リチウムイオン電池用銅箔の親水性はどのようなものですか？

1. 銅箔の概念

銅箔は、銅と一定の割合の他の金属で作られた陰極電解材料です。導体として使用され、銅張積層板（CCL）とプリント基板（プリント基板）の製造に重要な材料です。銅箔は表面酸素が少ない特性があり、金属、絶縁材料などのさまざまな基板に貼り付けることができ、温度範囲が広いです。電子情報とリチウム電池は銅箔の主流の応用分野です。電子銅箔と比較して、リチウム電池銅箔はより高い性能要件を持っています。

2. 銅箔の分類

リチウム電池は一般的に圧延箔と電解箔のみを区別しています。以下は圧延箔と電解箔の製造工程の比較です。

3. リチウムイオン電池用銅箔の性能要件

銅箔はリチウムイオン電池の負極活物質のキャリアであり、負極電子のコレクターと導体でもあるため、優れた電気伝導性を持ち、表面に負極材料が剥がれずに均一に塗布でき、耐腐食性が優れているなど、特別な技術要件があります。

現在一般的に使用されているPVDF、ＳＢＲ、PAAなどの接着剤の接着強度は、接着剤自体の物理的および化学的性質に依存するだけでなく、銅箔の表面特性とも大きな関係があります。コーティングの接着強度が十分に高い場合、充電サイクル中に負極が粉になって脱落したり、過度の膨張と収縮により基板から剥がれたりして、サイクル容量保持率が低下するのを防ぐことができます。逆に、接着強度が高すぎない場合、サイクル数が増えるにつれて、コーティングの重度の剥離によりバッテリーの内部抵抗が増加し、サイクル容量の減衰が大きくなります。そのため、リチウムイオンバッテリー用の銅箔には優れた親水性が必要です。

4. 銅箔の親水性の原理

周知のように、圧延銅箔と電解銅箔は製造方法が全く異なるだけでなく、さらに重要なことに、金属構造も全く異なります。研究によれば、厚さ12μm未満の電解銅箔のXRD回折パターンにおける主ピークは（111）面であり、（311）面は一定の優先配向を示しています。銅箔の厚さが増すにつれ、（220）面の回折ピーク強度は向上し続け、他の結晶面の回折強度は徐々に低下します。銅箔の厚さが21μmに達すると、（220）結晶面の組織係数は92％に達します。明らかに、製造プロセスだけに頼って圧延銅箔と同じ性能を達成することはほぼ不可能です。

水は水素原子と酸素原子から構成されています。水素の電気陰性度は2.1、酸素の電気陰性度は3.5です。そのため、水分子のOH結合は非常に極性があります。実験では、水分子の2つのOH結合間の角度は104°45'であることが示されています。水分子の双極子モーメントはゼロではなく、"重心"正電荷は"重心"負電荷を帯びているため、水素原子の一方の端は正に帯電し、酸素原子の端は負に帯電し、強い極性を示します。水分子は非常に極性のある分子です。

極性分子は相互の静電引力により一定の親和性を持つため、極性分子で構成された物質は必ず水に対して親和性を持ちます。水に対して親和性を持つ物質は親水性物質と呼ばれます。金属無機塩や金属酸化物はすべて極性構造を持つ物質です。これらは水に対して強い親和性を持つため、すべて親水性物質です。

一部の物質の分子構造は対称的であるため、極性がありません。非極性分子は非極性分子に対して親和性がありますが、極性分子に対しては親和性がありません。これは、同様の構造を持つ物質の相互溶解の原理に基づく結論です。分子が水分子に対して親和性を持たない非極性分子で構成された物質は、疎水性物質と呼ばれます。

有機化学では、"油"は非極性有機液体の総称であるため、疎水性物質は親油性を持つ必要があります。ヒドロキシル (-おお)、アミノ (-NH2)、カルボキシル (-COOH)、カルボニル (-COH)、ニトロ (-NO2) などの極性官能基が疎水性物質に導入され、特定の極性、つまり親水性を持たせます。いわゆる親水性は、物質の水に対する親和性の簡単な説明です。固体物質の場合、その親水性は一般に濡れ性と呼ばれます。

濡れ角に関しては、金属と水との接触角θは一般的に90°未満であるため、銅箔の表面が粗いほど濡れ性は良くなります。θが>90°の場合、固体表面が粗いほど、表面の濡れ性は悪くなります。表面粗さが大きくなるにつれて、濡れやすい表面は濡れやすくなり、濡れにくい表面は濡れにくくなります。

5. 銅箔の親水性試験規格

リチウムイオン電池メーカーは、圧延銅箔の親水性をテストする方法が非常に簡単です。ブラシを使用して銅箔の表面に純水を軽く塗り、水膜の破裂があるかどうかを観察するだけです。

6. 銅箔の親水性に影響を与える要因

6.1 銅箔の親水性と銅箔の表面粗さの関係は明らかではない

6.2 親水性は銅箔の金属組織構造と関係がある

走査型電子顕微鏡（検索エンジン最適化）で見ると、親水性に優れた銅箔は粒子が細かく、表面粗さが比較的低いことがわかります。表面粗さの低い生箔は、表面処理後も親水性に優れています。これは主に、電解銅箔の粒子が細かいほど実比表面積が大きくなり、表面粗さが大きいほど実表面積が小さくなり、銅箔の親水性が低下するためです。

6.3 親水性は銅箔の表面状態と反応に関係する

銅箔を長時間空気中に置くと、空気中の非極性ガス分子N2、O2、CO2が金属表面に吸着し、銅箔の親水性が変化します。例えば、親水性の良い銅箔を90分間空気中にさらすと、親水性が大幅に低下します。これは、比表面エネルギーの高い金属表面が表面張力の低い液体に濡れやすいためで、濡れる過程で系の自由エネルギーが減少するからです。新しい金属表面の比表面エネルギーは高くなります（銅の比表面エネルギーは約1.0 J/m2、アルミニウムと亜鉛の比表面エネルギーは約0.7〜0.9 J/m2）が、特に新しい電解銅箔の表面が空気中にさらされると、多くのガス分子を吸着して単一分子吸着層を形成します。表面圧力の存在は銅箔表面の濡れ性を大幅に低下させます。

銅箔の表面は、非極性ガス分子のほか、空気中の埃や有機油も吸収し、疎水性が増します。そのため、リチウムイオン電池用銅箔の包装では、銅箔表面の酸化を抑え、銅箔の親水性を維持するために、真空包装を採用する必要があります。