储能材料与器件

第1章绪论1

1．1储能的方式介绍1

1．1．1物理储能1

1．1．2化学储能2

1．1．3氢能存储3

1．2化学储能电池的发展历史和未来趋势4

1．3化学电源的分类及应用领域7

1．3．1化学电源的分类7

1．3．2化学电源的应用7

1．4化学电源相关的基本概念7

1．4．1电池内阻7

1．4．2开路电压和工作电压7

1．4．3电池容量8

1．4．4电池的能量9

1．4．5电池的功率9

1．4．6储存性能和自放电10

1．4．7电池寿命10

1．5电池常见的测试方法11

1．5．1电池容量的测定11

1．5．2电池寿命及检测技术12

1．5．3电池内阻、内压的测定12

1．5．4安全性能的测试13

1．6电池常见问题与分析14

1．6．1过放电14

1．6．2过充电15

1．6．3短路15

1．6．4内阻偏大16

1．6．5电池爆炸16

1．7电池的成本16

习题17

第2章铅酸蓄电池18

2．1铅酸蓄电池概述18

2．2铅酸蓄电池基本原理18

2．2．1铅酸电极电池反应19

2．2．2铅酸蓄电池正极19

2．2．3铅酸蓄电池负极20

2．2．4铅酸蓄电池电解液21

2．3铅酸蓄电池失效机制与解决方法21

2．3．1正极失效机制21

2．3．2负极失效机制22

2．3．3超级铅酸蓄电池23

2．4铅酸蓄电池制造与工艺24

2．5铅酸蓄电池展望26

习题26

第3章锂离子电池27

3．1锂离子电池工作原理27

3．2锂离子电池的电化学性能29

3．3锂离子电池正极材料30

3．3．1理想的锂离子电池正极材料特点30

3．3．2正极材料的分类30

3．3．3钴酸锂正极材料31

3．3．4镍酸锂正极材料32

3．3．5层状结构锰酸锂正极材料35

3．3．6三元复合正极材料36

3．3．7尖晶石型锰酸锂正极材料38

3．3．8磷酸铁锂正极材料40

3．4锂离子电池负极材料41

3．4．1理想的锂离子电池负极材料特点41

3．4．2负极材料的分类42

3．4．3石墨化碳和非石墨化碳43

3．4．4石墨化碳材料43

3．4．5无定形碳材料46

3．4．6钛酸锂负极材料47

3．4．7硅基合金负极材料49

3．4．8金属氧化物负极材料50

3．5电解质51

3．5．1电解质的作用与分类51

3．5．2非水液态电解质52

3．5．3凝胶态聚合物电解质53

3．5．4全固态聚合物电解质54

3．5．5无机固态电解质56

3．6锂离子电池展望58

习题59

第4章锂金属电池及锂金属负极保护61

4．1锂金属电池概述61

4．2锂金属电池分类62

4．2．1嵌锂正极锂金属电池62

4．2．2锂-硫电池62

4．2．3锂-空气电池63

4．3锂金属作为负极的优点及缺点64

4．4锂金属电池的应用难点64

4．5锂金属负极保护的途径65

4．5．1电解液改进65

4．5．2选用固体电解质75

4．5．3锂金属界面改性78

4．5．4隔膜改性79

4．5．5负极微观结构设计80

4．6锂金属电池存在的问题与解决方法83

习题84

第5章液流电池85

5．1液流电池概述85

5．2液流电池的基本构造86

5．3无机电化学反应对液流电池86

5．3．1无机电化学反应对双液流电池86

5．3．2无机电化学反应对沉积型单液流电池88

5．4无机氧化还原对液流电池电解液90

5．5水系电解液液流电池隔膜92

5．6液流电池展望93

习题93

第6章金属-空气电池95

6．1金属-空气电池概述95

6．2锂-空气电池96

6．2．1锂-空气电池的基本原理96

6．2．2锂-空气电池的负极98

6．2．3锂-空气电池的正极98

6．2．4锂-空气电池的电解质100

6．2．5锂-空气电池存在的问题与展望101

6．3锌-空气电池102

6．3．1锌-空气电池的结构与反应机理102

6．3．2锌-空气电池的研究进展与展望103

6．4铝-空气电池105

6．4．1铝-空气电池的结构与反应机理105

6．4．2铝-空气电池的研究进展与展望106

6．5其他金属-空气电池106

6．6小结106

习题107

第7章超级电容器108

7．1超级电容器概述108

7．1．1超级电容器的发展历史108

7．1．2超级电容器的工作原理109

7．1．3超级电容器的结构与类型110

7．1．4超级电容器与电池的区别112

7．2碳电极材料112

7．2．1活性炭113

7．2．2活性炭纤维113

7．2．3碳气凝胶113

7．2．4碳纳米管114

7．2．5石墨烯114

7．2．6碳基复合材料115

7．3赝电容电极材料115

7．3．1过渡金属氧化物115

7．3．2金属氢氧化物116

7．3．3导电聚合物117

7．3．4其他新型赝电容电极材料118

7．4电解质119

7．4．1水溶液介质119

7．4．2非水溶液介质120

7．5混合型超级电容器121

7．5．1非对称超级电容器（双电层/赝电容）121

7．5．2电池/电容型混合超级电容器122

7．6超级电容器的制备工艺123

7．6．1超级电容器的组装123

7．6．2超级电容器的性能测试124

7．7超级电容器的应用与展望129

习题130

参考文献131

第1章绪论

1.1储能的方式介绍

广义上讲，储能即能量存储，也称蓄能，是指通过一种介质或者设备，把一种能量形式用同一种或者转换成另一种能量形式存储起来，基于未来应用需要再以特定能量形式释放出来的循环过程。

通常所说的储能是指针对电能的存储，是利用化学或者物理的方法将能量转化成电能存储起来并在需要时释放的一系列技术和措施。

储能主要应用于电力系统、电动汽车、轨道交通、电动工具、电子产品等。随着电力系统、新能源发电（风能、太阳能等）、清洁能源动力汽车等行业的飞速发展，对储能技术尤其是大规模储能技术提出了更高的要求，储能技术已成为该类产业发展不可或缺的关键环节。特别是储能技术在电力系统中的应用将成为智能电网发展的一个必然趋势，是储能产业未来发展的重中之重。

对新能源和可再生能源的研究与开发，寻求提高能源利用率的先进方法，已成为全球共同关注的首要问题。对于中国这样一个能源生产和消费大国来说，既有节能减排的需求，也有能源增长以支撑经济发展的需要，这就需要大力发展储能产业。

到目前为止，人们已经探索出了多种形式的储能方式，全球已经实现商用或达到示范应用水平的电力储能主流技术包括：抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、二次电池储能（如铅酸蓄电池、氢-镍电池、镉镍电池、锂离子电池、液流电池、锂金属电池、锂/钠-硫电池、钠离子电池以及其他新型储能电池）、超级电容器储能和超导储能等。按照能量转换形式，储能技术主要可分为物理储能和化学储能。氢能被认为是21世纪的终极能源，因此以下也将简要地介绍氢能的存储。

……

“新能源材料与器件”是由教育部于2010年批准建设的战略性新兴产业专业。“储能材料与器件”属于该专业核心课，本科生在学习了电化学原理之后，通过该门课程，可以进一步学习具体的储能方式、各类储能电池工作原理、关键材料及器件。但是，由于该专业建设时间较短，教材短缺严重。目前，市面上还缺少针对性的教材。这本《储能材料与器件》的出版，可为开设“新能源材料与器件”及相似专业的高校选用教材提供方便。

《储能材料与器件》一书共分7章，内容包括：绪论、铅酸蓄电池、锂离子电池、锂金属电池及锂金属负极保护、液流电池、金属-空气电池以及超级电容器。本教材主要针对电化学储能材料及器件展开论述，讲解具体的储能方式、各类储能电池工作原理、关键材料及器件。此外，教材还对物理储能及氢能存储做了简要介绍。