JP2008111159A - 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】十分な強度と優れたクリープ特性を有し、絞り−しごき加工性、レーザー溶接性に優れ、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】Ｍｇ：０．２〜０．８％、Ｃｕ：０．４〜１．５％、Ｆｅ：０．６〜２．０％を含有し、不純物としてのＳｉを０．３％以下に規制し、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り、薄肉化は電池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となる。

しかしながら、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、また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ため、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。前記のように、薄肉化は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。

素材について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Ｃｕ、Ｍｇを添加した電池ケース用アルミニウム合金板材が提案されており（特許文献１参照）、Ｍｎの他にＣｕ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｆｅを添加した電池ケース用アルミニウム合金板材も提案されている（特許文献２参照）が、鋳造性に課題があったり、また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。
特開２００５−３３６５４０号公報 特開２００４−２３２００９号公報

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問題点を解消するために、合金元素の組み合わせとクリープ特性、レーザー溶接性などとの関係についてさらに試験、検討を重ねた結果、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｆｅの組み合わせにより電池ケースとして優れた特性を得ることができることを見出した。

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、電池ケースとして十分な強度と優れたクリープ特性を有し、絞り−しごき加工性、レーザー溶接性に優れ、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、Ｍｇ：０．２〜０．８％、Ｃｕ：０．４〜１．５％、Ｆｅ：０．６〜２．０％を含有し、不純物としてのＳｉを０．３％以下に規制し、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Ｍｎ：０．３％以下、Ｚｒ：０．２％以下、Ｃｒ：０．３％以下、Ｖ：０．２％以下のうちの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１〜４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１０〜７０％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、電池ケースとして十分な強度と優れたクリープ特性を有し、絞り−しごき加工性、レーザー溶接性に優れ、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。
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％未満では強度、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。Ｍｇのさらに好ましい含有範囲は０．４〜０．７％である。

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０．４〜１．５％の範囲であり、Ｃｕ含有量が０．４％未満では、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、１．５％以下とするのが好ましい。また、ＭｇとＣｕは互いに相互作用を持つため、Ｍｇ含有量とＣｕ含有量の比、（Ｍｇ％／Ｃｕ％）は０．６以下とするのが望ましい。Ｃｕのさらに好ましい含有範囲は０．７〜１．０％である。

Ｆｅ：Ｆｅは強度を向上させるとともに、レーザー溶接部の強度を向上させる。Ｆｅの好ましい含有量は０．６〜２．０％の範囲である。多量のＦｅが含有されると鋳造時に粗大晶出物が生成され易くなり成形性が劣化するため、Ｆｅは２．０％以下とするのが好ましく、０．６％未満ではレーザー溶接部の強度改善効果が不十分となる。Ｆｅのさらに好ましい含有範囲は１．０〜１．６％である。

Ｓｉ：Ｓｉは不純物として含有される。Ｓｉ量が０．３％を超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。

Ｍｎ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｖ：Ｍｎ、Ｚｒ、ＣｒおよびＶは、強度を向上させるとともに、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。好ましい含有量は、Ｍｎ：０．３％以下、Ｚｒ：０．２％以下、Ｃｒ：０．３％以下、Ｖ：０．２％以下の範囲であり、Ｍｎ：０．３％、Ｚｒ：０．２％、Ｃｒ：０．３％、Ｖ：０．２％を超えて含有されると、鋳造時に粗大な化合物が生成して成形性が低下することがある。

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が低下することがある。

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１０〜７０％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７０％を超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２０〜６０％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、比較例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０．５ｍｍの板とした。最終冷間加工度は３５％とし、その後に２５０℃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、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１８０ＭＰａを越えるもの、伸びが３％を越えるものを合格とする。引張強さが１８０ＭＰａ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ため不合格とする。
成形性：壁面のしごき加工率を５５％として、厚さ８ｍｍ、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は合格（○）、割れや肌荒れが発生した場合は不合格（×）とした。

レーザー溶接性：試験材と同じ板厚のＡ１０５０−Ｏ材を用いて突き合わせ溶接を行って継手強度を測定し、標準材料の３００３とＡ１０５０−Ｏ材を用いて突き合わせ溶接を行った場合の継手強度より２０％以上向上したものを合格（○）、強度向上率が２０％に満たないものは不合格（×）とした。
クリープ特性：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０．２％以下のものは合格（○）、０．２％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１８０ＭＰａを超える高強度をそなえ、また、耐力は２５０ＭＰａ未満、伸びは３％を超え、良好な成形性を有しており、優れたクリープ特性をそなえ、レーザー溶接性にも優れている。

これに対して、試験材８はＭｇ量が少ないため、また試験材９はＣｕ量が少ないため、いずれも引張強さが低く、成形性も十分でなく、クリープ特性も劣っている。試験材１０はＦｅ量が少ないためレーザー溶接性が劣っている。試験材１１はＭｇ量が多いため、レーザー溶接性、クリープ特性が劣っており、成形性も十分でない。

試験材１２はＣｕ量が多いため成形性、レーザー溶接性が劣っており、試験材１３はＦｅ量が多いため、成形性が劣っている。また、試験材１４および試験材１５は、それぞれＭｎおよびＺｒの含有量が多いため成形性が劣っている。

Claims (4)

1. Ｍｇ：０．２〜０．８％（質量％、以下同じ）、Ｃｕ：０．４〜１．５％、Ｆｅ：０．６〜２．０％を含有し、不純物としてのＳｉを０．３％以下に規制し、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Ｍｎ：０．３％以下（０％を含まず、以下同じ）、Ｚｒ：０．２％以下、Ｃｒ：０．３％以下、Ｖ：０．２％以下のうちの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１〜４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１０〜７０％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。