EP4690354A1 - BATTERIEZELLGEHÄUSE AUS EINEM ALUMINIUMLEGIERUNGSBAND MIT VERBESSERTER SCHWEIßBARKEIT UND HOHEM RECYCLING-ANTEIL - Google Patents

BATTERIEZELLGEHÄUSE AUS EINEM ALUMINIUMLEGIERUNGSBAND MIT VERBESSERTER SCHWEIßBARKEIT UND HOHEM RECYCLING-ANTEIL

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Publication number
EP4690354A1
EP4690354A1 EP24718097.9A EP24718097A EP4690354A1 EP 4690354 A1 EP4690354 A1 EP 4690354A1 EP 24718097 A EP24718097 A EP 24718097A EP 4690354 A1 EP4690354 A1 EP 4690354A1
Authority
EP
European Patent Office
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battery cell
aluminum alloy
cell housing
sheet
strip
Prior art date
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Pending
Application number
EP24718097.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Christoph Lentz
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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Pending legal-status Critical Current

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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
    • 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
    • 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
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • 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
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    • 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
    • C22F1/043—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 silicon as the next major constituent
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    • 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 of an aluminum alloy strip with improved weldability and high recycling content
  • the invention relates to a battery cell housing comprising an aluminum alloy strip or sheet and to a use of an aluminum alloy strip or sheet for producing a battery cell housing.
  • Battery cells are used in a wide range of technical applications to supply electrical energy to an electrical consumer. Areas of application for battery cells include electromobility, particularly in electric cars, electric bicycles and electric scooters, in consumer electronics, particularly in laptop computers, tablet computers, mobile phones, digital cameras and video cameras, or in energy technology, particularly in battery storage systems, to name just a few. Often several battery cells are connected in series or in parallel to form a battery module or a battery system. However, there are also applications in which individual battery cells serve as an energy source.
  • Battery cells can be divided into primary cells, which can only be discharged once and cannot be recharged, and secondary cells, which are rechargeable. In both primary and secondary cells, the necessary electrochemical processes that enable the battery cell to function can be implemented using a variety of different materials.
  • primary cells in this context are alkaline manganese cells, zinc carbon cells, nickel oxyhydroxide cells or lithium iron sulphide cells, to name just a few.
  • secondary cells are lithium ion cells, sodium ion cells, nickel cadmium cells, nickel metal hydride cells or nickel zinc cells, to name just a few.
  • lithium-ion secondary cells have been increasingly used in the areas of electromobility and consumer electronics for several years, partly due to their comparatively high gravimetric and volumetric energy density.
  • 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.
  • Various designs of a battery cell housing can be distinguished: Battery cell housings with a cylindrical design essentially have the shape of a cylinder. If the height of the cylinder is greater than the diameter, they are called round cells, otherwise they are called button cells. Battery cell housings with a prismatic design essentially have the shape of a prism, in particular a cuboid. Another variant is the pouch design, in which the battery cell housing essentially has the shape of a pocket or bag.
  • cylindrical battery cell housings in particular have so far generally been made of nickel-plated steel.
  • growing cell formats for example the increasing substitution of round cells of type 18650 with round cells of type 21700 and the expected future substitution of round cells of type 21700 with round cells of type 4680 or other larger formats in the field of electromobility, place higher demands on electrical and thermal conductivity, since larger amounts of heat are generated which must be dissipated.
  • Potential aluminum materials must also meet the high requirements on the strength of the housing material.
  • Battery cell housings are already known, but are limited to the Aluminum alloy AA3003. An example of this is the US patent US 6,258,480 Bl.
  • the aluminum alloy AA3003 is standard, although the application in the area of prismatic cell housings is also limited to this alloy.
  • a battery housing with high strength which consists of a composite material with an outer plastic layer and an aluminum foil made of an aluminum alloy of the type AA8079, 1N30, AA8021, AA3003, AA3004, AA3104 or AA3105.
  • the identical aluminum alloys are known from the Korean patent application KR 2016005673 A, although 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 casings and suggests the use of aluminum alloys of type AA3003, AA3203, AA3004, AA3104, AA3005 or AA3105.
  • Aluminium scrap is divided into pre-consumer scrap and post-consumer scrap
  • Pre-consumer scrap is waste that is generated in a variety of possible processes during the manufacture of semi-finished or finished products made of aluminum or aluminum alloys.
  • Pre-consumer scrap can be further divided into internal process scrap on the one hand, which is unavoidably generated during the manufacturing process of the aluminum strips or sheets, such as sprues, offcuts, chips, production residues or production rejects, and external process scrap on the other hand, which is unavoidably generated during further processing to produce the final product, such as punched grids, chips or production rejects.
  • Post-consumer scrap is end products whose life cycle has been completed and which are generated as waste after use.
  • post-consumer scrap examples include food packaging, especially beverage cans, window frames, lithographic printing plate carriers, cable wires and automotive components.
  • the alloy composition of the AA3003 aluminum alloy used to date for battery cell housings is comparatively restrictive according to the international specification, for example with regard to the standard alloy 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 achieving high recycling rates with reduced energy consumption.
  • the state-of-the-art battery cell housings made from the AA3003 aluminum alloy must therefore be improved in terms of their sustainability.
  • Hot cracks are cracks in the welded material that can appear immediately after welding due to the shrinkage process of the cooling material when the stresses that occur during the shrinkage process can no longer be absorbed by the welded material. The result can be a significant loss of strength in the welded joint, which can lead to premature failure of the battery housing. In addition, gas tightness can no longer be adequately guaranteed if hot cracks form.
  • the present invention is based on the object of specifying a battery cell housing comprising an aluminum alloy strip or sheet which enables the realization of high recycling rates, meets the requirements of a battery cell housing, in particular with regard to strength, electrolyte resistance and electrical and thermal conductivity, and can additionally provide a sufficiently large process window for welding processes for producing battery cell housings free of welding defects.
  • the present invention is based on the object of specifying a corresponding use of an aluminum alloy strip or sheet for producing a battery cell housing.
  • the above-mentioned object is achieved for a battery cell housing comprising an aluminum alloy strip or sheet in that the aluminum alloy strip or sheet comprises an aluminum alloy with the following alloy constituents in wt.%: 0.1% ⁇ Si ⁇ 0.7%, 0.2% ⁇ Fe ⁇ 0.8%, Cu ⁇ 0.6%, 0.3% ⁇ Mn ⁇ 1.5%, 0.01% ⁇ Mg ⁇ 0.60%, preferably 0.05% ⁇ Mg ⁇ 0.55%, Cr ⁇ 0.25%, Zn ⁇ 0.5%, Ti ⁇ 0.2%,
  • Remainder Al and unavoidable impurities individually maximum 0.05%, in total maximum 0.15%.
  • the battery cell housing according to the invention is well suited to the realization of high recycling contents.
  • UBC used beverage can
  • the alloy composition of the aluminum alloy strip or sheet of the battery cell housing Since the aluminum alloy also only contains standard alloy elements, it is also easily recyclable, so that the battery cell housing according to the invention can be fed into existing scrap cycles without any problems.
  • the alloy composition means that the electrolyte resistance is not, or not significantly, worsened compared to the already known AA3003 alloy, so that battery cell housings can be produced economically and sustainably.
  • the silicon content of the aluminum alloy is in the range 0.1 wt.% ⁇ Si ⁇ 0.7 wt.% and thus allows particularly high recycling rates.
  • the silicon content of the aluminum alloy is in the range 0.2 wt.% ⁇ Si ⁇ 0.55 wt.%, preferably 0.35 wt.% ⁇ Si ⁇ 0.55 wt.%, particularly preferably 0.40 wt.% ⁇ Si ⁇ 0.50 wt.%
  • the silicon content of 0.1 wt.% ⁇ Si ⁇ 0.7 wt.% in combination with the iron and manganese contents according to the invention in the stated amounts leads in particular to relatively uniformly distributed, compact particles of the quaternary a-Al(e,Mn)Si phase.
  • These precipitated particles increase both the strength of the aluminum alloy and its electrical and thermal conductivity, as they remove iron and manganese from the solid solution, without, however, negatively affecting other properties such as corrosion behavior, i.e. electrolyte resistance, or formability.
  • Silicon contents of less than 0.1 wt.% lead to reduced precipitation of a-Al(Fe,Mn]Si phases, which can lead to impairment of the electrical and thermal conductivity due to dissolved manganese.
  • the absence of a-Al(Fe,Mn]Si phases has a negative effect on tool wear.
  • Silicon contents of more than 0.7 wt.% in combination with magnesium can lead to increased formation of Mg2Si phases, which negatively affects the solid solution strengthening of the magnesium.
  • the silicon content of the preferred embodiment of 0.2 wt.% ⁇ Si ⁇ 0.55 wt.%, preferably 0.35 wt.% ⁇ Si ⁇ 0.55 wt.% and 0.40 wt.% ⁇ Si ⁇ 0.50 wt.% represents an ideal compromise between high strength, high electrical and thermal conductivity while providing wide process windows for welding.
  • the iron content of the aluminum alloy is in the range 0.2 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 0.2 wt.% ⁇ Fe ⁇ 0.65 wt.%, preferably 0.25 wt.% ⁇ Fe ⁇ 0.55 wt.%.
  • the iron content of 0.2 wt.% ⁇ Fe ⁇ 0.8 wt.% in combination with the manganese content according to the invention in the specified amount leads to the formation of A16(Mn,Fe) phases and, as already stated above, in combination with the silicon and manganese contents according to the invention in the amounts specified, to precipitate the particles of the quaternary a-Al(e,Mn)Si phase.
  • Iron contributes to reducing the solubility of manganese in aluminum, whereby 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.
  • Iron contents of more than 0.8 wt.% promote the formation of coarse intermetallic phases, which can impair formability in the deep drawing process.
  • iron contents that are too low, of less than 0.2 wt.% restrict the tolerance of the aluminum alloy for iron-containing scrap too much, since common scrap grades generally have a significant iron content. Therefore, limiting the iron content too much can hinder the realization of high recycling rates.
  • the iron content corridor of the embodiment mentioned of 0.2 wt.% ⁇ Fe ⁇ 0.65 wt.%, preferably 0.25 wt.% ⁇ Fe ⁇ 0.55 wt.% therefore represents an ideal combination of recyclability, use of high recycled material content, thermal stability, electrical and thermal conductivity and formability.
  • the copper content of the aluminum alloy is in the range Cu ⁇ 0.6 wt.%.
  • the copper content of the aluminum alloy is in the range Cu ⁇ 0.3 wt.%, preferably 0.1 wt.% ⁇ Cu ⁇ 0.2 wt.%, particularly preferably 0.10 wt.% ⁇ Cu ⁇ 0.20 wt.%.
  • the copper content is limited to a maximum of 0.6 wt.% in order to achieve a sufficiently high electrolyte resistance.
  • the copper content in the embodiment mentioned is limited to 0.3 wt.%.
  • the presence of copper also increases the strength of the aluminum alloy through solid solution strengthening, which only becomes apparent at a content of 0.1 wt.%.
  • a preferred range of 0.1 wt.% ⁇ Cu ⁇ 0.2 wt.% or 0.10 wt.% ⁇ Cu ⁇ 0.20 wt.% therefore represents a compromise between high strength, sufficiently high electrical and thermal conductivity and further improved electrolyte resistance while at the same time providing sufficient recycling tolerance.
  • the manganese content of the aluminum alloy is in the range 0.3 wt.% ⁇ Mn ⁇ 1.5 wt.%. In one embodiment of the battery cell housing according to the invention, the manganese content of the aluminum alloy is in the range 0.3 wt.% ⁇ Mn ⁇ 1.4 wt.%.
  • the intermetallic phases hinder recovery and recrystallization processes and thus improve the thermal stability of the mechanical properties.
  • Manganese contents of less than 0.3 wt.% result in only a very slight increase in strength through dispersoid and solid solution hardening, so that at least 0.3 wt.% manganese is required.
  • manganese contents of at least 0.4 wt.% significant increases in strength are achieved through dispersoid and solid solution hardening, which are even greater from at least 0.6 wt.% manganese.
  • manganese contents of more than 1.5 wt.% With manganese contents of more than 1.5 wt.%, the formation of coarse intermetallic phases, which have an adverse effect on the forming properties in the deep drawing process.
  • manganese contents of more than 1.5 wt.% reduce the electrical and thermal conductivity of the battery cell housing so much that thermal management becomes inefficient.
  • the Mn content is therefore preferably a maximum of 1.5 wt.%, preferably a maximum of 1.3 wt.%, particularly preferably maximum 1.1 wt.%.
  • the Mn/Si ratio is preferably more than 0.8, since from this ratio onwards the formation of a-Al(Te,Mn)Si phase is favored.
  • the magnesium content of the aluminum alloy is in the range 0.01 wt.% ⁇ Mg ⁇ 0.60 wt.%. In one embodiment of the battery cell housing according to the invention, the magnesium content of the aluminum alloy is in the range 0.05 wt.% ⁇ Mg ⁇ 0.55 wt.%, preferably 0.10 wt.% ⁇ Mg ⁇ 0.45 wt.%.
  • the presence of magnesium at a content of at least 0.01 wt.%, preferably at least 0.05 wt.%, particularly preferably more than 0.05 wt.% or more preferably at least 0.10 wt.% leads to solid solution strengthening, which contributes to increased work hardening and thus can provide higher strength.
  • the magnesium content is limited to preferred ranges of 0.05 wt.% ⁇ Mg ⁇ 0.55 wt.%, preferably 0.05 wt.% ⁇ Mg ⁇ 0.50 wt.% or particularly preferably 0.10 wt.% ⁇ Mg ⁇ 0.45 wt.% and a compromise is achieved between high strength, good forming behavior and high electrical and thermal conductivity while at the same time having good recycling tolerance and weldability.
  • the chromium content of the aluminum alloy is in the range Cr ⁇ 0.25 wt.%.
  • the chromium content of the aluminum alloy is in the range Cr ⁇ 0.1 wt.%, preferably Cr ⁇ 0.05 wt.%. Because a chromium content of up to 0.25 wt. % is permitted, an increased tolerance of the aluminum alloy for chromium-containing aluminum alloy scrap is achieved, which favors the realization of high recycling rates in the manufacture of battery cell housings.
  • chromium also increases strength and forms dispersoids that increase thermal stability and prevent softening due to recrystallization or recovery.
  • the chromium content is limited according to the invention to a maximum of 0.25 wt.%.
  • the chromium content in the embodiment mentioned is limited to 0.1 wt.%, preferably 0.05 wt.%.
  • the zinc content of the aluminum alloy is in the range Zn ⁇ 0.5 wt.%.
  • the zinc content of the aluminum alloy is in the range 0.02 wt.% ⁇ Zn ⁇ 0.30 wt.%, preferably 0.04 wt.% ⁇ Zn ⁇ 0.25 wt.%.
  • the zinc content is limited according to the invention to a maximum of 0.5 wt.%.
  • the zinc content is set within the corridor 0.02 wt.% ⁇ Zn ⁇ 0.30 wt.%, preferably 0.04 wt.% ⁇ Zn ⁇ 0.25 wt.%, thereby achieving an optimal compromise between high strength, good weldability and good electrolyte resistance while still maintaining good recycling tolerance.
  • the titanium content of the aluminum alloy is in the range Ti ⁇ 0.2 wt.%.
  • the titanium content of the aluminum alloy is in the range 0.005 wt.% ⁇ Ti ⁇ 0.1 wt.%, preferably 0.005 wt.% ⁇ Ti ⁇ 0.05 wt.%.
  • titanium improves grain refinement when casting the aluminum alloy from a content of 0.005 wt.%.
  • the titanium content in the embodiment mentioned is therefore set within the corridor 0.005 wt.% ⁇ Ti ⁇ 0.1 wt.%, preferably 0.005 wt.% ⁇ Ti ⁇ 0.05 wt.%.
  • the aluminum alloy of the battery cell housing according to the invention contains aluminum and unavoidable impurities as the remainder.
  • Unavoidable impurities are alloy components that are not intentionally added to the alloy, but are inevitably contained in the aluminum alloy due to the manufacturing process.
  • the content of a single unavoidable impurity is limited to 0.05% by weight, and the content of all unavoidable impurities in total 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 due to undesirable phase formation.
  • the aluminum alloy has a proportion of at least 50 wt.%, preferably at least 70 wt.%, particularly preferably at least 85 wt.% recycled material. Due to the high recycling tolerance of the Aluminum alloy enables the realization of these high recycling contents for the battery cell housing according to the invention without negatively affecting the process parameters for preferred manufacturing processes, such as the welding process. The associated energy savings enable the production of battery cell housings with the lowest possible Ct footprint and achieve improved sustainability.
  • the recycled material of the battery cell housing preferably has a proportion of at least 50 wt. %, preferably at least 70 wt. %, particularly preferably at least 85 wt. % post-consumer scrap.
  • the recycled material has at least 50 wt. %, preferably at least 70 wt. %, particularly preferably at least 85 wt. % pre-consumer scrap, or internal and/or external process scrap.
  • internal process scrap the compositions and quantities of the individual alloys are generally very well known, so that the alloy composition resulting from melting down internal process scrap can be easily determined.
  • External process scrap is less well defined in its composition than internal process scrap and may require further processing steps, but is generated on a large scale, for example in the production of stamped parts, so that recycling is highly relevant economically and in terms of sustainability.
  • the aluminum alloy strip or sheet has a cold-worked state of type HIX or a reannealed state of type H2x.
  • these are the states H12, H14, H16, H18 and H19.
  • the aluminum alloy strip or sheet preferably has the cold-worked state H18 or H19.
  • the states mentioned, in particular H18 and H19 are characterized by particularly high mechanical stability, so that high strengths can be provided for the battery cell housing in particular.
  • Reannealed states of type H2x have improved forming potential and are often very thermally stable and are therefore also very suitable for battery cell housings.
  • the wall thicknesses typical for a battery cell housing can be completely covered. Reducing the thickness to less than 0.1 mm reduces the mechanical stability of the battery cell housing too much. In contrast, with a thickness of more than 2.0 mm, efficient use of materials is no longer possible. In addition, the gravimetric and volumetric energy density of the battery cell or battery module or battery system would be reduced too much if the aluminum alloy strip or sheet of the battery cell housing had a thickness of more than 2.0 mm.
  • the thickness of the aluminum alloy strip or sheet is preferably between 0.25 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 40% 1ACS.
  • the electrical conductivity is thus significantly increased, so that faster charging times, lower electrical losses and thus also less heat generation during operation of the battery cells are achieved.
  • 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 of at least 40% 1ACS therefore leads to an overall improved performance of the battery cells.
  • the AA3003 alloy which represents the standard for prismatic battery cell housings and usually has a conductivity between 39.5% 1ACS and 50% 1ACS, this electrical conductivity according to the invention is comparable, so that no significant changes or even impairments in the thermal or electrical properties of the prismatic battery cell are to be expected through the use of materials according to the invention with a high recycling content.
  • the aluminum alloy strip or sheet has a yield strength R P o,2 of at least 125 MPa, preferably at least 150 MPa, in particular at least 180 MPa.
  • R P o,2 of at least 125 MPa, preferably at least 150 MPa, in particular at least 180 MPa.
  • the aluminum alloy strip or sheet preferably has the stated values for the yield strength before it is processed into the battery cell housing, for example in the H14, H18 or H24 state. Since the processing of the aluminium alloy strip or sheet, which is typically carried out by cold forming such as deep drawing, is usually accompanied by an increase in strength, it can be assumed that the specified minimum values for the yield strength also apply to the battery cell housings according to the invention in the finished state. Even with alternative manufacturing processes for prismatic battery cell housings that are based on local cold forming, such as roll forming, it can be expected that the strength will remain the same or be improved compared to the AA3003 alloys used to date.
  • the aluminum alloy strip or sheet has a wall thickness ratio 8 in relation to steel of at most 2.8, preferably at most 1.95, before it is processed into the battery cell housing.
  • the wall thickness ratio 8 in relation to steel is determined by dividing the yield strength R P o,2,st of a nickel-plated steel strip of type A1S11020 by the yield strength R P O,2,AI of the aluminum alloy strip, with a typical value of 350 MPa being used for R P o,2,st.
  • the wall thickness ratio 8 the scenario of an internal pressure load that is relevant in practice for battery cell housings is considered.
  • the battery cell housing is assumed to be a closed and thin-walled cylinder.
  • the calculation of the wall thickness ratio 8 in relation to steel is carried out using the boiler formula known from elastostatics with c : stress component in circumferential direction, p: internal pressure, Rj inner radius, s: wall thickness
  • Tresca V Using the equivalent stress according to Tresca V, Tresca and taking into account a design against a load limited by the onset of flow with V, Tresca — ⁇ p0,2 [3]
  • the wall thickness ratio 8 in relation to steel is a measure of the increase in the wall thickness of the battery cell housing when replacing steel with aluminum and can be used in particular to compare different aluminum alloy strips or sheets with each other.
  • the 8 value according to the invention of at most 2.8, preferably at most 1.95, also has a positive effect on the gravimetric energy density of the battery cells, since in conjunction with the low density of aluminum compared to steel, the gravimetric energy density can in some cases be significantly increased.
  • the yield strength values R P o2 according to the invention are above, preferably significantly above, the yield strength values R P o2 of the standard material for prismatic cell casings AA3003 H14, so that the usual wall thicknesses can be maintained or reduced.
  • the preferred higher-strength version In particular, it enables reduced wall thicknesses, which enables an increase in the gravimetric and volumetric energy density of prismatic batteries.
  • the above-mentioned object for the use of an aluminum alloy strip or sheet for producing a battery cell housing is achieved by using the aluminum alloy strip or sheet for producing a battery cell housing in accordance with the first teaching of the invention. Due to the advantageous properties of the aluminum alloy strip or sheet already described, a battery cell housing that is improved compared to 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 increasingly used 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 exploited in particular for this type of battery cell. This also applies to sodium ion secondary cells, which are currently still mainly the subject of research or are finding their first industrial application and could replace lithium ion secondary cells in certain applications in the future due to better economic efficiency 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. This allows the advantageous properties of the 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 a rolling ingot of an aluminium alloy homogenising the rolling ingot, hot rolling the rolling ingot to a hot-rolled strip, cold rolling the hot-rolled strip with optional intermediate annealing and optional temper annealing of the cold-rolled strip, preferably re-annealing of the cold-rolled strip.
  • the process steps mentioned are preferably carried out in the order given, whereby the homogenization of the rolling ingot can be carried out separately or integrated into the preheating of the rolling ingot for hot rolling. It has been found that the process 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 with very good weldability, and at the same time allows high recycling rates to be achieved. Furthermore, this process allows the aluminum alloy strip or sheet to be produced economically.
  • the rolling ingot from an aluminum alloy is preferably cast using direct cooling continuous casting, also called direct chill continuous casting or DC continuous casting, which further increases the economic efficiency of the manufacturing process.
  • the homogenization is carried out 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 hot rolling of the rolling ingot to form a hot-rolled strip preferably takes place at a temperature between 280 °C and 550 °C, with 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 hot rolling of the rolling ingot can take place either reversibly on a rolling stand or sequentially in a tandem stand.
  • the hot rolling can take place reversibly up to a blank thickness of between 20 mm and 50 mm and the blank can then be rolled to hot strip thickness in a tandem stand.
  • the hot strip thickness i.e.
  • the thickness of the hot-rolled strip is in one embodiment of the process between 1 mm and 15 mm, preferably between 2 mm and 12 mm, in particular between 2 mm and 9 mm. This ensures that a sufficiently high degree of rolling can be achieved during the subsequent cold rolling, which determines the strength and formability as well as the crystallographic texture and thus the ear profile of the aluminum alloy strip or sheet.
  • the cold rolling of the aluminum alloy strip or sheet can be carried out in one or more passes.
  • at least one intermediate annealing is optionally carried out during the 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 annealing is carried out as a recrystallization annealing, through which a recrystallized structure is provided for the subsequent cold rolling pass.
  • This cold rolling pass can then be carried out with a higher degree of rolling, which has a strength-increasing effect on the finished rolled Aluminium alloy strip or sheet.
  • recovery annealing can be carried out, which causes the hardening to be reduced. All temperatures mentioned which characterise annealing processes always refer to peak metal temperatures (PMTJ), ie the highest temperatures of the metal in the annealing furnace.
  • the degree of rolling during cold rolling to 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 during cold rolling to final thickness after the last intermediate annealing is at least 20%, preferably at least 50%, in particular at least 70%.
  • the degree of rolling during cold rolling to final thickness of at least 20%, preferably at least 50%, in particular at least 70% can increase the strength of the aluminum alloy strip or sheet produced, making it particularly suitable for the use according to the invention.
  • Optional annealing allows an aluminum alloy strip to be provided that is adapted to the manufacturing process of the battery housing, in particular to forming processes, and that simultaneously has maximum values for electrical and thus thermal conductivity. This is achieved through precipitation processes of dissolved alloy components during annealing.
  • Battery cell housings are preferably made from aluminum alloy strips in rolled-hard Hix or annealed H2x conditions. However, soft-annealed variants are at least conceivable if the requirements for the strength of the battery cell housing are very low in combination with a high-strength material.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a battery cell of cylindrical design with a battery cell housing according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic representation of a battery cell of prismatic design with a battery cell housing according to the invention
  • Fig. 3 is 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 process for producing an aluminum alloy strip or sheet for use in accordance with the invention.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of an embodiment of a battery cell 10 of cylindrical design.
  • the battery cell 10 has a battery cell housing 11 according to the invention and, in addition, an anode connection 12 and a cathode connection 13.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of an embodiment of a battery cell 20 with a prismatic design.
  • the battery cell 20 has a battery cell housing 21 according to the invention and, in addition, an anode connection 22 and a cathode connection 23.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of an embodiment of a battery cell 30 in pouch design.
  • the battery cell 30 has a battery cell housing 31 according to the invention and, in addition, an anode connection 32 and a cathode connection 33.
  • Fig. 4 shows a flow chart of an embodiment of a method 40 for producing an aluminum alloy strip or sheet for use according to the invention. The method 40 comprises the following steps:
  • Casting (42) a rolling ingot made of an aluminum alloy, homogenizing (44) the rolling ingot, hot rolling (46) the rolling ingot to a hot-rolled strip, cold rolling (48) the hot-rolled strip with optional intermediate annealing and optional final annealing (both not shown).
  • the strips are in the conditions H12, H14, H16, H18 or H19, depending on the cold rolling degree of the hot strip thickness or the intermediate annealing thickness.
  • cold rolling can optionally be followed by a heat treatment of the strip (not shown) in the form of a temper annealing, preferably in the form of a re-annealing.
  • the values for the yield strength R P o,2 are hardly reduced.
  • the possible degrees of deformation and conductivities are, however, improved in the H24 condition, for example. This is shown in the following exemplary embodiments. It is also conceivable, however, to produce the aluminum strips using manufacturing processes that include continuous casting of the aluminum strip. In this case, steps 42, 44 and 46 are omitted and the cast strip produced is cold rolled.
  • a total of 10 different aluminum alloy strips were manufactured, with the chemical composition of aluminum alloys 2 to 9 containing recycled content of more than 50%.
  • the respective alloy compositions of strips 1 to 10 are given in Table 1 below.
  • the contents of the individual alloying elements are all given in weight percent.
  • the remainder, ie the difference to 100 weight percent, consists of aluminum and unavoidable impurities, individually a maximum of 0.05 weight percent, in total a maximum of 0.15 weight percent.
  • Strips 2 to 8 represent aluminum alloy strips according to the invention, which allow very high recycling content.
  • strips 2, 3 and 4 were produced with 77%, 74% and 86% recycling content, whereby the recycling content includes both internal scrap, so-called pre-consumer scrap, and external scrap.
  • Aluminum alloy strip 9 was produced with 90% recycling content, but has too high a magnesium content.
  • comparative example 10 which has a magnesium-free composition, requires a primary aluminum-based production of the aluminum alloy without any recycling content.
  • the aluminum alloy strips 1 to 10 were produced using the process shown in Fig. 4.
  • the different tempering states are given in Table 2.
  • rolling ingots were cast from the respective aluminum alloys using the DC continuous casting process.
  • a proportion of at least 70% by weight of recycled material was selected for the production of the rolling ingots of the inventive strips 2 to 8.
  • Comparative example 10 was cast from primary aluminum based on ingots and master alloys.
  • Table 1 The rolling ingots were homogenized after casting and then hot rolled into strips. The hot rolled strips were then cold rolled to a final thickness of between 0.47 mm and 1.5 mm.
  • the strips 2, 3, 4, 6 and 8 according to the invention and the comparative example 10 are in the hard-rolled states H14 and H18 after cold rolling.
  • the intermediate annealing was carried out by coil annealing at 320 °C PMT.
  • the embodiment example 1 was soft annealed to state O after cold rolling.
  • a coil annealing was also carried out. The holding time of the coil annealing after the heating phase was at least 3 hours for all coil annealings at the specified PMT.
  • the embodiments 5 and 7 as well as the comparative example 9 were brought to the H24 state by re-annealing.
  • laboratory annealing sheet sections were annealed for 3 hours with a PMT of 240°C in a laboratory furnace, for example.
  • the aluminum alloy strips 6, 7 and 8 were produced from an identical alloy with different final thicknesses and tempering states, here H18 and H24. As expected, the tempering states determine the values for the yield strength R P o,2 almost independently of the final thickness.
  • Table 2 shows various process parameters in the production of strips 1 to 10.
  • these are the hot strip thickness, i.e. the respective thickness of the hot-rolled strip, the temperature of the intermediate and final annealing as PMT, the cold rolling degree starting from the hot strip if no intermediate annealing was planned or starting from the thickness of the aluminum strip after the intermediate annealing to the final thickness of the aluminum strip.
  • Table 2 also shows the proportion of recycled metal. This proportion results from the mass of the sum of the internal scrap used, i.e. scrap from the production of aluminum strips or sheets and the external scrap used, which consists of post-consumer and further processing scrap, in relation to the mass of the primary metal that was used in the production of the respective embodiment.
  • strip no. 1 (comparative example) was produced without intermediate annealing and brought to the 0 state by a final soft annealing.
  • the inventive strips 2 to 4 and the comparative example strip no. 10 were produced with intermediate annealing of the respective coils in a corresponding coil furnace.
  • Strips 5 to 9 were rolled to final thickness without intermediate annealing like strip no. 1, with strips 5, 7 and 9 being brought to the semi-hard state H24 by a final annealing, while strips 6 and 8 were not annealed and were examined in the rolled-hard state H18.
  • the specified annealing temperatures (PMT) of the metal were maintained for at least 3 hours during all coil annealings.
  • the aluminum alloy strips were then tested for various properties relevant to battery cell housings. The results of these tests are summarized in Table 3. The focus was on the yield strength R P o.2, the electrical conductivity in %1ACS and the weldability.
  • Comparative example 10 enables an even larger process window (++) due to the strictly limited chemical composition.
  • the use of scrap, in particular external scrap, preferably external post-consumer scrap is very limited compared to the strips according to the invention.
  • Comparative example 9 with a significantly higher Mg content showed a narrower process window in the welding tests due to an increased tendency to hot cracking and a higher tendency to pore formation with a negative influence on the tightness, which brings with it the risk of a higher scrap rate.
  • the values for the yield strength R P o,2 were determined in the tensile test according to DIN EN ISO 6892-1 and showed values of at least 183 MPa in the embodiments according to the invention.
  • the wall thickness ratio 8 in relation to steel was determined by dividing the yield strength R P o,2,st of 350 MPa, which represents a typical value for a nickel-plated steel strip of type AISI1020, by the yield strength R P O,2,AI of the respective aluminum alloy strip.
  • the electrical conductivities in %1ACS of the exemplary embodiments according to the invention are consistently between about 5.5% and a maximum of about 25% higher than in comparative example 9, which also has a high recycling content, so that the thermal management of the battery cell housings made of aluminum alloy strips according to the invention should be significantly improved compared to this comparative example.
  • the electrical conductivities of the strips according to the invention are also comparable to the standard material for prismatic battery cell housings AA3003 H 14, which is represented by comparative example 10. 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 the thermal conductivity.
  • An improved thermal conductivity of the aluminum alloy strips according to the invention compared to nickel-plated steel enables significantly more efficient cooling of the battery cells, especially at high C rates that occur during rapid charging. At the same time, a more homogeneous temperature distribution is expected due to the improved thermal conductivity across the winding, which improves the aging properties of the battery cell.
  • the strips according to the invention have a thickness between 0.1 mm and 2.0 mm. This achieves a good compromise between mechanical stability and efficient use of materials when used to produce a battery cell housing according to the invention.
  • the battery cells (10, 20, 30) shown in Figs. 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 each housing 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 exploited 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
  • Fig. 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 aluminum alloys on which the battery cell housings (11, 21, 31) according to the invention shown in Figures 1 to 3 are based preferably have a proportion of at least 50% by weight, preferably at least 70% by weight or particularly preferably at least 85% recycled material.
  • the recycled content is preferably achieved by using post-consumer scrap.
  • the associated energy savings make the production of battery cell housings with the lowest possible Ct footprint and increases the sustainability of the battery cell housing.
  • the high recyclability of the battery cell housing (11, 21, 31) according to the invention is in turn due to its alloy composition, which allows high recycling proportions, preferably from post-consumer scrap. Additionally or alternatively, the recycling proportion can also be achieved by using internal or external process scrap and a reduction in the Ct footprint can also be achieved compared to primary aluminum-based production.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriezellgehäuse aufweisend ein Aluminiumlegierungsband oder -blech sowie eine Verwendung eines Aluminiumlegierungsbands oder -blechs zur Herstellung eines Batteriezellgehäuses. Die Aufgabe, ein Batteriezellgehäuse aufweisend ein Aluminiumlegierungsband oder -blech anzugeben, welches die Realisierung hoher Recycling-Raten ermöglicht, den Anforderungen an ein Batteriezellgehäuse, insbesondere in Bezug auf Festigkeit, Elektrolytbeständigkeit sowie elektrische und thermische Leitfähigkeit genügt und zusätzlich ein ausreichend großes Prozessfenster für Schweißverfahren zur Herstellung Schweißfehler freier Batteriezellgehäuse bereitstellen kann, wird mit einem Batteriezellgehäuse gemäß Patentanspruch (1) sowie durch eine Verwendung eines Aluminiumlegierungsbands oder -blechs zur Herstellung eines Batteriezellgehäuses nach Patentanspruch (8) gelöst.

Description

Batteriezellgehäuse aus einem Aluminiumlegierungsband mit verbesserter Schweißbarkeit und 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 4680 oder durch anderweitige größere Formate 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 Bl 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 Al 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 Patentanmeldung 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 aber mit dem Problem des Einsatzes von Recyclingmaterial unter Berücksichtigung der weiteren Anforderungen an die Festigkeit, Elektrolytbeständigkeit, elektrische und thermische Leitfähigkeit des Batteriezellgehäuses und der Schweißbarkeit der eingesetzten Werkstoffe.
Die in den letzten Jahren stark gestiegenen Nachhaltigkeitsanforderungen verlangen eine Fertigung von Batteriezellgehäusen mit einem möglichst geringen Ressourceneinsatz sowie CCU-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 unter verringertem Energieeinsatz entgegen. Die aus der Aluminiumlegierung AA3003 hergestellten Batteriezellgehäuse des Stands der Technik sind deshalb in Bezug auf deren Nachhaltigkeit zu verbessern.
Gleichzeitig hat sich das Schweißen als eine sehr wichtige Fügetechnik zur Herstellung von Batteriezellgehäusen herauskristallisiert, da es wirtschaftlich einsetzbar ist und Schweißverbindungen hohe Dichtigkeits- und Festigkeitsanforderungen genügen können. Dabei ist insbesondere das Laserschweißen von Bedeutung, das im Allgemeinen ohne den Einsatz von Schweißzusatzwerkstoffen angewendet wird.
Allerdings treten beim Schweißen von Metallen und insbesondere Aluminiumlegierungen Probleme auf, die in Bezug auf die Herstellung von Batteriezellgehäuse kritisch zu bewerten sind. Die Heißrissneigung und die Ausbildung von Schweißporen, die die Dichtigkeit des Batteriezellgehäuses beeinträchtigen, stellen Fehler im Schweißverfahren dar, die zur Unbrauchbarkeit der Batteriezellgehäuse, d.h. zu Ausschuss bei der Herstellung von Batteriezellgehäuse führen können.
Heißrisse sind Risse im geschweißten Material, die sich unmittelbar nach dem Schweißen durch den Schrumpfungsprozess des erkaltenden Materials einstellen können, wenn die im Schrumpfungsprozess auftretenden Spannungen nicht mehr vom geschweißten Material aufgenommen werden können. Die Folge kann ein erheblicher Festigkeitsverlust der Schweißverbindung sein, der zu einem vorzeitigen Versagen der Batteriegehäuse führen kann. Darüber hinaus kann die Gasdichtigkeit bei Heißrissbildung nicht mehr hinreichend gewährleistet sein.
Die Ausbildung von Schweißporen verschlechtert dagegen vor allem die Dichtigkeit der Schweißverbindungen der Batteriezellgehäuse in Bezug auf das Austreten von Gasen. Beide Probleme können zwar durch das gezielte Verwenden von Prozessparametern vermieden werden. Wird das mögliche Prozessfenster zu klein, kann sich der Ausschussanteil aber erhöhen, da gewisse Parameterschwankungen im Schweißprozess stets vorhanden sind. Da das Dichtschweißen des Zellgehäusekörpers und des Deckels im Allgemeinen in einer späten Phase des Herstellungsprozesses erfolgt, in der bereits ein signifikanter Teil der Wertschöpfung durch Einsatz teurer Chemikalien und Prozesse erfolgt ist, können erhöhte Ausschussraten üblicherweise nicht toleriert werden. 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, den Anforderungen an ein Batteriezellgehäuse, insbesondere in Bezug auf Festigkeit, Elektrolytbeständigkeit sowie elektrische und thermische Leitfähigkeit genügt und zusätzlich ein ausreichend großes Prozessfenster für Schweißverfahren zur Herstellung Schweißfehler freier Batteriezellgehäuse bereitstellen kann. Daneben liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, 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 < 0,7 %, 0,2 % < Fe < 0,8 %, Cu < 0,6 %, 0,3 % < Mn < 1,5 %, 0,01 % < Mg < 0,60 %, bevorzugt 0,05 % < Mg < 0,55 %, Cr < 0,25 %, Zn < 0,5 %, Ti < 0,2 %,
Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen, einzeln maximal 0,05 %, in Summe maximal 0,15 %.
Es hat sich gezeigt, dass hohe Recyclinganteile zu erhöhten Si-Gehalten in der Aluminiumlegierung führen können. In Kombination mit hohen Mg-Gehalten steigt dann aber die Heißrissneigung der Aluminiumlegierung beim Schweißen deutlich an. Das Prozessfenster bei der Verwendung von Schweißverfahren zur Herstellung von Batteriezellgehäusen wird hierdurch signifikant kleiner, so dass Heißrisse nach dem Schweißen auftreten können. Das gleiche gilt auch für das Auftreten von Schweißporen, deren Bildung mit zunehmendem Mg-Gehalt auf Grund des geringen Dampfdrucks von Mg begünstigt wird. Das erfindungsgemäße Batteriezellgehäuse aufweisend ein Aluminiumlegierungsband oder -blech mit der oben genannten Zusammensetzung erlaubt jedoch die Verwendung sehr hoher Recyclinganteile bei der Herstellung der Aluminiumlegierungsbänder. Gleichzeitig werden gegenüber einer bekannten AA3003 Legierungszusammensetzung höhere Festigkeiten, insbesondere höhere Streckgrenzen RPo,2 bereitgestellt, wodurch geringere Wandstärken des Batteriezellgehäuses im Vergleich zu der bekannten AA3003 Legierung realisierbar sind. Aufgrund der Kombination der erfindungsgemäßen Si-, Fe-, Cu- und Mg-Gehalte eignet sich das erfindungsgemäße Batteriezellgehäuse gut zur Realisierung hoher Recycling-Anteile. Dies gilt insbesondere für die Nutzung von Aluminium-Verpackungsschrotten und 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. Gleichzeitig wird ein breites Prozessfenster für Schweißverfahren bereitgestellt, da die Neigung zur Heißrissbildung und zur Ausbildung von Schweißporen durch die Legierungszusammensetzung verringert wird.
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. Zusätzlich ergibt sich durch die Legierungszusammensetzung, dass die Elektrolytbeständigkeit gegenüber der bereits bekannten Legierung AA3003 nicht, beziehungsweise nicht nennenswert, verschlechtert ist, so dass wirtschaftlich und nachhaltig herstellbare Batteriezellgehäuse bereitgestellt werden können. Der Silizium-Gehalt der Aluminiumlegierung liegt erfindungsgemäß im Bereich 0,1 Gew.-% < Si < 0,7 Gew.-% und erlaubt damit besonders hohe Recyclingquoten. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses liegt der Silizium-Gehalt der Aluminiumlegierung im Bereich 0,2 Gew.-% < Si < 0,55 Gew.-%, vorzugsweise 0,35 Gew.-% < Si < 0,55 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,40 Gew.-% < Si < 0,50 Gew.-%. Der Silizium-Gehalt von 0,1 Gew.-% < Si < 0,7 Gew.-% führt in Kombination mit den erfindungsgemäßen Eisen- und Mangan-Gehalten in den angegebenen Mengen insbesondere zu relativ gleichförmig verteilten, kompakten Partikeln der quaternären a-Al( e,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 a- 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 a-Al(Fe,Mn]Si-Phasen negativ auf den Werkzeugverschleiß aus. Silizium- Gehalte von mehr als 0,7 Gew.-% können in Verbindung mit Magnesium verstärkt zur Bildung von Mg2Si-Phasen führen, was die Mischkristallverfestigung des Magnesiums negativ beeinflusst. Der Silizium-Gehalt der bevorzugten Ausführungsform von 0,2 Gew.-% < Si < 0,55 Gew.-%, vorzugsweise 0,35 Gew.-% < Si < 0,55 Gew.-% sowie 0,40 Gew.-% < Si < 0,50 Gew.-% stellt einen idealen Kompromiss zwischen hoher Festigkeit, hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit bei der Bereitstellung breiter Prozessfenster für das Schweißen dar.
Der Eisen-Gehalt der Aluminiumlegierung liegt erfindungsgemäß im Bereich 0,2 Gew.- % < Fe < 0,8 Gew.-%. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses liegt der Eisen-Gehalt der Aluminiumlegierung im Bereich 0,2 Gew.-% < Fe < 0,65 Gew.-%, vorzugsweise 0,25 Gew.-% < Fe < 0,55 Gew.-%. Der Eisen- Gehalt von 0,2 Gew.-% < Fe < 0,8 Gew.-% führt in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Mangan-Gehalt in der angegebenen Menge zur Ausbildung von A16(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 a-Al( e,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 0,2 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 0,2 Gew.-% < Fe < 0,65 Gew.-%, vorzugsweise 0,25 Gew.-% < Fe < 0,55 Gew.-%, stellt demnach eine ideale Kombination aus Recyclingfähigkeit, Verwendung hoher 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.-%, besonders bevorzugt 0,10 Gew.-% < Cu < 0,20 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.- % oder 0,10 Gew.-% < Cu < 0,20 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 0,3 Gew.-% < Mn < 1,5 Gew.-%. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses liegt der Mangan-Gehalt der Aluminiumlegierung im Bereich 0,3 Gew.-% < Mn < 1,4 Gew.-%. Der Mangan-Gehalt von 0,4 Gew.-% < Mn < 1,3 Gew.-%, oder 0,6 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 a-Al(Fe,Mn]Si-Phase sowie der A16(Mn,Fe]-Phase. Die intermetallischen Phasen behindern Erholungs- und Rekristallisationsvorgänge und verbessern somit die thermische Stabilität der mechanischen Eigenschaften. Mangan-Gehalte von weniger als 0,3 Gew.-% ergeben nur eine sehr geringe Festigkeitssteigerung durch Dispersoid- und Mischkristallhärtung, so dass mindestens 0,3 Gew.-% Mangan vorgesehen sind. Ab Mangan-Gehalten von mindestens 0,4 Gew.-% werden signifikante Festigkeitssteigerung durch Dispersoid- und Mischkristallhärtung erreicht, die ab mindestens 0,6 Gew.-% Mangan noch stärker ausfallen. Bei Mangan-Gehalten von mehr als 1,5 Gew.-% wird die Bildung von groben intermetallischen Phasen begünstigt, die sich ungünstig auf die Umformeigenschaften im Tiefziehprozess auswirken. Darüber hinaus reduzieren Mangan-Gehalte von mehr als 1,5 Gew.-% die elektrische und thermische Leitfähigkeit des Batteriezellgehäuses so stark, so dass das Thermomanagement ineffizient wird. Der Mn-Gehalt beträgt daher vorzugsweise maximal 1,5 Gew.-% vorzugsweise maximal 1,3 Gew.-%, besonders bevorzugt maximal 1,1 Gew.-%. Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt das Mn/Si- Verhältnis bevorzugt mehr als 0,8, da ab diesem Verhältnis die Bildung von a- Al(Te,Mn)Si-Phase begünstigt wird.
Der Magnesium-Gehalt der Aluminiumlegierung liegt erfindungsgemäß im Bereich 0,01 Gew.-% < Mg < 0,60 Gew.-%. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses liegt der Magnesium-Gehalt der Aluminiumlegierung im Bereich 0,05 Gew.-% < Mg < 0,55 Gew.-%, vorzugsweise 0,10 Gew.-% < Mg < 0,45 Gew.-%. Dadurch, dass ein Magnesium-Gehalt von bis zu 0,60 Gew.-% zugelassen wird, wird eine Toleranz der Aluminiumlegierung für magnesiumhaltige Aluminiumlegierungsschrotte wie beispielsweise Verpackungs- und UBC-Schrotte erreicht, was die Realisierung hoher Recyclinganteile bei der Herstellung der Batteriezellgehäuse begünstigt. Gleichzeitig erlaubt die Begrenzung des Mg-Gehalts auf 0,60 Gew.-% das Zulassen höherer Si-Gehalte ohne, dass die Aluminiumlegierung zur Heißrissbildung und zur Schweißporenbildung neigt. Daneben führt das Vorhandensein von Magnesium ab einem Gehalt von mindestens 0,01 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 0,05 Gew.-%, besonders bevorzugt mehr als 0,05 Gew.-% oder weiter bevorzugt mindestens 0,10 Gew.-% zu einer Mischkristallverfestigung, die zu einer erhöhten Kaltverfestigung beiträgt und somit eine höhere Festigkeit bereitgestellt werden kann. Zur Erzielung verbesserter mechanischer Eigenschaften bei gleichzeitiger Bereitstellung optimaler Prozessfenster für Schweißverfahren wird der Magnesium-Gehalt auf bevorzugte Bereiche von 0,05 Gew.-% < Mg < 0,55 Gew.-%, vorzugsweise 0,05 Gew.-% < Mg < Gew.-0,50 % oder besonders bevorzugt auf 0,10 Gew.-% < Mg < 0,45 Gew.-% begrenzt und ein Kompromiss zwischen hoher Festigkeit, gutem Umformverhalten sowie hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit bei gleichzeitig guter Recycling-Toleranz und Schweißbarkeit erreicht.
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 < 0,5 Gew.-%. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses liegt der Zink-Gehalt der Aluminiumlegierung im Bereich 0,02 Gew.-% < Zn < 0,30 Gew.-%, vorzugsweise 0,04 Gew.-% < Zn < 0,25 Gew.-%. Dadurch, dass ein Zink-Gehalt von bis zu 0,5 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 0,5 Gew.-% begrenzt. In der genannten Ausführungsform wird der Zink-Gehalt innerhalb des Korridors 0,02 Gew.-% < Zn < 0,30 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.-%, besonders bevorzugt mindestens 85 Gew.-% Recycling- Material auf. Aufgrund der oben beschriebenen hohen Recycling-Toleranz der Aluminiumlegierung wird die Realisierung dieser hohen Recyclinganteile für das erfindungsgemäße Batteriezellgehäuse ermöglicht, ohne die Prozessparameter für bevorzugte Herstellverfahren, wie das Schweißverfahren, negativ zu beeinflussen. Durch die damit verbundene Energieeinsparung wird die Fertigung von Batteriezellgehäusen mit möglichst geringem Ct -Fußabdruck ermöglicht und eine verbesserte Nachhaltigkeit erzielt. Vorzugsweise weist das Recycling-Material des Batteriezellgehäuses einen Anteil von mindestens 50 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 70 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 85 Gew.-% Post-Consumer- Schrotten auf. Da Post-Consumer-Schrotte erst am Ende des Produktlebenszyklus anfallen, gelten diese als besonders nachhaltig und tragen zur Verringerung des CO2- Fußabdrucks bei. Kumulativ oder alternativ weist das Recycling-Material mindestens 50 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 70 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 85 Gew.-% Pre-Consumer-Schrotte, oder interne und/oder externe Prozessschrotte auf. 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 Aufbereitungsschritte, fallen aber zum Beispiel in der Produktion von Stanzteilen in großem Maße an, so dass die Wiederverwertung wirtschaftlich 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-CCh-Bilanz reduziert. Auch wenn die später beschriebenen Ausführungsbeispiele einen Recyclinganteil von maximal 85 % aufweisen, sind mit der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungszusammensetzung auch Recyclinganteile von mindestens 90 % realisierbar.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses weist das Aluminiumlegierungsband oder -blech einen kaltverfestigten Zustand des Typs HIX oder einen rückgeglühten Zustand des Typs H2x 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. Rückgeglühte Zustände vom Typ H2x weisen verbesserte Umformpotentiale auf und sind thermisch häufig sehr stabil und damit für Batteriezellgehäuse ebenfalls sehr gut geeignet.
Weist das Aluminiumlegierungsband oder -blech gemäß einer weiteren Ausführungsform des Batteriezellgehäuses eine Dicke zwischen 0,1 mm und 2,0 mm auf, können die für ein Batteriezellgehäuse typischen Wandstärken vollständig abgedeckt werden. 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 0,25 mm und 1,5 mm, insbesondere zwischen 0,35 mm und 1,2 mm.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses weist das Aluminiumlegierungsband oder -blech eine elektrische Leitfähigkeit er von mindestens 40 % 1ACS auf. Gegenüber den bisher für zylindrische Zellen 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, was unter anderem die Schnellladefähigkeit der Batterie verbessert. 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 40 % 1ACS führt damit insgesamt zu einer verbesserten Leistungsfähigkeit der Batteriezellen. Gegenüber der Legierung AA3003, die den Standard für prismatische Batteriezellgehäuse darstellt und üblicherweise eine Leitfähigkeit zwischen 39,5 % 1ACS und 50 % 1ACS aufweist, ist diese erfindungsgemäße elektrische Leitfähigkeit vergleichbar, so dass keine signifikanten Veränderungen oder gar Beeinträchtigungen der thermischen oder elektrischen Eigenschaften der prismatischen Batteriezelle durch Einsatz erfindungsgemäßer Werkstoffe mit hohem Recycling-Anteil zu erwarten sind.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das Aluminiumlegierungsband oder -blech eine Streckgrenze RPo,2 von mindestens 125 MPa, vorzugsweise mindestens 150 MPa, insbesondere mindestens 180 MPa, auf. Hierdurch können hohe Festigkeiten für das Batteriezellgehäuse bereitgestellt werden, die die Mindestfestigkeit des Standards für prismatische Batteriedosen AA3003 H14 erreichen und vorzugsweise deutlich übertreffen, so dass die Wandstärken des Zellgehäuses zumindest beibehalten, bevorzugt aber reduziert werden können. Für zylindrische Batteriezellgehäuse mit Stahl als Referenzwerkstoff erlauben die oben genannten höheren Streckgrenzwerte, dass die notwendig werdende Vergrößerung der Wandstärke moderat ausfällt und die Gesamtkapazität der Batteriezelle durch verringertes Innenvolumen nur wenig beeinträchtigt wird. Vorzugsweise weist das Aluminiumlegierungsband oder -blech die genannten Werte für die Streckgrenze vor seiner Verarbeitung zu dem Batteriezellgehäuse, beispielsweise im Zustand H14, H18 oder H24 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. Auch bei alternativen Fertigungsverfahren für prismatische Batteriezellgehäuse, die auf einer lokalen Kaltumformung beruhen, wie zum Beispiel dem Rollformen, ist mit gleichbleibender oder verbesserter Festigkeit gegenüber den bisher verwendeten AA3003 Legierungen zu rechnen.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriezellgehäuses weist das Aluminiumlegierungsband oder -blech vor seiner Verarbeitung zu dem Batteriezellgehäuse ein Wandstärkenverhältnis 8 in Bezug auf Stahl von höchstens 2,8 vorzugsweise höchstens 1,95 auf. Das Wandstärkenverhältnis 8 in Bezug auf Stahl wird ermittelt, indem die Streckgrenze RPo,2,st eines nickelplattierten Stahlbands des Typs A1S11020 durch die Streckgrenze RPO,2,AI des Aluminiumlegierungsbands dividiert wird, wobei für RPo,2,st ein typischer Wert von 350 MPa angesetzt wird. Zur Herleitung des Wandstärkenverhältnisses 8 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 8 in Bezug auf Stahl unter Verwendung der aus der Elastostatik bekannten Kesselformel mit c : Spannungskomponente in Umfangsrichtung, p: Innendruck, Rj Innenradius, s: Wandstärke
Unter Verwendung der Vergleichsspannung nach Tresca V, Tresca und unter Berücksichtigung einer Auslegung gegen eine durch den Fließbeginn limitierten Belastung mit V, Tresca — ^p0,2 [3]
Folgt unter Annahme eines gleichen maximalen Innendrucks bei gleichen Innenradien Rt der Zellen: so dass sich das Wandstärkenverhältnis 8 aus dem genannten Streckgrenzenverhältnis berechnen lässt:
Das Wandstärkenverhältnis 8 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 8-Wert von höchstens 2,8, vorzugsweise höchstens 1,95 wirkt sich weiterhin positiv auf die gravimetrische Energiedichte der Batteriezellen aus, da in Verbindung mit der geringen Dichte von Aluminium im Vergleich zu Stahl die gravimetrische Energiedichte zum Teil deutlich erhöht werden kann.
Die erfindungsgemäßen Werte der Streckgrenzen RPo2 liegen oberhalb, vorzugsweise deutlich oberhalb der Werte für die Streckgrenze RPo2 des Standardwerkstoffs für prismatische Zellgehäuse AA3003 H14, so dass die gängigen Wandstärken beibehalten oder reduziert werden können. Die bevorzugte höherfeste Ausführung ermöglicht insbesondere reduzierte Wandstärken, die eine Erhöhung der gravimetrischen und der volumetrischen Energiedichte von prismatischen Batterien ermöglicht.
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 bzw. erste industrielle Anwendung finden 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 mit optionaler Zwischenglühung und optionale Zustandsglühung des kaltgewalzten Bandes, vorzugsweise Rückglühung des kaltgewalzten Bandes.
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 bei sehr guter Schweißbarkeit, 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. Bei allen genannten Temperaturangaben, welche Glühprozesse kennzeichnen, sind immer Peak-Metal- Temperaturen (PMTJ gemeint, d.h. die höchsten Temperaturen des Metalls im Glühofen.
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.
Eine optionale Zustandsglühung erlaubt eine an den Herstellprozess des Batteriegehäuses, insbesondere an Umformprozesse angepasstes Aluminiumlegierungsband bereitzustellen, dass gleichzeitig maximale Werte für die elektrische und damit thermische Leitfähigkeit aufweist. Dies erfolgt durch Ausscheidungsprozesse von gelösten Legierungsbestandteilen während der Zustandsglühung. Bevorzugt werden zwar Batteriezellgehäuse hergestellt aus Aluminiumlegierungsbändern in walzharten Zuständen Hix oder zustandsgeglühten Zuständen H2x. Weichgeglühte Varianten sind bei sehr geringen Anforderungen an die Festigkeit des Batteriezellgehäuses in Kombination mit einem hochfesten Werkstoff aber zumindest denkbar.
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 ein Ausführungsbeispiel einer 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 ein Ausführungsbeispiel einer 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 ein Ausführungsbeispiel einer 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 Ausführungsbeispiels 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 mit optionaler Zwischenglühung und optionaler Abschlussglühung (beide nicht dargestellt).
Nach dem Kaltwalzen liegen die Bänder in Abhängigkeit des Kaltwalzgrades von Warmbanddicke bzw. von Zwischenglühdicke in den Zuständen H12, H14, H16, H18 oder H19 vor. Allerdings kann dem Kaltwalzen optional eine (nicht dargestellte) Wärmebehandlung des Bands in Form einer Zustandsglühung, vorzugsweise in Form einer Rückglühung folgen. Nach einer Rückglühung sind die Werte für die Streckgrenze RPo,2 kaum verringert. Die möglichen Umformgrade und Leitfähigkeiten sind aber beispielsweise im Zustand H24 verbessert. Dies zeigen die folgenden Ausführungsbeispiele. Denkbar ist aber auch die Herstellung der Aluminiumbänder über Herstellverfahren, die ein kontinuierliches Gießen des Aluminiumbands umfassen. In diesem Fall entfallen die Schritte 42, 44 und 46 und es wird das hergestellte Gießband kaltgewalzt.
Es wurden insgesamt 10 unterschiedliche Aluminiumlegierungsbänder gefertigt, wobei die chemische Zusammensetzung der Aluminiumlegierungen 2 bis 9 Recyclinganteile von mehr als 50 % aufweisen. Die jeweiligen Legierungszusammensetzungen der Bänder 1 bis 10 sind in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben. Die Gehalte der einzelnen Legierungselemente sind alle 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.-%. Die Bänder 2 bis 8 stellen erfindungsgemäße Aluminiumlegierungsbänder dar, welche sehr hohe Recyclinganteile zulassen. Exemplarisch wurden die Bänder 2, 3 und 4 mit 77%, 74% und 86% Recycling-Anteil hergestellt, wobei der Recycling-Anteil sowohl interne Schrotte, sogenannte Pre-Consumer-Schrotte, als auch externe Schrotte beinhaltet. Aluminiumlegierungsband 9 wurde mit 90% Recyclinganteil hergestellt, weist aber zu hohe Magnesiumgehalte auf. Dagegen erfordert das Vergleichsbeispiel 10, welches eine Magnesium freie Zusammensetzung aufweist, eine Primäraluminium basierte Herstellung der Aluminiumlegierung ohne Recyclinganteil.
Die Aluminiumlegierungsbänder 1 bis 10 wurden mit dem in Fig. 4 gezeigten Verfahren hergestellt. Die unterschiedlichen Temperzustände sind in Tabelle 2 angegeben. Im Einzelnen wurden aus den jeweiligen Aluminiumlegierungen im DC- Stranggussverfahren Walzbarren gegossen. Dabei wurde für die Herstellung der Walzbarren der erfindungsgemäßen Bänder 2 bis 8 ein Anteil von mindestens 70 Gew.-% Recycling-Material gewählt. Das Vergleichsbeispiel 10 wurde aus Primäraluminium auf Basis von Masseln und Vorlegierungen gegossen.
Tabelle 1 Die Walzbarren wurden nach dem Gießen homogenisiert und anschließend zu Bändern warmgewalzt. Die warmgewalzten Bänder wurden dann jeweils auf eine Enddicke zwischen 0,47 mm und 1,5 mm kaltgewalzt. Die erfindungsgemäßen Bänder 2, 3, 4, 6 und 8 sowie das Vergleichsbeispiel 10 liegen in den walzharten Zuständen H14 und H18 nach dem Kaltwalzen vor. Die Zwischenglühungen wurden durch Coilglühungen bei 320 °C PMT durchgeführt. Das Ausführungsbeispiel 1 wurde nach dem Kaltwalzen in den Zustand O weichgeglüht. Dabei wurde ebenfalls eine Coilglühung durchgeführt. Die Haltezeit der Coilglühungen nach der Aufheizphase betrug bei allen Coilglühungen mindestens 3 h bei der angegebenen PMT.
Die Ausführungsbeispiele 5 und 7 sowie das Vergleichsbeispiel 9 wurden durch eine Rückglühung in den Zustand H24 gebracht. Bei Laborglühungen wurden Blechabschnitte beispielsweise mit einer PMT von 240°C in einem Laborofen für 3h geglüht. Schließlich wurden die Aluminiumlegierungsbänder 6, 7 und 8 aus einer identischen Legierung mit unterschiedlichen Enddicken und Temperzuständen, hier H18 und H24, hergestellt. Erwartungsgemäß bestimmen die Temperzustände nahezu unabhängig von der Enddicke die Werte für die Streckgrenze RPo,2.
Die nachfolgende Tabelle 2 zeigt verschiedene Verfahrensparameter bei der Herstellung der Bänder 1 bis 10. Im Einzelnen sind dies die Warmbanddicke, d.h. die jeweilige Dicke des warmgewalzten Bands, die Temperatur der Zwischen- und Abschlussglühungen als PMT, der Kaltwalzgrad ausgehend vom Warmband sofern keine Zwischenglühungvorgesehen war oder ausgehend von der Dicke des Aluminiumbands nach der Zwischenglühung bis zur Enddicke des Aluminiumbands. Ferner ist in Tabelle 2 der Anteil an Recyclingmetall angegeben. Dieser Anteil ergibt sich aus der Masse der Summe der eingesetzten internen Schrotte, also Schrotte aus der Herstellung von Aluminiumbändern oder -blechen und der eingesetzten externen Schrotte, welche aus Post-Consumer- und Weiterverarbeitungsschrotten bestehen, im Verhältnis zur Masse des Primärmetalls, das in der Herstellung des jeweiligen Ausführungsbeispiels verwendet wurde. e 2
Wie aus Tabelle 2 zu entnehmen ist, wurde das Band Nr. 1 (Vergleichsbeispiel) ohne Zwischenglühung hergestellt und durch eine abschließende Weichglühung in den Zustand 0 gebracht. Die erfindungsgemäßen Bänder 2 bis 4 sowie das Vergleichsbeispiel Band Nr. 10 wurden mit Zwischenglühungen der jeweiligen Coils in einem entsprechenden Coilofen hergestellt. Die Bänder 5 bis 9 wurden wie Band Nr. 1 ohne Zwischenglühung an Enddicke gewalzt, wobei die Bänder 5, 7 und 9 durch eine Abschlussglühung in den halbharten Zustand H24 gebracht wurden, während die Bänder 6 und 8 nicht geglüht und im walzharten Zustand H18 untersucht wurden. Wie bereits ausgeführt, wurden bei allen Coilglühungen für mindestens 3h die angegebenen Glühtemperaturen (PMT) des Metalls gehalten.
Anschließend wurden die Aluminiumlegierungsbänder auf verschiedene, für Batteriezellgehäuse relevante Eigenschaften untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in der Tabelle 3 zusammengestellt. Im Vordergrund standen die Streckgrenze RPo.2, die elektrische Leitfähigkeit in %1ACS sowie die Schweißbarkeit.
Alle erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungsbänder zeigten bei der Schweißbarkeit hinreichend große (+) Prozessfenster, die das zuverlässige Dichtschweißen von Batteriezellgehäusen ermöglichen. Das Vergleichsbeispiel 10 ermöglicht aufgrund der streng eingegrenzten chemischen Zusammensetzung ein noch größeres Prozessfenster (++). Aufgrund der stark eingeschränkten chemischen Zusammensetzung ist jedoch der Einsatz von Schrotten insbesondere von externen Schrotten, vorzugsweise externen Post-Consumer-Schrotten gegenüber den erfindungsgemäßen Bändern sehr stark eingeschränkt. Das Vergleichsbeispiel 9 mit deutlich höherem Mg-Gehalt zeigte ein schmaleres Prozessfenster bei den Schweißtests aufgrund einer erhöhten Heißrissneigung sowie einer höheren Neigung zur Porenbildung mit negativem Einfluss auf die Dichtigkeit, was die Gefahr einer höheren Ausschussrate mit sich bringt. Die Werte für die Streckgrenze RPo,2 wurden im Zugversuch nach DIN EN ISO 6892-1 ermittelt und zeigten bei den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen Werte von mindestens 183 MPa. Das Wandstärkenverhältnis 8 in Bezug auf Stahl wurde ermittelt, indem die Streckgrenze RPo,2,st von 350 MPa, welche einen typischen Wert für ein nickelplattiertes Stahlband des Typs AISI1020 darstellt, durch die Streckgrenze RPO,2,AI des jeweiligen Aluminiumlegierungsbands dividiert wurde.
Tabelle 3
Die erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele mit kaltverfestigtem Zustand HIX, insbesondere im Zustand H18 erlauben die Nutzung von Wandstärkenverhältnissen, die im Bereich von 1,24 bis 1,32 liegen. Es kann somit eine hohe gravimetrische Energiedichte der Batteriezellen erwartet werden. Etwas verringerte gravimetrische Energiedichten können aufgrund der geringeren Streckgrenze RPo,2 mit rückgeglühten
Varianten im Zustand H24 erwartet werden. Allerdings ergeben diese wiederum signifikante Vorteile in der elektrischen Leitfähigkeit und damit auch in der Wärmeleitfähigkeit von fast 3 %. Für die Anwendung in prismatischen Batteriezellen, deren Batteriezellgehäuse üblicherweise aus der Legierung AA3003 im Zustand H14 hergestellt werden, reichen bereits Streckgrenzen RPo2 mehr als 125MPa aus, um die Wandstärke gängiger Zellformate beispielsweise bei Streckgrenzen beizubehalten oder auch reduzieren zu können.
Durchweg liegen die elektrischen Leitfähigkeiten in %1ACS der erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele zwischen etwa 5,5 % und im Maximum etwa 25 % höher als bei dem Vergleichsbeispiel 9 mit ebenfalls hohem Recyclinganteil, so dass das Wärmemanagement der Batteriezellgehäuse aus erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungsbändern gegenüber diesem Vergleichsbeispiel deutlich verbessert sein dürfte.
Mit elektrischen Leitfähigkeiten er von mindestens 44% 1ACS und mehr ist die elektrische Leitfähigkeit gegenüber den bisher verwendeten Batteriezellgehäusen von Rundzellen aus nickelplattiertem Stahl deutlich erhöht, sodass schnellere Ladezeiten, geringere elektrische Verluste und somit auch eine geringere Wärmeentwicklung beim Betrieb der Batteriezellen erreicht werden können.
Die elektrischen Leitfähigkeiten der erfindungsgemäßen Bänder sind darüber hinaus vergleichbar zum Standardwerkstoff für prismatische Batteriezellgehäuse AA3003 H 14, der durch Vergleichsbeispiel 10 repräsentiert wird. 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. Gleichzeitig wird eine homogenere Temperaturverteilung aufgrund der verbesserten Wärmeleitfähigkeit über den Wickel erwartet, wodurch die Alterungseigenschaften der Batteriezelle verbessert werden. Wie Tabelle 3 ferner zeigt, weisen die erfindungsgemäßen Bänder 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.
Die in den Fig. 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 Fig. 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.-% oder besonders bevorzugt mindestens 85 % 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 Ct -Fußabdruck ermöglicht und die Nachhaltigkeit der Batteriezellgehäuse erhöht. Die hohe Recyclingfähigkeit wiederum verdankt das erfindungsgemäße Batteriezellgehäuse (11, 21, 31) ihrer Legierungszusammensetzung, welche hohe Recycling-Anteile, vorzugsweise von Post- Consumer-Schrotten zulässt. Zusätzlich oder alternativ kann der Recycling-Anteil auch durch Verwendung von internen oder externen Prozessschrotten erreicht werden und ebenfalls eine Verringerung des Ct -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 < 0,7 %, 0,2 % < Fe < 0,8 %, Cu < 0,6 %,
0,3 % < Mn < 1,5 %,
0,01 % < Mg < 0,60 %, bevorzugt 0,05 % < Mg < 0,55 %, Cr < 0,25 %, Zn < 0,5 %, 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 < 0,55 %, vorzugsweise 0,35 % < Si < 0,55 %, 0,2 % < Fe < 0,65 %, vorzugsweise 0,25 % < Fe < 0,55 %, Cu < 0,3 %, vorzugsweise 0,1 % < Cu < 0,2 %, 0,3 % < Mn < 1,3 %, vorzugsweise 0,4 % < Mn < 1,1 % 0,05 % < Mg < 0,50 %, vorzugsweise 0,10 % < Mg < 0,45 %, Cr < 0,1 %, vorzugsweise Cr < 0,05 %, 0,02 % < Zn < 0,30 %, 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.-%, besonders bevorzugt mindestens 85 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 HIX, vorzugsweise den kaltverfestigten Zustand H18 oder H19 oder einen rückgeglühten Zustand H2x, vorzugsweise H24 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 0,25 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 40 % 1ACS 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 RPo,2 von mindestens 125 MPa, vorzugsweise mindestens 150 MPa, besonders bevorzugt mindestens 180 MPa aufweist.
8. Verwendung eines Aluminiumlegierungsbands oder -blechs zur Herstellung eines Batteriezellgehäuses nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriezellgehäuse ein Gehäuse einer Sekundärzelle, vorzugsweise einer Lithium-lonen-Sekundärzelle, einer Natrium-lonen-Sekundärzelle oder einer Festkörper-Sekundärzelle ist.
10. Verwendung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriezellgehäuse eine zylindrische Bauform, eine prismatische Bauform oder eine Pouch-Bauform aufweist.
11. Verwendung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, 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 und, optionale Zustandsglühung des kaltgewalzten Bandes, vorzugsweise Rückglühung des kaltgewalzten Bandes.
12. Verwendung nach Anspruch 11, 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.
13. Verwendung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass während des Kaltwalzens mindestens eine Zwischenglühung erfolgt.
14. Verwendung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, 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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