专利名称：处理装置和处理方法
技术领域：
本发明涉及ー种用于将材料装入具有叶片的容器中并进行处理的处理装置和处理方法，所述叶片在表面上涂覆有含硅类金刚石碳(DLC-Si )膜。
背景技术：
电动车辆、例如装备有电机作为驱动力源的混合动カ车辆和电动汽车的使用已广泛地推开。这样的电动车辆装备有用于进行充电和放电的可再充电电池。可再充电电池中使用的电极在其上具有通过向带状金属箔(基底)的表面涂覆含有活性物质、导电添加剤、粘合剂和溶剂的涂覆液并使所涂覆的液体干燥而形成的涂层。在该可再充电电池中，当进行充电和放电时，在正极上的涂覆膜中所包含的正极活性物质和负极上的涂覆膜中所包含的负极活性物质之间发生离子的吸藏和放出。为了适当地执行离子的吸藏和放出，活性物质、导电添加剂和粘合剂必须均匀地分散在涂覆膜中。这样，在涂覆液的状态下，活性物质、导电添加剤、粘合剂等必须均匀地分散在溶剂中。出于这个原因，要对涂覆液进行混合和分 散。传统的分散器的例子包括具有分散容器的装置，在分散容器中固定有定子且转子被可旋转地保持，并且所述装置使用形成在定子上的定子叶片和形成在转子上的转子叶片使已置于分散容器中的涂覆液分散。与固定的定子叶片对向配置的转子叶片高速旋转，从而向涂覆液施予高的剪切速度，且由此能使活性物质、导电添加剤、粘合剂等均匀地分散在溶剂中。但是，正极的锂活性物质非常硬，具有约1，000的维氏硬度Hv。结果，锂活性物质在以激烈的速度与分散器的转子叶片和定子叶片碰撞时在短时间内将这些叶片磨损棹。日本专利申请No. 2011-001598公报(JP-2011-001598A)教导了如何通过在滑动件(离合器板)的表面上形成DLC膜并在DLC膜的表面上提供含硅(Si)层来提高耐磨性，从而防止DLC膜剥离。在分散器的定子叶片和转子叶片的表面上形成DLC-Si膜提高了 DLC膜的耐磨性，并且确实能具有防止DLC膜剥离的效果。但是，即使是在形成了 DLC-Si膜的情况下，当转子的转速升高到3，OOOrpm以上、从而施予\ =5，000/s至50，000/s的高剪切速度时，DLC-Si膜也会在短时间内磨损掉，从而使耐久性成为问题。在DLC-Si膜已被磨损并消失的区域内，叶片金属被露出。金属被锂活性物质腐蚀，然后腐蚀掉的金属(例如，不锈钢(SUS))进入涂覆液，并且最終可能对电池性能具有不利影响。根据发明人进行的实验，DLC-Si膜具有约3，000小时的耐久性。在分散器的长期使用过程中，叶片的更换频率高，这已成为生产成本上升的主要因素。
发明内容
因此，本发明提供了一种处理装置(例如分散器)和处理方法，其中能使在其上形成有DLC-Si膜的金属部件(例如叶片)的使用寿命比在传统的处理装置中长。按照第一方面，本发明涉及一种处理装置，所述处理装置包括容器；金属部件，所述金属部件配置在所述容器内并且所述金属部件在其表面上涂覆有DLC-Si膜；和水分补给单元，所述水分补给单元为所述DLC-Si膜补给水分以便在所述DLC-Si膜的表面层上再生水分吸附层。所述金属部件可以是叶片。待处理的材料可包括作为电池材料的活性物质、导电添加剂和粘合剤，以及还有溶剤，并且所述处理装置可适于混合所述待处理的材料。在这种情况下，即使在具有高硬度的活性物质被混合吋，分散器中的叶片的使用寿命例如也可延长，从而使得生产成本能够降低。所述活性物质可以是金属氧化物。即使在具有高硬度的金属氧化物被混合时，分散器中的叶片的使用寿命例如也可延长，从而使得生产成本能够降低。 所述处理装置可在所述水分补给已进行之后用所述溶剂来置換除了已形成所述水分吸附层的水分以外的任何水分。在已在DLC-Si膜的整个表面上形成了水分吸附层之后，通过用溶剂置换全部的剰余水分，可防止水分不期望地混入电池材料中。所述DLC-Si膜可具有5 iim或更小的厚度，并且所述处理装置可包括具有固定的定子和旋转的转子的分散器，所述转子可具有至少为3，OOOrpm但不大于10，OOOrpm的转速。在用于使含有锂活性物质的电池材料分散的分散器中，为了避免DLC-Si膜的剥离，DLC-Si膜的厚度被设定为0.5 iim至5. Oii m。另外，为了实现Y =5，000至50，000的高剪切速度，转子的转速被设定为3，OOOrpm至5，OOOrpm0即使分散器在这种严酷的条件下使用，由于本发明的效果，与在相同的条件下使用的传统分散器的3，000小时的有效使用寿命相比，也具有6，500小时的有效使用寿命。这表示超过两倍的有效使用寿命，从而使得分散器中的叶片的有效使用寿命(直到需要进行更换前所经过的时间)能够延长两倍以上，且由此能降低生产成本。按照第二方面，本发明涉及一种处理方法，所述处理方法包括将待处理的材料装入容器中，所述容器具有金属部件，所述金属部件在其表面上涂覆有DLC-Si膜；处理所述被装入的材料；和在对所述材料进行所述处理之后，在所述DLC-Si膜上补给水分以便在所述DLC-Si膜的表面层上再生水分吸附层。按照第三方面，本发明涉及一种处理装置，所述处理装置包括分散器，所述分散器具有容器和金属部件，所述金属部件配置在所述容器内并且所述金属部件在其表面上涂覆有DLC-Si膜；装料単元，所述装料単元将多种材料装入所述容器中；旋转单元，所述旋转単元使所述金属部件旋转以便混合所述多种材料；和水分补给单元，所述水分补给单元在所述多种材料混合之后为所述DLC-Si膜补给水分以便在所述DLC-Si膜的表面层上再生水分吸附层。
下面将參照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点和技术及エ业意义，在附图中相似的附图标记表示相似的要素，并且其中
图I是分散器10的剖视图；图2是定子12的透视图；图3是转子13的透视图；图4是示出按照本发明的用于混合和分散步骤的系统构型的视图；图5是示出水分补给步骤的技术意义的图示；图6是示出反复试验的数据的图示；图7是示出在一实施例中所用的电池材料的数据表；以及图8是示出DLC-Si膜和锂活性物质的典型特性的数据表。
具体实施方式
下面结合附图详细描述作为按照本发明的批量处理装置的一个例子的分散器。图I和4示出按照本发明实施例的混合和分散步骤(混合単元、分散器)。连接到混合罐15底端的管路21连接到三通阀18上的泵端ロ。在管路21上设有泵25。三通阀18上的公共端ロ经管路26连接到分散器10上的入口 11a。三通阀18上的第二端ロ经管路45连接到泵28上的出口。泵28上的入口经管路46连接到三通阀41上的公共端ロ。三通阀41上的泵端ロ经管路23连接到水箱19。三通阀41上的第二端ロ经管路47连接到溶剂箱43。分散器10上的出口 Ilb经管路27连接到三通阀17。三通阀17上的泵端ロ经管路20连接到混合罐15的顶部。三通阀17上的第二端ロ经管路44连接到三通阀42上的公共端ロ。三通阀42的泵端ロ经管路22连接到水箱19。三通阀42上的第二端ロ经管路48连接到废水箱49。混合罐15具有约20升的容量。用于混合的混合叶片16可旋转地保持在混合罐15中的旋转轴14上。混合叶片16由马达24来旋转。发动机控制单元(EOT) 100控制马达24、三通阀17、三通阀18、三通阀41、三通阀42、泵25、泵28和旋转轴14。图I示出分散器10的剖视图。入口 Ila形成在封闭的分散容器11的底面上，出ロ Ilb形成在外周顶部上。定子12固定在分散容器11中。此外，转子13可旋转地保持在分散容器11中。图2示出定子12的透视图。定子12具有竖直地立设在ー盘的ー个侧面上的三排定子叶片12a。所述三排定子叶片12a都被定子间隙12b分割成十二个单独的部分。转子13是圆筒形的并且具有配置在其上的三排转子叶片13a。所述三排转子叶片13a都被转子间隙13b分割成十二个单独的部分。在转子13的中央形成有转子凸台13c。转子轴14连接到转子凸台13c。转子轴14由马达(未示出)来旋转。如图I所示，三排转子叶片13a配置成与三排定子叶片12a交替地互相穿插。进入分散器10的涂覆液的体积约为500cc。泵 25 具有 20L/min 至 60L/min 的容量。转子叶片13a和定子叶片12a由SUS制成，并且具有在其表面上形成的5 y m厚的DLC-Si膜。如图8所示，DLC-Si膜具有2，000至2，400的维氏硬度Hv。该实施例中所用的电池材料在图7中示出。活性物质是金属氧化物。锂活性物质LiNia33Coa33Mna33O2在该实施例中被用作金属氧化物，并且典型地具有5pm的粒径(D5tlXこ炔黑被用作导电添加齐U，并且典型地具有50nm的一次粒径。聚偏氟こ烯(PVDF)被用作粘合剤，并且典型地具有300，000的分子量。N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)被用作溶剤。这里，LiNia33Coa33Mna33O^こ炔黑、PVDF和NMP之间的重量比率为90:2:8:100。图8示出DLC-Si膜和锂活性物质的特性。如图8所示，锂活性物质具有约1，000的维氏硬度Hv，且导电添加剂具有约100的硬度Hv。在该实施例中，转子叶片13a具有至少为3，OOOrpm但不大于10，OOOrpm的转速。由于转子叶片13a的外周面邻近定子叶片12a的内周面配置，转子叶片13a的内周面邻近定子叶片12a的外周面配置，并且转子叶片13a以3，OOOrpm至10，OOOrpm的转速旋转，所以转子叶片13a与定子叶片12a邻近所产生的间隙中的涂覆液的剪切速度为从3，000/s到6，000/s。在这样的高剪切速度下，在涂覆液中，活性物质、导电添加剂和粘合剂均匀地分散在溶剂中。这里，剪切速度是指用转子叶片13a相对于定子叶片12a的相対速度(単位，m/s)除以转子叶片13a和定子叶片12a之间的间隙的长度(単位，m)所获得的数值。接下来，对如图4所示地构造的系统的运行方法进行描述。在分散步骤中，通过使三通阀18的公共端ロ(管路26)与泵端ロ(管路21)连通，并使三通阀17的公共端ロ(管路27)与泵端ロ(管路20)连通，形成从混合罐15经管路21、泵25、三通阀18、管路26、分散器10、管路27、三通阀17和管路20、从而回到混合罐15的液体流动回路。然后,通过驱动泵25，混合罐15中的涂覆液以20L/min的流量供给到分散器10。这里，三通阀18切断管路26和45之间的流动，而三通阀17切断管路27和44之间的流动。从入口 Ila供给的涂覆 液通过转子间隙13b和定子间隙12b，并从出口 Ilb排出。在分散器10内部，定子叶片12a和转子叶片13a施加5，000/s至50，000/s的较高的剪切速度。由于涂覆液被施加高的剪切速度，所以锂活性物质、导电添加剂和粘合剂均匀地分散在溶剂中。在该实施例中，这样的分散步骤连续地执行10小吋。在分散步骤已连续地执行10小时之后，处理过程前进至水分供给步骤。也就是说，三通阀18被切换为将公共端ロ(管路26)与第二端ロ(管路45)置于连通状态，而三通阀17被切换为将公共端ロ(管路27)与第二端ロ(管路44)置于连通状态。同时，三通阀41被切换为将公共端ロ(管路46)与第一端ロ(管路23)置于连通状态,而三通阀42被切换为将公共端ロ(管路44)与第一端ロ(管路22)置于连通状态。结果，形成从水箱19经管路23、三通阀41、管路46、泵28、管路45、三通阀18、管路26、分散器10、管路27、三通阀17、管路44、三通阀42和管路22、从而回到水箱19的液体流动回路。然后，通过驱动泵28，水被供给到分散器10。以这种方式为DLC-Si膜补给水分。这里，三通阀41切断管路47与管路23和46两者之间的流动，三通阀42切断管路48与管路22和44两者之间的流动，三通阀18切断管路21与管路26和45两者之间的流动，三通阀17切断管路20与管路27和44两者之间的流动，而三通阀42切断管路48与管路22和44两者之间的流动。參照图5说明其技术意义。图5A示出紧接着分散步骤完成之后的DLC-Si膜的状态。在DLC-Si膜30的表面上形成了ニ氧化硅(SiO2),并且认为它吸附水分。由于已与DLC-Si膜中的硅结合的OH基团(水分中的OH基团)，在DLC-Si膜30的表面的一部分上形成了水分吸附层31。但是，在DLC-Si膜的一部分已脱落的表面30a上，由于缺少ニ氧化硅，看上去几乎不存在水分吸附层31。当锂活性物质以高速撞击在其上存在水分吸附层31的表面时，水分吸附层31起到润滑剂的作用，从而降低摩擦阻力，结果是耐磨性高并且产生很少的表面损伤。相比之下，当锂活性物质以高速撞击在其上几乎没有水分吸附层31的表面时，不存在水分吸附层31带来的摩擦阻力降低，结果是DLC-Si膜被直接损伤。在该实施例中，在这种状态出现之前进行水分补给。图5B示出水已被供给到分散器10且水分33已附着在DLC-Si膜30的表面上的状态。通过将水分33供给到DLC-Si膜的表面，如图5C所示，由于已与DLC-Si膜中的硅结合的OH基团(水分中的OH基团)，即使是在DLC-Si膜的一部分已脱落的表面30a上也形成水分吸附层32。这构成了水分补给步骤。接下来，泵28停止，三通阀41被切换为使公共端ロ(管路46)与第二端ロ(管路47)连通，而三通阀42被切换为使公共端ロ(管路44)与第二端ロ(管路48)连通。結果，形成从溶剂箱43到管路47、三通阀41、泵28、管路45、三通阀18、管路26、分散器10、管路27、三通阀17、管路44、三通阀42、管路48和废水箱49的液体流动回路。然后，通过驱动泵28，溶剂被供给到分散器10中，由此用溶剂置换分散器10、管路26、管路27、三通阀18和三通阀17中的水分。这构成置換步骤。这里，三通阀41切断管路47与23，三通阀42切断管路22与48，三通阀18切断管路45与21，而三通阀17切断管路27与20。接下来，泵28停止，三通阀17被切換，使得公共端ロ(管路27)与第一端ロ(管路20)连通，且三通阀18被切換，使得公共端ロ(管路26)与第一端ロ(管路21)连通。然后，通过驱动泵25，再次执行分散步骤。分散步骤连续地执行约10小吋。这里，在分散步骤的过程中，即使在锂活性物质以高速与在分散器10的定子叶片12a和转子叶片13a的表面上 形成的DLC-Si膜碰撞时，如图5C所示，由于即使是在DLC-Si膜的一部分已脱落的表面上也形成了水分吸附层32，所以水分吸附层32、31起到润滑剂的作用，从而降低摩擦阻カ且由此能提高DLC-Si膜的耐磨性和耐久性。接下来，对该实施例的效果进行描述。图6示出作为反复试验的数据的本实施例的效果。“只有DLC-Si”表示传统的系统的数据，“DLC-Si+水洗”表示按照该实施例的系统的数据。在试验中，两个系统所用的DLC-Si膜、材料、装置等都是相同的，唯一的区别是有无水分补给(水洗)。毎次分散步骤执行100小时，将定子板12a和转子板13a弄断并查看截面，測量磨损的量并估计有效使用寿命。在传统的系统中，执行反复试验，其中仅分散步骤连续地执行100小吋。結果，当过去3，000小时时，观察到DLC-Si膜的剥离，由此可见已达到有效寿命的极限。相比之下，按照本实施例的系统是在分散步骤执行了 10小时之后执行水分补给步骤和置换步骤、此后再次执行分散步骤的系统，该循环重复10次。利用按照该实施例的系统，在过去6，500小时时才观察到DLC-Si膜的剥离。由此可见，DLC-Si膜在该实施例中可使用传统系统的至少两倍长的时间。在利用该实施例的分散器10使活性物质、导电添加剤、粘合剂和溶剂分散而对它们进行处理的情况下，通过向DLC-Si膜30补给水分33，在各个处理循环之间或在处理完成之后，在DLC-Si膜30的表面层上再生水分吸附层32。因此，由于DLC-Si膜30的表面始终处于形成有水分吸附层31、32的状态，所以可降低与锂活性物质的摩擦阻力，从而能够提高DLC-Si膜30的耐磨性。在传统的分散器中，空气中的水分通常被吸收到DLC-Si膜的表面上，导致水分吸附层的形成。在具有在表面上形成的DLC-Si膜的滑动件等在空气中被使用的情况下，由于空气中的水分，在DLC-Si膜的表面上形成水分吸附层。但是，在用于电池材料的分散器中，由于电池材料与水分反应，所以分散器始终充满溶剤。出于这个原因，一旦DLC-Si膜的表面上的水分吸附层被锂活性物质除去，水分吸附层便不能再生，从而降低耐磨性。这是发明人首先发现的。解决该问题的ー种方法是在完全除去溶剂后将叶片表面暴露于空气。但是，这种方法耗时。替换地，在电极材料的分散处理之后，通过使叶片表面与液态水接触，能在短时间内在DLC-Si膜30的所有表面上再生水分吸附层31、32。在发明人进行的实验中，与在相同条件下进行处理时传统系统中的3，000小时的有效使用寿命相比，按照本实施例的系统的有效使用寿命是6，500小时，这表示至少两倍的提高。这意味着在分散器中所使用的叶片的更换时间可至少加倍，从而能够降低生产成本。在上述的处理装置中，在水分补给之后，用溶剂来置換除了已形成水分吸附层31、32的水分以外的水分。因此，在DLC-Si膜30的整个表面上形成了水分吸附层31、32之后，可用溶剂置换全部的水分，从而能防止在电池材料中不期望地混入水分。在使含有锂活性物质的电池材料分散的分散器10中，为了避免DLC-Si层30的剥离，DLC-Si层30的厚度被设定为0.5 iim至5. Oii m。此外，为了获得Y =5，000至50，000的高剪切速度，转子13的转速被设定为3，OOOrpm至5，OOOrpm0即使当分散器在这种严酷 的条件下使用时，与在相同的条件下执行处理的传统的系统中的3，000小时的有效使用寿命相比，按照该实施例的系统中的有效使用寿命是6，500小时，这表示至少两倍的提高。这意味着在分散器中所使用的叶片的更换时间可至少加倍，从而能够降低生产成本。上述的实施例及其变型是示例性的并且不限于本发明，可作出各种改进和变化而不脱离本发明的精神和范围。例如，虽然在前述实施例中对用于电池材料的分散器10进行了描述，但是本发明可应用于DLC-Si膜用在没有机会与空气或水接触的封闭容器中的任何情況。另外，在上述实施例中，水分补给步骤以10小时的间隔穿插在各次处理之间，但是在处理操作持续约20小时的情况下，水分补给可在处理操作完成之后进行。此外，在上述实施例中，DLC-Si膜30的厚度被设定为5 u m,但是在分散器10中应用在0. 5 y m至5. 0 y m范围内的膜厚度也是可能的。
权利要求
1.一种处理装置，所述处理装置包括 容器(11); 金属部件(12，13)，所述金属部件配置在所述容器内并且所述金属部件在其表面上涂覆有含硅类金刚石碳(DLC-Si)膜；和 水分补给单元(19)，所述水分补给单元为所述DLC-Si膜补给水分以便在所述DLC-Si膜的表面层上再生水分吸附层(31)。
2.根据权利要求I所述的处理装置，其中，所述金属部件(12，13)是叶片。
3.根据权利要求I或2所述的处理装置，其中 待处理的材料包括作为电池材料的活性物质、导电添加剂和粘合剤，以及还有溶剂，并 且 所述处理装置混合所述待处理的材料。
4.根据权利要求3所述的处理装置，其中，所述活性物质是金属氧化物。
5.根据权利要求3或4所述的处理装置，还包括 置换单元(43)，所述置换単元在所述水分补给已进行之后用所述溶剂来置換除了已形成所述水分吸附层的水分以外的任何水分。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的处理装置，其中 所述DLC-Si膜具有5 u m或更小的厚度， 所述金属部件包括定子和转子，并且 所述转子具有至少为3，OOOrpm但不大于10，OOOrpm的转速。
7.—种处理方法,所述处理方法包括 将待处理的材料装入容器中，所述容器具有金属部件(12，13)，所述金属部件在其表面上涂覆有含硅类金刚石碳(DLC-Si)膜； 处理所述被装入的材料；和 在对所述材料进行所述处理之后，在所述DLC-Si膜上补给水分以便在所述DLC-Si膜的表面层上再生水分吸附层。
8.根据权利要求7所述的处理方法，其中 所述材料包括作为电池材料的活性物质、导电添加剂和粘合剤，以及还有溶剂，并且 对所述材料进行的所述处理包括混合所述材料。
9.根据权利要求8所述的处理方法，其中，所述活性物质是金属氧化物。
10.根据权利要求8所述的处理方法，还包括， 在所述水分补给之后，用所述溶剂来置換除了已形成所述水分吸附层的水分以外的任何水分。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的处理方法，其中 所述DLC-Si膜具有5 u m或更小的厚度， 所述金属部件包括定子和转子，并且 所述转子具有至少为3，OOOrpm但不大于10，OOOrpm的转速。
12.一种处理装置，所述处理装置包括 分散器(10)，所述分散器具有容器(11)和金属部件(12，13)，所述金属部件配置在所述容器内并且所述金属部件在其表面上涂覆有含硅类金刚石碳(DLC-Si)膜，装料単元(25)，所述装料単元将多种材料装入所述容器中， 旋转单元(14)，所述旋转単元使所述金属部件旋转以便混合所述多种材料，和水分补给单元(19)，所述水分补给单元在所述多种材料混合之后为所述DLC-Si膜补给水分以便在所述DLC-Si膜的表面层上再生水分吸附层。
13.根据权利要求12所述的处理装置，其中，所述容器(11)在所述多种材料正被混合时封闭，以使得水不供给到所述容器。
14.根据权利要求12或13所述的处理装置，还包括 混合器(15，16，24)，所述混合器附加地混合已在所述分散器内被混合的所述多种材料。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的处理装置，其中，所述水分补给单元具有 容纳有水的水箱， 使所述分散器和所述水箱彼此连通的管路(23，46，45，26)，和 配置在所述管路上并将所述水箱中的水供给到所述分散器的泵(28 )。
16.根据权利要求15所述的处理装置，还包括 置换单元(43)，所述置换単元在所述水分补给单元已将水供给到所述分散器之后用溶剂来置换所述分散器内的任何水。
17.根据权利要求16所述的处理装置，其中，所述置换単元具有 容纳有溶剂的溶剂箱，和 使所述分散器和所述溶剂箱彼此连通的管路。
18.根据权利要求12至17中任一项所述的处理装置，其中，所述金属部件是叶片。
全文摘要
本发明涉及一种处理装置和处理方法。分散器(10)通过例如在处理期间或在处理完成之后向DLC-Si膜(30)补给水分(33)而在DLC-Si膜(30)的表面层上再生水分吸附层(32)。
文档编号B01F7/16GK102806033SQ201210179200
公开日2012年12月5日 申请日期2012年6月1日 优先权日2011年6月3日
发明者河野贵志 申请人:丰田自动车株式会社