(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活物質である粉末材料と、バインダー液と、を貯留する二以上の貯留室と、
前記粉末材料及び前記バインダー液を混練する混合室と、
前記混合室と前記貯留室とを連通する連通路に備えられ、前記連通路を開閉する開閉弁と、
前記混合室の内部の圧力と前記貯留室の内部の圧力とをそれぞれ調整する圧力調整手段と、
前記開閉弁と前記圧力調整手段とを制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記圧力調整手段の制御により前記貯留室の内部の圧力を前記混合室の内部の圧力よりも大きく調整した後、
前記開閉弁の制御により前記貯留室の前記粉末材料を前記バインダー液よりも先に前記混合室に投入することを特徴とする混合装置。
【請求項２】
前記圧力調整手段は、前記混合室の内部の圧力と前記貯留室の内部の圧力とをそれぞれ減圧する減圧装置によって構成されることを特徴とする請求項１に記載の混合装置。
【請求項３】
前記圧力調整手段は、前記貯留室及び前記混合室の内部をそれぞれ真空状態とするとともに、前記混合室の真空度を前記貯留室の真空度よりも大きく調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の混合装置。
【請求項４】
活物質である粉末材料と、バインダー液と、を貯留する二以上の貯留室と、前記粉末材料及び前記バインダー液を混練する混合室と、前記混合室と前記貯留室とを連通する連通路に備えられ、前記連通路を開閉する開閉弁と、前記混合室の内部の圧力と前記貯留室の内部の圧力とをそれぞれ調整する圧力調整手段と、前記開閉弁と前記圧力調整手段とを制御する制御手段と、によって構成される混合装置における、材料の混合方法であって、
前記貯留室の内部の圧力を前記混合室の内部の圧力よりも大きく調整した後、
前記開閉弁を制御して、前記貯留室の前記粉末材料を前記バインダー液よりも先に前記混合室に投入し、
投入された前記粉末材料及び前記バインダー液を混練することを特徴とする混合方法。
【請求項５】
前記貯留室の内部の圧力を前記混合室の内部の圧力よりも大きく調整する際に、前記貯留室及び前記混合室の内部をそれぞれ真空状態とするとともに、前記混合室の真空度を前記貯留室の真空度よりも大きく調整することを特徴とする請求項４に記載の混合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の材料を混練して、例えば、スラリー等を生成する混合装置及び混合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体や粉末固体等の材料を装置内に投入し、これを混練してスラリー等の生成物を生成する混合装置において、装置内部に付着する水分や気泡が生成物に混入することを防ぐために、装置内部を真空状態に設定するものが知られている。
【０００３】
具体的には、圧力（気圧）を減少させて、減圧状態（真空）を作り出すことによって水分を気化させる。水の沸点は気圧が下がると低下するので、混合装置内部を真空状態とすることで室温で水が沸騰し気体となる。これにより生成物の水分が除去できる。
【０００４】
また、水分の混入防止には、混練前の材料を真空状態とする必要がある。これは、混練時に水分子がスラリー中に取り込まれてしまい、混練後のスラリーを減圧しても水分が蒸発されない場合があるためである。
【０００５】
混合装置に水分が混入することを防止する方法として、混合装置全体をドライルームに設置する方法が考えられる。しかし、ドライルームの設置は高価であるという問題がある。
【０００６】
このような問題に対して、真空室を設け、この真空室内に、各溶液を別々に貯留する複数の溶液容器と、これら各溶液を混合する混合容器とを設け、各溶液容器で、混合前の各溶液を別々の状態で真空状態にて脱泡し、その後、真空状態のまま、混合容器で、各溶液を混合するようにした混合装置（特許文献１、参照。）が知られている。
【０００７】
また、関連する特許文献として、特許文献２が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−１２８０９３号公報
【特許文献２】特開平０２−１７２５２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、リチウムイオン電池の電極材料の混練による電極スラリーの調整は、電池の性能及び品質の確保のためにきわめて重要な行程である。この行程においては、材料の劣化抑制及び性能確保のために水分の混入を抑制する必要がある。
【００１０】
さらに、電極材料の配合量は電池性能に大きく影響するため、正確な配合量が要求される。
【００１１】
前述の特許文献１に記載の混合装置は、生成物に水分が混入することを防ぐことができる。
【００１２】
しかし、混合容器とは別の溶液容器が必要となるため、電極材料を混練する際に、溶液容器に材料の一部が残留してしまう。そのため、正確な配合量のスラリーを得ることが困難となる。
【００１３】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、ドライルーム等の大がかりな設置を必要とせず、材料を正確な配合量で混練することができる混合装置及び混合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の一実施態様によると、混合装置は、活物質である粉末材料と、バインダー液と、を貯留する二以上の貯留室と、粉末材料及びバインダー液を混練する混合室と、混合室と貯留室とを連通する連通路に備えられる連通路を開閉する開閉弁とを備える。
【００１５】
さらに、混合装置は、混合室の内部の圧力と貯留室の内部の圧力とをそれぞれ調整する圧力調整手段と、開閉弁と圧力調整手段とを制御する制御手段と、を備える。
【００１６】
この混合装置において、制御手段は、圧力調整手段の制御により貯留室の内部の圧力を混合室の内部の圧力よりも大きく調整した後、開閉弁の制御により貯留室の粉末材料をバインダー液よりも先に混合室に投入し、投入された粉末材料及びバインダー液を混練するすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によると、粉末材料及びバインダー液を貯留室と混合室との圧力の差によって混合室に確実に投入するため、貯留室に材料が残留することを防止して、材料を正確な配合量で混練することができる。これにより、リチウムイオン電池の電極材料であるスラリーを正確に生成することができるので、コストを低減することができるとともに、電池の性能及び品質を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態の混合装置の説明図である。
【図２】本発明の実施形態の混合装置による混練処理のフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態の混合装置の変形例の説明図である。
【図４】本発明の実施形態の混合装置の別の変形例の説明図である。
【図５】本発明の実施形態の混合装置の他の変形例の説明図である。
【図６】本発明の実施形態の混合装置の他の変形例の説明図である。
【図７】本発明の実施形態の混合装置の他の変形例の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２０】
図１は本発明の実施形態の混合装置１０の説明図である。
【００２１】
混合装置１０は、上部に開口部を備えた有底のタンク１１と、タンク１１の開口部を閉塞する蓋状のフード１２と、タンク１１の内部に投入する材料を貯留する二つの貯留室（副室２１及び副室２２）とを備える。
【００２２】
フード１２とタンク１１とを閉じた状態で構成される内部空間が、投入された材料を混練する混合室１６として構成される。この内部空間は、フード１２とタンク１１とが閉じた状態で、外気に対して密閉される。
【００２３】
フード１２の天井部の略中央には、軸１３がタンク１１の筒方向に貫通して備えられる。軸１３は、枠型ブレード１４が偏心して備えられる。
【００２４】
軸１３は、この軸１３を回転駆動させる駆動源１５が備えられる。駆動源１５が軸１３を回転駆動することによって枠型ブレード１４が偏心して回転する。これにより混合室１６に投入された材料が撹拌され、材料の混練が行われる。
【００２５】
副室２１は、フード１２を貫通する連通路２３を介して、混合室１６に連通する。この連通路２３は、連通路２３を閉塞及び開成する開閉弁としてのバルブ３１が備えられる。
【００２６】
同様に、副室２２は、フード１２を貫通する連通路２４を介して、混合室１６に連通する。この連通路２４は、連通路２４を閉塞及び開成する開閉弁としてのバルブ３２が備えられる。
【００２７】
これら副室２１及び副室２２は、それぞれフード２５及びフード２６を備える。副室２１及び副室２２は、フード２５及びフード２６が閉じた状態で、外気に対して密閉される。
【００２８】
フード１２には、バルブ３５を介して真空ポンプ４０が接続される。同様に、副室２１及び副室２２には、それぞれバルブ３３及び３４を介して真空ポンプが接続される。
【００２９】
真空ポンプ４０は、混合室１６、副室２１及び副室２２の内部を減圧することによって、これら各室を真空状態にする。バルブ３３、バルブ３４及びバルブ３５は、副室２１、副室２２及び混合室１６の真空度を調整する。
【００３０】
なお、本発明の実施形態では、真空状態とは、水分が常温において気化する程度の圧力とする。例えば、−０．１［ＭＰａ］（ゲージ圧）程度とする。
【００３１】
制御装置５０は、各バルブ３１〜３５の開閉、真空ポンプ４０の動作、駆動源１５の駆動を制御する。
【００３２】
制御装置５０が、真空ポンプ４０の動作及びバルブ３３〜３５の開閉状態を制御することによって、混合室１６、副室２１及び副室２２の内部の真空度を調整する。これにより、圧力調整手段が構成される。
【００３３】
また、制御装置５０が、バルブ３１、３２の開閉状態を制御するとともに、駆動源１５を制御して材料の混練を行う。これにより、制御手段が構成される。
【００３４】
なお、これら混合室１６、副室２１及び副室２２の内部の真空度は、各室内に真空計を備えて、この真空計によって計測された値に基づいて、各室の真空度を制御してもよい。
【００３５】
または、バルブ３３〜３５が、各室の真空度と真空ポンプ４０の圧力とに応じて、自動的に開閉するように構成されていてもよい。
【００３６】
このように構成された本発明の実施形態の混合装置１０の動作を説明する。
【００３７】
本実施形態の混合装置１０は、リチウムイオン電池（リチウムイオンポリマー二次電池）の電極材料を均一に混練するスラリー調製を行う。
【００３８】
電極材料は、活物質であるリチウム複合酸化物及び導電材であるカーボン粉末の混合物（粉末材料）と、バインダー樹脂を有機溶剤に溶解したバインダー液と、を混練して生成する。
【００３９】
なお、活物質として、例えば、マンガン酸リチウム粉末及びニッケル酸リチウム粉末を用いる。バインダー樹脂として、例えば、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）を用いる。有機溶剤として、例えば、ＮＭＰ（ｎ−メチル−２−ピロリドン）を用いる。
【００４０】
これらの材料を混練することによるスラリー調製は、リチウムイオン電池の性能及び品質の確保のためにきわめて重要な行程である。
【００４１】
この行程においては、材料の劣化抑制及び性能確保のために水分の混入を抑制する必要がある。さらに、電極材料の配合量は電池性能に大きく影響するため、正確な配合量が要求される。
【００４２】
本実施形態では、真空ポンプ４０によって混合室１６、副室２１及び副室２２の内部を真空状態として、副室２１及び副室２２に予め貯留されている材料の水分を蒸発する。
【００４３】
また、副室２１及び副室２２と、混合室１６との真空度を変えることによって、気圧差を利用して材料を副室２１及び副室２２から混合室に投入する。これにより、副室２１及び２２の壁面に付着した材料の残留を防ぐことができる。
【００４４】
そして、真空状態の混合室１６において材料を混練することで、生成されるスラリーに水分が混入することを防止する。
【００４５】
図２は、本実施形態の制御装置５０によって実行される混練処理の制御のフローチャートである。
【００４６】
まず、予め、作業者が副室２１及び副室２２に材料を貯留する（Ｓ１０１）。副室２１に粉末材料を、副室２２にバインダー液をそれぞれ投入した後、副室２１及び副室２２のフード２５及びフード２６を閉塞する。
【００４７】
次に、ステップＳ１０２において、混合室１６、副室２１及び副室２２の真空度を調整する。具体的には、制御装置５０は、真空ポンプ４０を動作させるとともにバルブ３３及び３４を制御して、副室２１及び副室２２を所定の真空度に減圧する。
【００４８】
副室２１及び副室２２の所定の真空度は、例えば、−０．０７［ＭＰａ］（ゲージ圧）とする。これにより、副室２１及び副室２２が真空状態となり、貯留された材料の水分が蒸発する。
【００４９】
また、制御装置５０は、真空ポンプ４０及びバルブ３５を制御して、混合室１６を所定の真空度に減圧する。
【００５０】
混合室１６の真空度は、副室２１及び２２の内部の真空度よりも大きく調整する。例えば、混合室１６の所定の真空度は、−０．１［ＭＰａ］（ゲージ圧）とする。これにより、混合室１６が真空状態となり、混練時に材料に水分が混入することを防ぐ。
【００５１】
混合室１６、副室２１及び副室２２を真空状態に調整した後、制御装置５０は、バルブ３１を開き、副室２１に貯留されている粉末材料を混合室１６に投入する（Ｓ１０３）。
【００５２】
このとき、副室２１の真空度は混合室１６の真空度よりも小さいので、圧力差によって粉末材料が混合室１６へと吸引されるように投入される。これにより材料が副室２１の内部に残留することが防止される。
【００５３】
次に、制御装置５０は、混合室１６の内部の圧力を再び所定の真空度に調節する。そして、バルブ３１を閉じる（Ｓ１０４）。
【００５４】
次に、制御装置５０は、駆動源１５を制御して枠型ブレード１４を所定の回転速度（例えば、１０ｒｐｍ）で回転させる（Ｓ１０５）。
【００５５】
そして、枠型ブレード１４を回転させた状態で、制御装置５０は、バルブ３２を開き、副室２２に貯留されている材料（バインダー液）を混合室１６に投入する（Ｓ１０６）。
【００５６】
このときも前述のステップＳ１０３と同様に、副室２２の真空度が混合室１６の真空度よりも小さいので、圧力差によってバインダー液が混合室１６へと吸引されるように投入される。これにより材料が副室２２の内部に残留することが防止される。
【００５７】
次に、制御装置５０は、混合室１６の内部の圧力を再び所定の真空度に調節する。そして、バルブ３２を閉じる（Ｓ１０７）。
【００５８】
次に、制御装置５０は、タンク１１の内部の真空度を保ったまま、枠型ブレード１４を回転させる。これにより、投入された粉末材料及びバインダー液を混練する（Ｓ１０８）。
【００５９】
以上のような処理によって、材料の混練処理が完了し、スラリー調製が完了する。
【００６０】
次に、本実施の形態の変形例について説明する。
【００６１】
図３は、本実施の形態の変形例の混合装置１０の説明図である。
【００６２】
前述の図１の混合装置１０に対して、図３の変形例では、連通路２３及び連通路２４を、フード１２ではなく、タンク１１に連通するように構成した。
【００６３】
なお、その他の各構成や図２に示す混練処理は同一である。
【００６４】
図４は、本実施形態の別の変形例の混合装置１０の説明図である。
【００６５】
この図４に示す混合装置１０は、副室２２の連通路２４が、副室２１のフード２５に連通するように構成した。なお、その他の各構成は図１に示す構成と同一である。
【００６６】
この図４に示す変形例では、図２の混練処理が一部異なる。
【００６７】
具体的には、ステップＳ１０３で副室２１に貯留された材料を混合室１６に投入した後、ステップＳ１０４の処理では、制御装置５０は、混合室１６の真空度を調節するが、バルブ３１は開放したままとする。
【００６８】
そして、ステップＳ１０６において、制御装置５０は、バルブ３２を開いて、副室２２に貯留されている材料を混合室に投入する。
【００６９】
材料の投入後、ステップＳ１０７において、制御装置５０は、混合室１６の圧力を調整した後、バルブ３１を閉じる。
【００７０】
なお、その他の処理は図２のフローチャートと同一である。
【００７１】
図５は、本実施形態の他の変形例の混合装置１０の説明図である。
【００７２】
図５に示す混合装置１０は、前述の図４に示す混合装置１０と類似しており、副室２２の連通路２４が、副室２１のフード２５に連通するように構成した。そしてさらに、副室２１の連通路２４が、タンク１１に連通するように構成した。
【００７３】
このように構成された混合装置１０の混練処理は、前述の図４に示す混合装置１０の混練処理と同一である。
【００７４】
図６は、本実施形態の他の変形例の混合装置１０の説明図である。
【００７５】
図６に示す混合装置１０は、副室２１の連通路２３がタンク１１に連通し、副室２２の連通路２４がフード１２に連通するように構成した。
【００７６】
なお、その他の各構成や図２に示す混練処理は同一である。
【００７７】
このように、本発明の実施形態の混合装置１０は、図１、図３ないし図６に示すような、様々な構成をとることができる。これにより、設備や製造ラインの都合に合わせて適切な構成を適宜採用することができる。
【００７８】
図７は、本実施形態の混合装置１０による効果を示す説明図である。
【００７９】
前述の図１、図３ないし図６のように構成された混合装置１０のそれぞれについて、実験を行った。
【００８０】
また、比較対象として、特許文献１（特開平１０−１２８０９３号公報）のように構成された混合装置（比較例１）と、特許文献２（特開平０２−１７２５２７号公報）のように構成された混合装置（比較例２）とについても実験を行った。
【００８１】
なお、いずれの混合装置も、気温２３±５℃、湿度３５ＲＨ％の雰囲気下で実験を行った。
【００８２】
本実施形態の構成例である図１、図３ないし図６の混合装置１０では、第１の副室（副室２１）に粉末材料（正極材料）４８００ｇを貯留し、第２の副室（副室２２）にバインダー液２５００ｇを貯留した。
【００８３】
そして、副室を−０．０７［ＭＰａ］、混合室を０．１［ＭＰａ］に設定して、前述の図２のフローチャートに示す手順でスラリー調製を行った。
【００８４】
その後、カールフィッシャー水分計により、生成されたスラリーに含まれる水分量を測定した。
【００８５】
また、第１の副室、第２の副室それぞれについて、副室を取り外し、副室の前後の重量差から副室への材料の付着量を測定した。
【００８６】
また、比較例１では、特許文献１の図１に記載の混合装置と同等の混合装置を試作した。具体的には、真空ポンプを接続した真空室１内部に、回転可能な溶液容器３及び溶液容器４を備え、その下方に、混合容器５を備え、混合容器５に、攪拌機８を備えた。
【００８７】
この混合装置において、溶液容器３に粉末材料４８００ｇを貯留し、溶液容器４にバインダー液２５００ｇを貯留した。
【００８８】
そして、真空室１内を−０．１［ＭＰａ］に設定した後、溶液容器３を傾け、粉末材料を混合容器５に投入した。続いて溶液容器４を傾け、バインダー液を混合容器５に投入した。そして、攪拌機８によって撹拌することによってスラリー調製を行った。
【００８９】
その後、カールフィッシャー水分計により、生成されたスラリーに含まれる水分量を測定した。
【００９０】
また、溶液容器３、溶液容器４それぞれについて、容器を取り外し、容器の前後の重量差から、容器への材料の付着量を測定した。
【００９１】
また、比較例２では、特許文献２の図２に記載の真空式ミキサーと同等の混合装置を試作した。具体的には、真空ポンプを接続したタンク９内部に、回転可能なブレード２１を備えた。
【００９２】
この混合装置において、まず真空フード８を開放して粉末材料４８００ｇ及びバインダー液２５００ｇを投入した。そして、真空フード８を閉鎖した後、枠型ブレード１４を１０ＲＰＭで１０分間運転した。
【００９３】
その後、タンク内を−０．１ＭＰａに設定した後、スラリー調製を行った。
【００９４】
その後、カールフィッシャー水分計により、生成されたスラリーに含まれる水分量を測定した。
【００９５】
図７に示すように、本実施形態の混合装置１０（図１、図３、図４、図５，図６）では、いずれも生成されたスラリー中の水分量は０．０５ｗｔ％であった。第１の副室、第２の副室への材料の付着は、いずれも１ｇ以下であった。
【００９６】
また、生成されたスラリーは、電極材料として良好な状態であった。
【００９７】
一方、比較例１では、スラリー中の水分量は０．０５ｗｔ％であった。溶液容器３への材料の付着量は２．３ｇだった。また、溶液容器４への材料の付着量は６７ｇであった。
【００９８】
また、生成されたスラリーは、粉末材料の分散が悪く、粉末材料の凝縮が多数生じていた。そのため、電極材料としては正常に使用できるものではなかった。
【００９９】
また、比較例２では、スラリー中の水分量は０．７５ｇであった。生成されたスラリーは、電極材料として良好な状態であった。なお、比較例２は副室が無いので、材料の付着は存在しない。
【０１００】
これら実験結果から、本実施形態の混合装置１０は、従来の混合装置によるスラリー調製と比較して、材料の残留が少なく、生成されたスラリー中の水分量も少ないものであることが明らかとなった。
【０１０１】
以上のように、本発明の実施の形態の混合装置１０は、材料を混練する混合室１６と貯留室（副室２１及び副室２２）とを備え、これら各室を真空状態とすることができるように構成した。
【０１０２】
このように構成することによって、混練したスラリー中の水分を抑制するためにドライルーム等の大がかりな装置の設置が必要なくなる。これにより、設備コストを低減することができる。
【０１０３】
またさらに、各室の内壁の吸着水分を、真空により気化することで除去することができる。これにより、混練した後のスラリー中の水分を大幅に低下させることができる。
【０１０４】
また本発明の実施形態の混合装置１０は、材料を混合室に投入する際に、副室と混合室との内部圧力に差がつくように構成した。
【０１０５】
より具体的には、副室内の圧力≧タンク内圧力となるように制御する。この圧力差によって、材料が混合室内に吸引され、副室に材料が残留することを防止することができる。そのため、スラリー調製時に正確な配合ができる。
【０１０６】
これにより、リチウムイオン電池の電極材料であるスラリーを正確に生成することができるので、コストを低減することができるとともに、電池の性能及び品質を確保することができる。
【符号の説明】
【０１０７】
１０  混合装置
１１  タンク
１２  フード
１３  軸
１４  枠型ブレード
１５  駆動源
１６  混合室
２１  副室（貯留部）
２２  副室（貯留部）
２３  連通路
２４  連通路
３１  バルブ（開閉弁）
３２  バルブ（開閉弁）
４０  ポンプ（圧力調整手段）
５０  制御装置（制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0005493543.tif 000008