新型電池材料與技術（簡體書）

《新型電池材料與技術》較全面系統闡述了多種新型電池的技術、材料與發展趨勢，包括鋰離子電池（含凝膠電解質與固態電解質等）、鋰-空氣電池、鋰硫電池、鈉離子電池、鈉硫電池、燃料電池、鋅-空氣電池、鋁-空氣電池、太陽電池、雙離子電池、纖維狀電池及可降解電池等。同時，本書對電池表征技術進行專門介紹。全書內容前沿、知識豐富、淺顯易懂。
本書適合電池領域相關科技工作者，以及高等院校相關專業高年級本科生、研究生及教師閱讀參考。

書中涉及的新型電池中，有些在其他同類書籍中從未作過介紹，如雙離子電池、纖維狀電池、可降解電池等；電池表征技術新穎，如同步輻射實驗技術、中子實驗技術。

能源、環境、健康、信息是當前全球產業發展、科學研究的四大重點領域，涵蓋了人們生活的方方面面，與人類生活息息相關。尤其是新能源技術，使人們生活方式更加便捷，出行更加環保，生活環境更加美好，這一切與電池技術的發展是分不開的。由於鋰離子電池極大地改變了人們的生活，2019年瑞典皇家科學院將諾貝爾化學獎頒給了美國得州大學的John B.Goodenough教授、美國賓厄姆頓大學的M.Stanley Whittingham教授和旭化成公司的吉野彰先生，以表彰他們對鋰離子電池的發展做出的貢獻。
在我國政府將新材料、新能源、新能源汽車作為戰略性產業的背景下，我國電池產業面臨巨大的發展機遇，與此同時也面臨著嚴峻挑戰。國家科技部及各省區也有規劃科技項目，促進新能源產業與技術的發展，這些將推動電池產業的持續、健康和快速發展，為國民經濟、社會、國防現代化全面發展提供重要支撐。近年來，教育部也批準很多高校開設新能源與器件本科專業，這將為未來電池產業的發展培養高層次專業人才。在這個背景下，我們決定編寫一本新型電池材料與技術方面的書，供產業、學術、教育界相關人士使用。
電池就像魔方一樣，多種多樣。本書較全面系統地闡述了多種新型電池的技術、材料與發展趨勢，包括鋰離子電池（包含凝膠電解質與固態電解質等）、鋰-空氣電池、鋰硫電池、鈉離子電池、鈉硫電池、燃料電池、鋅-空氣電池、鋁-空氣電池、太陽電池、雙離子電池、纖維狀電池及可降解電池等。同時，本書對電池表征技術進行專門介紹。本書適用於電池領域相關科技工作者，以及高等院校相關專業高年級本科生、研究生及教師。
本書由電子科技大學馬建民教授擔任主編。具體章節編寫人員分工如下：第1章由浙江工業大學夏陽教授和中國科學院過程工程研究所陳仕謀教授編寫；第2章由清華大學賀艷兵教授編寫；第3章由青島大學郭向欣教授、陳昕、畢志杰和中國科學院物理研究所胡勇勝教授等編寫；第4章由中國科學院長春應用化學研究所彭章泉教授、郭麗敏教授和南京工業大學陳宇輝教授編寫；第5章由鄭州大學付永柱教授和郭瑋教授編寫；第6章由中南大學葛鵬、侯紅帥教授和紀效波教授編寫；第7章由華南理工大學徐建鐵教授、範慶華教授、肖峰博士以及劉勝紅、張加奎、蒙瑩、胡彤等編寫；第8章由天津大學韓曉鵬教授編寫；第9章由上海交通大學付超鵬教授和電子科技大學馬建民教授編寫；第10章由加拿大國立科學院的能源、材料、通訊研究所孫書會教授和張改霞教授以及哈爾濱工業大學杜磊教授編寫；第11章由中南大學陽軍亮教授及王春花、黃可卿等編寫；第12章由中國科學院深圳先進技術研究院唐永炳教授編寫；第13章由香港城市大學支春義教授編寫；第14章由澳大利亞伍倫貢大學王彩云教授及余長春、賈曉騰、趙晨等編寫；第15章由中國科學院物理研究所禹習謙教授編寫。
由於本書涉及內容廣泛，加之時間和水平有限，若有疏漏和不妥之處，誠請廣大讀者朋友批評指正！

編者

1鋰離子電池001
1.1鋰離子電池反應機理001
1.2鋰離子電池組成002
1.2.1鋰離子電池正極材料003
1.2.2鋰離子電池電解液004
1.2.3鋰離子電池負極材料005
1.2.4鋰離子電池隔膜材料006
1.2.5鋰離子電池黏結劑材料007
1.2.6鋰離子電池導電劑材料007
1.3鋰離子電池正極研究進展008
1.3.1層狀型化合物008
1.3.2尖晶石型化合物009
1.3.3聚陰離子型化合物010
1.3.4正極材料所存在的問題以及改性研究011
1.4鋰離子電池電解液研究進展016
1.4.1有機系電解液016
1.4.2離子液體電解液017
1.4.3水系電解液018
1.4.4凝膠型聚合物電解質019
1.4.5固態電解質021
1.4.6電解液的應用需求和設計原則024
1.5鋰離子電池負極研究進展024
1.5.1嵌入型材料024
1.5.2合金型材料025
1.5.3轉換型材料027
1.6鋰離子電池隔膜研究進展028
1.6.1聚合物隔膜028
1.6.2無機陶瓷隔膜029
1.6.3聚合物復合隔膜032
1.7鋰離子電池黏結劑研究進展033
1.7.1油性黏結劑033
1.7.2水性黏結劑034
1.8鋰離子電池導電劑研究進展035
1.9總結與展望036
習題038
參考文獻038

2凝膠聚合物電解質及其復合體系在鋰電池中的應用049
2.1凝膠聚合物電解質概述049
2.1.1凝膠聚合物電解質的特性與發展歷史049
2.1.2凝膠聚合物電解質的分類050
2.2聚合物電解質基本要求與表征051
2.2.1離子電導率051
2.2.2鋰離子遷移數051
2.2.3電化學窗口051
2.2.4熱穩定性052
2.2.5孔隙率052
2.2.6吸液率052
2.3凝膠聚合物電解質及其復合體系分類053
2.3.1聚氧化乙烯（PEO）基凝膠電解質053
2.3.2含有氰基的凝膠電解質（GPE）061
2.3.3聚丙烯酸酯基凝膠電解質062
2.3.4含氟凝膠電解質068
2.3.5其它類型凝膠電解質071
2.4總結與展望072
習題073
參考文獻073

3應用於固態鋰電池的無機固體電解質078
3.1固體電解質的分類078
3.2氧化物電解質079
3.2.1鈣鈦礦型電解質079
3.2.2NASICON型電解質080
3.2.3石榴石型電解質081
3.3硫化物基鋰離子導體083
3.3.1Thio-LiSICONs083
3.3.2LGPS基電解質084
3.3.3硫銀鍺型085
3.4新型硫代磷酸酯導體085
3.5鹵化物電解質086
3.5.1Li3InCl6086
3.5.2反鈣鈦礦型電解質087
3.6總結與展望088
習題088
參考文獻088

4鋰-空氣電池096
4.1鋰-空氣電池的組成096
4.1.1正極096
4.1.2負極097
4.1.3電解質098
4.2充放電反應機理100
4.2.1放電100
4.2.2充電103
4.3原位表面增強拉曼光譜（SERS）研究鋰-空氣電池反應原理104
4.3.1原位SERS簡介104
4.3.2放電反應路徑105
4.3.3充放電的反應位點106
4.4鋰-空氣電池的進展和挑戰107
4.4.1正極107
4.4.2負極108
4.4.3電解液108
4.5總結與展望109
習題110
參考文獻111

5可充放鋰硫電池114
5.1鋰硫電池基本原理115
5.2鋰硫電池研究歷史117
5.3鋰硫電池面臨的主要問題118
5.4硫-碳復合正極材料120
5.4.1基於微/介孔碳的復合材料120
5.4.2復合材料的合成方法121
5.4.3無黏結劑復合電極121
5.4.4硫-高分子雜化材料122
5.5電解質材料的選擇123
5.5.1液態電解質123
5.5.2固態電解質123
5.6不同鋰硫電池結構124
5.6.1碳中間層124
5.6.2鋰/溶解多硫化物電池124
5.7總結與展望125
習題126
參考文獻126

6鈉離子電池131
6.1鈉離子電池反應機理132
6.2鈉離子電池組成132
6.2.1鈉離子電池正極材料133
6.2.2鈉離子電池電解液133
6.2.3鈉離子電池負極材料134
6.3鈉離子電池正極研究進展135
6.3.1鈉基過渡金屬氧化物135
6.3.2聚陰離子化合物136
6.3.3普魯士藍及類普魯士藍結構137
6.3.4正極材料所存在的問題以及改性研究138
6.4鈉離子電池電解液研究進展142
6.4.1有機系電解液143
6.4.2離子液體電解液144
6.4.3水系電解液144
6.4.4固體電解質145
6.4.5凝膠型聚合物電解質148
6.4.6電解液目前的需求及相應設計149
6.5鈉離子電池負極研究進展149
6.5.1嵌入型材料149
6.5.2轉換型材料151
6.5.3合金型材料156
6.5.4鈉離子材料的設計及改性160
6.6總結與展望160
習題161
參考文獻161

7鈉硫電池168
7.1鈉硫電池基本構造與原理169
7.2高溫鈉硫電池171
7.3室溫鈉硫電池172
7.3.1存在的問題和解決方案172
7.3.2重要研究進展172
7.4總結與展望186
習題187
參考文獻187

8鋅-空氣電池193
8.1化學原理194
8.2鋅電極196
8.2.1反應機理196
8.2.2鋅電極限制性能的因素196
8.3氧電極198
8.4空氣電極199
8.5隔膜200
8.6電解質201
8.6.1水系電解質201
8.6.2固態電解質201
8.6.3離子液體電解質202
8.7鋅-空電池催化劑202
8.7.1OER催化劑202
8.7.2雙功能催化劑205
8.8鋅-空氣電池性能與限制因素212
習題213
參考文獻213

9鋁-空氣電池218
9.1鋁-空氣電池概述218
9.1.1鋁資源218
9.1.2鋁-空氣電池工作原理219
9.1.3鋁-空氣電池應用219
9.2鋁-空氣電池陽極220
9.2.1鋁陽極的研究進展220
9.2.2鋁陽極的制備222
9.3鋁-空氣電池陰極223
9.3.1氧氣還原催化劑223
9.3.2空氣電極的制備228
9.4鋁-空氣電池電解液229
9.4.1緩蝕劑229
9.4.2固態電解質230
9.5鋁-空氣電池存在的問題及展望231
習題232
參考文獻232

10質子交換膜燃料電池陰極催化劑的設計與調控235
10.1燃料電池概述235
10.1.1燃料電池歷史235
10.1.2燃料電池基本工作原理236
10.1.3燃料電池的特點和優勢236
10.1.4燃料電池主要類型237
10.2質子交換膜燃料電池的工作原理和結構238
10.3質子交換膜燃料電池貴金屬催化劑240
10.3.1貴金屬催化劑的活性240
10.3.2貴金屬催化劑的穩定性242
10.4質子交換膜燃料電池非貴金屬催化劑244
10.4.1典型的非貴金屬催化劑244
10.4.2非貴金屬催化劑穩定性研究249
10.5總結與展望251
習題252
參考文獻252

11太陽電池257
11.1硅太陽電池258
11.1.1硅太陽電池結構及工作原理259
11.1.2晶硅太陽電池259
11.1.3薄膜硅太陽電池260
11.1.4硅太陽電池的應用261
11.1.5總結與展望262
11.2銅銦鎵硒太陽電池262
11.2.1銅銦鎵硒太陽電池結構及特點262
11.2.2銅銦鎵硒薄膜的制備方法264
11.2.3銅銦鎵硒太陽電池存在的問題264
11.2.4總結與展望264
11.3碲化鎘太陽電池265
11.3.1碲化鎘太陽電池特點265
11.3.2碲化鎘薄膜制備方法266
11.3.3背接觸層及背電極266
11.3.4總結與展望266
11.4有機太陽電池267
11.4.1有機太陽電池結構及工作原理268
11.4.2有機太陽電池優勢與存在的問題269
11.4.3總結與展望270
11.5染料敏化太陽電池270
11.5.1染料敏化太陽電池基本結構及工作原理270
11.5.2染料敏化太陽電池研究重點271
11.5.3染料敏化太陽電池存在的問題272
11.5.4總結與展望273
11.6鈣鈦礦太陽電池273
11.6.1鈣鈦礦太陽電池結構及工作原理273
11.6.2鈣鈦礦太陽電池發展概況274
11.6.3存在的問題及解決辦法275
11.6.4總結與展望276
習題276
參考文獻276

12雙離子電池280
12.1雙離子電池發展280
12.1.1傳統鋰離子電池的局限和研究現狀280
12.1.2雙離子電池的工作原理及特點282
12.1.3雙離子電池的發展歷程285
12.1.4雙離子電池電解液的發展287
12.2雙離子電池的反應機理293
12.2.1正極的反應機理293
12.2.2負極的反應機理298
12.3陰離子反應動力學的改進305
12.3.1正極結構設計和改性305
12.3.2新型正極材料311
12.4陽離子反應動力學的改進313
12.4.1負極材料的插層313
12.4.2合金化負極材料316
12.4.3新型負極材料317
12.5總結與展望319
習題320
參考文獻320

13纖維狀電池332
13.1纖維狀電池的設計原理333
13.1.1電極334
13.1.2電解質336
13.1.3器件構型336
13.2纖維狀電池概述337
13.2.1纖維狀鋰基電池338
13.2.2纖維狀鈉基電池344
13.2.3纖維狀鋅基電池346
13.2.4纖維狀空氣電池347
13.2.5其它纖維狀電池351
13.3多功能與集成化系統352
13.3.1防水/防火纖維狀電池352
13.3.2自愈合與形狀記憶纖維狀電池353
13.3.3其它多功能纖維狀電池354
13.3.4集成化系統355
13.4從纖維狀電池到儲能紡織品357
13.4.1纖維狀電池縫在現有織物上358
13.4.2梭織/針織織物電池359
13.5未來可穿戴應用的技術問題360
13.5.1細長的纖維狀結構引起的高內阻361
13.5.2制備困難361
13.5.3隔膜的安置困難361
13.5.4封裝困難362
13.5.5厚度減小困難362
13.5.6機械強度低362
13.5.7難以實現紗線質感362
13.5.8缺乏評估力學性能的測試標準363
13.5.9安全問題363
13.5.10多功能化和集成化363
13.5.11纖維狀電池的電化學性能364
13.6總結與展望365
習題365
參考文獻365

14可降解電池375
14.1體內生物可降解電池376
14.1.1體內生物可降解電池的工作原理376
14.1.2生物可降解聚合物378
14.2環境可降解電池379
14.3可降解電池應用及前景382
14.3.1可降解電池的可降解性382
14.3.2可降解電池的應用382
習題384
參考文獻384

15電池表征技術387
15.1實驗室常用表征技術389
15.1.1晶體結構表征390
15.1.2化學成分分析394
15.1.3微觀組織形態表征398
15.1.4元素價態分析406
15.1.5分子價鍵表征409
15.1.6熱分析技術411
15.2同步輻射實驗技術414
15.2.1同步輻射XRD414
15.2.2對分布函數實驗技術（PDF）415
15.2.3同步輻射X射線譜學實驗技術417
15.2.4同步輻射X射線成像技術420
15.2.5同步輻射原位實驗方法與裝置422
15.3中子實驗技術424
15.3.1中子衍射（ND）425
15.3.2中子成像426
15.3.3中子深度剖面譜（NDP）427
習題429
參考文獻429