Solid State Ionics for Batteries pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Minami, Tsutomu (EDT)

出品人:

页数:300

译者:

出版时间:

价格:129

装帧:HRD

isbn号码:9784431249740

丛书系列:

图书标签:

• 凝聚态物理
• Solid State Batteries
• Solid State Ionics
• Energy Storage
• Electrochemistry
• Materials Science
• Battery Materials
• Ion Transport
• Electrode Materials
• Lithium-ion Batteries
• Next Generation Batteries

电化学储能的下一代材料：固态电解质的创新前沿 近年来，随着全球对可持续能源解决方案的需求日益增长，高效、安全、长寿命的储能技术已成为研究的焦点。在众多储能体系中，锂离子电池因其高能量密度和相对成熟的技术而占据主导地位。然而，传统的液态电解质在安全性（易燃易爆）、能量密度提升（界面反应限制）以及工作温度范围（电解液凝固或分解）等方面均存在固有的局限性。因此，开发能够克服这些挑战的新型电解质材料，特别是固态电解质，已成为推动电化学储能技术革新的关键。 本书《固态离子学在电池中的应用：概念、材料与器件》将深入探讨固态离子学在下一代电池技术中的核心作用。我们不仅仅局限于罗列现有的固态电解质类型，而是着眼于其背后的基本科学原理，剖析不同材料体系的微观结构、离子传输机制以及与电极材料的界面行为。通过对这些 fundamental principles 的深刻理解，读者将能够洞察当前研究的瓶颈，并为未来的材料设计和器件优化提供理论指导。 第一部分：固态离子学的基石 在这一部分，我们将从基础层面出发，建立对固态离子学核心概念的全面认识。 离子导电性的微观机制： 固态电解质的性能核心在于其离子的迁移能力。我们将详细介绍固态材料中离子导电的几种主要机制，包括： vacancy-assisted hopping (空位跳跃): 探讨晶格中空位的形成、动力学以及离子如何利用这些空位进行迁移。我们将分析影响空位浓度和迁移率的关键因素，例如材料的晶体结构、化学配比以及掺杂效应。 interstitialcy mechanism (间隙机制): 解释当离子占据晶格的间隙位置时，是如何发生迁移的。这通常与小尺寸离子（如锂离子）的传输相关，并会讨论间隙位置的稳定性以及离子在不同间隙位置之间的能量势垒。 collective motion (集体运动): 对于某些特殊结构（如β-氧化铝），离子并非孤立地运动，而是以一定的协同方式进行迁移。我们将介绍这类集体运动的特点，以及其对宏观导电性的影响。 charge compensation mechanisms (电荷补偿机制): 在离子迁移过程中，需要伴随电荷的补偿。我们将讨论电子导电、空穴导电以及其他补偿机制在不同固态电解质体系中的作用，并强调电子绝缘性对于实现纯离子导体的重要性。 影响离子导电性的关键因素： 除了上述基本机制，材料的宏观性能还受到多种因素的影响。 晶体结构与缺陷工程： 我们将深入分析不同晶体结构（如立方、六方、四方等）对离子传输路径的影响。通过对晶体结构的调控，例如引入晶界、位错等缺陷，如何能够有效降低离子传输的活化能，从而提高导电率。我们将通过实验数据和理论模拟来阐释这些关联。 晶界与界面效应： 在多晶固态电解质中，晶界往往是离子传输的“瓶颈”。我们将详细分析晶界结构、化学态以及晶界处的离子传输动力学，并介绍如何通过材料合成和后处理技术来优化晶界性质，降低晶界电阻。同时，我们将探讨固态电解质与电极材料之间的界面，这是影响电池整体性能的关键，将重点讨论界面阻抗、副反应以及固-固界面的形成和稳定性。 温度与压力依赖性： 离子导电性通常与温度呈指数关系（Arrhenius定律）。我们将分析不同材料的活化能，以及温度对离子迁移率的影响。此外，在某些高压或特殊应用场景下，压力对离子传输的影响也值得关注。 化学环境与稳定性： 固态电解质的化学稳定性至关重要，尤其是在与高活性电极材料（如锂金属）接触时。我们将讨论不同固态电解质在不同电化学窗口内的稳定性，以及它们对空气、水分的敏感性。 表征固态离子学材料的先进技术： 为了理解和优化固态电解质的性能，需要强大的表征手段。 电化学表征： 阻抗谱（EIS）是研究离子导电率和界面阻抗的常用技术。我们将详细解析EIS谱图的构成，以及如何从中提取有用的信息，如体电阻、晶界电阻和电荷转移电阻。循环伏安法（CV）和充放电曲线也将用于评估电解质在实际电池工作条件下的行为。 结构与形貌表征： X射线衍射（XRD）、中子衍射（ND）是确定材料晶体结构和相纯度的关键。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）能够提供材料的形貌、微观结构以及界面信息。 光谱学技术： 拉曼光谱（Raman）、红外光谱（IR）可用于分析材料的化学键合和局部环境。核磁共振（NMR）则能提供关于离子运动、局部环境和扩散动力学等关键信息。 理论计算与模拟： 第一性原理计算（如DFT）是预测材料性质、理解传输机制和设计新型材料的重要工具。分子动力学（MD）模拟则能够对离子在材料中的运动进行动态过程的模拟，揭示宏观性能背后的微观机制。 第二部分：固态电解质材料家族 在掌握了固态离子学的基础后，我们将聚焦于当前研究最为活跃的几大类固态电解质材料。 氧化物固态电解质： LLZO (Li$_{7}$La$_{3}$Zr$_{2}$O$_{12}$) 及其衍生物： 作为目前最受欢迎的氧化物电解质之一，LLZO具有优异的离子导电率和宽电化学窗口。我们将深入探讨其立方相和四方相的结构特点，分析不同掺杂（如Al, Ta, Ga）对导电率的影响，并讨论LLZO在制备过程中的挑战（如烧结温度、致密度）以及抑制锂枝晶穿透的策略。 NASICON (Na$_{3}$Zr$_{2}$Si$_{2}$PO$_{12}$) 结构电解质： 虽然NASICON最初是为钠离子电池设计的，但其具有开放式骨架的结构也非常适合锂离子的传输。我们将介绍其结构特点、离子传输路径，以及通过化学改性（如掺杂）提升锂离子导电率的可能性。 其他氧化物体系： 简要介绍具有潜力的其他氧化物体系，如LISICON (Li$_{14}$Zn(GeO$_{4}$)$_{4}$)、LiPON (Li$_{3}$PO$_{4}$N$_{x}$) 等，分析它们的结构优势和应用前景。 硫化物固态电解质： LGPS (Li$_{10}$GeP$_{2}$S$_{12}$) 及其类似物： 硫化物电解质通常具有最高的离子导电率（可达10$^{-2}$ S/cm 甚至更高），这使其成为实现高功率密度电池的理想选择。我们将详细介绍LGPS的结构特征，讨论其高导电率的来源，并分析其在空气和湿气中的稳定性问题，以及如何通过化学改性（如掺杂S，或者用Se代替S）来改善其稳定性。 Argyrodite (Li$_{6}$PS$_{5}$X, X=Cl, Br, I) 结构电解质： Argyrodite结构电解质具有较低的制备温度和良好的机械柔韧性，是另一类极具潜力的硫化物体系。我们将对比不同卤素（Cl, Br, I）对 Argyrodite 结构和离子导电性的影响，并探讨其界面兼容性。 其他硫化物体系： 讨论其他硫化物材料，如Li$_{2}$S-P$_{2}$S$_{5}$-LiX体系，以及它们在结构设计和性能优化方面的进展。 聚合物固态电解质： PCE (Polymer-Ceramic Composites) 复合电解质： 将聚合物电解质的柔韧性与陶瓷电解质的高离子导电率相结合，是提高复合电解质性能的有效途径。我们将探讨不同陶瓷填料（如LLZO、氧化铝）与聚合物基体（如PEO、PVDF-HFP）的协同作用，以及界面设计对提高导电率和机械强度的重要性。 PSE (Polymer-Solid Electrolyte) 复合电解质： 引入纳米结构的固态电解质颗粒到聚合物基体中，以构建导电通路。我们将分析纳米颗粒尺寸、含量以及表面处理对复合电解质性能的影响。 全固态聚合物电解质： 探索提高聚合物电解质自身离子导电率的策略，包括通过化学改性（如引入柔性链段、侧链）、低聚物（oligomer）的应用以及新型聚合物基体的开发。 混合固态电解质： 结合了不同类型固态电解质的优点，如氧化物-硫化物混合，或氧化物-聚合物混合，以实现更优的综合性能。我们将分析这些混合体系中的相容性、界面行为以及离子传输协同效应。 第三部分：固态电池器件的构建与优化 材料的优异性能最终需要转化为实际的电池器件。在这一部分，我们将关注固态电池的实际应用。 固态电池的器件结构设计： 全固态锂金属电池： 重点讨论以锂金属为负极的全固态电池，以及固态电解质在抑制锂枝晶生长、界面稳定化方面的关键作用。 全固态硅负极电池： 硅负极因其高理论容量而备受关注。然而，硅负极在充放电过程中体积变化巨大，对固态电解质提出了严峻挑战。我们将探讨如何设计固态电解质以适应硅负极的体积变化，并保持良好的界面接触。 高电压正极材料的匹配： 固态电解质通常具有更宽的电化学窗口，这使得使用高电压正极材料成为可能，从而进一步提升电池的能量密度。我们将讨论固态电解质与高电压正极材料（如富锂锰基、镍钴锰酸锂）之间的界面反应和稳定性问题。 固态电池的挑战与解决方案： 界面工程： 固-固界面是固态电池性能的关键制约因素。我们将深入探讨界面阻抗的来源，以及通过涂层技术、界面敏化、电极预处理等方法来改善界面接触和降低界面电阻。 机械性能与形变： 固态电解质的机械性能对其在电池循环过程中的稳定性至关重要。我们将讨论固态电解质的脆性问题，以及如何通过材料设计（如引入柔性成分、纳米结构）或优化电池组装工艺来缓解形变问题。 规模化生产与成本： 固态电池的商业化离不开成本效益和规模化生产。我们将讨论目前主要的固态电池制备工艺（如干法压片、湿法涂布、陶瓷烧结）的优缺点，以及降低生产成本的策略。 安全性评估与可靠性： 尽管固态电池在安全性方面比液态电池更有优势，但仍需对各种潜在风险进行评估，例如热失控、短路等。我们将讨论固态电池的安全性测试方法和标准，以及提高其长期可靠性的方法。 固态离子学在其他储能器件中的应用： 超级电容器： 探讨固态电解质在超级电容器中的应用，例如提升功率密度和安全性。 燃料电池： 简要介绍固态氧化物燃料电池（SOFC）中的固态电解质，以及其在高温度下的离子传输特性。 固态传感器： 讨论固态离子学材料在离子选择性传感器等领域的应用。 《固态离子学在电池中的应用：概念、材料与器件》旨在为从事电池研发、材料科学、化学工程以及相关领域的科研人员、工程师和学生提供一个全面、深入且具有前瞻性的知识框架。通过系统性地梳理固态离子学的基本原理，深入剖析各类固态电解质材料的特点和挑战，并探讨固态电池器件的构建与优化，本书将成为推动下一代电化学储能技术发展的重要参考。我们相信，对这些核心问题的深入理解和探索，将为实现更安全、更高效、更可持续的能源未来奠定坚实的基础。

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