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二次電池作為重要的能源存儲器件，在如今社會生活中發(fā)揮著不可替代的作用，而決定電池性能的就是電池材料，尤其是電極材料。本書從電池材料的制備、表征和性能調(diào)控三方面介紹電池材料的設(shè)計、制造與應(yīng)用，重點敘述了鋰離子電池和水系二次電池所用材料的成分、結(jié)構(gòu)、制備與表征等內(nèi)容。

本書適宜從事電池開發(fā)的技術(shù)人員和相關(guān)專業(yè)師生使用，也可供汽車、機(jī)械、材料等相關(guān)專業(yè)的技術(shù)人員參考。

電池的性能，尤其是能量密度取決于電池電極和所用的電解質(zhì)。本書詳細(xì)介紹了電池材料的設(shè)計、制造與表征，通過大量數(shù)據(jù)分析，結(jié)合實例講解，介紹電池材料常用結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，進(jìn)而對相關(guān)電池系統(tǒng)的設(shè)計和確定提供指導(dǎo)。

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對能源的需求持續(xù)增長。傳統(tǒng)化石能源的大量消耗引起全球氣溫升高、環(huán)境惡化等問題，威脅人類的生存。在這種形勢下，2020年9月，我國正式向聯(lián)合國大會宣布，努力在2060年前實現(xiàn)碳中和并采取更有力的政策和措施在2030年之前達(dá)到排放峰值。碳中和時代的到來，意味著人類社會生產(chǎn)力深刻的變革，將給各行各業(yè)帶來深層次的影響。伴隨著新能源科技的創(chuàng)新發(fā)展，一場以清潔能源替代化石能源的革命正加速到來，能源轉(zhuǎn)化和存儲是新能源發(fā)展的核心，也是實現(xiàn)碳中和目標(biāo)的有效手段。鋰離子電池作為一種高效的儲能器件，因具有能量密度/功率密度高與循環(huán)壽命長等特點，在消費電子和通信領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，也是未來電動汽車和混合電動汽車的電源。近幾十年來，世界各國的科研人員對鋰離子電池及其相關(guān)材料的研究方興未艾，并獲得了系列重要研究進(jìn)展。2019年，諾貝爾化學(xué)獎授予John Goodenough、Stanley Whittingham和吉野彰(Akira Yoshino)，以表彰他們對鋰離子電池研究方面的貢獻(xiàn)。在提高現(xiàn)有鋰離子電池性能的同時，發(fā)展儲量豐富且安全性能好的可充水系鋰離子、鈉離子、鋅離子電池是新型儲能電池的重要發(fā)展方向。可充二次電池主要由正極材料、負(fù)極材料、電解液和隔膜四部分組成。眾所周知，影響電池性能的核心是關(guān)鍵電池材料的開發(fā)與應(yīng)用。

為了推動我國電池行業(yè)的發(fā)展，有助于高校、企業(yè)的研發(fā)，我們編寫了《電池材料合成、表征與應(yīng)用》一書。全書包括五章，從電池材料的合成、表征及性能調(diào)控三個方面來闡述電池材料的基礎(chǔ)與應(yīng)用。重點敘述了電池材料的制備方法、結(jié)構(gòu)、表征與分析方法；然后闡述電池材料在鋰離子電池和水系二次電池中的應(yīng)用。筆者已有多年從事電化學(xué)與化學(xué)電源的教學(xué)、科研和技術(shù)轉(zhuǎn)化方面的豐富經(jīng)驗，在二次儲能電池材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計、表征與性能調(diào)控方面積累了豐富的經(jīng)驗。根據(jù)自身的體會以及參考大量國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，編寫了本書。本書旨在為廣大讀者系統(tǒng)地介紹儲能電池關(guān)鍵材料的合成、表征方法及應(yīng)用的進(jìn)展，并通過部分實例進(jìn)行闡明分析。本書適合作為高等院校能源、材料、化工和冶金等相關(guān)學(xué)科的本科生和研究生教材，也適合新能源材料領(lǐng)域的工程技術(shù)人員、科研人員和管理人員參考。

張橋保(廈門大學(xué)) 負(fù)責(zé)編寫第1、2章以及第4章部分內(nèi)容；馬汝廣(中科院上海硅酸鹽研究所)負(fù)責(zé)編寫第1章大部分內(nèi)容；吳賢文(吉首大學(xué)) 負(fù)責(zé)編寫第2章部分內(nèi)容和第5章內(nèi)容；陸敬予［哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)］負(fù)責(zé)編寫第3章內(nèi)容；伊廷鋒(東北大學(xué)) 參與編寫第4章部分內(nèi)容。全書由張橋保統(tǒng)一修改定稿。本書的研究工作和編寫得到了國家自然科學(xué)基金(基金號：52072323、52122211、52064013、U1960107) 的資助以及廈門大學(xué)材料學(xué)院和吉首大學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)示范中心的大力支持，在此表示感謝。同時對給予本書啟示和參考的文獻(xiàn)作者予以致謝，特別感謝四川大學(xué)劉慰研究員、山東科技大學(xué)劉瑞老師、吉首大學(xué)李佑稷和向延鴻老師，他們對本書的編寫給予了極大幫助。

電池材料的合成、表征和應(yīng)用涉及面廣，由于編者水平有限，書中難免有不足之處，敬請專家和讀者批評指正。



編者

2021年9月

張橋保，廈門大學(xué)材料學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，南強(qiáng)青年拔尖A類人才，嘉庚創(chuàng)新實驗室榮譽(yù)研究員，國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者。主要從事二次電池關(guān)鍵電極材料的設(shè)計優(yōu)化及其儲能過程中的構(gòu)效關(guān)系解析的基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用研究。2014 年以來共發(fā)表SCI學(xué)術(shù)論文120 余篇，總引7800余次，ESI高引21篇，H 因子46。迄今以或通訊作者 (含共同) 在Chem. Soc. Rev., Prog. Mater. Sci., Adv. Mater., Nat. Commun., Energy Environ. Sci., Mater. Today, Adv. Energy. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Coord. Chem. Rev., Sci. Bull.,等重要學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文70余篇，兩篇入選2019年度 中國百篇影響國際學(xué)術(shù)論文 。現(xiàn)擔(dān)任Chin. Chem. Lett., 副主編，J. Energy Chem., IJMMM 和儲能科學(xué)與技術(shù)編委, Rare Metals 學(xué)術(shù)編輯，InfoMat、Nano Research、 SmartMat、Rare Metals和物理化學(xué)學(xué)報青年編委及專刊客座編輯及中國顆粒學(xué)會青年理事。曾獲2020中國新銳科技人物卓越影響?yīng)劊琂. Mater. Chem. A.期刊 新銳研究者獎, 第十四屆福建省自然科學(xué)優(yōu)秀論文二等獎和廈門大學(xué)德貞社會課堂基金優(yōu)秀指導(dǎo)教師獎等獎項。

第1章緒論1

1.1電池概述1

1.1.1鋅錳電池2

1.1.2鉛酸電池4

1.1.3鎳氫電池4

1.1.4鋰離子電池5

1.1.5水系二次電池7

1.1.6其他電池7

1.2電池及電池材料研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢8



第2章電池材料制備方法10

2.1固相法10

2.1.1高溫固相合成法12

2.1.2自蔓延高溫合成法14

2.1.3高能球磨法17

2.2液相法19

2.2.1沉淀法20

2.2.2水熱法22

2.2.3溶劑熱法29

2.2.4溶膠凝膠法32

2.2.5微乳液法37

2.2.6微波合成法40

2.2.7模板法43

2.2.8噴霧法48

2.2.9靜電紡絲法52

2.3氣相法58

2.3.1物理氣相沉積法59

2.3.2化學(xué)氣相沉積法61

參考文獻(xiàn)67



第3章電池性能測試與材料表征技術(shù)71

3.1電化學(xué)性能測試71

3.1.1充放電性能測試72

3.1.2電化學(xué)阻抗譜76

3.1.3伏安測試77

3.2顯微分析80

3.2.1光學(xué)顯微鏡80

3.2.2掃描電子顯微鏡83

3.2.3雙束顯微鏡87

3.2.4透射電子顯微鏡88

3.2.5原子力顯微鏡113

3.3X射線表征分析118

3.3.1X射線衍射119

3.3.2X射線光電子能譜122

3.3.3近邊結(jié)構(gòu)X射線吸收光譜128

3.3.4X射線成像130

3.4波譜分析134

3.4.1拉曼光譜分析134

3.4.2核磁共振分析142

3.5總結(jié)與展望146

參考文獻(xiàn)148



第4章鋰離子電池材料154

4.1鋰離子電池概述154

4.1.1鋰離子電池工作原理155

4.1.2鋰離子電池組成156

4.1.3鋰離子電池的優(yōu)缺點158

4.1.4鋰離子電池對電極材料的要求159

4.2正極材料161

4.2.1層狀結(jié)構(gòu)正極材料161

4.2.2尖晶石結(jié)構(gòu)正極材料171

4.2.3聚陰離子型正極材料174

4.2.4其他類型正極材料185

4.3負(fù)極材料191

4.3.1嵌入型負(fù)極材料191

4.3.2合金型負(fù)極材料197

4.3.3轉(zhuǎn)化型負(fù)極材料209

4.3.4鋰金屬負(fù)極215

4.4電解質(zhì)材料218

4.4.1有機(jī)液體電解質(zhì)218

4.4.2聚合物電解質(zhì)230

4.4.3凝膠電解質(zhì)233

4.4.4無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)237

4.5隔膜材料241

4.5.1鋰離子電池隔膜材料的種類242

4.5.2鋰離子電池隔膜存在的問題246

4.5.3鋰離子電池隔膜的改性技術(shù)248

4.5.4鋰離子電池隔膜發(fā)展趨勢254

參考文獻(xiàn)255



第5章水系二次電池材料272

5.1水系二次電池發(fā)展現(xiàn)狀272

5.2水系鋰離子電池材料275

5.2.1水系鋰離子電池正極材料275

5.2.2水系鋰離子電池負(fù)極材料277

5.3水系鈉離子電池材料280

5.3.1水系鈉離子電池正極材料281

5.3.2水系鈉離子電池負(fù)極材料284

5.4混合水系電池正極材料287

5.5水系鋅離子電池正極材料288

5.5.1水系鋅離子電池錳基正極材料290

5.5.2水系鋅離子電池釩基正極材料309

5.6鋅基水系電池負(fù)極材料研究進(jìn)展333

5.6.1鋅負(fù)極面臨的挑戰(zhàn)333

5.6.2鋅負(fù)極優(yōu)化策略336

參考文獻(xiàn)348