高能量密度锂离子电池

译者序前言本书贡献者第1章 电化学电池导论1 R.Vasant Kumar and Thapanee Sarako
ri 1.1 何谓电池1 1.2 电池的定量表征4 1.2.1 电压6 1.2.2 电极动力学（极化和电池的阻抗）8 1.2.2.1 双电层8 1.2.2.2 反应速率9 1.2.2.3 非平衡态电极9 1.2.2.4 塔菲尔方程9 1.2.2.5 绘制铜电极塔菲尔曲线的实例11 1.2.2.6 其他限制性因素11 1.2.2.7 电池的塔菲尔曲线12 1.2.3 容量13 1.2.4 搁置寿命15 1.2.5 放电曲线/循环寿命15 1.2.6 能量密度16 1.2.7 比能量密度16 1.2.8 功率密度16 1.2.9 服役寿命/温度的关系17 1.3 原电池和蓄电池18 1.4 电池的市场20 1.5 循环和安全问题21 参考文献27第2章 原电池28 Thapanee Sarako
ri and R.Vasant Kumar 2.1 引言28 2.2 早期电池29 2.3 Zn/C电池32 2.3.1 Leclanché电池32 2.3.2 Gassner电池33 2.3.3 当今的Zn/C电池33 2.3.3.1 电化学反应35 2.3.3.2 组成36 2.3.4 缺点37 2.4 碱性电池37 2.4.1 电化学反应39 2.4.2 组成40 2.4.3 缺点41 2.5 扣式电池41 2.5.1 HgO电池42 2.5.2 Zn/Ag2O电池43 2.5.3 金属?空气电池44 2.5.3.1 锌/空气电池45 2.5.3.2 铝/空气电池46 2.6 锂原电池47 2.6.1 Li/SOCl2电池49 2.6.2 Li/SO2电池49 2.7 氢氧电池50 2.8 原电池的损坏51 2.9 结论53 参考文献53第3章 蓄电池的材料与化学性质回顾55 R.Vasant Kumar and Thapanee Sarako
ri 3.1 铅酸电池56 3.1.1 电化学反应59 3.1.2 组成59 3.1.3 新型组成62 3.2 Ni-Cd电池65 3.3 镍?金属氢化物（Ni?MH）电池68 3.4 碱性蓄电池69 3.5 锂蓄电池70 3.5.1 锂离子电池72 3.5.2 锂聚合物电池77 3.5.3 锂电池的材料和化学性质的评价77 3.6 Li-S电池78 3.7 结论83 参考文献83第4章 锂蓄电池的当前应用与潜在优势85 Katerina E.Aifantis and Stephen A.Hackney 4.1 便携式电子设备85 4.2 混合及纯电动车86 4.3 医疗应用89 4.3.1 心脏起搏器89 4.3.2 神经起搏器90 4.4 锂离子电池系统在交通技术方面的应用91 4.4.1 并联97 4.4.2 串联98 4.4.3 局限性和安全问题101 参考文献105第5章 锂离子电池正极：材料的工程设计与化学性质107 Stephen A.Hac6kney 5.1 能量密度和热力学107 5.2 材料化学和电压平台的工程设计115 5.3 多元过渡金属氧化物的容量和稳定性的工程设计124 5.4 结论131 参考文献131第6章 锂离子电池的新型负极材料133 Katerina E.Aifantis 6.1 引言133 6.2 电解液的化学侵蚀134 6.3 电化学循环中的力学不稳定性136 6.4 纳米结构的负极139 6.5 薄膜负极140 6.5.1 Sn基薄膜负极140 6.5.2 Si基薄膜负极142 6.6 纳米纤维/纳米管/纳米线负极147 6.6.1 Sn基纳米纤维/纳米线负极147 6.6.2 Si基纳米线负极148 6.7 活性/弱活性纳米结构的负极151 6.7.1 Sn基活性/弱活性负极151 6.7.1.1 Sn?Sb合金151 6.7.1.2 SnS2纳米片153 6.7.1.3 Sn?C纳米复合物155 6.7.2 Si基活性/弱活性纳米复合物156 6.7.2.1 Si?SiO2?C复合物156 6.7.2.2 Si?C纳米复合物159 6.8 其他负极材料162 6.8.1 Sb基负极162 6.8.2 Al基负极164 6.8.3 Bi基负极167 6.9 结论167 参考文献1698第7章 锂离子电池的新型电解液173 Soo Jin Park,Min?Kang Seo,and Seok Kim 7.1 引言173 7.2 背景178 7.2.1 锂离子液体电解液178 7.2.2 为何使用聚合物电解液181 7.2.3 用于聚合物电解液的金属离子盐181 7.3 聚合物电解液的制备和表征183 7.3.1 聚合物电解液的制备183 7.3.1.1 含熔盐的聚合物凝胶电解液183 7.3.1.2 含MMT的有机改性聚合物复合电解液183 7.3.1.3 含Li?MMT的离子交换型聚合物复合电解液184 7.3.1.4 含介孔硅酸盐（MCM?41）的聚合物复合电解液185 7.3.2 含熔盐的聚合物凝胶电解液的表征185 7.3.2.1 形貌和结构特点186 7.3.2.2 热学性质189 7.3.2.3 电化学性能194 7.3.3 含有机改性MMT的聚合物复合电解液的表征194 7.3.3.1 形貌和结构特点194 7.3.3.2 热学性质196 7.3.3.3 电化学性能197 7.3.4 含Li?MMT的离子交换型聚合物复合电解液199 7.3.4.1 结构特点199 7.3.4.2 热学性质201 7.3.4.3 电化学性能202 7.3.5 含介孔硅酸盐（MCM?41）的聚合物复合电解液206 7.3.5.1 形貌和结构特点206 7.3.5.2 热学性质208 7.3.5.3 电化学性能210 7.4 结论212 参考文献213第8章 锂离子电池体系材料的力学机理220 Katerina E.Aifantis,Kurt Maute,Martin L.Dunn,and Stephen A.Hackney 8.1 引言220 8.2 电池寿命中的力学研究222 8.3 电化学循环中的弹性和断裂的模拟2255 8.3.1 双电层结构的断裂225 8.3.2 轴对称结构的弹性和断裂227 8.3.3 薄膜情形下的断裂和破坏演变230 8.3.4 类纤维/纳米线电极的断裂和破坏机理234 8.3.5 球形活性部位235 8.3.6 稳定性曲线237 8.3.7 体积分数和颗粒粒度的研究239 8.3.7.1 稳定因子的研究239 8.3.7.2 Griffith标准240 8.3.8 临界裂纹长度241 8.3.9 Sn/C岛状结构负极的力学稳定性243 8.4 模拟中的多尺度现象和注意事项247 8.5 耦合扩散和应力产生的颗粒模型251 8.5.1 脱嵌和嵌入过程中的锂离子传输252 8.5.2 电化学反应的动力学253 8.5.3 应力产生254 8.5.4 代表性的结果255 8.6 循环中的扩散过程259 8.6.1 电化学嵌入过程中的多尺度问题259 8.6.2 低对称成分区域中的扩散应力264 8.7 小结265参考文献266

手机、笔记本电脑和其他电子设备都十分依赖于可靠性高、体积紧凑、功率强劲的电池。因此，在提高电池的性能、降低故障率方面人们做了大量的研究工作。可充电锂离子电池以其先进性著称。它在混合电动车、生物医学设备以及日常生活领域中具有巨大的应用潜力。爱凡蒂斯、哈克尼、库马乐编著的《高能量密度锂离子电池：材料工程及应用》重点讲述了使用纳米技术提高新型电池性能的方法和途径。在引导性章节中讲述了电化学基本知识、传统电池向先进二次电池的发展及其降解途径，有助于深入理解锂离子电池充放电过程中的相关机理。 爱凡蒂斯、哈克尼、库马乐编著的《高能量密度锂离子电池：材料工程及应用》主要介绍了高能量密度锂离子电池的材料、工程及应用方面的知识，重点阐述了使用纳米技术提高新型电池性能的方法和途径。内容包括电化学电池导论，原电池、蓄电池的材料与化学性质回顾，锂蓄电池的当前应用与潜在优势，锂离子电池新型正负极材料和电解液的性质与表征，锂离子电池体系材料的力学机理等。 《高能量密度锂离子电池：材料工程及应用》可供从事化学电源领域的研究人员和技术人员以及相关专业的高年级本科生和研究生学习参考。 【作者简介】 Katerina E. Aifantis在剑桥大学获得硕士学位，21岁时(2005年)在荷兰格罗宁根大学获得博士学位，成为荷兰最年轻的博士学位获得者。2008年，她成为欧洲研究委员会(ERC)最年轻的初始奖学金资助者，在希腊塞萨洛尼基的亚里士多德大学力学和材料实验室从事纳米材料的研究工作。并在美国密歇根理工大学物理系任兼职助理教授。研究领域从纳米晶的力学性能到细胞的电刺激，其中锂电池的破坏机制是她研究时间最长的领域。 Stephen A. Hackney是密歇根科技大学材料科学与工程系的教授。在相转变过程中材料界面和表面的物理过程的实验研究和机理阐述方面发表了90多篇学术论文。在最近的15年里，与3M、魁省水电局和阿贡国家实验室的研究团队开展合作，将材料科学的概念应用在电池电极行为的研究领域。 R. Vasant Kumar是剑桥大学材料科学与冶金系的材料化学团队的高级研究员。并且是中国河北理工大学的名誉教授。他在材料化学合成、器件和电化学领域进行了长达15年的研究，发表了130多篇学术论文，获授权专利8项。他是EMC公司和氢能公司的创始人和理事，这两家新兴企业生产传感器和安全仪器。他还创办了衍生的绿色铅有限公司，该公司首创环保的完善工艺。从汽车电池的废弃电极中，以高比表面积的活性前驱体状态直接回收电化学活性材料。