锂电池科学与技术

第1章能量储存和转化的基本要素

1.1能量储存能力/001

1.2不间断能量供应/002

1.3纳米储能/003

1.4储能/004

1.5电化学电池简要历史/006

1.5.1重要里程碑/006

1.5.2电池设计/007

1.6电池的重要参数/008

1.6.1基本参数/008

1.6.2循环寿命与日历寿命/011

1.6.3能量、容量和功率/012

1.7电化学系统/013

1.7.1电池组/013

1.7.2电致变色与智能窗/014

1.7.3超级电容器/015

1.8总结与评论/016

参考文献/016



第2章锂电池

2.1引言/019

2.2发展历史概述/020

2.3一次锂电池/022

2.3.1高温锂电池/022

2.3.2固态电解质锂电池/023

2.3.3液态正极锂电池/025

2.3.4固态正极锂电池/025

2.4二次锂电池/029

2.4.1锂-金属电池/029

2.4.2锂离子电池/031

2.4.3锂聚合物电池/035

2.4.4锂-硫电池/036

2.5锂电池经济/037

2.6电池模型/038

参考文献/039



第3章嵌入原理

3.1引言/045

3.2嵌入机理/046

3.3吉布斯相律/047

3.4典型嵌入反应/049

3.4.1完美的无化学计量比化合物：Ⅰ类电极材料/049

3.4.2准两相系统：Ⅱ类电极/051

3.4.3两相系统：Ⅲ型电极/051

3.4.4邻域：Ⅳ型电极/052

3.5插层化合物/052

3.5.1合成插层化合物/052

3.5.2碱金属插层化合物/053

3.6插层化合物的电子能量/054

3.7插层化合物高电压的产生原理/055

3.8锂离子电池正极材料/056

3.9相转化反应/058

3.10合金化反应/058

参考文献/059



第4章刚性能带理论模型应用于锂嵌入化合物的可靠性

4.1引言/062

4.2费米能级的演变/062

4.3TMDs的电子结构/064

4.4锂嵌入TiS2材料/066

4.5锂嵌入TaS2材料/068

4.6锂嵌入2H-MoS2材料/069

4.7锂嵌入WS2材料/071

4.8锂嵌入InSe材料/072

4.9过渡金属化合物的电化学性质/074

4.10总结与评论/075

参考文献/075



第5章二维正极材料

5.1引言/077

5.2二元层状氧化物/077

5.2.1MoO3/077

5.2.2V2O5/080

5.2.3LiV3O8/082

5.3三元层状氧化物/083

5.3.1LiCoO2(LCO)/084

5.3.2LiNiO2(LNO)/086

5.3.3LiNi1-yCoyO2(NCO)/087

5.3.4掺杂的LiCoO2(d-LCO)/089

5.3.5LiNi1-y-zCoyAlzO2(NCA)/091

5.3.6LiNi0.5Mn0.5O2(NMO)/092

5.3.7LiNi1-y-zMnyCozO2(NMC)/092

5.3.8Li2MnO3/095

5.3.9富锂层状化合物(LNMC)/097

5.3.10其他层状化合物/099

5.4总结与评论/099

参考文献/100



第6章单元素离子的三维框架正极材料

6.1引言/110

6.2二氧化锰/111

6.2.1MnO2/112

6.2.2锰基复合材料/112

6.2.3MnO2纳米棒/113

6.2.4水钠锰矿/115

6.3锂化二氧化锰/116

6.3.1Li0.33MnO2/116

6.3.2Li0.44MnO2/117

6.3.3LiMnO2/118

6.3.4LixNa0.5-xMnO2/119

6.4尖晶石锂锰氧化物/119

6.4.1LiMn2O4(LMO)/119

6.4.2锰酸锂表面修饰/123

6.4.3缺陷尖晶石/124

6.4.4锂掺杂尖晶石/124

6.55V尖晶石/126

6.6钒氧化物/128

6.6.1V6O13/128

6.6.2LiVO2/129

6.6.3VO2(B)/130

6.7总结与评论/130

参考文献/131



第7章聚阴离子正极材料

7.1引言/138

7.2合成路线/140

7.2.1固相法/140

7.2.2溶胶-凝胶法/141

7.2.3水热法/141

7.2.4共沉淀法/141

7.2.5微波合成/141

7.2.6多元醇与溶剂热过程/142

7.2.7微乳液/142

7.2.8喷雾技术/142

7.2.9模板法/142

7.2.10机械活化/143

7.3晶体化学/144

7.3.1橄榄石磷酸盐的结构/144

7.3.2诱导效应/146

7.4优化的LiFePO4粒子的结构与形貌/147

7.4.1磷酸铁锂的XRD谱/147

7.4.2优化的磷酸铁锂的形貌/148

7.4.3局域结构与晶格动力学/148

7.5磁性和电子特性/150

7.5.1本征磁性/150

7.5.2γ-Fe2O3杂质的影响/151

7.5.3Fe2P 杂质的影响/152

7.5.4磁极性效应/154

7.6碳包覆层/157

7.6.1碳层的表征/157

7.6.2碳层质量/158

7.7化学计量比偏差的影响/160

7.8LFP颗粒暴露于水中的老化/161

7.8.1水浸LFP颗粒/162

7.8.2长期暴露于水中的LFP颗粒/163

7.9LFP的电化学性能/163

7.9.1循环性能/163

7.9.2电化学特性与温度/164

7.104V正极LiMnPO4/166

7.11聚阴离子高电压正极材料/167

7.11.1橄榄石材料的合成/168

7.11.25V正极材料LiNiPO4/168

7.11.35V正极材料LiCoPO4/168

7.12NASICON类型化合物/170

7.13聚阴离子硅酸盐Li2MSiO4(M=Fe，Mn，Co)/171

7.14总结和展望/173

参考文献/174



第8章氟代聚阴离子化合物

8.1引言/185

8.2聚阴离子型化合物/185

8.3氟代聚阴离子/187

8.3.1氟掺杂LiFePO4/187

8.3.2LiVPO4F/188

8.3.3LiMPO4F(M=Fe，Ti)/190

8.3.4Li2FePO4F(M=Fe，Co，Ni)/191

8.3.5Li2MPO4F(M=Co，Ni)/191

8.3.6Na3V2(PO4)2F3混合离子正极材料/192

8.3.7其他氟磷酸盐/193

8.4氟硫酸盐/193

8.4.1LiFeSO4F/194

8.4.2LiMSO4F(M=Co，Ni，Mn)/195

8.5总结与评论/196

参考文献/197



第9章无序化合物

9.1引言/203

9.2无序MoS2/204

9.3水合MoO3/206

9.4MoO3薄膜/207

9.5无序钒氧化物/211

9.6LiCoO2薄膜/213

9.7无序LiMn2O4/214

9.8无序LiNiVO4/216

参考文献/217



第10章锂离子电池负极

10.1引言/221

10.2碳基负极/223

10.2.1硬碳/223

10.2.2软碳/223

10.2.3碳纳米管/224

10.2.4石墨烯/225

10.2.5表面修饰碳材料/226

10.3硅负极/226

10.3.1Si薄膜/228

10.3.2Si纳米线/228

10.3.3多孔Si/230

10.3.4多孔纳米管/纳米线与纳米颗粒/232

10.3.5纳米结构Si包覆及SEI稳定性/233

10.4锗/234

10.5锡和铅/235

10.6具有插层-脱嵌反应的氧化物/236

10.6.1TiO2/236

10.6.2Li4Ti5O12/242

10.6.3Ti-Nb氧化物/246

10.7基于合金化与去合金化反应的氧化物/246

10.7.1Si氧化物/246

10.7.2GeO2和锗酸盐/248

10.7.3Sn氧化物/248

10.8基于转化反应的负极/252

10.8.1CoO/253

10.8.2NiO/254

10.8.3CuO/257

10.8.4MnO/258

10.8.5尖晶石结构氧化物/260

10.8.6具有刚玉结构的氧化物:M2O3(M=Fe,Cr,Mn)/264

10.8.7二氧化物/266

10.9尖晶石结构三元金属氧化物/267

10.9.1钼化合物/267

10.9.2青铜型氧化物/268

10.9.3Mn2Mo3O8/269

10.10基于合金和转化反应的负极/269

10.10.1ZnCo2O4/269

10.10.2ZnFe2O4/270

10.11总结与评论/271

参考文献/272



第11章锂电池电解质与隔膜

11.1引言/300

11.2理想电解质的性质/300

11.2.1电解质的组成/301

11.2.2溶剂/301

11.2.3溶质/302

11.2.4包含离子液体的电解质/303

11.2.5聚合物电解质/305

11.3锂电池中电极-电解质界面钝化现象/306

11.4现有商业化电解质体系存在的问题/307

11.4.1不可逆容量损失/307

11.4.2使用温度范围/308

11.4.3热失控：安全与危害/308

11.4.4离子传输能力的提升/308

11.5电解质设计/308

11.5.1SEI膜的控制/309

11.5.2锂盐的安全问题/309

11.5.3过充保护/311

11.5.4阻燃剂/311

11.6隔膜/313

11.7总结/315

参考文献/315



第12章储能纳米技术

12.1引言/322

12.2纳米材料的合成方法/323

12.2.1湿化学法/323

12.2.2模板合成法/327

12.2.3喷雾热解法/327

12.2.4水热法/328

12.2.5喷射研磨/330

12.3无序表面层/331

12.3.1一般注意事项/331

12.3.2LiFePO4纳米颗粒的无序层/332

12.3.3LiMO2层状化合物的无序层/334

12.4纳米颗粒的电化学性能/336

12.5纳米功能材料/337

12.5.1WO3纳米复合材料/337

12.5.2WO3纳米棒/338

12.5.3WO3纳米粉末和纳米膜/338

12.5.4Li2MnO3岩盐纳米结构/339

12.5.5NCA材料中的铝掺杂效应/339

12.5.6MnO2纳米棒/340

12.5.7MoO3纳米纤维/341

12.6总结与评论/342

参考文献/343



第13章试验技术

13.1引言/348

13.2理论/348

13.3嵌入参数的测量/349

13.3.1电化学电势谱/349

13.3.2间歇恒电流电位滴定法/351

13.3.3电化学阻抗谱/353

13.4应用：MoO3电极的动力学研究/354

13.4.1MoO3晶体/354

13.4.2MoO3薄膜/354

13.5递增容量分析法（ICA）/355

13.5.1简介/355

13.5.2半电池的递增容量分析法/357

13.5.3全电池的ICA和DVA法/361

13.6固相传输测量技术/362

13.6.1电阻率测量/362

13.6.2霍尔效应测试法/362

13.6.3范德华测试技术/363

13.6.4光学性质测试/364

13.6.5离子电导率测定：复合阻抗技术/367

13.7磁性质测试在正极材料固体化学中的应用/370

13.7.1LiNiO2/370

13.7.2LiNi1-yCoyO2/371

13.7.3硼掺杂的LiCoO2/373

13.7.4LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2/375

参考文献/375



第14章锂离子电池安全性

14.1引言/379

14.2实验与方法/380

14.2.1扣式电池制备/380

14.2.2差示扫描量热仪（DSC）/380

14.2.3商业18650电池实验/380

14.3LiFePO4-石墨电池的安全性/382

14.4使用离子液体的锂离子电池/388

14.4.1不同电解液中石墨负极性能/388

14.4.2不同电解液中LiFePO4正极性能/390

14.5表面修饰/391

14.5.1能量示意图/392

14.5.2层状电极的表面包覆/393

14.5.3尖晶石电极的表面修饰/394

14.6总结与评论/395

参考文献/396



第15章锂离子电池技术

15.1容量/400

15.2负极/正极容量比/400

15.3电极载量/401

15.4衰降/401

15.4.1晶体结构破坏 /401

15.4.2SEI 膜讨论/402

15.4.3正极基团迁移 /402

15.4.4腐蚀/402

15.5制造与包装/402

15.5.1步骤 1：电极活性材料颗粒的制备/402

15.5.2步骤 2: 电极叠片的制备/404

15.5.3装配过程/407

15.5.4化成过程/408

15.5.5充电器/408

参考文献/409



缩略词