石墨烯材料应用在锂电池中的解决方案-电路图讲解-电子技术方案

  【引言】 锂电池在当今人类社会生活中应用广泛，如电动汽车和便携式电子设备等。然而，这些商业化的锂电池能量密度偏低，不能完全满足日常使用的需求。而且大部分电池在快速充放电过程中容量会下降，其倍率特性较差。   此外，除了能量密度和快充，达到高温时（60摄氏度左右）长循环寿命的性能也十分重要。目前为止，被认为能取代LiCoO2的富镍和富锂层状氧化物材料在快充过程中，能量密度和循环寿命损耗基本可以忽略。因此寻找一种先进的负极材料用于快充十分重要，因为现今的石墨负极在高倍率充电时会有金属锂沉积产生锂枝晶。  

【成果简介】 近日，来自韩国三星先进技术研究院的In Hyuk Son博士团队、韩国首尔国立大学的Jang Wook Choi教授团队（共同通讯作者）联合韩国电气研究院、SDI研发中心在著名期刊Nature Communications上发表题为” Graphene balls for lithium rechargeable batteries with faST charging and high volumetric energy densities”的文章。该文章报道了一种石墨烯-SiOx组装的石墨烯球作为涂层材料用于高容量富镍层状正极材料和锂电池负极材料。每一个石墨烯球都由SiOx纳米颗粒位于中心、石墨烯层位于外层组成，类似于3D爆米花状结构。   SiOx纳米颗粒有多重作用，例如在石墨烯生长过程中避免SiC层在SiOx-石墨烯界面的形成，确保石墨烯球能均匀包覆在正极材料上，确保了用于负极材料时的高比容量。石墨烯球在富镍正极材料上均匀包覆增强了电解液和电极界面的稳定性，提升了正极快充性能和循环稳定性。利用石墨烯球包覆的正极和石墨烯球负极制成的全电池，在商业化电池条件下具有800Wh L-1的高体积能量密度，60℃下循环500次仍有78.6%的容量保持率。  

【图文导读】

 图一：SiO2纳米颗粒生长石墨烯。   a) CVD生长之前的TEM；   CVD生长b)5min之后c)30min之后的TEM；   d)-f):a)-c)图中对应的放大图；   g) 30min生长的石墨烯以及原子能级的放大图；   h) 爆米花状石墨烯的生长示意图。    

 图二：石墨烯球在生长过程中的分析。   CVD生长过程中检测石墨烯生长运用的表征手段：   a) XRD;                         b) XPS;   c) XPS中Si 2p峰；   在SiO2上生长石墨烯d)-e)5min和f)-g)30min之后，C,O,Si的EDX图。    

 图三：石墨烯球包覆在LiNi0.6Co0.1Mn0.3O2。   a)-c) 生长石墨烯前的SiO2纳米球；   b)-d) 包覆石墨烯后的石墨烯球；   石墨烯片e)包覆前和f)包覆后的TEM图；   i) 石墨烯球的拉曼图；   j) 三种样品的C 1s峰的XPS图；   k) 石墨烯球包覆在LiNi6Co0.1Mn0.3O2上的示意图。

 图四：快速充放电和循环的性能表征。   

 2.5-4.3V电压范围下a)25℃和b)60℃的倍率特性图：   不同截止电压下c)25℃和d)60℃的循环性能图；   e)初始装天下NCM和60℃4.3V截止电压下100次循环的石墨烯球包覆NCM；                                            

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人们经常对运放采用串联终结方式，以匹配负载的阻抗。但这种实用方法会在终结电阻上产生3dB的输出功率损耗（图1）。较新型运放采用3V和5V工作，限制了输出摆幅，这意味着应避免采用串联匹配电阻方法。另一种办法是用一个串联反馈电路来设定输出阻抗。在40多年前，GTE Lenkurt电子公司的一名高级研究工程师John Wittman就介绍过这一技术。  

图1,采用一个与负载相等的串联终结电阻会浪费3dB的功率，使输出摆幅减半。   采用了这种技术后，设定输出阻抗可以增加6dB的相互反馈，获得优于30dB的返回损耗。需要增加的是一只串联电流检测电阻、另一只运放，以及一个限流电阻（图2）。本例显示的是高侧传感器和一个非平衡负载。正向放大器设计为两倍于空载所需增益。在本例中，开路增益为2.7,输入阻抗为1Ω。输入电流为1A,输入信号为1V.

 图2,这种方法采用了一个高侧电流检测电阻和第二只放大器，将输出阻抗设定为匹配于负载，从而可以达到几乎全部输出摆幅。   为匹配放大器的1Ω负载，串联反馈电路必须从运放的负输入端转出一半的输入电流。原1A输入电流流经RF?,减少到0.5A,意味着输出电压是开路电压的一半。输出阻抗现在为1Ω，串联反馈为6dB,于是输出阻抗能与负载相匹配，并仍能获得放大器的几乎满电压摆幅，再也不会在串联终结上浪费掉一半输出功率。本例使用的电流检测电阻值是输出负载的3%,这样功耗将为3%.通过仔细设计，可以将功耗降低到1%以下。   

 在电信线路中，为获得纵向平衡，两根导线的对地阻抗应该相等。纵向平衡可防止出现串扰与60Hz感应噪声。这在DSL（数字用户线）服务的较高频率下也很重要。电信公司一般采用变压器来提供80dB~120dB的纵向平衡。变压器也隔离了闪电等所导致的瞬流。这一技术的应用可以通过变压器耦合与低侧的电流检测（图3）。设计过程仍然相同，不过只要两只电阻就可以提供6dB的反馈。   用状态方程可以做电路分析的形式化。对于图2中的电路，由于运放的负输入端为虚拟地，可以获得输入电压与电流的关系：IIN=（VIN- V-）/1Ω=VIN/1Ω。由于运放的负输入端为高阻抗，因此该端点的电流必须加到0A上，由此可获得另一个方程。   汇总V-上的电流，但结点电流要参照检测电阻，包括0.3Ω的电阻以及0.03Ω的检测电阻：0=VIN/1Ω+VOUT/2.7Ω+0.37VOUT/ RLOAD.可以将电路函数以矢量和矩阵形式表示：（I）=（ADMITTANCE）&TImes;（V）。还可以对适当的电流状态做展开：         然后，展开成电压的矢量表示式：     将这些值代入（I）= （ADMITTANCE）&TImes;（V），解出（V）：     对于图2中的电路，强制函数为I1;输入电流为1A.对导纳矩阵求反，然后乘以电流矢量，就可以得到电压矢量。用惠普公司的HP-48计算器可以完成这个艰难的工作。获得的结果是：VIN为1V,计算出VOUT为-1.35V,是无负载增益2.7的一半。然后对1000Ω的负载电阻重复这个分析：       对矩阵（Y）求反，乘以I矩阵，I1为1A,得到一个开路负载的电压矢量，VIN等于1V,而VOUT为-2.7V,从而确认了设计是正确的。                                          

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