《新能源材料合成与制备》系统介绍了无机功能材料（尤其是新能源材料）的合成与制备方法，共分为9章。第1章概述新能源材料的分类、应用及发展前景；第2章重点讨论锂离子电池关键材料（正极、负极、电解质）的设计与合成策略；第3~9章详细解析六大核心制备技术——固相反应法、溶胶-凝胶法、水热与溶剂热法、电解合成、气相沉积及其他新兴方法（如微波烧结、放电等离子体烧结等），涵盖基本原理、工艺流程、工艺影响因素以及典型材料案例，并对材料未来发展技术做了总结。

目录
前言
第1章 新能源材料概述 1
1.1 新能源技术的发展历史 1
1.2 新能源材料的分类 11
1.2.1 太阳能电池关键材料 11
1.2.2 燃料电池关键材料 13
1.2.3 储氢材料 15
1.2.4 锂离子电池材料 16
1.2.5 其他新能源材料 18
1.3 新能源材料合成与制备技术概述 21
1.3.1 新能源材料合成与制备技术中的基本问题 21
1.3.2 新能源材料合成与制备技术的主要方法 22
1.3.3 新能源材料合成与制备技术的前沿课题 24
思考题 25
参考文献 25
第2章 锂离子电池关键材料 27
2.1 引言 27
2.1.1 锂离子电池的发展历史 27
2.1.2 中国锂离子电池产业现状 28
2.1.3 锂离子电池市场未来的发展形势 28
2.2 锂离子电池组成与结构、基本原理、特点 29
2.2.1 锂离子电池的结构组成 29
2.2.2 锂离子电池的工作原理 30
2.2.3 锂离子电池的表征参数 31
2.2.4 锂离子电池的特点 32
2.3 锂离子电池的类型及生产工艺 33
2.3.1 锂离子电池的类型 33
2.3.2 锂离子电池的生产工艺 36
2.4 正极材料概述 38
2.4.1 LiCoO2正极 39
2.4.2 尖晶石LiMn2O4正极 41
2.4.3 层状三元正极 43
2.4.4 LiFePO4正极 46
2.4.5 无钴正极材料 48
2.5 负极材料概述 48
2.5.1 嵌入－脱嵌型负极 49
2.5.2 合金化负极 52
2.5.3 转化型负极 53
2.6 锂离子电池电解质 54
2.6.1 电解质对电池性能的影响 54
2.6.2 电解质的分类 55
2.7 锂离子电池隔膜 60
2.7.1 隔膜的要求 60
2.7.2 隔膜的种类 61
2.7.3 隔膜性能的测试 61
2.7.4 隔膜的制造技术 62
2.8 锂离子电池导电剂及其他材料 63
2.8.1 导电剂 63
2.8.2 其他材料 64
思考题 66
参考文献 66
第3章 固相反应法 69
3.1 固相反应概述 69
3.1.1 固相反应的分类 69
3.1.2 固相反应的特点 69
3.2 固相反应的机理 71
3.2.1 固相反应的驱动力 71
3.2.2 相界面上化学反应机理 72
3.2.3 相界面上反应与离子扩散的关系 73
3.2.4 不同固相反应的基本历程 74
3.3 固相反应动力学 77
3.3.1 固相反应动力学关系 77
3.3.2 影响固相反应的因素 81
3.4 固相反应的工艺流程 84
3.5 固相反应法在新能源材料合成中的应用 86
3.5.1 固相反应法在新型二次电池材料合成中的应用 86
3.5.2 固相反应法在固体氧化物燃料电池材料合成中的应用 91
3.5.3 固相反应法在氢能及催化材料合成中的应用 92
思考题 94
参考文献 95
第4章 溶胶－凝胶法 98
4.1 新能源材料溶胶－凝胶法概述 98
4.1.1 溶胶－凝胶法技术的发展历程 98
4.1.2 溶胶－凝胶法的基本概念 99
4.1.3 溶胶－凝胶法的特点 101
4.2 溶胶－凝胶的物理化学特性 103
4.2.1 溶胶的运动性质 103
4.2.2 溶胶的光学性质 106
4.2.3 溶胶的电学性质 108
4.2.4 溶胶的稳定性 114
4.2.5 溶胶的触变性 118
4.3 溶胶－凝胶法的分类及其反应机理 119
4.3.1 金属盐的水解 119
4.3.2 金属醇盐的水解 120
4.3.3 络合物法 121
4.4 溶胶－凝胶法的工艺过程 122
4.5 溶胶－凝胶法在新能源材料合成中的应用 124
4.5.1 溶胶－凝胶法在新型二次电池材料合成中的应用 124
4.5.2 溶胶－凝胶法在太阳能电池材料合成中的应用 127
4.5.3 溶胶－凝胶法在燃料电池材料合成中的应用 128
思考题 129
参考文献 129
第5章 水热与溶剂热法 131
5.1 水热与溶剂热法概述 131
5.2 水热与溶剂热法合成原理及特点 132
5.2.1 水热与溶剂热法合成原理 132
5.2.2 水热与溶剂热法特点 133
5.2.3 水热反应介质的性质 134
5.2.4 水热/溶剂热体系的成核与晶体生长 135
5.3 水热与溶剂热合成工艺 136
5.3.1 水热与溶剂热合成的生产设备 136
5.3.2 水热与溶剂热反应的基本类型 137
5.3.3 水热与溶剂热合成的一般工艺 138
5.3.4 水热与溶剂热合成反应影响因素 138
5.4 水热与溶剂热法在新能源材料合成中的应用 141
5.4.1 水热与溶剂热法在LiFePO4正极材料制备中的应用 141
5.4.2 水热与溶剂热法在Li4Ti5O12负极材料制备中的应用 149
5.4.3 水热与溶剂热法在太阳能电池用TIO2材料制备中的应用 153
思考题 156
参考文献 156
第6章 电解合成 159
6.1 电解合成概述 159
6.2 电解合成原理 161
6.2.1 电解合成理论基础 161
6.2.2 电解合成常用概念 162
6.2.3 电解合成基本原理 164
6.3 电解合成工艺 167
6.3.1 电解合成设备 167
6.3.2 电解合成工艺过程 171
6.4 电解合成类型 173
6.4.1 金属在水溶液中的电沉积 173
6.4.2 含*高价和特殊高价元素化合物的电氧化合成 173
6.4.3 含中间价态和特殊低价元素化合物的电还原合成 174
6.5 熔盐电解与熔盐技术 175
6.5.1 熔盐电解概述 175
6.5.2 熔盐电解技术 176
6.5.3 熔盐电解在无机合成中的应用 177
6.5.4 熔盐电解技术在能源中的应用 179
6.6 电化学聚合/原位聚合 181
6.6.1 电化学聚合概述 181
6.6.2 电化学聚合反应的类型及机理 181
6.6.3 电化学聚合反应影响因素 183
6.6.4 导电聚合物的基本性质及其应用 184
6.6.5 原位聚合 187
思考题 190
新能源材料合成与制备
参考文献 190
第7章 气相沉积 192
7.1 气相沉积概述 192
7.2 化学气相沉积 193
7.2.1 原理介绍———化学反应 193
7.2.2 高温和低温CVD装置 195
7.2.3 原理介绍———热力学与动力学 196
7.3 化学气相沉积的分类与特点 203
7.3.1 热分解沉积 204
7.3.2 氧化还原反应沉积 205
7.3.3 化学运输反应沉积 205
7.3.4 其他合成反应沉积 205
7.4 化学气相沉积在新能源中的应用 206
7.4.1 CVD技术在锂离子电池负极材料中的应用 206
7.4.2 CVD技术在锂离子电池正极材料中的应用 211
7.5 物理气相沉积 212
7.5.1 真空蒸镀 213
7.5.2 脉冲激光沉积 217
7.5.3 溅射 219
7.5.4 离子镀 221
7.5.5 物理气相沉积在新能源材料制备中的应用 224
思考题 226
参考文献 226
第8章 静电纺丝 229
8.1 静电纺丝概述 229
8.2 静电纺丝/静电喷雾发展历史 230
8.2.1 静电纺丝技术 230
8.2.2 静电喷雾沉积技术 231
8.3 静电纺丝/静电喷雾沉积原理与装置 232
8.3.1 静电纺丝/静电喷雾沉积原理 232
8.3.2 静电纺丝/静电喷雾沉积装置 234
8.4 静电纺丝/静电喷雾沉积影响因素与过程控制 238
8.4.1 静电纺丝/静电喷雾沉积影响因素 238
8.4.2 静电纺丝纤维的形态控制 240
8.5 静电纺丝/静电喷雾沉积在新能源材料中的应用 243
思考题 246
参考文献 246
第9章 其他合成方法 250
9.1 引言 250
9.2 放电等离子体烧结 250
9.2.1 ＳＰＳ 的烧结机理 251
9.2.2 烧结特点 251
9.2.3 烧结温度 252
9.2.4 烧结压力 252
9.2.5 脉冲电流 253
9.2.6 保温时间 253
9.2.7 SPS技术发展趋势 254
9.3 微波烧结 255
9.3.1 微波烧结原理 255
9.3.2 微波烧结设备特点 257
9.3.3 微波烧结过程中的主要工艺参数 258
9.4 闪烧 259
9.4.1 闪烧技术 260
9.4.2 闪烧技术的发展 261
9.5 超快高温烧结技术 262
9.6 共沉淀 263
9.6.1 产生共沉淀的原因 264
9.6.2 共沉淀法的应用 264
9.7 其他合成方法在新能源材料中的应用 264
参考文献 265

第1章新能源材料概述
　　1.1新能源技术的发展历史
　　能源、材料与信息并称为现代社会发展的三大支柱。能源是人类赖以生存和发展的能量资源，是国民经济的重要物质基础。在《能源百科全书》中，“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源”；在《中华人民共和国节约能源法》中，能源是指煤炭、石油、天然气、生物质能和电力、热力以及其他直接或者通过加工、转换而取得有用能的各种资源。尽管表述略有不同，通常能源是指能够直接取得或者通过加工、转换而取得有用能的各种资源。常见的能源包括煤炭、原油、天然气、煤层气、水能、核能、风能、太阳能、地热能、生物质能等一次能源和电力、热力、成品油等二次能源，以及其他新能源和可再生能源。简言之，能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源(如化石能源)，也包括一切能量比较集中的含能体和提供能量的物质运动形式(如太阳能、风能、电力和热力)。
　　能源的开发利用程度及人均消费量是衡量生产技术和生活水平的重要标志。约8万年前，智人掌握了“钻木取火”的技术，标志着人类初步实现了对火这种自然力的可控利用。随着社会的进步，火被广泛应用于煅烧矿石、冶炼金属和制造工具等领域，极大地改善了人类的生存条件。17世纪中叶，煤炭时代的到来伴随着蒸汽机的发明，低热值的木材已无法满足日益增长的能源需求，高热值、分布广泛且易于开采的煤炭成为全球*主要的能源。19世纪，世界从“蒸汽时代”迈入“电气时代”，煤炭被转化为更便于输送和利用的二次能源——电能。1859年，美国塞尼卡石油公司在宾夕法尼亚钻出**口油井，开启了石油时代的序幕。1960年，石油正式取代煤炭成为世界**能源［1］。以煤炭、石油和天然气为主的化石燃料能源体系推动了全球经济的快速发展，显著提高了人们的生活水平，并极大地促进了人类社会的进步。
　　第二次工业革命后，人类在大量使用化石燃料推动经济和科技快速发展的同时，也导致了严重的环境污染和生态系统破坏。二氧化碳(CO2)作为一种温室气体，是全球变暖和海洋酸化的主要成因。据统计，全球每年燃烧化石燃料产生的CO2约为350亿吨，而自然界只能吸收其中一部分，导致每年净增数十亿吨CO2排放。随着大气中CO2浓度的持续上升，全球气候变暖、冰川融化、海平面上升、海洋酸化等问题日益严重，对地球环境和人类生存已造成严重威胁。2007年1月29日，联合国政府间气候变化专门委员会在巴黎召开会议，经过五天的讨论发布了一份全球气候变化评估报告。报告预测，到2100年，全球气温将升高2～4.5℃，全球海平面将比2007年上升0.13m到0.58m，其后果将是人类难以承受的。为了守护人类赖以生存的地球家园，实现社会的可持续发展，全球必须采取行动，严格控制CO2的排放。
　　在这种严峻的形势下，“碳中和”与“碳达峰”的概念应运而生。碳中和，简单来说，是指通过多种方式抵消人为活动产生的二氧化碳(CO2)排放，实现CO2的“净零排放”。而碳达峰则是指在某一时间点，CO2排放量达到峰值后不再增长，并逐步下降。碳达峰标志着CO2排放量由增转降的历史拐点，其内容包括达峰年份和峰值。碳达峰的主体可以是国家、地区、行业，甚至是全球范围。碳达峰与碳中和共同构成了“双碳”目标。气候变化和“双碳”目标已成为影响全球政治经济秩序和能源发展的重要因素。
　　节能减排、提高能源利用效率以及植树造林等是实现碳中和的可行且必要的手段。然而，要高质量实现“双碳”目标，还必须从能源的生产源头入手。表1-1按不同的分类标准对能源的分类进行了总结。表1-1能源的分类分类标准类型实例产生方式一次能源以天然形式存在，没有经过加工和转换的能源资源化石能源(煤、石油、天然气等)、核能、地热能、生物质能等二次能源经由加工转换装置所生产的能源产品电力、焦炭、蒸汽及各种石油制品等可再生性不可再生能源随人类使用而逐渐减少的能源化石能源(煤、石油、天然气等)、核能等可再生能源不随人类使用而减少，可以得到源源不断补充的能源太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能、氢能等开发顺序常规能源又称传统能源，开发利用较早，已经大规模生产且已经广泛利用的能源化石能源(煤、石油、天然气等)、水能等新能源常规能源之外的各种能源形式，刚开始开发利用或者正在积极研究，有待推广的能源太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能、氢能、核能等环保性清洁能源没有污染或者污染很小水能、太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能、氢能、核能等能源可分为不可再生能源和可再生能源。不可再生能源是指随着人类的使用而逐渐减少的能源，以传统的煤炭、石油、天然气等化石能源为代表。可再生能源则是指能够持续补充、不会因使用而减少的能源，如太阳能、水能、风能、氢能、地热能、海洋能、生物质能等。此外，能源还可划分为常规能源和新能源。常规能源是指已被人类长期广泛利用且技术成熟的能源，例如传统化石能源和水能等。新能源则是指虽已开发并少量使用，但由于技术尚未完全成熟而未被广泛应用的能源，如太阳能、氢能、核能、风能、地热能、海洋能和生物质能等。可以看出，新能源与可再生能源的范围高度重合，均具有绿色低碳的特点，同属于清洁能源。随着经济规模的扩大和快速发展，化石燃料等不可再生能源的消耗速度加快，面临资源枯竭的严峻局面。因此，在能源结构向低碳转型的过程中，大力发展新能源和可再生能源对于优化能源结构、保护生态环境、应对气候变化以及实现经济社会可持续发展具有重要意义。包括太阳能、氢能、核能、风能和地热能在内的新能源技术已经经历了几十年甚至上百年的发展，尽管尚未完全成熟，但已展现出巨大的潜力，并在多个领域得到应用，未来必将迎来更广阔的发展前景。由于篇幅限制，这里将重点阐述几种备受关注的新能源技术的发展历史及其应用现状：
　　(1)太阳能
　　太阳能作为当今世界上*清洁的可再生能源之一，其利用方式主要包括太阳能与热能、化学能以及电能之间的转换。*早得到广泛应用的是太阳能的热利用，其中*具代表性的便是太阳能热水器。该技术已相当成熟，并已融入千家万户的日常生活。太阳能与化学能转换的典型应用是太阳能制氢技术。氢能作为一种新型的二次清洁能源，其传统制氢方法依赖大量常规能源，限制了其推广。而利用太阳能分解水制氢，不仅环保节能，还具有重要的战略发展意义。
　　目前，*受瞩目的当属太阳能与电能之间的转换。太阳能电池，亦称光伏电池，其工作原理如图1-1所示，是一种应用“光生伏特效应(光伏效应)”进行发电的装置。所谓光伏效应，是指物体在受到光照时，内部的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的现象。太阳能电池有效改善了传统燃料发电对环境的影响，其发电过程安全、零排放、清洁卫生，完全符合低碳环保的要求。1839年，法国科学家贝克勒尔*次发现了光伏效应。1877年，**片硒太阳能电池问世，尽管其光电转化效率仅为1%，但它证实了光伏效应在实际技术中的应用潜力。经过不懈的探索与研发，美国贝尔研究所在1954年成功研制出单晶硅太阳能电池，其转化效率达到了6%，使太阳能光伏发电技术迈出了重要的一步。1959年Hoffman电子实现*个可商业化单晶硅电池，效率提升至10%。1960年太阳能电池*次实现并网运行，同时Hoffman电子将单晶硅电池效率提升到14%。1977年Carlson和Wronski制成世界上**个非晶硅(a-Si)太阳能电池。1985年澳大利亚新南威尔士大学的Green研制的单晶硅太阳能电池效率达到20%。1998年世界太阳能电池年产量超过151.7MW，同时多晶硅太阳能电池产量*次超过单晶硅太阳能电池［2］。
　　图1-1太阳能电池工作原理
　　我国的太阳能电池研究开展于20世纪50年代。1958年，我国开始重点发展太阳能光伏技术，并成功将其应用于东方红二号卫星上。20世纪80年代后期，我国开始全面支持光伏产业发展，在政策和资金的推动下，光伏技术逐渐推广到众多应用领域，如通信系统、中继站、农村小型供电系统等。“十五”期间，我国光伏产业进一步发展，计划并实施了“屋顶光伏”项目，为后来开展沙漠光伏电站项目积攒了丰富经验。与此同时，国内光伏市场逐步产业化，光伏电池的生产能力极大增强。进入21世纪后，在世界光伏市场强大需求的拉动下，我国光伏产业开始爆发式增长，形成了以长三角、珠三角等地为主的技术中心，以西部地区为主的安装基地。2012年底国务院下发五条措施，从产业结构调整、产业发展秩序、应用市场、支持政策、市场机制多方面扶植光伏产业发展，到2018年中国光伏组件出口国家（地区）已达200多个。截至2021年，中国光伏装机规模达到306GW，超过欧盟和美国的总和，全球光伏产业20强企业中有15个来自中国光伏供应链，各环节上中国的全球占比均超过65%，世界光伏产业已进入中国时代［3］。
　　(2)氢能
　　氢能是氢在物理与化学变化过程中释放的能量，本质上是氢的化学能。氢在地球上主要以化合态的形式出现，是宇宙中分布*广泛的物质，构成了宇宙质量的75%。氢燃烧的唯一产物是水，不会产生其他污染物，同时释放热能，可广泛应用于能量转换和利用过程。水可以再次用于制取氢气，而氢气反应又能生成水，从而形成一个绿色循环体系。氢能源具有资源丰富、安全、清洁、高效和可持续等众多优点，被认为极有可能替代传统化石燃料，是21世纪*具发展潜力的新能源之一。
　　燃料电池是一种将氢气和氧气通过电化学反应直接转化为电能的装置。在工作时，氢气或其他燃料被输入阳极，在电极与电解质的界面上发生氧化反应，同时氧气在阴极发生还原反应，从而产生电流并输出电能。燃料电池的反应过程不受卡诺效率限制，具有能量转化率高、环境友好等特点。随着制氢和储氢技术的进步，燃料电池近年来受到越来越多的关注，被认为是21世纪*理想的直接、高效、清洁的发电技术。
　　燃料电池的研究历史*早可追溯至19世纪初期，德国化学家Schoenbein在1838年发现了燃料电池效应，打开了研究燃料电池的大门。随后，英国物理学家Grove于1843年公开发表并提出“气体电池”的原始模型，被称为“燃料电池之父”，为燃料电池的诞生奠定了理论基础。1900年，Nernst用“能斯特物质”氧化钇稳定氧化锆作为电解质制作了一个燃料电池，标志着固体氧化物燃料电池的诞生。1933年Baur设计了一种以氢为燃料的碱性电解质燃料电池。直到1959年，英国剑桥大学的Bacon发明了双孔烧结Ni气体扩散电极，并向世界展示了**个真正能工作的燃料电池，即一个5kW的燃料电池堆，才使燃料电池真正地走出实验室，应用于人们的生产活动。这个电池也称为“培根电池”。后来普惠公司被其所吸引，通过对该系统的改进而开发出的碱性燃料电池，成功取代了美国通用电气公司研制的已成功用于“双子星座飞行”的质子交换膜燃料电池，成为阿波罗登月飞船的主力系统。20世纪60年代以后，空间计划的开展促使燃料电池逐渐成为各国的研究热点。低催化剂载量的多孔碳基材料的研制成功，大大降低了成本，引发了车用燃料电池的研发热潮。到了20世纪70年代中期，磷酸型燃料电池开始取代碱性燃料电池而成为发电的主要形式［4］。20世纪末，膜和催化剂方面取得突破性进展，质子交换膜燃料电池获得广泛研究和发展，成为*有希望的汽车电源之一。
　　我国研究燃料电池的历史*早可追溯到20世纪50年代。由于航天飞行在20世纪70年代异常火热，中国燃料电池的探索借此机会也出现了**次发展高潮，主要用于航天航空领域的碱性燃料电池，如肼/空气、氨/空气、乙二醇/空气燃料电池等。到1995年左右，“九五”科技攻关时期，中国科学院联合科技部将燃料电池技术列入攻关项目。借此东风，燃料电池迅速发展。专家对燃料电池的基础技术进行了改进，并且在单项技术上取得了较大突破。2000年科技部的“973”基础项目研究投入了3000万元用于氢能的规模制备、存储和相关燃料电池的研究。2014年，在国务院印发的《能源发展战略行动计划(2014—2020年)》中提出了优化能源结构，加