CN104937138A - 喷射用喷嘴、喷射加工装置、加工方法、电池材料的制造方法和二次电池 - Google Patents

喷射用喷嘴、喷射加工装置、加工方法、电池材料的制造方法和二次电池 Download PDF

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Abstract

喷射用喷嘴包括：喷射开口，喷射粒子和气体的混合流体；第一流路，沿第一方向延伸至喷射开口；分流区域，设置在第一流路的与喷射开口相反的一侧，并由沿与第一方向交叉的方向排列的多个分流路径构成；第二流路，以与第一方向成预定角度的第二方向使粒子在分流区域汇流；以及第三流路，使气体向第一流路喷射。

Description

喷射用喷嘴、喷射加工装置、加工方法、电池材料的制造方法和二次电池
技术领域
本发明涉及喷射用喷嘴、喷射加工装置、加工方法、电池材料的制造方法和二次电池。
背景技术
一直以来，公知一种粉粒体喷射喷嘴，为了使从窄缝状的宽度较大的喷射口喷出的粉粒体的分布在喷射口的长边方向上均匀化地进行喷射，在内部设置引导块而使内部的粉粒体分散(例如专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开11-333725号公报
发明内容
本发明的目的在于提供一种新结构的喷射喷嘴，能够在喷射口的长边方向上均匀喷射粉粒体。
根据本发明的第一方式，喷射用喷嘴包括：喷射开口，喷射粒子和气体的混合流体；第一流路，沿第一方向延伸至喷射开口；分流区域，设置在第一流路的与喷射开口相反的一侧，并由沿与第一方向交叉的方向排列的多个分流路径构成；第二流路，以与第一方向成预定角度的第二方向使粒子在分流区域汇流；第三流路，使气体向第一流路喷射。
根据本发明的第二方式，在第一方式的喷射用喷嘴中，还包括：粒子导入开口，导入粒子；以及气体导入开口，导入用于加速粒子的气体，第一流路由宽壁面和窄壁面构成，宽壁面是包含与第一方向正交的流路剖面的长边方向的壁面，窄壁面是包含与长边方向交叉的方向的壁面，第二流路使从粒子导入开口导入的粒子在分流区域汇流，第三流路使从气体导入开口导入的气体经由加速气体汇流口向第一流路喷射。
根据本发明的第三方式，在第二方式的喷射用喷嘴中，加速气体汇流口可以与第一方向交叉地排列有多个。
根据本发明的第四方式，在第二或第三方式的喷射用喷嘴中，加速气体汇流口可以设置在分流区域的附近。
根据本发明的第五方式，在第二～第四方式中的任一种方式的喷射用喷嘴中，加速气体汇流口可以分别与多个分流路径对应地设置。
根据本发明的第六方式，在第二～第五方式中的任一种方式的喷射用喷嘴中，可以使来自第二流路的粒子经由粒子汇流口在第一流路汇流，分流区域可以设置在粒子汇流口的附近。
根据本发明的第七方式，在第三～第六方式中的任一种方式的喷射用喷嘴中，多个分流路径可以在与第一方向正交的方向上呈直线状排列。
根据本发明的第八方式，在第二～第七方式中的任一种方式的喷射用喷嘴中，可以是，在分流区域，在与第一方向交叉的方向上具有宽度且从宽壁面突出设置的多个凸部件沿与第一方向交叉的方向排列，多个分流路径分别沿多个凸部件之间延伸。
根据本发明的第九方式，在第八方式的喷射用喷嘴中，从第二流路流入的粒子可以与多个凸部件碰撞而分流。
根据本发明的第十方式，在第二～第九方式中的任一种方式的喷射用喷嘴中，可以利用从加速气体汇流口导入的气体产生喷射效应，使粒子从第二流路被吸引到第一流路。
根据本发明的第十一方式，在第二～第十方式中的任一种方式的喷射用喷嘴中，可以是，粒子导入开口具有矩形形状，该矩形形状具有长边方向和短边方向，喷射开口的长边方向的长度具有粒子导入开口的短边方向的长度的预定倍数的长度。
根据本发明的第十二方式，在第二～第十一方式中的任一种方式的喷射用喷嘴中，预定角度可以比90°大。
根据本发明的第十三方式，喷射加工装置包括第二～第十二方式中的任一种方式的喷射用喷嘴；以及粒子供给部，经由粒子导入开口将粒子向喷射用喷嘴的第二流路供给。
根据本发明的第十四方式，一种加工方法包括：从第十三方式的喷射加工装置所具有的喷射开口喷射粒子和气体的混合流体；以及使粒子与和喷射开口相对配置的基材碰撞。
根据本发明的第十五方式，一种电池材料的制造方法包括：利用第十四方式的加工方法，使粒子与作为基材而设置的电极基材碰撞；以及在电极基材上形成电极材料的膜。
根据本发明的第十六方式，提供一种二次电池，其中，作为电极具有通过第十五方式的电池材料的制造方法制成的电极材料的膜。
根据本发明，提供一种新结构的喷射用喷嘴，能够使从相对于第一方向具有预定角度的第二方向流动的粒子在设置于第一流路内的分流区域分散，能够使粒子实质上均匀地扩散。
附图说明
图1的(a)是示意性示出本发明实施方式的喷射加工装置的结构的图，图1的(b)是构成喷射加工装置的喷射用喷嘴的外观立体图。
图2是示出第一实施方式的喷射用喷嘴在图1的A-A剖面的流路的图。
图3是示出第一实施方式的喷射用喷嘴在图1的B-B剖面的流路的图。
图4是示出第一实施方式的喷射用喷嘴的流路的立体图。
图5是示出实施例2中的从喷射口喷射的混合流体的流速的模拟结果的图。
图6是说明实施例2中的利用从喷射口喷射的固体微粒子而成膜的膜厚和成膜宽度的图。
图7是示出第二实施方式的喷射用喷嘴在图1的A-A剖面的流路的图。
图8是示出第二实施方式的喷射用喷嘴的流路的立体图。
图9是示出变形例的喷射用喷嘴在图1的A-A剖面的流路的图。
图10是示出变形例的喷射用喷嘴在图1的A-A剖面的流路的图。
图11是示出变形例的喷射用喷嘴的喷射开口的形状的图。
图12是实施例1的喷射用喷嘴的外观图和部件组装图。
图13是说明实施例1的喷射用喷嘴的流路的图。
图14是说明实施例1中的利用从喷射口喷射的固体微粒子而成膜的膜厚和成膜宽度的图。
图15是说明加工方法的流程图。
图16是说明电池材料的制造方法的流程图。
图17是将利用电池材料的制造方法制造的电极材料的膜作为电极的二次电池的概要结构图。
具体实施方式
本发明方式的喷射用喷嘴具有下述结构，即，使混合流体从倾斜的方向流入沿与预定的喷射方向交叉的方向排列设置的多个分流路径。根据所述结构，本发明的方式的喷射用喷嘴实现流路宽度的扩大和粒子的均匀分散。而且，本发明的方式的喷射用喷嘴还通过导入加速气体而使粒子在喷射路径内充分扩散，使粒子从喷射开口均匀地喷射。下文将详细说明。
第一实施方式
参照附图对本发明的第一实施方式的喷射加工装置进行说明。图1(a)是构成第一实施方式的喷射加工装置1的概略结构图。喷射加工装置1由容纳固体微粒子并向喷射用喷嘴供给固体微粒子的固体微粒子供给单元11以及能够装卸固体微粒子供给单元11的喷射用喷嘴10构成。作为固体微粒子，可以例举由金、银、铜、铝、锡、镍、钛等各种金属构成的固体微粒子、由Si-Cu类和Si-Sn类等各种合金乃至金属间化合物构成的固体微粒子、由氧化铝和氧化锆等的陶瓷、各种无机玻璃材料构成的固体微粒子、由聚乙烯等高分子化合物构成的固体微粒子等。而且，还可以例举利用机械合金化制粉法等将不同种类材料复合化后的复合微粒子、将不同种类材料涂覆在表面上的被覆微粒子等。
图1(b)是喷射用喷嘴10的外观立体图。在图1(b)中，为了便于理解，示出固体微粒子供给单元11与喷射用喷嘴10未连接的状态。在喷射用喷嘴10设置有气体导入开口101、微粒子导入开口120和喷射开口130。固体微粒子供给单元11在微粒子导入开口120与喷射用喷嘴10连接。
图2是图1的A-A线处的设置在喷射用喷嘴10内部的流路的剖视图，图3是图1(b)的喷射用喷嘴10在B-B线的剖视图。另外，为了便于说明，图2示意性示出从y轴-侧看到的流路的剖面。图4(a)、4(b)是图1所示的喷射用喷嘴10内部的流路的立体图，图4(b)是放大显示图4(a)的以单点划线围绕的范围R1的图。另外，为了便于说明，像图1～图4所示的那样设定由x轴、y轴和z轴表示的座标轴。
如图2～图4所示，在喷射用喷嘴10形成有固体微粒子的喷射用流路。喷射用喷嘴10的流路由第一流路100、第二流路200和第三流路300构成。第一流路100作为促进混合流体中的固体微粒子的扩散并使混合流体从喷射开口130喷射的喷射路径来发挥功能。另外，在本说明书中，为了便于说明，沿着喷射方向D1设定x轴。第二流路200作为微粒子供给路径来发挥功能。第三流路300作为用于导入加速用气体的气体导入路径来发挥功能。
在本实施方式的喷射加工装置1中，通过喷射用喷嘴10的流路形状所产生的作用、从气体导入开口101通过第三流路300进行供给的气体所产生的作用以及分流区域160所产生的作用，将从固体微粒子供给单元11经由微粒子导入开口120而供给的固体微粒子分散、扩散并且加速。固体微粒子和气体的混合流体从第一流路100末端的喷射开口130朝向例如电极基材等的被加工面喷射。
喷射用喷嘴10例如使用氧化铝、氮化硅等的陶瓷或者将碳化钨与钴混合并烧结而成的硬质合金等耐腐蚀性材料制成。气体导入开口101经由管等而与储气罐等气体供给源(未图示)连接，加速用气体以例如氦气(He)、氮气(N2)、氩气(Ar)、空气等各种气体(加速用气体)被调整到所希望压力并供给的方式构成。
第一流路100沿着喷射方向D1延伸到喷射开口130，与喷射方向D1正交的面上的流路剖面形成为在y轴方向的宽度宽且在z轴方向的宽度窄的扁平形状。在本说明书中，将y轴方向的宽度宽的壁面称作宽壁面，将z轴方向的宽度窄的壁面称作窄壁面。在图2～图4中，作为第一流路100在与x轴正交的面上的流路剖面的一例，示出了矩形形状，但并不仅限于矩形，作为扁平形状，可以采用长圆形、椭圆形等各种形状。第一流路100在与x轴正交的面上的剖面面积以从x轴-侧朝向喷射开口130连续增加的方式形成。在本实施方式中，如图2～4所示，第一流路100的流路剖面的y轴方向的长度在y轴+方向和-方向均等地连续增加，流路剖面的y轴方向的长度在喷射开口130成为最大。而且，第一流路100的流路剖面的z轴方向的长度从x轴-侧朝向喷射开口130连续减少，z轴方向的长度在喷射开口130成为最短。喷射开口130的y轴方向的长度和z轴方向的长度的比值，即喷射开口130的纵横尺寸比例如是0.001～0.1左右，也可以是0.005～0.05左右。纵横尺寸比为0.01±0.005的范围的情况是喷射开口130的典型例的一个。在第一流路100的与喷射开口130相反的一侧(上游侧)沿着与喷射方向D1交叉的方向设置有分流区域160。分流区域160的详细情况将在下文叙述。
在规定第一流路100的窄壁面，粒子汇流口140在x轴-侧开口。第二流路200沿着汇流方向D2延伸，从该粒子汇流口140朝向分流区域160向汇流方向D2供给固体微粒子。另外，喷射方向D1和汇流方向D2所成的角度θ构成为比90度大且比180度小。θ的优选范围是95度≤θ≤175度，更优选范围是100度≤θ≤135度。在规定第一流路100的宽壁面，在x轴方向上在粒子汇流口140和喷射开口130之间具有加速气体汇流口150，在该加速气体汇流口150连接有将在下文详述的第三流路300。在第一流路100的x轴方向上的粒子汇流口140和喷射开口130之间，沿着与喷射方向D1交叉的方向设置有分流区域160，该分流区域160具有将在下文详述的多个分流路径400。
另外，也可以是如下的结构：关于第一流路100在与喷射方向D1正交的平面上的流路剖面的剖面面积，代替随着接近喷射开口130而逐渐地连续增加的情况，而具有相同的剖面面积。而且，也可以是，代替第一流路100的流路剖面的y轴方向的长度即长边的长度在y轴的+侧和-侧都连续增加的情况，而仅在y轴的+侧或-侧连续增加。关于第一流路100在与喷射方向D1正交的平面上的流路剖面的剖面面积，也可以是，代替随着接近喷射开口130而连续增加的情况，而呈阶梯地增加。其中，在上述各种场合下，喷射开口130的长边方向的长度也构成得比微粒子导入开口120的短边方向的长度长，即构成得比1倍大。
第二流路200沿着汇流方向D2延伸。微粒子导入开口120是用于将固体微粒子从固体微粒子供给单元11导入到喷射用喷嘴10的连接部。微粒子导入开口120具有矩形形状。另外，虽然在图中示出微粒子导入开口120具有将z轴方向设为长边的矩形形状，但长边的方向并不限于该例。而且，微粒子导入开口120的形状并不限于矩形，可以采用长圆形、椭圆形等各种形状。固体微粒子供给单元11将预定量的固体微粒子与运载气体一起向喷射用喷嘴10供给。作为运载气体，可以使用与上述加速用气体相同的各种气体。
第二流路200在与汇流方向D2正交的面上的流路剖面是矩形形状，并以从微粒子导入开口120朝向粒子汇流口140而使剖面形状沿着汇流方向D2变化的方式形成。具体而言，第二流路200在与汇流方向D2正交的面上的流路剖面的形状形成为维持剖面面积相同且长边和短边的比例连续变化。即，以与汇流方向D2正交的面上的剖面在第二流路200的微粒子导入开口120侧具有将z轴方向设为长边的矩形形状并且该剖面在粒子汇流口140侧具有将z轴方向设为短边的矩形形状的方式，使得流路剖面的形状逐渐变化地形成。另外，第二流路200的流路剖面的形状并不限于矩形，可以采用长圆形、椭圆形等各种形状。而且，第二流路200在与汇流方向D2正交的面上的流路剖面的形状并不限于沿汇流方向D2变化，流路剖面的形状不变化的方式也包含在本发明的一个方式中。即使在流路剖面形状变化的情况下，也不限于维持剖面面积相同并且形状变化的方式，剖面面积连续变化、阶梯变化的方式也包含在本发明的一个方式中。进而，第二流路200不限于沿汇流方向D2延伸。无论自微粒子导入开口120起的路径是哪种方式，朝向分流区域160沿汇流方向D2供给固体微粒子的方式包含在本发明的一个方式中。
在第一流路100沿与喷射方向D1交叉的方向设置分流区域160。在图3中示出分流区域160与粒子汇流口140的喷射开口130侧的端部相接并沿与x轴正交的方向即y轴方向设置。另外，分流区域160并不限于设置成图3所示的例子中的方式，分流区域160也可以设置在粒子汇流口140附近，设置在粒子汇流口140和喷射开口130之间的方式中的任一种方式均包含在本发明中。
在分流区域160中，多个分流路径400沿着与喷射方向D1交叉的方向排列。在本实施方式中，在多个凸部123之间形成分流路径400。凸部123具有壁部123a、123b及将壁部123a和壁部123b连接的连接壁部123c。壁部123a、壁部123b和连接壁部123c以从第一流路100的一个宽壁面向z轴方向突出并抵达相对的另一个宽壁面的方式竖立设置。壁部123a、123b沿喷射方向D1延伸，连接壁部123c沿汇流方向D2延伸。如图3、图4所示，凸部123在与xy平面平行的剖面具有“コ”字形状(“U”字形状)。多个凸部123沿y轴方向每隔预定的间隔L1(参照图4(b))地进行排列。
另外，在彼此相邻的凸部123之间每隔预定间隔L1地进行排列的情况下，在沿y轴方向排列的多个凸部123中竖立设置在两端的各个凸部123与第一流路100的窄壁面之间的间隔L2(参照图3)优选以比上述间隔L1大的方式排列。凸部123彼此的间隔、凸部123与窄壁面之间的间隔、凸部123的配置数量等并不限于此，也能基于模拟和实验等的结果来适当地变更。
第三流路300是指从气体导入开口101至在加速气体汇流口150与第一流路100连接为止的流路。另外，虽然在图2中示出第三流路300和第一流路100所成的角度θ0实质上是90度的例，但本发明并不限于此。第三流路300能够根据喷射用喷嘴10的形状而以适合的角度与第一流路100汇流，虽然利用加速用气体对固体微粒子进行加速的效果在角度θ0越接近180度时越大，但考虑到设计上的制约等，设定成适当的大小即可。加速气体汇流口150在规定第一流路100的宽壁面沿x轴方向设置在粒子汇流口140与喷射开口130之间。图2～图4示出多个加速气体汇流口150与竖立设置在分流区域160的多个凸部123分别对应地设置的例子。具体而言，加速气体汇流口150设置在由凸部123的壁部123a、123b和连接壁部123c围绕的区域内。如图3和图4所示，由于连接壁部123c设置在凸部123的X轴-侧，因此从加速气体汇流口150供给的加速用气体朝向x轴+侧喷出。通过气体从加速气体汇流口150朝向x轴+侧喷出，在凸部123附近产生由喷射效应引起的负压。
另外，加速气体汇流口150并不限于图2～图4所示的例子。关于代替将加速气体汇流口150设置在分流区域160而将加速气体汇流口150设置在分流区域160附近的方式，作为一例，在粒子汇流口140和喷射开口130之间且在与喷射方向D1交叉的方向上排列的方式包含在本发明的一个方式中。而且，加速气体汇流口150并不限于配置在一个宽壁面，还配置在与一个宽壁面相对的另一个宽壁面这两个壁面的方式也包含在本发明的一个方式中。
在具有形成有上述这样的流路的喷射用喷嘴10的喷射加工装置1中，从固体微粒子供给单元11供给的固体微粒子和气体的混合流体经由微粒子导入开口120向第二流路200供给，并向汇流方向D2的方向流动，通过粒子汇流口140并抵达分流区域160。抵达分流区域160的固体微粒子和气体的混合流体的流动方向从汇流方向D2向喷射方向D1变更。
在分流区域160中，固体微粒子在混合流体内分散。具体而言，沿汇流方向D2行进的固体微粒子通过与设置在分流区域160的构成凸部123的壁部123a的区域W1(参照图3和图4)碰撞而分散。由于连接壁部123c沿着汇流方向D2延伸，因此抵达第一流路100的固体微粒子的一部分容易与凸部123的壁部123a的区域W1碰撞，其结果是，固体微粒子和气体的混合流体容易被分散。
如上所述，构成向z轴方向突出的凸部123的壁部123a和123b沿着喷射方向D1排列，形成沿着喷射方向D1延伸的分流路径400，因此分散的固体微粒子的行进方向大致与喷射方向D1一致。即，凸部123具有分散固体微粒子的功能和使固体微粒子的流动方向与喷射方向D1一致的功能。分散的固体微粒子和气体的混合流体通过凸部123的壁部123a和相邻的凸部123的壁部123b之间，即通过分流路径400，并沿第一流路100向喷射方向D1流动。
像上述这样在分流路径400被分散且流动方向被整合一致的固体微粒子和气体的混合流体主要通过来自加速气体汇流口150的气体的喷射效果所引起的负压而被吸引，向第一流路100的喷射方向D1(x轴+方向)加速。即，当从气体导入口101以预定压力将加速用气体向第三流路300供给时，加速用气体从设置在分流区域160的加速气体汇流口150朝向喷射方向D1(x轴+方向)喷出，从第二流路200吸引固体微粒子和气体的混合物并混合，沿第一流路100流动，从喷射开口130向电极基材喷射固体微粒子和气体的混合物。
从喷射开口130喷射的固体微粒子的速度主要通过加速用气体的种类和压力来设定。从喷射开口130喷射的混合流体中的固体微粒子，从喷射开口130向x轴方向与隔开0.5mm～5mm左右的距离配置的电极基材的被附着面碰撞并附着在该被附着面。通过在喷射固体微粒子的同时使喷射用喷嘴10和电极基材在xy平面内相对移动，在常温且常压下，在电极基材的表面上形成电极材料的膜。在电极基材的y轴方向的长度比喷射开口130的y轴方向的长度长的情况下，通过改变喷射开口130与电极基材在y轴方向的相对位置并使喷射用喷嘴10和电极基材在xy平面内相对移动，从而进行成膜加工。
参照图15所示的流程图，说明喷射加工装置1的加工方法。在步骤S1中，从喷射开口130向基材喷射固体微粒子和气体的混合流体，使固体微粒子与和喷射开口130相对配置的基材碰撞并结束处理。
通过使用具备上述说明的喷射用喷嘴10和固体微粒子供给单元11的喷射加工装置，利用PJD(Powder Jet Deposition：粉末喷射沉积)法在电极基材上形成电极材料膜，能够形成例如锂离子二次电池等电池用的负极材料。在此情况下，作为构成集电体的材料，在电极基材上使用例如铜(Cu)、导电性树脂等导电性基材。
参照图16所示的流程图，说明电池材料的制作方法。在步骤S10中，使用上述电极基材作为基材，利用与图15的流程图中的步骤S1的处理相同的处理使固体微粒子与电极基材碰撞，形成电极材料膜并结束处理。
通过将该电极材料冲压成与电池的形态(例如圆筒形状、方形、壳型、层叠型等)匹配的形状尺寸来形成负极。图17示出具有利用上述方法形成电极材料膜的电池材料的二次电池的一例。使公知的正极501与上述负极502隔着隔板503相对，并与公知的电解液(非水电解质)一起封入到公知的溶剂中，从而构成锂离子二次电池500，所述公知的正极501通过将钴酸锂等锂过渡金属氧化物作为正极活性物质而附着在铝箔上来形成。另外，公知的溶剂是碳酸丙烯酯、碳酸乙烯脂等，公知的电解液是LiClO4、LiPF6等。其结果是，能够获得高电容量和能够长期保持稳定的锂离子二次电池。另外，也可以是，代替形成锂离子二次电池的负极材料，而使用喷射加工装置1来形成正极材料。在此情况下，作为电极基材，使用例如铝、导电性树脂等导电性基材。
〔实施例1〕
参照图12～图14，针对第一实施方式的喷射用喷嘴10，在下文示出各部分的尺寸的一例。另外，图12是实施例1的喷射用喷嘴10的外观图，图12(a)是外观立体图，图12(b)是从z轴+侧观察图12(a)的部件装配图，图12(c)是从x轴+侧观察图12(b)的部件装配图，图12(d)是从y轴-侧观察图12(b)的部件装配图。图13是说明喷射用喷嘴10的流路的图，图13(a)是示出图12(c)的A-A剖面的流路的剖视图，图13(b)是放大示出图13(a)的以虚线所示的区域R2的剖视图，图13(c)是示出图13(a)的B-B剖面的流路的俯视图，图13(d)是放大示出图13(c)的以虚线所示的区域R3的剖视图。另外，图13(e)放大示出喷射用喷嘴10的分流区域160附近的立体图。
喷射开口130的长边(y轴方向)的长度：60mm
喷射开口130的短边(z轴方向)的长度：0.6mm
凸部123的x轴方向的长度：2.5mm
相邻的凸部123的y轴方向的间隔L1：0.6mm
第三流路300的长边的长度：1.3mm
第三流路300的短边(y轴方向)的长度：0.8mm
第一流路的x轴方向的长度(从凸部123的前端至喷射开口130)：37mm
D1和D2所成的角度θ：115度
另外，在实施例1中，气体导入开口101由第一导入开口101a和第二导入开口101b构成，来自第一导入开口101a和第二导入开口101b的加速用气体汇流并向第三流路300供给。而且，第一流路100在与喷射方向D1正交平面上的流路剖面无论x轴方向位置如何，均具有相同的剖面面积。
图14示出固体微粒子从喷射开口130喷射到电极基材(铜箔)而形成的膜的膜厚的测定值与y轴方向的关系，纵轴示出所形成的膜的膜厚。此时的成膜条件如下所述。
固体微粒子：Cu-Si复合粒子
固体微粒子的平均粒径：10〔μm〕
第一流路前端的速度：280〔m/sec〕
第一流路内的压力：0.3〔MPa〕
气体导入开口中的加速用气体的压力：0.5〔MPa〕
基材的温度：150〔℃〕
加速用气体的供给量：320〔l/min〕
喷射用喷嘴10与电极基材的相对移动速度：1〔mm/sec〕
另外，上述加速用气体的供给量是从第一导入开口101a和第二导入开口101b导入的总量。
如图14所示，从喷射开口130喷射的固体微粒子在沿着电极基材的y轴方向的较宽的范围内形成实质上相同的膜厚。因此，通过像实施例1所示的那样设定喷射用喷嘴10的流路，固体微粒子沿着y轴方向实质上均匀地扩散并从喷射开口130喷射。
根据上述第一实施方式的喷射加工装置1，能够获得下述作用效果。
(1)第一流路100沿着喷射方向D1延伸至喷射开口130，第二流路200在设置于第一流路100的窄壁面的粒子汇流口140处沿与喷射方向D1成预定角度θ的汇流方向D2汇流，使从微粒子导入开口120导入的固体微粒子流动到第一流路100。第三流路300使从气体导入开口101导入的加速用气体向第一流路100喷射并对固定微粒子进行加速。第一流路100具有设置在喷射开口130的相反侧且由与喷射方向D1交叉排列的多个分流路径400构成的分流区域160。通过具有上述结构，在自第二流路200起的固体微粒子的流动方向从汇流方向D2向喷射方向D1变化时，利用分流区域160，能够使固体微粒子在混合流体内分散，在第一流路100内部，固体微粒子在混合流体内实质上均匀地扩散，并从喷射开口130喷射。其结果是，能够使由附着在电极基材等上的固体微粒子形成的成膜层的膜厚沿着喷射开口130的延伸方向(y轴方向)实质上均匀地形成。因此，由于能够在沿着y轴方向的较宽的范围内获得所希望的膜厚，因此能够提高生产效率。而且，利用上述结构，能够使固体微粒子被扩散并且使从喷射开口130喷射的固体微粒子的速度均匀化，能够防止在喷射速度快的区域中固体微粒子与已形成的成膜层碰撞而将成膜层刮掉。
(2)加速气体汇流口150与喷射方向D1交叉地排列有多个。其结果是，能够沿着与喷射方向D1交叉的方向使固体微粒子和气体的混合流体的流速实质上均匀。
(3)加速气体汇流口150设置在分流区域160的附近。其结果是，能够使在分流区域160分散的固体微粒子向x轴+方向加速。
(4)加速气体汇流口150分别与多个分流路径400对应地设置。因此，向x轴+方向吸引沿分流路径400流动的固体微粒子并使其加速，能够获得成膜处理所需的流速。
(5)分流区域160设置在粒子汇流口140的附近。其结果是，能够促进从第二流路200流入的固体微粒子在混合流体内的扩散。
(6)在多个分流路径400沿与喷射方向D1正交的方向呈直线状排列的情况下，有助于沿着y轴方向使固体微粒子和气体的混合流体的流速更均匀。
(7)多个凸部123沿着与喷射方向D1交叉的方向即y轴方向排列，多个分流路径400在多个凸部123之间沿着喷射方向D1延伸。因此，能使从微粒子导入开口120供给的固体微粒子分散，并且能够使固体微粒子的行进方向向x轴+侧整流。
(8)多个凸部123通过与从第二流路200流入的固体微粒子碰撞，使固体微粒子分散。其结果是，能够在第一流路100内使固体微粒子在混合流体内实质上均匀扩散，并从喷射开口130喷射。
(9)加速气体汇流口150分别与各个凸部123对应地设置。即，加速气体汇流口150设置在由各个凸部123的壁部123a、123b和连接壁部123c围绕的区域内。其结果是，加速气体汇流口150的附近产生由加速用气体引起的喷射效应，固体微粒子向第一流路100的x轴+方向被吸引，因此能够使与凸部123碰撞并分散的固体微粒子向x轴方向加速。
(10)微粒子导入开口120具有矩形形状，该矩形形状具备长边方向和短边方向，喷射开口130的长边方向(y轴方向)的长度比微粒子导入开口120的短边方向的长度长，即比1倍大。其结果是，能够将利用固体微粒子的喷射而在电极基材等上以实质上均匀的厚度成膜的范围确保得较宽。
(11)喷射加工装置1包括：喷射用喷嘴10；以及固体微粒子导入单元11，经由微粒子导入开口120向形成于喷射用喷嘴10的第二流路200导入固体微粒子。因此，能够使均匀扩散的固体微粒子从扁平的喷射开口130喷射，因此在每次喷射时，能够对较宽的面积进行处理，能够提高制品的生产效率。
(12)在喷射加工方法中，从喷射加工装置1所具有的喷射开口130喷射固体微粒子和气体的混合流体，使固体微粒子与和喷射开口130相对配置的基材碰撞，使固体微粒子附着在基材的被加工面上。因此，由于能够在较宽的面积上形成实质上均匀的膜厚，因此能够以较高的生产效率制作高质量的制品。
以上述方式说明的第一实施方式的喷射加工装置1能够如下所述地进行变形。
加速气体汇流口150并不限于被设置在由各个凸部123的壁部123a、123b和连接壁部123c围绕的区域内。只要固体微粒子能够在喷射开口130获得所需的流速，则也可以在各个凸部123的附近设置加速气体汇流口150，或者，也可以是，针对预定数量的凸部123，在1个适当的凸部123的附近设置加速气体汇流口150。也可以在至少一个或数个凸部123附近设置加速气体汇流口150。
第二实施方式
参照附图，对本发明第二实施方式的喷射加工装置进行说明。在下文说明中，对与第一实施方式相同的构成要素赋予相同的标号，主要说明与第一实施方式的不同点。对于未特别说明的点，与第一实施方式相同。在本实施方式中，第一流路在z轴方向具有台阶差地形成，这一点与第一实施方式不同。
图7是示出第二实施方式的喷射加工装置1的喷射用喷嘴10的流路的剖视图，是图1的B-B线剖面。图8是喷射用喷嘴10内部的流路立体图。另外，为了便于说明，图7示意性示出从y轴-侧观察的流路的剖面。而且，在图7、图8中，也像图示那样设定由x轴、y轴和z轴表示的座标轴。
如图7、图8所示，在第二实施方式的喷射用喷嘴10中，第一流路101在z轴方向具有台阶差。第一流路110的粒子汇流口140设置成比喷射开口130靠z轴+侧。在第一流路110，在比分流区域160靠x轴+侧形成有倾斜区域161。倾斜区域161是指从图8所示的端部161a至161b为止的区域。在倾斜区域161内，以在从端部161a至161b之间越向x轴+侧靠近则越向z轴-侧靠近的方式倾斜。
在第一流路110中，在倾斜区域161的端部161b附近，在宽壁面沿与喷射方向D1交叉的方向设置有加速气体汇流口151。如图7、图8所示，第三流路310从x轴-侧与第一流路110连接。另外，虽然图7和图8示出了从第一流路110的倾斜区域161的端部161b至喷射开口130为止的范围和第三流路310在z轴方向上设置在同一平面的例子，但并不限于该例，在z轴方向具有台阶差并汇流的方式也包含在本发明的一方式中。
如上所述，由于加速气体汇流口151被设置在倾斜区域161，因此在第二实施方式中，在竖立设置在分流区域160的凸部123附近不设置加速气体汇流口150。例如氦气(He)、氮气(N2)、氩气(Ar)、空气等各种气体(加速用气体)从经由管等而连接的气体供给源(未图示)向第一流路110的x轴-侧的端部供给。
如上所述，来自第三流路310的加速用气体通过被设置在宽壁面的加速气体汇流口151导入第一流路110，向x轴+方向流动。因此，从固体微粒子供给单元11供给的沿第二流路200流动的固体微粒子和气体的混合流体在倾斜区域161附近，利用加速用气体的气体喷射效应所产生的负压而向第一流路110被吸引。被吸引到第一流路110的混合流体如在第一实施方式中说明地，沿第一流路110向x轴+方向流动，并从喷射开口130向电极基材喷射固体微粒子和气体的混合流体。
根据上述第二实施方式的喷射加工装置1，能够获得与第一实施方式的喷射加工装置1所获得的作用效果相同的作用效果。特别是，在本实施方式中，第一流路110通过具有倾斜区域161而在z轴方向具有台阶差地形成。其结果是，能够在倾斜区域161附近产生负压，从而能够利用喷射效应将沿第二流路200流动的固体微粒子和气体的混合流体向第一流路101的x轴+方向吸引。
〔实施例2〕
针对第二实施方式的喷射用喷嘴10，下文示出各部分的尺寸的一例。
微粒子导入开口120的长边(z轴方向)的长度：6.8mm
微粒子导入开口120的短边的长度：1mm
喷射开口130的长边(y轴方向)的长度：60mm
喷射开口130的短边(z轴方向)的长度：0.7mm
加速气体汇流口151的长边(y轴方向)的长度：22mm
分流路径400的y轴方向的宽度：1.0mm
分流路径400的x轴方向的宽度：2.1mm
第一流路的x轴方向的长度(从凸部123的前端至喷射开口130为止)：86mm
D1和D2所成的角度θ：112度
分流区域160中的在x轴-侧的端部与x轴正交的平面上的流路剖面的长边(y轴方向)被设为22mm，短边(z轴方向)被设为0.5mm。
在图5中，示出针对上述实施例2的喷射用喷嘴10的模拟结果。模拟条件如下所述。
(1)第一流路110内气体：压缩性、紊流场
(2)第一流路110前端的速度：100〔m/sec〕～360〔m/sec〕
(3)第一流路110内的压力：0.1〔MPa〕～1.0〔MPa〕
(4)固体微粒子：Cu-Si复合粒子
(5)固体微粒子的平均粒径：10〔μm〕
(6)气体种类：氮气(N2)
(7)使用公式：纳维尔-斯托克斯方程、紊流模型(标准k-ε模型和壁面函数)、粒子运动方程式(拉格朗日函数)、各粒子间阻力(与坎宁安(カニングハム)相关的斯托克斯阻力)。
另外，利用压缩膨胀等作用，在喷射开口130的附近(即第二流路200的最下游)，固体微粒子的速度也可以超过上述360m/sec。
图5示出从喷射开口130喷射的混合流体的流速与y轴方向的位置的关系，纵轴表示混合流体的流速。如图5所示，在喷射开口130的沿着y轴方向的较宽的范围内，流速大致恒定。
图6示出固体微粒子实际从喷射开口130喷射到电极基材(铜箔)上而形成的膜的膜厚测定值与y轴方向的位置的关系，纵轴表示所形成的膜的膜厚，此时的成膜条件如下所述。
固体微粒子：Cu-Si复合粒子
固体微粒子的平均粒径：10〔μm〕
第一流路前端的速度：150〔m/sec〕
第一流路内的压力：0.3〔MPa〕
基材的温度：150〔℃〕
如图6所示，沿着y轴方向的膜厚分布与图5所示的喷射开口130的混合流体的流速的模拟结果对应。即，从喷射开口130喷射的固体微粒子在电极基材的沿着y轴方向的较宽范围内形成实质相同的膜厚。
通过像上述实施例2所示的那样设定喷射用喷嘴10的流路，能够促进固体微粒子的扩散。在实施例的情况下，第二流路200在与第一流路110连接的粒子汇流口140处，与汇流方向D2正交的平面上的流路剖面的短边的长度比在微粒子导入开口120的z轴方向的长度短。其结果是，固体微粒子的z轴方向上的运动的自由度减少，与此相反，在流路剖面中与z轴正交的方向上的运动的自由度增加。其结果是，能够使沿第一流路110流动的固体微粒子容易向喷射方向D1扩散。进而，通过像实施例所示的那样设定喷射用喷嘴10的流路，在第一流路110内，固体微粒子在y轴方向上实质上均匀地扩散。
以上述方式说明的第二实施方式的喷射加工装置1能够如下所述地进行变形。
(1)倾斜区域161的端部161b附近的剖面形状可以采用图9所示的各种形状。在此情况下，根据固体微粒子的材质等，能够利用模拟和实验等来改变形状，使得将混合流体向x轴+方向吸引的效果提高。另外，图9(a)是图1的A-A剖视图，图9(b)～(k)是放大示出倾斜连接流路311的附近的图。
(2)也可以是如下结构：关于第一流路110在与喷射方向D1正交的平面上的流路剖面的剖面面积，代替随着接近喷射开口130而逐渐地连续增加的情况，而具有相同的剖面面积。而且，关于第一流路110的流路剖面的y轴方向的长度即长边的长度，也可以是，代替在y轴的+侧和-侧连续增加的情况，而仅在y轴的+侧或-侧连续增加。关于第一流路110在与喷射方向D1正交的平面上的流路剖面的剖面面积，也可以是，代替随着接近喷射开口130而连续增加的情况，而阶段性地增加。其中，在上述的各种情况下，喷射开口130的长边方向的长度也构成为比微粒子导入开口120的短边方向的长度长，即比1倍大。
如下这样的变形也在本发明的范围内，还可以将变形例中的一种或多种与上述第一和/或第二实施方式组合。
(1)凸部123的壁部123a、123b并不限于沿着喷射方向D1设置。只要能够向喷射方向D1引导分散的固体微粒子，则例如也可以是弯曲的形状。凸部123也可以不是コ字形或U字形而是实心的结构。
(2)如图10所示，也可以在第一流路100的分流区域160附近设置多个加速气体的导入口。在图10中，示出了在第一流路100的分流区域160附近的上侧宽壁面(z轴+侧)和下侧宽壁面(z轴-侧)这两个部位均设置加速气体的导入口的例子。在此情况下，加速气体在第一流路100的分流区域160附近自上侧宽壁面和下侧宽壁面相互碰撞而汇流。由此，固体微粒子的分散能够良好地进行。
(3)喷射开口130的形状并不限于矩形形状。例如，如图11所示，也可以是，以喷射开口130的剖面成为“H”型的方式，将y轴方向的两端部的z轴方向的长度形成得比中央部的z轴方向的长度长。其结果是，能够抑制在喷射开口130的两端部的边界区域等引起的混合流体的流速下降，并能扩大在电极基材等上形成的实质上均匀的膜厚的范围。另外，也可以是增大喷射开口130的两端部中至少一个端部的z轴方向上的长度的形状。进而，喷射开口130的两端部的形状并不限于图11所示的矩形形状。
(4)代替使用喷射加工装置1通过PJD(Powder Jet Deposition：粉末喷射沉积)法形成电极材料膜的方式，也可以使用冷喷涂(coldspay)法、气溶胶沉积法、喷镀等各种方法。
(5)并不限于从喷射加工装置1向电极基材喷射固体微粒子来形成电极材料的膜，也可以是，通过喷射到基材的被加工面上的固体微粒子来形成各种覆膜。例如，也可以利用喷射到基材的被加工面上的固体微粒子来形成电配线层。进而，喷射加工装置1也可以是利用喷射到基材的被加工面上的固体微粒子来进行去除加工的去除加工装置。喷射加工装置1除了喷射用喷嘴10和固体微粒子供给单元11之外，还可以具备基材的供给机构和温度调整机构、固体微粒子的回收机构等。
(6)电极材料也可以是一次电池用的公知的电极材料。
(7)喷射用喷嘴10的各部分的尺寸、材料并不限于实施方式。各部分的尺寸、材料设定为，根据固体微粒子的材质、粒径，使从喷射开口130喷射的附着在电极基材等上的固体微粒子所形成的成膜层的膜厚沿着喷射开口130的延伸方向(y轴方向)实质上均匀即可。
在不破坏本发明的特征的情况下，本发明并不限于上述实施方式、变形例，在本发明的技术思想的范围内所考虑到的其他方式也包含在本发明的范围内。
下述优先权基础申请的公开内容作为引文而在此组合。
日本专利申请2013年第006576号(2013年1月17日申请)
日本专利申请2013年第155603号(2013年7月26日申请)
标号说明
1喷射加工装置  10喷射用喷嘴  11固体微粒子供给单元
100、110第一流路  101气体导入开口  120微粒子导入开口
123凸部  130喷射开口  140粒子汇流口
150、151加速气体汇流口  160分流区域  161倾斜区域
200第二流路  300、310第三流路  400分流路径

Claims (16)

1.一种喷射用喷嘴，包括：
喷射开口，喷射粒子和气体的混合流体；
第一流路，沿第一方向延伸至所述喷射开口；
分流区域，设置在所述第一流路的与所述喷射开口相反的一侧，并由沿与所述第一方向交叉的方向排列的多个分流路径构成；
第二流路，以与所述第一方向成预定角度的第二方向使所述粒子在所述分流区域汇流；以及
第三流路，使所述气体向所述第一流路喷射。
2.根据权利要求1所述的喷射用喷嘴，其中，
还包括：粒子导入开口，导入所述粒子；以及
气体导入开口，导入用于加速所述粒子的所述气体，
所述第一流路由宽壁面和窄壁面构成，所述宽壁面是包含与所述第一方向正交的流路剖面的长边方向的壁面，所述窄壁面是包含与所述长边方向交叉的方向的壁面，
所述第二流路使从所述粒子导入开口导入的所述粒子在所述分流区域汇流，
所述第三流路使从所述气体导入开口导入的所述气体经由加速气体汇流口向所述第一流路喷射。
3.根据权利要求2所述的喷射用喷嘴，其中，
所述加速气体汇流口与所述第一方向交叉地排列有多个。
4.根据权利要求2或3所述的喷射用喷嘴，其中，
所述加速气体汇流口设置在所述分流区域的附近。
5.根据权利要求2～4中的任一项所述的喷射用喷嘴，其中，
所述加速气体汇流口分别与所述多个分流路径对应地设置。
6.根据权利要求2～5中的任一项所述的喷射用喷嘴，其中，
来自所述第二流路的所述粒子经由粒子汇流口在所述第一流路汇流，
所述分流区域设置在所述粒子汇流口的附近。
7.根据权利要求3～6中的任一项所述的喷射用喷嘴，其中，
所述多个分流路径在与所述第一方向正交的方向上呈直线状排列。
8.根据权利要求2～7中的任一项所述的喷射用喷嘴，其中，
在所述分流区域，在与所述第一方向交叉的方向上具有宽度且从所述宽壁面突出设置的多个凸部件沿与所述第一方向交叉的方向排列，
所述多个分流路径分别沿所述多个凸部件之间延伸。
9.根据权利要求8所述的喷射用喷嘴，其中，
从所述第二流路流入的所述粒子与所述多个凸部件碰撞而分流。
10.根据权利要求2～9中的任一项所述的喷射用喷嘴，其中，
利用从所述加速气体汇流口导入的所述气体产生喷射效应，使所述粒子从所述第二流路被吸引到所述第一流路。
11.根据权利要求2～10中的任一项所述的喷射用喷嘴，其中，
所述粒子导入开口具有矩形形状，该矩形形状具有长边方向和短边方向，所述喷射开口的所述长边方向的长度具有所述粒子导入开口的所述短边方向的长度的预定倍数的长度。
12.根据权利要求2～11中的任一项所述的喷射用喷嘴，其中，
所述预定角度比90°大。
13.一种喷射加工装置，包括：
权利要求2～12中的任一项所述的喷射用喷嘴；以及
粒子供给部，经由所述粒子导入开口将所述粒子向所述喷射用喷嘴的所述第二流路供给。
14.一种加工方法，包括：
从权利要求13所述的喷射加工装置所具有的所述喷射开口喷射所述粒子和所述气体的所述混合流体；以及
使所述粒子与和所述喷射开口相对配置的基材碰撞。
15.一种电池材料的制造方法，包括：
利用权利要求14所述的加工方法，使所述粒子与作为基材而设置的电极基材碰撞；以及
在所述电极基材上形成电极材料的膜。
16.一种二次电池，其中，作为电极具有通过权利要求15所述的电池材料的制造方法制成的所述电极材料的膜。
CN201480005250.2A 2013-01-17 2014-01-16 喷射用喷嘴、喷射加工装置、加工方法、电池材料的制造方法和二次电池 Pending CN104937138A (zh)

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