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JP6685054B2 - 懸濁体の製造装置 - Google Patents

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Description

本発明は、懸濁体の製造装置に関し、特に電極の製造に用いる懸濁体の製造装置に関する。
二次電池の正極及び負極は、電極基板の表面に電極材料を混ぜ合わせてなる懸濁体を塗布して形成されることが一般的である。例えば、リチウムイオン二次電池の正極及び負極は、金属箔の表面に懸濁体を塗布して形成される。以下、電極製造に用いる懸濁体を電極懸濁体と称する。
この種の電極懸濁体は、電極材料である粉末材料と溶剤とを混ぜ合わせて生成されている。つまり、電極活物質粉末、導電材粉末及び結着材粉末が混合されて粉末材料とし、この混合された粉末材料に溶剤を投入して、回転ブレード等を用いて混ぜ合わせることにより、電極懸濁体が形成される。二次電池の電池性能は、電極懸濁体の性状が大きく影響するため、電極材料を均一に混ぜ合わせて懸濁体を製造する工程は、電極製造及び電池製造の中でも重要な工程の一つに位置づけられている。このような電極懸濁体の製造工程では、凝集物のない滑らかな懸濁体とすることが求められる。
このような製造装置において、電池の正極の活物質層に用いられる粉末材料の粉末粒径を乾式方式によって調整する機構と、粉末粒径が調整された前記粉末材料と溶剤とを混ぜ合わせる機構とを備える製造装置が提案されている（例えば，特許文献１参照）。
特開２０１２−１３３９３１号公報
特許文献１記載のものでは、粉末材料の粉末粒径を調整するため、製造する際に調整が猥雑な作業となっている。本発明は、前述したような粉末粒子径の調整を必須とせず、凝集物のない滑らかな懸濁体を製造する懸濁体の製造装置を提供する。
本発明に係る一の態様の懸濁体の製造装置は、複数の材料を混ぜ合わせて懸濁体を製造する製造装置であって、前記材料を収納する容器と、前記容器内に回転可能に配置される第１羽根と、前記第１羽根を囲むように回転可能に配置される第２羽根と、を備え、前記第２羽根は、前記容器の半径方向に所定の幅を有し、上下方向に延びる鉛直羽根部と、前記鉛直羽根部の下端部に一端部が結合され、他端部が半径方向内方に延びる水平羽根部と、を備え、前記鉛直羽根部と前記容器の内側面との間に、所定のクリアランスを有し、さらに、前記第１羽根を回転させる第１回転手段と、前記第２羽根を回転させる第２回転手段と、前記第１羽根を前記第２羽根よりも高速で回転させる回転駆動制御手段とを有し、前記回転駆動制御手段は、前記材料を混ぜ合わせる場合は、前記第１羽根と前記第２羽根とを逆方向に回転させ、当該第１羽根が前記容器内の下方への流れを生じさせ、前記材料を脱気する場合は、前記第１羽根と前記第２羽根とを同一方向に回転させ、前記第１羽根が前記容器の上方への流れを生じさせ、さらに、前記第１羽根を６００〜１８００ｒｐｍの範囲で回転させ、前記第２羽根を３〜２０ｒｐｍの範囲で回転させるものであることを特徴とする。
この構成によれば、複数の材料を一様に混ぜ合わせる際に、第１羽根と第２羽根の水平羽根部により容器内の材料に上下方向への流れを生じさせ、かつ、材料が第１羽根によって生ずる流れによって容器の半径方向外方に送られて、第２羽根の鉛直羽根部と容器の内側面との間のクリアランスにおいて十分に混ぜ合わされ、凝集物のない滑らかな懸濁体が製造される。これにより、電極の懸濁体を製造する場合には滑らかな電極懸濁体となり、電池の性能向上に寄与し、また製造時間の短縮化による生産性の向上も図れる。
また、第１羽根と第２羽根とで回転速度を変えることができるので、例えば第１羽根が容器内の材料に流れを生じさせる役割とし、第２羽根が材料を混ぜ合わせる役割とするなど、それぞれの役割に応じた適度な回転速度とすることができ、材料を効果的に混ぜ合わせることができる。
そして、第２羽根の水平羽根部が容器内の材料に対して上方向の流れを生じさせ、第１羽根がこれと逆方向の下方向への流れを生じさせた場合には、材料同士がぶつかり合って、効果的に材料を混ぜ合わせることができる。一方、第１羽根が第２羽根の水平羽根部とともに上方向に流れを生じさせる場合には、容器内の材料に上方向の流れを与え、材料内の空気を効果的に脱気することができる。
また、この懸濁体の製造装置は、前記第２羽根が、上部中央に装置に取り付けるための取付部と、前記取付部と前記鉛直羽根部とをつなぐ前記容器の半径方向にのびる接続部と、を備える。この構成によれば、取付部により第２羽根の装置への取付が容易となる。また、接続部の寸法を調整することにより、鉛直羽根部の位置の調整が容易となる。
また、この懸濁体の製造装置は、前記第２羽根の前記接続部、前記鉛直羽根部、前記水平羽根部が一対で構成され、該一対の前記接続部、前記鉛直羽根部、前記水平羽根部が、前記取付部を対象に配されている。この構成によれば、一対の接続部、鉛直羽根部、水平羽根部によって、材料を均一に効率よく混練することができる。
また、この懸濁体の製造装置は、一対の前記接続部が、前記取付部を対象にして、それぞれ前記容器の半径方向にまっすぐのび、前記接続部と前記鉛直羽根部とが滑らかにつながっている。この構成によれば、接続部が取付部から半径方向に角度をもってのびていたり、接続部と鉛直羽根部とが角度をもって接続されていたりすると、混練時に一部に応力が集中するおそれがあり、また混練に期さない不用意な流れが生じるおそれがある。一方、上記の構成によれば、応力の集中を抑えて強度向上につながり、また、不用意な流れを抑えて、さらに材料を均一に効率よく混練することができる。
また、この懸濁体の製造装置は、前記第２羽根が、一対の前記接続部、前記鉛直羽根部、前記水平羽根部を２組備え、各前記接続部、前記鉛直羽根部、前記水平羽根部が、前記取付部を中心に９０度ずらして配される構成としてもよい。この構成によれば、接続部と鉛直羽根部と水平羽根部が４つ配された第２羽根となる。
また、この懸濁体の製造装置は、前記第２羽根部の前記水平羽根部が、前記鉛直羽根部に対し傾斜する傾斜面を有する。この構成によれば、第２羽根の水平羽根部が単に鉛直方向に伸びて構成される場合と比較して、容器内の材料に対して効果的に上方向の流れを生じさせ、第１羽根がこれと逆方向の下方向への流れを生じさせた場合に、材料同士がぶつかり合って、効果的に材料を混ぜ合わせることができる。
また、この懸濁体の製造装置は、前記第２羽根の前記水平羽根部が中央部に開口を有する。この構成によれば、水平羽根部の回転時に抵抗を抑えることで、スムーズな回転によって材料を効率よく混ぜ合わせることができ、また第２羽根にかかる付加を抑えることができる。
また、この懸濁体の製造装置は、前記第２羽根の前記水平羽根部は、前記容器内において、材料に上方への流れを生じさせるものである。この構成によれば、水平羽根部によって材料が上方へ運ばれ、その材料が第１羽根によって容器の壁面方向に運ばれ、混連に資する鉛直羽根部に運ばれる。これにより、効率のよい混連が可能となる。
また、この懸濁体の製造装置は、前記第１羽根が、前記容器の鉛直方向に対し傾斜する傾斜面を有する。また、前記第１羽根は、前記容器内において、材料に上方または下方への流れを生じさせるものである。この構成によれば、第１羽根が単に鉛直方向に伸びて構成される場合と比較して、容器内の材料に対して半径方向外方への流れに加えて、効果的に上下方向の流れを生じさせる。これにより、効率のよい混練が可能となる。
また、この懸濁体の製造装置は、前記クリアランスが、２〜１００ｍｍであることが好ましい。クリアランスが２ｍｍより狭いと，懸濁体が羽根と供回りしてしまい各種材料が混ぜ合わされず、また１００ｍｍより広い場合も各種材料が効率よく混ぜ合わさらない。
本発明は、複数の材料を混ぜ合わせる際には、第２羽根の水平羽根部によって材料に上方への流れを生じさせ、また第１羽根により生ずる流れによって半径方向外方に送られ、回転している鉛直羽根部と容器の内側面との間のクリアランスにおいて一様に混ぜ合わされる。これにより、滑らかな懸濁体を製造することができる。
一実施形態に係る懸濁体の製造装置の概略構成を示す正面図である。 一実施形態に係る懸濁体の製造装置の概略構成を示す斜視図である。 一実施形態に係る懸濁体の製造装置の概略構成を示す側面図である。 一実施形態に係る懸濁体の製造装置の概略構成を示す平面図である。 材料または懸濁体の容器への出入口部の説明図である。 懸濁体の製造装置の変形例の概略構成を示す正面図である。
以下、本発明に係る一実施形態を図面に基づき説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。特に、本実施形態においては、一例として電池の電極製造に用いる懸濁体（以下「電極懸濁体」と称する）を製造する製造装置を例に説明するが、本発明はこれに限られず、電極以外に用いる懸濁体にも適用可能である。
［１．製造装置の構造］
図１は、本発明の一実施形態に係る懸濁体の製造装置の概略構成を示す正面図である。図２は、同斜視図である。図１、図２に示すように、電極懸濁体の製造装置１は、複数の電極材料を収納する容器２と、容器２内の中央において上下方向に延びる回転軸３と、一対の第１羽根４と、第２羽根５と、を主要な構成として備える。
一対の第１羽根４は、回転軸３に上下に所定の間隔をあけて配置されている。第２羽根５は、容器２内において一対の第１羽根４のまわりを囲むように配置されている。なお、本実施形態においては、第１羽根４を一対に構成しているが、これに限られず、例えば第１羽根４が１つのみの構成としてもよい。
容器２は、上方が開口する容器本体２Ａと、容器本体２Ａの開口を閉じる蓋部２Ｂとを有する。電極材料を混ぜ合わせる際には、上側の第１羽根４の上方位置まで電極材料が満たされている。また、容器２は、冷却容器２１内に収納される。
第１羽根４は，４枚の羽根部４Ａを有し、各羽根部４Ａは、中心の筒状部４Ｂの外周に周方向に９０°間隔で取り付けられ、筒状部４Ｂの軸線に対し４５度傾斜して取り付けられている。なお、羽根部４Ａの枚数や傾斜角は本実施形態の一例であり、これに限られない。
そして、筒状部４Ｂには回転軸３が貫通し、筒状部４Ｂが回転軸に取り付けられている。第１羽根４は、回転軸３の回転方向に応じて、容器２内で電極材料に上下方向の流れを生じさせるとともに、電極材料を容器２の半径方向外方への流れを生じさせる。このような羽根部４Ａは、平面視で十字状に配置されている。なお、羽根部４Ａの十字状の配置は本実施形態の一例であり、これに限られない。
また、第１羽根４や容器２の寸法は、懸濁体の製造において、下記式により算出される範囲が望ましい。ここで、第１羽根４の羽根部４Ａの水平方向長さａと、容器２の容器本体２Ａの内径Ｄとの関係は、下記式１である。
ａ＝Ｄ／（３〜４） ・・・（式１）
第１羽根４の羽根部４Ａの鉛直方向高さｂと、容器２の容器本体２Ａの高さＬとの関係は、下記式２である。
ｂ＝Ｌ／（５〜１００） ・・・（式２）
容器２の容器本体２Ａの内径Ｄと高さＬとの関係は、下記式３である。
Ｄ／Ｌ＝０．３〜３ ・・・（式３）
第２羽根５は、容器２の半径方向に一定の幅を有し上下方向に延びる２つの鉛直羽根部５Ａと、各鉛直羽根部５Ａの下端部に一端部が結合され他端部が半径方向内方に延び、電極材料に上方への流れを生じさせる２つの水平羽根部５Ｂとを有する。つまり、鉛直羽根部５Ａや水平羽根部５Ｂは周方向において１８０度の等角度間隔で配置され、平面視で一文字状に配置されている（図３参照）。
なお、鉛直羽根部５Ａと水平羽根部５Ｂの枚数や一文字状の構成は本実施形態の一例であり、これに限られず、例えば鉛直羽根部５Ａや水平羽根部５Ｂを４つとし、周方向において９０度の等角度間隔で配置され、平面視で十文字状に配置された構成よしてもよい（図６参照）。
鉛直羽根部５Ａは、容器２の内周面との間にクリアランスｃを存するように配置され、上端部は、半径方向内方かつ上方に傾斜して延びる傾斜羽根部５Ｃを介して取付用筒状部５Ｄに接続されている。すなわち、傾斜羽根部５Ｃが鉛直羽根部５Ａと取付用筒上部５Ｄとを接続していて、鉛直羽根部５Ａは傾斜羽根部５Ｃから滑らかに延在している。
また、この取付用筒状部５Ｄを貫通して回転軸３が延びている。そして、回転軸３には、回転軸３の回転により第１羽根４を正逆回転させる第１回転手段１１が連係されている。取付用筒状部５Ｄには円筒状の軸部５Ｆが結合され、その軸部５Ｆには、軸部５Ｆの回転により第２羽根５を回転させる第２回転手段１２が連係されている。
また、水平羽根部５Ｂは、鉛直羽根部５Ａの下端部に結合される一端部が、容器２の内周面付近に位置し、他端部が、幅が徐々に狭くなって水平方向に延び、容器２の中心に位置する中心軸部５Ｅに結合されている。中心軸部５Ｅは、第１羽根４の回転軸３と同軸状である。
また、図４の側面図に示すように、水平羽根部５Ｂは、鉛直羽根部５Ａに対し略４５°傾斜している傾斜板状で、中央部分に開口５Ｂａを有し、電極材料の上方への流れを効率よく生じさせる。なお、水平羽根部５Ｂの傾斜角は本実施形態の一例であり、これに限られない。また、水平羽根部５Ｂの下面を下側容器２の内底面とほぼ平行な平坦面とする構成としてもよい。
また、第２羽根５の寸法は、懸濁体の製造において、下記式により算出される範囲が望ましい。ここで、第２羽根５の鉛直羽根部５Ａの幅Ｗ１と容器２の内径Ｄとの関係は、下記式４である。
Ｗ１＝Ｄ／（２．５〜４０） ・・・（式４）
第２羽根５の鉛直羽根部５Ａの幅Ｗ１と、鉛直羽根部５Ａと容器２の内周面との間隔ｃとの関係は、下記式５である。
ｃ＝Ｗ１／（０．１〜３０） ・・・（式５）
また、下記式６の範囲がより望ましく、例えば下記式７がさらに望ましい。
Ｗ１＝Ｄ／（３〜２０）、ｃ＝Ｗ１／（２〜１５） ・・・（式６）
Ｗ１＝Ｄ／１０、ｃ＝Ｗ１／５ ・・・（式７）
なお、本実施形態においては、一例としてクリアランスｃを２０ｍｍで構成している。また、水平羽根部５Ｂの底面と、容器２の内底面とのクリアランスＳは、Ｓ＝２〜５０ｍｍの範囲が望ましく、より望ましくは１５ｍｍである。
また、第１羽根４は第１回転手段１１によって、第２羽根５は第２回転手段１２によってそれぞれ回転駆動される。第１回転手段１１及び第２回転手段１２は、回転駆動制御手段１３に連係され、回転駆動制御手段１３により、第１羽根４が第２羽根５よりも高速で回転するように駆動制御されている。
そして、第１回転手段１１及び第２回転手段１２による回転は、独立して制御される。つまり、回転駆動制御手段１３は、電極材料の粘度等に応じて、第１羽根４を３００〜６０００ｒｐｍの範囲で、第２羽根５を０〜１８０ｒｐｍの範囲でそれぞれ回転させる。望ましくは、第１羽根４を６００〜１８００ｒｐｍの範囲で、第２羽根５を３〜２０ｒｐｍの範囲でそれぞれ回転させる。
また、第２羽根５を回転させる第２回転手段１２は、容器２内において常時上方向への流れを生じさせる一方、第１羽根４を回転させる第１回転手段１１は、電極材料を混ぜ合わせる場合と、脱気する場合とにより、上下方向の流れを選択する。
すなわち、電極材料を混ぜ合わせる場合、第１回転手段１１は、第１羽根４を第２羽根５の回転方向と逆方向に回転させ、第１羽根４の回転により容器２の下方への流れを生じさせる。
一方、電極材料を脱気する場合、第１回転手段１１は、第１羽根４を第２羽根５の回転方向と同一方向に回転させ、第１羽根４の回転により容器２の上方への流れを生じさせる。
また、図５に示すように、電極材料又は電極懸濁体の容器２への出し入れは、容器２の下部に設けられたバルブ手段３１を用いて行われる。バルブ手段３１は、図示しない電極懸濁体の貯蔵タンクに接続される接続口３１ａを有し、ハンドル３１ｂを手動操作して出し入れが行われる。なお、バルブ手段３１を容器２の下部の横側に設けた構成は本実施形態の一例であり、容器２の下部の下側に設ける構成としてもよい。
［２．動作］
次に、製造装置１の動作について、第１羽根４と第２羽根５の動きを中心に説明する。電極材料を混ぜ合わせる場合には、容器２に電極材料を入れた後、第１羽根４と第２羽根５とを作動させる。この時、第１羽根４を第２羽根５とは逆方向に回転させる。
これにより、低速回転する第２羽根５の水平羽根部５Ｂによって生じる電極材料の上方への流れが、高速回転される第１羽根４によって生じる下方への流れと衝突し、それらが半径方向外方への流れと変化する。この流れと、第１羽根４の回転そのものによる半径方向外方への流れと相俟って、電極材料が容器２の内周面側に運ばれる。そして、回転している鉛直羽根部５Ａと容器２の内周面との間のクリアランスにおいて積極的に混ぜ合わされ、凝集物のない滑らかな電極懸濁体とされる。
特に、水平羽根部５Ｂが結合される中心軸部５Ｅは、第１羽根４の回転軸３と同軸状であるので、水平羽根部５Ｂによって生じる上方への流れが、第１羽根４によって生じる下方への流れによってスムーズに半径方向外方に変えられる。よって、電池としての特性向上だけでなく、製造時間の短縮化による生産性の向上も図れる。
一方、電極材料を脱気する場合には、第１羽根４を第２羽根５と同一方向に回転させる。これにより、低速回転する第２羽根５の水平羽根部５Ｂによって生じる電極材料の上方への流れが、高速回転される第１羽根４の回転によってさらに上方に流れるようにされ、電極材料内の空気を容器２の上部空間へ逃がし脱気が行われる。
そして、電極材料を混ぜ合わせ、脱気し、電極材料が十分に混ぜ合わされて電極懸濁体となった後、バルブ手段３１から電極懸濁体を取り出し、図示しない貯蔵タンクに電極懸濁体を回収する。上記した本実施形態の電極懸濁体の製造装置を用いて電極材料を混ぜ合わせることで、従来よりも各種材料を均一に混ぜ合わせることができる。そして、このようにして製造された電極懸濁体を電池に用いることで電池性能が向上する。
［３．その他の実施形態］
以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。例えば、上記の実施形態では、鉛直羽根部５Ａと水平羽根部５Ｂを２つ備える構成としているが、これらを４つ備える構成としてもよい（図６参照）。また、これらを１つや６つの構成としてもよい。また、上記の実施形態では一対の水平羽根部５Ｂが接続される中心軸部５Ｅを円柱状としているが、これに限られず、角柱状や板状の中心軸部としてもよく、一対の水平羽根部５Ｂが滑らかにつながる構成としてもよい。
また、例えば、上記の実施形態では、容器２の出入口をバルブ手段３１としているが、これに限らず、エアー手段を利用して自動化することもできる。このようにすれば、デッドスペースがなくなり残渣を抑えることができる。また、容器の円周方向に取り付けることにより、羽根を回しながらバルブを開けるとスムーズな排出を行うことができるとともに、容器底部の残渣も少なく、容量３０００リットル以上の大型機の場合などに特に有効である。
また、本実施形態の容器は、底面が地面と略平行の有底円筒型の形状であるが、これに限られず、底面が下方に突出した皿型の容器でもよい。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
１ 電極懸濁体の製造装置
２ 容器
２Ａ 容器本体
２Ｂ 蓋部
３ 回転軸
４ 第１羽根
４Ａ 羽根部
４Ｂ 筒状部
５ 第２羽根
５Ａ 鉛直羽根部
５Ｂ 水平羽根部
５Ｂａ 開口
５Ｃ 傾斜羽根部
５Ｄ 取付用筒状部
５Ｅ 中心軸部
１１ 第１回転手段
１２ 第２回転手段
１３ 回転駆動制御手段
２１ 冷却容器
３１ バルブ手段

Claims (11)

  1. 複数の材料を混ぜ合わせて懸濁体を製造する製造装置であって、
    前記材料を収納する容器と、
    前記容器内に回転可能に配置される第１羽根と、
    前記第１羽根を囲むように回転可能に配置される第２羽根と、を備え、
    前記第２羽根は、前記容器の半径方向に所定の幅を有し、上下方向に延びる鉛直羽根部と、前記鉛直羽根部の下端部に一端部が結合され、他端部が半径方向内方に延びる水平羽根部と、を備え、前記鉛直羽根部と前記容器の内側面との間に、所定のクリアランスを有し、
    さらに、前記第１羽根を回転させる第１回転手段と、前記第２羽根を回転させる第２回転手段と、前記第１羽根を前記第２羽根よりも高速で回転させる回転駆動制御手段とを有し、
    前記回転駆動制御手段は、前記材料を混ぜ合わせる場合は、前記第１羽根と前記第２羽根とを逆方向に回転させ、当該第１羽根が前記容器内の下方への流れを生じさせ、前記材料を脱気する場合は、前記第１羽根と前記第２羽根とを同一方向に回転させ、前記第１羽根が前記容器の上方への流れを生じさせ、さらに、前記第１羽根を６００〜１８００ｒｐｍの範囲で回転させ、前記第２羽根を３〜２０ｒｐｍの範囲で回転させるものである、
    ことを特徴とする、懸濁体の製造装置。
  2. 前記第２羽根は、
    上部中央に、装置に取り付けるための取付部と、
    前記取付部と前記鉛直羽根部とをつなぐ前記容器の半径方向にのびる接続部と、を備える、
    請求項１に記載の懸濁体の製造装置。
  3. 前記第２羽根は、
    前記接続部、前記鉛直羽根部、前記水平羽根部が、一対に構成され、
    一対の前記接続部、前記鉛直羽根部、前記水平羽根部は、前記取付部を対象に配されている、
    請求項２に記載の懸濁体の製造装置。
  4. 一対の前記接続部は、前記取付部を対象にして、それぞれ前記容器の半径方向にまっすぐのび、
    前記接続部と前記鉛直羽根部とが滑らかにつながる、
    請求項３に記載の懸濁体の製造装置。
  5. 前記第２羽根は、
    一対の前記接続部、前記鉛直羽根部、前記水平羽根部を、２組備え、
    各前記接続部、前記鉛直羽根部、前記水平羽根部が、前記取付部を中心に９０度ずらして配されている、
    請求項３又は４に記載の懸濁体の製造装置。
  6. 前記第２羽根は、前記水平羽根部が、前記鉛直羽根部に対し傾斜する傾斜面を有する、
    請求項１乃至５のいずれか１項に記載の懸濁体の製造装置。
  7. 前記第２羽根は、前記水平羽根部が中央部に開口を有する、
    請求項６に記載の懸濁体の製造装置。
  8. 前記第２羽根の前記水平羽根部は、前記容器内において、材料に上方への流れを生じさせるものである、
    請求項１乃至７のいずれか１項に記載の懸濁体の製造装置。
  9. 前記第１羽根は、前記容器の鉛直方向に対し傾斜する傾斜面を有する、
    請求項１乃至８のいずれか１項に記載の懸濁体の製造装置。
  10. 前記第１羽根は、前記容器内において、材料に上方または下方への流れを生じさせるものである、
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載の懸濁体の製造装置。
  11. 前記クリアランスが、２〜１００ｍｍである、
    請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の懸濁体の製造装置。
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