锂离子电池性能优化：调控电解铜箔不同的表面形态

在新能源技术飞速发展的今天，锂离子电池的性能优化始终是行业焦点，如何抑制锂枝晶生长、提升电极界面稳定性，成为突破电池循环寿命瓶颈的关键。本研究基于光子湾共聚焦显微镜（CLSM）表征技术，揭示了电解铜箔表面状态对锂电池性能的影响机制，为阳极集流体的优化设计指明了方向。

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锂电铜箔的技术瓶颈

锂电铜箔的结构

商用锂电阳极常用双面光电解铜箔，但其光滑表面在充放电中存在三大问题：

无孔隙结构无法缓冲活性材料体积膨胀应力，导致电极脱落与界面阻抗升高；

脱落材料可能刺穿隔膜引发内短路；

平整表面致锂沉积不均，加剧枝晶生长并降低库伦效率。

已有研究表明，退火等粗糙化工艺通过增比表面积、修复晶格、促进晶粒生长，形成稳定SEI 膜，可抑制枝晶并改善界面性能。

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实验设计：铜箔表面状态的调控

Li||Cu纽扣电池的制备过程

1. 材料与制备工艺

原料：五水硫酸铜、硫酸、盐酸等电解液组分，搭配SP-50、HE-50 等添加剂。

铜箔制备：电沉积法制备6 μm（BCF6）、8 μm（BCF8）含添加剂铜箔；

无添加剂电沉积制备6 μm 铜箔（Unadded），并经180℃/24 h 退火处理获得粗糙化铜箔（Annealed）。

2.性能表征

表面形貌分析：利用激光共聚焦显微镜（CLSM）获取铜箔三维（3D）形貌，精确测量表面粗糙度。结果显示，退火处理使铜箔粗糙度从 0.237 μm 提升至 0.533 μm，形成 “毛刺状” 多孔结构，显著增加比表面积。

机械性能测试：电子万能试验机测定拉伸强度与延伸率，退火铜箔延伸率达9.91%，较未处理样品提升近 4 倍。

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铜箔退火处理的优势

不同表面状态样品的CLSM 图像 （A，a） BCF6;（B，b）BCF8;（C，c）未添加;（D，d） 退火。

不同表面状态下样品的横截面形貌（a） BCF6;（b） BCF8;（c） 未添加;（d） 退火。

1. 微观结构优化

晶粒生长与界面融合：共聚焦显微镜CLSM与SEM 观察表明，退火处理促使铜箔晶粒边界融合，表面形成细小氧化物颗粒，提升与活性材料的机械咬合能力。

三维孔隙结构：粗糙化表面的“尖锥状” 形貌为锂沉积提供更多活性位点，抑制枝晶定向生长。

2. 电化学性能提升

容量与循环稳定性：退火铜箔组装的电池初始放电容量达384.22 mAh/g，是 BCF6 的 1.45 倍；在 0.1C-2.5C 倍率测试中，容量保持率显著优于其他样品。

界面阻抗降低：电化学阻抗谱（EIS）显示，退火铜箔的电荷转移电阻（Rct）仅 135.44 Ω，较未处理铜箔降低约 10%，SEI 膜稳定性显著提升。

3. 机械 - 电化学协同效应

高延伸率（9.91%）使退火铜箔在循环中不易破裂，配合粗糙表面的 “锚定” 作用，减少活性材料脱落，最终实现容量与安全性的双重优化。

综上，本研究通过激光共聚焦显微镜（CLSM）等表征手段证实，电解铜箔表面状态的精准调控可通过退火等工艺使铜箔表面粗糙化，增加比表面积，改善界面结合力与机械性能，形成稳定SEI 膜，抑制锂枝晶生长，从而提升锂电池性能。光子湾科技的CLSM 技术以纳米级分辨率捕捉铜箔三维形貌演变，可为揭示锂电作用机制研究提供关键数据支撑。

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光子湾3D共聚焦显微镜

光子湾3D共聚焦显微镜是一款用于对各种精密器件及材料表面，可应对多样化测量场景，能够快速高效完成亚微米级形貌和表面粗糙度的精准测量任务，提供值得信赖的高质量数据。

超宽视野范围，高精细彩色图像观察

提供粗糙度、几何轮廓、结构、频率、功能等五大分析功能

采用针孔共聚焦光学系统，高稳定性结构设计

提供调整位置、纠正、滤波、提取四大模块的数据处理功能

在半导体、锂电等高端制造领域，光子湾科技CLSM已实现从铜箔表面工程到SEI 膜动态演化的全链条表征。让光学精密测量技术成为推动新能源材料革新的核心驱动力，共同解锁高比能电池的产业化密码。未来，光子湾将持续深耕光学精密测量领域，为半导体、锂电等高端制造行业提供从材料表征到工艺优化的全链条技术支持。

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