鋰二次電池原理、關鍵材料及應用

第一章緒論001
第一節可再生能源的能量存儲和利用002
第二節早期的金屬鋰電池研究002
第三節鋰離子電池體系的形成004
第四節鋰離子電池的發展005
一、鋰離子電池正極材料006
二、鋰離子電池負極材料009
三、金屬鋰負極010
四、鋰離子電池隔膜012
五、鋰離子電池液體電解質014
六、鋰離子電池表徵技術015
七、儲能電池新體系與技術展望016
八、鋰離子電池的應用018
參考文獻019

第二章鋰離子電池正極材料023
第一節層狀化合物026
一、鈷酸鋰層狀材料027
二、鎳酸鋰層狀材料030
三、NCA層狀材料035
四、三元層狀材料036
五、富鋰層狀材料041
六、Li1+xV3O8層狀材料048
第二節尖晶石化合物054
一、尖晶石LiMn2O4054
二、尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4高壓正極材料057
第三節聚陰離子型LiFePO4化合物063
第四節釩氧化物正極材料067
第五節氟化物070
參考文獻078

第三章鋰離子電池負極材料085
第一節概述086
第二節金屬鋰負極087
一、鋰枝晶的成核模型088
二、鋰枝晶的成核機制與成核時間096
三、抑制鋰枝晶的策略099
第三節嵌鋰型負極100
一、碳基材料101
二、過渡金屬氮化物108
第四節鋰合金負極109
一、矽基合金負極110
二、錫基合金負極115
三、銻基合金負極117
四、合金材料的製備方法117
第五節轉換反應負極119
一、轉換反應負極的儲鋰機制120
二、轉換反應負極的類型122
參考文獻127

第四章鋰離子電池電解質133
第一節液體電解質134
一、液體電解質概述134
二、有機液體電解質135
三、離子液體電解質154
四、液體電解質的問題及發展趨勢165
第二節聚合物電解質166
一、聚合物電解質的類型及性質167
二、聚合物電解質的製備177
三、聚合物電解質的發展趨勢179
第三節無機固體電解質181
一、鈣鈦礦型182
二、NASICON型183
三、LISICON型183
四、層狀Li3N型184
五、氧化物玻璃電解質184
六、硫化物玻璃電解質185
七、Garnet型鋰離子固態電解質185
參考文獻187

第五章鋰離子電池隔膜192
第一節鋰離子電池隔膜概述193
第二節聚烯烴隔膜196
第三節複合隔膜200
一、無機塗層200
二、聚合物塗層202
三、有機/無機複合塗層204
四、原位複合205
第四節新體系隔膜209
一、聚對苯二甲酸乙二酯210
二、聚醯亞胺210
三、間位芳綸212
四、聚對亞苯基苯並二唑213
五、纖維素隔膜214
第五節鋰離子電池隔膜發展趨勢216
參考文獻216

第六章鋰硫電池219
第一節鋰硫電池概述220
一、鋰硫電池的電化學工作原理220
二、鋰硫電池存在的問題221
第二節鋰硫電池正極材料222
一、多孔碳222
二、非碳正極材料231
第三節鋰硫電池功能性中間層及改性隔膜242
第四節鋰硫電池電解質248
第五節鋰硫電池的發展趨勢250
參考文獻250

第七章鋰空氣（氧氣）電池258
第一節概述259
一、鋰氧氣電池體系260
二、鋰氧氣電池迴圈機理262
第二節鋰氧氣電池正極材料264
一、正極材料的研究進展264
二、高穩定性自支撐鋰氧氣電池正極272
第三節鋰氧氣電池電解質278
一、鋰氧氣電池液體電解質有機溶劑278
二、鋰氧氣電池液體電解質鋰鹽281
三、鋰氧氣電池液體電解質添加劑281
參考文獻283

第八章鋰離子電池生產技術289
第一節鋰離子電池結構及設計290
一、鋰離子電池的結構290
二、鋰離子電池的設計293
三、鋰離子電池的安全性297
第二節鋰離子電池生產工藝300
一、圓柱鋰離子電池的生產流程302
二、軟包鋰離子電池的生產流程308
三、方形鋁殼鋰離子電池的生產流程310
參考文獻311

第九章鋰離子電池的應用312
第一節鋰離子電池在新能源汽車中的應用313
一、新能源汽車概述313
二、鋰離子電池在純電動汽車中的應用315
三、鋰離子電池在混合動力汽車中的應用317
第二節鋰離子電池在軍事領域的應用319
一、在陸軍裝備中的應用320
二、在海軍裝備中的應用321
三、在航空領域中的應用322
四、在航太領域中的應用323
第三節鋰離子電池在儲能及其他方面的應用324
一、鋰離子電池在儲能方面的應用324
二、動力鋰離子電池的梯次利用325
三、鋰離子電池在電子產品方面的應用327
四、鋰離子電池在其他方面的應用327
參考文獻328
索引329

隨著國家對能源產業佈局的調整，新能源汽車逐漸受到國家的重視。電動汽車的普及需要擁有高容量的儲能裝置，鋰離子電池是目前電動汽車用動力電池的首選。隨著電動汽車續航里程需求的增加，高比能量、高可靠性鋰離子電池已經成為未來發展的重要方向，對於鋰離子電池相關材料的要求也越來越高。

鋰離子電池主要由正極材料、負極材料、電解液（質）和隔膜等部分組成，其性能主要取決於電池內部材料的結構和性能。為了提高鋰離子電池的比能量，開發高比容量的電極材料非常關鍵。隨著鋰離子電池比容量的提升，電池的安全隱患也越來越得到重視，具有高耐熱、高強度的新體系隔膜技術及固體電解質材料的開發顯得非常重要。因此，對於高性能材料的研究一直是鋰離子電池行業發展的重點。此外，受制於鋰離子電池的理論容量，為了進一步提高電池的比能量，新型鋰二次電池，一般為鋰硫電池、鋰空氣（氧氣）電池，將成為下一代鋰二次電池重要的發展和研究方向。

本書綜合了近年來鋰離子二次電池（鋰離子電池、鋰空氣電池和鋰硫電池）領域的更新理論和技術發展現狀，並結合了編著者多年來在高性能、高可靠性鋰二次電池關鍵材料的構築、介面改性及工程化應用方面的研究成果。全書內容主要如下：第1～5章分別介紹了鋰離子電池的原理，鋰離子電池的正極、負極、電解質、隔膜等關鍵材料，以及鋰離子電池測試技術的基本原理和研究進展，特別是納米技術和原位測試方法在高性能、高可靠性鋰離子電池機理表徵方面的研究現狀；第6章、第7章分別介紹了鋰硫電池、鋰空氣（氧氣）電池，包括這兩種新型鋰二次電池的基本原理、正極材料、電解質和隔膜的研究進展情況；第8章、第9章全面闡述了近年來鋰離子電池生產技術，以及在新能源汽車、軍事領域、儲能及其他方面的應用。本書在編著時，既重視鋰離子電池的理論性研究，又注重鋰離子電池的實踐性技術與應用，還對未來新型高性能鋰二次電池的發展方向進行了展望，具有一定的理論創新，還具有較強的實用和指導價值。本書可以作為從事電池及鋰離子電池研究、生產、使用的廣大科技人員、工程技術人員的參考書和工具書，同時也可作為各類高等院校電化學及新能源材料專業師生的教學參考書。

本書由北京理工大學、哈爾濱工業大學多位教師共同編著完成。編著者所在單位已有幾十年從事電化學與化學電源方面教學、科研的豐富經驗，具有產、學、研密切結合的優良傳統，根據大量實踐經驗、自身成果編寫了本書。其中，北京理工大學孫克甯教授編寫了第一章和第九章，孫旺編寫了第二章，樊鋮編寫了第三章，喬金碩編寫了第四章，王振華編寫了第五章；哈爾濱工業大學的範立雙編寫了第六章，趙光宇編寫了第七章，張乃慶編寫了第八章。全書籌畫以及統稿工作由北京理工大學孫克甯教授完成。

鑒於鋰離子二次電池技術涉及面廣，目前正處於蓬勃發展之中，由於編著者水準有限，書中難免有疏漏和不妥之處，敬請專家和廣大讀者批評指正。

編著者
2021年3月