リチウムイオン電池における銅集電体の微細構造解析

銅箔は、リチウムイオン電池電極の集電体として広く使用されています。活物質が塗布されるための安定した基板として機能し、充放電サイクル中における電極構造の健全性を維持します。
材料コスト削減のため、より薄い銅箔の開発が進められていますが、均一性と強度を維持するには高度な製造技術が必要となります。

銅箔の電気伝導性および機械的な耐久性は、その微細構造や結晶方位（結晶学的テクスチャ）に直接影響されます。そのため、電析や圧延・焼鈍工程において、目的とする性能を得るために慎重に設計・制御されています。電子後方散乱回折法（EBSD）は、高分解能な微細構造解析を可能とする実績ある分析手法であり、結晶粒の特性、結晶方位分布、粒界特性に関する定量的な知見が得られます。

製造プロセス（電解法〔電析〕または圧延法）によって、表面に対して垂直方向に〈111〉または〈110〉の結晶方位（テクスチャ）が形成されることが知られています。¹
一般に〈111〉テクスチャは電気化学的安定性を高めるため、好ましいとされています。一方、〈110〉方位は銅箔の延性を低下させ、充放電サイクル中の破損を引き起こしやすくなる傾向があります。
また、双晶粒界の分布も、銅箔の強度や耐久性に影響を与えます。

本例では、VSP（Very Smooth Profile）銅箔を、eWARP EBSD 検出器を用いて解析しました。表面には、機械的な変形を与えることなく、コロイダルシリカ溶液と柔らかいクロス（バフ）を用いた穏やかな化学研磨処理を施しました（図1参照）。
測定はわずか 18 分間で、約 2,800 点／秒の速度により 300 万点を超えるピクセルをデータ取得しました。微細構造解析は、加速電圧 10 kV、照射電流 12 nA という低い加速電圧及び比較的低い照射電流で測定しています。

結晶粒径分布は、250 × 180 µm² という広い領域にわたって評価され、平均粒径 7 µm、最大粒径 18 µm の結晶粒が 9,481 個確認されました（図2）。

Contact an Expert Discover QUANTAX EBSD

Figure 1: Kernel Misorientation Map (KAM) on the left and the Grain Average Misorientation (GAM) on the right demonstrate the minimal presence of plastic deformation in the material (mainly localized around porosities); Both KAM and GAM peaks are at less than 1° misorientation angle.

Figure 2: (left) Grain size distribution (random color code) of VSP Cu foil from a Li-Battery anode, (right) corresponding histogram.

Figure 3: Grain size distribution in random color with, on the left, numerous fine grains (<5 µm) representing 20% of the measured area, and on the right, the large grains (from 5 to 16 µm).

Figure 4: Pattern quality maps with grain boundaries distribution in yellow (left) and twin boundaries in red (Σ3) and blue (Σ9) (right figure). The corresponding misorientation histogram reveals a peak at the 60° misorientation (>70%) and a second (less important) peak at 40 ° (<5%).

Figure 5: Inverse Pole Figure (IPF) maps of the VSP microstructure reveal an absence of preferential crystallographic orientation.

Figure 6: from left to right: IPFX map displaying no significant texture, domains with <111> fiber texture representing 8% of the analyzed area, domains with <110> fiber texture representing 6% of the analyzed area.

References & Further Information

[1] Eric Bogatin, “The Quest for Smoother Copper May Have Reached Its Limit”, SIJ January 2020 Print Issue, Design Tips: Page 44.

[2] Zhu et al., “Mechanical properties of commercial copper current-collector foils”, RSC Adv., 2014, 4, 57671

Contact an Expert Discover QUANTAX EBSD