涂布过程开裂原因与解决方法

锂电池的涂布过程是电池制造的重要工序之一，涂布过程的好坏影响着电池的容量，内阻，放电性能，安全性能及电池的一致性。涂布过程也会出现如针孔，颗粒，划痕，波浪边，横竖道条，掉粉，开裂等常见问题，今天我们重点说下涂布过程中极片开裂的原因。

一.开裂的机理

开裂主要是由于内部应力的产生和超过材料的承受极限导致的。在干燥过程中，溶剂挥发产生收缩应力。如果浆料的粘结力不足以抵抗这种收缩应力，就会在极片内部产生裂纹。从微观角度看，当活性物质、粘结剂和导电剂组成的体系在溶剂挥发后，颗粒之间的距离减小，相互作用力发生变化。如果体系中的粘结剂不能有效地传递和分散应力，应力就会在局部区域集中，导致裂纹的产生。而且，在干燥过程中，极片表面和内部的干燥速率不一致，形成的梯度应力也是导致开裂的重要因素。

二.原因分析

2.1浆料本身

2.1.1粘结剂含量不足

粘结剂在锂电池极片中起到将活性物质和导电剂粘结在一起的作用。如果粘结剂含量过少，颗粒之间的粘结力不够。例如，在正常情况下，N – 甲基吡咯烷酮（NMP）体系的正极浆料中，聚偏氟乙烯（PVDF）粘结剂含量一般在 3% – 5% 左右。当粘结剂含量低于这个范围时，在涂布干燥过程中，由于溶剂挥发，活性物质之间的结合力变弱，极片容易开裂。

2.1.2浆料粘度不合适

浆料粘度过高或过低都会导致问题。粘度过高时，涂布过程中浆料的流动性差，在刮刀的作用下不能均匀地摊铺在集流体上。在干燥后，由于各部分收缩不一致，产生应力集中而开裂。粘度过低，活性物质在干燥过程中容易团聚，也会使极片的结构不均匀，从而产生开裂现象。

2.1.3活性物质颗粒分布不均匀

如果活性物质在浆料制备过程中没有充分分散，大颗粒和小颗粒分布不均。在涂布干燥后，大颗粒周围的应力集中程度会高于小颗粒周围，容易在大颗粒聚集的区域产生裂纹。

2.2涂布工艺因素

2.2.1涂布速度过快

当涂布速度过快时，一方面，浆料在集流体上的停留时间过短，溶剂来不及充分挥发，在后续干燥过程中，溶剂快速挥发会导致极片内部产生较大的内应力。另一方面，过快的涂布速度可能会使浆料在刮刀处受到的剪切力过大，影响浆料的均匀性，导致极片质量下降，产生开裂。

2.2.2干燥温度过高或干燥速度过快

干燥过程是溶剂挥发的过程。如果干燥温度过高（如超过 120℃）或干燥速度过快，极片表面和内部的溶剂挥发速率差异过大。表面溶剂快速挥发形成硬壳，而内部溶剂仍在挥发，会产生内部压力，当压力超过极片的承受极限时，就会导致极片开裂。就像烤蛋糕一样，如果表面烤焦形成硬壳，而内部还在膨胀，蛋糕就容易裂开。

2.2.3涂布厚度不均匀

不均匀的涂布厚度会导致不同区域在干燥过程中的收缩程度不同。较厚的区域溶剂含量相对较多，干燥收缩时产生的应力更大。当应力差超过极片的强度时，就会在厚度变化较大的边界处产生裂纹。这可能是由于涂布设备的精度问题或者浆料供应不稳定造成的。

2.3集流体因素

2.3.1集流体表面粗糙度不合适

集流体表面过于光滑，浆料与集流体之间的附着力不足。在干燥和后续加工过程中，极片容易从集流体上脱落或者产生裂纹。相反，如果表面过于粗糙，会影响浆料的均匀涂布，也可能导致局部应力集中而开裂。

2.3.2集流体清洁度不够

如果集流体表面有油污、灰尘等杂质，会影响浆料与集流体的结合。在涂布过程中，这些杂质会干扰浆料的正常附着和干燥，导致极片的粘结性能下降，增加开裂的风险。

三.改进措施

浆料方面

1.优化粘结剂含量和种类

根据活性物质的性质和涂布工艺，调整粘结剂的含量。同时，可以尝试不同类型的粘结剂，如对于高温性能要求较高的锂电池，可以考虑使用耐高温的粘结剂。

2.调整浆料粘度

通过调整溶剂的用量、添加合适的增稠剂或者改变浆料的搅拌工艺来控制浆料粘度。例如，适当增加 NMP 的用量可以降低浆料粘度，或者添加少量的羧甲基纤维素钠（CMC）来调节粘度，使其达到合适的范围。

3.改善活性物质分散性

采用更高效的分散设备，如高速分散机、砂磨机等，并且优化分散剂的使用。例如，在制备正极浆料时，加入适量的十二烷基苯磺酸钠等分散剂，延长分散时间，确保活性物质颗粒均匀分布。

涂布工艺方面

1.控制涂布速度

根据浆料的性质和干燥条件，合理选择涂布速度。在保证生产效率的同时，避免速度过快导致的问题。一般可以通过试验确定最佳的涂布速度范围，并且在涂布过程中实时监控。例如，对于某种特定的负极浆料，通过实验确定涂布速度在 60 – 80m/min 时，极片质量较好。

2.优化干燥工艺

采用分段干燥的方式，控制干燥温度和干燥速度的梯度。在干燥初期，采用较低的温度和较慢的速度，让溶剂缓慢挥发，减少内部应力。

3.提高涂布均匀性

定期对涂布设备进行校准和维护，确保刮刀的平整度和涂布间隙的一致性。同时，优化浆料供应系统，保证浆料流量稳定，从而提高涂布厚度的均匀性。

集流体方面

1.控制集流体表面质量

对集流体进行预处理，如清洗、打磨等，以确保其表面粗糙度和清洁度符合要求。例如，在涂布前，用有机溶剂对铝箔进行清洗，去除表面的油污，然后通过轧制等工艺控制其表面粗糙度。

2.选择合适的集流体材料

根据电池的性能要求和涂布工艺，选择合适的集流体材料。例如，对于高能量密度的锂电池，考虑使用更薄但强度更高的集流体材料，同时要确保其与浆料的兼容性。

总之锂电池涂布过程开裂的原因是多方面的，需要从涂布材料、工艺参数、设备状态、环境因素以及质量检测等多个方面进行综合考虑和改进。