銅箔表面電暈處理對極片粘結(jié)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(qiáng)度是指極片活性物質(zhì)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(guān)鍵指標(biāo)之一。電池的性能不僅與所使用的電極材料的性能有關(guān)，還與極片的特性比如剝離力等有關(guān)。

若極片剝離力太小，一方面，在電池制作時易出現(xiàn)掉粉現(xiàn)象[2]，而且在極片彎折處易脫落或斷裂，會產(chǎn)生顆粒刺破隔膜內(nèi)短路或析鋰風(fēng)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(fā)生膨脹收縮，若剝離力太小會導(dǎo)致石墨顆粒間的接觸減少，間隙增大，甚至脫離集流體，導(dǎo)致電池內(nèi)阻增加，電池容量損失增加，倍率性能降低，循環(huán)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(jié)合強(qiáng)度，降低二者之間的接觸電阻，需要對銅箔進(jìn)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(jìn)行處理[10]，研究表明銅箔經(jīng)電暈處理后極片粘結(jié)力提升50%以上，有助于改善極片脫碳掉粉現(xiàn)象，同時可降低電池內(nèi)阻，提升電池的倍率性能、循環(huán)性能等特性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料制備

選擇8um厚銅箔進(jìn)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(dá)5000V～15000V），當(dāng)電壓超過1mm～2mm的空氣間隙的電離電阻時，就會產(chǎn)生連續(xù)放電，于是使空氣電離并形成大量強(qiáng)氧化劑臭氧，使薄膜表層分子氧化，產(chǎn)生羰基化合物、過氧化合物等，同時產(chǎn)生細(xì)小密集的紫色火花，空氣電離后產(chǎn)生的各種等離子在強(qiáng)電場的作用下加速而沖擊基材表面，使其鏈狀分子斷裂，產(chǎn)生自由基與空氣電暈產(chǎn)物發(fā)生氧化交鏈反應(yīng)，使基材表面受到離子氣體的強(qiáng)烈沖擊而粗化，使基材的表面張力得到進(jìn)一步的提高。

1.2 實(shí)驗(yàn)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(xué)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(jié)劑SBR乳液、懸浮劑和導(dǎo)電劑導(dǎo)電炭黑混合，之后加入溶劑去離子水，經(jīng)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(dǎo)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(jīng)過干燥、輥壓機(jī)壓實(shí)，得到陽極極片。采用180°剝離的方法測試極片粘結(jié)力；

（4）選出NCM523陰極片，采用16μm厚的聚丙烯/聚乙烯復(fù)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(jìn)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(huán)性能。

2 結(jié)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(jīng)電暈處理后，表面粗糙度Ra由0.083um增加至0.732um。光學(xué)顯微鏡顯示銅箔表面狀態(tài)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(tài)，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(jié)力的影響

圖3為陽極片粘結(jié)力的測試數(shù)據(jù)，從圖中可知，電暈處理后極片粘結(jié)力增加50%以上，這主要是因?yàn)殡姇炋幚砗筱~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(jìn)而提升極片粘結(jié)力。

圖3 電暈處理對極片粘結(jié)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(shù)據(jù)，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(jié)劑和導(dǎo)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?zhèn)鬏斪杩埂?/p>

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(huán)性能的影響

鋰離子電池在25℃以1C/1C進(jìn)行循環(huán)性能測試。鋰離子電池循環(huán)后的容量保持率（%）=N次循環(huán)后的放電容量/首次循環(huán)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(huán)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?zhèn)鬏斪杩?，有利于減少電池在循環(huán)過程中的功率損失，鋰離子電池的循環(huán)性能得到提升。

表1 電暈處理對電池循環(huán)性能的影響

3 結(jié)語

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

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