JP2011102423A - ラミネート型リチウムイオン二次電池ケース用フェライト系ステンレス鋼箔 - Google Patents

Abstract

【課題】
ラミネート型リチウムイオン二次電池ケース用として工性が良好で、突き刺し強度にも優れる素材を提供する。
【解決手段】
質量％で、
Ｃ：０.０２％以下、
Ｓｉ：３％以下、
Ｍｎ：２％以下、
Ｐ：０.０４％以下、
Ｓ：０.００３％以下、
Ｎｉ：２％以下、
Ｃｕ：２％以下、
Ｃｒ：１０〜３０％、
Ｍｏ：２％以下、
Ｎ：０.０２５％以下、
Ａｌ：０.３％以下、
Ｂ：０．０1％以下
およびＮｂ、Ｔｉのうちいずれかまたは両者を合計０.５％以下含有し、（０．５Ｎｂ＋Ｔｉ）／（Ｃ＋Ｎ）≧５を満足し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるリチウムイオン二次電池ケース用フェライト系ステンレス鋼箔。
【選択図】 なし

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池ケースの素材として優れた特性を有するフェライト系ステンレス鋼箔に関する。具体的には、リチウムイオン二次電池のケース材として、耐圧変形性に優れた素材を提供するものである。

リチウムイオン二次電池は高エネルギー密度、高出力特性を有しており、小型、軽量性が求められる携帯電話、モバイル機器などに多用されている。これらの小型電池では、軽量性、成形性およびコストの観点から、アルミニウム合金が用いられている。

一方、近年、電気自動車やハイブリッド自動車、太陽電池蓄電池など、より大型機器にも適用範囲が広がってきた。これらの大型機器用電池では、出力容量の増加にともない、活性な電解質の含有量の増加するため、堅牢性や耐久性など、小型電池ケース以上の安全性がケース部材に求められている。

なお、引用文献特開２００４−５２１００号では、オーステナイト系ステンレス鋼箔を用いてこれらの課題を解決することが提案されている。

特開２００４―５２１００号

アルミニウム合金は剛性が低いため、以下の欠点があることが知られている。
・電池内部圧力に対する耐圧性を高めるためには板厚を増加する必要があり、省スペース化、低コスト化が困難である
・電池セル同士の結束、固定にケース周辺のフランジ部を使用する場合にも、いわゆる“コシ”が無いために自立性が低く、補助的な結束部材が必要となる

さらにアルミニウム合金は熱膨張係数が高いため、次の問題点がある。
・電池放充電時の発熱によるケース部材の熱膨張、収縮により大きな熱衝撃が加わる
一方、オーステナイト系ステンレス鋼については、次の欠点がある。
・アルミニウム合金に比べて剛性率が高いため、耐圧性やフランジ自立性に優れるものの、熱膨張係数が高いため耐熱衝撃性に劣ること、さらに熱伝導率が極めて低いため、放熱性が著しく劣る
そのため、リチウムイオン二次電池ケース用素材として十分な強度と加工性を有し、熱膨張係数が小さく、熱伝導率の大きい金材料が望まれていた。

上記目的は、Ｃ：０.０２％以下、Ｓｉ：３％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｐ：０.０４％以下、Ｓ：０.００３％以下、Ｎｉ：２％以下、Ｃｕ：２％以下、Ｃｒ：１０〜３０％、Ｍｏ：２％以下、Ｎ：０.０２５％以下、Ａｌ：０.３％以下、Ｂ：０．０1％以下、およびＮｂ、Ｔｉのうちいずれかまたは両者を合計０.５％以下含有し、（０．５Ｎｂ＋Ｔｉ）／（Ｃ＋Ｎ）≧５を満足し残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるリチウムイオン二次電池ケース用フェライト系ステンレス鋼箔により達せられる。

本発明に係るステンレス鋼箔を使用すれば、ラミネートケース形状への加工性が良好で、突き刺し強度にも優れる材が得られる。

本発明のフェライト系ステンレス鋼を構成する成分元素について説明する。
以下、本発明を特定する事項について説明する。なお、各元素の含有量を示す「％」は特に示さない限り「質量％」を意味する。
Ｃは炭化物を形成し、それが最終焼鈍での再結晶フェライトのランダム化の再結晶核として働く。しかしＣは冷延焼鈍後の強度を上昇させる元素であり、あまり高いと延性の低下を招くため、０.０２％以下とした。

Ｓｉは通常脱酸の目的のために使用するが、固溶強化能が高く、あまりその含有量が多いと材質が硬化し延性の低下を招くので、３％以下とした。

Ｃｒは、ステンレス鋼としての耐食性を備えるために、１０％の含有が必要である。しかし、Ｃｒ量が高くなると、靭性や加工性の低下を招くためＣｒ含有量の上限を３０％とする。

Ｎは窒化物を形成し、Ｃと同様にそれが最終焼鈍での再結晶フェライトの結晶方位ランダム化の再結晶核として働く。しかしＮは冷延焼鈍材の強度を上昇させる元素であり、あまり高いと延性の低下を招くため、０.０２５％以下とした。

ＮｂとＴｉはＣ，Ｎを固定し、加工性および耐食性を向上させる元素である。しかし、Ｔｉを添加すると、鋼材コストの増大を招き、Ｔｉ系介在物が原因の表面欠陥が問題となることなる。一方、Ｎｂを添加しすぎると材料が硬化し加工性に悪影響をもたらし、さらに再結晶温度を上げることからから、Ｎｂ＋Ｔｉ含有量の上限を0.50％に設定した。

Ｂは、Ｎを固定し、耐食性や加工性を改善する作用をもつ合金成分であり、必要に応じて添加される。上記作用を発揮させるためには０．０００５％以上添加することが望ましい。しかし、過剰に添加すると熱間加工性の低下や溶接性の低下を招くため、上限を０.０１％に設定した。

Ｍｏは耐食性を改善するのに有効な元素であるが、過度の添加は高温での固溶強化や動的再結晶の遅滞により、熱間加工性の低下をもたらすので２％以下とした。

Ｎｉはオーステナイト形成元素であり、２％を越える添加は硬質化やコスト上昇を招くため、２％を上限とした。

Ｃｕは溶製時のスクラップからの混入等、不可避的に含有されるが、過度の添加は熱間加工性や耐食性を低下させるので２％以下とした。

Ａｌは脱酸や耐酸化性のために有効な元素であるが、過剰な添加は表面欠陥の原因となるため上限を０.３％とした。

Ｍｎ：オーステナイト形成元素であり、固溶強化能が小さく材質への悪影響が少ない。しかし、含有量が多いと溶製時にＭｎヒュームが生成する等、製造性が低下するので、成分範囲を２％以下とする。
Ｐ：熱間加工性に有害な元素である。とくに０.０５％を超えるとその影響は顕著になるので０.０５％以下である。
Ｓ：結晶粒界に偏析しやすく、粒界脆化により熱間加工性の低下等を促進する元素である。 ０.００３％を超えるとその影響は顕著になるので０.００３％％以下でとする。

以下の元素は請求項の中では記載していないが、含有してもさしつかえない。
Ｖ、Ｚｒ：固溶Ｃを炭化物として析出させる効果による加工性向上、Ｚｒは鋼中の酸素を酸化物として捕えることによる加工性や靭性向上の面から有用な元素である。しかしながら、多量に添加すると製造性が低下するので、適正含有量はＶ、Ｚｒは０．０１〜０．３０％である。
これら以外にもＣａ、Ｍｇ、Ｃｏ、ＲＥＭなどは、溶製中に原料であるスクラップ中より含まれることもあるが、とりたてて多量に含まれる場合を除き、成形品の形状凍結性には影響ない。

（０．５Ｎｂ＋Ｔｉ）／（Ｃ＋Ｎ）≧５
フェライト系ステンレスで固溶Ｃ、固溶Ｎが存在すれば、引張変形で顕著にわかる降伏点現象が生じ、一部ネッキングが生じるリューダースバンドが発生する。このリューダース変形は局部変形を起こし、ラミネート加工品に一部薄い箇所を作成してしまう。この箇所は局部的に応力集中をまねき、製品として好ましくない。
固溶Ｃ，Ｎはラミネートを塗布する温度を１２０℃処理で、かなり転位に固着され 降伏点現象は示しにくくなるが、それでも 不十分であり、固溶Ｃ，ＮをＮｂ、Ｔｉで固定することが有効な手段である。
ラミネート加工時にリューダース変形のような局部変形をおさえるためには、（０．５Ｎｂ＋Ｔｉ）／（Ｃ＋Ｎ）≧５を満足する成分を使用することが有効であることを見出した。ここで、式中の各項はそれぞれ合金成分の含有量（質量％）である。

表１に示す化学組成を有するステンレス鋼を溶製し、熱間圧延にて板厚３ｍｍの熱延板を作製した。その後、焼鈍と冷間圧延をくりかえして板厚０.１ｍｍとし、水素１００％の還元雰囲気の焼鈍を９５０〜１０００℃で行い供試材とした。

ケース内側にポリプロピレンフィルム４０μｍを１２０℃で付着しラミネートケース形状１２０×１４０ｍｍ（張出し部４０×６０ｍｍ 張出し高さ３ｍｍ）に作成し、試作したケースに対して突き刺し強度を求めた。試験条件は、針先端半径０．５ｍｍ、突刺しスピード５０ｍｍ／ｍｉｎである。
突刺し強度を表２に示す。

発明鋼はすべて、ラミネートケース形状に加工でき、突刺し強度もアルミ合金３００４（Ｎｏ．２０）の５０Ｎより高く、１２０Ｎ以上を合格とした。耐圧性が要求されるラミネートケース材への適用が可能である。
比較鋼１７，１８は、（０．５Ｎｂ＋Ｔｉ）／（Ｃ＋Ｎ）≧５を満足せず、局部的に薄いところでの突刺し強度１００Ｎ以下と低い値であった。比較鋼１９はＣが請求範囲より高く成形性が劣り、加工ができなかった。

本発明に係るステンレス鋼箔を使用すれば、ラミネートケース形状への加工性が良好で、突き刺し強度にも優れる電池ケース用素材が得られる。

Claims (1)

1. 質量％で、
   Ｃ：０.０２％以下、
   Ｓｉ：３％以下、
   Ｍｎ：２％以下、
   Ｐ：０.０４％以下、
   Ｓ：０.００３％以下、
   Ｎｉ：２％以下、
   Ｃｕ：２％以下、
   Ｃｒ：１０〜３０％、
   Ｍｏ：２％以下、
   Ｎ：０.０２５％以下、
   Ａｌ：０.３％以下、
   Ｂ：０．０1％以下
   およびＮｂ、Ｔｉのうちいずれかまたは両者を合計０.５％以下含有し、（０．５Ｎｂ＋Ｔｉ）／（Ｃ＋Ｎ）≧５を満足し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなるリチウムイオン二次電池ケース用フェライト系ステンレス鋼箔。
   ただし式中の各項はそれぞれ合金成分の含有量（質量％）である。