JP6190574B2 - 二次電池集電体用圧延銅箔およびその製造方法 - Google Patents
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Description
近年の電池容量向上の要求に伴い、この負極活物質について、カーボン系からシリコン(Si)系やスズ(Sn)系への変更が検討されている。これらの新しい活物質は、充・放電の容量が大きい反面、充・放電に伴う体積膨張・収縮量がカーボン系よりも大きい特徴がある。この活物質の変形に伴って、負極集電体の圧延銅箔がその弾性限度を超えて変形すると、負極の変形や集電体の折れ、活物質の脱落などを引き起こし、電池容量を低下させる原因となる。従って、0.2%耐力の高い負極集電体用の圧延銅箔が求められている。特に、圧延銅箔製造工程における圧延の幅方向が負極電極の長手方向となるため、高い強度が求められる。
また、電池の組み立て工程において、活物質の固定に使用されるポリイミドをイミド化するために300〜350℃の熱処理がなされる。電池用に使用される場合に、この熱処理によっても圧延銅箔が軟化しないことが求められる。
特許文献1に開示された発明では、Agを1.5〜3.0wt%含有し、CrまたはZrと複合的に析出させることで高強度化している。圧延平行方向の0.2%耐力で640MPa以上の高強度が得られている。但し、Agは高価で、埋蔵量も少ないため、汎用材への高濃度添加元素としては、適さない。
特許文献2に開示された発明では、Feを高濃度に添加して二相化し、高強度化している。圧延平行方向の0.2%耐力で779MPa以上の高強度が得られている。但し、導電率は56%IACS以下と低い。
特許文献3に開示された発明では、Cu−Cr−Zr合金で析出状態を制御し、引張強度と導電性の両立を図っている。但し、引張強度はおおよそ600MPa以下であり、低い。
本発明は、圧延垂直方向の0.2%耐力及び導電率が高く、350℃以下の温度で1時間の熱処理を施した後にも0.2%耐力が高く維持されることで、二次電池の電気的特性を向上させることができる二次電池集電体用圧延銅箔およびその製造方法を提供することを課題とする。
本発明においては、上記の4つの機構とは異なる強化機構として、方位強化の発現を見出した。これは、結晶すべりが起き難い結晶面を応力方向に高く集積させることで、耐力を高める手法である。この方法によれば、分散強化及び固溶強化のように導電率を下げることがないため、集電体用圧延銅箔の特性改善に寄与し得る。
幸田成康著、「標準金属工学講座第9巻 金属物理学序論」、コロナ社、1964年
(参考文献2)
伊藤邦夫著、「軽金属」“アルミニウム合金板の集合組織”、軽金属学会、第43巻第5号、1993年、p285−293
(1)Cr、ZrおよびTiのうちの少なくとも一種を合計で0.01〜0.6mass%含有し、残部が銅と不可避不純物からなる圧延銅箔であって、(111)面からのずれが15度以内の結晶面が圧延垂直方向に配向する領域の面積率が45%より高い、二次電池集電体用圧延銅箔。
(2)Cr、ZrおよびTiのうちの少なくとも一種を合計で0.01〜0.6mass%含有し、さらにSn、Zn、Mn、Mg、Agのうちの少なくとも一種を合計で0.01〜0.95mass%含有し、残部が銅と不可避不純物からなる圧延銅箔であって、(111)面からのずれが15度以内の結晶面が圧延垂直方向に配向する領域の面積率が45%より高い、二次電池集電体用圧延銅箔。
(3)350℃で1時間保持される熱処理をされた後に、(111)面からのずれが15度以内の結晶面が圧延垂直方向に配向する領域の面積率が45%より高い(1)または(2)に記載の二次電池集電体用圧延銅箔。
(4)(1)または(2)に記載の二次電池集電体用圧延銅箔の合金組成を有した銅合金原料を溶解(ステップ1)し、鋳造(ステップ2)して得た鋳塊に、900〜1030℃で5分から4時間の均質化熱処理(ステップ3)と温度600〜1030℃で加工率が40〜95%の高温圧延1(ステップ4)と高温圧延2(ステップ5)を施し、冷却(ステップ6)、面削(ステップ7)を行い、さらに加工率が90.0〜99.9%の中間冷間圧延(ステップ8)と熱処理(ステップ9)と、加工率が66〜95%の最終冷間圧延(ステップ10)を施す二次電池集電体用圧延銅箔の製造方法であって、
前記高温圧延2(ステップ5)は、加工温度400℃以上600℃以下、加工率50%以上70%以下とし、前記熱処理(ステップ9)は400℃以上450℃以下に0.5時間から3時間保持する、
もしくは、前記高温圧延2(ステップ5)は、加工温度400℃以上600℃以下、加工率20%以上40%以下とし、前記熱処理(ステップ9)は450℃以上500℃以下に0.5時間から3時間保持する(1)〜(3)のいずれか1項に記載の二次電池集電体用圧延銅箔の製造方法。
本明細書における結晶方位の表示方法は、材料の圧延方向(RD)をX軸、圧延垂直方向(TD)をY軸、圧延面法線方向(ND)をZ軸の直角座標系を取り、材料中の各領域がZ軸に垂直な(圧延面に平行な)結晶面の指数(hkl)と、X軸に平行な結晶方向の指数[uvw]とを用いて、(hkl)[uvw]の形で示す。また、(132)[6−43]と(231)[3−46]などのように、銅合金の立方晶の対称性のもとで等価な方位については、ファミリーを表すカッコ記号を使用し、{hkl}<uvw>と示す。
本実施形態における上記結晶方位の解析には、FE−SEM/EBSD法を用いる。EBSDとは、Electron Back Scatter Diffraction(電子後方散乱回折)の略で、走査電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)内で試料に電子線を照射したときに生じる反射電子菊池線回折(菊池パターン)を利用した結晶方位解析技術のことである。FE−SEMは電界放出電子銃(Field Emission電子銃)を利用しているために電子線が細く、空間分解能が高い特徴がある。圧延銅箔のように高い加工率の圧延によって材料が強く歪んでいる場合は、組織中に高い方位勾配を有する。一方、照射電子線の径が大きいタングステンフィラメントの電子銃などを用いた場合は複数方位の回折パターンとなってしまい、方位の特定が困難な場合がある。
本発明の二次電池集電体用圧延銅箔について、好ましい一実施形態を以下に説明する。
本発明の二次電池集電体用圧延銅箔は、Cr、ZrおよびTiのうちの少なくとも一種を合計で0.01〜0.6mass%含有し、残部が銅と不可避不純物からなる圧延銅箔であって、(111)面からのずれが15度以内の結晶面が圧延垂直方向に配向する領域の面積率が45%より高い。
より好ましくは、Cr、ZrおよびTiのうちの少なくとも一種を合計で0.01〜0.35mass%含有する。特に好ましくは、Cr、ZrおよびTiのうちの少なくとも一種を合計で0.01〜0.25mass%含有する。
より好ましくは、Cr、ZrおよびTiのうちの少なくとも一種を合計で0.01〜0.35mass%含有する。特に好ましくは、Cr、ZrおよびTiのうちの少なくとも一種を合計で0.01〜0.25mass%含有する。
さらに、より好ましくは、Sn、Zn、Mn、Mg、Agのうちの少なくとも一種を合計で0.01〜0.48mass%含有する。特に好ましくは、Sn、Zn、Mn、Mg、Agのうちの少なくとも一種を合計で0.01〜0.19mass%含有する。
そのメカニズムの一つとして、結晶粒界の移動をピン止めする微細な粒子として分散することが挙げられる。図3に示すように、10nm以下の大きさのCr粒子が存在する粒界が張り出しており、結晶粒成長が抑制されていることを示している。
上記の各々で規定した成分の上限を超えて添加した場合に、酸化物、析出物、晶出物などの形態で粗大な第2相として分散し、15μm以下の板厚までの圧延の際に、ピンホールや板切れの原因となるため、好ましくない。また、導電性を著しく低下させるため、好ましくない。
Cr、ZrおよびTiの合計量について上記で規定した成分の下限を下回って添加した場合に、耐熱性が低下し、好ましくない。
また、ポリイミドのイミド化熱処理を模擬した350℃で1時間保持する熱処理の後の圧延垂直方向の耐力は、350MPa以上、より好ましくは400MPa以上、さらに好ましくは510MPa以上である。
本発明の実施形態において有効性が見出された結晶方位に制御するための製造工程を示す。なお、上述したように、本発明の二次電池集電体用圧延銅箔は、圧延垂直方向への(111)結晶面の配向している領域の面積率を満足すれば、ここで示す工程によって製造されたものに限定されるものではない。
但し、これらの工程において、本発明における好ましい条件を組み合わせて行うのが望ましい。特にステップ5及びステップ9の条件の組み合わせを選定することが重要となる。
ステップ5の高温圧延2は、400℃以上600℃未満、より好ましくは420℃以上580℃以下、さらに好ましくは440℃以上560℃以下の加工温度とし、この温度範囲での加工率を25%以上、より好ましくは50%以上、さらに好ましくは55%以上とする。加工率の上限はコバ割れの抑制という理由から85%である。加工温度はパス前後で材料上面の温度を放射温度計によって測定した。これらの条件は、(111)結晶面がTDに配向する領域を増加させるために行う。
ステップ9の熱処理は、400℃以上500℃以下、より好ましくは405℃以上495℃以下、さらに好ましくは410℃以上490℃以下の温度で0.5時間から3時間、好ましくは0.8時間から2.7時間、より好ましくは1時間から2.3時間の範囲で行う。
これより低い温度では、主成分であるCr、Zr、Tiの析出が不十分となり、導電率が低下する。これより高い温度では、再結晶粒の粗大化に伴う結晶方位のランダム化により、(111)結晶面がTDに配向する領域が減少し、耐力が低下する。
本実施形態では、電池のエネルギー密度向上の目的のために、特に15μm以下の厚さの銅箔が対象であるが、15μmよりも厚い銅箔に適用することも可能である。具体的には、本発明の銅箔は5μm〜25μm程度のものに適用することができる。
本実施形態に係る二次電池集電体用圧延銅箔の製造方法の実施例について、図4を参照して説明する。本発明はこれに限定されるものではない。
次にステップ6で水冷し、ステップ7で酸化スケール除去のために面削を行い、ステップ8で加工率が90.0〜99.9%の中間冷間圧延を順に行った。
次に、表1に示した製造条件で、ステップ9の熱処理を行った。
次に、ステップ10で加工率が66〜95%の最終冷間圧延を行って6〜15μmの厚さの供試材を作製した。
なお、各熱処理や圧延の後に、材料表面の酸化や粗度の状態に応じて酸洗浄や表面研磨を行い、また形状に応じてテンションレベラーによる矯正を行った。
圧延方向に(111)面が配向している領域の面積率を、EBSD法により、前述した方法によって圧延表面から測定した。圧延表面の加工変質層が厚いためにパターンが鮮明でない場合は、電解研磨の時間を長くして表層の1μm厚前後を溶解した後に測定した。
JIS Z2241に準じて圧延垂直方向の引張試験により測定した。ひずみは、カメラ式非接触伸び計によって、短軸引張試験中の標点間距離を測定し、算出した。そして応力−歪み曲線により0.2%耐力を測定した。カメラ式非接触伸び計は(株)島津製作所製DVE−201(商品名)を使用した。CCDカメラ画像により標線マークを自動追尾して伸びを計測するものである。試験片は幅13mmの短冊状とし、圧延方向に対して、90°の方向に試験片を採取して測定した。
4端子法により、20±2℃で測定した。
Ar雰囲気中で350℃にて1時間保持する熱処理を行った後に、圧延方向に(111)面からのずれが15度以内の結晶面が配向している領域の面積率を、EBSD法により、前述した方法によって圧延表面から測定した。圧延表面の加工変質層が厚いためにパターンが鮮明でない場合は、電解研磨の時間を長くして表層の1μm厚前後を溶解した後に測定した。なお、350℃で1時間保持する熱処理を行った後に、圧延方向(111)面からのずれが15度以内の結晶面が配向する領域が45%より高い状態に保たれているということは、350℃以下の温度で1時間保持しても同様の結晶面の配向状態であると考えることができる。
Ar雰囲気中で350℃にて1時間保持する熱処理を行った後に、加熱前と同様の方法で、JIS Z2241に準じて圧延平行方向の引張試験により測定した。
弾性変形と塑性変形の境界を便宜上つけるために、降伏応力に相当する応力を耐力とし、鋼の降伏時の永久歪みが約0.2%(0.002)であることから、荷重の除荷時の永久歪みが0.2%になる応力を0.2%耐力という。
本発明例104及び、比較例204については、350℃だけでなく、200℃から550℃に保持した後の0.2%耐力を同様に測定することによって、軟化カーブを採取した。図5にその結果を示す。
Claims (4)
- Cr、ZrおよびTiのうちの少なくとも一種を合計で0.01〜0.6mass%含有し、残部が銅と不可避不純物からなる圧延銅箔であって、
(111)面からのずれが15度以内の結晶面が圧延垂直方向に配向する領域の面積率が45%より高い二次電池集電体用圧延銅箔。 - Cr、ZrおよびTiのうちの少なくとも一種を合計で0.01〜0.6mass%含有し、さらにSn、Zn、Mn、Mg、Agのうちの少なくとも一種を合計で0.01〜0.95mass%含有し、残部が銅と不可避不純物からなる圧延銅箔であって、
(111)面からのずれが15度以内の結晶面が圧延垂直方向に配向する領域の面積率が45%より高い二次電池集電体用圧延銅箔。 - 350℃で1時間保持される熱処理をされた後に、(111)面からのずれが15度以内の結晶面が圧延垂直方向に配向する領域の面積率が45%より高い請求項1または2に記載の二次電池集電体用圧延銅箔。
- 請求項1または2に記載の二次電池集電体用圧延銅箔の合金組成を有した銅合金原料を溶解(ステップ1)し、鋳造(ステップ2)して得た鋳塊に、900〜1030℃で5分から4時間の均質化熱処理(ステップ3)と温度600〜1030℃で加工率が40〜95%の高温圧延1(ステップ4)と高温圧延2(ステップ5)を施し、冷却(ステップ6)、面削(ステップ7)を行い、さらに加工率が90.0〜99.9%の中間冷間圧延(ステップ8)と熱処理(ステップ9)と、加工率が66〜95%の最終冷間圧延(ステップ10)を施す二次電池集電体用圧延銅箔の製造方法であって、
前記高温圧延2(ステップ5)は、加工温度400℃以上600℃以下、加工率50%以上70%以下とし、前記熱処理(ステップ9)は400℃以上450℃以下で0.5時間から3時間保持する、
もしくは、前記高温圧延2(ステップ5)は、加工温度400℃以上600℃以下、加工率20%以上40%以下とし、前記熱処理(ステップ9)は450℃以上500℃以下で0.5時間から3時間保持する請求項1〜3のいずれか1項に記載の二次電池集電体用圧延銅箔の製造方法。
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