鋰離子電池在新能源汽車、儲能系統(tǒng)等領域廣泛應用，但能量密度與安全性之間的矛盾日益突出。集流體作為電池內(nèi)部電子傳輸?shù)年P鍵載體，其性能直接影響電池整體表現(xiàn)。傳統(tǒng)電解銅箔雖導電性好，但存在安全性低、重量大等局限。

復合銅集流體通過"金屬層-高分子支撐層-金屬層"三層結構設計，以輕量化（銅用量減少50%以上）顯著提升鋰離子電池能量密度，以縱向斷裂與橫向絕緣特性可阻斷熱失控蔓延，同步解決能量密度與安全性間的矛盾，成為當前電池材料研究的重要方向。其中，Flexfilm探針式臺階儀作為表面形貌與厚度的核心量化工具，不僅能精準測試基膜及鍍層的粗糙度、厚度均勻性，更能為工藝參數(shù)優(yōu)化、改性效果驗證提供直接數(shù)據(jù)支撐，是提升產(chǎn)品性能的關鍵技術保障。

商用圓柱電池內(nèi)部復合集流體的結構示意圖

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復合銅集流體制造工藝

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復合銅集流體制造工藝對比

復合銅集流體的制造工藝主要分為一步法（全干法）、二步法（磁控濺射-電化學鍍）、三步法（磁控濺射-真空蒸鍍-電化學鍍）三種路徑。其中磁控濺射鍍膜是核心工藝，通常采用卷對卷鍍膜方式。

磁控濺射（MS）鍍膜

磁控濺射工藝原理及卷對卷磁控濺射設備示意圖

聚酰亞胺基復合銅集流體的物理表征及電化學性能曲線圖

磁控濺射是復合銅集流體制造的核心工藝，多數(shù)生產(chǎn)采用二步法，即先通過卷對卷磁控濺射制備厚度≤100 nm的銅打底層，再經(jīng)電化學鍍增厚至約1 μm，該方法操作簡便且薄膜附著力良好。磁控濺射工藝具有附著力強、沉積速率快、襯底損傷小等優(yōu)點，廣泛應用于復合集流體打底層制備。設備通常包含多套旋轉陰極，通過調節(jié)走帶速度、陰極功率等參數(shù)，可優(yōu)化銅層方阻與均勻性。

通過臺階儀對不同參數(shù)下的鍍層測試發(fā)現(xiàn)：在走帶速度0.5m/min、陰極功率8kW的參數(shù)下，銅打底層厚度均勻性誤差可控制在±5 nm內(nèi)，遠優(yōu)于行業(yè)平均水平；而降低走帶速度、增加陰極功率或設計NiCr打底層，可使濺射銅層的方阻從初始的50mΩ降至25mΩ以下，滿足后續(xù)增厚需求。研究表明，磁控濺射制備的銅層具有（111）晶面擇優(yōu)取向，有利于提升導電性與結構完整性。然而，該工藝仍面臨靶材利用率低、真空周期長、針孔率高等挑戰(zhàn)，需通過工藝優(yōu)化與設備升級加以改進。

電化學鍍（ED）

兩步法制備PP基復合銅集流體的詳細工藝流程

完全放電后PP基復合銅集流體的結構形貌表征

電化學鍍主要用于銅層增厚，具有沉積效率高、成本較低的優(yōu)勢。其在導電種子層上進行，通過控制電流密度、鍍液成分等參數(shù)實現(xiàn)均勻鍍覆。但無法在不導電區(qū)域沉積銅層，難以彌補磁控濺射產(chǎn)生的孔洞缺陷，且對設備張力控制和移動速度要求嚴格，否則易出現(xiàn)熔穿、斷膜現(xiàn)象。

臺階儀測試的超薄銅層厚度（nm）

目前業(yè)界最認可的是“脈沖磁控濺射 + 電化學鍍”兩步法，在PP基膜兩側沉積1μm超薄銅層。盡管銅層厚度僅為傳統(tǒng)銅箔的 1/6，但經(jīng)臺階儀檢測，其厚度偏差可控制在±30nm內(nèi)，均勻性良好，且電導率與傳統(tǒng)銅箔接近（5.26×10? S?m?1 vs 5.56×10? S?m?1）。這得益于銅原子在 PP 基底上沿（111）面擇優(yōu)生長，而臺階儀對鍍層結晶后的厚度均勻性檢測，進一步證實了該晶面生長的穩(wěn)定性。相關研究顯示，通過空氣等離子體預處理 PP 基膜后，臺階儀測試其表面粗糙度從初始35nm增至78nm，正是這種粗糙度的精準提升，使 PP/Cu 界面結合力增強，電池循環(huán)庫倫效率從89%提升至95%以上。

真空蒸鍍（VE）

聚酰亞胺基復合銅集流體XPS譜圖及其組裝半電池的電化學性能表征

真空蒸鍍常作為磁控濺射與電化學鍍之間的補充工藝，通過加熱金屬源使其蒸發(fā)并沉積于基材表面，可有效填補孔洞、提高銅層均勻性。然而，蒸鍍過程溫度較高，易導致聚合物基膜變形，需精確控制工藝參數(shù)。此外，蒸鍍的引入增加了生產(chǎn)工序復雜性，不利于降本增效。

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復合銅集流體支撐層及其改性方案

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支撐層特性對比

高分子支撐層的性能直接決定復合集流體的整體表現(xiàn)，目前主流基膜包括PP、PET和PI：

復合集流體主流聚合物基膜特性對比

其中，PP基膜因成本低、耐電解液腐蝕、斷裂伸長率高而成為首選。但其非極性表面導致與銅層界面結合力不足，易在循環(huán)過程中脫落，影響電池性能。PET雖應用廣泛，但在電解液中易溶脹降解；PI性能優(yōu)異但成本高昂，難以規(guī)?；?。

銅箔與PP基復合銅集流體性能對比圖

PP基膜的支撐層多為雙向拉伸聚丙烯（BOPP），由等規(guī)PP樹脂經(jīng)擠出流延、雙向拉伸及熱定型制成。PP屬于非極性聚合物，主鏈為飽和碳重復單元，側鏈為甲基，分子間作用力以微弱的范德華色散力為主，導致其與金屬鍍層的結合力薄弱。

但研究發(fā)現(xiàn)，PP表面天然存在的環(huán)狀連通溝槽（類似 “隕石坑” 結構），經(jīng)臺階儀測試，該結構可使表面粗糙度提升至55~65nm，通過增加表面粗糙度適度改善鍍銅結合力；而通過磁控濺射制備的PP基復合集流體，其殘余壓痕深度為銅箔的兩倍，能更好地適配硅基材料鋰化 / 脫鋰過程中的體積變化，展現(xiàn)出更優(yōu)的循環(huán)穩(wěn)定性。

支撐層改性方案

PP/Cu界面結合力不足是PP基復合銅集流體的核心痛點，循環(huán)過程中銅層易脫落，導致電池內(nèi)阻升高、能量損失增加。界面強化的核心機理分為兩類：機械互鎖（通過增加基膜表面粗糙度，使金屬與基底相互滲透形成互鎖結構）和化學鍵合（在基膜表面引入活性基團，與銅離子配位形成穩(wěn)定化學鍵），具體通過表面原位改性和涂層功能修飾兩類方案實現(xiàn)，而臺階儀作為改性效果的量化測試工具，為不同方案的優(yōu)劣對比提供了關鍵依據(jù)。

表面原位改性

氧等離子體改性接觸角變化示意圖及機理圖

該方案通過物理或化學方法直接處理基膜表面，包括：

電暈處理：通過高壓放電引入極性基團，但處理后存在疏水恢復現(xiàn)象，改性效果隨時間衰退。

等離子體刻蝕：在低真空下利用等離子體轟擊表面，既可清潔又能引入極性基團、增加粗糙度。但改性層穩(wěn)定性有限，常需與后續(xù)工藝在線結合。

化學刻蝕：使用酸、堿等試劑腐蝕表面，形成納米紋理并引入親水基團。該方法簡單經(jīng)濟，但過度刻蝕可能損傷基膜，且存在廢液處理問題。

涂層功能修飾

通過在PP表面涂覆功能涂層，以化學鍵合方式增強界面結合力，更具應用潛力：

臺階儀測試鍍銅層的部分數(shù)據(jù)

薄金屬涂層：選擇 Ni、Al、Cr 等金屬作為中間層，通過磁控濺射沉積于基膜表面。其中Ni與Cu均為面心立方晶格結構，原子半徑和電負性接近，界面固溶體溶解度大，能促進Cu晶粒形核、抑制晶粒長大，提升鍍層致密度和附著力，結合效果最優(yōu)；經(jīng)臺階儀測試，Ni中間層（厚度20nm）可使后續(xù)Cu鍍層的厚度均勻性誤差從±40nm降至±15nm，顯著優(yōu)化鍍層質量，避免因厚度不均導致的電流分布失衡。

PASC基復合銅集流體界面結合的表征及PP基膜TA-APTES結構示意圖

薄高分子涂層：通過涂覆黏合劑或功能聚合物，在基膜表面引入活性基團，強化與銅鍍層的配位結合。例如，聚多巴胺（PDA）涂層可通過簡單浸涂功能化各類聚合物，賦予強附著力，但成本較高；單寧酸（TA）與 3 - 氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）的復合涂層，能在基膜表面組裝含豐富親水基團的納米球，經(jīng)臺階儀測試，該涂層可使PP基膜表面粗糙度從38nm增至95nm，同時通過 C=O、N-H 基團與Cu形成配位鍵，顯著提升界面結合力；引入 Ag?還可進一步將拓撲粗糙度提升至120nm，同時Ag層可作為附加導電層，確保銅層脫落后集流體的導電性。

復合集流體憑借輕量化、高安全性及成本效益，成為突破傳統(tǒng)電解銅箔性能瓶頸的理想選擇。制造工藝趨于成熟，磁控濺射是核心工藝。支撐層改性中，PP基膜憑借耐電解液腐蝕、高斷裂伸長率及低成本成為優(yōu)選，涂層修飾通過引入活性基團與金屬配位增強結合力，是更具潛力的解決方案。在整個研發(fā)和生產(chǎn)過程中，臺階儀作為重要的表征工具，為工藝優(yōu)化和質量控制提供了可靠的技術支持。

Flexfilm探針式臺階儀

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在半導體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領域，表面臺階高度、膜厚的準確測量具有十分重要的價值，尤其是臺階高度是一個重要的參數(shù)，對各種薄膜臺階參數(shù)的精確、快速測定和控制，是保證材料質量、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
• 亞埃級分辨率，臺階高度重復性1nm
• 360°旋轉θ平臺結合Z軸升降平臺
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準測量

費曼儀器作為國內(nèi)領先的薄膜厚度測量技術解決方案提供商，Flexfilm探針式臺階儀可以對薄膜表面臺階高度、膜厚進行準確測量，保證材料質量、提高生產(chǎn)效率。

#復合銅集流體#磁控濺射#二步法#涂層改性

原文參考：《復合銅集流體制造工藝及其支撐層改性方案綜述》

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