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徐国栋 著

图书标签:

• 锂离子电池
• 电池材料
• 材料科学
• 电化学
• 新能源
• 储能
• 正极材料
• 负极材料
• 电解液
• 隔膜

出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111591016

版次：1

商品编码：12334235

品牌：机工出版

包装：平装

丛书名： 新能源汽车研究与开发丛书

开本：16开

出版时间：2018-04-01

用纸：胶版纸

页数：244

内容简介

本书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。

内页插图

目录

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

前言/序言

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，达到世界领先水平。
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、了解最新技术革新、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

《新能源汽车动力电池技术解析》 本书深入探讨当前新能源汽车领域最核心的技术——动力电池，聚焦其关键组成部分、工作原理、性能评估及未来发展趋势。读者将全面了解当前主流的动力电池技术，包括但不限于三元锂电池、磷酸铁锂电池、镍钴锰酸锂电池等，剖析它们在能量密度、功率密度、循环寿命、安全性、成本等方面的优势与劣势，以及各自在不同应用场景下的适用性。 在材料层面，本书将详细解析影响电池性能的各种化学物质。读者将接触到正极材料（如LCO、NCA、NCM、LFP等）的结构、合成方法、电化学特性及其演变；负极材料（如石墨、硅碳复合材料、钛酸锂等）的性能特点、改性策略及其对电池整体性能的贡献。此外，电解液（包括溶剂、锂盐、添加剂等）的组成、功能以及它们如何影响离子传导、界面稳定性等方面也将得到详尽阐述。隔膜材料的作用、类型、制备工艺及其在防止电池内部短路、保证离子通透性方面的关键作用同样是本书的重点。 除了对静态材料进行分析，本书还将深入讲解动力电池在实际工作过程中的动态变化。读者将学习到锂离子在充放电过程中的传输机制，电极/电解液界面的演变，以及这些变化如何导致电池性能衰减，例如容量衰减、内阻增加等。这部分内容将涵盖电化学阻抗谱（EIS）等常用分析手段，帮助理解电池内部的电化学过程和动力学行为。 在性能评估方面，本书将介绍衡量动力电池性能的核心指标，如能量密度（Wh/kg和Wh/L）、功率密度（W/kg和W/L）、循环寿命（充放电次数）、倍率性能（C-rate）、安全性能（热失控、过充/过放保护）以及成本构成。本书将详细解读这些指标的测试方法、评价标准，并分析不同材料体系和结构设计如何影响这些性能参数，为读者理解电池技术进步的驱动力提供坚实基础。 安全是新能源汽车动力电池的重中之重。本书将专项分析电池热失控的发生机理、诱因及防控策略，包括材料本身的安全性、电池设计（如热管理系统、电池包结构）、以及系统层面的监控与保护措施。读者将了解到如何通过材料选择、工艺优化和安全设计来提升电池的固有安全性，最大程度上规避潜在风险。 展望未来，本书还将探讨动力电池技术的发展前沿。包括但不限于固态电池的原理、关键材料（如固态电解质、新型正负极材料）的研发进展、面临的挑战以及其可能带来的技术革命。此外，新型电池体系（如锂硫电池、锂空气电池等）的潜在优势和研究方向，以及电池的回收与梯次利用技术，也将作为重要章节进行探讨，勾勒出未来动力电池产业的发展蓝图。 本书旨在为对新能源汽车动力电池技术感兴趣的研究人员、工程师、学生以及行业从业者提供一个系统、深入的学习平台。通过对材料、结构、原理、性能和未来趋势的全面解析，帮助读者建立起对动力电池技术的深刻理解，从而更好地把握行业脉搏，推动相关技术的发展与创新。

评分☆☆☆☆☆

作为一名在电池生产线上工作的技术人员，我需要非常具体和实用的信息，以便更好地理解我们所使用的材料以及如何优化生产工艺。我一直在寻找一本能够详细介绍各种锂离子电池材料的生产制备方法和工艺流程的书籍。对于正极材料，我希望书中能详细描述固相法、共沉淀法等主流制备工艺的反应机理、工艺参数（如温度、时间、气氛控制、搅拌速率）对最终材料性能的影响，以及如何进行晶体粒径、形貌和比表面积的调控。对于负极材料，特别是石墨的表面处理和硅碳复合材料的制备，我也希望能得到详细的指导。此外，对于电解液的配方组成（溶剂、锂盐、添加剂），以及如何精确控制其纯度、水分含量和电导率，我也希望能有深入的了解。书中如果能包含一些关于材料质量控制和检测方法的介绍，例如XRD、SEM、TEM、EIS等表征手段的应用，以及如何根据材料的微观结构和宏观性能来判断其是否合格，那将对我日常的工作非常有帮助。我需要的不是泛泛而谈的理论，而是能够指导实际操作、解决生产中遇到的问题的具体知识。

评分☆☆☆☆☆

这本书简直是为我量身定做的！作为一名对新能源领域，特别是锂离子电池技术充满好奇但又缺乏专业背景的普通读者，我常常在浏览科技新闻或行业报告时，对那些晦涩的技术名词感到一头雾水。比如“固态电解质”、“三元正极”、“硅基负极”，这些听起来像是某种神秘咒语，让我望而却步。我渴望能有一本书，能够用通俗易懂的语言，为我揭开这些复杂概念的面纱，让我明白它们究竟是什么，为什么重要，以及它们是如何工作的。我期待这本书能从最基础的原理讲起，比如锂离子电池的基本构成，电荷是如何在正负极之间传递的，能量是如何储存和释放的。更重要的是，我希望它能详细解读那些影响电池性能的关键材料，比如正极材料（钴酸锂、锰酸锂、三元材料、磷酸铁锂），负极材料（石墨、硅碳复合材料），以及电解液和隔膜。我希望能了解不同材料的优缺点，它们在成本、能量密度、循环寿命、安全性能等方面的权衡，以及当前行业内主流的材料体系和未来发展趋势。甚至，我希望书中能穿插一些行业内的真实案例，比如某款电动汽车为何选择某种电池材料，某项技术突破是如何实现的，这样能够让我在学习理论知识的同时，也能感受到技术革新的脉搏。我一直坚信，理解背后的科学原理，是真正掌握一项技术的前提，而我，正迫切地需要这样一本“翻译官”般的书籍，帮助我跨越知识的鸿沟，让我能够自信地参与到关于锂离子电池的讨论中来。

评分☆☆☆☆☆

作为一名在电池回收领域工作的工程师，我深切关注锂离子电池的材料组成及其在回收过程中的可行性。每次接触报废电池，我都很想知道其中究竟包含了哪些核心材料，它们的纯度如何，以及这些材料的回收价值和技术难度有多大。因此，我希望这本书能够深入剖析不同类型锂离子电池（如钴酸锂电池、三元电池、磷酸铁锂电池）中正极、负极、电解液以及隔膜的具体材料成分和配比。我希望能了解到，这些材料的提取和分离方法有哪些，无论是物理法（如破碎、筛分、磁选）还是化学法（如酸浸、碱浸、沉淀），它们各自的优缺点和适用范围是什么。更重要的是，我希望书中能够详细介绍当前主流的电池回收技术，例如湿法冶金技术，其提锂、提镍、提钴、提锰的工艺流程和关键技术点。我也非常希望能了解，如何通过回收得到的材料，重新制备出性能可用的电池材料，实现闭环回收。书中如果能提供一些关于不同材料回收成本的估算，以及对未来回收技术发展趋势的展望，那将对我理解整个行业的挑战与机遇非常有帮助。毕竟，可持续发展是未来能源领域的重要课题，而电池回收是实现这一目标的关键一环。

评分☆☆☆☆☆

我是一位对新能源汽车充电速度和续航里程都十分看重的潜在购车者，而这两项性能的提升，我深知都与电池材料的性能息息相关。因此，我迫切地希望找到一本能够清晰解读“高性能”锂离子电池材料的书籍。对于快速充电，我希望书中能解释，为什么有些材料（例如，掺杂了金属离子的石墨负极，或者具有高导电性的纳米结构材料）能够实现更快的锂离子传输速度，从而缩短充电时间。我希望能了解，电解液的粘度和电导率如何影响锂离子的迁移速率，以及是否存在新型电解液体系能够进一步提升充电性能。在续航里程方面，我希望书中能详细分析，高能量密度正极材料（如高镍三元材料、硅基负极）是如何实现单位体积或单位质量下储存更多电能的。同时，我也想了解，材料的循环稳定性对续航里程衰减的影响，以及如何通过材料设计和改性来延长电池的寿命，保持其长期的续航能力。如果书中能包含一些关于未来高能量密度和高功率密度电池材料的研究进展，例如全固态电池、锂硫电池等，并对其商业化前景进行分析，那将更能满足我的好奇心，让我对未来电动汽车的发展充满期待。

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评分☆☆☆☆☆

我最近对锂离子电池的固态化技术产生了浓厚的兴趣，并且迫切希望找到一本能够全面深入地探讨这一领域的书籍。目前市面上的信息良莠不齐，很多都停留在概念介绍层面，缺乏对关键材料的深度解析和技术挑战的详细阐述。我特别想了解的是，目前主流的固态电解质材料，例如聚合物电解质、硫化物电解质、氧化物电解质（如LLZO、LAGP），它们各自的离子电导率、电化学稳定性窗口、机械性能以及与电极材料的界面相容性究竟如何？书中能否详细分析这些材料的制备方法、微观结构对离子传输的影响，以及它们在固态电池中的实际应用所面临的瓶颈？我希望书中能够深入探讨界面问题，例如固-固接触电阻，如何通过优化界面层、引入导电添加剂或采用原位聚合等技术来降低界面阻抗，提高电池的整体性能。同时，对于全固态电池的设计，包括电极材料的选择（如硅负极、锂金属负极），以及如何实现大面积、低成本的制备技术，我也希望能得到详尽的解答。这本书如果能提供不同类型固态电池的性能对比，以及未来发展趋势的预测，并且能够引用最新的研究成果和专利信息，那将对我非常有价值，能够帮助我理清思路，为我的相关研究提供坚实的理论基础和技术参考。

评分☆☆☆☆☆

我是一名对电池安全性能特别关注的消费者，并且对锂离子电池在高温、短路、过充等极端情况下的失效机制感到担忧。我一直在寻找一本能够详细解释这些安全问题背后材料学原理的书籍。我希望书中能够深入探讨，为什么某些材料（例如，一些富锂锰基正极材料）容易在高温下分解并释放氧气，导致热失控？为什么有些电解液容易发生分解并产生气体，导致电池鼓胀？我希望能了解到，隔膜材料的选择对电池安全有多大影响，比如陶瓷涂层隔膜在抑制短路和提高热稳定性方面是如何起作用的？此外，对于电极材料与电解液之间的界面副反应，如何影响电池的安全性能，以及有哪些材料设计或添加剂可以抑制这些有害反应，我也非常希望书中能够有详细的论述。当然，我更关注的是，如何通过改进材料本身（例如，开发更稳定的正极材料、更安全的电解液、更耐高温的隔膜）来从根本上提升电池的安全性。这本书如果能提供一些关于电池热失控的模拟分析，以及不同材料在安全性能上的对比测试数据，那将对我更好地理解和选择安全可靠的电池产品非常有指导意义。

评分☆☆☆☆☆

我是一名对锂离子电池的成本控制和规模化生产极为关注的行业观察者。我知道，材料的选择和制备工艺的优化是影响电池成本的关键因素。因此，我非常希望找到一本能够详细分析不同锂离子电池材料的成本构成，以及如何通过技术创新来降低生产成本的书籍。我希望书中能够深入剖析，目前市场上主流的正极材料（如钴酸锂、三元材料、磷酸铁锂）和负极材料（如天然石墨、人造石墨、硅基材料）在原材料成本、加工成本和设备投入方面的差异。我希望能了解到，哪些材料的成本对整体电池成本影响最大，以及有哪些替代材料或改性方法能够有效降低这些关键材料的成本。同时，我也希望书中能探讨，不同制备工艺（如湿法制备、干法制备）对材料成本的影响，以及规模化生产如何带来成本的下降。此外，如果书中能包含一些关于供应链管理、原材料价格波动对电池成本影响的分析，以及未来低成本、高性能电池材料的发展方向，那将对我全面理解电池产业的经济性具有极大的价值。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，我一直在寻找一本能够深入剖析锂离子电池材料性能与制备工艺之间内在联系的书籍。作为一个在材料科学领域深耕多年的研究者，我深知材料的微观结构、晶体学特性、表面形貌等对其宏观性能有着决定性的影响。因此，我特别关注的是，这本书能否在理论层面，清晰地阐述不同晶体结构（如层状氧化物、尖晶石结构、橄榄石结构）和不同化学组成的材料，是如何决定其锂离子嵌入/脱出机制，进而影响电池的电压平台、容量和倍率性能的。我希望书中能够包含对材料形貌控制（纳米化、微米化、多孔化）的研究，以及这些形貌改变如何影响锂离子的扩散路径、电子导电性以及电解液的浸润性。此外，对于材料的表面改性技术，例如包覆、掺杂等，其作用机理以及对提升电池循环稳定性和安全性（如抑制界面副反应）的有效性，我非常希望书中能有详尽的介绍。更进一步，我期待本书能探讨不同制备方法（如固相法、溶胶-凝胶法、水热法、气相沉积法）对材料微观结构和最终性能的影响，以及如何通过优化工艺参数来获得具有特定性能要求的材料。我不是初学者，所以我需要的不是科普，而是能够提供深入理论指导和前沿研究方向的参考，能够帮助我站在巨人的肩膀上，进一步拓展我在这方面的研究思路和实验设计。

评分☆☆☆☆☆

我是一名在高校能源材料专业就读的本科生，即将开始我的毕业设计，主题是关于提高锂离子电池能量密度。我知道能量密度的提升很大程度上依赖于新型正负极材料的开发。因此，我迫切需要一本能够详细介绍和分析各种高性能正负极材料的书籍。对于正极材料，我希望能深入了解三元材料（NCM、NCA）的组成优化、结构设计以及如何提高其高电压下的稳定性；对富锂锰基正极材料，我希望了解其容量衰减的原因以及如何通过结构调控和掺杂改性来抑制容量损失；对于磷酸铁锂（LFP）及其改性材料，我也希望了解其在高功率和低温性能方面的提升潜力。在负极材料方面，我尤其关注硅基负极。我希望书中能详细阐述硅材料为何具有高容量，但同时存在体积膨胀问题，以及目前有哪些策略（如纳米化、复合化、构建缓冲结构）来解决这一难题。此外，关于金属锂负极，其高能量密度优势与安全隐患（如锂枝晶生长）之间的矛盾，以及如何通过电解液设计、隔膜改性或采用固态电解质等方法来抑制枝晶生长，我也希望能得到深刻的解读。我希望这本书不仅能提供理论知识，还能包含一些实验上的指导性建议，比如材料的合成路线、表征方法以及性能测试的注意事项。