JP2020062632A

JP2020062632A - 粉末粒子の被覆方法、全固体リチウムイオン電池用正極活物質の製造方法、全固体リチウムイオン電池の製造方法

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Publication number: JP2020062632A
Application number: JP2018197823A
Authority: JP
Inventors: 幸毅 ▲柳▼川; Yukitake Yanagawa
Original assignee: JX Nippon Mining and Metals Corp
Current assignee: JX Nippon Mining and Metals Corp
Priority date: 2018-10-19
Filing date: 2018-10-19
Publication date: 2020-04-23
Anticipated expiration: 2038-10-19
Also published as: JP7266988B2

Abstract

【課題】粉末粒子に均一に被覆膜を形成ための被覆方法の提供。【解決手段】被覆処理対象の粉末粒子を収容する空間を内部に備える円筒状の回転体と、回転体の周方向に間隔を空けて複数設けられた撹拌板と、被覆材噴霧ノズル、第１の空気導入ノズル及び第２の空気導入ノズルとを備えた被覆装置を用いた粉末粒子の被覆方法であり、被覆処理対象の粉末粒子を回転体の内部へ収容し、回転体を回転させて複数の撹拌板によって粉末粒子を次々に持ち上げ、回転体のさらなる回転によって撹拌板から粉末粒子を次々に落下させる工程と、落下した粉末粒子、及び、回転体の回転によって回転体内部を舞う粉末粒子に、第１の空気導入ノズルから空気を吹き付けて、さらに回転体内部で撹拌しながら、被覆材噴霧ノズルから被覆材を粉末粒子に噴霧する工程と、被覆材が噴霧された粉末粒子に第２の空気導入ノズルから空気を吹き付けて乾燥させる工程とを備えた粉末粒子の被覆方法。【選択図】図１

Description

本発明は、粉末粒子の被覆方法、全固体リチウムイオン電池用正極活物質の製造方法、全固体リチウムイオン電池の製造方法
に関する。

従来、粉末粒子に被覆材を供給して粉末粒子の表面を被覆するために、回転式のドラムの内部に粉末粒子を収容し、ドラムを回転させながら粉末粒子を撹拌させておき、被覆材を撹拌されている粉末粒子に供給する方法が用いられている（特許文献１、２）。

特開２００９−３０１７２６号公報特開平０９−０６６２２７号公報

しかしながら、前述のような従来の被覆装置では、ドラムの回転のみで粉末粒子を装置内部で撹拌しており、複数の粉末粒子を混合して被覆材で表面を被覆しようとすると、粉末粒子の粒子サイズや粒子比重によりドラム底部に粉末粒子が滞留してしまう。このようにドラム底部に滞留した粉末粒子が存在すると、ドラム内の粉末粒子に均一に被覆膜を形成することが困難となる。

そこで、本発明の実施形態は、粉末粒子に均一に被覆膜を形成することができる粉末粒子の被覆方法を提供することを課題とする。

本発明は一実施形態において、被覆処理対象の粉末粒子を収容する空間を内部に備える円筒状の回転体と、前記回転体の軸方向に伸び、前記回転体の内壁面から前記回転体の内径方向に起立するように設けられ、前記回転体の周方向に間隔を空けて複数設けられた撹拌板と、被覆材噴霧ノズル、第１の空気導入ノズル及び第２の空気導入ノズルとを備えた被覆装置を用いた粉末粒子の被覆方法であり、前記被覆処理対象の粉末粒子を前記回転体の内部へ収容し、前記回転体を回転させて前記複数の撹拌板によって前記粉末粒子を次々に持ち上げ、前記回転体のさらなる回転によって前記撹拌板から粉末粒子を次々に落下させる工程と、前記落下した粉末粒子、及び、前記回転体の回転によって前記回転体内部を舞う粉末粒子に、前記第１の空気導入ノズルから空気を吹き付けて、さらに前記回転体内部で撹拌しながら、前記被覆材噴霧ノズルから被覆材を前記粉末粒子に噴霧する工程と、前記被覆材が噴霧された粉末粒子に前記第２の空気導入ノズルから空気を吹き付けて乾燥させる工程とを備えた粉末粒子の被覆方法である。

本発明の粉末粒子の被覆方法は別の一実施形態において、前記第１の空気導入ノズルは、前記回転体の回転に伴い、前記撹拌板に持ち上げられて落とされた前記粉末粒子の落下開始位置に空気を吹き付ける。

本発明の粉末粒子の被覆方法は更に別の一実施形態において、前記被覆材噴霧ノズルは前記回転体の内部の上部に位置し、前記回転体の内部の下方に向かって被覆材を噴霧し、
前記第２の空気導入ノズルは、前記被覆材噴霧ノズルによって被覆材が噴霧された粉末粒子の下方から、上方に向かって空気を吹き付ける。

本発明の粉末粒子の被覆方法は更に別の一実施形態において、前記被覆材噴霧ノズルは前記回転体の内部の上部に位置し、前記回転体の内部の下方に向かって被覆材を噴霧し、前記第２の空気導入ノズルは、前記被覆材噴霧ノズルによって被覆材が噴霧された粉末粒子の一方の側方から、他方の側方に向かって空気を吹き付ける。

本発明の粉末粒子の被覆方法は更に別の一実施形態において、前記被覆処理対象の粉末粒子が正極活物質前駆体である。

本発明の粉末粒子の被覆方法は更に別の一実施形態において、前記被覆処理対象の粉末粒子が全固体リチウムイオン電池用正極活物質前駆体であり、前記被覆材がニオブ酸リチウム水溶液である。

本発明は別の一実施形態において、本発明の粉末粒子の被覆方法によって表面が被覆された全固体リチウムイオン電池用正極活物質前駆体を焼成して全固体リチウムイオン電池用正極活物質を製造する方法である。

本発明は更に別の一実施形態において、本発明の全固体リチウムイオン電池用正極活物質の製造方法で作製した全固体リチウムイオン電池用正極活物質を用いて正極層を形成し、固体電解質層、前記正極層及び負極層を備えた全固体リチウムイオン電池を製造する方法である。

本発明の実施形態によれば、粉末粒子に均一に被覆膜を形成することができる粉末粒子の表面を被覆材で被覆するための粉末粒子の被覆方法を提供することができる。

本発明の実施例に係る被覆装置１０の模式図である。

（被覆装置）
本発明の実施形態に係る被覆装置は、被覆処理対象の粉末粒子を収容する空間を内部に備える円筒状の回転体を備える。回転体は回転式ドラムであってもよい。回転体は特に限定されないが、例えば、クロム、タングステン、モリブデン、バナジウムからなる合金、ＳＵＳ、ハステロイ（ＨＡＳＴＡＬＬＯＹ）、インコネル（ＩＮＣＯＮＥＬ）、インコロイ（ＩＮＣＯＬＬＯＹ）等で形成されている。回転体の大きさは特に限定されないが、例えば、軸方向の長さが２〜５ｍ、円筒状の断面の内径が１〜２ｍに形成されていてもよい。回転体は、ローラー等によって、例えば時計回りに所定の角度だけ回転した後、今度は反時計回りに所定の角度だけ回転することを交互に続けてもよく、または、一方向に回転し続けてもよい。

回転体の内部には複数の撹拌板が設けられている。撹拌板は、回転体の軸方向に伸び、回転体の内壁面から回転体の内径方向に起立するように設けられ、回転体の周方向に間隔を空けて、２つ、３つ、または４つ以上が設けられている。撹拌板は回転体と同じ材質であってもよい。撹拌板は特に限定されないが、例えば厚みが３〜５ｍｍ、高さが１０〜２０ｃｍに形成されていてもよい。複数の撹拌板は、隣接するもの同士が等間隔でそれぞれ設けられているのが好ましい。

回転体の内部には、粉末粒子に被覆材を噴霧する被覆材噴霧ノズルが設けられている。回転体の外部に設けられた被覆材供給部から伸びる管が、回転体の内部を通り、回転体の軸方向に沿って伸びて被覆材噴霧ノズルに接続されている。被覆材噴霧ノズルは、被覆材供給部から回転体の内部の管を通って供給された被覆材を、回転体内部の粉末粒子に噴霧する。被覆材噴霧ノズルは霧吹きの機能を有している。すなわち、被覆材噴霧ノズルには複数の孔が形成されており、当該複数の孔から被覆材が霧状となって放出される。被覆材噴霧ノズルの孔の大きさは、噴霧する被覆材によるが、例えば０．１〜１ｍｍ径に形成されていてもよい。

回転体の内部には、粉末粒子に空気を吹き付けて撹拌するための第１の空気導入ノズルが設けられている。回転体の外部に設けられた空気供給部から伸びる管が、回転体の内部を通り、回転体の軸方向に沿って伸びて第１の空気導入ノズルに接続されている。第１の空気導入ノズルは、空気供給部から回転体の内部の管を通って供給された空気を、回転体内部の粉末粒子に吹き付けて撹拌する。第１の空気導入ノズルは回転体内部に複数設けられていてもよい。

回転体の内部には、被覆材噴霧ノズルによって被覆材が噴霧された粉末粒子に空気を吹き付けるための第２の空気導入ノズルが設けられている。回転体の外部に設けられた空気供給部から伸びる管が、回転体の内部を通り、回転体の軸方向に沿って伸びて第２の空気導入ノズルに接続されている。第２の空気導入ノズルは、空気供給部から回転体の内部の管を通って供給された空気を、被覆材噴霧ノズルによって被覆材が噴霧された粉末粒子に吹き付けて乾燥させる。第２の空気導入ノズルは回転体内部に複数設けられていてもよい。

回転体の内部には、回転体の内部から空気を回転体の外部へ排出する空気収集部が設けられている。空気収集部は、多数の孔を有する中空体であり、回転体の外部に設けられた減圧ポンプから伸びる管と接続されており、当該減圧ポンプによる減圧によって空気収集部が回転体の内部から空気を回転体の外部へ排出している。

本発明の実施形態に係る被覆装置は、このような構成により、回転体が回転することによって回転体内部の粉末粒子が複数の撹拌板で次々に持ち上げられる。撹拌板で持ち上げられた粉末粒子は、回転体のさらなる回転によって撹拌板から次々に落下する。また、落下した粉末粒子、または、回転体内部を舞う粉末粒子は、第１の空気導入ノズルから吹き付けられる空気によって、さらに回転体内部で撹拌される。このため、回転体内部で粉末粒子が一部に滞留せずに十分に撹拌され、また、回転体内部での粉末粒子と被覆材との衝突回数が増加し、被覆材噴霧ノズルから噴霧された被覆材が回転体内部の粉末粒子それぞれに均一に、また、粉末粒子全体に均一に付着することができる。また、被覆材が均一に付着した粉末粒子に対し、第２の空気導入ノズルが空気を吹き付けて乾燥させることで、効率よく被覆材が良好に粉末粒子の表面に形成される。

第１の空気導入ノズルは、回転体の回転に伴い、撹拌板に持ち上げられて落とされた粉末粒子の落下開始位置に空気を吹き付けるように設けられていてもよい。このような構成によれば、粉末粒子が撹拌板から落下した直後に第１の空気導入ノズルからの空気が吹き付けられるため、粉末粒子が一部分に滞留することなく、回転体内部により良好に撹拌される。

被覆材噴霧ノズルは回転体の内部の上部に位置し、回転体の内部の下方に向かって被覆材を噴霧するように設けられ、第２の空気導入ノズルは、被覆材噴霧ノズルによって被覆材が噴霧された粉末粒子の下方から、上方に向かって空気を吹き付けるように設けられていてもよい。また、被覆材噴霧ノズルは回転体の内部の上部に位置し、回転体の内部の下方に向かって被覆材を噴霧するように設けられ、第２の空気導入ノズルは、被覆材噴霧ノズルによって被覆材が噴霧された粉末粒子の一方の側方から、他方の側方に向かって空気を吹き付けるように設けられていてもよい。噴霧された被覆材が粉末粒子表面で乾燥しない場合、粉末粒子の濡れた部分が他の粉末粒子に接触して付着することがある。このように付着した粉末粒子には、被覆材を噴霧しても被覆材が届きにくい表面部分が生じ、被覆材のコーティングが不均一となるおそれがある。このような問題に対し、被覆材噴霧ノズルと第２の空気導入ノズルとが前述のような構成であれば、被覆材噴霧ノズルによって被覆材が噴霧された粉末粒子を、噴霧後すぐに乾燥することができる。従って、被覆材をより良好に粉末粒子の表面に形成することができる。

本発明の実施形態に係る被覆処理対象の粉末粒子は、特に限定されないが、例えば、正極活物質前駆体、アルミナ、ジルコニア、セリア等の金属酸化物の粉体等であってもよい。粉末粒子が正極活物質前駆体であれば、当該正極活物質前駆体それぞれに均一に、また、正極活物質前駆体全体に均一に被覆材を被覆することができ、それを用いて作製する正極材、固体電解質間の抵抗を減少させることができる。粉末粒子の粒径についても特に限定されないが、例えば、２〜３０μｍであってもよい。

（粉末粒子の被覆方法）
本発明の実施形態に係る粉末粒子の被覆方法は、前述の本発明の実施形態に係る被覆装置を用いて実施することができる。まず、被覆処理対象の粉末粒子を被覆装置の回転体の内部に収容し、被覆装置の回転体を回転させる。被覆装置の回転体を回転させることで、複数の撹拌板によって回転体内部の粉末粒子を次々に持ち上げる。撹拌板で持ち上げた粉末粒子は、回転体のさらなる回転によって撹拌板から次々に落下する。落下した粉末粒子、または、回転体内部を舞う粉末粒子に、第１の空気導入ノズルから空気を吹き付けて、さらに回転体内部で撹拌する。このように回転体内部で粉末粒子を一部に滞留させずに十分に撹拌することで、被覆材噴霧ノズルから噴霧された被覆材を回転体内部の粉末粒子のそれぞれに均一に、また、粉末粒子全体に均一に付着させる。また、被覆材が均一に付着した粉末粒子に対し、第２の空気導入ノズルから空気を吹き付けて乾燥させる。これにより、被覆材をさらに良好に粉末粒子の表面に形成する。

第１の空気導入ノズルは、回転体の回転に伴い、撹拌板に持ち上げられて落とされた粉末粒子の落下開始位置に空気を吹き付けてもよい。このような構成によれば、粉末粒子が撹拌板から落下した直後に第１の空気導入ノズルからの空気が吹き付けられるため、粉末粒子が一部分に滞留することなく、回転体内部により良好に撹拌される。

被覆材噴霧ノズルは回転体の内部の上部に位置し、回転体の内部の下方に向かって被覆材を噴霧し、第２の空気導入ノズルは、被覆材噴霧ノズルによって被覆材が噴霧された粉末粒子の下方から、上方に向かって空気を吹き付けてもよい。また、被覆材噴霧ノズルは回転体の内部の上部に位置し、回転体の内部の下方に向かって被覆材を噴霧し、第２の空気導入ノズルは、被覆材噴霧ノズルによって被覆材が噴霧された粉末粒子の一方の側方から、他方の側方に向かって空気を吹き付けてもよい。噴霧された被覆材が粉末粒子表面で乾燥しない場合、粉末粒子の濡れた部分が他の粉末粒子に接触して付着することがある。このように付着した粉末粒子には、被覆材を噴霧しても被覆材が届きにくい表面部分が生じ、被覆材のコーティングが不均一となるおそれがある。このような問題に対し、被覆材噴霧ノズルと第２の空気導入ノズルとが前述のような構成であれば、被覆材噴霧ノズルによって被覆材が噴霧された粉末粒子を、噴霧後すぐに乾燥することができる。従って、被覆材をより良好に粉末粒子の表面に形成することができる。

（全固体電池用正極活物質の製造方法）
本発明の実施形態に係る粉末粒子の被覆方法を用いた全固体電池用正極活物質の製造方法について説明する。まず、正極活物質の原料となる遷移金属の水溶液、水酸化ナトリウム水溶液、アンモニア水を別々の槽に用意する。遷移金属の水溶液は、例えば硫酸ニッケル、硫酸コバルト及び硫酸マンガンを所定のモル比で含む水溶液であってもよい。次に、これらを一つの反応槽に投入して晶析法により反応させ、ろ過、水洗及び乾燥を行うことで、所定の組成式［例えば、Ｎｉ_xＣｏ_yＭｎ_z（ＯＨ）₂、ｘ+ｙ+ｚ＝１］で示される前駆体粉体（粉末粒子）を得る。

次に、当該前駆体粉体を前述の被覆装置の回転体内に投入し、被覆装置の回転体を回転させながら、前述の通り、第１の空気導入ノズルから空気を吹き付けて撹拌し、被覆材噴霧ノズルから被覆材（例えば、シュウ酸ニオブ水溶液等）を噴霧し、第２の空気導入ノズルから空気を吹き付けて乾燥させる。これにより、前駆体粉体それぞれに均一に、また、前駆体粉体全体に均一に被覆材を被覆する。

次に、被覆装置から被覆材が被覆された前駆体粉体を取り出し、所定の焼成条件で焼成した後、解砕することで、全固体電池用正極活物質を製造する。

（全固体リチウムイオン電池の製造方法）
本発明の実施形態に係る全固体リチウムイオン電池用正極活物質の製造方法によって製造された全固体リチウムイオン電池用正極活物質を用いて正極層を形成し、固体電解質層、当該正極層及び負極層を備えた全固体リチウムイオン電池を作製することができる。

以下、本発明及びその利点をより良く理解するための実施例を提供するが、本発明はこれらの実施例に限られるものではない。

（実施例１）
図１に本発明の実施例に係る被覆装置１０の模式図を示す。被覆装置１０は、被覆処理対象の粉末粒子（正極活物質前駆体）７を収容する空間を内部に備える円筒状でＳＵＳ製の回転体１を備える。回転体１は軸方向の長さが３ｍ、円筒状の断面の内径が１ｍに形成されている。回転体は、ローラー６で支持されており、ローラー６の回転に伴って、時計回りに６０度だけ回転した後、今度は反時計回りに６０度だけ回転することを交互に続ける。

回転体１の内部にはＳＵＳ製の撹拌板５が、回転体１の軸方向に伸び、回転体１の内壁面から回転体１の内径方向に起立するように設けられ、回転体１の周方向に間隔を空けて７つ設けられている。撹拌板５の厚みは５ｍｍ、高さは１５ｃｍに形成されている。

回転体１の内部には、粉末粒子７に被覆材（シュウ酸ニオブ水溶液）を噴霧する被覆材噴霧ノズル２、粉末粒子７に空気を吹き付けて撹拌するための第１の空気導入ノズル３、被覆材噴霧ノズルによって被覆材が噴霧された粉末粒子７に空気を吹き付けるための第２の空気導入ノズル４、及び、回転体１の内部から空気を回転体１の外部へ排出する空気収集部８が設けられている。

被覆材噴霧ノズル２は回転体１の内部の上部に位置し、回転体１の内部の下方に向かって被覆材を噴霧するように設けられ、第２の空気導入ノズル４は、被覆材噴霧ノズル２によって被覆材が噴霧された粉末粒子７の下方から、上方に向かって空気を吹き付けるように設けられている。

第１の空気導入ノズル３は、回転体１の回転に伴い、撹拌板５に持ち上げられて落とされた粉末粒子７の落下開始位置に空気を吹き付けるように設けられている。具体的には、図１のＡで示される撹拌板５の位置で粉末粒子７は撹拌板５から落下するが、第１の空気導入ノズル３は、当該Ａの位置に来た撹拌板５から落下した直後の粉末粒子７に空気を吹きつけることができるような位置に設けられている。

このような構成の被覆装置１０において、まず、粉末粒子（正極活物質前駆体）７を回転体１の内部に収容し、回転体１を回転させた。回転体１を回転させることで、７枚の撹拌板５によって回転体内部の粉末粒子７を次々に持ち上げた。撹拌板５で持ち上げた粉末粒子７は、回転体１のさらなる回転によって撹拌板５から次々に落下した。落下した粉末粒子７及び回転体１の内部を舞う粉末粒子７に、第１の空気導入ノズル３から空気を吹き付けて、さらに回転体１の内部で撹拌した。このように回転体１の内部で粉末粒子７を一部に滞留させずに十分に撹拌させることで、被覆材噴霧ノズル２から噴霧した被覆材（シュウ酸ニオブ水溶液）を回転体１の内部の粉末粒子７それぞれに均一に、また、粉末粒子７全体に均一に付着させた。また、被覆材が均一に付着した粉末粒子７に対し、第２の空気導入ノズル４から空気を吹き付けて乾燥させた。これにより、被覆材をさらに良好に粉末粒子の表面に形成した。

１回転体
２被覆材噴霧ノズル
３第１の空気導入ノズル
４第２の空気導入ノズル
５撹拌板
６ローラー
７粉末粒子
８空気収集部
１０被覆装置

Claims

被覆処理対象の粉末粒子を収容する空間を内部に備える円筒状の回転体と、
前記回転体の軸方向に伸び、前記回転体の内壁面から前記回転体の内径方向に起立するように設けられ、前記回転体の周方向に間隔を空けて複数設けられた撹拌板と、
被覆材噴霧ノズル、第１の空気導入ノズル及び第２の空気導入ノズルと、
を備えた被覆装置を用いた粉末粒子の被覆方法であり、
前記被覆処理対象の粉末粒子を前記回転体の内部へ収容し、前記回転体を回転させて前記複数の撹拌板によって前記粉末粒子を次々に持ち上げ、前記回転体のさらなる回転によって前記撹拌板から粉末粒子を次々に落下させる工程と、
前記落下した粉末粒子、及び、前記回転体の回転によって前記回転体内部を舞う粉末粒子に、前記第１の空気導入ノズルから空気を吹き付けて、さらに前記回転体内部で撹拌しながら、前記被覆材噴霧ノズルから被覆材を前記粉末粒子に噴霧する工程と、
前記被覆材が噴霧された粉末粒子に前記第２の空気導入ノズルから空気を吹き付けて乾燥させる工程と、
を備えた粉末粒子の被覆方法。
前記第１の空気導入ノズルは、前記回転体の回転に伴い、前記撹拌板に持ち上げられて落とされた前記粉末粒子の落下開始位置に空気を吹き付ける請求項１に記載の粉末粒子の被覆方法。
前記被覆材噴霧ノズルは前記回転体の内部の上部に位置し、前記回転体の内部の下方に向かって被覆材を噴霧し、
前記第２の空気導入ノズルは、前記被覆材噴霧ノズルによって被覆材が噴霧された粉末粒子の下方から、上方に向かって空気を吹き付ける請求項１又は２に記載の粉末粒子の被覆方法。
前記被覆材噴霧ノズルは前記回転体の内部の上部に位置し、前記回転体の内部の下方に向かって被覆材を噴霧し、
前記第２の空気導入ノズルは、前記被覆材噴霧ノズルによって被覆材が噴霧された粉末粒子の一方の側方から、他方の側方に向かって空気を吹き付ける請求項１又は２に記載の粉末粒子の被覆方法。
前記被覆処理対象の粉末粒子が正極活物質前駆体である請求項１〜４のいずれか一項に記載の粉末粒子の被覆方法。
前記被覆処理対象の粉末粒子が全固体リチウムイオン電池用正極活物質前駆体であり、前記被覆材がニオブ酸リチウム水溶液である請求項５に記載の粉末粒子の被覆方法。
請求項６に記載の粉末粒子の被覆方法によって表面が被覆された全固体リチウムイオン電池用正極活物質前駆体を焼成して全固体リチウムイオン電池用正極活物質を製造する方法。
請求項６に記載の全固体リチウムイオン電池用正極活物質の製造方法で作製した全固体リチウムイオン電池用正極活物質を用いて正極層を形成し、固体電解質層、前記正極層及び負極層を備えた全固体リチウムイオン電池を製造する方法。