本書從反應(yīng)機(jī)理、組件結(jié)構(gòu)和器件設(shè)計(jì)等多方面,對(duì)鋰空氣電池進(jìn)行了詳細(xì)介紹和全面論述。每章的編著者都是本領(lǐng)域的前沿研究者，他們結(jié)合自身豐富的研究和工作經(jīng)驗(yàn)，為讀者提供了翔實(shí)的鋰空氣電池基礎(chǔ)理論知識(shí)。全書既可視為一個(gè)整體，亦可每章單獨(dú)成文，為從事鋰空氣電池及化學(xué)電源的科技研發(fā)工作者提供實(shí)用性參考。
本書由活躍在鋰空氣電池前沿領(lǐng)域的國(guó)際知名研究者執(zhí)筆，他們關(guān)注電池內(nèi)部所發(fā)生的反應(yīng)過程并致力克服在此過程中所面臨的困難，并將鋰空氣電池的研究新進(jìn)展和關(guān)鍵技術(shù)介紹給讀者。
21世紀(jì)，能源存儲(chǔ)問題是人類社會(huì)所面臨的最大挑戰(zhàn)之一。可以預(yù)見，隨著人口的增長(zhǎng)和地區(qū)工業(yè)化的發(fā)展，世界對(duì)能源的需求將不可逆轉(zhuǎn)地增加（從現(xiàn)在到2040年將上升56%）。因此，核能和可再生燃料發(fā)電將在以煤、石油和天然氣為主的發(fā)電領(lǐng)域占據(jù)越來越重要的地位。在能源需求增長(zhǎng)的大背景下，采用可再生能源能夠降低CO2的排放并減緩氣候變化。而可再生能源的使用也改變了人們對(duì)能源存儲(chǔ)的要求。儲(chǔ)能設(shè)備的發(fā)展與傳統(tǒng)能源的使用息息相關(guān)，而最終的儲(chǔ)能設(shè)備必須能夠適應(yīng)新能源發(fā)電過程中所產(chǎn)生的間歇性電能，并在用戶需要時(shí)進(jìn)行供給。雖然從時(shí)間尺度而言電化學(xué)儲(chǔ)能并不會(huì)立即應(yīng)用在電網(wǎng)中，但是在電氣化運(yùn)輸領(lǐng)域其應(yīng)該具有無可替代的作用并且已經(jīng)開始嶄露頭角。目前，具有足夠能量密度的儲(chǔ)能單元在成本、安全性和壽命方面仍存在的問題是阻礙電動(dòng)汽車大規(guī)模市場(chǎng)化的瓶頸。為了滿足儲(chǔ)能的要求，需要有一系列的解決方案，這其中就包括了鋰離子電池的應(yīng)用。索尼公司在1991年成功實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池的商品化。相對(duì)于當(dāng)時(shí)其他的儲(chǔ)能體系，鋰離子電池憑借其自身高能量密度的特性，在過去的二十年中引領(lǐng)了便攜式電子產(chǎn)品的變革，而其自身通過緩慢的發(fā)展而具備了更高的能量密度。目前鋰離子電池已經(jīng)在電動(dòng)汽車中得到應(yīng)用，并且將成為該領(lǐng)域今后多年的研究熱點(diǎn)。然而，若要消費(fèi)者真正大規(guī)模地接受電動(dòng)汽車，就必須超越目前鋰離子電池的儲(chǔ)能極限，采用一種具有更高能量密度的儲(chǔ)能體系。這已經(jīng)成為現(xiàn)階段研究人員的共識(shí)。因此，探索能量密度高于鋰離子電池的可充電電池體系變得十分重要。相應(yīng)的選擇實(shí)際上十分有限，而其中就包含了鋅空氣電池和鋰硫體系電池。在此基礎(chǔ)上，將鋰金屬負(fù)極和氧氣正極相結(jié)合，就可以得到理論能量密度最高的電池，即鋰空氣電池。將氧氣作為電池正極反應(yīng)物并非新的想法，如一次鋅空氣電池在幾十年前就已經(jīng)開始使用。對(duì)鋰空氣電池的探索始于20世紀(jì)70年代，特別值得注意的是Abraham在1996年所做出的開創(chuàng)性工作。如今，對(duì)能源的改善性需求使得研究者們對(duì)可充電鋰空氣電池的興趣愈加濃厚。但是任何有潛力的技術(shù)在實(shí)用化的轉(zhuǎn)化過程中都需要攻克相當(dāng)大的障礙。譬如先前的鋰離子電池，在研發(fā)初期許多研究者根本不相信可充電的鋰離子電池能夠商業(yè)化。與之類似，對(duì)二次鋰空氣電池早期原型的研究結(jié)果表明，在電池中實(shí)際發(fā)生的反應(yīng)過程并非是最初研究者所制定的機(jī)理過程。由此所能得到的明確結(jié)論是，對(duì)電池運(yùn)行時(shí)所發(fā)生的化學(xué)和電化學(xué)過程的根本理解必不可少。而只有獲得了這些知識(shí)才能夠使得鋰空氣電池的商業(yè)化具備可能性。本書的編著者們都是活躍在鋰空氣電池前沿領(lǐng)域的研究者，關(guān)注電池內(nèi)部所發(fā)生的反應(yīng)過程并致力于克服在此過程中所面臨的困難。研究結(jié)果對(duì)電解液的作用、電極的穩(wěn)定性、電極反應(yīng)的機(jī)理以及反應(yīng)產(chǎn)物的形貌等內(nèi)容進(jìn)行了論述，闡明了固體電解質(zhì)、鋰保護(hù)電極的使用和正極氣體的處理問題。正是該領(lǐng)域中值得關(guān)注的重點(diǎn)發(fā)展方向，讓我們認(rèn)為目前是編寫本書的恰當(dāng)時(shí)機(jī)。當(dāng)然，即便該項(xiàng)目已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展，但仍有非常多的問題還有待探索，以明晰鋰空氣電池背后的科學(xué)奧秘，而這也決定了這項(xiàng)技術(shù)最終是否可行。Nobuyuki Imanishi于日本津市Alan C.Luntz于美國(guó)加利福尼亞Peter G.Bruce于英國(guó)圣安德魯斯
解晶瑩，研究員。長(zhǎng)期從事鋰系電池相關(guān)應(yīng)用基礎(chǔ)研究及工程化開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化工作。主要研究方向:新型化學(xué)電源及相關(guān)材料和電源系統(tǒng)研究。
第1章緒論001
1.1鋰空氣電池的能量密度001
1.2鋰空氣電池的發(fā)展007
1.3鋰空氣電池的關(guān)鍵問題和應(yīng)用前景013
參考文獻(xiàn)017
第2章非水電解液019
2.1引言019
2.2有機(jī)強(qiáng)酸酯類電解液020
2.3穩(wěn)定電解液025
2.3.1醚類029
2.3.2離子液體031
2.3.3酰氨基類034
2.3.4砜類039
2.3.5二甲基亞砜類041
2.3.6鋰鹽電解質(zhì)045
2.4電解液的穩(wěn)定性047
2.5小結(jié)與展望048
參考文獻(xiàn)049
第3章有機(jī)體系鋰空氣電池中的正極電化學(xué)過程053
3.1引言053
3.2基于碳陰極的鋰空氣電池電化學(xué)過程057
3.2.1恒流充放電過程057
3.2.2放電充電化學(xué)過程063
3.3電解液穩(wěn)定性065
3.3.1DEMS穩(wěn)定性065
3.3.2循環(huán)性能070
3.3.3關(guān)于電解液穩(wěn)定性的理論072
3.4正極穩(wěn)定性075
3.5空氣中的污染物對(duì)鋰空氣電池的影響078
3.5.1H2O的影響078
3.5.2CO2的影響079
3.5.3選擇性透氧層的前景080
3.6基礎(chǔ)電化學(xué)082
3.6.1機(jī)理082
3.6.2動(dòng)力學(xué)過電勢(shì)088
3.6.3第一性原理過電勢(shì)090
3.6.4電催化作用092
3.7電荷傳輸限制093
3.7.1Li2O2電荷傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)研究094
3.7.2電荷傳輸?shù)睦碚撃Ｐ?96
3.7.3極化子的電荷傳輸098
3.7.4Li2O2電荷傳輸問題099
3.8小結(jié)和展望100
參考文獻(xiàn)101
第4章鋰空氣電池中氧的還原/析出反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程及產(chǎn)物105
4.1可充電鋰空氣電池的能量密度、功率密度及其所面臨的挑戰(zhàn)105
4.2鋰空氣電池放電過程動(dòng)力學(xué)及放電產(chǎn)物110
4.2.1碳電極上的氧還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)110
4.2.2小倍率、低過電勢(shì)下放電反應(yīng)產(chǎn)物112
4.2.3大倍率、高過電勢(shì)條件下的放電產(chǎn)物116
4.3鋰空氣電池中放電態(tài)正極的表面化學(xué)118
4.3.1與Li2O2形貌相關(guān)的表面化學(xué)118
4.3.2Li2O2和碳之間的化學(xué)反應(yīng)119
4.3.3Li2O2與醚類電解液的化學(xué)反應(yīng)123
4.3.4固態(tài)鋰空氣電池的原位APXPS研究125
4.4放電產(chǎn)物形貌和其表面化學(xué)性質(zhì)對(duì)Li2O2氧化的影響127
4.5高過電勢(shì)下充電制約因素的原位TEM研究133
4.6小結(jié)和展望134
參考文獻(xiàn)135
第5章原子理論和第一性原理：鋰空氣電池的計(jì)算研究139
5.1引言139
5.2Li2O2性質(zhì)140
5.2.1過電勢(shì)140
5.2.2電子電導(dǎo)率143
5.3電催化劑147
5.3.1碳147
5.3.2貴金屬148
5.3.3過渡金屬氧化物148
5.4電解液150
5.5小結(jié)與展望150
參考文獻(xiàn)151
第6章基于鋰保護(hù)電極的鋰空氣電池155
6.1引言155
6.2金屬空氣電池的前景與問題155
6.3鋰空氣電池：水系與非水系156
6.3.1非水體系鋰空氣電池158
6.3.2水系鋰空氣電池163
6.4小結(jié)與展望170
參考文獻(xiàn)172
第7章水系鋰空氣電池的空氣電極174
7.1引言174
7.2正極電化學(xué)反應(yīng)175
7.3充/放電過程中的空氣電極176
7.3.1放電反應(yīng)176
7.3.2充電反應(yīng)176
7.4電解液的影響178
7.4.1充電反應(yīng)178
7.4.2放電反應(yīng)180
7.4.3CO2的影響180
7.4.4放電產(chǎn)物的影響180
7.4.5水分管理181
7.5復(fù)合空氣電極182
7.6小結(jié)與展望183
參考文獻(xiàn)183
第8章水系鋰空氣電池的固體電解質(zhì)185
8.1引言185
8.2NASICON類水中穩(wěn)定鋰離子固體電解質(zhì)：LATP186
8.3石榴石型水溶液穩(wěn)定鋰離子導(dǎo)體固體電解質(zhì)：Li7La3Zr2O12 191
8.4鋰離子固體電解質(zhì)薄片的制備194
8.5水系可充電鋰空氣電池性能197
參考文獻(xiàn)201
第9章全固態(tài)鋰空氣二次電池203
9.1引言203
9.2全固態(tài)電池204
9.3電池材料204
9.3.1負(fù)極205
9.4電解質(zhì)（膜）205
9.5氧氣電極（正極）206
9.5.1電化學(xué)催化206
9.5.2LAGP的電催化性能207
9.6電池反應(yīng)和開路電壓209
9.7電池設(shè)計(jì)211
9.8密封電池的電化學(xué)性能212
9.8.1能量效率212
9.8.2循環(huán)性能212
9.8.3溫度的影響213
9.8.4庫(kù)倫效率（CE）215
9.9小結(jié)與展望216
參考文獻(xiàn)216
第10章一次鋰空氣電池218
10.1引言218
10.2空氣電極222
10.2.1不同碳材料的比表面積和孔隙比223
10.2.2微觀結(jié)構(gòu)226
10.2.3表面修飾（能量密度/功率密度）229
10.3電解液231
10.3.1非水系液態(tài)電解液233
10.3.2聚合物和固態(tài)電解質(zhì)235
10.3.3離子液體236
10.3.4水系及混合體系電解液237
10.4設(shè)計(jì)238
10.5挑戰(zhàn)及展望243
參考文獻(xiàn)244
第11章鋰空氣電池系統(tǒng)概述：氧氣處理的要求與技術(shù)248
11.1引言248
11.2系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及目標(biāo)249
11.3從活性物質(zhì)到汽車系統(tǒng)253
11.4密封式鋰空氣電池中的O2儲(chǔ)存256
11.5開放式鋰空氣電池中的O2分離260
11.6小結(jié)與展望262
參考文獻(xiàn)263
索引265
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