組電池装置
【課題】単電池セル間の伝熱を抑制しつつ、各単電池セルを効率良く且つ均一に冷却できる組電池装置を提供する。
【解決手段】本発明の組電池装置１は、互いに電気的に接続された複数の単電池セル１１と、単電池セル１１と接して且つ交互に列設され、且つ、隣接する単電池セル１１の周端部の少なくとも一部において当該周端部よりも外側に延出するように設けられた、シート状の熱伝導部材１３と、を備える。熱伝導部材１３は、面方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高い熱伝導樹脂フィルムを含む。熱伝導樹脂フィルムは、樹脂と鱗片形状を有する窒化ホウ素粒子とを含んでおり、前記窒化ホウ素粒子は、その鱗片平面がフィルム面に沿うように配向した状態で、前記樹脂中に分散している。
【解決手段】本発明の組電池装置１は、互いに電気的に接続された複数の単電池セル１１と、単電池セル１１と接して且つ交互に列設され、且つ、隣接する単電池セル１１の周端部の少なくとも一部において当該周端部よりも外側に延出するように設けられた、シート状の熱伝導部材１３と、を備える。熱伝導部材１３は、面方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高い熱伝導樹脂フィルムを含む。熱伝導樹脂フィルムは、樹脂と鱗片形状を有する窒化ホウ素粒子とを含んでおり、前記窒化ホウ素粒子は、その鱗片平面がフィルム面に沿うように配向した状態で、前記樹脂中に分散している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単電池セルが複数個組み合わされることによって形成された組電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化対策、省エネルギー及び環境汚染等への関心が高まり、化石燃料を消費し二酸化炭素を排出する従来の自動車から、ガソリンエンジンと電気モータとを併用するハイブリッド車や、電気モータのみで走行する電気自動車への関心が高まっている。このようなハイブリッド車及び電気自動車を効率良く走行させるためには、高電圧、高エネルギー容量及び高エネルギー密度の電池の開発が望まれている。
【０００３】
これら電気自動車等の駆動電源として使用されるリチウムイオン電池及びニッケル・水素二次電池等には、高いエネルギー密度が必要とされ、且つ搭載スペースは極力小さくすることが求められる。そのため、複数個の単電池セルを互いに接続して、これを１つのパッケージとする組電池装置が、一般的に用いられる。
【０００４】
複数個の単電池セルを集合させた組電池装置は、過充電・過放電によって、電池内部温度が過度に上昇する場合がある。組電池装置の効率や寿命は温度環境に大きく依存し、高温になると効率や寿命が低下する。例えばリチウムイオン電池の場合、電池内部温度が５０℃を超えると、効率や寿命の低下が生じる。そこで、組電池装置を冷却するための様々な技術が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００５】
しかし、特許文献１〜３で提案されている冷却技術に対しては、構造が複雑であるため組電池装置が大型化して、スペースやコストの面で不具合が生じる、あるいは、構造上の特徴により、組電池装置を構成する各単電池セルの均一な冷却が困難になったり、漏電の可能性が生じたりする、等の問題が指摘されている。
【０００６】
そこで、上記の問題を解決できる冷却技術として、特許文献４に、単電池セルと、熱伝導性と電気絶縁性とを有する軟質材から板状に形成された熱伝導部材とを、互いに密着させて交互に複数個列接する組電池装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平７−０４５３１０号公報
【特許文献２】特開２００７−０１２４８６号公報
【特許文献３】特開２００６−０４８９９６号公報
【特許文献４】特開２００９−０５４４０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献４の組電池装置においては、熱伝導部材の材料について格別に規定されておらず、シリコーンゴムや、例えばダイヤモンド粉のような高熱伝導材を混合したゴムや熱可塑性エラストマーを使用できることが記載されている程度である。各単電池セルの熱を熱伝導部材によって放熱空間へ放熱し、間接的に単電池セルを冷却することは有効な方法である。しかし、このような材料からなる熱伝導部材の場合、単電池セルの熱が放熱空間へ効率的に放熱されずに、熱伝導部材を介して隣接する単電池セルへ伝熱してしまうという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、単電池セルが複数個組み合わされることによって形成される組電池装置について、単電池セル間の伝熱を抑制しつつ、各単電池セルを効率良く冷却できる装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の組電池装置は、
互いに電気的に接続された複数の単電池セルと、
前記単電池セルと接して且つ交互に列設され、且つ、隣接する単電池セルの周端部の少なくとも一部において当該周端部よりも外側に延出するように設けられた、シート状の熱伝導部材と、
を備え、
前記熱伝導部材は、面方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高い熱伝導樹脂フィルムを含んでおり、
前記熱伝導樹脂フィルムは、樹脂と鱗片形状を有する窒化ホウ素粒子とを含んでおり、
前記窒化ホウ素粒子は、その鱗片平面がフィルム面に沿うように配向した状態で、前記樹脂中に分散している。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の組電池装置において、単電池セル間に設けられているシート状の熱伝導部材は、面方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高い、熱伝導性について面方向に異方性を有する熱伝導樹脂フィルムを含んでいる。したがって、この熱伝導部材は、厚さ方向への熱の伝導を抑えつつ、面方向には効果的に熱を伝導することができる。さらに、本発明では、熱伝導部材が、隣接する単電池セルの周端部の少なくとも一部において当該周端部よりも外側に延出するように設けられているので、単電池セルから受け取った熱を、延出している部分から放熱空間へと効率的に放熱できる。
【００１２】
以上のとおりであるため、本発明の組電池装置は、単電池セル間の伝熱を抑制しつつ、各単電池セルを効率良く冷却できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態における組電池装置の斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態における組電池装置に用いられる熱伝導部材の一例を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態における組電池装置に用いられる熱伝導部材の他の例を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態における組電池装置に用いられる熱伝導部材のさらに他の例を示す断面図である。
【図５】本発明の組電池装置について、単電池セル温度と熱伝導部材の延出量との関係のシミュレーション計算の条件を示す模式図である。
【図６】本発明の組電池装置について、単電池セル温度と熱伝導部材の延出量との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図７】実施例２における評価装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施の形態を、図面を参照しながら以下に説明する。なお、以下の記載は本発明を限定するものではない。
【００１５】
図１は、本実施の形態の組電池装置の概略構成を示す斜視図である。図１に示すように、本実施の形態の組電池装置１は、複数の単電池セル１１と、単電池セル１１と接して且つ交互に列設された熱伝導部材１３とを備えている。熱伝導部材１３は、隣接する単電池セル１１の周端部の少なくとも一部において当該周端部よりも外側に延出するように設けられた、シート状の部材である。なお、本実施の形態では、熱伝導部材１３において、単電池セル１１の周端部から延出している部分を「延出部」という。
【００１６】
本実施の形態では、単電池セル１１が、角形扁平形状を有するリチウムイオン電池のセルである場合を例に挙げて説明する。単電池セル１１を構成する６つの面のうち、１つの面（図中では上面）から一対の電極１２（正極及び負極）が突出して設けられている。複数の単電池セル１１を列設する場合、図１に示すように、電極１２を有する面が同じ側となるように配置することが一般的である。
【００１７】
単電池セル１１は、極板、セパレータ及び電解液等の電池要素が筐体内に収容されることによって形成されている。各電池要素は、一般的なリチウムイオン電池で用いられるものと同様である。筐体には、樹脂製のもの、あるいは表面に絶縁被膜がコーティングされたもの、金属製のもの等の様々な材質のものが使用できるが、熱伝導性が高い鉄やアルミニウム等の金属が表出する筐体が好適に用いられる。
【００１８】
単電池セル１１は、単電池セル１１の最も広い面がシート状の熱伝導部材１３の表面に対向し、且つ接するように、熱伝導部材１３と交互に列設されている。熱伝導部材１３は、後述のとおり、面方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高い熱伝導樹脂フィルムを含んでいる。したがって、単電池セル１１の内部反応で発生した熱は、単電池セル１１の筐体から熱伝導部材１３へ、さらに熱伝導部材１３の面方向へと伝導し、熱伝導部材１３の延出部１３ａから放熱空間へと放熱される。熱伝導部材１３の厚さ方向の熱伝導率は面方向よりも低いため、熱伝導部材１３において熱は面方向に伝導し、厚さ方向にはほとんど伝導しない。そのため、単電池セル１１間での伝熱はほとんど生じず、単電池セル１１を効率良く冷却できる。
【００１９】
次に、熱伝導部材１３について説明する。
【００２０】
本実施の形態の熱伝導部材１３は、面方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高い、熱伝導性について面方向に異方性を有する熱伝導樹脂フィルムを含んでいる。本実施の形態の熱伝導部材１３は、図２に示すように、この熱伝導樹脂フィルムのみから形成されている。
【００２１】
熱伝導部材１３は、隣接する単電池セル１１の周端部の少なくとも一部において当該周端部よりも外側に延出するように設けられている。ここでいう周端部とは、単電池セル１１において熱伝導部材１３と対向している面を正面とした場合の側面によって決定される端部のことである。本実施の形態では、熱伝導部材１３は、単電池セル１１の周端部のうち、下端（電極１２が突出している側面に対して反対側の側面によって決定される端部）から外側に延出している。延出部１３ａの面積及び単電池セル１１の周端部からの延出長さは、単電池セル１１のサイズや、組電池装置１を収容する筐体のサイズ等によって適宜選択できる。一例として、周端部からの延出長さを単電池セル１１の縦の長さに対して１０％以上にするのが、高い冷却効果が得られるため、好ましい。
【００２２】
熱伝導樹脂フィルムは、面方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高い。このような熱伝導樹脂フィルムは、鱗片形状を有する窒化ホウ素粒子を、窒化ホウ素粒子の鱗片平面がフィルム面に沿うように配向させた状態で、樹脂フィルム中に分散させることによって実現できる。なお、窒化ホウ素粒子の鱗片平面とは、鱗片形状の平面を指している。鱗片形状を有する窒化ホウ素粒子は、面方向は原子が強い共有結合で繋がっているため熱を伝えやすいが、厚さ方向は原子が分子間力で結合しているため熱を伝えにくい。そのため、窒化ホウ素粒子の鱗片平面が沿っているフィルム面方向は高い熱伝導率を示し、窒化ホウ素粒子の厚さ方向とほぼ一致するフィルムの厚さ方向の熱伝導率は低くなる。
【００２３】
熱伝導樹脂フィルムは、面方向の熱伝導率が６Ｗ／ｍ・Ｋ以上が好ましく、９Ｗ／ｍ・Ｋ以上がより好ましい。熱伝導樹脂フィルムの熱伝導率は、含まれる窒化ホウ素粒子の含有量を変化させることによって調整できる。例えば、（窒化ホウ素粒子の体積）／（樹脂の体積）の比を大きくすることによって、熱伝導率を高めることができる。熱伝導樹脂フィルムの厚さ方向についての熱伝導率は、面方向の熱伝導率よりも低ければよいため、特には限定されないが、例えば２Ｗ／ｍ・Ｋ以下が好ましい。熱伝導樹脂フィルムにおいて、厚さ方向の熱伝導率に対する面方向の熱伝導率の比（面方向の熱伝導率／厚さ方向の熱伝導率）は、９以上であることが好ましい。熱伝導率の比を９以上とすることにより、延出部１３ａへの熱伝導が優勢となり、冷却効果が向上する。
【００２４】
熱伝導樹脂フィルムの絶縁破壊電圧は、特には限定されない。しかし、組電池装置の用途によっては、高い絶縁破壊電圧が要求される場合がある。組電池装置が、例えば単電池セル１１の上端部側に延出する熱伝導部材の延出部を有する場合（図７に示すような構成を有する場合）、熱伝導樹脂フィルムは、厚さ１００μｍにおいて７ｋＶ以上、好ましくは１０ｋＶ以上の絶縁破壊電圧を有することが望まれる。これは、熱伝導部材１３が電極１２に接触しても、安全を確保できるからである。熱伝導樹脂フィルムの絶縁破壊電圧は、例えば樹脂の種類、フィルムの厚さ及び窒化ホウ素粒子の形状（粒径等）によって調整でき、さらに、熱伝導樹脂フィルム作製時に触媒を添加すること等によっても調整できる。
【００２５】
熱伝導樹脂フィルムは、窒化ホウ素粒子を２０〜５０体積％の範囲、及び、樹脂を５０〜８０体積％の範囲で含むことが好ましい。窒化ホウ素粒子及び樹脂をこのような範囲内で含むことにより、熱伝導率とフィルム強度との良好なバランスが得られる。
【００２６】
熱伝導樹脂フィルムの厚さは、熱伝導部材１３の構成及び単電池セル１１間のギャップによって、適宜決定することができる。一般的に、組電池装置１に含まれる単電池セル１１間のギャップは、０．１ｍｍ〜１０ｍｍ程度である。したがって、熱伝導樹脂フィルムの厚さは、例えば０．０１ｍｍ〜０．２０ｍｍの範囲であってもよく、０．０２ｍｍ〜０．１５ｍｍの範囲であってもよい。
【００２７】
窒化ホウ素粒子は、平均粒子径が５μｍ以上であることが好ましい。このような平均粒子径を有する窒化ホウ素粒子を利用することにより、面方向の熱伝導率が６Ｗ／ｍ・Ｋ以上である熱伝導樹脂フィルムを得やすくなる。熱伝導樹脂フィルムの面方向の熱伝導率をより高めるために、より大きな平均粒子径を有する窒化ホウ素粒子を用いることが好ましい。なお、ここでいう窒化ホウ素粒子の平均粒子径とは、レーザ回折・散乱法（マイクロトラック法）によって測定された粒度分布から求められる算術平均径のことである。以下、窒化ホウ素粒子の平均粒子径というときは、同様の方法で求められる値のことを指す。
【００２８】
熱伝導樹脂フィルムに用いられる樹脂には、溶媒蒸発法によってフィルム化できる樹脂が好適に用いられる。そのような樹脂を用いる場合、樹脂原料と溶媒と鱗片形状を有する窒化ホウ素粒子とを含む溶液を、例えばベースフィルム上に塗布する等して膜状に成形し、その後、加熱等により溶媒を除去し、さらに樹脂原料を反応させることによって、鱗片形状を有する窒化ホウ素粒子が分散した樹脂フィルムを作製できる。このような方法で樹脂フィルムを作製する場合、溶媒が蒸発していく段階で、窒化ホウ素粒子は、その鱗片平面がフィルム面に対して平行な状態になるように配向する。したがって、鱗片平面がフィルム面に沿うように配向した状態で窒化ホウ素粒子が樹脂中に分散している状態を、容易に実現することが可能となる。さらに、その中でも、耐屈曲性及び柔軟性を有するとの理由から、例えば、ポリイミド、ポリアリレート、エポキシ及びポリアミドイミド等が好適に用いられる。すなわち、本実施の形態の熱伝導樹脂フィルムは、窒化ホウ素粒子がポリイミド中に分散しているポリイミド系フィルムであってもよいし、窒化ホウ素粒子がポリアリレート中に分散しているポリアリレート系フィルムであってもよいし、窒化ホウ素粒子がエポキシ中に分散しているエポキシ系フィルムであってもよいし、窒化ホウ素粒子がポリアミドイミド中に分散しているポリアミドイミド系フィルムであってもよい。以下、熱伝導樹脂フィルムにポリイミドを用いる場合（熱伝導ポリイミドフィルムとする場合）を例に挙げて、製造方法を説明する。
【００２９】
まず、イミド化触媒及び窒化ホウ素粒子が添加されたポリアミック酸溶液を、ベースフィルム又はガラス板上に所定の厚さに塗布する。次いで、ポリアミック酸溶液の塗膜を、加熱又は溶媒抽出等により固化又は硬化させ、さらに高温で加熱してイミド化することによって、熱伝導ポリイミドフィルムが得られる。
【００３０】
ポリアミック酸溶液は、公知のものを使用することができ、酸二無水物とジアミンとを溶媒中で重合反応させることによって得られる溶液が使用できる。好適な酸二無水物の例として、ピロメリット酸二無水物、３，３’，４，４’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、２，３，３’，４−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、２，３，６，７−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、１，２，５，６−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、及び、１，４，５，８−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物が挙げられる。ジアミンの例として、４，４’−ジアミノフェニルエーテル、４，４’−ジアミノジフェニルメタン、３，３’−ジアミノジフェニルメタン、３，３’−ジクロロベンジジン、４，４’−ジアミノジフェニルスルフィド、３，３’−ジアミノジフェニルスルフォン、１，５−ジアミノナフタレン、ｍ−フェニレンジアミン、ｐ−フェニレンジアミン、３，３’−ジメチル４，４’−ビフェニルジアミン、ベンジジン、３，３’−ジメチルベンジジン、３，３’−ジメトキシベンジジン、４，４’−ジアミノジフェニルスルフォン、４，４’−ジアミノジフェニルスルフィド、及び、４，４’−ジアミノジフェニルプロパ等が挙げられる。これらの酸二無水物とジアミンとを重合反応させる際の溶媒は、適宜選択すればよいが、溶解性等の点から極性溶媒が好ましく用いられる。極性溶媒として、具体的には、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ−ジエチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジエチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルメトキシアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルホスホルトリアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ピリジン、ジメチルスルホキシド、テトラメチレンスルホン、及び、ジメチルテトラメチレンスルホン等が考えられる。これらは単独で用いることもできるし、複数を併せて用いることもできる。さらに、これらの有機極性溶媒に、クレゾール、フェノール、キシレノール等のフェノール類、ベンゾニトリル、ジオキサン、ブチロラクトン、キシレン、シクロヘキサン、ヘキサン、ベンゼン、トルエン等を、単独で又は複数併せて混合することもできる。
【００３１】
酸二無水物とジアミンとを有機極性溶媒中で反応させることにより、ポリアミック酸溶液が得られる。その際のモノマー濃度（溶媒中における、酸二無水物とジアミンの合計の濃度）は、種々の条件に応じて設定されるが、５〜３０重量％が好ましい。また、反応温度は、８０℃以下に設定することが好ましく、より好ましくは５〜５０℃である。反応時間は、０．５〜１０時間が好ましい。
【００３２】
添加するイミド化触媒は、特に限定されず、例えば２−メチルイミダゾール、１，２，４，５−テトラメチルイミダゾール、４−ヒドロキシピリジン等を、０．１〜０．２ｍｏｌ％程度加えるとよい。
【００３３】
ポリアミック酸溶液の粘度は、好ましくは１〜１０００Ｐａ・ｓ（１０〜１００００ポアズ）程度であり、より好ましくは５〜５００Ｐａ・ｓ（５０〜５０００ポアズ）程度である（温度２３℃、Ｂ型粘度計による測定）。粘度が１Ｐａ・ｓ未満であると、いわゆるタレや塗膜のハジキが生じやすくなり、塗膜の厚さを均一にすることが困難になるため、好ましくない。一方、粘度が１０００Ｐａ・ｓを超えると、流動しにくいため、塗布によってポリアミック酸溶液の膜を形成することが困難になる。
【００３４】
上記のような方法で作製される熱伝導ポリイミドフィルムは、面方向についての高い熱伝導性を実現でき、さらに良好な絶縁破壊特性も得られる。
【００３５】
なお、本実施の形態では、熱伝導部材１３が熱伝導樹脂フィルムからなる構成について説明したが、熱伝導部材１３は熱伝導樹脂フィルムを含んでいればよいため、この構成に限定されない。例えば、図３に示すように、熱伝導樹脂フィルム１４の両面に粘着層１５をさらに配置して、熱伝導部材１３としてもよい。このような構成によれば、熱伝導部材１３と単電池セル１１とをより密着させることができるので、単電池セル１１から熱伝導部材１３への熱の伝導が効率良く行われることになる。なお、この場合に用いられる粘着層１５は、耐熱性に優れるシリコーン系粘着剤によって形成されることが好ましい。また、粘着層１５は熱伝導樹脂フィルム１４の少なくとも何れか一方の面に配置されていればよいため、熱伝導樹脂フィルム１４の片面のみに粘着層１５を設ける構成であってもよい。また、熱伝導部材１３の別の例として、図４に示すように、２つの熱伝導樹脂フィルム１６の間に断熱層１７を配置する構成も適用できる。このような構成によれば、熱伝導部材１３の厚さ方向における熱の伝導をさらに抑制できるので、単電池セル１１間の伝熱をさらに抑制して、各単電池セル１１を効率良く冷却できる。また、断熱層１７は、組電池装置の設計の際、厚み調節層としても利用できる。なお、組電池装置にさらなる小型化や単電池セルの高密度化が要求される場合は、単電池セル間のギャップもより狭くなる傾向にある。そのような理由から、断熱層等の別の層を設けずに、熱伝導樹脂フィルムのみで熱伝導部材１３を形成することが、より好ましい。
【００３６】
本実施の形態では、熱伝導部材が単電池セルの下端からのみ延出しているが、これに限定されない。熱伝導部材１３は、単電池セル１１の周端部全体から外側に延出していてもよいし、周端部のうち下端以外の他の端部から外側に延出していてもよい。
【００３７】
本実施の形態では、単電池セルとして、角形扁平のリチウムイオン電池のセルを用いたが、これに限定されない。本発明の構成は、他の形状を有する他の電池にも適用可能である。
【実施例】
【００３８】
次に、本発明の組電池装置について、実施例を用いて具体的に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施例によって何ら限定されるものではない。
【００３９】
（実施例１）
本発明の組電池装置について、単電池セル温度と熱伝導部材の延出量との関係のシミュレーションを行った。有限体積法をベースとしたＣＦＤ（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ）ソフトウェア「ＡＮＳＹＳ Ｆｌｕｅｎｔ」を利用して、シミュレーション（熱計算）を実施した。
【００４０】
条件設定を図５に示す。図示のとおり、アルミニウム板２２（縦１５０ｍｍ×横１５０ｍｍ×厚さ４ｍｍ、熱伝導率１３８Ｗ／ｍ・Ｋ）とその外側に配置したヒーター２３（縦１５０ｍｍ×横１５０ｍｍ×厚さ１５ｍｍ、熱伝導率１３８Ｗ／ｍ・Ｋ）とを一組として単電池セルを模擬し、２つの単電池セルの間に試料となる熱伝導部材２１を挟み、ヒーター２３の外側に断熱材２４（縦１５０ｍｍ×横１５０ｍｍ×厚さ１５ｍｍ、熱伝導率０．０７Ｗ／ｍ・Ｋ）を配置して供試体を組み上げ、ヒーター２３に各１０Ｗ（合計２０Ｗ）の出力をさせて、当該出力と、供試体からの放熱が平衡状態となった時点でのアルミニウム板２２の体積平均温度を算出した。なお、シミュレーションは、図６のグラフに示す５種類の試料（縦２２５ｍｍ×横１５０ｍｍのシート状の熱伝導部材２１）について、アルミニウム板２２の間に完全に試料を挟み込み、延出部２１ａ（縦７５ｍｍ×横１５０ｍｍ）をアルミニウム板２２の下端からはみ出させて、延出部２１ａに相当する部分を供試体の下方に形成させた状態で実施した。外気温を２５℃とし、気流有りの場合を想定して熱伝達率を１０Ｗ／（ｍ2・Ｋ）とした。
【００４１】
シミュレーションの結果は、図６に示すとおりである。本発明の熱伝導部材を熱伝導樹脂フィルムのみから構成する場合、熱伝導樹脂フィルムの面方向の熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋの場合でも、延出量２ｃｍ以下でセル温度を低下させることができるという結果が得られた。また、面方向の熱伝導率を２０Ｗ／ｍ・Ｋとすると、延出量２ｃｍ以下でセル温度を５０℃以下まで下げることができるという結果となった。これらのシミュレーションの結果から、本発明で特定される熱伝導部材が単電池セル間に組み込まれた組電池装置は、単電池セルを十分に冷却できることが確認された。
【００４２】
（実施例２）
実施例２では、図７に示す評価装置を作製して、熱伝導部材が熱伝導樹脂フィルムのみからなる構成についての放熱評価を行った。実施例２で用いた評価装置は、熱伝導樹脂フィルム３１（縦１３０ｍｍ×横１００ｍｍ×厚さ０．１５ｍｍ）を、アルミニウム板３２（縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×厚さ１５ｍｍ）で挟持し、さらにアルミニウム板３２の外側にヒーター３３を設置して、それを断熱材３４を介してアクリル板３５で固定した。熱伝導樹脂フィルム３１は、アルミニウム板３２の下端及び上端からそれぞれ外側に延出する延出部３１ａ，３１ｂを有していた。延出部３１ａ，３１ｂのアルミニウム板３２の端部からの長さは、共に１５ｍｍであった。
【００４３】
本実施例で用いた熱伝導樹脂フィルム３１には、窒化ホウ素粒子として、電気化学工業株式会社製の「デンカボロンナイトライド（グレード：ＧＰ）」を用いた。窒化ホウ素粒子の含有量が４５体積％となるように、ポリアミック酸溶液（ピロメリット酸二無水物とｐ−フェニレンジアミンとからなるＮ−メチル−２−ピロリドン溶液）に混合し、ガラス基板上に厚さ０．６ｍｍとなるように塗布した後、１２０℃で３０分乾燥させた。次に、１２０℃から３２０℃に４℃／分で昇温し、３２０℃で１２分間維持した。これにより、熱伝導樹脂フィルム３１を得た。
【００４４】
得られた熱伝導樹脂フィルムの熱伝導率を、レーザフラッシュ法を利用して測定した。用いた装置は、キセノンフラッシュアナライザー「ナノフラッシュ」（ブルカー・エイエックス社製）であった。熱伝導率は、以下の式より求めた。本実施例の熱伝導樹脂フィルムの面方向の熱伝導率は１３Ｗ／ｍ・Ｋ、厚さ方向の熱伝導率は０．６Ｗ／ｍ・Ｋであった。
熱伝導率［Ｗ／ｍ・Ｋ］＝熱拡散率［ｍｍ2／ｓ］×比熱［Ｊ／ｇＫ］×密度［ｇ／ｃｍ3］
【００４５】
このような評価装置を用い、ヒーター３３の出力を６Ｗ（３０Ｖ、０．２Ａ）として、アルミニウム板３２の温度を熱電対によって測定した。その結果を表１に示す。なお、温度測定は、ヒーター３３で加熱を開始してから２４０分後に行った。また、これらの測定は、全て２５℃の室温で行われた。
【００４６】
熱伝導樹脂フィルム３１を抜き取って、アルミニウム板３２間を空間のままの状態とした評価装置（表１中、「Ｂｌａｎｋ」と記載されているもの）、熱伝導樹脂フィルム３１の代わりに、窒化ホウ素粒子が含まれていないポリイミドフィルム（東レ・デュポン株式会社製、「カプトン（登録商標）」）を配置した評価装置もそれぞれ作製し、同様の評価実験を行った。それらの結果も、表１に示す。
【００４７】
【表１】
【００４８】
表１に示すように、アルミニウム板３２の間に熱伝導樹脂フィルムを配置することにより、何も配置しない場合や、窒化ホウ素粒子を含まないポリイミドフィルムを配置する場合よりも、アルミニウム板の温度を低下させることができ、さらに雰囲気温度も低くなった。この結果から、本発明の熱伝導樹脂フィルムを熱伝導部材として単電池セル間に配置することにより、単電池セルの熱を効果的に放熱できることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の組電池装置は、様々な用途に適用できるが、特に電気自動車の電源装置等に好適に用いられる。
【符号の説明】
【００５０】
１ 組電池装置
１１ 単電池セル
１２ 電極
１３ 熱伝導部材
１３ａ 延出部
１４ 熱伝導樹脂フィルム
１５ 粘着層
１６ 熱伝導樹脂フィルム
１７ 断熱層
２１ 熱伝導部材（試料）
２２ アルミニウム板
２３ ヒーター
２４ 断熱材
３１ 熱伝導樹脂フィルム
３２ アルミニウム板
３３ ヒーター
３４ 断熱材
３５ アクリル板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単電池セルが複数個組み合わされることによって形成された組電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化対策、省エネルギー及び環境汚染等への関心が高まり、化石燃料を消費し二酸化炭素を排出する従来の自動車から、ガソリンエンジンと電気モータとを併用するハイブリッド車や、電気モータのみで走行する電気自動車への関心が高まっている。このようなハイブリッド車及び電気自動車を効率良く走行させるためには、高電圧、高エネルギー容量及び高エネルギー密度の電池の開発が望まれている。
【０００３】
これら電気自動車等の駆動電源として使用されるリチウムイオン電池及びニッケル・水素二次電池等には、高いエネルギー密度が必要とされ、且つ搭載スペースは極力小さくすることが求められる。そのため、複数個の単電池セルを互いに接続して、これを１つのパッケージとする組電池装置が、一般的に用いられる。
【０００４】
複数個の単電池セルを集合させた組電池装置は、過充電・過放電によって、電池内部温度が過度に上昇する場合がある。組電池装置の効率や寿命は温度環境に大きく依存し、高温になると効率や寿命が低下する。例えばリチウムイオン電池の場合、電池内部温度が５０℃を超えると、効率や寿命の低下が生じる。そこで、組電池装置を冷却するための様々な技術が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００５】
しかし、特許文献１〜３で提案されている冷却技術に対しては、構造が複雑であるため組電池装置が大型化して、スペースやコストの面で不具合が生じる、あるいは、構造上の特徴により、組電池装置を構成する各単電池セルの均一な冷却が困難になったり、漏電の可能性が生じたりする、等の問題が指摘されている。
【０００６】
そこで、上記の問題を解決できる冷却技術として、特許文献４に、単電池セルと、熱伝導性と電気絶縁性とを有する軟質材から板状に形成された熱伝導部材とを、互いに密着させて交互に複数個列接する組電池装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平７−０４５３１０号公報
【特許文献２】特開２００７−０１２４８６号公報
【特許文献３】特開２００６−０４８９９６号公報
【特許文献４】特開２００９−０５４４０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献４の組電池装置においては、熱伝導部材の材料について格別に規定されておらず、シリコーンゴムや、例えばダイヤモンド粉のような高熱伝導材を混合したゴムや熱可塑性エラストマーを使用できることが記載されている程度である。各単電池セルの熱を熱伝導部材によって放熱空間へ放熱し、間接的に単電池セルを冷却することは有効な方法である。しかし、このような材料からなる熱伝導部材の場合、単電池セルの熱が放熱空間へ効率的に放熱されずに、熱伝導部材を介して隣接する単電池セルへ伝熱してしまうという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、単電池セルが複数個組み合わされることによって形成される組電池装置について、単電池セル間の伝熱を抑制しつつ、各単電池セルを効率良く冷却できる装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の組電池装置は、
互いに電気的に接続された複数の単電池セルと、
前記単電池セルと接して且つ交互に列設され、且つ、隣接する単電池セルの周端部の少なくとも一部において当該周端部よりも外側に延出するように設けられた、シート状の熱伝導部材と、
を備え、
前記熱伝導部材は、面方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高い熱伝導樹脂フィルムを含んでおり、
前記熱伝導樹脂フィルムは、樹脂と鱗片形状を有する窒化ホウ素粒子とを含んでおり、
前記窒化ホウ素粒子は、その鱗片平面がフィルム面に沿うように配向した状態で、前記樹脂中に分散している。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の組電池装置において、単電池セル間に設けられているシート状の熱伝導部材は、面方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高い、熱伝導性について面方向に異方性を有する熱伝導樹脂フィルムを含んでいる。したがって、この熱伝導部材は、厚さ方向への熱の伝導を抑えつつ、面方向には効果的に熱を伝導することができる。さらに、本発明では、熱伝導部材が、隣接する単電池セルの周端部の少なくとも一部において当該周端部よりも外側に延出するように設けられているので、単電池セルから受け取った熱を、延出している部分から放熱空間へと効率的に放熱できる。
【００１２】
以上のとおりであるため、本発明の組電池装置は、単電池セル間の伝熱を抑制しつつ、各単電池セルを効率良く冷却できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態における組電池装置の斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態における組電池装置に用いられる熱伝導部材の一例を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態における組電池装置に用いられる熱伝導部材の他の例を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態における組電池装置に用いられる熱伝導部材のさらに他の例を示す断面図である。
【図５】本発明の組電池装置について、単電池セル温度と熱伝導部材の延出量との関係のシミュレーション計算の条件を示す模式図である。
【図６】本発明の組電池装置について、単電池セル温度と熱伝導部材の延出量との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図７】実施例２における評価装置の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施の形態を、図面を参照しながら以下に説明する。なお、以下の記載は本発明を限定するものではない。
【００１５】
図１は、本実施の形態の組電池装置の概略構成を示す斜視図である。図１に示すように、本実施の形態の組電池装置１は、複数の単電池セル１１と、単電池セル１１と接して且つ交互に列設された熱伝導部材１３とを備えている。熱伝導部材１３は、隣接する単電池セル１１の周端部の少なくとも一部において当該周端部よりも外側に延出するように設けられた、シート状の部材である。なお、本実施の形態では、熱伝導部材１３において、単電池セル１１の周端部から延出している部分を「延出部」という。
【００１６】
本実施の形態では、単電池セル１１が、角形扁平形状を有するリチウムイオン電池のセルである場合を例に挙げて説明する。単電池セル１１を構成する６つの面のうち、１つの面（図中では上面）から一対の電極１２（正極及び負極）が突出して設けられている。複数の単電池セル１１を列設する場合、図１に示すように、電極１２を有する面が同じ側となるように配置することが一般的である。
【００１７】
単電池セル１１は、極板、セパレータ及び電解液等の電池要素が筐体内に収容されることによって形成されている。各電池要素は、一般的なリチウムイオン電池で用いられるものと同様である。筐体には、樹脂製のもの、あるいは表面に絶縁被膜がコーティングされたもの、金属製のもの等の様々な材質のものが使用できるが、熱伝導性が高い鉄やアルミニウム等の金属が表出する筐体が好適に用いられる。
【００１８】
単電池セル１１は、単電池セル１１の最も広い面がシート状の熱伝導部材１３の表面に対向し、且つ接するように、熱伝導部材１３と交互に列設されている。熱伝導部材１３は、後述のとおり、面方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高い熱伝導樹脂フィルムを含んでいる。したがって、単電池セル１１の内部反応で発生した熱は、単電池セル１１の筐体から熱伝導部材１３へ、さらに熱伝導部材１３の面方向へと伝導し、熱伝導部材１３の延出部１３ａから放熱空間へと放熱される。熱伝導部材１３の厚さ方向の熱伝導率は面方向よりも低いため、熱伝導部材１３において熱は面方向に伝導し、厚さ方向にはほとんど伝導しない。そのため、単電池セル１１間での伝熱はほとんど生じず、単電池セル１１を効率良く冷却できる。
【００１９】
次に、熱伝導部材１３について説明する。
【００２０】
本実施の形態の熱伝導部材１３は、面方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高い、熱伝導性について面方向に異方性を有する熱伝導樹脂フィルムを含んでいる。本実施の形態の熱伝導部材１３は、図２に示すように、この熱伝導樹脂フィルムのみから形成されている。
【００２１】
熱伝導部材１３は、隣接する単電池セル１１の周端部の少なくとも一部において当該周端部よりも外側に延出するように設けられている。ここでいう周端部とは、単電池セル１１において熱伝導部材１３と対向している面を正面とした場合の側面によって決定される端部のことである。本実施の形態では、熱伝導部材１３は、単電池セル１１の周端部のうち、下端（電極１２が突出している側面に対して反対側の側面によって決定される端部）から外側に延出している。延出部１３ａの面積及び単電池セル１１の周端部からの延出長さは、単電池セル１１のサイズや、組電池装置１を収容する筐体のサイズ等によって適宜選択できる。一例として、周端部からの延出長さを単電池セル１１の縦の長さに対して１０％以上にするのが、高い冷却効果が得られるため、好ましい。
【００２２】
熱伝導樹脂フィルムは、面方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高い。このような熱伝導樹脂フィルムは、鱗片形状を有する窒化ホウ素粒子を、窒化ホウ素粒子の鱗片平面がフィルム面に沿うように配向させた状態で、樹脂フィルム中に分散させることによって実現できる。なお、窒化ホウ素粒子の鱗片平面とは、鱗片形状の平面を指している。鱗片形状を有する窒化ホウ素粒子は、面方向は原子が強い共有結合で繋がっているため熱を伝えやすいが、厚さ方向は原子が分子間力で結合しているため熱を伝えにくい。そのため、窒化ホウ素粒子の鱗片平面が沿っているフィルム面方向は高い熱伝導率を示し、窒化ホウ素粒子の厚さ方向とほぼ一致するフィルムの厚さ方向の熱伝導率は低くなる。
【００２３】
熱伝導樹脂フィルムは、面方向の熱伝導率が６Ｗ／ｍ・Ｋ以上が好ましく、９Ｗ／ｍ・Ｋ以上がより好ましい。熱伝導樹脂フィルムの熱伝導率は、含まれる窒化ホウ素粒子の含有量を変化させることによって調整できる。例えば、（窒化ホウ素粒子の体積）／（樹脂の体積）の比を大きくすることによって、熱伝導率を高めることができる。熱伝導樹脂フィルムの厚さ方向についての熱伝導率は、面方向の熱伝導率よりも低ければよいため、特には限定されないが、例えば２Ｗ／ｍ・Ｋ以下が好ましい。熱伝導樹脂フィルムにおいて、厚さ方向の熱伝導率に対する面方向の熱伝導率の比（面方向の熱伝導率／厚さ方向の熱伝導率）は、９以上であることが好ましい。熱伝導率の比を９以上とすることにより、延出部１３ａへの熱伝導が優勢となり、冷却効果が向上する。
【００２４】
熱伝導樹脂フィルムの絶縁破壊電圧は、特には限定されない。しかし、組電池装置の用途によっては、高い絶縁破壊電圧が要求される場合がある。組電池装置が、例えば単電池セル１１の上端部側に延出する熱伝導部材の延出部を有する場合（図７に示すような構成を有する場合）、熱伝導樹脂フィルムは、厚さ１００μｍにおいて７ｋＶ以上、好ましくは１０ｋＶ以上の絶縁破壊電圧を有することが望まれる。これは、熱伝導部材１３が電極１２に接触しても、安全を確保できるからである。熱伝導樹脂フィルムの絶縁破壊電圧は、例えば樹脂の種類、フィルムの厚さ及び窒化ホウ素粒子の形状（粒径等）によって調整でき、さらに、熱伝導樹脂フィルム作製時に触媒を添加すること等によっても調整できる。
【００２５】
熱伝導樹脂フィルムは、窒化ホウ素粒子を２０〜５０体積％の範囲、及び、樹脂を５０〜８０体積％の範囲で含むことが好ましい。窒化ホウ素粒子及び樹脂をこのような範囲内で含むことにより、熱伝導率とフィルム強度との良好なバランスが得られる。
【００２６】
熱伝導樹脂フィルムの厚さは、熱伝導部材１３の構成及び単電池セル１１間のギャップによって、適宜決定することができる。一般的に、組電池装置１に含まれる単電池セル１１間のギャップは、０．１ｍｍ〜１０ｍｍ程度である。したがって、熱伝導樹脂フィルムの厚さは、例えば０．０１ｍｍ〜０．２０ｍｍの範囲であってもよく、０．０２ｍｍ〜０．１５ｍｍの範囲であってもよい。
【００２７】
窒化ホウ素粒子は、平均粒子径が５μｍ以上であることが好ましい。このような平均粒子径を有する窒化ホウ素粒子を利用することにより、面方向の熱伝導率が６Ｗ／ｍ・Ｋ以上である熱伝導樹脂フィルムを得やすくなる。熱伝導樹脂フィルムの面方向の熱伝導率をより高めるために、より大きな平均粒子径を有する窒化ホウ素粒子を用いることが好ましい。なお、ここでいう窒化ホウ素粒子の平均粒子径とは、レーザ回折・散乱法（マイクロトラック法）によって測定された粒度分布から求められる算術平均径のことである。以下、窒化ホウ素粒子の平均粒子径というときは、同様の方法で求められる値のことを指す。
【００２８】
熱伝導樹脂フィルムに用いられる樹脂には、溶媒蒸発法によってフィルム化できる樹脂が好適に用いられる。そのような樹脂を用いる場合、樹脂原料と溶媒と鱗片形状を有する窒化ホウ素粒子とを含む溶液を、例えばベースフィルム上に塗布する等して膜状に成形し、その後、加熱等により溶媒を除去し、さらに樹脂原料を反応させることによって、鱗片形状を有する窒化ホウ素粒子が分散した樹脂フィルムを作製できる。このような方法で樹脂フィルムを作製する場合、溶媒が蒸発していく段階で、窒化ホウ素粒子は、その鱗片平面がフィルム面に対して平行な状態になるように配向する。したがって、鱗片平面がフィルム面に沿うように配向した状態で窒化ホウ素粒子が樹脂中に分散している状態を、容易に実現することが可能となる。さらに、その中でも、耐屈曲性及び柔軟性を有するとの理由から、例えば、ポリイミド、ポリアリレート、エポキシ及びポリアミドイミド等が好適に用いられる。すなわち、本実施の形態の熱伝導樹脂フィルムは、窒化ホウ素粒子がポリイミド中に分散しているポリイミド系フィルムであってもよいし、窒化ホウ素粒子がポリアリレート中に分散しているポリアリレート系フィルムであってもよいし、窒化ホウ素粒子がエポキシ中に分散しているエポキシ系フィルムであってもよいし、窒化ホウ素粒子がポリアミドイミド中に分散しているポリアミドイミド系フィルムであってもよい。以下、熱伝導樹脂フィルムにポリイミドを用いる場合（熱伝導ポリイミドフィルムとする場合）を例に挙げて、製造方法を説明する。
【００２９】
まず、イミド化触媒及び窒化ホウ素粒子が添加されたポリアミック酸溶液を、ベースフィルム又はガラス板上に所定の厚さに塗布する。次いで、ポリアミック酸溶液の塗膜を、加熱又は溶媒抽出等により固化又は硬化させ、さらに高温で加熱してイミド化することによって、熱伝導ポリイミドフィルムが得られる。
【００３０】
ポリアミック酸溶液は、公知のものを使用することができ、酸二無水物とジアミンとを溶媒中で重合反応させることによって得られる溶液が使用できる。好適な酸二無水物の例として、ピロメリット酸二無水物、３，３’，４，４’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、２，３，３’，４−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、２，３，６，７−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、１，２，５，６−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、及び、１，４，５，８−ナフタレンテトラカルボン酸二無水物が挙げられる。ジアミンの例として、４，４’−ジアミノフェニルエーテル、４，４’−ジアミノジフェニルメタン、３，３’−ジアミノジフェニルメタン、３，３’−ジクロロベンジジン、４，４’−ジアミノジフェニルスルフィド、３，３’−ジアミノジフェニルスルフォン、１，５−ジアミノナフタレン、ｍ−フェニレンジアミン、ｐ−フェニレンジアミン、３，３’−ジメチル４，４’−ビフェニルジアミン、ベンジジン、３，３’−ジメチルベンジジン、３，３’−ジメトキシベンジジン、４，４’−ジアミノジフェニルスルフォン、４，４’−ジアミノジフェニルスルフィド、及び、４，４’−ジアミノジフェニルプロパ等が挙げられる。これらの酸二無水物とジアミンとを重合反応させる際の溶媒は、適宜選択すればよいが、溶解性等の点から極性溶媒が好ましく用いられる。極性溶媒として、具体的には、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ−ジエチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジエチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルメトキシアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルホスホルトリアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ピリジン、ジメチルスルホキシド、テトラメチレンスルホン、及び、ジメチルテトラメチレンスルホン等が考えられる。これらは単独で用いることもできるし、複数を併せて用いることもできる。さらに、これらの有機極性溶媒に、クレゾール、フェノール、キシレノール等のフェノール類、ベンゾニトリル、ジオキサン、ブチロラクトン、キシレン、シクロヘキサン、ヘキサン、ベンゼン、トルエン等を、単独で又は複数併せて混合することもできる。
【００３１】
酸二無水物とジアミンとを有機極性溶媒中で反応させることにより、ポリアミック酸溶液が得られる。その際のモノマー濃度（溶媒中における、酸二無水物とジアミンの合計の濃度）は、種々の条件に応じて設定されるが、５〜３０重量％が好ましい。また、反応温度は、８０℃以下に設定することが好ましく、より好ましくは５〜５０℃である。反応時間は、０．５〜１０時間が好ましい。
【００３２】
添加するイミド化触媒は、特に限定されず、例えば２−メチルイミダゾール、１，２，４，５−テトラメチルイミダゾール、４−ヒドロキシピリジン等を、０．１〜０．２ｍｏｌ％程度加えるとよい。
【００３３】
ポリアミック酸溶液の粘度は、好ましくは１〜１０００Ｐａ・ｓ（１０〜１００００ポアズ）程度であり、より好ましくは５〜５００Ｐａ・ｓ（５０〜５０００ポアズ）程度である（温度２３℃、Ｂ型粘度計による測定）。粘度が１Ｐａ・ｓ未満であると、いわゆるタレや塗膜のハジキが生じやすくなり、塗膜の厚さを均一にすることが困難になるため、好ましくない。一方、粘度が１０００Ｐａ・ｓを超えると、流動しにくいため、塗布によってポリアミック酸溶液の膜を形成することが困難になる。
【００３４】
上記のような方法で作製される熱伝導ポリイミドフィルムは、面方向についての高い熱伝導性を実現でき、さらに良好な絶縁破壊特性も得られる。
【００３５】
なお、本実施の形態では、熱伝導部材１３が熱伝導樹脂フィルムからなる構成について説明したが、熱伝導部材１３は熱伝導樹脂フィルムを含んでいればよいため、この構成に限定されない。例えば、図３に示すように、熱伝導樹脂フィルム１４の両面に粘着層１５をさらに配置して、熱伝導部材１３としてもよい。このような構成によれば、熱伝導部材１３と単電池セル１１とをより密着させることができるので、単電池セル１１から熱伝導部材１３への熱の伝導が効率良く行われることになる。なお、この場合に用いられる粘着層１５は、耐熱性に優れるシリコーン系粘着剤によって形成されることが好ましい。また、粘着層１５は熱伝導樹脂フィルム１４の少なくとも何れか一方の面に配置されていればよいため、熱伝導樹脂フィルム１４の片面のみに粘着層１５を設ける構成であってもよい。また、熱伝導部材１３の別の例として、図４に示すように、２つの熱伝導樹脂フィルム１６の間に断熱層１７を配置する構成も適用できる。このような構成によれば、熱伝導部材１３の厚さ方向における熱の伝導をさらに抑制できるので、単電池セル１１間の伝熱をさらに抑制して、各単電池セル１１を効率良く冷却できる。また、断熱層１７は、組電池装置の設計の際、厚み調節層としても利用できる。なお、組電池装置にさらなる小型化や単電池セルの高密度化が要求される場合は、単電池セル間のギャップもより狭くなる傾向にある。そのような理由から、断熱層等の別の層を設けずに、熱伝導樹脂フィルムのみで熱伝導部材１３を形成することが、より好ましい。
【００３６】
本実施の形態では、熱伝導部材が単電池セルの下端からのみ延出しているが、これに限定されない。熱伝導部材１３は、単電池セル１１の周端部全体から外側に延出していてもよいし、周端部のうち下端以外の他の端部から外側に延出していてもよい。
【００３７】
本実施の形態では、単電池セルとして、角形扁平のリチウムイオン電池のセルを用いたが、これに限定されない。本発明の構成は、他の形状を有する他の電池にも適用可能である。
【実施例】
【００３８】
次に、本発明の組電池装置について、実施例を用いて具体的に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施例によって何ら限定されるものではない。
【００３９】
（実施例１）
本発明の組電池装置について、単電池セル温度と熱伝導部材の延出量との関係のシミュレーションを行った。有限体積法をベースとしたＣＦＤ（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ）ソフトウェア「ＡＮＳＹＳ Ｆｌｕｅｎｔ」を利用して、シミュレーション（熱計算）を実施した。
【００４０】
条件設定を図５に示す。図示のとおり、アルミニウム板２２（縦１５０ｍｍ×横１５０ｍｍ×厚さ４ｍｍ、熱伝導率１３８Ｗ／ｍ・Ｋ）とその外側に配置したヒーター２３（縦１５０ｍｍ×横１５０ｍｍ×厚さ１５ｍｍ、熱伝導率１３８Ｗ／ｍ・Ｋ）とを一組として単電池セルを模擬し、２つの単電池セルの間に試料となる熱伝導部材２１を挟み、ヒーター２３の外側に断熱材２４（縦１５０ｍｍ×横１５０ｍｍ×厚さ１５ｍｍ、熱伝導率０．０７Ｗ／ｍ・Ｋ）を配置して供試体を組み上げ、ヒーター２３に各１０Ｗ（合計２０Ｗ）の出力をさせて、当該出力と、供試体からの放熱が平衡状態となった時点でのアルミニウム板２２の体積平均温度を算出した。なお、シミュレーションは、図６のグラフに示す５種類の試料（縦２２５ｍｍ×横１５０ｍｍのシート状の熱伝導部材２１）について、アルミニウム板２２の間に完全に試料を挟み込み、延出部２１ａ（縦７５ｍｍ×横１５０ｍｍ）をアルミニウム板２２の下端からはみ出させて、延出部２１ａに相当する部分を供試体の下方に形成させた状態で実施した。外気温を２５℃とし、気流有りの場合を想定して熱伝達率を１０Ｗ／（ｍ2・Ｋ）とした。
【００４１】
シミュレーションの結果は、図６に示すとおりである。本発明の熱伝導部材を熱伝導樹脂フィルムのみから構成する場合、熱伝導樹脂フィルムの面方向の熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋの場合でも、延出量２ｃｍ以下でセル温度を低下させることができるという結果が得られた。また、面方向の熱伝導率を２０Ｗ／ｍ・Ｋとすると、延出量２ｃｍ以下でセル温度を５０℃以下まで下げることができるという結果となった。これらのシミュレーションの結果から、本発明で特定される熱伝導部材が単電池セル間に組み込まれた組電池装置は、単電池セルを十分に冷却できることが確認された。
【００４２】
（実施例２）
実施例２では、図７に示す評価装置を作製して、熱伝導部材が熱伝導樹脂フィルムのみからなる構成についての放熱評価を行った。実施例２で用いた評価装置は、熱伝導樹脂フィルム３１（縦１３０ｍｍ×横１００ｍｍ×厚さ０．１５ｍｍ）を、アルミニウム板３２（縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×厚さ１５ｍｍ）で挟持し、さらにアルミニウム板３２の外側にヒーター３３を設置して、それを断熱材３４を介してアクリル板３５で固定した。熱伝導樹脂フィルム３１は、アルミニウム板３２の下端及び上端からそれぞれ外側に延出する延出部３１ａ，３１ｂを有していた。延出部３１ａ，３１ｂのアルミニウム板３２の端部からの長さは、共に１５ｍｍであった。
【００４３】
本実施例で用いた熱伝導樹脂フィルム３１には、窒化ホウ素粒子として、電気化学工業株式会社製の「デンカボロンナイトライド（グレード：ＧＰ）」を用いた。窒化ホウ素粒子の含有量が４５体積％となるように、ポリアミック酸溶液（ピロメリット酸二無水物とｐ−フェニレンジアミンとからなるＮ−メチル−２−ピロリドン溶液）に混合し、ガラス基板上に厚さ０．６ｍｍとなるように塗布した後、１２０℃で３０分乾燥させた。次に、１２０℃から３２０℃に４℃／分で昇温し、３２０℃で１２分間維持した。これにより、熱伝導樹脂フィルム３１を得た。
【００４４】
得られた熱伝導樹脂フィルムの熱伝導率を、レーザフラッシュ法を利用して測定した。用いた装置は、キセノンフラッシュアナライザー「ナノフラッシュ」（ブルカー・エイエックス社製）であった。熱伝導率は、以下の式より求めた。本実施例の熱伝導樹脂フィルムの面方向の熱伝導率は１３Ｗ／ｍ・Ｋ、厚さ方向の熱伝導率は０．６Ｗ／ｍ・Ｋであった。
熱伝導率［Ｗ／ｍ・Ｋ］＝熱拡散率［ｍｍ2／ｓ］×比熱［Ｊ／ｇＫ］×密度［ｇ／ｃｍ3］
【００４５】
このような評価装置を用い、ヒーター３３の出力を６Ｗ（３０Ｖ、０．２Ａ）として、アルミニウム板３２の温度を熱電対によって測定した。その結果を表１に示す。なお、温度測定は、ヒーター３３で加熱を開始してから２４０分後に行った。また、これらの測定は、全て２５℃の室温で行われた。
【００４６】
熱伝導樹脂フィルム３１を抜き取って、アルミニウム板３２間を空間のままの状態とした評価装置（表１中、「Ｂｌａｎｋ」と記載されているもの）、熱伝導樹脂フィルム３１の代わりに、窒化ホウ素粒子が含まれていないポリイミドフィルム（東レ・デュポン株式会社製、「カプトン（登録商標）」）を配置した評価装置もそれぞれ作製し、同様の評価実験を行った。それらの結果も、表１に示す。
【００４７】
【表１】
【００４８】
表１に示すように、アルミニウム板３２の間に熱伝導樹脂フィルムを配置することにより、何も配置しない場合や、窒化ホウ素粒子を含まないポリイミドフィルムを配置する場合よりも、アルミニウム板の温度を低下させることができ、さらに雰囲気温度も低くなった。この結果から、本発明の熱伝導樹脂フィルムを熱伝導部材として単電池セル間に配置することにより、単電池セルの熱を効果的に放熱できることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の組電池装置は、様々な用途に適用できるが、特に電気自動車の電源装置等に好適に用いられる。
【符号の説明】
【００５０】
１ 組電池装置
１１ 単電池セル
１２ 電極
１３ 熱伝導部材
１３ａ 延出部
１４ 熱伝導樹脂フィルム
１５ 粘着層
１６ 熱伝導樹脂フィルム
１７ 断熱層
２１ 熱伝導部材（試料）
２２ アルミニウム板
２３ ヒーター
２４ 断熱材
３１ 熱伝導樹脂フィルム
３２ アルミニウム板
３３ ヒーター
３４ 断熱材
３５ アクリル板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに電気的に接続された複数の単電池セルと、
前記単電池セルと接して且つ交互に列設され、且つ、隣接する単電池セルの周端部の少なくとも一部において当該周端部よりも外側に延出するように設けられた、シート状の熱伝導部材と、
を備え、
前記熱伝導部材は、面方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高い熱伝導樹脂フィルムを含んでおり、
前記熱伝導樹脂フィルムは、樹脂と鱗片形状を有する窒化ホウ素粒子とを含んでおり、
前記窒化ホウ素粒子は、その鱗片平面がフィルム面に沿うように配向した状態で、前記樹脂中に分散している、
組電池装置。
【請求項２】
前記熱伝導部材が、前記熱伝導樹脂フィルムからなる、
請求項１に記載の組電池装置。
【請求項３】
前記熱伝導部材が、前記熱伝導樹脂フィルムの少なくとも何れか一方の面に配置された粘着層をさらに含む、請求項１に記載の組電池装置。
【請求項４】
前記熱伝導部材が、断熱層をさらに含み、
前記熱伝導部材は、前記断熱層の両面に前記熱伝導樹脂フィルムが配置されることによって形成されている、
請求項１に記載の組電池装置。
【請求項５】
前記窒化ホウ素粒子の平均粒子径は５μｍ以上である、
請求項１〜４の何れか１項に記載の組電池装置。
【請求項６】
前記熱伝導樹脂フィルムは、前記窒化ホウ素粒子がポリイミド中に分散しているポリイミド系フィルムである、
請求項１〜５の何れか１項に記載の組電池装置。
【請求項７】
前記熱伝導樹脂フィルムは、前記窒化ホウ素粒子がポリアリレート中に分散しているポリアリレート系フィルムである、
請求項１〜５の何れか１項に記載の組電池装置。
【請求項８】
前記熱伝導樹脂フィルムは、前記窒化ホウ素粒子がエポキシ中に分散しているエポキシ系フィルムである、
請求項１〜５の何れか１項に記載の組電池装置。
【請求項９】
前記熱伝導樹脂フィルムは、前記窒化ホウ素粒子がポリアミドイミド中に分散しているポリアミドイミド系フィルムである、
請求項１〜５の何れか１項に記載の組電池装置。
【請求項１０】
前記熱伝導樹脂フィルムは、溶媒蒸発法によって作製されたフィルムである、
請求項１〜９の何れか１項に記載の組電池装置。
【請求項１１】
前記熱伝導樹脂フィルムは、前記窒化ホウ素粒子を２０〜５０体積％の範囲、及び、前記樹脂を５０〜８０体積％の範囲で含む、
請求項１〜１０の何れか１項に記載の組電池装置。
【請求項１２】
前記熱伝導樹脂フィルムにおいて、面方向の熱伝導率が６Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、厚さ方向の熱伝導率に対する面方向の熱伝導率の比（面方向の熱伝導率／厚さ方向の熱伝導率）が９以上である、
請求項１〜１１の何れか１項に記載の組電池装置。
【請求項１３】
前記単電池セルは、リチウムイオン電池のセルである、
請求項１〜１２の何れか１項に記載の組電池装置。
【請求項１】
互いに電気的に接続された複数の単電池セルと、
前記単電池セルと接して且つ交互に列設され、且つ、隣接する単電池セルの周端部の少なくとも一部において当該周端部よりも外側に延出するように設けられた、シート状の熱伝導部材と、
を備え、
前記熱伝導部材は、面方向の熱伝導率が厚さ方向の熱伝導率よりも高い熱伝導樹脂フィルムを含んでおり、
前記熱伝導樹脂フィルムは、樹脂と鱗片形状を有する窒化ホウ素粒子とを含んでおり、
前記窒化ホウ素粒子は、その鱗片平面がフィルム面に沿うように配向した状態で、前記樹脂中に分散している、
組電池装置。
【請求項２】
前記熱伝導部材が、前記熱伝導樹脂フィルムからなる、
請求項１に記載の組電池装置。
【請求項３】
前記熱伝導部材が、前記熱伝導樹脂フィルムの少なくとも何れか一方の面に配置された粘着層をさらに含む、請求項１に記載の組電池装置。
【請求項４】
前記熱伝導部材が、断熱層をさらに含み、
前記熱伝導部材は、前記断熱層の両面に前記熱伝導樹脂フィルムが配置されることによって形成されている、
請求項１に記載の組電池装置。
【請求項５】
前記窒化ホウ素粒子の平均粒子径は５μｍ以上である、
請求項１〜４の何れか１項に記載の組電池装置。
【請求項６】
前記熱伝導樹脂フィルムは、前記窒化ホウ素粒子がポリイミド中に分散しているポリイミド系フィルムである、
請求項１〜５の何れか１項に記載の組電池装置。
【請求項７】
前記熱伝導樹脂フィルムは、前記窒化ホウ素粒子がポリアリレート中に分散しているポリアリレート系フィルムである、
請求項１〜５の何れか１項に記載の組電池装置。
【請求項８】
前記熱伝導樹脂フィルムは、前記窒化ホウ素粒子がエポキシ中に分散しているエポキシ系フィルムである、
請求項１〜５の何れか１項に記載の組電池装置。
【請求項９】
前記熱伝導樹脂フィルムは、前記窒化ホウ素粒子がポリアミドイミド中に分散しているポリアミドイミド系フィルムである、
請求項１〜５の何れか１項に記載の組電池装置。
【請求項１０】
前記熱伝導樹脂フィルムは、溶媒蒸発法によって作製されたフィルムである、
請求項１〜９の何れか１項に記載の組電池装置。
【請求項１１】
前記熱伝導樹脂フィルムは、前記窒化ホウ素粒子を２０〜５０体積％の範囲、及び、前記樹脂を５０〜８０体積％の範囲で含む、
請求項１〜１０の何れか１項に記載の組電池装置。
【請求項１２】
前記熱伝導樹脂フィルムにおいて、面方向の熱伝導率が６Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、厚さ方向の熱伝導率に対する面方向の熱伝導率の比（面方向の熱伝導率／厚さ方向の熱伝導率）が９以上である、
請求項１〜１１の何れか１項に記載の組電池装置。
【請求項１３】
前記単電池セルは、リチウムイオン電池のセルである、
請求項１〜１２の何れか１項に記載の組電池装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−８４３４７（Ｐ２０１２−８４３４７Ａ）
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２８８８０（Ｐ２０１０−２２８８８０）
【出願日】平成２２年１０月８日（２０１０．１０．８）
【出願人】（０００００３９６４）日東電工株式会社 (5,557)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月８日（２０１０．１０．８）
【出願人】（０００００３９６４）日東電工株式会社 (5,557)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]