隨著新能源汽車與儲能產業的快速發展，鋰離子電池對輕量化、高安全集流體的需求日益迫切。傳統金屬箔集流體重量大、在熱失控中風險高。復合集流體采用“金屬-高分子-金屬”三明治結構，在減輕重量、提升安全性和能量密度方面優勢顯著，其中PET因高拉伸強度、良好熱穩定性與低成本成為研究重點，但其非極性表面與鋁層界面結合力弱，易在電解液浸潤與充放電過程中發生剝離。Flexfilm費曼儀器探針式臺階儀可以實現表面微觀特征的精準表征與關鍵參數的定量測量，精確測定樣品的表面臺階高度與膜厚，為材料質量把控和生產效率提升提供數據支撐。

本文針對PET基鋁復合集流體界面結合力差、金屬層質量不佳的問題，提出通過硅烷偶聯劑界面改性結合磁控濺射工藝優化的協同策略，旨在提升復合集流體的綜合性能，為其工業化應用提供理論基礎。

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實驗內容與測試方法

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(a)復合集流體的鋰離子電池的示意圖(b) Cu基和(c) Al基的復合集流體的夾層結構(d)高延展性的復合集流體(e)復合集流體被穿刺過程示意圖

PI-TPP-Cu 復合集流體

實驗所用主要原料包括PET薄膜、鋁靶、硅烷偶聯劑（KH-550、KH-560、KH-590、DMDS）及相關化學試劑；儀器涉及磁控濺射系統、FTIR、GPC、NMR、AFM、SEM、XRD、DSC、TG、萬能試驗機等。通過FTIR、GPC、NMR表征改性劑結構與分子量；通過探針式臺階儀、AFM、SEM、XRD分析表面形貌、粗糙度與晶體結構；通過接觸角測試評價浸潤性；通過DSC、TG分析熱性能；通過拉伸與剝離測試評估力學與界面性能；通過鹽霧試驗評價耐腐蝕性；通過電導率與電池循環測試評估電化學性能。

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PET表面聚硅氧烷改性

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PET及聚硅氧烷改性PET的表面AFM圖

PET及聚硅氧烷改性PET的粗糙度

通過精確控制水解時間、pH值、溫度與配料比，制備了系列聚硅氧烷改性劑。表征顯示，改性劑分子量分布均勻，成功形成Si-O-Si網絡結構。采用浸漬涂覆方式將改性劑施加于PET薄膜表面，經固化后形成致密改性層。所得mPET薄膜表面粗糙度顯著降低，親水性增強，接觸角最大降低36°，為后續鋁層沉積提供了更均勻、活性的基底。

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磁控濺射PET基材表面沉積鋁膜

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PET-Al及mPET-Al薄膜的AFM

PET-Al及mPET-Al薄膜的粗糙度

采用磁控濺射技術在mPET兩面沉積鋁膜。通過正交實驗優化工藝參數，發現當氬氣流量40 sccm、工作氣壓0.5 Pa、濺射功率150 W、濺射時間30 min時，可獲得晶粒細?。?–9 nm）、致密且導電性良好（0.15 Ω/sq）的鋁層。該條件下鋁層呈現（111）晶面擇優生長，與基體結合緊密。

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復合集流體的綜合性能分析

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復合集流體的電池性能 (a) PET-Al(b) PET-DMDSbasic-Al

對所制備的Al-mPET-Al復合集流體進行系統測試：

形貌與結構：SEM和AFM顯示鋁層連續均勻，粗糙度適中；XRD證實鋁結晶良好。

界面性能：剝離測試表明，改性后樣品剝離面積減少3–16 %，其中KH-560 / DMDS共水解體系效果最佳。

力學性能：拉伸測試顯示改性樣品韌性大幅提升，PET-DMDSbasic-Al在保持模量2935 MPa的同時，斷裂伸長率達41.8 %。

電化學性能：電導率略有下降但仍處于合理范圍（1.21–2.70 × 10? S/m）。電池測試中，未改性體系倍率性能良好，而部分改性體系在高倍率下容量衰減，可能與界面阻抗或電解液浸潤有關。

本研究成功通過“硅烷偶聯劑表面改性+磁控濺射工藝優化”的協同策略，顯著提升了PET基鋁復合集流體的界面結合力和綜合力學性能。改性后的集流體兼具輕量化、高韌性及良好的界面穩定性，為高安全鋰離子電池的開發提供了材料基礎。

未來工作可在以下方面深入：拓展共水解體系至其他硅烷（如KH-590）；優化涂覆工藝以精確控制改性層厚度與均勻性，減少對電導率的影響；引入等離子預處理等輔助手段進一步活化PET表面；結合理論模擬與先進表征技術，深入揭示界面鍵合與性能調控機制，推動復合集流體的產業化應用。

Flexfilm費曼儀器探針式臺階儀

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費曼儀器探針式臺階儀在半導體、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，對各種薄膜臺階參數的精確、快速測定和控制，是保證材料質量、提高生產效率的重要手段。

• 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

費曼儀器作為國內領先的薄膜厚度測量技術解決方案提供商，Flexfilm費曼儀器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、提高生產效率。

#復合集流體#表面改性#磁控濺射#費曼儀器#硅烷偶聯劑

原文參考：《PET基鋁復合集流體的界面改性及性能優化研究》

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