科学出版社|张会刚：电化学储能材料与原理( 二 )

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图 3 吸引作用导致材料电压和自由能变化关系
(a)无因次电压与锂离子占位百分比之间关系; (b)无因次自由能和锂离子占位百分比之间关系

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图 4 电压回线产生机理讨论
(a)扩散过程导致形成能增加;(b)化学键断裂导致的形成能增加; (c)锂化和(d)脱锂过程中形成能变化;(e)锂化和(f)脱锂过程中电压曲线和平衡值关系
如上例所述，《电化学储能材料与原理》第1章介绍学习电池技术需要的相关基本原理后，简要阐述了跨学科学生缺少的物理、化学、材料、半导体等专业术语，在不同专业术语语境中建立相互联系。第2章总结了电化学储能过程所需要的表征技术，着重强调电池特有的表征技术，尤其是阻抗和充放电表征。本书尽可能从最原始的文献出发，介绍固体循环伏安，电池材料阻抗技术（图5），强调各种常用公式的适用范围，以及表征过程中禁忌，避免公式乱用的错误。

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图 5 石墨负极 Nyquist 图示意EIS 组元由表面多层膜形成的半圆和电荷传递过程组元，以及 Warburg 固体扩散元组成
第3章开始介绍电化学储能材料，水系电池在历史上和现在都发挥重要作用，本书将重点放在可充电的氧化锰类、氧化镍基和铅酸电池上，介绍电池充放电过程的材料结构变化和反应机理。第4~7章介绍重要的钴酸锂、锰酸锂、三元和聚阴离子正极材料，通过对晶体结构和电子结构的认识（如图6），理解电池的电化学性质以及改进手段。第8章总结了各种商用和研究中的负极材料，细分了各种材料之间的储能机理的相似和不同之处，最后介绍了近年来研究的热点金属锂负极。

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图 6 LiCoO2、LiNiO2和 LiMnO2 电子结构示意图
本书最后一章介绍了最具潜力的锂硫电池和多价金属电池。尤其是针对锂硫电池正极多硫化物动力学缓慢，多硫化物穿梭问题，结合本课题组工作，讲述了如果通过电子结构调控，设计催化剂的d带，降低表观活化能，改善多硫化物转化过程的动力学速度（图7）。针对高比能电池所需的金属锂负极，本书综述了历史发展过程，并结合本组的研究成果，讲述了金属锂负极的改进手段。

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图7 阳离子掺杂调控d 带的催化过程机理示意图
(a)3d 轨道能级随 Co 掺杂而向费米能级方向移动;(b)Co 掺杂使得表面多硫化物转化活化能垒更低