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第1章 能量储存和转化的基本要素1

1.1能量储存能力1

1.2不间断能量供应2

1.3纳米储能3

1.4储能4

1.5电化学电池简要历史6

1.5.1重要里程碑6

1.5.2电池设计7

1.6电池的重要参数8

1.6.1基本参数8

1.6.2循环寿命与日历寿命11

1.6.3能量、容量和功率12

1.7电化学系统13

1.7.1电池组13

1.7.2电致变色与智能窗14

1.7.3超级电容器15

1.8总结与评论16

参考文献16

第2章 锂电池19

2.1引言19

2.2发展历史概述20

2.3一次锂电池22

2.3.1高温锂电池22

2.3.2固态电解质锂电池23

2.3.3液态正极锂电池25

2.3.4固态正极锂电池25

2.4二次锂电池29

2.4.1锂-金属电池29

2.4.2锂离子电池31

2.4.3锂聚合物电池35

2.4.4锂-硫电池36

2.5锂电池经济37

2.6电池模型38

参考文献39

第3章 嵌入原理45

3.1引言45

3.2嵌入机理46

3.3吉布斯相律47

3.4典型嵌入反应49

3.4.1完美的无化学计量比化合物：Ⅰ类电极材料49

3.4.2准两相系统：Ⅱ类电极51

3.4.3两相系统：Ⅲ型电极51

3.4.4邻域：Ⅳ型电极52

3.5插层化合物52

3.5.1合成插层化合物52

3.5.2碱金属插层化合物53

3.6插层化合物的电子能量54

3.7插层化合物高电压的产生原理55

3.8锂离子电池正极材料56

3.9相转化反应58

3.10合金化反应58

参考文献59

第4章 刚性能带理论模型应用于锂嵌入化合物的可靠性62

4.1引言62

4.2费米能级的演变62

4.3 TMDs的电子结构64

4.4锂嵌入TiS2材料66

4.5锂嵌入TaS2材料68

4.6锂嵌入2 H-MoS2材料69

4.7锂嵌入WS2材料71

4.8锂嵌入InSe材料72

4.9过渡金属化合物的电化学性质74

4.10总结与评论75

参考文献75

第5章 二维正极材料77

5.1引言77

5.2二元层状氧化物77

5.2.1 MoO3 77

5.2.2 V2 O580

5.2.3 LiV3 O882

5.3三元层状氧化物83

5.3.1 LiCoO2 （LCO） 84

5.3.2 LiNiO2（LNO） 86

5.3.3 LiNi1-yCoy O2 （NCO） 87

5.3.4掺杂的LiCoO2（d-LCO） 89

5.3.5 LiNi1-y-zCoy Alz O2 （NCA） 91

5.3.6 LiNi0.5Mn0.5 O2 （NMO） 92

5.3.7 LiNi1-y-zMny Coz O2 （NMC） 92

5.3.8 Li2 MnO3 95

5.3.9富锂层状化合物（LNMC） 97

5.3.10其他层状化合物99

5.4总结与评论99

参考文献100

第6章 单元素离子的三维框架正极材料110

6.1引言110

6.2二氧化锰111

6.2.1 MnO2 112

6.2.2锰基复合材料112

6.2.3 MnO2纳米棒113

6.2.4水钠锰矿115

6.3锂化二氧化锰116

6.3.1 Li0.33 MnO2 116

6.3.2 Li0.44MnO2117

6.3.3 LiMnO2118

6.3.4 Lix Na0.5-x MnO2 119

6.4尖晶石锂锰氧化物119

6.4.1 LiMn2 O4（LMO） 119

6.4.2锰酸锂表面修饰123

6.4.3缺陷尖晶石124

6.4.4锂掺杂尖晶石124

6.5.5 V尖晶石126

6.6钒氧化物128

6.6.1 V6O13 128

6.6.2 LiVO2129

6.6.3 VO2 （B） 130

6.7总结与评论130

参考文献131

第7章 聚阴离子正极材料138

7.1引言138

7.2合成路线140

7.2.1固相法140

7.2.2溶胶-凝胶法141

7.2.3水热法141

7.2.4共沉淀法141

7.2.5微波合成141

7.2.6多元醇与溶剂热过程142

7.2.7微乳液142

7.2.8喷雾技术142

7.2.9模板法142

7.2.10机械活化143

7.3晶体化学144

7.3.1橄榄石磷酸盐的结构144

7.3.2诱导效应146

7.4优化的LiFePO4粒子的结构与形貌147

7.4.1磷酸铁锂的XRD谱147

7.4.2优化的磷酸铁锂的形貌148

7.4.3局域结构与晶格动力学148

7.5磁性和电子特性150

7.5.1本征磁性150

7.5.2 γ-Fe2 O3杂质的影响151

7.5.3 Fe2 P杂质的影响152

7.5.4磁极性效应154

7.6碳包覆层157

7.6.1碳层的表征157

7.6.2碳层质量158

7.7化学计量比偏差的影响160

7.8 LFP颗粒暴露于水中的老化161

7.8.1水浸LFP颗粒162

7.8.2长期暴露于水中的LFP颗粒163

7.9 LFP的电化学性能163

7.9.1循环性能163

7.9.2电化学特性与温度164

7.10 4V正极LiMnPO4 166

7.11聚阴离子高电压正极材料167

7.11.1橄榄石材料的合成168

7.11.2 5V正极材料LiNiPO4 168

7.11.3 5V正极材料LiCoPO4 168

7.12 NASICON类型化合物170

7.13聚阴离子硅酸盐Li2MSiO4 （M＝Fe， Mn， Co）171

7.14总结和展望173

参考文献174

第8章 氟代聚阴离子化合物185

8.1引言185

8.2聚阴离子型化合物185

8.3氟代聚阴离子187

8.3.1氟掺杂LiFePO4 187

8.3.2 LiVPO4F188

8.3.3 LiMPO4 F（M＝ Fe，Ti） 190

8.3.4 Li2 FePO4 F（M＝Fe， Co， Ni） 191

8.3.5 Li2 MPO4 F（M＝Co， Ni） 191

8.3.6 Na3V2（PO4）2F3混合离子正极材料192

8.3.7其他氟磷酸盐193

8.4氟硫酸盐193

8.4.1 LiFeSO4 F 194

8.4.2 LiMSO4 F（M＝Co， Ni，Mn）195

8.5总结与评论196

参考文献197

第9章 无序化合物203

9.1引言203

9.2无序MoS2 204

9.3水合MoO3 206

9.4 MoO3薄膜207

9.5无序钒氧化物211

9.6 LiCoO2薄膜213

9.7无序LiMn2 O4 214

9.8无序LiNiVO4 216

参考文献217

第10章 锂离子电池负极221

10.1引言221

10.2碳基负极223

10.2.1硬碳223

10.2.2软碳223

10.2.3碳纳米管224

10.2.4石墨烯225

10.2.5表面修饰碳材料226

10.3硅负极226

10.3.1 Si薄膜228

10.3.2 Si纳米线228

10.3.3多孔Si230

10.3.4多孔纳米管／纳米线与纳米颗粒232

10.3.5纳米结构Si包覆及SEI稳定性233

10.4锗234

10.5锡和铅235

10.6具有插层-脱嵌反应的氧化物236

10.6.1 TiO2 236

10.6.2 Li4 Ti5O12242

10.6.3 Ti-Nb氧化物246

10.7基于合金化与去合金化反应的氧化物246

10.7.1 Si氧化物246

10.7.2 GeO2和锗酸盐248

10.7.3 Sn氧化物248

10.8基于转化反应的负极252

10.8.1 CoO 253

10.8.2 NiO 254

10.8.3 CuO 257

10.8.4 MnO 258

10.8.5尖晶石结构氧化物260

10.8.6具有刚玉结构的氧化物：M2O3（M＝Fe， Cr， Mn） 264

10.8.7二氧化物266

10.9尖晶石结构三元金属氧化物267

10.9.1钼化合物267

10.9.2青铜型氧化物268

10.9.3 Mn2 Mo3 O8 269

10.10基于合金和转化反应的负极269

10.10.1 ZnCo2O4 269

10.10.2 ZnFe2O4 270

10.11总结与评论271

参考文献272

第11章 锂电池电解质与隔膜300

11.1引言300

11.2理想电解质的性质300

11.2.1电解质的组成301

11.2.2溶剂301

11.2.3溶质302

11.2.4包含离子液体的电解质303

11.2.5聚合物电解质305

11.3锂电池中电极-电解质界面钝化现象306

11.4现有商业化电解质体系存在的问题307

11.4.1不可逆容量损失307

11.4.2使用温度范围308

11.4.3热失控：安全与危害308

11.4.4离子传输能力的提升308

11.5电解质设计308

11.5.1 SEI膜的控制309

11.5.2锂盐的安全问题309

11.5.3过充保护311

11.5.4阻燃剂311

11.6隔膜313

11.7总结315

参考文献315

第12章 储能纳米技术322

12.1引言322

12.2纳米材料的合成方法323

12.2.1湿化学法323

12.2.2模板合成法327

12.2.3喷雾热解法327

12.2.4水热法328

12.2.5喷射研磨330

12.3无序表面层331

12.3.1一般注意事项331

12.3.2 LiFePO4纳米颗粒的无序层332

12.3.3 LiMO2层状化合物的无序层334

12.4纳米颗粒的电化学性能336

12.5纳米功能材料337

12.5.1 WO3纳米复合材料337

12.5.2 WO3纳米棒338

12.5.3 WO3纳米粉末和纳米膜338

12.5.4 Li2 MnO3岩盐纳米结构339

12.5.5 NCA材料中的铝掺杂效应339

12.5.6 MnO2纳米棒340

12.5.7 MoO3纳米纤维341

12.6总结与评论342

参考文献343

第13章 试验技术348

13.1引言348

13.2理论348

13.3嵌入参数的测量349

13.3.1电化学电势谱349

13.3.2间歇恒电流电位滴定法351

13.3.3电化学阻抗谱353

13.4应用：MoO3电极的动力学研究354

13.4.1 MoO3晶体354

13.4.2 MoO3薄膜354

13.5递增容量分析法（ICA） 355

13.5.1简介355

13.5.2半电池的递增容量分析法357

13.5.3全电池的ICA和DVA法361

13.6固相传输测量技术362

13.6.1电阻率测量362

13.6.2霍尔效应测试法362

13.6.3范德华测试技术363

13.6.4光学性质测试364

13.6.5离子电导率测定：复合阻抗技术367

13.7磁性质测试在正极材料固体化学中的应用370

13.7.1 LiNiO2 370

13.7.2 LiNi1-yCoy O2 371

13.7.3硼掺杂的LiCoO2 373

13.7.4 LiNi1／3 Mn1／3 Co1／3 O2 375

参考文献375

第14章 锂离子电池安全性379

14.1引言379

14.2实验与方法380

14.2.1扣式电池制备380

14.2.2差示扫描量热仪（DSC） 380

14.2.3商业18650电池实验380

14.3 LiFePO4-石墨电池的安全性382

14.4使用离子液体的锂离子电池388

14.4.1不同电解液中石墨负极性能388

14.4.2不同电解液中LiFePO4正极性能390

14.5表面修饰391

14.5.1能量示意图392

14.5.2层状电极的表面包覆393

14.5.3尖晶石电极的表面修饰394

14.6总结与评论395

参考文献396

第15章 锂离子电池技术400

15.1容量400

15.2负极／正极容量比400

15.3电极载量401

15.4衰降401

15.4.1晶体结构破坏401

15.4.2 SEI膜讨论402

15.4.3正极基团迁移402

15.4.4腐蚀402

15.5制造与包装402

15.5.1步骤1：电极活性材料颗粒的制备402

15.5.2步骤2：电极叠片的制备404

15.5.3装配过程407

15.5.4化成过程408

15.5.5充电器408

参考文献409