Anwendung der Gasadsorptionstechnologie in der Leitpastenindustrie

 

     Leitpaste ist ein spezielles Funktionsmaterial mit sowohl leitfähigen als auch verbindenden Eigenschaften, das häufig in neuen Energiebatterien, Photovoltaik, Elektronik, chemischer Industrie, Druckindustrie, Militär und Luftfahrt und anderen Bereichen eingesetzt wird. Leitfähige Paste umfasst hauptsächlich eine leitfähige Phase, eine Bindungsphase und einen organischen Träger, wobei die leitfähige Phase das Schlüsselmaterial der leitfähigen Paste ist und die elektrischen Eigenschaften der Paste und die mechanischen Eigenschaften nach der Filmbildung bestimmt.

      Zu den üblicherweise verwendeten Materialien der leitfähigen Phase gehören Metalle, Metalloxide, Kohlenstoffmaterialien und leitfähige Polymermaterialien usw. Es hat sich herausgestellt, dass die physikalischen Parameter wie spezifische Oberfläche, Porengröße und tatsächliche Dichte der Materialien der leitfähigen Phase einen wichtigen Einfluss auf die haben Leitfähigkeit und mechanische Eigenschaften der Aufschlämmung. Daher ist es besonders wichtig, physikalische Parameter wie die spezifische Oberfläche, die Porengrößenverteilung und die tatsächliche Dichte von leitfähigen Phasenmaterialien auf der Grundlage der Gasadsorptionstechnologie genau zu charakterisieren. Darüber hinaus kann die präzise Abstimmung dieser Parameter die Leitfähigkeit der Pasten optimieren, um den Anforderungen verschiedener Anwendungen gerecht zu werden.

 

01 Einführung in die Leitpaste

  Entsprechend der tatsächlichen Anwendung sind verschiedene Arten von leitfähigen Pasten nicht gleich, in der Regel entsprechend den verschiedenen Arten von leitfähigen Phasen, die in leitfähige Pasten unterteilt werden können: anorganische leitfähige Paste, organische leitfähige Paste und zusammengesetzte leitfähige Paste. Anorganische leitfähige Paste wird in Metallpulver und nichtmetallische zwei Arten von Metallpulver unterteilt, hauptsächlich Gold, Silber, Kupfer, Zinn und Aluminium usw., die nichtmetallische leitfähige Phase besteht hauptsächlich aus Kohlenstoffmaterialien. Organische leitfähige Paste in der leitfähigen Phase besteht hauptsächlich aus leitfähigen Polymermaterialien, die eine geringere Dichte, eine höhere Korrosionsbeständigkeit, bessere Filmbildungseigenschaften und in einem bestimmten Bereich einstellbare Leitfähigkeit usw. aufweisen. Verbundsystem-Leitpaste ist derzeit eine wichtige Richtung der Leitpastenforschung. Der Zweck besteht darin, die Vorteile von anorganischer und organischer Leitpaste, der anorganischen Leitphase und der organischen Kombination aus organischem Material und Trägerkörper zu kombinieren und die Vorteile beider voll auszuschöpfen.

  Die leitende Phase ist die Hauptfunktionsphase in der leitenden Paste, um elektrische Leitungen bereitzustellen und elektrische Eigenschaften zu erreichen. Ihre spezifische Oberfläche, Porengröße und wahre Dichte sowie andere physikalische Parameter haben einen größeren Einfluss auf ihre leitenden Eigenschaften.

  Spezifische Oberfläche : Die Größe der spezifischen Oberfläche ist der Schlüsselfaktor für die Leitfähigkeit. Innerhalb eines bestimmten Bereichs sorgt eine größere spezifische Oberfläche für mehr elektronische Leitungswege, verringert den Widerstand und macht die Leitpaste leitfähiger. Eine hohe Leitfähigkeit ist in vielen Anwendungen von entscheidender Bedeutung, beispielsweise in elektronischen Geräten, um eine effiziente Leitung von Schaltkreisen sicherzustellen.

  Porengröße : Die Wahl der Porengröße hat einen erheblichen Einfluss sowohl auf die Elektronenleitung als auch auf die Ionendiffusion. Leitfähige Phasen mit kleineren Porengrößen können die Ionendiffusionsrate verringern, was bei einigen Batterieanwendungen von Vorteil sein kann und höhere Lade- und Entladeraten ermöglicht. Allerdings kann eine zu kleine Porengröße auch zu einer Behinderung der Elektronenleitung führen. Daher muss die Blendengröße sorgfältig entsprechend den spezifischen Anwendungsanforderungen ausgewählt werden.

  Wahre Dichte : Die wahre Dichte spiegelt wider, wie nahe die Atome oder Moleküle der leitenden Phase beieinander liegen. Höhere wahre Dichten deuten normalerweise auf eine kompaktere Struktur hin, die die Elektronenleitung erleichtert. Materialien mit höherer tatsächlicher Dichte wie Metalle oder Metalloxide werden häufig in Anwendungen verwendet, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit erfordern.

Daher werden während des F&E-Prozesses die oben genannten physikalischen Parameter genau charakterisiert, um sicherzustellen, dass die vorbereiteten leitfähigen Pasten die erforderliche elektronische Leitfähigkeit, mechanische Eigenschaften und Stabilität aufweisen. Im Folgenden wird die Fallstudie zur Charakterisierung der Adsorptionseigenschaften von Pasten mit unterschiedlichen leitfähigen Phasen ausführlich beschrieben.

 

02 Charakterisierung der Adsorptionsleistung von leitfähigen Metallpasten

   Zu den leitfähigen Metallpasten gehören die Edelmetalle Au, Ag, Pd, Pt usw. und die Nichtedelmetalle Cu, Ni, Al usw.. Leitfähige Au-Pasten weisen eine hervorragende Leistung auf, sind jedoch teuer, um die Kosten für die allgemeine Verwendung zu senken Silberpulver, Silber auf der Keramikoberfläche hat eine starke Haftung, es kann auf der Oberfläche der Keramik eine kontinuierliche, dichte, gleichmäßige dünne Schicht aus Silberelektroden gebildet werden, die eine größere Kapazität als die anderen Elektrodenmaterialien haben, aber das Silber in der Einwirkung des Stroms Das Feld führt zu einer Elektronenwanderung, die die Leitfähigkeit verringert und somit die Lebensdauer beeinträchtigt. Im Vergleich zu anderen leitfähigen Pasten auf Metallbasis ist Kupferpulver kostengünstig und weist überlegene Leitfähigkeitseigenschaften auf. Der Nachteil besteht jedoch darin, dass Kupfer chemisch aktiv ist und leicht oxidiert, was zu einem Anstieg des spezifischen Widerstands führt.

  Kupferpulver und Silberpulver als übliche und wichtige leitfähige Paste, ihr Sinterfilmwiderstand, ihre Haftung und Verdichtung sowie andere wichtige Parameter hängen in gewissem Maße von ihrer Partikelmorphologie, Dispersion, Partikelgröße und spezifischen Oberflächeneigenschaften ab. Professor Lv Ming fand heraus, dass je kleiner die Partikelgröße, desto größer die spezifische Oberfläche und damit desto größer die spezifische Oberflächenenergie und desto niedriger der Schmelzpunkt, was die Verfestigung von Nanosilberpulvern in Silberpasten bei niedrigeren Sintertemperaturen begünstigt. und kann in bestimmten temperaturempfindlichen Szenarien eingesetzt werden. Die spezifischen Oberflächentester der Serie EASY-V von CIQTEK wurden zur Bestimmung der spezifischen Oberfläche von Kupfer- und Silberpulvern verwendet. Die Ergebnisse betrugen 2,71 m ² /g bzw. 1,59 m ² /g (Abb. 1 und 2). Die P/P0-Auswahlpunkte lagen im Bereich von 0,05 bis 0,30, die lineare Anpassung ＞0,999 und die Achsenabschnitte waren alle positiv, was darauf hinwies, dass die Testergebnisse genau und zuverlässig waren und dass das Instrument hochgradig automatisiert, einfach und bequem zu bedienen war. und hatte eine hohe Testeffizienz. Die Bedienung ist einfach und bequem und die Testeffizienz ist hoch.

 

Abb. 1 Testergebnisse der spezifischen Oberfläche von Kupferpulver

 

Abb. 2 Testergebnisse der spezifischen Oberfläche von Silberpulver

 

03 Charakterisierung der Adsorptionseigenschaften von kohlenstoffbasierten Leitpasten

  Kohlenstoffleitpaste besteht im Allgemeinen aus Ruß, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren usw. Sie wird hauptsächlich als Leitmittel für positive und negative Elektrodenmaterialien in Batterien verwendet und ist eines der wichtigsten Hilfsmaterialien für Batterien. Das leitende Mittel ermöglicht den freien Durchgang von Elektronen zwischen den positiven und negativen Elektroden und dem Kollektor. Ein wirksames leitfähiges Mittel sollte gleichmäßig an den positiven und negativen Elektrodenmaterialien angebracht werden, um eine dreidimensionale Netzwerkstruktur zu bilden und einen reibungslosen Stromfluss zu gewährleisten.

  Ruß ist ein leitfähiges Mittel mit Punktkontaktpartikeln, mit einem gewissen Grad an Adhäsion, aber ohne Richtungsabhängigkeit. Es ist nicht einfach, einen Netzwerkpfad zu bilden, normalerweise wird Ruß mit einer großen spezifischen Oberfläche verwendet, Rußpartikel kleinerer Größe werden verwendet, mehr Partikel pro Volumeneinheit, es ist leicht, miteinander in Kontakt zu kommen, um einen Netzwerkpfad zu bilden. Graphen ist ein schichtleitendes Mittel mit Oberflächen- oder Linienkontakt, Graphen hat eine große spezifische Oberfläche und es ist leicht, mehr SEI zu bilden und Lithiumionen zu verbrauchen, wenn es der negativen Elektrode hinzugefügt wird (mit Ausnahme von beschichtetem Mikrometer-Silizium), was im Allgemeinen der Fall ist Der positiven Elektrode hinzugefügt, um die Multiplizität und die Leistung bei niedrigen Temperaturen zu verbessern. Leitfähige Kohlenstoffnanoröhren sind sowohl in Längs- als auch in Breitenrichtung faserig und duktil, wodurch sie sich leichter in Netzwerke einbauen lassen. Kohlenstoffnanoröhren werden als leitfähiges Mittel in der Batterieindustrie verwendet. Der Vorteil besteht darin, dass die Menge an Additiven im Vergleich zu herkömmlichem leitfähigem Ruß stark reduziert wird und gleichzeitig die Menge an Bindemittel auf etwa 50 % reduziert werden kann Der Nachteil des Originals besteht darin, dass die Dispersion schlecht ist und dass zur Verbesserung der Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren die spezifische Oberfläche streng kontrolliert werden muss. Geeignete spezifische Oberfläche von Kohlenstoffnanoröhren, strukturelle Stabilität, es gibt eine gewisse Dispersion, die ein besseres leitfähiges Netzwerk bilden kann, leicht zu pulverisieren ist, leicht abzufallen ist. Das auf Silizium basierende negative Elektrodenmaterial ist das am besten geeignete leitfähige Mittel.

  Die obige Analyse zeigt, dass die spezifische Oberfläche ein wichtiger Testindex für kohlenstoffbasierte Leitpasten ist. Wie in Abbildung 3 dargestellt, wurden leitfähiger Ruß, Graphen und Kohlenstoffnanoröhren, die als Leitmittel für positive und negative Elektrodenmaterialien in der Batterieindustrie verwendet werden, mit der EASY-V-Serie von Messgeräten für die spezifische Oberfläche gemessen, wobei unterschiedliche Ergebnisse für die spezifische Oberfläche erzielt wurden 58,40 ^m² /g, 523,33 ^m² /g, 308,41 ^m² /g.

 

Abbildung 3-1 Leitfähiger Ruß BET : 58,40 m ² /g

 

 

 

Abbildung 3-2 Graphen-BET : 523,33 m ² /g

 

Abbildung 3-3 Kohlenstoffnanoröhren BET : 308,41 m ² /g

 

04 Charakterisierung der Adsorptionseigenschaften von Verbundleitpasten

   Unter zusammengesetzter leitfähiger Paste versteht man die Zugabe vieler verschiedener Arten von leitfähigen Phasen, wie z. B. Ruß-Graphen, Ruß-Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Silberpulver-Graphen und andere zusammengesetzte leitfähige Pasten, um eine bessere Leistungsleistung zu erzielen. Im Vergleich zu einer einzelnen leitfähigen Phase bietet eine zusammengesetzte leitfähige Paste die Vorteile einer stabileren Leitfähigkeit, eines breiteren Einsatzbereichs und ist kostengünstiger. Beispielsweise werden LiCoO ₂ -SP-CNTS-Verbundkathodenplatten aus herkömmlichem Ruß und Kohlenstoffnanoröhren mithilfe eines Kaltwalzverfahrens hergestellt, das nicht nur eine Rolle im leitfähigen Netzwerk spielt, das durch faserige Kohlenstoffnanoröhrenmaterialien aufgebaut wird, sondern auch die Agglomeration von Kohlenstoffnanoröhren verhindert Kohlenstoffnanoröhren und können durch die Kombination von herkömmlichem leitfähigem Ruß und aktivierten Materialpartikeln eine hervorragende Leitfähigkeit aufweisen.

    Da Graphen und Kohlenstoffnanoröhren mehr Löcher enthalten, ist die spezifische Oberfläche größer, was zu einer höheren Oberflächenenergie führt und leicht zu Agglomeration führt. Daher muss die Porengröße analysiert werden. Unter Verwendung der CIQTEK-eigenen EASY-V-Serie von spezifischen Oberflächen- und Porengrößenanalysatoren sind die Testergebnisse unten dargestellt (Abbildung 4 und Abbildung 5). Durch die Stickstoffadsorptions- und -desorptionsisothermen sind die beiden hauptsächlich für die Ⅳ-Isothermen, den Partialdruck, zu sehen Das Verhältnis von P/P0 in 0,4 nach Adsorption und Ablösung überlappte sich nicht vollständig, was bedeutet, dass Hystereseschleifen erzeugt werden, was darauf hinweist, dass ein gewisser Grad an mesoporöser Struktur vorliegt. Die NLDFT-Porenanalyse zeigt, dass beide Materialien relativ häufige Porengrößenverteilungen bei 1 nm und von 3 nm bis 50 nm aufweisen und ihr Gesamtporenvolumen 1,43 cm 3 /g bzw. 3,16 cm 3 ^/ g ^beträgt . 

 

Abbildung 4-1 Stickstoffadsorptions- und -desorptionsisothermen für Kohlenstoffnanoröhrenmaterialien

 

Abbildung 4-2 NLDFT-Porengrößenverteilung von Kohlenstoffnanoröhrenmaterialien

 

Abbildung 5-1 Stickstoffadsorptions- und -desorptionsisothermen für Graphenmaterialien

 

Abbildung 5-2 NLDFT-Porengrößenverteilung von Graphenmaterialien

 

05 Bestimmung der wahren Dichte von leitfähiger Paste

Die physikalischen Indikatoren der leitfähigen Phase wirken sich auf die Leistung der leitfähigen Paste aus, z. B. die wahre Dichte des Silberpulvers. Beim Sintern entstehen nicht leicht Löcher, hohe Dichten können eine dichte leitfähige, ausgezeichnete leitfähige Filmschicht erhalten. CIQTEK hat selbst entwickelte EASY-G-Serie echter Dichtetester zur Bestimmung der wahren Dichte von Silberpulver, wie in Abbildung 6 gezeigt, die wahre Dichte beträgt 8,896 g/ml, oft liegt der Testwert nur in der dritten Dezimalstelle Schwankungen, hohe Testgenauigkeit, und das Instrument ist mit drei verschiedenen Spezifikationen der Probenzelle ausgestattet, um den Anforderungen unterschiedlicher Formen des Probenvolumentests gerecht zu werden.

Abb. 6 Testergebnisse der wahren Dichte von Silberpulvermaterial