Apa sifat hidrofilik foil tembaga untuk baterai lithium-ion?

1. Konsep foil tembaga

Tembaga foil adalah bahan elektrolit katoda yang terbuat dari tembaga dan proporsi tertentu dari logam lainnya. Ini digunakan sebagai konduktor dan merupakan bahan penting untuk pembuatan laminasi berlapis tembaga (CCL) dan papan sirkuit cetak (PCB). Foil tembaga memiliki karakteristik oksigen permukaan yang rendah dan dapat dilekatkan pada berbagai substrat, seperti logam, bahan isolasi, dll., dan memiliki rentang suhu yang luas. Informasi elektronik dan baterai lithium adalah bidang aplikasi utama dari foil tembaga. Dibandingkan dengan foil tembaga elektronik, foil tembaga baterai lithium memiliki persyaratan kinerja yang lebih tinggi.

2. Klasifikasi foil tembaga

Baterai lithium umumnya hanya membedakan antara foil yang digulung dan foil elektrolit. Berikut ini adalah perbandingan proses produksi foil gulung dan foil elektrolit.

3. Persyaratan kinerja foil tembaga untuk baterai lithium-ion

Tembaga foil keduanya pembawa bahan aktif elektroda negatif dalam baterai lithium ion. Ini juga merupakan kolektor dan konduktor elektron elektroda negatif. Oleh karena itu, ia memiliki persyaratan teknis khusus, yaitu harus memiliki konduktivitas listrik yang baik, permukaannya dapat dilapisi secara merata dengan bahan elektroda negatif tanpa jatuh, dan harus memiliki ketahanan korosi yang baik.

Saat ini perekat yang umum digunakan seperti PVDF, SBR, PAA, dll., Kekuatan ikatannya tidak hanya tergantung pada sifat fisik dan kimia dari perekat itu sendiri, tetapi juga memiliki hubungan yang baik dengan karakteristik permukaan foil tembaga. Ketika kekuatan ikatan lapisan cukup tinggi, itu dapat mencegah elektroda negatif dari serbuk dan jatuh selama siklus pengisian, atau terkelupasnya substrat karena ekspansi dan kontraksi yang berlebihan, mengurangi tingkat retensi kapasitas siklus. Sebaliknya, jika kekuatan ikatan tidak terlalu tinggi, dengan bertambahnya jumlah siklus, resistansi internal baterai meningkat karena pengelupasan lapisan yang berat, dan redaman kapasitas siklus meningkat. Ini membutuhkan foil tembaga untuk baterai lithium ion agar memiliki hidrofilisitas yang baik.

4. Prinsip hidrofilisitas foil tembaga

Seperti yang kita semua tahu, foil tembaga gulung dan foil tembaga elektrolitik tidak hanya sepenuhnya berbeda dalam metode produksi, tetapi yang lebih penting, struktur logamnya juga sangat berbeda. Penelitian telah menunjukkan bahwa puncak utama dalam pola difraksi XRD dari foil tembaga elektrolitik dengan ketebalan kurang dari 12μm adalah bidang (111), dan bidang (311) menunjukkan orientasi tertentu yang disukai. Dengan peningkatan ketebalan foil tembaga, intensitas puncak difraksi bidang (220) Dengan perbaikan terus-menerus, intensitas difraksi bidang kristal lainnya secara bertahap menurun. Ketika ketebalan foil tembaga mencapai 21μm, koefisien tekstur bidang kristal (220) mencapai 92%. Jelas sekali,

Air tersusun atas atom hidrogen dan atom oksigen. Keelektronegatifan hidrogen adalah 2,1 dan keelektronegatifan oksigen adalah 3,5. Oleh karena itu, ikatan OH dalam molekul air sangat polar. Percobaan menunjukkan bahwa sudut antara dua ikatan OH dalam molekul air adalah 104°45'. Momen dipol molekul air tidak sama dengan nol, dan"Pusat gravitasi"muatan positif tidak bertepatan dengan"Pusat gravitasi"muatan negatif, sehingga salah satu ujung atom hidrogen bermuatan positif, dan ujung atom oksigen bermuatan negatif, menunjukkan polaritas yang kuat. Molekul air adalah molekul yang sangat polar.

Molekul polar memiliki afinitas tertentu karena tarik-menarik elektrostatik timbal baliknya, sehingga zat yang terdiri dari molekul polar harus memiliki afinitas terhadap air. Setiap zat yang memiliki afinitas untuk air disebut zat hidrofilik. Garam anorganik logam dan oksida logam adalah semua zat dengan struktur polar. Mereka memiliki afinitas yang kuat dengan air, jadi mereka semua adalah zat hidrofilik.

Struktur molekul beberapa zat simetris dan karenanya tidak polar. Molekul non-polar memiliki afinitas untuk molekul non-polar, tetapi tidak memiliki afinitas untuk molekul polar. Ini adalah kesimpulan berdasarkan prinsip pembubaran timbal balik zat dengan struktur serupa. Zat yang tersusun dari molekul non-polar, yang molekulnya tidak memiliki afinitas terhadap molekul air, disebut zat hidrofobik.

Dalam kimia organik,"minyak"adalah istilah umum untuk cairan organik non-polar, sehingga zat hidrofobik harus memiliki sifat lipofilik. Beberapa gugus fungsi polar, seperti hidroksil (-OH), amino (-NH2), karboksil (-COOH), karbonil (-COH), nitro (-NO2), dll., dimasukkan ke dalam zat hidrofobik untuk membuatnya memiliki Polaritas tertentu dan karena itu hidrofilisitas. Yang disebut hidrofilisitas adalah deskripsi sederhana tentang afinitas suatu zat terhadap air; untuk zat padat, hidrofilisitasnya umumnya disebut keterbasahan.

Mengenai sudut pembasahan, sudut kontak antara logam dan air umumnya kurang dari 90 °, jadi semakin kasar permukaan foil tembaga, semakin baik keterbasahannya; kapan>90 °, semakin kasar permukaan padat, semakin buruk keterbasahan permukaan. Ketika kekasaran permukaan meningkat, permukaan yang mudah dibasahi menjadi lebih mudah dibasahi, dan permukaan yang sulit dibasahi menjadi lebih sulit untuk dibasahi.

5. Uji standar untuk hidrofilisitas foil tembaga

Produsen baterai lithium-ion sangat sederhana untuk menguji hidrofilisitas foil tembaga yang digulung. Mereka hanya menggunakan sikat untuk menyikat dengan lembut air murni pada permukaan foil tembaga untuk mengamati apakah ada film air yang pecah.

6. Faktor-faktor yang mempengaruhi hidrofilisitas foil tembaga

6.1 Hubungan antara hidrofilisitas foil tembaga dan kekasaran permukaan foil tembaga tidak jelas

6.2 Hidrofilisitas terkait dengan struktur metalografi foil tembaga

Scanning electron microscopy (SEM) menunjukkan bahwa foil tembaga dengan hidrofilisitas yang baik memiliki butiran yang halus dan kekasaran permukaan yang relatif rendah. Foil mentah dengan kekasaran permukaan rendah memiliki hidrofilisitas yang baik setelah perawatan permukaan. Ini terutama karena semakin halus butiran pelet dari foil tembaga elektrolitik, semakin besar luas permukaan spesifiknya yang sebenarnya; dan semakin besar kekasaran permukaan, semakin rendah luas permukaan sebenarnya, yang menyebabkan penurunan hidrofilisitas foil tembaga.

6.3 Hidrofilisitas terkait dengan keadaan permukaan dan reaksi foil tembaga

Jika foil tembaga ditempatkan di udara untuk waktu yang lama, molekul gas non-polar N2, 02, CO2 di udara akan teradsorpsi pada permukaan logam, sehingga mengubah hidrofilisitas foil tembaga. Misalnya, setelah mengekspos foil tembaga dengan hidrofilisitas yang baik ke udara selama 90 menit, hidrofilisitasnya menurun secara signifikan. Hal ini karena permukaan logam dengan energi permukaan spesifik tinggi mudah dibasahi oleh cairan dengan tegangan permukaan rendah, karena proses pembasahan mengurangi energi bebas sistem. Energi permukaan spesifik permukaan logam baru lebih tinggi (energi permukaan spesifik tembaga sekitar 1,0 J/m2, dan aluminium dan seng sekitar 0,7-0,9 J/m2), tetapi jika permukaan foil tembaga terutama permukaan foil tembaga elektrolitik baru Saat terkena udara, itu akan menyerap banyak molekul gas untuk membentuk lapisan adsorpsi molekul tunggal. Adanya tekanan permukaan secara signifikan mengurangi keterbasahan permukaan foil tembaga.

Selain molekul gas non-polar, permukaan foil tembaga juga dapat menyerap debu dan minyak organik di udara, membuatnya lebih hidrofobik. Oleh karena itu, pengemasan foil tembaga untuk baterai lithium ion harus mengadopsi pengemasan vakum untuk mengurangi oksidasi permukaan foil tembaga dan menjaga hidrofilisitas foil tembaga.