一、定義與核心作用
固態(tài)電池用鈦靶材是一種通過(guò)物理氣相沉積（PVD）技術(shù)（如磁控濺射）制備超薄鈦金屬層的高純度材料，主要用于固態(tài)電解質(zhì)與電極界面層，通過(guò)抑制鋰枝晶生長(zhǎng)、提升離子傳輸效率和界面穩(wěn)定性，解決固態(tài)電池循環(huán)壽命短的核心痛點(diǎn)。
二、材質(zhì)與牌號(hào)
| 牌號(hào)標(biāo)準(zhǔn) | 典型牌號(hào) | 成分要求 | 應(yīng)用場(chǎng)景 |
| ASTM B265 (純鈦) | Gr1 | Ti≥99.5%, O≤0.18%, Fe≤0.20% | 超薄界面層（5-20nm） |
| GB/T 3620.1 | TA1 | Ti≥99.6%, O≤0.15%, N≤0.03% | 高精度濺射 |
| 特殊定制 | 6N級(jí)鈦 | Ti≥99.9999%, 雜質(zhì)總量≤1ppm | 量子器件/超導(dǎo)薄膜 |
關(guān)鍵特性：
純度：固態(tài)電池要求≥4N（99.99%），關(guān)鍵雜質(zhì)（O、N、C）需控制在ppm級(jí)。
晶粒尺寸：≤50μm（納米晶靶材可達(dá)10μm以下），保證濺射膜層均勻性。
密度：≥98%理論密度（4.51g/cm3），減少濺射過(guò)程微孔缺陷。
三、性能參數(shù)與特點(diǎn)
| 性能指標(biāo) | 典型值 | 技術(shù)意義 |
| 電阻率 | 42.0×10?? Ω·m | 確保集流體低阻抗，減少電池內(nèi)耗 |
| 熱膨脹系數(shù) | 8.6×10??/K (20-100℃) | 匹配固態(tài)電解質(zhì)（如LLZO）的熱穩(wěn)定性 |
| 濺射速率 | 0.8-1.2μm/min (DC濺射) | 影響量產(chǎn)效率，需與設(shè)備功率協(xié)同優(yōu)化 |
| 膜層附著力 | ≥50MPa (ASTM D4541) | 防止界面剝離導(dǎo)致電池失效 |
核心特點(diǎn)：
電化學(xué)惰性：在高壓（>4.5V vs Li/Li?）下穩(wěn)定，避免副反應(yīng)。
鋰親和性：鈦表面形成Li-Ti合金層，促進(jìn)鋰離子均勻沉積。
納米結(jié)構(gòu)可控性：通過(guò)HIPIMS技術(shù)制備柱狀晶/納米晶混合結(jié)構(gòu)，提升離子通道效率。
四、制造工藝流程
原料提純：
電子束熔煉（EBM）去除揮發(fā)性雜質(zhì)（如Mg、Cl）。
區(qū)域熔煉（Zone Refining）實(shí)現(xiàn)6N級(jí)超高純度。
熱加工：
多向鍛造（溫度800-950℃）細(xì)化晶粒至ASTM 6-8級(jí)。
熱等靜壓（HIP，1200℃/100MPa）消除內(nèi)部孔隙。
精密加工：
線切割至±0.05mm公差，表面粗糙度Ra≤0.4μm。
背板焊接（Cu/Ag焊料）確保靶材-背板熱導(dǎo)率≥200W/m·K。
質(zhì)量檢測(cè)：
GDMS（輝光放電質(zhì)譜）檢測(cè)雜質(zhì)元素至ppb級(jí)。
EBSD分析晶粒取向分布，確保（002）擇優(yōu)取向度≥80%。
五、應(yīng)用領(lǐng)域
核心場(chǎng)景：
界面緩沖層：5-50nm鈦層插入固態(tài)電解質(zhì)（如硫化物）與鋰負(fù)極之間，循環(huán)壽命提升至2000次以上（寧德時(shí)代專利CN114512670A）。
復(fù)合集流體：鈦-銅疊層結(jié)構(gòu)（厚度3μm Ti+6μm Cu），能量密度提升15%，穿刺強(qiáng)度＞500N（比亞迪技術(shù)白皮書(shū)2023）。
延伸應(yīng)用：
固態(tài)電池封裝用鈦鋁復(fù)合膜（阻隔水氧，透氫率＜0.01g/m2·day）。
鈦摻雜固態(tài)電解質(zhì)（如LLZO-Ti）提升離子電導(dǎo)率至10?3 S/cm。
六、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)
| 標(biāo)準(zhǔn)類型 | 標(biāo)準(zhǔn)號(hào) | 核心要求 |
| 材料純度 | ASTM F2888 | 電子級(jí)鈦靶材雜質(zhì)元素限量（如Fe≤50ppm） |
| 濺射性能 | SEMI F47-0706 | 靶材利用率≥85%，濺射膜厚不均勻性≤3% |
| 環(huán)保認(rèn)證 | RoHS 3 | 限制Cd、Pb等6種有害物質(zhì) |
| 行業(yè)規(guī)范 | SJ/T 11679-2017 | 鋰電用濺射靶材晶粒尺寸與取向要求 |
七、與新能源相關(guān)其他金屬靶材對(duì)比
| 靶材類型 | 優(yōu)勢(shì) | 劣勢(shì) | 典型應(yīng)用場(chǎng)景 |
| 鈦靶 | 抑制鋰枝晶、高界面穩(wěn)定性 | 成本高（￥2000/kg） | 固態(tài)電池界面層 |
| 銅靶 | 導(dǎo)電性優(yōu)（58MS/m）、成本低 | 易氧化、鋰枝晶問(wèn)題 | 傳統(tǒng)鋰電集流體 |
| 鋁靶 | 輕量化（密度2.7g/cm3） | 耐腐蝕性差 | 鈉離子電池正極集流體 |
| 鎳靶 | 耐高溫（熔點(diǎn)1455℃） | 催化副反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn) | 燃料電池雙極板涂層 |
技術(shù)差異：
濺射功率：鈦靶需要更高功率（銅靶的1.5-2倍）達(dá)到相同沉積速率。
膜層應(yīng)力：鈦膜殘余壓應(yīng)力（-1.2GPa）顯著高于銅膜（-0.3GPa），需優(yōu)化退火工藝。
八、選購(gòu)方法與注意事項(xiàng)
選購(gòu)決策樹(shù)：
純度驗(yàn)證：要求供應(yīng)商提供GDMS報(bào)告，重點(diǎn)關(guān)注O、N、C含量（應(yīng)分別＜100ppm）。
晶粒檢測(cè)：索取EBSD圖像，確認(rèn)平均晶粒尺寸≤50μm且取向分布均勻。
濺射測(cè)試：要求試鍍樣片，膜層電阻率＜50μΩ·cm，厚度偏差＜±3%。
成本核算：綜合靶材利用率（鈦靶≥80%為優(yōu)）、設(shè)備兼容性（是否需要升級(jí)電源）。
關(guān)鍵注意事項(xiàng)：
雜質(zhì)陷阱：避免采購(gòu)回收鈦原料，F(xiàn)e含量超標(biāo)會(huì)引發(fā)界面副反應(yīng)。
熱管理：鈦靶熱導(dǎo)率低（21.9W/m·K），需配套高效背板冷卻系統(tǒng)。
存儲(chǔ)規(guī)范：真空包裝+干燥箱（露點(diǎn)＜-40℃），防止氧化生成TiO?影響濺射。
九、前沿趨勢(shì)
復(fù)合靶材：Ti-Li合金靶（Li含量1-3at%）實(shí)現(xiàn)原位鋰補(bǔ)償，提升電池首效。
增材制造：3D打印梯度孔隙率鈦靶，濺射膜層可控孔隙率（5-30%），增強(qiáng)電解液浸潤(rùn)。
智能化生產(chǎn)：AI驅(qū)動(dòng)的靶材成分設(shè)計(jì)（如Ti-Zr-Mo三元體系），實(shí)現(xiàn)抗腫脹與導(dǎo)電性平衡。
預(yù)計(jì)到2026年，固態(tài)電池鈦靶材市場(chǎng)規(guī)模將突破15億美元，技術(shù)突破點(diǎn)在于開(kāi)發(fā)超低氧（＜50ppm）大尺寸（＞φ500mm）靶材制造工藝，滿足GWh級(jí)產(chǎn)線需求。
