JP6950640B2 - 電極合材ペーストの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、電極合材ペーストの製造方法に関する。
従来、リチウムイオン二次電池等の電極(正極または負極)として、集電箔の表面に電極合材層が積層されたものが知られている。このような電極は、例えば、電極活物質及び結着材などの固形分と溶媒とを含む電極合材ペースト(電極用ペースト)を、集電箔の表面に塗布し、乾燥させた後、プレス加工等することにより形成される。
ところで、上述の電極用ペースト(電極合材ペースト)は、電極活物質などを含む固形分と溶媒とを混練することにより製造される。ここで、混練後の電極用ペーストには、通常、気泡が含まれている。このため、混練後の電極用ペーストを、そのまま集電箔の表面に塗布すると、集電箔の表面に塗布した電極用ペーストの膜の一部(気泡が存在していた部位)に孔が空いた状態となり、透け不良(集電箔の表面が部分的に露出する不良をいう)が発生することがあった。
これに対し、特許文献1には、混練工程後に、電極用ペースト中の気泡を除去する脱泡工程を行うことが開示されている。具体的には、特許文献1には、電極活物質を含む固形分と溶媒とを混練してなる電極用ペーストを、真空度が−50kPa以上とされた減圧容器内に導入し、減圧容器内で電極用ペーストにせん断力を付与しつつ脱泡する方法が開示されている。
特開2016−152184号公報
より具体的には、減圧容器内に設けられた平面視円形状の回転体の表面に電極用ペーストを供給することにより、電極用ペーストにせん断力を付与する。さらには、電極用ペーストを回転体の表面から減圧容器の内壁面に向けて飛散させて、電極用ペーストを内壁面に衝突させることによって、電極用ペースト内の気泡を破裂させる。これにより、電極用ペーストの脱泡が行われると共に電極合材ペーストが作製される。このように作製された電極合材ペーストを用いることで、上述のような透け不良を防止できることが開示されている。
ところで、電極用ペースト(電極合材ペースト)にリン酸リチウム(Li3PO4)を含有させることがある。ところが、リン酸リチウム(Li3PO4)の粒子は保管中に凝集し易いため、リン酸リチウム(Li3PO4)を含有する電極合材ペーストを作製する場合は、凝集しているリン酸リチウム(Li3PO4)の粒子を分離して分散させることが求められる。しかしながら、特許文献1に記載されている方法では、凝集しているリン酸リチウム(Li3PO4)の粒子を十分に分散させることができず、リン酸リチウムの分散の程度が良好な電極合材ペーストを得ることができない虞があった。
本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、リン酸リチウムの分散の程度が良好で、且つ、透け不良を防止できる電極合材ペーストを製造することができる、電極合材ペーストの製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、電極活物質と導電材と結着材と溶媒とリン酸リチウムとを有する電極合材ペーストを製造する、電極合材ペーストの製造方法であって、前記電極活物質と前記導電材と前記結着材と前記溶媒と前記リン酸リチウムとを混練することによって、内部に気泡を含む中間ペーストを作製する混練工程と、減圧容器、及び、当該減圧容器の内部に設けられた平面視円形状の回転体、を備える脱泡装置を用い、前記回転体の表面に前記中間ペーストを供給し、供給された前記中間ペーストを前記回転体の前記表面から前記減圧容器の内壁面に向けて飛散させて、前記中間ペーストを前記内壁面に衝突させることによって前記気泡を破裂させることで、前記中間ペーストの脱泡を行うと共に前記電極合材ペーストを作製する脱泡工程と、を備え、前記混練工程では、前記中間ペーストの密度が、内部に気泡を含むことなく前記中間ペーストと同等の比率で前記電極活物質と前記導電材と前記結着材と前記溶媒と前記リン酸リチウムとを含む基準ペーストの密度よりも、0.1〜0.3(g/cc)の範囲内の値だけ小さくなるように、内部に気泡を含む前記中間ペーストを作製し、前記脱泡工程では、前記減圧容器内の圧力を−70(kPa)以下とし、且つ、前記回転体の最外周端のせん断速度を、70000〜200000(1/s)の範囲内とする電極合材ペーストの製造方法である。
上述の製造方法は、電極活物質と導電材と結着材と溶媒とリン酸リチウムとを有する電極合材ペーストを製造する方法であり、混練工程と、脱泡工程とを備える。混練工程では、電極活物質と導電材と結着材と溶媒とリン酸リチウムとを混練することによって、内部に気泡を含む中間ペーストを作製する。また、脱泡工程では、減圧容器と、当該減圧容器の内部に設けられた平面視円形状の回転体と、を備える脱泡装置を用いて、中間ペーストの脱泡を行うと共に前記電極合材ペーストを作製する。より具体的には、脱泡装置の回転体の表面に中間ペーストを供給し、供給された中間ペーストを回転体の表面から減圧容器の内壁面に向けて飛散させて、中間ペーストを内壁面に衝突させることによって気泡を破裂させる(破泡させる)ことで中間ペーストの脱泡を行って、電極合材ペースト(脱泡処理を終えた中間ペースト)を作製する。
さらに、上述の製造方法では、混練工程において、中間ペーストの密度が、内部に気泡を含むことなく中間ペーストと同等の比率で電極活物質と導電材と結着材と溶媒とリン酸リチウムとを含む基準ペーストの密度よりも、0.1〜0.3(g/cc)の範囲内の値だけ小さくなるように、内部に気泡を含む中間ペーストを作製する。換言すれば、混練工程において、中間ペーストの密度をA(g/cc)、内部に気泡を含むことなく中間ペーストと同等の比率で電極活物質と導電材と結着材と溶媒とリン酸リチウムとを含む基準ペーストの密度をB(g/cc)としたとき、(B−0.3)≦A≦(B−0.1)の関係を満たすように、中間ペースト内に含まれる気泡の量を調整しつつ、中間ペーストを作製する。
なお、基準ペーストは、内部に気泡が存在しないと仮定したペーストであり、上述の内部に気泡を含む中間ペーストと比較して、気泡が存在しない点のみが異なる。基準ペーストの密度(g/cc)は、中間ペーストに含まれる材料(中間ペーストを作製するために加えた材料。具体的には、電極活物質と導電材と結着材と溶媒とリン酸リチウム)の重量(g)と体積(cc)とから算出することができる。
また、中間ペーストに含まれる気泡の量の調整は、混練工程を行う混練機の調整や混練機内への材料の供給方法等により行うことができる。
さらに、上述の製造方法では、脱泡工程において、脱泡装置について、減圧容器内の圧力(標準気圧(大気圧)を0基準とした圧力である、以下同じ)の値を−70kPa以下とし、且つ、回転体の最外周端のせん断速度を、70000〜200000(1/s)の範囲内とする。このような条件に設定された脱泡装置を用いて、上述のように気泡量が調整された中間ペーストについて脱泡工程を行うことで、リン酸リチウムの分散の程度を良好にすることができると共に、中間ペースト内に含まれている気泡を適切に消失させる(脱泡する)ことができる。
より具体的には、減圧容器内の圧力を−70kPa以下とし、且つ、回転体の最外周端のせん断速度を、70000(1/s)以上とすることで、中間ペースト内に含まれている気泡を適切に破裂させて消失させることができると共に、気泡が破裂したときの衝撃(キャビテーション)により、凝集しているリン酸リチウムの粒子を分離して分散させることができる。これにより、リン酸リチウムの分散の程度が良好で、且つ、透け不良を防止できる電極合材ペーストを得ることができる。
なお、回転体の最外周端のせん断速度を、200000(1/s)以上にすると、中間ペーストが減圧容器の内壁面に衝突したときに泡立ってしまい、適切に脱泡処理を行うことができず(脱泡工程を終えた電極合材ペースト中に多数の気泡が含まれてしまい)、透け不良が発生する虞がある。このため、回転体の最外周端のせん断速度を、200000(1/s)以下にするのが好ましい。
また、減圧容器内の圧力が−70kPaよりも大きい(高い)場合は、中間ペーストを減圧容器の内壁面に衝突させたときに、中間ペースト内に含まれている気泡を適切に破裂させることができない虞がある。このため、凝集しているリン酸リチウムの粒子を、適切に分離して分散させることができない虞がある。
また、中間ペーストの密度Aが、基準ペーストの密度Bとの間で、A<(B−0.3)の関係を満たす場合は、中間ペースト内に多量の気泡が含まれることになるため、上述の脱泡工程により、中間ペースト内に含まれている気泡を適切に消失させることができない虞がある。このため、上述の透け不良が発生する虞がある。
なお、「回転体の最外周端のせん断速度」は、回転体の最外周端の直径(最大径)、回転体の最外周端の平面視形状、及び回転体の回転数から、公知方法にて求められる。
実施形態にかかる二軸混練機の内部の概略構成を示す部分断面図である。 同二軸混練機のバレルの内部に配置された抵抗パドルを示す図である。 同二軸混練機のバレルの内部に配置されたせん断パドルを示す図である。 実施形態にかかる脱泡装置の概略断面図である。 集電箔の表面に電極合材ペーストを塗布した塗布物の概略断面図である。
次に、実施形態にかかる電極合材ペースト131の製造方法について説明する。本実施形態では、電極合材ペースト131として、電極活物質137と導電材133と結着材134と溶媒135とリン酸リチウム136(Li3PO4)とを有する正極合材ペーストを作製する。なお、本実施形態では、電極活物質137として、金属酸化物を使用する。また、導電材133として、アセチレンブラックを使用する。また、結着材134として、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)を使用する。また、溶媒135として、NMP(N−メチルピロリドン)を使用する。
なお、リン酸リチウム136(Li3PO4)の粒子は保管中に凝集し易いため、後述する混練工程に供給されるリン酸リチウム136の多くは、凝集している可能性が高い。従って、本実施形態のように、リン酸リチウム136を含む電極合材ペースト131を製造する場合は、凝集しているリン酸リチウム136(Li3PO4)の粒子を分離して分散させることが求められる。
本実施形態では、以下に説明するように、混練工程と脱泡工程を行うことで、電極合材ペースト131を作製する。
まず、混練工程について説明する。混練工程では、電極活物質137と導電材133と結着材134と溶媒135とリン酸リチウム136(Li3PO4)とを混練することによって、内部に気泡を含む中間ペースト131Aを作製する。具体的には、図1に示す二軸混練機10を用いて、中間ペースト131Aを作製する。
ここで、本実施形態にかかる二軸混練機10について説明する。図1は、二軸混練機10の内部の概略構成を示す図であり、二軸混練機10を軸方向DA(図1において左右方向)に切断した部分断面図である。図2は、二軸混練機10のバレル30の内部に配置された抵抗パドル51(52,53,54)を示す図であり、図1のH−Hで示す位置における二軸混練機10の断面図に相当する。図3は、二軸混練機10のバレル30の内部に配置されたせん断パドル11(12,13,14)を示す図であり、図1のD−Dで示す位置における二軸混練機10の断面図に相当する。
二軸混練機10は、電極活物質137と導電材133と結着材134と溶媒135とリン酸リチウム136(Li3PO4)とを混練して、内部に気泡を含む中間ペースト131Aを作製する連続型二軸混練機である。この二軸混練機10は、互いが平行に配置された円柱形状の二つの軸35,36(図1〜図3参照)と、軸方向DA(軸35,36が延びる方向、図1において左右方向)に延びる筒状のバレル30と、第1せん断パドル部21b,21cと、第2せん断パドル部22b,22cと、第3せん断パドル部23b,23cと、第4せん断パドル部24b,24cと、スクリュー41b,41c,42b,42cと、第1抵抗パドル部61b,61cと、第2抵抗パドル部62b,62cと、第3抵抗パドル部63b,63cと、第4抵抗パドル部64b,64cとを有している。
軸35,36と、第1せん断パドル部21b,21cと、第2せん断パドル部22b,22cと、第3せん断パドル部23b,23cと、第4せん断パドル部24b,24cと、スクリュー41b,41c,42b,42cと、第1抵抗パドル部61b,61cと、第2抵抗パドル部62b,62cと、第3抵抗パドル部63b,63cと、第4抵抗パドル部64b,64cとは、軸方向DA(軸35,36が延びる方向、図1において左右方向)に延びるバレル30の内部に配置されている。
バレル30は、軸方向DAの一方側(図1において左側)に、混練材料(電極活物質137と導電材133と結着材134と溶媒135とリン酸リチウム136)をバレル30の内部に投入するための投入口(図示省略)を有する。さらに、バレル30は、軸方向DAの他方側(図1において右側)に、混練材料が混練されてなる中間ペースト131Aをバレル30の外部に排出するための排出口(図示省略)を有する。
なお、投入口は、軸方向DAについて異なる位置に2つ設けられている。具体的には、スクリュー41bの一方端(図1において左端)付近に、電極活物質137とリン酸リチウム136を投入するための第1投入口(図示省略)が設けられている。また、第1せん断パドル部21bの一方端(図1において左端)付近に、導電材133と結着材134と溶媒135を投入するための第2投入口(図示省略)が設けられている。なお、本実施形態では、結着材134と溶媒135は、溶媒135に結着材134を溶解(分散)させた結着材溶液132として、第2投入口からバレル30内に投入される。
なお、バレル30の内周面30bは、図2及び図3に示すように、中心軸線AX1(軸35の中心軸線)を中心とした半径R1の円筒形状の内周面30b1と中心軸線AX2(軸36の中心軸線)を中心とした半径R1の円筒形状の内周面30b2とを、これらの周方向一部が重なる(交わる)ように連結した形態(断面C形状の内周面30b1と断面逆向きC形状の内周面30b2とを連結した形態)をなしている。
また、軸35と36は、バレル30内において、平行に配置されている。このうち、軸35は、中心軸線AX1を回転中心として回転する。一方、軸36は、中心軸線AX2を回転中心として回転する。なお、図1〜図3に矢印で示すように、軸35と36の回転方向は同じである。
第1抵抗パドル部61bと第2抵抗パドル部62bと第3抵抗パドル部63bと第4抵抗パドル部64bとは、軸35に固定されており、軸35を回転軸として軸35と共に回転(回動)する。なお、第1抵抗パドル部61bと第2抵抗パドル部62bと第3抵抗パドル部63bと第4抵抗パドル部64bは、この順で、投入口側から排出口側に向かって(図1において左側から右側に向かって)軸方向DAに間隔を空けて並んで配置されている(図1参照)。
また、第1抵抗パドル部61cと第2抵抗パドル部62cと第3抵抗パドル部63cと第4抵抗パドル部64cは、軸36に固定されており、軸36を回転軸として軸36と共に回転(回動)する。なお、第1抵抗パドル部61cと第2抵抗パドル部62cと第3抵抗パドル部63cと第4抵抗パドル部64cは、この順で、投入口側から排出口側に向かって(図1において左側から右側に向かって)、軸方向DAに間隔を空けて並んで配置されている(図1参照)。
第1抵抗パドル部61b(または61c)は、軸35(または36)に固定された抵抗パドル51を有している(図1参照)。第2抵抗パドル部62b(または62c)と第3抵抗パドル部63b(または63c)と第4抵抗パドル部64b(または64c)についても同様である。
抵抗パドル51は、直径の異なる2つの円板形状をなす部位が軸方向DAに重なった形態を有している。具体的には、抵抗パドル51は、直径(外径)が大きい大径部51cと、この大径部51cよりも直径(外径)が小さい小径部51dとを有し、大径部51cと小径部51dとが一体に形成されたものである。抵抗パドル51の中心部には、貫通孔51bが形成されている(図2参照)。抵抗パドル51は、貫通孔51b内に軸35(または36)を挿通させて、軸35(または36)に固定されている。なお、大径部51cの直径(外径)はR51である。
但し、第1抵抗パドル部61bの抵抗パドル51は、大径部51cが軸方向DAの一方端側(投入口側、図1において左側)に位置する向きで軸35に固定されており、一方、第1抵抗パドル部61cの抵抗パドル51は、大径部51cが軸方向DAの他方端側(排出口側、図1において右側)に位置する向きで軸36に固定されている。従って、第1抵抗パドル部61bをなす抵抗パドル51の大径部51cと第1抵抗パドル部61cをなす抵抗パドル51の小径部51dとが、中心軸線AX1とAX2とに直交する方向(図1において上下方向)に隣り合って位置し、第1抵抗パドル部61bをなす抵抗パドル51の小径部51dと第1抵抗パドル部61cをなす抵抗パドル51の大径部51cとが、中心軸線AX1とAX2とに直交する方向(図1において上下方向)に隣り合って位置している。このような構成は、第2抵抗パドル部62bと62c、第3抵抗パドル部63bと63c、及び、第4抵抗パドル部64bと64cについても同様である。
なお、図2に示すように、バレル30の内周面30bと抵抗パドル51の外周面51fとの間のクリアランスB1(最短距離)は、第1抵抗パドル部61b,61c、第2抵抗パドル部62b,62c、第3抵抗パドル部63b,63c、及び第4抵抗パドル部64b,64cのいずれについても、R1からR51を差し引いた値(B1=R1−R51)となる。
第1抵抗パドル部61cと第2抵抗パドル部62cと第3抵抗パドル部63cと第4抵抗パドル部64cは、二軸混練機10のバレル30内を投入口側から排出口側に向かって(図1において左から右に向かって)移動する(搬送される)混練材料(電極活物質137と導電材133と結着材134と溶媒135とリン酸リチウム136)の移動を妨げて、バレル30内における混練材料の移動速度(搬送速度)を制御(制限、抑制)する。
また、第1せん断パドル部21bと第2せん断パドル部22bと第3せん断パドル部23bと第4せん断パドル部24bは、軸35に固定されており、軸35を回転軸として軸35と共に回転(回動)する。なお、第1せん断パドル部21bと第2せん断パドル部22bと第3せん断パドル部23bと第4せん断パドル部24bは、この順で、投入口側から排出口側(図1において左側から右側)に向かって、軸方向DAに間隔を空けて並んで配置されている。
より具体的には、第1せん断パドル部21bは、第1抵抗パドル部61bに対し、軸方向DAの一方端側(図1において左側)に隣接している。また、第2せん断パドル部22bは、第2抵抗パドル部62bに対し、軸方向DAの一方端側(図1において左側)に隣接している。また、第3せん断パドル部23bは、第3抵抗パドル部63bに対し、軸方向DAの一方端側(図1において左側)に隣接している。また、第4せん断パドル部24bは、第4抵抗パドル部64bに対し、軸方向DAの一方端側(図1において左側)に隣接している。
また、第1せん断パドル部21cと第2せん断パドル部22cと第3せん断パドル部23cと第4せん断パドル部24cは、軸36に固定されており、軸36を回転軸として軸36と共に回転(回動)する。なお、第1せん断パドル部21cと第2せん断パドル部22cと第3せん断パドル部23cと第4せん断パドル部24cは、この順で、投入口側から排出口側(図1において左側から右側)に向かって、軸方向DAに間隔を空けて並んで配置されている。
より具体的には、第1せん断パドル部21cは、第1抵抗パドル部61cに対し、軸方向DAの一方端側(図1において左側)に隣接している。また、第2せん断パドル部22cは、第2抵抗パドル部62cに対し、軸方向DAの一方端側(図1において左側)に隣接している。また、第3せん断パドル部23cは、第3抵抗パドル部63cに対し、軸方向DAの一方端側(図1において左側)に隣接している。また、第4せん断パドル部24cは、第4抵抗パドル部64cに対し、軸方向DAの一方端側(図1において左側)に隣接している。
第1せん断パドル部21b(または21c)は、軸35(または36)に固定された3つのせん断パドル11を有している(図1参照)。第2せん断パドル部22b(または22c)と第3せん断パドル部23b(または23c)と第4せん断パドル部24b(または24c)についても同様である。
せん断パドル11は、平面視略三角形の外形を有する板状部材であり、その中央部に貫通孔11bが形成されている(図3参照)。3つのせん断パドル11は、それぞれの貫通孔11b内に軸35(または36)を挿通させて、軸35(または36)に固定されている。
従って、第1せん断パドル部21b(または21c)を構成する3つのせん断パドル11は、軸35(または36)を回転軸として、軸35(または36)と共に回転(回動)する。これにより、第1せん断パドル部21b(または21c)において、混練材料(電極活物質137と導電材133と結着材134と溶媒135とリン酸リチウム136)に対しせん断力を加えて、混練材料を混練することができる。第2せん断パドル部22b(または22c)と第3せん断パドル部23b(または23c)と第4せん断パドル部24b(または24c)についても同様である。
なお、第1せん断パドル部21b(または21c)を構成する3つのせん断パドル11は、軸方向DAに隣り合うせん断パドル11同士が接触した態様で、軸方向DAに並んで配置されている(図1参照)。この態様は、第2せん断パドル部22b(または22c)と第3せん断パドル部23b(または23c)と第4せん断パドル部24b(または24c)についても同様である。
また、第1せん断パドル部21b(または21c)を構成する3つのせん断パドル11のうち、軸方向DAについて中央に位置するせん断パドル11(図3においてハッチングしていないせん断パドル11)は、軸方向DAについて両側に位置するせん断パドル11に対し、軸35(または36)回りに180度(半周)ずらした向きで軸35(または36)に固定されている(図3参照)。この態様は、第2せん断パドル部22b(または22c)と第3せん断パドル部23b(または23c)と第4せん断パドル部24b(または24c)についても同様である。
なお、図3に示すように、せん断パドル11の3つの角部11c,11d,11eは、いずれも、中心軸線AX1(またはAX2)を中心とした半径R11の円弧をなしている。そして、せん断パドル11の最大径は、3つの角部11c,11d,11eの半径R11となっている。従って、バレル30の内周面30bとせん断パドル11の外周面11fとの間のクリアランスC1(最短距離)は、R1からR11を差し引いた値(C1=R1−R11)となる。
スクリュー41b,42b(または41c,42c)は、螺旋形状をなす外周面を有する筒状部材であり(図1参照)、その中央部に貫通孔が形成されている。スクリュー41b,42b(または41c,42c)は、貫通孔内に軸35(または36)を挿通させて、軸35(または36)に固定されている。
従って、スクリュー41b,42b(または41c,42c)は、軸35(または36)を回転軸として、軸35(または36)と共に回転(回動)する。これにより、スクリュー41b,42b(または41c,42c)によって、混練材料が、搬送方向である第1軸方向DA1(軸方向DAのうち投入口から排出口へ向かう方向、図1において左から右に向かう方向)に搬送される。
さらに、本実施形態の混練工程について説明する。まず、第1投入口(図示省略)を通じて、電極活物質137とリン酸リチウム136を、バレル30(二軸混練機10)の内部に投入する。さらに、第2投入口(図示省略)を通じて、導電材133と結着材溶液132(結着材134と溶媒135の混合液)を、バレル30(二軸混練機10)の内部に投入する。
なお、本実施形態では、中間ペースト131A(電極合材ペースト131)の固形分率が62wt%となるように、固形分(電極活物質137と導電材133と結着材134とリン酸リチウム136)と溶媒135とを配合している。また、固形分である電極活物質137と導電材133と結着材134とリン酸リチウム136との配合比(重量比)を、90:8:1.5:0.5としている。
二軸混練機10の内部に投入された混練材料(電極活物質137と導電材133と結着材134とリン酸リチウム136と溶媒135)は、排出口側に搬送されると共に混練される。具体的には、軸35と36を同一の回転速度で同一方向に回転させることで、スクリュー41b,42bと第1〜第4せん断パドル部21b〜24bと第1〜第4抵抗パドル部61b〜64bを軸35と一緒に回転させると共に、スクリュー41c,42cと第1〜第4せん断パドル部21c〜24cと第1〜第4抵抗パドル部61c〜64cを軸36と一緒に回転させる。
これにより、二軸混練機10の内部に投入された混練材料が、第1〜第4抵抗パドル部61b〜64bによって搬送速度を制御(制限、抑制)されながら、スクリュー41b,41cと42b,42cによって第1軸方向DA1に搬送されつつ、第1せん断パドル部21b,21cと第2せん断パドル部22b,22cと第3せん断パドル部23b,23cと第4せん断パドル部24b,24cからせん断力を受けて混練される。これにより、混練材料(電極活物質137と導電材133と結着材134とリン酸リチウム136と溶媒135)が投入口側から排出口側に進むにしたがって、混練材料の固形分が分散されてゆくと共に、混練材料の混合物(ペースト)の粘度が低下してゆき、内部に気泡を含む中間ペースト131Aとなる。この中間ペースト131Aは、排出口を通じて二軸混練機10の外部に排出される。
なお、本実施形態では、軸35,36の回転速度、及び、バレル30の内周面30bと抵抗パドル51の外周面51fとの間のクリアランスB1(図2参照)を調整することで、二軸混練機10の内部に存在する空気と混練材料との混合割合(ペースト内への空気混入割合)を調整して、中間ペースト131Aに含まれる気泡の割合を調整している。
具体的には、中間ペースト131Aの密度が、内部に気泡を含むことなく中間ペースト131Aと同等の比率で混練材料(電極活物質137と導電材133と結着材134とリン酸リチウム136と溶媒135)を含む基準ペーストの密度よりも、0.1〜0.3(g/cc)の範囲内の値だけ小さくなるように、内部に気泡を含む中間ペースト131Aを作製する。換言すれば、中間ペースト131Aの密度をA(g/cc)、内部に気泡を含むことなく中間ペースト131Aと同等の比率で混練材料(電極活物質137と導電材133と結着材134とリン酸リチウム136と溶媒135)を含む基準ペーストの密度をB(g/cc)としたとき、(B−0.3)≦A≦(B−0.1)の関係を満たすように、中間ペースト131A内に含まれる気泡の量を調整しつつ、中間ペースト131Aを作製する。
なお、基準ペーストは、内部に気泡が存在しないと仮定したペーストであり、上述の中間ペースト131Aと比較して、気泡が存在しない点のみが異なる。基準ペーストの密度(g/cc)は、中間ペースト131Aに含まれる混練材料(電極活物質137と導電材133と結着材134とリン酸リチウム136と溶媒135)の重量X(g)と体積Y(cc)とから算出することができる。
二軸混練機10の外部に排出された中間ペースト131Aは、脱泡工程に送られる。ここで、本実施形態にかかる脱泡工程について説明する。図4は、実施形態にかかる脱泡装置の概略断面図である。
本実施形態では、図4に示す脱泡装置100を用いて脱泡工程を行う。脱泡工程では、中間ペースト131Aの脱泡を行う(中間ペースト131Aに含まれている気泡を除去する)ことで、電極合材ペースト131を作製する。
本実施形態の脱泡装置100は、図4に示すように、容器110と、容器110の内部に設けられた回転体120とを備える。このうち、容器110は、密閉可能な減圧タンク(減圧容器)であり、真空ポンプを含む真空装置Vacによって内部が減圧される。この容器110は、漏斗状の下部111と円筒状の側壁部112とからなるタンク本体115と、タンク本体115の上部開口部を閉口する蓋材113とを有する。蓋材113には、投入ノズル等のペースト投入部(図示省略)が設けられている。
従って、先の混練工程において作製された中間ペースト131Aは、脱泡装置100の蓋材113に設けられているペースト投入部を通じて、脱泡装置100の容器110内に投入される。また、タンク本体115の下部111には、ペースト取出口111Mが設けられている。従って、脱泡装置100の容器110内に供給された中間ペースト131Aは、容器110内において脱泡されることで電極合材ペースト131となり、この電極合材ペースト131が、ペースト取出口111Mを通じて脱泡装置100の外部に排出される。
回転体120は、平面視円形状の回転体である。この回転体120は、水平部121と、この水平部121から外方斜め上方に延びる側部122とからなり、上方が開口した皿状回転体である。また、容器110の蓋材113上には、モータ124が設けられている。このモータ124と回転体120の水平部121の中心とが、モータ軸123を介して接続されている。従って、回転体120は、モータ124の駆動により、モータ軸123を回転軸として回転する。容器110内において、回転体120は、側壁部112の高さ方向(図4において上下方向)にかかる中央部より上方(蓋材113に近い側)に設けられている。
本実施形態では、真空装置Vacによって容器110の内部を減圧した状態で(すなわち、容器110を減圧容器として)、混練工程において作製した中間ペースト131Aを、図4に矢印で示すように、脱泡装置100の蓋材113に設けられているペースト投入部(図示省略)を通じて、容器110の内部に設けられた回転体120の表面(内側)に供給する。より具体的には、中間ペースト131Aを、回転体120の水平部121の中心部付近に供給する。
なお、本実施形態では、容器110の内部の圧力(標準気圧(大気圧)を0基準とした圧力である、以下同じ)の値を−70kPa以下とし、且つ、回転体120の最外周端120Eのせん断速度を、70000〜200000(1/s)の範囲内としている。また、中間ペースト131Aを回転体120の表面(内側)に供給するときの流量は、0.5〜2(L/min)の範囲内としている。
水平部121の表面上に供給された中間ペースト131Aには、回転体120の回転によって剪断力が加わる。これにより、中間ペースト131Aは、水平部121の表面上において、低粘度化するとともに膜状になる。このように、中間ペースト131Aを、低粘度化して膜状化することにより、中間ペースト131Aの脱泡が促進される。さらに、中間ペースト131Aは、図4に矢印で示すように、遠心作用によって側部122の表面を登る(表面に沿って上昇する)ようにして、回転体120の表面を径方向外側に移動してゆき、回転体120の最外周端120Eから容器110の側壁部112の内壁面112Sに向かって飛散する。
この飛散した中間ペースト131Aは、図4に矢印で示すように、容器110の側壁部112の内壁面112Sに衝突する。このように、中間ペースト131Aを内壁面112Sに衝突させることで、中間ペースト131Aの内部に含まれている気泡を破裂させて消失させる(脱泡する)ことができる。これにより、後述する透け不良を防止することができる。さらには、気泡が破裂したときの衝撃(キャビテーション)により、凝集しているリン酸リチウム136の粒子を分離して分散させることができる。これにより、リン酸リチウム136の分散の程度が良好な電極合材ペースト131を得ることができる。
このように脱泡された中間ペースト131A(これが電極合材ペースト131となる)は、内壁面112Sに沿って流下し、ペースト取出口111Mに向かう。その後、電極合材ペースト131が、ペースト取出口111Mを通じて、脱泡装置100の外部に排出される。このようにして製造された電極合材ペースト131は、図5に示すように、集電箔138の表面に塗布される。その後、塗布した電極合材ペースト131を乾燥させ、ロールプレス等で圧縮成形することで、図示しない電極となる。
以上説明したように、本実施形態の製造方法によれば、リン酸リチウム136の分散の程度が良好で、且つ、透け不良(集電箔138の表面に塗布した電極合材ペーストの膜の一部(気泡が存在していた部位)に孔が空いた状態となり、集電箔138の表面が部分的に露出する不良)を防止できる電極合材ペースト131を得ることができる。
<評価試験>
次に、混練工程及び脱泡工程における製造条件を様々に異ならせて、電極合材ペーストを製造する試験を行った。そして、それぞれの電極合材ペーストについて、リン酸リチウム136の分散の程度及び透け不良について評価した。具体的には、脱泡装置100の回転体120の最外周端120Eのせん断速度(1/s)、中間ペースト131Aと基準ペーストとの密度差(g/cc)、または、脱泡装置100の容器110内の圧力を異ならせて、実施例1〜7及び比較例1〜4として、電極合材ペーストを製造する試験を行った。
なお、実施例1〜7及び比較例1〜4では、いずれも、中間ペースト131A(電極合材ペースト131)の固形分率が62wt%となるように、混練工程において、固形分(電極活物質137と導電材133と結着材134とリン酸リチウム136)と溶媒135とを配合している。さらに、実施例1〜7及び比較例1〜4では、いずれも、固形分である電極活物質137と導電材133と結着材134とリン酸リチウム136との配合比(重量比)を、90:8:1.5:0.5としている。
従って、本試験では、混練工程において中間ペースト131Aに含まれる気泡の割合を調整(変更)することで、中間ペースト131Aと基準ペーストとの密度差(g/cc)を異ならせている。具体的には、二軸混練機10の軸35,36の回転速度、または、バレル30の内周面30bと抵抗パドル51の外周面51fとの間のクリアランスB1(図2参照)を調整(変更)して、二軸混練機10の内部に存在する空気と混練材料との混合割合(ペースト内への空気混入割合)を調整(変更)することで、中間ペースト131Aに含まれる気泡の割合を調整(変更)している。これにより、中間ペースト131Aの密度を調整(変更)している。
なお、基準ペーストは、前述したように、内部に気泡が存在しないと仮定したペーストであり、中間ペースト131Aと比較して、気泡が存在しない点のみが異なる。基準ペーストの密度(g/cc)は、中間ペースト131Aに含まれる混練材料(電極活物質137と導電材133と結着材134とリン酸リチウム136と溶媒135)の重量X(g)と体積Y(cc)とから算出することができる。
Figure 0006950640
(実施例1)
表1に示すように、実施例1では、回転体120の最外周端120Eのせん断速度を70000(1/s)として、脱泡工程を行っている。また、中間ペースト131Aと基準ペーストとの密度差を0.1(g/cc)としている。すなわち、混練工程において、中間ペースト131Aの密度が、基準ペーストの密度よりも0.1(g/cc)だけ小さくなるように、中間ペースト131A内に含まれる気泡の量を調整して中間ペースト131Aを作製する。また、脱泡装置100の容器110内の圧力(標準気圧を0基準とした圧力、以下同じ)を−70kPaとして、脱泡工程を行っている。
(実施例2〜4及び比較例1,2)
実施例2〜4及び比較例1,2では、実施例1と比較して、回転体120の最外周端120Eのせん断速度のみを異ならせ、それ以外は同様にして、電極合材ペーストを製造している。具体的には、実施例2では、回転体120の最外周端120Eのせん断速度を90000(1/s)として、脱泡工程を行っている。実施例3では、回転体120の最外周端120Eのせん断速度を150000(1/s)として、脱泡工程を行っている。実施例4では、回転体120の最外周端120Eのせん断速度を200000(1/s)として、脱泡工程を行っている。
また、比較例1では、回転体120の最外周端120Eのせん断速度を50000(1/s)として、脱泡工程を行っている。比較例2では、回転体120の最外周端120Eのせん断速度を210000(1/s)として、脱泡工程を行っている。
(実施例5,6及び比較例3)
実施例5,6及び比較例3では、実施例2と比較して、中間ペースト131Aと基準ペーストとの密度差(g/cc)のみを異ならせ、それ以外は同様にして、電極合材ペーストを製造している。具体的には、実施例5では、中間ペースト131Aと基準ペーストとの密度差を0.2(g/cc)としている。すなわち、混練工程において、中間ペースト131Aの密度が、基準ペーストの密度よりも0.2(g/cc)小さくなるように、中間ペースト131A内に含まれる気泡の量を調整して中間ペースト131Aを作製している。
実施例6では、中間ペースト131Aと基準ペーストとの密度差を0.3(g/cc)としている。すなわち、混練工程において、中間ペースト131Aの密度が、基準ペーストの密度よりも0.3(g/cc)小さくなるように、中間ペースト131A内に含まれる気泡の量を調整して中間ペースト131Aを作製している。
比較例3では、中間ペースト131Aと基準ペーストとの密度差を0.4(g/cc)としている。すなわち、混練工程において、中間ペースト131Aの密度が、基準ペーストの密度よりも0.4(g/cc)小さくなるように、中間ペースト131A内に含まれる気泡の量を調整して中間ペースト131Aを作製している。
(実施例7及び比較例4)
実施例7及び比較例4では、実施例2と比較して、脱泡装置100の容器110内の圧力のみを異ならせ、それ以外は同様にして、電極合材ペーストを製造している。具体的には、実施例7では、脱泡装置100の容器110内の圧力を−80kPaとして、脱泡工程を行っている。比較例4では、脱泡装置100の容器110内の圧力を−60kPaとして、脱泡工程を行っている。
(試験結果)
本試験では、製造された電極合材ペーストについて、リン酸リチウム136の分散の程度が良好で、且つ、透け不良が発生しなかったものを、合格とした。表1では、合格したものを「○」、不合格のものを「×」で示している。
なお、リン酸リチウム136の分散の程度が良好であるか否かの判断は、以下のようにして行っている。具体的には、実施例1〜7及び比較例1〜4の電極合材ペーストのそれぞれから、規定量を試験サンプルとして採取し、公知のICP発光分光分析法を利用して、各試験サンプル内に含まれているリン酸リチウム136の量を求める。そして、リン酸リチウム136が均一に分散している規定量の基準サンプル(成分比は実施例1等と同等)を考え、各試験サンプル内に含まれていたリン酸リチウム136の量Gについて、基準サンプルに含まれるリン酸リチウム136の量Hに対する割合[=(G/H)×100(%)]を求める。
上記割合が95〜105%の範囲内である試験サンプルは、リン酸リチウム136の分散の程度が良好であると判定し、上記割合が上記範囲外である試験サンプルは、リン酸リチウム136の分散の程度が好ましくないと判定している。なお、基準サンプルに含まれるリン酸リチウム136の量Hは、基準サンプルの規定量と実施例1等の電極合材ペーストの成分比とから算出することができる。
また、透け不良の判定は、以下のようにして行っている。具体的には、図5に示すように、実施例1〜7の電極合材ペースト131を、それぞれ、集電箔138の表面に膜状に塗布することで、塗布物130を作製する。そして、それぞれの塗布物130について、透け不良が発生しているか否かを調査した。具体的には、電極合材ペースト131の膜の一部に孔が空いて、集電箔138の表面が部分的に露出しているか否かを、目視で確認している。比較例1〜4についても同様にしている。
表1に示すように、比較例1では、評価が「×」となった。具体的には、比較例1では、電極合材ペースト中のリン酸リチウム136の分散の程度が好ましくなかった。その理由は、比較例1では、回転体120の最外周端120Eのせん断速度を50000(1/s)として、脱泡工程を行っているからであると考えられる。回転体120の最外周端120Eのせん断速度が遅すぎるために、中間ペーストを容器110の内壁面112Sに衝突させたときに、中間ペースト内に含まれている気泡を適切に破裂させることができなかったと考えられる。このため、凝集しているリン酸リチウム136の粒子を、適切に分離して分散させることができなかったと考えられる。
また、比較例2でも、評価が「×」となった。具体的には、比較例2では、透け不良が発生した。その理由は、比較例2では、回転体120の最外周端120Eのせん断速度を210000(1/s)として、脱泡工程を行っているからであると考えられる。回転体120の最外周端120Eのせん断速度が速すぎるために、中間ペーストを容器110の内壁面112Sに衝突させたときに泡立ってしまい、適切に脱泡処理を行うことができず(脱泡工程を終えた電極合材ペースト中に多数の気泡が含まれてしまい)、その結果、透け不良が発生したと考えられる。
また、比較例3でも、評価が「×」となった。具体的には、比較例3では、透け不良が発生した。その理由は、比較例3では、中間ペーストと基準ペーストとの密度差を0.4(g/cc)としているからであると考えられる。すなわち、混練工程において、中間ペーストの密度が、基準ペーストの密度よりも0.4(g/cc)小さくなるように、中間ペースト内に含まれる気泡の量を多くして中間ペーストを作製しているからであると考えられる。比較例3では、混練工程において作製した中間ペースト内に多量の気泡が含まれているために、脱泡工程において、中間ペースト内に含まれている気泡を十分に消失させることができず、その結果、透け不良が発生したと考えられる。
また、比較例4でも、評価が「×」となった。具体的には、比較例4では、電極合材ペースト中のリン酸リチウム136の分散の程度が好ましくなかった。その理由は、比較例4では、脱泡装置100の容器110の内部の圧力を−60kPaとして、脱泡工程を行っているからであると考えられる。比較例4では、容器110の内部の圧力が高い(真空度が低い)ために、中間ペーストを容器110の内壁面112Sに衝突させたときに、中間ペースト内に含まれている気泡を適切に破裂させることができなかったと考えられる。このため、凝集しているリン酸リチウム136の粒子を、適切に分離して分散させることができなかったと考えられる。
これに対し、実施例1〜7は、いずれも評価が「○」となった。すなわち、実施例1〜7では、製造された電極合材ペーストにおいてリン酸リチウム136の分散の程度が良好で、且つ、透け不良が発生しなかった
ここで、実施例1〜7と比較例1〜4との試験結果に基づいて、好ましい製造条件を検討する。
まず、回転体120の最外周端120Eのせん断速度(1/s)について、好ましい範囲を検討する。具体的には、回転体120の最外周端120Eのせん断速度(1/s)は異なるが、中間ペーストと基準ペーストとの密度差(g/cc)、及び、脱泡装置100の容器110の内部の圧力(kPa)が同等である、実施例1〜4と比較例1,2との結果を比較する(表1参照)。
評価が「○」となった実施例1〜4では、脱泡工程において、回転体120の最外周端120Eのせん断速度を、70000〜200000(1/s)の範囲内としている。
一方、評価が「×」となった比較例1では、回転体120の最外周端120Eのせん断速度を、50000(1/s)としている。すなわち、比較例1では、実施例1〜4よりも、回転体120の最外周端120Eのせん断速度を遅くしている。
さらに、評価が「×」となった比較例2では、回転体120の最外周端120Eのせん断速度を、210000(1/s)としている。すなわち、比較例2では、実施例1〜4よりも、回転体120の最外周端120Eのせん断速度を速くしている。
以上の結果より、脱泡工程では、回転体120の最外周端120Eのせん断速度を、70000〜200000(1/s)の範囲内とするのが好ましいといえる。
次に、中間ペーストと基準ペーストとの密度差(g/cc)について、好ましい範囲を検討する。具体的には、中間ペーストと基準ペーストとの密度差(g/cc)は異なるが、回転体120の最外周端120Eのせん断速度(1/s)、及び、脱泡装置100の容器110の内部の圧力(kPa)が同等である、実施例2,5,6と比較例3との結果を比較する(表1参照)。
評価が「○」となった実施例2,5,6では、中間ペーストと基準ペーストとの密度差(g/cc)を、0.1〜0.3(g/cc)の範囲内としている。すなわち、実施例2,5,6では、混練工程において、中間ペーストの密度が基準ペーストの密度よりも0.1〜0.3(g/cc)の範囲内の値だけ小さくなるように、内部に気泡を含む中間ペーストを作製している。
一方、評価が「×」となった比較例3では、中間ペーストと基準ペーストとの密度差(g/cc)を、0.4(g/cc)の範囲内としている。すなわち、比較例3では、混練工程において、中間ペーストの密度が基準ペーストの密度よりも0.4(g/cc)小さくなるように、内部に気泡を含む中間ペーストを作製している。
以上の結果より、中間ペーストと基準ペーストとの密度差(g/cc)は、0.1〜0.3(g/cc)の範囲内とするのが好ましいといえる。すなわち、混練工程では、中間ペーストの密度が基準ペーストの密度よりも0.1〜0.3(g/cc)の範囲内の値だけ小さくなるように、内部に気泡を含む中間ペーストを作製するのが好ましいといえる。
次に、脱泡装置100の容器110の内部の圧力(kPa)について、好ましい範囲を検討する。具体的には、脱泡装置100の容器110の内部の圧力(kPa)は異なるが、回転体120の最外周端120Eのせん断速度(1/s)、及び、中間ペーストと基準ペーストとの密度差(g/cc)が同等である、実施例2,7と比較例4との結果を比較する(表1参照)。
評価が「○」となった実施例2,7では、脱泡装置100の容器110の内部の圧力を、−70(kPa)以下としている。具体的には、実施例2では、脱泡装置100の容器110の内部の圧力を−70(kPa)とし、実施例7では、脱泡装置100の容器110の内部の圧力を−80(kPa)としている。
一方、評価が「×」となった比較例4では、脱泡装置100の容器110の内部の圧力を、−60(kPa)としており、実施例2,7よりも高い圧力としている。
以上の結果より、脱泡工程では、脱泡装置100の容器110の内部の圧力を、−70(kPa)以下とするのが好ましいといえる。
以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、実施形態では、軸35,36の回転速度、及び、バレル30の内周面30bと抵抗パドル51の外周面51fとの間のクリアランスB1(図2参照)を調整することで、二軸混練機10の内部に存在する空気と混練材料との混合割合(ペースト内への空気混入割合)を調整して、中間ペースト131Aに含まれる気泡の割合を調整するようにした。
しかしながら、第2投入口(図示省略)を通じて結着材溶液132(結着材134と溶媒135の混合液)を二軸混練機10の内部に投入するときの吐出流量を調整することで、二軸混練機10の内部で、結着材溶液132と他の固形分(電極活物質137など)とが接触するときに発生する気泡の量を調整して、中間ペースト131Aに含まれる気泡の割合を調整するようにしても良い。
あるいは、第2投入口(図示省略)を通じて結着材溶液132(結着材134と溶媒135の混合液)を二軸混練機10の内部に投入するためのノズルの先端形状を調整する(例えば、複数の吐出口を有するノズルを用いる)ことで、二軸混練機10の内部で、結着材溶液132と他の固形分(電極活物質137など)とが接触するときに発生する気泡の量を調整して、中間ペースト131Aに含まれる気泡の割合を調整するようにしても良い。
10 二軸混練機
11 せん断パドル
21b,21c 第1せん断パドル部
22b,22c 第2せん断パドル部
23b,23c 第3せん断パドル部
24b,24c 第4せん断パドル部
30 バレル
35,36 軸
41b,41c,42b,42c スクリュー
51 抵抗パドル
61b,61c 第1抵抗パドル部
62b,62c 第2抵抗パドル部
63b,63c 第3抵抗パドル部
64b,64c 第4抵抗パドル部
100 脱泡装置
110 容器(減圧容器)
112S 内壁面
120 回転体
120E 最外周端
131 電極合材ペースト
131A 中間ペースト
133 導電材
134 結着材
135 溶媒
136 リン酸リチウム
137 電極活物質

Claims (1)

  1. 電極活物質と導電材と結着材と溶媒とリン酸リチウムとを有する電極合材ペーストを製造する、電極合材ペーストの製造方法であって、
    前記電極活物質と前記導電材と前記結着材と前記溶媒と前記リン酸リチウムとを混練することによって、内部に気泡を含む中間ペーストを作製する混練工程と、
    減圧容器、及び、当該減圧容器の内部に設けられた平面視円形状の回転体、を備える脱泡装置を用い、前記回転体の表面に前記中間ペーストを供給し、供給された前記中間ペーストを前記回転体の前記表面から前記減圧容器の内壁面に向けて飛散させて、前記中間ペーストを前記内壁面に衝突させることによって前記気泡を破裂させることで、前記中間ペーストの脱泡を行うと共に前記電極合材ペーストを作製する脱泡工程と、を備え、
    前記混練工程では、
    前記中間ペーストの密度が、内部に気泡を含むことなく前記中間ペーストと同等の比率で前記電極活物質と前記導電材と前記結着材と前記溶媒と前記リン酸リチウムとを含む基準ペーストの密度よりも、0.1〜0.3(g/cc)の範囲内の値だけ小さくなるように、内部に気泡を含む前記中間ペーストを作製し、
    前記脱泡工程では、
    前記減圧容器内の圧力を−70(kPa)以下とし、且つ、
    前記回転体の最外周端のせん断速度を、70000〜200000(1/s)の範囲内とする
    電極合材ペーストの製造方法。
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