锂电池基础科学

第1章化学储能电池理论能量密度的估算1 1.1能量密度的计算公式3 1.2不同电池能量密度的比较6 1.3采用不同负极的锂离子电池能量密度8 1.4电池的实际能量密度10 1.5电池与电极材料的电压12 1.6电极材料的理论容量13 1.7本章结语15 参考文献16 第2章电池材料缺陷化学17 2.1锂离子电池材料中常见的缺陷形态17 2.2缺陷产生的基础19 2.3电极材料中的缺陷21 2.3.1TiO2中嵌锂过程21 2.3.2FePO4/LiFePO4电极22 2.4本章结语27 参考文献28 第3章相、相变与相图31 3.1相31 3.2相变32 3.2.1相变的热力学描述32 3.2.2合成制备中的相变研究32 3.2.3电解质中的相变38 3.2.4电极材料脱嵌锂过程中的相变46 3.3相图61 3.3.1相图与相律61 3.3.2典型材料的相图62 3.4相图的计算66 3.4.1CALPHAD66 3.4.2性原理计算66 3.4.3相图的高通量计算68 3.5相、相变与相图的实验研究方法70 3.6本章结语72 参考文献73 第4章电池界面问题84 4.1锂离子电池界面问题84 4.2SEI膜结构及生长机理86 4.3SEI膜表征手段89 4.3.1SEI膜形貌89 4.3.2SEI膜的组成分析92 4.3.3SEI膜热电化学稳定性94 4.3.4SEI膜力学特性及覆盖度分析95 4.3.5锂离子在SEI膜中的输运98 4.3.6SEI膜的动态生长过程99 4.4界面改性101 4.5本章结语104 参考文献105 第5章离子在固体中的输运109 5.1离子输运的相关参数110 5.2离子在晶格内的输运机制115 5.3离子在晶界处的输运机制118 5.4无序态与电导率122 5.5锂离子在电极材料中的输运124 5.5.1锂离子在正极材料中的输运124 5.5.2锂离子在负极材料中的输运127 5.6锂离子在固体电解质中的输运128 5.7离子在电极/固体电解质界面131 5.7.1固体电解质/负极与混合输运132 5.7.2固体电解质/正极与空间电荷层133 5.8影响离子输运的因素134 5.9实验表征方法135 5.9.1晶体结构与锂原子占位136 5.9.2锂扩散通道138 5.9.3电导率和扩散系数138 5.9.4全频电导分析141 5.10本章结语142 参考文献144 第6章锂离子电池正极材料154 6.1正极材料概述154 6.2典型的锂离子电池正极材料155 6.2.1六方层状结构LiCoO2正极材料156 6.2.2立方尖晶石结构LiMn2O4正极材料158 6.2.3正交橄榄石结构LiFePO4材料159 6.3其他正极材料159 6.3.1层状结构正极材料160 6.3.2高电压尖晶石结构正极材料162 6.3.3聚阴离子类正极材料163 6.3.4基于相转变反应的正极材料164 6.3.5有机正极材料165 6.4本章结语165 参考文献166 第7章负极材料173 7.1典型的锂离子电池负极材料174 7.1.1层状石墨类负极材料175 7.1.2立方尖晶石结构Li4Ti5O12负极材料177 7.2小批量应用的负极材料178 7.2.1硬碳负极材料178 7.2.2软碳负极材料179 7.2.3高容量硅负极材料180 7.2.4SnMC合金负极材料183 7.3其他负极材料184 7.3.1其他合金类负极材料184 7.3.2LiVO2层状负极材料185 7.3.3过渡金属氧化物负极材料185 7.4负极材料的基础科学问题小结187 7.5本章结语188 参考文献189 第8章非水液体电解质材料199 8.1液态电解质的性质199 8.1.1离子电导率199 8.1.2离子迁移数200 8.1.3电化学窗口201 8.1.4黏度201 8.2液态电解质在锂离子电池中的反应202 8.2.1负极表面形成SEI膜的反应202 8.2.2与正极之间的反应203 8.2.3过充反应203 8.2.4受热反应204 8.3溶剂、锂盐和添加剂204 8.3.1溶剂205 8.3.2锂盐207 8.3.3添加剂212 8.4离子液体电解质213 8.5凝胶聚合物电解质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本章结语216 参考文献217 第9章全固态锂离子电池227 9.1全固态锂离子电池概述228 9.2固体电解质材料230 9.2.1无机固体电解质231 9.2.2聚合物固体电解质243 9.2.3聚合物复合电解质244 9.3高通量计算在固体电解质材料筛选中的应用245 9.4全固态锂电池的界面问题248 9.4.1固态电解质/正极界面248 9.4.2固态电解质/金属锂负极界面249 9.5全固态锂电池性能参数251 9.6本章结语252 参考文献253 第10章锂空气电池与锂硫电池261 10.1锂空气电池261 10.1.1锂空气电池基本工作原理261 10.1.2锂空气电池组成265 10.1.3锂空气电池中的科学问题273 10.1.4其他锂空气电池体系274 10.2锂硫电池275 10.2.1锂硫电池基本工作原理275 10.2.2锂硫电池存在的基本问题276 10.3本章结语277 参考文献278 第11章表征方法286 11.1元素成分及价态288 11.1.1电感耦合等离子体289 11.1.2二次离子质谱290 11.1.3X射线光电子能谱295 11.1.4电子能量损失谱297 11.1.5扫描透射X射线显微术298 11.1.6X射线近边结构谱299 11.1.7杂质测量300 11.1.8俄歇电子能谱仪301 11.2形貌表征302 11.3材料晶体结构表征308 11.3.1X射线衍射309 11.3.2扩展X射线吸收精细谱313 11.3.3中子衍射313 11.3.4核磁共振315 11.3.5球差校正扫描透射电镜316 11.3.6Raman光谱研究晶体结构317 11.4物质官能团的表征318 11.4.1拉曼散射光谱318 11.4.2红外光谱319 11.4.3色谱技术320 11.5材料离子输运的观察322 11.6材料微观力学性质324 11.7材料表面功函数325 11.8绝热加速量热仪在锂电领域中的应用325 11.9互联互通惰性气氛电池综合分析平台330 11.10其他实验技术333 11.11本章结语334 参考文献334 第12章电化学测量方法345 12.1电化学测量概述346 12.1.1测量的基本内容346 12.1.2测量电池的分类及特点346 12.1.3参比电极的特性及分类346 12.1.4研究电极的分类及特性347 12.1.5电极过程347 12.1.6极化的类型及影响因素348 12.2测量方法349 12.2.1稳态测量349 12.2.2暂态测量349 12.3典型的测量方法及其在锂电池中的应用352 12.3.1锂离子电池电极过程动力学及其测量方法352 12.3.2稳态测量技术——线性电势扫描伏安法353 12.3.3准稳态测量技术——交流阻抗谱355 12.3.4暂态测量方法（Ⅰ）——电流阶跃测量357 12.3.5暂态测量方法（Ⅱ）——电势阶跃测量361 12.3.6暂态测量方法（Ⅲ）——电位弛豫技术363 12.3.7不同电化学测量法的适用范围与精准性364 12.3.8影响电极过程动力学信息测量准确性的基本因素370 12.4本章结语371 参考文献372 第13章锂二次电池材料的计算研究376 13.1原子尺度的模拟377 13.1.1基于密度泛函理论的性原理计算377 13.1.2分子动力学387 13.1.3蒙特卡罗方法390 13.2介观尺度的模拟393 13.2.1相场模型393 13.2.2分子力学394 13.3宏观尺度的模拟395 13.3.1有限元方法介绍396 13.3.2有限元方法在锂电池研究中的应用396 13.4本章结语397 参考文献398 第14章总结和展望401 14.1锂离子电池中涉及的学科领域403 14.2锂离子电池中基础科学问题讨论403 14.2.1固态电化学403 14.2.2复杂的构效关系404 14.3锂离子电池共性基础科学问题研究难点405 14.3.1SEI膜405 14.3.2结构演化 406 14.3.3多尺度复杂体系输运406 14.3.4材料表面反应407 14.3.5高倍率问题407 14.3.6正负极材料的电压调控408 14.3.7电荷有序408 14.3.8离子在固体输运中的驱动力409 14.3.9寿命预测与失效分析409 14.3.10材料的可控制备410 14.4锂离子电池基础研究发展趋势讨论410 14.4.1创新驱动410 14.4.2指标驱动412 14.4.3方法驱动414 14.4.4需求驱动416 14.5本章结语417 参考文献418