Wat is de hydrofiele eigenschap van koperfolie voor lithium-ionbatterijen?
1. Het concept van koperfolie
Koperfolie is een kathode-elektrolytisch materiaal gemaakt van koper en een bepaald deel van andere metalen. Het wordt gebruikt als geleider en is een belangrijk materiaal voor de vervaardiging van met koper beklede laminaten (CCL) en printplaten (PCB). Koperfolie heeft een laag zuurstofgehalte aan het oppervlak en kan op verschillende ondergronden worden bevestigd, zoals metalen, isolatiematerialen, enz., en heeft een breed temperatuurbereik. Elektronische informatie en lithiumbatterijen zijn de gangbare toepassingsgebieden van koperfolie. In vergelijking met elektronische koperfolie heeft koperfolie voor lithiumbatterijen hogere prestatie-eisen.
2. Classificatie van koperfolie
Lithiumbatterijen maken over het algemeen alleen onderscheid tussen opgerolde folie en elektrolytische folie. Hieronder volgt een vergelijking van het productieproces van gerolde folie en elektrolytische folie.
3. Prestatie-eisen van koperfolie voor lithium-ionbatterijen
Koperfolie is zowel een drager van actieve materialen met een negatieve elektrode in lithium-ionbatterijen. Het is ook de collector en geleider van negatieve elektrode-elektronen. Daarom heeft het speciale technische vereisten, dat wil zeggen, het moet een goede elektrische geleidbaarheid hebben, het oppervlak kan gelijkmatig worden gecoat met het materiaal van de negatieve elektrode zonder eraf te vallen en het moet een goede corrosieweerstand hebben.
Momenteel veelgebruikte lijmen zoals PVDF, SBR, PAA, enz. Hun hechtkracht hangt niet alleen af van de fysische en chemische eigenschappen van de lijm zelf, maar heeft ook een grote relatie met de oppervlakte-eigenschappen van de koperfolie. Wanneer de hechtsterkte van de coating hoog genoeg is, kan dit voorkomen dat de negatieve elektrode verpoedert en eraf valt tijdens de oplaadcyclus, of dat het substraat loslaat als gevolg van overmatige uitzetting en samentrekking, waardoor de retentiegraad van de cycluscapaciteit wordt verminderd. Omgekeerd, als de hechtsterkte niet te hoog is, neemt naarmate het aantal cycli toeneemt de interne weerstand van de batterij toe als gevolg van het sterk afbladderen van de coating, en neemt de verzwakking van de cycluscapaciteit toe. Dit vereist koperfolie voor lithium-ionbatterijen om een goede hydrofiliciteit te hebben.
4. Het principe van hydrofiliciteit van koperfolie
Zoals we allemaal weten, zijn gerolde koperfolie en elektrolytische koperfolie niet alleen totaal verschillend in productiemethoden, maar belangrijker nog, hun metalen structuren zijn ook totaal verschillend. Studies hebben aangetoond dat de hoofdpiek in het XRD-diffractiepatroon van elektrolytische koperfolie met een dikte van minder dan 12 μm het (111)-vlak is, en het (311)-vlak vertoont een bepaalde voorkeursoriëntatie. Met de toename van de dikte van de koperfolie neemt de diffractiepiekintensiteit van het (220)-vlak geleidelijk af. Bij continue verbetering neemt de diffractie-intensiteit van andere kristalvlakken geleidelijk af. Wanneer de dikte van de koperfolie 21 μm bereikt, bereikt de textuurcoëfficiënt van het (220) kristalvlak 92%. Blijkbaar,
Water bestaat uit waterstofatomen en zuurstofatomen. De elektronegativiteit van waterstof is 2,1 en de elektronegativiteit van zuurstof is 3,5. Daarom is de OH-binding in watermoleculen erg polair. Experimenten tonen aan dat de hoek tussen de twee OH-bindingen in het watermolecuul 104°45' is. Het dipoolmoment van het watermolecuul is niet gelijk aan nul, en de"zwaartepunt"van de positieve lading valt niet samen met de"zwaartepunt"van de negatieve lading, zodat het ene uiteinde van het waterstofatoom positief geladen is en het uiteinde van het zuurstofatoom negatief geladen is, wat een sterke polariteit vertoont. Watermoleculen zijn zeer polaire moleculen.
Polaire moleculen hebben een zekere affiniteit vanwege hun wederzijdse elektrostatische aantrekking, dus stoffen die zijn samengesteld uit polaire moleculen moeten affiniteit hebben met water. Elke stof die affiniteit heeft met water wordt een hydrofiele stof genoemd. Metaalanorganische zouten en metaaloxiden zijn allemaal stoffen met een polaire structuur. Ze hebben een sterke affiniteit met water, het zijn dus allemaal hydrofiele stoffen.
De moleculaire structuur van sommige stoffen is symmetrisch en dus niet polair. Niet-polaire moleculen hebben affiniteit voor niet-polaire moleculen, maar hebben geen affiniteit voor polaire moleculen. Dit is een conclusie gebaseerd op het principe van wederzijdse oplossing van stoffen met vergelijkbare structuren. Een stof die is samengesteld uit niet-polaire moleculen, waarvan de moleculen geen affiniteit hebben met watermoleculen, wordt een hydrofobe stof genoemd.
Anorganische scheikunde,"olie-"is de algemene term voor niet-polaire organische vloeistoffen, dus hydrofobe stoffen moeten lipofiele eigenschappen hebben. Sommige polaire functionele groepen, zoals hydroxyl (-OH), amino (-NH2), carboxyl (-COOH), carbonyl (-COH), nitro (-NO2), enz., worden geïntroduceerd in hydrofobe stoffen om ze een bepaalde polariteit en dus hydrofiliciteit. De zogenaamde hydrofiliciteit is een eenvoudige beschrijving van de affiniteit van een stof met water; voor vaste stoffen wordt de hydrofiliciteit ervan over het algemeen bevochtigbaarheid genoemd.
Met betrekking tot de bevochtigingshoek is de contacthoek θ tussen metaal en water over het algemeen minder dan 90°, dus hoe ruwer het koperfolie-oppervlak, hoe beter de bevochtigbaarheid; wanneer θ>90°, hoe ruwer het vaste oppervlak, hoe slechter de bevochtigbaarheid van het oppervlak. Naarmate de oppervlakteruwheid toeneemt, wordt het gemakkelijk te bevochtigen oppervlak gemakkelijker te bevochtigen en wordt het moeilijk te bevochtigen oppervlak moeilijker te bevochtigen.
5. Testnorm voor hydrofiliciteit van koperfolie
Fabrikanten van lithium-ionbatterijen testen heel eenvoudig de hydrofiliciteit van opgerolde koperfolie. Ze gebruiken alleen een borstel om voorzichtig zuiver water op het oppervlak van de koperfolie te borstelen om te observeren of er een breuk in de waterfilm is.
6. Factoren die de hydrofiliciteit van koperfolie beïnvloeden
6.1 De relatie tussen de hydrofiliciteit van koperfolie en de oppervlakteruwheid van koperfolie is niet duidelijk
6.2 Hydrofiliciteit is gerelateerd aan de metallografische structuur van koperfolie
Scanning-elektronenmicroscopie (SEM) laat zien dat koperfolie met goede hydrofiliciteit fijne korrels en een relatief lage oppervlakteruwheid heeft. De ruwe folie met lage oppervlakteruwheid heeft een goede hydrofiliciteit na oppervlaktebehandeling. Dit is voornamelijk te wijten aan hoe fijner de pelletkorrels van de elektrolytische koperfolie, hoe groter het werkelijke specifieke oppervlak; en hoe groter de oppervlakteruwheid, hoe lager het werkelijke oppervlak, wat leidt tot een afname van de hydrofiliciteit van de koperfolie.
6.3 Hydrofiliciteit is gerelateerd aan de oppervlaktetoestand en reactie van koperfolie
Als de koperfolie lange tijd in de lucht wordt geplaatst, zullen de niet-polaire gasmoleculen N2, 02, CO2 in de lucht worden geadsorbeerd op het metalen oppervlak, waardoor de hydrofiliciteit van de koperfolie verandert. Nadat bijvoorbeeld een koperfolie met een goede hydrofiliteit gedurende 90 minuten aan de lucht is blootgesteld, neemt de hydrofiliciteit aanzienlijk af. Dit komt omdat metalen oppervlakken met een hoge specifieke oppervlakte-energie gemakkelijk worden bevochtigd door vloeistoffen met een lage oppervlaktespanning, omdat het bevochtigingsproces de vrije energie van het systeem vermindert. De specifieke oppervlakte-energie van het nieuwe metaaloppervlak is hoger (de specifieke oppervlakte-energie van koper is ongeveer 1,0 J/m2 en die van aluminium en zink ongeveer 0,7-0,9 J/m2), maar als het oppervlak van de koperfolie vooral het oppervlak van de nieuwe elektrolytische koperfolie Bij blootstelling aan de lucht, het zal veel gasmoleculen adsorberen om een adsorptielaag van één molecuul te vormen. De aanwezigheid van oppervlaktedruk vermindert de bevochtigbaarheid van het oppervlak van koperfolie aanzienlijk.
Naast niet-polaire gasmoleculen kan het oppervlak van koperfolie ook stof en organische olie in de lucht absorberen, waardoor het meer hydrofoob wordt. Daarom moet de verpakking van koperfolie voor lithium-ionbatterijen een vacuümverpakking aannemen om de oxidatie van het koperfolie-oppervlak te verminderen en de hydrofiliciteit van de koperfolie te behouden.