内容简介
随着锂资源不足的问题日渐凸显，发展不受资源束缚的钠离子电池逐渐成为新能源行业的焦点之一。本书分为上、下两卷，对钠离子电池的负极材料（石墨、硬碳、合金负极）、正极材料（层状氧化物、聚阴离子化合物、普鲁士蓝）、电解液（碳酸酯电解液、醚基电解液、离子液体）、固体电解质（聚合物电解质、氧化物电解质）、电池界面、表征手段、理论计算、失效机制、安全性、固态电池、环境适应性及生命周期评估、产业化应用等进行了系统概述，同时对高功率器件、海水电池等技术进行了介绍。书中对各类关键材料及涉及的基础科学问题、技术、理论等研究现状和产业应用发展等进行了全面讨论，为研究人员提供了钠离子电池从材料、理论，到技术与应用的全方位资料，希望能对钠离子电池的研究发展和产业化略尽绵薄之力。
本书适用于从事二次电池、新能源储能行业的有关人员学习参考，也可作为高校新能源相关专业师生的参考书。
目录
译者序
前言
第11章 钠离子电池醚类和酯类电解液 // 1
11.1 概述 // 1
11.2 钠离子电池酯类电解液 // 2
11.3 钠离子电池醚类电解液 // 10
11.4 总结与展望 // 15
参考文献 // 15
第12章 离子液体及聚合物基电解质在钠电池中的应用 // 21
12.1 概述 // 21
12.2 钠离子基离子液体电解质 // 22
12.2.1 离子液体电解质化学及物化性能 // 22
12.2.2 离子液体电解质在钠二次电池中的应用 // 27
12.2.3 使用离子液体电解质的钠离子二次电池界面研究 // 31
12.3 固态凝胶聚合物电解质 // 33
12.4 钠电池电解液分子模拟 // 36
12.4.1 钠离子物理化学性质 // 36
12.4.2 钠电池超浓离子液体 // 36
12.4.3 钠电池聚合物电解质 // 39
12.5 总结与展望 // 41
缩略词 // 42
参考文献 // 42
第13章 钠电池固态电解质材料—氧化物钠离子导体的发展历程及性质 // 50
13.1 概述 // 50
13.2 β/β″-氧化铝 // 51
13.3 NaSICON材料 // 54
13.4 Na5YSi4O12型硅酸盐 // 56
13.5 离子电导率 // 57
13.6 热膨胀 // 61
13.7 微观结构与加工 // 63
13.8 电池发展现状 // 66
13.9 总结与展望 // 68
参考文献 // 69
第14章 钠离子电池中的聚合物 // 82
I 钠离子电池电极中的聚合物 // 82
14.1 电池电极简介 // 82
14.2 作为活性材料的聚合物 // 83
14.2.1 含羰基官能团的聚合物 // 83
14.2.2 席夫碱聚合物 // 87
14.2.3 导电聚合物 // 87
14.2.4 有机自由基聚合物 // 88
14.2.5 氧化还原活性共价有机框架 // 88
14.2.6 聚合物作为活性材料的总结 // 90
14.3 作为活性材料前驱体的聚合物 // 90
14.4 聚合物作为黏结剂 // 90
14.4.1 黏结剂的作用 // 90
14.4.2 黏结机制 // 93
14.4.3 黏结剂性能 // 95
14.4.4 正极黏结剂 // 97
14.4.5 负极黏结剂 // 97
14.4.6 先进黏结剂的设计策略 // 100
14.4.7 聚合物作为黏结剂的总结 // 103
Ⅱ 聚合物在钠离子电池电极-电解质界面中的应用 // 103
14.5 界面设计注意事项 // 103
14.6 聚合物添加剂和寡聚物电解质 // 105
14.7 钠金属电极上的聚合物界面 // 106
14.8 原位聚合的ASEIs和复合的ASEIs // 106
14.9 界面聚合物层的插入 // 107
Ⅲ 钠离子电池电解质中的聚合物 // 109
14.10 电解质概述 // 109
14.11 聚合物隔膜 // 110
14.12 聚合物电解质 // 112
14.12.1 固态聚合物电解质 // 113
14.12.2 复合聚合物电解质 // 114
14.12.3 有机凝胶和离子凝胶聚合物电解质 // 118
14.12.4 生物聚合物电解质 // 120
14.12.5 离子聚合物：聚阴离子和交联离聚物 // 121
14.13 全聚合物的钠离子电池 // 123
14.14 结论 // 125
参考文献 // 125
第15章 固态钠电池 // 142
Ⅰ 固态电池架构优势 // 143
15.1 能量密度 // 143
15.2 功率密度 // 146
15.3 安全性 // 146
15.4 长循环稳定性 // 147
Ⅱ 无机固体电解质的离子电导率 // 147
15.5 阴离子和迁移阳离子亚晶格 // 148
15.6 离子迁移率 // 149
15.6.1 电导率基本公式 // 149
15.6.2 在无机固体电解质中的迁移路径 // 150
15.6.3 从随机游走理论到Arrhenius型关系的电导率 // 150
15.7 超离子导体设计 // 153
15.7.1 通过增加缺陷浓度增加离子电导率 // 153
15.7.2 悖论：为什么降低迁移的能量屏障并不能总是提高离子电导率 // 155
15.7.3 关于可移动阳离子阻碍的更普遍概念 // 156
15.8 微尺度/亚尺度的离子电导率 // 157
15.8.1 多晶型无机固体电解质 // 157
15.8.2 无机固体电解质的阻抗谱 // 159
Ⅲ 电极-无机固体电解质界面 // 161
15.9 电极/固体电解质界面稳定性 // 162
15.9.1 电化学反应 // 162
15.9.2 化学反应 // 165
15.10 界面电阻 // 167
15.11 在剥离条件下金属负极|ISE界面的动力学 // 168
15.11.1 剥离过程中界面接触损失的实验证据 // 168
15.11.2 剥离的理论模型 // 169
15.11.3 阻止空隙形成的方法 // 172
15.12 金属负极|ISE界面在电沉积条件下的动力学 // 174
15.13 正极|ISE界
前言/序言
针对钠离子电池的研究早在20世纪70年代就和锂离子电池几乎同时展开，然而，由于其性能原因，几十年来研究工作一度停滞不前，直到2010年前后才又掀起研究的热潮。目前，钠离子电池已经是非常热门和活跃的研究领域，其主要目的是基于丰产和不受资源束缚的电池技术，发展其储能化学及工艺制造技术。钠离子电池与锂离子电池工作原理相同，也都是基于嵌脱型的电极材料及有机电解液体系，可以直接借鉴许多现成的原理和经验，这也是钠离子电池材料研究发展如此迅速的重要原因。此外，钠离子电池与锂离子电池的生产制造工艺及技术相同，极大地降低了钠离子电池大规模制造时的技术壁垒，这也是相比其他电池技术的一个重要优势。锂资源相对稀缺，已被欧盟列为关键原材料，而钠资源是锂的1000多倍，且在全球分布广泛，因此不像锂离子电池那样可能面临原材料的供应问题。然而，值得注意的是，由于碱金属在电池重量中占比很小，仅仅是将锂替换成钠来开发可持续的电池技术远远不够，还需要尽量规避例如钴等其他的关键原材料。锂离子电池中的铜集流体可以被更加廉价、丰产和易循环利用的铝来代替，并且钠离子电池正极材料的选择也更加丰富，可以利用许多如铁、锰、铜等元素来代替锂离子电池中常用的钴、镍等元素（钴也被欧盟列为关键原材料，而McKinsey预测到2030年镍的需求会增长25倍）。近些年的“芯片危机”无疑明确了世界经济的脆弱以及其对材料供应的高度依赖性，而更加多样性的电池化学可以更好地规避未来材料供应链的波动问题。
尽管具体的电芯情况可能不同，但受限于更低的电压，钠离子电池的能量密度相比锂离子电池总体低20%左右。钠离子电池可与磷酸铁锂基的锂离子电池性能相当，但欧盟也将磷矿资源列为了关键原材料。而与目前和锂离子电池共同被广泛使用的铅酸电池相比，钠离子电池具有显著提升的能量密度。因此，钠离子电池的主要应用场景不在于超越锂离子电池，而更适合大规模储能及小型电动汽车。令人振奋的是，全球已有多家企业活跃在钠离子电池材料与技术的发展上。Faradion（Reliance）、AMTE、Tiamat和中科海钠展示了不同的技术路线，开展了多项应用示范。Natron Energy也开发了针对高功率应用场景的钠离子电池产品。中科海钠于2018年推出了搭载80A·h钠离子电池的微型电动汽车，并于2019年和2021年分别投运100kW·h和1MW·h钠离子电池储能系统。该公司发布的软包钠离子电池平均工作电压3.2V，能量密度145W·h/kg，2C充放电倍率下循环4500次容量保持率≥83%，并可在在40℃环境下运行。尽管此前人们一致认为钠离子电池的主要市场是在储能领域，但动力电池龙头企业CATL于近期宣布，将开发锂/钠离子电池混用电池包用于电动汽车市场，其中钠离子电池可提供更高的功率及更好的低温性能，而锂离子电池可以保障足够高的整体能量密度，从而将两种电池技术的优势结合起来。一众企业宣布了将在未来几年实现钠离子电池的量产，我们也对钠离子电池能否在竞争的环境中实现真正的应用拭目以待。
如前文所述，不受资源束缚是大力发展钠离子电池的一个重要原因。从科学的角度，由于钠离子比锂离子大30%左右，将锂替代成钠也会带来很多问题。不同的尺寸所导致的极化会极大影响离子扩散、材料相变、溶剂化结构、吉布斯自由能和电荷转移等。更大尺寸的钠离子会带来更多有利还是不利的性质是一个关键的问题。
本书旨在提供钠离子电池材料发展的新进展，分为上、下两卷。上卷首先介绍和讨论了石墨、硬碳、合金这些负极材料；并且概括了重要的正极材料，包括层状氧化物、聚阴离子化合物和普鲁士蓝；接下来介绍了应用于钠离子电池研究的表征手段，包括X射线/中子散射、核磁共振、对分布函数和理论计算等。下卷首先讨论了碳酸酯基和醚基电解液、离子液体、聚合物电解质以及氧化物固体电解质；然后介绍了钠离子电池的失效机制、安全性以及制造技术和环境相关内容；最后介绍了高功率器件、海水电池和全固态电池。
由衷地感谢所有作者在本书编写中付出的努力以及提供的专业意见，希望本书的内容能够给钠离子电池的研究人员带来一定的帮助与支持。衷心希望钠离子电池未来可期。
编
