篇1：电池基本资料及重要工序介绍

一、资料

 

1、电极资料：

 

① 正极：LiCoO2、Li2Mn04、LiFePO4等；

 

LiCoO2：⑴粒径：D50=6-9um、D10=3-4um、D90=15um ⑵ 振实密度：2.5g/cm3 ⑶ 比外表积：0.4m2/g以内 ⑷ PH值：11以内

 

钴酸锂（LiCoO2)功用优势：具有充放电功率高，热稳定性好，循环寿数长，自放电低，作业电压平稳（3.7V)等长处，是现在运用量最大的正极资料，但因为其归于资源类资料，正面临着价格不断上涨的局面，人们正在寻求替代资料。（理论容量273.8mAh/g)锰酸锂（ＬiMn2O4)，克比容量低（105mAh/g),热稳定性差，自放电较大，压实密度低，运用遭到必定的约束

 

磷酸铁锂（LiFePO4）放电渠道低（3.2V),压实密度、克比容量有必定的约束性，但因为安全功用优越，正逐步运用在电动工具、矿灯方面 ② 负极资料（石墨：人工石墨、天然石墨）

 

⑴粒径：D50=20um ⑵ 振实密度：1.0g/cm3 ⑶ 比外表积：4m2/g左右 ⑷ 石墨化度：≥90% 人工石墨特色：

 

功用稳定，循环寿数长，是现在运用量最大的负极资料，人工石墨克比容量在300-330mAh/g,理论容量在372mAh/g 天然石墨：

 

天然石墨有微晶石墨和磷片石墨两大类，鳞片石墨可用作负极资料，运用前须经过粉碎 造粒 水洗

 

烘干

 

固相包覆、液相包覆

 

炭化

 

石墨化等一系列进程，包覆的意图是使石墨表层覆盖一层具有弹性包覆层，避免石墨资料在充放电进程中呈现粉化现象，理论容量350-365mAh/g 其他负极资料：合金类（如：硅碳类），现在处于研制阶段，未商业化运用

 

2、隔阂：PP、PE 资料等

 

⑴ 宇部隔阂：PP/PE/PP

 

三层

 

⑵ 国产隔阂：PE 单层

 

隔阂是电池组成资猜中一种极为重要的物料，责任重大，它既要保证将正、负南北极彻底分隔，又要供给锂离子运行的通道，对其功用要求如下：

 

1、化学功用稳定，不参加电芯内化学反响

 

和电化学反响；

 

2、电子的绝缘体，离子运行时阻力小（杰出的透气性、孔隙率高、孔径大、厚度薄)；

 

3、有足够的机械强度（针刺强度大），保证加工功用；

 

4、对电解液吸附才干强；

 

5、具有优异的热反响才干（PE127 ℃发生热闭合，PP137 ℃发生热闭合）。我公司运用隔阂是干法出产的三层隔阂PP/PE/PP聚乙烯、聚丙烯

 

3、电解液：一般电解液、功用电解液（防过充、高温、低温、改善循环功用、进步容量等）；

 

优势电解液有必要满足以下要求：

 

1、电化学稳定性的电位规模宽（0-5V);

 

2、电导率高、粘度低；

 

3、杰出的热稳定性，运用规模尽可能宽(高沸点、低熔点）；

 

4、化学功用稳定，与电芯内集流体和活性物质不发生化学反响；

 

5、安全低毒，无污染；

 

6、资源丰富，价廉易得。

 

电解液类别：一般电解液、功用电解液

 

功用电解液：削减产气量电解液、防过充电解液、高温电解液、低温电解液等，我公司削减产气量电解液为一般电解液加1%VC（分量比），意图是更好的生成SEI膜和削减产气量，其他几种功用电解液运用量较少。

 

一般电解液：EC:DMC:EMC=1:1:1/1mol/L/LiPF6;

 

EC:DMC:DEC:EMC=2:1:2:1/1mol/L/LiPF6;

 

等，依据要求不同可选用不同的配比要求，我公

 

司运用的一般电解为EC:DMC:EMC=1:1:1/1mol/L/LiPF6，该电解液特色是：常温功用好，在-10℃以下和60℃以上电芯功用反常

 

配 料 基 础 知 识

 

一、电极的组成：

 

1、正极组成：

 

a、钴酸锂：正极活性物质，锂离子源，为电池进步锂源。

 

b、导电剂：进步正极片的导电性，补偿正极活性物质的电子导电性。进步正极片的电解液的吸液量，添加反响界面，削减极化。

 

c、PVDF粘合剂：将钴酸锂、导电剂和铝箔或铝网粘合在一起。d、正极引线：由铝箔或铝带制成。

 

2、负极组成：

 

a、石墨：负极活性物质，构成负极反响的首要物质；首要分为天然石墨和人工石墨两大类。

 

b、导电剂：进步负极片的导电性，补偿负极活性物质的电子导电性。

 

进步反响深度及运用率。避免枝晶的发生。

 

运用导电资料的吸液才干，进步反响界面，削减极化。（可依据石墨粒度散布挑选加或不加）。

 

c、添加剂：下降不行逆反响，进步粘附力，进步浆料黏度，避免浆料沉积。d、水性粘合剂：将石墨、导电剂、添加剂和铜箔或铜网粘合在一起。e、负极引线：由铜箔或镍带制成。

 

二、配料意图：

 

配料进程实践上是将浆猜中的各种组成按规范份额混合在一起，调制成浆料，以利于均匀涂布，保证极片的一致性。配料大致包含五个进程，即：质料的预处理、掺和、浸湿、涣散和絮凝。

 

三、配料原理：

 

（一）、正极配料原理

 

1、质料的理化功用。（1）钴酸锂：非极性物质，不规矩形状，粒径D50一般为6-8 μm，含水量≤0.2%，通常为碱性，PH值为10-11左右。

 

锰酸锂：非极性物质，不规矩形状，粒径D50一般为5-7 μm，含水量≤0.2%，通常为弱碱性，PH值为8左右。

 

（2）导电剂：非极性物质，葡萄链状物，含水量3-6%，吸油值~300，粒径一般为 2-5 μm；首要有一般碳黑、超导碳黑、石墨乳等，在大批量运用时一般挑选超导碳黑和石墨乳复配；通常为中性。

 

（3）PVDF粘合剂：非极性物质，链状物，分子量从300，000到3，000，000不等；吸水后分子量下降，粘性变差。

 

（4）NMP：弱极性液体，用来溶解/溶胀PVDF，一起用来稀释浆料。

 

2、质料的预处理

 

（1）钴酸锂：脱水。一般用120 oC常压烘烤2小时左右。（2）导电剂：脱水。一般用200 oC常压烘烤2小时左右。

 

（3）粘合剂：脱水。一般用120-140 oC常压烘烤2小时左右，烘烤温度视分子量的大小决议。

 

（4）NMP：脱水。运用枯燥分子筛脱水或选用特殊取料设施，直接运用。

 

3、质料的掺和：

 

（1）粘合剂的溶解（按规范浓度）及热处理。

 

（2）钴酸锂和导电剂球磨：使粉料开始混合，钴酸锂和导电剂粘合在一起，进步聚会效果和的导电性。配成浆料后不会单独散布于粘合剂中，球磨时刻一般为2小时左右；为避免混入杂质，通常运用玛瑙球作为球磨介子。

 

4、干粉的涣散、浸湿：

 

（1）原理：固体粉末放置在空气中，跟着时刻的推移，将会吸附部分空气在固体的外表上，液体粘合剂参加后，液体与气体开端抢夺固体外表；假如固体与气体吸附力比与液体的吸附力强，液体不能浸湿固体；假如固体与液体吸附力比与气体的吸附力强，液体能够浸湿固体，将气体挤出。当潮湿角≤90度，固体浸湿。当潮湿角＞90度，固体不浸湿。

 

正极资猜中的所有组员都能被粘合剂溶液浸湿，所以正极粉料涣散相对简单。（2）涣散办法对涣散的影响：

 

A、静置法（时刻长，效果差，但不损伤资料的原有结构）；

 

B、拌和法；自转或自转加公转（时刻短，效果佳，但有可能损伤个别 资料的自身结构）。

 

1、拌和桨对涣散速度的影响。拌和桨大致包含蛇形、蝶形、球形、桨形、齿轮形等。一般蛇形、蝶形、桨型拌和桨用来对付涣散难度大的资料或配料的初始阶段；球形、齿轮形用于涣散难度较低的状况，效果佳。

 

2、拌和速度对涣散速度的影响。一般说来拌和速度越高，涣散速度越快，但对资料自身结构和对设备的损伤就越大。

 

3、浓度对涣散速度的影响。通常情况下浆料浓度越小，涣散速度越快，但太稀将导致资料的浪费和浆料沉积的加重。

 

4、浓度对粘结强度的影响。浓度越大，柔制强度越大，粘接强度 越大；浓度越低，粘接强度越小。

 

5、真空度对涣散速度的影响。高真空度有利于资料缝隙和外表的气体排出，下降液体吸附难度；资料在彻底失重或重力减小的情况下涣散均匀的难度将大大下降。

 

6、温度对涣散速度的影响。适合的温度下，浆料流动性好、易涣散。太热浆料简单结皮，太冷浆料的流动性将大打折扣。

 

5、稀释。将浆料调整为适合的浓度，便于涂布。

 

（二）、负极配料原理（大致与正极配料原理相同）

 

1、质料的理化功用。

 

（1）石墨：非极性物质，易被非极性物质污染，易在非极性物质中涣散；不易吸水，也不易在水中涣散。被污染的石墨，在水中涣散后，简单从头聚会。一般粒径D50为20μm左右。颗粒形状多样且多不规矩，首要有球形、片状、纤维状等。（2）水性粘合剂（SBR）：小分子线性链状乳液，极易溶于水和极性溶剂。（3）防沉积剂（CMC）：高分子化合物，易溶于水和极性溶剂。

 

（4）异丙醇：弱极性物质，参加后可减小粘合剂溶液的极性，进步石墨和粘合剂溶液的相容性；具有激烈的消泡效果；易催化粘合剂网状交链，进步粘结强度。乙醇：弱极性物质，参加后可减小粘合剂溶液的极性，进步石墨和粘合剂溶液的相容性；具有激烈的消泡效果；易催化粘合剂线性交链，进步粘结强度（异丙醇和乙醇的效果从本质上讲是一样的，大批量出产时可考虑成本要素然后挑选添加哪种）。

 

（5）去离子水（或蒸馏水）：稀释剂，酌量添加，改动浆料的流动性。

 

2、质料的预处理：

 

（1）石墨：A、混合，使质料均匀化，进步一致性。B、300~400℃常压烘烤，除掉外表油性物质，进步与水性粘合剂的相容才干，修圆石墨外表棱角（有些资料为保持外表特性，不答应烘烤，否则效能下降）。（2）水性粘合剂：恰当稀释，进步涣散才干。

 

3、掺和、浸湿和涣散：

 

（1）石墨与粘合剂溶液极性不同，不易涣散。

 

（2）可先用醇水溶液将石墨开始潮湿，再与粘合剂溶液混合。（3）应恰当下降拌和浓度，进步涣散性。

 

（4）涣散进程为削减极性物与非极性物间隔，进步势能或外表能，所以为吸热反响，拌和时总体温度有所下降。如条件答应应该恰当升高拌和温度，使吸热变得简单，一起进步流动性，下降涣散难度。

 

（5）拌和进程如参加真空脱气进程，扫除气体，促进固-液吸附，效果更佳。（6）涣散原理、涣散办法同正极配猜中的相关内容，在三、（一）、4中有具体论述，在此不予具体解说。

 

4、稀释。将浆料调整为适合的浓度，便于涂布。

 

四、配料注意事项：

 

1、避免混入其它杂质；

 

2、避免浆料飞溅；

 

3、浆料的浓度（固含量）应从高往低逐步调整，避免添加费事；

 

4、在拌和的间歇进程中要注意刮边和刮底，保证涣散均匀；

 

5、浆料不宜长时刻搁置，避免沉积或均匀性下降；

 

6、需烘烤的物料有必要密封冷却之后方能够参加，避免组分资料性质变化；

 

7、拌和时刻的长短以设备功用、资料参加量为主；拌和桨的运用以浆料涣散难度进行替换，无法替换的可将转速由慢到快进行调整，避免损伤设备；

 

8、出料前对浆料进行过筛，除掉大颗粒以防涂布时构成断带；

 

9、对配料人员要加强培训，保证其掌握专业知识，避免变成大祸；

 

10、配料的要害在于涣散均匀，掌握该中心，其它方式可自行调整。

 

五、总论：跟着电池制程的日益透明，锂离子电池出产厂家越来越将配料列为核心机密，因为从资料的挑选、处理到合理调配包含了太多技能人员的汗水，同样的资料，有的厂家用起来特别顺畅，有的厂家就费事百出；有的厂家用中档的资料能够做出高端的电池，而有的厂家却运用最好的资料做成的电池不忍目睹；本人在此宣布配料的基础知识，旨在让咱们对配料的了解多一些，少走一些弯路；但因本人水平有限，难免有疏漏之处，期望咱们多多批评指正。我也期望咱们在作业中认真研讨，真诚交流，斗胆创新，团结起来，一起促进我国锂离子电池出产水平的进步。关于负极掉粉：

 

1、咱们现在首要是从铜箔、胶和草酸上面着手，并且也有点经历，能够调配制作出较好的负极极片了。

 

2、关于用网或泡沫网作为骨架的话是没有影响的或许说影响不大，可是假如是铝箔或铜箔作为骨架如锂离子电芯，则假如是正极的A面附料少而对应的负极A面料多的话会添加电池的不行逆容量，假如正极的B面符料多而与之相对的负极B面附料少的话在充电时因为负极不能接纳足够的锂离子则锂离子会集合在负极外表当集合到必定程度时少则发生自放电过大，多则会构成内部短路。所以必定要保证两面的附料量在必定的答应规模内

 

3、假如是水性，SBR的粘结功用是很好的，尤其是涂层与基材（Cu foil）的粘结，要好于PVDF；可是粉体之间的粘结救较难操控，因为SBR在水或许浆猜中是以乳液方式存在，即依靠点粘联构建极片结构。假如你确信粘合剂量没有问题，那只要从改善浆料的涣散下手，信任油效果。

 

电解液对电池功用的影响：

 

1、应该会有很大影响，电解液在超越50度就会非常不稳定，对正负极资料的功用都有影响。

 

2、不同正负极系统的调配需求适合的电解液系统才干发挥最佳功用！！也就是说，相同电解液针对不同正负极系统功用发挥有所不同！

 

3、假如你运用的电解液中含有添加剂VC则温度高影响会比较大,常温下VC在有氧和光存在的条件下很简单分化,温度对其影响更大!

 

4、就现在国际规范电液lipf6系统而言: 1M lipf6 EC:DMC 1:1 RT(9ms)低温功用差,-10℃EC结晶 1M lipf6 EC:DEC 1:1 低温略好 挥发性气体 对锂不稳定

 

改善方向:在不影响碳电化学功用条件下,三元系统或许四元系统 例如:1M lipf6 EC:DEC:DMC 1:1:1(SONY)等等

 

lipf6系统长处:对铝稳定、电导率高、SEI简单构成......缺陷:溶剂中80度分化、水解.....总体上说,各厂家针对负极资料不同的会挑选适合配比的电解液配方

 

5、小弟我不久前做过电解液中添加不同ppm水的试验。100ppm、200、250、300、500、800、1000、2000ppm的，小弟发现当水分含量到达300ppm时，电池化成后的厚度就有较显着的变化了，其他象封口后、分选后的厚度、自放电率等都无多大的差别，也用PFMEA的办法模拟参加过酒精、丙酮、DMC、结晶等，发现酒精的破坏性最大

 

6、SEI模除了和成分（资料，电解液，辅料等）有关外，化成准则也有很大影响。

 

至于那种化成构成的SEI最适合，需求很好的测验手法，现在咱们正在测验不同的化成准则跟他的构成联络。

 

7、依据我的所知，DMC和EC配合运用，比DEC和EC配合运用好，因为DEC会构成碳负极上的不行逆嵌锂，构成初始容量变低，并且会在电解液里构成沉积。另外，六氟磷酸锂不纯的情况下30度以上都会发生分化，纯度高的六氟磷酸锂在80~130度下可能会部分分化。

 

我刚结业，作业才两个月，以上定论彻底在文献中看到，实践情况可能会不同，比如，负极资料外表处理过了，结果肯定不同，假如有什么不对，期望同行点拨！：）

 

8、电极与电解液的匹配没有固定组合，不同的电极资料在同一电解液中的功用都不一样。相对研讨更多的是负极与电解液的相容性。关于EC:DEC与EC：DMC的好坏问题，试验发现前者的潮湿性显着好于后者，容量二者之间相差并不是很大，循环功用没有深化。SEI的构成一般在0.7V左右构成（相对金属锂）当然是期望构成的电位高些。

 

9、其实就负极而言，成膜的电位是比较高的，一般高于0.8V（石墨），而后才是嵌锂阶段，直到负极电位挨近0V,请注意，千万要操控住不要低于0V，那样会呈现析锂了。其实所谓成膜添加剂，有些就是在更高的电位成膜，来削减EC等在负极外表成膜而构成的不行逆容量。

 

就整个电池电压而言，是在电压较低的时分成膜，此时正极电位刚刚爬到3.90V以上，考虑到极化的影响，成膜电压应该在3.35V或更低。咱们能够做试验，用极小的电流，来观察是否有“渠道”呈现，当然要细心观察。

 

10、电解液的量应该在3.5g/Ah左右，依据不同的正负极资料，再进行恰当的调整。电解液的量不能太小了，否则会影响电池容量的发挥，化成时也会耗费必定量的电解液。

 

篇2：电池基本资料及重要工序介绍

金滩镇顺道店小校园长

 

李洪川

 

李洪川，中共党员，现任金滩镇中心校副校长兼顺道店小校园长。自作业以来，以“办妥人民满意的教育”为主旨，以扎实的作业作风和超卓的作业成绩，得到社会各界人士的一致好评，以德育人的教育理念育导着学生的成长。走的是一条执著寻求、辛勤耕耘、无私贡献的教育之路，屡次被评为县、乡优异共产党员、优异教师和先进个人、邯郸市榜样班主任等荣誉称号。

 

一、爱岗敬业，做廉洁自律的榜样

 

二十一年来，专心想着党的培育之恩，始终与党中央保持一致，团结在以习近平总书记为首的党中央周围，拥护党和国家的道路、政策、政策。忠于党的教育事业，对作业任劳任怨，认真负责。

 

校园的师生清楚地记住，2013年10月的一天下午下课后，自己不慎从楼梯跌倒，导致脚踝受伤，无法行走。医生主张在家歇息，但心系作业，心系学生，所以在家歇息了一天，第二天就来到了校园，艰难的登上二楼为学生上课，一向坚持了一个多月，全校师生无不为之感动，学生们感动得流泪，都争着要搀扶我上下楼。还有，在去年的省督导评价检查前，因为是新校园作业量太大，从暑假加班到检查前周六周日从来没有歇息过，带领全体教师从校园环境，班级办理，到专室仪器的运用，各项作业有条有理的顺畅进行，经过全体师生的一起尽力于2014年底高规范的经过了省专家组的评价验收，并得到省专家的好评，„„像这样的事例举不胜举。

 

一个好校长就是一所好校园。一所超卓的校园总是跟一个超卓的校长联络在一起。从担任校长职务以来，要求教师做到自己首要做到，要求教师不做的从来不做。坚持每周周日下午到校，星期五下午放学离校。节假日和寒暑假，更是牵挂着校园的安全，专心扑在校园的作业上，用汗水和汗水抒写着自己的作业成绩。无私贡献、艰苦斗争、为人师表、开拓创新的精神和品质在校领导班子中发生出很强的向心力和凝聚力。在廉政方面严格要求自己，从不运用职权为自己或家人谋私利。在公务活动中，做到合理开支，手续清楚。

 

二、科学办理，加强本质教育的落实

 

在校园办理上有一整套自己的经历。对领导班子的办理模式是“统一步调，分工协作、各司其职、各负其责”，拟订了一系列的办理准则;把“培育习气、奠基人生”作为校园的办学理念，始终坚持培育学生的杰出习气，在教育办理上尝试有利于培育学生的创新精神和实践才干的“探求式学习模式”，在德育作业办理上能够处于高屋建瓴的势态，强调要有显着的时代性和契合儿童身心特色的实效性。在校园办理上，能做到以身作则，率先垂范。有一次，因为家事而上班迟到了，校园教师都不以为然，自己在考勤本上挂号，并在教师例会上公开道歉。学期结束时，按准则扣了自己一元钱。正是这种严于律自的做法，感化着校园的全体师生。

 

因为有科学的办理准则和高效的教育模式，致使各项作业都走在了全镇的前列，在全体师生的尽力下，校园被评为大名县示范小学，县级文明单位，青年文明号，教育教育作业先进单位，大名县督导评价先进校园等荣誉称号。

 

三、和蔼可亲，全心全意服务师生

 

身为一校之长，不但不摆架子，待人处事公平民主，宽厚仁和，并且关心教师，乐意为教师排忧解难。情系师生，乐于助人。对教师的困难疾苦，更是热情帮助，关心备至。在生活上，更是给教师们一个体贴入微的关心。有一次，一位教师身患沉痾入住县城医院，不顾劳累亲自前往医院探望，问长问短，并屡次组织校园行政人员、教师探望患病的教师，令患病的教师及其家人深受感 动。某个冬季夜晚，一位教师发烧，我知道后，马上穿上衣服把他送到金滩镇医院，待到回家时已经是深夜2时多了。还有„„相似比如真是太多了，容不一一枚举。

 

对学生也倾泻了无尽的爱。哪个学生家庭有困难，总会热心帮助;哪个学生在纪律上有不良表现，他总会耐心教育。校园几位学生家庭好不简单，了解情况后，给学生们申请了困难补助，使这些学生的家长处理了燃眉之急„„

 

然后赢得了广阔师生和家长的信任和好评，赢得了领导教育作业的主动权。使全校呈现出一派校风正、学风浓、乐于助人、勤奋好学的杰出习尚，逐步完成了由应试教育到本质教育的转化，从传统教育到现代教育的跨过，从粗豪办理到依法治校科学办理的迈进。

 

四、以人为本，加强工作道德教育 “做为一名合格的人民教师，一个人民满意的教师，不仅要有精深的业务，还要有高尚的师德。”这是我常常和教师说的一句话。在教育战线上辛勤耕耘了20多个春秋。多年的教育、办理实践使我深深懂得，教师是校园作业的主体，加强教师队伍建设，进步教师的各种本质是办妥校园的基本条件。因此，担任校长几年来，在抓“师德、师能、师表”教育上狠下功夫，常常组织教师学习《教师法》、《教育法》、《义务教育法》、《未成年人保护法》等法律法规，对修订后的《中小学教师工作道德规范》常常学习。要求教师把每一个学生装进心中，关爱每一个学生，促进每一个学生的全面、主动、健康开展。广阔教师进一步树立了爱国主义、集体主义和社会主义的抱负和信仰，增强了爱岗敬业、诚实守信、服务人民、贡献社会的工作责任感，工作道德本质有很大进步。

 

“捧着一颗心来，不带半根草去”。这是闻名教育家陶行知终身牺牲于教育事业的真实写照，也是我斗争在教育战线上的座右铭。20多年风雨沧桑，执着的教育寻求依然不变。没有最好，只要更好，坚持把校园做好，让乡村的孩子不输在起跑线上，为了教育的明天，始终站在教育这一块精神高地上，守望着自己的抱负，守望着那个香甜的梦，谱写一曲人生平凡而杰出的乐章。

 

基本信息

 

李洪川 男 41岁

 

本科学历 教龄21年 金滩镇中心校副校长兼顺道店小校园长

 

篇3：电池基本资料及重要工序介绍

能源问题是人类社会面临的几大问题之一。跟着矿物能源的逐步枯竭和环境问题的日益急迫,开发可再生、环保的新式能源成为要害,而太阳能是最有前途的可再生能源之一。在过去的几十年中,太阳能电池得到了很快开展,其间无机太阳能电池的研讨最老练[1,2,3]。可是无机太阳能电池的制备成本高、工艺复杂,很大程度上约束了它的运用。与无机太阳能电池比较,聚合物太阳能电池质量轻,成本低,可选用丝网印刷[4]、喷墨打印[5,6,7]、狭缝型挤压式涂布[8,9]等办法大规模制备,可规划性强以及光谱呼应规模宽,可制备成柔韧性薄膜,引起了国内外学者和企业界的极大关注,成为研讨和开发的热点[10,11]。现在聚合物太阳能电池的实践能量转化功率已到达7%左右[12],但仍达不到市场化的要求,怎么进步能量转化功率仍是现在研讨的要点。

 

聚合物太阳能电池与无机太阳能电池一样,也是基于光伏效应的原理,其光电转化进程首要包含:(1)给体资料吸收光子并跃迁至激发态,发生激子;(2)激子在给体相涣散,当其涣散到给体和受体界面时,在给体和受体的最低未占分子轨迹(LUMO)能级差(ΔE)效果下,经过电子搬运别离为自在载流子;(3)自在载流子在内建电场的效果下迁移到南北极,被南北极搜集构成电流[13,14]。对聚合物太阳能电池的理论研讨已取得很大开展,可是一些实际要素仍严峻约束着太阳能电池的功率,如资料的吸收光谱与太阳光谱不匹配,电子搬运进程中能量丢失大,激子别离、载流子的传输和搜集功率低等。这些要素与光敏层资料和描摹密切相关,本文着重从这两方面剖析影响太阳能电池功用的要素及进步电池功用的办法。

 

1 聚合物太阳能电池的光敏层资料

 

光敏层一般由给体资料(D)和受体资料(A)混合而成,资料的特性严峻影响电池的功用,为了进步电池能量的转化功率,需求不断开发新式的给体资料和受体资料,并深化了解资料特性与电池功用的联络。

 

1.1 光敏层资料及其研讨开展

 

给体资料能吸收光子并跃迁至激发态发生激子,一般是含有非定域π电子的共轭聚合物,如聚乙炔、聚乙烯咔唑(PVK)、聚苯胺(PAn)、聚吡咯(PPy)、聚对苯撑乙烯(PPV)、聚芴(PF)、聚噻吩(PTh)及其衍生物等。给体资料的带隙是影响电池功用的一个首要要素,晶体硅带隙为1.1eV,吸收波长达1250nm,太阳能的运用功率可达70%,理论电流密度可达43.9mA/cm2。现在聚合物太阳能电池中最常用的给体资料是P3HT,其带隙为1.9eV,只能吸收波长小于650nm的光子,太阳能运用功率只要22.4%,理论电流密度只要14.3mA/cm2。可见下降聚合物带隙可增大吸收波长规模,进步电流密度和能量转化功率。影响聚合物带隙的要素许多,如聚合物的芳香性、π-共轭长度、替代基、聚合物链的相互效果等[15]。有用下降聚合物带隙的办法是将具有给体性质和受体性质的单元制备成D-A结构的替换共聚物,现在一些高功用的新式聚合物都是选用这种办法。如PCPDT-BT[16]是芴和苯并噻二唑的替换共聚物,其带隙只要1.45eV,极限吸收波长可到达850nm左右,极大地进步了光吸收功率,一起资料具有杰出的空穴传输功用,是一种很有潜力的给体资料;PCDTBT[17,18]是咔唑、噻吩和苯并噻二唑的替换共聚物,带隙为1.8eV左右,以PCDTBT为给体、[6,6]-苯基C71丁酸甲酯(PC70BM)为受体的电池开路电压遍及较高,经过优化后电池功率可到达6%;另外一类新式资料是有机金属聚合物,Wai-Yeung Wong等[19]组成了一种有机金属聚合物其带隙为1.85eV,但电流密度高达15.43mA/cm2,已挨近最大理论值,在未经任何处理的情况下电池能量转化功率可到达4.4%。图1为几种新式给体资料的结构。

 

受体资料在电池中能起到促进激子别离和传输电子的效果,现在聚合物太阳能电池中常用的受体资料是富勒烯(C60)及其衍生物。因为C60的高对称性,其最低能量转化在方式上表现为偶极禁阻,在可见光区域的光吸收系数很低,并且未加修饰的C60的溶解性较差,易集合,因此常用对称性低的C70替代C60,并改善其加工功用和光电功用,制备出一系列溶解度高的富勒烯衍生物,其间最常用的是PCBM。

 

1.2 资料的规划思路和办法讨论

 

由上可知,带隙是影响电池功用的重要要素,事实上给体资料与受体资料轨迹能级的匹配性对电池功用的影响更显着[20,21]。在聚合物太阳能电池中,当给体资料和受体资料的LUMO能级差(ΔE)为0.3eV时就可使激子有用别离[22],而现在最常用的2种光敏层资料P3HT与PCBM的LUMO能级相差1.2eV,在激子别离进程中构成了巨大的能量丢失,导致电池开路电压过低,电池功率小于等于5%。M.C.Scharber等[21]对能级与电池功率之间的联络进行了深化研讨,图2为太阳能电池能量转化功率与聚合物/PCBM电池系统给体资料的带隙、LUMO能级之间的联络图(假定外量子功率(EQE)和填充因子(FF)为0.65)。

 

从图2中能够看出,当LUMO能级为-3.6eV(ΔE=0.8eV)时,带隙为2.1eV的聚合物的转化功率约为5.8%;带隙为1.8eV时功率升到约6.7%;跟着带隙的进一步下降,能量转化功率不升反降;当LUMO能级为-3.92eV(ΔE≈0.4eV)时,电池功率可到达10%,带隙从1.8eV降至1.3eV时,理论转化功率没有太大变化,阐明LUMO能级对电池功率的影响更显着。因此规划和组成新式资料的首要条件是保证给体和受体能级的匹配性,其非有必要优化聚合物带隙,在光电流与开路电压之间保持平衡,才干取得最佳的电池功用。

 

人们已对聚合物的带隙进行了深化研讨,可是有关LU-MO能级的影响要素报导却不多。H.Y.Chen等[12]研讨发现,烷氧基具有比烷基更强的给电子性,因此烷氧基噻吩的最高占有分子轨迹(HOMO)能级高于烷基噻吩,基于此,他们在Y.Y.Liang[23]研讨的基础上规划出新式给体资料,其结构如图3所示,即先将[3,4-b]并二噻吩单元上的酯基改为酰基(PBOTTT-C),因为酯基中的烷氧基被烷基替代,吸电子性增强,使资料的LUMO和HOMO能级一起下降了0.1eV左右,而资料的带隙未发生变化。因为与PCBM的LUMO能级差减小,能量转化功率进步到6.3%。他们对资料进行了进一步改善,在[3,4-b]并二噻吩单元上引进吸电子的F基(PBDTTT-CF),与PBDTTT-C比较,资料的LUMO和HOMO能级一起下降0.2eV,电池功率到达7.7%,平均转化功率也在7.4%左右。H.Y.Chen的研讨为怎么优化能级结构供给了一条思路。

 

下降给体资料的LUMO能级是优化能级结构的一种办法,一起,也能够进步受体资料的LUMO能级。P.Morvillo等[24]选用理论的办法研讨了不同替代基对C60LUMO能级的影响,讨论了进步LUMO能级以增强开路电压的可行性及途径。最近,Yougun He等[25]组成了一种新的茚双加成的C60衍生物ICBA(结构如图3所示),其LUMO能级较PCBM上移0.17eV,开路电压(Voc)到达0.84V,能量转化功率到达5.44%,这是基于P3HT的聚合物太阳能电池能量转化功率的最高值。

 

2 聚合物太阳能电池光敏层描摹研讨

 

光敏层的描摹是影响电池功用的另一重要要素,光子吸收、激子的涣散和别离、载流子的生成和传输等首要光电进程都与光敏层的描摹密切相关,怎么操控或优化光敏层的描摹也是现在研讨得最多的问题。影响光敏层描摹的要素有许多,如聚合物结构、光敏层资料的配比、溶剂以及加工和处理工艺等都会影响光敏层的描摹,然后改动电池功用。下面首要讨论改善描摹的的办法及其原理。

 

2.1 聚合物结构及光敏层组分

 

2.1.1 聚合物结构的影响

 

聚合物的立构规整性对太阳光的吸收和载流子的传输功用有很大影响。跟着规整度的进步,分子链距离减小,增强了分子链间的相互效果,有利于分子链密堆积构成平面结构,更有利于载流子的传输。一起这种片层结构倾向于笔直基底排列,有利于光吸收。据Y.Kim报导,当规整度由90.7%进步到95.2%时,光电流密度进步了1倍多,电池功率进步了2.5倍[26]。分子量及分子量散布对描摹也有很大影响[27],对P3HT∶PCBM电池的研讨发现,当P3HT分子量较小时其具有低流动性,在光敏层制备和后处理进程中能够结晶或构成很多的微晶,有利于光子吸收,而高分子量的P3HT往往晦气于构成结晶。但高分子量的P3HT能构成交联网状结构,为载流子传输供给接连通道。所以抱负的情况是聚合物的平均分子量为30000~70000,多涣散度在2左右,这样分子量的规模就比较大,然后使低分子量的P3HT构成高度结晶区域,嵌入在网状结构之间,增强对太阳光的吸收,高分子量的P3HT构成交联网状结构保证了接连载流子的传输通道。

 

2.1.2 给体资料与受体资料份额

 

一般以为,当PCBM的浓度较低时,能够有用别离激子,但薄膜还未构成相别离结构和电子传输的接连通道,致使电荷传输时易碰到空间陷阱等而复合,因此功率不高。只要当PCBM含量较高时才干够构成接连的载流子传输通道,电池才具有最佳的功用[28]。可是PCBM的参加对光吸收有极大影响。跟着光敏层中PCBM含量的添加,电池在长波段(440~650nm,P3HT的吸收峰)的吸收强度显着下降,当PCBM含量较高时P3HT本来较平坦的吸收峰显着减弱甚至发生了蓝移。原因可能是PCBM均匀地涣散在P3HT链中,破坏了P3HT分子链的规整性,然后影响了光吸收,反而会发生晦气影响。

 

给体、受体资料的混合还会影响载流子迁移率。跟着PCBM含量的添加,电子迁移率(μe)会逐步添加到达饱满,一起空穴迁移率(μh)也会逐步添加[13,29],这对进步光电流密度是有利的。跟着给体受体资料的混合份额不同,载流子迁移率差异也会发生变化。在电池系统中,假如载流子迁移率差异很大,则简单导致空穴在电池阳极附近集合,构成空间电荷,其效应会对光电流发生晦气影响[13],因此恰当的份额才干取得最佳的电池功用。研讨发现,质量比为1∶1的P3HT/PCBM薄膜经处理后空穴和电子迁移率差异很小(μe/μh=1∶1.5),电子和空穴的迁移率几近相同,约束了空间电荷的构成[30]。

 

2.1.3 溶剂

 

富勒烯只能溶于有限的几种溶剂,因此在溶剂法制备太阳能电池工艺中溶剂一般为氯仿、甲苯、二甲苯、氯苯、二氯苯等。溶剂的功用对光敏层的描摹有很大影响,假如富勒烯在溶剂中的溶解度小于20mg/mL,富勒烯就会发生积累现象,使光敏层发生严峻的相别离,然后使相别离标准远远大于激子涣散长度,聚合物和富勒烯发生聚会,严峻影响电池功用[31,32]。假如聚合物和富勒烯在溶剂中的溶解度适度,薄膜的相别离标准和激子涣散长度适当,就有利于激子别离和载流子传输。若富勒烯的溶解度超越100mg/mL,则富勒烯就可能均匀地涣散在聚合物中,构成均一的异质结结构,反而对电池功用晦气,因此最佳的溶解度是30~40mg/mL。溶剂的蒸汽压也会影响电池的功用,蒸汽压高的溶剂可使光敏层的自拼装较充沛,得到相别离标准适当的描摹。

 

2.2 电池处理工艺的影响

 

2.2.1 热退火

 

退火温度一般要求应稍高于聚合物的玻璃化转变温度,这样才会使退火时聚合物链运动才干增强,从头排列使聚合物构成有序结构,促进聚噻吩的结晶。P3HT的结晶速度比PCBM的快,且其晶体倾向于在一维方向上生长,所以当对薄膜器材进行退火处理时,P3HT构成纤维状晶体而基本上不下降其与PCBM的接触面积[33],不会影响激子的别离。聚合物相的结晶能够进步光吸收功用和空穴迁移率,然后进步电池功率。适合的热退火时刻和温度才干使电池到达最佳功用[34,35],退火时刻过长或温度过高都会使给体和受体资料的相区标准大于激子涣散长度,导致激子很多丢失,反而会下降电池功率。

 

2.2.2 溶剂退火

 

溶剂退火是经过操控溶剂的蒸腾速率来影响光活性层的描摹。不同文献中报导的溶剂退火工艺也不尽相同,如经过操控旋转涂膜的时刻[36]或将设备放置在密闭的玻璃皿中(也称为慢添加)[37]来操控溶剂的蒸腾速率,或许在含有溶剂的密闭器皿中进行退火[38]等。G.Li等[30]研讨了慢添加对电池功用的影响。缓慢添加(放置在封闭的玻璃皿中,溶剂蒸腾20min)的EQE最大值是快速添加(70℃,溶剂蒸腾20s)的3倍左右,短路电流密度(Jsc)由4.5mA/cm2上升至9.9mA/cm2,进步了1倍多,一起还下降了电池串联电阻,使填充因子(FF)有很大进步。缓慢添加使聚合物和PCBM的自拼装愈加充沛,促进了P3HT/PCBM混合膜构成有序结构和相别离结构,并且慢添加处理的薄膜载流子和空穴迁移率更平衡,使光电流不会遭到空间电荷的影响。

 

退火溶剂的特性对电池功用也有很大影响[39]。不管运用何品种型的溶剂,Jsc和FF都有显着添加,一起退火后Voc均下降(为0.1~0.2V)。但选用不良溶剂退火的电池,其Jsc和电池转化化功率要高于良溶剂退火的电池,原因可能是良溶剂使薄膜的自拼装更充沛,导致过度的相别离,使激子的丢失添加,而不良溶剂退火反而会使光敏层的相别离程度适当,然后使载流子传输平衡,削减了激子丢失。可见,适合的相别离标准才是要害。

 

2.2.3 添加剂

 

添加添加剂是一种改善描摹、进步功用的抱负办法。硫醇[40]作为添加剂可极大地进步电池的功用。J.Peet[41]研讨了不同长度的烷基二硫醇对描摹及电池功用的影响。参加硫醇后光敏层对光的吸收显着添加,载流子发生功率进步,一起载流子迁移率和载流子寿数也有显着进步,电池功率从2.8%进步到5.5%。Y.Yao等[42]在J.Peet的基础上进行了更深化的研讨,以为这是一种混合溶剂效应,提出了混合溶剂的挑选条件,并建立了理论模型。他们以为,当P3HT和PCBM溶解在氯苯中时,聚合物链在溶剂中自在涣散,与PCBM间没有相互效果,因为氯苯的沸点低,在旋转涂膜进程中很快蒸腾,整个系统敏捷变为亚稳态,PCBM分子均匀地涣散在聚合物链中,破坏了聚合物链的规整性。参加少数1,8-辛二硫醇后,因硫醇的蒸汽压高于氯苯,在旋涂进程中跟着氯苯的蒸腾,硫醇的浓度逐步增大。因为PCBM在硫醇中的溶解度很小,故首要构成团簇沉积在基底上。这样在旋转涂膜后期硫醇中的PCBM浓度就较低,使聚合物的自拼装愈加简单,构成规整性较高的区域,然后使P3HT相的规整性进步,为空穴传输供给了通道,并且先构成的PCBM团簇则为电子传输供给杰出的通道。添加溶剂有必要满足3个条件:(1)与第一溶剂比较,有必要要有低的蒸汽压;(2)PCBM的溶解度要低;(3)与第一溶剂能够混溶。运用这一原则和理论模型还发现了二乙二醇二乙醚和N-甲基吡咯烷酮两种相似的共溶剂。由此构成的描摹是PCBM沉积在基底上,晦气于空穴传输,可是该模型为进一步研讨混合溶剂供给了很好的思路。

 

2.2.4 热退火和溶剂退火的一起效果

 

热退火和溶剂退火均能进步聚合物相的规整性,然后进步光吸收功用和空穴迁移率,对二者的一起影响也作了进一步研讨。G.D.Sharma等[43]对溶剂退火后的薄膜进行了热退火,发现电流密度、FF以及能量转化功率都得到进一步提升。原因可能是随后的热退火促进了PCBM的集合,一起使薄膜进一步自拼装构成有利的描摹。G.Li[30]的研讨发现,关于自拼装不彻底、快速添加的薄膜进行热退火时可使其链段从头运动,进一步自拼装构成规整状况,改善电池功用。但缓慢添加的薄膜具有高度的规整性,退火前后变化不大,因此以为热退火只是去除了剩余溶剂,下降了自在体积,添加了电池的界面,而不是使高规整度的薄膜进一步自拼装。

 

以上各种办法均对电池的功用有很大影响,它们的相互效果使咱们很难找到一种确认的工艺道路和加工条件来完成最佳描摹,因此寻求描摹与结构的深层次联络以及其他的办法仍是往后尽力的方向。

 

2.2.5 改善界面描摹的其他办法

 

为了使聚合物相有序排列,以利于光子吸收和空穴传输,S.Berson[44]将P3HT放入溶剂中加热使其彻底溶解,然后缓慢冷却,使聚合物结晶分出,经过离心和过滤使结晶相与非晶相分隔,将P3HT和PCBM混合作为光敏层。研讨发现,将75%的结晶态P3HT和25%的非晶态P3HT混合作为给体资料时电池能够到达最佳功用,结晶态的P3HT能促进光子吸收,非晶态的P3HT能保证聚合物纤维和受体区域的联络,为空穴传输供给接连的通道。I.Botiz等[45]首要将P3HT和可降解的聚L-丙交酯(PLLA)制备成嵌段共聚物,因为P3HT与PLLA结构的差异很大,简单构成相别离结构,能够经过降解除掉PLLA,在PLLA的方位填入富勒烯,使之构成规整的P3HT相和PCBM相;也能够经过操控PL-LA的分子量使PLLA的长度与激子涣散长度相适应,构成规整聚合物相和抱负的相别离结构。C.M.B.Svanström等[46]将给体资料和受体资料别离溶于氯仿和氯苯中,经过自拼装构成聚合物富集相和富勒烯富集相替换的多层结构,进步了激子别离和载流子传输,使其电池的功用比均匀混合的本体异质结电池的功用进步了40%。

 

经过以上研讨发现,电池要到达最佳功用,光敏层的最佳描摹一般应具有以下几个特色:(1)薄膜构成与激子涣散长度适当标准适合的微相别离结构,以促进载流子的别离;(2)保证微观有序的聚合物相,以进步光子吸收和载流子迁移率;(3)聚合物和富勒烯需求别离接连的通道,以进步载流子的传输功率。

 

3 结语

 

聚合物太阳能电池虽已取得较大开展,但仍有许多要害问题亟待处理,开发新式资料以及进一步优化光敏层描摹和电池结构仍是现在要处理的问题。聚合物太阳能电池是未来太阳能电池开展的方向,信任跟着对聚合物太阳能电池研讨的深化及技能的不断开展,聚合物太阳电池彻底有期望成为一种新的能量来历。

 

摘要：聚合物太阳能电池因为质量轻、成本低、柔韧性好及制备工艺简洁等长处而具有巨大的潜在运用价值,是太阳能电池开展的新方向。可是聚合物太阳能电池的能量转化功率较低,达不到商业化运用的要求,怎么进步电池功率仍是现在研讨的要点。聚合物资料和光敏层的描摹是影响太阳能电池功用的两大要素,从机理方面剖析了约束太阳能电池功率的一些要素,介绍了聚合物资料的新开展,讨论了聚合物资料规划的原则及办法,着重讨论了描摹对太阳能电池功用的影响以及改善描摹的办法及其理论基础,并展望了聚合物太阳能电池未来的开展趋势。