鋰電池基礎科學

第1章化學儲能電池理論能量密度的估算1
1.1能量密度的計算公式3
1.2不同電池能量密度的比較6
1.3採用不同負極的鋰離子電池能量密度8
1.4電池的實際能量密度10
1.5電池與電極材料的電壓12
1.6電極材料的理論容量13
1.7本章結語15
參考文獻16

第2章電池材料缺陷化學17
2.1鋰離子電池材料中常見的缺陷形態17
2.2缺陷產生的基礎19
2.3電極材料中的缺陷21
2.3.1TiO2中嵌鋰過程21
2.3.2FePO4/LiFePO4電極22
2.4本章結語27
參考文獻28

第3章相、相變與相圖31
3.1相31
3.2相變32
3.2.1相變的熱力學描述32
3.2.2合成製備中的相變研究32
3.2.3電解質中的相變38
3.2.4電極材料脫嵌鋰過程中的相變46
3.3相圖61
3.3.1相圖與相律61
3.3.2典型材料的相圖62
3.4相圖的計算66
3.4.1CALPHAD66
3.4.2 性原理計算66
3.4.3相圖的高通量計算68
3.5相、相變與相圖的實驗研究方法70
3.6本章結語72
參考文獻73

第4章電池介面問題84
4.1鋰離子電池介面問題84
4.2SEI膜結構及生長機理86
4.3SEI膜表徵手段89
4.3.1SEI膜形貌89
4.3.2SEI膜的組成分析92
4.3.3SEI膜熱電化學穩定性94
4.3.4SEI膜力學特性及覆蓋度分析95
4.3.5鋰離子在SEI膜中的輸運98
4.3.6SEI膜的動態生長過程99
4.4介面改性101
4.5本章結語104
參考文獻105

第5章離子在固體中的輸運109
5.1離子輸運的相關參數110
5.2離子在晶格內的輸運機制115
5.3離子在晶界處的輸運機制118
5.4無序態與電導率122
5.5鋰離子在電極材料中的輸運124
5.5.1鋰離子在正極材料中的輸運124
5.5.2鋰離子在負極材料中的輸運127
5.6鋰離子在固體電解質中的輸運128
5.7離子在電極/固體電解質介面131
5.7.1固體電解質/負極與混合輸運132
5.7.2固體電解質/正極與空間電荷層133
5.8影響離子輸運的因素134
5.9實驗表徵方法135
5.9.1晶體結構與鋰原子占位元136
5.9.2鋰擴散通道138
5.9.3電導率和擴散係數138
5.9.4全頻電導分析141
5.10本章結語142
參考文獻144

第6章鋰離子電池正極材料154
6.1正極材料概述154
6.2典型的鋰離子電池正極材料155
6.2.1六方層狀結構LiCoO2正極材料156
6.2.2立方尖晶石結構LiMn2O4正極材料158
6.2.3正交橄欖石結構LiFePO4材料159
6.3其他正極材料159
6.3.1層狀結構正極材料160
6.3.2高電壓尖晶石結構正極材料162
6.3.3聚陰離子類正極材料163
6.3.4基於相轉變反應的正極材料164
6.3.5有機正極材料165
6.4本章結語165
參考文獻166

第7章負極材料173
7.1典型的鋰離子電池負極材料174
7.1.1層狀石墨類負極材料175
7.1.2立方尖晶石結構Li4Ti5O12負極材料177
7.2小批量應用的負極材料178
7.2.1硬碳負極材料178
7.2.2軟碳負極材料179
7.2.3高容量矽負極材料180
7.2.4SnMC合金負極材料183
7.3其他負極材料184
7.3.1其他合金類負極材料184
7.3.2LiVO2層狀負極材料185
7.3.3過渡金屬氧化物負極材料185
7.4負極材料的基礎科學問題小結187
7.5本章結語188
參考文獻189

第8章非水液體電解質材料199
8.1液態電解質的性質199
8.1.1離子電導率199
8.1.2離子遷移數200
8.1.3電化學窗口201
8.1.4黏度201
8.2液態電解質在鋰離子電池中的反應202
8.2.1負極表面形成SEI膜的反應202
8.2.2與正極之間的反應203
8.2.3過充反應203
8.2.4受熱反應204
8.3溶劑、鋰鹽和添加劑204
8.3.1溶劑205
8.3.2鋰鹽207
8.3.3添加劑212
8.4離子液體電解質213
8.5凝膠聚合物電解質214
8.5.1聚丙烯腈215
8.5.2聚氧化乙烯215
8.5.3聚甲基丙烯酸甲酯215
8.5.4聚偏氟乙烯216
8.6本章結語216
參考文獻217

第9章全固態鋰離子電池227
9.1全固態鋰離子電池概述228
9.2固體電解質材料230
9.2.1無機固體電解質231
9.2.2聚合物固體電解質243
9.2.3聚合物複合電解質244
9.3高通量計算在固體電解質材料篩選中的應用245
9.4全固態鋰電池的介面問題248
9.4.1固態電解質/正極介面248
9.4.2固態電解質/金屬鋰負極介面249
9.5全固態鋰電池性能參數251
9.6本章結語252
參考文獻253

第10章鋰空氣電池與鋰硫電池261
10.1鋰空氣電池261
10.1.1鋰空氣電池基本工作原理261
10.1.2鋰空氣電池組成265
10.1.3鋰空氣電池中的科學問題273
10.1.4其他鋰空氣電池體系274
10.2鋰硫電池275
10.2.1鋰硫電池基本工作原理275
10.2.2鋰硫電池存在的基本問題276
10.3本章結語277
參考文獻278

第11章表徵方法286
11.1元素成分及價態288
11.1.1電感耦合等離子體289
11.1.2二次離子質譜290
11.1.3X射線光電子能譜295
11.1.4電子能量損失譜297
11.1.5掃描透射X射線顯微術298
11.1.6X射線近邊結構譜299
11.1.7雜質測量300
11.1.8俄歇電子能譜儀301
11.2形貌表徵302
11.3材料晶體結構表徵308
11.3.1X射線衍射309
11.3.2擴展X射線吸收精細譜313
11.3.3中子衍射313
11.3.4核磁共振315
11.3.5球差校正掃描透射電鏡316
11.3.6Raman光譜研究晶體結構317
11.4物質官能團的表徵318
11.4.1拉曼散射光譜318
11.4.2紅外光譜319
11.4.3色譜技術320
11.5材料離子輸運的觀察322
11.6材料微觀力學性質324
11.7材料表面功函數325
11.8 熱加速量熱儀在鋰電領域中的應用325
11.9互聯互通惰性氣氛電池綜合分析平臺330
11.10其他實驗技術333
11.11本章結語334
參考文獻334

第12章電化學測量方法345
12.1電化學測量概述346
12.1.1測量的基本內容346
12.1.2測量電池的分類及特點346
12.1.3參比電極的特性及分類346
12.1.4研究電極的分類及特性347
12.1.5電極過程347
12.1.6極化的類型及影響因素348
12.2測量方法349
12.2.1穩態測量349
12.2.2暫態測量349
12.3典型的測量方法及其在鋰電池中的應用352
12.3.1鋰離子電池電極過程動力學及其測量方法352
12.3.2穩態測量技術——線性電勢掃描伏安法353
12.3.3准穩態測量技術——交流阻抗譜355
12.3.4暫態測量方法（Ⅰ）——電流階躍測量357
12.3.5暫態測量方法（Ⅱ）——電勢階躍測量361
12.3.6暫態測量方法（Ⅲ）——電位弛豫技術363
12.3.7不同電化學測量法的適用範圍與精准性364
12.3.8影響電極過程動力學資訊測量準確性的基本因素370
12.4本章結語371
參考文獻372

第13章鋰二次電池材料的計算研究376
13.1原子尺度的模擬377
13.1.1基於密度泛函理論的 性原理計算377
13.1.2分子動力學387
13.1.3蒙特卡羅方法390
13.2介觀尺度的模擬393
13.2.1相場模型393
13.2.2分子力學394
13.3宏觀尺度的模擬395
13.3.1有限元方法介紹396
13.3.2有限元方法在鋰電池研究中的應用396
13.4本章結語397
參考文獻398

第14章總結和展望401
14.1鋰離子電池中涉及的學科領域403
14.2鋰離子電池中基礎科學問題討論403
14.2.1固態電化學403
14.2.2複雜的構效關係404
14.3鋰離子電池共性基礎科學問題研究難點405
14.3.1SEI膜405
14.3.2結構演化 406
14.3.3多尺度複雜體系輸運406
14.3.4材料表面反應407
14.3.5高倍率問題407
14.3.6正負極材料的電壓調控408
14.3.7電荷有序408
14.3.8離子在固體輸運中的驅動力409
14.3.9壽命預測與失效分析409
14.3.10材料的可控制備410
14.4鋰離子電池基礎研究發展趨勢討論410
14.4.1創新驅動410
14.4.2指標驅動412
14.4.3方法驅動414
14.4.4需求驅動416
14.5本章結語417
參考文獻418