新能源材料与器件概论（张林森 ）

高等学校教材《新能源材料与器件概论》系统阐述了新能源材料的分类、组成、结构、性质与合成工艺，以及相应新能源器件的工作原理和性能，包括新能源科学基础、电化学储能基础、锂离子电池、电化学电容器、新型化学电源、氢能转换材料与器件、固态电池和其他新能源技术，并对新能源材料制备及测试技术进行了详尽的阐述。书中给出了详尽的和代表性的实际案例，以期更好地解决实际应用问题。本书可作为新能源、氢能、材料、化学等学科本科教材及研究生教材，同时可供新能源、氢能、电动汽车、规模储能等领域从事研究、制造与应用工作的科学技术人员参考和阅读。

张林森，郑州轻工业大学教授，主要从事锂离子电池、锂硫电池、燃料电池、金属空气电池等化学电源新能源材料及电镀与化学镀表面处理等方面的研究。近年来参加国家项目2项，主持省部级项目3项、厅级项目2项。获得河南省科技进步奖、轻工联合会科技发明奖、轻工联合会科技进步奖、省教育厅科技成果奖等奖项。在国内外重要学术期刊公开发研究论文50余篇，其中三大收录30余篇，省部级鉴定成果7项，授权发明专利6项，著作3部。

第1章 绪论 　 1
1.1 能源  1
1.2 能量存储与转换技术  5
1.3 新能源材料  7

第2章 电化学储能基础 　 9
2.1 电化学储能概述  10
2.1.1 电化学简介  10
2.1.2 电化学储能的发展史  10
2.2 电化学储能原理  11
2.2.1 电极电位的建立  12
2.2.2 法拉第过程与非法拉第过程  15
2.2.3 电化学储能的分类  17
2.3 电化学储能的应用  17

第3章　锂离子电池 　 19
3.1 锂离子电池基础  19
3.1.1 锂离子电池的发展历程  19
3.1.2 锂离子电池的工作原理  22
3.1.3 锂离子电池的结构及分类  23
3.1.4 锂离子电池原材料及制造  25
3.2 锂离子电池正极材料  27
3.2.1 正极材料简介  27
3.2.2 钴酸锂  30
3.2.3 LiMn2O4 正极材料  34
3.2.4 LiFePO4 正极材料  35
3.2.5 三元正极材料  37
3.3 锂离子电池负极材料  41
3.3.1 负极材料简介  41
3.3.2 石墨材料  43
3.3.3 无定形碳  46
3.3.4 钛氧化物材料  48
3.3.5 硅基负极材料  49
3.4 锂离子电池电解液  51
3.4.1 有机电解液的性能要求  52
3.4.2 锂盐  53
3.4.3 有机溶剂  55
3.4.4 电解液的反应  57
3.4.5 电解液添加剂  59
3.5 其他材料  62
3.5.1 隔膜  62
3.5.2 导电剂  66
3.5.3 黏结剂  70
3.5.4 壳体、集流体和极耳  70

第4章 电化学电容器 　 72
4.1 概述  72
4.1.1 电化学电容器的发展史  72
4.1.2 电化学电容器的分类  73
4.1.3 电化学电容器的特点及应用  75
4.2 电化学双电层电容器  77
4.2.1 电化学双电层理论  77
4.2.2 碳材料双电层储能电化学  79
4.2.3 双电层电容器用碳材料  82
4.2.4 双电层电容器用电解液  86
4.2.5 其他关键材料  90
4.2.6 双电层电容器制备工艺  93
4.3 法拉第赝电容器  96
4.3.1 赝电容反应原理  96
4.3.2 赝电容材料  98
4.3.3 碳基赝电容复合材料  100
4.4 电化学电容器新体系  101
4.4.1 电化学电容器研发趋势  101
4.4.2 石墨烯电容器  101
4.4.3 锂离子电容器  110

第5章 新型化学电源 　 113
5.1 高能金属锂二次电池  113
5.1.1 锂硫电池  113
5.1.2 锂二氧化碳电池  116
5.1.3 金属锂负极的保护  118
5.2 非锂金属离子电池  122
5.2.1 钠离子电池  122
5.2.2 镁离子电池  124
5.2.3 锌离子电池  126
5.2.4 铝离子电池  128
5.3 金属空气电池  130
5.3.1 锌空气电池  130
5.3.2 铝空气电池  135
5.3.3 锂空气电池  141

第6章 氢能转换材料与器件 　 144
6.1 氢能  144
6.1.1 概述  144
6.1.2 氢的基本性质  146
6.1.3 氢的能源特征  148
6.1.4 氢能的应用  149
6.2 氢的制备及纯化  153
6.2.1 电解水制氢  153
6.2.2 光解水制氢  161
6.2.3 光电催化分解水制氢  162
6.2.4 化石能源制氢  163
6.2.5 生物质制氢  164
6.2.6 氢的分离和纯化  164
6.3 氢的存储与输运  165
6.3.1 氢的安全性  165
6.3.2 氢的存储  168
6.3.3 氢的输运  170
6.4 燃料电池  171
6.4.1 燃料电池基础  171
6.4.2 质子交换膜燃料电池  178
6.4.3 直接醇类燃料电池  204
6.4.4 高温质子交换膜燃料电池  208
6.4.5 固体氧化物燃料电池  210
6.4.6 碱性燃料电池  216
6.4.7 磷酸型燃料电池  218
6.4.8 熔融碳酸盐燃料电池  219

第7章　固态电池 　 221
7.1 固态电池简介  221
7.2 固态聚合物电解质  222
7.2.1 简述  222
7.2.2 常见凝胶聚合物电解质  225
7.2.3 聚合物电解质的应用  226
7.3 无机固态电解质  230
7.3.1 无机固态电解质的分类  231
7.3.2 固态电解质的制备方法  233
7.3.3 无机固态电解质的界面问题  238
7.4 固态电池的发展前景  239

第8章 其他新能源技术 　 241
8.1 太阳能  241
8.1.1 太阳能概述  241
8.1.2 太阳能的利用  243
8.1.3 太阳能电池  249
8.1.4 晶体硅太阳能电池材料  253
8.2 生物质能  260
8.2.1 生物质概述  260
8.2.2 我国生物质总量  262
8.2.3 生物质利用技术  263
8.3 核能  265
8.3.1 核能的来源  265
8.3.2 核能的优势及用途  266
8.3.3 核废物处理与安全  267
8.4 风能  268
8.4.1 风能的发展历程  268
8.4.2 风能的利用形式  269
8.5 可燃冰  271
8.5.1 可燃冰的性质  271
8.5.2 可燃冰的开采技术  271
8.5.3 我国可燃冰的现状与发展  273

第9章 新能源材料制备及测试技术 　 275
9.1 材料制备技术概述  275
9.1.1 沉淀法  276
9.1.2 电化学沉积法  283
9.1.3 水热/溶剂热法  285
9.1.4 溶胶-凝胶法  288
9.1.5 微乳液法  291
9.1.6 固相法  294
9.1.7 化学气相沉积法  296
9.2 钴酸锂的生产工艺  296
9.2.1 主要原料  297
9.2.2 计量配料与混合工序  297
9.2.3 烧结工序  298
9.2.4 后续工序  301
9.2.5 钴酸锂的产品标准  303
9.3 磷酸铁锂的生产工艺  304
9.3.1 磷酸铁前驱体的生产  305
9.3.2 磷酸铁锂的生产  308
9.4 新能源材料表征与性能测试  315
9.4.1 形貌表征  315
9.4.2 结构表征  322
9.4.3 电化学性能测试  328
9.4.4 其他性能测试  335

参考文献  341

目前，人类社会高度依赖煤炭、石油和天然气等化石能源，由此也导致化石能源短缺与巨大的能源需求的矛盾。基于化石能源短缺及其环境影响，人类能源正在进入一个新的阶段，即“新能源与可持续发展”正在发生与演变。相对于传统能源而言，新能源具有污染小、储量大和可再生的特点，对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源枯竭问题具有重要意义。
发展新能源，实现能源转型，降低化石能源消耗，提高能源利用率，节能减排，构建绿色低碳的能源体系，是降低二氧化碳排放、实现碳中和的重要举措。然而，新能源一般是间歇式可再生能源，间断式供应，波动性大，对持续供能不利。显然，要发展太阳能和风能等间歇式新能源发电时，就必须要大力发展储能技术。到目前为止，人们已经探索和开发了多种形式的电能储能方式，如机械储能、电化学储能、电磁储能和热储能等。这些储能技术在能量密度和功率密度方面均有不同的表现，其中电化学储能能量和功率配置灵活、受环境影响小，易实现大规模利用，同时可制备各种小型、便携器件，可作为能源驱动多种电力电子设备。近年来，以锂离子电池、电化学电容器、燃料电池为代表的新型电化学储能产业发展迅猛，在便携式电子设备、电动汽车、航空航天和军事国防等领域得到广泛运用，是未来人类社会向电动化、智能化、新能源化方向发展的先导技术。因此，电化学储能技术吸引了世界各国的广泛关注，相关的科学研究和技术的发展日新月异。
氢能以其零污染、高效能等优势受到全球瞩目，产业发展已经走向“风口期”。在储能领域，氢能产业链以可再生能源发电为起点，可以实现氢能从生产端到消费端的全生命周期零排放。全球太阳能、风能发电已进入规模应用阶段，但受限于其间歇性、波动性与随机性，在电网接入和大规模消纳方面存在一定瓶颈。利用风电和光伏发电制取“绿氢”，不仅可以有效利用弃风、弃光，而且还可以降低制氢成本；既提高了电网灵活性，又促进了可再生能源消纳。随着氢能技术及产业链的发展和完善，氢储能系统的加入可以提高可再生能源发电的安全性和稳定性。此外，氢能亦可作为能源互联网的枢纽，将可再生能源与电网、气网、热网、交通网连为一体，加速能源转型进程。氢能的应用正从化工原料向交通、建筑及储能领域快速渗透，未来还将在氢冶金、绿氢化工、氢储能、混合能源系统、智慧能源系统中得到全面应用。
为适应我国新能源领域的发展，增列“新能源材料与器件”专业为高等教育战略新兴专业，旨在为我国新能源、新能源汽车、节能环保等产业培养具有创新意识的专业技术人才。本书的编写基于近年来的教学实践，考虑了学科发展的现状，并结合近年来新能源领域国内外研究进展和相关产业的发展需求，对授课内容进行了全面梳理和总结。全书共9章，包括绪论、电化学储能基础、锂离子电池、电化学电容器、新型化学电源、氢能转换材料与器件、固态电池、其他新能源技术、新能源材料的制备与测试技术。
参加本书编写工作的有郑州轻工业大学张林森(第1、5、9章)、方华(第2、3、4章)、王利霞(第6.4小节)、曹阳(第7章，第6.1、6.2、6.3、8.2、8.3、8.4和8.5小节)和张永霞(第8.1小节)。全书由张林森主编和统稿。
由于新能源材料与器件涉及学科层面较广，各种新能源技术的发展日新月异，知识更新较快，同时限于作者的知识、能力水平，书中难免存在不妥之处，敬请读者批评指正。

编者
于郑州