電化學(xué)叢書--固態(tài)電化學(xué)
定 價:168 元
叢書名:電化學(xué)叢書
- 作者:楊勇 主編
- 出版時間:2017/2/1
- ISBN:9787122276032
- 出 版 社:化學(xué)工業(yè)出版社
- 中圖法分類:O646
- 頁碼:
- 紙張:膠版紙
- 版次:1
- 開本:16開
固態(tài)電化學(xué)學(xué)科是一門新興的交叉學(xué)科,它主要關(guān)注固體中電化學(xué)反應(yīng)過程及其相關(guān)材料構(gòu)效關(guān)系。本書主要介紹固態(tài)電化學(xué)所涉及的物理、化學(xué)與材料相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識,實驗研究方法,體系應(yīng)用及其今后發(fā)展趨勢。全書共分為12章,內(nèi)容包括固態(tài)電極/電解質(zhì)材料合成方法(包括相關(guān)的實驗方法和技術(shù))、固態(tài)材料結(jié)構(gòu)分析、固態(tài)材料中的缺陷化學(xué)、固態(tài)電子結(jié)構(gòu)與電子電導(dǎo)、固態(tài)離子輸運過程及其特性、無機離子導(dǎo)體材料、聚合物電解質(zhì)、離子嵌入脫出反應(yīng)、氧離子導(dǎo)體及混合導(dǎo)體、材料物理與化學(xué)性質(zhì)的計算機模擬、固態(tài)電化學(xué)研究方法(包括一些新型的表征技術(shù)等)。本書可供相關(guān)學(xué)科科研與技術(shù)研發(fā)的科研工作者與工程技術(shù)人員參考,也可作為高;瘜W(xué)、物理、材料、化工、能源、環(huán)境等學(xué)科本科生或研究生的教學(xué)參考書。
1.《固態(tài)電化學(xué)》屬十二五國家重點圖書、國家科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)著作出版基金資助出版。2.《固態(tài)電化學(xué)》作者在該學(xué)科領(lǐng)域成績突出,碩果累累。本書首次全面系統(tǒng)地闡述了固態(tài)電化學(xué)原理、方法及其在化學(xué)電源體系的應(yīng)用,學(xué)術(shù)價值高,指導(dǎo)意義強。3.《固態(tài)電化學(xué)》除了介紹有關(guān)固態(tài)電化學(xué)的基礎(chǔ)知識體系應(yīng)用外,還在材料結(jié)構(gòu)分析,材料的電子/離子輸運過程及其材料的模擬計算分析等頗費筆墨,相信對于化學(xué)類研究生補充相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識定有幫助。
固體電極/電解質(zhì)材料是電化學(xué)科學(xué)與工程研究與應(yīng)用的基本構(gòu)成單元,認(rèn)識這些固態(tài)電極/電解質(zhì)材料的合成、物理化學(xué)特性及其所發(fā)生的基礎(chǔ)物理化學(xué)過程是深入開展相關(guān)電化學(xué)基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究的重要前提條件。例如化學(xué)電源(亦稱電池,含原電池、蓄電池及燃料電池等)是電化學(xué)科學(xué)與工程研究的核心內(nèi)容,它主要涉及電化學(xué)的能源儲存與轉(zhuǎn)換過程,不僅可以是一種大規(guī)模能源的提供裝置,同時也是易于攜帶的能源系統(tǒng),因此在人們?nèi)粘I钆c工作中得到大規(guī)模的應(yīng)用。尤其是在移動信息系統(tǒng)、綠色能源交通工具及其可再生能源利用(如太陽能與風(fēng)能的調(diào)峰儲存利用)起到關(guān)鍵性的作用。然而高性能電池的發(fā)展,需要建立在堅實的基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究工作的基礎(chǔ)上。固態(tài)電化學(xué)學(xué)科是一門新興的學(xué)科,它主要是關(guān)注固體中電化學(xué)反應(yīng)過程及其相關(guān)材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系的一門學(xué)科,涉及多個學(xué)科的基礎(chǔ)知識和研究方法,是一門典型的交叉學(xué)科。例如固態(tài)電化學(xué)就涉及材料固態(tài)物理、固態(tài)化學(xué)、材料科學(xué)與表面科學(xué)等多個學(xué)科的基礎(chǔ)理論知識和研究方法,與物理學(xué)中固態(tài)離子學(xué)有著許多類似與相通之處。本書主要介紹固態(tài)電化學(xué)所涉及物理、化學(xué)相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識,實驗研究方法,體系應(yīng)用及其今后發(fā)展趨勢。全書共分為12章,第1章介紹固態(tài)電化學(xué)的發(fā)展歷史及其綜合性的參考文獻。第2章介紹固態(tài)電極/電解質(zhì)材料合成方法(包括相關(guān)的實驗方法和技術(shù))。第3章介紹固體材料分析的基礎(chǔ)知識,如晶體的對稱、結(jié)構(gòu)與X射線分析表征的基本知識。第4章介紹與固態(tài)電化學(xué)密切相關(guān)的缺陷化學(xué)知識,包括點缺陷的基本原理(形成、分類及表示方法)、缺陷濃度的影響因素、缺陷的遷移和離子擴散、缺陷表征方法。第5章介紹固態(tài)電子結(jié)構(gòu)(如能帶結(jié)構(gòu))與電子電導(dǎo)的理論基礎(chǔ)知識。第6章介紹固態(tài)離子輸運過程及其特性,主要介紹有關(guān)固態(tài)擴散的類型、特點及其機制,側(cè)重在概念的描述、分析及其實驗測量方法。第7章介紹與固態(tài)電化學(xué)應(yīng)用密切相關(guān)的幾種無機類陽離子(Li ,Na ,H )與超離子導(dǎo)體材料。第8章介紹聚合物電解質(zhì)的基礎(chǔ)(如材料組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其應(yīng)用)等方面的知識。第9章介紹了離子嵌入脫出反應(yīng)的基本原理和在鋰離子電池方面的應(yīng)用,特別是鋰離子在過渡金屬化合物和碳材料中嵌入脫出的熱力學(xué)和動力學(xué)過程。第1章介紹高溫氧離子導(dǎo)體及其混合導(dǎo)體基礎(chǔ)與應(yīng)用。 第11章介紹鋰離子電池電極材料的物理和電化學(xué)性質(zhì)的計算機模擬知識。第12章主要介紹在固態(tài)電化學(xué)研究中常用的一些電化學(xué)方法與物理表征技術(shù),尤其近年發(fā)展較快的同步輻射吸收譜技術(shù)與核磁共振譜技術(shù)等。全書的分工如下:第1,6章由楊勇負(fù)責(zé)撰寫;第2章由李益孝、陳慧鑫負(fù)責(zé)撰寫;第3章由宓錦校負(fù)責(zé)撰寫;第4章由龔正良、朱昌寶負(fù)責(zé)撰寫;第5,11章由朱梓忠、吳順情負(fù)責(zé)撰寫;第7,1章由龔正良負(fù)責(zé)撰寫;第8章由路密負(fù)責(zé)撰寫;第9章由張忠如負(fù)責(zé)撰寫;第12章由楊勇組織撰寫,李劼、王嗣慧、吳曉彪、冀亞娟、林忞、陳慧鑫、鐘貴明、王大為、劉豪東等參與撰寫。楊勇負(fù)責(zé)全書的規(guī)劃、協(xié)調(diào)及大部分章節(jié)的修改統(tǒng)稿,其中施志聰、程琥、卞鋒菊、鄭時堯、吳玨、鄭碧珠、張建華等參與撰寫、修改或資料整理。本書能夠順利出版,得益于楊裕生院士、李永舫院士與南開大學(xué)陳軍教授對本書的大力推薦,感謝國家科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)著作出版基金的資助,感謝化學(xué)工業(yè)出版社的支持以及相關(guān)工作人員的辛勤付出,筆者對此表示深深地致謝。借此機會,也深深感謝我的研究生導(dǎo)師林祖賡教授以及廈門大學(xué)電化學(xué)研究所的各位前輩老師與同事們對我的長期教導(dǎo)、培養(yǎng)與幫助,感謝許多前輩、朋友們在我教學(xué)科研的不同階段所給予的提攜、關(guān)懷、指點與幫助。感謝我課題組已經(jīng)畢業(yè)的6余名博士后、博士/碩士研究生及目前在學(xué)的2余名研究生對課題組研究工作成果的貢獻與付出,因而使得我能夠在化學(xué)電源及其固態(tài)電化學(xué)學(xué)科開展廣泛的涉獵與探索。感謝家人對我在業(yè)余時間專注于教學(xué)科研工作的支持與理解。本書部分素材取自我在廈門大學(xué)物理化學(xué)專業(yè)開設(shè)的固態(tài)電化學(xué)導(dǎo)論課程內(nèi)容,同時,在過去3余年里所在課題組的研究工作得到國家自然科學(xué)基金委、科技部、總裝備部以及廈門大學(xué)的大力支持和慷慨相助,使得我們能夠?qū)ο嚓P(guān)學(xué)科與科研領(lǐng)域有更為深刻的認(rèn)識與見解,從而希望通過這本書的出版將這些粗淺的見解、積累與文獻總結(jié)與廣大讀者分享。由于固態(tài)電化學(xué)仍處于早期的發(fā)展階段,許多理論模型與實驗方法仍在不斷地發(fā)展與完善階段。盡管我們希望盡力為讀者呈現(xiàn)這一新興學(xué)科的基本概貌及其發(fā)展趨勢,但由于學(xué)識有限,加上高校的教學(xué)科研工作繁忙,常疲憊于不同角色的轉(zhuǎn)換中,書中難免有疏漏與不妥之處,還希望書籍出版后得到相關(guān)專家與讀者的批評指正。楊勇216.1
楊勇,教授/博導(dǎo),主要研究方向為能源電化學(xué),材料物理化學(xué)與表面物理化學(xué)。近年研究工作主要側(cè)重在研究新型鋰離子電池電極材料及其表面性能、納米半導(dǎo)體與納米電極材料、復(fù)合聚合物電解質(zhì)材料及其電極/電解質(zhì)固/固界面性能的研究。目前主持在研承擔(dān)國家973計劃課題及國防973子專題等多項科研項目。
第1章緒論
參考文獻6
第2章固態(tài)電極/電解質(zhì)材料制備方法與技術(shù)
2.1氣相制備法8
2.1.1化學(xué)氣相沉積法8
2.1.2磁控濺射法12
2.1.3原子層沉積法14
2.2液相制備法16
2.2.1溶膠凝膠法16
2.2.2水熱/溶劑熱合成法20
2.2.3共沉淀法23
2.2.4熔鹽生長法25
2.3固相制備法26
2.3.1粉末固相法26
2.3.2燃燒法27
2.3.3機械合金法28
2.4球形顆粒制備方法29
2.4.1絡(luò)合沉淀生長法30
2.4.2噴霧干燥造粒法31
2.5相關(guān)實驗技術(shù)33
2.5.1高溫技術(shù)33
2.5.2氣氛控制34
2.5.3分離與純化技術(shù)35
參考文獻36
第3章固態(tài)材料結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)
3.1晶體的對稱38
3.1.1對稱要素39
3.1.2對稱要素組合定理和點群、空間群42
3.1.3晶體定向和符號46
3.1.4空間格子48
3.2晶體化學(xué)51
3.2.1化學(xué)鍵51
3.2.2緊密堆積原理53
3.2.3鮑林法則54
3.2.4常見結(jié)構(gòu)現(xiàn)象55
3.2.5晶體場理論57
3.3晶體結(jié)構(gòu)60
3.3.1典型晶體結(jié)構(gòu)60
3.3.2常見鋰電池材料相關(guān)晶體結(jié)構(gòu)78
3.4X射線衍射技術(shù)86
3.4.1連續(xù)X射線和特征X射線86
3.4.2X射線衍射波長的選擇92
3.4.3倒易格子和反射球96
3.4.4影響X射線衍射強度的各種因素98
3.5結(jié)構(gòu)表征101
3.5.1X射線物相分析101
3.5.2粉末衍射圖譜的指標(biāo)化102
3.5.3空間群的確定106
3.5.4粉末X射線衍射法晶體結(jié)構(gòu)的測定110
3.5.5CIF數(shù)據(jù)文件113
參考文獻116
第4章缺陷化學(xué)基礎(chǔ)及其應(yīng)用
4.1引言118
4.1.1缺陷形成能118
4.1.2缺陷的分類119
4.2點缺陷的分類和表示方法120
4.2.1本征缺陷120
4.2.2非本征缺陷(雜質(zhì)缺陷)121
4.2.3非化學(xué)計量缺陷122
4.2.4缺陷締合與缺陷簇122
4.3點缺陷的表示方法123
4.3.1克羅格-明克符號123
4.3.2缺陷反應(yīng)式的書寫原則124
4.4固溶體及補償機制125
4.4.1離子補償機制126
4.4.2電子補償機制128
4.5缺陷濃度的影響因素(分壓、摻雜等)130
4.5.1缺陷的形成與平衡130
4.5.2本征缺陷的缺陷反應(yīng)與平衡130
4.5.3摻雜對缺陷濃度的影響131
4.5.4分壓對缺陷濃度的影響132
4.6缺陷表征方法133
4.6.1X射線粉末衍射(XRD)134
4.6.2密度測量135
4.6.3熱分析技術(shù)(DTA/DSC)136
4.6.4電子自旋共振136
4.6.5電子顯微技術(shù)137
4.7電化學(xué)相關(guān)材料中缺陷結(jié)構(gòu)的分析實例138
4.7.1LiFePO4正極材料的缺陷化學(xué)138
4.7.2FePO4的缺陷化學(xué)139
參考文獻140
第5章固態(tài)電子結(jié)構(gòu)和電子電導(dǎo)基礎(chǔ)
5.1能帶的概念141
5.2金屬、半導(dǎo)體、絕緣體、半金屬、half-metal144
5.3材料中原子的相互作用力、雜化軌道145
5.4電子有效質(zhì)量、電子狀態(tài)密度149
5.5費米能級、費米分布函數(shù)151
5.6Jahn-Teller效應(yīng)152
5.7電極材料中電子電導(dǎo)的經(jīng)典理論153
5.8玻爾茲曼方程和金屬電導(dǎo)155
5.9納米材料的特性、非晶體、玻璃碳156
5.10表面電子態(tài)和界面態(tài)158
5.11鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性159
5.12典型鋰離子電池正極材料的電子結(jié)構(gòu)160
5.12.1LiCoO2(R3-m)材料161
5.12.2LiMn2O4(Fd3-m)材料163
5.12.3LiFePO4(Pnma)材料165
5.12.4Li2FeSiO4(空間群P21/n)材料167
5.13典型鋰離子電池正極材料的電導(dǎo)169
參考文獻171
第6章固態(tài)離子輸運過程及其特性
6.1擴散的概念布朗運動與擴散173
6.2描述擴散的理論模型Fick定律174
6.3固體中原子/離子擴散過程的基本分析176
6.4固體中離子擴散的機制178
6.5擴散的類型及特點180
6.6復(fù)雜體系及界面體系的離子擴散特征182
6.7電子電導(dǎo)與離子電導(dǎo)的特性與區(qū)分185
6.8固體中原子/離子擴散的相關(guān)因子186
6.9離子擴散過程的影響因素(溫度及壓力的影響)188
6.10外場作用下離子的擴散過程189
6.11固態(tài)離子擴散特性及其應(yīng)用193
6.12離子擴散系數(shù)的測定與研究方法194
6.12.1示蹤原子法195
6.12.2同位素標(biāo)記二次離子質(zhì)譜法196
6.12.3核磁共振技術(shù)196
6.12.4直流法測定電導(dǎo)率及離子擴散系數(shù)200
6.12.5交流阻抗方法202
6.13固態(tài)材料中離子電化學(xué)擴散系數(shù)的測定204
參考文獻206
第7章無機固體電解質(zhì)材料及其應(yīng)用
7.1無機固體Li 導(dǎo)體208
7.1.1LISICON型固體電解質(zhì)209
7.1.2NASICION型固體電解質(zhì)209
7.1.3鈣鈦礦型固體電解質(zhì)211
7.1.4石榴石型固體電解質(zhì)213
7.1.5硫化物固體電解質(zhì)218
7.1.6其它類型的固體電解質(zhì)221
7.2鈉離子導(dǎo)體材料222
7.2.1-氧化鋁222
7.2.2NASICON材料224
7.2.3應(yīng)用225
7.3無機質(zhì)子導(dǎo)體材料229
7.3.1固體無機酸型質(zhì)子導(dǎo)體230
7.3.2鈣鈦礦型氧化物質(zhì)子導(dǎo)體231
7.3.3其它材料233
7.3.4應(yīng)用235
參考文獻237
第8章聚合物電解質(zhì)
8.1引言244
8.2聚合物電解質(zhì)的分類及其特點244
8.3聚合物電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)及離子輸運機理247
8.3.1PEO基聚合物電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)247
8.3.2聚合物電解質(zhì)中離子的輸運機理249
8.4全固態(tài)聚合物電解質(zhì)252
8.4.1PEO體系252
8.4.2離子橡膠254
8.4.3其它基于E-O氧化乙烯單元的聚合物電解質(zhì)254
8.5膠體電解質(zhì)體系256
8.5.1增塑型聚合物電解質(zhì)256
8.5.2膠體聚合物電解質(zhì)257
8.6聚合物電解質(zhì)的應(yīng)用260
8.6.1在鋰離子電池上的應(yīng)用260
8.6.2在鋰空氣電池上的應(yīng)用260
8.6.3在電致變色器件中的應(yīng)用261
8.6.4在超級電容器中的應(yīng)用262
8.6.5在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用262
參考文獻262
第9章嵌脫反應(yīng)與鋰離子電池
9.1引言266
9.2嵌入脫出反應(yīng)熱力學(xué)267
9.2.1吉布斯相律267
9.2.2鋰離子的嵌入脫出熱力學(xué)267
9.2.3點陣氣體模型269
9.2.4影響嵌入脫出反應(yīng)的因素271
9.3嵌入脫出反應(yīng)動力學(xué)275
9.3.1離子在材料中的遷移表征276
9.3.2材料中的離子自擴散277
9.3.3離子濃度對擴散的影響277
9.3.4化學(xué)擴散系數(shù)的電化學(xué)測定方法280
9.4實用電極材料的嵌脫過程284
9.4.1石墨類電極材料284
9.4.2LiCoO2電極材料287
9.4.3三元電極材料290
9.4.4LiMn2O4電極材料294
9.4.5LiFePO4電極材料296
9.4.6Li4Ti5O12電極材料299
參考文獻302
第10章氧離子導(dǎo)體及其應(yīng)用
10.1引言308
10.2氧離子導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及傳輸特性308
10.2.1螢石結(jié)構(gòu)材料309
10.2.2氧缺陷鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物314
10.2.3鉬酸鑭(La2Mo2O9)基氧化物320
10.2.4磷灰石結(jié)構(gòu)固體電解質(zhì)321
10.3氧離子導(dǎo)體的應(yīng)用322
10.3.1固體氧化物燃料電池322
10.3.2致密陶瓷透氧膜反應(yīng)器329
10.3.3氧傳感器333
參考文獻336
第11章鋰離子電池電極材料的理論模擬
11.1材料模擬計算的理論基礎(chǔ)343
11.2密度泛函理論344
11.2.1Kohn-Sham方程344
11.2.2局域密度近似和廣義梯度近似345
11.2.3Kohn-Sham方程的解法346
11.2.4總能量349
11.3經(jīng)典分子動力學(xué)和Car-Parrinello方法349
11.4鋰離子電池電極材料電壓平臺的計算351
11.5鋰離子脫嵌過程中的相穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)演化353
11.6材料相變的理論描述355
11.7電極材料的穩(wěn)定性分析357
11.8電極材料中的離子遷移360
11.9電極材料的結(jié)構(gòu)預(yù)測方法362
11.9.1結(jié)構(gòu)單元網(wǎng)絡(luò)搜索方法362
11.9.2用于晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測的自適應(yīng)的遺傳算法363
11.9.3基于材料中結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)預(yù)測方法366
參考文獻366
第12章固態(tài)電極/電解質(zhì)材料的表征技術(shù)
12.1電化學(xué)表征技術(shù)368
12.1.1循環(huán)伏安(CV)法368
12.1.2交流阻抗(AC)法370
12.1.3恒電流間歇滴定(GITT)法374
12.2光子衍射技術(shù)378
12.2.1X射線衍射技術(shù)378
12.2.2中子衍射技術(shù)383
12.3高分辨掃描電鏡及透射電鏡技術(shù)386
12.3.1高分辨掃描電鏡386
12.3.2高分辨率透射電鏡技術(shù)387
12.4熱分析396
12.4.1熱分析方法介紹396
12.4.2熱分析實驗條件選擇397
12.4.3熱分析方法在鋰離子電池體系中的應(yīng)用398
12.5微分電化學(xué)質(zhì)譜401
12.5.1DEMS介紹401
12.5.2DEMS應(yīng)用402
12.6固體核磁共振波譜技術(shù)406
12.6.1固體核磁共振介紹406
12.6.2固體核磁共振在鋰離子電池材料微觀結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用408
12.6.3動力學(xué)研究412
12.6.4核磁共振成像(NMRI)技術(shù)416
12.7掃描微探針技術(shù)416
12.7.1掃描隧道顯微鏡(STM)416
12.7.2原子力顯微鏡(AFM)424
12.8原位紅外和拉曼光譜技術(shù)429
12.8.1電化學(xué)原位紅外光譜簡介429
12.8.2電化學(xué)原位拉曼光譜簡介430
12.8.3原位紅外和拉曼光譜技術(shù)在鋰離子電池中的應(yīng)用431
參考文獻435
索引443 |