锂离子电池材料解析

自从锂离子电池出现以来，因为其能量密度高、输出电压高、循环寿命长、自放电慢等优点从而广泛应用于小型可移动电子设备，例如手机、笔记本电脑、相机等。这些可移动电子设备的应用已经大幅度改变了人们传统的交流方式。在当今的社会发展过程中，随着对电池能量密度要求的不断提高，电池技术也不断发生变革，从开始的基于液体电解质的锂离子电池，到目前使用的基于聚合物电解质的锂离子电池，再到未来的理想化的全固态锂离子电池。
由于化石能源的快速消耗，环境问题的日益严重，人们赋予了锂离子电池新的使命——作为汽车的能源。由于电池技术的不断革新，目前多家汽车公司均已推出了纯电动汽车，如比亚迪、北汽新能源、特斯拉等。这些电动汽车可以基本满足人们的日常生活需求。
目前世界各国都从政策上和资金上大力支持当地电动汽车的发展。在我国，政府不仅提供大量的资金支持，还采取相应的鼓励政策，激励高等院校与研究机构、企业共同研发新一代锂离子电池，争取早日突破技术瓶颈，达到水平。
基于锂离子电池在当今社会中的重要作用，总结电池各个组成部分的发展过程、了解技术革新、把握电池技术的核心问题显得尤为重要。本书正是基于这个需求，总结了过去几十年锂离子电池的技术发展轨迹，并介绍了目前的发展状况与未来的技术方向。
本书主要可以分为三部分：正极材料的发展（第2 章）；负极材料的发展（第3 章）；电解质的发展（第4～7 章）。此外还包括锂电池概论（第1 章）和锂离子电池中的隔膜和粘结剂（第8 章）。其中值得一提的是电解质的发展，因为电解质相比于电极材料发展较为缓慢，目前已经成为制约锂电池（锂离子电池）发展的重要因素。因此本书着重分类介绍了锂离子电解质的发展过程，从液体电解质IV锂离子电池材料解析（第4 章）、聚合物电解质（第5 章）、单离子导体电解质（第6 章）到无机陶瓷电解质（第7 章）。希望本书可以帮助读者了解目前锂离子电池电解质发展的现状以及未来的趋势。
本书能够得以出版，首先要特别感谢我的合作导师程寒松教授给予我的支持与帮助，感谢他支持我全身心地投入写作。其次我的夫人也在本书的撰写过程中帮忙搜集资料并默默支持，在此对她表示真诚的感谢。此外，本书参考了大量的国内外期刊文献以及专利等，在此向所有文献作者和专利发明者表示感谢。
由于本人学术水平有限，书中难免存在一些遗漏和错误，敬请广大读者批评指正。
中国地质大学（武汉）徐国栋2018 年3 月

《锂离子电池材料解析》主要介绍了锂离子电池的基本原理，正极材料（氧化钴锂，氧化镍锂，氧化锰锂，磷酸亚铁锂，三元材料，钒氧化物，有机正极和硫正极）、负极材料（碳材料，合金材料和金属锂）、电解质（液体电解质，固体聚合物电解质，凝胶聚合物电解质，复合聚合物电解质，单离子聚合物电解质以及无机陶瓷电解质）和隔膜与粘结剂材料。其中在负极材料和电解质部分穿插了部分关于电极与电解质界面稳定性的内容。全书主要基于正极，负极和电解质三个方面的国内外的新研究成果，特别是热点内容，思路清晰明了，易于阅读。

前言
第1 章 锂电池概论 1
1.1 概述 1
1.2 锂电池发展简介 1
1.3 锂离子电池的基本构成 2
1.4 表征电池性能的重要参数 3
1.4.1 电池的电动势（E） 3
1.4.2 电池的理论容量（Q） 4
1.4.3 电池的能量 4
1.4.4 电池的功率 5
1.4.5 库仑效率（电流效率） 5
1.4.6 电池的寿命以及自放电与储存性能 5
第2 章 正极材料 6
2.1 层状结构正极（LiMO2） 6
2.1.1 LiCoO2 7
2.1.2 LiNiO2 13
2.1.3 LiMnO2 18
2.1.4 其他层状金属氧化物 23
2.2 尖晶石结构正极（LiM2O4） 23
2.2.1 LiMn2O4 24
2.2.2 其他尖晶石结构的氧化物正极 31
2.3 基于多聚阴离子的正极 31
2.4 橄榄石结构的正极（LiMPO4） 32
2.4.1 LiFePO4 33
2.4.2 LiMnPO4 和LiCoPO4 35
2.5 三元复合正极电极材料 36
2.6 钒氧化物正极 40
2.6.1 α-V2O5 40
2.6.2 Li1 xV3O8 44
2.7 有机正极材料 45
2.7.1 共轭羰基化合物 46
2.7.2 自由基聚合物 50
2.7.3 导电聚合物 52
2.7.4 有机硫正极 53
2.8 无机硫正极 55
2.8.1 单质硫的氧化还原反应机理 55
2.8.2 碳/硫复合电极 56
2.8.3 硫/导电聚合物复合材料 61
2.8.4 硫/金属氧化物或金属硫化物复合材料 62
2.8.5 多硫化物正极 64
第3 章 负极材料 66
3.1 插层类化合物 68
3.1.1 碳材料 68
3.1.2 二氧化钛 76
3.2 合金类材料 77
3.2.1 Si 78
3.2.2 SiO 79
3.2.3 Ge 81
3.2.4 SnO2 82
3.3 转换型材料 84
3.3.1 FeOx 84
3.3.2 CoOx 85
3.3.3 ZnO 86
3.3.4 MPx 87
3.3.5 MSx 和MNx 89
3.4 金属锂 90
3.4.1 锂枝晶的形成与生长 90
3.4.2 原位形成稳定的SEI 层 94
3.4.3 非原位表面包覆 98
第4 章 液体电解质 107
4.1 液体电解质简介 108
4.2 溶剂 108
4.2.1 碳酸丙二酯（PC） 110
4.2.2 醚类电解质 111
4.2.3 碳酸乙二酯（EC） 111
VII
目 录
4.2.4 线性碳酸酯 112
4.3 锂盐 113
4.3.1 LiClO4 114
4.3.2 LiAsF6 115
4.3.3 LiBF4 115
4.3.4 LiTf 116
4.3.5 LiIm 117
4.3.6 LiPF6 118
4.4 电解液的液态范围 120
4.5 离子传导特性 123
4.6 电解质在惰性电极表面的电化学稳定性 128
4.6.1 锂盐阴离子稳定性 129
4.6.2 溶剂的稳定性 130
4.7 电解质在活性电极表面的电化学稳定性 131
4.7.1 锂负极的钝化 131
4.7.2 碳负极的钝化 134
4.8 高温下电解质的长期稳定性 142
4.9 新电解质体系 145
4.9.1 电解质面临的问题 145
4.9.2 功能化电解质：添加剂 146
4.9.3 新电解质组分 154
第5 章 聚合物电解质 165
5.1 固体聚合物电解质 165
5.1.1 聚合物电解质的相结构 166
5.1.2 聚合物电解质的离子传导机理 167
5.1.3 基于PEO 169
5.2 凝胶聚合物电解质 187
5.2.1 凝胶聚合物电解质的增塑剂 187
5.2.2 增塑剂的改性 188
5.2.3 基于PEO 191
5.2.4 基于PAN 193
5.2.5 基于PMMA 196
5.2.6 基于PVC 197
5.2.7 基于PVDF 197
5.3 复合聚合物电解质 199
VIII
锂离子电池材料解析
第6 章 单离子导体电解质 207
6.1 基于聚合物的单离子导体电解质 207
6.1.1 羧酸盐 208
6.1.2 磺酸盐 210
6.1.3 磺酰亚胺盐 212
6.1.4 硼酸盐 214
6.1.5 其他阴离子 216
6.2 基于有机无机混合材料的单离子导体电解质 217
6.3 基于阴离子受体的单离子导体电解质 218
第7 章 无机陶瓷电解质 220
7.1 固态中离子传导的基础 220
7.2 离子传导的机理和性质 221
7.3 固体电解质 222
7.3.1 LISICON 型 222
7.3.2 硫银锗矿 225
7.3.3 NASICON 型 225
7.3.4 石榴石 227
7.3.5 钙钛矿 228
7.4 结构改性 228
7.4.1 通过取代调节晶格体积 228
7.4.2 通过机械张力调节晶格体积 229
第8 章 隔膜与粘结剂 230
8.1 隔膜 230
8.1.1 隔膜的类别 230
8.1.2 隔膜的性能 230
8.1.3 隔膜性能的评价 231
8.1.4 电池隔膜的制造技术 235
8.2 粘结剂 236
8.2.1 粘结剂的分类 236
8.2.2 适合锂离子使用的粘结剂 237
8.2.3 聚偏二氟乙烯（PVdF）粘结剂 238
参考文献 241

《锂离子电池材料解析》主要介绍了锂离子电池的基本原理，正极材料（氧化钴锂，氧化镍锂，氧化锰锂，磷酸亚铁锂，三元材料，钒氧化物，有机正极和硫正极）、负极材料（碳材料，合金材料和金属锂）、电解质（液体电解质，固体聚合物电解质，凝胶聚合物电解质，复合聚合物电解质，单离子聚合物电解质以及无机陶瓷电解质）和隔膜与粘结剂材料。其中在负极材料和电解质部分穿插了部分关于电极与电解质界面稳定性的内容。全书主要基于正极，负极和电解质三个方面的国内外的新研究成果，特别是热点内容，思路清晰明了，易于阅读。

1.《锂离子电池材料解析》汇总了电池正极、负极和电解质的近的一些研究成果，尤其是电解质部分。
2.《锂离子电池材料解析》从材料上更全面地介绍了电池的电极和电解质材料，可以供锂离子电池研究人员和相关研究生参考。