《鋰空氣電池》是先進電化學能源存儲與轉化技術叢書 的分冊之一。本書系統(tǒng)、全面、深入地介紹了各類鋰空氣電池的工作原理、發(fā)展現狀、目前挑戰(zhàn)和未來方向，并對其理論模擬與計算、系統(tǒng)設計與應用的進展情況進行了分析與討論，還對在鋰空氣電池基礎上發(fā)展起來的鋰二氧化碳電池進行了簡要的探討。本書既可以作為從事電化學新能源和鋰空氣電池方向的科技工作者和工程技術人員重要的參考書和工具書，也可以作為高等院校的電化學及新能源材料專業(yè)師生的有益參考書。
1.鋰空氣電池是目前已知的眾多電池技術中理論能量密度很高的電池體系，近年來備受關注、發(fā)展迅速。2.系統(tǒng)、全面、深入地介紹了各類鋰空氣電池的工作原理、發(fā)展現狀、目前挑戰(zhàn)和未來方向。3.對其理論模擬與計算、系統(tǒng)設計與應用的進展情況進行了分析與討論，還對在鋰空氣電池基礎上發(fā)展起來的鋰二氧化碳電池進行了簡要的探討。
隨著化石資源的日漸枯竭和人類社會環(huán)保意識的日益增強，清潔、無污染的可再生能源已成為當今能源系統(tǒng)的主角。實現可再生能源規(guī)模化應用的核心是發(fā)展新型、高效、安全的儲能技術。相比于風能、太陽能等可再生能源存在的間斷性、不穩(wěn)定性等問題，基于化學能與電能轉換原理的電化學儲能技術具有能量轉換效率高、可長時間持續(xù)穩(wěn)定工作等優(yōu)點，在儲能電站和新能源汽車等領域扮演著越來越重要的角色。
在過去的30 年中，鋰離子電池作為電化學儲能技術的典型代表已經滲透到人類生活的方方面面，在提供極大便利的同時也在很大程度上改變了人類社會的生產、生活方式。然而，隨著現代科學技術的不斷進步，鋰離子電池的性能已經遠遠不能滿足當今市場的實際需求。因此，發(fā)展具有更高能量密度的二次電池新體系已成當代社會的迫切任務。
鋰空氣電池作為一種以具有最低的電化學電位（-3.04V，vs .NHE） 的金屬鋰為負極活性物質、空氣中的氧氣為正極活性物質的新型電池體系，其理論能量密度高達11428W·h·kg-1 （使用純氧時為3458W·h·kg-1），是目前已知的二次電池中理論能量密度最高的電池。再加上空氣中的氧氣資源豐富、獲取價格低廉，鋰空氣電池被認為是極具前景的下一代低成本、高能量密度二次電池新體系，受到了國際社會的廣泛關注。近年來，鋰空氣電池的基礎科學技術發(fā)展迅速，其工作性能也取得了長足的進步。然而，縱觀國際學術界，有關鋰空氣電池的參考書籍卻寥寥無幾，目前僅有一部由Springer 出版社于2014 年出版的題為The Lithium Air Battery ：Fundamentals 的學術專著，該書也已于2017 年翻譯成中文在國內出版發(fā)行�？紤]到鋰空氣電池最近幾年的迅速發(fā)展與技術進步，很有必要將其最新的研究成果和技術積累總結整理成新的專著供同行參考。
本書的編寫得到了國家重點研發(fā)計劃項目二次鋰空氣電池高效能量轉換與儲存納米材料的設計與調控（2014CB932300）飛秒光場調控制備新型柔性電子材料及器件（2020YFA0715000）、國家杰出青年基金項目納米線儲能材料與器件（51425204）、國家自然科學基金面上項目鋰空氣電池陰極微結構的有效構筑及關鍵材料研究（21176155）鋰空電池鈣鈦礦型鑭鍶鈷氧分級介孔納米線電催化性能與機理（51272197）鋰空氣電池用過渡金屬硫化物催化劑的研究（21776176）的支持，這些項目的實施與積累為本書的編寫奠定了堅實的基礎，其研究成果、經驗技巧和心得體會與國際前沿進展一起融入了本書的主要章節(jié)，提升了本書的參考價值。
本書共分為8 章。第1 章簡單概述了鋰空氣電池的基本原理、起源、發(fā)展歷史、分類、表征技術和機遇與挑戰(zhàn)； 第2～5 章分別介紹了非水系、水系、全固態(tài)和復合體系鋰空氣電池的工作原理和發(fā)展現狀；第6 章介紹了鋰空氣電池在理論模擬與計算方面的研究方法和主要進展；第7 章介紹了鋰空氣電池系統(tǒng)設計與應用方面的主要進展；第8 章簡要介紹了在鋰空氣電池研究基礎上發(fā)展起來的鋰二氧化碳電池的目前發(fā)展現狀； 第2～8 章還分別對其所聚焦的內容目前存在的主要問題和未來研究的主要方向進行了討論。
本書由麥立強、原鮮霞和丁圣琪主編，并共同完成統(tǒng)稿工作。具體參加本書編寫工作的人員包括（以姓氏漢語拼音為序，姓名之后括號中的數字表示參加撰寫的章節(jié)）： 丁圣琪（3，6），段華南（4），房建華（2），郭炳（8），郭曉霞（2），黑澤（4），李景娟（2），李磊（2），李林森（2），呂迎春（8），麥立強（1，3），毛亞（7），孫壯（5），田然（4），田少康（2），王彥青（2），徐林（3），徐夢婷（1，2），原鮮霞（1，2，6），張濤（5），鄭鴻鵬（4），周盈（4），朱迎迎（2）。黃宇對本書的初稿進行了審閱，并提出了寶貴的修改意見。萬意和許孫潔負責全書的圖表工作。
本書編寫過程中得到了叢書主編張久俊院士和李箐教授的直接指導，也得到了化學工業(yè)出版社相關編輯的具體指導與幫助，在此一并表示衷心的感謝！
由于編者水平有限，書中疏漏之處在所難免，敬請各位專家學者和讀者朋友批評指正。
編者
2023年1月
麥立強，教授，博士生導師，國家杰出青年，長江學者，國家重點研發(fā)計劃首席科學家。針對我國新能源電動汽車、智能電網等戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展的迫切與重大需求，在高性能儲能器件關鍵材料研究基礎上，1）設計組裝了國際上首個單根納米線全固態(tài)電化學儲能器件，創(chuàng)建了單納米基元電池器件原位表征材料電化學過程的普適新模型；2）提出金屬離子預嵌入優(yōu)化策略，并進一步提出了電子傳導/離子擴散雙連續(xù)的科學原理，解決了長期制約儲能器件發(fā)展的能量密度和功率密度難以兼顧的關鍵科學問題；3）突破了納米材料規(guī)�；苽涞年P鍵技術，率先實現了新一代高性能納米線電池的規(guī)�；苽浜蛻谩０l(fā)表SCI論文350余篇，包括Nature及子刊12篇，影響因子10.0以上的期刊發(fā)表論文100余篇。獲得國家發(fā)明授權專利100余項。在美國MRS、ACS、ECS等重要國際會議做特邀報告50余次。作為會議主席舉辦Nature能源材料會議、第十屆中美華人納米論壇等重要學術會議。
第1章 鋰空氣電池概述1
1.1 鋰空氣電池簡介2
1.2 鋰空氣電池的發(fā)展歷程3
1.3 鋰空氣電池的分類8
1.3.1 非水系電解質鋰空氣電池8
1.3.2 水系電解質鋰空氣電池9
1.3.3 全固態(tài)電解質體系鋰空氣電池10
1.3.4 復合電解質體系鋰空氣電池10
1.4 鋰空氣電池的表征技術11
1.4.1 X 射線衍射11
1.4.2 拉曼光譜12
1.4.3 微分電化學質譜14
1.4.4 掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡14
1.4.5 X 射線光電子能譜17
1.4.6 紅外光譜19
1.4.7 核磁共振19
1.4.8 原子力顯微鏡19
1.5 鋰空氣電池的機遇和挑戰(zhàn)21
參考文獻23
第2章 非水系鋰空氣電池31
2.1 非水系鋰空氣電池工作原理32
2.1.1 非水系鋰空氣電池的充放電過程32
2.1.2 非水系鋰空氣電池的理論比容量和能量密度33
2.2 非水系鋰空氣電池正極結構及材料35
2.2.1 非水系鋰空氣電池理想正極的構筑35
2.2.2 非水系鋰空氣電池正極催化劑37
2.3 非水系鋰空氣電池負極材料90
2.3.1 鋰空氣電池中鋰金屬負極面臨的問題90
2.3.2 鋰空氣電池鋰負極的保護策略91
2.4 非水系鋰空氣電池電解液103
2.4.1 有機碳酸酯類電解液103
2.4.2 酰胺類電解液105
2.4.3 二甲基亞砜類電解液107
2.4.4 醚類電解液108
2.4.5 離子液體電解液110
2.4.6 電解液添加劑111
2.5 非水系鋰空氣電池隔膜111
2.5.1 多孔隔膜112
2.5.2 陶瓷/玻璃電解質隔膜113
2.6 小結與展望116
參考文獻117
第3章 水系鋰空氣電池145
3.1 水系鋰空氣電池工作原理146
3.2 水系鋰空氣電池正極材料147
3.2.1 酸性電解液下的正極材料147
3.2.2 堿性電解液下的正極材料148
3.3 水系鋰空氣電池負極材料和隔膜151
3.3.1 無機固態(tài)鋰離子電解質隔膜151
3.3.2 緩沖層158
3.4 水系鋰空氣電池電解液160
3.4.1 酸性電解液160
3.4.2 堿性電解液161
3.5 小結與展望163
參考文獻164
第4章 全固態(tài)鋰空氣電池168
4.1 全固態(tài)鋰空氣電池結構及工作原理169
4.2 全固態(tài)鋰空氣電池正極結構及材料170
4.3 全固態(tài)鋰空氣電池固體電解質173
4.3.1 氧化物固體電解質174
4.3.2 硫化物固體電解質179
4.3.3 聚合物固體電解質182
4.3.4 固體電解質的化學穩(wěn)定性183
4.4 全固態(tài)鋰空氣電池電極反應機理及電極/電解質界面186
4.4.1 全固態(tài)鋰空氣電池中的電極反應機理186
4.4.2 正極與固體電解質的界面188
4.4.3 負極與固體電解質的界面189
4.5 小結與展望196
參考文獻196
第5章 復合鋰空氣電池204
5.1 復合鋰空氣電池的工作原理205
5.2 復合鋰空氣電池正極結構及材料207
5.2.1 有機-水系酸性電解液復合鋰空氣電池正極207
5.2.2 有機-水系堿性電解液復合鋰空氣電池正極209
5.3 復合鋰空氣電池負極材料212
5.3.1 緩沖層213
5.3.2 合金化結構214
5.3.3 電解液修飾和固液界面設計214
5.3.4 鋰金屬負極的結構設計216
5.4 復合鋰空氣電池電解液217
5.4.1 負極有機電解液217
5.4.2 正極水系堿性電解液219
5.4.3 正極水系酸性電解液221
5.5 復合鋰空氣電池固體電解質隔膜224
5.5.1 超離子導體型固體電解質225
5.5.2 石榴石型固體電解質227
5.5.3 鈣鈦礦型固體電解質230
5.6 小結與展望231
參考文獻232
第6章 鋰空氣電池的理論模擬與計算243
6.1 過氧化鋰的固有性質244
6.1.1 模型結構244
6.1.2 電子結構247
6.1.3 生長機制251
6.2 正極催化劑252
6.2.1 催化劑對氧還原/析出過程的影響252
6.2.2 催化劑對過氧化鋰生長過程的影響264
6.3 電解液266
6.3.1 溶劑266
6.3.2 鹽離子278
6.3.3 痕量水281
6.4 負極281
6.5 小結與展望283
參考文獻284
第7章 鋰空氣電池的設計及應用292
7.1 空氣電極294
7.1.1 活性材料295
7.1.2 非活性成分300
7.2 鋰空氣電池的保護302
7.2.1 阻水透氧膜303
7.2.2 金屬鋰的保護305
7.3 鋰空氣電池的結構306
7.4 柔性鋰空氣電池310
7.5 密閉鋰空氣電池319
7.6 小結與展望321
參考文獻321
第8章 鋰二氧化碳電池326
8.1 鋰二氧化碳電池的工作原理328
8.1.1 二氧化碳的電化學還原328
8.1.2 二氧化碳的電化學析出332
8.2 鋰二氧化碳電池正極材料334
8.2.1 碳材料334
8.2.2 催化劑材料337
8.3 鋰二氧化碳電池負極材料341
8.4 鋰二氧化碳電池電解液343
8.4.1 有機碳酸酯類電解液343
8.4.2 醚類電解液343
8.4.3 砜類電解液345
8.4.4 其他體系電解液346
8.5 小結與展望347
參考文獻347
索引356
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