特開 2024-152156 二次電池電極スラリの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024152156

(43)【公開日】2024-10-25

(54)【発明の名称】二次電池電極スラリの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 4/1393 20100101AFI20241018BHJP

   H01M 4/62 20060101ALI20241018BHJP

   B01F 27/2322 20220101ALI20241018BHJP

   B01F 27/60 20220101ALI20241018BHJP

   B01F 23/53 20220101ALI20241018BHJP

   B01F 35/90 20220101ALI20241018BHJP

   B01F 35/221 20220101ALI20241018BHJP

   B01F 35/222 20220101ALI20241018BHJP

   B01F 27/19 20220101ALI20241018BHJP

【ＦＩ】

H01M4/1393

H01M4/62 Z

B01F27/2322

B01F27/60

B01F23/53

B01F35/90

B01F35/221

B01F35/222

B01F27/19

【審査請求】有

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023066190

(22)【出願日】2023-04-14

(71)【出願人】

【識別番号】000142595

【氏名又は名称】株式会社栗本鐵工所

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】藤田 由季子

(72)【発明者】

【氏名】藤井 淳

(72)【発明者】

【氏名】福本 和典

(72)【発明者】

【氏名】山崎 晃史

(72)【発明者】

【氏名】石丸 努

【テーマコード（参考）】

4G035

4G037

4G078

5H050

【Ｆターム（参考）】

4G035AB46

4G035AE02

4G035AE15

4G037CA03

4G037EA03

4G078AA26

4G078AB01

4G078BA01

4G078BA07

4G078BA09

4G078EA03

5H050AA19

5H050BA08

5H050CA15

5H050CB08

5H050DA11

5H050EA23

5H050EA28

5H050GA10

5H050GA27

5H050GA29

5H050HA01

(57)【要約】

【課題】二軸連続式混練機を用いて回転数を調整することで、混練される材料の分散状況をコントロールして、スラリ粘度を適切になるようにする。
【解決手段】排出口及び少なくとも１つの供給口を有する筒状のハウジング１０と、ハウジング１０の内部に平行に配置された二本一対の回転シャフト８と、回転シャフト８に軸方向に取り付けられた複数の撹拌翼を有する二軸連続式混練機１を用いて、活物質として黒鉛、バインダとしてスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）水溶液、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）の粉体又は水溶液を前記ハウジングの供給口から投入し、二本一対の回転シャフト８を回転させることでスラリを製造する過程で、排出口から排出される混練後の製品（スラリ）の粘度を適時確認し、回転数を変化させて粘度調整する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

排出口及び少なくとも１つの供給口を有する筒状のハウジングと、
前記ハウジングの内部に平行に配置された二本一対の回転シャフトと、
前記回転シャフトに軸方向に取り付けられた複数の撹拌翼を有する二軸連続式混練機を用い、
活物質として黒鉛、バインダとしてスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）水溶液、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）の粉体又は水溶液を前記ハウジングの供給口から投入し、
前記二本一対の回転シャフトを回転させることでスラリを製造する過程で、前記排出口から排出される混練後の製品（スラリ）の粘度を適時確認し、回転数を変化させて粘度調整する
ことを特徴とする二次電池電極スラリの製造方法。

【請求項2】

第１活物質として４６重量％以上９９重量％以下の黒鉛を、
第２活物質として０重量％以上５０重量％以下の黒鉛を、
増粘剤として０．５重量％～２．０重量％のＣＭＣとなるようなＣＭＣ粉末又はＣＭＣ水溶液を、
バインダとして固形分が０．５重量％～２．０重量％となるようなＳＢＲ水溶液を、
それぞれ前記供給口から投入する
ことを特徴とする請求項１に記載の二次電池電極スラリの製造方法。

【請求項3】

前記ハウジングの内部に設けたジャケットに冷却水を循環させて室温よりも低温に保ちながら二次電池電極スラリを製造する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の二次電池電極スラリの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、二次電池電極スラリの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

スラリは、粉体と液体を混練することで得られる、粘度が比較的高い懸濁液である。従来、二次電池電極スラリの製造には、プラネタリミキサのようなバッチ式混練機が用いられていた。

【0003】

なお、活物質と、電子伝導性物質と、イオン伝導性物質とを混合し、その混合物を、スクリューを具備した混練機を用いて混練することで複合化する、電極合材の製造方法は知られている（例えば、特許文献１参照）。この製造方法では、混練において、加熱することにより、イオン伝導性物質をガラスセラミックス化して全固体二次電池用電極合材を製造している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第６７６４６７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

スラリは、塗工工程において、基材に塗工し易い粘度に調整されることが重要である。粘度が低すぎても高すぎても所望の厚みに塗工できない等の問題が生じ、また、粘度が高すぎると固すぎて塗工装置の入口が固まり塗工できない等の問題が生じる。また、例えば、スラリ中の材料が均一に混ざっておらず凝集物が存在していると、平滑な電極表面が得られず、凝集物が剥離して電池性能に悪影響を及ぼすおそれがある。

【0006】

近年では、スラリの固形分を高く設定することで後段の乾燥工程でのエネルギー使用量を低減する傾向があるが、従来のバッチ式混練機では、固形分が高い状況において、材料を十分に分散させることができず、スラリを所望の粘度まで低減させることができなかった。そのため、後処理として別の装置で粘度調整をする必要があった。

【0007】

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電極材料の組成を変更することなく分散性を向上させることで塗工工程に適した粘度の二次電池電極スラリを一台の装置で製造できるようにすることにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記の目的を達成するために、この発明では、二軸連続式混練機を用いて回転数を調整することで、混練される材料の分散状況をコントロールして、スラリ粘度を適切になるようにした。

【0009】

具体的には、第１の発明の二次電池電極スラリの製造方法では、
排出口及び少なくとも１つの供給口を有する筒状のハウジングと、
前記ハウジングの内部に平行に配置された二本一対の回転シャフトと、
前記回転シャフトに軸方向に取り付けられた複数の撹拌翼を有する二軸連続式混練機を用い、
活物質として黒鉛、バインダとしてスチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）水溶液、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）の粉体又は水溶液を前記ハウジングの供給口から投入し、
前記二本一対の回転シャフトを回転させることでスラリを製造する過程で、前記排出口から排出される混練後の製品（スラリ）の粘度を適時確認し、回転数を変化させて粘度調整する。

【0010】

上記の構成によると、二軸連続式混練機は材料に高い剪断力を与えることができるが、その回転シャフトの回転数を徐々に上げながら、材料に適した剪断力を加え、材料の分散状態を改善することで、後工程である塗工工程に適した粘度の二次電池電極スラリを排出口から排出できる。

【0011】

第２の発明では、第１の発明において、
第１活物質として４６重量％以上９９重量％以下の黒鉛を、
第２活物質として０重量％以上５０重量％以下の黒鉛を、
増粘剤として０．５重量％～２．０重量％のＣＭＣとなるようなＣＭＣ粉末又はＣＭＣ水溶液を、
バインダとして固形分が０．５重量％～２．０重量％となるようなＳＢＲ水溶液を、
それぞれ前記供給口から投入する。

【0012】

上記の構成範囲においては、回転条件を調整することで粘度が適性であり、塗工工程において、基材に塗工し易い二次電池電極スラリが得られる。

【0013】

第３の発明では、第１又は第２の発明において、
前記ハウジングの内部に設けたジャケットに冷却水を循環させて室温よりも低温に保ちながら二次電池電極スラリを製造する。

【0014】

上記の構成によると、ハウジングのジャケットから効率よくハウジング内を冷却できるので、製品の温度を低く保つことにより、混練により生じる発熱による材料のダメージを抑制し、品質の安定した二次電池電極スラリが得られる。装置サイズによっては、回転シャフト内にも冷却水を通水することで装置内の材料を冷却する場合もある。これらの冷却機構により、混練による発熱で材料がダメージを受けることを抑制することができる。

【発明の効果】

【0015】

以上説明したように、本発明によれば、電極材料の組成を変更することなく塗工工程に適した粘度の二次電池電極スラリを一台の装置で製造できる。このため、塗工工程の前に二次電池電極スラリの粘度調整をする別の装置を設ける必要がなくなり、工程を短縮できると共に、別の装置の設置スペースも省ける。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】二軸連続式混練機を示す平面図である。

【図2】本発明に係る二次電池電極スラリの製造方法によって、ＣＭＣを水溶液で供給した場合の、２通りの一時間当たりの二次電池電極スラリの排出量における、回転数と粘度の関係を示すグラフである。

【図3】本発明に係る二次電池電極スラリの製造方法によって、ＣＭＣを粉で供給した場合の、２通りの一時間当たりの二次電池電極スラリの排出量における、回転数と粘度の関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

【0018】

－二軸連続式混練機の構成－
図１は本発明の実施形態に係る二軸連続式混練機１を示し、例えば、この二軸連続式混練機１は、工場などの地面に載置されるベース２と、ベース２上の定位置にそれぞれ設けられる、駆動部３及び胴体部４を備えている。

【0019】

駆動部３は、例えば、電動機５と、この電動機５の駆動力が入力軸６ｂを介して伝達されるギヤボックス６とを備えている。本実施形態では、ギヤボックス６から一対の出力軸６ａが延びており、各出力軸６ａには、継手７を介して回転シャフト８が連結されている。

【0020】

二軸連続式混練機１は、胴体部４に排出口（図示せず）及び少なくとも１つの供給口１１を有する筒状のハウジング１０を備えている。排出口は、ハウジング１０の下部に設けられている。供給口１１は、図示するものの他に下流側に例えば、希釈液を供給する供給口が１つ以上設けられている。このハウジング１０の内部に二本一対の回転シャフト８が平行に軸支されている。それぞれの回転シャフト８に軸方向には、複数の撹拌翼が取り付けられている。

【0021】

詳しくは図示しないが、ハウジング１０内の送りゾーン、固練ゾーン、混練ゾーン、希釈ゾーンを設けたり、各部分の長さを調整したり、それぞれ異なる形状の撹拌翼を取り付けたりすることも可能となっている。

【0022】

－二次電池電極スラリの製造方法－
上述したような二軸連続式混練機１を用い、活物質、バインダ、増粘剤や希釈溶剤等の電極材料をハウジング１０の供給口１１から投入する。

【0023】

上述の電極材料を供給口１１から二軸連続式混練機１に連続的に供給し、二本一対の回転シャフト８を回転させることで電極材料を混練する。排出口から排出される混練後の製品の粘度を確認し、所望の粘度になるよう回転するように調整することで粘度を調整する。

【0024】

このとき、ハウジング１０の内部に設けたジャケットやシャフトに組み込んだロータリージョイントに冷却水を循環させて室温よりも低温に保ちながら二次電池電極スラリを製造するこれにより、混練による発熱で材料がダメージを受けることなく、品質の安定した二次電池電極スラリが得られる。

【0025】

以上説明した方法により、粘度が適性であり、塗工工程において、基材に塗工し易い二次電池電極スラリが得られる。この適度な粘度の二次電池電極スラリは、塗工工程で基材としての電極集電体に塗布される。粘度が最適に保たれているので、粘度が低すぎたり高すぎたりして所望の幅に塗工できない等の問題は生じず、また、粘度が高すぎてスラリが固く、塗工装置の入口が固まり塗工できない等の問題も生じない。

【0026】

このように、二軸連続式混練機１は、材料に高い剪断力を与えることができ、その回転シャフト８の回転数を徐々に上げながら、材料に適した剪断力を加え、材料の分散状態を改善することで、後工程である塗工工程に適した粘度の二次電池電極スラリを排出口から排出できる。

【0027】

－実施例－
二軸連続式混練機１として、直径５０ｍｍ長さ約６６０ｍｍの撹拌羽根などの混練部分を有し、回転数が６０ｒｐｍから６００ｒｐｍ、１２００ｒｐｍまで変更可能なものを使用した。ハウジング１０のジャケットには、８℃の冷却水を循環させた。

【0028】

供給口１１から投入された後の固練ゾーンでの固形分を６３重量％として材料を効果的に分散させ、その後希釈ゾーンで希釈し、５６重量％の固形分割合で排出する。

【0029】

一例として、第１活物質として８５重量％以上９０重量％以下の黒鉛を、第２活物質として７．５重量％以上１２．５重量％以下の黒鉛を、増粘剤として０．５重量％～２．０重量％のＣＭＣ水溶液（約１％濃度）を、バインダとして０．５重量％～２．０重量％のＳＢＲ水溶液を、それぞれ供給口１１から投入し、回転数を６００ｒｐｍから１２００ｒｐｍに変化させた。１時間当たりの二次電池電極スラリの重さを４０ｋｇにした場合と、６０ｋｇにした場合を図２に示す。

【0030】

この図に示すように、回転シャフト８の回転数を徐々に上げていくと、１時間当たり４０ｋｇの排出量の場合、２４．３Ｐａ・ｓから８．３Ｐａ・ｓに、１時間当たり６０ｋｇの排出量の場合、２８．５Ｐａ・ｓから１３．６Ｐａ・ｓに、粘度が徐々にほぼ直線状に低下することが分かる。それは１時間当たりに排出される二次電池電極スラリの重さが４０ｋｇの場合も６０ｋｇの場合も同様であった。

【0031】

また、別の例として、増粘剤として０．５重量％～２．０重量％の、ＣＭＣ水溶液ではなく、粉のままのＣＭＣを供給口１１から投入した場合について図３に示す。

【0032】

この場合にも、回転シャフト８の回転数を徐々に上げていくと、１時間当たり４０ｋｇの排出量の場合、２２．１Ｐａ・ｓから５．２Ｐａ・ｓに、１時間当たり６０ｋｇの排出量の場合、２８．０Ｐａ・ｓから１２．２Ｐａ・ｓに、粘度が徐々にほぼ直線状に低下することが分かる。

【0033】

これらの結果から、二軸連続式混練機１の回転数を低速の６００ｒｐｍから高速の１２００ｒｐｍの間で徐々に回転数を上げながら排出される二次電池電極スラリの粘度を低下させることにより、適切な粘度の二次電池電極スラリを得ることができることが分かった。

【0034】

したがって、本実施形態に係る二次電池電極スラリの製造方法によると、塗工工程に適した粘度の二次電池電極スラリを一台の装置で製造できる。

【0035】

このため、塗工工程の間に二次電池電極スラリの粘度調整をする別の装置を設ける必要がなくなり、工程を短縮できると共に、別の装置の設置スペースも省ける。

【0036】

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。

【符号の説明】

【0037】

１ 軸連続式混練機
２ ベース
３ 駆動部
４ 胴体部
５ 電動機
６ ギヤボックス
６ａ 出力軸
６ｂ 入力軸
７ 継手
８ 回転シャフト
１０ ハウジング
１１ 供給口

【図1】

【図2】

【図3】