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

1. El concepto de lámina de cobre

La lámina de cobre es un material electrolítico catódico 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 bajo oxígeno superficial 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 lámina de cobre

Las baterías de litio generalmente solo distinguen entre láminas laminadas y láminas electrolíticas. A continuación, se muestra una comparación del proceso de producción de láminas laminadas y láminas electrolíticas.

3. Requisitos de rendimiento de las láminas de cobre para baterías de iones de litio

La lámina de cobre es a la vez portadora de materiales activos de electrodos negativos en las baterías de iones de litio y colectora y conductora de electrones de electrodos negativos. Por lo tanto, tiene requisitos técnicos especiales, es decir, debe tener una buena conductividad eléctrica, la superficie puede recubrirse uniformemente con el material de electrodo negativo sin que se caiga y debe tener una buena resistencia a la corrosión.

Los adhesivos de uso común en la actualidad, como PVDF, SBR, PAA, etc., no solo dependen de las propiedades físicas y químicas del propio adhesivo, sino que también tienen una gran relación con las características de la superficie de la lámina de cobre. Cuando la fuerza de unión del recubrimiento es lo suficientemente alta, puede evitar que el electrodo negativo se pulverice y se caiga durante el ciclo de carga, o que se despegue del 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, la resistencia interna de la batería aumenta debido al fuerte desprendimiento del recubrimiento y aumenta la atenuación de la capacidad del ciclo. Esto requiere que la lámina de cobre para baterías de iones de litio tenga 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 la 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 lámina 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 21 μm, el coeficiente de textura del plano cristalino (220) alcanza el 92%. Obviamente, es casi imposible confiar simplemente en el proceso de producción para lograr el mismo rendimiento que la lámina de cobre laminada.

El agua está compuesta de átomos de hidrógeno y átomos de oxígeno. La electronegatividad del hidrógeno es 2,1 y la del oxígeno es 3,5. Por lo 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 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, de modo 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 denomina sustancia hidrófila. Las sales inorgánicas metálicas y los óxidos metálicos son 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 lo tanto, no polar. Las moléculas no polares tienen afinidad por las moléculas no polares, pero no tienen afinidad por las moléculas polares. Esta 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, "oil" es el término general para los líquidos orgánicos no polares, por lo que las sustancias hidrófobas deben tener propiedades lipofílicas. Algunos grupos funcionales polares, como hidroxilo (-OH), amino (-NH2), carboxilo (-COOH), carbonilo (-COH), nitro (-NO2), etc., se introducen en las sustancias hidrófobas para que tengan una cierta polaridad y, por lo tanto, hidrofilicidad. La llamada hidrofilicidad es una descripción simple de la afinidad de una sustancia con el agua; para las sustancias sólidas, su hidrofilicidad generalmente se llama mojabilidad.

En cuanto al ángulo de humectación, el ángulo de contacto θ entre el metal y el agua es generalmente inferior a 90°, por lo que cuanto más rugosa sea la superficie de la lámina de cobre, mejor será 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 difícil de humedecer se vuelve más difícil de humedecer.

5. Norma de prueba para la hidrofilicidad de láminas de cobre

Los fabricantes de baterías de iones de litio prueban la hidrofilia de la lámina de cobre laminada de manera muy sencilla. Solo usan un cepillo para pasar suavemente agua pura sobre la superficie de la lámina de cobre para observar si hay alguna rotura de la película de agua.

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

6.1 La relación entre la hidrofilicidad de la lámina de cobre y la rugosidad de la superficie de la lámina de cobre no es obvia.

6.2 La hidrofilicidad está relacionada con la estructura metalográfica de la lámina 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 lámina cruda con baja rugosidad superficial tiene buena hidrofilia después del tratamiento de superficie. Esto se debe principalmente a que cuanto más finos sean los granos de la lámina de cobre electrolítico, mayor será su área superficial específica real; y cuanto mayor sea la rugosidad superficial, menor será su área superficial real, lo que conduce a una disminución de la hidrofilia de la lámina de cobre.

6.3 La hidrofilicidad está relacionada con el estado de la superficie y la reacción de la lámina de cobre.

Si la lámina de cobre se coloca en el aire durante mucho tiempo, las moléculas de gas no polar N2, O2, CO2 en el aire se adsorberán en la superficie del metal, cambiando así la hidrofilicidad de la lámina de cobre. Por ejemplo, después de exponer una lámina de cobre con buena hidrofilicidad al aire durante 90 minutos, su hidrofilicidad 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 del metal 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 lámina 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 lámina de cobre.

Además de las moléculas de gas no polar, la superficie de la lámina de cobre también puede absorber polvo y aceite orgánico en el aire, lo que la hace más hidrófoba. Por lo tanto, el embalaje de la lámina de cobre para baterías de iones de litio debe adoptar un envasado al vacío para reducir la oxidación de la superficie de la lámina de cobre y mantener la hidrofilia de la lámina de cobre.