คุณสมบัติชอบน้ำของแผ่นทองแดงสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคืออะไร

1. แนวคิดของแผ่นทองแดง

แผ่นทองแดงเป็นวัสดุอิเล็กโทรไลต์แคโทดที่ทำจากทองแดงและโลหะอื่นๆ ในสัดส่วนหนึ่ง ใช้เป็นตัวนำและเป็นวัสดุสำคัญสำหรับการผลิตแผ่นลามิเนตเคลือบทองแดง (ซีซีแอล) และแผงวงจรพิมพ์ (พีซีบี) แผ่นทองแดงมีคุณสมบัติออกซิเจนบนพื้นผิวต่ำและสามารถติดกับพื้นผิวต่างๆ เช่น โลหะ วัสดุฉนวน ฯลฯ และมีช่วงอุณหภูมิที่กว้าง ข้อมูลอิเล็กทรอนิกส์และแบตเตอรี่ลิเธียมเป็นสาขาการใช้งานหลักของแผ่นทองแดง เมื่อเปรียบเทียบกับแผ่นทองแดงอิเล็กทรอนิกส์ แผ่นทองแดงแบตเตอรี่ลิเธียมมีข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพที่สูงกว่า

2. การจำแนกประเภทของแผ่นทองแดง

โดยทั่วไปแบตเตอรี่ลิเธียมจะแยกความแตกต่างระหว่างฟอยล์ม้วนและฟอยล์อิเล็กโทรไลต์เท่านั้น ต่อไปนี้คือการเปรียบเทียบกระบวนการผลิตฟอยล์ม้วนและฟอยล์อิเล็กโทรไลต์

3. ข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพของแผ่นทองแดงสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

แผ่นทองแดงเป็นทั้งตัวพาของวัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน นอกจากนี้ยังเป็นตัวรวบรวมและตัวนำอิเล็กตรอนของอิเล็กโทรดเชิงลบ ดังนั้นจึงมีข้อกำหนดทางเทคนิคพิเศษ นั่นคือ ต้องมีสภาพนำไฟฟ้าที่ดี สามารถเคลือบพื้นผิวด้วยวัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบได้อย่างสม่ำเสมอโดยไม่หลุดออก และต้องมีความต้านทานการกัดกร่อนที่ดี

กาวที่ใช้กันทั่วไปในปัจจุบัน เช่น พีวีดีเอฟ, เอสบีอาร์, พีเอเอ เป็นต้น ความแข็งแรงในการยึดติดของกาวเหล่านี้ไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของกาวเท่านั้น แต่ยังมีความสัมพันธ์ที่ดีกับลักษณะพื้นผิวของแผ่นทองแดงอีกด้วย เมื่อความแข็งแรงในการยึดติดของสารเคลือบสูงเพียงพอ ก็สามารถป้องกันไม่ให้ขั้วลบเป็นผงและหลุดออกระหว่างรอบการชาร์จ หรือหลุดลอกออกจากพื้นผิวเนื่องจากการขยายตัวและหดตัวมากเกินไป ทำให้ลดอัตราการเก็บรักษาความจุของรอบการทำงาน ในทางกลับกัน หากความแข็งแรงในการยึดติดไม่สูงเกินไป เมื่อจำนวนรอบการทำงานเพิ่มขึ้น ความต้านทานภายในของแบตเตอรี่จะเพิ่มขึ้นเนื่องจากการลอกออกของสารเคลือบอย่างหนัก และการลดทอนความจุของรอบการทำงานจะเพิ่มขึ้น ซึ่งต้องใช้แผ่นทองแดงเพื่อให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีคุณสมบัติในการดูดซับน้ำได้ดี

4. หลักการอุ้มน้ำของแผ่นทองแดง

อย่างที่เราทราบกันดีอยู่แล้วว่าแผ่นทองแดงม้วนและแผ่นทองแดงอิเล็กโทรไลต์นั้นไม่เพียงแค่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงในวิธีการผลิตเท่านั้น แต่ที่สำคัญกว่านั้นก็คือโครงสร้างโลหะของทั้งสองแผ่นยังแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงอีกด้วย การศึกษาวิจัยแสดงให้เห็นว่าจุดสูงสุดหลักในรูปแบบการเลี้ยวเบน เอ็กซ์อาร์ดี ของแผ่นทองแดงอิเล็กโทรไลต์ที่มีความหนาน้อยกว่า 12μm คือระนาบ (111) และระนาบ (311) จะแสดงทิศทางที่ต้องการ เมื่อความหนาของแผ่นทองแดงเพิ่มขึ้น ความเข้มของการเลี้ยวเบนของระนาบ (220) จะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ความเข้มของการเลี้ยวเบนของระนาบผลึกอื่นๆ ก็ค่อยๆ ลดลง เมื่อความหนาของแผ่นทองแดงถึง 21μm ค่าสัมประสิทธิ์เนื้อสัมผัสของระนาบผลึก (220) จะถึง 92% เห็นได้ชัดว่าแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะพึ่งพากระบวนการผลิตเพียงอย่างเดียวเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพเดียวกันกับแผ่นทองแดงม้วน

น้ำประกอบด้วยอะตอมไฮโดรเจนและอะตอมออกซิเจน ค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตี้ของไฮโดรเจนคือ 2.1 และค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตี้ของออกซิเจนคือ 3.5 ดังนั้นพันธะ โอ้ ในโมเลกุลน้ำจึงมีขั้วมาก การทดลองแสดงให้เห็นว่ามุมระหว่างพันธะ โอ้ ทั้งสองในโมเลกุลน้ำคือ 104°45' โมเมนต์ไดโพลของโมเลกุลน้ำไม่เท่ากับศูนย์ และจุดศูนย์ถ่วงของประจุบวกไม่ตรงกับจุดศูนย์ถ่วงของประจุลบ ดังนั้นปลายด้านหนึ่งของอะตอมไฮโดรเจนจึงมีประจุบวก และปลายด้านหนึ่งของอะตอมออกซิเจนจะมีประจุลบ แสดงให้เห็นขั้วที่รุนแรง โมเลกุลของน้ำเป็นโมเลกุลที่มีขั้วมาก

โมเลกุลที่มีขั้วจะมีแรงดึงดูดระหว่างกันเนื่องจากแรงดึงดูดไฟฟ้าสถิต ดังนั้นสารที่ประกอบด้วยโมเลกุลที่มีขั้วจะต้องมีแรงดึงดูดต่อน้ำ สารใดๆ ก็ตามที่มีแรงดึงดูดต่อน้ำเรียกว่าสารที่ชอบน้ำ เกลืออนินทรีย์ของโลหะและออกไซด์ของโลหะล้วนเป็นสารที่มีโครงสร้างขั้ว พวกมันมีแรงดึงดูดต่อน้ำมาก ดังนั้นจึงเป็นสารที่ชอบน้ำทั้งหมด

โครงสร้างโมเลกุลของสารบางชนิดสมมาตร จึงไม่มีลักษณะเป็นขั้ว โมเลกุลที่ไม่มีขั้วจะมีความสัมพันธ์กับโมเลกุลที่ไม่มีขั้ว แต่ไม่มีความสัมพันธ์กับโมเลกุลที่มีขั้ว ข้อสรุปนี้มาจากหลักการละลายซึ่งกันและกันของสารที่มีโครงสร้างคล้ายคลึงกัน สารที่ประกอบด้วยโมเลกุลที่ไม่มีขั้ว ซึ่งโมเลกุลของโมเลกุลเหล่านี้ไม่มีความสัมพันธ์กับโมเลกุลของน้ำ เรียกว่า สารไม่ชอบน้ำ

ในเคมีอินทรีย์ ddhhhhhhน้ำมันd" เป็นคำทั่วไปสำหรับของเหลวอินทรีย์ที่ไม่มีขั้ว ดังนั้นสารที่ไม่ชอบน้ำจะต้องมีคุณสมบัติชอบไขมัน กลุ่มฟังก์ชันที่มีขั้วบางกลุ่ม เช่น ไฮดรอกซิล (-โอ้) อะมิโน (-เอ็นเอช2) คาร์บอกซิล (-โคโอเอช) คาร์บอนิล (-ซีโอเอช) ไนโตร (-หมายเลข 2) เป็นต้น จะถูกใส่เข้าไปในสารที่ไม่ชอบน้ำเพื่อให้มีขั้วที่แน่นอนและมีคุณสมบัติชอบน้ำ สิ่งที่เรียกว่าคุณสมบัติชอบน้ำเป็นคำอธิบายง่ายๆ ของความสัมพันธ์ระหว่างสารกับน้ำ สำหรับสารที่เป็นของแข็ง คุณสมบัติชอบน้ำมักเรียกว่าความสามารถในการเปียกน้ำ

เมื่อพิจารณาจากมุมเปียก มุมสัมผัส θ ระหว่างโลหะกับน้ำโดยทั่วไปจะน้อยกว่า 90° ดังนั้น พื้นผิวแผ่นทองแดงที่หยาบขึ้น ความสามารถในการเปียกน้ำก็จะดีขึ้น เมื่อ θ>90° พื้นผิวแข็งที่หยาบขึ้น ความสามารถในการเปียกน้ำของพื้นผิวก็จะแย่ลง เมื่อความหยาบของพื้นผิวเพิ่มขึ้น พื้นผิวที่เปียกน้ำได้ง่ายก็จะเปียกน้ำได้ง่ายขึ้น และพื้นผิวที่เปียกน้ำได้ยากก็จะเปียกน้ำได้ยากขึ้น

5. มาตรฐานการทดสอบคุณสมบัติชอบน้ำของแผ่นทองแดง

ผู้ผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสามารถทดสอบคุณสมบัติการดูดซับน้ำของแผ่นทองแดงม้วนได้อย่างง่ายดาย พวกเขาใช้เพียงแปรงปัดน้ำบริสุทธิ์เบาๆ บนพื้นผิวของแผ่นทองแดงเพื่อสังเกตว่ามีฟิล์มน้ำแตกหรือไม่

6. ปัจจัยที่มีผลต่อคุณสมบัติการดูดซับน้ำของแผ่นทองแดง

6.1 ความสัมพันธ์ระหว่างคุณสมบัติชอบน้ำของแผ่นทองแดงและความหยาบผิวของแผ่นทองแดงยังไม่ชัดเจน

6.2 ความชอบน้ำสัมพันธ์กับโครงสร้างโลหะวิทยาของแผ่นทองแดง

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (เอสอีเอ็ม) แสดงให้เห็นว่าแผ่นทองแดงที่มีคุณสมบัติชอบน้ำได้ดีจะมีเม็ดละเอียดและมีความหยาบผิวค่อนข้างต่ำ แผ่นทองแดงดิบที่มีความหยาบผิวต่ำจะมีคุณสมบัติชอบน้ำที่ดีหลังจากผ่านการอบชุบพื้นผิวแล้ว ซึ่งสาเหตุหลักมาจากเม็ดเม็ดละเอียดของแผ่นทองแดงอิเล็กโทรไลต์ยิ่งละเอียดมากเท่าไร พื้นที่ผิวเฉพาะจริงของแผ่นทองแดงก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น และยิ่งความหยาบผิวมากเท่าไร พื้นที่ผิวจริงของแผ่นทองแดงก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น ซึ่งส่งผลให้คุณสมบัติชอบน้ำของแผ่นทองแดงลดลง

6.3 ความชอบน้ำสัมพันธ์กับสถานะพื้นผิวและปฏิกิริยาของแผ่นทองแดง

หากวางแผ่นทองแดงไว้ในอากาศเป็นเวลานาน โมเลกุลของก๊าซที่ไม่มีขั้ว N2, 02, คาร์บอนไดออกไซด์ ในอากาศจะถูกดูดซับบนพื้นผิวโลหะ ทำให้คุณสมบัติการดูดซับน้ำของแผ่นทองแดงเปลี่ยนไป ตัวอย่างเช่น หลังจากสัมผัสกับแผ่นทองแดงที่มีคุณสมบัติการดูดซับน้ำได้ดีในอากาศเป็นเวลา 90 นาที คุณสมบัติการดูดซับน้ำจะลดลงอย่างมาก เนื่องจากพื้นผิวโลหะที่มีพลังงานพื้นผิวจำเพาะสูงจะเปียกได้ง่ายจากของเหลวที่มีแรงตึงผิวต่ำ เนื่องจากกระบวนการทำให้เปียกจะลดพลังงานอิสระของระบบ พลังงานพื้นผิวจำเพาะของพื้นผิวโลหะใหม่จะสูงขึ้น (พลังงานพื้นผิวจำเพาะของทองแดงอยู่ที่ประมาณ 1.0 J/m2 และของอลูมิเนียมและสังกะสีอยู่ที่ประมาณ 0.7-0.9 J/m2) แต่หากพื้นผิวของแผ่นทองแดงเป็นพื้นผิวของแผ่นทองแดงอิเล็กโทรไลต์ใหม่โดยเฉพาะ เมื่อสัมผัสกับอากาศ จะดูดซับโมเลกุลของก๊าซจำนวนมากเพื่อสร้างชั้นการดูดซับโมเลกุลเดียว การมีแรงดันบนพื้นผิวช่วยลดความสามารถในการเปียกของพื้นผิวแผ่นทองแดงได้อย่างมาก

นอกจากโมเลกุลของก๊าซที่ไม่มีขั้วแล้ว พื้นผิวของแผ่นทองแดงยังอาจดูดซับฝุ่นและน้ำมันอินทรีย์ในอากาศ ทำให้มีคุณสมบัติไม่ชอบน้ำมากขึ้น ดังนั้น บรรจุภัณฑ์ของแผ่นทองแดงสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจึงต้องใช้วิธีการบรรจุสูญญากาศเพื่อลดการเกิดออกซิเดชันบนพื้นผิวแผ่นทองแดงและรักษาคุณสมบัติชอบน้ำของแผ่นทองแดง