Was ist die hydrophile Eigenschaft von Kupferfolie für Lithium-Ionen-Batterien?

1. Das Konzept der Kupferfolie


Kupferfolie ist ein Kathodenelektrolytmaterial aus Kupfer und einem bestimmten Anteil anderer Metalle. Es wird als Leiter verwendet und ist ein wichtiges Material für die Herstellung von kupferkaschierten Laminaten (CCL) und Leiterplatten (PCB). Kupferfolie hat niedrige Oberflächen-Sauerstoffeigenschaften und kann auf verschiedenen Substraten wie Metallen, Isoliermaterialien usw. angebracht werden und hat einen weiten Temperaturbereich. Elektronische Informationen und Lithiumbatterien sind die Hauptanwendungsgebiete von Kupferfolie. Im Vergleich zu elektronischer Kupferfolie stellt Lithiumbatterie-Kupferfolie höhere Leistungsanforderungen.



2. Klassifizierung der Kupferfolie


Lithiumbatterien unterscheiden im Allgemeinen nur zwischen gerollter Folie und Elektrolytfolie. Das Folgende ist ein Vergleich des Herstellungsprozesses von Walzfolie und Elektrolytfolie.



3. Leistungsanforderungen an Kupferfolie für Lithium-Ionen-Batterien

 

Kupferfolie ist sowohl Träger von aktiven Materialien mit negativer Elektrode in Lithiumionenbatterien. Es ist auch der Kollektor und Leiter von negativen Elektrodenelektronen. Daher hat es spezielle technische Anforderungen, das heißt, es muss eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die Oberfläche kann gleichmäßig mit dem negativen Elektrodenmaterial beschichtet werden, ohne herunterzufallen, und es muss eine gute Korrosionsbeständigkeit aufweisen.

 

Gegenwärtig häufig verwendete Klebstoffe wie PVDF, SBR, PAA usw. hängt ihre Haftfestigkeit nicht nur von den physikalischen und chemischen Eigenschaften des Klebstoffs selbst ab, sondern hat auch eine große Beziehung zu den Oberflächeneigenschaften der Kupferfolie. Wenn die Bindungsstärke der Beschichtung hoch genug ist, kann verhindert werden, dass die negative Elektrode während des Ladezyklus pulverisiert und abfällt oder sich das Substrat aufgrund übermäßiger Ausdehnung und Kontraktion ablöst, wodurch die Beibehaltungsrate der Zykluskapazität verringert wird. Wenn umgekehrt die Bindungsstärke nicht zu hoch ist, steigt mit zunehmender Anzahl von Zyklen der Innenwiderstand der Batterie aufgrund des starken Ablösens der Beschichtung und die Dämpfung der Zykluskapazität. Dies erfordert Kupferfolie, damit Lithium-Ionen-Batterien eine gute Hydrophilie aufweisen.


 

4. Das Prinzip der Hydrophilie von Kupferfolie

 

Wie wir alle wissen, unterscheiden sich gewalzte Kupferfolie und elektrolytische Kupferfolie nicht nur in ihren Produktionsmethoden vollständig, sondern vor allem auch in ihren Metallstrukturen. Studien haben gezeigt, dass der Hauptpeak im XRD-Beugungsmuster von elektrolytischer Kupferfolie mit einer Dicke von weniger als 12 um die (111) -Ebene ist und die (311) -Ebene eine bestimmte bevorzugte Orientierung zeigt. Mit zunehmender Dicke der Kupferfolie nimmt die Beugungspeakintensität der (220) -Ebene mit kontinuierlicher Verbesserung die Beugungsintensität anderer Kristallebenen allmählich ab. Wenn die Dicke der Kupferfolie 21 um erreicht, erreicht der Texturkoeffizient der (220) -Kristallebene 92%. Offensichtlich,

 

Wasser besteht aus Wasserstoffatomen und Sauerstoffatomen. Die Elektronegativität von Wasserstoff beträgt 2,1 und die Elektronegativität von Sauerstoff beträgt 3,5. Daher ist die OH-Bindung in Wassermolekülen sehr polar. Experimente zeigen, dass der Winkel zwischen den beiden OH-Bindungen im Wassermolekül 104 ° 45 'beträgt. Das Dipolmoment des Wassermoleküls ist nicht gleich Null, und der "Schwerpunkt" der positiven Ladung fällt nicht mit dem "Schwerpunkt" der negativen Ladung zusammen, so dass ein Ende des Wasserstoffatoms positiv geladen ist und das Ende des Sauerstoffatoms ist negativ geladen und zeigt eine starke Polarität. Wassermoleküle sind sehr polare Moleküle.

 

Polare Moleküle haben aufgrund ihrer gegenseitigen elektrostatischen Anziehung eine gewisse Affinität, daher müssen Substanzen, die aus polaren Molekülen bestehen, eine Affinität zu Wasser haben. Jede Substanz, die eine Affinität zu Wasser hat, wird als hydrophile Substanz bezeichnet. Anorganische Metallsalze und Metalloxide sind alle Substanzen mit einer polaren Struktur. Sie haben eine starke Affinität zu Wasser, daher sind sie alle hydrophile Substanzen.

 

Die Molekülstruktur einiger Substanzen ist symmetrisch und daher nicht polar. Unpolare Moleküle haben eine Affinität zu unpolaren Molekülen, aber keine Affinität zu polaren Molekülen. Dies ist eine Schlussfolgerung, die auf dem Prinzip der gegenseitigen Auflösung von Substanzen mit ähnlichen Strukturen beruht. Eine Substanz aus unpolaren Molekülen, deren Moleküle keine Affinität zu Wassermolekülen haben, wird als hydrophobe Substanz bezeichnet.

 

In der organischen Chemie ist "Öl" der allgemeine Begriff für unpolare organische Flüssigkeiten, daher müssen hydrophobe Substanzen lipophile Eigenschaften haben. Einige polare funktionelle Gruppen, wie Hydroxyl (-OH), Amino (-NH 2), Carboxyl (-COOH), Carbonyl (-COH), Nitro (-NO 2) usw., werden in hydrophobe Substanzen eingeführt, um sie zu einem a zu machen bestimmte Polarität und damit Hydrophilie. Die sogenannte Hydrophilie ist eine einfache Beschreibung der Affinität einer Substanz zu Wasser; Für feste Substanzen wird seine Hydrophilie allgemein als Benetzbarkeit bezeichnet.

 

In Bezug auf den Benetzungswinkel beträgt der Kontaktwinkel θ zwischen Metall und Wasser im Allgemeinen weniger als 90 °. Je rauer die Kupferfolienoberfläche ist, desto besser ist die Benetzbarkeit. Wenn θ> 90 ° ist, ist die Benetzbarkeit der Oberfläche umso schlechter, je rauer die feste Oberfläche ist. Mit zunehmender Oberflächenrauheit wird die leicht benetzbare Oberfläche leichter zu benetzen und die schwer zu benetzende Oberfläche wird schwieriger zu benetzen.

 

5. Teststandard für die Hydrophilie von Kupferfolie

 

Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien können die Hydrophilie von gewalzten Kupferfolien sehr einfach testen. Sie verwenden nur eine Bürste, um sanft reines Wasser auf die Oberfläche der Kupferfolie zu streichen, um festzustellen, ob ein Wasserfilmbruch vorliegt.

 

6. Faktoren, die die Hydrophilie der Kupferfolie beeinflussen


6.1 Der Zusammenhang zwischen der Hydrophilie der Kupferfolie und der Oberflächenrauheit der Kupferfolie ist nicht offensichtlich


6.2 Die Hydrophilie hängt mit der metallografischen Struktur der Kupferfolie zusammen


Rasterelektronenmikroskopie (REM) zeigt, dass Kupferfolie mit guter Hydrophilie feine Körner und eine relativ geringe Oberflächenrauheit aufweist. Die Rohfolie mit geringer Oberflächenrauheit weist nach der Oberflächenbehandlung eine gute Hydrophilie auf. Dies ist hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass je feiner die Pelletkörner der elektrolytischen Kupferfolie sind, desto größer ist ihre tatsächliche spezifische Oberfläche; und je größer die Oberflächenrauheit ist, desto geringer ist ihre reale Oberfläche, was zu einer Abnahme der Hydrophilie der Kupferfolie führt.

 

6.3 Die Hydrophilie hängt mit dem Oberflächenzustand und der Reaktion der Kupferfolie zusammen

 

Wenn die Kupferfolie längere Zeit in die Luft gelegt wird, werden die unpolaren Gasmoleküle N2, 02, CO2 in der Luft an der Metalloberfläche adsorbiert, wodurch sich die Hydrophilie der Kupferfolie ändert. Wenn beispielsweise eine Kupferfolie mit guter Hydrophilie 90 Minuten lang der Luft ausgesetzt wird, nimmt ihre Hydrophilie signifikant ab. Dies liegt daran, dass Metalloberflächen mit hoher spezifischer Oberflächenenergie leicht von Flüssigkeiten mit niedriger Oberflächenspannung benetzt werden, da der Benetzungsprozess die freie Energie des Systems verringert. Die spezifische Oberflächenenergie der neuen Metalloberfläche ist höher (die spezifische Oberflächenenergie von Kupfer beträgt etwa 1,0 J / m² und die von Aluminium und Zink etwa 0,7 bis 0,9 J / m²), wenn jedoch die Oberfläche der Kupferfolie ist insbesondere die Oberfläche der neuen elektrolytischen Kupferfolie Wenn sie der Luft ausgesetzt ist, es wird viele Gasmoleküle adsorbieren, um eine Einzelmoleküladsorptionsschicht zu bilden. Das Vorhandensein von Oberflächendruck verringert die Benetzbarkeit der Kupferfolienoberfläche erheblich.

 

Zusätzlich zu unpolaren Gasmolekülen kann die Oberfläche der Kupferfolie auch Staub und organisches Öl in der Luft absorbieren, wodurch sie hydrophober wird. Daher muss die Verpackung von Kupferfolie für Lithium-Ionen-Batterien eine Vakuumverpackung verwenden, um die Oxidation der Kupferfolienoberfläche zu verringern und die Hydrophilie der Kupferfolie aufrechtzuerhalten.


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