リチウム電池正極材料の微粉砕工程では、ジェットミルと機械式ミルが一般的に使用されています。これらの粉砕装置は、粉砕原理と粉砕効率が大きく異なります。製品仕様、品質要件、そしてエネルギー消費目標を満たすには、材料特性に基づいて適切な粉砕装置を選択し、プロセスパラメータを最適化することが重要です。.
この記事のタイトルは “「機器の焦点：性能比較 ジェットミル 微粉砕用機械式ミルとの比較”, は、次のセクションをカバーしています。
1. ジェットミル
ここで論じるジェットミルは流動床ジェットミルである。システムの機器フローを図1に示す。.
1 – エアコンプレッサー、2 – エアタンク、3 – 冷却・浄化システム、4 – 供給システム、5 – 粉砕機構、6 – 水平 分類 メカニズム、7 – サイクロン分類システム、8 – フィルターシステム、9 – 吸引ファン
図1：ジェットミルシステム機器フロー図
圧縮空気は冷却、濾過、乾燥された後、二次元または三次元的に配置された複数のノズルから粉砕室に噴射され、超音速気流を形成します。このジェットの運動エネルギーによって材料は流動化します。加速された粒子はノズルジェットの交差点に収束し、激しい衝突、摩擦、せん断力を受けることで超微粉砕を実現します。粉砕された材料は上昇気流によって分級ゾーンへと搬送されます。 分類器 ホイールとファンの吸引力により、粗粒子と微粒子が分離されます。粗粒子は重力により粉砕室に戻り、さらに粉砕されます。基準サイズを満たした微粒子は、空気流とともにサイクロンセパレータに入り、さらに分離・回収されます。一方、材料中の微粒子は集塵システムへと送られます。.
ジェットミルプロセスにおける主要な機器パラメータには以下が含まれます。 ノズル径、供給速度、粉砕圧力、分級ホイールの線速度、空気吸引量. これらは製品の仕様、品質、および出力に共同で影響を与えます。.
（1）ノズル
ジェットミルで使用されるノズルは、スウェーデンの技術者グスタフ・デ・ラバルによって発明されたため、 “「ラバルノズル」”. ノズル前部は、大きなスロートから狭いスロートへと収束し、その後、小さなスロートから大きなスロートへと発散します。この構造により、気流速度（v）はノズル断面積に応じて変化し、気流は亜音速から音速、そして最終的には超音速へと加速されます。.
図2: ラバルノズルの模式図
ノズルを通過した圧縮空気は超音速となり、粉砕室に入ります。気流と材料からの衝撃を受けるため、ノズルには高い機械的強度と耐摩耗性が求められます。図3aに示すように、ステンレス鋼製ノズルは1ヶ月の使用で著しい摩耗を示します。この摩耗は気流場を乱し、粉砕された製品の粒子サイズと比表面積に影響を与えるだけでなく、金属汚染を引き起こし、製品品質にも悪影響を及ぼします。これらの問題を回避するために、図3bに示すように、現在ではセラミックノズルが一般的に使用されています。.
図3. a ステンレス鋼ノズル b セラミックノズル
（2）分類ホイール
分級ホイールは、前フランジ、後フランジ、複数のブレード、およびエアシールディスクで構成されています。隣接するブレード間の隙間が供給路として機能し、ブレードの内側は空洞を形成します。. 分級ホイールの線速度が速いほど、製品の粒子サイズは小さくなります。. 線速度は、分級ホイールの直径と回転速度の両方と正の相関関係にあります。粉砕室内の材料負荷は、分級ホイールモーターの電流値によって監視できます。電流値が高いほど、粉砕室内の材料量が多いことを示します。.
物質が分級ホイールに衝突し、衝撃を与えます。図4a/bに示すように、ステンレス製の分級ホイールは長期間使用すると摩耗が見られます。これを防ぐため、図4cに示すように、セラミック製の分級ホイールが現在広く採用されています。.
a. ステンレス鋼材（摩耗）、b. ステンレス鋼材（正常）、c. セラミック材
図4. 分類ホイール
（3）製品仕様
ジェットミルのパラメータと製品の粒子サイズ/出力の関係は次のとおりです。
- “「――」” ノズルの直径と粒子サイズの間に直接的な相関関係がないことを示しています。.
- “「↗」” パラメータが増加すると製品の仕様が増加することを示します。.
- “「↘」” パラメータが増加すると製品の仕様が低下することを示します。.
注: 各パラメータの影響の重みは異なります。.
| 指標/パラメータ | ノズル径 | 送り速度 | 研削ディスクの線速度 | 分類ホイールの線速度 | 吸引ドラフトレベル |
| 粒子サイズ | — | ↘ | ↘ | ↘ | ↗ |
| 生産能力 | ↗ | ↗ | ↗ | ↘ | ↗ |
パラメータ調整プロセス:
- 機器モデルと推定容量に基づいてノズルのサイズを事前に選択します。.
- 材料の目標粒子サイズに基づいて、適切な線速度範囲 (分級ホイールの RPM) を決定します。.
- 材料の特性（例：単結晶、多結晶、硬質凝集、軟質凝集）に基づいて適切な粉砕圧力範囲を確立してください。圧力が高すぎると、除去が困難な微粒子が過剰に生成されます。.
- 容量要件に基づいて供給速度と空気吸引量を最適化します。.
- 最終的な容量とエネルギー消費に基づいて、ノズルの直径を最適化するかどうかを再評価します。.
2. 機械式ミル
ここで論じる機械式粉砕機は、機械式衝撃粉砕機である。システム機器のフローを図5に示す。.
1-電気制御キャビネット、2-供給システム、3-粉砕機構、,
4- 分級機構、5- サイクロン分離システム、6- フィルターシステム
図5. 機械式ミルシステム機器フロー図
原料は供給システムによって粉砕室に均一に供給され、高速回転する粉砕ディスクからの強力な衝撃を受けます。同時に、遠心力によって原料は粉砕リングに衝突し、せん断力、摩擦力、衝撃力の複合作用を受けて粉砕されます。粉砕された原料は気流によって分級ゾーンに送られ、粗粒子と微粒子に分離されます。粗粒子は粉砕室に戻り、さらに粉砕されます。選別された微粒子は気流とともにサイクロンセパレーターに入り、さらに分離・回収されます。一方、微粒子は集塵システムへと送られます。.
機械式ミルの主な設備パラメータには以下が含まれる。 送り速度、研削ディスクの線速度、分級ホイールの線速度、および空気吸引量, これらは製品の仕様、品質、および出力に共同で影響します。.
（1）研削ディスク
研削ディスクには研削ピンが装備されています。チャンバー内の材料は、これらの高速回転するピンによって衝撃を受けます。図6aは金属製の研削ディスクを示しています。金属製の研削ディスクは長期使用で摩耗しやすく、金属汚染を引き起こします。現在ではセラミック製の研削ディスクが一般的に使用されています。セラミック製は硬度が高く耐摩耗性に優れていますが、脆い性質のため、通常は金属製ディスクに比べて動作線速度を低くする必要があり、衝撃力も若干低下します。. 研削ディスクの線速度が速いほど、製品の粒子サイズは小さくなります。. 線速度は、ディスクの直径と回転速度の両方と正の相関関係にあります。.
図6. a. 金属研削ディスク b. セラミック研削ディスク
（２）製品仕様
機械式ミルのパラメータと製品の粒子サイズ/出力の関係は次のとおりです。
- “「――」” 供給速度と粒子サイズの間に直接的な相関関係がないことを示しています。.
- “「↗」” パラメータが増加すると製品の仕様が増加することを示します。.
- “「↘」” パラメータが増加すると製品の仕様が低下することを示します。.
注: 各パラメータの影響の重みは異なります。.
| 指標/パラメータ | 送り速度 | 研削ディスクの線速度 | 分類ホイールの線速度 | 吸引ドラフトレベル |
| 粒子サイズ | — | ↘ | ↘ | ↗ |
| 生産能力 | ↗ | ↗ | ↘ | ↗ |
機械式ミルの分級ホイールやその他のパラメータの調整プロセスは、ジェットミルの場合と同様です。.
（３）性能比較
ジェットミルと機械式ミルの粉砕原理の違いにより、それぞれの適用範囲、出力、エネルギー消費量が決まります。基本的に、
- ジェットミルズ 超音速の気流を利用して粒子間の衝突を引き起こし、粒子のサイズを縮小します。.
- 機械式ミル 図 7 に示すように、回転ディスクを使用して、固定ピンとチャンバーの壁に材料を投げつけ、サイズを縮小します。.
図7：ジェットミル/機械式ミルチャンバーにおける粒子サイズの縮小の模式図
| ジェットミル | 機械式ミル | |
| 原理 | 超音速は物質間の衝突を引き起こす | 材料と機器間のせん断と衝突 |
| 研削強度 | 大：超音速 | 小：研削ディスクの線速度が制限される |
| エネルギー消費 | 高：圧縮空気が必要 | 低：冷却に循環水を使用する |
| 料金 | 高い | 低い |
| 設備の設置面積 | 大きい | 小さい |
包括的な性能比較は上記の表にまとめられています。機械式ミルは、柔らかく凝集した粒子（例：多結晶材料）の粉砕に適しています。一部の硬く凝集した単結晶微粒子では、ディスク速度を最大にしても効果的な粉砕が達成されない場合があります。ジェットミルは、柔らかく凝集した粒子と硬く凝集した粒子（例：単結晶材料）の両方を粉砕できますが、エネルギー消費量とコストの点で不利です。緩い構造を持つ一部の多結晶材料では、ジェットミル処理によって粒子が過度に破砕される可能性があります。.
図8 ジェットミル粉砕と機械式ミル粉砕
図8は、ジェットミルとメカニカルミルで粉砕した単結晶NCM三元材料のSEM画像です。ジェットミルは優れた粉砕力を示し、粒子間の硬い凝集体を効果的に分解します。.
エピックパウダー
エピックパウダー 鉱業、化学産業向けの微粉体処理技術に特化しています。, 食べ物 業界、製薬業界など。当社のチームは、さまざまな粉体処理で20年以上の経験があり、中国で最大の超微細重晶石粉末生産ライン用のジェットミル生産ラインを設計および設置したことがあります。.
当社は、粉体処理プロジェクト、特に粉体粉砕、粉体分級、粉体分散、粉体分級、粉体表面処理、廃棄物リサイクルの専門サプライヤーです。コンサルティング、試験、, プロジェクト 設計、機械、試運転、トレーニング。.
読んでいただきありがとうございます。この記事が少しでもお役に立てれば幸いです。ぜひ下のコメント欄にご記入ください。また、EPIC Powderのオンラインカスタマーサポートまでご連絡ください。 ゼルダ ご質問等ございましたら、お気軽にお問い合わせください。」
— ジェイソン・ワンシニアエンジニア
