高性能電池關鍵材料

目錄
總序
前言
第一篇 電池材料制備、表征及電化學行為
第1章 電池材料發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀 3
1.1 電池材料的發(fā)展歷史 3
1.2 電池材料的研究現(xiàn)狀 5
參考文獻 15
第2章 納米電池材料制備技術 17
2.1 納米電池材料 17
2.1.1 零維納米材料 17
2.1.2 一維納米材料 19
2.1.3 二維納米材料 22
2.1.4 多孔材料 27
2.1.5 核殼結構材料 28
2.2 納米電池材料的制備原理 30
2.2.1 化學反應原理簡介 30
2.2.2 零維納米材料制備原理 33
2.2.3 一維納米材料制備原理 38
2.2.4 二維納米材料制備原理 41
2.2.5 納米顆粒的形貌控制 43
2.3 納米電池材料制備技術簡介 48
2.3.1 化學法制備納米電池材料 48
2.3.2 物理法制備納米電池材料 54
參考文獻 58
第3章 電池材料表征方法 63
3.1 電池材料微結構的表征方法 63
3.1.1 晶體學基礎 63
3.1.2 X射線衍射 73
3.1.3 電子衍射 78
3.2 電池材料微觀形貌的表征方法 83
3.2.1 電子顯微鏡 83
3.2.2 探針類顯微鏡 95
3.3 電池材料微觀成分的表征方法 103
3.3.1 電子探針顯微分析 103
3.3.2 X射線熒光光譜 111
3.3.3 俄歇電子能譜 114
3.3.4 X射線光電子能譜 119
3.3.5 電子能量損失譜 125
3.4 電池材料的光譜分析 129
3.4.1 紅外光譜 129
3.4.2 拉曼光譜 132
3.5 物理吸附儀 135
3.5.1 吸附 135
3.5.2 物理吸附儀的測量原理 136
3.5.3 測試結果分析 137
參考文獻 141
第4章 電池材料電化學行為 143
4.1 電化學的相及界面 143
4.1.1 構成界面的兩相 143
4.1.2 電極/溶液界面 144
4.2 電極反應 147
4.2.1 電極電勢 147
4.2.2 可逆電極反應與不可逆電極反應 151
4.2.3 電極電勢對電化學反應活化能的影響 153
4.2.4 電極電勢對電極反應速率的影響 155
4.2.5 濃差極化對電極反應速率的影響 158
4.2.6 雙電層結構對電極反應速率的影響 159
4.3 二次電池電化學 161
4.3.1 二次電池概述 161
4.3.2 二次電池的主要參數(shù) 162
4.4 納米能源材料的電化學測試 166
4.4.1 穩(wěn)態(tài)測試 166
4.4.2 非穩(wěn)態(tài)測試 172
參考文獻 180
第二篇 高性能電池電極材料
第5章 離子電池電極材料 185
5.1 概述 185
5.2 離子電池的原理 187
5.2.1 離子電池的組成與分類 187
5.2.2 離子電池的性能及特點 188
5.2.3 離子電池中的熱力學及動力學 195
5.3 正極材料 211
5.3.1 過渡金屬氧化物正極材料 212
5.3.2 聚陰離子型正極材料 220
5.4 負極材料 223
5.4.1 嵌入型負極材料 223
5.4.2 合金型負極材料 228
5.4.3 轉(zhuǎn)化型負極材料 235
5.5 鋰/鈉-硫電池正極材料 243
5.5.1 鋰/鈉-硫電池的儲能機理 243
5.5.2 鋰/鈉-硫電池正極材料的瓶頸問題 244
5.5.3 鋰/鈉-硫電池正極材料的優(yōu)化研究 247
5.6 研究實例：鋰離子電池負極材料金屬硫化物的制備及研究 251
參考文獻 264
第6章 空氣電池電極材料 273
6.1 概述 273
6.2 空氣電池的組成及電化學機理 274
6.2.1 金屬陽極 275
6.2.2 電解液 280
6.3 空氣電池的空氣陰極 281
6.3.1 空氣陰極的結構特點 281
6.3.2 空氣陰極存在的問題 283
6.3.3 空氣陰極典型的催化劑 284
6.4 鋰-空氣電池 297
6.4.1 鋰-空氣電池的工作原理及結構 297
6.4.2 鋰-空氣電池的優(yōu)點及存在的問題 301
6.4.3 鋰-空氣電池的電化學過程 303
6.4.4 研究實例：鋰-空氣電池電極催化劑過渡金屬碳化物催化活性預測及實驗驗證 310
參考文獻 318
第7章 超級電容器電極材料 323
7.1 概述 323
7.2 超級電容器的發(fā)展歷史 323
7.3 超級電容器的基本概念 325
7.3.1 電容與電勢能 325
7.3.2 電壓窗口 327
7.3.3 等效串聯(lián)電阻和漏電電阻 328
7.3.4 能量密度和功率密度 329
7.3.5 Ragone圖：能量密度和功率密度的關系 332
7.4 超級電容器的機理及分類 333
7.4.1 超級電容器的特性 333
7.4.2 雙電層電容器 334
7.4.3 贗電容電容器 344
7.4.4 混合型電容器 347
7.5 超級電容器的組成 349
7.5.1 電極材料 349
7.5.2 研究實例：N、O共摻雜多孔網(wǎng)絡材料的設計及其對電容器電性能的影響分析 354
參考文獻 357
第8章 燃料電池電極材料 363
8.1 概述 363
8.2 燃料電池的分類、結構及工作原理 366
8.2.1 燃料電池的分類 366
8.2.2 燃料電池的結構及工作原理 374
8.3 燃料電池電極反應熱力學與動力學 381
8.3.1 電極反應熱力學 381
8.3.2 電極反應動力學 387
8.4 燃料電池催化劑 396
8.4.1 陽極催化劑 396
8.4.2 陰極催化劑 397
8.4.3 研究實例：堿性電解液中甲烷濃度對碳膜氧還原性能的影響 400
參考文獻 407
第9章 固態(tài)電池電極材料 412
9.1 概述 412
9.2 固態(tài)電池的結構及分類 413
9.2.1 固態(tài)電池的結構 413
9.2.2 固態(tài)電池的分類 413
9.3 固態(tài)電池的電極反應及傳質(zhì)機理 418
9.3.1 固態(tài)電池的電極反應 418
9.3.2 固態(tài)電池的傳質(zhì)機理 419
9.4 固態(tài)電池的電極材料 436
9.4.1 負極材料 436
9.4.2 正極材料 438
9.5 固態(tài)電池的電解質(zhì)材料 440
9.5.1 無機固態(tài)電解質(zhì) 441
9.5.2 聚合物固態(tài)電解質(zhì) 457
9.6 固態(tài)電池的電極/電解質(zhì)界面 463
9.6.1 正極/電解質(zhì)界面 464
9.6.2 負極/電解質(zhì)界面 467
參考文獻 469
第三篇 高性能電池電解質(zhì)及隔膜材料
第10章 高性能鋰離子電池電解質(zhì) 477
10.1 液態(tài)電解液的特點與表征 478
10.1.1 電解液的穩(wěn)定性 478
10.1.2 離子電導率 479
10.1.3 黏度 480
10.1.4 溶劑的介電常數(shù) 480
10.1.5 溶劑的熔點和沸點 481
10.2 電解液與負極界面 481
10.2.1 負極界面概述 481
10.2.2 負極界面化學 482
10.2.3 負極界面膜的形成 483
10.2.4 負極界面膜的特點 485
10.3 電解液與正極界面 487
10.3.1 正極界面概述 487
10.3.2 正極界面化學 488
10.3.3 電解液的氧化分解與CEI膜 489
10.4 正負極界面的相互作用 489
10.5 液態(tài)電解質(zhì)溶劑 490
10.5.1 有機溶劑 490
10.5.2 碳酸酯類溶劑 491
10.5.3 羧酸酯類和內(nèi)酯類溶劑 492
10.5.4 醚類溶劑 493
10.5.5 砜類溶劑 495
10.5.6 腈類溶劑 496
10.5.7 含磷溶劑 496
10.6 液態(tài)電解質(zhì)鋰鹽 498
10.6.1 常規(guī)鋰鹽 499
10.6.2 含硫鋰鹽 500
10.6.3 硼酸鋰鹽 503
10.7 液態(tài)電解質(zhì)添加劑 506
10.7.1 負極成膜添加劑 506
10.7.2 鋰負極保護添加劑 509
10.7.3 正極添加劑 510
10.7.4 抗過充添加劑 512
10.7.5 阻燃添加劑 514
10.8 研究實例：高電壓鋰離子電池電極電解液界面構筑 515
參考文獻 520
第11章 高性能電池隔膜材料 531
11.1 概述 531
11.2 高分子材料學基礎 531
11.2.1 影響高分子材料的因素 532
11.2.2 高分子成型過程的影響 541
11.3 隔膜參數(shù)及測試方法 549
11.3.1 隔膜參數(shù) 549
11.3.2 測試方法 551
11.4 電池隔膜材料 552
11.4.1 聚丙烯 552
11.4.2 聚乙烯 558
11.4.3 其他高分子材料 563
11.5 電池隔膜制備工藝 564
11.5.1 干法拉伸工藝 564
11.5.2 濕法拉伸工藝 567
11.5.3 直拉蒸發(fā)工藝 569
11.5.4 靜電紡絲工藝 570
參考文獻 570
第四篇 電池性能預測評價及應用技術
第12章 電極材料的性能預測與評價 577
12.1 概述 577
12.2 第一性原理理論與計算方法 577
12.2.1 薛定諤方程和兩個基本近似 579
12.2.2 密度泛函理論 581
12.2.3 交換關聯(lián)泛函 584
12.2.4 第一性原理計算方法 588
12.2.5 隨機行走模型 592
12.2.6 常用軟件包介紹 601
12.3 電極材料結構模擬及性能評價 602
12.3.1 電極材料的結構評價及電子設計 602
12.3.2 熱力學性能的預測與評價 607
12.3.3 動力學性能的預測與評價 608
12.3.4 研究實例 610
參考文獻 631
第13章 高性能電池應用技術 637
13.1 概述 637
13.2 傳統(tǒng)能源器件 637
13.2.1 傳統(tǒng)電池 637
13.2.2 鋰離子電池 644
13.2.3 超級電容器 656
13.2.4 燃料電池 668
13.3 先進能源器件 679
13.3.1 柔性可穿戴電池 679
13.3.2 生物電池 680
13.3.3 軍用電池 682
參考文獻 682
主要符號說明 685
關鍵詞索引 688