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

1. مفهوم رقائق النحاس

رقائق النحاس عبارة عن مادة كاثودية إلكتروليتية مصنوعة من النحاس ونسبة معينة من المعادن الأخرى. يتم استخدامه كموصل وهو مادة مهمة لتصنيع شرائح النحاس المكسوة (سي سي إل) ولوحات الدوائر المطبوعة (ثنائي الفينيل متعدد الكلور). تتميز رقائق النحاس بخصائص أكسجين سطحية منخفضة ويمكن ربطها بعدة ركائز، مثل المعادن والمواد العازلة وما إلى ذلك، ولها نطاق واسع من درجات الحرارة. المعلومات الإلكترونية وبطاريات الليثيوم هي مجالات التطبيق الرئيسية لرقائق النحاس. بالمقارنة مع رقائق النحاس الإلكترونية، فإن رقائق النحاس لبطارية الليثيوم لديها متطلبات أداء أعلى.

2. تصنيف رقائق النحاس

تميز بطاريات الليثيوم بشكل عام فقط بين الرقائق المدرفلة والرقائق الكهربائية. فيما يلي مقارنة بين عملية إنتاج الرقائق المدرفلة والرقائق الكهربائية.

3. متطلبات أداء رقائق النحاس لبطاريات الليثيوم أيون

تعتبر رقائق النحاس بمثابة حامل للمواد النشطة ذات القطب السالب في بطاريات أيونات الليثيوم. وهو أيضًا جامع وموصل لإلكترونات القطب السالب. لذلك، لديها متطلبات فنية خاصة، أي أنه يجب أن يكون لديها موصلية كهربائية جيدة، ويمكن طلاء السطح بالتساوي بمادة القطب السالب دون السقوط، ويجب أن تتمتع بمقاومة جيدة للتآكل.

المواد اللاصقة شائعة الاستخدام حاليًا مثل بولي فينيل كلوريد، وSBR، وPAA، وما إلى ذلك، لا تعتمد قوة الترابط الخاصة بها على الخواص الفيزيائية والكيميائية للمادة اللاصقة نفسها فحسب، بل لها أيضًا علاقة كبيرة بالخصائص السطحية لرقائق النحاس. عندما تكون قوة ربط الطلاء عالية بما فيه الكفاية، يمكن أن تمنع القطب السالب من المسحوق والسقوط أثناء دورة الشحن، أو تقشير الركيزة بسبب التوسع والانكماش المفرط، مما يقلل من معدل الاحتفاظ بقدرة الدورة. على العكس من ذلك، إذا لم تكن قوة الرابطة عالية جدًا، مع زيادة عدد الدورات، تزداد المقاومة الداخلية للبطارية بسبب التقشير الشديد للطلاء، ويزداد توهين سعة الدورة. وهذا يتطلب رقائق النحاس لبطاريات الليثيوم أيون لتكون محبة للماء بشكل جيد.

4. مبدأ المحبة للماء لرقائق النحاس

كما نعلم جميعًا، فإن رقائق النحاس المدرفلة ورقائق النحاس المُحلل كهربائيًا لا تختلف تمامًا في طرق الإنتاج فحسب، بل الأهم من ذلك أن هياكلها المعدنية مختلفة تمامًا أيضًا. أظهرت الدراسات أن الذروة الرئيسية في نمط حيود حيود الأشعة السينية لرقائق النحاس الإلكتروليتية بسماكة أقل من 12 ميكرومتر هي المستوى (111)، ويظهر المستوى (311) اتجاهًا مفضلاً معينًا. مع زيادة سمك رقائق النحاس، فإن شدة الحيود القصوى للمستوى (220) مع التحسين المستمر، تنخفض شدة الحيود للمستويات البلورية الأخرى تدريجياً. عندما يصل سمك رقائق النحاس إلى 21μm، يصل معامل نسيج المستوى البلوري (220) إلى 92%. من الواضح أنه يكاد يكون من المستحيل الاعتماد ببساطة على عملية الإنتاج لتحقيق نفس أداء رقائق النحاس المدرفلة.

يتكون الماء من ذرات الهيدروجين وذرات الأكسجين. السالبية الكهربية للهيدروجين 2.1 والسالبية الكهربية للأكسجين 3.5. ولذلك، فإن الرابطة أوه في جزيئات الماء قطبية للغاية. أظهرت التجارب أن الزاوية بين رابطتي أوه في جزيء الماء هي 104°45'. عزم ثنائي القطب لجزيء الماء لا يساوي الصفر، و"مركز الثقل"من الشحنة الموجبة لا يتزامن مع"مركز الثقل"من الشحنة السالبة، بحيث يكون أحد طرفي ذرة الهيدروجين مشحونًا بشكل إيجابي، ونهاية ذرة الأكسجين مشحونة سالبًا، مما يظهر قطبية قوية. جزيئات الماء هي جزيئات قطبية للغاية.

تتمتع الجزيئات القطبية بألفة معينة بسبب تجاذبها الكهروستاتيكي المتبادل، لذلك يجب أن يكون للمواد المكونة من الجزيئات القطبية ألفة تجاه الماء. أي مادة لها علاقة بالماء تسمى مادة محبة للماء. الأملاح المعدنية غير العضوية وأكاسيد المعادن كلها مواد ذات بنية قطبية. لديهم صلة قوية مع الماء، لذلك فهي جميعها مواد محبة للماء.

التركيب الجزيئي لبعض المواد متماثل وبالتالي ليس قطبيًا. الجزيئات غير القطبية لها ألفة للجزيئات غير القطبية، ولكن ليس لها ألفة للجزيئات القطبية. يعتمد هذا الاستنتاج على مبدأ الذوبان المتبادل للمواد ذات الهياكل المماثلة. تسمى المادة المكونة من جزيئات غير قطبية، والتي ليس لجزيئاتها أي صلة بجزيئات الماء، مادة كارهة للماء.

في الكيمياء العضوية،"زيت"هو المصطلح العام للسوائل العضوية غير القطبية، لذلك يجب أن تحتوي المواد الكارهة للماء على 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 مواد كارهة للماء لجعلها تمتلك قطبية معينة وبالتالي محبة للماء. إن ما يسمى بالمحبة للماء هو وصف بسيط لألفة مادة ما مع الماء؛ بالنسبة للمواد الصلبة، تسمى محبتها للماء عمومًا قابلية التبلل.

فيما يتعلق بزاوية الترطيب، تكون زاوية التلامس θ بين المعدن والماء بشكل عام أقل من 90 درجة، وبالتالي كلما كان سطح رقائق النحاس أكثر خشونة، كانت قابلية البلل أفضل؛ عندما θ>90 درجة، كلما كان السطح الصلب أكثر خشونة، كلما كانت قابلية بلل السطح أسوأ. مع زيادة خشونة السطح، يصبح السطح القابل للبلل بسهولة أسهل في التبلل، ويصبح السطح الصلب المبتل أكثر صعوبة في التبلل.

5. معيار اختبار محبة الماء لرقائق النحاس

من السهل جدًا على الشركات المصنعة لبطاريات الليثيوم أيون اختبار قابلية الماء لرقائق النحاس المدرفلة. إنهم يستخدمون فقط فرشاة لتنظيف الماء النقي بلطف على سطح رقائق النحاس لمراقبة ما إذا كان هناك أي تمزق في طبقة الماء.

6. العوامل المؤثرة على محبة الماء لرقائق النحاس

6.1 العلاقة بين محبة الماء لرقائق النحاس وخشونة سطح رقائق النحاس ليست واضحة

6.2 ترتبط المحبة للماء بالبنية المعدنية لرقائق النحاس

يُظهر المجهر الإلكتروني الماسح (محرك البحث الإلكتروني) أن رقائق النحاس ذات محبة الماء الجيدة تحتوي على حبيبات دقيقة وخشونة سطحية منخفضة نسبيًا. تتمتع الرقاقة الخام ذات خشونة السطح المنخفضة بقدرة جيدة على مقاومة الماء بعد معالجة السطح. ويرجع ذلك أساسًا إلى أنه كلما كانت حبيبات رقائق النحاس المُحلل كهربائيًا أدق، زادت مساحة سطحها المحددة الحقيقية؛ وكلما زادت خشونة السطح، انخفضت مساحة سطحه الحقيقية، مما يؤدي إلى انخفاض محبة الماء لرقائق النحاس.

6.3 ترتبط المحبة للماء بالحالة السطحية وتفاعل رقائق النحاس

إذا تم وضع رقائق النحاس في الهواء لفترة طويلة، فسيتم امتصاص جزيئات الغاز غير القطبية N2، 02، ثاني أكسيد الكربون الموجودة في الهواء على السطح المعدني، وبالتالي تغيير محبة الماء لرقائق النحاس. على سبيل المثال، بعد تعريض رقاقة نحاس ذات محبة جيدة للماء للهواء لمدة 90 دقيقة، تنخفض محبتها للماء بشكل ملحوظ. وذلك لأن الأسطح المعدنية ذات الطاقة السطحية النوعية العالية يتم ترطيبها بسهولة بالسوائل ذات التوتر السطحي المنخفض، لأن عملية الترطيب تقلل من الطاقة الحرة للنظام. الطاقة السطحية النوعية للسطح المعدني الجديد أعلى (الطاقة السطحية النوعية للنحاس تبلغ حوالي 1.0 جول/م2، والطاقة السطحية النوعية للألمنيوم والزنك حوالي 0.7-0.9 جول/م2)، ولكن إذا كان سطح رقائق النحاس خاصة سطح رقائق النحاس الإلكتروليتية الجديدة عند تعرضها للهواء، فإنها ستمتص العديد من جزيئات الغاز لتشكل طبقة امتصاص جزيء واحد. إن وجود الضغط السطحي يقلل بشكل كبير من قابلية بلل سطح رقائق النحاس.

بالإضافة إلى جزيئات الغاز غير القطبية، قد يمتص سطح رقائق النحاس أيضًا الغبار والزيت العضوي الموجود في الهواء، مما يجعله أكثر كارهة للماء. لذلك، يجب أن تعتمد عبوات رقائق النحاس لبطاريات الليثيوم أيون على عبوات مفرغة لتقليل أكسدة سطح رقائق النحاس والحفاظ على محبة الماء لرقائق النحاس.