本书介绍了能源存储与转换技术的主要类别、基础理论和基本概念,系统阐述了电化学储能器件的种类、构造、工作原理、技术优势以及存在的问题,结合该领域的新发展以及实践教学积累,重点介绍了电池体系关键材料的结构、组分、性能、优化和发展。
可再生能源资源丰富、无污染、具有多途径利用和可持续性等优势,近年来其需求增长已成为能源总增量的重要组成。但是,可再生能源的利用往往受到时间、空间和气候变化等因素的制约,存在间歇性、不稳定性和分布不均匀性,电化学储能器件的迅速发展将改变可再生清洁能源产生、获取、利用的方式。本书介绍了电化学能量存储和转换过程涉及的热力学、动力学以及晶体结构的基础理论知识。紧密结合能源存储与转换技术及其材料的最新发展,详细介绍了包括铅酸电池、铅碳电池、镍氢电池、锂硫电池、锂氧气/空气电池、钠电池、液流电池、燃料电池、锂离子电池等电化学储能器件的构造、工作原理、技术优势和存在的问题。同时,本书系统介绍了锂离子电池体系正极材料、负极材料、隔膜、电解质等关键材料的结构、组分、性能、优化和发展。本书力求为学生和技术人员提供电化学存储技术、器件和关键材料的应用基础知识,适合初涉该领域的学生和技术人员建立知识体系框架和系统学习。
本书能够出版得益于北京科技大学新能源材料研究室的各位前辈、老师和同事们在教学和科研一线的长期工作积累。科研实践的推进和创新为我们实施研究型教学奠定了坚实的基础。感谢科技部、教育部、国家自然科学基金委、北京市科委对相关科研工作的资助,感谢电池领域的前辈、校友和朋友们在教学和科研中所给予的提携、关怀、指点和帮助。感谢北京科技大学对本教材出版的大力支持和资金资助。在教材编写过程中,连理舒怡、马磊磊、程娇扬等同学承担了大量的工作,收集和整理文献、规范图表和修改文字等,在此一并表示感谢。
尽管我们力求给读者呈现电化学能源存储和转换技术的基本概貌以及新体系和新材料的发展趋势,但由于学识有限、内容设置限制,以及近年来相关理论研究和新材料体系的迅速发展,书中难免有疏漏与不妥之处,还希望本书出版后得到相关专家与读者的批评指正。
1 新能源时代
1.1 能源发展的驱动力
1.2 能源存储的种类与作用
1.2.1 能源存储的种类
1.2.2 能源存储在可再生能源利用中的作用
1.3 机械储能
1.4 热电能量存储
1.5 超导磁储能
思考题与习题
参考文献
2 电化学储能基础
2.1 嵌脱反应
2.1.1 嵌脱反应的结构基础
2.1.2 嵌脱反应热力学
2.1.3 嵌脱反应动力学
2.1.4 多电子嵌脱反应
2.2 合金化反应
2.3 转换反应
2.4 其他反应机理
2.5 二次电池体系
2.5.1 发展
2.5.2 电池的分类和基本组成
2.5.3 电池热力学基础
2.5.4 容量
2.5.5 电压
2.5.6 能量与功率
2.5.7 效率与寿命
思考题与习题
参考文献
3 电池储能技术
3.1 电池储能技术应用前景
3.2 铅酸电池
3.2.1 基本构成和工作原理
3.2.2 铅酸电池的失效机理
3.2.3 铅碳电池
3.3 镍氢电池
3.3.1 工作原理
3.3.2 负极材料——储氢合金
3.3.3 正极材料——氢氧化镍
3.4 锂硫电池
3.4.1 工作原理及其存在的问题
3.4.2 正极材料
3.4.3 锂硫电池电解质
3.5 锂空气/氧气电池
3.5.1 锂空气/氧气电池的发展和种类
3.5.2 非水电解液锂空气电池
3.5.3 非水电解液锂空气电池的电解质
3.6 钠电池
3.6.1 高温钠电池
3.6.2 室温钠硫电池
3.7 液流电池
3.7.1 全钒液流电池
3.7.2 全钒液流电池的关键材料
思考题与习题
参考文献
4 燃料电池
4.1 燃料电池体系
4.1.1 燃料电池的构造与种类
4.1.2 燃料电池工作原理
4.2 熔融碳酸盐型燃料电池
4.2.1 电化学过程及特点
4.2.2 熔融碳酸盐燃料电池的关键材料
4.3 质子交换膜型燃料电池
4.3.1 工作原理与特点
4.3.2 电催化剂
4.3.3 质子交换膜
4.4 固体氧化物燃料电池
4.4.1 组成及工作原理
4.4.2 SOFC固体电解质
4.4.3 阳极材料
4.4.4 阴极材料
思考题与习题
参考文献
5 锂离子电池
5.1 锂离子电池的构造
5.2 嵌脱反应的材料基础
5.3 扣式锂离子电池的组装
5.4 软包锂离子电池与铝塑膜
思考题与习题
参考文献
6 锂离子电池的正极材料
6.1 LiMO2经典体系
6.1.1 LiCoO2
6.1.2 高电压LiCoO2
6.1.3 Li(NiCoMn)O2三元体系
6.1.4 高镍三元正极材料的性能优化
6.1.5 Li(NiCoAl)O2高容量体系
6.2 Li1+x(NiMnCo)1-xO2富锂高容量体系
6.2.1 高容量获取机理
6.2.2 随循环电压下降问题
6.2.3 表面/界面的特殊性
6.3 LiMn2O4
6.3.1 John-Teller效应
6.3.2 LiMn2O4的电化学性能
6.3.3 高电压LiNi0.5 Mn1.5 O2体系
6.4 LiFePO4
6.4.1 LiFePO4橄榄石结构
6.4.2 LiMPO4F
6.5 VxO2x+1钒氧化物
思考题与习题
参考文献
7 锂离子电池的负极材料
7.1 碳基负极材料
7.1.1 石墨类碳材料
7.1.2 无定形碳材料
7.1.3 碳纳米管
7.1.4 石墨烯
7.1.5 碳材料的优化
7.2 钛的氧化物
7.2.1 Li4Ti5O12负极材料
7.2.2 二氧化钛负极材料
7.3 锡基负极材料
7.4 硅基负极材料
7.4.1 纳米硅与SiOx
7.4.2 硅薄膜
7.5 转换反应型负极材料M3O4
思考题与习题
参考文献
8 锂离子电池隔膜
8.1 聚烯烃隔膜
8.2 锂离子电池隔膜的主要性能指标
8.2.1 厚度、孔径和孔隙率
8.2.2 润湿性和吸液率
8.2.3 机械强度
8.2.4 热性能
8.2.5 化学稳定性
8.3 锂离子电池隔膜的预处理方法
思考题与习题
参考文献
9 电解质体系
9.1 电解质种类
9.2 液态电解质
9.2.1 电解质盐
9.2.2 电解液体系的有机溶剂
9.2.3 电解液安全问题
9.3 凝胶聚合物电解质
9.3.1 凝胶聚合物电解质种类
9.3.2 凝胶聚合物电解质制备方法
9.3.3 凝胶聚合物电解质改性
9.4 固态聚合物电解质
9.4.1 液态电解质存在的主要问题
9.4.2 固态聚合物电解质种类
9.4.3 聚合物-锂盐络合体系
9.4.4 聚氧乙烯PE0基电解质
9.4.5 离子橡胶
9.4.6 单离子导体体系
9.5 无机固态电解质
9.5.1 固体中原子/离子扩散过程的基本原理
9.5.2 无机晶态固体电解质材料的结构
9.5.3 掺杂对离子电导率的影响
思考题与习题
参考文献