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公開番号2025010194
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-01-20
出願番号2024187363,2023558786
出願日2024-10-24,2022-07-01
発明の名称電池ベースのエネルギー貯蔵システムにおける熱伝播を軽減するシステム及び方法
出願人アスペンエアロゲルズ,インコーポレイティド
代理人個人,個人,個人,個人,個人
主分類H01M 10/658 20140101AFI20250109BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】エネルギー貯蔵システムの熱暴走の問題を管理する方法及びシステムの提供。
【解決手段】厚さ寸法を通して、25℃、大気圧、2psiの圧縮負荷下でASTM C518に従って測定した場合に約50mW/m・K未満、及び、600℃、大気圧、2psiの圧縮負荷下でASTM C518に従って測定した場合に約60mW/m・K未満の熱伝導率を有する絶縁層を含むコア部と、前記コア部の外側に配置された外部であって、面内寸法に沿って、37.5℃、大気圧、2psiの圧縮負荷下でASTM C518に従って測定した場合に少なくとも約200mW/m・Kの熱伝導率を有する熱伝導層を含む外部とを含み、熱伝導層が実質的にL字型であり、L字型熱伝導層の垂直部分が絶縁層から間隔をおいて配置されるようにしてあり、L字型熱伝導層の水平部分が絶縁層と接触している、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。
【選択図】なし
特許請求の範囲【請求項１】
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であって、前記多層材料が、
絶縁層を含むコア部であって、前記絶縁層が、前記絶縁層の厚さ寸法を通して、２５℃で、大気圧において、２ｐｓｉの圧縮負荷下で、ＡＳＴＭＣ５１８規格に従って測定した場合に約５０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満、及び、６００℃で、大気圧において、２ｐｓｉの圧縮負荷下で、ＡＳＴＭＣ５１８規格に従って測定した場合に約６０ｍＷ／ｍ・Ｋ未満の熱伝導率を有する、前記コア部と、
前記コア部の外側に配置された外部であって、前記外部が熱伝導層を含み、前記熱伝導層が、前記熱伝導層の面内寸法に沿って、３７．５℃で、大気圧において、２ｐｓｉの圧縮負荷下で、ＡＳＴＭＣ５１８規格に従って測定した場合に少なくとも約２００ｍＷ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有する、前記外部と、
を含み、
前記熱伝導層が実質的にＬ字型であり、前記Ｌ字型熱伝導層の垂直部分が前記絶縁層から間隔をおいて配置されるようにしてあり、前記Ｌ字型熱伝導層の水平部分が前記絶縁層と接触している、多層材料。
続きを表示（約 590 文字）【請求項２】
前記熱伝導層が前記絶縁層と接触している、請求項１に記載の多層材料。
【請求項３】
前記熱伝導層が、前記絶縁層の両側の第１の伝導層と第２の伝導層とに分割されており、前記第１の伝導層及び前記第２の伝導層が前記絶縁層と接触している、請求項１に記載の多層材料。
【請求項４】
前記熱伝導層が、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、請求項１に記載の多層材料。
【請求項５】
前記熱伝導層が、アルミニウム、銅、またはスチールを含む金属を含む、請求項１に記載の多層材料。
【請求項６】
前記熱伝導層が、前記外部の外層である、請求項１に記載の多層材料。
【請求項７】
前記熱伝導層が、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、請求項１に記載の多層材料。
【請求項８】
前記絶縁層が、雲母、セラミック、無機繊維綿、樹脂、または無機発泡体を含む、請求項１に記載の多層材料。
【請求項９】
前記絶縁層がエアロゲルを含む、請求項１に記載の多層材料。
【請求項１０】
前記エアロゲルが補強材を含む、請求項９に記載の多層材料。
（【請求項１１】以降は省略されています）
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，Ｓｙｓｔｅｍｓ，ａｎｄＭｅｔｈｏｄｓｆｏｒＭｉｔｉｇａｔｉｏｎｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｅｒｇｙＳｔｏｒａｇｅＴｈｅｒｍａｌＥｖｅｎｔｓ」と題された米国仮特許出願第６３／２１８，２０５号、２０２２年３月２６日に出願され、「ＳｙｓｔｅｍｓａｎｄＭｅｔｈｏｄｓｆｏｒＭｉｔｉｇａｔｉｎｇＴｈｅｒｍａｌＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎｉｎＢａｔｔｅｒｙ－ＢａｓｅｄＥｎｅｒｇｙＳｔｏｒａｇｅＳｙｓｔｅｍｓ」と題された米国仮特許出願第６３／３２４，０６０号、及び２０２２年３月２８日に出願され、「ＳｙｓｔｅｍｓａｎｄＭｅｔｈｏｄｓｆｏｒＭｉｔｉｇａｔｉｎｇＴｈｅｒｍａｌＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎｉｎＢａｔｔｅｒｙ－ＢａｓｅｄＥｎｅｒｇｙＳｔｏｒａｇｅＳｙｓｔｅｍｓ」と題された米国仮特許出願第６３／３２４，５２２号に対する優先権を主張するものであり、これらの各米国仮特許出願の全体を参照により本明細書に援用する。
続きを表示（約 3,400 文字）【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軽減するためのシステム及び方法に関する。特に、本開示は、電池ベースのエネルギー貯蔵システムの一部分が熱イベント（例えば、熱暴走）を受けた後に、隣接するセル、モジュール、またはパックで熱伝播が発生するのを防止するためのシステム、方法、及び技法を提供する。本開示は、さらに、熱伝播を軽減するための本技術による熱バリア材料の量（例えば、厚さ、体積など）を含む、１つ以上の電池セルを有する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。
【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。ＬｉＣｏＯ
２
、ＬｉＦｅＰＯ
４
、ＬｉＭｎ
２
Ｏ
４
、Ｌｉ
２
ＴｉＯ
３
、ＬｉＮｉ
０．８
Ｃｏ
０．１５
Ａｌ
０．０５
Ｏ
２
（ＮＣＡ）、及びＬｉＮｉ
１／３
Ｃｏ
１／３
Ｍｎ
１／３
Ｏ
２
（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、ＬｉＣｌＯ
４
、ＬｉＰＦ
６
、ＬｉＢＦ
４
、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。
【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。
【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、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。
【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。
（【００１１】以降は省略されています）

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