40洛鉬和銅粘接性怎麼樣
鋰離子電池主要由正負極活性物質、集流體、粘結劑和導電劑等部分構成，其中集流體主要是將活性物質中的電子彙集到外電路，而粘結劑則將活性物質、導電劑粘接到集流體上。正負極活性物質在充放電的過程中會產生顯著的體積變化，因此對活性物質與集流體之間的粘接性提出了較高的要求。電極活性物質與集流體之間的粘接性除了受到粘結劑選擇的影響外，集流體的表面狀態也會對粘接性產生顯著的影響。
近日，江西理工大學的
Tingting
Xia
（第一作者）和
Tongxiang
Liang
（通訊作者）、
Jun Chen
（通訊作者）、
Shengwen
Zhong
（通訊作者）等人
透過超聲表面處理工藝獲得了具有奈米尺寸晶粒的銅箔，這種銅箔具有更加粗糙的表面和更大的表面積，因此能夠提供更好的粘接性。
奈米晶粒銅箔的製備過程如下圖所示，製備過程中採用的裝置直徑為80mm，厚度為8mm。製備過程採用直徑為14mm的碳鋼球，以0。2MPa的壓力，2m/min的速度，在28kHz，12um振幅下對銅箔進行處理。
下圖為經過超聲棍壓後的銅箔的表面形貌，從下圖a中能夠看到經過超聲棍壓後銅箔表面的晶粒整合成為了同軸和細長條奈米晶粒體系，從下圖b可以看到這些奈米晶粒的尺寸在70nm左右。
下圖為銅箔在超聲棍壓前後的XRD衍射圖譜，從圖中能夠銅箔的衍射峰位置並沒有發生明顯的改變，這表明超聲棍壓處理並沒有對銅箔的晶體結構產生明顯的改變。
為了分析超聲棍壓處理對於銅箔表面粗糙度的影響，作者採用原子力顯微鏡對銅箔表面進行了觀測，從下圖的a和c所示的三維表面形貌可以看到處理前銅箔表面的平均粗糙度為31nm，而在經過超聲棍壓處理後銅箔表面的平均粗糙度提高到了53。5nm。
下圖b和d為處理前後的銅箔的介面的輪廓曲線，從圖中能夠看到經過超聲棍壓處理後的銅箔表面凹凸不平，並且起伏很大（下圖d），粗糙的表面能夠幫助活性物質與銅箔之間粘接得更好，有效的提升電極的剝離強度。
下圖a和b分別為原始銅箔和經過超聲棍壓後銅箔的SEM圖，從下圖a可以看到未處理的銅箔的晶粒直徑約為100-200um，而經過超聲棍壓處理後的銅箔的晶粒直徑降低到了奈米級別。下圖c為銅箔的極化曲線，從圖中能夠看到未處理的銅箔的腐蝕電流為4。148 uA cm-2，而經過超聲棍壓的銅箔為2。77uAcm-2，這表明經過超聲棍壓處理的銅箔的抗腐蝕能力有了明顯的提高。下圖e和f是分別採用電解液腐蝕後的普通銅箔和奈米晶粒銅箔的表面狀態，可以看到普通銅箔表面產生了大量的腐蝕產物，而奈米晶粒銅箔表面則幾乎沒有出現顯著的腐蝕，這表明奈米晶粒銅箔具有更好的抗腐蝕的特性，這主要是因為經過超聲棍壓處理後，銅箔表面形成了大量的奈米晶粒，增加了較多的活性點，因此在電解液腐蝕的過程中，首先在其表面形成了一層較為均勻，且較薄的分解產物，從而避免了銅箔的進一步的腐蝕，而普通銅箔的晶粒尺寸較大，而腐蝕主要是發生在晶界位置，因此無法在銅箔表面產生均勻的保護層，從而無法形成有效保護，加劇了銅箔的腐蝕。
下圖為a和b為分別採用普通銅箔和奈米晶粒銅箔的負極的截面圖，從下圖a可以看到採用普通銅箔的電極活性物質層與銅箔之間存在較大的間隙，活性物質與集流體之間出現了分層的現象。而採用奈米晶粒銅箔的電極的活性物質層與銅箔之間則緊密接觸，沒有出現明顯的分層現象，這表明奈米晶粒銅箔與活性物質之間具有更好的粘接性，這一點從下圖c所示的剝離強度上也能夠看到。
下圖a為採用兩種銅箔的石墨負極的充放電曲線，從圖中能夠看到普通銅箔的首次放電容量為394mAh/g，而採用奈米晶粒銅箔的負極首次放電容量則達到了521mAh/g，對應的首次效率分別為71%和64%。下圖b為採用兩種銅箔的負極的倍率效能測試結果，從圖中能夠看到經過超聲棍壓的銅箔倍率效能要明顯好於普通銅箔。下圖c為採用兩種銅箔的負極的0。1C迴圈效能曲線，從圖中能夠看到在經過100次迴圈後採用超聲棍壓處理後的銅箔的負極容量保持率為89%，而採用普通銅箔的負極的容量保持率僅為79%。從下圖d可以看到在0。2C的迴圈倍率下，奈米晶粒銅箔同樣表現出了較好的迴圈效能，在100次迴圈後容量保持率約為91%，而普通銅箔的負極的容量保持率僅為61%。不僅如此，在負極活性物質的容量發揮上，奈米晶粒銅箔要明顯的高於普通銅箔材料，這主要是因為經過超聲棍壓處理後，奈米晶粒銅箔表面粗糙度大幅升高，因此使得活性物質與銅箔之間的粘接強度明顯提高，改善了電極的導電性，從而對於電極的倍率效能、迴圈效能都有好處。
下圖e為採用兩種銅箔的負極的交流阻抗圖譜，從圖中能夠看到奈米晶粒銅箔的負極電荷交換阻抗為21。8Ω，而採用普通銅箔的負極的電荷交換阻抗為44。13Ω，可以看到採用奈米晶粒負極的阻抗要明顯小於普通銅箔。
Tingting Xia等透過超聲棍壓處理的方式，將普通銅箔轉化為具有奈米晶粒結構的銅箔，大幅增加了銅箔表面的粗糙程度，提升了石墨負極和銅箔集流體之間的粘接強度，提升了石墨負極的迴圈效能和倍率效能。
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Nanograined copper foil as a high-performance collector for lithium- ion batteries， Journal of Alloys and Compounds 831 （2020） 154801，
Tingting
Xia ,
Tongxiang
Liang,
Ze’en
Xiao , Jun Chen, Jiang Liu ,
Shengwen
Zhong
文/