锂电池基础科学 (李泓)

本书重点介绍了化学储能电池理论能量密度的估算，电池材料缺陷化学，相、相变与相图，电池界面问题，离子在固体中的输运，锂离子电池正极材料、负极材料，非水液体电解质材料，全固态锂离子电池，锂空气电池与锂硫电池，表征方法、电化学测量方法，锂二次电池材料的计算研究。同时对锂离子电池基础研究的科学问题、存在的难点、发展趋势等进行了详尽分析。本书内容详实丰富，涵盖了锂离子电池基础科学的关键问题，兼顾实际工程技术问题，努力为我国锂离子电池产学研从业者提供一本从事该领域工作的工具书。本书适合从事锂电池研发的相关人员参考，也适合作为高等院校相关专业师生的教学参考书。

第1章化学储能电池理论能量密度的估算1

1.1能量密度的计算公式3

1.2不同电池能量密度的比较6

1.3采用不同负极的锂离子电池能量密度8

1.4电池的实际能量密度10

1.5电池与电极材料的电压12

1.6电极材料的理论容量13

1.7本章结语15

参考文献16

第2章电池材料缺陷化学17

2.1锂离子电池材料中常见的缺陷形态17

2.2缺陷产生的基础19

2.3电极材料中的缺陷21

2.3.1TiO2中嵌锂过程21

2.3.2FePO4/LiFePO4电极22

2.4本章结语27

参考文献28

第3章相、相变与相图31

3.1相31

3.2相变32

3.2.1相变的热力学描述32

3.2.2合成制备中的相变研究32

3.2.3电解质中的相变38

3.2.4电极材料脱嵌锂过程中的相变46

3.3相图61

3.3.1相图与相律61

3.3.2典型材料的相图62

3.4相图的计算66

3.4.1CALPHAD66

3.4.2性原理计算66

3.4.3相图的高通量计算68

3.5相、相变与相图的实验研究方法70

3.6本章结语72

参考文献73

第4章电池界面问题84

4.1锂离子电池界面问题84

4.2SEI膜结构及生长机理86

4.3SEI膜表征手段89

4.3.1SEI膜形貌89

4.3.2SEI膜的组成分析92

4.3.3SEI膜热电化学稳定性94

4.3.4SEI膜力学特性及覆盖度分析95

4.3.5锂离子在SEI膜中的输运98

4.3.6SEI膜的动态生长过程99

4.4界面改性101

4.5本章结语104

参考文献105

第5章离子在固体中的输运109

5.1离子输运的相关参数110

5.2离子在晶格内的输运机制115

5.3离子在晶界处的输运机制118

5.4无序态与电导率122

5.5锂离子在电极材料中的输运124

5.5.1锂离子在正极材料中的输运124

5.5.2锂离子在负极材料中的输运127

5.6锂离子在固体电解质中的输运128

5.7离子在电极/固体电解质界面131

5.7.1固体电解质/负极与混合输运132

5.7.2固体电解质/正极与空间电荷层133

5.8影响离子输运的因素134

5.9实验表征方法135

5.9.1晶体结构与锂原子占位136

5.9.2锂扩散通道138

5.9.3电导率和扩散系数138

5.9.4全频电导分析141

5.10本章结语142

参考文献144

第6章锂离子电池正极材料154

6.1正极材料概述154

6.2典型的锂离子电池正极材料155

6.2.1六方层状结构LiCoO2正极材料156

6.2.2立方尖晶石结构LiMn2O4正极材料158

6.2.3正交橄榄石结构LiFePO4材料159

6.3其他正极材料159

6.3.1层状结构正极材料160

6.3.2高电压尖晶石结构正极材料162

6.3.3聚阴离子类正极材料163

6.3.4基于相转变反应的正极材料164

6.3.5有机正极材料165

6.4本章结语165

参考文献166

第7章负极材料173

7.1典型的锂离子电池负极材料174

7.1.1层状石墨类负极材料175

7.1.2立方尖晶石结构Li4Ti5O12负极材料177

7.2小批量应用的负极材料178

7.2.1硬碳负极材料178

7.2.2软碳负极材料179

7.2.3高容量硅负极材料180

7.2.4SnMC合金负极材料183

7.3其他负极材料184

7.3.1其他合金类负极材料184

7.3.2LiVO2层状负极材料185

7.3.3过渡金属氧化物负极材料185

7.4负极材料的基础科学问题小结187

7.5本章结语188

参考文献189

第8章非水液体电解质材料199

8.1液态电解质的性质199

8.1.1离子电导率199

8.1.2离子迁移数200

8.1.3电化学窗口201

8.1.4黏度201

8.2液态电解质在锂离子电池中的反应202

8.2.1负极表面形成SEI膜的反应202

8.2.2与正极之间的反应203

8.2.3过充反应203

8.2.4受热反应204

8.3溶剂、锂盐和添加剂204

8.3.1溶剂205

8.3.2锂盐207

8.3.3添加剂212

8.4离子液体电解质213

8.5凝胶聚合物电解质214

8.5.1聚丙烯腈215

8.5.2聚氧化乙烯215

8.5.3聚甲基丙烯酸甲酯215

8.5.4聚偏氟乙烯216

8.6本章结语216

参考文献217

第9章全固态锂离子电池227

9.1全固态锂离子电池概述228

9.2固体电解质材料230

9.2.1无机固体电解质231

9.2.2聚合物固体电解质243

9.2.3聚合物复合电解质244

9.3高通量计算在固体电解质材料筛选中的应用245

9.4全固态锂电池的界面问题248

9.4.1固态电解质/正极界面248

9.4.2固态电解质/金属锂负极界面249

9.5全固态锂电池性能参数251

9.6本章结语252

参考文献253

第10章锂空气电池与锂硫电池261

10.1锂空气电池261

10.1.1锂空气电池基本工作原理261

10.1.2锂空气电池组成265

10.1.3锂空气电池中的科学问题273

10.1.4其他锂空气电池体系274

10.2锂硫电池275

10.2.1锂硫电池基本工作原理275

10.2.2锂硫电池存在的基本问题276

10.3本章结语277

参考文献278

第11章表征方法286

11.1元素成分及价态288

11.1.1电感耦合等离子体289

11.1.2二次离子质谱290

11.1.3X射线光电子能谱295

11.1.4电子能量损失谱297

11.1.5扫描透射X射线显微术298

11.1.6X射线近边结构谱299

11.1.7杂质测量300

11.1.8俄歇电子能谱仪301

11.2形貌表征302

11.3材料晶体结构表征308

11.3.1X射线衍射309

11.3.2扩展X射线吸收精细谱313

11.3.3中子衍射313

11.3.4核磁共振315

11.3.5球差校正扫描透射电镜316

11.3.6Raman光谱研究晶体结构317

11.4物质官能团的表征318

11.4.1拉曼散射光谱318

11.4.2红外光谱319

11.4.3色谱技术320

11.5材料离子输运的观察322

11.6材料微观力学性质324

11.7材料表面功函数325

11.8绝热加速量热仪在锂电领域中的应用325

11.9互联互通惰性气氛电池综合分析平台330

11.10其他实验技术333

11.11本章结语334

参考文献334

第12章电化学测量方法345

12.1电化学测量概述346

12.1.1测量的基本内容346

12.1.2测量电池的分类及特点346

12.1.3参比电极的特性及分类346

12.1.4研究电极的分类及特性347

12.1.5电极过程347

12.1.6极化的类型及影响因素348

12.2测量方法349

12.2.1稳态测量349

12.2.2暂态测量349

12.3典型的测量方法及其在锂电池中的应用352

12.3.1锂离子电池电极过程动力学及其测量方法352

12.3.2稳态测量技术——线性电势扫描伏安法353

12.3.3准稳态测量技术——交流阻抗谱355

12.3.4暂态测量方法（Ⅰ）——电流阶跃测量357

12.3.5暂态测量方法（Ⅱ）——电势阶跃测量361

12.3.6暂态测量方法（Ⅲ）——电位弛豫技术363

12.3.7不同电化学测量法的适用范围与精准性364

12.3.8影响电极过程动力学信息测量准确性的基本因素370

12.4本章结语371

参考文献372

第13章锂二次电池材料的计算研究376

13.1原子尺度的模拟377

13.1.1基于密度泛函理论的性原理计算377

13.1.2分子动力学387

13.1.3蒙特卡罗方法390

13.2介观尺度的模拟393

13.2.1相场模型393

13.2.2分子力学394

13.3宏观尺度的模拟395

13.3.1有限元方法介绍396

13.3.2有限元方法在锂电池研究中的应用396

13.4本章结语397

参考文献398

第14章总结和展望401

14.1锂离子电池中涉及的学科领域403

14.2锂离子电池中基础科学问题讨论403

14.2.1固态电化学403

14.2.2复杂的构效关系404

14.3锂离子电池共性基础科学问题研究难点405

14.3.1SEI膜405

14.3.2结构演化  406

14.3.3多尺度复杂体系输运406

14.3.4材料表面反应407

14.3.5高倍率问题407

14.3.6正负极材料的电压调控408

14.3.7电荷有序408

14.3.8离子在固体输运中的驱动力409

14.3.9寿命预测与失效分析409

14.3.10材料的可控制备410

14.4锂离子电池基础研究发展趋势讨论410

14.4.1创新驱动410

14.4.2指标驱动412

14.4.3方法驱动414

14.4.4需求驱动416

14.5本章结语417

参考文献418