JP4281727B2

JP4281727B2 - 電池蓋用アルミニウム合金板

Info

Publication number: JP4281727B2
Application number: JP2005298907A
Authority: JP
Inventors: 孝典藤井; 照栄高橋; 秀彦石井
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 2005-10-13
Filing date: 2005-10-13
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2025-10-13
Also published as: JP2007107048A; TW200824171A; TWI351780B

Description

本発明は、電池の蓋に用いられるアルミニウム合金板であって、該蓋を作製するにあたり、該蓋の防爆個所をプレス加工で成形し、しかも該成形箇所の焼鈍処理を不要とできる防爆部一体成形型の電池蓋に適したアルミニウム合金板に関するものである。

携帯電話等の移動機器に使用される電池には、軽量化の観点から、アルミニウムまたはアルミニウム合金製のケース内に電解物質を収容した充放電可能な密閉型電池が多々使用されている。
しかし、このような充放電可能な密閉型電池は、従来、過充電された場合や過日射された場合等に、電池内部の温度が上昇し、電池ケース壁や電池ケースと蓋との溶接部等が破壊し、内部の液漏れ等が生ずる虞があるといった問題があった。

ところで、このような電池ケースは、例えば携帯電話用としては、縦幅５０ｍｍ×横幅３０ｍｍ×厚さ６ｍｍ程度の比較的小さなものが採用されており、このため、該電池ケース用の板は、絞り加工やしごき加工(ＤＩ加工ともいう)による加工性の良さが必須条件となっている。
また、将来の自動車等の大型移動機器に使用される電池は、上記寸法の各辺を２〜１０倍程度としたものを幾つか積層させた使用方法が考えられる。

このように、電池ケース用の材料は、ＤＩ加工容易で、かつ、軽量性、高強度性、加工性が要求されており、かかる性質を満たすものとして、例えば、特許文献１には、質量％でMn 0.8〜2.0％、Fe 0.6％以下、Si 0.3％以下、残部が実質的にAlよりなるA3003系アルミニウム合金板が提案されており、また、特許文献２には、重量%でMn 0.3〜1.5％、Fe 1.6超〜1.8％、残部が不可避的不純物とAlよりなるアルミニウム合金板が提案されている。

このため、近年においては、例えば特許文献３に記載されているように、上記破壊事故が生ずる前に、一定の内圧がかかった場合に電池蓋の特定箇所が破壊し、事故が未然に防がれるような防爆機能を備えたものが提案されている。防爆部は規格的には種々あるとしても厚さ２０μｍ程度で通常３ＭＰa程度を目安に防爆部の耐圧強度を定め、その近傍の圧力で防爆部が破壊するように作られている。
より具体的には、電池蓋に一定の開口部を設け、且つ、該開口部に電池ケースよりも破断圧力の低いアルミニウム箔を張ることにより、電池ケースに防爆機能を備えたものが提案されている。そして、特許文献３に記載の発明によれば、電池蓋の開口部に防爆部として金属薄板を貼る方法を採用しているので、該金属薄板の膜厚のチェックを行う必要がなく、検査にかかるコストも大幅に削減できるという優れた効果があるとしている。
しかし、特許文献３に記載の発明では、防爆部としての金属薄板を貼る工程が別途必要となるために製造工程が増すと共に、該金属薄板の膜厚チェックを行う必要はないとはいえ適度に密着しているかどうかを別途検査しなければならず、電池全体としての製造工程数が増えるため、作業性が悪いという問題がある。
特開２００２−１３４０６９号公報特開２００３−７２６０号公報特開平９−１９９０８８号公報

本発明は、かかる問題を是正するためになされたものであり、電池蓋をプレス加工する際に同時に防爆部を一体成形することで電池ケース内の内圧の上昇による破壊を最小限に止めることができると共に、プレス成形後の該防爆部の肉厚を個々に測定する必要のない、しかも強度調整のための焼鈍が一切不要な、防爆部一体成形型の電池蓋用アルミニウム合金板を提供することを目的とするものである。

本発明者らは、蓋の一部に薄肉部を一体成形することの利点を最大限に活用するために成形後の膜厚チェックを不要ならしめるアルミニウム合金板を検討した結果、特定組成のアルミニウム合金板を蓋材として用い、防爆部形成をプレス加工で薄肉成形し、該プレス加工で十分な耐圧強度が得られ、強度調節のための焼鈍処理が不要であることを見出し本発明を完成した。
即ち、本発明に係る電池蓋用アルミニウム合金板は、組成が質量％で、Fe 1.15〜1.35％、Mn 0.40〜0.60％、更にTi 0.005〜0.15％またはTi 0.005〜0.15％およびB 0.0005〜O.05％を含有し、残部Alおよび不純物からなり、不純物としてのSiが0.15％以下、Cuが0.05％以下、Mgが0.05％以下からなることを特徴とするものである。
本発明に係る電池蓋用アルミニウム合金板によれば、該組成のアルミニウム合金板を用いて電池蓋をプレス成形するにあたって、プレス成形された防爆部の強度は所定の耐圧強度が容易に得られ、強度調整の焼鈍もする必要のない効果を有する。
また、本発明に係る他の電池蓋用アルミニウム合金板は、所定厚さにプレス成形され、且つ焼鈍されていない防爆部を備えたことを特徴とするものである。
本発明に係る電池蓋用アルミニウム合金板によれば、防爆部に相当する箇所をプレス成形で所定厚さにプレス成形すると、焼鈍処理しなくても該防爆部の強度は所定の耐圧強度が容易に得られ、強度調整の焼鈍もする必要のない効果を有する。プレス加工で厚さ１０〜３０μｍ、好ましくは１５〜２７μｍの防爆部を備える電池蓋とすることによって更に優れた前記効果が得られる。

本発明に係る電池蓋用アルミニウム合金板によれば、プレス成形加工で所定厚さに防爆部を成形加工すると得られる防爆部の耐圧強度が高く規格に合致し、しかも強度調整のための焼鈍処理が不要であるから、焼鈍処理によって生じる焼鈍炉内位置の焼鈍温度のばらつきによる各個の防爆部強度のばらつきが生じることも無く、防爆部の強度が安定し防爆部以外の個所が不用意に破裂するような虞がない。また金属薄板を後付けするものと異なり防爆部一体成形であるので後付工程の不良による液漏れの危惧もない。従って安定した信頼性の高いリチウムイオン電池等の密閉型電池を提供できる。

以下、本発明に係る電池蓋用アルミニウム合金板等について、図面と実施例により説明する。
図１は本発明に係る電池蓋を備えた電池の断面を模式的に表した概略図であり、図２は本発明に係る電池蓋を備えた電池の上面を模式的に表した概略図である。そして、１は密閉型電池、２は電池ケース、３は本発明の組成からなる電池蓋用アルミニウム合金板で電池ケース２の蓋、４は電池ケース２内に収容されている電解物質で例えばリチウムイオンが媒体となっている電解物質、５は電池の＋端子、６は＋端子５の周囲を取巻いている絶縁体、７は＋端子へ通ずるリード線、８は−端子へ通ずるリード線でこれにより電池蓋３が−端子とされる。また、９は電解物質４の注入口で注入後は閉止される。１０は＋端子５の取付孔、１１は防爆部、１２は電池蓋３と電池ケース２とを周囲密閉接合した溶接部である。

次に、電池蓋３の合金組成について説明する。
Fe 1.15〜1.35％
Mn 0.40〜0.60％
FeおよびMnは共に耐圧強度を付与するためのものである。FeおよびMnの含有量が下限値未満では所定の耐圧強度が得られない。また上限を超えると耐圧強度が高くなり過ぎ強度調整のために焼戻処理が必要となるし、Al-(Fe-Mn)系の化合物が粗大かつ多くなってプレス成形性に劣り、安定した厚さの防爆部が得られ難くなる。
Ti 0.005〜0.15％または
Ti 0.005〜0.15％およびBで0.0005〜O.05％
TiまたはTiおよびBは鋳造時の鋳造割れ防止のためのものであって、溶湯中でAl-TiまたはAl-Ti-Bの化合物を形成し鋳造時の鋳造割れ防止効果がある。含有にあたってはTi単独でもいいがTiおよびBを共存させると鋳造割れ防止の効果が高い。
残部はAlおよび不純物である。
不純物としてのSiが0.15％を超え、Cuが0.05％を超え、Mgが0.05％を超えるとプレス加工による加工硬化のばらつきが大きくなって安定した耐圧強度を有する防爆部が得られ難くなる。
またSiはAl-Fe-Si系の化合物を形成しプレス成形性に劣り、安定した厚さを有する防爆部が得られがたくなるので、少ない方が好ましく0.12％以下、0.10％以下が望ましい。
他の不純物含有量は通常の範囲であって、たとえばZnは0.25％以下好ましくは0.20％以下である。Crは0.10％以下好ましくは0.05％以下である。

このような組成のアルミニウム合金板は通常の製法で電池蓋用の板とすることができる。即ち、組成を調整された溶湯は鋳造後必要により溶体化熱処理し熱延あるいは冷延および熱処理を適宜加えて所要厚さのアルミニウム合金板とする。該アルミニウム合金板はＯ材でもいいが、後のプレス成形を考慮すれば１５％程度以上冷延して硬化させておくと蓋本体の強度が増し傷等が付き難くよい。アルミニウム合金板のＯ材の結晶粒サイズは微細なほどプレス成形性が良好で得られる耐圧強度もばらつき少なく安定した値が得られる。結晶粒サイズが平均２５μｍ以下で粗大な結晶粒存在しないのがよい。鋳造はＤＣ法でもよくＣＣ法でもよい。

このような組成の厚さ１ｍｍ程度のアルミニウム合金板をプレス成形で所定形状の電池蓋を成形するが、その際防爆部として局所的に厚さ約２０μｍとすることによって、焼鈍処理しなくても防爆部規格値としての３ＭＰa近傍の耐圧強度が容易に得られ、また防爆部規格値が変更されても前記防爆部としての局所的厚さを調整して規格値に追従させれば適切な耐圧強度が得られる。即ち規格値が下がれば薄く、上がれば厚くすれば良い。この防爆部厚さが１０μｍ未満では薄肉部の破損の虞もあって好ましくない。好ましくは１５μｍ以上である。上限値は規格値に左右されるが３０μｍ以下であると他の合金板に対して本発明の効果が発揮される。好ましくは２７μｍ以下である。
このようにプレス成形のみで防爆部規格値に合わせることができるので強度調整の焼鈍が不要である。
尚、板の厚さは電池機種の強度に合わせて変えればよい。
また、本発明の組成板製の電池蓋は電池ケースとのレーザー溶接性も優れている。
［実施例及び比較例］

表１の実施例１と比較例１〜２に示すような組成をもつ、厚さ１ｍｍのH14に冷間加工されたアルミニウム板を供試板とし、電池蓋の防爆部を想定してプレス成形で厚さ２０μｍ(プレス加工率98.0％、n数10個)に加工してその個所の耐圧強度を測定した。
また、表１の実施例２に示すような組成をもつ、厚さ１ｍｍのH18に冷間加工されたアルミニウム板を供試材とし、前記と同様にプレス成形で厚さ２５μｍ(プレス加工率97.5％、n数10個) に加工してその個所の耐圧強度を測定した。
また、表１の比較例２に示すような組成をもつ、H14板で２０μｍにプレス成形した(n数10個)ものを昇温ばらつきが４０℃ある焼鈍炉で焼鈍し耐圧強度を測定した。
以上の測定結果を表２に示す。
尚、プレス加工率は、（基板厚さ−プレス成形後の厚さ）／基板厚さ ×100％との計算式により算出した。
また、耐圧強度は、所定厚さの試料に所定面積を有する密閉部を形成し、該密閉部に油圧を負荷し、試料を破壊させた時点での圧力とした。

表２の結果より、試料番号１、２(組成符号：実施例１、２)のプレス成形後の耐圧強度は試料番号３(組成符号：比較例１)より高く、試料番号４(組成符号：比較例２)より低い。また試料番号１(組成符号：実施例１)は、規格とされている厚さ２０μｍで３ＭＰaに近く、試料番号２(組成符号：実施例２)は、厚さを厚くすれば耐圧強度が高くなり、プレス成形後に焼鈍処理して強度調整する必要がないことが判る。また試料番号５(組成符号：比較例２)は焼鈍後のばらつきが試料番号４(組成符号：比較例２)のばらつきより大きくなって焼鈍工程が入ると不利であることが判る。

本発明に係る電池蓋用アルミニウム合金板等によれば、プレス成形のみで最適耐圧強度が得られるので、携帯電話、車両等の移動機器の充放電可能な密閉型電池の蓋に使用され、産業上の利用価値は多大である。

発明に係る電池蓋を備えた電池の断面を模式的に表した概略図本発明に係る電池蓋を備えた電池の上面を模式的に表した概略図

符号の説明

１密閉型電池
２電池ケース
３本発明に係るアルミニウム合金製の電池蓋
４電解物質
５電池の＋端子
６絶縁体
７＋端子へのリード線
８ −端子へのリード線
９電解物質４の注入口
１０＋端子５の取付孔
１１本発明に係る電池蓋用アルミニウム合金板の防爆部
１２溶接部

Claims

組成が質量％で、Fe 1.15〜1.35％、Mn 0.40〜0.60％、更にTi 0.005〜0.15％またはTi 0.005〜0.15％およびB 0.0005〜O.05％を含有し、残部Alおよび不純物からなり、不純物としてのSiが0.15％以下、Cuが0.05％以下、Mgが0.05％以下からなる電池蓋用アルミニウム合金板。
所定厚さにプレス成形され、且つ焼鈍されていない防爆部を備えた請求項１記載の電池蓋用アルミニウム合金板。