JP7845867B2 - 電池用スラリーの製造装置および製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電池用のスラリー、つまり電池の正極、負極、電解質等の材料となるスラリー、を製造するための装置および方法に関する。

近年は、二酸化炭素の排出を低減して地球環境上の悪影響を低減する等の観点から、ＥＶやＨＥＶ等の電動車両の普及が進んでいる。そのことから、電動車両等に搭載する電池の開発が急がれており、電池用のスラリーを高品質で製造する技術が重要となる。

特開２０２０－１２９４７２号公報

電池用のスラリーを高品質で製造するためには、スラリーを構成する各物質の分散状態の最適化、具体的には、活物質、固体電解質、バインダー、導電助剤、溶媒、添加剤等の分散状態の最適化、が求められる。最適化されていないと、完成した電池において、想定していた電気性能が発揮されず、想定していた初期性能や耐久性が発揮されないおそれがあるからである。そのことから、スラリーの攪拌途中において、スラリーの状態を詳細に把握することが求められる。

しかしながら、電池用のスラリーには、例えば硫黄系の固体電解質等のように、大気との接触を嫌うものが含まれる場合がある。そのため、攪拌途中においてスラリーを攪拌槽から取り出して、スラリーの状態を確認することは難しい。

そのため、従来は、スラリー攪拌中におけるトルク、粘度、温度、目視等に基づいて、スラリーの状態を推定していた。そのため、スラリーの状態を詳細に把握することは困難であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、攪拌途中のスラリーの状態を、大気に曝されない大気非暴露で且つ精度良く検出できるようにすることを目的とする。

本発明者らは、攪拌槽と観察容器との間でスラリーを大気非暴露で循環させると共に、観察容器内のスラリーにＸ線を照射してスラリーの状態を検出するようにすれば、攪拌途中のスラリーの状態を、大気非暴露で且つ精度良く観察できることを見出し、本発明に至った。本発明は、以下の（１）～（４）の製造装置、および（５）の製造方法である。

（１）電池用のスラリーを、大気に曝されない大気非暴露で格納する攪拌槽と、
前記攪拌槽内のスラリーを攪拌する攪拌装置と、
前記攪拌槽に連結されている観察容器と、
前記攪拌槽と前記観察容器との間で前記スラリーを前記大気非暴露で循環させる循環装置と、
前記観察容器内のスラリーに、Ｘ線を照射すると共に前記スラリーを透過した前記Ｘ線を検出することにより、前記スラリーの状態を検出する検出装置と、
を有する電池用スラリーの製造装置。

本構成によれば、攪拌槽と観察容器との間でスラリーを、大気非暴露で循環させると共に、観察容器内のスラリーにＸ線を照射することにより、攪拌途中のスラリーの状態を大気非暴露で検出できる。しかも、Ｘ線によりスラリーの状態を検出するため、スラリー攪拌中におけるトルク、粘度、温度、目視等に基づいて、スラリーの状態を推定する場合に比べて、スラリーの状態を精度良く検出できる。以上により、攪拌途中のスラリーの状態を、大気非暴露で且つ精度良く検出できる。

（２）前記観察容器の内側は、前記スラリーの循環方向に進むに従い縮径するテーパー状に形成されている、
前記（１）に記載の電池用スラリーの製造装置。

本構成によれば、観察容器の内側がテーパー状に縮径するため、スラリーの状態を解析する際には、観察容器におけるＸ線解像度が良好な内径部分を選択できる。そのため、高解像度でスラリーの状態を検出できる。

（３）前記検出装置は、Ｘ線を照射および検出する本体部と、前記本体部および前記観察容器のうちの一方に対して他方を相対回転させる回転装置とを有し、
前記検出装置は、前記回転装置と前記本体部との共働により、前記観察容器内のスラリーに対して、互いに異なる複数角度からＸ線を照射して、前記複数角度から前記スラリーの状態を検出し、
検出された前記複数角度からの前記スラリーの状態に基づいて、前記スラリーの３次元解析を行う３次元解析装置を有する、前記（１）又は（２）に記載の電池用スラリーの製造装置。

本構成によれば、３次元解析に基づいて、スラリーの状態をより精度良く把握できる。

（４）前記３次元解析の結果に基づいて、前記スラリーの攪拌を終了するタイミングを決定する攪拌制御装置を有する、前記（３）に記載の電池用スラリーの製造装置。

本構成によれば、３次元解析の結果に基づいてスラリーの攪拌終了タイミングを決定することにより、適切なタイミングで過不足なく攪拌を終了し易くなる。

（５）大気に曝されない大気非暴露で攪拌槽内に格納されたスラリーを攪拌する攪拌工程と、
前記攪拌工程の途中において、前記攪拌槽と観察容器との間で前記スラリーを前記大気非暴露で循環させる循環工程と、
前記循環により前記攪拌槽から前記観察容器に流入した前記スラリーに、Ｘ線を照射すると共に前記スラリーを透過した前記Ｘ線を検出することにより、前記スラリーの状態を検出する検出工程と、
を有する電池用スラリーの製造方法。

本方法によっても、前記（１）の装置と同様、攪拌途中のスラリーの状態を、大気非暴露で且つ精度良く検出できる。

以上、前記（１）の装置および前記（５）の方法によれば、攪拌途中のスラリーの状態を、大気非暴露で且つ精度良く検出できる。さらに、前記（１）を引用する前記（２）～（４）の構成によれば、それぞれの追加の効果が得られる。

第１実施形態の電池用スラリーの製造装置を示す図である。 観察容器および検出装置を示す図である。 スラリーの３次元画像の一例を示す図である。 スラリーの外周部の解析のイメージを示す図である。 外周部の解析結果のイメージを示す図である。 スラリーの中心部の解析のイメージを示す図である。 中心部の解析結果のイメージを示す図である。 電池用スラリーの製造方法を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して実施できる。

［第１実施形態］
図１は、本実施形態の電池用のスラリーＳＬの製造装置１００を示す図である。製造装置１００は、攪拌装置１０と攪拌槽２０と観察容器３０と循環装置４０と検出装置５０と３次元解析装置６０と攪拌制御装置７０とを有する。

スラリーＳＬは、例えば、活物質、バインダー、導電助剤、溶媒、添加剤等を含有すると共に、硫黄系の固体電解質等の大気との接触を嫌う物質を含有している。そのため、スラリーＳＬは、大気に曝されない大気非暴露で取り扱う必要がある。

攪拌槽２０は、スラリーＳＬを大気非暴露で格納する。攪拌装置１０は、攪拌槽２０内のスラリーＳＬを攪拌する装置であって、攪拌制御装置７０により制御される。攪拌槽２０の内側には、スラリーＳＬを加熱するためのヒータ２５が設けられている。観察容器３０は、円筒状の容器であり、循環装置４０により攪拌槽２０に連結されている。

循環装置４０は、流入配管４１と流入バルブ４２と接続配管４３とポンプ４４と流出配管４５と流出バルブ４６とを有する。流入配管４１は、一端が攪拌槽２０に接続され、他端が観察容器３０の一端に接続されている。流入バルブ４２は、流入配管４１の中間部分に設けられており、流入配管４１を開閉する。接続配管４３は、一端が、観察容器３０における流入配管４１が接続されている側とは反対側の端に接続されており、他端がポンプ４４における吸引口に接続されている。流出配管４５は、一端が、ポンプ４４における吐出口に接続されており、他端が攪拌槽２０に接続されている。流出バルブ４６は、流出配管４５の中間部分に設けられており、流出配管４５を開閉する。

以下、流入バルブ４２および流出バルブ４６をまとめて、「バルブ４２，４６」という。循環装置４０は、バルブ４２，４６を開いてから、ポンプ４４を稼働させることにより、スラリーＳＬを攪拌槽２０と観察容器３０との間で、大気非暴露で循環させる。

図２は、観察容器３０および検出装置５０を示す図である。以下、スラリーＳＬを循環させる方向を、単に「循環方向」という。観察容器３０の内側は、循環方向に進むに従い縮径するテーパー状に形成されている。観察容器３０の平均内径は、７ｍｍ程度である。

検出装置５０は、本体部５３と回転装置５７とを有し、本体部５３は、照射部５１と検出部５２とを有する。照射部５１は、観察容器３０内のスラリーＳＬにＸ線を照射する。検出部５２は、スラリーＳＬを透過したＸ線を検出することにより、スラリーＳＬの状態を検出する。

回転装置５７は、本体部５３および観察容器３０のうちの一方に対して他方を、循環方向を軸に相対回転させる。具体的には、本実施形態では、本体部５３が固定であり、回転装置５７は、観察容器３０を回転させる。ただし、これに代えて、観察容器３０を固定にして、回転装置５７により観察容器３０を回転させるようにしてもよい。

検出装置５０は、回転装置５７により観察容器３０を所定角度回転させてから、本体部５３によりスラリーＳＬの状態を検出する、といった一連の回転装置５７と本体部５３とによる共働動作を、繰り返し行う。それにより、検出装置５０は、観察容器３０内のスラリーＳＬに対して、互いに異なる複数角度からＸ線を照射して、複数角度からスラリーＳＬの状態を検出する。

図１に示すように、３次元解析装置６０は、画像作成部６１と画像解析部６２とを有する。画像作成部６１は、検出された複数角度からのスラリーＳＬの状態に基づいて３次元画像を作成する。画像解析部６２は、作成された３次元画像に基づいて、スラリーＳＬの状態を解析する。攪拌制御装置７０は、解析結果に基づいて、スラリーＳＬの攪拌を終了するか否かを判定する。

次に、図３～図７を参照しつつ、３次元解析装置６０による解析について、説明する。

図３は、画像作成部６１により作成されたスラリーＳＬの３次元画像の一例を示す図である。ここでは、スラリーＳＬに活物質Ｐが含まれている。以下、観察容器３０内のスラリーＳＬにおける中心線およびその付近の領域を「中心部Ａｃ」といい、中心部Ａｃよりも外周側の領域を「外周部Ａｏ」という。具体的には、中心部Ａｃおよび外周部Ａｏは、スラリーＳＬを循環方向に直交する面で切った各断面において、それぞれ４５％ずつの面積を占めている。

図４は、画像解析部６２による外周部Ａｏの解析のイメージを示す図である。具体的には、外周部Ａｏにおいて検出された活物質Ｐの重心どうしを直線で結んだメッシュを、循環方向に見た図である。よって、メッシュの交点は、活物質Ｐの存在を示しており、交点どうしの３次元での間隔は、活物質Ｐどうしの重心間距離Ｄを示している。

図５は、画像解析部６２による外周部Ａｏの解析結果のイメージを示す図であり、外周部Ａｏにおける重心間距離Ｄの分布を示している。具体的には、図５の横軸は、重心間距離Ｄを示しており、縦軸は、当該重心間距離Ｄに属する活物質Ｐの数を示している。

図６は、画像解析部６２による中心部Ａｃの解析のイメージを示す図である。具体的には、中心部Ａｃにおいて検出された活物質Ｐの重心どうしを直線で結んだメッシュを、循環方向に見た図である。図７は、画像解析部６２による中心部Ａｃの解析結果のイメージを示す図であり、中心部Ａｃにおける重心間距離Ｄの分布を示している。

図５と図７との比較からは、外周部Ａｏの方が中心部Ａｃよりも重心間距離Ｄの偏りが大きいことが分かる。この場合には、攪拌制御装置７０は、スラリーＳＬの状態が目標状態に達しておらず、スラリーＳＬの攪拌が不十分であるとして、スラリーＳＬの攪拌を継続する。他方、外周部Ａｏと中心部Ａｃとの間で、重心間距離Ｄの分布にさほどの違いがみられない場合には、スラリーＳＬの状態が目標状態に達しており、スラリーＳＬの攪拌が十分であるとして、攪拌制御装置７０は、スラリーＳＬの攪拌を終了する。

図８は、以上に示した製造装置１００を用いて行う電池用のスラリーＳＬの製造方法を示すフローチャートである。なお、以下において、数字の前に示す「Ｓ」は、「ステップ」の略である。

まず、Ｓ１１において、作業者等が、スラリーＳＬを大気非暴露で攪拌槽２０に投入すると共に製造装置１００の攪拌開始ボタンを押すことにより、スラリーＳＬの攪拌を開始させる。

次にＳ１１の後に行う攪拌工程としてのＳ２１，Ｓ２２について説明する。まずＳ２１で、攪拌制御装置７０が攪拌条件を設定する。具体的には、例えばフローにおける初回のＳ２１では、所定の攪拌条件を設定し、２回目以降のＳ２１で当該攪拌条件を順次更新していく。次にＳ２２で、攪拌制御装置７０が、設定されている攪拌条件に基づいて攪拌装置１０を制御することにより攪拌を行う。

次にＳ２２の後に行う循環工程としてのＳ４１，Ｓ４２について説明する。まずＳ４１で、循環装置４０がバルブ４２，４６を開く。次にＳ４２で、循環装置４０がポンプ４４を作動させて、攪拌槽２０内のスラリーＳＬを観察容器３０内に導き入れる。次にＳ４３で、循環装置４０がバルブ４２，４６を閉じる。

次にＳ４３の後に行う検出工程としてのＳ５１について説明する。Ｓ５１では、回転装置５７と本体部５３とが前述の共働動作を行うことにより、複数角度から観察容器３０内のスラリーＳＬの状態を検出する。

次にＳ５１の後に行う解析工程としてのＳ６１，Ｓ６２について説明する。まず、Ｓ６１で、検出されている複数角度からのスラリーＳＬの状態に基づいて、画像作成部６１が３次元画像を作成する。次に、作成された３次元画像に基づいて、Ｓ６２で画像解析部６２が、スラリーＳＬの現在の状態、すなわち重心間距離Ｄの分布を解析する。

次にＳ６２の後に行う攪拌制御工程としてのＳ７１～Ｓ７３について説明する。まず、Ｓ７１で攪拌制御装置７０が、過去の電池テスト結果、原料データ、攪拌状態情報などの３次元画像以外の情報に基づいて、スラリーＳＬの目標状態を設定する。

次にＳ７２で、攪拌制御装置７０が、現在のスラリーＳＬの状態、つまり重心間距離Ｄの分布、が目標状態に達しているか否か判定する。否定判定した場合、Ｓ１１に戻り、攪拌条件を再設定する。具体的には、例えば、現在のスラリーＳＬの状態と目標状態との乖離が小さいほど攪拌トルクが小さくなるように、攪拌条件を再設定する。他方、Ｓ７２で肯定判定した場合、Ｓ７３に進み攪拌を終了する。

Ｓ７３の後のＳ８１では、作業者等が、完成した電池用のスラリーＳＬを、大気非暴露で攪拌槽２０から取り出す。以上により、フローが終了する。

以下に本実施形態の効果をまとめる。循環装置４０は、攪拌槽２０と観察容器３０との間でスラリーＳＬを大気非暴露で循環させる。検出装置５０は、観察容器３０内のスラリーＳＬに、Ｘ線を照射すると共にスラリーＳＬを透過したＸ線を検出することにより、スラリーＳＬの状態を検出する。そのため、攪拌途中のスラリーＳＬの状態を大気非暴露で検出できる。しかも、Ｘ線によりスラリーＳＬの状態を検出するため、スラリー攪拌中におけるトルク、粘度、温度、目視等に基づいて、スラリーＳＬの状態を推定する場合に比べて、スラリーＳＬの状態を精度良く検出できる。以上により、攪拌途中のスラリーＳＬの状態を、大気非暴露で且つ精度良く検出できる。

しかも、観察容器３０の内側は、循環方向に進むに従い縮径するテーパー状に形成されている。そのため、スラリーＳＬの状態を解析する際には、観察容器３０におけるＸ線解像度が良好な内径部分を選択できる。そのため、高解像度でスラリーＳＬの状態を検出できる。

しかも、検出装置５０は、複数角度からスラリーＳＬの状態を検出し、３次元解析装置６０は、当該複数角度からのスラリーＳＬの状態に基づいて、スラリーＳＬの３次元解析を行う。その３次元解析により、スラリーＳＬの状態をより精度良く把握できる。

しかも、攪拌制御装置７０は、３次元解析の結果に基づいて、スラリーＳＬの攪拌を終了するタイミングを決定する。そのため、適切なタイミングで過不足なく攪拌を終了し易くなる。

１０ 攪拌装置
２０ 攪拌槽
３０ 観察容器
４０ 循環装置
５０ 検出装置
５３ 本体部
５７ 回転装置
６０ ３次元解析装置
７０ 攪拌制御装置
１００ 電池用スラリーの製造装置
ＳＬ スラリー

Claims (5)

1. 電池用のスラリーを、大気に曝されない大気非暴露で格納する攪拌槽と、
   前記攪拌槽内のスラリーを攪拌する攪拌装置と、
   前記攪拌槽に連結されている観察容器と、
   前記攪拌槽と前記観察容器との間で前記スラリーを前記大気非暴露で循環させる循環装置と、
   前記観察容器内のスラリーに、Ｘ線を照射すると共に前記スラリーを透過した前記Ｘ線を検出することにより、前記スラリーの状態を検出する検出装置と、を有し、
   前記観察容器の内側は、前記スラリーの循環方向に進むに従い縮径するテーパー状に形成されている、
   電池用スラリーの製造装置。
2. 前記検出装置は、Ｘ線を照射および検出する本体部と、前記本体部および前記観察容器のうちの一方に対して他方を相対回転させる回転装置とを有し、
   前記検出装置は、前記回転装置と前記本体部との共働により、前記観察容器内のスラリーに対して、互いに異なる複数角度からＸ線を照射して、前記複数角度から前記スラリーの状態を検出し、
   検出された前記複数角度からの前記スラリーの状態に基づいて、前記スラリーの３次元解析を行う３次元解析装置を有する、請求項１に記載の電池用スラリーの製造装置。
3. 電池用のスラリーを、大気に曝されない大気非暴露で格納する攪拌槽と、
   前記攪拌槽内のスラリーを攪拌する攪拌装置と、
   前記攪拌槽に連結されているスラリー観察用の観察容器と、
   前記攪拌槽と前記観察容器との間で前記スラリーを前記大気非暴露で循環させる循環装置と、
   前記観察容器内のスラリーに、Ｘ線を照射すると共に前記スラリーを透過した前記Ｘ線を検出することにより、前記スラリーの状態を検出する検出装置と、を有し、
   前記検出装置は、Ｘ線を照射および検出する本体部と、前記本体部および前記観察容器のうちの一方に対して他方を相対回転させる回転装置とを有し、
   前記検出装置は、前記回転装置と前記本体部との共働により、前記観察容器内のスラリーに対して、互いに異なる複数角度からＸ線を照射して、前記複数角度から前記スラリーの状態を検出し、
   検出された前記複数角度からの前記スラリーの状態に基づいて、前記スラリーの３次元解析を行う３次元解析装置を有する、電池用スラリーの製造装置。
4. 前記３次元解析の結果に基づいて、前記スラリーの攪拌を終了するタイミングを決定する攪拌制御装置を有する、請求項２又は３に記載の電池用スラリーの製造装置。
5. 大気に曝されない大気非暴露で攪拌槽内に格納されたスラリーを攪拌する攪拌工程と、
   前記攪拌工程の途中において、前記攪拌槽と観察容器との間で前記スラリーを前記大気非暴露で循環させる循環工程と、
   前記循環により前記攪拌槽から前記観察容器に流入した前記スラリーに、Ｘ線を照射すると共に前記スラリーを透過した前記Ｘ線を検出することにより、前記スラリーの状態を検出する検出工程と、を有し、
   前記観察容器の内側は、前記スラリーの循環方向に進むに従い縮径するテーパー状に形成されている、
   電池用スラリーの製造方法。