Tính chất ưa nước của lá đồng dùng cho pin lithium-ion là gì?

1. Khái niệm về lá đồng

Lá đồng là vật liệu điện phân catốt được làm bằng đồng và một tỷ lệ nhất định các kim loại khác. Nó được sử dụng làm chất dẫn điện và là vật liệu quan trọng để sản xuất các tấm phủ đồng (CCL) và bảng mạch in (PCB). Lá đồng có đặc tính oxy bề mặt thấp và có thể được gắn vào nhiều loại chất nền khác nhau, chẳng hạn như kim loại, vật liệu cách điện, v.v. và có phạm vi nhiệt độ rộng. Thông tin điện tử và pin lithium là các lĩnh vực ứng dụng chính của lá đồng. So với lá đồng điện tử, lá đồng pin lithium có yêu cầu về hiệu suất cao hơn.

2. Phân loại lá đồng

Pin lithium thường chỉ phân biệt giữa lá cán và lá điện phân. Sau đây là so sánh về quy trình sản xuất lá cán và lá điện phân.

3. Yêu cầu về hiệu suất của lá đồng cho pin lithium-ion

Lá đồng vừa là vật mang vật liệu hoạt động điện cực âm trong pin lithium ion, vừa là vật thu và dẫn điện của điện cực âm. Do đó, nó có yêu cầu kỹ thuật đặc biệt, tức là phải có độ dẫn điện tốt, bề mặt có thể phủ đều vật liệu điện cực âm mà không bị rơi ra, và phải có khả năng chống ăn mòn tốt.

Các loại keo dán thông dụng hiện nay như PVDF, SBR, PAA, v.v., độ bền liên kết của chúng không chỉ phụ thuộc vào tính chất vật lý và hóa học của chính chất kết dính mà còn có mối quan hệ lớn với đặc điểm bề mặt của lá đồng. Khi độ bền liên kết của lớp phủ đủ cao, nó có thể ngăn điện cực âm bị bột hóa và rơi ra trong chu kỳ sạc hoặc bong ra khỏi chất nền do giãn nở và co lại quá mức, làm giảm tỷ lệ duy trì dung lượng chu kỳ. Ngược lại, nếu độ bền liên kết không quá cao, khi số chu kỳ tăng lên, điện trở bên trong của pin tăng do lớp phủ bị bong tróc nhiều và độ suy giảm dung lượng chu kỳ tăng lên. Điều này đòi hỏi lá đồng cho pin lithium ion phải có tính ưa nước tốt.

4. Nguyên lý về tính ưa nước của lá đồng

Như chúng ta đã biết, lá đồng cán và lá đồng điện phân không chỉ hoàn toàn khác nhau về phương pháp sản xuất mà quan trọng hơn là cấu trúc kim loại của chúng cũng hoàn toàn khác nhau. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng đỉnh chính trong mẫu nhiễu xạ XRD của lá đồng điện phân có độ dày dưới 12μm là mặt phẳng (111) và mặt phẳng (311) cho thấy một hướng ưu tiên nhất định. Khi độ dày của lá đồng tăng lên, cường độ đỉnh nhiễu xạ của mặt phẳng (220) Với sự cải tiến liên tục, cường độ nhiễu xạ của các mặt phẳng tinh thể khác giảm dần. Khi độ dày của lá đồng đạt 21μm, hệ số kết cấu của mặt phẳng tinh thể (220) đạt 92%. Rõ ràng, gần như không thể chỉ dựa vào quy trình sản xuất để đạt được hiệu suất tương tự như lá đồng cán.

Nước được tạo thành từ các nguyên tử hydro và nguyên tử oxy. Độ âm điện của hydro là 2,1 và độ âm điện của oxy là 3,5. Do đó, liên kết OH trong phân tử nước có tính phân cực rất cao. Các thí nghiệm cho thấy góc giữa hai liên kết OH trong phân tử nước là 104°45'. Mômen lưỡng cực của phân tử nước không bằng không và trọng tâm "ddhhh của điện tích dương không trùng với trọng tâm "ddhhh của điện tích âm, do đó một đầu của nguyên tử hydro mang điện tích dương, và đầu của nguyên tử oxy mang điện tích âm, thể hiện tính phân cực mạnh. Phân tử nước là phân tử có tính phân cực rất cao.

Các phân tử phân cực có ái lực nhất định do lực hút tĩnh điện lẫn nhau của chúng, vì vậy các chất được tạo thành từ các phân tử phân cực phải có ái lực với nước. Bất kỳ chất nào có ái lực với nước đều được gọi là chất ưa nước. Muối vô cơ kim loại và oxit kim loại đều là những chất có cấu trúc phân cực. Chúng có ái lực mạnh với nước, vì vậy chúng đều là những chất ưa nước.

Cấu trúc phân tử của một số chất là đối xứng và do đó không phân cực. Các phân tử không phân cực có ái lực với các phân tử không phân cực, nhưng không có ái lực với các phân tử phân cực. Đây là kết luận dựa trên nguyên lý hòa tan lẫn nhau của các chất có cấu trúc tương tự. Một chất bao gồm các phân tử không phân cực, có các phân tử không có ái lực với các phân tử nước, được gọi là chất kỵ nước.

Trong hóa học hữu cơ, "oild" là thuật ngữ chung cho các chất lỏng hữu cơ không phân cực, vì vậy các chất kỵ nước phải có tính chất ưa mỡ. Một số nhóm chức phân cực, chẳng hạn như hydroxyl (-OH), amino (-NH2), carboxyl (-COOH), carbonyl (-COH), nitro (-NO2), v.v., được đưa vào các chất kỵ nước để làm cho chúng có một độ phân cực nhất định và do đó có tính ưa nước. Cái gọi là tính ưa nước là một mô tả đơn giản về ái lực của một chất đối với nước; đối với các chất rắn, tính ưa nước của nó thường được gọi là khả năng thấm ướt.

Về góc làm ướt, góc tiếp xúc θ giữa kim loại và nước thường nhỏ hơn 90°, do đó bề mặt lá đồng càng nhám thì khả năng làm ướt càng tốt; khi θ>90°, bề mặt rắn càng nhám thì khả năng làm ướt bề mặt càng kém. Khi độ nhám bề mặt tăng, bề mặt dễ làm ướt trở nên dễ làm ướt hơn, và bề mặt khó làm ướt trở nên khó làm ướt hơn.

5. Tiêu chuẩn thử độ ưa nước của lá đồng

Các nhà sản xuất pin lithium-ion rất đơn giản để kiểm tra tính ưa nước của lá đồng cuộn. Họ chỉ dùng bàn chải nhẹ nhàng quét nước tinh khiết lên bề mặt lá đồng để quan sát xem có hiện tượng vỡ màng nước hay không.

6. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính ưa nước của lá đồng

6.1 Mối quan hệ giữa tính ưa nước của lá đồng và độ nhám bề mặt của lá đồng không rõ ràng

6.2 Tính ưa nước liên quan đến cấu trúc kim loại của lá đồng

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy lá đồng có độ ưa nước tốt có hạt mịn và độ nhám bề mặt tương đối thấp. Lá đồng thô có độ nhám bề mặt thấp có độ ưa nước tốt sau khi xử lý bề mặt. Điều này chủ yếu là do hạt viên của lá đồng điện phân càng mịn thì diện tích bề mặt riêng thực tế của nó càng lớn; và độ nhám bề mặt càng lớn thì diện tích bề mặt thực tế của nó càng thấp, dẫn đến độ ưa nước của lá đồng giảm.

6.3 Tính ưa nước liên quan đến trạng thái bề mặt và phản ứng của lá đồng

Nếu lá đồng được đặt trong không khí trong một thời gian dài, các phân tử khí không phân cực N2, 02, CO2 trong không khí sẽ được hấp phụ trên bề mặt kim loại, do đó làm thay đổi tính ưa nước của lá đồng. Ví dụ, sau khi phơi một lá đồng có tính ưa nước tốt ra không khí trong 90 phút, tính ưa nước của nó giảm đáng kể. Điều này là do bề mặt kim loại có năng lượng bề mặt riêng cao dễ bị ướt bởi các chất lỏng có sức căng bề mặt thấp, vì quá trình làm ướt làm giảm năng lượng tự do của hệ thống. Năng lượng bề mặt riêng của bề mặt kim loại mới cao hơn (năng lượng bề mặt riêng của đồng là khoảng 1,0 J / m2 và của nhôm và kẽm là khoảng 0,7-0,9 J / m2), nhưng nếu bề mặt của lá đồng đặc biệt là bề mặt của lá đồng điện phân mới Khi tiếp xúc với không khí, nó sẽ hấp thụ nhiều phân tử khí để tạo thành một lớp hấp phụ phân tử đơn. Sự hiện diện của áp suất bề mặt làm giảm đáng kể khả năng thấm ướt của bề mặt lá đồng.

Ngoài các phân tử khí không phân cực, bề mặt lá đồng cũng có thể hấp thụ bụi và dầu hữu cơ trong không khí, khiến nó trở nên kỵ nước hơn. Do đó, bao bì lá đồng cho pin lithium ion phải áp dụng bao bì chân không để giảm quá trình oxy hóa bề mặt lá đồng và duy trì tính ưa nước của lá đồng.