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(guò)掃描電鏡對(duì)銅箔形貌的表征，可以幫助研發(fā)人員對(duì)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(lái)的質(zhì)量要求。

從青銅禮器到方孔銅錢(qián)，從銅線電纜到鋰電汽車。銅作為人類最早開(kāi)發(fā)利用的金屬之一，幾乎伴隨著整個(gè)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(duì)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(lái)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(jià)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(shì)，是目前市場(chǎng)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(guò)多重過(guò)濾去除雜質(zhì)，來(lái)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(guò)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(guò)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(shí)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(shì)發(fā)展，因此對(duì)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(lái)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(duì)電解銅箔表面形貌和物理性能的影響一直是國(guó)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(guó)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(guò)粗化后的銅箔，會(huì)有微凸起的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，這種結(jié)構(gòu)會(huì)提高集流體和活性材料的粘結(jié)力，也就是檢測(cè)性能里關(guān)注的抗剝離性能。在電池的制備過(guò)程中，活性材料是無(wú)法直接和集流體粘連的，通常要采用粘結(jié)劑來(lái)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(huì)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(guò)掃描電鏡對(duì)銅箔形貌的表征，可以幫助研發(fā)人員對(duì)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(lái)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(guó)電解銅箔技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢(shì)前瞻[J].有色金屬加工,2023,52(01)