电池材料——合成、表征与应用

随着社会经济的发展，人们对能源的需求持续增长。传统化石能源的大量消耗引起全球气温升高、环境恶化等问题，威胁人类的生存。在这种形势下，2020年9月，我国正式向联合国大会宣布，努力在2060年前实现碳中和并采取更有力的政策和措施在2030年之前达到排放峰值。碳中和时代的到来，意味着人类社会生产力深刻的变革，将给各行各业带来深层次的影响。伴随着新能源科技的创新发展，一场以清洁能源替代化石能源的革命正加速到来，能源转化和存储是新能源发展的核心，也是实现碳中和目标的有效手段。锂离子电池作为一种高效的储能器件，因具有能量密度/功率密度高与循环寿命长等特点，在消费电子和通信领域已经得到广泛应用，也是未来电动汽车和混合电动汽车的首选电源。近几十年来，世界各国的科研人员对锂离子电池及其相关材料的研究方兴未艾，并获得了系列重要研究进展。2019年，诺贝尔化学奖授予John Goodenough、Stanley Whittingham和吉野彰(Akira Yoshino)，以表彰他们对锂离子电池研究方面的贡献。在提高现有锂离子电池性能的同时，发展储量丰富且安全性能好的可充水系锂离子、钠离子、锌离子电池是新型储能电池的重要发展方向。可充二次电池主要由正极材料、负极材料、电解液和隔膜四部分组成。众所周知，影响电池性能的核心是关键电池材料的开发与应用。
为了推动我国电池行业的发展，有助于高校、企业的研发，我们编写了《电池材料——合成、表征与应用》一书。全书包括五章，从电池材料的合成、表征及性能调控三个方面来阐述电池材料的基础与应用。重点叙述了电池材料的制备方法、结构、表征与分析方法；然后阐述电池材料在锂离子电池和水系二次电池中的应用。笔者已有多年从事电化学与化学电源的教学、科研和技术转化方面的丰富经验，在二次储能电池材料的结构设计、表征与性能调控方面积累了丰富的经验。根据自身的体会以及参考大量国内外相关文献，编写了本书。本书旨在为广大读者系统地介绍储能电池关键材料的合成、表征方法及应用的进展，并通过部分实例进行阐明分析。本书适合作为高等院校能源、材料、化工和冶金等相关学科的本科生和研究生教材，也适合新能源材料领域的工程技术人员、科研人员和管理人员参考。
张桥保(厦门大学) 负责编写第1、2章以及第4章部分内容；马汝广(中科院上海硅酸盐研究所)负责编写第1章大部分内容；吴贤文(吉首大学) 负责编写第2章部分内容和第5章内容；陆敬予【哈尔滨工业大学(深圳)】负责编写第3章内容；伊廷锋(东北大学) 参与编写第4章部分内容。全书由张桥保统一修改定稿。本书的研究工作和编写得到了国家自然科学基金(基金号：52072323、52122211、52064013、U1960107) 的资助以及厦门大学材料学院和吉首大学化学国家级实验教学示范中心的大力支持，在此表示感谢。同时对给予本书启示和参考的文献作者予以致谢，特别感谢四川大学刘慰研究员、山东科技大学刘瑞老师、吉首大学李佑稷和向延鸿老师，他们对本书的编写给予了极大帮助。
电池材料的合成、表征和应用涉及面广，由于编者水平有限，书中难免有不足之处，敬请专家和读者批评指正。

编者
2021年9月

张桥保，厦门大学材料学院教授，博士生导师，南强青年拔尖A类人才，嘉庚创新实验室荣誉研究员，国家自然科学基金优秀青年科学基金获得者。主要从事二次电池关键电极材料的设计优化及其储能过程中的构效关系解析的基础科学和应用研究。2014 年以来共发表SCI学术论文120 余篇，总引7800余次，ESI高引21篇，H 因子46。迄今以第一或通讯作者 (含共同) 在Chem. Soc. Rev., Prog. Mater. Sci., Adv. Mater., Nat. Commun., Energy Environ. Sci., Mater. Today, Adv. Energy. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Coord. Chem. Rev., Sci. Bull.,等重要学术期刊上发表论文70余篇，两篇入选2019年度 “中国百篇最具影响国际学术论文” 。现担任Chin. Chem. Lett., 副主编，J. Energy Chem., IJMMM 和储能科学与技术编委, Rare Metals 学术编辑，InfoMat、Nano Research、 SmartMat、Rare Metals和物理化学学报青年编委及专刊客座编辑及中国颗粒学会青年理事。曾获2020中国新锐科技人物卓越影响奖，J. Mater. Chem. A.期刊 新锐研究者奖, 第十四届福建省自然科学优秀论文二等奖和厦门大学德贞社会课堂基金优秀指导教师奖等奖项。

二次电池作为重要的能源存储器件，在如今社会生活中发挥着不可替代的作用，而决定电池性能的就是电池材料，尤其是电极材料。本书从电池材料的制备、表征和性能调控三方面介绍电池材料的设计、制造与应用，重点叙述了锂离子电池和水系二次电池所用材料的成分、结构、制备与表征等内容。
本书适宜从事电池开发的技术人员和相关专业师生使用，也可供汽车、机械、材料等相关专业的技术人员参考。

第1章绪论1
1.1电池概述1
1.1.1锌锰电池2
1.1.2铅酸电池4
1.1.3镍氢电池4
1.1.4锂离子电池5
1.1.5水系二次电池7
1.1.6其他电池7
1.2电池及电池材料研究现状及发展趋势8

第2章电池材料制备方法10
2.1固相法10
2.1.1高温固相合成法12
2.1.2自蔓延高温合成法14
2.1.3高能球磨法17
2.2液相法19
2.2.1沉淀法20
2.2.2水热法22
2.2.3溶剂热法29
2.2.4溶胶凝胶法32
2.2.5微乳液法37
2.2.6微波合成法40
2.2.7模板法43
2.2.8喷雾法48
2.2.9静电纺丝法52
2.3气相法58
2.3.1物理气相沉积法59
2.3.2化学气相沉积法61
参考文献67

第3章电池性能测试与材料表征技术71
3.1电化学性能测试71
3.1.1充放电性能测试72
3.1.2电化学阻抗谱76
3.1.3伏安测试77
3.2显微分析80
3.2.1光学显微镜80
3.2.2扫描电子显微镜83
3.2.3双束显微镜87
3.2.4透射电子显微镜88
3.2.5原子力显微镜113
3.3X射线表征分析118
3.3.1X射线衍射119
3.3.2X射线光电子能谱122
3.3.3近边结构X射线吸收光谱128
3.3.4X射线成像130
3.4波谱分析134
3.4.1拉曼光谱分析134
3.4.2核磁共振分析142
3.5总结与展望146
参考文献148

第4章锂离子电池材料154
4.1锂离子电池概述154
4.1.1锂离子电池工作原理155
4.1.2锂离子电池组成156
4.1.3锂离子电池的优缺点158
4.1.4锂离子电池对电极材料的要求159
4.2正极材料161
4.2.1层状结构正极材料161
4.2.2尖晶石结构正极材料171
4.2.3聚阴离子型正极材料174
4.2.4其他类型正极材料185
4.3负极材料191
4.3.1嵌入型负极材料191
4.3.2合金型负极材料197
4.3.3转化型负极材料209
4.3.4锂金属负极215
4.4电解质材料218
4.4.1有机液体电解质218
4.4.2聚合物电解质230
4.4.3凝胶电解质233
4.4.4无机固态电解质237
4.5隔膜材料241
4.5.1锂离子电池隔膜材料的种类242
4.5.2锂离子电池隔膜存在的问题246
4.5.3锂离子电池隔膜的改性技术248
4.5.4锂离子电池隔膜发展趋势254
参考文献255

第5章水系二次电池材料272
5.1水系二次电池发展现状272
5.2水系锂离子电池材料275
5.2.1水系锂离子电池正极材料275
5.2.2水系锂离子电池负极材料277
5.3水系钠离子电池材料280
5.3.1水系钠离子电池正极材料281
5.3.2水系钠离子电池负极材料284
5.4混合水系电池正极材料287
5.5水系锌离子电池正极材料288
5.5.1水系锌离子电池锰基正极材料290
5.5.2水系锌离子电池钒基正极材料309
5.6锌基水系电池负极材料研究进展333
5.6.1锌负极面临的挑战333
5.6.2锌负极优化策略336
参考文献348