新型电池材料与技术

能源、环境、健康、信息是当前全球产业发展、科学研究的四大重点领域，涵盖了人们生活的方方面面，与人类生活息息相关。尤其是新能源技术，使人们生活方式更加便捷，出行更加环保，生活环境更加美好，这一切与电池技术的发展是分不开的。由于锂离子电池极大地改变了人们的生活，2019年瑞典皇家科学院将诺贝尔化学奖颁给了美国得州大学的John B.Goodenough教授、美国宾厄姆顿大学的M.Stanley Whittingham教授和旭化成公司的吉野彰先生，以表彰他们对锂离子电池的发展做出的贡献。
在我国政府将新材料、新能源、新能源汽车作为战略性产业的背景下，我国电池产业面临巨大的发展机遇，与此同时也面临着严峻挑战。国家科技部及各省区也有规划科技项目，促进新能源产业与技术的发展，这些将推动电池产业的持续、健康和快速发展，为国民经济、社会、国防现代化全面发展提供重要支撑。近年来，教育部也批准很多高校开设新能源与器件本科专业，这将为未来电池产业的发展培养高层次专业人才。在这个背景下，我们决定编写一本新型电池材料与技术方面的书，供产业、学术、教育界相关人士使用。
电池就像魔方一样，多种多样。本书较全面系统地阐述了多种新型电池的技术、材料与发展趋势，包括锂离子电池（包含凝胶电解质与固态电解质等）、锂-空气电池、锂硫电池、钠离子电池、钠硫电池、燃料电池、锌-空气电池、铝-空气电池、太阳电池、双离子电池、纤维状电池及可降解电池等。同时，本书对电池表征技术进行专门介绍。本书适用于电池领域相关科技工作者，以及高等院校相关专业高年级本科生、研究生及教师。
本书由电子科技大学马建民教授担任主编。具体章节编写人员分工如下：第1章由浙江工业大学夏阳教授和中国科学院过程工程研究所陈仕谋教授编写；第2章由清华大学贺艳兵教授编写；第3章由青岛大学郭向欣教授、陈昕、毕志杰和中国科学院物理研究所胡勇胜教授等编写；第4章由中国科学院长春应用化学研究所彭章泉教授、郭丽敏教授和南京工业大学陈宇辉教授编写；第5章由郑州大学付永柱教授和郭玮教授编写；第6章由中南大学葛鹏、侯红帅教授和纪效波教授编写；第7章由华南理工大学徐建铁教授、范庆华教授、肖峰博士以及刘胜红、张加奎、蒙莹、胡彤等编写；第8章由天津大学韩晓鹏教授编写；第9章由上海交通大学付超鹏教授和电子科技大学马建民教授编写；第10章由加拿大国立科学院的能源、材料、通讯研究所孙书会教授和张改霞教授以及哈尔滨工业大学杜磊教授编写；第11章由中南大学阳军亮教授及王春花、黄可卿等编写；第12章由中国科学院深圳先进技术研究院唐永炳教授编写；第13章由香港城市大学支春义教授编写；第14章由澳大利亚伍伦贡大学王彩云教授及余长春、贾晓腾、赵晨等编写；第15章由中国科学院物理研究所禹习谦教授编写。
由于本书涉及内容广泛，加之时间和水平有限，若有疏漏和不妥之处，诚请广大读者朋友批评指正！

编者

《新型电池材料与技术》较全面系统阐述了多种新型电池的技术、材料与发展趋势，包括锂离子电池（含凝胶电解质与固态电解质等）、锂-空气电池、锂硫电池、钠离子电池、钠硫电池、燃料电池、锌-空气电池、铝-空气电池、太阳电池、双离子电池、纤维状电池及可降解电池等。同时，本书对电池表征技术进行专门介绍。全书内容前沿、知识丰富、浅显易懂。
本书适合电池领域相关科技工作者，以及高等院校相关专业高年级本科生、研究生及教师阅读参考。

1锂离子电池001
1.1锂离子电池反应机理001
1.2锂离子电池组成002
1.2.1锂离子电池正极材料003
1.2.2锂离子电池电解液004
1.2.3锂离子电池负极材料005
1.2.4锂离子电池隔膜材料006
1.2.5锂离子电池黏结剂材料007
1.2.6锂离子电池导电剂材料007
1.3锂离子电池正极研究进展008
1.3.1层状型化合物008
1.3.2尖晶石型化合物009
1.3.3聚阴离子型化合物010
1.3.4正极材料所存在的问题以及改性研究011
1.4锂离子电池电解液研究进展016
1.4.1有机系电解液016
1.4.2离子液体电解液017
1.4.3水系电解液018
1.4.4凝胶型聚合物电解质019
1.4.5固态电解质021
1.4.6电解液的应用需求和设计原则024
1.5锂离子电池负极研究进展024
1.5.1嵌入型材料024
1.5.2合金型材料025
1.5.3转换型材料027
1.6锂离子电池隔膜研究进展028
1.6.1聚合物隔膜028
1.6.2无机陶瓷隔膜029
1.6.3聚合物复合隔膜032
1.7锂离子电池黏结剂研究进展033
1.7.1油性黏结剂033
1.7.2水性黏结剂034
1.8锂离子电池导电剂研究进展035
1.9总结与展望036
习题038
参考文献038

2凝胶聚合物电解质及其复合体系在锂电池中的应用049
2.1凝胶聚合物电解质概述049
2.1.1凝胶聚合物电解质的特性与发展历史049
2.1.2凝胶聚合物电解质的分类050
2.2聚合物电解质基本要求与表征051
2.2.1离子电导率051
2.2.2锂离子迁移数051
2.2.3电化学窗口051
2.2.4热稳定性052
2.2.5孔隙率052
2.2.6吸液率052
2.3凝胶聚合物电解质及其复合体系分类053
2.3.1聚氧化乙烯（PEO）基凝胶电解质053
2.3.2含有氰基的凝胶电解质（GPE）061
2.3.3聚丙烯酸酯基凝胶电解质062
2.3.4含氟凝胶电解质068
2.3.5其它类型凝胶电解质071
2.4总结与展望072
习题073
参考文献073

3应用于固态锂电池的无机固体电解质078
3.1固体电解质的分类078
3.2氧化物电解质079
3.2.1钙钛矿型电解质079
3.2.2NASICON型电解质080
3.2.3石榴石型电解质081
3.3硫化物基锂离子导体083
3.3.1Thio-LiSICONs083
3.3.2LGPS基电解质084
3.3.3硫银锗型085
3.4新型硫代磷酸酯导体085
3.5卤化物电解质086
3.5.1Li3InCl6086
3.5.2反钙钛矿型电解质087
3.6总结与展望088
习题088
参考文献088

4锂-空气电池096
4.1锂-空气电池的组成096
4.1.1正极096
4.1.2负极097
4.1.3电解质098
4.2充放电反应机理100
4.2.1放电100
4.2.2充电103
4.3原位表面增强拉曼光谱（SERS）研究锂-空气电池反应原理104
4.3.1原位SERS简介104
4.3.2放电反应路径105
4.3.3充放电的反应位点106
4.4锂-空气电池的进展和挑战107
4.4.1正极107
4.4.2负极108
4.4.3电解液108
4.5总结与展望109
习题110
参考文献111

5可充放锂硫电池114
5.1锂硫电池基本原理115
5.2锂硫电池研究历史117
5.3锂硫电池面临的主要问题118
5.4硫-碳复合正极材料120
5.4.1基于微/介孔碳的复合材料120
5.4.2复合材料的合成方法121
5.4.3无黏结剂复合电极121
5.4.4硫-高分子杂化材料122
5.5电解质材料的选择123
5.5.1液态电解质123
5.5.2固态电解质123
5.6不同锂硫电池结构124
5.6.1碳中间层124
5.6.2锂/溶解多硫化物电池124
5.7总结与展望125
习题126
参考文献126

6钠离子电池131
6.1钠离子电池反应机理132
6.2钠离子电池组成132
6.2.1钠离子电池正极材料133
6.2.2钠离子电池电解液133
6.2.3钠离子电池负极材料134
6.3钠离子电池正极研究进展135
6.3.1钠基过渡金属氧化物135
6.3.2聚阴离子化合物136
6.3.3普鲁士蓝及类普鲁士蓝结构137
6.3.4正极材料所存在的问题以及改性研究138
6.4钠离子电池电解液研究进展142
6.4.1有机系电解液143
6.4.2离子液体电解液144
6.4.3水系电解液144
6.4.4固体电解质145
6.4.5凝胶型聚合物电解质148
6.4.6电解液目前的需求及相应设计149
6.5钠离子电池负极研究进展149
6.5.1嵌入型材料149
6.5.2转换型材料151
6.5.3合金型材料156
6.5.4钠离子材料的设计及改性160
6.6总结与展望160
习题161
参考文献161

7钠硫电池168
7.1钠硫电池基本构造与原理169
7.2高温钠硫电池171
7.3室温钠硫电池172
7.3.1存在的问题和解决方案172
7.3.2重要研究进展172
7.4总结与展望186
习题187
参考文献187

8锌-空气电池193
8.1化学原理194
8.2锌电极196
8.2.1反应机理196
8.2.2锌电极限制性能的因素196
8.3氧电极198
8.4空气电极199
8.5隔膜200
8.6电解质201
8.6.1水系电解质201
8.6.2固态电解质201
8.6.3离子液体电解质202
8.7锌-空电池催化剂202
8.7.1OER催化剂202
8.7.2双功能催化剂205
8.8锌-空气电池性能与限制因素212
习题213
参考文献213

9铝-空气电池218
9.1铝-空气电池概述218
9.1.1铝资源218
9.1.2铝-空气电池工作原理219
9.1.3铝-空气电池应用219
9.2铝-空气电池阳极220
9.2.1铝阳极的研究进展220
9.2.2铝阳极的制备222
9.3铝-空气电池阴极223
9.3.1氧气还原催化剂223
9.3.2空气电极的制备228
9.4铝-空气电池电解液229
9.4.1缓蚀剂229
9.4.2固态电解质230
9.5铝-空气电池存在的问题及展望231
习题232
参考文献232

10质子交换膜燃料电池阴极催化剂的设计与调控235
10.1燃料电池概述235
10.1.1燃料电池历史235
10.1.2燃料电池基本工作原理236
10.1.3燃料电池的特点和优势236
10.1.4燃料电池主要类型237
10.2质子交换膜燃料电池的工作原理和结构238
10.3质子交换膜燃料电池贵金属催化剂240
10.3.1贵金属催化剂的活性240
10.3.2贵金属催化剂的稳定性242
10.4质子交换膜燃料电池非贵金属催化剂244
10.4.1典型的非贵金属催化剂244
10.4.2非贵金属催化剂稳定性研究249
10.5总结与展望251
习题252
参考文献252

11太阳电池257
11.1硅太阳电池258
11.1.1硅太阳电池结构及工作原理259
11.1.2晶硅太阳电池259
11.1.3薄膜硅太阳电池260
11.1.4硅太阳电池的应用261
11.1.5总结与展望262
11.2铜铟镓硒太阳电池262
11.2.1铜铟镓硒太阳电池结构及特点262
11.2.2铜铟镓硒薄膜的制备方法264
11.2.3铜铟镓硒太阳电池存在的问题264
11.2.4总结与展望264
11.3碲化镉太阳电池265
11.3.1碲化镉太阳电池特点265
11.3.2碲化镉薄膜制备方法266
11.3.3背接触层及背电极266
11.3.4总结与展望266
11.4有机太阳电池267
11.4.1有机太阳电池结构及工作原理268
11.4.2有机太阳电池优势与存在的问题269
11.4.3总结与展望270
11.5染料敏化太阳电池270
11.5.1染料敏化太阳电池基本结构及工作原理270
11.5.2染料敏化太阳电池研究重点271
11.5.3染料敏化太阳电池存在的问题272
11.5.4总结与展望273
11.6钙钛矿太阳电池273
11.6.1钙钛矿太阳电池结构及工作原理273
11.6.2钙钛矿太阳电池发展概况274
11.6.3存在的问题及解决办法275
11.6.4总结与展望276
习题276
参考文献276

12双离子电池280
12.1双离子电池发展280
12.1.1传统锂离子电池的局限和研究现状280
12.1.2双离子电池的工作原理及特点282
12.1.3双离子电池的发展历程285
12.1.4双离子电池电解液的发展287
12.2双离子电池的反应机理293
12.2.1正极的反应机理293
12.2.2负极的反应机理298
12.3阴离子反应动力学的改进305
12.3.1正极结构设计和改性305
12.3.2新型正极材料311
12.4阳离子反应动力学的改进313
12.4.1负极材料的插层313
12.4.2合金化负极材料316
12.4.3新型负极材料317
12.5总结与展望319
习题320
参考文献320

13纤维状电池332
13.1纤维状电池的设计原理333
13.1.1电极334
13.1.2电解质336
13.1.3器件构型336
13.2纤维状电池概述337
13.2.1纤维状锂基电池338
13.2.2纤维状钠基电池344
13.2.3纤维状锌基电池346
13.2.4纤维状空气电池347
13.2.5其它纤维状电池351
13.3多功能与集成化系统352
13.3.1防水/防火纤维状电池352
13.3.2自愈合与形状记忆纤维状电池353
13.3.3其它多功能纤维状电池354
13.3.4集成化系统355
13.4从纤维状电池到储能纺织品357
13.4.1纤维状电池缝在现有织物上358
13.4.2梭织/针织织物电池359
13.5未来可穿戴应用的技术问题360
13.5.1细长的纤维状结构引起的高内阻361
13.5.2制备困难361
13.5.3隔膜的安置困难361
13.5.4封装困难362
13.5.5厚度减小困难362
13.5.6机械强度低362
13.5.7难以实现纱线质感362
13.5.8缺乏评估力学性能的测试标准363
13.5.9安全问题363
13.5.10多功能化和集成化363
13.5.11纤维状电池的电化学性能364
13.6总结与展望365
习题365
参考文献365

14可降解电池375
14.1体内生物可降解电池376
14.1.1体内生物可降解电池的工作原理376
14.1.2生物可降解聚合物378
14.2环境可降解电池379
14.3可降解电池应用及前景382
14.3.1可降解电池的可降解性382
14.3.2可降解电池的应用382
习题384
参考文献384

15电池表征技术387
15.1实验室常用表征技术389
15.1.1晶体结构表征390
15.1.2化学成分分析394
15.1.3微观组织形态表征398
15.1.4元素价态分析406
15.1.5分子价键表征409
15.1.6热分析技术411
15.2同步辐射实验技术414
15.2.1同步辐射XRD414
15.2.2对分布函数实验技术（PDF）415
15.2.3同步辐射X射线谱学实验技术417
15.2.4同步辐射X射线成像技术420
15.2.5同步辐射原位实验方法与装置422
15.3中子实验技术424
15.3.1中子衍射（ND）425
15.3.2中子成像426
15.3.3中子深度剖面谱（NDP）427
习题429
参考文献429