鋁電池由于負(fù)極成本低、電池安全性高、循環(huán)壽命長、寬溫性能優(yōu)異、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點而廣受關(guān)注。本書主要從鋁電池發(fā)展歷程、研究進(jìn)展、面臨的問題等方面進(jìn)行全面梳理，并從熱力學(xué)與動力學(xué)、原位表征、多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面進(jìn)行機(jī)理與性能的分析，力求在電池電化學(xué)性能和結(jié)構(gòu)兼容性方面取得突破，并為高性能可充電鋁電池的發(fā)展提供新見解。
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目錄
前言
第一部分 概述
第1章 鋁電池簡介 3
1.1 背景與發(fā)展需求 3
1.2 鋁電池的發(fā)展歷史 6
1.2.1 鋁–空氣電池發(fā)展歷史 6
1.2.2 水系鋁電池發(fā)展歷史 6
1.2.3 非水系鋁電池發(fā)展歷史 7
1.3 鋁電池的應(yīng)用前景 9
參考文獻(xiàn) 10
第二部分 鋁--空氣電池
第2章 鋁--空氣電池基礎(chǔ)與原理 17
2.1 鋁–空氣電池概述 17
2.2 鋁–空氣電池結(jié)構(gòu)與電化學(xué) 17
2.3 鋁–空氣電池性能與應(yīng)用前景 19
參考文獻(xiàn) 19
第3章 空氣電極電化學(xué)過程21
3.1 空氣電極類型與結(jié)構(gòu) 21
3.1.1 空氣電極類型 21
3.1.2 空氣電極結(jié)構(gòu)與設(shè)計 22
3.1.3 空氣電極布局與結(jié)構(gòu) 23
3.1.4 空氣電極存在的問題 27
3.2 空氣電極氧還原與析出過程 27
3.2.1 氧還原基本過程 28
3.2.2 氧析出基本過程 28
3.2.3 氧析出與還原過程的可能機(jī)理 29
3.3 空氣電極催化劑材料 31
3.3.1 貴金屬和合金催化劑(鉑基催化劑) 31
3.3.2 碳基催化劑 32
3.3.3 金屬氧化物催化劑 33
3.3.4 鈣鈦礦型氧化物催化劑 34
3.3.5 尖晶石型催化劑 35
3.3.6 金屬大環(huán)化合物 36
參考文獻(xiàn) 38
第4章 鋁--空氣電池用鋁負(fù)極 41
4.1 二元合金負(fù)極.42
4.1.1 鋁鎵合金負(fù)極 43
4.1.2 鋁銦合金負(fù)極 44
4.1.3 鋁錫合金負(fù)極 45
4.1.4 其他二元合金負(fù)極 45
4.2 三元、四元和多組分鋁負(fù)極 48
4.3 商業(yè)鋁負(fù)極 52
4.4 鋁負(fù)極材料加工制備 54
參考文獻(xiàn) 60
第5章 電解質(zhì)與添加劑 68
5.1 電解質(zhì) 68
5.2 電解質(zhì)添加劑 69
5.2.1 無機(jī)添加劑 69
5.2.2 有機(jī)添加劑 71
5.2.3 混合添加劑 74
5.3 電解液設(shè)計與配置 76
參考文獻(xiàn) 78
第6章 鋁--空氣電池設(shè)計與制造 87
6.1 大功率儲能鋁–空氣電池 87
6.1.1 大功率儲能鋁–空氣電池系統(tǒng) 87
6.1.2 大功率儲能鋁–空氣電池設(shè)計 89
6.1.3 鋁–空氣電池運(yùn)行 91
6.2 可穿戴柔性鋁–空氣電池設(shè)計與組裝 92
6.2.1 紙片柔性鋁–空氣電池 92
6.2.2 固態(tài)電解質(zhì)柔性鋁–空氣電池 96
6.3 多功能組合鋁–空氣電池 101
參考文獻(xiàn) 102
第7章 二次鋁--空氣電池.106
7.1 電解液 106
7.1.1 離子液體電解液 106
7.1.2 固體電解質(zhì) 112
7.2 空氣電極氧還原與析出過程 115
7.3 空氣電極催化材料 117
7.3.1 碳基催化材料 117
7.3.2 氧化物基催化材料 119
7.3.3 非氧化物基材料 123
7.3.4 金屬–有機(jī)框架材料 124
參考文獻(xiàn) 126
第8章 鋁--空氣電池未來挑戰(zhàn)與展望 133
8.1 空氣電極材料鋁負(fù)極材料 133
8.2 空氣電極材料 134
8.3 電解質(zhì)添加劑 135
8.4 鋁–空氣電池系統(tǒng)及循環(huán)管理 135
第三部分 水系鋁電池
第9章 水系鋁電池基礎(chǔ)與原理 139
9.1 水系鋁電池工作原理139
9.1.1 嵌入/脫出機(jī)理 139
9.1.2 電化學(xué)轉(zhuǎn)換機(jī)理 143
9.2 水系鋁電池結(jié)構(gòu)與組件 147
9.2.1 單一性鋁鹽電解液 149
9.2.2 含功能性添加劑的電解液 150
9.2.3 凝膠聚合物電解質(zhì) 150
9.3 水系鋁電池的應(yīng)用前景 152
參考文獻(xiàn) 153
第10章 水系鋁電池電解質(zhì) 157
10.1 水系鋁電池電解質(zhì)簡介 157
10.2 電解質(zhì)的熱力學(xué)分析.159
10.3 液體電解質(zhì).161
10.3.1 堿性溶液電解質(zhì) 162
10.3.2 強(qiáng)酸性溶液電解質(zhì) 163
10.4 凝膠聚合物電解質(zhì) 174
參考文獻(xiàn) 177
第11章 水系鋁電池負(fù)極材料 180
11.1 水系鋁電池負(fù)極材料簡介 180
11.2 鈍化膜與析氫反應(yīng) 180
11.3 鋁負(fù)極 181
11.3.1 離子液體預(yù)處理鋁負(fù)極構(gòu)建SEI膜 181
11.3.2 采用“鹽包水”電解質(zhì)構(gòu)建SEI膜 184
11.4 鋁合金材料 185
11.5 金屬氧化物 186
11.5.1 TiO2 186
11.5.2 MoO3 191
11.5.3 其他氧化物 193
11.6 有機(jī)類材料 194
11.6.1 有機(jī)聚合物負(fù)極 194
11.6.2 有機(jī)小分子負(fù)極 195
參考文獻(xiàn) 196
第12章 水系鋁電池正極材料 199
12.1 水系鋁電池正極材料簡介 199
12.2 過渡金屬氧化物 200
12.2.1 釩系電極材料 200
12.2.2 錳系電極材料 204
12.2.3 鉍系電極材料 207
12.2.4 鎢系電極材料 209
12.3 普魯士類結(jié)構(gòu)電極材料 212
12.3.1 CuHCF框架電極材料 213
12.3.2 FeFe(CN)6框架電極材料 215
12.3.3 六氰基鐵酸鎳鉀(KNHCF)框架電極材料 219
12.3.4 六氰鐵酸鈷鉀(K2CoFe(CN)6)框架電極材料 221
12.3.5 K2CuFe(CN)6框架電極材料 227
12.3.6 Na1.68Mn[Fe(CN)6]·1.7H2O(NMHCF)框架電極材料 230
12.3.7 Mn4[Fe(CN)6]2.88Δ0.29·11.8H2O 框架電極材料 232
12.4 碳材料 235
12.5 有機(jī)材料 236
12.5.1 吩嗪有機(jī)正極材料 236
12.5.2 醌類有機(jī)材料 239
參考文獻(xiàn) 241
第13章 水系鋁電池未來挑戰(zhàn)與展望 244
13.1 水系鋁電池面臨的挑戰(zhàn) 244
13.1.1 材料層面 244
13.1.2 電解質(zhì)方面 248
13.1.3 電池結(jié)構(gòu)方面 250
13.2 水系鋁電池的發(fā)展方向 252
13.2.1 鋁電池實際評估與應(yīng)用 252
13.2.2 未來發(fā)展預(yù)期 254
參考文獻(xiàn) 255
第四部分 非水系鋁電池
第14章 非水系鋁電池基礎(chǔ)與原理 261
14.1 非水系鋁電池的電化學(xué)反應(yīng)原理 261
14.1.1 嵌入/脫出機(jī)理 261
14.1.2 吸附/脫附機(jī)理 263
14.1.3 電化學(xué)轉(zhuǎn)化機(jī)理 264
14.2 非水系鋁電池的熱力學(xué)與動力學(xué) 265
14.2.1 非水系鋁電池?zé)崃W(xué)分析 265
14.2.2 非水系鋁電池動力學(xué)分析 267
14.2.3 熱力學(xué)和動力學(xué)理解 273
參考文獻(xiàn) 274
第15章 非水系鋁電池電解質(zhì) 278
15.1 非水系鋁電池電解質(zhì)簡介 278
15.2 非水系電解液物理化學(xué)性質(zhì) 279
15.3 離子液體電解液 279
15.3.1 AlCl3/咪唑類離子液體 280
15.3.2 AlCl3/季銨鹽類離子液體 282
15.3.3 AlCl3/吡啶類離子液體 284
15.3.4 其他新型常溫電解液 285
15.4 熔融鹽電解質(zhì) 287
15.4.1 AlCl3基二元體系 288
15.4.2 AlCl3基三元體系 290
15.4.3 AlCl3基四元體系 292
15.5 固態(tài)電解質(zhì) 294
15.5.1 聚合物骨架的選擇 296
15.5.2 增塑劑的影響 297
參考文獻(xiàn) 310
第16章 非水系鋁電池正極材料 315
16.1 非水系鋁電池正極材料簡介 315
16.2 碳材料 315
16.2.1 石墨紙 315
16.2.2 泡沫石墨 318
16.2.3 膨脹石墨 320
16.2.4 自然石墨 321
16.2.5 無定形碳轉(zhuǎn)化石墨 322
16.2.6 石墨烯 324
16.2.7 碳納米籠 327
16.2.8 碳納米纖維 328
16.2.9 金屬–有機(jī)框架化合物衍生多孔碳 329
16.2.10 多孔碳材料 330
16.3 氧化物 331
16.3.1 氧化釩 332
16.3.2 氧化鈦 334
16.3.3 氧化鈷 335
16.3.4 氧化錫 337
16.3.5 氧化銅 338
16.3.6 氧化錳 339
16.3.7 氧化鎢 339
16.3.8 氧化碲 340
16.4 硫及硫化物 340
16.4.1 硫單質(zhì) 340
16.4.2 硫化鐵 341
16.4.3 硫化鎳 342
16.4.4 硫化銅 344
16.4.5 硫化釩 344
16.4.6 硫化鉬 346
16.4.7 硫化鈦 349
16.4.8 硫化錫 350
16.4.9 鎳鈷硫化物 351
16.5 硒及硒化物 353
16.5.1 硒正極材料 353
16.5.2 非水系硒化物正極材料 357
16.6 碲及碲化物 362
16.6.1 碲正極材料 362
16.6.2 過渡金屬碲化物正極材料 366
16.7 銻單質(zhì) 368
16.8 有機(jī)類材料 370
16.8.1 導(dǎo)電高分子 370
16.8.2 含C=O有機(jī)材料 376
16.8.3 含C≡N有機(jī)材料 379
16.8.4 其他有機(jī)材料 380
16.9 其他材料 381
16.9.1 金屬有機(jī)骨架 381
16.9.2 硼化鈷 383
16.9.3 磷及磷化物 384
16.9.4 氯化物 388
16.9.5 MXene 388
參考文獻(xiàn) 389
第17章 非水系鋁電池負(fù)極材料 397
17.1 非水系鋁電池負(fù)極材料簡介 397
17.2 鋁負(fù)極腐蝕機(jī)理 398
17.2.1 鈍化膜 399
17.2.2 腐蝕溶解 400
17.2.3 枝晶 402
17.3 碳基負(fù)極材料 402
17.3.1 石墨負(fù)極 402
17.3.2 碳布負(fù)極 404
17.3.3 氮摻雜碳棒陣列負(fù)極 406
17.4 其他負(fù)極材料 407
17.4.1 合金負(fù)極 407
17.4.2 液態(tài)金屬鎵負(fù)極 411
參考文獻(xiàn) 412
第18章 非水系鋁電池非活性材料415
18.1 非水系鋁電池非活性材料簡介 415
18.2 集流體 415
18.2.1 金屬集流體 416
18.2.2 碳質(zhì)集流體 420
18.2.3 其他非金屬集流體 422
18.3 黏結(jié)劑 424
18.3.1 PVDF 失活機(jī)理 424
18.3.2 其他黏結(jié)劑 426
18.4 隔膜 429
18.4.1 玻璃纖維隔膜 429
18.4.2 聚丙烯腈隔膜 429
18.4.3 CMK-3涂層改性隔膜 431
參考文獻(xiàn) 432
第19章 非水系鋁電池原位表征技術(shù)與模擬仿真 434
19.1 簡介 434
19.2 原位成像技術(shù) 434
19.2.1 原位SEM 435
19.2.2 原位TEM 436
19.2.3 原位X射線層析成像技術(shù) 438
19.2.4 原位AFM 438
19.2.5 原位光學(xué)成像技術(shù) 440
19.3 原位光譜技術(shù) 442
19.3.1 原位 XRD 442
19.3.2 原位Raman 444
19.3.3 原位XPS 446
19.4 在線氣體分析技術(shù) 447
19.5 第一性原理計算 449
19.6 模擬仿真在非水系鋁電池中的應(yīng)用 452
參考文獻(xiàn) 455
第20章 非水系鋁電池未來挑戰(zhàn)與展望 457
20.1 非水系鋁電池總結(jié) 457
20.2 非水系鋁電池面臨的挑戰(zhàn) 457
20.2.1 材料層面 457
20.2.2 電池結(jié)構(gòu)層面 460
20.3 非水系鋁電池發(fā)展預(yù)測 461
20.3.1 非水系鋁電池實際評估 461
20.3.2 電池能量密度估算 465
20.3.3 未來發(fā)展預(yù)期 467
參考文獻(xiàn) 469
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