锂电涂布缺陷之“橘皮”

锂电电极“橘皮”缺陷是指极片表面出现类似橘皮的不规则凹凸纹路，主要发生在涂布和干燥工序。该缺陷不仅影响极片外观，更会导致活性物质分布不均、内阻增加、电池性能下降及安全隐患。

根本原因分析

“橘皮”缺陷的本质是湿涂层在干燥过程中发生“贝纳德对流”与颗粒迁移再分布，最终固化为非平整表面。具体成因可分为四大类：

1.浆料特性问题

①流变性不佳：浆料触变性过强或黏度过高，在干燥初期表层溶剂快速蒸发，黏度急剧上升，阻碍了内部溶剂蒸发的对流补偿，导致表面收缩不均。

②稳定性差：分散不均匀（活性物质、导电剂、粘结剂团聚）或固含量过低，在干燥静置阶段颗粒发生沉降或迁移，形成浓度差，驱动对流。

③溶剂挥发速率过快：特别是NMP（用于正极）或水系溶剂，若与环境温差、湿度不匹配，表层瞬间干燥“结皮”。

2.涂布工艺问题

①涂布速度与干燥速率不匹配：干燥箱温度设置过高（尤其是入口段），或风速过大，导致表层过快干燥。

②涂布间隙或模头设计：可能导致初始湿膜厚度微观不均，在干燥时应力差异放大。

③基材（集流体）影响：箔材表面粗糙度、清洁度、张力波动，影响浆料浸润和初始分布。

3.干燥过程动力学问题

①贝纳德对流：湿膜底部受热，表层溶剂蒸发吸热，形成垂直温度梯度与表面张力梯度，引发液体从中心向边缘、再下沉的对流漩涡，颗粒被携带至边缘堆积形成“橘皮”谷脊。

②“结皮-破裂”现象：表层快速形成硬壳，内部溶剂蒸发产生气泡，冲破表层后形成凹坑。

4.环境因素

①干燥环境湿度控制不当：影响溶剂蒸发平衡。

②浆料温度与车间温差大：导致涂布后流平过程不稳定。

系统性改善策略

1.浆料配方与分散优化 

调整流变特性：通过粘结剂（如CMC/SBR、PVDF）种类与用量、增稠剂，优化浆料触变性与高剪切粘度，确保良好流平性。 减少沉降，促进涂布后表面自流平，延缓表层“结皮”。

提升稳定性：优化分散工艺（顺序、时间、转速），确保纳米级分散（如导电剂SP）；可添加适量分散剂。 防止团聚体成为对流核，减少颗粒迁移驱动力。

优化固含量与溶剂体系：适当提高固含量；对水系浆料，可加入少量高沸点溶剂（如乙二醇）调节蒸发速率。 降低干燥过程中的流动性与浓度梯度。

2.涂布工艺优化 

设置梯度干燥温度：采用“低温-中温-高温”分段式干燥。入口段低温（如40-60℃）慢干，促进流平；中段升温加速蒸发；末段高温彻底干燥。 避免表层快速“锁死”，让内部溶剂平稳迁移挥发。

匹配涂布速度与干燥能力：避免为提升产能而过快涂布。 确保单位长度极片获得充分的、平缓的干燥时间。

控制涂布厚度均匀性：定期维护模头/刮刀，确保涂布间隙一致。 消除初始厚度不均的诱发因素。

3.干燥动力学调控 

优化风场与风速：确保干燥箱内风速均匀、平稳，避免对湿膜表面产生剧烈冲击。可采用上下错位吹风。 扰乱大范围的规则贝纳德对流漩涡，使其细碎化、无害化。

采用远红外或微波等辅助干燥：实现体积加热，减少温度梯度。 从内部加热，削弱由表及里的温度梯度，抑制贝纳德对流。

 4.基材与环境控制

保证集流体清洁与均匀润湿：清洗箔材，控制其表面张力（达因值）。 提供均匀的初始附着界面。

严格控制车间温湿度：特别是水系浆料，需控制湿度以防过快干燥。 创造稳定的溶剂蒸发环境。

总结

快速诊断：观察“橘皮”形态。若纹路大而规则，多为强烈贝纳德对流所致（重点查干燥入口温度与风速）；若凹凸随机且伴有气泡或裂纹，可能为“结皮-破裂”或分散问题（重点查浆料与高温段温度）。
浆料排查：检测浆料粘度、固含量及细度。进行沉降实验评估稳定性。
工艺参数复核：系统检查并记录干燥箱各段温度、风速、涂布速度、张力等参数。
试验设计：采用单变量法进行试验，优先调整干燥入口温度和涂布速度这两个最敏感参数。
设备维护：清洁干燥箱风嘴，检查涂布模头/背辊的平行度与磨损情况。

通过浆料配方、干燥动力学、涂布工艺三者的协同优化，可有效消除或显著减轻“橘皮”缺陷，从而提升极片一致性与电池综合性能。根本在于控制干燥过程中溶剂蒸发的平稳性与均匀性，抑制有害对流的发生。