鋰離子電池的能量密度提升對其在便攜電子、電動汽車和儲能系統的應用至關重要。集流體作為電池中承載活性材料并傳導電流的部件，其質量和導電性直接影響電池性能。傳統銅箔集流體密度大，限制了能量密度的進一步提高。復合集流體采用“金屬-聚合物-金屬”結構，以 PET 等高分子薄膜為基底，沉積薄銅層，可實現輕量化。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。

本研究通過等離子體處理、磁控濺射和電沉積工藝制備PET@Cu復合銅箔，并利用臺階儀精確表征薄膜厚度與表面粗糙度，優化工藝參數，評估其電化學性能。

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復合銅箔集流體概述

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復合銅箔集流體通常采用“金屬-聚合物-金屬”的三層結構，以聚對苯二甲酸乙二醇酯（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。

這種結構不僅保留了聚合物的輕質和柔韌性，還賦予了材料良好的導電性能，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，采用復合集流體可顯著提升電池的質量能量密度，如在Cu/Al厚度分別減至4/8 μm或3/6 μm時，電池比能量可提升3.8%～6.5%。

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PET@Cu復合集流體的制備

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PET@Cu復合集流體的制備工藝示意圖

首先將PET薄膜清洗干燥，然后使用旋轉等離子體表面處理機進行表面改性，處理時間分別為0、1、3、5 min。處理后采用臺階儀（如Flexfilm探針式臺階儀）測量表面粗糙度（Ra），以評估等離子體處理效果。

隨后，利用磁控濺射設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，濺射時間5 min，壓力1.2 Pa。濺射后，用Flexfilm探針式臺階儀測量銅層厚度及表面輪廓，分析濺射功率對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行電沉積，電流密度4 A/dm2，時間90 s，溫度25℃。電鍍后再用Flexfilm探針式臺階儀測量總厚度（PET基底+銅層），計算電鍍增厚量。最終對薄膜進行鈍化處理。

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等離子體處理對PET表面粗糙度的影響

(a-d)不同等離子體處理時間（0、1、3、5 min）下PET薄膜的水接觸角(e-h)對應處理時間下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

等離子體處理通過增加表面極性官能團提高PET親水性，同時改變表面微觀形貌。臺階儀測量結果顯示，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后達到18.7 nm，5 min后為20.1 nm。

結合接觸角數據，處理3 min時接觸角降至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，且可能因熱效應導致薄膜變形，因此選擇3 min為最佳處理時間。

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控濺射功率對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量。臺階儀測量不同功率下濺射5 min后的銅層厚度：150 W時厚度約0.6 μm，210 W時約0.9 μm，240 W時約1.2 μm，270 W時約1.4 μm。

但SEM觀察顯示，270 W時銅層出現裂紋，可能與高能粒子轟擊導致的內應力有關。臺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，優選濺射功率為240 W，此時銅層厚度約1.2 μm。

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電沉積后復合集流體的厚度與表面均勻性

經過電沉積，PET@Cu復合集流體的總厚度通過臺階儀精確測量。原始PET基底厚度約為6μm，濺射后厚度增加約1.2μm，電鍍90s后總厚度達到約8μm，即電鍍銅層增厚約0.8μm（設計目標為2μm總銅層）。臺階儀多點測量顯示厚度均勻性良好，標準差小于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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微觀結構與電化學性能

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PET@Cu復合銅箔的形貌與結構表征(a)實物照片；(b) PET@Cu表面SEM；(c)商用銅箔表面SEM；(d) XRD圖譜對比；(e) EIS對比曲線

SEM照片顯示PET@Cu表面晶粒均勻致密，無針孔。XRD圖譜證實銅層為面心立方結構。EIS測試顯示PET@Cu的歐姆電阻略高于銅箔，但后續電池測試表明其電化學性能優異。

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電池性能評估

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商用銅箔與PET@Cu的鋰電性能對比(a) 0.5C循環穩定性及庫侖效率；(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復合銅箔與傳統銅箔分別組裝成Li||C半電池，進行恒流充放電測試，評估其循環穩定性、倍率性能和比容量。

循環穩定性：在0.5C電流密度下，兩者均保持近100%的庫侖效率。PET@Cu在初始150次循環中表現出更高的比容量（198 mAh/g vs. 150 mAh /g），后期容量衰減趨勢與銅箔一致。銅箔的放電比容量最高可達228 mAh/g，在530次循環后降至初始值的80%；而PET@Cu最高為222 mAh /g，在410次循環后降至80%。盡管PET@Cu的循環壽命略短，但其整體比容量優勢明顯。

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。當電流密度從2 C恢復至0.1 C時，兩者容量均迅速恢復，表明電池具有良好的可逆性。

極化行為：通過電壓-容量曲線分析，PET@Cu在不同荷電狀態（SOC）下的電壓滯后值均低于銅箔，例如在第20次循環的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，反應動力學更優。

此外，PET@Cu復合集流體的面密度僅為傳統銅箔的30%，顯著降低了電池的整體質量，有助于提升能量密度。

本研究通過等離子體處理、磁控濺射和電沉積成功制備了PET@Cu復合集流體。探針式臺階儀精確測量了各工藝步驟中薄膜厚度與表面粗糙度，為工藝優化提供了定量依據。最佳等離子體處理時間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復合集流體質量輕、導電性好，組裝電池后表現出比傳統銅箔更高的比容量、更好的倍率性能和循環穩定性。臺階儀表征方法為復合集流體的研發和質量控制提供了重要手段。

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#PET#鋰離子電池#費曼儀器

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

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