台阶仪在复合集流体工艺质量中的应用：镀层厚度与均匀性监控及界面结合性能表征

锂离子电池在新能源汽车、储能系统等领域广泛应用，但能量密度与安全性之间的矛盾日益突出。集流体作为电池内部电子传输的关键载体，其性能直接影响电池整体表现。传统电解铜箔虽导电性好，但存在安全性低、重量大等局限。

复合铜集流体通过"金属层-高分子支撑层-金属层"三层结构设计，以轻量化（铜用量减少50%以上）显著提升锂离子电池能量密度，以纵向断裂与横向绝缘特性可阻断热失控蔓延，同步解决能量密度与安全性间的矛盾，成为当前电池材料研究的重要方向。其中，Flexfilm探针式台阶仪作为表面形貌与厚度的核心量化工具，不仅能精准测试基膜及镀层的粗糙度、厚度均匀性，更能为工艺参数优化、改性效果验证提供直接数据支撑，是提升产品性能的关键技术保障。

商用圆柱电池内部复合集流体的结构示意图

1

复合铜集流体制造工艺

flexfilm

复合铜集流体制造工艺对比

复合铜集流体的制造工艺主要分为一步法（全干法）、二步法（磁控溅射-电化学镀）、三步法（磁控溅射-真空蒸镀-电化学镀）三种路径。其中磁控溅射镀膜是核心工艺，通常采用卷对卷镀膜方式。

磁控溅射（MS）镀膜

磁控溅射工艺原理及卷对卷磁控溅射设备示意图

聚酰亚胺基复合铜集流体的物理表征及电化学性能曲线图

磁控溅射是复合铜集流体制造的核心工艺，多数生产采用二步法，即先通过卷对卷磁控溅射制备厚度≤100 nm的铜打底层，再经电化学镀增厚至约1 μm，该方法操作简便且薄膜附着力良好。磁控溅射工艺具有附着力强、沉积速率快、衬底损伤小等优点，广泛应用于复合集流体打底层制备。设备通常包含多套旋转阴极，通过调节走带速度、阴极功率等参数，可优化铜层方阻与均匀性。

通过台阶仪对不同参数下的镀层测试发现：在走带速度0.5m/min、阴极功率8kW的参数下，铜打底层厚度均匀性误差可控制在±5 nm内，远优于行业平均水平；而降低走带速度、增加阴极功率或设计NiCr打底层，可使溅射铜层的方阻从初始的50mΩ降至25mΩ以下，满足后续增厚需求。研究表明，磁控溅射制备的铜层具有（111）晶面择优取向，有利于提升导电性与结构完整性。然而，该工艺仍面临靶材利用率低、真空周期长、针孔率高等挑战，需通过工艺优化与设备升级加以改进。

电化学镀（ED）

两步法制备PP基复合铜集流体的详细工艺流程

完全放电后PP基复合铜集流体的结构形貌表征

电化学镀主要用于铜层增厚，具有沉积效率高、成本较低的优势。其在导电种子层上进行，通过控制电流密度、镀液成分等参数实现均匀镀覆。但无法在不导电区域沉积铜层，难以弥补磁控溅射产生的孔洞缺陷，且对设备张力控制和移动速度要求严格，否则易出现熔穿、断膜现象。

台阶仪测试的超薄铜层厚度（nm）

目前业界最认可的是“脉冲磁控溅射 + 电化学镀”两步法，在PP基膜两侧沉积1μm超薄铜层。尽管铜层厚度仅为传统铜箔的 1/6，但经台阶仪检测，其厚度偏差可控制在±30nm内，均匀性良好，且电导率与传统铜箔接近（5.26×10⁷ S・m⁻¹ vs 5.56×10⁷ S・m⁻¹）。这得益于铜原子在 PP 基底上沿（111）面择优生长，而台阶仪对镀层结晶后的厚度均匀性检测，进一步证实了该晶面生长的稳定性。相关研究显示，通过空气等离子体预处理 PP 基膜后，台阶仪测试其表面粗糙度从初始35nm增至78nm，正是这种粗糙度的精准提升，使 PP/Cu 界面结合力增强，电池循环库伦效率从89%提升至95%以上。

真空蒸镀（VE）

聚酰亚胺基复合铜集流体XPS谱图及其组装半电池的电化学性能表征

真空蒸镀常作为磁控溅射与电化学镀之间的补充工艺，通过加热金属源使其蒸发并沉积于基材表面，可有效填补孔洞、提高铜层均匀性。然而，蒸镀过程温度较高，易导致聚合物基膜变形，需精确控制工艺参数。此外，蒸镀的引入增加了生产工序复杂性，不利于降本增效。

2

复合铜集流体支撑层及其改性方案

flexfilm

支撑层特性对比

高分子支撑层的性能直接决定复合集流体的整体表现，目前主流基膜包括PP、PET和PI：

复合集流体主流聚合物基膜特性对比

其中，PP基膜因成本低、耐电解液腐蚀、断裂伸长率高而成为首选。但其非极性表面导致与铜层界面结合力不足，易在循环过程中脱落，影响电池性能。PET虽应用广泛，但在电解液中易溶胀降解；PI性能优异但成本高昂，难以规模化。

铜箔与PP基复合铜集流体性能对比图

PP基膜的支撑层多为双向拉伸聚丙烯（BOPP），由等规PP树脂经挤出流延、双向拉伸及热定型制成。PP属于非极性聚合物，主链为饱和碳重复单元，侧链为甲基，分子间作用力以微弱的范德华色散力为主，导致其与金属镀层的结合力薄弱。

但研究发现，PP表面天然存在的环状连通沟槽（类似 “陨石坑” 结构），经台阶仪测试，该结构可使表面粗糙度提升至55~65nm，通过增加表面粗糙度适度改善镀铜结合力；而通过磁控溅射制备的PP基复合集流体，其残余压痕深度为铜箔的两倍，能更好地适配硅基材料锂化 / 脱锂过程中的体积变化，展现出更优的循环稳定性。

支撑层改性方案

PP/Cu界面结合力不足是PP基复合铜集流体的核心痛点，循环过程中铜层易脱落，导致电池内阻升高、能量损失增加。界面强化的核心机理分为两类：机械互锁（通过增加基膜表面粗糙度，使金属与基底相互渗透形成互锁结构）和化学键合（在基膜表面引入活性基团，与铜离子配位形成稳定化学键），具体通过表面原位改性和涂层功能修饰两类方案实现，而台阶仪作为改性效果的量化测试工具，为不同方案的优劣对比提供了关键依据。

表面原位改性

氧等离子体改性接触角变化示意图及机理图

该方案通过物理或化学方法直接处理基膜表面，包括：

电晕处理：通过高压放电引入极性基团，但处理后存在疏水恢复现象，改性效果随时间衰退。

等离子体刻蚀：在低真空下利用等离子体轰击表面，既可清洁又能引入极性基团、增加粗糙度。但改性层稳定性有限，常需与后续工艺在线结合。

化学刻蚀：使用酸、碱等试剂腐蚀表面，形成纳米纹理并引入亲水基团。该方法简单经济，但过度刻蚀可能损伤基膜，且存在废液处理问题。

涂层功能修饰

通过在PP表面涂覆功能涂层，以化学键合方式增强界面结合力，更具应用潜力：

台阶仪测试镀铜层的部分数据

薄金属涂层：选择 Ni、Al、Cr 等金属作为中间层，通过磁控溅射沉积于基膜表面。其中Ni与Cu均为面心立方晶格结构，原子半径和电负性接近，界面固溶体溶解度大，能促进Cu晶粒形核、抑制晶粒长大，提升镀层致密度和附着力，结合效果最优；经台阶仪测试，Ni中间层（厚度20nm）可使后续Cu镀层的厚度均匀性误差从±40nm降至±15nm，显著优化镀层质量，避免因厚度不均导致的电流分布失衡。

PASC基复合铜集流体界面结合的表征及PP基膜TA-APTES结构示意图

薄高分子涂层：通过涂覆黏合剂或功能聚合物，在基膜表面引入活性基团，强化与铜镀层的配位结合。例如，聚多巴胺（PDA）涂层可通过简单浸涂功能化各类聚合物，赋予强附着力，但成本较高；单宁酸（TA）与 3 - 氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）的复合涂层，能在基膜表面组装含丰富亲水基团的纳米球，经台阶仪测试，该涂层可使PP基膜表面粗糙度从38nm增至95nm，同时通过 C=O、N-H 基团与Cu形成配位键，显著提升界面结合力；引入 Ag⁺还可进一步将拓扑粗糙度提升至120nm，同时Ag层可作为附加导电层，确保铜层脱落后集流体的导电性。

复合集流体凭借轻量化、高安全性及成本效益，成为突破传统电解铜箔性能瓶颈的理想选择。制造工艺趋于成熟，磁控溅射是核心工艺。支撑层改性中，PP基膜凭借耐电解液腐蚀、高断裂伸长率及低成本成为优选，涂层修饰通过引入活性基团与金属配位增强结合力，是更具潜力的解决方案。在整个研发和生产过程中，台阶仪作为重要的表征工具，为工艺优化和质量控制提供了可靠的技术支持。

Flexfilm探针式台阶仪

flexfilm

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。

#复合铜集流体#磁控溅射#二步法#涂层改性

原文参考：《复合铜集流体制造工艺及其支撑层改性方案综述》

*特别声明：本公众号所发布的原创及转载文章，仅用于学术分享和传递行业相关信息。未经授权，不得抄袭、篡改、引用、转载等侵犯本公众号相关权益的行为。内容仅供参考，如涉及版权问题，敬请联系，我们将在第一时间核实并处理。