電池材料には、普遍的に最良の混合システムというものはありません。適した技術は、乾式電極粉末、予備混合ないし乾式混合、あるいはすでに溶媒系または水系の電極スラリーのいずれを処理するかによって決定的に異なります。導電性カーボンブラックやCNTのような非常に細かく凝集性のある導電助剤には、狙いを定めた脱凝集が通常最も重要な工程です。一方、活物質、導電助剤、バインダーの最終的な均質化には、定められた投入順序、制御されたエネルギー投入、密閉されたプロセス管理、そして金属汚染からの保護のほうが、最大の混合強度よりも重要であることが多いです。

乾式電極粉末

乾式の正極・負極混合物には、水平作動の強力ミキサー、切替可能な粉砕工具を備えたプラウシェアミキサー、そして制御された対流循環を伴う縦型・コーン型ミキサーを用いることができます。決め手となるのは、チャージ容積全体が繰り返し活発な混合ゾーンに入り、細かい導電助剤の凝集体を狙って解砕できることです。

高せん断方式や流動層方式の強力ミキサーは、導電性カーボンブラックの凝集体を確実に分散させる必要がある場合にとりわけ適しています。これらは高い局所負荷を生み出し、カーボンブラックを活物質の表面に分布させることができます。たとえば正極スラリー製造に関するある産業調査は、活物質とバインダーを均質化し、粗い導電性カーボンブラックの凝集体を解砕するために、中程度の工具回転数での短い乾式混合段階を記述しています。ただし、活物質の粒子形態、結晶構造、望ましい表面を悪化させないよう、必要なせん断強度は狭い範囲に限定しなければなりません。

粉砕・チョッパー工具を備えたプラウシェアミキサーは、より大きなチャージには堅牢な選択肢です。プラウシェアは強い対流循環を生み出す一方、チョッパーは凝集体を狙って解砕する必要がある場合にのみ作動させます。基本混合と局所的に限定した脱凝集をこのように分離することは、チャージ全体が継続的に高い機械的負荷にさらされないという利点があります。摩耗性のある正極材料では、工具や壁面の摩耗が重要な金属異物粒子を生み出しうるため、設備は摩耗が少なく汚染に対応した仕様でなければなりません。

スクリューリボン型やらせん型工具を備えたコーン型・縦型ミキサーは、穏やかな乾式混合、予備混合、そして繊細な活物質の均質化に適しています。これらは比較的小さな機械的負荷のもとで、三次元的な対流的製品運動を提供します。ただし、強く凝集性のあるナノ粒子、CNT、あるいは固い導電性カーボンブラックの凝集体には、単独では十分でないことがあります。そのような場合には、前段階での強力な分散、局所的な強力混合段階、あるいは細かい添加剤への調和した前処理が必要です。

連続式の二軸ミキサーや二軸押出機は、計量、混合作用、滞留時間を精密に制御できる場合、高い処理量において有効なことがあります。これらは密閉されたプロセス管理を提供し、すでに混合された材料の中間保管を減らします。ただし実際の均一性は、重量式計量の精度、滞留時間分布、混合エレメントの設計、原料供給の安定性に大きく依存します。二軸押出機は、混合物をさらにコンパウンド化する、あるいは可塑性・ペースト状にする場合にとりわけ重要ですが、純粋で穏やかな乾式混合には、必ずしも最良の選択とは限りません。

スラリーとペースト

正極・負極スラリーには、プラネタリーミキサー、二重プラネタリーミキサー、プラネタリーディゾルバー、遊星式遠心ミキサーが特に広く用いられています。これらは、巨視的な循環と高い局所せん断作用を組み合わせ、多くの場合真空下で運転できます。真空は巻き込まれた空気を減らし、気泡の少ないコーティングを支えます。プラネタリーミキサーは、導電性カーボンブラックの凝集体を解砕し、強力な混練段階で活物質も処理できるため、電池スラリー向けの確立された解決策とみなされています。

投入順序は、微細構造と電極性能に強い影響を与えます。NMC正極スラリーでは、粉体をバインダー溶液へ段階的に投入する方法（プロセス初期のせん断負荷がそれに応じて低くなる）が、まずすべての粉体を混合してから溶媒を後から加えるプロセスに比べて、ある研究では優れた機械的・電気化学的特性をもたらしました。他の研究では、カーボンブラック、バインダー、NMCの投入順序が、導電ネットワークの分布、活物質粒子への結合、高電流性能に影響することが示されています。したがって、最適な順序は、NMC、NCA、LFP、黒鉛、シリコン・グラファイト、PVDF/NMP、あるいは水系のCMC/SBR系といった各材料系ごとに、実験によって決定しなければなりません。

非常に細かい導電助剤には、前段階での分散工程が有効なことがあります。プラネタリーミキサー単独では、ナノスケールの凝集体を必ずしも完全には解消しないため、活物質を投入する前にカーボンブラックの凝集体を解砕するために、高せん断ミキサーや薄膜分散機が用いられます。したがって、産業上よく用いられるコンセプトは、導電助剤の強力な予備分散と、それに続くプラネタリーによる最終均質化・脱気を組み合わせるものです。

汚染と安全性

すべての電池材料にとって、密閉され、防じん性があり、必要に応じて不活性化可能なシステムが重要です。正極・負極粉体は、水分に敏感、酸化に対して重要、健康に有害、摩耗性、あるいは粉じん爆発性であることがあります。したがってミキサーは、具体的な材料系に合わせて調整すべきです。これには、適した材料選定、摩耗の少ない製品接触面、できる限り少ない製品接触シールと軸受、制御された投入・排出、そして不要な落下高さと振動の回避が含まれます。

特に高純度の正極・負極材料では、金属摩耗を最小化しなければなりません。耐摩耗性の表面、適したセラミックコーティング、低い実効回転数、そして構造上制御された工具・壁面間隔は、金属異物粒子の混入を抑えることができます。計量、篩分け、搬送技術、フィルター、コンテナ、バルブ、保守工具といった周辺機器全体も、汚染コンセプトに含まれます。適性は混合品質だけから導くことはできず、現実的な運転時間の後の元素分析と粒子分析によって検証しなければなりません。

選定基準

導電性カーボンブラックとバインダーを含む乾式正極混合物には、通常、制御された対流的基本混合と狙いを定めた脱凝集の組み合わせが目的にかないます。導電性カーボンブラックの凝集体を解砕する必要がある場合には、チョッパー付きの強力ミキサーやプラウシェアミキサーが適していることがあります。繊細な、あるいは摩耗が重要となる乾式混合物には、導電助剤の予備混合を前段に置いた、穏やかな縦型・コーン型ミキサーのほうが優れた選択となることがあります。黒鉛やシリコン・グラファイトを含む負極材料にも同じ基本原理が当てはまりますが、粒子の敏感性、望ましい表面構造、摩耗リスクを特に慎重に検討しなければなりません。

スラリーには、プラネタリーミキサーとプラネタリーディゾルバーが好まれる解決策であることが多いです。導電性カーボンブラックやCNTの分散が特に難しい場合には、独立した高せん断段階や薄膜段階を前段に置くことができます。連続式の二軸プロセスは、高い処理量、短く狭い滞留時間分布、一定の計量、そして一貫して密閉された生産が求められる場合に興味深い選択肢です。ただし、これには入念なプロセス開発と堅牢な重量式計量が必要です。

混合品質は、単一の総合サンプルだけで判断すべきではありません。関連する検査には、導電助剤とバインダーの分布、凝集体サイズ、粒度分布、スラリーのレオロジーと沈降安定性、残留水分、酸素含有量、金属汚染、そして必要に応じて得られる電極の電気的特性が含まれます。最終的に決定的なのは、均一な混合物だけでなく、再現性のある電極微細構造とそれに由来するセル性能です。