前言：

能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础，在国民经济中具有特别重要的战略地位。随着社会的发展，人类消耗的能源日益增长；同时，煤炭、石油等常规化石资源的燃烧和有害物质的排放导致了一系列环境和生态问题。为了适应日益增长的能源需求，也为了保护人类赖以生存的自然环境，开发先进的可再生能源技术，研制新型储能材料以及制造新型储能设备等,正在成为全球解决能源问题的当务之急。
可再生新能源技术开发利用的主要难点在于收集、储存和转换，而对于新能源发电领域，良好稳定的储能系统和设备是制约能量转换的关键性因素。近年来，我国储能技术呈现多元发展的良好态势，超导储能和超级电容及铅蓄电池、锂离子电池、钠硫电池、液流电池等储能技术取得了一定进展；我国储能技术总体上已经初步具备了产业化发展的良好基础。在各种可持续储能系统中，可充电碱金属电池受到了越来越广泛的关注，碱金属电池以其高能量/功率密度、高转化效率、长循环寿命、宽工作温度范围、高可靠性、清洁无污染等优势在众多先进储能技术中脱颖而出，其应用领域包括便携式电子设备、电动汽车（EV）和混合动力车辆（HEV）等。大力发展碱金属电池技术，对于我国能源行业具有重要的现实意义，将成为提升电池产业发展水平的新动能。
为了更好地推动碱金属电池技术的发展，本书根据当前电化学能源材料领域的新技术、新成果、新进展，同时结合储能技术与产业发展理念，全面、系统地总结了新型电化学能源材料和相关测试与表征技术等。全书主要阐述了目前新能源领域中电池材料的常用制备方法和表征手段，着重探讨了碱金属（包括锂、钠和钾）电池的工作原理，相关电极材料的制备、表征和应用,以及在电池工作过程中出现的关键问题，主要包括碱金属离子电池、碱金属硫电池、金属空气电池（本书中的金属空气电池，主要是指碱金属空气电池)和碱金属负极材料的新研究进展和新成果。此外，还对电化学能源材料的发展现状和未来趋势进行了讨论和展望,希望能够引起有志于从事能源、电池、能源材料和储能材料的研究人员、工程技术人员以及在校师生等广大读者的兴趣，同时也希望在一定程度上能够助力相关产业的发展。
本书由王勇担任主编 ，陈双强和刘浩担任副主编。其中，上海大学环境与化学工程学院的陈双强教授负责第6章~第8章和第10章的编写；刘浩教授负责第9章的编写，其余章节由王勇教授负责编写。本书主编王勇教授于2000年开始从事能源电池材料研究，在该领域研究时间已达20余年，在此衷心感谢给予关心和帮助的广大老师、同人、朋友和研究生们。本书的最终完成是整个课题组无私贡献的成果。
由于水平和时间有限，加之本书涉及面较广，书中疏漏之处在所难免，敬请广大读者批评、指正。

编者
2021年4月
于上海大学  

目录：

第1章绪论/001

第2章碱金属电池概述和工作原理/005
2.1碱金属电池的分类007
2.2碱金属电池的原理008
2.2.1碱金属离子电池008
2.2.2碱金属硫电池009
2.2.3碱金属空气电池011
2.2.4碱金属负极012
参考文献013

第3章电池材料的制备方法/014
3.1固相制备法014
3.1.1机械化学法014
3.1.2高温固相反应法016
3.1.3中温固相反应法016
3.1.4低温固相反应法016
3.1.5碳热还原法017
3.1.6熔融浸渍法018
3.1.7固相配位反应法018
3.1.8固相燃烧合成法018
3.1.9小结019
3.2液相制备法020
3.2.1水热法020
3.2.2溶剂热法021
3.2.3离子热法022
3.2.4微波合成法023
3.2.5静电纺丝法023
3.2.6模板法025
3.2.7溶胶-凝胶法026
3.2.8聚合物前驱体法027
3.2.9共沉淀法028
3.2.10喷雾干燥法028
3.2.11微乳液法029
3.2.12溶液燃烧合成法031
3.2.13超临界流体法032
3.2.14小结033
3.3气相制备法034
3.3.1化学气相沉积034
3.3.2物理气相沉积036
3.3.3小结0373.4其他合成方法037
3.4.1超声化学法037
3.4.2流变相反应法038
3.4.3冷冻干燥法038
3.4.4瞬间高温焦耳热技术039
3.5小结040
参考文献041

第4章电池材料的表征/044
4.1电化学表征方法044
4.1.1充放电测试044
4.1.2循环伏安法045
4.1.3电化学阻抗技术047
4.1.4恒电流间歇滴定技术和恒电位间歇滴定技术048
4.1.5控制电流技术048
4.2材料表征方法050
4.2.1晶体场理论050
4.2.2晶体结构050
4.2.3典型锂离子电池材料结构051
4.2.4X射线衍射技术053
4.2.5X射线光电子能谱分析技术053
4.2.6热重分析测试技术055
4.2.7光学显微镜技术056
4.2.8扫描电子显微镜技术057
4.2.9透射电子显微镜技术058
4.2.10红外光谱分析技术060
4.2.11拉曼光谱分析技术060
4.2.12扫描探针技术061
4.2.13原子力显微镜063
4.2.14质谱分析063
4.2.15电感耦合等离子体发射光谱分析064
4.2.16元素分析技术065
4.2.17核磁共振分析技术066
4.2.18气体吸附法066
4.2.19联用表征技术068
4.2.20电化学原位表征技术069
参考文献074

第5章锂离子电池/076
5.1锂离子电池概论076
5.2正极材料077
5.2.1钴锂氧化物077
5.2.2镍锂氧化物078
5.2.3锰锂氧化物080
5.2.4钒锂氧化物081
5.2.55V正极材料082
5.2.6聚阴离子正极材料082
5.2.7其他正极材料083
5.3负极材料084
5.3.1碳材料084
5.3.2插入型088
5.3.3转化型089
5.3.4合金型090
5.3.5其他负极材料094
5.4隔膜097
5.5电解液099
5.6展望101
参考文献103

第6章钠离子电池/105
6.1引言1056.2正极材料107
6.2.1聚阴离子材料108
6.2.2层状氧化物材料NaxMO2110
6.2.3隧道型氧化物材料Na0.44MnO2111
6.2.4氟化磷酸盐和焦磷酸盐正极材料112
6.2.5其他正极材料113
6.3负极材料114
6.3.1嵌入类材料114
6.3.2合金类材料116
6.3.3转化类材料117
6.4隔膜118
6.5展望120
参考文献121

第7章碱金属硫电池/122
7.1引言122
7.2锂硫电池124
7.2.1锂硫电池中的电化学反应124
7.2.2锂硫电池的技术挑战125
7.2.3正极126
7.2.4电解质128
7.2.5锂金属负极128
7.3钠硫电池129
7.3.1钠硫电池原理130
7.3.2室温钠硫电池的挑战与措施131
7.3.3正极132
7.3.4电解质134
7.3.5负极、隔膜、集流体135
7.4钾硫电池136
7.4.1正极137
7.4.2电解质138
7.4.3钾金属负极138
7.5小结138
参考文献139

第8章金属空气电池 /141
8.1引言141
8.2锂空气电池142
8.2.1概述142
8.2.2锂空气电池的工作原理143
8.2.3组成144
8.2.4分类145
8.2.5锂空气电池的优点145
8.2.6应用与发展前景146
8.3钠空气电池147
8.3.1概述147
8.3.2钠空气电池的工作原理147
8.3.3钠空气电池的优点147
8.3.4应用与发展前景148
8.4钾空气电池149
8.4.1概述149
8.4.2钾空气电池的工作原理149
8.4.3钾空气电池的优点150
8.4.4应用与发展前景151
8.5锌空气电池152
8.5.1概述152
8.5.2锌空气电池的工作原理152
8.5.3分类153
8.5.4锌空气电池的优点154
8.5.5影响锌空气电池使用寿命的因素154
8.5.6应用与发展前景155
8.6小结156
参考文献157

第9章碱金属负极/158
9.1锂金属负极159
9.1.1锂枝晶问题159
9.1.2锂枝晶的形成机理161
9.1.3成核后枝晶生长速率的影响因素162
9.1.4枝晶生长的外部影响因素163
9.1.5抑制锂枝晶的策略164
9.1.6锂金属负极在全电池中的应用168
9.2钠金属负极170
9.2.1钠金属负极的挑战170
9.2.2抑制钠枝晶的策略172
9.2.3钠金属负极在全电池中的应用174
9.3钾金属负极175
9.3.1钾金属负极面临的问题176
9.3.2钾金属负极在全电池中的应用176
9.4小结177
参考文献177

第10章其他新型二次电池/182
10.1钾离子电池182
10.1.1概述182
10.1.2正极材料182
10.1.3负极材料187
10.1.4小结188
10.2镁离子电池188
10.2.1概述188
10.2.2正极材料188
10.2.3负极材料192
10.2.4小结192
10.3铝离子电池192
10.3.1概述192
10.3.2非水系铝离子电池193
10.3.3水系铝离子电池194
10.3.4小结195
10.4锌离子电池195
10.4.1概述195
10.4.2水系锌离子电池典型正极材料195
10.4.3非水系锌离子电池196
10.4.4固态锌离子电池197
10.4.5小结197
10.5钙离子电池197
10.5.1概述197
10.5.2研究现状197
10.5.3小结199
参考文献199