ما هي الخاصية المحبة للماء لرقاقة النحاس المستخدمة في بطاريات الليثيوم أيون؟

1. مفهوم رقائق النحاس

رقائق النحاس هي مادة كاثودية إلكتروليتية مصنوعة من النحاس ونسبة معينة من المعادن الأخرى. تُستخدم كموصل وهي مادة مهمة لتصنيع صفائح النحاس المغلفة (سي سي إل) ولوحات الدوائر المطبوعة (ثنائي الفينيل متعدد الكلور). تتميز رقائق النحاس بخصائص أكسجين سطحية منخفضة ويمكن ربطها بمختلف الركائز، مثل المعادن والمواد العازلة وما إلى ذلك، ولها نطاق درجة حرارة واسع. المعلومات الإلكترونية وبطاريات الليثيوم هي مجالات التطبيق الرئيسية لرقائق النحاس. بالمقارنة مع رقائق النحاس الإلكترونية، فإن رقائق النحاس لبطاريات الليثيوم لها متطلبات أداء أعلى.

2. تصنيف رقائق النحاس

لا تميز بطاريات الليثيوم بشكل عام إلا بين الرقائق الملفوفة والرقائق الكهروليتية. وفيما يلي مقارنة بين عملية إنتاج الرقائق الملفوفة والرقائق الكهروليتية.

3. متطلبات أداء رقائق النحاس لبطاريات الليثيوم أيون

رقاقة النحاس هي حامل للمواد النشطة للقطب السالب في بطاريات أيون الليثيوم. وهي أيضًا جامع وموصل للإلكترونات القطب السالب. لذلك، لها متطلبات تقنية خاصة، أي يجب أن تتمتع بموصلية كهربائية جيدة، ويمكن طلاء السطح بالتساوي بمادة القطب السالب دون أن يتساقط، ويجب أن تتمتع بمقاومة جيدة للتآكل.

المواد اللاصقة المستخدمة حاليًا بشكل شائع مثل بولي فينيل كلوريد وSBR وPAA وما إلى ذلك، لا تعتمد قوة ارتباطها فقط على الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمادة اللاصقة نفسها، بل لها أيضًا علاقة كبيرة بخصائص سطح رقاقة النحاس. عندما تكون قوة ارتباط الطلاء عالية بما يكفي، يمكن أن تمنع القطب السالب من التفتت والسقوط أثناء دورة الشحن، أو تقشير الركيزة بسبب التمدد والانكماش المفرط، مما يقلل من معدل الاحتفاظ بسعة الدورة. وعلى العكس من ذلك، إذا لم تكن قوة الارتباط عالية جدًا، فمع زيادة عدد الدورات، تزداد المقاومة الداخلية للبطارية بسبب التقشير الشديد للطلاء، ويزداد إضعاف سعة الدورة. وهذا يتطلب رقاقة نحاسية لبطاريات أيون الليثيوم لتكون محبة للماء جيدة.

4. مبدأ محبة الرقائق النحاسية للماء

كما نعلم جميعًا، فإن رقائق النحاس المدلفنة ورقائق النحاس الكهروليتية لا تختلفان تمامًا في طرق الإنتاج فحسب، بل والأهم من ذلك، أن هياكلهما المعدنية مختلفة تمامًا أيضًا. أظهرت الدراسات أن الذروة الرئيسية في نمط حيود حيود الأشعة السينية لرقائق النحاس الكهروليتية بسمك أقل من 12 ميكرومتر هي المستوى (111)، ويُظهر المستوى (311) اتجاهًا مفضلًا معينًا. مع زيادة سمك رقاقة النحاس، تقل شدة ذروة حيود المستوى (220) مع التحسين المستمر، تنخفض شدة حيود مستويات البلورة الأخرى تدريجيًا. عندما يصل سمك رقاقة النحاس إلى 21 ميكرومتر، يصل معامل نسيج مستوى البلورة (220) إلى 92٪. من الواضح أنه يكاد يكون من المستحيل الاعتماد ببساطة على عملية الإنتاج لتحقيق نفس أداء رقاقة النحاس المدلفنة.

يتكون الماء من ذرات هيدروجين وذرات أكسجين. السالبية الكهربية للهيدروجين هي 2.1 والسالبية الكهربية للأكسجين هي 3.5. لذلك فإن الرابطة أوه في جزيئات الماء قطبية للغاية. أظهرت التجارب أن الزاوية بين الرابطتين أوه في جزيء الماء هي 104°45'. عزم ثنائي القطب لجزيء الماء لا يساوي صفرًا، ولا يتطابق مركز الجاذبية ددددد للشحنة الموجبة مع مركز الجاذبية ددددد للشحنة السالبة، بحيث يكون أحد طرفي ذرة الهيدروجين مشحونًا إيجابيًا، ويكون طرف ذرة الأكسجين مشحونًا سلبًا، مما يُظهر قطبية قوية. جزيئات الماء هي جزيئات قطبية للغاية.

تتمتع الجزيئات القطبية بتقارب معين بسبب التجاذب الكهروستاتيكي المتبادل فيما بينها، لذا فإن المواد المكونة من جزيئات قطبية يجب أن يكون لها تقارب مع الماء. أي مادة لها تقارب مع الماء تسمى مادة محبة للماء. الأملاح المعدنية غير العضوية وأكاسيد المعادن كلها مواد ذات بنية قطبية. لديها تقارب قوي مع الماء، لذلك فهي كلها مواد محبة للماء.

البنية الجزيئية لبعض المواد متماثلة وبالتالي ليست قطبية. الجزيئات غير القطبية لها تقارب مع الجزيئات غير القطبية، ولكن ليس لها تقارب مع الجزيئات القطبية. هذا استنتاج قائم على مبدأ الذوبان المتبادل للمواد ذات البنية المتشابهة. المادة المكونة من جزيئات غير قطبية، والتي ليس لجزيئاتها تقارب مع جزيئات الماء، تسمى مادة كارهة للماء.

في الكيمياء العضوية، دددددددددد هو المصطلح العام للسوائل العضوية غير القطبية، لذلك يجب أن يكون للمواد الكارهة للماء خصائص محبة للدهون. يتم إدخال بعض المجموعات الوظيفية القطبية، مثل الهيدروكسيل (-أوه)، والأمينو (-الأمونيا)، والكربوكسيل (-مادة COOH)، والكربونيل (-COH)، والنيترو (-NO2)، وما إلى ذلك، في المواد الكارهة للماء لجعلها تتمتع بقطبية معينة وبالتالي محبة للماء. ما يسمى بالمحبة للماء هو وصف بسيط لتقارب المادة مع الماء؛ بالنسبة للمواد الصلبة، تسمى محبتها للماء عمومًا قابلية البلل.

فيما يتعلق بزاوية البلل، فإن زاوية التلامس θ بين المعدن والماء تكون عمومًا أقل من 90 درجة، لذا فكلما كان سطح رقاقة النحاس أكثر خشونة، كانت قابلية البلل أفضل؛ وعندما تكون θ>90 درجة، كلما كان السطح الصلب أكثر خشونة، كانت قابلية البلل أسوأ. ومع زيادة خشونة السطح، يصبح السطح القابل للبلل بسهولة أسهل في البلل، ويصبح السطح الصعب في البلل أكثر صعوبة في البلل.

5. معيار اختبار قابلية الرقائق النحاسية للماء

إن مصنعي بطاريات الليثيوم أيون يستخدمون اختبارًا بسيطًا للغاية لمدى قابلية الرقائق النحاسية الملفوفة للماء. فهم يستخدمون فقط فرشاة لفرك سطح الرقائق النحاسية بالماء النقي برفق لمراقبة ما إذا كان هناك أي تمزق في طبقة الماء.

6. العوامل المؤثرة على قابلية الرقائق النحاسية للتأين بالماء

6.1 العلاقة بين قابلية الرقائق النحاسية للماء وخشونة سطح الرقائق النحاسية ليست واضحة

6.2 ترتبط قابلية امتصاص الماء بالتركيب المعدني لرقاقة النحاس

يظهر المجهر الإلكتروني الماسح (محرك البحث الإلكتروني) أن رقاقة النحاس ذات القابلية الجيدة للماء لها حبيبات دقيقة وخشونة سطح منخفضة نسبيًا. تتمتع الرقاقة الخام ذات الخشونة السطحية المنخفضة بقابلية جيدة للماء بعد المعالجة السطحية. ويرجع هذا بشكل أساسي إلى أنه كلما كانت حبيبات الحبيبات الدقيقة لرقاقة النحاس الكهروليتية أدق، زادت مساحتها السطحية النوعية الحقيقية؛ وكلما زادت خشونة السطح، انخفضت مساحتها السطحية الحقيقية، مما يؤدي إلى انخفاض قابلية الرقاقة النحاسية للماء.

6.3 ترتبط قابلية الماء بحالة السطح وتفاعل رقاقة النحاس

إذا تم وضع رقاقة النحاس في الهواء لفترة طويلة، فسيتم امتصاص جزيئات الغاز غير القطبية N2 وO2 وCO2 الموجودة في الهواء على سطح المعدن، وبالتالي تغيير قابلية الترطيب لرقاقة النحاس. على سبيل المثال، بعد تعريض رقاقة نحاسية ذات قابلية ترطيب جيدة للهواء لمدة 90 دقيقة، تقل قابليتها للترطيب بشكل كبير. وذلك لأن الأسطح المعدنية ذات الطاقة السطحية النوعية العالية تبلل بسهولة بواسطة السوائل ذات التوتر السطحي المنخفض، لأن عملية البلل تقلل من الطاقة الحرة للنظام. تكون الطاقة السطحية النوعية لسطح المعدن الجديد أعلى (تبلغ الطاقة السطحية النوعية للنحاس حوالي 1.0 جول/م2، وتبلغ طاقة الألومنيوم والزنك حوالي 0.7-0.9 جول/م2)، ولكن إذا كان سطح رقاقة النحاس هو سطح رقاقة النحاس الإلكتروليتية الجديدة بشكل خاص عند تعرضها للهواء، فسوف تمتص العديد من جزيئات الغاز لتشكيل طبقة امتصاص جزيء واحد. إن وجود ضغط السطح يقلل بشكل كبير من قابلية ترطيب سطح رقاقة النحاس.

بالإضافة إلى جزيئات الغاز غير القطبية، قد يمتص سطح رقائق النحاس أيضًا الغبار والزيت العضوي في الهواء، مما يجعله أكثر كراهية للماء. لذلك، يجب أن تعتمد تغليف رقائق النحاس لبطاريات الليثيوم أيون على التغليف المفرغ من الهواء لتقليل أكسدة سطح رقائق النحاس والحفاظ على قابلية رقائق النحاس للماء.