一、定义与核心作用
固态电池用钛靶材是一种通过物理气相沉积（PVD）技术（如磁控溅射）制备超薄钛金属层的高纯度材料，主要用于固态电解质与电极界面层，通过抑制锂枝晶生长、提升离子传输效率和界面稳定性，解决固态电池循环寿命短的核心痛点。
二、材质与牌号
| 牌号标准 | 典型牌号 | 成分要求 | 应用场景 |
| ASTM B265 (纯钛) | Gr1 | Ti≥99.5%, O≤0.18%, Fe≤0.20% | 超薄界面层（5-20nm） |
| GB/T 3620.1 | TA1 | Ti≥99.6%, O≤0.15%, N≤0.03% | 高精度溅射 |
| 特殊定制 | 6N级钛 | Ti≥99.9999%, 杂质总量≤1ppm | 量子器件/超导薄膜 |
关键特性：
纯度：固态电池要求≥4N（99.99%），关键杂质（O、N、C）需控制在ppm级。
晶粒尺寸：≤50μm（纳米晶靶材可达10μm以下），保证溅射膜层均匀性。
密度：≥98%理论密度（4.51g/cm³），减少溅射过程微孔缺陷。
三、性能参数与特点
| 性能指标 | 典型值 | 技术意义 |
| 电阻率 | 42.0×10⁻⁸ Ω·m | 确保集流体低阻抗，减少电池内耗 |
| 热膨胀系数 | 8.6×10⁻⁶/K (20-100℃) | 匹配固态电解质（如LLZO）的热稳定性 |
| 溅射速率 | 0.8-1.2μm/min (DC溅射) | 影响量产效率，需与设备功率协同优化 |
| 膜层附着力 | ≥50MPa (ASTM D4541) | 防止界面剥离导致电池失效 |
核心特点：
电化学惰性：在高压（>4.5V vs Li/Li⁺）下稳定，避免副反应。
锂亲和性：钛表面形成Li-Ti合金层，促进锂离子均匀沉积。
纳米结构可控性：通过HIPIMS技术制备柱状晶/纳米晶混合结构，提升离子通道效率。
四、制造工艺流程
原料提纯：
电子束熔炼（EBM）去除挥发性杂质（如Mg、Cl）。
区域熔炼（Zone Refining）实现6N级超高纯度。
热加工：
多向锻造（温度800-950℃）细化晶粒至ASTM 6-8级。
热等静压（HIP，1200℃/100MPa）消除内部孔隙。
精密加工：
线切割至±0.05mm公差，表面粗糙度Ra≤0.4μm。
背板焊接（Cu/Ag焊料）确保靶材-背板热导率≥200W/m·K。
质量检测：
GDMS（辉光放电质谱）检测杂质元素至ppb级。
EBSD分析晶粒取向分布，确保（002）择优取向度≥80%。
五、应用领域
核心场景：
界面缓冲层：5-50nm钛层插入固态电解质（如硫化物）与锂负极之间，循环寿命提升至2000次以上（宁德时代专利CN114512670A）。
复合集流体：钛-铜叠层结构（厚度3μm Ti+6μm Cu），能量密度提升15%，穿刺强度＞500N（比亚迪技术白皮书2023）。
延伸应用：
固态电池封装用钛铝复合膜（阻隔水氧，透氢率＜0.01g/m²·day）。
钛掺杂固态电解质（如LLZO-Ti）提升离子电导率至10⁻³ S/cm。
六、执行标准
| 标准类型 | 标准号 | 核心要求 |
| 材料纯度 | ASTM F2888 | 电子级钛靶材杂质元素限量（如Fe≤50ppm） |
| 溅射性能 | SEMI F47-0706 | 靶材利用率≥85%，溅射膜厚不均匀性≤3% |
| 环保认证 | RoHS 3 | 限制Cd、Pb等6种有害物质 |
| 行业规范 | SJ/T 11679-2017 | 锂电用溅射靶材晶粒尺寸与取向要求 |
七、与新能源相关其他金属靶材对比
| 靶材类型 | 优势 | 劣势 | 典型应用场景 |
| 钛靶 | 抑制锂枝晶、高界面稳定性 | 成本高（￥2000/kg） | 固态电池界面层 |
| 铜靶 | 导电性优（58MS/m）、成本低 | 易氧化、锂枝晶问题 | 传统锂电集流体 |
| 铝靶 | 轻量化（密度2.7g/cm³） | 耐腐蚀性差 | 钠离子电池正极集流体 |
| 镍靶 | 耐高温（熔点1455℃） | 催化副反应风险 | 燃料电池双极板涂层 |
技术差异：
溅射功率：钛靶需要更高功率（铜靶的1.5-2倍）达到相同沉积速率。
膜层应力：钛膜残余压应力（-1.2GPa）显著高于铜膜（-0.3GPa），需优化退火工艺。
八、选购方法与注意事项
选购决策树：
纯度验证：要求供应商提供GDMS报告，重点关注O、N、C含量（应分别＜100ppm）。
晶粒检测：索取EBSD图像，确认平均晶粒尺寸≤50μm且取向分布均匀。
溅射测试：要求试镀样片，膜层电阻率＜50μΩ·cm，厚度偏差＜±3%。
成本核算：综合靶材利用率（钛靶≥80%为优）、设备兼容性（是否需要升级电源）。
关键注意事项：
杂质陷阱：避免采购回收钛原料，Fe含量超标会引发界面副反应。
热管理：钛靶热导率低（21.9W/m·K），需配套高效背板冷却系统。
存储规范：真空包装+干燥箱（露点＜-40℃），防止氧化生成TiO₂影响溅射。
九、前沿趋势
复合靶材：Ti-Li合金靶（Li含量1-3at%）实现原位锂补偿，提升电池首效。
增材制造：3D打印梯度孔隙率钛靶，溅射膜层可控孔隙率（5-30%），增强电解液浸润。
智能化生产：AI驱动的靶材成分设计（如Ti-Zr-Mo三元体系），实现抗肿胀与导电性平衡。
预计到2026年，固态电池钛靶材市场规模将突破15亿美元，技术突破点在于开发超低氧（＜50ppm）大尺寸（＞φ500mm）靶材制造工艺，满足GWh级产线需求。
