CN107794421A - 一种用于锂离子电池外壳的高强度铝铜锰镁钐合金 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于锂离子电池外壳的高强度铝铜锰镁钐合金。所述合金包含：1.4‑1.6wt％的Cu，1.2‑1.4wt％的Mn；0.7‑0.9wt％的Mg；0.3‑0.5wt％的Fe；0.2‑0.6wt％的Sm；余量为铝和不可避免的杂质。本发明通过多元微合金化及热处理在铝铜锰镁钐合金中形成大量的Al₁₀Cu₇Sm₂和Al₂CuMg增强相，显著提升铝铜锰镁合金综合性能，使铝铜锰镁钐合金板材的抗拉强度大于300MPa，延伸率大于5％，其腐蚀电位可根据钐含量大幅度调控改善，板材的杯突成型性能和高温强度优于不含钐合金以及其他多种锂离子电池外壳合金。

Description

一种用于锂离子电池外壳的高强度铝铜锰镁钐合金

技术领域

本发明属于铝合金材料技术领域，涉及一种用于锂离子电池外壳的高强度铝铜锰镁钐合金。

背景技术

锂离子电池外壳是电池的重要组成部分，不仅作为一个简单的密封容器，它对电池的储存性能和安全性能也具有举足轻重的作用，是一种集功能性与结构性于一身的新型功能材料。一方面，电池壳体材料必须具有良好的耐电解液腐蚀性能，壳体材料耐蚀性能的好坏直接影响了锂电池的使用寿命；另一方面，当遇到撞击、颠簸、已经激烈震荡等情况时，壳体要承受短时的强冲击载荷。锂离子电池外壳材料主要分为塑料外壳、钢质外壳、软包外壳和铝合金外壳等四种。以3003Al为代表的铝合金外壳因其良好的散热性、加工性能和耐蚀性能而用于高端电子产品领域如笔记本电脑、平板电脑等。与钢质外壳相比，铝合金外壳具有高比强度，更适合目前车辆轻量化的要求，因此，用铝合金材质作为外壳材料是车用锂离子动力电池行业发展的一种趋势。

车用动力电池对外壳材料的要求主要是具有较高的强度、耐腐蚀性以及较好的组织热稳定性，以保证在100℃左右的工作环境中外壳材料的强度和耐蚀性稳定，并且保持显微组织的稳定性以保证工作时外形尺寸不发生明显变化。汽车产业飞速发展带来的电池外壳薄壁轻量化、高密度散热和高耐压需求则要求开发新型的高强度高延伸率电池外壳铝合金。

目前市场上已经应用的大多数电池外壳用Al-Mn系铝合金(如3003Al)的抗拉强度小于250MPa,并且耐蚀性有待提高。基于Al-Cu-Mn系的电池外壳铝合金专利(如CN101358307A、CN102828072A)报道的抗拉强度也小于300MPa。少数专利(如CN101851715)报道的电池外壳用铝合金强度虽然较高，但是延伸率一般小于5％。

以上商业产品和发明专利申请均未涉及因Sm元素调控化合物增强相和耐蚀性而显著提升锂离子电池外壳用Al-Cu-Mn-Mg合金板材综合性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于锂离子电池外壳的高强度铝铜锰镁钐合金，通过含钐析出相强化和铝铜镁析出相强化有效提升铝铜锰镁合金性能，获得具有高强度、高延伸率、杯突成型性能良好、腐蚀电位可控和良好耐热性的铝铜锰镁钐合金板材。

本发明提供了一种用于锂离子电池外壳的高强度铝铜锰镁钐合金，所述合金包含：1.4-1.6wt％的Cu；1.2-1.4wt％的Mn；0.7-0.9wt％的Mg；0.3-0.5wt％的Fe；0.2-0.6wt％的Sm；余量为铝和不可避免的杂质。

所述不可避免的杂质的含量小于0.05wt％。

所述合金成分为：

1.5wt％的Cu；

1.3wt％的Mn；

0.8wt％的Mg；

0.4wt％的Fe；

0.2-0.4wt％的Sm；

余量为铝和不可避免的杂质。

所述合金中含有Al₁₀Cu₇Sm₂和Al₂CuMg增强相，使所述合金形成的板材的室温抗拉强度大于300MPa，延伸率大于5％。

本发明的显著效果是通过铝铜锰镁合金的多元微合金化，尤其是添加一定含量的钐元素并且控制铜含量(表1)，使合金中形成大量的Al₁₀Cu₇Sm₂和Al₂CuMg增强相。与未添加钐的合金相比，合金室温强度与延伸率得到明显改善，合金板材的抗拉强度达到300MPa以上，同时可根据钐含量显著调控耐蚀性并且提升合金的杯突成型性能和耐热强度(表2)。

具体实施方式

下文将对本发明的具体实施方式进行说明，但是本发明不限于这些具体实施方式。

本发明提供了一种用于锂离子电池外壳的高强度铝铜锰镁钐合金，所述合金包含：

1.4wt％至1.6wt％的Cu，例如为1.4、1.5、1.6wt％的Cu，优选为1.5wt％的Cu；Cu是一种合金强化元素，采用中等含量的Cu有利于获得较高的抗拉强度和较好的延伸率(表2)，同时又使合金板材具有良好的可焊性。

1.2wt％至1.5wt％的Mn，例如为1.2、1.3、1.4或1.5wt％的Mn。Mn元素的主要作用是形成能够强化合金基体、同时又不影响耐蚀性的Al-Mn中间化合物。

0.6wt％至1.0wt％的Mg，例如为0.6、0.7、0.8、0.9、1.0wt％的Mg，优选为0.8wt％的Mg。Mg元素的主要作用是与Cu元素形成能够强化合金基体的Al₂CuMg中间化合物。Mg含量不宜过高，否则影响熔铸工艺和可焊性。

0.3wt％至0.5wt％的Fe，例如为0.3、0.4、0.5wt％的Fe，优选为0.4wt％的Fe。Fe元素的主要作用是与Mn元素形成少量的AlMnFe化合物增强相。

0.2wt％至0.6wt％的Sm(例如为0.2、0.4、0.6wt％的Sm，优选为0.2至0.4wt％的Sm。Sm是一种合金强化元素，在本发明合金中形成大量的Al₁₀Cu₇Sm₂增强相，使合金板材具有较高的室温强度和延伸率、较高的高温强度，同时又可将合金板材的腐蚀电位显著正移从而大幅度改善耐蚀性。如果Sm含量过高，则合金中容易形成粗大化合物相，强化效果减弱并且耐蚀性下降(表2)。所述合金的腐蚀电位可根据钐含量大幅度调控改善，板材高温强度和杯突成型性能良好，适用于锂离子电池外壳领域。

余量为铝和不可避免的杂质。典型的不可避免的杂质例如为Si、Cr等其他元素。所述不可避免的杂质的含量均小于0.05重量％。

在一些实施方式中，所述铝铜锰镁钐合金的抗拉强度大于300MPa，优选等于或者大于330MPa。

在一些实施方式中，所述铝铜锰镁钐合金的屈服强度等于或者大于280MPa。

在一些实施方式中，所述铝铜锰镁钐合金的延伸率等于或者大于5％。

在一些实施方式中，所述铝铜锰镁钐合金的杯突值大于4.5mm，优选大于4.8mm。

在一些实施方式中，所述铝铜锰镁钐合金的腐蚀电位小于-700mV。

在一些实施方式中，所述铝铜锰镁钐合金在150-200℃区间的高温抗拉强度大于260MPa。

在一些实施方式中，所述铝铜锰镁钐合金用于制造锂离子电池外壳，尤其是用于制造动力锂电池外壳。

本发明采用常规真空感应熔炼铸造板坯、500℃热轧至3mm厚度板材、多道次冷轧和稳定化(老化)热处理方法制备了铝铜锰镁钐合金板材。

在一些实施方式中，所述冷轧合金板材的厚度为0.3mm至0.5mm(例如0.3mm、0.4mm或0.5mm)，并且其中所述老化热处理在150℃的温度进行8-24小时。适宜的厚度可达到高强减薄轻量化设计效果，并且保证壳体的可靠性。老化热处理有助于Al₂CuMg增强相的形成和部分消除冷轧应力。

实施例

实施例1

采用表1所示元素相应的金属Al、金属Mg、Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Fe中间合金、Al-Sm中间合金，通过熔炼和铸造方法来制备铝铜锰镁钐合金板厚度为35mm的铸造合金坯材。所述合金坯在590℃的退火炉中均匀化退火8小时。然后在500℃热轧成厚度为3mm的热轧板带，其后经过6道次冷轧成厚度为0.43mm的冷轧合金带材。将冷轧合金带材在150℃进行24小时老化热处理后获得铝铜锰镁钐合金板材。用电子拉伸试验机测试合金板材的室温抗拉强度、屈服强度和延伸率，以及150℃和200℃的抗拉强度。通过在0.6M NaCl溶液中进行Tafel电化学极化试验获得合金腐蚀电位。另外用杯突试验机测试了相应合金板材的杯突值。采用X射线衍射仪分析了合金板材的增强相。实验结果见表2。

实施例2至4

除了Sm的添加量不同，其他方面采用与实施例1相同的方式进行。

实施例5至7

除了Cu含量提高、Sm含量相同或不同、且添加少量Si之外，其他方面采用与实施例1相同的方式进行。

对比例1

除了不添加Sm之外，其他方面采用与实施例1相同的方式进行。

对比例2

是已公开专利CN 101358307A的实施例13所用的材料。

对比例3

是中国有色金属行业标准YS/T 914-2013(动力锂电池用铝壳)所规定的常用材料(3003Al,H14态)。

比较表2实验结果以及对比例数据可以发现，本发明合金板材的室温力学性能远远优于传统锂电池用铝壳材料(3003Al),室温强度可达300MPa以上，延伸率高达5％以上，室温综合力学性能明显优于对比例3所述传统合金板材。与未添加钐的合金相比，合金室温强度与延伸率也明显改善。通过本发明合金板材的钐含量与铜含量优化组合可以显著调控合金的腐蚀电位使其正移至-620mV，并且显著增强合金板材的杯突成型能力和高温耐热强度(大于260MPa)。X射线衍射分析结果也表明含钐合金中除了形成常见的α-Al、AlMnFe相之外，还形成了大量的Al₁₀Cu₇Sm₂和Al₂CuMg增强相，这些增强相对于合金力学性能的提升具有重要贡献。本发明合金板材所具有的优良综合性能非常有利于高强轻量化、高耐蚀、高耐热、高可靠性动力锂离子电池用铝壳的开发和应用。

表1合金的化学成分(wt％)

表2实施例合金的性能

在本发明及上述实施例的教导下，本领域技术人员很容易预见到，本发明所列举或例举的各原料或其等同替换物、各加工方法或其等同替换物都能实现本发明，以及各原料和加工方法的参数上下限取值、区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。

Claims (4)

1.一种用于锂离子电池外壳的高强度铝铜锰镁钐合金，其特征在于，所述合金包含：1.4-1.6wt％的Cu；1.2-1.4wt％的Mn；0.7-0.9wt％的Mg；0.3-0.5wt％的Fe；0.2-0.6wt％的Sm；余量为铝和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的铝铜锰镁钐合金，其特征在于，所述不可避免的杂质的含量小于0.05wt％。

3.根据权利要求1至2所述的铝铜锰镁钐合金，其特征在于，所述合金成分为：

1.5wt％的Cu；

1.3wt％的Mn；

0.8wt％的Mg；

0.4wt％的Fe；

0.2-0.4wt％的Sm；

余量为铝和不可避免的杂质。

4.根据权利要求1-3所述的铝铜锰镁钐合金，其特征在于，所述合金中含有Al₁₀Cu₇Sm₂和Al₂CuMg增强相，使所述合金形成的板材的室温抗拉强度大于300MPa，延伸率大于5％。