Aplicação da tecnologia de adsorção de gás na indústria de pastas condutoras

 

     A pasta condutora é um material funcional especial com propriedades condutoras e de ligação, amplamente utilizado em novas baterias de energia, fotovoltaica, eletrônica, indústria química, impressão, militar e aviação e outros campos. A pasta condutora inclui principalmente fase condutora, fase de ligação e transportador orgânico, dos quais a fase condutora é o material chave da pasta condutora, determinando as propriedades elétricas da pasta e as propriedades mecânicas após a formação do filme.

      Os materiais comumente usados ​​​​da fase condutora incluem metal, óxido metálico, materiais de carbono e materiais poliméricos condutores, etc. Verifica-se que os parâmetros físicos, como área de superfície específica, tamanho dos poros e densidade real dos materiais da fase condutora, têm uma influência importante no condutividade e propriedades mecânicas da pasta. Portanto, é particularmente importante caracterizar com precisão parâmetros físicos, como área superficial específica, distribuição de tamanho de poros e densidade real de materiais de fase condutora com base na tecnologia de adsorção de gás. Além disso, o ajuste preciso destes parâmetros pode otimizar a condutividade das pastas para atender aos requisitos de diferentes aplicações.

 

01 Introdução à pasta condutora

  De acordo com a aplicação real de diferentes tipos de pasta condutora não é a mesma, geralmente de acordo com os diferentes tipos de fase condutora, pode ser dividida em pasta condutora: pasta condutora inorgânica, pasta condutora orgânica e pasta condutora composta. A pasta condutora inorgânica é dividida em pó metálico e dois tipos de pó metálico não metálico, principalmente ouro, prata, cobre, estanho e alumínio, etc., a fase condutora não metálica é principalmente materiais de carbono. A pasta condutora orgânica na fase condutora é composta principalmente de materiais poliméricos condutores, que possuem menor densidade, maior resistência à corrosão, melhores propriedades de formação de filme e em uma certa faixa de condutividade ajustável e assim por diante. A pasta condutora de sistema composto é atualmente uma direção importante na pesquisa de pasta condutora, o objetivo é combinar as vantagens da pasta condutora inorgânica e orgânica, a fase condutora inorgânica e a combinação orgânica do corpo de suporte de material orgânico, dando pleno uso às vantagens de ambos.

  Fase condutora como principal fase funcional na pasta condutora, para fornecer caminho elétrico, para alcançar propriedades elétricas, sua área superficial específica, tamanho de poro e densidade real e outros parâmetros físicos têm um impacto maior em suas propriedades condutoras.

  Área superficial específica : o tamanho da área superficial específica é o fator chave que afeta a condutividade, dentro de uma determinada faixa, uma área superficial específica maior fornece mais caminhos de condução eletrônica, reduzindo a resistência, tornando a pasta condutora mais condutiva. A alta condutividade é crítica em muitas aplicações, como em dispositivos eletrônicos para garantir a condução eficiente de circuitos.

  Tamanho dos poros : A escolha do tamanho dos poros tem um impacto significativo na condução de elétrons e na difusão de íons. Fases condutoras com poros menores podem reduzir a taxa de difusão de íons, o que pode ser vantajoso em algumas aplicações de bateria, permitindo taxas mais altas de carga e descarga. No entanto, um tamanho de poro muito pequeno também pode resultar no impedimento da condução de elétrons. Portanto, o tamanho da abertura precisa ser cuidadosamente selecionado com base nos requisitos específicos da aplicação.

  Densidade Verdadeira : A densidade verdadeira reflete o quão próximos estão os átomos ou moléculas da fase condutora. Densidades verdadeiras mais altas geralmente indicam uma estrutura mais compacta, o que facilita a condução de elétrons. Materiais de densidade real mais alta, como metais ou óxidos metálicos, são frequentemente usados ​​em aplicações que exigem alta condutividade elétrica.

Portanto, durante o processo de P&D, os parâmetros físicos acima são caracterizados com precisão para garantir que as pastas condutoras preparadas tenham a condutividade eletrônica, propriedades mecânicas e estabilidade necessárias. A seguir é apresentada uma descrição detalhada do estudo de caso sobre a caracterização das propriedades de adsorção de pastas com diferentes fases condutoras.

 

02 Caracterização do desempenho de adsorção de pasta condutora de metal

   As pastas condutoras de metal incluem metais preciosos Au, Ag, Pd, Pt, etc., metais não preciosos Cu, Ni, Al, etc., as pastas condutoras de Au têm excelente desempenho, mas caras, a fim de reduzir o custo do uso geral De pó de prata, a prata na superfície da cerâmica tem uma forte adesão, pode ser formada na superfície da cerâmica, uma camada fina uniforme e densa contínua de eletrodos de prata tem uma capacitância maior do que os outros materiais de eletrodo, mas a prata na ação do elétrico campo produzirá migração de elétrons, reduzindo a condutividade e afetando assim a vida. Comparado com outras pastas condutoras à base de metal, o pó de cobre é barato e possui propriedades condutoras superiores, mas o defeito é que o cobre é quimicamente ativo e oxida facilmente, resultando em um aumento na resistividade.

  Pó de cobre e pó de prata como pasta condutora comum e importante, sua resistência de filme sinterizado, adesão e densificação e outros parâmetros importantes, até certo ponto, dependem de sua morfologia de partícula, dispersão, tamanho de partícula e propriedades específicas de área superficial. O professor Lv Ming descobriu que quanto menor o tamanho da partícula, maior a área superficial específica e, portanto, maior a energia superficial específica, e menor o ponto de fusão, o que conduz à solidificação de pós de nanoprata em pastas de prata em temperaturas de sinterização mais baixas, e pode ser usado em determinados cenários sensíveis à temperatura. A série EASY-V de testadores de área superficial específica da CIQTEK foi usada para determinar a área superficial específica de pós de cobre e prata, e os resultados foram 2,71m ² /g e 1,59m ² /g, respectivamente (Figs. 1 e 2), com os pontos de seleção P/P0 variando de 0,05 a 0,30, o ajuste linear > 0,999 e as interceptações foram todas positivas, o que indicou que os resultados do teste eram precisos e confiáveis, e que o instrumento era altamente automatizado, simples e conveniente de operar, e teve uma alta eficiência de teste. É fácil e conveniente de operar e a eficiência do teste é alta.

 

Fig. 1 Resultados de testes de área superficial específica de pó de cobre

 

Fig. 2 Resultados de testes de área superficial específica de pó de prata

 

03 Caracterização das propriedades de adsorção de pastas condutoras à base de carbono

  A pasta condutora de carbono é geralmente negro de fumo, grafeno, nanotubos de carbono, etc. É usada principalmente como agente condutor para materiais de eletrodos positivos e negativos em baterias, que é um dos principais materiais auxiliares para baterias. O agente condutor pode permitir que os elétrons viajem livremente entre os eletrodos positivo e negativo e o coletor. O agente condutor eficiente deve ser uniformemente ligado aos materiais do eletrodo positivo e negativo para formar uma estrutura de rede tridimensional para garantir o fluxo suave da corrente.

  O negro de fumo é um agente condutor de partículas de contato pontual, com um certo grau de adesão, mas sem direcionalidade, não é fácil formar um caminho de rede, geralmente usando negro de fumo com uma grande área de superfície específica, usando partículas de negro de fumo de tamanho pequeno, mais partículas por unidade de volume, é fácil entrar em contato entre si para formar um caminho de rede. O grafeno é um agente condutor de folha com contato superficial ou de linha, o grafeno tem uma grande área de superfície específica e é fácil formar mais SEI e consumir íons de lítio quando adicionado ao eletrodo negativo (exceto para silício micron revestido), por isso é geralmente adicionado ao eletrodo positivo para melhorar a multiplicidade e o desempenho em baixa temperatura. Os agentes condutores de nanotubos de carbono são fibrosos e dúcteis nas direções de comprimento e largura, tornando-os mais fáceis de incorporar em redes. Os nanotubos de carbono são usados ​​como agente condutor na indústria de baterias, a vantagem é que a quantidade de aditivo em comparação com o negro de fumo condutor tradicional é bastante reduzida e, ao mesmo tempo, pode reduzir a quantidade de agente de ligação para cerca de 50% de do original, a desvantagem é que a dispersão é fraca e, para melhorar o uso dos nanotubos de carbono, é necessário controlar rigorosamente sua área superficial específica. Área de superfície específica adequada de estabilidade estrutural de nanotubos de carbono, há uma certa dispersão que pode formar uma rede condutora melhor, fácil de pulverizar, fácil de cair, o material do eletrodo negativo à base de silício é o agente condutor mais adequado.

  A análise acima mostra que a área superficial específica é um importante índice de teste em pastas condutoras à base de carbono. Conforme mostrado na Figura 3, o negro de fumo condutor, o grafeno e os nanotubos de carbono usados ​​como agentes condutores para materiais de eletrodos positivos e negativos na indústria de baterias foram medidos usando a série EASY-V de testadores de área superficial específica, com diferentes resultados de área superficial específica de 58,40m2 ^/ g, 523,33m2 ^/ g, 308,41m2 ^/ g.

 

Figura 3-1 Negro de Fumo Condutivo BET : 58,40 m ² /g

 

 

 

Figura 3-2 Grafeno BET : 523,33 m ² /g

 

Figura 3-3 Nanotubos de Carbono APOSTA : 308,41 m ² /g

 

04 Caracterização das propriedades de adsorção de pastas condutoras compostas

   Pasta condutora composta refere-se à adição de muitos tipos diferentes de fases condutoras, como negro de fumo-grafeno, nanotubos de negro de fumo-carbono, pó de prata-grafeno e outras pastas condutoras compostas, de modo a torná-la com melhor desempenho. Comparada com uma única fase condutora, a pasta condutora composta tem as vantagens de uma condutividade mais estável, uma gama mais ampla de uso e mais acessível. Por exemplo, as placas catódicas compostas LiCoO 2 -SP-CNTS são preparadas a partir de negro de fumo tradicional e nanotubos de carbono usando um método de laminação a frio, que não apenas desempenha um papel na rede condutora construída por materiais fibrosos de nanotubos de carbono, mas também evita a aglomeração _de nanotubos de carbono e podem apresentar excelente condutividade por meio da combinação de negro de fumo condutor tradicional e partículas de material ativado.

    Como o grafeno e os nanotubos de carbono contêm mais buracos, a área superficial específica é maior, resultando em sua energia superficial também é maior, fácil de causar aglomeração, sendo necessário analisar seu teste de tamanho de poro. Usando a própria série EASY-V da CIQTEK de superfície específica e os resultados dos testes do analisador de tamanho de poro são mostrados abaixo (Figura 4 e Figura 5), ​​através das isotermas de adsorção e dessorção de nitrogênio podem ser vistas, as duas são principalmente para as isotermas Ⅳ, a pressão parcial A relação P/P0 em 0,4 após a adsorção e o desprendimento não se sobrepuseram completamente, o que significa que são gerados loops de histerese, indicando que existe um certo grau de estrutura mesoporosa. A análise de poros NLDFT mostra que ambos os materiais têm distribuições de tamanho de poro relativamente abundantes a 1 nm e de 3 nm a 50 nm, e os seus volumes totais de poros são 1,43 cm 3 /g e 3,16 cm 3 / ^g , ^{respectivamente} . 

 

Figura 4-1 Isotermas de adsorção e dessorção de nitrogênio para materiais de nanotubos de carbono

 

Figura 4-2 Distribuição do tamanho dos poros NLDFT de materiais de nanotubos de carbono

 

Figura 5-1 Isotermas de adsorção e dessorção de nitrogênio para materiais de grafeno

 

Figura 5-2 Distribuição do tamanho dos poros NLDFT de materiais de grafeno

 

05 Determinação da densidade real da pasta condutora

A fase condutora dos indicadores físicos afetará o desempenho da pasta condutora, como a densidade verdadeira do pó de prata, a sinterização não é fácil de formar furos, altas densidades, pode obter uma excelente camada de filme condutor denso e condutor. A série EASY-G de testador de densidade verdadeira desenvolvida pela CIQTEK para a determinação da densidade real do pó de prata, conforme mostrado na Figura 6, a densidade real de 8,896 g / ml, muitas vezes o valor do teste está apenas na terceira casa decimal flutuações, alta precisão de teste e o instrumento é equipado com três especificações diferentes da célula de amostra para atender às necessidades de diferentes formatos de teste de volume de amostra.

Fig. 6 Resultados do teste de densidade real do material em pó de prata