高性能电池关键材料_黄昊_9787030637291

目录总序前言第一篇电池材料制备、表征及电化学行为第1章电池材料发展历史及研究现状 3 1.1 电池材料的发展历史 3 1.2 电池材料的研究现状 5 参考文献 15 第2章纳米电池材料制备技术 17 2.1 纳米电池材料 17 2.1.1 零维纳米材料 17 2.1.2 一维纳米材料 19 2.1.3 二维纳米材料 22 2.1.4 多孔材料 27 2.1.5 核壳结构材料 28 2.2 纳米电池材料的制备原理 30 2.2.1 化学反应原理简介 30 2.2.2 零维纳米材料制备原理 33 2.2.3 一维纳米材料制备原理 38 2.2.4 二维纳米材料制备原理 41 2.2.5 纳米颗粒的形貌控制 43 2.3 纳米电池材料制备技术简介 48 2.3.1 化学法制备纳米电池材料 48 2.3.2 物理法制备纳米电池材料 54 参考文献 58 第3章电池材料表征方法 63 3.1 电池材料微结构的表征方法 63 3.1.1 晶体学基础 63 3.1.2 X射线衍射 73 3.1.3 电子衍射 78 3.2 电池材料微观形貌的表征方法 83 3.2.1 电子显微镜 83 3.2.2 探针类显微镜 95 3.3 电池材料微观成分的表征方法 103 3.3.1 电子探针显微分析 103 3.3.2 X射线荧光光谱 111 3.3.3 俄歇电子能谱 114 3.3.4 X射线光电子能谱 119 3.3.5 电子能量损失谱 125 3.4 电池材料的光谱分析 129 3.4.1 红外光谱 129 3.4.2 拉曼光谱 132 3.5 物理吸附仪 135 3.5.1 吸附 135 3.5.2 物理吸附仪的测量原理 136 3.5.3 测试结果分析 137 参考文献 141 第4章电池材料电化学行为 143 4.1 电化学的相及界面 143 4.1.1 构成界面的两相 143 4.1.2 电极/溶液界面 144 4.2 电极反应 147 4.2.1 电极电势 147 4.2.2 可逆电极反应与不可逆电极反应 151 4.2.3 电极电势对电化学反应活化能的影响 153 4.2.4 电极电势对电极反应速率的影响 155 4.2.5 浓差极化对电极反应速率的影响 158 4.2.6 双电层结构对电极反应速率的影响 159 4.3 二次电池电化学 161 4.3.1 二次电池概述 161 4.3.2 二次电池的主要参数 162 4.4 纳米能源材料的电化学测试 166 4.4.1 稳态测试 166 4.4.2 非稳态测试 172 参考文献 180 第二篇高性能电池电极材料第5章离子电池电极材料 185 5.1 概述 185 5.2 离子电池的原理 187 5.2.1 离子电池的组成与分类 187 5.2.2 离子电池的性能及特点 188 5.2.3 离子电池中的热力学及动力学 195 5.3 正极材料 211 5.3.1 过渡金属氧化物正极材料 212 5.3.2 聚阴离子型正极材料 220 5.4 负极材料 223 5.4.1 嵌入型负极材料 223 5.4.2 合金型负极材料 228 5.4.3 转化型负极材料 235 5.5 锂/钠-硫电池正极材料 243 5.5.1 锂/钠-硫电池的储能机理 243 5.5.2 锂/钠-硫电池正极材料的瓶颈问题 244 5.5.3 锂/钠-硫电池正极材料的优化研究 247 5.6 研究实例：锂离子电池负极材料金属硫化物的制备及研究 251 参考文献 264 第6章空气电池电极材料 273 6.1 概述 273 6.2 空气电池的组成及电化学机理 274 6.2.1 金属阳极 275 6.2.2 电解液 280 6.3 空气电池的空气阴极 281 6.3.1 空气阴极的结构特点 281 6.3.2 空气阴极存在的问题 283 6.3.3 空气阴极典型的催化剂 284 6.4 锂-空气电池 297 6.4.1 锂-空气电池的工作原理及结构 297 6.4.2 锂-空气电池的优点及存在的问题 301 6.4.3 锂-空气电池的电化学过程 303 6.4.4 研究实例：锂-空气电池电极催化剂过渡金属碳化物催化活性预测及实验验证 310 参考文献 318 第7章超级电容器电极材料 323 7.1 概述 323 7.2 超级电容器的发展历史 323 7.3 超级电容器的基本概念 325 7.3.1 电容与电势能 325 7.3.2 电压窗口 327 7.3.3 等效串联电阻和漏电电阻 328 7.3.4 能量密度和功率密度 329 7.3.5 Ragone图：能量密度和功率密度的关系 332 7.4 超级电容器的机理及分类 333 7.4.1 超级电容器的特性 333 7.4.2 双电层电容器 334 7.4.3 赝电容电容器 344 7.4.4 混合型电容器 347 7.5 超级电容器的组成 349 7.5.1 电极材料 349 7.5.2 研究实例：N、O共掺杂多孔网络材料的设计及其对电容器电性能的影响分析 354 参考文献 357 第8章燃料电池电极材料 363 8.1 概述 363 8.2 燃料电池的分类、结构及工作原理 366 8.2.1 燃料电池的分类 366 8.2.2 燃料电池的结构及工作原理 374 8.3 燃料电池电极反应热力学与动力学 381 8.3.1 电极反应热力学 381 8.3.2 电极反应动力学 387 8.4 燃料电池催化剂 396 8.4.1 阳极催化剂 396 8.4.2 阴极催化剂 397 8.4.3 研究实例：碱性电解液中甲烷浓度对碳膜氧还原性能的影响 400 参考文献 407 第9章固态电池电极材料 412 9.1 概述 412 9.2 固态电池的结构及分类 413 9.2.1 固态电池的结构 413 9.2.2 固态电池的分类 413 9.3 固态电池的电极反应及传质机理 418 9.3.1 固态电池的电极反应 418 9.3.2 固态电池的传质机理 419 9.4 固态电池的电极材料 436 9.4.1 负极材料 436 9.4.2 正极材料 438 9.5 固态电池的电解质材料 440 9.5.1 无机固态电解质 441 9.5.2 聚合物固态电解质 457 9.6 固态电池的电极/电解质界面 463 9.6.1 正极/电解质界面 464 9.6.2 负极/电解质界面 467 参考文献 469 第三篇高性能电池电解质及隔膜材料第10章高性能锂离子电池电解质 477 10.1 液态电解液的特点与表征 478 10.1.1 电解液的稳定性 478 10.1.2 离子电导率 479 10.1.3 黏度 480 10.1.4 溶剂的介电常数 480 10.1.5 溶剂的熔点和沸点 481 10.2 电解液与负极界面 481 10.2.1 负极界面概述 481 10.2.2 负极界面化学 482 10.2.3 负极界面膜的形成 483 10.2.4 负极界面膜的特点 485 10.3 电解液与正极界面 487 10.3.1 正极界面概述 487 10.3.2 正极界面化学 488 10.3.3 电解液的氧化分解与CEI膜 489 10.4 正负极界面的相互作用 489 10.5 液态电解质溶剂 490 10.5.1 有机溶剂 490 10.5.2 碳酸酯类溶剂 491 10.5.3 羧酸酯类和内酯类溶剂 492 10.5.4 醚类溶剂 493 10.5.5 砜类溶剂 495 10.5.6 腈类溶剂 496 10.5.7 含磷溶剂 496 10.6 液态电解质锂盐 498 10.6.1 常规锂盐 499 10.6.2 含硫锂盐 500 10.6.3 硼酸锂盐 503 10.7 液态电解质添加剂 506 10.7.1 负极成膜添加剂 506 10.7.2 锂负极保护添加剂 509 10.7.3 正极添加剂 510 10.7.4 抗过充添加剂 512 10.7.5 阻燃添加剂 514 10.8 研究实例：高电压锂离子电池电极电解液界面构筑 515 参考文献 520 第11章高性能电池隔膜材料 531 11.1 概述 531 11.2 高分子材料学基础 531 11.2.1 影响高分子材料的因素 532 11.2.2 高分子成型过程的影响 541 11.3 隔膜参数及测试方法 549 11.3.1 隔膜参数 549 11.3.2 测试方法 551 11.4 电池隔膜材料 552 11.4.1 聚丙烯 552 11.4.2 聚乙烯 558 11.4.3 其他高分子材料 563 11.5 电池隔膜制备工艺 564 11.5.1 干法拉伸工艺 564 11.5.2 湿法拉伸工艺 567 11.5.3 直拉蒸发工艺 569 11.5.4 静电纺丝工艺 570 参考文献 570 第四篇电池性能预测评价及应用技术第12章电极材料的性能预测与评价 577 12.1 概述 577 12.2 第一性原理理论与计算方法 577 12.2.1 薛定谔方程和两个基本近似 579 12.2.2 密度泛函理论 581 12.2.3 交换关联泛函 584 12.2.4 第一性原理计算方法 588 12.2.5 随机行走模型 592 12.2.6 常用软件包介绍 601 12.3 电极材料结构模拟及性能评价 602 12.3.1 电极材料的结构评价及电子设计 602 12.3.2 热力学性能的预测与评价 607 12.3.3 动力学性能的预测与评价 608 12.3.4 研究实例 610 参考文献 631 第13章高性能电池应用技术 637 13.1 概述 637 13.2 传统能源器件 637 13.2.1 传统电池 637 13.2.2 锂离子电池 644 13.2.3 超级电容器 656 13.2.4 燃料电池 668 13.3 先进能源器件 679 13.3.1 柔性可穿戴电池 679 13.3.2 生物电池 680 13.3.3 军用电池 682 参考文献 682 主要符号说明 685 关键词索引 688

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