新能源材料与应用

随着“双碳”战略的发展，新能源材料作为能量存储和转换的重要介质受到广泛重视，成为目前材料领域的研究热点，也是我国“十四五”规划重要发展领域之一。本书围绕新能源材料的基础和先进表征技术展开，介绍以电化学为基础的电化学能源材料的基本原理、内在规律、研究方法以及科技前沿。 本书适宜材料以及化学等领域技术人员和相关专业学生使用。

刘云建，1981年生，教授，博导，现任江苏大学材料科学与工程学院院长，学科带头人。2009年毕业于中南大学冶金工程专业，获博士学位。美国劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）访问学者，兼任中国有色金属学会冶金物理化学委员会委员、中国有色金属产业技术创新战略联盟专家、教育部和科技部人才和科技项目评审专家。目前主要从事电化学冶金、资源综合利用及新能源材料等领域研究。主持国家自然科学基金等国家级项目5项，主持省部级及产学研项目20余项，在AM、AFM、ACS Nano等顶级期刊上发表论文130余篇，授权发明专利30余项，转让5项。获有色金属工业科技进步二等奖1项。连续入选美国斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家榜单。

第1章　新能源材料的电化学基础 001 1.1　电化学基本概念及电解质溶液 001 1.1.1　电化学定义及研究对象 001 1.1.2　化学电池 002 1.1.3　法拉第定律 004 1.1.4　两类导体 005 1.1.5　离子的电迁移和迁移数 007 1.1.6　电导 010 1.1.7　强电解质溶液理论简介 012 1.2　可逆电池的电动势及其应用 015 1.2.1　可逆电池与可逆电极 015 1.2.2　电极电势产生的机理 016 1.2.3　电极电势和电池电动势 018 1.2.4　自由能与电池电动势 021 1.2.5　能斯特方程 022 1.2.6　浓差电池和液体接界电势 025 1.3　电极反应动力学 026 1.3.1　电解与极化作用 027 1.3.2　电极反应 031 1.3.3　“电极/ 溶液”界面附近液相中的传质过程 033 1.3.4　电化学步骤的动力学 035 参考文献 037 第2章　锂离子电池材料 038 2.1　概述 038 2.2　锂离子电池工作原理 038 2.2.1　锂离子电池的组成 038 2.2.2　锂离子电池工作原理概述 040 2.2.3　锂离子电池的特点 041 2.3　锂离子电池正极材料 041 2.3.1　概述 041 2.3.2　LiCoO2 正极材料 044 2.3.3　LiNiO2 正极材料 045 2.3.4　LiMnO2 正极材料 046 2.3.5　LiMn2O4 正极材料 047 2.3.6　LiFePO4 正极材料 048 2.3.7　LiNixCoyMn1-x-yO2 正极材料 051 2.3.8　LiNi1/2 Mn1/2 O2 正极材料 052 2.3.9　富锂锰基正极材料 052 2.3.10　正极材料的改性 053 2.4　负极材料 056 2.4.1　金属锂负极材料 056 2.4.2　石墨基复合材料 056 2.4.3　硅基复合材料 057 2.4.4　Li4Ti5O12 负极材料 059 2.4.5　金属氧化物负极材料 059 2.4.6　硫化物负极材料 060 2.5　电解质材料 061 2.5.1　非水有机液体电解质 061 2.5.2　聚合物电解质 064 2.5.3　离子液体电解质 066 2.6　隔膜材料 067 参考文献 070 第3章　钠离子电池 075 3.1　钠离子电池概述 075 3.1.1　概述 075 3.1.2　钠离子电池的发展历程 076 3.1.3　钠离子电池的结构与工作原理 077 3.2　钠离子电池正极材料 078 3.2.1　概述 078 3.2.2　过渡金属氧化物 080 3.2.3　聚阴离子化合物 085 3.2.4　普鲁士蓝类化合物 089 3.2.5　有机化合物 091 3.3　钠离子电池负极材料 091 3.3.1　概述 091 3.3.2　碳基负极材料 093 3.3.3　合金类负极材料 097 3.3.4　金属化合物类负极材料 098 3.3.5　有机化合物类负极材料 101 3.4　钠离子电池电解液 102 3.4.1　概述 102 3.4.2　有机溶剂 103 3.4.3　电解质盐 106 3.4.4　电解液添加剂 108 3.5　新型钠离子电池 109 3.5.1　全固态钠离子电池及钠离子固态电解质 109 3.5.2　钠硫电池 114 参考文献 118 第4章　锂硫电池 123 4.1　锂硫电池电化学反应 123 4.2　复合正极材料体系 125 4.2.1　碳材料复合体系 125 4.2.2　聚合物复合体系 132 4.2.3　金属化合物复合体系 133 4.3　复合电解质体系 143 4.3.1　液态电解质 144 4.3.2　聚合物电解质体系 146 4.3.3　无机固态体系 146 4.3.4　电解质体系复合 147 4.4　复合负极材料体系 148 4.4.1　纯金属锂 149 4.4.2　纳米结构金属锂 149 4.4.3　添加剂保护金属锂 149 4.4.4　人工固态电解质界面层保护金属锂 149 4.5　特殊构型锂硫电池与柔性锂硫电池 150 4.5.1　碳基柔性体系 150 4.5.2　聚合物基柔性体系 151 4.5.3　半固态柔性体系 152 4.6　锂硫电池应用探索 152 4.6.1　宇航卫星 152 4.6.2　无人机 153 4.6.3　极端低温电源 154 4.6.4　电动汽车 154 4.6.5　智能设备 154 4.6.6　军事用途 155 4.6.7　规模储能 156 参考文献 157 第5章　燃料电池科学与技术 161 5.1　燃料电池简介 161 5.1.1　燃料电池发展历史 162 5.1.2　燃料电池的分类 164 5.2　质子交换膜燃料电池 167 5.2.1　PEMFC工作原理 168 5.2.2　PEMFC关键材料 169 5.2.3　PEMFC电堆 172 5.2.4　PEMFC技术应用 172 5.3　固体氧化物燃料电池 173 5.3.1　SOFC工作原理 174 5.3.2　SOFC关键材料 174 5.3.3　SOFC电堆 182 5.3.4　SOFC技术应用 183 参考文献 184 第6章　超级电容器 186 6.1　概述 186 6.2　超级电容器原理 187 6.2.1　双电层超级电容器 188 6.2.2　赝电容对称型超级电容器 191 6.2.3　混合型超级电容器 196 6.3　双电层超级电容器用碳材料 206 6.3.1　圆柱状孔隙模型 206 6.3.2　物理活化椰壳超容碳 214 6.3.3　碱活化超容碳 216 6.3.4　离子液体海绵碳 217 6.4　超级电容器的制造 219 6.4.1　湿法电极 219 6.4.2　干法电极 221 6.4.3　电解液225 6.4.4　隔膜 228 6.4.5　超级电容器单体和应用 229 参考文献 233 第7章　固体材料表征技术 238 7.1　X射线衍射分析 238 7.1.1　X射线衍射分析简述 238 7.1.2　X射线衍射结构精修 240 7.1.3　原位X 射线衍射分析 243 7.1.4　扩展X 射线吸收精细结构谱分析 243 7.2　电子显微技术 244 7.2.1　扫描电子显微镜 245 7.2.2　透射电子显微镜 247 7.2.3　聚焦离子束技术 249 7.2.4　扫描透射电子显微镜 251 7.3　扫描微探针技术 253 7.3.1　扫描隧道显微镜 254 7.3.2　原子力显微镜 255 7.4　光谱分析技术 257 7.4.1　红外光谱分析 257 7.4.2　拉曼光谱分析 259 7.4.3　原子吸收光谱 261 7.4.4　核磁共振波谱技术 262 7.4.5　电子顺磁共振 264 7.5　能谱分析技术 266 7.5.1　X射线光电子能谱 266 7.5.2　能量色散谱仪 268 7.5.3　俄歇电子能谱仪 269 7.6　质谱技术 270 7.6.1　电感耦合等离子体 270 7.6.2　微分电化学质谱 271 7.7　热分析技术 272 7.7.1　热重分析 273 7.7.2　差热分析 274 7.7.3　示差扫描量热分析 276 参考文献 277