Каковы гидрофильные свойства медной фольги для литий-ионных аккумуляторов?

1. Понятие медной фольги

Медная фольга — это катодный электролитический материал, изготовленный из меди и определенной доли других металлов. Он используется в качестве проводника и является важным материалом для производства медных плакированных ламинатов (CCL) и печатных плат (Печатная плата). Медная фольга имеет низкие характеристики поверхностного кислорода и может быть прикреплена к различным подложкам, таким как металлы, изоляционные материалы и т. д., и имеет широкий температурный диапазон. Электронная информация и литиевые батареи являются основными областями применения медной фольги. По сравнению с электронной медной фольгой, медная фольга для литиевых батарей имеет более высокие требования к производительности.

2. Классификация медной фольги

Литиевые батареи обычно различают только рулонную фольгу и электролитическую фольгу. Ниже приведено сравнение процесса производства рулонной фольги и электролитической фольги.

3. Требования к характеристикам медной фольги для литий-ионных аккумуляторов

Медная фольга является одновременно носителем активных материалов отрицательного электрода в литий-ионных аккумуляторах. Она также является коллектором и проводником электронов отрицательного электрода. Поэтому к ней предъявляются особые технические требования, а именно: она должна обладать хорошей электропроводностью, поверхность должна быть равномерно покрыта материалом отрицательного электрода без отпадания, и она должна обладать хорошей коррозионной стойкостью.

В настоящее время широко используются такие клеи, как ПВДФ, СБР, ПАА и т. д., их прочность сцепления зависит не только от физических и химических свойств самого клея, но и имеет большую связь с характеристиками поверхности медной фольги. Когда прочность сцепления покрытия достаточно высока, она может предотвратить измельчение и падение отрицательного электрода во время цикла зарядки или отслоение от подложки из-за чрезмерного расширения и сжатия, что снижает скорость сохранения емкости цикла. И наоборот, если прочность сцепления не слишком высока, то по мере увеличения количества циклов внутреннее сопротивление батареи увеличивается из-за сильного отслаивания покрытия, а затухание емкости цикла увеличивается. Это требует, чтобы медная фольга для литий-ионных батарей имела хорошую гидрофильность.

4. Принцип гидрофильности медной фольги

Как мы все знаем, прокатанная медная фольга и электролитическая медная фольга не только совершенно различны по методам производства, но, что более важно, их металлические структуры также совершенно различны. Исследования показали, что основным пиком в картине дифракции рентгеновской дифракции электролитической медной фольги толщиной менее 12 мкм является плоскость (111), а плоскость (311) показывает определенную предпочтительную ориентацию. С увеличением толщины медной фольги интенсивность дифракционного пика плоскости (220) При постоянном улучшении интенсивность дифракции других кристаллических плоскостей постепенно уменьшается. Когда толщина медной фольги достигает 21 мкм, коэффициент текстуры кристаллической плоскости (220) достигает 92%. Очевидно, что практически невозможно просто положиться на производственный процесс, чтобы достичь тех же характеристик, что и у прокатанная медная фольга.

Вода состоит из атомов водорода и кислорода. Электроотрицательность водорода равна 2,1, а электроотрицательность кислорода равна 3,5. Поэтому связь ОН в молекулах воды очень полярна. Эксперименты показывают, что угол между двумя связями ОН в молекуле воды равен 104°45'. Дипольный момент молекулы воды не равен нулю, а "центр тяжести" положительного заряда не совпадает с "центром тяжести" отрицательного заряда, так что один конец атома водорода заряжен положительно, а конец атома кислорода заряжен отрицательно, показывая сильную полярность. Молекулы воды являются очень полярными молекулами.

Полярные молекулы имеют определенное сродство из-за их взаимного электростатического притяжения, поэтому вещества, состоящие из полярных молекул, должны иметь сродство к воде. Любое вещество, имеющее сродство к воде, называется гидрофильным веществом. Неорганические соли металлов и оксиды металлов — все это вещества с полярной структурой. Они имеют сильное сродство к воде, поэтому все они являются гидрофильными веществами.

Молекулярная структура некоторых веществ симметрична и поэтому не полярна. Неполярные молекулы имеют сродство к неполярным молекулам, но не имеют сродства к полярным молекулам. Это заключение основано на принципе взаимного растворения веществ со схожей структурой. Вещество, состоящее из неполярных молекул, молекулы которых не имеют сродства к молекулам воды, называется гидрофобным веществом.

В органической химии "oild" является общим термином для неполярных органических жидкостей, поэтому гидрофобные вещества должны обладать липофильными свойствами. Некоторые полярные функциональные группы, такие как гидроксил (-ОЙ), амино (-NH2), карбоксил (-СООН), карбонил (-КОГ), нитро (-НЕТ2) и т. д., вводятся в гидрофобные вещества, чтобы придать им определенную полярность и, следовательно, гидрофильность. Так называемая гидрофильность является простым описанием сродства вещества к воде; для твердых веществ его гидрофильность обычно называется смачиваемостью.

Что касается угла смачивания, контактный угол θ между металлом и водой обычно меньше 90°, поэтому чем шероховатее поверхность медной фольги, тем лучше смачиваемость; когда θ>90°, чем шероховатее твердая поверхность, тем хуже смачиваемость поверхности. По мере увеличения шероховатости поверхности легко смачиваемая поверхность становится легче смачиваться, а трудно смачиваемая поверхность становится труднее смачиваться.

5. Стандарт испытаний на гидрофильность медной фольги

Производители литий-ионных аккумуляторов очень просто проверяют гидрофильность прокатанной медной фольги. Они просто используют щетку, чтобы аккуратно провести чистой водой по поверхности медной фольги, чтобы посмотреть, есть ли разрыв водяной пленки.

6. Факторы, влияющие на гидрофильность медной фольги

6.1 Связь между гидрофильностью медной фольги и шероховатостью поверхности медной фольги не очевидна.

6.2 Гидрофильность связана с металлографической структурой медной фольги.

Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) показывает, что медная фольга с хорошей гидрофильностью имеет мелкое зерно и относительно низкую шероховатость поверхности. Необработанная фольга с низкой шероховатостью поверхности имеет хорошую гидрофильность после поверхностной обработки. Это в основном связано с тем, что чем мельче зерна гранул электролитической медной фольги, тем больше ее реальная удельная площадь поверхности; и чем больше шероховатость поверхности, тем меньше ее реальная площадь поверхности, что приводит к снижению гидрофильности медной фольги.

6.3 Гидрофильность связана с состоянием поверхности и реакцией медной фольги.

Если медная фольга находится на воздухе в течение длительного времени, неполярные молекулы газа N2, 02, CO2 в воздухе будут адсорбироваться на поверхности металла, тем самым изменяя гидрофильность медной фольги. Например, после воздействия воздуха на медную фольгу с хорошей гидрофильностью в течение 90 минут ее гидрофильность значительно уменьшается. Это происходит потому, что металлические поверхности с высокой удельной поверхностной энергией легко смачиваются жидкостями с низким поверхностным натяжением, поскольку процесс смачивания снижает свободную энергию системы. Удельная поверхностная энергия новой металлической поверхности выше (удельная поверхностная энергия меди составляет около 1,0 Дж/м2, а алюминия и цинка - около 0,7-0,9 Дж/м2), но если поверхность медной фольги - это, особенно поверхность новой электролитической медной фольги При воздействии воздуха она адсорбирует много молекул газа, образуя адсорбционный слой из одной молекулы. Наличие поверхностного давления значительно снижает смачиваемость поверхности медной фольги.

В дополнение к неполярным молекулам газа, поверхность медной фольги может также поглощать пыль и органическое масло в воздухе, делая ее более гидрофобной. Поэтому упаковка медной фольги для литий-ионных аккумуляторов должна использовать вакуумную упаковку, чтобы уменьшить окисление поверхности медной фольги и сохранить гидрофильность медной фольги.