Welche hydrophilen Eigenschaften hat 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 weist einen geringen Sauerstoffgehalt an der Oberfläche auf und kann an verschiedenen Substraten wie Metallen, Isoliermaterialien usw. angebracht werden. Außerdem verfügt sie über einen weiten Temperaturbereich. Elektronische Informationen und Lithiumbatterien sind die wichtigsten Anwendungsgebiete von Kupferfolie. Im Vergleich zu elektronischer Kupferfolie werden an Kupferfolie für Lithiumbatterien höhere Leistungsanforderungen gestellt.
2. Klassifizierung von Kupferfolie
Bei Lithiumbatterien wird im Allgemeinen nur zwischen Rollfolie und Elektrolytfolie unterschieden. Nachfolgend wird der Herstellungsprozess von Rollfolie und Elektrolytfolie verglichen.
3. Leistungsanforderungen an Kupferfolie für Lithium-Ionen-Batterien
Kupferfolie ist sowohl ein Träger für aktive Materialien der negativen Elektrode in Lithium-Ionen-Batterien. Sie ist auch der Kollektor und Leiter für Elektronen der negativen Elektrode. Daher gelten besondere technische Anforderungen, d. h. sie muss eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die Oberfläche muss gleichmäßig mit dem Material der negativen Elektrode beschichtet werden können, ohne abzufallen, und sie muss eine gute Korrosionsbeständigkeit aufweisen.
Die Bindungsstärke der derzeit häufig verwendeten Klebstoffe wie PVDF, SBR, PAA usw. hängt nicht nur von den physikalischen und chemischen Eigenschaften des Klebstoffs selbst ab, sondern steht auch in engem Zusammenhang mit den Oberflächeneigenschaften der Kupferfolie. Wenn die Bindungsstärke der Beschichtung hoch genug ist, kann sie verhindern, dass die negative Elektrode während des Ladezyklus pulverisiert und abfällt oder sich aufgrund übermäßiger Ausdehnung und Kontraktion vom Substrat ablöst, wodurch die Zykluskapazitätserhaltungsrate 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 Zykluskapazitätsdämpfung nimmt zu. Dies erfordert, dass die Kupferfolie für Lithium-Ionen-Batterien eine gute Hydrophilie aufweist.
4. Das Prinzip der Hydrophilie von Kupferfolie
Wie wir alle wissen, unterscheiden sich gewalzte Kupferfolie und elektrolytische Kupferfolie nicht nur in ihren Herstellungsverfahren völlig, sondern, was noch wichtiger ist, auch in ihren Metallstrukturen. Studien haben gezeigt, dass der Hauptpeak im XRD-Beugungsmuster von elektrolytischer Kupferfolie mit einer Dicke von weniger als 12 μm die (111)-Ebene ist und die (311)-Ebene eine bestimmte bevorzugte Orientierung aufweist. Mit zunehmender Dicke der Kupferfolie nimmt die Beugungsspitzenintensität der (220)-Ebene mit kontinuierlicher Verbesserung allmählich ab, während die Beugungsintensität anderer Kristallebenen allmählich abnimmt. Wenn die Dicke der Kupferfolie 21 μm erreicht, erreicht der Texturkoeffizient der (220)-Kristallebene 92 %. Offensichtlich ist es fast unmöglich, sich einfach auf den Produktionsprozess zu verlassen, um die gleiche Leistung wie bei der gewalzten Kupferfolie zu erzielen.
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 ungleich Null, und der "-Schwerpunkt" der positiven Ladung stimmt nicht mit dem "-Schwerpunkt" der negativen Ladung überein, sodass ein Ende des Wasserstoffatoms positiv geladen ist und das Ende des Sauerstoffatoms negativ geladen ist, was eine starke Polarität aufweist. Wassermoleküle sind sehr polare Moleküle.
Polare Moleküle haben aufgrund ihrer gegenseitigen elektrostatischen Anziehung eine gewisse Affinität zueinander. Substanzen, die aus polaren Molekülen bestehen, müssen also eine Affinität zu Wasser haben. Jede Substanz, die eine Affinität zu Wasser hat, wird als hydrophile Substanz bezeichnet. Anorganische Metallsalze und Metalloxide sind alles Substanzen mit einer polaren Struktur. Sie haben eine starke Affinität zu Wasser und sind daher 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. Diese Schlussfolgerung basiert auf dem Prinzip der gegenseitigen Auflösung von Substanzen mit ähnlicher Struktur. Eine Substanz aus unpolaren Molekülen, deren Moleküle keine Affinität zu Wassermolekülen haben, wird als hydrophobe Substanz bezeichnet.
In der organischen Chemie ist "oil" der allgemeine Begriff für unpolare organische Flüssigkeiten, daher müssen hydrophobe Substanzen lipophile Eigenschaften haben. Einige polare funktionelle Gruppen wie Hydroxyl (-OH), Amino (-NH2), Carboxyl (-COOH), Carbonyl (-COH), Nitro (-NO2) usw. werden in hydrophobe Substanzen eingeführt, um ihnen eine bestimmte Polarität und damit Hydrophilie zu verleihen. Die sogenannte Hydrophilie ist eine einfache Beschreibung der Affinität einer Substanz zu Wasser; bei festen Substanzen wird ihre Hydrophilie im Allgemeinen als Benetzbarkeit bezeichnet.
In Bezug auf den Benetzungswinkel beträgt der Kontaktwinkel θ zwischen Metall und Wasser im Allgemeinen weniger als 90°. Je rauer also die Oberfläche der Kupferfolie ist, desto besser ist die Benetzbarkeit. Bei θ>90° ist die Oberflächenbenetzbarkeit 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. Prüfnorm für Hydrophilie von Kupferfolie
Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien können die Hydrophilie von gerollter Kupferfolie ganz einfach testen. Sie verwenden lediglich eine Bürste, um sauberes Wasser sanft auf die Oberfläche der Kupferfolie zu streichen und zu beobachten, ob ein Wasserfilm reißt.
6. Faktoren, die die Hydrophilie von Kupferfolie beeinflussen
6.1 Die Beziehung zwischen der Hydrophilie von Kupferfolie und der Oberflächenrauheit von Kupferfolie ist nicht offensichtlich
6.2 Die Hydrophilie hängt mit der metallografischen Struktur der Kupferfolie zusammen
Rasterelektronenmikroskopie (SEM) 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 liegt hauptsächlich daran, dass die tatsächliche spezifische Oberfläche der elektrolytischen Kupferfolie umso größer ist, je feiner die Pelletkörner sind. Je größer die Oberflächenrauheit ist, desto geringer ist die tatsächliche Oberfläche, was zu einer Verringerung der Hydrophilie der Kupferfolie führt.
6.3 Die Hydrophilie hängt mit dem Oberflächenzustand und der Reaktion der Kupferfolie zusammen
Wenn die Kupferfolie längere Zeit der Luft ausgesetzt wird, werden die unpolaren Gasmoleküle N2, O2 und CO2 in der Luft auf der Metalloberfläche adsorbiert, wodurch die Hydrophilie der Kupferfolie verändert wird. Wenn beispielsweise eine Kupferfolie mit guter Hydrophilie 90 Minuten lang der Luft ausgesetzt wird, nimmt ihre Hydrophilie erheblich ab. Dies liegt daran, dass Metalloberflächen mit hoher spezifischer Oberflächenenergie leicht von Flüssigkeiten mit geringer 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 0,7–0,9 J/m2), aber wenn die Oberfläche der Kupferfolie, insbesondere die Oberfläche der neuen elektrolytischen Kupferfolie, der Luft ausgesetzt wird, adsorbiert sie viele Gasmoleküle und bildet eine Adsorptionsschicht mit einem einzigen Molekül. Das Vorhandensein von Oberflächendruck verringert die Benetzbarkeit der Kupferfolienoberfläche erheblich.
Neben unpolaren Gasmolekülen kann die Oberfläche der Kupferfolie auch Staub und organische Öle aus der Luft absorbieren, wodurch sie hydrophober wird. Daher muss die Verpackung der Kupferfolie für Lithium-Ionen-Batterien eine Vakuumverpackung verwenden, um die Oxidation der Kupferfolienoberfläche zu verringern und die Hydrophilie der Kupferfolie aufrechtzuerhalten.