二次电池电极材料结构调控原理与应用

目录 前言 第1章 二次电池发展概要 1 1.1 引言 1 1.2 主要电池体系与研发进展 2 1.2.1 锂离子电池 4 1.2.2 钠离子电池 15 1.2.3 水系锌离子电池 23 1.3 本章小结 29 参考文献 30 第2章 电极材料基础理论 35 2.1 引言 35 2.2 主要电极材料与结构演变 35 2.3 电极材料基础理论 38 2.3.1 电池理论容量及其计算 38 2.3.2 固态电子理论基础 41 2.3.3 固体热力学理论 47 2.3.4 离子扩散与晶体学理论 50 2.3.5 固体晶体场理论 57 2.4 本章小结 60 参考文献 61 第3章 电极材料的体相结构与电化学特征 64 3.1 引言 64 3.2 层状结构电极材料 64 3.2.1 锂离子间隙层状材料 64 3.2.2 锂离子三元正极材料 69 3.2.3 钠离子间隙层状材料 71 3.2.4 钒基系列层状材料 73 3.2.5 碳类材料 76 3.3 通道结构电极材料 80 3.3.1 锰基系列通道型材料 80 3.3.2 钒基系列通道型材料 88 3.3.3 普鲁士蓝类似物 93 3.4 骨架结构电极材料 95 3.4.1 尖晶石型λ-MnO2 95 3.4.2 尖晶石型LiM2O4 98 3.4.3 橄榄石型LiMPO4 99 3.4.4 NASCION结构化合物 100 3.4.5 氟磷酸盐和焦磷酸盐 103 3.5 本章小结 107 参考文献 108 第4章 电极材料微纳结构调控原理 113 4.1 引言 113 4.2 电极材料体相结构的调控 114 4.2.1 离子掺杂与电极材料 114 4.2.2 空位调控与电极材料 118 4.2.3 复相结构构筑与电极材料调控 120 4.3 形貌调控与电极材料 123 4.3.1 零维结构与材料性能的调控 123 4.3.2 一维结构与材料性能的调控 124 4.3.3 二维结构与材料性能的调控 128 4.3.4 三维结构与材料性能的调控 129 4.3.5 MOFs类结构与材料性能的调控 132 4.4 电极材料表界面包覆改性的调控 137 4.4.1 氧化物包覆 137 4.4.2 非氧化物包覆 139 4.4.3 导电有机聚合物包覆 140 4.4.4 碳包覆 142 4.4.5 石墨烯包覆 143 4.5 本章小结 145 参考文献 145 第5章 电极材料的制备方法 150 5.1 引言 150 5.2 主要制备方法 152 5.2.1 固相反应合成法 152 5.2.2 溶胶-凝胶法 155 5.2.3 水热法 158 5.2.4 模板法 160 5.2.5 喷雾热解法 162 5.2.6 静电纺丝法 164 5.2.7 化学气相沉积法 167 5.2.8 3D打印法 167 5.2.9 沉淀法 170 5.3 本章小结 171 参考文献 171 第6章 电极材料主要表征方法 174 6.1 引言 174 6.2 电极材料制备相关的理化表征技术 174 6.2.1 基于质量守恒和能量守恒原理的综合热分析 174 6.2.2 基于物质化学键合特征的光谱分析 175 6.3 电极材料微结构相关的物理表征技术 190 6.3.1 X射线衍射分析 190 6.3.2 扫描电子显微镜分析 192 6.3.3 透射电子显微镜分析 195 6.3.4 原子力显微镜分析 198 6.4 电池材料的电化学表征 199 6.4.1 充放电测试 199 6.4.2 循环伏安测试 202 6.4.3 赝电容计算 203 6.4.4 交流阻抗测试 204 6.4.5 恒电流(电压)间歇滴定测试 207 6.5 本章小结 209 参考文献 210 第7章 锂离子电池用磷酸盐基正极新材料 213 7.1 融熔烃辅助固相法制备8LiFePO4？Li3V2(PO4)3/C复合新材料 213 7.1.1 概要 213 7.1.2 材料制备 213 7.1.3 合成材料结构的评价表征技术 214 7.1.4 合成材料的结构分析与评价表征结果与讨论 215 7.1.5 电化学性能与动力学分析的评价表征技术与方法 218 7.1.6 电化学性能与动力学分析的评价表征结果与讨论 219 7.1.7 小结 224 7.2 三维结构LiMnPO4？Li3V2(PO4)3/C复合新材料 225 7.2.1 概要 225 7.2.2 材料制备 225 7.2.3 合成材料结构的评价表征技术 225 7.2.4 合成材料结构分析评价表征的结果与讨论 226 7.2.5 电化学性能与动力学分析评价表征技术 230 7.2.6 电化学性能与动力学分析的评价表征结果与讨论 231 7.2.7 小结 236 7.3 碳胶囊封装LiMnxFe1–xPO4复合新材料 237 7.3.1 概要 237 7.3.2 材料制备 237 7.3.3 合成材料结构的评价表征技术 238 7.3.4 合成材料结构分析与评价表征结果与讨论 238 7.3.5 电化学性能与动力学分析表征技术与方法 246 7.3.6 电化学性能与动力学分析表征的结果与讨论 247 7.3.7 小结 250 参考文献 250 第8章 锂离子电池用钒基正极新材料 253 8.1 超薄超大V2O5片状纳米新材料 253 8.1.1 概要 253 8.1.2 材料制备 253 8.1.3 合成材料结构的评价表征技术 254 8.1.4 合成材料结构分析评价表征与结果分析讨论 254 8.1.5 电化学性能与动力学分析评价表征技术 259 8.1.6 电化学性能与动力学分析评价表征结果与讨论 259 8.1.7 小结 262 8.2 纳米条带复合有序组装K0.25V2O5新材料 262 8.2.1 概要 262 8.2.2 材料制备 263 8.2.3 合成材料结构的评价表征技术 263 8.2.4 合成材料结构分析与评价表征与结果分析讨论 263 8.2.5 电化学性能与动力学分析的评价表征技术 267 8.2.6 电化学性能与动力学分析的评价表征结果与讨论 267 8.2.7 小结 272 8.3 钒酸盐三维气凝胶新材料 273 8.3.1 概要 273 8.3.2 材料制备 273 8.3.3 合成材料结构的评价表征技术 273 8.3.4 合成材料结构分析的评价表征与结果分析讨论 274 8.3.5 电化学性能与动力学分析评价表征 277 8.3.6 电化学性能与动力学分析的评价表征结果与讨论 278 8.3.7 小结 284 参考文献 285 第9章 锂离子电池用MOFs衍生复合新材料 288 9.1 叶片状三维纳米阵列氧化物MOFs复合新材料 288 9.1.1 概要 288 9.1.2 材料制备 288 9.1.3 合成材料结构的评价表征技术 288 9.1.4 合成材料结构分析评价表征结果与分析讨论 289 9.1.5 电化学性能与动力学分析技术 294 9.1.6 电化学性能与动力学分析结果与讨论 295 9.1.7 小结 299 9.2 八面体状Cu2S(Se)@C复合新材料 299 9.2.1 概要 299 9.2.2 材料制备 300 9.2.3 合成材料结构的评价表征技术 300 9.2.4 合成材料结构的分析与评价表征结果与讨论分析 300 9.2.5 电化学性能与动力学分析技术 304 9.2.6 电化学性能与动力学分析结果与讨论 304 9.2.7 小结 306 9.3 MOFs正十二面体状V2O5@C复合新材料 306 9.3.1 概要 306 9.3.2 材料制备 307 9.3.3 合成材料结构的评价表征技术 308 9.3.4 合成材料结构的分析评价表征结果与分析 308 9.3.5 电化学性能与动力学分析技术和方法 315 9.3.6 电化学性能与动力学分析结果与讨论 316 9.3.7 小结 321 参考文献 321 第10章 钠离子电池用磷酸盐基正极新材料 325 10.1 类三维石墨烯笼封装Na3V2(PO4)3纳米片组装新材料 325 10.1.1 概要 325 10.1.2 材料制备 326 10.1.3 合成材料结构的评价表征技术 326 10.1.4 合成材料结构的评价表征结果与分析讨论 327 10.1.5 电化学性能与动力学分析技术和方法 333 10.1.6 电化学性能与动力学分析结果与讨论 334 10.1.7 小结 341 10.2 纳米片组装Na3V2(PO4)3/C分级微球新材料 342 10.2.1 概要 342 10.2.2 材料制备 342 10.2.3 合成材料结构的评价表征技术 343 10.2.4 合成材料结构的评价表征结果与分析讨论 343 10.2.5 电化学性能与动力学分析技术和方法 352 10.2.6 电化学性能与动力学分析结果与讨论 352 10.2.7 小结 361 10.3 三维石墨烯包覆微立方体状Na3V2(PO4)2F3复合新材料 361 10.3.1 概要 361 10.3.2 材料制备 362 10.3.3 合成材料结构的评价表征技术 363 10.3.4 合成材料结构的评价表征结果与分析讨论 363 10.3.5 电化学性能评价表征与动力学分析技术 368 10.3.6 电化学性能评价表征与动力学分析结果与讨论 368 10.3.7 小结 376 参考文献 376 第11章 钠离子电池用MOFs组装两相复合新材料 380 11.1 氧缺陷调MOFs组装Co3O4/ZnO片状纳米新材料 380 11.1.1 概要 380 11.1.2 材料制备 380 11.1.3 合成材料结构的评价表征技术 381 11.1.4 合成材料结构评价表征结果与分析讨论 381 11.1.5 电化学性能测试与动力学分析 387 11.1.6 CV、充放电、倍率充放电测试结果与分析 387 11.1.7 小结 389 11.2 中空氮掺杂碳包覆MOFs组装Co9S8/ZnS纳米片复合新材料 389 11.2.1 概要 389 11.2.2 材料制备 391 11.2.3 合成材料结构的评价表征技术 391 11.2.4 合成材料结构的形成与评价表征结果和分析讨论 391 11.2.5 电化学性能与动力学分析表征 396 11.2.6 电化学性能与动力学分析表征结果与讨论 396 11.2.7 小结 405 11.3 相界增效CoSe2/ZnSe纳米片复合新材料 405 11.3.1 概要 405 11.3.2 材料制备 406 11.3.3 合成材料结构的评价表征技术 406 11.3.4 合成材料结构的评价表征结果与分析讨论 407 11.3.5 电化学性能与动力学分析技术 409 11.3.6 电化学性能与动力学分析结果与讨论 410 11.3.7 小结 417 参考文献 417 第12章 水系锌离子电池用锰基正极新材料 419 12.1 离子掺杂和氧缺陷调控K0.8Mn8O16棒状纳米新材料 419 12.1.1 概要 419 12.1.2 材料制备 419 12.1.3 合成材料结构的评价表征技术 420 12.1.4 合成材料结构评价表征结果与分析讨论 420 12.1.5 电化学性能与动力学分析技术和方法 423 12.1.6 电化学性能与动力学分析结果与讨论 424 12.1.7 小结 433 12.2 电化学诱导锰缺陷MnO