JP5898476B2 - リチウムイオン電池正極集電体用アルミニウム合金箔およびその製造方法 - Google Patents
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Description
リチウムイオン電池の電極材は、正極板、セパレータおよび負極板で構成される。正極板は、厚さ15μm程度の集電体用アルミニウム箔に100μm程度の厚さの上記活物質を両面に塗布する工程、塗布された活物質中の溶媒を除去するための乾燥工程、さらに活物質の密度を増大させるための圧着工程等を経て製造されている。この様にして製造された正極板は、負極板とセパレータを介して渦巻状に巻いた後に金属ケースに収納して密閉され電池となる。現在、正極集電体用のアルミニウム箔には、一般に、JIS1085やJIS3003アルミニウム材が用いられている。
これは、以下の理由による。例えば、リチウムイオン電池が圧壊して変形すると、電池を構成する正極、負極、及びセパレータのそれぞれには、引張応力が働く。そして、所定量まで電池が圧壊されると、正極、負極、及びセパレータのうち、引張伸びが最も低い正極が優先的に破断されやすい。正極が破断した場合、破断部がセパレータを突き破り、電池内で短絡が起こるおそれがある。
このことから、圧壊による短絡を抑制するには、正極が優先的に破断することを抑制することが必要であり、正極の引張強度や伸びを高めることが重要である。
本発明のリチウムイオン電池正極集電体用アルミニウム合金箔は、Mn:0.003〜0.3質量%を含有し、残部がAlと不可避不純物からなる組成を有し、伸びが3.0%以上、比抵抗が3.0μΩcm以下であり、引張強度が190MPa以上であることを特徴とする。
本発明のリチウムイオン電池正極集電体用アルミニウム合金箔において、Si:0.05質量%以下、Fe:0.1質量%以下、Cu:0.05質量%以下、Mg:0.05質量%以下を更に含むことができる。
本発明のリチウムイオン電池正極集電体用アルミニウム合金箔において、Mn:0.003〜0.09質量%であり、伸びが3.0%以上3.7%以下であり、比抵抗が2.77μΩcm以上2.87μΩcm以下であり、引張強度が194.3MPa以上205.6MPa以下であることが好ましい。
本発明のリチウムイオン電池正極集電体用アルミニウム合金箔の製造方法は、Mn:0.003〜0.3質量%を含有し、残部がAlと不可避不純物からなる組成を有するアルミニウム合金を用いてリチウムイオン電池正極集電体用アルミニウム合金箔を製造するに際し、圧下率99.0〜99.9%で最終冷間圧延を行うことを特徴とする。
前記アルミニウム合金箔の伸びが3.0%以上、比抵抗が3.0μΩcm以下、引張強度が190MPa以上であることが好ましい。
本発明の製造方法において、Si:0.05質量%以下、Fe:0.1質量%以下、Cu:0.05質量%以下、Mg:0.05質量%以下を更に含むアルミニウム合金を用いることが好ましい。
本発明のリチウムイオン電池正極集電体用アルミニウム合金箔の製造方法によれば、前記組成のアルミニウム合金を用い、圧下率99.0〜99.9%の最終冷間圧延を行うことにより、優れた引張強度と伸びを有するアルミニウム合金箔を製造することができ
る。
本発明のアルミニウム合金箔においては、特に、Mnの含有量を0.005〜0.05質量%の範囲とするが好ましい。Mnの含有量を0.005〜0.05質量%の範囲とすることにより、アルミニウム合金箔の比抵抗を殆ど増大させることなく伸び向上の効果を得ることができる。
本発明のアルミニウム合金箔が不可避不純物としてFeを含有する場合、Feの含有量を0.1質量%以下とすることが好ましい。Feの含有量を0.1質量%以下とすることにより、比抵抗の上昇を抑制することができる。
(引張強度)
アルミニウム合金箔から長さ180mm、幅15mmの短冊状試験片を切り出し、この試験片の長尺方向の一端を固定し、長尺方向の他端より5mm/分の速度で引張ることにより、アルミニウム合金箔に荷重を加える。そして、試験中にアルミニウム合金箔が耐えた最大荷重を試験片平行部の原断面積で除した値を引張強度(MPa)とする。
(伸び)
金属材料引張試験方法JIS Z 2241の破断伸び測定、算出方法に準拠して求め、JIS Z 8401に準拠して数値を丸めた。アルミニウム合金箔から長さ180mm、幅15mmの短冊状試験片を切り出し、長手中央に試験片垂直方向に2本の線を50mm間隔でマークする。この試験片の長尺方向の一端を固定し、長尺方向の他端より5mm/分の速度で引張ることにより、アルミニウム合金箔に荷重を加える。そして、アルミニウム合金箔が破断した後につき合わせてマーク間距離を測定し、そこから原標点距離(50mm)を引いた伸び量(mm)を、原標点間距離(50mm)で除して伸び(%)を求める。
まず、前記した所定の組成範囲としたアルミニウム合金を、既知の半連続鋳造法や連続鋳造圧延法などの常法により溶製する。
ここで、半連続鋳造により得られる鋳塊は、必要に応じて均質化処理を行ってもよい。均質化処理は、例えば、430〜565℃、3〜7時間の条件で行うことができる。また、伸び率をより向上させるためには、均質化処理の温度を430〜500℃にすることが更に好ましい。
その後、熱間圧延によりアルミニウム合金板が得られ、連続鋳造圧延法によっては、そのままアルミ合金板を得ることができる。
なお、本発明者らは、最終冷間圧延の圧下率を前記範囲のように高くしても、Mnを加えなければ強度190MPaは達成できても、伸び3.0%以上を達成することは困難であることを確認している。
以上の工程により、本発明のリチウムイオン電池正極集電体用アルミニウム合金箔を製造することができる。
本発明のリチウムイオン電池正極集電体用アルミニウム合金箔の製造方法によれば、前記組成のアルミニウム合金を用い、圧下率99.0〜99.9%の最終冷間圧延を行うことにより、優れた引張強度と伸びを有するアルミニウム合金箔を製造することができる。
表1に示す組成(残部Alおよび不可避不純物)からなるアルミニウム合金の鋳塊を半連続鋳造により鋳造した。得られた鋳塊に昇温速度50℃/時間、保持温度495℃、保持時間4時間の均質化処理を実施した後、鋳塊の表面を面削し不均一層を除去した。その後、熱間圧延を行い、7.0mm厚の板材とした。次に、中間焼鈍を行わずに、表1記載の厚みまで同表記載の圧下率(最終冷延率)で最終冷間圧延を行うことにより、アルミニウム合金箔を作製した。尚、実施例8、比較例4のアルミニウム合金箔は、最終冷間圧延率を調整するために、板厚1.0mmで350℃にて4時間の中間焼鈍を行い、その後に、表1に示す厚みまで最終冷間圧延を行った。
「引張強度(MPa)」
作製したアルミニウム合金箔から長さ180mm、幅15mmの短冊状試験片を切り出し、この試験片の長尺方向の一端を固定し、長尺方向の他端より5mm/分の速度で引張ることにより、アルミニウム合金箔に荷重を加えた。アルミニウム合金箔試験片が試験中に耐えた最大の荷重(N)を試験片の原断面積(15mm×厚みmm)で除して引張強度を求めた。
作製したアルミニウム合金箔から長さ180mm、幅15mmの短冊状試験片を切り出し、この試験片の長尺方向の一端を固定し、長尺方向の他端より5mm/分の速度で引張ることにより、アルミニウム合金箔に荷重を加えた。尚、試験片長手中央には試験片垂直方向に2本の線を50mm間隔で引き原標点間距離としており、アルミニウム合金箔が破断した後につき合わせて2本の線の距離を測定し、そこから原標点距離(50mm)を引いた伸び量(mm)を、原標点間距離(50mm)で除して伸び(%)を求めた。
「比抵抗(μΩcm)」
JIS H 0505に準拠し、温度294〜297Kにおいて、直流四端子法で測定した。なお、比抵抗の算出には重量法を用いた。なお、アルミニウム合金箔をリチウムイオン電池の正極集電体として用いるには、比抵抗が3.0μΩcm以下であることが好ましい。
また、圧下率99.0〜99.9%の最終冷間圧延を行うことにより製造されたアルミニウム箔は、優れた引張強度と伸びを有することが確認された。
これに対し、Mnの含有量が本発明の所定範囲よりも少ない比較例1、2、4のアルミニウム箔は、伸びが3.0%未満であった。また、Mnの含有量が本発明の所定範囲を超える比較例3のアルミニウム箔は、比抵抗が3.11μΩcmと高くなっていた。
Claims (6)
- Mn:0.003〜0.3質量%を含有し、残部がAlと不可避不純物からなる組成を有し、伸びが3.0%以上、比抵抗が3.0μΩcm以下、引張強度が190MPa以上であることを特徴とするリチウムイオン電池正極集電体用アルミニウム合金箔。
- Si:0.05質量%以下、Fe:0.1質量%以下、Cu:0.05質量%以下、Mg:0.05質量%以下を更に含むことを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン電池正極集電体用アルミニウム合金箔。
- Mn:0.003〜0.09質量%であり、伸びが3.0%以上3.7%以下であり、比抵抗が2.77μΩcm以上2.87μΩcm以下であり、引張強度が194.3MPa以上205.6MPa以下であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のリチウムイオン電池正極集電体用アルミニウム合金箔。
- Mn:0.003〜0.3質量%を含有し、残部がAlと不可避不純物からなる組成を有するアルミニウム合金を用いてリチウムイオン電池正極集電体用アルミニウム合金箔を製造するに際し、圧下率99.0〜99.9%で最終冷間圧延を行うことを特徴とするリチウムイオン電池正極集電体用アルミニウム合金箔の製造方法。
- 前記アルミニウム合金箔の伸びが3.0%以上、比抵抗が3.0μΩcm以下、引張強度が190MPa以上であることを特徴とする請求項4に記載のリチウムイオン電池正極集電体用アルミニウム合金箔の製造方法。
- Si:0.05質量%以下、Fe:0.1質量%以下、Cu:0.05質量%以下、Mg:0.05質量%以下を更に含むアルミニウム合金を用いることを特徴とする請求項4または請求項5に記載のリチウムイオン電池正極集電体用アルミニウム合金箔の製造方法。
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