JP7011936B2 - Manufacturing method of positive electrode mixture for alkaline batteries - Google Patents
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Description
この発明はアルカリ電池用正極合剤の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a positive electrode mixture for an alkaline battery.
アルカリ電池は、正極合剤、セパレーター、ゲル状の負極(以下、負極ゲルとも言う)からなるアルカリ発電要素が有底円筒状の金属製電池缶内に収容されているとともに、その電池缶の開口部が樹脂製の封口ガスケットを用いて気密封止された構造を有している。図1に、一般的なアルカリ電池の一例として、LR6型アルカリ電池を示した。図1は、円筒状の電池缶2の円筒軸100の延長方向を上下あるいは縦方向としたときの縦断面図である。図1に示したアルカリ電池1は、いわゆる、インサイドアウト型と呼ばれる構造を有し、有底円筒状で正極集電子を兼ねて底部外面に正極端子9が形成された金属製の電池缶2、環状に成形された正極合剤3、この正極合剤3の内側に配設された有底円筒状のセパレーター4、亜鉛合金を含んでセパレーター4の内側に充填される負極ゲル5、この負極ゲル5中に挿入された棒状の負極集電子6、皿状の金属製負極端子板7、および封口ガスケット8などにより構成される。この構造において、正極合剤3、セパレーター4、負極ゲル5、および電解液によってアルカリ電池1の発電要素が形成されている。
Alkaline batteries contain an alkaline power generation element consisting of a positive electrode mixture, a separator, and a gel-like negative electrode (hereinafter, also referred to as negative electrode gel) in a bottomed cylindrical metal battery can, and the opening of the battery can. The part has a structure that is airtightly sealed using a sealing gasket made of resin. FIG. 1 shows an LR6 type alkaline battery as an example of a general alkaline battery. FIG. 1 is a vertical cross-sectional view when the extension direction of the
また、負極集電子6は、電池缶2の底部を下方として、負極端子板7の下面に溶接により立設固定されている。負極端子板7、負極集電子6および封口ガスケット8は、封口体としてあらかじめ一体に組み合わせられており、封口ガスケット8の外周部が電池缶2の開口縁部と負極端子板7の周縁部との間にかしめられるなどして挟持されることで電池缶2が密閉されている。
Further, the negative electrode
なお、アルカリ電池1の組み立て手順については、以下の非特許文献1に記載されている。概略的には、電池缶2内に環状の正極合剤3を嵌入したのち、正極合剤3の内側にセパレーター4を挿入する。次いで、電解液を電池缶2内に注入してセパレーター4と正極合剤3に電解液を含浸させる注液工程を行う。そして、セパレーター4の内側に負極ゲル5を充填した後、封口体で電池缶2を密閉する封口工程を行っている。
The procedure for assembling the alkaline battery 1 is described in Non-Patent Document 1 below. Generally, after inserting the annular
正極合剤3の製造方法としては、まず、粉体材料として電解二酸化マンガン(EMD)などの正極活物質、導電材として黒鉛、ポリアクリル酸などのバインダーを用い、その粉体材料に、例えば、40wt%KOH水溶液からなる電解液を所定の質量比(例えば、EMD:黒鉛:バインダー:電解液=91.4:6.0:0.1:2.5)で混合する。次に、この混合物(以下、原料混合物とも言う)を圧延することでフレーク状に密圧された原料混合物(以下、密圧混合物とも言う)を得る。さらに、密圧混合物を、解砕、造粒、各工程で順次処理した後、分級工程により、例えば、平均粒度が180μm~1000μmの範囲で篩分けされた正極合剤粒を得る。そして、正極合剤粒を金型で圧縮して環状に成形する。
As a method for producing the
なお、正極合剤の特性改良に関する技術については、例えば、以下の特許文献1や2に記載されている。そして、特許文献1には、正極合剤の成形性を向上させるために、原材料の混合物に含ませる水分量を規定した正極合剤の製造方法が記載されている。また、以下の特許文献2には、正極合剤の吸液性を向上させるために、電池缶中に環状の正極合剤を充填する前段階で正極合剤を予め加熱乾燥させるアルカリ電池の製造方法について記載されている。
The technique for improving the characteristics of the positive electrode mixture is described in, for example,
原料混合物に含まれる原料の種類や原料の混合比率などが同じであれば、正極合剤の密度を高めることでアルカリ電池の放電性能を向上させることができる。すなわち、正極合剤の密度を高めると、正極合剤中の正極活物質間の導電性が増大し、放電性能が向上する。しかし、密度の高い正極合剤を得るために成形時のプレス圧を高くすると、金型の磨耗が早くなるという問題が発生する。そのため、圧延工程にて密度の高い正極合剤粒を作製することが望ましい。 If the types of raw materials contained in the raw material mixture and the mixing ratio of the raw materials are the same, the discharge performance of the alkaline battery can be improved by increasing the density of the positive electrode mixture. That is, when the density of the positive electrode mixture is increased, the conductivity between the positive electrode active materials in the positive electrode mixture is increased, and the discharge performance is improved. However, if the press pressure at the time of molding is increased in order to obtain a high-density positive electrode mixture, there arises a problem that the die wears faster. Therefore, it is desirable to produce high-density positive electrode mixture grains in the rolling process.
バインダーを均一に分散させることで正極合剤粒の密度を高めることも考えられる。バインダーを均一に分散させるための方法としては、例えば、粉体状の正極活物質と導電材との混合物に、多量の溶媒にバインダーを溶解させてなるバインダー溶液を噴霧する方法がある。しかし、この方法では、原料混合物中にバインダーを均一に分散させることができても、多量の溶媒を含んだ原料混合物を圧延することになる。そのため、却って正極合剤粒の密度を高めることが難しくなる。また、造粒工程後に溶媒を除去するための乾燥工程も必要となり、製造時間が長くなり正極合剤の製造コストが増大する。結果として、アルカリ電池の製造コストも増大させる。 It is also conceivable to increase the density of the positive electrode mixture particles by uniformly dispersing the binder. As a method for uniformly dispersing the binder, for example, there is a method of spraying a binder solution obtained by dissolving the binder in a large amount of solvent on a mixture of a powdery positive electrode active material and a conductive material. However, in this method, even if the binder can be uniformly dispersed in the raw material mixture, the raw material mixture containing a large amount of solvent is rolled. Therefore, it becomes difficult to increase the density of the positive electrode mixture particles. In addition, a drying step for removing the solvent after the granulation step is also required, which increases the manufacturing time and the manufacturing cost of the positive electrode mixture. As a result, the manufacturing cost of alkaline batteries is also increased.
上記特許文献1に記載の発明では、原料混合物に2~5wt%の割合の水を含ませてから圧延することで成形性を向上させている。そして、一般的なアルカリ電池においても、2~5wt%の水分を含む原料混合物から作製された正極合剤を用いている。しかし、2~5wt%程度の水分が含まれる原料混合物は、乾燥状態に近く、バインダーを均一に混合することが難しい。そして、バインダーの混合が不均一であると、原料混合物が凝集して「ダマ」になり易い。ダマを含んだ原料混合物を圧延すれば、その後の分級工程において収率が低下する。また、ダマを含んだ正極合剤粒を環状に成形して得た正極合剤は、密度や成形性が不均一なものとなる。そして、正極合剤を成形した後のアルカリ電池の組立工程で、正極合剤が強度不足によって欠けるなどして歩留まりが低下したり、組み立て後のアルカリ電池の性能にばらつきが生じたりする。 In the invention described in Patent Document 1, the formability is improved by impregnating the raw material mixture with water in a proportion of 2 to 5 wt% and then rolling the mixture. Further, even in a general alkaline battery, a positive electrode mixture prepared from a raw material mixture containing 2 to 5 wt% of water is used. However, the raw material mixture containing about 2 to 5 wt% of water is close to a dry state, and it is difficult to uniformly mix the binder. If the binder is not mixed uniformly, the raw material mixture tends to aggregate and form "lumps". If the raw material mixture containing lumps is rolled, the yield will decrease in the subsequent classification step. Further, the positive electrode mixture obtained by forming the positive electrode mixture granules containing lumps in a ring shape has a non-uniform density and moldability. Then, in the process of assembling the alkaline battery after molding the positive electrode mixture, the yield may decrease due to the positive electrode mixture being chipped due to insufficient strength, or the performance of the assembled alkaline battery may vary.
一方、アルカリ電池の性能を向上させるために正極合剤の密度を高めていくと、アルカリ電池を組み立てる際に電池缶内に電解液を充填する注液工程において、正極合剤の電解液の吸液速度が低下するという問題が発生する。正極合剤の吸液速度が低下すれば、電解液を正極合剤に含浸させるための時間が長くなる。そのため、アルカリ電池の製造時間が長くなる。また、注液工程を待つ組み立て途上のアルカリ電池を保管しておく必要がある。すなわち、組み立て途上のアルカリ電池を保管するためのスペースが必要となる。そして、製造時間の長大化や保管スペースの確保は製造コストを増大させる要因となる。さらに、保管中のアルカリ電池に異物が入り込んだり、保管中のアルカリ電池中の各種材料によって製造設備が汚染されたりする「コンタミ(コンタミネーション)」が発生する可能性もある。なお、上記特許文献2に記載の発明では、吸液速度を速くすることができるが、正極合剤を電池缶に嵌入する前に加熱する追加の工程が必要であり、製造時間が長くなり、製造コストが増大する。
そこで、本発明は、吸液性が確保され、成形強度が高く、アルカリ電池の放電性能を向上させることができるアルカリ電池用正極合剤の製造方法を提供することを目的としている。
On the other hand, if the density of the positive electrode mixture is increased in order to improve the performance of the alkaline battery, the electrolytic solution of the positive electrode mixture is absorbed in the liquid injection step of filling the battery can with the electrolytic solution when assembling the alkaline battery. The problem that the liquid rate drops occurs. If the liquid absorption rate of the positive electrode mixture decreases, the time for impregnating the positive electrode mixture with the electrolytic solution becomes longer. Therefore, the manufacturing time of the alkaline battery becomes long. In addition, it is necessary to store the alkaline batteries in the process of assembling, which are waiting for the liquid injection process. That is, a space for storing the alkaline battery in the process of assembly is required. In addition, lengthening the manufacturing time and securing storage space are factors that increase the manufacturing cost. Furthermore, there is a possibility that "contamination" may occur in which foreign matter enters the alkaline battery during storage or the manufacturing equipment is contaminated by various materials in the alkaline battery during storage. In the invention described in
Therefore, an object of the present invention is to provide a method for producing a positive electrode mixture for an alkaline battery, which can secure liquid absorption, have high molding strength, and can improve the discharge performance of the alkaline battery.
上記目的を達成するための本発明は、インサイドアウト型のアルカリ電池用正極合剤の製造方法であって、
正極合剤と導電材とバインダーとを含む粉体材料に電解液を加えて混合して得た原料混合物を圧延して密圧混合物を得る圧延ステップを含み、
前記圧延ステップでは、温度調整が可能なローラーを備えたローラー型圧延装置を用い、前記密圧混合物の温度が前記バインダーのガラス転移点の温度の1/3以上90℃以下になるように調整するとともに、当該密圧混合物の密度が2.5g/cm3以上3.5g/cm3以下になるように調整する、 ことを特徴とするアルカリ電池用正極合剤の製造方法としている。
The present invention for achieving the above object is a method for producing an inside-out type positive electrode mixture for an alkaline battery.
A rolling step of rolling a raw material mixture obtained by adding an electrolytic solution to a powder material containing a positive electrode mixture, a conductive material and a binder and mixing them to obtain a dense pressure mixture is included.
In the rolling step, a roller type rolling apparatus equipped with a roller capable of temperature adjustment is used, and the temperature of the dense pressure mixture is adjusted to be 1/3 or more and 90 ° C. or less of the temperature of the glass transition point of the binder. At the same time, the method for producing a positive electrode mixture for alkaline batteries is characterized in that the density of the dense pressure mixture is adjusted to 2.5 g / cm 3 or more and 3.5 g / cm 3 or less.
前記バインダーがポリアクリル酸であるアルカリ電池用正極合剤の製造方法とすれば好ましい。 It is preferable to use a method for producing a positive electrode mixture for an alkaline battery in which the binder is polyacrylic acid.
本発明によれば、成形強度が高く、吸液性に優れ、かつアルカリ電池の放電性能を向上させることができるアルカリ電池用正極合剤の製造方法が提供される。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, there is provided a method for producing a positive electrode mixture for an alkaline battery, which has high molding strength, excellent liquid absorption, and can improve the discharge performance of the alkaline battery.
===本発明に想到する過程===
乾燥した状態にある粉体材料を用いて、成形強度が高く、性能にバラツキが少ない正極合剤を得るためには、粉体材料中でバインダーを均一に拡散させる必要がある。ところで、バインダーは、温度が高くなると粘度が低下し、圧延工程において正極活物質や導電材の粒子間の間隙に入り込み易くなる。そして、圧延工程と成形工程は、ともに供給された材料を圧縮する工程であるが、圧延工程において供給される原料混合物の厚さは、成形工程において供給される正極合剤粒の厚さよりも薄いことから、圧延工程の方が、供給された原料の中心にまで力が伝わりやすい。すなわち、成形工程における圧力が低くても、圧延工程後の密圧混合物の密度を高めることで正極合剤の密度や成形強度を高めることができる。したがって、圧延工程において、バインダーの粘度を低下させておけば、密圧混合物中ではバインダーが確実に正極活物質や導電材の粒子間に入り込み、粒子同士を強固に結着させることができる。結果として、正極合剤の成形強度が向上する。そこで、本発明者は、正極合剤の製造過程において、少なくとも圧延工程の実施後までバインダーの温度を高温に維持することを考えた。さらに、原料混合物中に存在する水分が蒸発して成形後の正極合剤の強度が低下したり、その正極合剤を使ったアルカリ電池の放電性能が低下したりする可能性も考慮し、圧延工程s4における温度に上限を設ける必要もあると考えた。具体的には、水が蒸発する温度が100℃であることを考慮すると圧延工程では原料混合物の温度を90℃以下にすることが望ましいと考えた。
=== Process to reach the present invention ===
In order to obtain a positive electrode mixture having high molding strength and little variation in performance using a powder material in a dry state, it is necessary to uniformly diffuse the binder in the powder material. By the way, the viscosity of the binder decreases as the temperature rises, and it becomes easier for the binder to enter the gaps between the particles of the positive electrode active material or the conductive material in the rolling process. The rolling process and the forming process are both steps of compressing the supplied materials, but the thickness of the raw material mixture supplied in the rolling process is thinner than the thickness of the positive electrode mixture grains supplied in the forming process. Therefore, in the rolling process, the force is more easily transmitted to the center of the supplied raw material. That is, even if the pressure in the molding step is low, the density and molding strength of the positive electrode mixture can be increased by increasing the density of the dense pressure mixture after the rolling step. Therefore, if the viscosity of the binder is lowered in the rolling step, the binder can surely enter between the particles of the positive electrode active material and the conductive material in the dense pressure mixture, and the particles can be firmly bonded to each other. As a result, the molding strength of the positive electrode mixture is improved. Therefore, the present inventor has considered maintaining the temperature of the binder at a high temperature at least after the rolling step in the manufacturing process of the positive electrode mixture. Furthermore, considering the possibility that the water present in the raw material mixture evaporates and the strength of the positive electrode mixture after molding decreases, or the discharge performance of the alkaline battery using the positive electrode mixture decreases, rolling is performed. It was considered necessary to set an upper limit on the temperature in step s4. Specifically, considering that the temperature at which water evaporates is 100 ° C., it is desirable to keep the temperature of the raw material mixture at 90 ° C. or lower in the rolling process.
しかし、上記考察に基づいてバインダーの温度を高温に維持して正極合剤やアルカリ電池の性能の向上を試みたところ、原料混合物の温度を一定に維持することが困難であることを知見した。また、バインダーの種類に応じて特性が向上する温度が異なることも知見した。例えば、正極活物質の原料を混合して原料混合物を得る際に正極活物質であるEMDとKOH水溶液からなる電解液が反応することで発熱するものの、その発熱量は僅かである。また、原料混合物が圧延工程までの輸送経路において冷却され、その温度が室温程度に戻ってしまう。原料混合物を常時加温し続けてもよいが、製造コストを考える現実的ではない。また、圧延工程では摩擦熱によって原料混合物が発熱するが、原料混合物を構成する各材料は、加わる圧力によって発熱温度が異なる。そのため、圧延工程の実施中を通じて正極合剤の温度を厳密に管理することが難しい。 However, when an attempt was made to improve the performance of the positive electrode mixture and the alkaline battery by maintaining the temperature of the binder at a high temperature based on the above considerations, it was found that it was difficult to maintain the temperature of the raw material mixture constant. It was also found that the temperature at which the characteristics improve differs depending on the type of binder. For example, when the raw materials of the positive electrode active material are mixed to obtain a raw material mixture, the electrolytic solution composed of the positive electrode active material EMD and the KOH aqueous solution reacts to generate heat, but the calorific value is small. In addition, the raw material mixture is cooled in the transportation route to the rolling process, and the temperature returns to about room temperature. The raw material mixture may be continuously heated, but it is not realistic considering the manufacturing cost. Further, in the rolling process, the raw material mixture generates heat due to frictional heat, but the heat generation temperature of each material constituting the raw material mixture differs depending on the applied pressure. Therefore, it is difficult to strictly control the temperature of the positive electrode mixture during the rolling process.
次に、本発明者は、圧延工程において厳密な温度制御をせず、幅のある適切な温度範囲を見いだすことができれば、バインダーが粉体材料である正極活物質や導電材の粒子間に均一に拡散されて、成形強度と吸液性とが確保されつつ、アルカリ電池の放電性能を向上させることができると考えた。もちろん、バインダーの種類によって適切な温度範囲が異なっていることも考えられることから、バインダーの種類ではなく、上記適切な温度範囲を、バインダーの物性に基づいて一義的に特定できるようにすることが必要であるとも考えた。 Next, if the present inventor can find a wide and appropriate temperature range without strict temperature control in the rolling process, the binder is uniform among the particles of the positive electrode active material or the conductive material which is a powder material. It was thought that it would be possible to improve the discharge performance of alkaline batteries while ensuring molding strength and liquid absorption. Of course, it is possible that the appropriate temperature range differs depending on the type of binder, so it is possible to uniquely identify the appropriate temperature range based on the physical characteristics of the binder, not the type of binder. I also thought it was necessary.
そして、本発明者は、バインダーにおいて粘度と温度とに関係する物性として、ガラス転移点(以下、Tgとも言う)に着目した。バインダーはTg以上で粘度が急激に低下し軟化する。したがって、原料混合物をTg以上の温度に維持できれば正極合剤やアルカリ電池の特性を向上させることができる。ところが、バインダーのTgは水分が蒸発する100℃以上であることが多く、圧延時に正極合剤をTgまで加温することができない。次に、本発明者は、高分子材料であるバインダーは、Tgに至らなくても温度が高いほど粘度が低下することに着目した。また、圧延工程における圧力にも着目した。バインダーは、圧延工程における圧力が大きいほど粉体材料の粒子間に入り込む。もちろん、圧延工程における圧力は、正極合剤の成形強度や吸液性にも影響する。そして、本発明者は、圧延工程におけるTgに関連する温度範囲と、圧延工程において原料混合物に加える圧力に関連する何らかのパラメーターとを適切に設定すれば、正極合剤の吸液性や成形強度が確保され、アルカリ電池の放電性能を向上させることができるのではないかと考えた。本発明は、以上のような考察に基づいて鋭意研究を重ねた結果なされたものである。 Then, the present inventor paid attention to the glass transition point (hereinafter, also referred to as Tg) as a physical property related to viscosity and temperature in the binder. When the binder is Tg or more, the viscosity rapidly decreases and the binder softens. Therefore, if the raw material mixture can be maintained at a temperature of Tg or higher, the characteristics of the positive electrode mixture and the alkaline battery can be improved. However, the Tg of the binder is often 100 ° C. or higher at which water evaporates, and the positive electrode mixture cannot be heated to Tg during rolling. Next, the present inventor focused on the fact that the viscosity of the binder, which is a polymer material, decreases as the temperature rises even if it does not reach Tg. We also paid attention to the pressure in the rolling process. The higher the pressure in the rolling process, the more the binder penetrates between the particles of the powder material. Of course, the pressure in the rolling process also affects the molding strength and liquid absorption of the positive electrode mixture. Then, the present inventor appropriately sets the temperature range related to Tg in the rolling process and some parameter related to the pressure applied to the raw material mixture in the rolling process, so that the liquid absorption property and the forming strength of the positive electrode mixture can be improved. I thought that it would be possible to secure it and improve the discharge performance of alkaline batteries. The present invention has been made as a result of repeated diligent research based on the above considerations.
===実施例===
<正極合剤の作製手順>
図2に正極合剤の製造手順を示した。まず、粉体材料であるEMD、黒鉛、およびバインダーをそれぞれ秤量した上で乾式混合し(s1)、その混合物と、KOH水溶液からなる電解液に原料混合物中の水分量を調整するためのイオン交換水を加えたものとを湿式混合する(s2、s3)。ここでは、湿式混合により得た原料混合物中の水分量が3%程度となるようにイオン交換水の量を調整している。そして、湿式混合工程(s3)によって得られた原料混合物を、ローラー型圧延装置を用いて圧延する(s4)。圧延工程s4によって得た密圧混合物に対し、粉砕(s5)、造粒(s6)、分級(s7)の各工程を実施して顆粒状の正極合剤粒を得る。そして、正極合剤粒を環状に成形し(s8)、正極合剤3を完成させる。なお、以上の手順は、従来の正極合剤の作製手順と同様である。しかし、本発明の実施例に係るアルカリ電池用正極合剤の製造方法によれば、バインダーのTgに関わる温度と、圧延工程において原料混合物に加わる圧力とに関連するパラメーターとが適切に設定されている。それによって、吸液性能を低下させることなく高い成形強度を有する正極合剤が得られる。また、その正極合剤を用いたアルカリ電池は高い放電性能を備えたものとなる。
=== Example ===
<Procedure for manufacturing positive electrode mixture>
FIG. 2 shows the manufacturing procedure of the positive electrode mixture. First, the powder materials EMD, graphite, and binder are weighed and then dry-mixed (s1), and then ion exchange is performed to adjust the water content in the raw material mixture into an electrolytic solution consisting of the mixture and a KOH aqueous solution. Wet-mix with water-added (s2, s3). Here, the amount of ion-exchanged water is adjusted so that the water content in the raw material mixture obtained by wet mixing is about 3%. Then, the raw material mixture obtained by the wet mixing step (s3) is rolled using a roller type rolling apparatus (s4). The dense pressure mixture obtained in the rolling step s4 is subjected to each step of pulverization (s5), granulation (s6), and classification (s7) to obtain granular positive electrode mixture grains. Then, the positive electrode mixture particles are formed into an annular shape (s8) to complete the
<サンプルの作製条件>
本発明の実施例に係る方法で作製した正極合剤やその正極合剤を用いたアルカリ電池1の性能を評価するために、図2に示した正極合剤の作製手順において、Tgが異なる二種類のバインダーを用意し、原料混合物に含ませるバインダーの種類と圧延工程s4の実施条件とが異なる各種正極合剤を作製し、その各種正極合剤を用いたアルカリ電池をサンプルとして作製した。具体的には、図1に示した製品として提供されている一般的なLR6型アルカリ電池1に使用する正極合剤3の製造ライン、および製品の組み立てラインを用いた。そして、乾式混合工程s1と圧延工程s4以外の工程では製品と同様の条件でサンプルを作製した。乾式混合工程s1では、EMDと導電材に、サンプルに応じた種類のバインダーを混合した。圧延工程s4では、ヒーターを内蔵したローラーを備えた圧延ローラー型圧延機を用い、圧延工程s4において原料混合物を加熱する温度と、ローラーによって原料混合物に加える圧力(線圧)とを変えた。
<Sample preparation conditions>
In order to evaluate the performance of the positive electrode mixture prepared by the method according to the embodiment of the present invention and the alkaline battery 1 using the positive electrode mixture, the Tg is different in the procedure for producing the positive electrode mixture shown in FIG. Various types of binders were prepared, various positive electrode mixtures having different types of binders to be contained in the raw material mixture and the implementation conditions of the rolling step s4 were prepared, and alkaline batteries using the various positive electrode mixtures were prepared as samples. Specifically, the production line of the
用意した二種類のバインダーは、ポリアクリル酸であり、重合度によってTgが異なっている。ここでは、サンプルの作製に先立って、各バインダーのTgを、示差走査熱量計(DSC)を用いて測定した。Tgの測定に際しては、アルミナを基準試料として、DSCの試料室にバインダーと基準試料とを設置するとともに、100mL/minの流量で大気を試料室に導入しつつ、10℃/minの速度で室温から400℃まで試料室の温度を昇温させた。そして、測定の結果、二種類のバインダーのTgは、134.0℃と166.4℃であった。 The two types of binders prepared are polyacrylic acid, and Tg differs depending on the degree of polymerization. Here, prior to preparation of the sample, the Tg of each binder was measured using a differential scanning calorimeter (DSC). When measuring Tg, an alumina is used as a reference sample, a binder and a reference sample are placed in the sample chamber of the DSC, and the atmosphere is introduced into the sample chamber at a flow rate of 100 mL / min, and the room temperature is 10 ° C./min. The temperature of the sample chamber was raised from 1 to 400 ° C. As a result of the measurement, the Tg of the two kinds of binders was 134.0 ° C and 166.4 ° C.
圧延工程s4を実施する際には、サンプルに応じ、圧延装置におけるローラーの温度や線圧を調整したが、サンプルの性能を評価するためのパラメーターとしては、ローラーの温度や線圧を採用しなかった。温度については、圧延工程s4における原料混合物が圧延工程s4の工程時間内でローラーの温度に達することがなく、原料混合物自体が圧力によって発熱するため、ローラーの温度をパラメーターにすると原料混合物の実際の温度を特定することができない。そこで、圧延工程s4直後の密圧混合物の温度を温度に関するパラメーターとした。なお、圧延工程s4において設定したローラーの温度は、サンプルに応じ、加熱なし、80℃、および120℃のいずれかとした。 When the rolling step s4 was carried out, the temperature and linear pressure of the rollers in the rolling apparatus were adjusted according to the sample, but the temperature and linear pressure of the rollers were not adopted as the parameters for evaluating the performance of the sample. rice field. Regarding the temperature, the raw material mixture in the rolling step s4 does not reach the roller temperature within the process time of the rolling step s4, and the raw material mixture itself generates heat due to the pressure. The temperature cannot be specified. Therefore, the temperature of the dense pressure mixture immediately after the rolling step s4 was used as a parameter related to the temperature. The temperature of the roller set in the rolling step s4 was set to any of 80 ° C. and 120 ° C. without heating, depending on the sample.
密圧混合物の温度については、圧延工程s4では原料混合物が薄い鱗片状の密圧混合物として成形されるため、厚さ方向の温度勾配を考慮する必要がない。そこで、密圧混合物の表面の温度を測定した。表面温度の測定には、例えば、赤外線温度計などを用いて非接触で測定することができる。 Regarding the temperature of the dense pressure mixture, since the raw material mixture is formed as a thin scaly dense pressure mixture in the rolling step s4, it is not necessary to consider the temperature gradient in the thickness direction. Therefore, the temperature of the surface of the tight pressure mixture was measured. The surface temperature can be measured in a non-contact manner using, for example, an infrared thermometer.
圧力については、圧延装置の機種の違い、あるいは同じ機種の固体差により、圧延装置に対する線圧の設定値が同じであっても、圧延工程s4において実際に原料混合物に加わる線圧が異なる可能性がある。そこで、圧力に関わるパラメーターとして、圧延工程s4によって得られた密圧混合物の密度を採用した。なお、ローラー型圧延装置は、供給された原料混合物を、所定の間隙を有して平行に配置された二つのローラー間に通すことで原料混合物を圧延する。そして、二つのローラー間の間隙(以下、ローラー間隔とも言う)と、二つのローラーに対して互いに対向する方向に掛ける圧力(プレス圧)とによって原料混合物に加える線圧を調整している。圧延工程s4において使用した圧延装置では、ローラー間隔が0.8mmで固定されており、圧延工程s4ではプレス圧のみを調整した。圧延工程s4によって所定の密度の密圧混合物を得るためには、使用する圧延装置に設定する線圧と密圧混合物の密度との関係を事前に調べておけばよい。 Regarding the pressure, there is a possibility that the linear pressure actually applied to the raw material mixture in the rolling process s4 will be different even if the linear pressure set value for the rolling apparatus is the same due to the difference in the model of the rolling apparatus or the individual difference of the same model. There is. Therefore, the density of the dense pressure mixture obtained in the rolling step s4 was adopted as a parameter related to the pressure. The roller type rolling apparatus rolls the raw material mixture by passing the supplied raw material mixture between two rollers arranged in parallel with a predetermined gap. Then, the linear pressure applied to the raw material mixture is adjusted by the gap between the two rollers (hereinafter, also referred to as the roller spacing) and the pressure applied to the two rollers in the directions facing each other (press pressure). In the rolling apparatus used in the rolling step s4, the roller spacing was fixed at 0.8 mm, and in the rolling step s4, only the press pressure was adjusted. In order to obtain a dense pressure mixture having a predetermined density in the rolling step s4, the relationship between the linear pressure set in the rolling apparatus to be used and the density of the dense pressure mixture may be investigated in advance.
<性能評価試験>
上述したように作製条件が異なる各種正極合剤3を用いて組み立てた各種サンプルについて、正極合剤3の吸液性能と成形強度(kgf)、および放電性能を調べた。吸液性能については、アルカリ電池1の組み立て過程における注液工程において、内部に正極合剤3とセパレーター4とが配置された状態の電池缶2に、定量の電解液を注入した後、所定の時間を掛けて正極合剤3とセパレーター4に電解液を含浸させた際、製品と同様に注入した電解液が残らず含浸されていれば合格とし、電解液が含浸されずに電池缶2内に残っていれば不合格とした。
<Performance evaluation test>
The liquid absorption performance, molding strength (kgf), and discharge performance of the
正極合剤3の成形強度については、正極合剤3に対し、円筒軸100方向と垂直に荷重(kgf)を掛け、その荷重(kgf)を増大させていく荷重試験を行い、正極合剤3が割れたり欠けたりしたときの荷重(kgf)で評価した。放電性能については、サンプルを1500mAの電流で2秒間放電させた後、650mAの電流で28秒間放電させる動作を1サイクルとして、一時間当たり10サイクル繰り返す放電試験を行い、終止電圧(例えば、1.05V)に至るまでのサイクル数を測定することで評価した。
Regarding the molding strength of the
<性能評価結果>
以下の表1に、各サンプルの作製条件と、各サンプルの性能評価結果を示した。
<Performance evaluation result>
Table 1 below shows the preparation conditions for each sample and the performance evaluation results for each sample.
サンプル1~30のうち、サンプル1~15は、Tg=134℃のバインダーを用いたサンプルであり、サンプル16~30は、Tg=166.4℃のバインダーを用いたサンプルである。そして、サンプル1およびサンプル16が、バインダーの種類が異なるだけで、製品として提供されているアルカリ電池1と同じ手順で作製されたサンプルである。 Of the samples 1 to 30, samples 1 to 15 are samples using a binder having a Tg = 134 ° C, and samples 16 to 30 are samples using a binder having a Tg = 166.4 ° C. Then, the sample 1 and the sample 16 are samples produced by the same procedure as the alkaline battery 1 provided as a product, only the type of the binder is different.
また、各サンプルの評価結果において、吸液性能については、合格したサンプルが「○」で示され、不合格となったサンプルが「×」で示されている。成形強度については上述したように荷重試験によって正極合剤3が破損したときの荷重(kgf)が示されている。放電性能については、サンプル1の放電性能を100としたときの相対値が示されている。なお、表1では、密圧混合物中の水分量(以下、水分量とも言う)も示されており、この水分量は原料混合物中に含ませた水分量と、圧延工程s4の前後での原料混合物と密圧混合物との質量比とから求めることができる。
Further, in the evaluation results of each sample, regarding the liquid absorption performance, the passed samples are indicated by "○" and the rejected samples are indicated by "x". As for the molding strength, as described above, the load (kgf) when the
表1において、まず、Tg=134℃のバインダーを用いたサンプル1~15の特性を見ると、圧延工程s4におけるローラーの加熱の有無や加熱温度によらず、サンプル4、サンプル7~9、およびサンプル12~14では、吸液性能が確保され、正極合剤3の成形強度がサンプル1の2.5倍以上の1.0kgf以上であった。そして、放電性能はサンプル1に対して20%以上向上している。そして、これらのサンプル4、7~9、および12~14における密圧混合物の温度(以下、温度とも言う)は、45.5℃~88.3℃の範囲にあり、かつ、密圧混合物の密度(以下、密度とも言う)は、2.5g/cm3~3.5g/cm3の範囲にある。密度については、2.5g/cm3未満であると、活物質間の導電性が不足し、その結果、放電性能が向上しなかったものと考えることができる。もちろん密度が低ければ成形強度を向上させることも難しい。一方、密度が3.5g/cm3より大きいと、吸液性能が劣化し、結果として放電性能も劣化したものと考えることができる。
In Table 1, first, looking at the characteristics of the samples 1 to 15 using the binder at Tg = 134 ° C., the
次に、サンプル4、7~9、および12~14における温度範囲について検討してみると、サンプル3、8、および13は、密度がともに3.0g/cm3で、上記の2.5g/cm3~3.5g/cm3の範囲内にある。しかし、サンプル3の成形強度および放電性能は、性能評価の基準となるサンプル1に対して優れているとは言い難い。一方、サンプル8と13は、サンプル3に対して水分量が減少しているものの、成形強度と放電性能がともに優れている。したがって、性能の向上が認められなかったサンプル3の温度40.1℃と、上記の温度範囲の下限45.5との間には、成形強度や放電性能を向上させる閾値があると考えることができる。
Next, when the temperature range in
次に、上記閾値の有無を確認するため、サンプル1~4の成形強度と放電性能を比較してみると、サンプル2の温度はサンプル1の温度より5.7℃高く、サンプル3の温度はサンプル2の温度より7.9℃高い。しかし、サンプル1~3は成形強度や放電性能の差が僅かである。しかも、サンプル2と3では、温度が高いサンプル3の方が放電性能に劣っていた。一方、サンプル4の温度はサンプル3の温度より4.6℃だけ高く、サンプル1と2、あるいはサンプル2と3の温度差よりも小さい。しかし、サンプル4は、サンプル3に対して放電性能が2倍になり、成形強度は18%も向上している。したがって、40.1℃と45.5℃との間には閾値が存在すると考えることが妥当である。そして、上述した「Tgに関連する温度範囲」を考慮しつつ上記閾値について検討してみたところ、サンプル4の温度45.5℃は、Tg(=134.0℃)の1/3の44.7℃に極めて近いことがわかった。
Next, in order to confirm the presence or absence of the above threshold value, when the molding strength and the discharge performance of the samples 1 to 4 are compared, the temperature of the
次に、上記Tgの1/3が性能に関係する閾値であるか否かを確認するため、Tg=134.0℃のバインダーを用いたサンプル1~16の特性と、Tg=166.4℃のバインダーを用いた16~30の特性とを比較してみると、サンプル4とサンプル19は、密度と水分が同じで、温度もほぼ同等である。しかし、サンプル4は優れた成形強度と放電性能を有しているが、Tg=166.4℃のバインダーを用いたサンプル23は、成形強度についてはサンプル4と同等であったが、放電性能の向上が見られなかった。すなわち、放電性能を向上させるための温度範囲の下限は、温度の絶対値ではなく、バインダーの特性に関連する温度であることがわかる。そして、サンプル16~30のうち、サンプル23、サンプル24、サンプル27、およびサンプル28は、吸液性能が確保され、正極合剤の成形強度がサンプル1の2.5倍以上の1.0kgf以上であった。また、これらのサンプルの放電性能は、いずれもサンプル1に対して20%以上向上している。そして、サンプル23、サンプル24、サンプル27、およびサンプル28の密度は、2.5g/cm3~3.5g/cm3の範囲にあり、サンプル1~16のうち、吸液性能が確保されつつ、優れた成形強度と放電性能を有しているサンプル4、7~9、および12~14の密度の範囲と一致する。
Next, in order to confirm whether or not 1/3 of the above Tg is a threshold value related to performance, the characteristics of the samples 1 to 16 using the binder of Tg = 134.0 ° C. and Tg = 166.4 ° C. Comparing the characteristics of 16 to 30 using the binder of No. 4,
さらに、サンプル23、サンプル24、サンプル27、およびサンプル28の温度は、59.9℃~82.2℃の範囲であり、この温度範囲の下限である55.9℃は、バインダーのTg=166.4℃の1/3である55.5℃に極めて近似している。したがって、吸液性能を確保しつつ、優れた成形強度と放電性能を得るためには、温度の下限がTgの1/3以上であり、かつ密度が2.5g/cm3~3.5g/cm3であることが必要条件となる。なお、温度範囲の上限については、上述したように、水分の蒸発を考慮して90℃とすることが妥当である。実際、サンプル14は、温度が88.3℃であり、水分の蒸発を考慮した上限温度90℃に近く、水分量も2.2wt%にまで減少しているものの、成形強度はサンプル1の3倍の1.2であり、放電性能はサンプル1に対して35%も向上していた。また吸液性能も確保されていた。一方、サンプル29の特性を見てみると、サンプル29は密度が3.5g/cm3で上記の数値範囲にあるものの、温度が93.2℃で90℃を超えていた。そして、成形強度については1.1kgfであったものの、吸液性能と放電性能が劣化していた。したがって、適切な温度範囲の上限を90℃に規定することは妥当であると言える。なお、サンプル1~30のうち、サンプル15とサンプル30は、放電性能が大きく劣化した。 Further, the temperatures of the sample 23, the sample 24, the sample 27, and the sample 28 are in the range of 59.9 ° C to 82.2 ° C, and the lower limit of this temperature range of 55.9 ° C is Tg = 166 of the binder. It is very close to 55.5 ° C, which is 1/3 of 0.4 ° C. Therefore, in order to obtain excellent molding strength and discharge performance while ensuring liquid absorption performance, the lower limit of the temperature is 1/3 or more of Tg, and the density is 2.5 g / cm 3 to 3.5 g /. The requirement is cm 3 . As described above, it is appropriate to set the upper limit of the temperature range to 90 ° C. in consideration of evaporation of water. In fact, the temperature of the sample 14 is 88.3 ° C., which is close to the upper limit temperature of 90 ° C. in consideration of evaporation of water, and the water content is reduced to 2.2 wt%, but the molding strength is 3 of the sample 1. It was 1.2, which was double, and the discharge performance was improved by 35% compared to sample 1. The liquid absorption performance was also ensured. On the other hand, looking at the characteristics of the sample 29, although the density of the sample 29 was 3.5 g / cm 3 and was in the above numerical range, the temperature was 93.2 ° C and exceeded 90 ° C. Although the molding strength was 1.1 kgf, the liquid absorption performance and the discharge performance were deteriorated. Therefore, it can be said that it is appropriate to specify the upper limit of the appropriate temperature range at 90 ° C. Of the samples 1 to 30, the discharge performance of the samples 15 and 30 was significantly deteriorated.
以上より、本発明の実施例に係るアルカリ電池用正極合剤の製造方法は、圧延工程s4において、密圧混合物の密度が2.5g/cm3以上3.5g/cm3以下となるように調整するとともに、温度が使用するバインダーのTgの1/3以上90℃以下となるように調整することを含む。また、表1に示したように、Tgが166.4℃のバインダーを用いたサンプル16~30において、圧延工程s4においてローラーを加熱しなかったサンプル16~20は、圧密混合物の温度がTgの1/3未満となった。したがって、ローラーを加熱して圧延工程s4を行うことで確実に密圧混合物の温度をTgの1/3以上に調整すればより好ましい。なお、圧延工程s4によって適切な温度の密圧混合物を得るためには、使用する圧延装置に設定する線圧やローラーの温度との関係を事前に調べておけばよい。 Based on the above, the method for producing the positive electrode mixture for alkaline batteries according to the embodiment of the present invention is such that the density of the dense pressure mixture is 2.5 g / cm 3 or more and 3.5 g / cm 3 or less in the rolling step s4. In addition to adjusting, the temperature is adjusted to be 1/3 or more and 90 ° C. or less of Tg of the binder used. Further, as shown in Table 1, in the samples 16 to 30 using the binder having a Tg of 166.4 ° C., the samples 16 to 20 in which the rollers were not heated in the rolling step s4 had a compacted mixture temperature of Tg. It was less than 1/3. Therefore, it is more preferable to surely adjust the temperature of the dense pressure mixture to 1/3 or more of Tg by heating the rollers and performing the rolling step s4. In order to obtain a dense pressure mixture having an appropriate temperature in the rolling step s4, the relationship between the linear pressure set in the rolling apparatus to be used and the temperature of the rollers may be investigated in advance.
===その他の実施例===
上記実施例では、バインダーにポリアクリル酸を用いていた。ポリアクリル酸は、製品として提供されているアルカリ電池に広く用いられている。そして、上記実施例では、その製品との性能差を明確にするためにバインダーにポリアクリル酸を用いていた。もちろん、アルカリ電池の正極合剤に含ませるバインダーは、ポリアクリル酸と同様に高分子バインダーであれば、Tg以上で急激に粘度が低下する。したがって、ポリアクリル酸以外のバインダーであっても、圧延工程s4において、密圧混合物の温度がTgの1/3以上90℃以下で、密圧混合物の密度が2.5g/cm3以上3.5g/cm3以下となるように調整すれば、吸液性能が確保され、成形強度に優れた正極合剤を製造することができ、その正極合剤を用いたアルカリ電池は放電性能に優れたものとなることが容易に予想される。なお、バインダーとしては、ポリアクリル酸塩、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、スチレンブタジエンゴム、メチルセルロース、アルギン酸、ポリエチレン、ポリプロピレンなどが挙げられる。
=== Other Examples ===
In the above example, polyacrylic acid was used as the binder. Polyacrylic acid is widely used in alkaline batteries provided as products. Then, in the above embodiment, polyacrylic acid was used as the binder in order to clarify the performance difference from the product. Of course, if the binder contained in the positive electrode mixture of the alkaline battery is a polymer binder like polyacrylic acid, the viscosity drops sharply at Tg or more. Therefore, even with a binder other than polyacrylic acid, in the rolling step s4, the temperature of the tight-pressure mixture is 1/3 or more and 90 ° C. or less of Tg, and the density of the close-pressure mixture is 2.5 g / cm 3 or more. If the pressure is adjusted to 5 g / cm 3 or less, the liquid absorption performance is ensured and a positive electrode mixture having excellent molding strength can be produced, and the alkaline battery using the positive electrode mixture has excellent discharge performance. It is easily expected that it will be. Examples of the binder include polyacrylic acid salt, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, styrene butadiene rubber, methyl cellulose, alginic acid, polyethylene, polypropylene and the like.
上記実施例では、ローラーにヒーターが組み込まれた圧延装置を用い、密圧混合物の温度が所定の温度範囲となるように調整していた。もちろん、密圧混合物の温度を調整するためのヒーターを別途設置しておき、圧延工程s4に供給される原料混合物を加熱したり、ローラーを外部から加熱したりすることもできる。 In the above embodiment, a rolling apparatus having a heater built in the roller was used, and the temperature of the dense pressure mixture was adjusted to be within a predetermined temperature range. Of course, it is also possible to separately install a heater for adjusting the temperature of the dense pressure mixture to heat the raw material mixture supplied to the rolling step s4 or to heat the roller from the outside.
1 アルカリ電池、2 電池缶、3 正極合剤、4 セパレーター、5 負極ゲル、
6 負極集電子、7 負極端子板、8 封口ガスケット、9 正極端子、
s1 乾式混合工程、s3 湿式混合工程、s4 圧延工程 s8 成形工程
1 Alkaline battery, 2 Battery can, 3 Positive electrode mixture, 4 Separator, 5 Negative electrode gel,
6 Negative electrode current collector, 7 Negative electrode terminal board, 8 Seal gasket, 9 Positive electrode terminal,
s1 dry mixing process, s3 wet mixing process, s4 rolling process s8 molding process
Claims (2)
正極合剤と導電材とバインダーとを含む粉体材料に電解液を加えて混合して得た原料混合物を圧延して密圧混合物を得る圧延ステップを含み、
前記圧延ステップでは、温度調整が可能なローラーを備えたローラー型圧延装置を用い、前記密圧混合物の温度が前記バインダーのガラス転移点の温度の1/3以上90℃以下になるように調整するとともに、当該密圧混合物の密度が2.5g/cm3以上3.5g/cm3以下になるように調整する、
ことを特徴とするアルカリ電池用正極合剤の製造方法。 This is a method for manufacturing an inside-out type positive electrode mixture for alkaline batteries.
A rolling step of rolling a raw material mixture obtained by adding an electrolytic solution to a powder material containing a positive electrode mixture, a conductive material and a binder and mixing them to obtain a dense pressure mixture is included.
In the rolling step, a roller type rolling apparatus equipped with a roller capable of temperature adjustment is used, and the temperature of the dense pressure mixture is adjusted to be 1/3 or more and 90 ° C. or less of the temperature of the glass transition point of the binder. At the same time, the density of the dense pressure mixture is adjusted to be 2.5 g / cm 3 or more and 3.5 g / cm 3 or less.
A method for manufacturing a positive electrode mixture for an alkaline battery.
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