Aplicación de la tecnología de adsorción de gas en la industria de pastas conductoras

 

     La pasta conductora es un material funcional especial con propiedades conductoras y de unión, ampliamente utilizado en baterías de nueva energía, fotovoltaica, electrónica, industria química, impresión, militar y aviación y otros campos. La pasta conductora incluye principalmente fase conductora, fase de unión y portador orgánico, de los cuales la fase conductora es el material clave de la pasta conductora, que determina las propiedades eléctricas de la pasta y las propiedades mecánicas después de la formación de la película.

      Los materiales comúnmente utilizados de fase conductora incluyen metal, óxido metálico, materiales de carbono y materiales poliméricos conductores, etc. Se ha descubierto que los parámetros físicos tales como área de superficie específica, tamaño de poro y densidad real de los materiales de fase conductora tienen una influencia importante en la Conductividad y propiedades mecánicas de la pulpa. Por lo tanto, es particularmente importante caracterizar con precisión parámetros físicos como el área de superficie específica, la distribución del tamaño de los poros y la densidad real de los materiales de la fase conductora basados ​​en la tecnología de adsorción de gas. Además, el ajuste preciso de estos parámetros puede optimizar la conductividad de las pastas para cumplir con los requisitos de diferentes aplicaciones.

 

01 Introducción de pasta conductora

  Según la aplicación real de diferentes tipos de pasta conductora no es lo mismo, generalmente según los diferentes tipos de fase conductora, se puede dividir en pasta conductora: pasta conductora inorgánica, pasta conductora orgánica y pasta conductora compuesta. La pasta conductora inorgánica se divide en polvo metálico y dos tipos de polvo metálico no metálico, principalmente oro, plata, cobre, estaño y aluminio, etc., la fase conductora no metálica es principalmente materiales de carbono. La pasta conductora orgánica en la fase conductora son principalmente materiales poliméricos conductores, que tienen una densidad menor, mayor resistencia a la corrosión, mejores propiedades de formación de película y en un cierto rango de conductividad ajustable, etc. La pasta conductora del sistema compuesto es actualmente una dirección importante en la investigación de la pasta conductora, el propósito es combinar las ventajas de la pasta conductora inorgánica y orgánica, la fase conductora inorgánica y la combinación orgánica del cuerpo de soporte del material orgánico, aprovechando al máximo las ventajas de ambos.

  La fase conductora como fase funcional principal en la pasta conductora, para proporcionar una vía eléctrica, para lograr propiedades eléctricas, su área de superficie específica, tamaño de poro y densidad real y otros parámetros físicos tienen un mayor impacto en sus propiedades conductoras.

  Área de superficie específica : el tamaño del área de superficie específica es el factor clave que afecta la conductividad; dentro de un cierto rango, una superficie específica más grande proporciona más vías de conducción electrónica, lo que reduce la resistencia y hace que la pasta conductora sea más conductora. La alta conductividad es fundamental en muchas aplicaciones, como en dispositivos electrónicos, para garantizar una conducción eficiente de los circuitos.

  Tamaño de poro : La elección del tamaño de poro tiene un impacto significativo tanto en la conducción de electrones como en la difusión de iones. Las fases conductoras con tamaños de poro más pequeños pueden reducir la tasa de difusión de iones, lo que puede resultar ventajoso en algunas aplicaciones de baterías, ya que permite tasas de carga y descarga más altas. Sin embargo, un tamaño de poro demasiado pequeño también puede dificultar la conducción de electrones. Por lo tanto, el tamaño de apertura debe seleccionarse cuidadosamente en función de los requisitos específicos de la aplicación.

  Densidad verdadera : La densidad verdadera refleja qué tan cerca están los átomos o moléculas de la fase conductora. Las densidades verdaderas más altas suelen indicar una estructura más compacta, lo que facilita la conducción de electrones. Los materiales de mayor densidad real, como metales u óxidos metálicos, se utilizan a menudo en aplicaciones que requieren una alta conductividad eléctrica.

Por lo tanto, durante el proceso de I+D, los parámetros físicos anteriores se caracterizan con precisión para garantizar que las pastas conductoras preparadas tengan la conductividad electrónica, las propiedades mecánicas y la estabilidad requeridas. A continuación se describe detalladamente el caso de estudio sobre la caracterización de las propiedades de adsorción de pastas con diferentes fases conductoras.

 

02 Caracterización del rendimiento de adsorción de pasta conductora de metal.

   Las pastas conductoras de metales incluyen metales preciosos Au, Ag, Pd, Pt, etc., metales no preciosos Cu, Ni, Al, etc., las pastas conductoras de Au tienen un rendimiento excelente, pero son costosas, para reducir el costo de uso general. De polvo de plata, la plata en la superficie cerámica tiene una fuerte adhesión, se puede formar en la superficie de la cerámica una capa delgada uniforme densa continua de electrodos de plata tiene una mayor capacitancia que los otros materiales de electrodo, pero la plata en la acción de la electricidad El campo producirá migración de electrones, reduciendo la conductividad y afectando así la vida. En comparación con otras pastas conductoras a base de metales, el polvo de cobre es económico y tiene propiedades conductoras superiores, pero el defecto es que el cobre es químicamente activo y se oxida fácilmente, lo que resulta en un aumento de la resistividad.

  El polvo de cobre y el polvo de plata como pasta conductora común e importante, la resistencia, adhesión y densificación de la película sinterizada y otros parámetros importantes dependen en cierta medida de la morfología, dispersión, tamaño de las partículas y propiedades específicas del área de superficie de las partículas. El profesor Lv Ming descubrió que cuanto menor es el tamaño de las partículas, mayor es el área de superficie específica y, por lo tanto, mayor es la energía superficial específica, y menor es el punto de fusión, lo que favorece la solidificación de los polvos de nanoplata en pastas de plata a temperaturas de sinterización más bajas. y se puede utilizar en ciertos escenarios sensibles a la temperatura. Se utilizó la serie EASY-V de probadores de área de superficie específica de CIQTEK para determinar el área de superficie específica de los polvos de cobre y plata, y los resultados fueron 2,71 m ² /g y 1,59 m ² /g, respectivamente (Figs. 1 y 2), con los puntos de selección P/P0 oscilaron entre 0,05 y 0,30, el ajuste lineal > 0,999 y las intersecciones fueron todos positivos, lo que indicó que los resultados de la prueba fueron precisos y confiables, y que el instrumento estaba altamente automatizado, simple y conveniente de operar. y tuvo una alta eficiencia de prueba. Es fácil y conveniente de operar y la eficiencia de las pruebas es alta.

 

Fig. 1 Resultados de la prueba de área de superficie específica del polvo de cobre

 

Fig. 2 Resultados de la prueba de área de superficie específica del polvo de plata

 

03 Caracterización de las propiedades de adsorción de pastas conductoras a base de carbono.

  La pasta conductora de carbono es generalmente negro de humo, grafeno, nanotubos de carbono, etc. Se utiliza principalmente como agente conductor para materiales de electrodos positivos y negativos en baterías, que es uno de los materiales auxiliares clave para las baterías. El agente conductor puede permitir que los electrones viajen libremente entre los electrodos positivo y negativo y el colector. Se debe unir uniformemente un agente conductor eficiente a los materiales de los electrodos positivo y negativo para formar una estructura de red tridimensional para garantizar el flujo fluido de la corriente.

  El negro de humo es un agente conductor de partículas de contacto puntual, con un cierto grado de adhesión pero sin direccionalidad, no es fácil formar una vía de red, generalmente usando negro de humo con una gran superficie específica, usando partículas de negro de humo de tamaño pequeño, más partículas por unidad de volumen, es fácil ponerse en contacto entre sí para formar una ruta de red. El grafeno es un agente conductor de lámina con contacto superficial o lineal, el grafeno tiene una gran superficie específica y es fácil formar más SEI y consumir iones de litio cuando se agrega al electrodo negativo (excepto el silicio recubierto de micras), por lo que generalmente es añadido al electrodo positivo para mejorar la multiplicidad y el rendimiento a baja temperatura. Los agentes conductores de nanotubos de carbono son fibrosos y dúctiles tanto a lo largo como a lo ancho, lo que facilita su integración en redes. Los nanotubos de carbono se utilizan como agente conductor en la industria de las baterías, la ventaja es que la cantidad de aditivo en comparación con el negro de carbón conductor tradicional se reduce considerablemente y, al mismo tiempo, puede reducir la cantidad de agente adhesivo a aproximadamente el 50% de La desventaja del original es que la dispersión es pobre y, para mejorar el uso de los nanotubos de carbono, es necesario controlar estrictamente su superficie específica. Área de superficie específica adecuada de la estabilidad estructural de los nanotubos de carbono, existe una cierta dispersión que puede formar una mejor red conductora, fácil de pulverizar, fácil de caer, el material del electrodo negativo a base de silicio es el agente conductor más adecuado.

  El análisis anterior muestra que el área de superficie específica es un índice de prueba importante en pastas conductoras a base de carbono. Como se muestra en la Figura 3, los nanotubos de carbón, grafeno y carbono conductores utilizados como agentes conductores para materiales de electrodos positivos y negativos en la industria de las baterías se midieron utilizando la serie EASY-V de probadores de área de superficie específica, con diferentes resultados de área de superficie específica de 58,40 ^m2 /g, 523,33 ^m2 /g, 308,41 ^m2 /g.

 

Figura 3-1 Negro de carbón conductivo BET ：58,40 m ² /g

 

 

 

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

 

Figura 3-3 Nanotubos de carbono BET : 308,41 m ² /g

 

04 Caracterización de las propiedades de adsorción de pastas conductoras compuestas.

   La pasta conductora compuesta se refiere a la adición de muchos tipos diferentes de fases conductoras, como negro de carbón-grafeno, nanotubos de negro de carbón-grafeno, polvo de plata-grafeno y otras pastas conductoras compuestas, para que tenga un mejor rendimiento. En comparación con una sola fase conductora, la pasta conductora compuesta tiene las ventajas de una conductividad más estable, una gama más amplia de uso y un precio más asequible. Por ejemplo, las placas de cátodo compuesto LiCoO ₂ -SP-CNTS se preparan a partir de negro de humo tradicional y nanotubos de carbono utilizando un método de laminación en frío, que no sólo desempeña un papel en la red conductora construida por materiales fibrosos de nanotubos de carbono, sino que también evita la aglomeración de nanotubos de carbono y pueden mostrar una excelente conductividad mediante la combinación de negro de carbón conductor tradicional y partículas de material activado.

    Debido a que los nanotubos de grafeno y carbono contienen más agujeros, el área de superficie específica es mayor, lo que da como resultado que su energía superficial también sea mayor, lo que facilita la aglomeración, por lo que es necesario analizar la prueba de tamaño de poro. A continuación se muestran los resultados de las pruebas del analizador de tamaño de poro y superficie específica de la serie EASY-V de CIQTEK (Figura 4 y Figura 5), ​​a través de las isotermas de adsorción y desorción de nitrógeno, las dos son principalmente para las isotermas Ⅳ, la presión parcial La relación de P/P0 en 0,4 después de la adsorción y el desprendimiento no se superpuso completamente, lo que significa que se generan bucles de histéresis, lo que indica que hay un cierto grado de estructura mesoporosa. El análisis de poros NLDFT muestra que ambos materiales tienen distribuciones de tamaño de poros relativamente abundantes a 1 nm y de 3 nm a 50 nm, y sus volúmenes totales de poros son 1,43 cm 3 / ^g y 3,16 cm ³ /g, respectivamente. 

 

Figura 4-1 Isotermas de adsorción y desorción de nitrógeno para materiales de nanotubos de carbono

 

Figura 4-2 Distribución del tamaño de poro NLDFT de materiales de nanotubos de carbono

 

Figura 5-1 Isotermas de adsorción y desorción de nitrógeno para materiales de grafeno

 

Figura 5-2 Distribución del tamaño de poro NLDFT de materiales de grafeno

 

05 Determinación de la densidad real de pasta conductora

La fase conductora de los indicadores físicos afectará el rendimiento de la pasta conductora, como la densidad real del polvo de plata, la sinterización no es fácil de formar agujeros, las altas densidades, pueden obtener una capa de película conductora excelente y densa. Serie EASY-G de desarrollo propio de CIQTEK de probador de densidad real para la determinación de la densidad real del polvo de plata, como se muestra en la Figura 6, la densidad real de 8,896 g / ml, muchas veces el valor de la prueba está solo en el tercer punto decimal. fluctuaciones, alta precisión de prueba y el instrumento está equipado con tres especificaciones diferentes de la celda de muestra para satisfacer las necesidades de diferentes formas de la prueba de volumen de muestra.

Fig. 6 Resultados de la prueba de densidad real del material en polvo de plata