JP2013170308A - プレス成形性に優れたリチウムイオン電池ケース用表面処理鋼板及びその製造方法 - Google Patents

プレス成形性に優れたリチウムイオン電池ケース用表面処理鋼板及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】リチウムイオン電池ケースに用いられる鋼板として、加工時の耐カジリ性と耐食性、電池特性を改善しうるリチウムイオン電池ケース用表面処理鋼板及びその安価な製造方法を提供することにある。
【解決手段】電池ケースの外面となる面には、下層としてNi−Fe拡散層、中間層として再結晶Ni層、上層としてFe含有量が27〜40質量%のNi−Fe合金層を有し、下層のNi−Fe拡散層のNi量と中間層の再結晶Ni層のNi量との合計Ni量が4.0〜16.0g/m2で、上層のFe含有量が27〜40質量%のNi−Fe合金層のNi量が0.5〜4.0g/m2であり、電池ケースの内面となる面には、下層としてNi−Fe拡散層、上層として再結晶Ni層を有し、下層のNi−Fe拡散層のNi量と上層の再結晶Ni層のNi量との合計Ni量が4.0〜24.0g/m2であるリチウムイオン電池ケース用表面処理鋼板。
【選択図】なし

Description

本発明は、リチウムイオン電池ケースに用いられる表面処理鋼板素材に関し、特に加工時のプレス成形性や特に電池ケース外面側に損傷を受ける耐疵付き性を改善しうる表面処理鋼板素材とその製造方法に関するものである。
一般にリチウムイオン電池ケース用の素材鋼板として、ノート型パソコンの充電池を中心にNiめっきされた表面処理鋼板が使用されている。特に機器の小型化、軽量化に向けて電池ケース小型化への要請が強く、電池ケースの小型化により、加工条件が厳しくなってきている。また低コストで小型機器の普及に対応するため、電池メーカーでの電池ケースの生産性向上とともに、成形後の電池ケースの品質と、成形後にめっき層が金型に凝着することで引き起こされる金型摩耗(カジリ性)といった成形器具の損耗を両立させるような材料へのニーズが高まっている。
一般にNiめっきは、めっきしたままではNiめっきが延展性に乏しいため、強い加工を受けるとめっき割れを起こす。これを解決する手法として、めっき後に熱処理をしてNiを再結晶化し、軟質化することで延展性が改善される(例えば特許文献1)。
しかし、強加工が連続的に行われる昨今の電池ケースの加工法において、軟質めっきが金型に凝着し、電池ケース外面に疵が発生して品質を劣化させるとともに、カジリによる金型の手入れ頻度の増加や金型摩耗による生産コストの増加が問題となっている。
この問題に対し、特許文献2では合金めっきを用いることでめっき層の硬度を高める方法が提示されている。合金めっきは一般的に硬度が大きく、摺動抵抗を抑制できるメリットはあるが、延展性に欠けるため、めっき割れを起こしやすい。当該文献記載の発明は、一次電池やNi−Cdといった二次電池のケースには有効なものの、リチウムイオン電池ケースに用いる場合、内面の硬いめっき層が加工後に割れが生じ、Feが溶出して電池性能の劣化を引き起こす。また、外面側に軟質のめっき層を用いているため、そもそも金型摩耗を引き起こすめっき層のカジリ性の課題を改善していない。
特許文献3では、電池ケースの内面となる面の最表層にFe−Ni合金めっき層を、その下層にFe−Ni拡散層と中間層にNiめっき層を有することで特に深絞り成形後の電池性能を向上せしめている。
しかし、リチウムイオン電池の場合、Feが電池ケースの内面となる面の最表層に存在するとFeが溶出して電池性能の劣化を引き起こすため、そもそも最表層にFeを使用することができない。
特許文献4では、電池ケースの内外面にFe含有率が0.5〜5重量%のNi−Fe合金めっきを施し、特許文献5では、含有率が10〜60重量%のFe−Ni合金めっきを電池ケースの内外面に配置することで成形性や電池性能の改善を図っている。しかしこれも、合金めっきを使用することでめっき層の硬度が高まり、特に電池ケースの内面となる面でのめっき割れによるリチウムイオン電池特性の劣化の懸念がある。また電池性能についても一次電池やNi−Cdといった二次電池に関しては改善がなされるが、そもそも内面となる面にFeを使用する時点で、リチウムイオン電池ケース用素材として適さない。
特開昭61−235594号公報 特開平9−306439号公報 特開2003−328158号公報 WO97/42667号公報 特公昭57−24631号公報
したがって本発明は、リチウムイオン電池ケースに用いられる鋼板として、加工時の耐カジリ性と耐食性、電池特性を改善しうるリチウムイオン電池ケース用表面処理鋼板及びその製造方法を提供することを目的とする。
加工時のカジリ性の回避には硬いめっき層を用いることの効果が高い。特にカジリが発生するのは、金型との接触面であるため、電池ケースの外面となる面の最表層に硬いめっき層を配置するのが効果的と考えた。そこで、ビッカース硬度を基準に、カジリ性について検討したところ、ビッカース硬度で180未満ではカジリが発生しやすい一方、180以上では発生を抑制できることを見出した。重ねて硬いめっき層と電池ケースの外面となる面のカジリ性の関係を詳細に検討した結果、ビッカース硬度が180以上500以下になるFe含有量が27〜40質量%でのNi−Fe合金層を電池ケースの外面となる面の最上層に配置するのが効果的であることを見出した。
一方、硬いめっき層は延展性に欠けるため、強加工を受けると割れが生じる。金型凝着は防げても、例えば外面を塗装するまでの仕掛中に、強加工を受けて露出した母材のFe起因の赤錆が発生しては製品価値を失う。したがって、カジリ性を満足しつつ強加工を受けても母材が露出しない軟質のめっき層を硬いめっき層の下層に配置することを考えた。重ねて下層の硬度を詳細に検討した結果、下層としてNi−Feの拡散層を有し、その中間層として軟質の再結晶Ni層を配置することが良好なことを見出した。
電池ケースの内面となる側は、リチウムイオン電池特性を考慮し、その上層に軟質の再結晶Ni層と、さらに下層としてNi−Fe拡散層を有することでめっき割れが起こらず、加工後のリチウム電池特性が優れていることを見出した。
次に、低コストと性能を両立する製造方法についても検討した。例えば、電池ケースの外面となる面の中間層の再結晶Ni層と下層のNi−Fe拡散層を作るには、純Niめっき後に何らかの熱処理をするのが理想的である。しかし、一般的に合金めっきは熱処理によって軟質化するため、上層のNi−Fe合金層まで付与した後に熱処理すると、硬質のNi−Fe合金層も軟質化してしまう。
一般的にはこれを回避するために、上層の硬質なNi−Fe合金層は、中間層の再結晶Ni層と下層のNi−Fe拡散層を製造実施後に、再度Ni−Fe合金めっきするような2回めっき通板を余儀なくされ、製造コストの増加につながってしまう。
そこで上層、中間層、下層に相当する各めっき層を一度に作製して熱処理をする一回通板で材料を製造できる方法を鋭意検討し、上層のNi−Fe合金層のFe含有量が27〜40質量%では、熱処理後も硬度の低下が小さく、一回通板で狙いとするめっき層構造を得られることを見出した。
すなわち本発明の要旨とするところは、
(1)電池ケースの外面となる面には、下層としてNi−Fe拡散層、中間層として再結晶Ni層、上層としてFe含有量が27〜40質量%のNi−Fe合金層を有し、下層のNi−Fe拡散層のNi量と中間層の再結晶Ni層のNi量との合計Ni量が4.0〜16.0g/m2で、上層のFe含有量が27〜40質量%のNi−Fe合金層のNi量が0.5〜4.0g/m2であり、且つ、上記上層表面から測定したビッカース硬度(Hv)が180以上500以下であり、電池ケースの内面となる面には、下層としてNi−Fe拡散層、上層として再結晶Ni層を有し、下層のNi−Fe拡散層のNi量と上層の再結晶Ni層のNi量との合計Ni量が4.0〜24.0g/m2であることを特徴とするプレス成形性に優れたリチウムイオン電池ケース用表面処理鋼板である。
また、(2)Ni−Fe合金層のFe含有量が30質量%以上であり、且つ、上記上層表面から測定したビッカース硬度(Hv)が200以上であることを特徴とする請求項1に記載のプレス成形性に優れたリチウムイオン電池ケース用表面処理鋼板である。
また、(3)未焼鈍冷延鋼板の電池ケースの外面となる面、電池缶ケースの内面となる面に、純Niめっきを各々4.0〜16.0g/m2、4.0〜24.0g/m2施し、更に電池ケースの外面となる面にFe含有量が27〜40質量%のNi−Fe合金めっきをNiとして0.5〜4.0g/m2施し、650〜850℃で10秒以上60秒未満焼鈍することを特徴とすることを特徴とするプレス成形性に優れたリチウムイオン電池ケース用表面処理鋼板の製造方法である。
さらに、(4)Ni−Fe合金めっきのFe含有量が30質量%以上であることを特徴とする(3)に記載のプレス成形性に優れたリチウムイオン電池ケース用表面処理鋼板の製造方法である。
本発明により、加工時の耐カジリ性を改善し、耐食性や電池特性を両立しうるリチウムイオン電池ケース用表面処理鋼板を一回通板で製造可能としたものである。
以下本発明を詳細に説明する。
本発明においては、電池ケースの外面となる面には下層としてNi−Fe拡散層、中間層として再結晶Ni層、上層としてFe含有量が27〜40質量%のNi−Fe合金層を有し、電池ケース内面となる面には、下層としてNi−Fe拡散層、上層として再結晶Ni層を有することが必要である。再結晶Ni層は、再結晶しているために軟質である。再結晶Ni層が再結晶している点については、例えばめっきの断面を硝酸:酢酸=1:1の溶液でエッチングし、SEM観察することで確認できる。
ここでNi−Fe合金層は、Ni3FeやNiFeを含む金属間化合物であり、単純に熱拡散して固溶させて生じるγNiFeやαFeNiとは異なるものであり、電気めっきにより作成可能な合金めっきによって硬質化が発揮できたと推察する。このような硬質のNi−Fe合金層を有しているため、電池ケースの外面となる面の上層表面から測定したビッカース硬度(Hv)を180以上500以下とすることができる。
電池ケースの外面となる面側は上記のような3層構造にすることで、良加工性と金型のカジリを防止でき、耐金型摩耗性を発揮するとともに、しごき加工や・曲げ曲げ戻し絞り加工のような厳しい加工を受けても軟質のめっき層の延展性によりめっきの割れを防止することができる。
電池ケースの内面となる面側については、上層に軟質の再結晶Ni層と下層にNi−Fe拡散層の2層構造を配置することにより、厳しい加工時のめっき割れを防止するとともに、Feを露出させないことでリチウムイオン電池としての特性を発揮することができる。
電池ケース外面となる面側の上層のNi−Fe合金めっきのFe含有量は、27質量%未満では硬質化の効果が不足する。また40質量%を超えると顕著に耐食性が悪化し、塗装前の仕掛時の湿潤環境下で赤錆が発生する懸念がある。
さらに好ましくは、Fe含有量は30〜40質量%である。これにより、50万回を超えるプレス加工を実施しても、金型の損耗により生じる金型の再研磨、再研削等の金型調整が不要となり、コストや生産性上有利となる。
電池ケース外面となる面のめっき量については、下層のNi−Fe拡散層のNi量と中間層の再結晶Ni層の合計Ni量は4.0g/m2以上16.0g/m2以下が好ましい。4.0g/m2未満では強加工時に母材が露出して耐食性が劣る。また、16.0g/m2を超えても性能は飽和するため、コスト的に16.0g/m2を超えることは好ましくない。また、上層のNi−Fe合金層のNi量は0.5g/m2以上4.0g/m2以下が好ましい。0.5g/m2未満ではかじり防止が不十分であり、また、4.0g/m2を超えても性能は飽和するため、コスト的に4.0g/m2を超えることは好ましくない。
電池ケース内面となる面のめっき量については、下層Ni−Fe拡散層のNi量と上層の再結晶Ni層のNi量との合計Ni量は4.0g/m2以上24.0g/m2以下であることが好ましい。4.0g/m2未満では強加工時に母材が露出してリチウム電池特性が劣る。また、24.0g/m2を超えても性能は飽和するため、コスト的に24.0g/m2を超えることは好ましくない。
電池ケースの外面となる面に下層としてNi−Fe拡散層、中間層としてNi層、上層としてNi−Fe合金層を有している点、電池ケースの内面となる面に下層としてNi−Fe拡散層、上層としてNi層を有している点については、めっき層の垂直断面をEPMAで、NiおよびFeの線分析を実施することによって確認することができる。
本発明における電池ケース用表面処理鋼板の製造方法は、未焼鈍冷延原板の電池ケースの外面となる面、電池缶ケースの内面となる面に、まず純Niめっきを各々4.0〜16.0g/m2、4.0〜24.0g/m2施し、次に、電池ケース外面となる面にFe含有量27〜40質量%、好ましくは30〜40質量%のNi−Fe合金めっきをNiとして0.5〜4.0g/m2施し、さらに650℃以上850℃以下で10秒以上60秒未満焼鈍することでNi−Fe拡散層の形成と母材の焼鈍を両立させ、1回の通板で製造することができる。焼鈍温度は、650℃未満では、鋼板の焼鈍が進まない。また、850℃を超えると電池ケース外面となる面にめっきを施したNi−Fe合金めっき層の軟質化が進み、狙いの硬度が得られないだけでなく、結晶粒の粗大化が進み、成形性が悪化する。
焼鈍時間は10秒未満では時間不足で材質が得られない。また、60秒以上は焼鈍が完了しており、生産上のメリットがなく60秒未満とする。
本発明におけるNi−Fe合金めっき浴に用いる薬剤は、一般的な硫酸塩、塩化物塩、硝酸塩を用いることができ、必要に応じて、ナトリウム塩、カリウム塩、アンモニウム塩等の電導助剤や、その他の有機添加剤必要に応じて使ってもかまわない。また、めっき浴温は、工業的に用いられる一般的な温度、例えば25〜70℃が用いることができる。電流密度も本発明の発現上何ら問題なく、例えば1〜100A/dm2で実施することができる。
さらにどのようなイオン補給法を用いても本発明の発現上何ら影響がなく、溶性電極を用いたイオン補給法や金属粒を溶解して補給する方法、試薬で投入する方法など、既設の設備に応じた方法をとることができる。
本発明で製造したリチウムイオン電池ケース用表面処理鋼板の内外面に、必要に応じてクロメート処理やノンクロメート処理、ラミネート処理等の各種後処理を実施しても本発明の発現上何ら問題がなく、また、一次防錆のための塗油やプレス性を補完するための各種プレス油、プレス洗浄油を使用することができる。
再結晶Ni層は、ケース内外面で同じ付着量であっても、差厚の目付量であっても、本発明のめっき量範囲内であれば、本発明の発現上何ら問題ない。
本めっきに先立ち、通常の鋼板前処理(脱脂や酸洗)を実施しても本発明の発現上問題なく、むしろ不めっきやめっき汚れを回避でき好ましい。
めっきおよび焼鈍熱処理後に、必要に応じて圧延によって表面粗度を調整することができる。その際、表裏同粗度であっても、異粗度であっても本発明の発現上問題なく、必要に応じた粗度を採用することができる。
以下に本発明を実施例によって詳細に説明する。
板厚0.25mmの表1の成分組成のAl−k鋼またはNb−Ti−SULC鋼の未再結晶鋼板を原板とし、純Niめっき→Ni−Fe合金めっき→焼鈍熱処理の手順でサンプルを製造した。純Niめっきは、無光沢ワット浴によって行った。また、Ni−Fe合金めっきは、硫酸Ni、硫酸Fe、硫酸を含むめっき浴にて実施した。硫酸Ni、硫酸Feの割合を変えることで、合金中のFe組成を変化させた。これら一連のめっきの後に、連続焼鈍炉にて無酸化雰囲気下で焼鈍熱処理を実施した。
めっきの層構成は、焼鈍後に、めっき層の垂直断面をEPMAで、NiおよびFeの線分析を実施し、外面側は上層のNi−Fe合金層、中間層のNi層(純Ni層)、下層のNi−Fe拡散層の存在を、内面側は、上層のNi層(純Ni層)、下層のNi−Fe拡散層の存在を確認した。また、再結晶、未再結晶の判断は、めっきの断面を硝酸:酢酸=1:1の溶液でエッチングし、SEM観察をして決定した。判断は、粒状の形態を呈しているものを再結晶済み、棒状のデンドライト組織を呈しているものを未再結晶とした。めっき層硬さは、ビッカース硬度で測定した。所定のめっき処理と熱処理を実施後、めっきの表面から荷重5gでマイクロビッカース痕を打ち、その圧痕からビッカース硬度を測定した。
結果を表3に示した。
成形性の評価は、連続5段の絞り・シゴキ円筒成形したときの成形可否と連続成形性で判断した。成形可否については成形できたものを○、割れが発生したものを×とした。連続成形性については、金型の著しい損耗を与えず、50万回成形できたものを◎、30万回成形できたものを○、それ未満を×とした。
金型への凝着を引き起こすカジリ性は、上記成形4段目の素材の表面を観察し、めっき表面への損傷が大きいものを×、軽微なものを△、疵がほとんど見られないものを○とした。外面の耐食性は、4段成形した円筒缶を40℃−80%の恒温恒湿環境下に1週間放置し、赤錆発生を×、変色があるものを△、異常ないものを○とした。
内面側のリチウムイオン電池特性の評価(LIB特性)は以下の通り実施した。エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネートを体積比で25:35:40の割合で混合した溶媒にLiPF6を1mol/l添加した溶液を加えた後電池を5個作成して常温で3日間、40℃で4日間、電位をかけずに静置し、続いて、0.3Cの充放電速度で4.1Vまで充電、1Cの充放電速度で2.7Vまで放電、さらに1Cの充放電速度で3.7V再度充電した後、25℃で3週間保持して、全ての電池で電圧の低下代が30mV以下のものを○、1個以上30mV超のものが存在した場合を×とした。サンプル作製条件を表2に、作成サンプルの層構成を表3に、成形性、カジリ性、耐食性、LIB特性の評価結果を表4に示す。表3、4において、本発明範囲から外れる事項にアンダーラインを付している。
Figure 2013170308
Figure 2013170308
Figure 2013170308
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実施例1〜10は本発明例であるが、いずれも性能は良好であった。特に、電池ケース外面となる面の上層Ni−Fe合金層のFe質量%が30〜40質量%のものは、非常に良好な成形性を発揮した。一方、比較例1は、上層Ni−Fe合金層のFe質量%が低すぎて、成形性に劣った。比較例2は焼鈍時間が短すぎることで必要材質が出なかったことと、Niめっきの再結晶が進まずに軟質を得られず、全ての特性において不良であった。比較例3は内面のNiと外面の下層Niが少なすぎたことで、再結晶Ni層が残らず、すべてNi−Fe拡散層となることで、外面側は成形後に素地が露出し外面耐食性に劣り、内面側はFeが表面に露出したことでLIB特性に劣った。比較例4は上層Ni−Fe合金層のFe質量%が高すぎたため、素地に届くほどの割れが発生し外面耐食性に劣ったとともに、内面側のNiめっき量が少なすぎて、再結晶Ni層が残らず、すべてNi−Fe拡散層となり、Feが表面に露出したことでLIB特性に劣った。比較例5は上層Ni−Fe合金層が少なすぎ、部分的には合金層にスケが発生し、ビッカース硬度が低い結果となるとともに、狙いとした加工改善効果が得られなかった。比較例6では焼鈍温度が低すぎて材質が出なかったこと、またNiめっきの再結晶が進まず軟質層を得られなかったことや、内面のNiめっき量が少なすぎたことなどで全ての特性が劣った。比較例7は焼鈍温度が高すぎたため、上層Ni−Fe合金層が焼鈍後に軟質化して狙いとした加工改善効果が得られなかった。
本発明によって、成形性やカジリ性に優れたリチウムイオン電池ケース用表面処理鋼板を1回の通板で提供することを可能としたものであり、今後使用量の拡大が見込まれるパソコン、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車、電気自動車向けのリチウムイオンバッテリーケースの安価な普及に寄与する。したがって産業上の利用価値は極めて大きい。

Claims (4)

  1. 電池ケースの外面となる面には、下層としてNi−Fe拡散層、中間層として再結晶Ni層、上層としてFe含有量が27〜40質量%のNi−Fe合金層を有し、下層のNi−Fe拡散層のNi量と中間層の再結晶Ni層のNi量との合計Ni量が4.0〜16.0g/m2で、上層のFe含有量が27〜40質量%のNi−Fe合金層のNi量が0.5〜4.0g/m2であり、且つ、上記上層表面から測定したビッカース硬度(Hv)が180以上500以下であり、
    電池ケースの内面となる面には、下層としてNi−Fe拡散層、上層として再結晶Ni層を有し、下層のNi−Fe拡散層のNi量と上層の再結晶Ni層のNi量との合計Ni量が4.0〜24.0g/m2であることを特徴とするプレス成形性に優れたリチウムイオン電池ケース用表面処理鋼板。
  2. Ni−Fe合金層のFe含有量が30質量%以上であり、且つ、上記上層表面から測定したビッカース硬度(Hv)が200以上であることを特徴とする請求項1に記載のプレス成形性に優れたリチウムイオン電池ケース用表面処理鋼板。
  3. 未焼鈍冷延鋼板の電池ケースの外面となる面、電池缶ケースの内面となる面に、純Niめっきを各々4.0〜16.0g/m2、4.0〜24.0g/m2施し、更に電池ケースの外面となる面にFe含有量が27〜40質量%のNi−Fe合金めっきをNiとして0.5〜4.0g/m2施し、650〜850℃で10秒以上60秒未満焼鈍することを特徴とするプレス成形性に優れたリチウムイオン電池ケース用表面処理鋼板の製造方法。
  4. Ni−Fe合金めっきのFe含有量が30質量%以上であることを特徴とする請求項3に記載のプレス成形性に優れたリチウムイオン電池ケース用表面処理鋼板の製造方法。
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