銅箔表面電暈處理對極片粘結力的影響研究

趙豐剛

（寧德時代新能源科技股份有限公司，福建 寧德 352100）

鋰離子電池極片剝離強度是指極片活性物質與集流體粘附在一起的牢固程度[1]，是電池涂布工藝中的關鍵指標之一。電池的性能不僅與所使用的電極材料的性能有關，還與極片的特性比如剝離力等有關。

若極片剝離力太小，一方面，在電池制作時易出現掉粉現象[2]，而且在極片彎折處易脫落或斷裂，會產生顆粒刺破隔膜內短路或析鋰風險，造成安全隱患[3]；另一方面，極片在多次充放電過程中，石墨材料會發生膨脹收縮，若剝離力太小會導致石墨顆粒間的接觸減少，間隙增大，甚至脫離集流體，導致電池內阻增加，電池容量損失增加，倍率性能降低，循環性能變差等，因此在電池制造過程中控制極片的剝離力非常重要[4-7]。

為了提高銅箔和活性材料涂層之間的結合強度，降低二者之間的接觸電阻，需要對銅箔進行表面改性處理。目前，常用的銅箔表面改性方法包括：表面電暈、表面涂層化、表面多孔化和表面穿孔等[8，9]。

本文通過電暈對銅箔表面進行處理[10]，研究表明銅箔經電暈處理后極片粘結力提升50%以上，有助于改善極片脫碳掉粉現象，同時可降低電池內阻，提升電池的倍率性能、循環性能等特性。

1 實驗

1.1 實驗材料制備

選擇8um厚銅箔進行電暈處理：通過在放電極與電暈處理輥（一般為耐高溫、耐臭氧、高絕緣的硅橡輥或者是陶瓷輥）之間施加高頻、高壓電源（高頻交流電壓高達5000V～15000V），當電壓超過1mm～2mm的空氣間隙的電離電阻時，就會產生連續放電，于是使空氣電離并形成大量強氧化劑臭氧，使薄膜表層分子氧化，產生羰基化合物、過氧化合物等，同時產生細小密集的紫色火花，空氣電離后產生的各種等離子在強電場的作用下加速而沖擊基材表面，使其鏈狀分子斷裂，產生自由基與空氣電暈產物發生氧化交鏈反應，使基材表面受到離子氣體的強烈沖擊而粗化，使基材的表面張力得到進一步的提高。

1.2 實驗方法

（1）銅箔處理：功率10kw條件，以50m/min速度電暈處理銅箔；

（2）銅箔性能分析：光學顯微鏡觀察表面形貌，測試銅箔表面接觸角；

（3）極片制備及性能分析：將陽極活性材料人造石墨、粘結劑SBR乳液、懸浮劑和導電劑導電炭黑混合，之后加入溶劑去離子水，經高速攪拌得到分散均勻的陽極漿料。在陽極漿料中，固體含量為40wt%，固體成分中包含90wt%的人造石墨、5wt%的SBR、2wt%的懸浮劑、3wt%的導電炭黑。將陽極漿料分別均勻地涂在未處理和電暈處理的銅箔兩面，經過干燥、輥壓機壓實，得到陽極極片。采用180°剝離的方法測試極片粘結力；

（4）選出NCM523陰極片，采用16μm厚的聚丙烯/聚乙烯復合隔離膜將陰極片和陽極片間隔開，之后卷繞形成裸電芯，封裝后注入電解液、對電芯進行化成和老化，得到長寬厚為2Ah的方形軟包裝鋰離子電池。按照電池測試流程測試電池倍率性能、電池循環性能。

2 結果與討論

2.1 電暈處理對銅箔表面形貌的影響

銅箔表面經電暈處理后，表面粗糙度Ra由0.083um增加至0.732um。光學顯微鏡顯示銅箔表面狀態明顯存在差異。

2.2 電暈處理對銅箔表面接觸角的影響

銅箔表面電暈處理后，改變了銅箔表面的晶格狀態，表面活性增加，表面能增加。對比水滴在銅箔表面的接觸角由13.53°增加至30.22°，有助于漿料涂覆過程在銅箔表面的潤濕鋪展。

圖1 銅箔表面照片

圖2 電暈處理對接觸角的影響

2.3 電暈處理對極片粘結力的影響

圖3為陽極片粘結力的測試數據，從圖中可知，電暈處理后極片粘結力增加50%以上，這主要是因為電暈處理后銅箔表面粗糙度增加，表面能增加，有利于漿料涂覆過程在銅箔表面的潤濕鋪展，進而提升極片粘結力。

圖3 電暈處理對極片粘結力的影響

2.4 電暈處理對電池倍率性能的影響

圖4為電池倍率性能的測試數據，從圖中可知，銅箔表面電暈處理后，電池的大倍率放大性能明顯提升。這是由于涂布干燥過程中，有利于漿料在銅箔表面的潤濕鋪展，粘結劑和導電劑與銅箔表面的接觸性變化，大大降低了膜層與銅箔之間的界面傳輸阻抗。

圖4 電暈處理對電池倍率性能的影響

2.5 電暈處理對電池循環性能的影響

鋰離子電池在25℃以1C/1C進行循環性能測試。鋰離子電池循環后的容量保持率（%）=N次循環后的放電容量/首次循環后的放電容量。從表1可知，銅箔表面電暈處理后，電池的循環容量保持率增加，這是由于銅箔表面處理后降低了膜層與銅箔之間的界面傳輸阻抗，有利于減少電池在循環過程中的功率損失，鋰離子電池的循環性能得到提升。

表1 電暈處理對電池循環性能的影響

3 結語

銅箔表面電暈處理后，觸角由13.53°增加至30.22°，極片粘結力增加50%以上，有助于改善極片脫碳掉粉現象，同時可大大降低電池內阻，提升電池的倍率性能、循環性能等特性。

因此后續銅箔在使用前可進行表面電暈處理，可以提高生產過程中極片制作優率和降低制造成本，同時可提升或改善電池的電性能。