KR20240063949A - 재활용 함량이 높은 알루미늄 합금 스트립으로 제작된 배터리 셀 하우징 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 알루미늄 합금 스트립 또는 시트를 갖는 배터리 셀 하우징에 관한 것이다. 한편으로는 재활용률을 달성할 수 있게 하고 다른 한편으로는 특히 강도, 전해질 안정성 및 전기전도도와 열전도도와 관련하여 배터리 셀 하우징의 요구사항을 충족시키는 알루미늄 합금 스트립 또는 시트를 갖는 배터리 셀 하우징을 제공하는 목적은, 알루미늄 합금 스트립 또는 시트가 중량%로 다음과 같은 합금 구성성분을 갖는 알루미늄 합금을 가짐으로써 달성된다.
0.1% ≤ Si ≤ 0.5%,
0.25% ≤ Fe ≤ 0.8%,
Cu ≤ 0.6%,
0.6% ≤ Mn ≤ 1.4%,
0.5% ≤ Fe ≤ 1.5%,
Cr ≤ 0.25%,
Zn ≤ 0.4%,
Ti ≤ 0.2%,
나머지는 Al 및 불가피한 불순물이며, 불순물은 개별적으로는 최대 0.05%이고 총량은 최대 0.15%.
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나머지는 Al 및 불가피한 불순물이며, 불순물은 개별적으로는 최대 0.05%이고 총량은 최대 0.15%.
Description
본 발명은 알루미늄 합금 스트립 또는 시트를 갖는 배터리 셀 하우징 및 배터리 셀 하우징 제조를 위한 알루미늄 합금 스트립 또는 시트의 용도에 관한 것이다.
배터리 셀은 전기 소비처에 전기 에너지를 공급하기 위해 다양한 기술 분야에 사용된다. 배터리 셀의 적용 분야는 예를 들어 전기 모빌리티, 특히 전기 자동차, 전기 자전거 및 전기 스쿠터, 가전 제품, 특히 랩톱 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 휴대폰, 디지털 카메라 및 비디오 카메라 또는 에너지 기술 특히 배터리 저장 분야를 예로 들 수 있다. 여러 개의 배터리 셀들이 직렬 또는 병렬로 함께 연결되어 배터리 모듈이나 배터리 시스템을 형성하는 경우가 많다. 그러나 개별 배터리 셀을 에너지원으로서 사용하는 응용 분야도 있다.
배터리 셀은 본질적으로 한 번 방전되면 재충전이 불가능한 1차 셀과 재충전이 가능한 2차 셀로 구분된다. 배터리 셀의 기능을 제공하는 데 필요한 전기화학 공정은 1차 셀과 2차 셀 모두에서 다양한 재료를 사용하여 구현될 수 있다. 이러한 맥락에서 1차 전지의 예로는 알칼리-망간 전지, 아연-탄소 전지, 니켈-옥시수산화물 전지 또는 리튬-황화철 전지 등이 있다. 2차 전지의 예로는 리튬 이온 전지, 나트륨 이온 전지, 니켈-카드뮴 전지, 니켈-금속 수소화물 전지 또는 니켈-아연 전지 등이 있다.
수년 동안 리튬-이온 2차 셀은 상대적으로 높은 중량 및 체적 에너지 밀도로 인해 특히 전기 모빌리티 및 가전 제품 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있다. 다른 유형의 배터리 셀과 마찬가지로 리튬-이온 2차 셀에도 배터리 셀 하우징이 있다. 이는 배터리 셀의 외부 형태를 형성하고 무엇보다도 양극 재료, 음극 재료 및 전해질을 포함하는 공동을 둘러싼다. 배터리 셀 하우징의 다양한 디자인 간에 구별이 이루어질 수 있다. 원통형 배터리 셀 하우징은 본질적으로 원통형의 형상이다. 원통의 높이가 직경보다 크면, 원형 셀, 그렇지 않으면 버튼 셀이라고 한다. 각기둥 디자인의 배터리 셀 하우징은 기본적으로 프리즘, 특히 직육면체 모양을 갖는다. 또 다른 변형은 배터리 셀 하우징이 기본적으로 포켓이나 파우치 모양인 파우치 디자인이다.
강도 및 기계적 안정성에 대한 높은 요구사항뿐만 아니라 배터리 셀 하우징에 부식성으로 작용하는 전해질과 관련된 전기화학적 안정성에 대한 높은 요구사항으로 인해, 특히 현재까지 원통형 배터리 셀 하우징은 일반적으로 니켈 도금강으로 제조되어야 한다. 그러나 18650 유형의 원형 셀을 21700 유형의 원형 셀로 교체하는 일이 늘어나고, 향후 전기 모빌리티 분야에서 21700 유형의 원형 셀을 46800 유형의 원형 셀로 교체할 것으로 예상되는 등 셀 형식이 증가하면서 전기 및 열전도에 대한 요구사항이 더 엄격해지고 있는데, 이는 방출되어야 하는 열의 양이 많이 생성되기 때문이다. 잠재적인 알루미늄 재료는 또한 하우징 재료의 강도에 대한 높은 요구사항을 충족해야 한다.
원통형 배터리 셀 하우징에 알루미늄 합금을 사용하는 접근 방식은 이미 알려져 있지만 알루미늄 합금 AA3003으로 제한된다. 미국 특허 US 6,258,480 B1이 이에 대한 예로서 언급될 수 있다. 반면에 각기둥 배터리 셀 하우징의 경우 알루미늄 합금 AA3003이 표준이지만 각기둥 셀 하우징 분야에서의 사용도 이 합금으로 제한된다.
미국 특허 US 2006/093908 A1에는 AA8079, 1N30, AA8021, AA3003, AA3004, AA3104 또는 AA3105 유형의 알루미늄 합금으로 만들어진 알루미늄 포일과 외부 플라스틱 층을 갖는 복합 재료로 구성된 고강도 배터리 하우징이 개시되어 있다.
동일한 알루미늄 합금이 대한민국 특허 출원 KR 2016 005673 A로부터 공지되어 있지만, 이 대한민국 특허 출원은 AA3003 유형의 알루미늄 합금의 사용을 선호한다.
일본 특허 출원 JP 2015 125886 A는 배터리 하우징의 강도 및 용접성에 중점을 두고 있으며 AA3003, AA3203, AA3004, AA3104, AA3005 또는 AA3105 유형의 알루미늄 합금 사용을 제안한다.
앞서 언급한 문헌들 중 어느 것도 배터리 셀 하우징의 강도, 전해질 안정성, 전기전도도 및 열전도도에 대한 요구사항을 고려하면서, 재활용 가능성 문제를 다루지 않는다.
그러나 최근 몇 년 동안 지속가능성(sustainability) 요구사항이 크게 증가함에 따라 CO2 발자국이 가장 적은 배터리 셀 하우징을 생산해야 한다. 가장 효과적인 방법은 2차 알루미늄이라고도 하는 재활용 재료의 사용을 늘려 에너지 집약적인 1차 알루미늄의 사용을 줄이는 것이다. 이것은 알루미늄 스크랩을 용융하여 얻는다. 알루미늄 스크랩의 경우, 소비-전 스크랩(pre-consumer scrap)과 소비-후 스크랩(post-consumer scrap)이 구분된다. 소비-전 스크랩은 다양한 공정으로 알루미늄이나 알루미늄 합금으로 만든 반제품이나 최종 제품을 제조하는 동안에 생성되는 폐기물이다. 소비-전 스크랩은 한편으로는 내부 공정 스크랩과 외부 공정 스트랩으로 나눌 수 있는데, 내부 공정 스크랩은 스프루, 오프컷, 스와프, 생산 잔여물 또는 생산 불량품과 같은 알루미늄 스트립 또는 시트 제조 공정 내에서 불가피하게 생성되는 스크랩이고, 외부 공정 스크랩은 펀칭 스크랩, 부스러기 또는 생산 불량품과 같이 최종 제품을 형성하기 위한 추가 가공에서 불가피하게 생성되는 스크랩이다. 소비-후 스크랩은 수명주기를 완전히 완료하고 소비-후 폐기물이 되는 최종 제품이다. 최종 사용자가 사용했는지 여부는 관계가 없다. 이는, 예를 들어 산업 또는 상업 시설에서 사용되었을 수도 있다는 것을 의미한다. 소비-후 스크랩의 예로는 식품 포장, 특히 음료수 캔, 창틀, 석판 인쇄판 캐리어, 케이블 코어 및 자동차 부품이 포함된다.
국제 규격에 따르면, 지금까지 배터리 셀 하우징에 사용되는 알루미늄 합금 AA3003의 합금 조성은 예를 들어 표준 합금 원소인 구리, 마그네슘, 크롬, 아연 및 티타늄과 관련하여 비교적 제한적이다. 따라서 이 합금을 사용하려면 1차 알루미늄의 비율이 높아야 하므로 높은 재활용률을 달성하는 데에 방해가 된다. 따라서 알루미늄 합금 AA3003으로 제조된 종래 기술의 배터리 셀 하우징은 지속가능성과 관련하여 개선될 필요가 있다.
이러한 배경에서, 본 발명의 목적은 높은 재활용률을 달성할 수 있으면서도 동시에 배터리 셀 하우징의 사양, 특히 강도, 전해질 안정성, 전기 전도성 및 열 전도성과 관련하여 베터리 셀 하우징의 사양을 충족시키는 알루미늄 합금 스트립 또는 시트를 갖는 배터리 셀 하우징을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 배터리 셀 하우징을 제조하는 데에 사용하기 위한 알루미늄 합금 스트립 또는 시트의 상응하는 용도를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 교시에 따르면, 전술한 목적은 알루미늄 합금 스트립 또는 시트를 갖는 배터리 셀 하우징으로, 알루미늄 합금 스트립 또는 시트가 중량%로 아래의 합금 구성성분의 알루미늄 합금을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 하우징에 의해 달성된다.
0.1% ≤ Si ≤ 0.5%,
0.25% ≤ Fe ≤ 0.8%,
Cu ≤ 0.6%,
0.6% ≤ Mn ≤ 1.4%,
0.5% ≤ Fe ≤ 1.5%,
Cr ≤ 0.25%,
Zn ≤ 0.4%,
Ti ≤ 0.2%,
나머지는 Al 및 불가피한 불순물이며, 불순물은 개별적으로는 최대 0.05%이고 총량은 최대 0.15%.
놀랍게도, 본 발명자는 테스트에서 알루미늄 합금 스트립 또는 시트를 갖는 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징이 특히 강도, 전해질 안정성 및 전기 및 열 전도성과 관련하여 상응하는 요구사항을 충족한다는 것을 발견했다. 무엇보다 놀랍게도 이미 알려진 AA3003 합금에 비해 전해질 안정성과 용접성이 떨어지지 않거나 크게 떨어지지 않는다는 사실이 밝혀졌다. 동시에, 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징은 알루미늄 합금의 지정된 구리 및 마그네슘 함량으로 인해 높은 재활용률을 달성하는 데 적합하다. 이는 특히 UBC 스크랩(UBC: 중고 음료 캔), 즉 상당한 양의 마그네슘과 구리를 함유하고 배터리 셀 하우징의 알루미늄 스트립 또는 알루미늄 시트의 알루미늄 합금 제조에 적합한 알루미늄 합금으로 만들어진 음료 캔의 사용에 적용된다. 앞서 언급한 모든 장점은 배터리 셀 하우징의 알루미늄 합금 스트립 또는 시트의 합금 조성에 의해 달성된다. 또한, 알루미늄 합금은 표준 합금 원소만을 함유하기 때문에 그 자체도 잘 재활용될 수 있으므로, 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징은 기존 스크랩 재활용 작업에 쉽게 추가될 수 있다.
본 발명에 따르면, 알루미늄 합금의 실리콘 함량은 0.1 중량% ≤ Si ≤ 0.5 중량% 범위이다. 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징의 일 실시형태에서, 알루미늄 합금의 실리콘 함량은 0.2 중량% ≤ Si ≤ 0.4 중량%, 바람직하게는 0.2 중량% ≤ Si ≤ 0.35 중량% 범위이다. 명시된 양에서 본 발명에 따른 철 및 망간 함량을 조합하면, 0.1 중량% ≤ Si ≤ 0.5 중량%의 실리콘 함량은 특히 상대적으로 균일하게 분포된 4원계 α-Al(Fe, Mn)Si 상의 콤팩트한 입자를 생성한다. 이러한 석출 입자들은 부식 거동, 즉 전해질 안정성이나 성형성과 같은 다른 물성에 해로운 영향을 주지 않으면서 고용체에서 철과 망간을 제거하기 때문에 알루미늄 합금의 강도와 전기 전도성 및 열 전도성을 모두 증가시킨다. 0.1 중량% 미만의 실리콘 함량은 α-Al(Fe, Mn)Si 상의 석출을 감소시키며, 이는 용해된 망간으로 인해 전기 전도성 및 열 전도성을 손상시킬 수 있다. 또한 α-Al(Fe, Mn)Si 상이 없으면 공구 마모에 해로운 영향을 미친다. 0.5 중량%를 초과하는 실리콘 함량은 마그네슘과 결합하여 Mg2Si 상을 형성할 수 있으며, 이는 마그네슘의 고용 경화에 해로운 영향을 미친다. 0.2 중량% ≤ Si ≤ 0.4 중량%, 바람직하게는 0.2 중량% ≤ Si ≤ 0.35 중량%인 전술한 실시형태의 실리콘 함량의 코리더(corridor)는 고강도와 높은 전기 및 열 전도성 사이의 이상적인 절충안을 나타낸다.
본 발명에 따르면, 알루미늄 합금의 철 함량은 0.25 중량% ≤ Fe ≤ 0.8 중량% 범위이다. 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징의 일 실시형태에서, 알루미늄 합금의 철 함량은 0.3 중량% ≤ Fe ≤ 0.7 중량%, 바람직하게는 0.4 중량% ≤ Fe ≤ 0.7 중량% 범위이다. 지정된 양의 본 발명에 따른 망간 함량과 함께 0.25 중량% ≤ Fe ≤ 0.8 중량%의 철 함량은 Al6(Mn, Fe) 상을 형성하며, 위에서 이미 설명한 바와 같이 4원계 α-Al(Fe, Mn)Si 상의 입자 석출에 지정된 양으로 본 발명에 따른 실리콘 및 망간 함량과 함께 조합된다. 이 경우 철은 알루미늄에서 망간의 용해도(solubility)를 낮추는 데 기여하여, 더 많은 망간이 금속간 상으로 결합되며, 이는 전기 전도성과 열 전도성에 긍정적인 영향을 미친다. 또한 금속간화합물 상은 회복 및 재결정 공정에 영향을 미치고, 기계적 특성의 열 안정성을 향상시킨다. 0.8 중량%를 초과하는 철 함량은 조대한 금속간 상의 형성을 촉진하여 딥 드로잉 공정에서 성형성을 손상시킬 수 있다. 반면, 0.25 중량% 미만의 철 함량은 철 스크랩에 대한 알루미늄 합금의 공차(tolerance)를 너무 크게 제한하는데, 그 이유는 기존 스크랩 등급은 일반적으로 상당한 양의 철을 함유하기 때문이다. 따라서 철 함량을 너무 많이 제한하면 높은 재활용률을 달성하는 데 방해가 될 수 있다. 전술한 실시형태의 철 함량의 코리더는 0.3 중량% ≤ Fe ≤ 0.7 중량%, 바람직하게는 0.4 중량% ≤ Fe ≤ 0.7 중량%이고, 이에 따라 재활용성, 높은 비율의 재활용 재료 사용, 전기 및 열 전도성 및 성형성의 이상적인 조합을 나타낸다.
본 발명에 따르면, 알루미늄 합금의 구리 함량은 Cu ≤ 0.6 중량% 범위이다. 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징의 일 실시형태에서, 알루미늄 합금의 구리 함량은 Cu ≤ 0.3 중량%, 바람직하게는 0.1 중량% ≤ Cu ≤ 0.2 중량% 범위이다. 최대 0.6 중량%의 구리 함량이 허용된다는 사실은 구리 함유 알루미늄 합금 스크랩에 대한 알루미늄 합금의 공차를 증가시키며, 이는 배터리 하우징 제조에서 재활용 재료의 높은 비율 달성을 촉진한다. 그러나 구리 함량이 지나치게 많으면 부식 특성에 해로운 영향을 미칠 수 있으므로, 충분히 높은 전해질 안정성을 달성하기 위해 본 발명에 따르면 구리 함량은 최대 0.6 중량%로 제한된다. 향상된 전해질 안정성과 충분히 높은 전기 및 열 전도성을 위해, 전술한 실시형태에서 구리 함량은 0.3 중량%로 제한된다. 그러나, 구리의 존재는 고용 경화에 의한 알루미늄 합금의 강도 증가를 야기하지만, 이는 0.1 중량%를 상회하는 함량에서만 유의미하다. 따라서 0.1 중량% ≤ Cu ≤ 0.2 중량%의 바람직한 범위는 높은 강도, 충분히 높은 전기 및 열 전도성, 그리고 충분한 재활용 공차를 갖춘 향상된 전해질 안정성 사이의 절충안을 나타낸다.
본 발명에 따르면, 알루미늄 합금의 망간 함량은 0.6 중량% ≤ Mn ≤ 1.4 중량% 범위이다. 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징의 일 실시형태에서, 알루미늄 합금의 망간 함량은 0.8 중량% ≤ Mn ≤ 1.1 중량% 범위이다. 위에서 이미 설명한 바와 같이, 망간 함량 0.6 중량% ≤ Mn ≤ 1.4 중량%, 또는 0.8 중량% ≤ Mn ≤ 1.1 중량%가 지정된 실리콘 및 철 함량과 결합되면 4원계 α-Al(Fe, Mn)Si 상 및 Al6(Mn, Fe) 상의 입자가 석출되게 한다. 금속간화합물 상은 회복과 재결정 공정을 방해하여, 기계적 특성의 열적 안정성을 향상시킨다. 0.8 중량% 미만의 망간 함량은 이미 분산질(dispersoid) 및 고용 경화로 인한 강도 증가를 감소시킨다. 망간 함량이 0.6 중량% 미만인 경우 분산질 및 고용 경화로 인한 강도 증가가 불충분한 반면, 1.1 중량%를 초과하는 경우, 특히 1.4 중량%를 초과하는 경우 조대한 금속간화합물 상의 형성을 촉진하여 딥 드로잉 공정의 성형 특성에 불리한 영향을 미친다. 또한, 망간 함량이 1.1 중량%를 초과하면, 특히 1.4 중량%를 초과하면 배터리 셀 하우징의 전기 전도성과 열 전도성이 크게 감소하여 열 관리가 비효율적으로 된다.
본 발명에 따르면, 알루미늄 합금의 마그네슘 함량은 0.5 중량% ≤ Mg ≤ 1.5 중량% 범위이다. 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징의 일 실시형태에서, 알루미늄 합금의 마그네슘 함량은 0.8 중량% ≤ Mg ≤ 1.5 중량%, 바람직하게는 0.8 중량% ≤ Mg ≤ 1.2 중량% 범위이다. 최대 1.5 중량%의 마그네슘 함량이 허용된다는 사실은 UBC 스크랩과 같은 마그네슘 함유 알루미늄 합금 스크랩에 대한 알루미늄 합금의 공차를 증가시키며, 이는 배터리 셀 하우징 제조 시 재활용 재료의 높은 비율 달성을 더욱 촉진한다. 또한, 마그네슘 함량이 적어도 0.5 중량% 존재하면 효율적인 고용 경화가 이루어지며, 이는 냉간 경화 증가에 기여하여 강도를 증가시킨다. 그러나, 마그네슘 함량이 지나치게 높으면 전기 전도도 및 열 전도도에 해로운 영향을 미치므로, 본 발명에서는 마그네슘 함량을 최대 1.5 중량%로 제한한다. 기계적 특성을 향상시키기 위해, 전술한 실시형태에서는 마그네슘 함량을 0.8 중량% 이상으로 증가시켰다. 0.8 중량% ≤ Mg ≤ 1.2 중량%의 바람직한 범위는 고강도, 우수한 성형 거동, 높은 전기 전도성 및 열 전도성과 우수한 재활용 공차 간의 절충안을 나타낸다.
본 발명에 따르면, 알루미늄 합금의 크롬 함량은 Cr ≤ 0.25 중량% 범위이다. 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징의 한 실시형태에서, 알루미늄 합금의 크롬 함량은 Cr ≤ 0.1 중량%, 바람직하게는 Cr ≤ 0.05 중량% 범위이다. 최대 0.25 중량%의 크롬 함량이 허용된다는 사실은 크롬 함유 알루미늄 합금 스크랩에 대한 알루미늄 합금의 공차를 증가시키며, 이는 배터리 셀 하우징 제조에서 재활용 재료의 높은 비율 달성을 촉진한다. 또한 크롬은 강도를 높이는 효과도 있고 분산질을 형성하여 열 안정성을 높이고 재결정이나 회복으로 인한 연화를 방해한다. 그러나, 크롬 함량이 지나치게 많으면 알루미늄 합금의 전기 전도도에 해로운 영향을 미칠 수 있으므로, 본 발명에 따르면 크롬 함량은 최대 0.25 중량%로 제한된다. 여전히 충분한 재활용 공차 및 강도를 갖는 향상된 전도성을 위해, 전술한 실시형태에서 크롬 함량은 0.1 중량%, 바람직하게는 0.05 중량%로 제한된다.
본 발명에 따르면, 알루미늄 합금의 아연 함량은 Zn ≤ 0.4 중량% 범위이다. 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징의 일 실시형태에서, 알루미늄 합금의 아연 함량은 0.02 중량% ≤ Zn ≤ 0.25 중량%, 바람직하게는 0.04 중량% ≤ Zn ≤ 0.25 중량% 범위이다. 아연 함량을 0.4 중량%까지 허용함으로써 아연 함유 알루미늄 합금 스크랩에 대한 알루미늄 합금의 공차가 증가되어 높은 재활용률 달성이 더욱 촉진된다. 아연은 또한 강도를 증가시키는 효과가 있다. 그러나, 아연 함량이 지나치게 높으면 알루미늄 합금의 용접성, 전기 전도성, 열 전도성 및 내식성이 저하되므로, 본 발명에서는 아연 함량을 최대 0.4 중량%로 제한한다. 전술한 실시형태에서, 아연 함량은 0.02 중량% ≤ Zn ≤ 0.25 중량%, 바람직하게는 0.04 중량% ≤ Zn ≤ 0.25 중량% 범위 내에서 조정되어 재활용 공차가 양호하게 유지되면서, 고강도, 양호한 용접성 및 양호한 전해액 안정성 사이의 최적의 절충이 달성된다.
본 발명에 따르면, 알루미늄 합금의 티타늄 함량은 Ti ≤ 0.2 중량% 범위이다. 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징의 일 실시형태에서, 알루미늄 합금의 티타늄 함량은 0.005 중량% ≤ Ti ≤ 0.1 중량%, 바람직하게는 0.005 중량% ≤ Ti ≤ 0.05 중량% 범위이다. 티타늄 함량이 최대 0.2 중량% 허용된다는 사실은 티타늄 함유 알루미늄 합금 스크랩에 대한 알루미늄 합금의 공차를 증가시키며, 이는 배터리 셀 하우징 제조에서 재활용 재료의 높은 비율 달성을 촉진한다. 그러나 티타늄 함량이 지나치게 높으면 알루미늄 합금의 성형 특성에 해로운 영향을 미치고 전기 전도성 및 열 전도성이 크게 감소할 수 있으므로 본 발명에서는 티타늄 함량을 최대 0.2 중량%로 제한한다. 반대로, 0.005 중량% 이상의 티타늄 함량은 알루미늄 합금 주조 시 결정립 미세화를 향상시킨다. 양호한 성형성, 충분히 높은 전기 및 열 전도성 및 충분한 재활용 공차와 함께 우수한 결정립 미세화를 위해 전술한 실시형태의 티타늄 함량은 0.005 중량% ≤ Ti ≤ 0.1 중량%, 바람직하게는 0.005 중량% ≤ Ti ≤ 0.05 중량% 범위 내에서 조정된다.
위에서 언급된 합금 구성성분 이외에, 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징의 알루미늄 합금의 나머지 부분은 알루미늄과 불가피한 불순물로 구성된다. 불가피한 불순물은 알루미늄 합금에 의도적으로 첨가한 것은 아니지만, 제조 과정에서 불가피하게 포함되는 합금 성분이다. 본 발명에 따르면, 불가피한 불순물 개개의 함량은 0.05 중량%로 제한되고, 모든 불가피한 불순물의 총량은 0.15 중량%로 제한된다. 이는 불가피한 불순물이 예를 들어 바람직하지 않은 상 형성에 의해 알루미늄 합금의 특성에 해로운 영향을 미치지 않거나 심각한 해로운 영향을 미치지 않음을 보장한다.
본 발명에 따른 배터리 셀 하우징의 추가 실시형태에서, 알루미늄 합금은 재활용 재료의 비율이 50 중량% 이상, 바람직하게는 70 중량% 이상이다. 전술한 알루미늄 합금의 높은 재활용 공차로 인해, 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징은 50 중량% 이상, 바람직하게는 70 중량% 이상의 높은 재활용률을 달성할 수 있다. 관련 에너지 절약을 통해 CO2 발자국이 가장 작고 지속가능성이 향상된 배터리 셀 하우징을 생산할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징의 알루미늄 합금은 적어도 50 중량%, 바람직하게는 적어도 70 중량%의 소비-후 스크랩 비율을 갖는다. 소비-후 스크랩을 사용하면 특히 CO2 효율적이기 때문에, CO2 발자국을 특히 크게 줄일 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 소비-전 스크랩을 사용하여, 특히 내부 및/또는 외부 공정 스크랩을 사용하여 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 70 중량%의 재활용 재료의 비율이 달성된다. 내부 공정 스크랩의 경우, 개별 합금의 조성과 양은 일반적으로 매우 잘 알려져 있으므로 내부 공정 스크랩이 용해되어 발생하는 합금 조성을 잘 결정할 수 있다. 외부 공정 스크랩은 내부 공정 스크랩보다 구성성분이 덜 명확하고 추가 처리가 필요할 수 있지만 예를 들어 펀칭 부품 생산에서 대량으로 생성되므로 재활용이 경제적으로나 지속가능성 측면에서 높은 관련성을 갖는다. 외부 공정 스크랩을 재활용하면 1차 금속의 필요성이 줄어들어 전체 CO2 밸런스가 감소한다.
본 발명에 따른 배터리 셀 하우징의 추가 실시형태에서, 알루미늄 합금 스트립 또는 시트는 H1X 유형의 변형-경화 상태(strain-hardened state)를 갖는다. 특히, 이는 당업자에게 친숙한 상태 H12, H14, H16, H18 및 H19이다. 바람직하게는, 알루미늄 합금 스트립 또는 시트는 변형 경화 상태 H18 또는 H19를 갖는다. 전술한 상태, 특히 H18 및 H19는 특히 높은 기계적 안정성을 특징으로 하여 특히 높은 강도의 배터리 셀 하우징을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 셀 하우징의 추가 실시형태에서, 알루미늄 합금 스트립 또는 시트의 두께는 0.1mm 내지 2.0mm이다. 이 두께 범위로 배터리 셀 하우징의 일반적인 벽 두께가 기본으로 완전히 커버된다. 두께를 0.1mm 미만으로 줄이면 배터리 셀 하우징의 기계적 안정성이 너무 크게 감소한다. 반대로, 두께가 2.0mm를 초과하면 재료의 효율적인 사용이 더 이상 불가능하다. 또한, 배터리 셀 하우징의 알루미늄 합금 스트립 또는 시트의 두께가 2.0mm를 초과하면, 배터리 셀이나 배터리 모듈 또는 배터리 시스템의 중량 및 체적 에너지 밀도가 너무 크게 감소한다. 바람직하게는, 알루미늄 합금 스트립 또는 시트의 두께는 0.2mm 내지 1.5mm, 특히 0.35mm 내지 1.2mm이다.
본 발명에 따른 배터리 셀 하우징의 추가 실시형태에서, 알루미늄 합금 스트립 또는 시트의 전기 전도도(σ)는 적어도 35% IACS이다. 따라서 지금까지 사용된 니켈 도금강으로 제작된 배터리 셀 하우징과 비교하여 전기 전도성이 크게 증가하여 충전 시간이 빨라지고 전기 손실이 낮아지며 이에 따라 배터리 셀 작동 중 열 발생도 줄어든다. 금속의 전기 전도성과 열 전도성 사이에 직접적인 관계가 있다는 Wiedemann-Franz 법칙으로 인해, 전기 전도도가 증가하면 니켈 도금강에 비해 열 전도성도 증가한다. 이를 통해 배터리 셀 작동 중에 발생하는 폐열을 보다 효율적으로 방출할 수 있다. 또한 열전도율이 높을수록 셀 내부의 온도 분포가 더욱 균일해지며 이는 노화(ageing)에 긍정적인 영향을 미친다. 따라서 적어도 35% IACS의 전기 전도도(σ)는 전반적으로 배터리 셀의 성능을 향상시킨다.
본 발명에 따른 배터리 셀 하우징의 추가 실시 형태에서, 알루미늄 합금 스트립 또는 시트의 항복 강도 Rp0.2가 180㎫ 이상, 바람직하게는 220㎫ 이상, 특히 250㎫ 이상이다. 이를 통해 배터리 셀 하우징에 높은 강도를 제공할 수 있다. 바람직하게는, 알루미늄 합금 스트립 또는 시트는 예를 들어 상태 H16, H18 또는 H19에서 배터리 셀 하우징을 형성하기 위해 가공되기 전에 항복 강도에 대해 전술한 값을 갖는다. 그러나 일반적으로 냉간 성형 예컨대 딥 드로잉에 의해 수행되는 알루미늄 합금 스트립 또는 시트의 가공이 일반적으로 강도 증가와 연관되어 있으므로 항복 강도에 대해 지정된 최소값이 완성된 상태의 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징에도 마찬가지로 적용된다고 가정할 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 셀 하우징의 추가 실시 형태에서, 알루미늄 합금 스트립 또는 시트의 인장 강도 Rm이 190㎫ 이상, 바람직하게는 230㎫ 이상, 특히 260㎫ 이상이다. 이는 또한 배터리 셀 하우징에 높은 강도를 제공하는 것을 가능하게 한다. 다시 한번, 알루미늄 합금 스트립 또는 시트는 바람직하게는 배터리 셀 하우징을 형성하기 위해 가공되기 전에 예를 들어 H16, H18 또는 H19 상태에서 이미 인장 강도에 대해 전술한 값을 갖고 있으며, 여기서도 마찬가지로 완성된 상태의 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징에 적용되는 것으로 볼 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 셀 하우징의 추가 실시 형태에서, 알루미늄 합금 스트립 또는 시트는 100℃의 온도에서 200㎫ 이상의 항복 강도 Rp0.2를 갖는다. 동시에 또는 대안적으로, 알루미늄 합금 스트립 또는 시트는 200℃의 온도에서 150㎫ 이상의 항복 강도 Rp0.2를 갖는다. 결함, 손상 또는 부적절한 사용으로 인해 배터리 셀이 때로는 상온보다 상당히 높은 온도로 가열되기 때문에 앞서 언급한 100℃ 또는 200℃에서의 항복 강도는 배터리 셀 하우징의 높은 열적 안정성을 제공할 수도 있다. 다시 한번, 알루미늄 합금 스트립 또는 시트는 바람직하게는 배터리 셀 하우징을 형성하기 위해 가공되기 전에 이미 100℃ 또는 200℃에서의 항복 강도에 대해 앞서 언급한 값을 갖고 있으며, 여기서도 마찬가지로 완성된 상태의 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징에 적용되는 것으로 볼 수 있다.
본 발명에 따른 배터리 셀 하우징의 추가 실시형태에서, 알루미늄 합금 스트립 또는 시트는 배터리 셀 하우징을 형성하기 위해 가공되기 전의 강에 대해 벽 두께 비율 δ가 1.6 이하, 바람직하게는 1.4 이하이다. 강에 대한 벽 두께 비율 δ는 AISI1020 유형의 니켈 도금강 스트립의 항복 강도 Rp0.2,St를 알루미늄 합금 스트립의 항복 강도 Rp0,2,Al로 나누어 결정된다. Rp0.2,St에 대해 전형적인 350㎫이 설정되었다. 벽 두께 비율 δ를 도출하기 위해, 배터리 셀 하우징과 실질적으로 관련된 내부 압력 부하 시나리오가 고려된다. 단순화를 위해, 배터리 셀 하우징은 폐쇄되고 벽이 얇은 원통형으로 가정된다. 이를 바탕으로 강에 대한 벽 두께 비율 δ의 계산은 탄성정역학에서 알려진 Barlow의 공식 σφ = p·Ri/s(σΦ: 원주 방향의 응력 성분, p: 내부 압력, Ri: 내부 반경, s: 벽 두께)를 사용하여 그리고, 유동 시작 즉 σv,Tresca ≤ Rp0.2에 의해 제한된 하중에 대한 디자인으로 σv,Tresca = σmax - σmin = σφ - 0 = p·Ri/s를 사용하여 수행된다. 동일한 최대 내부 압력 p = Rp0.2,Al*sAl/Ri,Al = Rp0.2,St*sSt/Ri,St를 가정하고, 셀의 내부 반경 Ri가 동일하다고 가정하면, 이는 Rp0.2,Al*sAl/RAl = Rp0.2,St*sAl을 제공하여, 벽 두께 비율 δ는 앞서 언급한 항복 강도 비율: δ = sAl/sSt = Rp0.2,St/Rp0.2,Al로부터 계산할 수 있다. 강에 대한 벽 두께 비율 δ는 강을 알루미늄으로 대체할 때 배터리 셀 하우징의 벽 두께 증가의 척도(measure)이고, 특히 서로 다른 알루미늄 합금 스트립 또는 시트를 서로 비교하는 데 사용될 수 있다. 1.6 이하, 바람직하게는 1.4 이하의 본 발명에 따른 δ 값은 배터리 셀의 부피 에너지 밀도에 긍정적인 영향을 미치는데, 그 이유는 알루미늄 합금 스트립 또는 시트가 차지하는 공간의 부피가 동일한 기계적 안정성을 유지하면서 최소화되기 때문이다. 또한, 강에 비해 알루미늄의 낮은 밀도와 결합하여 벽 두께 비율을 제한하면 중량 에너지 밀도가 최대화된다.
본 발명에 따른 배터리 셀 하우징의 추가 실시형태에서, 알루미늄 합금 스트립 또는 시트는 배터리 셀 하우징을 형성하기 위해 가공하기 전에 4% 이하, 바람직하게는 3% 이하의 평균 백분율 이어 높이 Z를 가지며, 6% 이하, 바람직하게는 5.5% 이하의 최대 백분율 이어 높이 Zmax를 갖는다. 이어링(earing) 매개변수 Z 및 Zmax는 직경 60㎜, 펀치 직경 33㎜의 블랭크 및 윤활제 라놀린을 사용하여 DIN EN 1669에 따른 이어링 테스트에서 결정된다. 4% 이하, 바람직하게는 3% 이하의 평균 백분율 이어 높이 Z, 및 6% 이하, 바람직하게는 5.5% 이하의 최대 백분율 이어 높이 Zmax를 달성한다는 것은 알루미늄 합금 스트립 또는 시트가 공정 스크랩 발생을 최소화하면서 딥 드로잉에 매우 적합하며 이에 따라 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징의 효율적인 제조에 적합하다는 것을 의미한다.
본 발명의 제2 교시에 따르면, 전술한 목적은 알루미늄 합금 스트립 또는 시트가 본 발명의 제1 교시에 따른 배터리 셀 하우징을 제조하는데 사용되는 것을 특징으로 하난, 배터리 셀 하우징을 제조하기 위한 알루미늄 합금 스트립 또는 시트의 용도에 대해 달성된다. 알루미늄 합금 스트립 또는 시트의 전술한 유리한 특성으로 인해, 종래 기술에 비해 개선된 배터리 셀 하우징이 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 용도의 한 실시형태에서, 배터리 셀 하우징은 2차 전지, 바람직하게는 리튬 이온 2차 전지 또는 나트륨 이온 2차 전지의 하우징이다. 2차 전지, 특히 리튬 이온 2차 전지는 현재 전기 모빌리티 및 가전제품 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있으므로, 본 발명에 따라 사용되는 알루미늄 합금 스트립 또는 시트의 유리한 특성은 특히 배터리 셀의 이러한 유형의 경우에 사용될 수 있다. 이는 나트륨 이온 이차 전지에도 적용된다. 나트륨 이온 이차 전지는 현재 여전히 주로 연구 대상이고 더 나은 경제성과 나트륨의 우수한 가용성으로 인해 향후 특정 응용 분야에서 리튬 이온 이차 전지를 대체할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징의 용도는 특히 고체 전해질을 갖는 고체 2차 전지용 하우징의 용도를 포함한다.
본 발명에 따른 용도의 추가 실시형태에서, 배터리 셀 하우징은 원통형 디자인, 각기둥(prismatic) 디자인 또는 파우치 디자인을 갖는다. 따라서, 본 발명에 따라 사용되는 알루미늄 합금 스트립 또는 시트의 유리한 특성은 배터리 셀 하우징의 현재 모든 통상적인 설계에 채용될 수 있다.
본 발명에 따른 용도의 추가 실시형태에서, 알루미늄 합금 스트립 또는 시트는 다음 단계를 포함하는 방법에 의해 제조된다.
- 알루미늄 합금으로 압연 잉곳을 주조하는 단계,
- 압연 잉곳을 균질화하는 단계,
- 압연 잉곳을 열간 압연하여 열간 압연 스트립을 형성하는 단계,
- 열간 압연된 스트립을 냉간 압연하는 단계.
전술한 공정 단계는 지정된 순서로 수행되는 것이 바람직하며, 이 경우 압연 잉곳의 균질화는 별도로 수행될 수 있거나, 열간 압연을 위한 압연 잉곳의 예열에 통합될 수 있다. 위에서 설명한 방법을 사용하면 본 발명에 따라 사용될 때 특히 강도, 전해질 안정성 및 전기 및 열 전도성과 관련하여 배터리 셀 하우징의 사양을 충족시키는 동시에 높은 재활용률이 달성될 수 있는 알루미늄 합금 스트립 또는 시트를 제조할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 또한, 이 공정을 통해 알루미늄 합금 스트립 또는 시트를 경제적으로 제조할 수 있다.
알루미늄 합금을 압연 잉곳으로 주조하는 것은 DC 연속 주조라고도 하는 다이렉트-칠 연속 주조 방식으로 수행되는 것이 바람직하며, 이에 따라 제조 공정의 경제성을 더욱 높일 수 있다.
압연 주괴를 균질화함으로써 알루미늄 합금 스트립 또는 시트의 미세 조직이 개선되어 강도와 성형성에 긍정적인 영향을 미친다. 바람직하게는, 균질화는 480℃ 내지 620℃, 특히 550℃ 내지 610℃의 온도에서 적어도 0.5시간, 바람직하게는 적어도 1시간, 특히 적어도 2시간 동안 수행된다.
열간 압연 스트립을 형성하기 위한 압연 잉곳의 열간 압연은 바람직하게는 280℃ 내지 550℃ 사이의 온도에서 수행되며, 마지막 열간 압연 통과 후의 열간 스트립 온도는 280℃ 내지 380℃ 사이이고, 바람직하게는 310℃ 내지 360℃ 사이이다. 압연 잉곳의 열간 압연은 하나의 롤 스탠드에서 리버스 방식으로 또는 텐덤 스탠드에서 순차적으로 이루어질 수 있다. 특히, 열간 압연은 슬래브 두께가 20㎜와 50㎜ 사이인 경우 리버스 방식으로 이루어질 수 있으며, 이어서 슬래브는 텐덤 스탠드에서 열간 스트립 두께로 압연될 수 있다. 열간 스트립 두께, 즉 열간 압연된 스트립의 두께는 본 방법의 한 실시형태에서 1㎜ 내지 15㎜, 바람직하게는 2㎜ 내지 12㎜, 특히 2㎜ 내지 9㎜이다. 이는 강도와 성형성뿐만 아니라 결정학적 조직 및 그에 따른 알루미늄 합금 스트립 또는 시트의 이어 프로파일이 공동으로 결정되는 충분히 높은 압연비가 후속 냉간 압연 중에 조정될 수 있음을 보장한다.
알루미늄 합금 스트립 또는 시트의 냉간 압연은 1회 이상의 패스로 수행될 수 있다. 여러 번의 냉간 압연 패스가 수행되는 방법의 실시형태에서, 냉간 압연 중에 적어도 하나의 중간 어닐링이 선택적으로 수행된다. 방법의 한 실시형태에서, 중간 어닐링은 150℃ 내지 450℃, 바람직하게는 200℃ 내지 400℃, 특히 300℃ 내지 400℃의 온도 범위에서 수행된다. 바람직하게는, 중간 어닐링은 후속 냉간 압연 패스를 위해 재결정화된 미세 조직이 제공되는 재결정 어닐링으로서 수행된다. 이러한 냉간 압연 패스는 더 높은 압연비로 수행될 수 있으며, 이는 최종 압연된 알루미늄 합금 스트립 또는 시트에 강도 증가 효과를 갖는다. 그러나 대안적으로 재결정 어닐링 대신에 회복 어닐링을 수행하여 경화 감소를 초래할 수도 있다.
방법의 일 실시형태에서, 최종 두께로 냉간 압연하는 동안의 압연비는 20% 이상, 바람직하게는 50% 이상, 특히 70% 이상이다. 냉간 압연하는 중에 중간 어닐링을 함께 방법을 수행하는 경우, 마지막 중간 어닐링 후 최종 두께에서의 냉간 압연의 압연비는 20% 이상, 바람직하게는 50% 이상, 특히 70% 이상이다. 최종 두께에서 냉간 압련하는 중에 압연비가 20% 이상, 바람직하게는 50% 이상, 특히 70% 이상이어서, 제조된 알루미늄 합금 스트립 또는 시트의 강도가 증가되어 본 발명에 따른 용도에 특히 적합할 수 있다. 압연비가 높기 때문에 45° 위치에서 이어링이 발생한다. 그럼에도 불구하고, 0°/90°위치에 이어링을 가지며 따라서 45°위치에서 이어링을 보상할 수 있도록 열간 압연 파라미터를 선택하여 이어링이 보상될 수 있다. 이에 따라 평균 백분율 이어 높이 Z 및 최대 백분율 이어 높이 Zmax가 제한될 수 있으며, 이는 딥 드로잉 공정의 생산성에 긍정적인 영향을 미치고 딥 드로잉 공정에서 생성되는 스크랩의 양을 감소시킨다.
이하에서 도면을 참조하는 예시적인 실시형태를 참조하여 본 발명을 더 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징을 갖는 원통형 디자인의 배터리 셀의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징을 갖는 각기둥형 디자인의 배터리 셀의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징을 갖는 파우치 디자인의 배터리 셀의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 용도를 위한 알루미늄 합금 스트립 또는 시트를 제조하는 방법의 흐름도이다.
도 1은 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징을 갖는 원통형 디자인의 배터리 셀의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징을 갖는 각기둥형 디자인의 배터리 셀의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징을 갖는 파우치 디자인의 배터리 셀의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 용도를 위한 알루미늄 합금 스트립 또는 시트를 제조하는 방법의 흐름도이다.
도 1은 원통형 디자인의 배터리 셀(10)을 개략적으로 도시한다. 배터리 셀(10)은 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징(11)과, 이에 인접한 애노드 단자(12) 및 캐소드 단자(13)를 포함한다.
도 2는 각기둥형 디자인의 배터리 셀(20)을 개략적으로 도시한다. 배터리 셀(20)은 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징(21)과, 이에 인접한 애노드 단자(22) 및 캐소드 단자(23)를 포함한다.
도 3은 파우치 디자인의 배터리 셀(30)을 개략적으로 도시한다. 배터리 셀(30)은 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징(31)과, 이에 인접한 애노드 단자(32) 및 캐소드 단자(33)를 포함한다.
도 4는 본 발명에 따라 사용하기 위한 알루미늄 합금 스트립 또는 시트를 제조하기 위한 방법(40)의 흐름도를 도시한다. 방법(40)은 다음 단계를 포함한다:
- 알루미늄 합금으로부터 압연 잉곳을 주조하는 단계(42),
- 롤링 잉곳을 균질화하는 단계(44),
- 압연 주괴를 열간 압연(46)하여 열간 압연 스트립을 형성하는 단계,
- 열간 압연된 스트립을 냉간 압연하는 단계(48).
본 발명의 범위에서, 이하에서 서로 다른 알루미늄 합금을 사용하여 스트립 1 내지 7로 지칭되는 총 7개의 알루미늄 합금 스트립을 제조하였다. 스트립 1 내지 7의 각각의 합금 조성을 하기 표 1에 요약하였다. 개별 합금 원소의 함량은 중량%로 지정된다. 100 중량%와의 차이 즉 잔부는 알루미늄과 불가피한 불순물로 구성되며, 불가피한 불순물은 개별적으로는 최대 0.05 중량%, 전체로는 최대 0.15 중량%이다. 스트립 1, 2, 3 및 7은 본 발명에 상응하는 합금 조성을 갖는 본 발명에 따른 예시적인 실시형태이고, 스트립 1과 스트립 2의 합금 조성은 동일하다. 반대로, 스트립 4, 5 및 6은 AA3003 유형의 알루미늄 합금을 갖는 비교예이다.
알루미늄 합금 스트립 1 내지 7을 도 4에 도시된 방법으로 시험하였다. 상세하게는, 각각의 알루미늄 합금으로부터 DC 연속 주조로 압연 잉곳을 주조하였다. 본 발명에 따른 스트립 1, 2, 3 및 7의 압연 잉곳을 제조하기 위해 70 중량% 이상의 재활용 재료 비율이 선택되었다. 비교예 4, 5, 6의 경우 최대 재활용률 30 중량%를 달성하였다. 압연 잉곳은 주조 후 균질화 처리하고, 이어서 열간 압연하여 열간 압연 스트립을 형성했다. 이어서, 열간 압연된 스트립을 각각 0.5㎜ 내지 1.0㎜의 최종 두께로 스트레인 압연하였다. 다음 표 2는 스트립 1내지 7의 제조를 위한 다양한 방법 매개변수를 보여준다. 상세하게는 열간 스트립 두께, 즉 열간 압연 스트립의 각각의 두께, 매개변수 온도, 지속 시간 및 냉간 압연 중에 선택적인 중간 어닐링 및 최종 두께로 냉간 압연하는 중의 압연비이다.
표 2에서 볼 수 있듯이, 본 발명에 따른 스트립 1 내지 3은 중간 어닐링 없이 제조된 반면, 본 발명에 따른 스트립 7 및 비교예 스트립 4 내지 6은 중간 어닐링, 특히 재결정 어닐링을 사용하여 제조되었다. 스트립 2의 경우, 냉간 압연 후 온도 250℃, 유지 시간 2시간으로 최종 어닐링을 수행하였다.
이후에 배터리 셀 하우징과 관련된 다양한 특성에 대해 알루미늄 합금 스트립을 검사했다. 이러한 테스트의 결과가 아래 표 3에 요약되어 있다. 구체적으로 표 3은 스트립 1 내지 7의 재료 상태, 냉간 압연 후 최종 두께인 두께 d, 전기전도도 σ, 항복 강도 Rp0.2, 인장 강도 Rm, 강에 대한 벽 두께 비율 δ, 평균 백분율 이어 높이 Z 및 최대 백분율 귀 높이 Zmax를 나타낸다. 항복 강도 Rp0.2 및 인장 강도 Rm은 DIN EN ISO 6892-1에 따른 인장 시험에서 결정되었다. 강에 대한 벽 두께 비율 δ는 AISI1020 유형의 니켈 도금강 스트립에 대한 일반적인 항복 강도 Rp0.2,St 350㎫를 각 알루미늄 합금 스트립 1 내지 7의 항복 강도 Rp0.2,Al로 나누어 결정하였다. 평균 백분율 이어 높이 Z 및 최대 백분율 이어 높이 Zmax는 직경 60㎜, 펀치 직경 33㎜의 블랭크 및 윤활제 라놀린을 사용하여 DIN EN 1669에 따른 이어링 테스트에서 결정하였다.
표 3에 나타난 바와 같이, 알루미늄 합금 AA3003으로 제조된 비교 스트립 4, 5 및 6보다 본 발명에 따른 스트립 1, 2, 3 및 7이 더 높은 항복 강도 및 인장 강도를 달성하였다. H1X 유형 특히 H18 또는 H19 상태의 변형 경화 상태는 본 발명에 따른 스트립 1, 2, 3 및 7 간의 비교에서 알 수 있듯이 강도에 추가로 긍정적인 영향을 미친다. 따라서, 스트립 1(표 1 참조)과 동일한 합금 조성을 갖지만 변형 경화 및 어닐링된 상태 H24인 스트립 2의 항복 강도 및 인장 강도는 비교 스트립 3, 4 및 5 위에 있지만 전적으로 변형 경화 상태 H18에 있는 스트립 1보다 아래에 있다.
표 3이 추가로 보여주는 바와 같이, 본 발명에 따른 스트립 1, 2, 3 및 7은 항복 강도 Rp0.2가 180㎫ 이상이고 인장 강도 Rm이 190㎫ 이상이다. 그러므로 이들은 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징의 제조에 사용하기에 특히 적합하다. 표 3에 제시된 항복 강도 및 인장 강도의 값은 배터리 셀 하우징을 형성하기 위한 가공 전의 스트립 1, 2, 3, 7에 적용되지만, 스트립 1, 2, 3 및 7로부터 제조된 배터리 셀 하우징은 최종 상태에서 적어도 동일하게 높은 값을 갖는 것으로 볼 수 있다. 이는 일반적으로 냉간 성형(예: 딥 드로잉)에 의해 수행되는 가공이 일반적으로 강도 증가를 동반한다는 사실에 기인한다.
상온을 참조하는 표 3에 포함된 항복 강도에 더하여, 본 발명에 따른 스트립 3과 비교 스트립 4에 대해서, 100℃에서의 항복 강도 및 200℃에서의 항복 강도도 DIN EN ISO 6892-2에 따라 결정하였다. 본 발명에 따른 스트립 3은 100℃에서 270㎫의 값에 도달했고 200℃에서 161㎫의 값에 도달했다. 비교 스트립 4는 100℃에서 151㎫의 값에 도달했고 200℃에서 92㎫의 값에 도달했다. 결함, 손상 또는 부적절한 사용으로 인해 배터리 셀이 때로는 실온보다 상당히 높은 온도로 가열되기 때문에, 본 발명에 따른 스트립 3은 비교 스트립 4에 비해 열적 안정성이 상당히 높기 때문에 배터리 제조에 사용하기에 특히 적합하다. 전술한 100℃ 및 200℃에서의 항복강도 값이 배터리 셀 하우징을 형성하기 위한 처리 전의 스트립 3에 적용되지만, 스트립 3으로 제조된 배터리 셀 하우징은 최종 상태에서 적어도 동일하게 높은 값을 갖는다고 다시 가정할 수 있다.
표 3이 추가로 보여주는 바와 같이, 본 발명에 따른 스트립 1, 3 및 7은 강에 대한 벽 두께 비율 δ가 1.6 이하이다. 배터리 셀 하우징을 제조하기 위한 전술한 스트립의 본 발명에 따른 용도의 경우, 이 값은 완성된 배터리 셀의 중량 에너지 밀도뿐만 아니라 부피 에너지 밀도에도 긍정적인 영향을 미치는데, 이는 알루미늄 합금 스트립에 의해 차지하는 공간의 부피와 배터리 셀의 무게가 동일한 기계적 안정성으로 최소화되기 때문이다. 따라서 본 발명에 따른 스트립 1, 3 및 7은 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징의 제조에 사용하기에 특히 적합하다.
표 3이 추가로 보여주는 바와 같이, 본 발명에 따른 스트립 1, 2 및 3은 4% 이하의 평균 백분율 이어 높이 Z 및 6% 이하의 최대 백분율 이어 높이 Zmax를 갖는다. 이 때문에, 이들은 딥 드로잉에 매우 적합하며 따라서 스크랩 발생을 최소화하면서 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징을 제조하는 데 매우 적합하다. Z 및 Zmax의 값은 비교 스트립 4, 5 및 6의 값과 비슷하거나 약간 더 좋다.
표 3이 추가로 보여주는 바와 같이, 본 발명에 따른 스트립 1, 2, 3 및 7은 적어도 35% IACS의 전기 전도도 σ를 갖는다. 따라서 지금까지 사용된 니켈 도금강으로 만들어진 배터리 셀 하우징과 비교하여 전기 전도도가 크게 증가하여 충전 시간이 빨라지고 전기 손실이 낮아져 배터리 셀 작동 중 열 발생도 줄어든다. 본 발명에 따른 스트립 1, 2, 3 및 7의 전기 전도도 σ는 비교용 스트립 4, 5 및 6의 전기 전도도보다 약간 낮지만 그럼에도 불구하고 배터리 셀 하우징의 사양을 쉽게 충족한다. 금속의 전기 전도성과 열 전도성 사이에 직접적인 관계가 있다는 Wiedemann-Franz 법칙으로 인해 열 전도성에도 유사한 고려 사항이 적용된다. 니켈 도금강과 비교하여 본 발명에 따른 알루미늄 합금 스트립의 개선된 열 전도성은 특히 급속 충전 중에 발생하는 높은 C 속도에서 배터리 셀의 훨씬 더 효율적인 냉각을 허용할 뿐만 아니라 패키지에 걸쳐 전체 온도 분포에 대해 보다 균일한 온도 분포를 가능하게 한다. 이에 따라 배터리 셀의 노화가 제한된다.
표 3이 추가로 보여주는 바와 같이, 본 발명에 따른 스트립 1, 2, 3 및 7은 0.1㎜ 내지 2.0㎜의 두께를 갖는다. 따라서 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징을 제조하는 동안 기계적 안정성과 재료의 효율적인 사용 사이의 적절한 절충안이 달성된다. 또한, 해당 배터리 셀이나 배터리 모듈 또는 배터리 시스템의 중량 및 체적 에너지 밀도가 크게 감소되지 않는다.
리튬 헥사플루오로포스페이트 전해질을 사용하여 DIN 50918:2018-09에 따른 순환 분극 측정을 통해 본 발명에 따른 스트립 3 및 비교용 스트립 4의 부식 거동을 평가하였다. 먼저 전해질에서 탈지된 스트립의 휴지 전위를 측정한 후 다음과 같은 분극을 수행했다.
1. 캐소드 방향으로 1mV/s에서 600mV로 정지 전위의 분극,
2. 캐소드 영역에서 애노드 방향으로 1mV/s에서 1mA/㎠의 부식 전류에 해당하는 전위까지의 분극,
3. 캐소드 방향으로 다시 1mV/s의 역분극.
측정값의 평가는 부식 거동의 특성화에 대해 아래 표 4에 표시된 매개변수를 제공했다. 구체적으로 표 4는 캐소드 전류 밀도, 교환 전류 밀도 및 분극 저항을 나타낸다. 표에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 스트립 3과 비교 스트립 4는 실질적으로 동일한 음극 전류 밀도, 교환 전류 밀도 및 분극 저항을 가지므로, 본 발명에 따른 스트립 3은 종래 기술의 각기둥형 배터리 셀 하우징의 전형적인 합금 상태 조합을 갖는 스트립 4와 동일한 방식으로 전해질 안정성에 대한 요건을 충족한다.
| 스트립 | -800mV에서 캐소드 전류 밀도 [mA/㎠] | 교환 전류 밀도 [mA/㎠] | 분극 저항 [kΩ] |
| 3 | 138 | 5 | 94 |
| 4 | 148 | 6 | 89 |
본질적으로 화학 조성이 매우 유사한 본 발명에 따른 스트립 1, 2, 3 및 7과 다른 한편으로는 비교 스트립 4, 5 및 6에 대해 전해질 안정성을 결정하였기 때문에, DIN 50918:2018-09에 따른 사이클릭 분극 측정은, 본 발명에 따른 스트립 1, 2, 3 및 7에 대한 전해질 안정성이 알루미늄 합금 AA3003으로 제조된 비교 스트립 4, 5 및 6의 전해질 안정성과 본질적으로 동일하다는 것을 전반적으로 입증한다. 따라서 본 발명에 따른 스트립들은 마찬가지로 전해질 안정성에 대한 요건을 충족하므로 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징의 제조에 사용하기에 적합하다.
본 발명에 따른 스트립 1, 2, 3 및 7, 특히 방금 상세히 기술한 스트립 1 및 3의 유리한 특성으로 인해, 이들은 배터리 셀 하우징을 제조하기 위한 본 발명에 따른 용도에 특히 적합하다. 이러한 방식으로, 도 1 내지 도 3에 예시적으로 나타낸 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징을 제조하는 것이 가능하다.
도 1 내지 도 3에 도시된 배터리 셀(10, 20, 30)은 2차 전지, 특히 리튬 이온 2차 전지 또는 나트륨 이온 2차 전지일 수 있으므로, 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징(11, 21, 31)은 각각 2차 전지, 특히 리튬 이온 2차 전지 또는 나트륨 이온 2차 전지의 하우징이다. 따라서 본 발명에 따라 사용되는 알루미늄 합금 스트립의 유리한 특성은 특히 이러한 유형의 배터리 셀에 사용될 수 있다.
또한, 도 1 내지 도 3에 도시된 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징(11, 21, 31)은 특히 원통형 디자인, 각기둥 디자인 또는 파우치 디자인을 가질 수 있다. 도 1은 원통형 디자인의 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징(11)을 도시한다. 도 2는 각기둥형 디자인의 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징(21)을 도시하고, 도 3은 파우치 디자인의 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징(31)을 도시한다. 따라서 본 발명에 따라 사용되는 알루미늄 합금 스트립의 유리한 특성은 배터리 셀 하우징의 현재 일반적인 모든 다자인에 사용될 수 있다.
또한, 도 1 내지 도 3에 도시된 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징(11, 21, 31)의 기초가 되는 알루미늄 합금은 바람직하게는 50 중량% 이상, 바람직하게는 70 중량% 이상의 재활용 재료를 갖는다. 재활용률은 소비-후 스크랩을 사용하여 달성되는 것이 바람직하다. 관련 에너지 절약을 통해 CO2 발자국이 가장 작은 배터리 셀 하우징을 생산할 수 있으며 배터리 셀 하우징의 지속가능성이 향상된다. 이는 본 발명에 따른 배터리 셀 하우징(11, 21, 31)이 합금 조성으로 인해 높은 재활용률을 달성하는 데 매우 적합하기 때문에 가능하다. 추가로 또는 대안적으로, 재활용률은 내부 또는 외부 공정 스크랩을 사용하여 달성할 수도 있으며, 1차 알루미늄 기반 생산에 비해 CO2 발자국 감소도 마찬가지로 달성할 수 있다.
Claims (17)
- 알루미늄 합금 스트립 또는 시트를 갖는 배터리 셀 하우징(11, 21, 31)으로,
알루미늄 합금 스트립 또는 시트가 중량%로 아래의 합금 구성성분의 알루미늄 합금을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 하우징.
0.1% ≤ Si ≤ 0.5%,
0.25% ≤ Fe ≤ 0.8%,
Cu ≤ 0.6%,
0.6% ≤ Mn ≤ 1.4%,
0.5% ≤ Fe ≤ 1.5%,
Cr ≤ 0.25%,
Zn ≤ 0.4%,
Ti ≤ 0.2%,
나머지는 Al 및 불가피한 불순물이며, 불순물은 개별적으로는 최대 0.05%이고 총량은 최대 0.15%. - 청구항 1에 있어서,
알루미늄 합금 스트립 또는 시트가 중량%로 아래의 합금 구성성분의 알루미늄 합금을 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 하우징.
0.2% ≤ Si ≤ 0.4%, 바람직하게는 0.2% ≤ Si ≤ 0.35%,
0.3% ≤ Fe ≤ 0.7%, 바람직하게는 0.4% ≤ Fe ≤ 0.7%,
Cu ≤ 0.3%, 바람직하게는 0.1% ≤ Cu ≤ 0.2%,
0.8% ≤ Mn ≤ 1.1%,
0.8% ≤ Mg ≤ 1.5%, 바람직하게는 0.8% ≤ Mg ≤ 1.2%,
Cr ≤ 0.1%, 바람직하게는 Cr ≤ 0.05%,
0.02% ≤ Zn ≤ 0.25%, 바람직하게는 0.04% ≤ Zn ≤ 0.25%,
0.005% ≤ Ti ≤ 0.1%, 바람직하게는 0.005% ≤ Ti ≤ 0.05%,
나머지는 Al 및 불가피한 불순물이며, 불순물은 개별적으로는 최대 0.05%이고 총량은 최대 0.15%. - 청구항 1 또는 2에 있어서,
재활용 재료 중에서 알루미늄 합금의 비율이 적어도 50 중량% 바람직하게는 적어도 70 중량%인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 하우징. - 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
알루미늄 합금 스트립 또는 시트가 H1X 유형의 변형 경화 상태, 바람직하게는 H18 또는 H19 변형 경화 상태를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 셀 하우징. - 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
알루미늄 합금 스트립 또는 시트의 두께가 0.1㎜ 내지 2.0㎜ 사이, 바람직하게는 0.2㎜ 내지 1.5㎜ 사이, 특히 바람직하게는 0.35㎜ 내지 1.2㎜ 사이인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 하우징. - 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
알루미늄 합금 스트립 또는 시트의 전기전도도(σ)가 적어도 35% IACS인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 하우징. - 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
바람직하게는 배터리 셀 하우징을 형성하기 위해 알루미늄 합금 스트립 또는 시트를 가공하기 전에, 알루미늄 합금 스트립 또는 시트의 항복 강도(Rp0.2)가 적어도 180㎫, 바람직하게는 적어도 220㎫ 특히 바람직하게는 적어도 250㎫인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 하우징. - 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
알루미늄 합금 스트립 또는 시트의 항복 강도(Rp0.2)가 온도 100℃에서 적어도 200㎫ 및/또는 온도 200℃에서 적어도 150㎫인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 하우징. - 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,
배터리 셀 하우징을 형성하기 위해 알루미늄 합금 스트립 또는 시트를 가공하기 전에, 강에 대하여 알루미늄 합금 스트립 또는 시트의 벽 두께 비(δ)가 1.6 이하, 바람직하게는 1.4 이하인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 하우징. - 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 있어서,
배터리 셀 하우징을 형성하기 위해 알루미늄 합금 스트립 또는 시트를 가공하기 전에, 알루미늄 합금 스트립 또는 시트는 IN EN 1669에 따른 이어링 테스트에서 평균 백분율 이어 높이(Z)가 4% 이하, 바람직하게는 3% 이하이고, 바람직하게는 최대 백분율 이어 높이(Zmax)가 6% 이하, 바람직하게는 5.5% 이하인 것을 특징으로 하는 배터리 셀 하우징. - 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 따른 배터리 셀 하우징을 제조하기 위한, 알루미늄 합금 스트립 또는 시트의 용도.
- 청구항 11에 있어서,
배터리 셀 하우징이 2차 전지, 바람직하게는 리튬-이온 2차 전지, 나트륨-이온 2차 전지 또는 고체 2차 전지의 하우징인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 스트립 또는 시트의 용도. - 청구항 11 또는 12에 있어서,
배터리 셀 하우징이 원통형 디자인, 각기둥 디자인 또는 파우치 디자인을 갖는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 스트립 또는 시트의 용도. - 청구항 11 내지 13 중 어느 한 항에 있어서,
알루미늄 합금 스트립 또는 시트가 다음 단계를 포함하는 방법(40)에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 스트립 또는 시트의 용도.
- 알루미늄 합금으로부터 압연 잉곳을 주조하는 단계(42),
- 압연 잉곳을 균질화하는 단계(44),
- 압연 잉곳을 열간 압연하여 열간 압연 스트립을 형성하는, 열간 압연 단계(46),
- 열간 압연된 스트립을 냉간 압연하는 단계(48). - 청구항 14에 있어서,
열간 압연 스트립의 두께가 1㎜ 내지 15㎜ 사이, 바람직하게는 2㎜ 내지 12㎜ 사이, 특히 바람직하게는 2㎜ 내지 9㎜ 사이인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 스트립 또는 시트의 용도. - 청구항 14 또는 15에 있어서,
냉간 압연 중에 중간 어닐링을 적어도 한 번 수행하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 스트립 또는 시트의 용도. - 청구항 14 내지 16 중 어느 한 항에 있어서,
최종 두께로 냉간 압연하는 중에 압연비 바람직하게는 최종 중간 어닐링 후의 압연비가 적어도 20% 바람직하게는 적어도 50% 특히 바람직하게는 적어도 70%인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 스트립 또는 시트의 용도.
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