本書主要介紹了鋰離子電池的基本原理，正極材料（氧化鈷鋰，氧化鎳鋰，氧化錳鋰，磷酸亞鐵鋰，三元材料，釩氧化物，有機正極和硫正極）、負(fù)極材料（碳材料，合金材料和金屬鋰）、電解質(zhì)（液體電解質(zhì)，固體聚合物電解質(zhì)，凝膠聚合物電解質(zhì)，復(fù)合聚合物電解質(zhì)，單離子聚合物電解質(zhì)以及無機陶瓷電解質(zhì)）和隔膜與粘結(jié)劑材料。其中在負(fù)極材料和電解質(zhì)部分穿插了部分關(guān)于電極與電解質(zhì)界面穩(wěn)定性的內(nèi)容。全書主要基于正極，負(fù)極和電解質(zhì)三個方面的國內(nèi)外的新研究成果，特別是熱點內(nèi)容，思路清晰明了，易于閱讀。
自從鋰離子電池出現(xiàn)以來，因為其能量密度高、輸出電壓高、循環(huán)壽命長、自放電慢等優(yōu)點從而廣泛應(yīng)用于小型可移動電子設(shè)備，例如手機、筆記本電腦、相機等。這些可移動電子設(shè)備的應(yīng)用已經(jīng)大幅度改變了人們傳統(tǒng)的交流方式。在當(dāng)今的社會發(fā)展過程中，隨著對電池能量密度要求的不斷提高，電池技術(shù)也不斷發(fā)生變革，從開始的基于液體電解質(zhì)的鋰離子電池，到目前使用的基于聚合物電解質(zhì)的鋰離子電池，再到未來的理想化的全固態(tài)鋰離子電池。
由于化石能源的快速消耗，環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，人們賦予了鋰離子電池新的使命作為汽車的能源。由于電池技術(shù)的不斷革新，目前多家汽車公司均已推出了純電動汽車，如比亞迪、北汽新能源、特斯拉等。這些電動汽車可以基本滿足人們的日常生活需求。
目前世界各國都從政策上和資金上大力支持當(dāng)?shù)仉妱悠嚨陌l(fā)展。在我國，政府不僅提供大量的資金支持，還采取相應(yīng)的鼓勵政策，激勵高等院校與研究機構(gòu)、企業(yè)共同研發(fā)新一代鋰離子電池，爭取早日突破技術(shù)瓶頸，達到世界領(lǐng)先水平。
基于鋰離子電池在當(dāng)今社會中的重要作用，總結(jié)電池各個組成部分的發(fā)展過程、了解最新技術(shù)革新、把握電池技術(shù)的核心問題顯得尤為重要。本書正是基于這個需求，總結(jié)了過去幾十年鋰離子電池的技術(shù)發(fā)展軌跡，并介紹了目前的發(fā)展?fàn)顩r與未來的技術(shù)方向。
本書主要可以分為三部分：正極材料的發(fā)展（第2 章）；負(fù)極材料的發(fā)展（第3 章）；電解質(zhì)的發(fā)展（第4～7 章）。此外還包括鋰電池概論（第1 章）和鋰離子電池中的隔膜和粘結(jié)劑（第8 章）。其中值得一提的是電解質(zhì)的發(fā)展，因為電解質(zhì)相比于電極材料發(fā)展較為緩慢，目前已經(jīng)成為制約鋰電池（鋰離子電池）發(fā)展的重要因素。因此本書著重分類介紹了鋰離子電解質(zhì)的發(fā)展過程，從液體電解質(zhì)IV鋰離子電池材料解析（第4 章）、聚合物電解質(zhì)（第5 章）、單離子導(dǎo)體電解質(zhì)（第6 章）到無機陶瓷電解質(zhì)（第7 章）。希望本書可以幫助讀者了解目前鋰離子電池電解質(zhì)發(fā)展的現(xiàn)狀以及未來的趨勢。
本書能夠得以出版，首先要特別感謝我的合作導(dǎo)師程寒松教授給予我的支持與幫助，感謝他支持我全身心地投入寫作。其次我的夫人也在本書的撰寫過程中幫忙搜集資料并默默支持，在此對她表示真誠的感謝。此外，本書參考了大量的國內(nèi)外期刊文獻以及專利等，在此向所有文獻作者和專利發(fā)明者表示感謝。
由于本人學(xué)術(shù)水平有限，書中難免存在一些遺漏和錯誤，敬請廣大讀者批評指正。
中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）徐國棟2018 年3 月
前言
第1 章 鋰電池概論 1
1.1 概述 1
1.2 鋰電池發(fā)展簡介 1
1.3 鋰離子電池的基本構(gòu)成 2
1.4 表征電池性能的重要參數(shù) 3
1.4.1 電池的電動勢（E） 3
1.4.2 電池的理論容量（Q） 4
1.4.3 電池的能量 4
1.4.4 電池的功率 5
1.4.5 庫侖效率（電流效率） 5
1.4.6 電池的壽命以及自放電與儲存性能 5
第2 章 正極材料 6
2.1 層狀結(jié)構(gòu)正極（LiMO2） 6
2.1.1 LiCoO2 7
2.1.2 LiNiO2 13
2.1.3 LiMnO2 18
2.1.4 其他層狀金屬氧化物 23
2.2 尖晶石結(jié)構(gòu)正極（LiM2O4） 23
2.2.1 LiMn2O4 24
2.2.2 其他尖晶石結(jié)構(gòu)的氧化物正極 31
2.3 基于多聚陰離子的正極 31
2.4 橄欖石結(jié)構(gòu)的正極（LiMPO4） 32
2.4.1 LiFePO4 33
2.4.2 LiMnPO4 和LiCoPO4 35
2.5 三元復(fù)合正極電極材料 36
2.6 釩氧化物正極 40
2.6.1 -V2O5 40
2.6.2 Li1 xV3O8 44
2.7 有機正極材料 45
2.7.1 共軛羰基化合物 46
2.7.2 自由基聚合物 50
2.7.3 導(dǎo)電聚合物 52
2.7.4 有機硫正極 53
2.8 無機硫正極 55
2.8.1 單質(zhì)硫的氧化還原反應(yīng)機理 55
2.8.2 碳/硫復(fù)合電極 56
2.8.3 硫/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料 61
2.8.4 硫/金屬氧化物或金屬硫化物復(fù)合材料 62
2.8.5 多硫化物正極 64
第3 章 負(fù)極材料 66
3.1 插層類化合物 68
3.1.1 碳材料 68
3.1.2 二氧化鈦 76
3.2 合金類材料 77
3.2.1 Si 78
3.2.2 SiO 79
3.2.3 Ge 81
3.2.4 SnO2 82
3.3 轉(zhuǎn)換型材料 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 金屬鋰 90
3.4.1 鋰枝晶的形成與生長 90
3.4.2 原位形成穩(wěn)定的SEI 層 94
3.4.3 非原位表面包覆 98
第4 章 液體電解質(zhì) 107
4.1 液體電解質(zhì)簡介 108
4.2 溶劑 108
4.2.1 碳酸丙二酯（PC） 110
4.2.2 醚類電解質(zhì) 111
4.2.3 碳酸乙二酯（EC） 111
VII
目 錄
4.2.4 線性碳酸酯 112
4.3 鋰鹽 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 電解液的液態(tài)范圍 120
4.5 離子傳導(dǎo)特性 123
4.6 電解質(zhì)在惰性電極表面的電化學(xué)穩(wěn)定性 128
4.6.1 鋰鹽陰離子穩(wěn)定性 129
4.6.2 溶劑的穩(wěn)定性 130
4.7 電解質(zhì)在活性電極表面的電化學(xué)穩(wěn)定性 131
4.7.1 鋰負(fù)極的鈍化 131
4.7.2 碳負(fù)極的鈍化 134
4.8 高溫下電解質(zhì)的長期穩(wěn)定性 142
4.9 新電解質(zhì)體系 145
4.9.1 電解質(zhì)面臨的問題 145
4.9.2 功能化電解質(zhì)：添加劑 146
4.9.3 新電解質(zhì)組分 154
第5 章 聚合物電解質(zhì) 165
5.1 固體聚合物電解質(zhì) 165
5.1.1 聚合物電解質(zhì)的相結(jié)構(gòu) 166
5.1.2 聚合物電解質(zhì)的離子傳導(dǎo)機理 167
5.1.3 基于PEO 169
5.2 凝膠聚合物電解質(zhì) 187
5.2.1 凝膠聚合物電解質(zhì)的增塑劑 187
5.2.2 增塑劑的改性 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 復(fù)合聚合物電解質(zhì) 199
VIII
鋰離子電池材料解析
第6 章 單離子導(dǎo)體電解質(zhì) 207
6.1 基于聚合物的單離子導(dǎo)體電解質(zhì) 207
6.1.1 羧酸鹽 208
6.1.2 磺酸鹽 210
6.1.3 磺酰亞胺鹽 212
6.1.4 硼酸鹽 214
6.1.5 其他陰離子 216
6.2 基于有機無機混合材料的單離子導(dǎo)體電解質(zhì) 217
6.3 基于陰離子受體的單離子導(dǎo)體電解質(zhì) 218
第7 章 無機陶瓷電解質(zhì) 220
7.1 固態(tài)中離子傳導(dǎo)的基礎(chǔ) 220
7.2 離子傳導(dǎo)的機理和性質(zhì) 221
7.3 固體電解質(zhì) 222
7.3.1 LISICON 型 222
7.3.2 硫銀鍺礦 225
7.3.3 NASICON 型 225
7.3.4 石榴石 227
7.3.5 鈣鈦礦 228
7.4 結(jié)構(gòu)改性 228
7.4.1 通過取代調(diào)節(jié)晶格體積 228
7.4.2 通過機械張力調(diào)節(jié)晶格體積 229
第8 章 隔膜與粘結(jié)劑 230
8.1 隔膜 230
8.1.1 隔膜的類別 230
8.1.2 隔膜的性能 230
8.1.3 隔膜性能的評價 231
8.1.4 電池隔膜的制造技術(shù) 235
8.2 粘結(jié)劑 236
8.2.1 粘結(jié)劑的分類 236
8.2.2 適合鋰離子使用的粘結(jié)劑 237
8.2.3 聚偏二氟乙烯（PVdF）粘結(jié)劑 238
參考文獻 241
書單推薦
