化学电源技术

本书对锂离子电池、铅酸蓄电池、二甲醚燃料电池、级电容器、锂空气电池、铝空气电池等的工作原理、技术、应用前景做了较为详尽的论述。
本书力求做到阐述清楚、实用性强，内容系统全面并具有前沿性和新颖性，兼具综述和工具书两种功能。 

本书针对化学电源的共性，从铅酸蓄电池、锂离子电池、二甲醚燃料电池、级电容器、锂空气电池、铝空气电池等内容出发，介绍了各种化学电源的工作原理、分类、特点、分析手段以及关键材料的研究进展。对化学电源的理论、技术和测试做了较为详尽的论述。
本书不仅可以作为高等学校和科研单位教师、研究人员和学生的参考用书，也能为相关企业的电池研究和评估提供一定的参考和指导。

第1章铅酸蓄电池001

1.1铅酸蓄电池概述001

1.2铅酸蓄电池工作原理及其组成003

1.2.1铅酸蓄电池组成及成流反应003

1.2.2铅酸蓄电池正极004

1.2.3铅酸蓄电池负极004

1.2.4铅酸蓄电池电解液和隔膜004

1.3铅碳（Pb-C）超级电池005

1.3.1Pb-C电池负极006

1.3.2Pb-C电池发展与展望010

1.4双极性铅酸蓄电池011

1.4.1双极性铅酸蓄电池概述011

1.4.2双极性铅酸蓄电池工作原理014

1.4.3双极性铅酸蓄电池研究现状015

1.5铅酸蓄电池其他方面研究023

1.5.1其他活性物质添加剂研究023

1.5.2电极结构对铅酸蓄电池性能的影响026

1.6铅酸蓄电池的商业生产过程027

参考文献029

第2章锂离子电池036

2.1锂离子电池概论036

2.1.1锂离子电池发展史036

2.1.2锂离子电池工作原理037

2.1.3锂离子电池组成结构038

2.1.4锂离子电池特点及应用039

2.2正极材料039

2.2.1正极材料基本要求039

2.2.2正极材料分类040

2.2.3正极材料研究新方向043

2.2.4正极材料制备方法044

2.3负极材料045

2.3.1负极材料基本要求045

2.3.2负极材料分类046

2.4隔膜049

2.4.1隔膜基本要求049

2.4.2隔膜分类049

2.4.3隔膜制造技术051

2.5电解液053

2.5.1电解液基本要求053

2.5.2电解液组成053

2.5.3高电压电解液的研究055

2.6电池工艺058

2.6.1锂离子电池型号分类058

2.6.2生产工艺流程058

2.6.3电池安全措施059

参考文献059

第3章二甲醚燃料电池064

3.1引言064

3.2直接二甲醚燃料电池概述065

3.2.1二甲醚物理化学性质065

3.2.2二甲醚在燃料电池中的应用066

3.2.3直接二甲醚燃料电池工作原理066

3.2.4直接二甲醚燃料电池热力学基础067

3.2.5直接二甲醚燃料电池优势与不足067

3.2.6直接二甲醚燃料电池应用前景068

3.3直接二甲醚燃料电池研究069

3.3.1二甲醚电氧化机理研究069

3.3.2二甲醚电催化剂研究071

3.3.3直接二甲醚燃料电池性能研究072

3.4膜电极组成074

3.4.1电催化剂075

3.4.2质子交换膜076

3.4.3催化层077

3.4.4扩散层077

3.5电池组研究078

参考文献080

第4章超级电容器092

4.1引言092

4.2超级电容器工作原理及分类093

4.2.1双电层电容器093

4.2.2法拉第准电容器094

4.2.3不对称超级电容器095

4.3超级电容器电极096

4.3.1碳基电极097

4.3.2金属氧化物103

4.3.3导电聚合物106

4.3.4不对称电容器电极107

4.4电极材料发展趋势112

参考文献112

第5章锂空气电池118

5.1研究背景118

5.2锂空气电池工作原理119

5.3锂空气电池研究现状120

5.3.1锂空气电池阴极120

5.3.2锂空气电池阴极催化剂125

5.3.3锂空气电池电解质129

5.3.4锂空气电池阳极130

参考文献131

第6章铝空气电池136

6.1引言136

6.2铝空气电池工作原理137

6.3铝空气电池的研究138

6.3.1铝空气电池发展史138

6.3.2阳极研究138

6.3.3电解液研究143

6.3.4阴极研究146

参考文献147

化学电源是一种能将化学能直接转变成电能的装置，它通过化学反应，消耗某种化学物质，输出电能。它在国民经济、科学技术、军事和日常生活方面均获得广泛应用，是人类赖以生存和社会发展的重要物质基础，是国民经济发展的命脉。近年来，由于化石燃料资源短缺和环境污染日趋严重，各国对新型化学电源的研究越来越重视。
在各种化学电源中，燃料电池具有能量转换效率高、污染小、燃料多样化、噪声低、可靠性高及便于维护等优点，是公认的高效、清洁的发电技术。锂离子电池是一种传统的二次电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充、放电过程中，锂离子在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，锂离子从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。而铅酸蓄电池是可以反复使用、放电后可以充电使活性物质复原、以便重新放电的二次电池。其广泛用于汽车、发电站、火箭等领域。级电容器是一种新型能量储存装置，与传统二次电池相比，它具有使用寿命长、充电时间短、功率密度大、工作温度范围宽等优势，是一种能源节约型和环境友好型电子器件。
目前现有电源技术中，用金属作阳极、空气作阴极的金属空气电池发展迅速，其中铝空气电池以高纯度铝为负极、氧为正极，以氢氧化钾或氢氧化钠水溶液为电解液。铝摄取空气中的氧，在电池放电时产生化学反应，铝和氧作用转化为氧化铝。有别于常规的金属空气电池体系，锂空气电池是一种全新的金属空气电池，相对于使用水系和类水系电解液的传统空气电池而言，使用有机系电解液或全固态电解质可以获得更高的额定电压（理论值是2.9~3.1 V），同时锂空气电池的能量密度也远高于其他金属空气电池，氧气在多孔空气电极表面还原成O2-或O2-2，接着与电解液中的Li 结合生成产物Li2O或Li2O2。由于两者均不溶解在非水电解液中，因此放电产物只能在有氧负离子或过氧负离子的空气电极上沉积，在阳极过量的情况下，放电的终止是由于放电产物堵塞空气电极孔道所致。按照工作原理的化学反应计算，电池开路电压为2.9 V，理论能量密度为5200W·h·kg-1，高出现有电池体系1~2个数量级，在军用和民用的高能量密度领域中具有重要的应用前景。
化学电源的研究方兴未艾，各种新型化学电源技术也如雨后春笋般不断出现，关于化学电源的研究也得到了国内外研究者的重视并取得了长足的发展，希望本书的一家之言可以起到抛砖引玉之效，为化学电源技术的发展尽绵薄之力。
本书共分6章，第1章由郎笑石撰写，第2章由王广进撰写，第3章至第6章由蔡克迪撰写，全书由蔡克迪负责统稿和定稿。
由于作者水平和经验有限，书中难免有不妥之处，诚请读者批评指正。

编者
2016年3月