CN102925758A - 锂离子电池壳用铝合金 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种锂离子电池壳用铝合金，其成分：Mn：0.8～1.5wt%（不含下限），Mg：0.5～1.0wt%，Cu：0.4～1.0wt%，Mn+Mg+Cu：2.0～3.0wt%，Si：0.1～0.6wt%，Fe：0.2～0.6wt%，Ti：0.01～0.2wt%，B：0.001～0.02wt%，Zr：0.1～0.18wt%，V：0.05～0.15wt%，Zr+V：0.16～0.3wt%，其余由Al以及不可避免的杂质元素构成。具有上述合金成分的铝合金板材，其抗拉强度大于等于250MPa，并且具有良好的减薄-拉深成型性与优良的激光焊接性能，适合制作锂离子电池壳。

Description

锂离子电池壳用铝合金

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池壳用铝合金板材，更具体地说，涉及适合制作手机、笔记本电脑、数码相机、游戏机等3C（Communication、Computer、Consumer Electronics）产品用锂离子电池壳的铝合金。

背景技术

锂离子电池具有体积小、重量轻、比能量高、放电电压稳定、循环寿命长、安全性能好、工作范围宽、无公害、无记忆效应、自放电率低等优点，在手机、笔记本电脑、数码相机、游戏机等3C产品中有着广泛的应用，目前是不可替代的最佳电源供应来源。

根据锂离子电池的生产过程及服役条件，其对电池壳用材料有如下要求：

（1）具有一定的强度：在电池壳制作及运输过程中不致出现不良变形，并且使电池壳具有良好的耐膨胀性，从而保证锂离子电池在充放电及使用过程中的安全性；

（2）具有良好的减薄-拉深成型性：可顺利地加工成无破裂且表面平整的电池壳；

（3）具有良好的激光焊接性：使电池壳与电池盖良好地结合在一起，无焊接裂纹，从而保证锂离子电池具有良好的密封性。

在生产实践过程中，Al-Mn系合金以其优良的综合性能而受到锂离子电池生产企业的青睐，成为3C产品用锂离子电池壳的主流材料。目前，国内应用最广泛的是3003合金，其H16态板材的抗拉强度为160MPa，并且具有良好的减薄-拉深成型性和良好的激光焊接性。

随着3C类新一代产品的发展，对锂离子电池提出了两个方面的要求：

（1）高容量化：3C类新一代产品已经呈现出融合的大趋势，比如，手机对数码相机、音乐播放、蓝牙等功能的整合，手机电视、视讯电话、无线上网、电子商务等大量附加业务的日趋成熟，对电池电量的消耗越来越多，对电池的容量提出了更高的要求；

（2）轻量化：随着3C产业的飞速发展，产品均朝着无线化、可携带化的方向发展，产品的各项高性能组件也往“轻、薄、短、小”的目标迈进，对电池提出了轻量化及小型化的要求。

为了满足3C产品对锂离子电池的高容量化和轻量化要求，锂离子电池生产企业多采用更高强度的铝材以减薄电池壳壁厚的方式来应对。传统的3003合金强度较低，其减薄后容易发生变形，并且使得电池壳的耐膨胀性不足，即使内部压力较小时也容易产生较大的膨胀量，该合金已经难以满足新产品的性能要求。在中、高档产品领域，性能更优异的3005合金已经在替代3003合金，3005-H16态板材的抗拉强度可达230MPa，同时具有良好的减薄-拉深成型性与良好的激光焊接性。

随着3C产品的更进一步发展，必然需要更高强度的铝合金来取代3005合金。本发明即着眼于锂离子电池壳材料的发展趋势，目的在于提供一种锂离子电池壳用铝合金板材，其抗拉强度大于等于250MPa，同时具有良好的减薄-拉深成型性与良好的激光焊接性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种锂离子电池壳用铝合金板材，其抗拉强度大于等于250MPa，同时具有良好的减薄-拉深成型性与良好的激光焊接性。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

锂离子电池壳用铝合金，其成分的质量百分含量为：

Mn：0.8～1.5wt%；

Mg：0.5～1.0wt%；

Cu：0.4～1.0wt%；

Si：0.1～0.6wt%；

Fe：0.2～0.6wt%；

Ti：0.01～0.2wt%；

B：0.001～0.02wt%；

Zr：0.1～0.18wt%；

V：0.05～0.15wt%；

其余由Al以及难以避免的杂质元素。

进一步地，上述的锂离子电池壳用铝合金，所述Mn、Mg与Cu的总含量在2.0～3.0wt% 。

更进一步地，上述的锂离子电池壳用铝合金，所述Zr与V的总含量在0.16～0.3wt%。

再进一步地，上述的锂离子电池壳用铝合金，所述Mn的含量：0.8 %＜Mn≤1.5wt% 。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

①本发明Al-Mn系合金含有较多的Mg、Cu，并把Mn、Mg与Cu的总含量控制在最佳范围内，既使该合金能够顺利铸造，又使所制备的板材具有高的抗拉强度；

②本发明涉及的锂离子电池壳用铝合金进行Zr与V的复合添加，并把Zr与V的总含量控制在最佳范围内，使所制备的板材在低速激光焊接和高速激光焊接时，均不出现焊接裂纹，具有良好的激光焊接性能；

③本发明提供的锂离子电池壳用铝合金，其抗拉强度大于等于250MPa，并具有良好的减薄-拉深成型性与良好的激光焊接性能，是制造锂离子电池壳的理想材料。

具体实施方式

锂离子电池壳用铝合金，其成分：Mn：0.8～1.5wt%（不含下限），Mg：0.5～1.0wt%，Cu：0.4～1.0wt%，Mn+Mg+Cu：2.0～3.0wt%，Si：0.1～0.6wt%，Fe：0.2～0.6wt%，Ti：0.01～0.2wt%，B：0.001～0.02wt%，Zr：0.1～0.18wt%，V：0.05～0.15wt%，Zr+V：0.16～0.3wt%，其余由Al以及不可避免的杂质元素构成。

Al-Mn系合金含有较多的Mg、Cu，以固溶强化的方式来使其具有较高的强度；以晶粒细化的方式来使其具有良好的减薄-拉深成型性；复合添加适量的Ti、B、Zr、V等元素，以细化焊缝晶粒的方式来使其具有良好的激光焊接性能。

Mn：Mn固溶于Al基体中，可有效地提高铝合金板的强度；Mn与Al、Fe、Si等元素可形成细小弥散的Al-Mn相、Al-Fe-Mn-Si相，使再结晶晶粒细化，进一步使铝合金板在减薄-拉深成型时具有良好的表面。优选Mn含量在0.8～1.5wt%（不含下限）的范围内，未达到下限时，其效果不明显，铝合金板的耐膨胀性尚显不足；超过上限时，会形成粗大的金属间化合物，使铝合金板的成形性降低。

Mg：Mg固溶于Al基体中，可有效地提高铝合金板的强度；同时使铝合金板的加工硬化变大，提高其耐膨胀性。优选Mg含量在0.5～1.0wt%的范围内，未达到下限时，其效果不大；超过上限时，铝合金板的激光焊接性能会降低。

Cu：Cu固溶于Al基体中，可有效地提高铝合金板的强度；同时使铝合金板的加工硬化变大，提高其耐膨胀性。优选Cu含量在0.4～1.0wt%的范围内，未达到下限时，其效果不大；超过上限时，铝合金板的激光焊接性能会降低。

另外，优选Mn、Mg、Cu的总含量在2.0～3.0wt%的范围内，未达到下限时，铝合金板的抗拉强度难以达到250MPa，耐膨胀性也较差；超过上限时，铸造过程中铸锭易发生开裂。

Si、Fe：Si固溶于Al基体中，可有效地提高铝合金板的强度；Si、 Fe与Al、Mn等元素可形成细小弥散的Al-Fe-Mn-Si相、Al-Fe相，使再结晶晶粒细化，另外还有助于电池壳成形加工时对模具的清洁作用，进一步使铝合金板在减薄-拉深成型时具有良好的表面。优选Si含量在0.1～0.6wt%的范围内、Fe含量在0.2～0.6wt%的范围内，未达到下限时，其效果不明显；超过上限时，会形成粗大的金属间化合物，使成形性降低。

Ti、B：Ti与B可有效地使晶粒细化，防止成型加工时的破裂和表面粗糙；与Zr、V等元素共存时，激光焊接过程中，熔池内可形成多种有效的形核质点，使焊缝晶粒细化，防止焊接裂纹的出现。Ti与B通常以Al-Ti-B丝、Al-Ti中间合金、Al-B中间合金的形式加入。优选Ti含量在0.01～0.2wt%的范围内、B含量在0.001～0.02wt%的范围内，未达到下限时，其效果较小；超过上限时，铸造时会生成粗大的金属间化合物，降低铝合金板的成形性。

Zr：Zr与Ti、B、V等元素共存时，激光焊接过程中，熔池内可形成多种有效的形核质点，使焊缝晶粒细化，防止焊接裂纹的出现。优选Zr含量在0.1～0.18wt%的范围内，未达到下限时，其效果较小；超过上限时，会生成粗大的金属间化合物从而降低铝合金板的成形性，同时使铸造温度提高、铸造难度增大，铸造时易开裂。

V：V与Ti、B、Zr等元素共存时，激光焊接过程中，熔池内可形成多种有效的形核质点，使焊缝晶粒细化，防止焊接裂纹的出现。优选V含量在0.05～0.15wt%的范围内，未达到下限时，其效果较小；超过上限时，会生成粗大的金属间化合物从而降低铝合金板的成形性。

另外，Zr与V的复合添加，较Zr或V的单独添加效果更优，优选Zr、V的总含量在0.16～0.3wt%的范围内，未达到下限时，其效果较小；超过上限时，生成粗大的金属间化合物从而降低铝合金板的成形性。

采用半连续铸造法将铝合金熔体制备成铸锭，而后进行均匀化、热轧、冷轧、中间退火以及最终冷轧，得到抗拉强度大于等于250MPa、且具有良好减薄-拉深成型性和优良的激光焊接性的铝合金板材。

<均匀化>

在热轧之前，对铸锭进行均匀化处理，消除微观偏析，并使铸造时形成的非平衡组织转变为平衡组织，以有利于后续的热轧。加热温度为550～620℃，保温2h以上较好，可有效地消除微观偏析。若加热温度过低，或者保温时间过短，无法有效地消除微观偏析，后续热轧时加工性能较差；若加热温度过高，则容易发生过烧。

<热轧>

热轧分为热粗轧和热精轧。

热粗轧时初轧温度为500～600℃，若低于500℃，材料的变形抗力较大，所需轧制道次增多，使生产率降低；若高于600℃，轧制过程中会形成粗大的再结晶晶粒，容易造成组织的不均匀。热粗轧的终轧温度控制在450℃以上，若终轧温度低于450℃，在热粗轧之后、热精轧之前进行放置时，再结晶不彻底，且组织不均匀。

热粗轧完成后，需放置60～300s，若放置时间低于60s，则再结晶不充分，组织不均匀；若放置时间高于300s，部分再结晶晶粒会异常长大，难以得到均匀、细小的再结晶组织。

热精轧的终轧温度控制在300～370℃，若终轧温度低于300℃，再结晶不完全，后续冷轧时成形性不良；若终轧温度高于370℃，再结晶晶粒会粗大化，不利于后续冷轧。

<冷轧与中间退火>

冷轧过程中需对板材进行中间退火，以得到具有目标厚度与目标力学性能的最终冷轧板。

中间退火可采用连续退火，也可采用箱式炉退火。

（采用连续退火时）

升温速度在5℃/s以上较好，若升温速度低于5℃/s，再结晶晶粒较大，使板材的成形性变差。

加热温度控制在420～540℃较好，若低于420℃，板材内Mn、Mg、Cu等元素的固溶量有限，造成板材的强度不足；若高于540℃，会造成Al-Cu相的重熔，不利于后续的加工。

保温时间控制在5～120s较好，若低于5s，再结晶不充分，造成组织不均匀，使板材的成形性降低；若高于120s，再结晶晶粒较大，降低板材的成形性。

冷却速度在10℃/s以上较好，若低于10℃/s，再结晶晶粒较大，使板材的成形性变差。

（采用箱式炉中间退火时）

加热温度控制在330～400℃较好，若低于330℃，板材难以发生再结晶；若高于400℃，会使得再结晶晶粒较大，降低板材的成形性。

保温时间控制在1～3h较好，若低于1h，再结晶不充分，造成组织不均匀，使板材的成形性降低；若高于3h，再结晶晶粒较大，降低板材的成形性。

最终冷轧时，优选最终冷轧率在20～70%的范围内，低于20%时，铝合金板的抗拉强度较低；高于70%时，铝合金板的成形性能降低，进行电池壳减薄-拉深成型加工时，壳体易破裂。

按照上述工艺制造的铝合金板材，具有较高的强度和良好减薄-拉深成型性，采用激光焊接进行电池壳密封时，也不会产生焊接裂纹。

下面就具体的实施例进行说明。

实施例

按照表1中各合金的成分，采用半连续铸造法，进行铸锭的制备，铸锭厚度为500mm、宽度为1100mm。

将该铸锭铣面后，进行均匀化处理，加热温度为600℃，保温时间为8h。

均匀化结束后，即开始进行热粗轧，热粗轧的终轧温度控制在450℃，热粗轧板放置180s后进行热精轧，终轧温度控制在350℃，得到厚度为6mm的热轧板。

热轧板冷却至室温后，进行冷轧，得到不同厚度的中间冷轧板。而后进行中间退火，分别采用两种方式进行：①盐浴中间退火（模拟连续退火），加热温度为500℃，保温时间为30s，而后水冷；②箱式炉中间退火，加热温度为350℃，保温时间为2h，而后空冷。

中间退火后进行最终冷轧，得到厚度为0.45mm的冷轧板。

采用上述冷轧板进行了如下的性能检测，结果如表2所示。

<力学性能检测>

根据GB/T 228.1-2010的要求，采用数控铣床制备拉伸试样，拉伸方向与轧制方向平行，于室温下进行拉伸试验，将抗拉强度大于250MPa、断后伸长率大于2%者定为合格；将抗拉强度低于250MPa或断后伸长率低于2%者定为不合格。

<激光焊接性检测>

按下述脉冲激光焊接工艺进行上述冷轧板的焊接试验，在50倍光学显微镜下确认有无裂纹。将不出现焊接裂纹者定为合格，标记为○；将出现焊接裂纹者定为不合格，标记为×。

峰值功率：4KW；

脉冲宽度：1.2ms；

脉冲能量：2.5J；

脉冲频率：100Hz；

焊接速度：低速为10mm/s，高速为20mm/s。

 

根据表1、表2的结果：

合金10因Mn+Mg+Cu的含量低，导致强度不足；

合金11因Mn+Mg+Cu的含量过高，铸造过程中铸锭发生开裂，无法继续评价；

合金12因Zr含量低，而导致焊接性能较差；

合金13因Zr含量过高，铸造过程中铸锭发生开裂；

合金14因V含量低，而导致高速焊接时，焊接性能较差；

合金15因V含量过高，铸锭中出现粗大的金属间化合物，导致延伸率较低，成形性较差；

合金16因Zr+V的含量不足，而导致其激光焊接性能较差；

合金17因Zr+V含量过高，铸造过程中需要保持较高的铸造温度，且铸锭易发生开裂；

合金18、19因分别单独添加Zr、V，导致其在高速激光焊接时，性能较差。

合金1～9为本发明实施例，各合金元素的含量均较适宜，既能保持合金具有较高的抗拉强度（≥250MPa），同时又具有良好的减薄-拉深成型性，亦有良好的激光焊接性和良好的耐膨胀性。

综上所述，本发明具有上述合金成分的铝合金板材，其抗拉强度大于等于250MPa，并且具有良好的减薄-拉深成型性与优良的激光焊接性能，适合制作锂离子电池壳。

需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.锂离子电池壳用铝合金，其特征在于其成分的质量百分含量为：

Mn：0.8～1.5wt%；

Mg：0.5～1.0wt%；

Cu：0.4～1.0wt%；

Si：0.1～0.6wt%；

Fe：0.2～0.6wt%；

Ti：0.01～0.2wt%；

B：0.001～0.02wt%；

Zr：0.1～0.18wt%；

V：0.05～0.15wt%；

其余由Al以及难以避免的杂质元素。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池壳用铝合金，其特征在于：所述Mn、Mg与Cu的总含量在2.0～3.0wt% 。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池壳用铝合金，其特征在于：所述Zr与V的总含量在0.16～0.3wt%。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池壳用铝合金，其特征在于：所述Mn的含量：0.8 %＜Mn≤1.5wt% 。