JP4053181B2 - 密閉型角型電池用アルミニウム合金製ケース材料および密閉型角型電池用アルミニウム合金製ケースの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話などの携帯用電子機器の駆動源となる2次電池、特に、リチウムイオン2次電池の外殻を構成する密閉型角型電池用アルミニウム合金製ケースの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、携帯用電子機器の駆動源としてリチウムイオン2次電池が多用されるようになり、その外殻を構成するケースには、軽量化を目的に、従来のステンレス鋼に代えてアルミニウム合金の使用が検討されている。
前記電池用ケースには、電池の形状を保持する上で、高強度アルミニウム合金材料が望まれるが、高強度アルミニウム合金材料は加工性に劣るため、電池用ケースに成形するのに多段階にわけてプレスする必要があり成形に手間が掛かる上、パンチとダイスを多数要するためコスト的に不利になるという問題がある。
このようなことから、最近、純アルミニウム系(JIS−1000系)材料、またはAl−Mn系(JIS−3000系)合金材料などの比較的軟質の材料の適用が検討されている。
ところで、前記アルミニウム合金材料は、所定厚さに圧延されたのち、電池用ケースにプレス成形される。この電池用ケースはトリクロールエチレン(以下トリクレンと略記する)などの有機溶媒で脱脂され、内部に活物質が充填され、上蓋が溶接されて電池に加工される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記の比較的軟質のアルミニウム合金材料製ケースを用いた密閉型角型電池は、充電の際の発熱で内圧が増加してケースが膨れ、ケースが変形したり破損したりすることがある。
このようなことから、本発明者等は、比較的軟質で成形性に優れ、かつ充電の際の内圧増加で変形や破損が起き難い耐膨れ性に優れるアルミニウム合金材料について研究し、Al−Mn−Si−Fe−Cu系合金にMgを適量添加した合金、或いはMgの他にさらにCr、Zr、Tiなどの元素を適量添加した合金は、プレス成形性と耐膨れ性の両方に優れること、またプレス成形後のケースに所定の温度条件で加熱処理を施し、或いは前記加熱処理を伴う脱脂処理を施すと耐膨れ性が向上することを知見し、またAl−Mn−Si−Fe系合金やAl−Mn−Si−Fe−Cu系合金などのかなり軟質な合金でも加熱処理を施すか、或いは前記加熱処理を伴う脱脂処理を施すと電池用ケースとして実用できることを見いだし、さらに研究を進めて本発明を完成させるに至った。
本発明は、プレス成形性に優れるケース材料を用い、耐膨れ性に優れる適度の強度を有する密閉型角型電池用アルミニウム合金製ケースの製造方法の提供を目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明方法で用いられるアルミニウム合金製ケース用材料は、Mn0.3〜1.5重量%(以下%と略記する)、Si0.1〜0.5%、Fe0.3〜1.0%、Cu0.5%以下、Mg0.1〜1.2%を含有し、残部がAlと不可避不純物からなるアルミニウム合金である。
【0005】
請求項1記載の密閉型角型電池用アルミニウム合金製ケースの製造方法は、前記のアルミニウム合金製ケース材料を用いて電池用ケースを成形し、次いで前記電池用ケースに40〜120℃の温度で加熱処理を施すことを特徴としている。
【0006】
請求項2記載の発明方法で用いられるアルミニウム合金製ケース用材料は、Mn0.3〜1.5%、Si0.1〜0.5%、Fe0.3〜1.0%、Cu0.5%以下、Mg0.1〜1.2%を含有し、更にCr0.35%以下、Zr0.12%以下、Ti0.1%以下のうちの1種または2種以上を含有し、残部がAlと不可避不純物からなるアルミニウム合金である。
【0007】
請求項2記載の密閉型角型電池用アルミニウム合金製ケースの製造方法は、前記のアルミニウム合金製ケース材料を用いて電池用ケースを成形し、次いで前記電池用ケースに40〜120℃の温度で加熱処理を施すことを特徴としている。
【0008】
請求項3記載の密閉型角型電池用アルミニウム合金製ケースの製造方法は、Mn0.3〜1.5%、Si0.1〜0.5%、Fe0.3〜1.0%を含有し、残部がAlと不可避不純物からなるアルミニウム合金製ケース材料を用いて電池用ケースを成形し、次いで前記電池用ケースに40〜120℃の温度で加熱処理を施すことを特徴としている。
【0009】
請求項4記載の密閉型角型電池用アルミニウム合金製ケースの製造方法は、Mn0.3〜1.5%、Si0.1〜0.5%、Fe0.3〜1.0%、Cu0.5%以下を含有し、残部がAlと不可避不純物からなるアルミニウム合金製ケース材料を用いて電池用ケースを成形し、次いで前記電池用ケースに40〜120℃の温度で加熱処理を施すことを特徴としている。
【0010】
請求項5記載の密閉型角型電池用アルミニウム合金製ケースの製造方法は、請求項1〜4のいずれかに記載の密閉型角型電池用アルミニウム合金製ケースの製造方法において、前記加熱処理を伴う脱脂処理を施すことを特徴としている。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下に本発明方法で用いられるケース材料に含まれる合金元素について説明する。
Mnは材料強度を高めて電池用ケースの耐膨れ性を向上させる。Mnの含有量を0.3〜1.5%に規定する理由は、0.3%未満ではその効果が十分に得られず、1.5%を超えるとMnを含む粗大晶出物が多数生成してケースのプレス成形性が低下するためである。
【0012】
SiおよびFeも材料強度を高めて電池用ケースの耐膨れ性を向上させる。
SiおよびFeの含有量をそれぞれ0.1〜0.5%、0.3〜1.0%に規定する理由は、下限未満ではもいずれも十分な効果が得られず、上限を超えるといずれもプレス成形性が低下するためである。
【0013】
Cuも材料強度を高めて電池用ケースの耐膨れ性を向上させる。
Cuの含有量を0.5%以下に規定する理由は、0.5%を超えるとプレス成形性が低下するためである。
【0014】
Mgも材料強度を高めて電池用ケースの耐膨れ性を向上させる。
Mgの含有量を0.1〜1.2%に規定する理由は、0.1%未満ではその効果が十分に得られず、1.2%を超えるとケースに上蓋を溶接する際に、溶接箇所にボイドが発生して溶接不良が生じ易くなるためである。
【0015】
Cr、Zr、Tiは材料の結晶粒を微細化して製造加工性を高めまた製品の肌荒れを防止する。ここで、前記Crを0.35%以下、Zrを0.12%以下、Tiを0.1%以下に規定する理由は、いずれも前記規定値を超えると粗大晶出物が生成してプレス成形性が低下するためである。
【0016】
請求項1、2記載の発明方法で用いられるアルミニウム合金製ケース材料は、例えば、請求項1、2に記載されているアルミニウム合金の鋳塊に、それぞれ均質化処理、面削、熱間圧延、冷間圧延を順に施し、必要に応じ前記冷間圧延途中或いは冷間圧延後に熱処理を施す常法により製造される。
【0017】
請求項1、2記載の発明は、前記のアルミニウム合金製ケース材料を、それぞれケースにプレス成形し、次いでこれに40〜120℃の温度で加熱処理を施す密閉型角型電池用アルミニウム合金製ケースの製造方法である。
【0018】
請求項1、2記載の発明において、前記加熱処理を40〜120℃の温度で施す理由は、40℃未満では前記両効果が十分に得られず、また120℃を超えても前記両効果は飽和してコスト的に不利になるためである。
前記加熱処理の時間は10分未満では十分な効果が得られず、10時間を超えては生産性に影響するので10分以上10時間以下が適当である。特には30分以上4時間以下が望ましい。
前記加熱処理を、脱脂処理と同時に施すと、電池用ケースに付着しているプレス成形油を除去する効果と、電池用ケースの耐膨れ性を向上させる効果とが同時に得られる。
【0019】
前記脱脂処理には、湯洗浄、水蒸気洗浄が最も多く用いられるが、場合によっては、有機溶剤を密閉系または雰囲気制御系で加熱する方法、室温で有機溶剤により洗浄し、その後加熱乾燥する方法などが用いられる。前記加熱乾燥方法には大気中、不活性ガス中、真空中などで加熱する方法が挙げられる。
また、洗浄が不要の場合は大気中、不活性ガス中、真空中などで加熱して乾燥する方法も適用できる。
いずれにしても、本発明において行う前記加熱処理、または前記加熱処理を伴う脱脂処理により電池ケースの耐膨れ性が向上するが、その理由は、電池ケースの耐クリープ特性が改善されるためと考えられる。
ここで、加熱処理を伴う脱脂処理とは、脱脂処理を加熱して施すことを意味する。
【0020】
請求項3、4記載の発明は、それぞれAl−Mn−Si−Fe系アルミニウム合金またはAl−Mn−Si−Fe−Cu系アルミニウム合金製ケースに所定の加熱処理を施す密閉型角型電池用アルミニウム合金製ケースの製造方法で、前記アルミニウム合金は、請求項1、2記載の発明において用いられるアルミニウム合金と違ってMg、Cr、Zr、Tiなどの元素が含有されていないため強度的にやや弱いが、前記所定の加熱処理で耐膨れ性に優れる電池ケースが得られる。
前記加熱処理による耐膨れ性の改善効果は、前記加熱処理を伴う脱脂処理を施すことによっても得られる。
【0021】
【実施例】
以下に本発明を実施例により詳細に説明する。
(実施例1)表1に示す本発明請求項1規定組成のアルミニウム合金(A,B,C)及び請求項2規定組成のアルミニウム合金(D,E,F)を半連続鋳造法により鋳造して鋳塊とし、この鋳塊に均質化処理、面削、熱間圧延、冷間圧延(中間焼鈍含む)を順に施して厚さ0.8mmのケース材料とし、このケース材料をダイスとパンチを用いてプレス成形し、次いでトリクレンにより室温で脱脂処理して電池用ケースを製造した。
【0022】
(比較例1)
表1に示す本発明規定外組成のアルミニウム合金を半連続鋳造法により鋳造して鋳塊とした他は、実施例1と同じ方法により電池用ケースを製造した。
【0023】
実施例1および比較例1で製造した各々の電池用ケースについて、電池用ケースに成形するときの割れの発生状況(プレス成形性)、溶接性、および耐膨れ性を調べた。結果を表2に示す。
プレス成形性は、プレス成形で割れが生じないものを良好(○)、割れが生じたものを不良(×)と判定した。
溶接性は、図1に示すように電池用ケース1に電池用ケースと同じ材質の上蓋2をレーザービーム溶接して密閉体とし、溶接不良の有無を超音波により検査(JISZ3080)して評価した。密閉体の試験個数は100個とし、欠陥が皆無の場合は良好(○)、欠陥が1個にでも検出された場合は不良(×)と判定した。
耐膨れ性は、前記上蓋を溶接した電池用ケースの中で溶接欠陥のないものを、大気中で85℃で24時間加熱し、図2(イ)(ロ)に示すように、加熱後の電池用ケースの厚さtと加熱前の厚さTの差(t−T)の大小で評価した。
前記(t−T)が小さいほど耐膨れ性に優れる。なお、プレス成形性または溶接性が不良のものについては耐膨れ性は調査しなかった。
【0024】
【表1】
【0025】
【表2】
【0026】
表2より明らかなように、請求項1,2記載の発明方法で用いられるアルミニウム合金(A〜F)製ケース材料によるNo.1〜6のケースは成形性および溶接性が良好であり、ケースの膨れ量も実用上問題のないレベルであった。脱脂も十分行われていた。
これに対し、比較例のNo.7はMgが多いため溶接性が不良となり、No.8はFe、Cr、Zr、Tiが多いため、No.9はMnとTiが多いためいずれもプレス成形性が低下した。従来材のNo.10,11は強度が低いため耐膨れ性が低下した。
【0027】
(実施例2)
実施例1において、加熱処理を、加熱して脱脂処理することにより行った。脱脂処理は湯洗浄、蒸気洗浄、または大気中加熱により、40〜120℃で10分〜10時間の条件で施した。その他は、実施例1と同じ方法により電池用ケースを製造した。
【0028】
実施例2で製造した各々の電池用ケースについて耐膨れ性を実施例1の場合と同じ方法により調べた。結果を表3に示す。
【0029】
【表3】
【0030】
表3より明らかなように、本発明例(請求項1及び2)の No.12〜17は室温でトリクレン洗浄した表2の No. 1〜6のものに較べて耐膨れ性が一段と向上した。
【0031】
(実施例3)表4に示す請求項3記載の発明及び請求項4記載の発明で規定した組成のアルミニウム合金(L,M,N,O)を半連続鋳造法により鋳造し、得られた鋳塊を均質化処理後面削し、次いで熱間圧延と冷間圧延(中間焼鈍含む)を順に施して厚さ0.8mmの板材とし、この板材を電池用ケースにプレス成形し、次いで脱脂処理を加熱して行った。即ち、脱脂処理は湯洗浄、蒸気洗浄、または大気中加熱により、40〜120℃で10分〜10時間の条件で施した。その他は実施例1と同じ方法により電池用ケースを製造した。
【0032】
(比較例3)
脱脂処理を室温でトリクレン洗浄により施した他は実施例3と同じ方法により電池用ケースを製造した。
【0033】
(比較例4)表4に示す請求項3,4記載発明規定外組成のアルミニウム合金を半連続鋳造法により鋳造した他は実施例3と同じ方法により電池用ケースを製造した。
【0034】
実施例3、比較例3、4で製造した各々の電池用ケースについて、実施例1と同じ方法によりプレス成形性、溶接性および耐膨れ性を調べた。
結果を表5に示す。
【0035】
【表4】
【0036】
【表5】
【0037】
表5より明らかなように本発明例の No.18〜21はいずれも耐膨れ性に優れた。これに対し比較例の No.22〜25は脱脂処理を従来法(非加熱条件)により施したため耐膨れ性に劣った。また従来材の No.26はMnが多かったため、 No.27はCuが多かったため、いずれもプレス成形性が不良となった。
【0038】
以上、中間焼鈍を含む冷間圧延上がりのケース材料について説明したが、本発明では、冷間圧延後焼鈍を施したケース材料や、中間焼鈍を施さない冷却圧延上がりのケース材料などについても同様の効果が発現される。
【0039】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明の密閉型角型電池用アルミニウム合金製ケースの製造方法は、Al−Mn−Si−Fe−Cu系合金にMgを適量含有された合金、或いはMgの他にさらにCr、Zr、Tiなどの元素が適量含有された合金からなるケース材料を用いて電池用ケースを成形し、このケースに40〜120℃の温度範囲で加熱処理または加熱処理を伴う脱脂処理を施すことにより耐膨れ性が向上する(請求項1,2,5)。
さらにAl−Mn−Si−Fe系合金やAl−Mn−Si−Fe−Cu系合金などの軟質な材料でも前記所定の加熱処理または前記加熱処理を伴う脱脂処理を施すことにより耐膨れ性が改善されて電池用ケースとして実用可能となる(請求項3,4,5)。
依って、工業上顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】上蓋を被せた密閉型角型電池用アルミニウム合金製ケースの斜視図である。
【図2】(イ)は図1に示した密閉体のA−A断面図、(ロ)は図1に示した密閉体の加熱後のA−A断面図である。
【符号の説明】
1 電池用ケース
2 上蓋
3 加熱前の密閉体
4 加熱後の密閉体
T 加熱前の密閉体の厚さ
t 加熱後の密閉体の厚さ
Claims (5)
- Mn0.3〜1.5重量%(以下%と略記する)、Si0.1〜0.5%、Fe0.3〜1.0%、Cu0.5%以下、Mg0.1〜1.2%を含有し、残部がAlと不可避不純物からなるアルミニウム合金製ケース材料を用いて電池用ケースを成形し、次いで前記電池用ケースに40〜120℃の温度で加熱処理を施すことを特徴とする密閉型角型電池用アルミニウム合金製ケースの製造方法。
- Mn0.3〜1.5%、Si0.1〜0.5%、Fe0.3〜1.0%、Cu0.5%以下、Mg0.1〜1.2%を含有し、更にCr0.35%以下、Zr0.12%以下、Ti0.1%以下のうちの1種または2種以上を含有し、残部がAlと不可避不純物からなるアルミニウム合金製ケース材料を用いて電池用ケースを成形し、次いで前記電池用ケースに40〜120℃の温度で加熱処理を施すことを特徴とする密閉型角型電池用アルミニウム合金製ケースの製造方法。
- Mn0.3〜1.5%、Si0.1〜0.5%、Fe0.3〜1.0%を含有し、残部がAlと不可避不純物からなるアルミニウム合金製ケース材料を用いて電池用ケースを成形し、次いで前記電池用ケースに40〜120℃の温度で加熱処理を施すことを特徴とする密閉型角型電池用アルミニウム合金製ケースの製造方法。
- Mn0.3〜1.5%、Si0.1〜0.5%、Fe0.3〜1.0%、Cu0.5%以下を含有し、残部がAlと不可避不純物からなるアルミニウム合金製ケース材料を用いて電池用ケースを成形し、次いで前記電池用ケースに40〜120℃の温度で加熱処理を施すことを特徴とする密閉型角型電池用アルミニウム合金製ケースの製造方法。
- 前記加熱処理を伴う脱脂処理を施すことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の密閉型角型電池用アルミニウム合金製ケースの製造方法。
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