(57)【要約】【課題】簡便な製造工程で信頼性に優れた高密度の成形体を量産することが可能な成形体の製造装置を提供する。【解決手段】粉体１を押圧するための圧縮部材３を備え、圧縮部材３で粉体１を圧縮して成形体を製造する装置であって、圧縮部材３は、粉体１の圧縮時に、粉体１との接触面から粉体１内部の空気を排出するための排気部６を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉体を押圧するための圧縮部材を備え、圧縮部材で粉体を圧縮して成形体を製造する装置であって、
圧縮部材は、粉体の圧縮時に、粉体との接触面から粉体内部の空気を排出するための排気部を有することを特徴とする成形体の製造装置。
【請求項２】
排気部が金属多孔部である請求項１記載の成形体の製造装置。
【請求項３】
金属多孔部が、鉄、ステンレス鋼、またはタングステン合金からなる請求項２記載の成形体の製造装置。
【請求項４】
金属多孔部が、金属粉末の焼結多孔体からなる請求項２または３記載の成形体の製造装置。
【請求項５】
金属多孔部の気孔率が５〜４０％である請求項２〜４のいずれかに記載の成形体の製造装置。
【請求項６】
さらに、排気部と連通し、圧縮時に粉体内部の空気を吸引するための吸引部を備えた請求項１〜５のいずれかに記載の成形体の製造装置。
【請求項７】
さらに、圧縮部材と粉体とを隔離し、かつ空気を通すが、粉体を通さない多孔質セパレータを備えた請求項１〜６のいずれかに記載の成形体の製造装置。
【請求項８】
セパレータが、メンブランフィルターである請求項７記載の成形体の製造装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の装置を用いて、圧縮部材で粉体を押圧しながら、圧縮部材の粉体との接触面から排出部へ粉体内部の空気を排出し、成形体を得る工程を含むことを特徴とする成形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉体を圧縮して成形体を製造する装置、およびその装置を用いた成形体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、粉体を圧縮して成形体を形成する方法として、粉体を金属製の圧縮ピンで押圧する等の方法が採用されている（特許文献１）。例えば、全固体電池では、上記方法により、電極材料や固体電解質の粉体を圧縮して、電極および固体電解質の薄膜状の成形体を得る。薄膜状の成形体は、例えば、縦４０ｍｍ、横４０ｍｍ、および厚さ約１００〜３００μｍであり、圧縮後の薄膜状の成形体の厚さは、圧縮前の粉体の厚さの約１／３である。
【０００３】
自然堆積した粉体は、その内部に空隙（空気）を多く含む。このような粉体は、例えば、粉体の真体積の約２倍の空気を含む。この粉体を圧縮ピン等の金属部材で挟んで圧縮する際、圧縮の初期段階では、粉体内にて多くの空隙が連なって存在する。このため、圧縮の初期段階では、粉体内部の空気は、連なった空隙を通り、粉体が金属部材で挟まれない部分（粉体の側面）から逃げ出すことができる。
しかし、圧縮が進むにつれて、粉体内の空隙の体積は減少し、粉体粒子の間隔が狭くなり、粉体内部の空気は粉体粒子間のわずかな隙間を通して移動するため、粉体の側面から逃げ出し難くなる。このとき、粉体の側面から遠い領域に存在する空気は、その領域から粉体の側面までの移動距離（粉体が金属部材と接する面に沿った移動距離）が長いため、粉体の側面から逃げ出すことができずに、粉体内部に閉じ込められる。この移動距離が長いほど、粉体内部に閉じ込められる空気量が多くなる。さらに圧縮が進むにつれて、粉体内に閉じ込められた空気の圧力が上昇するため、圧縮ピンで押圧されているときの成形体の内部には、圧縮された空気が含まれる。
【０００４】
成形体を得た後、圧縮された空気を含む成形体から圧縮ピンを離すと、圧縮ピンによる成形体の圧縮が解放される。このとき、成形体の内部で圧縮された空気が解放されるため、成形体が膨張する。上記の圧縮された空気を含む成形体が、全固体電池の薄膜状の固体電解質である場合、成形体から圧縮ピンを離すと、成形体の内部で圧縮された空気が解放されることで、空気が膨張し、固体電解質の粒子間の空隙が大きくなる。このとき、固体電解質の粒子間の距離が増大し、粒子同士が接触する領域が小さくなるため、粒子間のイオン伝導パスが減少する。その結果、薄膜状の固体電解質の成形体のイオン伝導率が低下する。圧縮された空気量が多いほど、この傾向が強くなり、電池特性（例えば、放電特性）に対して不利である。
【０００５】
金属箔の一方の表面に成形体を形成した場合、成形体は金属箔の一方の表面に固定されているため、成形体から圧縮ピンを離すと、成形体は金属箔の一方の表面から外方（金属箔から離れる方向）に向かって広がるように膨張する。このとき、成形体が金属箔と接しない面は金属箔に固定されていないために面方向に広がるが、成形体が金属箔と接する面は金属箔に固定されているために面方向に広がることがない。このように金属箔の一方の表面にて形成された成形体は全方向に均一に膨張しない。このため、成形体の金属箔と接する面が凹面を形成し、成形体の金属箔と接する面と反対側の面が凸面を形成するように、成形体が湾曲し、それに伴い金属箔も湾曲するという不具合が起こり易い。
【０００６】
全固体電池では、内部抵抗の低減および高容量化を同時に実現するために、薄い単電池の複数個を積み重ねて並列に接続した積層電池として使用する方法が一般的に用いられている。このような電池の使用形態、ならびに電池の薄型化および軽量化の観点から、電極の集電体に金属箔が用いられる。よって、全固体電池では、金属箔の一方の表面に、活物質および固体電解質の混合粉体からなる電極合材を圧縮して、電極の成形体を作製する場合に、電極の成形体および金属箔の一体化物が湾曲するという上記の不具合を生じる。全固体電池では、この不具合により、具体的には以下のような問題を生じる。一体化物の湾曲に伴い、得られる単電池も湾曲するため、積層電池を構成する際に、複数の単電池を積み重ねることができなかったり、複数の単電池を積み重ねることができたとしても、単電池がずれたりする等の問題を生じる。また、積層電池を一対の板状部材で挟んで湾曲部分を強制的に平坦にすることが考えられる。しかし、湾曲していた部分、特に電極の成形体が金属箔と接する面において凹面を形成していた部分にて、歪が大きくなることでクラックが発生し、それにより電極の成形体の一部が脱落して内部短絡を生じる場合がある。
【０００７】
上記の不具合を解消する方法としては、粉体内部を脱気して粉体を圧縮することが考えられる。例えば、特許文献２では、圧縮パンチおよび圧縮金型を備えた成形装置を用いてカーボンブラックの粉末を圧縮し、カーボンブラックの柱状成形体を得る方法において、圧縮する際に粉末を真空脱気することが提案されている。具体的には、所定のチャンバー構成部材を成形装置の所定位置に設置し、圧縮金型、圧縮パンチ、およびチャンバー構成部材により粉末を密閉する。チャンバー構成部材に設けられた排気口より真空排気して、粉末が充填された密閉空間を真空状態にすることで、粉末の内部を脱気する。その後、真空状態で粉末を圧縮する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−２５７８９４号公報
【特許文献２】特開平１０−２５８３９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献２の手法では、粉末を圧縮成形する度に、上記のチャンバー構成部材を成形装置に取り付け、上記の密閉空間を真空にする必要がある。このため、工程が煩雑化し、成形体を量産することは困難である。
【００１０】
そこで、本発明は、簡便な製造工程で信頼性に優れた高密度の成形体を量産することが可能な成形体の製造装置、およびそれを用いた成形体の製造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】
【００１１】
本発明は、粉体を押圧するための圧縮部材を備え、圧縮部材で粉体を圧縮して成形体を製造する装置であって、
圧縮部材は、粉体の圧縮時に、粉体との接触面から粉体内部の空気を排出するための排気部を有することを特徴とする。
【００１２】
上記製造装置の排気部が金属多孔部であるのが好ましい。
上記製造装置の金属多孔部が、鉄、ステンレス鋼、またはタングステン合金からなるのが好ましい。
上記製造装置の金属多孔部が、金属粉末の焼結多孔体からなるのが好ましい。
上記製造装置の金属多孔部の気孔率が５〜４０％であるのが好ましい。
上記製造装置は、さらに、排気部と連通し、圧縮時に粉体内部の空気を吸引するための吸引部を備えるのが好ましい。
上記製造装置は、さらに、圧縮部材と粉体とを隔離し、かつ空気を通すが、粉体を通さない多孔質セパレータを備えるのが好ましい。
上記製造装置のセパレータが、メンブランフィルターであるのが好ましい。
【００１３】
本発明の成形体の製造方法は、上記の製造装置を用いて、圧縮部材で粉体を押圧しながら、圧縮部材の粉体との接触面から排出部へ粉体内部の空気を排出し、成形体を得る工程を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、簡便な製造工程で信頼性に優れた高密度の成形体を量産することが可能な成形体の製造装置、およびそれを用いた成形体の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の成形体の製造装置を用いた成形体の製造工程を示す概略縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明は、粉体を押圧するための圧縮部材を備え、圧縮部材で粉体を圧縮して成形体を製造する装置に関する。そして、本発明は、圧縮部材が、粉体の圧縮時に、粉体との接触面から粉体内部の空気を排出するための排気部を有する点に特徴を有する。
【００１７】
本発明では、上記の装置を用いて、圧縮部材で粉体を押圧しながら、圧縮部材の粉体との接触面から排出部へ粉体内部の空気を排出し、成形体を得ることができる。
圧縮部材は、その内部に、その圧縮部材の粉体との接触面（粉体を押圧する面）にて露出する排気部を有する。これにより、圧縮部材で粉体を圧縮する際、粉体内部の空気が圧縮部材との接触面より排気部内へ押し出され、粉体内部の空気が排気部へ排出される。このようにして粉体の圧縮時に粉体内部を圧縮部材との接触面より効率よく脱気することができ、粉体内部に含まれる空気の量を大幅に低減することができる。その結果、高密度の成形体が得られる。
【００１８】
本発明では、圧縮時に粉体内部に含まれる空気の量が大幅に低減されるため、粉体を圧縮して得られた成形体内部に含まれる空気（圧縮された空気）の量が大幅に低減される。したがって、成形体を得た後、圧縮部材を成形体から離して圧縮部材による成形体の圧縮が解放された際に、成形体の内部にて圧縮された空気が解放されることによる成形体の膨張が抑制される。その結果、成形体を金属箔の一方の表面に形成する場合において成形体の膨張により生じる成形複合体（成形体と金属箔との一体化物）の湾曲を防ぐことができ、高信頼性の成形複合体が得られる。
【００１９】
本発明では、成形体を作製する毎に粉体を密閉するためにチャンバー構成部材等の部材を別途準備して製造装置に取り付ける必要がなく、しかも圧縮工程と脱気工程とを同時に実施することができる。したがって、製造工程が複雑化することがなく、かつ成形体を量産することが可能であり、優れた生産性が得られる。
【００２０】
排気部は、圧縮部材が粉体を押圧可能なように、圧縮部材の粉体との接触面において、粉体の粒子が入り込まない多数の微細な空隙（例えば、孔や溝）で構成されるのが好ましい。
圧縮時において、排気部へ排出された空気は、その量が少ない場合は、排気部内に滞留させてもよいが、その量が多い場合や空気を確実かつ速やかに排出させたい場合は、排気部から圧縮部材の外部へ排出可能な機構（例えば、排出孔）を設ければよい。
圧縮部材には、粉体を押圧可能な強度を有する金属材料や樹脂材料を用いればよい。
【００２１】
以下、本発明の成形体の製造装置および製造方法の一実施形態を、図１を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。
図１に示す成形体の製造装置は、粉体１を載置するための圧縮台２と、粉体１を押圧するための圧縮ピン３（圧縮部材）と、圧縮時に粉体１の内部に含まれる空気を吸引するための真空ポンプ４（吸引部）とを備える。さらに、必要に応じて、金型等の治具を適宜用いてもよい。
【００２２】
圧縮ピン３は、多孔質でない金属製の圧縮ピン本体５、および圧縮ピン本体５に埋め込まれ、圧縮ピン３の圧縮面３ａ（圧縮ピンが粉体を押圧する面）における粉体１を圧縮する領域内において露出する金属多孔部６（排気部）を有する。ここでいう、圧縮ピンの圧縮面における粉体を圧縮する領域とは、圧縮ピンが粉体と直にまたはセパレータを介して接する領域をいう。
圧縮ピン３の圧縮面３ａは、金属多孔部６の圧縮面（金属多孔部が粉体を押圧する面）と、金属多孔部６の圧縮面を囲む圧縮ピン本体５の圧縮面（圧縮ピン本体が粉体を押圧する面）とで構成されている。
【００２３】
金属多孔部６は、圧縮ピン３の中央部に形成された凹部に埋め込まれることにより固定されている。金属多孔部６の下面は圧縮ピン３の圧縮面３ａの中央部を構成している。
金属多孔部６は、真空ポンプ４と連通する。具体的には、圧縮ピン本体５の内部に、粉体１の内部から排出された空気を圧縮ピン３の外部へ排出するための脱気孔７が設けられている。脱気孔７の一方の端は金属多孔部６に接続され、脱気孔７の他方の端は圧縮ピン本体５の側面において開口し、真空ポンプ４に接続されている。
これにより、粉体の圧縮面（粉体が圧縮ピンで押圧される面）より粉体の内部を効率よく脱気することができる。粉体内部の空気が、圧縮ピンの圧縮により金属多孔部内に押し出されるだけでなく、真空ポンプにより吸引されるため、粉体内部を速やかに脱気することができる。
【００２４】
金属多孔部６の圧縮面が、多孔質でない圧縮ピン本体５の圧縮面で囲まれることにより、圧縮ピンの圧縮面の周縁部より金属多孔部内へ外部の空気が吸引されることがなく、真空ポンプの吸引による粉体内部の脱気を効率良く行うことができる。
【００２５】
金属多孔部６は、少なくとも、圧縮ピンとしての役割を有するとともに、粉体１の内部の空気を粉体１の圧縮面から排出し、それを脱気孔７へ送る役割を有する。
金属多孔部６への粉体１の入り込み防止の観点から、金属多孔部６の孔サイズは、粉体１の粒子サイズよりも小さいことが好ましい。金属多孔部６の孔サイズが粉体１の粒子サイズよりも大きい場合は、後述するセパレータを用いることにより、金属多孔部６に粉体１が入り込むのを防止することができる。
【００２６】
金属多孔部６には、圧縮ピンとして必要な強度を有する金属材料を用いるのが好ましい。具体的には、金属多孔部６は、鉄、ステンレス鋼、またはタングステン合金からなるのが好ましい。
金属多孔部６の圧縮ピンとして必要な強度、および粉体の脱気効果の観点から、金属多孔部の気孔率は、５〜４０％が好ましい。
金属多孔部６の気孔率は、例えば、光学もしくは電子顕微鏡を用いた金属多孔部の画像処理により得られる金属部分の面積および空隙部分の面積に基づき求められる。
また、例えば、以下の方法により、金属多孔部の気孔率を求めることができる。金属多孔部を直方体に切り出し、その重量を測定する。直方体の縦、横、および高さの寸法から直方体の見掛けの体積を求める。直方体の重量および直方体を構成する金属の比重より、直方体の真の体積、すなわち金属部分の体積を求める。直方体の見掛けの体積と真の体積より空隙部分の体積を求める。金属部分と空隙部分との体積比を２／３乗して面積比に換算した値に基づき気孔率を求める。
金属多孔部６は、例えば、粉末焼結法、繊維焼結法、鍍金法、ガス注入法、発泡法、中空金属球の焼結法により得られる。これらのなかでも、上記の５〜４０％の気孔率を有する金属多孔部が容易に得られる点で、粉末焼結法により得られる金属粉末の焼結多孔体が好ましい。
【００２７】
圧縮ピン３の圧縮面３ａと、粉体１との間には、圧縮ピン３と粉体１とを隔離し、かつ空気を通すが、粉体を通さない、多孔質なセパレータ８が配されている。なお、本実施形態では、セパレータ８を用いているが、粉体１の粒子サイズが金属多孔部６の孔サイズよりも十分に大きい場合は、セパレータ８を用いなくてもよい。
【００２８】
セパレータ８は、金属多孔部６の孔内に粉体１が入り込み、金属多孔部６が目詰まりするのを防ぐとともに、粉体１が吸引部としての真空ポンプ４へ吸引されるのを防ぐ役割を有する。真空ポンプ４の吸引により粉体１の内部より排出された空気がセパレータ８を通過して金属多孔部６へ送られる。
【００２９】
圧縮時には、セパレータ８は真空ポンプ４の吸引により金属多孔部６の圧縮面に張り付くことで固定される。よって、セパレータ８を固定するための治具を別途準備する必要がなく、セパレータ８を用いることで工程が複雑化することがない。セパレータ８は治具を用いて固定されないため、セパレータ８が目詰まりした場合は、セパレータ８を容易に交換することができる。超音波洗浄等によりセパレータ８の目詰まりを解消することでセパレータ８を再利用することができる。
【００３０】
圧縮ピン３と、粉体１とを確実に隔離することができることから、セパレータ８の主面（圧縮ピン３および粉体１と対向する面）は、粉体１および圧縮ピン３の圧縮面よりも大きいことが好ましい。
粉体１が、全固体電池の電極材料として一般的に用いられる活物質および固体電解質の混合粉体である場合、多孔質セパレータ８の孔径は、例えば０．０２５〜５μｍ程度である。
【００３１】
真空ポンプ４の吸引により圧縮ピン３の先端に確実に固定され、かつ空気を通し、粉体１を通さない特性に優れていることから、セパレータ８は、メンブランフィルターであるのが好ましい。メンブランフィルターの種類としては、例えば、アイソポア（例えば、材質：ポリカーボネート、および孔径：０．１〜１２μｍ）、オムニポア（例えば、材質：親水性ポリテトラフルオロエチレン、および孔径：０．１〜１０μｍ）、デュラポア（例えば、材質：親水性ポリフッ化ビニリデン、および孔径：０．１〜５μｍ）、ＭＦ−ミリポア（例えば、材質：セルロース混合エステル、および孔径：０．０２５〜８μｍ）が挙げられる。
生産性の観点から、圧縮により得られた成形体はセパレータ８に圧着されないことが望ましい。成形体が圧着され難いセパレータとしては、アイソポアメンブランフィルターが挙げられる。
【００３２】
本発明の製造方法では、図１に示す製造装置を用いる場合、下記の工程（１）および（２）を実施することで成形体が得られる。
工程（１）：真空ポンプ４を作動させて金属多孔部６よりセパレータ８を吸引して、圧縮ピン３の先端（圧縮面）にセパレータ８を張り付ける。
工程（２）：先端にセパレータ８が張り付いた状態の圧縮ピン３で圧縮台２に載置された粉体１を押圧しながら、真空ポンプ４を作動させて圧縮ピン３の先端（金属多孔部６の圧縮面）よりセパレータ８を介して粉体１の内部の空気を吸引する。
【００３３】
工程（２）により、圧縮ピン３で粉体１を圧縮する際、粉体１の内部の空気がセパレータ８を介して圧縮ピン３との接触面より金属多孔部６内へ押し出され、粉体１内部の空気が金属多孔部６へ排出される。また、真空ポンプ４で吸引することで、粉体１の圧縮時に粉体１内部がセパレータ８を介して圧縮ピン３との接触面より速やかに脱気される。このようにして、粉体１内部に含まれる空気を大幅に低減することができる。その結果、高密度の成形体が得られる。
【００３４】
工程（２）により圧縮時に粉体１内部の空気が効率よく除去されるため、粉体１を圧縮して得られた成形体の内部に含まれる空気（圧縮された空気）の量が大幅に低減される。したがって、成形体を得た後、圧縮ピン３を成形体から離して圧縮ピン３による成形体の圧縮が解放された際に、成形体の内部にて圧縮された空気が解放されることによる成形体の膨張が抑制される。その結果、成形体を金属箔の一方の表面に形成する場合において成形体の膨張により生じる成形複合体（成形体と金属箔との一体化物）の湾曲を防ぐことができ、高信頼性の成形複合体が得られる。
【００３５】
工程（１）によりセパレータ８が圧縮ピン３の先端に固定されるため、セパレータ８を固定する治具を別途準備して製造装置に取り付ける必要がない。また、工程（２）において、成形体を作製する毎に粉体１を密閉するためにチャンバー構成部材等の部材を別途準備して製造装置に取り付ける必要がなく、しかも圧縮工程と脱気工程とを同時に実施することができる。したがって、製造工程が複雑化することがなく、かつ成形体を量産することが可能であり、優れた生産性が得られる。
【００３６】
なお、セパレータ８を用いない場合は、上記（１）の工程を実施せず、圧縮ピン３の先端にセパレータを張り付けずに、上記（２）の工程を実施すればよい。
粉体の平均粒子径（Ｄ５０）は、例えば、０．１〜６０μｍである。成形体が薄膜状である場合、成形体は、例えば、縦：１０〜１００ｍｍ、横：１０〜１００ｍｍ、厚さ：１００〜３０００μｍである。プレス圧は、例えば、２００〜５００００ｋｇ／ｃｍ２である。真空ポンプによる減圧条件は、例えば、０．１〜５０ｋＰａである。
【００３７】
本発明の成形体の製造方法は、例えば、全固体リチウムイオン二次電池などの全固体電池の製造方法に好適に用いられる。具体的には、電極材料および固体電解質の粉体を圧縮して電極および固体電解質の薄膜状成形体を得る工程で好適に用いられる。
【符号の説明】
【００３８】
１  粉体
２  圧縮台
３  圧縮ピン
４  真空ポンプ
５  圧縮ピン本体
６  金属多孔部
７  脱気孔
８  セパレータ
【図１】
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