锂二次电池原理与应用

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译者序

前言

第1章引言1

1.1电池的历史1

1.2电池技术的发展2

1.3锂二次电池的概述4

1.4锂二次电池的未来6

参考文献6

第2章电池化学的基础7

2.1电池的组成7

2.1.1电化学单元和电池7

2.1.2电池组件和电极7

2.1.3全电池和半电池8

2.1.4电化学反应和电势8

2.2电池电压和电流9

2.2.1电压9

2.2.2电流10

2.2.3极化11

2.3电池特性12

2.3.1容量12

2.3.2能量密度12

2.3.3功率12

2.3.4循环寿命13

2.3.5放电曲线13

第3章锂二次电池材料15

3.1正极材料15

3.1.1正极材料的发展史15

3.1.2正极材料的概述16

3.1.2.1正极材料的氧化还原反应16

3.1.2.2放电电压曲线17

3.1.2.3正极材料的特性要求19

3.1.2.4正极材料的工作原理19

3.1.3正极材料的结构与电化学性质20

3.1.3.1层状化合物20

3.1.3.2尖晶石化合物39

3.1.3.3橄榄石型化合物43

3.1.3.4钒的化合物48

3.1.4通过表面修饰改善性能50

3.1.4.1层状结构化合物51

3.1.4.2尖晶石化合物52

3.1.4.3橄榄石型化合物55

3.1.5正极材料的热稳定性55

3.1.5.1电池安全的基本理论55

3.1.5.2电池安全与正极材料59

3.1.5.3正极的热稳定性60

3.1.6正极材料物理性质的预测与正极材料设计65

3.1.6.1第一性原理计算的介绍67

3.1.6.2采用第一性原理计算来预测和考察电极的物理性质69

参考文献73

3.2负极材料77

3.2.1负极材料的发展史77

3.2.2负极材料的概述77

3.2.3负极材料的类型与电化学特性79

3.2.3.1金属锂79

3.2.3.2碳材料79

3.2.3.3非碳材料104

3.2.4小结121

参考文献122

3.3电解液125

3.3.1液体电解液126

3.3.1.1液体电解液的要求126

3.3.1.2液体电解液的组成126

3.3.1.3液态电解液的性质130

3.3.1.4离子液体132

3.3.1.5电解液添加剂136

3.3.1.6电解液热稳定性的改善141

3.3.1.7液体电解液的发展趋势142

3.3.2聚合物电解质143

3.3.2.1聚合物电解质的类型143

3.3.2.2聚合物电解质的制备149

3.3.2.3聚合物电解质的性质151

3.3.2.4聚合物电解质的发展趋势152

3.3.3隔膜153

3.3.3.1隔膜的功能153

3.3.3.2隔膜的基本性质154

3.3.3.3隔膜对电池装配的影响155

3.3.3.4隔膜的抗氧化性156

3.3.3.5隔膜的热稳定性157

3.3.3.6隔膜材料的发展157

3.3.3.7隔膜的制造工序159

3.3.3.8隔膜的前景159

3.3.4粘结剂、导电剂与集流体160

3.3.4.1粘结剂160

3.3.4.2导电剂167

3.3.4.3集流体169

参考文献170

3.4界面反应与特征173

3.4.1非水电解液的电化学分解173

3.4.2电极表面SEI膜的形成178

3.4.3负极电解液的界面反应180

3.4.3.1锂金属电解液的界面反应181

3.4.3.2石墨（碳材料）的界面反应186

3.4.3.3SEI膜的厚度187

3.4.3.4添加剂的影响189

3.4.3.5非碳负极与电解液间的界面反应190

3.4.4正极电解液的界面反应193

3.4.4.1氧化物正极的本征表面层193

3.4.4.2氧化物正极的SEI膜194

3.4.4.3氧化物正极的界面反应194

3.4.4.4磷酸盐正极的界面反应199

3.4.5集流体电解液的界面反应199

3.4.5.1铝的本征层200

3.4.5.2铝的腐蚀200

3.4.5.3铝表面钝化层的形成202

参考文献203

第4章电化学分析与材料性能分析206

4.1电化学分析206

4.1.1开路电压206

4.1.2线性扫描伏安法207

4.1.3循环伏安法207

4.1.4恒电流法209

4.1.4.1电压截止控制法209

4.1.4.2恒容截止控制法210

4.1.5恒压法210

4.1.5.1恒压充电211

4.1.5.2电势阶跃测试211

4.1.6恒电流间歇滴定法和恒电位间歇滴定法212

4.1.6.1恒电流间歇滴定法212

4.1.6.2恒电位间歇滴定法213

4.1.7交流阻抗分析213

4.1.7.1原理213

4.1.7.2等效电路模型215

4.1.7.3电极特征分析的应用220

4.1.7.4应用分析（1）：Al/LiCoO2/电解液/碳/Cu电池222

4.1.7.5应用分析（2）：Al/LiCoO2/电解液/MCMB/Cu电池226

4.1.7.6相对介电常数226

4.1.7.7离子电导率227

4.1.7.8扩散系数228

4.1.8EQCM分析229

参考文献232

4.2材料性能分析233

4.2.1X射线衍射分析233

4.2.1.1X射线衍射分析原理233

4.2.1.2Rietveld精修235

4.2.1.3原位XRD236

4.2.2红外光谱和拉曼光谱240

4.2.2.1红外光谱241

4.2.2.2拉曼光谱244

4.2.3固态核磁共振光谱247

4.2.4X射线光电子能谱251

4.2.5X射线吸收光谱254

4.2.5.1X射线吸收近边结构255

4.2.5.2扩展X射线吸收精细结构255

4.2.6透射电镜260

4.2.7扫描电镜263

4.2.8原子力显微镜265

4.2.9热分析268

4.2.10气相色谱质谱272

4.2.11电感耦合等离子体质谱275

4.2.12比表面积测试276

参考文献280

第5章电池设计和制造282

5.1电池设计282

5.1.1电池容量282

5.1.2电极电势与电池电压的设计284

5.1.3正极/负极容量比的设计285

5.1.4电池设计的实际应用287

5.2电池制造工序289

5.2.1电极制造工艺291

5.2.1.1电极浆料的制备291

5.2.1.2电极涂覆291

5.2.1.3辊压工序292

5.2.1.4分切工序292

5.2.1.5真空干燥工序293

5.2.2装配工序293

5.2.2.1卷绕工序293

5.2.2.2卷芯入壳/正极极耳焊接/辊槽工序295

5.2.2.3注液工序295

5.2.2.4正极极耳焊接/封口/X射线检测/清洗工序295

5.2.3化成工序295

5.2.3.1化成工序的目的295

5.2.3.2步骤与功能295

参考文献296

第6章电池性能评估297

6.1电池充放电曲线297

6.1.1充放电曲线的重要性297

6.1.2充放电曲线的调整299

6.1.3过充曲线与充放电曲线300

6.2电池的循环寿命301

6.2.1循环寿命的重要性301

6.2.2电池循环寿命的影响因素302

6.3电池容量303

6.3.1概述303

6.3.2电池容量304

6.3.3电池容量的测试305

6.4倍率放电下的放电特性306

6.5温度特性307

6.5.1低温特性308

6.5.2高温特性308

6.6能量密度与功率密度（质量能量密度与体积功率密度）309

6.6.1能量密度309

6.6.2功率密度309

6.7应用309

6.7.1移动设备的应用310

6.7.2交通设备的应用310

6.7.3其他应用310

作者简介

锂二次电池在日常生活以及工业界得到了广泛的应用和普及，正处于蓬勃发展时期。本书共分6章，第1章简述了电池发展历史，介绍了锂二次电池及其发展。第2章介绍了电池化学的基础。第3章以较大篇幅全面介绍了锂二次电池用的正极材料、负极材料、电解液、隔膜以及其他辅助材料，然后对锂二次电池中的界面反应与特性进行了重点介绍。第4章对电池研究中的电化学分析与材料性能分析进行了介绍。第5章详述了电池的设计与制造。第6章概述了电池性能评估及其应用。本书的大量内容反映了锂二次电池的最新研究成果，基本概念清楚、思路清晰、内容全面、易于读者理解。各章节之间力求相对独立，又相互联系，内容上又是一个统一的整体。本书适合从事材料、化学、新能源等领域研究、开发和生产的科研人员，以及高等院校相关专业教师、高年级本科生和研究生使用。

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