張錦園,張菁麗,白忠波,杜良良,馮寶鑫,彭肖林,劉二勇*,蔡 輝
(1. 西安科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054;2. 靈寶華鑫銅箔有限責(zé)任公司,河南 靈寶 472500)
電解銅箔是電子行業(yè)中最主要的原材料之一,可用于生產(chǎn)覆銅板(CCL)、印制電路板(PCB)、制造鋰離子電池等。電解銅箔工藝是通過電解獲得鍍層、沉積層的技術(shù),該工藝具有很多優(yōu)點,例如操作簡單高效、清潔度高等[1-2]。目前,印制電路板在電子工業(yè)新技術(shù)方面應(yīng)用廣泛[3-4]。近年來隨著便攜式電子產(chǎn)品的迅速發(fā)展及大型新能源汽車用鋰離子電池的使用,促使鋰電池工業(yè)發(fā)展迅猛,使得作為鋰離子電池負極材料使用的電解銅箔迎來了新的發(fā)展和機遇[5-6]。為了滿足新技術(shù)發(fā)展對印制板制作工藝帶來的新要求,作為負極集流體的銅箔就必須要有較好的性能,鈦陽極由于其良好的抗腐蝕性能和催化性能[3,7-8],在進行電解銅箔電化學(xué)加工制備中會大量使用。由于電解銅箔的生產(chǎn)是在酸性體系中進行,因此電解銅箔用陽極一般使用耐腐蝕性及電催化性能優(yōu)異的貴金屬氧化物涂層鈦陽極(以下簡稱鈦陽極)。鈦陽極具有以下優(yōu)點:(1)具備良好的催化活性[9],能改善槽電壓,起到節(jié)約電能等作用;(2)良好的電導(dǎo)性,減少電能的損耗;(3)在酸性電解溶液中耐腐蝕性能良好,使用壽命長達5 到10年[10]。目前,貴金屬氧化物涂層鈦陽極已被廣泛應(yīng)用于在氯堿工業(yè)[11-12]、化學(xué)與化工[13-14]、電冶金[15]、金屬箔生產(chǎn)[16]、電鍍[17-18]、醫(yī)學(xué)[19-20]、環(huán)境[21]、水處理[22-24]等行業(yè)中,促進了電化學(xué)及電子工業(yè)快速向前發(fā)展。
目前,電解銅箔生產(chǎn)工藝中陰極和陽極的電流負載比其他一般電解工業(yè)的大,其中陽極電流密度可達到6000 ~10000 A/m2[25],反應(yīng)條件比較苛刻。由于電解制造銅箔是在酸性體系中進行陽極析氧,因此目前該工藝用陽極一般使用耐腐蝕性及電催化性能優(yōu)異的析氧型貴金屬氧化物涂層鈦陽極。
硫酸-硫酸銅體系的規(guī)?;a(chǎn)中,陰極通常為拋光的純鈦陰極板,陽極選擇表面有貴金屬氧化物涂層的不溶性鈦陽極,圖1 為電解銅箔生產(chǎn)過程示意圖,兩個電極的反應(yīng)為:
圖1 電解銅箔生產(chǎn)過程Fig.1 Production process of electrolytic copper foil
但是Cu2+還原析出銅的過程并不只是Cu2+得電子這么簡單,銅的電沉積是一個復(fù)雜的過程,可以分為液相傳質(zhì)、前置轉(zhuǎn)換、電荷轉(zhuǎn)移、形成晶核、結(jié)晶幾個連續(xù)步驟,在此過程中,鈦陽極起到傳遞電子的作用。
實際工況下鈦陽極涂層需要滿足的基本性能如下:
(1)物理穩(wěn)定性:陽極材料必須有足夠的機械強度,在電解過程中不易被腐蝕,不易與電解液中的酸性成分和銅離子發(fā)生反應(yīng),陽極表面或涂層不易發(fā)生龜裂;
(2)化學(xué)穩(wěn)定性:在陽極過程中,陽極材料必須能夠抵抗腐蝕,不易被氧化,不易在陽極表面形成Pb的幾種價態(tài)化合物的沉積物[26];
(3)機械加工性:陽極材料必須容易加工,陽極失效后,易于對生箔機做定期維護時的拆換;
(4)催化性和選擇性:陽極材料必須對特定的反應(yīng)具有顯著的電催化特性,在發(fā)生競爭反應(yīng)時具有較高的選擇性;
(5)電導(dǎo)率:電導(dǎo)率非常重要。實際工況下企業(yè)要求更快的生產(chǎn)效率,對電流要求較高。當(dāng)陽極具有較高的電導(dǎo)率時,才適合在高電流和高電位下工作,而且可以避免由于電阻過大引起能量損失及成本提高;
(6)使用壽命:電解銅箔工業(yè)上應(yīng)用的鈦陽極一般要使用幾年以上,這對于減低成本很重要。
尺寸穩(wěn)定性陽極(Dimensionally Stable Anode,簡稱DSA)是以鈦金屬為基體,活性金屬氧化物為涂層的電極。DSA 陽極尺寸穩(wěn)定、催化能力強、種類繁多,副反應(yīng)可通過改變涂層組分來消除。DSA基體是金屬純鈦,因為鈦是閥型金屬,具有良好的導(dǎo)電性,且穩(wěn)定、耐腐蝕,甚至可與一些金屬氧化物反應(yīng),從而改變陽極表面的結(jié)構(gòu)與性能。DSA 在電解銅箔應(yīng)用中使用廣泛。DSA 陽極種類很多,通??梢园匆韵聝煞N進行分類:
1.2.1 按照元素性質(zhì)分類
(1)貴金屬氧化物鈦陽極貴金屬氧化物涂層陽極,是指含有Ru、Ir、Pt等金屬氧化物的鈦陽極。如:用作電滲析裝置的陰極和陽極和氧氣發(fā)生的Ti/IrO2陽極,可以用作氧氣生成的Ti/IrO2-Ta2O5、Ti/RuO2-IrO2-SnO2、 Ti/IrO2-SnO2、 Ti/IrO2-SnO2-Sb2O5等陽極[27]。
(2)非貴金屬氧化物鈦陽極
所謂非貴金屬氧化物涂層陽極,是指不含有貴金屬元素的鈦陽極,如:Ti/MnO2,這類陽極不僅可用于鋅的電解過程,而且還可以用于Cu、Cd、Ni、Sn 等金屬的電解過程。
1.2.2 按照涂層的組成分類
(1)一元及二元鈦陽極: 一元陽極如Ti/IrO2、二元陽極如Ti/RuO2-IrO2、Ti/RuO2-TiO2等金屬陽極,是最初使用的金屬陽極,它們對O2和Cl2都具有一定的催化活性。
(2)多元鈦陽極: 多元陽極如Ti/RuO2-TiO2-SnO2、Ti/IrO2-SnO2-Sb2O5、Ti/RuO2-TiO2-ZrO2等金屬陽極,催化能力強、壽命長,是現(xiàn)階段應(yīng)用較廣的陽極。
IrO2-Ta2O5涂層鈦陽極具有優(yōu)良的電催化活性和電化學(xué)穩(wěn)定性,在腐蝕性強、工作環(huán)境惡劣的電解行業(yè)中獲得廣泛的應(yīng)用。電解銅箔產(chǎn)業(yè)中,以Ir-Ta體系涂層鈦陽極為主,其中起到活性成分的是Ir,涂層表面IrO2∶Ta2O5不同比例的鈦陽極其性能有所不同。但由于涂液組分中添加的Ir 價格高昂,在電解銅箔中采用Ti/IrO2-Ta2O5陽極成本很高,采用廉價元素部分替換Ir元素作為催化劑不僅可以提高涂層性能,也可以降低生產(chǎn)成本。
采用不同的制備工藝對鈦陽極涂層的性能有一定的影響。熱分解法、電沉積法、磁控濺射法、溶膠-凝膠法等技術(shù)已被應(yīng)用于貴金屬鈦陽極涂層的生產(chǎn)。近年來,國內(nèi)外學(xué)者為了獲得性能更加良好的鈦陽極,通過改進其涂層的制備方法,獲得了使用壽命更長、活性更高的鈦陽極。
熱分解法是通過在基體上刷涂各種溶于有機溶劑的金屬類鹽,多次反復(fù)燒結(jié)得到涂層陽極的方法。該方法成本較低,且操作人員因其流程簡單而易上手。
目前制備電解銅箔貴金屬陽極涂層的工藝中,最常用的仍是熱分解法。采用熱分解法制備的鈦陽極表面涂層表面呈“龜裂紋”狀[28],當(dāng)進行電解時,電解液易滲透到“龜裂紋”中,造成基質(zhì)的侵蝕,使鈦陽極發(fā)生鈍化[29],破壞了陽極板的正常運行。因此,獲得表面裂紋尺寸合適的涂層至關(guān)重要。葉張軍[30]利用熱分解法分別制備了Ti/TiN/IrO2-Ta2O5涂層陽極、SnO2-IrO2-Ta2O5三元陽極以及IrO2-Ta2O5涂層陽極,預(yù)處理后的鈦片經(jīng)過高溫?zé)崽幚硪灾苽渫繉?。采用熱分解法在合適的溫度下制備的鈦陽極涂層具有更好的電化學(xué)活性與強化壽命。采用正交分析,獲得最佳工藝參數(shù)為:(1)溫度為400 ℃的燒結(jié);(2)涂層中Ir 的總量為20 g/cm2;(3)Ta2O5含量為55 wt.%;(4)2 h 的熱分解氧化時間;(5)預(yù)處理工藝為:在18 wt.%的鹽酸中加入草酸使其達到飽和,95 ℃下刻蝕2 h。
熱分解法制備鈦陽極涂層過程中,Xu等[15]發(fā)現(xiàn)鈦陽極的催化活性取決于燒結(jié)溫度、涂層厚度、鈦基材預(yù)處理和涂刷方法等多種工藝因素,其中燒結(jié)溫度對鈦陽極的影響最顯著。利用熱分解法制備了IrO2-Ta2O5鈦陽極,在中等溫度(500 ℃)下,成功地獲得了最穩(wěn)定的陽極。
溶膠-凝膠法是以貴金屬鹽類為驅(qū)動劑,與液態(tài)原料進行均勻攪拌,然后通過溶膠、凝膠等方式在金屬基體表面沉積,最終通過熱處理工藝制備出貴金屬陽極[8]。
使用常規(guī)熱分解法和聚合物溶膠-凝膠方法制備IrO2-Ta2O5涂層鈦陽極,與使用傳統(tǒng)熱分解方法形成的陽極相比,通過溶膠-凝膠方法制備的IrO2-Ta2O5涂層鈦陽極表面上成分分布均勻,沒有明顯的偏析。此外,采用溶膠-凝膠法制得的氧化物陽極具有較大的電化學(xué)活性表面積、較高的氧化還原活性和電化學(xué)穩(wěn)定性[31]。Hossein 等[32]采用溶膠-凝膠法制備Ti/IrO2-Ta2O5和Ti/IrO2-Ta2O5-SiO2陽極,涂層中SiO2的存在降低了裂紋的尺寸,其中,含有35%SiO2的涂層的裂紋尺寸最小。涂層組分中SiO2量的優(yōu)化不僅降低了IrO2的含量,而且提高了陽極的穩(wěn)定性。此外,與具有更高含量的IrO2的陽極相比,含有35%SiO2的陽極的催化活性沒有顯著降低。另外有研究人員發(fā)現(xiàn)采用溶膠-凝膠法可制備出具有納米涂層的鈦陽極。彭浩然等[33]通過將不同濃度的納米SnO2晶種加入到涂層溶液中,利用溶膠-凝膠技術(shù),形成了30%RuO2~70%SnO2的復(fù)合涂層。
溶膠-凝膠法具有比傳統(tǒng)工藝更高的原材料成本、較慢的反應(yīng)速度和更高的工藝難度,限制了此方法在制備電解銅箔用鈦陽極中的應(yīng)用,但是可以更好的控制粒徑的尺寸、包覆層的均勻性、提高導(dǎo)電性能和電催化活性等優(yōu)點,為制備鈦陽極貴金屬納米涂層提供了新的方向,具有實際意義。
電鍍工藝又叫電沉積工藝,它是將電鍍?nèi)芤褐械慕饘僭赝ㄟ^特定的電壓或電流進行氧化還原,從而在陽極上沉積一層薄膜。電鍍法由于其清潔度高、操作簡單等優(yōu)點被應(yīng)用于鈦陽極涂層的制備。
電鍍法制備的Ti/PbO2陽極形成了以β-PbO2為主的晶體結(jié)構(gòu),且其下層晶胞致密、尺寸均勻;反應(yīng)層的表面粗糙,具有高的比表面積[34]。Alhelid 等[35]通過使用含有4 種不同Ir∶Ta 摩爾比的溶液進行電沉積,然后進行兩步熱處理,成功地制備了Ti/IrO2-Ta2O5陽極。發(fā)現(xiàn)Ir∶Ta 比為70∶30 制備的陽極具有最優(yōu)良的性能。這種組成比產(chǎn)生了均勻的涂層,表現(xiàn)出良好的涂層覆蓋率和最小的偏析。與溶液中摩爾含量為0、30%和100%制備的陽極相比,Ir摩爾含量為70%的陽極使用壽命最長(約93 h)。
采用電鍍方法得到的鍍層材料具有較好的氧化膜密度,且無明顯的裂紋。然而,由于其表面的涂層與鈦基體表面的附著力不強,易發(fā)生剝落,從而導(dǎo)致陽極的破壞,降低了陽極壽命。電解銅箔行業(yè)中,對設(shè)備使用年限有要求。若涂層與基體易發(fā)生脫落,將會降低設(shè)備使用年限,影響生產(chǎn)效率。因此電鍍法在制備電解銅箔用鈦陽極運用受限,找到一種提高涂層結(jié)合力的方法非常重要。
與以上工藝相比,濺射工藝是一種新型的生產(chǎn)工藝。該方法的基本原理是利用強磁場和強電場將加速Ar 離子在真空中的金屬材料的表層上進行高速沖擊,使得金屬靶材產(chǎn)生飛濺,并在金屬基體的表層上生成一層薄膜。
陶自春等[36]通過電鍍、刷鍍、磁控濺射法,在鈦合金的表層鍍上一層鉑金屬中間層,使其與鈦基體的結(jié)合強度得到明顯改善,從而減緩鈦合金的鈍化速度,提高鍍層的導(dǎo)電性和耐腐蝕性,延長其使用的時間。實驗結(jié)果顯示,通過磁控濺射法制備出的鉑中間層鈦陽極壽命最長。潘建躍等[37]采用磁控濺射技術(shù)實現(xiàn)涂層的制備,所制備的涂層均勻、致密,顆粒尺寸大小達到納米級,且與鈦基體結(jié)合良好。
采用磁控濺射可以準確地控制涂層的厚度和質(zhì)量,并能與鈦合金基體緊密地結(jié)合在一起,從而大大提高了陽極的壽命。但由于其工藝復(fù)雜,對儀器的要求較高,而且其造價和能量消耗較高,使其無法廣泛用于電解銅箔實際工業(yè)化生產(chǎn)。
綜上所述,表1列舉了4種鈦陽極涂層制備方法的優(yōu)缺點,并進行了對比。
表1 鈦陽極涂層制備方法優(yōu)缺點對比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of preparation methods of titanium anode coating
隨著新能源和通訊行業(yè)的發(fā)展,銅箔應(yīng)用更加廣泛,對其性能也要求更高。電解銅箔的生產(chǎn)會大量使用貴金屬氧化物涂層鈦陽極,因此需要對鈦陽極涂層進行工藝優(yōu)化。本文從兩個角度對鈦陽極貴金屬涂層改性研究進行闡述。
在使用貴金屬涂層鈦陽極時,研究人員發(fā)現(xiàn)二元涂層的電化學(xué)及其他性質(zhì)不能完全滿足需求,因此一般采用添加第3種或更多的元素成分來改善陽極的導(dǎo)電性以及電催化活性。
楊國生等[38]采用熱分解法,制備了Ta2O5-Sb2O3(Sb摩爾分數(shù)為1%、3%、5%和8%)TaO2-Ta2O5-Sb2O3涂層陽極(Ir和Ta之間的物量之比是7∶3)。含Sb的鈦陽極涂層表面有深淺不一且不連續(xù)的裂紋,涂層表面有少量結(jié)晶,如圖2(a)所示。Sb在常溫下不容易被氧化,具有良好的耐腐蝕性能,應(yīng)用于合金中可以增強強度。在催化劑中添加Sb 可以提高催化劑的催化活性[39-40]。研究發(fā)現(xiàn),添加適當(dāng)Sb2O3后,IrO2-Ta2O5-Sb2O3涂層的陽極裂紋增多,使其電催化活性提高。隨Sb摩爾含量的增加,陽極強化壽命先上升后下降。當(dāng)Sb 摩爾分數(shù)為3%時,所得的IrO2-Ta2O5-Sb2O3鈦陽極涂層的強化壽命最長,綜合性能最佳。
莊曉東等[41]通過熱分解法制備出了不同的含錳型鈦陽極。研究表明:IrO2具有很好的析氧量和抗腐蝕能力,RuO2具有很好的導(dǎo)電性能。但 Ir 和 Ru金屬的價格很高,若大規(guī)模使用,將大幅提高鈦陽極的生產(chǎn)成本。錳族過渡金屬由于其具有3d54s2的電子結(jié)構(gòu),其氧化物中含有許多晶體缺陷,并具有非均衡的形態(tài)[42-43]。MnO2晶體結(jié)構(gòu)中含有點陣缺陷,使得它具有較高的能級和活性,同時又具有較高的電化學(xué)性能,并且價格低廉易于得到,是一種理想的涂層材料。含Mn 的鈦陽極涂層裂紋分布較均勻、裂紋寬度小,涂層結(jié)構(gòu)整體趨于平整,如圖2(b)所示。研究發(fā)現(xiàn),Mn 可以顯著地改善涂層的形態(tài)、催化性能、抗腐蝕性能。經(jīng)比較Ti/IrO2-RuO2-MnO2涂層陽極的綜合性能最優(yōu),強化后的電解壽命達到114 h。
Zhang et al.[44]通過熱分解制備Ti/IrO2-SnO2-Ta2O5,添加適量的SnO2可以與IrO2形成固溶體,可以有效提高IrO2-Ta2O5涂層的電化學(xué)活性和使用壽命。含Sn的鈦陽極涂層表面呈光滑的泥狀,且存在深淺不一的“龜裂紋”,如圖2(c)所示。隨著溫度的升高,陽極的結(jié)晶度也增加。Ti/IrO2-SnO2-Ta2O5的比電容和積分電荷均先增大后減小。當(dāng)陽極在370 ℃下退火后獲得了最大比電容(382 F/g)、最大循環(huán)伏安面積、最大電荷存儲容量、良好的電導(dǎo)率和最小弛豫時間。
綜上所述,添加不同第3 元組分對涂層改性效果不同。在電解銅箔實際生產(chǎn)中,可針對不同領(lǐng)域應(yīng)用的銅箔,采用不同的鈦陽極涂層,以獲得最大的生產(chǎn)效益。
貴金屬涂層鈦陽極隨著使用時間的延長,會出現(xiàn)涂層的溶解和剝落,鈦合金的表面會發(fā)生氧化,形成一種絕緣的TiO2薄膜,使陽極失效。為此,研究人員通過在鈦合金和貴金屬涂層之間加入合適的中間層來延長或阻止TiO2薄膜的形成,從而提高涂層的使用壽命。
采用熱分解法制備鈦基IrO2-Ta2O5涂層,在高溫條件下,采用氮化工藝制備出了一種新型的涂層。對鈦基材進行噴沙和酸蝕刻,在其上形成了一層氫化物和氮化層,從而促進了IrO2的結(jié)晶和細化,在陽極上沉積的IrO2活性材料,其顆粒尺寸分布均勻,平均顆粒尺寸在20 nm 以下,使用壽命也更久,為1066 h,伏安電荷為68.4 mC/cm2。在TiH2和TiN0.3的高密度膜的保護下,該陽極具有最高的相對加速壽命和最低的穩(wěn)定槽電壓[45]。潘建躍等[46]采用激光熔覆技術(shù)制備鉑鈦合金中間層,可以明顯地提高涂層的耐久性。采用激光熔覆技術(shù)制備的涂層是以PtTi3為主體材料,并與基體形成了一種金屬鍵合。含鉑鈦合金中間層的銥鉭氧化物涂層,表面的活性表面積大,電化學(xué)性能優(yōu)良,析氧電壓約為1.1 V。
添加中間層可提高鈦陽極涂層使用壽命,減低銅箔生產(chǎn)的成本,一定程度上避免了因陽極失效拆卸而使生產(chǎn)效率降低的問題。
在電解銅箔制造過程中,鈦陽極表面會慢慢地覆蓋一層結(jié)垢[47],導(dǎo)致陽極失效,使銅箔產(chǎn)品均勻性受到不利影響。由于覆蓋的結(jié)垢層和電解銅箔的特殊工況條件,陽極的失效原因變得更復(fù)雜[48]??偨Y(jié)有3 個原因:(1)致密結(jié)垢層的覆蓋:鉛存在于原材料中,在溶液中溶解進入溶銅罐,隨著溶液進入生箔機。通電時Pb2+形成PbSO4,并發(fā)生陽極反應(yīng),在陽極表面生成疏松的PbO2覆蓋層[49],并逐漸滲入到陽極涂層內(nèi)部裂紋縫隙,阻礙陽極析氧反應(yīng)。(2)涂層活性組分溶解導(dǎo)致涂層分布不均勻:銅箔在電解過程中,由于化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、內(nèi)部析出氣體的沖擊、反向電流引起的涂層剝落[50],導(dǎo)致鈦陽極表面涂層發(fā)生損耗。在高電流負載條件下,涂層薄弱區(qū)域優(yōu)先溶解,而結(jié)垢層不均勻地覆蓋,加劇了這種涂層不均勻溶解的趨勢,最終致使整塊陽極板變得越來越不均勻。(3)機械原因或工人操作失誤:操作工人由于沒有特殊的清洗技術(shù),通常采用尖銳的硬物刮掉結(jié)垢層。這種方法無法將結(jié)垢層清除干凈,極易刮傷貴金屬涂層,使涂層均勻性受到破壞;在生產(chǎn)過程中偶爾會由于工人操作失誤,通過陰極沉積的銅箔或其他金屬元件使陰極與陽極接觸而造成短路。在如此高的電流負載條件下,瞬間即可將陽極涂層擊穿或局部燒焦,導(dǎo)致陽極失效。
由于涂液組分中添加的Ir 元素、Ta 元素價格高昂,在電解銅箔中采用Ti/IrO2-Ta2O5陽極成本很高,故采用廉價元素部分替換Ir元素作為催化劑。添加幾種可與Ir、Ta等形成固溶體或化合物的元素,改善涂層的電化學(xué)穩(wěn)定性,降低活性組元IrO2的溶解速率,提高陽極的耐用性。
鈦陽極因其優(yōu)異的電化學(xué)特性而被廣泛地用于各個行業(yè)。在電解銅箔行業(yè)中,鈦陽極作為生箔機最關(guān)鍵的部件之一,對銅箔質(zhì)量穩(wěn)定性、生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本等多方面都有影響。研發(fā)出更優(yōu)性能的鈦陽極對銅箔性能與質(zhì)量至關(guān)重要。電解銅箔用鈦陽極研發(fā)有以下幾個關(guān)鍵的問題:(1)涂層體系的改良:采用常規(guī)的IrO2、TaO2、RuO2等稀有金屬氧化物涂層,其生產(chǎn)成本相對高,在不影響鈦陽極導(dǎo)電性能和使用年限的前提下,可以加入少量的廉價元素來減少原材料的生產(chǎn)費用。(2)提高涂層和基體之間的結(jié)合強度:電解銅箔用鈦陽極主要是通過熱分解法制備的,但由于其結(jié)合強度較低,容易發(fā)生剝離現(xiàn)象,因此需要尋找新的預(yù)處理方法,以提高涂層與基體之間的結(jié)合強度、改善結(jié)合形式,從而提高其使用年限。(3)針對電解銅箔特殊工況,鈦陽極涂層腐蝕破壞機制尚需深入探討,因此應(yīng)從本質(zhì)上研究并揭示鈦陽極失效機制,以制備出適用于電解銅箔用鈦陽極。