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本書從反應(yīng)機理、組件結(jié)構(gòu)和器件設(shè)計等多方面,對鋰空氣電池進行了詳細(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，為讀者提供了翔實的鋰空氣電池基礎(chǔ)理論知識。全書既可視為一個整體，亦可每章單獨成文，為從事鋰空氣電池及化學(xué)電源的科技研發(fā)工作者提供實用性參考。

21世紀(jì)，能源存儲問題是人類社會所面臨的最大挑戰(zhàn)之一。可以預(yù)見，隨著人口的增長和地區(qū)工業(yè)化的發(fā)展，世界對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能源存儲的要求。儲能設(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，并在用戶需要時進行供給。雖然從時間尺度而言電化學(xué)儲能并不會立即應(yīng)用在電網(wǎng)中，但是在電氣化運輸領(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汽車大規(guī)模市場化的瓶頸。為了滿足儲能的要求，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年成功實現(xiàn)了鋰離子電池的商品化。相對于當(dāng)時其他的儲能體系，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。然而，若要消費者真正大規(guī)模地接受電動汽車，就必須超越目前鋰離子電池的儲能極限，采用一種具有更高能量密度的儲能體系。這已經(jīng)成為現(xiàn)階段研究人員的共識。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，對能源的改善性需求使得研究者們對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，對二次鋰空氣電池早期原型的研究結(jié)果表明，在電池中實際發(fā)生的反應(yīng)過程并非是最初研究者所制定的機理過程。由此所能得到的明確結(jié)論是，對電池運行時所發(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)果對電解液的作用、電極的穩(wěn)定性、電極反應(yīng)的機理以及反應(yīng)產(chǎn)物的形貌等內(nèi)容進行了論述，闡明了固體電解質(zhì)、鋰保護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)注的重點發(fā)展方向，讓我們認(rèn)為目前是編寫本書的恰當(dāng)時機。當(dāng)然，即便該項目已經(jīng)取得了顯著的進展，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，而這也決定了這項技術(shù)最終是否可行。Nobuyuki Imanishi于日本津市Alan C.Luntz于美國加利福尼亞Peter G.Bruce于英國圣安德魯斯

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017

第2章非水電解液019

2.1引言019

2.2有機強酸酯類電解液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049

第3章有機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機理082

3.6.2動力學(xué)過電勢088

3.6.3第一性原理過電勢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)膶嶒炑芯?94

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101

第4章鋰空氣電池中氧的還原/析出反應(yīng)動力學(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)動力學(xué)110

4.2.2小倍率、低過電勢下放電反應(yīng)產(chǎn)物112

4.2.3大倍率、高過電勢條件下的放電產(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Li2O2氧化的影響127

4.5高過電勢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135

第5章原子理論和第一性原理：鋰空氣電池的計算研究139

5.1引言139

5.2Li2O2性質(zhì)140

5.2.1過電勢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151

第6章基于鋰保護電極的鋰空氣電池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庫倫效率（CE）215

9.9小結(jié)與展望216

參考文獻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238

10.5挑戰(zhàn)及展望243

參考文獻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263

索引265

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