锂离子电池集流体—铜箔的表面粗糙度表征研究

集流体在锂离子电池中扮演着不可或缺的角色，其材质、物理性质、表面处理、稳定性等方面都会对电池的性能产生影响。通过对集流体表面进行粗糙化处理，如退火，可以帮助阳极电流集流体形成扁平的石墨电极片和均匀的固体电解质相间膜，减少锂枝晶的生长，并延长电池的循环寿命。美能光子湾3D共聚焦显微镜，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，协助研究人员观察集流体材料的表面形貌，提升电池性能。

Part.01

集流体表面粗糙化研究

商业锂离子电池通常使用双光电解铜箔作为阳极集流体首选材料。由于缺乏足够的空隙，这种光滑表面无法有效缓解活性材料在充放电过程中产生的内部应力，导致电极材料容易脱落、接触界面阻抗高和耐腐蚀性差。脱落的电极材料还可能刺穿隔膜，引发电池内部短路和安全事故。

因此，可以对铜箔表面进行粗糙化处理，增加电极表面积，能够与活性物质更好地接触，有效防止材料脱落并提高粘结强度。接下来，将为您介绍铜箔表面状态与锂离子电池电化学性能之间的关系，并进行对比研究。

制备不同粗糙度的铜箔作为锂离子电池集流体的原材料，包含6μm和8μm两种铜箔。在6μm的铜箔电镀溶液中添加添加剂并进行电镀，然后在此基础上通过180℃和24小时的退火处理，将样品分别标记为BCF6、BCF8、未添加添加剂样品和退火样品。为了探究铜箔表面状态，使用扫描电子显微镜对其微观形貌进行表征；使用3D共聚焦显微镜对铜箔的三维形貌进行表征，并获取表面粗糙度值。

Part.02

不同铜箔的表面平整度差异对比

铜箔的微观结构直接影响电极活性物质与集流体之间的结合强度和导电性。不同铜箔表面的扫描电子显微镜图像如下图所示，由于制备过程的不同，表面形态存在显著差异。

(a)BCF6; (b)BCF8; (c)未添加添加剂样品;(d)退火样品的扫描电子显微镜(SEM)图像

BCF6和BCF8的表面呈现出典型的峰谷结构，其特点是起伏相对平坦。图c的铜箔表面由大且独立的金字塔形颗粒组成，颗粒边界清晰。这种结构是由于在电沉积过程中，铜离子优先沉积在凸起处，导致凸颗粒的堆叠，并在铜箔表面形成凹凸轮廓。此外，图d发现高温退火后铜箔表面的颗粒边界整合在一起，且表面出现细小的白色颗粒，与图c相比，其平整度有所提高，纹理更加均匀。总之，不同铜箔的表面平整度差异显著。

Part.03

不同铜箔的三维形态比较

下图展示了不同表面状态下的电解铜箔的三维形态和表面粗糙度。

（a）BCF6;（b）BCF8;（c）未添加添加剂样品;（d）退火样品的共聚焦显微镜图像

图a和b显示了BCF6和BCF8的三维形态，它们的表面具有凹凸轮廓，这是电沉积铜箔的典型形态。图c和d退火前后铜箔的微观形态并没有明显的差异，两种铜箔都保持了原有的“尖锐锥形”形态，这归因于铜离子电沉积过程中的尖端放电效应。这种形态，特征是表面像“毛刺”一样，带有众多空隙，可以包裹活性材料。

Part.04

不同铜箔导电性分析

不同表面状态下样品的表面粗糙度和电导率（a）表面粗糙度；（b）电导率

铜箔的厚度和表面粗糙度是影响阳极电流集流体导电性的重要参数。上图分别显示了不同铜箔的表面粗糙度和导电性。结果表明，对于厚度不同的BCF6和BCF8，铜箔的导电性随厚度增加而增加。这是因为电流在更宽和更厚的铜箔层中遇到更少的电阻。然而，对于相同厚度的铜箔，如未添加和退火，粗糙度与导电性呈负相关。这是因为均匀和密集的表面结构有利于电流的传导，而不均匀的层可能导致电流阻抗的增加。

根据上述研究可以得出结论，退火铜箔的均匀且密集的表面粗糙度给电池带来了更高的稳定性和电化学性能，为传统阳极集流器的创新和发展指出了一个新的研发方向。

ME-PT3000

美能光子湾3D共聚焦显微镜

美能光子湾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。

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提供调整位置、纠正、滤波、提取四大模块的数据处理功能

退火处理后的铜箔表面粗糙度显著增加，这有助于提高锂离子电池的循环稳定性和电化学性能。在科学研究的微观领域，我们经常需要观察材料的表面状态和三维形态，这对于理解材料的性质和性能至关重要。美能光子湾的3D共聚焦显微镜（ME-PT3000）以其卓越的成像能力和广泛的应用范围，成为现代科研不可或缺的工具之一。