The 54th Symposium on Powder Technology

第 54 回

粉体工学に関する講演討論会

設立 30 周年記念特別講演「SDGsに貢献する粉体および粉体プロセスの最前線」“Frontiers of Powders and Powder Processing for SDGs”

日
場
主
企
後

時：
所：
催：
画：
援：

令和4年(2022年) 9月5日(月)帝国ホテル大阪
公益財団法人ホソカワ粉体工学振興財団
粉体技術談話会
ホソカワミクロン株式会社

公益財団法人粉体工学振興財団

Hosokawa Powder Technology Foundation

ご

挨

拶

公益財団法人ホソカワ粉体工学振興財団
理事長

細 川

悦 男

本日開催の運びとなりました「粉体工学に関する講演討論会」は，このたび 54 回目を迎えました。新型
コロナウイルス感染予防の観点から，2020 年より 2 年間やむなく開催を見送りましたが，今回学界および産業界の幅広い分野の方々からのご参加のもとに開催できましたことに対して心よりお礼申し上げます。
本講演討論会を主催しております公益財団法人ホソカワ粉体工学振興財団は，細川益男ホソカワミクロン
株式会社社長（故人，当時）が，世界の粉体工学の振興に資することを目的に私財を投じて 1991 年 12 月に設立されたものですが（その後，細川明彦副社長（故人，当時）も追加して私財を投入），今回の「粉体工学に関する講演討論会」開催に併せて，財団設立 30 周年記念事業の一環として記念講演会を開催させていただくことにいたしました。
本財団は，毎年，素晴らしいご業績を上げられた研究者に贈呈される国際賞である「KONA 賞」をはじめ，
これまでに 700 件近いテーマの研究を推進するための助成事業を行うとともに，大学院学生を中心とした若手研究者の育成や，粉体関係の学会，並びにシンポジウムの開催援助などを通して，粉体工学の振興を図ってまいりました。
振り返りますと，株式会社細川鉄工所（ホソカワミクロン株式会社の前身）の創業者である故細川永一が「紫綬褒章」受章を記念して，1958 年（昭和 33 年）に細川粉体工学研究所を創設いたしましたが，当時はまさに粉体工学の黎明期でありました。早くから粉体技術の開発に取り組んできた同社は，産業の発展に粉体技術が欠かせないものであることから，その粉体技術を支える粉体工学の振興を図るため，1968 年（昭和 43 年）に大学関係者と協力して，「粉体技術談話会」を設立いたしましたが，その談話会の企画，並びに同社主催で開催された初めての講演会が，「第 1 回粉体工学に関する講演討論会」でありました。
また，同社は，1957 年（昭和 32 年），粉体技術に関する初めての技術専門誌「粉砕」を創刊し，現在では 65 巻を数えるに至っております。さらに，1983 年（昭和 58 年）には，我が国の粉体技術と粉体工学の優秀さを世界に発信することを目的として，英文論文誌「KONA」を創刊しました。現在，本誌はアジア，米国，欧州の編集委員会体制のもとに世界の粉体工学をリードする国際論文誌として，高い国際的評価を受けており，本年第 39 号を発刊いたしました。
今後，SDGs を実現し，持続可能な社会を目指すうえで，粉体工学の果たす役割は，ますます高くなっております。ホソカワ粉体工学振興財団は，今後とも世界の粉体工学の振興に微力ながら貢献して参る所存であり，各界各位のご支援，ご鞭撻をよろしくお願い申し上げます。

目

次

講演会次第

1

講演会プログラム2

講演 1（10:30〜11:10） 2019 KONA 賞受賞記念講演

5「微粒子・粉体の構造制御による材料の特性向上と高機能化」
大阪大学 教授内藤 牧男

15

講演 2（11:10〜11:50） 2020 KONA 賞受賞記念講演“Surface Engineered Particle Systems for Industrial Applications”
University of Florida, USA, Prof.

Brij M. MOUDGIL

23

講演 3（13:00〜13:40）「粉体プロセス技術の高度化による資源循環」
早稲田大学理工学術院 教授，東京大学大学院工学系研究科 教授

所 千晴

31

講演 4（13:40〜14:20）「固体電池における粉体材料接合技術」
物質・材料研究機構 拠点長

高田 和典

39

講演 5（14:40〜15:20）「鉄系触媒を用いたメタン直接改質反応による SDGs への取り組み」
戸田工業株式会社 事業支援推進室 副室長

松井 敏樹

47

講演 6（15:20〜16:00）「SDGs を意識したホソカワミクロンの装置・技術開発」
ホソカワミクロン株式会社 粉体工学研究所 開発室 室長
講演 7（16:00〜17:00） 財団設立 30 周年記念講演

村田 憲司

53

「Nd-Fe-B 焼結磁石の開発 40 年」
大同特殊鋼株式会社 顧問

佐川 眞人

ホソカワ粉体工学振興財団設立 30 年の歩み

69

テーマ

ホソカワ粉体工学振興財団設立 30 周年記念― SDGs に貢献する粉体および粉体プロセスの最前線

日時

令和 4 年（2022 年）9 月 5 日（月）10:00〜17:10

場

所

帝国ホテル大阪，オンライン（Zoom 使用）

主催

公益財団法人ホソカワ粉体工学振興財団

企

画

粉体技術談話会後援

ホソカワミクロン株式会社

定

員 （会場）100 名，（オンライン）100 名

次

第開会挨拶（10:00〜10:10）
ホソカワ粉体工学振興財団 理事長，ホソカワミクロン株式会社 取締役会長
KONA 賞贈呈式（10:10〜10:30） 司会 広島大学 名誉教授
【セッション 1】 司会 名古屋工業大学 教授

細川 悦男

奥山 喜久夫

藤 正督

講演 1 （10:30〜11:10） 2019 KONA賞受賞記念講演「微粒子・粉体の構造制御による材料の特性向上と高機能化」
大阪大学 教授

内藤 牧男

講演 2 （11:10〜11:50） 2020 KONA賞受賞記念講演“Surface Engineered Particle Systems for Industrial Applications”
Prof. Brij M. MOUDGIL, University of Florida, USA
昼食休憩（11:50〜13:00）【セッション 2】 司会 物質・材料研究機構 参事役

目 義雄

講演 3 （13:00〜13:40）「粉体プロセス技術の高度化による資源循環」
早稲田大学理工学術院 教授，東京大学大学院工学系研究科 教授

所 千晴

講演 4 （13:40〜14:20）「固体電池における粉体材料接合技術」
物質・材料研究機構 拠点長

高田 和典

コーヒーブレイク（14:20〜14:40）【セッション 3】 司会 京都大学 教授

松坂 修二

講演 5 （14:40〜15:20）「鉄系触媒を用いたメタン直接改質反応による SDGs への取り組み」
戸田工業株式会社 事業支援推進室 副室長

松井 敏樹

講演 6 （15:20〜16:00）「SDGs を意識したホソカワミクロンの装置・技術開発」
ホソカワミクロン株式会社 粉体工学研究所 開発室 室長【セッション 4】 司会 電力中央研究所 名誉研究アドバイザー
講演 7

村田 憲司

牧野 尚夫

財団設立 30 周年記念講演（16:00〜17:00）「Nd-Fe-B 焼結磁石の開発 40 年」
大同特殊鋼（株）顧問

佐川 眞人

閉会挨拶（17:00〜17:10）
粉体技術談話会 会長，九州工業大学 名誉教授

鹿毛 浩之

1

ホソカワ粉体工学振興財団設立 30 周年記念
― SDGs に貢献する粉体および粉体プロセスの最前線
講演 12019 KONA賞受賞記念講演

微粒子・粉体の構造制御による材料の特性向上と高機能化
大阪大学 教授内藤 牧男

粒子集合体である粉体特性の制御は，材料の特性向上のみならず，材料の機能性向上にも極めて重要である。本講演では，微粒子と粉体の構造制御に焦点を当てて，その実例を具体的に説明する。粉体の構造制御においては，極微量の不均質構造制御による材料特性向上に向けた研究事例を紹介する。また微粒子の構造制御においては，粒子複合化による微粒子の高機能化，並びにその集積による材料の機能性向上に向けた取り組みを紹介す
る。

講演 2

2020 KONA賞受賞記念講演

Surface Engineered Particle Systems for Industrial Applications
University of Florida, USA , Prof.

Brij M. MOUDGIL

Particulate and surfactant systems are an integral part, either in processing or
product lines, in essentially every major industry, including Energy and Minerals,
Pharmaceutical, Agriculture & Food, Microelectronics, Healthcare, Cosmetics,
Consumer Products, and Analytical Instrumentation & Services. In mostapplications, surface properties and suspension behavior govern the product andprocess specifications and depend on the synergistic or competitive interactions
between the particles and reagent schemes. The primary goal of our research efforts
has been to generate the knowledge and technology platforms for industry todevelop innovative and greener and more sustainable products and processes.
Control of the physicochemical/mechanical properties of surfaces, particles, and self-assembling surfactant
systems is attempted to engineer or enhance their performance in industrial applications. Specifically,
understanding and control of nano and atomic scale forces between particles, and synthesis of functionalized
particles form the foundation for targeted contributions in biomedical, homeland security, defense, advanced
materials, sensor, and coating technologies. A synopsis of select projects is presented in this brief review.
Additional details can be found in the topic-specific references listed at the end of this manuscript.

2

講演 3

粉体プロセス技術の高度化による資源循環
所 千晴

早稲田大学理工学術院 教授，東京大学大学院工学系研究科 教授

SDGs そしてカーボンニュートラル時代を迎え，サーキュラーエコノミー
をはじめとする資源循環型社会構築に対する社会の関心はますます高まっている。使用済み製品から資源を回収するためには，物理的または化学的な分離濃縮技術が必要不可欠であるが，いわば粉体プロセス技術の宝庫である物理的分離濃縮技術は，化学的技術に比べて省エネルギーであるものの分離精度が高くないという課題を有する。本講演では，リチウムイオン
電池や太陽光パネル，接着材料といった次世代型製品・材料に対して，物理的分離濃縮技術の高度化を試みた例を紹介する。

講演 4

固体電池における粉体材料接合技術
物質・材料研究機構 拠点長

高田 和典

高い信頼性を持つ固体電池は，車載をはじめとする様々な用途での使用が期待されている。固体電池を実現するための大きな課題は，実用的な入出力性能を達成することであるが，そのためには高いイオン伝導度を示す固体電解質の開発とともに，電池材料間を良好なイオン伝導性を示す界面で接合する必要がある。講演では，固体電池の実用化を阻害するいくつかの高抵抗界面とその低抵抗化に向けた取り組みを紹介する。

講演 5

鉄系触媒を用いたメタン直接改質反応による SDGs への取り組み
戸田工業株式会社 事業支援推進室 副室長

松井 敏樹

メタン直接改質（DMR）反応は，メタンを原料として鉄系触媒等の存在下で ターコイズ水素 およびカーボンナノチューブ（CNT）等の炭素材料を生成させるクリーンな反応であり，カーボンニュートラル社会に貢献可
能なプロセスである。本講演では，戸田工業が新規に開発した高活性鉄系触媒を用いて各種 DMR 反応条件下で得られた水素・CNT の特性について
紹介する。

3

講演 6

SDGs を意識したホソカワミクロンの装置・技術開発
ホソカワミクロン株式会社 粉体工学研究所 開発室 室長

村田 憲司

産業向け機器を製造販売する企業の責任として，エネルギー効率の良い製品の開発は必須である。本稿ではエネルギー効率が良い Hot Air jet mill，省エネルギーを意識して開発した分級機内蔵衝撃型微粉砕機 ACM の最新機種である ACM-F 型について報告する。また，プラント全体の効率を改善する取り組みの第一歩として販売を開始した遠隔監視およびデータ収集シ
ステムである HOSOKAWA GEN4 RM の概要を紹介する。

財団設立 30 周年記念講演

Nd-Fe-B 焼結磁石の開発 40 年
大同特殊鋼（株）顧問

佐川 眞人

私は 1978 年に希土類 R- 鉄 Fe 合金にホウ素 B や炭素 C を混ぜるアイデア
をもって，比較的早く，Nd-Fe-B 合金が新磁石の候補として有望であることに行き着いたが，これを磁石化するのに 3 年を要した。この 3 年間，何をしていたかというと，合金にセル状構造を持たせようとしていた。到達
した焼結法はセル状構造を待たせるために大変合理的な方法である。すな
わち，合金を微粉砕して単結晶の粒子を作り，これらを磁場配向して成型して圧粉体にする。この圧粉体を焼結した焼結体はまさにセル状構造を持つはずである。1982 年にできた歴史上初めての Nd-Fe-B 焼結磁石は，NdFe-B 正方晶化合物の粒子が Nd リッチ相粒界層に囲まれたセル状構造を持っていることが微細構造の研究で実証された。
Nd-Fe-B 焼結磁石のもう一つの合理性は，near-net-shape 生産ができることである。しかし，現在 10万トン／年を越えるこの磁石の世界市場では，ほとんどすべての製品は，焼結後機械加工により精密に加工されて，磁石ユーザーに出荷される。私はこの矛盾に気づいて，2000 年ころから，Nd-Fe-B 焼結
磁石の near-net-shape 生産に挑戦してきた。これまで開発してきた near-net-shape 生産技術として，プレスを使わないで粉末を配向・成型する，Press-less Process（PLP）法，多数の薄物品を直接作る技術として，New Press-less Process（NPLP）法がある。これらの新技術の発展について述べる。
今後，Nd-Fe-B 焼結磁石は EV 主機モータ用磁石が最重要市場である。講演では，NPLP 法を使って製造する EV 主機モータ用磁石を紹介する。この磁石は渦電流損低減のため積層されており，含有重希土量を最小限にして，かつ最高の残留磁束密度を持つ。この開発は，環境省委託業務として，CO2 排出削減対策強化誘導型技術開発・実証事業（2019 年〜2022 年）として実施された。

4

講 演１

微粒子・粉体の構造制御による材料特性向上と高機能化
Microstructure Control of Particles and Powders forHigh Quality Advanced Materials
内藤1

牧男 1，小澤隆弘 2

大阪大学接合科学研究所 教授
2

同 助教

Makio NAITO1, Takahiro KOZAWA2
1

Professor, Joining and Welding Research Institute, Osaka University, JAPAN

2

Assistant Professor, Joining and Welding Research Institute, Osaka University, JAPAN抄

録

粒子集合体である粉体の構造制御は，材料の品質向上のみならず，材料の高機能化にも極めて重要である。そこで本稿では，これらの構造制御の基礎となる二つの事例について具体的に紹介する。まず，粉体を構成する粒子集合体の構造制御においては，不均質構造制御による材料特性向上に向けた取り組み
について紹介する。次に微粒子の構造制御においては，粒子複合化を主とした微粒子の高機能化の事例について説明するとともに，複合粒子集合体としての粉体の構造制御による材料の品質や機能性向上に向けた応用事例を紹介する。
ABSTRACT
Particle microstructure control and its assembly structure control are key issues for achieving high quality
advanced materials. In this paper, manufacturing process of advanced ceramics using raw powder materials is
discussed to make clear the role of powder structure control for high quality materials. On the other hand,
individual particle structure control is also important to develop functional particles and the advanced materials bycontrolling its assembly structure. In this paper, processing technology of composite particles is introduced to
explain the roles for developing advanced materials.

1

はじめに

材料が製造されるまでの粉体の構造制御が，目的とする材料の微細構造の制御に不可欠である。図 1 は，固体微粒子の集合体である粉体は，先進材料分野

粒子，粉体の構造制御と材料特性との関係について，においても幅広く活用されている。材料の多くは，具体的に示したものである。まず粒子の構造制御は，その特性が組成だけでなく微細構造によっても大き直接的に材料特性に影響する。その中で最も典型的

く影響を受けるため，出発原料として粉体を用いるなものは，粒子の微細化である。粒子のナノサイズ

場合には，材料の製造プロセス，すなわち粉体から化に伴い，粒子物性はバルクな材料に対して質的にCopyright © 2022 The Authors. Published by Hosokawa Powder Technology Foundation. This is an open
access article under the CC BY 2.1 JP license (https://creativecommons.org/licenses/by/2.1/jp/).

5SPECIAL SUBJECT

講演
１Particle structure control(Particle size, shape,
porous structure,composite structure etc.)

Particle assembly structure control(Particle dispersion in gas or liquid,
Self assembly,
Granulation and Forming etc.)

・Gas phase method
・Liquid phase method
・Mechanical method
etc.
Innovative
processing technology

Sinteringetc.

New properties ofnanoparticles,
Functional particles(ex. DDS)
Paste，
MR fluid etc.
Microstructure controlof advanced materials,
Material shape control
etc.

Additive Manufacturing etc.

図1

微粒子・粉体の構造制御による材料開発への応用

Fig. 1Development of Advanced Materials by structural control of particles and powders.

変化するが，その特異な性質をうまく制御すれば，ついても紹介する。以上の二つのアプローチを説明

新材料の創製に期待できる。また，粒子の複合構造することによって，材料特性向上と高機能化に果たを多様に制御することによって，医薬品の薬物送達

す微粒子・粉体の構造制御の重要性について考えてシステム（DDS）に利用するデバイスなど様々の機みたい。

能性粒子への応用が可能である。
一方，粒子の構造制御に加えて粒子集合体である粉体の構造制御は，粒子の分散構造，造粒体や成形2粉体の構造制御による材料特性向上へのア
プローチ体の構造，さらには焼結体の微細構造を通じて，様々な形態の材料開発に寄与する。近年 3D プリンター

冒頭述べたように，多くの材料はその組成だけでなどの革新的な材料製造技術が急速に発展しているなく微細構造の影響を大きく受ける。そこで，目的が，これらの新技術に対しても，実際には原料としとする材料を開発するためには，出発原料特性だけて粉体が用いられることが多く，その特性が最終製

でなく製造過程における粉体の構造制御が重要にな品の品質に大きく影響するものと思われる。

る。しかし，その多くは，これまで製造ノウハウとそこで本稿では，材料の品質向上や高機能化に寄いう言葉によってカバーされてきたために，材料特与する粉体の構造制御に着目して，それを実現する

性に粉体の構造形成がどのように寄与しているのか

上で基礎となる二つの事例について紹介する。まず，を系統的に知ることは困難であったと思われる。

粉体を構成する粒子集合体の構造制御に対して，不例えば図 2 は，セラミックスの代表的な製造プ

均質構造制御の重要性を指摘する。ここでは，原料ロセスである造粒体の加圧成形による焼結体製造プ

粉体からスラリー，造粒体（顆粒体），成形体を経ロセスを示したものである。セラミックスは，粒界て材料を製造するセラミックスの基盤的なプロセスを含む微細構造を制御することによって多様な機能をモデル例として取り上げ，不均質構造制御に着目を付与できる有望な先進材料である。しかし基本的した粉体の構造形成過程の理解が，材料の品質向上

な技術課題として，強度の信頼性向上や製造コストに重要であることを説明する。

の低減などが挙げられてきた。これらの問題を解決

次に，粉体を構成する個々の粒子の構造制御に対するためには，まずセラミックスが粒子集合構造にして，最近幅広い分野で利用されている複合粒子を起因する不均質構造を持つという理解が不可欠であ例として，その構造制御が材料の特性向上と高機能る。例えば，強度の信頼性は焼結体中に存在する破化に果たす役割を説明する。ここでは，環境にやさ壊源によって支配されるが，その多くは焼結体中のしい省エネルギー型の粒子複合化プロセスについて

粗大気孔，あるいは粗大（凝集）粒子に起因する。

紹介するとともに，実際の材料開発への応用事例に

そして，これらの生成原因は，焼結体を作製する前

6

SPECIAL SUBJECT

Coarseparticle・Fracture origin
Reliability

Particleorientation

・Deformation
Near-net
shaping

１

Green
body

演

Large
pore

SlurryGranules講

PowderDensity
distribution
Non-uniform
structure

Sinteredceramics

図2

造粒体の加圧成形によるセラミックスの製造プロセス

Fig. 2

Powder granule compaction process to make sintered ceramics.

段階である成形体中に既に存在する。したがって図

表 1 アルミナスラリーの調製条件と得られた焼結体の特性に見るように，粒子集合体から構成される成形体

Table 1 Alumina slurry preparing conditions and theproperties of the sintered ceramics.

中に存在する粗大気孔，あるいは粗大粒子の生成を制御することが，セラミックスの信頼性向上につながる。
同様のことは，製造コストに大きく影響する焼結体の形状制御に対しても当てはまる。成形体は，その焼結過程において収縮などの形状変化を生じるが，目的とする形状の焼結体が成形体の焼成によっ

No.

pH

Dispersant
Amount[mass%]

Viscosity Density[mPa.s][kg/m3]Fracture
Toughness[MPam1/2]

#1

10

0.2

43

3.91×103 3.7

#2

9.1

0.5

22

3.94×103 3.8

#3

8.1

2.0

54

3.89×103 3.8て実現すれば，その後の加工プロセスが大幅に削減されるため，製品の製造コストは格段に低下するも三種類のアルミナ粉体のスラリーから図 2 に示すのと期待される。それを目指すためには，焼結後に製造プロセスによって焼結体を作製し，その特性を目的とする形状になるように，成形体中の粒子充填測定した結果である（Abe et al., 2001）。表から分か構造などを制御することが必要になる。具体的には，るように，スラリーの pH と分散剤濃度を変えるこ

図に示すように，成形体中の密度分布や粒子異方性とによって，スラリーの見かけ粘度はほぼ一定に調による配向構造などを制御することが必要になるだ

製されている。その結果，噴霧乾燥法によって作製ろう。これらの成形体の不均質構造は，原料粉体かされた造粒体のサイズと形状は，ほぼ一定に制御さらスラリー，造粒体を経て成形体に至るまでの粉体れたため，得られた焼結体の密度と破壊靭性値にも構造形成過程によって決まるため，製造プロセスの変化は認められなかった。

各工程において，その構造を評価することが不可欠

しかし，図 3 に示すように，得られた三種類のである。その際に，粗大気孔や粗大粒子の形成に影

焼結体の曲げ強さを測定すると，焼結体の強度は明響する「不均質構造の評価技術」の開発が必要であらかに異なることが分かった（Abe et al., 2001）。そるが，既に先進セラミックス分野では，系統的な開こで，その原因を明らかにするために，まず焼結体発が進められ，その一部は標準化されている（Naito

中の破壊源となる粗大欠陥のサイズと曲げ強度とのet al., 2010）。

関係について検討を行った。通常焼結体中に極微量以上のことを具体的に説明するために，一つの事存在する粗大欠陥は，高分解能の電子顕微鏡による例を紹介する。表 1 は，調製条件をわずかに変えた

焼結体の表面構造観察だけでは統計的な評価が困難

7

SPECIAL SUBJECT

１

Failure probability / %

演

99

50

50

Failure probability / %

講

99

10
5

: #1, Av. Strength 486 MPa
Weibull modulus 20

105: #2, Av. Strength 430 MPa: #1, Av. Strength 0.31 MPa: #2, Av. Strength 0.91 MPa: #3, Av. Strength 5.4 MPa

Weibull modulus 16: #3, Av. Strength 363 MPa
Weibull modulus 13

1
200

300

400

500

1

600

Flexural strength / MPa

図3

アルミナ焼結体の曲げ強さの測定結果

Fig. 3 Strength distribution of the alumina ceramics.

(a)

0.1

0.5

1

5

10

Flexural strength / MPa

図5

スラリーの調製条件の違いによるアルミナ造粒体の圧縮強度の変化

Fig. 5 Compressive strength distribution of alumina
granules associated with different slurry preparing
conditions.

である。そこで，筆者らが開発した薄片透光法（Hottaet al., 1999）を導入してその検出を行った。焼結体を 50 μm 程度の薄片にすると，アルミナ焼結体の場合，光学顕微鏡の透過像によって焼結体内部の微量の不均質構造を直接観察することができた。
図 4 は，この方法によって観察した焼結体中の(b)

不均質構造である（Abe et al., 2001）。ここでは二種類の焼結体の結果を示したが，図中の黒いドットが粗大気孔に相当する。この粗大気孔のサイズ分布を統計的に評価し，その違いから両者の強度の違いを推算したところ，図 3 の強度の実測値の違いを定量的に説明することができた。次に，成形体中の造粒体充填構造を，浸液透光法（Uematsu et al., 1990）
によって観察した。この方法は，アルミナ成形体中の粒子間空隙にアルミナとほぼ同じ屈折率の液体を

図4

薄片透光法によって観察したアルミナ焼結体の組織構造：（a）スラリー調製条件 #1 から作製した場
合；（b）スラリー調製条件 #3 から作製した場合

Fig. 4 Microstructures of alumina ceramics observedwith optical transparent technique: (a) specimen
made from the slurry prepared with #1 condition,(b) specimen made from the slurry prepared with#3 condition.

含浸させることで，成形体内部の不均質構造を光学
顕微鏡の透過モードで観察するものである。この方法によって成形体中の不均質構造を観察した結果，成形体中の粗大気孔サイズと，焼結体中の粗大気孔サイズとは良い対応関係にあることが分かった。
そこで，最終的に造粒体の特性を評価した結果，
図 5 に見るように，造粒体の圧縮強度がスラリーの調製条件によって変化していることが分かった（Abe et al., 2001）。そして，圧縮強度が大きくなる

8SPECIAL SUBJECT

Bonding
Mechanicalenergyex.
Attrition- type millNanoparticle
Synthesis

Assembling
Bulk material

Synthesis&
Bonding
Deposition to
substrate

Smart powder processing
without heat assistance

Wet processing
ex.
High energy
planetary ball millNano-porous
film etc.

Nanoparticle
synthesis

Assembling

Nanoparticle
morphology control

Particle bonding and disassembling

Recycling ofcomposite materials

図6

粉砕技術を基礎とした環境にやさしい省エネルギー型の粒子構造制御プロセス（Naito et al., 2021）

Fig. 6

Smart powder processing developed based on powder grinding technology (Naito et al., 2021).

につれて成形体中に残存する粗大気孔サイズは増大
し，その結果焼結体の粗大気孔のサイズも増大することが分かった。そこで，最終的に焼結体の曲げ強度低下の主な原因は，造粒体の圧縮強度の増大によることが明らかにされた。この事実は，その原因が

表2

粒子複合化に使用可能な機械的処理装置（Naito etal., 2021）

Table 2 Powder processing machines used for particle
bonding to make composite particles (Naito etal., 2021).
Type

明らかになると当然であると理解されがちである
孔構造を評価できる可視化技術の開発によってはじImpaction-type
Pin mill, disc millCentrifugal classifying type

めて科学的に解明されたものである。

Attrition-type millが，実際には，成形体や焼結体中の不均質な粗大気

以上は，モデル的な研究事例であるが，実際のプロセスでは，極めて多くの因子がセラミックスの特性に影響しているものと思われる。したがって，以１

Dry processing

DDS device, catalyst etc.

演

Nanoparticles
Fine powders

講(One-step)I

上述べたように，製造プロセスの各段階で現れる造粒体，成形体，焼結体などの特性評価と制御，特にBall mill
Tumbling
Vibration
Planetary
Centrifugal fluidizing

不均質構造の評価とその制御が，セラミックスの特Agitated ball mill
Mixing vessel type

性向上に極めて大事であることが分かる。

Jet mill
Mortar粒子の構造制御による材料特性向上と高機3能化へのアプローチ

3.1

II

Cylindrical vessel type with rotating disc
Elliptical vessel type with high-speed elliptical rotor

環境にやさしい省エネルギー型の粒子構造制

た機械的手法による粒子複合化プロセスを基礎とし御プロセスて構築された，「環境にやさしい省エネルギー型の粒子の構造制御には，ビルドアップからブレイク

粒子構造制御プロセス」による事例を紹介する。

ダウン法に至る多様な方法が挙げられる。本稿では

図 6 は，粒子構造制御プロセスの全体図を示し一例として，筆者らがこれまで研究開発を進めてきたものである。このプロセスは，微粉砕機に利用す9

SPECIAL SUBJECT

講

Powder materials

表3・Particle size

Table 3 Examples of synthesized nanoparticles and theirapplications.

Core/shell type

演
１

(Core particle, Fine particle)

・Particle properties
・Mixing ratio(Shape, Surface,
Mechanical strength etc.)
etc.

Operating cditions

Particlebonding
process・Mechanical Actions(Mechanical stress,
Processing time etc.)

・Temperature(Average，Local temperature)

Inter-dispersed
type・Atmosphere・Charging proceduresof powder materials

etc.

図7

粉体 / 粉体系の粒子複合化プロセスを制御する主な因子（Naito et al., 2016）

Factors controlling the particle composition process.
Fig. 7 (Naito et al., 2016)

る機械的原理を基礎としている。微粒子表面に微粉ナノ粒子の合成とその応用事例

Synthesized nanoparticles

Applications

BaTiO3 (Ohara S. et al., 2008)

Dielectric material

LiCoO2 (Kondo A. et al., 2014)
LiMnPO4 (Yoshida J. et al., 2013)
LiFePO4 (Kozawa T. et al., 2014a, 2015)
LiCoPO4 (Matsuoka M. et al., 2017)
LiNi0.5Mn1.5O4 (Kozawa T. et al., 2014b;
Kozawa T. and Naito M., 2015)

Li-ion battery

La0.8Sr0.2MnO3 (LSM) (Chaichanawong J. Fuel cell (SOFC)
et al., 2006; Hosokawa K., et al., 2014)
La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3 (Xi X. et al., 2015)
Y2.97Al5O12:Ce3+0.03(Kanai K. et al., 2017)

Phosphor for LED

Li6.25Ga0.25La3Zr2O12(Kanai K. et al., 2021)

Solid electrolyte

砕機による強力な機械的エネルギーが作用すると，粒子表面には局所的に高温，高圧などの特異場が形成され，その結果，粒子の接合が引き起こされる。

加熱合成と粒子複合化のワンポット処理による複合

表 2 の I には，粒子の接合による複合化に使用され粒子の設計プロセス，粒子表面の活性化による基板たことがある微粉砕機をまとめたが，微粉砕機のほ表面への多孔質膜の非加熱形成プロセスの開発を

とんどの原理が粒子複合化の機能を持っていること行った。さらに，液中での微粉砕機に対しても非加が分かる。また，表の II にみるように，混合機にお熱での粒子プロセスの適用を試み，これまでナノ粒

いても粒子複合化が可能なことが分かる。以上の粒子の非加熱合成や形状制御を実現した。乾式，湿式

子複合化は，図 6 の乾式プロセスにみるように，気で作製したこれらの多様な粒子は，さらに集積する

中処理であり，かつ複合化に対して加熱操作を必要ことによって，材料の微細構造制御が可能になるたとせず，バインダーなども使用しないため，環境にめ，それを利用して多様な材料開発が進められてい

やさしい省エネルギー型のプロセスであると言える。

る。なお，粒子複合化の機械的原理をさらに発展さ

図 7 は，粉体 / 粉体系の粒子複合化プロセスを制せることで，粒子間の界面の分離に適用することも御する主な因子をまとめたものである（Naito et al.,可能である。この原理を利用すれば，難処理複合材

2016）。粉体プロセスは，一般的に考慮すべき粉体料の省エネルギーの新しいリサイクル技術を開発す特性が多く，操作条件も複雑であるため，制御するることができる（Naito et al., 2009）。

因子も極めて多い。しかし，その中で特に留意すべ

本稿では紙面の関係上，粒子複合化プロセスによき因子をまとめてみたのが，図 7 である。その因る材料開発への応用に関しては別解説（Naito et al.,子は，図に示すように粉体特性と操作因子に大別さ

2016, 2021）などを参照頂くこととし，以下，ナノれる。複合粒子の形態は，粒子表面に異種粒子を接粒子の非加熱合成プロセス，非加熱合成と粒子複合合した被覆型複合粒子と異種粒子から構成された内化のワンポット処理による複合粒子の設計プロセス

部分散型複合粒子に大別されるが，これらの粒子はについての実例を紹介する。さらに，最近研究開発

粉体特性と操作因子を考慮することによって自在にが活発になっている，難処理複合材料の新しいリサ設計できる。

イクル技術開発への展開についても紹介を行う。

なお，筆者らは乾式の粒子複合化プロセスを応用することによって，これまでに図 6 に見るように，
原料粉体からのナノ粒子の非加熱合成プロセス，非

10

3.2

粒子の非加熱合成プロセスの応用事例

まず，非加熱でのナノ粒子合成プロセスとその応SPECIAL SUBJECT

らが合成に成功した事例をまとめて示した。この方

物質集合体中にカーボンのネットワーク構造を形成

法では，合成に必要な原料粉体を予備混合後，摩砕することが求められる。

演であるため，カーボンなどの導電物質を加えて，活しかし，このような条件下では，活物質，カーボ行うだけで目的とするナノ粒子を合成できた。表にンともにいずれもナノサイズの領域であるため，電みるように，これまでリチウムイオン電池の正極材極を作製する際には粒子同士が凝集してしまい，電料を中心に応用が進められている。最近では，高温極中に高密度の活物質充填構造を形成することは極で の 熱 処 理 が 合 成 に 必 要 と さ れ る LED 用 材 料

めて困難である。そこで，これを解決する有効な手（Kanai et al., 2017）や，リチウム系の固体電解質材

段として，これらを造粒して充填性を向上させると料の非加熱合成（Kanai et al., 2021）にも応用され

ともに，電極内に電解液が浸透可能な適度な空隙構ている。また，これまでの合成事例は酸化物ナノ粒造を形成する必要がある。それが，正極の性能向上

子のみであったが，現在，酸窒化物や窒化物ナノ粒

3.3

1. Particle size reduction

2. Carbon coating

Reduction of Li+ ion
diffusion length

非加熱合成と粒子複合化によるワンポット処

Addition of electron
conductivity
LiFePO4: 10−9 S cm−1
Carbon: >102 S cm−1

理プロセスの応用事例
筆者らは，これまでリチウムイオン電池の研究開発を進めている研究者，技術者と討論を深める中で，正極の性能向上のために必要とされる粉体の材料設計について検討してきた。図 8 は，その一つの考3. Granulation structure

え方であり，活物質として LiFePO4 を例とした場合Increase of electrode densityを示した（Naito et al., 2021; Kozawa et al., 2014a）。
まずリチウムイオンの拡散距離減少の観点からは，活物質はできるだけ小さく比表面積も大きい方が望ましい。また，電子伝導性が良好であることも必要

Macro scale processing

図8

ナノサイズの LiFePO4 とカーボンから成る LiFePO4/C
複合造粒体（Naito et al., 2021）

Fig. 8 LiFePO4/C composite granule consisting of nanosized LiFePO4 and carbon. (Naito et al., 2021)

Particle bonding

Advancedcompositematerials(easy forrecycling)

Energy etc.

Particle bonding anddisassembling
Novel Recycling

Nano scale processing

Processing

図9

粒子の接合と分離を基礎とした複合材料廃材のリサイクルコンセプト（Naito et al., 2009）

Fig. 9 Concept of smart recycling for waste composite materials based on particle bonding and dissembling process.
(Naito et al., 2009).

11

１

式ミルに投入し，大気中，バッチで一定時間処理を子の合成についても検討を進めている。

講

用事例について説明する。表 3 にこれまでに筆者

SPECIAL SUBJECT

講

Product

GFRP

演Conventional approach１

particles

Selective
separation
process

Nanoparticle
bonding
process

Waste of GFRP

200μm

Innovative recycling process
Fiber composites

Reduction of Recycling cost
・ Low thermal conductivity
・ Low density
・ High mechanical strength etc.

Advanced porous
material

Energy and Environment

図 10

FRP 廃材の新規リサイクルプロセス（Naito et al., 2009）

Fig. 10

Innovative recycling process of FRP waste proposed by authors. (Naito et al., 2009).

に必要とされる三つ目の条件である。したがって，なく，その新しいリサイクルコンセプトを考えるこ

図 8 に示すナノ粒子複合造粒体が，正極性能向上とが大事である。具体的には，廃棄物から付加価値に有効な前駆体構造になる。しかし，実際にこのよの高い新規材料を開発するという発想の転換が必要

うな構造を作製するには，高温の熱処理を含む多段であろう。この考え方をモデル的に示したのが図 9の粉体プロセスが不可欠である。

である（Naito et al., 2009）。

一方，この構造を非加熱のワンポットプロセスで筆者らは，従来のリサイクルにみられるように，実現できれば，製造コストの格段の低減につながる

複合材料の廃材に膨大なエネルギーとコストをかけだけでなく，電極の品質向上にも寄与することが期て元の素材に戻すのではなく，その複合構造を有効待される。そこで本プロセスでは，粒子の合成と複活用することによって，エネルギー負荷を格段に減合化をワンポットで実現するため LiFePO4 の原料粉

らして別の材料を設計する新規のリサイクルを提案

体三種類とカーボンナノ粒子を同時に添加して摩砕した。このことによって，元の素材にまで戻すのに式ミルによる処理を行った。その結果，LiFePO4 微要するエネルギーの格段の低減を行うだけでなく，粒子の合成に加えて，この微粒子とカーボンとが結新たに創製された材料の利用を進めることができ合して適度な空隙を持つ造粒体を，ワンポットプロ

る。例えば粒子同士を接合して開発された材料ならセスで容易に作製することに成功した。複合造粒体

ば，図 6 で説明したプロセスを適用することによっを用いてコインセルを作製してそのサイクル特性をて，接合界面に分離力を与えて両者を分離し，さら測定したところ，限られたサイクル回数ではあるが，にこれらを別の素材と組み合わることによって，廃比較的良好な特性を示した（Kozawa et al., 2015）。

材を 100% 利用した新材料を開発することも可能になる。また今後の新規材料開発には，使用後の再利

3.4

難処理複合材料の新しいリサイクル技術への用が容易に行えることを，必須の条件とすることも展開必要になると思われる。

これまで私たちは，様々な材料を開発し実用化しここでは，リサイクルが極めて困難であると言わてきたが，これらの廃棄後のリサイクルが，いま大れる複合材料の代表例としてガラス繊維強化プラス

きな社会問題になっている。今後の持続可能な社会

チック（FRP）を取り上げ，その新規リサイクルのを実現するためには，廃棄物を単に廃棄するのでは取り組みについて紹介する。筆者らが㈱ INAX（現12熱伝導率は極めて低いことや，成形体の見かけ密度0.040

Temperature ： 40 ℃

0.035

も低いことから，室温付近で使用する超軽量の断熱

FRP

0.020
0.015

合と分離を基礎とした材料の循環利用への展開は，

25
40
60
250

300

350

400

450

Fumed
silica

今後の持続可能な社会形成に対して重要な基盤技術

75
60
40

になるものと期待される。
500

Bulk density (kg/m )3

図 11

新規リサイクルプロセス（図 10）によって得られた多孔質成形体の熱伝導率とみかけ密度との関係（Kondo et al., 2010）

Fig. 11 Thermal conductivity and bulk density of the­porous materials fabricated by the recycling process as shown in Fig.10. (Kondo et al., 2010).

4

おわりに以上本稿では，材料の品質向上や高機能化に寄与する微粒子・粉体の構造制御に着目して，それを実現する上で参考となる二つの事例について紹介した。これらの知見を基礎とし，材料の微細構造を自在に制御することによって，今後新材料開発が活発に展開されることを期待する。

在㈱ LIXIL）と共同で開発した，浴槽用に使用される FRP 廃材の新規リサイクルプロセスを図 10 に示

Referencesす（Naito et al., 2009）。FRP 廃材は我が国でも年間

Abe H., Hotta T., Kuroyama T., Yasutomi T., Naito M., Kamiya

約 45 万トン発生するが，そのリサイクルには膨大

H., Uematsu K., Varidation of microstructure and fracture

なエネルギーを要することから，そのほとんどがこ

strength of alumina ceramics made from different slurry

れまで焼却や埋め立てによって処理されてきた。そpreparing condition, Ceramic Processing Science VI,

こで筆者らは，図に示すように FRP 廃材を，従来のリサイクルによって元の素材に戻すのではなく，Ceramic Transactions, 112 (2001) 809–814.
Chaichanawong J., Sato K., Abe H., Murata K., Fukui T.,
Charinpanitkul T., Tanthapanichakoon W., Naito M.,

廃材の構造を組み替えて，その全量を利用する新しFormation of strontium-doped lanthanum manganite

いプロセスを提案した。

(La0.8Sr0.2MnO3) by mechanical milling without media

具体的には，まず FRP を構成するガラス繊維とマトリックス樹脂界面に，摩砕式ミルを用いて強力

balls, Advanced Powder Technology, 17 (2006) 613–622.
https://doi.org/10.1163/156855206778917751
Hosokawa K., Kondo A., Okumiya M., Abe H., Naito M.,

なせん断力を作用させることによって，ガラス繊維

Synthesis of La0.8Sr0.2MnO3 fine particles by mechanicalの形状を保ったままでマトリックス樹脂から分離す

method, Journal of the Society of Powder Technology,

る。次に，図 6 で説明した乾式プロセスによる粒Japan, 51 (2014) 4–9. https://doi.org/10.4164/sptj.51.4

子複合化手法によって，ガラス繊維表面に新たにシ
リカナノ粒子を，図に示すように多孔質状に複合化
し，マトリックス樹脂との混合状態のまま加圧成形する。その結果，シリカナノ粒子によって形成されたナノ気孔を多数含み，かつ軽量でガラス繊維によって強度を保持した部材を作製することができる。ここで，ナノ気孔の存在は熱伝導率の大幅な低減に寄与するため，この方法によって，軽量で高性能の断熱材料を作製できる。
図 10 に示すプロセスよって得られた成形体の熱伝導率と見かけ密度との関係を評価した結果を，図11 に示す（Kondo et al., 2010）。図より室温付近のHotta T., Nakahira K., Naito M., Shinohara N., Okumiya M.,
Uematsu K., Origin of strength change in ceramics associated with the alteration of spray dryer, Journal of Materials
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https://doi.org/10.1016/j.apt.2021.08.035
Kondo A., Abe H., Isu N., Miura M., Mori A., Ohmura T., Naito

13

１

る。ここでは一例を示しただけであるが，材料の接
mass%

0.025

演

材料として，建材などへの応用の可能性が考えられ

0.030

講

Thermal conductivity (W / m・K)

SPECIAL SUBJECT

SPECIAL SUBJECT

Naito M., Kondo A., Chapter 8̶Smart Powder Processing forthermal conductivity by making use of waste FRP, Journal

Green Technologies, in: Singh M., Ohji T., Asthana R.

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Kozawa T., Kondo A., Nakamura E., Abe H., Naito M., Koga

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Direct observation of internal structure in spray-driedby mechanical process and post-annealing, Materials

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Kozawa T., Naito M., Facile preparation of core@shell and

Xi X., Kondo A., Naito M., Simple mechanical process to syn-concentration-gradient spinel particles for Li-ion battery

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Yoshida J., Nakanishi S., Iba H., Kondo A., Abe H., Naito M.,
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powder processing for advanced materials, KONA Powder

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Powder Technology, 24 (2013) 829–832.

https://doi.org/10.14356/kona.2009013

https://doi.org/10.1016/j.apt.2013.01.010

著者紹介

内藤

牧男

Makio NAITO〔経歴〕1980 年名古屋大学工学部化学工学科卒，1987 年工学博士（名古屋大学）。2002 年より大阪大学接合科学研究所教授。2015 年〜 2019 年粉体工学会会長，2020 年〜アメリカセラミックス学会理事など。
〔専門〕粒子，粉体の構造制御による新材料開発，粉体特性の評価技術の開発。
〔連絡先〕m-naito@jwri.osaka-u.ac.jp

小澤隆弘

Takahiro KOZAWA〔経歴〕2012 年高知大学大学院総合人間自然科学研究科博士課程修了。博士（理学）。日本学術振興会特別研究員（DC2，PD），大阪大学接合科学研究所特任研究員を経て，2014 年より同所助教。
〔専門〕無機材料科学。主に粉体合成プロセスを駆使した粒子の微構造制御に関する研究に従事。

14

講 演２

産業用高機能化微粒子および界面活性剤の界面工学
Interfacial Engineering of Particulate & Surfactant Systems forEnhanced Performance in Industrial Applications
ブリジ M. モーギル
Brij M. MOUDGIL
フロリダ大学材料科学工学科，微粒子・界面活性剤システム研究センター（CPaSS）特別教授
Distinguished Professor, NSF I/UCRC Center for Particulate and Surfactant Systems (CPaSS),
Department of Materials Science and Engineering, University of Florida, USA

藤

正督 *

Masayoshi FUJI
名古屋工業大学工学研究科 教授
Professor, Graduate School of Engineering, Nagoya Institute of Technology, JAPAN

抄

録

微粒子および界面活性剤は，エネルギー・鉱物，製薬，農業・食品，マイクロエレクトロニクス，ヘルスケア，化粧品，消費者向け製品，分析計測の装置およびサービスなど，あらゆる主要産業において，プロセスや製造ラインに不可欠である。多くの応用において，表面特性とサスペンションの挙動が製品とプロセスの仕様を決定し，これは粒子と分子間の相乗的または競争的な相互作用に依存する。私たちの研究努力の第一の目標は，革新的で環境に優しく持続可能な製品とプロセスを開発するための企業向けの知識と技術的なプラットフォームを産み出す事である。表面，粒子，自己組織化界面活性剤システ
ムの物理化学的および機械的特性の制御は，産業用途で，その性能を設計または向上させることにつながる。具体的には，粒子間のナノおよび原子スケールでの相互作用力の理解と制御および機能性粒子の合成は，生物医学，国土安全保障，防衛，先進材料，センサー，コーティング技術におけるターゲットを絞った貢献の基礎となる。このレビューでは，幾つかの厳選されたプロジェクトの概要を示した。詳細はこの原稿の最後に示した参考文献を参照して頂きたい。
ABSTRACT
Particulate and surfactant systems are an integral part, either in processing or product lines, in essentially every
major industry, including Energy and Minerals, Pharmaceutical, Agriculture & Food, Microelectronics, Healthcare,
Cosmetics, Consumer Products, and Analytical Instrumentation & Services. In most applications, surface
properties and suspension behavior govern the product and process specifications and depend on the synergistic orcompetitive interactions between the particles and reagent schemes. The primary goal of our research efforts has
been to generate the knowledge and technology platforms for industry to develop innovative and greener and moresustainable products and processes. Control of the physicochemical/mechanical properties of surfaces, particles,
and self-assembling surfactant systems is attempted to engineer or enhance their performance in industrial
applications. Specifically, understanding and control of nano and atomic scale forces between particles, andsynthesis of functionalized particles form the foundation for targeted contributions in biomedical, homeland
security, defense, advanced materials, sensor, and coating technologies. A synopsis of select projects is presented
in this brief review. Additional details can be found in the topic-specific references listed at the end of thismanuscript.

* 本論文は，Prof. Moudgil の英文原稿が，藤教授によって日本語に翻訳されたものです。
Copyright © 2022 The Authors. Published by Hosokawa Powder Technology Foundation. This is an open accessarticle under the CC BY 2.1 JP license (https://creativecommons.org/licenses/by/2.1/jp/).

15

SPECIAL SUBJECT

はじめに

1

には依然として高いニーズがある。そのためには，患者の安全性を損なうことなく，高い解像度と感度

講演２

ここ数十年，フロリダ大学（UF）粒子工学研究が得られるツールが必要である。多くの場合，早期センター（PERC）および粒子および界面活性剤シかつ正確な検出を可能にするためには，補完的な画

ステムセンター（CPaSS―アメリカ国立科学財団産像診断法から得られるデータが必要である。現在，学共同研究センター）での研究テーマは，先端材料

コンピュータ断層撮影（CT），陽電子放出断層撮影

および鉱物，ヘルスケア，マイクロエレクトロニク（PET），磁気共鳴画像法（MRI），超音波などの技ス，製薬，農業および消費者向け製品における微粒術が採用されており，検出限界，空間的・時間的分子および界面活性剤システムの性能向上を達成する

解能，精度，多重露光時の長期安全性が異なっていことに焦点を当ててきた。ほとんどの研究プロジェる。しかし，これらの方法は，いずれも単独で使用

クトでは，粒子表面や懸濁液中の粒子間の表面力のした場合，必要な構造的・機能的情報を手頃なコス制御および粒子の機能化が，分離，分散および凝集，

トで得ることはできない。安全性の高い，多機能なコーティング技術にターゲットを絞った進歩の基礎

造影剤を使用することで，早期発見や治療法の向上となっている。具体的には，ポリマー，界面活性剤，が期待されている。また，現在採用されている検出粒子系の相互作用を支配する力の基本的な理解が，ツールの一部の深部組織イメージング機能を強化す

業界パートナーによる製品およびプロセスの革新にることも可能である。

結実している。

これに関して，サイズが 50 nm 未満で NIR の吸収および発光特性を有する金斑点シリカナノ粒子が主な研究成果の概要

2合成された。その一例を図 1（Sharma et al., 2012）に示した。この粒子は画像化のためだけでなく，疾2.1

分散と凝集 ― 科学と技術

化学機械研磨（CMP）スラリーの性能を最適化する取り組みでは，粒子と表面の間のせん断力と法

患組織のインビトロおよびインビボの光温熱アブレーレーションにも適していることが分かった（Sharma et al., 2010）。

線応力を互いに独立して制御し，欠陥を最小限に抑え最大の材料除去率を達成しなければならないことを初めて明らかにした（Basim et al., 2003）。さらに，

2.3

ポリヒドロキシフラーレン（PHF）―その新しい特性と応用様々なウエハー成分に対する界面活性剤の選択的吸新しい現象である，ポリヒドロキシフラーレン

着，および界面での自己組織化界面活性剤構造の機（PHF） の 光 点 火 を 私 た ち の 研 究 室 で 発 見 し た械的特性の理論的根拠および実験的検証（Krishna et al., 2010, 2016a）。この発見は，金属触媒（Rabinovich et al., 2004）は，後に UF からのスピンを使用せずにカーボンナノ構造体の合成につながっ

オフカンパニーによって製品化された選択的研磨ス

た（Krishna et al., 2010）。さらに，修飾されたフラー

ラリー処方の基礎を築いた。さらに，これらの所見

レン単独，およびチタニア粒子と組み合わせた場合

は，コロイド懸濁液の最適な脱水のための粒子状凝の新規特性は，新しい抗菌コーティング剤の処方，集体（flocs）の構造を制御するための試薬戦略，おがん細胞の選択的切除，新しい除草剤や植物の成長

よび晶癖修制御添加剤のガイドラインの策定にも役など，14 件以上の発明の開示 / 特許をもたらした立った。

（Gao et al., 2011, 2016; Sharma et al., 2013; Krishna et

ナノスケールの粗さの面合成とナノスケールの粗al., 2015, 2016b）。

さと湿度が粒子間の力に及ぼす影響をモデル化によ

例えば，光触媒 TiO2 コーティングは，従来の化り，乾燥した微粒子製品の凝集・分散・除塵に関す学的な消毒剤に代わるより環境に優しい方法を提供

る新たな洞察が得られた（Rabinovich et al., 2002）。

することが知られている。そこで，図 2（Krishna etal., 2018）に示すように，可視光下で微生物の光触2.2

がんの検出と治療の為の多機能造影剤

低コストな手法で癌を早期に検出する方法の開発

16

媒分解を自己刺激する TiO2-PHF コーティングが開発された。TiO2 コーティングの効率は，結晶子のSPECIAL SUBJECT

b)

a)

講

10 nm

5 nm

800

600

400

200

Temperature (℃)

Au4f
Si 2s
Si 2p3N 1s
Au 4d3Au 4d5C 1s

Au 4p3
O 1s

O KVV

N(E)
1000

d)

GSS
Water

32

２

Cu 2p3

c)

演

20 nm

28

24

20
0

0

50 100 150 200 250 300 350 400

Time (s)Binding Energy (eV)

図 1 ローダミンをドープした金斑点シリカ（GSS: gold speckled silica）ナノ粒子の特性評価 a）ローダミンをドープした約 40 nm の GSS ナノ粒子の代表的な TEM 像；斑点状のシリカ表面；挿入図は Z-コントラストのデジタル
TEM 像。b）高倍率においてシリカ上に不規則な形状で不連続に配置され堆積した 1 〜 5 nm の結晶性ナノ金。c）
代表的な XPS スペクトル d）ペグ化された GSS ナノ粒子の水懸濁液は 11°C の温度上昇（Sharma et al., 2010）。
（Royal Society of Chemistry の許可を得て転載）
Fig. 1 Characterization of rhodamine doped gold speckled silica (GSS) nanoparticles a) representative TEM image ofca. 40 nm rhodamine doped GSS nanoparticles GSS showing the speckled silica surface; inset z-contrast digital
TEM; b) higher magnification showing irregular shaped, discontinuously placed, 1–5 nm crystalline nano-gold
deposits on silica; c) representative XPS spectra; d) ca. 11°C increase in temperature of pegylated GSS nanoparticles in water suspension (Sharma et al., 2010). (Reprinted with permission from Royal Society of Chemistry)

サイズと性質だけでなく，表面コーティングの適用

Research and Education Center）の学内および学外の方法にも依存していた。TiO2- ポリヒドロキシフラー

研究者と共同研究を行った。着色された粘土のコー

レン複合体のベータテストでは，微生物の分解プロ

ティングとエッセンシャルオイルのナノエマルジョ

セスを大幅に促進することが判明した（Bai et al.,ンが柑橘類緑化病を軽減することを発見した

2012; Krishna et al., 2006, 2008, 2018; Nandakumar et（Narayanan et al., 2012; Sharma et al., 2015, 2018）。

al., 2017）。
2.5

臭気制御の科学と技術

作物保護の為のカオリン粘土コーティング

業界のパートナーが直面していたスケールアップ

私たちの研究チームが最近検討しているのは，作の課題を解決するために，ナノ銅を含浸させた多孔物保護を目的とした微粒子懸濁液の応用で，特にフ質シリカ粒子を調査した。その結果，銅触媒ナノ粒

ロリダの柑橘類産業に深刻な脅威をもたらす細菌性子の化学組成だけでなく，付着物の形態が製品の最感染症「シトラス・グリーニング（柑橘類緑化病）」

適な臭気制御特性を達成するために重要な役割を果に対処するものである。CPaSS の研究チームは，フたすことが判明した。（Singh et al., 2010）。

2.4

ロ リ ダ 大 学 IFAS（University of Florida Institute ofFood and Agricultural Sciences）の研究者と協力して，
フロリダ州レイクアルフレッドにある CREC（Citrus

2.6

粒子による皮膚からの微生物除去

このプロジェクトの主な目的は，「ノンキル（non-17SPECIAL SUBJECT

a)

講
演
２
b)

図2

c)

汚染物質活性化光触媒。a）PHF を補助的なライトハーベスターとした微生物による無機化の模式図。b）アナターゼ（TiO2），ポリヒドロキシフラーレン（PHF），および PHF+TiO2 の基底状態吸収スペクトル。c）アナターゼ（TiO2）
およびアナターゼ +0.01（w/w）PHF（TiO2+0.01PHF）コーティング上のモルダントオレンジ色素の分解に対する疑似一次速度係数。ダークコントロールは，光触媒コーティングが暗闇で染料を分解する能力を測定する。N=10（Natureの Scientific Report から許可を得て転載）

Fig. 2 Contaminant-activated photocatalysis. a) schematic of microbial mineralization with PHF as auxiliary lightharvester. b) Ground state absorption spectra for anatase (TiO2), polyhydroxy fullerenes (PHF), and PHF+TiO2. c)
Pseudo first-order rate coefficients for degradation of Mordant Orange dye on anatase (TiO2) and anatase+0.01(w/w) PHF (TiO2+0.01PHF) coatings. Dark control measures the ability of the photocatalytic coatings to degrade
dye in the dark. N=10 (Reprinted with permission from Scientific Report, Nature)kill）」ベースの強化された手洗い方法を開発するこる。NACE International やその他の情報源によると，とであった。この点に関して，我々は，機能化した米国だけでも腐食による産業への影響は年間 5,000

粒子は，石鹸分子だけよりもより効率的に表面から億ドルを超えると推定される。長年にわたり，腐食

バクテリアを取り除くことができるという仮説に着防止戦略は，新しい材料の設計，腐食性元素との接目した。正電荷を帯びた粒子を皮膚に付着したバク触の最小化，保護コーティングの適用などが行われテリアにコーティングすると，皮膚からのバクテリてきた。石油や水の輸送パイプラインでは，有機系

ア除去率が大幅に向上することが確認された腐食防止剤の使用がごく一般的である。一般的に最（Nandakumar, 2018）。

も効果的な有機インヒビターは，O，N，S，π 結合などのヘテロ原子で構成されており，金属表面に付腐食抑制のための界面活性剤コーティング

着することができる（Bockris et al., 2000）。腐食防

金属構造物，パイプライン，ボイラー，その他の止剤（CI）の具体的な化学的性質は，環境（イオン

産業機器の腐食は，世界的に大きな課題となっていの性質，pH，温度など）に依存する。有機系の腐

2.7

18

SPECIAL SUBJECT

食防止剤，特に界面活性剤は，界面で自己組織化膜

2009; Zhu et al., 2016, 2017）。これらのバリア構造は，腐食の原因となるイオン種の表面への出入りの輸送を阻害する。しかし，界面活性剤による腐食抑制メ

100
80
60
40
20

制メカニズムの理解を深めるために，鋼の表面に形0であった。腐食抑制における 2 つの重要な寄与，すなわち物理的バリア（鎖間の疎水性相互作用）と電図3

学的効果に加えて，界面活性剤分子の鎖間相互作用
による物理的バリアがバリアフィルムの特性を決定する上で重要な役割を果たしていることがわかった。

1.5

2
2.5
Supersaturation Ratio

33.5

過飽和度の関数としての誘導時間に対する PhosFlow（PF） の 効 果。（Canadian Journal of Chemical

気化学的バリア（表面との頭部基の相互作用）の役
割を明確にする試みがなされた。その結果，電気化

1

２

成された界面活性剤の膜の特性を明らかにすること

Engineering の許可を得て転載）
Fig. 3 Effect of PhosFlow (PF) on the induction time asa function of supersaturation ratio. (Reprinted withpermission from Canadian Journal of Chemical
Engineering)

炭化水素の鎖長特性は，界面活性剤分子が金属−水界面に分配される駆動力（表面被覆率）を支配するの取り組みは，臨界核の発生を阻止したり，硫酸カだけでなく，その吸着パッキング密度，ひいては腐ルシウム結晶の成長を遅らせたりする水溶性の阻害

食原因種の界面への，あるいは界面からの輸送に対剤の使用に焦点を当ててきた。さまざまな添加剤のする全体的なバリアを支配していた。

アンチカラーリング特性についてはいくつかの理論が提案されているが，プラント規模で安定して性能

2.8

界面活性剤および高分子添加剤によるスケールを発揮できる抑制剤の選択は非常に限られている。

形成の抑制

ソルベイ社の研究者は，過去 10 年以上にわたり，いくつかの産業プロセスでは，処理装置の内外で

Phosflow®（PF）というスケール防止技術を開発・の鉱物の結晶化や「スケール」の形成が悪影響を及実証し，湿式リン酸製造プラントにおけるファウリ

ぼしている。例えば，肥料用のリン酸製造，海水淡ングの問題を大幅に軽減することを報告してきた

水化プラント，ボイラー，水処理施設などである。

（Carr et al., 2014）。PF の添加により，図 3（Tanquero

スケールが付着すると，プロセス効率が著しく低下

et al., 2021）に示すように誘導時間が長くなり，核するため，頻繁に洗浄する必要があり，コストがか生成のための表面自由エネルギーが減少し，半水和かる。リン酸製造では，52〜55 wt%P2O5 のリン酸物結晶が安定することで石膏結晶の成長が遅れるこを得るために多段式蒸発器が多用されている。濃縮と が 確 認 さ れ た（Carr et al., 2014; Tanquero et al.,されたリン酸は，硫酸カルシウムやその他のスケー

2021; Zhang et al., 2015）。

ル形成成分で過飽和状態になり，管壁に沿ってスケールが形成される。厚い堆積物はシステムの出力

2.9

演で，最近完了した研究の主な目的の 1 つは，腐食抑講

カニズムの理解は完全には確立されていない。そこPF

120
Induction Time, min

剤 の 一 つ で あ る と 報 告 さ れ て い る（Fuchs-Godec,

NA

140

を形成する能力があるため，最も効果的な腐食防止

金ナノ微粒子の合成を低下させ，効率を維持するためには頻繁に堆積物

粒子径分布が非常に狭い粒子，特に金属ナノ粒子除去が必要である（Carr et al., 2014）。薄いスケール（金や銀など）は，先進的なセンサーの開発，毒性が付着するだけでも，熱伝導の大きな抵抗となる。

評価のための標準物質，粒度測定器の校正用標準物

過去数十年にわたり，スケール形成を完全になくす

質として必要である。しかし，このような粒子の商ことはできなくても，少なくともスケール形成を遅業的な応用は，コストが高いために制限されている。

らせることができるような添加剤を特定する試みが狭いサイズの金ナノ粒子（AuNP）は，1 万ドル/g

続けられてきた。リン酸製造におけるスケール低減にもなる。高コストの主な理由の 1 つは，バッチ生

19SPECIAL SUBJECT

講
演

図4

Turkevich 法で合成した金ナノ粒子の TEM 像。平均
粒径は a）15 nm，b）50 nm。（著者の許可を得て

２

転載）
Fig. 4 TEM images of gold nanoparticles synthesizedusing the Turkevich method. The mean particle
size is a) 15 nm, b) 50 nm. (Reprinted withpermission from the authors)

図5

液−液二相流反応器を用いて合成した金ナノ粒子サ
ンプルの粒子径と粒度分布の DLS 測定。
（著者の許可を得て転載）産であるため，一般的にサイズ分離を何度も繰り返すことが必要であることである。このプロジェクトの目的は，金，銀，その他の金属粒子をコスト効率

Fig. 5 DLS measurements of particle size and size distri­bution of gold nanoparticle samples synthesizedusing liquid-liquid biphasic flow reactor. (Reprinted
with permission from the authors)

よく大量に製造するために，スケールアップ可能な連続製造技術を開発することである。直径 15 nm かて含んでいる。AuNP の合成では，連続相としてシら 50 nm の 金 ナ ノ 粒 子（AuNP） を Turkevich 法 を

リコーンオイルを選択し，塩化金（HAuCl4）とク用いて合成した。代表的な 2 枚の TEM 画像を図 4

エン酸三ナトリウム（Na3C6H5O7）を 2 つの水性反（Dong et al., 2020）に示した。平均粒径，粒子径分布，

応物として使用した。この方法は，ファウリングのおよび形態は，紫外可視分光法，動的光散乱法（DLS）

問題を克服しただけでなく，図 5 に示すように，金および透過型電子顕微鏡（TEM）によって評価した。

やその他の金属のナノ粒子をより大量に生産するた

化学組成は，XPS，FT-IR，ICP-MS Spectrometry でめのスケールアップの可能性も秘めている（Dong

分析した。

et al., 2021）。

ナノ粒子の精度，すなわち粒子径分布は，多分散性 指 数（PDI） を 用 い て 定 量 化 し た（ISO13321,

3

おわりに

1996）。シングルフローリアクターを用いて狭いサ
イズの金および銀のナノ粒子を再現する試みは，主私たちが進めた研究の主なテーマは，先端材料・にリアクターのファウリングが原因で失敗に終わっ

鉱物，マイクロエレクトロニクス，バイオメディカ

た。ファウリングを克服するための試みにより，リル，ヘルスケア，センサー，などが関連する応用分

アクターの表面に核が堆積し，その後成長すること野において，高性能化のためのナノ構造の微粒子シが原因であることがわかった。これは，反応流体がステムの開発である。これは，添加物の有無にかか

完全に混合される前に高い反応速度で安定した核がわらず，粒子間のナノ・原子スケールの力を操作す形成されたためと考えられた。

ることで達成される。

この問題を解決するために提案された技術の 1 つが，二相或いは二相流リアクターの設計であった。

4

謝辞

この反応器では，反応器の表面（パーフルオロアル
コキシあるいは PFA）をどれだけ濡らすことができ

米国科学財団微粒子・界面活性剤システム研究セ

るかを基準に連続流体を選択した。不連続相は，完ン タ ー（CPaSS: Center of Particulate and Surfactant

全に混合された反応物を連続相に分散した液滴としScience）および業界関係者の財政的支援に謝意を20

SPECIAL SUBJECT表します。本資料に記載されている意見，発見，結Krishna V., Moudgil B., Koopman B., Systems and methods

論または推奨事項は，著者の見解であり，米国科学

based on radiation induced heating or ignition of func-

財団または CPaSS 業界メンバーの見解を必ずしも反映したものではない。
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21

２

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演

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演２

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著者紹介

ブリジ M. モーギル

Brij M. MOUDGIL〔経歴〕1972 年米国コロンビア大学鉱物工学修士。1981 年同大工学博士取得。1981–1985 フロリダ大学材料科学・工学部 助教授，1985 年同 教授，2004 年より同 特別栄誉教授，1994 年より同
大粒子工学研究センター，2008 年より同大粒子・界面活性剤システムセンター長。
〔専門〕粒子科学，界面工学。
近年は，界面活性剤およびポリマーの吸着，微粒子の分散と凝集，表面からの微小微生物の除去，機能化されたナノ粒子の合成，抗スケーリングおよび界面活性剤を使った腐食抑制剤，有害微生物の光触媒分解，ナノ毒性の研究に取り組んでいる。
〔連絡先〕bmoudgil@perc.ufl.edu

翻訳者紹介

藤

正督

Masayoshi FUJI

〔経歴〕1991 年東京都立大学大学院工学研究科修士課程修了，同年東京都立大学工学部工業化学科
助手，2002 年名古屋工業大学セラミックス基盤工学研究センター助教授，2007 年より名古屋工業
大学工学研究科教授。
〔専門〕粉体工学，界面化学，材料科学。
近年ではナノサイズ中空粒子および無焼成セラミックスを精力的に研究し，基礎研究のみならずプ
ロジェクトの支援を受け多くの製品化を果たしている。また，2016 年には合同会社 F-Plan を設立し，研究成果の産業普及にも注力している。
〔連絡先〕fuji@nitech.ac.jp

22

講 演３

粉体プロセス技術の高度化による資源循環
Resources Circulation Through Advanced Powder Processing
所

千晴

早稲田大学理工学術院 教授
東京大学大学院工学系研究科 教授

Chiharu TOKORO
Professor, Faculty of Science and Engineering, Waseda University, JAPAN
Professor, Graduate School of Engineering, The University of Tokyo, JAPAN抄

録

SDGs そしてカーボンニュートラル時代を迎え，サーキュラー・エコノミーをはじめとする資源循環型
社会構築に対する社会の関心はますます高まっている。資源循環のための粉体プロセス技術には，物理的，物理化学的，化学的な種々の分離技術が存在するが，いずれも省エネルギーかつ省資源という大きな制約を満たすことが大前提であり，カーボンニュートラルなどの環境負荷低減と資源循環との両立のために，サーキュラー・エコノミーのような多重資源循環ループを支える多様な分離技術開発が必要とされている。本稿ではそのような取り組み例として，カーボンニュートラル促進による需要の指数関数的な増加が見込まれるリチウムイオン電池に対し，サーキュラー・エコノミーの概念図にある一番外側のリサイクル技術開発と，その内側の正極活物質粒子ダイレクトリサイクル技術開発の例を紹介した。
ABSTRACT
Society’s interest in building a resource-recycling society, including circular economy, is increasing nowadays in
SDGs and carbon net zero era. Although there are various physical, physicochemical, and chemical separation in
the powder process technology for resource recycling, all of them must meet the major constraints of energy andresource conservation. To balance the reduction of environmental load such as carbon neutrality with resource
recycling, it is necessary to develop various separation technologies that support multiple resource recycling loops
in the concept of circular economy. As an example of such an approach, this paper introduces the development ofrecycling technology for lithium-ion batteries, for which demand is expected to increase exponentially because ofcarbon neutrality promotion. We introduce examples of the development of recycling technology for the twodeferent recycling loops; one is separation technology for outermost loop of the circular economy concept, andanother is the direct-recycling technology of cathode active material particles in the inner layer of the circular
economy concept.

Copyright © 2022 The Author. Published by Hosokawa Powder Technology Foundation. This is an open accessarticle under the CC BY 2.1 JP license (https://creativecommons.org/licenses/by/2.1/jp/).

23

SPECIAL SUBJECT

はじめに

1

このように，容易ではない経済成長と環境負荷と資源消費のデカップリングであるが，とりわけ環境

講演３

SDGs やカーボンニュートラルをはじめ，環境対負荷低減と資源消費低減の両立は，非常に困難であ応に対する社会からの要請が高まっている。図 1 のる。UNEP-IRP は 2016 年 に エ ネ ル ギ ー 供 給 側

ように，UNEP-IRP は 2011 年に，人類の Well-being（Hertwich E.G. et al., 2016），2017 年にエネルギー需とそれに正の相関を有する GDP の右肩上がりの成要側（Suh S. et al., 2017）から，カーボンニュート

長を持続的に達成しながら，温室効果ガスなどの環ラル促進と資源消費との関係を整理した報告書を出

境負荷は減少させ，資源消費は可能な限り増加させ版している。それらの報告書では，カーボンニュー

ない「デカップリング」の重要性を提案している

トラル促進のための，太陽光発電，風力発電といっ（Fischer-Kowalski M. et al., 2011）。近年，新しい資た創エネルギー導入や，LED，電気自動車といった本主義といった言葉も聞かれるようになり，モノか省エネルギー型製品の導入によって，温室効果ガス

らコトへ，有形資産から無形資産へ，といった価値低減と，大気や水質浄化といった項目は相補的に改変容のもとで新しい経済効果を生み出す考え方が盛善するものの，資源消費は逆に現状以上に指数関数んに議論されているが，種々の社会要請の中でも資的に増加する可能性を示唆している。また，図 3 に源や環境の制約がそれらの考え方へ及ぼす影響は大示すように，IEA は再生可能エネルギーや電気自動きいと考えられる。

車の導入に伴う所要鉱物資源量について，カーボン

K. Raworth は「ドーナツ経済」の著書の中で以下

ニュートラルに対する 2 つの導入シナリオ（図中ののように述べている。「経済成長せずに，国民の窮STESP と SDS）に基づいて試算しているが，いず

乏に終止符を打った国はこれまでに一国もない。経れも指数関数的な所要鉱物資源量の増加を推測して済成長によって，自然環境の悪化に終止符を打ったいる。中でも電力ネットワーク強化や電気自動車導国もこれまでに一国もない」。このことは，これま入による影響は大きく，リチウムイオン電池への影で経済成長と環境負荷が強い正の相関を有していた響の大きい鉱物種では，2020 年と 2040 年の鉱物所ことを示している。したがって，それらのデカップ

要量を比較すると，リチウムで 13〜42 倍，コバル

リングは相当に容易ではない。K. Raworth が提唱す

トやニッケルで 6〜20 倍，ベースメタルである銅にる「ドーナツ経済」とは，図 2 に示すように，社

おいても 1.7〜2.7 倍，と推察されている。

会のインフラが内側の領域に存在する場合には不足以上の状況から，カーボンニュートラル導入に伴しているので，それを成長させてドーナツの可食部

う資源循環をどのように両立させるかという点は，を目指し，逆にプラネタリーバウンダリーを超えて喫緊の人類の大命題となりつつある。それに対する外側へ超過している領域に存在する場合には，それをドーナツの可食部にまで戻すことを目指すというものである。

Human well-being
Economic activity (GDP)Resource decoupling
Resource use
Impact decouplingTime
Environmental impact

図1

経済活動と環境影響・資源消費のデカップリング

Fig. 1 Decoupling of economic activity from environmental impact and resource consumption. (Fischer-­
Kowalski M. et al., 2011)24

図2

ドーナツ経済の概念（Raworth K., 2021）

Fig. 2Concept of droughts economics.

SPECIAL SUBJECT

The relative demand growth is particularly high for battery-related minerals
Growth in demand for selected minerals from clean energy technologies in 2040 relative to 2020 levels
Renewables-and network-related minerals

Index (2020 = 1)

Battery-related minerals
10

50
42

40

8

7

6

30
25

21

20

19

4

3

13
10

8

6

8

6

2.9
2.0

2

2.7
1.8

1.7

2.3

3

STEPS SDS STEPS SDS STEPS SDS STEPS SDS STEPS SDS
Lithium
Graphite
CobaltNickelManganese

STEPS SDS STEPS SDS STEPS SDS STEPS SDS
REEs
Molybdenum Copper
Silicon

IEA. All rights reserved.

講

カーボンニュートラル導入に伴う所要鉱物量（IEA, 2021）

Fig. 3Growth in demand for selected minerals from clean energy technologies.

演

図3

３

RENEWABLESFINITE MATERIALSRENEWABLES FLOW MANAGEMENTFARMING/COLLECTION1

BIOCHEMICALFEEDSTOCKREGENERATIONSTOCK MANAGEMENTPARTS MANUFACTURER

PRODUCT MANUFACTURER

RECYCLEBIOSPHERESERVICE PROVIDERSHAREREFURBISH/
REMANUFACTURE
REUSE/REDISTRIBUTE

BIOGAS

CASCADES

MAINTAIN/PROLONG6

ANAEROBICDIGESTION

2803 0006 9

CONSUMERUSER

COLLECTION

COLLECTION

EXTRACTION OF
BIOCHEMICAL
1 Hunting and ﬁshing
2 Can take both post-harvest and post-consumer waste as an input
SOURCE
Ellen MacArthur Foundation
Circular economy systems diagram (February 2019)www.ellenmacarthurfoundation.org
Drawing based on Braungart & McDonough,Cradle to Cradle (C2C)

図4

MINIMISE SYSTEMATICLEAKAGE AND NEGATIVE
EXTERNALITIES

サーキュラー・エコノミーの概念（Ellen MacArthur Foundation, 2013）

Fig. 4 Concept of circular economy.

EU の提案は，図 4 に示すサーキュラー・エコノミー

循環制御するのかという，非常に難しい課題を解決の概念であるが，この図を達成するには種々の課題

しなければならない。GX（グリーントランスフォー

を解決しなければならない。まず，中心の従来型のメーション）や DX（デジタルトランスフォーメー

リニアエコノミーの資源量を低減させることがデション）といった技術革新に期待されているが，内カップリングの目的であるので，大量に製造・使用

側のループを充実させるためのインセンティブとなしてそれを大量に循環させることはその目的に反す

る大きな価値変容をもたらす技術が必要になると考るため，少量の資源でこの多重ループをどのようにえられる。また，左側のループの外側には再生可能

25

SPECIAL SUBJECT

エネルギーの生物圏での循環が記載されているが，その時間スケールは何億年にも及ぶと考えられ，右側の枯渇性資源の循環や左側の再生可能エネルギー

全体的

高価値な元素再利用

局所的・選択的

化学選別 (製錬/精製)

高価値な機能再利用

物理選別

選択的・融合的な物理・化学選別製造との融合の内側の資源循環の時間スケールとは全く見合わな
製品

い。したがって，これら人間活動の時間スケール内での循環は，再生可能エネルギーの範囲内で実施す

部品

部材

構造

粒子
結晶

原子
分子

界面での自在な（選択的な）分離・分解制御

ることが不可欠であり，回収，運搬，分離，といったあらゆる循環経済活動には省エネルギーへの大きな制約がある。
このように状況を整理すると，資源循環には省エネルギー，省資源という大きな制約があり，本誌の主題である粉体プロセス技術としては，その範囲内

図5

多様な資源循環に求められる分離技術（Tokoro C.,
2022a）

Fig. 5 Separation technology required for diverse resource recycling.

講

で革新的技術を研究開発する必要がある。まず，現演
３状でも一定の技術が研究開発されている中央のリニ

分離力を集中させ，元素以外の物性や大きさなどのアエコノミーを支える各種粉体プロセス技術と，一機能を残して分離することが求められる。左側の番外側のリサイクルを支える分離を中心とする粉体

ループになればなるほど製造との区別がなくなり，プロセス技術については，今まで以上の省エネル

製造プロセスと融合することや，初めから易分解をギー化が求められる。反応や分離へのエネルギー分

想定した分解スイッチを仕込んでおくなど，単位操配率を可能な限り高め，余計な熱や騒音，あるいは作の開発のみではない融合的な技術開発が必要とな不要成分へのエネルギー分配を抑えた選択性の高いる。例えば文部科学省では，2021 年度の戦略目標

粉体プロセス技術が必要となる。一方，サーキュ及び研究開発目標に「資源循環の実現に向けた結合・

ラー・エコノミーの内側のループになればなるほど，分解の精密制御」を選定し，JST では CREST やさ取り扱う対象は粉体から部品，製品へと大きくなり，

きがけなどの事業が開始されている。

それらを微細化せずとも反応や分離の目的を達成で分離のための外部刺激には，破砕・粉砕や人手ときるような，選択性，局所性の高い技術開発が必要いった機械的なものから，電気的，光学的，化学的，となる。このような技術は未確立と言えるので，こ

生物的なものがあり，対象に応じてそれらのエネル

れから発展の余地が大きいと考えている。また，内ギー，速度，波長，パワーを精緻に制御するとともに，側のループになればなるほど，製造技術と処理技術

今後は製造時に，分離時に利用する外力をある程度との垣根が低くなってくるため，それらを融合させ決めておき，その分離プロセスをあらかじめ想定して，より内側の資源循環ループを創成することが，た易分離設計をすることが好ましく，また社会がそ全体として省エネルギー化につながる可能性が高

れを強く求めるインセンティブ作りが必要である。

い。このような発想がまさに新規バリューチェーン

以下では，カーボンニュートラル促進に向けて需構築，あるいは新規サプライチェーン構築というこ要の急激な拡大が予想され，環境負荷や資源消費へとであろうと考えられる。

の影響が大きいと考えられるリチウムイオン電池に資源循環のための分離という観点から，求められる技術を改めて整理すると図 5 のようになる。こついて，資源循環達成のために進められている種々の分離技術開発の例を紹介する。

の図は図 4 に示したサーキュラー・エコノミーの
多重資源循環ループに対して，分離技術がボトル

2

リチウムイオン電池の分離技術

2.1

リチウムイオン電池リサイクル技術の概要

ネックとならないように，様々な選択性と分離精度を達成する技術が必要となることを示したものである。右側のループになるほど大量処理型で均一性のリチウムイオン電池には，巻回型や積層型など数高い分離を省エネルギーに達成することが求めら種が存在するが，いずれにしても正極材と負極材がれ，左側のループになるほど，局所的に界面のみにセパレータを介してセットされ，それが液体の有機

26

SPECIAL SUBJECT

正極活物質

解体

浸出

放電・失活

不純物除去

加熱・焙焼
切断・破砕・粉砕
物理選別
正極活物質

図6

銅

鉄

アルミ

リチウムイオン電池のリサイクル前処理プロセスの例（Tokoro C., 2022b）

図7

マンガン抽出炭酸塩化

炭酸マンガン

コバルト抽出硫酸塩化

硫酸コバルトニッケル抽出硫酸塩化

硫酸ニッケル

リチウム溶液炭酸塩化

炭酸リチウムJX 金属株式会社のリチウムイオン電池リサイクル
プロセス（Tokoro C., 2022b）

なったり，時間が必要となったりするという懸念も

ミニウム箔にコバルト，ニッケル，マンガンなどか生じる。800°C ぐらいの高温で加熱した場合は，上ら成る正極活物質がカーボンと混合され，PVdF な

述の裏返しとなるが，すべての成分が微粉化して，どの接着剤で塗布されている。負極材は銅箔にカー

物理選別性が低減するほか，昨今，回収への要請がボンが塗布されており，セパレータは樹脂である。

日々増しているリチウムが一部気化してロスする可リサイクルの際にはまず，図 6 に示すように電池能性がある。さらに混在するフッ素がコバルトや筐体の鉄やアルミニウムと，銅箔，アルミニウム箔，ニッケルと反応して難溶性の塩を形成する可能性もそしてブラックマスと呼ばれる正極活物質を分離濃ある。これらを回避するために，昇温時間を制御し縮する。

たり，加熱雰囲気ガスを工夫したりする検討が行わ回収されたブラックマスからは，図 7 に示すよれている。筆者らは緩昇温プロセスを検討したとこ

うに，さらに酸浸出や溶媒抽出，分別沈殿を経て，ろ，コバルトやニッケルの確実な分解と粒成長にコバルト，ニッケル，リチウムなどを分離回収する。

よって，後段の分級や磁選の分離精度が向上するこ

国内外では，これらの全体的な分離プロセスの所とを確認している（Horiuchi K. et al., 2017; Matsuoka

要エネルギーを可能な限り削減し，分離精度を向上

M. et al., 2016）。

させる技術開発が継続されている。例えば，加熱・また，一部の企業では，加熱や焙焼ではなく，還焙焼プロセスには，有機電解質を燃焼させて分離プ元炉を導入して，銅，コバルト，ニッケルといったロセス内での爆発の危険性を下げ，セパレータを燃

有価な金属だけを確実に分離する専用炉を開発して焼させて金属分を濃縮させ，ブラックマスとそれ以いる。この方法では，上述の金属を精度良く確実に外の金属粒子や箔との物理選別性を向上させ，ブ

分離できる一方，リチウムをはじめとするその他成ラックマス内の不純物を可能な限り低減させ，かつ分はスラグとなり回収できない。したがって，例えコバルトやニッケルを酸溶出しやすくするという，

ばリチウムを回収するために，別途プロセスが検討

複数の目的を同時実現させる最適プロセスが選定さされている。

れる。300°C ぐらいの低温で加熱した場合には，集以上のプロセスは，サーキュラー・エコノミーの

電箔が箔のまま残存し，粒子であるブラックマスと概念図でいうところの一番外側のリサイクルループの分級などの分離特性が向上するが，未燃カーボンであり，資源セキュリティの観点からも，必ず国内が残存し，別途分離のプロセスが必要となるほか，に確立されるべきプロセスである。しかし現状では有機電解質が残存すると後段の破砕・粉砕プロセス

それほど経済性が高いプロセスではないことから，での安全性への懸念が残る。また，ブラックマス中

技術と仕組みの双方で安定した経済性を担保できるのコバルトやニッケルの酸浸出に添加剤が必要とように，知恵を出さなければならない状況にある。

27

３

電解質に浸された構造となっている。正極材はアル演

Fig. 7 Lithium-ion battery recycling process at JX Nippon
Mining & Metals Corporation.

講

Example of separation process for recycling lithium-­Fig. 6 
ion batteries.

SPECIAL SUBJECT

課題：
診断

放電
失活・解体

鉄・他素材
有機電解質回収

電池原料
硫酸塩

銅・アルミ
樹脂

解体
課題：
安全性

電池材料
酸化物

電池

使用

電池材料 課題：
後処理 アップサイクル

物理
選別
オンサイト型小規模処理（ダイレクトリサイクル）

鉄・銅
焙焼炉
還元炉

課題：
Li回収率向上リサイクル率向上

講

2.2

製錬
精製

物理
選別
集約型大量処理

図8

リチウムイオン電池正極材の資源循環の方向性（Tokoro C., 2022b）

Fig. 8

Direction of resource recycling of cathode materials for lithium-ion batteries.

ダイレクトリサイクルへの試み

数ナノ秒あるいは数マイクロ秒のパルス状で印加す

演
３

サーキュラー・エコノミーの観点からすれば，一るものであり，それに伴う様々な現象を分離に活用

番外側のリサイクルループの確立の次には，さらにすることが可能である。例えば，金属細線や金属箔

内側の資源循環ループ創成を目指すことになる。そに電気パルスを印加すると，過大電流が発生して金のような取り組みはダイレクトリサイクルとして検属がプラズマ化するので，樹脂などと混在している

討されている（図 8）。

金属だけを選択的に溶解して分離することも可能とダイレクトリサイクルとは，ここではブラックマなる。また，その際に衝撃波と強い発光を伴った爆スをそのまま電池の正極活物質粒子へと再合成する

発的な現象も引き起こすため，その衝撃波を利用しことを示している。したがって，可能な限り化学的て分離を達成することも可能となる。印加エネルに変質させずにブラックマスを分離濃縮することがギーを制御すれば，金属がプラズマ化するほどでは求められ，加熱や燃焼，還元などはせずに，水などないものの，大電流によるジュール熱でその周辺が化学的に変質させない最小限の媒体のみを用いて分選択的に加熱されるため，接着などの力を弱め，接離濃縮することになる。このとき課題となるのは，着界面での分離をもたらすことも可能である。一方，爆発性を有する有機電解質の取り扱いである。この絶縁体に電気パルスを印加すると，絶縁破壊を起こプロセスでは，完全無人化など，安全に対する最大してその放電経路がプラズマ化するため，やはりそ限の配慮が必要となり，少しでも安全上の懸念のあの経路での分離を達成することが可能であるほか，る破損電池などは取り扱うことは困難である。また，その際に生じる衝撃波を用いた分離も可能となる。

回収されたブラックマスは，分離や使用の過程でそ

図 9 は，リチウムイオン電池内の正極材シート

れなりに劣化していると予想されるので，それを電から，電気パルス印加によってアルミニウム集電箔

池として回復させるヒーリングプロセスが必要となと正極活物質粒子を剥離した際の様子であるる。海外では数社がこのようなコンセプトのもとに，（Tokoro C. et al., 2021; Teruya K. et al., 2022）。この例

湿式処理のみでの分離回収プロセスを提案している

では，電気パルスによる印加エネルギーを調節し，ほか，ヒーリングプロセスとの組み合わせも提唱し

アルミニウムに大電流が流れた際のジュール熱によている。国内では，グリーンイノベーション基金事

る発熱を，アルミニウムが溶解するほどではないが

業「次世代蓄電池・次世代モーターの開発」の中で，アルミニウム箔と正極活物質粒子の接着剤が失活す

検討が始まっている。その中では，ダイレクトリサ

る程度の範囲にとどめている。その際，大電流によ

イクルのための前処理技術として，電気パルス法をるローレンツ力の発生や，電極接触部の抵抗による用いた正極材分離が期待されているので，以下で簡プラズマ化に起因する膨張や衝撃波によって，剥離

単に紹介する。

力がもたらされる。ジュール熱による発熱は，アル電気パルスとは，数十〜百 kV 程度の高電圧を，

28

ミニウム箔と正極活物質の界面のみで発生するた

SPECIAL SUBJECT

リチウムイオン電池

アルミ箔
正極活物質

従来の電気パルス法

新規電気パルス法＋

混合粉砕され分離できない

アルミ箔と正極活物質を分離

図9

電気パルスによるリチウムイオン電池正極材内の分離（Tokoro C., 2022c）

Fig. 9Separation in lithium-ion battery cathode material by electrical pulse.

た。リサイクル技術開発では，他のリサイクル技術

塗布された粒子を，箔を微粉化させることなく粒子と同様に，省エネルギーかつ高精度な分離技術開発

だけを分離することは困難であるが，電気パルスはが継続して求められる一方，ダイレクトリサイクル

むしろ箔であることによって界面に熱発生を集中さ技術開発では，製造技術との融合も求められる段階

せることができ，高効率で省エネルギー型の分離をにあることを示した。このように，少しずつではあ実現することができる（Kikuchi Y. et al., 2021）。

るが，静脈と呼ばれる処理技術と，動脈と呼ばれる

電気パルスで剥離されたブラックマスは，電池と製造技術との距離感が少しずつ縮まっていることしての機能を維持しており，リチウムやカーボンなは，好ましい方向である。また，リチウムイオン電

どの不足分を補えば，電池として再利用できること

池に対する製造技術は日進月歩であるが，昨今は新を確認している。ただし，電池としての安定した機規開発中の電池に対しても，開発中からそのリサイ能を維持するためには，回収したブラックマスを安クル性を懸念して相談を受ける機会が増加してお定した正極活物質粒子へ再生するヒーリングプロセ

り，製造が開発中から循環を意識し始めた結果としスの開発が必須であり，その技術開発はまだ始まって喜ばしく感じている。今後はさらに一歩進んで，たばかりである。このような技術開発は，むしろ正開発中から易分離設計が進み，易分離な製品が正当

極活物質粒子の製造技術のノウハウが生かされるたに社会から評価されて選ばれる時代となることを強め，処理技術だけでなく，製造技術との融合によるく願っており，また今後もそのための技術開発を継技術開発が期待される。

続したいと考えている。

3

おわりに
資源循環のための粉体プロセス技術には，省エネ

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多重資源循環ループを支える技術開発が必要である

Fischer-Kowalski M., Swilling M., von Weizsäcker E.U.,

ことを述べた。またそのような取り組み例として，

Ren Y., Moriguchi Y., Crane W., Krausmann F.,

昨今カーボンニュートラル促進によって需要の指数

Eisenmenger N., Giljum S., Hennicke P., Romero Lankao

関数的な増加が見込まれるリチウムイオン電池に対P., Siriban Manalang A., Sewerin S., Decoupling natural

し，サーキュラー・エコノミーの概念図にある一番外側のリサイクル技術開発と，その内側のダイレク

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３に剥離することが可能である。一般に，箔状の材に演

トリサイクル技術開発が進みつつあることを示し

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スおよび粉砕プロセスの検討，スマートプロセス学会誌，5

著者紹介

所

千晴

Chiharu TOKORO〔経歴〕2003 年東京大学大学院工学系研究科博士課程修了。博士（工学）取得。早稲田大学助手，
専任講師，准教授を経て，2015 年から現職の早稲田大学理工学術院教授。また，2021 年よりクロスアポイントメントにて現職の東京大学大学院工学系研究科教授。
〔専門〕資源循環工学，粉体工学，化学工学。資源循環や環境浄化のための分離技術高度化。
〔連絡先〕tokoro@waseda.jp

30

講 演４

固体電池における粉体材料接合技術
Powder Joining Technologies for Realizing Solid-State Batteries
高田和典

物質・材料研究機構 エネルギー・環境材料研究拠点 拠点長

Kazunori TAKADA
Director, Center for Green Research on Energy and Environmental Materials, National Institute for Materials Science, JAPAN

抄録

固体電解質は不燃性のセラミックであり，リチウムイオン以外に拡散種を持たないことから，固体電解質を採用することにより，リチウムイオン電池に高い信頼性を付与することができるのみならず，電池のエネルギー密度，さらには入出力密度まで高めることができる。このような固体電池を実現するために不可欠な材料は，優れたイオン伝導性を有する固体電解質であり，精力的な探索の結果，様々な物質系で現行リチウムイオン電池に使用されている有機溶媒電解質と同等のイオン伝導度が達成されてきた。しかしながら，このような優れた材料物性も，電池材料間の接合界面における良好なイオン伝導性
なくしては，電池性能につながることはない。固体電池の社会実装に向けては，材料間の接合が極めて重要な位置を占めるに至っており，材料研究者とプロセス研究者の融合がそのカギを握っているといっても過言ではない。
ABSTRACT
Solid electrolytes provide not only high reliability but also high energy density and power density to lithium-ion
batteries, because they are nonflammable and only lithium ions are mobile species in solid electrolytes. Essential
materials to realize solid-state batteries are solid electrolytes with high ionic conductivities. Vigorous studies haveincreased the ionic conductivities in various solid electrolyte systems to be comparable to that of organic-solvent
electrolytes employed in current lithium-ion batteries. However, even such high ionic conductivities do not lead tohigh performance of solid-state batteries without interface between the battery materials showing fast ionic
conduction. Powder joining technologies are very important to form the conductive interfaces, which will beestablished by collaboration between materials and process researchers.

1

はじめに

分野の新しい可能性を切り開いた。その大きな可能性の一つが，カーボンニュートラル達成をはじめと1990 年代初頭に誕生したリチウムイオン電池とする低炭素社会の実現に貢献する蓄電池である。

ニッケル水素電池という 2 種類の高性能蓄電池は，リチウムイオン電池は，小型軽量の電池として市

携帯電話やノートパソコンの電源として高度情報化

場を拡大し，現在では携帯機器の電源のほとんどに社会の実現に寄与してきたのみならず，蓄電池応用

リチウムイオン電池が採用されているといっても過Copyright © 2022 The Author. Published by Hosokawa Powder Technology Foundation. This is an open accessarticle under the CC BY 2.1 JP license (https://creativecommons.org/licenses/by/2.1/jp/).

31

SPECIAL SUBJECT

言ではない。しかしながら，情報化社会構築に貢献

が，安全性確保の技術向上とともに小型電池にそんしたこの高性能蓄電池にも，低炭素社会の実現に貢

色のないものになると思われる。しかしながら，リ献するためには，改良の余地が残されている。そのチウムイオン電池に使用されている有機溶媒電解質

余地を埋めるものとして期待されている蓄電池系のは消防法で危険物第四類（引火性液体）に該当する。

一つが固体電池である。

そのためにエネルギー貯蔵などの用途で大量のリチ

本稿では，まずポストリチウムイオン電池として

ウムイオン電池を設置しようとした場合には，設置期待される固体電池の特徴を解説する。次に固体電できる数量や設置場所に様々な制約が課される。民池の開発状況，さらに今後の進展に向けた課題を取

生用小型電池では解決にいたったと思われている安り上げる。通常の電池における電解質は液体であり，全性の課題に再び焦点が当たっているのは，このよ

電極反応の場である電極／電解質界面は固相と液相

うな大型電池の需要が高まっているからであり，不の界面である。このような界面は，電極材料粉末を燃性物質である固体電解質を採用する固体電池への電解質に浸漬すると自動的に形成されるが，電池を期待が再び高まっているゆえんである。

固体化すると，電池材料間の界面はすべて固固界面

また，大型の蓄電池には民生用小型蓄電池とは比となり，そこには良好なイオン輸送特性を達成する

較にならないほどの長寿命が求められる。電気自動ための材料やプロセスが必要となる。本稿の最後で車用の電池では 10 年，電力系統に接続して再生可は，このような界面を形成する接合技術についても

能エネルギーを蓄える定置型電池ではそれ以上の耐説明する。

用年数が必要とされる。固体電池では，この要請に応えることのできる長寿命が達成できると考えられ

講

固体電池の特徴

2ている。
蓄電池の寿命を決定する様々な因子の中で，特に４大きな影響を及ぼすものとされているものが副反応

演

信頼性

2.1

リチウムイオン電池が，ほかの小型蓄電池と大きである。リチウムイオン電池は，正極と負極の間でく異なる点は，4 V を超える高い起電力を発生する

リチウムイオンをやり取りすることで充放電を行うことである。リチウムイオン電池は，この高い起電が，電池内部ではこの本来電池反応以外の反応も進力ゆえに高エネルギー密度の電池系となっている

行し，電池の劣化を引き起こす。特にリチウムイオが，水の分解電圧をはるかに超える起電力を発生す

ン電池は，高い酸化力を持つ正極と高い還元力を持るこの電池系に水溶液の電解質は使用することがで

つ負極を組み合わせることで高いエネルギー密度をきず，支持塩の溶媒には水に代えて有機溶媒が用い達成している電池である。そのために，この両極間られている。この有機溶媒が可燃性物質であり，そに配される電解質は酸化分解や還元分解を受けやすのために過去には発火事故が起こったこともある。

い状況におかれており，実際に電池内部では電池のしかしながら，今日のリチウムイオン電池の安全性

性能低下につながる電解質の分解反応が進行する

は飛躍的に高まっており，民生用小型電池に限ればが，固体電池ではこのような副反応に基づく劣化がほとんどこのような事故は起こらないようになって起こりにくいとされている。

きた。ところが，低炭素社会実現に向けては，電気

電解質中の還元体から電極に電子が引き抜かれて自動車を実現するための車載用蓄電池，あるいは太酸化体を生成するのが電気化学的な酸化反応であ陽光発電や風力発電による再生可能エネルギーを貯る。逆に，酸化体が電極から電子を受け取って還元蔵するための大型の蓄電池が必要となる。このよう体が生成するのが還元反応であるが，いずれの場合に電池が大型化すると可燃性物質である電解質量もも，電子の授受が行われる場所は電極表面であり，増大するうえ，放熱の悪化により電池温度は上昇し電解質の酸化分解や還元分解が起こるためには，反やすくなる。そのために大型電池では，安全性の確

応種が電極表面まで輸送されてこなければならな保が極めて重要な課題となる。

い。一方で，室温付近において固体電解質中で拡散

そのために大型のリチウムイオン電池のエネル

することのできるイオンは 1 価のイオンに限られてギー密度は小型電池に比べて低く抑えられている

おり，リチウムイオン電池を固体化する際に用いら32

SPECIAL SUBJECT

Li+ ion

LiCoO2

Solidelectrolyte

Graphite

図1

固体リチウムイオン電池の模式図

Fig. 1

Schematic drawing of solid-state lithium-ion battery.

講

つまり図 1 に模式的に示したように，固体電池内材により構成され，その分だけ電池のエネルギー密部では電池動作に必要なリチウムイオンの拡散は起度は理論エネルギー密度よりも低いものとなる。例

こる一方でその他の元素は不動の副格子を形成してえば，可燃性の電解質を使用するリチウムイオン電

おり，電気化学的な分解反応を継続させるために必

池では，数々の安全機構を設けることが不可欠であ

要な電極表面への反応種の供給が起こらない。そのるが，固体電解質を採用することにより安全性が高結果，固体電池は副反応が生じにくく，長寿命な電

まると，この安全機構も簡略化することができ，そ池となりうる。例えば，蒸着法により作製されたの分だけエネルギー密度は向上する。

Li/LiCoO2 薄膜電池は極めて優れた充放電サイクル

特に，低炭素社会の実現という新しい分野で必要寿命を示し，30,000 回の充放電サイクルにおける容とされる大型電池においては安全機構の点数が増加

量低下は 3% に抑えられることが報告されているすることが予想される。放熱が悪化する大型電池で（Wang B. et al., 1996）。

は，電池温度が上がりやすく，電池が不安全な状態となりやすい。また，電池温度の上昇により劣化を

2.2

高エネルギー密度引き起こす副反応の速度も増大するため，熱マネジ

電池においてエネルギーを蓄えるのは電極活物質

メントが極めて重要なものとなっており，例えば，

であり，電解質は正負極間のイオン伝導をつかさど

電気自動車用電池のパック中に冷却機構が占める体るものである。したがって，電池のエネルギー密度

積は決して小さなものではない。耐熱性が高く，副を決めるものは電極活物質であるということになる反応が生じにくい固体電解質を用いると，この体積が，固体電解質を採用するとエネルギー密度を向上も低減することができることになる。これらのエネさせることができると言われている。

ルギー密度の向上は，理論エネルギー密度と実際の正負極が決まると，理論的にその電池系が到達す電池のエネルギー密度の差を埋めることによりもたることのできるエネルギー密度の限界値，すなわちらされるものであるが，固体電解質を使用すると理理論エネルギー密度が決まる。しかしながら，電池論エネルギー密度そのものを高めることも可能であ33

４は正負極のみならず，電解質やそのほかの様々な部

演

れる固体電解質では，リチウムイオンのみである。

SPECIAL SUBJECT

ると期待されている。

純なものではない。有機溶媒電解質中において，リ

リチウムイオン電池の起電力は 4 V 程度である

チウムイオンは溶媒分子が配位した溶媒和構造をが，LiNi0.5Mn1.5O4 などの材料を正極として使用すとっている。放電反応において，リチウムイオンはると 5 V にまで高めることができる。しかしながら，溶媒和したかさ高い状態では CoO2 層間に入ること

このような高電位を示す正極材料は有機溶媒電解質ができないために，電極表面で脱溶媒和過程を経るの酸化分解を引き起こす。それに対して酸化分解がことになる（Yamada Y. et al., 2009）。有機溶媒中で進行しにくい固体電解質を採用すると，このようなの放電反応で必要となる，この脱溶媒和のためのエ

高電位正極を安定に動作させることが可能となり，ネルギーが，固体電解質中では不要となる。

LiPON（lithium phosphorus oxynitride）と呼ばれる固また，リチウムイオンの挿入が起こると，この図

体 電 解 質 を 使 用した薄膜固体電池中においてはに示したように電極表面においては正電荷を持つリ

10,000 回にもわたって安定に充放電が可能であるこチウムイオンと負電荷をもつ陰イオンの電荷バランとが確認されている（Li J. et al., 2015）。

スが崩れる。そこで電荷的中性を回復するためにイオンの移動が起こるが，有機溶媒電解質においては

2.3

入出力特性

リチウムイオンよりも陰イオンの移動度の方が高い

講が大きな電流を発生したり，急速充電であったりと沖合に移動することで電荷的中性が回復する。このいうのは想像しがたいかもしれない。実際に本稿のように電極表面におけるリチウムイオンの濃度が低後半で述べるように，固体電池で実用的な入出力性下することで濃度分極が発生し，さらに放電速度を能を達成するためには，大きなブレークスルーが必

上げると電極表面におけるリチウムイオン濃度は低要である。一方で，電池を固体化することで，液体下し，放電速度は電極表面と電解質沖合におけるイオンの濃度差によって電極表面に供給されるリチウ

われている。

ムイオンの流束が反応速度に支配される。液体電解電解質系では生じる抵抗成分が発生しなくなると言４

ために，図のように電極表面の陰イオンが電解質の演

液体中よりイオンが動きにくい固体を使った電池

図 2 はリチウムイオン電池の正極における放電質ではこのような拡散限界電流というものが存在す

反応を模式的に示したものであり，充電状態の正極

るが，陰イオンの拡散が起こらない固体電解質ではを便宜的に CoO2 で表している。放電反応は，この生じず，高速充放電が可能となることが確認されて図のように CoO2 層間に電極表面近傍のリチウムイ

いる（Kato Y. et al., 2016）。

オンが挿入される反応であるが，有機溶媒電解質中
におけるインターカレーション反応はこのように単Li+ ion3

固体電池実現への取り組み

3.1

高イオン伝導性固体電解質

固体電池には，インターカレーション反応における脱溶媒和過程が存在しない，濃度分極が生じにくいという高速充放電に適した特徴があるが，実際に高速充放電が可能となるためには，固体電解質内において高速イオン伝導が実現されている必要があり，全固体のリチウム電池が長らく入出力特性に乏しい電池であった原因は，リチウムイオンを伝導種

LiXCoO2

図2

Anion

液体電解質系リチウムイオン電池正極における放電反応の模式図Schematic drawing of discharge reaction at cathodeFig. 2 in lithium-ion battery with liquid electrolyte.

34とする固体電解質でイオン伝導性に優れたものが存在しないことであった。
現行リチウムイオン電池に採用されている有機溶
媒電解質のイオン伝導度は 10-2 S cm-1 台であるが，このイオン伝導の大半はアニオンによるものであり，このイオン伝導度に対するリチウムイオンの寄SPECIAL SUBJECT

与（リチウムイオン輸率）は 0.5 以下である。すな

3.2

硫化物型固体電池における粉体材料接合技術

わち，有機溶媒電解質においてリチウムイオン電池

いかにイオン伝導性に優れた固体電解質が開発さの充放電反応に関与するリチウムイオンの伝導度はれたとはいえ，イオン伝導を妨げない界面で材料同10 S cm 台である。一方の固体電解質におけるリ士を接続しなければ，高性能な固体電池とすること

チウムイオン輸率は 1 であり，イオン伝導度がそのはできない。ところが，固体電解質などのイオン伝

ままリチウムイオンの伝導度となることから，現行導体におけるイオン伝導特性は，他の物質との接合

リチウムイオン電池と同等の性能を持つ固体電池を界面で大きく変化することがある。このような伝導実現しようとした場合に固体電解質に求められるイ

挙動の異常が現れる領域は界面から数ナノメートル

オン伝導度は 10 S cm ということになる。

と考えられており，そのためにこのような現象はナ

-3

-1

-3

-1

図 3 には，リチウムイオンを伝導種とする代表

ノイオニクス（Maier J., 1995）と呼ばれている。
硫化物系固体電解質では 10-2 S cm-1 台のイオン伝

10-3 S cm-1 台のイオン伝導度が初めて観測された固導度が達成されているが，酸化物系材料に比べて硫体電解質は窒化リチウムであり（Alpen U.v., 1977），

化物がこのように高いイオン伝導度を示すのには理

その後，硫化物（Mercier R. et al., 1981），酸化物（Aono

由があり，その一つは酸化物イオンに比べて硫化物

H. et al., 1990）， さ ら に は 塩 化 物（Asano T. et al.,イオンは大きなアニオンであり，リチウムイオンの2018）でもこのようなイオン伝導度が達成されてい伝導経路となるアニオン間の間隙が広くなることでる。中でも，硫化物系固体電解質のイオン伝導はある。次に，硫化物イオンは酸化物イオンに比べて10 S cm 台に達しており（Kamaya N. et al., 2011），

高い分極率を示すことから，リチウムイオンに対す

この値は有機溶媒電解質のイオン伝導度と同等，さるアニオン格子の束縛力が弱まることである（Zhengらにリチウムイオン輸率の違いを考慮に入れると，

N. et al., 2003）。このように，リチウムイオンとアニ

講

リチウムイオンの輸送特性に関していえば有機溶媒

オン格子の間の相互作用が小さなことが，硫化物系

電解質よりも優れたものになっていると結論付ける

固体電解質が高いイオン伝導度を示す理由の一つで演ことができる。このようにリチウムイオン電池を全あるが，この特徴が硫化物型固体電池における材料

固体化するために必要なイオン伝導度は 40 年以上接合界面に抵抗層を形成する原因ともなっている。

前に達成されていたが，固体電池においてリチウム

ナノイオニクス現象の本質は，界面において可動

イオン電池と同等の性能が達成されるにはさらにイオン濃度が変化することであるが，硫化物系固体

30 年近くの年月が必要であった。

電解質においてリチウムイオンとアニオン格子との-2-1相互作用が小さいということは，この濃度変化が起きやすいということを意味する。正極が示す高い電位は，正極と接合する固体電解質中のリチウムイオσ (S cm−1)

10 -1

ン濃度を低下させる方向に作用するが，リチウムイ
オンに対する捕捉力の弱いアニオン格子を持つ硫化

10 -3
10

物系固体電解質の場合にはその濃度低下は顕著なものとなる。その結果，正極と接触した領域のリチウ-5: Oxides: Sulfides: Halides: Nitrides

10 -7
10 -9
1970

1980

1990

2000

2010

2020

Publication year

図3

代表的なリチウムイオン伝導性固体電解質のイオン伝導度Fig. 3 Ionic conductivity of typical lithium-ion conductive
solid electrolytes.

ムイオンは欠乏し，界面を高抵抗化する。固体電池の入出力特性を向上させるためには，このリチウム
イオンの欠乏を抑制する必要があり，そのために採用されたのが酸化物系固体電解質薄膜による正極表面の被覆である（Ohta N. et al., 2006）。
正極表面を酸化物系固体電解質の薄膜で被覆すると，薄膜の電子絶縁性のために正極の高電位は硫化物系固体電解質に印加されず，リチウムイオンの欠乏は抑制される。また，酸化物系固体電解質薄膜に

35

４

的な固体電解質のイオン伝導度を示しているが，

SPECIAL SUBJECT

化物系材料に比べると約 1 桁低いとはいえ，10-3 S cm-1
であり，リチウムイオン電池を固体化するには十分な値となっている。しかしながら，酸化物型固体電Li4Ti5O12
coating layer

池の性能はこのイオン伝導度から期待されるものに遠く及ばない。硫化物系固体電解質と酸化物系固体
電解質を使用した際のこのような大きな電池性能の違いは，固体電解質の機械的特性の違いに基づく。

LiCoO2硫化物系固体電解質を採用する固体電池において高い性能が達成されている理由は，固体電解質が20 nm

10-2 S cm-1 を超える高いイオン伝導度を示すことに加え，硫化物系固体電解質が塑性変形を起こしやす

図4

LiCoO2 粒子表面に形成された表面被覆層の電子顕
微鏡像

Fig. 4 Transmission electron micrograph of surface coating layer formed on LiCoO2 cathode.

い軟らかな物質であることに負うところが大きい。
硫化物系固体電解質の粉末を室温で加圧成型すると，固体電解質粒子は容易に塑性変形を起こし，粒子間に良好な接合界面が形成される。また，電極活
物質と固体電解質の界面についても同様であり，加講演
４

対しては正極の高電位が印加されるが，酸化物イオ

圧成型によって固体電解質粒子が可塑変形を起こす

ンがリチウムイオンを強く捕捉するためにこの薄膜ことにより，電極活物質粒子と固体電解質粒子の間中におけるリチウムイオン濃度はあまり低下せず，には，電気化学反応の場である活物質／電解質界面

薄膜が高抵抗化することはない。図 4 には，正極が形成される。このように硫化物系固体電解質は可表面を被覆する酸化物系固体電解質薄膜の様子を示

塑変形を起こしやすい物質であるために，硫化物系

したが，転動流動層コーティングという方法を採用

固体電解質を採用すると，室温での加圧成型プロセ

することで，真空プロセスなどを用いることなく，スのみで固体電池を作製することが可能となる。

正極粒子の表面を数ナノメートルの厚みで被覆する
ことが可能となっている。

それに対して酸化物系固体電解質は硫化物系材料に 比 べ て 硬 い 物 質 で あ る。 特 に イ オ ン 伝 導 度 が10-3 S cm-1 台に達している NASICON 型（Aono H. et

酸化物型固体電池における粉体材料接合技術

al., 1991）， ペ ロ ブ ス カ イ ト 型（Inaguma Y. et al.,

前節で述べた界面設計と有機溶媒電解質よりも高1993），ガーネット型（Li Y. et al., 2012）の固体電いリチウムイオン伝導性を示す固体電解質の開発に

解質，さらに最近になって 10-3 S cm-1 台のイオン伝より，硫化物系固体電解質を採用する固体電池の性導度が報告された LiTa2PO8（Kim J. et al., 2018）は，

能は，リチウムイオン電池を凌駕するに至ったと言ほとんど可塑性を示さない。そのために，固体電解

われており（Kato Y. et al., 2016），現在，車載用途

質粒子間を接合するためには焼結プロセスが採用さを目指した開発が進められている。一方で，硫化物れる。しかしながら，酸化物系固体電解質は焼結体

系固体電解質は大気中の湿気とも反応する安定性ににおいても極めて高い粒界抵抗が残存し，この粒界乏しい物質であり，電池製造は湿度などを厳密に管抵抗のために，焼結体の抵抗は固体電解質伝導度か理した環境下で行う必要がある。多様な用途に適合

ら見積もられる抵抗に比べて桁違いに高くなることする固体電池とするためには，安定な固体電解質をもある（Aono H. et al., 1991; Inaguma Y. et al., 1993）。

採用する必要がある。このような固体電池として期もちろんのこと，焼結温度を高めることで粒界抵待されているものが，化学的な安定性の高い酸化物

抗 を 低 減 す る こ と は 可 能 で あ り（Inaguma Y. and

材料を固体電解質として用いた酸化物型固体電池で

Nakamura M., 2013），ガーネット型固体電解質におあるが，これまで報告されてきた電池は薄膜型やいては粒界抵抗（Ohta S. et al., 2011）の全抵抗に対チップ型などの超小型のものに限られていた。

する粒界抵抗の寄与は小さなものであることも報告

3.3

酸化物系固体電解質のイオン伝導度の最高値は硫36

さ れ て い る が， い ず れ の 場 合 も 焼 結 に は 1200–

SPECIAL SUBJECT

1450°C の高温が必要である。しかしながら，固体
電池内において固体電解質は電極活物質と接触した状態にある。このような状態における高温プロセス
はしばしば固体電解質と電極活物質の間に元素の相References
Alpen U.v., Rabenau A., Talet H., Ionic conductivity in Li3N
single crystal, Applied Physics Letters, 30 (1977) 621–623.
https://doi.org/10.1063/1.89283

互拡散を引き起こし，両者の接合界面には不純物相

Aono H., Sugimoto E., Sadaoka Y., Imanaka N., Adachi G.,が生成する（Kobayashi Y. et al., 1999）。この不純物

Ionic conductivity of solid electrolytes based on lithium

相が電極反応，リチウムイオンの拡散を阻害するた

titanium phosphate, Journal of the Electrochemical Society,137 (1990) 1023–1027. https://doi.org/10.1149/1.2086597

めに，酸化物系固体電解質においても 30 年以上前

Aono H., Sugimoto E., Sadaoka Y., Imanaka N., Adachi G.,に 10-3 S cm-1 を超えるイオン伝導度が達成されていElectrical property and sinterability of LiTi2(PO4)3 mixed

るにもかかわらず，酸化物型固体電池では固体電解with lithium salt (Li3PO4 or Li3BO3), Solid State Ionics, 47

質の材料物性が電池性能につながっていない。この(1991) 257–264.

問題の解決のために低温焼結が可能な固体電解質の採用（Okumura T. et al., 2020），反応焼結による焼結

https://doi.org/10.1016/0167-2738(91)90247-9
Asano T., Sakai A., Ouchi S., Sakaida M., Miyazaki A., Hasegawa
S., Solid halide electrolytes with high lithium-ion conduc-

温度の低温化（Ohta S. et al., 2020）などの試みが行

tivity for application in 4 V class bulk-type all-solid-state

われているが，いずれの場合も固体電解質のイオン

batteries, Advanced Materials, 30 (2018) 1803075.

伝導度は 10-4 S cm-1 前後にとどまっており（Roger
A.R. et al., 1985），実用的な電池性能を達成するには至っていない。

https://doi.org/10.1002/adma.201803075
Inaguma Y., Liquan C., Itoh M., Nakamura T., Uchida T., Ikuta
H., Wakihara M., High ionic conductivity in lithium
lanthanum titanate, Solid State Communications, 86 (1993)
689–693. https://doi.org/10.1016/0038-1098(93)90841-A

おわりに

Inaguma Y., Nakamura M., A rechargeable lithium–air battery

ムイオン以外に拡散種を持たないことから，固体電ceramics as an electrolyte separator, Journal of Power
Sources, 228 (2013) 250–255.

４

固体電解質は不燃性のセラミックであり，リチウ

https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.11.098

解質を採用することにより，リチウムイオン電池にKamaya N., Homma K., Yamakawa Y., Hirayama M., Kanno R.,

高い信頼性を付与することができるのみならず，電Yonemura M., Kamiyama T., Kato Y., Hama S., Kawamoto

池のエネルギー密度，さらには入出力密度まで高めることができると言われている。このような固体電K., Mitsui A., A lithium superionic conductor, Nature Materials, 10 (2011) 682–686.
https://doi.org/10.1038/nmat3066池を実現するために不可欠な材料は，優れたイオン

Kato Y., Hori S., Saito T., Suzuki K., Hirayama M., Mitsui A.,

伝導性を有する固体電解質であり，精力的な探索のYonemura M., Iba H., Kanno R., High-power all-solid-

結果，様々な物質系で現行リチウムイオン電池に使用されている有機溶媒電解質と同等のイオン伝導度

state batteries using sulfide superionic conductors, Nature
Energy, 1 (2016) 16030.
https://doi.org/10.1038/nenergy.2016.30が達成され，硫化物系材料におけるリチウムイオン

Kim J., Kim J., Avdeev M., Yun H., Kim S.-J., LiTa2PO8: a fastの伝導性は液体系を凌駕するに至っている。しかしlithium-ion conductor with new framework structure, Jour-

ながら，このような優れた材料物性も，電池材料間

nal of Materials Chemistry A, 6 (2018) 22478–22482.

の接合界面における良好なイオン伝導性なくしては，電池性能につながることはなく，特に次世代の固体電池として注目されている酸化物型固体電池においては，材料間の接合技術が確立されていないことが電池実現への大きな障害として立ちふさがっている。固体電池の研究は，これまで材料研究者が中心となって進めてきたが，社会実装に向けては粉体工学をはじめとするプロセスの研究者との融合が極めて重要な段階となっている。

演

using a lithium-ion conducting lanthanum lithium titanate講4https://doi.org/10.1039/C8TA09170F
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37

SPECIAL SUBJECT

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Li+ ion-exchange reaction, Journal of Materials Chemistry

Nature, 426 (2003) 428–432.

A., 8 (2020) 8989–8996.

https://doi.org/10.1038/nature02159

講

Ohta S., Kawakami M., Nozaki H., Yada C., Saito T., Iba H., Li+

演
４

著者紹介

高田

和典

Kazunori TAKADA〔経歴〕1986 年大阪大学大学院理学研究科博士前期課程修了，松下電器産業入社。1991 年に大阪市立大学より博士（工学）。1999 年に無機材質研究所に入所，2018 年より現職。
〔専門〕固体電池。
〔連絡先〕takada.kazunori@nims.go.jp

38

講 演５

鉄系触媒を用いたメタン直接改質反応によるSDGs への取り組み
Efforts for SDGs by Direct Methane Reforming (DMR) Reaction
with Iron-Based Catalysts
河瀬俊介 1，河合1

一誠 2，松井敏樹 3

戸田工業株式会社 生産技術本部
2
3

同 創造本部

同 事業支援推進室 副室長

Shunsuke KAWASE1, Kazushige KAWAI2, Toshiki MATSUI3
1
2

Production Technology Division, Toda Kogyo Corp., JAPANResearch & Development Division, Toda Kogyo Corp., JAPAN

3

Deputy Department Manager, Business Coordinate Department, Toda Kogyo Corp., JAPAN抄

録

メタン直接改質（DMR）反応は，メタンを原料として鉄系触媒等の存在下で ターコイズ水素 および
カーボンナノチューブ（CNT）等の炭素材料を生成させるクリーンな反応であり，カーボンニュートラ
ル社会に貢献可能なプロセスである。本稿では，我々が新規合成した高活性鉄系触媒を用いて各種
DMR 反応条件下で生成させた水素および CNT の特性について紹介する。
ABSTRACTThe Direct Methane Reforming (DMR) reaction is a clean reaction which forms “Turquoise hydrogen” and carbon
materials of carbon nanotubes (CNTs) and so on using methane gas with iron-based catalysts etc., and it will be aprocess that can contribute to a carbon-neutral society. We will introduce the properties of hydrogen and CNTs
created by various reaction conditions of DMR with the high-activity iron-based catalysts which are newly
synthesized by us.

1

はじめに

エネルギー・水素等関係閣僚会議，2017）。その中で，水素は炭素分を含まず燃焼時に二酸化炭素（CO2）2017 年 12 月 26 日に日本の「水素基本戦略」がを排出しないという環境特性はもちろんのこと，エ取りまとめられ，2050 年を視野に入れた水素社会

ネルギーキャリアとして再生可能エネルギー等を貯実現に向けて将来目指すべき姿や目標として官民がめ，運び，利用することができる特性（貯蔵性，可共有すべき方向性・ビジョンが示された（再生可能搬性，柔軟性）を有しており，海外の豊富な再生可

Copyright © 2022 The Authors. Published by Hosokawa Powder Technology Foundation. This is an open
access article under the CC BY 2.1 JP license (https://creativecommons.org/licenses/by/2.1/jp/).

39

SPECIAL SUBJECT

能エネルギー資源や未利用エネルギー資源，CCS（Carbon dioxide Capture and Storage）適地等を活用することが可能となるため，エネルギー資源の乏しい日本にとって，水素はエネルギー安全保障と温暖化対策の切り札となり得ると述べられている。

CH4 → 2H2 + C（カーボンナノチューブ etc.）（1）

CH4 + 2H2O → 4H2 + CO2（2）

また，DMR 法で得られた CNT をカーボンブラッ
ク等の他炭素材料の代替として利用すれば，さらな

その水素社会の実現に向けた基本戦略の一つとしる CO2 削減が期待できる。すなわち，DMR 反応技て，低コストな水素利用の実現が挙げられており，術は，CO2 フリーのクリーンな水素製造と高機能な

海外の安価な未利用エネルギーと CCS を組み合わ

CNT 製造の両立を可能とする SDGs およびカーボ

せ，または安価な再生可能エネルギーからの大量水

ンニュートラル実現に貢献可能な技術であると言え素の調達を基本アプローチとしながら，2030 年頃る。本稿では，鉄系触媒による DMR 反応で得られに年間 30 万 t 程度の水素の調達と 30 円/Nm 程度

る水素および CNT の特性について紹介する。

3の水素コストの実現を目指し，将来的に 20 円/Nm

3程度までコスト低減し，環境価値も含めて既存のエ鉄系触媒による DMR 反応メカニズム2

ネルギーコストと同等のコスト競争力を実現することを目指すとしている。

メタン等の炭化水素を熱分解させて水素や CNT

講
演

現在実用化されている水素製造技術は，大きく分を生成させる反応においては，Fe，Co，Ni の主触

けて水電解，副生ガス精製，および水蒸気改質法等媒元素と Al，Si，Mg 等の助触媒元素から構成されの改質精製の 3 つである（環境省，2022）。その改た触媒等が用いられる（Colomer et al., 2001; Li et al.,質精製技術の一つにメタン直接改質（DMR: Direct

2001; Shukrullah et al., 2019）。図 1 に主触媒となる

Methane Reforming）法がある。DMR 法は，メタン

ヘマタイト（α-Fe2O3）粒子と，助触媒となるアルを原料として Fe，Co，Ni 等の金属触媒粒子を用いミナ（Al2O3）粒子を複合化して用いた場合の DMRて熱分解させ，水素とカーボンナノチューブ（CNT）

反応メカニズムの概念図を示す。DMR 触媒による等の固体炭素を生成するクリーンな反応（（1）式）

水素と CNT の生成メカニズムは次のような反応をである。この DMR 反応は，現在工業的に広く用い考えている（Wirth et al., 2009; 東野ら，2009）。

られている水蒸気改質法（（2）式）と比較した場合，

a）助触媒であるアルミナ粒子表面上の活性点にメ

メタン 1 分子当たりの水素生成量は 1/2 であるもの

タン分子が吸着し，ラジカル分子（CHx・）との，水素生成に伴う直接的な CO2 の発生がない，

水素に分解する（STEP ①）。

５すなわち CO2 フリーな反応となり，得られる水素b）アルミナ粒子表面で生成したラジカル分子が近はターコイズ水素と呼ばれる（Federal Ministry for

傍の主触媒となるヘマタイト粒子に移動し，ヘEconomic Affairs and Energy, 2020）。一方，水蒸気改マタイト粒子はラジカル分子との反応で金属 Fe質法で得られた水素は，CCS 技術を用いればブルー粒子に還元される（STEP ②）。

水素，そうでなければグレー水素に位置付けられる。

Auxiliary catalyst（Al2O3）

CH4 (4-x)/2H2+CHx・
STEP①k1
Decompositionof CH4

図1c）次いで，金属 Fe 粒子表面でラジカル分子が反応

Main catalyst（α-Fe2O3→Fe)

CHX・

Main catalyst（Fe)

CHX・

H2O,
CO, CO2
STEP②k2
Reduction ofiron oxide

C

x/2H2
STEP③k3
Decompositionof CHX・

CNTs
STEP④k4
Solid solution anddiffusion of carbon

STEP⑤k5
Formationof CNTs

ヘマタイト / アルミナ複合触媒による DMR 反応メカニズム概念図

Fig. 1 Schematic diagram of DMR reaction mechanism with α-Fe2O3/Al2O3 composite catalyst.

40

Total amount of hydrogen production
at furnace outlet [mol g-cat.-1]

SPECIAL SUBJECT

0.7

高温反応下のシンタリングと，金属 Fe 表面の炭化0.6

物形成が挙げられる。

0.5
0.4
0.3

Fe2O3-supported Al2O3
Co3O4-supported Al2O3
NiO-supported Al2O3

0.2
0.1
0.0

0

50

100

150

200

DMR 触媒の組成設計

3.1

主触媒元素のスクリーニング

助触媒となる γ-Al2O3（BET 150 m2 g-1）粒子の表面に，主触媒元素の Fe，Co，Ni の硝酸塩（Al に対250

して 0.28 倍モル）を含浸させた後，500°C，120 min

Reaction time [min]図23

焼成して α-Fe2O3，Co3O4 および NiO を担持させた

各種複合触媒による DMR 反応時間と積算水素生成

Al2O3 複合粒子を調製し，小型バッチ式回転炉を用量の関係（反応温度：705°C，原料ガス（13A）流量 /いて Fe，Co，Ni 触媒効果の比較を行った。これら

触媒重量比：0.67 L min-1 g-cat.-1）

3 種類の複合粒子による DMR 反応時間と積算水素

Fig. 2 Relationship between DMR reaction time and totalhydrogen production using various composite catalysts (Reaction temperature: 705°C, Ratio of flowrate of raw material gas (13A) to catalyst weight:
0.67 L min-1 g-cat.-1).

生成量の関係を図 2 に，各種複合粒子を用いて得られた CNT の粉体特性を表 1 に，CNT の TEM 写
真を図 3 に示す。
各主触媒元素の反応初期の水素生成速度は Ni >Co > Fe の順となり，金属元素の易還元性との相関

して炭素と水素を生成し（STEP ③），生成したが見られた。Ni に関しては反応初期の水素生成量

炭素は金属 Fe 粒子中にいったん固溶・拡散しては高いものの，時間経過に伴い顕著に生成量の低下

いく（STEP ④）。

が 見 ら れ た。 ま た， 生 成 し た CNT に つ い て は，d）金属 Fe 粒子中に固溶した炭素が過飽和状態にな

BET 比表面積は Fe が最も大きく，粉体抵抗に関しると金属 Fe 粒子表面から CNT として析出成長ては Co が最も低い傾向が見られた。Ni の CNT にしていく（STEP ⑤）。

ついては著しく BET が低く粉体抵抗も劣っていた。

各種複合触媒を用いて得られた CNT の特性

Table 1

演表1

講尚，上記反応における触媒の失活要因としては，

Characteristics of CNTs obtained using various composite catalysts.

BET specific surface area [m g ]
2

-1

-3

Powder resistance [Ω cm (at 1 g cm )]Fe2O3/Al2O3

Fe2O3/Al2O3

Co3O4/Al2O3

NiO/Al2O3

178

166

110

0.037

0.027

0.075

Co3O4/Al2O3

５

Characteristics

NiO/Al2O3

50nm
図3

各種複合触媒を用いて得られた CNT の TEM 写真

Fig. 3 TEM photographs of CNTs obtained using various composite catalysts.

41

図4

1.6

50

40%Al2O3-Fe2O3
20%Al2O3-Fe2O3
12%Al2O3-Fe2O3
40%MgO-Fe2O3
20%MgO-Fe2O3
12%MgO-Fe2O3
Fe2O3

1.4
1.2
1.0
0.8

Hydrogen concentrationin furnace outlet gas [vol%]Total amount of hydrogen production at
furnace outlet [mol g-cat.-1]

SPECIAL SUBJECT

0.6
0.4
0.2
0.0

0

50

100

150

Reaction time [min]各種鉄系触媒による DMR 反応時間と積算水素生成

20
10

図5

0

50

100

150

Reaction time [min]

200

250

各種触媒による DMR 反応時間と炉出口ガス中水素量の関係（反応温度：705°C，原料ガス
（13A）
流量 /

濃度の関係（反応温度：705°C，原料ガス（13A）流

触媒重量比：0.67 L min g-cat ）量 / 触媒重量比：0.67 L min-1 g-cat.-1）

-1

.-1

Fig. 4 Relationship between DMR reaction time and totalhydrogen production using various iron-based catalysts (Reaction temperature: 705°C, Ratio of flowrate of raw material gas (13A) to catalyst weight:
0.67 L min-1 g-cat.-1).

3.2

30

0

200

Catalyst A
Catalyst B
Catalyst C

40

助触媒元素のスクリーニング

Fig. 5 Relationship between DMR reaction time and hydrogen concentration in furnace outlet gas using
various composite catalysts (Reaction temperature: 705°C, Ratio of flow rate of raw material gas(13A) to catalyst weight: 0.67 L min-1 g-cat.-1).

3.3

触媒調製方法による反応特性への影響

主触媒となる α-FeOOH 粒子（BET 87 m g ）表DMR 触媒の高活性化を図るべく，主触媒元素 Fe

面に，助触媒として Al(OH)3 または Mg(OH)2 をそと助触媒 Al との複合化方法について検討を行った。

れぞれ Fe に対して 12，20，40 mol% を湿式反応で試料としては，物理混合法で調製した Co 含有酸化析出沈殿（被覆）させた後，500°C で 120 min 焼成

鉄（α-Fe2O3）と Mg-Al 複合水酸化物の混合物（触させることにより Al2O3，MgO を被覆した α-Fe2O3

媒 A）， 析 出 沈 殿 法 で 調 製 し た Al 被 覆 酸 化 鉄

複合触媒を調製した。これら複合触媒を用いて小型（α-Fe2O3）（触媒 B）および固溶法（湿式合成法）

バッチ式回転炉にて DMR 反応を行った際の反応時で調製した Fe-Al 複合水酸化物（触媒 C）を用いた。
表 2 にこれら触媒の調製仕様を示す。尚，BET 比

2

-1

講
演

間と積算水素生成量の関係を図 4 に示す。

５α-Fe2O3 粒子表面に Al2O3 を被覆させることで水表面積は，触媒 A：35 m2 g-1，触媒 B：83 m2 g-1，触素生成量が顕著に上昇することが確認された。被覆

媒 C：245 m2 g-1 であった。上記触媒を用いて小型バッ

量による反応初期の水素生成量は 20 > 12 > 40 mol%

チ式回転炉で DMR 反応を行った際の反応時間と炉の順となり，被覆量 20% において積算水素生成量

出口ガス中の水素濃度の関係を図 5 に示す。

（反応 180 min 後）が最も高い値を示した。一方，

触媒 A と触媒 B については，反応初期の水素濃MgO の被覆については，水素濃度を高める効果は度は高いものの，時間経過に伴う著しい濃度低下が見られなかった。

見られた。一方，触媒 C については，反応初期の

表2

各種触媒の調製仕様

Table 2

Specifications of various catalysts.

Sample namePreparation method

Compositions

Composition molar ratio [-]Catalyst A

Physical mixing method

Mixture of Co contained Iron oxide and
Mg-Al composite hydroxide

Fe/Co/Mg/Al=30/1/48/21

Catalyst B

Deposition-precipitation method

Al coated iron oxide

Fe/Al=5/1

Catalyst C

Solid solution method (Wet synthesis
method)Al-Fe composite hydroxide

Fe/Al=1/1

42

SPECIAL SUBJECT

Furnace outlet gas（H2, CH4 etc.）
Raw material gas

Catalyst feeder

Furnace outlet gas（H2, CH4 etc.）（Parallel flow gas）

CylinderUpstream side

Downstream side

Raw material gas（Countercurrent flow gas）

Feeder motor
Catalyst powder

Recovery tankof CNT and catalyst

図6

小型連続式スクリュー炉の内部構造と触媒および原料ガスの流れ

Fig. 6 Internal structure and flow of catalyst and raw material gas in small continuous screw furnace.

0.060
Raw material gas: City gas 13A
Reaction temperature: 700 ℃

80

CNT powder resistance[Ω cm (at 1 g cm-3)]

Average hydrogen concentrationin furnace outlet gas [vol%]100

Parallel flow gas
Countercurrent flow gas

60
40
20
0

0

50

100

150

0.050

0.030
0.020

原料ガス流向による原料ガス / 触媒比と炉出口ガス

50

100

150

200

図8

原料ガス流向による原料ガス / 触媒比と生成 CNTの粉体抵抗の関係

水素濃度は低いものの，反応 40 min 以降は触媒 A，

小型連続式スクリュー炉の内部構造と触媒およびB に比べて高い水素濃度を維持していた。これは，原料ガスの流れを図 6 に示す。原料ガス流向によ

触媒 C の高比表面積の効果だけではなく，Fe と Al

る原料ガス / 触媒比（触媒供給量に対する原料ガス

がナノレベルで複合化されていることになり，主触流量の比率）と炉出口ガス中水素濃度の関係を図 7媒となる金属 Fe 粒子のシンタリングが Al 成分で抑に，原料ガス / 触媒比と生成 CNT の粉体抵抗の関係

制され，触媒活性の持続性が向上したものと考えてを図 8 に示す。尚，触媒は前述の表 2 の触媒 A（Coいる。

含有酸化鉄と Mg-Al 複合水酸化物の混合物）を用いた。

4小型連続式スクリュー炉による DMR 反応
仕様の検討

触媒供給量を増やす（原料ガス / 触媒比を小さくする）にしたがって，原料ガスの分解反応が進んで水素濃度は顕著に増加したが，一方 CNT 粉体抵抗4.1

触媒供給量に対する原料ガス流量の比率およびについては上がる傾向が見られた。また，ガス流向

原料ガス流向と生成水素・CNT 特性との関係（触媒の流れに対する原料ガスの流れ方向）に関し

43

５

Fig. 8 Relationship between ratio of flow rate of raw­material gas to feed rate of catalyst and powder
resistance of generated CNTs due to flow direction of raw material gas.

演Fig. 7 Relationship between ratio of flow rate of raw­material gas to feed rate of catalyst and hydrogenconcentration In furnace outlet gas due to flow
­direction of raw material gas.

講

中水素濃度の関係

0

Flow rate of gas /Feed rate of catalyst [L/g]

Flow rate of gas /Feed rate of catalyst [L/g]

図7

Parallel flow gas
Countercurrent flow gas

0.040

0.010

200

Raw material gas: City gas 13A
Reaction temperature: 700 ℃

SPECIAL SUBJECTては，ガス並流の方がガス向流よりも水素濃度は高Narrowed
point

くなる傾向が見られたが，CNT 粉体抵抗については上がった。
4.2

ガス流向による水素濃度および CNT 粉体抵抗への影響についての考察

図 9 にガス並流およびガス向流で反応させた際

Parallel flow gasの CNT の TEM 写真を示す。ガス並流時の CNT は，
ガス向流時のものに比べてチューブにくびれ（結晶不連続面）が多く観察されており，このくびれの影
響により CNT 粉体抵抗が高くなったものと考えられる（Oda et al., 2016）。図 10 に，小型バッチ式回転炉において都市ガスに酸化性ガスの H2O，CO2 を
微 量 添 加 し て DMR 反 応 さ せ た 際 の 生 成 CNT のCountercurrent flow gas

TEM 写真を示す。H2O，CO2 いずれも添加濃度が高50nm

いほど，チューブにくびれが多いものが生成している。これと同じ現象が連続炉のガス並流時においても起こっており，その微量な H2O，CO2 は触媒の還元と熱分解反応から生成したものと考えている。すなわち，ガス並流の場合，Co 含有酸化鉄と Mg-Al
複合水酸化物からなる触媒が反応炉上流側で金属

図9

小型連続式スクリュー炉を用いたガス流向による生成 CNT の TEM 写真

Fig. 9 TEM photographs of generated CNTs due to flow
direction of raw material gas using small continuous screw furnace.

講演５
H2O-added 0.6%

H2O-added 2.4%

No addition of H2O, CO250nm

CO2-added 0.5%

図 10

CO2-added 3.0%

酸化性ガス添加都市ガスによる生成 CNT の TEM 写真（反応温度：705°C，原料ガス（13A）流量 / 触媒重量比：0.27 L min-1 g-cat.-1，反応時間：180 min）

Fig. 10 TEM photographs of generated CNTs by city gas with oxidized gas (Reaction temperature: 705°C, Ratio of flowrate of raw material gas (13A) to catalyst weight: 0.27 L min-1 g-cat.-1, Reaction time: 180 min).

44

SPECIAL SUBJECT

Fe-Co と Mg-Al 酸化物に還元および熱分解され，そReferencesの際に発生した微量の H2O と CO2 が反応炉下流側

Colomer J.F., Benoit J.M., Stephan C., Lefrant S., Van Tendeloo

まで原料ガスに混入した状態で DMR 反応が進行す

G., Nagy J.B., Characterization of single-wall carbon nano-

るため，くびれの多い CNT が生成してしまう。一方，

tubes produced by CCVD method, Chemical Physics Let-

ガス向流の場合，上流側で発生した CO2，H2O は下

ters, 345 (2001) 11–17.

流側から流れてきた原料ガス（反応ガス）により直ちに反応炉系外に排出され，CO2，H2O が混入しない状態で CNT 生成反応が進むことになる。

https://doi.org/10.1016/S0009-2614(01)00841-7
Federal Ministry for Economic Affairs and Energy, The nationalhydrogen strategy, 2020.
https://www.bmwk.de/Redaktion/EN/Publikationen/

一方，水素濃度に関しては，ガス並流の方がガス向流に比べて高い傾向が見られたのは，原料ガス中に酸化性の H2O，CO2 が含まれることで，触媒表面に失活原因となる炭化物の形成がされ難くなったものと考えられる（Futaba et al., 2005; Sato et al., 2018）。

Energie/the-national-hydrogen-strategy.html
Futaba D.N., Hata K., Yamada T., Mizuno K., Yumura M.,
Iijima S., Kinetics of water-assisted single-walled carbon
nanotube synthesis revealed by a time-evolution analysis,
Physical Review Letters, 95 (2005) 056104.
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.056104
Li Y., Kim W., Zhang Y., Rolandi M., Wang D., Dai H., Growth5of single-walled carbon nanotubes from discrete catalytic

おわりにnanoparticles of various sizes, The Journal of Physical
Chemistry B, 105 (2001) 11424–11431.

DMR 法は，メタンを原料として鉄系触媒等の存在下で水素と CNT を生成するクリーンな反応技術である。著者らは，この DMR 法を用いた水素製造システムを社会実装すべく検討中である。しかしながら，この水素製造システムの FS を実施した結果，国の 2030 年水素製造コスト目標である 30 円/Nm3以下を達成しつつ社会実装するには，水素製造と同時に生成する CNT を高付加価値製品として市場展
要であることが判った。この CNT が高付加価値製

lithium ion secondary battery using carbon nanotube, PCT
Patent, (2016) WO/2016/076393.
https://patentscope.wipo.int/search/en/detail.jsf?docId=
WO2016076393
Sato T., Sugime H., Noda S., CO2-assisted growth of millimetertall single-wall carbon nanotube arrays and its advantage
against H2O for large-scale and uniform synthesis, Carbon,
136 (2018) 143–149.
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2018.04.060
Shukrullah S., Naz M.Y., Mohamed N.M., Ibrahim K.A., GhaffarA., AbdEl-Salam N.M., Synthesis of MWCNT forests
with alumina-supported Fe2O3 catalyst by using a floating

が，上述で示したように触媒組成や DMR 反応条件

catalyst chemical vapor deposition technique, Journal of

により CNT の品質は大きく左右され，現状では高Nanomaterials, 2019 (2019) 4642859.

濃度水素と高品質 CNT の関係はトレードオフとなっている。今後，DMR 反応技術を社会実装すべく高濃度水素と高品質 CNT の両立が可能な高活性触媒と DMR 反応仕様の確立を目指す。

謝辞

https://doi.org/10.1155/2019/4642859
Wirth C.T., Hofmann S., Robertson J., State of the catalyst
during carbon nanotube growth, Diamond and RelatedMaterials, 18 (2009) 940–945.
https://doi.org/10.1016/j.diamond.2009.01.030
環境省，水素サプライチェーン事業化に関する調査・報告書（2022 年 版 ），2022．https://www.env.go.jp/seisaku/list/
ondanka_saisei/lowcarbon-h2-sc/support-tool-info/PDF_
Excel/support-tool_report220316.pdf

本稿で紹介した研究成果の一部は，国立研究開発

再生可能エネルギー・水素等関係閣僚会議，水素基本戦略，

法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「水素利2017．https://www.cas.go.jp/jp/seisaku/saisei_energy/pdf/

用等先導研究開発事業 / 炭化水素等を活用した二酸

hydrogen_basic_strategy.pdf

化炭素を排出しない水素製造技術開発」（2021〜

東野 和幸，杉岡 正敏，小林 隆夫，湊 亮二郎，丸 祐介，笹山 容資，大塚 雅也，牧野 隆，坂口 裕之，LNG ロケット

2022 年度）の委託事業として実施したものである。

エンジンのメタンコーキング特性に関する基礎研究，室蘭関係各位に深く感謝する。

工業大学紀要，58 (2009) 9–15.

45５する高導電性等の優れた特長を活かす必要がある

Carbon nanotube and method for manufacturing same, and演品として市場で受け入られるには，CNT が本来有Oda W., Kawai K., Honda T., Okazaki S., Nagai N., Toda T.,

講

開し，システム全体として収益を上げる仕組みが必

https://doi.org/10.1021/jp012085b

SPECIAL SUBJECT

著者紹介

河瀬

俊介

Shunsuke KAWASE〔経歴〕2014 年 3 月広島大学大学院工学研究科化学工学専攻修士課程修了。同年 4 月戸田工業（株）に入社し，現在に至る。
〔専門〕化学工学，現在は，プロセス開発に携わっている。
〔連絡先〕syunsuke_kawase@todakogyo.co.jp

河合一誠

Kazushige KAWAI〔経歴〕2013 年 3 月に北見工業大学大学院化学システム工学専攻修士課程修了。同年 4 月に戸田工業（株）に入社し，現在に至る。
〔専門〕化学工学。現在は，環境関連商品の開発に携わっている。
〔連絡先〕kazushige_kawai@todakogyo.co.jp

松井敏樹

Toshiki MATSUI〔経歴〕1985 年 3 月広島大学工学部第三類醗酵工学科卒業。同年 4 月戸田工業（株）に入社し，現在に至る。2003 年 9 月岡山大学大学院自然科学研究科物質分子科学専攻博士後期課程修了，博士（工学）。
〔専門〕環境工学，現在は，環境関連商品の開発に携わっている。
〔連絡先〕Toshiki_Mtasui@todakogyo.co.jp

講
演
５
46

講 演６

SDGs を意識したホソカワミクロンの装置・技術開発
Hosokawa Micron’s Equipment and Technology Development Considering SDGs
村田憲司

ホソカワミクロン株式会社 粉体工学研究所開発室 室長

Kenji MURATA
Section Manager, Development Section, Powder Technology Research Institute, Hosokawa Micron Corporation, JAPAN抄

録

産業向け機器を製造・販売する企業の責任として，エネルギー効率の良い製品の開発は必須である。本稿ではエネルギー効率が良いホットエアジェットミル，省エネルギーを意識して開発した分級機内蔵衝
撃型微粉砕機 ACM の最新機種である ACM-F 型について報告する。また，プラント全体の効率を改善する取り組みの第一歩として販売を開始した遠隔監視およびデータ収集システムである HOSOKAWA
GEN4 RM の概要を紹介する。
ABSTRACTThe development of energy-efficient products is an essential responsibility of companies manufacturing and sellingindustrial equipment. This paper reports on the energy-efficient hot air jet mill and the ACM-F, the latest model ofthe impact pulveriser ACM with built-in classifier, which was developed considering energy savings. It alsopresents an overview of the HOSOKAWA GEN4 RM, a remote monitoring and data collection system that was
launched as a first product towards improving the efficiency of the entire plant.

1

はじめに

はあるが，昨今の社会情勢から，より重要な指針になっていると考えている。

産業向け機器を製造・販売している当社にとって本稿では粉砕工程に焦点を当て，従来より高い粉「持続可能な開発目標」に対し，社会に貢献できる

砕効率が得られるホットエアジェットミル，省エネ

項目として，機器のエネルギー効率を向上させるこ

ルギーを意識して開発した分級機内蔵衝撃型微粉砕とが挙げられる。当社の機器は，お客様の工場で稼機 ACM の最新機種である ACM-F 型について報告

働し続け，エネルギーを消費する。そのため，エネする。また，プラント全体の効率を改善する取り組

ルギー効率高い装置を開発し，新機種に切り替えて

みの第一歩として販売を開始した遠隔監視およびいただければ，多くのお客様の工場で消費するエネ

データ収集システムである HOSOKAWA GEN4 RM

ルギーを低く抑えることができるようになる。

の概要を紹介する。

無論，エネルギー効率は従来からも重要な指針でCopyright © 2022 The Author. Published by Hosokawa Powder Technology Foundation. This is an open accessarticle under the CC BY 2.1 JP license (https://creativecommons.org/licenses/by/2.1/jp/).

47

SPECIAL SUBJECT

2

ホットエアジェットミル

2.1

ジェットミルとはジェットミルは圧縮ガスをノズルから噴出して粒子を加速し，加速した粒子同士を衝突させることで，あるいはガスと粒子を衝突させることで粒子を粉砕する。粒子を高速で衝突させることができるため，粉砕力が強く，数〜サブミクロン領域の超微粉砕用途に適用されることが多い。
本稿では対向したノズルを持ち，粒子同士を衝突させた衝撃により粉砕を行う流動層型のジェットミルである AFG 型ジェットミルを用いてテストを行った。図 1 に AFG 型ジェットミルの外観を示す。
ジェットノズルを備えた粉砕部の上部に，製品の粒子径を制御するための分級部を備えており，分級
ロータの回転速度を調整することで所望の粒子径の製品を得ることができる。表 1 に AFG 型ジェット
ミルのラインアップと仕様を示す。
図1

AFG 型ジェットミル外観

Fig. 1 Appearance of AFG-type jet mill.

表1

AFG 型 ジェットミルのラインアップ

Table 1

Product line of of AFG-type jet mill.

講

型式

AFG-CRS 200

400/4

630/3

710/4

スケールアップファクタ

(-)

1

4

10

16

粉砕空気量

(Nm³/h)

300

1200

3000

4800

粉砕ノズル個数

(-)

3

3

4

4

分級機型式

CR(S)(φ)

150

150

320

370

分級ロータ個数

(-)

1

4

3

4

分級動力

(kW)

3.7

3.7×4

11×3

15×4

* 分級回転速度

(rpm)

10500

10500

6000

5200

演

* セラミックス製ロータ使用の場合

６

型式

AFG

100

200

400

400/4

630

710

710/4

スケールアップファクタ

(-)

-

1

4

4

10

16

16

粉砕空気量

(Nm³/h)

96

300

1200

1200

3000

4800

4800

粉砕ノズル個数

(-)

-

3

3

3

4

4

4

分級機型式

ATP(φ)

50

100

200

100

315

400

200

分級ロータ個数

(-)

1

1

1

4

1

1

4

分級動力

(kW)

1.0

3.7

5.5

3.7×4

11

11

5.5×4

* 分級回転速度

(rpm)

22000

11500

6000

11500

4000

3150

6000

* セラミックス製ロータ使用の場合

48

SPECIAL SUBJECT

2.2

ホットエアの作り方

影響とともに，標準空気使用量が異なる 2 つのス

コンプレッサの圧縮空気を電気ヒータで加熱すれケールの装置の性能を比較した。

ばホットエアが得られることは言うまでもない。し

図 2，3 から明らかなように 3 μm 以上の領域ではかし，当然ながら，電気ヒータなどの加熱するため

タルク，シリカともホットエアの方が 50% 前後も高の設備では，エネルギーを使用することになり，本い粉砕効率を示している。また，圧空使用量は粉砕

末転倒になる。実際はコンプレッサで空気を圧縮す

効率には大きく影響しておらず，どちらの装置でもる過程では熱が発生しており，通常はこの熱をクー同様の粉砕効率を得ることができており，風量によラで取り除いた後の圧縮空気を使用している。つまるスケールアップが可能であることを示している。

り，この発生した熱を取り去る前の圧縮空気を取り出すとホットエアが得られる。コンプレッサで使用

2.5

ホットエアの粉砕効率への寄与についてしたエネルギーをそのまま使用するため，余分なエ

前述のようにジェットミルは圧縮エアの持つエネ

ネルギーを使うこともなく，また，これまで冷却にルギーを使って粒子を加速させることにより粉砕の使っていたエネルギーを省略することができる。

エネルギーとしている。温度が高くなるとノズルから噴射されるガス速度が速くなることが知られてお

2.3

テスト内容

り，このことから温度が高い方が粒子に与えられる粉砕に使用する圧縮空気量当たりの粉砕能力を常運動エネルギーが大きくなることが考えられる。ま温の圧縮空気とホットエアで比較を行った。テストにた，温度が高くなるとガスの実体積も増えることか

は標準エア量が 5 Nm /min の 200AFG と 20 Nm /min

ら，粉砕に寄与する流体の体積が増えるため，粉体の 400AFG を使用した。原料は市販のシリカとタルの衝突領域，頻度が増えることになる。これらのこクを用いた。

とが粉砕効率の向上に寄与していると考えられる

3

3（渡辺，2021）。
2.4

テスト結果

図 2，3 にタルクおよびシリカのテスト結果を示

2.6

産業への応用す。横軸に粒子径を示し，縦軸に粉砕効率（圧縮空ホットエアを使用するため，トナー，食品や医薬

気量当たりの処理能力）を示している。空気温度の品など熱により変質するような材料には適用できな

25

20
15
10

0

15
10
5
0

0

2

4

6

8

AFG 型ジェットミルによるタルクの粉砕結果

圧

縮エアの量と温度の粉砕効率への影響
Fig. 2 Results of talc milling with AFG-type jet mills.
Effect of compressed air volume and temperatureon milling efficiency.

0

2

4

6

8

D 50 [μm]D 50 [μm]

図2

20

６

5

● 4.8 Nm3/min 140℃－0.55 MPa(G)○ 4.9 Nm3/min 20℃－0.6 MPa(G)▲ 16 Nm3/min 130℃－0.6 MPa(G)△ 19 Nm3/min 20℃－0.6 MPa(G)演

Energy efficiency[(kg/h)/(Nm3/min)]● 4.8 Nm3/min 140℃－0.55 MPa(G)○ 4.9 Nm3/min 20℃－0.6 MPa(G)▲ 16 Nm3/min 130℃－0.6 MPa(G)△ 19 Nm3/min 20℃－0.6 MPa(G)講

Energy efficiency [(kg/h)/(Nm3/min)]25

図3

AFG 型ジェットミルによるシリカの粉砕結果

圧

縮エアの量と温度の粉砕効率への影響
Fig. 3 Results of silica milling with AFG-type jet mills.
Effect of compressed air volume and temperatureon milling efficiency.

49

SPECIAL SUBJECT

い。本稿で使用したタルク，シリカなどのミネラルい仕様を 1 機種で対応することができる。ACM-Fの粉砕は一般に高い処理能力を求められることが多の外観を図 5 に示す。

く，機器のスケールも大きくなる傾向がある。粉砕
効率向上によるエネルギーコスト低減効果も高くなることが予想され，本技術の適用に適している用途

3.3

低風量運転

もう一つの F 型の特徴が，従来の ACM では困難であった低風量での運転を可能にしたことである。

の一つであるといえる。
当社大阪のテストセンターにはホットエアを使用

これにより設備全体のスケールダウンが可能になできる 400AFG を設置しており，実生産機レベルでり，設置スペースおよびエネルギーコストを低減すのテストが可能である。

ることができる。図 6 に市販の重質炭酸カルシウ
ムを原料に，従来型 ACM と ACM-F でそれぞれ風ACM-F 型3

量 15 m3/min と 5 m3/min により運転した結果を示す。
横軸が粒子径で縦軸に粉砕効率として電力量当たり

3.1

ACM とはの粉砕能力を示した。

ACM パルペライザは分級機を内蔵した衝撃型微

従来型の ACM は 15 m3/min で運転している場合

粉砕機で，様々な産業向けに世界中で数多く使用さは F 型 と 同 等 の 粉 砕 効 率 を 示 す が， 運 転 風 量 をれている。図 4 に基本構造を示す。

5 m3/min に下げると粉砕効率が明確に低下する。F

機内に投入された原料はライナと粉砕ロータによ型は風量 15 m3/min と 5 m3/min で粉砕効率は変わら

り粉砕され，分級ロータで微細な粒子のみを取り出ない。これは F 型で新たに採用したガイドリング F

し，粗大な粒子は再び粉砕ゾーンに戻るように設計により実現された。

されている。ホソカワミクロンでは 25 年以上にわたり販売しており，また，この間に継続的に改良を

3.4

ラインナップ

表 2 に ACM-F 型のラインアップと仕様を示す。

行ってきた。

大阪のテストセンターには ACM-15F および ACM3.2

ACM-F 型の特徴

30F を設置しており，随時テストが可能である。

シリーズラインナップの最新機種が ACM-F 型である。ACM-F 型は多種多様なハンマーを簡易に交換可能であるモジュール化を意識した構造を採用しており，従来の ACM で機種別に対応していた幅広講
演Classifying wheel

Guide ring

６

Liner
Grinding rotor
Screw feeder50

図4

ACM パルペライザの基本構造

図5

ACM-F の外観

Fig. 4

Basic structure of the ACM pulverizer.

Fig. 5 Appearance of ACM-F.

SPECIAL SUBJECT

8
7

Grinding capacity [kg/kWh]

表2● 新型 ACM-15F ガイドリング (7.5 kW),5 m3/min; 15 m3/min△ 従来型 ACM (7.5 kW)－15 m3/min▲ 従来型 ACM (7.5 kW)－5 m3/min

6

ACM-

15F

30F

60F

粉砕 （kW）

11

22

45

分級 （kW）

1.5

5.5

11

粉砕 （rpm）

8,000

5,800

3,600

分級 （rpm）

7,000

5,400

3,600

標準風量

（m /min） 〜15

〜45

〜90

幅（W）

（mm）

1,500

1,900

2,900

奥行（D）

（mm）

700

1,000

1,500

高さ（H）

（mm）

1,200

1,200

1600

概略質量

（kg）

600

1,200

3,000

動力

4
3

最大回転速度

2
1
5

6

7

8

9

10

11

D 50 [μm]図6Product line of ACM-F.

型式

5

0

ACM-F 型のラインナップ

Table 2

ACM-F の従来機との粉砕効率比較

3Fig. 6 Comparison of grinding efficiency of the ACM-F
with a previous ACM model.

クラウ

Webブラウザ

ユー

ザー

ド のデ

既設

ータ

閲覧
アカ

ウン

ト を提
供

回線

データ閲覧とダウンロード

サービス稼働状態を確認

クラウド

携帯電話回線

クラウドにデータ蓄積
納入機に付属の操作盤からデータを送信ユーザー

Fig. 7HOSOKAWA GEN4 RM service overview.

演

HOSOKAWA GEN4 サービスの概要

講

図7

６

4

HOSOKAWA GEN4 RM

概要を図 7 に示す。
送信するデータの種類はユーザーが任意に決める

HOSOKAWA GEN4 はホソカワミクロンにおけることができ，制御盤からクラウドへのデータ送信設

IoT システムを用いてデータ活用を行うことによ定は完了した状態で納入するため，ユーザーは機器，

り，新たな価値を生み出すための取り組みの総称で制御装置，PC などの設定を一切触る必要なく，リある（藤田ら，2020）。HOSOKAWA GEN4 RM はそ

モートモニタリングシステムを構築することができの第一歩となる製品で Remote Monitoring，つまりる。クラウドに送られたデータは既存の回線を使い，遠隔監視を可能にするサービスである。サービスのWeb ブラウザで閲覧することができる。本システ

51

SPECIAL SUBJECT

ムの主な機能は以下の通りである。

5・現在値一覧

おわりに
本稿では，SDCs を意識したホソカワミクロンの・保存したデータのダウンロード

開発ということで，高いエネルギー効率を意識して・トレンドグラフ表示

開発したホットエアジェットミルと ACM-F 型を紹・ダッシュボード上での異常警報介した。SDGʼs，カーボンニュートラル，気候変動・異常発生のメールによる通知に対する取り組みなど，今後はますます省エネル

各測定値の警報設定はユーザーが web ブラウザ

ギーに対する要求も大きくなってくると考えられ上で簡易に設定することができ，メールによる通知る。ホソカワミクロンは単にエネルギー効率の高い先もユーザーが任意のアドレスを設定可能である。

新製品の開発にとどまらず，プラント全体の効率化

このシステムにより，ユーザーは現場に出向かなを進めるための技術開発を進めていく所存である。

くても設備状態を把握することができる。また，アHOSOKAWA GEN4 はそのための 1 つの方向性でラームやメールによる通知機能により，トラブルがあり，その第一弾として販売を開始した HOSOKAWA

発生した場合にも迅速に対応することが可能にな

GEN4 RM を紹介した。本サービスも大阪・東京のる。また，電流値，温度，振動などの機器稼働条件

テストセンターのテスト場に設置しており，当社機や状態を記録できることから，発生したトラブルの器をテストしながら体験することが可能である。

原因を後から遡って調査することも可能である。
インテリサイザ（粒子径分布測定装置）などのオ

References

ンライン測定機のデータを取り込めば，設備稼働条

Fujita S., Kitamura T., Murata K., Innovation of powder process

件と製品特性も併せて記録できることから，蓄積しusing IoT, AI, The Micromeritics, 63 (2020) 90–96. 藤田

たデータを解析することで，より効率の良い生産条件の探索や，設備の時系列データから最適なメンテ
ナンスへ応用できる可能性を秘めている（村田ら，2021）。

幸，北村 智浩，村田 憲司，IoT，AI を用いた粉体プロセスの革新，粉砕，63 (2020) 90–96.
https://doi.org/10.24611/micromeritics.2020016
Murata K., Kitamura T., Kawahara M., Particle size distribution
analyzer and powder processing, The Micromeritics, 64

まずはデータ収集することがこれらの可能性の第一歩であり，ホソカワミクロンはこのシステムを通して，ユーザーの生産性，設備効率の向上をサポートしていく。

(2021) 56–61. 村田 憲司，北村 智浩，河原 正佳，粒子
径分布測定機と粉体処理プロセスについて，粉砕，64(2021) 56–61.
https://doi.org/10.24611/micromeritics.2021013
Watanabe A., Hot gas jet mill, The Micromeritics, 64 (2021)
48–51. 渡辺 晃，高温ジェットミル，粉砕，64 (2021) 48–51.
https://doi.org/10.24611/micromeritics.2021011

講
演

著者紹介

６

村田

憲司

Kenji MURATA〔経歴〕1991 年岡山大学工学部精密応用化学科卒業。財団法人ファインセラミックスセンター等を経て 2003 年ホソカワミクロン株式会社に入社し，粉体工学研究所に配属。メンテナンスサービス
事業本部を経て 2017 年より現職。
〔専門〕材料化学，粉体工学。
〔連絡先〕kmurata@hmc.hosokawa.com

52

1

Maximum Energy Product (BH)max (MGOe)

第54回粉体工学に関する講演討論会
主催 ホソカワ粉体工学振興財団

2022年9月5日

Nd-Fe-B焼結磁石の開発40年

大同特殊鋼（株）顧問
佐川 眞人

2

Evolution of the world strongest permanent magnets
60

480

50

400
Nd-Fe-B
320

40
Sm2Co17

30

SmCo5

20
10
0

NKS Steel
MK Steel
KS Steel

Alnico240
160
80

Maximum Energy Product (BH)max (kJ/m3)

Copyright © 2022 The Author.

01920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020
Year

2

3
Intrinsic magnetic properties of various magnetic materials
Nd-Fe-B焼結磁石

なぜ、(BH)max の世界記録は破られないのか？

53

4

講

演

７

講

演

７
4

5

54

Effect of post-sinter annealing on Hc
Fe79.5RE13.9B6Cu0.1

as-sinteredoptimally annealed

Nd2Fe14B

Nd2Fe14B

Nd2Fe14B

Nd-Fe-B焼結磁石
の微細構造

Nd
NdCu

Nd-Cu-richFig. 1 FEG-SEM micrographs of cross sections perpendicular to the alignment direction of (a) as-sintered magnet(Hci=439kA/m), and (b) optimally heat treated magnet (Hci=1094kA/m)

Nd+NdCu

H. Sepehri-Amin, T. Ohkubo and K. Hono, Acta Mater. 61, 819 (2012)

Y. Murakami et al. Acta Mater. 71, 370 (2014).

7
3nm
Nd2Fe14B

5μm

Nd-Fe-B焼結磁石

なぜ、(BH)max の世界記録は破られないのか？

Volume ratio of the Nd-rich boundary layer ～0.2％
Volume ratio of the Nd2Fe14B in the magnet→ ～99.8％

Fe65Nd34Cu1

Nd

F. Vial and M. Sagawa
REPM 2000

6

Nd2Fe14B

NdOx

NdCu

2μｍ
ｍ

Nd2Fe14B
Nd2Fe14B

極端に効率の良いセル状構造が実現しているから。

9Phase diagram of the Nd-Fe-B system at 973K with the liquid phase projection

10

60

480

?

400

50
Nd-Fe-B

320

40
Sm2Co17

240

30
SmCo5

20
10
0

NKS Steel

160

AlnicoSm(Fe0.8Co0.2)12

MK Steel
KS Steel

80

Maximum Energy Product (BH)max (kJ/m3)

Without thin film processing.
Maximum Energy Product (BH)max (MGOe)

80
1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050
Year

10

11
Nd-Fe-B焼結磁石
工業化

Remanence Br［［T］］

100℃以上で減磁→Dyによって保磁力増大

1.44

MRI，
，Speaker
X-50
X-48

1.36

HDD，
，CD，
，DVD，
，VIDEO，，Digital camera, Headphone
ABS sensor

X-46BH
X-44H

1.28

OA／
／FA motor

X-40BH

Servo motor

X-39SHAir conditioner

X-38AH
Robot
X-35SH
X-35EH

1.20
1.12

Generator
HEV/EV

X-32EH

55

800

1,600
Coercivity Hcj［
［kA/m］
］

2,400
12

講

演

７

講

演

７
12

13

56

Composition of the Grades of the Nd-Dy-Fe-B
sintered magnets［［wt.%］］

Remanence Br［
［T］
］

1.44

Nd-Fe-B焼結磁石

Nd31Dy0Fe68B1
X-50
X-48

1.36

Nd26Dy5Fe68B1

X-46BH

100℃以上で減磁→Dyによって保磁力増大

工業化

重希土は希少資源→重希土資源問題対策要

要対策

X-44H

1.28

X-40BH
X-39SH
X-38AH

1.20

Nd21Dy10Fe68B1

X-35SH
X-35EH

1.12

X-32EH800

1,600

Coercivity Hcj［
［kA/m］
］

2,400
13

14

15

PLP

5μｍ

結晶粒微細化によりHcj向上→Dyなし耐熱磁石の可能性
Grain sizerefinement

Sintered magnet
High Hcj

Remanence Br［［T］］

Powderrefinement

1.44

Nd31Dy0Fe69B1

Expectation by PLPGrain size refinement→

X-50
X-48

1.36

Powder compaction is easy
by PLP even if the powder
is fine.

X-46BH
X-44H

1.28

0.5μｍ

X-40BH
X-39SH
X-38AH

1.20

X-35SH
X-35EH

1.12

X-32EH800

1,600
Coercivity Hcj［
［kA/m］
］

2,400
16

16

17

Coercivity of sintered magnet

2400
2200
2000

30

(kOe)

(kA/m)

Magnetic properties of 5µm sintered magnet
SEM observation was done by
NIMS

25

Produ
ct

1800
1600

Classifying wheel

20

Target

1400
1200

Fee
d

15

Nd31Dy0Fe68B1

1000

800

1040kA/m

Nitrogenjet-milling

10

2
2

3

3

4

5 6 7 892

3

4

5 6 7 89

Particle size（D50）of starting powder（μm）
4

5 6 7 892

3

4Compressedgas

Advantage of PLP→Go
up the slope to lessthan 1µｍ.

5 6 7 89

Average grain size of sintered magnets（μm）

18

19

(kOe)

(kA/m)

2000

Schematic Figure of Helium Gas Jet Milling30
SEM observation was done by
NIMS

25

1800
1600

20

1200

1240kA/m

15

10

2

57

2

3

3

4

5 6 7 892

3

4

3 times fasterthan N2 jet

4

5 6 7 892

3

4

5 6 7 89

D50=1.2 μm

N2 jet
337m/s

5 6 7 89

Particle size（D50）of starting powder（μm）
Average grain size of sintered magnet（μm）

TargetHelium jet
1005 m/s

Nitrogenjet-milling

1000

800

Nozzl

Nd31Dy0Fe68B1

1400

講

Coercivity of sintered magnet

2200

Fig. Mechanism diagram of Micron
Jet - T

17

Magnetic properties of 3µm sintered magnet
2400

Grinding nozzle

Ejector
gas

19

20

演

７

講

７

21

58

(kA/m)

Jet Mill Plant with Helium Gas Circulation System

Magnetic properties of 1.2µm sintered magnet

Coercivity of sintered magnet

Stripcast alloys

Milling chamber

Fine powder

2400
2200
2000

25

1800
1600

1600kA/m20

Heliumjet-milling

1400
1200

SEM observation was done by
NIMS

15

Nd31Dy0Fe68B1

1000

800
21

30

(kOe)

演

20

Nitrogen jet-milling

10

2
2

3

3

4

5 6 7 892

3

4

5 6 7 89

Particle size（D50）of starting powder（μm）
4

5 6 7 892

3

4

5 6 7 89

Average grain size of sintered magnet（μm）

22

23
Nd31Dy0Fe68B1
3 μｍ

5 μｍ

Remanence Br［
［T］
］

1.44

X-50
X-48

1.36

1 μｍ

Nd-Fe-B焼結磁石

Nd31Dy0Fe68B1

We have achieved.

Not achieved yet.

X-46BH

粉末成型・配向性の改良

磁気特性改良粉末成型・配向性の改良

Near Net Shape Process

X-44H

1.28

X-40BH
X-39SH
X-38AH

1.20

X-35SH
X-35EH

1.12

X-32EH800

1,600
Coercivity Hcj［
［kA/m］
］

2,400
23

22

24

25

The process established by SSM in 1987 has been followed by world magnet producers.

Nd-Fe-B磁石スラリーから希土類の回収

TDP(Transverse Die Pressing)

Fe Co
B Ga
Fe-rich residueS

20~30%

N

H

Alignment andCompression

Condensation

SlurryMulti-wire-saw

Magnets
Process for magnets

Slicing

27

Expectation by PLP

Remanence Br［［T］］

Rare –earth metal

Strip Casting

MOLTEN SALT ELECTROLYSIS

Technology developed by Intermetallics

PLP(Press Less Process)

0.5μｍ

5μｍ

H

X-50
X-48

1.36

Rare-earth salt

25

26

1.44

Dissolving in acid

Sintered Bodies

Sintering

Nd31Dy0Fe69B1

Cake

X-46BH
X-44H

1.28

Expectation by TDP

X-40BH

1.20

0.5μｍ

X-35SH
X-35EH

1.12

CarbonMould

Nd31Dy0Fe69B1

X-39SH
X-38AH

Powderfilling

Alignment

Sintering

X-32EH

59

800

1,600
Coercivity Hcj［
［kA/m］］

Pressless Process (PLP)

2,400
27

Powder aligning and compaction
technology

Magnets
Direct production of thin platemagnets
28

講

演

７

講

演

７
28

29

60

NPLP(New Pressless Process)

PLP

Removalof mold

RecycleMold

H
Assembly ofmold

NDFEB Corp.

Powderfilling

Alignment

Stack of compacts

５０ cavities

Magnets30

Sintering

31

NPLP

1.44

Remanence Br［
［T］
］

20 ㎜

Nd31Dy0Fe68B1
3 μｍ

5 μｍ

Mold for the NPLP equipment for mass production with 50 cavities
and sintered bodies produced from this mold.

X-50
X-48

1.36

1 μｍ

Nd31Dy0Fe68B1

We have achieved.

Not achieved yet.

X-46BH
X-44H

1.28

X-40BH
X-39SH
X-38AH

1.20

X-35SH
X-35EH

1.12

X-32EHIn the powder filling room of the NPLP equipment, powder has to be
filled uniformly from one end to another end throughout.
800

1,600
Coercivity Hcj［
［kA/m］
］

2,400
32

32

33
Composition (wt%)
Nd

Pr

Dy
+Tb

Co

B

Cu

Al

Fe

31.17 26.49

4.67

0.01

0.90

1.00

0.10

0.21

bal.

TRE

NPLPによるサンプル作製実験

Particle size distribution

O・・C・・N concentration

OCN（ppm） （ppm） （ppm）
620

780

140

D10 = 1.16 μm
D50 = 2.94 μm
D90 = 5.07 μm

34

35Magnetic properties

Mold with 15 cavities and sintered bodies(with heat treatment)

NPLP samples data

(Df)ave=3.5g/cm3(Ds)ave=7.52g/cm3
D10 = 1.16 μm
D50 = 2.94 μm
D90 = 5.07 μm

N P L P S am ple

Br
(G)
14633

Js
(G)
14978

HcJ
(Oe)
15142

BHmax
(MGOe)
5 2 .8Br/Js(%)
9 7 .7

Hk/HcJ
(%)
9 7 .4

Dimension
measurements〔Length a, b〕
④ ⑤ ⑥
①
②

61

③

Top

a

Bottom〔Thickness t〕
1

b

Top

2

3
4 Bottom 5

講

演

７

講

演

７
36
62

Variation in “a”

37
a

①
②
Length a : No.1～15 ③

Variation in “b”

④ ⑤ ⑥

b

Length b : No.1～15

Δb = 0.266 mm (=1.41%)
bave = 18.863 mm

Δa = 0.280 mm (=1.25%)
aave = 22.472 mm

Dimension measurement : Thickness
1

2

Mold with 15 cavities and sintered bodies

35Δt = 0.232 mm (=3.83%)
tave = 6.058 mm

Variation of” t” is 3.83%,
fairly large.
This is a limitof manual
operation of
powder filling.
We needautomatedpowder fillingusing airtapping etc..

Magnetic properties(without heat treatment)

6
6

Thickness t: No.1～15
4

39

18

38

A
D

22
Top
B
C
E
F
Bottom6

We cut six cubes out from eachsintered body.

40

Magnetic properties : Br
Br : No.1～15

OD : No.1～15 D E F

D E F

Br=14.13kG isnormal from thecomposition.

Magnetic properties : HcJ

Δ(Br/Js) = 1.76 %（Br/Js）ave = 95.40 %

43

A B C

HcJ : No.1～15

Magnetic properties : OD=Br/Js
A B C

A B C

ΔBr = 0.30 kG（Br）ave =14.13 kG

42

41

OD is larger than
95% which isnormal as the NdFe-B sinteredmagnets.

Magnetic properties : Squareness=Hk90/HcJ
A B C

D E F

Hk90/HcJ : No.1～15D E F

ΔHk90/HcJ = 1.40 %（Hk90/HcJ）ave = 92.82 %ΔHcJ = 0.62 kOe（HcJ）ave =14.67 kOe

HcJ=14.67 kOe isa good value fromthe composition.

All samples havegood values ofsquareness larger
than 90%.

63

講

演

７

講

演

７
44

45

64

プレス法による積層磁石磁石製造工程

積層Nd-Fe-B焼結 磁石

ストリップキャスト

水素炉

ジェットミル

混合機

SC 合金

水素解砕

微粉砕

潤滑剤混合

圧粉体
磁場配向プレス（TDP）

焼結（1000℃）

熱処理（800℃→500℃）

切断機

焼結体ブロック

46

時効炉

焼結炉

磁場配向プレス機

薄板磁石（ｔ2ｍｍまで）切断

積層磁石（張り合わせ）47 Production process of multi-stacked magnets by NPLP
Strip casting

H2 funace

Jet mill

Blender

環境省委託事業

E V 、 FC V 駆 動 モ ー タ 用 高 効 率 低 価 格
N d - Fe -B 積 層 磁 石 一 体 製 法 の 開 発

SC alloySpacer

受託者:

NDFEB (株)、(株) e-Gle

H2 decrepitation

NPLP equipment

Magnet powder
Mold

Alignment

Hot press

Sinter furnace

Sintered thin plates

Removing mold

Laminatedmagnet炉

Sintering(1000℃)

Press

Stack of sinteredthin plates

47

Lubricant mix.

H

Powder filling

期間: 2019~2022

Jet millingPress
Hot press lamination（700℃）

Annealing

Furnace（800℃→500℃）

Laminated magnet (Product)

No grinding nor slicing
throughout the process

48

49
Eddy current loss causes temperature rise→Multi-stacking solves the problem.

No Dy inside the magnets
Strength of the magnet

No grinding nor slicing

10㎜

31Nd-68Fe-1B

1.44

M

Remanence Br（T）

Multi-stacked magnet（mass％％）

Multi-stacked magnet

Block magnet

1.36

26Nd-5Dy-68Fe-1B
1.28

21Nd-10Dy-68Fe-1B
1.20
1.12

2㎜

10㎜

1600

800

Temperature stability

100℃

50

51

To enhance electric insulation between thin plates and to increase coercivityof them, TbF3 and/or Tb4O7 powders are put between the plates before hotpressing.

Sample of a multi-stacked magnet for EV

No grinding nor slicing
10mm

10㎜

2㎜

No grinding nor slicing

M

10㎜

2400

Coercivity HcJ （kA/m）

TbF3 (Tb2O3)

200℃

65

講

演

７

講

演

７
52

53

66

Magnetic properties attained by multi-stacked Nd-Fe-B magnet (Tb content~0.5%)

31Nd-68Fe-1B

High Br !

Remanence Br（T）

Strength of the magnet

1.44
1.36

（mass％％）
Block magnet

Multi-stacked

X-50

5 μｍ

26Nd-5Dy-68Fe-1B

1.28

21Nd-10Dy-68Fe-1B
1.20
1.12

Br(kG)

Js(kG)

HcJ(kOe)(BH)max(MGOE)

Br/Js(%)

Hk/HcJ(%)

14.3

14.8

24.8

49.7

97.1

95.2

800
100℃

54

New proposals for magnets for EV traction motors

Remanence Br［
［T］
］

1.44

X-50

Dy-OF
insulated

X-48

1.36

X-46BH

Dy-OF or Tb-OF mean: Oxide andfluoride powder of Dy or Tb isplaced between the component
Nd-Fe-B sintered magnets before
hot pressing followed by heat
treatment for grain boundary
diffusion.

Tb-OF
insulated

X-44H

1.28

X-40BH
X-39SH
X-38AH
X-35SH
X-35EH

1.20
1.12

1,600
Coercivity Hcj［
［kA/m］］

Temperature stability

2400

2,400
55

200℃

55

Advantages of the multi-stack Nd-Fe-B sintered magnets
developed by NDFEB Co.
１．Record high magnetic properties→ (BH)max>50MGOe
２．Heavy rare earth content→0.5wt%
３．Low eddy current loss→~0W/h
４．No slicing nor grinding→Material yield ～100%
Cost reduction depends on our efforts.

X-32EH

800

1600
Coercivity HcJ （kA/m）

56

57
Prediction of the near future

Prediction of the near future

There is a prediction that 30 billion robots
will be working in 2050.

There is a prediction that 30 billion robots
will be working in 2050.
This prediction assumes that the world ispeaceful; 30 billion robots are working forhappy people.
including robotic cars
& drones

58

59
Prediction of the near future
2050

There is a prediction that 30 billion robots
will be working in 2050.

Present

Every robot needs R-Fe magnets to fulfill
duty. The quantity of the magnets for 30
billion robots will be tremendous.

The Iron Age
The Bronze Age

30 million ton!

The Stone Age

The Rare Earth Iron Age

The Silicon Age

67

講

演

７

講

演

７
60
68

There will be no concern about the resources of the light rare earths.

61

World Rare Earth Resources
Others 4%

Reserve

Myanmar 3%

USA 1%
Vietnam
18%
India
5%

Production

USA 9%
Russia 2%
Australia
12%

Total China
120 Mt 37%
Brazil18%
Russia10%

Fig. REE reserves in 2018.

x 700

Total China
120 kt170 kt (71%)

Australia 3%(USGS Mineral Commodity Summaries (2019))

3
Fig. World share in supply of REE ore in 2018.
(USGS Mineral Commodity Summaries (2019))

Updated by Osamu Takeda and Tohru Okabe in 2019

ホソカワ粉体工学振興財団

設立 30 年の歩み

1．歴代理事長・常務理事（1991（平成 3）年〜2021（令和 3）年）
（1）理事長
就任時期

氏名

役職（就任時）1991（平成 3）年 12 月

細川益男

ホソカワミクロン株式会社

代表取締役社長

2010（平成 22）年 4 月

細川悦男

ホソカワミクロン株式会社

取締役（2）常務理事
就任時期

氏名1991（平成 3）年 12 月

吉田哲夫

大阪府立大学名誉教授，大阪市立大学名誉教授

1994（平成 6）年

4月

吉岡

直哉

京都大学名誉教授

1998（平成 10）年 4 月

森川敬信

大阪大学名誉教授

2002（平成 14）年 4 月

向阪保雄

大阪府立大学名誉教授

2004（平成 16）年 5 月

江見

準

金沢大学名誉教授

2006（平成 18）年 10 月

辻裕

大阪大学教授2012（平成 24）年 6 月日高重助

同志社大学教授

2017（平成 29）年 5 月

奥山

喜久夫

広島大学名誉教授

2022（令和 4）年

内藤牧男

大阪大学教授6月

役職（就任時）

2．助成・褒賞事業
事業種別

応募件数（件）採択件数（件）

助成金額（千円）

研究助成

2,934

636

479,280

KONA 賞127

34

34,000

海外渡航者援助117

60

18,000

シンポジウム等開催援助

69

38

39,000

研究者育成助成557

225

58,500

出版物刊行援助4

4

28,065

ホソカワ研究奨励賞

28

8

4,000

特別枠

41

41

29,000拡大研究助成6

630,000

3,883

1,052

719,845

合計

3．自主事業（1）粉体工学に関する講演討論会（2）KONA 誌

累積講演数

152

件

累積出席者数

4,489

人

累積経費

105,212

千円

累積総頁数

7,214

頁

累積発行部数

36,800部

累積経費

216,550

千円

69

KONA 賞歴代受賞者

2022.07

受賞
No.

受賞年
西暦

氏名

1

1990

Charles S. Campbell

University of Southern
California

Outstanding achievement in the areas of dynamics of particle
flow and mechanics/heat-transfer relationships for particle flow.

2

1992

砂田

久一

名城大学

粉粒体の充填，凝集ならびに造粒に関する研究

3

1993

向阪

保雄

大阪府立大学

粉体粒子特にエアロゾル粒子の物性とその評価方法における顕著な業績

4

1994

江見

準

金沢大学

エアロゾルの濾過に関する研究

5

1995

宮南

啓

大阪府立大学

粉粒体を出発点とした機能性複合材料製造プロセスの開
発

6

1996

湯

晋一

九州工業大学

固気混相乱流及び粉粒体力学に関する研究

7

1997

川島

嘉明

岐阜薬科大学

機能性粒子の設計工学の構築とその展開

8

1997

関口

勲

中央大学

造粒に関する研究

9

1998

増田

弘昭

京都大学

粉粒体ならびにエアロゾル微粒子の特性と挙動に関する
研究

10

1998

仙名

保

慶応義塾大学

微粒子材料の調製と特性に関する物理化学的解析

11

1999

辻

裕

大阪大学

粉粒体および固気二相流の離散粒子シミュレーション

12

1999

金岡

千嘉男

金沢大学

微小エアロゾル粒子の挙動と分離に関する研究

13

2000

篠原

邦夫

北海道大学

微粒子系素材の機械的・化学的調整プロセスの開発

14

2000

井上

明久

東北大学

アモルファス合金粉末の固化成形技術と新材料の開発

15

2001

山本

英夫

創価大学

粉体粒子の静電気現象の基礎的解明とその応用

16

2002

堀尾

正靭

東京農工大学

流動層工学の総合的展開，流動層技術の基礎的解明と応用範囲の拡大

17

2003

東谷

公

京都大学

液相微粒子分散系の安定性と表面微細構造に関する研究

18

2004

日高

重助

同志社大学

粉体シミュレーション法の開発とその応用

19

2004

花田

修治

東北大学

粉末プロセッシングによる新材料の創製

20

2005

福森

義信

神戸学院大学

流動層法による医薬品微粒子製剤の機能化に関する応用

21

2006

奥山

喜久夫

広島大学

エアロゾルの基礎科学と材料合成プロセスの構築

22

2007

齋藤

文良

東北大学

メカノケミストリーの基礎と工学的応用に関する研究

23

2008

高橋

実

名古屋工業大学

セラミックス粉体成形の基礎的解明と材料創製への展開

24

2011

植松

敬三

長岡技術科学大学

粉体工学を基にしたセラミックス製造プロセス科学の基
盤構築

25

2012

竹内

洋文

岐阜薬科大学

粒子設計を基盤とする新しい医薬品製剤に関する研究

26

2013

目

物質・材料研究機構

微粉体プロセスの高度化による高次構造制御体の創製

27

2014

大谷

吉生

金沢大学

エアフィルタを中心としたエアロゾルの分離・除去に関
する研究

28

2015

牧野

尚夫

電力中央研究所

粉体工学を基礎とした炭素資源高度利用技術の研究開発

29

2016

阿尻

雅文

東北大学

超臨界水熱合成の発明

30

2017

Sotiris E. Pratsinis

Swiss Federal Instituteof Technology Zurich(ETH Zurich)

Pioneer research on particle formation, agglomerate dynamics
and, in particular, for placing flame aerosol technology on a
firm scientific basis for scalable synthesis of nanomaterials.

31

2018

Mojtaba Ghadiri

The University of Leeds Contributions to the particle technology on linking the bulk
powder behavior, particle characterization and modelling withhosting the young scholars.

32

2019

内藤

大阪大学

Contributions to powder processing technology for high quality
advanced materials.

33

2020

Brij M. Moudgil

The University of
FloridaInterfacial engineering of particulate system for enhanced
performance.

34

2021

Wolfgang Peukert

Friedrich-AlexanderUniversity ErlangenNuremberg

Particle based product innovations by understanding andcontrolling particle interactions

35

2021

松坂

京都大学

Advanced characterization of fine particles and thedevelopment of novel powder handling systems.

70

KONA 賞受賞者

義雄

牧男

修二

業績

所属（申請当時）

自主事業の実施状況の概要
年度

粉体工学に関する講演討論会

和暦

西暦

回数

平成 7

1995

29

8

1996

9

討論会テーマ

KONA 誌の発行
講演数

出席者

号数

総頁数

発行部数

粉体プロセスにおける安全・健康問題

5

232

13

240

2,300

30

先端機能性材料の製造プロセス

5

144

14

200

2,300

1997

31

環境保全技術と粉体工学

6

142

15

254

2,200

10

1998

32

最近の造粒と粒子設計―医療品／食品製造
プロセスを中心として―

6

210

16

256

2,200

11

1999

33

新産業創出のための粉体工学

6

246

17

250

2,200

12

2000

34

IT 産業における粉体工学

8

283

18

248

2,200

13

2001

35

ナノ粒子材料への期待

7

184

19

283

2,200

14

2002

36

ナノ粒子の産業界への展開

6

208

20

276

2,200

15

2003

37

ナノパーティクル・テクノロジー

6

227

21

246

1,300

16

2004

38

ナノ構造制御による粉体産業の発展をめざ
して

6

160

22

211

700

17

2005

39

ここまで来たナノ粒子の実用化

7

205

23

224

1,000

18

2006

40

ナノテク実用化の鍵を握るナノ粒子の制御
と応用

6

174

24

252

1,000

19

2007

41

ナノパーティクル・テクノロジー：新市場
開拓と参入

6

167

25

303

1,000

20

2008

42

ナノパーティクル・テクノロジー：応用・実用化への新展開

6

126

26

282

1,000

21

2009

43

ナノテクノロジーによる粉体の機能化と新
材料開発

6

160

27

248

600

22

2010

44

ナノパーティクルハンドリング技術が生み
出す新材料

6

134

28

242

600

23

2011

45

ナノパーティクルテクノロジーの構築と実用化への展開

6

174

29

284

600

24

2012

46

ナノパーティクルテクロジーの応用最前線

6

141

30

288

600

25

2013

47

先端から基盤までを支える粉体工学の進歩

6

201

31

274

1,800

26

2014

48

多様なものづくりを支える粉体工学の進歩

6

153

32

283

1,800

27

2015

49

時代とともに歩む粉体工学

6

162

33

357

1,000

28

2016

50

豊かな未来社会を築く粉体技術

6

156

34

293

1,100

29

2017

51

先端材料創成に求められる粉体技術

6

161

35

287

1,100

30

2018

52

粉体材料の合成および利用を支える粉体技
術

6

161

36

297

1,100

令和 1

2019

53

高度化する粉体プロセスの基礎と応用の最
前線

6

178

37

271

1,000

2

2020

中止

0

0

38

288

900

3

2021

中止

0

0

39

277

800

152

4,489

7,214

36,800合計71

ホソカワ粉体工学振興財団の 30 年の歩みと主な出来事
年月日

一般・特定事業

KONA 誌関係

詳細情報〈財団設立前〉1983

KONA 誌創刊

10

1990

1990

第 1 回 KONA 賞が授与される

9

日本の粉体工学の現況を世界に発信することを目的とし，
英文専門誌 KONA が創刊された。粉体工学研究所内に事務局を置き，編集は粉体技術談話会が担当した。
KONA 誌の編集が世界 3 アジア・オセアニア，アメリカ，ヨーロッパ・アフリカ
ブロック体制となるの 3 ブロック編集体制に移行。和文論文集からの翻訳論
文とアメリカ，ヨーロッパ・アフリカから投稿された論文を掲載。
第 1 回 KONA 賞が南カリフォルニア大学の Campbel 教授に授与され，第 2 回粉体工学世界会議において贈呈された。

〈財団設立後〉20

ホソカワ粉体工学振興財
団の設立

1991

12

1992

4

研究助成等事業の開始

1992

8

粉体工学に関する講演討論会の開催支援の開始
KONA 誌の出版支援を開始

1992
基本財産の増資

1994
1995

8

1995

12

2003

1

2003

12

2006

4

2007

10

28

30

15

2009
2009

12

2010
2011

5

2011

12

2012

4

1

2012

4

24

2012

8

72

細川益男社長（当時）が拠出された私財 10 億円を基にして，文部科学省で認可されたホソカワ粉体工学振興財団が設立された。細川益男理事長，吉田哲夫常務理事の組織で運営が開始された。
初年度の助成事業として研究助成等 2600 万円を含め，総額 4680 万円の事業を実施。
1968 年より粉体技術談話会とホソカワミクロンが協力して開催している粉体工学に関する講演討論会を第 26 回より，ホソカワ財団が開催支援を開始した。
助成事業の一環として KONA 誌の出版支援を開始した。

細川明彦特別顧問（当時）が 3 億円を拠出され，ホソカ
ワ財団の基本財産が 13 億円に増額された。
粉体工学に関する講演討
従来，粉体技術談話会が主催していた粉体工学に関する論会をホソカワ財団の自講演討論会を第 29 回から，ホソカワ財団の自主事業とし主事業として開催て開催。
KONA 誌の出版をホソ KONA 誌の出版を，粉体技術談話会より引き継ぎ，ホソカワ財団の自主事業とし カワ財団の自主事業として実施することになった。
て実施
設立 10 周年記念式典のホソカワ財団設立 10 周年を記念して，千里阪急ホテルに
開催て記念式典が開催された。参加者数 108 名。
KONA 誌の電子版を出 従来，紙媒体のみで出版していた KONA 誌の電子版を出版
版し，財団ホームページに掲載した。紙媒体の出版は継続。
アジア・ナノパーティク
ホソカワ財団主催，阪大接合科学研究所共催，ホソカワ
ル テクノロジー・シン
ミクロン後援により，阪大銀杏会館にて開催。参加者数
ポジウムの開催
93 名。
Nanoparticle Technology
日本語版「ナノパーティクルテクノロジーハンドブック」
Handbook を出版
を和訳し，Nanoparticle Technology Handbook を Elsevier 社
より出版。
助成事業の一時中止
財団の経済的な理由により平成 21 年度の研究助成等事業は中止となった。
KONA 誌の Web of
KONA 誌の翻訳論文掲載を打ち切り，以後，全てオリジ
Science への登録
ナル論文のみの掲載となる。Web of Science に登録され，インパクトファクタがつくようになった。正式名称を“KONA Powder and Particle Journal” に変更。
助成事業の一時中止
財団の経済的な理由により平成 22 年度の研究助成等事業は中止となった。
助成事業の再開
平成 23 年度より研究助成等事業を再開し，公募を実施した。
KONA 誌の全ての論文 KONA 誌の創刊号からの全ての論文をホームページに掲
をホームページに掲載載した。
内閣府による公益財団法
ホソカワ粉体工学振興財団が，内閣府によって公益財団人としての認定
法人として認定された。
メモリアルシンポジウム
細川益男会長三回忌と Nanoparticle Technology Handbookの開催
second edition の出版を記念して帝国ホテル大阪にて開催。
出席者 119 名。同日午前には KONA 誌国際編集委員会が開催された。
KONA Distinguished
KONA 誌編集委員としての貢献に対し KONA
Service Award の贈呈
Distinguished Service Award が創設され，第 1 回は 4 名に授与された。

年

月

2012

9

2013

9

2013

12

2014

6

2014

6

2014

9

2015

7

2016

4

2017

3

2017

9

2017

10

2018

7

2019

3

2019

11

2020

9

2021

3

2021

4

2021

7

2021

9

2021

10

2021

12

日

一般・特定事業

KONA 誌関係

詳細情報

第 4 回 ICCCI（9/3–5，倉敷）の最終日午後に，同会場にて開催。5 件の講演があり，10 ヶ国から 40 名が参加。
3
第 47 回粉体工学に関する講演討論会と合わせて帝国ホテル大阪にて開催。東京大学前総長の小宮山宏先生の特別講演，ホソカワ粉体工学研究奨励賞の贈呈式を挙行。出
席者 201 名。
20
KONA 誌の J-STAGE へ 既に収録済の海外の著名なオンラインデータベースの掲載開始
SCOPUS, Web of Science, BOSCO などに加えて，国内最大級の総合電子ジャーナルサイト「J-STAGE」で，最新号 No. 30（2013）から国際基準 XML での全文情報の完
全無料公開を開始。
25
KONA 誌受理論文のKONA 誌受理論文の全文 PDF 情報の早急な J-STAGE へ
J-STAGE 早期掲載の運 の無料公開を開始。
用開始
30
KONA 誌全バックナン KONA 誌全バックナンバー No. 1（1983）–No. 29（2011）
バーの J-STAGE への掲 の全文 PDF 情報の J-STAGE へ完全無料公開登録を完了。
載完了
29 第 1 回 国際ホソカワ粉
ドイツアルピネ社にて，当財団主催の海外初となるシン
体工学シンポジウムの開ポジウムを開催。ドイツから 3 件，日本から 1 件の講演催があり，出席者は 67 名。
7–10 ICCCI 2015 の開催支援
倉敷にて開催された第 5 回 ICCCI 2015 の開催援助を行とポスター展示
い，財団紹介ポスタを展示。
1
オープンアクセス（OA） 文部科学省の「オープンアクセスに関する声明」および誌として KONA 誌へ
J-STAGE の「オープンアクセス方針」を受け，またCC-BY（表示）ライセ KONA 誌の利用促進のために，CC-BY（表示）ライセン
ンスを全面導入
スを全面導入した。
31
KONA 誌の編集に EM
KONA 誌の国際的標準仕様のオンライン投稿審査システ（Editorial Manager®）シ ム EM（Editorial Manager®）を使った J-STAGE 投稿審査
ステムの運用開始
システムの本格運用を開始した。
30
KONA 誌の全受理論文 KONA 誌全受理論文について，印刷出版より最短 3 ヶ月の J-STAGE 早期掲載の 早く，全文 PDF 情報を J-STAGE へ完全無料公開。
運用開始
4
第 2 回 国際ホソカワ粉
当財団設立 25 周年記念事業の一環として，米国 HMPS
体工学シンポジウムの開社にて，海外 2 回目のシンポジウムを開催。米国から 4催
件の講演があり，90 名が出席。
9–12 ICCCI 2018 の開催支援
倉敷にて開催された第 6 回 ICCCI 2018 の開催援助を行とポスター展示
い，財団紹介ポスタを展示。
28
KONA 誌が DOAJ に正 KONA 誌が，信頼されるオープンアクセス誌をカテゴ
式登録
リー別にまとめたサイト検索サービスである DOAJ
（Directory of Open Access Journals）へ正式に収録され，全論文（1,003 本）を登録公開。
19 第 3 回 国際ホソカワ粉
当財団の「アジアでの国際化展開特定事業」として，中体工学シンポジウムの開国の上海セラミックス研究所で開催。5 件の講演があり，
催
約 130 名が参加。
粉体工学に関する講演討
新型コロナ感染拡大防止のため，9 月に開催を予定して論会の開催中止
いた第 54 回粉体工学に関する講演討論会を令和 2 年度は開催せず，次年度に延期することになった。
KONA 誌が “Diamond
SPARC Europe 出版の〈The OA Diamond Journals Study〉
Open Access Journal” 登録 に掲載された。
KONA 誌の全論文の中国最大学術情報データベース（CNKI: China National
CNKI への掲載
Knowledge Infrastructure）に全論文登録公開を完了。
20
KONA 誌の J-STAGE
KONA 誌が J-STAGE DATA（JST が提供する研究データ
DATA の運用開始の共有と利活用を促進するためのリポジトリ）に登録され，その正式運用を開始した。
粉体工学に関する講演討
コロナ禍の収束が見通せないため，令和 3 年 9 月に開催
論会の開催中止を予定していた講演討論会をさらに 1 年延期することになった。
11–14 第 8 回アジア粉体工学シ
大阪のコングレコンベンションセンターにて開催されたンポジウム（APT 2021）
APT 2021 の開催援助を行うと共に，財団支援により 6 名の開催援助と Youngの若手研究者に Young KONA Award が贈呈された。
KONA Award の贈呈
財団ホームページの大幅
ホソカワミクロンが契約している HP のメインシステム
改定を実施の変更に合わせて，凡そ 10 年振りに財団 HP の改定を実施。
5

KONA Symposium 2012の開催
設立 20 周年記念講演会の開催

73

Online ISSN : 2187-5537
Print ISSN : 0288-4534

Powder andParticle Journal
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<Diamond Open Access> FREE for Reading & Publication
1983
1990
2009
2013
2014
2016
2017
2019
2021

First publication
About the journal
3 editorial blocks worldwide
KONA Journal is a peer-reviewed, international,
Registered in Web of Scienceinterdisciplinary and Diamond OA journal that
Registered-published on J-STAGE publishes articles on powder and particle science
Started Advance Publicationand technology.
Introduced CC-BY license
Adopted Editorial Manager®
Registered in DOAJ
Registered on J-STAGE Data

This journal has been publishedannually since 1983 and is distributed
free of charge to researchers, membersofthescientificcommunities,
universities and research libraries
throughout the world, by Hosokawa
PowderTechnology
Foundation
established by Mr. Masuo Hosokawa
in 1991.

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Characterization
Computer simulation
Nanotechnology
Material science
Powder process
Particle formation
Dry powders & granules
Aerosols & Colloids & Slurry
Metals & Ceramics & Minerals
Organic-inorganic composites
Biomaterials & Pharmaceuticals
Secondary battery, Fuel cell
Electronic materials
3D printerRecyclingetc.

URL: http://www.kona.or.jp/

HOSOKAWA Powder Technology Foundation (HPTF)

公益財団法人 ホソカワ粉体工学振興財団〒573-1132 大阪府枚方市招提田近1丁目9番地（ホソカワミクロン株式会社 内）

Hosokawa Powder Technology Foundation
1-9, Shodaitajika, Hirakata-shi, Osaka 573-1132, Japan(within Hosokawa Micron Corporation)
TEL: +81 (72) 867-1686, FAX: +81 (72) 867-1658
E-mail: contact_zainfo@hmc.hosokawa.com
URL: http://www.kona.or.jp

発行日

2022年8月26日

Publication Date

August 26th, 2022

発行者

公益財団法人ホソカワ粉体工学振興財団

Publisher

Hosokawa Powder Technology Foundation

発行責任者

内藤 牧男

Editor in Chief

Makio Naito

事務局長

横山 豊和

Secretary General

Toyokazu Yokoyama

公益財団法人粉体工学振興財団

Hosokawa Powder Technology Foundation