優(yōu)化工藝，提升性能！掃描電鏡在電解銅箔中的應(yīng)用

通過掃描電鏡對銅箔形貌的表征，可以幫助研發(fā)人員對銅箔的制備工藝、性能進(jìn)行優(yōu)化改善，進(jìn)一步滿足高性能鋰離子電池現(xiàn)有和未來的質(zhì)量要求。

從青銅禮器到方孔銅錢，從銅線電纜到鋰電汽車。銅作為人類最早開發(fā)利用的金屬之一，幾乎伴隨著整個人類文明的進(jìn)程。在科技日益發(fā)展的今天，我們有了更為全面的工具與手段，得以對銅材料及其生產(chǎn)工藝進(jìn)行持續(xù)深入的研究和創(chuàng)新。

圖片來源：攝圖網(wǎng)

應(yīng)用廣泛的金屬銅

金屬銅具有延展性好、電導(dǎo)率高且易于加工、價格低等特點(diǎn)，在鋰離子電池及印刷電路板等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用[1]。

根據(jù)生產(chǎn)工藝的不同，可以將銅箔分為壓延銅箔和電解銅箔兩種。

壓延銅箔由銅塊反復(fù)軋制而成，純度高，粗糙度低，具備較高的力學(xué)性能，但是成本較高。而電解銅箔具有成本低的優(yōu)勢，是目前市場上主流的銅箔產(chǎn)品。

電解銅箔具體工藝為（1）溶銅：將原料銅溶解，形成硫酸-硫酸銅電解液，經(jīng)過多重過濾去除雜質(zhì)，來提高電解液的純度。（2）生箔制備：通常以拋光的純鈦輥為陰極，通過電沉積將電解液中的銅離子還原到陰極表面形成一定厚度的銅層。（3）表面處理：將生箔從陰極輥上剝離，再經(jīng)過后處理就可以得到成品電解銅箔。

圖1 電解銅箔生產(chǎn)工藝[2]

鋰離子電池中的金屬銅

鋰離子電池主要由活性材料（正極材料，負(fù)極材料）、隔膜、電解液和導(dǎo)電集流體組成。

正極電位高，銅在較高電位時易被氧化，因此銅箔常作為鋰離子電池的負(fù)極集流體。銅箔的抗拉強(qiáng)度、延伸率等性能直接影響到鋰離子電池的性能[3]。目前鋰離子電池主要向著“輕薄化”的趨勢發(fā)展，因此對電解銅箔的性能也提出了超薄、高抗拉強(qiáng)度和高延伸率等更高的要求。如何有效改進(jìn)電解銅箔工藝，進(jìn)而提升銅箔力學(xué)性能，是銅箔未來的主要研究方向。

制箔工藝中合適的添加劑配方是調(diào)控電解銅箔性能的最有效的手段，定性和定量化的研究添加劑對電解銅箔表面形貌和物理性能的影響一直是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)[4]。在材料科學(xué)中微觀結(jié)構(gòu)決定其力學(xué)性能，使用掃描電鏡表征其表面微觀形貌、顯微組織的變化，可以幫助研究人員建立微觀組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的關(guān)系。

掃描電鏡下的銅箔

圖2是使用國儀量子鎢燈絲電鏡SEM3200拍攝的生箔的表面形貌，可以看到生箔的表面是類金字塔的凹凸不平的結(jié)構(gòu)。

圖2 銅生箔/10kV/ETD

圖3是經(jīng)過粗化后的銅箔，會有微凸起的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，這種結(jié)構(gòu)會提高集流體和活性材料的粘結(jié)力，也就是檢測性能里關(guān)注的抗剝離性能。在電池的制備過程中，活性材料是無法直接和集流體粘連的，通常要采用粘結(jié)劑來連接。而負(fù)極材料即使使用了粘結(jié)劑，與銅箔的粘結(jié)力也不強(qiáng)，容易脫落，這會導(dǎo)致電池的性能大大降低，更有可能導(dǎo)致隔膜刺穿，存在安全隱患。

圖3 粗化后的銅箔/10kV/ETD

通過掃描電鏡對銅箔形貌的表征，可以幫助研發(fā)人員對銅箔的制備工藝、性能進(jìn)行優(yōu)化改善，進(jìn)一步滿足高性能鋰離子電池現(xiàn)有和未來的質(zhì)量要求。

參考資料：[1]Wang C, Yuan W, Chen Y, et al. Plowing-extrusion pro‐cesses and performance of functional surface structures of copper current collectors for Li-ion batteries[J]. Nano‐manufacturing and Metrology, 2022(2): 1-18[2]The Quest for Smoother Copper May Have Reached Its Limit[3]程慶,李寧,潘欽敏等.電解銅箔添加劑的研究進(jìn)展及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].電鍍與精飾,2022,44(12)[4]楊森.鋰電池用高性能超薄電解銅箔的研究[D].常州大學(xué),2022.[5]王帥.我國電解銅箔技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢前瞻[J].有色金屬加工,2023,52(01)