HVP、DPS、HP添加剂组合对电解铜箔性能的影响分析.pdf

总第2 11期2023年第8 期试（实）验研究HVP、D P S、H P 添加剂组合对电解铜箔性能的影响分析（江西鑫铂瑞科技有限公司，江西鹰潭3 3 50 0 3）摘要：为进一步提升电解铜箔性能，以直流电沉积法制备6 m电解铜箔的过程作为研究背景，首先确定电解液组成成分的最优参数，而后在已有的实验基础上，通过正交实验法，确定了HVP、D P S和HP添加剂的最优添加量分别为8 0 mg/L、10 m g/L 和8 mg/L,该研究成果可为后续的铜箔加工工艺参数的优化调整提供一定的参考借鉴。关键词：添加剂；电解铜箔；性能分析中图分类号：TF804.40引言在当今电池行业迅速发展的大背景下，电池中的重要物质一铜箔的生产成为业界所关注的重要内容之一,如何提升电解铜箔的性能也成为一项重点关注的内容。在当前的电解铜箔工艺中,为提高铜箔性能，多会在电解工艺中加入适量添加剂，但不同添加剂所达成的效果存在着一定的差异,单一的添加剂可能难以取得预期效果1。对此,采用多种添加剂组合的方式对电解铜箔性能进行优化是可行之策,因此在该基础上,对电解铜箔工艺做进一步探究。1实验材料与方法本次实验所应用的化学试剂包括五水硫酸铜、硫酸、氯化钠、丙酮、水解蛋白（HVP）、N,N-醇硫基丙烷磺酸钠(HP)和N,N-二甲基硫代甲酰胺丙烷磺酸钠(DPS）。以上试剂纯度均为分析纯,均采购自北京化工厂。除试剂外,本次使用的实验仪器如表1所示。表1主要实验仪器仪器名称仪器型号分析天平PL303电化学工作站CHI-660E扫描电子显微镜JSM-6360LAX射线衍射仪D/Max250PC探针测试仪RST-9在实验材料和仪器准备就绪后，首先进行电解液配制,在此过程中,将硫酸溶液加人无水硫酸铜中,充分搅拌使硫酸铜全部溶解，同时配置一定量的HP、DPS和HVP溶液，根据实验要求，使用移液枪转移一种或数种溶液至硫酸铜溶液当中。其次，电解液配置完成并加人添加剂后，将混合溶液倒人电解池中，开启电化学工作站进行电沉积操作；最后在电沉积完成后,将铜箔从阴极板剥离,并用冷风吹干，以获得成品铜箔。收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 7作者简介：丘坚聪（19 8 0 一），男，广东梅县人，毕业于广东金融学院行政管理专业，本科，现在江西鑫铂瑞科技有限公司任职副总经理。山西冶金ShanxiMetallurgy丘坚聪文献标识码：A2电解液组成成分的正交实验根据以往的研究经验可知，电解液的组成成分是影响电解铜箔性能的直接因素。在电解液成分中,硫酸铜负责提供铜箔中的铜原子；硫酸主要提高电解液的分散能力和电导率,并抑制硫酸铜水解；氯化钠则用于提供氯离子，使之与添加剂产生协同效应，进而改善铜箔性能。经理论分析可知，以上指标过高或过低均会给电解铜箔性能带来一定的负面影响。对此，根据已有研究经验，并结合部分工厂的实际工艺参数,对铜离子浓度、硫酸浓度和氯离子浓度这3 项指标进行设置，每个指标均设置4个不同水平：其中铜离子质量浓度分别设置为6 0 g/L、7 0 g/L、80g/L、9 0 g/L；硫酸质量浓度分别为8 0 g/L、9 0 g/L、100g/L、110 g/L；氯离子质量浓度分别为3 0 mg/L、40mg/L、50 m g/L、6 0 m g/L。由此设计16 组参数组合如表2 所示。生产厂商实验序号p(Cu2)/(g/L)160梅特勒-托利多2上海辰华仪器3日本JEOL4日本RIGAKU5上海精密科学仪器678910111213141516Total 211No.8,2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.08.009文章编号：16 7 2-1152(2 0 2 3)0 8-0 0 2 1-0 3表2 正交实验表p(H,SO,)/(g/L)8060906010060110708070907010070110808080908010080110908090909010090110p(c1-)/(mg/L)40506070607040507060504050407060山西冶金22E-mail:第46 卷在确定以上正交实验组合后，参考已有资料文献，确定本次实验的电流密度为6 0 A/dm、反应温度为323K、阴阳极板间距2 0 mm，由此进行电沉积实验。实验完成后，分别对得到的铜箔进行抗拉强度测试、延伸率测试和形貌分析。结果显示，当p(Cu2+)为8 0 g/L时,抗拉强度处于较高水平;p(H,SO.)为10 0 g/L时,抗拉强度和延伸率处于较高水平;p(c1-)为50 mg/L时，抗拉强度和延伸率处于较高水平。在优化电解液实验参数的基础上,进一步分析铜箔的SEM形貌,具体如图1所示。图1优化条件下铜箔的SEM形貌图从图1可看出，在应用上文中的优化参数条件后，铜箔表面颗粒较均匀，因此以上参数条件可作为电解液组成成分的最终实验参数。3组合添加剂的实验参数优化在确定电解液实验参数后，进一步应用正交实验方法，结合以往研究中针对单一添加剂的实验结果，对HVP、H P 和DPS三种添加剂选取3 个不同浓度，设计9 组正交实验，其中，HVP质量浓度设置为因素A，分别为50 mg/L、10 0 mg/L、150 mg/L；H P 质量浓度设置为因素B,分别为5mg/L、10 mg/L、15mg/L;D P s 质量浓度设置为因素c,分别为5mg/L、10 mg/L、15mg/L，由此进行正交实验，并对其抗拉强度和延伸率进行测试，测试结果如表3 所示。表3 添加剂正交实验结果表实验序号实验组合1A1B1C12A1B2C23A1B3C34A2B1C25A2B2C36A2B3C17A3B1C38A3B2C19A3B3C2根据表3 中的实验数据可知，当HVP质量浓度为10 0 mg/L、H P 为10 mg/L,且DPS为15mg/L时，铜箔的抗拉强度和延伸率两项性能指标处于较优水平。但在实际生产中,铜箔的耐蚀性仍需要重点考虑(因其决定了铜箔的循环使用寿命）,因此在本次研究中，将对以上3 种添加剂的参数做进一步优化,以提升铜箔的综合性能。首先对HVP参数进行进一步优化。在该步骤中，对HVP参数进行调整，另外两种添加剂的参数保持不变，通过分析Tafel极化曲线图的方式进行测试，测试结果如图2 所示。2(,3/Vrl)/1a-8图2 不同HVP浓度下的Tafel极化曲线图如图2 所示，当HVP质量浓度从0 上升至8 0 mg/L时，镀层的腐蚀电位正向移动，由-0.2 418 V变为-0.2116V，其主要原因是HPV的加人抑制晶粒生长，加之另外两种添加剂的协同作用，使得铜箔整体结晶致密，提升了耐蚀性能。而继续增大HVP浓度后，则腐蚀电位反而负向移动至-0.2 2 6 3 V,其主要原因是过量的HVP导致铜箔表面分散细小结晶，增大了与腐蚀液的接触面积。因此,将HVP质量浓度调整为8 0 mg/L。其次是对DPS浓度进行优化，在该步骤中,对DPS参数进行调整，另外两种添加剂的参数保持不变，通过分析Tafel极化曲线图的方式进行测试，测试结果如图3 所示。2抗拉强度/MPa延伸率/%305.34.7316.94.5257.44.8341.64.3352.14.2261.44.9292.64.7285.24.7338.74.30mg/Lb30mg/L50mg/Ld80mg/Le100mg/L150mg/0.3-0.2电位/V-8C-0.3电位/V图3 不同DPS浓度下的Tafel极化曲线图如图3 所示，当DPS质量浓度从0 增加到10 mg/L时,腐蚀电流显著降低,降幅超过6 0%,初步推断,在增大DPS浓度后，铜箔晶粒在多种添加剂的叠加作用下得到了细化处理，镀层更为平滑，铜箔内部结晶致密,导致铜箔腐蚀速率降低。而进一步增大DPS浓度后,腐蚀电流反而增加,其主要原因是过量的DPS增强了去极化作用，进而增大了铜箔表面的粗糙度，造成晶粒团聚和耐腐蚀性能下降。因此,确定DPS 的最优质量浓度为10 mg/L。最后对HP浓度进行优化，在该步骤中,对DPS-0.1a-0mg/Lb-30mg/L-50mg/Ld80mg/L100mg/L150mg/L-0.2-0.12023年第8 期丘坚聪：HVP、D PS、H P添加剂组合对电解铜箔性能的影响分析23参数进行调整，另外两种添加剂的参数保持不变,通过分析Tafel极化曲线图的方式进行测试，测试结果如图4所示。-2-8-0.4图4不同HP浓度下的Tafel极化曲线图如图4所示，当HP质量浓度从0 增加至8 mg/L时,腐蚀电流迅速降低,减小至不足1A/cm,耐蚀性增强,其主要原因是，一定浓度的HP促进了铜箔内部结晶的生长，使得内部晶体结构的致密化更为突出。但在HP浓度进一步增大后,其耐蚀性反而降低，Analysis of the Effect of HVP,DPS,and HP Additive Combination on the Performance of(Jiangxi Xinbeirui Technology Co.,Ltd.,Yingtan Jiangxi 335003,China)Abstract:In order to further optimize the performance of electrolytic copper foil,the preparation process of 6 m electrolytic copper foil bydirect current electrode position method is taken as the research background.Firstly,the optimal parameters for the composition of theelectrolyte are determined.Then,based on existing experiments,the optimal addition amounts of HVP,DPS,and HP additives aredetermined to be 80 mg/L,10 mg/L,and 8 mg/L,respectively.The results of this study can provide certain reference for the optimization andadjustment of copper foil processing parameters in the future.Key words:additives;electrolytic copper foil;performance analysis(上接第8 页）超级奥氏体不锈钢焊接性研究 J.山西冶金，2 0 2 2，45（5：62-63.6何德孚，曹志梁,蔡新强，等.不锈钢GTAW 焊管生产中焊缝熔透易变性及其控制对策 J.焊管,2 0 0 2（3)：9-17.7GRANT D M,WOOD J V.Surface Tension of ElectromagneticallyLevitated 316L Stainless Steel with Sulphur and Silicon JJ.PowderMetallurgy,2013,35(1):43-46.8MUKAI K,MATSUSHITA T,MILLS K C,et al.Surface Tension ofLiquid AlloysA Thermodynamic Approach JJ.Metallurgical andMaterials Transactions B,2008,39(4):561-569.Abstract:The effect of different S content on the size of sUs316L stainless steel TIG self-fusion joint was studied.The results show that theweld penetration depth,depth-width ratio and depth-width product with high S content of sUs316L are better than those with low S content,which can be explained by the Heipl-Roper molten pool convection theory.The surface tension coefficient of liquid metal in the moltenpool with high S content is positive,the temperature of the molten pool center is the highest,and the surface tension is also the highest,sothat the liquid metal on the molten pool surface flows from all sides to the center,driving the liquid metal in the center of the surface to flowdownward,and a weld with greater penetration depth is obtained.Key words:weld penetration;S content;surface tension coefficient初步推断,造成这一现象的主要原因是HP与 DPS 分子之间存在竞争吸附的影响,且过高的HP浓度存在较为突出的去极化作用,加速了铜箔表面结晶的生长速率,由此造成粗糙度上升和孔隙增多,进而增大腐蚀速率。因此,确定HP的最优质量浓度为8 mg/L。4结语0mg/L在本次研究中,在采用直流电沉积法制备6 mb-30mg/L50mg/Ld80mg/L100mg/Lbd-0.3-0.2电位/VEffect of S Content on Weld Penetration of SUs316L Stainless Steel(Shanxi Taigang Stainless Steel Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030003,China)电解铜箔的实验过程中,应用正交实验法对实验的主要参数进行分析探究，得到了HVP、D PS和HP三种添ee150mg/L-0.10.0Electrolytic CopperFoilQiuJiancong9LI Z,MUKAI K,ZEZE M,et al.Determination of the surface tension ofliquid stainless steelJ.Journal of Materials Science,2005,40(9):2191-2195,10MILLs K C,sU Y C.Review of surface tension data for metallicelements and alloys:Part 1 Pure metals JJ.International MaterialsReviews,2013,51(6):329-351.11 何德孚，曹志梁，蔡新强，等.不锈钢GTAW焊管生产中的焊缝成形控制 J.钢管,2 0 0 4(1)：13-19.（编辑：武倩倩）Chang Tianyin加剂的最优添加量，分别为8 0 mg/L、10 m g/L和8mg/L，同时初步明确了实验基本原理，此次研究将为后续的铜箔加工工艺优化提供一定的参考借鉴。1王帅.我国电解铜箔技术现状与趋势前瞻 J.有色金属加工，2023,52(1):9-11.2程庆，李宁，潘钦敏，等电解铜箔添加剂的研究进展及应用现状J.电镀与精饰,2 0 2 2,44(12)：6 9-7 9.（编辑：武倩倩）参考文献