JP7731676B2 - Powder manufacturing apparatus and powder manufacturing method - Google Patents
Powder manufacturing apparatus and powder manufacturing methodInfo
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Description
本開示は、粉体製造装置及び粉体の製造方法を開示する。 This disclosure discloses a powder manufacturing apparatus and a powder manufacturing method.
リチウムイオン二次電池の電極材料としては、例えば、活物質に被覆溶液を徐々に添加し、ホットプレートで乾固させることによって、活物質の表面に被覆層を設けたものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。この電極材料は、硫化物材料を含む硫化物層と硫化物材料が酸化されてなる酸化物とを含み、且つ硫化物層の表面に位置する酸化物層を備えた電解質材料と、被覆層を有する活物質とを有しており、電池の充放電効率のさらなる向上が望まれる、としている。また、リチウムイオン二次電池の電極材料としては、正極活物質とリチウムとリン酸と遷移金属を含む溶液でスラリーを作り、それを乾燥、熱処理をしリチウム-遷移金属-リン酸のコート層を生成させたものが提案されている(例えば、特許文献2参照)。この電極材料では、正極活物質と硫化物系固体電解質との界面抵抗を抑制することができる、としている。また、リチウムイオン二次電池の電極材料としては、例えば、チャンバー内で活物質粉を強撹拌し上下に舞わせコート液を噴霧しながら加熱乾燥させる転動流動法によって正極活物質の表面にガラス系電解質でコートしたものが提案されている(例えば、特許文献3参照)。この正極活物質では、硫化物全固体電池の容量及び充放電効率を高めることができる。 One proposed electrode material for lithium-ion secondary batteries involves gradually adding a coating solution to an active material and then drying and solidifying the solution on a hot plate to form a coating layer on the surface of the active material (see, for example, Patent Document 1). This electrode material includes an electrolyte material that includes a sulfide layer containing a sulfide material and an oxide formed by oxidizing the sulfide material, and has an oxide layer located on the surface of the sulfide layer, and an active material with a coating layer. It is said that further improvements in the charge and discharge efficiency of batteries are desirable. Another proposed electrode material for lithium-ion secondary batteries involves creating a slurry from a solution containing a positive electrode active material, lithium, phosphoric acid, and a transition metal, which is then dried and heat-treated to form a lithium-transition metal-phosphate coating layer (see, for example, Patent Document 2). It is said that this electrode material can reduce the interfacial resistance between the positive electrode active material and the sulfide-based solid electrolyte. Additionally, as an electrode material for lithium-ion secondary batteries, for example, a cathode active material surface coated with a glass-based electrolyte using a tumbling flow method in which active material powder is vigorously stirred and thrown up and down in a chamber, and a coating liquid is sprayed onto the surface while the material is heated and dried (see, for example, Patent Document 3). This cathode active material can increase the capacity and charge/discharge efficiency of sulfide all-solid-state batteries.
しかしながら、上述の特許文献1、2では、静置乾燥している間にコート液が重力によって下がり、コート溶液濃度の偏りが生じ、被覆層にムラが生じることがあった。また、特許文献3では、転動流動法によって均一な被覆層を形成することができるが、均一な被覆層を形成するには、ゆっくりと時間をかけて処理を進める必要があり、更なる処理効率の改善が求められていた。 However, in the above-mentioned Patent Documents 1 and 2, the coating solution sinks due to gravity during static drying, which can lead to unevenness in the coating solution concentration and unevenness in the coating layer. Furthermore, in Patent Document 3, a uniform coating layer can be formed using the tumbling flow method, but forming a uniform coating layer requires slow processing over time, leaving a need for further improvements in processing efficiency.
本開示は、このような課題に鑑みなされたものであり、より効率よい処理で、より均一な機能材層を粉体表面に形成することができる粉体製造装置及び粉体の製造方法を提供することを主目的とする。 The present disclosure has been made in consideration of these issues, and its primary objective is to provide a powder manufacturing apparatus and a powder manufacturing method that can form a more uniform functional material layer on the powder surface with more efficient processing.
上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、固体分体積分率が所定範囲であり、スラリー状にならない範囲で粉体を湿潤した湿潤粉体を用い、1以上のサイクロン処理を行うと、より効率よい処理で、より均一な機能材層を粉体表面に形成することができることを見いだし、本明細書で開示する発明を完成するに至った。 After extensive research to achieve the above-mentioned objectives, the inventors discovered that by using a wet powder with a solids volume fraction within a predetermined range, wet enough to prevent the powder from becoming a slurry, and then performing one or more cyclone processes, a more efficient process can be performed, resulting in the formation of a more uniform functional material layer on the powder surface, leading to the completion of the invention disclosed in this specification.
即ち、本開示の粉体製造装置は、
粉体の表面に機能材をコートする粉体製造装置であって、
前記機能材を含む液体で前記粉体を湿潤した湿潤粉体を収容し該湿潤粉体と加熱したガスとを含む流体を供給する供給部と、
前記供給部に接続され前記流体を流通する第1流通部と、
前記第1流通部から供給された前記流体を流動しながら滞留させる1以上のサイクロン部と、
前記サイクロン部に接続され滞留したあとの前記流体に含まれる粉体を捕集する捕集部と、
を備えたものである。
That is, the powder manufacturing apparatus of the present disclosure is
A powder manufacturing apparatus for coating a surface of powder with a functional material,
a supply unit that stores wet powder obtained by wetting the powder with a liquid containing the functional material and supplies a fluid containing the wet powder and heated gas;
a first circulating portion connected to the supply portion and through which the fluid circulates;
one or more cyclone sections that cause the fluid supplied from the first circulation section to flow and remain there;
a collecting section connected to the cyclone section and configured to collect powder contained in the fluid after the fluid has accumulated;
It is equipped with the following.
本開示の粉体の製造方法は、
粉体の表面に機能材をコートした粉体の製造方法であって、
前記機能材を含む液体で前記粉体を湿潤した湿潤粉体と加熱したガスとを含む流体を供給する供給工程と、
供給された前記流体を流通したのち該流体を流動しながら滞留させる1以上のサイクロン工程と、
前記サイクロン工程のあと前記流体に含まれる粉体を捕集する捕集工程と、
を含むものである。
The method for producing powder of the present disclosure includes:
A method for producing powder in which the surface of the powder is coated with a functional material, comprising the steps of:
a supplying step of supplying a fluid containing wet powder obtained by wetting the powder with a liquid containing the functional material and heated gas;
one or more cyclone steps in which the supplied fluid is passed through and then retained while flowing;
a collecting step of collecting powder contained in the fluid after the cyclone step;
It includes:
本開示の粉体製造装置及び粉体の製造方法は、より効率よい処理で、より均一な機能材層を粉体表面に形成することができる。このような効果が得られる理由は、例えば、以下のように推測される。一般的に、静置乾燥では、機能材を含む液体は、重力で下方に流れ落ちるため、下にある粒子ほど保護層の厚み、被覆率が高くなり、被覆ムラが生じうる。また、機能材を含む液体の濃度が濃い部分の粒子は凝集が進行する。一方、サイクロンによって湿潤粉体を気流乾燥する方法によれば、液体で湿潤した状態で粒子を気流中に投入し、サイクロンによって生じる遠心力に起因する解砕力を受けるため、粉体は、粒子の凝集が解されながら乾燥される。このように、機能材がコートされた粉体は、凝集が抑制され、粒子径の揃ったものになる。更に、このようなサイクロンが1以上あり、乾燥及び解砕の処理が十分進むため、より効率よく、より均一な機能材層を粉体表面に形成することができるものと推察される。 The powder production apparatus and powder production method disclosed herein are capable of forming a more uniform functional material layer on the powder surface through more efficient processing. The reasons for this effect are presumed to be, for example, as follows: Generally, in static drying, the liquid containing the functional material flows downward due to gravity, resulting in a thicker protective layer and a higher coverage rate for particles at the bottom, which can lead to uneven coverage. Furthermore, particles in areas with a higher concentration of the functional material-containing liquid tend to aggregate. On the other hand, in a method of air-flow drying of wet powder using a cyclone, the particles are introduced into the airflow while still wet with the liquid and are subjected to a disintegrating force caused by the centrifugal force generated by the cyclone, which causes the powder to dry while deagglomerating. In this way, the functional material-coated powder is less likely to aggregate, resulting in a more uniform particle size. Furthermore, the use of one or more such cyclones allows for sufficient drying and disintegration processes, which is presumed to more efficiently form a more uniform functional material layer on the powder surface.
(粉体製造装置)
本開示の粉体製造装置は、粉体の表面に機能材をコートする装置である。この粉体製造装置は、機能材を含む液体で粉体を湿潤した湿潤粉体を収容しこの湿潤粉体と加熱したガスとを含む流体を供給する供給部と、供給部に接続され流体を流通する第1流通部と、第1流通部から供給された流体を流動しながら滞留させる1以上のサイクロン部と、サイクロン部に接続され滞留したあとの流体に含まれる粉体を捕集する捕集部と、を備える。この粉体製造装置は、サイクロン部を1つ備えるものとしてもよいし、2以上備えるものとしてもよい。以下には、まず、サイクロン部を2つ備える粉体製造装置を主として説明する。
(Powder manufacturing equipment)
The powder manufacturing apparatus disclosed herein is an apparatus for coating the surface of powder with a functional material. The powder manufacturing apparatus includes a supply unit that accommodates wet powder obtained by wetting powder with a liquid containing a functional material and supplies a fluid containing the wet powder and heated gas; a first circulating unit connected to the supply unit and through which the fluid flows; one or more cyclone units that allow the fluid supplied from the first circulating unit to flow and accumulate; and a collecting unit connected to the cyclone units and collects the powder contained in the fluid after accumulation. The powder manufacturing apparatus may include one cyclone unit or two or more cyclone units. Below, a powder manufacturing apparatus including two cyclone units will be primarily described.
本実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図1は、粉体製造装置10の一例を示す説明図である。図2は、粉体製造装置10の平面図である。図3は、粉体製造装置10に湿潤粉体を投入したときの模式図である。粉体製造装置10は、粉体の表面に機能材をコートする装置である。粉体としては、特に限定されないが、例えば、蓄電デバイスの電極材料に用いられるものなどが挙げられる。電極材料としては、例えば、活物質粒子や、固体電解質粒子、導電材粒子、結着材粒子、集電材粒子などが挙げられる。機能材としては、例えば、保護層を形成する保護材や、被覆層を形成する被覆材、導電性を付与する導電材、イオン伝導性を付与する電解質材、結着性を付与する結着材などが挙げられる。 This embodiment will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram showing an example of a powder manufacturing apparatus 10. FIG. 2 is a plan view of the powder manufacturing apparatus 10. FIG. 3 is a schematic diagram of wet powder being charged into the powder manufacturing apparatus 10. The powder manufacturing apparatus 10 is an apparatus that coats the surface of powder with a functional material. The powder is not particularly limited, but examples include those used as electrode materials for electricity storage devices. Examples of electrode materials include active material particles, solid electrolyte particles, conductive material particles, binder particles, and current collector particles. Examples of functional materials include protective materials that form protective layers, coating materials that form coating layers, conductive materials that impart conductivity, electrolyte materials that impart ionic conductivity, and binders that impart binding properties.
活物質としては、例えば、基本組成式をLixNiaCobMncO2(但し、0≦x≦1.2、0≦a≦1、0≦b≦1、0≦c≦1、a+b+c=1を満たす)や、LixNiaCobMncO4(但し、0≦x≦1.2、0≦a≦1、0≦b≦1、0<c<1、a+b+c=2を満たす)とする遷移金属複合酸化物、基本組成式をLiFePO4とするリン酸鉄リチウム化合物などが挙げられる。また、活物質としては、例えば、コークス類、ガラス状炭素類、グラファイト類、難黒鉛化性炭素類、熱分解炭素類、炭素繊維などの炭素質材料が挙げられる。固体電解質としては、例えば、LISICON型酸化物、硫化物、ペロブスカイト型酸化物、ガーネット型酸化物、NASICON型酸化物、ガラスセラミックス及びチオリシコン固体電解質などが挙げられる。導電材としては、例えば、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛)や人造黒鉛などの黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウィスカ、ニードルコークス、炭素繊維、金属(銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金など)などが挙げられる。結着材としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレンプロピレンジエンモノマー(EPDM)ゴム、スルホン化EPDMゴム、天然ブチルゴム(NBR)などが挙げられる。保護材としては、例えば、LiNbO3などが挙げられる。粉体を湿潤する液体としては、水や有機溶媒などが挙げられ、このうち水が好ましい。有機溶媒としては、例えば、アルコール、アセトン、クロロホルムのほか、N-メチルピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチレントリアミン、N,N-ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフランなどが挙げられる。ここでは、説明の便宜のため、粉体が蓄電デバイスの活物質粒子であり、機能材が活物質の保護材であり、保護材を含む保護層を活物質粒子の表面に形成する粉体製造装置10について主として説明する。 Examples of active materials include transition metal composite oxides having the basic formula LixNiaCobMncO2 (where 0≦x≦1.2, 0≦a≦1, 0≦b≦1, 0≦c≦1, and a+ b + c = 1 ) or LixNiaCobMncO4 (where 0≦x≦1.2, 0≦a≦1, 0≦b≦1, 0 < c<1, and a+b+c=2), and lithium iron phosphate compounds having the basic formula LiFePO4 . Examples of active materials include carbonaceous materials such as cokes, glassy carbons, graphites, non-graphitizable carbons, pyrolytic carbons, and carbon fibers. Examples of solid electrolytes include lisicon oxides, sulfides, perovskite oxides, garnet oxides, nasicon oxides, glass ceramics, and thiolicon solid electrolytes. Examples of conductive materials include graphite, such as natural graphite (scale graphite, flake graphite) and artificial graphite, acetylene black, carbon black, ketjen black, carbon whiskers, needle coke, carbon fiber, and metals (copper, nickel, aluminum, silver, gold, etc.). Examples of binders include fluorine-containing resins such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), and fluororubber, thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, ethylene propylene diene monomer (EPDM) rubber, sulfonated EPDM rubber, and natural butyl rubber (NBR). Examples of protective materials include LiNbO3 . Examples of liquids that wet the powder include water and organic solvents, with water being preferred. Examples of organic solvents include alcohol, acetone, chloroform, as well as N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylformamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethylenetriamine, N,N-dimethylaminopropylamine, ethylene oxide, tetrahydrofuran, etc. For ease of explanation, the powder is active material particles of an electricity storage device, the functional material is a protective material for the active material, and the powder production apparatus 10 that forms a protective layer containing the protective material on the surface of the active material particles will be mainly described here.
粉体製造装置10は、供給部11と、第1流通部16と、第1サイクロン部21と、第2流通部22と、第2サイクロン部24と、捕集部25と、吸引部27と、制御部28とを備える。 The powder manufacturing apparatus 10 includes a supply unit 11, a first circulating unit 16, a first cyclone unit 21, a second circulating unit 22, a second cyclone unit 24, a collecting unit 25, a suction unit 27, and a control unit 28.
供給部11は、機能材を含む液体で粉体を湿潤した湿潤粉体を収容し、この湿潤粉体と加熱したガスとを含む流体(以下単に流体とも称する)を供給するユニットである。粉体製造装置10では、気流乾燥を用いることで、粉体の投入から捕集まで短時間(例えば、1秒以下など)で処理することができる。供給部11は、収容部12と、加熱部13と、定量供給機と備える。収容部12は、湿潤粉体を収容する容器である。収容部12は、例えば、固体分体積分率が40体積%より大きい湿潤粉体を収容、供給するものとしてもよい。40体積%以下の領域では、ダイラタンシーの発現もしくはスラリー状態になり粒子としての流動性が失われてしまうため、この装置での気流乾燥は不適である。一方、体積%の上限は特に制限がない。湿潤粉体は、スラリーなどの液状ではなく、液体を含むが空隙を有し粉体の流動性を有するものをいう。この湿潤粉体は、例えば、ペンジュラー領域の粉体としてもよい。加熱部13は、装置内を流通するガスを加熱するヒータである。加熱するガスとしては、例えば、空気や、窒素、希ガスなどが挙げられ、処理対象物に応じて選択される。定量供給機は、収容部12から一定量の湿潤粉体を第1流通部16へ供給する装置である。この供給部11は、100℃以上230℃以下の範囲で加熱したガスを供給するものとしてもよい。また、供給部11は、0.5m3/分以上、より好ましくは、0.8m3/分以上7.5m3/分以下の範囲のガスを供給するものとしてもよい。供給部11の供給条件は、処理対象物に応じて適宜選択すればよい。 The supply unit 11 is a unit that stores wet powder obtained by wetting a powder with a liquid containing a functional material and supplies a fluid (hereinafter simply referred to as a fluid) containing the wet powder and heated gas. In the powder production apparatus 10, by using flash drying, the process from powder input to collection can be completed in a short time (e.g., less than one second). The supply unit 11 includes a storage unit 12, a heating unit 13, and a constant volume feeder. The storage unit 12 is a container that stores the wet powder. For example, the storage unit 12 may store and supply wet powder with a solid volume fraction greater than 40% by volume. In the range of 40% by volume or less, dilatancy occurs or the powder becomes a slurry state, resulting in a loss of particle fluidity, making flash drying unsuitable for this apparatus. On the other hand, there is no particular upper limit on the volume percentage. The wet powder is not a liquid such as a slurry, but rather a powder that contains liquid but has voids and maintains powder fluidity. This wet powder may be, for example, a powder in the pendular range. The heating section 13 is a heater that heats the gas flowing through the apparatus. Examples of the gas to be heated include air, nitrogen, and rare gases, and the gas is selected depending on the object to be treated. The constant volume feeder is a device that supplies a fixed amount of wet powder from the storage section 12 to the first flow section 16. The supply section 11 may supply gas heated to a temperature range of 100°C or higher and 230°C or lower. The supply section 11 may also supply gas at a rate of 0.5 m3 /min or higher, more preferably 0.8 m3 /min or higher and 7.5 m3 /min or lower. The supply conditions of the supply section 11 may be selected appropriately depending on the object to be treated.
第1流通部16は、供給部11と第1サイクロン部21とに接続され流体を流通するユニットである。第1流通部16は、供給部11に接続され第1サイクロン部21よりも容積の大きい混合部17と、混合部17と第1サイクロン部21とに接続する流通管18とを有する。混合部17は、供給部11から供給された加熱されたガスと湿潤粉体とが下方に流通して混合される部位であり、第1サイクロン部21に比して大きな直径を有する円筒体である。なお、第1流通部16において、混合部17が存在せず供給部11と流通管18とが直接接続されるものとしてもよい。一方、加熱ガスと湿潤粉体とをより混合し、より移動速度を高める観点からは、混合部17が接続されている方が好ましい。この混合部17は、流通管18と同程度の直径としてもよい。この第1流通部16は、第1サイクロン部21の全長Lの2倍以上の長さを有するものとしてもよい。第1流通部16が比較的長いことによって、第1サイクロン部21に至るまでに、加熱されたガスと湿潤粉体とを十分混合することができる。 The first circulating section 16 is a unit connected to the supply section 11 and the first cyclone section 21 and through which fluid flows. The first circulating section 16 includes a mixing section 17 connected to the supply section 11 and having a larger volume than the first cyclone section 21, and a circulation pipe 18 connecting the mixing section 17 and the first cyclone section 21. The mixing section 17 is a portion through which the heated gas and wet powder supplied from the supply section 11 flow downward and mix. It is a cylinder with a larger diameter than the first cyclone section 21. The first circulating section 16 may not include the mixing section 17 and the supply section 11 may be directly connected to the circulation pipe 18. However, from the perspective of further mixing the heated gas and wet powder and increasing their movement speed, it is preferable to have the mixing section 17 connected. The mixing section 17 may have a diameter similar to that of the circulation pipe 18. The first circulating section 16 may have a length at least twice the total length L of the first cyclone section 21. The relatively long first flow section 16 allows the heated gas and wet powder to be thoroughly mixed before reaching the first cyclone section 21.
第1サイクロン部21は、流体を渦状あるいはらせん状に流動しながら滞留させて湿潤粒子を乾燥すると共に、粉体同士をぶつけ合うことで解砕して粒子の凝集を抑制する処理を行うユニットである。第1サイクロン部21では、サイクロンで粉体が回転しながら飛翔することによって、飛翔距離を稼ぐことができ、乾燥効率を高めることができる。第1サイクロン部21は、第1流通部16が上部に配設された円筒状の本体と、本体の下方に接続され下方に向けてその内径が小さくなるテーパ部とを備えている。 The first cyclone section 21 is a unit that dries wet particles by causing the fluid to flow and accumulate in a vortex or spiral shape, and also performs a process that breaks down the powder particles by causing them to collide with each other, preventing particle aggregation. In the first cyclone section 21, the powder is rotated in the cyclone while flying, thereby increasing the flight distance and improving drying efficiency. The first cyclone section 21 has a cylindrical main body with the first flow section 16 located at the top, and a tapered section connected to the bottom of the main body, whose inner diameter decreases downward.
第2流通部22は、第1サイクロン部21と第2サイクロン部24とに接続され、第1サイクロン部21で滞留したあとの流体を流通する流通管である。この第2流通部22は、第1サイクロン部21の下部に形成された排出口に接続されたU字管と、流体を上方へ導く垂直管と、流体を水平方向へ導く水平管とを備えている。水平管は、第2サイクロン部24に対して垂直に接続されている。第2流通部22は、比較的長いものとすれば、乾燥時間をより確保することができる。 The second circulating section 22 is a circulating pipe that is connected to the first cyclone section 21 and the second cyclone section 24 and circulates the fluid that has accumulated in the first cyclone section 21. This second circulating section 22 includes a U-shaped pipe connected to an outlet formed at the bottom of the first cyclone section 21, a vertical pipe that guides the fluid upward, and a horizontal pipe that guides the fluid horizontally. The horizontal pipe is connected perpendicular to the second cyclone section 24. If the second circulating section 22 is made relatively long, it is possible to ensure a longer drying time.
第2サイクロン部24は、第2流通部22に接続され流体を流動しながら滞留させる処理を行うユニットである。第2サイクロン部24の上部はフィルタ26へ接続され、フィルタ26の後段には、吸引部27が接続されている。また、第2サイクロン部24の下部には、粉体を捕集する捕集部25が配設されている。この第2サイクロン部24では、ガス流が後段のフィルタ26へ流通し、粉体は自重で円筒下方へ落下する。このため、第2サイクロン部24は、高収率でコート後の粉体をガス流から分離する機能を有する。また、第2サイクロン部24は、第1サイクロン部21と同様に、流体を渦状あるいはらせん状に流動しながら滞留させて湿潤粒子を乾燥すると共に、粉体同士をぶつけ合うことで解砕して粒子の凝集を抑制する機能も有する。第2サイクロン部24は、第2流通部22が上部に配設された円筒状の本体と、本体の下方に接続され下方に向けてその内径が小さくなるテーパ部とを備えている。 The second cyclone section 24 is a unit connected to the second flow section 22 and performs a process of retaining the fluid while it flows. The upper part of the second cyclone section 24 is connected to the filter 26, and the suction section 27 is connected downstream of the filter 26. A collection section 25 for capturing powder is also provided below the second cyclone section 24. In this second cyclone section 24, the gas flow flows to the downstream filter 26, and the powder falls downward under its own weight. Therefore, the second cyclone section 24 has the function of separating the coated powder from the gas flow with high yield. Similar to the first cyclone section 21, the second cyclone section 24 retains the fluid while flowing it in a vortex or spiral shape, drying the wet particles, and also has the function of crushing the powder particles by colliding with each other, thereby suppressing particle aggregation. The second cyclone section 24 comprises a cylindrical main body with the second flow section 22 disposed at the top, and a tapered section connected to the bottom of the main body, the inner diameter of which decreases downward.
捕集部25は、第2サイクロン部24に接続され、第2サイクロン部24で滞留したあとの流体に含まれる粉体を捕集する容器である。捕集部25は、取り外し可能に第2サイクロン部24に配設されている。フィルタ26は、このフィルタ26の後段に配設されている吸引部27へ粉体が吸引されることを防止するものである。フィルタ26から流出したガスは、吸引部27に入り、図示しない除湿器を介して乾燥され、再び加熱部13へ送られる。吸引部27は、系内を減圧して、ガスを流通させるものであり、例えば、減圧ポンプや吸引ポンプ、アスピレータなどとしてもよい。 The collection unit 25 is connected to the second cyclone unit 24 and is a container that collects powder contained in the fluid after it has accumulated in the second cyclone unit 24. The collection unit 25 is removably disposed in the second cyclone unit 24. The filter 26 prevents the powder from being sucked into the suction unit 27, which is disposed downstream of the filter 26. The gas flowing out from the filter 26 enters the suction unit 27, where it is dried via a dehumidifier (not shown), and is sent back to the heating unit 13. The suction unit 27 reduces the pressure within the system to allow the gas to circulate, and may be, for example, a vacuum pump, suction pump, or aspirator.
制御部28は、図示しないCPUを中心とするコントローラとして構成されており、装置全体を制御する。この制御部28は、供給部11などと電気的に接続されており、供給部11から信号を取得し、供給部11へ制御信号を出力する。 The control unit 28 is configured as a controller centered around a CPU (not shown) and controls the entire device. This control unit 28 is electrically connected to the supply unit 11 and other components, receives signals from the supply unit 11, and outputs control signals to the supply unit 11.
空隙を有する湿潤粉体を乾燥するため、被覆率が所定値以上にならないことがあるが、この被覆率やコート層の厚さは、コート回数によって調節することができる。このコート回数は、被覆率やコート層の厚さに応じて適宜選択すればよく、例えば、3回以上としてもよいし、5回以上としてもよいし、10回以下としてもよい。 Since wet powder containing voids is dried, the coverage rate may not exceed the specified value, but this coverage rate and the thickness of the coating layer can be adjusted by the number of coats. The number of coats can be selected appropriately depending on the coverage rate and the thickness of the coating layer, and may be, for example, three or more times, five or more times, or ten or fewer times.
粉体製造装置10は、加熱部13は供給部11に配設されているが、第1流通部16、第1サイクロン部21、第2流通部22及び第2サイクロン部24のいずれか1以上に流体を加熱する加熱部を備えるものとしてもよい。加熱部は、流体の温度に応じて適宜、装置内のいずれかに配設すればよい。なお、供給部11にのみ加熱部13を備えるものとすれば、装置構成を簡素化することができる。 In the powder manufacturing apparatus 10, the heating unit 13 is disposed in the supply unit 11, but a heating unit for heating the fluid may also be provided in one or more of the first circulating unit 16, first cyclone unit 21, second circulating unit 22, and second cyclone unit 24. The heating unit may be disposed anywhere within the apparatus as appropriate depending on the temperature of the fluid. Note that if the heating unit 13 is provided only in the supply unit 11, the apparatus configuration can be simplified.
ここで、粉体製造装置10の動作について説明する。まず作業者は、機能材を含む液体により固体分体積分率がダイラタンシーの発現もしくはスラリー状態にならない領域、例えば、40体積%より大きい範囲で粉体を湿潤した湿潤粉体を調製し、供給部11へ収容させる。次に、作業者は、ガスの供給量、加熱温度、湿潤粉体の供給量など、処理条件を制御部28へ入力し、開始入力する。制御部28は、設定された処理条件で供給部11などを制御する。図3は、粉体製造装置10に湿潤粉体を投入したときの模式図である。供給部11から供給された湿潤粉体と加熱したガスとを含む流体は、混合部17及び流通管18を流通して第1サイクロン部21へ流入する。流体は、第1サイクロン部21で渦状に流動して滞留し、凝集した粉体が解砕されながら乾燥される。第1サイクロン部21の下部へ至った粉体は、第2流通部22を介して第2サイクロン部24へ流入する。流体は、第2サイクロン部24で渦状に流動して滞留し、乾燥された粉体が下方へ落下して捕集部25で捕集される。 Here, the operation of the powder manufacturing apparatus 10 will be described. First, an operator prepares a wet powder by wetting the powder with a liquid containing the functional material to a solid volume fraction in a range where dilatancy or a slurry state does not occur, for example, greater than 40% by volume, and places the wet powder in the supply unit 11. Next, the operator inputs processing conditions, such as the gas supply rate, heating temperature, and wet powder supply rate, into the control unit 28 and initiates the process. The control unit 28 controls the supply unit 11 and other components according to the set processing conditions. Figure 3 is a schematic diagram of the wet powder being introduced into the powder manufacturing apparatus 10. The fluid containing the wet powder and heated gas supplied from the supply unit 11 flows through the mixing unit 17 and the flow pipe 18 and enters the first cyclone unit 21. The fluid flows and stagnates in the first cyclone unit 21 in a vortex pattern, where the agglomerated powder is crushed and dried. The powder that reaches the bottom of the first cyclone section 21 flows into the second cyclone section 24 via the second flow section 22. The fluid flows in a vortex and remains in the second cyclone section 24, and the dried powder falls downward to be collected in the collection section 25.
(粉体の製造方法)
本開示の粉体の製造方法は、粉体の表面に機能材をコートした粉体の製造方法であって、機能材を含む液体で粉体を湿潤した湿潤粉体と加熱したガスとを含む流体を供給する供給工程と、供給された流体を流通したのちこの流体を流動しながら滞留させる1以上のサイクロン工程と、サイクロン工程のあと流体に含まれる粉体を捕集する捕集工程と、を含む。この製造方法は、サイクロン工程を1つ行うものとしてもよいし、2以上行うものとしてもよい。以下には、まず、第1サイクロン工程と第2サイクロン工程とを実行する粉体の製造方法を主として説明する。
(Method for producing powder)
The powder manufacturing method disclosed herein is a method for manufacturing powder in which the surface of the powder is coated with a functional material, and includes a supplying step of supplying a fluid containing a wet powder obtained by wetting the powder with a liquid containing the functional material and a heated gas, one or more cyclone steps of circulating the supplied fluid and then causing the fluid to flow and remain, and a collecting step of collecting the powder contained in the fluid after the cyclone step. This manufacturing method may include one cyclone step or two or more cyclone steps. Below, we will first mainly describe a powder manufacturing method that performs a first cyclone step and a second cyclone step.
本開示の粉体の製造方法は、粉体の表面に機能材をコートした粉体を製造する方法である。この製造方法は、供給工程と、第1サイクロン工程と、第2サイクロン工程と、捕集工程と、を含む。この製造方法は、上述した粉体製造装置10が実行するものとしてもよい。また、この製造方法は、機能材を含む液体で粉体を湿潤した湿潤粉体を作製する湿潤粉体作製工程を更に含むものとしてもよい。この湿潤粉体作製工程では、固体分体積分率がダイラタンシーを発現しない領域以上、例えば、40体積%より大きくなるように機能材を含む液体で粉体を湿潤した湿潤粉体を作製するものとしてもよい。 The powder manufacturing method disclosed herein is a method for manufacturing powder whose surface is coated with a functional material. This manufacturing method includes a supplying step, a first cyclone step, a second cyclone step, and a collecting step. This manufacturing method may be performed by the powder manufacturing apparatus 10 described above. This manufacturing method may also include a wet powder manufacturing step in which the powder is wetted with a liquid containing the functional material to produce a wet powder. In this wet powder manufacturing step, the powder may be wetted with a liquid containing the functional material to produce a wet powder whose solid volume fraction is above the range in which dilatancy does not occur, for example, greater than 40% by volume.
(供給工程)
供給工程では、機能材を含む液体で粉体を湿潤した湿潤粉体と加熱したガスとを含む流体を供給する処理を行う。この工程では、固体分体積分率が40体積%より大きい湿潤粉体を供給するものとしてもよい。また、湿潤粉体の固体分体積分率は、粉体の性状にもよるが、ダイラタンシーを発現しない領域以上としてもよいし、40体積%より大きい範囲としてもよい。なお、機能材や粉体のほか、処理条件などは、上述した粉体製造装置で説明したものを適宜使用することができる。この工程では、100℃以上230℃以下の範囲の前記ガスを供給するものとしてもよい。また、この工程では、0.5m3/分以上、より好ましくは、0.8m3/分以上7.5m3/分以下の範囲の流体を供給するものとしてもよい。
(Supply process)
In the supplying step, a fluid containing a wet powder obtained by wetting a powder with a liquid containing a functional material and a heated gas is supplied. In this step, a wet powder having a solid volume fraction of more than 40% by volume may be supplied. Furthermore, the solid volume fraction of the wet powder may be equal to or greater than the range in which dilatancy does not occur, depending on the properties of the powder, or may be in a range greater than 40% by volume. In addition to the functional material and powder, the processing conditions described for the powder production apparatus above can be used as appropriate. In this step, the gas may be supplied at a temperature in the range of 100°C to 230°C. In this step, a fluid may be supplied at a rate of 0.5 m3 /min or more, more preferably 0.8 m3 /min to 7.5 m3 /min.
(第1サイクロン工程)
第1サイクロン工程では、供給された流体を流通したのちこの流体を流動しながら滞留させる処理を行う。この工程では、円筒に対して垂直方向から流体を流入することによって渦状あるいはらせん状に流体を流動することができる。この工程では、湿潤粒子を乾燥すると共に、粉体同士をぶつけ合うことで解砕して粒子の凝集を抑制する処理を行うことができる。
(First cyclone process)
In the first cyclone process, the supplied fluid is circulated and then retained while flowing. In this process, the fluid can be made to flow in a vortex or spiral shape by flowing the fluid perpendicularly to the cylinder. In this process, the wet particles are dried and the powder particles are crushed by colliding with each other, thereby suppressing particle aggregation.
(第2サイクロン工程)
第2サイクロン工程では、第1サイクロン工程のあとの流体を流通したのちこの流体を流動しながら滞留させる処理を行う。この処理で乾燥された粉体がガス流から分離される。この工程では、円筒に対して垂直方向から流体を流入することによって渦状あるいはらせん状に流体を流動することができる。
(Second cyclone process)
In the second cyclone process, the fluid from the first cyclone process is passed through and then retained while flowing. This process separates the dried powder from the gas flow. In this process, the fluid is introduced perpendicular to the cylinder, allowing the fluid to flow in a vortex or spiral shape.
(捕集工程)
捕集工程では、第2サイクロン工程のあと流体に含まれる粉体を捕集する処理を行う。この工程では、第2サイクロン処理でガス流から分離されて落下した粉体を捕集するものとしてもよい。
(Collection process)
The collection step involves carrying out a process for collecting powder contained in the fluid after the second cyclone step. This process may involve collecting powder that has been separated from the gas flow in the second cyclone process and fallen down.
この製造方法において、上述した供給工程、第1サイクロン工程、第2サイクロン工程及び捕集工程を含む一連のコート処理を複数回に亘り繰り返し実行するものとしてもよい。コート処理を複数回実行すれば、粉体表面の機能材層の被覆率をより高めることができる。このコート処理の回数は、被覆率に応じて定めることができる。 In this manufacturing method, the series of coating processes, including the supply process, first cyclone process, second cyclone process, and collection process, described above, may be repeated multiple times. By performing the coating process multiple times, the coverage of the functional material layer on the powder surface can be further increased. The number of times this coating process is performed can be determined depending on the coverage.
以上詳述した本実施形態の粉体製造装置10及び粉体の製造方法では、より効率よい処理で、より均一な機能材層を粉体表面に形成することができる。このような効果が得られる理由は、例えば、以下のように推測される。一般的に、静置乾燥では、機能材を含む液体は、重力で下方に流れ落ちるため、下にある粒子ほど保護層の厚み、被覆率が高くなり、被覆ムラが生じうる。また、機能材を含む液体の濃度が濃い部分の粒子は凝集が進行する。一方、サイクロンによって湿潤粉体を気流乾燥する方法によれば、液体で湿潤した状態で粒子を気流中に投入し、サイクロンによって生じる遠心力に起因する解砕力を受けるため、粉体は、粒子の凝集が解されながら乾燥される。このように、機能材がコートされた粉体は、凝集が抑制され、粒子径の揃ったものになる。更に、このようなサイクロンが複数段あるため、乾燥及び解砕の処理が十分進むため、より効率よく、より均一な機能材層を粉体表面に形成することができるものと推察される。 The powder production apparatus 10 and powder production method of this embodiment, described in detail above, enable more efficient processing and the formation of a more uniform functional material layer on the powder surface. The reason for this effect is presumed to be, for example, as follows: Generally, in static drying, the liquid containing the functional material flows downward due to gravity, resulting in a thicker protective layer and a higher coverage rate for particles at the bottom, which can lead to uneven coverage. Furthermore, particles in areas with a higher concentration of the functional material-containing liquid tend to aggregate. On the other hand, in a method of air-flow drying of wet powder using a cyclone, the particles are introduced into the airflow while still wet with the liquid and are subjected to a disintegrating force caused by the centrifugal force generated by the cyclone, which causes the powder to dry while deagglomerating. In this way, the functional material-coated powder is less likely to aggregate and has a uniform particle size. Furthermore, the use of multiple cyclones allows for sufficient drying and disintegration processes, presumably resulting in a more efficient and uniform functional material layer being formed on the powder surface.
なお、本開示は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It goes without saying that the present disclosure is in no way limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various forms as long as they fall within the technical scope of the present disclosure.
例えば、上述した実施形態では、2つのサイクロン部を備えた粉体製造装置10を説明したが、特にこれに限定されず、図4に示すように、第1サイクロン部21を1つ備えた粉体製造装置10Bとしてもよい。図4は、別の粉体製造装置10Bの一例を示す説明図である。この粉体製造装置10Bは、第1サイクロン部21に捕集部25やフィルタ26吸引部27が接続されている。このように、サイクロン部を1つ備えたものにおいても、より効率よい処理で、より均一な機能材層を粉体表面に形成することができる。 For example, while the above-described embodiment describes a powder manufacturing apparatus 10 equipped with two cyclone sections, this is not particularly limited, and a powder manufacturing apparatus 10B equipped with one first cyclone section 21 may also be used, as shown in FIG. 4. FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of another powder manufacturing apparatus 10B. In this powder manufacturing apparatus 10B, a collection section 25, a filter 26, and a suction section 27 are connected to the first cyclone section 21. In this way, even an apparatus equipped with one cyclone section can form a more uniform functional material layer on the powder surface with more efficient processing.
上述した実施形態では、2つのサイクロン工程を実行する粉体の製造方法を説明したが、特にこれに限定されず、第1サイクロン工程の1つを実行する粉体の製造方法としてもよい。このように、サイクロン工程を1つ実行するものにおいても、より効率よい処理で、より均一な機能材層を粉体表面に形成することができる。 In the above-described embodiment, a powder manufacturing method that performs two cyclone processes has been described, but this is not particularly limited, and a powder manufacturing method that performs only one cyclone process may also be used. In this way, even in a method that performs one cyclone process, a more uniform functional material layer can be formed on the powder surface with more efficient processing.
以下には、本開示の粉体製造装置を具体的に作製し、この粉体製造装置によって粉体の製造方法を実施した例を実施例として説明する。 Below, we will explain an example in which a powder production apparatus according to the present disclosure was specifically fabricated and a powder production method was carried out using this powder production apparatus.
まず、図1に示した粉体製造装置10及び図4に示した粉体製造装置10Bを作製した。作製した粉体製造装置10では、収容部12の容積を1L、第1流通部16の全長を80cm、第1サイクロン部21の長さLを40cm、その容積を0.4L、第2流通部22の全長を45cm、第2サイクロン部24の長さを30cm、その容積を0.2Lとした。なお、構成が変更されなければ、各部品のサイズに何ら制限はない。 First, the powder production apparatus 10 shown in Figure 1 and the powder production apparatus 10B shown in Figure 4 were fabricated. In the fabricated powder production apparatus 10, the volume of the storage section 12 was 1 L, the total length of the first flow section 16 was 80 cm, the length L of the first cyclone section 21 was 40 cm and its volume was 0.4 L, the total length of the second flow section 22 was 45 cm, and the length of the second cyclone section 24 was 30 cm and its volume was 0.2 L. There are no restrictions on the size of each component as long as the configuration is not changed.
(実施例1)
正極活物質として、Li1.14(Ni0.34Co0.34Mn0.31)O2(NCMとも称する)20gをミキサー容器に入れ、保護材としてのLiNbO3を含むコート液を、固形分体積分率が54.9体積%になるように正極活物質粉体に所定量加え、薬匙で撹拌した。ミキサーで撹拌し、壁に付いたら掻き落とす操作を3回繰り返し、得られたものを湿潤粉体とした。粉体製造装置10B(図4)の上部から、調製した湿潤粉体状試料を少量ずつ導入し、気流乾燥を行った。気流乾燥は、220℃に加熱した空気を0.6m3/分で流通させ、粉体のみの質量で、全量20g、供給速度が120g/分となるように湿潤粉体を供給して行った。この湿潤処理、気流乾燥処理の一連のコート処理を3回繰り返して得られた保護層を形成した活物質粉体(コート粉体)を実施例1とした。試料の投入から乾燥、捕集までの時間は、1回の乾燥処理で0.2分であった。
Example 1
20 g of Li1.14 ( Ni0.34Co0.34Mn0.31 ) O2 (also referred to as NCM) was placed in a mixer container as the positive electrode active material. A predetermined amount of a coating solution containing LiNbO3 as a protective material was added to the positive electrode active material powder so that the solid volume fraction was 54.9% by volume, and the mixture was stirred with a spoon. The process of stirring with the mixer and scraping off any residue from the wall was repeated three times to obtain a wet powder. The prepared wet powder sample was introduced in small amounts from the top of the powder production apparatus 10B (Figure 4) and subjected to airflow drying. Air heated to 220°C was circulated at 0.6 m3 /min, and the wet powder was supplied at a supply rate of 120 g/min, with a total mass of 20 g (powder only). This series of coating treatments, consisting of the wetting treatment and the airflow drying treatment, was repeated three times to obtain an active material powder (coated powder) having a protective layer formed thereon, which was designated as Example 1. The time from the introduction of the sample to drying and collection was 0.2 minutes per drying treatment.
(実施例2)
正極活物質として、Li1.14(Ni0.34Co0.34Mn0.31)O2(NCMとも称する)20gをミキサー容器に入れ、保護材としてのLiNbO3を含むコート液を、固形分体積分率が49.5体積%になるように正極活物質粉体に所定量加え、薬匙で撹拌した。ミキサーで撹拌し、壁に付いたら掻き落とす操作を3回繰り返し、得られたものを湿潤粉体とした。粉体製造装置10(図1、2)の上部から、調製した湿潤粉体状試料を少量ずつ導入し、気流乾燥を行った。気流乾燥は、220℃に加熱した空気を0.6m3/分で流通させ、粉体のみの質量で、全量20g、供給速度が120g/分となるように湿潤粉体を供給して行った。試料の投入から乾燥、捕集までの時間は、0.21分であった。この一連の処理で得られた保護層を形成したコート粉体を実施例2とした。
Example 2
20 g of Li1.14 ( Ni0.34Co0.34Mn0.31 ) O2 (also referred to as NCM) was placed in a mixer container as the positive electrode active material. A predetermined amount of a coating solution containing LiNbO3 as a protective material was added to the positive electrode active material powder so that the solid volume fraction was 49.5% by volume, and the mixture was stirred with a spoon. The process of stirring with the mixer and scraping off any residue from the wall was repeated three times to obtain a wet powder. The prepared wet powder sample was introduced in small amounts from the top of the powder production apparatus 10 (Figures 1 and 2) and subjected to airflow drying. Air heated to 220°C was circulated at 0.6 m3 /min, and the wet powder was supplied at a supply rate of 120 g/min, with a total mass of 20 g (powder only). The time from sample introduction to drying and collection was 0.21 minutes. The coated powder having the protective layer formed thereon obtained by this series of treatments was designated as Example 2.
(実施例3)
NCM20gをミキサー容器に入れ、LiNbO3を含むコート液を固形分体積分率が49.5体積%となるように所定量加え、薬匙で撹拌した。ミキサーで撹拌し、壁に付いたら掻き落とす操作を3回繰り返し、湿潤粉体状試料を調製した。コーティングドライヤーの上部から、調製した湿潤粉体状試料を少量ずつ導入し、気流乾燥を行った。この湿潤処理、気流乾燥処理の一連のコート処理を3回繰り返したコート粉体を実施例3とした。
Example 3
20 g of NCM was placed in a mixer container, and a predetermined amount of coating liquid containing LiNbO3 was added so that the solid volume fraction was 49.5% by volume, and the mixture was stirred with a spoon. The mixture was stirred in the mixer, and any residue on the wall was scraped off. This process was repeated three times to prepare a wet powder sample. The prepared wet powder sample was introduced little by little from the top of the coating dryer and air-dried. The coated powder obtained by repeating this series of coating processes, consisting of wetting and air-drying, three times was designated Example 3.
(比較例1)
NCM30gをビーカーに入れ、LiNbO3を含むコート液を固形分体積分率が40.5体積%になるように所定量加え、薬匙で撹拌することで、スラリー状の試料を得た。粉体製造装置10の上部から、調製したスラリー状試料を少量ずつ導入し、気流乾燥を行った。気流乾燥の条件は、実施例1と同じとした。得られたコート粉体を比較例1とした。
(Comparative Example 1)
30 g of NCM was placed in a beaker, and a predetermined amount of coating liquid containing LiNbO3 was added so that the solid volume fraction was 40.5% by volume. The mixture was stirred with a spoon to obtain a slurry sample. The prepared slurry sample was introduced little by little from the top of the powder production apparatus 10 and air-dried. The air-drying conditions were the same as in Example 1. The obtained coated powder was designated Comparative Example 1.
(比較例2)
図5に示す転動流動コート装置110を用いて保護層形成活物質粉体を作製した。図5は、公知の転動流動コート装置110の一例を示す説明図である。転動流動コート装置110は、供給部111と、吐出部112と、撹拌部113と、チャンバ114と、ヒータ115とを備えている。この転動流動コート装置110は、下部の供給部111から粉体を供給し、撹拌部113で撹拌された粉体が上方のチャンバ114へ吹き上げられる際に、吐出部112からコート液を吐出させ、チャンバ114の上部に設けられたヒータ115で乾燥させる処理を行う装置である。転動流動コート装置110にNCM1000gを投入し、LiNbO3を含むコート液720gを噴霧しながら、80分間コート処理を行い、得られたコート粉体を比較例2とした。
(Comparative Example 2)
A protective layer-forming active material powder was prepared using a tumbling fluidized coating apparatus 110 shown in FIG. 5 . FIG. 5 is an explanatory diagram showing an example of a known tumbling fluidized coating apparatus 110. The tumbling fluidized coating apparatus 110 includes a supply unit 111, a discharge unit 112, a stirring unit 113, a chamber 114, and a heater 115. This tumbling fluidized coating apparatus 110 supplies powder from the lower supply unit 111, and when the powder stirred by the stirring unit 113 is blown up into the upper chamber 114, a coating liquid is discharged from the discharge unit 112 and dried using the heater 115 provided above the chamber 114. 1000 g of NCM was loaded into the tumbling fluidized coating apparatus 110 and coated for 80 minutes while spraying 720 g of a coating liquid containing LiNbO 3 . The resulting coated powder was designated Comparative Example 2.
(比較例3)
NCM20gをミキサー容器に入れ、LiNbO3を含むコート液を固形分体積分率が49.5体積%になるように所定量加え、薬匙で撹拌した。ミキサーで撹拌し、壁に付いたら掻き落とす操作を3回繰り返し、湿潤粉体状試料を調製した。この粉体をシャーレに広げ、マッフル炉でこのシャーレを80℃から200℃まで30分で昇温したのち、200℃で1時間保持し乾燥した。適宜スパチュラで解砕して回収し、得られたコート粉体を比較例3とした。
(Comparative Example 3)
20 g of NCM was placed in a mixer container, and a predetermined amount of coating liquid containing LiNbO3 was added so that the solid volume fraction was 49.5% by volume, followed by stirring with a spoon. The process of stirring with the mixer and scraping off any residue on the wall was repeated three times to prepare a wet powder sample. This powder was spread in a petri dish, and the dish was heated in a muffle furnace from 80°C to 200°C over 30 minutes, then held at 200°C for 1 hour to dry. The powder was then crushed appropriately with a spatula and collected. The resulting coated powder was designated Comparative Example 3.
(比較例4)
NCM20gをミキサー容器に入れ、LiNbO3を含むコート液を固形分体積分率が49.5体積%になるように所定量加え、薬匙で撹拌した。ミキサーで撹拌し、壁に付いたら掻き落とす操作を3回繰り返し、湿潤粉体状試料を調製した。この粉体をシャーレに広げ、マッフル炉でこのシャーレを80℃から200℃まで30分で昇温したのち、200℃で1時間保持し乾燥した。適宜スパチュラで解砕して回収した。この湿潤処理からマッフル炉での乾燥の一連のコート処理を3回繰り返して得られたコート粉体を比較例4とした。
(Comparative Example 4)
20 g of NCM was placed in a mixer container, and a predetermined amount of coating liquid containing LiNbO3 was added so that the solid volume fraction was 49.5% by volume. The mixture was then stirred with a spoon. This process of stirring with the mixer and scraping off any residue on the wall was repeated three times to prepare a wet powder sample. The powder was spread in a petri dish, and the dish was heated in a muffle furnace from 80°C to 200°C over 30 minutes, then held at 200°C for 1 hour to dry. The powder was then crushed with a spatula and collected. The coated powder obtained by repeating this series of coating processes, from wetting to drying in a muffle furnace, three times was designated Comparative Example 4.
(被覆率の計算)
コート粉体の被覆率を求めた。被覆率は、X線光電子分光法(XPS:アルバック・ファイ製PHI X-tool)で得られたコート粉末の表面元素分析を行い、検出されたC1S、O1S、Nb3d、Mn2p3、Co2p3、Ni2p3などの強度値を下式(1)に当てはめ、算出した。
(Calculation of coverage)
The coverage of the coated powder was determined by performing surface elemental analysis of the obtained coated powder by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS: PHI X-tool manufactured by ULVAC-PHI), and calculating the coverage by applying the detected intensity values of C1S, O1S, Nb3d, Mn2p3, Co2p3, Ni2p3, etc. to the following formula (1):
(粒子径D90の測定)
コート処理後の粉体の粒子径(μm)は、レーザー回折・散乱測定装置(マイクロトラック・ベル社製エアロトラックII)を用い、累積分布で90%を示す粒子径D90として求めた。
(Measurement of particle diameter D90)
The particle size (μm) of the powder after coating treatment was determined as the particle size D90 showing 90% of the cumulative distribution using a laser diffraction/scattering measuring device (Aerotrac II manufactured by Microtrac Bell).
(結果と考察)
表1に実施例1~3と比較例1~4の乾燥法、粉体の状態、コート回数、湿潤と乾燥処理時間などの条件をまとめた。また、表2に、実施例1~3と比較例1~4の被覆率と、粒子径をまとめた。実施例1~3、比較例1、3、4は湿潤工程と乾燥工程とがわかれた製造方法を検討した結果である。比較例2は、湿潤工程と乾燥工程とが一体である製造方法を検討した結果である。実施例1では、シングルサイクロンのコーティングドライヤである粉体製造装置(図4)を用いて、固形分体積分率が54.9体積%の湿潤粉体を乾燥させた結果である。実施例2、3では、ダブルサイクロンのコーティングドライヤである粉体製造装置(図1)を用いて、固形分体積分率が49.5体積%の湿潤粉体を乾燥させた結果である。この実施例3のように、コート処理を複数回繰り返した場合、高い収率で更に被覆率を高めることができることがわかった。また、実施例1でも実施例2、3と同様であった。比較例1では、実施例2と同様の粉体製造装置を用いているが、原料として用いた粉体が固形分体積分率の低いスラリー状であることから、図6に示すように、ガラスシリンダー内壁にスラリーが付着し、乾燥に時間がかかり、またビーカーや薬匙に付着し残るため収率が低かった。図6は、比較例1のスラリーが装置内に付着した様子を撮影した写真である。比較例2は、転動流動コート装置を用いた粉体であるが、被覆率、粒子径ともに実施例2、3と差がなかった。その一方、比較例2は、粉体(1kg)のバッチ処理の装置で製造されており、流動窯のみの大きさは高さ70cmであった。また、処理量がより増加する場合、例えば、25kg処理用の装置では、流動窯のみで高さ2.2mとなり、装置がより巨大になり、且つ処理時間がより長くなる。比較例3,4では、静置乾燥であるが、乾燥時間が長く、被覆率も低く、粒子も凝集することがわかった。
(Results and Discussion)
Table 1 summarizes the conditions for Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4, such as the drying method, powder state, number of coatings, and wetting and drying treatment times. Table 2 also summarizes the coverage and particle size for Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4. Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1, 3, and 4 represent the results of a manufacturing method in which the wetting and drying processes are separated. Comparative Example 2 represents the results of a manufacturing method in which the wetting and drying processes are integrated. In Example 1, a wet powder with a solid volume fraction of 54.9% by volume was dried using a powder manufacturing apparatus with a single cyclone coating dryer (Figure 4). In Examples 2 and 3, a wet powder with a solid volume fraction of 49.5% by volume was dried using a powder manufacturing apparatus with a double cyclone coating dryer (Figure 1). As in Example 3, it was found that when the coating process was repeated multiple times, the coverage could be further increased with a high yield. Furthermore, the results for Example 1 were similar to those for Examples 2 and 3. In Comparative Example 1, the same powder production equipment as in Example 2 was used. However, because the powder used as raw material was in the form of a slurry with a low solids volume fraction, as shown in Figure 6, the slurry adhered to the inner wall of the glass cylinder, taking a long time to dry. Furthermore, the yield was low due to the remaining particles adhering to the beaker and spoon. Figure 6 is a photograph of the slurry from Comparative Example 1 adhering to the inside of the equipment. In Comparative Example 2, the powder was produced using a tumbling fluidized coating device, but the coverage and particle size were similar to those of Examples 2 and 3. On the other hand, Comparative Example 2 was produced using a batch processing device for powder (1 kg), and the size of the fluidized kiln alone was 70 cm high. Furthermore, when the processing volume is increased, for example, in an equipment for processing 25 kg, the height of the fluidized kiln alone is 2.2 m, making the equipment larger and the processing time longer. In Comparative Examples 3 and 4, static drying was used, but the drying time was long, the coverage was low, and particles aggregated.
上述したように、転動流動コート装置では、粉体表面に機能層を生成させるのには、時間とスペースが必要であったが、本開示の粉体製造装置10,10Bを用いると、処理時間の短縮と装置の小型化が可能であることがわかった。粉体製造装置10,10Bでは、気流乾燥を用いることで、粉体投入からコート粉の捕集までが極めて短時間であり、他の装置と比較して、処理時間の大幅短縮が可能であった。また、定量供給機を用いると、連続で粉体を投入することにより、連続的にコート処理が可能であった。連続的に処理を実行可能であるため、多量に処理することができた。更に、この粉体製造装置10,10Bでは、高い被覆率を示し、均一かつ粒子凝集を抑制したコート粒子を得ることができることがわかった。そして、コート層の厚さは、コート回数によって調節可能であった。また、上述以外の試験により、湿潤粉体の製造条件や気流乾燥条件としては、固形分体積分率の範囲が40体積%より大きい範囲が好適であり、乾燥気流温度は、入口温度で100℃以上230℃以下の範囲、風量が0.5m3/分以上、より好ましくは0.8m3/分以上7.5m3/分以下の範囲が好ましいことがわかった。 As described above, while the tumbling fluidized coating apparatus required time and space to form a functional layer on the powder surface, the powder production apparatus 10, 10B of the present disclosure was found to enable shortening of processing time and downsizing of the apparatus. The powder production apparatus 10, 10B used airflow drying, which significantly reduced the processing time from powder input to collection of the coated powder, compared to other apparatuses. Furthermore, the use of a constant volume feeder enabled continuous powder input, enabling continuous coating. Because continuous processing was possible, large quantities could be processed. Furthermore, the powder production apparatus 10, 10B was found to produce coated particles with a high coverage rate, uniformity, and suppressed particle aggregation. Furthermore, the thickness of the coating layer could be adjusted by changing the number of coatings. In addition, tests other than those described above have shown that the preferred conditions for producing the wet powder and for air drying are a solid volume fraction of more than 40% by volume, a drying air temperature of 100°C or higher and 230°C or lower at the inlet, and an air volume of 0.5 m3 /min or higher, more preferably 0.8 m3 /min or higher and 7.5 m3 /min or lower.
粉体表面に、保護層や機能性材料をコートすることは粉体の保護、新たな機能を持たせる等、非常に有用な技術であり、電池材料や磁性材料等、多くの粉末を扱う技術領域では幅広く用いられている技術である。全固体リチウムイオン二次電池の正極活物質などでは、充放電を繰り返すと、活物質と固体電解質とが反応し、出力特性が低下するという課題がある。そこで、活物質表面をリチウムイオン伝導性金属酸化物の保護層で被覆することで、効果的にこの反応抵抗を低減することができる。コート粉の凝集を抑制しながら、保護層を活物質上に均一に被覆させることができれば、正極の劣化を抑え電池を長持ちさせることができる。本実施例において、シングルサイクロン又はダブルサイクロンのコーティングドライヤである粉体製造装置を、一例としてリチウムイオン二次電池の活物質に適用したが、これは広く応用が利く技術であり、その他の粉体表面に異種物質を均一にかつ粒子の凝集を抑え、素早く、収率良くコートすることも可能である。 Coating powder surfaces with protective layers or functional materials is an extremely useful technique for protecting the powder and providing new functions. It is widely used in many technical fields that involve powders, such as battery materials and magnetic materials. Positive electrode active materials in all-solid-state lithium-ion secondary batteries, for example, pose a challenge: repeated charge and discharge can cause a reaction between the active material and the solid electrolyte, resulting in a decline in output characteristics. Therefore, coating the active material surface with a protective layer of lithium-ion conductive metal oxide effectively reduces this reaction resistance. If a protective layer can be uniformly applied to the active material while suppressing agglomeration of the coated powder, it is possible to suppress deterioration of the positive electrode and extend the battery's life. In this example, a powder production device consisting of a single-cyclone or double-cyclone coating dryer was used to coat active materials for lithium-ion secondary batteries as an example. However, this technology has broad applicability and can also be used to coat other powder surfaces with different materials uniformly, suppress particle agglomeration, and quickly and efficiently.
なお、本開示は上述した実施例に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It goes without saying that the present disclosure is in no way limited to the above-described examples, and can be implemented in various forms as long as they fall within the technical scope of the present disclosure.
本開示は、電池の技術分野に利用可能である。 This disclosure is applicable to the battery technology field.
10,10B 粉体製造装置、11 供給部、12 収容部、13 加熱部、16 第1流通部、17 混合部、18 流通管、21 第1サイクロン部、22 第2流通部、24 第2サイクロン部、25 捕集部、26 フィルタ、27 吸引部、28 制御部、110 転動流動コート装置、111 供給部、112 吐出部、113 撹拌部、114 チャンバ、115 ヒータ、L 全長。 10, 10B Powder manufacturing apparatus, 11 Supply section, 12 Storage section, 13 Heating section, 16 First circulation section, 17 Mixing section, 18 Circulation pipe, 21 First cyclone section, 22 Second circulation section, 24 Second cyclone section, 25 Collection section, 26 Filter, 27 Suction section, 28 Control section, 110 Tumbling fluidized coating device, 111 Supply section, 112 Discharge section, 113 Stirring section, 114 Chamber, 115 Heater, L Overall length.
Claims (12)
前記機能材を含む液体で前記粉体を湿潤した湿潤粉体を収容し該湿潤粉体と加熱したガスとを含む流体を供給する供給部と、
前記供給部に接続され前記流体を滞留させずに流通する第1流通部と、
前記第1流通部の流体の流れ方向の上流側に配設され前記流体を加熱する加熱部と、
前記第1流通部から供給された前記流体を流動しながら滞留させる1以上のサイクロン部と、
前記サイクロン部に接続され滞留したあとの前記流体に含まれる粉体を捕集する捕集部と、
を備えた粉体製造装置。 A powder manufacturing apparatus for coating a surface of powder with a functional material,
a supply unit that stores wet powder obtained by wetting the powder with a liquid containing the functional material and supplies a fluid containing the wet powder and heated gas;
a first circulating portion connected to the supply portion and circulating the fluid without stagnation ;
a heating section disposed upstream of the first flow section in a fluid flow direction and configured to heat the fluid;
one or more cyclone sections that cause the fluid supplied from the first circulation section to flow and remain there;
a collecting section connected to the cyclone section and configured to collect powder contained in the fluid after the fluid has accumulated;
A powder manufacturing device equipped with the above.
前記第1流通部に接続され前記流体を流動しながら滞留させる前記第1サイクロン部と、
前記第1サイクロン部に接続され滞留したあとの前記流体を流通する第2流通部と、
前記第2流通部に接続され前記流体を流動しながら滞留させる前記第2サイクロン部と、
前記第2サイクロン部に接続された前記捕集部と、
を備えた請求項1に記載の粉体製造装置。 the cyclone unit includes a first cyclone unit and a second cyclone unit,
the first cyclone portion connected to the first flow portion and causing the fluid to flow and accumulate;
a second circulating section connected to the first cyclone section and through which the fluid circulates after stagnation;
the second cyclone portion connected to the second flow portion and causing the fluid to flow and accumulate;
the collection unit connected to the second cyclone unit;
The powder manufacturing apparatus according to claim 1 ,
前記機能材を含む液体で前記粉体を湿潤した湿潤粉体と流体を加熱する加熱部によって加熱したガスとを含む流体を供給する供給工程と、
前記供給工程で供給された前記流体を滞留させずに流通する第1流通工程と、
供給された前記流体を流通したのち該流体を流動しながら滞留させる1以上のサイクロン工程と、
前記サイクロン工程のあと前記流体に含まれる粉体を捕集する捕集工程と、
を含む粉体の製造方法。 A method for producing powder in which the surface of the powder is coated with a functional material, comprising the steps of:
a supplying step of supplying a fluid containing wet powder obtained by wetting the powder with a liquid containing the functional material and a gas heated by a heating unit that heats the fluid ;
a first circulating step of circulating the fluid supplied in the supplying step without allowing it to stagnate;
one or more cyclone steps in which the supplied fluid is passed through and then retained while flowing;
a collecting step of collecting powder contained in the fluid after the cyclone step;
A method for producing a powder comprising:
供給された前記流体を流通したのち該流体を流動しながら滞留させる第1サイクロン工程と、
前記第1サイクロン工程のあとの前記流体を流通したのち該流体を流動しながら滞留させる第2サイクロン工程と、を含む、請求項8に記載の粉体の製造方法。 The cyclone process includes:
a first cyclone step in which the supplied fluid is circulated and then retained while flowing;
The method for producing powder according to claim 8, further comprising a second cyclone step of circulating the fluid after the first cyclone step and then retaining the fluid while it flows.
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