JP-2026077673-A - エアロゲル及びエアロゲル複合材の箔封止のための材料、システム、及び方法

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Abstract

【課題】エネルギー貯蔵システムにおける熱暴走問題を管理するための材料及びシステムの提供。【解決手段】電気エネルギー貯蔵システムで使用される絶縁障壁であって、前記絶縁障壁が、少なくとも１つの絶縁層、ならびに前記絶縁層を少なくとも部分的に取り囲む封止層、を含み、前記封止層が、外側ポリマー層、展性材料を含む展性層、及び内側ポリマー層を含むラミネートフィルムを含み、前記内側ポリマー層が、前記絶縁層と接触しており、前記展性層が、前記外側ポリマー層と前記内側ポリマー層の間に配置される、前記絶縁障壁。【選択図】なし

Inventors

ナムヨンキュ

Assignees

アスペンエアロゲルズ，インコーポレイティド

Dates

Publication Date: 20260513
Application Date: 20260206
Priority Date: 20220128

Claims (20)

電気エネルギー貯蔵システムで使用される絶縁障壁であって、前記絶縁障壁が、少なくとも１つの絶縁層、ならびに前記絶縁層を少なくとも部分的に取り囲む封止層、を含み、前記封止層が、外側ポリマー層、展性材料を含む展性層、及び内側ポリマー層を含むラミネートフィルムを含み、前記内側ポリマー層が、前記絶縁層と接触しており、前記展性層が、前記外側ポリマー層と前記内側ポリマー層の間に配置される、前記絶縁障壁。
前記外側ポリマー層が、前記電気エネルギー貯蔵システム内の誘電伝熱流体に対して耐性のあるポリマーを含む、請求項１に記載の絶縁障壁。
前記外側ポリマー層が、炭化水素流体、エステル流体、シリコーン流体、フルオロエーテル流体、及びそれらの混合物からなる群より選択される伝熱流体に対して耐性のあるポリマーを含む、請求項２に記載の絶縁障壁。
前記外側ポリマー層が、ポリオキシメチレン、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリアミドイミド、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリエーテルイミド、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリイミド、及びテレフタレートからなる群より選択されるポリマーから作成される、先行請求項のいずれか１項に記載の絶縁障壁。
前記内側ポリマー層が、それ自体に熱溶着することができるポリマーから構成される、先行請求項のいずれか１項に記載の絶縁障壁。
前記内側ポリマー層が、ポリオレフィンポリマーから構成される、先行請求項のいずれか１項に記載の絶縁障壁。
前記内側ポリマー層が、前記外側ポリマー層の前記ポリマーとは異なるポリマーから構成される、先行請求項のいずれか１項に記載の絶縁障壁。
前記外側ポリマー層が、ポリエチレンテレフタレート（「ＰＥＴ」）または延伸ナイロン（「ＯＮｙ」）からなり、前記内側ポリマー層が、ポリプロピレン（「ＰＰ」）から構成される先行請求項のいずれか１項に記載の絶縁障壁。
前記外側ポリマー層が、第１の材料で構成される第１のポリマーフィルム、及び第２の材料で構成される第２のポリマーフィルムから構成され、前記第１の材料が、前記第２の材料とは異なる、先行請求項のいずれか１項に記載の絶縁障壁。
前記展性層が、金属箔を含む、先行請求項のいずれか１項に記載の絶縁障壁。
前記展性層が、展性ポリマーを含む、請求項１～１０のいずれか１項に記載の絶縁障壁。
前記封止層が、さらに、前記外側ポリマー層と前記展性層の間に、及び／または前記内側ポリマー層と前記展性層の間に配置された接着剤を含む、先行請求項のいずれか１項に記載の絶縁障壁。
前記外側ポリマー層が、約１０μｍ～約１００μｍの厚さを有する、先行請求項のいずれか１項に記載の絶縁障壁。
前記展性層が、約１０μｍ～約１００μｍの厚さを有する、先行請求項のいずれか１項に記載の絶縁障壁。
前記内側ポリマー層が、約１０μｍ～約１００μｍの厚さを有する、先行請求項のいずれか１項に記載の絶縁障壁。
前記封止層が、約３０μｍ～約３００μｍの総厚さを有する、先行請求項のいずれか１項に記載の絶縁障壁。
前記絶縁層が、２５℃で約５０ｍＷ／ｍ－Ｋ未満、６００℃で約６０ｍＷ／ｍ－Ｋ未満の前記絶縁層の厚さ方向の熱伝導率を有する、先行請求項のいずれか１項に記載の絶縁障壁。
前記絶縁層が、エアロゲルを含む、先行請求項のいずれか１項に記載の絶縁障壁。
前記封止層が、前記絶縁層を完全に取り囲む、先行請求項のいずれか１項に記載の絶縁障壁。
前記封止層が、互いに熱溶着された２枚のラミネートフィルムから構成される、先行請求項のいずれか１項に記載の絶縁障壁。

Description

関連出願への相互参照本出願は、２０２２年１月２８日に出願され、「Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ，ａｎｄＭｅｔｈｏｄｓｆｏｒＦｏｉｌＥｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎｏｆＡｅｒｏｇｅｌｓａｎｄＡｅｒｏｇｅｌＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ」という名称の米国仮特許出願第６３／３０４，２５８号と、２０２２年２月２３日に出願され、「Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｓｙｓｔｅｍｓ，ａｎｄＭｅｔｈｏｄｓｆｏｒＦｏｉｌＥｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎｏｆＡｅｒｏｇｅｌｓａｎｄＡｅｒｏｇｅｌＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ」という名称の米国仮特許出願第６３／３１３，０６３号の利益及び優先権を主張する。両方の仮出願の内容は、全体が参照により本明細書に組み込まれる。本開示は、一般に、材料を封止するための材料、システム、及び方法に関する。特に、本開示は、エネルギー貯蔵システムにおいて電池セルまたは電池モジュール間に使用される熱障壁を封止するための材料、システム及び方法に関する。本開示は、さらに、エアロゲル熱障壁の封止に関する。本開示は、さらに、封止遮熱材を含む１つ以上の電池セルを含む電池モジュールまたは電池パック、ならびにそれらの電池モジュールまたは電池パックを含むシステムに関する。リチウムイオン電池のような充電式電池は、動力駆動及びエネルギー貯蔵システムで広い用途を見いだされてきた。リチウムイオン電池（ＬＩＢ）は、従来の電池と比較して、動作電圧が高く、メモリ効果が低く、エネルギー密度が高いため、携帯電話、タブレット、ラップトップ、電動工具のようなポータブル電子デバイス、及び電気自動車などの他の高電流デバイスに電力を供給する際に広く使用されている。しかしながら、充電式電池が過充電される（設計電圧を超えて充電される）、過放電される、または高温及び高圧で動作する、もしくは高温及び高圧に曝露される場合など、「誤用条件」の下で致命的な不具合をＬＩＢが起こしやすいため、安全性が懸念されている。結果として、動作温度範囲及び充電／放電レートが狭いことにより、それらの設計範囲外の条件を受ける場合、急速な自己発熱または熱暴走事象によってＬＩＢが不具合を起こし得るため、ＬＩＢの使用が制限される。熱暴走は、取り除かれることができる熱よりも多く熱が発生している点まで内部反応速度が増加することにより、反応速度及び熱発生の両方がさらに増加する場合に起こり得る。熱暴走の間、高温が電池内の発熱反応の連鎖をトリガすると、電池の温度が急速に上昇する。多くの場合、１つの電池セル内で熱暴走が起こる場合、発生した熱は、熱暴走を受けるセルのすぐ近くにあるセルを急速に加熱する。熱暴走反応に加わる各セルは、反応を継続するための追加のエネルギーを含むため、電池パック内で熱暴走が伝播し、最終的に発火または爆発を伴う大惨事に至る。熱消散を促し、熱伝達経路の遮断効果があることは、熱暴走伝播によって起こる危険を低減させるのに効果的な対策であることができる。電池の熱暴走に至るメカニズムの理解に基づいて、電池コンポーネントの合理的な設計によって安全上の問題を軽減させることを目的として、多くのアプローチが研究されている。このような熱暴走事象のカスケードが起こることを防止するために、ＬＩＢは、一般的には、貯蔵されるエネルギーを十分に低く保つ、または電池モジュールもしくはパック内のセル間に十分な絶縁材料を使用して、それらを隣接するセルで起こり得る熱事象から絶縁する、またはそれらの組み合わせのいずれかであるように設計される。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大幅に制限する。後者は、セルを近接して配置できる程度を制限することによって、実効エネルギー密度を制限する。現在、熱暴走のカスケードを防ぎながら、エネルギー密度を最大にするために使用される多くの異なる方法がある。１つのアプローチは、セルまたはセルクラスタ間に十分な量の絶縁体を組み込むことである。このアプローチは、一般に、安全上の観点から望ましいと考えられるが、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、絶縁材料が熱を含む能力が、達成されることができるエネルギー密度の上限を決定する。別のアプローチは、相変化材料の使用によるものである。これらの材料は、ある昇温に達すると、吸熱相変化を起こす。吸熱相変化は、発生する熱の一部を吸収することによって、局所領域を冷却する。一般的には、電力貯蔵装置の場合、これらの相変化材料は、例えば、ワックス及び脂肪酸などの炭化水素材料に依存する。これらのシステムは冷却に有効であるが、それら自体は燃焼性であるため、一旦貯蔵装置内の点火が起こると、熱暴走の防止に有益でない。イントメッセント系材料の組み込みは、熱暴走のカスケードを防止するための別の策である。これらの材料は、所定の温度を上回ると膨張し、炭化層を生成し、炭化層は軽量で、必要な場合に熱絶縁を提供するように設計される。これらの材料は、絶縁効果を与えるのに有効であることができるが、貯蔵装置の設計では材料の膨張を考慮する必要がある。エアロゲル材料は、遮熱材としても使用されている。エアロゲル熱障壁は、他の遮熱材に優る多くの利点を与える。これらの利点のいくつかは、使用される材料の厚さ及び重量を最小限に抑えながら、熱伝播及び火炎伝播に対する良好な耐性を含む。エアロゲル熱障壁は、圧縮性、圧縮弾性、及びコンプライアンスの好ましい特性も有する。いくつかのエアロゲル系熱障壁は、軽量で硬さが低いので、特に、大量生産環境では電池セル間に設置するのが難しい可能性がある。さらに、エアロゲル熱障壁は、蓄電システムに悪影響を及ぼし得る粒子状物質（粉塵）を生成する傾向があり、製造上の問題を引き起こす。多くの異なる材料が利用可能であり、それぞれが、好ましい及びそうでない特性の両方で多くの異なる特性を有し、製造プロセスも簡素化しながら、電池セル及び熱障壁の両方に追加の保護を提供するために、遮熱材を封止することが有利であろう。上述の従来の方法及び材料の少なくとも１つの欠点を除去または軽減することが本開示の目的である。本明細書で提供される支持部材は、電池モジュールまたは電池パックで使用される熱障壁の封止及び取り扱いを改善するように設計されている。本開示の一態様では、電気エネルギー貯蔵システムに使用される絶縁障壁は、少なくとも１つの絶縁層、及び絶縁層を少なくとも部分的に取り囲む封止層を含む。封止層は、外側ポリマー層、展性材料を含む展性層、及び内側ポリマー層を含むラミネートフィルムを含む。内側ポリマー層は、絶縁層と接触しており、展性層は、外側ポリマー層と内側ポリマー層の間に配置される。外側ポリマー層は、電気エネルギー貯蔵システム内の誘電伝熱流体に対して耐性のあるポリマーを含む。例えば、外側ポリマー層は、炭化水素流体、エステル流体、シリコーン流体、フルオロエーテル流体、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される伝熱流体に対して耐性のあるポリマーを含む。本開示の一態様では、外側ポリマー層は、ポリオキシメチレン、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリアミドイミド、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリエーテルイミド、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリイミド、及びテレフタレートからなる群より選択されるポリマーから作成される。内側ポリマー層は、それ自体に熱溶着することができるポリマーを含む。例えば、内側ポリマー層は、ポリオレフィンポリマーを含む。いくつかの態様では、内側ポリマーは、外側ポリマー層のポリマーとは異なるポリマーから構成される。いくつかの態様では、展性層は、金属箔を含む。いくつかの態様では、展性層は、展性ポリマーを含む。本開示の一態様では、封止層は、さらに、外側ポリマー層と展性層の間に、及び／または内側ポリマー層と展性層の間に配置された接着剤を含む。本開示の一態様では、外側ポリマー層は、約１０μｍ～約１００μｍの厚さを有する。本開示の一態様では、展性層は、約１０μｍ～約１００μｍの厚さを有する。本開示の一態様では、内側ポリマー層は、約１０μｍ～約１００μｍの厚さを有する。本開示の一態様では、封止層は、約３０μｍ～約３００μｍの総厚さを有する。本開示の一態様では、絶縁層は、該絶縁層の厚さ方向の熱伝導率が、２５℃で約５０ｍＷ／ｍ－Ｋ未満、６００℃で約６０ｍＷ／ｍ－Ｋ未満である。本開示の一態様では、絶縁層は、エアロゲルを含む。本開示の一態様では、封止層は、絶縁層を完全に取り囲む。本開示の一態様では、封止層は、互いに熱溶着された２枚のラミネートフィルムから構成される。本開示の一態様では、封止層は、絶縁層を取り囲む。封止層は、それ自体に熱溶着されて、絶縁層を少なくとも部分的に取り囲む筐体を形成する。本開示の一態様では、電気エネルギー貯蔵システムの電池セル間に使用するための絶縁層を封止する方法であり、方法は、外側ポリマー層、展性材料を含む展性層、及び内側ポリマー層を含むラミネートフィルムで絶縁層の少なくとも一部を囲むこと（内側ポリマー層が、絶縁層と接触しており、展性層が、外側ポリマー層と内側ポリマー層の間に配置される）、ならびに、ラミネートフィルムを熱溶着して封止層を形成すること（封止層が、絶縁層を少なくとも部分的に取り囲む）を含む。本開示の一態様では、絶縁層を封止する方法は、絶縁層の少なくとも一部を第１のラミネートフィルムで覆うこと；絶縁層の少なくとも一部を第２のラミネートフィルムで覆うこと；第１のラミネートフィルムの一部を第２のラミネートフィルムに熱溶着して封止層を形成すること、を含む。本開示の一態様では、絶縁層を封止する方法において、第１の凹みが、第１のラミネートフィルムに形成され、第１の凹みの形状及びサイズが、絶縁層と相補的であり；第２の凹みが、第２のラミネートフィルムに形成され、第２の凹みの形状及びサイズが、絶縁層と相補的である。封止層を形成することは、第１のラミネートフィルムの第１の凹みに絶縁層を配置すること；第２の凹みが第１の凹みと実質的に整列された状態で、第１のラミネートフィルム上に第２のラミネートフィルムを配置すること；及び、第２のラミネートフィルムの一部に、第１のラミネートフィルムの一部を熱溶着すること、を含む。本開示の一態様では、絶縁層を封止する方法において、第１の凹みが、第１のラミネートフィルムに形成され、第１の凹みの形状及びサイズが、絶縁層と相補的である。第２の凹みが、第２のラミネートフィルムに形成され、第２の凹みの形状及びサイズが、第１の凹みと相補的である。封止層を形成することは、第１のラミネートフィルムの第１の凹みに絶縁層を配置すること；第２の凹みの一部が第１の凹みの内側に配置されるように、第２の凹みを第１の凹みと実質的に整列させて、第１のラミネートフィルム上に第２のラミネートフィルムを配置すること；及び、第１のラミネートフィルムの一部を、第２のラミネートフィルムの一部に熱溶着すること、を含む。本開示の一態様では、絶縁層を封止する方法において、第１の凹みが、第１のラミネートフィルムに形成され、第１の凹みの形状及びサイズが、絶縁層と相補的である。第２の凹みが、第２のラミネートフィルムに形成され、第２の凹みの形状及びサイズが、第１の凹みと相補的である。封止層を形成することは、第１のラミネートフィルムの第１の凹みに絶縁層を配置すること；第２の凹みの一部が第１の凹みの内側に配置されるように、第２の凹みを第１の凹みと実質的に整列させて、第１のラミネートフィルム上に第２のラミネートフィルムを配置すること；及び、第１のラミネートフィルムの一部を、第２のラミネートフィルムの一部に熱溶着すること、を含む。本開示の一態様では、絶縁層を封止する方法において、第１の凹みが、第１のラミネートフ