《先进锂离子电池：材料创新与安全调控》重点阐述了先进锂离子电池的关键材料及其特性，介绍了锂离子电池的安全性理论和技术，总结了其在动力源领域和储能领域的应用价值。本书从第一性原理计算和分子动力学角度解读了电极材料电化学机制与计算设计，重点介绍了固态、水系等高能量密度和安全体系，反映了锂离子电池发展和研究的趋势。
本书既适合新能源、新材料、电化学和计算材料学等相关专业领域的科研人员和技术人员使用，也适合高等院校相关专业研究生和高年级本科生作为教材使用。

第1章锂离子电池概述1
1.121世纪的锂离子电池产业技术2
1.2锂离子电池的理论基础和科学问题8
1.2.1锂离子电池的工作原理9
1.2.2锂离子电池的性能参数10
1.2.3锂离子电池的基础科学问题12
1.3锂离子电池的关键材料和界面特性16
1.3.1锂离子电池的关键材料16
1.3.2材料间界面特性20
1.4锂离子电池的表征和测量方法23
1.5锂离子电池商业化与新型锂离子电池技术26
1.5.1锂离子电池商业化26
1.5.2新型锂离子电池技术30
参考文献36

第2章先进正极材料48
2.1典型的锂离子电池正极材料49
2.1.1LiCoO250
2.1.2LiNiO251
2.1.3镍钴锰酸锂三元材料52
2.1.4LiMn2O454
2.1.5LiFePO456
2.1.6典型正极材料的未来发展趋势57
2.2高能量密度富锂锰基正极材料58
2.2.1富锂锰基正极材料的组成与结构58
2.2.2富锂锰基正极材料的充放电机制61
2.2.3富锂锰基正极材料的制备64
2.2.4富锂锰基正极材料的改性研究65
2.2.5富锂锰基正极材料的进一步发展70
2.3高电压尖晶石结构正极材料LiNi0.5Mn1.5O472
2.3.1LiNi0.5Mn1.5O4正极材料的结构73
2.3.2LiNi0.5Mn1.5O4正极材料的充放电机制74
2.3.3LiNi0.5Mn1.5O4正极材料的制备76
2.3.4LiNi0.5Mn1.5O4正极材料的改性研究77
2.4聚阴离子类正极材料81
2.4.1橄榄石型磷酸盐LiMPO4(M=Fe,Mn,Co,Ni)81
2.4.2NASICON型磷酸盐LixM2(PO4)3(M=V,Ti,Nb)83
2.4.3硅酸盐Li2MSiO4(M=Fe,Mn)86
2.5有机正极材料89
2.5.1导电聚合物正极材料90
2.5.2有机硫化物正极材料90
2.5.3共轭羰基化合物正极材料92
参考文献95

第3章先进负极材料109
3.1负极材料概述110
3.2碳基负极材料111
3.2.1石墨基材料111
3.2.2其他碳基负极材料116
3.3其他嵌入型负极材料117
3.3.1尖晶石结构Li4Ti5O12负极材料118
3.3.2嵌入型Li3VO4材料121
3.4基于转化反应的负极材料125
3.4.1金属氧化物负极125
3.4.2金属硫化物负极129
3.5合金型负极材料133
3.5.1Si基负极材料133
3.5.2Sn基负极材料137
3.5.3Al基负极材料138
3.6其他新型负极材料141
3.6.1具有纳米多孔结构的先进负极材料141
3.6.2液态金属基负极材料142
3.7展望145
参考文献145

第4章锂离子电池液态电解液150
4.1传统锂盐——六氟磷酸锂152
4.1.1LiPF6的热分解及水解反应152
4.1.2PF-6对电极/电解液界面稳定性的影响157
4.2新型锂盐的研究161
4.3溶剂165
4.3.1氟化溶剂165
4.3.2砜类溶剂167
4.3.3二腈类溶剂171
4.3.4水溶剂173
4.4小结177参考文献177

第5章凝胶聚合物电解质、隔膜、黏结剂184
5.1锂离子电池凝胶聚合物电解质的种类、要求和性能185
5.2锂离子电池隔膜的种类、要求和性能193
5.3锂离子电池黏结剂的种类、要求和性能203
参考文献213

第6章电极材料电化学机制与计算设计227
6.1离子电极材料电化学反应机制228
6.2能量密度229
6.2.1电池电压229
6.2.2比容量231
6.3循环性能238
6.3.1相变理论238
6.3.2结构搜索和常用的算法240
6.3.3有序结构演化与无序结构设计242
6.3.4晶格振动谱245
6.3.5相场理论246
6.4倍率性能248
6.4.1迁移势垒248
6.4.2分子动力学250
6.4.3离子电导率251
6.5固体电解液中的反应和界面253
参考文献255

第7章无机固态电解质259
7.1无机固态电解质概述260
7.1.1无机固态电解质的基础导电理论260
7.1.2氧化物固态电解质261
7.1.3硫化物固态电解质267
7.2固态电解质与电极的界面性质与改性271
7.2.1固态电解质与正极的界面性质与改性272
7.2.2固态电解质与负极的界面性质与改性277
7.3全固态薄膜锂（离子）电池283
参考文献285

第8章水系锂离子电池295
8.1水系锂离子电池原理及其发展296
8.1.1水系锂离子电池基本原理296
8.1.2水系锂离子电池电极材料选择297
8.1.3Li+扩散动力学研究300
8.1.4水系锂离子电池的发展301
8.2水系锂离子电池电极材料概述302
8.2.1电极材料设计302
8.2.2电极材料容量衰减分析304
8.3水系锂离子电池负极材料307
8.3.1钒系化合物307
8.3.2锐钛矿TiO2317
8.3.3聚阴离子化合物320
8.3.4有机电极材料326
8.3.5金属负极328
8.3.6其他负极材料331
8.4水系锂离子电池正极材料331
8.4.1LiMn2O4332
8.4.2LiCoO2342
8.4.3LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2345
8.4.4Na1.16V3O8347
8.4.5LiFePO4347
8.4.6其他聚阴离子化合物352
8.4.7MnO2353
8.4.8普鲁士蓝及其衍生物357
8.5水系锂离子电池电解质材料359
8.5.1电化学窗口359
8.5.2电解液性能影响因素360
8.6高电压水系电池364
8.6.1电极改性提高电池电压364
8.6.2高电压水系锂离子电池的电解质材料364
8.7电池的电化学性能与界面研究368
8.8集流体370
8.9离子混合电容器370
参考文献371

第9章柔性锂离子电池386
9.1柔性锂离子电池概述387
9.2用于LIB的电极材料389
9.2.1碳纳米管390
9.2.2石墨烯393
9.2.3碳布395
9.3用于柔性LIB的电解质材料396
9.3.1固体无机电解质397
9.3.2固体聚合物电解质401
9.4电缆/电线型柔性LIB410
9.5透明锂离子电池413
9.6可拉伸LIB416
9.7总结及展望418
参考文献420

第10章锂离子电池的安全性理论和技术431
10.1电池的热失控和短路432
10.1.1锂离子电池的热失控432
10.1.2锂离子电池的短路435
10.2电池的过充安全436
10.3电极材料的安全研究437
10.3.1正极材料437
10.3.2负极材料439
10.3.3导电剂与黏结剂442
10.4电解液的安全研究443
10.5隔膜的安全防护446
10.6电池的安全性能测试技术447
10.6.1电池材料分析测试技术448
10.6.2电池反应机理测试技术450
10.6.3锂离子电池电化学性能测试452
10.6.4锂离子电池安全性综合测试455
10.6.5锂离子电池安全性测试的相关标准457
参考文献459

第11章动力和储能锂离子电池的应用462
11.1锂离子电池概述463
11.2民用动力锂离子电池465
11.2.1动力锂离子电池在电动自行车中的应用465
11.2.2动力锂离子电池在电动汽车中的应用466
11.3航空航天用动力锂离子电池477
11.3.1动力锂离子电池在航空方面的应用477
11.3.2动力锂离子电池在航天方面的应用479
11.4国防军事用动力锂离子电池480
11.4.1陆军装备480
11.4.2海军装备481
11.4.3空军装备483
11.5民用储能锂离子电池483
11.5.1储能锂离子电池在太阳能路灯中的应用484
11.5.2储能锂离子电池在家庭储能中的应用484
11.5.3储能锂离子电池在储能电站中的应用485
11.6航空航天用储能锂离子电池487
11.6.1储能锂离子电池在航空方面的应用487
11.6.2储能锂离子电池在航天方面的应用487
11.7国防军事用储能锂离子电池490
参考文献491

索引493

锂离子电池自1991年商业化以来，作为可规模化应用的能量密度最高的储能器件，覆盖了绝大部分移动通信和数码产品市场。近年来，随着性能和制作水平的提高，锂离子电池在航空航天及国防军事等领域也得到了广泛应用，并且逐步走向大型储能及电动汽车动力源等领域。
当前，中国是世界上最大的锂离子电池生产国，锂离子电池材料及电池生产技术已经达到世界领先水平。锂离子电池成为新能源汽车和可再生能源发电储能的基础，是实现“碳达峰、碳中和”目标的重要途径。
2019年，诺贝尔化学奖表彰了科学家在锂离子电池研发领域的成就，但锂离子电池是一类不断更新的电池体系，涉及物理学和化学的许多新的研究成果，新的材料体系促使研究方向与领域不断拓展与深入。围绕锂离子电池高能化、安全化等的研究仍是学术界和产业界关注的重点。因此，及时掌握最新研究进展及应用，进一步提高国际竞争力，发展低成本、高性能、大功率、长寿命、高安全、环境友好的锂离子电池具有重要意义。
电池材料的特性是影响锂离子电池性能的关键。《先进锂离子电池：材料创新与安全调控》围绕正极材料、负极材料、隔膜和电解液这四大关键因素，针对每种材料做了相应的分析和阐述，从材料种类、制备方式、结构特点等方面介绍了其对锂离子电池电化学特性的影响，并结合理论计算指导材料的设计制备，同时系统地介绍了安全性理论与技术问题，总结了其在动力源领域和储能领域的应用价值。
本书内容与时俱进，章节编排逻辑严密，分析深入透彻，全面展现了有机液态锂离子电池、水系锂离子电池、聚合物锂离子电池、柔性锂离子电池以及固态锂离子电池等体系的最新科研成果。本书的特色是兼顾了理论深度和在应用层面上对于高能量和安全性的关注，从第一性原理计算和分子动力学角度解读了电极材料电化学机制与计算设计，并重点介绍了固态电解质和固态电池、水系锂离子电池和柔性锂离子电池几种安全和高能量密度体系，体现了锂离子电池当今发展和研究的趋势。
本书由国内多所高校和科研院所相关领域的专业人士合作完成，汇集了国内外研究者的新科技成果与相关技术，是化学、物理、材料等学科的基础理论研究与应用技术的前沿集成反映。全书共11章，分别由中国科学院上海硅酸盐研究所张涛研究员、上海大学易金研究员、天津理工大学刘喜正教授、华南师范大学邢丽丹教授、厦门大学张鹏教授、中国科学院上海硅酸盐研究所刘建军研究员、南京工业大学付丽君教授、电子科技大学王斌教授、宁德新能源科技有限公司何桃高级工程师、中国科学院上海硅酸盐研究所王家成研究员（现工作单位台州学院）、深圳大学符显珠教授、兰州理工大学张庆堂教授等人合作完成，所有作者均长期从事锂离子电池相关研究开发工作。其中，本书的统稿及核校由中国科学院上海硅酸盐研究所的张涛研究员带领电化学储能材料与器件课题组的成员共同完成。
本书既适合新能源、新材料、电化学和计算材料学等相关专业领域的科研人员和技术人员使用，也适合高等院校相关专业研究生、高年级本科生作为教材使用。书中锂离子电池概述和民用、航空航天、国防军事等领域应用实践方面的论述也可面向大众作为科普读物。希望本书对我国锂离子电池的发展能起到一定的辅助作用。
由于编者水平有限，书中不足或有待进一步讨论和改进之处，恳请广大专家和读者给予批评指正。

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