鋁電池原理與技術(shù)

目錄 前言 第一部分 概述 第1章 鋁電池簡(jiǎn)介 3 1.1 背景與發(fā)展需求 3 1.2 鋁電池的發(fā)展歷史 6 1.2.1 鋁–空氣電池發(fā)展歷史 6 1.2.2 水系鋁電池發(fā)展歷史 6 1.2.3 非水系鋁電池發(fā)展歷史 7 1.3 鋁電池的應(yīng)用前景 9 參考文獻(xiàn) 10 第二部分 鋁--空氣電池 第2章 鋁--空氣電池基礎(chǔ)與原理 17 2.1 鋁–空氣電池概述 17 2.2 鋁–空氣電池結(jié)構(gòu)與電化學(xué) 17 2.3 鋁–空氣電池性能與應(yīng)用前景 19 參考文獻(xiàn) 19 第3章 空氣電極電化學(xué)過(guò)程21 3.1 空氣電極類(lèi)型與結(jié)構(gòu) 21 3.1.1 空氣電極類(lèi)型 21 3.1.2 空氣電極結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì) 22 3.1.3 空氣電極布局與結(jié)構(gòu) 23 3.1.4 空氣電極存在的問(wèn)題 27 3.2 空氣電極氧還原與析出過(guò)程 27 3.2.1 氧還原基本過(guò)程 28 3.2.2 氧析出基本過(guò)程 28 3.2.3 氧析出與還原過(guò)程的可能機(jī)理 293.3 空氣電極催化劑材料 31 3.3.1 貴金屬和合金催化劑(鉑基催化劑) 31 3.3.2 碳基催化劑 32 3.3.3 金屬氧化物催化劑 33 3.3.4 鈣鈦礦型氧化物催化劑 34 3.3.5 尖晶石型催化劑 35 3.3.6 金屬大環(huán)化合物 36 參考文獻(xiàn) 38 第4章 鋁--空氣電池用鋁負(fù)極 41 4.1 二元合金負(fù)極.42 4.1.1 鋁鎵合金負(fù)極 43 4.1.2 鋁銦合金負(fù)極 44 4.1.3 鋁錫合金負(fù)極 45 4.1.4 其他二元合金負(fù)極 45 4.2 三元、四元和多組分鋁負(fù)極 48 4.3 商業(yè)鋁負(fù)極 52 4.4 鋁負(fù)極材料加工制備 54 參考文獻(xiàn) 60 第5章 電解質(zhì)與添加劑 68 5.1 電解質(zhì) 68 5.2 電解質(zhì)添加劑 69 5.2.1 無(wú)機(jī)添加劑 69 5.2.2 有機(jī)添加劑 71 5.2.3 混合添加劑 74 5.3 電解液設(shè)計(jì)與配置 76 參考文獻(xiàn) 78 第6章 鋁--空氣電池設(shè)計(jì)與制造 87 6.1 大功率儲(chǔ)能鋁–空氣電池 87 6.1.1 大功率儲(chǔ)能鋁–空氣電池系統(tǒng) 87 6.1.2 大功率儲(chǔ)能鋁–空氣電池設(shè)計(jì) 89 6.1.3 鋁–空氣電池運(yùn)行 91 6.2 可穿戴柔性鋁–空氣電池設(shè)計(jì)與組裝 92 6.2.1 紙片柔性鋁–空氣電池 92 6.2.2 固態(tài)電解質(zhì)柔性鋁–空氣電池 96 6.3 多功能組合鋁–空氣電池 101參考文獻(xiàn) 102 第7章 二次鋁--空氣電池.106 7.1 電解液 106 7.1.1 離子液體電解液 106 7.1.2 固體電解質(zhì) 112 7.2 空氣電極氧還原與析出過(guò)程 115 7.3 空氣電極催化材料 117 7.3.1 碳基催化材料 117 7.3.2 氧化物基催化材料 119 7.3.3 非氧化物基材料 123 7.3.4 金屬–有機(jī)框架材料 124 參考文獻(xiàn) 126 第8章 鋁--空氣電池未來(lái)挑戰(zhàn)與展望 133 8.1 空氣電極材料鋁負(fù)極材料 133 8.2 空氣電極材料 134 8.3 電解質(zhì)添加劑 135 8.4 鋁–空氣電池系統(tǒng)及循環(huán)管理 135 第三部分 水系鋁電池 第9章 水系鋁電池基礎(chǔ)與原理 139 9.1 水系鋁電池工作原理139 9.1.1 嵌入/脫出機(jī)理 139 9.1.2 電化學(xué)轉(zhuǎn)換機(jī)理 143 9.2 水系鋁電池結(jié)構(gòu)與組件 147 9.2.1 單一性鋁鹽電解液 149 9.2.2 含功能性添加劑的電解液 150 9.2.3 凝膠聚合物電解質(zhì) 150 9.3 水系鋁電池的應(yīng)用前景 152 參考文獻(xiàn) 153 第10章 水系鋁電池電解質(zhì) 157 10.1 水系鋁電池電解質(zhì)簡(jiǎn)介 157 10.2 電解質(zhì)的熱力學(xué)分析.159 10.3 液體電解質(zhì).161 10.3.1 堿性溶液電解質(zhì) 16210.3.2 強(qiáng)酸性溶液電解質(zhì) 163 10.4 凝膠聚合物電解質(zhì) 174 參考文獻(xiàn) 177 第11章 水系鋁電池負(fù)極材料 180 11.1 水系鋁電池負(fù)極材料簡(jiǎn)介 180 11.2 鈍化膜與析氫反應(yīng) 180 11.3 鋁負(fù)極 181 11.3.1 離子液體預(yù)處理鋁負(fù)極構(gòu)建SEI膜 181 11.3.2 采用“鹽包水”電解質(zhì)構(gòu)建SEI膜 184 11.4 鋁合金材料 185 11.5 金屬氧化物 186 11.5.1 TiO2 186 11.5.2 MoO3 191 11.5.3 其他氧化物 193 11.6 有機(jī)類(lèi)材料 194 11.6.1 有機(jī)聚合物負(fù)極 194 11.6.2 有機(jī)小分子負(fù)極 195 參考文獻(xiàn) 196 第12章 水系鋁電池正極材料 199 12.1 水系鋁電池正極材料簡(jiǎn)介 199 12.2 過(guò)渡金屬氧化物 200 12.2.1 釩系電極材料 200 12.2.2 錳系電極材料 204 12.2.3 鉍系電極材料 207 12.2.4 鎢系電極材料 209 12.3 普魯士類(lèi)結(jié)構(gòu)電極材料 212 12.3.1 CuHCF框架電極材料 213 12.3.2 FeFe(CN)6框架電極材料 215 12.3.3 六氰基鐵酸鎳鉀(KNHCF)框架電極材料 219 12.3.4 六氰鐵酸鈷鉀(K2CoFe(CN)6)框架電極材料 221 12.3.5 K2CuFe(CN)6框架電極材料 227 12.3.6 Na1.68Mn[Fe(CN)6] 1.7H2O(NMHCF)框架電極材料 230 12.3.7 Mn4[Fe(CN)6]2.88Δ0.29 11.8H2O 框架電極材料 232 12.4 碳材料 235 12.5 有機(jī)材料 23612.5.1 吩嗪有機(jī)正極材料 236 12.5.2 醌類(lèi)有機(jī)材料 239 參考文獻(xiàn) 241 第13章 水系鋁電池未來(lái)挑戰(zhàn)與展望 244 13.1 水系鋁電池面臨的挑戰(zhàn) 244 13.1.1 材料層面 244 13.1.2 電解質(zhì)方面 248 13.1.3 電池結(jié)構(gòu)方面 250 13.2 水系鋁電池的發(fā)展方向 252 13.2.1 鋁電池實(shí)際評(píng)估與應(yīng)用 252 13.2.2 未來(lái)發(fā)展預(yù)期 254 參考文獻(xiàn) 255 第四部分 非水系鋁電池 第14章 非水系鋁電池基礎(chǔ)與原理 261 14.1 非水系鋁電池的電化學(xué)反應(yīng)原理 261 14.1.1 嵌入/脫出機(jī)理 261 14.1.2 吸附/脫附機(jī)理 263 14.1.3 電化學(xué)轉(zhuǎn)化機(jī)理 264 14.2 非水系鋁電池的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué) 265 14.2.1 非水系鋁電池?zé)崃W(xué)分析 265 14.2.2 非水系鋁電池動(dòng)力學(xué)分析 267 14.2.3 熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)理解 273 參考文獻(xiàn) 274 第15章 非水系鋁電池電解質(zhì) 278 15.1 非水系鋁電池電解質(zhì)簡(jiǎn)介 278 15.2 非水系電解液物理化學(xué)性質(zhì) 279 15.3 離子液體電解液 279 15.3.1 AlCl3/咪唑類(lèi)離子液體 280 15.3.2 AlCl3/季銨鹽類(lèi)離子液體 282 15.3.3 AlCl3/吡啶類(lèi)離子液體 284 15.3.4 其他新型常溫電解液 285 15.4 熔融鹽電解質(zhì) 287 15.4.1 AlCl3基二元體系 28815.4.2 AlCl3基三元體系 290 15.4.3 AlCl3基四元體系 292 15.5 固態(tài)電解質(zhì) 294 15.5.1 聚合物骨架的選擇 296 15.5.2 增塑劑的影響 297 參考文獻(xiàn) 310 第16章 非水系鋁電池正極材料 315 16.1 非水系鋁電池正極材料簡(jiǎn)介 315 16.2 碳材料 315 16.2.1 石墨紙 315 16.2.2 泡沫石墨 318 16.2.3 膨脹石墨 320 16.2.4 自然石墨 321 16.2.5 無(wú)定形碳轉(zhuǎn)化石墨 322 16.2.6 石墨烯 324 16.2.7 碳納米籠 327 16.2.8 碳納米纖維 328 16.2.9 金屬–有機(jī)框架化合物衍生多孔碳 329 16.2.10 多孔碳材料 330 16.3 氧化物 331 16.3.1 氧化釩 332 16.3.2 氧化鈦 334 16.3.3 氧化鈷 335 16.3.4 氧化錫 337 16.3.5 氧化銅 338 16.3.6 氧化錳 339 16.3.7 氧化鎢 339 16.3.8 氧化碲 340 16.4 硫及硫化物 340 16.4.1 硫單質(zhì) 340 16.4.2 硫化鐵 341 16.4.3 硫化鎳 342 16.4.4 硫化銅 344 16.4.5 硫化釩 344 16.4.6 硫化鉬 34616.4.7 硫化鈦 349 16.4.8 硫化錫 350 16.4.9 鎳鈷硫化物 351 16.5 硒及硒化物 353 16.5.1 硒正極材料 353 16.5.2 非水系硒化物正極材料 357 16.6 碲及碲化物 362 16.6.1 碲正極材料 362 16.6.2 過(guò)渡金屬碲化物正極材料 366 16.7 銻單質(zhì) 368 16.8 有機(jī)類(lèi)材料 370 16.8.1 導(dǎo)電高分子 370 16.8.2 含C=O有機(jī)材料 376 16.8.3 含C≡N有機(jī)材料 379 16.8.4 其他有機(jī)材料 380 16.9 其他材料 381 16.9.1 金屬有機(jī)骨架 381 16.9.2 硼化鈷 383 16.9.3 磷及磷化物 384 16.9.4 氯化物 388 16.9.5 MXene 388 參考文獻(xiàn) 389 第17章 非水系鋁電池負(fù)極材料 397 17.1 非水系鋁電池負(fù)極材料簡(jiǎn)介 397 17.2 鋁負(fù)極腐蝕機(jī)理 398 17.2.1 鈍化膜 399 17.2.2 腐蝕溶解 400 17.2.3 枝晶 402 17.3 碳基負(fù)極材料 402 17.3.1 石墨負(fù)極 402 17.3.2 碳布負(fù)極 404 17.3.3 氮摻雜碳棒陣列負(fù)極 406 17.4 其他負(fù)極材料 407 17.4.1 合金負(fù)極 407 17.4.2 液態(tài)金屬鎵負(fù)極 411參考文獻(xiàn) 412 第18章 非水系鋁電池非活性材料415 18.1 非水系鋁電池非活性材料簡(jiǎn)介 415 18.2 集流體 415 18.2.1 金屬集流體 416 18.2.2 碳質(zhì)集流體 420 18.2.3 其他非金屬集流體 422 18.3 黏結(jié)劑 424 18.3.1 PVDF 失活機(jī)理 424 18.3.2 其他黏結(jié)劑 426 18.4 隔膜 429 18.4.1 玻璃纖維隔膜 429 18.4.2 聚丙烯腈隔膜 429 18.4.3 CMK-3涂層改性隔膜 431 參考文獻(xiàn) 432 第19章 非水系鋁電池原位表征技術(shù)與模擬仿真 434 19.1 簡(jiǎn)介 434 19.2 原位成像技術(shù) 434 19.2.1 原位SEM 435 19.2.2 原位TEM 436 19.2.3 原位X射線層析成像技術(shù) 438 19.2.4 原位AFM 438 19.2.5 原位光學(xué)成像技術(shù) 440 19.3 原位光譜技術(shù) 442 19.3.1 原位 XRD 442 19.3.2 原位Raman 444 19.3.3 原位XPS 446 19.4 在線氣體分析技術(shù) 447 19.5 第一性原理計(jì)算 449 19.6 模擬仿真在非水系鋁電池中的應(yīng)用 452 參考文獻(xiàn) 455 第20章 非水系鋁電池未來(lái)挑戰(zhàn)與展望 457 20.1 非水系鋁電池總結(jié) 457 20.2 非水系鋁電池面臨的挑戰(zhàn) 457 20.2.1 材料層面 45720.2.2 電池