新能源材料與器件制備技術(shù)（張云）

《新能源材料與器件制備技術(shù)》系統(tǒng)介紹光伏材料與電池、鋰離子電池材料與電池、氫能與燃料電池，以及超級電容器等的基本概念、基本原理、生產(chǎn)工藝和核心設(shè)備以及生產(chǎn)過程中的環(huán)境污染與治理的基本知識。書中以典型的、規(guī)?；男履茉床牧匣蚱骷槔?，將本專業(yè)所涉及的基本原理、工藝過程、關(guān)鍵設(shè)備等知識集成一體,使學(xué)生系統(tǒng)掌握新源材料與器件的核心知識,幫助學(xué)生知悉和掌握新能源材料與器件中的生產(chǎn)過程,并且能夠解決生產(chǎn)過程中遇到的基本科學(xué)與技術(shù)問題，以滿足新興產(chǎn)業(yè)對人才的需要。
本書既可作為高等院校新能源相關(guān)專業(yè)的本科生、研究生的教材，也可以供新能源相關(guān)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員參考。

張云，四川大學(xué)材料科學(xué)與工程，教授，博導(dǎo)，張 云，男，1968年生，四川大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，四川省學(xué)術(shù)與技術(shù)帶頭人后備人選，中國化學(xué)會電化學(xué)委員會委員。1992年和1995年分獲東北大學(xué)有色冶金專業(yè)工學(xué)學(xué)士和碩士學(xué)位，2006年獲四川大學(xué)材料物理化學(xué)專業(yè)工學(xué)博士學(xué)位；1995年～2001年在成都理工大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系工作，2006年～2007年英國牛津大學(xué)化學(xué)系訪問學(xué)者。
主要從事鋰離子電池關(guān)鍵材料和儲能技術(shù)開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化、納米粉體材料的合成與應(yīng)用研究等方向的教學(xué)與科研工作。參加或承擔(dān)各類科研項目20余項，包括國家“863”、國家“973”、國家自然科學(xué)基金重點、四川省科技攻關(guān)以及校企合作項目；獲國家授權(quán)發(fā)明專利6項，公開國家發(fā)明專利15項；在Advanced Functional Materials,J. Mater. Chem. A.ACS Applied Materials & Interfaces. J. Power Sources, Colliods and Surface B, J.Alloys Compd.及《化學(xué)學(xué)報》等期刊發(fā)表SCI論文40余篇。

新能源技術(shù)是21世紀世界經(jīng)濟發(fā)展中最具有決定性影響的五大技術(shù)領(lǐng)域之一，新能源材料與器件是實現(xiàn)新能源的轉(zhuǎn)化和利用以及發(fā)展新能源技術(shù)的關(guān)鍵。2011年教育部批準創(chuàng)辦“新能源材料與器件”專業(yè)，該專業(yè)是為適應(yīng)我國新能源、新材料、新能源汽車、高端裝備制造等國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要而設(shè)立的戰(zhàn)略性新興專業(yè)。2011年，全國首批僅有15所高校設(shè)立該專業(yè)，隨后設(shè)立學(xué)校和招生規(guī)模不斷擴大，截至2023年底，全國有150余所高校設(shè)立該專業(yè)。
由于新能源材料與器件專業(yè)為新興的交叉學(xué)科，專業(yè)跨度大，涉及材料、物理、化學(xué)、電子、機械等多學(xué)科，這給該專業(yè)教學(xué)帶來很大的難度，既缺乏核心的專業(yè)課程，也沒有相匹配的核心專業(yè)教材。為了滿足這一新專業(yè)的教學(xué)需求，在化學(xué)工業(yè)出版社的支持下，相關(guān)高校多次召開教材建設(shè)研討會，于2019年在北京達成共識，共同打造《能量轉(zhuǎn)化與存儲原理》《新能源材料與器件制備技術(shù)》以及《新能源器件與系統(tǒng)》3門核心課程教材。《能量轉(zhuǎn)化與存儲原理》的主要內(nèi)容應(yīng)為能量轉(zhuǎn)化與存儲的共性原理，從電子、離子、分子、能級、界面等過程去闡述；《新能源材料與器件制備技術(shù)》的內(nèi)容承接原理的落地，目前階段可以綜合光伏、鋰電、燃電、超級電容等材料和器件的工藝和設(shè)備；《新能源器件與系統(tǒng)》的內(nèi)容注重器件的系統(tǒng)優(yōu)化、同種器件系統(tǒng)、不同能量轉(zhuǎn)換或存儲器件的系統(tǒng)集成等，是工藝的延伸。三門核心課程是總分總的關(guān)系。在三門課程學(xué)習(xí)后的基礎(chǔ)上，繼續(xù)學(xué)習(xí)光伏、鋰離子電池、燃料電池和超級電容器等方向的專業(yè)特色課程。
在2020年，該系列教材得到了教育部高等學(xué)校材料類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會的立項支持，并在2021年由材料教指委推薦，加入教育部新興領(lǐng)域教材研究與實踐項目，進一步結(jié)合新興領(lǐng)域的人才培養(yǎng)需要，廣泛聽取各高校建議，對系列教材的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容安排詳細研討、組織與規(guī)劃，最終形成確定的編寫方案。
本教材重點講述新能源材料與器件的制備工藝和技術(shù)。教材系統(tǒng)介紹光伏材料與電池、鋰離子電池及材料、氫能與燃料電池，以及超級電容器等的基本概念、原理、工藝和主要設(shè)備。通過本書的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握已經(jīng)規(guī)?；⒊墒旎男履茉床牧吓c器件中核心材料與關(guān)鍵器件的生產(chǎn)過程，并且能夠解決生產(chǎn)過程中遇到的基本科學(xué)與技術(shù)問題。同時，教材內(nèi)容結(jié)合當(dāng)前國際關(guān)系發(fā)展態(tài)勢與國家科技發(fā)展重大需求，培養(yǎng)學(xué)生們對本學(xué)科專業(yè)的學(xué)習(xí)熱情與科研興趣，激發(fā)學(xué)生追求學(xué)習(xí)報國、科技強國的愛國主義精神。
全書共分13章，第1章由四川大學(xué)張云編寫，第2章由四川大學(xué)張靜全編寫，第3章華東理工大學(xué)袁曉和柳翠編寫，第4章由華北電力大學(xué)李美成編寫，第5章由四川大學(xué)張云和武開鵬編寫，第6章由西南石油大李星編寫，第7章由武漢大學(xué)曹余良編寫，第8章由湘潭大學(xué)雷維新編寫，第9章由合肥工業(yè)大學(xué)朱繼平編寫，第10章由中南大學(xué)紀效波和鄒國強編寫，第11章由四川大學(xué)吳朝玲編寫，第12章由武漢理工大學(xué)木士春編寫，第13章由北京理工大學(xué)郭興明編寫。
由于我們的水平有限，本書難免有疏漏和貽誤，誠望專家和讀者批評指正。

編者
2024年4月

第1章概述
1.1新能源材料與器件的基本概念 001
1.1.1新能源 001
1.1.2新能源材料 001
1.1.3新能源器件 002
1.2新能源材料與器件的發(fā)展趨勢 002
1.2.1光伏材料與器件 002
1.2.2鋰離子電池材料與器件 004
1.2.3氫能與燃料電池 004
習(xí)題 005
參考文獻 005

第2章晶體硅太陽電池材料制備技術(shù)
2.1硅太陽電池材料概述 006
2.2高純多晶硅料制備 007
2.2.1改良西門子法 008
2.2.2硅烷法 009
2.2.3流化床法 010
2.2.4冶金法 011
2.3硅棒及硅錠的制備 011
2.3.1單晶硅棒的制備 011
2.3.2多晶硅錠的制備 014
2.4硅片制備 015
2.4.1單晶硅片的制備 016
2.4.2多晶硅片的制備 017
2.4.3多線切割技術(shù) 018
2.4.4新型硅片制備技術(shù) 018
習(xí)題 019
參考文獻 019

第3章晶體硅太陽電池制備技術(shù)
3.1晶體硅太陽電池概述 020
3.2Al-BSF太陽電池 020
3.2.1清洗制絨工藝 021
3.2.2擴散制結(jié)工藝 023
3.2.3濕法刻蝕工藝 024
3.2.4減反射膜工藝 025
3.2.5電極制備工藝 026
3.2.6燒結(jié)工藝 027
3.3PERC太陽電池 027
3.3.1PERC太陽電池工藝流程 028
3.3.2鈍化技術(shù) 029
3.3.3激光開膜技術(shù) 030
3.3.4選擇性發(fā)射極技術(shù) 031
3.3.5載流子注入退火再生技術(shù) 031
3.4SHJ太陽電池 032
3.4.1SHJ太陽電池的能帶特點 032
3.4.2SHJ太陽電池的結(jié)構(gòu) 033
3.4.3SHJ太陽電池工藝 035
3.4.4SHJ太陽電池的優(yōu)點 037
3.5TOPCon太陽電池 038
3.5.1TOPCon太陽電池的結(jié)構(gòu)及原理 038
3.5.2TOPCon太陽電池工藝 039
3.5.3TOPCon太陽電池發(fā)展方向 043
3.6光伏組件技術(shù) 044
3.6.1組件工藝流程 044
3.6.2組件封裝材料 046
3.6.3高效組件技術(shù) 049
習(xí)題 050
參考文獻 050

第4章薄膜太陽電池原理與制備技術(shù)
4.1薄膜太陽電池概述 051
4.2碲化鎘薄膜太陽電池 051
4.2.1碲化鎘材料的性質(zhì) 051
4.2.2高效碲化鎘薄膜太陽電池的結(jié)構(gòu) 052
4.2.3高效碲化鎘薄膜太陽電池的制備技術(shù) 055
4.2.4限制碲化鎘薄膜太陽電池效率的因素 057
4.3CIGS太陽電池 057
4.3.1CIGS太陽電池材料性質(zhì) 057
4.3.2CIGS薄膜太陽電池的結(jié)構(gòu)及制備技術(shù) 060
4.3.3CIGS太陽電池的發(fā)展?jié)摿熬窒?064
4.4砷化鎵太陽電池 065
4.4.1砷化鎵材料的主要性質(zhì) 065
4.4.2砷化鎵太陽電池的制備技術(shù) 067
4.4.3高效砷化鎵薄膜太陽電池的結(jié)構(gòu) 069
4.4.4限制砷化鎵薄膜太陽電池轉(zhuǎn)換效率的因素 070
4.5鈣鈦礦太陽電池 072
4.5.1鉛鹵鈣鈦礦材料的主要性質(zhì) 072
4.5.2鉛鹵鈣鈦礦薄膜的制備技術(shù) 073
4.5.3限制鉛鹵鈣鈦礦薄膜太陽電池轉(zhuǎn)換效率的因素 074
4.6非晶硅薄膜太陽電池 076
4.6.1非晶硅材料的物理特性 076
4.6.2非晶硅薄膜材料的制備方法 078
4.6.3非晶硅薄膜太陽電池的結(jié)構(gòu) 079
4.6.4影響非晶硅薄膜太陽電池轉(zhuǎn)換效率的因素 080
4.6.5非晶硅薄膜電池的發(fā)展方向 080
習(xí)題 081
參考文獻 081

第5章鋰離子電池正極材料制備技術(shù)
5.1正極材料概述 082
5.1.1正極材料的發(fā)展歷程 082
5.1.2正極材料的種類 082
5.2正極材料的結(jié)構(gòu)與電化學(xué)特征 083
5.2.1層狀結(jié)構(gòu)正極材料 083
5.2.2尖晶石型正極材料 085
5.2.3橄欖石型正極材料 086
5.3三元正極材料制備技術(shù) 088
5.3.1概述 088
5.3.2三元前驅(qū)體的合成 088
5.3.3三元正極材料的高溫合成 093
5.3.4三元正極材料的改性研究 097
5.4磷酸鐵鋰正極材料制備技術(shù) 098
5.4.1概述 098
5.4.2磷酸鐵的制備工藝 099
5.4.3磷酸鐵鋰 碳正極材料的高溫合成 103
5.4.4磷酸鐵鋰正極材料的改性 105
5.5其它正極材料制備技術(shù) 106
5.5.1鈷酸鋰的生產(chǎn)工藝 106
5.5.2錳酸鋰的生產(chǎn)工藝 107
習(xí)題 109
參考文獻 110

第6章鋰離子電池負極材料制備技術(shù)
6.1負極材料概述 111
6.1.1負極材料發(fā)展歷史 111
6.1.2負極材料分類 111
6.2負極材料性能要求 111
6.3天然石墨負極材料 113
6.3.1天然石墨負極材料的定義 113
6.3.2天然石墨負極材料的脫嵌鋰原理 114
6.3.3天然石墨負極制備工藝 114
6.3.4天然石墨的表面改性 117
6.4人造石墨負極材料 119
6.4.1人造石墨負極材料的定義 119
6.4.2人造石墨負極材料的脫嵌鋰原理 119
6.4.3人造石墨材料制備工藝 120
6.5中間相炭微球 124
6.5.1中間相炭微球的形成 124
6.5.2中間相炭微球制備工藝 125
6.6硅基負極材料 127
6.6.1硅負極 127
6.6.2硅碳復(fù)合負極材料 129
6.6.3氧化亞硅負極 131
6.7鈦酸鋰負極材料 133
6.7.1概述 133
6.7.2鈦酸鋰負極材料制備工藝 134
習(xí)題 135
參考文獻 135

第7章非水電解液原理及制備技術(shù)
7.1液態(tài)電解液功能添加劑 136
7.1.1固態(tài)電解質(zhì)中間相成膜添加劑 136
7.1.2正極保護添加劑 138
7.1.3過充保護添加劑 138
7.1.4阻燃添加劑 139
7.2功能性液態(tài)電解液 140
7.2.1低溫或高溫電解液 140
7.2.2高倍率電解液 142
7.2.3安全性電解液 142
7.3凝膠電解質(zhì) 143
7.3.1凝膠電解質(zhì)的組成及特性 143
7.3.2凝膠電解質(zhì)的制備技術(shù) 144
7.3.3凝膠電解質(zhì)的電化學(xué)性質(zhì) 145
7.4固態(tài)電解質(zhì) 146
7.4.1聚合物固態(tài)電解質(zhì) 147
7.4.2無機固態(tài)電解質(zhì) 148
7.4.3固態(tài)電解質(zhì)的電化學(xué)性質(zhì) 151
7.5非水電解液關(guān)鍵材料的制備方法 152
7.5.1液態(tài)溶劑的制備技術(shù) 152
7.5.2關(guān)鍵電解質(zhì)鹽的制備技術(shù) 152
7.5.3固態(tài)電解質(zhì)的制備技術(shù) 154
習(xí)題 156
參考文獻 156

第8章鋰離子電池隔膜制備技術(shù)
8.1隔膜基本要求與分類 157
8.1.1隔膜的基本要求 157
8.1.2隔膜的分類 160
8.2隔膜的制備工藝 162
8.2.1隔膜干法制備工藝 163
8.2.2隔膜濕法制備工藝 167
8.2.3濕法隔膜和干法隔膜的對比 169
8.2.4靜電紡絲技術(shù) 169
8.3隔膜的改性 170
8.3.1涂層隔膜 170
8.3.2有機 無機復(fù)合隔膜 170
8.3.3新材料體系隔膜 170
習(xí)題 172
參考文獻 172

第9章鋰離子電磁的設(shè)計與制備技術(shù)
9.1鋰離子電池的設(shè)計基礎(chǔ) 173
9.1.1鋰離子電池設(shè)計的原理 173
9.1.2鋰離子電池設(shè)計的基本原則 174
9.1.3鋰離子電池的設(shè)計要求 174
9.1.4鋰離子電池的結(jié)構(gòu)和性能設(shè)計 175
9.1.5鋰離子電池保護電路的設(shè)計 177
9.2鋰離子電池制備工藝 178
9.2.1圓柱形鋰離子電池制備工藝 179
9.2.2軟包電池制備工藝 183
9.2.3方形電池制備工藝 185
習(xí)題 186
參考文獻 186

第10章超級電容器的原理及制備技術(shù)
10.1超級電容器概述 187
10.2雙電層電容器 188
10.2.1雙電層電容器的基本工作原理 188
10.2.2雙電層電容器的儲能理論 189
10.2.3雙電層電容器所用碳材料 192
10.2.4碳材料雙電層電容的影響因素 193
10.3不對稱型超級電容器 195
10.3.1贗電容電化學(xué)電容器 195
10.3.2贗電容材料 196
10.3.3不對稱型超級電容器 196
10.3.4常見的水系不對稱型超級電容器構(gòu)型 197
10.4超級電容器電解液 198
10.4.1超級電容器電解液概述 198
10.4.2超級電容器電解液的設(shè)計 198
10.4.3各種電解液中離子對電荷存儲的影響 199
10.5超級電容器器件 200
10.6鋰離子電容器 200
10.6.1鋰離子電容器電極材料 202
10.6.2鋰離子電容器的關(guān)鍵技術(shù) 204
10.6.3鋰離子電容器的構(gòu)型 206
10.7新型混合超級電容器 207
10.7.1鈉離子電容器 207
10.7.2鋅離子電容器 208
習(xí)題 208
參考文獻 209

第11章制氫工藝與儲氫材料制備技術(shù)
11.1氫經(jīng)濟與氫能 210
11.1.1氫經(jīng)濟與氫循環(huán) 210
11.1.2氫經(jīng)濟實現(xiàn)的路線 211
11.2制氫工藝與技術(shù) 211
11.2.1天然氣-水蒸氣重整制氫 212
11.2.2煤制氫技術(shù) 215
11.2.3電解水制氫技術(shù) 216
11.2.4堿性電解水制氫技術(shù) 217
11.2.5固體聚合物電解水制氫技術(shù) 219
11.3儲運氫工藝與技術(shù) 220
11.3.1高壓氣瓶儲氫 220
11.3.2氫氣壓縮 223
11.3.3液態(tài)氫儲存工藝與技術(shù) 224
11.3.4氫氣液化流程 224
11.3.5液氫儲罐 225
11.3.6儲氫合金制備工藝與技術(shù) 227
習(xí)題 230
參考文獻 231

第12章燃料電池材料與器件原理與制備技術(shù)
12.1燃料電池概述 232
12.1.1化學(xué)電源與燃料電池 232
12.1.2燃料電池分類 232
12.1.3燃料電池的工作原理及應(yīng)用場景 233
12.1.4燃料電池發(fā)展簡史 237
12.2燃料電池基礎(chǔ) 239
12.2.1燃料電池可逆電勢及理論效率 239
12.2.2Butler-Volmer方程 240
12.2.3塔菲爾半經(jīng)驗公式 240
12.2.4燃料電池極化 241
12.2.5燃料電池實際效率 243
12.3燃料電池材料 244
12.3.1質(zhì)子交換膜燃料電池構(gòu)成及功能 244
12.3.2質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵材料 246
12.4質(zhì)子交換膜燃料電池器件設(shè)計 257
12.4.1膜電極設(shè)計 257
12.4.2雙極板流場設(shè)計 262
習(xí)題 267
參考文獻 268

第13章環(huán)境污染與治理
13.1太陽電池與環(huán)境污染治理 269
13.1.1晶體硅和非晶硅產(chǎn)污分析 269
13.1.2氣態(tài)污染物治理 273
13.1.3液態(tài)污染物治理 274
13.2鋰離子電池與環(huán)境污染治理 275
13.2.1鋰離子電池材料生產(chǎn)過程中的產(chǎn)污分析 276
13.2.2鋰離子電池退役后的產(chǎn)污分析 276
13.2.3三元前驅(qū)體生產(chǎn)過程相關(guān)污染與治理 278
13.2.4磷酸鐵生產(chǎn)過程相關(guān)污染與治理 280
13.2.5石墨負極材料生產(chǎn)過程相關(guān)污染與治理 280
習(xí)題 282
參考文獻 282