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《高性能电池关键材料》为“高性能高分子材料丛书”之一。电池作为一种典型的电化学储能器件，受到广泛关注和重点研究。《高性能电池关键材料》结合材料科学基础和电化学原理，系统阐述了离子电池、超级电容器、空气电池、燃料电池、固态电池等各类电池的正负极材料特征及其电化学响应。对电解液及隔膜材料等重要内容也进行了详细的描述。另外，《高性能电池关键材料》关注能源电池工程应用技术，考虑了影响能源电池工作性能的因素、电池组的设计及已有的电池标准。《高性能电池关键材料》分为电池材料制备、表征及电化学行为，高性能电池电极材料，高性能电池电解质及隔膜材料，电池性能预测评价及应用技术四大部分。**的特色是将能源电池的基础知识、基本原理及**的科研成果相结合，特别强调近十年来该领域的学术贡献。

目录

总序

前言

**篇 电池材料制备、表征及电化学行为

第1章 电池材料发展历史及研究现状 3

1.1 电池材料的发展历史 3

1.2 电池材料的研究现状 5

参考文献 15

第2章 纳米电池材料制备技术 17

2.1 纳米电池材料 17

2.1.1 零维纳米材料 17

2.1.2 一维纳米材料 19

2.1.3 二维纳米材料 22

2.1.4 多孔材料 27

2.1.5 核壳结构材料 28

2.2 纳米电池材料的制备原理 30

2.2.1 化学反应原理简介 30

2.2.2 零维纳米材料制备原理 33

2.2.3 一维纳米材料制备原理 38

2.2.4 二维纳米材料制备原理 41

2.2.5 纳米颗粒的形貌控制 43

2.3 纳米电池材料制备技术简介 48

2.3.1 化学法制备纳米电池材料 48

2.3.2 物理法制备纳米电池材料 54

参考文献 58

第3章 电池材料表征方法 63

3.1 电池材料微结构的表征方法 63

3.1.1 晶体学基础 63

3.1.2 X射线衍射 73

3.1.3 电子衍射 78

3.2 电池材料微观形貌的表征方法 83

3.2.1 电子显微镜 83

3.2.2 探针类显微镜 95

3.3 电池材料微观成分的表征方法 103

3.3.1 电子探针显微分析 103

3.3.2 X射线荧光光谱 111

3.3.3 俄歇电子能谱 114

3.3.4 X射线光电子能谱 119

3.3.5 电子能量损失谱 125

3.4 电池材料的光谱分析 129

3.4.1 红外光谱 129

3.4.2 拉曼光谱 132

3.5 物理吸附仪 135

3.5.1 吸附 135

3.5.2 物理吸附仪的测量原理 136

3.5.3 测试结果分析 137

参考文献 141

第4章 电池材料电化学行为 143

4.1 电化学的相及界面 143

4.1.1 构成界面的两相 143

4.1.2 电极/溶液界面 144

4.2 电极反应 147

4.2.1 电极电势 147

4.2.2 可逆电极反应与不可逆电极反应 151

4.2.3 电极电势对电化学反应活化能的影响 153

4.2.4 电极电势对电极反应速率的影响 155

4.2.5 浓差极化对电极反应速率的影响 158

4.2.6 双电层结构对电极反应速率的影响 159

4.3 二次电池电化学 161

4.3.1 二次电池概述 161

4.3.2 二次电池的主要参数 162

4.4 纳米能源材料的电化学测试 166

4.4.1 稳态测试 166

4.4.2 非稳态测试 172

参考文献 180

第二篇 高性能电池电极材料

第5章 离子电池电极材料 185

5.1 概述 185

5.2 离子电池的原理 187

5.2.1 离子电池的组成与分类 187

5.2.2 离子电池的性能及特点 188

5.2.3 离子电池中的热力学及动力学 195

5.3 正极材料 211

5.3.1 过渡金属氧化物正极材料 212

5.3.2 聚阴离子型正极材料 220

5.4 负极材料 223

5.4.1 嵌入型负极材料 223

5.4.2 合金型负极材料 228

5.4.3 转化型负极材料 235

5.5 锂/钠-硫电池正极材料 243

5.5.1 锂/钠-硫电池的储能机理 243

5.5.2 锂/钠-硫电池正极材料的瓶颈问题 244

5.5.3 锂/钠-硫电池正极材料的优化研究 247

5.6 研究实例：锂离子电池负极材料金属硫化物的制备及研究 251

参考文献 264

第6章 空气电池电极材料 273

6.1 概述 273

6.2 空气电池的组成及电化学机理 274

6.2.1 金属阳极 275

6.2.2 电解液 280

6.3 空气电池的空气阴极 281

6.3.1 空气阴极的结构特点 281

6.3.2 空气阴极存在的问题 283

6.3.3 空气阴极典型的催化剂 284

6.4 锂-空气电池 297

6.4.1 锂-空气电池的工作原理及结构 297

6.4.2 锂-空气电池的优点及存在的问题 301

6.4.3 锂-空气电池的电化学过程 303

6.4.4 研究实例：锂-空气电池电极催化剂过渡金属碳化物催化活性预测及实验验证 310

参考文献 318

第7章 超级电容器电极材料 323

7.1 概述 323

7.2 超级电容器的发展历史 323

7.3 超级电容器的基本概念 325

7.3.1 电容与电势能 325

7.3.2 电压窗口 327

7.3.3 等效串联电阻和漏电电阻 328

7.3.4 能量密度和功率密度 329

7.3.5 Ragone图：能量密度和功率密度的关系 332

7.4 超级电容器的机理及分类 333

7.4.1 超级电容器的特性 333

7.4.2 双电层电容器 334

7.4.3 赝电容电容器 344

7.4.4 混合型电容器 347

7.5 超级电容器的组成 349

7.5.1 电极材料 349

7.5.2 研究实例：N、O共掺杂多孔网络材料的设计及其对电容器电性能的影响分析 354

参考文献 357

第8章 燃料电池电极材料 363

8.1 概述 363

8.2 燃料电池的分类、结构及工作原理 366

8.2.1 燃料电池的分类 366

8.2.2 燃料电池的结构及工作原理 374

8.3 燃料电池电极反应热力学与动力学 381

8.3.1 电极反应热力学 381

8.3.2 电极反应动力学 387

8.4 燃料电池催化剂 396

8.4.1 阳极催化剂 396

8.4.2 阴极催化剂 397

8.4.3 研究实例：碱性电解液中甲烷浓度对碳膜氧还原性能的影响 400

参考文献 407

第9章 固态电池电极材料 412

9.1 概述 412

9.2 固态电池的结构及分类 413

9.2.1 固态电池的结构 413

9.2.2 固态电池的分类 413

9.3 固态电池的电极反应及传质机理 418

9.3.1 固态电池的电极反应 418

9.3.2 固态电池的传质机理 419

9.4 固态电池的电极材料 436

9.4.1 负极材料 436

9.4.2 正极材料 438

9.5 固态电池的电解质材料 440

9.5.1 无机固态电解质 441

9.5.2 聚合物固态电解质 457

9.6 固态电池的电极/电解质界面 463

9.6.1 正极/电解质界面 464

9.6.2 负极/电解质界面 467

参考文献 469

第三篇 高性能电池电解质及隔膜材料

第10章 高性能锂离子电池电解质 477

10.1 液态电解液的特点与表征 478

10.1.1 电解液的稳定性 478

10.1.2 离子电导率 479

10.1.3 黏度 480

10.1.4 溶剂的介电常数 480

10.1.5 溶剂的熔点和沸点 481

10.2 电解液与负极界面 481

10.2.1 负极界面概述 481

10.2.2 负极界面化学 482

10.2.3 负极界面膜的形成 483

10.2.4 负极界面膜的特点 485

10.3 电解液与正极界面 487

10.3.1 正极界面概述 487

10.3.2 正极界面化学 488

10.3.3 电解液的氧化分解与CEI膜 489

10.4 正负极界面的相互作用 489

10.5 液态电解质溶剂 490

10.5.1 有机溶剂 490

10.5.2 碳酸酯类溶剂 491

10.5.3 羧酸酯类和内酯类溶剂 492

10.5.4 醚类溶剂 493

10.5.5 砜类溶剂 495

10.5.6 腈类溶剂 496

10.5.7 含磷溶剂 496

10.6 液态电解质锂盐 498

10.6.1 常规锂盐 499

10.6.2 含硫锂盐 500

10.6.3 硼酸锂盐 503

10.7 液态电解质添加剂 506

10.7.1 负极成膜添加剂 506

10.7.2 锂负极保护添加剂 509

10.7.3 正极添加剂 510

10.7.4 抗过充添加剂 512

10.7.5 阻燃添加剂 514

10.8 研究实例：高电压锂离子电池电极电解液界面构筑 515

参考文献 520

第11章 高性能电池隔膜材料 531

11.1 概述 531

11.2 高分子材料学基础 531

11.2.1 影响高分子材料的因素 532

11.2.2 高分子成型过程的影响 541

11.3 隔膜参数及测试方法 549

11.3.1 隔膜参数 549

11.3.2 测试方法 551

11.4 电池隔膜材料 552

11.4.1 聚丙烯 552

11.4.2 聚乙烯 558

11.4.3 其他高分子材料 563

11.5 电池隔膜制备工艺 564

11.5.1 干法拉伸工艺 564

11.5.2 湿法拉伸工艺 567

11.5.3 直拉蒸发工艺 569

11.5.4 静电纺丝工艺 570

参考文献 570

第四篇 电池性能预测评价及应用技术

第12章 电极材料的性能预测与评价 577

12.1 概述 577

12.2 **性原理理论与计算方法 577

12.2.1 薛定谔方程和两个基本近似 579

12.2.2 密度泛函理论 581

12.2.3 交换关联泛函 584

12.2.4 **性原理计算方法 588

12.2.5 随机行走模型 592

12.2.6 常用软件包介绍 601

12.3 电极材料结构模拟及性能评价 602

12.3.1 电极材料的结构评价及电子设计 602

12.3.2 热力学性能的预测与评价 607

12.3.3 动力学性能的预测与评价 608

12.3.4 研究实例 610

参考文献 631

第13章 高性能电池应用技术 637

13.1 概述 637

13.2 传统能源器件 637

13.2.1 传统电池 637

13.2.2 锂离子电池 644

13.2.3 超级电容器 656

13.2.4 燃料电池 668

13.3 先进能源器件 679

13.3.1 柔性可穿戴电池 679

13.3.2 生物电池 680

13.3.3 军用电池 682

参考文献 682

主要符号说明 685

关键词索引 688

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