JP2016501705A - 混合用反応装置およびこの反応装置を用いた製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固相、液相および気相のうちのいずれか一つの相の反応物がそれぞれ収容される第1および第2の反応物収容部10、30と、前記第1および第2の収容部のうちのいずれか一方またはそれぞれに収容される反応物を圧送するポンプ40と、前記ポンプ40から圧送された反応物を混合する反応器50と、を備えるが、前記反応器50は、内部に反応物が収容される反応チャンバ511を有し、一方の上部および下部のそれぞれに前記第1および第2の反応物収容部のそれぞれが連結される注入ポート512、513が備配されるシリンダー510と、前記シリンダー510内に回転自在に設けられて第1および第2の反応物収容部から供給された反応物を攪拌する攪拌軸520および前記攪拌軸520に回転力を提供する攪拌モーター530と、を備える混合用反応装置およびこの反応装置を用いた製造方法を提供する。
本発明の第1の実施形態は、ガス水和物を製造する反応装置である。この反応装置は、第1の反応物収容部10と、第1の反応物圧送ポンプ20と、第2の反応物収容部30と、第2の反応物圧送ポンプ40および反応器50を備え、後処理手段として、水分除去部60およびドライヤー70を備える。
添付の図3および図4に示す本発明の反応装置は、液相−固相を混合するためのものであり、特に、電子紙の製造、すなわち、ナノ粒子をコーティングしてマイクロカプセル内において塊化することなく優れた運動性を有するようにし、さらに、反応時間を短縮させるためのものである。
本発明の反応装置は、リチウム二次電池用正極活物質の製造に使用可能である。正極活物質の製造に用いられる本発明の反応装置は、反応器の構成は上記と同様であり、但し、供給手段が3つであり、後処理手段として分離器300および乾燥器70が備配される。
第1のステップは、反応物の充填ステップである。前記反応器と連結される前記反応物収容部10a、10b、10cを構成する第1乃至第3のリザーバータンクを備え、第1のリザーバータンクには、硫酸ニッケル(NiSO4)、硫酸マンガン(MnSO4)および硫酸コバルト(CoSO4)が1:1:1または5:2:3、5:3:2、7:2:1のモル比にて混合された金属水溶液を充填する。また、第2のリザーバータンクおよび第3のリザーバータンクにはアンモニアガス(NH3)および水酸化ナトリウム(NaOH)をそれぞれ充填する。ここで、注目すべき点は、既存のアンモニア水をアンモニアガスに変更したことである。アンモニアガスは、金属水溶液および水酸化ナトリウム溶液とともに反応器の反応路内に投入されるが、小さな粒子を生成することができて同じ体積に比べてエネルギー密度が高い。
第2のステップは、反応器のセッティングステップである。反応器の内部に形成されたチャンバの内部圧力を1〜2barにし、充填チャンバにより反応路の雰囲気温度を常温〜80℃に維持する。前記内部圧力は、チャンバに投入される反応物に適当な圧力を作用させて最適化された反応効果を得るための範囲であり、前記チャンバの雰囲気温度を上記の範囲に設定する理由は、生成されたコバルト水酸化物が低い温度においては錯塩の形で沈殿されるため、高密度の複合水酸化物が得られ難いためである。
第3のステップは、反応物の投入ステップである。すなわち、前記第1のリザーバータンクおよび第3のリザーバータンクの出口側にポンプを設け、第2のリザーバータンクの出口側には電磁弁または手動弁を設けて、第1および第3のリザーバータンクの液相の中身はポンプの作動により搬送管を介して反応路の内部に投入され、第2のリザーバータンクの気相の中身は弁(電磁弁または手動弁)の開放により連結ラインを介してチャンバの内部に投入される。
第4のステップは、化学反応ステップである。すなわち、前記チャンバの内部に流入した金属水溶液、アンモニアガスおよび水酸化ナトリウムを1rpm以上(好ましくは、100〜1500rpm)にて回転される攪拌軸を用いて30分以上滞留および攪拌させて流入した気相−液相の反応物の間に化学的反応を引き起こす。ここで、前記チャンバは密閉型であるため、気相−液相の反応が起こる。既存のように開放型反応路である場合には、気体が外部に漏れ出るため、気体が留まり難い。このため、気相−液相の反応が起こらない。下記表1は、既存の回分式反応器および本発明の気相−液相反応器を比較したものである。
第5のステップは、排出ステップである。すなわち、前記反応物間の化学反応が完了すれば、反応路の排出ポートを介してスラリー状の反応結果物を排出する。
第6のステップは、分離ステップである。すなわち、排出された反応結果物は、水分を含んでいるため、分離器または脱水器などの脱水装置を用いて脱水して正極活物質およびろ液を分離する。ここで、本発明は、アンモニア水の代わりにアンモニアガスを用いるが、ろ液量が既存に比べて大幅に減る。ろ液は、廃棄処理される廃液であるため、このような廃液量を減らすことにより、工程の環境へのやさしさを向上させることができる。
第7のステップは、乾燥ステップである。すなわち、第6のステップにおいて回収された正極活物質を乾燥装置を用いて110℃〜130℃において24時間以上乾燥させて粉末状の正極活物質を得る。
第8のステップは、粒度測定ステップである。すなわち、粉末状の正極活物質の粒度分布および大きさを走査電子顕微鏡を用いて測定するステップであり、測定したところ、正極活物質の平均粒度は8μm以下であり、微細な大きさの正極活物質が均一に分布されていることが分かる。これは、アンモニア水をアンモニアガスに変更することにより、既存に比べて粒度が小さくなり、小さな粒度により分布の緻密性の面からみて向上した効果が得られる。このため、これをリチウム二次電池に用いる場合、電池の寿命を向上させる後続効果が得られる。
Claims (12)
- 固相、気相および液相のうちのいずれか一つの相の反応物が収容される一つまたはそれ以上の反応物収容部と、
前記反応物収容部のうちの一つまたはそれぞれに収容される反応物を圧送する圧送ポンプと、
前記圧送ポンプから圧送された反応物を混合する反応器と、
を備え、
前記反応器は、内部に反応物が収容される反応チャンバを有し、
一方の上部および下部のそれぞれに前記反応物収容部のそれぞれが連結される注入ポートが備配されるシリンダーと、
前記シリンダー内に回転自在に設けられて前記反応物収容部から供給された反応物を攪拌する攪拌軸および前記攪拌軸に回転力を提供する攪拌モーターと、
を備える混合用反応装置。 - 前記反応器と圧送ポンプとの間に逆止弁がさらに備配される請求項1に記載の混合用反応装置。
- 前記第1の反応物収容部に固相の反応物が収容され、前記第1の反応物と反応器との間に、固相の反応物を計量して供給する計量部と、反応物を反応器に供給するフィーダーと、が配備され、
前記第2の反応物収容部と反応器との間に、ポンプおよび流量制御弁がさらに備配される請求項1に記載の混合用反応装置。 - 前記計量部は、ロードセルである請求項3に記載の混合用反応装置。
- 前記計量部は、計量の度合いを電磁的に制御する制御部をさらに備える請求項3に記載の混合用反応装置。
- 前記送出ポンプと反応器との間に備配される流量制御弁をさらに備えるが、前記流量制御弁は、制御部によりその開閉度が電磁的に制御される請求項1に記載の混合用反応装置。
- 前記反応器において混合された反応物が排出される排出側に設けられて反応器から排出される反応物に含まれている水分を除去する水分除去部をさらに備える請求項1に記載の混合用反応装置。
- 前記水分除去部は、遠心脱水器、濃縮器のうちのいずれか一方である請求項7に記載の混合用反応装置。
- 前記注入ポートは、前記反応器の外部から内部に進むにつれて少なくともその内径が次第に小さくなるベンチュリ管状を呈する請求項1に記載の混合用反応装置。
- 前記反応チャンバの外郭に熱媒体または冷媒が循環する充填チャンバが備配されて、反応チャンバ内の反応温度を下向きまたは上向きに制御する請求項1に記載の混合用反応装置。
- 前記反応器の排出口の上にチャンバの内部圧力を調節する圧力調節弁が備配される請求項1に記載の混合用反応装置。
- 反応器を用いた製造方法であり、前記反応器と連結される反応物収容部を第1乃至第3のリザーバータンクを用いて構成し、前記第1のリザーバータンクには硫酸ニッケル(NiSO4)、硫酸マンガン(MnSO4)、硫酸コバルト(CoSO4)が同一または異なるモル比にて混合された金属水溶液を充填し、第2のリザーバータンクにはアンモニアガス(NH3)を充填し、第3のリザーバータンクには水酸化ナトリウム(NaOH)を充填する反応物充填ステップと、
前記反応器の内部に形成されるチャンバの内部圧力および温度を維持するセッティングステップと、
前記第1のリザーバータンクおよび第3のリザーバータンクの中身はポンプを用いてポンピングして前記反応路の内部に投入し、第2のリザーバータンクの中身は弁を開放して反応路の内部に投入する反応物投入ステップと、
前記反応器の内部に流入した金属水溶液、アンモニアガスおよび水酸化ナトリウムを攪拌させて流入した気相−液相の反応物の間に化学的反応を引き起こす化学反応ステップと、
前記化学反応が完了すれば、反応路からスラリー状の反応結果物を排出する排出ステップと、
前記排出された反応結果物を脱水装置を用いて脱水して正極活物質およびろ液を分離する分離ステップと、
前記分離ステップ後に、前記正極活物質を乾燥装置を用いて乾燥させる乾燥ステップと、
前記乾燥ステップ後に、乾燥された正極活物質の平均粒度を測定する粒度測定ステップと、
前記反応物投入ステップにおいて、pHセンサーを用いて反応物のpH水素イオンの濃度を感知し、感知されたpHに応じて水酸化ナトリウムの投入量を調節する特徴とする混合型反応器を用いた製造方法。
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