リチウムイオン電池の製造方法を詳しく調べたことがある人なら、おそらく「コーティング材料の分散」という用語が飛び交っているのを聞いたことがあるでしょう。そして、バッテリーコーティング機を使用している（またはそのへの投資を検討している）場合、それは単なる派手な業界用語ではありません。私は 10 年以上バッテリー コーティング装置を販売してきましたが、デモの後、このステップがなぜそれほど重要なのか混乱して、どれだけの潜在的な顧客が私を止めたかわかりません。コーヒーを飲みながら、堅苦しく教科書的な話はせずに、これをかみ砕いてみましょう。
まず、電池の電極におけるコーティング材分散液とは何なのかという基本的なことから始めましょう。簡単に言うと、バッテリーを機能させるためのすべての重要な要素が均一に混合され、液体担体中に懸濁されたものです。標準的なリチウムイオン負極の場合、それは活物質（通常はグラファイト）、導電性添加剤（電子の流れを高めるためのカーボンブラックなど）、バインダー（剥離しないようにすべてを保持する）、および溶媒で構成されます。ほとんどの場合、正極にはNMP（N-メチル-2-ピロリドン）が使用され、より安価で毒性が低いため負極には水が使用されます。カソードの場合、グラファイトをリン酸鉄リチウム (LFP) またはニッケルマンガンコバルト (NMC) に交換し、バインダーを調整しますが、コアの混合物は同じです。固体粒子は液体中に均一に広がり、凝集や分離はありません。
では、なぜこれが単に材料を混ぜること以上に重要なのでしょうか?分散が悪いとコーティングも悪くなります。私は、顧客が混合時間をケチったり、古い機器を使用したりすると何が起こるかを直接見てきました。電極には黒鉛の塊が存在する厚い部分があり、活物質がほとんどない薄い部分があり、さらには何も堆積しない隙間さえあります。最終製品は？充電が遅く、100 サイクル後に容量が減少するバッテリーには、安全上の問題につながる可能性のあるホットスポットが存在します。したがって、分散を適切に行うことが優れたバッテリー コーティング作業の基礎であり、まさにそこに固体バッテリー コーティング機が威力を発揮します。
待ってください。これを実際の機械部品に結び付けましょう。それは私が毎日扱っていることですから。バッテリー塗装機の分散システムは心臓のようなものです。最も精密なコンマコーティング機 (私はこの話をするのが大好きです) や超高精度の UV コーティング機を使用することもできますが、フィードポンプから出てくる分散液が塊状であれば、どんなに優れたアプリケーターでも失敗してしまいます。分散システムの役割は、材料を混合することだけではありません。材料を混合タンクから銅またはアルミ箔上に広げるダイヘッドに至るまで、材料を完全に浮遊状態に保つことです。
プロセスを段階的に説明していきますので、イメージしやすいと思います。まず、原料粉末の重量を量り（ここでの精度は交渉の余地がありません。バインダー濃度が 0.5% 低いと接着力が損なわれる可能性があります）、溶媒とともに混合タンクに投入されます。次に、高速せん断混合が行われ、粉末が静置されたときに形成される小さな粒子の凝集体がすべて破壊されます。次に、真空脱泡ステップが非常に重要です。分散液中に気泡が閉じ込められると、最終コーティングにピンホールが発生し、後で大きな問題になります。それが完了すると、分散液はポンプでメッシュフィルターに送られて残りの塊を捕らえ、コーティングダイに送られます。
私がよく受ける質問は次のとおりです。分散が良好かどうかはどうすればわかりますか?重要なのは、バッチ全体の粘度の均一性と粒子サイズの分布です。バッチの開始時と終了時の粘度をテストする場合、粘度は ±5% 以内である必要があり、それ以上になると、コーティングの厚さは変化します。粒子サイズも同様です。10 ミクロンを超える粒子があると、ダイヘッドに傷がついたり、電極に凹凸ができたりする可能性があります。多くの低価格マシンは継続的な分散監視を省略しているため、生産中にあらゆる種類のダウンタイムが発生します。
ここで、よくある誤解に対処したいと思います。分散はリチウムイオン電池だけのものなのでしょうか?とんでもない。当社は、医療用包帯などに当社のコーティング装置を適応させているお客様とも協力していますが、それは当社の製品ラインのまったく別の側面です (ランダムな方向転換であることは承知しています。お付き合いください)。待ってください、いいえ、実際には、エネルギー貯蔵について話しているときでも、他の種類の電池 (普及し始めている固体電池など) には独自の分散調整が必要になりますが、基本原則は依然として当てはまります。とはいえ、当社の機器はバッテリー専用ではありません。医療用ドレッシング アプリケーターのラインもあり、同様のコーティング技術を使用していますが、ゲルの粘稠度などの分散を調整しています。面白いことに、バッテリーの分散のために私たちが開発した混合および供給技術の多くは、実際に医療材料に非常にうまく機能しており、これは優れたクロスオーバー利点です。
電池の話に戻ります。ここで、サプライヤーとしての当社の専門知識が活かされるため、分散品質に影響を与える機械固有の要因について話しましょう。たとえば、混合インペラの速度: 遅すぎると塊が発生します。速すぎるとバインダーが過度に剪断され、粒子を保持する能力が損なわれてしまいます。だからこそ、当社のバッテリーコーティング機には、トルク監視機能を備えた可変速混合機能が備わっています。何十ものお客様から、古い機械ではバインダーが焼けてしまったり、隙間が残ってしまったりするという声を受けて、私たちはこのような設計をしました。
次にフィードシステムです。ポンプが一貫していない場合、分散液の流量が中間層で変化し、それによって厚さが変化します。当社のパートナーからは、分散液供給用の標準ポンプとギア ポンプの違いについてよく質問されます。ギア ポンプは脈動のない一定の流れを供給するため、ダイヘッド圧力が安定し、分散液が均一に広がるため、はるかに優れています。私は、たとえ初期費用が多少高くても、大量生産にはギア ポンプを使用することを常にお勧めします。ギア ポンプを使用すると、ダウンタイムを大幅に節約でき、後で廃棄することができます。
待ってください。分散をうまく処理するマシンをいくつか挙げてみましょう。それが皆さんの目的ですから。たとえば、当社のコンマコーティング機はリチウムイオン電極で非常に人気があります。コンマブレードのセットアップは分散液と連携して、余分な材料が引きずられることなく滑らかで均一なコーティングを作成します。また、機械に統合された分散液再循環システムにより、長時間の稼働中にタンク内に沈殿物が蓄積することはありません。分散を再混合するために停止することなく 12 時間のシフトを実行できるため、多くの顧客がこれを気に入っています。
また、スロープ フロー コーティング機も備えており、より厚いコーティングを行うのに最適です (より多くの活性物質が必要な大容量アノードを作成する場合など)。スロープフロー設計により、分散液はホイルに当たる前に傾斜した表面をゆっくりと流れ落ち、粒子の沈降を従来の供給システムよりもはるかに防止します。昨年、汎用の機械を使用していた顧客が、厚さのばらつきにより製品の 20% を拒否されました。当社のスロープフローコーティング機に切り替えたところ、不合格率は 3% 未満に低下しました。ワイルドですよね？まさにそれが、適切な分散処理です。
私がいつも目にする間違いについて触れておきたいと思います。それは、他の業界向けに作られたマシンを購入し、バッテリーの分散に合わせて調整しようとすることです。たとえば、UV コーティング機は、電池で使用される濃厚なハイソリッド分散液ではなく、電子機器などの薄くて高速硬化するコーティング用に設計されています。混合システムはまったく異なります。UV コーティング分散液は通常、樹脂と光開始剤だけであり、重い活性粒子は含まれません。タンクを交換するだけで機能することを期待することはできません。そのため、当社では、電極材料に合わせた分散パラメータを使用して、バッテリー専用のコーティング装置をゼロから設計しています。
実用的なので、トラブルシューティングについても説明します。分散に苦労している場合、危険信号は何でしょうか?コーティングに縞模様がある場合は、分散粘度が不安定であるか、気泡が発生している可能性があります。電極が剥がれている場合は、バインダーが均一に混合されていないために接着できなかったか、分散液が薄すぎたかのいずれかです。粒子の塊がある場合は、せん断混合が不十分であるか、フィルターが不良です。多くのお客様が、安価な装置を購入した後にこのような問題を抱えて当社に相談に来られますが、元の設計が基準に達していないために、最終的に分散システムを改造することになります。
では、なぜこれが今これほど大きな問題になっているのか、本当の意味で考えてみたいと思います。バッテリーの需要は急増しており、EV メーカーからグリッドストレージ会社に至るまで、あらゆる企業が生産の高速化、エネルギー密度の向上、コストの削減を求めています。分散プロセスが非効率であれば、これらの目標を達成することはできません。たとえば、分散不良のためにバッチの半分を再混合する必要がある場合、余分な材料の無駄、余分なエネルギーの使用、および時間のロスが発生します。当社の機械は、それを最小限に抑えるように設計されています。当社の分散システムには、混合速度と流量をリアルタイムで調整する閉ループ品質チェックが備わっているため、毎回一貫したバッチが得られます。
待ってください。これが確実に機能するかどうかを確認するために、基本に立ち返ってみましょう。コーティング材料分散液は、バッテリー電極となる原料の混合材料です。均一に広げるためには、均一で安定しており、適切な粘稠度である必要があります。バッテリーコーティング機の仕事は、欠陥を生じさせることなく、その分散液を完璧に混合し、供給し、広げることです。サプライヤーとして、当社は機械を販売するだけではなく、顧客が適切に分散できるよう支援します。これが勝敗を左右するステップだからです。私はいつも新規顧客に言います。分散が良好であれば、戦いの半分は勝ったも同然です。残りは、適切な機械を使用してフォイルに正しく貼り付けることです。
さて、バッテリーコーティングマシンの市場にいるなら、おそらく仕様、価格、サポートを比較しているでしょう。分散に関して当社の装置の特徴を説明しましょう。当社では、工場から出荷される前に、すべての機械の混合および供給システムを実際のバッテリー分散液 (水や単純な混合物ではない) でテストします。つまり、工場に到着した時点で、グラファイト、LFP、NMC など、使用しているものを処理できるようにすでに校正されています。また、お客様のチームがさまざまな分散配合の混合パラメータを調整する方法を確実に理解できるようにするためのオンサイトトレーニングも提供しています。これにより、後で間違いを防ぐことができます。
また、バッテリーの分散が当社の主な焦点である一方で、当社の技術は多用途であることにも言及しておかなければなりません。他のコーティング用途 (エネルギー貯蔵以外のものであっても) に取り組んでいる場合でも、当社にはソリューションがあります。当社は、吸収性素材に優しく均一にコーティングする必要がある医療用ドレッシングアプリケーターや、より厚い基材に対応するシートコーティング機でお客様をサポートしてきました。均一分散という基本原則は業界全体に適用されるため、複数の製品ラインがある場合でも、当社の機械は適応できます。
結局のところ、これを正しく行うための重要な点は、安全性のリスクを減らし、より良いバッテリーをより速く、より少ないコストで製造することです。私はこの問題に長く関わってきて、企業が分散に手を抜き、その代償を後で、製品の不良や高価な修正のいずれかで支払うのを見てきました。だからこそ、私たちは分散品質を優先するようにバッテリーコーティング機を設計しています。分散品質がその後のすべての基礎であることを知っているからです。
一貫性のないコーティング、高いスクラップ率、または生産目標を達成できない機械に対処することにうんざりしている場合は、ご相談ください。当社では、さまざまなモデルを説明し、特定の材料の分散をどのように処理するかを示し、実際の動作を確認できるようにデモを手配することもできます。プレッシャーや売り込みは一切ありません。あなたのような電池メーカーと長年協力してきたことに基づいた正直なアドバイスだけです。
参考文献
- リー、J.ら。 （2020年）。 「リチウムイオン電池電極コーティングの分散技術の最近の進歩」電源ジャーナル、vol. 468、p. 228385。
- Zhang、Y.ら。 （2022年）。 「分散均一性がリチウムイオン電池電極の性能に及ぼす影響」バッテリーとスーパーキャパシタ、vol. 5、いいえ。 10、p. e202200187。
- ヨーロッパ電池同盟。 （2021年）。 「バッテリー電極コーティングプロセスの最適化に関するガイドライン」。 EBAテクニカルレポート、ブリュッセル。
- Wang、H.ら。 （2019年）。 「電池コーティングにおける欠陥防止: 分散品質の役割」エネルギーと燃焼科学の進歩、vol. 73、1-31ページ。
