JP7656804B2

JP7656804B2 - 不純物処理装置および不純物処理方法

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Publication number: JP7656804B2
Application number: JP2022501712A
Authority: JP
Inventors: 美有紀中井; 裕子小川; 俊郎久米
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2020-02-21
Filing date: 2021-01-21
Publication date: 2025-04-04
Anticipated expiration: 2041-01-21
Also published as: EP4109578A4; WO2021166535A1; CN115176352A; EP4109578A1; US20230102372A1; JPWO2021166535A1

Description

本開示は、不純物処理装置および不純物処理方法に関する。

電子伝導性を有する固液混合物を作製する際、不純物として金属粒子が混入する場合があった。この固液混合物を電子デバイスに用いる場合、不純物が原因で電子デバイスの不良を招くおそれがあった。例えば、電子デバイスとしてはリチウムイオン電池、リチウムイオン二次電池、アルカリ乾電池、電気二重層キャパシタ、電気化学キャパシタ等の蓄電装置が挙げられる。また、固液混合物としては、これらの蓄電装置に用いられる電極スラリーが挙げられる。電極スラリーに金属不純物が混入した場合、金属不純物は正負極間の短絡等の原因となり得る。これに対し、例えば特許文献１には、電極活物質および粒子状結着剤を含む水系スラリーに含まれていた金属異物を磁気により除去する方法が開示されている。

国際公開第２０１４／１４２０４５号

磁性を利用して金属不純物を除去する従来の方法では、非磁性金属からなる不純物を除去することができなかった。したがって、従来の方法では、不純物の処理率が不十分であった。

本開示のある態様は、不純物処理装置である。この装置は、金属不純物を含有する被処理液が流れる配管と、配管内に配置される第１電極および第２電極と、第１電極と第２電極との間に電流を流す電源部と、を備える。

本開示の他の態様は、不純物処理方法である。この方法は、金属不純物を含有する被処理液を配管に流し、配管内を流れる被処理液に電流を流すことを含む。

以上の構成要素の任意の組合せ、本開示の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本開示の態様として有効である。

本開示によれば、被処理液中の不純物の処理率を高めることができる。

図１は、実施の形態１に係る不純物処理装置が設けられた塗工装置の模式図である。図２Ａは、電極部を模式的に示す斜視図である。図２Ｂは、電極部を模式的に示す斜視図である。図２Ｃは、電極部を模式的に示す斜視図である。図３Ａは、実施の形態２に係る不純物処理装置が備える電極部の模式図である。図３Ｂは、実施の形態２に係る不純物処理装置が備える電極部の模式図である。図３Ｃは、実施の形態２に係る不純物処理装置が備える電極部の模式図である。図３Ｄは、実施の形態２に係る不純物処理装置が備える電極部の模式図である。図３Ｅは、実施の形態２に係る不純物処理装置が備える電極部の模式図である。図３Ｆは、実施の形態２に係る不純物処理装置が備える電極部の模式図である。

以下、本開示を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。実施の形態は、本開示を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも本開示の本質的なものであるとは限らない。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図に示す各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。また、本明細書または請求項中に「第１」、「第２」等の用語が用いられる場合には、特に言及がない限りこの用語はいかなる順序や重要度を表すものでもなく、ある構成と他の構成とを区別するためのものである。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る不純物処理装置が設けられた塗工装置の模式図である。塗工装置１は、塗工用ダイ２と、バルブ４と、タンク６と、ポンプ８と、送り配管１０と、戻し配管１２と、ダイ供給配管１４と、を備える。

塗工用ダイ２は、被塗工体１６に塗料１８を塗布する器具である。本実施の形態の塗工装置１は、一例として、二次電池の電極板を製造するために用いられる。二次電池の電極板は、集電体に電極用スラリーを塗布して乾燥させたシート状の電極素材である。したがって本実施の形態では、被塗工体１６は二次電池の集電体であり、塗料１８は二次電池の電極用スラリーである。集電体は、例えば金属箔である。電極用スラリーは、溶媒と電極活物質とを含有する電子伝導性の固液混合物である。あるいは、電極用スラリーは、溶媒と導電助剤とを含有する固液混合物である。一般的なリチウムイオン二次電池の場合、正極の電極板は、アルミ箔上に、コバルト酸リチウムやリン酸鉄リチウム等の正極活物質を含む電極用スラリーが塗布されて作製される。なお、正極用のスラリーには、黒鉛等の導電助剤が含まれてもよい。また、負極の電極板は、銅箔上に、黒鉛等の負極活物質（あるいは導電助剤）を含む電極用スラリーが塗布されて作製される。

塗工用ダイ２は、吐出口２２がバックアップロール２０の周面と所定の間隔をあけて対向するように配置される。被塗工体１６は、バックアップロール２０の回転によって、バックアップロール２０と吐出口２２とが対向する位置に連続的に搬送される。

塗工用ダイ２には、ダイ供給配管１４を介してバルブ４が接続される。バルブ４は、塗工用ダイ２への塗料１８の供給と非供給とを切り替えることができる。塗工装置１は、塗料１８が塗工用ダイ２に供給されている間、塗工用ダイ２から被塗工体１６に塗料１８を吐出することができる。バルブ４には、送り配管１０および戻し配管１２を介してタンク６が接続される。

タンク６は、塗料１８を貯留する。送り配管１０にはポンプ８が設けられ、ポンプ８の駆動によりタンク６からバルブ４に塗料１８が送られる。バルブ４は、タンク６から供給される塗料１８をダイ供給配管１４を介して塗工用ダイ２に供給する。あるいは、バルブ４は、タンク６から供給される塗料１８を戻し配管１２を介してタンク６に戻す。

バルブ４が塗工用ダイ２に塗料１８を供給することで、塗工用ダイ２から塗料１８を吐出して被塗工体１６に塗料１８の塗布部１８ａを形成することができる。また、バルブ４がタンク６に塗料１８を戻すことで、塗工用ダイ２からの塗料１８の塗布を停止して被塗工体１６に塗料１８の未塗布部１６ａを形成することができる。つまり、バルブ４によって、被塗工体１６に対して塗料１８を間欠塗工することができる。未塗布部１６ａは、電極のセンターリードの貼り付け等に用いられる。なお、塗工装置１の各部の構成は、上述のものに限定されない。

塗工装置１には、本実施の形態に係る不純物処理装置１００が設けられている。不純物処理装置１００は、配管１０２と、電極部１０４と、電源部１０６と、を備える。配管１０２は、金属不純物を含有する被処理液が流れる流路である。本実施の形態では、送り配管１０のうちタンク６とポンプ８との間の領域が配管１０２を構成している。つまり、不純物処理装置１００は、送り配管１０に設けられる。また、塗料１８、言い換えれば溶媒と、電極活物質および／または導電助剤と、を含む電極用スラリーが被処理液に相当する。

なお、不純物処理装置１００は、送り配管１０のうちポンプ８とバルブ４との間の領域に設けられてもよい。また、不純物処理装置１００は、戻し配管１２やダイ供給配管１４等に設けられてもよい。また、塗工装置１は、二次電池の電極板製造用に限定されず、被塗工体１６および塗料１８は電極板および電極用スラリーでなくてもよい。また、不純物処理装置１００は、塗工装置１以外の装置、例えば被処理液の製造装置等に設けられてもよい。

電極部１０４は、第１電極１０８および第２電極１１０を含む。図２Ａ～図２Ｃは、電極部１０４を模式的に示す斜視図である。図２Ａは電極部１０４の第１の例であり、図２Ｂは電極部１０４の第２の例であり、図２Ｃは、電極部１０４の第３の例である。第１電極１０８および第２電極１１０は、配管１０２内に配置される。また、本実施の形態の電極部１０４は、配管１０２内に挿通される棒状体１１２を有する。そして、第１電極１０８は配管１０２に設けられ、第２電極１１０は棒状体１１２に設けられる。第１電極１０８および第２電極１１０は、互いに絶縁されている。

第１電極１０８および第２電極１１０は、電気伝導性を有する材料で構成される。当該材料は、例えば体積抵抗率が０．１Ω・ｃｍ以下である。第１電極１０８および第２電極１１０を構成する材料の具体例としては、ステンレス、チタン、白金、金、ニオブ、ルテニウム等の不溶性金属や炭素などが挙げられる。これらの材料は適宜組み合わせることもできる。

第１電極１０８は、少なくとも配管１０２の内壁（内周面）に設けられる。第１電極１０８は、配管１０２の内壁全体に設けられてもよいし、一部に設けられてもよい。第１電極１０８が内壁の一部に設けられる場合、被処理液の流れる方向における一部の領域であってもよいし、配管１０２の周方向における一部の領域であってもよい。また、配管１０２の全体が不溶性金属等で構成されて、配管１０２の全体が第１電極１０８を構成してもよい。つまり、第１電極１０８は、配管１０２の内壁の表面のみに設けられてもよいし、内壁の内部にまで設けられてもよい。

第２電極１１０は、少なくとも棒状体１１２の外壁（外周面）に設けられる。第２電極１１０は、棒状体１１２の外壁の全体に設けられてもよいし、一部に設けられてもよい。第２電極１１０が外壁の一部に設けられる場合、被処理液の流れる方向における一部の領域であってもよいし、棒状体１１２の周方向における一部の領域であってもよい。また、棒状体１１２の全体が不溶性金属等で構成されて、棒状体１１２の全体が第２電極１１０を構成してもよい。つまり、第２電極１１０は、棒状体１１２の外壁の表面のみに設けられてもよいし、外壁の内部にまで設けられてもよい。

図２Ａに示す第１の例では、棒状体１１２は中空体である。棒状体１１２の内部は封止されており、被処理液は流れない。図２Ｂに示す第２の例では、棒状体１１２は中実体である。第２電極１１０として中空または中実の棒状体１１２を用いることで、被処理液が配管１０２を通過する際の圧力損失が第２電極１１０によって増大することを抑制できる。一方、図２Ｃに示す第３の例では、棒状体１１２は筒状メッシュである。被処理液は、配管１０２内を流れながら、メッシュの開口を介して棒状体１１２の内外を行き来することができる。第２電極１１０として筒状メッシュの棒状体１１２を用いることで、第２電極１１０と被処理液との接触面積を増やして、不純物処理装置１００による不純物の処理率を高めることができる。

電源部１０６は、第１電極１０８と第２電極１１０との間に電流を流す。電源部１０６は、公知のＤＣ／ＤＣコンバータやＤＣ／ＡＣインバータ等で構成することができる。例えば、第１電極１０８は電源部１０６の正極出力端子に接続され、第２電極１１０は電源部１０６の負極出力端子に接続される。したがって、第１電極１０８が正極であり、第２電極１１０が負極である。なお、第１電極１０８が負極、第２電極１１０が正極であってもよい。電源部１０６が流す電流は、直流電流であってもよいし、交流電流であってもよい。また、電源部１０６が流す電流量は、例えば０．１ｍＡ以上１２ｍＡ以下である。

電源部１０６から第１電極１０８および第２電極１１０に電圧を印加し、被処理液に電流を流して配管１０２内に電場を生成することで、被処理液中の金属不純物をイオン化して微小化することができる。電極用スラリーに含まれる金属不純物には、数１００μｍ程度の大きさのものもあるが、被処理液への通電によって１０μｍ以下の大きさまで微小化することができる。本発明者は、金属不純物モデルとしての銅線を含む被処理液に電流を流した場合、電気量の増加にともなって銅線の質量が線形に減少すること、つまり金属不純物が微小化することを確認している。また、直流電流および交流電流のいずれを流しても金属不純物を微小化できることを確認している。

また、電源部１０６によって配管１０２内に電場を生成することで、金属不純物をイオン化して第１電極１０８あるいは第２電極１１０の表面に電着させることができる。これにより、被処理液から金属不純物を除去することができる。なお、直流電流は金属不純物の微細化により好適であり、交流電流は金属不純物の電着により好適である。金属不純物を電極表面に電着させる条件は、当業者であれば適宜設定することができる。

金属不純物を微小化あるいは除去することで、金属不純物自体が正負極間の短絡の原因となることを抑制することができる。また、正負極間に電解液が介在する蓄電装置においては、正極用スラリーが金属不純物を含むと、蓄電装置の充電時に金属不純物が電解液内に溶出して負極の表面で還元されて析出し得る。この析出が繰り返されると金属不純物がデンドライド状に成長し、セパレータを突き抜けて正極に到達して短絡の原因となる。デンドライドによる短絡は、金属不純物のサイズが大きいほど生じやすい。このため、金属不純物を微小化あるいは除去することで、デンドライドに起因する短絡も抑制することができる。したがって、不純物処理装置１００によって被処理液に電流を流すことで、被処理液中の金属不純物を除去することができ、また被処理液中に残存したとしても蓄電装置の性能に悪影響を及ぼしにくい形態に変換することができる。

電源部１０６からの電圧の印加は、一例として制御装置１０７によって制御される。制御装置１０７は、ハードウェア構成としてはコンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現される。これらの機能ブロックがハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。制御装置１０７は、例えば電源部１０６から流れる電流の値と電流を流す時間とに基づいて、電源部１０６を制御する。この場合、制御装置１０７は、不純物処理装置１００の一部を構成する。なお、電源部１０６は、制御装置１０７によらずにオン／オフが制御されてもよい。制御装置１０７は、バルブ４やポンプ８を制御してもよい。

以上説明したように、本実施の形態に係る不純物処理装置１００は、金属不純物を含有する被処理液が流れる配管１０２と、配管１０２内に配置される第１電極１０８および第２電極１１０と、第１電極１０８と第２電極１１０との間に電流を流す電源部１０６と、を備える。本実施の形態の不純物処理装置１００は、被処理液に電流を流すことで金属不純物を微小化あるいは除去するため、不純物が非磁性金属であったとしても処理することができる。したがって、不純物の処理率を高めることができる。また、配管１０２内を流れる被処理液に電流を流すため、被処理液を搬送しながら金属不純物の処理が可能である。また、微小化した金属不純物を被処理液の流れに乗せて広く分散させることができる。

一例として、被処理液は、溶媒および電極活物質を含む電極用スラリーならびに溶媒および導電助剤を含む電極用スラリーの少なくとも一方である。そして、配管１０２は、被塗工体１６に被処理液を塗布する塗工用ダイ２および被処理液を貯留するタンク６を備える塗工装置１に設けられる。これにより、タンク６から塗工用ダイ２に被処理液を搬送する過程で、不純物処理を施すことができる。また、不純物処理装置１００を塗工装置１の送り配管１０やダイ供給配管１４に配置することで、被処理液を被塗工体１６に塗布する直前まで被処理液に不純物処理を施すことができる。よって、本実施の形態の不純物処理装置１００によれば、電子デバイスの性能を高めることができる。

また、不純物処理装置１００は、既存の装置における配管の一部を配管１０２として利用する、あるいは配管の一部を不純物処理装置１００の配管１０２に置き換えるだけで、当該装置に取り付け可能である。よって、不純物処理装置１００の設置や交換、メンテナンスが容易である。

また、本実施の形態の不純物処理装置１００では、第１電極１０８が配管１０２に設けられ、第２電極１１０が配管１０２内に挿通される棒状体１１２に設けられる。これにより、第１電極１０８および第２電極１１０の構造を簡素化することができる。また、棒状体１１２は、中空体、中実体または筒状メッシュである。棒状体１１２が中空体あるいは中実体である場合、被処理液が配管１０２を通過する際の圧力損失の増大を抑制することができる。棒状体１１２が筒状メッシュである場合、第２電極１１０と被処理液との接触面積を増やして不純物の処理率を高めることができる。

（実施の形態２）
実施の形態２は、第１電極１０８および第２電極１１０の配置を除き、実施の形態１と共通の構成を有する。以下、本実施の形態について実施の形態１と異なる構成を中心に説明し、共通する構成については簡単に説明するか、あるいは説明を省略する。

図３Ａ～図３Ｆは、実施の形態２に係る不純物処理装置１００が備える電極部１０４の模式図である。図３Ａは電極部１０４の第４の例であり、図３Ｂは電極部１０４の第５の例であり、図３Ｃは電極部１０４の第６の例であり、図３Ｄは電極部１０４の第７の例であり、図３Ｅは電極部１０４の第８の例であり、図３Ｆは電極部１０４の第９の例である。また、図３Ａ～図３Ｆは、配管１０２の内壁を展開した状態を示している。

本実施の形態の電極部１０４では、第１電極１０８および第２電極１１０は、配管１０２に設けられる。第１電極１０８および第２電極１１０は、少なくとも配管１０２の内壁に設けられる。なお、第１電極１０８および第２電極１１０は、配管１０２の内壁の表面のみに設けられてもよいし、内壁の内部にまで設けられてもよい。また、第１電極１０８と第２電極１１０との間には、絶縁部１１４が設けられる。絶縁部１１４により、第１電極１０８および第２電極１１０は電気的に絶縁される。

図３Ａに示す第４の例では、配管１０２の内壁における周方向で略１／２の領域に第１電極１０８が敷設され、残りの略１／２の領域に第２電極１１０が敷設されている。第１電極１０８および第２電極１１０は、被処理液の流れる方向に延在している。図３Ｂに示す第５の例では、被処理液の流れる方向に延在する複数の第１電極１０８および複数の第２電極１１０が、配管１０２の内壁の周方向で交互に配列されている。第４の例と第５の例とは、第１電極１０８および第２電極１１０がストライプ状に配列された構造である。第５の例は、第４の例に比べて各電極の面積が小さく、各電極の敷設パターンが緻密である。したがって、第５の例は第４の例に比べて、内径の大きい配管１０２に好適に採用することができる。

図３Ｃに示す第６の例では、第１電極１０８および第２電極１１０がそれぞれ櫛歯形状であり、互いに噛み合うように敷設されている。図３Ｄに示す第７の例では、第１電極１０８および第２電極１１０が螺旋状に敷設されている。

図３Ｅに示す第８の例では、配管１０２の内壁における被処理液の流れる方向で略１／２の領域に第１電極１０８が敷設され、残りの略１／２の領域に第２電極１１０が敷設されている。第１電極１０８および第２電極１１０は、配管１０２の周方向に延在している。図３Ｆに示す第９の例では、配管１０２の周方向に延在する複数の第１電極１０８および複数の第２電極１１０が、被処理液の流れる方向で交互に配列されている。第８の例と第９の例とは、第１電極１０８および第２電極１１０がリング状である。第９の例は、第８の例に比べて各電極の面積が小さく、各電極の敷設パターンが緻密である。したがって、第９の例は第８の例に比べて、被処理液の流れる方向に長い電極部１０４に好適に採用することができる。

以上、本開示の実施の形態について詳細に説明した。前述した実施の形態は、本開示を実施するにあたっての具体例を示したものにすぎない。実施の形態の内容は、本開示の技術的範囲を限定するものではなく、請求の範囲に規定された本開示の思想を逸脱しない範囲において、構成要素の変更、追加、削除等の多くの設計変更が可能である。設計変更が加えられた新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態および変形それぞれの効果をあわせもつ。前述の実施の形態では、このような設計変更が可能な内容に関して、「本実施の形態の」、「本実施の形態では」等の表記を付して強調しているが、そのような表記のない内容でも設計変更が許容される。以上の構成要素の任意の組み合わせも、本開示の態様として有効である。図面の断面に付したハッチングは、ハッチングを付した対象の材質を限定するものではない。

上述した実施の形態に係る発明は、以下に記載する項目によって特定されてもよい。

［項目１］
金属不純物を含有する被処理液を配管（１０２）に流し、
配管（１０２）内を流れる被処理液に電流を流すことを含む、
不純物処理方法。

１塗工装置
２塗工用ダイ
６タンク
１６被塗工体
１００不純物処理装置
１０２配管
１０６電源部
１０８第１電極
１１０第２電極
１１２棒状体

Claims

金属不純物を含有する被処理液が流れる円筒状の配管と、
前記配管内に配置される第１電極および第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に電流を流す電源部と、を備え、
前記第１電極は、前記配管の内壁に配置され、
前記第２電極は、前記配管における円筒の中心を通るように配置された棒状体の外壁に配置され、
前記第１電極と前記第２電極との距離は、前記配管の長さ方向および周方向で一定である、
不純物処理装置。
前記棒状体は、中空体、中実体または筒状メッシュである、
請求項１に記載の不純物処理装置。
前記被処理液は、溶媒および電極活物質を含む電極用スラリーならびに溶媒および導電助剤を含む電極用スラリーの少なくとも一方である、
請求項１または２に記載の不純物処理装置。
前記配管は、被塗工体に前記被処理液を塗布する塗工用ダイおよび前記被処理液を貯留するタンクを備える塗工装置に設けられる、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の不純物処理装置。
金属不純物を含有する被処理液を円筒状の配管に流し、
前記配管内を流れる前記被処理液に電流を流すことを含み、
前記配管内には、第１電極および第２電極が配置され、
前記第１電極は、前記配管の内壁に配置され、
前記第２電極は、前記配管における円筒の中心を通るように配置された棒状体の外壁に配置され、
前記第１電極と前記第２電極との距離は、前記配管の長さ方向および周方向で一定である、
不純物処理方法。