锂离子电池铜集流体的显微组织分析

铜箔被广泛用作锂离子电池电极的集流体。它为活性材料涂层提供稳定基底，确保在充放电循环过程中保持结构完整性。为降低材料成本，行业正开发更薄的铜箔，但这需要先进的制造工艺来保证其均匀性与力学强度。铜箔的导电性和力学性能直接受其显微组织与晶体学织构的影响。因此，在电沉积、轧制或退火制备过程中，需要对铜箔进行精细调控，以获得理想的使用性能。电子背散射衍射（EBSD）是一种成熟的高分辨微观结构分析解决方案，可定量表征晶粒尺寸、晶体学织构与晶界特征。

根据制备工艺（电解或轧制）不同，铜箔中易形成垂直于表面的 <111> 或 <110> 择优取向织构。<111> 织构通常更受青睐，因其可提升电化学稳定性；而 <110> 取向往往会降低铜箔的延展性，易在循环过程中引发失效。孪晶界的分布同样会影响铜箔的强度与循环稳定性。

本案例采用 eWARP EBSD 探头对超光滑表面（VSP）铜箔进行分析。样品表面经胶体二氧化硅溶液与软布进行温和化学抛光，避免引入机械变形（见图 1）。仅在18 分钟内，以约 2800 点 / 秒的速度完成了超过 300 万像素的采集。显微组织分析采用 10 kV 加速电压与 12 nA 束流即可实现。

在 250×180 μm² 的大视场内共统计 9481 个晶粒，平均晶粒尺寸为 7 μm，最大尺寸为 18 μm（见图 2）。通过 30 nm 步长进一步对微小孪晶区域进行高分辨精细表征。ESPRIT 软件解析出晶内孪晶界为<111> 60°（Σ3）与 <110> 40°（Σ9）晶界，其总长度为普通晶界的 8 倍。图 4所示的反极图（IPF）清晰地突出了孪晶组织，且未显示出明显的择优取向。织构分析（图 5）表明：<111>//Z 丝织构占比 14.6%，<110>//Z 丝织构占比 17.4%。

以上结果表明，该 VSP 铜箔的强度主要由孪晶界特征所控制。

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图1：平均晶粒取向差（GAM）结果表明，材料中塑性变形程度极低（高值主要集中在孔隙与划痕附近）；GAM 峰值出现在小于 1° 的取向差角处

图 2：（左）锂离子电池负极用 VSP 铜箔的晶粒尺寸分布图（随机着色）；（右）对应直方图。

图 3：（左）花样质量图，其中孪晶界以红色（Σ23）与蓝色（Σ9）分别标注，并叠加显示；（右）为局部放大细节。对应的取向差直方图（中）显示，60° 取向差占比超过 70%（主峰），40° 取向差为次峰（占比低于 5%，强度较低）。

图 4：反极图（IPFz），显示VSP微观结构相对于宏观Z轴（即轧制/沉积平面的法线方向）的取向分布。

图 5 IPFz 子集图：（左）<111> 纤维织构区域，占分析面积的 14.6%；（右）<110> 纤维织构区域，占分析面积的 17.4%。

参考文献及更多信息

Eric Bogatin, “The Quest for Smoother Copper May Have Reached Its Limit”, SIJ January 2020 Print Issue, Design Tips: Page 44.
Zhu et al., “Mechanical properties of commercial copper current-collector foils”, RSC Adv., 2014, 4, 57671

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