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摘要：以硫酸铜体系电解铜箔为对象，建立二维电解模型，根据实际工艺参数设置材料参数及边界条件，基于水平集法解决镀层变化过程中的拓扑问题，采用Comsol多物理场软件对电解液中离子的扩散过程及镀层的变化进行数值模拟，以研究阴极辊不同表面质量对电解铜箔性能、电流分布及电解质浓度的影响，掌握阴极辊表面状态对电解铜箔性能的影响，最终为阴极辊表面处理工艺的优化提供理论依据。

关键词：水平集法；电解铜箔；浓度极化；镀层可视化

1  引言

随着全球新能源市场进入快速扩张通道，新型基础材料如铜箔的需求也随之迅速增长。锂离子电池因具有比能量高、体积小、循环性能好、维护费用低等优点，广泛用作交通动力电源、电力储能电源、移动通信电源、新能源储能动力电源、航天军工电源等新能源领域。电解铜箔本身具有良好的导电性、挠性、耐腐蚀性，功能涂层附着力佳，且制造工艺技术也已经非常成熟，因此成为锂离子电池负极集流体的优选材料。随着科学技术的进步和新能源行业的发展，研究更高性能及附加值的锂离子电池用铜箔，对铜箔制造业、电子、通讯、能源、交通、航空、军工等行业的发展具有十分重要的价值。

2  电解铜箔原理

阴极辊是生箔机回路的最终阴极元件，铜离子直接沉积在外层钛圈的表面上，形成原箔，在保证生箔电流密度一定的条件下，通过增大电流强度和提高沉积面面积，达到提高产量的目的。阳极板由钛基和涂层组成，钛涂铱阳极板目前得到广泛应用，采用这种阳极材料，降低槽电压的效果十分理想，生成的箔材厚度均匀性好。

3  仿真建模及结果分析

3.1 仿真原理及方法

采用Comsol多物理场软件中电镀模块模拟阴极辊表面质量对电解铜箔镀层的影响，“水平集法”可以处理拓扑变化，当使用水平集法时，电极和电解质都在同一域上描述，“水平集”接口用于跟踪沉积过程中阴极表面的变化情况，“水平集”接口会自动建立液体电解质与固体电极界面之间的运动方程。界面由水平集变量的0.5等值线表示，水平集变量从电解质域中的1变为沉积区域中的0，因此，水平集变量可视为电解质体积分数。

3.2 电解铜箔仿真模型建立

利用Comsol电镀模块建立电解铜箔仿真物理模型，为便于计算，假设电解过程中阳极不发生损耗同时按比例缩减仿真模型，CuSO4电解液浓度为1.5mol/L，阴、阳极压降为0.5V，电流密度为250A/m2。电镀模型为矩形：电镀槽长60μm，极距40μm，上表面为阴极，下表面为不溶性阳极，阴极表面各有一处宽5μm、高10μm的凸起和凹槽缺陷，为细化缺陷处镀层仿真效果，对模型采用局部细化网格。

3.3 镀层厚度及电流分布

仿真计算结果如图1、图2所示。电解铜箔仿真结果如图所示图1为阴极表面有无缺陷时的仿真结果，当阴极表面存在缺陷时，严重影响铜沉积层表面质量，同时阴极表面凸起缺陷对铜沉积层表面质量的影响远远大于凹槽缺陷，如图1（a）所示，图1（b）为阴极表面无缺陷时的铜沉积结果，由图可知，阴极表面铜沉积层均匀一致，无缺陷，沉积层表面粗糙度良好。

图2为电解过程电解槽中电流分布趋势，由图2（a）可知，当阴极表面存在缺陷时，阴、阳极间电流分布不均匀，最终导致铜沉积层产生不均匀；当阴极表面无缺陷时，阴、阳极间电流分布均匀，结果如图2（b）所示。

3.4 电解质浓度分布

图3为不同电镀时间，SO42-离子浓度变化趋势，电镀过程中SO42-离子不断向阳极迁移，同时由于浓度极化产生自然对流，部分SO42-离子有向阴极迁移的趋势，符合电镀实际情况。随着电镀时间的增加，由于SO42-离子在阳极反应生成H2SO4，电解槽中SO42-离子呈下降趋势。

4  结论

（1）通过电解铜箔仿真研究，了解了不同阴极辊表面状态对电解铜箔性能的影响，同时对镀层进行了直观可视化，由仿真结果可知，有效保证阴极辊辊面的一致性及高光洁度直接决定着铜箔的品质和性能。

（2）铜箔作为PCB主要导电基体，其表面粗糙度直接影响电流的趋肤效应，从而决定电子产品的能耗，随着5G乃至高频信号的发展，对超低轮廓铜箔提出了更高的要求，促使我们必须通过先进的阴极辊表面处理技术，满足新一代超低轮廓铜箔的生产。

参考文献

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作者简介：高世凯（1993-8）男，藏族，籍贯：青海民和，学历：硕士研究生，职称：工程师，研究方向：金属材料、机械设计制造、非标设计