¿Cuál es la relación entre la hidrofilicidad de la lámina de cobre para las baterías de iones de litio?
1. El concepto de lámina de cobre
La lámina de cobre es un material electrolítico catódico hecho de cobre más una cierta proporción de otros metales. Se utiliza como conductor y es un material importante. para la fabricación de laminados revestidos de cobre (CCL) y placas de circuito impreso (PCB). La lámina de cobre tiene propiedades superficiales bajas en oxígeno, se puede adherir a diversos sustratos, como metales, materiales aislantes, etc., y tiene un amplio rango de temperaturas. La información electrónica y las baterías de litio son los principales campos de aplicación de la lámina de cobre. En comparación con la lámina de cobre electrónica, la lámina de cobre para batería de litio tiene mayores requisitos de rendimiento.
2. Clasificación de la lámina de cobre
En las baterías de litio, generalmente solo se distinguen la lámina calandrada y la lámina electrolítica. La siguiente es una comparación de los procesos de producción de la lámina calandrada y la lámina electrolítica.
3. Requisitos de rendimiento de la lámina de cobre para baterías de iones de litio
La lámina de cobre es el portador de materiales activos negativos en las baterías de iones de litio. También es el colector y conductor de los electrones de los electrodos negativos. Por lo tanto, tiene requisitos técnicos especiales, es decir, debe tener buena conductividad, la superficie puede recubrirse uniformemente con material de electrodo negativo sin caerse y debe tener buena resistencia a la corrosión.
La fuerza de unión de adhesivos de uso común como PVDF, SBR, PAA, etc. no sólo depende de las propiedades físicas y químicas del propio adhesivo, sino que también tiene una gran relación con las propiedades superficiales del mismo. lámina de cobre. Cuando la fuerza de unión del recubrimiento es lo suficientemente alta, puede evitar que el electrodo negativo se pulverice y se caiga durante los ciclos de carga, o que se despegue del sustrato debido a una expansión y contracción excesivas, lo que reduce la tasa de retención de la capacidad del ciclo. Por el contrario, si la fuerza de unión no cumple con los requisitos, a medida que aumenta el número de ciclos y el grado de desprendimiento del recubrimiento, la impedancia interna de la batería seguirá aumentando y la capacidad del ciclo se intensificará. Esto requiere una lámina de cobre para que las baterías de iones de litio tengan una buena hidrofilicidad.
4. El principio de hidrofilicidad de la lámina de cobre
Como todos sabemos, la lámina de cobre laminada y la lámina de cobre electrolítico no solo son completamente diferentes en los métodos de producción, sino, lo que es más importante, en su metal. Las estructuras también son completamente diferentes. La investigación muestra que el pico principal en el patrón de difracción XRD de una lámina de cobre electrolítico con un espesor inferior a 12 μm es el plano (111), y el plano (311) muestra una cierta orientación preferida a medida que aumenta el espesor de la lámina de cobre. la intensidad de su pico de difracción del plano (220) aumenta. Aumentando continuamente, la intensidad de difracción de otros planos cristalinos disminuye gradualmente. Cuando el espesor de la lámina de cobre alcanza los 21 μm, el coeficiente de textura del plano cristalino (220) alcanza 92. Obviamente, es casi imposible confiar simplemente en el proceso de producción para lograr el mismo rendimiento de la lámina de cobre electrolítico que el de la lámina de cobre laminada.
El agua está compuesta por átomos de hidrógeno y átomos de oxígeno. La electronegatividad del hidrógeno es 2,1 y la electronegatividad del oxígeno es 3,5. Por lo tanto, el enlace O-H en la molécula de agua es muy polar. Los experimentos han demostrado que el ángulo entre los dos enlaces O-H en las moléculas de agua es 104°45′. El momento dipolar de las moléculas de agua no es igual a cero. El "centro de gravedad" de las cargas positivas no coincide con el "centro de gravedad" de las cargas negativas, lo que hace que un extremo del átomo de hidrógeno esté cargado positivamente y el otro extremo del oxígeno. Átomo cargado negativamente, que muestra una fuerte polaridad. Por lo tanto, las moléculas de agua son moléculas muy polares.
Las moléculas polares tienen cierta afinidad debido a la atracción electrostática entre ellas, por lo que las sustancias compuestas por moléculas polares deben tener afinidad por el agua. Todas las sustancias que tienen afinidad por el agua se denominan sustancias hidrófilas. Las sales inorgánicas de metales y los óxidos de metales son sustancias con estructura polar. Pueden producir una fuerte afinidad con el agua, por lo que todas son sustancias hidrófilas.
La estructura de algunas moléculas materiales es simétrica y por tanto no polar. Las moléculas no polares tienen afinidad por las moléculas no polares pero no tienen afinidad por las moléculas polares. Esta es una conclusión basada en el principio de solubilidad mutua de sustancias con estructuras similares. Las sustancias compuestas por moléculas no polares cuyas moléculas no tienen afinidad por las moléculas de agua se denominan sustancias hidrófobas.
En química orgánica, "aceite" es el término general para los líquidos orgánicos no polares, por lo que las sustancias hidrofóbicas deben tener propiedades lipófilas. Introducir algunos grupos funcionales polares, como hidroxilo (-OH), amino (-NH2), carboxilo (-COOH), carbonilo (-COH), nitro (-NO2), etc., en sustancias hidrófobas puede hacer que tengan ciertas propiedades. . Polar y, por tanto, hidrófilo. La llamada hidrofilicidad es una descripción simple de la afinidad de una sustancia por el agua; para las sustancias sólidas, su hidrofilicidad generalmente también se denomina humectabilidad.
En cuanto al ángulo de humectación, el ángulo de contacto θ entre el metal y el agua es generalmente inferior a 90°, por lo que cuanto más rugosa sea la superficie de la lámina de cobre, mejor será la humectabilidad cuando θgt; Cuanto más rugosa sea la superficie sólida, mejor será la superficie y peor será la humectabilidad. A medida que aumenta la rugosidad de la superficie, las superficies fácilmente humedecibles se vuelven más fáciles de mojar, mientras que las superficies difíciles de mojar se vuelven más difíciles de mojar.
5. Estándares de prueba para la hidrofilicidad de la lámina de cobre
La prueba de hidrofilicidad de la lámina de cobre laminada realizada por los fabricantes de baterías de iones de litio es muy simple. Solo usan un cepillo para aplicar agua pura. Cepille la superficie de la lámina de cobre y observe si hay alguna grieta en la película de agua.
6. Factores que afectan la hidrofilicidad de la lámina de cobre
6.1 No existe una relación obvia entre la hidrofilicidad de la lámina de cobre y la rugosidad de la superficie de la lámina de cobre.
6.2 Hidrofilia Relacionada con la estructura metalográfica de la lámina de cobre
La microscopía electrónica de barrido (SEM) puede encontrar que la lámina de cobre con buena hidrofilicidad tiene granos finos y una rugosidad superficial relativamente baja. La lámina en bruto con baja rugosidad superficial todavía tiene buena hidrofilicidad después del tratamiento superficial. Esto se debe principalmente a que cuanto más finos son los granos de la lámina de cobre electrolítico, mayor es su área superficial específica real y cuanto mayor es la rugosidad de la superficie, menor es su área superficial real, lo que resulta en una reducción de la hidrofilicidad de la lámina de cobre;
6.3 La hidrofilicidad está relacionada con el estado superficial y la reacción de la lámina de cobre.
Si la lámina de cobre se coloca en el aire durante mucho tiempo, las moléculas de gas no polar N2, 02 , CO2, etc. se adsorberán en la superficie del metal, cambiando así la hidrofilicidad de la lámina de cobre. Por ejemplo, la hidrofilicidad de una lámina de cobre con buena hidrofilicidad disminuye significativamente después de estar expuesta al aire durante 90 minutos. Esto se debe a que las superficies metálicas con alta energía superficial específica se humedecen fácilmente con líquidos con baja tensión superficial, porque el proceso de humectación reduce la energía libre del sistema. La energía superficial específica de las superficies metálicas nuevas es alta (la energía superficial específica del cobre es de aproximadamente 1,0 J/m2, y la del aluminio y el zinc es de aproximadamente 0,7-0,9 J/m2, sin embargo, si se trata de una superficie de lámina de cobre, especialmente). La superficie de la nueva lámina de cobre electrolítico cuando se expone al aire, muchas moléculas de gas se adsorberán para formar una capa de adsorción de una sola molécula. La existencia de presión superficial reduce significativamente la humectabilidad de la superficie de la lámina de cobre.
Además de las moléculas de gas no polares, la superficie de la lámina de cobre también puede absorber polvo y aceite orgánico en el aire, haciéndolo más hidrofóbico. Por lo tanto, se debe utilizar envasado al vacío para envasar láminas de cobre para baterías de iones de litio para reducir la oxidación en la superficie de la lámina de cobre y mantener la hidrofilicidad de la lámina de cobre.
Lo anterior está recopilado de la literatura "Investigación sobre la hidrofilicidad de la lámina de cobre electrolítico"