(57)【要約】【課題】自動車搭載用などに開発が進められている大容量バッテリーの電極材および電極ケースとして安全性向上、軽量化、高性能化に寄与するための特性を有する金属材料の提供。【解決手段】質量％においてＣｒ＝１６．０〜３２．０％を含有し、あるいはさらにＭｏ：０．５〜２．０％、Ｎｉ：２．０％以下、Ｃｕ： ２．０％の１種又は２種以上、あるいはさらにＮｂ：０．１〜０．８％、Ｔｉ：０．０５〜０．４％、Ａｌ：０．０１〜０．５％，Ｂ：０．３％以下の1種又は２種以上を含有するフェライト系ステンレス鋼であり、表層に組成比でＣｒ／（Ｃｒ＋Ｆｅ）＞０．２でかつ４ｎｍ以下の不動態皮膜を有する電池構成部材を提供する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％においてＣｒ：１６．０〜３２．０％、Ｃ：０．０１５％以下、Ｓｉ：０．５  ％以下、Ｍｎ：２．０％以下を含有し、残部が鉄および不可避的不純物よりなる表層に組成比でＣｒ／（Ｃｒ＋Ｆｅ）＞０．２でかつ４ｎｍ以下の不動態皮膜を有することを特徴とする電池構成部材用フェライト系ステンレス鋼。
【請求項２】
請求項1記載の組成にさらにＭｏ＝０．５〜２．０％、Ｎｉ：２．０％以下、Ｃｕ：２．０％以下の１種又は２種以上を含有することを特徴とする電池構成部材用フェライト系ステンレス鋼。
【請求項３】
請求項１又は２記載の組成に加え、さらにＮｂ：０．１０〜０．８０％、Ｔｉ：０．０５〜０．４０％、Ａｌ：０．０１〜０．５０％、Ｂ：０．３％以下の１種又は２種以上を含有することを特徴とする電池構成部材用フェライト系ステンレス鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｌｉイオン二次電池などの非水系電解液電池およびＮｉ−Ｈ水系電解液電池などの構成部品である電池ケースおよび集電体などに適用可能なフェライト系ステンレス鋼に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境保護のためにガソリンなど化石燃料に替えて、次世代エネルギーの開発が進められている。
自動車業界においては電気自動車やハイブリッド自動車などの導入はその最たるものであり、モーター駆動用電池の開発が鋭意行われている。さらに携帯やパ−ソナルコンピューターの普及にともない軽量でかつ長時間の電力供給可能なバッテリーの開発が進められている。さらに、家庭用の電気に対しても、災害時の非常用電源として大容量バッテリーの開発が進められている。
【０００３】
これらのバッテリーにおいては高出力でかつ高エネルギー密度のものが望ましく、従来の鉛蓄電池やＮｉ−Ｈなど水系電解液電池から、Ｌｉイオン電池に代表される非水電解液系電池の開発が進められている。
【特許文献１】特開平10-116623
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これらの高容量バッテリーにおいては安全性、軽量化、高性能化が求められている。しかし、特に非水電解液系電池の場合には、電池内での短絡や外部衝撃が起こると電解液が燃焼し、発火する可能性がある。
従来、電池ケースにはＡｌやＮｉめっき鋼板などの金属やラミネート樹脂などが用いられていたが、上記の問題に対応するために金属材料を厚肉化して頑丈にすることは重量が増えるため、本来の軽量化の目的に反する。また樹脂製ケースでは強度不足となる。
【０００５】
電池性能向上のために電池全体の容量を大きくしようとすると、電池体積が大きくなるために自動車においては設置スぺースがとられ非効率的となる。さらに車両重量が全体として重くなるために燃費も低下する。また、増えた分だけ電池のコストが増大するという問題も生じる。
【０００６】
集電体としては活物質が塗布された金属箔が用いられ、正極にはＡｌ箔、負極にはＣｕ箔が用いられる。将来的な高出力化に対しては、今後、電池の高電圧化が考えられ、集電体としては高電位環境で耐食性を有する材料が望まれる。現行のＡｌやＣｕでは電位付加環境における電解液中で耐食性を維持できないことも考えられる。特に負極のＣｕについて充電時にＣｕが溶出し、放電時に再析出すると、スパークなどの問題が生じる。
【０００７】
そこで、本発明では、これらの問題を解消すべく案出されたものであり、今後の大容量バッテリーの安全性向上、軽量化、高性能化に寄与することが可能な電池構成部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らはこれらの電池用部材として耐食性および強度を有するステンレス鋼の適用性を検討した。基材の材質が特定されＣｒリッチの不働態皮膜が基材表面に形成されているステンレス鋼を使用することにより、それらの問題が解決可能となった。
【０００９】
本発明はその目的を達成するために、質量％においてＣｒ：１６．０〜３２．０％、Ｃ：０．０１５％以下、Ｓｉ：０．５  ％以下、Ｍｎ：２．０％以下を有し、あるいはさらにＭｏ：０．５〜２．０％、Ｎｉ：２．０％以下、Ｃｕ：
２．０％の１種又は２種以上、あるいはさらにＮｂ：０．１〜０．８％、Ｔｉ：０．０５〜０．４％、Ａｌ：０．０１〜０．５％，Ｂ：０．３％以下の1種又は２種以上を含有するフェライト系ステンレス鋼であり、表層に組成比でＣｒ／（Ｃｒ＋Ｆｅ）＞０．２でかつ４ｎｍ以下の不動態皮膜を有する電池構成部材を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、今後の大容量バッテリーの安全性向上、軽量化、高性能化に寄与することが可能な電池構成部材を提供することを目的とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
ステンレス鋼は表面の不動態皮膜によって優れた耐食性が維持できる。特に電位がかかった状態で不動態を維持できるのはステンレス鋼の特徴である。非水溶液環境においては腐食に対して必要な酸素が供給されないことからより一層の耐食性が期待される。ステンレス鋼の耐食性は構成成分の影響を受けるとともに、表面の不動態皮膜の組成および厚みにより異なる。本発明の組成および不動態皮膜を有するものは電池構成部材として適切な耐食性を有することができる。
【００１２】
不動態皮膜の自己生成が行なわれない非水溶液環境で良好な耐食性を得るためには、ステンレス鋼の表層に組成比でＣｒ／（Ｃｒ＋Ｆｅ）＞０．２でかつ厚さ４ｎｍ以下の不動態皮膜を生成させることが必要である。
ステンレス鋼表面の不動態皮膜は非晶質のＣｒの酸化物および水和物よりなる。Ｃｒの組成比が高いほどＦｅの溶出にともなう腐食が起こりにくく耐食性には有利であることから、電池環境における耐食性を維持するための組成としてＣｒ／（Ｃｒ＋Ｆｅ）＞０．２とした。
また不動態皮膜の耐食性は薄くて緻密なものほど優れることから、その不動態皮膜厚みを４ｎｍ以下とした。
不動態皮膜は通常の腐食環境においてもステンレス鋼の表面に自然に生成するものであるが、空気中の酸素をとりこむと厚く、ポーラスな皮膜が形成されやすい。したがって、酸化性の酸による酸洗処理によって、Ｃｒ組成比が高く、緻密な皮膜が得られる。
光輝焼鈍などの還元雰囲気下での焼鈍では、Ｃｒ組成比は高くなるものの粗で欠陥の多い皮膜となり、電池内部のような過酷な腐食環境では十分な耐食性は得られない。また、酸洗に使用する酸が塩酸など非酸化性で再不動態化性のない酸である場合には、Ｃｒの低い皮膜となるため、耐食性は劣る。
【００１３】
電池ケースにＡｌを用いる場合には負極端子と接続される場合があり、ケース自身にも充放電の電位がかかる。したがって、電解液に対する耐食性はもちろん高電位環境における耐食性が要求される。本発明のフェライト系ステンレス鋼はそれらの腐食環境に耐えうる。
【００１４】
正極集電体においても貴な電位がかかる環境に曝されるが本発明のフェライト系ステンレス鋼はそれらの腐食環境に耐えることができる。
【００１５】
一方、負極集電体においては耐食性に劣る金属であれば充電時に金属が溶出し、放電時に集電体表面に析出する問題が生じるが、本発明のフェライト系ステンレス鋼は耐食性に優れるためにそれらの問題がない。
【００１６】
Ｃｒは電池環境におけるステンレス鋼としての耐食性を維持するために最も重要な元素である。耐食性を備えるためには１６．０％の含有が必要であるが、Ｃｒ量が高くなると、靭性や加工性の低下を招くためＣｒ含有量の上限を３２．０％とする。
【００１７】
Ｃは炭化物を形成し、それが最終焼鈍での再結晶フェライトのランダム化の再結晶核として働く。しかしＣは冷延焼鈍後の強度を上昇させる元素であり、あまり高いと延性の低下を招くため、０．０１５％以下とした。
【００１８】
Ｓｉは通常脱酸の目的のために使用するが、固溶強化能が高く、あまりその含有量が多いと材質が硬化し延性の低下を招くので、０．５％以下とした。
【００１９】
Ｍｎはオーステナイト形成元素であり、固溶強化能が小さく材質への悪影響が少ない。しかし、含有量が多いと溶製時にＭｎヒュームが生成する等、製造性が低下するので、望ましくは成分範囲を２．０%以下とした。
【００２０】
Ｍｏは耐食性を改善するのに有効な元素である。０．５％以上でその作用は認められる。しかし、過度の添加は高温での固溶強化や動的再結晶の遅滞により、熱間加工性の低下をもたらすとともにコストの上昇を招くので０．５〜２．０％とした。
【００２１】
Ｎｉはオーステナイト形成元素であり、２．０％を越える添加は硬質化やコスト上昇を招くため、２．０％を上限とした。
【００２２】
Ｃｕはステンレス鋼の耐食性を向上させるのに有効な元素であるが、過度の添加は熱間加工性や耐食性を低下させるので２．０％以下とした。
【００２３】
ＮｂはＣ，Ｎを固定し、耐衝撃特性や二次加工性を向上させる元素であり、電池ケースなどの加工に対しては加工性を向上させる効果がある。しかし、添加しすぎると材料が硬化し逆に加工性に悪影響をもたらす。また、再結晶温度を上げることから、０．１０〜０．８０％とした。
【００２４】
ＴｉはＣ，Ｎを固定し、加工性および耐食性を向上させる元素である。しかし、添加しすぎると絞り加工における割れの原因となるＴｉ系介在物などの表面欠陥が存在することから、添加する場合は０．０５〜０．４０％とする。
【００２５】
Ａｌは脱酸や耐酸化性のために有効な元素であるが、過剰な添加は表面欠陥の原因となるため、添加する場合は０．０１〜０．５０％とした。
【００２６】
Ｂは、Ｎを固定し、耐食性や加工性を改善する作用をもつ合金成分であり、必要に応じて添加される。上記作用を発揮させるためには０．００５％以上添加することが望ましい。しかし、過剰に添加すると熟間加工性の低下や溶接性の低下を招くため、０．３％以下とした。
【００２７】
以下の元素は請求項の中では記載していないが、不可避的に含まれるＰ，Ｓ以外に下記の元素を含有してもさしつかえない。
【００２８】
Ｖ、Ｚｒ：固溶Cを炭化物として析出させる効果による加工性向上、Ｚｒは鋼中の酸素を酸化物として捕えることによる加工性や靭性向上の面から有用な元素である。しかしながら、多量に添加すると製造性が低下するので、Ｖ、Ｚｒの適正含有量は０．０１〜０．３０％である。
これら以外にもＣａ、Ｍｇ、Ｃｏ、ＲＥＭなどは、溶製中に原料であるスクラップ中より含まれることもあるが、とりたてて多量に含まれる場合を除き、耐食性や加工性には影響ない。
【実施例】
【００２９】
表1の成分組成をもつステンレス鋼板を実験室的に真空溶解し、圧延、焼鈍により１．０ｍｍｔの冷延焼鈍板を作製した。表1中の鋼Ｎｏ．Ａ〜Ｊは化学成分値が本発明の範囲内にある本発明鋼である。それらのステンレス鋼に酸洗および熱処理を施し不動態皮膜を制御した。Ｃｒ濃度を上げるには再不動態化能の強３０％硝酸で酸洗し、不動態皮膜を厚くするためには大気中で４００℃の焼鈍を行なった。不動態皮膜の組成解析はＥＳＣＡにより行った。最表層の金属濃度よりＣｒ／（Ｆｅ＋Ｃｒ）を算出した。不動態皮膜の厚みはＥＳＣＡによる。ピークの半価値より算出した。
【００３０】
【表１】
2009167486.tif 000002
【００３１】
これらの供試材において、Ｌｉ電池の電解液として用いられる１ＭのＬｉＣｌ０４／ＰＣ中で参照電極および対極にＬｉ板を用いて、ポテンショスタットによりＬｉ電極に対する分極曲線を測定した。測定は２０℃で実施し、自然電位より２０ｍＶ／ｍｉｎの走査速度で分極した。３．６ＶｖｓＬｉおよび４．５ＶｖｓＬｉの電位における電流の大小で各供試材の電解液に対する耐食性を評価した。表２に測定結果を示す。比較に普通鋼、ＣｕおよびＡｌの測定結果も示す。
【００３２】
【表２】
2009167486.tif 000003
【００３３】
本発明鋼であるＡ〜Ｊ鋼は３．６ＶｖｓＬｉ時には溶解電流が検出されずに、４．５ＶｖｓＬｉ時に微小な溶解電流が観察されるのみであった。Ｌｉ電池の電極材、ケース材として使用されているＡｌ同等の耐食性を示した。一方、本発明よりＣｒの成分が外れるＥ鋼は発明鋼と比較すると高い電流値を示し、Ａｌよりも腐食電流が高かった。したがって、本発明成分および不動態皮膜のＣｒ比率を有さなければ電解液環境で耐食性を維持できないことがわかった。さらに本発明のＣ鋼を熱処理することにより不動態皮膜厚みを厚くしたＦ鋼は３．６ＶｖｓＬｉ時には腐食電流が検出されなかったが、４．５ＶｖｓＬｉ時にはＡｌより高い腐食電流が検出された。したがって、本電解液環境においては不動態皮膜厚みを本発明技術内に制御する必要があることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明のステンレス鋼を電極材および電極ケースに用いることにより、自動車搭載用などに開発が進められている大容量バッテリーの安全性向上、軽量化、高性能化に寄与することが可能となった。本発明は自動車用以外にも設置型の大容量電池に適用可能で、さらにLi電池に限らず非水系の電解液を有する電池には全般的に適用可能である。