电化学储能材料与原理

本书旨在从最基本的电化学原理开始，引入电化学储能过程的基本概念和原理，着重强调原理、材料结构、以及结构和电化学性能之间的关系。希望能由浅入深讲述电化学储能过程的科学机制，从晶体结构，能带理论，到插层反应机理，以及材料插层热力学及动力学的数理模型讲述电池化学中共性的理论，同时针对不同的电化学储能过程分别描述其原理及所存在的问题，本书的重点将放在材料结构和储能原理方面。

前言
第1章化学电源基础1
1.1化学电源简介1
1.2电池化学原理2
1.2.1电极电势的概念2
1.2.2化学势与电化学势2
1.2.3电极的费米能级3
1.2.4电极电势表4
1.2.5电子能量与电池材料电子能级5
1.2.6电子转移步骤动力学6
1.3电池材料学基础7
1.3.1晶体结构7
1.3.2外科夫位置8
1.3.3PTOT注释9
1.3.4典型电池材料晶体结构12
1.3.5电池材料定性电子结构模型15
1.3.6八面体配位结构的能级结构17
1.3.7四面体配位结构的能级结构18
1.3.8姜-泰勒效应19
1.4电池结构介绍20
1.4.1电池组成与装配20
1.4.2电池性能指标21
1.5电池电压特性22
1.5.1动力学对电池电压的影响22
1.5.2热力学对电池电压的影响23
参考文献29
第2章电池表征技术30
2.1X射线衍射技术30
2.1.1X射线衍射介绍30
2.1.2利用X射线衍射鉴定材料31
2.1.3衍射强度计算32
2.1.4点阵参数的测定35
2.1.5微观应力的测定36
2.1.6纳米材料粒径的表征36
2.2扫描电子显微镜技术36
2.3透射电子显微镜技术38
2.4电子衍射技术41
2.5能谱技术43
2.6X射线光电子能谱45
2.7充放电性能测试46
2.8电化学阻抗谱48
2.8.1等效电路模拟48
2.8.2沃伯格阻抗元与扩散系数49
2.8.3常相位角元51
2.8.4特征频率52
2.8.5典型电池电化学阻抗谱图分析52
2.8.6多孔电极的EIS53
2.8.7锂离子电池负极阻抗谱分析54
2.9循环伏安法54
2.10恒电流滴定技术56
参考文献58
第3章水系充电电池材料59
3.1氧化锰类电池59
3.1.1二氧化锰类电池材料59
3.1.2锌锰电池68
3.2铅酸蓄电池68
3.2.1铅酸蓄电池介绍68
3.2.2铅酸蓄电池工作原理69
3.2.3Pb负极71
3.2.4PbO2正极72
3.2.5铅酸蓄电池非活性组件73
3.2.6铅酸蓄电池电化学性能74
3.3氢氧化镍正极75
3.3.1β-Ni(OH)2结构75
3.3.2β-Ni(OH)2充放电过程76
3.3.3α-Ni(OH)2结构77
3.3.4Ni(OH)2结构中的无序性78
3.3.5Ni(OH)2/NiOOH的制备方法78
3.3.6Ni(OH)2电池极片制备方法79
3.3.7Ni(OH)2电极性能改善80
3.4镍镉电池80
3.5镍氢电池81
3.5.1镍氢电池原理81
3.5.2镍氢电池构造82
3.5.3镍氢电池的电化学性能83
3.5.4镍氢电池发展85
3.6镍-金属氢化物电池86
3.6.1镍-金属氢化物电池介绍86
3.6.2Ni-MH电池原理87
3.6.3贮氢合金机理88
3.6.4贮氢合金负极89
3.6.5Ni-MH电池的性能93
3.6.6Ni-MH电池的应用95
3.7镍锌电池95
3.7.1镍锌电池原理96
3.7.2锌电极构成与制备97
3.7.3隔膜与电解液97
3.7.4镍锌电池存在的问题98
3.7.5镍锌电池的放电特性100
3.8镍铁电池101
3.8.1镍铁电池介绍101
3.8.2镍铁电池原理102
3.8.3镍铁电池结构103
3.8.4镍铁电池存在的问题104
参考文献105
第4章LiCoO2材料108
4.1LiCoO2的结构108
4.2层状LiCoO2的精细结构109
4.3LiCoO2电子结构112
4.4LiCoO2材料的制备114
4.5LiCoO2的性质115
4.5.1LixCoO2热稳定性115
4.5.2LiCoO2的电化学性质116
4.6LiCoO2掺杂120
参考文献120
第5章锰酸锂正极材料122
5.1尖晶石相LiMn2O4介绍123
5.2LixMn2O4(0＜x＜2)124
5.2.1LixMn2O4(0＜x＜1)125
5.2.2LixMn2O4(1＜x＜2)125
5.3岩盐结构LixMn2O4(x=2)126
5.4过锂化LixMn2O4(2＜x＜4)126
5.5Li1+δMn2–δO4(0＜δ＜0.33)126
5.6Li2O？yMnO2线127
5.6.1Li2MnO3127
5.6.2Li4Mn5O12129
5.6.3Li2Mn3O7和Li2Mn4O9130
5.7层状LiMnO2130
5.8正交LiMnO2131
5.9锰酸锂材料稳定性133
5.10富锂锰基材料133
参考文献134
第6章三元正极材料135
6.1三元材料的结构特征136
6.2三元材料的电化学性质140
6.2.1NCM-333141
6.2.2NCM-523143
6.2.3NCM-811145
6.3三元材料的改性148
6.3.1离子掺杂148
6.3.2表面包覆149
6.3.3梯度颗粒设计150
6.4三元材料合成方法151
6.4.1化学共沉淀法151
6.4.2高温固相法152
6.4.3溶胶-凝胶法152
参考文献153
第7章聚阴离子正极材料156
7.1磷酸亚铁锂156
7.1.1晶体结构及其对电压影响156
7.1.2电化学性能158
7.1.3电子导电问题160
7.1.4锂离子扩散162
7.1.5充放电过程的颗粒模型164
7.1.6制备方法166
7.2磷酸亚锰锂167
7.3磷酸亚钴锂169
7.4其他聚阴离子正极材料170
参考文献171
第8章负极材料175
8.1锂电负极介绍175
8.2碳基负极材料175
8.2.1石墨碳负极176
8.2.2石墨中的锂插层177
8.2.3天然石墨178
8.2.4人工石墨179
8.2.5中间相碳微球179
8.2.6软碳180
8.2.7硬碳182
8.2.8软碳和硬碳中嵌锂183
8.2.9碳材料的SEI问题184
8.2.10CNT储Li位点187
8.2.11石墨烯189
8.3钛酸锂负极191
8.3.1Li4Ti5O12的晶体结构191
8.3.2Li4Ti5O12的物理化学性质191
8.3.3Li4Ti5O12改性194
8.3.4其他类型钛酸锂负极195
8.4硅负极198
8.4.1硅负极的基本性质198
8.4.2纳米硅201
8.5合金负极206
8.5.1锡负极207
8.5.2纳米结构锡208
8.5.3锡基合金211
8.5.4锡-氧化合物214
8.6过渡族金属氧化物216
8.7金属锂负极218
8.7.1金属锂负极的失效机制219
8.7.2金属锂负极的改性221
8.7.3挑战与展望225
8.8大容量负极共性问题226
参考文献226
第9章其他类型充电电池234
9.1锂硫电池235
9.1.1锂硫电池基本原理235
9.1.2锂硫电池的挑战237
9.1.3硫正极238
9.1.4锂硫电池发展趋势247
9.2镁离子电池247
9.2.1镁离子电池概述247
9.2.2镁离子电池正极材料248
9.2.3电解质252
9.2.4镁离子电池方向和局限性252
参考文献253