鋰電池基礎科學

《鋰電池基礎科學》是2021年化學工業出版社出版的圖書。

基本介紹

• 書名：鋰電池基礎科學
• 作者：李泓
• 出版社：化學工業出版社
• 出版時間：2021年
• 開本：16 開
• ISBN：9787122395825

內容簡介

本書重點介紹了化學儲能電池理論能量密度的估算，電池材料缺陷化學，相、相變與相圖，電池界面問題，離子在固體中的輸運，鋰離子電池正極材料、負極材料，非水液體電解質材料，全固態鋰離子電池，鋰空氣電池與鋰硫電池，表征方法、電化學測量方法，鋰二次電池材料的計算研究。同時對鋰離子電池基礎研究的科學問題、存在的難點、發展趨勢等進行了詳盡分析。本書內容詳實豐富，涵蓋了鋰離子電池基礎科學的關鍵問題，兼顧實際工程技術問題，努力為我國鋰離子電池產學研從業者提供一本從事該領域工作的工具書。本書適合從事鋰電池研發的相關人員參考，也適合作為高等院校相關專業師生的教學參考書。

圖書目錄

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章電池界面問題84

4.1鋰離子電池界面問題84

4.2SEI膜結構及生長機理86

4.3SEI膜表征手段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界面改性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/固體電解質界面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實驗表征方法135

5.9.1晶體結構與鋰原子占位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小批量套用的負極材料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電化學視窗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套用245

9.4全固態鋰電池的界面問題248

9.4.1固態電解質/正極界面248

9.4.2固態電解質/金屬鋰負極界面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章表征方法286

11.1元素成分及價態288

11.1.1電感耦合電漿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形貌表征302

11.3材料晶體結構表征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物質官能團的表征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材料表面功函式325

11.8絕熱加速量熱儀在鋰電領域中的套用325

11.9互聯互通惰性氣氛電池綜合分析平台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套用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準穩態測量技術——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準性364

12.3.8影響電極過程動力學信息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巨觀尺度的模擬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套用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

作者簡介

李泓，中國科學院物理研究所研究員，主要研究方向為高能量密度鋰離子電池、固態鋰電池、電池失效分析、固態離子學，目前是科技部先進能源領域儲能方向主題專家，工信部智慧型電網技術與裝備重點專項總體組專家和項目責任專家，國家新能源汽車創新中心技術專家委員會委員。《儲能科學與技術》常務副主編，中國化工學會儲能工程專委會副主任、中國能源研究會儲能專委會副主任。國際固態離子學會、國際儲能聯盟科學執委會等組織成員。

主要研究高能量密度鋰電池中的電極與電解質材料；全固態鋰電池；新固態離子器件以及相關器件中涉及離子輸運、儲存、反應的基礎科學問題；新的材料製備技術、表征技術與理論計算方法在鋰電池研究中的運用。

共申請中國發明專利62項，申請國際發明專利3項，其中中國發明專利授權24項，德國發明專利授權1項，法國發明專利授權1項。共發表SCI論文143篇。總引用次數超過4000次，H因子34。國家傑出青年基金獲得者。