Apa sifat hidrofilik dari lembaran tembaga untuk baterai lithium-ion?

1. Konsep foil tembaga

Foil tembaga merupakan material elektrolit katode yang terbuat dari tembaga dan sejumlah logam lain. Foil tembaga digunakan sebagai konduktor dan merupakan material penting untuk pembuatan laminasi berlapis tembaga (CCL) dan papan sirkuit cetak (PCB). Foil tembaga memiliki karakteristik oksigen permukaan yang rendah dan dapat ditempelkan pada berbagai substrat, seperti logam, material isolasi, dll., serta memiliki rentang suhu yang luas. Informasi elektronik dan baterai litium merupakan bidang aplikasi utama foil tembaga. Dibandingkan dengan foil tembaga elektronik, foil tembaga baterai litium memiliki persyaratan kinerja yang lebih tinggi.

2. Klasifikasi foil tembaga

Baterai litium umumnya hanya dibedakan antara foil gulung dan foil elektrolit. Berikut ini adalah perbandingan proses produksi foil gulung dan foil elektrolit.

3. Persyaratan kinerja foil tembaga untuk baterai lithium-ion

Foil tembaga merupakan pembawa material aktif elektroda negatif dalam baterai ion litium. Foil tembaga juga merupakan pengumpul dan penghantar elektron elektroda negatif. Oleh karena itu, foil tembaga memiliki persyaratan teknis khusus, yaitu harus memiliki konduktivitas listrik yang baik, permukaannya dapat dilapisi secara merata dengan material elektroda negatif tanpa terlepas, dan harus memiliki ketahanan korosi yang baik.

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

4. Prinsip hidrofilisitas foil tembaga

Seperti yang kita semua tahu, foil tembaga gulung dan foil tembaga elektrolit tidak hanya sepenuhnya berbeda dalam metode produksi, tetapi yang lebih penting, struktur logamnya juga sepenuhnya berbeda. Penelitian telah menunjukkan bahwa puncak utama dalam pola difraksi XRD dari foil tembaga elektrolit dengan ketebalan kurang dari 12μm adalah bidang (111), dan bidang (311) menunjukkan orientasi pilihan tertentu. Dengan peningkatan ketebalan foil tembaga, intensitas puncak difraksi bidang (220). Dengan perbaikan berkelanjutan, intensitas difraksi bidang kristal lainnya secara bertahap berkurang. Ketika ketebalan foil tembaga mencapai 21μm, koefisien tekstur bidang kristal (220) mencapai 92%. Jelas, hampir tidak mungkin untuk hanya mengandalkan proses produksi untuk mencapai kinerja yang sama dengan foil tembaga gulung.

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 berimpit dengan pusat gravitasi muatan negatif, sehingga salah satu ujung atom hidrogen bermuatan positif, dan ujung atom oksigen bermuatan negatif, yang menunjukkan polaritas yang kuat. Molekul air adalah molekul yang sangat polar.

Molekul polar memiliki afinitas tertentu karena adanya tarikan elektrostatik di antara mereka, sehingga zat yang tersusun dari molekul polar pasti memiliki afinitas terhadap air. Zat apa pun yang memiliki afinitas terhadap air disebut zat hidrofilik. Garam logam anorganik dan oksida logam semuanya merupakan zat dengan struktur polar. Mereka memiliki afinitas yang kuat terhadap air, sehingga semuanya merupakan zat hidrofilik.

Struktur molekul beberapa zat bersifat simetris dan karenanya tidak polar. Molekul nonpolar memiliki afinitas terhadap molekul nonpolar, tetapi tidak memiliki afinitas terhadap molekul polar. Ini adalah kesimpulan yang didasarkan pada prinsip pelarutan timbal balik zat-zat dengan struktur yang serupa. Suatu zat yang terdiri dari molekul-molekul nonpolar, yang molekul-molekulnya tidak memiliki afinitas terhadap molekul air, disebut zat hidrofobik.

Dalam kimia organik, "oil" adalah istilah umum untuk cairan organik nonpolar, 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 karenanya bersifat hidrofilisitas. Yang disebut hidrofilisitas adalah deskripsi sederhana tentang afinitas suatu zat terhadap air; untuk zat padat, hidrofilisitasnya secara umum disebut keterbasahan.

Mengenai sudut pembasahan, sudut kontak θ antara logam dan air umumnya kurang dari 90°, jadi semakin kasar permukaan foil tembaga, semakin baik daya basahnya; ketika θ>90°, semakin kasar permukaan padat, semakin buruk daya basah permukaannya. Ketika kekasaran permukaan meningkat, permukaan yang mudah dibasahi menjadi lebih mudah dibasahi, dan permukaan yang sulit dibasahi menjadi lebih sulit dibasahi.

5. Standar uji hidrofilisitas foil tembaga

Produsen baterai lithium-ion sangat mudah menguji sifat hidrofilisitas dari lapisan tembaga yang digulung. Mereka hanya menggunakan sikat untuk mengoleskan air murni secara perlahan pada permukaan lapisan tembaga untuk mengamati apakah ada lapisan 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 berhubungan dengan struktur metalografi foil tembaga

Mikroskopi elektron pemindaian (SEM) menunjukkan bahwa foil tembaga dengan hidrofilisitas yang baik memiliki butiran halus dan kekasaran permukaan yang relatif rendah. Foil mentah dengan kekasaran permukaan yang rendah memiliki hidrofilisitas yang baik setelah perawatan permukaan. Hal ini terutama disebabkan oleh semakin halus butiran pelet foil tembaga elektrolit, semakin besar luas permukaan spesifiknya yang sebenarnya; dan semakin besar kekasaran permukaan, semakin rendah luas permukaannya yang sebenarnya, yang menyebabkan penurunan hidrofilisitas foil tembaga.

6.3 Hidrofilisitas berhubungan dengan keadaan permukaan dan reaksi foil tembaga

Jika foil tembaga diletakkan di udara dalam waktu lama, molekul gas nonpolar N2, O2, CO2 di udara akan teradsorpsi pada permukaan logam, sehingga mengubah hidrofilisitas foil tembaga. Misalnya, setelah memaparkan foil tembaga dengan hidrofilisitas yang baik ke udara selama 90 menit, hidrofilisitasnya menurun secara signifikan. Hal ini karena permukaan logam dengan energi permukaan spesifik yang 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 elektrolit baru Ketika terpapar udara, ia akan mengadsorpsi banyak molekul gas untuk membentuk lapisan adsorpsi molekul tunggal. Kehadiran tekanan permukaan secara signifikan mengurangi keterbasahan permukaan foil tembaga.

Selain molekul gas nonpolar, permukaan foil tembaga juga dapat menyerap debu dan minyak organik di udara, sehingga lebih hidrofobik. Oleh karena itu, pengemasan foil tembaga untuk baterai ion litium harus menggunakan pengemasan vakum untuk mengurangi oksidasi permukaan foil tembaga dan mempertahankan sifat hidrofilisitas foil tembaga.