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能電池體系。本書重點對高比能固態(tài)鋰電池中的關鍵科學問題和核心技術難題等進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、正負極材料、黏結劑、工藝和配套設備、界面問題、安全性能評估等內(nèi)容，兼顧實際工程技術和制造裝備等問題，努力為我國高比能固態(tài)鋰電池產(chǎn)學研從業(yè)者提供一本非常實用的工具書。
本書適合從事高比能固態(tài)鋰電池研發(fā)的相關人員進行參考，也適合作為高等院校、科研機構等相關專業(yè)師生的教學參考書。

本書面向國家重大戰(zhàn)略需求，瞄準固態(tài)鋰電池共性關鍵科學問題，攻關關鍵材料制備、器件開發(fā)和系統(tǒng)集成技術，旨在解決傳統(tǒng)鋰電池痛點問題，促進固態(tài)鋰電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。重點對關鍵的固態(tài)電解質(zhì)材料、黏結劑材料、正負極材料、界面與失效問題、安全評估等進行深入闡述，兼顧實際工程技術和制造裝備中的核心技術難題，攻克了全海深高比能深海電源技術瓶頸，填補了全海深高能量密度深海電源系統(tǒng)技術空白，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，突破了固態(tài)鋰電池固/固界面壁壘，打通了固態(tài)鋰電池從實驗室基礎研究到工程化應用的屏障。

隨著人類經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，環(huán)境問題日益嚴峻，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儲能技術，成為支撐新能源產(chǎn)業(yè)的新質(zhì)生產(chǎn)力并受到重點關注。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，還可為新能源應用領域帶來更廣泛、更可靠的解決方案。因此，固態(tài)鋰電池在電動汽車、航空航天、可穿戴設備及智能物聯(lián)網(wǎng)等領域都具有極大發(fā)展?jié)摿?。為推動固態(tài)鋰電池的快速發(fā)展，首先需要對其關鍵材料、應用技術及存在的問題進行深入探討，加強知識積累，從而更好地理解其工程技術下掩藏的科學問題，進一步推動技術發(fā)展，為電池技術的創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展奠定堅實基礎。
回溯歷史，我們不難看出鋰電池之所以能在二十年內(nèi)實現(xiàn)從發(fā)明到應用，很大程度上受益于近現(xiàn)代物理、化學、電子及材料等多學科的交叉融合。本書不僅旨在推動固態(tài)鋰電池技術，更深層的目的在于啟迪讀者、學者思考和暢想未來電能存儲的極限。我國學者受中國傳統(tǒng)哲學思維的影響，深知萬物衍化中的奇異關聯(lián)，一定可以迸發(fā)出中國特色的科技思路，為下一代電池技術提供里程碑式的突破。
本書圍繞固態(tài)鋰電池關鍵材料、相應制備技術及未來發(fā)展趨勢進行分章闡述：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)鋰電池負極材料；第5章為固態(tài)鋰電池用黏結劑；第6章為固態(tài)鋰電池電芯制備相關工藝和配套設備；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器學習；第9章為固態(tài)鋰電池器件安全性能評估；第10章為固態(tài)鋰電池應用現(xiàn)狀及未來發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)與對策。
本書內(nèi)容主要源自作者及研究團隊多年來的研發(fā)經(jīng)驗和知識積累，考慮到固態(tài)鋰電池技術的迅猛發(fā)展，新材料、新體系、新技術、新機理等不斷涌現(xiàn)，本書同時總結了固態(tài)鋰電池關鍵材料及相關制備技術的最新科研和產(chǎn)業(yè)化技術成果，匯聚了國內(nèi)外許多相關研究者的心血。
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和大力支持，衷心感謝他們欣然為本書作序。其中，中國科學院青島生物能源與過程研究所及青島儲能產(chǎn)業(yè)技術研究院的研發(fā)人員張建軍、韓鵬獻、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、整理以及相應章節(jié)的撰寫和修改工作，在此對他們的努力付出表示衷心的感謝！
固態(tài)鋰電池的研究和應用涉及有機化學、電化學、材料、物理等學科的概念和理論，是基礎研究與應用研究的高度集成，限于作者的時間和精力，疏漏與不足之處在所難免，敬請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   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 無機固態(tài)電解質(zhì)關鍵材料   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/無機復合固態(tài)電解質(zhì)   032
2.3.1　有機/無機復合固態(tài)電解質(zhì)類型   032
2.3.2　有機/無機復合固態(tài)電解質(zhì)制備技術   037
2.4 硫化物電解質(zhì)/固態(tài)電池專利分析   038
2.4.1　全球專利申請趨勢   038
2.4.2　全球專利技術分布狀況   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)專利申請態(tài)勢   043
2.5.2　聚合物固態(tài)電解質(zhì)專利技術分布   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)專利重點技術   047
2.6 本章結語   050
參考文獻   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　正交橄欖石結構正極材料   064
3.1.2　層狀結構正極材料   064
3.1.3　立方尖晶石結構正極材料   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   075
3.2.1　正極材料修飾改性技術概述   075
3.2.2　正交橄欖石結構正極材料修飾改性技術   078
3.2.3　層狀結構正極材料修飾改性技術   079
3.2.4　立方尖晶石結構正極材料修飾改性技術   082
3.2.5　其它正極材料修飾改性技術   085
3.3 本章結語   087
參考文獻   087

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

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

第6章　固態(tài)鋰電池電芯制備相關工藝和配套設備   168
6.1 干法成型技術   172
6.1.1　基于聚四氟乙烯（PTFE）成纖化的干法成型技術   172
6.1.2　基于擠出或熱壓的干法成型技術   174
6.1.3　干法噴涂成型技術   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備   192
6.3.1　勻漿系統(tǒng)-雙螺桿擠出機   193
6.3.2　成膜系統(tǒng)-熱壓成膜復合設備   195
6.3.3　原位聚合-壓力化成設備   196
6.3.4　預鋰化-補鋰設備   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　薄且強韌的固態(tài)電解質(zhì)   203
6.5 壓力對循環(huán)穩(wěn)定性的影響   207
6.5.1　壓力對硫化物固態(tài)電解質(zhì)的影響   209
6.5.2　壓力對氧化物固態(tài)電解質(zhì)的影響   210
6.5.3　壓力對聚合物固態(tài)電解質(zhì)的影響   211
6.5.4　壓力對負極材料的影響   212
6.5.5　壓力對正極材料的影響   213
6.6 本章結語   214
參考文獻   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)/負極界面   239
7.3.5　正極和負極界面串擾的失效機制   244
7.4 多尺度多物理場的界面表征技術   248
7.4.1　原位顯微技術   249
7.4.2　原位X射線和中子技術   251
7.4.3　原位波譜技術   259
7.4.4　原位壓力監(jiān)測技術   261
7.4.5　其它新型原位表征技術   262
7.5 本章結語   262
參考文獻   263

第8章　固態(tài)鋰電池理論模擬與機器學習   271
8.1 電極材料理論計算   272
8.1.1　電極材料概述   272
8.1.2　電極材料計算方法   273
8.1.3　正極材料理論計算   276
8.2 固態(tài)電解質(zhì)理論計算與模擬   280
8.2.1　離子傳輸機制理論模擬   281
8.2.2　相穩(wěn)定性理論模擬   286
8.2.3　電化學穩(wěn)定性理論模擬   287
8.2.4　力學性能理論模擬   291
8.2.5　利用理論計算設計新型固態(tài)電解質(zhì)   292
8.2.6　高通量計算篩選新型固態(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　化學和電化學穩(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-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用   314
8.5 機器學習及相關技術   317
8.5.1　機器學習   317
8.5.2　數(shù)據(jù)庫   325
8.6 本章結語   326
參考文獻   327

第9章　固態(tài)鋰電池器件安全性能評估   340
9.1 固態(tài)電解質(zhì)穩(wěn)定性   342
9.1.1　化學穩(wěn)定性   342
9.1.2　電化學穩(wěn)定性   343
9.1.3　機械穩(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穩(wěn)定性   347
9.2.2　電解質(zhì)及電極材料界面力學性能   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)電池熱安全性測試方法   349
9.3.1　電池層級熱安全性測試方法   349
9.3.2　材料層級熱安全性測試方法   350
9.4 固態(tài)電池熱失控特點及改善策略   352
9.4.1　氧化物固態(tài)電池熱失控特點及改善策略   353
9.4.2　硫化物固態(tài)電池熱失控特點及改善策略   360
9.4.3　聚合物固態(tài)電池熱失控特點及改善策略   368
9.5 固態(tài)電池熱失控模擬分析方法   373
9.6 固態(tài)電池安全評價的其它方法   375
9.6.1　熱失控成像技術   375
9.6.2　電池傳感器檢測技術   377
9.7 本章結語   379
參考文獻   379

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