電化學儲能材料與原理（簡體書）

《電化學儲能材料與原理》是南京大學新能源材料與器件專業基礎課教材，主要內容包括電化學儲能過程原理和各種儲能電池材料基礎知識。注重介紹儲能材料的結構和化學，從物質結構出發討論電化學儲能過程的機理。《電化學儲能材料與原理》根據作者在長期基礎課教學過程中總結的經驗和體會，組織教材的框架與內容，由淺入深介紹儲能過程的原理，力爭將電化學儲能內容從固體物理、材料科學、溶液化學、物理化學等多學科角度闡述，方便具有不同學科背景知識的學生和讀者掌握相關術語與內容。

目錄



前言



第1章 化學電源基礎 1



1.1 化學電源簡介 1



1.2 電池化學原理 2



1.2.1 電極電勢的概念 2



1.2.2 化學勢與電化學勢 2



1.2.3 電極的費米能級 3



1.2.4 電極電勢表 4



1.2.5 電子能量與電池材料電子能級 5



1.2.6 電子轉移步驟動力學 6



1.3電池材料學基礎 7



1.3.1 晶體結構 7



1.3.2 外科夫位置 8



1.3.3 PTOT注釋 9



1.3.4 典型電池材料晶體結構 12



1.3.5 電池材料定性電子結構模型 15



1.3.6 八面體配位結構的能級結構 17



1.3.7 四面體配位結構的能級結構 18



1.3.8 薑-泰勒效應 19



1.4 電池結構介紹 20



1.4.1 電池組成與裝配 20



1.4.2 電池性能指標 21



1.5 電池電壓特性 22



1.5.1 動力學對電池電壓的影響 22



1.5.2 熱力學對電池電壓的影響 23



參考文獻 29



第2章 電池表徵技術 30



2.1 X射線衍射技術 30



2.1.1 X射線衍射介紹 30



2.1.2 利用 X射線衍射鑒定材料 31



2.1.3 衍射強度計算 32



2.1.4 點陣參數的測定 35



2.1.5 微觀應力的測定 36



2.1.6 納米材料粒徑的表徵 36



2.2 掃描電子顯微鏡技術 36



2.3 透射電子顯微鏡技術 38



2.4 電子衍射技術 41



2.5 能譜技術 43



2.6 X射線光電子能譜 45



2.7 充放電性能測試 46



2.8 電化學阻抗譜 48



2.8.1 等效電路模擬 48



2.8.2 沃伯格阻抗元與擴散係數 49



2.8.3 常相位角元 51



2.8.4 特徵頻率 52



2.8.5 典型電池電化學阻抗譜圖分析 52



2.8.6 多孔電極的 EIS 53



2.8.7 鋰離子電池負極阻抗譜分析 54



2.9 循環伏安法 54



2.10 恒電流滴定技術 56



參考文獻 58



第3章 水系充電電池材料 59



3.1 氧化錳類電池 59



3.1.1 二氧化錳類電池材料 59



3.1.2 鋅錳電池 68



3.2 鉛酸蓄電池 68



3.2.1 鉛酸蓄電池介紹 68



3.2.2 鉛酸蓄電池工作原理 69



3.2.3 Pb負極 71



3.2.4 PbO2正極 72



3.2.5 鉛酸蓄電池非活性組件 73



3.2.6 鉛酸蓄電池電化學性能 74



3.3 氫氧化鎳正極 75



3.3.1 β-Ni(OH)2結構 75



3.3.2 β-Ni(OH)2充放電過程 76



3.3.3 α-Ni(OH)2結構 77



3.3.4 Ni(OH)2結構中的無序性 78



3.3.5 Ni(OH)2/NiOOH的製備方法 78



3.3.6 Ni(OH)2電池極片製備方法 79



3.3.7 Ni(OH)2電極性能改善 80



3.4 鎳鎘電池 80



3.5 鎳氫電池 81



3.5.1 鎳氫電池原理 81



3.5.2 鎳氫電池構造 82



3.5.3 鎳氫電池的電化學性能 83



3.5.4 鎳氫電池發展 85



3.6 鎳-金屬氫化物電池 86



3.6.1 鎳-金屬氫化物電池介紹 86



3.6.2 Ni-MH電池原理 87



3.6.3 貯氫合金機理 88



3.6.4 貯氫合金負極 89



3.6.5 Ni-MH電池的性能 93



3.6.6 Ni-MH電池的應用 95



3.7 鎳鋅電池 95



3.7.1 鎳鋅電池原理 96



3.7.2 鋅電極構成與製備 97



3.7.3 隔膜與電解液 97



3.7.4 鎳鋅電池存在的問題 98



3.7.5 鎳鋅電池的放電特性 100



3.8 鎳鐵電池 101



3.8.1 鎳鐵電池介紹 101



3.8.2 鎳鐵電池原理 102



3.8.3 鎳鐵電池結構 103



3.8.4 鎳鐵電池存在的問題 104



參考文獻 105



第4章 LiCoO2材料 108



4.1 LiCoO2的結構 108



4.2 層狀 LiCoO2的精細結構 109



4.3 LiCoO2電子結構 112



4.4 LiCoO2材料的製備 114



4.5 LiCoO2的性質 115



4.5.1 LixCoO2熱穩定性 115



4.5.2 LiCoO2的電化學性質 116



4.6 LiCoO2摻雜 120



參考文獻 120



第5章 錳酸鋰正極材料 122



5.1 尖晶石相 LiMn2O4介紹 123



5.2 LixMn2O4(0＜x＜2) 124



5.2.1 LixMn2O4(0＜x＜1) 125



5.2.2 LixMn2O4(1＜x＜2) 125



5.3 岩鹽結構 LixMn2O4(x=2) 126



5.4 過鋰化 LixMn2O4(2＜x＜4) 126



5.5 Li1+δMn2–δO4(0＜δ＜0.33) 126



5.6 Li2O？yMnO2線 127



5.6.1 Li2MnO3 127



5.6.2 Li4Mn5O12 129



5.6.3 Li2Mn3O7和 Li2Mn4O9 130



5.7 層狀 LiMnO2 130



5.8 正交 LiMnO2 131



5.9 錳酸鋰材料穩定性 133



5.10 富鋰錳基材料 133



參考文獻 134



第6章 三元正極材料 135



6.1 三元材料的結構特徵 136



6.2 三元材料的電化學性質 140



6.2.1 NCM-333 141



6.2.2 NCM-523 143



6.2.3 NCM-811 145



6.3 三元材料的改性 148



6.3.1 離子摻雜 148



6.3.2 表面包覆 149



6.3.3 梯度顆粒設計 150



6.4 三元材料合成方法 151



6.4.1 化學共沉澱法 151



6.4.2 高溫固相法 152



6.4.3 溶膠-凝膠法 152



參考文獻 153



第7章 聚陰離子正極材料 156



7.1 磷酸亞鐵鋰 156



7.1.1 晶體結構及其對電壓影響 156



7.1.2 電化學性能 158



7.1.3 電子導電問題 160



7.1.4 鋰離子擴散 162



7.1.5 充放電過程的顆粒模型 164



7.1.6 製備方法 166



7.2 磷酸亞錳鋰 167



7.3 磷酸亞鈷鋰 169



7.4 其他聚陰離子正極材料 170



參考文獻 171



第8章 負極材料 175



8.1 鋰電負極介紹 175



8.2 碳基負極材料 175



8.2.1 石墨碳負極 176



8.2.2 石墨中的鋰插層 177



8.2.3 天然石墨 178



8.2.4 人工石墨 179



8.2.5 中間相碳微球 179



8.2.6 軟碳 180



8.2.7 硬碳 182



8.2.8 軟碳和硬碳中嵌鋰 183



8.2.9 碳材料的 SEI問題 184



8.2.10 CNT儲 Li位點 187



8.2.11 石墨烯 189



8.3 鈦酸鋰負極 191



8.3.1 Li4Ti5O12的晶體結構 191



8.3.2 Li4Ti5O12的物理化學性質 191



8.3.3 Li4Ti5O12改性 194



8.3.4 其他類型鈦酸鋰負極 195



8.4 矽負極 198



8.4.1 矽負極的基本性質 198



8.4.2 納米矽 201



8.5 合金負極 206



8.5.1 錫負極 207



8.5.2 納米結構錫 208



8.5.3 錫基合金 211



8.5.4 錫-氧化合物 214



8.6 過渡族金屬氧化物 216



8.7 金屬鋰負極 218



8.7.1 金屬鋰負極的失效機制 219



8.7.2 金屬鋰負極的改性 221



8.7.3 挑戰與展望 225



8.8大容量負極共性問題 226



參考文獻 226



第9章 其他類型充電電池 234



9.1 鋰硫電池 235



9.1.1 鋰硫電池基本原理 235



9.1.2 鋰硫電池的挑戰 237



9.1.3 硫正極 238



9.1.4 鋰硫電池發展趨勢 247



9.2 鎂離子電池 247



9.2.1 鎂離子電池概述 247



9.2.2 鎂離子電池正極材料 248



9.2.3 電解質 252



9.2.4 鎂離子電池方向和局限性 252



參考文獻 253