涂布干燥开裂及其解决措施.pdf

涂布浆料开裂的解决方法

理论分析

电极涂层在干燥过程中，毛细管力是产生裂纹的主要原因。当含有悬浮颗粒的湿

涂层干燥时，首先所有颗粒都悬浮在溶剂中（图1a），随着溶剂蒸发，气液界面

在干燥过程中到达涂层表面（图1b），颗粒之间的空气-溶剂界面的弯液面产生毛

细管力，颗粒受到由毛细管力产生的垂直于气-液界面的压缩力，随着进一步干

燥，气液界面进入涂层内部，毛细管作用力随着溶剂蒸发而增加（图1c），从而

对颗粒施加进一步的压缩力。最终，涂层在某些关键点开裂以释放干燥应力（图

1d）。

图1涂层干燥开裂过程

电极存在一个不开裂的最大厚度，即临界开裂厚度，当厚度小于临界开裂厚度时，

涂层不产生裂纹，当厚度大于此临界值，涂层产生裂纹。临界开裂厚度h估算

max

公式为：

其中，G是颗粒的剪切模量，M是配位数，φ是随机密排堆积的颗粒体积分数，

rcp

R是颗粒半径，γ是溶剂-空气表面张力。解决开裂问题，可以使临界开裂厚度增

加，使其超过生产的涂层厚度。由公式可知，当颗粒的剪切模量G越大、配位

数M和颗粒体积分数φ（这两个参数类似于固含量）越高，颗粒半径R越大，

rcp

表面张力γ越小，临界开裂厚度hmax越大。因此，解决开裂问题可以从以上几

个方面考虑。

工艺经验

（1）锂电池浆料中，负极一般使用水作溶剂，而正极使用NMP作溶剂。由于水

的表面张力（72.80mN/m,20°C）远高于NMP（40.79mN/m,20°C）。因此，在

水性浆液的干燥过程中会有更高的毛细管压力，这更容易导致涂层开裂。

（2）在制备某种亚微米级锂电池电极时，采用PVDF作为粘结剂，NMP为溶剂，

电极厚度增加时，电极即使在室温下风干，然后再真空干燥箱中真空干燥，电极

开裂。当把粘结剂换成聚丙烯酰胺时，电极干燥不开裂。这说明粘结剂对电极开

裂也会有影响，图3和5同样说明此问题。粘结剂影响颗粒的周围环境，可能导

致公式中M、φ和γ的变化，从而影响电极开裂倾向。

图2微米Si/PAA/导电剂复合电极的临界开裂厚度。所有电极中，Si（2μm）、PAA和导

2

电剂的组成为80%、10%和10%，以水为溶剂。厚度小于~100μm（涂层面载荷3mg/cm）

2

的情况下无任何裂纹，当厚度达到140μm（涂层面载荷4.5mg/cm）以上时电极出现裂

纹。

图3当电极中不加入粘结剂时，使用CNT导电剂并提供一定粘结性，硅电极临界开裂厚

度300μm。

图4镍钴锰三元NMC/PVDF/导电剂复合电极的临界开裂厚度（175μm）。NMC：PVDF：

CB组成为90%、5%和5%，，以NMP为溶剂。电极的厚度小于175μm时，电极没有裂

纹，更较厚的电极容易开裂，从集流体上脱落。

图5当电极中不加入粘结剂时，使用CNT导电剂并提供一定粘结性，三元材料电极临界

开裂厚度800μm。

解决措施：

（1）使用水/IPA(异丙醇，表面张力23.00mN/m,20°C)混合物作为电极浆料

溶剂，以降低表面张力，从而避免开裂并提高电极性能。混合溶剂的表面

张力可以通过以下公式估算：

其中，x1是水的摩尔分数，x2是IPA的摩尔分数。γ1是水的表面张力，

γ2是IPA的表面张力。

（2）