目錄
“儲能與智能電網(wǎng)技術(shù)叢書”序
序
前言
第1章 緒論 1
1.1 高能鋰離子電池的發(fā)展趨勢 2
1.2 鋰離子電池正極材料 3
1.2.1 電化學(xué)氧化/還原反應(yīng) 3
1.2.2 金屬陽離子氧化/還原反應(yīng) 4
1.2.3 氧陰離子氧化/還原反應(yīng) 5
1.3 富鋰錳基層狀氧化物 6
參考文獻(xiàn) 8
第2章 正極材料分析技術(shù) 10
2.1 平均晶體結(jié)構(gòu)解析技術(shù) 10
2.1.1 X射線衍射 10
2.1.2 中子衍射 12
2.2 局域晶體結(jié)構(gòu)解析技術(shù) 13
2.2.1 掃描透射電子顯微鏡 14
2.2.2 選區(qū)電子衍射 16
2.2.3 原子探針 17
2.3 平均角度解析局域晶體結(jié)構(gòu) 18
2.3.1 原子對分布函數(shù) 18
2.3.2 固態(tài)核磁共振 20
2.4 譜學(xué)解析技術(shù) 22
2.4.1 X射線光電子能譜 22
2.4.2 X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)光譜 24
2.4.3 光進(jìn)光出軟X射線譜和共振非彈性X射線散射 26
2.4.4 拉曼光譜 28
2.4.5 飛行時間二次離子質(zhì)譜 30
2.4.6 微分電化學(xué)質(zhì)譜 32
2.5 熱分析技術(shù) 33
2.6 本章小結(jié) 34
參考文獻(xiàn) 35
第3章 高能正極材料理論計算 38
3.1 第一性原理計算方法 38
3.1.1 密度泛函理論 38
3.1.2 過渡態(tài)理論和爬坡彈性帶方法 40
3.1.3 第一性分子動力學(xué) 41
3.1.4 蒙特卡羅模擬和集團(tuán)展開 42
3.1.5 第一性原子熱力學(xué)方法 43
3.2 第一性原理計算在富鋰層狀氧化物中的應(yīng)用 44
3.2.1 晶疇結(jié)構(gòu)演化研究 44
3.2.2 Li2MnO3的晶體結(jié)構(gòu)與表面性質(zhì)研究 45
3.2.3 電壓的計算 46
3.2.4 鋰離子遷移行為 47
3.2.5 元素?fù)诫s 49
3.3 第一性原理計算與實驗結(jié)合 50
3.3.1 摻雜元素篩選 50
3.3.2 離子遷移研究 51
3.3.3 預(yù)測新材料 52
3.4 高通量計算與材料篩選 52
3.4.1 高通量計算概述 52
3.4.2 正極材料篩選 54
3.4.3 正極包覆材料篩選 56
3.4.4 電解液篩選 57
3.4.5 摻雜元素篩選 59
3.5 相場模擬及應(yīng)用 60
3.5.1 相場模擬概述 60
3.5.2 相場模擬在正極材料中的應(yīng)用 61
3.6 本章小結(jié) 64
參考文獻(xiàn) 65
第4章 富鋰正極模型材料 71
4.1 3d過渡金屬基正極材料 71
4.1.1 Li2MnO3 71
4.1.2 鐵基模型材料 89
4.1.3 其他3d過渡金屬基模型材料 94
4.2 4d/5d過渡金屬基正極材料 100
4.2.1 Li2RuO3 100
4.2.2 Li2IrO3 102
4.3 本章小結(jié) 104
參考文獻(xiàn) 104
第5章 富鋰材料結(jié)構(gòu)解析 110
5.1 富鋰錳基層狀氧化物簡述 110
5.1.1 富鋰錳基層狀氧化物化學(xué)組成 110
5.1.2 富鋰錳基層狀氧化物研發(fā)歷程 110
5.1.3 富鋰錳基層狀氧化物的制備方法 111
5.1.4 富鋰錳基層狀氧化物的基本電化學(xué)特征 115
5.2 富鋰錳基層狀氧化物晶體結(jié)構(gòu)識別 116
5.2.1 晶體結(jié)構(gòu)識別的重要性和挑戰(zhàn)性 116
5.2.2 固溶體結(jié)構(gòu)模型 117
5.2.3 兩相結(jié)構(gòu)模型 119
5.3 晶疇結(jié)構(gòu)解析 121
5.3.1 平均晶體結(jié)構(gòu)解析 122
5.3.2 晶粒表面局域結(jié)構(gòu)解析 124
5.3.3 晶粒體相局域結(jié)構(gòu)解析 131
5.4 過渡金屬層局域原子構(gòu)型 142
5.5 本章小結(jié) 148
參考文獻(xiàn) 148
第6章 富鋰錳基層狀氧化物正極晶體結(jié)構(gòu)演化 152
6.1 富鋰錳基層狀氧化物的電化學(xué)演化行為 152
6.1.1 不同充放電截止電壓下的充放電曲線變化 152
6.1.2 不同充放電截止電壓下的平均晶體結(jié)構(gòu)變化 153
6.1.3 富鋰錳基層狀氧化物的組分演化規(guī)律 155
6.1.4 溫度對充放電行為的影響 157
6.2 首圈晶體結(jié)構(gòu)演化過程 159
6.2.1 平均晶體結(jié)構(gòu)演化過程 159
6.2.2 晶粒體相內(nèi)局域結(jié)構(gòu)演化 166
6.2.3 晶粒表面局域結(jié)構(gòu)演化 168
6.3 富鋰錳基層狀氧化物循環(huán)過程結(jié)構(gòu)演化 173
6.4 本章小結(jié) 176
參考文獻(xiàn) 176
第7章 富鋰錳基正極材料反應(yīng)機(jī)制研究 180
7.1 富鋰錳基層狀氧化物的電化學(xué)反應(yīng)路徑圖 180
7.2 金屬陽離子反應(yīng)機(jī)制 184
7.2.1 陽離子氧化/還原 184
7.2.2 高價錳氧化機(jī)制 185
7.3 氧陰離子的反應(yīng)機(jī)制 188
7.3.1 氧陰離子氧化/還原反應(yīng)起源 188
7.3.2 Li–O–Li局域構(gòu)型理論 190
7.3.3 還原耦合機(jī)制 191
7.3.4 體相封閉分子氧 195
7.3.5 層狀結(jié)構(gòu)中氧活性的新認(rèn)識 198
7.4 本章小結(jié) 200
參考文獻(xiàn) 201
第8章 富鋰錳基層狀氧化物設(shè)計優(yōu)化 204
8.1 富鋰錳基層狀氧化物的電化學(xué)性能與設(shè)計優(yōu)化 204
8.1.1 首圈庫侖效率 204
8.1.2 容量/放電電壓 207
8.1.3 倍率性能 210
8.1.4 放電電壓遲滯 213
8.1.5 富鋰錳基層狀氧化物結(jié)構(gòu)設(shè)計 215
8.2 晶疇電池材料 216
8.2.1 晶疇定義 217
8.2.2 晶疇結(jié)構(gòu)材料 219
8.2.3 功能基元序構(gòu) 221
8.2.4 晶疇電池材料設(shè)計 223
8.3 一級原子結(jié)構(gòu)設(shè)計 225
8.3.1 過渡金屬層原子排布 225
8.3.2 元素?fù)诫s 229
8.4 二級納米晶疇調(diào)控 233
8.4.1 晶疇尺寸的影響與調(diào)控 233
8.4.2 晶疇比例調(diào)控 235
8.5 三級微納結(jié)構(gòu)修飾 241
8.5.1 表面結(jié)構(gòu)改性 241
8.5.2 晶粒晶面調(diào)控 253
8.5.3 熔鹽合成法 261
8.5.4 類單晶 268
8.6 本章小結(jié) 274
參考文獻(xiàn) 275
第9章 梯度富鋰錳基層狀氧化物正極材料 286
9.1 梯度球形團(tuán)聚體 286
9.2 梯度類單晶 294
9.3 梯度元素?fù)诫s 301
9.4 本章小結(jié) 309
參考文獻(xiàn) 310
第10章 新型高能富鋰正極材料 313
10.1 氧化鋰復(fù)合正極材料 313
10.1.1 基于純氧陰離子反應(yīng)的封閉電池 313
10.1.2 氧化鋰復(fù)合正極材料設(shè)計制備 315
10.1.3 氧化鋰復(fù)合正極材料的電化學(xué)演化 321
10.2 無序巖鹽相富鋰正極材料 328
10.2.1 無序巖鹽相富鋰正極材料簡述 328
10.2.2 鋰離子遷移 330
10.2.3 短程有序化 332
10.2.4 機(jī)遇與挑戰(zhàn) 335
10.3 高熵材料 336
10.3.1 高熵材料簡述 336
10.3.2 高熵材料原理 337
10.3.3 高熵富鋰層狀氧化物 339
10.3.4 高熵?zé)o序巖鹽相材料 340
10.3.5 高熵材料中過渡金屬的適配性 342
10.3.6 高熵材料的機(jī)會和挑戰(zhàn) 344
10.4 本章小結(jié) 345
參考文獻(xiàn) 345
第11章 富鋰正極材料適配與應(yīng)用 348
11.1 電解液 348
11.1.1 傳統(tǒng)電解液 348
11.1.2 界面電化學(xué)行為 352
11.1.3 高濃度電解液 355
11.1.4 氟化電解液 357
11.2 電解液添加劑 366
11.2.1 添加劑的作用 366
11.2.2 理論研究手段 372
11.2.3 原位界面構(gòu)筑 373
11.3 固體電解質(zhì) 379
11.3.1 固體電解質(zhì)概述 379
11.3.2 固-固界面構(gòu)筑及相容性優(yōu)化 382
11.4 富鋰錳基層狀氧化物固態(tài)鋰電池設(shè)計 385
11.5 高能量密度LLOs基固態(tài)鋰電池設(shè)計 394
11.5.1 軟包全電池基本設(shè)計原則 394
11.5.2 高能量密度鋰電池設(shè)計路線和關(guān)鍵材料 396
11.5.3 高能量密度鋰電池設(shè)計參量分析 398
11.5.4 固態(tài)鋰電池極限能量密度試算 401
11.5.5 鋰電池能量密度分級與應(yīng)用場景 402
11.6 富鋰錳基層狀氧化物的商業(yè)化現(xiàn)狀 406
11.7 本章小結(jié) 409
參考文獻(xiàn) 409
第12章 結(jié)論與展望 415
12.1 主要結(jié)論 415
12.2 未來展望 417
12.2.1 富鋰錳基層狀氧化物的基礎(chǔ)研究 417
12.2.2 富鋰錳基層狀氧化物工程應(yīng)用 417
12.2.3 晶疇電池材料 419
12.2.4 錳基電池材料與器件的發(fā)展趨勢 419
參考文獻(xiàn) 421
索引 423