隨著新能源汽車與儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，鋰離子電池對輕量化、高安全集流體的需求日益迫切。傳統(tǒng)金屬箔集流體重量大、在熱失控中風(fēng)險(xiǎn)高。復(fù)合集流體采用“金屬-高分子-金屬”三明治結(jié)構(gòu)，在減輕重量、提升安全性和能量密度方面優(yōu)勢顯著，其中PET因高拉伸強(qiáng)度、良好熱穩(wěn)定性與低成本成為研究重點(diǎn)，但其非極性表面與鋁層界面結(jié)合力弱，易在電解液浸潤與充放電過程中發(fā)生剝離。Flexfilm費(fèi)曼儀器探針式臺階儀可以實(shí)現(xiàn)表面微觀特征的精準(zhǔn)表征與關(guān)鍵參數(shù)的定量測量，精確測定樣品的表面臺階高度與膜厚，為材料質(zhì)量把控和生產(chǎn)效率提升提供數(shù)據(jù)支撐。

本文針對PET基鋁復(fù)合集流體界面結(jié)合力差、金屬層質(zhì)量不佳的問題，提出通過硅烷偶聯(lián)劑界面改性結(jié)合磁控濺射工藝優(yōu)化的協(xié)同策略，旨在提升復(fù)合集流體的綜合性能，為其工業(yè)化應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

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實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與測試方法

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(a)復(fù)合集流體的鋰離子電池的示意圖(b) Cu基和(c) Al基的復(fù)合集流體的夾層結(jié)構(gòu)(d)高延展性的復(fù)合集流體(e)復(fù)合集流體被穿刺過程示意圖

PI-TPP-Cu 復(fù)合集流體

實(shí)驗(yàn)所用主要原料包括PET薄膜、鋁靶、硅烷偶聯(lián)劑（KH-550、KH-560、KH-590、DMDS）及相關(guān)化學(xué)試劑；儀器涉及磁控濺射系統(tǒng)、FTIR、GPC、NMR、AFM、SEM、XRD、DSC、TG、萬能試驗(yàn)機(jī)等。通過FTIR、GPC、NMR表征改性劑結(jié)構(gòu)與分子量；通過探針式臺階儀、AFM、SEM、XRD分析表面形貌、粗糙度與晶體結(jié)構(gòu)；通過接觸角測試評價(jià)浸潤性；通過DSC、TG分析熱性能；通過拉伸與剝離測試評估力學(xué)與界面性能；通過鹽霧試驗(yàn)評價(jià)耐腐蝕性；通過電導(dǎo)率與電池循環(huán)測試評估電化學(xué)性能。

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PET表面聚硅氧烷改性

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PET及聚硅氧烷改性PET的表面AFM圖

PET及聚硅氧烷改性PET的粗糙度

通過精確控制水解時(shí)間、pH值、溫度與配料比，制備了系列聚硅氧烷改性劑。表征顯示，改性劑分子量分布均勻，成功形成Si-O-Si網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。采用浸漬涂覆方式將改性劑施加于PET薄膜表面，經(jīng)固化后形成致密改性層。所得mPET薄膜表面粗糙度顯著降低，親水性增強(qiáng)，接觸角最大降低36°，為后續(xù)鋁層沉積提供了更均勻、活性的基底。

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磁控濺射PET基材表面沉積鋁膜

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PET-Al及mPET-Al薄膜的AFM

PET-Al及mPET-Al薄膜的粗糙度

采用磁控濺射技術(shù)在mPET兩面沉積鋁膜。通過正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化工藝參數(shù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氬氣流量40 sccm、工作氣壓0.5 Pa、濺射功率150 W、濺射時(shí)間30 min時(shí)，可獲得晶粒細(xì)?。?–9 nm）、致密且導(dǎo)電性良好（0.15 Ω/sq）的鋁層。該條件下鋁層呈現(xiàn)（111）晶面擇優(yōu)生長，與基體結(jié)合緊密。

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復(fù)合集流體的綜合性能分析

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復(fù)合集流體的電池性能 (a) PET-Al(b) PET-DMDSbasic-Al

對所制備的Al-mPET-Al復(fù)合集流體進(jìn)行系統(tǒng)測試：

形貌與結(jié)構(gòu)：SEM和AFM顯示鋁層連續(xù)均勻，粗糙度適中；XRD證實(shí)鋁結(jié)晶良好。

界面性能：剝離測試表明，改性后樣品剝離面積減少3–16 %，其中KH-560 / DMDS共水解體系效果最佳。

力學(xué)性能：拉伸測試顯示改性樣品韌性大幅提升，PET-DMDSbasic-Al在保持模量2935 MPa的同時(shí)，斷裂伸長率達(dá)41.8 %。

電化學(xué)性能：電導(dǎo)率略有下降但仍處于合理范圍（1.21–2.70 × 10? S/m）。電池測試中，未改性體系倍率性能良好，而部分改性體系在高倍率下容量衰減，可能與界面阻抗或電解液浸潤有關(guān)。

本研究成功通過“硅烷偶聯(lián)劑表面改性+磁控濺射工藝優(yōu)化”的協(xié)同策略，顯著提升了PET基鋁復(fù)合集流體的界面結(jié)合力和綜合力學(xué)性能。改性后的集流體兼具輕量化、高韌性及良好的界面穩(wěn)定性，為高安全鋰離子電池的開發(fā)提供了材料基礎(chǔ)。

未來工作可在以下方面深入：拓展共水解體系至其他硅烷（如KH-590）；優(yōu)化涂覆工藝以精確控制改性層厚度與均勻性，減少對電導(dǎo)率的影響；引入等離子預(yù)處理等輔助手段進(jìn)一步活化PET表面；結(jié)合理論模擬與先進(jìn)表征技術(shù)，深入揭示界面鍵合與性能調(diào)控機(jī)制，推動(dòng)復(fù)合集流體的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

Flexfilm費(fèi)曼儀器探針式臺階儀

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費(fèi)曼儀器探針式臺階儀在半導(dǎo)體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領(lǐng)域，表面臺階高度、膜厚的準(zhǔn)確測量具有十分重要的價(jià)值，尤其是臺階高度是一個(gè)重要的參數(shù)，對各種薄膜臺階參數(shù)的精確、快速測定和控制，是保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機(jī)
• 亞埃級分辨率，臺階高度重復(fù)性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺結(jié)合Z軸升降平臺
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準(zhǔn)測量

費(fèi)曼儀器作為國內(nèi)領(lǐng)先的薄膜厚度測量技術(shù)解決方案提供商，Flexfilm費(fèi)曼儀器探針式臺階儀可以對薄膜表面臺階高度、膜厚進(jìn)行準(zhǔn)確測量，保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。

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原文參考：《PET基鋁復(fù)合集流體的界面改性及性能優(yōu)化研究》

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