钠离子电池是继锂离子电池之后最具应用前景的二次电池技术之一，掌握钠离子电池涉及的理论知识和关键科学问题对基础研究和应用推广具有重要意义。本书介绍了钠离子电池的发展历史、工作原理、性能特点和基本概念，探讨了正极材料、负极材料、液体电解质、固体电解质和非活性材料的制备方法、理化性质及对钠离子电池性能的影响，梳理了先进表征技术和理论计算模拟在钠离子电池研究中的应用，分述了钠离子电池的制造工艺、失效分析、成本估算及产业化现状。本书汇集了国内外研究者的最新科技成果与相关技术，体现了钠离子电池当今发展和研究的趋势，是材料、物理、化学、电化学、化工、能源等学科的基础理论研究与应用技术前沿的集成反映。全书共9 章，包括钠离子电池简介、钠离子电池正极材料、钠离子电池负极材料、钠离子电池液体电解质、钠离子电池固体电解质、钠离子电池非活性材料、钠离子电池表征技术、钠离子电池理论计算与模拟和钠离子电池技术与应用。
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目录
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丛书序
前言
第1章 钠离子电池简介 1
1.1 概述 2
1.2 钠离子电池的诞生与发展 4
1.3 钠离子电池的工作原理与特点 7
1.3.1 钠离子电池的工作原理 7
1.3.2 钠离子电池的特点 9
1.4 钠离子电池的基本概念 13
参考文献 17
第2章 钠离子电池正极材料 19
2.1 概述 20
2.1.1 典型正极材料的晶体结构 23
2.1.2 正极材料常用合成方法 27
2.2 氧化物类正极材料 31
2.2.1 层状氧化物正极材料 34
2.2.2 其他氧化物正极材料 51
2.2.3 层状氧化物正极材料的若干基础科学问题 55
2.3 聚阴离子类正极材料 79
2.3.1 磷酸盐 81
2.3.2 硫酸盐 86
2.3.3 硅酸盐 90
2.3.4 硼酸盐 90
2.3.5 混合聚阴离子化合物 92
2.4 普鲁士蓝类正极材料 98
2.4.1 普鲁士蓝在非水系钠离子电池中的应用 99
2.4.2 普鲁士蓝在水系钠离子电池中的应用 105
2.5 有机类正极材料 108
2.5.1 导电聚合物 110
2.5.2 有机共轭羰基类化合物 110
参考文献 112
第3章 钠离子电池负极材料 124
3.1 概述 125
3.2 碳基负极材料 127
3.2.1 碳材料的种类及发展史 127
3.2.2 石墨类碳材料 128
3.2.3 无定形碳材料 134
3.2.4 纳米碳材料 137
3.2.5 碳负极充放电曲线特征分析 139
3.2.6 碳材料微结构调控 146
3.2.7 碳材料电化学性能评价 155
3.3 钛基负极材料 158
3.3.1 Na2Ti3O7 158
3.3.2 Li4Ti5O12 159
3.3.3 Na0.66[Li0.22Ti0.78]O2 160
3.3.4 Na0.6[Cr0.6Ti0.4]O2 161
3.3.5 NaTiOPO4 162
3.3.6 NaTi2(PO4)3 163
3.4 有机类负极材料 163
3.4.1 常见有机负极材料 164
3.4.2 共轭羰基化合物的储钠机理 166
3.5 合金及其他负极材料 168
3.5.1 合金类材料 168
3.5.2 其他材料 172
3.5.3 合金及其他材料的常见改善策略 172
参考文献 175
第4章 钠离子电池液体电解质 180
4.1 概述 181
4.2 电解液基础理化性质 183
4.2.1 传输性质 184
4.2.2 化学和电化学稳定性 186
4.2.3 热稳定性 189
4.2.4 谱学技术与电解液理化性质 190
4.3 有机溶剂 191
4.3.1 碳酸酯类溶剂 192
4.3.2 醚类溶剂 195
4.3.3 其他溶剂 196
4.3.4 有机溶剂的选择 200
4.4 电解质盐 206
4.4.1 无机钠盐 206
4.4.2 有机钠盐 207
4.4.3 其他钠盐 208
4.4.4 钠盐的选择 210
4.5 界面与有机电解液添加剂 211
4.5.1 电解液与电极材料的界面 211
4.5.2 有机电解液添加剂 221
4.6 新型电解液体系及应用 230
4.6.1 水系电解液 230
4.6.2 高盐浓度电解液 232
4.6.3 离子液体电解液 236
4.6.4 不可燃电解液 238
参考文献 240
第5章 钠离子电池固体电解质 245
5.1 概述 246
5.2 固体电解质基础理化性质表征 249
5.2.1 离子电导率 249
5.2.2 离子扩散激活能 251
5.2.3 离子迁移数 251
5.2.4 电化学窗口 252
5.3 无机固体电解质 253
5.3.1 离子扩散机制 254
5.3.2 氧化物固体电解质 255
5.3.3 硫化物固体电解质 261
5.3.4 其他无机固体电解质 265
5.4 聚合物电解质 265
5.4.1 离子传输机制 267
5.4.2 聚环氧乙烷基固体聚合物电解质 268
5.4.3 非聚环氧乙烷基固体聚合物电解质 275
5.4.4 凝胶聚合物电解质 279
5.5 复合固体电解质 285
5.5.1 惰性纳米颗粒-聚合物复合固体电解质 285
5.5.2 活性无机固体电解质-聚合物复合固体电解质 286
5.5.3 其他类型的复合固体电解质 287
5.6 固态钠电池中的界面 288
5.6.1 固态电池中的界面问题 289
5.6.2 固态电池界面改性 290
参考文献 294
第6章 钠离子电池非活性材料 300
6.1 概述 301
6.2 隔膜材料 302
6.2.1 常见隔膜材料及其改性 303
6.2.2 新型隔膜材料 304
6.3 黏结剂材料 308
6.3.1 常见黏结剂材料 309
6.3.2 黏结剂对电极材料电化学性能的影响 311
6.4 导电剂材料 315
6.5 集流体材料 317
6.5.1 常见集流体材料 317
6.5.2 新型集流体材料 318
参考文献 323
第7章 钠离子电池表征技术 326
7.1 概述 327
7.2 衍射技术 329
7.2.1 X射线衍射技术 329
7.2.2 同步辐射X射线衍射技术 334
7.2.3 中子衍射技术 337
7.2.4 对分布函数 340
7.3 透射电镜技术 341
7.3.1 透射电子显微技术 341
7.3.2 扫描透射电子显微技术 343
7.3.3 X射线能谱和电子能量损失谱分析 344
7.4 固体核磁共振波谱技术 346
7.5 X射线吸收谱技术 349
7.6 表面分析技术 352
7.6.1 X射线光电子能谱技术 352
7.6.2 原子力显微技术 355
7.7 电化学表征技术 356
7.7.1 线性电势扫描法 356
7.7.2 恒电流间歇滴定和恒电位间歇滴定技术 358
7.7.3 电化学阻抗谱技术 362
参考文献 365
第8章 钠离子电池理论计算与模拟 369
8.1 概述 370
8.2 基于量子力学的理论计算与模拟方法简介 371
8.2.1 密度泛函理论 372
8.2.2 杂化泛函/DFT+U方法和DFT-D方法 373
8.2.3 分子动力学方法 374
8.2.4 爬坡弹性带法 375
8.2.5 晶格振动理论 375
8.2.6 蒙特卡罗方法与团簇展开法 376
8.2.7 键价理论和Bader电荷 377
8.3 理论计算模拟在钠离子电池材料中的应用 378
8.3.1 电极材料的嵌钠电压 378
8.3.2 电极材料的电子结构和电荷补偿机制 383
8.3.3 电极材料与固体电解质中的钠离子扩散机理 386
8.3.4 固体电解质的电化学窗口 396
8.4 材料基因工程、机器学习及其应用 397
8.4.1 材料基因工程简介 397
8.4.2 机器学习简介 398
8.4.3 材料基因工程及机器学习在钠离子电池中的应用 399
参考文献 402
第9章 钠离子电池技术与应用 405
9.1 概述 406
9.2 钠电池及钠离子电池 407
9.2.1 钠电池及钠离子电池简介 407
9.2.2 两类商业化的钠电池 407
9.2.3 钠离子电池分类 411
9.2.4 实验室扣式电池组装 411
9.3 钠离子电池制造工艺及技术 414
9.3.1 钠离子电池类型 414
9.3.2 钠离子电池设计 416
9.3.3 钠离子电池补钠技术 421
9.3.4 钠离子电池制造 423
9.3.5 钠离子电池组设计 429
9.4 钠离子电池测试维护及失效分析 434
9.4.1 钠离子电池测试 434
9.4.2 钠离子电池使用和维护 442
9.4.3 钠离子电池失效分析 442
9.5 钠离子电池成本估算 448
9.5.1 成本计算模型建立 448
9.5.2 不同正、负极材料体系钠离子电池成本核算 453
9.5.3 与其他电池体系成本对比 456
9.6 钠离子电池应用 458
9.6.1 钠离子电池产业化现状 458
9.6.2 低速电动车市场 461
9.6.3 规模储能市场 462
参考文献 466
后记 469
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