极片常见缺陷及解决方案最全总结
在锂离子电池工艺开发和品质管控过程中，极片制造属于前段工序，在整个过程中占据着重要位置。日本电池界普遍认为，电池的质量有70%与极片品质有关。这是因为极片品质好坏不仅影响电池中段组装工序，而且会对后段工序、电池的电化学性能和安全性能产生关键性的影响。因此，如何最大限度地减少极片的缺陷来提高极片品质，对做出高质量的电芯至关重要。关于极片的常见缺陷和解决方案，虽然已经有不少公 众号文章做了相关的总结，但是个人认为这些文章总结的缺陷总类都比较有限。本文在前人的基础上，总结了更多的缺陷种类和相应的解决方案，希望能帮助大家对极片缺陷问题的多样性和复杂性有个更全面的认识。个人水平有限，如有遗漏的缺陷种类，也欢迎大家留言补充。 点状缺陷 1. 针孔缺陷： 现象和原因：气泡产生的针孔缺陷，湿膜中的气泡从内层向膜表面迁移，在膜表面破裂形成的针孔缺陷。如图1所示，带有气泡的极片经过辊压机辊压后，涂覆区表面出现的圆形颜色异常区域即为气泡，圆形区内部颜色较深，说明此处碳层偏薄，轻度凹陷导致未辊压到；圆形区边缘出现亮色边线，是因为此处偏厚，压实密度较大。气泡主要来自搅拌、涂液输运以及涂布过程。 图1. 带有气泡的极片 解决方案：加强浆料输送系统的密封和恒温，以除浆料运输中可能产生的气泡；涂布前的浆料需做好脱泡处理。 2. 异物缩孔： 现象和原因：在涂布过程中，涂布基材受到较低表面张力物体(如油滴、灰尘等)的污染后，污染物周围的涂布溶液会流向具有较高表面张力的方向（图2a)，形成像火山口或酒窝状的缩孔缺陷（图2b)。材料之间表面张力不匹配，是产生缩孔缺陷的主要诱因，但浆料的粘度、流动性以及干燥风速和温度等都可能改变表面张力及其作用过程，从而诱发形成缩孔缺陷。 图2. a) 缩孔形成机理示意图; b) 缩孔示意图 (注：若缩孔呈中心凸起，称为火山口；若缩孔没有中心凸起，称为凹坑) 解决方案:涂液过滤除铁、环境粉尘控制、基材表面清洁。 3. 团聚体颗粒凸起： 现象：如图3所示，极片表面出现大面积的颗粒凸起。颗粒凸起区经辊压后因压实密度与周边区域不一致，存在色差（比周边颜色更亮），类似麻点状表现外观异常。放大这些地方观察，发现这是导电剂的团聚体。 图3. 团聚体颗粒凸起SEM形貌 原因：浆料搅拌不均匀，导电剂没有分散开，形成团聚体时就会产生此类缺陷。 解决方案：改善浆料搅拌工艺来消除。 线状缺陷1. 划痕：现象：与涂布方向平行的线状薄区或漏箔线条，如图4所示。 图4. 涂布极片划痕缺陷 原因：１)异物或大颗粒卡在狭缝间隙内或涂布间隙上;2) 基材质量不佳，造成有异物挡在涂辊与背辊的涂布间隙上; 3) 模具模唇损伤；4）在涂布设备运转过程中，有时因张力不均或烘箱风量不适引起电极在走带过程中发生刮蹭，同样引起划痕线。 解决方案：1）涂布之前过筛处理，除去浆料中的大颗粒；2）清除唇口或涂布间隙的颗粒、检查模头唇口；3）对于刮蹭类引起的问题需要停线逐一排查，找出刮蹭位置，清除障碍或适当调节烘箱风量，在保证电极干燥的情况下，解决刮蹭引起的划痕线问题。2. 有规律竖条纹缺陷：现象：通常我们所说的“规律竖条纹”(Ribbing)缺陷指的是沿机器方向出现的平行条纹，并且整个涂布幅面都有此缺陷。如同在一个刚出涂布头的胶面上你拿个梳子或者锄地的耙子沿机器方向抓，人为地抓出了外观一样的缺陷（图5）。图5. 竖条纹示意图原因：这种现象通常发生于接近涂布窗口的速度上限，薄涂层更明显；浆料粘度过大，无法很好流平，在箔材表面分布不均匀。解决方案：1）调低浆料粘度，提升浆料的流平性，以便浆料从涂布机转移到箔材表面后能够均匀铺开；2）降低涂布速度，让浆料消除“弹性”，及时流平；3) 减小涂辊与背辊之间的涂布间隙。3. 横向纹：现象:垂直于涂布方向，固定间隔所产生的波纹或线条（图6）。原因：1）机械震动；2）走带速度波动；3）浆料供料的流动发生周期性波动图6. 横向纹缺陷解决方案：１)确认机械扰动频率与横纹发生频率是否相同；2)更换泵和涂布设备；3)涂布头增加真空盒。4. 极片裂纹：现象：涂层表面出现纵横交错裂纹的缺陷，如图7所示。原因: 干燥过度、过快。由于极片在停机时各个部位受热不均匀，造成受热边缘在干燥的过程中有的地方极片表面干燥过快，有的过慢，涂层内产生的内应力没有完全释放就会开裂。改善措施：可通过调节烘箱温度和进风大小来控制烘烤速度。图7. 极片裂纹示意图边缘缺陷厚边：现象：涂布过程中，经常出现边缘厚，中间薄的现象（图8）。图8. 极片厚边示意图原因：1) 模头挤压喷出时，粘弹性浆料流体会发生膨胀，由于受到模头边缘壁面的额外应力作用，边缘处浆料膨胀效应更明显，从而导致厚边现象产生;2) 涂层干燥时，各处干燥速度相同，而边缘处溶剂蒸发更快些，因此边缘成分变化更快时，如果浆料里面没有界面活性剂等添加剂或者分散的颗粒悬浮液表面张力大于溶剂的表面张力时，浆料向边缘流动，最终导致厚边现象（图9）。图9. 干燥过程中厚边的产生过程改善措施：1）浆料流量一定时，减小狭缝尺寸能够增加浆料在模头的出口速度，从而降低浆料的拖曳力比值，进而减小厚边涂层的厚度，但是狭缝尺寸变小模头内部的压力更大，更容易造成模头出口形状的膨胀，从而出现涂层横向厚度不均匀性，这需要更高精度的涂布设备配合；2）涂布间隙减小能够有限减小厚边涂层的厚度和宽度；3）降低浆料的表面张力，如添加界面活性剂、调节粘度等，抑制干燥过程中浆料向边缘的流延；4）优化狭缝垫片出口形状，改变浆料流动速度方向和大小，降低边缘浆料的应力状态，减弱浆料边缘膨胀效应。 2. 极片辊压边缘褶皱： 现象：如图10所示，极片辊压边缘呈现的细小的、纵向或斜向局部凸起的、一条或多条圆滑的槽沟。 图10. 极片褶皱示意图 原因：1）辊压偏斜、辊压变形不均、辊压力过低，极片厚度不均导致应力分布不均产生褶皱；2）来料板型不好或有横波,同时卷取时张力不够；3）卷取轴不平,套筒不圆等导致卷曲张力不均匀。 改善措施：1）保证极片辊压行进方向与轧辊轴线垂直；2）辊压时适当减小压下量,增大卷取时张力,使变形趋于均匀；3）控制极片来料的厚度、板形，以此来符合辊压要求；4）随时检查辊筒的质量，发现辊筒不圆、立即处理。 3. 拖尾现象： 现象：如图11所示，拖尾现象又分为水印式拖尾和锯齿状拖尾。水印区域无活性物质和导电剂存在，造成面密度不均的概率较低，因此水印式拖尾危害较小。发生锯齿状拖尾现象时，极片面密度不均匀现象严重，危害较大。 图11. 有拖尾现象的极片外观原因：1）浆料粘度太低或固含量过低时，浆料发生固液分层，因液体的流动性比固体好，当固体停止流动时液体部分或者固含量低的部分还会向外流动，就会形成拖尾现象；2）基材和浆料的表面张力差异性也会引起拖尾现象。浆料在基材上润湿要求浆料的表面张力低，基材的表面能高；否则在涂布后涂层会很快脱润湿，即涂层从已涂布的地方缩回；3）浆料发生沉降或者正极浆料出现“果冻”现象也会出现拖尾现象；4）背辊涂辊间隙不平行；5）背辊弹开速度太慢 改善措施：1）制备固含量和粘度适宜的浆料外；2)基材的表面能与浆料的表面张力要匹配，基材的表面能要高，涂料液体的表面张力要低；3）调节背辊涂辊间隙；4）增大背辊弹开速度。 其他缺陷 1. 橘皮缺陷 现象：涂层呈现似橘子表面纹理的外观缺陷 （图12） 图12. a)真的橘皮和b)具有橘皮缺陷的极片原因：1）在涂布过程中，由于溶剂挥发，不同的区域产生温度差，浆料上层和底层形成浓度差，形成表面张力的梯度及自然对流的现象，涂布溶液就会发生迁移，最终造成涂布表面不平整、形成橘皮缺陷；2）烘箱的干燥速率过快或热风风速过快，溶液在流平前就提早固化，也形成橘皮缺陷。改善措施：1）降低干燥速率，让溶液可以有足够的时间流平；2）在溶液里添加一些低挥发的溶剂、表面活性剂等，减小温度差和浓度差。 2.极片分切毛刺 现象：如图13所示，分切后的极片边缘能观察到细小的毛刺 图13. 箔材毛刺示意图原因：正极极片圆盘分切时，由于张力控制不稳定或刀口钝了导致二次切削形成箔材毛刺 改善措施：1）调节张力；2）将刀口重新磨锋利或者更换刀片 3. 极片分切波浪边 现象：如图14所示，分切后的极片边缘呈现出波浪状 图14. 极片波浪边示意图原因：负极极片圆盘分切时，由于切刀重叠量和压力不合适，形成波浪边和切口涂层脱落。 改善措施：调整切刀重叠量和压力 4. 极片掉粉 原因：１）配方问题，粘结力不够；2）烘烤温度过高，溶剂挥发速度快，导致SBR上浮，材料与集流体之间的粘结力不够，导致掉粉。 改善措施：1）选用性能较好的CMC和SBR，调整CMC和SBR比例，改善极片粘结性能；2）用取代度好取代均匀的CMC能起到良好的分散性能，使主材料和粘结剂SBR良好分散并同箔材均匀接触，提升粘结力；3）可以调整烘烤温度速度，减缓SBR上浮浓度差，保持箔材附近SBR含量，保证粘结力均匀;4)取代度高取代均匀的CMC保水性好，一定程度上可以延缓水性体系浆料水剂的挥发速度，使SBR不至于过快过多上浮，减少浓度差。 5. 极片开裂、打卷 现象：在涂布工序经常能遇到极片干燥后开裂问题（如图15所示），严重时候出现极片收缩打卷现象。 图15. 极片开裂示意图 原因：1）干燥过度、过快；2）固含量低，溶剂挥发量过大，导致浆料收缩严重；3）停机干裂：由于极片在停机时各个部位受热不均匀，造成受热边缘在干燥的过程中有的地方极片表面干燥过快，有的过慢，涂层内产生的内应力没有完全释放就会开裂。 改善措施：1）调整烘箱温度，进风大小，风嘴与极片之间的位置来调整干燥时间和速度；2）调整固含量；3）加入改善应力的溶剂，以下为常见的三种负极浆料添加剂，EC、乙醇、NMP，其中NMP对开裂改善效果最突出，即使温度剧烈的加减，也不易出现开裂。 来源：锂电芯动
