第1章能量儲存和轉化的基本要素

1.1能量儲存能力/001

1.2不間斷能量供應/002

1.3納米儲能/003

1.4儲能/004

1.5電化學電池簡要歷史/006

1.5.1重要裡程碑/006

1.5.2電池設計/007

1.6電池的重要參數/008

1.6.1基本參數/008

1.6.2循環壽命與日歷壽命/011

1.6.3能量、容量和功率/012

1.7電化學繫統/013

1.7.1電池組/013

1.7.2電致變色與智能窗/014

1.7.3超級電容器/015

1.8總結與評論/016

參考文獻/016



第2章鋰電池

2.1引言/019

2.2發展歷史概述/020

2.3一次鋰電池/022

2.3.1高溫鋰電池/022

2.3.2固態電解質鋰電池/023

2.3.3液態正極鋰電池/025

2.3.4固態正極鋰電池/025

2.4二次鋰電池/029

2.4.1鋰-金屬電池/029

2.4.2鋰離子電池/031

2.4.3鋰聚合物電池/035

2.4.4鋰-硫電池/036

2.5鋰電池經濟/037

2.6電池模型/038

參考文獻/039



第3章嵌入原理

3.1引言/045

3.2嵌入機理/046

3.3吉布斯相律/047

3.4典型嵌入反應/049

3.4.1完美的無化學計量比化合物：Ⅰ類電極材料/049

3.4.2準兩相繫統：Ⅱ類電極/051

3.4.3兩相繫統：Ⅲ型電極/051

3.4.4鄰域：Ⅳ型電極/052

3.5插層化合物/052

3.5.1合成插層化合物/052

3.5.2堿金屬插層化合物/053

3.6插層化合物的電子能量/054

3.7插層化合物高電壓的產生原理/055

3.8鋰離子電池正極材料/056

3.9相轉化反應/058

3.10合金化反應/058

參考文獻/059



第4章剛性能帶理論模型應用於鋰嵌入化合物的可靠性

4.1引言/062

4.2費米能級的演變/062

4.3TMDs的電子結構/064

4.4鋰嵌入TiS2材料/066

4.5鋰嵌入TaS2材料/068

4.6鋰嵌入2H-MoS2材料/069

4.7鋰嵌入WS2材料/071

4.8鋰嵌入InSe材料/072

4.9過渡金屬化合物的電化學性質/074

4.10總結與評論/075

參考文獻/075



第5章二維正極材料

5.1引言/077

5層狀氧化物/077

5.2.1MoO3/077

5.2.2V2O5/080

5.2.3LiV3O8/082

5層狀氧化物/083

5.3.1LiCoO2(LCO)/084

5.3.2LiNiO2(LNO)/086

5.3.3LiNi1-yCoyO2(NCO)/087

5.3.4摻雜的LiCoO2(d-LCO)/089

5.3.5LiNi1-y-zCoyAlzO2(NCA)/091

5.3.6LiNi0.5Mn0.5O2(NMO)/092

5.3.7LiNi1-y-zMnyCozO2(NMC)/092

5.3.8Li2MnO3/095

5.3.9富鋰層狀化合物(LNMC)/097

5.3.10其他層狀化合物/099

5.4總結與評論/099

參考文獻/100



第素離子的三維框架正極材料

6.1引言/110

6.2二氧化錳/111

6.2.1MnO2/112

6.2.2錳基復合材料/112

6.2.3MnO2納米棒/113

6.2.4水鈉錳礦/115

6.3鋰化二氧化錳/116

6.3.1Li0.33MnO2/116

6.3.2Li0.44MnO2/117

6.3.3LiMnO2/118

6.3.4LixNa0.5-xMnO2/119

6.4尖晶石鋰錳氧化物/119

6.4.1LiMn2O4(LMO)/119

6.4.2錳酸鋰表面修飾/123

6.4.3缺陷尖晶石/124

6.4.4鋰摻雜尖晶石/124

6.55V尖晶石/126

6.6釩氧化物/128

6.6.1V6O13/128

6.6.2LiVO2/129

6.6.3VO2(B)/130

6.7總結與評論/130

參考文獻/131



第7章聚陰離子正極材料

7.1引言/138

7.2合成路線/140

7.2.1固相法/140

7.2.2溶膠-凝膠法/141

7.2.3水熱法/141

7.2.4共沉澱法/141

7.2.5微波合成/141

7.2醇與溶劑熱過程/142

7.2.7微乳液/142

7.2.8噴霧技術/142

7.2.9模板法/142

7.2.10機械活化/143

7.3晶體化學/144

7.3.1橄欖石磷酸鹽的結構/144

7.3.2誘導效應/146

7.4優化的LiFePO4粒子的結構與形貌/147

7.4.1磷酸鐵鋰的XRD譜/147

7.4.2優化的磷酸鐵鋰的形貌/148

7.4.3局域結構與晶格動力學/148

7.5磁性和電子特性/150

7.5.1本征磁性/150

7.5.2γ-Fe2O3雜質的影響/151

7.5.3Fe2P 雜質的影響/152

7.5.4磁極性效應/154

7.6碳包覆層/157

7.6.1碳層的表征/157

7.6.2碳層質量/158

7.7化學計量比偏差的影響/160

7.8LFP顆粒暴露於水中的老化/161

7.8.1水浸LFP顆粒/162

7.8.2長期暴露於水中的LFP顆粒/163

7.9LFP的電化學性能/163

7.9.1循環性能/163

7.9.2電化學特性與溫度/164

7.104V正極LiMnPO4/166

7.11聚陰離子高電壓正極材料/167

7.11.1橄欖石材料的合成/168

7.11.25V正極材料LiNiPO4/168

7.11.35V正極材料LiCoPO4/168

7.12NASICON類型化合物/170

7.13聚陰離子硅酸鹽Li2MSiO4(M=Fe，Mn，Co)/171

7.14總結和展望/173

參考文獻/174



第8章氟代聚陰離子化合物

8.1引言/185

8.2聚陰離子型化合物/185

8.3氟代聚陰離子/187

8.3.1氟摻雜LiFePO4/187

8.3.2LiVPO4F/188

8.3.3LiMPO4F(M=Fe，Ti)/190

8.3.4Li2FePO4F(M=Fe，Co，Ni)/191

8.3.5Li2MPO4F(M=Co，Ni)/191

8.3.6Na3V2(PO4)2F3混合離子正極材料/192

8.3.7其他氟磷酸鹽/193

8.4氟硫酸鹽/193

8.4.1LiFeSO4F/194

8.4.2LiMSO4F(M=Co，Ni，Mn)/195

8.5總結與評論/196

參考文獻/197



第9章無序化合物

9.1引言/203

9.2無序MoS2/204

9.3水合MoO3/206

9.4MoO3薄膜/207

9.5無序釩氧化物/211

9.6LiCoO2薄膜/213

9.7無序LiMn2O4/214

9.8無序LiNiVO4/216

參考文獻/217



第10章鋰離子電池負極

10.1引言/221

10.2碳基負極/223

10.2.1硬碳/223

10.2.2軟碳/223

10.2.3碳納米管/224

10.2.4石墨烯/225

10.2.5表面修飾碳材料/226

10.3硅負極/226

10.3.1Si薄膜/228

10.3.2Si納米線/228

10.3.3多孔Si/230

10.3.4多孔納米管/納米線與納米顆粒/232

10.3.5納米結構Si包覆及SEI穩定性/233

10.4锗/234

10.5錫和鉛/235

10.6具有插層-脫嵌反應的氧化物/236

10.6.1TiO2/236

10.6.2Li4Ti5O12/242

10.6.3Ti-Nb氧化物/246

10.7基於合金化與去合金化反應的氧化物/246

10.7.1Si氧化物/246

10.7.2GeO2和锗酸鹽/248

10.7.3Sn氧化物/248

10.8基於轉化反應的負極/252

10.8.1CoO/253

10.8.2NiO/254

10.8.3CuO/257

10.8.4MnO/258

10.8.5尖晶石結構氧化物/260

10.8.6具有剛玉結構的氧化物:M2O3(M=Fe,Cr,Mn)/264

10.8.7二氧化物/266

10.9尖晶石金屬氧化物/267

10.9.1鉬化合物/267

10.9.2青銅型氧化物/268

10.9.3Mn2Mo3O8/269

10.10基於合金和轉化反應的負極/269

10.10.1ZnCo2O4/269

10.10.2ZnFe2O4/270

10.11總結與評論/271

參考文獻/272



第11章鋰電池電解質與隔膜

11.1引言/300

11.2理想電解質的性質/300

11.2.1電解質的組成/301

11.2.2溶劑/301

11.2.3溶質/302

11.2.4包含離子液體的電解質/303

11.2.5聚合物電解質/305

11.3鋰電池中電極-電解質界面鈍化現像/306

11.4現有商業化電解質體繫存在的問題/307

11.4.1不可逆容量損失/307

11.4.2使用溫度範圍/308

11.4.3熱失控：安全與危害/308

11.4.4離子傳輸能力的提升/308

11.5電解質設計/308

11.5.1SEI膜的控制/309

11.5.2鋰鹽的安全問題/309

11.5.3過充保護/311

11.5.4阻燃劑/311

11.6隔膜/313

11.7總結/315

參考文獻/315



第12章儲能納米技術

12.1引言/322

12.2納米材料的合成方法/323

12.2.1濕化學法/323

12.2.2模板合成法/327

12.2.3噴霧熱解法/327

12.2.4水熱法/328

12.2.5噴射研磨/330

12.3無序表面層/331

12.3.1一般注意事項/331

12.3.2LiFePO4納米顆粒的無序層/332

12.3.3LiMO2層狀化合物的無序層/334

12.4納米顆粒的電化學性能/336

12.5納米功能材料/337

12.5.1WO3納米復合材料/337

12.5.2WO3納米棒/338

12.5.3WO3納米粉末和納米膜/338

12.5.4Li2MnO3岩鹽納米結構/339

12.5.5NCA材料中的鋁摻雜效應/339

12.5.6MnO2納米棒/340

12.5.7MoO3納米纖維/341

12.6總結與評論/342

參考文獻/343



第13章試驗技術

13.1引言/348

13.2理論/348

13.3嵌入參數的測量/349

13.3.1電化學電勢譜/349

13.3.2間歇恆電流電位滴定法/351

13.3.3電化學阻抗譜/353

13.4應用：MoO3電極的動力學研究/354

13.4.1MoO3晶體/354

13.4.2MoO3薄膜/354

13.5遞增容量分析法（ICA）/355

13.5.1簡介/355

13.5.2半電池的遞增容量分析法/357

13.5.3全電池的ICA和DVA法/361

13.6固相傳輸測量技術/362

13.6.1電阻率測量/362

13.6.2霍爾效應測試法/362

13.6.3範德華測試技術/363

13.6.4光學性質測試/364

13.6.5離子電導率測定：復合阻抗技術/367

13.7磁性質測試在正極材料固體化學中的應用/370

13.7.1LiNiO2/370

13.7.2LiNi1-yCoyO2/371

13.7.3硼摻雜的LiCoO2/373

13.7.4LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2/375

參考文獻/375



第14章鋰離子電池安全性

14.1引言/379

14.2實驗與方法/380

14.2.1扣式電池制備/380

14.2.2差示掃描量熱儀（DSC）/380

14.2.3商業18650電池實驗/380

14.3LiFePO4-石墨電池的安全性/382

14.4使用離子液體的鋰離子電池/388

14.4.1不同電解液中石墨負極性能/388

14.4.2不同電解液中LiFePO4正極性能/390

14.5表面修飾/391

14.5.1能量示意圖/392

14.5.2層狀電極的表面包覆/393

14.5.3尖晶石電極的表面修飾/394

14.6總結與評論/395

參考文獻/396



第15章鋰離子電池技術

15.1容量/400

15.2負極/正極容量比/400

15.3電極載量/401

15.4衰降/401

15.4.1晶體結構破壞 /401

15.4.2SEI 膜討論/402

15.4.3正極基團遷移 /402

15.4.4腐蝕/402

15.5制造與包裝/402

15.5.1步驟 1：電極活性材料顆粒的制備/402

15.5.2步驟 2: 電極疊片的制備/404

15.5.3裝配過程/407

15.5.4化成過程/408

15.5.5充電器/408

參考文獻/409



縮略詞

譯者前言《鋰電池科學與技術》（Lithium Batteries Science and Technology）是由法國和加拿大科學家Christian Julien 、Alain Mauger、 Ashok Vijh 、Karim Zaghib共同編寫的鋰電池專著。該書全面總結了鋰電池基礎理論、關鍵材料、電池技術的研究成果。特別是對各種正負極材料、電池工藝進行了詳盡介紹。《鋰電池科學與技術》共15章，涉及能量儲存和轉化的基本要素、鋰電池、嵌入原理、剛性能帶理論模型應用於鋰嵌入化合物的可靠性、二維正極材素離子的三維框架正極材料、聚陰離子正極材料、氟代聚陰離子化合物、無序化合物、鋰離子電池負極、鋰電池電解質與隔膜、儲能納米技術、試驗技術、鋰離子電池安全性、鋰離子電池技術等內容，具有全面、具體、新穎、實用的特點。譯者相信本書可以成為我國從事鋰電池研究、生產、應用的各類科技與專業人員的一部極具價值的參考書；同時，本書也可作為各類高校、研究院所從事電化學及材料學相關專業師生的有益參考書。中國電子科技集團公司第十八研究所作為全國的電池專業研究所承擔了本書的翻譯工作。參加本書翻譯和審校的專家與科技人員有：劉興江、王松蕊、盧志威、宗軍、許寒、郁濟敏、李楊等。同時，中國電子科技集團公司第十八研究所和化學與物理電源行業協會對該書的編撰與出版提供了有力支持。在此謹向參與本書翻譯和相關工作的專家與科技人員表示衷心感謝；向支持本項工作的領導和同事表示衷心感謝。由於譯者水平和時間所限，本書難免有不當之處，歡迎讀者批評指正。劉興江2017年10月前言充電電池儲能在近二十年來成為被關注的焦點，基於互聯網的移動電子設備(如筆記本電腦、手機、平板電腦、數碼相機等)都離不開儲能電池。電池的重要性日益突顯，已廣泛應用在電動工具、便攜電子設備、遠程醫療和遠程教學以及實時通信領域。如今，能源與環境問題備受重視，混合電動汽車和純電動汽車已有取代化石燃料汽車之勢，儲能電池被推到解決能源與環境問題的首要位置，起到關鍵性作用。在這樣的背景下，儲能電池的研究、開發和商業化應用煥發出了巨大活力，不斷推出更高效、更耐用的電池，並想方設法提高電池比能量和比功率。電池行業尤其是鋰電池行業發表論文和申請專利的數量巨大，這一研究領域的火熱程度可見一斑。電池行業每年召開很多座談會和研討會，近幾年出版了大量書籍，這些書籍基本上都是由行業內的技術人員編寫而成。那麼，為什麼還要出版本書呢？，現代鋰離子電池的主要研發中心之一是Hydro-Québec研究所，本書的作者就是在這裡工作。第二，以前的書基本上都是由電池研究人員編寫的；本文的作者有其他學科的研究背景，可以從多個不同角度來看待這一領域：Christian Julien和Alain Mauger從事電池材料方面的固態物理學研究；Ashok Vijh是界面電化學專家，可以從新的角度提出不同觀點；Karim Zaghib是電化學工程師，熟悉電池技術，經驗豐富。第三，電池在陸地運輸甚至在航空運輸中起火的事情還沒有引起科學界的足夠重視，至少沒有引起選擇和使用鋰電池的汽車與飛機制造商的重視。現在很多書籍的作者從不同技術角度探討安全性問題，但通常公司的管理人員和采購人員對這些文章不感興趣。本書關於安全問題的論述不完全從技術角度出發，而是更多地關注使用者的感受。第四，近幾年來，納米技術的研究取得了很大進步，人工合成多孔納米粒子，制備含有如石墨烯、碳納米管或導電塗層的復合納米粒子。這些技術還有升級的空間，我們希望在不久的將來還能夠開發出下一代鋰離子電池。希望讀者在閱讀本書之後有所啟發，能夠在這一領域繼續研究和探討，這也是出版本書的目的。後，本書中還突出了材料方面的內容，包括粒子團和界面性質。本文的作者相信，無論是過去還是未來，電池研發技術的提升要以電池材料基礎理化研究為基礎。在這方面，John Goodenough先生作出了卓越的貢獻。法國，巴黎 克裡斯汀·朱利恩法國，巴黎 艾倫·瑪格加拿大，魁北克 阿肖克·維志加拿大，魁北克 卡裡姆·扎赫伯