JP6132172B2 - 二軸押出混練装置、およびそれを用いた電極合剤の製造方法 - Google Patents
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Description
特許文献1に開示された二軸押出混練装置によれば、混練部にて、ペーストに高剪断力を付与して、その粘度を良好に低下させることができるため、最終的に作製されるペースト(電極合剤)の粘度を、集電体に塗布するための適正な値とすることができる。
電極合剤は、活物質を含むペーストであり、リチウムイオン二次電池等の電池の製造に用いられる。
なお、本実施形態に係る電極合剤は、負極合剤とする。ただし、本発明によれば、正極合剤を製造することも可能である。
なお、図1における黒塗矢印が指す方向は、混練装置1が活物質等の材料を搬送する方向であり、「搬送方向」と記す。
また、搬送方向における上流側(図1における左側)を単に「上流側」、搬送方向における下流側(図1における右側)を単に「下流側」と記す。
回転軸30には、上流側から下流側に向けて、スクリュー31、複数のパドル32・32・・・、抵抗パドル33、スクリュー34、パドル35、抵抗パドル36、スクリュー37、二つのパドル38・38、および逆スクリュー39が順に設けられている。
固練ゾーンAには、スクリュー21、複数のパドル22・22・・・および抵抗パドル23、ならびにスクリュー31、複数のパドル32・32・・・および抵抗パドル33が配置されている。
スクリュー31は、スクリュー21と同様に構成された部材である。スクリュー31は、回転軸30の外周を覆うように、回転軸30に対して同心的に固定されている。
スクリュー21およびスクリュー31は、回転時に互いに接触しないように、搬送方向における位置を合わせて配置されている。
パドル32は、パドル22と同様に構成された部材である。パドル32は、回転軸30に、連続的に11個設けられており、隣接するパドル32・32が互いに異なる回転位置となるように配置されている。
複数のパドル22・22・・・および複数のパドル32・32・・・は、回転時に互いに接触しないように、搬送方向における位置を合わせて配置されている。
ここで、図3に示すように、固練ゾーンAにおける全てのパドル22の厚み(図3における左右寸法)の合計値、および固練ゾーンAにおける全てのパドル32の厚みの合計値を、それぞれパドル長L1と定義する。つまり、パドル長L1=パドル22の厚み×パドル22の数=パドル32の厚み×パドル32の数、が成り立つ。
本実施形態においては、パドル22およびパドル32の厚みを、それぞれ35mmに設定しており、パドル長L1は385mmとなる。
ここで、パドル22の外周面と、ハウジング10の内周面(混練室11を成す面)との間の最小幅、およびパドル32の外周面と、ハウジング10の内周面との間の最小幅を、それぞれクリアランスC1と定義する。詳細には、パドル22における最も径方向外側に突出した部分と、ハウジング10の内周面との最短距離、およびパドル32における最も径方向外側に突出した部分と、ハウジング10の内周面との最短距離を、それぞれクリアランスC1と定義する。
本実施形態においては、パドル22およびパドル32を、クリアランスC1が7.5mmとなるように構成している。
なお、本実施形態においては、パドル24およびパドル34の形状を略三角形状としたが、電極合剤の材料を混練することができれば、それらの形状は限定しない。
大円板部23aは、円板状に形成され、ハウジング10の内周面(混練室11を成す面)との間に、微小な隙間が形成されるような外径に設定されている。例えば、大円板部23aの外周面とハウジング10の内周面との最短距離は、0.5mmに設定される。
小円板部23bは、円板状に形成され、大円板部23aよりも小さい外径を有する。小円板部23bは、大円板部23aよりも上流側において、大円板部23aと同心的かつ一体的に形成されている。
大円板部33aは、円板状に形成され、ハウジング10の内周面(混練室11を成す面)との間に、微小な隙間が形成されるような外径に設定されている。例えば、大円板部33aの外周面とハウジング10の内周面との最短距離は、0.5mmに設定される。大円板部33aは、抵抗パドル23の小円板部23bに対して、搬送方向における位置を合わせて配置されると共に、微小な隙間が形成されるように配置されている。
小円板部33bは、円板状に形成され、大円板部33aよりも小さい外径を有する。小円板部33bは、大円板部33aよりも下流側において、大円板部33aと同心的かつ一体的に形成されている。小円板部33bは、抵抗パドル23の大円板部23aに対して、搬送方向における位置を合わせて配置されると共に、微小な隙間が形成されるように配置されている。
第一供給口12は、固練ゾーンAに活物質および増粘剤を供給するために、ハウジング10に設けられた開孔である。第一供給口12は、スクリュー21およびスクリュー31の上流側端部に、活物質および増粘剤を供給できるように形成されている。
第二供給口13は、固練ゾーンAに溶媒を供給するために、ハウジング10に設けられた開孔である。第二供給口13は、スクリュー21およびスクリュー31の下流側端部に、溶媒を供給できるように形成されている。
このように、比較的高い固形分率を有する固練ペーストを、複数のパドル22・22・・・および複数のパドル32・32・・・によって混練することにより、固練ペーストに高剪断力を付与して、その粘度を良好に低下させることができる。
これにより、抵抗パドル23および抵抗パドル33よりも上流側に一定量の固練ペーストが滞留し、複数のパドル22・22・・・および複数のパドル32・32・・・が固練ペーストに、効率的に剪断力を付与することができる。
したがって、固練ペーストの粘度を効率的に低下させることができる。
希釈ゾーンBには、スクリュー24、パドル25および抵抗パドル26、ならびにスクリュー34、パドル35および抵抗パドル36が配置されている。
ここで、図3に示すように、希釈ゾーンBにおける全てのパドル25の厚み(図3における左右寸法)の合計値、および希釈ゾーンBにおける全てのパドル35の厚みの合計値を、それぞれパドル長L2と定義する。つまり、パドル長L2=パドル25の厚み×パドル25の数=パドル35の厚み×パドル35の数、が成り立つ。
本実施形態においては、パドル25およびパドル35の厚みを、それぞれ35mmに設定しており、パドル長L2は35mmとなる。
本実施形態においては、パドル25およびパドル35を、クリアランスC2が1mmとなるように構成している。
抵抗パドル36は、抵抗パドル33と同様に構成されている。抵抗パドル36は、パドル35よりも下流側において、パドル35に隣接するように配置されている。抵抗パドル36は、抵抗パドル33の大円板部33aと同様に構成された大円板部36aと、抵抗パドル33の小円板部33bと同様に構成された小円板部36bとを有する。
第三供給口14は、希釈ゾーンBに溶媒を供給するために、ハウジング10に設けられた開孔である。第三供給口14は、スクリュー24およびスクリュー34の上流側端部に、溶媒を供給できるように形成されている。
第三供給口14から供給される溶媒は、固練ペーストを希釈するためのものである。混練装置1においては、第二供給口13から固練ゾーンAに溶媒が供給されると共に、第三供給口14から希釈ゾーンBに溶媒が供給される。つまり、混練装置1においては、溶媒が二回に分けて混練室11に供給されることとなり、固練ゾーンAにて固練ペーストが作製された後、希釈ゾーンBにて固練ペーストが希釈されるのである。
これにより、抵抗パドル26および抵抗パドル36よりも上流側に一定量の希釈ペーストが滞留し、パドル25およびパドル35が効率的に希釈ペーストを混練することができる。
したがって、希釈ペーストの固形分率を効率的に低下させることができる。
最終混練ゾーンCには、スクリュー27および二つのパドル28・28、ならびにスクリュー37および二つのパドル38・38が配置されている。
第四供給口15は、最終混練ゾーンCに結着剤を供給するために、ハウジング10に設けられた開孔である。第四供給口15は、スクリュー27およびスクリュー37の上流側端部に、結着剤を供給できるように形成されている。
逆進ゾーンDには、逆スクリュー29および逆スクリュー39が配置されている。
こうして、電極合剤は、排出口16からハウジング10の外部へ排出されることとなる。
排出口16は、電極合剤を混練室11からハウジング10の外部へ排出するために、ハウジング10に設けられた開孔である。排出口16は、パドル28・28およびパドル38・38を臨むように形成されている。
したがって、本実施形態においては、(L1/C1)/(L2/C2)=1.46、となり、数1に示す条件式を満たしている。
詳細には、固練ゾーンAにおけるパドル22およびパドル32の数の増加(パドル長L1の増加)、固練ゾーンAにおけるパドル22およびパドル32の外径の増加(クリアランスC1の減少)、希釈ゾーンBにおけるパドル25およびパドル35の数の減少(パドル長L2の減少)、希釈ゾーンBにおけるパドル25およびパドル35の外径の減少(クリアランスC2の増加)、またはそれらの組み合わせを行えばよい。
また、希釈ゾーンBにおいて、ペーストを混練する時間またはペーストに付与する剪断力を減少させることにより、ペーストの粘度の低下を抑制することができる。そのため、固練ゾーンAを経たペーストの粘度と、希釈ゾーンBを経たペーストの粘度との差が極めて小さくなり、最終的に作製される電極合剤の粘度のバラツキを抑制することができるのである。
このように、数1に示す条件式を満たすように、固練ゾーンAにおけるパドル長L1およびクリアランスC1、ならびに希釈ゾーンBにおけるパドル長L2およびクリアランスC2を設定することにより、所望の粘度を有する電極合剤を作製することができる。
なお、クリアランスC1およびクリアランスC2は、それぞれ0.5〜15mmの範囲で設定することが好ましい。
しかしながら、本発明に係る抵抗パドルは、少なくとも任意のパドルの下流側で、当該パドルに隣接するように配置されていればよい。
例えば、固練ゾーンAにおける各回転軸に連続して設けられた複数のパドルの間に、適宜、抵抗パドルを設けることが可能である。かかる場合、固練ゾーンAにおけるパドル長L1を算出する際には、複数のパドルの間に設けられた抵抗パドルの厚みは考慮しない。
二軸押出混練装置を、混練装置1と同様に構成した。
即ち、固練ゾーンにおける各回転軸に11個のパドルを連続して設けると共に、希釈ゾーンにおける各回転軸に1個のパドルを設けた。
固練ゾーンに配置されるパドル、および希釈ゾーンに配置されるパドルの厚みをそれぞれ35mmとした。つまり、固練ゾーンにおけるパドル長L1を385mmとし、希釈ゾーンにおけるパドル長L2を35mmとした。
固練ゾーンに配置されるパドルは、クリアランスC1が7.5mmとなるものを用いた。希釈ゾーンに配置されるパドルは、クリアランスC2が1mmとなるものを用いた。
このように、(L1/C1)/(L2/C2)=1.46、となる二軸押出混練装置を用いて電極合剤を作製した。
固練ゾーンにおける各回転軸に6個のパドルを設けると共に、希釈ゾーンにおける各回転軸に3個のパドルを設けた。なお、固練ゾーンにおける各回転軸において、6個のパドルを2等分するように1個の抵抗パドルを介装させた。つまり、固練ゾーンにおける各回転軸に、3個のパドル、抵抗パドル、および3個のパドルを、上流側から順に設けた。
固練ゾーンに配置されるパドル、および希釈ゾーンに配置されるパドルの厚みをそれぞれ35mmとした。つまり、固練ゾーンにおけるパドル長L1を210mmとし、希釈ゾーンにおけるパドル長L2を105mmとした。
固練ゾーンに配置されるパドルは、クリアランスC1が7.5mmとなるものを用いた。希釈ゾーンに配置されるパドルは、クリアランスC2が7.5mmとなるものを用いた。
このように、(L1/C1)/(L2/C2)=2、となる二軸押出混練装置を用いて電極合剤を作製した。
固練ゾーンにおける各回転軸に9個のパドルを設けると共に、希釈ゾーンにおける各回転軸に1個のパドルを設けた。なお、固練ゾーンにおける各回転軸において、9個のパドルを3等分するように2個の抵抗パドルを介装させた。つまり、固練ゾーンにおける各回転軸に、3個のパドル、抵抗パドル、3個のパドル、抵抗パドル、および3個のパドルを、上流側から順に設けた。
固練ゾーンに配置されるパドル、および希釈ゾーンに配置されるパドルの厚みをそれぞれ35mmとした。つまり、固練ゾーンにおけるパドル長L1を315mmとし、希釈ゾーンにおけるパドル長L2を35mmとした。
固練ゾーンに配置されるパドルは、クリアランスC1が7.5mmとなるものを用いた。希釈ゾーンに配置されるパドルは、クリアランスC2が7.5mmとなるものを用いた。
このように、(L1/C1)/(L2/C2)=8.4、となる二軸押出混練装置を用いて電極合剤を作製した。
固練ゾーンにおける各回転軸に6個のパドルを設けると共に、希釈ゾーンにおける各回転軸に6個のパドルを設けた。
固練ゾーンに配置されるパドル、および希釈ゾーンに配置されるパドルの厚みをそれぞれ35mmとした。つまり、固練ゾーンにおけるパドル長L1を210mmとし、希釈ゾーンにおけるパドル長L2を210mmとした。
固練ゾーンに配置されるパドルは、クリアランスC1が7.5mmとなるものを用いた。希釈ゾーンに配置されるパドルは、クリアランスC2が1mmとなるものを用いた。
このように、(L1/C1)/(L2/C2)=0.13、となる二軸押出混練装置を用いて電極合剤を作製した。
固練ゾーンにおける各回転軸に6個のパドルを設けると共に、希釈ゾーンにおける各回転軸に3個のパドルを設けた。
固練ゾーンに配置されるパドル、および希釈ゾーンに配置されるパドルの厚みをそれぞれ35mmとした。つまり、固練ゾーンにおけるパドル長L1を210mmとし、希釈ゾーンにおけるパドル長L2を210mmとした。
固練ゾーンに配置されるパドルは、クリアランスC1が7.5mmとなるものを用いた。希釈ゾーンに配置されるパドルは、クリアランスC2が1mmとなるものを用いた。
このように、(L1/C1)/(L2/C2)=0.27、となる二軸押出混練装置を用いて電極合剤を作製した。
これらに対して、比較例1においては、希釈ゾーンにおけるペーストの粘度の低下率が50%以上であり、比較例2においては、希釈ゾーンにおけるペーストの粘度の低下率が70%以上であった。
なお、図4における網掛け部分は、数1に示す条件式を満たす範囲を示している。
10 ハウジング
11 混練室
20、30 回転軸
22、32 パドル
23、33 抵抗パドル
23a、33a 大円板部
23b、33b 小円板部
25、35 パドル
26、36 抵抗パドル
26a、36a 大円板部
26b、36b 小円板部
A 固練ゾーン
B 希釈ゾーン
Claims (3)
- 所定の材料を搬送しつつ混練することで、ペーストを作製する二軸押出混練装置であって、
中空のハウジングと、
前記ハウジングの内部に設けられ、互いに所定の間隔を空けて平行に配置される二つの回転軸と、
各回転軸に設けられた第1スクリューと、
前記第1スクリューの下流側に隣接するように、各回転軸に設けられ、前記ハウジングの内部に供給された材料を混練する複数のパドルを有し、最終的な固形分率よりも高い固形分率を有する材料を混練するための固練ゾーンと、
前記固練ゾーンの前記パドルの下流側に隣接するように、前記各回転軸に設けられた第1抵抗パドルと、
前記第1抵抗パドルの下流側において前記各回転軸に設けられた第2スクリューと、
前記第2スクリューが設けられた位置に対して前記中空ハウジングに設けられた供給口と、
前記第2スクリューの下流側に隣接するように、各回転軸に設けられ、前記ハウジングの内部に供給された材料を混練する1または複数のパドルを有し、前記固練ゾーンを経た材料を、前記供給口から供給された溶媒と合せて、最終的な固形分率に調整するための希釈ゾーンと、
前記希釈ゾーンの前記パドルの下流側に隣接するように、前記各回転軸に設けられた第2抵抗パドルと
を具備し、
前記固練ゾーンに配置された全てのパドルの厚みの合計値であるパドル長L1、および前記固練ゾーンに配置されたパドルの外周面と前記ハウジングの内周面との間の最小幅であるクリアランスC1、ならびに前記希釈ゾーンに配置された全てのパドルの厚みの合計値であるパドル長L2、および前記希釈ゾーンに配置されたパドルの外周面と前記ハウジングの内周面との間の最小幅であるクリアランスC2は、下記の数1に示す条件式を満たすように設定され、
前記クリアランスC1およびクリアランスC2は、0.5mm以上15mm以下である、
ことを特徴とする二軸押出混練装置。
- 前記第1抵抗パドルおよび前記第2抵抗パドルは、
円板状に形成され、その外周面と前記ハウジングの内周面との間に微小な隙間が形成されるような外径を有する大円板部と、円板状に形成され、前記大円板部よりも小さい外径を有する小円板部とを、それぞれ有し、
前記大円板部の外周面と、前記小円板部の外周面との間に微小な隙間が形成されるように、前記材料の搬送方向における位置を合わせて互いに逆向きの状態で、前記二つの回転軸にそれぞれ配置されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の二軸押出混練装置。 - 請求項1または請求項2に記載の二軸押出混練装置を用いて、前記ペーストとしての電極合剤を作製する工程を含む、ことを特徴とする電極合剤の製造方法。
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