高比能固态锂电池

高比能固态锂电池具有高比能、高安全、长使役寿命等特性，解决了传统液态锂电池的续航短、易燃、易爆等问题，是下一代理想的高性能储能电池体系。本书重点对高比能固态锂电池中的关键科学问题和核心技术难题等进行了全面而深入的剖析，涵盖了高比能固态锂电池的电解质材料、正负极材料、黏结剂、工艺和配套设备、界面问题、安全性能评估等内容，兼顾实际工程技术和制造装备等问题，努力为我国高比能固态锂电池产学研从业者提供一本非常实用的工具书。
本书适合从事高比能固态锂电池研发的相关人员进行参考，也适合作为高等院校、科研机构等相关专业师生的教学参考书。

本书面向国家重大战略需求，瞄准固态锂电池共性关键科学问题，攻关关键材料制备、器件开发和系统集成技术，旨在解决传统锂电池痛点问题，促进固态锂电池产业化发展。重点对关键的固态电解质材料、黏结剂材料、正负极材料、界面与失效问题、安全评估等进行深入阐述，兼顾实际工程技术和制造装备中的核心技术难题，攻克了全海深高比能深海电源技术瓶颈，填补了全海深高能量密度深海电源系统技术空白，为国产深海装备提供可靠能源保障；提出原位固态化界面融合技术，突破了固态锂电池固/固界面壁垒，打通了固态锂电池从实验室基础研究到工程化应用的屏障。

随着人类经济社会的快速发展，环境问题日益严峻，人类生存面临巨大挑战。在国家提出“双碳”战略的宏观背景下，新能源作为战略性新兴产业正迅猛崛起。以锂电池为代表的清洁二次电化学储能技术，成为支撑新能源产业的新质生产力并受到重点关注。其中，固态锂电池因其高安全性、高能量密度和长循环寿命等优势，正凸显其与日俱增的重要性和强大的生命力。
固态锂电池采用固态电解质替代传统液态电解液，不仅有望解决传统锂电池在安全性和能量密度等方面的瓶颈，还可为新能源应用领域带来更广泛、更可靠的解决方案。因此，固态锂电池在电动汽车、航空航天、可穿戴设备及智能物联网等领域都具有极大发展潜力。为推动固态锂电池的快速发展，首先需要对其关键材料、应用技术及存在的问题进行深入探讨，加强知识积累，从而更好地理解其工程技术下掩藏的科学问题，进一步推动技术发展，为电池技术的创新和可持续发展奠定坚实基础。
回溯历史，我们不难看出锂电池之所以能在二十年内实现从发明到应用，很大程度上受益于近现代物理、化学、电子及材料等多学科的交叉融合。本书不仅旨在推动固态锂电池技术，更深层的目的在于启迪读者、学者思考和畅想未来电能存储的极限。我国学者受中国传统哲学思维的影响，深知万物衍化中的奇异关联，一定可以迸发出中国特色的科技思路，为下一代电池技术提供里程碑式的突破。
本书围绕固态锂电池关键材料、相应制备技术及未来发展趋势进行分章阐述：第1章为固态锂电池概述；第2章为固态电解质材料；第3章为固态锂电池正极材料；第4章为固态锂电池负极材料；第5章为固态锂电池用黏结剂；第6章为固态锂电池电芯制备相关工艺和配套设备；第7章为固态锂电池界面问题；第8章为固态锂电池理论模拟与机器学习；第9章为固态锂电池器件安全性能评估；第10章为固态锂电池应用现状及未来发展面临的挑战与对策。
本书内容主要源自作者及研究团队多年来的研发经验和知识积累，考虑到固态锂电池技术的迅猛发展，新材料、新体系、新技术、新机理等不断涌现，本书同时总结了固态锂电池关键材料及相关制备技术的最新科研和产业化技术成果，汇聚了国内外许多相关研究者的心血。
在本书撰写过程中，得到了陈立泉院士、孙世刚院士和江雷院士的鼓励和大力支持，衷心感谢他们欣然为本书作序。其中，中国科学院青岛生物能源与过程研究所及青岛储能产业技术研究院的研发人员张建军、韩鹏献、崔子立、鞠江伟、徐红霞、胡乃方、刘涛、张焕瑞、郝建港、许高洁、胡磊、马君、杜晓璠、张舒、周倩、黄浪、吴天元、赵井文等参与了资料收集、整理以及相应章节的撰写和修改工作，在此对他们的努力付出表示衷心的感谢！
固态锂电池的研究和应用涉及有机化学、电化学、材料、物理等学科的概念和理论，是基础研究与应用研究的高度集成，限于作者的时间和精力，疏漏与不足之处在所难免，敬请同行与读者不吝赐教。

崔光磊
2024年07月

第1章　固态锂电池概述   001
1.1 发展固态锂电池的重要性与迫切性   002
1.2 固态锂电池工作原理与优势   003
1.3 固态锂电池分类   004
1.4 固态锂电池国内外政策   004
1.4.1　固态锂电池国内政策   004
1.4.2　固态锂电池国外政策   005
1.5 固态锂电池发展路线   005
1.5.1　国内固态锂电池发展路线   005
1.5.2　国外固态锂电池发展路线   006
1.6 固态锂电池和固态电解质的未来发展方向   008
参考文献   009

第2章　固态电解质材料   010
2.1 聚合物固态电解质关键材料   011
2.1.1　聚合物固态电解质基体材料   011
2.1.2　聚合物固态电解质制备工艺   017
2.1.3　锂盐   018
2.2 无机固态电解质关键材料   023
2.2.1　石榴石型电解质    025
2.2.2　NASICON型电解质   025
2.2.3　硫化物电解质   026
2.2.4　卤化物电解质   027
2.3 有机/无机复合固态电解质   032
2.3.1　有机/无机复合固态电解质类型   032
2.3.2　有机/无机复合固态电解质制备技术   037
2.4 硫化物电解质/固态电池专利分析   038
2.4.1　全球专利申请趋势   038
2.4.2　全球专利技术分布状况   040
2.4.3　全球竞争区域与竞争主体   041
2.5 聚合物固态电解质专利态势分析   043
2.5.1　聚合物固态电解质专利申请态势   043
2.5.2　聚合物固态电解质专利技术分布   044
2.5.3　聚合物固态电解质专利地域分布   045
2.5.4　聚合物固态电解质专利重点技术   047
2.6 本章结语   050
参考文献   051

第3章　固态锂电池正极材料   058
3.1 固态锂电池正极材料   059
3.1.1　正交橄榄石结构正极材料   064
3.1.2　层状结构正极材料   064
3.1.3　立方尖晶石结构正极材料   071
3.1.4　其它类型正极材料   073
3.2 固态锂电池正极材料修饰改性技术   075
3.2.1　正极材料修饰改性技术概述   075
3.2.2　正交橄榄石结构正极材料修饰改性技术   078
3.2.3　层状结构正极材料修饰改性技术   079
3.2.4　立方尖晶石结构正极材料修饰改性技术   082
3.2.5　其它正极材料修饰改性技术   085
3.3 本章结语   087
参考文献   087

第4章　固态锂电池负极材料   093
4.1 锂金属负极材料   096
4.1.1　锂金属负极特点及发展历程   096
4.1.2　锂金属的改性策略   102
4.2 嵌入型负极材料   106
4.2.1　石墨负极   106
4.2.2　钛酸锂负极   108
4.3 合金型负极材料   110
4.3.1　合金型负极材料特点及发展历程   110
4.3.2　合金型负极在固态电池负极领域的应用   112
4.4 本章结语   125
参考文献   126

第5章　固态锂电池用黏结剂   131
5.1 正极黏结剂   135
5.1.1　非原位制备工艺构建的固态锂电池正极黏结剂   135
5.1.2　原位固态化策略增强的聚合物锂电池正极黏结剂   138
5.2 负极黏结剂   142
5.2.1　非原位制备工艺构建的固态锂电池硅负极黏结剂   143
5.2.2　原位固态化策略增强的聚合物锂电池硅负极黏结剂   145
5.3 无机固态电解质膜黏结剂   153
5.3.1　氧化物固态电解质膜黏结剂   154
5.3.2　硫化物固态电解质膜黏结剂   154
5.3.3　卤化物固态电解质膜黏结剂   155
5.4 锂电池电极黏结剂专利分析   156
5.4.1　锂电池电极黏结剂产业现状   156
5.4.2　固态锂电池电极黏结剂专利态势分析   158
5.5 本章结语   163
参考文献   164

第6章　固态锂电池电芯制备相关工艺和配套设备   168
6.1 干法成型技术   172
6.1.1　基于聚四氟乙烯（PTFE）成纤化的干法成型技术   172
6.1.2　基于挤出或热压的干法成型技术   174
6.1.3　干法喷涂成型技术   178
6.2 固态锂电池制备工艺   182
6.2.1　电极极片制造工艺   184
6.2.2　固态电解质膜制造工艺   186
6.2.3　固态锂电池组装工艺   187
6.3 固态锂电池制备所用配套设备   192
6.3.1　匀浆系统-双螺杆挤出机   193
6.3.2　成膜系统-热压成膜复合设备   195
6.3.3　原位聚合-压力化成设备   196
6.3.4　预锂化-补锂设备   198
6.4 固态双极电池   201
6.4.1　双极电池集流体   202
6.4.2　薄且强韧的固态电解质   203
6.5 压力对循环稳定性的影响   207
6.5.1　压力对硫化物固态电解质的影响   209
6.5.2　压力对氧化物固态电解质的影响   210
6.5.3　压力对聚合物固态电解质的影响   211
6.5.4　压力对负极材料的影响   212
6.5.5　压力对正极材料的影响   213
6.6 本章结语   214
参考文献   215

第7章　固态锂电池界面问题   220
7.1 固态锂电池界面研究概述   221
7.2 固态锂电池界面类型   222
7.3 固态锂电池的界面问题和界面优化策略   223
7.3.1　正极材料的晶界和相界   223
7.3.2　固态电解质的晶界和相界   226
7.3.3　固态电解质/正极界面   228
7.3.4　固态电解质/负极界面   239
7.3.5　正极和负极界面串扰的失效机制   244
7.4 多尺度多物理场的界面表征技术   248
7.4.1　原位显微技术   249
7.4.2　原位X射线和中子技术   251
7.4.3　原位波谱技术   259
7.4.4　原位压力监测技术   261
7.4.5　其它新型原位表征技术   262
7.5 本章结语   262
参考文献   263

第8章　固态锂电池理论模拟与机器学习   271
8.1 电极材料理论计算   272
8.1.1　电极材料概述   272
8.1.2　电极材料计算方法   273
8.1.3　正极材料理论计算   276
8.2 固态电解质理论计算与模拟   280
8.2.1　离子传输机制理论模拟   281
8.2.2　相稳定性理论模拟   286
8.2.3　电化学稳定性理论模拟   287
8.2.4　力学性能理论模拟   291
8.2.5　利用理论计算设计新型固态电解质   292
8.2.6　高通量计算筛选新型固态电解质   294
8.3 理论模拟在电极/电解质界面的应用   298
8.3.1　固/固接触问题理论模拟   299
8.3.2　空间电荷层理论模拟   301
8.3.3　化学和电化学稳定性理论模拟   302
8.3.4　锂枝晶理论模拟   305
8.3.5　界面缓冲层理论模拟   308
8.4 固态锂电池的多物理场研究   310
8.4.1　多物理场概述   310
8.4.2　锂电池的电化学-热-力耦合模型   312
8.4.3　固态锂电池中多物理场模型的应用   314
8.5 机器学习及相关技术   317
8.5.1　机器学习   317
8.5.2　数据库   325
8.6 本章结语   326
参考文献   327

第9章　固态锂电池器件安全性能评估   340
9.1 固态电解质稳定性   342
9.1.1　化学稳定性   342
9.1.2　电化学稳定性   343
9.1.3　机械稳定性   343
9.1.4　热稳定性   345
9.2 电解质及电极材料界面稳定性   347
9.2.1　电解质及电极材料界面化学稳定性   347
9.2.2　电解质及电极材料界面力学性能   348
9.2.3　电解质及电极材料界面热稳定性   349
9.3 固态电池热安全性测试方法   349
9.3.1　电池层级热安全性测试方法   349
9.3.2　材料层级热安全性测试方法   350
9.4 固态电池热失控特点及改善策略   352
9.4.1　氧化物固态电池热失控特点及改善策略   353
9.4.2　硫化物固态电池热失控特点及改善策略   360
9.4.3　聚合物固态电池热失控特点及改善策略   368
9.5 固态电池热失控模拟分析方法   373
9.6 固态电池安全评价的其它方法   375
9.6.1　热失控成像技术   375
9.6.2　电池传感器检测技术   377
9.7 本章结语   379
参考文献   379

第10章　固态锂电池应用现状及未来发展面临的挑战与对策   383
10.1 固态锂电池应用现状   384
10.1.1　固态动力电池   386
10.1.2　固态储能电池   388
10.1.3　固态电源系统深海特种应用   388
10.2 全固态锂电池发展面临的挑战与对策   390
参考文献   393