前言：

锂离子电池具有工作电压高、能量密度大、循环性能好、自放电小、无记忆效应以及环境友好等众多突出优点，被广泛应用于便携式电子设备、电动出行工具、电网储能等领域，已成为人们生活中不可或缺的一部分。锂离子电池的性能，如工作电压、能量密度、容量、循环性能、倍率性能等，与组成锂离子电池的正、负极材料的性能密切相关。目前，商业上普遍采用石墨等各种碳材料作为锂离子电池负极材料，但其理论比容量（372mA·h/g）较低，且其实际比容量已经接近理论比容量，基本无开发潜力。因此，探索和开发新型负极材料，进一步提高锂离子电池的容量、快速充放电能力、安全性和寿命已成为目前锂离子电池领域的研究热点之一。过渡金属氧化物具有高可逆容量，被认为是一种极具竞争力的锂离子电池新型负极材料。在众多过渡金属氧化物负极材料中，铁基尖晶石型双过渡金属氧化物AFe2O4（A为Zn、Co、Ni、Cu等金属）因具有800~1000mA·h/g的高理论比容量而备受关注。尤其是尖晶石型ZnFe2O4，理论比容量高达1072mA·h/g，被认为是最有应用前景的新一代锂离子电池负极材料之一。与一般过渡金属氧化物负极材料相比：ZnFe2O4中含有两种过渡金属，二者的协同作用可以调整材料能量密度和工作电压；ZnFe2O4材料的储锂反应不仅涉及ZnFe2O4与Li+反应生成Zn、Fe和Li2O的转化反应，而且Zn和Li可以进一步发生合金化反应生成ZnLix合金，从而提供额外的容量；除此之外，ZnFe2O4还具有无毒、环境友好、原材料来源广泛、价格低廉等优点。但是，较差的循环稳定性和倍率性能是目前制约ZnFe2O4作为锂离子电池负极材料实际应用的关键问题，这与ZnFe2O4材料自身导电性差和充放电过程中显著的体积效应密切相关。形貌调控、与碳材料复合、金属离子掺杂、与金属氧化物复合等方法已经被证实是改善ZnFe2O4电极材料储锂性能的有效方法，但是现有的文献报道大多数存在制备工艺复杂、过程不易控制、成本较高、不易于大规模生产等缺点。另外，目前对金属离子掺杂铁酸锌以及铁酸锌与金属氧化物复合提高铁酸锌的储锂性能方面的研究报道还较少。
本书围绕铁酸锌的微观结构、简易制备和储锂性能调控三个方面对我们近年来开展的工作和取得的最新成果进行了系统的介绍。首先，对铁酸锌材料的晶体结构、储锂反应机理、性能调控及制备方法进行了简述；在此基础上，采用第一性原理计算方法研究了铁酸锌及金属离子掺杂铁酸锌的晶格结构和电子结构，为高性能铁酸锌及金属掺杂铁酸锌的改性设计提供理论基础；阐述了采用简便的均相沉淀法、化学共沉淀法、液相一步焙烧法，并通过调控原料的成分和加入辅助剂的策略，设计制备各种高性能的铁酸锌基电极材料的方法，以及对其储锂性能及机理的研究，为高性能铁酸锌基电极材料的简易制备提供了新方法，对深入理解铁酸锌基电极材料的微观结构和电化学性能构/效关系，进而促进ZnFe2O4电极材料性能提升和实际应用具有重要的理论和实际意义；最后，介绍了以工业废渣（铁矾渣）硫酸浸出液为原料制备高性能的铁酸锌基负极材料的方法，以及对其储锂性能的研究，为含锌、铁的工业废渣或废液的高值化利用和降低环境污染提供了新途径和技术参考。
本书的研究工作受到了国家自然科学基金(项目批准号：51964012和51464009)、中国博士后科学基金(2016M590754)和广西自然科学基金(2017GXNSFAA198117)的资助，在此我们深表感谢。另外还要感谢宋晓波、张玉芳、严靖、郑远远等为本书所做的贡献。
由于时间仓促和水平有限，本书作为学术探讨，难免存在疏漏和不严谨之处，恳请读者批评指正。

著者
2021年1月  

目录：

第1章铁酸锌的结构与储锂性能 / 001
1.1铁酸锌的晶体结构和分类002
1.2铁酸锌电极材料的储锂反应机理003
1.3铁酸锌电极材料的储锂性能调控004
1.4铁酸锌电极材料的制备方法010
参考文献012

第2章铁酸锌及金属离子掺杂铁酸锌的晶格与电子结构 / 015
2.1第一性原理计算在功能材料领域的应用016
2.2铁酸锌的晶格和电子结构018
2.3锰取代锌的铁酸锌的晶格和电子结构023
2.4铜取代锌的铁酸锌的晶格和电子结构030
2.5镍取代锌的铁酸锌的晶格和电子结构037
2.6锰取代铁的铁酸锌的晶格和电子结构043
2.7钼取代铁的铁酸锌的晶格和电子结构050
2.8钴取代铁的铁酸锌的晶格和电子结构057
2.9总结064
参考文献066

第3章均相沉淀法制备铁酸锌基电极材料及其储锂性能研究/ 068
3.1均相沉淀法制备纳米铁酸锌电极材料070
3.2P123辅助均相沉淀法制备纳米铁酸锌电极材料079
3.3P123辅助均相沉淀法制备铁酸锌/碳复合电极材料085
3.4均相沉淀法制备铁酸锌/氧化锌复合电极材料091
3.5总结097
参考文献098

第4章化学共沉淀法制备铁酸锌基电极材料及其储锂性能研究 / 101
4.1化学共沉淀法制备纳米铁酸锌电极材料103
4.2化学共沉淀法制备铁酸锌/氧化锌复合电极材料117
4.3化学共沉淀法制备锰掺杂铁酸锌电极材料128
4.4化学共沉淀法制备锡掺杂铁酸锌电极材料136
4.5总结144
参考文献146

第5章液相一步焙烧法制备铁酸锌基电极材料及其储锂性能研究 / 148
5.1铁过量对液相一步焙烧法制备的铁酸锌电极材料的影响150
5.2锌过量对液相一步焙烧法制备的铁酸锌电极材料的影响159
5.3总结168
参考文献169

第6章利用铁矾渣硫酸浸出液制备铁酸锌基电极材料及其储锂性能研究 / 171
6.1化学共沉淀法制备纳米铁酸锌/α-Fe2O3复合电极材料173
6.2柠檬酸铵辅助制备3D多孔铁酸锌电极材料189
6.3柠檬酸铵辅助制备纳米铁酸锌/碳复合电极材料202
6.4总结213
参考文献214