鋰離子電池的能量密度提升對(duì)其在便攜電子、電動(dòng)汽車(chē)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用至關(guān)重要。集流體作為電池中承載活性材料并傳導(dǎo)電流的部件，其質(zhì)量和導(dǎo)電性直接影響電池性能。傳統(tǒng)銅箔集流體密度大，限制了能量密度的進(jìn)一步提高。復(fù)合集流體采用“金屬-聚合物-金屬”結(jié)構(gòu)，以 PET 等高分子薄膜為基底，沉積薄銅層，可實(shí)現(xiàn)輕量化。Flexfilm費(fèi)曼儀器探針式臺(tái)階儀可以實(shí)現(xiàn)表面微觀特征的精準(zhǔn)表征與關(guān)鍵參數(shù)的定量測(cè)量，精確測(cè)定樣品的表面臺(tái)階高度與膜厚，為材料質(zhì)量把控和生產(chǎn)效率提升提供數(shù)據(jù)支撐。

本研究通過(guò)等離子體處理、磁控濺射和電沉積工藝制備PET@Cu復(fù)合銅箔，并利用臺(tái)階儀精確表征薄膜厚度與表面粗糙度，優(yōu)化工藝參數(shù)，評(píng)估其電化學(xué)性能。

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復(fù)合銅箔集流體概述

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復(fù)合銅箔集流體通常采用“金屬-聚合物-金屬”的三層結(jié)構(gòu)，以聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚酰亞胺（PI）或聚丙烯（PP）等高分子薄膜為基底，在其表面沉積一層薄銅層。

這種結(jié)構(gòu)不僅保留了聚合物的輕質(zhì)和柔韌性，還賦予了材料良好的導(dǎo)電性能，其密度僅為純銅箔的50%～60%，表面電阻可低至0.1 Ω·m2以下。研究表明，采用復(fù)合集流體可顯著提升電池的質(zhì)量能量密度，如在Cu/Al厚度分別減至4/8 μm或3/6 μm時(shí)，電池比能量可提升3.8%～6.5%。

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PET@Cu復(fù)合集流體的制備

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PET@Cu復(fù)合集流體的制備工藝示意圖

首先將PET薄膜清洗干燥，然后使用旋轉(zhuǎn)等離子體表面處理機(jī)進(jìn)行表面改性，處理時(shí)間分別為0、1、3、5 min。處理后采用臺(tái)階儀（如Flexfilm探針式臺(tái)階儀）測(cè)量表面粗糙度（Ra），以評(píng)估等離子體處理效果。

隨后，利用磁控濺射設(shè)備在氬氣氣氛下將銅沉積到PET薄膜上，濺射功率分別為150、210、240、270 W，濺射時(shí)間5 min，壓力1.2 Pa。濺射后，用Flexfilm探針式臺(tái)階儀測(cè)量銅層厚度及表面輪廓，分析濺射功率對(duì)沉積速率和薄膜均勻性的影響。

將濺射后的樣品浸入酸性鍍銅液中進(jìn)行電沉積，電流密度4 A/dm2，時(shí)間90 s，溫度25℃。電鍍后再用Flexfilm探針式臺(tái)階儀測(cè)量總厚度（PET基底+銅層），計(jì)算電鍍?cè)龊窳?。最終對(duì)薄膜進(jìn)行鈍化處理。

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等離子體處理對(duì)PET表面粗糙度的影響

(a-d)不同等離子體處理時(shí)間（0、1、3、5 min）下PET薄膜的水接觸角(e-h)對(duì)應(yīng)處理時(shí)間下PET薄膜的表面SEM形貌(i-l)不同磁控濺射功率（150、210、240、270 W）下銅層的表面SEM圖像

等離子體處理通過(guò)增加表面極性官能團(tuán)提高PET親水性，同時(shí)改變表面微觀形貌。臺(tái)階儀測(cè)量結(jié)果顯示，未處理PET薄膜表面粗糙度Ra約為8.5 nm，處理1 min后Ra增至12.3 nm，3 min后達(dá)到18.7 nm，5 min后為20.1 nm。

結(jié)合接觸角數(shù)據(jù)，處理3 min時(shí)接觸角降至20.14°，表面能顯著提高，有利于銅層附著。但處理5 min后粗糙度增加不明顯，且可能因熱效應(yīng)導(dǎo)致薄膜變形，因此選擇3 min為最佳處理時(shí)間。

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控濺射功率對(duì)銅層厚度與形貌的影響

磁控濺射功率直接影響銅沉積速率和薄膜質(zhì)量。臺(tái)階儀測(cè)量不同功率下濺射5 min后的銅層厚度：150 W時(shí)厚度約0.6 μm，210 W時(shí)約0.9 μm，240 W時(shí)約1.2 μm，270 W時(shí)約1.4 μm。

但SEM觀察顯示，270 W時(shí)銅層出現(xiàn)裂紋，可能與高能粒子轟擊導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力有關(guān)。臺(tái)階儀輪廓曲線也顯示270 W樣品表面起伏增大，粗糙度Ra升至25.6 nm，而240 W樣品Ra為15.3 nm，表面平整。因此，優(yōu)選濺射功率為240 W，此時(shí)銅層厚度約1.2 μm。

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電沉積后復(fù)合集流體的厚度與表面均勻性

經(jīng)過(guò)電沉積，PET@Cu復(fù)合集流體的總厚度通過(guò)臺(tái)階儀精確測(cè)量。原始PET基底厚度約為6μm，濺射后厚度增加約1.2μm，電鍍90s后總厚度達(dá)到約8μm，即電鍍銅層增厚約0.8μm（設(shè)計(jì)目標(biāo)為2μm總銅層）。臺(tái)階儀多點(diǎn)測(cè)量顯示厚度均勻性良好，標(biāo)準(zhǔn)差小于0.1μm。表面粗糙度Ra為16.8nm，略高于濺射后，但整體平整。

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微觀結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能

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PET@Cu復(fù)合銅箔的形貌與結(jié)構(gòu)表征(a)實(shí)物照片；(b) PET@Cu表面SEM；(c)商用銅箔表面SEM；(d) XRD圖譜對(duì)比；(e) EIS對(duì)比曲線

SEM照片顯示PET@Cu表面晶粒均勻致密，無(wú)針孔。XRD圖譜證實(shí)銅層為面心立方結(jié)構(gòu)。EIS測(cè)試顯示PET@Cu的歐姆電阻略高于銅箔，但后續(xù)電池測(cè)試表明其電化學(xué)性能優(yōu)異。

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電池性能評(píng)估

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商用銅箔與PET@Cu的鋰電性能對(duì)比(a) 0.5C循環(huán)穩(wěn)定性及庫(kù)侖效率；(b, c) 0.5C下不同周次的充放電曲線（b:銅箔；c: PET@Cu）；(d) 倍率性能及庫(kù)侖效率；(e, f) 不同倍率下的充放電曲線（e: 銅箔；f: PET@Cu）

將PET@Cu復(fù)合銅箔與傳統(tǒng)銅箔分別組裝成Li||C半電池，進(jìn)行恒流充放電測(cè)試，評(píng)估其循環(huán)穩(wěn)定性、倍率性能和比容量。

循環(huán)穩(wěn)定性：在0.5C電流密度下，兩者均保持近100%的庫(kù)侖效率。PET@Cu在初始150次循環(huán)中表現(xiàn)出更高的比容量（198 mAh/g vs. 150 mAh /g），后期容量衰減趨勢(shì)與銅箔一致。銅箔的放電比容量最高可達(dá)228 mAh/g，在530次循環(huán)后降至初始值的80%；而PET@Cu最高為222 mAh /g，在410次循環(huán)后降至80%。盡管PET@Cu的循環(huán)壽命略短，但其整體比容量?jī)?yōu)勢(shì)明顯。

倍率性能：在不同電流密度（0.1 C～2 C）下，PET@Cu的放電比容量始終高于銅箔。例如，在0.1 C和2 C下，PET@Cu的放電容量分別為243.09 mAh /g和21.55 mAh /g，而銅箔僅為231.03 mAh /g和17.59 mAh /g。當(dāng)電流密度從2 C恢復(fù)至0.1 C時(shí)，兩者容量均迅速恢復(fù)，表明電池具有良好的可逆性。

極化行為：通過(guò)電壓-容量曲線分析，PET@Cu在不同荷電狀態(tài)（SOC）下的電壓滯后值均低于銅箔，例如在第20次循環(huán)的20%SOC下，PET@Cu的電壓滯后為8.1 mV，而銅箔為55.5 mV。這表明PET@Cu的極化程度更小，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)更優(yōu)。

此外，PET@Cu復(fù)合集流體的面密度僅為傳統(tǒng)銅箔的30%，顯著降低了電池的整體質(zhì)量，有助于提升能量密度。

本研究通過(guò)等離子體處理、磁控濺射和電沉積成功制備了PET@Cu復(fù)合集流體。探針式臺(tái)階儀精確測(cè)量了各工藝步驟中薄膜厚度與表面粗糙度，為工藝優(yōu)化提供了定量依據(jù)。最佳等離子體處理時(shí)間3 min，濺射功率240 W，可獲得厚度均勻、表面平整的銅層。所制備的PET@Cu復(fù)合集流體質(zhì)量輕、導(dǎo)電性好，組裝電池后表現(xiàn)出比傳統(tǒng)銅箔更高的比容量、更好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。臺(tái)階儀表征方法為復(fù)合集流體的研發(fā)和質(zhì)量控制提供了重要手段。

Flexfilm費(fèi)曼儀器探針式臺(tái)階儀

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費(fèi)曼儀器探針式臺(tái)階儀在半導(dǎo)體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領(lǐng)域，表面臺(tái)階高度、膜厚的準(zhǔn)確測(cè)量具有十分重要的價(jià)值，尤其是臺(tái)階高度是一個(gè)重要的參數(shù)，對(duì)各種薄膜臺(tái)階參數(shù)的精確、快速測(cè)定和控制，是保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機(jī)
• 亞埃級(jí)分辨率，臺(tái)階高度重復(fù)性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺(tái)結(jié)合Z軸升降平臺(tái)
• 超微力恒力傳感器保證無(wú)接觸損傷精準(zhǔn)測(cè)量

費(fèi)曼儀器作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的薄膜厚度測(cè)量技術(shù)解決方案提供商，Flexfilm費(fèi)曼儀器探針式臺(tái)階儀可以對(duì)薄膜表面臺(tái)階高度、膜厚進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。

#復(fù)合集流體#PET#鋰離子電池#費(fèi)曼儀器

原文參考：《基于電沉積制備輕質(zhì)PET@Cu復(fù)合集流體及其增強(qiáng)鋰離子電池性能的研究》

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