粉体プロセスの具体的な事例

電池製造プロセスに利用される粉粒体機器の提案
日本コークス工業㈱SekineYasuyoshi

関根 靖由

営業部 企画管理グループ
シニアマネージャ 技術士（機械部門）〒156-6007 東京都江東区豊洲3-3-3☎03-5560-2906

はじめに型の半固体電池 1）など、次世代 2次電池の開発も活発である。ここで重要になるのが、電池性能の1992年 に「地 球 サ ミ ッ ト」で「気 候 変 動 枠 組 条キーファクターとなる材料設計である。この材料約」が採択され、1997年に「京都議定書」の採択、設計を誤ると目標とする電池性能が得られない。

2015年には「パリ協定」が合意された。各国で地本稿では、乾燥、粉砕、混合、複合化、メカニ球温暖化対策が進められている。日本では 2020

カルアロイングなど 2次電池の材料設計に必要

年 10月に菅内閣総理大臣が所信表明演説で「2050

な、粉体操作、粉粒体機器について紹介する。

年までに脱炭素社会を実現」
を宣言し、同年12月、政府が経済と環境の好循環を作る産業政策「グリ材料設計に利用される粉体操作ーン成長戦略」として 14の重要分野を発表した。

2次電池材料に利用される粉体操作は多種多様

その中の重要分野の 1つとして自動車・蓄電池産であり、一部の粉体操作について説明する。なお、業が掲げられている。世界各国の自動車メーカー

本内容は守秘義務の関係から実際に利用されていは脱炭素社会に向けて、電動車（EV）の販売比率

る材料名や詳しい運転条件について掲載することを大幅に増やすことを目標としているが、2次電ができないことを容赦願いたい。

池のコストは自動車 1台当たり 20〜30%を占める1 . 乾燥ため、電動車の普及には 2次電池のコストダウンが求められている。

結晶水や吸着水の乾燥は高温下で行う必要があり、キルンや熱風乾燥など直接加熱式乾燥機が使

さらに、脱炭素社会を達成するため、太陽光発われているが、排気口での粉体の詰まりなどが原電や風力発電などの再生可能エネルギーが多く使因で歩留まりが悪い場合がある。そこで、歩留ま用されるようになると、出力変動により配電線系りがよく、清掃性にも優れる「FMミキサ」を利用

統の電圧や周波数が変動することが問題視されてした高効率な乾燥設備を紹介する（図 1 ）。

いる。この出力変動に対する対策として、2次電「FMミキサ」の構造は基本的に下羽根と上羽根池を設置し、出力変動を平準化するシステムが検の 2枚 で 構 成 さ れ、 羽 根 の 回 転 速 度 は 標 準 で討されている。このように地球温暖化や持続可能40m/s（特 殊 仕 様 で は 80〜100m/s）と し て い る。

な社会で2次電池の重要度は高い。

シンプルな構造であるが、高速撹拌により粉末はまた、電解質を固体にして安全性を高めた全固流動化して強い対流が形成される。また強力なせ体電池や、製造工程が 1/3に簡素化できるクレイん断力を発生させ、強固な凝集体も解砕し、均一

2021年10月号（Vol.69 No.10）

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熱交換器

真空バグフィルタ

FMミキサ

FMミキサを利用した真空乾燥システム

スラリ団子

顆粒10

粉880

温度
［℃］

含水率
［WB％］

10060404

含水率2006温度

2所要動力
010

所要動力
［kW］

図1

凝縮液タンク 真空ポンプ

2030405060

図2

セラミックススラリの乾燥

7080900

運転時間
［min］

な混合・分散を短時間で行えることが特徴である。

また、流動化は流動層乾燥と同等の効果を示し、このことから高速流動型の混合機に分類される

微量の結晶水や吸着水の乾燥にも適用が可能であが、実際は乾燥も可能である。強い対流により伝る。その他にもマイクロウェーブを組み合わせた熱係数が大きく、またせん断作用により乾燥課程

FMミキサ（小型機のみ対応）もラインナップしてで形成される大きな粒も解砕されるので、恒率乾おり、乾燥の最適化を目指している。

燥を維持できる。

2 . 乾式粉砕

さらに、密閉構造であることから真空も可能で、リチウムイオン電池の正極材として主に、コバ有機溶剤などの有害物質を漏出させず、真空乾燥

ルト系（LiCoO2）、ニッケル系（LiNiO2）マンガン系機としても盛んに利用されている。乾燥操作では（LiMn2O4）、 リ ン 酸 鉄 系（LiFePO4）、 三 元 系［Li

強力なせん断を必要とする場合が少ないので羽根（Ni-Mn-Co）O2］などがある。いずれも、材料混合の回転速度は5〜20m/sで行うことが多い。

後、仮焼成前に材料を適正な微粒子にすることで、

図 2 はセラミックススラリを乾燥したときの各材料の接触面積が増え、焼成時間の短縮や未反動力と温度変化である。真空状態による低温乾燥応物の減少につながる。粉砕方法は多くあるが、で大きな伝熱が得られ、かつ、団子や顆粒状にな

ここでは粉砕を効率的に行うことができる連続型った処理物を解砕できるため乾燥速度が維持でき

ボールミル（「ダイナミックミル」）を紹介する
（図る。

3）。

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特集 持続可能な社会を支える粉体プロセスの最新動向

原料（100倍）

図3

連続型ボールミル（ダイナミックミル）

このシステムに必要なのは、供給装置のみで、粉砕品（3500倍）

図4

珪砂の粉砕

1分

2分

4分

8分

16分

32分

15秒

30秒

1分

2分

4分

8分

20m/s

気流式粉砕機やジェットミルに比べ付帯設備が大幅に少ないのが特徴である。さらにイニシャルコ
スト、設置スペース、エネルギーコストの削減だ

40m/s

けでなく、整備や洗浄にかかる時間も大幅に短縮することができる。構造は複数の異なるアームを組み合わせることで、ボールの偏りや材料の詰ま図5りを抑制し、最適なボールの動きを実現している。

発色の変化

また、金属コンタミを防止するため粉砕室はセラ原料粉末を均一に混合させて焼成する。ここではミックス化に対応しており、最大 100型
（タンク材料が互いに接触している必要があるが、微粒化

容量：98L）の納入実績が多数ある。

により再凝集する場合も多く、反応に支障をきた図 4 は珪砂の粉砕例である。25Lサイズの「ダす。この凝集物を解砕しながら混合（分散）する必

イナミックミル」
で250μmから3μmまでの粉砕を要があり、高せん断力をもつ「FMミキサ」が適し供給量 50kg/hrで行うことができる。このようにている。

連続型ボールミルで行うことで、製造コストの削図 5 に塩化ビニル樹脂に染料を 0.3%加えて時減が可能になり、実際に正極材、負極材の粉砕処間毎の色の変化を示した。染料の解砕に伴い色が理やメカノケミカル処理に多く使われている。

濃くなってくるので、この変化で分散を評価でき

3 . 混合、表面処理る。回転速度 40m/sは 20m/sのほぼ 1/4の時間でリチウム化合物の固相合成法では、微粒化した処理後（30分）

運転前

図6

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同じ分散度になり、高速回転ほど分散は有利であコーティング例

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運転するだけではエネルギーが無駄に利用され、効率的に運転することができない。そのため羽根の上部に衝突板を設置し、材料の動きを抑制する
ことで複合化・球形化に適した流動状態を作り出ジャケット
衝突板排出弁羽根す。
図 8 は天然黒鉛を球形化した例である。負極材に使われる天然黒鉛は球形化することによって充填率を増やし、エネルギー密度を向上させることができる。中国ではアトマイザを複数台使用し図7て球形化処理を行っていると聞いている。「コンコンポジ

ポジ」は高速回転によるせん断力で板状の天然黒鉛の角を粉砕し、粉砕された微粉を強固に付着さることがわかる。このように「FMミキサ」は短時せながら転動・造粒を行うため、収率もよくなる。

間で精密な混合分散が可能になるため、仮焼成前さらに、粉砕と球形化を「コンポジ」だけで行えるの材料混合に効果を発揮する。

ため設置スペースの削減も可能になる。

また、高速回転によるせん断力を用いて、母粒

5 . メカニカルグライディング

子の表面に子粒子を付着・コーティングさせるこ

近年、電池の小型化および軽量化が進む一方で、とも可能である。図 6 は正極材活物質にカーボ高出力の電池も要求されており、電池のエネルギンをコーティングした例である。正極材活物質をー密度の向上が求められている。電池のエネルギ壊さずにカーボンを表面にコーティングさせ、導ー密度を向上には、電池内に蓄電可能な電気量を電性の向上も可能である。なお、付着力が弱い材増大させる方法が現実的な方法である。リチウム料では、湿式混合後に乾燥、コーティングする方

イオン電池の場合、負極材として黒鉛が多く用い法もよく行われる。

られているが、高容量化を図るため、黒鉛よりも4 . 複合化、球形化

多くのLiを吸蔵できる、Si系合金が注目されてい複合化・球形化には非常に強いせん断・衝突力る。しかし、SiはLiと反応すると約 4倍の体積にが必要である。当社では超高速回転速度で運転で膨れ上り、負極材として用いると充放電のたびに、きる複合化、球形化に特化した「コンポジ」（図 7 ）

Si系合金が膨張・収縮を繰り返し粒子が崩壊する。

をラインナップしている 2）、3）。
「コンポジ」は複合

そのため、Liを吸蔵しない相でSi相を囲むことに化に必要な高エネルギーを与えるため、羽根形状より、粒子の崩壊を抑制し、また、結晶粒を微細はタービン状の特殊な羽根、かつ、回転速度は化することで、膨張・収縮による応力が一部に集100m/sで運転することができる。しかし、高速中しないようにする方法が考えられている。

処理後（90分）

運転前

図848

天然黒鉛の球形化

特集 持続可能な社会を支える粉体プロセスの最新動向
1.6
1.41.2半値幅（°）

10.80.60.4
0.2002468

10時間（hr）

図9アルケミNiSi系原料

図 10標準運転

アーム変更

運転方法変更Si系合金のメカニカルグライディング結果

研究段階では結晶粒を微細化する方法として「アトライタ」や遊星ボールミルなどを利用し、メした。

カニカルグライディングを行っているが運転時間材料は最適な粉粒体機器の選定と処理方法で粒が十数時間となるため、実用化には運転時間の短子設計することで、性能の向上と低エネルギー運縮が必要である。

転が可能になる。今後も脱炭素社会、持続的な社「アトライタ」と比較して、処理能力が約 3倍の「アルケミ」（図 9 ）

を用いたSi系合金のメカニ

4）、5）

会に向け当社機器が貢献できるよう日々改善を進めていきたいと考える。

カルグライディング結果を図 10に示す。半値幅は大きいほど結晶子サイズが小さくなる。Siの充電

参考文献

時の応力と降伏応力から割れが抑制されると考え

1）
次世代電池、2021（2021 年）、日経 BP 社
2）石 川修：電池の製造と新粒子設計装置、粉体工学会誌、No.48（2011 年）
、pp417〜421、粉体工学会
3）関 根靖由：粒子設計装置「コンポジ」、化学装置、No.5（2018 年）、
pp56〜57、工業通信
4）関 根靖由：媒体攪拌型乾式粉砕機の技術動向、化学装置、No.6（2017 年）
、pp54〜56、工業通信5）
奥 山杏子：攪拌型ボールミル「アルケミ」の粉砕、メカニカル
グ ライデ ィン グ 技 術 に つ い て、 化 学 装 置、NO.3（2020 年 ）、pp24〜28、工業通信6）長 谷川正樹、他：Matsushita technical journal、Vol.52 No.4
（2006年）、pp47〜51、パナソニック
7）関 根靖由：ビーズミルを利用した粉砕・分散技術、化学装置、No.7（2012 年）
、pp58〜62、工業通信8）関 根靖由：ビーズミルにおけるエネルギ効率の最適化、粉体工業誌、No.53（2016）、pp.27〜32、粉体工業会られる結晶子サイズは 10nm以下と推定できる 6）。
10nm以下の結晶子サイズをシェラーの式から計算すると、すべての条件で 4時間以内に目標の結晶子サイズまで小さくなったと推定される。今回の結果から、運転方法やアームの形状を変えることによって、結晶子サイズも変化することを示しており、さらなる改善の余地がある。詳しくは参考文献5）の参照を願う。

おわりに今回、材料設計に利用される機器を中心に紹介したが、活物質と導電助剤の混練や分散にビーズミルやプラネタリミキサなども利用されている。
当社では 3種類の異なった方式のビーズミルを商品化 7）、8）しており、2次電池材料の分散だけでなく、広い分野で利用されている。また、高濃度、高粘度のスラリを分散・混練できるプラネタリミキサ
を 2020年末より販売しており、栃木県の粉体技術センターにテスト機を設置して評価試験を開始

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