鈉離子電池：原理與技術（簡體書）

《鈉離子電池： 原理與技術》是“先進電化學能源存儲與轉化技術叢書” 分冊之一，主要介紹鈉離子電池發展起源、電池及電極反應相關的基礎理論知識、儲鈉正負極材料體系、電解液體系和材料理論計算方法。全書共分9 章，內容包括鈉離子電池概述及電化學、正極材料、負極材料、電解質溶液、水溶液鈉離子電池、材料的理論計算分析和鈉離子電池體系展望。本書可供相關學科研究與技術研發的科研工作者與工程技術人員參考，也可作為高等院校化學、物理、材料、化工、能源等學科研究生或高年級本科生的教學參考書。

本書的創新之處在於從鈉離子電池涉及的電化學原理出發，對體系的各部分進行系統闡述，同時本書系統介紹了水系體系和鈉離子電池的發展展望，進一步拓寬相關人員知識領域，可引導產業化發展方向。

電化學儲能材料與技術是新能源戰略發展的基礎，因此進一步發展電化學儲能技術是我國擺脫對化石能源的依賴和建設生態強國，實現“雙碳”目標的重要前提條件。鑒於無資源限制的特點，鈉離子電池更適合應用於大規模儲能領域。鈉離子電池體系正處於發展初期，對儲鈉原理、電極材料及電解質體系的研究方興未艾。因此，系統了解鈉離子電池材料和體系的基礎知識及應用，對深入研究高性能儲鈉材料和提升鈉離子電池性能大有裨益，這些基礎知識和材料體系也會為其他離子嵌入脫出體系的研究提供借鑒作用。然而高性能鈉離子電池的應用發展，仍需要將離子儲存的理論知識與材料相結合，從基礎上解決實際應用問題。
鈉離子電池是一類新興的電化學儲能體系，是“後鋰離子電池”時代的重要儲能技術之一，主要涉及儲鈉原理、新型電極材料結構和電解質溶液體系的設計及制備。本書主要介紹鈉離子電池發展起源、電池及電極反應相關的基礎理論知識、儲鈉正負極材料體系、電解液體系、材料理論計算分析和鈉離子電池體系預估。全書共分9章：第1章介紹鈉離子電池的發展背景；第2章主要概述鈉離子電池的工作原理、關鍵材料、制備技術和表征方法等；第3章介紹鈉離子電池相關基礎電化學理論，包括鈉離子電池電極過程動力學、電動勢、反應原理、電極及界面特徵和電化學測量方法等；第4章重點介紹鈉離子電池正極材料的發展和幾類典型正極材料體系；第5章介紹鈉離子電池負極材料體系；第6章介紹鈉離子電池的電解質溶液體系，包括液態電解液、凝膠電解液、聚合物及固態電解質等；第7章介紹水系鈉離子電池體系，包括幾類水系可嵌入脫出鈉離子的正負極材料體系；第8章介紹鈉離子電池電極材料的理論計算方法；第9章討論了可能應用的鈉離子電池電極材料體系，預測了不同全電池的能量密度，並對鈉離子電池未來的發展機遇及挑戰進行了展望。全書的分工如下：第1~ 3章由陳重學、曹余良負責撰寫，蒲想俊、汪慧明參與編著；第4章由曹余良、余彥負責撰寫，方永進、王艷霞參與編著；第5章由李喜飛、周敏負責撰寫，宋學霞、陳曉洋參與編著；第6章和第7章由曹余良負責撰寫，劉興偉、潘康華、袁天賜、陳慧參與編著；第8章由周震負責撰寫，張旭參與編著；第9章由方永進負責撰寫。曹余良負責全書的規劃、協調及大部分章節的修改完善，方永進、沈小惠、賴陽陽、羅來兵、田季宇等參與書稿修改、資料整理及體例格式規範。
此書能夠順利出版並成為“先進電化學能源存儲與轉化技術叢書”的一個分冊，得益於中國工程院、加拿大皇家科學院/工程院/工程研究院及上海大學/福州大學張久俊院士的精心組織，以及化學工業出版社相關編輯的把關和不辭勞苦的工作，在此表示深深的謝意！借此機會筆者也衷心感謝我的研究生導師楊漢西教授及武漢大學電化學教研室各位老師一直以來的教育、指導、培養和幫助，感謝許多電化學前輩和同行一貫的教誨、指點和協助。同時，感謝課題組已畢業及在讀研究生的辛勤工作和協助。他們的一些研究工作也已成為本書的一部分，因此本書的出版也承載著他們的辛勞。感謝國家自然科學基金委和科技部重點研發專項的基金支持，在此支持下，我們得以在鈉離子電池這一新興領域不斷探究。
雖然鈉離子電池的基本原理與鋰離子電池相似，但鈉離子電池研究的發展才十年，一些材料體系和獨特的反應原理仍需要探索，一些機制仍然存在爭議，這為研究帶來了挑戰，也提供了更廣闊的探索空間。目前鈉離子電池產業化研究如火如荼，這將使其更加受到人們的關注與重視，也會進一步深入推進基礎理論的研究。本書正是在這個背景下產生的，期望為讀者提供較為全面的鈉離子電池研究知識體系。然而，鈉離子電池材料和體系所涉及的領域較為寬廣，限於撰寫人員的水平學識，書中不足和疏漏之處在所難免，懇請各位專家、學者及讀者批評指正，並敬上誠摯謝意。

曹余良

第1章 緒論1
1.1　能量轉換與存儲概述2
1.2　鈉元素的物理和化學性質4
1.2.1　物理性質4
1.2.2　化學性質5
1.3　鈉資源概述7
1.4　鈉電池9
參考文獻11

第2章 鈉離子電池概述12
2.1　鈉離子電池的優勢13
2.2　鈉離子電池的發展簡史13
2.2.1　正極材料14
2.2.2　負極材料16
2.2.3　應用體系探索17
2.3　鈉離子電池的工作原理及特點18
2.3.1　工作原理18
2.3.2　主要特點19
2.4　鈉離子電池的基本組成及關鍵材料20
2.4.1　電極材料21
2.4.2　相關組件22
2.5　材料相關表征技術及應用24
2.6　材料的制備方法27
2.7　鈉離子電池發展的必要性29
參考文獻30

第3章 鈉離子電池電化學35
3.1　鈉離子電池電極過程動力學36
3.1.1　鈉離子電池電極過程36
3.1.2　電極過程的數學描述37
3.1.3　電極過程動力學40
3.2　鈉離子電池電動勢42
3.2.1　鈉離子的嵌入脫出熱力學42
3.2.2　鈉離子嵌入化合物的點陣氣體模型45
3.2.3　鈉離子電池的電動勢與電極材料的電極電勢47
3.3　鈉離子電池開路電壓49
3.3.1　開路電壓的本質49
3.3.2　費米能級角度的詮釋50
3.3.3　吉布斯自由能角度的詮釋52
3.4　電化學反應原理54
3.4.1　嵌入反應55
3.4.2　合金化反應56
3.4.3　轉化反應58
3.4.4　其他反應類型61
3.5　鈉離子電池電極及界面特性63
3.5.1　多孔電極結構特徵63
3.5.2　多孔電極極化理論67
3.5.3　電池中的界面問題71
3.6　基本電化學測試方法75
3.6.1　循環伏安法75
3.6.2　電化學阻抗譜78
3.6.3　恒電流間歇滴定技術80
3.6.4　電位階躍技術82
3.6.5　恒電位間歇滴定技術83
3.6.6　不同測試技術的比較84
參考文獻84

第4章 鈉離子電池正極材料87
4.1　正極材料的選擇要求88
4.2　正極材料的發展與概述89
4.3　正極材料的種類89
4.3.1　層狀過渡金屬氧化物材料90
4.3.2　聚陰離子型正極材料110
4.3.3　普魯士藍類正極材料133
4.3.4　其他無機正極材料139
4.3.5　有機正極材料143
參考文獻156

第5章 鈉離子電池負極材料176
5.1　負極材料的概述177
5.2　嵌入反應負極材料179
5.2.1　碳基負極材料179
5.2.2　非碳嵌入負極材料198
5.3　轉化反應負極材料207
5.3.1　金屬氧化物208
5.3.2　金屬硫化物211
5.3.3　金屬硒化物217
5.3.4　金屬磷化物220
5.4　合金化反應負極材料222
5.4.1　錫負極材料225
5.4.2　銻負極材料227
5.4.3　磷負極材料230
5.4.4　鉛負極材料232
5.4.5　硅負極材料232
5.4.6　鉍負極材料233
5.4.7　鍺負極材料234
5.5　有機負極材料及全有機電池235
5.5.1　有機負極235
5.5.2　全有機鈉離子電池246
參考文獻248

第6章 鈉離子電池電解質溶液274
6.1　電解液的要求及其影響因素275
6.1.1　溶劑275
6.1.2　電解質鹽278
6.2　液態電解液281
6.2.1　碳酸酯電解液281
6.2.2　醚類電解液284
6.2.3　阻燃或不燃電解液287
6.3　電解液添加劑293
6.3.1　添加劑的特點及作用293
6.3.2　成膜添加劑294
6.4　SEI 膜結構及生長機理297
6.4.1　SEI 膜的結構及機制297
6.4.2　不同電極表面的SEI 膜301
6.4.3　SEI 膜的改性305
6.5　凝膠電解液307
6.6　固態電解質309
6.6.1　聚合物固態電解質309
6.6.2　無機固態電解質312
6.7　小結323
參考文獻324

第7章 水溶液鈉離子電池342
7.1　概述343
7.2　水系鈉離子電池的基本原理343
7.3　正極材料的種類345
7.3.1　過渡金屬氧化物346
7.3.2　聚陰離子型化合物352
7.3.3　普魯士藍類化合物357
7.3.4　水系有機正極材料360
7.4　負極材料的種類360
7.4.1　活性炭361
7.4.2　磷酸鹽負極362
7.4.3　釩基負極材料363
7.4.4　其他無機負極材料366
7.4.5　有機負極材料367
7.5　水系電解液368
7.5.1　低濃度電解液368
7.5.2　高濃度電解液368
7.5.3　“water-in-salt”型電解液369
7.6　全電池體系370
7.7　挑戰與展望373
參考文獻374

第8章 鈉離子電池材料的理論計算研究378
8.1　概述379
8.2　計算方法及實例簡介379
8.2.1　結構和能量380
8.2.2　遷移389
8.2.3　穩定性394
8.3　材料基因組技術與鈉離子電池399
8.3.1　材料基因工程399
8.3.2　電池材料的高通量篩選400
8.3.3　機器學習在電池材料探索中的應用401
8.4　總結與展望403
參考文獻404

第9章 鈉離子電池的發展、機遇及挑戰408
9.1　鈉離子電池發展的必要性409
9.2　可選電極材料體系410
9.3　全電池能量密度預估413
9.4　鈉離子電池的優勢416
9.5　鈉離子電池的機遇和挑戰417
參考文獻419

索引421