低维材料与锂硫电池

本书为“低维材料与器件丛书”之一。本书基于作者对于锂硫电池体系的理解，总结低维材料在锂硫电池中的应用的同时，结合团队研究成果，对低维材料在锂硫电池工作过程中发挥的作用进行科学性的阐述和解释，主要介绍低维材料及其在锂硫电池器件中应用的前沿进展，拟涵盖的材料体系包括多类常见的低维正极、隔膜、负极材料等。本书将系统地展示低维材料在能源存储领域中的应用前景，并将深入讨论这一领域未来研究中面临的问题和挑战。本书适合低维材料与能源相关专业研究人员阅读，也可作为高年级本科生和研究生的专业参考书目。

张强，清华大学长聘教授、博士生导师、国家杰出青年科学基金获得者。2000年进入清华大学，先后获得清华大学学士学位和博士学位；2009年相继在美国凯斯西储大学、德国马普协会Fritz-Haber研究所工作；2011年起，在清华大学从事教学和科研工作至今。2017～2019年，连续三年被评为科睿唯安“全球高被引科学家”。担任国际刊物J.Energy Chem，Energy Storage Mater副主编，Matter，AdvFunct Mater，J Mater Chem A，ChemSusChem，Sci China Mater及《化工学报》等期刊编委。 长期从事能源化学与能源材料的研究。近年来，致力于将国家重大需求与基础研究相结合，面向能源存储和利用的重大需求，重点研究锂硫电池的原理和关键能源材料。提出了锂硫电池中的锂键化学、离子溶剂配合物概念。并根据高能电池需求。研制出复合金属锂负极、碳硫复合正极等多种高性能能源材料，构筑了锂硫软包电池器件，并在储能相关领域得到应用，取得了显著的成效。其指导和培养的学生中，目前已有8人获得清华大学特等奖学金。2人获得“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛特等奖等奖励。迄今在Adv Mater，J Am Chem Soc，Angew Chem等国际刊物上发表SCI学术论文200余篇，被他人引用30000余次，H因子95。已获授权发明专利40余项；曾获得教育部自然科学奖一等奖、教育部青年科学奖、“北京青年五四奖章”、英国皇家学会“牛顿高级学者基金(Newton Advanced Fellowship)”、清华大学“刘冰奖”等荣誉和奖项。

总序
前言
第1章 绪论
1.1 能源社会与锂硫电池
1.2 锂硫电池概念的提出和发展
1.3 低维材料：提升锂硫电池性能的关键
1.4 低维材料与锂硫电池的研究思路
参考文献
第2章 锂硫电池化学原理
2.1 锂硫电池的化学反应
2.2 锂硫电池体系的能量密度
2.2.1 理论能量密度
2.2.2 实际能量密度
参考文献
第3章 锂硫电池输运及反应调控规律
3.1 中间产物多硫化物的产生
3.2 中间产物多硫化物的性质及指认
3.3 自由基中间产物的指认
3.4 反应动力学描述
3.5 锂硫电池系统的模型化
参考文献
第4章 低维复合正极材料
4.1 低维复合正极材料复合方法
4.1.1 物理方法
4.1.2 化学合成方法
4.2 典型低维复合正极材料体系
4.2.1 碳材料复合体系
4.2.2 聚合物复合体系
4.2.3 金属化合物复合体系
4.3 正极材料评测方法
4.3.1 硫元素的分布
4.3.2 主体材料对锂硫电池电化学反应的影响
4.3.3 主体材料对多硫化物传输的影响
参考文献
第5章 低维复合电解质
5.1 液态电解质体系
5.1.1 醚类体系
5.1.2 酯类体系
5.1.3 离子液体体系
5.1.4 高盐电解液
5.1.5 复配体系
5.2 聚合物电解质体系
5.3 无机固态体系
5.3.1 硫化物固态电解质
5.3.2 氧化物固态电解质
5.4 复合体系
5.4.1 全固态复合电解质
5.4.2 准固态复合电解质
参考文献
第6章 低维复合负极材料
6.1 金属锂负极性质
6.2 金属锂负极模型描述
6.2.1 金属锂枝晶模型
6.2.2 金属锂负极失效模型
6.3 金属锂负极表面固态电解质界面层
6.3.1 SEI的形成机制
6.3.2 SEI的结构与组成
6.4 金属锂负极性能
6.4.1 纯金属锂
6.4.2 纳米结构金属锂
6.4.3 纳米复合金属锂
6.4.4 添加剂保护下的金属锂
6.4.5 人工固态电解质界面层保护金属锂
参考文献
第7章 锂硫电池非活性材料
7.1 隔膜
7.1.1 隔膜的作用
7.1.2 聚烯烃隔膜
7.1.3 能量型电池的功能隔膜
7.1.4 功率型电池的功能隔膜
7.2 集流体
7.2.1 集流体的作用
7.2.2 金属箔集流体
7.2.3 金属泡沫集流体
7.2.4 纳米碳集流体
7.2.5 复合集流体
7.2.6 小结
7.3 黏结剂
7.3.1 有机系黏结剂
7.3.2 水系黏结剂
参考文献
第8章 锂硫电池研究方法
8.1 锂硫电池材料表征方法
8.1.1 形貌表征
8.1.2 元素成分及价态研究方法
8.1.3 材料结构研究方法
8.2 锂硫电池电化学研究方法
8.2.1 研究电极与电解质材料的通用方法
8.2.2 半电池研究方法
8.3 理论研究方法
8.3.1 第一性原理计算
8.3.2 分子动力学模拟
8.3.3 相场理论
参考文献
第9章 锂硫电池实用化
9.1 软包型锂硫电池
9.2 高比能锂硫电池设计原则
9.3 高活性材料的实现途径
9.3.1 硫正极组成设计和规模浆料制备
9.3.2 涂布工艺
9.4 降低电解液用量的途径
9.4.1 电解液比例特征
9.4.2 稳定电极界面
9.4.3 新型电解液体系
9.4.4 工艺方面的考虑
9.5 锂硫电池器件进展
参考文献
第10章 特殊构型锂硫电池与柔性锂硫电池
10.1 特殊电极体系
10.1.1 特殊正极体系
10.1.2 非金属锂负极体系
10.2 柔性锂硫电池的材料体系
10.2.1 碳基柔性体系
10.2.2 聚合物基柔性体系
10.2.3 半固态柔性体系
10.3 柔性锂硫电池的封装和测试
10.4 小结
参考文献
第11章 锂硫电池应用探索
11.1 宇航卫星
11.2 无人机
11.3 特别低温电源
11.4 电动汽车
11.5 智能设备
11.6 规模储能
参考文献
关键词索引