鋰離子電池電極材料
作者：伊廷鋒、謝穎 編著 | |||
叢書名：“中國製造2025”出版工程 | |||
出版日期：2019年1月 | 書號：978-7-122-32095-7 | ||
開本：B5 710×1000 1/16 | 裝幀：平 | 版次：1版1次 | 頁數：366頁 |
《鋰離子電池電極材料》結合作者多年來電化學及化學電源科研與教學經驗,介紹了各類電極材料以及電極的製備方法與結構,著重介紹了高性能鋰離子電池正極的設計與功能調控,適宜從事電池電極設計與製造的科研及技術人員參考。
目錄
第1章 鋰離子電池概述 / 1
1.1 鋰離子電池概述 / 1
1.1.1 鋰離子電池的發展簡史 / 1
1.1.2 鋰離子電池的組成及原理 / 2
1.1.3 鋰離子電池的優缺點 / 6
1.2 鋰離子電池電極材料的安全性 / 7
1.2.1 正極材料的安全性 / 8
1.2.2 負極材料的安全性 / 8
1.3 鋰離子電池電極材料的表征與測試方法 / 9
1.3.1 物理表征方法 / 9
1.3.2 電化學表征方法 / 10
1.3.3 電極材料活化能的計算 / 14
1.4 鋰離子電池隔膜 / 15
1.4.1 鋰離子電池隔膜的製備方法 / 15
1.4.2 鋰離子電池隔膜的結構與性能 / 16
1.5 鋰離子電池有機電解液 / 17
參考文獻 / 18
第2章 鋰離子電池層狀正極材料/ 19
2.1 LiCoO2 電極材料 / 19
2.1.1 LiCoO2 電極材料的結構 / 19
2.1.2 LiCoO2 電極材料的電化學性能 / 20
2.1.3 LiCoO2 的製備方法 / 21
2.1.4 LiCoO2 的摻雜 / 22
2.1.5 LiCoO2 的表面改性 / 25
2.2 LiNiO2 正極材料 / 27
2.2.1 LiNiO2 的製備方法 / 28
2.2.2 LiNiO2 的摻雜改性 / 28
2.3 層狀錳酸鋰（LiMnO2） / 30
2.3.1 層狀錳酸鋰的合成 / 31
2.3.2 不同的形貌對層狀錳酸鋰的電化學性能的影響 / 32
2.3.3 層狀錳酸鋰的摻雜改性 / 33
2.4 三元材料（LiNi1/3 Co1/3 Mn1/3 O2） / 34
2.4.1 LiNi1/3 Co1/3 Mn1/3 O2 材料的結構 / 34
2.4.2 LiNi1/3 Co1/3 Mn1/3 O2 材料的合成 / 36
2.4.3 不同形貌對LiNi1/3 Co1/3 Mn1/3 O2 材料性能的影響 / 37
2.4.4 LiNi1/3 Co1/3 Mn1/3 O2 材料的摻雜改性 / 39
2.4.5 LiNi1/3 Co1/3 Mn1/3 O2 材料的表面包覆 / 41
2.5 富鋰材料 / 43
2.5.1 富鋰材料的結構和電化學性能 / 44
2.5.2 富鋰材料的充放電機理 / 47
2.5.3 富鋰材料的合成 / 51
2.5.4 富鋰材料的性能改進 / 53
參考文獻 / 60
第3章 尖晶石正極材料 /64
3.1 LiMn2O4 正極材料 / 64
3.1.1 LiMn2O4 正極材料的結構與電化學性能 / 64
3.1.2 LiMn2O4 正極材料的容量衰減機理 / 68
3.1.3 LiMn2O4 正極材料製備方法 / 74
3.1.4 提高LiMn2O4 正極材料性能的方法 / 76
3.2 LiNi0.5Mn1.5O4 / 91
3.2.1 LiNi0.5Mn1.5O4 正極材料的結構與性能 / 91
3.2.2 LiNi0.5Mn1.5O4 正極材料的失效機制 / 95
3.2.3 LiNi0.5Mn1.5O4 正極材料的合成 / 97
3.2.4 LiNi0.5Mn1.5O4 正極材料的形貌控制 / 100
3.2.5 LiNi0.5Mn1.5O4 正極材料的摻雜 / 103
3.2.6 LiNi0.5Mn1.5O4 正極材料的表面包覆 / 107
參考文獻 / 109
第4章 磷酸鹽正極材料 /114
4.1 磷酸亞鐵鋰 / 114
4.1.1 LiFePO4 的晶體結構 / 114
4.1.2 LiFePO4 的充放電機理 / 115
4.1.3 LiFePO4 的合成方法 / 117
4.1.4 LiFePO4 的摻雜改性 / 120
4.2 磷酸錳鋰 / 122
4.2.1 LiMnPO4 的結構特性 / 122
4.2.2 LiMnPO4 的改性研究 / 126
4.3 LiCoPO4 和LiNiPO4 正極材料 / 134
4.3.1 LiCoPO4 的結構 / 134
4.3.2 LiCoPO4 的製備方法 / 136
4.3.3 LiCoPO4 的摻雜改性 / 137
4.3.4 LiNiPO4 正極材料 / 137
4.4 Li3 V2（PO4） 3 正極材料 / 138
4.4.1 Li3 V2（PO4）3 的結構特點 / 138
4.4.2 Li3 V2（PO4）3 的製備方法 / 141
4.4.3 Li3 V2（PO4）3 的摻雜改性 / 142
4.4.4 不同形貌的Li3 V2（PO4）3 / 144
4.5 焦磷酸鹽正極材料 / 146
4.6 氟磷酸鹽正極材料 / 148
參考文獻 / 150
1.1 鋰離子電池概述 / 1
1.1.1 鋰離子電池的發展簡史 / 1
1.1.2 鋰離子電池的組成及原理 / 2
1.1.3 鋰離子電池的優缺點 / 6
1.2 鋰離子電池電極材料的安全性 / 7
1.2.1 正極材料的安全性 / 8
1.2.2 負極材料的安全性 / 8
1.3 鋰離子電池電極材料的表征與測試方法 / 9
1.3.1 物理表征方法 / 9
1.3.2 電化學表征方法 / 10
1.3.3 電極材料活化能的計算 / 14
1.4 鋰離子電池隔膜 / 15
1.4.1 鋰離子電池隔膜的製備方法 / 15
1.4.2 鋰離子電池隔膜的結構與性能 / 16
1.5 鋰離子電池有機電解液 / 17
參考文獻 / 18
第2章 鋰離子電池層狀正極材料/ 19
2.1 LiCoO2 電極材料 / 19
2.1.1 LiCoO2 電極材料的結構 / 19
2.1.2 LiCoO2 電極材料的電化學性能 / 20
2.1.3 LiCoO2 的製備方法 / 21
2.1.4 LiCoO2 的摻雜 / 22
2.1.5 LiCoO2 的表面改性 / 25
2.2 LiNiO2 正極材料 / 27
2.2.1 LiNiO2 的製備方法 / 28
2.2.2 LiNiO2 的摻雜改性 / 28
2.3 層狀錳酸鋰（LiMnO2） / 30
2.3.1 層狀錳酸鋰的合成 / 31
2.3.2 不同的形貌對層狀錳酸鋰的電化學性能的影響 / 32
2.3.3 層狀錳酸鋰的摻雜改性 / 33
2.4 三元材料（LiNi1/3 Co1/3 Mn1/3 O2） / 34
2.4.1 LiNi1/3 Co1/3 Mn1/3 O2 材料的結構 / 34
2.4.2 LiNi1/3 Co1/3 Mn1/3 O2 材料的合成 / 36
2.4.3 不同形貌對LiNi1/3 Co1/3 Mn1/3 O2 材料性能的影響 / 37
2.4.4 LiNi1/3 Co1/3 Mn1/3 O2 材料的摻雜改性 / 39
2.4.5 LiNi1/3 Co1/3 Mn1/3 O2 材料的表面包覆 / 41
2.5 富鋰材料 / 43
2.5.1 富鋰材料的結構和電化學性能 / 44
2.5.2 富鋰材料的充放電機理 / 47
2.5.3 富鋰材料的合成 / 51
2.5.4 富鋰材料的性能改進 / 53
參考文獻 / 60
第3章 尖晶石正極材料 /64
3.1 LiMn2O4 正極材料 / 64
3.1.1 LiMn2O4 正極材料的結構與電化學性能 / 64
3.1.2 LiMn2O4 正極材料的容量衰減機理 / 68
3.1.3 LiMn2O4 正極材料製備方法 / 74
3.1.4 提高LiMn2O4 正極材料性能的方法 / 76
3.2 LiNi0.5Mn1.5O4 / 91
3.2.1 LiNi0.5Mn1.5O4 正極材料的結構與性能 / 91
3.2.2 LiNi0.5Mn1.5O4 正極材料的失效機制 / 95
3.2.3 LiNi0.5Mn1.5O4 正極材料的合成 / 97
3.2.4 LiNi0.5Mn1.5O4 正極材料的形貌控制 / 100
3.2.5 LiNi0.5Mn1.5O4 正極材料的摻雜 / 103
3.2.6 LiNi0.5Mn1.5O4 正極材料的表面包覆 / 107
參考文獻 / 109
第4章 磷酸鹽正極材料 /114
4.1 磷酸亞鐵鋰 / 114
4.1.1 LiFePO4 的晶體結構 / 114
4.1.2 LiFePO4 的充放電機理 / 115
4.1.3 LiFePO4 的合成方法 / 117
4.1.4 LiFePO4 的摻雜改性 / 120
4.2 磷酸錳鋰 / 122
4.2.1 LiMnPO4 的結構特性 / 122
4.2.2 LiMnPO4 的改性研究 / 126
4.3 LiCoPO4 和LiNiPO4 正極材料 / 134
4.3.1 LiCoPO4 的結構 / 134
4.3.2 LiCoPO4 的製備方法 / 136
4.3.3 LiCoPO4 的摻雜改性 / 137
4.3.4 LiNiPO4 正極材料 / 137
4.4 Li3 V2（PO4） 3 正極材料 / 138
4.4.1 Li3 V2（PO4）3 的結構特點 / 138
4.4.2 Li3 V2（PO4）3 的製備方法 / 141
4.4.3 Li3 V2（PO4）3 的摻雜改性 / 142
4.4.4 不同形貌的Li3 V2（PO4）3 / 144
4.5 焦磷酸鹽正極材料 / 146
4.6 氟磷酸鹽正極材料 / 148
參考文獻 / 150
第5章 矽酸鹽正極材料 /154
5.1 矽酸鐵鋰 / 154
5.1.1 矽酸鐵鋰的結構 / 154
5.1.2 矽酸鐵鋰的合成 / 159
5.1.3 矽酸鐵鋰的改性 / 162
5.2 矽酸錳鋰 / 167
5.2.1 矽酸錳鋰的結構 / 167
5.2.2 納米矽酸錳鋰材料的碳包覆 / 170
5.2.3 矽酸錳鋰材料的摻雜 / 172
5.3 矽酸鈷鋰 / 176
參考文獻 / 176
第6章 LiFeSO4F 正極材料//180
6.1 LiFeSO4F 的結構 / 180
6.2 LiFeSO4F 的合成方法 / 197
6.2.1 離子熱法 / 197
6.2.2 固相法 / 198
6.2.3 聚合物介質法 / 199
6.2.4 微波溶劑熱法 / 199
6.3 LiFeSO4F 的摻雜改性 / 200
6.3.1 LiFeSO4F 的金屬摻雜 / 200
6.3.2 LiFeSO4F 的包覆改性 / 201
參考文獻 / 202
第7章 碳基、矽基、錫基材料 /204
7.1 碳基材料 / 204
7.1.1 石墨 / 205
7.1.2 非石墨類 / 208
7.1.3 碳納米材料 / 209
7.1.4 石墨烯材料 / 210
7.2 矽基材料 / 212
7.2.1 矽負極材料的儲鋰機理 / 212
7.2.2 矽負極材料納米化 / 213
7.2.3 矽-碳複合材料 / 216
7.2.4 其他矽基複合材料 / 218
7.3 錫基材料 / 219
7.3.1 錫基材料的納米化 / 220
7.3.2 錫-碳複合材料 / 222
參考文獻 / 223
第8章 Li4Ti5O12 負極材料 /225
8.1 Li4Ti5O12 的結構及其穩定性 / 225
8.1.1 Li4Ti5O12 的結構 / 225
8.1.2 Li4Ti5O12 的穩定性 / 226
8.2 Li4Ti5O12 的電化學性能 / 229
8.3 Li4 Ti5 O12 的合成 / 231
8.3.1 Li4Ti5O12 的合成方法 / 231
8.3.2 Li4Ti5O12 的納米化及表面形貌控制 / 234
8.4 Li4Ti5O12 的摻雜 / 237
8.5 Li4Ti5O12 材料的表面改性 / 240
8.5.1 Li4Ti5O12 複合材料 / 240
8.5.2 Li4Ti5O12 的表面改性 / 244
8.6 Li4Ti5O12 材料的氣脹 / 253
8.6.1 Li4Ti5O12 材料的產氣機理 / 253
8.6.2 抑制Li4Ti5O12 材料氣脹的方法 / 255
參考文獻 / 255
第9章 鈦基負極材料 /259
9.1 Li-Ti-O 化合物 / 259
9.1.1 LiTi2O4 / 259
9.1.2 Li2Ti3O7 / 261
9.1.3 Li2Ti6O13 / 261
9.2 MLi2Ti6O14（M=2Na,Sr,Ba） / 262
9.2.1 MLi2Ti6O14（M=2Na,Sr,Ba） 的結構 / 262
9.2.2 MLi2Ti6O14（M=2Na,Sr,Ba） 的合成方法 / 265
9.2.3 MLi2Ti6O14（M=2Na,Sr,Ba） 的摻雜改性 / 267
9.2.4 MLi2Ti6O14（M=2Na,Sr,Ba） 的包覆改性 / 275
9.3 Li2MTi3O8（M=Zn,Cu,Mn） / 276
9.3.1 Li2ZnTi3O8 / 276
9.3.2 Li2MnTi3O8 / 280
9.3.3 Li2CuTi3O8 / 282
9.4 Li-Cr-Ti-O / 283
9.4.1 LiCrTiO4 / 283
9.4.2 Li5Cr7Ti6O25 / 285
9.5 TiO2 負極材料 / 289
參考文獻 / 289
第10章 其他新型負極材料 /294
10.1 過渡金屬氧化物負極材料 / 294
10.1.1 四氧化三鈷 / 295
10.1.2 氧化鎳 / 297
10.1.3 二氧化錳 / 299
10.1.4 雙金屬氧化物 / 300
10.2 鈮基負極材料 / 303
10.2.1 鈮基氧化物負極材料 / 303
10.2.2 鈦鈮氧化物（Ti-Nb-O） / 304
10.2.3 其他鈮基氧化物 / 308
10.3 磷化物和氮化物負極材料 / 310
10.4 硫化物負極材料 / 311
10.5 硝酸鹽負極材料 / 314
參考文獻 / 320
第11章 鋰離子電池材料的理論設計及其電化學性能的預測 /323
11.1 鋰離子電池材料的熱力學穩定性 / 323
11.1.1 電池材料相對於元素相的熱力學穩定性 / 324
11.1.2 電池材料相對於氧化物的熱力學穩定性 / 326
11.2 電極材料的力學穩定性及失穩機制 / 328
11.2.1 LixMPO4（M=Fe、Mn；x=0、1） 材料的力學性質 / 328
11.2.2 LixMPO4（M=Fe、Mn；x= 0、1） 材料的電子結構及力學失穩機制 / 332
11.3 Li2-xMO3 電極材料的晶格釋氧問題及其氧化還原機理 / 337
11.3.1 Li2-xMO3 電極材料的晶格釋氧問題 / 337
11.3.2 Li2-xMO3 電極材料的氧化還原機理 / 341
11.4 鋰離子電池材料的電化學性能的理論預測 / 347
11.4.1 電極材料的理論電壓及儲鋰機制 / 347
11.4.2 電極材料的表面形貌的預測及表面效應 / 350
11.4.3 鋰離子擴散動力學及倍率性能 / 357
參考文獻 / 360
5.1 矽酸鐵鋰 / 154
5.1.1 矽酸鐵鋰的結構 / 154
5.1.2 矽酸鐵鋰的合成 / 159
5.1.3 矽酸鐵鋰的改性 / 162
5.2 矽酸錳鋰 / 167
5.2.1 矽酸錳鋰的結構 / 167
5.2.2 納米矽酸錳鋰材料的碳包覆 / 170
5.2.3 矽酸錳鋰材料的摻雜 / 172
5.3 矽酸鈷鋰 / 176
參考文獻 / 176
第6章 LiFeSO4F 正極材料//180
6.1 LiFeSO4F 的結構 / 180
6.2 LiFeSO4F 的合成方法 / 197
6.2.1 離子熱法 / 197
6.2.2 固相法 / 198
6.2.3 聚合物介質法 / 199
6.2.4 微波溶劑熱法 / 199
6.3 LiFeSO4F 的摻雜改性 / 200
6.3.1 LiFeSO4F 的金屬摻雜 / 200
6.3.2 LiFeSO4F 的包覆改性 / 201
參考文獻 / 202
第7章 碳基、矽基、錫基材料 /204
7.1 碳基材料 / 204
7.1.1 石墨 / 205
7.1.2 非石墨類 / 208
7.1.3 碳納米材料 / 209
7.1.4 石墨烯材料 / 210
7.2 矽基材料 / 212
7.2.1 矽負極材料的儲鋰機理 / 212
7.2.2 矽負極材料納米化 / 213
7.2.3 矽-碳複合材料 / 216
7.2.4 其他矽基複合材料 / 218
7.3 錫基材料 / 219
7.3.1 錫基材料的納米化 / 220
7.3.2 錫-碳複合材料 / 222
參考文獻 / 223
第8章 Li4Ti5O12 負極材料 /225
8.1 Li4Ti5O12 的結構及其穩定性 / 225
8.1.1 Li4Ti5O12 的結構 / 225
8.1.2 Li4Ti5O12 的穩定性 / 226
8.2 Li4Ti5O12 的電化學性能 / 229
8.3 Li4 Ti5 O12 的合成 / 231
8.3.1 Li4Ti5O12 的合成方法 / 231
8.3.2 Li4Ti5O12 的納米化及表面形貌控制 / 234
8.4 Li4Ti5O12 的摻雜 / 237
8.5 Li4Ti5O12 材料的表面改性 / 240
8.5.1 Li4Ti5O12 複合材料 / 240
8.5.2 Li4Ti5O12 的表面改性 / 244
8.6 Li4Ti5O12 材料的氣脹 / 253
8.6.1 Li4Ti5O12 材料的產氣機理 / 253
8.6.2 抑制Li4Ti5O12 材料氣脹的方法 / 255
參考文獻 / 255
第9章 鈦基負極材料 /259
9.1 Li-Ti-O 化合物 / 259
9.1.1 LiTi2O4 / 259
9.1.2 Li2Ti3O7 / 261
9.1.3 Li2Ti6O13 / 261
9.2 MLi2Ti6O14（M=2Na,Sr,Ba） / 262
9.2.1 MLi2Ti6O14（M=2Na,Sr,Ba） 的結構 / 262
9.2.2 MLi2Ti6O14（M=2Na,Sr,Ba） 的合成方法 / 265
9.2.3 MLi2Ti6O14（M=2Na,Sr,Ba） 的摻雜改性 / 267
9.2.4 MLi2Ti6O14（M=2Na,Sr,Ba） 的包覆改性 / 275
9.3 Li2MTi3O8（M=Zn,Cu,Mn） / 276
9.3.1 Li2ZnTi3O8 / 276
9.3.2 Li2MnTi3O8 / 280
9.3.3 Li2CuTi3O8 / 282
9.4 Li-Cr-Ti-O / 283
9.4.1 LiCrTiO4 / 283
9.4.2 Li5Cr7Ti6O25 / 285
9.5 TiO2 負極材料 / 289
參考文獻 / 289
第10章 其他新型負極材料 /294
10.1 過渡金屬氧化物負極材料 / 294
10.1.1 四氧化三鈷 / 295
10.1.2 氧化鎳 / 297
10.1.3 二氧化錳 / 299
10.1.4 雙金屬氧化物 / 300
10.2 鈮基負極材料 / 303
10.2.1 鈮基氧化物負極材料 / 303
10.2.2 鈦鈮氧化物（Ti-Nb-O） / 304
10.2.3 其他鈮基氧化物 / 308
10.3 磷化物和氮化物負極材料 / 310
10.4 硫化物負極材料 / 311
10.5 硝酸鹽負極材料 / 314
參考文獻 / 320
第11章 鋰離子電池材料的理論設計及其電化學性能的預測 /323
11.1 鋰離子電池材料的熱力學穩定性 / 323
11.1.1 電池材料相對於元素相的熱力學穩定性 / 324
11.1.2 電池材料相對於氧化物的熱力學穩定性 / 326
11.2 電極材料的力學穩定性及失穩機制 / 328
11.2.1 LixMPO4（M=Fe、Mn；x=0、1） 材料的力學性質 / 328
11.2.2 LixMPO4（M=Fe、Mn；x= 0、1） 材料的電子結構及力學失穩機制 / 332
11.3 Li2-xMO3 電極材料的晶格釋氧問題及其氧化還原機理 / 337
11.3.1 Li2-xMO3 電極材料的晶格釋氧問題 / 337
11.3.2 Li2-xMO3 電極材料的氧化還原機理 / 341
11.4 鋰離子電池材料的電化學性能的理論預測 / 347
11.4.1 電極材料的理論電壓及儲鋰機制 / 347
11.4.2 電極材料的表面形貌的預測及表面效應 / 350
11.4.3 鋰離子擴散動力學及倍率性能 / 357
參考文獻 / 360
