铝电池原理与技术

目录 前言 第一部分 概述 第1章 铝电池简介 3 1.1 背景与发展需求 3 1.2 铝电池的发展历史 6 1.2.1 铝–空气电池发展历史 6 1.2.2 水系铝电池发展历史 6 1.2.3 非水系铝电池发展历史 7 1.3 铝电池的应用前景 9 参考文献 10 第二部分 铝--空气电池 第2章 铝--空气电池基础与原理 17 2.1 铝–空气电池概述 17 2.2 铝–空气电池结构与电化学 17 2.3 铝–空气电池性能与应用前景 19 参考文献 19 第3章 空气电极电化学过程21 3.1 空气电极类型与结构 21 3.1.1 空气电极类型 21 3.1.2 空气电极结构与设计 22 3.1.3 空气电极布局与结构 23 3.1.4 空气电极存在的问题 27 3.2 空气电极氧还原与析出过程 27 3.2.1 氧还原基本过程 28 3.2.2 氧析出基本过程 28 3.2.3 氧析出与还原过程的可能机理 293.3 空气电极催化剂材料 31 3.3.1 贵金属和合金催化剂(铂基催化剂) 31 3.3.2 碳基催化剂 32 3.3.3 金属氧化物催化剂 33 3.3.4 钙钛矿型氧化物催化剂 34 3.3.5 尖晶石型催化剂 35 3.3.6 金属大环化合物 36 参考文献 38 第4章 铝--空气电池用铝负极 41 4.1 二元合金负极.42 4.1.1 铝镓合金负极 43 4.1.2 铝铟合金负极 44 4.1.3 铝锡合金负极 45 4.1.4 其他二元合金负极 45 4.2 三元、四元和多组分铝负极 48 4.3 商业铝负极 52 4.4 铝负极材料加工制备 54 参考文献 60 第5章 电解质与添加剂 68 5.1 电解质 68 5.2 电解质添加剂 69 5.2.1 无机添加剂 69 5.2.2 有机添加剂 71 5.2.3 混合添加剂 74 5.3 电解液设计与配置 76 参考文献 78 第6章 铝--空气电池设计与制造 87 6.1 大功率储能铝–空气电池 87 6.1.1 大功率储能铝–空气电池系统 87 6.1.2 大功率储能铝–空气电池设计 89 6.1.3 铝–空气电池运行 91 6.2 可穿戴柔性铝–空气电池设计与组装 92 6.2.1 纸片柔性铝–空气电池 92 6.2.2 固态电解质柔性铝–空气电池 96 6.3 多功能组合铝–空气电池 101参考文献 102 第7章 二次铝--空气电池.106 7.1 电解液 106 7.1.1 离子液体电解液 106 7.1.2 固体电解质 112 7.2 空气电极氧还原与析出过程 115 7.3 空气电极催化材料 117 7.3.1 碳基催化材料 117 7.3.2 氧化物基催化材料 119 7.3.3 非氧化物基材料 123 7.3.4 金属–有机框架材料 124 参考文献 126 第8章 铝--空气电池未来挑战与展望 133 8.1 空气电极材料铝负极材料 133 8.2 空气电极材料 134 8.3 电解质添加剂 135 8.4 铝–空气电池系统及循环管理 135 第三部分 水系铝电池 第9章 水系铝电池基础与原理 139 9.1 水系铝电池工作原理139 9.1.1 嵌入/脱出机理 139 9.1.2 电化学转换机理 143 9.2 水系铝电池结构与组件 147 9.2.1 单一性铝盐电解液 149 9.2.2 含功能性添加剂的电解液 150 9.2.3 凝胶聚合物电解质 150 9.3 水系铝电池的应用前景 152 参考文献 153 第10章 水系铝电池电解质 157 10.1 水系铝电池电解质简介 157 10.2 电解质的热力学分析.159 10.3 液体电解质.161 10.3.1 碱性溶液电解质 16210.3.2 强酸性溶液电解质 163 10.4 凝胶聚合物电解质 174 参考文献 177 第11章 水系铝电池负极材料 180 11.1 水系铝电池负极材料简介 180 11.2 钝化膜与析氢反应 180 11.3 铝负极 181 11.3.1 离子液体预处理铝负极构建SEI膜 181 11.3.2 采用“盐包水”电解质构建SEI膜 184 11.4 铝合金材料 185 11.5 金属氧化物 186 11.5.1 TiO2 186 11.5.2 MoO3 191 11.5.3 其他氧化物 193 11.6 有机类材料 194 11.6.1 有机聚合物负极 194 11.6.2 有机小分子负极 195 参考文献 196 第12章 水系铝电池正极材料 199 12.1 水系铝电池正极材料简介 199 12.2 过渡金属氧化物 200 12.2.1 钒系电极材料 200 12.2.2 锰系电极材料 204 12.2.3 铋系电极材料 207 12.2.4 钨系电极材料 209 12.3 普鲁士类结构电极材料 212 12.3.1 CuHCF框架电极材料 213 12.3.2 FeFe(CN)6框架电极材料 215 12.3.3 六氰基铁酸镍钾(KNHCF)框架电极材料 219 12.3.4 六氰铁酸钴钾(K2CoFe(CN)6)框架电极材料 221 12.3.5 K2CuFe(CN)6框架电极材料 227 12.3.6 Na1.68Mn[Fe(CN)6] 1.7H2O(NMHCF)框架电极材料 230 12.3.7 Mn4[Fe(CN)6]2.88Δ0.29 11.8H2O 框架电极材料 232 12.4 碳材料 235 12.5 有机材料 23612.5.1 吩嗪有机正极材料 236 12.5.2 醌类有机材料 239 参考文献 241 第13章 水系铝电池未来挑战与展望 244 13.1 水系铝电池面临的挑战 244 13.1.1 材料层面 244 13.1.2 电解质方面 248 13.1.3 电池结构方面 250 13.2 水系铝电池的发展方向 252 13.2.1 铝电池实际评估与应用 252 13.2.2 未来发展预期 254 参考文献 255 第四部分 非水系铝电池 第14章 非水系铝电池基础与原理 261 14.1 非水系铝电池的电化学反应原理 261 14.1.1 嵌入/脱出机理 261 14.1.2 吸附/脱附机理 263 14.1.3 电化学转化机理 264 14.2 非水系铝电池的热力学与动力学 265 14.2.1 非水系铝电池热力学分析 265 14.2.2 非水系铝电池动力学分析 267 14.2.3 热力学和动力学理解 273 参考文献 274 第15章 非水系铝电池电解质 278 15.1 非水系铝电池电解质简介 278 15.2 非水系电解液物理化学性质 279 15.3 离子液体电解液 279 15.3.1 AlCl3/咪唑类离子液体 280 15.3.2 AlCl3/季铵盐类离子液体 282 15.3.3 AlCl3/吡啶类离子液体 284 15.3.4 其他新型常温电解液 285 15.4 熔融盐电解质 287 15.4.1 AlCl3基二元体系 28815.4.2 AlCl3基三元体系 290 15.4.3 AlCl3基四元体系 292 15.5 固态电解质 294 15.5.1 聚合物骨架的选择 296 15.5.2 增塑剂的影响 297 参考文献 310 第16章 非水系铝电池正极材料 315 16.1 非水系铝电池正极材料简介 315 16.2 碳材料 315 16.2.1 石墨纸 315 16.2.2 泡沫石墨 318 16.2.3 膨胀石墨 320 16.2.4 自然石墨 321 16.2.5 无定形碳转化石墨 322 16.2.6 石墨烯 324 16.2.7 碳纳米笼 327 16.2.8 碳纳米纤维 328 16.2.9 金属–有机框架化合物衍生多孔碳 329 16.2.10 多孔碳材料 330 16.3 氧化物 331 16.3.1 氧化钒 332 16.3.2 氧化钛 334 16.3.3 氧化钴 335 16.3.4 氧化锡 337 16.3.5 氧化铜 338 16.3.6 氧化锰 339 16.3.7 氧化钨 339 16.3.8 氧化碲 340 16.4 硫及硫化物 340 16.4.1 硫单质 340 16.4.2 硫化铁 341 16.4.3 硫化镍 342 16.4.4 硫化铜 344 16.4.5 硫化钒 344 16.4.6 硫化钼 34616.4.7 硫化钛 349 16.4.8 硫化锡 350 16.4.9 镍钴硫化物 351 16.5 硒及硒化物 353 16.5.1 硒正极材料 353 16.5.2 非水系硒化物正极材料 357 16.6 碲及碲化物 362 16.6.1 碲正极材料 362 16.6.2 过渡金属碲化物正极材料 366 16.7 锑单质 368 16.8 有机类材料 370 16.8.1 导电高分子 370 16.8.2 含C=O有机材料 376 16.8.3 含C≡N有机材料 379 16.8.4 其他有机材料 380 16.9 其他材料 381 16.9.1 金属有机骨架 381 16.9.2 硼化钴 383 16.9.3 磷及磷化物 384 16.9.4 氯化物 388 16.9.5 MXene 388 参考文献 389 第17章 非水系铝电池负极材料 397 17.1 非水系铝电池负极材料简介 397 17.2 铝负极腐蚀机理 398 17.2.1 钝化膜 399 17.2.2 腐蚀溶解 400 17.2.3 枝晶 402 17.3 碳基负极材料 402 17.3.1 石墨负极 402 17.3.2 碳布负极 404 17.3.3 氮掺杂碳棒阵列负极 406 17.4 其他负极材料 407 17.4.1 合金负极 407 17.4.2 液态金属镓负极 411参考文献 412 第18章 非水系铝电池非活性材料415 18.1 非水系铝电池非活性材料简介 415 18.2 集流体 415 18.2.1 金属集流体 416 18.2.2 碳质集流体 420 18.2.3 其他非金属集流体 422 18.3 黏结剂 424 18.3.1 PVDF 失活机理 424 18.3.2 其他黏结剂 426 18.4 隔膜 429 18.4.1 玻璃纤维隔膜 429 18.4.2 聚丙烯腈隔膜 429 18.4.3 CMK-3涂层改性隔膜 431 参考文献 432 第19章 非水系铝电池原位表征技术与模拟仿真 434 19.1 简介 434 19.2 原位成像技术 434 19.2.1 原位SEM 435 19.2.2 原位TEM 436 19.2.3 原位X射线层析成像技术 438 19.2.4 原位AFM 438 19.2.5 原位光学成像技术 440 19.3 原位光谱技术 442 19.3.1 原位 XRD 442 19.3.2 原位Raman 444 19.3.3 原位XPS 446 19.4 在线气体分析技术 447 19.5 第一性原理计算 449 19.6 模拟仿真在非水系铝电池中的应用 452 参考文献 455 第20章 非水系铝电池未来挑战与展望 457 20.1 非水系铝电池总结 457 20.2 非水系铝电池面临的挑战 457 20.2.1 材料层面 45720.2.2 电池