EP4690355A1 - Walzprodukt aus aluminium für ein batteriezellgehäuse - Google Patents

Walzprodukt aus aluminium für ein batteriezellgehäuse

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EP4690355A1
EP4690355A1 EP24718104.3A EP24718104A EP4690355A1 EP 4690355 A1 EP4690355 A1 EP 4690355A1 EP 24718104 A EP24718104 A EP 24718104A EP 4690355 A1 EP4690355 A1 EP 4690355A1
Authority
EP
European Patent Office
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rolled product
battery cell
aluminum alloy
cell housing
rolling
Prior art date
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Pending
Application number
EP24718104.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Christoph Lentz
Timo WEIHBERGER
Harald DACKWEILER
Nadia Telioui
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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Definitions

  • the invention relates to a rolled product made of an aluminum alloy for producing a battery cell housing, a method for producing the rolled product made of an aluminum alloy, the use of the rolled product made of an aluminum alloy for producing a battery cell housing and a battery cell housing.
  • a rolled product is understood to mean rolled strips or sheets.
  • Battery cell housings are manufactured in a wide variety of shapes from rolled products. In addition to the pouch design and the cylindrical battery cell housing, a prismatic battery cell housing is also frequently used.
  • Prismatic battery cell housings consist of a battery cell housing shell, which has an essentially rectangular cross-section and thus enables a simple and space-saving arrangement of battery cells.
  • prismatic battery cell housings in the form of prismatic cups are predominantly manufactured from a rolled product made of an aluminum alloy, for example a rolled product made of an aluminum alloy, using combined deep-drawing and ironing processes with a large number of drawing stages.
  • the aluminum alloy AA3003 has been used to date as an aluminum alloy that is easy to deep-draw to manufacture the housing.
  • a large number of drawing stages are often required in the manufacturing processes.
  • Battery cell housings with a cylindrical design are essentially in the shape of a cylinder. If the height of the cylinder is greater than the diameter, they are called round battery cells, otherwise they are called button cells. Cylindrical battery cell housings are also mainly produced by deep-drawing and/or ironing. Drawing processes in cup form. Here too, only the aluminum alloy AA3003 is used so far.
  • Alternative manufacturing processes for prismatic and cylindrical battery cell housings include extrusion, roll forming and sequential bending or folding.
  • Extrusion uses slugs made from a rolled product, while roll forming creates a tube geometry using successive work rolls or rollers.
  • sequential bending a sheet metal blank is formed into a tube geometry in several bending operations (e.g. on presses).
  • material-bonded joining processes in particular laser welding, must be used to close the battery cell housings, which can include both sealing welding with one or more covers and longitudinal welding of a tube geometry.
  • the pouch design in which the battery cell housing essentially has the shape of a bag or pouch. Due to high demands on strength and mechanical stability as well as high demands on electrochemical resistance to the corrosive electrolyte that also affects the battery cell housing, cylindrical battery cell housings in particular have generally been made of nickel-plated steel.
  • the aluminum alloy AA3003 is usually used for prismatic battery cell casings.
  • a high-strength battery casing is known from the US patent application US 2006/093908 Al, 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 above-mentioned aluminium alloys are also known from the Korean patent application KR 2016 0056731 A for deep-drawn battery cell casings from Mobile phones, computers and other mobile devices, with the Korean patent application also preferring the use of the AA3003 aluminum alloy.
  • the Japanese patent application JP 2015 125886 A focuses on the strength and weldability of battery cell casings for battery cell casings containing non-water-based electrolytes and proposes the use of aluminum alloys of type AA3003, AA3203, AA3004, AA3104, AA3005 or AA3105.
  • the aluminum alloy AA3003 can only be recycled very well via a closed material cycle.
  • closed material cycles are very complex and costly to implement, so that the aluminum alloy AA3003 has a high proportion of primary aluminum.
  • battery cells have a long service life of more than 10 years, so that the recycling of the cell housing material can only be realized after long periods of time.
  • the Sustainability requirements which have increased significantly in recent years, therefore require battery cell housings to be manufactured with the lowest possible use of resources and Ct footprint.
  • Aluminum 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 the end 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 present invention therefore has the object of proposing a rolled product made of an aluminum alloy that ensures cost-effective use of secondary aluminum and at the same time ensures processability on existing production facilities and tools to produce battery cell housings.
  • the above object is achieved with a rolled product of an aluminium alloy for producing a
  • Battery cell housing is solved by the rolled product comprising an aluminum alloy with the following alloy components in wt.%:
  • the remainder is Al and unavoidable impurities, individually a maximum of 0.05%, in total a maximum of 0.15%, whereby the rolled product has a tensile strength R m of at least 135 MPa up to a maximum of 210 MPa, preferably a maximum of 185 MPa, a yield strength R P o,2 of more than 125 MPa up to a maximum of 180 MPa, preferably a maximum of 165 MPa, and an elongation Aso of more than 5%, preferably more than 7%.
  • the rolled product according to the invention has the mechanical properties of a rolled product of an aluminum alloy of type AA3003 in the H14 state, which means that the production facilities and tools previously used for rolled products made of an AA3003 alloy can be used for the new material.
  • the rolled product is suitable for the production of battery cell housings using high recycling proportions in the rolled product.
  • UBC used beverage can
  • the alloy composition of the rolled product in combination with the specified mechanical properties for the yield strength R P o.2, the tensile strength R m and the elongation Aso. Since the aluminum alloy also only contains standard alloying 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 alloy AA3003, 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 ⁇ 0.60 wt.%, preferably 0.35 wt.% ⁇ Si ⁇ 0.55 wt.% or more 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 amounts specified 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 ⁇ 0.60 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.%.
  • 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.
  • Iron contributes to reducing the solubility of manganese in aluminum, whereby more manganese is bound in intermetallic phases, which has a positive effect on the 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 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 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 rolled product 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 The formation of coarse intermetallic phases is promoted, 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 rolled product to such an extent that the thermal management of battery cell housings made from it becomes inefficient.
  • the Mn content is therefore preferably a maximum of 1.5 wt.%, preferably maximum 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(e,Mn)Si phase is favored.
  • the magnesium content of the aluminum alloy is in the range 0.0025 wt.% ⁇ Mg ⁇ 0.60 wt.%, preferably in the range 0.01 wt.% ⁇ Mg ⁇ 0.60 wt.%. In one embodiment of the rolled product 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.%.
  • a magnesium content of up to 0.60 wt.% By allowing a magnesium content of up to 0.60 wt.%, a tolerance of the aluminum alloy for magnesium-containing aluminum alloy scrap such as packaging and UBC scrap is achieved, which favors the realization of high recycling rates when producing the battery cell housings with the rolled product according to the invention.
  • limiting the Mg content to 0.60 wt.% allows higher Si contents to be permitted without the aluminum alloy tending to hot cracking and weld pore formation when welding the rolled product.
  • magnesium at a content of at least 0.0025 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 higher strength can be provided.
  • 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 aluminium alloy is in the range Cr ⁇ 0.25 wt.%.
  • the chromium content of the aluminum alloy in the range Cr ⁇ 0.1 wt.%, preferably Cr ⁇ 0.05 wt.%.
  • 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 0.0050 wt.% ⁇ Zn ⁇ 0.30 wt.%, preferably 0.02 wt.% ⁇ Zn ⁇ 0.30 wt.% and more 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 0.0050 wt.% ⁇ Zn ⁇ 0.30 wt.%, preferably 0.02 wt.% ⁇ Zn ⁇ 0.30 wt.%, more preferably 0.04 wt.% ⁇ Zn ⁇ 0.25 wt.%, whereby an optimal compromise between high strength, good weldability and good electrolyte resistance while still maintaining good recycling tolerance is achieved.
  • 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 at a content of 0.005 wt.% or more improves grain refinement when casting the aluminum alloy.
  • 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 rolled product 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 proportion of recycled metal in the rolled product made of an aluminum alloy is at least 30% by weight, preferably at least 50% by weight, particularly preferably at least 70% by weight or particularly preferably at least 75% recycled material. Due to the high recycling tolerance of the aluminum alloy of the rolled product described above, the realization of these high recycling proportions for the rolled product according to the invention is made possible without negatively affecting the process parameters for preferred manufacturing processes, such as the welding process.
  • the recycled material of the rolled product contains at least 30% by weight, preferably at least 50% by weight, particularly preferably at least 70% by weight of post-consumer scrap. Since post-consumer scrap only occurs at the end of the product life cycle, it is considered to be particularly sustainable and contributes more to reducing the carbon footprint. Cumulatively or alternatively, the recycled material contains at least 30% by weight, preferably at least 50% by weight, particularly preferably at least 70% by weight or at least 75% pre-consumer scrap, or internal and/or external process scrap. In the case of internal process scrap, the
  • compositions and amounts of the individual alloys are generally very good 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 in terms of economy and sustainability.
  • By recycling external process scrap the need for primary metal can be reduced, which reduces the overall carbon footprint. Even if the embodiments described later have a recycling content of a maximum of 85%, recycling contents of at least 90% can also be achieved with the aluminum alloy composition according to the invention.
  • the rolled product has the tempering state H12, H22, H24, H34 or H32. It has been found that even rolled-hard rolled products in the H12 state enable the mechanical specifications in terms of processability to be met analogously to a rolled product made of an aluminum alloy of type AA3003.
  • the reannealed states H22, H24, H32, H34 also have the advantage of improved formability.
  • the rolled product made of an aluminum alloy according to a further embodiment of the battery cell housing has a thickness between 0.1 mm and 2.0 mm, 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 material 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 rolled product of the battery cell housing had a thickness of more than 2.0 mm.
  • the thickness of the rolled product or sheet is preferably between 0.25 mm and 1.5 mm, in particular between 0.35 mm and 1.2 mm.
  • the rolled product preferably has a degreased surface with surface tensions of more than 30 mN/m, preferably more than 32 mN/m, particularly preferably 34 mN/m, so that the weldability of the rolled product for producing a battery cell housing is thereby improved.
  • the surface tension of the surface of the rolled product can be achieved, for example, by alkaline or acidic degreasing or pickling and can be measured with good accuracy using test inks.
  • the above-mentioned object is also achieved by a method for producing a rolled product from an aluminum alloy with the following method steps:
  • Remainder Al and unavoidable impurities individually maximum 0.05%, in total maximum 0.15%
  • 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 a rolled product from an aluminum alloy 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 rolled product 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 microstructure of the rolled product is improved, which has a positive effect on strength and formability.
  • the grain structure is refined by homogenization while the manufacturing process is otherwise identical. As a result, a reduced average grain size is obtained on the end product after cold rolling, so that formability is improved.
  • Homogenization preferably takes place at a temperature of 480 °C to 625 °C, preferably at 550 °C to 620 °C for at least 0.1 hours, preferably for at least 0.25 hours or preferably for at least 0.5 hours, more preferably for at least 1 hour or 2 hours.
  • the preheating temperature at the beginning of hot rolling is between 390 and 550 °C.
  • Hot rolling of the rolling ingot to a hot-rolled strip is carried out in such a way that the hot strip final temperature is between 250 °C and 450 °C, whereby the hot strip final temperature after the last hot rolling pass is preferably between 280 °C and 380 °C, preferably between 310 °C and 360 °C.
  • the hot rolling of the rolling ingot can be carried out either reversibly on a rolling stand or sequentially in a tandem stand. In particular, hot rolling can be carried out 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 final thickness i.e. the thickness of the finished hot-rolled strip, is 2 mm to 10 mm. This ensures that a sufficiently high degree of rolling can be set during the subsequent cold rolling, which primarily determines the strength and formability of the rolled product.
  • the cold rolling of the rolled product can take place 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 250 °C and 450 °C, preferably between 280 °C and 400 °C, in particular between 300 °C and 400 °C.
  • the intermediate annealing is preferably carried out as a recrystallization annealing, which provides a recrystallized structure for the subsequent cold rolling pass.
  • This cold rolling pass can then be carried out with a higher degree of rolling, which has a strength-increasing effect on the finished rolled rolled product made of an aluminum alloy. All temperature specifications mentioned that characterize annealing processes always refer to peak metal temperatures (PMT), i.e. the highest temperatures of the metal in the annealing furnace.
  • PMT peak metal temperatures
  • the degree of rolling during cold rolling after hot rolling or after the last intermediate annealing of the final thickness is less than 25%, preferably less than 22% or particularly preferably less than 18%.
  • the low degree of rolling in conjunction with the preceding process steps and the composition of the aluminum alloy of the rolled product ensures that the rolled product has the desired strengths with a yield strength of R P o,2 of more than 125 MPa up to a maximum of 180 MPa, a tensile strength R m of at least 135 MPa up to a maximum of 185 MPa for processing into a battery cell.
  • the method can be designed according to a further embodiment in that after hot rolling, only cold rolling to final thickness is carried out with at least one optional intermediate annealing in the form of soft annealing at 250 °C and 450 °C, with a final annealing in a temperature range of 150 °C to 280 °C to set reannealed microstructures in the rolled product at final thickness.
  • rolling degrees of at least 50% and more are preferably used after the last intermediate annealing in order to enable a homogeneous and fine-grained microstructure through the final annealing.
  • the intermediate annealing takes place at the specified temperature for at least as long as is necessary to achieve a soft-annealed state of the cold-rolled strip after the intermediate annealing. This also depends on the furnace technology selected, i.e. whether a continuous furnace or a chamber furnace is used.
  • the rolled product according to the invention is preferably used for producing a battery cell housing, wherein the rolled product is preferably produced using a method according to the invention.
  • the use of the rolled product according to the invention for producing battery cell housings allows a high proportion of recycled material to be taken into account in the rolled product without the properties of the battery cell housing or the production resources required for processing having to be changed or renewed.
  • the use according to the invention leads to highly sustainable battery cell housings with a low carbon footprint. This result is achieved by using the rolled product according to the invention for battery cell housings of a secondary cell, preferably a lithium-ion secondary cell, a sodium-ion secondary cell or a solid-state secondary cell.
  • the battery cell housing has a prismatic design, a cylindrical design or a pouch design. All three uses benefit from the composition of the aluminum alloy of the rolled product in combination with the mechanical properties of the possibility of using high recycling proportions in the aluminum alloy while maintaining the same processing properties, unlike before.
  • the rolled product is subjected to a plurality of forming steps, preferably deep drawing and/or ironing being carried out
  • existing production means for producing the battery cell housing from a production based on an aluminum alloy AA3003 can also be used for the rolled product according to the invention. This saves high investment costs.
  • the invention relates to a battery cell housing made from a rolled product according to the invention, wherein the battery cell housing has a prismatic design, a cylindrical design or a pouch design, which can now also be manufactured with a low carbon footprint without a complex material cycle.
  • the battery cell housing has formed areas which are obtained by forming, preferably by deep drawing and/or ironing of a rolled product.
  • the corresponding forming can be carried out despite the different material compositions compared to the Aluminium alloy AA3003 can be carried out on existing production equipment.
  • 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 a rolled product from an aluminum alloy for battery cell housings
  • Fig. 5 is a flow chart of a process for producing battery cell housings from rolled products made of an aluminum alloy comprising deep drawing and/or ironing process steps.
  • 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.
  • the battery cell housing 11 can consist, for example, of a cylindrical cup with a cathode connection 13 and a battery cell housing cover with anode connection 12.
  • 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.
  • the prismatic battery cell housing 21 can also consist, for example, of a prismatic cup and a battery cell housing cover with the anode and cathode connections 22 and 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 now shows a flow chart of an embodiment of a method according to the invention for producing a rolled product according to the present invention.
  • the method comprises in step A the provision of a rolling ingot made of an aluminum alloy. This is usually done using the DC casting process.
  • the aluminum alloy has the following composition in wt.%: 0.1% ⁇ Si ⁇ 0.7%, 0.2% ⁇ Fe ⁇ 0.8%, Cu ⁇ 0.6%, 0.3% ⁇ Mn ⁇ 1.5%, 0.025% ⁇ Mg ⁇ 0.60%, preferably 0.01% ⁇ Mg ⁇ 0.60%, Cr ⁇ 0.25%, Zn ⁇ 0.5%, Ti ⁇ 0.2%.
  • the aluminium alloy can also have the following composition:
  • ⁇ Mn ⁇ 1.3% preferably 0.4% ⁇ Mn ⁇ 1.1%, 0.05% ⁇ Mg ⁇ 0.50%, preferably 0.1% ⁇ Mg ⁇ 0.45% Cr ⁇ 0.1%, preferably Cr ⁇ 0.05%,
  • Remainder Al and unavoidable impurities individually maximum 0.05%, in total maximum 0.15%.
  • step B the rolling ingot thus produced is optionally homogenized for at least 0.1 hours, preferably at least 0.25 hours or preferably at least 0.5 hours at a temperature of 480 °C to 625 °C, preferably at 550 °C to 620 °C.
  • the homogenization can be integrated into the preheating process of the rolling ingot before hot rolling or can be carried out separately.
  • step C the rolling ingot is hot rolled to a final hot strip thickness of 2 mm to 10 mm with a final hot strip temperature between 250 °C and 450 °C.
  • the method according to the invention can also comprise recrystallization annealing after hot rolling, which is not shown in Fig. 4.
  • the cold rolling of the hot strip is carried out in Fig. 4 according to step D following the hot rolling.
  • at least one optional intermediate annealing in the form of soft annealing at temperatures of 250 °C to 450 °C can be carried out according to step E.
  • the cold rolling to the final thickness is carried out according to step F. If no If intermediate annealing is performed, step F replaces steps D and E and cold rolling to final thickness is carried out without intermediate annealing.
  • step F the degree of rolling during cold rolling after hot rolling or after the last intermediate annealing of the final thickness is limited to less than 25%, preferably less than 22% or particularly preferably less than 18% in order to obtain the necessary rolled product properties.
  • cold rolling to final thickness can be carried out with at least one optional intermediate annealing in the form of soft annealing at 250 °C and 450 °C according to steps D, E and F'.
  • cold rolling to final thickness according to step F' is not restricted to a maximum rolling degree. Rather, rolling degrees of at least 25% or preferably at least 28% are used.
  • a final annealing in a temperature range of 150 °C to 280 °C according to step G is used to achieve re-annealed microstructures in the rolled product at final thickness, so that the desired properties are achieved in this way.
  • the target metal temperature is maintained for at least 0.5 hours, preferably at least 1 hour.
  • a rolled product made of an aluminum alloy goes through several forming steps.
  • Fig. 5 shows a schematic flow chart of the production of a cup-shaped battery cell housing, for example cylindrical or prismatic battery cell housings, starting from a rolled product in the form of a strip or sheet.
  • the rolled product is provided in step 1 and formed in a first forming step, for example by a first deep-drawing stage according to step 2. Further optional deep-drawing or ironing stages 3, 4 can follow until a cup-shaped battery cell housing can be provided in step 5. This can then be subjected to further work steps until the battery cell is finished.
  • the forming steps are carried out on production equipment specifically tailored to the selected aluminum alloy.
  • the production equipment currently used is tailored to rolled products consisting of an aluminum alloy of type AA3003.
  • Table 1 shows the alloy compositions of the exemplary embodiments (Example) and the comparative examples (Comp.J.). Each individual example was manufactured using the specific process parameters specified in Table 2. All temperature specifications are to be understood as "peak metal temperature” (PMT), i.e. the maximum temperature of the metal.
  • PMT peak metal temperature
  • the residence time at the homogenization temperature was at least 1 h. Homogenization can take place in a separate annealing process or be integrated into the preheating.
  • the homogenization temperature is first set and maintained for at least 1 h. The rolling ingot is then brought to the preheating temperature. When preheating the rolling ingot, the rolling ingot is fed into the rolling process when the preheating temperature is reached.
  • the preheating temperature at the start of hot rolling was between 390 and 550 °C.
  • WB thickness is understood to mean the final hot strip thickness.
  • WB temperature refers to the final hot strip temperature, i.e. the temperature of the hot strip after the last hot rolling pass.
  • the mechanical properties achieved are shown in Table 3. All mechanical properties such as yield strength R P o.2, tensile strength R m and elongation Aso were obtained according to EN ISO 6892-1:2019.
  • Comparative example No. 3 corresponds to a reference rolled product made of an aluminum alloy of type AA3003.
  • Examples No. 1, 6 to 8 and 11 to 12 are rolled products according to the teaching of the invention. These have an aluminum alloy which, in contrast to the primary aluminum-based reference rolled product No. 3, allows high recycling contents.
  • the embodiment No. 1 was produced in the H12 state, i.e. without re-annealing.
  • the rolling ingot was subjected to homogenization in accordance with the specifications given above.
  • the rolling degree of final thickness after the intermediate annealing was 12%.
  • the embodiment No. 1 achieves the mechanical values according to the invention and, due to its composition, can be produced with high recycling contents as well as used on the production equipment of existing battery cell housing production.
  • Example No. 2 which is made from an identically homogenized rolling ingot, does indeed have an aluminum alloy with the features of patent claim 1, but the rolled product was cold rolled with too high a degree of final thickness of 30% after intermediate annealing. As a result, the comparison rolled product produced in this way does not achieve the desired mechanical properties. It is clearly too strong and has too low an elongation Aso.
  • reference material No. 3 achieves all mechanical characteristics, as already mentioned, it can only be produced through closed material cycles with a high proportion of recycled material of at least 30%.
  • the rolled products according to comparative examples No. 4 and 5 have significantly too high magnesium contents and therefore tend to show a pronounced Work hardening.
  • the work hardening was so great that it could not be sufficiently reduced even during the reannealing at 180 °C for 16 hours and at 250 °C for 1 hour.
  • the comparative examples No. 4 and 5 cannot therefore be used on the current production equipment for the manufacture of battery cell housings.
  • the embodiments No. 6 to 8 have two different alloy compositions, with the embodiments No. 6 and 7 having identical compositions. All three embodiments were produced using different production processes according to the present invention and achieve the claimed mechanical properties in the states H22 (No. 6 and 7) and H24 (No. 8).
  • the rolled product of comparative example no. 9 has an aluminum alloy with a composition that corresponds to the required contents. During cold rolling after intermediate annealing, the rolling degree of final thickness was 30%, so that the mechanical characteristics of the invention were not achieved. The rolled product showed too low an elongation Aso and too high a tensile strength R m . Further processing on existing production equipment for the manufacture of battery cell housings is therefore not possible.
  • Comparative Example No. 10 also comprises an aluminum alloy according to the present invention, but was converted to the soft state O in the final annealing, so that Comparative Example No. 10 also does not meet the requirement for battery cell housing production.
  • the embodiments No. 11 and 12 have an aluminum alloy composition according to the invention and were manufactured using the manufacturing process according to the invention.
  • the corresponding rolled products in the reannealed states H24 and H22 had all the required mechanical characteristics and can be used on existing production equipment for the manufacture of battery cell housings.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Walzprodukt aus einer Aluminiumlegierung zur Herstellung eines Batteriezellgehäuses, ein Verfahren zur Herstellung des Walzprodukts aus einer Aluminiumlegierung, die Verwendung des Walzprodukts aus einer Aluminiumlegierung zur Herstellung eines Batteriezellgehäuses und ein Batteriezellgehäuse. Die Aufgabe, ein Walzprodukt aus einer Aluminiumlegierung vorzuschlagen, das einen kostengünstigen Einsatz von Sekundäraluminium gewährleistet und gleichzeitig eine Verarbeitungsfähigkeit auf bestehenden Produktionsanlagen und Werkzeugen für die Batteriezellgehäusefertigung gewährleistet, wird dadurch gelöst, dass das Walzprodukt aus einer Aluminiumlegierung zur Herstellung eines Batteriezellgehäuses aufweisend eine Aluminiumlegierung mit den folgenden Legierungsbestandteilen in Gew.-%: 0,1 % ≤ Si ≤ 0,7 %, 0,2 % ≤ Fe ≤ 0,8 %, Cu ≤ 0,6 %, 0,3 % ≤ Mn ≤ 1,5 %, 0,025 % ≤ 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 %, wobei das Walzprodukt eine Zugfestigkeit Rm von mindestens 135 MPa bis maximal 210MPa, bevorzugt maximal 185 MPa, eine Streckgrenze Rp0,2 von mehr als 125 MPa bis maximal 180 MPa, vorzugsweise maximal 165MPa, sowie eine Dehnung A50 von mehr als 5%, bevorzugt mehr als 7% besitzt.

Description

Walzprodukt aus Aluminium für ein Batteriezellgehäuse
Die Erfindung betrifft ein Walzprodukt aus einer Aluminiumlegierung zur Herstellung eines Batteriezellgehäuses, ein Verfahren zur Herstellung des Walzprodukts aus einer Aluminiumlegierung, die Verwendung des Walzprodukts aus einer Aluminiumlegierung zur Herstellung eines Batteriezellgehäuses und ein Batteriezellgehäuse.
Unter einem Walzproduktwerden gewalzte Bänder oder Bleche verstanden. Batteriezellgehäuse werden in unterschiedlichsten Formen aus Walzprodukten hergestellt. Neben der Pouch-Bauform und dem zylindrischen Batteriezellgehäuse findet auch ein prismatisches Batteriezellgehäuse häufig Anwendung. Prismatische Batteriezellgehäuse bestehen aus einem Batteriezellgehäusemantel, welcher einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist und somit eine einfache und platzsparende Anordnung von Batteriezellen ermöglicht.
Derzeit werden prismatische Batteriezellgehäuse in Form von prismatischen Bechern überwiegend durch kombinierte Tiefzieh-Abstreck-Prozesse mit einer Vielzahl von Ziehstufen aus einem Walzprodukt aus einer Aluminiumlegierung, beispielsweise einem Walzprodukt aus einer Aluminiumlegierung hergestellt. In diesen Verfahren wird bisher die Aluminiumlegierung AA3003 als guttiefziehfähige Aluminiumlegierung zur Herstellung des Gehäuses eingesetzt. Häufig wird eine Vielzahl von Ziehstufen in den Herstellungsverfahren benötigt.
Batteriezellgehäuse zylindrischer Bauform weisen im Wesentlichen die Form eines Zylinders auf. 1st die Höhe des Zylinders größer als der Durchmesser, spricht man von Batterierundzellen, andernfalls von Knopfzellen. Auch die zylindrischen Batteriezellgehäuse werden überwiegend durch Tiefzieh- und/oder Abstreck- Ziehprozesse in Becherform hergestellt. Auch hier wird bisher nur die Aluminiumlegierung AA3003 eingesetzt.
Alternative Fertigungsprozesse für prismatische und zylindrische Batteriezellgehäuse umfassen das Fließpressen, das Rollformen und sequenzielles Biegen bzw. Abkanten. Beim Fließpressen kommen Butzen zum Einsatz, die aus einem Walzprodukt hergestellt werden, während beim Rollformen eine Rohrgeometrie durch aufeinander folgende Arbeitsrollen bzw. Walzen erzeugt wird. Beim sequenziellen Biegen wird (z.B. auf Pressen) ein Blechzuschnitt in mehreren Biegeoperationen in eine Rohrgeometrie umgeformt. Unabhängig vom Verfahren müssen stoffschlüssige Fügeverfahren, insbesondere das Laserschweißen eingesetzt werden, um die Batteriezellgehäuse zu verschließen, was sowohl das Dichtschweißen mit einem oder mehreren Deckeln sowie das Längsschweißen einer Rohrgeometrie umfassen kann.
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 korrosiven, auch auf das Batteriezellgehäuse wirkenden Elektrolyten wurden insbesondere zylindrische Batteriezellgehäuse bisher in der Regel aus nickelplattiertem Stahl hergestellt.
Für prismatische Batteriezellgehäuse wird, wie bereits ausgeführt, die Aluminiumlegierung AA3003 üblicherweise verwendet. Aus der US-Patentanmeldung US 2006/093908 Al ist beispielsweise 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 zuvor genannten Aluminiumlegierungen sind auch aus der koreanischen Patentanmeldung KR 2016 0056731 A für tiefgezogene Batteriezellgehäuse von Mobiltelefonen, Computern und anderen mobilen Endgeräten bekannt, wobei die koreanische Patentanmeldung die Verwendung der Aluminiumlegierung vom Typ AA3003 ebenfalls präferiert.
Die japanische Patentanmeldung JP 2015 125886 A stellt die Festigkeit und die Schweißbarkeit der Batteriezellgehäuse für nicht Wasser basierte Elektrolyte enthaltene Batteriezellgehäuse in den Vordergrund und schlägt die Verwendung von Aluminiumlegierungen vom Typ AA3003, AA3203, AA3004, AA3104, AA3005 oder AA3105 vor.
Obwohl verschiedene Al-Mn-Legierungen aus dem Stand der Technik für die Herstellung von Batteriezellgehäusen bekannt sind, hat sich die Aluminiumlegierung AA3003 in den Batteriezellgehäusefertigungen durchgesetzt. Dies hat seine Ursache zum einen darin, dass Sekundär-Batteriezellgehäuse üblicherweise hoch reaktive Chemikalien vor Umwelteinflüssen schützen müssen. Andererseits darf das Batteriezellgehäuse selbst nicht durch Verunreinigungen, kleinste Partikel oder Späne selbst Ursache für Havarien von Batteriezellen werden. Hierdurch ergeben sich sehr hohe Anforderungen an die Verarbeitungseigenschaften des Walzprodukts aus einer Aluminiumlegierung, die die Aluminiumlegierung AA3003 erfüllt. Entsprechend aufwändig und genau sind beispielsweise Umformwerkzeuge in der Produktion von Batteriezellgehäusen an die spezifischen Eigenschaften der Aluminiumlegierung vom Typ AA3003 angepasst. Eine Anpassung von Werkzeugen auf Aluminiumlegierungen mit abweichenden mechanischen Eigenschaften ist kosten- und entwicklungsintensiv und wird durch ohnehin begrenzte Kapazitäten erschwert.
Anderseits ist die Aluminiumlegierung AA3003 nur über einen geschlossenen Stoffkreislauf sehr gut recycelfähig. Geschlossene Stoffkreisläufe sind aber nur sehr aufwändig und kostenintensiv zu realisieren, so dass die Aluminiumlegierung AA3003 einen hohen Primäraluminiumanteil aufweist. Darüber hinaus weisen Batteriezellen eine hohe Lebensdauer von mehr als 10 Jahren auf, so dass die Rückführung des Zellgehäusematerials nur nach langen Zeiträumen realisiert werden kann. Die in den letzten Jahren stark gestiegenen Nachhaltigkeitsanforderungen verlangen daher eine Fertigung von Batteriezellgehäusen mit einem möglichst geringen Ressourceneinsatz sowie Ct -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.
Dem Einsatz von Recyclingmaterial stehen daher die hohen Sicherheitsanforderungen bei der Verarbeitung von Walzprodukten aus Aluminiumlegierungen zu Batteriezellgehäusen entgegen. Hiervon ausgehend hat sich die vorliegende Erfindung daher die Aufgabe gestellt, ein Walzprodukt aus einer Aluminiumlegierung vorzuschlagen, das einen kostengünstigen Einsatz von Sekundäraluminium gewährleistet und gleichzeitig eine Verarbeitungsfähigkeit auf bestehenden Produktionsanlagen und Werkzeugen zu Batteriezellgehäusen gewährleistet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die zuvor genannte Aufgabe mit einem Walzprodukt aus einer Aluminiumlegierung zur Herstellung eines
Batteriezellgehäuses dadurch gelöst, dass das Walzprodukt 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 %,
0,025 % < Mg < 0,60 %, bevorzugt 0,01 % < Mg < 0,60 %,
Cr < 0,25 %,
Zn < 0,5 %,
Ti < 0,2 %,
Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen, einzeln maximal 0,05 %, in Summe maximal 0,15 %, wobei das Walzprodukt eine Zugfestigkeit Rm von mindestens 135 MPa bis maximal 210MPa, bevorzugt maximal 185 MPa, eine Streckgrenze RPo,2 von mehr als 125 MPa bis maximal 180MPa, vorzugsweise maximal 165MPa, sowie eine Dehnung Aso von mehr als 5%, bevorzugt mehr als 7% besitzt.
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 Walzprodukt mit der oben genannten Zusammensetzung erlaubt die Verwendung sehr hoher Recyclinganteile bei der Herstellung. Gleichzeitig hat das erfindungsgemäße Walzprodukt die mechanischen Eigenschaften eines Walzproduktes einer Aluminiumlegierung vom Typ AA3003 im Zustand H14, wodurch die bisher für Walzprodukte aus einer AA3003 Legierung verwendeten Produktionsanlagen und Werkzeuge für den neuen Werkstoff verwendbar werden. Gleichzeitig eignet sich das Walzprodukt aufgrund der Kombination der erfindungsgemäßen Si-, Fe-, Cu- und Mg- Gehalte zur Herstellung von Batteriezellgehäusen unter Verwendung hoher Recycling- Anteile im Walzprodukt. 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 Walzprodukts 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 Walzprodukts in Kombination mit den vorgegebenen mechanischen Eigenschaften für die Streckgrenze RPo.2, die Zugfestigkeit Rm und die Dehnung Aso 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 < 0,60 Gew.-%, vorzugsweise 0,35 Gew.-% < Si < 0,55 Gew.-% oder weiter bevorzugt sowie 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 < 0,60 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 Walzprodukts 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 Erholungsund 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 Walzprodukts 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 von Batteriegehäusen 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 Walzprodukts 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 bevorzugt von 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 Festigkeitssteigerungen 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 Walzprodukts so stark, so dass das Thermomanagement von daraus hergestellten Batteriezellgehäusen 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( e,Mn)Si-Phase begünstigt wird.
Der Magnesium-Gehalt der Aluminiumlegierung liegt erfindungsgemäß im Bereich 0,0025 Gew.-% < Mg < 0,60 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich 0,01 Gew.-% < Mg < 0,60 Gew.-%. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Walzprodukts 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 mit dem erfindungsgemäßen Walzprodukt 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 beim Schweißen des Walzprodukts neigt. Daneben führt das Vorhandensein von Magnesium ab einem Gehalt von mindestens 0,0025 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 Walzprodukts 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 mit dem erfindungsgemäßen Walzprodukt 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 Walzprodukts liegt der Zink-Gehalt der Aluminiumlegierung im Bereich 0,0050 Gew.-% < Zn < 0,30 Gew.-%, vorzugsweise 0,02 Gew.-% < Zn < 0,30 Gew.-% und weiter 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 0,0050 Gew.-% < Zn < 0,30 Gew.-%, vorzugsweise 0,02 Gew.-% < Zn < 0,30 Gew.-%, weitervorzugsweise 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 Walzprodukts 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 Walzprodukts 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. Es hat sich herausgestellt, dass trotz der Abweichungen in der chemischen Zusammensetzung des Walzprodukts aus einer Aluminiumlegierung mit den oben genannten Gehalten an Legierungsbestandteilen eine Kombination an mechanischen Eigenschaften des Walzprodukts erzielt werden können, welche die hohen Anforderungen an die Verarbeitung des Walzprodukts zum Batteriezellgehäuse der Aluminiumlegierung AA3003 erfüllen und das Walzprodukt auf dafür vorgesehenen Produktionsanlagen verarbeitet werden kann. Damit können Batteriezellgehäuse mit niedrigem CCh-Fußabdruck auf bestehenden Produktionsanlagen nachhaltig hergestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung beträgt der Anteil an recyceltem Metall an dem Walzprodukt aus einer Aluminiumlegierung mindestens 30 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 50 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 70 Gew.-% oder besonders bevorzugt mindestens 75 % Recycling-Material. Aufgrund der oben beschriebenen hohen Recycling-Toleranz der Aluminiumlegierung des Walzprodukts wird die Realisierung dieser hohen Recyclinganteile für das erfindungsgemäße Walzprodukt 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 CC -Fußabdruck ermöglicht und eine verbesserte Nachhaltigkeit erzielt. Vorzugsweise weist das Recycling-Material des Walzprodukts einen Anteil von mindestens 30 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 50 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 70 Gew.-% Post-Consumer-Schrotten auf. Da Post-Consumer-Schrotte erst am Ende des Produktlebenszyklus anfallen, gelten diese als besonders nachhaltig und tragen stärker zur Verringerung des CO2- Fußabdrucks bei. Kumulativ oder alternativ weist das Recycling-Material mindestens 30 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 50 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 70 Gew.-% oder mindestens 75 % 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 Wiederverwertungwirtschaftlich und im Sinne der Nachhaltigkeit von hoher Relevanz ist. Durch die Wiederverwertung von externen Prozessschrotten kann der Bedarf an Primärmetall reduziert werden, was die Gesamt-CC -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.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Walzprodukts, weist dieses den Temper- Zustand H12, H22, H24, H34 oder H32 auf. Es hat sich herausgestellt, dass selbst walzharte Walzprodukte im Zustand H12 die mechanischen Vorgaben in Bezug auf die Verarbeitbarkeit analog zu einem Walzprodukt aus einer Aluminiumlegierung vom Typ AA3003 ermöglichen. Die rückgeglühten Zustände H22, H24, H32, H34 weisen zudem den Vorteil einer verbesserten Umformbarkeit aus.
Weist das Walzprodukt aus einer Aluminiumlegierung 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 Walzprodukt des Batteriezellgehäuses eine Dicke von mehr als 2,0 mm aufweisen würde. Vorzugsweise liegt die Dicke des Walzprodukts oder -blechs zwischen 0,25 mm und 1,5 mm, insbesondere zwischen 0,35 mm und 1,2 mm. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist das Walzprodukt vorzugsweise eine entfettete Oberfläche mit Oberflächenspannungen von mehr als 30 mN/m, bevorzugt mehr als 32 mN /m, insbesondere bevorzugt 34 mN /m auf, so dass hierdurch die Schweißbarkeit des Walzproduktes zur Herstellung eines Batteriezellgehäuses verbessert wird. Die Oberflächenspannung der Oberfläche des Walzproduktes kann beispielsweise durch alkalisches oder saures Entfetten bzw. Beizen erreicht werden und unter Verwendung von Testtinten mit guter Genauigkeit gemessen werden.
Erfindungsgemäß wird die oben aufgezeigte Aufgabe auch durch ein Verfahren zur Herstellung eines Walzprodukts aus einer Aluminiumlegierung mit folgenden Verfahrensschritten gelöst:
- Bereitstellen eines Walzbarrens aus einer Aluminiumlegierung mit folgender Zusammensetzung in Gew.-%:
0,1 % < Si < 0,7 %,
0,2 % < Fe < 0,8 %,
Cu < 0,6 %,
0,3 % < Mn < 1,5 %,
0,025 % < 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 %,
- optionales Homogenisieren des Walzbarrens bei 480 °C bis 625 °C, bevorzugt bei 550 °C bis 620 °C für mindestens 0,1 Stunden, vorzugsweise für mindestens 0,25 Stunden, bevorzugt für mindestens 0,5 Stunden,
- Warmwalzen des Walzbarrens an eine Warmbanddicke von 2 mm bis 10 mm mit einer Warmbandendtemperatur zwischen 250 °C und 450 °C,
- Kaltwalzen des Warmbandes an Enddicke mit mindestens einer optionalen Zwischenglühung in Form einer Weichglühung bei 250 °C und 450 °C, wobei der Abwalzgrad beim Kaltwalzen nach dem Warmwalzen oder nach der letzten Zwischenglühung an Enddicke kleiner 25 %, bevorzugt kleiner 22 % oder besonders bevorzugt kleiner 18 % beträgt.
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 Walzprodukt aus einer Aluminiumlegierung 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 Walzprodukts.
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 Walzprodukts erreicht, was sich positiv auf Festigkeit und Umformbarkeit auswirkt. Die Kornstruktur wird durch die Homogenisierung bei sonst identischem Fertigungsprozess verfeinert. Als Ergebnis wird eine verringerte mittlere Korngröße am Endprodukt nach dem Kaltwalzen erhalten, so dass die Umformbarkeit verbessert wird. Vorzugsweise erfolgt das Homogenisieren bei einer Temperatur von 480 °C bis 625 °C, bevorzugt bei 550 °C bis 620 °C für mindestens 0,1 Stunden, vorzugsweise für mindestens 0,25 Stunden oder bevorzugt für mindestens 0,5 h, weiter bevorzugt für mindestens 1 h oder 2h.
Bevorzugt beträgt die Vorwärmtemperatur zu Beginn des Warmwalzens zwischen 390 und 550 °C. Das Warmwalzen des Walzbarrens zu einem warmgewalzten Band erfolgt derart, dass die Warmbandendtemperatur zwischen 250 °C und 450 °C beträgt, wobei bevorzugt die Warmbandendtemperatur 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 Warmbandenddicke, d.h. die Dicke des fertig warmgewalzten Bands beträgt 2 mm bis 10 mm. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass beim nachfolgenden Kaltwalzen ein ausreichend hoher Abwalzgrad eingestellt werden kann, wodurch vor allem die Festigkeit und die Umformbarkeit des Walzprodukts mitbestimmt werden.
Das Kaltwalzen des Walzprodukts 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 250 °C und 450 °C, vorzugsweise zwischen 280 °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 Walzprodukt aus einer Aluminiumlegierung auswirkt. Bei allen genannten Temperaturangaben, die Glühprozesse kennzeichnen, sind immer Peak-Metal-Temperaturen (PMT) gemeint, d.h. die höchsten Temperaturen des Metalls im Glühofen.
Erfindungsgemäß beträgt der Abwalzgrad beim Kaltwalzen nach dem Warmwalzen oder nach der letzten Zwischenglühung an Enddicke kleiner 25 %, bevorzugt kleiner 22 % oder besonders bevorzugt kleiner 18 %. Der geringe Abwalzgrad in Verbindung mit den vorgehenden Verfahrensschritten und der Zusammensetzung der Aluminiumlegierung des Walzproduktes gewährleistet, dass das Walzprodukt die gewünschten Festigkeiten mit einer Streckgrenze von RPo,2 von mehr als 125 MPa bis maximal 180 MPa, eine Zugfestigkeit Rm von mindestens 135 MPa bis maximal 185 MPa zur Verarbeitung zur Batteriezelle aufweist.
Alternativ kann das Verfahren gemäß einer weiteren Ausgestaltung dadurch ausgestaltet werden, dass nach dem Warmwalzen lediglich ein Kaltwalzen an Enddicke mit mindestens einer optionalen Zwischenglühung in Form einer Weichglühung bei 250 °C und 450 °C durchgeführt wird, wobei eine Abschlussglühung in einem Temperaturbereich von 150 °C bis 280 °C zur Einstellung rückgeglühter Gefügezustände im Walzprodukt an Enddicke erfolgt. Bei dieser Ausführungsform werden vorzugsweise Abwalzgrade von mindestens 50 % und mehr nach der letzten Zwischenglühung verwendet, um ein homogenes und feinkörniges Gefüge durch die Abschlussglühung zu ermöglichen.
Die Zwischenglühung erfolgt bei der angegebenen Temperatur mindestens solange, wie es zum Erreichen eines weichgeglühten Zustands des kaltgewalzten Bands nach der Zwischenglühung notwendig ist. Dies ist unter anderem auch abhängig von der gewählten Ofentechnik, also ob ein Durchlaufofen oder ein Kammerofen verwendet wird.
Das erfindungsgemäße Walzprodukt wird bevorzugt für die Herstellung eines Batteriezellgehäuses verwendet, wobei das Walzproduktvorzugsweise mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird. Wie bereits oben ausgeführt, erlaubt die Verwendung des erfindungsgemäßen Walzprodukts für die Herstellung von Batteriezellgehäusen, dass ein hoher Recycling-Anteil im Walzprodukt berücksichtigt werden kann, ohne dass die Eigenschaften des Batteriezellgehäuses oder der für die Verarbeitung benötigten Produktionsmittel verändert oder erneuert werden müssen. Anders als bisher führt die erfindungsgemäße Verwendung zu hoch nachhaltigen Batteriezellgehäusen mit niedrigem CO2-Fußabdruck. Dieses Ergebnis wird durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Walzprodukts für Batteriezellgehäuse einer Sekundärzelle, vorzugsweise einer Lithium-lonen- Sekundärzelle, einer Natrium-lonen-Sekundärzelle oder einer Festkörper- Sekundärzelle erreicht.
Gemäß einer weiter ausgestalteten Verwendung weist das Batteriezellgehäuse eine prismatische Bauform, eine zylindrische Bauform oder eine Pouch-Bauform auf. Alle drei Verwendungen profitieren von der Zusammensetzung der Aluminiumlegierung des Walzprodukts in Kombination mit den mechanischen Eigenschaften von der Möglichkeit, anders als bisher bei gleichbleibenden Verarbeitungseigenschaften hohe Recycling- Anteile in der Aluminiumlegierung zu verwenden.
Wird gemäß einer Ausgestaltung der Verwendung das Walzprodukt einer Mehrzahl von Umformschritten unterzogen, wobei vorzugsweise ein Tiefziehen und/oder Abstreckziehen durchgeführt wird, können bestehende Produktionsmittel zur Herstellung der Batteriezellgehäuse aus einer Fertigung basierend auf einer Aluminiumlegierung AA3003 auch für das erfindungsgemäße Walzprodukt verwendet werden. Hierdurch werden hohe Investitionskosten eingespart.
Weiter betrifft die Erfindung ein Batteriezellgehäuse hergestellt aus einem erfindungsgemäßen Walzprodukt, wobei das Batteriezellgehäuse eine prismatische Bauform, eine zylindrische Bauform oder eine Pouch-Bauform aufweist, welche nun ebenfalls mit niedrigem CC -Fußabdruck ohne aufwändigen Stoffkreislauf gefertigt werden können.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Batteriezellgehäuses weist das Batteriezellgehäuse umgeformte Bereiche aufweist, welche durch Umformen, vorzugsweise durch Tiefziehen und/oder Abstreckziehen eines Walzprodukts erhalten werden. Die entsprechenden Umformungen können trotz der unterschiedlichen Werkstoffzusammensetzungen im Vergleich zur Aluminiumlegierung AA3003 auf bestehenden Produktionsmitteln durchgeführt werden.
Im Weiteren soll die Erfindung durch Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt
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,
Fig. 4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Walzprodukts aus einer Aluminiumlegierung für Batteriezellgehäuse, und
Fig. 5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung von Batteriezellgehäusen aus Walzprodukten aus einer Aluminiumlegierung umfassend Tiefzieh- und/oder Abstreckziehverfahrensschritte.
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. Das Batteriezellgehäuse 11 kann beispielsweise aus einem zylindrischen Becher mit Kathodenanschluss 13 und einem Batteriezellgehäusedeckel mit Anodenanschluss 12 bestehen. 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. Auch das prismatische Batteriezellgehäuse 21 kann beispielsweise aus einem prismatischen Becher und einem Batteriezellgehäusedeckel mit dem Anoden- und Kathodenanschluss 22 und 23 bestehen.
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 nun ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Walzprodukts gemäß der vorliegenden Erfindung.
Das Verfahren umfasst in Schritt A das Bereitstellen eines Walzbarrens aus einer Aluminiumlegierung. Dies erfolgt üblicherweise im DC-Guss-Verfahren. Die Aluminiumlegierung weist die folgende Zusammensetzung in Gew.-% auf: 0,1 % < Si < 0,7 %, 0,2 % < Fe < 0,8 %, Cu < 0,6 %, 0,3 % < Mn < 1,5 %, 0,025 % < Mg < 0,60 %, bevorzugt 0,01 % < Mg < 0,60 %, Cr < 0,25 %, Zn < 0,5 %, Ti < 0,2 %,
Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen, einzeln maximal 0,05 %, in Summe maximal 0,15 %. Bevorzugt kann die Aluminiumlegierung aber auch die folgende Zusammensetzung aufweisen:
0,2 % < Si < 0,60 %, 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 0,1 % < Mg < 0,45 % Cr < 0,1 %, vorzugsweise Cr < 0,05 %,
0,0050 % < Zn < 0,30 %, vorzugsweise 0,02 % < Zn < 0,30 %, odervorzugsweise 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 %.
In Schritt B wird der so hergestellte Walzbarren optional für mindestens 0,1 Stunden, vorzugsweise mindestens 0,25 Stunden oder vorzugsweise mindestens 0,5 Stunden bei einer Temperatur von 480 °C bis 625 °C, bevorzugt bei 550 °C bis 620 °C homogenisiert. Die Homogenisierung kann dabei in den Vorwärmprozess des Walzbarrens vor dem Warmwalzen integriert sein oder separat erfolgen.
In Schritt C wird der Walzbarren an eine Warmbandenddicke von 2 mm bis 10 mm mit einer Warmbandendtemperatur zwischen 250 °C und 450 °C warmgewalzt. Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Verfahren aber auch nach dem Warmwalzen eine Rekristallisationsglühung umfassen, was in Fig. 4 nicht dargestellt ist.
Das Kaltwalzen des Warmbandes erfolgt in Fig. 4 gemäß Schritt D im Anschluss an das Warmwalzen. Während des Kaltwalzens nach Schritt D kann mindestens eine optionale Zwischenglühung in Form einer Weichglühung bei Temperaturen von 250 °C bis 450 °C gemäß Schritt E durchgeführt werden. Nach der letzten Zwischenglühung erfolgt das Kaltwalzen an Enddicke gemäß Schritt F. Sofern keine Zwischenglühung durchgeführt wird, ersetzt Schritt F die Schritte D und E und es wird ohne Zwischenglühung an Enddicke kaltgewalzt.
Im Schritt F ist dabei der Abwalzgrad beim Kaltwalzen nach dem Warmwalzen oder nach der letzten Zwischenglühung an Enddicke auf kleiner 25 %, bevorzugt kleiner 22 % oder besonders bevorzugt kleiner 18 % beschränkt, um die notwendigen Walzprodukteigenschaften zu erhalten.
Alternativ kann nach dem Warmwalzen ein Kaltwalzen an Enddicke mit mindestens einer optionalen Zwischenglühung in Form einer Weichglühung bei 250 °C und 450 °C gemäß der Schritte D, E und F' erfolgen. Im Unterschied zu F ist das Kaltwalzen an Enddicke gemäß Schritt F' nicht auf einen maximalen Abwalzgrad beschränkt. Vielmehr werden Abwalzgrade von mindestens 25 % oder bevorzugt mindestens 28 % verwendet. Bei dieser Alternative wird über eine Abschlussglühung in einem Temperaturbereich von 150 °C bis 280 °C gemäß Schritt G die Einstellung rückgeglühter Gefügezustände im Walzprodukt an Enddicke erreicht, so dass auf diesem Weg die gewünschten Eigenschaften erreicht werden. Bei der Abschlussglühung wird die Zielmetalltemperatur für mindestens 0,5 Stunden, bevorzugt mindestens 1 Stunde gehalten.
Zur Herstellung der Batteriezellgehäuse 11, 21 ,31 durchläuft ein Walzprodukt aus einer Aluminiumlegierung mehrere Umformschritte. Fig. 5 zeigt schematisch in einem Flussdiagramm die Herstellung eines becherförmigen Batteriezellgehäuses, beispielsweise von zylindrischen oder prismatischen Batteriezellgehäusen, ausgehend von einem Walzprodukt in Form eines Bands oder Blechs. Das Walzprodukt wird in Schritt 1 bereitgestellt und einem ersten Umformschritt, beispielswiese durch eine erste Tiefziehstufe gemäß Schritt 2 umgeformt. Weitere optionale Tiefzieh- oder Abstreckziehstufen 3, 4 können folgen bis im Schritt 5 ein becherförmiges Batteriezellgehäuse bereitgestellt werden kann. Dieses kann dann noch weiteren Arbeitsschritten bis zur fertigen Batteriezelle unterzogen werden. Aufgrund von hohen Sicherheitsanforderungen an Batteriezellgehäuse erfolgen die Umformschritte auf spezifisch für die gewählte Aluminiumlegierung abgestimmten Produktionsmitteln. Die derzeitig überwiegend eingesetzten Produktionsmittel sind auf Walzprodukte bestehend aus einer Aluminiumlegierung des Typs AA3003 abgestimmt.
Es wurden nun Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Walzprodukts sowie Walzprodukte als Vergleichsbeispiele aus unterschiedlichen Aluminiumlegierungen gefertigt und deren Eignung auf den Einsatz in den genannten Produktionsmitteln überprüft. Dabei ist man davon ausgegangen, dass die Walzprodukte bei Erreichen der vorgegebenen mechanischen Kennwerte für die Streckgrenze RPo.2, Zugfestigkeit Rm und Dehnung Aso geeignet sind, in den überwiegend vorhandenen Produktionsmitteln für eine Aluminiumlegierung vom Typ AA3003 eingesetzt zu werden.
Tabelle 1 zeigt zunächst die Legierungszusammensetzungen der Ausführungsbeispiele (Erf.) und der Vergleichsbeispiele (Vgl.J. Jedes einzelne Beispiel wurde mit den in Tabelle 2 angegebenen, spezifischen Verfahrensparametern gefertigt. Alle Temperaturangaben verstehen sich als „Peak-Metal-Temperature“ (PMT), also als maximale Temperatur des Metalls. Beim Homogenisieren betrug die Verweildauer bei Homogenisierungstemperatur mindestens 1 h. Die Homogenisierung kann in einer separaten Glühung erfolgen oder in die Vorwärmung integriert werden. Bei einer in die Vorwärmung integrierten Homogenisierung wird zunächst die Homogenisierungstemperatur eingestellt und für mindestens 1 h gehalten. Der Walzbarren wird im Anschluss auf die Vorwärmtemperatur gebracht. Beim Vorwärmen des Walzbarrens wird der Walzbarren bei Erreichen der Vorwärmtemperatur dem Walzprozess zugeführt. Bei allen Beispielen betrug die Vorwärmtemperatur zu Beginn des Warmwalzens zwischen 390 und 550 °C. Unter WB-Dicke wird die Warmbandenddicke verstanden. WB-Temperatur bezeichnet die Warmbandendtemperatur, also die Temperatur des Warmbandes nach dem letzten Warmwalzstich. In Tabelle 3 sind schließlich die erzielten mechanischen Eigenschaften dargestellt. Alle mechanischen Kennwerte wie Streckgrenze RPo.2, Zugfestigkeit Rm und Dehnung Aso wurden gemäß EN ISO 6892-1:2019 erhalten.
Das Vergleichsbeispiel Nr. 3 entspricht einem Referenzwalzprodukt aus einer Aluminiumlegierung des Typs AA3003. Die Beispiele Nr. 1, 6 bis 8 und 11 bis 12 sind Walzprodukte nach der Lehre der Erfindung. Diese weisen eine Aluminiumlegierung auf, welche, im Gegensatz zu dem Primäraluminium basierten Referenzwalzprodukt Nr. 3 hohe Recyclinganteile zulässt.
Das Ausführungsbeispiel Nr. 1 wurde im Zustand H12, also ohne Rückglühung hergestellt. Dabei wurde der Walzbarren einer Homogenisierung entsprechend den oben gemachten Vorgaben unterzogen. Der Abwalzgrad an Enddicke nach der Zwischenglühungbetrug 12 %. Das Ausführungsbeispiel Nr. 1 erreicht die erfindungsgemäßen mechanischen Werte und kann aufgrund der Zusammensetzung sowohl mit hohen Recyclinganteilen hergestellt als auch auf den Produktionsmitteln bestehender Batteriezellgehäusefertigungen eingesetzt werden.
Das aus einem identisch homogenisierten Walzbarren hergestellte Beispiel Nr. 2 weist zwar eine Aluminiumlegierung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 auf, allerdings wurde das Walzprodukt mit einem zu hohen Abwalzgrad an Enddicke von 30 % nach der Zwischenglühung kaltgewalzt. Dadurch erreicht das so hergestellte Vergleichswalzprodukt die gewünschten mechanischen Eigenschaften nicht. Es ist deutlich zu fest und weist eine zu geringe Dehnung Aso auf.
Das Referenzmaterial Nr. 3 erreicht zwar alle mechanischen Kennwerte, kann, wie bereits ausgeführt, lediglich durch geschlossene Stoffkreisläufe mit einem hohen Anteil an Recycling-Material von mindestens 30 % hergestellt werden.
Die Walzprodukte gemäß der Vergleichsbeispiele Nr. 4 und 5 weisen deutlich zu hohe Magnesiumgehalte auf und neigen beim Kaltwalzen daher zu einer ausgeprägten Kaltverfestigung. Die Kaltverfestigung war dabei so groß, dass diese auch im Rahmen der durchgeführten Rückglühungen bei 180 °C für 16 h und bei 250 °C für 1 h nicht ausreichend abgebaut werden konnte. Die Vergleichsbeispiele Nr. 4 und 5 sind daher nicht auf den derzeitigen Produktionsmitteln zur Fertigung von Batteriezellgehäusen einsetzbar.
Die Ausführungsbeispiele Nr. 6 bis 8 weisen zwei unterschiedliche Legierungszusammensetzungen auf, wobei die Ausführungsbeispiele Nr. 6 und 7 identische Zusammensetzungen aufweisen. Alle drei Ausführungsbeispiele wurden mit verschiedenen Herstellverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt und erreichen die beanspruchten mechanischen Kennwerte in den Zuständen H22 (Nr. 6 und 7) sowie H24 (Nr. 8).
Das Walzprodukt des Vergleichsbeispiel Nr. 9 weist eine Aluminiumlegierung mit einer Zusammensetzung auf, die den geforderten Gehalten entspricht. Beim Kaltwalzen nach der Zwischenglühungbetrug der Abwalzgrad an Enddicke 30 %, so dass die mechanischen Kennwerte der Erfindung nicht erreicht wurden. Das Walzprodukt zeigte eine zu geringe Dehnung Aso und eine zu hohe Zugfestigkeit Rm. Eine Weiterverarbeitung auf vorhandenen Produktionsmitteln zur Fertigung von Batteriezellgehäusen ist daher nicht möglich.
Das Vergleichsbeispiel Nr. 10 weist ebenfalls eine Aluminiumlegierung gemäß der vorliegenden Erfindung auf, wurde aber im Abschlussglühen in den weichen Zustand O überführt, so dass auch Vergleichsbeispiel Nr. 10 nicht die Anforderung an die Batteriezellgehäusefertigung erfüllt.
Die Ausführungsbeispiele Nr. 11 und 12 weisen eine erfindungsgemäße Aluminiumlegierungszusammensetzung auf und wurden mit erfindungsgemäßen Herstellverfahren hergestellt. Die entsprechenden Walzprodukte in den rückgeglühten Zuständen H24 und H22 wiesen alle geforderten mechanischen Kennwerte auf und können auf vorhandenen Produktionsmitteln für die Herstellung von Batteriezellgehäusen eingesetzt werden.
5
Tabelle 1
* AI le Angaben in Gew.-%, Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen, einzeln max. 0,05 Gew.-%, in Summe 0,15 Gew.-%
Tabelle 2
Tabelle 3

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Walzprodukt aus einer Aluminiumlegierung zur Herstellung eines Batteriezellgehäuses aufweisend eine Aluminiumlegierung mit den folgenden Legierungsbestandteilen in Gew.-%:
0,1 % < Si < 0,7 %, 0,2 % < Fe < 0,8 %, Cu < 0,6 %,
0,3 % < Mn < 1,5 %,
0,025 % < Mg < 0,60 %, bevorzugt 0,01 Gew.-% < Mg < 0,60 Gew.-%, Cr < 0,25 %, Zn < 0,5 %, Ti < 0,2 %,
Rest Al und unvermeidbare Verunreinigungen, einzeln maximal 0,05 %, in Summe maximal 0,15 %, wobei das Walzprodukt eine Zugfestigkeit Rm von mindestens 135 MPa bis maximal 210 MPa, bevorzugt maximal 185 MPa, eine Streckgrenze RPo,2 von mehr als 125 MPa bis maximal 180 MPa, vorzugsweise maximal 165 MPa, sowie eine Dehnung Aso von mehr als 5%, bevorzugt mehr als 7% besitzt.
2. Walzprodukt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung die folgenden Legierungsbestandteile in Gew.-% aufweist:
0,2 % < Si < 0,60 %, 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 0,1 % < Mg < 0,45 %,
Cr < 0,1 %, vorzugsweise Cr < 0,05 %,
0,0050 % < Zn < 0,30 %, vorzugsweise 0,02 % < Zn < 0,30 %,
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. Walzprodukt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an recyceltem Metall an dem Walzprodukt mindestens 30 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 50 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 70 Gew.- % beträgt.
4. Walzprodukt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Walzprodukt den Temper-Zustand H12, H24, H22, H34 oder H32 aufweist.
5. Walzprodukt nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Walzprodukt eine Dicke von 0,1 mm bis 2,0 mm, vorzugsweise 0,25 mm bis
1,5 mm und besonders bevorzugt von 0,35 mm bis 1,2 mm aufweist.
6. Walzprodukt nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Walzprodukt eine entfettete Oberfläche mit Oberflächenspannungen von mehr als 30 mN /m, bevorzugt mehr als 32 mN /m, insbesondere bevorzugt mehr als 34 mN /m aufweist.
7. Verfahren zur Herstellung eines Walzprodukts aus einer Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 bis 6, mit folgenden Verfahrensschritten:
- Bereitstellen eines Walzbarrens aus einer Aluminiumlegierung mit folgender Zusammensetzung in Gew.-%:
0,1 % < Si < 0,7 %,
0,2 % < Fe < 0,8 %,
Cu < 0,6 %,
0,3 % < Mn < 1,5 %,
0,025 % < 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 %,
- optionales Homogenisieren des Walzbarrens bei 480 °C bis 625 °C, bevorzugt bei 550 °C bis 620 °C für mindestens 0,1 Stunden, bevorzugt für mindestens 0,25 Stunden, weiter bevorzugt mindestens 0,5 Stunden,
- Warmwalzen des Walzbarrens an eine Warmbanddicke von 2 mm bis 10 mm mit einer Warmbandendtemperatur zwischen 250 °C und 450 °C,
- Kaltwalzen des Warmbandes an Enddicke mit mindestens einer optionalen Zwischenglühung, vorzugsweise in Form einer Weichglühung bei 250 °C bis 450 °C, wobei der Abwalzgrad beim Kaltwalzen ohne Zwischenglühung an Enddicke oder der Abwalzgrad beim Kaltwalzen nach der letzten Zwischenglühung kleiner 25 %, bevorzugt kleiner 22 % oder besonders bevorzugt kleiner 18 % beträgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass alternativ nach dem Warmwalzen ein Kaltwalzen an Enddicke mit mindestens einer optionalen Zwischenglühung, vorzugsweise in Form einer Weichglühung bei 250 °C bis 450 °C erfolgt, wobei der Abwalzgrad beim Kaltwalzen ohne Zwischenglühung an Enddicke oder der Abwalzgrad beim Kaltwalzen nach der letzten Zwischenglühung mindestens 25%, bevorzugt mindestens 28% beträgt und eine Abschlussglühung in einem Temperaturbereich von 150 °C bis 280 °C zur Einstellung rückgeglühter Gefügezustände im Walzprodukt an Enddicke erfolgt.
9. Verwendung eines Walzprodukts nach Anspruch 1 bis 6, vorzugsweise hergestellt mit einem Verfahren nach Anspruch 7 oder 8 für ein Batteriezellgehäuse.
10. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriezellgehäuse ein Gehäuse einer Sekundärzelle, vorzugsweise einer Lithium-lonen-Sekundärzelle, einer Natrium-lonen-Sekundärzelle oder einer Festkörper-Sekundärzelle ist.
11. Verwendung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriezellgehäuse eine prismatische Bauform, eine zylindrische Bauform oder eine Pouch-Bauform aufweist.
12. Verwendung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Walzprodukt aus einer Aluminiumlegierung zur Verwendung für ein Batteriezellgehäuse einer Mehrzahl an Umformschritten unterzogen wird, wobei vorzugsweise ein Tiefziehen und/oder Abstreckziehen durchgeführt wird.
13. Verwendung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriezellgehäuse im Zuge der Assemblierung der Batteriezelle durch ein stoffschlüssiges Fügeverfahren gasdicht verschlossen wird.
14. Batteriezellgehäuse hergestellt aus einem Walzprodukt nach Anspruch 1 bis 5, wobei das Batteriezellgehäuse eine prismatische Bauform, eine zylindrische Bauform oder eine Pouch-Bauform aufweist.
15. Batteriezellgehäuse nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriezellgehäuse mindestens einen umgeformten Bereich aufweist, welcher durch Umformen, vorzugsweise durch Tiefziehen und/oder Abstreckziehen, eines Walzprodukts aus Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 erhalten wird.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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ES2461994T3 (es) * 2011-05-27 2014-05-22 Hydro Aluminium Rolled Products Gmbh Aleación de aluminio altamente conductora para productos eléctricamente conductores
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