लिथियम-आयन बैटरी के लिए तांबे की पन्नी का हाइड्रोफिलिक गुण क्या है?

1. तांबे की पन्नी की अवधारणा

कॉपर फ़ॉइल एक कैथोड इलेक्ट्रोलाइटिक सामग्री है जो तांबे और अन्य धातुओं के एक निश्चित अनुपात से बनी होती है। इसका उपयोग कंडक्टर के रूप में किया जाता है और यह कॉपर क्लैड लेमिनेट (सीसीएल) और प्रिंटेड सर्किट बोर्ड (पीसीबी) के निर्माण के लिए एक महत्वपूर्ण सामग्री है। कॉपर फ़ॉइल में कम सतह ऑक्सीजन विशेषताएँ होती हैं और इसे विभिन्न सब्सट्रेट, जैसे धातु, इन्सुलेट सामग्री, आदि से जोड़ा जा सकता है, और इसमें एक विस्तृत तापमान सीमा होती है। इलेक्ट्रॉनिक सूचना और लिथियम बैटरी कॉपर फ़ॉइल के मुख्यधारा के अनुप्रयोग क्षेत्र हैं। इलेक्ट्रॉनिक कॉपर फ़ॉइल की तुलना में, लिथियम बैटरी कॉपर फ़ॉइल में उच्च प्रदर्शन आवश्यकताएँ होती हैं।

2. तांबे की पन्नी का वर्गीकरण

लिथियम बैटरी में आम तौर पर केवल रोल्ड फ़ॉइल और इलेक्ट्रोलाइटिक फ़ॉइल के बीच अंतर होता है। नीचे रोल्ड फ़ॉइल और इलेक्ट्रोलाइटिक फ़ॉइल की उत्पादन प्रक्रिया की तुलना दी गई है।

3. लिथियम-आयन बैटरी के लिए कॉपर फ़ॉइल की प्रदर्शन आवश्यकताएं

कॉपर फ़ॉइल लिथियम आयन बैटरी में नेगेटिव इलेक्ट्रोड सक्रिय सामग्री का वाहक है। यह नेगेटिव इलेक्ट्रोड इलेक्ट्रॉनों का कलेक्टर और कंडक्टर भी है। इसलिए, इसकी विशेष तकनीकी आवश्यकताएं हैं, यानी इसमें अच्छी विद्युत चालकता होनी चाहिए, सतह को बिना गिरे नेगेटिव इलेक्ट्रोड सामग्री के साथ समान रूप से लेपित किया जा सकता है, और इसमें अच्छा संक्षारण प्रतिरोध होना चाहिए।

वर्तमान में आमतौर पर इस्तेमाल किए जाने वाले चिपकने वाले पदार्थ जैसे कि पीवीडीएफ, एसबीआर, पीएए, आदि, उनकी बंधन शक्ति न केवल चिपकने वाले के भौतिक और रासायनिक गुणों पर निर्भर करती है, बल्कि तांबे की पन्नी की सतह विशेषताओं के साथ भी बहुत अच्छा संबंध रखती है। जब कोटिंग की बंधन शक्ति काफी अधिक होती है, तो यह चार्जिंग चक्र के दौरान नकारात्मक इलेक्ट्रोड को पाउडरिंग और गिरने से रोक सकती है, या अत्यधिक विस्तार और संकुचन के कारण सब्सट्रेट को छीलने से रोक सकती है, जिससे चक्र क्षमता प्रतिधारण दर कम हो जाती है। इसके विपरीत, यदि बंधन शक्ति बहुत अधिक नहीं है, तो जैसे-जैसे चक्रों की संख्या बढ़ती है, कोटिंग के भारी छीलने के कारण बैटरी का आंतरिक प्रतिरोध बढ़ता है, और चक्र क्षमता क्षीणन बढ़ता है। इसके लिए लिथियम आयन बैटरी के लिए तांबे की पन्नी में अच्छी हाइड्रोफिलिसिटी होनी चाहिए।

4. तांबे की पन्नी की हाइड्रोफिलिसिटी का सिद्धांत

जैसा कि हम सभी जानते हैं, रोल्ड कॉपर फ़ॉइल और इलेक्ट्रोलाइटिक कॉपर फ़ॉइल न केवल उत्पादन विधियों में पूरी तरह से भिन्न हैं, बल्कि इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि उनकी धातु संरचनाएं भी पूरी तरह से अलग हैं। अध्ययनों से पता चला है कि 12μm से कम मोटाई वाले इलेक्ट्रोलाइटिक कॉपर फ़ॉइल के एक्सआरडी विवर्तन पैटर्न में मुख्य शिखर (111) तल है, और (311) तल एक निश्चित पसंदीदा अभिविन्यास दिखाता है। कॉपर फ़ॉइल की मोटाई में वृद्धि के साथ, (220) तल की विवर्तन शिखर तीव्रता निरंतर सुधार के साथ, अन्य क्रिस्टल विमानों की विवर्तन तीव्रता धीरे-धीरे कम हो जाती है। जब कॉपर फ़ॉइल की मोटाई 21μm तक पहुँच जाती है, तो (220) क्रिस्टल तल का बनावट गुणांक 92% तक पहुँच जाता है

पानी हाइड्रोजन परमाणुओं और ऑक्सीजन परमाणुओं से बना है। हाइड्रोजन की विद्युत-ऋणात्मकता 2.1 है और ऑक्सीजन की विद्युत-ऋणात्मकता 3.5 है। इसलिए, पानी के अणुओं में ओह बंधन बहुत ध्रुवीय है। प्रयोगों से पता चलता है कि पानी के अणु में दो ओह बंधों के बीच का कोण 104°45' है। पानी के अणु का द्विध्रुवीय क्षण शून्य के बराबर नहीं है, और धनात्मक आवेश का "गुरुत्वाकर्षण केंद्र" ऋणात्मक आवेश के "गुरुत्वाकर्षण केंद्र" के साथ मेल नहीं खाता है, जिससे हाइड्रोजन परमाणु का एक छोर धनात्मक रूप से आवेशित होता है, और ऑक्सीजन परमाणु का छोर ऋणात्मक रूप से आवेशित होता है, जो मजबूत ध्रुवीयता दर्शाता है। पानी के अणु बहुत ध्रुवीय अणु होते हैं।

ध्रुवीय अणुओं में उनके पारस्परिक इलेक्ट्रोस्टैटिक आकर्षण के कारण एक निश्चित आत्मीयता होती है, इसलिए ध्रुवीय अणुओं से बने पदार्थों में पानी के प्रति आत्मीयता होनी चाहिए। कोई भी पदार्थ जिसमें पानी के प्रति आत्मीयता होती है उसे हाइड्रोफिलिक पदार्थ कहा जाता है। धातु अकार्बनिक लवण और धातु ऑक्साइड सभी ध्रुवीय संरचना वाले पदार्थ हैं। इनका पानी के साथ एक मजबूत आत्मीयता है, इसलिए वे सभी हाइड्रोफिलिक पदार्थ हैं।

कुछ पदार्थों की आणविक संरचना सममित होती है और इसलिए ध्रुवीय नहीं होती। गैर-ध्रुवीय अणुओं में गैर-ध्रुवीय अणुओं के लिए आत्मीयता होती है, लेकिन ध्रुवीय अणुओं के लिए कोई आत्मीयता नहीं होती। यह निष्कर्ष समान संरचना वाले पदार्थों के आपसी विघटन के सिद्धांत पर आधारित है। गैर-ध्रुवीय अणुओं से बना एक पदार्थ, जिसके अणुओं में पानी के अणुओं के लिए कोई आत्मीयता नहीं होती, उसे हाइड्रोफोबिक पदार्थ कहा जाता है।

कार्बनिक रसायन विज्ञान में, dddhhहोइल्ड" गैर-ध्रुवीय कार्बनिक तरल पदार्थों के लिए सामान्य शब्द है, इसलिए हाइड्रोफोबिक पदार्थों में लिपोफिलिक गुण होने चाहिए। कुछ ध्रुवीय कार्यात्मक समूह, जैसे हाइड्रॉक्सिल (-ओह), एमिनो (-एनएच2), कार्बोक्सिल (-सीओओएच), कार्बोनिल (-सीओएच), नाइट्रो (-नं2), आदि को हाइड्रोफोबिक पदार्थों में पेश किया जाता है ताकि उन्हें एक निश्चित ध्रुवीयता और इसलिए हाइड्रोफिलिसिटी मिल सके। तथाकथित हाइड्रोफिलिसिटी पानी के लिए एक पदार्थ की आत्मीयता का एक सरल वर्णन है; ठोस पदार्थों के लिए, इसकी हाइड्रोफिलिसिटी को आम तौर पर गीलापन कहा जाता है।

गीलेपन के कोण के बारे में, धातु और पानी के बीच संपर्क कोण θ आम तौर पर 90 डिग्री से कम होता है, इसलिए तांबे की पन्नी की सतह जितनी खुरदरी होगी, उतनी ही बेहतर गीलापन होगा; जब θ>90 डिग्री होता है, तो ठोस सतह जितनी खुरदरी होगी, सतह की गीलापन उतनी ही खराब होगी। जैसे-जैसे सतह खुरदरापन बढ़ता है, आसानी से गीला होने वाली सतह को गीला करना आसान हो जाता है, और गीला करने के लिए कठोर सतह को गीला करना अधिक कठिन हो जाता है।

5. तांबे की पन्नी की हाइड्रोफिलिसिटी के लिए परीक्षण मानक

लिथियम-आयन बैटरी निर्माता रोल्ड कॉपर फ़ॉइल की हाइड्रोफिलिसिटी का परीक्षण बहुत सरलता से करते हैं। वे केवल ब्रश का उपयोग करके कॉपर फ़ॉइल की सतह पर धीरे से शुद्ध पानी लगाते हैं ताकि यह देखा जा सके कि कहीं पानी की फिल्म टूटी तो नहीं है।

6. तांबे की पन्नी की हाइड्रोफिलिसिटी को प्रभावित करने वाले कारक

6.1 तांबे की पन्नी की हाइड्रोफिलिसिटी और तांबे की पन्नी की सतह खुरदरापन के बीच संबंध स्पष्ट नहीं है

6.2 हाइड्रोफिलिसिटी तांबे की पन्नी की धातुविज्ञान संरचना से संबंधित है

स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) से पता चलता है कि अच्छी हाइड्रोफिलिसिटी वाली कॉपर फ़ॉइल में बारीक दाने होते हैं और अपेक्षाकृत कम सतह खुरदरापन होता है। कम सतह खुरदरापन वाली कच्ची फ़ॉइल में सतह उपचार के बाद अच्छी हाइड्रोफिलिसिटी होती है। यह मुख्य रूप से इसलिए होता है क्योंकि इलेक्ट्रोलाइटिक कॉपर फ़ॉइल के पेलेट दाने जितने महीन होते हैं, उसका वास्तविक विशिष्ट सतह क्षेत्र उतना ही बड़ा होता है; और सतह खुरदरापन जितना बड़ा होता है, उसका वास्तविक सतह क्षेत्र उतना ही कम होता है, जिससे कॉपर फ़ॉइल की हाइड्रोफिलिसिटी में कमी आती है।

6.3 हाइड्रोफिलिसिटी तांबे की पन्नी की सतह की स्थिति और प्रतिक्रिया से संबंधित है

यदि तांबे की पन्नी को लंबे समय तक हवा में रखा जाता है, तो हवा में गैर-ध्रुवीय गैस अणु N2, 02, सीओ 2 धातु की सतह पर सोख लिए जाएंगे, जिससे तांबे की पन्नी की हाइड्रोफिलिसिटी बदल जाएगी। उदाहरण के लिए, अच्छी हाइड्रोफिलिसिटी वाली तांबे की पन्नी को 90 मिनट तक हवा में रखने के बाद, इसकी हाइड्रोफिलिसिटी काफी कम हो जाती है। ऐसा इसलिए है क्योंकि उच्च विशिष्ट सतह ऊर्जा वाली धातु की सतह कम सतह तनाव वाले तरल पदार्थों से आसानी से गीली हो जाती है, क्योंकि गीला करने की प्रक्रिया प्रणाली की मुक्त ऊर्जा को कम कर देती है। नई धातु की सतह की विशिष्ट सतह ऊर्जा अधिक होती है (तांबे की विशिष्ट सतह ऊर्जा लगभग 1.0 J/m2 होती है, और एल्युमिनियम और जिंक की लगभग 0.7-0.9 J/m2 होती है), लेकिन अगर तांबे की पन्नी की सतह विशेष रूप से नई इलेक्ट्रोलाइटिक तांबे की पन्नी की सतह

गैर-ध्रुवीय गैस अणुओं के अलावा, तांबे की पन्नी की सतह हवा में धूल और कार्बनिक तेल को भी अवशोषित कर सकती है, जिससे यह अधिक हाइड्रोफोबिक हो जाती है। इसलिए, लिथियम आयन बैटरी के लिए तांबे की पन्नी की पैकेजिंग को तांबे की पन्नी की सतह के ऑक्सीकरण को कम करने और तांबे की पन्नी की हाइड्रोफिलिसिटी को बनाए रखने के लिए वैक्यूम पैकेजिंग को अपनाना चाहिए।