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在節(jié)能減排大環(huán)境下，新能源汽車行業(yè)在近些年迎來了蓬勃發(fā)展，甚至走出國(guó)門沖向世界，隨之而來，對(duì)動(dòng)力電池的需求也水漲船高。作為電動(dòng)汽車的核心驅(qū)動(dòng)零部件，動(dòng)力電池在能量密度、循環(huán)壽命等性能方面的標(biāo)準(zhǔn)跟著發(fā)展升高。作為電池制造的前段核心工序，精密涂布工藝的質(zhì)量直接影響電極活性物質(zhì)分布的均勻性和界面穩(wěn)定性。在涂布過程中，氣泡缺陷（Coating Bubble Defects）是最常見的工藝問題之一，漿料回流擾動(dòng)產(chǎn)生的氣泡、環(huán)境粉塵引起的表面張力變化、溶劑揮發(fā)不充分形成的氣泡殘留等缺陷，導(dǎo)致極片涂層出現(xiàn)局部厚度不均、黏結(jié)力下降等質(zhì)量問題。行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，涂布?xì)馀輰?dǎo)致的極片報(bào)廢率高達(dá)3%～5%，嚴(yán)重制約著電池生產(chǎn)良率的提升。

 

當(dāng)前研究主要集中在單一因素的改善，如漿料配方優(yōu)化或環(huán)境控制，而對(duì)涂布全流程的氣泡產(chǎn)生機(jī)理與協(xié)同控制策略缺乏系統(tǒng)研究。本文整合了2020—2024年涂布?xì)馀蓊I(lǐng)域的最新專利技術(shù)與試驗(yàn)成果，從機(jī)理分析、危害量化、工藝優(yōu)化及創(chuàng)新裝備四個(gè)維度展開研究，提出覆蓋“漿料制備-涂布實(shí)施-干燥固化”全流程的氣泡綜合治理方案，為動(dòng)力電池的高品質(zhì)制造提供理論支持與技術(shù)參考。

 

01 氣泡產(chǎn)生機(jī)理與分類

 

1.動(dòng)態(tài)回流氣泡

涂布過程中，多余漿料需通過回流管返回漿料罐循環(huán)利用。在此過程中，漿料流速變化（如管路截面突變或泵送脈動(dòng)）和壓力波動(dòng)均會(huì)導(dǎo)致氣體卷吸。當(dāng)漿料流經(jīng)狹窄管道時(shí)，根據(jù)伯努利原理，流速增大處壓力降低，溶解在漿料中的氣體析出形成氣泡，這些氣泡隨漿料進(jìn)入涂布模頭后，會(huì)在涂層表面形成直徑0.5～2mm的圓形凹陷。山東圣陽鋰科公司的一項(xiàng)專利表明，回流管結(jié)構(gòu)缺陷是此類氣泡的主因，傳統(tǒng)直通式回流管缺乏氣泡分離能力，導(dǎo)致微氣泡在漿料中持續(xù)累積。

 

2.異物誘導(dǎo)氣泡

生產(chǎn)環(huán)境中的粉塵、纖維等異物對(duì)涂布質(zhì)量影響極大。掃描電鏡分析顯示（見圖1），氣泡中心常存在直徑5～50μm的異物顆粒，而這些異物顆粒的存在，會(huì)影響涂層連續(xù)性，改變顆粒部位的局部表面張力，使涂布的漿料向四周滑移，形成中間薄、邊緣厚的“火山口”狀結(jié)構(gòu)。

粉塵來源：烘箱風(fēng)道積塵（占42%）、人員操作帶入（28%）、原材料自帶（20%）。

 

作用機(jī)制：異物使?jié){料潤(rùn)濕性失衡，接觸角增大，阻礙漿料鋪展，烘干后形成可見氣泡痕。

 

3.工藝相關(guān)氣泡

負(fù)極漿料“SBR（苯丁烯橡膠）飄藍(lán)”是一種特殊的氣泡誘因。SBR是一種常見的黏結(jié)劑，其表面羧基（-COOH）與羧甲基纖維素鈉（CMC）產(chǎn)生電荷排斥，導(dǎo)致靜置時(shí)產(chǎn)生分層進(jìn)而上浮形成聚集。當(dāng)漿料固含量＜50% 或攪拌速度＞1500r/min時(shí)，SBR的核殼結(jié)構(gòu)被破壞，上浮加劇形成藍(lán)色絮團(tuán)，涂布后演變?yōu)槲馀萑骸?/span>

 

溶劑殘留氣泡則與干燥工藝密切相關(guān)。涂布后的烘箱若前段溫度過高（如＞80℃），升溫過快，表層漿料迅速固化，內(nèi)部溶劑汽化后被封閉在涂層中，形成微米級(jí)孔隙。利元亨公司的試驗(yàn)證明，此類氣泡在厚電極（＞200μm）中的發(fā)生率比薄電極高3倍。

 

4.氣泡的成因分類及特征

對(duì)各種氣泡的位置、尺寸、微觀特征和主要誘發(fā)因素進(jìn)行簡(jiǎn)要概括，具體見表1。

 

02 氣泡對(duì)電池性能的影響機(jī)制

 

1.電化學(xué)性能衰減

氣泡的存在會(huì)破壞電極活性物質(zhì)的連續(xù)分布，導(dǎo)致局部離子傳輸阻抗增加。循環(huán)測(cè)試表明，在電池循環(huán)500次后，當(dāng)負(fù)極片氣泡面積占比達(dá)10%時(shí)，容量保持率降至85.6%；若氣泡占比升至40%，容量保持率驟降至78.3%，遠(yuǎn)低于正常電池的92.5%（見表2）。

這是因?yàn)橛行Щ钚晕镔|(zhì)減少（氣泡占據(jù)電極體積，降低單位面積的鋰離子嵌入/脫出能力）和電流分布畸變（氣泡邊緣形成電流密度集中區(qū)，加速石墨顆粒破碎）。

 

2.安全風(fēng)險(xiǎn)機(jī)理

滿電態(tài)拆解分析顯示，氣泡中心區(qū)呈亮白色（見圖2），表明此處發(fā)生了鋰金屬析出。

這是因?yàn)闅馀輩^(qū)涂層變薄，石墨載量不足，充電時(shí)鋰離子無法完全嵌入石墨層間，在負(fù)極表面沉積為枝晶，經(jīng)50次循環(huán)后，枝晶可能刺穿隔膜引發(fā)短路，甚至發(fā)展呈更嚴(yán)重的情況，氣泡區(qū)在充放電過程中因鋰沉積不均產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，會(huì)導(dǎo)致電極開裂，加劇電解液分解產(chǎn)氣，進(jìn)而形成“氣泡-析鋰-產(chǎn)氣”的惡性循環(huán)。

 

3.工藝連鎖反應(yīng)

氣泡缺陷還會(huì)引發(fā)后續(xù)工序異常：

 

輥壓黏附：SBR分布不均使涂層黏結(jié)力下降，輥壓時(shí)極片易黏附在壓輥上。

涂布中斷：大氣泡導(dǎo)致極片抗拉強(qiáng)度降低，高速涂布時(shí)斷帶率升高。

分切毛刺：氣泡區(qū)機(jī)械強(qiáng)度弱，分切時(shí)產(chǎn)生金屬屑，增加短路風(fēng)險(xiǎn)。

 

03 精密涂布?xì)馀輧?yōu)化策略

 

1.動(dòng)態(tài)排氣技術(shù)升級(jí)

針對(duì)回流氣泡，某公司開發(fā)出了階梯式排氣杯裝置（見圖3），

其核心設(shè)計(jì)包括以下幾點(diǎn)：

1）氣液分離結(jié)構(gòu)：排氣杯回流管液體入口的最高點(diǎn)要低于液體出口的最低點(diǎn)（L2>10cm），利用重力差實(shí)現(xiàn)氣泡上浮。

2）可視監(jiān)控系統(tǒng)：杯體設(shè)置低液位刻度線（高于出口5cm），防止?jié){料進(jìn)入排氣管。

3）湍流抑制設(shè)計(jì)：杯體直徑>3倍管徑，降低流速至0.1m/s以下，促進(jìn)氣泡聚并。

該裝置使?jié){料氣泡率降低76%，極片面密度波動(dòng)控制在±1.5%以內(nèi)。某公司則創(chuàng)新性地在漿料箱內(nèi)設(shè)置斜坡式導(dǎo)流板，使?jié){料在箱底形成層流，氣泡沿導(dǎo)流槽集中至頂部排氣閥。

 

2.環(huán)境與工藝協(xié)同控制

異物誘導(dǎo)氣泡需采取潔凈度管理體系：

1）空間分級(jí)，合漿區(qū)潔凈度達(dá)I S O 5級(jí)（百級(jí)），涂布區(qū)ISO 6級(jí)（千級(jí)）。

2）風(fēng)控優(yōu)化，烘箱進(jìn)風(fēng)安裝0.3μm高效過濾器（HEPA），排風(fēng)設(shè)單向閥防倒灌。

3）異物阻斷，涂布模頭加裝納米防塵罩，人員穿戴無靜電防塵服。

針對(duì)SBR上浮問題，實(shí)施漿料穩(wěn)定性三階調(diào)控：

1）分子修飾，采用羥基改性SBR（-OH取代率＞30%），降低與CMC電荷排斥。

2）流變優(yōu)化，固含量提升至55%～60%，CMC取代度（DS）≥1.2，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)包裹能力。

3）動(dòng)態(tài)維持：漿料暫存時(shí)起用200r/min低速攪拌，涂布前過200目篩網(wǎng)。

涂布工藝參數(shù)優(yōu)化策略見表3。

3.智能涂布裝備應(yīng)用

某公司采用了一種雙層布局的高速寬幅涂布機(jī)，并通過三重創(chuàng)新式技術(shù)來解決氣泡問題。

1）干燥場(chǎng)仿真系統(tǒng)：基于ANSYS Fluent的烘箱流場(chǎng)仿真，優(yōu)化風(fēng)嘴布局，使溫度均勻性達(dá)±1.5℃，風(fēng)速波動(dòng)<5%。

2）脈動(dòng)抑制供料：螺桿泵+蓄能器組合供料，壓力波動(dòng)控制在±0.02MPa。

3）缺陷在線檢測(cè)：高分辨率CCD相機(jī)（12μm/pixel）實(shí)時(shí)識(shí)別氣泡并標(biāo)記位置。

該設(shè)備在1400mm幅寬、90m/min速度下運(yùn)行，氣泡缺陷率降至0.3%，較傳統(tǒng)設(shè)備提升4倍效率。

 

4.新型材料體系

慶陽大學(xué)開發(fā)出來仿生結(jié)構(gòu)涂層材料，采用表面保護(hù)蝕刻技術(shù)制備氣泡狀碳包覆硅顆粒。其特殊結(jié)構(gòu)提供膨脹緩沖空間，即使存在微氣泡也不易導(dǎo)致涂層開裂。韓國(guó)KAIST研究所則采取利用氣相沉積技術(shù)（iCVD）在隔膜上沉積聚六乙烯二硅氧烷（pHVDS），提升電解質(zhì)潤(rùn)濕性，補(bǔ)償氣泡區(qū)界面接觸不良。

 

04 行業(yè)創(chuàng)新案例與試驗(yàn)驗(yàn)證

 

1.排氣杯裝置工業(yè)測(cè)試

在某公司的產(chǎn)能項(xiàng)目中，階梯式排氣杯被集成于涂布回流系統(tǒng)，連續(xù)30天后：

1）氣泡缺陷片數(shù)從日均156片降至37片。

2）漿料利用率提升至98.2%，年節(jié)約成本約240萬元。

3）提高極片輥壓后面密度一致性，標(biāo)準(zhǔn)差由0.89降至0.21。

 

2.全流程潔凈控制方案

某頭部電池生產(chǎn)制造企業(yè)在實(shí)施“零異物”工程項(xiàng)目后：

1）烘箱風(fēng)道每月除塵頻次從4次減至1次。

2）涂布?xì)馀輬?bào)廢率由4.7%降至0.9%。

3）電池循環(huán)1500次后厚度膨脹率＜12%（原方案＞20%）。

 

3.SBR穩(wěn)定性改善試驗(yàn)

對(duì)比三種負(fù)極漿料方案。傳統(tǒng)配方：S B R  2.0%+CMC 1.0%，靜置60min后上浮率18.7%； 改性配方：羥基SBR 1.8%+高DS CMC1.2%，上浮率降至5.3%；動(dòng)態(tài)維持：改性配方+200r/min攪拌，上浮率僅1.1%。

 

05 結(jié)語

本文系統(tǒng)研究了動(dòng)力電池涂布?xì)馀莸漠a(chǎn)生機(jī)理、危害路徑及優(yōu)化策略。研究表明，動(dòng)態(tài)回流氣泡、異物誘導(dǎo)氣泡和SBR上浮氣泡是三類主要缺陷，分別需要通過排氣裝置革新、環(huán)境潔凈度提升及漿料穩(wěn)定性優(yōu)化進(jìn)行控制。綜上所述，階梯式排氣杯、改性SBR黏結(jié)劑和智能涂布裝備等方案的應(yīng)用，可使涂布?xì)馀萑毕萋式档椭?%以下，使動(dòng)力電池的循環(huán)壽命增加10%以上。

 

隨著新能源汽車行業(yè)的持續(xù)發(fā)展和技術(shù)升級(jí)，動(dòng)力電池也要不斷進(jìn)行工藝技術(shù)的優(yōu)化革新，其未來研究應(yīng)聚焦三個(gè)方向：

1）多物理場(chǎng)耦合仿真：建立漿料流變-干燥溫度-張力控制的數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)氣泡預(yù)測(cè)預(yù)警。

2）新型功能材料：開發(fā)自修復(fù)黏結(jié)劑（如動(dòng)態(tài)交聯(lián)聚氨酯），在氣泡區(qū)主動(dòng)修復(fù)界面。

3）高速在線檢測(cè)：基于高分辨率的視覺檢測(cè)和AI識(shí)別系統(tǒng)，識(shí)別精度提升至5μm級(jí)。

 

隨著半固態(tài)電池、硅碳負(fù)極等新體系的發(fā)展，涂布工藝將面臨更高黏度漿料（＞10Pa·s）和超厚電極（＞300μm）的挑戰(zhàn)。只有通過從材料到設(shè)備到工藝的聯(lián)動(dòng)協(xié)同創(chuàng)新，才能實(shí)現(xiàn)“零缺陷”涂布，推動(dòng)動(dòng)力電池品質(zhì)的跨越式提升。

 

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