鋰離子電池電極材料

本書簡要介紹了離子電池的基本結構和設計原理，詳細介紹了層狀電極材料、尖晶石電極、磷酸鹽正極材料、矽酸鹽正極材料、碳負極材料、鈦基電極材料以及鈦酸鋰電極材料等多種電極材料的設計與性能。

本書適宜從事離子電池設計的技術人員使用。

第1章　鋰離子電池概述　/ 1
　1.1　鋰離子電池概述　/ 1
　　　1.1.1　鋰離子電池的發展簡史　/ 1
　　　1.1.2　鋰離子電池的組成及原理　/ 2
　　　1.1.3　鋰離子電池的優缺點　/ 6
　1.2　鋰離子電池電極材料的安全性　/ 7
　　　1.2.1　正極材料的安全性　/ 8
　　　1.2.2　負極材料的安全性　/ 8
　1.3　鋰離子電池電極材料的表徵與測試方法　/ 9
　　　1.3.1　物理表徵方法　/ 9
　　　1.3.2　電化學表徵方法　/ 10
　　　1.3.3　電極材料活化能的計算　/ 14
　1.4　鋰離子電池隔膜　/ 15
　　　1.4.1　鋰離子電池隔膜的製備方法　/ 15
　　　1.4.2　鋰離子電池隔膜的結構與性能　/ 16
　1.5　鋰離子電池有機電解液　/ 17
　參考文獻　/ 18

第2章　鋰離子電池層狀正極材料/ 19
　2.1　LiCoO2 電極材料　/ 19
　　　2.1.1　LiCoO2 電極材料的結構　/ 19
　　　2.1.2　LiCoO2 電極材料的電化學性能　/ 20
　　　2.1.3　LiCoO2 的製備方法　/ 21
　　　2.1.4　LiCoO2 的摻雜　/ 22
　　　2.1.5　LiCoO2 的表面改性　/ 25
　2.2　LiNiO2 正極材料　/ 27
　　　2.2.1　LiNiO2 的製備方法　/ 28
　　　2.2.2　LiNiO2 的摻雜改性　/ 28
　2.3　層狀錳酸鋰（LiMnO2） 　/ 30
　　　2.3.1　層狀錳酸鋰的合成　/ 31
　 2.3.2　不同的形貌對層狀錳酸鋰的電化學性能的影響　/ 32
　　　2.3.3　層狀錳酸鋰的摻雜改性　/ 33
　2.4　三元材料（LiNi1/3 Co1/3 Mn1/3 O2） 　/ 34
　　　2.4.1　LiNi1/3 Co1/3 Mn1/3 O2 材料的結構　/ 34
　　　2.4.2　LiNi1/3 Co1/3 Mn1/3 O2 材料的合成　/ 36
　　　2.4.3　不同形貌對LiNi1/3 Co1/3 Mn1/3 O2 材料性能的影響　/ 37
　　　2.4.4　LiNi1/3 Co1/3 Mn1/3 O2 材料的摻雜改性　/ 39
　　　2.4.5　LiNi1/3 Co1/3 Mn1/3 O2 材料的表面包覆　/ 41
　2.5　富鋰材料　/ 43
　　　2.5.1　富鋰材料的結構和電化學性能　/ 44
　　　2.5.2　富鋰材料的充放電機理　/ 47
　　　2.5.3　富鋰材料的合成　/ 51
　　　2.5.4　富鋰材料的性能改進　/ 53
　參考文獻　/ 60

第3章　尖晶石正極材料 /64
　3.1　LiMn2O4 正極材料　/ 64
　　　3.1.1　LiMn2O4 正極材料的結構與電化學性能　/ 64
　　　3.1.2　LiMn2O4 正極材料的容量衰減機理　/ 68
　　　3.1.3　LiMn2O4 正極材料製備方法　/ 74
　　　3.1.4　提高LiMn2O4 正極材料性能的方法　/ 76
　3.2　LiNi0.5Mn1.5O4 　/ 91
　　　3.2.1　LiNi0.5Mn1.5O4 正極材料的結構與性能　/ 91
　　　3.2.2　LiNi0.5Mn1.5O4 正極材料的失效機制　/ 95
　　　3.2.3　LiNi0.5Mn1.5O4 正極材料的合成　/ 97
　　　3.2.4　LiNi0.5Mn1.5O4 正極材料的形貌控制　/ 100
　　　3.2.5　LiNi0.5Mn1.5O4 正極材料的摻雜　/ 103
　　　3.2.6　LiNi0.5Mn1.5O4 正極材料的表面包覆　/ 107
　參考文獻　/ 109

第4章　磷酸鹽正極材料 /114
　4.1　磷酸亞鐵鋰　/ 114
　　　4.1.1　LiFePO4 的晶體結構　/ 114
　　　4.1.2　LiFePO4 的充放電機理　/ 115
　　　4.1.3　LiFePO4 的合成方法　/ 117
　　　4.1.4　LiFePO4 的摻雜改性　/ 120
　4.2　磷酸錳鋰　/ 122
　 4.2.1　LiMnPO4 的結構特性　/ 122
　　　4.2.2　LiMnPO4 的改性研究　/ 126
　4.3　LiCoPO4 和LiNiPO4 正極材料　/ 134
　　　4.3.1　LiCoPO4 的結構　/ 134
　　　4.3.2　LiCoPO4 的製備方法　/ 136
　　　4.3.3　LiCoPO4 的摻雜改性　/ 137
　　　4.3.4　LiNiPO4 正極材料　/ 137
　4.4　Li3 V2（PO4） 3 正極材料　/ 138
　　　4.4.1　Li3 V2（PO4）3 的結構特點　/ 138
　　　4.4.2　Li3 V2（PO4）3 的製備方法　/ 141
　　　4.4.3　Li3 V2（PO4）3 的摻雜改性　/ 142
　　　4.4.4　不同形貌的Li3 V2（PO4）3 　/ 144
　4.5　焦磷酸鹽正極材料　/ 146
　4.6　氟磷酸鹽正極材料　/ 148
　參考文獻　/ 150

第5章　矽酸鹽正極材料 /154
　5.1　矽酸鐵鋰　/ 154
　　　5.1.1　矽酸鐵鋰的結構　/ 154
　　　5.1.2　矽酸鐵鋰的合成　/ 159
　　　5.1.3　矽酸鐵鋰的改性　/ 162
　5.2　矽酸錳鋰　/ 167
　　　5.2.1　矽酸錳鋰的結構　/ 167
　　　5.2.2　納米矽酸錳鋰材料的碳包覆　/ 170
　　　5.2.3　矽酸錳鋰材料的摻雜　/ 172
　5.3　矽酸鈷鋰　/ 176
　參考文獻　/ 176

第6章　LiFeSO4F 正極材料//180
　6.1　LiFeSO4F 的結構　/ 180
　6.2　LiFeSO4F 的合成方法　/ 197
　　　6.2.1　離子熱法　/ 197
　　　6.2.2　固相法　/ 198
　　　6.2.3　聚合物介質法　/ 199
　　　6.2.4　微波溶劑熱法　/ 199
　6.3　LiFeSO4F 的摻雜改性　/ 200
　　　6.3.1　LiFeSO4F 的金屬摻雜　/ 200
　 6.3.2　LiFeSO4F 的包覆改性　/ 201
　參考文獻　/ 202

第7章　碳基、矽基、錫基材料 /204
　7.1　碳基材料　/ 204
　　　7.1.1　石墨　/ 205
　　　7.1.2　非石墨類　/ 208
　　　7.1.3　碳納米材料　/ 209
　　　7.1.4　石墨烯材料　/ 210
　7.2　矽基材料　/ 212
　　　7.2.1　矽負極材料的儲鋰機理　/ 212
　　　7.2.2　矽負極材料納米化　/ 213
　　　7.2.3　矽-碳複合材料　/ 216
　　　7.2.4　其他矽基複合材料　/ 218
　7.3　錫基材料　/ 219
　　　7.3.1　錫基材料的納米化　/ 220
　　　7.3.2　錫-碳複合材料　/ 222
　參考文獻　/ 223

第8章　Li4Ti5O12 負極材料 /225
　8.1　Li4Ti5O12 的結構及其穩定性　/ 225
　　　8.1.1　Li4Ti5O12 的結構　/ 225
　　　8.1.2　Li4Ti5O12 的穩定性　/ 226
　8.2　Li4Ti5O12 的電化學性能　/ 229
　8.3　Li4 Ti5 O12 的合成　/ 231
　　　8.3.1　Li4Ti5O12 的合成方法　/ 231
　　　8.3.2　Li4Ti5O12 的納米化及表面形貌控制　/ 234
　8.4　Li4Ti5O12 的摻雜　/ 237
　8.5　Li4Ti5O12 材料的表面改性　/ 240
　　　8.5.1　Li4Ti5O12 複合材料　/ 240
　　　8.5.2　Li4Ti5O12 的表面改性　/ 244
　8.6　Li4Ti5O12 材料的氣脹　/ 253
　　　8.6.1　Li4Ti5O12 材料的產氣機理　/ 253
　　　8.6.2　抑制Li4Ti5O12 材料氣脹的方法　/ 255
　參考文獻　/ 255

第9章　鈦基負極材料 /259
　9.1　Li-Ti-O 化合物　/ 259
　　　9.1.1　LiTi2O4 　/ 259
　　　9.1.2　Li2Ti3O7 　/ 261
　　　9.1.3　Li2Ti6O13 　/ 261
　9.2　MLi2Ti6O14（M=2Na,Sr,Ba） 　/ 262
　　　9.2.1　MLi2Ti6O14（M=2Na,Sr,Ba） 的結構　/ 262
　　　9.2.2　MLi2Ti6O14（M=2Na,Sr,Ba） 的合成方法　/ 265
　　　9.2.3　MLi2Ti6O14（M=2Na,Sr,Ba） 的摻雜改性　/ 267
　　　9.2.4　MLi2Ti6O14（M=2Na,Sr,Ba） 的包覆改性　/ 275
　9.3　Li2MTi3O8（M=Zn,Cu,Mn） 　/ 276
　　　9.3.1　Li2ZnTi3O8 　/ 276
　　　9.3.2　Li2MnTi3O8 　/ 280
　　　9.3.3　Li2CuTi3O8 　/ 282
　9.4　Li-Cr-Ti-O　/ 283
　　　9.4.1　LiCrTiO4 　/ 283
　　　9.4.2　Li5Cr7Ti6O25 　/ 285
　9.5　TiO2 負極材料　/ 289
　參考文獻　/ 289

第10章　其他新型負極材料 /294
　10.1　過渡金屬氧化物負極材料　/ 294
　　　10.1.1　四氧化三鈷　/ 295
　　　10.1.2　氧化鎳　/ 297
　　　10.1.3　二氧化錳　/ 299
　　　10.1.4　雙金屬氧化物　/ 300
　10.2　鈮基負極材料　/ 303
　　　10.2.1　鈮基氧化物負極材料　/ 303
　　　10.2.2　鈦鈮氧化物（Ti-Nb-O）　/ 304
　　　10.2.3　其他鈮基氧化物　/ 308
　10.3　磷化物和氮化物負極材料　/ 310
　10.4　硫化物負極材料　/ 311
　10.5　硝酸鹽負極材料　/ 314
　參考文獻　/ 320

第11章　鋰離子電池材料的理論設計及其電化學性能的預測 /323
　11.1　鋰離子電池材料的熱力學穩定性　/ 323
　　　11.1.1　電池材料相對於元素相的熱力學穩定性　/ 324
　　　11.1.2　電池材料相對於氧化物的熱力學穩定性　/ 326
　11.2　電極材料的力學穩定性及失穩機制　/ 328
　　　11.2.1　LixMPO4（M=Fe、Mn；x=0、1） 材料的力學性質　/ 328
　　　11.2.2　LixMPO4（M=Fe、Mn；x= 0、1） 材料的電子結構及力學失穩機制　/ 332
　11.3　Li2-xMO3 電極材料的晶格釋氧問題及其氧化還原機理　/ 337
　　　11.3.1　Li2-xMO3 電極材料的晶格釋氧問題　/ 337
　　　11.3.2　Li2-xMO3 電極材料的氧化還原機理　/ 341
　11.4　鋰離子電池材料的電化學性能的理論預測　/ 347
　　　11.4.1　電極材料的理論電壓及儲鋰機制　/ 347
　　　11.4.2　電極材料的表面形貌的預測及表面效應　/ 350
　　　11.4.3　鋰離子擴散動力學及倍率性能　/ 357
　參考文獻　/ 360

伊廷鋒，東北大學教授、博士生導師，2007年6月畢業於哈爾濱工業大學化學工程與技術專業，獲得工學博士學位，同年進入安徽工業大學工作，2011年1月破格晉升為教授，2018年調入東北大學秦皇島分校工作。2015年入選安徽省技術領軍人才、2018年入選河北省333人才工程第三層次人選、2017年入選宿遷市創業創新領軍人才、2013年被評為安徽省教壇新秀、2018年入選2017英國皇家化學會“Top 1% 高被引中國作者”榜單、安徽省化學會理事、安徽省高校優秀共產黨員、浙江省長興縣特聘專家、中國電子學會高級會員、中國化學會會員、東北大學秦皇島分校第三屆學術委員會委員。主要研究方向為鋰離子電池材料及其性原理計算。

在電池電極材料方面，至今已發表作者或通訊作者SCI期刊論文102篇，H因數為29，他引2600餘次，影響因數加和超過415，ESI高引論文9篇，先後為Nature Communications、無機化學學報等國內外60餘種期刊審稿500餘篇，合作出版《動力電池技術與應用》和《動力電池材料》專著2部。先後主持或主持完成了國家自然科學基金青年專案(50902001)、國家自然科學基金面上專案(51274002、51774002)、安徽高等學校省級高校青年人才基金重點專案(2010SQRL033ZD)、安徽高校省級自然科學研究重點專案(KJ2010A045)、黑龍江大學功能無機材料化學教育部重點實驗室開放基金(2項)、安徽省高校優秀青年人才支持計畫重點項目(gxyqZD2016066)、中國博士後科學基金(2012M520749)、浙江省博士後科研擇優一等資助專案(Bsh1201013)，安徽省自然科學基金面上項目(1508085MB25)及企業產學研項目(5項)等研究專案。在教學方面主要從事物理化學、應用電化學、化學電源方面的教學工作，發表教改論文5篇，獲得2012年度校青年教師基本功大賽二等獎，校級教學成果一等獎兩項(排名)，先後主持或主持完成安徽省重大教學改革研究專案1項(2013zdjy076)、安徽省精品資源分享課程(物理化學2015gxk020和工程化學2016gxk017)2項、安徽省大規模線上開放課程(MOOC)示範項目 (應用電化學2015mooc031)1項。