EP4413628A1 - Batteriezellgehäuse aus aluminiumlegierungsband mit hohem recycling-anteil - Google Patents

Batteriezellgehäuse aus aluminiumlegierungsband mit hohem recycling-anteil

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EP4413628A1
EP4413628A1 EP22801044.3A EP22801044A EP4413628A1 EP 4413628 A1 EP4413628 A1 EP 4413628A1 EP 22801044 A EP22801044 A EP 22801044A EP 4413628 A1 EP4413628 A1 EP 4413628A1
Authority
EP
European Patent Office
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battery cell
aluminum alloy
cell housing
sheet
weight
Prior art date
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Pending
Application number
EP22801044.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Christoph Lentz
Andreas Siemen
Holger Aretz
Hartmut Janssen
Volker Denkmann
Mathis RUPPERT
Thiemo BRÜGGEMANN
Philipp Kramer
Waldemar Krieger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Speira GmbH
Original Assignee
Speira GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP4413628A1 publication Critical patent/EP4413628A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/06—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent
    • C22C21/08—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent with silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties of ferrous metals or ferrous alloys by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/02—Modifying the physical properties of ferrous metals or ferrous alloys by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips
    • C21D8/0221—Modifying the physical properties of ferrous metals or ferrous alloys by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips characterised by the working steps
    • C21D8/0236—Cold rolling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/047—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys with magnesium as the next major constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/058—Construction or manufacture
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/102—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by their shape or physical structure
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    • H01M50/10—Primary casings; Jackets or wrappings
    • H01M50/131—Primary casings; Jackets or wrappings characterised by physical properties, e.g. gas permeability, size or heat resistance
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • Battery cell housing made from aluminum alloy strip with a high recycled content
  • the invention relates to a battery cell housing having an aluminum alloy strip or sheet and the use of an aluminum alloy strip or sheet to produce a battery cell housing.
  • Battery cells are used in a variety of technical applications to supply an electrical consumer with electrical energy. Fields of application for battery cells are, for example, in electromobility, especially in electric cars, electric bicycles and electric scooters, in consumer electronics, especially in laptop computers, tablet computers, mobile phones, digital cameras and video cameras, or in energy technology, especially in battery storage, to name just a few to call.
  • Several battery cells are often connected in series or in parallel to form a battery module or battery system. However, there are also applications in which individual battery cells serve as the energy source.
  • Battery cells can be fundamentally divided into primary cells, which can only be discharged once and cannot be recharged, and secondary cells, which can be recharged. In the case of both primary cells and secondary cells, the necessary electrochemical processes that provide the functionality of the battery cell can be implemented using a large number of different materials.
  • primary cells are alkaline-manganese cells, zinc-carbon cells, nickel-oxyhydroxide cells or lithium-iron sulfide cells, to name but a few.
  • secondary cells are lithium ion cells, sodium ion cells, nickel cadmium cells, nickel metal hydride cells or nickel zinc cells, just to name a few.
  • lithium-ion secondary cells In particular in the areas of electromobility and consumer electronics, lithium-ion secondary cells have been used to an increasing extent for a number of years, partly because of their comparatively high gravimetric and volumetric energy density. Like other types of battery cells, lithium-ion secondary cells have a battery cell housing. This forms the outer shape of the battery cell and encloses a cavity in which, among other things, the anode material, the cathode material and an electrolyte are located.
  • Battery cell housings with a cylindrical design are essentially in the shape of a cylinder. If the height of the cylinder is greater than the diameter, one speaks of round cells, otherwise of button cells.
  • Battery cell housings of prismatic design essentially have the shape of a prism, in particular a cuboid.
  • the pouch design in which the battery cell housing is essentially in the form of a pocket or bag.
  • cylindrical battery cell housings in particular have hitherto generally been made of nickel-plated steel.
  • Growing cell formats for example the increasing substitution of type 18650 round cells with type 21700 round cells and the expected future substitution of type 21700 round cells with type 46800 round cells in the field of electromobility, however, place higher demands on electrical and thermal conductivity after larger amounts of heat are generated, which must be dissipated.
  • Potential aluminum materials must also meet the high strength requirements of the housing material.
  • Aluminum alloy AA3003. An example of this is the US Cite patent US 6,258,480 B1.
  • the aluminum alloy AA3003 is standard, although the application in the field of prismatic cell housing is also limited to this alloy.
  • US patent application US 2006/093908 A1 discloses a high-strength battery housing made of a composite material with an outer plastic layer and an aluminum foil made of an aluminum alloy of type AA8079, 1N30, AA8021, AA3003, AA3004, AA3104 or AA3105.
  • the identical aluminum alloys are known from the Korean patent application KR 2016005673 A, but the Korean patent application prefers the use of an aluminum alloy of type AA3003.
  • the Japanese patent application JP 2015 125886 A focuses on the strength and weldability of the battery housing and proposes the use of aluminum alloys of type AA3003, AA3203, AA3004, AA3104, AA3005 or AA3105.
  • the pre-consumer scrap can be further subdivided into internal process scrap on the one hand, which is unavoidable during the manufacturing process of the aluminum strip or sheet, such as sprues, offcuts, chips, production residues or production rejects, and external process scrap on the other hand that are unavoidable in the further processing of the end product, such as stamped skeletons, chips or production rejects.
  • Post-consumer scrap is an end product whose life cycle has been completed and which becomes waste once it has been used. It is irrelevant whether the use was made by an end user or not, which means that the use may also have taken place in an industrial or commercial enterprise, for example. Examples of post-consumer scrap are food packaging, especially beverage cans, window frames, lithographic printing plate bases, cable cores and automotive components.
  • the alloy composition of the aluminum alloy AA3003 previously used for battery cell housings is comparatively restrictive, for example with regard to the standard alloying elements copper, magnesium, chromium, zinc and titanium.
  • the use of this alloy therefore requires the use of high proportions of primary aluminum and thus stands in the way of realizing high recycling proportions.
  • the prior art battery cell housings made from the aluminum alloy AA3003 are therefore to be improved with regard to their sustainability.
  • the present invention is based on the object of specifying a battery cell housing having an aluminum alloy strip or sheet which enables high recycling rates to be achieved and at the same time meets the requirements for a battery cell housing, in particular with regard to strength, electrolyte resistance and electrical and thermal conductivity. enough.
  • the present invention has the task of specifying a corresponding use of an aluminum alloy strip or sheet for the production of a battery cell housing.
  • the above-mentioned object for a battery cell housing having an aluminum alloy strip or sheet is achieved in that the aluminum alloy strip or sheet has an aluminum alloy with the following alloy components in % by weight: 0.1% ⁇ Si ⁇ 0.5%, 0.25% ⁇ Fe ⁇ 0.8%, Cu ⁇ 0.6%, 0.6% ⁇ Mn ⁇ 1.4%, 0.5% ⁇ Mg ⁇ 1.5%, Cr ⁇ 0.25%, Zn ⁇ 0.4%, Ti ⁇ 0.2%,
  • a battery cell housing according to the invention comprising an aluminum alloy strip or sheet, meets the relevant requirements, in particular with regard to strength, electrolyte resistance and electrical and thermal conductivity. Above all, it was surprisingly found that the electrolyte resistance and the weldability do not deteriorate, or do not deteriorate to a significant extent, compared to the already known alloy AA3003. At the same time, the battery cell housing according to the invention is well suited for realizing high recycling proportions due to the specified copper and magnesium content of the aluminum alloy.
  • UBC scrap used beverage can
  • ie beverage cans made from aluminum alloys which have significant magnesium and copper contents and for the manufacture of the Aluminum alloy of the aluminum strip or sheet of the battery cell housing are suitable. All of the advantages just mentioned are achieved by the alloy composition of the aluminum alloy strip or sheet of the battery cell housing. Since the aluminum alloy also contains only standard alloying elements, it is itself also easily recyclable, so that the battery cell housing according to the invention can be added to existing scrap cycles without any problems.
  • the silicon content of the aluminum alloy is in the range 0.1% by weight ⁇ Si ⁇ 0.5% by weight.
  • the silicon content of the aluminum alloy is in the range of 0.2% by weight ⁇ Si ⁇ 0.4% by weight, preferably 0.2% by weight ⁇ Si ⁇ 0.35% by weight. %.
  • the iron content of the aluminum alloy is in the range of 0.25 wt% ⁇ Fe ⁇ 0.8 wt%. In one embodiment of the battery cell housing according to the invention, the iron content of the aluminum alloy is in the range of 0.3% by weight ⁇ Fe ⁇ 0.7% by weight, preferably 0.4% by weight ⁇ Fe ⁇ 0.7% by weight. %.
  • Iron contributes to reducing the solubility of manganese in aluminum, which means that more manganese is bound in intermetallic phases, which has a positive effect on electrical and thermal conductivity.
  • the intermetallic phases influence recovery and recrystallization processes and improve the thermal stability of the mechanical properties.
  • the copper content of the aluminum alloy is in the range of Cu ⁇ 0.6% by weight.
  • the copper content of the aluminum alloy is in the range of Cu ⁇ 0.3% by weight, preferably 0.1% by weight ⁇ Cu ⁇ 0.2% by weight. Because a copper content of up to 0.6% by weight is permitted, an increased tolerance of the aluminum alloy for copper-containing aluminum alloy scrap is achieved, which favors the realization of a high proportion of recycled material in the production of the battery housing. However, since excessively high copper contents can have a negative effect on the corrosion properties, the copper content is limited according to the invention to a maximum of 0.6% by weight in order to achieve a sufficiently high electrolyte resistance.
  • the copper content is limited to 0.3% by weight in the embodiment mentioned.
  • the presence of copper also causes an increase in the strength of the aluminum alloy through solid solution strengthening, which, however, only becomes apparent from a content of 0.1% by weight.
  • a preferred range of 0.1% by weight ⁇ Cu ⁇ 0.2% by weight thus represents a compromise between high strength, sufficiently high electrical and thermal conductivity and further improved electrolyte resistance with sufficient recycling tolerance at the same time.
  • the manganese content of the aluminum alloy is in the range 0.6% by weight ⁇ Mn ⁇ 1.4% by weight. In one embodiment of the battery cell housing according to the invention, the manganese content of the aluminum alloy is in the range of 0.8% by weight ⁇ Mn ⁇ 1.1% by weight.
  • the manganese content of 0.6% by weight ⁇ Mn ⁇ 1.4% by weight, or 0.8% by weight ⁇ Mn ⁇ 1.1% by weight leads, as already stated above, in Combination with the silicon and iron contents in the specified amounts to precipitate the particles of the quaternary ⁇ -Al(Fe,Mn)Si phase and the Al 6 (Mn,Fe) phase.
  • the intermetallic phases hinder recovery and recrystallization processes and thus improve the thermal stability of the mechanical properties.
  • Manganese contents of less than 0.8% by weight already reduce the increase in strength due to dispersoid and solid solution hardening.
  • Manganese contents of less than 0.6% by weight lead to an insufficient increase in strength through dispersoid and solid solution hardening, while manganese contents of more than 1.1% by weight, in particular more than 1.4% by weight , favor the formation of coarse intermetallic phases, which have an unfavorable effect on the forming properties in the deep-drawing process.
  • manganese contents of more than 1.1% by weight, in particular more than 1.4% by weight reduce the electrical and thermal conductivity of the battery cell housing is so high that thermal management becomes inefficient.
  • the magnesium content of the aluminum alloy is in the range 0.5% by weight ⁇ Mg ⁇ 1.5% by weight.
  • the magnesium content of the aluminum alloy is in the range of 0.8% by weight ⁇ Mg ⁇ 1.5% by weight, preferably 0.8% by weight ⁇ Mg ⁇ 1.2% by weight. %. Because a magnesium content of up to 1.5% by weight is permitted, an increased tolerance of the aluminum alloy for aluminum alloy scrap containing magnesium, such as UBC scrap, is achieved, which further promotes the realization of high recycling percentages in the production of the battery cell housing.
  • the presence of magnesium from a content of at least 0.5% by weight leads to efficient solid solution strengthening, which contributes to increased strain hardening and thus increases strength.
  • the magnesium content is limited according to the invention to a maximum of 1.5% by weight.
  • the magnesium content is increased to at least 0.8% by weight in the embodiment mentioned.
  • the preferred range of 0.8% ⁇ Mg ⁇ 1.2% represents a compromise between high strength, good forming behavior and high electrical and thermal conductivity combined with good recycling tolerance.
  • the chromium content of the aluminum alloy is in the range Cr ⁇ 0.25% by weight.
  • the chromium content of the aluminum alloy is in the range Cr ⁇ 0.1% by weight, preferably Cr ⁇ 0.05% by weight.
  • the fact that a chromium content of up to 0.25% by weight is permitted means that the aluminum alloy has an increased tolerance for chromium-containing aluminum alloy scrap, which favors the realization of high recycling percentages in the production of the battery cell housing.
  • chromium also increases strength and forms dispersoids, which increase thermal stability and softening caused by recrystallization or recovery hinder.
  • the chromium content is limited according to the invention to a maximum of 0.25% by weight.
  • the chromium content in the embodiment mentioned is limited to 0.1% by weight, preferably 0.05% by weight.
  • the zinc content of the aluminum alloy is in the range of Zn ⁇ 0.4% by weight.
  • the zinc content of the aluminum alloy is in the range of 0.02% by weight ⁇ Zn ⁇ 0.25% by weight, preferably 0.04% by weight ⁇ Zn ⁇ 0.25% by weight. %. Because a zinc content of up to 0.4% by weight is permitted, an increased tolerance of the aluminum alloy for zinc-containing aluminum alloy scrap is achieved, which further promotes the realization of high recycling rates. In addition, zinc also increases strength. However, since excessive zinc contents impair the weldability, the electrical and thermal conductivity and the corrosion resistance of the aluminum alloy, the zinc content is limited to a maximum of 0.4% by weight according to the invention.
  • the zinc content is set within the corridor 0.02% by weight ⁇ Zn ⁇ 0.25% by weight, preferably 0.04% by weight ⁇ Zn ⁇ 0.25% by weight, whereby an optimal compromise between high strength, good weldability and good electrolyte resistance is achieved while still maintaining good recycling tolerance.
  • the titanium content of the aluminum alloy is in the range Ti ⁇ 0.2% by weight. In one embodiment of the battery cell housing according to the invention, the titanium content of the aluminum alloy is in the range 0.005% by weight ⁇ Ti ⁇ 0.1% by weight, preferably 0.005% by weight ⁇ Ti ⁇ 0.05% by weight. Because a titanium content of up to 0.2% by weight is permitted, an increased tolerance of the aluminum alloy for titanium-containing aluminum alloy scrap is achieved, which favors the realization of high recycling percentages in the production of battery cell housings. However, too high a titanium content can affect the forming properties of the Aluminum alloys negatively affect and significantly reduce the electrical and thermal conductivity, so that the titanium content is limited to a maximum of 0.2% by weight according to the invention.
  • titanium improves grain refinement when casting the aluminum alloy from a content of 0.005% by weight.
  • the titanium content in the embodiment mentioned is therefore preferably within the corridor 0.005% by weight ⁇ Ti ⁇ 0.1% by weight 0.005 wt% ⁇ Ti ⁇ 0.05 wt%.
  • the aluminum alloy of the battery cell housing according to the invention has aluminum and unavoidable impurities as the remainder.
  • Unavoidable impurities are alloy components that are not intentionally added to the alloy, but are inevitably included in the aluminum alloy due to the manufacturing process.
  • the content of an individual unavoidable impurity is limited to 0.05% by weight, and the total content of all unavoidable impurities is limited to 0.15% by weight. This ensures that the unavoidable impurities have no or no significant negative effects on the properties of the aluminum alloy, for example through unwanted phase formation.
  • the aluminum alloy has a proportion of at least 50% by weight, preferably at least 70% by weight, of recycling material. Due to the high recycling tolerance of the aluminum alloy described above, it is possible to achieve high recycling percentages of at least 50% by weight, preferably at least 70% by weight, for the battery cell housing according to the invention. The associated energy savings enable the production of battery cell housings with the lowest possible CO 2 footprint and achieve improved sustainability.
  • the aluminum alloy of the invention Battery cell housing has a proportion of at least 50% by weight, preferably at least 70% by weight, of post-consumer scrap. Since the use of post-consumer scrap is particularly CO 2 -efficient, a particularly large reduction in the CO 2 footprint can be achieved in this way.
  • the proportion of recycling material of at least 50%, preferably at least 70% by weight is achieved by using pre-consumer scrap, in particular by using internal and/or external process scrap.
  • pre-consumer scrap in particular by using internal and/or external process scrap.
  • internal process scrap the compositions and quantities of the individual alloys are usually very well known, so that the alloy composition resulting from the melting down of internal process scrap can be determined well.
  • External process scrap is less well defined in terms of its composition than internal process scrap and may require further processing, but occurs in large quantities, for example in the production of stamped parts, so that recycling is of great relevance in terms of economy and sustainability.
  • the aluminum alloy strip or sheet has a work-hardened condition of the H1X type.
  • these are the states H12, H14, H16, H18 and H19 familiar to the person skilled in the art.
  • the aluminum alloy strip or sheet is in the H18 or H19 work-hardened condition.
  • the states mentioned, in particular H18 and H19 are characterized by a particularly high mechanical stability, so that in particular high strengths can be provided for the battery cell housing.
  • the aluminum alloy strip or sheet has a thickness of between 0.1 mm and 2.0 mm.
  • the wall thicknesses typical of a battery cell housing are essentially completely covered with this thickness range. Reducing the thickness to less than 0.1 mm reduces the mechanical stability of the battery cell housing strong. In contrast, with a thickness of more than 2.0 mm, efficient use of material is no longer given. In addition, the gravimetric and volumetric energy density of the battery cell or the battery module or battery system would be reduced too much if the aluminum alloy strip or sheet of the battery cell housing were to have a thickness of more than 2.0 mm.
  • the thickness of the aluminum alloy strip or sheet is preferably between 0.2 mm and 1.5 mm, in particular between 0.35 mm and 1.2 mm.
  • the aluminum alloy strip or sheet has an electrical conductivity ⁇ of at least 35% IACS.
  • the electrical conductivity is significantly higher, so that faster charging times, lower electrical losses and thus less heat generation during operation of the battery cells are achieved.
  • the Wiedemann-Franz law which states that there is a direct correlation between the electrical and thermal conductivity of a metal
  • the increased electrical conductivity is also accompanied by an increased thermal conductivity compared to nickel-plated steel.
  • the waste heat generated during operation of the battery cells can be dissipated more efficiently.
  • the higher thermal conductivity leads to a more homogeneous temperature distribution within the cell, which has a positive effect on its aging.
  • the electrical conductivity er of at least 35% 1ACS leads to an overall improved performance of the battery cells.
  • the aluminum alloy strip or sheet has a yield point R p0.2 of at least 180 MPa, preferably at least 220 MPa, in particular at least 250 MPa.
  • R p0.2 of at least 180 MPa, preferably at least 220 MPa, in particular at least 250 MPa.
  • the aluminum alloy strip or sheet preferably has the values mentioned for the yield point before it is processed to form the battery cell housing, for example in the H16, H18 or H19 state. After the Processing of the aluminum alloy strip or sheet, which is typically done by cold forming such as deep drawing, is usually accompanied by an increase in strength, but it can be assumed that the specified minimum values for the yield point also apply to the battery cell housing according to the invention in the finished state.
  • the aluminum alloy strip or sheet has a tensile strength R m of at least 190 MPa, preferably at least 230 MPa, in particular at least 260 MPa.
  • R m tensile strength
  • the aluminum alloy strip or sheet preferably already has the values mentioned for the tensile strength before it is processed into the battery cell housing, for example in the H16, H18 or H19 state, it being possible to assume here that these are also the same for the battery cell housing according to the invention in the finished state state apply.
  • the aluminum alloy strip or sheet has a yield strength R p0.2 of at least 200 MPa at a temperature of 100°C.
  • the aluminum alloy strip or sheet has a yield point R p0.2 of at least 150 MPa at a temperature of 200°C.
  • the specified yield points at 100 °C or 200 °C can also provide high heat resistance for the battery cell housing .
  • the aluminum alloy strip or sheet preferably already has the specified values for the yield point at 100° C. or 200° C.
  • the aluminum alloy strip or sheet has a wall thickness ratio ⁇ in relation to steel of at most 1.6, preferably at most 1.4, before it is processed to form the battery cell housing.
  • the wall thickness ratio ⁇ with respect to steel is determined by dividing the yield strength R p0.2,St of a nickel-plated steel strip type AISI1020 by the yield strength R p0.2,AI of the aluminum alloy strip, where R p0.2,St is a typical value of 350 MPa is applied.
  • R p0.2,St is a typical value of 350 MPa is applied.
  • the ⁇ value according to the invention of at most 1.6, preferably at most 1.4, has a positive effect on the volumetric energy density of the battery cells, since this minimizes the volume of space occupied by the aluminum alloy strip or sheet while maintaining the same mechanical stability.
  • the Limiting wall thickness ratio combined with aluminum's low density compared to steel maximizes gravimetric energy density.
  • the aluminum alloy strip or sheet has an average percentage ear height Z of at most 4%, preferably at most 3%, and preferably a maximum percentage ear height Z max of at most 6%, preferably at most 5, before it is processed into the battery cell housing .5% up.
  • the ear parameters Z and Z max are determined in the ear test according to DIN EN 1669 using a disc with a diameter of 60 mm, a punch diameter of 33 mm and the lubricant lanolin.
  • the average percentage earing height Z of at most 4%, preferably at most 3%, and the preferably achieved maximum percentage earing height Z max of at most 6%, preferably at most 5.5%, mean that the aluminum alloy strip or sheet is good for deep drawing with minimal Process scrap and thus suitable for the efficient production of a battery cell housing according to the invention.
  • the above-mentioned object for using an aluminum alloy strip or sheet to produce a battery cell housing is achieved in that the aluminum alloy strip or sheet is used to produce a battery cell housing according to the first teaching of the invention. Because of the advantageous properties of the aluminum alloy strip or sheet that have already been mentioned, a battery cell housing that is improved over the prior art can thus be provided.
  • the battery cell housing is a housing of a secondary cell, preferably a lithium ion secondary cell or a sodium ion secondary cell. Since secondary cells, in particular lithium-ion secondary cells, are currently being used increasingly in the fields of electromobility and consumer electronics, the advantageous properties of the aluminum alloy strip or sheet used according to the invention can be used in particular for this type of battery cell. This also applies to sodium-ion secondary cells, which are currently still primarily the subject of research and could replace lithium-ion secondary cells in certain applications in the future due to better economics and the good availability of sodium.
  • the use of the battery cell housing according to the invention also includes, in particular, the use of the housing for solid-state secondary cells that have a solid-state electrolyte.
  • the battery cell housing has a cylindrical design, a prismatic design or a pouch design. In this way, the advantageous properties of the aluminum alloy strip or sheet used according to the invention can be utilized in all currently common designs of a battery cell housing.
  • the aluminum alloy strip or sheet is produced by a process which comprises the following steps: - casting an aluminum alloy rolling ingot, - homogenizing the rolling ingot, - hot rolling the rolling ingot into a hot-rolled strip, - cold rolling the hot-rolled bands
  • the process steps mentioned are preferably carried out in the order given, with the homogenization of the rolling slab being carried out separately or being integrated into the preheating of the rolling slab for hot rolling. It was found that the method just described can be used to produce an aluminum alloy strip or sheet which, when used according to the invention, meets the requirements for a battery cell housing, in particular with regard to strength, electrolyte resistance and electrical and thermal conductivity, and at the same time high Realize recycling shares. Furthermore, this method allows economical production of the aluminum alloy strip or sheet.
  • the rolling ingots are preferably cast from an aluminum alloy using direct-chill continuous casting, also known as direct-chill continuous casting or DC continuous casting, which further increases the cost-effectiveness of the manufacturing process.
  • Homogenizing the rolling ingot improves the microstructure of the aluminum alloy strip or sheet, which has a positive effect on strength and formability.
  • the homogenization preferably takes place at a temperature of 480° C. to 620° C., in particular 550° C. to 610° C. for a period of at least 0.5 h, preferably at least 1 h, in particular at least 2 h.
  • the rolling ingot is hot-rolled to form a hot-rolled strip preferably at a temperature between 280° C. and 550° C., the hot strip temperature after the last hot-rolling pass being between 280° C. and 380° C., preferably between 310° C. and 360° C.
  • the rolling slab can be hot-rolled either reversing on a roll stand or sequentially in a tandem stand. In particular, hot rolling can be carried out reversing up to a plate thickness of between 20 mm and 50 mm and the plate can then be rolled in a tandem stand to the hot strip thickness.
  • the hot strip thickness ie the thickness of the hot-rolled strip
  • the hot strip thickness is between 1 mm and 15 mm, preferably between 2 mm and 12 mm, in particular between 2 mm and 9 mm.
  • the cold rolling of the aluminum alloy strip or sheet can be done in one pass or in multiple passes.
  • at least one intermediate annealing optionally takes place during cold-rolling.
  • the intermediate annealing takes place in the temperature range between 150°C and 450°C, preferably between 200°C and 400°C, in particular between 300°C and 400°C.
  • the intermediate anneal is preferably carried out as a recrystallization anneal, which provides a recrystallized structure for the subsequent cold rolling pass.
  • This cold rolling pass can then be carried out with a higher degree of rolling, which increases the strength of the finish-rolled aluminum alloy strip or sheet.
  • a recovery anneal can also be carried out, which causes a reduction in hardening.
  • the degree of rolling during cold rolling to the final thickness is at least 20%, preferably at least 50%, in particular at least 70%. If the method is carried out with intermediate annealing during cold rolling, the degree of rolling down to the final thickness in cold rolling after the last intermediate anneal is at least 20%, preferably at least 50%, in particular at least 70%.
  • the degree of rolling of at least 20%, preferably at least 50%, in particular at least 70%, during cold rolling to the final thickness allows the strength of the aluminum alloy strip or sheet produced to be increased, so that it is particularly suitable for use according to the invention. Due to the high degrees of rolling, earing does occur in a 45° position.
  • earing can be compensated for by selecting the hot rolling parameters in such a way that a recrystallized hot strip is produced, which then has earing in the 0°/90° position and can thus compensate for the earing in the 45° position.
  • the mean percentage earing height Z and the maximum percentage earing height Z max can be limited, which has a positive effect on the productivity in the deep-drawing process and reduces the amount of scrap occurring in the deep-drawing process.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a battery cell of cylindrical design with a battery cell housing according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a battery cell of prismatic design with a battery cell housing according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a battery cell in pouch design with a battery cell housing according to the invention
  • FIG. 4 is a flow chart of a method of manufacturing an aluminum alloy strip or sheet for use in the present invention.
  • the battery cell 10 has a battery cell housing 11 according to the invention as well as an anode connection 12 and a cathode connection 13 next to it.
  • the battery cell 20 has a battery cell housing 21 according to the invention as well as an anode connection 22 and a cathode connection 23 next to it.
  • FIG. 3 shows a battery cell 30 in pouch design in a schematic representation.
  • the battery cell 30 has a battery cell housing 31 according to the invention as well as an anode connection 32 and a cathode connection 33 next to it.
  • 4 shows a flow diagram of a method 40 for producing an aluminum alloy strip or sheet for use in the present invention.
  • Method 40 includes the following steps:
  • hot rolling 46 the slab into a hot rolled strip
  • cold rolling 48 the hot rolled strip.
  • strips 1 to 7 a total of seven aluminum alloy strips, referred to below as strips 1 to 7, were produced from different aluminum alloys.
  • the respective alloy compositions of strips 1 to 7 are summarized in Table 1 below.
  • the contents of the individual alloying elements are given in % by weight.
  • the remainder, i.e. the difference from 100% by weight, consists of aluminum and unavoidable impurities, individually at most 0.05% by weight and in total at most 0.15% by weight.
  • Strips 1, 2, 3 and 7 are exemplary embodiments according to the invention with an alloy composition corresponding to the invention, the latter being identical for strip 1 and strip 2.
  • ribbons 4, 5 and 6 are comparative examples comprising AA3003 type aluminum alloy.
  • the aluminum alloy strips 1 to 7 were produced by the method shown in FIG. In detail, rolling ingots were cast from the respective aluminum alloys in continuous DC casting. A proportion of at least 70% by weight of recycling material was selected for the production of the rolling ingots of strips 1, 2, 3 and 7 according to the invention. For Comparative Examples 4, 5 and 6, a maximum recycled content of 30% by weight was achieved. After casting, the rolling slabs were homogenized and then hot-rolled into hot-rolled strips. The hot rolled strips were then each cold rolled to a final gauge between 0.5mm and 1.0mm. Table 2 below shows various process parameters in the production of strips 1 to 7. In detail, these are the hot strip thickness, i.e. the respective thickness of the hot-rolled strip, the parameters temperature, duration and strip thickness of an optional intermediate annealing during cold rolling, and the degree of rolling during cold rolling to final thickness.
  • the hot strip thickness i.e. the respective thickness of the hot-rolled strip
  • the parameters temperature, duration and strip thickness of an optional intermediate annealing during cold rolling i.e
  • strips 1 to 3 according to the invention were produced without intermediate annealing, while strip 7 according to the invention and comparison strips 4 to 6 were produced with intermediate annealing, here in particular with recrystallization annealing.
  • strip 2 after cold rolling, a final anneal was carried out at a temperature of 250° C. and a holding time of 2 hours.
  • Table 3 shows the material condition, the thickness d as the final thickness after cold rolling, the electrical conductivity ⁇ , the yield point R p0.2 , the tensile strength R m , the wall thickness ratio ⁇ with respect to steel, the average percentage ear height Z, and the maximum percentage earing height Z max of strips 1 to 7.
  • Yield point R p0.2 and tensile strength R m were determined in a tensile test according to DIN EN ISO 6892-1.
  • the wall thickness ratio ⁇ in relation to steel was determined by dividing the yield strength R p02,St of 350 MPa, which represents a typical value for a nickel-plated steel strip of type AlS11020, by the yield strength R p02,AI of the respective aluminum alloy strip 1 to 7.
  • the mean percentage earing height Z and the maximum percentage earing height Z max were determined in the earing test according to DIN EN 1669 using a disc with a diameter of 60 mm, a punch diameter of 33 mm and the lubricant lanolin.
  • yield points and tensile strengths can be achieved with strips 1, 2, 3 and 7 according to the invention which are higher than those of comparison strips 4, 5 and 6 made from aluminum alloy AA3003.
  • a strain-hardened condition of the HIX type, in particular the H18 or H19 condition has a further positive effect on the strength, as the comparison between the strips 1, 2, 3 and 7 according to the invention shows.
  • the yield point and tensile strength of strip 2, which has an identical alloy composition to strip 1 (see Table 1), but is in the work-hardened and reannealed condition H24, is above that of comparison strips 3, 4 and 5, but below strip 1, which is in exclusively work-hardened state H18.
  • the tapes 1, 2, 3 and 7 according to the invention have a yield point R p0.2 of at least 180 MPa and a tensile strength R m of at least 190 MPa. They are therefore particularly suitable for use in the production of a battery cell housing according to the invention.
  • the yield and tensile strength values shown in Table 3 apply to Strips 1, 2, 3 and 7 prior to processing into a battery cell case, it can be assumed that a battery cell case made from Strips 1, 2, 3 and 7 will in the finished state has values that are at least as high. This is through justifies that the processing, which typically takes place by cold forming such as deep drawing, is usually accompanied by an increase in strength.
  • the yield strength at 100° C. and the yield strength at 200° C. were also determined for tape 3 according to the invention and for comparison tape 4 in accordance with DIN EN ISO 6892-2.
  • the strip 3 according to the invention reached a value of 270 MPa at 100° C. and a value of 161 MPa at 200° C.
  • the comparison band 4 reached a value of 151 MPa at 100 °C and a value of 92 MPa at 200 °C.
  • the tape 3 according to the invention is particularly suitable for use due to its significantly higher heat resistance compared to the comparison tape 4 for the production of a battery cell housing according to the invention. Even if the values just mentioned for the yield point at 100 °C and 200 °C for strip 3 before processing into a
  • a battery cell housing produced from strip 3 has values in the finished state that are at least as high.
  • the strips 1, 3 and 7 according to the invention have a wall thickness ratio ⁇ in relation to steel of at most 1.6. If the bands mentioned are used according to the invention to produce a battery cell housing, this value has a positive effect on the volumetric and gravimetric energy density of the finished battery cell, since this minimizes the volume of space occupied by the aluminum alloy band and the weight of the battery cell while maintaining the same mechanical stability.
  • the strips 1, 3 and 7 according to the invention are therefore particularly suitable for use in the manufacture of a battery cell housing according to the invention.
  • the tapes 1, 2 and 3 according to the invention have an average percentage earing height Z of at most 4% and a maximum percentage earing height Z max of at most 6%. Because of this, they are well suited for deep-drawing and thus for manufacturing a battery cell housing according to the invention with minimal scrap generation.
  • the values for Z and Z max are comparable or slightly better than those of the comparison belts 4, 5 and 6.
  • the strips 1, 2, 3 and 7 according to the invention have an electrical conductivity ⁇ of at least 35% IACS. Compared to the battery cell housings made of nickel-plated steel previously used, the electrical conductivity is significantly higher, so that faster charging times, lower electrical losses and thus less heat generation during operation of the battery cells can be achieved. Although the electrical conductivity ⁇ of the strips 1, 2, 3 and 7 according to the invention is slightly poorer than that of the comparison strips 4, 5 and 6, they still easily meet the requirements for battery cell housings. Due to the Wiedemann-Franz law, according to which there is a direct connection between electrical and thermal conductivity in metals, analogous considerations also apply to thermal conductivity.
  • An improved thermal conductivity of the aluminum alloy strips according to the invention compared to nickel-plated steel enables a much more efficient cooling of the battery cells, especially at high C rates that occur during fast charging, as well as a more homogeneous temperature distribution over the winding, which limits the aging of the battery cell.
  • the tapes 1, 2, 3 and 7 according to the invention have a thickness between 0.1 mm and 2.0 mm.
  • a good compromise is achieved between mechanical stability and efficient use of material.
  • the gravimetric and volumetric energy density also becomes a corresponding one Battery cell or a battery module or battery system is not reduced too much.
  • strip 3 The corrosion behavior of strip 3 according to the invention and of comparison strip 4 were carried out as an example by means of cyclic polarization measurement in accordance with DIN 50918:2018-09 using a lithium hexafluorophosphate electrolyte. First of all, the resting potential of pickled and degreased strips in the electrolyte was determined and then the following polarizations were carried out:
  • Table 4 shows cathodic current density, exchange current density and polarization resistance.
  • Table 4 shows cathodic current density, exchange current density and polarization resistance.
  • the band 3 according to the invention and the comparison band 4 have practically the same cathodic current densities, exchange current densities and polarization resistances, so that the band 3 according to the invention meets the requirements for electrolyte resistance in the same way as the reference band 4, which is one for prismatic battery cell housings of the prior art alloy state combination typical of the technology.
  • the electrolyte resistance is essentially determined by the chemical composition, which is very similar for the strips 1, 2, 3 and 7 according to the invention on the one hand and the comparison strips 4, 5 and 6 on the other hand, it results from the cyclic polarization measurements according to DIN 50918:2018 -09
  • the electrolyte resistance for Inventive Strips 1, 2, 3 and 7 is substantially identical to that of Comparative Strips 4, 5 and 6 made from AA3003 aluminum alloy.
  • the strips according to the invention thus equally meet the requirements for electrolyte resistance and are therefore suitable for use in the production of a battery cell housing according to the invention.
  • the battery cells (10, 20, 30) shown in Figures 1 to 3 can be secondary cells, in particular lithium-ion secondary cells or sodium-ion secondary cells, so that the battery cell housings (11, 21, 31) according to the invention are accordingly housings of a secondary cell, in particular a lithium ion secondary cell or a sodium ion secondary cell.
  • the advantageous properties of the aluminum alloy strips used according to the invention can thus be used in particular for these types of battery cells.
  • the battery cell housings (11, 21, 31) according to the invention shown in FIGS. 1 to 3 can in particular have a cylindrical design, a prismatic design or a pouch design.
  • Fig. 1 shows a battery cell housing (11) according to the invention in a cylindrical design
  • 2 shows a battery cell housing (21) according to the invention in a prismatic design
  • FIG. 3 shows a battery cell housing (31) according to the invention in a pouch design.
  • the advantageous properties of the aluminum alloy strips used according to the invention can thus be utilized in all battery cell housing designs that are typical at present.
  • the aluminum alloys on which the battery cell housings (11, 21, 31) according to the invention shown in FIGS. 1 to 3 are based preferably contain at least 50% by weight, preferably at least 70% by weight, recycled material.
  • the recycled content is achieved by using post-consumer scrap.
  • the associated energy savings enable the production of battery cell housings with the lowest possible CO 2 footprint and increase the sustainability of the battery cell housing. This is possible because the battery cell housings (11, 21, 31) according to the invention are well suited to realizing high recycling percentages due to their alloy composition.
  • the recycling share can also be achieved by using internal or external process scrap and a reduction in the CO 2 footprint compared to primary aluminum-based production can also be achieved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriezellgehäuse aufweisend ein Aluminiumlegierungsband oder -blech. Die Aufgabe, ein Batteriezellgehäuse aufweisend ein Aluminiumlegierungsband oder -blech anzugeben, welches einerseits die Realisierung hoher Recycling-Raten ermöglicht, und andererseits den Anforderungen an ein Batteriezellgehäuse, insbesondere in Bezug auf Festigkeit, Elektrolytbeständigkeit sowie elektrische und thermische Leitfähigkeit, genügt, wird dadurch gelöst, dass das Aluminiumlegierungsband oder -blech eine Aluminiumlegierung mit den folgenden Legierungsbestandteilen in Gew.-% aufweist: 0,1 % ≤ Si ≤ 0,5 %, 0,25 % ≤ Fe ≤ 0,8 %, Cu ≤ 0,6 %, 0,6 % ≤ Mn ≤ 1,4 %, 0,5 % ≤ Mg ≤ 1,5 %, Cr ≤ 0,25 %, Zn ≤ 0,4 %, Ti ≤ 0,2 %, Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen, einzeln maximal 0,05 %, in Summe maximal 0,15 %.

Description

Batteriezellgehäuse aus Aluminiumlegierungsband mit hohem Recycling- Anteil
Die Erfindung betrifft ein Batteriezellgehäuse aufweisend ein Aluminiumlegierungsband oder -blech sowie eine Verwendung eines Aluminiumlegierungsbands oder -blechs zur Herstellung eines Batteriezellgehäuses.
Batteriezellen werden in einer Vielzahl von technischen Anwendungen eingesetzt, um einen elektrischen Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen. Anwendungsfelder für Batteriezellen sind beispielsweise in der Elektromobilität, insbesondere bei Elektroautos, Elektrofahrrädern und Elektrorollern, in der Verbraucherelektronik, insbesondere bei Laptop-Computern, Tablet-Computern, Mobiltelefonen, Digitalkameras und Videokameras, oder in der Energietechnik, insbesondere bei Batteriespeichern, um nur einige wenige zu nennen. Oft werden mehrere Batteriezellen seriell oder parallel zu einem Batteriemodul beziehungsweise zu einem Batteriesystem zusammengeschaltet. Es existieren jedoch auch Anwendungen, bei denen einzelne Batteriezellen als Energiequelle dienen.
Batteriezellen lassen sich grundsätzlich unterscheiden in Primärzellen, welche nur einmal entladen und nicht wieder aufgeladen werden können, sowie Sekundärzellen, welche wiederaufladbar sind. Sowohl bei Primärzellen als auch bei Sekundärzellen können die notwendigen elektrochemischen Prozesse, welche die Funktionsweise der Batteriezelle bereitstellen, mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Materialien realisiert werden. Beispiele für Primärzellen sind in diesem Zusammenhang Alkali- Mangan-Zellen, Zink-Kohle-Zellen, Nickel-Oxyhydroxid-Zellen oder Lithium- Eisensulfid-Zellen, um nur einige wenige zu nennen. Beispiele für Sekundärzellen sind Lithium-lonen-Zellen, Natrium-lonen-Zellen, Nickel-Cadmium-Zellen, Nickel- Metallhydrid-Zellen oder Nickel-Zink-Zellen, um nur einige wenige zu nennen. Insbesondere in den Bereichen Elektromobilität und Verbraucherelektronik kommen Lithium-Ionen-Sekundärzellen unter anderem aufgrund ihrer vergleichsweise hohen gravimetrischen und volumetrischen Energiedichte seit einigen Jahren in zunehmendem Maße zum Einsatz. Wie auch andere Typen von Batteriezellen weisen Lithium-Ionen-Sekundärzellen ein Batteriezellgehäuse auf. Dieses bildet die äußere Form der Batteriezelle und umschließt einen Hohlraum, in dem sich unter anderem das Anodenmaterial, das Kathodenmaterial und ein Elektrolyt befinden. Dabei lassen sich verschiedene Bauformen eines Batteriezellgehäuses unterscheiden: Batteriezellgehäuse zylindrischer Bauform weisen im Wesentlichen die Form eines Zylinders auf. Ist die Höhe des Zylinders größer als der Durchmesser, spricht man von Rundzellen, andernfalls von Knopfzellen. Batteriezellgehäuse prismatischer Bauform weisen im Wesentlichen die Form eines Prismas, insbesondere eines Quaders, auf. Als weitere Variante ist die Pouch-Bauform zu nennen, bei der das Batteriezellgehäuse im Wesentlichen die Form einer Tasche beziehungsweise eines Beutels aufweist.
Aufgrund hoher Anforderungen an die Festigkeit beziehungsweise mechanische Stabilität sowie gleichzeitig hoher Anforderungen an die elektrochemische Beständigkeit gegenüber dem korrosiv auf das Batteriezellgehäuse wirkenden Elektrolyten wurden insbesondere zylindrische Batteriezellgehäuse bisher in der Regel aus nickelplattiertem Stahl hergestellt. Wachsende Zellformate, beispielsweise die zunehmende Substitution von Rundzellen des Typs 18650 durch Rundzellen des Typs 21700 und die zukünftig zu erwartende Substitution von Rundzellen des Typs 21700 durch Rundzellen des Typs 46800 im Bereich der Elektromobilität, stellen jedoch höhere Anforderungen an die elektrische und thermische Leitfähigkeit, nachdem größere Wärmemengen generiert werden, welche abgeführt werden müssen. Potenzielle Aluminiumwerkstoffe müssen darüber hinaus die hohen Anforderungen an die Festigkeit des Gehäusewerkstoffs erfüllen.
Ansätze zur Verwendung von Aluminiumlegierungen für zylindrische
Batteriezellgehäuse sind bereits bekannt, beschränken sich allerdings auf die
Aluminiumlegierung AA3003. Als Beispiel hierfür lässt sich das US-amerikanische Patent US 6,258,480 B1 anführen. Für prismatische Batteriezellgehäuse ist die Aluminiumlegierung AA3003 hingegen Standard, wobei sich die Anwendung im Bereich prismatischer Zellgehäuse jedoch ebenso auf diese Legierung beschränkt.
Aus der US-Patentanmeldung US 2006/093908 A1 ist ein Batteriegehäuse mit hoher Festigkeit bekannt, welches aus einem Verbundwerkstoff mit einer äußeren Kunststoffschicht sowie einer Aluminiumfolie aus einer Aluminiumlegierung vom Typ AA8079, 1N30, AA8021, AA3003, AA3004, AA3104 oder AA3105 besteht.
Die identischen Aluminiumlegierungen sind aus der koreanischen Patentanmeldungen KR 2016005673 A bekannt, wobei die koreanische Patentanmeldung aber die Verwendung einer Aluminiumlegierung vom Typ AA3003 präferiert.
Die japanische Patentanmeldung JP 2015 125886 A stellt die Festigkeit und die Schweißbarkeit der Batteriegehäuse in den Vordergrund und schlägt die Verwendung von Aluminiumlegierungen vom Typ AA3003, AA3203, AA3004, AA3104, AA3005 oder AA3105 vor.
Keines der vorgenannten Dokumente beschäftigt sich mit dem Problem der Recyclingfähigkeit unter Berücksichtigung der Anforderungen an die Festigkeit, Elektrolytbeständigkeit sowie elektrische und thermische Leitfähigkeit des Batteriezellgehäuses.
Die in den letzten Jahren stark gestiegenen Nachhaltigkeitsanforderungen verlangen allerdings eine Fertigung von Batteriezellgehäusen mit einem möglichst geringen CO2- Fußabdruck. Am effektivsten ist dabei eine Reduktion des Einsatzes von energieintensivem Primäraluminium durch die vermehrte Verwendung von Recycling-Material, auch Sekundäraluminium genannt. Letzteres wird durch das Einschmelzen von Aluminiumschrotten gewonnen. Bei Aluminiumschrotten werden Pre-Consumer-Schrotte und Post-Consumer-Schrotte unterschieden. Bei Pre- Consumer-Schrotten handelt es sich um Abfälle, die bei der Herstellung von Halbzeugen oder Endprodukten aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen in einer Vielzahl von möglichen Prozessen anfallen. Die Pre-Consumer-Schrotte lassen sich weiter unterteilen in interne Prozessschrotte auf der einen Seite, die innerhalb des Herstellungsprozesses der Aluminiumbänder bzw. -bleche unvermeidbar anfallen, wie beispielsweise Angüsse, Verschnitte, Späne, Produktionsreste oder Produktionsausschüsse, und externe Prozessschrotte auf der anderen Seite, die in der weiteren Verarbeitung zum Endprodukt unvermeidbar anfallen, wie beispielsweise Stanzgitter, Späne oder Fertigungsausschüsse. Bei Post-Consumer-Schrotten handelt es sich um Endprodukte, deren Lebenszyklus vollständig durchlaufen wurde, und die nach erfolgter Nutzung als Abfall anfallen. Dabei ist es unerheblich, ob die Nutzung durch einen Endverbraucher erfolgte oder nicht, was bedeutet, dass die Nutzung beispielsweise auch in einem Industrie- oder Gewerbebetrieb stattgefunden haben kann. Beispiele für Post-Consumer-Schrotte sind Lebensmittelverpackungen, insbesondere Getränkedosen, Fensterrahmen, lithografische Druckplattenträger, Kabeladern sowie Automobilkomponenten.
Die Legierungszusammensetzung der bislang für Batteriezellgehäuse verwendeten Aluminiumlegierung AA3003 ist gemäß der internationalen Spezifikation vergleichsweise einschränkend, beispielsweise in Bezug auf die Standard- Legierungselemente Kupfer, Magnesium, Chrom, Zink und Titan. Die Verwendung dieser Legierung erfordert daher den Einsatz von hohen Anteilen an Primäraluminium und steht damit der Realisierung hoher Recycling-Anteile entgegen. Die aus der Aluminiumlegierung AA3003 hergestellten Batteriezellgehäuse des Stands der Technik sind deshalb in Bezug auf deren Nachhaltigkeit zu verbessern.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Batteriezellgehäuse aufweisend ein Aluminiumlegierungsband oder -blech anzugeben, welches die Realisierung hoher Recycling-Raten ermöglicht und gleichzeitig den Anforderungen an ein Batteriezellgehäuse, insbesondere in Bezug auf Festigkeit, Elektrolytbeständigkeit sowie elektrische und thermische Leitfähigkeit, genügt. Daneben hat sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe gestellt, eine entsprechende Verwendung eines Aluminiumlegierungsbands oder -blechs zur Herstellung eines Batteriezellgehäuses anzugeben.
Gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben genannte Aufgabe für ein Batteriezellgehäuse aufweisend ein Aluminiumlegierungsband oder -blech dadurch gelöst, dass das Aluminiumlegierungsband oder -blech eine Aluminiumlegierung mit den folgenden Legierungsbestandteilen in Gew.-% aufweist: 0,1 % ≤ Si ≤ 0,5 %, 0,25 % ≤ Fe ≤ 0,8 %, Cu ≤ 0,6 %, 0,6 % ≤ Mn ≤ 1,4 %, 0,5 % ≤ Mg ≤ 1,5 %, Cr ≤ 0,25 %, Zn ≤ 0,4 %, Ti ≤ 0,2 %,
Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen, einzeln maximal 0,05 %, in Summe maximal 0,15 %.
Überraschenderweise hat sich in Versuchen der Erfinder herausgestellt, dass ein erfindungsgemäßes Batteriezellgehäuse aufweisend ein Aluminiumlegierungsband oder -blech die entsprechenden Anforderungen, insbesondere in Bezug auf Festigkeit, Elektrolytbeständigkeit sowie elektrische und thermische Leitfähigkeit, erfüllt. Vor allem wurde überraschenderweise festgestellt, dass sich die Elektrolytbeständigkeit und die Schweißbarkeit gegenüber der bereits bekannten Legierung AA3003 nicht, beziehungsweise nicht nennenswert, verschlechtern. Gleichzeitig eignet sich das erfindungsgemäße Batteriezellgehäuse aufgrund des angegebenen Kupfer- und Magnesium-Gehalts der Aluminiumlegierung gut zur Realisierung hoher Recycling- Anteile. Dies gilt insbesondere für die Nutzung von UBC-Schrotten (UBC: used beverage can), d.h. von Getränkedosen aus Aluminiumlegierungen, welche signifikante Gehalte an Magnesium und Kupfer aufweisen und für die Herstellung der Aluminiumlegierung des Aluminiumbands oder -blechs des Batteriezellgehäuses geeignet sind. Sämtliche der soeben genannten Vorteile werden durch die Legierungszusammensetzung des Aluminiumlegierungsbands oder -blechs des Batteriezellgehäuses erreicht. Nachdem die Aluminiumlegierung darüber hinaus nur Standard-Legierungselemente enthält, ist diese selbst ebenfalls gut recycelbar, sodass das erfindungsgemäße Batteriezellgehäuse ohne Probleme bestehenden Schrottkreisläufen zugeführt werden kann.
Der Silizium-Gehalt der Aluminiumlegierung liegt erfindungsgemäß im Bereich 0,1 Gew.-% ≤ Si ≤ 0,5 Gew.-%. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses liegt der Silizium-Gehalt der Aluminiumlegierung im Bereich 0,2 Gew.-% ≤ Si ≤ 0,4 Gew.-%, vorzugsweise 0,2 Gew.-% ≤ Si ≤ 0,35 Gew.-%. Der Silizium-Gehalt von 0,1 Gew.-% ≤ Si ≤ 0,5 Gew.-% führt in Kombination mit den erfindungsgemäßen Eisen- und Mangan-Gehalten in den angegebenen Mengen insbesondere zu relativ gleichförmig verteilten, kompakten Partikeln der quaternären α-Al(Fe,Mn)Si-Phase. Diese ausgeschiedenen Partikel steigern sowohl die Festigkeit der Aluminiumlegierung als auch deren elektrische und thermische Leitfähigkeit, da sie dem Mischkristall Eisen und Mangan entziehen, ohne jedoch andere Eigenschaften wie das Korrosionsverhalten, d.h. die Elektrolytbeständigkeit, oder die Umformbarkeit negativ zu beeinflussen. Silizium-Gehalte von weniger als 0,1 Gew.-% führen zu einer reduzierten Ausscheidung von α-Al(Fe,Mn)Si-Phasen, was zur Beeinträchtigung der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit durch gelöstes Mangan führen kann. Darüber hinaus wirkt sich das Fehlen von α-Al(Fe,Mn)Si-Phasen negativ auf den Werkzeugverschleiß aus. Silizium-Gehalte von mehr als 0,5 Gew.-% können in Verbindung mit Magnesium zur Bildung von Mg2Si-Phasen führen, was die Mischkristallverfestigung des Magnesiums negativ beeinflusst. Der Korridor des Silizium-Gehalts der genannten Ausführungsform von 0,2 Gew.-% ≤ Si ≤ 0,4 Gew.-%, vorzugsweise 0,2 Gew.-% ≤ Si ≤ 0,35 Gew.-%, stellt einen idealen Kompromiss zwischen hoher Festigkeit sowie hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit dar.
Der Eisen-Gehalt der Aluminiumlegierung liegt erfindungsgemäß im Bereich 0,25 Gew.-% ≤ Fe ≤ 0,8 Gew.-%. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses liegt der Eisen-Gehalt der Aluminiumlegierung im Bereich 0,3 Gew.-% ≤ Fe ≤ 0,7 Gew.-%, vorzugsweise 0,4 Gew.-% ≤ Fe ≤ 0,7 Gew.-%. Der Eisen- Gehalt von 0,25 Gew.-% ≤ Fe ≤ 0,8 Gew.-% führt in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Mangan-Gehalt in der angegebenen Menge zur Ausbildung von Al6(Mn,Fe)-Phasen sowie, wie bereits oben ausgeführt, in Kombination mit den erfindungsgemäßen Silizium- und Mangan-Gehalten in den angegebenen Mengen zur Ausscheidung der Partikel der quaternären α-Al(Fe,Mn)Si-Phase. Dabei trägt Eisen zur Absenkung der Löslichkeit von Mangan in Aluminium bei, wodurch mehr Mangan in intermetallischen Phasen gebunden wird, was sich positiv auf die elektrische und thermische Leitfähigkeit auswirkt. Daneben beeinflussen die intermetallischen Phasen Erholungs- und Rekristallisationsvorgänge und verbessern die thermische Stabilität der mechanischen Eigenschaften. Eisen-Gehalte von mehr als 0,8 Gew.-% begünstigen die Bildung grober intermetallischer Phasen, die die Umformbarkeit im Tiefziehprozess beeinträchtigen können. Zu niedrige Eisen-Gehalte von weniger als 0,25 Gew.-% schränken hingegen die Toleranz der Aluminiumlegierung für eisenhaltige Schrotte zu stark ein, da übliche Schrottgüten im Allgemeinen einen signifikanten Eisen-Anteil aufweisen. Daher kann eine zu starke Limitierung des Eisengehalts die Realisierung hoher Recycling-Anteile behindern. Der Korridor des Eisen-Gehalts der genannten Ausführungsform von 0,3 Gew.-% ≤ Fe ≤ 0,7 Gew.-%, vorzugsweise 0,4 Gew.-% ≤ Fe ≤ 0,7 Gew.-%, stellt demnach eine ideale Kombination aus Recyclingfähigkeit, Verwendung hohe Recyclingmaterialanteile, thermischer Stabilität, elektrischer sowie thermischer Leitfähigkeit und Umformbarkeit dar.
Der Kupfer-Gehalt der Aluminiumlegierung liegt erfindungsgemäß im Bereich Cu ≤ 0,6 Gew.-%. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses liegt der Kupfer-Gehalt der Aluminiumlegierung im Bereich Cu ≤ 0,3 Gew.-%, vorzugsweise 0,1 Gew.-% ≤ Cu ≤ 0,2 Gew.-%. Dadurch, dass ein Kupfer-Gehalt von bis zu 0,6 Gew.-% zugelassen wird, wird eine erhöhte Toleranz der Aluminiumlegierung für kupferhaltige Aluminiumlegierungsschrotte erreicht, was die Realisierung hoher Recyclingmaterialanteile bei der Herstellung des Batteriegehäuses begünstigt. Nachdem zu hohe Kupfer-Gehalte sich jedoch negativ auf die Korrosionseigenschaften auswirken können, wird der Kupfer-Gehalt zur Erzielung einer ausreichend hohen Elektrolytbeständigkeit erfindungsgemäß auf höchstens 0,6 Gew.-% begrenzt. Für eine verbesserte Elektrolytbeständigkeit sowie eine ausreichend hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit wird der Kupfer-Gehalt in der genannten Ausführungsform auf 0,3 Gew.-% begrenzt. Allerdings bewirkt das Vorhandensein von Kupfer gleichzeitig auch eine Festigkeitssteigerung der Aluminiumlegierung durch Mischkristallverfestigung, welche jedoch erst ab einem Gehalt von 0,1 Gew.-% deutlich zum Vorschein tritt. Ein bevorzugter Bereich von 0,1 Gew.-% ≤ Cu ≤ 0,2 Gew.- % stellt damit einen Kompromiss zwischen hoher Festigkeit, ausreichend hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit und weiter verbesserter Elektrolytbeständigkeit bei gleichzeitig ausreichender Recycling-Toleranz dar.
Der Mangan-Gehalt der Aluminiumlegierung liegt erfindungsgemäß im Bereich 0,6 Gew.-% ≤ Mn ≤ 1,4 Gew.-%. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses liegt der Mangan-Gehalt der Aluminiumlegierung im Bereich 0,8 Gew.-% ≤ Mn ≤ 1,1 Gew.-%. Der Mangan-Gehalt von 0,6 Gew.-% ≤ Mn ≤ 1,4 Gew.-%, beziehungsweise 0,8 Gew.-% ≤ Mn ≤ 1,1 Gew.-%, führt, wie bereits oben ausgeführt, in Kombination mit den Silizium- und Eisen-Gehalten in den angegebenen Mengen zur Ausscheidung der Partikel der quaternären α-Al(Fe,Mn)Si-Phase sowie der Al6(Mn,Fe)-Phase. Die intermetallischen Phasen behindern Erholungs- und Rekristallisationsvorgänge und verbessern somit die thermische Stabilität der mechanischen Eigenschaften. Mangan-Gehalte von weniger als 0,8 Gew.-% reduzieren die Festigkeitssteigerung durch Dispersoid- und Mischkristallhärtung bereits. Mangan-Gehalte von weniger als 0,6 Gew.-%, führen zu einer unzureichenden Festigkeitssteigerung durch Dispersoid- und Mischkristallhärtung, während Mangan- Gehalte von mehr als 1,1 Gew.-%, insbesondere mehr als 1,4 Gew.-%, die Bildung von groben intermetallischen Phasen begünstigen, die sich ungünstig auf die Umformeigenschaften im Tiefziehprozess auswirken. Darüber hinaus reduzieren Mangan-Gehalte von mehr als 1,1 Gew.-%, insbesondere mehr als 1,4 Gew-%, die elektrische und thermische Leitfähigkeit des Batteriezellgehäuses so stark, dass das Thermomanagement ineffizient wird.
Der Magnesium-Gehalt der Aluminiumlegierung liegt erfindungsgemäß im Bereich 0,5 Gew.-% ≤ Mg ≤ 1,5 Gew.-%. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses liegt der Magnesium-Gehalt der Aluminiumlegierung im Bereich 0,8 Gew.-% ≤ Mg ≤ 1,5 Gew.-%, vorzugsweise 0,8 Gew.-% ≤ Mg ≤ 1,2 Gew.-%. Dadurch, dass ein Magnesium-Gehalt von bis zu 1,5 Gew.-% zugelassen wird, wird eine erhöhte Toleranz der Aluminiumlegierung für magnesiumhaltige Aluminiumlegierungsschrotte wie beispielsweise UBC-Schrotte erreicht, was die Realisierung hoher Recyclinganteile bei der Herstellung der Batteriezellgehäuse weiter begünstigt. Daneben führt das Vorhandensein von Magnesium ab einem Gehalt von mindestens 0,5 Gew.-% zu einer effizienten Mischkristallverfestigung, die zu einer verstärkten Kaltverfestigung beiträgt und somit die Festigkeit erhöht. Nachdem zu hohe Magnesium-Gehalte sich jedoch negativ auf die elektrische und thermische Leitfähigkeit auswirken, wird der Magnesium-Gehalt erfindungsgemäß auf höchstens 1,5 Gew.-% begrenzt. Zur Erzielung verbesserter mechanischer Eigenschaften wird der Magnesium-Gehalt in der genannten Ausführungsform auf mindestens 0,8 Gew.-% erhöht. Der bevorzugte Bereich von 0,8 % ≤ Mg ≤ 1,2 % stellt einen Kompromiss zwischen hoher Festigkeit, gutem Umformverhalten sowie hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit bei gleichzeitig guter Recycling-Toleranz dar.
Der Chrom-Gehalt der Aluminiumlegierung liegt erfindungsgemäß im Bereich Cr ≤ 0,25 Gew.-%. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses liegt der Chrom-Gehalt der Aluminiumlegierung im Bereich Cr ≤ 0,1 Gew.-%, vorzugsweise Cr ≤ 0,05 Gew.-%. Dadurch, dass ein Chrom-Gehalt von bis zu 0,25 Gew.- % zugelassen wird, wird eine erhöhte Toleranz der Aluminiumlegierung für chromhaltige Aluminiumlegierungsschrotte erreicht, was die Realisierung hoher Recyclinganteile bei der Herstellung der Batteriezellgehäuse begünstigt. Daneben wirkt Chrom auch festigkeitssteigernd und bildet Dispersoide, die die thermische Stabilität erhöhen und rekristallisations- bzw. erholungsbedingte Entfestigung behindern. Nachdem zu hohe Chrom-Gehalte sich jedoch negativ auf die elektrische Leitfähigkeit der Aluminiumlegierung auswirken können, wird der Chrom-Gehalt erfindungsgemäß auf höchstens 0,25 Gew.-% begrenzt. Für eine verbesserte Leitfähigkeit bei immer noch ausreichender Recycling-Toleranz und Festigkeit wird der Chrom-Gehalt in der genannten Ausführungsform auf 0,1 Gew.-%, vorzugsweise 0,05 Gew.-%, begrenzt.
Der Zink-Gehalt der Aluminiumlegierung liegt erfindungsgemäß im Bereich Zn ≤ 0,4 Gew.-%. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses liegt der Zink-Gehalt der Aluminiumlegierung im Bereich 0,02 Gew.-% ≤ Zn ≤ 0,25 Gew.-%, vorzugsweise 0,04 Gew.-% ≤ Zn ≤ 0,25 Gew.-%. Dadurch, dass ein Zink-Gehalt von bis zu 0,4 Gew.-% zugelassen wird, wird eine erhöhte Toleranz der Aluminiumlegierung für zinkhaltige Aluminiumlegierungsschrotte erreicht, was die Realisierung hoher Recycling-Raten weiter begünstigt. Daneben wirkt Zink auch festigkeitssteigernd. Nachdem zu hohe Zink-Gehalte jedoch die Schweißbarkeit, die elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie die Korrosionsbeständigkeit der Aluminiumlegierung verschlechtern, wird der Zink-Gehalt erfindungsgemäß auf höchstens 0,4 Gew.-% begrenzt. In der genannten Ausführungsform wird der Zink-Gehalt innerhalb des Korridors 0,02 Gew.-% ≤ Zn ≤ 0,25 Gew.-%, vorzugsweise 0,04 Gew.-% ≤ Zn ≤ 0,25 Gew.-% eingestellt, wodurch ein optimaler Kompromiss zwischen hoher Festigkeit, guter Schweißbarkeit und guter Elektrolytbeständigkeit bei immer noch guter Recycling-Toleranz erzielt wird.
Der Titan-Gehalt der Aluminiumlegierung liegt erfindungsgemäß im Bereich Ti ≤ 0,2 Gew.-%. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses liegt der Titan-Gehalt der Aluminiumlegierung im Bereich 0,005 Gew.-% ≤ Ti ≤ 0,1 Gew.-%, vorzugsweise 0,005 Gew.-% ≤ Ti ≤ 0,05 Gew.-%. Dadurch, dass ein Titan-Gehalt von bis zu 0,2 Gew.-% zugelassen wird, wird eine erhöhte Toleranz der Aluminiumlegierung für titanhaltige Aluminiumlegierungsschrotte erreicht, was die Realisierung hoher Recyclinganteile bei der Herstellung von Batteriezellgehäusen begünstigt. Zu hohe Titan-Gehalte können jedoch die Umformeigenschaften der Aluminiumlegierung negativ beeinflussen und reduzieren die elektrische und thermische Leitfähigkeit signifikant, sodass der Titan-Gehalt erfindungsgemäß auf höchstens 0,2 Gew.-% begrenzt wird. Demgegenüber verbessert Titan ab einem Gehalt von 0,005 Gew.-% die Kornfeinung beim Gießen der Aluminiumlegierung. Für eine gute Kornfeinung bei gleichzeitig guter Umformbarkeit, ausreichend hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit sowie ausreichender Recycling-Toleranz wird der Titan-Gehalt in der genannten Ausführungsform deshalb innerhalb des Korridors 0,005 Gew.-% ≤ Ti ≤ 0,1 Gew.-%, vorzugsweise 0,005 Gew.-% ≤ Ti ≤ 0,05 Gew.-%, eingestellt.
Neben den bisher genannten Legierungsbestandteilen weist die Aluminiumlegierung des erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses als Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen auf. Als unvermeidbare Verunreinigungen werden Legierungsbestandteile bezeichnet, die nicht vorsätzlich hinzulegiert werden, sondern herstellungsbedingt in der Aluminiumlegierung zwangsläufig enthalten sind. Erfindungsgemäß ist der Gehalt einer einzelnen unvermeidbaren Verunreinigung auf 0,05 Gew.-%, der Gehalt aller unvermeidbaren Verunreinigungen in Summe auf 0,15 Gew.-% begrenzt. Damit wird sichergestellt, dass die unvermeidbaren Verunreinigungen keine, beziehungsweise keine signifikanten negativen Auswirkungen auf die Eigenschaften der Aluminiumlegierung, beispielweise durch unerwünschte Phasenbildung, haben.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses weist die Aluminiumlegierung einen Anteil von mindestens 50 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 70 Gew.-% Recycling-Material auf. Aufgrund der oben beschriebenen hohen Recycling-Toleranz der Aluminiumlegierung wird die Realisierung hoher Recyclinganteile von mindestens 50 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 70 Gew.-% für das erfindungsgemäße Batteriezellgehäuse ermöglicht. Durch die damit verbundene Energieeinsparung wird die Fertigung von Batteriezellgehäusen mit möglichst geringem CO2-Fußabdruck ermöglicht und eine verbesserte Nachhaltigkeit erzielt. Insbesondere weist die Aluminiumlegierung des erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses einen Anteil von mindestens 50 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 70 Gew.-% Post-Consumer-Schrotten auf. Nachdem der Einsatz von Post- Consumer-Schrotten besonders CO2-effizient ist, lässt sich hierdurch eine besonders hohe Verringerung des CO2-Fußabdrucks erzielen. Zusätzlich oder alternativ wird der Anteil an Recycling-Material von mindestens 50 %, vorzugsweise mindestens 70 Gew.-% durch Verwendung von Pre-Consumer-Schrotten, insbesondere durch Verwendung von internen und/oder externen Prozessschrotten erreicht. Bei internen Prozessschrotten sind die Zusammensetzungen und Mengen der einzelnen Legierungen in der Regel sehr gut bekannt, so dass die sich beim Einschmelzen von internen Prozessschrotten ergebende Legierungszusammensetzung gut bestimmt werden kann. Externe Prozessschrotte sind in ihrer Zusammensetzung weniger gut definiert als interne Prozessschrotte und erfordern ggf. weitere Aufbereitung, fallen aber zum Beispiel in der Produktion von Stanzteilen in großem Maße an, so dass die Wiederverwertungwirtschaftlich und im Sinne der Nachhaltigkeit von hoher Relevanz ist. Durch die Wiederverwertung von externen Prozessschrotten kann der Bedarf an Primärmetall reduziert werden, was die Gesamt-CO2-Bilanz reduziert.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses weist das Aluminiumlegierungsband oder -blech einen kaltverfestigten Zustand des Typs H1X auf. Insbesondere handelt es sich hierbei um die dem Fachmann geläufigen Zustände H12, H14, H16, H18 und H19. Vorzugsweise weist das Aluminiumlegierungsband oder -blech den kaltverfestigten Zustand H18 oder H19 auf. Die genannten Zustände, insbesondere H18 und H19, zeichnen sich durch eine besonders hohe mechanische Stabilität aus, sodass insbesondere hohe Festigkeiten für das Batteriezellgehäuse bereitgestellt werden können.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses weist das Aluminiumlegierungsband oder -blech eine Dicke zwischen 0,1 mm und 2,0 mm auf. Mit diesem Dickenbereich werden die für ein Batteriezellgehäuse typischen Wandstärken im Wesentlichen vollständig abgedeckt. Eine Reduzierung der Dicke auf weniger als 0,1 mm verringert die mechanische Stabilität des Batteriezellgehäuses zu stark. Demgegenüber ist bei einer Dicke von mehr als 2,0 mm ein effizienter Materialeinsatz nicht mehr gegeben. Zudem würden sich die gravimetrische und volumetrische Energiedichte der Batteriezelle beziehungsweise des Batteriemoduls oder Batteriesystems zu stark verringern, falls das Aluminiumlegierungsband oder - blech des Batteriezellgehäuses eine Dicke von mehr als 2,0 mm aufweisen würde. Vorzugsweise liegt die Dicke des Aluminiumlegierungsbands oder -blechs zwischen 0,2 mm und 1,5 mm, insbesondere zwischen 0,35 mm und 1,2 mm.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses weist das Aluminiumlegierungsband oder -blech eine elektrische Leitfähigkeit σ von mindestens 35 % IACS auf. Gegenüber den bisher verwendeten Batteriezellgehäusen aus nickelplattiertem Stahl ist die elektrische Leitfähigkeit damit deutlich erhöht, sodass schnellere Ladezeiten, geringere elektrische Verluste und somit auch eine geringere Wärmeentwicklung beim Betrieb der Batteriezellen erreicht werden. Aufgrund des Wiedemann-Franz-Gesetzes, wonach ein direkter Zusammenhang zwischen der elektrischen und der thermischen Leitfähigkeit eines Metalls besteht, geht die erhöhte elektrische Leitfähigkeit darüber hinaus auch mit einer erhöhten thermischen Leitfähigkeit gegenüber nickelplattiertem Stahl einher. Hierdurch kann die beim Betrieb der Batteriezellen entstehende Abwärme effizienter abgeführt werden. Darüber hinaus führt die höhere thermische Leitfähigkeit zu einer homogeneren Temperaturverteilung innerhalb der Zelle, was sich positiv auf deren Alterung auswirkt. Die elektrische Leitfähigkeit er von mindestens 35 % 1ACS führt damit insgesamt zu einer verbesserten Leistungsfähigkeit der Batteriezellen.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses weist das Aluminiumlegierungsband oder -blech eine Streckgrenze Rp0,2 von mindestens 180 MPa, vorzugsweise mindestens 220 MPa, insbesondere mindestens 250 MPa, auf. Hierdurch können hohe Festigkeiten für das Batteriezellgehäuse bereitgestellt werden. Vorzugsweise weist das Aluminiumlegierungsband oder -blech die genannten Werte für die Streckgrenze vor seiner Verarbeitung zu dem Batteriezellgehäuse, beispielsweise im Zustand H16, H18 oder H19 auf. Nachdem die Verarbeitung des Aluminiumlegierungsbands oder -blechs, welche typischerweise durch eine Kaltumformung wie beispielsweise Tiefziehen erfolgt, in der Regel mit einer Festigkeitssteigerung einhergeht, kann jedoch davon ausgegangen werden, dass die angegebenen Mindestwerte für die Streckgrenze ebenso für das erfindungsgemäße Batteriezellgehäuse im fertigen Zustand gelten.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses weist das Aluminiumlegierungsband oder -blech eine Zugfestigkeit Rm von mindestens 190 MPa, vorzugsweise mindestens 230 MPa, insbesondere mindestens 260 MPa auf. Hierdurch können ebenfalls hohe Festigkeiten für das Batteriezellgehäuse bereitgestellt werden. Erneut weist das Aluminiumlegierungsband oder -blech die genannten Werte für die Zugfestigkeit vorzugsweise bereits vor seiner Verarbeitung zu dem Batteriezellgehäuse, beispielsweise im Zustand H16, H18 oder H19, auf, wobei auch hier davon ausgegangen werden kann, dass diese ebenso für das erfindungsgemäße Batteriezellgehäuse im fertigen Zustand gelten.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses weist das Aluminiumlegierungsband oder -blech eine Streckgrenze Rp0,2 von mindestens 200 MPa bei einer Temperatur von 100 °C auf. Gleichzeitig oder alternativ weist das Aluminiumlegierungsband oder -blech eine Streckgrenze Rp0,2 von mindestens 150 MPa bei einer Temperatur von 200 °C auf. Nachdem sich eine Batteriezelle im Falle eines Defekts, einer Schadeinwirkung oder eines unsachgemäßen Gebrauchs auf eine Temperatur erwärmt, die zum Teil deutlich oberhalb der Raumtemperatur liegt, können durch die genannten Streckgrenzen bei 100 °C beziehungsweise 200 °C auch hohe Warmfestigkeiten für das Batteriezellgehäuse bereitgestellt werden. Erneut weist das Aluminiumlegierungsband oder -blech die genannten Werte für die Streckgrenze bei 100 °C beziehungsweise 200 °C vorzugsweise bereits vor seiner Verarbeitung zu dem Batteriezellgehäuse auf, wobei auch hier davon ausgegangen werden kann, dass diese ebenso für das erfindungsgemäße Batteriezellgehäuse im fertigen Zustand gelten. In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses weist das Aluminiumlegierungsband oder -blech vor seiner Verarbeitung zu dem Batteriezellgehäuse ein Wandstärkenverhältnis δ in Bezug auf Stahl von höchstens 1,6, vorzugsweise höchstens 1,4 auf. Das Wandstärkenverhältnis δ in Bezug auf Stahl wird ermittelt, indem die Streckgrenze Rp0,2,St eines nickelplattierten Stahlbands des Typs AISI1020 durch die Streckgrenze Rp0,2,AI des Aluminiumlegierungsbands dividiert wird, wobei für Rp0,2,St ein typischer Wert von 350 MPa angesetzt wird. Zur Herleitung des Wandstärkenverhältnisses δ wird das für Batteriezellgehäuse praxisrelevante Szenario einer Innendruckbelastung betrachtet. Vereinfachend wird das Batteriezellgehäuse als geschlossener und dünnwandiger Zylinder angenommen.
Basierend darauf erfolgt die Berechnung des Wandstärkenverhältnisses δ in Bezug auf Stahl unter Verwendung der aus der Elastostatik bekannten Kesselformelσφ = p · Ri/s mit σφ: Spannungskomponente in Umfangsrichtung, p: Innendruck, Ri: Innenradius, s: Wandstärke und unter Verwendung der Vergleichsspannung nach Tresca σV, Tresca = σ max-σmin = σφ- 0 = p · Ri/s mit einer Auslegung gegen eine durch den Fließbeginn limitierten Belastung, d.h. σV, Tresca ≤ Rp0,2. Unter Annahme eines gleichen maximalen Innendrucks p = Rp0,2,AI · sAl/Ri,Al = Rp0,2,St · sSt/Ri,St und der Annahme des gleichen Innenradius Ri der Zellen ergibt sich somit Rp0,2,AI · sAI = Rp0,2,St · sSt, sodass sich das Wandstärkenverhältnis δ aus dem genannten Streckgrenzenverhältnis berechnen lässt: δ = sAl/sSt = Rp0,2,St / Rp0,2,Al. Das Wandstärkenverhältnis δ in Bezug auf Stahl ist ein Maß für die Zunahme der Wandstärke des Batteriezellgehäuses bei der Substitution von Stahl durch Aluminium und kann insbesondere verwendet werden, um verschiedene
Aluminiumlegierungsbänder oder -bleche miteinander zu vergleichen. Der erfindungsgemäße δ-Wert von höchstens 1,6, vorzugsweise höchstens 1,4 wirkt sich positiv auf die volumetrische Energiedichte der Batteriezellen aus, da hierdurch das von dem Aluminiumlegierungsband oder -blech eingenommene Raumvolumen bei gleicher mechanischer Stabilität minimiert wird. Darüber hinaus wird durch die Begrenzung des Wandstärkenverhältnisses in Verbindung mit der geringen Dichte von Aluminium im Vergleich zu Stahl die gravimetrische Energiedichte maximiert.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses weist das Aluminiumlegierungsband oder -blech vor seiner Verarbeitung zu dem Batteriezellgehäuse eine mittlere prozentuale Zipfelhöhe Z von höchstens 4 %, vorzugsweise höchstens 3 %, und vorzugsweise eine maximale prozentuale Zipfelhöhe Zmax von höchstens 6 %, vorzugsweise höchstens 5,5 % auf. Die Zipfelkenngrößen Z und Zmax werden in der Zipfelprüfung nach DIN EN 1669 unter Verwendung einer Ronde mit 60 mm Durchmesser, einem Stempeldurchmesser von 33 mm sowie des Schmiermittels Lanolin ermittelt. Die mittlere prozentuale Zipfelhöhe Z von höchstens 4 %, vorzugsweise höchstens 3 %, sowie die vorzugsweise erreichte, maximale prozentuale Zipfelhöhe Zmax von höchstens 6 %, vorzugsweise höchstens 5,5 % bewirken, dass sich das Aluminiumlegierungsband oder -blech gut zum Tiefziehen mit minimalem Prozessschrottaufkommen und damit zur effizienten Fertigung eines erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses eignet.
Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben genannte Aufgabe für eine Verwendung eines Aluminiumlegierungsbands oder -blechs zur Herstellung eines Batteriezellgehäuses dadurch gelöst, dass das Aluminiumlegierungsband oder -blech zur Herstellung eines Batteriezellgehäuses entsprechend der ersten Lehre der Erfindung verwendet wird. Aufgrund der bereits ausgeführten vorteilhaften Eigenschaften des Aluminiumlegierungsbands oder -blechs kann damit ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Batteriezellgehäuse bereitgestellt werden.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendung ist das Batteriezellgehäuse ein Gehäuse einer Sekundärzelle, vorzugsweise einer Lithium- lonen-Sekundärzelle oder einer Natrium-lonen-Sekundärzelle. Nachdem Sekundärzellen, insbesondere Lithium-lonen-Sekundärzellen derzeit in den Bereichen Elektromobilität und Verbraucherelektronikverstärkt zum Einsatz kommen, können die vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäß verwendeten Aluminiumlegierungsbands oder -blechs insbesondere für diesen Typ einer Batteriezelle ausgenutzt werden. Dies gilt auch für Natrium-lonen-Sekundärzellen, welche derzeit noch vorwiegend Gegenstand der Forschung sind und zukünftig Lithium-lonen-Sekundärzellen in bestimmten Anwendungen aufgrund einer besseren Wirtschaftlichkeit und der guten Verfügbarkeit von Natrium ersetzen könnten. Die erfindungsgemäße Verwendung des Batteriezellgehäuses umfasst darüber hinaus insbesondere den Einsatz des Gehäuses für Festkörper-Sekundärzellen, die einen Festkörperelektrolyten aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendung weist das Batteriezellgehäuse eine zylindrische Bauform, eine prismatische Bauform oder eine Pouch-Bauform auf. Hiermit können die vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäß verwendeten Aluminiumlegierungsbands oder -blechs bei allen derzeit gängigen Bauformen eines Batteriezellgehäuses ausgenutzt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendung ist das Aluminiumlegierungsband oder -blech durch ein Verfahren hergestellt, welches die folgenden Schritte umfasst: - Gießen eines Walzbarrens aus einer Aluminiumlegierung, - Homogenisieren des Walzbarrens, - Warmwalzen des Walzbarrens zu einem warmgewalzten Band, - Kaltwalzen des warmgewalzten Bands.
Die genannten Verfahrensschritte werden vorzugsweise in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt, wobei das Homogenisieren des Walzbarrens separat geschehen oder in die Vorwärmung des Walzbarrens zum Warmwalzen integriert werden kann. Es wurde festgestellt, dass mit dem soeben beschriebenen Verfahren ein Aluminiumlegierungsband oder -blech hergestellt werden kann, mit welchem sich bei einer erfindungsgemäßen Verwendung die Anforderungen an ein Batteriezellgehäuse, insbesondere in Bezug auf Festigkeit, Elektrolytbeständigkeit sowie elektrische und thermische Leitfähigkeit, erfüllen und gleichzeitig hohe Recycling-Anteile realisieren lassen. Weiterhin erlaubt dieses Verfahren eine wirtschaftliche Herstellung des Aluminiumlegierungsbands oder -blechs.
Das Gießen des Walzbarrens aus einer Aluminiumlegierung erfolgt vorzugsweise im Direktkühlungs-Strangguss, auch Direct-Chill-Strangguss oder DC-Strangguss genannt, womit sich die Wirtschaftlichkeit des Herstellverfahrens weiter erhöhen lässt.
Durch das Homogenisieren des Walzbarrens wird eine Verbesserung der Gefügestruktur des Aluminiumlegierungsbands oder -blechs erreicht, was sich positiv auf Festigkeit und Umformbarkeit auswirkt. Vorzugsweise erfolgt das Homogenisieren bei einer Temperatur von 480 °C bis 620 °C, insbesondere 550 °C bis 610 °C für eine Dauer von mindestens 0,5 h, vorzugsweise mindestens 1 h, insbesondere mindestens 2 h.
Das Warmwalzen des Walzbarrens zu einem warmgewalzten Band erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 280 °C und 550 °C, wobei die Warmbandtemperatur nach dem letzten Warmwalzstich zwischen 280 °C und 380 °C, vorzugsweise zwischen 310 °C und 360 °C beträgt. Das Warmwalzen des Walzbarrens kann sowohl reversierend auf einem Walzgerüst oder sequenziell in einem Tandem- Gerüst erfolgen. Insbesondere kann das Warmwalzen bis zu einer Platinendicke zwischen 20 mm und 50 mm reversierend erfolgen und die Platine anschließend in einem Tandemgerüst an Warmbanddicke gewalzt werden. Die Warmbanddicke, d.h. die Dicke des warmgewalzten Bands, liegt in einer Ausführungsform des Verfahrens zwischen 1 mm und 15 mm, vorzugsweise zwischen 2 mm und 12 mm, insbesondere zwischen 2 mm und 9 mm. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass beim nachfolgenden Kaltwalzen ein ausreichend hoher Abwalzgrad eingestellt werden kann, durch den Festigkeit und Umformbarkeit sowie die kristallographische Textur und somit das Zipfelprofil des Aluminiumlegierungsbands oder -blechs mitbestimmt werden. Das Kaltwalzen des Aluminiumlegierungsbands oder -blechs kann in einem oder in mehreren Stichen erfolgen. In einer Ausführungsform des Verfahrens, bei der mehrere Kaltwalzstiche durchgeführt werden, erfolgt während des Kaltwalzens optional mindestens eine Zwischenglühung. In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die Zwischenglühung im Temperaturbereich zwischen 150 °C und 450 °C, vorzugsweise zwischen 200 °C und 400 °C, insbesondere zwischen 300°C und 400°C. Vorzugsweise wird die Zwischenglühung als eine Rekristallisationsglühung durchgeführt, durch die für den anschließenden Kaltwalzstich ein rekristallisiertes Gefüge bereitgestellt wird. Dieser Kaltwalzstich kann dann mit einem höheren Abwalzgrad durchgeführt werden, was sich festigkeitssteigernd auf das fertiggewalzte Aluminiumlegierungsband oder -blech auswirkt. Alternativ kann anstelle einer Rekristallisationsglühung jedoch auch eine Erholungsglühung durchgeführt werden, welche einen Abbau von Verfestigungen bewirkt.
In einer Ausführungsform des Verfahrens beträgt der Abwalzgrad beim Kaltwalzen an Enddicke mindestens 20 %, vorzugsweise mindestens 50 %, insbesondere mindestens 70 %. Wird das Verfahren mit Zwischenglühung während des Kaltwalzens durchgeführt, beträgt der Abwalzgrad im Kaltwalzen an Enddicke nach der letzten Zwischenglühung mindestens 20%, vorzugsweise mindestens 50%, insbesondere mindestens 70%. Durch die Abwalzgrade beim Kaltwalzen an Enddicke von mindestens 20 %, vorzugsweise mindestens 50 %, insbesondere mindestens 70 %, lässt sich die Festigkeit des hergestellten Aluminiumlegierungsbands oder -blechs erhöhen, sodass dieses sich in besonderem Maße für die erfindungsgemäße Verwendung eignet. Durch die hohen Abwalzgrade kommt es zwar zur Zipfelbildung in 45° Lage. Die Zipfelbildung kann jedoch kompensiert werden, indem die Warmwalzparameter so gewählt werden, dass ein rekristallisiertes Warmband hergestellt wird, welches dann eine Zipfelbildung in 0°/90° Lage aufweist und damit die Zipfelbildung in der 45° Lage kompensieren kann. Dadurch können die mittlere prozentuale Zipfelhöhe Z und die maximale prozentuale Zipfelhöhe Zmax begrenzt werden, was sich positiv auf die Produktivität im Tiefziehprozess auswirkt und die im Tiefziehprozess anfallende Schrottmenge reduziert. Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden, wobei auch auf die Zeichnung Bezug genommen wird. Die Zeichnung zeigt in
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle zylindrischer Bauform mit einem erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuse,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle prismatischer Bauform mit einem erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuse,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Batteriezelle in Pouch-Bauform mit einem erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuse, und
Fig. 4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Aluminiumlegierungsbands oder -blechs zur erfindungsgemäßen Verwendung.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Batteriezelle 10 zylindrischer Bauform. Die Batteriezelle 10 weist ein erfindungsgemäßes Batteriezellgehäuse 11 sowie daneben einen Anodenanschluss 12 und einen Kathodenanschluss 13 auf.
Fig. 2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Batteriezelle 20 prismatischer Bauform. Die Batteriezelle 20 weist ein erfindungsgemäßes Batteriezellgehäuse 21 sowie daneben einen Anodenanschluss 22 und einen Kathodenanschluss 23 auf.
Fig. 3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Batteriezelle 30 in Pouch- Bauform. Die Batteriezelle 30 weist ein erfindungsgemäßes Batteriezellgehäuse 31 sowie daneben einen Anodenanschluss 32 und einen Kathodenanschluss 33 auf. Fig. 4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 40 zur Herstellung eines Aluminiumlegierungsbands oder -blechs zur erfindungsgemäßen Verwendung. Das Verfahren 40 umfasst die folgenden Schritte:
Gießen 42 eines Walzbarrens aus einer Aluminiumlegierung,
Homogenisieren 44 des Walzbarrens,
Warmwalzen 46 des Walzbarrens zu einem warmgewalzten Band, Kaltwalzen 48 des warmgewalzten Bands.
Im Rahmen der Erfindung wurden insgesamt sieben Aluminiumlegierungsbänder, die nachfolgend als Band 1 bis 7 bezeichnet werden, aus unterschiedlichen Aluminiumlegierungen hergestellt. Die jeweiligen Legierungszusammensetzungen der Bänder 1 bis 7 sind in der nachfolgenden Tabelle 1 zusammengestellt. Die Gehalte der einzelnen Legierungselemente sind dabei in Gew.-% angegeben. Der Rest, d.h. die Differenz zu 100 Gew.-%, besteht jeweils aus Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen, einzeln maximal 0,05 Gew.-%, in Summe maximal 0,15 Gew.-%. Bei den Bändern 1, 2, 3 und 7 handelt es sich um erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele mit einer der Erfindung entsprechenden Legierungszusammensetzung, wobei letztere für Band 1 und Band 2 identisch ist. Hingegen sind die Bänder 4, 5 und 6 Vergleichsbeispiele, welche eine Aluminiumlegierung des Typs AA3003 aufweisen.
Tabelle 1
Die Aluminiumlegierungsbänder 1 bis 7 wurden mit dem in Fig. 4 gezeigten Verfahren hergestellt. Im Einzelnen wurden aus den jeweiligen Aluminiumlegierungen im DC- Strangguss Walzbarren gegossen. Dabei wurde für die Herstellung der Walzbarren der erfindungsgemäßen Bänder 1, 2, 3 und 7 ein Anteil von mindestens 70 Gew.-% Recycling-Material gewählt. Für die Vergleichsbeispiele 4, 5 und 6 wurde ein maximaler Recycling-Anteil von 30 Gew.-% erreicht. Die Walzbarren wurden nach dem Gießen homogenisiert und anschließend zu warmgewalzten Bändern warmgewalzt. Die warmgewalzten Bänder wurden dann jeweils auf eine Enddicke zwischen 0,5 mm und 1,0 mm kaltgewalzt. Die nachfolgende Tabelle 2 zeigt verschiedene Verfahrensparameter bei der Herstellung der Bänder 1 bis 7. Im Einzelnen sind dies die Warmbanddicke, d.h. die jeweilige Dicke des warmgewalzten Bands, die Parameter Temperatur, Dauer und Banddicke einer optionalen Zwischenglühung während des Kaltwalzens, sowie der Abwalzgrad beim Kaltwalzen an Enddicke.
Tabelle 2
Wie aus Tabelle 2 zu entnehmen ist, wurden die erfindungsgemäßen Bänder 1 bis 3 ohne Zwischenglühung hergestellt, während das erfindungsgemäße Band 7 sowie die Vergleichsbänder 4 bis 6 mit einer Zwischenglühung, hier insbesondere mit einer Rekristallisationsglühung, hergestellt wurden. Im Falle des Bands 2 wurde nach dem Kaltwalzen eine Abschlussglühung mit einer Temperatur von 250 °C und einer Haltezeit von 2 h durchgeführt.
Anschließend wurden die Aluminiumlegierungsbänder auf verschiedene, für Batteriezellgehäuse relevante Eigenschaften untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in der nachfolgenden Tabelle 3 zusammengestellt. Im Einzelnen zeigt Tabelle 3 den Werkstoffzustand, die Dicke d als Enddicke nach dem Kaltwalzen, die elektrische Leitfähigkeit σ, die Streckgrenze Rp0,2, die Zugfestigkeit Rm, das Wandstärkenverhältnis δ in Bezug auf Stahl, die mittlere prozentuale Zipfelhöhe Z, sowie die maximale prozentuale Zipfelhöhe Zmax der Bänder 1 bis 7. Streckgrenze Rp0,2 und Zugfestigkeit Rm wurden im Zugversuch nach DIN EN ISO 6892-1 ermittelt. Das Wandstärkenverhältnis δ in Bezug auf Stahl wurde ermittelt, indem die Streckgrenze Rp02,St von 350 MPa, welche einen typischen Wert für ein nickelplattiertes Stahlband des Typs AlS11020 darstellt, durch die Streckgrenze Rp02,AI des jeweiligen Aluminiumlegierungsbands 1 bis 7 dividiert wurde. Die mittlere prozentuale Zipfelhöhe Z und die maximale prozentuale Zipfelhöhe Zmax wurden in der Zipfelprüfung nach DIN EN 1669 unter Verwendung einer Ronde mit 60 mm Durchmesser, einem Stempeldurchmesser von 33 mm sowie des Schmiermittels Lanolin ermittelt.
Tabelle 3
Wie Tabelle 3 zeigt, lassen sich mit den erfindungsgemäßen Bändern 1, 2, 3 und 7 Streckgrenzen und Zugfestigkeiten erreichen, welche höher liegen als diejenigen der Vergleichsbänder 4, 5 und 6 aus der Aluminiumlegierung AA3003. Ein kaltverfestigter Zustand des Typs HIX, insbesondere der Zustand H18 oder H19, wirkt sich dabei weiter positiv auf die Festigkeit aus, wie der Vergleich zwischen den erfindungsgemäßen Bändern 1, 2, 3 und 7 zeigt. So liegen Streckgrenze und Zugfestigkeit des Bands 2, welches eine identische Legierungszusammensetzung aufweist wie Band 1 (siehe Tabelle 1), jedoch im kaltverfestigten und rückgeglühten Zustand H24 vorliegt, zwar oberhalb der Vergleichsbänder 3, 4 und 5, allerdings unterhalb des Bands 1, welches im ausschließlich kaltverfestigten Zustand H18 vorliegt.
Wie Tabelle 3 ferner zeigt, weisen die erfindungsgemäßen Bänder 1, 2, 3 und 7 eine Streckgrenze Rp0,2 von mindestens 180 MPa und eine Zugfestigkeit Rm von mindestens 190 MPa auf. Sie sind daher in besonderem Maße für die Verwendung zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses geeignet. Auch wenn die in Tabelle 3 gezeigten Werte der Streckgrenze und der Zugfestigkeit für die Bänder 1, 2, 3 und 7 vor einer Verarbeitung zu einem Batteriezellgehäuse gelten, kann davon ausgegangen werden, dass ein aus den Bändern 1, 2, 3 und 7 hergestelltes Batteriezellgehäuse im fertigen Zustand Werte aufweist, die mindestens genauso hoch sind. Dies ist dadurch begründet, dass die Verarbeitung, welche typischerweise durch Kaltumformung wie beispielsweise Tiefziehen erfolgt, in der Regel mit einer Festigkeitssteigerung einhergeht.
Neben der in Tabelle 3 enthaltenen Streckgrenze, die sich auf Raumtemperatur bezieht, wurden für das erfindungsgemäße Band 3 sowie das Vergleichsband 4 auch die Streckgrenze bei 100 °C sowie die Streckgrenze bei 200 °C gemäß DIN EN ISO 6892-2 bestimmt. Dabei erreichte das erfindungsgemäße Band 3 bei 100 °C einen Wert von 270 MPa und bei 200 °C einen Wert von 161 MPa. Das Vergleichsband 4 erreichte bei 100 °C einen Wert von 151 MPa und bei 200 °C einen Wert von 92 MPa. Nachdem sich eine Batteriezelle im Falle eines Defekts, einer Schadeinwirkung oder eines unsachgemäßen Gebrauchs auf eine Temperatur erwärmt, die zum Teil deutlich oberhalb der Raumtemperatur liegt, eignet sich das erfindungsgemäße Band 3 aufgrund seiner gegenüber dem Vergleichsband 4 deutlich höheren Warmfestigkeit in besonderem Maße für die Verwendung zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses. Auch wenn die soeben genannten Werte der Streckgrenze bei 100 °C und 200 °C für das Band 3 vor einer Verarbeitung zu einem
Batteriezellgehäuse gelten, kann erneut davon ausgegangen werden, dass ein aus dem Band 3 hergestelltes Batteriezellgehäuse im fertigen Zustand Werte aufweist, die mindestens genauso hoch sind.
Wie Tabelle 3 ferner zeigt, weisen die erfindungsgemäßen Bänder 1, 3 und 7 ein Wandstärkenverhältnis δ in Bezug auf Stahl von höchstens 1,6 auf. Im Falle einer erfindungsgemäßen Verwendung der genannten Bänder zur Herstellung eines Batteriezellgehäuses wirkt sich dieser Wert positiv auf die volumetrische sowie die gravimetrische Energiedichte der fertigen Batteriezelle aus, da hierdurch das von dem Aluminiumlegierungsband eingenommene Raumvolumen und das Gewicht der Batteriezelle bei gleicher mechanischer Stabilität minimiert werden. Die erfindungsgemäßen Bänder 1, 3 und 7 sind daher in besonderem Maße für die Verwendung zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses geeignet. Wie Tabelle 3 ferner zeigt, weisen die erfindungsgemäßen Bänder 1, 2 und 3 eine mittlere prozentuale Zipfelhöhe Z von höchstens 4 % sowie eine maximale prozentuale Zipfelhöhe Zmax von höchstens 6 % auf. Sie eignen sich aufgrund dessen gut zum Tiefziehen und damit zur Fertigung eines erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses mit minimaler Schrottgenerierung. Die Werte für Z und Zmax sind dabei vergleichbar beziehungsweise geringfügig besser als die der Vergleichsbänder 4, 5 und 6.
Wie Tabelle 3 ferner zeigt, weisen die erfindungsgemäßen Bänder 1, 2, 3 und 7 eine elektrische Leitfähigkeit σ von mindestens 35 % IACS auf. Gegenüber den bisher verwendeten Batteriezellgehäusen aus nickelplattiertem Stahl ist die elektrische Leitfähigkeit damit deutlich erhöht, sodass schnellere Ladezeiten, geringere elektrische Verluste und somit auch eine geringere Wärmeentwicklung beim Betrieb der Batteriezellen erreicht werden können. Zwar ist die elektrische Leitfähigkeit σ der erfindungsgemäßen Bänder 1, 2, 3 und 7 geringfügig schlechter als diejenige der Vergleichsbänder 4, 5 und 6, jedoch erfüllt sie die Anforderungen für Batteriezellgehäuse dennoch problemlos. Aufgrund des Wiedemann-Franz-Gesetzes, wonach ein direkter Zusammenhang zwischen elektrischer und thermischer Leitfähigkeit in Metallen besteht, gelten analoge Überlegungen auch für die thermische Leitfähigkeit. Eine verbesserte thermische Leitfähigkeit der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungsbänder im Vergleich zu nickelplattiertem Stahl ermöglicht hierbei eine wesentlich effizientere Kühlung der Batteriezellen insbesondere bei hohen C-Raten, die beim Schnellladen auftreten, sowie eine homogenere Temperaturverteilung über den Wickel, wodurch die Alterung der Batteriezelle begrenzt wird.
Wie Tabelle 3 ferner zeigt, weisen die erfindungsgemäßen Bänder 1, 2, 3 und 7 eine Dicke zwischen 0,1 mm und 2,0 mm auf. Hierdurch wird bei der Verwendung zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses ein guter Kompromiss zwischen mechanischer Stabilität und effizientem Materialeinsatz erreicht. Daneben wird auch die gravimetrische und volumetrische Energiedichte einer entsprechenden Batteriezelle beziehungsweise eines Batteriemoduls oder Batteriesystems nicht zu stark verringert.
Das Korrosionsverhalten des erfindungsgemäßen Bands 3 und des Vergleichsbands 4 wurden exemplarisch mittels zyklischer Polarisationsmessung gemäß DIN 50918:2018-09 unter Verwendung eines Lithiumhexafluorophosphat-Elektrolyten durchgeführt. Dabei wurde zunächst das Ruhepotential von beizentfetteten Bändern im Elektrolyten bestimmt und anschließend folgende Polarisationen durchgeführt:
1. Polarisation vom Ruhepotential mit 1 mV/s um 600 mV in kathodische Richtung,
2. Polarisation mit 1 mV/s aus dem kathodischen Bereich in anodische Richtung bis zu dem Potential, das einem Korrosionsstrom von 1 mA/cm2 entspricht,
3. Rückpolarisation mit 1 mV/s zurück in kathodische Richtung.
Die Auswertung der Messungen ergab die in der nachfolgenden Tabelle 4 gezeigten Kennwerte zur Charakterisierung des Korrosionsverhaltens. Im Einzelnen zeigt Tabelle 4 die kathodische Stromdichte, die Austauschstromdichte und den Polarisationswiderstand. Wie die Tabelle zeigt, weisen das erfindungsgemäße Band 3 und das Vergleichsband 4 praktisch gleiche kathodische Stromdichten, Austauschstromdichten und Polarisationswiderstände auf, sodass das erfindungsgemäße Band 3 die Anforderungen an die Elektrolytbeständigkeit in gleicher weise erfüllt wie das Referenzband 4, das eine für prismatische Batteriezellgehäuse des Stands der Technik typische Legierungs-Zustands- Kombination aufweist.
Tabelle 4 Da die Elektrolytbeständigkeit im Wesentlichen durch die chemische Zusammensetzung bestimmt wird, welche für die erfindungsgemäßen Bänder 1, 2, 3 und 7 einerseits sowie die Vergleichsbänder 4, 5 und 6 andererseits jeweils sehr ähnlich ist, ergibt sich aus den zyklischen Polarisationsmessungen nach DIN 50918:2018-09 insgesamt, dass die Elektrolytbeständigkeit für die erfindungsgemäßen Bänder 1, 2, 3 und 7 im Wesentlichen identisch mit denen der Vergleichsbänder 4, 5 und 6 aus der Aluminiumlegierung AA3003 ist. Damit erfüllen die erfindungsgemäßen Bänder gleichermaßen die Anforderungen an die Elektrolytbeständigkeit und sind daher für die Verwendung zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses geeignet.
Aufgrund der soeben im Einzelnen ausgeführten vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäßen Bänder 1, 2, 3 und 7, insbesondere der Bänder 1 und 3, eignen sich diese in besonderem Maße für die erfindungsgemäße Verwendung zur Herstellung eines Batteriezellgehäuses. Auf diese Weise können erfindungsgemäße Batteriezellgehäuse hergestellt werden, welche exemplarisch in den Figuren 1 bis 3 dargestellt sind.
Die in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Batteriezellen (10, 20, 30) können Sekundärzellen, insbesondere Lithium-lonen-Sekundärzellen oder Natrium-lonen- Sekundärzellen sein, sodass die erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuse (11, 21, 31) dementsprechend jeweils Gehäuse einer Sekundärzelle, insbesondere einer Lithium- lonen-Sekundärzelle oder einer Natrium-lonen-Sekundärzelle sind. Damit können die vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäß verwendeten Aluminiumlegierungsbänder insbesondere für diese Typen von Batteriezellen ausgenutzt werden.
Ferner können die in den Figuren 1 bis 3 gezeigten erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuse (11, 21, 31) insbesondere eine zylindrische Bauform, eine prismatische Bauform oder eine Pouch-Bauform aufweisen. Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Batteriezellgehäuse (11) in zylindrischer Bauform; Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Batteriezellgehäuse (21) in prismatischer Bauform, und Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Batteriezellgehäuse (31) in Pouch-Bauform. Somit können die vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäß verwendeten Aluminiumlegierungsbänder bei allen derzeit typischen Bauformen eines Batteriezellgehäuses ausgenutzt werden.
Ferner weisen die Aluminiumlegierungen, welche den in den Figuren 1 bis 3 gezeigten erfindungsgemäßen Batteriezellgehäusen (11, 21, 31) zugrunde liegen, vorzugsweise einen Anteil von mindestens 50 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 70 Gew.-% Recycling-Material auf. Vorzugsweise wird der Recycling-Anteil durch Verwendung von Post-Consumer-Schrotten erreicht. Durch die damit verbundene Energieeinsparung wird die Fertigung von Batteriezellgehäusen mit möglichst geringem CO2-Fußabdruck ermöglicht und die Nachhaltigkeit der Batteriezellgehäuse erhöht. Dies ist deshalb möglich, weil sich die erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuse (11, 21, 31) aufgrund ihrer Legierungszusammensetzung gut zur Realisierung hoher Recycling-Anteile eignen. Zusätzlich oder alternativ kann der Recycling-Anteil auch durch Verwendung von internen oder externen Prozessschrotten erreicht werden und ebenfalls eine Verringerung des CO2-Fußabdrucks gegenüber einer Primäraluminium basierten Fertigung erreicht werden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Batteriezellgehäuse (11, 21, 31) aufweisend ein Aluminiumlegierungsband oder -blech, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumlegierungsband oder -blech eine Aluminiumlegierung mit den folgenden Legierungsbestandteilen in Gew.-% aufweist:
0,1 % ≤ Si ≤ 0,5 %,
0,25 % ≤ Fe ≤ 0,8 %,
Cu ≤ 0,6 %,
0,6 % ≤ Mn ≤ 1,4 %,
0,5 % ≤ Mg ≤ 1,5 %,
Cr ≤ 0,25 %,
Zn ≤ 0,4 %,
Ti ≤ 0,2 %,
Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen, einzeln maximal 0,05 %, in Summe maximal 0,15 %.
2. Batteriezellgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumlegierungsband oder -blech eine Aluminiumlegierung mit den folgenden Legierungsbestandteilen in Gew.-% aufweist:
0,2 % ≤ Si ≤ 0,4 %, vorzugsweise 0,2 % ≤ Si ≤ 0,35 %,
0,3 % ≤ Fe ≤ 0,7 %, vorzugsweise 0,4 % ≤ Fe ≤ 0,7 %,
Cu ≤ 0,3 %, vorzugsweise 0,1 % ≤ Cu ≤ 0,2 %,
0,8 % ≤ Mn ≤ 1,1 %,
0,8 % ≤ Mg ≤ 1,5 %, vorzugsweise 0,8 % ≤ Mg ≤ 1,2 %, Cr ≤ 0,1 %, vorzugsweise Cr ≤ 0,05 %, 0,02 % ≤ Zn ≤ 0,25 %, vorzugsweise 0,04 % ≤ Zn ≤ 0,25 %,
0,005 % ≤ Ti ≤ 0,1 %, vorzugsweise 0,005 % ≤ Ti ≤ 0,05 %,
Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen, einzeln maximal 0,05 %, in Summe maximal 0,15 %.
3. Batteriezellgehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung einen Anteil von mindestens 50 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 70 Gew.-% Recycling-Material aufweist.
4. Batteriezellgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumlegierungsband oder -blech einen kaltverfestigten Zustand des Typs H1X, vorzugsweise den kaltverfestigten Zustand H18 oder H19 aufweist.
5. Batteriezellgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumlegierungsband oder -blech eine Dicke zwischen 0,1 mm und 2,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 1,5 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,35 mm und 1,2 mm aufweist.
6. Batteriezellgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumlegierungsband oder -blech eine elektrische Leitfähigkeit er von mindestens 35 % IACS aufweist.
7. Batteriezellgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumlegierungsband oder -blech, vorzugsweise vor seiner
Verarbeitung zu dem Batteriezellgehäuse, eine Streckgrenze Rp0,2 von mindestens 180 MPa, vorzugsweise mindestens 220 MPa, besonders bevorzugt mindestens
250 MPa aufweist.
8. Batteriezellgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumlegierungsband oder -blech eine Streckgrenze Rp0,2 von mindestens 200 MPa bei einer Temperatur von 100 °C und/oder eine Streckgrenze Rp0,2 von mindestens 150 MPa bei einer Temperatur von 200 °C aufweist.
9. Batteriezellgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumlegierungsband oder -blech vor seiner Verarbeitung zu dem Batteriezellgehäuse ein Wandstärkenverhältnis δ in Bezug auf Stahl von höchstens 1,6, vorzugsweise höchstens 1,4 aufweist.
10. Batteriezellgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumlegierungsband oder -blech vor seiner Verarbeitung zu dem Batteriezellgehäuse in der Zipfelprüfung nach DIN EN 1669 eine mittlere prozentuale Zipfelhöhe Z von höchstens 4 %, vorzugsweise höchstens 3 % und vorzugsweise eine maximale prozentuale Zipfelhöhe Zmax von höchstens 6 %, vorzugsweise höchstens 5,5 % aufweist.
11. Verwendung eines Aluminiumlegierungsbands oder -blechs zur Herstellung eines Batteriezellgehäuses nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
12. Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriezellgehäuse ein Gehäuse einer Sekundärzelle, vorzugsweise einer Lithium-Ionen-Sekundärzelle, einer Natrium-lonen-Sekundärzelle oder einer
Festkörper-Sekundärzelle ist.
13. Verwendung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriezellgehäuse eine zylindrische Bauform, eine prismatische Bauform oder eine Pouch-Bauform aufweist.
14. Verwendung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumlegierungsband oder -blech durch ein Verfahren (40) hergestellt ist, welches die folgenden Schritte umfasst:
Gießen (42) eines Walzbarrens aus einer Aluminiumlegierung,
Homogenisieren (44) des Walzbarrens,
Warmwalzen (46) des Walzbarrens zu einem warmgewalzten Band, Kaltwalzen (48) des warmgewalzten Bands.
15. Verwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des warmgewalzten Bands zwischen 1 mm und 15 mm, vorzugsweise zwischen 2 mm und 12 mm, besonders bevorzugt zwischen 2 mm und 9 mm liegt.
16. Verwendung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass während des Kaltwalzens mindestens eine Zwischenglühung erfolgt.
17. Verwendung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Abwalzgrad beim Kaltwalzen an Enddicke, vorzugsweise der Abwalzgrad nach der letzten Zwischenglühung mindestens 20 %, vorzugsweise mindestens 50 %, besonders bevorzugt mindestens 70 % beträgt.
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