锂电池科学与技术

译者前言《锂电池科学与技术》（Lithium Batteries Science and Technology）是由法国和加拿大科学家Christian Julien 、Alain Mauger、 Ashok Vijh 、Karim Zaghib共同编写的锂电池专著。该书全面总结了锂电池基础理论、关键材料、电池技术的研究成果。特别是对各种正负极材料、电池工艺进行了详尽介绍。《锂电池科学与技术》共15章，涉及能量储存和转化的基本要素、锂电池、嵌入原理、刚性能带理论模型应用于锂嵌入化合物的可靠性、二维正极材料、单元素离子的三维框架正极材料、聚阴离子正极材料、氟代聚阴离子化合物、无序化合物、锂离子电池负极、锂电池电解质与隔膜、储能纳米技术、试验技术、锂离子电池安全性、锂离子电池技术等内容，具有全面、具体、新颖、实用的特点。译者相信本书可以成为我国从事锂电池研究、生产、应用的各类科技与专业人员的一部极具价值的参考书；同时，本书也可作为各类高校、研究院所从事电化学及材料学相关专业师生的有益参考书。中国电子科技集团公司第十八研究所作为全国的电池专业研究所承担了本书的翻译工作。参加本书翻译和审校的专家与科技人员有：刘兴江、王松蕊、卢志威、宗军、许寒、郁济敏、李杨等。同时，中国电子科技集团公司第十八研究所和化学与物理电源行业协会对该书的编撰与出版提供了有力支持。在此谨向参与本书翻译和相关工作的专家与科技人员表示衷心感谢；向支持本项工作的领导和同事表示衷心感谢。由于译者水平和时间所限，本书难免有不当之处，欢迎读者批评指正。刘兴江2017年10月前言充电电池储能在近二十年来成为被关注的焦点，基于互联网的移动电子设备(如笔记本电脑、手机、平板电脑、数码相机等)都离不开储能电池。电池的重要性日益突显，已广泛应用在电动工具、便携电子设备、远程医疗和远程教学以及实时通信领域。如今，能源与环境问题备受重视，混合电动汽车和纯电动汽车已有取代化石燃料汽车之势，储能电池被推到解决能源与环境问题的首要位置，起到关键性作用。在这样的背景下，储能电池的研究、开发和商业化应用焕发出了巨大活力，不断推出更高效、更耐用的电池，并想方设法提高电池比能量和比功率。电池行业尤其是锂电池行业发表论文和申请专利的数量巨大，这一研究领域的火热程度可见一斑。电池行业每年召开很多座谈会和研讨会，近几年出版了大量书籍，这些书籍基本上都是由行业内的技术人员编写而成。那么，为什么还要出版本书呢？，现代锂离子电池的主要研发中心之一是Hydro-Québec研究所，本书的作者就是在这里工作。第二，以前的书基本上都是由电池研究人员编写的；本文的作者有其他学科的研究背景，可以从多个不同角度来看待这一领域：Christian Julien和Alain Mauger从事电池材料方面的固态物理学研究；Ashok Vijh是界面电化学专家，可以从新的角度提出不同观点；Karim Zaghib是电化学工程师，熟悉电池技术，经验丰富。第三，电池在陆地运输甚至在航空运输中起火的事情还没有引起科学界的足够重视，至少没有引起选择和使用锂电池的汽车与飞机制造商的重视。现在很多书籍的作者从不同技术角度探讨安全性问题，但通常公司的管理人员和采购人员对这些文章不感兴趣。本书关于安全问题的论述不完全从技术角度出发，而是更多地关注使用者的感受。第四，近几年来，纳米技术的研究取得了很大进步，人工合成多孔纳米粒子，制备含有如石墨烯、碳纳米管或导电涂层的复合纳米粒子。这些技术还有升级的空间，我们希望在不久的将来还能够开发出下一代锂离子电池。希望读者在阅读本书之后有所启发，能够在这一领域继续研究和探讨，这也是出版本书的目的。后，本书中还突出了材料方面的内容，包括粒子团和界面性质。本文的作者相信，无论是过去还是未来，电池研发技术的提升要以电池材料基础理化研究为基础。在这方面，John Goodenough先生作出了卓越的贡献。法国，巴黎 克里斯汀·朱利恩法国，巴黎 艾伦·玛格加拿大，魁北克 阿肖克·维志加拿大，魁北克 卡里姆·扎赫伯

本书总结了锂电池基础理论、关键材料、电池技术的研究成果，特别是对各种锂电池正负极材料、电池工艺进行了详尽介绍。全书共分为15章，涉及能量储存和转化的基本要素、锂电池、嵌入原理、刚性能带理论模型应用于锂嵌入化合物的可靠性、二维正极材料、单元素离子的三维框架正极材料、聚阴离子正极材料、氟代聚阴离子化合物、无序化合物、锂离子电池负极、锂电池电解质与隔膜、储能纳米技术、试验技术、锂离子电池安全性、锂离子电池技术等内容。本书具有全面、具体、新颖、实用的特点，可以作为我国从事锂电池研究、生产、应用的各类科技与专业人员的一部极具价值的参考书，也可以作为各类高校、研究院所从事电化学及材料学相关专业师生的有益参考书。

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.