電池材料：合成、表徵與應用

第1章緒論1
1.1電池概述1
1.1.1鋅錳電池2
1.1.2鉛酸電池4
1.1.3鎳氫電池4
1.1.4鋰離子電池5
1.1.5水系二次電池7
1.1.6其他電池7
1.2電池及電池材料研究現狀及發展趨勢8

第2章電池材料製備方法10
2.1固相法10
2.1.1高溫固相合成法12
2.1.2自蔓延高溫合成法14
2.1.3高能球磨法17
2.2液相法19
2.2.1沉澱法20
2.2.2水熱法22
2.2.3溶劑熱法29
2.2.4溶膠凝膠法32
2.2.5微乳液法37
2.2.6微波合成法40
2.2.7範本法43
2.2.8噴霧法48
2.2.9靜電紡絲法52
2.3氣相法58
2.3.1物理氣相沉積法59
2.3.2化學氣相沉積法61
參考文獻67

第3章電池性能測試與材料表徵技術71
3.1電化學性能測試71
3.1.1充放電性能測試72
3.1.2電化學阻抗譜76
3.1.3伏安測試77
3.2顯微分析80
3.2.1光學顯微鏡80
3.2.2掃描電子顯微鏡83
3.2.3雙束顯微鏡87
3.2.4透射電子顯微鏡88
3.2.5原子力顯微鏡113
3.3X射線表徵分析118
3.3.1X射線衍射119
3.3.2X射線光電子能譜122
3.3.3近邊結構X射線吸收光譜128
3.3.4X射線成像130
3.4波譜分析134
3.4.1拉曼光譜分析134
3.4.2核磁共振分析142
3.5總結與展望146
參考文獻148

第4章鋰離子電池材料154
4.1鋰離子電池概述154
4.1.1鋰離子電池工作原理155
4.1.2鋰離子電池組成156
4.1.3鋰離子電池的優缺點158
4.1.4鋰離子電池對電極材料的要求159
4.2正極材料161
4.2.1層狀結構正極材料161
4.2.2尖晶石結構正極材料171
4.2.3聚陰離子型正極材料174
4.2.4其他類型正極材料185
4.3負極材料191
4.3.1嵌入型負極材料191
4.3.2合金型負極材料197
4.3.3轉化型負極材料209
4.3.4鋰金屬負極215
4.4電解質材料218
4.4.1有機液體電解質218
4.4.2聚合物電解質230
4.4.3凝膠電解質233
4.4.4無機固態電解質237
4.5隔膜材料241
4.5.1鋰離子電池隔膜材料的種類242
4.5.2鋰離子電池隔膜存在的問題246
4.5.3鋰離子電池隔膜的改性技術248
4.5.4鋰離子電池隔膜發展趨勢254
參考文獻255

第5章水系二次電池材料272
5.1水系二次電池發展現狀272
5.2水系鋰離子電池材料275
5.2.1水系鋰離子電池正極材料275
5.2.2水系鋰離子電池負極材料277
5.3水系鈉離子電池材料280
5.3.1水系鈉離子電池正極材料281
5.3.2水系鈉離子電池負極材料284
5.4混合水系電池正極材料287
5.5水系鋅離子電池正極材料288
5.5.1水系鋅離子電池錳基正極材料290
5.5.2水系鋅離子電池釩基正極材料309
5.6鋅基水系電池負極材料研究進展333
5.6.1鋅負極面臨的挑戰333
5.6.2鋅負極優化策略336
參考文獻348

隨著社會經濟的發展，人們對能源的需求持續增長。傳統化石能源的大量消耗引起全球氣溫升高、環境惡化等問題，威脅人類的生存。在這種形勢下，2020年9月，正式向聯合國大會宣佈，努力在2060年前實現碳中和並採取更有力的政策和措施在2030年之前達到排放峰值。碳中和時代的到來，意味著人類社會生產力深刻的變革，將給各行各業帶來深層次的影響。伴隨著新能源科技的創新發展，一場以清潔能源替代化石能源的革命正加速到來，能源轉化和存儲是新能源發展的核心，也是實現碳中和目標的有效手段。鋰離子電池作為一種高效的儲能器件，因具有能量密度/功率密度高與迴圈壽命長等特點，在消費電子和通信領域已經得到廣泛應用，也是未來電動汽車和混合電動汽車的首選電源。近幾十年來，世界各國的科研人員對鋰離子電池及其相關材料的研究方興未艾，並獲得了系列重要研究進展。2019年，諾貝爾化學獎授予JohnGoodenough、StanleyWhittingham和吉野彰(AkiraYoshino)，以表彰他們對鋰離子電池研究方面的貢獻。在提高現有鋰離子電池性能的同時，發展儲量豐富且安全性能好的可充水系鋰離子、鈉離子、鋅離子電池是新型儲能電池的重要發展方向。可充二次電池主要由正極材料、負極材料、電解液和隔膜四部分組成。眾所周知，影響電池性能的核心是關鍵電池材料的開發與應用。

為了推動電池行業的發展，有助於高校、企業的研發，我們編寫了《電池材料——合成、表徵與應用》一書。全書包括五章，從電池材料的合成、表徵及性能調控三個方面來闡述電池材料的基礎與應用。重點敘述了電池材料的製備方法、結構、表徵與分析方法；然後闡述電池材料在鋰離子電池和水系二次電池中的應用。筆者已有多年從事電化學與化學電源的教學、科研和技術轉化方面的豐富經驗，在二次儲能電池材料的結構設計、表徵與性能調控方面積累了豐富的經驗。根據自身的體會以及參考大量國內外相關文獻，編寫了本書。本書旨在為廣大讀者系統地介紹儲能電池關鍵材料的合成、表徵方法及應用的進展，並通過部分實例進行闡明分析。本書適合作為高等院校能源、材料、化工和冶金等相關學科的本科生和研究生教材，也適合新能源材料領域的工程技術人員、科研人員和管理人員參考。

張橋保(廈門大學)負責編寫第1、2章以及第4章部分內容；馬汝廣(中科院上海矽酸鹽研究所)負責編寫第1章大部分內容；吳賢文(吉首大學)負責編寫第2章部分內容和第5章內容；陸敬予［哈爾濱工業大學(深圳)］負責編寫第3章內容；伊廷鋒(東北大學)參與編寫第4章部分內容。全書由張橋保統一修改定稿。本書的研究工作和編寫得到了國家自然科學基金(基金號：52072323、52122211、52064013、U1960107)的資助以及廈門大學材料學院和吉首大學化學國家級實驗教學示範中心的大力支持，在此表示感謝。同時對給予本書啟示和參考的文獻作者予以致謝，特別感謝四川大學劉慰研究員、山東科技大學劉瑞老師、吉首大學李佑稷和向延鴻老師，他們對本書的編寫給予了極大幫助。

電池材料的合成、表徵和應用涉及面廣，由於編者水準有限，書中難免有不足之處，敬請專家和讀者批評指正。

編者
2021年9月