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

1. Il concetto di lamina di rame

Il foglio di rame è un materiale elettrolitico catodico fatto di rame e una certa proporzione di altri metalli. Viene utilizzato come conduttore ed è un materiale importante per la fabbricazione di laminati rivestiti di rame (CCL) e circuiti stampati (PCB). Il foglio di rame ha caratteristiche di bassa ossigeno superficiale e può essere attaccato a vari substrati, come metalli, materiali isolanti, ecc., e ha un ampio intervallo di temperatura. 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 per batterie al litio ha requisiti di prestazioni più elevati.

2. Classificazione della lamina di rame

Le batterie al litio in genere distinguono solo tra lamina laminata e lamina elettrolitica. Di seguito è riportato un confronto del processo di produzione della lamina laminata e della lamina elettrolitica.

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

Il foglio 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 di elettroni dell'elettrodo negativo. Pertanto, ha requisiti tecnici speciali, ovvero deve avere una buona conduttività elettrica, la superficie può essere uniformemente rivestita 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 legame non dipende solo dalle proprietà fisiche e chimiche dell'adesivo stesso, ma ha anche un'ottima relazione con le caratteristiche superficiali del foglio di rame. Quando la forza di legame del rivestimento è sufficientemente elevata, può impedire all'elettrodo negativo di polverizzarsi e cadere durante il ciclo di carica, o di staccarsi dal substrato a causa di un'espansione e contrazione eccessive, riducendo il tasso di ritenzione della capacità del ciclo. Al contrario, se la forza di legame 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 il foglio 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, il foglio di rame laminato e il foglio di rame elettrolitico non sono solo completamente diversi nei metodi di produzione, ma cosa più importante, 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 del foglio di rame, l'intensità del picco di diffrazione del piano (220) Con il miglioramento continuo, l'intensità di diffrazione di altri piani cristallini diminuisce gradualmente. Quando lo spessore del foglio di rame raggiunge 21 μm, il coefficiente di consistenza del piano cristallino (220) raggiunge il 92%. Ovviamente, è quasi impossibile fare semplicemente affidamento sul processo di produzione per ottenere le stesse prestazioni del foglio di rame laminato.

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 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, quindi un'estremità dell'atomo di idrogeno è carica positivamente e l'estremità dell'atomo di ossigeno è carica negativamente, mostrando una forte polarità. Le molecole d'acqua sono molecole molto polari.

Le molecole polari hanno una certa affinità dovuta alla loro reciproca attrazione elettrostatica, quindi le sostanze composte da molecole polari devono avere un'affinità per l'acqua. Qualsiasi sostanza che abbia 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 di 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.

In chimica organica, "oil" è il termine generale per i liquidi organici non polari, quindi le sostanze idrofobiche devono avere proprietà lipofile. Alcuni gruppi funzionali polari, come idrossile (-OH), ammino (-NH2), carbossile (-COOH), carbonile (-COH), nitro (-NO2), ecc., vengono introdotti nelle sostanze idrofobiche per fargli avere una certa polarità e quindi idrofilia. La cosiddetta idrofilia è una semplice descrizione dell'affinità di una sostanza all'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 del foglio di rame, migliore è la bagnabilità; quando θ>90°, più ruvida è la superficie solida, peggiore è la bagnabilità della superficie. Man mano che la ruvidità della superficie aumenta, 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 nel testare l'idrofilia del foglio di rame laminato. Usano solo una spazzola per spazzolare delicatamente acqua pura sulla superficie del foglio 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 della lamina di rame

La microscopia elettronica a scansione (SEM) mostra che il foglio di rame con buona idrofilia ha grani fini e una rugosità superficiale relativamente bassa. Il foglio grezzo 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 del foglio di rame elettrolitico, maggiore è la sua area superficiale specifica reale; e maggiore è la rugosità superficiale, minore è la sua area superficiale reale, il che porta a una diminuzione dell'idrofilia del foglio di rame.

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

Se il foglio di rame viene posto nell'aria per un lungo periodo, le molecole di gas non polari N2, 02, CO2 nell'aria verranno adsorbite sulla superficie metallica, modificando così l'idrofilia del foglio di rame. Ad esempio, dopo aver esposto un foglio di rame con buona idrofilia all'aria per 90 minuti, la sua idrofilia diminuisce significativamente. Questo perché le superfici metalliche con elevata energia superficiale specifica vengono facilmente bagnate da liquidi con bassa tensione superficiale, perché il processo di bagnatura riduce l'energia libera del sistema. L'energia superficiale specifica della nuova superficie metallica è più elevata (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 del foglio 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 molecola singola. La presenza di pressione superficiale riduce significativamente la bagnabilità della superficie del foglio di rame.

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