開発ストーリーアルミラミネートフィルム型冷卻器

車載電池用包材として実績のあるアルミラミネートフィルム「SPALF?」を電池冷卻に応用。アルミと樹脂の特長を生かし、車載用電池冷卻システムに求められる安全性と信頼性を確保しながらも、軽量かつコンパクトな電池冷卻器を開発しました。

アルミラミネートフィルム型冷卻器
開発のきっかけを教えてください。

もともとグループ會社の昭和電工パッケージング(株)で、食品やリチウムイオン電池の包裝材料の開発?営業に攜わっていました。同社の主力製品であるリチウムイオン電池用外裝材「SPALF®」は、アルミニウム箔と樹脂フィルムを貼り合わせたアルミラミネートフィルムで、金屬缶に比べて成形自由度が高く、軽量で耐食性に優れていることから、20年以上にわたりパウチ型リチウムイオン電池の外裝フィルムに採用されています。その貼り合わせ技術は當社獨自のものであり、この技術を活かして、次世代につながる開発ができないか模索していました。

そのようななか、電池や自動車関連のお客様から、電池冷卻に関する課題を多く耳にするようになったのです。

そもそもリチウムイオン電池は、正常な働きをするための適正溫度範囲が5℃~27℃(稼働溫度は0℃~45℃)と非常に狹く、溫度が高溫になると劣化が進むと言われています。リチウムイオン電池の壽命は、溫度によって左右されますし、複數使用している場合は、それぞれの溫度のばらつきも影響します。そのため、電池をいかに冷卻して低溫狀態に保つかが重要であり、この課題に対してSPALF®でソリューションを提供できないかと考えたのです。

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どのような方向性で開発を進めることにしたのでしょうか?

當初は、スマートフォンやノートパソコンの電池冷卻を考えていましたが、製品化にあたって著目したのは、電気自動車のバッテリーです。少數の電池セルで動かす機器より、大容量のバッテリーを使う電気自動車の方に、より市場性があると判斷しました。

車載用電池には、速いスピードでの充放電が求められます。急速での充放電では、より多くの熱が発生しますので、放熱も必要になってきます。1臺の電気自動車の中には、電池セルが何百個、何千個と入っているので、発熱量も相當なものになり、それぞれの電池セルの溫度のばらつきもバッテリーモジュールの壽命に影響するため、溫度制御により、一定の溫度域を保つことが必要不可欠になってくるのです。

何百個、何千個の電池セルの冷卻を、仮にアルミラミネートフィルム型冷卻器ですべて賄うとしたら、電気自動車一臺當たりのラミネートフィルムの使用量は畳2~4畳分くらいになります。また、現在、車載用電池冷卻器の仕様には規格がないので、最初に市場に入り込むことでイニシアティブがとれれば、かなりの出荷數が見込めるのです。

開発の様子を振り返っていただけますか?

當初はSPALF®が電池冷卻器の素材として適しているのか、はっきりとはわかりませんでした。そこで熱交換器の開発部隊に協力を仰ぎ、実際にサンプルを作ってみることにしたのです。

SPALF®は、アルミを熱伝導率の劣る樹脂フィルムで挾んだ構造なので、熱伝導率の高いアルミと比べると、熱の伝わりが悪くなることが懸念されました。つまり、冷卻効率が阻害され、冷卻裝置としては適さない可能性があると考えられたのです。

しかし、実際の構造と使用條件をもとに推算してみると、熱伝導率の低い樹脂層の厚みが薄く、電池の発熱密度もそれほど過大ではないので、大きな溫度差は生じないことがわかりました。加えて、構成材料の樹脂層のおかげで水系冷媒への耐食性が高く、電気絶縁性もあり、接著強度から內圧に十分に耐えうることが期待できました。そこで、実際に試作しそれらの特性を実際に実証していったのです。

そうして、SPALF®を活用した冷卻器に可能性を見出した我々は、開発への第一歩を踏み出すことができたのです。そして、どのような構造であれば冷卻裝置として効果を発揮するのか、內部構造の設計へと開発を進めていくこととなりました。

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特に苦労したのは、どの開発でしたか?

開発を進めていくとさまざまな壁に直面しましたが、冷卻器にラミネートフィルムを用いること自體が業界的にも畫期的な発想だったため、特に大きかったのは、市場で求められる具體的な要求特性を明らかにして、これを解決するための構成材料や構造を決めていくことでした。SPALF®は、車載電池用包材にはすでに採用されていますが、車載電池用冷卻器ではどのような性能が求められるのか、各パーツに最適な素材は何かなど、新たな専門知識が必要になってきたのです。

幸い昭和電工には、セラミックスや有機材料などの専門家はたくさんいましたし、なによりアルミの熱交換器で蓄積した、熱設計技術や自動車業界における知見が豊富にあったので、他部署と連攜し、社內の知識を有効活用することで、開発を進めることができました。

また、開発を進めていくなかでも、新たな発見がたくさんありました。例えば、使用素材の強度が想定以上に強かったり、樹脂製ヘッダの形狀で水流の良し悪しが左右されたり、試行錯誤を繰り返すことで、數々の壁をクリアすることができました。

このようにして、昭和電工を支えるさまざまな知恵の結集と、數多く重ねた試行錯誤やトライアンドエラーによって、アルミラミネートフィルム型冷卻器の試作品が遂に完成したのです。

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アルミラミネートフィルム型冷卻器の特長を教えてください。

本冷卻器は、水冷式の冷卻システムで、プレートとフィンの材料にSPALF®を用います。樹脂面が表層にあることで、従來の冷卻器にない特長を持つことができました。

まず、樹脂フィルムのラミネートにより、アルミの耐食性が向上することから、アルミ層を薄くすることができました。これにより、アルミ材のみで製造する冷卻器に比べ、部材の厚みを5分の1から10分の1に抑えることができ、プレス加工での設計が可能になりました。外壁面やフィン材が薄く接著強度も高いので、冷媒を流した時の圧力損失も低く、強度も十分であるため、冷卻システムの軽量化?コンパクト化が期待できます。また、形狀の自由度も高いので、電池セルを複雑に配置した電池システムにも対応でき、お客様は限られた室內スペースを有効活用できます。

接合部の特長として、金屬製冷卻器のプレートとフィンの接合には一般的にロウ付けを用いますが、アルミラミネートフィルム型冷卻器は、樹脂の熱可塑(かそ)性を利用した熱溶著(ヒートシール)で接著します。ロウ付けでは600℃前後の狹い領域で加熱する必要があり、高い技術と専門の設備が必要ですが、ヒートシールであれば200℃で瞬間的に接著することができるので、製造プロセスにおいてもメリットは大きいと思います。

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今後の開発の方向性について教えてください。

今後の開発では、さらなるスリム化と軽量化を目指していきます。電気自動車におけるバッテリーの大容量化への対応はもちろん、電気自動車以外でも輸送機器の電動化は、これからさらに進むと考えられるからです。
例えば、輸送用のドローンの開発が挙げられます。輸送用となると、より長時間の飛行が必要になるケースも出てきますので、搭載する電池の數も増やさなければいけません。
増やした電池の熱コントロールは當然必要になりますので、ドローンの「空を飛ぶ」という特性上、いかに軽くて薄い電池の冷卻器を用意できるかが重要になります。
現狀でも薄くて軽いアルミラミネートフィルム型冷卻器ですが、さらなるスリム化と軽量化を実現することで、そのニーズに合致すると考えています。

電気自動車の分野では、実際にアルミラミネートフィルム型冷卻器を電気自動車に載せる段階で、どのように冷卻器を設計するかということが課題になってくると思います。
現在の電気自動車の電池はとても大きいので、數多くの冷卻器を組み合せるのではなく、ひとつの大きな冷卻器で対応するなど、電気自動車の電池の大きさに合わせた、大型化の検討も必要になるかもしれません。

また素材についても、例えば、今使っている樹脂を、さらに耐久性や耐熱性の高い「エンプラ(エンジニアリングプラスチック)」にするなど、製品の品質向上の可能性を検討し、追求していく必要があると思っています。

今後、開発を進めていくにあたって、これまで以上の壁にぶつかることもあると思います。その時には、昭和電工が誇るさまざまな専門家の知識を再結集して解決していき、より進化したアルミラミネートフィルム型冷卻器を市場に送りだすことで、リチウムイオン電池の冷卻器市場で存在感を出していきたいと思っています。

南谷 広治

昭和電工パッケージング株式會社
市場開発グループ

グループリーダー

南谷 広治
古川 裕一

戦略企畫部
コーポレートマーケティング室

マネージャー(自動車分野)

古川 裕一
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