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新型高比能二次電池是新能源技術研究領域的重要方向，功能電解質材料是先進新體系電池中的重要組成部分。《先進電池功能電解質材料》系統闡述了基於多電子反應理論的各類新型二次電池的關鍵技術及研究方向，重點介紹了鋰離子電池、鋰硫電池、鈉離子電池、鋰空氣電池、多價陽離子電池等二次電池體系中功能電解質材料的研究進展，論述了電解質材料創新工作中的模擬計算研究，從理論、技術、應用等方面對各類新型二次電池功能電解質材料的未來發展進行了分析和展望。
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本書可供從事新能源材料及器件研究和設計的科研人員以及高等院
校相關專業師生閱讀參考。
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目錄
Contents
叢書序
前言
第1章 基於多電子反應機制的電池新體系概述 1
1.1 多電子反應的理論基礎 3
1.2 單價陽離子的多電子反應 6
1.2.1 插層反應 6
1.2.2 相轉變反應 10
1.2.3 可逆有機反應 15
1.2.4 合金化反應 18
1.2.5 轉化反應 25
1.2.6 合金化轉化反應 28
1.3 多價陽離子的多電子反應 31
1.4 金屬-空氣電池中的多電子反應 40
1.5 鋰硫電池中的多電子反應 45
1.6 總結和展望 47
參考文獻 48
第2章 電解質材料的基本物性和合成方法 59
2.1 電解質材料的基本物性 60
2.1.1 離子電導率 60
2.1.2 離子遷移數 61
2.1.3 電化學窗口 62
2.1.4 Li+的溶劑化作用 62
2.2 電解質組分及類別 64
2.2.1 電解質概述 64
2.2.2 溶劑 64
2.2.3 鋰鹽 67
2.2.4 添加劑 70
2.2.5 人工界面 73
2.3 離子液體電解質 75
2.3.1 咪唑類離子液體 76
2.3.2 吡咯類離子液體 77
2.3.3 其他離子液體 78
2.3.4離子液體電解質的發展前景 80
2.4 聚合物電解質 81
2.4.1固體聚合物電解質 81
2.4.2 凝膠聚合物電解質 85
2.5 准離子液體電解質 86
2.5.1 碳酸酯-鋰鹽體系 86
2.5.2 醚-鋰鹽體系 87
2.5.3 聚合物-鋰鹽體系 88
2.5.4 其他溶劑-鋰鹽體系 90
2.6 固態化複合電解質 90
2.6.1 聚合物複合電解質 90
2.6.2 離子凝膠複合電解質 91
2.7 電解質的表徵 95
2.7.1 形貌與結構分析 95
2.7.2 熱穩定性分析 97
2.7.3 化學組成分析 98
2.7.4 電化學性能分析 99
參考文獻 99
第3章 鋰離子電池電解質 107
3.1 鋰離子電池概述 109
3.1.1 鋰離子電池的工作原理及發展 109
3.1.2 鋰離子電池電解質概述 114
3.2 有機液體電解質 118
3.2.1 有機溶劑 118
3.2.2 鋰鹽 119
3.2.3 添加劑 120
3.2.4 與電極材料的相容性 121
3.2.5 在鋰離子電池中的應用現狀與發展 123
3.3 固體電解質 123
3.3.1 無機固體電解質 123
3.3.2 固體聚合物電解質 133
3.3.3 複合固體電解質 133
3.4 離子液體電解質 148
3.4.1 離子液體的組成和種類 148
3.4.2 離子液體的特性 149
3.4.3 在鋰離子電池中的應用現狀及發展 150
3.5 水系電解質 159
3.5.1 水系可充電鋰電池的電極 160
3.5.2 水系液體電解質 161
3.5.3 水系可充電鋰電池面臨的挑戰及解決方案 162
3.5.4 水系可充電鋰電池電解質的分類及研究現狀 164
參考文獻 165
第4章 鋰硫電池電解質 175
4.1 鋰硫電池概述 176
4.2 液體電解質 178
4.2.1 醚基電解質 178
4.2.2 新型溶劑電解質 188
4.2.3 鋰負極成膜電解質 191
4.3 固體電解質 193
4.3.1 固體聚合物電解質 193
4.3.2 無機固體電解質 195
4.4 複合電解質 198
4.4.1 凝膠聚合物電解質 199
4.4.2 無機有機複合電解質 201
4.5 總結和展望 203
參考文獻 204
第5章 鈉離子電池電解質 211
5.1 鈉離子電池概述 212
5.2 鈉離子電池電解質概述及其特性 215
5.2.1 化學-電化學穩定性 215
5.2.2 熱穩定性 218
5.2.3 離子傳輸性能 220
5.2.4 其他性能 222
5.3 鈉離子電池電解質先進研究方法 222
5.3.1 電極和集流體間界面表徵研究方法 223
5.3.2 鈉離子電池電解質表徵方法 223
5.3.3 SEI膜表徵方法 226
5.4 鈉鹽 227
5.5 鈉離子電池電解質及其性能 230
5.5.1 基於酯和醚的有機液體電解質 230
5.5.2 離子液體電解質 236
5.5.3 水系電解質 241
5.5.4 固體電解質 244
5.5.5 混合電解質 256
5.6 相界面的研究進展 259
5.6.1 界面和鈍化層的基本屬性 261
5.6.2 不同電解質材料的SEI膜 263
5.6.3 人工SEI膜 267
5.7 鈉離子電池電解質的商業進展 270
5.8 總結和展望 273
參考文獻 274
第6章 鋰-空氣電池電解質 281
6.1鋰-空氣電池電解質的發展歷史及其機理 282
6.2 非水液體電解質 288
6.2.1 溶劑 289
6.2.2 鋰鹽 292
6.2.3 添加劑 294
6.3 離子液體電解質 304
6.3.1 室溫離子液體電解質 305
6.3.2基於離子液體的混合液體電解質 307
6.3.3 溶劑化離子液體電解質 307
6.4 固體電解質 309
6.4.1 固體聚合物電解質 310
6.4.2 無機固體電解質 313
6.4.3 複合固體電解質 320
6.4.4 固-液複合電解質 322
6.5 水系電解質 327
6.5.1 Li+傳導膜 327
6.5.2 酸性和鹼性電解質 328
6.6 總結和展望 330
參考文獻 331
第7章 多價陽離子電池電解質 341
7.1 鋁離子電池電解質 342
7.1.1 電解質概述 342
7.1.2 電解質分類 343
7.1.3 總結和展望 358
7.2 鎂離子電池電解質 359
7.2.1 有機電解質 359
7.2.2 含硼電解質 364
7.2.3 凝膠聚合物電解質 367
7.2.4 離子液體電解質 370
7.2.5 總結和展望 372
參考文獻 372
第8章 電解質材料理論計算 377
8.1 理論計算方法 378
8.1.1 分子模擬 378
8.1.2 半經驗方法 378
8.1.3 第一性原理計算 379
8.1.4 從頭計算法 379
8.1.5 密度泛函理論 380
8.1.6 分子動力學模擬 381
8.2 典型案例 381
8.2.1 QC計算和MD模擬探索新電解質體系 381
8.2.2 DFT計算研究人工SEI膜 383
8.2.3 AIMD研究界面相互作用 385
8.2.4 經典的MD模擬研究溶劑化結構 388
8.3 電解質材料理論計算的應用 391
8.3.1 理論計算在鋰離子電池電解質中的應用 391
8.3.2 理論計算在鈉離子電池電解質中的應用 400
參考文獻 405
Contents
叢書序
前言
第1章 基於多電子反應機制的電池新體系概述 1
1.1 多電子反應的理論基礎 3
1.2 單價陽離子的多電子反應 6
1.2.1 插層反應 6
1.2.2 相轉變反應 10
1.2.3 可逆有機反應 15
1.2.4 合金化反應 18
1.2.5 轉化反應 25
1.2.6 合金化轉化反應 28
1.3 多價陽離子的多電子反應 31
1.4 金屬-空氣電池中的多電子反應 40
1.5 鋰硫電池中的多電子反應 45
1.6 總結和展望 47
參考文獻 48
第2章 電解質材料的基本物性和合成方法 59
2.1 電解質材料的基本物性 60
2.1.1 離子電導率 60
2.1.2 離子遷移數 61
2.1.3 電化學窗口 62
2.1.4 Li+的溶劑化作用 62
2.2 電解質組分及類別 64
2.2.1 電解質概述 64
2.2.2 溶劑 64
2.2.3 鋰鹽 67
2.2.4 添加劑 70
2.2.5 人工界面 73
2.3 離子液體電解質 75
2.3.1 咪唑類離子液體 76
2.3.2 吡咯類離子液體 77
2.3.3 其他離子液體 78
2.3.4離子液體電解質的發展前景 80
2.4 聚合物電解質 81
2.4.1固體聚合物電解質 81
2.4.2 凝膠聚合物電解質 85
2.5 准離子液體電解質 86
2.5.1 碳酸酯-鋰鹽體系 86
2.5.2 醚-鋰鹽體系 87
2.5.3 聚合物-鋰鹽體系 88
2.5.4 其他溶劑-鋰鹽體系 90
2.6 固態化複合電解質 90
2.6.1 聚合物複合電解質 90
2.6.2 離子凝膠複合電解質 91
2.7 電解質的表徵 95
2.7.1 形貌與結構分析 95
2.7.2 熱穩定性分析 97
2.7.3 化學組成分析 98
2.7.4 電化學性能分析 99
參考文獻 99
第3章 鋰離子電池電解質 107
3.1 鋰離子電池概述 109
3.1.1 鋰離子電池的工作原理及發展 109
3.1.2 鋰離子電池電解質概述 114
3.2 有機液體電解質 118
3.2.1 有機溶劑 118
3.2.2 鋰鹽 119
3.2.3 添加劑 120
3.2.4 與電極材料的相容性 121
3.2.5 在鋰離子電池中的應用現狀與發展 123
3.3 固體電解質 123
3.3.1 無機固體電解質 123
3.3.2 固體聚合物電解質 133
3.3.3 複合固體電解質 133
3.4 離子液體電解質 148
3.4.1 離子液體的組成和種類 148
3.4.2 離子液體的特性 149
3.4.3 在鋰離子電池中的應用現狀及發展 150
3.5 水系電解質 159
3.5.1 水系可充電鋰電池的電極 160
3.5.2 水系液體電解質 161
3.5.3 水系可充電鋰電池面臨的挑戰及解決方案 162
3.5.4 水系可充電鋰電池電解質的分類及研究現狀 164
參考文獻 165
第4章 鋰硫電池電解質 175
4.1 鋰硫電池概述 176
4.2 液體電解質 178
4.2.1 醚基電解質 178
4.2.2 新型溶劑電解質 188
4.2.3 鋰負極成膜電解質 191
4.3 固體電解質 193
4.3.1 固體聚合物電解質 193
4.3.2 無機固體電解質 195
4.4 複合電解質 198
4.4.1 凝膠聚合物電解質 199
4.4.2 無機有機複合電解質 201
4.5 總結和展望 203
參考文獻 204
第5章 鈉離子電池電解質 211
5.1 鈉離子電池概述 212
5.2 鈉離子電池電解質概述及其特性 215
5.2.1 化學-電化學穩定性 215
5.2.2 熱穩定性 218
5.2.3 離子傳輸性能 220
5.2.4 其他性能 222
5.3 鈉離子電池電解質先進研究方法 222
5.3.1 電極和集流體間界面表徵研究方法 223
5.3.2 鈉離子電池電解質表徵方法 223
5.3.3 SEI膜表徵方法 226
5.4 鈉鹽 227
5.5 鈉離子電池電解質及其性能 230
5.5.1 基於酯和醚的有機液體電解質 230
5.5.2 離子液體電解質 236
5.5.3 水系電解質 241
5.5.4 固體電解質 244
5.5.5 混合電解質 256
5.6 相界面的研究進展 259
5.6.1 界面和鈍化層的基本屬性 261
5.6.2 不同電解質材料的SEI膜 263
5.6.3 人工SEI膜 267
5.7 鈉離子電池電解質的商業進展 270
5.8 總結和展望 273
參考文獻 274
第6章 鋰-空氣電池電解質 281
6.1鋰-空氣電池電解質的發展歷史及其機理 282
6.2 非水液體電解質 288
6.2.1 溶劑 289
6.2.2 鋰鹽 292
6.2.3 添加劑 294
6.3 離子液體電解質 304
6.3.1 室溫離子液體電解質 305
6.3.2基於離子液體的混合液體電解質 307
6.3.3 溶劑化離子液體電解質 307
6.4 固體電解質 309
6.4.1 固體聚合物電解質 310
6.4.2 無機固體電解質 313
6.4.3 複合固體電解質 320
6.4.4 固-液複合電解質 322
6.5 水系電解質 327
6.5.1 Li+傳導膜 327
6.5.2 酸性和鹼性電解質 328
6.6 總結和展望 330
參考文獻 331
第7章 多價陽離子電池電解質 341
7.1 鋁離子電池電解質 342
7.1.1 電解質概述 342
7.1.2 電解質分類 343
7.1.3 總結和展望 358
7.2 鎂離子電池電解質 359
7.2.1 有機電解質 359
7.2.2 含硼電解質 364
7.2.3 凝膠聚合物電解質 367
7.2.4 離子液體電解質 370
7.2.5 總結和展望 372
參考文獻 372
第8章 電解質材料理論計算 377
8.1 理論計算方法 378
8.1.1 分子模擬 378
8.1.2 半經驗方法 378
8.1.3 第一性原理計算 379
8.1.4 從頭計算法 379
8.1.5 密度泛函理論 380
8.1.6 分子動力學模擬 381
8.2 典型案例 381
8.2.1 QC計算和MD模擬探索新電解質體系 381
8.2.2 DFT計算研究人工SEI膜 383
8.2.3 AIMD研究界面相互作用 385
8.2.4 經典的MD模擬研究溶劑化結構 388
8.3 電解質材料理論計算的應用 391
8.3.1 理論計算在鋰離子電池電解質中的應用 391
8.3.2 理論計算在鈉離子電池電解質中的應用 400
參考文獻 405
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