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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 O5 80

5.2.3 LiV3 O8 82

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 Li0.44MnO2 117

6.3.3 LiMnO2 118

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 LiVO2 129

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 LiVPO4F 188

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Si 230

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 Ti5O12 242

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