Qual è la proprietà idrofila del foglio di rame per le batterie agli ioni di litio?

1. Il concetto di lamina di rame

La lamina di rame è un materiale elettrolitico catodico costituito da rame e una certa proporzione di altri metalli. Viene utilizzato come conduttore ed è un materiale importante per la produzione di laminati rivestiti di rame (CCL) e circuiti stampati (PCB). La lamina di rame ha caratteristiche di ossigeno superficiale basse e può essere attaccata a vari substrati, come metalli, materiali isolanti, ecc., e ha un ampio intervallo di temperature. Le informazioni elettroniche e le batterie al litio sono i principali campi di applicazione del foglio di rame. Rispetto al foglio di rame elettronico, il foglio di rame della batteria al litio ha requisiti di prestazioni più elevati.

2. Classificazione del foglio di rame

Le batterie al litio generalmente distinguono solo tra pellicola arrotolata e pellicola elettrolitica. Di seguito è riportato un confronto tra il processo di produzione del foglio laminato e del foglio elettrolitico.

3. Requisiti prestazionali del foglio di rame per batterie agli ioni di litio

La lamina di rame è sia un vettore di materiali attivi dell'elettrodo negativo nelle batterie agli ioni di litio. È anche il collettore e il conduttore degli elettroni dell'elettrodo negativo. Pertanto, ha requisiti tecnici speciali, ovvero deve avere una buona conduttività elettrica, la superficie può essere rivestita uniformemente con il materiale dell'elettrodo negativo senza cadere e deve avere una buona resistenza alla corrosione.

Adesivi attualmente comunemente usati come PVDF, SBR, PAA, ecc., la loro forza di adesione non dipende solo dalle proprietà fisiche e chimiche dell'adesivo stesso, ma ha anche un ottimo rapporto con le caratteristiche superficiali della lamina di rame. Quando la forza di adesione del rivestimento è sufficientemente elevata, può impedire che l'elettrodo negativo si polverizzi e cada durante il ciclo di carica o si stacchi dal substrato a causa di un'eccessiva espansione e contrazione, riducendo il tasso di ritenzione della capacità del ciclo. Al contrario, se la forza di adesione non è troppo elevata, all'aumentare del numero di cicli, la resistenza interna della batteria aumenta a causa del forte distacco del rivestimento e aumenta l'attenuazione della capacità del ciclo. Ciò richiede che la lamina di rame per le batterie agli ioni di litio abbia una buona idrofilia.

4. Il principio di idrofilia del foglio di rame

Come tutti sappiamo, la lamina di rame laminata e la lamina di rame elettrolitico non sono solo completamente diverse nei metodi di produzione, ma soprattutto, anche le loro strutture metalliche sono completamente diverse. Gli studi hanno dimostrato che il picco principale nel modello di diffrazione XRD del foglio di rame elettrolitico con uno spessore inferiore a 12 μm è il piano (111) e il piano (311) mostra un certo orientamento preferito. Con l'aumento dello spessore della lamina di rame, l'intensità di picco di diffrazione del piano (220) Con un miglioramento continuo, l'intensità di diffrazione di altri piani cristallini diminuisce gradualmente. Quando lo spessore della lamina di rame raggiunge i 21μm, il coefficiente di tessitura del piano cristallino (220) raggiunge il 92%. Ovviamente,

L'acqua è composta da atomi di idrogeno e atomi di ossigeno. L'elettronegatività dell'idrogeno è 2,1 e l'elettronegatività dell'ossigeno è 3,5. Pertanto, il legame OH nelle molecole d'acqua è molto polare. Gli esperimenti mostrano che l'angolo tra i due legami OH nella molecola d'acqua è di 104°45'. Il momento di dipolo della molecola d'acqua non è uguale a zero, e il"centro di gravità"della carica positiva non coincide con il"centro di gravità"della carica negativa, in modo che un'estremità dell'atomo di idrogeno sia caricata positivamente e l'estremità dell'atomo di ossigeno sia caricata negativamente, mostrando una forte polarità. Le molecole d'acqua sono molecole molto polari.

Le molecole polari hanno una certa affinità a causa della loro reciproca attrazione elettrostatica, quindi le sostanze composte da molecole polari devono avere un'affinità per l'acqua. Qualsiasi sostanza che ha un'affinità per l'acqua è chiamata sostanza idrofila. I sali inorganici metallici e gli ossidi metallici sono tutte sostanze con una struttura polare. Hanno una forte affinità con l'acqua, quindi sono tutte sostanze idrofile.

La struttura molecolare di alcune sostanze è simmetrica e quindi non polare. Le molecole non polari hanno affinità per le molecole non polari, ma non hanno affinità per le molecole polari. Questa è una conclusione basata sul principio della dissoluzione reciproca di sostanze con strutture simili. Una sostanza composta da molecole non polari, le cui molecole non hanno affinità per le molecole d'acqua, è chiamata sostanza idrofobica.

Chimica inorganica,"il petrolio"è il termine generale per liquidi organici non polari, quindi le sostanze idrofobiche devono avere proprietà lipofile. Alcuni gruppi funzionali polari, come l'ossidrile (-OH), l'ammino (-NH2), il carbossilico (-COOH), il carbonile (-COH), il nitro (-NO2), ecc., vengono introdotti nelle sostanze idrofobe per conferire loro un una certa polarità e quindi idrofilia. La cosiddetta idrofilia è una semplice descrizione dell'affinità di una sostanza per l'acqua; per le sostanze solide, la sua idrofilia è generalmente chiamata bagnabilità.

Per quanto riguarda l'angolo di bagnatura, l'angolo di contatto θ tra metallo e acqua è generalmente inferiore a 90°, quindi più ruvida è la superficie della lamina di rame, migliore è la bagnabilità; quando θ>90°, più ruvida è la superficie solida, peggiore è la bagnabilità della superficie. Con l'aumentare della rugosità superficiale, la superficie facilmente bagnabile diventa più facile da bagnare e la superficie difficile da bagnare diventa più difficile da bagnare.

5. Standard di prova per l'idrofilia del foglio di rame

I produttori di batterie agli ioni di litio sono molto semplici da testare l'idrofilia del foglio di rame laminato. Usano solo un pennello per spazzolare delicatamente acqua pura sulla superficie della lamina di rame per osservare se c'è una rottura del film d'acqua.

6. Fattori che influenzano l'idrofilia del foglio di rame

6.1 La relazione tra l'idrofilia del foglio di rame e la rugosità superficiale del foglio di rame non è ovvia

6.2 L'idrofilia è correlata alla struttura metallografica del foglio di rame

La microscopia elettronica a scansione (SEM) mostra che la lamina di rame con buona idrofilia ha grani fini e rugosità superficiale relativamente bassa. La lamina grezza con bassa rugosità superficiale ha una buona idrofilia dopo il trattamento superficiale. Ciò è dovuto principalmente al fatto che più fini sono i grani di pellet della lamina di rame elettrolitico, maggiore è la sua reale superficie specifica; e maggiore è la rugosità superficiale, minore è la sua superficie reale, il che porta a una diminuzione dell'idrofilia della lamina di rame.

6.3 L'idrofilia è correlata allo stato superficiale e alla reazione del foglio di rame

Se la lamina di rame viene posta nell'aria per lungo tempo, le molecole di gas non polari N2, 02, CO2 nell'aria verranno adsorbite sulla superficie metallica, modificando così l'idrofilia della lamina di rame. Ad esempio, dopo aver esposto all'aria una lamina di rame con buona idrofilia per 90 minuti, la sua idrofilia diminuisce in modo significativo. Questo perché le superfici metalliche con elevata energia superficiale specifica sono facilmente bagnate da liquidi con bassa tensione superficiale, poiché il processo di bagnatura riduce l'energia libera del sistema. L'energia superficiale specifica della nuova superficie metallica è maggiore (l'energia superficiale specifica del rame è di circa 1,0 J/m2 e quella dell'alluminio e dello zinco è di circa 0,7-0,9 J/m2), ma se la superficie della lamina di rame è in particolare la superficie del nuovo foglio di rame elettrolitico Quando esposto all'aria, assorbirà molte molecole di gas per formare uno strato di adsorbimento a singola molecola. La presenza di pressione superficiale riduce significativamente la bagnabilità della superficie della lamina di rame.

Oltre alle molecole di gas non polari, la superficie del foglio di rame può anche assorbire polvere e olio organico nell'aria, rendendola più idrofobica. Pertanto, l'imballaggio del foglio di rame per le batterie agli ioni di litio deve adottare l'imballaggio sottovuoto per ridurre l'ossidazione della superficie del foglio di rame e mantenere l'idrofilia del foglio di rame.