تطبيق تكنولوجيا امتصاص الغاز في صناعة المعاجين الموصلة

 

     المعجون الموصل هو مادة وظيفية خاصة لها خصائص التوصيل والترابط، وتستخدم على نطاق واسع في بطاريات الطاقة الجديدة، والطاقة الكهروضوئية، والإلكترونيات، والصناعة الكيميائية، والطباعة، والمجالات العسكرية والطيران وغيرها من المجالات. يشتمل المعجون الموصل بشكل أساسي على الطور الموصل ومرحلة الترابط والحامل العضوي، حيث تكون الطور الموصل هو المادة الرئيسية للمعجون الموصل، مما يحدد الخواص الكهربائية للمعجون والخواص الميكانيكية بعد تكوين الفيلم.

      تشمل المواد شائعة الاستخدام في الطور الموصل المعادن وأكسيد المعدن ومواد الكربون ومواد البوليمر الموصلة، وما إلى ذلك. وقد وجد أن المعلمات الفيزيائية مثل مساحة السطح المحددة وحجم المسام والكثافة الحقيقية لمواد الطور الموصل لها تأثير مهم على الموصلية والخواص الميكانيكية للطين. لذلك، من المهم بشكل خاص وصف المعلمات الفيزيائية بدقة مثل مساحة السطح المحددة وتوزيع حجم المسام والكثافة الحقيقية لمواد الطور الموصل بناءً على تقنية امتصاص الغاز. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي الضبط الدقيق لهذه المعلمات إلى تحسين موصلية المعاجين لتلبية متطلبات التطبيقات المختلفة.

 

01 مقدمة معجون موصل

  وفقا للتطبيق الفعلي، فإن أنواع مختلفة من المعجون الموصل ليست هي نفسها، عادة وفقا لأنواع مختلفة من المرحلة الموصلة، يمكن تقسيمها إلى معجون موصل: معجون موصل غير عضوي، معجون موصل عضوي، ومعجون موصل مركب. ينقسم المعجون الموصل غير العضوي إلى مسحوق معدني وغير معدني، وهو نوعين من مسحوق المعدن بشكل رئيسي الذهب والفضة والنحاس والقصدير والألمنيوم، وما إلى ذلك، المرحلة الموصلة غير المعدنية هي بشكل أساسي مواد كربونية. المعجون الموصل العضوي في المرحلة الموصلة هو بشكل أساسي مواد بوليمر موصلة، ذات كثافة أقل، ومقاومة أعلى للتآكل، وخصائص أفضل لتشكيل الفيلم وفي نطاق معين من الموصلية القابلة للتعديل وما إلى ذلك. يعد المعجون الموصل للنظام المركب حاليًا اتجاهًا مهمًا لأبحاث المعجون الموصل، والغرض من ذلك هو الجمع بين مزايا المعجون الموصل غير العضوي والعضوي، والمرحلة الموصلة غير العضوية والتركيبة العضوية لدعم المواد العضوية، وإفساح المجال كاملاً لمزايا كليهما.

  المرحلة الموصلة هي المرحلة الوظيفية الرئيسية في العجينة الموصلة، لتوفير المسار الكهربائي، لتحقيق الخواص الكهربائية، ومساحة سطحها المحددة، وحجم المسام والكثافة الحقيقية وغيرها من المعلمات الفيزيائية لها تأثير أكبر على خصائصها الموصلة.

  مساحة السطح المحددة : حجم مساحة السطح المحددة هو العامل الرئيسي الذي يؤثر على الموصلية، ضمن نطاق معين، توفر مساحة سطح محددة أكبر المزيد من مسارات التوصيل الإلكتروني، مما يقلل من المقاومة، مما يجعل المعجون الموصل أكثر موصلية. تعد الموصلية العالية أمرًا بالغ الأهمية في العديد من التطبيقات، كما هو الحال في الأجهزة الإلكترونية لضمان التوصيل الفعال للدوائر.

  حجم المسام : إن اختيار حجم المسام له تأثير كبير على كل من توصيل الإلكترون وانتشار الأيونات. يمكن أن تؤدي المراحل الموصلة ذات أحجام المسام الأصغر إلى تقليل معدل انتشار الأيونات، وهو ما يمكن أن يكون مفيدًا في بعض تطبيقات البطاريات، مما يسمح بمعدلات شحن وتفريغ أعلى. ومع ذلك، فإن حجم المسام الصغير جدًا قد يؤدي أيضًا إلى إعاقة توصيل الإلكترون. ولذلك، يجب اختيار حجم الفتحة بعناية بناءً على متطلبات التطبيق المحددة.

  الكثافة الحقيقية : تعكس الكثافة الحقيقية مدى قرب الذرات أو الجزيئات في الطور الموصل من بعضها البعض. تشير الكثافات الحقيقية الأعلى عادة إلى بنية أكثر إحكاما، مما يسهل توصيل الإلكترون. غالبًا ما تستخدم المواد ذات الكثافة الحقيقية الأعلى مثل المعادن أو أكاسيد المعادن في التطبيقات التي تتطلب توصيلًا كهربائيًا عاليًا.

ولذلك، أثناء عملية البحث والتطوير، يتم وصف المعلمات الفيزيائية المذكورة أعلاه بدقة لضمان أن المعاجين الموصلة المعدة لديها الموصلية الإلكترونية المطلوبة، والخصائص الميكانيكية والاستقرار. فيما يلي وصف تفصيلي لدراسة الحالة حول توصيف خصائص الامتزاز للمعاجين ذات المراحل الموصلة المختلفة.

 

02 توصيف أداء امتصاص المعجون الموصل للمعادن

   تشتمل المعاجين المعدنية الموصلة على المعادن الثمينة Au، وAg، وPd، وPt، وما إلى ذلك، والمعادن غير الثمينة Cu، وNi، وAl، وما إلى ذلك، وتتميز المعاجين الموصلة Au بأداء ممتاز، ولكنها باهظة الثمن، من أجل تقليل تكلفة الاستخدام العام مسحوق الفضة، الفضة على سطح السيراميك لديها التصاق قوي، يمكن تشكيلها على سطح السيراميك المستمر الكثيف الكثيف، طبقة رقيقة موحدة من أقطاب الفضة لديها سعة أكبر من المواد الكهربائية الأخرى، ولكن الفضة في عمل كهربائي سوف ينتج المجال هجرة الإلكترونات، مما يقلل من الموصلية وبالتالي يؤثر على الحياة. بالمقارنة مع المعاجين الموصلة المعدنية الأخرى، فإن مسحوق النحاس غير مكلف وله خصائص موصلة متفوقة، ولكن العيب هو أن النحاس نشط كيميائيا ويتأكسد بسهولة، مما يؤدي إلى زيادة المقاومة.

  مسحوق النحاس ومسحوق الفضة كمعجون موصل شائع وهام، تعتمد مقاومة الفيلم الملبد والالتصاق والتكثيف وغيرها من المعالم المهمة إلى حد ما على مورفولوجيا الجسيمات والتشتت وحجم الجسيمات وخصائص مساحة السطح المحددة. وجد البروفيسور Lv Ming أنه كلما كان حجم الجسيمات أصغر، زادت مساحة السطح المحددة وبالتالي زادت طاقة السطح المحددة، وانخفضت نقطة الانصهار، مما يفضي إلى تصلب مساحيق الفضة النانوية في معاجين الفضة عند درجات حرارة تلبيد أقل. ويمكن استخدامها في بعض السيناريوهات الحساسة لدرجة الحرارة. تم استخدام سلسلة EASY-V من CIQTEK لأجهزة اختبار مساحة السطح المحددة لتحديد مساحة السطح المحددة لمساحيق النحاس والفضة، وكانت النتائج 2.71 م ² /جم و1.59 م ² /جم، على التوالي (الشكلان 1 و2)، مع كانت نقاط اختيار P/P0 تتراوح من 0.05 إلى 0.30، والملاءمة الخطية > 0.999، والاعتراضات كلها إيجابية، مما يشير إلى أن نتائج الاختبار كانت دقيقة وموثوقة، وأن الأداة كانت مؤتمتة للغاية وبسيطة ومريحة في التشغيل، وكان كفاءة الاختبار عالية. إنه سهل ومريح للتشغيل، وكفاءة الاختبار عالية.

 

الشكل 1: نتائج اختبار مساحة السطح المحددة لمسحوق النحاس

 

الشكل 2: نتائج اختبار مساحة السطح المحددة لمسحوق الفضة

 

03 توصيف خصائص الامتزاز للمعاجين الموصلة القائمة على الكربون

  عادة ما يكون معجون الكربون الموصل هو أسود الكربون، والجرافين، وأنابيب الكربون النانوية، وما إلى ذلك. ويستخدم بشكل رئيسي كعامل موصل لمواد الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة في البطاريات، وهي واحدة من المواد المساعدة الرئيسية للبطاريات. يمكن للعامل الموصل أن يسمح للإلكترونات بالسفر بحرية بين الأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة والمجمع. يجب أن يتم ربط عامل التوصيل الفعال بشكل موحد بمواد القطب الموجب والسالب لتشكيل هيكل شبكة ثلاثي الأبعاد لضمان التدفق السلس للتيار.

  أسود الكربون هو عامل موصل لجسيمات نقطة الاتصال، مع درجة معينة من الالتصاق ولكن بدون اتجاه، ليس من السهل تشكيل مسار شبكة، عادةً ما يستخدم أسود الكربون بمساحة سطحية كبيرة محددة، باستخدام جزيئات أسود الكربون ذات الحجم الصغير، أكثر الجسيمات لكل وحدة حجم، من السهل الاتصال ببعضها البعض لتشكيل مسار الشبكة. الجرافين عبارة عن عامل موصل للصفائح مع اتصال سطحي أو خطي، ويحتوي الجرافين على مساحة سطحية كبيرة محددة، ومن السهل تكوين المزيد من SEI واستهلاك أيونات الليثيوم عند إضافته إلى القطب السالب (باستثناء السيليكون الميكروني المطلي)، لذلك فهو بشكل عام تضاف إلى القطب الموجب لتحسين التعددية والأداء في درجات الحرارة المنخفضة. تتميز العوامل الموصلة للأنابيب النانوية الكربونية بالليفية والليونة في اتجاهي الطول والعرض، مما يسهل تركيبها في الشبكات. تستخدم أنابيب الكربون النانوية كعامل موصل في صناعة البطاريات، وتتمثل الميزة في أن كمية المادة المضافة مقارنة بأسود الكربون الموصل التقليدي تقل بشكل كبير، وفي الوقت نفسه يمكن تقليل كمية عامل الترابط إلى حوالي 50٪ من الأصل، العيب هو أن التشتت ضعيف، ومن أجل تحسين استخدام أنابيب الكربون النانوية، هناك حاجة إلى التحكم الصارم في مساحة سطحها المحددة. مساحة سطح محددة مناسبة للاستقرار الهيكلي لأنابيب الكربون النانوية، هناك تشتت معين يمكن أن يشكل شبكة موصلة أفضل، سهلة المسحوق، وسهلة السقوط من مادة القطب السالب القائمة على السيليكون هي العامل الموصل الأكثر ملاءمة.

  يوضح التحليل أعلاه أن مساحة السطح المحددة هي مؤشر اختبار مهم في المعاجين الموصلة القائمة على الكربون. كما هو مبين في الشكل 3، تم قياس أسود الكربون الموصل والجرافين وأنابيب الكربون النانوية المستخدمة كعوامل موصلة لمواد الأقطاب الكهربائية الإيجابية والسلبية في صناعة البطاريات باستخدام سلسلة EASY-V من أجهزة اختبار مساحة السطح المحددة، مع نتائج مختلفة لمساحة السطح المحددة 58.40 م ² /جم، 523.33 م ² /جم، 308.41 م ² /جم.

 

الشكل 3-1 رهان أسود الكربون الموصل : 58.40 م ² /جم

 

 

 

الشكل 3-2 رهان الجرافين : 523.33 م ² /جم

 

الشكل 3-3: الرهان لأنابيب الكربون النانوية : 308.41 م ² /جم

 

04 توصيف خصائص الامتزاز للمعاجين الموصلة المركبة

   يشير المعجون الموصل المركب إلى إضافة العديد من الأنواع المختلفة من المراحل الموصلة، مثل جرافين أسود الكربون، وأنابيب الكربون النانوية الكربونية السوداء، ومسحوق الجرافين الفضي، وغيرها من المعاجين الموصلة المركبة، وذلك لجعله يتمتع بأداء أفضل. بالمقارنة مع مرحلة موصلة واحدة، فإن المعجون الموصل المركب يتميز بمزايا الموصلية الأكثر استقرارًا ونطاق الاستخدام الأوسع وبأسعار معقولة. على سبيل المثال، يتم تحضير ألواح الكاثود المركبة LiCoO ₂ -SP-CNTS من أسود الكربون التقليدي وأنابيب الكربون النانوية باستخدام طريقة الدرفلة على البارد، والتي لا تلعب دورًا في الشبكة الموصلة التي تم إنشاؤها بواسطة مواد ليفية من أنابيب الكربون النانوية فحسب، بل تتجنب أيضًا تكتل أنابيب الكربون النانوية، ويمكن أن تظهر موصلية ممتازة من خلال الجمع بين أسود الكربون الموصل التقليدي وجزيئات المواد المنشطة.

    نظرًا لأن الجرافين وأنابيب الكربون النانوية تحتوي على عدد أكبر من الثقوب، لذا تكون مساحة السطح المحددة أكبر، مما يؤدي إلى زيادة طاقة سطحها أيضًا، ومن السهل التسبب في التكتل، وبالتالي تحتاج إلى تحليل اختبار حجم المسام. باستخدام سلسلة EASY-V الخاصة بـ CIQTEK، تظهر نتائج اختبار محلل السطح وحجم المسام المحددة أدناه (الشكل 4 والشكل 5)، من خلال متساوي درجة الحرارة لامتصاص النيتروجين والامتزاز يمكن رؤيته، الاثنان مخصصان بشكل أساسي لـ Ⅳ متساوي الحرارة، والضغط الجزئي نسبة P/P0 في 0.4 بعد الامتزاز والانفصال لم تتداخل تمامًا، مما يعني أنه يتم إنشاء حلقات التباطؤ، مما يشير إلى وجود درجة معينة من البنية المسامية. يوضح تحليل مسام NLDFT أن كلا المادتين لهما توزيعات وفيرة نسبيًا لحجم المسام عند 1 نانومتر ومن 3 نانومتر إلى 50 نانومتر، ويبلغ إجمالي حجم المسام 1.43 سم 3 / جم ^و 3.16 سم ³ / جم على التوالي. 

 

الشكل 4-1 تساوي درجة حرارة امتزاز وامتزاز النيتروجين في مواد أنابيب الكربون النانوية

 

الشكل 4-2 توزيع حجم المسام NLDFT لمواد أنابيب الكربون النانوية

 

الشكل 5-1: متساوي الحرارة لامتصاص وامتزاز النيتروجين لمواد الجرافين

 

الشكل 5-2 توزيع حجم المسام NLDFT لمواد الجرافين

 

05 تحديد الكثافة الحقيقية للمعجون الموصل

سوف تؤثر المرحلة الموصلة للمؤشرات الفيزيائية على أداء العجينة الموصلة، مثل الكثافة الحقيقية لمسحوق الفضة، والتلبيد ليس من السهل تشكيل ثقوب، وكثافات عالية، ويمكن الحصول على طبقة فيلم موصلة ممتازة كثيفة. سلسلة CIQTEK ذاتية التطوير EASY-G لاختبار الكثافة الحقيقية لتحديد الكثافة الحقيقية لمسحوق الفضة، كما هو موضح في الشكل 6، الكثافة الحقيقية 8.896 جم / مل، وفي كثير من الأحيان تكون قيمة الاختبار في العلامة العشرية الثالثة فقط التقلبات، ودقة الاختبار العالية، والأداة مجهزة بثلاثة مواصفات مختلفة لخلية العينة لتلبية احتياجات الأشكال المختلفة لاختبار حجم العينة.

الشكل 6: نتائج اختبار الكثافة الحقيقية لمادة مسحوق الفضة