台阶仪在PET复合集流体铝层厚度与表面形貌分析中的应用

随着新能源汽车与储能产业的快速发展，锂离子电池对轻量化、高安全集流体的需求日益迫切。传统金属箔集流体重量大、在热失控中风险高。复合集流体采用“金属-高分子-金属”三明治结构，在减轻重量、提升安全性和能量密度方面优势显著，其中PET因高拉伸强度、良好热稳定性与低成本成为研究重点，但其非极性表面与铝层界面结合力弱，易在电解液浸润与充放电过程中发生剥离。Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪可以实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量，精确测定样品的表面台阶高度与膜厚，为材料质量把控和生产效率提升提供数据支撑。

本文针对PET基铝复合集流体界面结合力差、金属层质量不佳的问题，提出通过硅烷偶联剂界面改性结合磁控溅射工艺优化的协同策略，旨在提升复合集流体的综合性能，为其工业化应用提供理论基础。

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实验内容与测试方法

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(a)复合集流体的锂离子电池的示意图(b) Cu基和(c) Al基的复合集流体的夹层结构(d)高延展性的复合集流体(e)复合集流体被穿刺过程示意图

PI-TPP-Cu 复合集流体

实验所用主要原料包括PET薄膜、铝靶、硅烷偶联剂（KH-550、KH-560、KH-590、DMDS）及相关化学试剂；仪器涉及磁控溅射系统、FTIR、GPC、NMR、AFM、SEM、XRD、DSC、TG、万能试验机等。通过FTIR、GPC、NMR表征改性剂结构与分子量；通过探针式台阶仪、AFM、SEM、XRD分析表面形貌、粗糙度与晶体结构；通过接触角测试评价浸润性；通过DSC、TG分析热性能；通过拉伸与剥离测试评估力学与界面性能；通过盐雾试验评价耐腐蚀性；通过电导率与电池循环测试评估电化学性能。

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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图

PET及聚硅氧烷改性PET的粗糙度

通过精确控制水解时间、pH值、温度与配料比，制备了系列聚硅氧烷改性剂。表征显示，改性剂分子量分布均匀，成功形成Si-O-Si网络结构。采用浸渍涂覆方式将改性剂施加于PET薄膜表面，经固化后形成致密改性层。所得mPET薄膜表面粗糙度显著降低，亲水性增强，接触角最大降低36°，为后续铝层沉积提供了更均匀、活性的基底。

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磁控溅射PET基材表面沉积铝膜

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PET-Al及mPET-Al薄膜的AFM

PET-Al及mPET-Al薄膜的粗糙度

采用磁控溅射技术在mPET两面沉积铝膜。通过正交实验优化工艺参数，发现当氩气流量40 sccm、工作气压0.5 Pa、溅射功率150 W、溅射时间30 min时，可获得晶粒细小（6–9 nm）、致密且导电性良好（0.15 Ω/sq）的铝层。该条件下铝层呈现（111）晶面择优生长，与基体结合紧密。

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复合集流体的综合性能分析

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复合集流体的电池性能 (a) PET-Al(b) PET-DMDSbasic-Al

对所制备的Al-mPET-Al复合集流体进行系统测试：

形貌与结构：SEM和AFM显示铝层连续均匀，粗糙度适中；XRD证实铝结晶良好。

界面性能：剥离测试表明，改性后样品剥离面积减少3–16 %，其中KH-560 / DMDS共水解体系效果最佳。

力学性能：拉伸测试显示改性样品韧性大幅提升，PET-DMDSbasic-Al在保持模量2935 MPa的同时，断裂伸长率达41.8 %。

电化学性能：电导率略有下降但仍处于合理范围（1.21–2.70 × 10⁶ S/m）。电池测试中，未改性体系倍率性能良好，而部分改性体系在高倍率下容量衰减，可能与界面阻抗或电解液浸润有关。

本研究成功通过“硅烷偶联剂表面改性+磁控溅射工艺优化”的协同策略，显著提升了PET基铝复合集流体的界面结合力和综合力学性能。改性后的集流体兼具轻量化、高韧性及良好的界面稳定性，为高安全锂离子电池的开发提供了材料基础。

未来工作可在以下方面深入：拓展共水解体系至其他硅烷（如KH-590）；优化涂覆工艺以精确控制改性层厚度与均匀性，减少对电导率的影响；引入等离子预处理等辅助手段进一步活化PET表面；结合理论模拟与先进表征技术，深入揭示界面键合与性能调控机制，推动复合集流体的产业化应用。

Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪

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费曼仪器探针式台阶仪在半导体、光伏、LED、MEMS器件、材料等领域，表面台阶高度、膜厚的准确测量具有十分重要的价值，尤其是台阶高度是一个重要的参数，对各种薄膜台阶参数的精确、快速测定和控制，是保证材料质量、提高生产效率的重要手段。

• 配备500W像素高分辨率彩色摄像机
• 亚埃级分辨率，台阶高度重复性1nm
• 360°旋转θ平台结合Z轴升降平台
• 超微力恒力传感器保证无接触损伤精准测量

费曼仪器作为国内领先的薄膜厚度测量技术解决方案提供商，Flexfilm费曼仪器探针式台阶仪可以对薄膜表面台阶高度、膜厚进行准确测量，保证材料质量、提高生产效率。

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原文参考：《PET基铝复合集流体的界面改性及性能优化研究》

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