鋰離子電池材料與技術（簡體書）

《鋰離子電池材料與技術》以黨的二十大報告中“深入推進能源革命”為指引，系統介紹了鋰離子電池的基礎知識、四大主材、電池制備、電池測試及新一代電池的展望等。全書共9章，即鋰離子電池概述、正極材料、負極材料、電解液、隔膜、扣式鋰離子電池制備、圓柱形鋰離子電池制備、鋰離子電池材料性能測試與表征和新一代電池的展望。
本書既有豐富具體、全面系統的理論知識，又有鋰離子電池產業的實踐和經驗，同時配套了二維碼數字資源，適合作為高等職業教育儲能材料工程技術（職業本科）、儲能材料技術（高職專科）相關專業的教材，也可供從事鋰離子電池相關工作的企業技術人員、管理人員參考。

羅大為，深圳職業技術學院材料與環境工程學院副院長、教授，博士。工信部電池製造高 級工程師，遼寧科技大學碩士生導師，廣西現代職業技術學院客座教授，超材料電磁調制技術國家重點實驗室客座研究員，廣東省先進電池科研創新團隊負責人，深圳市分析測試協會化工測試專委會副主任委員，深圳市高端能源製造集群專家委員會委員，深圳市新材料產業專利導航項目專家顧問，受邀擔任《當代化工研究》期刊編委，以及J Alloy Compd.、Powder Technol.等多個期刊審稿人。
主要從事鋰離子電池關鍵材料的研究，主持廣東省自然科技基金、深圳市科技計劃項目等縱向項目10 項，主持企業橫向項目6 項。在Journal of MaterialsChemistry A、Solid State Ionics 等發表論文61 篇，其中SCI 收錄32 篇。申請國家發明專利13 項，目前已授權7 項，成功轉讓1 項。參與起草鋰離子電池相關的國家行業職業標準和地方標準2 項，撰寫專著1 部。曾策劃並組織實施了2022 年深圳市光明區第 二屆職業技能競賽（新材料項目）。曾榮獲第 二十五屆全國發明展覽會銀獎1 項，相關研究曾被“學習強國”和“深圳衛視”等多家媒體報道。

鋰離子電池因高電壓、高比能量、長循環壽命等特點，廣泛應用於消費、動力和儲能三大領域，而“碳達峰碳中和”戰略的實施為鋰離子電池發展提供了前所未有的機遇。在中國大力發展新能源汽車的帶動下，中國鋰離子電池產業規模開始迅猛增長，2015年已經超過韓國、日本躍居至全球首位。國際能源署（IEA）公布的報告（2022年）顯示，中國約占全球鋰化學品供應量的60%，生產了全球3/4的鋰離子電池。由日韓壟斷的鋰電池市場，也逐漸出現了越來越多的中國企業。
黨的二十大報告指出，要推動能源清潔低碳高效利用，深入推進能源革命。隨著鋰離子電池產業的大力發展，中國鋰電企業急缺大量從業人員，同時對於從業人員的技術技能也提出了更高的要求。但是，無論是針對高校鋰離子電池相關技術技能型人才的培養，還是針對鋰電企業技術人員的培訓，都迫切需要一本鋰離子電池材料與技術的入門教材。
本教材涵蓋了鋰離子電池的基礎知識、四大主材、電池制備、電池測試及新一代電池的展望五個部分，具體內容包括鋰離子電池概述、正極材料、負極材料、電解液、隔膜、扣式鋰離子電池制備、圓柱形鋰離子電池制備、鋰離子電池材料性能測試與表征和新一代電池的展望，共9章。本教材堅持三個原則：一是內容實用。教材編寫過程中，得到多家深圳鋰電企業的支持，深度融入企業生產實際，尤其是在“四大主材”部分，都引入了企業生產的具體案例，便於學生學習和掌握真實的生產過程。二是難度適當。教材主要介紹鋰離子電池的基本原理、基本概念、基礎工藝和一般操作方法等，同時，還以“拓展閱讀”的形式增加大量實例。三是方便教學。在每一章前面設置有知識目標和能力目標，並在每一章後面附上課後作業及參考答案，同時，還配有二維碼數字化教學資源，便於學生學習、鞏固知識和技能。
本教材的編寫人員既有高校教師，也有鋰電企業的研發人員和行業協會的管理者，他們均有多年從事鋰離子電池材料與技術的教學、科研或行業經驗。具體各章內容及編寫人員如下：第1章由張健（深圳職業技術大學）、陳世章（深圳市博盛新材料有限公司）編寫；第2章由羅大為（深圳職業技術大學）、童謠（深圳職業技術大學）編寫；第3章由羅大為、李光華（貝特瑞新材料集團股份有限公司）編寫；第4章由羅大為、曹宗澤（深圳新宙邦科技股份有限公司）編寫；第5章由羅大為、劉孟權（深圳市星源材質科技股份有限公司）編寫；第6章由程化（深圳職業技術大學）、羅大為、雷玉辦（廣西現代職業技術學院）編寫；第7章由李鯤（欣旺達電子股份有限公司）、杜保東（深圳市尚水智能股份有限公司）編寫；第8章由楊朝（北京科技大學）、譚祖憲（深圳市鵬誠新能源科技有限公司）編寫；第9章由張健、丁柏棟（深圳市杰成鎳鈷新能源科技有限公司）、符冬菊（深圳技術大學）編寫。全書由深圳職業技術大學羅大為教授籌劃和統稿，中國電池工業協會理事長劉寶生主審。本教材在編寫過程中，得到了眾多高校教師、鋰電企業高級工程師的校正和幫助，他們分別是中山大學劉威、宜賓職業技術學院陳澤華、深圳普瑞賽思檢測技術有限公司範亞飛、深圳市善營自動化科技有限公司關敬黨，在此深表感謝。深圳職業技術大學陳惠博士對教材的文圖進行了細致的審核，在此一並表示感謝。此外，羅大為、李子坤（貝特瑞新材料集團股份有限公司）、張健、方超（深圳市電池行業協會）、李晨威[格林美（深圳）超級綠色技術研究院]參與了二維碼數字資源微視頻的製作，特此感謝。
本教材既有系統的理論知識，又有企業的實踐和經驗，是從事鋰離子電池相關的技術人員、管理人員、教學人員的工具書。期待本教材的出版對我國鋰離子電池的發展能起到一定的促進作用。鑒於鋰離子電池材料和技術涉及面廣，且目前正處於蓬勃發展階段，在書稿的組織和編寫過程中難免有不足之處，敬請廣大讀者批評指正。

編者
2023年10月25日於深圳職業技術大學

第1章鋰離子電池概述001
1.1鋰離子電池的由來和發展001
1.2鋰離子電池的應用004
1.2.1電子消費品005
1.2.2電動交通工具005
1.2.3儲能和工業領域008
1.3鋰離子電池的概念與分類009
1.3.1概念009
1.3.2分類009
1.4鋰離子電池的工作原理011
1.5鋰離子電池的優缺點013
1.5.1優點013
1.5.2缺點014
1.6相關術語014
1.6.1理論克容量014
1.6.2電池設計容量015
1.6.3N/P比015
1.6.4塗層的壓實密度及孔隙率015
1.6.5首效016
1.6.6能量密度016
1.6.7功率密度016
1.6.8電池充放電倍率016
1.6.9荷電狀態017
1.6.10內阻017
1.6.11電池自放電017
1.6.12電池的壽命017
1.6.13電池組的一致性018
1.6.14化成018
1.7鋰離子電池面臨的機遇和挑戰018
1.7.1政策機遇019
1.7.2產業現狀020
1.7.3面臨的挑戰023
課後作業024

第2章正極材料027
2.1正極材料的特點及分類027
2.1.1正極材料的特點027
2.1.2正極材料的分類028
2.2層狀結構正極材料028
2.2.1鈷酸鋰028
2.2.2鎳鈷錳酸鋰031
2.3磷酸鹽橄欖石結構正極材料033
2.3.1磷酸鐵鋰033
2.3.2磷酸錳鐵鋰038
2.4尖晶石結構正極材料039
2.4.1錳酸鋰039
2.4.2鎳錳酸鋰042
2.5正極材料典型制備工藝與表征043
2.5.1制備工藝043
2.5.2理化性質048
2.5.3微觀形貌與結構049
2.5.4電化學性能049
課後作業050

第3章負極材料054
3.1負極材料的特點及分類054
3.1.1負極材料的特點054
3.1.2負極材料的分類055
3.2石墨類碳材料056
3.2.1天然石墨056
3.2.2人造石墨058
3.2.3復合石墨059
3.3非石墨類碳材料060
3.3.1硬碳060
3.3.2軟碳061
3.4鈦酸鋰材料0623.5硅基材料063
3.5.1硅063
3.5.2硅氧化物064
3.5.3硅/碳復合材料065
3.6過渡金屬氧化物材料066
3.7負極材料典型制備工藝與表征067
3.7.1制備工藝067
3.7.2理化性質071
3.7.3微觀形貌與結構071
3.7.4電化學性能072
課後作業073

第4章電解液077
4.1電解液的特點及分類077
4.1.1電解液的特點077
4.1.2電解液的分類078
4.2電解液的組分079
4.2.1溶劑079
4.2.2鋰鹽081
4.2.3添加劑084
4.3電解液對鋰離子電池性能的影響089
4.3.1工作溫度範圍089
4.3.2容量與首次庫侖效率090
4.3.3內阻與倍率090
4.3.4循環與存儲壽命090
4.3.5安全性090
4.4電解液雜質含量對電池性能的影響091
4.4.1無機物091
4.4.2含有活潑氫原子的有機物092
4.4.3金屬雜質092
4.5電解液的典型制備工藝與表征092
4.5.1制備工藝093
4.5.2理化性質094
4.5.3性能檢測094
4.5.4電解液的包裝101
課後作業102

第5章隔膜105
5.1隔膜的特徵105
5.2隔膜的關鍵性能與測試方法106
5.2.1隔膜的關鍵性能106
5.2.2隔膜關鍵性能的測試方法107
5.3隔膜的分類及組分111
5.3.1隔膜分類111
5.3.2聚烯烴基膜111
5.3.3特種隔膜113
5.3.4功能塗層隔膜114
5.4隔膜常見制備工藝117
5.4.1隔膜幹法工藝117
5.4.2隔膜濕法工藝118
5.5隔膜的典型制備工藝與表征119
5.5.1制備工藝119
5.5.2外觀檢測126
5.5.3常規物理性能126
5.5.4微觀形貌126
5.5.5電化學等其他性能127
課後作業127

第6章扣式鋰離子電池制備130
6.1極片的制備130
6.1.1材料準備130
6.1.2混料132
6.1.3塗布133
6.1.4乾燥133
6.1.5輥壓133
6.1.6切片134
6.2手套箱的結構與操作136
6.2.1手套箱的結構136
6.2.2手套箱的操作137
6.3扣式電池的製作139
6.3.1材料準備139
6.3.2扣式電池的製作工藝140
課後作業141

第7章圓柱形鋰離子電池制備144
7.1圓柱電池結構145
7.2圓柱電池制備工藝145
7.2.1攪拌制漿146
7.2.2塗布151
7.2.3輥壓154
7.2.4分條158
7.2.5制片158
7.2.6卷繞159
7.2.7入殼與點底焊160
7.2.8滾槽162
7.2.9烘烤162
7.2.10注液163
7.2.11正極耳焊接與封口164
7.2.12化成165
7.2.13靜置與分容166
課後作業167

第8章鋰離子電池材料性能測試與表征172
8.1材料結構與形貌表征172
8.1.1材料結構172
8.1.2微觀形貌173
8.2物性分析174
8.2.1粒度分布174
8.2.2比表面積175
8.2.3振實密度176
8.2.4元素組成177
8.2.5水分含量178
8.2.6碳含量179
8.2.7灰分179
8.3電化學性能分析180
8.3.1容量與首效180
8.3.2循環伏安法181
8.3.3交流阻抗法183
8.3.4倍率性能184
8.3.5循環性能185
課後作業186

第9章新一代電池的展望188
9.1鋰硫電池188
9.1.1鋰硫電池的工作原理188
9.1.2鋰硫電池的優缺點190
9.1.3鋰硫電池材料的研究進展190
9.1.4鋰硫電池的展望195
9.2鈉離子電池195
9.2.1鈉離子電池的工作原理195
9.2.2鈉離子電池的優缺點196
9.2.3鈉離子電池材料的研究進展197
9.2.4鈉離子電池的展望203
9.3固態鋰電池203
9.3.1固態鋰電池的工作原理203
9.3.2固態鋰電池的優缺點204
9.3.3固態鋰電池材料的研究進展205
9.3.4固態鋰電池的展望208
課後作業209

參考答案211

參考文獻219