阐明运行条件和异丙醇对阳极电极重边缘缺陷的影响

《Surfaces and Interfaces》：Elucidating the Effects of Operating Conditions and Isopropyl Alcohol on Heavy Edge Defects in Anode Electrodes

　　

- 通过3D扫描定量测量了湿膜和干膜的厚边高度H*和宽度W*。
- 涂布间隙是控制厚边高度H*的主导因素。
- 添加异丙醇（IPA）使厚边边缘更陡峭、宽度更窄。
- 含IPA的浆料干燥速度约快40%，从而驱动了厚边轮廓的变化。

## 引言

面对全球二氧化碳排放不断加剧及由此导致的全球变暖加剧，社会各界正积极寻求减少日常生活中碳足迹的各种方案。其中，电动汽车和储能系统等解决方案尤为引人注目，这些系统通过充放电循环运行，无需直接燃烧碳基燃料[[1], [2], [3], [4]]。在此背景下，在相关技术中扮演关键角色的锂离子电池市场正迅速扩张，对高能量密度和高性能锂离子电池（LIBs）的需求日益增长。为满足这些需求，材料科学领域正在积极开发多种化学技术[5]。从电极制造角度来看，工艺技术对于确保高性能、成本效益和可重复性至关重要，同时也需最小化制造缺陷[6,7]。

通常，锂离子电池的制造工艺按以下顺序进行：搅拌混合、涂布、干燥和辊压[8]。各阶段均开展了大量研究以减轻缺陷并提升电池性能。例如，在混合工艺中，许多研究聚焦于调控浆料组成和混合参数，随后对所得流变性能进行对比分析。在干燥过程中，一个主要挑战是粘结剂和导电添加剂的迁移，而快速干燥和高温度通常会加剧这一问题。在最终的辊压阶段，研发工作主要致力于控制电极孔隙率和电荷传输特性，其总体目标是提升体积能量密度[[9], [10], [11]]。在这些步骤中，涂布工艺——负责形成均匀电极——在锂离子电池的电化学性能和安全性方面起着至关重要的作用。目前在工业应用中，大规模卷对卷系统主要采用狭缝模头涂布[12]。

然而，此类连续涂布工艺容易产生各种缺陷。Schoo等人对涂布过程中产生的典型缺陷模式进行了分类[13]。其中，"厚边"缺陷至今仍是一个未解决的问题，值得进一步研究。厚边是指涂布电极的厚度轮廓不均匀现象，即边缘区域的厚度（或高度）大于中心区域。在电池组装过程中，这种边缘凸出会导致电极卷绕时发生重叠，干燥后可能引发电极表面出现皱褶状裂纹[14,15]。目前，该缺陷通常要求在涂布后额外增加一道分切工序以去除边缘部分，导致电极两侧产生修边损耗。在工业和实验室使用的多种涂布方法中均可观察到厚边缺陷的形成，包括狭缝模头涂布和刮刀涂布[[14], [15], [16]]。

已有众多研究致力于减轻或解决上述厚边现象。Spiegel等人[17]对狭缝模头涂布中的厚边几何特征进行了定量表征，并提出厚边高度随涂布间隙增大而增加。此外，针对高产能超薄/超厚涂膜，他们报告指出仅靠涂布间隙条件无法确保涂布稳定性——模头入口角也是影响厚边的一个重要参数。在另一项研究中，Spiegel等人[14]指出狭缝模头涂布中的颈部收缩流动会诱发厚边轮廓；在该工作中，涂布速度对边缘轮廓没有统计学上的显著影响，而与之前发现一致的是，减小无量纲涂布间隙可缓解边缘凸出。此外，他们建议采用逐渐向模头出口方向变宽的扩散型垫片，可在出口附近局部降低流速，从而抑制颈部收缩流动。尽管狭缝模头涂布在工业应用中最为普遍，但也有若干研究利用刮刀涂布来研究厚边的形成。例如，Lee等人[15]分析了高速刮刀涂布过程中产生的厚边缺陷，并从流变学角度探讨了其成因。在该研究中，还对工艺变量对厚边形成的影响进行了评估；涂布间隙、模头长度和基底速度按此顺序被确定为主导因素。此外，Dobroth等人[18]提出表面张力和模口胀大效应可能是厚边形成的次要贡献因素，同时得出结论认为主要机制源于边缘应力效应。具体而言，当薄膜在模头和淬火辊之间被拉伸时，边缘附近发生单轴拉伸变形，而中心区域则以平面变形为主；这种变形状态的差异导致边缘增厚和向上凸出。尽管已有这些进展，但先前的研究主要将厚边形成与工艺变量联系起来，而较少关注厚边几何形状如何随浆料配方的变化而变化，以及共溶剂添加所引入的物化性质变化对其的影响。此外，大多数先前的分析主要关注不同涂布条件下厚边高度的变化，而其宽度和斜率则研究相对较少。从工业角度来看，虽然厚边高度很重要，但减小厚边宽度将尤为有益，因为它可以减少分切过程中的材料损失。

在电池电极涂布过程中，增加电极厚度意味着增加浆料涂覆量，在后续组装中有助于制造高能量密度电芯[19]。然而，在实际涂布应用中，仅基于电池性能考量而一味追求过厚的涂层会引入权衡，导致涂布缺陷的产生。Sahore等人[20]报告指出，在正极电极制造过程中，当以500 μm涂布间隙将浆料涂覆于铝箔上时，电极涂层中会形成气泡。他们观察到，干燥后这些气泡会导致电极产生裂纹。为补充上述发现，本研究探讨了IPA溶剂添加对碳材料和粘结剂分布与聚集行为的影响。结果表明，在特定条件下，加入IPA有利于抑制电极裂纹的形成。值得注意的是，有研究报道指出，特定组成为80 wt%水与20 wt% IPA的水/IPA混合液在电极防裂方面效果最为显著[21,22]。

在本研究中，我们系统地考察了在水基阳极浆料中添加少量IPA对涂布过程中厚边形成的影响。使用实验室规模刮刀涂布机进行涂布，并改变浆料组成和涂布工艺参数。涂布完成后，使用表面扫描仪测量湿膜和干膜的高度轮廓，随后量化边缘区域的高度和宽度。此外，为了可视化并分析干燥过程中厚边形态和机理的演变，定期获取并分析了边缘轮廓。总之，本研究为通过添加少量IPA以及调整工艺和浆料组成变量来控制厚边缺陷提供了依据，旨在为后续涂布过程中的质量控制（如减少分切余量）奠定基础。

## 实验部分片段

**图1**总结了本研究中综合实验的整体流程。以下各节将提供详细信息，此处仅简要概述工作流程。首先，通过球磨制备特定组分的含水基阳极浆料（图1a）。随后，在不同涂布间隙和涂布速度下进行刮刀涂布（图1b）。涂布后的薄膜在热风烘箱中干燥（图1c），并进行3D扫描以获得定量信息。

## 阳极浆料的流变学分析

在本研究中，我们旨在阐明通过球磨制备的浆料的流变学特性。通过对比相同组成但有无IPA添加的浆料，隔离并讨论IPA在浆料中的影响，基于其粘弹性和流动特性进行分析。球磨制备的阳极浆料的流变学特性存在最佳混合时间，且取决于浆料组成[23]。据我们所知，尚无关于添加IPA对……的报道。

## 结论

在锂离子电池的阳极涂布过程中，厚边是一种常见缺陷，会降低生产率和涂布质量。本研究证明了通过添加IPA可以有效控制厚边几何形状。为验证这一发现，首先进行了流变学分析，评估了球磨制备的浆料的流变性能。虽然表现出此类浆料典型的非牛顿流体流动特性，但显示出明显的屈服行为。

## CRediT作者贡献声明

- **Lee Haegeon**：概念化、方法学、可视化、形式分析、验证、调查研究、撰写——初稿、撰写——审阅与编辑
- **Habaek Hyeong**：调查研究、验证、形式分析
- **Hanseo Wang**：调查研究、形式分析
- **Dongjae Kim**：概念化、形式分析、验证、撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、项目管理

## 利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文工作报道的已知竞争性经济利益或个人关系。

## 生成式AI及AI辅助技术在写作过程中的声明

在本文撰写过程中，作者使用了ChatGPT（OpenAI）来辅助语法检查和提高稿件在起草过程中的可读性。在使用AI辅助工具后，作者仔细审阅并编辑了相关内容，并对论文内容承担全部责任。

## 数据可用性

所有数据均可应要求提供。

## CRediT作者贡献声明（第二版）

- **Lee Haegeon**：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、方法学、调查研究、形式分析、概念化
- **Habaek Hyeong**：验证、调查研究、形式分析
- **Hanseo Wang**：调查研究、形式分析
- **Dongjae Kim**：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理、资金获取、形式分析、概念化

## 利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文工作报道的已知竞争性经济利益或个人关系。

## 致谢

本研究得到顺天乡大学研究基金和BK21 FOUR（培养研究型卓越大学）项目（编号：5199991614564）的支持；韩国技术振兴院（KIAT）由韩国政府（产业通商资源部）资助的赠款（RS-2025-02263458，产业创新人才培养项目）的支持；韩国基础科学院（国家研究设施与设备中心）由教育部资助的赠款（RS–2025–02317725）的支持。

**作者**：Lee Haegeon | Habaek Hyeong | Hanseo Wang | Dongjae Kim