鋰電池基礎(chǔ)科學(xué)

第1章化學(xué)儲(chǔ)能電池理論能量密度的估算1
1.1能量密度的計(jì)算公式3
1.2不同電池能量密度的比較6
1.3采用不同負(fù)極的鋰離子電池能量密度8
1.4電池的實(shí)際能量密度10
1.5電池與電極材料的電壓12
1.6電極材料的理論容量13
1.7本章結(jié)語(yǔ)15
參考文獻(xiàn)16

第2章電池材料缺陷化學(xué)17
2.1鋰離子電池材料中常見(jiàn)的缺陷形態(tài)17
2.2缺陷產(chǎn)生的基礎(chǔ)19
2.3電極材料中的缺陷21
2.3.1TiO2中嵌鋰過(guò)程21
2.3.2FePO4/LiFePO4電極22
2.4本章結(jié)語(yǔ)27
參考文獻(xiàn)28

第3章相、相變與相圖31
3.1相31
3.2相變32
3.2.1相變的熱力學(xué)描述32
3.2.2合成制備中的相變研究32
3.2.3電解質(zhì)中的相變38
3.2.4電極材料脫嵌鋰過(guò)程中的相變46
3.3相圖61
3.3.1相圖與相律61
3.3.2典型材料的相圖62
3.4相圖的計(jì)算66
3.4.1CALPHAD66
3.4.2性原理計(jì)算66
3.4.3相圖的高通量計(jì)算68
3.5相、相變與相圖的實(shí)驗(yàn)研究方法70
3.6本章結(jié)語(yǔ)72
參考文獻(xiàn)73

第4章電池界面問(wèn)題84
4.1鋰離子電池界面問(wèn)題84
4.2SEI膜結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)機(jī)理86
4.3SEI膜表征手段89
4.3.1SEI膜形貌89
4.3.2SEI膜的組成分析92
4.3.3SEI膜熱電化學(xué)穩(wěn)定性94
4.3.4SEI膜力學(xué)特性及覆蓋度分析95
4.3.5鋰離子在SEI膜中的輸運(yùn)98
4.3.6SEI膜的動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)過(guò)程99
4.4界面改性101
4.5本章結(jié)語(yǔ)104
參考文獻(xiàn)105

第5章離子在固體中的輸運(yùn)109
5.1離子輸運(yùn)的相關(guān)參數(shù)110
5.2離子在晶格內(nèi)的輸運(yùn)機(jī)制115
5.3離子在晶界處的輸運(yùn)機(jī)制118
5.4無(wú)序態(tài)與電導(dǎo)率122
5.5鋰離子在電極材料中的輸運(yùn)124
5.5.1鋰離子在正極材料中的輸運(yùn)124
5.5.2鋰離子在負(fù)極材料中的輸運(yùn)127
5.6鋰離子在固體電解質(zhì)中的輸運(yùn)128
5.7離子在電極/固體電解質(zhì)界面131
5.7.1固體電解質(zhì)/負(fù)極與混合輸運(yùn)132
5.7.2固體電解質(zhì)/正極與空間電荷層133
5.8影響離子輸運(yùn)的因素134
5.9實(shí)驗(yàn)表征方法135
5.9.1晶體結(jié)構(gòu)與鋰原子占位136
5.9.2鋰擴(kuò)散通道138
5.9.3電導(dǎo)率和擴(kuò)散系數(shù)138
5.9.4全頻電導(dǎo)分析141
5.10本章結(jié)語(yǔ)142
參考文獻(xiàn)144

第6章鋰離子電池正極材料154
6.1正極材料概述154
6.2典型的鋰離子電池正極材料155
6.2.1六方層狀結(jié)構(gòu)LiCoO2正極材料156
6.2.2立方尖晶石結(jié)構(gòu)LiMn2O4正極材料158
6.2.3正交橄欖石結(jié)構(gòu)LiFePO4材料159
6.3其他正極材料159
6.3.1層狀結(jié)構(gòu)正極材料160
6.3.2高電壓尖晶石結(jié)構(gòu)正極材料162
6.3.3聚陰離子類(lèi)正極材料163
6.3.4基于相轉(zhuǎn)變反應(yīng)的正極材料164
6.3.5有機(jī)正極材料165
6.4本章結(jié)語(yǔ)165
參考文獻(xiàn)166

第7章負(fù)極材料173
7.1典型的鋰離子電池負(fù)極材料174
7.1.1層狀石墨類(lèi)負(fù)極材料175
7.1.2立方尖晶石結(jié)構(gòu)Li4Ti5O12負(fù)極材料177
7.2小批量應(yīng)用的負(fù)極材料178
7.2.1硬碳負(fù)極材料178
7.2.2軟碳負(fù)極材料179
7.2.3高容量硅負(fù)極材料180
7.2.4SnMC合金負(fù)極材料183
7.3其他負(fù)極材料184
7.3.1其他合金類(lèi)負(fù)極材料184
7.3.2LiVO2層狀負(fù)極材料185
7.3.3過(guò)渡金屬氧化物負(fù)極材料185
7.4負(fù)極材料的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題小結(jié)187
7.5本章結(jié)語(yǔ)188
參考文獻(xiàn)189

第8章非水液體電解質(zhì)材料199
8.1液態(tài)電解質(zhì)的性質(zhì)199
8.1.1離子電導(dǎo)率199
8.1.2離子遷移數(shù)200
8.1.3電化學(xué)窗口201
8.1.4黏度201
8.2液態(tài)電解質(zhì)在鋰離子電池中的反應(yīng)202
8.2.1負(fù)極表面形成SEI膜的反應(yīng)202
8.2.2與正極之間的反應(yīng)203
8.2.3過(guò)充反應(yīng)203
8.2.4受熱反應(yīng)204
8.3溶劑、鋰鹽和添加劑204
8.3.1溶劑205
8.3.2鋰鹽207
8.3.3添加劑212
8.4離子液體電解質(zhì)213
8.5凝膠聚合物電解質(zhì)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本章結(jié)語(yǔ)216
參考文獻(xiàn)217

第9章全固態(tài)鋰離子電池227
9.1全固態(tài)鋰離子電池概述228
9.2固體電解質(zhì)材料230
9.2.1無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)231
9.2.2聚合物固體電解質(zhì)243
9.2.3聚合物復(fù)合電解質(zhì)244
9.3高通量計(jì)算在固體電解質(zhì)材料篩選中的應(yīng)用245
9.4全固態(tài)鋰電池的界面問(wèn)題248
9.4.1固態(tài)電解質(zhì)/正極界面248
9.4.2固態(tài)電解質(zhì)/金屬鋰負(fù)極界面249
9.5全固態(tài)鋰電池性能參數(shù)251
9.6本章結(jié)語(yǔ)252
參考文獻(xiàn)253

第10章鋰空氣電池與鋰硫電池261
10.1鋰空氣電池261
10.1.1鋰空氣電池基本工作原理261
10.1.2鋰空氣電池組成265
10.1.3鋰空氣電池中的科學(xué)問(wèn)題273
10.1.4其他鋰空氣電池體系274
10.2鋰硫電池275
10.2.1鋰硫電池基本工作原理275
10.2.2鋰硫電池存在的基本問(wèn)題276
10.3本章結(jié)語(yǔ)277
參考文獻(xiàn)278

第11章表征方法286
11.1元素成分及價(jià)態(tài)288
11.1.1電感耦合等離子體289
11.1.2二次離子質(zhì)譜290
11.1.3X射線光電子能譜295
11.1.4電子能量損失譜297
11.1.5掃描透射X射線顯微術(shù)298
11.1.6X射線近邊結(jié)構(gòu)譜299
11.1.7雜質(zhì)測(cè)量300
11.1.8俄歇電子能譜儀301
11.2形貌表征302
11.3材料晶體結(jié)構(gòu)表征308
11.3.1X射線衍射309
11.3.2擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)譜313
11.3.3中子衍射313
11.3.4核磁共振315
11.3.5球差校正掃描透射電鏡316
11.3.6Raman光譜研究晶體結(jié)構(gòu)317
11.4物質(zhì)官能團(tuán)的表征318
11.4.1拉曼散射光譜318
11.4.2紅外光譜319
11.4.3色譜技術(shù)320
11.5材料離子輸運(yùn)的觀察322
11.6材料微觀力學(xué)性質(zhì)324
11.7材料表面功函數(shù)325
11.8絕熱加速量熱儀在鋰電領(lǐng)域中的應(yīng)用325
11.9互聯(lián)互通惰性氣氛電池綜合分析平臺(tái)330
11.10其他實(shí)驗(yàn)技術(shù)333
11.11本章結(jié)語(yǔ)334
參考文獻(xiàn)334

第12章電化學(xué)測(cè)量方法345
12.1電化學(xué)測(cè)量概述346
12.1.1測(cè)量的基本內(nèi)容346
12.1.2測(cè)量電池的分類(lèi)及特點(diǎn)346
12.1.3參比電極的特性及分類(lèi)346
12.1.4研究電極的分類(lèi)及特性347
12.1.5電極過(guò)程347
12.1.6極化的類(lèi)型及影響因素348
12.2測(cè)量方法349
12.2.1穩(wěn)態(tài)測(cè)量349
12.2.2暫態(tài)測(cè)量349
12.3典型的測(cè)量方法及其在鋰電池中的應(yīng)用352
12.3.1鋰離子電池電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)及其測(cè)量方法352
12.3.2穩(wěn)態(tài)測(cè)量技術(shù)——線性電勢(shì)掃描伏安法353
12.3.3準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)測(cè)量技術(shù)——交流阻抗譜355
12.3.4暫態(tài)測(cè)量方法（Ⅰ）——電流階躍測(cè)量357
12.3.5暫態(tài)測(cè)量方法（Ⅱ）——電勢(shì)階躍測(cè)量361
12.3.6暫態(tài)測(cè)量方法（Ⅲ）——電位弛豫技術(shù)363
12.3.7不同電化學(xué)測(cè)量法的適用范圍與精準(zhǔn)性364
12.3.8影響電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)信息測(cè)量準(zhǔn)確性的基本因素370
12.4本章結(jié)語(yǔ)371
參考文獻(xiàn)372

第13章鋰二次電池材料的計(jì)算研究376
13.1原子尺度的模擬377
13.1.1基于密度泛函理論的性原理計(jì)算377
13.1.2分子動(dòng)力學(xué)387
13.1.3蒙特卡羅方法390
13.2介觀尺度的模擬393
13.2.1相場(chǎng)模型393
13.2.2分子力學(xué)394
13.3宏觀尺度的模擬395
13.3.1有限元方法介紹396
13.3.2有限元方法在鋰電池研究中的應(yīng)用396
13.4本章結(jié)語(yǔ)397
參考文獻(xiàn)398

第14章總結(jié)和展望401
14.1鋰離子電池中涉及的學(xué)科領(lǐng)域403
14.2鋰離子電池中基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題討論403
14.2.1固態(tài)電化學(xué)403
14.2.2復(fù)雜的構(gòu)效關(guān)系404
14.3鋰離子電池共性基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題研究難點(diǎn)405
14.3.1SEI膜405
14.3.2結(jié)構(gòu)演化 406
14.3.3多尺度復(fù)雜體系輸運(yùn)406
14.3.4材料表面反應(yīng)407
14.3.5高倍率問(wèn)題407
14.3.6正負(fù)極材料的電壓調(diào)控408
14.3.7電荷有序408
14.3.8離子在固體輸運(yùn)中的驅(qū)動(dòng)力409
14.3.9壽命預(yù)測(cè)與失效分析409
14.3.10材料的可控制備410
14.4鋰離子電池基礎(chǔ)研究發(fā)展趨勢(shì)討論410
14.4.1創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)410
14.4.2指標(biāo)驅(qū)動(dòng)412
14.4.3方法驅(qū)動(dòng)414
14.4.4需求驅(qū)動(dòng)416
14.5本章結(jié)語(yǔ)417
參考文獻(xiàn)418