铜箔表面改性技术提升锂离子电池硅基负极界面稳定性的研究

针对硅基负极材料在充放电过程中因体积膨胀导致的活性物质脱落问题，研究人员通过化学粗化和电化学粗化两种表面改性技术对铜箔进行优化处理。研究显示改性后的铜箔表面形貌和化学组成显著改变，使硅/石墨复合负极的剥离强度提升3倍以上，电池容量保持率提高40%，为高容量长寿命集流体的开发提供了新思路。

　　

随着新能源产业的快速发展，锂离子电池的能量密度和循环寿命成为制约电动汽车发展的关键瓶颈。其中，硅基负极材料因其理论比容量高达4200 mAh/g而备受关注，但其在充放电过程中高达300%的体积膨胀率却导致活性材料与铜箔集流体之间产生严重界面剥离，成为制约电池性能提升的"阿喀琉斯之踵"。传统解决方案如减薄铜箔厚度虽能降低电池重量，却加剧了材料脱落和腐蚀风险，而复杂的表面处理工艺又难以满足规模化生产需求。

针对这一行业痛点，来自江西科技师范大学的研究团队在《Surfaces and Interfaces》发表最新成果，创新性地采用化学蚀刻（减材制造）和电化学沉积（增材制造）两种表面粗化技术对铜箔进行改性。通过控制过氧化氢-硫酸体系的蚀刻参数，在铜箔表面构建出微纳米级凹坑结构；利用硫酸铜电镀液在特定电流密度下生长出三维枝晶铜结构。这两种方法均显著提升了铜箔表面粗糙度，使硅/石墨复合负极的界面结合力实现突破性改善。

研究采用扫描电镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）对改性表面进行表征，并通过纽扣电池测试评估电化学性能。关键实验技术包括：表面形貌分析（SEM）、化学状态检测（XPS）、电化学阻抗谱（EIS）测试以及恒流充放电循环测试。所有铜箔样品均来自远东铜箔公司，厚度统一为9 μm。

【Pre-Treatment of Copper Foil】
研究首先对原始铜箔进行脱脂和微蚀刻预处理，确保表面清洁。通过优化含5%过氧化氢和5%硫酸的蚀刻体系，成功去除表面氧化层，为后续粗化处理奠定基础。

【Results and Discussion】
形貌分析显示，电化学沉积处理的B-Cu样品表面形成均匀分布的铜枝晶，粗糙度达1.2 μm，是原始铜箔的6倍；化学蚀刻的E-Cu样品则产生蜂窝状多孔结构。XPS证实两种处理均使铜表面生成Cu₂O保护层。电化学测试表明，改性铜箔组装的电池在1C倍率下循环100次后，容量保持率达92%，远超对照组的65%。

【Conclusion】
该研究证实表面粗化处理通过机械互锁和化学键合双重机制增强界面结合力：电化学沉积形成的三维枝晶结构提供物理锚定点，而表面氧化物层促进化学吸附。特别值得注意的是，处理后的铜箔在保持低界面电阻（<3 Ω·cm²）的同时，使硅基负极的剥离强度提升至35 N/m，为解决高容量电极材料的界面失效问题提供了工业化可行方案。

这项工作的创新价值在于：首次系统比较了增材与减材制造技术在铜箔改性中的优劣，开发出可规模化生产的表面处理工艺。研究成果不仅适用于硅基负极，对高镍正极等易膨胀电极体系同样具有借鉴意义，为下一代高能量密度电池的开发提供了关键材料技术支持。研究获得国家自然科学基金（22172020、22241201、22302034）和江西省科技项目（20223AAE02002）的资助。