磷酸钒钠（Na₃V₂(PO₄)₃，简称NVP）作为一种典型的聚阴离子型钠离子电池正极材料，因其稳定的三维钠超离子导体（NASICON）结构、高工作电压和良好的热稳定性而备受关注。然而，在实际的电极制备过程中，NVP材料的特性也带来了一系列涂膜工艺上的挑战。本文将系统梳理NVP正极涂膜中的常见问题，分析其成因，并提供相应的解决方案。

 

一、 NVP材料特性及其对涂膜工艺的影响

 

在分析具体问题前，必须了解NVP材料的本征特性：

高密度和硬度：NVP材料密度较大，且NASICON结构坚硬，导致浆料易沉降，对搅拌和涂布工艺要求高。表面惰性：与碳材料（如SP）的相容性较差，不易分散，易导致导电网络构建不充分。

亲水性：与某些PVDF体系的粘结剂亲和力不足，浆料稳定性差。这些特性是导致后续诸多涂膜问题的根本原因。

 

二、 常见问题、成因分析与解决方案

问题一：浆料沉降严重，稳定性差

现象描述：浆料在静置后很快出现明显分层，底部有坚硬的沉淀，无法通过简单搅拌重新分散均匀。

 

成因分析：

1）材料密度大：NVP材料密度高，重力作用下易下沉。

2）浆料粘度低：溶剂过多或增稠剂（粘结剂）不足，无法提供足够的悬浮力。

3）分散剂选择不当或用量不足：未能有效克服颗粒间的范德华力，颗粒团聚后加速沉降。

 

解决方案：

1、优化搅拌工艺：

1）行星式搅拌：采用自转与公转相结合的行星式搅拌机，确保浆料被高强度地剪切混合，打破初次团聚。2）分步加料：通常顺序为：先将粘结剂（PVDF）完全溶解于溶剂（NMP）中形成胶液 → 加入导电剂（SP）高速分散 → 最后分批加入NVP粉末，低速搅拌以减少引入气泡，高速分散以均匀混合。

 

2、优化浆料配方：

1）调整固含量：适当提高浆料固含量，增加整体粘度。

2）添加分散剂：引入高效的分散剂（如PVP、磷酸酯类分散剂），其亲水基团与溶剂作用，疏水基团吸附在NVP颗粒表面，形成空间位阻或静电排斥，防止团聚。需通过实验确定合适的添加量（通常为活性物质质量的0.5%~2%）。

3）使用共粘结剂体系：在PVDF体系中可少量添加CMC（羧甲基纤维素钠），其长链分子能有效增稠并防止沉降。

 

问题二：极片干燥后出现裂纹

 

现象描述：

极片在烘箱干燥后，表面出现龟裂或大的裂纹，严重影响极片机械完整性。

 

成因分析：

1）干燥速率过快：表面溶剂迅速蒸发，表层收缩，而内层溶剂还未及时逸出，导致内应力不均将表面拉裂。

2）浆料粘弹性不佳：粘结剂含量过低或分散不均，浆料内聚力不足，无法抵抗干燥应力。

3）极片厚度过厚：一次涂布过厚，加剧了表层与内层的干燥速率差。

 

解决方案：

1）优化干燥程序：采用“梯度升温”或“分段干燥”模式。第一阶段用较低温度（如60-80℃）缓慢干燥，让大部分溶剂平稳蒸发；第二阶段提高温度（如100-120℃）彻底去除残留溶剂。

2）调整浆料配方：确保粘结剂（PVDF）含量充足（通常为活性物质质量的3%-8%），并分散均匀，以提供足够的柔韧性和粘结力。

3）控制涂布厚度：如果所需面密度较高，可采用“多次薄涂”的方式，即涂布一层 → 初步干燥 → 再涂布下一层，以此类推。

 

问题三：极片掉粉、剥离强度低现象描述：干燥后的极片用手指轻轻摩擦即大量掉粉，或从集流体（铝箔）上轻易剥离。

 

 

成因分析：

1）粘结剂失效：粘结剂选择不当、用量不足或分散不均。

2）集流体处理不当：铝箔表面有油污或氧化层，影响粘结剂与箔材的结合。

3）浆料渗透性差：浆料未能有效浸润铝箔表面微观孔洞，形成机械互锁。

 

解决方案：

1）确保粘结剂质量与用量：检查PVDF分子量是否合适，并确保其用量在有效范围内。

2）集流体预处理：对铝箔进行等离子清洗或电晕处理，能有效去除油污、活化表面、提高表面能，极大增强浆料润湿性和粘结力。这是比较有效的手段之一。

3）改善浆料润湿性：在浆料中添加少量润湿剂（如NMP预润湿铝箔），或选择润湿性更好的粘结剂体系（如水性体系中的SBR+CMC）。

4）增加轧制压力：对干燥后的极片进行辊压，增加活性物质、导电剂、粘结剂与集流体之间的接触紧密程度。

5）烘干调整：对于集流体脱落可以试试用100℃烘干12小时以上，不要用60℃

 

问题四：表面出现针孔、气泡

 

现象描述：

极片表面存在大量微小孔洞（针孔）或较大的气泡凸起。

 

 

成因分析：

1）浆料脱泡不彻底：搅拌过程中引入了过多空气。

2）涂布方式：刮刀涂布时，浆料中的气泡被刮刀拖拽形成针孔轨迹。

 

解决方案：

1）真空脱泡：搅拌完成后，将浆料转移至容器中进行真空脱泡处理（例如，-0.09 MPa下静置15-30分钟）。

2）调整搅拌工艺：在最后低速搅拌阶段延长搅拌时间，有助于大气泡上浮破裂。

3）控制涂布参数：调整刮刀角度、间隙和涂布速度，减少气泡带入。

 

问题五：极片均匀性差（条纹、厚度不均）

 

现象描述：

极片表面有方向性的条纹，或不同区域的厚度差异明显。

 

成因分析：

1）浆料分散不均：NVP颗粒或导电剂存在团聚体。

2）涂布设备问题：刮刀有缺口或损伤；背辊或涂布棒不洁净、有损伤。（选择高精度、易清洗的涂膜机，如慧诺智能的翻盖式刮刀涂膜机）

3）浆料供给不稳定。

 

解决方案：

1）确保浆料质量：加强分散和过滤（使用100-200目筛网过滤浆料），去除大颗粒团聚物。

2）设备维护：定期检查并清洁、更换刮刀和各类辊筒。

3）校准涂布参数：确保涂布间隙均匀，基材张力稳定。

 

问题六：极片表面粗糙，颗粒感严重

 

现象描述：

干燥后的极片手感粗糙，肉眼可见明显的颗粒凸起，表面光泽度差。辊压后可能无法完全压平，影响电池性能。

 

 

成因分析：

1）NVP材料本身粒径大或分布宽：如果采购的NVP原料D50粒径过大（如>10μm）或粒径分布过宽，大颗粒会直接导致涂膜表面粗糙。

 

2）浆料分散极不充分：这是常见的原因。NVP硬颗粒和导电剂（如SP）形成坚硬的团聚体，未能被有效打开和分散，这些团聚体在涂布时被刮刀刮出，形成颗粒感。

 

3）导电剂处理不当：导电炭黑（SP）具有极高的比表面积和强烈的团聚倾向，如果未先与粘结剂胶液充分分散形成导电胶，则会形成巨大的、难以破碎的导电剂团块。

 

4）浆料过滤不当：浆料中混入了环境粉尘或搅拌设备磨损产生的大颗粒异物。

 

解决方案：

1）优化加料顺序：务必遵循 “粘结剂溶解 → 导电剂分散 → 活性物质混合” 的顺序。在加入导电剂后，必须进行长时间的高速剪切（如3000rpm，30-60分钟），确保其与胶液充分混合形成均一的导电胶，此为关键步骤。

 

2）延长搅拌时间：加入NVP后，确保足够的高速分散时间，使大的团聚体被打散。

 

3）使用研磨设备：如果量少的话建议自己用研钵混，并且可以加Nmp前干磨尽可能彻底，也能保证pvdf和其他均匀混合，加入分散剂后，快速研磨5分钟左右就可以。对于大批量生产，可采用砂磨机或球磨机对浆料进行循环处理，利用研磨珠的碰撞和剪切力彻底打破团聚，这是获得超细、均匀浆料的有效手段。

 

4）源头控制——筛选材料：选择粒径适中（如D50在4-8μm）、粒径分布均匀（窄分布）的NVP产品。对于导电剂，可选择分散性更好的型号或使用碳纳米管(CNT)/石墨烯等进行复配。

 

强化分散工艺：

1）严格过滤：在涂布前，使用合适目数的筛网对浆料进行过滤，剔除残留的大颗粒和杂质。

2）适度辊压：通过调整辊压机的压力和间隙，将表面凸起的颗粒压平压实，但需注意压力过大可能导致极片脆断。

 

问题解析

1）如何解决厚度不均与条纹问题？实验涂膜机采用高精度伺服电机控制涂布间隙，确保涂布厚度可在微米级精确调控和重复，同一批次极片的面密度差异极小，极大提升实验数据的一致性和可信度。

 

2）如何保证浆料涂布状态一致，避免沉降影响？实验涂膜机配备恒速、恒压的供料系统，确保从开始到结束，浆料都以均匀的状态被涂敷，消除手动涂布因操作时间和手法不同带来的不确定性。

 

3）如何避免干燥开裂？设备集成均匀加热板，能提供稳定、均匀的热场，辅助极片固化。对于解决干燥开裂问题，我们建议用户通过“多次薄涂” 的工艺方案来替代复杂的程序升温：即先涂一层薄层，低温预热初步固化后，再涂下一层。这种方法结合涂膜机的厚度控制能力，能有效内应力，同样可以获得无裂纹的高质量极片。

 

总结而言，应对NVP材料的涂膜挑战，需要遵循“材料-配方-工艺-设备”的系统性思维。其中，采用高精度的自动化涂膜设备是实现工艺参数化、标准化和重现性的核心技术手段，能为准确的电化学性能评测奠定坚实的基础。

 

来源：未知

关键词： 钠离子电池 NVP 涂膜