本书通俗易懂地介绍了锂离子电池的工作原理、性能评价、关键材料、失效分析和表征方法等知识。
主要内容包括：锂离子电池概述、锂离子电池关键性能参数、锂离子电池性能测试方法、锂离子电池性能数据解读、氧化物型正极材料结构基础、钴酸锂正极材料、三元材料、尖晶石型材料、富锂锰基材料、磷酸铁锂正极材料、石墨负极材料、硅基负极材料、钛酸锂负极材料、锂离子电池电解液、锂离子电池失效分析、锂离子电池材料和器件的表征方法、锂离子电池进阶学习建议。
各章后附有“拓展阅读”及“拓展思考”，供读者巩固理解，启发思考。
本书适合作为锂离子电池领域的入门参考书，也可以用作高等学校锂离子电池相关课程的教材。

第1章锂离子电池概述 001
1.1锂离子电池是一种化学电源 001
1.2锂离子电池与诺贝尔奖 002
1.3锂离子电池封装形式 003
1.4锂离子电池的应用 004
1.5锂离子电池的结构 005
1.6锂离子电池材料概述 006
1.6.1正极材料 007
1.6.2负极材料 007
1.6.3电解液材料 007
1.6.4其他重要材料 008
1.7锂离子电池的工作原理 008
1.8拓展阅读 009
1.8.1锂离子电池实际工作时需要考虑的问题 009
1.8.2类比抽水蓄能理解锂离子电池的结构、材料和工作原理 010
1.9拓展思考 011
参考文献 012

第2章锂离子电池关键性能参数 013
2.1容量及比容量 013
2.1.1容量 013
2.1.2比容量 014
2.1.3理论比容量 015
2.1.4放电深度与荷电状态 015
2.2库仑效率 016
2.3电池电压与电极电势 016
2.4能量及比能量 017
2.5功率及倍率 017
2.6寿命 018
2.7安全性能 018
2.8拓展思考 019
参考文献 021

第3章锂离子电池性能测试方法022
3.1常见实验用锂离子电池 022
3.1.1两电极与三电极电池 022
3.1.2半电池 023
3.1.3扣式半电池 023
3.1.4世伟洛克电池 025
3.1.5玻璃电池 026
3.2锂离子电池性能测试方法 026
3.2.1恒电流充放电法 027
3.2.2恒电压充电法 029
3.2.3循环伏安法 029
3.2.4恒电流间歇滴定技术 030
3.2.5交流阻抗谱技术 031
3.3锂离子电池性能测试仪器 032
3.3.1电池测试系统 032
3.3.2电化学工作站 033
3.3.3电池恒温装置 034
3.4拓展阅读 035
3.4.1电极电势控制材料氧化还原反应的方向 035
3.4.2电极电势控制材料氧化还原反应的速率 037
3.5拓展思考 038
参考文献 038

第4章锂离子电池性能数据解读039
4.1比容量-电压曲线 039
4.2循环性能曲线 041
4.3倍率性能曲线 042
4.4CV曲线 043
4.5EIS曲线 045
4.6电池性能数据应用实例 046
4.7拓展阅读：通过充放电曲线分析电极材料的相转变机理 047
4.8拓展思考 047
参考文献 048

第5章氧化物型正极材料结构基础049
5.1氧化物型正极材料晶体结构基础 049
5.1.1晶体结构的描述 049
5.1.2氧化物型正极材料中的氧紧密堆积 051
5.1.3氧化物型正极材料的结构相似性 051
5.2晶体场理论 053
5.2.1晶体场理论要点 053
5.2.2姜-泰勒效应 055
5.3拓展阅读 055
5.3.1与锂离子电池材料相关的结晶学知识 055
5.3.2Wyckoff位与多重度 056
5.3.3晶体场轨道记号eg和t2g的结构化学基础 056
5.4拓展思考 057
参考文献 058

第6章钴酸锂正极材料059
6.1钴酸锂的结构 059
6.1.1LiCoO2的晶体结构 059
6.1.2LixCoO2的晶体结构 061
6.2钴酸锂的电化学特征及反应机理 062
6.2.1电化学特征 062
6.2.2充放电过程的结构演变 063
6.2.3充放电过程的电荷补偿机理 064
6.3钴酸锂的发展方向及存在的问题 064
6.4钴酸锂改性方法 065
6.4.1钴酸锂中掺杂离子的种类及作用 066
6.4.2钴酸锂表面包覆材料的种类及作用 066
6.5钴酸锂的实际生产与应用简介 067
6.6拓展阅读 067
6.6.1其他层状氧化物材料 067
6.6.2层状正极材料的堆积类型 069
6.6.3层状正极材料的多面体连接形式 070
6.6.4O3型材料的锂离子传输通道 071
6.6.5锂离子电池材料改性的一般策略 071
6.7拓展思考 072
参考文献 074

第7章三元材料076
7.1三元材料是一系列材料 076
7.2三元材料的晶体结构 077
7.3三元材料的电化学特征及反应机理 078
7.3.1电化学特征 078
7.3.2充放电过程的结构演变 080
7.3.3充放电过程的电荷补偿机理 082
7.4三元材料的发展方向及存在的问题 083
7.5三元材料的改性方法 085
7.5.1元素掺杂 085
7.5.2表面包覆 085
7.5.3浓度梯度材料 086
7.5.4单晶材料 086
7.5.5电解液添加剂 086
7.6三元材料的实际生产与应用简介 087
7.7拓展阅读 088
7.7.1为什么三元材料的XRD中104和003峰强度的比值可以代表Li/Ni混排程度？ 088
7.7.2XRD精修的基本原理及注意事项 089
7.8拓展思考 092
参考文献 094

第8章尖晶石型材料097
8.1尖晶石型锰酸锂的晶体结构 097
8.1.1LiMn2O4的晶体结构 097
8.1.2LixMn2O4的晶体结构 099
8.2LiMn2O4的电化学特征及反应机理 100
8.2.1电化学特征 100
8.2.2充放电过程的结构演变 100
8.2.3充放电过程的电荷补偿机理 101
8.3LiMn2O4的发展方向及存在的问题 101
8.4LiMn2O4的改性方法 102
8.5LiMn2O4的实际生产与应用简介 102
8.6扩展阅读 103
8.6.1LiMn2O4的3V平台 103
8.6.2LiMn2O4的5V衍生物 104
8.7拓展思考 105
参考文献 106

第9章富锂锰基材料107
9.1富锂锰基材料的结构 107
9.2富锂锰基材料的电化学性能及反应机理 109
9.2.1电化学性能 109
9.2.2充放电过程中的结构演变 110
9.2.3电荷补偿机理 111
9.3富锂锰基材料存在的问题 112
9.3.1首次库仑效率低 112
9.3.2电压衰减与电压滞后 112
9.3.3电化学反应动力学差 113
9.4改性方法 113
9.4.1元素掺杂 113
9.4.2表面包覆 113
9.5拓展阅读：富锂锰材料表示式的变换 114
9.6拓展思考 114
参考文献 118

第10章磷酸铁锂正极材料121
10.1磷酸铁锂的结构 121
10.1.1LiFePO4的晶体结构 121
10.1.2LixFePO4的晶体结构 124
10.2LiFePO4的电化学性能与反应机理 124
10.2.1电化学特征 124
10.2.2充放电过程的结构演变 125
10.2.3充放电过程的电荷补偿机理 126
10.3LiFePO4的发展方向及存在的问题 126
10.4LiFePO4的改性方法 126
10.5LiFePO4的实际生产与应用简介 127
10.6磷酸铁锰锂材料 127
10.7其他正极材料简介 128
10.8拓展阅读 128
10.8.1聚阴离子型正极材料特点 128
10.8.2BVS计算 131
10.9拓展思考 131
参考文献 132

第11章石墨负极材料134
11.1石墨的结构 134
11.1.1石墨的晶体结构 134
11.1.2嵌锂石墨的结构 136
11.2石墨的电化学特征与反应机理 137
11.2.1电化学特征 137
11.2.2充放电过程的结构演变 138
11.2.3充放电过程的电荷补偿机理 139
11.3石墨的发展方向及存在的问题 139
11.4石墨的改性方法 140
11.5石墨负极的实际生产与应用简介 140
11.6固体电解质界面（SEI）相 141
11.7拓展阅读 142
11.7.1天然石墨与人造石墨 142
11.7.2软炭、硬炭及其电化学特征 142
11.7.3石墨化度的测量 143
11.7.4杂化轨道理论 144
11.7.5为什么由非金属原子C组成的石墨可以导电？ 144
11.7.6碳材料的其他储锂机理 145
11.8拓展思考 145
参考文献 146

第12章硅基负极材料148
12.1硅的结构 148
12.1.1Si的晶体结构 148
12.1.2LixSi的结构 149
12.2硅的电化学特征与反应机理 150
12.2.1电化学特征 150
12.2.2充放电过程中的结构演变 151
12.3硅材料的失效机理 153
12.4硅材料的改性方法 154
12.4.1减小颗粒尺寸 154
12.4.2纳米硅碳复合材料 154
12.4.3氧化亚硅 155
12.4.4无定形硅合金 155
12.5硅材料的实用前景简介 155
12.6拓展阅读 156
12.6.1开发高容量负极的意义 156
12.6.2预锂化技术 157
12.7拓展思考 158
参考文献 160

第13章钛酸锂负极材料162
13.1钛酸锂的结构 162
13.1.1Li4Ti5O12的晶体结构 162
13.1.2Li4+xTi5O12的晶体结构 163
13.2钛酸锂的电化学性能与反应机理 163
13.2.1电化学特征 163
13.2.2充放电过程的结构演变 164
13.2.3充放电过程的电荷补偿机理 165
13.3钛酸锂的发展方向及存在的问题 166
13.4钛酸锂的改性方法 166
13.5钛酸锂的实际生产与应用简介 167
13.6拓展阅读 167
13.6.1点缺陷的表示方法 167
13.6.2谨慎区分“零应变”材料与原位XRD测试错误 168
13.6.3其他负极材料简介 168
13.7拓展思考 169
参考文献 170

第14章锂离子电池电解液172
14.1电解液关键性质及性能参数 172
14.1.1离子电导率 172
14.1.2离子迁移数 173
14.1.3黏度和介电常数 173
14.1.4电化学稳定窗口 173
14.2电解液溶剂 175
14.2.1碳酸丙烯酯 175
14.2.2碳酸乙烯酯 176
14.2.3二甲基碳酸酯 176
14.2.4其他溶剂 176
14.3锂盐 177
14.3.1六氟磷酸锂 177
14.3.2高氯酸锂 177
14.3.3四氟硼酸锂 177
14.3.4有机锂盐 177
14.4电解液添加剂 178
14.4.1负极成膜添加剂 178
14.4.2正极成膜添加剂 179
14.4.3离子导电添加剂 179
14.4.4阻燃添加剂 179
14.4.5过充保护添加剂 180
14.4.6电解液除酸除水添加剂 180
14.5拓展阅读：前线轨道理论估算电化学稳定窗口 180
14.6拓展思考 181
参考文献 184

第15章锂离子电池失效分析185
15.1失效分析简介 185
15.1.1失效分析的主要方法 185
15.1.2失效分析流程 186
15.2实验室锂离子电池失效分析 187
15.2.1锂离子电池失效分析概述 187
15.2.2锂离子电池组装过程的失效现象及分析 187
15.2.3锂离子电池测试过程的失效现象及分析 188
15.3锂离子电池材料制备过程失效分析 191
15.4商品锂离子电池生产过程的缺陷及失效 192
15.5商品锂离子电池使用过程的失效 192
15.6拓展阅读 193
15.6.1数据的重复性、平行性、再现性 193
15.6.2品管七大手法 194
15.6.3锂离子电池的滥用 194
参考文献 195

第16章锂离子电池材料和器件的表征方法196
16.1锂离子电池材料中的合成-表征-性能关系 196
16.1.1我们看到的合成、表征、性能 196
16.1.2如何获得真实的合成、表征、性能 197
16.1.3复杂的合成-表征-性能关系 197
16.2锂离子电池相关的表征技术 199
16.3锂离子电池非原位表征 199
16.4锂离子电池原位表征 200
16.4.1原位电池设计原则 200
16.4.2原位电池设计案例：以原位XRD电池为例 201
16.5拓展阅读：材料的X射线透过率计算 203
参考文献 204

第17章锂离子电池进阶学习建议205
17.1继续完善知识体系 205
17.2夯实基础 206
17.3学习博士论文 206
17.4学习专著和综述 206
17.5研读最新的研究性论文 206
17.6其他学习资料 207
17.7拓展思考 207
参考文献 207

自20世纪90年代诞生以来，锂离子电池已经对全世界的经济和社会产生了深刻影响，可以说锂离子电池已经成为我们生活和生产中不可或缺的一部分。2019年的诺贝尔化学奖授予了对锂离子电池发展做出突出贡献的三位科学家。就我国而言，2023年全国锂电池总产量超过940GWh（相当于9.4亿度电），行业总产值超过1.4万亿元，对我国GDP的贡献超过了1%。根据行业发展情况统计，2025年，仅锂离子电池制造企业在职员工就达到120余万人。
目前，锂离子电池行业已经形成一个专业化程度高、分工明晰的产业链体系，上游为钴、锂、镍、锰、石墨等矿物开采及其加工，中游涵盖电池材料、锂离子电芯、模组及PACK，下游包括锂离子电池的应用（3C电子、电动汽车、储能）与回收利用等。虽然我国锂离子电池行业飞速发展，但综合人才稀缺，尚无法匹配目前已形成规模的市场，对行业的发展产生了一定程度的不利影响。而锂离子电池是典型的交叉学科产物，其涉及材料、物理、化学、智能制造、工艺等多个跨领域专业，对从业人员的培养和培训等提出了较高的要求。近几年涌现了大批有关锂离子电池的优秀教材和专著，如《固态电化学》《锂电池基础科学》《锂离子电池制造工艺原理与应用》《锂离子电池三元材料——工艺技术及生产应用》《锂离子电池：应用与实践》《锂离子电池正极材料：原理、性能与生产工艺》等，其内容涵盖电化学或锂离子电池的基本原理、科学问题、关键材料及其生产工艺、电池生产工艺等，在锂离子电池相关的人才培养和培训方面起到了至关重要的作用。
考虑到锂离子电池领域从业人员众多、学科背景复杂、培养层次多样等现状，迫切需要一本科普性质的书籍，供具有一定材料、化学、物理乃至仅有理工科基础的人员入门锂离子电池行业。本书以锂离子电池的关键材料与电化学特征为主线，全面而浅显地介绍了工作原理、性能测试、材料体系、失效分析和表征方法等锂离子电池相关知识。第1章为锂离子电池概述；第2~4章为锂离子电池关键性能参数的测量及数据分析方法；第5~13章以结构、电化学特征、储锂机理、优缺点和改性方法等详细介绍了正负极材料；第14章介绍了电解液材料；第15章重点介绍了失效的概念和初学者常常遇到的电池失效问题；第16章基于“合成-结构-性能是材料的一体三面”的理念重点介绍了锂离子电池的原位和非原位表征技术。以上各章附有“拓展阅读”以对相关知识进行深入或延伸介绍，附有“拓展思考”以巩固读者对本章内容的理解以及对新问题的思考。第17章提出了锂离子进阶学习建议。本书适合作为锂离子电池领域的入门参考书，也可以用作高等学校锂离子电池相关课程的教材。
笔者力求为读者打开一扇进入锂离子电池领域的大门，也希望读者以本书为跳板，继续通过其他优秀的资料学习较为高深的锂离子电池知识，成为可在该领域独当一面的专家。希望广大读者不要止步于本书，而是通过本书找到自己感兴趣的方向并通过更加广泛而深入的学习持续进步。
因笔者从事的方向仅为锂离子电池行业的一个环节，虽然我们竭尽所能，但书中难免存在疏漏之处，敬请读者谅解并提出宝贵意见。

编著者