¿Cuál es la propiedad hidrofílica 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 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 baja cantidad de oxígeno en la superficie y se puede adherir a diversos sustratos, como metales, materiales aislantes, etc., y tiene un amplio rango de temperaturas. La información electrónica y las baterías de litio son los principales campos de aplicación de las láminas de cobre. En comparación con la lámina de cobre electrónica, la lámina de cobre para baterías de litio tiene mayores requisitos de rendimiento.

2. Clasificación de la lámina de cobre.

Las baterías de litio generalmente sólo 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 a la vez portadora de materiales activos de electrodos negativos en las baterías de iones de litio. También es el colector y conductor de los electrones de los electrodos negativos. Por lo tanto, tiene requisitos técnicos especiales, es decir, debe tener buena conductividad eléctrica, la superficie puede recubrirse uniformemente con el material del electrodo negativo sin caerse y debe tener buena resistencia a la corrosión.

Los adhesivos de uso común actualmente como PVDF, SBR, PAA, etc., su fuerza de unión no solo depende de las propiedades físicas y químicas del propio adhesivo, sino que también tiene 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 convierta en polvo 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 una lámina de cobre para que las baterías de iones de litio tengan una buena hidrofilicidad.

4. El principio de hidrofilicidad 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 sus 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 inferior a 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 una mejora continua, la intensidad de difracción de otros planos de cristal 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 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 la"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 llama 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 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 de moléculas no polares, cuyas moléculas no tienen afinidad por las moléculas de agua, se llama 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 lo tanto hidrofilicidad. La llamada hidrofilicidad es una descripción simple de la afinidad de una sustancia por el agua; para sustancias sólidas, su hidrofilia generalmente se denomina humectabilidad.

Con respecto 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 humedecible se vuelve más fácil de mojar y la superficie difícil de mojar se vuelve más difícil de mojar.

5. Estándar de prueba para la hidrofilicidad de la lámina de cobre.

Los fabricantes de baterías de iones de litio son muy sencillos de probar la hidrofilicidad de la lámina de cobre laminada. Solo usan un cepillo para aplicar suavemente agua pura sobre la superficie de la lámina de cobre y observar si hay alguna ruptura 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 en bruto con baja rugosidad superficial tiene buena hidrofilicidad después del tratamiento superficial. Esto se debe principalmente a que cuanto más finos son los granos de la lámina de cobre electrolítico, mayor es su superficie específica real; y cuanto mayor es la rugosidad de la superficie, menor es su superficie real, lo que conduce a una disminución de la hidrofilicidad 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 polares N2, 02, CO2 en el aire serán absorbidas en la superficie del metal, cambiando así la hidrofilicidad de la lámina de cobre. Por ejemplo, después de exponer al aire una lámina de cobre con buena hidrofilicidad 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 metálica es mayor (la energía superficial específica del cobre es aproximadamente 1,0 J/m2, y la del aluminio y el zinc es 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, absorberá 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 polares, la superficie de la lámina de cobre también puede absorber polvo y aceite orgánico en el aire, volviéndola más hidrófoba. Por lo tanto, el embalaje de láminas 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 hidrofilicidad de la lámina de cobre.