バッテリー研究開発用乾式電極フィルム成形機

バッテリー研究開発用乾式電極フィルム成形機 | TOB-HRPE200-3AL

製品概要と理想的な用途

乾式電極フィルム成形機（加熱ローラープレスまたはカレンダーとも呼ばれます）は、活物質、導電性カーボン、フィブリル化可能なバインダー（通常はPTFE）からなる流動性のある粉末混合物を、溶媒、スラリー混合、長時間の乾燥工程を使用せずに、自己支持型の電極フィルムへ直接変換します。TOB-HRPE200-3ALは、この溶媒フリー電極製造プロセス向けに特別設計された、卓上型からパイロットスケール対応の装置です。制御された温度と高精度に調整可能なロール間圧力を適用し、粉末を緻密化およびフィブリル化して連続フィルムを形成します。このフィルムは集電体へ直接ラミネートでき、電極製造工程を大幅に簡素化します。

本機は、ハードクロムめっきによって表面硬度HRC62を実現した、2本の高精度研削鋼ローラー（Ø96 mm）を採用しています。クロム層は電極粉末による摩耗を防ぐだけでなく、周囲環境で保管する際の錆の発生も防止します。これは多忙な研究室において実用的な利点です。ローラーは室温から130℃まで内部加熱され、各ローラーは独立制御され、デジタル表示されます。温度均一性は重要です。PTFEバインダーを通常60℃～120℃のフィブリル化温度まで加熱する必要がある一方、活物質が劣化するほど温度を上げすぎないことが求められるためです。ローラーの円筒度≤±2 µmにより、ロール間隙、ひいてはフィルム厚さが200 mmの全作業幅にわたって均一になります。

適しています：

• リチウムイオン電池、ナトリウムイオン電池、全固体電池向けの溶媒フリー（乾式）電極製造プロセスを開発するバッテリー研究開発グループおよびパイロットライン。
• NMC、LFP、グラファイト、ハードカーボン、またはシリコン系活物質と組み合わせたPTFEやその他のフィブリル化可能なバインダーのフィブリル化挙動を研究する研究者。
• 有毒なNMP溶媒の排除、エネルギー集約型乾燥工程の削減、工場設置面積の低減を目的として乾式電極技術を評価するメーカー。
• コインセル、単層パウチセル、小型円筒型セル試験用に、均一で厚さ制御されたフィルムを製造するためのコンパクトで計測機能を備えたローラープレスを必要とする材料科学者。
• 手動油圧プレスで乾式電極加工を試みたものの、工程が不安定で制御性が低く、スケールアップに適さないと感じたあらゆる研究室。

乾式電極加工が初めてで、カソード粉末とPTFEバインダーに対して、どのローラー温度や速度比から始めればよいかわからない場合は、当社の乾式プロセスエンジニアにお問い合わせください。材料特性を機械パラメータへ変換するお手伝いをします。

乾式電極製造における本機の位置づけ

従来のリチウムイオン電池電極は、湿式プロセスで製造されます。活物質粉末、カーボン、バインダーをNMP（カソード用）または水（アノード用）と混合してスラリー化し、金属箔へ塗布した後、長時間の乾燥炉を通して溶媒を除去し、その後カレンダー処理を行います。この工程は大量のエネルギーを消費し、溶媒回収システムを必要とし、水と反応する一部の材料（例：金属リチウムやナトリウム）の使用を制限します。

乾式電極加工では溶媒を完全に排除します。一般的な工程は以下の通りです：

1. 乾式混合：活物質、導電性カーボン、PTFE粉末を高せん断乾式ミキサーで均一に混合します。混合中にPTFE粒子は微細なフィブリルへ引き伸ばされ、粉末を結合する網状構造を形成します。
2. フィルム成形（TOB-HRPE200-3ALの役割）：流動性のある粉末はTOB-HRPE200-3ALの加熱された逆回転ローラー対の間へ供給されます。熱、圧力、せん断の組み合わせにより、PTFEのフィブリル化がさらに進み、粉末は制御された厚さの連続した自己支持型フィルムへ圧縮されます。ローラーは独立して調整可能な速度（0～1 rev/s）で回転し、緻密化を促進するせん断成分を付与できます。
3. ラミネーション：形成された乾式フィルムは、次のカレンダー工程で集電体（アルミニウムまたは銅箔）へ直接ラミネートされます。または、箔を粉末と一緒に供給することで同じ機械内でも処理できます。これにより完成した電極シートが製造されます。
4. スリット／切断：内蔵スリットナイフがフィルム端部を所定幅にトリミングし、巻取り機構が完成したフィルムまたは電極を、さらなる加工用に3インチエアシャフトへ巻き取ります。

TOB-HRPE200-3ALは、連続運転において工程2および工程3の一部（集電体を粉末と一緒に供給する場合）、さらに工程4を実行します。溶媒を使用しないため、乾燥炉、溶媒回収、低速湿式フィルム乾燥時に発生するバインダー移動欠陥がありません。フィルム厚さの均一性はロール間隙の精度によって直接決まり、本機では電子ダイヤルゲージによってデジタル制御・表示されます。

加熱ローラープレスとフィルム成形プロセスの仕組み

TOB-HRPE200-3ALは、IFU（スウェーデン）製の高精度ベアリングに取り付けられた、Ø96 mmの高精度研削鋼ローラー2本を中心に構成されています。各ローラーは電気カートリッジシステムによって内部加熱され、Autonicsデジタル温度コントローラーにより個別に温度設定されます。ローラー表面には硬質クロムめっきが施され、硬度HRC62を実現しています。これにより、滑らかで耐摩耗性の高い表面が得られ、粉末付着を最小限に抑え、腐食にも耐性があります。

駆動および速度比制御

2台のサーボモーター（Inovance）がローラーを独立駆動します。これは重要な設計上の特徴です。単純なギア式カレンダーとは異なり、TOB-HRPE200-3ALではローラーを異なる速度で動作させることができ、ニップ領域に制御されたせん断場を形成できます。乾式電極粉末では、小さな速度差（例：5～15％）によって追加のせん断が加わり、PTFEのフィブリル化を促進し、より緻密で一体性の高いフィルムを生成します。各ローラー速度はPLCにより0～1回転/秒の範囲で調整でき、Weintekタッチスクリーンに表示されます。回転方向も個別に設定できます。

ロール間隙調整と厚さ制御

2本のローラー間の隙間、つまりフィルム厚さは、ステッピングモーター駆動の自動ギャップ調整機構（Leadshineステッピングモーター）により0～2 mmの範囲で調整されます。この機構は優れた自己ロック性能を備えており、圧縮粉末によって発生する大きな分離力の下でも、圧延中に隙間がずれることはありません。実際のギャップは電子デジタルダイヤルゲージに表示され、オペレーターへミクロンレベルのフィードバックを提供します。ローラー円筒度≤±2 µmにより、ローラー中央部で測定されたギャップが200 mm全作業幅にわたるギャップを代表することが保証されます。これは卓上型機械としては非常に厳しい仕様であり、優れたフィルム厚さ均一性に直接つながります。

巻取り、巻出し、スリット

本機には、ウェブの正確な位置合わせを維持する巻取り・巻出し補正機構が搭載されています。集電体箔または成形済みフィルムをニップ部へ供給する場合、コンベアベルト補助供給付き巻出し装置により、しわのない投入が可能です。フィルムがニップ部を通過した後、内蔵スリットナイフが端部を所定幅にトリミングし、完成フィルムは3インチエアシャフトへ巻き取られます（最大ロール径200 mm）。これにより、粉末投入からトリミング済み電極フィルム排出までの真の連続運転が可能になります。

PLCおよび制御アーキテクチャ

機械全体は、WeintekタッチスクリーンHMIを介してPLC（InovanceまたはPanasonic）によって制御されます。オペレーターは1つの画面上でローラー温度、ローラー速度（および速度比）、ギャップ、巻取り張力を設定します。PLCはサーボドライブ、ステッピングギャップモーター、巻取り／巻戻しモーターを協調制御し、温度コントローラー、ソリッドステートリレー（Yangming）、および回路保護装置（Chint）を監視します。Izumiリレーは制御回路の信号レベル絶縁を提供します。

乾式電極加工における主な技術的利点

1. 独立ローラー加熱および高精度温度制御（室温～130 °C）— PTFEのフィブリル化は温度に大きく依存します。ローラー温度が低すぎる場合、PTFE粒子は十分に軟化せず、フィルムの機械的強度が不足します。温度が高すぎる場合、活物質が分解し始める可能性があり、またはPTFEが過度にフィブリル化して空隙率を失う可能性があります。TOB-HRPE200-3ALのデュアルゾーンデジタル温度制御（韓国Autonics製）により、オペレーターは各ローラーを正確かつ個別に設定した温度に維持でき、材料が必要な正確な熱プロファイルを受けることを保証します。
2. 高密度化を向上させる調整可能な速度比による非同期ローラー回転 —各ローラーの独立サーボドライブにより、速度差（例：上部ローラー0.9 rev/s、下部ローラー1.0 rev/s）を設定できます。これによりせん断成分が導入され、PTFEフィブリルが物理的に伸長され、圧延方向に配向されます。その結果、同一速度のローラー間で圧延されたフィルムと比較して、引張強度が高く、取り扱い性に優れたフィルムが得られます。0～1 rev/sの速度範囲は、穏やかな初期圧縮から高せん断仕上げまで対応します。
3. HRC62硬質クロムローラー表面（円筒度≤ ±2 µm）—硬質クロムめっきはローラー寿命を延ばすだけでなく、粉末の付着を低減する滑らかで低摩擦の表面を提供します。乾式材料向けに指定された表面粗さRa 0.8 µm（湿式材料ではオプションでRa 0.4 µm）は、フィルムの剥離性と粉末をニップ部へ引き込むために必要な摩擦の適切なバランスを実現するよう選定されています。極めて高精度な円筒度により、フィルム厚さのばらつきは機械ではなく粉末供給特性によって決まります。
4. 電子デジタル表示およびセルフロック機能付きステッピング駆動自動ギャップ調整—ギャップは手動のすき間ゲージや単純な機械式ねじによって設定されません。ステッピングモーター（Leadshine）がローラーをミクロンレベルの分解能で位置決めし、その位置はデジタル表示されます。セルフロック設計により、高密度電極フィルムの分離力がかかった状態でも設定ギャップが維持されます。この再現性は、同じ厚さと空隙率を持つ複数バッチの電極フィルムを製造するために不可欠であり、1人のオペレーターが数秒でフィルム厚さを切り替えることを可能にします。
5. 連続運転のための統合スリット加工および巻取り—多くの実験室用カレンダー装置では、シートを製造した後に手作業で切断・回収する必要があります。TOB-HRPE200-3ALには、カレンダー加工直後にフィルム端部をトリミングするスリットナイフと、完成品を3インチコアへ巻き取る巻取り機構が搭載されています。巻取り補正機構と補助コンベアベルト供給により、巻取り中もフィルムは中央位置を保ち、しわの発生を防ぎます。この装置により、卓上スケールで真のロール・ツー・ロール乾式電極プロセスを実現できます。
6. 産業グレード部品を使用したコンパクトなPLC制御設計—加熱、サーボ駆動、ギャップ制御、スリット加工、巻取りという包括的な機能を備えながら、この装置の設置面積はわずかL1100 × W770 × H1300 mmです。ブランド部品（Inovance/Panasonic PLC、Weintek HMI、IFUベアリング、Chint電気部品、Autonicsコントローラー）の採用により、信頼性と長期的な部品供給性を確保しています。350 kgの重量は精密作業に十分な安定性を提供しながら、パレットジャッキで移動可能な範囲に収まっています。

完全な技術仕様

以下の仕様はメーカーが提供した内容と完全に一致し、各機械について検証されています。数値は一切変更されていません。

主要構成ブランド：

操作・保守および安全ガイドライン

以下の保守手順および安全上の注意事項は、長期間の使用寿命と作業者の安全を確保するために、メーカーが推奨するものです。

保守方法

1. 使用前には毎回、両方のローラー表面をアルコールを含ませた柔らかい布で丁寧に拭き、清潔さを維持するとともに、粉末バッチ間の相互汚染を防止してください。
2. 歯車機構の可動部にオイルを注油し、滑らかな動作を維持して摩耗を防止してください。
3. ほこりがベアリング内部に入り込み、精度に影響を与えるのを防ぐため、機械付近のエアポンプによる送風を停止してください。
4. 機械を長期間使用しない場合は、ローラー表面をきれいに拭き取り、防錆油を噴霧して腐食を防止してください。
5. すべてのねじ、ナット、ピン、その他の締結部品を定期的に点検し、緩みを防止してください。緩みは品質不良や人身事故につながる可能性があります。
6. ロール間隔を調整する際は、他の部品の損傷を避けるため、両側を均等に調整してください。調整後は、生産中の偶発的な損傷を防ぐため、ダイヤルゲージを取り外すことができます。

安全上の注意事項

1. 運転中は、手やその他の身体部分を圧延機および歯車伝達装置の危険区域に入れることを厳禁とします。偶発的なけがを防ぐため、2人以上で同時に機械を操作することはできません。歯車伝達部品には保護カバーと危険表示が装備されています。
2. ローラーを拭く際は、作業面の後方に立ち、衣服や手が巻き込まれて人身事故や機械の損傷を引き起こすことを防止してください。
3. 回転機械を拭く際に手袋を着用することは厳禁です。
4. 作業者は身体に密着した衣服を着用してください。長髪の方は作業帽を着用してください。
5. 許可されていない人員が設備を分解または調整することは禁止されています。
6. 許可なく回路部品を取り外さないでください。
7. ステンレス製カバーは運転中に高温になる可能性があります。素手で直接触れないでください。

比較：TOB-HRPE200-3AL と乾式電極フィルム成形用手動油圧プレス

乾式電極研究者が専用ローラープレスに投資する理由：

油圧プレスで乾式電極粉末を手作業で圧延することは、本質的に試行錯誤のプロセスです。厚さは不均一で、温度は制御できず、各シートの製造には数分かかります。統計的に有意なコインセルのセットを作製するため、または乾式電極プロセスがスケールアップ可能であることを実証するために十分な電極材料が必要な場合、連続加熱ローラープレスは不可欠になります。TOB-HRPE200-3ALは、ビーカー規模で成功した粉末配合と、信頼性のあるパイロット規模の電極製造実証との間にある不足していた橋渡しを提供します。

技術FAQ — 乾式電極フィルム成形

Q1：この装置に対応するバインダーシステムは何ですか？PTFEに限定されていますか？

本装置は非鉄材料向けに設計されています。乾式電極加工で最も一般的に使用されるフィブリル化可能なバインダーはPTFEですが、TOB-HRPE200-3ALは、130 °Cの温度制限内で軟化する他の熱可塑性バインダー（例：PVDF、PEO）を含む粉末も処理できます。重要な要件は、粉末混合物がローラーのニップ部へ供給できる程度に十分な流動性を持つことです。調整可能な速度比とギャップにより、異なるバインダーシステムに合わせた最適化が可能です。

Q2：特定の正極粉末とバインダーの組み合わせに対して、適切なローラー温度と速度比をどのように決定しますか？

まず手動プレスで少量のバッチを処理し、バインダーの軟化温度を確認します（通常、PTFEでは70–100 °C）。その温度で両方のローラーを最初は同じ速度（0.5 rev/s）に設定し、少量の粉末を押し出します。フィルムの機械的強度を確認します。フィルムが弱い、または剥離しやすい場合は、温度を5 °C刻みで上げます。せん断を導入するには、低速側ローラーを0.85 rev/s、高速側を1.0 rev/sに設定します。電子ダイヤルゲージで実際のギャップを確認できます。0.5 mmから開始し、目標フィルム厚さになるまで徐々に狭めます。フィルムが破れる場合は、ギャップを少し広げるか、速度差を小さくします。

Q3：この装置を使用して、乾式電極フィルムを銅またはアルミニウム箔の集電体へ直接ラミネートできますか？

はい。箔は粉末と並行して巻き出し機構から供給できるため、ローラーニップ部で圧密化とラミネートを同時に行えます。または、あらかじめ成形したフィルムを巻き出し、2回目の工程でラミネートすることもできます。ローラー温度はラミネート要件に合わせる必要があります（通常、すでに形成されたフィルムの過度なフィブリル化を避けるため、フィブリル化温度よりわずかに低く設定します）。巻取り補正機構により、この工程中の箔の位置合わせを維持できます。

Q4：乾式正極フィルムの一般的な処理速度は、1分あたり何メートルですか？

処理速度はローラー速度（最大1 rev/s）とフィルム厚さによって異なります。最大速度では、線速度はおよそπ × 0.096 m × 1 s⁻¹ ≈ 0.3 m/s ≈ 18 m/minです。ただし、乾式電極加工では、初期開発時には2–5 m/min程度の速度がより一般的です。これは、低速にすることでニップ部での滞留時間が長くなり、PTFEのフィブリル化が向上するためです。粉末供給特性が改善され、最適化が進むにつれて処理速度は向上します。

Q5：異なる活物質バッチ間のクロスコンタミネーションはどのように管理されますか？

ローラーはアクセス可能な構造になっており、メンテナンス手順に記載されているように、バッチ間でアルコールを使用して拭き取ることができます。硬質クロム表面により、ほとんどの電極粉末はきれいに剥離します。正極粉末から負極粉末へ切り替える場合は、次の活物質を処理する前に、少量の非反応性粉末（例：純粋なカーボンブラックまたはアルミナ）を「クリーニングバッチ」としてローラーに通すことが推奨されます。コンベヤベルトと巻取り機構も掃除機掛けまたは拭き取りを行う必要があります。

乾式電極配合を手作業によるシート圧延から、連続的で制御されたローラープレス工程へ移行する準備はできていますか？TOB-HRPE200-3ALの見積もりをご依頼ください。目標フィルム厚さ、幅、バインダー種類をご記入いただければ、弊社エンジニアが温度および速度設定に関する推奨初期レシピを提供できます。

tob.amy@tobmachine.com | +86 181 2071 5609

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