JP7444357B2 - 表面粗度が改善された円筒型電池ケースの製造方法 - Google Patents

表面粗度が改善された円筒型電池ケースの製造方法 Download PDF

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Description

本出願は２０１７年１０月２３日付の韓国特許出願第２０１７－０１３７０９２号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容はこの明細書の一部として含まれる。
本発明は円筒型電池ケースの製造方法に係り、より詳しくは、本発明は電池ケースの腐食特性を改善するために製造工程中のアイオニング工程を複数回で実施して電池ケースの表面粗度を向上させた円筒型電池ケースの製造方法に関する。
一般に、二次電池の種類としては、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池及びリチウムイオンポリマー電池などがある。このような二次電池は、デジタルカメラ、Ｐ－ＤＶＤ、ＭＰ３プレーヤー、携帯電話、ＰＤＡ、携帯ゲーム機（Ｐｏｒｔａｂｌｅ Ｇａｍｅ Ｄｅｖｉｃｅ）、動力工具（Ｐｏｗｅｒ Ｔｏｏｌ）及び電動アシスト自転車（Ｅ－ｂｉｋｅ）などの小型製品だけではなく、電気自動車やハイブリッド自動車のような高出力が要求される大型製品と余剰発電電力や新再生エネルギーを貯蔵する電力貯蔵装置とバックアップ用電力貯蔵装置にも適用されて使われている。
前記リチウム二次電池は、一般的に、陽極（Ｃａｔｈｏｄｅ）、分離膜（Ｓｅｐａｒａｔｏｒ）及び陰極（Ａｎｏｄｅ）からなり、その材料は、電池寿命、充放電容量、温度特性及び安全性などを考慮して選択される。
二次電池は、電池ケースの形状によって、ケースが円筒形である円筒型電池、ケースが角形である角型電池、及びケースが薄いラミネートシートであるパウチ型電池に分類される。
一方、電池ケースには、陽極／分離膜／陰極の積層構造になった充放電の可能な発電素子として電極組立体が内蔵され、電極組立体は、活物質が塗布された長いシート状の陽極と陰極の間に分離膜を介装して巻き取ったゼリーロール型構造と、所定大きさの多数の陽極と陰極を分離膜を介装した状態で順次積層したスタック型の構造に分類される。
これらの中で、ゼリーロール型電極組立体は製造が容易であり、重量当たりエネルギー密度が高い利点を持っており、特に円筒型電池ケースに収納しやすいので、ゼリーロール型電極組立体が広く製作されている。
このような円筒型電池ケースは、一般的に、まずニッケルメッキ鋼板から構成される帯状金属電池缶素材をパンチング加工して目的とする円筒型電池ケースに対応する円板形板材を形成し、この板材をディープドローイング加工を実施することによって皿状の第１中間カップ体に成形する。前記中間カップ体はディープドローイング工程による再ドローイング加工を実施することによって円筒型電池ケースに近い第２中間カップ体に成形され、最後に第２中間カップ体はＤＩ（Ｄｒａｗｉｎｇ及びＩｒｏｎｉｎｇ）、すなわちドローイング加工によって円筒型電池ケースに成形加工される。
このような既存の円筒型電池ケースの素材は低炭素鋼にＮｉをメッキした鋼板で、Ｎｉ層がＦｅ層を保護する保護層（Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ ｌａｙｅｒ）の役割をする。前記概念は図１の通りである。
円筒型電池ケースの製造工程のうち円筒状胴体の外径完成工程がドローイング工程であるから、電池ケースの表面の表面粗度がドローイング引張力によって特定水準以上になる工程結果物が提供され、このような円筒型電池ケースの表面光沢度は高くない。
また、耐食性テストでも円筒型電池ケースの胴体外径に多様なスポット（Ｓｐｏｔ）腐食が発生することを確認することができた。前記実験の結果物は図２の通りである。
このように、円筒型二次電池の表面粗度を低減させることによる耐食性強化によって腐食特性を向上させようとする試みはなかった。
一方、特開２００２－０１５７１２号公報には、しごきダイスを多段配置したしごき工程を経て側周壁１ａの厚みｔ１が底壁の厚みｔ０に対してｔ１＝αｔ０（α＝０．２～０．７）に形成され、前記側周壁の内周面が、前記しごき工程後の絞り工程を経ることによって平均表面粗さが０．２μｍ～２．０μｍの粗面に形成されていることを特徴とする電池缶の構成が開示されているが、表面粗度の低減による耐食性強化の構成を明示している技術ではないから違いがある。
特開２００３－２６３９７４号公報には、帯状金属平板からなる金属缶素材を打ち抜き加工して正六角形の板材を形成する板材打ち抜き工程と、前記板材を成形して横断面形状が正六角形の第１中間カップ体に加工する第１カップ体成形工程と、前記第１中間カップ体を絞り加工でしごき加工を連続的にいっぺんに実施するＤＩ加工を行って横断面形状が円形の円筒形金属缶を成形する金属缶成形工程を開示していて一部が対応するが、表面粗度の低減による耐食性強化の構成を明示している技術ではないから違いがある。
特許第４１１９６１２号公報には、発電要素を内部に収納して角形電池を構成する横断面形状がほぼ長方形の角形電池缶において、前記ほぼ長方形の短辺側板部の厚みが長辺側板部の厚みよりも大きく形成されていることを特徴とする角形電池缶が開示されているが、表面粗度の低減による耐食性強化の構成を明示している技術ではないから違いがある。
特開２００９－０３７９８０号公報には、中間カップ体はドローイングを兼ねたアイオニング加工機によって１段のドローイング加工と３段のアイオニング加工を連続的にいっぺんに実施するものが開示されているが、表面粗度の低減による耐食性強化の構成を明示している技術ではないから違いがある。
このように、電池ケースの腐食特性を改善するために、製造工程中にアイオニング工程を複数回で実施して電池ケースの表面粗度を向上させた円筒型電池ケースの製造方法に関するものは提示されたことがない。
本発明は前記のような従来技術の問題点と過去から要請されて来た技術的課題を解決することを目的とする。
本出願の発明者らは深度ある研究と多様な実験を繰り返したところ、前記のような従来の問題点を解決するための本発明の主目的は、電気自動車用電池の相対的に腐食に大きく脆弱な環境を解決し、耐食性を向上させた円筒型電池ケースの製造方法を提供することにある。
また、電池ケースの耐食性を向上させるために表面粗度を調節するための円筒型電池ケースの製造方法の提供に追加的な目的がある。
また、ディープドローイング工程を改善して電池ケースの耐食性を向上させる製造方法を提供することに追加的な目的がある。
本発明は前記のような従来の問題点を解決するために案出されたもので、このような目的を達成するための本発明は、電池ケースの胴体の外径形成のためのディープドローイング（Ｄｅｅｐ ｄｒａｗｉｎｇ）加工の際、アイオニング（Ｉｒｏｎｉｎｇ）加工を複数回実施することを特徴とする円筒型電池ケースの製造方法を提供する。
また、電池ケースの胴体を形成するためのディープドローイング加工の際に１次アイオニング加工を実施し、電池ケースの段差を形成するためのディープドローイング加工の際に２次アイオニング加工を実施することができる。
また、前記アイオニング加工後の電池ケースの表面粗度（Ｒａ）は０．１μｍ以下であってもよい。
また、複数回実施する前記アイオニング加工後、前記電池ケースの厚さ減少は一定であってもよい。
前記目的を達成するための本発明は、鋼板の少なくとも一面にニッケルメッキ層を形成する第１段階と、前記第１段階の鋼板を還元雰囲気の下で熱処理する第２段階と、前記第２段階の鋼板をブランキング（Ｂｌａｎｋｉｎｇ）及びドローイング加工する第３段階と、前記第３段階の鋼板を電池ケースの胴体形成のための１次ディープドローイング及び１次アイオニング加工する第４段階と、前記第４段階の鋼板を電池ケースの胴体形成のための２次ディープドローイング加工する第５段階と、前記第５段階の前記胴体に段差形成のための３次ディープドローイング及び２次アイオニング加工する第６段階と、前記第６段階の前記胴体にテーパー及びフランジを形成する第７段階と、を含むことを特徴とする円筒型電池ケースの製造方法を提供する。
また、前記１次アイオニング加工後の電池ケースの表面粗度（Ｒａ）は０．２μｍ以下であってもよい。
また、前記２次アイオニング加工後の電池ケースの表面粗度（Ｒａ）は０．１μｍ以下であってもよい。
また、前記円筒型電池ケースの製造方法で製造された電池ケースを含む二次電池であり得る。
また、前記二次電池を含むことを特徴とするデバイスであり得る。
また、前記デバイスは、電子機器、電気自動車、ハイブリッド自動車及び電力貯蔵装置からなる群から選択されることを特徴とするデバイスであり得る。
従来の円筒型二次電池のニッケルメッキ層の概念図である。 従来の円筒型二次電池の耐食性実験結果である。 実施例１及び比較例１の円筒型電池ケースの外観写真である。 実施例１及び比較例１の円筒型電池ケースの腐食テスト結果の写真である。 実施例１、比較例２及び比較例３の円筒型電池ケースの表面粗度（Ｒａ、Ｒｚ）結果を示した図表である。
以下、添付図面に基づいて本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が本発明を易しく実施することができる実施例を詳細に説明する。ただ、本発明の好適な実施例に対する動作原理を詳細に説明するに当たり、関連の公知機能又は構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不必要にあいまいにすることができると判断される場合にはその詳細な説明を省略する。
また、図面の全般にかけて類似の機能及び作用をする部分に対しては同じ図面符号を付ける。明細書全般で、ある部分が他の部分と連結されていると言うとき、これは直接的に連結されている場合だけではなく、その中間に他の素子を挟んで間接的に連結されている場合も含む。また、ある構成要素を含むとは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
本発明を図面に基づいて詳細な実施例とともに説明する。
図１は従来の円筒型二次電池のニッケルメッキ層の概念図である。
図１に示したように、鋼鉄板の表面にニッケルメッキ層が形成されてなるニッケルメッキ鋼板を円筒型二次電池ケースの素材として使っている。
前記ニッケルメッキ鋼板はアルカリ乾電池又はニッケルカドミウム蓄電池のように強アルカリ性の水酸化カリウムが電解液として用いられる電池ケースに主に適用される。前記ニッケルメッキ層はアルカリ性物質による腐食に強く、電池を外部端子に接続するとき、安定した接触抵抗を有し、電池の組立の際、スポット溶接性に優れた利点がある。
図２は従来の円筒型二次電池の耐食性実験結果である。
円筒型二次電池の電池ケースの耐食性テストは高温高湿条件の保管テストであって、６０℃、９５％ＲＨで７日間維持した後、表面のスポット腐食を確認した。
前記テストの結果、表面にスポット腐食を確認することができ、全体サンプル数量を基準に５０～１００％のサンプル数で一つ以上のスポット腐食を確認することができた。
従来の円筒型二次電池の電池ケース製造工程は、ニッケルメッキされた母材をブランキング及びドローイングする段階（＃１）、前記母材をアイドル（Ｉｄｌｅ）する段階を有することができる。前記母材をドローイングして母材を形成するドローイング段階（ドローイング工程４回進行）（＃４～＃７）、前記母材をドローイング及びボディーアイオニングする段階（＃８）、前記母材をドローイングする段階（＃９）、前記母材を段差ドローイングする段階（＃１０）、前記母材にテーパー及びフランジを形成する段階（＃１１）、前記母材にベントを形成する段階（＃１２）、及び前記母材をトリミングする段階（＃１３）から構成されることができる。
電気自動車（ＥＶ）用二次電池のＮｏ Ｔｕｂｉｎｇモデルは相対的に腐食に脆弱な環境に露出される。特に、テスラなどの二次電池を用いる電気自動車を製造する場合には、高温高湿で保管した後（６０℃、９５％Ｒ．Ｈ．７日）限度内の腐食条件を満たす二次電池の供給のみ許容している。したがって、耐食性向上のために電池ケースの表面を高光沢にすることができる方法であるアイオニング工程を反映した。
円筒型二次電池の電池ケースの表面粗さは金属の内部に電位差を発生して局所腐食を引き起こしやすい環境を造成するから、表面粗度（Ｒａ）値を低めて表面積を減少させることによって耐食性を向上することができる。
円筒型二次電池の電池ケースのディープドローイングの際、アイオニング工程を２回に分割し、最終アイオニング工程をドローイング以後の工程に変更して光沢を向上させるように設計した。
ドローイング工程は、側面部の引張力によって照度が粗くなり光沢がなくなる現象があり、アイオニング工程は、素材を押し上げながら厚さの減少及び均一化を維持することができるので、ダイとの圧縮摩擦によって照度が低くなり、光沢が生ずることができる。すなわち、アイオニング量が多いほど表面粗度が低くなることができる。
前記電池ケース胴体の外径形成のためのディープドローイング（Ｄｅｅｐ ｄｒａｗｉｎｇ）加工の際、アイオニング（Ｉｒｏｎｉｎｇ）加工を複数回で実施することを特徴とする円筒型電池ケースの製造方法を提供する。
また、電池ケースの胴体を形成するためのディープドローイング加工の際、１次アイオニング加工を実施し、電池ケースの段差を形成するためのディープドローイング加工の際、２次アイオニング加工を実施することができる。
また、前記アイオニング加工後の電池ケースの表面粗度（Ｒａ）は０．１μｍ以下であり得る。
また、複数回で行われる前記アイオニング加工後、前記電池ケースの厚さ減少は一定であり得る。
ディープドローイング段階に前記電池ケースの胴体にアイオニング加工が１回行われると０．０８ｍｍの厚さ減少があるならば、前記アイオニング加工が２回行われるときには１回に０．０４ｍｍずつ減少して、最終的に０．０８ｍｍの厚さが減少する。
すなわち、アイオニング加工を１回行う場合と複数回行う場合、電池ケースの厚さ減少値が等しく維持できる。
前記目的を達成するための本発明は、鋼板の少なくとも一面にニッケルメッキ層を形成する第１段階と、前記第１段階の鋼板を還元雰囲気で熱処理する第２段階と、前記第２段階の鋼板をブランキング（Ｂｌａｎｋｉｎｇ）及びドローイング加工する第３段階と、前記第３段階の鋼板を電池ケース胴体の形成のための１次ディープドローイング及び１次アイオニング加工する第４段階と、前記第４段階の鋼板を電池ケース胴体の形成のための２次ディープドローイング加工する第５段階と、前記第５段階の前記胴体に段差形成のための３次ディープドローイング及び２次アイオニング加工する第６段階と、前記第６段階の前記胴体にテーパー及びフランジを形成する第７段階と、を含むことを特徴とする円筒型電池ケースの製造方法を提供することができる。
前記第７段階の前記胴体にベントを成形する段階をさらに含むことができる。
前記第７段階の前記胴体にトリミング（Ｔｒｉｍｍｉｎｇ）加工する段階をさらに含むことができる。
また、前記１次アイオニング加工後の電池ケースの表面粗度（Ｒａ）は０．２μｍ以下であり得る。
また、前記２次アイオニング加工後の電池ケースの表面粗度（Ｒａ）は０．１μｍ以下であり得る。
また、前記円筒型電池ケースの製造方法で製造された電池ケースを含む二次電池であり得る。
また、前記二次電池を含むことを特徴とするデバイスであり得る。
また、前記デバイスは、電子機器、電気自動車、ハイブリッド自動車及び電力貯蔵装置からなる群から選択されることを特徴とするデバイスであり得る。
以下では、本発明による実施例を参照して説明するが、これは本発明のより容易な理解のためのもので、本発明の範疇がそれによって限定されるものではない。
＜実施例１＞
本発明による円筒型二次電池を製造するために、ニッケルメッキされた母材をブランキング及びドローイングする段階（＃１）、前記母材をアイドル（Ｉｄｌｅ）する段階を有することができる。前記母材をドローイングして母材を形成するドローイング段階（ドローイング工程４回進行）（＃４～＃７）、前記母材をドローイング及びボディーアイオニングする段階（＃８）、前記母材をドローイングする段階（＃９）、前記母材を段差ドローイングする段階（＃１０）、前記母材にテーパー及びフランジを形成する段階（＃１１）、前記母材にベントを形成する段階（＃１２）、及び前記母材をトリミングする段階（＃１３）によって円筒型電池ケースを製造した。
具体的に、前記段階（＃８）でアイオニング過程は母材の厚さを０．０４ｍｍ減らす過程からなり、前記段階（＃１０）でアイオニング過程は母材の厚さを０．０４ｍｍ減らす過程からなる。
＜比較例１＞
前記実施例１で、前記段階（＃８）のアイオニング過程は母材の厚さを０．０８ｍｍ減らす過程からなり、前記段階（＃１０）でボディーアイオニング段階を省略したことを除き、前記実施例１と同様な過程で円筒型電池ケースを製造した。
これに関連して、図３を参照すると、このような過程で製造された円筒型電池ケースの外観を観察した結果、実施例１の円筒型電池ケースは比較例１の円筒型電池ケースに比べて表面の光沢が著しく増加することが分かる。
＜実験例１＞
前記実施例１及び比較例２で製造された円筒型電池ケースを用いて耐食性テストを進行した。
具体的に、耐食性テストは高温高湿の条件で保管するテストであり、６０℃、９５％ＲＨで７日間保管した後、円筒型二次電池の電池ケースの表面に腐食が生じたかを確認するために外観を撮影した。前記耐食性テスト結果は図４の写真の通りである。
図４を参照すると、実施例１の円筒型電池ケースは腐食が発見されないが、比較例１の円筒型電池ケースは表面にスポット腐食が現れたことを確認することができる。
＜比較例２＞
前記比較例１で、前記段階（＃８）のアイオニング過程は母材の厚さを０．１５ｍｍ減らす過程からなる点を除き、前記比較例１と同様な過程で円筒型電池ケースを製造した。
＜比較例３＞
前記比較例１で、前記段階（＃８）のアイオニング過程は母材の厚さを０．０５ｍｍ減らす過程からなる点を除き、前記比較例１と同様な過程で円筒型電池ケースを製造した。
＜実験例２＞
前記実施例１、比較例２及び比較例３で製造された円筒型電池ケースの表面粗度を測定するために、Ｍｉｔｕｔｏｙｏ社の表面粗度測定器であるＳＪ－４１１を用いた。表面粗度として、Ｒａ及びＲｚを測定し、前記円筒型電池ケースの中央部４ｍｍ区間を縦方向に測定した。表面粗度の測定規格はＩＳＯ ４２８７：１９９７を基準にした。
前記表面粗度の測定結果は図５の表の通りである。
図５を参照すると、本発明の実施例１の円筒型電池ケースの場合、表面粗度（Ｒａ）値は最小０．０２２～最大０．０４０の値を示し、平均値は０．０３であった。比較例２の円筒型電池ケースの場合、表面粗度（Ｒａ）値は最小０．０９９～最大０．１４２の値を示し、平均値は０．１１５であった。比較例３の円筒型電池ケースの表面粗度（Ｒａ）値は最小０．１７９～最大０．３０９の値を示し、平均値は０．２３６であった。
実施例１の円筒型電池ケースの場合、表面粗度（Ｒｚ）値は最小０．１５２～最大０．４２７の値を示し、平均値は０．２０２であった。比較例２の円筒型電池ケースの表面粗度（Ｒｚ）値は最小０．５４２～最大０．９４４の値を示し、平均値は０．７１３であった。比較例３の円筒型電池ケースの表面粗度（Ｒｚ）値は最小０．９２４～最大２．４３６の値を示し、平均値は１．４９７であった。
したがって、本発明の実施例１の円筒型電池ケースは表面粗度の改善効果を確認することができ、表面粗度の改善による腐食抵抗性も充分に予想することができる。
本発明が属する分野で通常の知識を有する者であれば前記内容に基づいて本発明の範疇内で多様な応用及び変形が可能であろう。
以上で説明したように、本発明による表面粗度が改善された円筒型電池ケースの製造方法によれば、円筒型電池ケースの製造時、円筒状電池の胴体外径完成工程の厚さ減少工程の変更によって表面粗度を低めることができる効果がある。
また、本発明は、表面粗度別に腐食特性が改善される効果がある。
また、円筒型電池ケースの壁の内面に適当な粗面が形成されているので、内部に収容される電極合剤や活物質と側周壁の内面との接触面積が増加して電池内部の抵抗を格段に減少させることができる効果がある。
また、側周壁の内面にカーボンなどの導電材を塗布した場合、その導電材の支持力が向上し、電池の貯蔵後特性を長期間にわたって高く維持することができる効果がある。
また、側周壁の厚さはアイオニング工程を経ることで底壁の厚さより薄く形成されているので、陽極合剤や活物質の充電量を増大させることができ、充放電特性などの電池性能の向上をはかることができる。

Claims (8)

  1. 電池ケースの胴体の外径形成のためのディープドローイング（Ｄｅｅｐ ｄｒａｗｉｎｇ）加工の際、アイオニング（Ｉｒｏｎｉｎｇ）加工を複数回実施する円筒型電池ケースの製造方法であって、
    電池ケースの胴体を形成するための１次ディープドローイング加工の際に１次アイオニング加工を実施し、
    前記電池ケースの胴体を形成するための２次ディープドローイング加工を施し、
    電池ケースの胴体の段差を形成するための３次ディープドローイング加工の際に２次アイオニング加工を実施し、
    前記電池ケースは、少なくとも一面にニッケルメッキ層（錫が含まれているニッケルメッキ層を除く。）が形成されている鋼板から形成され、
    複数回実施する前記アイオニング加工の後、各回毎の前記アイオニング加工による前記電池ケースの厚さ減少は一定である、円筒型電池ケースの製造方法。
  2. 前記２次アイオニング加工後の電池ケースの表面粗度（Ｒａ）は０．１μｍ以下である、請求項１に記載の円筒型電池ケースの製造方法。
  3. 鋼板の少なくとも一面にニッケルメッキ層（錫が含まれているニッケルメッキ層を除く。）を形成する第１段階と、
    前記第１段階の鋼板を還元雰囲気の下で熱処理する第２段階と、
    前記第２段階の鋼板をブランキング（Ｂｌａｎｋｉｎｇ）及びドローイング加工する第３段階と、
    前記第３段階の鋼板を電池ケースの胴体の形成のための１次ディープドローイング及び１次アイオニング加工する第４段階と、
    前記第４段階の鋼板を電池ケースの胴体の形成のための２次ディープドローイング加工する第５段階と、
    前記第５段階の前記胴体に段差形成のための３次ディープドローイング及び２次アイオニング加工する第６段階と、
    前記第６段階の前記胴体にテーパー及びフランジを形成する第７段階と、を含み、
    複数回実施するアイオニング加工の後、各回毎の前記アイオニング加工による電池ケースの厚さ減少は一定である、円筒型電池ケースの製造方法。
  4. 前記１次アイオニング加工後の電池ケースの表面粗度（Ｒａ）は０．２μｍ以下である、請求項３に記載の円筒型電池ケースの製造方法。
  5. 前記２次アイオニング加工後の電池ケースの表面粗度（Ｒａ）は０．１μｍ以下である、請求項３または４に記載の円筒型電池ケースの製造方法。
  6. 請求項１～５のいずれか一項に記載の円筒型電池ケースの製造方法で電池ケースを製造する段階を含む、二次電池の製造方法。
  7. 請求項６に記載の二次電池の製造方法により二次電池を製造する段階を含む、デバイスの製造方法。
  8. 前記デバイスは、電子機器、電気自動車、ハイブリッド自動車及び電力貯蔵装置からなる群から選択される、請求項７に記載のデバイスの製造方法。
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