Quelle est la propriété hydrophile de la feuille de cuivre pour les batteries lithium-ion ?

1. Le concept de feuille de cuivre

La feuille de cuivre est un matériau électrolytique cathodique composé de cuivre et d'une certaine proportion d'autres métaux. Elle est utilisée comme conducteur et constitue un matériau important pour la fabrication de stratifiés plaqués de cuivre (CCL) et de circuits imprimés (PCB). La feuille de cuivre présente des caractéristiques de faible teneur en oxygène de surface et peut être fixée à divers substrats, tels que des métaux, des matériaux isolants, etc., et présente une large plage de températures. L'information électronique et les batteries au lithium sont les principaux domaines d'application de la feuille de cuivre. Par rapport à la feuille de cuivre électronique, la feuille de cuivre pour batterie au lithium a des exigences de performance plus élevées.

2. Classification des feuilles de cuivre

En règle générale, les batteries au lithium ne font la distinction qu'entre les feuilles laminées et les feuilles électrolytiques. Voici une comparaison du processus de production des feuilles laminées et des feuilles électrolytiques.

3. Exigences de performance des feuilles de cuivre pour batteries lithium-ion

La feuille de cuivre est à la fois un support des matériaux actifs de l'électrode négative dans les batteries lithium-ion. C'est également le collecteur et le conducteur des électrons de l'électrode négative. Par conséquent, elle a des exigences techniques particulières, c'est-à-dire qu'elle doit avoir une bonne conductivité électrique, que la surface peut être recouverte uniformément du matériau de l'électrode négative sans tomber et qu'elle doit avoir une bonne résistance à la corrosion.

Les adhésifs couramment utilisés actuellement tels que le PVDF, le SBR, le PAA, etc., ont une force de liaison qui dépend non seulement des propriétés physiques et chimiques de l'adhésif lui-même, mais qui a également une grande relation avec les caractéristiques de surface de la feuille de cuivre. Lorsque la force de liaison du revêtement est suffisamment élevée, elle peut empêcher l'électrode négative de se poudrer et de tomber pendant le cycle de charge, ou de se décoller du substrat en raison d'une dilatation et d'une contraction excessives, réduisant ainsi le taux de rétention de la capacité du cycle. Inversement, si la force de liaison n'est pas trop élevée, à mesure que le nombre de cycles augmente, la résistance interne de la batterie augmente en raison du fort décollement du revêtement et l'atténuation de la capacité du cycle augmente. Cela nécessite une feuille de cuivre pour les batteries lithium-ion pour avoir une bonne hydrophilie.

4. Le principe d'hydrophilie de la feuille de cuivre

Comme nous le savons tous, les feuilles de cuivre laminées et les feuilles de cuivre électrolytiques sont non seulement complètement différentes dans les méthodes de production, mais plus important encore, leurs structures métalliques sont également complètement différentes. Des études ont montré que le pic principal du diagramme de diffraction XRD des feuilles de cuivre électrolytiques d'une épaisseur inférieure à 12 µm est le plan (111) et que le plan (311) présente une certaine orientation préférée. Avec l'augmentation de l'épaisseur de la feuille de cuivre, l'intensité du pic de diffraction du plan (220) Avec une amélioration continue, l'intensité de diffraction des autres plans cristallins diminue progressivement. Lorsque l'épaisseur de la feuille de cuivre atteint 21 µm, le coefficient de texture du plan cristallin (220) atteint 92 %. De toute évidence, il est presque impossible de se fier simplement au processus de production pour obtenir les mêmes performances que la feuille de cuivre laminée.

L'eau est composée d'atomes d'hydrogène et d'atomes d'oxygène. L'électronégativité de l'hydrogène est de 2,1 et celle de l'oxygène de 3,5. Par conséquent, la liaison OH dans les molécules d'eau est très polaire. Les expériences montrent que l'angle entre les deux liaisons OH dans la molécule d'eau est de 104°45'. Le moment dipolaire de la molécule d'eau n'est pas égal à zéro et le centre de gravité de la charge positive ne coïncide pas avec le centre de gravité de la charge négative, de sorte qu'une extrémité de l'atome d'hydrogène est chargée positivement et l'extrémité de l'atome d'oxygène est chargée négativement, ce qui montre une forte polarité. Les molécules d'eau sont des molécules très polaires.

Les molécules polaires ont une certaine affinité en raison de leur attraction électrostatique mutuelle, de sorte que les substances composées de molécules polaires doivent avoir une affinité pour l'eau. Toute substance qui a une affinité pour l'eau est appelée substance hydrophile. Les sels inorganiques métalliques et les oxydes métalliques sont toutes des substances à structure polaire. Ils ont une forte affinité avec l'eau, ce sont donc toutes des substances hydrophiles.

La structure moléculaire de certaines substances est symétrique et donc non polaire. Les molécules non polaires ont une affinité pour les molécules non polaires, mais n'ont aucune affinité pour les molécules polaires. Cette conclusion est basée sur le principe de dissolution mutuelle de substances ayant des structures similaires. Une substance composée de molécules non polaires, dont les molécules n'ont aucune affinité pour les molécules d'eau, est appelée substance hydrophobe.

En chimie organique, "oil" est le terme général pour les liquides organiques non polaires, les substances hydrophobes doivent donc avoir des propriétés lipophiles. Certains groupes fonctionnels polaires, tels que l'hydroxyle (-OH), l'amino (-NH2), le carboxyle (-COOH), le carbonyle (-COH), le nitro (-NO2), etc., sont introduits dans les substances hydrophobes pour leur donner une certaine polarité et donc une certaine hydrophilie. L'hydrophilie est une simple description de l'affinité d'une substance pour l'eau ; pour les substances solides, son hydrophilie est généralement appelée mouillabilité.

En ce qui concerne l'angle de mouillage, l'angle de contact θ entre le métal et l'eau est généralement inférieur à 90°, donc plus la surface de la feuille de cuivre est rugueuse, meilleure est la mouillabilité ; lorsque θ>90°, plus la surface solide est rugueuse, plus la mouillabilité de la surface est mauvaise. À mesure que la rugosité de la surface augmente, la surface facilement mouillable devient plus facile à mouiller, et la surface difficile à mouiller devient plus difficile à mouiller.

5. Norme d'essai pour l'hydrophilie des feuilles de cuivre

Les fabricants de batteries lithium-ion testent très simplement l'hydrophilie des feuilles de cuivre laminées. Ils utilisent simplement une brosse pour appliquer doucement de l'eau pure sur la surface de la feuille de cuivre afin d'observer s'il y a une rupture du film d'eau.

6. Facteurs affectant l'hydrophilie de la feuille de cuivre

6.1 La relation entre l'hydrophilie de la feuille de cuivre et la rugosité de la surface de la feuille de cuivre n'est pas évidente

6.2 L'hydrophilie est liée à la structure métallographique de la feuille de cuivre

La microscopie électronique à balayage (MEB) montre que les feuilles de cuivre ayant une bonne hydrophilie ont des grains fins et une rugosité de surface relativement faible. Les feuilles brutes ayant une faible rugosité de surface ont une bonne hydrophilie après traitement de surface. Cela est principalement dû au fait que plus les grains des pastilles de la feuille de cuivre électrolytique sont fins, plus sa surface spécifique réelle est grande ; et plus la rugosité de surface est grande, plus sa surface réelle est faible, ce qui entraîne une diminution de l'hydrophilie de la feuille de cuivre.

6.3 L'hydrophilie est liée à l'état de surface et à la réaction de la feuille de cuivre

Si la feuille de cuivre est placée dans l'air pendant une longue période, les molécules de gaz non polaires N2, 02, CO2 dans l'air seront adsorbées sur la surface métallique, modifiant ainsi l'hydrophilie de la feuille de cuivre. Par exemple, après avoir exposé une feuille de cuivre avec une bonne hydrophilie à l'air pendant 90 minutes, son hydrophilie diminue considérablement. En effet, les surfaces métalliques à énergie de surface spécifique élevée sont facilement mouillées par des liquides à faible tension superficielle, car le processus de mouillage réduit l'énergie libre du système. L'énergie de surface spécifique de la nouvelle surface métallique est plus élevée (l'énergie de surface spécifique du cuivre est d'environ 1,0 J/m2, et celle de l'aluminium et du zinc est d'environ 0,7-0,9 J/m2), mais si la surface de la feuille de cuivre est particulièrement la surface de la nouvelle feuille de cuivre électrolytique Lorsqu'elle est exposée à l'air, elle adsorbera de nombreuses molécules de gaz pour former une couche d'adsorption à molécule unique. La présence de pression de surface réduit considérablement la mouillabilité de la surface de la feuille de cuivre.

En plus des molécules de gaz non polaires, la surface de la feuille de cuivre peut également absorber la poussière et l'huile organique dans l'air, ce qui la rend plus hydrophobe. Par conséquent, l'emballage de la feuille de cuivre pour les batteries lithium-ion doit adopter un emballage sous vide pour réduire l'oxydation de la surface de la feuille de cuivre et maintenir l'hydrophilie de la feuille de cuivre.