锂离子电池毕业论文选题

成果简介

高容量硅 (Si) 被公认为高性能锂离子电池 (LIB) 的潜在负极材料。但是，放电/充电过程中的大体积膨胀阻碍了其面积容量。 本文，上海交通大学微纳米科学技术研究院张亚非教授课题组在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊 发表名为“Binder-Free, Flexible, and Self-Standing Non-Woven Fabric Anodes Based on Graphene/Si Hybrid Fibers for High-Performance Li-Ion Batteries”的论文， 研究设计了一个柔性石墨烯纤维织物（GFF）为基础的三维导电网络，形成无粘合剂且自支撑的高性能锂离子电池的硅负极。

Si 颗粒被牢固地包裹在石墨烯纤维。起皱引起的大量空隙石墨烯在纤维中能够有效地适应锂化/脱锂过程中硅的体积变化。GFF/ 电极在 100 次循环后在 mA cm –2的电流密度下表现出优异的循环性能，比容量为 920 mA hg –1。此外，GFF/ 电极在 400 次循环后在 mA cm –2的电流密度下表现出 580 mA hg –1的优异可逆容量。GFF/ 电极的容量保持率高达 。更重要的是，质量负载为 mg cm –2的 GFF/ 电极实现了 mA h cm –2的高面积容量，其性能优于报道的自支撑 Si 阳极。这项工作为实现用于高能 LIB 的无粘合剂、柔性和自立式 Si 阳极提供了机会。

图文导读

图 1. (a) 自立式 GFF/Si - X电极制造过程示意图。（b）醋酸溶剂中的 GOF/Si、（c）GOFF/Si 和（d）GFF/Si- X 的数码照片，揭示了其柔韧性。(e) GFF/ 电极冲压成面积为 cm 2 的小圆盘。

图 2. (a) GFF/ 低倍率的 SEM 图像和 (b) 部分放大的 SEM 图像，揭示了两个独立的纤维在两者相遇的点合并为一个。(c,d) GFF/ 表面和横截面的 SEM 图像。

图 3. GFF/Si- X电极在 mA cm –2电流密度下的电化学特性；所有比容量均以自立式电极的总质量为基础计算。(a) 第一次循环充电/放电电压曲线。(b) ICE 的比较分析。(c) 循环性能比较。(d) GFF/ 电极在 mV s –1扫描速率下的CV 测量值。(e) GFF/ 的倍率性能。(f) 具有不同阳极重量的 GFF/ 电极的面积容量

图 4. GFF/Si-HI、GFF/ 和 GFF/Si-800 C 电极的循环性能比较

图 5. GFF/Si-HI、GFF/ 和 GFF/Si-800 C 的成分分析：(a) XRD 图，(b) 拉曼光谱，(c) GFF/Si-的 TGA 曲线N 2气氛中的HI ，和 (d) FT-IR 光谱。

图 6. (a,b) GFF/ 电极在循环前后的拉曼光谱和 XRD 图案。GFF/ 电极在 100 次放电/充电循环后的形态研究：(c,d) 锂化/脱锂后低倍和高倍率的 SEM 图像；插图是循环后 GFF/ 电极的数码照片；(e,f) TEM 和 HRTEM 图像；插图是低倍放大的 SAED 图像；(g) 元素映射。

小结

在这项研究中，基于 GFF 的 3D 导电网络被设计用于无粘合剂和自立式 Si 阳极。GFF 结构在放电/充电循环期间成功地抑制了 Si 的体积膨胀。提出了一种新策略，用于制造用于高性能 LIB 的无粘合剂、柔性和自立式 Si 阳极。

文献：

化学电池化学电池将化学能直接转变为电能的装置。主要部分是电解质溶液、浸在溶液中的正、负电极和连接电极的导线。依据能否充 电复原，分为原电池和蓄电池两种 化学电池的种类 化学电池按工作性质可分为：一次电池（原电池）；二次电池（可充电电池）;铅酸蓄电池。其中：一次电池可分为：糊式锌锰电池、纸板锌锰电池、碱性锌锰电池、扣式锌银电池、扣式锂锰电池、扣式锌锰电池、锌空气电池、一次锂锰电池等。二次电池可分为：镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池、二次碱性锌锰电池等。铅酸蓄电池可分为：开口式铅酸蓄电池、全密闭铅酸蓄电池。 1.锌锰电池 锌二氧化锰电池（简称锌锰电池） 又称勒兰社（Leclanche）电池，是法国科学家勒兰社（Leclanche，1839-1882）于1868年发明的由锌（Zn）作负极，二氧化锰（MnO2）为正极，电解质溶液采用中性氯化铵（NH4Cl）、氧化锌（ZnCl2）的水溶液，面淀粉或浆层纸作隔离层制成的电池称锌锰电池，由于其电解质溶液通常制成凝胶状或被吸附在其它载体上而呈现不流动状态，故又称锌锰干电池。按使用隔离层区分为糊式和板式电池两种，板式又按电解质液不同分铵型和锌型电池纸板电池两种。 干电池用锌制筒形外壳作负极，位于中央的顶盖上有铜帽的石墨棒作正极，在石墨棒的周围由内向外依次是A：二氧化锰粉末（黑色）------用于吸收在正极上生成的氢气（以防止产生极化现象）；B：用饱和了氯化铵和氯化锌的淀粉糊作为电解质溶液。 电极反应式为：负极（锌筒）：Zn +– 2e === Zn(NH3)2Cl2↙+2H+ 正极（石墨）：2NH4+ === 2NH3 ↑+ H2↑ H2O + 2MnO2 + 2e === 2MnOOH+ 2OH- 总反应：Zn + 2NH4Cl + 2MnO2 === Zn(NH3)2Cl2↙+2MnOOH 干电池的电压大约为，不能充电再生。 2.碱性锌锰电池 20世纪中期在锌锰电池基础上发展起来的，是锌锰电池的改进型。电池使用氢氧化钾（KOH）或氢氧化钠（NaOH）的水溶液做电解质液，采用了与锌锰电池相反的负极结构，负极在内为膏状胶体，用铜钉做集流体，正极在外，活性物质和导电材料压成环状与电池外壳连接，正、负极用专用隔膜隔开制成的电池。 3.铅酸蓄电池 1859年法国普兰特（Plante）发现，由正极板、负极板、电解液、隔板、容器（电池槽）等5个基本部分组成。用二氧化铅作正极活性物质，铅作负极活性物质，硫酸作电解液，微孔橡胶、烧结式聚氯乙烯、玻璃纤维、聚丙烯等作隔板制成的电池。 铅蓄电池可放电也可以充电，一般用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳（防止酸液的泄漏）；设有多层电极板，其中正极板上有一层棕褐色的二氧化铅，负极是海绵状的金属铅，正负电极之间用微孔橡胶或微孔塑料板隔开（以防止电极之间发生短路）；两极均浸入到硫酸溶液中。放电时为原电池，其电极反应为: 负极：Pb + SO42－－ 2e === PbSO4 正极：PbO2 + 4H+ + SO42－ + 2e === PbSO4 + 2H2O 总反应式为：Pb + PbO2 + 2H2SO4 ====== 2PbSO4 + 2H2O 当放电进行时，硫酸溶液的的浓度将不断降低，当溶液的密度降到 时应停止使用进行充电，充电时为电解池，其电极反应如下： 阳极：PbSO4 + 2H2O－ 2e === PbO2 + 4H+ + SO42－ 阴极：PbSO4 + 2e === Pb + SO42－ 总反应式为：2PbSO4 + 2H2O ====== Pb + PbO2 + 2H2SO4 当溶液的密度升到时，应停止充电。 上述过程的总反应式为： 放电 Pb + PbO2 + 2H2SO4 ====== 2PbSO4 + 2H2O 充电 4.锌银电池 一般用不锈钢制成小圆盒形，圆盒由正极壳和负极壳组成，形似纽扣（俗称纽扣电池）。盒内正极壳一端填充由氧化银和石墨组成的正极活性材料，负极盖一端填充锌汞合金组成的负极活性材料，电解质溶液为KOH浓溶液。电极反应式如下： 负极：Zn + 2OH－ －2e=== ZnO + H2O 正极：Ag2O + H2O + 2e === 2Ag + 2OH－ 电池的总反应式为：Ag2O + Zn ====== 2Ag + ZnO 电池的电压一般为，使用寿命较长。 5.镉镍电池和氢镍以及金属氢化物镍电池 二者均采用氧化镍或氢氧化镍作正极，以氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液作电解质溶液，金属镉或金属氢化物作负极。金属氢化物电池为20世纪80年代末，利用吸氢合金和释放氢反应的电化学可逆性发明制成，是小型二次电池主导产品。 6.锂电池 锂电池是一类以金属锂或含锂物质作为负极材料的化学电源的总称通称锂电池，分为一次锂电池和二次锂电池。 7.锂离子电池 指能使锂离子嵌入和脱嵌的碳材料代替纯锂作负极，锂的化合物作正极，混合电解液作电解质液制成的电池。锂离子电池是1990年有日本索尼公司研制出并首先实现产品化。国内外已商品化的锂离子电池正极是LiCoO2，负极是层状石墨，电池的电化学表达式为（—） C6▏1mol/L LiPF6-EC+DEC▏LiCoO2(+) 8.氢氧燃料电池 这是一种高效、低污染的新型电池，主要用于航天领域。其电极材料一般为活化电极，具有很强的催化活性，如铂电极、活性碳电极等。电解质溶液一般为40%的KOH溶液。电极反应式如下： 负极：2H2 + 4OH－ －4e=== 4H2O 正极：O2 + 2H2O + 4e=== 4OH－ 总反应式：2H2 + O2 === 2H2O 9.熔融盐燃料电池 这是一种具有极高发电效率的大功率化学电池，在加拿大等少数发达国家己接近民用工业化水平。按其所用燃料或熔融盐的不同，有多个不同的品种，如天然气、CO、---熔融碳酸盐型、熔融磷酸盐型等等，一般要在一定的高温下（确保盐处于熔化状态）才能工作。 下面以CO---Li2CO3 + Na2CO3---空气与CO2型电池为例加以说明： 负极反应式：2CO + 2CO32－－4e === 4CO2 正极反应式：O2 + 2CO2 + 4e=== 2CO32－ 总反应式为：2CO + O2 === 2CO2 该电池的工作温度一般为6500C 10.海水电池 1991年，我国科学家首创以铝---空气---海水为材料组成的新型电池，用作航海标志灯。该电池以取之不尽的海水为电解质，靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流。其电极反应式如下： 负极：4Al – 12e === 4Al3+ 正极：3O2 + 6H2O + 12e === 12OH－ 总反应式为：4Al + 3O2 + 6H2O === 4Al(OH)3 这种电池的能量比普通干电池高20---50倍！ 新型化学电池 （1碱性氢氧燃料电池 这种电池用30%-50%KOH为电解液，在100°C以下工作。燃料是氢气，氧化剂是氧气。其电池图示为 （―）C|H2|KOH|O2|C(+) 电池反应为 负极 2H2 + 4OH―4e=4H2O 正极 O2 + 2H2O + 4e=4OH 总反应 2H2 + O2=2H2O 碱性氢氧燃料电池早已于本世纪60年代就应用于美国载人宇宙飞船上，也曾用于叉车、牵引车等，但其作为民用产品的前景还评价不一。否定者认为电池所用的电解质KOH很容易与来自燃料气或空气中的CO2反应，生成导电性能较差的碳酸盐。另外，虽然燃料电池所需的贵金属催化剂载量较低，但实际寿命有限。肯定者则认为该燃料电池的材料较便宜，若使用天然气作燃料时，它比唯一已经商业化的磷酸型燃料电池的成本还要低。 （2） 磷酸型燃料电池 它采用磷酸为电解质，利用廉价的炭材料为骨架。它除以氢气为燃料外，现在还有可能直接利用甲醇、天然气、城市煤气等低廉燃料，与碱性氢氧燃料电池相比，最大的优点是它不需要CO2处理设备。磷酸型燃料电池已成为发展最快的，也是目前最成熟的燃料电池，它代表了燃料电池的主要发展方向。目前世界上最大容量的燃料电池发电厂是东京电能公司经营的11MW美日合作磷酸型燃料电池发电厂，该发电厂自1991年建成以来运行良好。近年来投入运行的100多个燃料电池发电系统中，90%是磷酸型的。市场上供应的磷酸型发电系统类型主要有日本富士电机公司的50KW或100KW和美国国际燃料电池公司提供的200KW。 富士电机已提供了70多座电站，现场寿命超过10万小时。 磷酸型燃料电池目前有待解决的问题是：如何防止催化剂结块而导致表面积收缩和催化剂活性的降低，以及如何进一步降低设备费用。 化学电源的重大意义： 化学能转换为电能的原理的发现和各式各样电池装置的发明，是贮能和供能技术的巨大进步，是化学对人类的一项重大贡献，极大地推进了现代化的进程，改变了人们的生活方式，提高了人们的生活质量。

太阳能充电器的设计摘要：设计了基于LP3947的太阳能充电电路，通过脉宽调制对锂电池充电进行智能控制，从而提高太阳能电池输出功率及锂电池的使用效率，达到延长电池使用寿命和时间的目的。关键词：太阳能；LP3947；锂电池1.引言 太阳能作为一种新型的资源越来越多地被人们关注，它所带来的一系列的产业也逐渐成为目前非常具有开发潜力的产业。太阳能光伏发电是太阳能应用的主要产业之一。在我国太阳能资源极其丰富，陆地每年接受的太阳辐射能相当惊人。如果将这些太阳能充分加以利用，不仅有可能节省大量常规能源，而且可以有效地减少常规能源所带来的环境污染。 目前光伏发电在小型电器电路上的运用也逐渐的成熟，随着人们生活中越来越多的离不开手机、mp3、数码相机等一系列的数码产品，它们的充电问题成为了使用者极其关心的问题之一。设计一个利用光伏充电原理的充电器来为这些数码产品进行充电可以在很多方面解决各种问题。太阳能充电器具有携带方便、外型美观时尚，甚至可以在没有电源的情况下为手机等一系列的数码产品进行充电。2.太阳能电池板种类及工作原理 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置，目前处于主流的是应用光电效应原理工作的太阳能电池，其基本原料为以半导体.当P-N 结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子，即引起光伏效应，产生一与P-N 结内建电场方向相反的光生电场，其方向由P 区指向N区.此电场使势垒降低，其减小量即为光生电势差，P 端正，N 端负，由此生产的结电流由P 区流向N 区，形成单向导电，发挥出与电池一样的功能。由于太阳电池板输出电压不稳定，故增加了稳压电路，通过稳压电路、充电电路为负载电池充电，同时还可以为内部蓄电池充电以备应急之用;光照条件较差时，太阳电池板输出电压较低，达不到充电电路的工作电压，因此增加了升压、稳压电路，以便为充电电路提供较稳定的工作电压.阴天、夜间等光照条件极差的情况下，可利用系统内部的蓄电池，通过升压电路为后续设备充电。另外，充电器还设计有照明灯，当夜间光线较暗时，通过蓄电池为照明灯供电，可供应急使用。3.充电器设计电池充电原理 锂离子电池在充电或放电过程中若发生过充、过放或过流时，会造成电池的损坏或降低使用寿命，图3为锂电池的充电曲线，共分三个阶段：预充状态、恒流充电和恒压充电阶段。以800 mAh 容量的电池为例，其终止充电电压为。用1/10C（约80 mA）的电池进行恒流预充，当电池端电压达到低压门限V（min）后，以800 mA（充电率为1C）恒流充电，开始时电池电压以较大的斜率升压，当电池电压接近 V 时，改成恒压充电，电流渐降，电压变化不大，到充电电流降为1/10C（约80 mA）时，认为接近充满，可以终止充电。 手机电池充电曲线充电器设计思想 太阳能手机充电控制电路的设计思想，从手机锂离子二次电池的恒流/恒压充电控制出发，同时配有锂离子蓄电池.当在户外无220V 交流电时，采用太阳能对手机锂离子直接充电，同时对锂离子蓄电池充电；当阴雨天天气或夜晚等阳光不足时，采用配置的锂离子蓄电池对手机锂离子充电，以保证任何情况下不间断.即：系统的设计以太阳能充电为主，在有足够的阳光且蓄电池又有足够供电能力的情况下，系统能够以太阳能充电为主给手机充电，蓄电池给手机补电；在无阳光或阳光弱时，以蓄电池充电为主给手机充电，太阳能为手机补电。充电控制电路设计升压电路设计由于在不同的时间、地点太阳光照强度不同，太阳电池板输出电能不稳定，需加人相应的升压、稳压等控制环节。直流升压就是将电池提供的较低的直流电压提升到需要的电压值。稳压电路设计稳压电路的设计以三端集成稳压器W7800为核心，它属于串联稳压电路，其工作原理与分立元件的串联稳压电源相同。由启动电路、取样电路、比较放大电路、基准环节、调整环节和过流保护环节等组成，此外还有过热和过压保护电路，因此，其稳压性能要优于分立元件的串联型稳压电路。而且三端集成稳压器设置的启动电路，在稳压电源启动后处于正常状态下，启动电路与稳压电源内部其他电路脱离联系，这样输入电压变化不直接影响基准电路和恒流源电路，保持输出电压的稳定。充电电路设计 锂电池以体积小、容量大、重量轻、无记忆效应、无污染、电池循环充放电次数多(寿命长)等优点，广泛地被使用在许多数码产品中。但锂电池对使用条件要求较严格，如充电控制要求精度高，对过充电的承受能力差等。因此，为了保护锂电他，该充电电路包括电池充电控制电路与电池电量检测控制电路两部分。电池充电控制电路，用来控制升压或稳压电路对锉电池进行充电，同时也是锂电池的充电电路。电池电量检测电路，用以检测充电电量的多少，当电池充满电时，充满指示灯亮，逻辑电路控制充电电路断开，停止充电。4结束语 随着现代的科技发展电子产品几乎可以普及,但电子产品的电池却一直困扰这我们。我着次的研究的目的不是让电池的容量增大,而是把太阳能充电器安装在电子产品表面上这样就可以大量增加电池的使用时间。