JP2024151398A - Fluid ejection or application method, secondary battery or all-solid-state battery manufacturing method, solar cell manufacturing method, and nozzle assembly - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、流体の噴出方法、流体の塗布方法、二次電池または全固体電池の製造方法、太陽電池の製造方法、ノズル組立体に係る。 The present invention relates to a method for ejecting a fluid, a method for applying a fluid, a method for manufacturing a secondary battery or an all-solid-state battery, a method for manufacturing a solar cell, and a nozzle assembly.
電気自動車(EV)の増加に伴い、リチウムイオンバッテリー(LIB)の生産量は急増している。それに伴いLIBの電極形の生産量も増加している。しかしLIB電極形成工程では高速ラインスピードの為大型乾燥装置が必要で炭酸ガス排出の課題を抱えていた。また次世代二次電池の本命である硫化物系電解質を用いた全固体電池の製造においては除湿環境が必要で更に大型装置になるため性能は維持または向上させた上で装置の省スペース化が求められていた。更に他の分野例えば太陽電池の発電層、燃料電池や水電解、炭酸ガス電解などの電極層形成でもカーボンニュートラルに貢献するため、各々のスピードアップに伴い製造工程の省スペースの要望が高かった。 With the increase in electric vehicles (EVs), the production volume of lithium-ion batteries (LIBs) is rapidly increasing. Accordingly, the production volume of LIB electrode forms is also increasing. However, the LIB electrode formation process requires large drying equipment due to the high line speed, which poses the issue of carbon dioxide emissions. In addition, the manufacture of all-solid-state batteries using sulfide-based electrolytes, which are the main candidates for next-generation secondary batteries, requires a dehumidified environment and even larger equipment, so there was a demand for space-saving equipment while maintaining or improving performance. Furthermore, in other fields, such as the formation of electrode layers for solar cell power generation layers, fuel cells, water electrolysis, and carbon dioxide electrolysis, which also contribute to carbon neutrality, there was a high demand for space-saving manufacturing processes as each of these processes was speeded up.
本発明は、リチウムイオン電池(LIB)、カリウムやナトリウムイオン電池等や全固体電池や半固体電池を含む二次電池の種類を問わない。太陽電池も有機薄膜系太陽電池や色素増感太陽電池を含み、ペロブスカイト太陽電池、ペロブスカイト オン シリコンタンデム太陽電池などその構造、種類を問わない。流体は液体、溶融体、粉体、超臨界性流体、圧縮気体から選択でき単独または短繊維も含めてそれらの混合体の流体とすることができる。 The present invention is applicable to any type of secondary battery, including lithium ion batteries (LIBs), potassium or sodium ion batteries, all-solid-state batteries, and semi-solid-state batteries. Solar cells include organic thin-film solar cells and dye-sensitized solar cells, and are not limited in structure or type, including perovskite solar cells and perovskite-on-silicon tandem solar cells. The fluid can be selected from liquids, melts, powders, supercritical fluids, and compressed gases, and can be a single fluid or a mixture of these fluids, including short fibers.
また本発明による複数の流体による造粒、カプセル、短繊維、ウェブ等の各製造や形成方法は流体の噴出方法で対応できる。塗布方法は流体を対象物に施与することを含み形態の違うMLCC、キャパシター、電池製造全般に効果的で、燃料電池、水電解、ガス電解、キャパシターなどの電極形成に好適に応用できる。またエレクトロニクスやケミカル分野、一般塗装や接着工程など他分野に応用できそれらの目的物の製造工程の特に高速生産ラインに貢献できる。 Furthermore, the manufacturing and forming methods of granulation, capsules, short fibers, webs, etc. using multiple fluids according to the present invention can be handled by a fluid ejection method. The coating method involves applying a fluid to an object, and is effective in the general manufacture of MLCCs, capacitors, and batteries of different shapes, and can be suitably applied to the formation of electrodes for fuel cells, water electrolysis, gas electrolysis, capacitors, etc. It can also be applied to other fields such as electronics and chemicals, general painting and adhesive processes, and can contribute to the manufacturing process of these objects, especially high-speed production lines.
従来、高速で移動する広幅の二次電池等の対象物に電極スラリーなどの液体を塗布する場合、スロットダイ方式が高速スピードに対応でき簡便なため一般的に使用されていた。そして乾燥装置は高速化例えば分速60メートル以上の集電体の塗工スピードに対応していた。一方電極スラリーのフッ素系バインダーを溶解するための溶媒はノルマルメチルピロリドン(NMP)等が一般的に使用され沸点が高いため乾燥装置は巨大化していた。そのためバックロールを高温に加熱する方法が試みられていた。しかし加熱ロールとスロットダイの先端は対象物と液膜を介して接触する構成の為スロットダイ先端部が加熱ロールからの伝熱で経時的に温度変化し変形しギャップが変化するので塗膜形状を一定にすることは難しかった。一方より電極の薄膜が要求され薄くて瞬間的に膨潤する燃料電池の電解質膜への触媒インクによる電極形成は電解質膜を加熱吸着する必要があったため困難を極めた。またナノレベルの超薄膜が要求されるペロブスカイト太陽電池発電層形成ではスロットダイヘッドや表面張力を利用した塗工ヘッドと加熱した対象物間のミクロン単位のギャップの変化が問題になっていた。スロットダイ等の真直度だけでなく、枚葉シートなどを搬送する加熱したテーブルやコンベヤなどの平面度も問題になっていた。例えば枚葉のシート状の対象物を60℃以上に加熱する場合。
一方ギャップを広く広角にスプレイする一般的なスプレイ方式は簡便だが塗着効率が極めて悪く特に広幅で高速スピードが要求される二次電池分野では採用に至っていなかった。
Conventionally, when applying liquid such as electrode slurry to a wide object such as a secondary battery that moves at high speed, the slot die method has been generally used because it can handle high speeds and is simple. The drying device can handle high speeds, for example, the coating speed of a collector at 60 meters per minute or more. On the other hand, normal methylpyrrolidone (NMP) and other solvents are generally used to dissolve the fluorine-based binder in the electrode slurry, and the drying device is large because of its high boiling point. For this reason, a method of heating the back roll to a high temperature has been attempted. However, since the tip of the heated roll and the slot die are configured to contact the object through a liquid film, it was difficult to keep the coating film shape constant because the temperature and deformation of the tip of the slot die change over time due to heat transfer from the heated roll, and the gap changes. On the other hand, a thin film of the electrode is required, and the formation of an electrode using a catalyst ink on the electrolyte membrane of a fuel cell, which is thin and swells instantly, was extremely difficult because it was necessary to heat and adsorb the electrolyte membrane. In addition, in the formation of a power generation layer for a perovskite solar cell, which requires an ultra-thin film at the nano level, the change in the gap in microns between the slot die head or the coating head using surface tension and the heated object was a problem. Not only the straightness of slot dies, etc., but also the flatness of heated tables and conveyors that transport sheets, etc., was a problem, for example, when heating a sheet-like object to 60°C or higher.
On the other hand, the general spray method of spraying a wide gap at a wide angle is simple but has extremely poor coating efficiency and has not been adopted in the field of secondary batteries, which require wide widths and high speeds.
一方乾燥後の電極塗膜厚は100マイクロメートル前後と厚膜で外気との接触は塗膜表面だけと少なかった。そのためクラック等を防止する目的もあり乾燥温度も低めに設定され高速で移動するため乾燥装置が巨大化しCO2排出源になっていた。それに伴い溶媒の回収装置も大型になっていた。 However, the electrode coating film after drying was thick, at around 100 micrometers, and only the surface of the coating film had little contact with the outside air. Therefore, in order to prevent cracks, the drying temperature was set low and the film moved at high speed, which resulted in the drying equipment becoming huge and becoming a source of CO2 emissions. As a result, the solvent recovery equipment also became large.
二次電池業界では電極形成時の乾燥時間をより短くしかつ電極性能を向上させる方法が熱望されていた。そして乾燥装置や溶媒回収装置を無くするため溶媒を使用しない電極用粉体による電極形成法が一部で提案されている。しかし以前と違い性能向上のためバインダーは数パーセント以下しか含まれないため集電体等への粉体の密着性の悪さの課題があった。また同じく数パーセント以下の微量のカーボンナノファイバーやカーボンナノチューブ(CNT)等の導電助剤を効率的に活物質粒子へ付着させる必要があった。次世代二次電池とされ将来有望視されている硫化物系全固体電池では除湿雰囲気が必須とされ、大型乾燥機装置等設置面積が大きいと莫大なイニシャルとランニングコストが発生する。そのため電極形成装置全体をより小型にする必要があった。電極スラリーの溶媒を早く揮発させるには対象物の加熱、低払底溶媒への切り替え、または所望する比率の低沸点溶媒による共沸作用、気体との接触をより多くする、真空雰囲気で乾燥させる、或いはそれらの併用が良い。 In the secondary battery industry, there was a strong demand for a method to shorten the drying time during electrode formation and improve electrode performance. Some have proposed electrode formation methods using electrode powders that do not use solvents in order to eliminate drying equipment and solvent recovery equipment. However, unlike previous methods, the binder content is only a few percent or less in order to improve performance, so there is a problem with poor adhesion of the powder to collectors, etc. In addition, it was necessary to efficiently attach conductive assistants such as carbon nanofibers and carbon nanotubes (CNTs), which are also in trace amounts of less than a few percent, to active material particles. A dehumidified atmosphere is essential for sulfide-based all-solid-state batteries, which are considered to be next-generation secondary batteries and are seen as promising for the future, and if the installation area of a large drying device is large, huge initial and running costs will be incurred. Therefore, it was necessary to make the entire electrode formation device smaller. In order to quickly volatilize the solvent in the electrode slurry, it is good to heat the target object, switch to a low-bottom solvent, or use the azeotropic action of a low-boiling point solvent in the desired ratio, increase contact with gas, dry in a vacuum atmosphere, or use a combination of these.
対象物へ塗布する際、気体との接触を多くする一般のスプレイ特に二流体スプレイ方式と呼ばれるエアスプレイ法は溶媒の揮発を早くできる。しかし特に対象物との距離を離し広い角度で広幅に対応するためスプレイすると前記の如く塗着効率は30程度と極めて悪かった。更に高速例えば分速60m以上で移動する二次電池対象物へのスプレイ効率は粒子が対象物上に発生する風の流れに影響され更に悪かった。また仮に複数のスプレイノズルを横一列に配置しても幅方向の膜厚分布は極めて悪かった。そのような基本的な課題が多すぎるため特に二次電池関係の高速生産装置向けへのスプレイ方式は敬遠されていた。 When applying to an object, general sprays that increase contact with gas, especially the air spray method known as the two-fluid spray method, can quickly evaporate the solvent. However, as mentioned above, when spraying at a wide angle to cover a wide width and away from the object, the coating efficiency is extremely poor at around 30. Furthermore, the spray efficiency for secondary battery objects moving at high speeds, for example at speeds of 60 m/min or more, is even worse because the particles are affected by the wind flow generated above the object. Furthermore, even if multiple spray nozzles are arranged in a horizontal row, the film thickness distribution in the width direction is extremely poor. Due to the numerous basic issues such as these, the spray method has been avoided, especially for high-speed production equipment related to secondary batteries.
またスプレイ法は例えば200ミリパスカル秒以下の低粘度でなければスプレイ粒子が粗粒子になり塗布分布のばらつきが大きかった。一方低粘度で比重の高い特に正極活物質等の粒子を含むスラリーは流路で粒子の沈殿が顕著であった。特に循環がない例えば塗工ヘッドの開閉バルブより下流の流路で内容積が大きく流速が遅い場合や作業を停止すると粒子が沈殿する致命的な問題をかかえていた。
本発明はこれらの課題を解決するためになされたもので、それぞれの個々の課題を解決する。
In addition, the spray method requires low viscosity, for example 200 mPascal seconds or less, otherwise the spray particles become coarse and the coating distribution varies widely. On the other hand, slurries that have low viscosity and high specific gravity, especially those containing particles such as positive electrode active materials, tend to cause significant particle precipitation in the flow path. In particular, when there is no circulation, for example in the flow path downstream of the opening and closing valve of the coating head, when the internal volume is large and the flow rate is slow, or when the work is stopped, there is a fatal problem of particles settling.
The present invention has been made to solve these problems, and solves each of these individual problems.
引用文献1には粘性流体用の細い溝を持つシムをブロックで挟んで流路を形成してホットメルト接着剤などの粘性流体を流路出口からにじみ出させ加熱圧縮空気を粘性流体に二方向から噴射して粒子や繊維を製造し被塗物に塗布する方法が開示されている。引用文献2は本発明者によって発明された方法であって、広幅の対象物等に対しても可能なように液体、加熱溶融体、粉体、超臨界性流体、ガスから選択した流体を複数のノズルから末広がりにスプレイし、隣り合うスプレイパターン同士が飛行する空中や対象物上で緩衝してパターンが乱れないようにタイミングをずらして塗布する方法を提案している。
文献1の方法の粘性流体は複数の細い溝で分割して細い流れにしているが、ある角度で二方向から広幅のスリット溝で加熱した空気を衝突させ粒子または繊維化を図る方法にしている。しかしホットメルトなどのような凝集力の高い粘性流体は折角細く薄い流れに分割しても、にじみ出た瞬間から表面張力でヘッド先端の壁や面に引き寄せられ連続膜や大きな液滴に成長する。ホットメルトは180℃前後と高温な溶融体の為温度低下を防ぐためにも加熱エアが必要だが、二方向から液滴に衝突させるだけでは引き伸ばし効果が低く、表面張力で粘性流体が金属などに付着し広がり液膜や液滴となる。その為加熱していても圧縮エアだけの衝突だけでは粗粒子や極太の繊維の集合体となる。そして所望する小さな粒子化ができなかった。多数のスロット溝で液体を細かく分割して液体に噴射エア溝からエアを噴射する仕組みは構造が類似した特開平06-154691の図が理解しやすい。この方法は高速で相対移動する対象物の所望する箇所にシャープエッジな塗膜を形成することを目的としている。そのため粘度や粘性の高い液体は二方向からの圧縮エアの衝突だけでは引き伸ばし効果が期待できないので粗粒子になり粘性流体の塗膜にはエアのかみ込みの泡が残留するなどの別の課題があるので詳細の説明を省略する。接着性を求めるアプリケーションは接着以外の機能を求めるケースは少なく微粒子化や極細の短繊維化は必ずしも必要なかった。また粘性液体はスロットダイで薄く広く液膜を押し出してもTダイの理論の如く開口エッジを離れる瞬間から凝集が始まり空中で中心に向かって厚い棒状の流れに移行する。高粘度になるほど凝集力は一般的に強いので凝集した分厚い流れを圧縮気体で小さい粒子や細い短繊維にすることは不可能であった。つまり微粒子化や細い短繊維化を求める場合、開口を細く、薄く、小さくし開口エッジを液体や溶融体等が離れる瞬間、全周囲から圧縮気体の高速流で粘性流体を引き伸ばし繊維状にして引きちぎりそれを表面張力で粒子化させることが必須であった。短繊維から表面張力で粒子になる前に特に沸点の低い溶媒は空中で蒸発し樹脂などは固形の細い短繊維となる。又ホットメルトなどの低粘度の加熱溶融体は短繊維の温度が溶融点以下に下がると粒子になることなく短繊維集合体になる。そして一般的にエンゼルヘアと呼ばれウェブの製造に採用されている。つまり粘度の高い流体は初期に十分な、あるいは効果的な全周からの引き伸ばしや引きちぎりの力が必要であった。更に微粒子化を求める場合はその流れに圧縮気体を高速で衝突させる必要があった。
Cited
In the method of the
そのため本発明では以下を課題として解決する。
従来二次電池の製造では以下のような課題を抱えていた。同じように次世代太陽電池の例えばペロブスカイト太陽電池製造や燃料電池、水電解、炭酸ガス電解等の電極形成でも同様に解決すべき課題があった。
1.乾燥時間短縮:特に二次電池
2.広幅塗布対応:全般
3.高速ラインスピード対応:全般
4.スラリーの沈殿防止:全般、特に全固体電池を含む二次電池
5.薄膜から厚膜まで形成:全般
6.塗膜性能向上:全般。
本発明はこのような課題を解決するためなされたもので、乾燥スピードを速めるため溶媒が揮発しやすい構成にする。更に広幅にも塗工でき対象物の高速移動スピードにも対応する。薄膜/厚膜対応をする。固形粒子を含むスラリーを沈殿させないあるいは、沈殿させにくい構成にする。塗膜性能は少なくとも従来の性能を維持し性能向上を模索する。そしてスラリーなどの塗着効率を含めた使用効率を従来のダイヘッドシステムに近づけることを目標とする。
Therefore, the present invention aims to solve the following problems.
Conventionally, secondary battery manufacturing has had the following problems: Similarly, there are similar problems to be solved in the manufacture of next-generation solar cells, such as perovskite solar cells, and in the formation of electrodes for fuel cells, water electrolysis, carbon dioxide electrolysis, etc.
1. Shortening drying time: especially for
The present invention was made to solve these problems, and is structured so that the solvent evaporates easily to increase the drying speed. It can also be applied over a wide area and can handle high-speed movement of objects. It is compatible with thin and thick films. It is structured so that slurry containing solid particles does not settle or does not settle easily. The coating performance is at least maintained at the conventional level, while efforts are made to improve it. The goal is to bring the usage efficiency, including the coating efficiency of slurries, etc., closer to that of conventional die head systems.
1.短時間乾燥:
スラリーを圧縮気体で引き延ばし引きちぎり粒子化することで気体との接触面積が増えるので溶媒の揮発を促進できる。また対象物を加熱することでスプレイ粒子をインパクトで圧し潰し薄く広げて溶媒の揮発性を促進できる。更に幾重にも薄膜で積層することで塗布した瞬間高固形分の塗膜を形成する。つまり本発明では塗布前の固形分濃度が仮に低くても塗着した瞬間から高固形分のハイヤーソリッドと呼ばれる通常では塗布が難しい高固形分塗膜を形成できる。また粘度に関係なく例えば1mm乃至10mmピッチ当たりの薄く細い例えば0.2mm幅の溝で粘性流体を低流量で押し出し圧縮気体で引き延ばし引きちぎり微粒子にして塗布できる。更には上流の開閉バルブをミリ秒単位にパルス開閉することで更なる低流量例えば1/10以下にでき更なる薄膜を可能にする。流量を増やすのは自動開閉バルブの開度を大きくする、または液圧を高くすることで容易に調整できるので厚膜塗布が可能になる。また液状流体の流路は所望する大きな溝にすることもできる。また細い溝であっても対象物の移動方向に所望する複数のノズル組立体を配置し積層塗布することで所望する膜厚での薄膜積層さえ可能にする。本発明の薄板は0.05 乃至1mmから選択でき、より好ましくは 0.05乃至 0.5mmから選択できる。そのため本発明では液体等の圧送量に制限はない。
1. Quick drying:
By stretching and tearing the slurry with compressed gas to form particles, the contact area with the gas increases, which promotes the evaporation of the solvent. In addition, by heating the target object, the spray particles are crushed by impact and spread thinly, which promotes the evaporation of the solvent. Furthermore, by laminating thin films many times, a high solid content coating film is formed the moment it is applied. In other words, in this invention, even if the solid content concentration before application is low, a high solid content coating film called a higher solid can be formed from the moment it is applied, which is usually difficult to apply. In addition, regardless of viscosity, a viscous fluid can be extruded at a low flow rate through a thin and narrow groove, for example 0.2 mm wide, per pitch of 1 mm to 10 mm, and stretched and torn into fine particles with compressed gas, and applied. Furthermore, by pulse-opening and closing the upstream opening and closing valve in milliseconds, the flow rate can be further reduced, for example to 1/10 or less, making it possible to form an even thinner film. The flow rate can be increased easily by increasing the opening of the automatic opening and closing valve or by increasing the liquid pressure, so thick film application is possible. In addition, the flow path of the liquid fluid can be made into a groove of desired size. Even if the groove is thin, it is possible to laminate thin films with a desired thickness by arranging multiple nozzle assemblies in the moving direction of the object and applying the layers. The thickness of the thin plate of the present invention can be selected from 0.05 to 1 mm, and more preferably from 0.05 to 0.5 mm. Therefore, there is no limit to the amount of liquid or the like that can be pumped in the present invention.
2.広幅塗工対応:
スラリーなどの流体の噴出開口が1乃至1500個のノズル組立体の開口数を選択することで幅狭から幅広塗布まで柔軟に対応できる。例えば分速100mmの遅い対象物のラインスピードでは1或いは少ない開口数のノズル組立体を対象物の移動方向と直交してトラバースして塗布することも選択できる。または広幅対象物で移動速度が遅い対象物には1500個の開口のノズル組立体広幅ヘッドであってもパルス的にインターバルを調整することで薄膜積層することができる。広幅で高速移動する対象物には広幅のノズル組立体を固定して塗布できるし開口数が少ないノズル組立体はショートトラバースで揺動させて対応できる。例えば開口ピッチが1mmで開口が1500個のノズル組立体で約1500mm幅の広幅塗工に対応できる。また開口数を少なくピッチを広くする場合でもノズル組立体を対象物の移動方向に複数設置してトータル的に流体開口ピッチ間を狭くできる。5セットのノズル組立体であって流体開口ピッチが5mmでもトータルはピッチ1mmとおおよそ同じになる。ノズル組立体数を増やすことで積層数を増やすことができる。そのためLIB電極形成では活物質粒子スラリーの周囲から導電助剤例えばカーボンナノファイバーの所望する低固形分のディスパージョン等を合流させその外周から圧縮気体で引き延ばしスプレイによる微粒化して塗布できる。積層するので導電助剤の所望する分布で少量分散混合を可能にする。活物質と導電助剤の流路は逆で良い。そして電極性能を向上させ圧縮気体との接触を増やすことで乾燥時間も大幅に短縮できる。
2. Wide width coating:
By selecting the number of nozzle assemblies with 1 to 1500 nozzles for ejecting fluid such as slurry, it is possible to flexibly accommodate coatings from narrow to wide. For example, for a slow line speed of an object of 100 mm per minute, it is possible to select a nozzle assembly with one or a small number of nozzles that traverses perpendicularly to the moving direction of the object to apply. Or, for a wide object that moves slowly, even a wide head nozzle assembly with 1500 nozzles can be used to laminate thin films by adjusting the interval in a pulsed manner. For a wide object that moves at a high speed, a wide nozzle assembly can be fixed and applied, and a nozzle assembly with a small number of nozzles can be swung in a short traverse. For example, a nozzle assembly with 1500 nozzles and an aperture pitch of 1 mm can be used to coat a wide width of about 1500 mm. Even if the number of nozzles is reduced and the pitch is widened, multiple nozzle assemblies can be installed in the moving direction of the object to narrow the fluid aperture pitch in total. Even if there are five sets of nozzle assemblies and the fluid aperture pitch is 5 mm, the total is approximately the same as a pitch of 1 mm. The number of layers can be increased by increasing the number of nozzle assemblies. Therefore, in the formation of LIB electrodes, a conductive additive, such as a dispersion of carbon nanofibers with a desired low solid content, can be mixed around the active material particle slurry, stretched from the periphery with compressed gas, and then atomized and applied. Since it is layered, it is possible to disperse and mix a small amount of conductive additive with the desired distribution. The flow paths of the active material and conductive additive can be reversed. Furthermore, by improving electrode performance and increasing contact with compressed gas, the drying time can be significantly shortened.
3.高速ラインスピード対応:
ノズル組立体開口部と対象物間の距離を選択でき例えば1乃至70mmに、より好ましくは5乃至50mmにすることができる。そのため高速移動する対象物で起きる粒子に悪影響を及ぼす風の流れの外乱などの影響を無視できる。更に開口ピッチを短くできるので粒子の移動は対象物に向かってほぼ直進的に進むことでインパクトが高く粒子を緻密に付着させリバウンドを少なくできる。つまり噴出口ピッチを例えば1mm乃至6mmと狭くできノズル組立体を複数例えば6列配列することで薄膜積層の効果まで兼ね揃えたシステムとすることができる。
3. Supports high-speed line speeds:
The distance between the nozzle assembly opening and the target can be selected, for example, from 1 to 70 mm, more preferably from 5 to 50 mm. Therefore, the influence of wind disturbances that adversely affect particles caused by a target moving at high speed can be ignored. Furthermore, the opening pitch can be shortened, so that the movement of the particles proceeds almost straight toward the target, resulting in a high impact, dense adhesion of the particles, and reduced rebound. In other words, by narrowing the nozzle pitch to, for example, 1 mm to 6 mm, and arranging multiple nozzle assemblies in, for example, six rows, a system can be created that also has the effect of thin film lamination.
4.スラリー沈殿対策:
沈殿しにくい高粘度スラリーにして流路開口まで移送する。高粘度でも細長い櫛状の多数の溝でスラリー量を分割し一つの開口からの流量を少なくした細いスラリー流を全周から圧縮気体または溶媒微粒子が含有した圧縮気体で引き伸ばし繊維状にして細分化できる。更に高粘度スラリーをより良く微粒子化する手段はスラリー開口下流で外周から溶媒を合流させ、周囲の溶媒で高粘度スラリーを膨潤させ粘度を下げ全周からの圧縮気体の引き延ばしと引きちぎり効果で微粒子にする。更に所望するなら前記二つの方法に付加して合流体又は粒子に対し至近からの圧縮気体の衝突流の衝突エネルギーで更に微細にすることも選択できる。また本発明では高粘度スラリーに流路上流で不活性ガスを混入させスラリーに分散させフォーム化し液圧で泡を小さくし、開口から噴出時フォーム化させ発泡の力と周囲からの圧縮気体の引き伸ばし力でスラリーを引きちぎりやすくすることも本発明では選択できる。
本発明では複数の薄板で所望する流路を形成できるのでフォーム化した粘性流体であっても開閉バルブより下流の流路の体積を限りなく小さくでる。塗布のタイミングは圧縮気体をスラリーの吐出スピードより早く噴出し、スラリーの吐出終了より遅くまで噴出させることができるのでフォーム化した液体などを含めパルス的な塗布パターンのクリーンカットができる。
4. Slurry precipitation prevention measures:
The slurry is made into a high viscosity slurry that is difficult to settle, and is transported to the opening of the flow path. Even if the slurry is highly viscous, the amount of the slurry is divided by a number of elongated comb-like grooves, and the flow rate from each opening is reduced, and the thin slurry flow is stretched from the entire circumference by compressed gas or compressed gas containing solvent fine particles, and broken down into fibers. A further means for better atomizing the high viscosity slurry is to merge the solvent from the outer circumference downstream of the slurry opening, swell the high viscosity slurry with the surrounding solvent, reduce the viscosity, and turn it into fine particles by the stretching and tearing effect of the compressed gas from the entire circumference. If desired, it is also possible to add the above two methods to further fine the slurry by the collision energy of the collision flow of compressed gas from close to the merged fluid or particles. In addition, in the present invention, it is also possible to mix an inert gas into the high viscosity slurry upstream of the flow path, disperse it in the slurry, foam it, and make the bubbles smaller with liquid pressure, and then foam it when it is ejected from the opening, making it easier to tear the slurry by the foaming force and the stretching force of the compressed gas from the surroundings.
In the present invention, since the desired flow path can be formed with multiple thin plates, the volume of the flow path downstream of the opening and closing valve can be made as small as possible even for foamed viscous fluids. The timing of application is such that the compressed gas is ejected faster than the slurry ejection speed and can be ejected until later than the end of the slurry ejection, so that a clean cut of a pulsed application pattern including foamed liquids can be achieved.
5.薄膜・厚膜:
液状流体の供給流量を少なくしたら塗布膜厚は自動的に薄膜に、供給量を増やしたら厚膜になる。省エネルギーの観点から圧縮気体は液状流体の流量に合わせて増減できる。また粘度に関係なく粘性流体を薄板の細長い溝で例えば50μm乃至300μmと細く薄く分断し周囲から圧縮気体等で引き伸ばして微細化して、薄膜から厚膜まで塗布することが可能なノズル組立体にできる。対象物移動方向にノズル組み立て体を複数例えば10列配列することができる。本発明ではノズル組立体を所望する数配置できるので液体等の圧送量に制限はない。ノズル組立体と対象物は相対移動できる。本発明ではスロットダイと同じ液膜塗布することができる。ノズル組み立て体の先端と対象物間のギャップを液体塗膜厚より広くできるのでスロットダイで問題になるような塗膜へのごみによるストリークなどの塗膜への損傷の心配がない。そのため本発明では圧縮気体の圧力を低くして圧縮気体サポートスロットダイとして液膜で対象物に塗布することができる。比較的粘度の高い液状流体では細幅のストライプコートができる。また低粘度流体で液状流体開口ピッチを狭くすると対象物上で液状流体がフローするので連続塗膜形成ができる。
5. Thin and thick films:
If the supply flow rate of the liquid fluid is reduced, the coating film thickness automatically becomes thin, and if the supply rate is increased, the coating film becomes thick. From the viewpoint of energy saving, the compressed gas can be increased or decreased according to the flow rate of the liquid fluid. In addition, regardless of viscosity, the viscous fluid can be divided into thin and thin pieces, for example 50 μm to 300 μm, by a thin plate with a long and narrow groove, and then stretched and finely divided by compressed gas or the like from the periphery, to form a nozzle assembly capable of coating from thin to thick films. A plurality of nozzle assemblies, for example 10 rows, can be arranged in the direction of movement of the object. In the present invention, since the desired number of nozzle assemblies can be arranged, there is no limit to the amount of liquid or the like that can be pumped. The nozzle assembly and the object can move relative to each other. In the present invention, the same liquid film can be applied as with a slot die. Since the gap between the tip of the nozzle assembly and the object can be made wider than the liquid coating film thickness, there is no need to worry about damage to the coating film, such as streaks caused by dirt, which is a problem with slot dies. Therefore, in the present invention, the pressure of the compressed gas can be reduced and the object can be coated with a liquid film as a compressed gas supported slot die. With a liquid fluid with a relatively high viscosity, a narrow stripe coat can be formed. Furthermore, when a low viscosity fluid is used and the liquid fluid opening pitch is narrowed, the liquid fluid flows on the target object, allowing continuous coating to be formed.
7.塗膜性能向上:
本発明のノズル組立体は粘性流体が表面張力で開口部の壁面に溜まりにくい薄い板を使用した構造にしているので液体等の粒子化が安定する。そのため薄膜積層が可能で電極の活物質粒子などを緻密に積層できる。対象物を所望する温度に加熱することで塗布後の濡れを良くし溶媒を急速に揮発できる。そして活物質粒子、電解質粒子、導電助剤、バインダーなどから選択した複数の粒子や短繊維の良好な分散状態の合材スラリーを塗布した瞬間から固定化することが可能になる。本発明は複数の単独スラリーまたは選択した数の合材スラリーがノズル開口を離れた瞬間に合流させ圧縮気体等で引き伸ばし引きちぎり必要により微粒子にして加熱した対象物上に薄膜積層塗布することで少ないエネルギーで塗布が可能な程度ノズル組立体構造にした。また本発明では電極合材を造粒し平均粒子径が7乃至70μm程度の粉体にして主に溶媒と混合してスラリーにしたパウダースラリーにして第一の流体にし第二の流体である圧縮気体で同時に噴出して、対象物に塗布後瞬時に溶媒を揮発して粉体層を形成できる。パウダースラリーは動的粘度は低くスプレイ粒子にしやすいので圧縮気体の圧力は0.2MPa以下と低くできる。
7. Improved coating performance:
The nozzle assembly of the present invention is structured using a thin plate that does not allow viscous fluid to accumulate on the wall of the opening due to surface tension, so that the granulation of liquids and the like is stable. Therefore, thin film lamination is possible, and active material particles of the electrode can be densely laminated. By heating the object to a desired temperature, wettability after application can be improved and the solvent can be rapidly evaporated. Then, it becomes possible to fix the composite slurry in a well-dispersed state of multiple particles and short fibers selected from active material particles, electrolyte particles, conductive assistants, binders, etc., from the moment of application. In the present invention, multiple individual slurries or a selected number of composite slurries are joined at the moment they leave the nozzle opening, stretched and torn with compressed gas, etc., and thin film lamination coating is applied to the heated object, thereby forming a nozzle assembly structure that allows coating with less energy. In addition, in the present invention, the electrode composite is granulated to a powder with an average particle size of about 7 to 70 μm, mixed mainly with a solvent to make a slurry, and the powder slurry is made into a first fluid, which is then sprayed simultaneously with the second fluid, compressed gas, so that the solvent is instantly volatilized after application to the object to form a powder layer. Since powder slurry has a low dynamic viscosity and is easy to form into spray particles, the compressed gas pressure can be kept low, at 0.2 MPa or less.
上記のように本発明は造粒や塗布全般に効果的である。特にSOFCやPEFC等の燃料電池や水電解等の電極形成、MEA製造、全固電池や半固体電池を含む二次電池やキャパシターの電極形成、二次電池用ポーラスセパレーターへの機能膜や電荷質層形成、全固体電池の電解質層形成、有機系太陽電池の発電層や機能膜、電極形成等の特に要望が大きい高速生産に効果的である。 As described above, the present invention is effective for granulation and coating in general. It is particularly effective for high-speed production, which is in high demand, such as electrode formation for fuel cells such as SOFC and PEFC, water electrolysis, MEA manufacturing, electrode formation for secondary batteries and capacitors including all-solid-state batteries and semi-solid batteries, formation of functional membranes and electrolyte layers on porous separators for secondary batteries, formation of electrolyte layers for all-solid-state batteries, and formation of power generation layers, functional membranes, and electrodes for organic solar cells.
そのため本発明は以下の内容とした。 Therefore, the present invention is as follows:
本発明は液状流体を噴出するまたは対象物に塗布する方法であって、流体用の細長い溝を形成した複数の薄板と板またはブロックを位置合わせして積層し流体用の細長い流路と薄板の端部に第一の液状流体を吐出する開口を1又は複数個形成する工程と、該液状流体を吐出する開口の周囲の壁を隔てて第二の流体である圧縮気体または溶媒微粒子を混合した圧縮気体、または超臨界性流体の噴出開口を形成する工程と、前記第一の液状流体の開口と細長い流路は上流の流路を経由して第一の液状流体の供給を開閉する第一の開閉バルブにつながる工程と、前記第二の流体の細長い流路は上流の流路を経由して第二の流体の供給を開閉する第二の開閉バルブにつながる工程と、前記第一、第二の開閉バルブの開で第一の液状流体の開口から吐出する吐出流を第二の流体の噴出口の全周囲からの噴出流で引き伸ばし、繊維または粒子として噴出する、または噴出した繊維または粒子を対象物に塗布することを特徴とする流体の噴出方法または塗布方法を提供する。 The present invention is a method for spraying or applying a liquid fluid to an object, comprising the steps of: aligning and stacking a plurality of thin plates and plates or blocks each having a long and narrow groove for the fluid, forming a long and narrow flow path for the fluid and one or more openings for ejecting a first liquid fluid at the end of the thin plate; forming an ejection opening for a second fluid, which is a compressed gas or a compressed gas mixed with solvent particles, or a supercritical fluid, separated by a wall surrounding the opening for ejecting the liquid fluid; and forming a jetting opening for the first liquid fluid and the long and narrow flow path via an upstream flow path. The method for ejecting or applying a fluid includes the steps of: connecting the elongated flow path of the second fluid to a first opening/closing valve that opens and closes the supply of the first liquid fluid; connecting the elongated flow path of the second fluid to a second opening/closing valve that opens and closes the supply of the second fluid via an upstream flow path; and stretching the discharge flow from the opening of the first liquid fluid by opening the first and second opening/closing valves with a jet flow from the entire periphery of the jet port of the second fluid, ejecting the fluid as fibers or particles, or applying the ejected fibers or particles to an object.
本発明は前記溝加工した薄板の数を増やし流体の数と開口を3以上にして、最外側の開口を圧縮気体または溶媒微粒子を含む圧縮気体または超臨界性流体噴出口とし、その内側を液状流体の開口とし、液状流体の開口の少なくとも一つは溶媒の吐出口とすることを特徴とする液状流体の噴出方法または塗布方法を提供する。 The present invention provides a method for ejecting or applying a liquid fluid, characterized in that the number of grooved thin plates is increased to make the number of fluids and openings three or more, the outermost opening is an outlet for compressed gas or compressed gas containing solvent particles or supercritical fluid, the inside is an opening for liquid fluid, and at least one of the openings for liquid fluid is an outlet for solvent.
本発明は前記噴出した液状流体の噴出流に鋭角に至近距離から別の圧縮気体または溶媒微粒子を含む圧縮気体を衝突させ繊維または粒子を微細にして噴出するまたは微細にした繊維または粒子を対象物に塗布することを特徴とする流体の噴出方法または塗布方法を提供する。 The present invention provides a method for ejecting or applying a fluid, which is characterized by colliding another compressed gas or a compressed gas containing solvent fine particles with the ejected liquid fluid at an acute angle and from a close distance, thereby finely atomizing the fibers or particles and ejecting them, or applying the finely atomized fibers or particles to a target object.
本発明の前記第一の流体は固形分が25乃至75重量パーセントのスラリー、二次電池電極用スラリー、全固体電池電極用スラリー、全固体電池電解質用スラリーから選択し、前記第二の流体は圧縮気体または溶媒微粒子と圧縮気体の混合体または超臨界性流体から選択し、前記二つの流体を合流させ、第二の流体で第一の流体を引き伸ばしまたは衝突エネルギーで前記スラリーを粒子化し対象物を集電体、電解質層、電極層、セパレーターから選択し、対象物に塗布し電極層または電解質層または機能膜層を形成してなることを特徴とする二次電池または全固体電池の製造方法を提供する。 The present invention provides a method for producing a secondary battery or an all-solid-state battery, characterized in that the first fluid is selected from a slurry having a solid content of 25 to 75 weight percent, a slurry for secondary battery electrodes, a slurry for all-solid-state battery electrodes, and a slurry for all-solid-state battery electrolyte, the second fluid is selected from a compressed gas or a mixture of solvent fine particles and compressed gas, or a supercritical fluid, the two fluids are joined, the first fluid is stretched by the second fluid or the slurry is granulated by collision energy, and the target is selected from a current collector, an electrolyte layer, an electrode layer, and a separator, and the target is coated with the slurry to form an electrode layer, an electrolyte layer, or a functional membrane layer.
本発明の前記二つの流体を合流させた後、前記合流した流体に圧縮気体または溶媒微粒子を混合した圧縮気体を鋭角に衝突させる工程を付加し、微粒子化した前記スラリーを加熱した集電体、電解質層、電極層、セパレーターから選択した対象物に塗布し電極層または電解質層または機能膜層を形成してなることを特徴とする二次電池または全固体電池の製造方法を提供する。 The present invention provides a method for manufacturing a secondary battery or an all-solid-state battery, which is characterized in that after the two fluids are joined, a step is added in which a compressed gas or a compressed gas mixed with solvent fine particles is collided with the joined fluid at an acute angle, and the finely-divided slurry is applied to an object selected from a heated current collector, an electrolyte layer, an electrode layer, and a separator to form an electrode layer, an electrolyte layer, or a functional film layer.
本発明の前記第一の流体は固形分が50乃至85重量パーセントのスラリー、二次電池電極用スラリー、全固体電池電極用スラリー、全固体電池電解質用スラリーから選択し、前記第二の流体は溶媒であって、前記第三の流体は圧縮気体または超臨界性流体であって、三つの流体を合流させ、圧縮気体または超臨界性流体の引き延ばしまたは衝突エネルギーで前記スラリーを粒子化し、該粒子に圧縮気体または溶媒微粒子を混合した圧縮気体を第一の流体の噴出方向に対し30度以内の鋭角で衝突させ微粒化させる工程を付加し、微粒子化しインパクトを持って微粒子を加熱した集電体、電解質層、電極層、セパレーターから選択した対象物に塗布し電極層または電解質層または機能膜層を形成してなることを特徴とする二次電池または全固体電池の製造方法を提供する。 The present invention provides a method for manufacturing a secondary battery or an all-solid-state battery, characterized in that the first fluid is selected from a slurry having a solid content of 50 to 85 weight percent, a slurry for secondary battery electrodes, a slurry for all-solid-state battery electrodes, and a slurry for all-solid-state battery electrolytes, the second fluid is a solvent, and the third fluid is a compressed gas or a supercritical fluid, and the three fluids are joined, the slurry is granulated by the stretching or collision energy of the compressed gas or the supercritical fluid, and the particles are collided with compressed gas or compressed gas mixed with solvent fine particles at an acute angle of 30 degrees or less with the ejection direction of the first fluid to atomize the particles, and the microparticulates are applied to an object selected from a current collector, electrolyte layer, electrode layer, and separator to form an electrode layer, electrolyte layer, or functional film layer.
本発明は液体粒子を発生するノズル組立体と対象物を相対移動して発電層またはガスバリヤー層用液体を粒子にして塗布してなる太陽電池の製造方法であって、細長い溝加工した複数の薄板と板又はブロックを両側から積層し第一の流体の開口の周囲の壁を隔てて第二の流体の開口を1乃至1500個配置したノズル組立体を製造する工程と、前記第一の流体は透明導電層、発電層またはガスバリヤー層液体であって、第二の流体は圧縮気体または溶媒微粒子を混合した圧縮気体または超臨界性流体であって、前記第一の流体を周囲の圧縮気体または超臨界性流体で引き伸ばし微細粒子にして加熱したシリコン太陽電池層、太陽電池用透明ガラス、透明プラスティックフィルムから選択した対象物に塗布して、透明導電膜層、発電層、またはガスバリヤー層を形成してなることを特徴とする太陽電池の製造方法を提供する。 The present invention provides a method for manufacturing solar cells, which involves moving a nozzle assembly that generates liquid particles relative to an object and applying liquid for a power generation layer or gas barrier layer in the form of particles, comprising the steps of manufacturing a nozzle assembly in which a plurality of thin plates and plates or blocks with elongated grooves are stacked on both sides and 1 to 1,500 openings for the second fluid are arranged on the sides of the openings for the first fluid, and the first fluid is a transparent conductive layer, power generation layer or gas barrier layer liquid, and the second fluid is a compressed gas or a supercritical fluid mixed with a compressed gas or fine solvent particles, and the first fluid is stretched by the surrounding compressed gas or supercritical fluid to form fine particles, which are then applied to an object selected from a heated silicon solar cell layer, transparent glass for solar cells, and transparent plastic film to form a transparent conductive film layer, power generation layer, or gas barrier layer.
本発明の前記太陽電池はペロブスカイト太陽電池またはペロブスカイト オン シリコンタンデム太陽電池であることを特徴とするペロブスカイト太陽電池の製造方法を提供する。 The present invention provides a method for producing a perovskite solar cell, characterized in that the solar cell is a perovskite solar cell or a perovskite-on-silicon tandem solar cell.
本発明は液状流体を噴出するノズル組立体であって、第一の薄板の途中から薄板の一辺の端部まで続く細長い1又は複数の第一の流体用の細長い溝を形成し、該第一の流体用溝の両側に位置し、該第一の流体溝より前記端部からの長さが短い第二の流体用の細長い溝を形成し、前記第一の薄板を挟んで両側から位置合わせして積層する少なくとも二枚の第二の薄板には少なくとも前記第一の薄板の第二の流路につながる細長い溝と、第三の薄板であって、第一の薄板の第一の流体の複数の細長い溝の最両端同士と少なくとも同じ幅の広い第二の流体用溝を形成した、または前記第一の薄板の第一の流体の細長い溝を挟んで両側に位置する第二の流体の細長い溝の溝幅中心線同士間の幅より少なくとも広幅の第二の流体用溝を形成し、前記第一の薄板を中心にして第一の薄板の両外側に位置合わせして第二の薄板を、該第二の薄板の両外側に位置合わせして第三の薄板を積層し、前記第二、第三の薄板には選択した流体の細長い流路につながる流路を形成し、前記第一の流体及び第二の流体の1乃至複数の細長い溝につながる流路を形成したプレートまたはブロックを重ね合わせて、第一の流体の細長い流路と開口を1又は複数個形成し、該第一の流体の開口の周囲の壁を隔てて第二の流体の開口を設け、前記第一の流体の開口の上流は流路を経由して第一の流体を供給する開閉バルブにつながり、第二の流体の開口の上流は流路を経由して第二の流体を供給する開閉バルブにつながることを特徴とするノズル組立体を提供する。 The present invention is a nozzle assembly for ejecting a liquid fluid, which includes one or more elongated grooves for a first fluid that extend from the middle of a first thin plate to an end of one side of the thin plate, and elongated grooves for a second fluid that are located on both sides of the first fluid groove and have a shorter length from the end than the first fluid groove, and at least two second thin plates that are aligned and stacked from both sides of the first thin plate have elongated grooves that connect to a second flow path of the first thin plate, and a third thin plate has a second fluid groove that is at least as wide as the two ends of the multiple elongated grooves for the first fluid of the first thin plate, or a second flow path that is at least wider than the width between the centerlines of the elongated grooves for the second fluid that are located on both sides of the elongated groove for the first fluid of the first thin plate. A nozzle assembly is provided, characterized in that a groove for the body is formed, a second thin plate is aligned with the first thin plate at the center and a third thin plate is aligned with the second thin plate at the center, a flow path connected to an elongated flow path of a selected fluid is formed in the second and third thin plates, plates or blocks having flow paths formed therein that connect to one or more elongated grooves for the first fluid and the second fluid are stacked together to form one or more elongated flow paths and openings for the first fluid, an opening for the second fluid is provided by separating the opening for the first fluid from a wall surrounding the opening for the first fluid, the upstream of the opening for the first fluid is connected to an opening/closing valve that supplies the first fluid via the flow path, and the upstream of the opening for the second fluid is connected to an opening/closing valve that supplies the second fluid via the flow path.
本発明は第三の薄板の替わりに第二の流体の溝形成した板またはブロックを位合わせして前記第二の薄板に両側から重ねてなることを特徴とするノズル組立体を提供する。 The present invention provides a nozzle assembly characterized in that, instead of a third thin plate, a plate or block having grooves for a second fluid is aligned and overlapped on both sides of the second thin plate.
本発明によれば上記の様に複数の薄板に細い溝加工しブロックなどと積層して同じ形状の1または複数の流体用流路と開口を形成できる。そのためスプレイノズルなどの様な複数の複雑な形状のパーツを組み合わせることが必要ない。スプレイノズルなどの塗布分布などのバラツキを気にすることなく複数の噴出口例えば1500個あってもほぼ同じ噴出流を形成できる。よって本発明は広幅の対象物の所望する要求にも対応できる。 According to the present invention, as described above, thin grooves can be machined into multiple thin plates and stacked with blocks or the like to form one or multiple fluid flow paths and openings of the same shape. This eliminates the need to combine multiple parts with complex shapes such as spray nozzles. Even with multiple nozzles, for example 1,500 nozzles, it is possible to form roughly the same jet flow without having to worry about variations in the coating distribution of spray nozzles or the like. Therefore, the present invention can also meet the desired requirements for wide-width objects.
薄板の溝加工はエッチング法で良く、レーザー加工例えばフェムト秒レーザーにすると温度的影響が少ないので薄板例えば50μmの薄板であっても変形なく加工できる。薄板の範囲は特に限定しないが0.05乃至 1mmが好ましく、より好ましくは0.05乃至 0.5mmである。よって上記の様に本発明によれば所望する流体の粘度に対応でき、塗布幅、塗工スピード、塗膜厚に対応できる。そして広範囲な分野、例えば全固体電池を含む二次電池の電極層や電解質層、セパレーターへの機能膜コーティング、発電層形成の有機薄膜系やペロブスカイト オン シリコン タンデムタイプ太陽電池、ペロブスカイト オン ペロブスカイト タンデム太陽電池を含む次世代太陽電池、電極形成のための燃料電池、水電解、炭酸ガス電解に効果的に応用できる。特にペレブスカイト・シリコンタンデム太陽電池は微細な凹凸面にナノレベルの導電酸化膜や発電層を凹凸に沿って形成する必要があるが通常のスプレイではエアクッションを解決できない為均一にコーティングすることはできない。本発明では至近距離からインパクトを持って微粒子を薄膜積層できるのでそれを可能にする。理想的にはインパクトをもったパルス微粒子により凹凸に沿って付着させ薄膜形成ができる。また本発明のノズル組立体で発生させ、または対象物に衝突し発生したナノレベルの超微粒子を静電気的に帯電させてアースした対象物に付着させることもできる。その為本方法は微細な凹凸のある他の分野の対象物全般に効果的である。 The groove processing of the thin plate can be performed by etching, and laser processing, for example, femtosecond laser, has little effect on temperature, so that even a thin plate, for example, a 50 μm thin plate, can be processed without deformation. The range of the thin plate is not particularly limited, but 0.05 to 1 mm is preferable, and 0.05 to 0.5 mm is more preferable. Therefore, as described above, according to the present invention, it is possible to correspond to the desired viscosity of the fluid, and to correspond to the coating width, coating speed, and coating thickness. It can be effectively applied to a wide range of fields, such as electrode layers and electrolyte layers of secondary batteries including all-solid-state batteries, functional film coating on separators, organic thin film systems for forming power generation layers, perovskite-on-silicon tandem type solar cells, next-generation solar cells including perovskite-on-perovskite tandem solar cells, fuel cells for electrode formation, water electrolysis, and carbon dioxide electrolysis. In particular, perevskite-silicon tandem solar cells require the formation of nano-level conductive oxide films and power generation layers along the unevenness on the fine uneven surface, but it is not possible to coat them uniformly with a normal spray because the air cushion cannot be solved. This is possible with the present invention, which can deposit fine particles into a thin film with impact from a close distance. Ideally, the pulsed fine particles with impact can be attached along the unevenness to form a thin film. In addition, ultrafine particles at the nano level generated by the nozzle assembly of the present invention or generated by colliding with an object can be electrostatically charged and attached to an earthed object. Therefore, this method is effective for objects in other fields in general that have fine unevenness.
本発明のノズル組立体の第一の薄板は例えば50乃至300マイクロメートル程度から選択できる。それより薄くても厚くても制限はないが粘性流体が表面張力で端面に付着することを考えた場合、より薄い方が望ましい。第二の薄板以降は前記の様に薄くても良いが超臨界性流体を使用する場合は強度の面から0.3ミリメートル程度以上の厚みが望ましい。また特に例えば第一の液状流体の開口の突出レベルは他の開口と同じ位置で良いが、壁部端面が厚い面になると液体が表面張力で濡れて溜まりになり易い。そのため第二の開口の壁部に溜まらないように第一の開口の端面は第二の開口の端面より0.1乃至2mm程度突出させることが望ましい。更に圧縮気体の噴出タイミングは液状流体の吐出より前後に長く設定することで薄板端面に液状流体の溜まりを無くし吐出初めから終了まで均一な液体等の粒子にすることができる。
その為もあって特に粘性流体の流路の壁の厚みは薄いほど良い。その為薄板は例えば50乃至300マイクロメートルから選択できる。第一の開口面積が小さいほど、細く薄い開口ほど、粘性流体を細く分断でき、また壁の厚みが薄いほど圧縮気体の引き伸ばし効果が良く粒子化を促進できる。
また本発明は細い溝を形成した複数の薄板を位置合わせして積層し3次元の流路を形成するので、容易に分解できる。つまり一枚ごとの薄板で処理ができる。使用後分解し超音波などで流路の洗浄が完全に簡単にできる。また表面の処理ができる。耐蝕処理や撥水などの表面改質処理ができる。例えば金属薄板にメッキやセラミックコーティングができる。細く長い筒型の流路例えば内径が0.1mmで長さが30mmの金属筒例えば注射針の内面処理や完璧なクリーニングは困難を極めるが本発明の方法では容易にできる。
The first thin plate of the nozzle assembly of the present invention can be selected from, for example, about 50 to 300 micrometers. There is no restriction on whether it is thinner or thicker than that, but considering that the viscous fluid adheres to the end surface due to surface tension, it is preferable that it is thinner. The second thin plate and subsequent thin plates may be thin as described above, but when a supercritical fluid is used, a thickness of about 0.3 millimeters or more is preferable in terms of strength. In particular, for example, the protrusion level of the opening for the first liquid fluid may be the same as that of the other openings, but if the wall end surface is a thick surface, the liquid is likely to wet due to surface tension and accumulate. Therefore, it is preferable that the end surface of the first opening protrudes about 0.1 to 2 mm from the end surface of the second opening so that the liquid does not accumulate on the wall of the second opening. Furthermore, by setting the timing of ejection of the compressed gas longer before and after the ejection of the liquid fluid, the liquid fluid can be prevented from accumulating on the end surface of the thin plate, and uniform liquid particles can be obtained from the beginning to the end of ejection.
For this reason, the thinner the wall thickness of the flow passage for the viscous fluid, the better. Therefore, the thickness of the thin plate can be selected from, for example, 50 to 300 micrometers. The smaller the first opening area, the thinner the opening, the more the viscous fluid can be divided finely, and the thinner the wall thickness, the better the stretching effect of the compressed gas and the more the particle formation can be promoted.
Furthermore, the present invention forms a three-dimensional flow path by aligning and stacking multiple thin plates with thin grooves, so it can be easily disassembled. In other words, each thin plate can be processed. After use, it can be disassembled and the flow path can be completely and easily cleaned using ultrasound, etc. Furthermore, surface processing is possible. Surface modification processing such as corrosion resistance and water repellency can be performed. For example, metal thin plates can be plated or ceramic coated. It is extremely difficult to process the inner surface of a long, thin cylindrical flow path, for example a metal cylinder with an inner diameter of 0.1 mm and a length of 30 mm, such as a syringe needle, but this can be easily done with the method of the present invention.
本発明は至近距離かつ直進に近い狭いスプレイ角度例えば20度以下更には15度以下で対象物に粒子を噴射できるので高速で移動する対象物に効果的に塗布できる。その為スプレイ角度が広い場合に起きるスプレイ流の対象物へ衝突する際に発生するリバウンドを僅少にすることができるので塗着効率を高くできる。高塗着効率と対象物界面や粒子同士の高密度化は至近距離からインパクトを持って行うことで達成できる。インパクトを持ってパルス的に行うことは更に効果的である。 The present invention can spray particles onto an object at close range and at a narrow spray angle that is nearly straight, for example, 20 degrees or less, or even 15 degrees or less, so it can effectively coat objects moving at high speed. This can increase coating efficiency by minimizing rebound that occurs when the spray flow collides with the object, which occurs when the spray angle is wide. High coating efficiency and high density at the object interface and between particles can be achieved by spraying with impact from close range. It is even more effective to spray in a pulsed manner with impact.
塗布ヘッドの開閉バルブ上流はスラリーの循環回路を形成し高速で循環できる。しかし開閉バルブ下流のヘッド内部流路は循環ができない。そのため特に沈殿が早いスラリーはヘッド内部で沈殿する。その為ヘッド内部容積を小さくし流速を早くすることが好ましい。本発明は薄板で細い流路を形成することで流速を上げキャビティーを最小限にできる。そうすることでライン停止時も開閉バルブ下流のヘッド内部の少量のスラリーを定期的に溶媒等で自動的に排出することで沈殿の課題を解決できる。スラリーが沈降する前に定期的に排出しても良い。 Upstream of the opening and closing valve of the coating head, a circulation circuit for the slurry is formed, allowing it to circulate at high speed. However, the flow path inside the head downstream of the opening and closing valve does not allow circulation. As a result, slurries that settle quickly settle inside the head. For this reason, it is preferable to reduce the internal volume of the head and increase the flow rate. The present invention increases the flow rate and minimizes cavities by forming a narrow flow path with a thin plate. This makes it possible to solve the problem of precipitation by automatically discharging a small amount of slurry inside the head downstream of the opening and closing valve periodically with a solvent, etc., even when the line is stopped. It is also possible to discharge the slurry periodically before it settles.
二次電池の特に正極のスラリーのバインダーは耐性能の面からPTFEやPVDFなどのフッ素系材料が多く用いられるため沸点の高い溶媒が一般的に用いられていた。そして巨大な乾燥炉で乾燥を行っていた。本発明は乾燥工程をできるだけ短く小さくするのも目的の一つである。 Fluorine-based materials such as PTFE and PVDF are often used as binders for the slurry, especially for the positive electrodes of secondary batteries, in terms of durability, so solvents with high boiling points have generally been used. Drying has been carried out in huge drying ovens. One of the aims of the present invention is to make the drying process as short and small as possible.
本発明では従来の二次電池の電極形成高速ラインスピードであっても省スペースでの製造が可能なようにする。そして対象物に塗布した瞬間あるいはできるだけ短い時間で乾燥させる。その為には溶媒を揮発しやすくする。本発明では全固体電池正極では活物質粒子に硫化物系等の電解質を例えば乾式混合で薄膜で被覆させることができる。そして被覆したコアシェル粒子を溶媒で分散できる。溶媒に微量の例えば短繊維や微粒子のバインダーを加えることができる。溶媒は低沸点溶媒や混合溶媒が揮発のことを考えるとより良い。そのため対象物に塗布した瞬間に溶媒は揮発させることができる。コアシェル粒子を複数個集合させた10乃至数十μmの粉体にしてパウダースラリーにすると溶媒の揮発はより揮発しやすくできる。本発明ではスラリーの種類に関係なく流路を細く薄く櫛状に分割し開口から吐出しその瞬間から圧縮気体で引き伸ばしてより繊維状の細い線または分断した微粒子にして塗布の瞬間、インパクトを持って加熱した対象物に衝突させ溶媒も一緒に薄く押し広げることで溶媒の揮発を促進し薄膜積層させることで目的を達成できる。そのため流路と開口は固形粒子が詰まらない細さと薄さで長くすることで流量も絞ることがきる。
またノズル組立体の液状流体の開口からの微粒子塗布パターンは対象物上でパターンができるだけ多く重なるように複数のノズル組立体を対象物移動方向に配置しそれぞれのパターンを所望する分布になうようにラップさせたら良い。
また本発明ではスラリーなどを引き伸ばしまたは粒子化した圧縮気体の混合流に可能な限り至近からスピードの速い圧縮気体を衝突させ、微粒子にすることで更にスラリー粒子の表面積を大きくする。そうすることで溶媒の揮発を更に促進させ乾燥を早くできる。そして積層回数を増やすことで、より均一な塗膜を形成できる。またスピードのエネルギーをもつスラリー微粒子を加熱した対象物に衝突させることでスラリー粒子に含まれる溶媒を潰して表面積を上げて溶媒揮発を促進させ固形粒子などの超緻密な構造体として密着性を上げることができる。揮発を促進させると溶媒蒸気の気化熱で対象物の表面温度が低下するので塗布時、対象物を加熱吸着ドラムや加熱吸着ベルトを介して真空で吸着し加熱しながら同時に移動させることが重要である。加熱温度は50乃至180℃から選択できる。
In the present invention, it is possible to manufacture in a small space even with a high line speed for forming electrodes of conventional secondary batteries. And it is dried at the moment of application to the object or in the shortest possible time. To achieve this, the solvent is made easy to volatilize. In the present invention, in the positive electrode of an all-solid-state battery, an active material particle can be coated with a thin film of an electrolyte such as a sulfide-based electrolyte, for example, by dry mixing. Then, the coated core-shell particles can be dispersed in a solvent. A small amount of a binder such as short fibers or fine particles can be added to the solvent. A low boiling point solvent or a mixed solvent is preferable in terms of volatilization. Therefore, the solvent can be made to volatilize at the moment of application to the object. If a plurality of core-shell particles are aggregated into a powder of 10 to several tens of μm and made into a powder slurry, the solvent can be made to volatilize more easily. In this invention, regardless of the type of slurry, the flow path is divided into a thin comb shape, discharged from the opening, and the moment it is discharged, it is stretched with compressed gas into finer fibrous lines or divided fine particles, and at the moment of application, it is collided with a heated object with an impact, spreading the solvent together with it thinly, promoting the evaporation of the solvent and laminating a thin film, thereby achieving the purpose. Therefore, the flow rate can be restricted by making the flow path and opening long and thin enough not to be clogged with solid particles.
In addition, the fine particle application patterns from the liquid fluid openings of the nozzle assemblies may be overlapped on the object as much as possible by arranging a plurality of nozzle assemblies in the direction of movement of the object and overlapping each pattern to achieve a desired distribution.
In addition, in the present invention, a high-speed compressed gas is collided with a mixed flow of compressed gas that stretches or granulates the slurry, etc., from as close as possible, to form fine particles, thereby further increasing the surface area of the slurry particles. This further promotes the evaporation of the solvent and makes drying faster. By increasing the number of layers, a more uniform coating film can be formed. In addition, by colliding the slurry fine particles with speed energy with a heated object, the solvent contained in the slurry particles is crushed, the surface area is increased, and the evaporation of the solvent is promoted, and the adhesion can be increased as an ultra-dense structure such as solid particles. When the evaporation is promoted, the surface temperature of the object decreases due to the heat of vaporization of the solvent vapor, so it is important that the object is vacuum-adsorbed via a heated adsorption drum or heated adsorption belt and moved at the same time as being heated. The heating temperature can be selected from 50 to 180°C.
市販の二流体スプレイであるエアスプレイ方式では液体の引き延ばしと圧縮エアの衝突で微粒化しパターンを広げてスプレイ流を対象物に塗布している。しかし粘度は比較的低粘度にしてスプレイするのが一般的であった。また同一の粒度分布やスプレイパターンのスプレイノズルを製造することができなかった。そのため例えば横一列に複数のノズルを配置しても同一設定条件で同一の吐出量、粒子径、粒度分布、スプレイパターン等を得ることはできなかった。そのため多くの中から選別し比較的揃った複数個のノズルを一列に並べて使用する場合でも、熟練作業者が調整しても均一な塗膜を得ることはできなかった。 In the air spray method, a commercially available two-fluid spray, the liquid is atomized by stretching and colliding with compressed air, and the spray flow is applied to the target by spreading the pattern. However, it was common to spray with a relatively low viscosity. It was also not possible to manufacture spray nozzles with the same particle size distribution or spray pattern. For example, even if multiple nozzles were arranged in a horizontal row, it was not possible to obtain the same discharge amount, particle size, particle size distribution, spray pattern, etc. under the same setting conditions. Therefore, even when multiple relatively uniform nozzles selected from a large number of nozzles were lined up in a row and used, it was not possible to obtain a uniform coating, even if an experienced worker made adjustments.
液体や溶融体は圧縮気体や回収した炭酸ガスからなる流体超臨界性流体等で引き伸ばされ或いは引きちぎられて繊維や粒子流になる。更に微粒化を望む場合は所望する角度で粒子流に対して至近距離から別の圧縮気体を衝突させ微粒化できる。
液状流体の開口部と対象物間は60mm以下が好ましく更に好ましくは30mm以下で粒子にインパクトをもたせて対象物に衝突させ付着させるのが良い。ほぼ直進する粒子流で塗布するので塗膜の緻密さと塗着効率等の向上の点で良い。
The liquid or melt is stretched or torn into fibers or a particle stream by a compressed gas or a supercritical fluid such as recovered carbon dioxide gas. If further atomization is desired, another compressed gas can be collided with the particle stream at a close distance at a desired angle to atomize the material.
The distance between the opening of the liquid fluid and the object is preferably 60 mm or less, and more preferably 30 mm or less, so that the particles are impacted and collide with the object to adhere to it. Since the coating is performed with a nearly straight particle flow, this is advantageous in terms of improving the density of the coating film and the coating efficiency.
そして本発明は前記の様に対象物に衝突した時の微粒子のインパクトが大きいので特に対象物界面の粒子の密着性をあげることができる。また粒子が直進に近いほど、移動角度が狭いほど粒子の対象物に対する入射角が狭いので反射流が少なく塗着効率を高くできる。
圧縮気体は一つの流路や開口からの圧縮気体でも良く、複数の流路や開口の圧縮気体でも良い。複数の圧縮気体流は例えば高粘度流体を内周、外周から包み込むように引き伸ばすことができ効果的である。圧縮気体には溶媒の微粒子群を混合できる。またそれらの合流に所望する角度をもって至近距離から別の流路の圧縮気体を衝突させることで微粒化を更に促進できる。塗膜のレベリングを所望する場合は少なくとも一つの圧縮気体に溶媒微粒子を混合するか、独立した開口を溶媒流にすることができる。
As described above, the impact of the fine particles on impact with the object is large, so the adhesion of the particles to the object interface can be improved. Also, the closer the particles move in a straight line, the narrower the movement angle, so the narrower the incident angle of the particles to the object, and the less reflected flow, which increases the coating efficiency.
The compressed gas may be from one flow path or opening, or from multiple flow paths or openings. Multiple compressed gas flows are effective in, for example, stretching a high-viscosity fluid so as to envelop it from the inner and outer periphery. The compressed gas can be mixed with fine particles of the solvent. In addition, the atomization can be further promoted by colliding the merging flows with compressed gas from another flow path at a close distance at a desired angle. If leveling of the coating is desired, at least one compressed gas can be mixed with fine solvent particles, or an independent opening can be used as a solvent flow.
本発明は特に高速性が求められる全固体電池を含む二次電池、燃料電池、水電解、炭酸ガス電解などの電池のアプリケーションに好適である。二次電池関係では前記流体は電極活物質粒子、電解質、導電助剤、導電助剤ディスパージョン、バインダー粒子又は短繊維、バインダー溶液、二次電池・全固体電池・半固体電池用合材粉体、電極用合材スラリー、溶媒、圧縮気体、超臨界性流体から選択し、対象物は集電体、電極層、セパレーター、電解質層から選択し特に液状流体を細分化して噴出することできる。
特に高速で移動するセパレーターにはセラミックス微粒子やLLZなどの電解質微粒子を薄膜でコーティングできる。通気性のあるセパレーターは吸着或いは加熱吸着するロールやベルトで吸着しながら行うと効果的なセラミック微粒子の含侵やコーティングが可能になる。
The present invention is particularly suitable for applications to batteries such as secondary batteries including all-solid-state batteries, which require high speed, fuel cells, water electrolysis, and carbon dioxide gas electrolysis. In the case of secondary batteries, the fluid is selected from electrode active material particles, electrolytes, conductive assistants, conductive assistant dispersions, binder particles or short fibers, binder solutions, composite powders for secondary batteries, all-solid batteries, and semi-solid batteries, composite slurry for electrodes, solvents, compressed gases, and supercritical fluids, and the target object is selected from current collectors, electrode layers, separators, and electrolyte layers, and in particular the liquid fluid can be divided and sprayed.
In particular, separators moving at high speeds can be coated with a thin film of ceramic particles or electrolyte particles such as LLZ. For breathable separators, effective impregnation or coating with ceramic particles is possible when adsorbing with a roll or belt that adsorbs or heats the separator.
又前記鋭角で噴射する圧縮気体はスピードのエネルギーが低下する前の至近距離例えば2mm以下の距離から噴出することで所望する微粒子を得ることができる。前記衝突させる圧縮気体噴出口は丸でも長四角でもスリットノズル形状でも良く限定しないがシム構造にした方がコストメリットがあるので正方形や長方形が良い。例え複数の狭幅や広い溝を形成したシムをブロックの面やプレートで挟み込んで積層して100マイクロメートル程度の厚みの流路でノズル組立体の長さ方向に長いスリット溝にしてもよい。スリット溝は全部の流体の開口をカバーする幅で良く開口ごとに短く例えば1mm以下にすることができる
微粒化して衝突エネルギーを高めるには、二方向から鋭角に衝突させると衝突後の粒子分布群は狭い角度で移動し、対象物へのインパクトが高く密度の高い粒子層を形成でき塗着効率を高くできる。一方鈍角にするとパターンは広くできる塗着効率は悪くなる。圧縮気体は断熱膨張し距離が離れると衝突エネルギーが低下するので衝突させるまでの距離は至近距離例えば5mm以内が好ましく、より好ましくは2mm以内で可能な限り近くから衝突させることが好ましい。対象物への粒子衝突エネルギーは狭い角度例えば噴出角度は30度以内より好ましくは20度以内で至近距離からの衝突が望ましく、粒子化したあとの対象物間の距離は60mm以内、より好ましくは30mm以内である。
回収した炭酸ガスから得られる超臨界性流体は9MPa程度の高い圧力にできるので高粘度のスラリーにも高スピードで衝突でき、衝突後スラリーに含まれる高沸点溶媒も共沸で蒸発を促進させるので効果的である。揮発した炭酸ガスは回収できる。
In addition, the compressed gas injected at the acute angle can be injected from a close distance, for example, 2 mm or less, before the speed energy decreases, to obtain the desired fine particles. The compressed gas outlet for collision may be round, rectangular, or slit nozzle-shaped, but is not limited thereto. However, a shim structure is more cost-effective, so a square or rectangular one is preferable. For example, a shim having a plurality of narrow or wide grooves may be sandwiched between the faces of a block or a plate and stacked to form a slit groove that is long in the length direction of the nozzle assembly with a flow path of about 100 micrometers in thickness. The slit groove may be a width that covers the openings of all the fluids, and each opening may be short, for example, 1 mm or less. In order to increase the collision energy by atomization, if the particles are collided at an acute angle from two directions, the particle distribution group after the collision moves at a narrow angle, and a high impact on the target object can be formed and a high density particle layer can be formed, thereby increasing the coating efficiency. On the other hand, if the angle is obtuse, the pattern can be widened, but the coating efficiency will be poor. Since the compressed gas expands adiabatically and the collision energy decreases as the distance increases, the distance until the collision is preferably a close distance, for example, within 5 mm, and more preferably within 2 mm, and it is preferable to collide as close as possible. The particle collision energy with the target is desirably from a narrow angle, for example an ejection angle of 30 degrees or less, more preferably 20 degrees or less, and collision from close range. After granulation, the distance between the targets is desirably 60 mm or less, more preferably 30 mm or less.
The supercritical fluid obtained from the recovered carbon dioxide can be made high pressure, about 9 MPa, so it can collide with high viscosity slurry at high speed, and after the collision, it is effective in promoting the evaporation of the high boiling point solvent contained in the slurry by azeotropy. The evaporated carbon dioxide can be recovered.
対象物はフィルムや箔などの長尺対象物で良く、枚葉にしたシートでも立体構造体でも良い。次世代太陽電池向けのシリコンプレートやガラス板、プラスティックフィルム等など大小、形状、材質、個数、質量等を問わない。流体は炭酸ガス等を超臨界性にした超臨界性流体、圧縮気体、気粉混合体、液状流体やペースト、加熱溶融体材料等で良く、固形分を持つ流体は成膜以外に粒子造粒、短繊維やウェブの製造ができる。また粒子等を直接対象物に塗布することもできる。 The target object can be a long object such as a film or foil, or it can be a sheet or a three-dimensional structure. It can be any size, shape, material, number, mass, etc., and can be silicon plates, glass plates, plastic films, etc. for next-generation solar cells. The fluid can be a supercritical fluid such as carbon dioxide gas made supercritical, compressed gas, gas-powder mixture, liquid fluid or paste, heated and molten material, etc., and fluids with solid content can be used for particle granulation, short fiber and web production in addition to film formation. Particles can also be directly applied to the target object.
そのため電池以外に用途はキャパシター製造、積層セラミックコンデンサー製造やエレクトロニクス分野、食品、医薬品、ケミカル分野に好適に応用できる。また燃料電池、二次電池、全固体電池等の機能層付与、電極や電解質層形成、太陽電池の機能膜、発電層、ガスバリヤー層などの形成に好的に応用できる。 Therefore, in addition to batteries, it can be used for capacitor manufacturing, multilayer ceramic capacitor manufacturing, and in the electronics, food, pharmaceutical, and chemical fields. It can also be used favorably for providing functional layers for fuel cells, secondary batteries, and all-solid-state batteries, forming electrodes and electrolyte layers, and forming functional films, power generation layers, and gas barrier layers for solar cells.
特にロールtoロールやSheet to Sheet等で生産性を高くしたい場合、本発明広幅対応できるので特に効果的である。また混合分散しても分離しやすい複合材料には塗布瞬間に混合分散しながら塗布できるので効果的である。また薄膜で複数層の塗布層形成を所望する場合や、更に多くの異種の混合流体を所望する場合は複数のノズル組立体(塗布装置)を対象物の移動方向にシリーズに配列し積層することができる。 The present invention is particularly effective when you want to increase productivity, particularly in roll-to-roll or sheet-to-sheet processes, because it can handle a wide range of materials. It is also effective for composite materials that tend to separate even when mixed and dispersed, because it can be mixed and dispersed at the moment of application. Furthermore, when you want to form a thin, multi-layer coating layer, or when you want to mix even more different types of fluids, you can stack multiple nozzle assemblies (coating devices) in series in the direction of movement of the object.
本発明は液体等の流体を引き延ばし必要により微粒子にして1mm程度の細い粒子群の塗布パターンで対象物に塗布できる。1mm或いは所望する例えば5mmのスプレイパターンを所望する個数例えば1500個1列に並べて広幅対象物例えば1m以上の塗布幅であっても所望する幅に塗布できる。1対の開口の液状流体のパターン塗布ができ、広幅の液状流体に対する櫛状の流路を用いたノズル組立体と対象物を相対移動することで高速生産に対応できる。 The present invention can spread a fluid such as a liquid, convert it into fine particles as necessary, and apply it to an object in a coating pattern of fine particles of about 1 mm. A spray pattern of 1 mm or a desired size, for example 5 mm, can be applied to a desired width even on a wide object, for example a coating width of 1 m or more, by arranging the desired number of particles, for example 1,500 particles, in a row. A liquid fluid can be pattern coated from a pair of openings, and high-speed production can be achieved by moving the nozzle assembly, which uses a comb-shaped flow path for the wide liquid fluid, relative to the object.
薄板の細長い溝や櫛状の例えば金属薄板プレートの製作は露光とエッチングで精度よく製作できる。セラミックスなどの薄板には熱影響が少ないフェムト秒レーザー加工等で微細な櫛状を形成できる。薄板はステンレススティール(SUS)等の金属で良く、セラミックスやプラスティックプレートで良い。そのため本発明は同じ構造の溝を同時に複数精度よく製作でき組立体は同じ構造であるので複数の流路や開口の個々のバラツキは無視できる。そのため市販のエアスプレイノズルのようなバラツキは無いので広幅でもほぼ同一の粒子噴出品質が得られ塗膜品質を維持できる。 The thin, narrow grooves or comb-like shapes of thin metal plates, for example, can be produced with high precision by exposure and etching. Fine comb-like shapes can be formed on thin plates such as ceramics using femtosecond laser processing, which is less affected by heat. The thin plate can be made of metal such as stainless steel (SUS), or it can be a ceramic or plastic plate. Therefore, the present invention can produce multiple grooves of the same structure simultaneously with high precision, and since the assembly has the same structure, individual variations in multiple flow paths and openings can be ignored. Therefore, there is no variation like with commercially available air spray nozzles, so almost the same particle ejection quality can be obtained even with a wide width, and coating quality can be maintained.
本発明では複数の流体の組み合わせと更に複数のノズル組立体との組合せ、更には例えば所望する流体の開閉バルブを高速パルス作動させた組み合わせにして、個々の条件例えば各流体の開閉または開閉時間、各流体の圧力、ノズル組立体と対象物の距離等をマネージすることで通常の複数の流体の混合では得られない合材分布を得ることができる。インクジェットでは不可能な粒子が含まれるスラリーや高粘度の液体でも対応できる。そして高圧の圧縮気体圧や回収した炭酸ガスを超臨界性流体にして高圧にして噴射することで高粘度流体であっても微細な粒子発生まで可能である。そして広幅高速生産であっても複数の流体をノズル組立体外部で瞬時に混合して施与できる。本発明は上記のマネージにより複数の異なる各流体の流量の比率変更や異なる混合流体の薄膜積層を容易に瞬時に変更できる特徴を併せ持つ。流量の変更はそれぞれに適した方法で良く、ポンプなどの圧力式でも電動容積式でも開閉バルブを高速で開閉するパルス式でも良くその手段を問わない。積層手段も限定するものではない。
また積層は同一液体を積層しても良く、異種の液体や粉体を必要に応じて薄膜で積層しても良い。
In the present invention, a combination of a plurality of fluids and a combination of a plurality of nozzle assemblies, and further, for example, a combination in which the on-off valve of a desired fluid is operated at high speed pulse, and individual conditions, such as the on-off or on-off time of each fluid, the pressure of each fluid, and the distance between the nozzle assembly and the target object, can be managed to obtain a composite distribution that cannot be obtained by ordinary mixing of a plurality of fluids. It can also handle slurries containing particles that cannot be obtained by inkjet and high viscosity liquids. Furthermore, by making high pressure compressed gas pressure or recovered carbon dioxide gas into a supercritical fluid and spraying it at high pressure, it is possible to generate fine particles even with high viscosity fluids. Furthermore, even in wide-area high-speed production, multiple fluids can be instantly mixed and applied outside the nozzle assembly. The present invention has the characteristic that the ratio of the flow rates of multiple different fluids and the thin film lamination of different mixed fluids can be easily and instantly changed by the above management. The flow rate can be changed by a method suitable for each, and any means may be used, such as a pressure type such as a pump, an electric volume type, or a pulse type in which an on-off valve is opened and closed at high speed. The lamination means is not limited.
The lamination may be performed by laminating the same liquid, or different types of liquids or powders may be laminated in thin films as required.
従来、二次電池等の高速で移動する広幅の対象物に電極スラリーなどの液体を塗布する場合、スロットダイ方式が多く採用されていた。スラリーのバインダーを溶解するための溶媒の沸点は高いためバックロールを高温に加熱する方法が良い。しかし加熱ロールとスロットダイの先端は対象物と液膜を介して接触する構成の為スロットダイ先端部が温度変化し変形しギャップが変化するので塗膜形状を一定にすることは難しかった。一方燃料電池の電解質膜に直接触媒インクを薄膜で塗布する方法は10マイクロメートル前後の電解質膜が溶媒で瞬間的に膨潤する為ロールに吸着と加熱の両方の機能を併せ持つ複雑な内部構造のロールが必要であった。しかしこの加熱吸着ロールは常温で真円度を低く抑えても高温ではロールが変形する致命的問題があった。その為更に電解質膜とスロットダイのギャップが変化し薄膜形成は不可能であった。ペロブスカイト太陽電池の電極層でもナノレベルの薄膜が要求されそれに追従する管理ができなかった。そのためギャップを広めにして行うスプレイなどは対応可能であるが広幅対応と塗着効率が極めて低く問題になっていた。 Conventionally, the slot die method was widely used when applying liquids such as electrode slurry to wide objects that move at high speed, such as secondary batteries. The boiling point of the solvent used to dissolve the binder in the slurry is high, so a method of heating the back roll to a high temperature is good. However, since the heated roll and the tip of the slot die are in contact with the object through a liquid film, the temperature changes and the tip of the slot die deforms, changing the gap, making it difficult to maintain a constant coating shape. On the other hand, the method of directly applying a thin film of catalyst ink to the electrolyte membrane of a fuel cell required a roll with a complex internal structure that combines both adsorption and heating functions, because the electrolyte membrane of about 10 micrometers instantly swells with the solvent. However, this heated adsorption roll had a fatal problem of deformation of the roll at high temperatures, even if the roundness was kept low at room temperature. Therefore, the gap between the electrolyte membrane and the slot die changed, making it impossible to form a thin film. The electrode layer of a perovskite solar cell also requires a nano-level thin film, and it was not possible to manage it accordingly. Therefore, although spraying with a wider gap is possible, the problem of wide-width compatibility and extremely low coating efficiency was a problem.
本発明はこのような課題を解決するためなされたもので、広幅に塗工でき対象物の高速移動スピードに対応する。また特に沈殿しやすい粒子を含むスラリーを循環回路以降の流路でも沈殿させないまたはさせにくくする。噴出瞬間から溶媒を揮発させやすい塗布システムにする。高速生産スピードに対応できるようにする。そして電極などの塗膜性能を要求される場合、活物質等の密度の高い電極層を形成する。 The present invention was made to solve these problems, and is capable of coating over a wide area and is compatible with the high speed movement speed of objects. It also prevents or makes it more difficult for slurry containing particles that are particularly prone to settling to settle in the flow paths following the circulation circuit. It creates a coating system that makes it easy to volatilize the solvent from the moment it is sprayed. It is also compatible with high production speeds. And when coating film performance is required for electrodes, etc., it forms an electrode layer with a high density of active material, etc.
例えば二次電池、全固体電池など電池やスーパーキャパシターなどの電極形材料には活物質等の粒子を混合したスラリーが多く使用される。スラリーは低粘度にした方がスプレイなどの適正は良くなる。しかし低粘度にすると特に比重の高い粒子は流路で沈殿する。そのため高速で流路を循環して沈殿を防止する方法が提案されている。しかし開閉バルブの上流では沈殿を防止できても、開閉バルブの下流では沈降が起きてノズル内部が閉塞する。例えば三元系の活物質を使用した重量比で固形分が40パーセント以下のスラリーの場合塗布を停止するとノズル直径が0.3mmであっても数分でノズル内部の粒子が沈殿しノズルが閉塞する。
そのため生産ストップ時は常にまたは自動的に定期的にノズルから所望する量のスラリーを定期的に排出する必要があった。
本発明ではスラリーの固形分を高く沈殿が少ないスラリーにしてノズル内部のスラリーを短時間で沈殿しにくくすることができる。また開閉バルブ下流のノズル内部を含むスラリーを溶媒で押し溶媒で置換できる。生産開始時は開閉バルブ以降の流路の溶媒をパージするだけで生産開始できる。
For example, slurries containing particles of active materials are often used for electrode materials in batteries such as secondary batteries and all-solid-state batteries, and supercapacitors. The lower the viscosity of the slurry, the better it is suited for spraying. However, when the viscosity is low, particles with a high specific gravity in particular tend to settle in the flow path. For this reason, a method has been proposed in which the slurry is circulated through the flow path at high speed to prevent settling. However, even if settling can be prevented upstream of the opening and closing valve, settling occurs downstream of the opening and closing valve, causing the inside of the nozzle to become clogged. For example, in the case of a slurry using a ternary active material with a solid content of 40 percent or less by weight, when application is stopped, the particles inside the nozzle will settle within a few minutes, causing the nozzle to become clogged, even if the nozzle diameter is 0.3 mm.
Therefore, when production is stopped, it is necessary to constantly or automatically discharge a desired amount of slurry from the nozzle periodically.
In the present invention, the slurry has a high solid content and is less likely to settle, so that the slurry inside the nozzle is less likely to settle in a short time. In addition, the slurry, including the inside of the nozzle downstream of the opening and closing valve, can be pushed with the solvent and replaced with the solvent. At the start of production, production can be started simply by purging the solvent from the flow path after the opening and closing valve.
本発明は開閉バルブ下流の細い流路のスラリーを流路上流から溶媒流で押し流す構造にすることができる。 The present invention can be designed to push the slurry in the narrow flow path downstream of the opening and closing valve with a solvent flow from the upstream of the flow path.
また本発明は二液以上の接触や混合で反応する液状流体の外部混合塗布に効果的である。そのため塗布後開口付近での反応を防止するため二液の開口間に溶媒の開口を設けることができる。また異なる二つの液体を対象物に積層するあるいは混合して塗布し発電層を形成するペロブスカイト太陽電池に効果的に適用できる。ペロブスカイト太陽電池は粘度が低いヨウ化鉛等の発電層液体を対象物に精度よく薄膜塗布する方法が求められていた。塗布装置はインクジェットや、スロットダイ、ギャップを一定にして薄膜形成する表面張力を応用した装置等が用いられていた。しかしいずれも対象物とノズルなどの先端とのギャップをミクロン単位以下に制御する必要があった。
対象物を加熱するとスロットダイヘッドなどの塗布ヘッドは熱により微妙に真直度が変化し対象物間とのギャップも変化し塗膜精度を維持することは困難を極めていた。本発明は対象物に対して非接触方式でギャップを広くでき、かつ前記の如く例えば1m以上の広幅のコーティングができ高速生産にも対応できる。また本発明は高速でパルス的に微粒子にインパクトを持って対象物に衝突させて塗布できる。そのためペロブスカイト オン シリコン太陽電池等の凹凸のあるシリコン基材であってもパルス的にインパクトを持たせエアクッションを防止して微粒子を微細な凹凸面に薄膜で付着させることができる。粒子サイズはインクジェット粒子より微粒子にでき一つの開口でのパルスごとの粒子の数は数百倍以上にできる。また開口は1500個まで装着できるので高速性の面でもアドバンテージが高い。一方ドライ法で使用する5乃至70μm程度の電極粉体粒子をパウダースラリーにした場合インクジェットで行うことは不可能であった。しかし本発明では流路の1/3以下の一次または凝集した粒子径であれば問題なく対応できる。
The present invention is also effective for external mixing and coating of liquid fluids that react when two or more liquids come into contact or are mixed. Therefore, a solvent opening can be provided between the openings of the two liquids to prevent reaction near the openings after coating. The present invention can also be effectively applied to perovskite solar cells, in which two different liquids are layered or mixed and coated on an object to form a power generation layer. For perovskite solar cells, a method for accurately coating a thin film of a power generation layer liquid such as lead iodide, which has low viscosity, on an object has been required. Coating devices used include inkjet, slot die, and devices that apply surface tension to form a thin film with a constant gap. However, in all cases, it was necessary to control the gap between the object and the tip of the nozzle or the like to within a micron unit.
When the object is heated, the straightness of the coating head such as the slot die head changes slightly due to the heat, and the gap between the object also changes, making it extremely difficult to maintain the coating accuracy. The present invention can widen the gap to the object in a non-contact manner, and as described above, it is possible to coat a wide width of, for example, 1m or more, and can also handle high-speed production. In addition, the present invention can apply coating by impacting fine particles in a pulsed manner at high speed and colliding them with the object. Therefore, even if the silicon substrate has unevenness, such as a perovskite-on-silicon solar cell, it is possible to apply the fine particles in a thin film to the fine uneven surface by applying an impact in a pulsed manner to prevent air cushions. The particle size can be made finer than inkjet particles, and the number of particles per pulse in one opening can be several hundred times greater. In addition, up to 1,500 openings can be installed, so it has a high advantage in terms of high speed. On the other hand, when the electrode powder particles of about 5 to 70 μm used in the dry method are made into a powder slurry, it was impossible to do this with an inkjet. However, in the present invention, if the primary or aggregated particle diameter is less than 1/3 of the flow path, it can be handled without any problems.
本発明では所望する数の液体を合流し圧縮気体で粒子化して塗布できる。液体の種類は1つでも複数例えば3つでもそれ以上でも良い。また本発明では固形分を持つ液状流体の周囲の開口から溶媒を吐出できる。また最外側の開口の圧縮気体に溶媒、可塑剤、分散剤、界面活性剤から少なくとも1つを選択し微粒子にして混合し開口から噴出できる。特に液状流体開口部に付着した溶媒は液状流体最先端開口部の渇きを防止する効果もある。
溶媒は親溶媒でも貧溶媒でも混合溶媒でも良い。水系液体の場合水または水とアルコールの混合溶媒で良い。また選択した溶媒や界面活性剤等は粒子化した液体粒子に付着させて対象物への塗布後のレベリングをサポートできる。
In the present invention, a desired number of liquids can be merged and then granulated with compressed gas for application. The type of liquid can be one or more, for example, three or more. In addition, in the present invention, a solvent can be ejected from the openings around the liquid fluid having solids. At least one of a solvent, a plasticizer, a dispersant, and a surfactant can be selected and mixed into the compressed gas at the outermost opening as fine particles, and then ejected from the opening. In particular, the solvent attached to the liquid fluid opening has the effect of preventing the liquid fluid leading-edge opening from drying up.
The solvent may be a good solvent, a poor solvent, or a mixed solvent. In the case of a water-based liquid, water or a mixed solvent of water and alcohol may be used. In addition, the selected solvent or surfactant can be attached to the particulated liquid particles to support leveling after application to the target object.
また対象物に粉体を塗布する前または及び後に本発明の工法で溶媒や固形分を含む液状材料を塗布することができる。 In addition, the method of the present invention can be used to apply a liquid material containing a solvent or solids before or after applying a powder to an object.
上記のように例えば特に全固体電池を含む二次電池、燃料電池や水電解等の電極形成、キャパシターの電極形成、二次電池セパレーターへの機能膜塗布、全固体電池の電解質層形成、ペロブスカイトや有機系太陽電池の発電層や湿気バリヤー機能膜等に効果的である。 As mentioned above, it is particularly effective for forming electrodes in secondary batteries including all-solid-state batteries, fuel cells and water electrolysis, forming electrodes in capacitors, applying functional films to secondary battery separators, forming electrolyte layers in all-solid-state batteries, power generation layers and moisture barrier functional films in perovskite and organic solar cells, etc.
以下図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。尚、以下の実施形態は発明の理解を容易にするための一例にすぎず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲において当業者により実施可能な付加、置換、変形等を施すことを排除するものではない。 The following describes a preferred embodiment of the present invention with reference to the drawings. Note that the following embodiment is merely one example to facilitate understanding of the invention, and does not exclude additions, substitutions, modifications, etc. that can be implemented by a person skilled in the art within the scope of the technical concept of the present invention.
図1はノズル組立体の流体開口部の略平面図と略断面図を図示している。第一の薄板1の途中から薄板の一辺の端部まで続く細長い1又は複数の第一の溝を形成する。薄板は多角形でも良いが四角形の方が好ましい。一つの流体用溝が1乃至数個の場合は縦長の長方形の薄板が好ましく、多数例えば100以上の場合は横長の長方形が好ましい。四角形の第一の薄板1の途中から第一の流体用の細い溝が形成され溝は所望する辺の端部につながる。第二の薄板2、2′が両側から積層され第一の流体用の第一の流路101とその端部に第一の開口11を形成する。前記第一の溝を複数形成すると第一の開口11も複数形成できる。第一の溝は第一の流路101となり第一の流路101の端部は第一の流体の開口11となる。更に前記第一の薄板1の第一の流体の溝の両側に第一の流体の溝より前記端部からの長さが短い第二の流体用の細長い溝を形成する。2枚の第二の薄板2、2′に第二の溝とほぼ同じ位置と形状に溝を形成する。薄板は複数例えば4枚でも良い。前記第二の薄板を第一の薄板に位置合わせして第一の薄板の両側から積層する。前記第一の細長い溝は第二の薄板が壁13になり第一の流体の1又は複数の流路と前記薄板端部に1又は複数の第一の流体の開口11を形成する。第一の薄板1及び第二の薄板2、2′に位置合わせし第三の薄板3、3′を両側から積層する。第三の薄板3、3′には前記第一の薄板の第一の流路を挟んで形成した2つの第二の流体の溝につながる幅の溝が形成されている。第三の薄板3、3′を第二の薄板に位置合わせして積層する。前記第一、第二、第三の薄板の外側に位置合わせして選択した薄板4または板またはブロック5を積層し第一の流体の1または複数の流路及び開口11と、該第一の流体の流路101と開口の外周に壁13を隔てて第二の流体の流路103と開口12を形成する。薄板4は無くすることができる。位置合わせの手段は限定しないが例えば各薄板とブロックに穴加工をしてノックピンを挿入することで達成できる。通常ノックピンは流路に干渉しない箇所に2か所以上設けることが好ましい。第一の流体の流路101の上流は流路116が薄板2,3,4とブロック6に形成され、上流の開閉バルブ126につながる。ブロックの薄板側端面には溝120が形成され、第一の流体の複数の流路に第一の流体を行きわたらせられる幅に形成される。また各薄板の同位置に第一の流体の流路につながる流路が形成されている。同様に第二の流体流路や溝が薄板やブロックに形成され第二の流体用開口12は流路117を経て上流の開閉バルブ127に連結される。
尚第三の薄板に溝加工する代わりにブロック5の内側に溝加工をして第三の薄板や第四の薄板を省略することもできる。
FIG. 1 shows a schematic plan view and a schematic cross-sectional view of a fluid opening of a nozzle assembly. One or more elongated first grooves are formed from the middle of the first
Instead of forming grooves in the third thin plate, the grooves may be formed on the inside of the
図2において図1のノズル組立体で噴出した流体に別の圧縮気体等を衝突させるためブロックの外部に別の圧縮気体等を噴出する開口214、215を設けている。ブロック25、26のテーパー加工面の延長が第一の流体の流路201の延長線と交叉するようにしている。交叉までの距離は近いほどよく圧縮気体のスピードの減速が少ない2mm以内が望ましい。ブロックのテーパー面は粒子の直進性を良くするため鋭角が良くまた溝加工した薄板230を圧縮気体用ブロック240で固定し圧縮気体流路250を設けている。いずれかのブロックに溝加工しても良いが薄板に溝加工した方が薄板の厚みや圧縮気体の開口形状を変えて流量等を変更できるので応用性が利く。薄板230の溝は第二流体の開口212と同じ幅214を1乃至複数設けて良く、複数の第一の流体の開口をカバーする広幅溝の開口215にしても良い。
In FIG. 2,
図3に於いて第一の薄板31、1枚と、第二の薄板32、2枚と、第三の薄板33、2枚を位置合わせして重ねて 第一の流路と開口を形成し、図示しない板、ブロック等を重ねることで第一の流路の周囲に第二の流路と開口が形成される。
第一の薄板31に1または複数の第一流体用の細長い溝301を形成する。
そして第一の流体用の細い溝の数に合わせて、第一の薄板、第二の薄板、第三の薄板に第二の流体用の流路の加工を行い、図示しない厚板やブロックを重ねて第一の流体用開口の周囲に壁を隔てて第二の流体用開口を形成できる。第一、第二の開口数は1乃至1500個から選択できる。
In FIG. 3, one first
The first
Then, flow paths for the second fluid are processed in the first thin plate, the second thin plate, and the third thin plate according to the number of thin grooves for the first fluid, and the second fluid openings can be formed around the first fluid openings by stacking thick plates or blocks (not shown) to separate them by walls. The number of the first and second openings can be selected from 1 to 1,500.
図4に於いて片側のブロック46には第一の流体である液状流体が図示しない第一の開閉バルブからつながる流路416と細長い薄板流路につながる溝420が形成される。溝420の断面は半円が抵抗が少なくスラリー等の流れがスームーズになるので良い。また第二の流体である圧縮気体などの流路417と第二の流体につながる溝430が形成される。もう片側のブロックには第二の流体である圧縮気体流路417と溝430が形成される。ブロックの替わりに板例えば厚板に流路や溝は加工しても良い。
In FIG. 4, one
図5に於いてブロック55,56の先端端面より薄板51,52,52’で形成される第一の流体の開口面は突出している。薄板51には第一の流体流路用溝501が形成され、第二の薄板52、52’で両側から積層され第一の流体の開口が形成される。第一の流体用開口の周囲の第二の流体用開口の為の溝加工した第一、第二、第三の薄板とブロック55,56が位置合わせしてノズル組立体が形成される。ブロック56と片側の薄板52、53には第一の流体溝501につながる流路520が形成される。またブロック56には第二の流体用溝502につながる流路530が形成される。片側のブロックにも同様の第二の流体溝につながる流路が形成される。図では第三の薄板52、52’の先端面はブロック55,56の先端面と同じレベルになっているが第二の薄板の先端面の位置またはその間で良い。更に流路加工した第四の薄板を2枚の第三の薄板を両側から積層して、第一の流体の開口、第二の流体の開口面すべてを突出させることもできる。
In FIG. 5, the opening surface for the first fluid formed by the
本発明によれば複数の流体を噴出する、あるいは混合して下流へ展開する方法に適している。例えば粒子にしながら造粒する、複数の流体をカプセルにする、あるいは短繊維化に対応できる。また所望する流体を合流して単独で対象物に塗布することができるが、液状流体や加熱溶融体をダイヘッド等から押し出して或いは粉体塗布装置で粉体を対象物に塗布する前工程及び/または後工程で同種又は異種の液状材料を粒子や繊維にして塗布できる。そのため塗装や接着剤の塗布分野に限らず食品、医薬品、ケミカル分野の造粒やカプセル化またはコーティングした製品の製造ができる。また燃料電池、水電解、CO2電解の電極形成、全固体電池、半固体電池を含む二次電池、キャパシターの電極形成、電解質層形成、太陽電池などの発電層形成などの生産にも適している。そして生産性を高めることができるので新エネルギー関連全般の塗布製造工程による生産が省スペース、省エネルギー、低コストコストで高品質下のもとで可能になる。 The present invention is suitable for a method of ejecting or mixing multiple fluids and spreading them downstream. For example, it can be used to granulate while forming particles, encapsulate multiple fluids, or shorten fibers. In addition, the desired fluids can be merged and applied to the target object alone, but the same or different liquid materials can be made into particles or fibers and applied in a pre-process and/or post-process in which a liquid fluid or a heated melt is extruded from a die head or the like or a powder is applied to the target object using a powder application device. Therefore, it is possible to manufacture granulated, encapsulated, or coated products not only in the fields of painting and adhesive application, but also in the food, pharmaceutical, and chemical fields. It is also suitable for the production of electrodes for fuel cells, water electrolysis, and CO2 electrolysis, secondary batteries including all-solid batteries and semi-solid batteries, electrodes for capacitors, electrolyte layers, and power generation layers for solar cells. And since it can increase productivity, it becomes possible to produce new energy-related general coating manufacturing processes with space-saving, energy-saving, low cost, and high quality.
1、21、31 第一の薄板
2、22、32 第二の薄板
3、23、33 第三の薄板
5、25、45、55 第一ブロック
6、26、46、56 第二ブロック
11、211 第一流体開口
12、212 第二流体開口
13、213 壁
126、216 第一流体開閉バルブ
127、217 第二流体開閉バルブ
101、201 第一流路
103、203 第二流路
116、416 第一流体供給流路
117、417 第二流体供給流路
120、420 第一流体溜溝
130、430 第二流体溜溝
214 第二圧縮気体開口
215 第二圧縮気体開口
230 第二圧縮気体薄板
240 第二圧縮気体ブロック
270、271 第二流体開口一部
301 第一流体溝
302、312、380 第二流体溝
311 第一流体溝開口部
312,370,371 第二流体溝開口部
1, 21, 31 First
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