电化学储能材料与原理

本书旨在从很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。

目录
前言
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
1.3.3 PTOT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
2.1 X射线衍射技术 30
2.1.1 X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
2.6 X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 EIS 53
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
3.2.3 Pb负极 71
3.2.4 PbO2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
3.3.1 β-Ni(OH)2结构 75
3.3.2 β-Ni(OH)2充放电过程 76
3.3.3 α-Ni(OH)2结构 77
3.3.4 Ni(OH)2结构中的无序性 78
3.3.5 Ni(OH)2/NiOOH的制备方法 78
3.3.6 Ni(OH)2电池极片制备方法 79
3.3.7 Ni(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
3.6.2 Ni-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
3.6.5 Ni-MH电池的性能 93
3.6.6 Ni-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
4.1 LiCoO2的结构 108
4.2 层状 LiCoO2的精细结构 109
4.3 LiCoO2电子结构 112
4.4 LiCoO2材料的制备 114
4.5 LiCoO2的性质 115
4.5.1 LixCoO2热稳定性 115
4.5.2 LiCoO2的电化学性质 116
4.6 LiCoO2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
5.2 LixMn2O4(0＜x＜2) 124
5.2.1 LixMn2O4(0＜x＜1) 125
5.2.2 LixMn2O4(1＜x＜2) 125
5.3 岩盐结构 LixMn2O4(x=2) 126
5.4 过锂化 LixMn2O4(2＜x＜4) 126
5.5 Li1+δMn2–δO4(0＜δ＜0.33) 126
5.6 Li2O？yMnO2线 127
5.6.1 Li2MnO3 127
5.6.2 Li4Mn5O12 129
5.6.3 Li2Mn3O7和 Li2Mn4O9 130
5.7 层状 LiMnO2 130
5.8 正交 LiMnO2 131
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
6.2.1 NCM-333 141
6.2.2 NCM-523 143
6.2.3 NCM-811 145
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
8.2.10 CNT储 Li位点 187
8.2.11 石墨烯 189
8.3 钛酸锂负极 191
8.3.1 Li4Ti5O12的晶体结构 191
8.3.2 Li4Ti5O12的物理化学性质 191
8.3.3 Li4Ti5O12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