特集

高性能電池製造のための粉体技術••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

粉砕機「スーパージェットミル」および分級機「ターボクラシファイア」「、エアロファインクラシファイア」

日清エンジニアリング㈱Kozawa Kazumi

小澤 和三

粉体事業部 機器販売センター〒356-0045 埼玉県ふじみ野市鶴ヶ岡5-3-77☎049-264-3148

はじめに中位径（平均径）」「粒子径分布の制御」「金属コンタミネーションレス（禁止部材対応）」である。

ノートパソコン、スマートフォン、ゲーム機、中位径は粉体特性に最も大きく影響する因子の電気自動車、ハイブリッド車、重機、蓄電システ一つであるため、常に所望の中位径の粉砕品を安ムなど、現代の暮らしにおいて電池は必要不可欠定して製造することが重要である。しかし運転中である。そしてIoT化、モバイル化、低炭素社会に中位径が変動して品質が安定しないことがあに向けた取り組みが進む中、電池を利用する機会る。最も大きな要因は、粉砕機または分級機内のはますます広がり、電池に求められる性能への要粉体の付着・堆積であり、そしてこの付着特性は求も高まっている。

運転条件の調整では改善することは難しい。した

現在、蓄電池の主流になっているリチウムイオン二次電池（LIB）においては、さらなる高エネルがって、機器選定の際には、粉体の付着、堆積の少ない機器を選ぶことが重要である。

ギー密度化、安全性、耐久性、耐熱性を求めた正また中位径が同等でも、ブロードな粒子径分布

負活物質の材料選定や粒子設計の検討が進められを持った材料と、大きさの揃ったシャープな粒子ている。また次世代蓄電池として期待されている

径分布を持った材料では、粉体の流動性や成形性

全固体電池は、硫化物系や酸化物系の固体電解質などに大きな違いが生じるため、粒子径分布の制を用いるが、正極、固体電解質、負極材料の粉末御も重要である。粒子径制御には分級機が用いらを薄いシート状に積層するため、粒子表面状態やれるが、分級機の性能や特性はメーカーや機種に粒子径制御が重要になってくると思われる。そしよって大きく異なるため、要求仕様に対して最適て電池の発火、ショートの要因となる微量の金属な装置を選定しなければいけない。さらには粉体異物への対応も必要不可欠である。

製造工程において製品粉体に金属異物が混入しな

本稿では、電池材料の粒子径制御に必要不可欠な粉砕機および分級機に関する最新技術について紹介する。

微粉化するにあたっていように、ハード面、ソフト面からの対策が必要である。

粉砕機「スーパージェットミル」
ジェットミルは圧縮空気のもつ流体エネルギー粉砕機や分級機を用いた電池材料の微粉化・粒を利用した粉砕機であり、乾式粉砕機の中におい子径制御の際に留意すべき主な点は、「安定したて最も微粉砕できる装置の一つである。当社の「ス30

頻度
（%）

頻度
（%）

図 1 「スーパージェットミル」の構造とメカニズム

粒径（μm）

粒径（μm）（a）
従来型ジェットミル（b ）スーパージェットミル

図2

トナー粉砕品の粒子径分布比較

ーパージェットミル」
は高精度な分級機能を有し、装置中央の出口に向かう一方、大粒子は遠心力に「シンプルな構造」「分級精度にこだわる」「装置内よって外側の粉砕ゾーンに戻される。粒子は粉砕の粉体付着・堆積の少ない構造」の特徴を持ったゾーンと分級ゾーンを循環し粉砕と分級を繰り返粉砕機である。

しながら、小さくなった粒子のみが粉砕品として図1に「スーパージェットミル」の構造とメカ装置中央にある出口管から排出される。粉砕−分ニズムを示すが、本装置は粉砕−分級チャネルを級リングチャネルの設置によって発現した「分級設けることで粉砕ゾーンと分級ゾーンを明確に区ゾーンの整流化」「再分級」「付着低減」機能が高い別した構造としている。

分級精度を実現し、大粒子のない均一な大きさの粉砕ゾーンに供給された原料は、粉砕ノズルか粒度分布を持った粉砕品を作製できる。

ら噴射された高圧の空気による衝撃力、せん断力

図 2 は、粉砕−分級リングチャネルを設けてによって粉砕される。粉砕が不十分な大粒子は粉いない従来型ジェットミルと「スーパージェット砕ゾーンに留まるが、ある程度小さくなった粒子ミル」によって粉砕したトナーの粒子径分布の比は空気流とともに旋回しながら粉砕−分級チャネ

較を示す。「スーパージェットミル」で処理した方ルを飛び越えて粉砕ゾーン内側の分級ゾーンに供が粒子径分布はシャープになっており、特に粗粉給される。分級ゾーンでは、旋回流による遠心力の割合が非常に少ないことがわかる。なお粉砕粒と空気抗力が粒子に働く。小粒子は空気とともに子径は分級ゾーンの旋回流の強弱で変化するた2019年11月号（Vol.67 No.11）

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（a）
従来型ジェットミル（多くの粉体堆積が見られる）

図3

（ b）
スーパージェットミル
（ほとんど堆積していない）

ジェットミル内の黒トナー堆積の様子

め、圧縮空気の圧力または原料の投入速度を制御することで所望の粒子径に調節することができ

粉砕粉
4.5μm
頻度（%）

る。また図 3 に示すように、「スーパージェットミル」では機内の粉の付着、堆積がないことがわ原料かる。

13.6μm

図 4 に電池材料である黒鉛を「スーパージェットミル」で粉砕したときの粒子径分布を示す。中位径 13.6μmの原料が中位径 4.5μmまで小さくなっているが、特に最大粒子径が 88μmから 12μmと大幅に小さくなり、粉砕機だけの処理でかなり粒径（μm）

図4

均一な大きさの粒子を作製できていることがわか黒鉛の粉砕る。

表1
分類

分級原理

乾式分級装置の分類
一般的な特徴・構造が簡単粒子の落下速度、落下位置の違いにより・粒径の粗いところでの分級（200 ～ 2,000mm）
重力分級 分級・あまり高粉体濃度が期待できない（重力：空気抗力）・精密分級に適さない粒子の慣性力を利用して分級慣性分級（慣性力：空気抗力）

代表的な機種
水平流型
垂直流型
ジグザグ型

・構造が簡単・比較的粒径の粗いところでの分級（10 ～ 250mm）
・高粉体濃度が可能、比較的大容量が可能
・精密分級に不適

直線型曲線型
ルーバー型

・細かい分級範囲（0.5 ～ 50mm）
・精密分級も可能

エルボージェット
バリアブルインパクター

サイクロン
ファントンゲレン遠心分級 自由渦、半自由渦による遠心力と空気抗 ・構造が比較的簡単
クラシクロン（自 由 渦、力のつりあいで分級・比較的細かいところでの分級（1 ～ 20mm）
半自由渦）（遠心力：空気抗力）
・サイクロンなどではあまり高粉体濃度、精密分級は望めず ディスパーションセパレーターミクロプレックス
各種エアセパレーター
ミクロンセパレーター
強制渦による遠心力と空気抗力のつりあ ・比較的構造が複雑で動力もかかる
遠心分級
いで分級・微粉領域までの分級可能、分級範囲広い（0.5 ～ 100mm） ミクロプレックス（強制渦）
アキュカット（遠心力：空気抗力）
・高粉体濃度、精密分級が可能
ターボクラシファイアー

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特集

高性能電池製造のための粉体技術
分級

5.5μm
原料頻度
（%）

24.1μm

粒径（μm）

図 5 「ターボクラシファイア」の概略図

図6

分級機「ターボクラシファイア」と「エアロファインクラシファイア」
乾式分級機の分類を表 1 に示す 1）。主に 4つに分類されるが、当社では遠心力を利用した強制渦天然黒鉛の分級微粉

原料
傾斜羽根

出口
二次空気式分級機と半自由渦式分級機を製作、販売してい

メイン
空気る。

二次空気

図 5 に強制渦式分級機「ターボクラシファイア」の構造を示す。分級機内に投入された粉体は、高速回転する分級ローターによる遠心力とブロア粗粉による空気抗力を受け、粗粉と微粉に分級される。
分級径は、ローター回転数を変えることによって数μmから 100μm程度まで容易に調整できる。ま図 7 「エアロファインクラシファイア」の概略図

た、分散羽根による「原料の分散」、補助羽根や分シファイア」の概略図を示す。装置内には回転す級羽根による「整流」、分級が不十分な粒子を再度るローターはなく、機内に旋回流を発生させるこローターに戻して分級する機会を与える「再分級」とで粒子に遠心力を与えて分級する。シンプルなの機能を有することで他社にはない高精度分級を形状でありながら旋回流を容易に高速にすること可能としている。

ができるため、微粉化に適した装置といえる。

図 6 に天然黒鉛を「ターボクラシファイア」でしかし、このタイプの分級機は、機内に成り行分級した結果を示す。様々な大きさの粒子を有すきでできる旋回流の制御は難しく、粒子の挙動制る原料から分級によって微小な粒子のみを取り出御も難しい。また旋回流は外乱に弱く、粉体の影した結果を示している。もちろん、ローター回転響を受けやすい。特に粉体の機内付着が分級性能数を調整することで任意の大きさの粒子を取り出の大幅な悪化を引き起こす。そこで当社では、「旋すことが可能である。

回流の強化、安定、制御」「付着させない構造」に

また本装置は、粉体の粒子径制御に用いるだけ重点を置き、新しい分級機「エアロファインクラ

ではなく、原料中にごく微量に含まれる金属異物シファイア」を開発した。ブロアの吸引によってを取り除く装置としても期待されている。活物質

大気中から（メイン）空気を取り込み、装置外周部と金属異物が同じような粒子径であっても、密度に傾斜させた複数の羽根の間に空気を通すことでの大きな金属異物を分級粗粉に集め、活物質だけ装置内部に旋回流を発生させている。また羽根をを微粉として回収することが可能である。

挟むように上下に二次空気（圧縮空気）を噴射して

図 7 に半自由渦式分級機「エアロファインクラ2019年11月号（Vol.67 No.11）

遠心分級に必要な旋回流の高速化と安定化を図っ

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分級原料（BET径 100nm）

分級微粉（BET径 45nm）

図8

銀粉の分級分級原料（BET径 92nm）

分級微粉（BET径 75nm）

図9金属シリコンの分級た。なお、上部の二次空気には「粒子の分散」を、ンを用いた負極材の耐久性向上が期待できる。ま

下部の二次空気には「再分級」の機能も併せて持たた、本装置はシンプルな構造がゆえに、接粉部をせている。

任意のセラミックスなど非金属にすることが容易

旋回流の高速化、整流化技術とそこで運動する粒子の挙動制御技術の確立が、これまで乾式分級機では不可能といわれていた 1μm以下の高精度分級を可能としている。

であり、金属コンタミネーションレスの対応を取りやすいことも大きな特徴である。

おわりに

図 8 に 100nmの 銀 粉 原 料 お よ び 分 級 微 粉 の

本稿では、最先端の電池材料に利用可能な乾式SEM写真を示す。SEM写真とBET径での評価で粉砕機と分級機を紹介するともに、負極材用黒鉛あるが、密度の大きな粉体では 100nm以下の領の粉砕、分級ならびに次世代の材料として期待さ域での分級も可能である。

れている金属シリコンの分級結果を紹介した。気また図 9 に金属シリコンの原料および分級微流を利用した粉砕、分級による電池材料粉体の微粉のSEM写真を示す。金属シリコンは、LIBの粉化ならびに粒子径制御技術は、今後ますます求さらなる高容量化を実現できる負極材料として注められる電池の高容量化、安定化、耐久性向上に目されているが、Li+ の挿入・脱離による体積変必要不可欠であると考える。今後もさらなる微粉化が大きく、金属シリコン粒子の分解・破壊が進化、高精度化に向けた技術を深化させることで、むことによって十分な電池寿命が得られないこと次世代電池に向けた材料に少しでも貢献できればが課題となっている。この解決手段として、金属幸いである。

シリコンを 150nm以下までに微小化することが報告されている。
本結果より、原料中に含まれている 150nm以上の粒子を除去できていることから、金属シリコ

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参考文献
1）
（社）
日本粉体工業技術協会編 :“ 粉体分級技術マニュアル ”、p.62、p.150〜160、広信社（1990）