内容简介
《新能源材料合成与制备》系统介绍了无机功能材料（尤其是新能源材料）的合成与制备方法，共分为9章。第1章概述新能源材料的分类、应用及发展前景；第2章重点讨论锂离子电池关键材料（正极、负极、电解质）的设计与合成策略；第3~9章详细解析六大核心制备技术——固相反应法、溶胶-凝胶法、水热与溶剂热法、电解合成、气相沉积及其他新兴方法（如微波烧结、放电等离子体烧结等），涵盖基本原理、工艺流程、工艺影响因素以及典型材料案例，并对材料未来发展技术做了总结。
精彩书摘
第1章新能源材料概述
1.1新能源技术的发展历史
能源、材料与信息并称为现代社会发展的三大支柱。能源是人类赖以生存和发展的能量资源，是国民经济的重要物质基础。在《能源百科全书》中，“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源”；在《中华人民共和国节约能源法》中，能源是指煤炭、石油、天然气、生物质能和电力、热力以及其他直接或者通过加工、转换而取得有用能的各种资源。尽管表述略有不同，通常能源是指能够直接取得或者通过加工、转换而取得有用能的各种资源。常见的能源包括煤炭、原油、天然气、煤层气、水能、核能、风能、太阳能、地热能、生物质能等一次能源和电力、热力、成品油等二次能源，以及其他新能源和可再生能源。简言之，能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源(如化石能源)，也包括一切能量比较集中的含能体和提供能量的物质运动形式(如太阳能、风能、电力和热力)。
能源的开发利用程度及人均消费量是衡量生产技术和生活水平的重要标志。约8万年前，智人掌握了“钻木取火”的技术，标志着人类初步实现了对火这种自然力的可控利用。随着社会的进步，火被广泛应用于煅烧矿石、冶炼金属和制造工具等领域，极大地改善了人类的生存条件。17世纪中叶，煤炭时代的到来伴随着蒸汽机的发明，低热值的木材已无法满足日益增长的能源需求，高热值、分布广泛且易于开采的煤炭成为全球*主要的能源。19世纪，世界从“蒸汽时代”迈入“电气时代”，煤炭被转化为更便于输送和利用的二次能源——电能。1859年，美国塞尼卡石油公司在宾夕法尼亚钻出**口油井，开启了石油时代的序幕。1960年，石油正式取代煤炭成为世界**能源［1］。以煤炭、石油和天然气为主的化石燃料能源体系推动了全球经济的快速发展，显著提高了人们的生活水平，并极大地促进了人类社会的进步。
第二次工业革命后，人类在大量使用化石燃料推动经济和科技快速发展的同时，也导致了严重的环境污染和生态系统破坏。二氧化碳(CO2)作为一种温室气体，是全球变暖和海洋酸化的主要成因。据统计，全球每年燃烧化石燃料产生的CO2约为350亿吨，而自然界只能吸收其中一部分，导致每年净增数十亿吨CO2排放。随着大气中CO2浓度的持续上升，全球气候变暖、冰川融化、海平面上升、海洋酸化等问题日益严重，对地球环境和人类生存已造成严重威胁。2007年1月29日，联合国政府间气候变化专门委员会在巴黎召开会议，经过五天的讨论发布了一份全球气候变化评估报告。报告预测，到2100年，全球气温将升高2～4.5℃，全球海平面将比2007年上升0.13m到0.58m，其后果将是人类难以承受的。为了守护人类赖以生存的地球家园，实现社会的可持续发展，全球必须采取行动，严格控制CO2的排放。
在这种严峻的形势下，“碳中和”与“碳达峰”的概念应运而生。碳中和，简单来说，是指通过多种方式抵消人为活动产生的二氧化碳(CO2)排放，实现CO2的“净零排放”。而碳达峰则是指在某一时间点，CO2排放量达到峰值后不再增长，并逐步下降。碳达峰标志着CO2排放量由增转降的历史拐点，其内容包括达峰年份和峰值。碳达峰的主体可以是国家、地区、行业，甚至是全球范围。碳达峰与碳中和共同构成了“双碳”目标。气候变化和“双碳”目标已成为影响全球政治经济秩序和能源发展的重要因素。
节能减排、提高能源利用效率以及植树造林等是实现碳中和的可行且必要的手段。然而，要高质量实现“双碳”目标，还必须从能源的生产源头入手。表1-1按不同的分类标准对能源的分类进行了总结。表1-1能源的分类分类标准类型实例产生方式一次能源以天然形式存在，没有经过加工和转换的能源资源化石能源(煤、石油、天然气等)、核能、地热能、生物质能等二次能源经由加工转换装置所生产的能源产品电力、焦炭、蒸汽及各种石油制品等可再生性不可再生能源随人类使用而逐渐减少的能源化石能源(煤、石油、天然气等)、核能等可再生能源不随人类使用而减少，可以得到源源不断补充的能源太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能、氢能等开发顺序常规能源又称传统能源，开发利用较早，已经大规模生产且已经广泛利用的能源化石能源(煤、石油、天然气等)、水能等新能源常规能源之外的各种能源形式，刚开始开发利用或者正在积极研究，有待推广的能源太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能、氢能、核能等环保性清洁能源没有污染或者污染很小水能、太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能、氢能、核能等能源可分为不可再生能源和可再生能源。不可再生能源是指随着人类的使用而逐渐减少的能源，以传统的煤炭、石油、天然气等化石能源为代表。可再生能源则是指能够持续补充、不会因使用而减少的能源，如太阳能、水能、风能、氢能、地热能、海洋能、生物质能等。此外，能源还可划分为常规能源和新能源。常规能源是指已被人类长期广泛利用且技术成熟的能源，例如传统化石能源和水能等
目录
目录
前言
第1章 新能源材料概述 1
1.1 新能源技术的发展历史 1
1.2 新能源材料的分类 11
1.2.1 太阳能电池关键材料 11
1.2.2 燃料电池关键材料 13
1.2.3 储氢材料 15
1.2.4 锂离子电池材料 16
1.2.5 其他新能源材料 18
1.3 新能源材料合成与制备技术概述 21
1.3.1 新能源材料合成与制备技术中的基本问题 21
1.3.2 新能源材料合成与制备技术的主要方法 22
1.3.3 新能源材料合成与制备技术的前沿课题 24
思考题 25
参考文献 25
第2章 锂离子电池关键材料 27
2.1 引言 27
2.1.1 锂离子电池的发展历史 27
2.1.2 中国锂离子电池产业现状 28
2.1.3 锂离子电池市场未来的发展形势 28
2.2 锂离子电池组成与结构、基本原理、特点 29
2.2.1 锂离子电池的结构组成 29
2.2.2 锂离子电池的工作原理 30
2.2.3 锂离子电池的表征参数 31
2.2.4 锂离子电池的特点 32
2.3 锂离子电池的类型及生产工艺 33
2.3.1 锂离子电池的类型 33
2.3.2 锂离子电池的生产工艺 36
2.4 正极材料概述 38
2.4.1 LiCoO2正极 39
2.4.2 尖晶石LiMn2O4正极 41
2.4.3 层状三元正极 43
2.4.4 LiFePO4正极 46
2.4.5 无钴正极材料 48
2.5 负极材料概述 48
2.5.1 嵌入－脱嵌型负极 49
2.5.2 合金化负极 52
2.5.3 转化型负极 53
2.6 锂离子电池电解质 54
2.6.1 电解质对电池性能的影响 54
2.6.2 电解质的分类 55
2.7 锂离子电池隔膜 60
2.7.1 隔膜的要求 60
2.7.2 隔膜的种类 61
2.7.3 隔膜性能的测试 61
2.7.4 隔膜的制造技术 62
2.8 锂离子电池导电剂及其他材料 63
2.8.1 导电剂 63
2.8.2 其他材料 64
思考题 66
参考文献 66
第3章 固相反应法 69
3.1 固相反应概述 69
3.1.1 固相反应的分类 69
3.1.2 固相反应的特点 69
3.2 固相反应的机理 71
3.2.1 固相反应的驱动力 71
3.2.2 相界面上化学反应机理 72
3.2.3 相界面上反应与离子扩散的关系 73
3.2.4 不同固相反应的基本历程 74
3.3 固相反应动力学 77
3.3.1 固相反应动力学关系 77
3.3.2 影响固相反应的因素 81
3.4 固相反应的工艺流程 84
3.5 固相反应法在新能源材料合成中的应用 86
3.5.1 固相反应法在新型二次电池材料合成中的应用 86
3.5.2 固相反应法在固体氧化物燃料电池材料合成中的应用 91
3.5.3 固相反应法在氢能及催化材料合成中的应用 92
思考题 94
参考文献 95
第4章 溶胶－凝胶法 98
4.1 新能源材料溶胶－凝胶法概述 98
4.1.1 溶胶－凝胶法技术的发展历程 98
4.1.2 溶胶－凝胶法的基本概念 99
4.1.3 溶胶－凝胶法的特点 101
4.2 溶胶－凝胶的物理化学特性 103
4.2.1 溶胶的运动性质 103
4.2.2 溶胶的光学性质 106
4.2.3 溶胶的电学性质 108
4.2.4 溶胶的稳定性 114
4.2.5 溶胶的触变性 118
4.3 溶胶－凝胶法的分类及其反应机理 119
4.3.1 金属盐的水解 119
4.3.2 金属醇盐的水解 120
4.3.3 络合物法 121
4.4 溶胶－凝胶法的工艺过程 122
4.5 溶胶－凝胶法在新能源材料合成中的应用 124
4.5.1 溶胶－凝胶法在新型二次电池材料合成中的应用 124
4.5.2 溶胶－凝胶法在太阳能电池材料合成中的应用 127
4.5.3 溶胶－凝胶法在燃料电池材料合成中的应用 128
思考题 129
参考文献 129
第5章 水热与溶剂热法 131
5.1 水热与溶剂热法概述 131
5.2 水热与溶剂热法合成原理及特点 132
5.2.1 水热与溶剂热法合成原理 132
5.2.2 水热与溶剂热法特点 133
5.2.3 水热反应介质的性质 134
5.2.4 水热/溶剂热体系的成核与晶体生长 135
5.3 水热与溶剂热合成工艺 136
5.3.1 水热与溶剂热合成的生产设备 136
5.3.2 水热与溶剂热反应的基本类型 137
5.3.3 水热与溶剂热合成的一般工艺 138
5.3.4 水热与溶剂热合成反应影响因素 138
5.4 水热与溶剂热法在新能源材料合成中的应用 141
5.4.1 水热与溶剂热法在LiFePO4正极材料制备中的应用 141
5.4.2 水热与溶剂热法在Li4Ti5O12负极材料制备中的应用 149
5.4.3 水热与溶剂热法在太阳能电池用TIO2材料制备中的应用 153
思考题 156
参考文献 156
第6章 电解合成 159
6.1 电解合成概述 159
6.2 电解合成原理 161
试读
第1章新能源材料概述
1.1新能源技术的发展历史
能源、材料与信息并称为现代社会发展的三大支柱。能源是人类赖以生存和发展的能量资源，是国民经济的重要物质基础。在《能源百科全书》中，“能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资源”；在《中华人民共和国节约能源法》中，能源是指煤炭、石油、天然气、生物质能和电力、热力以及其他直接或者通过加工、转换而取得有用能的各种资源。尽管表述略有不同，通常能源是指能够直接取得或者通过加工、转换而取得有用能的各种资源。常见的能源包括煤炭、原油、天然气、煤层气、水能、核能、风能、太阳能、地热能、生物质能等一次能源和电力、热力、成品油等二次能源，以及其他新能源和可再生能源。简言之，能源是自然界中能为人类提供某种形式能量的物质资源(如化石能源)，也包括一切能量比较集中的含能体和提供能量的物质运动形式(如太阳能、风能、电力和热力)。
能源的开发利用程度及人均消费量是衡量生产技术和生活水平的重要标志。约8万年前，智人掌握了“钻木取火”的技术，标志着人类初步实现了对火这种自然力的可控利用。随着社会的进步，火被广泛应用于煅烧矿石、冶炼金属和制造工具等领域，极大地改善了人类的生存条件。17世纪中叶，煤炭时代的到来伴随着蒸汽机的发明，低热值的木材已无法满足日益增长的能源需求，高热值、分布广泛且易于开采的煤炭成为全球*主要的能源。19世纪，世界从“蒸汽时代”迈入“电气时代”，煤炭被转化为更便于输送和利用的二次能源——电能。1859年，美国塞尼卡石油公司在宾夕法尼亚钻出**口油井，开启了石油时代的序幕。1960年，石油正式取代煤炭成为世界**能源［1］。以煤炭、石油和天然气为主的化石燃料能源体系推动了全球经济的快速发展，显著提高了人们的生活水平，并极大地促进了人类社会的进步。
第二次工业革命后，人类在大量使用化石燃料推动经济和科技快速发展的同时，也导致了严重的环境污染和生态系统破坏。二氧化碳(CO2)作为一种温室气体，是全球变暖和海洋酸化的主要成因。据统计，全球每年燃烧化石燃料产生的CO2约为350亿吨，而自然界只能吸收其中一部分，导致每年净增数十亿吨CO2排放。随着大气中CO2浓度的持续上升，全球气候变暖、冰川融化、海平面上升、海洋酸化等问题日益严重，对地球环境和人类生存已造成严重威胁。2007年1月29日，联合国政府间气候变化专门委员会在巴黎召开会议，经过五天的讨论发布了一份全球气候变化评估报告。报告预测，到2100年，全球气温将升高2～4.5℃，全球海平面将比2007年上升0.13m到0.58m，其后果将是人类难以承受的。为了守护人类赖以生存的地球家园，实现社会的可持续发展，全球必须采取行动，严格控制CO2的排放。
在这种严峻的形势下，“碳中和”与“碳达峰”的概念应运而生。碳中和，简单来说，是指通过多种方式抵消人为活动产生的二氧化碳(CO2)排放，实现CO2的“净零排放”。而碳达峰则是指在某一时间点，CO2排放量达到峰值后不再增长，并逐步下降。碳达峰标志着CO2排放量由增转降的历史拐点，其内容包括达峰年份和峰值。碳达峰的主体可以是国家、地区、行业，甚至是全球范围。碳达峰与碳中和共同构成了“双碳”目标。气候变化和“双碳”目标已成为影响全球政治经济秩序和能源发展的重要因素。
节能减排、提高能源利用效率以及植树造林等是实现碳中和的可行且必要的手段。然而，要高质量实现“双碳”目标，还必须从能源的生产源头入手。表1-1按不同的分类标准对能源的分类进行了总结。表1-1能源的分类分类标准类型实例产生方式一次能源以天然形式存在，没有经过加工和转换的能源资源化石能源(煤、石油、天然气等)、核能、地热能、生物质能等二次能源经由加工转换装置所生产的能源产品电力、焦炭、蒸汽及各种石油制品等可再生性不可再生能源随人类使用而逐渐减少的能源化石能源(煤、石油、天然气等)、核能等可再生能源不随人类使用而减少，可以得到源源不断补充的能源太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能、氢能等开发顺序常规能源又称传统能源，开发利用较早，已经大规模生产且已经广泛利用的能源化石能源(煤、石油、天然气等)、水能等新能源常规能源之外的各种能源形式，刚开始开发利用或者正在积极研究，有待推广的能源太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能、氢能、核能等环保性清洁能源没有污染或者污染很小水能、太阳能、风能、地热能、海洋能、生物质能、氢能、核能等能源可分为不可再生能源和可再生能源。不可再生能源是指随着人类的使用而逐渐减少的能源，以传统的煤炭、石油、天然气等化石能源为代表。可再生能源则是指能够持续补充、不会因使用而减少的能源，如太阳能、水能、风能、氢能、地热能、海洋能、生物质能等。此外，能源还可划分为常规能源和新能源。常规能源是指已被人类长期广泛利用且技术成熟的能源，例如传统化石能源和水能等
