新书推介 |《碱金属电池关键材料基础与应用》
关键词 | 碱金属电池 锂离子电池 材料
共 2975 字 | 建议阅读时间 9 分钟
能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础，在国民经济中具有特别重要的战略地位。为了适应日益增长的能源需求，也为了保护人类赖以生存的自然环境，开发先进的可再生能源技术，研制新型储能材料以及制造新型储能设备等，正在成为全球解决能源问题的当务之急。
近年来，我国储能技术呈现多元发展的良好态势，超导储能和超级电容及铅蓄电池、锂离子电池、钠硫电池、液流电池等储能技术取得了一定进展；我国储能技术总体上已经初步具备了产业化发展的良好基础。
在各种可持续储能系统中，可充电碱金属电池受到了越来越广泛的关注，碱金属电池以其高能量/功率密度、高转化效率、长循环寿命、宽工作温度范围、高可靠性、清洁无污染等优势在众多先进储能技术中脱颖而出，其应用领域包括便携式电子设备、电动汽车（EV）和混合动力车辆（HEV）等。大力发展碱金属电池技术，对于我国能源行业具有重要的现实意义，将成为提升电池产业发展水平的新动能。
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碱金属电池的工作原理
碱金属离子电池工作原理是碱金属离子在电池正负极间的反复嵌入和脱出，在此过程中伴随着氧化还原反应，即化学能和电能的相互转化。
根据碱金属的种类，将离子电池分为锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池，其他新型电池还有锌离子电池、镁离子电池、铝离子电池等。由于金属锂具有较高的活性，且离子半径较其他碱金属小，在离子嵌入和脱出过程中体现出显著的动力学优势。因此，锂离子电池成为目前最重要的碱金属离子电池。
# 锂离子电池
锂离子电池在储能技术中具有较高的能量密度，自1991年由索尼公司商业化开发成功以来，迅速产业化，已用于轻巧、灵活的可穿戴设备和运输系统中，如智能手机、无人机、混合动力汽车和电动汽车。锂离子电池展示出广阔的发展潜力和巨大的经济效益，并且迅速成为近年来广为关注的研究热点。
▲ 锂离子电池工作原理示意图
<点击可查看大图>
# 碱金属硫电池
碱金属硫电池是极具竞争力的下一代电池体系，使用硫或硫复合物代替传统的含碱金属多元化合物作为离子电池正极材料，包括锂硫电池、钠硫电池和钾硫电池等。其中，硫(S)正极材料的理论比容量高达1672mA·h/g，被认为是一种理想的正极材料。锂、钠、钾(Li、Na、K)三种碱金属作为负极时的理论比容量分别高达约3860mA·h/g、1166mA·h/g和685mA·h/g，被认为是几种最理想的负极材料。
虽然碱金属硫电池具有上述性能优势，但是目前研究还面临着一些挑战，例如充放电过程中产生的多硫化物中间产物所引起的穿梭效应，以及负极碱金属在循环过程中不均匀沉积形成碱金属枝晶导致的安全问题。
▲ 锂硫电池工作原理示意图
<点击可查看大图>
# 金属空气电池
金属空气电池是化学电池装置的一种，其负极是金属，正极是空气中的氧气。锂空气电池由于在正极上使用空气中的氧作为活性物质，理论上正极的容量是无限的。另外，如果负极使用金属锂，理论容量会比锂离子电池提高一个数量级。但是，锂空气电池存在致命缺陷，即固体反应生成物氧化锂(Li2O)会在正极电极表面堆积，使电解液与空气的接触被阻断，从而导致放电停止。
▲ 碱金属空气电池充放电过程示意图
（以锂空气电池为例）
<点击可查看大图>
碱金属电池关键材料
正负极、电解液、隔膜是碱金属电池的重要组成部分。碱金属电池与传统电池（铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池等）相比，具有能量密度高、电压高、自放电低、无记忆效应、可微型化和便于商业化生产等优点。
但是，碱金属电池也存在一些缺点，例如负极由于库仑效率低、体积变化大、枝晶生长严重、电极易龟裂等问题，在实际应用中面临着巨大挑战。
提高电池材料性能的关键，在于对电池材料本质特征的深入了解和不断探索。电池原理的探究，电池材料的制备、表征及电化学行为，是研究和开发新型高效可充电碱金属电池的基础。
《碱金属电池关键材料基础与应用》一书阐述了碱金属（锂/钠/钾）相关电池（主要分为碱金属离子电池、碱金属硫电池、碱金属空气电池）和碱金属负极。
# 负极材料
目前，商业锂离子电池一般使用锂合金金属氧化物为正极活性材料、石墨为负极材料。当电池处于工作状态时，电极材料通过发生氧化还原反应提供能量。因此，探索电极反应的热力学过程，对于开发、设计新型电极材料具有重要的理论指导意义。
# 电解液
电解液作为离子移动的介质，在电池正、负极之间起到传导离子的作用。电解液一般由高纯度的有机溶剂、电解质金属盐、必要的添加剂等原料，在一定条件下、按一定比例配制而成。电解液的电导率很大程度上决定了电池的放电能力，电解液的稳定性也影响了电池系统的性能指标，因此选择合适的电解液对于提高电池性能是至关重要的。
# 隔膜
在碱金属电池的结构中，隔膜也是关键的内层组件之一。隔膜的主要作用是使电池的正、负极分隔开来，防止两极接触而短路。此外，其还具有电解质离子通过的功能。隔膜材质是不导电的，其物理化学性质对电池的性能有很大影响。电池的种类不同，采用的隔膜也不同。
对于锂电池系列，由于电解液为有机溶剂体系，需要耐有机溶剂的隔膜材料，一般采用高强度薄膜化的聚烯烃多孔膜。
隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环以及安全性能等特性，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。
本书第5~8章将会详细介绍有关碱金属离子电池、碱金属硫电池和碱金属空气电池的内容，包括电极材料、电解液及隔膜的选择、设计和制备。
第8章还会介绍与碱金属空气电池一样重要并受到广泛关注的锌空气电池。
同时，电池的设计，尤其是碱金属电池负极材料的合成设计，还面临许多挑战，例如更好的循环性能，更好的安全性，更高的功率密度和能量密度。
碱金属枝晶生长是影响碱金属电池安全性和稳定性的基本问题之一。枝晶的生长将导致离子电池循环期间电极和电解质界面的不稳定性，破坏生成的固体电解质界面(solid electrolyte interphase，SEI)膜，并且碱金属枝晶将在生长过程中继续消耗电解质并导致碱金属的不可逆沉积，从而造成低的库仑效率。另外，碱金属枝晶的形成甚至会刺穿隔膜，进而导致碱金属离子电池内部短路，造成电池的热失控，从而引起电池燃烧，甚至爆炸。关于锂枝晶的生长机制在学术界仍存在争议。
目前，为了抑制碱金属枝晶的形成方法，常见的方法主要是从以下几个方面展开：电解液的改性、人造SEI膜、隔膜修饰、负极电极和集流体的有效设计等。
关于碱金属负极枝晶生长、形成、抑制策略的详细内容见本书第9章。
对自然界中可再生能源的开发与利用将是人类永恒的话题。电池系统在化学能与电能的转换过程中起到了不可替代的作用，因此开发和设计各种高性能电池应用技术迫在眉睫。
除上述碱金属电池内容以外，其他新型二次电池，例如，研究相对较新但较少的钾离子电池和部分非碱金属离子电池包括镁离子电池、铝离子电池、锌离子电池和钙离子电池会
在第10章中阐述，以方便读者了解金属离子电池领域的更新技术发展和前沿知识。
以上内容来自《碱金属电池关键材料基础与应用》
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碱金属电池关键材料基础与应用
图书信息简介
王勇 主编 陈双强、刘浩 副主编
责任编辑：朱彤
书号：9787-122-39477-4
出版时间：2022-05
定价:78.00
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· 本书从碱金属电池基本原理以及关键材料开发、设计和应用技术出发，内容涵盖碱金属电池概述和工作原理；电池材料的制备方法；电池材料的表征；锂离子电池；钠离子电池；碱金属硫电池；金属空气电池（锂空气电池、钠空气电池、钾空气电池、锌空气电池）；碱金属负极；其他新型二次电池（钾离子电池、镁离子电池、铝离子电池、锌离子电池、钙离子电池）等。
· 全书反映了国内外的碱金属电池工艺研究及应用领域的更新成果，展现了新技术发展和研究趋势。
· 本书内容全面系统，实用性突出，既可作为电池相关企业以及高校和科研院所相关科研人员的参考书籍，也可作为新能源、新能源材料、材料与化工等专业在校师生的教材或教学参考书。
目录预览
第1章绪论/001
第2章碱金属电池概述和工作原理/005
2.1碱金属电池的分类007
2.2碱金属电池的原理008
2.2.1碱金属离子电池008
2.2.2碱金属硫电池009
2.2.3碱金属空气电池011
2.2.4碱金属负极012
参考文献013
第3章电池材料的制备方法/014
3.1固相制备法014
3.1.1机械化学法014
3.1.2高温固相反应法016
3.1.3中温固相反应法016
3.1.4低温固相反应法016
3.1.5碳热还原法017
3.1.6熔融浸渍法018
3.1.7固相配位反应法018
3.1.8固相燃烧合成法018
3.1.9小结019
3.2液相制备法020
3.2.1水热法020
3.2.2溶剂热法021
3.2.3离子热法022
3.2.4微波合成法023
3.2.5静电纺丝法023
3.2.6模板法025
3.2.7溶胶-凝胶法026
3.2.8聚合物前驱体法027
3.2.9共沉淀法028
3.2.10喷雾干燥法028
3.2.11微乳液法029
3.2.12溶液燃烧合成法031
3.2.13超临界流体法032
3.2.14小结033
3.3气相制备法034
3.3.1化学气相沉积034
3.3.2物理气相沉积036
3.3.3小结0373.4其他合成方法037
3.4.1超声化学法037
3.4.2流变相反应法038
3.4.3冷冻干燥法038
3.4.4瞬间高温焦耳热技术039
3.5小结040
参考文献041
第4章电池材料的表征/044
4.1电化学表征方法044
4.1.1充放电测试044
4.1.2循环伏安法045
4.1.3电化学阻抗技术047
4.1.4恒电流间歇滴定技术和恒电位间歇滴定技术048
4.1.5控制电流技术048
4.2材料表征方法050
4.2.1晶体场理论050
4.2.2晶体结构050
4.2.3典型锂离子电池材料结构051
4.2.4X射线衍射技术053
4.2.5X射线光电子能谱分析技术053
4.2.6热重分析测试技术055
4.2.7光学显微镜技术056
4.2.8扫描电子显微镜技术057
4.2.9透射电子显微镜技术058
4.2.10红外光谱分析技术060
4.2.11拉曼光谱分析技术060
4.2.12扫描探针技术061
4.2.13原子力显微镜063
4.2.14质谱分析063
4.2.15电感耦合等离子体发射光谱分析064
4.2.16元素分析技术065
4.2.17核磁共振分析技术066
4.2.18气体吸附法066
4.2.19联用表征技术068
4.2.20电化学原位表征技术069
参考文献074
第5章锂离子电池/076
5.1锂离子电池概论076
5.2正极材料077
5.2.1钴锂氧化物077
5.2.2镍锂氧化物078
5.2.3锰锂氧化物080
5.2.4钒锂氧化物081
5.2.55V正极材料082
5.2.6聚阴离子正极材料082
5.2.7其他正极材料083
5.3负极材料084
5.3.1碳材料084
5.3.2插入型088
5.3.3转化型089
5.3.4合金型090
5.3.5其他负极材料094
5.4隔膜097
5.5电解液099
5.6展望101
参考文献103
第6章钠离子电池/105
6.1引言1056.2正极材料107
6.2.1聚阴离子材料108
6.2.2层状氧化物材料NaxMO2110
6.2.3隧道型氧化物材料Na0.44MnO2111
6.2.4氟化磷酸盐和焦磷酸盐正极材料112
6.2.5其他正极材料113
6.3负极材料114
6.3.1嵌入类材料114
6.3.2合金类材料116
6.3.3转化类材料117
6.4隔膜118
6.5展望120
参考文献121
第7章碱金属硫电池/122
7.1引言122
7.2锂硫电池124
7.2.1锂硫电池中的电化学反应124
7.2.2锂硫电池的技术挑战125
7.2.3正极126
7.2.4电解质128
7.2.5锂金属负极128
7.3钠硫电池129
7.3.1钠硫电池原理130
7.3.2室温钠硫电池的挑战与措施131
7.3.3正极132
7.3.4电解质134
7.3.5负极、隔膜、集流体135
7.4钾硫电池136
7.4.1正极137
7.4.2电解质138
7.4.3钾金属负极138
7.5小结138
参考文献139
第8章金属空气电池 /141
8.1引言141
8.2锂空气电池142
8.2.1概述142
8.2.2锂空气电池的工作原理143
8.2.3组成144
8.2.4分类145
8.2.5锂空气电池的优点145
8.2.6应用与发展前景146
8.3钠空气电池147
8.3.1概述147
8.3.2钠空气电池的工作原理147
8.3.3钠空气电池的优点147
8.3.4应用与发展前景148
8.4钾空气电池149
8.4.1概述149
8.4.2钾空气电池的工作原理149
8.4.3钾空气电池的优点150
8.4.4应用与发展前景151
8.5锌空气电池152
8.5.1概述152
8.5.2锌空气电池的工作原理152
8.5.3分类153
8.5.4锌空气电池的优点154
8.5.5影响锌空气电池使用寿命的因素154
8.5.6应用与发展前景155
8.6小结156
参考文献157
第9章碱金属负极/158
9.1锂金属负极159
9.1.1锂枝晶问题159
9.1.2锂枝晶的形成机理161
9.1.3成核后枝晶生长速率的影响因素162
9.1.4枝晶生长的外部影响因素163
9.1.5抑制锂枝晶的策略164
9.1.6锂金属负极在全电池中的应用168
9.2钠金属负极170
9.2.1钠金属负极的挑战170
9.2.2抑制钠枝晶的策略172
9.2.3钠金属负极在全电池中的应用174
9.3钾金属负极175
9.3.1钾金属负极面临的问题176
9.3.2钾金属负极在全电池中的应用176
9.4小结177
参考文献177
第10章其他新型二次电池/182
10.1钾离子电池182
10.1.1概述182
10.1.2正极材料182
10.1.3负极材料187
10.1.4小结188
10.2镁离子电池188
10.2.1概述188
10.2.2正极材料188
10.2.3负极材料192
10.2.4小结192
10.3铝离子电池192
10.3.1概述192
10.3.2非水系铝离子电池193
10.3.3水系铝离子电池194
10.3.4小结195
10.4锌离子电池195
10.4.1概述195
10.4.2水系锌离子电池典型正极材料195
10.4.3非水系锌离子电池196
10.4.4固态锌离子电池197
10.4.5小结197
10.5钙离子电池197
10.5.1概述197
10.5.2研究现状197
10.5.3小结199参考文献199
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编辑 | 小帮
内容来源 | 图书内文节选
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