JP4072804B2 - 電池ケース用アルミニウム合金板 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムイオン電池ケース等の電池ケース用アルミニウム合金板に関し、特に製造時の良好な成形性及びケースと蓋との良好なレーザ溶接性が得られると共に、ケースの内圧が上昇したときの変形量が小さい電池ケース用アルミニウム合金板に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、携帯電話及びハンディパソコン等の電源として使用されているリチウムイオン2次電池のケースには、Niメッキ鋼板又はステンレス鋼板が使用されている。
【0003】
近時、角形電池は軽量化及び単位質量当たりのエネルギ密度の向上を目的として、アルミニウム合金を使用することが検討されており、一部のアルミニウム合金板が実用化されている。電池ケースとして、現在採用されているアルミニウム合金としては、成形性及びレーザ溶接性が優れているJIS A3003アルミニウム合金板があるが、これは鋼板に比べると成形性が劣っており、更に、素材強度が低いため、電池の充電及び放電時並びに高温環境における使用等によって内圧が上昇するとケースが膨れて変形しやすくなり、安全性を損なうといった問題が生じる。
【0004】
また、特開平7−326331号公報には、アルミニウム合金板からなる角形電池のケースの技術が開示されている。この技術によれば、ケースのコーナ部の厚みを直線部分より大きくすることにより、強度を補強し外装缶の変形を防止できる密閉系の角形電池のケースを得ることができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したように、携帯電話などの電気機器の軽量化への要求に伴い、ケースの側壁部の薄肉化が進んでおり、このため、耐圧強度が低下することが問題となっている。また、従来例のアルミニウム又はアルミニウム合金を使用した電池ケースでは、耐圧強度が不十分であると共にプレス成形が困難になるという問題点もある。
【0006】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、リチウム電池ケースとして使用するために成形性及び溶接性が優れていると共に、ケースの内圧が上昇しても変形量が小さく、高強度である電池ケース用アルミニウム合金板を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電池ケース用アルミニウム合金板は、レーザ溶接性が優れた電池ケース用アルミニウム合金板であって、Cu:0.05乃至0.3質量%、Mg:0.3乃至0.6質量%及びMn:0.6乃至1.5質量%を含有し、更にSi及びFeのいずれか1種以上を0.1乃至1.0質量%含有し、残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成を有し、加工率が30乃至60%の冷間圧延が施され、平均結晶粒径が30μm以下であり、表面における金属間化合物の面積占有率が1.0乃至5.0%であることを特徴とする。
【0008】
なお、本発明における平均結晶粒径は、結晶粒観察写真上に1本の直線を引き、この直線の長さと、直線に重なった結晶粒の数とを基に、粒径を換算する切断法により求めた。また、表面における金属間化合物の面積占有率は、アルミニウム合金板表面を走査型顕微鏡にて撮影し、撮影した観察画面像において、観察画面像の面積に対する金属間化合物の面積を観察画面像を画像解析することにより算出した。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施例について詳しく説明する。一般に、リチウムイオン電池ケースは、トランスファープレスにより絞り及びしごき加工を併用して成形される。また、リチウムイオン電池ケースは、ケース成形後の側壁部の強度が高いほど、ケースの充電及び放電並びに高温環境下等における使用時の膨れ変形が小さくなる。従って、膨れ変形を抑えるためには、素材の強度及び加工硬化量を大きくする必要がある。そこで、本願発明者等は電池ケース用素材として、アルミニウム合金板の組成、冷間圧延時の加工率、結晶粒径及び金属間化合物の面積占有率を規定することにより、アルミニウム合金板における電池用ケースを成形する際の良好な成形性、ケースとケースの蓋との良好なレーザ溶接性、及びケースの内圧が上昇したときのケースの変形量を少なくするための耐圧強度を向上させることができることを見い出した。
【0010】
以下、本発明に係る数値限定理由について説明する。
【0011】
Cu含有量:0.05乃至0.3質量%
Cuは、アルミニウム合金素材の強度及び加工硬化を大きく増長させる効果を有するため、耐圧強度を向上させる。しかしながら、Cu含有量が0.05未満であるとその効果が小さく必要な耐圧性を得ることができない。一方、Cu含有量が0.3質量%を超えると、強度が高くなり過ぎて成形性を低下させると共に、ケースと蓋とのレーザ溶接時に割れが生じやすくなる。従って、本発明のリチウムイオン電池ケースに最適な耐圧強度を得るために、Cu含有量を0.05乃至0.3質量%とする。
【0012】
Mg含有量:0.3乃至0.6質量%
Mgは、固溶強化によりアルミニウム合金素材の強度及び加工硬化を大きく増長させることにより耐圧強度を向上させると共に、素材の成形性を向上させる効果を有する。しかしながら、Mg含有量が0.3質量%未満であるとその効果が小さく、必要な耐圧性及び成形性を得ることができない。一方、Mg含有量が0.6質量%を超えると、加工硬化の効果が大きくなり過ぎてレーザ溶接性が低下する。従って、Mg含有量は0.3乃至1.0質量%とする。
【0013】
Mn含有量:0.6乃至1.5質量%
Mnは、遷移元素であるアルミニウム合金中で金属間化合物として分散し、再結晶組織を微細化させるため、成形性及びレーザ溶接性を向上させる効果を有する。しかしながら、Mn含有量が0.6質量%未満であると、その効果が小さく、必要な成形性及びレーザ溶接性が得られない。一方、Mn含有量が1.5質量%を超えると、粗大な金属間化合物が生成し、成形時の割れの起点となりやすくなるため成形性が低下する。従って、Mn含有量は0.6乃至1.5質量%とする。
【0014】
Si及びFeのいずれか1種以上の含有量:0.1乃至1.0質量%
Si及びFeは、Mnと同様に再結晶組織を微細化するため、成形性及びレーザ溶接性を向上させる効果を有する。しかしながら、これらSi及びFeの含有量が夫々0.1質量%未満であるとその効果が小さく、一方、Si又はFeのいずれか1種以上の含有量が1.0質量%を超えると粗大な金属間化合物が生成され、成形時の割れの基点となりやすくなる。従って、Si及びFeのいずれか一種以上の含有量は夫々0.1乃至1.0質量%とする。なお、このような効果は、Si及びFeのいずれか一方のみを添加しても得ることができる。
【0015】
平均結晶粒径:30μm以下
平均結晶粒径が30μm超えると、成形時に肌荒れが生じ、プレス成形性が低下すると同時に成形後の外観が劣化する。また、角形リチウムイオン電池においては、結晶粒径が大きいと、ケースと蓋とを溶接するレーザ溶接時に粒界割れが発生する。従って、平均結晶粒径は30μm以下とする。
【0016】
表面における金属間化合物の面積占有率:1.0乃至5.0%
金属間化合物は、しごき加工時の素材表面とダイスとの潤滑効果を有しており、しごき加工性を向上させる効果がある。アルミニウム合金板の表面を走査型電子顕微鏡で観察したときの表面における金属間化合物の面積占有率が1.0%未満であると、上述の効果が小さく、5.0%を超えると、金属間化合物が割れの起点となりやすく、成形性を低下させる。従って、アルミニウム合金板表面の金属間化合物の面積占有率は1.0乃至5.0%とする。
【0017】
次に、このようなアルミニウム合金板の製造方法について説明する。上述の化学組成を有するアルミニウム合金の鋳塊に、均質化処理及び熱間圧延処理を施し、その後冷間圧延し、中間焼鈍する。
【0018】
中間焼鈍はアルミニウム合金の結晶粒径に大きく影響を及ぼし、平均結晶粒径を30μm以下とするためには連続加熱焼鈍が好ましい。この場合、加熱及び冷却速度は100℃/時間以上とし、アルミニウム合金板の到達温度は400乃至500℃、保持時間は5秒以内が好ましい。
【0019】
仕上げ冷間圧延の加工率が30乃至60%
中間焼鈍の後、仕上げ冷間圧延により所定の板厚にすると共に素材の強度調整をする。このとき、仕上げ冷間圧延の加工率が30%未満では十分な強度を得ることができず、60%を超えると素材の延びが低下し、十分な成形性を得ることができない。従って、仕上げ冷間圧延の加工率は30乃至60%とする。
【0020】
このように、適切な組成を有するアルミニウム合金の鋳塊を使用し、連続加熱焼鈍後に圧延率30乃至60%で仕上げ冷間圧延をしてアルミニウム合金板を製造することにより、アルミニウム合金板における金属間化合物の面積占有率及び結晶粒径を適切に規定でき、必要な強度を得ることができる。
【0021】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、その特許請求の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。
【0022】
第1実施例
下記表1に示す組成と、残部がアルミニウム及び不可避的不純物とからなる鋳塊について均質化処理及び熱間圧延後、冷間圧延を施した。その後、連続中間焼鈍をして、更に加工率40%で仕上げ冷間圧延を施すことにより板厚0.8mmのアルミニウム合金板を形成し、試験材とした。この試験材について、平均結晶粒径及び表面における金属間化合物の面積占有率を測定した。その後、成形性、レーザ溶接性及び耐圧性を評価した。これら結果を下記表2に示す。
【0023】
平均結晶粒径は、結晶粒観察写真上に1本の直線を引き、この直線の長さと、直線に重なった結晶粒の数とを基に、粒径を換算する切断法により求めた。結晶粒観察写真は、倍率が100倍、写真サイズが縦73mm×横95mm、切断線長さが75mmのものを使用した。
【0024】
表面における金属間化合物の面積占有率は、試験材の表面を走査型顕微鏡にて撮影し、撮影した観察画面像において、観察画面像の面積に対する金属間化合物の面積の割合について、観察画面像を画像解析することにより算出した。そして、倍率1000倍にて撮影した観察画面50視野の平均値を求めた。
【0025】
また、試験材の成形性を評価するために、側壁のしごき加工率を50%として、縦7mm×横25mm×高さ45mmの角形ケースを成形した。成形性の評価は、成形可能であったものは成形性が良好とし○、成形割れ又は肌荒れが著しく発生したものは、成形性が不良として×とした。
【0026】
更に、レーザ溶接性を評価するために、成形可能であった試験材について、パルス式YAGレーザを使用して、パルス巾が50ミリ秒、周波数が30Hz、パルス出力が8J、溶接速度が0.4ミリ/分の条件にて、成形したケースと蓋との全周溶接を実施した。溶接性の評価は、溶接可能であったものは溶接性が良好として○、溶接割れが発生したものは溶接性が不良として×とした。
【0027】
更にまた、耐圧強度を評価するために、レーザ溶接が可能であったケースについて、3kg/cm2の内圧を負荷した状態で、温度が100℃にて2時間保持し、その後、室温にて2時間経過したときのケース側面の変位量を測定した。耐圧性の評価は、側壁変位量が5mm以下であったものは、耐圧性が良好として○、5mmを超えるものは耐圧性が不良として×とした。
【0028】
【表1】
【0029】
【表2】
【0030】
実施例1乃至10(実施例5は欠番)は、アルミニウム合金組成、冷間加工時の加工率、平均結晶粒径及び金属間化合物の面積占有率のいずれも本発明の範囲内であるため、優れた成形性、レーザ溶接性及び耐圧性を示した。
【0031】
比較例11は、Cu含有量が本発明範囲の下限未満であるため、耐圧効果が低下した。また、比較例12は、Cu含有量が本発明範囲の上限を超えるため、成形性が低下して試験材をケースに成形することができなかった。
【0032】
比較例13は、Mg含有量が本発明範囲の下限未満であるため、成形性が得られなかった。また、比較例14はMg含有量が本発明範囲の上限を超えるため、レーザ溶接性が低下した。
【0033】
比較例15は、Mn含有量が本発明範囲の下限未満であるため、耐圧性が低下した。また、比較例16はMn含有量が本発明範囲の上限を超えるため、成形性が得られずケースが成形できなかった。
【0034】
比較例17及び18は、Si及びFeの添加量が夫々本発明範囲の上限を超えるため、粗大な金属間化合物を形成して、成形性が低下した。
【0035】
第2実施例
第1実施例の表1に示す実施例1と同一の組成を有するアルミニウム合金の鋳塊について、均質化処理、熱間圧延及び冷間圧延をし、連続中間焼鈍を施した。その後、下記表3に示す加工率にて最終冷間圧延を行い、試験材を作成した。この試験材について第1実施例と同様の方法にて、平均結晶粒径及び表面における金属間化合物の面積占有率を測定し、成形性、レーザ溶接性及び耐圧性について評価をした。これらの結果も合わせて下記表3に示す。
【0036】
【表3】
【0037】
実施例19乃至21は、いずれも仕上げ冷間圧延率が本発明の範囲内であるため、優れた成形性、溶接性及び耐圧強度を示した。
【0038】
比較例22は、仕上げ冷間圧延率が本発明の範囲の下限未満であるため、耐圧強度が低下し、電池ケース用材料としては不適当なものとなった。
【0039】
比較例23は、仕上げ冷間圧延率が本発明の範囲の上限を超えるため、成形性が低下した。
【0040】
第3実施例
第1実施例の実施例1と同一の合金組成を有するアルミニウム合金の鋳塊を使用し、均質化処理、熱間圧延及び冷間圧延をし、その後、焼鈍処理として、下記表4に示すように連続加熱焼鈍又はバッチ焼鈍を行った。次に、加工率50%で、最終冷間圧延を行い、試験材を作成した。得られた試験材について、第1実施例と同様の方法にて、平均結晶粒径及び表面における金属間化合物の占有面積率を測定し、成形性、レーザ溶接性及び耐圧性を評価した。これらの結果を下記表4に示す。
【0041】
【表4】
【0042】
実施例24乃至28は、いずれも本発明範囲内であるため、優れた成形性、レーザ溶接性及び耐圧性を示した。
【0043】
比較例29及び30は、平均結晶粒径が本発明範囲の上限を超えるため、成形性が低下し、試験材をケースに成形することができなかった。
【0044】
比較例31及び32は金属間化合物の面積占有率が下限未満であるか又は上限を超えるため、加工性及び成形性が低下した。
【0045】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明によれば、アルミニウム合金の組成、冷間圧延時の加工率、合金の平均結晶粒径及び金属間化合物の占有面積が適切に規定されているため、電池ケース製造時の良好な成形加工性及びケースと蓋との良好なレーザ溶接性を有すると共に、耐圧強度が優れているため、このアルミニウム合金板を使用すると、ケースの内圧が上昇しても変形量が極めて小さい電池ケースを得ることができる。
Claims (1)
- Cu:0.05乃至0.3質量%、Mg:0.3乃至0.6質量%及びMn:0.6乃至1.5質量%を含有し、更にSi及びFeのいずれか1種以上を0.1乃至1.0質量%含有し、残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成を有し、加工率が30乃至60%の冷間圧延が施され、平均結晶粒径が30μm以下であり、表面における金属間化合物の面積占有率が1.0乃至5.0%であることを特徴とするレーザ溶接性が優れた電池ケース用アルミニウム合金板。
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