台阶仪在轻质PET@Cu复合集流体制备的应用

锂离子电池的能量密度提升对其在便携电子、电动汽车和储能系统的应用至关重要。集流体作为电池中承载活性材料并传导电流的部件，其质量和导电性直接影响电池性能。传统铜箔集流体密度大，限制了能量密度的进一步提高。复合集流体采用“金属-聚合物-金属”结构，以 PET 等高分子薄膜为基底，沉积薄铜层，可实现轻量化。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。

本研究通过等离子体处理、磁控溅射和电沉积工艺制备PET@Cu复合铜箔，并利用台阶仪精确表征薄膜厚度与表面粗糙度，优化工艺参数，评估其电化学性能。

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复合铜箔集流体概述

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复合铜箔集流体通常采用“金属-聚合物-金属”的三层结构，以聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚酰亚胺（PI）或聚丙烯（PP）等高分子薄膜为基底，在其表面沉积一层薄铜层。

这种结构不仅保留了聚合物的轻质和柔韧性，还赋予了材料良好的导电性能，其密度仅为纯铜箔的50%～60%，表面电阻可低至0.1 Ω·m²以下。研究表明，采用复合集流体可显著提升电池的质量能量密度，如在Cu/Al厚度分别减至4/8 μm或3/6 μm时，电池比能量可提升3.8%～6.5%。

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PET@Cu复合集流体的制备

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PET@Cu复合集流体的制备工艺示意图

首先将PET薄膜清洗干燥，然后使用旋转等离子体表面处理机进行表面改性，处理时间分别为0、1、3、5 min。处理后采用台阶仪（如Flexfilm探针式台阶仪）测量表面粗糙度（Ra），以评估等离子体处理效果。

随后，利用磁控溅射设备在氩气气氛下将铜沉积到PET薄膜上，溅射功率分别为150、210、240、270 W，溅射时间5 min，压力1.2 Pa。溅射后，用Flexfilm探针式台阶仪测量铜层厚度及表面轮廓，分析溅射功率对沉积速率和薄膜均匀性的影响。

将溅射后的样品浸入酸性镀铜液中进行电沉积，电流密度4 A/dm²，时间90 s，温度25℃。电镀后再用Flexfilm探针式台阶仪测量总厚度（PET基底+铜层），计算电镀增厚量。最终对薄膜进行钝化处理。

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等离子体处理对PET表面粗糙度的影响

(a-d)不同等离子体处理时间（0、1、3、5 min）下PET薄膜的水接触角(e-h)对应处理时间下PET薄膜的表面SEM形貌(i-l)不同磁控溅射功率（150、210、240、270 W）下铜层的表面SEM图像

等离子体处理通过增加表面极性官能团提高PET亲水性，同时改变表面微观形貌。台阶仪测量结果显示，未处理PET薄膜表面粗糙度Ra约为8.5 nm，处理1 min后Ra增至12.3 nm，3 min后达到18.7 nm，5 min后为20.1 nm。

结合接触角数据，处理3 min时接触角降至20.14°，表面能显著提高，有利于铜层附着。但处理5 min后粗糙度增加不明显，且可能因热效应导致薄膜变形，因此选择3 min为最佳处理时间。

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控溅射功率对铜层厚度与形貌的影响

磁控溅射功率直接影响铜沉积速率和薄膜质量。台阶仪测量不同功率下溅射5 min后的铜层厚度：150 W时厚度约0.6 μm，210 W时约0.9 μm，240 W时约1.2 μm，270 W时约1.4 μm。

但SEM观察显示，270 W时铜层出现裂纹，可能与高能粒子轰击导致的内应力有关。台阶仪轮廓曲线也显示270 W样品表面起伏增大，粗糙度Ra升至25.6 nm，而240 W样品Ra为15.3 nm，表面平整。因此，优选溅射功率为240 W，此时铜层厚度约1.2 μm。

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电沉积后复合集流体的厚度与表面均匀性

经过电沉积，PET@Cu复合集流体的总厚度通过台阶仪精确测量。原始PET基底厚度约为6μm，溅射后厚度增加约1.2μm，电镀90s后总厚度达到约8μm，即电镀铜层增厚约0.8μm（设计目标为2μm总铜层）。台阶仪多点测量显示厚度均匀性良好，标准差小于0.1μm。表面粗糙度Ra为16.8nm，略高于溅射后，但整体平整。

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微观结构与电化学性能

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PET@Cu复合铜箔的形貌与结构表征(a)实物照片；(b) PET@Cu表面SEM；(c)商用铜箔表面SEM；(d) XRD图谱对比；(e) EIS对比曲线

SEM照片显示PET@Cu表面晶粒均匀致密，无针孔。XRD图谱证实铜层为面心立方结构。EIS测试显示PET@Cu的欧姆电阻略高于铜箔，但后续电池测试表明其电化学性能优异。

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电池性能评估

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商用铜箔与PET@Cu的锂电性能对比(a) 0.5C循环稳定性及库仑效率；(b, c) 0.5C下不同周次的充放电曲线（b:铜箔；c: PET@Cu）；(d) 倍率性能及库仑效率；(e, f) 不同倍率下的充放电曲线（e: 铜箔；f: PET@Cu）

将PET@Cu复合铜箔与传统铜箔分别组装成Li||C半电池，进行恒流充放电测试，评估其循环稳定性、倍率性能和比容量。

循环稳定性：在0.5C电流密度下，两者均保持近100%的库仑效率。PET@Cu在初始150次循环中表现出更高的比容量（198 mAh/g vs. 150 mAh /g），后期容量衰减趋势与铜箔一致。铜箔的放电比容量最高可达228 mAh/g，在530次循环后降至初始值的80%；而PET@Cu最高为222 mAh /g，在410次循环后降至80%。尽管PET@Cu的循环寿命略短，但其整体比容量优势明显。

倍率性能：在不同电流密度（0.1 C～2 C）下，PET@Cu的放电比容量始终高于铜箔。例如，在0.1 C和2 C下，PET@Cu的放电容量分别为243.09 mAh /g和21.55 mAh /g，而铜箔仅为231.03 mAh /g和17.59 mAh /g。当电流密度从2 C恢复至0.1 C时，两者容量均迅速恢复，表明电池具有良好的可逆性。

极化行为：通过电压-容量曲线分析，PET@Cu在不同荷电状态（SOC）下的电压滞后值均低于铜箔，例如在第20次循环的20%SOC下，PET@Cu的电压滞后为8.1 mV，而铜箔为55.5 mV。这表明PET@Cu的极化程度更小，反应动力学更优。

此外，PET@Cu复合集流体的面密度仅为传统铜箔的30%，显著降低了电池的整体质量，有助于提升能量密度。

本研究通过等离子体处理、磁控溅射和电沉积成功制备了PET@Cu复合集流体。探针式台阶仪精确测量了各工艺步骤中薄膜厚度与表面粗糙度，为工艺优化提供了定量依据。最佳等离子体处理时间3 min，溅射功率240 W，可获得厚度均匀、表面平整的铜层。所制备的PET@Cu复合集流体质量轻、导电性好，组装电池后表现出比传统铜箔更高的比容量、更好的倍率性能和循环稳定性。台阶仪表征方法为复合集流体的研发和质量控制提供了重要手段。

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：《基于电沉积制备轻质PET@Cu复合集流体及其增强锂离子电池性能的研究》

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