JP2020001975A - 黒鉛精製装置 - Google Patents

Abstract

【課題】設備の低コスト化および簡素化を実現することが可能な黒鉛精製装置を提供する。【解決手段】黒鉛精製装置１０は、電気分解槽２０、黒鉛収容部２２、電極板２４、攪拌機２６、および電源部１４２を備える。電気分解槽２０は、電解液３２を収容可能に構成される。黒鉛収容部２２は、電気分解槽２０の電解液３２に浸漬されるカゴ形状のメッシュ体からなる。電極板２４は、黒鉛収容部２２の周囲に配置される。電極板２４は、黒鉛収容部２２内の粒状黒鉛３０に通電するように構成される。電源部１４２は、電極板２４および攪拌機２６の間に電気分解処理に必要な電流を通電するように構成される。黒鉛収納部２２を構成するメッシュ体の開口は、処理すべき粒状黒鉛３０が通過しない大きさになるように構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、粒状の黒鉛（グラファイト）から不純物を除去することによって高純度化された粒状黒鉛を回収するように構成された黒鉛精製装置に関する。

リチウムイオン二次電池の負極材料として、黒鉛が広く用いられてきた。リチウムイオン二次電池を高容量化するためには、使用する黒鉛を高純度化する必要がある。このため、従来、黒鉛の融点の高さを利用して、黒鉛を加熱することによって不純物を昇華させて黒鉛の高純度化を実現する技術が開発されてきた。

ところが、熱処理によって黒鉛を高純度化する場合、黒鉛を２０００℃以上の温度になるように加熱する必要があるため、膨大なエネルギが必要であった。また、そのような高温にも耐えうる設備が必要となるため、設備コストがかさむというデメリットがあった。

そこで、従来技術の中には、電磁波を用いて粒状黒鉛を加熱することによって粒状黒鉛の高純度化を図るものがあった（例えば、特許文献１参照）。

米国公開２０１７／０３１２７３０号公報

しかしながら、上述の従来技術においては、電磁波を発生する設備、および電磁波によって加熱された黒鉛を収容するのに十分な耐熱性を備えた反応炉が必要になる。このため、黒鉛を加熱するために必要な時間の短縮を図ることはできても、依然として高価で複雑な設備が必要となる。

この発明の目的は、設備の低コスト化および簡素化を実現することが可能な黒鉛精製装置を提供することである。

本発明に係る黒鉛精製装置は、粒状黒鉛から不純物を除去することによって高純度化された粒状黒鉛を回収するように構成される。粒状黒鉛は、９９．８０％以上、より好ましくは９９．９５％以上に高純度化される。この黒鉛精製装置は、電気分解槽、黒鉛収容部、第１の電極部、第２の電極部、および電源手段を備える。

電気分解槽は、電解液を収容可能に構成される。電解液として酸性やアルカリ性の溶液を用いる可能性を考慮すると、電気分解槽には、ポリ塩化ビニルやポリテトラフルオロエチレンやポリオレフィン系樹脂等の耐薬品性を備えた素材を採用することが好ましい。

黒鉛収容部は、電気分解槽の電解液に浸漬されるカゴ形状のメッシュ体からなる。例えば、カーボンメッシュや耐薬品性のあるメタルメッシュ等の素材がメッシュ体として好ましい。

第１の電極部は、黒鉛収容部の周囲に配置される。第１の電極部が酸性やアルカリ性の電解液に浸漬される可能性があることを考慮すると、第１の電極部にもカーボン等の耐薬品性のある導電性部材が用いられることが好ましい。

第２の電極部は、黒鉛収容部内の粒状黒鉛に通電するように構成される。第２の電極部としては、粒状黒鉛に直接接触して通電する導電性部材、または粒状黒鉛に電解液を介して通電する部材が用いられる。電解液を攪拌する部材を第２の電極部として用いても良いし、粒状黒鉛内に挿入される黒鉛塊体を第２の電極部として用いても良い。

電源手段は、第１の電極部および第２の電極部の間に電気分解処理に必要な電流を通電するように構成される。電源手段は、処理されるべき粒状黒鉛に３０Ａ〜１８０Ａ程度の電流が流れるように、第１の電極部および第２の電極部に設定された値の電圧を印加する。電源手段は、通常、３０分〜１２０分程度の期間、処理されるべき粒状黒鉛に通電を行うように制御される。

黒鉛収納部を構成するメッシュ体の開口が、処理すべき粒状黒鉛が通過しない大きさになるように構成される。処理すべき粒状黒鉛は１００μｍ〜２００μｍ程度の鱗状粉体（フレーク状）を呈していることが多いため、メッシュ体の開口としては５０μｍ〜１００μｍ程度の大きさが好ましい。

上述した構成を採用することにより、黒鉛収容部内の粒状黒鉛を電気分解処理によって高純度化することが可能になる。特に、粒状黒鉛がメッシュ体からなる黒鉛収容部に収納された状態で高純度化されるため、粒状黒鉛の回収が容易になる。また、電解研磨装置等の装置と同様のシンプルな設備によって処理が可能になるため、従来の加熱処理に必要な設備に比較して、設備の低コスト化および簡素化が図られる。

上述の構成において、電気分解槽に収容される電解液が塩化ナトリウムを含む水溶液であることが好ましい。このような構成を採用することにより、高価な電解液を必要とせず、粒状黒鉛に対して安価に電気分解処理を施すことが可能になる。

また、電気分解槽がガラスエッチング装置と接続可能に構成されており、電気分解槽にガラスエッチング装置において使用した使用済みエッチング液が導入可能に構成されることが好ましい。粒状黒鉛にシリカ（二酸化珪素）が含まれている場合、電解液にフッ酸やケイフッ化水素酸等を加える必要が生じることがある。ガラスエッチング装置において使用した使用済みエッチング液には、フッ酸、ケイフッ化水素酸等が含まれているため、未使用のフッ酸を調達することなく安価に粒状黒鉛からシリカ（二酸化珪素）を除去することが可能になる。

なお、ガラスエッチング装置は、ガラスをエッチング液に浸漬するディップ型エッチング装置と、連続的に搬送されるガラスに対してエッチング液を噴射するスプレイ型エッチング装置とに大別されるが、スプレイ型のエッチング装置に接続することが好ましい。

その理由は、ディップ型エッチング装置ではエッチング液の濃度が極限まで低下した後にエッチング液を排出することが多いのに対して、スプレイ型エッチング装置では比較的高濃度のエッチング液を排出することが多いからである。ただし、使用済みエッチング液の濃度が低くても、時間をかけることによって粒状黒鉛からシリカ（二酸化珪素）を除去することが可能になるため、ディップ型エッチング装置に接続した場合であっても本発明は実施可能である。

本発明によれば、黒鉛精製のための設備の低コスト化および簡素化を実現することが可能になる。

本発明の一実施形態に係る黒鉛精製装置の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る黒鉛精製装置の概略構成を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る黒鉛精製装置の概略構成を示す図である。

図１および図２は、本発明の一実施形態に係る黒鉛精製装置１０の概略構成を示している。黒鉛精製装置１０は、電気分解処理ユニット１２、制御ユニット１４、および液循環ユニット１６を備えている。電気分解処理ユニット１２は、粒状黒鉛から不純物を除去することによって高純度（純度９８．００％以上）の粒状黒鉛を回収するように構成される。

制御ユニット１４は、電源部１４２および制御部１４４を備えている。電源部１４２は、後述する電極板２４（第１の電極部）および第２の電極部（攪拌機２６）の間に電気分解処理に必要な電流を通電するように構成されている。制御部１４４は、黒鉛精製装置１０における印加電圧制御および電解液の温度制御等の統括的な制御を行うように構成される。

液循環ユニット１６は、循環ポンプ１６２によって電気分解処理ユニット１２にて使用する電解液の循環を行うように構成される。液循環の方法としては、液循環ユニット１６の構成以外に、電気分解処理ユニット１２内にバブリングユニットを設けてマイクロバブルの含む液流を発生させる等の方法を用いることも可能である。

電気分解処理ユニット１２は、電気分解槽２０、黒鉛収容部２２、電極板２４、および攪拌機２６を備えている。電気分解槽２０は、耐熱ポリ塩化ビニル等の耐薬品性を有する素材によって構成されており、電解液を収容可能に構成される。この実施形態では、電解液３２は１０重量％の塩化ナトリウムを含む水溶液を用いている。電解液の例としては、塩化ナトリウム水溶液（５〜１５重量％程度）、硫酸またはリン酸の少なくともいずれか一方を５〜１５重量％程度含む水溶液もしくは混合液等が挙げられる。また、場合によってはシリカ（二酸化珪素）を溶解可能なフッ酸またはケイフッ化水素酸等の成分を適宜加えると良い。

電気分解槽２０の内部には、ヒータ２８が設けられている。この実施形態においては、このヒータ２８によって電解液３２がその液温が６０〜７０℃程度になるように加温されている。

黒鉛収容部２２は、精製処理すべき粒状黒鉛３０を収容可能なカゴ形状のメッシュ体から構成されている。この黒鉛収容部２２は、粒状黒鉛３０を精製する際には上方から吊り下げられるようにして電気分解槽２０の電解液３２に浸漬される。この実施形態では、黒鉛収容部２２としてカーボンメッシュカゴが用いられているが、これ以外の構成を採用することが可能である。黒鉛収容部２２は、原則としてその全部が導電性部材で構成されるが、電流による損傷を防止するために一部を絶縁体（ポリ塩化ビニル等）によって構成したり、絶縁処理を施したりすることも可能である。

電極板２４は、本発明に係る第１の電極部に対応するものであり、黒鉛収容部２２の周囲に配置される。この実施形態では、電極板２４が複数の開口を有する円筒状を呈している。電極板２４は、耐酸性を備えたパンチングメタルを用いることが好ましく、例えば、銀、白金、金等の貴金属を素材として用いたり、カーボンを用いたりすることが可能である。

ただし、電極板２４の構成はこれに限定されるものではなく、有底円筒状や円以外の多角形筒状であっても良い。また、この実施形態では、電極板２４は、黒鉛収容部２２と同心円状に配置されている。このような配置を採用することによって、陽極と陰極との間隔がいずれの場所においても均等になるため、電気分解処理におけるムラの発生を防止することが可能になる。

攪拌機２６は、カップリング等の駆動伝達系を介してモータに接続されており、電気分解槽２０内の電解液３２を攪拌するように構成される。また、この実施形態では、攪拌機２６は、カーボンや貴金属等の導電性部材によって構成されている。この実施形態では、攪拌機２６は、黒鉛収容部２２内の粒状黒鉛３０に通電するように構成された第２の電極部を構成する。

上述の黒鉛精製装置１０の構成において、黒鉛収納部２２を構成するメッシュ体の開口は、処理すべき粒状黒鉛３０が通過しない大きさになるように構成される。黒鉛精製装置１０において一般的に処理される粒状黒鉛３０の粒径は、１００μｍ〜２００μｍ程度である。このため、黒鉛収納部２２を構成するメッシュ体の開口は、５０μｍ〜１００μｍ程度の大きさであることが好ましい。

上述の構成において、高純度化すべき粒状黒鉛３０を黒鉛収容部２２に入れて、電解液３２に浸漬する。電気分解処理の準備が整った後に、制御部１４４が電源部１４２から通電を開始する。図２に示すように、粒状黒鉛３０を陽極（＋側）にして、対極となる陰極（−側）との間に電解液３２を介して、直流電流を流すことによって電解研磨と同様の反応が生じる。陽極（＋）側となる攪拌機２６および黒鉛収容部２２の電流による損傷が高い場合には、必要に応じて交流電流を印加して極性を反転する期間を設けても良い。

通常、粒状黒鉛には３０Ａ〜１８０Ａ程度の電流が、３０分〜１２０分程度の期間通電される。その結果、電解液３２中で、粒状黒鉛３０より不純物の金属が金属イオンとして溶出する。不純物が除去された後の高純度化された粒状黒鉛はそのまま黒鉛収容部２２に残るため、容易に回収される。

塩化ナトリウム水溶液を電解液３２として用いた場合、陽極から塩素が、陰極から水素が発生する。陰極に近い電解液には、発生した水酸化ナトリウム水溶液の成分が増加するため、必要に応じてｐＨ調整を行うことが好ましい。より具体的には、水に溶けた塩化ナトリウムは、ナトリウムイオンと塩素イオンとに電離する。塩素イオンは陰イオンであり陽極に引かれるため、陽極において塩素分子が発生する。ナトリウムイオンは陽イオンであるため陰極に引かれる。陰極となる電極板２４がカーボン等であると水のわずかな電離でできた水素イオンが電極板２４にくっついて水素が発生する。電解液中には、ナトリウムイオンと水酸イオンとが残る結果、水酸化ナトリウムが発生する。

塩化ナトリウムを電解液３２として用いた場合には、中性塩電解エッチングと同様の技術を利用することになる。また、必要に応じて、無機酸やアルカリ性溶液を用いた電解エッチングと同様の技術を利用するようにしても良い。

粒状黒鉛３０は、亀の甲状の層状物質であり、層間に不純物が残留している可能性が高い。そのため、層間に電解液を浸透させることが重要であり、必要に応じて、超音波振動や界面活性剤、バブリング（マイクロバブル）等を併用することが好ましい。

粒状黒鉛に残留する不純物の例としては、ＳｉＯ₂ （ニ酸化珪素：シリカ）やＡｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム：アルミナ）等が挙げられる。特にニ酸化珪素は、上述の処理のみでは除去が難しい場合が発生し易い。そのような場合には電解液にフッ酸やケイフッ化水素酸を１〜１０重量％程度添加すると良い。この場合、必要に応じて塩酸も併用することが、処理時間の短縮化の観点から見て好ましい。

図３は、黒鉛精製装置１０をスプレイ式ガラスエッチング装置５０に接続した状態の概略を示している。スプレイ式ガラスエッチング装置５０は、連続して搬送されるガラス基板に対してフッ酸を含むエッチング液を噴射するように構成されている。スプレイ式ガラスエッチング装置５０の処理チャンバ内において、このエッチング液がガラス基板に接触することによってガラス基板のエッチング処理が行われる。

スプレイ式ガラスエッチング装置５０で使用されたエッチング液には、まだ粒状黒鉛３０からニ酸化珪素を除去するのに十分なフッ酸やケイフッ化水素酸が残っている。そのため、この実施形態では、スプレイ式ガラスエッチング装置５０の排出口４２と、電気分解槽２０の導入口４４とを、フッ酸を含むエッチング液に対して耐性を持つポリ塩化ビニル配管４０を介して接続している。このような構成を採用することにより、スプレイ式ガラスエッチング装置５０で使い終わったエッチング液を電気分解槽２０に導入し、電解液に添加する薬液として好適に再利用することが可能になる。

上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０−黒鉛精製装置
１２−電気分解処理ユニット
１４−制御ユニット
１６−液循環ユニット
２０−電気分解槽
２２−黒鉛収容部
２４−電極板
２６−攪拌機
３２−電解液
５０−スプレイ式ガラスエッチング装置

Claims (3)

1. 粒状黒鉛から不純物を除去することによって高純度化された粒状黒鉛を回収するように構成された黒鉛精製装置であって、
   電解液を収容可能な電気分解槽と、
   前記電気分解槽の電解液に浸漬されるカゴ形状のメッシュ体からなる黒鉛収容部と、
   前記黒鉛収容部の周囲に配置された第１の電極部と、
   前記黒鉛収容部内の粒状黒鉛に通電するように構成された第２の電極部と、
   前記第１の電極部および前記第２の電極部の間に電気分解処理に必要な電流を通電するように構成された電源手段と、
   を備え、
   前記黒鉛収納部を構成するメッシュ体の開口が、処理すべき粒状黒鉛が通過しない大きさになるように構成されることを特徴とする黒鉛精製装置。
2. 前記電気分解槽に収容される電解液が塩化ナトリウムを含む水溶液であることを特徴する請求項１に記載の黒鉛精製装置。
3. 前記電気分解槽がガラスエッチング装置と接続可能に構成されており、前記電気分解槽に前記ガラスエッチング装置において使用した使用済みエッチング液が導入可能に構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の黒鉛精製装置。

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