Lityum iyon piller için bakır folyonun hidrofilik özelliği nedir?

1. Bakır folyo kavramı

Bakır folyo, bakır ve belirli oranda diğer metallerden yapılmış bir katot elektrolitik malzemesidir. İletken olarak kullanılır ve bakır kaplı laminatların (CCL) ve baskılı devre kartlarının (PCB) imalatında önemli bir malzemedir. Bakır folyonun düşük yüzey oksijen özellikleri vardır ve metaller, yalıtım malzemeleri vb. gibi çeşitli alt tabakalara tutturulabilir ve geniş bir sıcaklık aralığına sahiptir. Elektronik bilgi ve lityum piller bakır folyonun ana uygulama alanlarıdır. Elektronik bakır folyo ile karşılaştırıldığında, lityum pil bakır folyosunun daha yüksek performans gereksinimleri vardır.

2. Bakır folyonun sınıflandırılması

Lityum piller genellikle sadece rulo folyo ile elektrolitik folyo arasında ayrım yapar. Aşağıda rulo folyo ve elektrolitik folyonun üretim sürecinin karşılaştırması yer almaktadır.

3. Lityum iyon piller için bakır folyonun performans gereksinimleri

Bakır folyo, lityum iyon pillerde hem negatif elektrot aktif maddelerinin taşıyıcısıdır. Aynı zamanda negatif elektrot elektronlarının toplayıcısı ve iletkenidir. Bu nedenle, özel teknik gereksinimleri vardır, yani iyi bir elektrik iletkenliğine sahip olmalı, yüzey düşmeden negatif elektrot malzemesiyle eşit şekilde kaplanabilmeli ve iyi bir korozyon direncine sahip olmalıdır.

Günümüzde yaygın olarak kullanılan PVDF, SBR, PAA vb. yapıştırıcıların bağlanma mukavemeti yalnızca yapıştırıcının fiziksel ve kimyasal özelliklerine bağlı olmakla kalmaz, aynı zamanda bakır folyonun yüzey özellikleriyle de büyük bir ilişkiye sahiptir. Kaplamanın bağlanma mukavemeti yeterince yüksek olduğunda, negatif elektrodun şarj döngüsü sırasında toz haline gelip düşmesini veya aşırı genleşme ve büzülme nedeniyle alt tabakadan soyulmasını önleyebilir ve bu da döngü kapasitesi tutma oranını azaltır. Tersine, bağlanma mukavemeti çok yüksek değilse, döngü sayısı arttıkça, kaplamanın ağır soyulması nedeniyle pilin iç direnci artar ve döngü kapasitesi zayıflaması artar. Bu, lityum iyon piller için bakır folyonun iyi hidrofilikliğe sahip olmasını gerektirir.

4. Bakır folyonun hidrofilite ilkesi

Hepimizin bildiği gibi, haddelenmiş bakır folyo ve elektrolitik bakır folyo sadece üretim yöntemleri açısından tamamen farklı olmakla kalmaz, daha da önemlisi, metal yapıları da tamamen farklıdır. Çalışmalar, 12 μm'den daha az kalınlığa sahip elektrolitik bakır folyonun XRD kırınım desenindeki ana tepe noktasının (111) düzlemi olduğunu ve (311) düzleminin belirli bir tercih edilen yönelimi gösterdiğini göstermiştir. Bakır folyonun kalınlığının artmasıyla, (220) düzleminin kırınım tepe yoğunluğu Sürekli iyileştirme ile, diğer kristal düzlemlerinin kırınım yoğunluğu kademeli olarak azalır. Bakır folyonun kalınlığı 21 μm'ye ulaştığında, (220) kristal düzleminin doku katsayısı %92'ye ulaşır. Açıkçası, haddelenmiş bakır folyo ile aynı performansı elde etmek için sadece üretim sürecine güvenmek neredeyse imkansızdır.

Su, hidrojen atomları ve oksijen atomlarından oluşur. Hidrojenin elektronegatifliği 2,1 ve oksijenin elektronegatifliği 3,5'tir. Bu nedenle, su moleküllerindeki OH bağı çok polardır. Deneyler, su molekülündeki iki OH bağı arasındaki açının 104°45' olduğunu göstermektedir. Su molekülünün dipol momenti sıfıra eşit değildir ve pozitif yükün "ağırlık merkezi" negatif yükün "ağırlık merkezi" ile çakışmaz, böylece hidrojen atomunun bir ucu pozitif yüklüdür ve oksijen atomunun ucu negatif yüklüdür, bu da güçlü polarite gösterir. Su molekülleri çok polar moleküllerdir.

Polar moleküller, karşılıklı elektrostatik çekimleri nedeniyle belirli bir yakınlığa sahiptir, bu nedenle polar moleküllerden oluşan maddelerin suya karşı bir yakınlığı olmalıdır. Suya karşı yakınlığı olan herhangi bir maddeye hidrofilik madde denir. Metal inorganik tuzlar ve metal oksitler, polar yapıya sahip maddelerdir. Suyla güçlü bir yakınlığa sahiptirler, bu nedenle hepsi hidrofilik maddelerdir.

Bazı maddelerin moleküler yapısı simetriktir ve bu nedenle polar değildir. Polar olmayan moleküller polar olmayan moleküllere karşı afiniteye sahiptir ancak polar moleküllere karşı afinitesi yoktur. Bu, benzer yapılara sahip maddelerin karşılıklı çözünmesi ilkesine dayanan bir sonuçtur. Su moleküllerine karşı afinitesi olmayan, polar olmayan moleküllerden oluşan bir maddeye hidrofobik madde denir.

Organik kimyada, "oil" polar olmayan organik sıvılar için genel bir terimdir, bu nedenle hidrofobik maddeler lipofilik özelliklere sahip olmalıdır. Hidroksil (-OH), amino (-NH2), karboksil (-COOH), karbonil (-COH), nitro (-NO2) vb. gibi bazı polar fonksiyonel gruplar, belirli bir Polariteye ve dolayısıyla hidrofilisiteye sahip olmalarını sağlamak için hidrofobik maddelere sokulur. Sözde hidrofilisite, bir maddenin suya olan afinitesinin basit bir tanımıdır; katı maddeler için hidrofilisitesine genellikle ıslanabilirlik denir.

Islatma açısına gelince, metal ve su arasındaki temas açısı θ genellikle 90°'den azdır, bu yüzden bakır folyo yüzeyi ne kadar pürüzlüyse ıslatılabilirlik o kadar iyidir; θ>90° olduğunda, katı yüzey ne kadar pürüzlüyse yüzey ıslatılabilirliği o kadar kötüdür. Yüzey pürüzlülüğü arttıkça, kolayca ıslatılabilen yüzeyin ıslatılması kolaylaşır ve ıslatılması zor yüzeyin ıslatılması daha zor hale gelir.

5. Bakır folyonun hidrofilitesi için test standardı

Lityum iyon pil üreticileri, haddelenmiş bakır folyonun hidrofilikliğini test etmek için çok basittir. Sadece bakır folyonun yüzeyine saf suyu nazikçe sürmek için bir fırça kullanırlar ve su filmi kopması olup olmadığını gözlemlerler.

6. Bakır folyonun hidrofilitesini etkileyen faktörler

6.1 Bakır folyonun hidrofilitesi ile bakır folyonun yüzey pürüzlülüğü arasındaki ilişki belirgin değildir

6.2 Hidrofilite, bakır folyonun metalografik yapısıyla ilgilidir

Taramalı elektron mikroskobu (SEM), iyi hidrofilisiteye sahip bakır folyonun ince taneciklere ve nispeten düşük yüzey pürüzlülüğüne sahip olduğunu gösterir. Düşük yüzey pürüzlülüğüne sahip ham folyo, yüzey işleminden sonra iyi hidrofilisiteye sahiptir. Bunun başlıca nedeni, elektrolitik bakır folyonun pelet tanecikleri ne kadar ince olursa, gerçek özgül yüzey alanının o kadar büyük olmasıdır; ve yüzey pürüzlülüğü ne kadar büyük olursa, gerçek yüzey alanının o kadar düşük olması, bu da bakır folyonun hidrofilisitesinde bir azalmaya yol açar.

6.3 Hidrofilite, bakır folyonun yüzey durumu ve reaksiyonu ile ilgilidir

Bakır folyo uzun süre havaya maruz bırakılırsa, havadaki polar olmayan gaz molekülleri N2, 02, CO2 metal yüzeye adsorbe olur ve böylece bakır folyonun hidrofilisitesi değişir. Örneğin, iyi hidrofilisiteye sahip bir bakır folyoyu 90 dakika havaya maruz bıraktıktan sonra hidrofilisitesi önemli ölçüde azalır. Bunun nedeni, yüksek özgül yüzey enerjisine sahip metal yüzeylerin düşük yüzey gerilimine sahip sıvılar tarafından kolayca ıslatılmasıdır, çünkü ıslatma işlemi sistemin serbest enerjisini azaltır. Yeni metal yüzeyin özgül yüzey enerjisi daha yüksektir (bakırın özgül yüzey enerjisi yaklaşık 1,0 J/m2, alüminyum ve çinkonunki ise yaklaşık 0,7-0,9 J/m2'dir), ancak bakır folyonun yüzeyi özellikle yeni elektrolitik bakır folyonun yüzeyi ise Havaya maruz kaldığında, tek bir molekül adsorpsiyon tabakası oluşturmak için birçok gaz molekülünü adsorbe edecektir. Yüzey basıncının varlığı, bakır folyo yüzeyinin ıslanabilirliğini önemli ölçüde azaltır.

Kutupsuz gaz moleküllerine ek olarak, bakır folyonun yüzeyi havadaki tozu ve organik yağı da emebilir ve bu da onu daha hidrofobik hale getirir. Bu nedenle, lityum iyon piller için bakır folyonun paketlenmesi, bakır folyo yüzeyinin oksidasyonunu azaltmak ve bakır folyonun hidrofilikliğini korumak için vakumlu paketlemeyi benimsemelidir.