集流體在鋰離子電池中扮演著不可或缺的角色，其材質(zhì)、物理性質(zhì)、表面處理、穩(wěn)定性等方面都會對電池的性能產(chǎn)生影響。通過對集流體表面進(jìn)行粗糙化處理，如退火，可以幫助陽極電流集流體形成扁平的石墨電極片和均勻的固體電解質(zhì)相間膜，減少鋰枝晶的生長，并延長電池的循環(huán)壽命。美能光子灣3D共聚焦顯微鏡，能夠快速高效完成亞微米級形貌和表面粗糙度的精準(zhǔn)測量任務(wù)，協(xié)助研究人員觀察集流體材料的表面形貌，提升電池性能。

Part.01

集流體表面粗糙化研究

商業(yè)鋰離子電池通常使用雙光電解銅箔作為陽極集流體首選材料。由于缺乏足夠的空隙，這種光滑表面無法有效緩解活性材料在充放電過程中產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力，導(dǎo)致電極材料容易脫落、接觸界面阻抗高和耐腐蝕性差。脫落的電極材料還可能刺穿隔膜，引發(fā)電池內(nèi)部短路和安全事故。

因此，可以對銅箔表面進(jìn)行粗糙化處理，增加電極表面積，能夠與活性物質(zhì)更好地接觸，有效防止材料脫落并提高粘結(jié)強(qiáng)度。接下來，將為您介紹銅箔表面狀態(tài)與鋰離子電池電化學(xué)性能之間的關(guān)系，并進(jìn)行對比研究。

制備不同粗糙度的銅箔作為鋰離子電池集流體的原材料，包含6μm和8μm兩種銅箔。在6μm的銅箔電鍍?nèi)芤褐刑砑犹砑觿┎⑦M(jìn)行電鍍，然后在此基礎(chǔ)上通過180℃和24小時的退火處理，將樣品分別標(biāo)記為BCF6、BCF8、未添加添加劑樣品和退火樣品。為了探究銅箔表面狀態(tài)，使用掃描電子顯微鏡對其微觀形貌進(jìn)行表征；使用3D共聚焦顯微鏡對銅箔的三維形貌進(jìn)行表征，并獲取表面粗糙度值。

Part.02

不同銅箔的表面平整度差異對比

銅箔的微觀結(jié)構(gòu)直接影響電極活性物質(zhì)與集流體之間的結(jié)合強(qiáng)度和導(dǎo)電性。不同銅箔表面的掃描電子顯微鏡圖像如下圖所示，由于制備過程的不同，表面形態(tài)存在顯著差異。

(a)BCF6; (b)BCF8; (c)未添加添加劑樣品;(d)退火樣品的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像

BCF6和BCF8的表面呈現(xiàn)出典型的峰谷結(jié)構(gòu)，其特點是起伏相對平坦。圖c的銅箔表面由大且獨(dú)立的金字塔形顆粒組成，顆粒邊界清晰。這種結(jié)構(gòu)是由于在電沉積過程中，銅離子優(yōu)先沉積在凸起處，導(dǎo)致凸顆粒的堆疊，并在銅箔表面形成凹凸輪廓。此外，圖d發(fā)現(xiàn)高溫退火后銅箔表面的顆粒邊界整合在一起，且表面出現(xiàn)細(xì)小的白色顆粒，與圖c相比，其平整度有所提高，紋理更加均勻?？傊?，不同銅箔的表面平整度差異顯著。

Part.03

不同銅箔的三維形態(tài)比較

下圖展示了不同表面狀態(tài)下的電解銅箔的三維形態(tài)和表面粗糙度。

（a）BCF6;（b）BCF8;（c）未添加添加劑樣品;（d）退火樣品的共聚焦顯微鏡圖像

圖a和b顯示了BCF6和BCF8的三維形態(tài)，它們的表面具有凹凸輪廓，這是電沉積銅箔的典型形態(tài)。圖c和d退火前后銅箔的微觀形態(tài)并沒有明顯的差異，兩種銅箔都保持了原有的“尖銳錐形”形態(tài)，這歸因于銅離子電沉積過程中的尖端放電效應(yīng)。這種形態(tài)，特征是表面像“毛刺”一樣，帶有眾多空隙，可以包裹活性材料。

Part.04

不同銅箔導(dǎo)電性分析

不同表面狀態(tài)下樣品的表面粗糙度和電導(dǎo)率（a）表面粗糙度；（b）電導(dǎo)率

銅箔的厚度和表面粗糙度是影響陽極電流集流體導(dǎo)電性的重要參數(shù)。上圖分別顯示了不同銅箔的表面粗糙度和導(dǎo)電性。結(jié)果表明，對于厚度不同的BCF6和BCF8，銅箔的導(dǎo)電性隨厚度增加而增加。這是因為電流在更寬和更厚的銅箔層中遇到更少的電阻。然而，對于相同厚度的銅箔，如未添加和退火，粗糙度與導(dǎo)電性呈負(fù)相關(guān)。這是因為均勻和密集的表面結(jié)構(gòu)有利于電流的傳導(dǎo)，而不均勻的層可能導(dǎo)致電流阻抗的增加。

根據(jù)上述研究可以得出結(jié)論，退火銅箔的均勻且密集的表面粗糙度給電池帶來了更高的穩(wěn)定性和電化學(xué)性能，為傳統(tǒng)陽極集流器的創(chuàng)新和發(fā)展指出了一個新的研發(fā)方向。

ME-PT3000

美能光子灣3D共聚焦顯微鏡

美能光子灣3D共聚焦顯微鏡是一款用于對各種精密器件及材料表面，可應(yīng)對多樣化測量場景，能夠快速高效完成亞微米級形貌和表面粗糙度的精準(zhǔn)測量任務(wù)，提供值得信賴的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

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• 提供粗糙度、幾何輪廓、結(jié)構(gòu)、頻率、功能等五大分析功能

• 采用針孔共聚焦光學(xué)系統(tǒng)，高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)設(shè)計

提供調(diào)整位置、糾正、濾波、提取四大模塊的數(shù)據(jù)處理功能

退火處理后的銅箔表面粗糙度顯著增加，這有助于提高鋰離子電池的循環(huán)穩(wěn)定性和電化學(xué)性能。在科學(xué)研究的微觀領(lǐng)域，我們經(jīng)常需要觀察材料的表面狀態(tài)和三維形態(tài)，這對于理解材料的性質(zhì)和性能至關(guān)重要。美能光子灣的3D共聚焦顯微鏡（ME-PT3000）以其卓越的成像能力和廣泛的應(yīng)用范圍，成為現(xiàn)代科研不可或缺的工具之一。