(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-01-13
(45)【発行日】2022-02-10
(54)【発明の名称】攪拌装置
(51)【国際特許分類】
B01F 27/80 20220101AFI20220203BHJP
B01F 35/71 20220101ALI20220203BHJP
B01F 35/75 20220101ALI20220203BHJP
B01F 23/50 20220101ALI20220203BHJP
H01M 4/139 20100101ALI20220203BHJP
H01M 4/88 20060101ALN20220203BHJP
【FI】
B01F7/16 J
B01F7/16 F
B01F15/02 A
B01F15/02 B
B01F15/02 C
B01F3/12
H01M4/139
H01M4/88 Z
(21)【出願番号】P 2019030468
(22)【出願日】2019-02-22
【審査請求日】2021-11-12
(31)【優先権主張番号】P 2018096714
(32)【優先日】2018-05-21
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000225016
【氏名又は名称】プライミクス株式会社
(72)【発明者】
【氏名】大畠 積
(72)【発明者】
【氏名】森安 信彦
(72)【発明者】
【氏名】和仁 崇行
(72)【発明者】
【氏名】古市 尚
【審査官】山崎 直也
(56)【参考文献】
【文献】特開2003-047836(JP,A)
【文献】特開2007-125454(JP,A)
【文献】特開2006-212488(JP,A)
【文献】特開平05-105769(JP,A)
【文献】特開2015-044156(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
B01F 1/00- 5/26
B01F 7/00- 7/32
B01F 15/00-15/06
H01M 4/139
H01M 4/88
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、前記回転部材による遠心力によって前記回転部材と前記内壁面との間に膜状に存在させた攪拌対象を攪拌する攪拌装置であって、
前記容器は、前記攪拌対象を構成する粉末成分を投入するための第1投入口、前記攪拌対
象を構成する液体を含む成分を投入する第2投入口、及び前記粉末成分と液体を含む成分を混合した攪拌対象を排出するための排出機構を有し、
前記第1投入口及び前記第2の投入口は、前記容器の上面に配置され、
前記排出機構は、
前記容器の下部に配置される排出槽と、
前記容器と前記排出槽を連通する第1排出口と、
前記排出槽と外部を連通する第2排出口とを有し、
前記容器の内空間と前記排出槽の内空間は、前記容器の底部によって区画されている
ことを特徴とする攪拌装置。
【請求項2】
前記第1排出口には、
前記容器内の攪拌対
象を前記排出槽に移送する第2排出羽根を有することを特徴とする請求項1に記載の攪拌装置。
【請求項3】
前記第2排出羽根は、前記回転部材と回転軸を同じくし、かつ当該回転軸に対して螺旋状の表面溝を有することを特徴とする
請求項2に記載の攪拌装置。
【請求項4】
前記容器の底は、前記回転部材の回転軸に対して水平であることを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載の攪拌装置。
【請求項5】
前記
回転部材の筒状部は内外方向に貫通する複数の孔を有していることを特徴とする、請求項1~4のいずれかに記載の攪拌装置。
【請求項6】
前記液体を含む成分は溶質成分を含み、
前記溶質成分の平均粒子径は前記粉末成分の平均粒子径より小さい
ことを特徴とする請求項1~5のいずれかに記載の攪拌装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、分散処理を行うための攪拌装置であって、たとえば、電池用電極材料を含む塗料の製造等に用いられる装置に関する。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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高速攪拌機は、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有する高速攪拌機に攪拌対象物を連続的に供給し、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状態で連続攪拌するというものである。
この攪拌装置システム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。
【0004】
しかしながら、前記攪拌装置システムでは、高速攪拌機に供給される攪拌対象は予め材料全体をかき混ぜて混合状態を平均化しておく必要があるため、前工程として予備化攪拌工程が設けられている。
予備攪拌工程では、例えばリチウムイオン二次電池用の電極用塗料を製造する場合、活物質としての粉末、溶媒、バインダー等といった複数の構成成分を含む攪拌対象物を混合し、材料全体の混合状態を平均化する必要があるため、比較的高価な大型装置を使用して時間をかけて処理を行う必要がある。
このため、前記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は、コスト面での課題があった。
【0005】
この問題を解決する方法としては、予備攪拌工程を経由せずに高速攪拌機に撹拌対象物に含まれる粉末成分を直接投入する方法を採用し、装置構成を簡略化するのが有効である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
高速攪拌機に撹拌対象物に含まれる全ての構成成分を直接投入する方法を使用する場合、高速攪拌機の容器天板から重力落下を利用して容器内に投入し、容器の底側から排出するのが効率的である。
しかしながら、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状態で行う攪拌を行う場合において上記投入・排出方法を適用する場合、攪拌対象物の連続供給を阻害し、処理効率が著しく低下するという問題が生じる。
この問題を解決するために本発明の発明者らが鋭意検討したところ、高速攪拌機における攪拌対象の排出機構の構造及びその配置を見直すことにより、上記課題を解決できることを見出した。
【課題を解決するための手段】
【0008】
具体的には、本発明の攪拌装置は、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、前記回転部材による遠心力によって前記回転部材と前記内壁面との間に膜状に存在させた攪拌対象を攪拌する攪拌装置であって、前記容器は、前記攪拌対象を構成する粉末成分を投入するための第1投入口、前記攪拌対象を構成する液体を含む成分を投入する第2投入口、及び前記粉末成分と液体を含む成分を混合した攪拌対象を排出するための排出機構を有し、前記第1投入口及び前記第2の投入口は、前記容器の上面に配置され、前記排出機構は、前記容器の下部に配置される排出槽と、前記容器と前記排出槽を連通する第1排出口と、前記排出槽と外部を連通する第2排出口とを有し、前記容器の内空間と前記排出槽の内空間は、前記容器の底部によって区画されている(請求項1)。
【0009】
好ましくは、前記第1排出口には、前記容器内の攪拌対象を前記排出槽に移送する排出羽根を有する(請求項2)。また、前記第2排出羽根は、前記回転部材と回転軸を同じくし、かつ当該回転軸に対して螺旋状の表面溝を有する(請求項3)。さらに、容器の底は、前記回転部材の回転軸に対して水平である(請求項4)。さらに、前記回転部材の筒状部は内外方向に貫通する複数の孔を有している(請求項5)。
【0010】
本発明の攪拌装置に投入する撹拌対象物は、前記液体を含む成分は溶質成分を含み、前記溶質成分の平均粒子径は前記粉末成分の平均粒子径より小さいことが好ましい(請求項6)。
【発明の効果】
【0011】
前記のように容器が前記第1投入口及び前記第2投入口をそれぞれ設け、攪拌対象物を構成する粉末成分と液体を含む成分を分けつつ、攪拌容器内に投入すると、撹拌対象物の構成成分が投入経路内で滞留したり、攪拌容器内でダマ状の塊状物が生成したりする問題を解決できるだけでなく、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状態で行う攪拌の効果をより一層高めることができるようになる。
また、前記のように容器が前記粉末成分と液体を含む成分を混合した攪拌対象を排出するための排出機構を有し、前記排出機構は、前記容器の下部に配置される排出槽と、前記容器と前記排出槽を連通する第1排出口と、前記排出槽と外部を連通する第2排出口とを有すると、回転部材による遠心力によって高速で回転する攪拌処理対象物を、容器内で減速させずに排出槽内に移送した後に減速させることができるため、回転部材と内壁面との間に膜状に存在させた状態で行う攪拌の効果を阻害することなく、撹拌対象物の容器外への排出を円滑に行う事ができるようになる。
【0012】
また前記のように、第1排出口に、容器内の攪拌対象物を排出槽に移送する排出羽根を有すると、容器から排出槽への撹拌対象物の移送が円滑に行われ、容器内での撹拌対象物の余計な滞留を抑制しつつ、回転部材と内壁面との間に膜状に存在させた状態で行う攪拌の効果をより確実に発現させることができるようになる。
【0013】
また前記のように、第2の排出羽根が回転部材と回転軸を同じくし、かつ当該回転軸に対して螺旋状の表面溝を有すると、回転部材による遠心力によって高速で回転する攪拌処理対象物が容器内で減速することを抑制しつつ、撹拌対象物を排出槽内に移送することができ、回転部材と内壁面との間に膜状に存在させた状態で行う攪拌の効果をより確実に発現させることができるようになる。
【0014】
また前記のように、前記容器の底が回転部材の回転軸に対して水平であると、攪拌処理物を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状態を維持しやすくなるので、回転部材と内壁面との間に膜状に存在させた状態で行う攪拌の効果をより確実に発現させることができるようになる。
【0015】
また前記のように、筒状部が内外方向に貫通する複数の孔を有していると、上記のようにして容器内に投入された粉末成分及び液体を含む成分を、直ちに回転部材と内壁面との間に撹拌対象物を送り込んで攪拌対象を膜状に存在させた状態で行う攪拌処理を行うことができ、回転部材と内壁面との間に攪拌対象を膜状に存在させた状態で行う攪拌の効果をより一層高めることができるようになる。
【0016】
また、液体を含む成分が溶質成分を含み、この溶質成分の平均粒子径が粉末成分の平均粒子径より小さい場合、これらを含む攪拌処理対象物を高速攪拌機で処理すると、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攪拌対象を膜状に存在させた状態で行う攪拌の効果がより顕著に発現できるようになる。
【0017】
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。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【発明を実施するための形態】
【0019】
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は本発明の攪拌装置の内部構造を示す概略図である。
図1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6を中心として高速回転する回転部材7とを有する。
容器2は、円筒状の内壁面21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6は、これに接続された高トルクモータ(図示せず)によって高速回転し、これに伴って回転部材7も高速で回転する。
回転部材7は、容器2の内壁面21に対して1~10mm程度のわずかな隙間を介して対向する筒状部8を有する。
筒状部8の内側には、水平に回転する水平部9が配置されている。水平部9の形状は円盤状であり、筒状部8と同心状となるように一体的に構成されている。水平部の下面側には回転軸が接続されており、水平部9は回転部材7とともに回転軸6を中心として高速で回転する。
容器2の天板上方には、第1投入口3及び第2投入口4がそれぞれ設けられている。
攪拌装置1への攪拌対象物の投入は、液体を含まない粉末成分と液体を含む成分に分けて行う。
液体を含まない粉末成分の投入は第1投入口3を経由して行われ、液体を含む成分の投入は第2投入口4を経由して行われる。
【0020】
上記のように容器2内に投入された撹拌対象物の各成分は、高速回転する回転部材7の作用によって回転部材7の筒状部8の内周面82付近に到達し、高速回転する回転部材7の筒状部8によって付加される遠心力により、筒状部8の内外方向に貫通する複数の孔(図示せず)を経由して、容器2の内壁面21と回転部材7の筒状部8の間のわずかな隙間に移送される。
容器2の内壁面21と回転部材7の外周面81のわずかな隙間では、攪拌対象が回転部材7による遠心力の作用により容器2の内壁面21に押し付けられ、回転部材7の外周面81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物は、回転部材7の回転に伴って容器2内を高速で旋回する。
このとき、膜状となった攪拌対象物が、回転する回転部材7の外周面81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施される。
以上のようにして処理された攪拌対象物は、容器2内を順次降下して容器2の底部22に到達し、底部22の中央に配置され、容器2と排出槽51を連通する第1排出口を経由して排出槽51に移送される。
【0021】
容器2の底部22は、回転部材7の遠心力による撹拌対象物の膜状化を維持するために回転部材7の回転軸6に対して水平となっており、底部22上を高速で旋回する攪拌対象物を底部22中央の第1排出口54から効率的に排出するのは通常困難となる。
このため、第1排出口54に第2排出羽根53を配置し、底部22上を高速で回転する攪拌対象物を底部22中央の第1排出口54から効率的に排出できるようにしている。
第2排出羽根53は、回転部材7と回転軸6を同じくしており、高速で回転する。
また、第2排出羽根53の表面には、回転軸6に対して螺旋状の表面溝が形成されている。
以上の構成により、回転部材7の遠心力による撹拌対象物の膜状化を維持しつつ、底部22上を高速で回転する攪拌対象物を底部22中央の第1排出口54を経由して、効率的に排出槽51に移送することができるようにしている。
【0022】
排出槽51に移送された攪拌対象物は、排出槽51内で回転速度が減速され、第2排出口55を経由して容器2外に排出される。
排出槽51内には、回転部材7と回転軸6を同じくする第1排出羽根52が配置されている。
第1排出羽根52は、第2排出口55からの撹拌対象物の排出を促す機能を有する。
【0023】
次に、本発明の攪拌装置及び比較例の攪拌装置を、リチウムイオン二次電池の電極用塗料の製造に適用した例について説明する。
【0024】
(実施例)
本実施例では、
図1に示す本発明の攪拌装置を使用し、粉末成分としてリチウム二次電池用正極活物質(Ni-Co-Mn系(NCM))粉末(平均粒子径10.5μm)を第1投入口から投入し、液体を含む成分として導電材(カーボンブラック)及び結着剤(PVDF)を含む導電材スラリーを第2投入口から投入して、回転部材7及び水平部9を周速25m/secで回転させながら処理した。
(比較例)
本比較例では、
図2に示す特許文献1相当の攪拌装置を使用した。
本比較例の攪拌装置は、高速攪拌機300で処理する前に、攪拌対象物をある程度混合させておくための予備攪拌タンク100を有している。
予備攪拌タンク100は、垂直状の回転軸101周りに高速回転する小径の攪拌羽根102と、同じく垂直状の回転軸103周りに低速回転する大径の攪拌羽根104とを備えており、材料ホッパ120、130から投入された材料を溜めて、両攪拌羽根102、104を回転させることにより、攪拌対象物を予備攪拌する。
小径の攪拌羽根102が高速回転することにより、撹拌対象物を混合させ、大径の攪拌羽根104が回転することにより、攪拌対象物の混合状態を平均化する。
次いで混合状態が平均化された撹拌対象物は、高速攪拌機300に移送されて処理される。
【0025】
高速攪拌機300は、容器310と、この容器310の中心を垂直方向に延びる回転軸350を中心として高速回転する回転部材330とを有する。
上記容器310は、略円筒状の内壁面311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。上記回転軸350は、容器310の上部に搭載された高トルクモータ351によって高速回転させられる。上記容器310の底部には、上記下部空間につながる材料供給口314が設けられており、この材料供給口314から、混合状態が平均化された撹拌対象物が供給される。上記容器310の上部には、上記上部空間につながる排出口315が設けられており、スラリー状の攪拌済み材料が外部に排出される。
本比較例では、実施例で使用したNi-Co-Mn系(NCM)活物質粉末、導電材(カーボンブラック)及び結着剤(PVDF)を実施例と同じ配合比で予備攪拌処理した後、実施例と同じ周速25m/secで高速攪拌300による処理を行った。
【0026】
以上のようにして作製された実施例及び比較例のリチウムイオン二次電池の電極用塗料を比較したところ、実施例の塗料は比較例の塗料に比べ、導電材の凝集物の生成を抑制することができ、さらに長期に亘って導電材の再凝集を抑制することができ、極めて高度な安全性が要求される電池に好適な電極用塗料を製造することができることが確認できた。
【0027】
なお上記例においては、粉末成分としてリチウム二次電池用正極活物質(Ni-Co-Mn系(NCM))粉末、液体を含む成分として導電材(カーボンブラック)及び結着剤(PVDF)を含む導電材スラリーを使用したが、これらの物質に限らず、他の活物質、添加材であっても同等の効果を得ることができる。
【0028】
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。
【符号の説明】
【0029】
1 攪拌装置
2 容器
3 第1投入口
4 第2投入口
5 排出機構
6 回転軸
7 回転部材
8 筒状部
9 水平部
10 メカニカルシール
22 底部
51 排出槽
52 排出羽根
53 第2排出羽根
54 第1排出口
55 第2排出口
81 外周面
82 内周面
100 予備攪拌タンク
101,103 回転軸
102,104 攪拌羽根
110 ジャケット
120,130 材料ホッパ
140 排出口
150 ポンプ
200 貯蔵タンク
201 回転軸
202 攪拌羽根
210 ジャケット
220 ポンプ
300 高速攪拌機
310 容器
311 内壁面
314 材料供給口
315 排出口
330 回転部材
350 回転軸
351 高トルクモータ
410 排出経路
411 冷却管