极片干燥开裂影响因素分析

在锂离子电池极片的干燥过程中，极片开裂是一种常见问题。将分散体涂层涂在无孔刚性基材（即集流体）上并干燥时，干燥过程中涂层溶剂在基材表面蒸发，剩余的粒子则会向下沉积，导致涂层整体收缩。然而，由于受到刚性基材的限制，涂层体积的减小会在极片上产生各种应力，当累积的应力超过粒子间的结合力时，裂纹便产生以释放这些应力。

在锂离子电池极片干燥膜的研究领域，薄膜的开裂现象受多种因素的共同影响与调控。这些影响因素主要分为两大类：一是涂层的内在属性，涵盖涂层材料的选择及其厚度分布；二是涂层的边界条件，涉及集流体的材质选择，以及干燥环境的温度和湿度共同作用下的溶剂蒸发速率。

一.涂层材料的选择

在锂离子电池极片干燥过程中，涂层材料的选择对于避免薄膜开裂至关重要。下面我们讨论如何选择材料颗粒尺寸、活性物质和粘结剂，及其对涂层的抗裂能力和整体性能的影响。

1.1材料颗粒尺寸的选择

有研究指出，选用足够小的颗粒尺寸可以有效避免涂层开裂。具有较大纵横比的椭圆形粒子有利于降低嵌入诱导应力。因而在锂离子电池的循环中，为了降低嵌入诱导应力，合成尺寸较小且纵横比较大的电极粒子是一种理想的策略。然而，小颗粒会导致更大的电化学比表面积和更多的锂消耗，特别是在固体电解质中间相形成阶段，甚至可能增加溶剂共插层的程度。因此，尽管小颗粒适合高功率应用，但在实际应用中仍需综合考虑其他因素。

1.2活性物质的选择

电极涂层中最关键的组分是活性物质，活性物质活性位点的体积分数越小，裂纹停止扩展的距离就越短，相应地，极因此，同等情况下，选择活性位点体积分数越小的活性物质，可以有效降低极片开裂的风险，从而提高电极的稳定性和电池的整体性能。

1.3粘结剂的选择

粘结剂在调节电极微观结构总应力及颗粒接触点应力松弛方面起着至关重要的作用，其应用降低了整个电极结构的应力水平，尤其在粘结剂与颗粒接触边缘区域，应力显著降低。

不同粘结剂对干燥裂纹形成的影响各异，不同粘结剂屈服应力、硬度、弹性和粘附强度的不同，适度体积变化的复合电极需适中硬度的粘结剂，以平衡电极体积变化和防止粘性蠕变，从而减少电极干燥开裂。理想的粘结剂应具备适当的屈服应力以降低涂层整体应力，适中的硬度以平衡体积变化与防止粘性蠕变，以及高弹性和适中的粘附强度以有效抑制裂纹扩展。同时，粘结剂的化学稳定性也应被考虑，以确保电极在循环使用过程中电极结构的完整性和电池性能的稳定。值得注意的是，涂层材料还需与电极基底化学相容，以避免干燥引发的不良反应导致涂层剥离或损坏。其组分的物理性质（如热膨胀系数）也应与基底匹配，以减少因温度变化引起的内应力，防止开裂现象的发生，这都需要根据不同涂层和基底材料的特性具体分析。

1.4涂层厚度

极片涂层厚度也会影响干燥裂纹的形成。一方面，涂层厚度的变化会导致裂纹模式的转变。另一方面，涂层的具体厚度还会直接影响裂纹的形态。在干燥过程中，随着涂层厚度的增加，裂纹形态从无裂纹、龟裂到螺旋形裂纹等多种形态变化。

这是因为涂层厚度的变化改变了内应力的大小和分布，进而影响了裂纹的形成。因此，为了有效遏制裂纹的产生，涂层厚度的选择应确保内部应力的均衡分布，避免因涂层过薄引起的应力集中以及过厚导致的裂纹扩散，并在保持结构完整性的同时，能够顺应电极在干燥及充放电循环过程中的体积波动，降低内应力的积累，进而有效调控裂纹的扩展。

1.5集流体材料的选择

干燥过程中，集流体（即基底）材料的性质也会影响裂纹的形成。首先，同种涂层在不同基底材料上干燥会形成不同形状的裂纹，不同材料涂层在同种基底材料上干燥也会形成不同形状的裂其次，基底材料的表面特性（如浸润性）亦影响裂纹形成。

疏水基底可降低涂层与基底间的相互作用，减少开裂倾向，降低裂纹扩展速度。最后，基底材料的刚度也对裂纹密度有显著影响。低弹性模量的基底材料可减少裂纹密度，甚至在无基底束缚时，涂层也不会开裂。

二.溶剂蒸发速率

在锂离子电池负极极片制造中，溶剂的蒸发受干燥环境温度和湿度共同控制，干燥条件严重影响涂层稳定性，适当的湿度控制和环境管理是预防涂层开裂的关键。

高温度和低湿度会导致溶剂快速蒸发，增加极片涂层内部应力，从而引发涂层开同时，涂布厚度和面积质量载荷也会影响溶剂的蒸发速度和干燥均匀性。同种浆料在同一干燥温度条件下，面积质量载荷越大，所含溶剂越多，蒸发导致真空干燥箱环境的湿润程度越大，空气中的水蒸气分压越高，减少了溶剂分子逃逸的动力，蒸发速度降低，可能导致干燥不均匀，涂层开裂风险增加。

小结：综上，极片开裂现象受多种因素的共同影响与调控，需要找到直接原因才能更好的解决。