JP2017100078A

JP2017100078A - 粉粒体の混合装置

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Publication number: JP2017100078A
Application number: JP2015235136A
Authority: JP
Inventors: 智史蛭川; Tomofumi Hirukawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-12-01
Filing date: 2015-12-01
Publication date: 2017-06-08
Anticipated expiration: 2035-12-01
Also published as: JP6508018B2

Abstract

【課題】混合時に粉粒体が圧縮・凝集するのを抑制できる粉粒体の混合装置を提供すること。
【解決手段】粉粒体ＰＴを混合する粉粒体の混合装置１は、逆円錐台状の斜面１１ｍをなし、中心に排出口１１ｈを含む斜面部１１を有する漏斗１０と、漏斗１０の上方ＡＳに配置され、粉粒体ＰＴを貯留し、漏斗１０の斜面１１ｍに向けて粉粒体ＰＴをそれぞれ排出する複数のホッパー２１からなるホッパー群２０と、漏斗１０に対しホッパー群２０を、漏斗１０の軸線ＡＸ周りに相対的に回転させる回転機構３０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、リチウムイオン二次電池の活物質層の形成に用いる活物質造粒体などの粉粒体を混合する粉粒体の混合装置に関する。

リチウムイオン二次電池の正極または負極の活物質層を形成するにあたり、活物質及び溶媒を含む湿潤状態の活物質造粒体を用いることがある。このようなリチウムイオン二次電池用の活物質造粒体に関連する従来技術として、例えば特許文献１が挙げられる。
ところで、このような活物質造粒体などの粉粒体を混合したい場合がある。この混合を行う混合装置としては、粉粒体を収容する容器の内部に、粉粒体を攪拌混合する攪拌羽根を配置した混合装置が知られている。

特開平９−２２５２８１号公報

しかしながら、上述の攪拌羽根を備える混合装置を用いて、リチウムイオン二次電池用の活物質造粒体などの粉粒体を混合すると、攪拌羽根により生じる剪断力によって、粉粒体が圧縮され凝集しがちである。

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、混合時に粉粒体が圧縮・凝集するのを抑制できる粉粒体の混合装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の一態様は、粉粒体を混合する粉粒体の混合装置であって、逆円錐台状の斜面をなし、中心に排出口を含む斜面部を有する漏斗と、上記漏斗の上方に配置され、上記粉粒体を貯留し、上記漏斗の上記斜面に向けて上記粉粒体をそれぞれ排出する複数のホッパーからなるホッパー群と、上記漏斗に対し上記ホッパー群を、上記漏斗の軸線周りに相対的に回転させる回転機構と、を備える粉粒体の混合装置である。

上述の粉粒体の混合装置によれば、複数のホッパーから漏斗の斜面にそれぞれ排出された粉粒体は、斜面上を滑り落ちて中心の排出口から排出される際には、混合された状態となる。この混合装置では、攪拌羽根などの機械的応力によって粉粒体が圧縮・凝集することがない。このため、混合時に粉粒体が圧縮・凝集するのを抑制した、混合した粉粒体を得ることができる。
なお、上述の混合装置で混合する「粉粒体」としては、リチウムイオン二次電池の正極または負極の活物質層の形成に用いる（活物質造粒体を圧密化して活物質層を形成する場合に用いる）、活物質及び溶媒を含む湿潤状態の活物質造粒体が挙げられる。また、他の種類の電池において活物質層の形成に用いる活物質造粒体が挙げられる。また、電池以外に用いる粉粒体の混合に上述の混合装置を用いることもできる。

また、「漏斗に対しホッパー群を、漏斗の軸線周りに相対的に回転させる」構成としては、漏斗を固定する一方、ホッパー群を漏斗の軸線周りに回転させる構成、或いは、ホッパー群を固定する一方、漏斗をその軸線周りに回転させる構成が挙げられる。また、漏斗及びホッパー群を別々に回転させ、漏斗及びホッパー群の回転速度を異ならせて同方向に回転させる構成、或いは、漏斗とホッパー群を逆方向に回転させる構成が挙げられる。

更に、上記の粉粒体の混合装置であって、前記複数のホッパーは、前記漏斗の前記軸線周りに、等距離かつ等角度でそれぞれ配置されてなる粉粒体の混合装置とするのが好ましい。

上述の粉粒体の混合装置では、複数のホッパーが漏斗の軸線周りに等距離かつ等角度でそれぞれ配置されているので、各々のホッパーから排出された粉粒体は、漏斗の斜面の同じ高さの部位に落下する。このため、各々のホッパーから排出された粉粒体を、より均一に混合できる。

更に、上記のいずれかに記載の粉粒体の混合装置であって、前記漏斗は、固定されてなり、前記回転機構は、前記ホッパー群を上記漏斗の前記軸線周りに回転させる粉粒体の混合装置とするのが好ましい。

上述の粉粒体の混合装置では、漏斗を固定し、回転機構はホッパー群を回転させるので、漏斗とホッパー群を共に回転させる場合に比べて、回転機構を簡単な構成とすることができる。

実施形態に係る粉粒体の混合装置の斜視図である。実施例１〜４及び比較例１，２について、混合後の粉粒体のかさ密度比を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１に、本実施形態に係る粉粒体の混合装置（以下、単に「混合装置」ともいう）１の斜視図を示す。この混合装置１は、後述するリチウムイオン二次電池の活物質層（活物質造粒体を圧密化してなる活物質層）の形成に用いる活物質造粒体（粉粒体）ＰＴを混合する装置であり、製造ロット等が異なる複数（本実施形態では５つ）の粉粒体ＰＴ（ＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３，ＰＴ４，ＰＴ５）を混合できる。この混合装置１は、漏斗１０、ホッパー群２０、回転機構３０及び容器４０等から構成される。

このうち漏斗１０は、金属製（具体的にはステンレス製）で軸線ＡＸを有する形態をなし、斜面部１１と上部円筒部１３と下部円筒部１５と２つの突出部１７，１７とからなる。このうち斜面部１１は、軸線方向ＡＨの上方ＡＳに径大な円状の上端縁１１ｃを、軸線方向ＡＨの下方ＡＴに径小な円状の排出口１１ｈを有する逆円錐台状の部位である。この斜面部１１は、その内側に逆円錐台状に拡がる斜面１１ｍを有する。

また、上部円筒部１３は、斜面部１１の上端縁１１ｃから軸線方向ＡＨの上方ＡＳに延びる上端縁１１ｃと同径の円筒状部位である。一方、下部円筒部１５は、斜面部１１の排出口１１ｈから軸線方向ＡＨの下方ＡＴに延びる排出口１１ｈと同径の円筒状部位である。また、２つの突出部１７，１７は、それぞれ矩形板状であり、上部円筒部１３の外周から径方向外側に水平にそれぞれ突出している。これらの突出部１７，１７は、図示しない支持部材に固定される。これにより、漏斗１０が支持部材に固定される。

次述するホッパー群２０を構成する複数のホッパー２１（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ）からそれぞれ排出された粉粒体ＰＴ（ＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３，ＰＴ４，ＰＴ５）は、漏斗１０の上部円筒部１３を通じて斜面部１１内に入り、その斜面１１ｍの所定の高さの部位に落下する。この粉粒体ＰＴは、斜面１１ｍを滑り落ちて排出口１１ｈから排出され、更に下部円筒部１５を通じて、後述する容器４０内に収容される。

ホッパー群２０は、粉粒体ＰＴ（ＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３，ＰＴ４，ＰＴ５）を貯留する複数（本実施形態では５個）のホッパー２１（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ）から構成される。これらのホッパー２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅは、いずれも漏斗１０の軸線方向ＡＨの上方ＡＳに配置されている。各々のホッパー２１は、金属製（具体的にはステンレス製）で、斜面部２３と上部円筒部２５と下部円筒部２７と鍔部２９とからなる。このうち斜面部２３は、軸線方向ＡＨの上方ＡＳに径大な円状の上端縁２３ｃを、軸線方向ＡＨの下方ＡＴに径小な円状の下端縁２３ｈを有する逆円錐台状の部位である。

また、上部円筒部２５は、斜面部２３の上端縁２３ｃから軸線方向ＡＨの上方ＡＳに延びる上端縁２３ｃと同径の円筒状部位である。一方、下部円筒部２７は、斜面部２３の下端縁２３ｈから軸線方向ＡＨの下方ＡＴに延びる下端縁２３ｈと同径の円筒状部位である。また、鍔部２９は、円環板状であり、上部円筒部２５の外周から径方向外側に水平に突出している。この鍔部２９は、次述する回転機構３０の円板部３５に固定されている。これにより、各々のホッパー２１が回転機構３０の円板部３５に固定される。各々のホッパー２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅに貯留された粉粒体ＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３，ＰＴ４，ＰＴ５は、下部円筒部２７から漏斗１０の斜面１１ｍに向けてそれぞれ排出される。

回転機構３０は、駆動部３１と回転軸３３と円板部３５とを有する。このうち駆動部３１は、電動モータであり、回転軸３３を回転させる。この回転軸３３は、その軸線が漏斗１０の軸線ＡＸと一致するように鉛直に配置されている。回転軸３３の上端は、駆動部３１に結合され、回転軸３３の下端は、円板部３５の中心に接続されている。円板部３５は、水平方向に拡がる円板状をなし、その中心（漏斗１０の軸線ＡＸ）の周りに、等距離かつ等角度で（具体的には７２度毎に）、５つの開口３５ｈが設けられている。

これらの開口３５ｈには、前述のホッパー２１がそれぞれ上方ＡＳから挿入されており、ホッパー２１の鍔部２９が、円板部３５のうち開口３５ｈの周縁部にそれぞれ係合し固定されている。これにより、複数のホッパー２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅは、軸線ＡＸ周りに、等距離かつ等角度で（本実施形態では７２度毎に）それぞれ配置されている。この回転機構３０は、駆動部３１を駆動させると、これに接続された回転軸３３及び円板部３５が、図１中に矢印で示すように軸線ＡＸ周りに回転するため、円板部３５に固定された複数のホッパー２１からなるホッパー群２０を軸線ＡＸ周りに回転させることができる。

容器４０は、漏斗１０の軸線方向ＡＨの下方ＡＴに配置されている。この容器４０は、金属製（具体的にはステンレス製）で、有底円筒状である。容器４０は、漏斗１０で混合され下部円筒部１５から排出された粉粒体ＰＴを収容する。

次いで、上記混合装置１を用いた粉粒体ＰＴの混合方法について説明する。例えば製造ロットがそれぞれ異なる５つの粉粒体ＰＴ（ＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３，ＰＴ４，ＰＴ５）を用意する。本実施形態では、これらの粉粒体ＰＴとして、リチウムイオン二次電池の正極活物質層（活物質造粒体を圧密化してなる正極活物質層）を形成するのに用いる、湿潤状態の活物質造粒体を用意した。具体的には、正極活物質、導電材及びカルボキシル基含有高分子を乾式混合した後に、これに溶媒（本実施形態では水）を水分率が３０重量％となるように加えて、粒径１ｍｍ程度に造粒した湿潤状態の活物質造粒体を用意した。なお、本実施形態では、正極活物質としてＬｉＮｉ_1/3Ｃｏ_1/3Ｍｎ_1/3Ｏ₂を、導電材としてアセチレンブラック（ＡＢ）を、カルボキシル基含有高分子としてポリアクリル酸（ＰＡＡ）を用いた。

そして、これらの製造ロットが異なる粉粒体（活物質造粒体）ＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３，ＰＴ４，ＰＴ５を、５つのホッパー２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ内に投入する。また、これと共に、回転機構３０の駆動部３１を駆動させて、ホッパー群２０を漏斗１０の軸線ＡＸ周りに、１０〜３０ｒｐｍ（本実施形態では２０ｒｐｍ）で回転させる。
すると、各ホッパー２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅに貯留された粉粒体ＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３，ＰＴ４，ＰＴ５は、各ホッパー２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅの下部円筒部２７から少しずつ漏斗１０内に向けて排出される。これらの粉粒体ＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３，ＰＴ４，ＰＴ５は、漏斗１０の斜面１１ｍの所定の高さの部位に落下し、斜面１１ｍを滑り落ちて排出口１１ｈから排出される際には、混合された状態となっている。この粉粒体ＰＴは、下部円筒部１５を通じて容器４０に向けて排出される。かくして、製造ロットの異なる５つの粉粒体ＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３，ＰＴ４，ＰＴ５が混合された粉粒体ＰＴが容器４０内に収容される。

次いで、混合装置１で混合した上述の粉粒体（活物質造粒体）ＰＴを用いた正極板、及びこの正極板を用いたリチウムイオン二次電池の製造方法について説明する。まず、混合された上述の粉粒体ＰＴをロールプレス機に供給し、ロールの間で粉粒体ＰＴを圧密化してシート状に成形する。続いて、この活物質造粒体からなるシートを、別途用意した帯状のアルミニウム箔からなる正極集電箔のうち、一方の主面の所定位置に圧着して、未乾燥の正極活物質層を形成する。その後、この未乾燥の正極活物質層を加熱乾燥させて、正極活物質層を形成する。また、活物質造粒体からなるシートを、同様に正極集電箔のうち他方の主面にも圧着して未乾燥の正極活物質層を形成し、これを加熱乾燥させて、正極活物質層を形成する。その後、この正極板をロールプレス機でプレスして、正極活物質層の密度をそれぞれ高める。これにより、粉粒体ＰＴが圧密化されてなる正極活物質層を有する、リチウムイオン二次電池用の正極板が形成される。
次に、この帯状の正極板と、別途形成した帯状の負極板とを、セパレータを介して捲回して、電極体を形成する。次に、この電極体を用いて電池を組み立てる。かくして、リチウムイオン二次電池が得られる。

（実施例及び比較例）
次いで、本発明の効果を検証するために行った試験の結果について説明する。実施例１〜４として、前述の粉粒体の混合装置１を用い、下記の表１に示すように、ホッパー群２０の回転数を変更して、前述の粉粒体（活物質造粒体）ＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３，ＰＴ４，ＰＴ５を混合した。具体的には、ホッパー群２０の回転数を、３ｒｐｍ（実施例１）、１０ｒｐｍ（実施例２）、２０ｒｐｍ（実施例３）、３０ｒｐｍ（実施例４）とした。
また、比較例２として、従来の粉粒体の混合装置、即ち、粉粒体を収容する容器の内部に、粉粒体を攪拌混合する攪拌羽根を配置した混合装置を用いて、製造ロットが異なる粉粒体ＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３，ＰＴ４，ＰＴ５を混合した。なお、比較例１については後述する。

まず、混合前の製造ロットが異なる粉粒体ＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３，ＰＴ４，ＰＴ５について、かさ密度をそれぞれ測定した。具体的には、容積Ｖｏ（ｍｌ）の有底円筒状のカップ内に、漏斗を用いて、粉粒体ＰＴがカップから溢れるまで粉粒体ＰＴを投入する。その後、カップの上面にヘラを垂直に立てて接触させ、ヘラの刃をカップの上面に沿って滑らかに移動させて、カップの上面を越えている余分な粉粒体ＰＴを除去する。その後、粉粒体ＰＴの入ったカップの重量（ｇ）を測定し、カップ内に収容された粉粒体ＰＴの重量（ｇ）を求め、更に、これを容積Ｖｏで割って、かさ密度（ｇ／ｍｌ）を算出する。更に、この測定を３回（ｎ＝３）繰り返して、かさ密度の平均値を算出し、この平均値をその製造ロットのかさ密度とする。更に、製造ロット毎に求められた５つのかさ密度を平均して、混合前の平均かさ密度を求めた。この平均かさ密度を、比較例１のかさ密度とし、かさ密度比を求める基準（＝１．００）とした。

次に、上述の実施例１〜４及び比較例２における混合後の粉粒体ＰＴについて、上記と同様にして、かさ密度をそれぞれ測定し、比較例１のかさ密度を基準としたかさ密度比をそれぞれ求めた。かさ密度比が１．０５以下のものを「良好」（表１中に○印で示す）、かさ密度比が１．０５を越えるものを「不良」（表１中に×印で示す）と評価した。その結果を表１及び図２に示す。

また、実施例１〜４及び比較例２における混合後の粉粒体ＰＴについて、混合度（混ざり具合）の良否判定をそれぞれ行った。粉粒体ＰＴは、製造ロット毎に下記の固形分率が異なるため、混合が不十分な粉粒体ＰＴほど、そこから採取したサンプルの固形分率が大きくばらつく。従って、混合後の粉粒体ＰＴについて、固形分率のバラツキを調査すれば、混合度が良好か否かを判断できる。具体的には、混合後の粉粒体ＰＴを約２ｇ採取し、１６０℃で３０分間乾燥させる。乾燥前後でそれぞれ粉粒体ＰＴの重量を測定して、下記の式により固形分率を算出した。
固形分率（％）＝（乾燥後の粉粒体の重量）／（乾燥前の粉粒体の重量）×１００

この固形分率の測定を、実施例１〜４及び比較例２の混合後の粉粒体ＰＴについて、それぞれ１０回ずつサンプリングして行って、固形分率のバラツキ（標準偏差σ）をそれぞれ求めた。そして、標準偏差σがσ≦０．３である場合を、「良好」（表１中に○印で示す）、０．３＜σ≦０．７である場合を、「可」（表１中に△印で示す）、σ＞０．７である場合を、「不良」（表１中に×印で示す）と判定した。その結果を表１に示す。

表１及び図２から判るように、比較例２の混合後の粉粒体ＰＴは、かさ密度比が判定基準（１．０５）を大きく越えて「不良」であるのに対し、実施例１〜４の混合後の粉粒体ＰＴは、いずれも、かさ密度比が判定基準（１．０５）を下回り「良好」であることが判る。
その理由は、比較例２では、混合時に攪拌羽根により生じる剪断力によって、粉粒体ＰＴが大きく圧縮され易く、粉粒体ＰＴ同士が凝集し易い。このため、混合後の粉粒体ＰＴで、かさ密度が高くなったと考えられる。これに対し、実施例１〜４では、混合時に粉粒体ＰＴに攪拌羽根などによる大きな機械的応力が掛からない。このため、混合時に粉粒体ＰＴが圧縮され難く、粉粒体ＰＴ同士が凝集し難いと考えられる。
また、表１から判るように、実施例１では、粉粒体ＰＴの混合度が「可」であり、それ以外の比較例２及び実施例２〜４では、粉粒体ＰＴの混合度が「良好」であった。この結果から、前述の混合装置１を用いて粉粒体ＰＴを混合した場合でも、粉粒体ＰＴを均一に混合できることが判る。

以上で説明したように、粉粒体の混合装置１によれば、複数のホッパー２１（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｄ）から漏斗１０の斜面１１ｍにそれぞれ排出された粉粒体ＰＴ（ＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３，ＰＴ４，ＰＴ５）は、斜面１１ｍ上を滑り落ちて中心の排出口１１ｈから排出される際には、混合された状態となる。この混合装置１では、攪拌羽根などの機械的応力によって粉粒体ＰＴが圧縮・凝集することがない。このため、混合時に粉粒体ＰＴが圧縮・凝集するのを抑制した、混合した粉粒体ＰＴを得ることができる。

更に本実施形態では、複数のホッパー２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅが漏斗１０の軸線ＡＸ周りに等距離かつ等角度でそれぞれ配置されているので、各々のホッパー２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅから排出された粉粒体ＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３，ＰＴ４，ＰＴ５は、漏斗１０の斜面１１ｍの同じ高さの部位に落下する。このため、各々のホッパー２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅから排出された粉粒体ＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３，ＰＴ４，ＰＴ５を、より均一に混合できる。
また本実施形態では、漏斗１０を固定し、回転機構３０はホッパー群２０を回転させるので、漏斗１０とホッパー群２０を共に回転させる場合に比べて、回転機構３０を簡単な構成とすることができる。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。
例えば、実施形態では、漏斗１０を固定する一方、ホッパー群２０を軸線ＡＸ周りに回転させることで、漏斗１０に対しホッパー群２０を相対的に回転させたが、これに限られない。ホッパー群２０を固定し、漏斗１０をその軸線ＡＸ周りに回転させる構成としてもよい。また、漏斗１０及びホッパー群２０を別々に回転させ、漏斗１０及びホッパー群２０の回転速度を異ならせて同方向に回転させたり、或いは、漏斗１０とホッパー群２０を逆方向に回転させる構成としてもよい。

また、実施形態では、漏斗１０の斜面１１ｍを凹凸のない斜面としたが、これに限られない。例えば、漏斗１０の斜面１１ｍに、軸線ＡＸを中心としたスパイラル状に凹溝を設けることもできる。このような凹溝を設けると、より効果的に粉粒体ＰＴを混合できる。
また、実施形態では、粉粒体ＰＴとして、リチウムイオン二次電池の正極活物質層の製造に用いる活物質造粒体を例示したが、これに限られない。例えば、他の種類の電池の正極活物質層の製造に用いる活物質造粒体や、電池の負極の負極活物質層の製造に用いる活物質造粒体に適用してもよいし、電池以外に用いる粉粒体に適用することもできる。

１粉粒体の混合装置
１０漏斗
１１斜面部
１１ｈ排出口
１１ｍ斜面
２０ホッパー群
２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅホッパー
３０回転機構
４０容器
ＰＴ，ＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３，ＰＴ４，ＰＴ５粉粒体（活物質造粒体）
ＡＸ軸線
ＡＳ上方
ＡＴ下方

Claims

粉粒体を混合する粉粒体の混合装置であって、
逆円錐台状の斜面をなし、中心に排出口を含む斜面部を有する漏斗と、
上記漏斗の上方に配置され、上記粉粒体を貯留し、上記漏斗の上記斜面に向けて上記粉粒体をそれぞれ排出する複数のホッパーからなるホッパー群と、
上記漏斗に対し上記ホッパー群を、上記漏斗の軸線周りに相対的に回転させる回転機構と、を備える
粉粒体の混合装置。