊して持ち上げられない場合を不合格(FAIL)と評価した。
(熱伝導率)
QTM−500(京都電子工業株式会社製)を用いて、熱伝導率を測定した。センサー・プローブ形状はφ0.8×ニードル長60を使用し、比較法で測定した。熱暴走防止シートは600℃で30分間加熱した残渣試料について、熱吸熱性材料層と耐火性断熱層は25℃(室温)でシート試料について、それぞれ測定した。
(熱暴走試験)
得られた熱暴走防止シートから作製した試験片2枚(長さ150mm、幅90mm、厚さ1.0mm)と電池セルの外装材を模擬したアルミ板3枚(長さ200mm、幅140mm、厚さ1.0mm)を用意し、(1)アルミ板−(2)試験片−(3)アルミ板−(4)試験片−(5)アルミ板の順に組み合わせ、4つの角をビスで留めし、熱暴走試験用模擬セルとした。ALC板に模擬セルを設置し、ISO834の加熱曲線に沿って垂直炉内で(1)の面が400℃になるまで加熱し、10分間後追いした。(3)の面の温度が、200℃未満且つ、非加熱面への貫通がなく炎出がない場合を合格(PASS)と評価し、200℃以上又は非加熱面への貫通もしくは炎出する場合を不合格(FAIL)と評価した。
(耐衝撃性)
Examples 3 to 7, Comparative Example 2
The endothermic material layer (endothermic layer 3-7, comparative endothermic layer 2) and the refractory heat insulating layer (heat insulating layer 3-7, comparative heat insulating layer 2) were blended in the compositions shown in Tables 2 and 3. In the table, "-" is not contained. The measured values of each physical property are shown. In the table, "-" indicates that there is no measured value. The thermal runaway prevention sheet of Examples 3 to 7 and Comparative Example 2 is formed by combining the endothermic material layer prepared in Tables 2 and 3 and the refractory heat insulating layer with the composition shown in Table 4 and processing them to a specified thickness. Got
(Moldability)
A resin composition containing a mineral powder and a flame retardant having the compositions shown in Tables 1 and 2 was supplied to a uniaxial extruder and extruded at 170 to 190 ° C. A thermal runaway prevention sheet of Comparative Example 1 was obtained. Further, by combining the obtained heat-absorbing material layer and the fire-resistant heat insulating layer sheet and pressing or multicolor molding, thermal runaway prevention of Examples 3 to 7 and Comparative Example 2 having a beautiful surface at 170 to 190 ° C. I got a sheet. There was no adhesion of the compound to the screw and the mold after molding, and the moldability was good.
(aspect ratio)
The scale length of the photograph of the heat-expandable graphite was measured using the SEM cross-sectional photograph and converted to calculate the aspect ratio.
(Volume change rate, reaction pressure)
An aluminum plate is placed on a test piece (length 100 mm, width 100 mm, thickness 1.0 mm) prepared from the obtained molded bodies of the heat-expandable fire-resistant resin material of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 and 2. (Material A1012, tempered H24, thickness 2.0 mm, 56 g) was supplied to an electric furnace, heated at 400 ° C. for 10 minutes, and then the thickness of the test piece was measured. ) / (Thickness of the test piece before heating) was calculated as an index of volume change rate and reaction pressure.
(Residual hardness)
A test piece (length 100 mm, width 100 mm, thickness 1.0 mm) prepared from the obtained thermal runaway prevention sheet was supplied to an electric furnace, heated at 600 ° C. for 30 minutes, and then the expansion ratio was measured after heating. The test piece was supplied to a compression tester (“Finger Filling Tester” manufactured by Kato Tech Co., Ltd.) , compressed with an indenter of 0.25 cm 2 at a rate of 0.1 cm / sec, and the breaking point stress was measured.
(Shape retention of residue)
The above residual hardness is an index of the hardness of the residue after expansion, but since the measurement is limited to the surface portion of the residue, it may not be an index of the hardness of the entire residue. The shape retention was measured as. The shape retention of the residue was measured by holding both ends of the test piece whose expansion ratio was measured by hand and lifting it up, and visually observing the fragility of the residue at that time. The case where the test piece was lifted without collapsing was evaluated as pass (PASS), and the case where the test piece collapsed and could not be lifted was evaluated as fail (FAIL).
(Thermal conductivity)
The thermal conductivity was measured using QTM-500 (manufactured by Kyoto Electronics Industry Co., Ltd.). The shape of the sensor / probe was φ0.8 × needle length 60, and was measured by a comparative method. The thermal runaway prevention sheet was measured for the residue sample heated at 600 ° C. for 30 minutes, and the endothermic material layer and the fire-resistant heat insulating layer were measured for the sheet sample at 25 ° C. (room temperature).
(Thermal runaway test)
Two test pieces (length 150 mm, width 90 mm, thickness 1.0 mm) made from the obtained thermal runaway prevention sheet and three aluminum plates (length 200 mm, width 140 mm, thickness) simulating the exterior material of the battery cell. Prepare 1.0 mm), combine (1) aluminum plate- (2) test piece- (3) aluminum plate- (4) test piece- (5) aluminum plate in this order, and fasten the four corners with screws. , A simulated cell for thermal runaway test. A simulated cell was placed on the ALC plate, and the surface (1) was heated to 400 ° C. in a vertical furnace along the heating curve of ISO834, followed by 10 minutes. When the temperature of the surface of (3) is less than 200 ° C. and there is no penetration to the non-heated surface and no flame is emitted, it is evaluated as pass (PASS), and 200 ° C. or higher or penetration or flame to the unheated surface The case was evaluated as rejected (FAIL).
(Impact resistance)
1・・・熱暴走防止シート、2・・・熱吸熱性材料層、3・・・耐火性断熱層。 1 ... Thermal runaway prevention sheet, 2 ... Thermal endothermic material layer, 3 ... Fire resistant heat insulating layer.
Claims (8)
前記吸熱性材料層の厚みが0.1〜1mmであり、前記耐火性断熱層が厚み0.1〜1mmの不燃性基材を含有する、熱暴走防止シート。 At least one structure selected from the group consisting of phase change, expansion, foaming and hardening by containing at least one of a mineral powder and a flame retardant and starting an endothermic reaction at 100 to 1000 ° C. It is composed of an endothermic material layer that changes and a fire resistant heat insulating layer.
A thermal runaway prevention sheet in which the endothermic material layer has a thickness of 0.1 to 1 mm, and the refractory heat insulating layer contains a nonflammable base material having a thickness of 0.1 to 1 mm.
前記シートが以下の(i)又は(ii)の3層を少なくとも備える熱暴走防止シート。A thermal runaway prevention sheet in which the sheet includes at least the following three layers (i) or (ii).
(i)前記耐火性断熱層と、その両側に配置された2層の前記吸熱性材料層(I) The fire-resistant heat insulating layer and two endothermic material layers arranged on both sides thereof.
(ii)前記吸熱性材料層と、その両側に配置された2層の前記耐火性断熱層(Ii) The endothermic material layer and two refractory heat insulating layers arranged on both sides thereof.
前記耐火性断熱層と前記吸熱性材料層とが一体成形されている一体化されている熱暴走シート。An integrated thermal runaway sheet in which the fire-resistant heat insulating layer and the endothermic material layer are integrally molded.
前記吸熱性材料層の25℃における熱伝導率をλ1、前記耐火性断熱層の25℃における熱伝導率をλ2とすると、Assuming that the thermal conductivity of the endothermic material layer at 25 ° C. is λ1 and the thermal conductivity of the refractory heat insulating layer at 25 ° C. is λ2,
式 0<λ2/λ1<15Equation 0 <λ2 / λ1 <15
である、熱暴走防止シート。A thermal runaway prevention sheet.
前記難燃剤は、臭素系難燃剤、塩素系難燃剤、リン系難燃剤、ホウ素系難燃剤、シリコーン系難燃剤、及び窒素含有化合物から成る群から選択される少なくとも一種の粉体を含む請求項1〜4のいずれか一項に記載の熱暴走防止シート。 The mineral powder contains at least one powder selected from the group consisting of diatomaceous earth, talc, calcium carbonate, aluminum hydroxide, titanium oxide, hirustone (permiculite), zeolite, and white carbon (synthetic silica). ,
The claim includes the flame retardant including at least one powder selected from the group consisting of a brominated flame retardant, a chlorine flame retardant, a phosphorus flame retardant, a boron flame retardant, a silicone flame retardant, and a nitrogen-containing compound. The heat runaway prevention sheet according to any one of 1 to 4.
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