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

1. O conceito de folha de cobre

A folha de cobre é um material eletrolítico de cátodo feito de cobre e uma certa proporção de outros metais. É usado como condutor e é um material importante para a fabricação de laminados revestidos de cobre (CCL) e placas de circuito impresso (PCB). A folha de cobre tem características de oxigênio de superfície baixa e pode ser fixada a 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. Comparada com a folha de cobre eletrônica, a folha de cobre da bateria de lítio tem requisitos de desempenho mais altos.

2. Classificação da folha de cobre

As baterias de lítio geralmente só distinguem entre folha laminada e folha eletrolítica. A seguir, uma comparação do processo de produção de folha laminada e folha eletrolítica.

3. Requisitos de desempenho da folha de cobre para baterias de íons de lítio

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

Adesivos comumente usados ​​atualmente, como PVDF, SBR, PAA, etc., sua força de ligação não depende apenas das propriedades físicas e químicas do próprio adesivo, mas também tem uma ótima 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 do 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, à medida que 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 que a folha de cobre para baterias de íons de lítio tenha boa hidrofilicidade.

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 em métodos de produção, mas, mais importante, suas estruturas metálicas também são completamente diferentes. Estudos mostraram que o pico principal no padrão de difração XRD da folha de cobre eletrolítica com espessura menor que 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, é quase impossível simplesmente confiar no processo de produção para atingir o mesmo desempenho da folha de cobre laminada.

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 104°45'. O momento dipolar 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 é carregada positivamente, e a extremidade do átomo de oxigênio é carregada negativamente, mostrando forte polaridade. As moléculas de água são moléculas muito polares.

Moléculas polares têm uma certa afinidade devido à atração eletrostática mútua, então substâncias compostas de moléculas polares devem ter afinidade pela água. Qualquer substância que tenha afinidade pela água é chamada de substância hidrofílica. Sais inorgânicos de metal e óxidos de metal são todas substâncias com uma estrutura polar. Eles têm uma forte afinidade pela água, então são todas substâncias hidrofílicas.

A estrutura molecular de algumas substâncias é simétrica e, portanto, não polar. 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 de moléculas não polares, cujas moléculas não têm afinidade por moléculas de água, é chamada de substância hidrofóbica.

Em química orgânica, "oil" é o termo geral para líquidos orgânicos não polares, então substâncias hidrofóbicas devem ter propriedades lipofílicas. Alguns grupos funcionais polares, como hidroxila (-OH), amino (-NH2), carboxila (-COOH), carbonila (-COH), nitro (-NO2), etc., são introduzidos em substâncias hidrofóbicas para fazê-las ter uma certa 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.

Em relação ao ângulo de molhagem, o ângulo de contato θ entre metal e água é geralmente menor que 90°, então quanto mais áspera a superfície da folha de cobre, melhor a molhabilidade; quando θ>90°, quanto mais áspera a superfície sólida, pior a molhabilidade da superfície. Conforme a rugosidade da superfície aumenta, a superfície facilmente molhável se torna mais fácil de molhar, e a superfície difícil de molhar se torna mais difícil de molhar.

5. Padrão de teste para hidrofilicidade de folha de cobre

Os fabricantes de baterias de íons de lítio são muito simples para testar a hidrofilicidade da folha de cobre laminada. Eles usam apenas uma escova para escovar suavemente água pura na superfície da folha de cobre para observar se há alguma ruptura da película 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 (MEV) 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 de pelota da folha de cobre eletrolítica, maior sua área superficial específica real; e quanto maior a rugosidade superficial, menor sua área superficial real, o que leva a uma diminuição na hidrofilicidade da folha de cobre.

6.3 A hidrofilicidade está relacionada ao estado da superfície e à 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, após expor uma folha de cobre com boa hidrofilicidade ao ar por 90 minutos, sua hidrofilicidade diminui significativamente. Isso ocorre porque superfícies metálicas com alta energia superficial específica são facilmente molhadas por líquidos com baixa tensão superficial, porque o processo de molhagem reduz a energia livre do sistema. A energia superficial específica da nova superfície metálica é maior (a energia superficial específica do cobre é de cerca de 1,0 J/m2, e a do alumínio e zinco é de cerca de 0,7-0,9 J/m2), mas se a superfície da folha de cobre for especialmente a superfície da nova folha de cobre eletrolítica Quando exposta ao ar, ela adsorverá 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 da folha de cobre para baterias de íons 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.