大连理工大学材料科学与工程学院（黄昊）

尽管从事电池材料研究很多年，写一本关于电池材料的书一直是我渴望去做但又不敢轻易起笔的事情。在我的设定里，这本书要承载全面而强大的功能。首先，它能给初学者提供必要的材料科学和电化学基础，能够告诉他们在材料表征中必要的实验手段。其次，它能作为电池材料研发人员的手边书，能够给他们提供相应的理论支持和细节。最重要的是，它能分享我们对高性能电池材料的理解，能够传播我们的科研思路和成果，最好能启发同行们的创新灵感。但预期越高，越心生怯意，畏缩不前。直到有一天，蹇锡高院士鼓励我们这样去做，并将该书放在他主持的“高性能高分子材料丛书”里。

《高性能电池关键材料》总结了近些年作者团队在高性能电池关键材料领域许多原创性亮点工作，并作为研究实例写入了部分章节，相信这些内容将成为本书的最大特色。

2019 年10 月

于大连理工大学

能源是大自然的馈赠，是维持人类生息的根源。人们无法创造能源，能做的就是最大效率地利用能源。电池是实现能源利用和转化的器件，近年来，对高性能可充电电池的需求日趋迫切，离子电池、超级电容器、空气电池、燃料电池、固态电池等多种新型储能器件迅速发展。不断提升的工作条件对电池的工作电压、能量密度和功率密度有了更高的要求，而这些性能参数决定于构成电池的关键材料。近年来，大量的研究和技术人员投身电池材料的开发和应用，他们需要一本能够从材料科学基础和电化学原理出发的参考书，提供必要的原理支持和理论细节。

《高性能电池关键材料》

黄昊 编著

北京：科学出版社，2020.3

《高性能电池关键材料》从热力学和动力学这些最根本的角度出发，并与最新的科研成果相结合，全面系统地分四个部分阐述高性能电池材料相关内容：电池材料制备、表征及电化学行为(第一篇)，高性能电池电极材料(第二篇)，高性能电池电解质及隔膜材料(第三篇)，电池性能预测评价及应用技术(第四篇)。

对电池材料本质特征的了解和探索有助于提高电极材料的性能，此部分内容是研究的基础。高性能纳米电池材料突破了传统材料性能的“天花板”，越来越为被重视并成为研究的焦点。纳米电池材料制备方法分为化学法（水热/溶剂热法、模板合成法和溶胶-凝胶法等）和物理法（溅射法、电弧等离子体蒸发法和高能球磨法等）。材料制备原理和形貌控制是材料制备的两个关键点。不同纳米电池材料，如零维、一维和二维的材料，制备原理和形貌控制都有所不同。本篇结合化学反应的热力学和动力学基本原理、形核-生长机理、气-液-固相转变等，为纳米电池材料制备提供了理论基础。纳米电池材料的形貌控制，主要通过控制形核速率、生长过程、后续的熟化过程和微观单元连接来完成。

▲ 电弧等离子体制备纳米粉系统示意图

对纳米储能材料的表征与测试是认识鉴别这些材料的独特结构和评价其特殊性能的根本途径。纳米储能材料的表征，主要是确定其形貌、尺寸、粒径、成分、晶型等物理化学特性，可以分为以下几类：①晶体结构表征，如X射线衍射、电子衍射等；②形貌表征，如电子显微镜和探针类显微镜等；③成分表征，如电子探针显微分析、X射线荧光光谱、俄歇电子能谱仪、X射线光电子能谱和电子能量损失谱；④性质表征，如红外光谱、拉曼光谱和物理吸附测试等。

为读者后续理解不同的电池电极材料的电化学性能做铺垫，系统阐述电池电极材料的电化学行为，包括电极材料的两相（固相-液相）界面、电极反应和相关的电化学测试。了解与二次电池相关的常见的电化学概念，是做电池电极材料研发的基础。

纳米结构电池材料具有巨大的表面体积比、良好的物理性能与储运性能，以及纳米尺度的约束效应等优点，在锂离子电池、空气电池、超级电容器、燃料电池和固态电池等与能源有关的应用中得到了广泛的研究。本书的第二篇介绍了不同类型电池的电极材料的机理和性质。

离子电池的工作原理是碱性金属离子在正负极间的反复嵌入与脱出，并伴随着氧化还原反应，因此发生化学能与电能的相互转化。离子电池的正负极材料都是离子和电子的混合导体化合物，在嵌入离子的同时，要求由主体结构作电荷补偿，以维持电中性。电极材料的热力学和动力学性质是研究的理论基础，热力学条件是电极材料发生电化学反应的先决条件，离子扩散等动力学过程影响电池的速率性能。

▲ (a)～(c)不同分辨率下SnS₂@CNT 纳米颗粒的TEM 图；(d)不同元素的分布图，(d)中橙色为S，绿色为Sn，红色为C

空气电池是以金属作为阳极，空气中氧气作为阴极的电化学装置。电池由金属阳极、空气阴极、电解质、隔膜构成；其中，空气阴极上发生的反应最为复杂，氧还原反应和氧析出反应均在此发生，而且还存在各种副反应。空气阴极催化层决定了空气电池的电化学性能。

超级电容器是基于一些含有高比表面积材料在电极-电解液界面充放电的一类特殊的电化学电容器，主要由集流体、正负电极材料、电解液及隔膜组成。根据电荷存储机理，超级电容器可以分为三种类型，分别为双电层电容器、赝电容电容器及混合型电容器。超级电容器电极材料主要分为三类：碳材料、过渡金属氧化物和导电聚合物材料。电极材料的选择决定电容器比电容值的大小，电解液的选用决定器件的工作电压；电极和电解液共同决定整个器件的等效串联电阻值。

燃料电池分为碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池，它们各有各的长处，在不同的领域为人们的生产生活提供能量。其中质子交换膜燃料电池多以氢气为燃料，空气中的氧气为氧化剂，通过电化学反应将燃料中的化学能转化为电能。催化剂对电极处发生的电化学反应至关重要，进而影响燃料电池的性能。

固态电池由集流体、正极、负极和固态电解质构成。根据负极材料不同分为固态锂电池和固态锂离子电池。离子在固体中的传输是固态锂电池研究的重要基础科学问题。对于固态锂离子电池的实际体系，主要的扩散机理有间隙位扩散机理、空位机理、间隙位-格点位交换机理和集体输运机理。同时，电解质/电极的界面问题也是固态电池发展的关键问题。

在电池的结构中，电解液和隔膜材料是非常重要的组成部分之一。电解液作为离子移动的介质，在正负极之间传输离子。电解液的选择至关重要，因为电解液的电导率很大程度上决定了电池的放电能力。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环及安全性能等特性，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。本书的第三篇介绍了高性能电池电解质及隔膜材料。

▲ 湿法锂离子电池隔膜的SEM 图

(a)Tonen；(b)Asahi

随着计算材料学兴起，研究者们探索材料的手段已经从以前单一的实验方法扩展到了计算模拟和实验相互结合的方法，通过计算模拟和实验相辅相成探索材料是研究的趋势。本书的第四篇介绍了电池性能预测评价及应用技术。利用量子力学的第一性原理从头计算法和分子动力学等计算模拟方法不仅可以加深对材料的认识，从原子尺度解释和预测所设计电池材料的工作电压、容量、反应机理、载流子迁移率和离子扩散性等，还能引导理性设计实验，节省时间，降低成本。

▲ Na 在体相MoS₂ 体系中的扩散路径和扩散能垒：侧视图(a)、俯视图(b)和扩散能垒(c)；Na 在单层MoS₂体系中的扩散路径和扩散能垒：侧视图(d)、俯视图(e)和扩散能垒(f)

关于能源电池工程应用技术，我们介绍了影响能源电池实际工作性能的因素、电池组的设计及已有的电池行业标准。随着高性能电池应用技术与器件的进一步发展，电池应用技术除了之前描述的传统能源器件之外，出现了一些先进能源器件，如柔性可穿戴电池、生物电池和军用电池等。

近年来，很多科研工作者围绕新能源电池材料的挑战和要求，做出了大量非常有意义的研究工作。本书归纳总结了部分重要学术成果，全面系统地阐述了高性能电池材料的制备、表征、性能等相关内容。然而需要指出的是，大多数已有研究只针对电池材料的部分基础科学问题的探索，离产业化应用尚有距离。如何让这些积累开花结果，需要更多的科研人员精诚合作，共同努力。这也是撰写本书的初衷所在，意在抛砖引玉，与同行共勉、相互学习。

2005年博士毕业于韩国昌原国立大学，同年入职大连理工大学材料科学与工程学院，从事教学科研工作。2018年，组建辽宁省能源材料及器件重点实验室，主要面向能源领域国家重大需求，探索纳米材料宏量制备、纳米结构控制、电极高密度储能等关键技术；利用微波/热丝气相沉积、磁控溅射、直流电弧、高能电子束等多种载能束，结合化学控制改性完成复杂纳米结构设计制造，为电极材料高效储能及长效服役提供解决方案，同时为国家培养材料专业领军人才。

长期致力于纳米储能材料基础科学与应用技术研究，为新能源材料领域相关瓶颈问题带来新的突破。自主设计制造等离子体纳米粉体量产设备，相比传统湿化学法，等离子体制备纳米粉体具有高结晶、高分散、高产率、低能耗、零污染等优势，破解了高性能电池关键材料“低产高价”技术瓶颈，为大规模产业应用提供了有效途径。

注：欢迎将此书作为高等院校能源材料及器件相关专业教材使用。经确认后，可赠送全书配套精美课件。

本文摘编自《高性能电池关键材料》（黄昊编著.北京：科学出版社，2020.3）一书。标题为编者所加。

(高性能高分子材料丛书/蹇锡高总主编)

“十三五”国家重点出版物出版规划项目

ISBN 978-7-03-063729-1

丛书策划：翁靖一

本书为“高性能高分子材料丛书”之一。电池作为一种典型的电化学储能器件，受到广泛关注和重点研究。本书结合材料科学基础和电化学原理，系统阐述了离子电池、超级电容器、空气电池、燃料电池、固态电池等各类电池的正负极材料特征及其电化学响应。对电解液及隔膜材料等重要内容也进行了详细的描述。另外，本书关注能源电池工程应用技术，考虑了影响能源电池工作性能的因素、电池组的设计及已有的电池标准。本书分为电池材料制备、表征及电化学行为，高性能电池电极材料，高性能电池电解质及隔膜材料，电池性能预测评价及应用技术四大部分。最大的特色是将能源电池的基础知识、基本原理及最新的科研成果相结合，特别强调近十年来该领域的学术贡献。

内容来源:科学出版社微信公众号

编辑:张杭晓

校对:徐一丹