崔寶臣，廣東石油化工學院，教授，長期從事高能電池及關鍵材料、電催化等方面基礎及應用研究。主要學術成就包括：（1）開創了全新概念的可充熔鹽金屬（Fe、 Zn）空氣電池研究先河，開發了繫列熔鹽電池電解質，發展了多種新型正極催化材料，揭示了該類電池的電化學儲能機理並解決了熔鹽電池體繫電極材料穩定性關鍵科學問題。（2）在水繫鋅基雜化電池方面，在電極基體上直接生長納米線陣列電催化劑並作為活性材料，無需膠黏劑和炭素等輔助材料，實現長周期穩定充放電10000個循環，放電電壓平臺高達1.65 V以上，突破了鋅基雜化電池放電電壓波動的技術瓶頸。（3）設計開發了新型水繫鋅離子電池鐵基尖晶石正極材料，揭示了正極材料的儲鋅行為與機理，探索充放電循環過程正極材料微觀結構演變規律，發現儲鋅失效原因，加深了對鋅離子電池正極材料儲鋅機理的科學認識。（4）在電催化領域，跨越傳統的Haber-Bosch合成氨工藝對天然氣的依賴和需求，以水和氮氣直接常壓電催化合成氨研究獲得重要科學突破，開創了電化學合成氨新方法。開發熔鹽電化學綠色煉鐵、熔鹽捕獲二氧化碳電化學還原制碳材料以及低溫熔鹽化學鏈分解水制氫等新技術。近年主持國家自然科學基金面上項目2項、廣東省和黑龍江省重點科技攻關、自然科學基金面上項目等多項。獲省部科技進步獎3項。在Energy Environ. Sci.、J. Power Source、 Green Chem.、J. Mater. Chem. A等國際TOP期刊發表學術論文60餘篇，授權美國和PCT專利各1件，已授權中國發明專利7件。美國喬治華盛頓大學博士後，博士研究生導師，國家自然科學基金、中國博士後和浙江省自然科學基金等項目函評專家，美國電化學學會會員、中國環境科學學會會員、黑龍江省化工學會理事。2019年作為高層次人纔引進加盟廣東石油化工學院從事教學和科研工作至今。

第1章  鋅基電池概論    001
1.1  鋅基電池的發展歷史    001
1.2  鋅基電池的種類    003
1.3  鋅基電池的組成    004
1.3.1  電極    004
1.3.2  電解質    005
1.3.3  隔膜    006
1.3.4  外殼    006
1.4  鋅基電池的主要性能    007
1.4.1  電動勢    007
1.4.2  電壓    009
1.4.3  電池容量    012
1.4.4  內阻    015
1.4.5  能量與比能量    016
1.4.6  功率與比功率    017
1.4.7  壽命    018
1.4.8  荷電狀態    018
1.4.9  貯存性能與自放電    019
參考文獻    020

第2章  可充堿性鋅-錳電池    021
2.1  概述    021
2.1.1  鋅-錳電池的發展    022
2.1.2  可充堿性鋅-錳電池現狀    023
2.1.3  可充堿性鋅-錳電池的結構及工作原理    024
2.2  MnO2正極    026
2.2.1  MnO2正極材料    026
2.2.2  MnO2放電機制    028
2.2.3  MnO2的可充電性    031
2.2.4  MnO2正極的改進    032
2.3  鋅負極    036
2.3.1  鋅負極材料    036
2.3.2  鋅負極上的電極反應    037
2.3.3  鋅負極存在的問題    038
2.3.4  鋅負極性能的改進    043
2.4  電解液    047
2.4.1  電解液的組成    047
2.4.2  電解液性能優化    048
2.5  隔膜    051
2.6  RAM電池的種類及制造工藝    053
2.6.1  RAM電池的種類及性能    053
2.6.2  RAM電池的制造工藝    055
參考文獻    057

第3章  可充鋅-鎳電池    060
3.1  概述    060
3.1.1  鋅-鎳電池的發展概況    060
3.1.2  鋅-鎳電池的工作原理    062
3.2  氫氧化鎳正極    063
3.2.1  氫氧化鎳材料的結構    063
3.2.2  氫氧化鎳的氧化還原反應機理    065
3.2.3  氫氧化鎳氧化還原過程及晶型轉換    068
3.2.4  氫氧化鎳電極結構    069
3.3  鎳基電極的電化學性能改進    072
3.3.1  組成設計    072
3.3.2  形貌設計    079
3.3.3  結構設計    080
3.3.4  其它鎳基正極材料    084
3.4  鋅負極    090
3.4.1  鋅負極材料及電極反應    090
3.4.2  鋅負極存在的問題    090
3.4.3  鋅負極的改進    091
3.5  電解液    105
3.5.1  電解液的組成    105
3.5.2  電解液性能優化    106
3.5.3  堿性固體聚合物電解質    109
3.6  隔膜    112
參考文獻    114

第4章  可充鋅-空氣電池    118
4.1  鋅-空氣電池概述    118
4.1.1  鋅-空氣電池發展歷史    119
4.1.2  鋅-空氣電池的結構與工作原理    121
4.1.3  鋅-空氣電池的特點    123
4.1.4  鋅-空氣電池的種類    124
4.1.5  鋅-空氣電池的配置    125
4.2  雙功能空氣電極    128
4.2.1  空氣電極的結構    128
4.2.2  空氣電極上的氧電反應機理    131
4.3  空氣電極的催化劑及改進    135
4.3.1  貴金屬基催化劑    136
4.3.2  過渡金屬氧化物催化劑    138
4.3.3  其它過渡金屬化合物    145
4.3.4  碳基無金屬催化劑    146
4.3.5  碳-過渡金屬復合材料    152
4.4  鋅負極    163
4.4.1  鋅負極材料    163
4.4.2  鋅負極存在的問題    163
4.4.3  鋅負極的改進    164
4.5  電解液    169
4.5.1  水溶液電解質    170
4.5.2  非水溶液電解質    174
4.6  隔膜    178
4.6.1  多孔膜    179
4.6.2  離子交換膜    182
4.6.3  Zn枝晶生長抑制膜    183
參考文獻    184

第5章  水繫鋅離子電池    189
5.1  概述    189
5.1.1  水繫鋅離子電池的發展概況    189
5.1.2  水繫鋅離子電池的特點與挑戰    190
5.2  水繫鋅離子電池的儲能機理    192
5.2.1  Zn2 的嵌入/脫出機制    192
5.2.2  Zn2 /H （或H2O）共嵌入/脫出機制    194
5.2.3  化學轉化反應機制    195
5.2.4  溶解/沉積機制    196
5.2.5  有機配位反應機制    197
5.3  水繫鋅離子電池的正極材料    198
5.3.1  錳基化合物正極材料    198
5.3.2  釩基化合物正極材料    209
5.3.3  普魯士藍類似物正極材料    223
5.3.4  有機化合物正極材料    227
5.3.5  層狀過渡金屬硫化物正極材料    232
5.3.6  代表性正極材料總結    235
5.4  鋅負極    236
5.4.1  鋅沉積/溶解的熱力學與動力學機理    236
5.4.2  鋅陽極的優化設計    238
5.5  電解液    246
5.5.1  AZIBs電解液的種類    247
5.5.2  AZIBs電解液的優化策略    248
5.6  隔膜    255
參考文獻    257

國際能源格局正在發生重大變革，能源繫統從化石能源絕對主導向低碳多能融合方向轉變的趨勢已經不可逆轉，世界各主要經濟體都將風能和太陽能等可再生能源的大規模利用列入能源革命的重大戰略問題。以可充電池為代表的電化學儲能技術不受地理環境限制，可以對風能和太陽能等轉化的電能直接進行高效存儲和釋放，是建立“安全、經濟、高效、低碳、共享”能源體繫的關鍵環節，也是踐行和落實能源革命戰略的必由之路。同時，可充電池也是手機、筆記本電腦等移動終端的主要動力源，正逐步成為電動汽車用動力電池的理想之選。鋰離子電池是目前市場上占主導地位的可充電池。然而，鋰離子電池存在資源短缺、成本高、安全性差等多種問題，極大促進了人們對後鋰電技術的期盼與研發。
金屬鋅氧化還原電位低，能量密度高，資源豐富，成本低，環境友好，與水兼容，易於制備組裝，在電池安全方面具有極大優勢。可充鋅基電池是未來鋰離子電池的理想替代，被認為是新興電化學儲能技術中最具應用前景的電池之一。有些類型的可充鋅基電池雖然已經商業化，但仍存在一繫列科學和技術上的問題需要解決，有些類型尚處於研究開發階段。可充鋅基電池的誘人前景，使得近年來新的研究成果層出不窮，相關技術發展突飛猛進。本書荟萃了國內外眾多學者多年的心血，體現了可充鋅基電池原理及電極、電解液和隔膜等關鍵材料的新發展，也是該領域最新科研成果的集中體現。
筆者多年從事鋅-空氣電池、鋅雜化電池、鋅離子電池等高能電池及其關鍵材料和電催化等領域研究與開發工作，取得了一些研究成果，積累了一定經驗和資料，以此為基礎，並結合相關領域的研究進展編寫成本書。對收入本書的相關文獻資料的作者表示衷心感謝！同時，由於篇幅有限，未能將全部文獻一一列出而深表歉意。感謝廣東石油化工學院高層次人纔科研啟動金對本書出版的資助，同時特別感謝化學工業出版社相關編輯在本書編寫及出版過程中所給予的幫助和支持！
由於可充鋅基電池原理與材料的科學研究仍處於迅猛發展階段，是目前最前沿研究領域之一，新概念、新知識、新原理和新材料不斷湧現，加之筆者的水平和經驗有限，書中難免有不妥之處，敬請同行專家學者與廣大讀者批評指正。

編著者      
2023年6月