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    技術(shù)文章

    掃描電鏡在電解銅箔中的應(yīng)用

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          金屬銅具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、可塑性和導(dǎo)熱性,制出的銅箔工藝成熟,成本低,已被廣泛運(yùn)用于各個(gè)行業(yè)。在電子制造行業(yè)中,銅箔是生產(chǎn)印制電路板(PCB)的主要原材料,高密度互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)印刷電路板提出更密、更薄、更平的要求;在鋰電行業(yè),電解銅箔作為負(fù)極集流體,是制備鋰離子電池的基礎(chǔ)原材料,同樣輕薄化也是未來鋰電銅箔的發(fā)展方向。

    銅箔的分類

           近年來,隨著智能消費(fèi)類電子產(chǎn)品、5G 通信和動(dòng)力汽車的迅猛發(fā)展帶動(dòng)了銅箔行業(yè)的繁榮,銅箔已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)性原材料。常規(guī)而言銅箔是指厚度小于200 μm 的銅薄膜材料,目前常采用以下幾類方法對(duì)其進(jìn)行分類:

    按應(yīng)用可分為印制線路板銅箔、覆銅層壓板銅箔、裝飾用銅箔和鋰電池用銅箔等。按生產(chǎn)工藝可分為壓延銅箔和電解銅箔。除此之外,還可以按照銅箔厚度和表面形貌進(jìn)行分類。

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    圖1:電解銅箔的分類

    電解銅箔的應(yīng)用

           壓延銅箔延展性優(yōu)、工藝更復(fù)雜且成本高。壓延銅箔是通過軋制厚銅板并進(jìn)行一系列表面處理后形成的銅箔,其優(yōu)點(diǎn)在于屈服強(qiáng)度和延展性較高、表面粗糙度較低,致密度和彈性較好。缺點(diǎn)在于生產(chǎn)工藝復(fù)雜、流程長(zhǎng)、成本高,且極限厚度和寬度受到軋輥限制,因此應(yīng)用受限。

           電解銅箔工藝較成熟,生產(chǎn)效率高成本低。電解銅箔是以硫酸銅溶液為原料,在電解槽中進(jìn)行電解達(dá)到的。電解槽中以不溶性材料為陽(yáng)極、陰極輥為陰極,其中陰極輥底部浸在硫酸銅電解液中旋轉(zhuǎn),溶液中的銅沉積到陰極輥筒的表面形成銅箔。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于生產(chǎn)工藝相對(duì)壓延法簡(jiǎn)單,成本低,銅箔厚度和寬度可控范圍大。目前電解銅箔制造技術(shù)已較為成熟,高性能電解銅箔已廣泛應(yīng)用于PCB與鋰離子電池制造中。

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    圖2.電解生箔的工序流程


           電解銅箔的生產(chǎn)壁壘主要在添加劑和陰極輥的選擇。陰極輥是生箔機(jī)的核心及關(guān)鍵部件,其質(zhì)量決定銅箔的檔次和品質(zhì)。由于陰極輥長(zhǎng)期處于強(qiáng)腐蝕性的工作環(huán)境中,表面腐蝕快,要求陰極輥輥面鈦材料的微觀組織均勻細(xì)微化,晶體尺寸一致和低含氫量等,才能保證銅離子在陰極上均勻沉積,得到厚度均勻的銅箔。

    電解銅箔的微觀形貌

          如何評(píng)價(jià)電解銅箔表面晶粒的均勻性是表征銅箔性能的重要指標(biāo)。掃描電鏡作為材料微觀尺寸分析的重要工具,在銅箔表面晶粒觀察中起到了不可替代的作用。

          如下圖3所示,采用賽默飛智能型鎢燈絲掃描電鏡AxiaChemiSEM所獲的的PCB銅箔毛面形貌圖。圖3右圖銅箔晶體晶粒細(xì)小緊密且均勻,結(jié)晶組織為等軸、球形晶粒結(jié)構(gòu)。銅箔粗化面呈現(xiàn)較淺而圓的輪廓狀,而傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的厚銅箔(圖3左)是鋸齒狀或山丘形的表面狀態(tài)。


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    圖3:不同工藝生產(chǎn)的PCB銅箔毛面形貌


           銅箔由于具有良好的導(dǎo)電性、柔韌性和適中的電位,耐卷繞和輾壓,制造技術(shù)成熟,且價(jià)格相對(duì)低廉,在電池充放電過程中便充當(dāng)石墨等負(fù)極活性材料載體,同時(shí)作為負(fù)極集流體,將電池活性物質(zhì)產(chǎn)生的電流匯集起來,以產(chǎn)生更大的輸出電流。相比于電子銅箔,鋰電銅箔要求銅箔的厚度更薄,表面更光滑,晶粒更細(xì)小且均勻。

          銅箔厚度越薄,在電芯體積不變的條件下,可以增大活性材料的用量,漿料涂覆厚度增厚,使電芯能量密度提高。除此之外,銅箔表面粗糙度和晶粒大小也直接影響負(fù)極活性物質(zhì)在銅箔表面的附著力。

          如圖4采用賽默飛智能型鎢燈絲掃描電鏡AxiaChemiSEM所拍攝的鋰電銅箔表面形貌。從圖中可以看出,銅箔毛面非常平整、無明顯缺陷,說明該工藝配方具有較好的整平效果,得到的銅箔組織均勻且具有較好的外觀。


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    圖4. 不同放大倍數(shù)下鋰電銅箔表面形貌


    賽默飛Axia ChemiSEM

           賽默飛Axia ChemiSEM全新智能型鎢燈絲掃描電鏡,具備操作方便,適用人群廣泛的特點(diǎn)。全中文操作界面,日常操作無需光闌合軸,內(nèi)置的用戶使用指南方便任何人員進(jìn)行操作,降低了設(shè)備操控性。不僅如此,Axia的高穩(wěn)定樣品倉(cāng)設(shè)計(jì),還可以容納大而重的樣品。標(biāo)配5種探測(cè)器,完善的探測(cè)系統(tǒng)和直觀的導(dǎo)航系統(tǒng),可幫助用戶快捷、全面的掌握樣品信息。

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    賽默飛Axia ChemiSEM智能型鎢燈絲掃描電鏡



    參考資料:

    1. “高性能鋰電銅箔緊俏,優(yōu)質(zhì)龍頭乘東風(fēng)"-國(guó)盛證券研究所.

    2. 楊森. 鋰電池用高性能超薄電解銅箔的研究[D].常州大學(xué).

    3. 王帥.我國(guó)電解銅箔技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢(shì)前瞻[J].有色金屬加工,2023.

    4. 周啟倫. PCB用厚銅箔市場(chǎng)發(fā)展與其性能的提高[C],2020.

    5. 何鐵帥,樊斌鋒,彭肖林等.極薄高安全性能鋰電銅箔的工藝研究[J].山東工業(yè)技術(shù),2020.


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