Wat zijn de hydrofiele eigenschappen van koperfolie voor lithium-ionbatterijen?
1. Het concept van koperfolie
Koperfolie is een kathode-elektrolytisch materiaal dat is gemaakt van koper en een bepaald aandeel andere metalen. Het wordt gebruikt als geleider en is een belangrijk materiaal voor de productie van koperbeklede laminaten (CCL) en printplaten (PCB's). Koperfolie heeft lage oppervlaktezuurstofeigenschappen en kan worden bevestigd aan verschillende substraten, zoals metalen, isolatiematerialen, enz., en heeft een breed temperatuurbereik. Elektronische informatie en lithiumbatterijen zijn de belangrijkste toepassingsgebieden van koperfolie. Vergeleken met elektronische koperfolie heeft koperfolie voor lithiumbatterijen hogere prestatievereisten.
2. Classificatie van koperfolie
Lithiumbatterijen maken over het algemeen alleen onderscheid tussen gerolde folie en elektrolytische folie. Hieronder volgt een vergelijking van het productieproces van gerolde folie en elektrolytische folie.
3. Prestatievereisten van koperfolie voor lithium-ionbatterijen
Koperfolie is zowel een drager van negatieve elektrode-actieve materialen in lithium-ionbatterijen. Het is ook de collector en geleider van negatieve elektrode-elektronen. Daarom heeft het speciale technische vereisten, dat wil zeggen dat het een goede elektrische geleidbaarheid moet hebben, het oppervlak gelijkmatig kan worden bedekt met het negatieve elektrodemateriaal zonder eraf te vallen en het moet een goede corrosiebestendigheid hebben.
Momenteel veelgebruikte lijmen zoals PVDF, SBR, PAA, etc., hun hechtsterkte hangt niet alleen af van de fysieke 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 het voorkomen dat de negatieve elektrode verpoedert en eraf valt tijdens de laadcyclus, of van het substraat afbladdert door overmatige uitzetting en krimp, waardoor de cycluscapaciteitsretentiesnelheid wordt verlaagd. Omgekeerd, als de hechtsterkte niet te hoog is, neemt de interne weerstand van de batterij toe naarmate het aantal cycli toeneemt door het hevig afbladderen van de coating, en neemt de cycluscapaciteitsverzwakking toe. Dit vereist dat koperfolie voor lithiumionbatterijen een goede hydrofiliteit heeft.
4. Het principe van hydrofiliteit van koperfolie
Zoals we allemaal weten, zijn gerolde koperfolie en elektrolytische koperfolie niet alleen compleet verschillend in productiemethoden, maar belangrijker nog, hun metaalstructuren zijn ook compleet verschillend. Studies hebben aangetoond dat de belangrijkste piek 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 af. Met 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%. Het is uiteraard bijna onmogelijk om eenvoudigweg op het productieproces te vertrouwen om dezelfde prestaties te behalen als de gerolde koperfolie.
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 het "zwaartepunt" van de positieve lading valt niet samen met het "zwaartepunt" van de negatieve lading, zodat één uiteinde van het waterstofatoom positief geladen is en het uiteinde van het zuurstofatoom negatief geladen is, wat een sterke polariteit vertoont. Watermoleculen zijn erg polaire moleculen.
Polaire moleculen hebben een bepaalde affiniteit vanwege hun wederzijdse elektrostatische aantrekkingskracht, dus stoffen die zijn samengesteld uit polaire moleculen moeten een affiniteit hebben voor water. Elke stof die een affiniteit heeft voor water wordt een hydrofiele stof genoemd. Metaalanorganische zouten en metaaloxiden zijn allemaal stoffen met een polaire structuur. Ze hebben een sterke affiniteit met water, dus het zijn allemaal hydrofiele stoffen.
De moleculaire structuur van sommige stoffen is symmetrisch en daarom niet polair. Niet-polaire moleculen hebben affiniteit voor niet-polaire moleculen, maar hebben geen affiniteit voor polaire moleculen. Deze conclusie is gebaseerd op het principe van wederzijdse oplosbaarheid van stoffen met vergelijkbare structuren. Een stof die is samengesteld uit niet-polaire moleculen, waarvan de moleculen geen affiniteit hebben voor watermoleculen, wordt een hydrofobe stof genoemd.
In de organische chemie is "oil" 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), etc., worden in hydrofobe stoffen geïntroduceerd om ze een bepaalde polariteit en dus hydrofiliteit te geven. De zogenaamde hydrofiliteit is een eenvoudige beschrijving van de affiniteit van een stof met water; voor vaste stoffen wordt de hydrofiliteit ervan over het algemeen bevochtigbaarheid genoemd.
Wat betreft 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 bevochtigbare oppervlak gemakkelijker te bevochtigen, en wordt het moeilijk te bevochtigen oppervlak moeilijker te bevochtigen.
5. Teststandaard voor hydrofiliteit van koperfolie
Fabrikanten van lithium-ionbatterijen zijn heel eenvoudig in staat om de hydrofiliteit van gerolde koperfolie te testen. Ze gebruiken alleen een borstel om voorzichtig zuiver water op het oppervlak van de koperfolie te borstelen om te observeren of er sprake is van een waterfilmbreuk.
6. Factoren die de hydrofiliteit van koperfolie beïnvloeden
6.1 De relatie tussen de hydrofiliteit van koperfolie en de oppervlakteruwheid van koperfolie is niet duidelijk
6.2 Hydrofiliteit is gerelateerd aan de metallografische structuur van koperfolie
Scanning elektronenmicroscopie (SEM) toont aan dat koperfolie met goede hydrofiliteit fijne korrels en relatief lage oppervlakteruwheid heeft. De ruwe folie met lage oppervlakteruwheid heeft goede hydrofiliteit na oppervlaktebehandeling. Dit komt voornamelijk doordat 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 hydrofiliteit van de koperfolie.
6.3 Hydrofiliteit is gerelateerd aan de oppervlaktetoestand en de reactie van koperfolie
Als de koperfolie gedurende lange tijd in de lucht wordt geplaatst, worden de apolaire gasmoleculen N2, 02, CO2 in de lucht geadsorbeerd op het metaaloppervlak, waardoor de hydrofiliteit van de koperfolie verandert. Bijvoorbeeld, na blootstelling van een koperfolie met goede hydrofiliteit aan de lucht gedurende 90 minuten, neemt de hydrofiliteit ervan aanzienlijk af. Dit komt omdat metaaloppervlakken 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 is ongeveer 0,7-0,9 J/m2), maar als het oppervlak van de koperfolie met name het oppervlak is van de nieuwe elektrolytische koperfolie Wanneer blootgesteld aan de lucht, zal het veel gasmoleculen adsorberen om een enkele molecuuladsorptielaag te vormen. De aanwezigheid van oppervlaktedruk vermindert de bevochtigbaarheid van het koperfolieoppervlak aanzienlijk.
Naast niet-polaire gasmoleculen kan het oppervlak van koperfolie ook stof en organische olie in de lucht absorberen, waardoor het hydrofober wordt. Daarom moet de verpakking van koperfolie voor lithiumionbatterijen vacuümverpakking gebruiken om de oxidatie van het koperfolieoppervlak te verminderen en de hydrofiliteit van de koperfolie te behouden.