JP7045278B2 - 全固体電池電極用塗料製造用の攪拌装置 - Google Patents

Description

本発明は、分散処理を行うための攪拌装置であって、全固体電池電極用塗料の製造に用いられる装置に関する。

ポータブル電子機器用電源のほか、電気自動車用電源、風力・太陽光発電設備によって発電された電力の蓄積等、リチウムイオン二次電池や燃料電池に代表される電池需要は今後ますます増大することが予測される。また、電池自体の小型化、軽量化、安全性といった特性の一層の向上だけでなく、これら特性を備えた電池を効率的かつ低コストで生産することが要請されている。

この課題を解決する有効な手段として、本願の発明者は、特許文献１に開示された攪拌装置システムを用いて電池電極用塗料等を製造する方法を提案している。
この攪拌装置システムに含まれる攪拌装置はいわゆる高速攪拌機であって、容器とこの容器の内壁面のわずかに内側で高速回転する回転部材とを有する高速攪拌機に連続的に供給し、回転部材による遠心力によって回転部材と内壁面との間に膜状に存在させた攪拌対象物を連続攪拌するというものである。
この攪拌装置等を用いて電池電極用塗料を製造すると、電池の安全性を高度に維持しつつ、電池の高性能化に適した電極用塗料を効率的に製造することができる。

国際公開第２０１0／０１８７７１号公報

ところで、近年、電池製造の効率化及び低コスト化の要請がより一層高まりつつある中、全固体電池がこの要請を満たす電池として注目されている。全固体電池は、可燃性の有機電解液使用しないため高度な安全性を確保することができ、また、正極と負極との間に層状の固体電解質が狭持されたシンプルな構造であるため、効率的かつ低コストで製造できるというメリットがある。
本願の発明者は、上記全固体電池のメリットを生かしつつ、さらに電池性能を高めるべく、特許文献１に開示された攪拌装置システムを検証したところ、本願発明を完成させるに至った。

具体的には、容器と、この容器の内壁面のわずかに内側で高速回転する回転部材とを備え、上記回転部材による遠心力によって上記回転部材と上記内壁面との間に膜状に存在させた攪拌対象である電池電極用塗料の中間材料を攪拌する全固体電池電極用塗料製造用の攪拌装置であって、上記回転部材及び／又は上記内壁面の上記膜状に存在させた攪拌対象と対向する面には、所定の間隔で配列する溝、ディンプルまたは突起によって凹凸が形成されており、上記容器は、上記攪拌対象を構成する活物質、固体電解質、溶媒を投入するための第１及び第２の投入口、及び混合した攪拌対象を排出するための排出口を有し、前記第1及び第２の投入口は、前記容器の上面の中央に配置され、前記第２の投入口は、前記第１の投入口の側方から接続するように配置され、前記排出口は、前記容器の下部に配置され、前記回転部材は、当該回転部材の回転軸方向に対して垂直となる水平部を有しており、前記第1及び第２の投入口から投入された攪拌対象を構成する活物質、固体電解質、溶媒が、高速で回転している前記回転部材の水平部の中心に投下され、上記攪拌対象を構成する活物質、固体電解質、溶媒の混合は、上記容器内で行われ、前記攪拌対象を構成する活物質は、リチウムイオン伝導性の被膜で被覆された粒子であることを特徴とする（請求項１）。

上記全固体電池電極用塗料製造用の攪拌装置によると、特許文献１に開示された攪拌装置システムのように攪拌対象に対して予備攪拌処理を行うことなく、活物質粒子及び固体電解質粒子が高度に均一混合された全固体電池電極用塗料を得ることができる。これにより、高性能の全固体電池を効率的かつ低コストで製造できる。
また、攪拌対象を構成する活物質がリチウムイオン伝導性の被膜で被覆された粒子である場合、当該被膜の性状を損なうことなく、活物質粒子及び固体電解質粒子を高度に均一混合することができる。 これにより、電極の導電性に特に優れた全固体電池を得ることができる。

上記本発明の効果は、以下（A）～（C）の方式の相乗効果により得られる。
（A） 攪拌対象を構成する活物質、固体電解質、溶媒を容器内に投入し、これらが攪拌装置の容器内で混合されること
（B） 撹拌装置の容器内に投入された攪拌対象が、容器と、この容器の内壁面のわずかに内側で高速回転する回転部材との間において、回転部材による遠心力によって膜状となった状態で処理されること
（C） 膜状となった状態で処理される攪拌対象が対向する回転部材及び／又は容器内壁面には、所定の間隔で配列する溝、ディンプルまたは突起によって凹凸が形成されていること

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

本発明に係る攪拌装置の一実施形態を示す外観斜視図である。 図１に示す攪拌装置の断面図である。 攪拌対象である活物質粒子を示す模式図である。 攪拌対象である活物質粒子及び固体電解質粒子が混合された状態を示す模式図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。図１～２は、本発明に係る攪拌装置の一実施形態を示している。

図１及び２に示すように、本発明の攪拌装置１は、容器２と、この容器２の中心を垂直方向に延びる回転軸８を中心として高速回転する回転部材３１，４１とを有する。

上記容器２は、略円筒状の内壁面を有して上下方向に所定長さを有する円筒状空間を規定している。 回転軸８は、これに接続された高トルクモータ（図示せず）によって高速回転させられ、これに伴って回転部材３１，４１も高速で回転する。

回転部材３１，４１は、容器２の内壁面に対して１～３ｍｍ程度のわずかな隙間を介して対向する外周面を有する円筒部材の形態をもっている。

本発明の攪拌装置１に攪拌対象が供給されると、高速回転する回転部材３１，４１による遠心力を受けて、攪拌対象が容器２の内壁面に押し付けられ、回転部材３１，４１の外周面と、容器２の内壁面との間の隙間に行き渡り膜状となる。
さらに、膜状となった攪拌対象は、回転部材３１，４１の回転に伴って容器内を高速で回転する。

以上により、膜状となった攪拌対象が、回転する回転部材３１，４１の外周面と、静止する容器２の内壁面との間で強大な剪断力を受け続け、その強大なエネルギーによって高レベルでの分散が攪拌対象に対して施される。

また、上記回転部材３１，４１の外周面及び上記容器２の内壁面のそれぞれには、図示しない所定の間隔で配列する溝、ディンプルまたは突起が形成され、これによって凹凸が形成されている。

また、本発明の攪拌装置１は、容器２の内部が上下方向に複数の分散槽３，４に区画されており、分散槽３，４には、それぞれ回転部材３１及び４１が収容されている。
回転部材３１及び４１は、共に回転軸８に接続されており、それぞれが一体となって高速で回転する。

容器上方側に位置する第１の分散槽３には、攪拌対象を分散槽３に投入するための複数の投入口が配置されている。本実施例においては、投入口を２カ所（第１投入口、第２投入口）配置した例を示したが、投入する攪拌対象の成分数に応じて、投入口の数を増減してもよい。
一方、容器下方側に位置する第２の分散槽４の下部には、分散処理した攪拌対象を容器から外部に排出するための排出口７が配置されている。

第１の分散槽３では、投入口から投入された各成分が混合されるとともに、分散処理が施される。
第１の分散槽３で混合、分散処理された攪拌対象は、第１の分散槽３の下部に配置される連結口を介して第２の分散槽４に送られて、再度、分散処理が施される。
以上のようにして処理された攪拌対象は、排出口７から容器２の外に排出される。

ここで、本願の発明者が上記の攪拌装置を用いて全固体電池電極用塗料を製造したところ、活物質粒子及び固体電解質粒子が高度に均一混合された全固体電池電極用塗料を得ることができることを見出した。
具体的には、活物質粒子としてＬｉＣｏＯ_２粒子、固体電解質粒子として硫化物からなる固体電解質粒子を使用し、これらを溶媒等とともに上記の攪拌装置に投入して処理した。
ＬｉＣｏＯ_２粒子（図３（a））は、適当な表面処理を施すことによってリチウムイオン伝導性のある酸化被膜で覆われているものを使用することができ（図３（ｂ））、本実施例においては、Li_４Ti_５O_１２からなる酸化被膜で覆われたＬｉＣｏＯ_２粒子を使用した。
この結果、図４に模式的に示すように、活物質粒子及び固体電解質粒子が高度に均一混合されることを確認した。また、上記攪拌装置による処理後も、ＬｉＣｏＯ_２粒子を覆うLi_４Ti_５O_１２からなる酸化被膜の性状が維持されていることを確認した。
なお、活物質粒子及び固体電解質粒子は上記したものに限られるものではなく、全固体電池において機能するものであれば適用可能である。

本発明に係る攪拌装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る攪拌装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

１ 攪拌装置
２ 容器
３ 第１分散槽
４ 第２分散槽
５ 第１投入口
６ 第２投入口
７ 排出口
８ 回転軸
３１，４１ 回転部材
５０ 活物質粒子
５１ 酸化物被膜
５２ 固体電解質粒子

Claims (1)

1. 容器と、この容器の内壁面のわずかに内側で高速回転する回転部材とを備え、上記回転部材による遠心力によって上記回転部材と上記内壁面との間に膜状に存在させた攪拌対象である電池電極用塗料の中間材料を攪拌する全固体電池電極用塗料製造用の攪拌装置であって、
   上記回転部材及び／又は上記内壁面の上記膜状に存在させた攪拌対象と対向する面には、所定の間隔で配列する溝、ディンプルまたは突起によって凹凸が形成されており、
   上記容器は、上記攪拌対象を構成する活物質、固体電解質、溶媒を投入するための第１及び第２の投入口、及び混合した攪拌対象を排出するための排出口を有し、
   前記第1及び第２の投入口は、前記容器の上面の中央に配置され、
   前記第２の投入口は、前記第１の投入口の側方から接続するように配置され、
   前記排出口は、前記容器の下部に配置され、
   前記回転部材は、当該回転部材の回転軸方向に対して垂直となる水平部を有しており、
   前記第1及び第２の投入口から投入された攪拌対象を構成する活物質、固体電解質、溶媒が、高速で回転している前記回転部材の水平部の中心に投下され、
   上記攪拌対象を構成する活物質、固体電解質、溶媒の混合は、上記容器内で行われ、
   前記攪拌対象を構成する活物質は、リチウムイオン伝導性の被膜で被覆された粒子であることを特徴とする全固体電池電極用塗料製造用の攪拌装置。
   
   

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