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优化工艺,提升性能!扫描电镜在电解铜箔中的应用

更新时间:2024-04-23      点击次数:249

通过扫描电镜对铜箔形貌的表征,可以帮助研发人员对铜箔的制备工艺、性能进行优化改善,进一步满足高性能锂离子电池现有和未来的质量要求。

从青铜礼器到方孔铜钱,从铜线电缆到锂电汽车。铜作为人类最早开发利用的金属之一,几乎伴随着整个人类文明的进程。在科技日益发展的今天,我们有了更为全面的工具与手段,得以对铜材料及其生产工艺进行持续深入的研究和创新。



优化工艺,提升性能!扫描电镜在电解铜箔中的应用 

图片来源:摄图网

 

应用广泛的金属铜

金属铜具有延展性好、电导率高且易于加工、价格低等特点,在锂离子电池及印刷电路板等领域中具有广泛的应用[1]

根据生产工艺的不同,可以将铜箔分为压延铜箔和电解铜箔两种。

压延铜箔由铜块反复轧制而成,纯度高,粗糙度低,具备较高的力学性能,但是成本较高。而电解铜箔具有成本低的优势,是目前市场上主流的铜箔产品

电解铜箔具体工艺为(1)溶铜:将原料铜溶解,形成硫酸-硫酸铜电解液,经过多重过滤去除杂质,来提高电解液的纯度。(2)生箔制备:通常以抛光的纯钛辊为阴极,通过电沉积将电解液中的铜离子还原到阴极表面形成一定厚度的铜层。(3)表面处理:将生箔从阴极辊上剥离,再经过后处理就可以得到成品电解铜箔。


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图1 电解铜箔生产工艺[2]

 

锂离子电池中的金属铜

锂离子电池主要由活性材料(正极材料,负极材料)、隔膜、电解液和导电集流体组成。

正极电位高,铜在较高电位时易被氧化,因此铜箔常作为锂离子电池的负极集流体。铜箔的抗拉强度、延伸率等性能直接影响到锂离子电池的性能[3]。目前锂离子电池主要向着“轻薄化”的趋势发展,因此对电解铜箔的性能也提出了超薄、高抗拉强度和高延伸率等更高的要求。如何有效改进电解铜箔工艺,进而提升铜箔力学性能,是铜箔未来的主要研究方向。

制箔工艺中合适的添加剂配方是调控电解铜箔性能的最有效的手段,定性和定量化的研究添加剂对电解铜箔表面形貌和物理性能的影响一直是国内外学者的研究热点[4]。在材料科学中微观结构决定其力学性能,使用扫描电镜表征其表面微观形貌、显微组织的变化,可以帮助研究人员建立微观组织结构与力学性能之间的关系。

 

扫描电镜下的铜箔

图2是使用国仪量子钨灯丝电镜SEM3200拍摄的生箔的表面形貌,可以看到生箔的表面是类金字塔的凹凸不平的结构。


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图2 铜生箔/10kV/ETD


图3是经过粗化后的铜箔,会有微凸起的结构产生,这种结构会提高集流体和活性材料的粘结力,也就是检测性能里关注的抗剥离性能。在电池的制备过程中,活性材料是无法直接和集流体粘连的,通常要采用粘结剂来连接。而负极材料即使使用了粘结剂,与铜箔的粘结力也不强,容易脱落,这会导致电池的性能大大降低,更有可能导致隔膜刺穿,存在安全隐患。


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图3 粗化后的铜箔/10kV/ETD

通过扫描电镜对铜箔形貌的表征,可以帮助研发人员对铜箔的制备工艺、性能进行优化改善,进一步满足高性能锂离子电池现有和未来的质量要求。

 

参考资料:[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]程庆,李宁,潘钦敏等.电解铜箔添加剂的研究进展及应用现状[J].电镀与精饰,2022,44(12)[4]杨森.锂电池用高性能超薄电解铜箔的研究[D].常州大学,2022.[5]王帅.我国电解铜箔技术现状与趋势前瞻[J].有色金属加工,2023,52(01)