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. Il est utilisé comme conducteur et est un matériau important pour la fabrication de stratifiés plaqués de cuivre (CCL) et de cartes de circuits imprimés (PCB). La feuille de cuivre a de faibles caractéristiques d'oxygène de surface et peut être attachée à divers substrats, tels que des métaux, des matériaux isolants, etc., et a une large plage de températures. Les informations électroniques 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 de batterie au lithium a des exigences de performance plus élevées.

2. Classification de la feuille de cuivre

Les batteries au lithium ne font généralement la distinction qu'entre une feuille roulée et une feuille électrolytique. Ce qui suit est une comparaison du processus de production d'une feuille laminée et d'une feuille électrolytique.

3. Exigences de performance de la feuille de cuivre pour les batteries lithium-ion

La feuille de cuivre est à la fois un support de matériaux actifs d'électrode négative dans les batteries lithium-ion. C'est également le collecteur et le conducteur des électrons d'électrode négative. Par conséquent, il a des exigences techniques particulières, c'est-à-dire qu'il doit avoir une bonne conductivité électrique, que la surface peut être uniformément revêtue du matériau d'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., leur force de liaison dépend non seulement des propriétés physiques et chimiques de l'adhésif lui-même, mais 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, cela 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 expansion et d'une contraction excessives, réduisant 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 pelage important du revêtement, et l'atténuation de la capacité de cycle augmente. Cela nécessite une feuille de cuivre pour que les batteries lithium-ion aient une bonne hydrophilie.

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

Comme nous le savons tous, la feuille de cuivre laminée et la feuille de cuivre électrolytique 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 d'une feuille de cuivre électrolytique d'une épaisseur inférieure à 12 μm est le plan (111), et le plan (311) montre 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%. Évidemment,

L'eau est composée d'atomes d'hydrogène et d'atomes d'oxygène. L'électronégativité de l'hydrogène est de 2,1 et l'électronégativité de l'oxygène est de 3,5. Par conséquent, la liaison OH dans les molécules d'eau est très polaire. Des 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, montrant 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 ayant une affinité pour l'eau est appelée une substance hydrophile. Les sels minéraux métalliques et les oxydes métalliques sont tous des substances à structure polaire. Ils ont une forte affinité avec l'eau, ce sont donc tous 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. Il s'agit d'une conclusion basée sur le principe de la 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, «huile» est le terme général pour les liquides organiques non polaires, de sorte que les substances hydrophobes doivent avoir des propriétés lipophiles. Certains groupes fonctionnels polaires, tels que hydroxyle (-OH), amino (-NH2), carboxyle (-COOH), carbonyle (-COH), nitro (-NO2), etc., sont introduits dans des substances hydrophobes pour leur conférer un certaine Polarité et donc hydrophilie. La soi-disant hydrophilicité 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. Au fur et à mesure que la rugosité de la surface augmente, la surface facilement mouillable devient plus facile à mouiller et la surface dure à humide devient plus difficile à mouiller.

5. Norme d'essai pour l'hydrophilie de la feuille de cuivre

Les fabricants de batteries lithium-ion testent très simplement l'hydrophilie d'une feuille de cuivre laminée. Ils n'utilisent qu'une brosse pour brosser doucement de l'eau pure sur la surface de la feuille de cuivre pour 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 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 qu'une feuille de cuivre avec une bonne hydrophilie a des grains fins et une rugosité de surface relativement faible. La feuille brute avec une faible rugosité de surface a une bonne hydrophilie après traitement de surface. Ceci est principalement dû au fait que plus les grains de pastille 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 conduit à 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 de manière significative. En effet, les surfaces métalliques avec une énergie de surface spécifique élevée sont facilement mouillées par des liquides à faible tension de surface, 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 en particulier la surface de la nouvelle feuille de cuivre électrolytique Lorsqu'elle est exposée à l'air, il adsorbera de nombreuses molécules de gaz pour former une couche d'adsorption à molécule unique. La présence d'une 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 au 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.