添加劑及工藝條件對鋰離子電池用電解銅箔性能的影響研究

中圖分類號：TM912 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）20-0079-04

Abstract：Theeffctsofdiffrentadditivesandprocessconditionsonthepropertiesofcopperfoilpreparedby electrodepositionereinvestigated.Inheproessofopperfilpreparationbylectrodepositiomethodsingleaditivecollgen， hydroxyethylcellose，andacombinationofaditiveswereusedtoverifyteefectsofaditivesontheroughnessandtensile propertiesofcopperfoilAtthesametime，thecurrentdensityandtemperatureintheprocessconditionswerechangedtoverify theinfluenceofdiferentprocessconditionsonthepropertiesofcopperfoil.Theresultsshowthattheaditionofadditivescan reduce theroughness of copper foil and improve its tensile strength.The best combination of additives is 0.1g/L collagen， 0.6g/L （20 hydroxyethyl cellulose and 0.2g/L polydisulfide sodium.When the current density is 5A/dm² and the temperature is 298K ，the microstructure of theprepared copper foil is good，which meets therequirements of lithium-ion battery.

Keywords： lithium ionbattery;electrolytic copper foil;additive; orthogonal test; copper foil properties

電解銅箔是鋰離子電池的重要材料，制作高性能銅箔對提高鋰離子電池的容量、充放電速率有積極幫助。在現有的銅箔制作方法中，電沉積法具有流程簡單、成本較低等優勢，因此得到了廣泛應用。為了進一步提高銅箔的質量和性能，需要合理設定電沉積法制作工藝中添加劑的濃度、電流密度、溫度等各種條件。

1實驗方法與測試指標

1.1配制硫酸鹽銅鍍液

將硫酸溶液與一定量的超純水混合，然后加入硫酸銅并啟動磁力攪拌器，至硫酸銅完全溶解后停止攪拌，再加入氯化鈉，以同樣方式攪拌 15min ，得到實驗所需的硫酸鹽銅鍍液。實驗中所用的各類添加劑也需要加入到超純水中完全溶解，以溶液形式保存，根據實驗需要用移液槍將添加劑加入到硫酸鹽銅鍍液中。

1.2 實驗方法

使用電沉積法制作鋰離子電池用銅箔，實驗中所用的電沉積裝置組成結構如下：用一個容積為1L的有機玻璃鍍槽作為電鍍槽，選擇一塊表面積為 6cm× 5cm 的純鈦片作為陰極片，粗糙度為 0.25μm ;選擇體積為 2cm³ 的磷銅塊作為陽極。使用導線將電源正負極與電鍍槽的陽極、陰極連接起來，其中陽極和陰極之間的距離為 10cm 。另外使用一個恒溫水浴鍋調節鍍液溫度，保證溫度在（ 298±5 ）K之間。在裝置準備完畢后，按照圖1流程制作銅箔。

銅箔鍍層厚度可以通過調節電沉積時間進行控制，實驗中需要的鍍層厚度為 8μm ，根據下式可以求得實驗所需的沉積時間。

式中： d 表示鍍層厚度，單位為 μm;C 表示電化學當量，通常取 1.2g/（A?h）;j 表示電流密度，單位為 A/dm² χ_t 表示沉積時間，單位為 h;ρΔ 表示銅的密度，通常取

8.9g/cm³;η 表示電流效率，單位為 % ，可通過下式求得

式中： m 表示銅箔的重量，單位為 g;I 表示陰極電流，單位為 ^A，C 和 χ_t 同上式。

1.3 測試指標的選取

選取毛面粗糙度、抗拉強度和延伸率3項指標評價添加劑與工藝條件對銅箔性能的影響。各指標的評價方式如下。

1.3.1 毛面粗糙度

使用OlympusDSX510型光學顯微鏡，設定放大倍數為600倍，銅箔的取樣長度為 300μm ，獲取10份樣品。為消除誤差干擾，在每份樣品的3個不同位置處測量表面粗糙度，將測量得到的3組數據求平均值，作為最終結果。

1.3.2 抗拉強度

使用CERR8007B型萬能試驗機，測量銅箔的抗拉強度。銅箔的取樣寬度為 10mm ，將標距設定為6cm ，拉伸速度設定為 3mm/min 。為防止試驗機的夾頭凹槽損壞銅箔進而影響抗拉強度的測定結果，在測試前將銅箔樣品的兩端非標距段用環氧樹脂膠黏上鋁片（厚度為 2mm 、長寬均為 1cm ）。為消除誤差干擾，相同條件下的銅箔樣品分別進行5次測試，每完成1次測試記錄抗拉強度，然后再進行下一次，將5組數據求平均值，作為最終結果2]。

1.3.3 延伸率

在抗拉強度測試中，分別讀取拉伸前后銅箔樣品的長度，拉伸前長度記為L1，拉伸后長度記為L2，則延伸率（入）為

2添加劑對電解銅箔性能的影響

2.1單一添加劑的影響

在電沉積過程中，添加劑的主要作用是加快或者抑制銅離子的還原反應，進而對電解銅箔的微觀形貌與力學性能產生直接影響。選取了膠原蛋白、羥乙基纖維素2種常用的添加劑，以銅箔的毛面粗糙度和抗拉強度2項指標為例，驗證添加劑對點解銅箔的影響。

在膠原蛋白的影響實驗中，基礎鍍液的成分為：200g/L 的無水硫酸銅， 60g/L 的硫酸， 70mg/L 的氯化鈉。向基礎鍍液中分別加入 0.05，0.1，0.15 和 0.2g/L 的膠原蛋白，并設置空白對照（不加入膠原蛋白）。在羥乙基纖維素的影響實驗中，基礎鍍液成分同上，向基礎鍍液中分別加入 0.05，0.1，0.15 和 0.2g/L 的羥乙基纖維素，并設置空白對照（不加入羥乙基纖維素）。此外，將電流密度統一設定為 5A/dm² ，溫度為 298K 在電解銅箔厚度達到 8μm 后實驗結束，取出電解銅箔測定晶粒尺寸，結果見表1。

由表1數據可知，基礎鍍液（未加入添加劑）中得到的銅箔平均晶粒尺寸為 94nm 。向基礎鍍液中加入膠原蛋白后，銅箔的平均晶粒尺寸減小，并且所加膠原蛋白的濃度越大，晶粒尺寸越小，兩者成負相關，說明膠原蛋白可以起到細化晶粒的效果。同理可得，羥乙基纖維素也有細化晶粒的作用，但是在相同實驗條件下其效果不如膠原蛋白。

膠原蛋白與羥乙基纖維素對電解銅箔毛面粗糙度、抗拉強度2項指標的影響如圖2、圖3所示。

由圖2可知，在未加入膠原蛋白 （0g/L） 時，電解銅箔的毛面粗糙度較大，為 5.4μm ；在加入濃度為0.05g/L 的膠原蛋白后，銅箔的粗糙度立刻發生了顯著的下降，之后繼續增加膠原蛋白的濃度，銅箔粗糙度的變化不明顯，基本上穩定在 1～2μm 之間。在未加入膠原蛋白時，銅箔的抗拉強度較低，僅為 168MPa 在加入濃度為 0.05g/L 的膠原蛋白后，銅箔的抗拉強度有明顯的提升，達到了 344MPa_? 進一步升高膠原蛋白的濃度，銅箔抗拉強度也會持續增加，但是膠原蛋白濃度超過 0.1g/L 后抗拉強度的增速變緩。

由圖3可知，加入羥乙基纖維素也能起到降低銅箔毛面粗糙度和提升銅箔抗拉強度的效果，說明羥乙基纖維素與膠原蛋白2種添加劑對電解銅箔的影響類似4。但是無論是毛面粗糙度還是抗拉強度，羥乙基纖維素的影響均要差于膠原蛋白。

2.2 組合添加劑的影響

在電沉積法制作銅箔過程中，如果同時加人多種添加劑，它們之間也會相互影響，進而影響電解銅箔的制備。為了探究這種影響，選擇了膠原蛋白、羥乙基纖維素和聚二硫二丙烷磺酸鈉3種添加劑，每一種添加劑設置3個濃度梯度，進行電沉積法制備電解銅箔的正交試驗，電流密度和溫度同上，其他試驗設置見表2。

對以上9組實驗制得的銅箔分別進行毛面粗糙度、抗拉強度以及延伸率的測試，測試結果見表3。

由表3數據可知，試驗3、6、8組的電解銅箔毛面粗糙度均在 3μm 以上，其他6組則在 2～3μm 之間，差別不大；抗拉強度方面，試驗2、4、8組的銅箔抗拉強度均超過了 300MPa ;延伸率方面，9組試驗的銅箔延伸率均在 5%～6% 之間，沒有明顯差異。綜合來看，試驗4組制得的銅箔具有粗糙度較小、抗拉強度較大的特點。因此添加劑的最佳組合為 0.1g/L 的膠原蛋白 $＼ 、 0 . 6 ＼ ＼underline { { ＼mathrm { g / L } } }$ 的羥乙基纖維素和 0.2g/L 的聚二硫二丙烷磺酸鈉。

3工藝條件對電解銅箔性能的影響

3.1 電流密度的影響

向基礎鍍液中加入最佳組合添加劑后，分別在3、5、10和 15A/dm² 的電流密度下進行電沉積法制備銅箔的試驗。在得到鍍層厚度為 8μm 的銅箔后，置于掃描電子顯微鏡下觀察銅箔的微觀形貌。結果表明，當電流密度超過 5A/dm² 時，在銅箔表面可以觀察到數量較多的大尺寸結晶，毛面粗糙度較大；抗拉強度方面，隨著電流密度增加，銅箔抗拉強度下降，并且在電流密度超過 5A/dm² 時下降速度更快。延伸率基本不受電流密度的影響。綜上，使用沉積法制備銅箔時，可以將生產工藝中的電流密度設定為 5A/dm² 。

3.2 溫度的影響

溫度也是沉積法制備銅箔工藝中比較重要的影響因素，鍍液條件同上，電流密度為 5A/dm²"，分別在398、308、318K溫度下制備銅箔，并觀察其微觀形貌。結果表明，溫度對銅箔微觀形貌影響明顯，隨著溫度的增加，銅箔表面可以觀察到許多球狀結晶顆粒，粗糙度增加。由于肉眼可見銅箔表面失去光澤，不符合鋰離子電池的使用要求，因此沒有必要進行力學性能測試。

4結束語

使用電沉積法制作銅箔時，通過組合使用膠原蛋白等多種添加劑，以及設定合理的電流密度、溫度，可以在降低生產成本、提高生產效率的基礎上，讓銅箔的粗糙度更低、抗拉強度和延伸率更高，從而提升鋰離子電池的容量與安全性。

參考文獻：

[1]張杰，白忠波，馮寶鑫.PEG及其復合添加劑對電解銅箔后處理的影響[J].化工進展，2023（13）：374-381.

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[4]凌羽，盧偉偉，宋克興，等.低輪廓電解銅箔表面微細粗化工藝研究[J].精密成形工程，2024（7）：173-181.

[5]彭雪嵩，由宏偉，李蘭晨.鉬酸鈉-HEC-SPS復合添加劑對電解銅箔粗化效果的影響[J].電鍍與涂飾，2023（17）：56-67.