储能材料——基础与应用

地球上的资源不是取之不尽、用之不竭的，大力发展新能源是21世纪全人类关注的焦点。然而，太阳能、风能、潮汐能等在时间和空间上具有不连续性，如果要把这些不间断的能量智能并网输出，需要各种能量储存的装置，如锂离子电池、钠离子电池、水系电池和全钒液流电池等二次充电电池。众所周知，影响电池性能的核心是关键材料的开发与应用。因此，本书从材料的角度阐述储能材料的基础与应用。

 本书共分7章，重点介绍储能材料的制备方法、储能材料的表征与分析方法，然后阐述储能材料在锂离子电池、钠离子电池、水系电池以及全钒液流电池中的应用。本书旨在系统地介绍储能领域的基本理论以及关键材料的合成方法及技术进展，并通过部分实例进行阐明分析。本书适合作为高等院校能源、材料、化工、环境和冶金等相关学科的本科和研究生教材，也适合从事新能源材料领域的工程技术人员、科研人员和管理人员参考。

 本书由吴贤文、向延鸿主编，李佑稷、吴显明、何章兴任副主编，伍建华、申永强等参加编写。其中，吴贤文负责编写第1章、第6章以及第3章的部分内容；李佑稷、吴显明负责编写第3章的部分内容；向延鸿负责编写第2章和第4章的部分内容；伍建华负责编写第4章的部分内容；申永强负责编写第5章；何章兴负责编写第7章。此外，吉首大学彭清静、张帆、丁雷、高峰、陈上、邹晓勇、华骏等老师对本书的编写给予了极大帮助。在本书编写过程中，还得到了湖南省2011计划锰锌钒产业技术协同创新中心、吉首大学化学*实验教学示范中心、学校和职能部门的领导以及相关专家的大力支持，在此一并表示感谢。

 由于编者水平有限，书中难免有不足之处，敬请广大读者批评指正。

 编者

 2019年1月

本书主要介绍了储能材料的制备方法，储能材料的表征与分析方法，以及储能材料在锂离子电池、钠离子电池、水系电池和全钒液流电池中的应用。材料制备和分析测试方法结合了国内现有的设备，储能材料在电池中的应用结合了“锰锌钒产业技术湖南省2011协同创新中心”科研团队研究方向的特色，如在锰基锂离子电池、锌基水系电池等方面的研究，并采用部分实际问题做案例。本书旨在为广大读者系统地介绍储能领域的基本理论以及关键材料的合成方法和技术进展，并通过部分实例进行阐明分析。

 本书可作为普通高等院校能源、材料、化工、环境和冶金等相关学科本科生和研究生的入门教材，也可供材料工作者参考。

第1章绪论

 1.1储能材料制备、表征与分析方法概述001

 1.2储能材料的任务及面临的问题002

 1.3储能材料发展现状002

 参考文献004

 第2章储能材料制备方法概述

 2.1固相法005

 2.1.1高温固相合成法006

 2.1.2自蔓延高温合成法007

 2.1.3高能球磨法008

 2.2液相法010

 2.2.1沉淀法011

 2.2.2水热法013

 2.2.3溶剂热法017

 2.2.4溶胶-凝胶法019

 2.2.5微乳液法022

 2.2.6微波合成法023

 2.2.7模板法026

 2.2.8喷雾法027

 2.2.9静电纺丝法029

 2.3气相法031

 2.3.1溅射法031

 2.3.2化学气相沉积法032

 2.4其他合成方法039

 2.4.1超声化学合成法039

 2.4.2电化学法041

 2.4.3超声电化学法的原理与特点041

 参考文献042

 第3章储能材料表征与分析

 3.1成分分析043

 3.1.1化学分析043

 3.1.2原子吸收光谱分析044

 3.1.3电感耦合等离子体原子发射光谱分析044

 3.1.4X射线光电子能谱分析046

 3.1.5X射线荧光光谱分析050

 3.2结构分析052

 3.2.1X射线衍射分析052

 3.2.2傅里叶红外光谱分析058

 3.2.3拉曼光谱分析062

 3.3形貌分析067

 3.3.1扫描电子显微镜分析067

 3.3.2透射电子显微镜分析074

 3.4粒度分析087

 3.5热分析088

 3.5.1热分析概述088

 3.5.2热重分析089

 3.5.3差热分析法090

 3.5.4示差扫描量热法092

 3.6电化学性能测试095

 3.6.1循环伏安测试095

 3.6.2交流阻抗测试096

 参考文献097

 第4章锂离子电池材料

 4.1锂离子电池概述098

 4.1.1锂离子电池的工作原理099

 4.1.2锂离子电池的组成099

 4.1.3锂离子电池的优缺点100

 4.2正极材料100

 4.2.1层状结构正极材料101

 4.2.2尖晶石结构正极材料108

 4.2.3聚阴离子型正极材料112

 4.2.4其他类型正极材料117

 4.3负极材料117

 4.3.1嵌入型负极材料117

 4.3.2合金化负极材料121

 4.3.3转换型负极材料122

 4.4电解质材料123

 4.4.1有机液体电解质124

 4.4.2聚合物电解质127

 4.4.3凝胶电解质131

 4.4.4无机固体电解质131

 4.5隔膜材料132

 4.5.1锂离子电池隔膜材料的种类132

 4.5.2锂离子电池隔膜的改性技术134

 4.5.3锂离子电池隔膜发展趋势134

 参考文献135

 第5章钠离子电池材料

 5.1钠离子电池概述138

 5.1.1钠离子电池的结构138

 5.1.2钠离子电池的工作原理139

 5.2钠离子电池正极材料140

 5.2.1层状过渡金属氧化物钠离子电池正极材料140

 5.2.2聚阴离子型钠离子电池正极材料141

 5.2.3铁基氟化物正极材料142

 5.2.4其他钠离子电池正极材料144

 5.3钠离子电池负极材料144

 5.3.1碳基负极材料144

 5.3.2合金负极材料145

 5.3.3氧化物与硫化物负极材料146

 5.3.4钛基氧化物负极材料146

 参考文献147

 第6章水系电池材料

 6.1水系电池的发展及现状148

 6.2水系锂离子电池150

 6.2.1水系锂离子电池正极材料150

 6.2.2水系锂离子电池负极材料151

 6.3水系钠离子电池154

 6.3.1水系钠离子电池正极材料154

 6.3.2水系钠离子电池负极材料157

 6.4水系锌离子电池158

 6.4.1水系锌离子电池负极材料159

 6.4.2水系锌离子电池正极材料161

 6.5混合水系电池164

 参考文献165

 第7章全钒液流电池

 7.1全钒液流电池概述166

 7.1.1全钒液流电池的结构及工作原理167

 7.1.2全钒液流电池的特点168

 7.1.3全钒液流电池的应用169

 7.2全钒液流电池的研究进展169

 7.2.1全钒液流电池国内的研究进展169

 7.2.2全钒液流电池国外的研究进展170

 7.3电解液171

 7.3.1电解液的制备172

 7.3.2电解液分析方法173

 7.3.3电解液优化方法173

 7.4电极材料175

 7.4.1金属类电极175

 7.4.2碳素类电极175

 7.4.3复合高分子电极178

 7.5隔膜179

 7.5.1含氟膜179

 7.5.2非氟离子交换膜181

 参考文献183

 

能量转换与储存技术是一种新型节能技术，受到国内外越来越多的关注。储能是节能技术的重要手段之一，在日常生活和工业生产中日益发挥重要的作用。储能材料是利用物质发生物理或者化学变化来储存能量的功能性材料，它所储存的能量可以是电能、机械能、化学能和热能，也可以是其他形式的能量。本书在介绍国内外储能材料制备方法、表征与分析方法的基础上，结合当今世界储能材料领域的研究现状，概述了储能材料面临的主要任务和研究进展，阐明了材料在锂离子电池、钠离子电池、水系电池和全钒液流电池的中的应用。 

 本书作者为锰锌钒产业技术协同创新中心的核心成员。本书力求基础知识与应用前沿相结合，内容较为全面，涉及当前储能材料的关键问题与热点问题，有助于我国储能技术和材料行业的发展。