化学电源：原理、技术与应用（第二版）

　　化学电源的研究和应用方兴未艾，并在电子产品、通信基站、电动汽车、无人机、储能电站、国防等领域发挥着重要作用。本书全面论述了化学电源的原理、技术与应用，重点介绍了化学电源的更新成果、进展状况及发展趋势。原书第一版在出版后的十余年时间里，化学电源技术发展非常迅速，这些都在本书第二版中得到充分反映，内容主要包括化学电源概论、锌锰电池、锌银电池、铅酸蓄电池、碱性蓄电池、金属空气电池、锂电池、燃料电池、电化学电容器和其他新型电池如液流电池等，许多内容反映了国际、国内的更新研究成果。全书全面系统，概念清晰，说理透彻，图文并茂。 本书可作为化学、化工、材料、能源、环境等专业本科生和研究生的教学参考书或教材，对从事电池研究、开发和生产人员也具有重要的参考价值和现实指导意义。

　　陈军，南开大学教授。2017年当选为中国科学院院士。现任南开大学副校长。 陈军院士1989年毕业于南开大学，1999年在澳大利亚Wollongong大学获博士学位。陈军教授还是教育部长江学者特聘教授、国家自然科学基金杰出青年基金获得者、国家科技部863计划领域专家。 陈军教授主要从事无机固体化学的研究，在新能源材料的研究方面取得了显著成就。

第1章化学电源概论/001
1.1化学电源的组成和表示方法001
1.1.1构成电池的必要条件001
1.1.2化学电源的组成003
1.1.3表示方法与命名013
1.2化学电源的分类014
1.2.1按化学电源系列分类014
1.2.2按化学电源的工作性质及使用特征分类014
1.3化学电源的工作原理017
1.4电池电动势和电极电势018
1.4.1电池电动势018
1.4.2电极电势020
1.5实际电极过程022
1.5.1电化学可逆过程022
1.5.2电极的极化与超电势022
1.5.3极化作用的分类024
1.5.4交换电流密度026
1.5.5金属的钝化027
1.5.6金属的自溶028
1.6化学电源中的多孔电极030
1.6.1多孔电极的特点030
1.6.2多孔电极的行为031
1.6.3多孔电极的分类032
1.7化学电源的性能032
1.7.1电池的电压033
1.7.2电池的内阻034
1.7.3电池的容量和比容量035
1.7.4电池的能量和比能量039
1.7.5电池的功率与比功率042
1.7.6电池的储存性能和循环寿命043
1.7.7化学电源一般特性的表征方法045
1.8化学电源的发展与展望045
1.8.1化学电源的发展简史045
1.8.2电池的发展规律049
1.8.321世纪化学电源展望051
参考文献053

第2章锌锰电池/054
2.1锌锰电池的种类、型号及命名方法054
2.1.1锌锰电池的种类054
2.1.2锌锰电池的型号及命名方法054
2.2糊式锌锰电池055
2.2.1糊式锌锰电池的结构055
2.2.2锌锰干电池的工作原理056
2.2.3锌锰电池的主要电性能062
2.2.4影响锌锰电池性能的主要因素066
2.2.5锌锰干电池的主要原材料073
2.2.6传统糊式锌锰电池的生产工艺075
2.2.7特点与用途078
2.3纸板锌锰电池078
2.3.1铵型纸板锌锰电池079
2.3.2锌型纸板锌锰电池081
2.3.3积层式锌锰电池083
2.4碱性锌锰电池084
2.4.1一次碱性锌锰电池085
2.4.2可充碱性锌锰电池090
2.5锌锰电池的现状与展望093
2.5.1现状093
2.5.2展望094
参考文献096

第3章锌银电池/098
3.1概述098
3.2锌银电池的电化学原理及类型099
3.2.1电化学原理099
3.2.2类型100
3.3锌电极103
3.3.1锌的阳极钝化103
3.3.2锌的阴极还原105
3.4氧化银电极106
3.4.1充放电特性106
3.4.2氧化银电极的自放电108
3.5锌银电池的制造方法109
3.5.1锌电极109
3.5.2银电极111
3.5.3隔膜113
3.5.4电解液浓度与用量的选择114
3.5.5电池的装配116
3.6锌银电池的性能117
3.6.1充放电性能117
3.6.2寿命119
3.7锌银电池的特点与用途121
参考文献123

第4章铅酸蓄电池/124
4.1概述124
4.2铅酸蓄电池的型号与分类126
4.2.1产品型号的含义126
4.2.2分类126
4.3铅酸蓄电池的基本结构128
4.3.1正、负极板128
4.3.2电解液129
4.3.3隔板和电池槽129
4.4工作原理129
4.5电池的电动势及温度系数130
4.5.1电池电动势的计算130
4.5.2电池电动势的温度系数133
4.6铅-硫酸水溶液的电势-pH图133
4.6.1电势-pH图及相关的反应134
4.6.2电势-pH图的应用136
4.7板栅137
4.7.1板栅的作用137
4.7.2对板栅材料的要求138
4.7.3铅合金材料139
4.7.4复合材料144
4.7.5其他板栅材料144
4.7.6板栅的构型145
4.8铅酸蓄电池的正极146
4.8.1正极活性物质二氧化铅的晶型结构及其性能146
4.8.2两种晶型的形成条件和转变148
4.8.3正极充放电机理148
4.8.4正极活性物质的性能变化150
4.8.5正极活性物质添加剂150
4.8.6正极板栅的腐蚀152
4.9铅酸蓄电池的负极154
4.9.1溶解-沉淀机理154
4.9.2铅电极的钝化154
4.9.3铅负极的自放电155
4.9.4负极添加剂155
4.9.5不可逆硫酸盐化及其防止方法157
4.10隔板和电池槽158
4.10.1隔板158
4.10.2电池槽及其密封技术159
4.10.3铅酸蓄电池的其他零部件160
4.11铅酸蓄电池的生产工艺161
4.11.1板栅铸造161
4.11.2生极板的制造163
4.11.3极板的化成165
4.11.4铅酸蓄电池的组装168
4.12铅酸蓄电池的性能168
4.12.1电池的内阻168
4.12.2充放电特性169
4.12.3电池的容量170
4.12.4荷电保持能力172
4.12.5耐久能力173
4.12.6失效模式173
4.13铅酸蓄电池的使用和维护174
4.14阀控式铅酸蓄电池176
4.14.1概述176
4.14.2工作原理176
4.14.3阀控式密封电池的两类技术177
4.14.4VRLA电池的新颖结构178
4.15超级铅酸蓄电池181
4.15.1发展历程181
4.15.2铅负极加碳的反应机理182
4.15.3类型183
4.16铅酸蓄电池的发展方向183
参考文献185

第5章碱性蓄电池/187
5.1镉镍电池187
5.1.1概述187
5.1.2分类与命名187
5.1.3工作原理190
5.1.4镉镍袋式碱性蓄电池194
5.1.5开口镉镍烧结式碱性蓄电池195
5.1.6镉镍密封碱性蓄电池199
5.2氢镍及金属氢化物镍蓄电池204
5.2.1氢镍蓄电池205
5.2.2金属氢化物镍蓄电池210
5.3其他碱性蓄电池235
5.3.1铁镍蓄电池235
5.3.2锌镍蓄电池237
参考文献242

第6章金属空气电池/244
6.1锌空气电池244
6.1.1概述244
6.1.2锌空气电池的分类245
6.1.3电池的型号及命名246
6.1.4电化学原理247
6.1.5锌空气电池的结构248
6.1.6空气电极249
6.1.7锌电极253
6.1.8电池生产工艺254
6.1.9主要性能及其影响因素258
6.1.10特点与用途260
6.1.11几种典型的锌空气电池262
6.1.12锌空气电池的研究进展与前景265
6.2其他金属空气电池275
6.2.1MH空气二次电池276
6.2.2镁空气电池276
6.2.3铝空气电池278
6.2.4镉空气电池281
6.2.5铁空气电池281
6.2.6锂(钠)空气电池283
6.2.7锂(钠)-CO2电池290
参考文献295

第7章锂电池/298
7.1概述298
7.2锂电池的分类300
7.2.1锂一次电池301
7.2.2锂离子二次电池307
7.3锂离子电池正极材料308
7.3.1锂钴氧化物311
7.3.2锂镍氧化物315
7.3.3锂锰氧化物317
7.3.4Li-V-O系化合物329
7.3.55V正极材料及聚阴离子正极材料330
7.3.6有机正极材料338
7.4锂离子电池负极材料344
7.4.1金属锂负极材料344
7.4.2碳负极材料345
7.4.3合金类负极材料360
7.4.4氮化物负极材料366
7.4.5氧化物负极材料367
7.4.6过渡金属磷族化合物负极材料372
7.5电解质374
7.5.1概述374
7.5.2液体电解质375
7.5.3固体电解质及熔融盐电解质384
7.6聚合物锂离子电池390
7.6.1聚合物锂离子电池的分类390
7.6.2聚合物锂离子电池的性能390
7.6.3聚合物锂离子电池的发展391
7.6.4聚合物电解质393
7.6.5聚合物正极材料406
7.6.6其他类型聚合物锂离子电池412
7.7隔膜及黏结剂414
7.7.1隔膜的性能414
7.7.2隔膜的性能表征415
7.7.3隔膜的制备方法417
7.7.4黏结剂419
7.8锂离子电池的制造420
7.8.1锂离子电池的结构420
7.8.2液体锂离子电池的生产422
7.8.3聚合物锂离子电池的生产423
7.8.4锂离子电池的化成和分选424
7.9锂离子电池的使用和维护424
7.10锂硫电池426
7.10.1基本反应原理426
7.10.2存在的问题428
7.10.3改进方法432
参考文献445

第8章燃料电池/452
8.1燃料电池与原电池、蓄电池的区别452
8.2燃料电池的特点454
8.3燃料电池的分类455
8.4燃料电池的发展简史456
8.5碱性燃料电池458
8.5.1原理458
8.5.2结构459
8.5.3应用462
8.6磷酸燃料电池464
8.6.1概述464
8.6.2PAFC的结构465
8.6.3应用467
8.7熔融碳酸盐燃料电池468
8.7.1概述468
8.7.2MCFC的结构469
8.7.3应用473
8.8固体氧化物燃料电池474
8.8.1概述474
8.8.2SOFC的结构475
8.8.3应用479
8.9质子交换膜燃料电池480
8.9.1概述480
8.9.2PEMFC部件482
8.9.3应用488
8.10直接甲醇燃料电池495
8.10.1工作原理495
8.10.2结构496
8.10.3应用499
8.11其他燃料电池502
8.11.1再生型燃料电池502
8.11.2生物燃料电池503
参考文献504

第9章其他电池/508
9.1镁电池508
9.1.1概述508
9.1.2镁二次电池材料510
9.1.3镁二次电池的开发524
9.1.4展望525
9.2钠硫电池525
9.2.1概述525
9.2.2工作原理526
9.2.3导电陶瓷隔膜527
9.2.4发展趋势529
9.3ZEBRA电池(Na-NiCl2电池)536
9.4固体电解质电池538
9.4.1概述538
9.4.2离子导电机理539
9.4.3常温固体电解质电池540
9.5钠离子电池541
9.5.1概述541
9.5.2正极材料543
9.5.3负极材料558
9.5.4电解液、黏结剂和添加剂576
9.5.5水系钠离子电池580
9.5.6钠离子电池固态电解质589
9.5.7钠离子电池器件59
29.6其他离子电池595
9.6.1钾离子电池595
9.6.2铝离子电池602
9.6.3氢离子（质子）电池606
9.7液流电池609
9.7.1概述609
9.7.2全钒液流电池610
9.7.3其他液-液型液流电池616
9.7.4Zn-Br液流电池618
9.7.5全沉积型铅酸液流电池619
9.7.6基于有机电极材料的水系液流电池620
9.7.7非水系液流电池627
9.7.8液流电池的应用630
9.8电化学电容器632
9.8.1电容器原理632
9.8.2双电层电容器635
9.8.3赝电容电化学电容器642
9.8.4混合型电化学电容器648
9.8.5电化学电容器的应用650
9.9储备电池651
9.9.1概述651
9.9.2典型储备电池652
9.10热电池655
9.10.1概述655
9.10.2特点及分类655
9.10.3组成与结构656
9.10.4工作原理658
9.10.5不同熔融盐电化学体系658
9.10.6热电池的使用和维护662
参考文献662