■EVでは軽量化も重要になる
熱対策部材を増やせば、冷却や安全性を高められる場合がある。
しかし車両では重量も重要になる。
重量が増えれば、
●航続距離
●電費
●運動性能
へ影響する。
そのため、
厚い金属板を追加する。
大量の断熱材を入れる。
という対策には限界がある。
つまりEV熱対策では、
熱性能
安全性
軽量化
を同時に考える必要がある。
■薄膜化は軽量化に有利
絶縁フィルム。
金属箔。
粘着材。
これらを薄くできれば、重量を減らせる。
バッテリーパックは大面積なので、
一枚あたり数gの差でも、全体では大きな重量差
になる可能性がある。
しかし薄くなるほど、
●破れ
●バリ
●異物
●貼付ズレ
の影響が大きくなる。
つまり、薄膜化と加工精度をセットで考える必要がある。
■大面積加工は簡単ではない
EV電池向け部材には、大きなサイズのものがある。
大面積になると、
●シワ
●気泡
●反り
●寸法変化
●貼付位置ズレ
が起こりやすくなる。
小型部材で0.2mmずれるのと、
1m級の材料で端部が数mmずれるのでは意味が違う。
大面積では、面全体の均一性が重要になる。
■長尺材料では材料伸びも問題になる
絶縁フィルムや粘着材をリール状態で加工する場合、
材料へ張力がかかる。
薄いフィルムは張力で伸びる。
伸びた状態で加工すれば、張力を解放した後に寸法が変わる可能性がある。
つまり、大型EV部材では、加工機上の寸法だけでは不十分である。
完成後の寸法安定性を見る必要がある。
■自動化との相性が非常に重要になる
EV電池は大量生産される。
一台の車に多数のセルと多数の機能部材が使われる。
そのため、
絶縁フィルムを一枚ずつ手貼りする。
熱伝導材を人が位置合わせする。
という工程には限界がある。
そこで、自動貼付が重要になる。
■リール供給にすると自動化しやすい
小型・中型の部材であれば、
キャリア上へ一定ピッチで配置し、
リールとして供給する。
自動機が、
剥離する。
吸着する。
位置補正する。
貼り付ける。
という工程へつなげられる。
つまりEV向け部材では、
製品形状だけでなく、自動化しやすい供給形態も重要になる。
■電池向け絶縁カバーも加工設計が重要になる
セルやモジュールの周囲へ絶縁フィルムや絶縁カバーを配置する場合、
単純な長方形だけではない。
●穴
●切り欠き
●折り返し
●端子逃げ
●部分粘着
などが必要になることがある。
さらに、
組立時にずれない。
シワにならない。
自動機で扱える。
ことも必要になる。
つまり絶縁カバーは、絶縁材料というより、組立工程まで含めた機能部品として設計する必要がある。
■「シートを貼る」から「部材として供給する」へ
例えば顧客が、
絶縁フィルムを切る。
剥離紙を剥がす。
セルへ貼る。
位置を確認する。
という工程を行っているとする。
加工メーカー側で、
●必要外形へ加工
●必要部分だけ粘着化
●剥離しやすい構造
●リール配置
まで行えば、顧客工程を減らせる。
つまり価値は、材料を加工することから、
顧客工程を減らすことへ広がる。
■熱伝導材・絶縁材・緩衝材を一体化する
電池周辺では、
熱伝導材。
絶縁材。
緩衝材。
を別々に配置する場合がある。
用途によっては、
これらをあらかじめ積層し、
一つの複合部材
として供給することも考えられる。
例えば、
熱伝導層
＋
絶縁層
＋
粘着層
のような構成である。
顧客は一回貼ればよい。
位置関係もあらかじめ決まる。
これは量産自動化と相性がよい。
■ただし複合化には注意が必要
熱伝導材。
絶縁材。
発泡体。
粘着材。
これらは、
●熱膨張
●硬さ
●厚み
●圧縮特性
が違う。
積層すると、
●反り
●層間剥離
●厚みばらつき
が発生する可能性がある。
つまり、部品点数を減らせば必ず良いわけではない。
顧客工程と性能を見ながら、最適な一体化範囲を決める必要がある。
■熱硬化材料も電池では重要になる
電池組立では、
●接着
●固定
●絶縁
●シール
を目的として熱硬化材料が使われる場合がある。
熱を加えて硬化するため、
●加熱温度
●加熱時間
●圧力
●材料保管
などが品質へ影響する。
つまり電池では、完成後の熱対策だけでなく、製造工程で熱をどう使うかも重要になる。
■UV硬化・熱硬化の組み合わせも考えられる
生産性を高めるため、
UVで仮固定し、
その後熱で本硬化する
といった工程も考えられる。
このような材料では、
●貼付位置
●硬化条件
●厚み
●光が届く範囲
などを考える必要がある。
熱対策材料と接着技術の境界も、今後さらに近づいていく可能性がある。
■固体電池になれば熱問題はなくなるのか
次世代電池として、
全固体電池
が注目される。
しかし、電解質が固体になれば熱問題がすべてなくなるわけではない。
電流が流れる。
内部抵抗がある。
充放電する。
以上、熱は発生する。
さらに材料や構造が変われば、
●熱伝導
●接触圧力
●熱膨張
●界面抵抗
の問題も変わる。
つまり次世代電池でも、熱管理は必要である。
■全固体電池では圧力管理との関係も重要になる
全固体電池では、材料同士の接触状態を維持するため、一定の圧力が重要になる構造も考えられる。
圧力をかけると、
●接触状態
●電気特性
●熱伝導
も変化する可能性がある。
つまり、
電気的接触
熱的接触
機械的圧力
を一体で考える必要がある。
■ナトリウムイオン電池などでも熱管理は必要になる
次世代電池には、
●全固体電池
●ナトリウムイオン電池
●その他新型蓄電池
など複数の候補がある。
材料が変わっても、
充放電によって熱が発生する。
多数のセルを組み合わせる。
安全に使う。
という基本条件は変わらない。
そのため、熱・絶縁・固定・シール という課題は、電池方式が変わっても残る可能性が高い。
■ESSではEVとは違う熱問題がある
ESSも多数の電池セルを使う。
しかしEVと違い、
●車両重量の制約が比較的小さい
●据え置きである
●大規模化しやすい
●長期間運転する
という特徴がある。
そのため、
大規模な冷却。
防火。
熱暴走伝播対策。
保守。
が重要になる。
■ESSでは一つの異常が大規模化しやすい
大規模ESSでは、非常に多くのセルが近接して配置される。
そのため一つのセルの異常が周辺へ波及すると、大きな事故につながる可能性がある。
つまり、通常時の効率的な放熱と、異常時の熱伝播防止の両立が非常に重要になる。
■EVとESSには共通する部材課題が多い
用途は違っても、
●熱伝導材
●絶縁材
●難燃材
●断熱材
●シール材
●粘着材
●金属箔 が必要になる。
つまりOTISのような加工会社から見ると、
完成品市場ではなく、共通する機能部材課題 を狙うことができる。
■研究者視点 ： 電池の熱問題は「最高温度」だけではない
電池の熱管理では、
最高温度だけを下げればよいわけではない。
重要なのは、
●平均温度
●セル間温度差
●温度変化速度
●充放電時のピーク温度
●異常時の熱伝播 である。
つまり、温度の値だけでなく、温度分布と時間変化 を見る必要がある。
■現場視点 ： 冷却プレートが冷たいのに、セルが熱いこともある
冷却液は正常。
冷却プレートも冷えている。
それでもセル温度が高い。
この場合、
●熱伝導材が浮いている
●接触圧力が不足している
●材料厚みが合っていない
●気泡がある
●一部セルだけ位置がずれている 可能性がある。
つまり、冷却装置が動いていることと、セルから熱が抜けていることは同じではない。
熱源から冷却液まで、熱経路全体を見る必要がある。
■設計時に確認すべきこと
EV・次世代電池の熱対策では、少なくとも次を確認する必要がある。
セル
●発熱量はいくらか
●急速充電時はどう変わるか
●高温・低温で特性はどう変わるか
●充放電による膨張はあるか
●劣化後の発熱はどう変わるか
温度均一性
●セル間温度差はどの程度か
●パック中央と外周で差はないか
●冷却液入口と出口で差はないか
●ホットスポットはどこか
熱伝導部材
●必要厚みはどの程度か
●隙間へ追従できるか
●圧縮率は適切か
●長期間追従性を維持できるか
●熱抵抗は十分低いか
絶縁
●どこに絶縁が必要か
●金属バリの影響はないか
●絶縁材厚みは適切か
●温度サイクル・振動後も維持できるか
●異物による破損はないか
安全
●異常発熱時の熱伝播を抑えられるか
●断熱材・難燃材は必要か
●通常時の放熱を妨げていないか
●発煙・ガスへの対応はどうするか
液冷・シール
●冷却液はどこを流れるか
●ガスケットは適切か
●圧縮率は適切か
●冷却液との材料適合性はあるか
●振動後も漏れないか
粘着・固定
●高温でずれないか
●低温で剥がれないか
●長期クリープは問題ないか
●粘着層が熱抵抗にならないか
量産
●自動貼付できるか
●リール供給できるか
●大面積でもシワなく加工できるか
●位置精度を量産で再現できるか
●画像検査できるか
EV電池では、熱・絶縁・難燃・シール・粘着・量産を同時に設計する必要がある。
■OTIS視点 ： EV電池は「熱材料市場」ではなく、「複合機能部材市場」と見る
OTISは、
セルメーカーではない。
バッテリーパックメーカーでもない。
冷却プレートメーカーでもない。
BMSメーカーでもない。
しかし電池周辺には、大量の薄膜・シート・粘着・金属部材が使われる。
例えば、
●熱伝導シート
●絶縁フィルム
●絶縁カバー
●難燃材
●断熱材
●発泡体
●シール材
●粘着材
●銅箔
●アルミ箔
●センサー固定材 である。
そして電池では、単一機能だけでなく、
熱＋絶縁
熱＋緩衝
絶縁＋粘着
シール＋難燃
断熱＋固定 という組み合わせが多い。
ここがOTISとの接点になる。
■OTISが狙うべき場所
完成車そのものを狙う必要はない。
セルそのものを開発する必要もない。
狙うべきなのは、バッテリー内部で繰り返し発生する共通課題 である。
例えば、
●セルと冷却プレート間の熱伝導材
●冷却プレート周辺の絶縁材
●バスバー周辺絶縁フィルム
●セル外周絶縁カバー
●セル間難燃・断熱部材
●緩衝・膨張吸収材
●パック外周シール材
●センサー固定部材
●銅箔・アルミ箔部材
●自動貼付用リール部材 である。
■「材料を一枚売る」より「工程を一つ減らす」
例えば顧客が、
絶縁材を貼る。
次に緩衝材を貼る。
次に粘着材を貼る。
という工程を持っている。
これらを、一体化した部材として供給できれば、顧客工程を減らせる可能性がある。
つまり価値は、加工単価だけではなく、顧客工程の削減にもある。
EVのような大量生産市場では、この意味が大きい。
■リール部品化との相性がよい
小型絶縁部材や粘着部材を、
一定ピッチでリール供給する。
顧客設備で、
自動剥離。
自動吸着。
自動貼付。 を行う。
こうすれば、
●人手削減
●位置精度向上
●タクト短縮
●異物低減 へつなげられる。
つまりOTISにとってEV電池は、材料加工と、
自動化供給 を組み合わせやすい市場でもある。
■大面積部材もOTISの重要テーマになる
一方、
●大型絶縁カバー
●大面積放熱シート
●大型ガスケット
では、微細加工とは違う難しさがある。
●シワ
●反り
●張力
●寸法安定性
●貼り合わせ精度 である。
つまりEVでは、小型高精度部材と、大面積均一部材の両方に加工技術が必要になる。
■OTISでできること
OTISでは、
●熱伝導シート加工
●TIM・ギャップフィラー加工
●絶縁フィルム加工
●絶縁カバー加工
●断熱材加工
●難燃材加工
●発泡体・緩衝材加工
●ガスケット・シール材加工
●粘着材加工
●銅箔加工
●アルミ箔加工
●センサー固定部材加工
●高精度打ち抜き
●大面積打ち抜き
●高精度ラミネート
●異種材料積層
●部分ラミネート
●ハーフカット加工
●リール・ツー・リール加工
●自動貼付向け供給形態
●複数機能材の一体化
●画像検査
●トレーサビリティを含む量産管理
などを通じて、
EV・次世代電池の機能材料を、量産工程で使える部品へ変える
ことに貢献できる。
■OTISの専門外
OTISは、
●バッテリーセルそのものの開発
●電池材料の化学設計
●BMS設計
●冷却プレート流路設計
●バッテリーパック全体の熱設計
●熱暴走解析そのもの
●CFD専業解析
●車両全体の熱マネジメント設計
を専門とする会社ではない。
ただし、
●セルメーカー
●材料メーカー
●バッテリーパックメーカー
●冷却装置メーカー
●自動化設備メーカー
と連携し、
熱・絶縁・難燃・シール・粘着を担う機能部材を量産成立させる
領域では貢献できる。
■この技術が重要になる市場
★★★★★ EV
★★★★★ 次世代リチウムイオン電池
★★★★★ 全固体電池
★★★★★ ESS
★★★★★ 急速充電システム
★★★★☆ ハイブリッド車
★★★★☆ 産業用蓄電池
★★★★☆ 電動建設機械・物流機器
★★★★☆ ロボット用バッテリー
■まとめ
電池の熱対策は「冷却」ではなく、「温度を管理しながら安全を作る」技術である
EV・次世代電池では、
高出力。
大容量。
急速充電。
長寿命。
軽量化。
が同時に求められる。
その結果、熱問題はさらに重要になる。
しかし電池では、ただ冷やせばよいわけではない。
高温になりすぎない。
低温になりすぎない。
セルごとの温度差を小さくする。
急速充電時も冷却する。
通常時には熱を冷却プレートへ逃がす。
異常時には熱を隣のセルへ伝えない。
電気は絶縁する。
冷却液は漏らさない。
振動や温度サイクルを受けても性能を維持する。
これらを同時に成立させる必要がある。
つまりEV電池には、
熱伝導材。
絶縁材。
断熱材。
難燃材。
シール材。
粘着材。
緩衝材。
金属箔。
という、一見すると相反する機能の部材が共存する。
だから電池の熱設計とは、最も熱伝導率の高い材料を選ぶことではない。
どこでは熱を流し、
どこでは熱を止め、
どこでは電気を止め、
どこでは液体を止め、
どこではセルの動きを吸収するか
を設計することである。
そして、この複雑な機能を量産へ落とし込むためには、
材料だけでは足りない。
形状。
厚み。
積層。
位置。
圧縮率。
供給形態。
自動化。 まで考える必要がある。
OTISが狙うべきなのは、電池そのものではない。
冷却プレートそのものでもない。
その間で必要になる、熱・絶縁・難燃・シール・粘着・薄膜・自動化という共通課題である。
次世代電池が変わっても、セル材料が変わっても、こうした課題は残る。
だからEV・次世代電池市場は、「材料を加工する会社」から、
「電池の量産工程を成立させる機能部材会社」へ進化できる領域 なのである。
コラム監修：角本 康司 (オーティス株式会社)
語学留学や商社での企画開発を経て2011年にオーティス株式会社入社。経営企画部を中心に製造・技術部門も兼任し、2018年より代表取締役として事業成長と組織強化に努めている。
※本記事は教育・啓発を目的とした一般的な技術解説であり、特定企業・製品・技術を示すものではありません
