先进锂离子电池：材料创新与安全调控

《先进锂离子电池：材料创新与安全调控》重点阐述了先进锂离子电池的关键材料及其特性，介绍了锂离子电池的安全性理论和技术，总结了其在动力源领域和储能领域的应用价值。本书从第一性原理计算和分子动力学角度解读了电极材料电化学机制与计算设计，重点介绍了固态、水系等高能量密度和安全体系，反映了锂离子电池发展和研究的趋势。 本书既适合新能源、新材料、电化学和计算材料学等相关专业领域的科研人员和技术人员使用，也适合高等院校相关专业研究生和高年级本科生作为教材使用。

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第1章锂离子电池概述1 1.121世纪的锂离子电池产业技术2 1.2锂离子电池的理论基础和科学问题8 1.2.1锂离子电池的工作原理9 1.2.2锂离子电池的性能参数10 1.2.3锂离子电池的基础科学问题12 1.3锂离子电池的关键材料和界面特性16 1.3.1锂离子电池的关键材料16 1.3.2材料间界面特性20 1.4锂离子电池的表征和测量方法23 1.5锂离子电池商业化与新型锂离子电池技术26 1.5.1锂离子电池商业化26 1.5.2新型锂离子电池技术30 参考文献36 第2章先进正极材料48 2.1典型的锂离子电池正极材料49 2.1.1LiCoO250 2.1.2LiNiO251 2.1.3镍钴锰酸锂三元材料52 2.1.4LiMn2O454 2.1.5LiFePO456 2.1.6典型正极材料的未来发展趋势57 2.2高能量密度富锂锰基正极材料58 2.2.1富锂锰基正极材料的组成与结构58 2.2.2富锂锰基正极材料的充放电机制61 2.2.3富锂锰基正极材料的制备64 2.2.4富锂锰基正极材料的改性研究65 2.2.5富锂锰基正极材料的进一步发展70 2.3高电压尖晶石结构正极材料LiNi0.5Mn1.5O472 2.3.1LiNi0.5Mn1.5O4正极材料的结构73 2.3.2LiNi0.5Mn1.5O4正极材料的充放电机制74 2.3.3LiNi0.5Mn1.5O4正极材料的制备76 2.3.4LiNi0.5Mn1.5O4正极材料的改性研究77 2.4聚阴离子类正极材料81 2.4.1橄榄石型磷酸盐LiMPO4(M=Fe,Mn,Co,Ni)81 2.4.2NASICON型磷酸盐LixM2(PO4)3(M=V,Ti,Nb)83 2.4.3硅酸盐Li2MSiO4(M=Fe,Mn)86 2.5有机正极材料89 2.5.1导电聚合物正极材料90 2.5.2有机硫化物正极材料90 2.5.3共轭羰基化合物正极材料92 参考文献95 第3章先进负极材料109 3.1负极材料概述110 3.2碳基负极材料111 3.2.1石墨基材料111 3.2.2其他碳基负极材料116 3.3其他嵌入型负极材料117 3.3.1尖晶石结构Li4Ti5O12负极材料118 3.3.2嵌入型Li3VO4材料121 3.4基于转化反应的负极材料125 3.4.1金属氧化物负极125 3.4.2金属硫化物负极129 3.5合金型负极材料133 3.5.1Si基负极材料133 3.5.2Sn基负极材料137 3.5.3Al基负极材料138 3.6其他新型负极材料141 3.6.1具有纳米多孔结构的先进负极材料141 3.6.2液态金属基负极材料142 3.7展望145 参考文献145 第4章锂离子电池液态电解液150 4.1传统锂盐——六氟磷酸锂152 4.1.1LiPF6的热分解及水解反应152 4.1.2PF-6对电极/电解液界面稳定性的影响157 4.2新型锂盐的研究161 4.3溶剂165 4.3.1氟化溶剂165 4.3.2砜类溶剂167 4.3.3二腈类溶剂171 4.3.4水溶剂173 4.4小结177参考文献177 第5章凝胶聚合物电解质、隔膜、黏结剂184 5.1锂离子电池凝胶聚合物电解质的种类、要求和性能185 5.2锂离子电池隔膜的种类、要求和性能193 5.3锂离子电池黏结剂的种类、要求和性能203 参考文献213 第6章电极材料电化学机制与计算设计227 6.1离子电极材料电化学反应机制228 6.2能量密度229 6.2.1电池电压229 6.2.2比容量231 6.3循环性能238 6.3.1相变理论238 6.3.2结构搜索和常用的算法240 6.3.3有序结构演化与无序结构设计242 6.3.4晶格振动谱245 6.3.5相场理论246 6.4倍率性能248 6.4.1迁移势垒248 6.4.2分子动力学250 6.4.3离子电导率251 6.5固体电解液中的反应和界面253 参考文献255 第7章无机固态电解质259 7.1无机固态电解质概述260 7.1.1无机固态电解质的基础导电理论260 7.1.2氧化物固态电解质261 7.1.3硫化物固态电解质267 7.2固态电解质与电极的界面性质与改性271 7.2.1固态电解质与正极的界面性质与改性272 7.2.2固态电解质与负极的界面性质与改性277 7.3全固态薄膜锂（离子）电池283 参考文献285 第8章水系锂离子电池295 8.1水系锂离子电池原理及其发展296 8.1.1水系锂离子电池基本原理296 8.1.2水系锂离子电池电极材料选择297 8.1.3Li+扩散动力学研究300 8.1.4水系锂离子电池的发展301 8.2水系锂离子电池电极材料概述302 8.2.1电极材料设计302 8.2.2电极材料容量衰减分析304 8.3水系锂离子电池负极材料307 8.3.1钒系化合物307 8.3.2锐钛矿TiO2317 8.3.3聚阴离子化合物320 8.3.4有机电极材料326 8.3.5金属负极328 8.3.6其他负极材料331 8.4水系锂离子电池正极材料331 8.4.1LiMn2O4332 8.4.2LiCoO2342 8.4.3LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2345 8.4.4Na1.16V3O8347 8.4.5LiFePO4347 8.4.6其他聚阴离子化合物352 8.4.7MnO2353 8.4.8普鲁士蓝及其衍生物357 8.5水系锂离子电池电解质材料359 8.5.1电化学窗口359 8.5.2电解液性能影响因素360 8.6高电压水系电池364 8.6.1电极改性提高电池电压364 8.6.2高电压水系锂离子电池的电解质材料364 8.7电池的电化学性能与界面研究368 8.8集流体370 8.9离子混合电容器370 参考文献371 第9章柔性锂离子电池386 9.1柔性锂离子电池概述387 9.2用于LIB的电极材料389 9.2.1碳纳米管390 9.2.2石墨烯393 9.2.3碳布395 9.3用于柔性LIB的电解质材料396 9.3.1固体无机电解质397 9.3.2固体聚合物电解质401 9.4电缆/电线型柔性LIB410 9.5透明锂离子电池413 9.6可拉伸LIB416 9.7总结及展望418 参考文献420 第10章锂离子电池的安全性理论和技术431 10.1电池的热失控和短路432 10.1.1锂离子电池的热失控432 10.1.2锂离子电池的短路435 10.2电池的过充安全436 10.3电极材料的安全研究437 10.3.1正极材料437 10.3.2负极材料439 10.3.3导电剂与黏结剂442 10.4电解液的安全研究443 10.5隔膜的安全防护446 10.6电池的安全性能测试技术447 10.6.1电池材料分析测试技术448 10.6.2电池反应机理测试技术450 10.6.3锂离子电池电化学性能测试452 10.6.4锂离子电池安全性综合测试455 10.6.5锂离子电池安全性测试的相关标准457 参考文献459 第11章动力和储能锂离子电池的应用462 11.1锂离子电池概述463 11.2民用动力锂离子电池465 11.2.1动力锂离子电池在电动自行车中的应用465 11.2.2动力锂离子电池在电动汽车中的应用466 11.3航空航天用动力锂离子电池477 11.3.1动力锂离子电池在航空方面的应用477 11.3.2动力锂离子电池在航天方面的应用479 11.4国防军事用动力锂离子电池480 11.4.1陆军装备480 11.4.2海军装备481 11.4.3空军装备483 11.5民用储能锂离子电池483 11.5.1储能锂离子电池在太阳能路灯中的应用484 11.5.2储能锂离子电池在家庭储能中的应用484 11.5.3储能锂离子电池在储能电站中的应用485 11.6航空航天用储能锂离子电池487 11.6.1储能锂离子电池在航空方面的应用487 11.6.2储能锂离子电池在航天方面的应用487 11.7国防军事用储能锂离子电池490 参考文献491 索引493