方路石 劉三中 華富才
（福建スーパーテック先進材料有限公司 技術センター、厦門市、361021）
要旨： 断熱材は、バッテリーの熱管理システムにおいて欠かせない重要な素材である。特に特殊真空断熱パネル（VIP）は、優れた断熱性能と耐火性能により、バッテリーシステムの性能向上に有望な応用展開が期待されている。本論文では、金属製VIPおよび超薄型VIPの主要性能指標を初めて体系的に紹介し、断熱性能や動的熱伝達特性に関する試験・解析を行い、現行のエアロゲルフェルト製品との比較を行った。本製品はバッテリーパックの断熱に用いられ、低温環境下でのバッテリーパックの適応性と耐久性を大幅に向上させるとともに、バッテリーの熱暴走の拡散抑制にも寄与する。同時に高いコストパフォーマンスも備えている。結果から、新型の特殊真空断熱製品は、バッテリーおよびエネルギー貯蔵システムにおける放熱・断熱・防火の統合設計において、より多くの優位性を持つことが示された。.
キーワード: 特殊真空断熱パネル；熱伝導率；熱拡散係数；バッテリーの熱管理；熱暴走
著者プロフィール： Fanglu Shi: (Date of Birth: July 12, 1962) Gender: Male Ethnicity: Han Native Place: Zhengning, Gansu Province Education: Master’s Degree Title: Senior Engineer Research Direction: Low-temperature Technology, Thermal Insulation Technology, Vacuum Technology and Its Application
0．Iはじめに
新エネルギー電気自動車の登場は、従来の自動車がもたらすエネルギー問題や環境問題を効果的に解決した。電気自動車の核心部品であるバッテリーの寿命と使用効率は、車両全体の性能を左右する。なかでもバッテリーの寿命に影響を与える要因として最も重要なのは動作温度であり、過度に高温または低温になるとバッテリー性能に大きな悪影響を及ぼす。低温では充放電効率が低下し、高温ではバッテリーの寿命が短くなる。さらに温度が制御不能になると、爆発などの安全事故につながるおそれもあるため、バッテリーを安全な温度範囲内で運用することは業界全体にとって重要な課題である。.
特にバッテリーのエネルギー密度が向上するにつれて、航続距離は急速に改善された一方で、製品の信頼性と安全性の問題が一段と顕著になっている。バッテリーの熱暴走による安全事故は、新エネルギー車の発展を阻害する要因となっている。工場出荷前に各種厳格な安全規格試験を経て安全な使用が確保されていても、それでもなお熱暴走事故を完全に防ぐことはできない。.
新エネルギー用バッテリーの動作原理は、電気化学反応によってエネルギーを放出することにあるため、この反応は必然的にバッテリーシステムの温度と密接に関連している。多くの研究者が、バッテリーの熱特性や温度がバッテリー性能および寿命に与える影響について詳細なモデリングとシミュレーション研究を行ってきた[1]。例えば、Satoら[2]は、バッテリー温度が50℃を超えると、放電効率および寿命がいずれも著しく低下することを示している。Khateebら[3]は、バッテリーパックの温度が最適動作範囲を超えると、パック内の温度均一性が損なわれ、その結果熱暴走や火災事故を引き起こす可能性があると指摘している。また、Pesaranら[4]は、バッテリーの最適動作温度は25～40℃の範囲内に保つべきだと提唱している。したがって、効率的な放熱・断熱技術を開発し、バッテリーを適切な温度範囲内に維持するための熱管理システムを構築することは、正常な運転を確保し、安全事故を防止するうえで極めて重要である。.
バッテリーの熱管理技術は、追加エネルギーを消費するかどうかという観点から受動式技術と能動式技術に分類される。さらに、熱伝達媒体や熱交換方式の違いに基づき、空冷、液冷、相変化材料（PCM）、ヒートパイプなどの方式に細分化される。.
バッテリーの熱管理には、バッテリーパックの温度制御に加え、セル間の絶縁や放熱も含まれる。前者は主にバッテリーシステムの運用品質やエネルギー効率に関わり、後者はバッテリーの熱暴走や温度拡散のプロセスに重点を置き、安全性と密接に関連している。リチウム電池の熱管理技術に関する研究については、冷却や熱交換手法が文献で数多く報告されている[5]が、熱管理に用いられる絶縁材料の特性分析に関する報告は少ない。実際、絶縁材料はバッテリーの熱管理において極めて重要な役割を果たしており、用途によって重視される指標も異なる。適切な絶縁材料を選定することは、熱管理性能の向上にとって不可欠である[6]。さらに、新エネルギー電池技術の急速な発展により、新たな絶縁材料や絶縁構造の開発が一層急務となり、新たな要求事項が提示されている。
（1）電気的誤操作、機械的誤操作、短絡などによって引き起こされる動力用バッテリーの熱暴走は、短時間に大量の熱を放出する。従来の絶縁材料や液体冷却方式では、この問題を完全に解決することはできない。.
（2）従来の自動車では、余剰熱を利用して乗客室を快適な環境に保ちつつ、追加のエネルギー消費を抑えているが、新エネルギー車両の熱管理では、基本的にバッテリー自身のエネルギーを消費してその温度を維持しなければならない。そのため、特に超低熱伝導率を持つ高効率な絶縁材料の開発が一層必要となっている。.
（3）動力用バッテリーのエネルギー密度に対する市場ニーズがますます高まる中、一つの解決策として、より優れた絶縁材料を用いてバッテリーパック内のセル数を増やし、エネルギー密度と航続距離を向上させるか、あるいはバッテリーパックの体積を縮小して室内空間を広げ、快適なドライビング体験を確保することが求められている。.
（4）新エネルギー車両が多様な環境に適応できるよう、特に外気温がしばしば－10℃以下に下がる寒冷な北国の冬季において、駐車時に動力用バッテリーが必要とする正常な温度範囲を維持することが困難になる。これによりバッテリーの容量や寿命が低下するおそれがあるため、バッテリーシステムには信頼性が高く効率的な保温対策が不可欠である。.
（5）電気自動車が抱える安全上の課題に対応するため、関係省庁は相次いで複数の強制的国家基準を制定しており[7-9]、安全要件を一段と厳格化するとともに、熱暴走後に「5分以内」にバッテリーシステムが着火または爆発しないことを明確に規定し、乗員にとっての黄金の避難時間を確保している。熱暴走へのあらゆる対策には、優れた断熱材料が欠かせない。.
1．バッテリー熱管理における一般的な断熱材料
現在、電池において一般的に使用されている断熱材には、発泡体、繊維、エアロゲルブランケット、特殊な真空断熱パネル（VIP）、超薄型金属などがあり、それぞれ長所と短所を有しています。これらの材料は断熱材として用いられる際、主な性能指標となるのは熱伝導率です。図1は、よく使われる4種類の断熱材における熱伝導率の違いを示しています。同じ断熱効果を得る場合でも、断熱層の厚さには差があります。発泡体や繊維タイプは断熱性能が比較的低く、施工も難しいものの、コストが低いという特徴があります。一方、エアロゲル複合フェルトは、新しいタイプのエアロゲルナノ粉末と繊維を組み合わせて作られたもので、熱伝導率が低く、従来の材料に比べて厚さがわずか1/2～1/5程度です。さらに優れた耐熱性を持ち、-196℃から1000℃までの広い使用温度範囲で安定した性能を発揮します。この製品は新エネルギー電池の熱管理システムにも応用されています[20]。ただし、優れた性能を持つエアロゲルフェルトは比較的高価です。熱管理システムにおける断熱性能要求が一段と高まる中、その性能向上には依然として課題が残っています。.
図1 4種類の断熱材の断熱性能
真空断熱パネル（VIP）製品は図2に示されています。これは次世代の高効率断熱材であり、コア素材は繊維または粉末状の材料で構成されています。高遮蔽性の被覆フィルムにより真空密閉性が確保され、真空化によって気体による熱伝導を効果的に遮断することで優れた断熱性能を実現します。この製品は極めて低い熱伝導率を有し、断熱構造はコンパクトで、従来の材料に比べて厚さはわずか1/8～1/10程度です。また、吸水性がなく、酸やアルカリに対する耐食性も備えています。この製品は家電製品、化学産業、新エネルギー分野などで広く利用されています。特殊なVIP製品が持つ低熱伝導率および低温度拡散係数の特性は、新エネルギー電池のコンパクト設計や安全性のさらなる向上に寄与する選択肢となっています。.
図 2. 真空断熱パネル（VIP）
2．金属製VIPおよび超薄型VIPの性能と熱伝達特性
2.1 金属製VIPの構造と断熱性能
金属製VIPは、フィルム素材としてアルミ箔やステンレス鋼箔を使用し、コア素材には玄武岩繊維や高シリカ酸化物などを採用しています。真空処理後、溶接により封止されます。この製品は高温・低温への耐性、低熱伝導率、安定した性能、耐穿刺性、A級防火性能および不燃性を備えており、高シリカ繊維やエアロゲルフェルトに加えて、もう一つの好ましい高効率断熱材です。主な性能指標は表1に示されています。.
| 表1 金属製VIPの主要性能指標 | |
| 中心熱伝導率（25℃） | ＜3 mW/（m·K） |
| グラム重量（厚さ1.5mm） | 1.3～2.0 kg/m³2 |
| I総漏れ率試験 | ≤10-10Pa·m3/s |
| 適用温度範囲 | -253～1000℃ |
（a）熱応答試験装置 b）試験原理の模式図
図3 温度応答試験装置
金属製VIPの広い温度範囲における非定常状態の熱伝達特性を評価するため、図3に示す試験装置を用いて、冷面および熱面の温度応答を測定しました。熱面（加熱面）を200℃、400℃、600℃といった高温に保ったところ、冷面の温度は図4に示されるように時間とともに徐々に上昇し、それぞれ23.4℃、26.8℃、123.1℃に達しました。400℃以下では冷面の温度は室温とほぼ同じであり、600℃という高温下でも金属製VIPは優れた断熱性能を示しています。冷側の温度はわずか123.1℃で、熱側と冷側の温度差は476.9℃に達します。厚さ8mmの金属製VIPは、広い温度範囲において優れた断熱性能を発揮しています。.
図4 試料の冷面の温度応答曲線
金属製VIPの内部は耐高温性のある芯材で充填され、真空状態に保たれているため、金属製VIPに対して垂直な方向では優れた断熱性能を示します。外部の被覆材はステンレス鋼箔で構成されています。この独特な「放熱―断熱―放熱」構造を持つ金属製VIPの熱伝達過程は、図（5）に示すように二次元的な熱伝達特性を有しています。サーモグラフィー画像（6）の結果からもわかるように、金属製VIPの表面温度は加熱領域を中心として全方向へ急速に拡散・低下し、板面に平行な方向では優れた放熱効果を発揮します。もし被覆材をアルミ箔などの高い熱伝導率を持つ材料に選定し、熱管理用の放熱システムと接続すれば、板面に垂直な方向での優れた断熱性能により、電池セル間の熱伝達が大幅に抑制されます。これにより温度拡散を著しく遅らせ、蓄積した熱を板面に平行な方向へ効果的に伝達して放熱システムを通じて排出するか、あるいは熱負荷を効果的に低減することで、優れたバッテリーの熱管理を実現できます。.
図5．二次元熱伝達 図6．試料のサーモグラフィー画像 金属製VIPの模式図
2.2 優れた断熱性能と高いコストパフォーマンス
ホットサイドが400℃および600℃の条件下で、同じ長さ・幅の8mm厚の金属製VIPと9mm厚のエアロゲルフェルトのコールドサイド温度応答を比較した試験結果を図（7）に示します。エアロゲルフェルトと比べて、金属製VIPのコールドサイド温度は明らかに低く、その差はそれぞれ148.4℃および204.8℃に達します。ホット面を室温から200℃および400℃まで連続的に加熱する急激な昇温（非定常状態）過程においても、金属製VIPのコールドサイド温度はエアロゲルフェルトと大きく異なります。そのコールドサイドおよびホットサイドの温度応答を図（8）に示します。したがって、金属製VIPの熱伝導率や熱拡散係数が低いことから、温度の伝播や拡散の速度が著しく遅くなり、バッテリーの熱暴走時の安全な避難時間が延長されるほか、熱管理用冷却システムへの熱負荷も大幅に低減されます。三元系リチウム電池の場合、電池セルの最大熱暴走温度は700～800℃に達することがあります。現在、業界では一般的に熱暴走時の隔離のために2.5mm厚のエアロゲルパッドを使用しており（隣接セルの温度を200℃以内に抑える必要がある）、金属製VIPを採用することでエアロゲルの厚みを効果的に削減でき、バッテリーシステム全体のスペースと重量をより多く確保することが可能です。表2では、特定サイズのバッテリーパックにおけるエアロゲルフェルトと金属製VIPの二つの断熱方式の主要パラメータを比較・算出しています。全体重量の増加を除けば、金属製VIPの熱抵抗はエアロゲルフェルトの5倍であり、厚みも大幅に薄くなるため、高いコストパフォーマンスを示します。.
図7．金属製VIPとエアロゲルフェルトのコールドサイド温度応答曲線
図8. 金属製VIPとエアロゲルフェルトのコールド／ホット面温度応答曲線
表2. 三元系リチウム電池向け二つの断熱方式の費用対効果
| TLB
|
サイズ（mm） | 厚さ（mm） | 数量
（個） |
価格
（人民元/m）2） |
G.W.
（kg/m）2） |
Rth（m）2.k/W） |
| エアロゲルフェルト | 205*98 | 2.5 | 216.0 | 169 | 1.7 | 0.1 |
| メタルVIP | 205*98 | 1.5 | 216.0 | 160 | 1.4 | 0.5 |
2.3 バッテリーパック用断熱の超薄型VIP
多数の実験により、バッテリーパックの動作温度と放電容量保持率には顕著な相関関係があることが示されています。図（9）に示すように、これは市場で主流となっているリン酸鉄リチウム電池の放電容量保持率と温度の推移を表したグラフです。温度が低下するにつれて放電容量は減少し、－5℃以下では急激に低下、さらに－20℃では約25％近くまで減少します。これが、低温環境下の冬季において新エネルギー車の航続距離が大きく短縮される重要な要因の一つでもあります。同時に、北国で冬季に急速充電時間が長くなるというユーザーの不満を解消する手段にもなります。そのため、バッテリーパック全体の断熱性能は、バッテリー寿命の延長や充電効率の向上、さらにはユーザー体験の改善にとって極めて重要です。.
図9. バッテリーパックの放電容量保持率と温度との関係
真空断熱超薄型VIPは、厚さわずか1～5mmであり、優れた断熱性能および緩衝機能を備えています。本製品は新エネルギー産業で求められる一連の試験・検証をクリアしており、特にGB/T 2423.50規格に基づいた「ダブル85」環境信頼性試験に合格しています。周囲温度85±2℃、湿度85±5%RHの条件下で1,000時間の老化試験を行った結果、熱伝導率は依然として8mW/（m·K）未満であり、長期にわたり湿気の浸透に対する耐性と安定した熱性能を示しました。主な性能指標は表3に示されています。量産品は、動力用リチウム電池パックの断熱・保護用途など、さまざまな分野で採用されています。.
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表3。. 超薄型VIPの主な性能指標 |
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| 初期熱伝導率 | 3.5 mW/（m·K） |
| ダブル85信頼性試験 1,000時間後の熱伝導率 | ≤ 8 mW/（m·K） |
| 銅・酢酸塩スプレー試験
熱伝導率の変化 240時間後 |
＜ 2 mW/（m·K） |
| 耐電圧 | 3800 VDC 漏れ電流＜1mA |
| I絶縁性 | 5000 MΩ、1000VDC |
あるブランドのバッテリーパックでは、断熱処理に同じ3mm厚の断熱フォームと超薄型（Yinlin ultrathin™）VIPをそれぞれ使用しています。初期温度は25℃で、－20℃の低温環境下に置かれました。自然対流条件下では、フォームを使用したバッテリーパックの温度は約3.5時間で0℃まで低下します。一方、Yinlin ultrathin™-VIPを採用したバッテリーパックは、温度が0℃に達するまで約10時間かかりました。冷却曲線は図10に示されており、保温時間は3倍以上異なる結果となり、低温環境への適応性およびバッテリー寿命が大幅に向上しました。.
図10．バッテリーパックの冷却曲線
- 3.材料の熱伝導率および熱拡散率について
新エネルギー電池におけるバッテリーパックの断熱性能と、セル間の熱管理には、定常状態と非定常状態という、まったく異なる二つの熱伝達プロセスが関与している。そのため、考慮すべき物理的パラメータも大きく異なる。前述の通り、前者はエネルギー保存に関わり、後者は安全性に重点を置く。バッテリーパックの温度制御に関しては、断熱材およびバッテリーパック自体が主に定常または準定常的な熱伝達過程にあり、その熱伝達は一般にフーリエ方程式によって記述され、関与する特性パラメータは熱伝導率k値（Thermal Conductivity）である。すなわち、一定の温度分布下での熱伝達能力を示す指標である。一方、新エネルギー電池のセル間における温度制御、特に熱暴走現象については、非定常熱伝達に属し、温度の動的変化に焦点が当てられる。通常は熱拡散係数a値や熱伝導率係数で表される。その物理的意味は、物体の各部位が（急激な）加熱または冷却過程において、均一な温度へと落ち着こうとする能力を示すものであり、物体の熱慣性を反映している。熱拡散係数が小さいほど熱慣性は大きく、物体が熱平衡状態に到達する速度は遅くなる。具体的には、熱拡散係数（a＝k／ρ×Cp）は、熱伝導過程における材料の熱伝導能力（k）と、途中の物質が持つ熱蓄積能力（ρ×Cp）との総合的な関係を示す。熱拡散係数は材料によって大きく異なり、例えば木材では1.5×10⁻⁷ m²/s、アルミニウムでは9.5×10⁻⁵ m²/sといった数値が見られる。一般的に、熱伝導率が低いほど、密度が高いほど、熱拡散係数は小さくなり、材料の熱慣性は大きくなる。表4は、各種材料の熱拡散係数の範囲である。明らかに、金属製VIPは大きな熱慣性を持ち、特に電池セル間の熱管理システムに適している。.
| 表4 室温における各種材料の熱伝導率および熱拡散係数 | ||
| 素材 | 熱伝導率 熱伝導係数
（W/m·K） |
熱拡散率
（10⁻⁶ m²/s）-6 m2/s） |
| 金属 | 4-420 | 3-165 |
| ガス | 0.01-0.20 | 15-165 |
| 非金属材料（一部例外を除く） | 0.17-70 | 0.1-1.6 |
| 液体（非金属）) | 0.05-0.68 | 0.08-0.16 |
| 一般的な断熱材 | 0.04-0.12 | 0.16-1.6 |
| Aエアロゲル フェルト | 0.016-0.025 | 0.05-0.08 |
| 金属 VIP | 0.003-0.010 | ＜0.01 |
なお、現在、バッテリーの熱管理用超薄型VIPの熱性能試験は、依然として中心的な熱伝導率k値の測定に主眼が置かれている。ほとんどの測定機器は、GB/T 10295、GB/T 10294、GB/T 39704などの国家規格、あるいはISO 8301、ASTM C518といった国際規格に基づいている。すなわち、定常熱伝達に関するフーリエ方程式を用いてk値を算出することが、推奨される標準的な仲裁手法でもある。しかし、これらの機器の多くは厚さ10mm以上の製品の測定に適しており、厚さ5mm未満の極薄断熱材の熱性能測定には適用できない。さらに、超薄型VIPは通常1～3mm程度の薄さしかなく、同じ予圧条件下であっても、厚さ測定における相対誤差は10%を大きく上回る。また、両面間の温度差は比較的小さいにもかかわらず、温度測定誤差は非常に大きく、結果として異なる機器間で測定データに著しい乖離が生じ、中には100%を超えるものもあり、互いに比較不能な状態となっている。したがって、超薄型VIP構造の断熱性能評価には、一定の熱流束密度および一定の時間間隔の条件下で、高温側の温度応答曲線や、冷熱側・高温側の温度上昇を測定する方法を用いる方が、より科学的かつ合理的である。.
4.展望
真空断熱技術および製品は、家電製品をはじめとするさまざまな分野で広く普及しており、冷蔵庫や冷凍庫などの冷蔵機器において、省エネルギー・消費削減・スペースの最大限活用を実現するための不可欠な素材となっています。一方、バッテリーの熱管理における真空断熱技術はまだ発展途上にあり、バッテリー熱管理システムの特性に基づいた詳細な製品検証と製品適応設計が求められています。しかし、特殊な真空断熱板（VIP）や真空断熱構造（VIS）の形状・サイズの設計自由度、膜材・芯材・真空封止方法の柔軟な組み合わせ特性、さらに比類のない断熱性能により、バッテリーシステムにおける放熱・断熱・防火または防火区画の統合設計が可能になっています。新たな真空断熱板製品は、自動車用バッテリーおよびエネルギー貯蔵システムの熱管理において大きな応用可能性を有しています。.
5.R参考文献
[1] 張立宇ら。リチウム電池の性能と温度との相関に関する基礎的実験的研究[J]。西安交通大学学報、2018年、52巻5号、133-141頁。.
[2] 佐藤N. 電気自動車およびハイブリッド車向けリチウムイオン電池の熱挙動解析[J]。電源ジャーナル、2001年、99巻1-2号、70-77頁。.
[3] WILKE S、SCHWEITZER B、KHATEEB Sら。相変化複合材料を用いたリチウムイオン電池パックにおける熱暴走の伝播防止：実験的研究[J]。電源ジャーナル、2017年、340号、51-59頁。.
[4] ペサラーンA A. ハイブリッド車シミュレーション用のバッテリー熱モデル[J]。電源ジャーナル、2002年、110巻2号、377-382頁。.
[5] 芮新宇ら。リチウムイオン電池の熱暴走拡散問題に関する総説[J]。バッテリー産業、2020年、24巻3号、193-205頁。.
[6] Jiangxi Zhongmao New Energy Materials Technology Co., LTD. A high-temperature resistant heat insulation sheet: CN222039868U.2024.11.22.
[7] “「GB 38031-2020 電気自動車用駆動用バッテリーの安全要件」”.
[8] 「GB18384-2020 電気自動車の安全要件」.
[9] 「GB38032-2020 電気バスの安全要件」.
