JP6610851B2 - Method for producing carbon-containing paste - Google Patents
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Description
本発明は、カーボンを含有したペーストの製造方法に関し、特に、非水電解質二次電池用電極の製造に用いられるカーボンを含有したペーストの製造に適したカーボンを含有したペーストの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for producing a paste containing carbon, and more particularly to a method for producing a paste containing carbon suitable for producing a paste containing carbon used for producing an electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery. is there.
近年、高い電子導電性を有するカーボンを含有したペーストの開発がなされている。このようなペーストは、例えば、電池やキャパシタの電極材料、導電フィラー、熱伝導材料、発光素子、配線材料や配線同士の電極接合材料、補強材料、黒色顔料、導電性インク、透明導電膜等の各種用途において、多様な機能を有する材料として有望視されている。 In recent years, pastes containing carbon having high electronic conductivity have been developed. Such pastes include, for example, battery and capacitor electrode materials, conductive fillers, heat conductive materials, light emitting elements, wiring materials and electrode bonding materials between wirings, reinforcing materials, black pigments, conductive inks, transparent conductive films, etc. It is promising as a material having various functions in various applications.
とりわけ、非水電解質二次電池として、リチウムイオン二次電池が、パソコンやモバイル機器等の各種電子機器に広く用いられていたが、その用途が自動車や家庭用蓄電池等に広がるにつれ、電池性能の高度化、具体的には、高密度化や大容量化が要請されていた。
現状では、上記の要請に対応するために、電池を大型化して、自動車や家庭用蓄電池として利用すべく、実用化され商品化が開始された。
ただ、電気自動車等(ハイブリッド自動車(HEV)、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)、電気自動車(EV))を現行のガソリン車並とするためには、走行距離や馬力の増大(電池エネルギ密度や電池のパワー密度の向上)、電池の耐熱性の向上、電池の低コスト化等が求められる。特に、電池の耐熱性は、これまでのモバイル機器等の用途においては、45℃以下で動作すれば十分とされていたが、車載用途においては、60℃以上の耐熱性が求められる。
In particular, as non-aqueous electrolyte secondary batteries, lithium ion secondary batteries have been widely used in various electronic devices such as personal computers and mobile devices. However, as their use has spread to automobiles and household storage batteries, etc. There has been a demand for sophistication, specifically, higher density and larger capacity.
At present, in order to meet the above requirements, the battery has been put into practical use and commercialized in order to use it as an automobile or a household storage battery by increasing the size of the battery.
However, in order to make electric vehicles, etc. (hybrid vehicles (HEV), plug-in hybrid vehicles (PHEV), electric vehicles (EV)) comparable to current gasoline vehicles, the mileage and horsepower increase (battery energy density and battery power) Improvement in power density), improvement in heat resistance of the battery, reduction in cost of the battery, and the like are required. In particular, the heat resistance of a battery is sufficient if it operates at 45 ° C. or lower in conventional applications such as mobile devices. However, in a vehicle-mounted application, heat resistance of 60 ° C. or higher is required.
係る電池の電極を作製するために用いられるバインダは、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)が多く実用化され普及している。PVDFは、高い結着性を有し、電池特性としても優れているバインダではあるが、溶媒にN−メチルピロリドン(NMP)等の有機溶媒を用いるため、製造コストと環境の観点から、脱有機溶媒が求められる。また、PVDFは、高温の電解液中で膨潤し、活物質層の電子導電性を低下させるため、電極の出力特性とサイクル寿命特性を悪化させる1つの要因となっている。したがって、電解液と膨潤しにくいバインダを選択すべきである。 Polyvinylidene fluoride (PVDF) is widely used as a binder used for producing such battery electrodes, and is widely used. PVDF is a binder that has high binding properties and excellent battery characteristics. However, since an organic solvent such as N-methylpyrrolidone (NMP) is used as a solvent, it is removed from the viewpoint of manufacturing cost and environment. A solvent is required. In addition, PVDF swells in a high-temperature electrolytic solution and decreases the electronic conductivity of the active material layer, which is one factor that deteriorates the output characteristics and cycle life characteristics of the electrode. Therefore, an electrolyte and a binder that does not easily swell should be selected.
近年、高温でも膨張しにくいバインダとしてカルボキシメチルセルロース(CMC)が注目されており、正極ではまだ実用化されていないものの、負極においてはすでに実用化されている。電極バインダとしてCMCを用いることで、ペーストの製造工程で、水を溶媒として選択できるため、製造コスト面と環境面でも有望視されている(非特許文献1〜3参照。)。しかし、CMCに限らず、水を溶媒或いは水に分散したバインダ(水系バインダ)を用いる場合は、ペーストの混練工程において、導電助剤として添加される疎水性のカーボン粒子の分散が困難を極める。そのため、微量の界面活性剤を加えて、均一分散を図るものの、目視レベルでは分散しているように見えていても、ミクロレベルでは活物質層内に無数のカーボンクラスターが生じており、導電助剤の添加による効果を十分に引き出せず、分散には熟練した技術を必要とし、分散処理に多くの時間をかけていた。また、多くの水系バインダを用いたペーストは、PVDFバインダ用いたそれと比較してペースト粘度が高いため、ペースト中に気泡を噛みやすく、脱泡するのが困難であった。さらに、このような気泡が混入したペーストを、電極の基材に塗布、加熱乾燥すると、塗布形成層に空隙が形成されるという問題があった。
In recent years, carboxymethyl cellulose (CMC) has attracted attention as a binder that hardly expands even at high temperatures. Although it has not been put into practical use at the positive electrode, it has already been put into practical use at the negative electrode. By using CMC as an electrode binder, water can be selected as a solvent in the paste manufacturing process, and therefore, it is also promising in terms of manufacturing cost and environment (see Non-Patent
このように、電池性能を左右する重要な要因の1つとして、非水電解質二次電池用電極の製造に用いられるペーストの特性を挙げることができる。
このペーストは、溶質としての正極活性物質又は負極活性物質、導電物質、バインダ等の固形分を、水等の溶媒に分散、混合することにより得られるもので、このペーストが、電極の基材となるアルミニウム箔又は銅箔に塗布した後、加熱乾燥することにより、正極及び負極を得るようにしている。
そして、上記ペーストは、具体的には、正極活性物質又は負極活性物質、導電物質、バインダ等の固形分と、水等の溶媒とを、図9に示すようなバッチ式多軸ミキサに投入して、固形分の分散、混合(可溶の固形分の溶解を含む。)を行うことにより得るようにしているが、導電物質として用いられるカーボン、特に、アスペクト比(長さ/径)が大きな繊維状炭素粉末や、バインダとして用いられるCMC(カルボキシメチルセルロース)のように、分散性や溶解性が悪い物質の場合には、均質なペーストを得ることが難しかったり、固形分が分散、混合した状態を維持することが難しかったり、固形分の分散、混合に時間を要するという問題があった。
また、上記バッチ式多軸ミキサを用いた場合、気泡がペーストに混入、残留しやすく、このような気泡が混入したペーストを、電極の基材に塗布、加熱乾燥すると、塗布形成層に空隙が形成されるという問題があった。
Thus, as one of the important factors that influence the battery performance, the characteristics of the paste used for manufacturing the electrode for the nonaqueous electrolyte secondary battery can be mentioned.
This paste is obtained by dispersing and mixing a solid content such as a positive electrode active material or a negative electrode active material as a solute, a conductive material, and a binder in a solvent such as water. A positive electrode and a negative electrode are obtained by applying to an aluminum foil or copper foil and then drying by heating.
Specifically, in the paste, a solid content such as a positive electrode active material or a negative electrode active material, a conductive material, a binder, and a solvent such as water are put into a batch type multi-axis mixer as shown in FIG. The solid content is dispersed and mixed (including the dissolution of the soluble solid content), but the carbon used as the conductive material, particularly the aspect ratio (length / diameter) is large. In the case of a substance with poor dispersibility and solubility, such as fibrous carbon powder or CMC (carboxymethylcellulose) used as a binder, it is difficult to obtain a homogeneous paste, or the solid content is dispersed and mixed There are problems that it is difficult to maintain, and that it takes time to disperse and mix the solid content.
In addition, when the batch type multi-axis mixer is used, bubbles are likely to be mixed in and remain in the paste, and when the paste in which such bubbles are mixed is applied to the substrate of the electrode and dried by heating, voids are formed in the coating formation layer. There was a problem of being formed.
ところで、電池に用いられる多くの活物質は、造粒処理を行っている場合がある。造粒とは、紛体の凝集や、成形或いは粒子表面の被覆等によって粒子径を大きくする処理であり、微粉の飛散抑制や流動性制御等といった紛体の取り扱い上の利点だけでなく、サイクル寿命、入出力、高温耐久性、自己放電の抑制等といった電極特性を改善する効果を有する。
例えば、ポリアニオンを有する正極活物質(LixMPO4)は、LiCoO2等の層状構造を有するリチウム遷移金属酸化物に比べて電子導電性が非常に低いため、LixMPO4からのLi放出、又はMPO4へのLi吸蔵の反応がなかなか進行しない。
そこで、活物質粒子表面にカーボンを被覆し電子導電性を改善する手法が特許文献1〜4に開示されている。
特許文献1は、カーボン前駆体として炭化水素を含む混合ガスの熱分解を用いて、LiMPO4からなるコアをカーボンで被覆した正極材料の合成方法が開示されている。
特許文献2及び特許文献3は、元素M源とリチウム源とP源となる化合物を混合し、導電性炭素源の存在下で、炭素源を熱分解させる、LiMPO4からなるコアを炭素で被覆した正極材量の合成方法が開示されている。
特許文献4は、リチウム鉄酸化物の表面を炭素繊維で被覆する技術が開示されている。
特許文献1〜4に開示されている技術は、活物質とカーボンを複合化させることで、電極性能を改善しようとしたものであるが、カーボンは疎水性であるため、水系バインダを用いる場合は、ペースト混練工程において分散性に欠けていた。
したがって、バッチ式多軸ミキサを用いたペーストの製造方法には、以下の問題点があった。
(1)水系バインダを用いた場合、導電助剤の分散が難しい。
(2)混合・分散の工程に時間がかかる。
(3)バッチ式であるため、量産性に欠ける。
(4)アスペクト比の大きな導電助剤の混合が困難である。
(5)ペースト中に気泡を噛みやすく、脱泡することが困難である。
(6)複合化された活物質を用いた場合、混合が困難である。
By the way, many active materials used for batteries may be subjected to granulation treatment. Granulation is a process of increasing the particle size by agglomeration of powder, molding or particle surface coating, etc., and not only the advantages in handling powder such as the prevention of fine powder scattering and fluidity control, but also the cycle life, It has the effect of improving electrode characteristics such as input / output, high temperature durability, and suppression of self-discharge.
For example, since the positive electrode active material having a polyanion (Li x MPO 4 ) has very low electronic conductivity compared to a lithium transition metal oxide having a layered structure such as LiCoO 2 , Li release from Li x MPO 4 , Or the reaction of occlusion of Li to MPO 4 does not progress easily.
Therefore,
In
The techniques disclosed in
Therefore, the paste manufacturing method using the batch type multi-axis mixer has the following problems.
(1) When an aqueous binder is used, it is difficult to disperse the conductive aid.
(2) The mixing / dispersing process takes time.
(3) Since it is a batch type, it lacks mass productivity.
(4) It is difficult to mix a conductive aid having a large aspect ratio.
(5) It is easy to chew bubbles in the paste and it is difficult to defoam.
(6) When a composite active material is used, mixing is difficult.
本発明は、上記従来の非水電解質二次電池用電極の製造に用いられるペーストの製造に関する問題点に鑑み、カーボン等の分散性や溶解性が悪い物質を含有する場合でも、均質なペーストを、短時間で得ることができ、また、固形分が分散、混合した状態を長時間維持することができ、さらに、ペーストへの気泡の混入、残留を少なくできる、カーボンを含有したペーストの製造方法を提供することを目的とする。 In view of the problems relating to the production of pastes used in the production of the above-mentioned conventional non-aqueous electrolyte secondary battery electrodes, the present invention provides a homogeneous paste even when containing a substance having poor dispersibility and solubility, such as carbon. A method for producing a carbon-containing paste that can be obtained in a short time, can maintain a state where the solid content is dispersed and mixed for a long time, and can further reduce the mixing and remaining of bubbles in the paste. The purpose is to provide.
上記目的を達成するため、本発明のカーボンを含有したペーストの製造方法は、カーボンを固形分として含有する液体に剪断力を付与することによって、固形分の分散、混合を行う工程を備えるカーボンを含有したペーストの製造方法であって、前記剪断力を、−0.01〜−0.10MPaの範囲の負圧状態で付与することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a method for producing a carbon-containing paste according to the present invention comprises a step of dispersing and mixing a solid content by applying a shearing force to a liquid containing carbon as a solid content. It is a manufacturing method of the contained paste, Comprising: The said shear force is provided in the negative pressure state of the range of -0.01--0.10 MPa, It is characterized by the above-mentioned.
この場合において、前記液体が、固形分に、アルカリ金属イオンを吸蔵、放出する材料を含有することができる。 In this case, the liquid may contain a material that absorbs and releases alkali metal ions in the solid content.
また、前記液体が、水を溶媒とすることができる。 Further, the liquid may use water as a solvent.
また、前記カーボンが、繊維状炭素粉末を含み、該繊維状炭素粉末のアスペクト比が10〜1000、平均繊維径が1〜500nmであることができる。 The carbon may contain fibrous carbon powder, and the fibrous carbon powder may have an aspect ratio of 10 to 1000 and an average fiber diameter of 1 to 500 nm.
また、撹拌部材を備えた容器内で、撹拌部材の周速度を、6〜80m/sにして前記剪断力を付与することができる。 Further, in the container provided with the stirring member, the shearing force can be applied by setting the circumferential speed of the stirring member to 6 to 80 m / s.
また、前記撹拌部材が、回転翼であり、円筒状のケーシングの内部に、回転翼を備えたロータを同心状に配設し、該回転翼を備えたロータを回転駆動することにより、固形分及び溶媒を第1の供給部を介して円筒状のケーシングの内部に形成された第1の導入室に吸入して、回転翼によって撹拌して、排出室を介して吐出部から吐出させるとともに、吐出部から吐出された液体を循環流路を介して第2の供給部に循環させ、該第2の供給部から円筒状のケーシングの内部に、第1の導入室と仕切板で区画して形成された第2の導入室に吸入して、ステータに形成した絞り流路を通過させるとともに、回転翼によって撹拌して、排出室を介して吐出部から吐出させ、さらに、吐出部から吐出された液体を循環流路を介して第2の供給部に循環させるようにした分散混合ポンプを用いて前記剪断力を付与することができる。 Further, the stirring member is a rotor blade, and a rotor provided with the rotor blade is disposed concentrically inside a cylindrical casing, and the rotor provided with the rotor blade is driven to rotate so that a solid content is obtained. And the solvent is sucked into the first introduction chamber formed inside the cylindrical casing through the first supply unit, stirred by the rotary blade, and discharged from the discharge unit through the discharge chamber, The liquid discharged from the discharge part is circulated to the second supply part via the circulation channel, and is partitioned from the second supply part into the cylindrical casing by the first introduction chamber and the partition plate. The air is sucked into the formed second introduction chamber, passed through the throttle channel formed in the stator, stirred by the rotary blade, discharged from the discharge portion through the discharge chamber, and further discharged from the discharge portion. The circulated liquid is circulated to the second supply section via the circulation channel. It is possible to impart the shearing force using a dispersion mixing pump you so that.
そして、本発明は、上記カーボンを含有したペーストの製造方法により得られたカーボンを含有したペースト、該カーボンを含有したペーストを用いて製造された非水電解質二次電池用電極、該非水電解質二次電池用電極を備えた非水電解質二次電池及び該非水電解質二次電池を備えた機器を対象とする。 The present invention also provides a carbon-containing paste obtained by the above carbon-containing paste manufacturing method, a non-aqueous electrolyte secondary battery electrode manufactured using the carbon-containing paste, the non-aqueous electrolyte two A non-aqueous electrolyte secondary battery including a secondary battery electrode and a device including the non-aqueous electrolyte secondary battery are targeted.
本発明のカーボンを含有したペーストの製造方法によれば、カーボンを固形分として含有する液体に剪断力を付与することによって、固形分の分散、混合を行う工程を備えるカーボンを含有したペーストの製造方法であって、前記剪断力を、−0.01〜−0.10MPaの範囲の負圧状態で付与することにより、カーボン等の分散性や溶解性が悪い物質を含有する場合でも、均質なペーストを、短時間で得ることができ、また、固形分が分散、混合した状態を長時間維持することができ、さらに、ペーストへの気泡の混入、残留を少なくできる、カーボンを含有したペーストの製造方法を提供することができる。
特に、この製造方法によれば、水系バインダを用いたペーストであっても、アスペクト比の大きなカーボン等を分散し、均質なペーストを短時間で連続的に得ることができる。
また、得られたペーストは、固形分が分散混合した状態を長時間維持することができるだけでなく、ペーストへの気泡の混入や残留を少なくできることから、脱泡工程を簡略化することができる。
また、この製造方法により得られた非水電解質二次電池用電極を用いた電池は、出力特性に優れる。
According to the method for producing a paste containing carbon according to the present invention, the production of a paste containing carbon comprising a step of dispersing and mixing the solid content by applying a shearing force to a liquid containing carbon as a solid content. Even when a material having poor dispersibility or solubility such as carbon is contained by applying the shearing force in a negative pressure state in the range of -0.01 to -0.10 MPa, the method is homogeneous. The paste can be obtained in a short time, and the state in which the solid content is dispersed and mixed can be maintained for a long time. A manufacturing method can be provided.
In particular, according to this manufacturing method, even a paste using an aqueous binder can disperse carbon or the like having a large aspect ratio and continuously obtain a homogeneous paste in a short time.
In addition, the obtained paste can not only maintain the state in which the solid content is dispersed and mixed for a long time, but also can reduce the mixing and remaining of bubbles in the paste, thereby simplifying the defoaming step.
Moreover, the battery using the electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries obtained by this manufacturing method is excellent in output characteristics.
以下、本発明のカーボンを含有したペーストの製造方法の実施の形態を、図面に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施形態に何ら限定されるものではない。 Hereinafter, although the embodiment of the manufacturing method of the paste containing carbon of the present invention is described based on a drawing, the present invention is not limited to these embodiments at all.
図1〜図8に、本発明のカーボンを含有したペーストの製造方法に用いる遠心式の分散混合ポンプを備えた分散混合システムを示す。 1 to 8 show a dispersion mixing system equipped with a centrifugal dispersion mixing pump used in the method for producing a carbon-containing paste of the present invention.
図1に、遠心式の分散混合ポンプYを備えた分散混合システム100を示す。
この分散混合システム100は、分散質として粉体P(固形分)を用い、液相分散媒として溶媒Rを用いて、粉体Pを溶媒Rに分散、混合(可溶の固形分の溶解を含む。以下、同じ。)して、ペーストFを生成するものである。
本実施形態においては、例えば、粉体Pとして、非水電解質二次電池用電極の製造に用いられるペースト材料である、アルカリ金属イオンを吸蔵、放出する材料、カーボン及びCMC(カルボキシルメチルセルロース)を用い、溶媒Rとして水を用いた。
FIG. 1 shows a
This
In the present embodiment, for example, as the powder P, a material that occludes and releases alkali metal ions, carbon and CMC (carboxyl methylcellulose), which is a paste material used for manufacturing a non-aqueous electrolyte secondary battery electrode, is used. Water was used as the solvent R.
図1に示すように、分散混合システム100は、粉体Pを定量供給する定量供給装置Xと、溶媒Rを定量供給する溶媒供給部50と、定量供給装置Xから定量供給される粉体Pと溶媒供給部50から定量供給される溶媒Rとを負圧吸引して分散混合する分散混合ポンプYと、分散混合ポンプYから吐出されたペーストFから、完全に分散、混合していない粉体Pを含む溶媒R(以下、「未分散ペーストFr」という。)を分散混合ポンプYに循環供給する再循環機構部70等を備えて構成されている。
As shown in FIG. 1, the dispersion and mixing
〔定量供給装置〕
図1に示すように、定量供給装置Xは、上部開口部31aから受け入れた粉体Pを下部開口部31bから排出させるホッパ31と、ホッパ31内の粉体Pを撹拌する撹拌機構32と、ホッパ31の上部開口部31aが大気開放された状態で、下部開口部31bの下流側に接続された分散混合ポンプYの吸引により下部開口部31bに作用する負圧吸引力によって、下部開口部31bから排出された粉体Pを分散混合ポンプYに定量供給する容積式の定量供給部40とを備えて構成されている。
[Quantitative supply device]
As shown in FIG. 1, the quantitative supply device X includes a
ホッパ31は、上部から下部へ向かうに連れて縮径する逆円錐形状に構成され、その中心軸A1が鉛直方向に沿う姿勢で配設されている。そのホッパ31の上部開口部31a及び下部開口部31b夫々の横断面形状は、図1の上下方向視で、中心軸A1を中心とする円形状とされ、また、ホッパ31における逆円錐形状の内側壁面の傾斜角度は、水平面に対して略60度とされる。
The
撹拌機構32は、ホッパ31内に配設されて、ホッパ31内の粉体Pを撹拌する撹拌羽根32Aと、当該撹拌羽根32Aをホッパ31の中心軸A1周りに回転させる羽根駆動モータM1と、羽根駆動モータM1をホッパ31の上部開口部31aの上方に位置させて支持する取付部材32Bと、羽根駆動モータM1の回転駆動力を撹拌羽根32Aに伝動させる伝動部材32Cとを備えて構成される。
The stirring
撹拌羽根32Aは、棒状部材を概略V字形状に屈曲して構成され、その一方の辺部がホッパ31の内側壁面に沿う状態で、他方の辺部の端部がホッパ31の中心軸A1と同軸で回転自在に枢支されて配設されている。また、当該撹拌羽根32Aは、横断面形状が三角形に形成されており、三角形の一辺を形成する面がホッパ31の内側壁面と略平行となるように配設されている。これにより、撹拌羽根32Aは、ホッパ31の内側壁面に沿って中心軸A1周りに回転可能に配設されている。
The
図1〜図3に示すように、容積式の定量供給部40は、ホッパ31の下部開口部31bから供給される粉体Pを下流側の分散混合ポンプYに所定量ずつ定量供給する機構である。
具体的には、ホッパ31の下部開口部31bに接続される導入部41と、供給口43a及び排出口43bを備えたケーシング43と、ケーシング43内に回転可能に配設された計量回転体44と、計量回転体44を回転駆動する計量回転体駆動モータM2とを備えて構成される。
As shown in FIGS. 1 to 3, the positive displacement type
Specifically, the
導入部41は、ホッパ31の下部開口部31bとケーシング43の上部に形成された供給口43aとを連通する筒状に形成され、最下端には、ケーシング43の供給口43aと同形状のスリット状の開口が形成されている。この導入部41は、ケーシング43の供給口43a側ほど細くなる先細り状に形成されている。当該スリット状の開口の形状は、ホッパ31の大きさ、粉体Pの供給量、粉体Pの特性等に応じて適宜設定することができるが、例えば、スリット状の開口の長さ方向の寸法を20〜100mm程度、幅方向の寸法を1〜5mm程度に設定するようにする。
The
ケーシング43は、概略直方体形状に形成され、水平方向(図1の左右方向)に対して45度傾斜した姿勢で、導入部41を介してホッパ31に接続されている。
図2及び図3に示すように、ケーシング43の上面には、導入部41のスリット状の開口に対応したスリット状の供給口43aが設けられ、ホッパ31の下部開口部31bからの粉体Pをケーシング43内に供給可能に構成されている。傾斜状に配置されたケーシング43の下方側の側面(図2において右側面)の下部には、計量回転体44にて定量供給された粉体Pを膨張室47を介して下流側の分散混合ポンプYに排出する排出口43bが設けられ、その排出口43bには、粉体排出管45が接続されている。当該膨張室47は、供給口43aから計量回転体44の粉体収容室44bに供給された粉体Pが定量供給されるケーシング43内の位置に設けられ、排出口43bから作用する負圧吸引力によって、供給口43aよりも低圧に維持される。すなわち、排出口43bは、分散混合ポンプYの一次側に接続されることによって、負圧吸引力が膨張室47に作用し排出口43bよりも低圧状態に維持されるようにしている。計量回転体44の回転に伴って、各粉体収容室44bの状態が負圧状態と当該負圧状態よりも高圧の状態に変化するように構成されている。
The
As shown in FIGS. 2 and 3, the upper surface of the
計量回転体44は、計量回転体駆動モータM2の駆動軸48に配設した円盤部材49に、複数(例えば、8枚)の板状隔壁44aを円盤部材49の中心部を除いて放射状に等間隔に取り付けて構成され、周方向で等間隔に粉体収容室44bを複数に区画(例えば、8室。)形成するように構成されている。粉体収容室44bは、計量回転体44の外周面及び中心部において開口するように構成されている。計量回転体44の中心部には、開口閉鎖部材42が周方向に偏在して固定状に配設され、各粉体収容室44bの中心部側の開口をその回転位相に応じて閉塞或いは開放可能に構成されている。なお、粉体Pの供給量は、計量回転体44を回転駆動する計量回転体駆動モータM2による計量回転体44の回転数を変化させることで、調整できる。
The measuring
計量回転体44の回転に伴って、各粉体収容室44bが、膨張室47に開放される膨張室開放状態、膨張室47及び供給口43aと連通しない第1密閉状態、供給口43aに開放される供給口開放状態、供給口43a及び膨張室47と連通しない第2密閉状態の順で、その状態が繰り返して変化するように構成されている。なお、計量回転体44の外周面側の開口が第1密閉状態及び第2密閉状態において閉鎖されるようにケーシング43が形成されるとともに、計量回転体44の中心部側の開口が第1密閉状態、供給口開放状態及び第2密閉状態において閉鎖されるように、開口閉鎖部材42がケーシング43に固定して配設される。
With the rotation of the measuring
したがって、定量供給装置Xにおいては、ホッパ31内に貯留された粉体Pが撹拌羽根32Aにより撹拌されながら定量供給部40に供給され、定量供給部40により、粉体Pが排出口43bから粉体排出管45を通して分散混合ポンプYに定量供給される。
Therefore, in the quantitative supply device X, the powder P stored in the
具体的に説明すると、定量供給部40の排出口43bの下流側に接続された分散混合ポンプYからの負圧吸引力により、ケーシング43内における膨張室47の圧力が負圧状態となる。一方で、ホッパ31の上部開口部31aは大気開放されているので、ホッパ31内は大気圧程度の状態となる。膨張室47と計量回転体44の隙間を介して連通する導入部41の内部及び下部開口部31bの近傍は、上記負圧状態と大気圧状態との間の圧力状態となる。
More specifically, the pressure in the
この状態で、ホッパ31の内壁面及び下部開口部31bの近傍の粉体Pが、撹拌機構32の撹拌羽根32Aにより撹拌されることで、撹拌羽根32Aによる剪断作用によりホッパ31内の粉体Pが解砕され、一方、計量回転体44は計量回転体駆動モータM2により回転させられることで、空の粉体収容室44bが次々と供給口43aに連通する状態となる。そして、ホッパ31内の粉体Pは下部開口部31bから導入部41を流下し、次々と供給口43aに連通する状態となる計量回転体44の粉体収容室44bに所定量ずつ収容されて、その粉体収容室44bに収容された粉体Pは膨張室47に流下し、排出口43bから排出される。したがって、定量供給装置Xにより、粉体Pを粉体排出管45を通して所定量ずつ連続して分散混合ポンプYの第1の供給部11に定量供給することができる。
In this state, the powder P in the vicinity of the inner wall surface of the
図1に示すように、粉体排出管45には、分散混合ポンプYの第1の供給部11への粉体Pの供給を停止可能なシャッタバルブ46が配設されている。
As shown in FIG. 1, the
〔溶媒供給部〕
図1に示すように、溶媒供給部50は、貯留混合タンク51に貯留された溶媒Rを、設定流量で分散混合ポンプYの第1の供給部11に連続的に供給するように構成されている。
具体的には、溶媒供給部50は、溶媒Rを貯留し、送出する貯留混合タンク51と、貯留混合タンク51から溶媒Rが送出される送出ポンプ52Pを介在させた供給管52と、貯留混合タンク51から供給管52に送出される溶媒Rの流量を設定流量に調整する流量調整バルブ(図示せず)と、設定流量に調整された溶媒Rを定量供給部40から定量供給される粉体Pに混合して第1の供給部11に供給するミキシング機構60とを備えて構成されている。
ここで、貯留混合タンク51は、後述するように、排出路22から粉体Pが分散、混合した状態のペーストFが、ペーストFに含まれる気泡と共に、導入されるように構成されている。
このため、貯留混合タンク51には、撹拌機構51Kを配設するとともに、空気(気体)Gの放出管51G及び製造されたペーストFの排出路53を接続するようにする。
(Solvent supply unit)
As shown in FIG. 1, the
Specifically, the
Here, as will be described later, the storage and
For this reason, the storage and
図4に示すように、ミキシング機構60は、粉体排出管45と供給管52とを第1の供給部11に連通接続するミキシング部材61を備えて構成されている。
このミキシング部材61は、円筒状の第1の供給部11よりも小径に構成されて、第1の供給部11との間に環状のスリット63を形成すべく第1の供給部11に挿入状態で配設される筒状部62及び環状のスリット63に全周に亘って連通する状態で第1の供給部11の外周部に環状流路64を形成する環状流路形成部65を備えて構成されている。
ミキシング部材61には、粉体排出管45が筒状部62に連通する状態で接続されるとともに、供給管52が環状流路64に対して溶媒Rを接線方向に供給するように接続される。
粉体排出管45、ミキシング部材61の筒状部62及び第1の供給部11は、それらの軸心A2を供給方向が下向きとなる傾斜姿勢(水平面(図1の左右方向)に対する角度が45度程度)となるように傾斜させて配置されている。
As shown in FIG. 4, the
The mixing
The
The
つまり、定量供給部40の排出口43bから粉体排出管45に排出された粉体Pは、ミキシング部材61の筒状部62を通して軸心A2に沿って第1の供給部11に導入される。一方、溶媒Rは、環状流路64に接線方向から供給されるので、環状流路64の内周側に形成される環状のスリット63を介して、切れ目のない中空円筒状の渦流の状態で第1の供給部11に供給される。
したがって、円筒状の第1の供給部11により、粉体Pと溶媒Rとが均等に予備混合され、その予備混合物Fpが分散混合ポンプYの第1の導入室13内に吸引導入される。
That is, the powder P discharged from the
Therefore, the powder P and the solvent R are uniformly premixed by the cylindrical
〔分散混合ポンプ〕
図1及び図4〜図8に基づいて、分散混合ポンプYについて説明する。
図4に示すように、分散混合ポンプYは、両端開口が前壁部2と後壁部3とで閉じられた円筒状の外周壁部4を備えたケーシング1を備え、そのケーシング1の内部に同心状で回転駆動自在に設けられたロータ5と、そのケーシング1の内部に同心状で前壁部2に固定配設された円筒状のステータ7と、ロータ5を回転駆動するポンプ駆動モータM3等を備えて構成されている。
[Dispersed mixing pump]
The dispersion mixing pump Y will be described with reference to FIGS. 1 and 4 to 8.
As shown in FIG. 4, the dispersive mixing pump Y includes a
図5に示すように、ロータ5の径方向の外方側には、複数の回転翼6が、前壁部2側である前方側(図4の左側)に突出し、かつ、周方向に等間隔で並ぶ状態でロータ5と一体的に備えられている。
円筒状のステータ7には、絞り流路となる複数の透孔7a、7bが周方向に夫々並べて備えられ、そのステータ7が、ロータ5の前方側(図4の左側)で、かつ、回転翼6の径方向の内側に位置させて前壁部2に固定配設されて、そのステータ7とケーシング1の外周壁部4との間に、排出室を兼ねた、回転翼6が周回する環状の翼室8が形成されている。
As shown in FIG. 5, on the radially outer side of the
The
図4〜図6に示すように、ミキシング機構60にて粉体Pと溶媒Rとが予備混合された予備混合物Fpを回転翼6の回転によりケーシング1の内部に吸引導入する第1の供給部11が、前壁部2の中心軸(ケーシング1の軸心A3)よりも外周側に偏移した位置に設けられている。
図4及び図6に示すように、ケーシング1の前壁部2の内面に環状溝10が形成され、環状溝10と連通する状態で第1の供給部11が設けられている。
図4及び図5に示すように、粉体Pと溶媒Rとが混合されて生成されたペーストFを吐出する円筒状の吐出部12が、ケーシング1の円筒状の外周壁部4の周方向における1箇所に、その外周壁部4の接線方向に延びて翼室8に連通する状態で設けられている。
As shown in FIGS. 4 to 6, a first supply unit that sucks and introduces a premixed mixture Fp, in which the powder P and the solvent R are premixed by the
As shown in FIGS. 4 and 6, an
As shown in FIGS. 4 and 5, the
図1、図4及び図8に示すように、この実施形態では、吐出部12から吐出されたペーストFは、吐出路18を通して再循環機構部70に供給され、その再循環機構部70の分離部としての円筒状容器71にて気泡が分離された未分散ペーストFrを、ポンプ駆動モータM4により回転駆動される循環ポンプ16Pを介在させた循環流路16を介して、ケーシング1内に循環供給する第2の供給部17がケーシング1の前壁部2の中央部(軸心A3と同心状)に設けられている。
また、図4〜図6に示すように、ステータ7の内周側を前壁部2側の第1の導入室13とロータ5側の第2の導入室14とに区画する仕切板15が、ロータ5の前方側に当該ロータ5と一体回転する状態で設けられるとともに、仕切板15の前壁部2側に掻出翼9が設けられている。掻出翼9は、同心状に、周方向において均等間隔で複数(図6では、4つ)備えられ、各掻出翼9がその先端部9Tを環状溝10内に進入した状態でロータ5と一体的に周回可能に配設されている。
As shown in FIGS. 1, 4, and 8, in this embodiment, the paste F discharged from the
Moreover, as shown in FIGS. 4-6, the
第1の導入室13及び第2の導入室14は、ステータ7の複数の透孔7a、7bを介して翼室8と連通されるように構成され、第1の供給部11が第1の導入室13に連通し、第2の供給部17が第2の導入室14に連通するように構成されている。
具体的には、第1の導入室13と翼室8とは、ステータ7における第1の導入室13に臨む部分に周方向に等間隔で配設された複数の第1の導入室13側の透孔7aにて連通され、第2の導入室14と翼室8とは、ステータ7における第2の導入室14に臨む部分に周方向に等間隔で配設された複数の第2の導入室14側の透孔7bにて連通されている。
The
Specifically, the
分散混合ポンプYの各部について説明する。
図4に示すように、ロータ5は、その前面が概ね円錐台状に膨出する形状に構成されるとともに、その外周側に、複数の回転翼6が前方に突出する状態で等間隔に並べて設けられている。なお、図5では、周方向に等間隔に10個の回転翼6が配設されている。また、この回転翼6は、内周側から外周側に向かうに連れて、回転方向後方に傾斜するようにロータ5の外周側から内周側に突出形成されており、回転翼6の先端部の内径は、ステータ7の外径よりも若干大径に形成されている。
このロータ5が、ケーシング1内においてケーシング1と同心状に位置する状態で、後壁部3を貫通してケーシング1内に挿入されたポンプ駆動モータM3の駆動軸19に連結されて、そのポンプ駆動モータM3により回転駆動される。
そして、ロータ5が、その軸心方向視(図5に示すような図4のV−V方向視)において回転翼6の先端部が前側となる向きに回転駆動されることにより、回転翼6の回転方向の後側となる面(背面)6aには、いわゆる局所沸騰(キャビテーション)が発生するように構成されている。
Each part of the dispersion mixing pump Y will be described.
As shown in FIG. 4, the
The
Then, the
図4、図6及び図7に示すように、仕切板15は、ステータ7の内径よりも僅かに小さい外径を有する概ね漏斗状に構成されている。この漏斗状の仕切板15は、具体的には、その中央部に、頂部が円筒状に突出する筒状摺接部15aにて開口された漏斗状部15bを備えるとともに、その漏斗状部15bの外周部に、前面及び後面共にケーシング1の軸心A3に直交する状態となる環状平板部15cを備える形状に構成されている。
そして、図4及び図5に示すように、この仕切板15が、頂部の筒状摺接部15aがケーシング1の前壁部2側を向く姿勢で、周方向に等間隔を隔てた複数箇所(この実施形態では、4箇所)に配設された間隔保持部材20を介して、ロータ5の前面の取付部5aに取り付けられる。
As shown in FIGS. 4, 6, and 7, the
As shown in FIGS. 4 and 5, the
図5及び図7(c)に示すように、仕切板15を複数箇所夫々で間隔保持部材20を介してロータ5に取り付ける際には、撹拌羽根21が、ケーシング1の後壁部3側に向く姿勢で仕切板15に一体的に組み付けられ、ロータ5が回転駆動されると、4枚の撹拌羽根21がロータ5と一体的に回転するように構成されている。
As shown in FIG. 5 and FIG. 7 (c), when the
図4及び図6に示すように、この実施形態では、円筒状の第2の供給部17が、ケーシング1と同心状で、そのケーシング1の前壁部2の中心部に設けられている。この第2の供給部17には、循環流路16の内径よりも小径で、仕切板15の筒状摺接部15aよりも小径となり流路面積が小さな絞り部14aが形成されている。ロータ5の回転翼6が回転することにより、吐出部12を介してペーストFが吐出され、第2の供給部17の絞り部14aを介して未分散ペーストFrが導入されることになるので、分散混合ポンプY内が減圧される。
As shown in FIGS. 4 and 6, in this embodiment, the cylindrical
図4〜図6に示すように、第1の供給部11は、そのケーシング1内に開口する開口部(入口部)が、環状溝10における周方向の一部を内部に含む状態で、ケーシング1内に対する第2の供給部17の開口部の横側方に位置するように、前壁部2に設けられている。また、第1の供給部11は、平面視(図1及び図4の上下方向視)において軸心A2がケーシング1の軸心A3と平行となり、かつ、ケーシング1の軸心A3に直交する水平方向視(図1及び図4の紙面表裏方向視)において、軸心A2がケーシング1の前壁部2に近づくほどケーシング1の軸心A3に近づく下向きの傾斜姿勢で、ケーシング1の前壁部2に設けられている。ちなみに、第1の供給部11の水平方向(図1及び図4の左右方向)に対する下向きの傾斜角度は、上述したように45度程度である。
As shown in FIG. 4 to FIG. 6, the
図4及び図6に示すように、ステータ7は、ケーシング1の前壁部2の内面(ロータ5に対向する面)に取り付けられて、ケーシング1の前壁部2とステータ7とが一体となるように固定されている。ステータ7において、第1の導入室13に臨む部分に配設された複数の第1の導入室側透孔7aは、概略円形状に形成され、第1の導入室13の流路面積よりも複数の第1の導入室側透孔7aの合計流路面積が小さくなるように設定されており、また、第2の導入室14に臨む部分に配設された複数の導入室側透孔7bは、概略楕円形状に形成され、第2の導入室14の流路面積よりも複数の第1の導入室側透孔7bの合計流路面積が小さくなるように設定されている。ロータ5の回転翼6が回転することにより、吐出部12を介してペーストFが吐出され、第1の導入室13の第1の導入室側透孔7aを介して予備混合物Fpが供給されるとともに、第2の供給部17を介して未分散ペーストFrが導入されることになるので、分散混合ポンプY内が減圧される。
As shown in FIGS. 4 and 6, the
図6及び図7に示すように、この実施形態では、各掻出翼9が棒状に形成され、ロータ5の径方向視(図7(b)の紙面表裏方向視)で、当該棒状の掻出翼9の先端側ほど前壁部2側に位置し、かつ、ロータ5の軸心方向視(図7(a)の紙面表裏方向視)で、当該棒状の掻出翼9の先端側ほどロータ5の径方向内方側に位置する傾斜姿勢で、当該棒状の掻出翼9の基端部9Bがロータ5と一体回転するように固定され、ロータ5が、その軸心方向視(図7(a)の紙面表裏方向視)において掻出翼9の先端が前側となる向き(図4〜図7において矢印にて示す向き)に回転駆動される。
As shown in FIGS. 6 and 7, in this embodiment, each
図5〜図7に基づいて、掻出翼9について説明する。
掻出翼9は、仕切板15に固定される基端部9B、第1の導入室13に露呈する状態となる中間部9M、環状溝10に嵌め込まれる(すなわち、進入する)状態となる先端部9Tを基端から先端に向けて一連に備えた棒状に構成されている。
The
The
図5、図6及び図7(b)に示すように、掻出翼9の基端部9Bは、概ね矩形板状に構成されている。
図5、図6、図7(a)及び(b)に示すように、掻出翼9の中間部9Mは、横断面形状が概ね三角形状になる概ね三角柱状に構成されている(特に、図5参照)。そして、掻出翼9が上述の如き傾斜姿勢で設けられることにより、三角柱状の中間部9Mの三側面のうちのロータ5の回転方向前側を向く一側面9m(以下、「放散面」と記載する場合がある。)は、ロータ5の回転方向前側に向けて傾斜する前下がり状で、しかも、ロータ5の径方向に対して径方向外方側に向く(以下、「斜め外向き」と記載する場合がある。)ように構成されている(特に、図6、図7参照)。
As shown in FIGS. 5, 6, and 7 (b), the
As shown in FIGS. 5, 6, 7 (a) and 7 (b), the
つまり、棒状の掻出翼9が、上述の如き傾斜姿勢で設けられることにより、掻出翼9のうち第1の導入室13に露呈する中間部9Mが環状溝10に嵌め込まれる先端部9Tよりもロータ5の径方向外方に位置し、しかも、その中間部9Mの回転方向前側を向く放散面9mが、ロータ5の回転方向前側に向けて傾斜する前下がり状で、しかも、ロータ5の径方向に対して斜め外向きに傾斜している。これにより、掻出翼9の先端部9Tにより環状溝10から掻き出された予備混合物Fpは、掻出翼9の中間部9Mの放散面9mにより、第1の導入室13内においてロータ5の径方向外方側に向けて流動するように案内される。
That is, the bar-shaped
図6、図7(a)及び(b)に示すように、掻出翼9の先端部9Tは、横断面形状が概ね矩形状になる概ね四角柱状であり、ロータ5の軸心方向視(図7(a)の紙面表裏方向視)において、四側面のうちのロータ5の径方向外方側に向く外向き側面9oが環状溝10の内面における径方向内方側を向く内向き内面に沿い、かつ、四側面のうちのロータ5の径方向内方側に内向き側面9iが環状溝10の内面における径方向外方側を向く外向き内面に沿う状態となる弧状に構成されている。
また、四角柱状の先端部9Tの四側面のうちの、ロータ5の回転方向前側を向く掻き出し面9fは、ロータ5の回転方向前側に向けて傾斜する前下がり状で、しかも、ロータ5の径方向に対して径方向外方側に向く(以下、「斜め外向き」と記載する場合がある。)になるように構成されている。
これにより、掻出翼9の先端部9Tにより環状溝10から掻き出された予備混合物Fpは、掻出翼9の先端部9Tの掻き出し面9fにより、ロータ5の径方向外方側に向けて第1の導入室13内に放出されることになる。
さらに、掻出翼9の先端部9Tの先端面9tは、その先端部9Tが環状溝10に嵌め込まれた状態で環状溝10の底面と平行になるように構成されている。
As shown in FIGS. 6, 7 (a) and 7 (b), the
Of the four side surfaces of the quadrangular
Thereby, the preliminary mixture Fp scraped from the
Further, the
また、ロータ5が、その軸心方向視(図7(a)の紙面表裏方向視)において掻出翼9の先端が前側となる向きに回転駆動されると、掻出翼9の基端部9B、中間部9M、先端部9Tそれぞれに、回転方向の後側となる面(背面)9aが形成される。この背面9aには、掻出翼9が回転することにより、いわゆる局所沸騰(キャビテーション)が発生するように構成されている。
Further, when the
上述のような形状に構成された4個の掻出翼9が、上述の如き傾斜姿勢で、中心角で90度ずつ間隔を隔てて周方向に並べた形態で、夫々、基端部9Bを仕切板15の環状平板部15cに固定して設けられている。
The four scraped
図4に示すように、掻出翼9が設けられた仕切板15が、間隔保持部材20によりロータ5の前面と間隔を隔てた状態でロータ5の前面の取付部5aに取り付けられ、このロータ5が、仕切板15の筒状摺接部15aが第2の供給部17に摺接回転可能に嵌め込まれた状態でケーシング1内に配設される。
これにより、ロータ5の膨出状の前面と仕切板15の後面との間に、ケーシング1の前壁部2側ほど小径となる先細り状の第2の導入室14が形成され、第2の供給部17が仕切板15の筒状摺接部15aを介して第2の導入室14に連通するように構成されている。
また、ケーシング1の前壁部2と仕切板15の前面との間に、第1の供給部11に連通する環状の第1の導入室13が形成される。
As shown in FIG. 4, the
As a result, a tapered
An annular
そして、ロータ5が回転駆動されると、筒状摺接部15aが第2の供給部17に摺接する状態で、仕切板15がロータ5と一体的に回転することになり、ロータ5及び仕切板15が回転する状態でも、第2の供給部17が仕切板15の筒状摺接部15aを介して第2の導入室14に連通する状態が維持されるように構成されている。
Then, when the
〔再循環機構部〕
再循環機構部(分離部の一例)70は、円筒状容器71内において比重によって溶解液を分離するように構成され、図1に示すように、分散混合ポンプYの吐出部12から吐出路18を通して供給されるペーストFから、完全に分散、混合していない粉体Pを含む可能性がある状態の未分散ペーストFrを循環流路16に、粉体Pが略完全に分散、混合した状態のペーストFを、ペーストFに含まれる気泡と共に、排出路22にそれぞれ分離するように構成されている。吐出路18及び循環流路16は、夫々、円筒状容器71の下部に接続され、排出路22は、円筒状容器71の上部に形成された排出部73から貯留混合タンク51に接続される。
ここで、再循環機構部70は、図8に示すように、吐出路18が接続される導入パイプ72を円筒状容器71の底面から内部に突出して配設し、円筒状容器71の上部に排出路22に接続される排出部73を備えるとともに、下部に循環流路16に接続される循環部74を備え、導入パイプ72の吐出上端に、導入パイプ72から吐出されるペーストFの流れを旋回させる捻り板75を配設して構成されている。これにより、ペーストF内から溶媒Rの気泡を分離して、循環流路16に循環供給される未分散ペーストFrから溶媒Rの気泡を分離した状態で第2の導入室14内に供給することができる。
[Recirculation mechanism]
The recirculation mechanism part (an example of a separation part) 70 is configured to separate the dissolved liquid by specific gravity in the
Here, as shown in FIG. 8, the
〔制御部〕
分散混合システム100に備えられる制御部は、図示しないが、CPUや記憶部等を備えた公知の演算処理装置からなり、分散混合システム100を構成する定量供給装置X、分散混合ポンプY、溶媒供給部50等の各機器の運転を制御可能に構成されている。
特に、制御部は、回転翼6の周速度(ロータ5の回転数)を制御可能に構成され、第1の導入室13及び第2の導入室14内の圧力が所定の負圧状態となるように、回転翼6の周速度(ロータ5の回転数)を設定し、当該設定された周速度(ロータ5の回転数)で回転翼6を回転することで、少なくとも、ステータ7の第1の導入室13側の透孔7a及び第2の導入室14側の透孔7bを通過した直後の翼室8内の領域を、翼室8内の全周に亘って連続して、溶媒Rの微細気泡(マイクロバブル)が多数発生した微細気泡領域として形成させることができるように構成されている。
(Control part)
Although not shown, the control unit provided in the
In particular, the control unit is configured to be able to control the peripheral speed of the rotor blade 6 (the number of rotations of the rotor 5), and the pressure in the
ここで、第1の導入室13及び第2の導入室14内の圧力(本実施形態においては、第1の導入室13内の圧力(ここで、第1の導入室13と第2の導入室14とは、シャッタバルブ46を閉じた状態ではほぼ同圧となる。)。)の圧力を測定するための圧力計80を設けるようにしている。
Here, the pressure in the
〔分散混合システムの動作〕
次に、この分散混合システム100の動作について説明する。
まず、定量供給装置Xを停止し、シャッタバルブ46を閉止して粉体排出管45を介する粉体Pの吸引を停止した状態で、溶媒供給部50の貯留混合タンク51から溶媒Rのみを供給しながらロータ5を回転させ、分散混合ポンプYの運転を開始する。所定の運転時間が経過して、分散混合ポンプY内が、負圧状態となると、シャッタバルブ46を開放する。これによって、定量供給装置Xの膨張室47を負圧状態とし、導入部41の内部及びホッパ31の下部開口部31b近傍を当該負圧状態と大気圧状態との間の圧力状態にする。
[Operation of distributed mixing system]
Next, the operation of the
First, the quantitative supply device X is stopped, the
そして、定量供給装置Xを作動させ、ホッパ31内に貯留された粉体Pを、撹拌羽根32Aの撹拌作用及び分散混合ポンプYの負圧吸引力により、ホッパ31の下部開口部31bから定量供給部40の膨張室47を介してミキシング機構60のミキシング部材61に所定量ずつ連続的に定量供給する。並行して、溶媒供給部50の送出ポンプ52Pを作動させ、分散混合ポンプYの負圧吸引力により、溶媒Rをミキシング機構60のミキシング部材61に所定量ずつ連続的に定量供給する。
ミキシング機構60のミキシング部材61からは、粉体Pがミキシング部材61の筒状部62を通して第1の供給部11に供給されるとともに、溶媒Rが、環状のスリット63を通して切れ目のない中空円筒状の渦流の状態で第1の供給部11に供給され、第1の供給部11により、粉体Pと溶媒Rとが予備混合され、その予備混合物Fpが環状溝10に導入される。
Then, the quantitative supply device X is operated, and the powder P stored in the
From the mixing
ロータ5が回転駆動されて、そのロータ5と一体的に仕切板15が回転すると、その仕切板15に同心状に設けられた掻出翼9が、環状溝10に先端部9Tが嵌め込まれた状態で周回する。
これにより、図4及び図5において実線矢印にて示すように、第1の供給部11を流動して環状溝10に導入された予備混合物Fpは、環状溝10に嵌め込まれて周回する掻出翼9の先端部9Tにより掻き出され、その掻き出された予備混合物Fpは、概略的には、第1の導入室13内を仕切板15における漏斗状部15bの前面と環状平板部15cの前面とに沿いながらロータ5の回転方向に流動し、さらに、ステータ7の第1の導入室側透孔7aを通過して翼室8に流入し、その翼室8内をロータ5の回転方向に流動して、吐出部12から吐出される。
When the
As a result, as shown by solid arrows in FIGS. 4 and 5, the preliminary mixture Fp that flows through the
環状溝10に導入された予備混合物Fpは、掻出翼9の先端部9Tにより掻き出されるときに、剪断作用を受ける。この場合、掻出翼9の先端部9Tの外向き側面9oと内側の環状溝10の内向き内面との間、及び、掻出翼9の先端部9Tの内向き側面9iと内側の環状溝10の外向き内面との間において剪断作用が働く。同時に、掻出翼9の回転方向背面側の背面9aにおいては、掻出翼9が回転することにより、いわゆる局所沸騰(キャビテーション)が発生する。また、ステータ7の第1の導入室側透孔7aを通過する際に、剪断作用が働く。
つまり、第1の導入室13内の予備混合物Fpに剪断力を作用させるとともに、局所沸騰を発生させることができるので、掻き出される予備混合物Fpは、掻出翼9及び第1の導入室側透孔7aから剪断作用を受けて混合されるとともに、掻出翼9の背面9aに発生する局所沸騰(キャビテーション)により、溶媒Rに対する粉体Pの分散がより良好に行われることとなる。よって、このような予備混合物Fpを供給することができ、翼室8内において溶媒Rに対する粉体Pの良好な分散を期待することができる。
The preliminary mixture Fp introduced into the
That is, since a shearing force can be applied to the preliminary mixture Fp in the
吐出部12から吐出されたペーストFは、吐出路18を通して再循環機構部70に供給され、再循環機構部70において、完全に分散、混合していない粉体Pを含む状態の未分散ペーストFrと、粉体Pが略完全に分散、混合した状態のペーストFとに分離されるとともに、溶媒Rの気泡が分離されて、未分散ペーストFrは、ポンプ駆動モータM4により回転駆動される循環ポンプ16Pを介在させた循環流路16を介して、再び分散混合ポンプYの第2の供給部17に供給され、ペーストFは排出路22を通して貯留混合タンク51に供給される。
The paste F discharged from the
未分散ペーストFrは、第2の供給部17の絞り部14aを介して流量が制限された状態で第2の導入室14内に導入される。その第2の導入室14内においては、回転する複数の撹拌羽根21により剪断作用を受けて、さらに細かく解砕され、さらに、導入室側透孔7bの通過の際にも剪断作用を受けて解砕される。この際には、導入室側透孔7bを介して流量が制限された状態で翼室8に導入される。そして、翼室8内において、高速で回転する回転翼6により剪断作用を受けて解砕され、粉体Pの凝集物(ダマ)がさらに少なくなったペーストFが第1の導入室13からのペーストFと混合されて吐出部12から吐出される。
The undispersed paste Fr is introduced into the
ここで、制御部は、回転翼6の周速度(ロータ5の回転数)を制御可能に構成され、第1の導入室13及び第2の導入室14内の圧力が所定の負圧状態となるように、回転翼6の周速度(ロータ5の回転数)を設定し、当該設定された周速度(ロータ5の回転数)で回転翼6を回転することで、少なくとも、ステータ7の第1の導入室13側の透孔7a及び第2の導入室14側の透孔7bを通過した直後の翼室8内の領域を、翼室8内の全周に亘って連続して、溶媒Rの微細気泡(マイクロバブル)が多数発生した微細気泡領域として形成させることができる。
これによって、翼室8内の全周に亘って、粉体Pの凝集物(いわゆるダマ)に浸透した溶媒Rが発泡することで当該凝集物の解砕が促進され、さらに、その発生した微細気泡が翼室8において加圧され消滅する際の衝撃力によりさらに粉体Pの分散が促進されることになり、結果、翼室8内の全周に存在するペーストFのほぼ全体に亘って、溶媒R中での粉体Pの分散が良好な高品質のペーストFを生成することができる。
Here, the control unit is configured to be able to control the peripheral speed of the rotor blade 6 (the number of rotations of the rotor 5), and the pressure in the
As a result, the solvent R penetrating into the aggregate (so-called lumps) of the powder P is foamed over the entire circumference of the
そして、定量供給装置Xのホッパ31からの所定量の粉体Pの供給が終わると、定量供給装置Xを停止し、粉体排出管45に配設されたシャッタバルブ46を閉止して粉体排出管45を介する粉体Pの吸引を停止させる。
これにより、粉体Pの非供給時に、シャッタバルブ46より上流側の粉体排出管45の内部が湿潤して、閉塞することを防止することができ、併せて、分散混合ポンプYの第1の供給部11から空気が吸引されることを防止することができる。
When the supply of a predetermined amount of the powder P from the
Thereby, when the powder P is not supplied, it is possible to prevent the
この状態で分散混合ポンプYの運転を所定時間継続する。
このとき、溶媒供給部50の貯留混合タンク51からは、溶媒Rと置き換わったペーストFが供給される。
そして、この粉体Pの非供給時においては、第1の供給部11から空気が吸引されることがないため、分散混合ポンプY内、すなわち、第1の導入室13と第2の導入室14の真空度が高まるため(ここで、第1の導入室13と第2の導入室14とは、シャッタバルブ46を閉じた状態ではほぼ同圧となる。)、設定された周速度(ロータ5の回転数)で回転翼6を回転することで、少なくとも、ステータ7の第1の導入室13側の透孔7a及び第2の導入室14側の透孔7bを通過した直後の翼室8内の領域を、翼室8内の全周に亘って連続して、溶媒Rの微細気泡(マイクロバブル)が多数発生した微細気泡領域として形成させることができる。
これによって、翼室8内の全周に亘って、粉体Pの凝集物(いわゆるダマ)に浸透した溶媒Rが発泡することで当該凝集物の解砕が促進され、さらに、その発生した微細気泡が翼室8において加圧され消滅する際の衝撃力によりさらに粉体Pの分散が促進されることになり、結果、翼室8内の全周に存在するペーストFのほぼ全体に亘って、より確実に、溶媒R中での粉体Pの分散が良好な高品質のペーストFを生成することができる。
生成された高品質のペーストFは、貯留混合タンク51に貯留される。
In this state, the operation of the dispersion mixing pump Y is continued for a predetermined time.
At this time, the paste F replaced with the solvent R is supplied from the storage and
When the powder P is not supplied, air is not sucked from the
As a result, the solvent R penetrating into the aggregate (so-called lumps) of the powder P is foamed over the entire circumference of the
The generated high-quality paste F is stored in the storage and
その後、分散混合ポンプYの運転を停止する。
貯留混合タンク51に貯留されている生成された高品質のペーストFは、ペーストFの排出路53を介して、後続の工程に供給される。
Thereafter, the operation of the dispersion mixing pump Y is stopped.
The generated high-quality paste F stored in the storage and
〔非水電解質二次電池用電極〕
次に、本発明の非水電解質二次電池用電極の製造方法について説明する。
以下、本発明において、非水電解質二次電池用電極については、リチウムイオン電池用電極を例に説明するが、ナトリウムイオン電池、マグネシウムイオン電池、カルシウムイオン電池、或いはキャパシタ等であってもよい。
[Electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery]
Next, the manufacturing method of the electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries of this invention is demonstrated.
Hereinafter, in the present invention, the electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery will be described by taking a lithium ion battery electrode as an example, but it may be a sodium ion battery, a magnesium ion battery, a calcium ion battery, a capacitor, or the like.
発明に係る非水電解質二次電池用電極(正極又は負極)の製造方法としては、活物質と、バインダと、導電助剤とを混合し、ペースト状にしたものを、集電体に塗布し、仮乾燥させた後、熱処理を行って電極を得る方法を挙げることができる。
仮乾燥は、ペースト内の溶媒が揮発除去できる方法であれば特に限定されないが、例えば、大気中50〜400℃の温度雰囲気下で熱処理を行う方法を挙げることができる。
上記の熱処理は、減圧下で、50〜400℃に0.5〜50時間保持することによって行うことができる。
As a method for producing an electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery (positive electrode or negative electrode) according to the invention, an active material, a binder, and a conductive additive are mixed, and a paste is applied to a current collector. An example is a method of obtaining an electrode by performing heat treatment after temporary drying.
The temporary drying is not particularly limited as long as the solvent in the paste can be volatilized and removed, and examples thereof include a method of performing a heat treatment in the air at a temperature of 50 to 400 ° C.
Said heat processing can be performed by hold | maintaining at 50-400 degreeC under reduced pressure for 0.5 to 50 hours.
本発明の電極を用いて得られるリチウム二次電池の正極は、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2、LiMn2O4、LiFePO4、LiFe0.5Mn0.5PO4、LiMnPO4、MnO2、LiV2O5、LiVO2、LiNb2O5、LiNbO2、LiFeO2、LiMgO2、LiCaO2、LiTiO2、LiTiS2、LiCrO2、LiRuO2、LiCuO2、LiZnO2、LiMoO2、LiMoS2、LiTaO2又はLiWO2等のリチウム遷移金属酸化物を含む公知の電極が用いられる。なお、上記した正極活物質は一種のみで使用してもよいし二種以上使用してもよい。
また、ナトリウムイオン電池、マグネシウムイオン電池、カルシウムイオン電池の場合は、上述したリチウム遷移金属酸化物のアルカリ金属サイトにナトリウム、マグネシウム、カルシウムを置換すればよい。
キャパシタの場合は、活性炭、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、グラファイト、ハードカーボン、ソフトカーボン、グラフェン等のミクロ孔、ナノ孔等を有する大きな比表面積を有する材料が挙げられる。
The positive electrode of the lithium secondary battery obtained using the electrode of the present invention is LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiNi 0.33 Mn 0.33 Co 0.33 O 2 , LiMn 2 O 4 , LiFePO 4 , LiFe 0. .5 Mn 0.5 PO 4, LiMnPO 4 ,
In the case of a sodium ion battery, a magnesium ion battery, or a calcium ion battery, sodium, magnesium, or calcium may be substituted for the alkali metal site of the lithium transition metal oxide described above.
In the case of a capacitor, a material having a large specific surface area having micropores, nanopores, etc., such as activated carbon, carbon nanotubes, carbon nanofibers, graphite, hard carbon, soft carbon, and graphene.
正極に用いられる集電体は、電子導電性を有し、保持した正極活物質に通電し得る材料であれば特に限定されない。例えば、C、Ti、Cr、Ni、Cu、Mo、Ru、Rh、Ta、W、Os、Ir、Pt、Au、Al等の導電性物質、これら導電性物質の二種類以上を含有する合金(例えば、ステンレス鋼)を使用し得る。なお、これら電子導電性材料に炭素被覆された材料であってもよい。
正極集電体は電気伝導性が高く、電解液中の安定性が良好であるとの観点から、C、Ti、Cr、Ni、Cu、Au、Al、ステンレス鋼等が好ましく、さらに耐酸化性と材料コストの観点からC、Al、ステンレス鋼等が好ましい。
集電体の形状には線状、棒状、板状、箔状、網状、織布、不織布、エキスパンド、多孔体又は発泡体があり、このうち充填密度を高めることができること、出力特性が良好なことから、エキスパンド、多孔体又は発泡体が好ましい。
The current collector used for the positive electrode is not particularly limited as long as it is a material having electronic conductivity and capable of supplying current to the held positive electrode active material. For example, conductive materials such as C, Ti, Cr, Ni, Cu, Mo, Ru, Rh, Ta, W, Os, Ir, Pt, Au, and Al, and alloys containing two or more of these conductive materials ( For example, stainless steel) can be used. Note that these electronically conductive materials may be carbon-coated materials.
The positive electrode current collector is preferably C, Ti, Cr, Ni, Cu, Au, Al, stainless steel, etc. from the viewpoint of high electrical conductivity and good stability in the electrolyte solution, and further oxidation resistance. From the viewpoint of material cost, C, Al, stainless steel and the like are preferable.
The shape of the current collector includes linear, rod-like, plate-like, foil-like, net-like, woven fabric, non-woven fabric, expanded, porous body or foam, among which the packing density can be increased and the output characteristics are good. Therefore, an expand, a porous body or a foam is preferable.
本発明の電極を用いて得られるリチウム二次電池の負極は、リチウムを可逆的に吸蔵・放出することが可能な材料であれば特に限定されない。例えば、Li、Na、C、Mg、Al、Si、P、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、W、Pb及びBiよりなる群から選択される少なくとも一種以上の元素、これらの元素を用いた合金、酸化物、カルコゲン化物又はハロゲン化物であればよい。
さらにエネルギ密度の観点から、元素としては、Al、Si、Zn、Ge、Ag、Sn等が好ましく、合金としては、Si−Al、Al−Zn、Si−Mg、Al−Ge、Si−Ge、Si−Ag、Si−Sn、Zn−Sn、Ge−Ag、Ge−Sn、Ge−Sb、Ag−Sn、Ag−Ge、Sn−Sb等の各組み合わせ等が好ましく、酸化物としては、SiO、SnO、SnO2、SnC2O4、Li4Ti5O12等が好ましく、カルコゲン化物としては、SnS、SnS2等が好ましく、ハロゲン化物としては、SnF2、SnCl2、SnI2、SnI4等が好ましい。
なお、上記した負極活物質は一種のみで使用してもよいし二種以上使用してもよい。
また、ナトリウムイオン電池、マグネシウムイオン電池、カルシウムイオン電池の場合も上記と同様である。
キャパシタの場合は、活性炭、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、グラファイト、ハードカーボン、ソフトカーボン、グラフェン等のミクロ孔、ナノ孔等を有する大きな比表面積を有する材料が挙げられる。
The negative electrode of the lithium secondary battery obtained by using the electrode of the present invention is not particularly limited as long as it is a material capable of reversibly inserting and extracting lithium. For example, Li, Na, C, Mg, Al, Si, P, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Y, Zr, Nb, At least one element selected from the group consisting of Mo, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Sb, W, Pb, and Bi, and an alloy, oxide, chalcogenide, or halide using these elements. That's fine.
Further, from the viewpoint of energy density, the element is preferably Al, Si, Zn, Ge, Ag, Sn, or the like, and the alloy is Si—Al, Al—Zn, Si—Mg, Al—Ge, Si—Ge, Each combination of Si—Ag, Si—Sn, Zn—Sn, Ge—Ag, Ge—Sn, Ge—Sb, Ag—Sn, Ag—Ge, Sn—Sb, and the like is preferable. SnO, SnO 2 , SnC 2 O 4 , Li 4 Ti 5 O 12 and the like are preferable. As the chalcogenide, SnS, SnS 2 and the like are preferable. As the halide, SnF 2 , SnCl 2 , SnI 2 , SnI 4 and the like are preferable. Is preferred.
In addition, the above-described negative electrode active materials may be used alone or in combination of two or more.
The same applies to sodium ion batteries, magnesium ion batteries, and calcium ion batteries.
In the case of a capacitor, a material having a large specific surface area having micropores, nanopores, etc., such as activated carbon, carbon nanotubes, carbon nanofibers, graphite, hard carbon, soft carbon, and graphene.
負極に用いられる集電体は、電子導電性を有し、保持した正極活物質に通電し得る材料であれば特に限定されない。例えば、C、Ti、Cr、Ni、Cu、Mo、Ru、Rh、Ta、W、Os、Ir、Pt、Au、Al、Fe等の導電性物質、これら導電性物質の二種類以上を含有する合金(例えば、ステンレス鋼)を使用し得る。なお、これら電子導電性材料を被覆した多層構造の材料であってもよい。
負極に用いられる集電体は電気伝導性が高く、電解液中の安定性が良好であるとの観点から、C、Ti、Cr、Ni、Cu、Au、Al、ステンレス鋼等が好ましく、さらに耐還元性と材料コストの観点からC、Cu、Ni、ステンレス鋼等が好ましい。負極集電体の形状には線状、棒状、板状、箔状、網状、織布、不織布、エキスパンド、多孔体又は発泡体があり、このうち充填密度を高めることができること、出力特性が良好なことから、エキスパンド、多孔体又は発泡体が好ましい。
The current collector used for the negative electrode is not particularly limited as long as it is a material that has electronic conductivity and can conduct electricity to the held positive electrode active material. For example, it contains conductive materials such as C, Ti, Cr, Ni, Cu, Mo, Ru, Rh, Ta, W, Os, Ir, Pt, Au, Al, and Fe, and two or more of these conductive materials. An alloy (eg, stainless steel) may be used. In addition, the material of the multilayer structure which coat | covered these electronic conductive materials may be sufficient.
The current collector used for the negative electrode is preferably C, Ti, Cr, Ni, Cu, Au, Al, stainless steel, etc. from the viewpoint of high electrical conductivity and good stability in the electrolyte. From the viewpoint of reduction resistance and material cost, C, Cu, Ni, stainless steel and the like are preferable. The shape of the negative electrode current collector may be linear, rod-like, plate-like, foil-like, net-like, woven fabric, non-woven fabric, expanded, porous body or foam, among which the packing density can be increased and the output characteristics are good Therefore, an expand, a porous body or a foam is preferable.
非水電解質二次電池用電極(正極又は負極)に用いられるバインダは、通常用いられているもの、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリイミド(PI)、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン共重合体(SEBS)、メチルセルロース、メチルエチルセルロース、エチルセルロース、マイクロクリスタリンセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシブチルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロースステアロキシエーテル、カルボキシメチルヒドロキシエチルセルロース、アルキルヒドロキシエチルセルロース、ノノキシニルヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース(CMC)、セルロース硫酸塩、メチルセルロースエーテル、メチルエチルセルロースエーテル、エチルセルロースエーテル、低窒素ヒドロキシエチルセルロースジメチルジアリルアンモニウムクロリド(ポリクオタニウム−4)、塩化−[2−ヒドロキシ−3−(トリメチルアンモニオ)プロピル]ヒドロキシエチルセルロース(ポリクオタニウム−10)、塩化−[2−ヒドロキシ−3−(ラウリルジメチルアンモニオ)プロピル]ヒドロキシエチルセルロース(ポリクオタニウム−24)、澱粉、ポリアクリル酸塩、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルブチラール(PVB)、アルギン酸塩、アクリル酸エステル等の材料を一種単独で用いてもよく、二種以上を併用してもよい。このうち、水系バインダ(水を溶媒として用いるバインダや水に分散して用いるバインダ)を用いていることが好ましい。水系バインダを用いた電極は、高温環境下で電解液を吸って膨潤しにくく、PVDFを用いた従来の非水電解質二次電池と比較して、高温耐久性が向上する。 The binder used for the electrode for the nonaqueous electrolyte secondary battery (positive electrode or negative electrode) is usually used, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyimide (PI), polyamide, Polyamideimide, polyethylene (PE), polypropylene (PP), styrene butadiene rubber (SBR), styrene-ethylene-butylene-styrene copolymer (SEBS), methylcellulose, methylethylcellulose, ethylcellulose, microcrystalline cellulose, hydroxyethylcellulose, hydroxybutyl Methylcellulose, hydroxypropylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, hydroxyethylmethylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose stearoxyte Carboxymethyl hydroxyethyl cellulose, alkyl hydroxyethyl cellulose, nonoxynyl hydroxyethyl cellulose, carboxymethyl cellulose (CMC), cellulose sulfate, methyl cellulose ether, methyl ethyl cellulose ether, ethyl cellulose ether, low nitrogen hydroxyethyl cellulose dimethyl diallyl ammonium chloride (polyquaternium-4), Chloride- [2-hydroxy-3- (trimethylammonio) propyl] hydroxyethylcellulose (polyquaternium-10), Chloride- [2-hydroxy-3- (lauryldimethylammonio) propyl] hydroxyethylcellulose (polyquaternium-24), starch , Polyacrylate, polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl buty Lumpur (PVB), alginate, may be used a material such as an acrylic acid ester alone or in combination of two or more. Among these, it is preferable to use an aqueous binder (a binder using water as a solvent or a binder used by dispersing in water). An electrode using an aqueous binder absorbs an electrolytic solution in a high-temperature environment and hardly swells, and the high-temperature durability is improved as compared with a conventional non-aqueous electrolyte secondary battery using PVDF.
導電物質(導電助剤)としては、電子導電性を有していれば特に限定されないが、導電性金属、導電性ガラス、導電性ポリマー、導電性セラミックス等は、電解液と反応するおそれや、リチウムと反応するおそれがあるため、炭素材料を用いることが好ましい。
導電物質としての炭素材料には、炭素材料の種類(構造等)は特に限定されない。例えば、アセチレンブラック(AB)、ケッチェンブラック(KB)、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、黒鉛、活性炭、ハードカーボン、ソフトカーボン、カーボンファイバ(VGCF)、カーボンナノチューブ(CNT)、グラフェン、非晶質炭素等の炭素材料を、一種単独で用いてもよいし、又は二種以上を併用してもよい。より好ましくは、複合粉末中に導電性の3次元網目構造を形成できるもの(例えば、フレーク状の導電材(グラフェン等)、カーボンファイバ、カーボンナノチューブ、非晶質炭素等)が好ましい。導電性の3次元網目構造が形成されていれば、非水電解質二次電池用電極材料として十分な集電効果が得られる。
The conductive substance (conductive auxiliary agent) is not particularly limited as long as it has electronic conductivity, but conductive metals, conductive glasses, conductive polymers, conductive ceramics, etc. may react with the electrolyte, Since there exists a possibility of reacting with lithium, it is preferable to use a carbon material.
There is no particular limitation on the type (structure, etc.) of the carbon material as the conductive material. For example, acetylene black (AB), ketjen black (KB), furnace black, channel black, thermal black, graphite, activated carbon, hard carbon, soft carbon, carbon fiber (VGCF), carbon nanotube (CNT), graphene, amorphous Carbon materials such as carbonaceous materials may be used alone or in combination of two or more. More preferably, those capable of forming a conductive three-dimensional network structure in the composite powder (for example, flaky conductive material (graphene, etc.), carbon fiber, carbon nanotube, amorphous carbon, etc.) are preferable. If a conductive three-dimensional network structure is formed, a current collecting effect sufficient as an electrode material for a nonaqueous electrolyte secondary battery can be obtained.
電極の活物質層においては、例えば、電極活物質、バインダ、導電物質の合計量を100質量%とした場合、電極活物質が60〜99質量%、バインダが0.5〜25質量%、導電物質が0.1〜10質量%であることが好ましい。より好ましくは、電極活物質が80〜95質量%、バインダが2〜15質量%、導電物質が0.5〜5質量%であることが好ましい。
上記の電極の活物質層の組成であれば、十分な結着力と導電性改善効果が得られ、高エネルギ密度の電極でありながら、電池の寿命特性と高率放電特性を向上させることができる。
電極の活物質層の厚みは、電極容量密度にもよるが、例えば、0.5〜500μmであることが好ましい。電極の活物質層の厚みをこの範囲とすることで、集電体が電極活物質を支持しつつ、実用的な電気容量を得ることができる。
In the active material layer of the electrode, for example, when the total amount of the electrode active material, the binder, and the conductive material is 100% by mass, the electrode active material is 60 to 99% by mass, the binder is 0.5 to 25% by mass, and the conductive material is conductive. It is preferable that a substance is 0.1-10 mass%. More preferably, the electrode active material is 80 to 95% by mass, the binder is 2 to 15% by mass, and the conductive material is 0.5 to 5% by mass.
With the composition of the active material layer of the above electrode, sufficient binding force and conductivity improvement effect can be obtained, and the life characteristics and high rate discharge characteristics of the battery can be improved while being an electrode having a high energy density. .
Although the thickness of the active material layer of an electrode is based also on electrode capacity density, it is preferable that it is 0.5-500 micrometers, for example. By setting the thickness of the active material layer of the electrode within this range, a practical electric capacity can be obtained while the current collector supports the electrode active material.
電極容量密度は、0.1〜20mAh/cm2であることが好ましい。例えば、電極容量密度0.1〜2mAh/cm2で本発明の負極を得た場合、超高出力用途に適しており、電極容量密度0.5〜3mAh/cm2では、長寿命用途や高出力用途に適しており、電極容量密度3〜20mAh/cm2では、高容量用途に適している。なお、電極容量密度は、例えば、充放電サイクル容量試験等により測定することができる他、活物質塗布質量から容量を計算し、その値を電極面積で割ることにより求めることができる。 The electrode capacity density is preferably 0.1 to 20 mAh / cm 2 . For example, upon obtaining a negative electrode of the present invention with the electrode capacity density 0.1~2mAh / cm 2, is suitable for ultra high power applications, the electrode capacity density 0.5~3mAh / cm 2, long-life applications and high It is suitable for output applications, and an electrode capacity density of 3 to 20 mAh / cm 2 is suitable for high capacity applications. The electrode capacity density can be measured, for example, by a charge / discharge cycle capacity test, or can be obtained by calculating the capacity from the active material application mass and dividing the value by the electrode area.
〔非水電解質二次電池〕
このようにして得た正極と負極は、セパレータを介して接合され、電解液内に浸漬した状態で密閉化され、二次電池又はキャパシタとなる。
[Nonaqueous electrolyte secondary battery]
The positive electrode and the negative electrode thus obtained are joined via a separator and hermetically sealed in a state of being immersed in an electrolytic solution to form a secondary battery or a capacitor.
セパレータとしては、公知のリチウム二次電池に用いられるものが使用できる。
セパレータの形状は、微多孔膜、織布、不織布、圧粉体が挙げられる。
セパレータの材質としては、特に限定されないが、例えば、PE、PP、PTFE、PI、ポリアミド、ポリアミドイミド、アラミド、セルロース等の材料が好ましい。また、既存のセパレータにセラミックスを被覆し、耐熱性を向上させたセパレータであってもよい。
As a separator, what is used for a well-known lithium secondary battery can be used.
Examples of the shape of the separator include a microporous film, a woven fabric, a non-woven fabric, and a green compact.
The material of the separator is not particularly limited, but for example, materials such as PE, PP, PTFE, PI, polyamide, polyamideimide, aramid, and cellulose are preferable. Moreover, the separator which coat | covered the ceramic to the existing separator and improved heat resistance may be sufficient.
電解液は、電解質とその溶媒で構成されていれば特に限定されない。但し、リチウムイオン電池として用いる場合、電解質には、リチウムイオンを含有する必要があることから、その電解質塩としては、リチウム二次電池で用いられるものであれば特に限定されない。例えば、リチウム塩が好適であるが、具体的には、ヘキサフルオロリン酸リチウム、過塩素酸リチウム、テトラフルオロホウ酸リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム及びトリフルオロメタンスルホン酸イミドリチウムからなる群より選択される少なくとも1種以上を用いることができる。
また、ナトリウムイオン電池、マグネシウムイオン電池、カルシウムイオン電池の場合は、上述したリチウム塩のアルカリ金属サイトにナトリウム、マグネシウム、カルシウムを置換すればよい。キャパシタの場合は、アルカリ金属サイトに移動対象のイオンと同じ元素を用いればよい。
The electrolytic solution is not particularly limited as long as it is composed of an electrolyte and its solvent. However, when used as a lithium ion battery, since the electrolyte needs to contain lithium ions, the electrolyte salt is not particularly limited as long as it is used in a lithium secondary battery. For example, a lithium salt is preferable, and specifically, selected from the group consisting of lithium hexafluorophosphate, lithium perchlorate, lithium tetrafluoroborate, lithium trifluoromethanesulfonate, and lithium trifluoromethanesulfonate imide. At least one or more can be used.
In the case of a sodium ion battery, a magnesium ion battery, or a calcium ion battery, the alkali metal site of the lithium salt may be replaced with sodium, magnesium, or calcium. In the case of a capacitor, the same element as the ions to be moved may be used at the alkali metal site.
上記電解質の溶媒としては、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、γ−ブチロラクトン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、ニトロメタン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシドよりなる群から選択される少なくとも一種を用いることができ、特に、プロピレンカーボネート単体、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合物、又はγ−ブチロラクトン単体が好適である。なお、上記エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合物の混合比は、エチレンカーボネート及びジエチルカーボネート共に10〜90vol%の範囲で任意に調整することができる。
この場合、溶媒を用いず、固体電解質でもかまわない。
Examples of the solvent for the electrolyte include propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), γ-butyrolactone, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, 4-methyl- At least one selected from the group consisting of 1,3-dioxolane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, diethyl ether, sulfolane, methyl sulfolane, nitromethane, N, N-dimethylformamide, and dimethyl sulfoxide; In particular, propylene carbonate alone, a mixture of ethylene carbonate and diethyl carbonate, or γ-butyrolactone alone is suitable. The mixing ratio of the mixture of ethylene carbonate and diethyl carbonate can be arbitrarily adjusted in the range of 10 to 90 vol% for both ethylene carbonate and diethyl carbonate.
In this case, a solid electrolyte may be used without using a solvent.
上述の構造の非水電解質二次電池によれば、二次電池として機能する。
非水電解質二次電池の構造としては、特に限定されないが、積層式電池、捲回式電池等の既存の電池形態・構造に適用できる。
本発明の電極を具備した二次電池は、出力特性や高温耐久性が良好であることから、様々な電気機器(電気を使用する乗り物を含む)の電源として利用することができる。
本発明に関わる非水電解質二次電池は、リチウムイオン二次電池、リチウムポリマー電池、固体リチウム電池、ナトリウムイオン二次電池、ポリマーナトリウム電池、固体ナトリウム電池、ナトリウム−硫黄電池等であってもよい。このうち、単電池における電圧と容量の観点から、リチウムイオン二次電池であることが好ましい。
According to the non-aqueous electrolyte secondary battery having the above-described structure, it functions as a secondary battery.
The structure of the non-aqueous electrolyte secondary battery is not particularly limited, but can be applied to existing battery forms and structures such as a stacked battery and a wound battery.
Since the secondary battery including the electrode of the present invention has good output characteristics and high temperature durability, it can be used as a power source for various electric devices (including vehicles using electricity).
The nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention may be a lithium ion secondary battery, a lithium polymer battery, a solid lithium battery, a sodium ion secondary battery, a polymer sodium battery, a solid sodium battery, a sodium-sulfur battery, or the like. . Among these, it is preferable that it is a lithium ion secondary battery from a viewpoint of the voltage and capacity | capacitance in a single battery.
本発明の非水電解質二次電池は、高出力で長寿命であり、量産性に優れていることから、様々な電気機器(電気を使用する乗り物を含む)の電源として利用することができる。
電気機器としては、例えば、エアコン、洗濯機、テレビ、冷蔵庫、冷凍庫、冷房機器、ノートパソコン、パソコンキーボード、パソコン用ディスプレイ、デスクトップ型パソコン、ノート型パソコン、CRTモニター、パソコンラック、プリンター、一体型パソコン、マウス、ハードディスク、パソコン周辺機器、アイロン、衣類乾燥機、ウインドウファン、トランシーバー、送風機、換気扇、テレビ、音楽レコーダー、音楽プレーヤー、オーブン、レンジ、洗浄機能付便座、温風ヒーター、カーコンポ、カーナビ、懐中電灯、加湿器、携帯カラオケ機、換気扇、乾燥機、乾電池、空気清浄器、携帯電話、バイブ、非常用電灯、ゲーム機、血圧計、コーヒーミル、コーヒーメーカー、コケシ、こたつ、コピー機、ディスクチェンジャー、ラジオ、シェーバー、ジューサー、シュレッダー、浄水器、照明器具、除湿器、食器乾燥機、炊飯器、ステレオ、ストーブ、スピーカー、ズボンプレッサー、掃除機、体脂肪計、体重計、ヘルスメーター、ムービープレーヤー、電気カーペット、電気釜、炊飯器、電気かみそり、電気スタンド、電気ポット、電子ゲーム機、携帯ゲーム機、電子辞書、電子手帳、電子レンジ、電磁調理器、電卓、電動カート、電動車椅子、電動工具、電動歯ブラシ、あんか、散髪器具、電話機、時計、インターホン、エアサーキュレーター、電撃殺虫器、複写機、ホットプレート、トースター、ドライヤー、電動ドリル、給湯器、パネルヒーター、粉砕機、はんだごて、ビデオカメラ、ビデオデッキ、ファクシミリ、ファンヒーター、フードプロセッサー、布団乾燥機、ヘッドホン、電気ポット、ホットカーペット、マイク、マッサージ機、豆電球、ミキサ、ミシン、もちつき機、床暖房パネル、ランタン、リモコン、冷温庫、冷水器、冷凍ストッカー、冷風器、ワープロ、泡だて器、電子楽器、オートバイ、おもちゃ類、芝刈り機、浮き、自転車、自動車、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車、電気自動車、鉄道、船、飛行機、人工衛星、非常用蓄電池等が挙げられる。
The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention has a high output, a long life, and is excellent in mass productivity. Therefore, the non-aqueous electrolyte secondary battery can be used as a power source for various electric devices (including vehicles that use electricity).
Examples of electrical equipment include air conditioners, washing machines, televisions, refrigerators, freezers, air conditioners, notebook computers, computer keyboards, computer displays, desktop computers, notebook computers, CRT monitors, computer racks, printers, integrated computers , Mouse, hard disk, computer peripherals, iron, clothes dryer, window fan, walkie-talkie, blower, ventilation fan, TV, music recorder, music player, oven, range, toilet seat with washing function, hot air heater, car component, car navigation system, pocket Electric light, humidifier, portable karaoke machine, ventilation fan, dryer, dry battery, air purifier, mobile phone, vibrator, emergency light, game machine, blood pressure monitor, coffee mill, coffee maker, moss, kotatsu, copy machine, disc changer , Raj , Shaver, juicer, shredder, water purifier, lighting equipment, dehumidifier, dish dryer, rice cooker, stereo, stove, speaker, trouser press, vacuum cleaner, body fat scale, scale, health meter, movie player, electric carpet , Electric kettle, rice cooker, electric razor, table lamp, electric pot, electronic game machine, portable game machine, electronic dictionary, electronic notebook, microwave oven, electromagnetic cooker, calculator, electric cart, electric wheelchair, electric tool, electric toothbrush , Anka, haircutting equipment, telephone, clock, intercom, air circulator, electric shock insecticide, copying machine, hot plate, toaster, dryer, electric drill, water heater, panel heater, crusher, soldering iron, video camera, video Deck, facsimile, fan heater, food processor, futon drying Machine, headphones, electric kettle, hot carpet, microphone, massage machine, miniature light bulb, mixer, sewing machine, mochi machine, floor heating panel, lantern, remote control, cold storage, water cooler, refrigeration stocker, air blower, word processor, foam Appliances, electronic musical instruments, motorcycles, toys, lawn mowers, floats, bicycles, automobiles, hybrid cars, plug-in hybrid cars, electric cars, railways, ships, airplanes, artificial satellites, emergency storage batteries, etc.
〔カーボンを含有したペーストの製造〕
次に、この分散混合ポンプYを備えた分散混合システム100を用いた本発明のカーボンを含有したペーストの製造方法について説明する。
このカーボンを含有したペーストの製造方法は、カーボンを固形分として含有する液体、具体的には、粉体P(固形分)として、非水電解質二次電池用電極の製造に用いられるペースト材料である、アルカリ金属イオンを吸蔵、放出する材料(例えば、LiFePO4)、カーボン(例えば、カーボンブラックや繊維状炭素粉末を含み、該繊維状炭素粉末のアスペクト比が10〜1000、平均繊維径が1〜500nmであるカーボン(カーボンナノチューブ))及び水系バインダ(例えば、CMC(カルボキシルメチルセルロース))を用い、溶媒Rとして水を用い、当該液体に剪断力を付与することによって、固形分の分散、混合を行う工程を備えるカーボンを含有したペーストの製造方法であって、前記剪断力を、−0.01〜−0.10MPaの範囲の負圧状態で付与することを特徴とするものである。
[Production of paste containing carbon]
Next, the manufacturing method of the paste containing the carbon of this invention using the dispersion |
This carbon-containing paste manufacturing method is a paste material used for manufacturing a non-aqueous electrolyte secondary battery electrode as a liquid containing carbon as a solid content, specifically, powder P (solid content). A material that occludes and releases alkali metal ions (for example, LiFePO 4 ), carbon (for example, carbon black or fibrous carbon powder, the aspect ratio of the fibrous carbon powder is 10 to 1000, and the average fiber diameter is 1. Using carbon (carbon nanotubes) of ~ 500 nm and an aqueous binder (for example, CMC (carboxylmethylcellulose)), using water as the solvent R, and applying shearing force to the liquid, dispersion and mixing of solids It is a manufacturing method of the paste containing carbon provided with the process to perform, Comprising: The said shear force is -0.01--0. It is characterized in applying a negative pressure state in the range of 10 MPa.
ここで、前記負圧状態は、圧力計80により測定した第1の導入室13及び第2の導入室14内の圧力(本実施形態においては、第1の導入室13内の圧力(ここで、第1の導入室13と第2の導入室14とは、シャッタバルブ46を閉じた状態ではほぼ同圧となる。)。)をいう。
すなわち、本実施例においては、定量供給装置Xを停止し、粉体排出管45に配設されたシャッタバルブ46を閉止して粉体排出管45を介する粉体Pの吸引を停止した状態で分散混合ポンプYを運転しているとき(粉体Pの非供給時)に、第1の導入室13及び第2の導入室14内の圧力が、−0.01〜−0.10MPa、好ましくは、−0.03〜−0.09MPa、より好ましくは、−0.04〜−0.08MPaの範囲の負圧状態となるように、分散混合ポンプYの回転翼6の周速度(ロータ5の回転数)を、6〜80m/s、好ましくは、15〜50m/sに設定するようにする。
Here, the negative pressure state is the pressure in the
That is, in the present embodiment, the fixed amount supply device X is stopped, the
これによって、翼室8内の全周に亘って、粉体Pの凝集物(いわゆるダマ)に浸透した溶媒Rが発泡することで当該凝集物の解砕が促進され、さらに、その発生した微細気泡が翼室8において加圧され消滅する際の衝撃力によりさらに粉体Pの分散が促進されることになり、結果、翼室8内の全周に存在するペーストFのほぼ全体に亘って、より確実に、溶媒R中での粉体Pの分散が良好な高品質のペーストFを生成することができる。
As a result, the solvent R penetrating into the aggregate (so-called lumps) of the powder P is foamed over the entire circumference of the
このようにしてカーボンを含有したペーストを得ることができるが、本発明は、上記カーボンを含有したペーストの製造方法により得られたカーボンを含有したペースト、該カーボンを含有したペーストを用いて製造された非水電解質二次電池用電極、該非水電解質二次電池用電極を備えた非水電解質二次電池及び該非水電解質二次電池を備えた機器を対象とする。 Thus, a carbon-containing paste can be obtained, but the present invention is manufactured using the carbon-containing paste obtained by the above-described carbon-containing paste manufacturing method and the carbon-containing paste. In addition, the present invention is directed to a nonaqueous electrolyte secondary battery electrode, a nonaqueous electrolyte secondary battery including the nonaqueous electrolyte secondary battery electrode, and a device including the nonaqueous electrolyte secondary battery.
〔実施例1〕
(高率放電試験)
表1に、非水電解質二次電池用電極の製造に用いられるペースト材料である、アルカリ金属イオンを吸蔵、放出する材料として、LiFePO4(91wt%)、カーボン(カーボンブラック(2wt%)、繊維状炭素粉末のアスペクト比が10〜1000、平均繊維径が1〜500nmであるカーボン(カーボンナノチューブ)(2wt%))及び水系バインダ(CMC(カルボキシルメチルセルロース)(5wt%))(固形分比:31wt%)を用い、溶媒Rとして水を用い、上記分散混合ポンプYを備えた分散混合システム100を用いてペーストを製造した結果を示す。
また、図10に、カーボンを含有したペーストを塗布した電極表面及び電極断面の電子顕微鏡写真((a)は従来のバッチ式多軸ミキサによるもの、(b)は本発明のカーボンを含有したペーストの製造方法によるもの)を、図11に、本発明のカーボンを含有したペーストの製造方法によるペーストを用いて製造された非水電解質二次電池用電極を備えた非水電解質二次電池の放電レートと平均放電電圧との関係を示す。
なお、上記の電池評価は、得られた各ペーストを厚さ20μmのアルミニウム箔上に塗布・乾燥後、ロールプレス機により、アルミニウム箔と塗膜とを密着接合させ、次いで、加熱処理(減圧中、150℃、12時間以上)して試験電極(正極容量密度:1.2mAh/cm2)を得た。対極として、試験電極計算容量の約50倍の容量を有している金属リチウム箔を用い、セパレータとして厚み350μmのガラス不織布を用い、電解液として1mol/LのLiPF6/EC:DEC(1:1vol%)を具備したコインセル(CR2032)を作製した。
充放電試験条件としては、カットオフ電位を4.2−2.5V(vs.Li+/Li)と設定し、30℃環境下で0.5CAで充電し、その後所定の電流で放電した。
[Example 1]
(High rate discharge test)
Table 1 shows LiFePO 4 (91 wt%), carbon (carbon black (2 wt%), fiber as materials that occlude and release alkali metal ions, which are paste materials used in the production of electrodes for nonaqueous electrolyte secondary batteries. Carbon (carbon nanotubes) (2 wt%) having an aspect ratio of 10 to 1000 and an average fiber diameter of 1 to 500 nm) and an aqueous binder (CMC (carboxyl methyl cellulose) (5 wt%)) (solid content ratio: 31 wt. %), Water is used as the solvent R, and the result of manufacturing the paste using the
FIG. 10 is an electron micrograph of the electrode surface and electrode cross-section coated with a carbon-containing paste ((a) is a conventional batch-type multi-axis mixer, and (b) is a carbon-containing paste of the present invention. FIG. 11 shows the discharge of a non-aqueous electrolyte secondary battery equipped with a non-aqueous electrolyte secondary battery electrode manufactured using the paste according to the carbon-containing paste manufacturing method of the present invention. The relationship between a rate and an average discharge voltage is shown.
The battery evaluation described above was carried out by applying and drying each paste obtained on an aluminum foil having a thickness of 20 μm, and then closely bonding the aluminum foil and the coating film with a roll press, followed by heat treatment (during decompression) , 150 ° C., 12 hours or longer) to obtain a test electrode (positive electrode capacity density: 1.2 mAh / cm 2 ). As the counter electrode, a metal lithium foil having a capacity about 50 times the calculated capacity of the test electrode was used, a glass nonwoven fabric having a thickness of 350 μm was used as the separator, and 1 mol / L LiPF 6 / EC: DEC (1: A coin cell (CR2032) having 1 vol%) was produced.
As the charge / discharge test conditions, the cut-off potential was set to 4.2 to 2.5 V (vs. Li + / Li), charged at 0.5 CA in a 30 ° C. environment, and then discharged at a predetermined current.
表1並びに図10及び図11からも明らかなように、本発明のカーボンを含有したペーストの製造方法によれば、カーボンを固形分として含有する液体に剪断力を付与することによって、固形分の分散、混合を行う工程を備えるカーボンを含有したペーストの製造方法において、前記剪断力を、−0.01〜−0.10MPaの範囲の負圧状態で付与することにより、カーボン等の分散性や溶解性が悪い物質を含有する場合でも、均質なペーストを、短時間で得ることができ、また、固形分が分散、混合した状態を長時間維持することができ、さらに、ペーストへの気泡の混入、残留を少なくできる、カーボンを含有したペーストの製造でき、また、本発明のカーボンを含有したペーストの製造方法によるペーストを用いて製造された非水電解質二次電池用電極は、空隙が少なく、緻密な塗布形成層が形成されること、さらに、同非水電解質二次電池用電極を備えた非水電解質二次電池は、放電レートと平均放電電圧との関係において、良好な電池特性を示すことを確認した。
したがって、前記剪断力を、上記範囲内の負圧状態で付与することにより、出力特性に優れた非水電解質二次電池が得られることを証明した。
As is clear from Table 1 and FIGS. 10 and 11, according to the method for producing a carbon-containing paste of the present invention, by applying a shearing force to a liquid containing carbon as a solid content, In the method for producing a carbon-containing paste comprising the steps of dispersing and mixing, by applying the shear force in a negative pressure state in the range of -0.01 to -0.10 MPa, the dispersibility of carbon and the like Even when a substance having poor solubility is contained, a homogeneous paste can be obtained in a short time, and the state in which the solid content is dispersed and mixed can be maintained for a long time. It is possible to produce a carbon-containing paste that can reduce contamination and residue, and a non-aqueous battery produced using the paste according to the carbon-containing paste production method of the present invention. The secondary battery electrode has a small gap and a dense coating formation layer is formed. Furthermore, the nonaqueous electrolyte secondary battery equipped with the nonaqueous electrolyte secondary battery electrode has a discharge rate and an average discharge. It was confirmed that good battery characteristics were exhibited in relation to voltage.
Therefore, it was proved that a nonaqueous electrolyte secondary battery excellent in output characteristics can be obtained by applying the shearing force in a negative pressure state within the above range.
〔実施例2〕
(高率放電試験)
表2に、非水電解質二次電池用電極の製造に用いられるペースト材料である、アルカリ金属イオンを吸蔵、放出する材料として、LiFePO4(89wt%)、カーボン(カーボンブラック(1.5wt%)、繊維状炭素粉末のアスペクト比が10〜500、平均繊維径が150nmであるカーボン(カーボンナノファイバ)(1.5wt%)、活性炭(3wt%))及び水系バインダ(アクリル酸エステル(5wt%))(固形分比:37wt%)を用い、溶媒Rとして水を用い、上記分散混合ポンプYを備えた分散混合システム100を用いてペーストを製造した結果を示す。
試験電極(正極)は、得られた各ペーストを厚さ20μmのアルミニウム箔上に塗布・乾燥後、ロールプレス機により、アルミニウム箔と塗膜とを密着接合させ、次いで、加熱処理(減圧中、150℃、12時間以上)して正極容量密度が2.1mAh/cm2の電極を得た。対極として、試験電極計算容量の約50倍の容量を有している金属リチウム箔を用い、セパレータとして厚み350μmのガラス不織布を用い、電解液として1mol/LのLiPF6/EC:DEC(1:1vol%)を具備したコインセル(CR2032)を作製した。
充放電試験条件としては、カットオフ電位を4.2−2.0V(vs.Li+/Li)と設定し、30℃環境下で0.2CAで充電し、その後所定の電流で放電した。
図12に、本発明のカーボンを含有したペーストの製造方法によるペーストを用いて製造された非水電解質二次電池用電極を備えた非水電解質二次電池の活物質の放電容量とペーストに剪断力を付与した際の圧力との関係を示す。
図12から明らかなように、低レート放電(0.2〜1CA)においては、剪断力を加える圧力に放電容量の差が見られにくいが、高レート放電(3〜10CA)においては、剪断力を加える圧力が負圧であるとよいことがわかる。特に、圧力は−0.04〜0.08MPaの範囲が高容量であり、−0.07MPaが最も高容量を示した。一例として、最も性能が良かった、−0.07MPaの負圧状態で得られた電池の高率放電曲線を図13に示す。
[Example 2]
(High rate discharge test)
Table 2 shows LiFePO 4 (89 wt%), carbon (carbon black (1.5 wt%) as materials that occlude and release alkali metal ions, which are paste materials used in the manufacture of nonaqueous electrolyte secondary battery electrodes. Carbon (carbon nanofiber) (1.5 wt%), activated carbon (3 wt%) having an aspect ratio of 10 to 500 and an average fiber diameter of 150 nm, and an aqueous binder (acrylic ester (5 wt%)) ) (Solid content ratio: 37 wt%), water is used as the solvent R, and the result of manufacturing the paste using the
The test electrode (positive electrode) was obtained by applying and drying each obtained paste on an aluminum foil having a thickness of 20 μm, and then closely bonding the aluminum foil and the coating film with a roll press machine, followed by heat treatment (during decompression, 150 ° C. for 12 hours or more) to obtain an electrode having a positive electrode capacity density of 2.1 mAh / cm 2 . As the counter electrode, a metal lithium foil having a capacity about 50 times the calculated capacity of the test electrode was used, a glass nonwoven fabric having a thickness of 350 μm was used as the separator, and 1 mol / L LiPF 6 / EC: DEC (1: A coin cell (CR2032) having 1 vol%) was produced.
As the charge / discharge test conditions, the cut-off potential was set to 4.2 to 2.0 V (vs. Li + / Li), charged at 0.2 CA in a 30 ° C. environment, and then discharged at a predetermined current.
FIG. 12 shows the discharge capacity of the active material of a non-aqueous electrolyte secondary battery having a non-aqueous electrolyte secondary battery electrode manufactured using the paste according to the method for manufacturing a carbon-containing paste of the present invention, and shearing into the paste. The relationship with the pressure when applying force is shown.
As apparent from FIG. 12, in the low rate discharge (0.2 to 1 CA), the difference in discharge capacity is hardly seen in the pressure to apply the shear force, but in the high rate discharge (3 to 10 CA), the shear force. It can be seen that the pressure to apply is preferably a negative pressure. In particular, the pressure was high in the range of -0.04 to 0.08 MPa, and -0.07 MPa showed the highest capacity. As an example, FIG. 13 shows a high rate discharge curve of a battery obtained in a negative pressure state of −0.07 MPa, which has the best performance.
(電池の大型化)
最も性能が良好であった前記剪断力を−0.07MPaの負圧状態で付与することによって得られたペーストを用いて、公称容量1100Ahの非水電解質二次電池を作製した。
試験電極(正極)は、上記ペーストを厚さ20μmのアルミニウム箔上に塗布・乾燥後、ロールプレス機により、アルミニウム箔と塗膜とを密着接合させ、次いで、加熱処理(減圧中、150℃、12時間以上)して試験電極(正極容量密度:1mAh/cm2)を得た。
対極(負極)としては、アルカリ金属イオンを吸蔵、放出する材料として、SiO(79wt%)、カーボン(カーボンブラック(1.5wt%)、繊維状炭素粉末のアスペクト比が10〜500、平均繊維径が150nmであるカーボン(カーボンナノファイバ)(1.5wt%))及び水系バインダ(ポリイミド(18wt%))(固形分比:25wt%)を用い、溶媒Rとして水を用い、上記分散混合ポンプYを備えた分散混合システム100を用いてペーストを製造し、これを厚さ10μmのステンレス箔上に塗布・乾燥後、ロールプレス機により、ステンレス箔と塗膜とを密着接合させ、次いで、加熱処理(減圧中、250℃、2時間以上)し、不可逆容量分の金属リチウム箔を負極に張り合わせて負極(負極容量密度:2.7mAh/cm2)を得た。対極用のペーストの混合条件としては、−0.05MPaの負圧状態で付与することによって得ている。
電池は、セパレータとして厚み20μmのアラミド微多孔膜を用い、電解液として1mol/LのLiPF6/EC:DEC:EMC(1:0.7:0.3vol%)を具備したラミネートセルを作製した。
充放電試験条件としては、カットオフ電位を4.0−2.0Vと設定し、30℃環境下で19サイクルのみ0.2CAで充放電してエージングし、20サイクル以降は1CAで充放電した。
図14に公称容量1100Ahの非水電解質二次電池の充放電曲線を、図15にサイクル寿命特性を示す。
電池を大型化しても安定した容量維持を示し、正常に動作していることを確認した。
(Battery enlargement)
A non-aqueous electrolyte secondary battery having a nominal capacity of 1100 Ah was fabricated using a paste obtained by applying the shearing force having the best performance in a negative pressure state of −0.07 MPa.
The test electrode (positive electrode) was prepared by applying and drying the paste on an aluminum foil having a thickness of 20 μm, and then closely bonding the aluminum foil and the coating film with a roll press, followed by heat treatment (under reduced pressure, 150 ° C., 12 hours or more) to obtain a test electrode (positive electrode capacity density: 1 mAh / cm 2 ).
As the counter electrode (negative electrode), as the material that occludes and releases alkali metal ions, SiO (79 wt%), carbon (carbon black (1.5 wt%), fibrous carbon powder has an aspect ratio of 10 to 500, average fiber diameter (Carbon nanofiber) (1.5 wt%)) and water-based binder (polyimide (18 wt%)) (solid content ratio: 25 wt%), water as the solvent R, and the above-mentioned dispersion mixing pump Y A paste is produced using a
As the battery, an aramid microporous film having a thickness of 20 μm was used as a separator, and a laminate cell having 1 mol / L LiPF 6 / EC: DEC: EMC (1: 0.7: 0.3 vol%) as an electrolyte was produced. .
As the charge / discharge test conditions, the cut-off potential was set to 4.0-2.0 V, and 19 cycles were charged / discharged at 0.2 CA in a 30 ° C. environment, and aging was performed after 20 cycles. .
FIG. 14 shows a charge / discharge curve of a nonaqueous electrolyte secondary battery having a nominal capacity of 1100 Ah, and FIG. 15 shows cycle life characteristics.
Even when the battery size was increased, stable capacity was maintained and it was confirmed that it was operating normally.
(大型電池の高温耐久性試験)
剪断力を、−0.003MPa、−0.053MPa、−0.070MPaの各負圧状態で付与することによって得たペーストを用いて、公称容量1100Ahの大型電池を作製した。この大型電池を60℃環境下で1CA充放電を行い電池の高温耐久性を確認した。記載のないその他の条件は、前記大型電池と同様である。
図16に公称容量1100Ahの非水電解質二次電池の60℃、1CAにおけるサイクル寿命特性(高温耐久性)を示す。
図16から明らかなように、60℃の高温環境下では、−0.070MPaの負圧状態でペーストを混合した電池が優れた高温耐久性を示した。
(High temperature durability test of large battery)
A large battery having a nominal capacity of 1100 Ah was manufactured using paste obtained by applying a shearing force in each negative pressure state of -0.003 MPa, -0.053 MPa, and -0.070 MPa. This large battery was charged and discharged at 1 CA in an environment of 60 ° C. to confirm the high temperature durability of the battery. Other conditions not described are the same as those for the large battery.
FIG. 16 shows cycle life characteristics (high temperature durability) at 60 ° C. and 1 CA of a nonaqueous electrolyte secondary battery having a nominal capacity of 1100 Ah.
As is clear from FIG. 16, in a high temperature environment of 60 ° C., the battery in which the paste was mixed in the negative pressure state of −0.070 MPa showed excellent high temperature durability.
〔実施例3〕
表3に、非水電解質二次電池用電極の製造に用いられるペースト材料である、アルカリ金属イオンを吸蔵、放出する材料として、LiMn0.33Ni0.33Co0.33O2(91wt%)、カーボン(カーボンブラック(2wt%)、繊維状炭素粉末のアスペクト比が10〜500、平均繊維径が150nmであるカーボン(カーボンナノファイバ)(2wt%))及び水系バインダ(アクリル酸エステル(5wt%))(固形分比:32wt%)を用い、溶媒Rとして水を用い、上記分散混合ポンプYを備えた分散混合システム100を用いてペーストを製造した結果を示す。
Example 3
Table 3 shows LiMn 0.33 Ni 0.33 Co 0.33 O 2 (91 wt%) as a material that occludes and releases alkali metal ions, which is a paste material used in the manufacture of non-aqueous electrolyte secondary battery electrodes. ), Carbon (carbon black (2 wt%), carbon carbon (carbon nanofiber) (2 wt%) having an aspect ratio of 10 to 500, and an average fiber diameter of 150 nm) and an aqueous binder (acrylic ester (5 wt) %)) (Solid content ratio: 32 wt%), water is used as the solvent R, and the result of manufacturing the paste using the
試験電極(正極)は、得られた各ペーストを厚さ20μmのアルミニウム箔上に塗布・乾燥後、ロールプレス機により、アルミニウム箔と塗膜とを密着接合させ、次いで、加熱処理(減圧中、150℃、12時間以上)して正極容量密度が1.5mAh/cm2の電極を得た。対極として、試験電極計算容量の約50倍の容量を有している金属リチウム箔を用い、セパレータとして厚み25μmのポリエチレン微多孔膜を用い、電解液として1mol/LのLiPF6/EC:DEC(1:1vol%)を具備したコインセル(CR2032)を作製した。
充放電試験条件としては、カットオフ電位を4.2−2.0V(vs.Li+/Li)と設定し、30℃環境下で0.5CAで充電し、その後所定の電流で放電した。
The test electrode (positive electrode) was obtained by applying and drying each obtained paste on an aluminum foil having a thickness of 20 μm, and then closely bonding the aluminum foil and the coating film with a roll press machine, followed by heat treatment (during decompression, 150 ° C. for 12 hours or more) to obtain an electrode having a positive electrode capacity density of 1.5 mAh / cm 2 . As a counter electrode, a metal lithium foil having a capacity about 50 times the test electrode calculated capacity is used, a polyethylene microporous film having a thickness of 25 μm is used as a separator, and 1 mol / L LiPF 6 / EC: DEC ( A coin cell (CR2032) having 1: 1 vol% was produced.
As the charge / discharge test conditions, the cut-off potential was set to 4.2-2.0 V (vs. Li + / Li), charged at 0.5 CA in a 30 ° C. environment, and then discharged at a predetermined current.
図17に、本発明のカーボンを含有したペーストの製造方法によるペーストを用いて製造された非水電解質二次電池用電極を備えた非水電解質二次電池の放電レートと放電容量との関係を、図18に放電レートと平均放電電圧との関係を示す。
図17及び図18から明らかなように、低レート放電(0.5〜1CA)においては、剪断力を加える圧力に放電容量の差が見られにくいが、高レート放電(3〜5CA)になるとその差が大きくなる。剪断力を加える圧力は、負圧であっても−0.06〜0.89MPaの範囲内であるとよいことがわかる。また平均放電電圧においても、−0.06〜0.89MPaの範囲内であるとよいことがわかる。特に、圧力が−0.089MPaであった電池は最も高容量で高い平均放電電圧を示した。一例として、最も性能が良かった、−0.089MPaの負圧状態で得られた電池の高率放電曲線を図19に示す。
FIG. 17 shows the relationship between the discharge rate and the discharge capacity of a non-aqueous electrolyte secondary battery including a non-aqueous electrolyte secondary battery electrode manufactured using the paste according to the method for manufacturing a carbon-containing paste of the present invention. FIG. 18 shows the relationship between the discharge rate and the average discharge voltage.
As is clear from FIG. 17 and FIG. 18, in low rate discharge (0.5 to 1 CA), it is difficult to see the difference in discharge capacity with the pressure to apply shear force, but when high rate discharge (3 to 5 CA) is achieved. The difference increases. It can be seen that the pressure for applying the shearing force is preferably in the range of -0.06 to 0.89 MPa even if it is a negative pressure. It can also be seen that the average discharge voltage is preferably in the range of -0.06 to 0.89 MPa. In particular, the battery having a pressure of -0.089 MPa exhibited the highest capacity and the highest average discharge voltage. As an example, FIG. 19 shows a high-rate discharge curve of a battery obtained in a negative pressure state of −0.089 MPa, which has the best performance.
以上、本発明のカーボンを含有したペーストの製造方法について、その実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記実施の形態の記載に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。 As mentioned above, although the manufacturing method of the paste containing the carbon of this invention was demonstrated based on the embodiment, this invention is not limited to description of the said embodiment, In the range which does not deviate from the meaning The configuration can be changed as appropriate.
本発明のカーボンを含有したペーストの製造方法は、カーボン等の分散性や溶解性が悪い物質を含有する場合でも、均質なペーストを、短時間で得ることができ、また、固形分が分散、混合した状態を長時間維持することができ、さらに、ペーストへの気泡の混入、残留を少なくできることから、非水電解質二次電池用電極の製造に用いられるペーストの製造の用途に好適に用いることができる。 The method for producing a carbon-containing paste of the present invention can obtain a homogeneous paste in a short time even when containing a substance having poor dispersibility and solubility such as carbon, and the solid content is dispersed. The mixed state can be maintained for a long time, and moreover, since it is possible to reduce the mixing and remaining of bubbles in the paste, it is suitable for use in the production of pastes used in the production of electrodes for non-aqueous electrolyte secondary batteries. Can do.
1 ケーシング
5 ロータ
6 回転翼
6a 背面部
7 ステータ
7a 絞り流路(透孔)
7b 絞り流路(透孔)
8 翼室(出口領域)
9 掻出翼
10 環状溝
11 第1の供給部
12 吐出部(出口領域)
13 第1の導入室
14 第2の導入室
14a 絞り部
15 仕切板
16 循環流路
16P 循環ポンプ
17 第2の供給部
22 排出路
50 溶媒供給部
51 貯留混合タンク
52 供給管
52P 送出ポンプ
60 ミキシング機構(供給機構部)
70 再循環機構部
71 円筒状容器(分離部)
80 圧力計
100 分散混合システム
Y 分散混合ポンプ
F ペースト
Fp 予備混合物
Fr 未分散ペースト
P 粉体(固形分)
R 溶媒(液相分散媒)
G 空気(気体)
DESCRIPTION OF
7b Restricted flow path (through hole)
8 Wing chamber (exit area)
9
13
70
80
R solvent (liquid phase dispersion medium)
G Air (gas)
Claims (5)
−0.04〜−0.08MPaの範囲の負圧状態で、撹拌部材である回転翼の周速度を6〜80m/sにして撹拌し、前記回転翼と一体回転する掻出翼が、その先端部をケーシングに設けられた環状溝に進入した状態で周回可能に配設され、前記環状溝に導入された前記粉体と前記溶媒は、前記掻出翼の先端部により掻き出されるときに前記剪断力を付与し、負圧状態で前記粉体と前記溶媒とを混合することを特徴とするカーボンを含有したペーストの製造方法。 A method for producing a paste containing carbon comprising a step of dispersing and mixing a solid content by applying a shearing force to a liquid containing a solvent and a carbon powder as a solid content,
In a negative pressure state in the range of -0.04 to -0.08 MPa, the peripheral speed of the rotating blade that is a stirring member is stirred at 6 to 80 m / s, and the scraped blade that rotates integrally with the rotating blade is When the tip and the solvent introduced into the annular groove are scraped by the tip of the scraping blade, the tip and the solvent are arranged so as to be able to circulate while entering the annular groove provided in the casing. A method for producing a paste containing carbon, wherein the shear force is applied and the powder and the solvent are mixed in a negative pressure state.
撹拌部材が、回転翼であり、円筒状のケーシングの内部に、回転翼を備えたロータを同心状に配設し、該回転翼を備えたロータを回転駆動することにより、前記固形分及び前記溶媒を第1の供給部を介して円筒状のケーシングの内部に形成された第1の導入室に吸入して、回転翼によって撹拌して、排出室を介して吐出部から吐出させるとともに、吐出部から吐出された液体を循環流路を介して第2の供給部に循環させ、該第2の供給部から円筒状のケーシングの内部に、第1の導入室と仕切板で区画して形成された第2の導入室に吸入して、ステータに形成した絞り流路を通過させるとともに、回転翼によって撹拌して、排出室を介して吐出部から吐出させ、さらに、吐出部から吐出された液体を循環流路を介して第2の供給部に循環させるようにした分散混合ポンプを用いて、
前記回転翼と一体回転する掻出翼が、その先端部をケーシングに設けられた環状溝に進入した状態で周回可能に配設され、前記環状溝に導入された前記粉体と前記溶媒は、前記掻出翼の先端部により掻き出されるときに前記剪断力を付与することを特徴とするカーボンを含有したペーストの製造方法。 A method for producing a carbon-containing paste comprising a step of dispersing and mixing a solid content by applying a shear force to a liquid containing a solvent and a carbon powder as a solid content, wherein the shear force is , Applied in a negative pressure state in the range of -0.04 to -0.08 MPa,
The stirring member is a rotor blade, and a rotor provided with the rotor blade is disposed concentrically inside a cylindrical casing, and the rotor provided with the rotor blade is driven to rotate, whereby the solid content and the The solvent is sucked into the first introduction chamber formed inside the cylindrical casing through the first supply unit, stirred by the rotary blade, discharged from the discharge unit through the discharge chamber, and discharged. The liquid discharged from the part is circulated to the second supply part via the circulation channel, and is formed by partitioning the first introduction chamber and the partition plate from the second supply part into the inside of the cylindrical casing. The air was sucked into the second introduction chamber, passed through the throttle channel formed in the stator, stirred by the rotary blade, discharged from the discharge portion through the discharge chamber, and further discharged from the discharge portion. Circulate the liquid through the circulation channel to the second supply section Using a dispersion mixing pump which is adapted,
The scraping blade that rotates integrally with the rotary blade is arranged to be able to circulate in a state in which the tip portion enters the annular groove provided in the casing, and the powder and the solvent introduced into the annular groove are: A method for producing a carbon-containing paste , wherein the shearing force is applied when scraped by the tip of the scraping blade .
The said carbon contains fibrous carbon powder, The aspect-ratio of this fibrous carbon powder is 10-1000, and an average fiber diameter is 1-500 nm, The any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned. A method for producing a paste containing carbon.
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