JP2007211290A - 電池ケース用アルミニウム合金板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【目的】優れた強度とクリープ特性を有し、絞り−しごき加工性に優れ、レーザー溶接による封口処理も可能であり、充放電サイクル時のケース厚さ増加を抑制できる角形リチウムイオン電池ケースに好適に使用し得る電池ケース用アルミニウム合金板を提供する。
【構成】Ｍｎ：０．４％を超え０．８％未満、Ｍｇ：０．２〜０．８％、Ｃｕ：０．７％を超え１．２０％以下を含有し、Ｍｎ、ＭｇおよびＣｕの合計量を１．４〜２．６％とし、不純物としてＳｉを０．３％以下、Ｆｅを０．４％以下、Ｚｎを０．２％未満に規制し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、電池ケース用アルミニウム合金板、詳しくは携帯電話やノートパソコンに使用される角型リチウムイオン電池などのケース用として好適な高強度高成形性アルミニウム合金板、およびその製造方法に関する。

携帯電話やノート型パーソナルコンピューターに組み込まれる部品は軽量であることが強く望まれており、このため、これらに使用される角形リチウムイオン電池のケース材についても、当初の鋼板やステンレス鋼板に代えてＡ３００３アルミニウム合金板が使われるようになっている。角形電池ケースはレーザー溶接技術を用いて純アルミニウムもしくはアルミニウム合金板で封口される。

複数の工程の絞りおよびしごき加工を組み合わせて成型される角形電池ケースにおいて、Ａｌ−Ｍｎ系のＡ３００３アルミニウム合金は光沢のある美しい表面状態を維持しながらケースの薄肉化が可能な素材であるが、充放電を繰り返すリチウムイオン電池は、その反応時に内部圧力が上昇し、温度上昇が生じることもあり、電池ケース材には、その使用環境によっては内部圧力による引張り応力が負荷される。このような使用環境下において、Ａｌ−Ｍｎ系のアルミニウム合金板材はクリープ変形し、結果として電池ケースの厚みが増加する（膨らむ）という問題がある。その厚み変形量が大きい場合には、機器への影響（故障、破損など）が懸念される。

近年、リチウムイオン電池については、さらに軽量化、高容量化が求められており、角型電池ケースにおいても一層の薄肉化が要請されている。薄肉化は内容積の増加に直結し、電池特性の高容量化を図る重要な要素であり、電池ケースの外形寸法を維持しつつ内容積を増やすこと、もしくは同容量でのダウンサイジングが課題となっている。さらに厚み許容差も年々厳しくなり、このため素材の高性能化が求められている。

ここで必要となる性能とは、（１）クリープ変形し難いこと、（２）ケース成形時の絞り−しごき加工が可能なこと、（３）レーザー溶接による接合によって割れ等の欠陥が発生しないこと、が挙げられる。これまで、Ｍｎの他にＭｇやＣｕを添加した電池ケース用アルミニウム合金板材がいくつか提案されている（例えば特許文献１、特許文献２参照）が、いずれもクリープ特性やレーザー溶接性など角形電池ケース用材料として求められる性能が必ずしも十分ではない。

また、発明者らは先に、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｕを添加した電池ケース用アルミニウム合金板材において、特定量のＭｎ、Ｍｇ、Ｃｕの組み合わせと、不純物量を規制することにより改善されたクリープ特性をそなえた電池ケース用アルミニウム合金板を提案した（特許文献３）。
特開２００４−２３２００９号公報 特開２００５−３３６５４０号公報 特願２００５−１８１５５９

発明者らは、上記提案の電池ケース用アルミニウム合金板におけるＭｎ、Ｍｇ、Ｃｕの含有量とその組み合わせについてさらに試験、検討を加えた結果、Ｍｎ含有量をさらに少なくしても同等の強度とクリープ特性を得ることができる組み合わせを見出した。

本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、その目的は、優れた強度とクリープ特性を有し、絞り−しごき加工性に優れ、レーザー溶接による封口処理も可能であり、充放電サイクル時のケース厚さ増加を抑制できる角形リチウムイオン電池ケースに好適に使用し得る電池ケース用アルミニウム合金板およびその製造方法を提供することにある。

上記本発明の目的を達成するための請求項１による電池ケース用アルミニウム合金板は、Ｍｎ：０．４％（質量％、以下同じ）を超え０．８％未満、Ｍｇ：０．２〜０．８％、Ｃｕ：０．７％を超え１．２％以下を含有し、Ｍｎ、ＭｇおよびＣｕの合計量を１．４〜２．６％とし、不純物としてＳｉを０．３％以下、Ｆｅを０．４％以下、Ｚｎを０．２％未満に規制し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなることを特徴とする。

請求項２による電池ケース用アルミニウム合金板は、請求項１において、さらにＺｒ：０．０１〜０．２％、Ｃｒ：０．０１〜０．３％、Ｖ：０．０１〜０．２％うちの１種または２種以上を含有することを特徴とする。

請求項３による電池ケース用アルミニウム合金板は、請求項１または２において、さらにＴｉ：０．０１〜０．２％、Ｂ：５〜１００ｐｐｍを含有することを特徴とする。

請求項４による電池ケース用アルミニウム合金板の製造方法は、請求項１〜３のいずれかに記載の組成を有するアルミニウム合金板の製造において、最終冷間加工度を１０〜６０％とし、その後、１００〜３００℃の温度で熱処理を施すことを特徴とする。

本発明によれば、優れた強度とクリープ特性を有し、絞り−しごき加工性に優れ、レーザー溶接による封口処理も可能であり、充放電サイクル時のケース厚さ増加を抑制できる角形リチウムイオン電池ケースに好適に使用し得る電池ケース用アルミニウム合金板およびその製造方法が提供される。

本発明の電池ケース用アルミニウム合金板における合金成分の意義およびその限定理由について説明する。
Ｍｎ：Ｍｎは強度やクリープ特性を向上させるために有効な元素である。また、しごき加工時の板表面性状を良好な状態にするよう機能する。Ｍｎの好ましい含有量は０．４％を超え０．８％未満の範囲であり、０．４％以下では十分な強度、クリープ特性が得られず、充放電時における角形電池ケースの膨れを防止するには不十分である。０．８％以上では鋳造時に粗大な金属間化合物が形成され易くなり、成形加工時に割れが発生し易くなる。

Ｍｇ：Ｍｇは、強度を向上させるとともに成形性向上のために有効な元素である。Ｍｇの好ましい含有量は０．２〜０．８％の範囲であり、０．２％以下では強度、成形性を向上させる効果が十分でなく、Ｍｇ含有量が多すぎるとレーザー溶接性が劣化するため、Ｍｇ含有量は０．８％未満に抑えるのが好ましい。

Ｃｕ：Ｃｕは強度やクリープ特性を向上させるために有効な元素である。Ｃｕの好ましい含有量は０．７％を超え１．２％以下の範囲であり、Ｃｕ含有量が０．７％以下では、強度やクリープ特性を向上させる効果が十分でなく、Ｃｕが多くなるとレーザー溶接性を低下させるため、１．２％以下に制限するのが好ましい。Ｃｕのさらに好ましい含有範囲は０．８〜１．２％である。

また、Ｍｇ、ＭｎおよびＣｕの合計含有量は１．４〜２．６％の範囲とするのが好ましく、この範囲において改善された強度とクリープ特性を得ることができる。Ｍｇ、ＭｎおよびＣｕの合計量が１．４％未満では強度およびクリープ特性の改善効果が小さく、Ｍｇ、ＭｎおよびＣｕの合計含有量が多くなると、鋳造性が阻害されて鋳造割れを起こし易くなり、また生産性を低下させるため、２．６％以下に抑えるのが好ましい。

Ｓｉ：Ｓｉは不純物として含有される。Ｓｉ量が０．３％を越えると成形性が劣化するから、０．３％以下に規制することが望ましい。また、Ｓｉ量を低減することは高純度のＡｌ地金を用いることが必要となり、製造コストの上昇を招くから、好ましくは０．０５〜０．２％の範囲とする。

Ｆｅ：Ｆｅは不純物として含有される。Ｆｅ量が０．４％を越えると成形性が劣化するから、０．４％以下に規制することが望ましい。また、Ｆｅ量を低減することは高純度のＡｌ地金を用いることが必要となり、製造コストの上昇を招くから、好ましくは０．１〜０．３％の範囲とする。

Ｚｎ：Ｚｎは不純物として含有される。Ｚｎ量が０．２％を越えるとクリープ性が劣化するから、０．２％以下に規制することが望ましい。

Ｚｒ、Ｃｒ、Ｖ：Ｚｒ、ＣｒおよびＶは、クリープ特性を向上させるとともに、組織を微細化して成形性を高めるために有効な元素である。好ましい含有量は、Ｚｒ：０．０１〜０．２％、Ｃｒ：０．０１〜０．３％、Ｖ：０．０１〜０．２％の範囲であり、それぞれ下限未満では上記の効果が十分でなく、それぞれ上限を越えて含有すると、鋳造時に粗大な化合物が生成して成形性を低下させる。

Ｔｉ、Ｂ：ＴｉおよびＢは、結晶粒を微細化して、成形加工時の割れ、肌あれなどを防止するよう機能する。好ましい含有量は、Ｔｉ：０．０１〜０．２％、Ｂ：５〜１００ｐｐｍの範囲であり、それぞれ下限未満では上記の効果が十分でなく、それぞれ上限を越えて含有すると、鋳造時に粗大な化合物が生成して成形性を低下させる。

本発明の電池ケース用アルミニウム合金板は、造塊された鋳塊を常法に従って均質化処理、熱間圧延した後、冷間圧延を行いあるいは行わず、その後再結晶させることを目的とする中間熱処理を行い、最終冷間圧延することにより製造される。

この場合、最終冷間圧延の加工度を１０〜６０％とするのが好ましい。冷間加工度が１０％未満では電池ケースとしての缶体強度が不足することがあり、冷間加工度が６０％を越えると材料強度が高くなり変形能も低下するため、角形ケース成形における多段のしごき加工に耐えられず、破胴し易くなる。より好ましい最終冷間圧延加工度は２０〜５０％の範囲である。最終冷間圧延後、さらに１００〜３００℃で熱処理を行うことにより加工歪みが緩和され、成形性、クリープ特性が向上する。

上記にようにして製造されたアルミニウム合金板材は、多段の絞り−しごき加工によって破胴や外観上の汚れを発生することなく角形ケースに成型でき、通常のレーザー溶接による封口処理後もクラックやピンホールの発生がなく、優れたクリープ特性をそなえている。

以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明し、その効果を実証する。これらの実施例は、本発明の一実施態様を示すものであり、本発明はこれに限定されるものではない。

実施例１
表１に示す組成を有するアルミニウム合金を半連続鋳造により造塊し、得られた鋳塊を均質化処理、熱間圧延、冷間圧延、中間焼鈍、最終冷間圧延の工程を経て厚さ０．６ｍｍの板とした。最終冷間加工度は２５％とし、その後に２７０℃で熱処理を行った。得られた板材を試験材として、以下の方法により、引張り性能、成形性、レーザー溶接性、クリープ特性を評価した。結果を表２に示す。なお、表１において、本発明の条件を外れたものには下線を付した。

引張り性能：ＪＩＳ５号試験片を作製して、室温で引張試験を行い、引張強さが２００ＭＰａを越えるもの、伸びが３％を越えるものを合格とした。引張強さが２００ＭＰａ以下のものは強度が不足し、伸び３％以下のもの、および耐力が２５０ＭＰａ以上のものは成形性が劣る。
成形性：壁面のしごき加工率を５５％として、厚さ６ｍｍ，幅３５ｍｍ，高さ５０ｍｍの角形ケースを成形し、割れや肌荒れが発生しなかった場合を合格（○）、割れや肌荒れが生じた場合を不合格（×）とした。

レーザー溶接性：試験材と同じ板厚のＡ１１００−Ｏ材を用いて突き合わせ溶接を行い、ビード部にマイクロクラックが発生していないものは合格（○）、発生したものは不合格（×）とした。
クリープ特性：前記成形性評価で成形した角形ケースの壁面と同じ板厚になるよう冷間圧延した板を用い、９０℃の温度で１００ＭＰａの応力を２００時間負荷するクリープ試験を行い、変形量を測定した。クリープ試験後の歪みが０．３％以下のものは合格（○）、０．３％を越えるものは不合格（×）とした。

表２に示すように、本発明に従う試験材１〜７はいずれも、引張強さが２００ＭＰａを超える高強度をそなえ、耐力が２５０ＭＰａ以下、伸びが３％を超え、良好な成形性を有しており、レーザー溶接性、クリープ特性に優れている。

これに対して、試験材８は、Ｍｎ量およびＣｕ量が少なく、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｕの合計量が少なすぎるため、引張強さが低くクリープ特性も劣っている。試験材９はＭｎ量およびＭｇ量が多く、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｕの合計量が多すぎるため、鋳造で割れが発生して試験材が得られず各評価ができなかった。試験材１０は、Ｚｎ添加量が多すぎたためクリープ特性が劣っている。試験材１１、１２は、それぞれＺｒ、Ｔｉ添加量が多すぎたため成形性が劣っている。試験材１３はＣｕ量が多すぎたためレーザー溶接性が劣っている。

Claims (4)

1. Ｍｎ：０．４％（質量％、以下同じ）を超え０．８％未満、Ｍｇ：０．２〜０．８％、Ｃｕ：０．７％を超え１．２％以下を含有し、Ｍｎ、ＭｇおよびＣｕの合計量を１．４〜２．６％とし、不純物としてＳｉを０．３％以下、Ｆｅを０．４％以下、Ｚｎを０．２％未満に規制し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなることを特徴とする電池ケース用アルミニウム合金板。
2. さらにＺｒ：０．０１〜０．２％、Ｃｒ：０．０１〜０．３％、Ｖ：０．０１〜０．２％うちの１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項1記載の電池ケース用アルミニウム合金板。
3. さらにＴｉ：０．０１〜０．２％、Ｂ：５〜１００ｐｐｍを含有することを特徴とする請求項１または２記載の電池ケース用アルミニウム合金板。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の組成を有するアルミニウム合金板の製造において、最終冷間加工度を１０〜６０％とし、その後、１００〜３００℃の温度で熱処理を施すことを特徴とする電池ケース用アルミニウム合金板の製造方法。