¿Cuál es la propiedad hidrófila de la lámina de cobre para baterías de iones de litio?

1. El concepto de lámina de cobre


La lámina de cobre es un material electrolítico de cátodo hecho de cobre y 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 características de oxígeno superficial bajas y se puede unir a varios sustratos, como metales, materiales aislantes, etc., y tiene un amplio rango de temperatura. 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 baterías de litio tiene requisitos de rendimiento más altos.



2. Clasificación de la hoja de cobre


Las baterías de litio generalmente solo distinguen entre láminas enrolladas y láminas electrolíticas. La siguiente es una comparación del proceso de producción de láminas laminadas y láminas electrolíticas.



3. Requisitos de rendimiento de la lámina de cobre para baterías de iones de litio

 

La lámina de cobre es portadora de materiales activos de electrodo negativo en baterías de iones de litio. También es el colector y conductor de electrones de electrodo negativo. Por lo tanto, tiene requisitos técnicos especiales, es decir, debe tener una buena conductividad eléctrica, la superficie puede recubrirse uniformemente con el material del electrodo negativo sin caerse y debe tener una buena resistencia a la corrosión.

 

Adhesivos de uso común en la actualidad como PVDF, SBR, PAA, etc., su fuerza de unión no solo depende de las propiedades físicas y químicas del adhesivo en sí, sino que también tiene una gran relación con las características superficiales de la lámina de cobre. Cuando la fuerza de unión del recubrimiento es lo suficientemente alta, puede evitar que el electrodo negativo se empolve y se caiga durante el ciclo de carga, o que se despegue el 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 es demasiado alta, a medida que aumenta el número de ciclos, aumenta la resistencia interna de la batería debido al fuerte desprendimiento del recubrimiento y aumenta la atenuación de la capacidad del ciclo. Esto requiere una lámina de cobre para que las baterías de iones de litio tengan una buena hidrofilia.


 

4. El principio de hidrofilia 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 que, lo que es más importante, sus estructuras metálicas también son completamente diferentes. Los estudios han demostrado que el pico principal en el patrón de difracción XRD de una lámina de cobre electrolítico con un espesor de menos de 12 μm es el plano (111), y el plano (311) muestra una cierta orientación preferida. Con el aumento del espesor de la hoja de cobre, la intensidad del pico de difracción del plano (220) Con la mejora continua, la intensidad de difracción de otros planos cristalinos disminuye gradualmente. Cuando el espesor de la lámina de cobre alcanza los 21μm, el coeficiente de textura del plano cristalino (220) alcanza el 92%. Obviamente,

 

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 tanto, el enlace OH en las moléculas de agua es muy polar. Los experimentos muestran que el ángulo entre los dos enlaces OH en la molécula de agua es de 104 ° 45 '. El momento dipolar de la molécula de agua no es igual a cero, y el "centro de gravedad" de la carga positiva no coincide con el "centro de gravedad" de la carga negativa, por lo que un extremo del átomo de hidrógeno está cargado positivamente. , y el extremo del átomo de oxígeno está cargado negativamente, mostrando una fuerte polaridad. Las moléculas de agua son moléculas muy polares.

 

Las moléculas polares tienen cierta afinidad debido a su atracción electrostática mutua, por lo que las sustancias compuestas por moléculas polares deben tener afinidad por el agua. Cualquier sustancia que tenga afinidad por el agua se llama sustancia hidrófila. Las sales inorgánicas metálicas y los óxidos metálicos son todas sustancias con estructura polar. Tienen una fuerte afinidad con el agua, por lo que todas son sustancias hidrófilas.

 

La estructura molecular de algunas sustancias 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. Ésta es una conclusión basada en el principio de disolución mutua de sustancias con estructuras similares. Una sustancia compuesta por moléculas no polares, cuyas moléculas no tienen afinidad por las moléculas de agua, se denomina sustancia hidrófoba.

 

En química orgánica, "aceite" es el término general para líquidos orgánicos no polares, por lo que las sustancias hidrófobas deben tener propiedades lipófilas. Algunos grupos funcionales polares, como hidroxilo (-OH), amino (-NH2), carboxilo (-COOH), carbonilo (-COH), nitro (-NO2), etc., se introducen en sustancias hidrófobas para que tengan una cierta polaridad y, por tanto, hidrofilia. La denominada hidrofilia es una descripción simple de la afinidad de una sustancia por el agua; para las sustancias sólidas, su hidrofilicidad se denomina generalmente humectabilidad.

 

Con respecto al ángulo de humectación, el ángulo de contacto θ entre el metal y el agua es generalmente menor de 90 °, por lo que cuanto más rugosa es la superficie de la lámina de cobre, mejor es la humectabilidad; cuando θ> 90 °, cuanto más rugosa sea la superficie sólida, peor será la humectabilidad de la superficie. A medida que aumenta la rugosidad de la superficie, la superficie fácilmente humectable se vuelve más fácil de humedecer y la superficie dura de humedecer se vuelve más difícil de humedecer.

 

5. Estándar de prueba para determinar la hidrofilia de la lámina de cobre

 

Los fabricantes de baterías de iones de litio son muy sencillos para probar la hidrofilia de la lámina de cobre enrollada. Solo usan un cepillo para cepillar suavemente agua pura en la superficie de la lámina de cobre para observar si hay alguna ruptura de la película de agua.

 

6. Factores que afectan la hidrofilia de la lámina de cobre


6.1 La relación entre la hidrofilia de la hoja de cobre y la rugosidad de la superficie de la hoja de cobre no es obvia


6.2 La hidrofilia está relacionada con la estructura metalográfica de la hoja de cobre


La microscopía electrónica de barrido (SEM) muestra que la lámina de cobre con buena hidrofilia tiene granos finos y una rugosidad superficial relativamente baja. La hoja en bruto con baja rugosidad superficial tiene buena hidrofilia después del tratamiento superficial. Esto se debe principalmente a que cuanto más finos son los granos de pellets de la lámina de cobre electrolítico, mayor es su superficie específica real; y cuanto mayor es la rugosidad de la superficie, menor es su área superficial real, lo que conduce a una disminución de la hidrofilia de la hoja de cobre.

 

6.3 La hidrofilia está relacionada con el estado de la superficie y la reacción de la hoja de cobre.

 

Si la hoja de cobre se coloca en el aire durante mucho tiempo, las moléculas de gas no polar N2, 02, CO2 en el aire se adsorberán en la superficie del metal, cambiando así la hidrofilia de la hoja de cobre. Por ejemplo, después de exponer una lámina de cobre con buena hidrofilia al aire durante 90 minutos, su hidrofilia disminuye significativamente. 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 la nueva superficie metálica es mayor (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), pero si la superficie de la hoja de cobre es especialmente la superficie de la nueva lámina de cobre electrolítico Cuando se expone al aire, Adsorberá muchas moléculas de gas para formar una capa de adsorción de una sola molécula. La presencia de presión superficial reduce significativamente la humectabilidad de la superficie de la hoja de cobre.

 

Además de las moléculas de gas no polares, la superficie de la hoja de cobre también puede absorber polvo y aceite orgánico en el aire, haciéndolo más hidrófobo. Por lo tanto, el envasado de láminas de cobre para baterías de iones de litio debe adoptar el envasado al vacío para reducir la oxidación de la superficie de la lámina de cobre y mantener la hidrofilia de la lámina de cobre.


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