(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ：０．０５乃至０．３質量％、Ｍｇ：０．３乃至０．６質量％及びＭｎ：０．６乃至１．５質量％を含有し、更にＳｉ及びＦｅのいずれか１種以上を０．１乃至１．０質量％含有し、残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成を有し、加工率が３０乃至６０％の冷間圧延が施され、平均結晶粒径が３０μｍ以下であり、表面における金属間化合物の面積占有率が１．０乃至５．０％であることを特徴とするレーザ溶接性が優れた電池ケース用アルミニウム合金板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムイオン電池ケース等の電池ケース用アルミニウム合金板に関し、特に製造時の良好な成形性及びケースと蓋との良好なレーザ溶接性が得られると共に、ケースの内圧が上昇したときの変形量が小さい電池ケース用アルミニウム合金板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、携帯電話及びハンディパソコン等の電源として使用されているリチウムイオン２次電池のケースには、Ｎｉメッキ鋼板又はステンレス鋼板が使用されている。
【０００３】
近時、角形電池は軽量化及び単位質量当たりのエネルギ密度の向上を目的として、アルミニウム合金を使用することが検討されており、一部のアルミニウム合金板が実用化されている。電池ケースとして、現在採用されているアルミニウム合金としては、成形性及びレーザ溶接性が優れているＪＩＳ  Ａ３００３アルミニウム合金板があるが、これは鋼板に比べると成形性が劣っており、更に、素材強度が低いため、電池の充電及び放電時並びに高温環境における使用等によって内圧が上昇するとケースが膨れて変形しやすくなり、安全性を損なうといった問題が生じる。
【０００４】
また、特開平７−３２６３３１号公報には、アルミニウム合金板からなる角形電池のケースの技術が開示されている。この技術によれば、ケースのコーナ部の厚みを直線部分より大きくすることにより、強度を補強し外装缶の変形を防止できる密閉系の角形電池のケースを得ることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したように、携帯電話などの電気機器の軽量化への要求に伴い、ケースの側壁部の薄肉化が進んでおり、このため、耐圧強度が低下することが問題となっている。また、従来例のアルミニウム又はアルミニウム合金を使用した電池ケースでは、耐圧強度が不十分であると共にプレス成形が困難になるという問題点もある。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、リチウム電池ケースとして使用するために成形性及び溶接性が優れていると共に、ケースの内圧が上昇しても変形量が小さく、高強度である電池ケース用アルミニウム合金板を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電池ケース用アルミニウム合金板は、レーザ溶接性が優れた電池ケース用アルミニウム合金板であって、Ｃｕ：０．０５乃至０．３質量％、Ｍｇ：０．３乃至０．６質量％及びＭｎ：０．６乃至１．５質量％を含有し、更にＳｉ及びＦｅのいずれか１種以上を０．１乃至１．０質量％含有し、残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成を有し、加工率が３０乃至６０％の冷間圧延が施され、平均結晶粒径が３０μｍ以下であり、表面における金属間化合物の面積占有率が１．０乃至５．０％であることを特徴とする。
【０００８】
なお、本発明における平均結晶粒径は、結晶粒観察写真上に１本の直線を引き、この直線の長さと、直線に重なった結晶粒の数とを基に、粒径を換算する切断法により求めた。また、表面における金属間化合物の面積占有率は、アルミニウム合金板表面を走査型顕微鏡にて撮影し、撮影した観察画面像において、観察画面像の面積に対する金属間化合物の面積を観察画面像を画像解析することにより算出した。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施例について詳しく説明する。一般に、リチウムイオン電池ケースは、トランスファープレスにより絞り及びしごき加工を併用して成形される。また、リチウムイオン電池ケースは、ケース成形後の側壁部の強度が高いほど、ケースの充電及び放電並びに高温環境下等における使用時の膨れ変形が小さくなる。従って、膨れ変形を抑えるためには、素材の強度及び加工硬化量を大きくする必要がある。そこで、本願発明者等は電池ケース用素材として、アルミニウム合金板の組成、冷間圧延時の加工率、結晶粒径及び金属間化合物の面積占有率を規定することにより、アルミニウム合金板における電池用ケースを成形する際の良好な成形性、ケースとケースの蓋との良好なレーザ溶接性、及びケースの内圧が上昇したときのケースの変形量を少なくするための耐圧強度を向上させることができることを見い出した。
【００１０】
以下、本発明に係る数値限定理由について説明する。
【００１１】
Ｃｕ含有量：０．０５乃至０．３質量％
Ｃｕは、アルミニウム合金素材の強度及び加工硬化を大きく増長させる効果を有するため、耐圧強度を向上させる。しかしながら、Ｃｕ含有量が０．０５未満であるとその効果が小さく必要な耐圧性を得ることができない。一方、Ｃｕ含有量が０．３質量％を超えると、強度が高くなり過ぎて成形性を低下させると共に、ケースと蓋とのレーザ溶接時に割れが生じやすくなる。従って、本発明のリチウムイオン電池ケースに最適な耐圧強度を得るために、Ｃｕ含有量を０．０５乃至０．３質量％とする。
【００１２】
Ｍｇ含有量：０．３乃至０．６質量％
Ｍｇは、固溶強化によりアルミニウム合金素材の強度及び加工硬化を大きく増長させることにより耐圧強度を向上させると共に、素材の成形性を向上させる効果を有する。しかしながら、Ｍｇ含有量が０．３質量％未満であるとその効果が小さく、必要な耐圧性及び成形性を得ることができない。一方、Ｍｇ含有量が０．６質量％を超えると、加工硬化の効果が大きくなり過ぎてレーザ溶接性が低下する。従って、Ｍｇ含有量は０．３乃至１．０質量％とする。
【００１３】
Ｍｎ含有量：０．６乃至１．５質量％
Ｍｎは、遷移元素であるアルミニウム合金中で金属間化合物として分散し、再結晶組織を微細化させるため、成形性及びレーザ溶接性を向上させる効果を有する。しかしながら、Ｍｎ含有量が０．６質量％未満であると、その効果が小さく、必要な成形性及びレーザ溶接性が得られない。一方、Ｍｎ含有量が１．５質量％を超えると、粗大な金属間化合物が生成し、成形時の割れの起点となりやすくなるため成形性が低下する。従って、Ｍｎ含有量は０．６乃至１．５質量％とする。
【００１４】
Ｓｉ及びＦｅのいずれか１種以上の含有量：０．１乃至１．０質量％
Ｓｉ及びＦｅは、Ｍｎと同様に再結晶組織を微細化するため、成形性及びレーザ溶接性を向上させる効果を有する。しかしながら、これらＳｉ及びＦｅの含有量が夫々０．１質量％未満であるとその効果が小さく、一方、Ｓｉ又はＦｅのいずれか１種以上の含有量が１．０質量％を超えると粗大な金属間化合物が生成され、成形時の割れの基点となりやすくなる。従って、Ｓｉ及びＦｅのいずれか一種以上の含有量は夫々０．１乃至１．０質量％とする。なお、このような効果は、Ｓｉ及びＦｅのいずれか一方のみを添加しても得ることができる。
【００１５】
平均結晶粒径：３０μｍ以下
平均結晶粒径が３０μｍ超えると、成形時に肌荒れが生じ、プレス成形性が低下すると同時に成形後の外観が劣化する。また、角形リチウムイオン電池においては、結晶粒径が大きいと、ケースと蓋とを溶接するレーザ溶接時に粒界割れが発生する。従って、平均結晶粒径は３０μｍ以下とする。
【００１６】
表面における金属間化合物の面積占有率：１．０乃至５．０％
金属間化合物は、しごき加工時の素材表面とダイスとの潤滑効果を有しており、しごき加工性を向上させる効果がある。アルミニウム合金板の表面を走査型電子顕微鏡で観察したときの表面における金属間化合物の面積占有率が１．０％未満であると、上述の効果が小さく、５．０％を超えると、金属間化合物が割れの起点となりやすく、成形性を低下させる。従って、アルミニウム合金板表面の金属間化合物の面積占有率は１．０乃至５．０％とする。
【００１７】
次に、このようなアルミニウム合金板の製造方法について説明する。上述の化学組成を有するアルミニウム合金の鋳塊に、均質化処理及び熱間圧延処理を施し、その後冷間圧延し、中間焼鈍する。
【００１８】
中間焼鈍はアルミニウム合金の結晶粒径に大きく影響を及ぼし、平均結晶粒径を３０μｍ以下とするためには連続加熱焼鈍が好ましい。この場合、加熱及び冷却速度は１００℃／時間以上とし、アルミニウム合金板の到達温度は４００乃至５００℃、保持時間は５秒以内が好ましい。
【００１９】
仕上げ冷間圧延の加工率が３０乃至６０％
中間焼鈍の後、仕上げ冷間圧延により所定の板厚にすると共に素材の強度調整をする。このとき、仕上げ冷間圧延の加工率が３０％未満では十分な強度を得ることができず、６０％を超えると素材の延びが低下し、十分な成形性を得ることができない。従って、仕上げ冷間圧延の加工率は３０乃至６０％とする。
【００２０】
このように、適切な組成を有するアルミニウム合金の鋳塊を使用し、連続加熱焼鈍後に圧延率３０乃至６０％で仕上げ冷間圧延をしてアルミニウム合金板を製造することにより、アルミニウム合金板における金属間化合物の面積占有率及び結晶粒径を適切に規定でき、必要な強度を得ることができる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、その特許請求の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。
【００２２】
第１実施例
下記表１に示す組成と、残部がアルミニウム及び不可避的不純物とからなる鋳塊について均質化処理及び熱間圧延後、冷間圧延を施した。その後、連続中間焼鈍をして、更に加工率４０％で仕上げ冷間圧延を施すことにより板厚０．８ｍｍのアルミニウム合金板を形成し、試験材とした。この試験材について、平均結晶粒径及び表面における金属間化合物の面積占有率を測定した。その後、成形性、レーザ溶接性及び耐圧性を評価した。これら結果を下記表２に示す。
【００２３】
平均結晶粒径は、結晶粒観察写真上に１本の直線を引き、この直線の長さと、直線に重なった結晶粒の数とを基に、粒径を換算する切断法により求めた。結晶粒観察写真は、倍率が１００倍、写真サイズが縦７３ｍｍ×横９５ｍｍ、切断線長さが７５ｍｍのものを使用した。
【００２４】
表面における金属間化合物の面積占有率は、試験材の表面を走査型顕微鏡にて撮影し、撮影した観察画面像において、観察画面像の面積に対する金属間化合物の面積の割合について、観察画面像を画像解析することにより算出した。そして、倍率１０００倍にて撮影した観察画面５０視野の平均値を求めた。
【００２５】
また、試験材の成形性を評価するために、側壁のしごき加工率を５０％として、縦７ｍｍ×横２５ｍｍ×高さ４５ｍｍの角形ケースを成形した。成形性の評価は、成形可能であったものは成形性が良好とし○、成形割れ又は肌荒れが著しく発生したものは、成形性が不良として×とした。
【００２６】
更に、レーザ溶接性を評価するために、成形可能であった試験材について、パルス式ＹＡＧレーザを使用して、パルス巾が５０ミリ秒、周波数が３０Ｈｚ、パルス出力が８Ｊ、溶接速度が０．４ミリ／分の条件にて、成形したケースと蓋との全周溶接を実施した。溶接性の評価は、溶接可能であったものは溶接性が良好として○、溶接割れが発生したものは溶接性が不良として×とした。
【００２７】
更にまた、耐圧強度を評価するために、レーザ溶接が可能であったケースについて、３ｋｇ／ｃｍ2の内圧を負荷した状態で、温度が１００℃にて２時間保持し、その後、室温にて２時間経過したときのケース側面の変位量を測定した。耐圧性の評価は、側壁変位量が５ｍｍ以下であったものは、耐圧性が良好として○、５ｍｍを超えるものは耐圧性が不良として×とした。
【００２８】
【表１】
0004072804.tif 000002
【００２９】
【表２】
0004072804.tif 000003
【００３０】
実施例１乃至１０（実施例５は欠番）は、アルミニウム合金組成、冷間加工時の加工率、平均結晶粒径及び金属間化合物の面積占有率のいずれも本発明の範囲内であるため、優れた成形性、レーザ溶接性及び耐圧性を示した。
【００３１】
比較例１１は、Ｃｕ含有量が本発明範囲の下限未満であるため、耐圧効果が低下した。また、比較例１２は、Ｃｕ含有量が本発明範囲の上限を超えるため、成形性が低下して試験材をケースに成形することができなかった。
【００３２】
比較例１３は、Ｍｇ含有量が本発明範囲の下限未満であるため、成形性が得られなかった。また、比較例１４はＭｇ含有量が本発明範囲の上限を超えるため、レーザ溶接性が低下した。
【００３３】
比較例１５は、Ｍｎ含有量が本発明範囲の下限未満であるため、耐圧性が低下した。また、比較例１６はＭｎ含有量が本発明範囲の上限を超えるため、成形性が得られずケースが成形できなかった。
【００３４】
比較例１７及び１８は、Ｓｉ及びＦｅの添加量が夫々本発明範囲の上限を超えるため、粗大な金属間化合物を形成して、成形性が低下した。
【００３５】
第２実施例
第１実施例の表１に示す実施例１と同一の組成を有するアルミニウム合金の鋳塊について、均質化処理、熱間圧延及び冷間圧延をし、連続中間焼鈍を施した。その後、下記表３に示す加工率にて最終冷間圧延を行い、試験材を作成した。この試験材について第１実施例と同様の方法にて、平均結晶粒径及び表面における金属間化合物の面積占有率を測定し、成形性、レーザ溶接性及び耐圧性について評価をした。これらの結果も合わせて下記表３に示す。
【００３６】
【表３】
0004072804.tif 000004
【００３７】
実施例１９乃至２１は、いずれも仕上げ冷間圧延率が本発明の範囲内であるため、優れた成形性、溶接性及び耐圧強度を示した。
【００３８】
比較例２２は、仕上げ冷間圧延率が本発明の範囲の下限未満であるため、耐圧強度が低下し、電池ケース用材料としては不適当なものとなった。
【００３９】
比較例２３は、仕上げ冷間圧延率が本発明の範囲の上限を超えるため、成形性が低下した。
【００４０】
第３実施例
第１実施例の実施例１と同一の合金組成を有するアルミニウム合金の鋳塊を使用し、均質化処理、熱間圧延及び冷間圧延をし、その後、焼鈍処理として、下記表４に示すように連続加熱焼鈍又はバッチ焼鈍を行った。次に、加工率５０％で、最終冷間圧延を行い、試験材を作成した。得られた試験材について、第１実施例と同様の方法にて、平均結晶粒径及び表面における金属間化合物の占有面積率を測定し、成形性、レーザ溶接性及び耐圧性を評価した。これらの結果を下記表４に示す。
【００４１】
【表４】
0004072804.tif 000005
【００４２】
実施例２４乃至２８は、いずれも本発明範囲内であるため、優れた成形性、レーザ溶接性及び耐圧性を示した。
【００４３】
比較例２９及び３０は、平均結晶粒径が本発明範囲の上限を超えるため、成形性が低下し、試験材をケースに成形することができなかった。
【００４４】
比較例３１及び３２は金属間化合物の面積占有率が下限未満であるか又は上限を超えるため、加工性及び成形性が低下した。
【００４５】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明によれば、アルミニウム合金の組成、冷間圧延時の加工率、合金の平均結晶粒径及び金属間化合物の占有面積が適切に規定されているため、電池ケース製造時の良好な成形加工性及びケースと蓋との良好なレーザ溶接性を有すると共に、耐圧強度が優れているため、このアルミニウム合金板を使用すると、ケースの内圧が上昇しても変形量が極めて小さい電池ケースを得ることができる。