本书为“高性能高分子材料丛书”之一。电池作为一种典型的电化学储能器件，受到广泛关注和重点研究。本书结合材料科学基础和电化学原理，系统阐述了离子电池、超级电容器、空气电池、燃料电池、固态电池等各类电池的正负极材料特征及其电化学响应。对电解液及隔膜材料等重要内容也进行了详细的描述。另外，本书关注能源电池工程应用技术，考虑了影响能源电池工作性能的因素、电池组的设计及已有的电池标准。本书分为电池材料制备、表征及电化学行为，高性能电池电极材料，高性能电池电解质及隔膜材料，电池性能预测评价及应用技术四大部分。最大的特色是将能源电池的基础知识、基本原理及最新的科研成果相结合，特别强调近十年来该领域的学术贡献。
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总序
前言
第一篇 电池材料制备、表征及电化学行为
第1章 电池材料发展历史及研究现状 3
1.1 电池材料的发展历史 3
1.2 电池材料的研究现状 5
参考文献 15
第2章 纳米电池材料制备技术 17
2.1 纳米电池材料 17
2.1.1 零维纳米材料 17
2.1.2 一维纳米材料 19
2.1.3 二维纳米材料 22
2.1.4 多孔材料 27
2.1.5 核壳结构材料 28
2.2 纳米电池材料的制备原理 30
2.2.1 化学反应原理简介 30
2.2.2 零维纳米材料制备原理 33
2.2.3 一维纳米材料制备原理 38
2.2.4 二维纳米材料制备原理 41
2.2.5 纳米颗粒的形貌控制 43
2.3 纳米电池材料制备技术简介 48
2.3.1 化学法制备纳米电池材料 48
2.3.2 物理法制备纳米电池材料 54
参考文献 58
第3章 电池材料表征方法 63
3.1 电池材料微结构的表征方法 63
3.1.1 晶体学基础 63
3.1.2 X射线衍射 73
3.1.3 电子衍射 78
3.2 电池材料微观形貌的表征方法 83
3.2.1 电子显微镜 83
3.2.2 探针类显微镜 95
3.3 电池材料微观成分的表征方法 103
3.3.1 电子探针显微分析 103
3.3.2 X射线荧光光谱 111
3.3.3 俄歇电子能谱 114
3.3.4 X射线光电子能谱 119
3.3.5 电子能量损失谱 125
3.4 电池材料的光谱分析 129
3.4.1 红外光谱 129
3.4.2 拉曼光谱 132
3.5 物理吸附仪 135
3.5.1 吸附 135
3.5.2 物理吸附仪的测量原理 136
3.5.3 测试结果分析 137
参考文献 141
第4章 电池材料电化学行为 143
4.1 电化学的相及界面 143
4.1.1 构成界面的两相 143
4.1.2 电极/溶液界面 144
4.2 电极反应 147
4.2.1 电极电势 147
4.2.2 可逆电极反应与不可逆电极反应 151
4.2.3 电极电势对电化学反应活化能的影响 153
4.2.4 电极电势对电极反应速率的影响 155
4.2.5 浓差极化对电极反应速率的影响 158
4.2.6 双电层结构对电极反应速率的影响 159
4.3 二次电池电化学 161
4.3.1 二次电池概述 161
4.3.2 二次电池的主要参数 162
4.4 纳米能源材料的电化学测试 166
4.4.1 稳态测试 166
4.4.2 非稳态测试 172
参考文献 180
第二篇 高性能电池电极材料
第5章 离子电池电极材料 185
5.1 概述 185
5.2 离子电池的原理 187
5.2.1 离子电池的组成与分类 187
5.2.2 离子电池的性能及特点 188
5.2.3 离子电池中的热力学及动力学 195
5.3 正极材料 211
5.3.1 过渡金属氧化物正极材料 212
5.3.2 聚阴离子型正极材料 220
5.4 负极材料 223
5.4.1 嵌入型负极材料 223
5.4.2 合金型负极材料 228
5.4.3 转化型负极材料 235
5.5 锂/钠-硫电池正极材料 243
5.5.1 锂/钠-硫电池的储能机理 243
5.5.2 锂/钠-硫电池正极材料的瓶颈问题 244
5.5.3 锂/钠-硫电池正极材料的优化研究 247
5.6 研究实例：锂离子电池负极材料金属硫化物的制备及研究 251
参考文献 264
第6章 空气电池电极材料 273
6.1 概述 273
6.2 空气电池的组成及电化学机理 274
6.2.1 金属阳极 275
6.2.2 电解液 280
6.3 空气电池的空气阴极 281
6.3.1 空气阴极的结构特点 281
6.3.2 空气阴极存在的问题 283
6.3.3 空气阴极典型的催化剂 284
6.4 锂-空气电池 297
6.4.1 锂-空气电池的工作原理及结构 297
6.4.2 锂-空气电池的优点及存在的问题 301
6.4.3 锂-空气电池的电化学过程 303
6.4.4 研究实例：锂-空气电池电极催化剂过渡金属碳化物催化活性预测及实验验证 310
参考文献 318
第7章 超级电容器电极材料 323
7.1 概述 323
7.2 超级电容器的发展历史 323
7.3 超级电容器的基本概念 325
7.3.1 电容与电势能 325
7.3.2 电压窗口 327
7.3.3 等效串联电阻和漏电电阻 328
7.3.4 能量密度和功率密度 329
7.3.5 Ragone图：能量密度和功率密度的关系 332
7.4 超级电容器的机理及分类 333
7.4.1 超级电容器的特性 333
7.4.2 双电层电容器 334
7.4.3 赝电容电容器 344
7.4.4 混合型电容器 347
7.5 超级电容器的组成 349
7.5.1 电极材料 349
7.5.2 研究实例：N、O共掺杂多孔网络材料的设计及其对电容器电性能的影响分析 354
参考文献 357
第8章 燃料电池电极材料 363
8.1 概述 363
8.2 燃料电池的分类、结构及工作原理 366
8.2.1 燃料电池的分类 366
8.2.2 燃料电池的结构及工作原理 374
8.3 燃料电池电极反应热力学与动力学 381
8.3.1 电极反应热力学 381
8.3.2 电极反应动力学 387
8.4 燃料电池催化剂 396
8.4.1 阳极催化剂 396
8.4.2 阴极催化剂 397
8.4.3 研究实例：碱性电解液中甲烷浓度对碳膜氧还原性能的影响 400
参考文献 407
第9章 固态电池电极材料 412
9.1 概述 412
9.2 固态电池的结构及分类 413
9.2.1 固态电池的结构 413
9.2.2 固态电池的分类 413
9.3 固态电池的电极反应及传质机理 418
9.3.1 固态电池的电极反应 418
9.3.2 固态电池的传质机理 419
9.4 固态电池的电极材料 436
9.4.1 负极材料 436
9.4.2 正极材料 438
9.5 固态电池的电解质材料 440
9.5.1 无机固态电解质 441
9.5.2 聚合物固态电解质 457
9.6 固态电池的电极/电解质界面 463
9.6.1 正极/电解质界面 464
9.6.2 负极/电解质界面 467
参考文献 469
第三篇 高性能电池电解质及隔膜材料
第10章 高性能锂离子电池电解质 477
10.1 液态电解液的特点与表征 478
10.1.1 电解液的稳定性 478
10.1.2 离子电导率 479
10.1.3 黏度 480
10.1.4 溶剂的介电常数 480
10.1.5 溶剂的熔点和沸点 481
10.2 电解液与负极界面 481
10.2.1 负极界面概述 481
10.2.2 负极界面化学 482
10.2.3 负极界面膜的形成 483
10.2.4 负极界面膜的特点 485
10.3 电解液与正极界面 487
10.3.1 正极界面概述 487
10.3.2 正极界面化学 488
10.3.3 电解液的氧化分解与CEI膜 489
10.4 正负极界面的相互作用 489
10.5 液态电解质溶剂 490
10.5.1 有机溶剂 490
10.5.2 碳酸酯类溶剂 491
10.5.3 羧酸酯类和内酯类溶剂 492
10.5.4 醚类溶剂 493
10.5.5 砜类溶剂 495
10.5.6 腈类溶剂 496
10.5.7 含磷溶剂 496
10.6 液态电解质锂盐 498
10.6.1 常规锂盐 499
10.6.2 含硫锂盐 500
10.6.3 硼酸锂盐 503
10.7 液态电解质添加剂 506
10.7.1 负极成膜添加剂 506
10.7.2 锂负极保护添加剂 509
10.7.3 正极添加剂 510
10.7.4 抗过充添加剂 512
10.7.5 阻燃添加剂 514
10.8 研究实例：高电压锂离子电池电极电解液界面构筑 515
参考文献 520
第11章 高性能电池隔膜材料 531
11.1 概述 531
11.2 高分子材料学基础 531
11.2.1 影响高分子材料的因素 532
11.2.2 高分子成型过程的影响 541
11.3 隔膜参数及测试方法 549
11.3.1 隔膜参数 549
11.3.2 测试方法 551
11.4 电池隔膜材料 552
11.4.1 聚丙烯 552
11.4.2 聚乙烯 558
11.4.3 其他高分子材料 563
11.5 电池隔膜制备工艺 564
11.5.1 干法拉伸工艺 564
11.5.2 湿法拉伸工艺 567
11.5.3 直拉蒸发工艺 569
11.5.4 静电纺丝工艺 570
参考文献 570
第四篇 电池性能预测评价及应用技术
第12章 电极材料的性能预测与评价 577
12.1 概述 577
12.2 第一性原理理论与计算方法 577
12.2.1 薛定谔方程和两个基本近似 579
12.2.2 密度泛函理论 581
12.2.3 交换关联泛函 584
12.2.4 第一性原理计算方法 588
12.2.5 随机行走模型 592
12.2.6 常用软件包介绍 601
12.3 电极材料结构模拟及性能评价 602
12.3.1 电极材料的结构评价及电子设计 602
12.3.2 热力学性能的预测与评价 607
12.3.3 动力学性能的预测与评价 608
12.3.4 研究实例 610
参考文献 631
第13章 高性能电池应用技术 637
13.1 概述 637
13.2 传统能源器件 637
13.2.1 传统电池 637
13.2.2 锂离子电池 644
13.2.3 超级电容器 656
13.2.4 燃料电池 668
13.3 先进能源器件 679
13.3.1 柔性可穿戴电池 679
13.3.2 生物电池 680
13.3.3 军用电池 682
参考文献 682
主要符号说明 685
关键词索引 688
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