高比能固態(tài)鋰電池

高比能固態(tài)鋰電池具有高比能、高安全、長使役壽命等特性，解決了傳統(tǒng)液態(tài)鋰電池的續(xù)航短、易燃、易爆等問題，是下一代理想的高性能儲(chǔ)能電池體系。本書重點(diǎn)對(duì)高比能固態(tài)鋰電池中的關(guān)鍵科學(xué)問題和核心技術(shù)難題等進(jìn)行了全面而深入的剖析，涵蓋了高比能固態(tài)鋰電池的電解質(zhì)材料、正負(fù)極材料、黏結(jié)劑、工藝和配套設(shè)備、界面問題、安全性能評(píng)估等內(nèi)容，兼顧實(shí)際工程技術(shù)和制造裝備等問題，努力為我國高比能固態(tài)鋰電池產(chǎn)學(xué)研從業(yè)者提供一本非常實(shí)用的工具書。
本書適合從事高比能固態(tài)鋰電池研發(fā)的相關(guān)人員進(jìn)行參考，也適合作為高等院校、科研機(jī)構(gòu)等相關(guān)專業(yè)師生的教學(xué)參考書。

本書面向國家重大戰(zhàn)略需求，瞄準(zhǔn)固態(tài)鋰電池共性關(guān)鍵科學(xué)問題，攻關(guān)關(guān)鍵材料制備、器件開發(fā)和系統(tǒng)集成技術(shù)，旨在解決傳統(tǒng)鋰電池痛點(diǎn)問題，促進(jìn)固態(tài)鋰電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。重點(diǎn)對(duì)關(guān)鍵的固態(tài)電解質(zhì)材料、黏結(jié)劑材料、正負(fù)極材料、界面與失效問題、安全評(píng)估等進(jìn)行深入闡述，兼顧實(shí)際工程技術(shù)和制造裝備中的核心技術(shù)難題，攻克了全海深高比能深海電源技術(shù)瓶頸，填補(bǔ)了全海深高能量密度深海電源系統(tǒng)技術(shù)空白，為國產(chǎn)深海裝備提供可靠能源保障；提出原位固態(tài)化界面融合技術(shù)，突破了固態(tài)鋰電池固/固界面壁壘，打通了固態(tài)鋰電池從實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究到工程化應(yīng)用的屏障。

隨著人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，人類生存面臨巨大挑戰(zhàn)。在國家提出“雙碳”戰(zhàn)略的宏觀背景下，新能源作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)正迅猛崛起。以鋰電池為代表的清潔二次電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，成為支撐新能源產(chǎn)業(yè)的新質(zhì)生產(chǎn)力并受到重點(diǎn)關(guān)注。其中，固態(tài)鋰電池因其高安全性、高能量密度和長循環(huán)壽命等優(yōu)勢，正凸顯其與日俱增的重要性和強(qiáng)大的生命力。
固態(tài)鋰電池采用固態(tài)電解質(zhì)替代傳統(tǒng)液態(tài)電解液，不僅有望解決傳統(tǒng)鋰電池在安全性和能量密度等方面的瓶頸，還可為新能源應(yīng)用領(lǐng)域帶來更廣泛、更可靠的解決方案。因此，固態(tài)鋰電池在電動(dòng)汽車、航空航天、可穿戴設(shè)備及智能物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域都具有極大發(fā)展?jié)摿Α橥苿?dòng)固態(tài)鋰電池的快速發(fā)展，首先需要對(duì)其關(guān)鍵材料、應(yīng)用技術(shù)及存在的問題進(jìn)行深入探討，加強(qiáng)知識(shí)積累，從而更好地理解其工程技術(shù)下掩藏的科學(xué)問題，進(jìn)一步推動(dòng)技術(shù)發(fā)展，為電池技術(shù)的創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
回溯歷史，我們不難看出鋰電池之所以能在二十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)從發(fā)明到應(yīng)用，很大程度上受益于近現(xiàn)代物理、化學(xué)、電子及材料等多學(xué)科的交叉融合。本書不僅旨在推動(dòng)固態(tài)鋰電池技術(shù)，更深層的目的在于啟迪讀者、學(xué)者思考和暢想未來電能存儲(chǔ)的極限。我國學(xué)者受中國傳統(tǒng)哲學(xué)思維的影響，深知萬物衍化中的奇異關(guān)聯(lián)，一定可以迸發(fā)出中國特色的科技思路，為下一代電池技術(shù)提供里程碑式的突破。
本書圍繞固態(tài)鋰電池關(guān)鍵材料、相應(yīng)制備技術(shù)及未來發(fā)展趨勢進(jìn)行分章闡述：第1章為固態(tài)鋰電池概述；第2章為固態(tài)電解質(zhì)材料；第3章為固態(tài)鋰電池正極材料；第4章為固態(tài)鋰電池負(fù)極材料；第5章為固態(tài)鋰電池用黏結(jié)劑；第6章為固態(tài)鋰電池電芯制備相關(guān)工藝和配套設(shè)備；第7章為固態(tài)鋰電池界面問題；第8章為固態(tài)鋰電池理論模擬與機(jī)器學(xué)習(xí)；第9章為固態(tài)鋰電池器件安全性能評(píng)估；第10章為固態(tài)鋰電池應(yīng)用現(xiàn)狀及未來發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)與對(duì)策。
本書內(nèi)容主要源自作者及研究團(tuán)隊(duì)多年來的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)積累，考慮到固態(tài)鋰電池技術(shù)的迅猛發(fā)展，新材料、新體系、新技術(shù)、新機(jī)理等不斷涌現(xiàn)，本書同時(shí)總結(jié)了固態(tài)鋰電池關(guān)鍵材料及相關(guān)制備技術(shù)的最新科研和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)成果，匯聚了國內(nèi)外許多相關(guān)研究者的心血。
在本書撰寫過程中，得到了陳立泉院士、孫世剛院士和江雷院士的鼓勵(lì)和大力支持，衷心感謝他們欣然為本書作序。其中，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所及青島儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院的研發(fā)人員張建軍、韓鵬獻(xiàn)、崔子立、鞠江偉、徐紅霞、胡乃方、劉濤、張煥瑞、郝建港、許高潔、胡磊、馬君、杜曉璠、張舒、周倩、黃浪、吳天元、趙井文等參與了資料收集、整理以及相應(yīng)章節(jié)的撰寫和修改工作，在此對(duì)他們的努力付出表示衷心的感謝！
固態(tài)鋰電池的研究和應(yīng)用涉及有機(jī)化學(xué)、電化學(xué)、材料、物理等學(xué)科的概念和理論，是基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究的高度集成，限于作者的時(shí)間和精力，疏漏與不足之處在所難免，敬請(qǐng)同行與讀者不吝賜教。

崔光磊
2024年07月

第1章　固態(tài)鋰電池概述   001
1.1 發(fā)展固態(tài)鋰電池的重要性與迫切性   002
1.2 固態(tài)鋰電池工作原理與優(yōu)勢   003
1.3 固態(tài)鋰電池分類   004
1.4 固態(tài)鋰電池國內(nèi)外政策   004
1.4.1　固態(tài)鋰電池國內(nèi)政策   004
1.4.2　固態(tài)鋰電池國外政策   005
1.5 固態(tài)鋰電池發(fā)展路線   005
1.5.1　國內(nèi)固態(tài)鋰電池發(fā)展路線   005
1.5.2　國外固態(tài)鋰電池發(fā)展路線   006
1.6 固態(tài)鋰電池和固態(tài)電解質(zhì)的未來發(fā)展方向   008
參考文獻(xiàn)   009

第2章　固態(tài)電解質(zhì)材料   010
2.1 聚合物固態(tài)電解質(zhì)關(guān)鍵材料   011
2.1.1　聚合物固態(tài)電解質(zhì)基體材料   011
2.1.2　聚合物固態(tài)電解質(zhì)制備工藝   017
2.1.3　鋰鹽   018
2.2 無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)關(guān)鍵材料   023
2.2.1　石榴石型電解質(zhì)    025
2.2.2　NASICON型電解質(zhì)   025
2.2.3　硫化物電解質(zhì)   026
2.2.4　鹵化物電解質(zhì)   027
2.3 有機(jī)/無機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)   032
2.3.1　有機(jī)/無機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)類型   032
2.3.2　有機(jī)/無機(jī)復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)制備技術(shù)   037
2.4 硫化物電解質(zhì)/固態(tài)電池專利分析   038
2.4.1　全球?qū)＠暾?qǐng)趨勢   038
2.4.2　全球?qū)＠夹g(shù)分布狀況   040
2.4.3　全球競爭區(qū)域與競爭主體   041
2.5 聚合物固態(tài)電解質(zhì)專利態(tài)勢分析   043
2.5.1　聚合物固態(tài)電解質(zhì)專利申請(qǐng)態(tài)勢   043
2.5.2　聚合物固態(tài)電解質(zhì)專利技術(shù)分布   044
2.5.3　聚合物固態(tài)電解質(zhì)專利地域分布   045
2.5.4　聚合物固態(tài)電解質(zhì)專利重點(diǎn)技術(shù)   047
2.6 本章結(jié)語   050
參考文獻(xiàn)   051

第3章　固態(tài)鋰電池正極材料   058
3.1 固態(tài)鋰電池正極材料   059
3.1.1　正交橄欖石結(jié)構(gòu)正極材料   064
3.1.2　層狀結(jié)構(gòu)正極材料   064
3.1.3　立方尖晶石結(jié)構(gòu)正極材料   071
3.1.4　其它類型正極材料   073
3.2 固態(tài)鋰電池正極材料修飾改性技術(shù)   075
3.2.1　正極材料修飾改性技術(shù)概述   075
3.2.2　正交橄欖石結(jié)構(gòu)正極材料修飾改性技術(shù)   078
3.2.3　層狀結(jié)構(gòu)正極材料修飾改性技術(shù)   079
3.2.4　立方尖晶石結(jié)構(gòu)正極材料修飾改性技術(shù)   082
3.2.5　其它正極材料修飾改性技術(shù)   085
3.3 本章結(jié)語   087
參考文獻(xiàn)   087

第4章　固態(tài)鋰電池負(fù)極材料   093
4.1 鋰金屬負(fù)極材料   096
4.1.1　鋰金屬負(fù)極特點(diǎn)及發(fā)展歷程   096
4.1.2　鋰金屬的改性策略   102
4.2 嵌入型負(fù)極材料   106
4.2.1　石墨負(fù)極   106
4.2.2　鈦酸鋰負(fù)極   108
4.3 合金型負(fù)極材料   110
4.3.1　合金型負(fù)極材料特點(diǎn)及發(fā)展歷程   110
4.3.2　合金型負(fù)極在固態(tài)電池負(fù)極領(lǐng)域的應(yīng)用   112
4.4 本章結(jié)語   125
參考文獻(xiàn)   126

第5章　固態(tài)鋰電池用黏結(jié)劑   131
5.1 正極黏結(jié)劑   135
5.1.1　非原位制備工藝構(gòu)建的固態(tài)鋰電池正極黏結(jié)劑   135
5.1.2　原位固態(tài)化策略增強(qiáng)的聚合物鋰電池正極黏結(jié)劑   138
5.2 負(fù)極黏結(jié)劑   142
5.2.1　非原位制備工藝構(gòu)建的固態(tài)鋰電池硅負(fù)極黏結(jié)劑   143
5.2.2　原位固態(tài)化策略增強(qiáng)的聚合物鋰電池硅負(fù)極黏結(jié)劑   145
5.3 無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)膜黏結(jié)劑   153
5.3.1　氧化物固態(tài)電解質(zhì)膜黏結(jié)劑   154
5.3.2　硫化物固態(tài)電解質(zhì)膜黏結(jié)劑   154
5.3.3　鹵化物固態(tài)電解質(zhì)膜黏結(jié)劑   155
5.4 鋰電池電極黏結(jié)劑專利分析   156
5.4.1　鋰電池電極黏結(jié)劑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀   156
5.4.2　固態(tài)鋰電池電極黏結(jié)劑專利態(tài)勢分析   158
5.5 本章結(jié)語   163
參考文獻(xiàn)   164

第6章　固態(tài)鋰電池電芯制備相關(guān)工藝和配套設(shè)備   168
6.1 干法成型技術(shù)   172
6.1.1　基于聚四氟乙烯（PTFE）成纖化的干法成型技術(shù)   172
6.1.2　基于擠出或熱壓的干法成型技術(shù)   174
6.1.3　干法噴涂成型技術(shù)   178
6.2 固態(tài)鋰電池制備工藝   182
6.2.1　電極極片制造工藝   184
6.2.2　固態(tài)電解質(zhì)膜制造工藝   186
6.2.3　固態(tài)鋰電池組裝工藝   187
6.3 固態(tài)鋰電池制備所用配套設(shè)備   192
6.3.1　勻漿系統(tǒng)-雙螺桿擠出機(jī)   193
6.3.2　成膜系統(tǒng)-熱壓成膜復(fù)合設(shè)備   195
6.3.3　原位聚合-壓力化成設(shè)備   196
6.3.4　預(yù)鋰化-補(bǔ)鋰設(shè)備   198
6.4 固態(tài)雙極電池   201
6.4.1　雙極電池集流體   202
6.4.2　薄且強(qiáng)韌的固態(tài)電解質(zhì)   203
6.5 壓力對(duì)循環(huán)穩(wěn)定性的影響   207
6.5.1　壓力對(duì)硫化物固態(tài)電解質(zhì)的影響   209
6.5.2　壓力對(duì)氧化物固態(tài)電解質(zhì)的影響   210
6.5.3　壓力對(duì)聚合物固態(tài)電解質(zhì)的影響   211
6.5.4　壓力對(duì)負(fù)極材料的影響   212
6.5.5　壓力對(duì)正極材料的影響   213
6.6 本章結(jié)語   214
參考文獻(xiàn)   215

第7章　固態(tài)鋰電池界面問題   220
7.1 固態(tài)鋰電池界面研究概述   221
7.2 固態(tài)鋰電池界面類型   222
7.3 固態(tài)鋰電池的界面問題和界面優(yōu)化策略   223
7.3.1　正極材料的晶界和相界   223
7.3.2　固態(tài)電解質(zhì)的晶界和相界   226
7.3.3　固態(tài)電解質(zhì)/正極界面   228
7.3.4　固態(tài)電解質(zhì)/負(fù)極界面   239
7.3.5　正極和負(fù)極界面串?dāng)_的失效機(jī)制   244
7.4 多尺度多物理場的界面表征技術(shù)   248
7.4.1　原位顯微技術(shù)   249
7.4.2　原位X射線和中子技術(shù)   251
7.4.3　原位波譜技術(shù)   259
7.4.4　原位壓力監(jiān)測技術(shù)   261
7.4.5　其它新型原位表征技術(shù)   262
7.5 本章結(jié)語   262
參考文獻(xiàn)   263

第8章　固態(tài)鋰電池理論模擬與機(jī)器學(xué)習(xí)   271
8.1 電極材料理論計(jì)算   272
8.1.1　電極材料概述   272
8.1.2　電極材料計(jì)算方法   273
8.1.3　正極材料理論計(jì)算   276
8.2 固態(tài)電解質(zhì)理論計(jì)算與模擬   280
8.2.1　離子傳輸機(jī)制理論模擬   281
8.2.2　相穩(wěn)定性理論模擬   286
8.2.3　電化學(xué)穩(wěn)定性理論模擬   287
8.2.4　力學(xué)性能理論模擬   291
8.2.5　利用理論計(jì)算設(shè)計(jì)新型固態(tài)電解質(zhì)   292
8.2.6　高通量計(jì)算篩選新型固態(tài)電解質(zhì)   294
8.3 理論模擬在電極/電解質(zhì)界面的應(yīng)用   298
8.3.1　固/固接觸問題理論模擬   299
8.3.2　空間電荷層理論模擬   301
8.3.3　化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性理論模擬   302
8.3.4　鋰枝晶理論模擬   305
8.3.5　界面緩沖層理論模擬   308
8.4 固態(tài)鋰電池的多物理場研究   310
8.4.1　多物理場概述   310
8.4.2　鋰電池的電化學(xué)-熱-力耦合模型   312
8.4.3　固態(tài)鋰電池中多物理場模型的應(yīng)用   314
8.5 機(jī)器學(xué)習(xí)及相關(guān)技術(shù)   317
8.5.1　機(jī)器學(xué)習(xí)   317
8.5.2　數(shù)據(jù)庫   325
8.6 本章結(jié)語   326
參考文獻(xiàn)   327

第9章　固態(tài)鋰電池器件安全性能評(píng)估   340
9.1 固態(tài)電解質(zhì)穩(wěn)定性   342
9.1.1　化學(xué)穩(wěn)定性   342
9.1.2　電化學(xué)穩(wěn)定性   343
9.1.3　機(jī)械穩(wěn)定性   343
9.1.4　熱穩(wěn)定性   345
9.2 電解質(zhì)及電極材料界面穩(wěn)定性   347
9.2.1　電解質(zhì)及電極材料界面化學(xué)穩(wěn)定性   347
9.2.2　電解質(zhì)及電極材料界面力學(xué)性能   348
9.2.3　電解質(zhì)及電極材料界面熱穩(wěn)定性   349
9.3 固態(tài)電池?zé)岚踩詼y試方法   349
9.3.1　電池層級(jí)熱安全性測試方法   349
9.3.2　材料層級(jí)熱安全性測試方法   350
9.4 固態(tài)電池?zé)崾Э靥攸c(diǎn)及改善策略   352
9.4.1　氧化物固態(tài)電池?zé)崾Э靥攸c(diǎn)及改善策略   353
9.4.2　硫化物固態(tài)電池?zé)崾Э靥攸c(diǎn)及改善策略   360
9.4.3　聚合物固態(tài)電池?zé)崾Э靥攸c(diǎn)及改善策略   368
9.5 固態(tài)電池?zé)崾Э啬M分析方法   373
9.6 固態(tài)電池安全評(píng)價(jià)的其它方法   375
9.6.1　熱失控成像技術(shù)   375
9.6.2　電池傳感器檢測技術(shù)   377
9.7 本章結(jié)語   379
參考文獻(xiàn)   379

第10章　固態(tài)鋰電池應(yīng)用現(xiàn)狀及未來發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)與對(duì)策   383
10.1 固態(tài)鋰電池應(yīng)用現(xiàn)狀   384
10.1.1　固態(tài)動(dòng)力電池   386
10.1.2　固態(tài)儲(chǔ)能電池   388
10.1.3　固態(tài)電源系統(tǒng)深海特種應(yīng)用   388
10.2 全固態(tài)鋰電池發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)與對(duì)策   390
參考文獻(xiàn)   393