JP2016076371A - 混練装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】容器の内面への混練対象物の付着を抑制できるとともに容器の熱伝導性の低下を抑制できる混練装置を提供することを課題とする。【解決手段】活物質、バインダ、導電助剤、溶剤を少なくとも含む混練対象物を混練し、電極ペーストを生成する混練装置１であって、容器２と、容器２内の混練対象物を混練する混練部３とを備え、容器２の側壁部２ｂの内面２ｅの上部（例えば、容器２内の電極ペーストＰの液面Ｓから上側の部分）に、固体潤滑性を有するコーティング層２ｇが設けられている。【選択図】図１
Description
本発明は、混練装置に関する。
リチウムイオン二次電池等の電極は、金属箔に電極ペーストが塗工され、活物質層が形成されている。電極ペーストには、活物質、バインダ、導電助剤、溶剤等が含まれている。混練装置では、容器内でこれらの物質からなる混練対象物を混練する。混練中に混練対象物がせり上がり、容器の内面等に混練対象物が付着する場合がある。このような付着を抑制するために、例えば、特許文献１には、容器の内面等に樹脂をコーティングすることが開示されている。
混練中に容器の内部の温度が上昇し、溶剤が気化する場合がある。しかし、容器の内面全体に樹脂等をコーティングすると、容器の熱伝導性が低下する。そのため、容器の放熱性が低下したり、容器の外部から冷却している場合には冷却性が低下する。
そこで、本技術分野においては、容器の内面への混練対象物の付着を抑制できるとともに容器の熱伝導性の低下を抑制できる混練装置が要請されている。
本発明の一側面に係る混練装置は、活物質、バインダ、導電助剤、溶剤を少なくとも含む混練対象物を混練し、電極ペーストを生成する混練装置であって、容器と、容器内の混練対象物を混練する混練部とを備え、容器の側壁部の内面の上部に、固体潤滑性を有するコーティング層が設けられている。
この混練装置では、混練中に混練対象物がせり上がってきた場合でも、容器の側壁部の内面の上部のコーティング層には混練対象物が付着し難く、容器の内面への混練対象物の付着を抑制できる。また、混練装置では、容器の側壁部の下部及び容器の底部にはコーティング層が設けられていないので、容器の熱伝導性の低下を抑制できる。
一実施形態の混練装置では、容器の外部から容器の内部の温度を調整する温度調整部を備える。混練装置では、容器の熱伝導性の低下が抑制されているので、温度調整部による温度調整を効率良くできる。
一実施形態の混練装置では、上部は、容器内に規定量の電極ペーストが入っている場合の電極ペーストの液面から上側の部分である。これにより、液面から上方にせり上がった混練対象物が容器の内面に付着するのを抑制できる。
一実施形態の混練装置では、コーティング層は、フッ素樹脂からなるコーティング層である。低摩擦性のフッ素樹脂を用いることにより、コーティング層の固体潤滑性が高い。
本発明によれば、容器の内面への混練対象物の付着を抑制できるとともに容器の熱伝導性の低下を抑制できる。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る混練装置を説明する。一実施形態に係る混練装置は、電池の電極の製造で使われる電極ペーストを生成する混練装置である。なお、電極は、例えば、二次電池、電気二重層キャパシタ等の蓄電装置に用いられる。二次電池としては、例えば、リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池である。また、電極は、一次電池に用いられてもよい。本実施形態では、リチウムイオン二次電池に用いられる電極とする。
電極は、金属箔の表裏面の少なくとも一面に電極ペーストが塗工されて、活物質層が形成されている。電極は、金属箔の端部に活物質層が形成されていないタブを有している。金属箔は、例えば、正極の場合にはアルミニウム箔であり、負極の場合には銅箔、ニッケル箔である。
電極ペーストは、所定の粘度を有するスラリ状であり、活物質、バインダ、導電助剤、溶剤を含んでいる。活物質、バインダ、導電助剤は、固形物（紛体等）である。溶剤は、液体である。活物質は、正極活物質又は負極活物質である。正極活物質は、例えば、複合酸化物、硫黄系材料である。複合酸化物は、マンガン、ニッケル、コバルト及びアルミニウムの少なくとも１つとリチウムとを含む。負極活物質は、例えば、黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、ソフトカーボン等のカーボン、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属、金属化合物、ＳｉＯｘ（０．５≦ｘ≦１．５）等の金属酸化物、ホウ素添加炭素である。バインダは、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド等のイミド系樹脂、アルコキシシリノレ基含有樹脂である。導電助剤は、例えば、カーボンブラック、黒鉛、アセチレンブラック、ケッチェンブラック（登録商標）である。溶剤は、例えば、ＮＭＰ（Ｎ−メチルピロリドン）、メタノール、メチルイソブチルケトン等の有機溶剤、水である。また、電極ペーストは、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）等の増粘剤を含んでいてもよい。
なお、混練装置では、設計時に、適切に混練・生成出来る混練物（本実施形態では電極ペースト）の量（容積）について、その範囲を定めている。混練対象物が付着する容器内の側壁面が最も広くなるのは、電極ペーストの量がこの範囲の下限値にあるときである。すなわち、電極ペーストの量が下限値のときの液面を基準に、混練対象物の付着を防止する対策を行わないと、混練中に付着物が落下する虞があり、この下限値が付着防止の基準となる規定値となる。
図１を参照して、一実施形態に係る混練装置１について説明する。図１は、混練装置１を模式的に示す正断面図である。
混練装置１は、少なくとも活物質、バインダ、導電助剤、溶剤を混練し、電極ペーストを生成する。この混練には２つの工程があり、最初に固練り工程を実施し、次に希釈工程を実施する。固練り工程は、溶剤の量を規定量よりも減らして、固形成分が高い状態で混練する工程である。希釈工程は、溶剤の量を規定量まで増やして混練する工程である。混練装置１で混練される活物質、バインダ、導電助剤、溶剤等からなる混練の対象物を混練対象物と呼び、混練装置１で最終的に生成されたものを電極ペーストと呼ぶ。なお、固練り工程と希釈工程の２つの工程に分けないで、最初から規定量の溶剤で混練する場合にも適用できる。
混練装置１は、容器２、混練部３、温度調整部４、制御部５を備えている。混練装置１は、下ハウジング６と上ハウジング７を備えており、このハウジング６，７内に容器２と混練部３が設けられている。
容器２は、電極ペーストの混練用の容器である。容器２は、底部２ａと、底部２ａの周縁に沿って設けられた側壁部２ｂとを有する。容器２は、適宜の形状としてよく、例えば、円筒型容器である。容器２は、規定量の電極ペーストを十分に収容できる容積を有している。容器２は、金属製であり、例えば、ステンレス鋼製である。容器２には、混練前に、活物質、バインダ、導電助剤、溶剤等が投入される。
容器２の側壁部２ｂの上端には、フランジ２ｃが設けられている。このフランジ２ｃが下ハウジング６の上端に掛かっており、容器２は下ハウジング６内に浮いた状態で収容されている。フランジ２ｃと下ハウジング６の上端とは、接合されている。容器２の下端近傍には下ハウジング６との間に複数の支持部材２ｄが設けられ、容器２が複数の支持部材２ｄによって支持されている。容器２と下ハウジング６との間には、空間８が形成されている。上ハウジング７は、フランジ２ｃの上側に配置されている。
混練部３は、容器２に入れられている混練対象物を混練する。混練部３は、攪拌羽根３０と回転駆動機３１を有している。攪拌羽根３０は、容器２内に配置される。攪拌羽根３０は、公転かつ自転することによって混練対象物に含まれる複数の物質を攪拌する部材である。攪拌羽根３０は、金属製であり、例えば、ステンレス鋼製である。回転駆動機３１は、攪拌羽根３０の上側に配置される。回転駆動機３１の下端部には、攪拌羽根３０が取り付けられている。回転駆動機３１は、遊星歯車機構、モータ等を備えている。回転駆動機３１では、モータによって遊星歯車機構の太陽歯車及び遊星歯車を回転させることにより、攪拌羽根３０を公転かつ自転させる。回転駆動機３１は、制御部５に接続されており、制御部５によって制御される。回転駆動機３１は、上ハウジング７に収容されている。なお、図１では１個の攪拌羽根３０を示しているが、攪拌羽根３０は複数個でもよい。
混練部３による混練中、混練対象物が液面よりも上方にせり上がる。容器２の表面が金属のままだと、このせり上がった混練対象物は容器２の側壁部２ｂの内面２ｅに付着してしまう。特に、固練り工程で高固形成分の混練対象物を混練している場合、粘度が高いので、せり上がり易い。また、攪拌羽根３０の表面が金属のままだと、混練対象物が攪拌羽根３０の表面に付着してしまう。容器２の内面２ｅ等に混練対象物が付着した場合には付着物の掻き落し作業を実施することが好ましい。この掻き落し作業を行わないと、混練中にその付着物が混練対象物に混入し、ダマ等となって電極ペーストの品質不良につながるおそれがある。そこで、混練装置１では、このような付着を抑制するために、容器２の側壁部２ｂの内面２ｅ及び攪拌羽根３０の表面にコーティング層が設けられている。このコーティング層については、後で説明する。
また、混練部３による混練中、混練対象物の温度が上昇し、容器２の内部の温度が上昇する。特に、固練り工程では高固形成分の混練対象物を混練するので、温度が上昇し易い。温度が所定温度以上高くなると、混練対象物に含まれる溶剤が気化してしまう。溶剤が気化すると、生成された電極ペーストに含まれる溶剤の量が規定量よりも少なくなる。そこで、混練装置１では、混練中の温度上昇を抑えるために、温度調整部４によって容器２の内部を冷却する。この冷却により、例えば、容器２の内部の温度（混練対象物の温度）を常温程度まで低下させることが望ましく、少なくとも溶剤が気化しない温度まで低下させる。
温度調整部４は、容器２の外部から容器２の内部を冷却し、容器２の内部の温度を調整する。温度調整部４は、容器２と下ハウジング６との間の空間８を冷却水流路４０として利用する。この空間８をそのまま利用してもよいし、あるいは、冷却水を効率良く循環させるために空間８内に循環経路を形成してもよい。温度調整部４は、冷却水循環機４１を有している。冷却水循環機４１と冷却水流路４０との間には、２本の配管４１ａ，４１ｂが設けられている。配管４１ａは、冷却水循環機４１から冷却水流路４０に冷却水を供給するための配管である。配管４１ｂは、冷却水流路４０から冷却水循環機４１に冷却水を戻すための配管である。冷却水循環機４１は、循環ポンプ、冷却器等を備えている。冷却水循環機４１では、冷却水流路４０から戻ってきた冷却水を冷却器で冷やし、冷やした冷却水を循環ポンプで冷却水流路４０に送り込む。冷却水循環機４１は、冷却水の温度を所望の温度に調整可能である。冷却水循環機４１は、制御部５に接続されており、制御部５によって制御される。なお、冷却水循環機４１は、必ずしも制御部５によって制御されなくてもよい。
制御部５は、混練装置１を制御する電子制御部であり、ＣＰＵ[Central Processing Unit]、ＲＯＭ[Read OnlyMemory]及びＲＡＭ[Random Access Memory]等のメモリ、入出力回路等からなる。制御部５は、電極の製造ラインの制御装置の一機能として組み込まれてもよいしあるいは混練装置１専用の制御部として構成されてもよい。制御部５では、回転駆動機３１のモータを所定の回転速度で回転させるためにモータを制御する。この所定の回転速度は、遊星歯車機構の減速比を考慮し、混練に適した回転速度が適宜設定される。所定の回転速度は、固練り工程と希釈工程とで同じ回転速度でもよいし、異なる回転速度でもよい。また、制御部５では、冷却水循環機４１の冷却水を所定の温度まで低下させるために冷却器を制御するとともに、冷却水循環機４１の循環ポンプを作動／停止させるために循環ポンプを制御する。この所定の温度は、混練中に適した温度が予め設定されてよいし、あるいは、容器２の内部の温度を検出する温度センサを設け、温度センサで検出された温度に応じて可変させてもよい。所定の温度は、固練り工程と希釈工程とで同じ温度でもよいし、異なる温度でもよい。
上記のコーティング層について説明する。温度調整部４では、容器２の外部から容器２の内部を冷却する。そのため、容器２の熱伝導性が低いと、容器２の内部を効率良く冷却できない。容器２は、ステンレス鋼等の金属で形成されているので、熱伝導性が高い。しかし、容器２の内面２ｅにコーティング層を設けた場合、コーティング層が設けられている部分については熱伝導性が低下する。そこで、混練装置１では、容器２の熱伝導性を確保しつつ容器２の内面２ｅへの混練対象物の付着を抑制できるように、コーティング層が設けられている。
容器２のコーティング層２ｇは、側壁部２ｂの内面２ｅの上部に設けられている。この上部は、容器２内に規定量の電極ペーストＰが入っている場合の電極ペーストＰの液面Ｓから上側の部分である。容器２の熱伝導性（特に、容器２内に混練対象物が入っている部分の熱伝導性）を十分に確保できる範囲内で、上記の内面２ｅの上部を液面Ｓから少し下方の位置までとしてもよい。この下方に下げる場合の下限は、容器２の深さの二分の一（側壁部２ｂの真ん中）の位置とする。このように側壁部２ｂの上部にだけコーティング層２ｇが設けられるので、コーティング層２ｇから下側の容器２の側壁部２ｂの下部及び底部２ａにおいては熱伝導性が低下しない。
攪拌羽根３０のコーティング層３０ａは、攪拌羽根３０の表面の全部分に設けられている。表面の全部分ではなく、容器２と同様に、攪拌羽根３０の表面の上部にのみコーティング層を設けてもよい。なお、攪拌羽根３０は、温度調整部４の冷却水流路４０に接していないので、熱伝導性が低下してもよい。
コーティング層２ｇ，３０ａは、所定の表面処理によってコーティング剤がコーティングされることによって形成される。コーティング層２ｇ、３０ａは、固体潤滑性を有しており、表面に接触した物体が滑り易い。コーティング剤は、例えば、低摩擦性のフッ素樹脂（ＰＴＦＥ、ＰＦＡ等）であり、シリコン樹脂等でもよい。固定潤滑性を表す指標としては、例えば、摩擦係数がある。コーティング層２ｇ，３０ａの摩擦係数は、０．０４〜０．１０であることが望ましい。
図１を参照して、混練装置１の動作について説明する。まず、固練り工程が実施される前に、容器２には、固形物の活物質、バインダ、導電助剤等が規定量ずつ投入され、液体の溶剤が規定量より少ない量投入される。固練り工程が実施されると、混練部３では、制御部５の制御に応じて回転駆動機３１のモータが作動すると、回転駆動機３１の遊星歯車機構によって攪拌羽根３０を公転させるとともに自転させる。この攪拌羽根３０の公転かつ自転により、容器２内の高固形成分の混練対象物が攪拌され、活物質、バインダ、導電助剤等が分散する。この固練り中に、混練対象物が液面から上方にせり上がり、容器２の側壁部２ｂに沿って混練対象物が上っていく。しかし、側壁部２ｂの上部にはコーティング層２ｇが設けられているので、そのせり上がった混練対象物は側壁部２ｂの内面２ｅに付着し難い。また、攪拌羽根３０の表面にもコーティング層３０ａが設けられているので、攪拌羽根３０にも混練対象物が付着し難い。
固練り中、温度調整部４では、制御部５による制御に応じて冷却水循環機４１の冷却器で冷却水を所定温度まで低下させるとともに、循環ポンプで冷却水を冷却水流路４０内で循環させる。冷却水流路４０内を循環する冷却水によって、容器２は外面２ｆから冷やされる。容器２の側壁部２ｂには上部しかコーティング層２ｇが設けられていないので、コーティング層２ｇより下側の容器２の側壁部２ｂの下部及び底部２ａは熱伝導性が高い。そのため、この側壁部２ｂの下部及び底部２ａにおいては効率良く熱伝導され、容器２の内部が冷却される。その結果、固練りされている混練対象物の温度上昇が抑えられる。
固練りが終了すると、希釈工程が実施される。希釈工程中、容器２には、液体の溶剤が規定量まで投入される。混練部３では、上記の固練り工程と同様に、攪拌羽根３０を公転させるとともに自転させる。この攪拌羽根３０の公転かつ自転により、容器２内の混練対象物が攪拌され、混練対象物が練り込まれる。この希釈中に、混練対象物がせり上がっても、上記したように混練対象物は容器２の側壁部２ｂの内面２ｅには付着し難く、攪拌羽根３０にも付着し難い。但し、希釈工程では、固練り工程時よりも混練対象物の粘度が低いので、混練対象物がせり上がり難い。また、温度調整部４では、上記の固練り工程と同様に、冷却水を冷却水流路４０内で循環させる。この冷却水流路４０内を循環する冷却水によって、希釈中も容器２の内部が冷却される。そして、希釈工程が終了すると、良好な分散状態と適度な粘度を有する電極ペーストが生成される。
この混練装置１によれば、混練中に混練対象物がせり上がっても、容器２の側壁部２ｂの上部のコーティング層２ｇにより、容器２の内面２ｅへの混練対象物の付着を抑制できる。また、混練装置１によれば、攪拌羽根３０のコーティング層３０ａにより、攪拌羽根３０への混練対象物の付着を抑制できる。容器２及び攪拌羽根３０に混練対象物が付着していない場合には掻き落し作業を行う必要がなく、混練対象物が付着している場合でもその付着量は少ないので、掻き落し作業を軽減できる。
また、混練装置１によれば、容器２の側壁部２ｂの下部及び底部２ａにはコーティング層が設けられていないので、容器２の熱伝導性の低下を抑制できる。そのため、温度調整部４で容器２の外部から冷却している場合に、効率良く冷却できる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
例えば、上記実施形態では温度調整部を備える混練装置としたが、温度調整部を備えない構成としてもよい。容器の側壁部の下部及び底部にはコーティング層が設けられていないので、側壁部の下部及び底部は熱伝導性が高く、放熱性に優れている。そのため、混練中に容器の内部の温度が上昇しても、側壁部の下部及び底部から効率良く放熱し、温度上昇を抑制できる。温度調整部を備えないので、混練装置の構成を簡易化できる。
また、上記実施形態では温度調整部で容器の内部を冷却する構成としたが、混練する際に温度を上げたほうが適している場合には温度調整部で容器の内部を加熱する構成としてもよい。加熱する場合も、容器の側壁部の下部及び底部は熱伝導性が高いので、温度調整部による加熱を効率良くできる。
１…混練装置、２…容器、２ａ…底部、２ｂ…側壁部、２ｃ…フランジ、２ｄ…支持部材、２ｅ…内面、２ｆ…外面、２ｇ…コーティング層、３…混練部、４…温度調整部、５…制御部、６…下ハウジング、７…上ハウジング、８…空間、３０…攪拌羽根、３０ａ…コーティング層、３１…回転駆動機、４０…冷却水流路、４１…冷却水循環機、４１ａ，４１ｂ…配管。
Claims (4)
- 活物質、バインダ、導電助剤、溶剤を少なくとも含む混練対象物を混練し、電極ペーストを生成する混練装置であって、
容器と、
前記容器内の前記混練対象物を混練する混練部と、
を備え、
前記容器の側壁部の内面の上部に、固体潤滑性を有するコーティング層が設けられている、混練装置。 - 前記容器の外部から前記容器の内部の温度を調整する温度調整部を備える、請求項１に記載の混練装置。
- 前記上部は、前記容器内に規定量の電極ペーストが入っている場合の電極ペーストの液面から上側の部分である、請求項１又は請求項２に記載の混練装置。
- 前記コーティング層は、フッ素樹脂からなるコーティング層である、請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の混練装置。
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-
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