JP2020132993A - アルミニウム合金箔およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
しかし、120〜160℃で熱処理後でも高強度が維持されること自体は開示されているものの、伸びに関する記載はない。
しかし、特許文献2および特許文献3のいずれにも、熱処理後の伸びに関する記載はない。
また、特許文献4のアルミニウム合金箔では、100〜200℃で熱処理後の伸びが3%以上であり、Fe含有量を0.7質量%以上にすると、圧延後の伸びは向上するものの加熱後の伸び低下が生じるとしている。特許文献5のアルミニウム合金箔では、100〜200℃で熱処理後の伸びが3.5%以上であり、Si含有量が0.5質量%を超えると、Al−Fe−Si系の晶出物粗大化や圧延性の悪化を懸念されるとしている。
しかし、特許文献4および5のいずれも、加熱温度は100℃、150℃、200℃の3条件でしか測定しておらず、その間の温度における伸びについてはなんら記載がない。
(1)Fe(鉄)含有量が1.2質量%以上1.6質量%以下、Si(珪素)含有量が0.5質量%以上0.9質量%以下、FeとSi含有量の合計が1.8質量%以上、Cu(銅)含有量が0.02質量%未満であって、残部がAl(アルミニウム)と不可避不純物からなる。
(2)硬質時の引張強度が170N/mm2以上215N/mm2以下、伸びが4.0%以上である。
(3)120℃で熱処理後の引張強度が150N/mm2以上、伸びが6.0%以上である。
発明にかかるアルミニウム合金箔は、アルミニウム合金箔中に含まれるAl−Fe系の金属間化合物とAl−Fe−Si系の金属間化合物の内、Al−Fe−Si系化合物(アルミニウム、鉄、珪素の三元化合物)の占める個数割合が80%以上の構成を有することが好ましい。
発明にかかるアルミニウム合金箔は、厚みが10μm以上20μm以下である構成を有することが好ましい。
実施形態にかかるアルミニウム合金箔は、次の(1)〜(5)の構成を備える。
(1)Fe含有量が1.2質量%以上1.6質量%以下、Si含有量が0.5質量%以上0.9質量%以下、FeとSi含有量の合計が1.8質量%以上、Cu含有量が0.02質量%未満であって、残部がアルミニウムと不可避不純物からなる。
(2)硬質時の引張強度が170N/mm2以上215N/mm2以下、伸びが4.0%以上である。
(3)120℃で熱処理後の引張強度が150N/mm2以上、伸びが6.0%以上であり、160℃で熱処理後の引張強度が140N/mm2以上、200℃で熱処理後の引張強度が130N/mm2以上、伸びがともに7.0%以上である。
(4)アルミニウム合金箔中に含まれるAl−Fe系の金属間化合物とAl−Fe−Si系の金属間化合物の内、Al−Fe−Si系化合物の占める個数割合が80%以上である。
(5)厚みが10μm以上20μm以下である。
実施形態のアルミニウム合金箔は、リチウムイオン二次電池の正極集電体用として好適に使用されるものであり、そのリチウムイオン二次電池の製造工程や使用中に、破断等の不具合の発生が防止されているものである。
以下、(1)〜(5)の構成について順に説明する。
実施形態のアルミニウム合金箔に1.2質量%以上1.6質量%以下含まれるFeは、Alに添加することで、固溶強化または析出強化が得られる。また、Feは、圧延性や伸びを改善する元素であり、アルミニウム箔には一般に添加されている。
Feの含有量が1.2質量%より少なければ十分な伸びが得られない。また、Feの含有量が1.6質量%を超えると晶出物が粗大になること、初晶がAlからAl−Fe系化合物(アルミニウムと鉄の二元化合物)となる恐れがあり、これも伸びに悪影響を及ぼす。
Siの含有量が0.5質量%以上とすることで、120℃で熱処理後の箔の伸びが硬質時の伸びに比べて高い値を示すようになる。またSiの含有量が、0.9質量%を超えると鋳造時に引け巣が発生しやすく、安定した製造が困難となる。
合計の含有量が1.8質量%を下回ると、Al-Fe-Si系化合物の晶析出量が少なく、硬質時の伸びと120℃熱処理後の伸びの向上が不十分である。
これら各元素の含有量は、アルミニウム合金箔100質量%中に、それぞれ0.05質量%以下とすることが好ましい。
実施形態のアルミニウム合金箔は、硬質時の引張強度が170N/mm2以上215N/mm2以下、伸びが4.0%以上であることで、活物質スラリー塗工時の箔切れの抑制に効果がある。
また、120℃で熱処理後の引張強度が150N/mm2以上、伸びが6.0%以上であることで、ロールプレス工程や電極材の捲回工程での箔切れの抑制に効果がある。
また、160℃で熱処理後の引張強度が140N/mm2以上、伸びが7.0%以上であることで、電極材の捲回工程や電池充放電での活物質の膨張・収縮による箔切れの抑制に効果がある。
さらに、200℃で熱処理後の引張強度が130N/mm2以上、伸びが7.0%以上であることで、電極材の捲回工程や電池充放電での活物質の膨張・収縮による箔切れの抑制に効果がある。
実施形態のアルミニウム合金箔は、晶析出物であるAl−Fe系の金属間化合物とAl−Fe−Si系の金属間化合物の内、Al−Fe−Si系化合物の占める個数割合が80%以上となることで、熱処理後に優れた伸びが得られやすい。低温熱処理時の回復、再結晶にAl−Fe−Si系化合物が寄与している可能性がある。
実施形態のアルミニウム合金箔は、厚みが10μm以上20μm以下であることで、強度と電池容量とを両立させている。
厚みが10μm未満では強度が低く、破断等の不具合を起こしやすい。また厚みが20μmを超えると、蓄電装置の集電体として用いた際に体積あたりの電池容量が低下する。
実施形態のアルミニウム合金箔の製造方法は特に限定されないが、一例として以下のような製造方法が挙げられる。
まず、上記組成範囲になるようにアルミニウム地金、各種添加金属元素、またはそれらを含んだアルミニウム母合金を調製し、680〜1000℃で加熱しアルミニウム合金溶湯にする。
つぎに、その溶湯を鋳造し、鋳塊を作製する。鋳造方法は限定されないが、代表的にはDC鋳造(Direct Chill Casting)が挙げられる。
さらに、得られた鋳塊を、好ましくは450〜600℃で所定時間の均質化処理を施した後、熱間圧延と冷間圧延を実施して所定厚みの箔にする。圧延のしやすさ、効率を上げるために冷間圧延工程の途中で中間焼鈍することも可能である。
処理温度が450℃より低いと、組織のミクロ偏析が十分に解消されないので、アルミニウム合金箔が圧延中にピンホールが発生しやすくなり、蓄電装置に用いた場合製造工程中で破断しやすい。
また処理温度が600℃より高くなると、晶出物を粗大化させてしまう恐れがあり、アルミニウム合金箔の伸びが低下し、蓄電装置に用いた場合製造工程中で破断しやすくなる。
均質化処理の時間については、2〜48時間が好ましく、特には5〜10時間であるとより好ましい。
処理時間が48時間を上回ると生産性が悪化する。また、処理時間が2時間を下回るとアルミニウム合金鋳塊内の組織が不均一なままとなり、アルミニウム合金箔とした際に特性に悪影響を及ぼす。
各実施例および比較例につき、金属間化合物の個数割合の判定について、まずFE−SEM(日立ハイテクノロジーズ製、機種名SU8020)でアルミニウム合金箔中の金属間化合物を4000倍の倍率、反射電子像で観察し、長径が1μm以上の化合物を特定した。特定した化合物をEDXで成分分析しマッピングを行い、Feが検出されるものの内、Siが同位置で検出されるものの割合を求めた。上記の割合はFeが検出された化合物を50個以上観察して計算した。試験結果を表1に示す。なお、表中「Bal.」の表示は残部を示す。
各実施例および比較例について、硬質の試料と、120℃、160℃および200℃の各温度で1時間の空気中熱処理を行い、室温まで冷却したものを評価に供した。
機械的特性(引張強度と伸び)は、JIS Z 2241(2011年版)に準拠して行った。試験片の形状はJIS5号とし、引張試験機は株式会社東洋精機製作所製のストログラフVES5Dを使い、引張速度5mm/minで試験した。試験は3回実施し、その平均値を算出した。試験結果を表2に示す。
これに対して、比較例1〜9は硬質の強度、伸びに優れるものの、加熱後伸びが不足し製造工程中で破断しやすいという不具合があった。
また、比較例4はFeの含有量が多く、晶析出物の主体であるAl−Fe―Si系化合物が粗大となった。そのため、硬質および加熱後の強度に優れるが、硬質および加熱後の伸びが不足し製造工程中で破断しやすいという不具合があった。
比較例5は、Cuの含有量が多く固溶硬化したため、硬質および加熱後の強度に優れるが、硬質および加熱後の伸びが不足し製造工程中で破断しやすいという不具合があった。
比較例6ではFeの含有量が少なくAl−Fe−Si系化合物の個数割合が低いため硬質の伸びと加熱後の強度および伸びが不足した。比較例8では硬質の伸びと加熱後の強度および伸びが不足した。比較例9では硬質の伸びと加熱後の伸びが不足した。
実施形態では、アルミニウム合金箔中に含まれるAl−Fe系、Al−Fe−Si系の金属間化合物の内、Al−Fe−Si系化合物の占める個数割合を80%以上としているが、これに限定されない。
実施形態では、アルミニウム合金箔の厚みを10μm以上20μmとしているが、これに限定されない。
実施形態のアルミニウム合金箔は、集電体以外の用途にも使用可能である。
Claims (5)
- Fe含有量が1.2質量%以上1.6質量%以下、Si含有量が0.5質量%以上0.9質量%以下、FeとSi含有量の合計が1.8質量%以上、Cu含有量が0.02質量%未満であって、残部がAlと不可避不純物からなり、
硬質時の引張強度が170N/mm2以上215N/mm2以下、伸びが4.0%以上であり、
120℃で熱処理後の引張強度が150N/mm2以上、伸びが6.0%以上である、
アルミニウム合金箔。 - 160℃で熱処理後の引張強度が140N/mm2以上、200℃で熱処理後の引張強度が130N/mm2以上、伸びがともに7.0%以上である請求項1に記載のアルミニウム合金箔。
- アルミニウム合金箔中に含まれるAl−Fe系の金属間化合物とAl−Fe−Si系の金属間化合物の内、Al−Fe−Si系化合物の占める個数割合が80%以上である、請求項1または2に記載のアルミニウム合金箔。
- 厚みが10μm以上20μm以下である、請求項1から3のいずれかに記載のアルミニウム合金箔。
- 請求項1〜4のいずれかに記載のアルミニウム合金箔の製造方法であって、
前記組成範囲になるようにアルミニウム母合金を調製し加熱してアルミニウム合金溶湯を作製する工程と、
前記アルミニウム合金溶湯を鋳造して鋳塊を作製する工程と、
前記鋳塊を、450〜600℃で均質化処理を施す工程と、
前記均質化処理を施した鋳塊を圧延して箔にする工程と、
を含むアルミニウム合金箔の製造方法。
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