Qual é a propriedade hidrofílica da folha de cobre para baterias de íon-lítio?

1. O conceito de folha de cobre

A folha de cobre é um material eletrolítico catódico feito de cobre e uma certa proporção de outros metais. É utilizado como condutor e é um importante material para a fabricação de laminados revestidos de cobre (CCL) e placas de circuito impresso (PCB). A folha de cobre tem características de baixa superfície de oxigênio e pode ser fixada em vários substratos, como metais, materiais isolantes, etc., e tem uma ampla faixa de temperatura. Informações eletrônicas e baterias de lítio são os principais campos de aplicação da folha de cobre. Em comparação com a folha de cobre eletrônica, a folha de cobre da bateria de lítio tem requisitos de desempenho mais elevados.

2. Classificação da folha de cobre

As baterias de lítio geralmente distinguem apenas entre folha laminada e folha eletrolítica. O que se segue é uma comparação do processo de produção de folha laminada e folha eletrolítica.

3. Requisitos de desempenho da folha de cobre para baterias de íon-lítio

A folha de cobre é um transportador de materiais ativos de eletrodo negativo em baterias de íon de lítio. É também o coletor e condutor de elétrons do eletrodo negativo. Portanto, possui requisitos técnicos especiais, ou seja, deve ter boa condutividade elétrica, a superfície pode ser revestida uniformemente com o material do eletrodo negativo sem cair e deve ter boa resistência à corrosão.

Adesivos comumente usados, como PVDF, SBR, PAA, etc., sua resistência de união não depende apenas das propriedades físicas e químicas do próprio adesivo, mas também tem uma grande relação com as características da superfície da folha de cobre. Quando a força de ligação do revestimento é alta o suficiente, pode evitar que o eletrodo negativo se pulverize e caia durante o ciclo de carga, ou descasque o substrato devido à expansão e contração excessivas, reduzindo a taxa de retenção da capacidade do ciclo. Por outro lado, se a força de ligação não for muito alta, conforme o número de ciclos aumenta, a resistência interna da bateria aumenta devido ao forte descascamento do revestimento e a atenuação da capacidade do ciclo aumenta. Isso requer folha de cobre para baterias de íon de lítio para ter boa hidrofilia.

4. O princípio da hidrofilicidade da folha de cobre

Como todos sabemos, a folha de cobre laminada e a folha de cobre eletrolítica não são apenas completamente diferentes nos métodos de produção, mas, mais importante, suas estruturas metálicas também são completamente diferentes. Estudos mostraram que o pico principal no padrão de difração de XRD da folha de cobre eletrolítica com uma espessura inferior a 12μm é o plano (111), e o plano (311) mostra uma certa orientação preferencial. Com o aumento da espessura da folha de cobre, a intensidade do pico de difração do plano (220). Com a melhoria contínua, a intensidade de difração de outros planos de cristal diminui gradualmente. Quando a espessura da folha de cobre atinge 21μm, o coeficiente de textura do plano de cristal (220) atinge 92%. Obviamente,

A água é composta de átomos de hidrogênio e átomos de oxigênio. A eletronegatividade do hidrogênio é 2,1 e a eletronegatividade do oxigênio é 3,5. Portanto, a ligação OH nas moléculas de água é muito polar. Experimentos mostram que o ângulo entre as duas ligações OH na molécula de água é de 104 ° 45 '. O momento de dipolo da molécula de água não é igual a zero, e o "centro de gravidade" da carga positiva não coincide com o "centro de gravidade" da carga negativa, de modo que uma extremidade do átomo de hidrogênio tem carga positiva , e o final do átomo de oxigênio é carregado negativamente, mostrando forte polaridade. As moléculas de água são moléculas muito polares.

As moléculas polares têm uma certa afinidade devido à atração eletrostática mútua, portanto, as substâncias compostas por moléculas polares devem ter afinidade pela água. Qualquer substância que tenha afinidade com a água é chamada de substância hidrofílica. Sais inorgânicos de metal e óxidos de metal são todas substâncias com uma estrutura polar. Eles têm uma grande afinidade com a água, portanto, são todos substâncias hidrofílicas.

A estrutura molecular de algumas substâncias é simétrica e, portanto, não polar. As moléculas não polares têm afinidade por moléculas não polares, mas não têm afinidade por moléculas polares. Esta é uma conclusão baseada no princípio da dissolução mútua de substâncias com estruturas semelhantes. Uma substância composta por moléculas apolares, cujas moléculas não têm afinidade pelas moléculas de água, é chamada de substância hidrofóbica.

Em química orgânica, "óleo" é o termo geral para líquidos orgânicos não polares, portanto, as substâncias hidrofóbicas devem ter propriedades lipofílicas. Alguns grupos funcionais polares, como hidroxil (-OH), amino (-NH2), carboxil (-COOH), carbonil (-COH), nitro (-NO2), etc., são introduzidos em substâncias hidrofóbicas para fazê-los ter um determinada polaridade e, portanto, hidrofilicidade. A chamada hidrofilicidade é uma descrição simples da afinidade de uma substância com a água; para substâncias sólidas, sua hidrofilicidade é geralmente chamada de molhabilidade.

Com relação ao ângulo de umedecimento, o ângulo de contato θ entre o metal e a água é geralmente menor que 90 °, portanto, quanto mais rugosa a superfície da folha de cobre, melhor será a molhabilidade; quando θ> 90 °, quanto mais áspera a superfície sólida, pior é a molhabilidade da superfície. À medida que a rugosidade da superfície aumenta, a superfície facilmente umedecida se torna mais fácil de molhar, e a superfície difícil de molhar se torna mais difícil de molhar.

5. Teste padrão para hidrofilicidade da folha de cobre

Os fabricantes de baterias de íon de lítio são muito simples de testar a hidrofilicidade da folha de cobre laminada. Eles apenas usam uma escova para escovar suavemente água pura na superfície da folha de cobre para observar se há alguma ruptura do filme de água.

6. Fatores que afetam a hidrofilicidade da folha de cobre

6.1 A relação entre a hidrofilicidade da folha de cobre e a rugosidade da superfície da folha de cobre não é óbvia

6.2 A hidrofilicidade está relacionada à estrutura metalográfica da folha de cobre

A microscopia eletrônica de varredura (SEM) mostra que a folha de cobre com boa hidrofilicidade tem grãos finos e rugosidade superficial relativamente baixa. A folha bruta com baixa rugosidade superficial tem boa hidrofilicidade após o tratamento de superfície. Isso se deve principalmente ao fato de que quanto mais finos os grãos da pelota da folha de cobre eletrolítica, maior será sua área de superfície específica real; e quanto maior for a rugosidade da superfície, menor será a sua área real de superfície, o que conduz a uma diminuição da hidrofilicidade da folha de cobre.

6.3 A hidrofilicidade está relacionada ao estado de superfície e reação da folha de cobre

Se a folha de cobre for colocada no ar por um longo tempo, as moléculas de gás não polares N2, 02, CO2 no ar serão adsorvidas na superfície do metal, alterando assim a hidrofilicidade da folha de cobre. Por exemplo, depois de expor uma folha de cobre com boa hidrofilicidade ao ar por 90 minutos, sua hidrofilicidade diminui significativamente. Isso ocorre porque as superfícies metálicas com alta energia superficial específica são facilmente umedecidas por líquidos com baixa tensão superficial, pois o processo de umedecimento reduz a energia livre do sistema. A energia superficial específica da nova superfície metálica é maior (a energia superficial específica do cobre é cerca de 1,0 J / m2, e a do alumínio e zinco é cerca de 0,7-0,9 J / m2), mas se a superfície da folha de cobre é especialmente a superfície da nova folha de cobre eletrolítica Quando exposta ao ar, ele irá adsorver muitas moléculas de gás para formar uma única camada de adsorção de molécula. A presença de pressão superficial reduz significativamente a molhabilidade da superfície da folha de cobre.

Além de moléculas de gás não polares, a superfície da folha de cobre também pode absorver poeira e óleo orgânico no ar, tornando-a mais hidrofóbica. Portanto, a embalagem de folha de cobre para baterias de íon de lítio deve adotar embalagem a vácuo para reduzir a oxidação da superfície da folha de cobre e manter a hidrofilicidade da folha de cobre.