《新型固態(tài)電池電解質(zhì)材料與應(yīng)用》以電化學(xué)能源存儲技術(shù)為主線，系統(tǒng)總結(jié)了近年來電化學(xué)能源存儲技術(shù)領(lǐng)域的研究成果與實踐經(jīng)驗，詳細(xì)介紹了固態(tài)電解質(zhì)材料的合成方法、表征技術(shù)，以及在金屬電池性能測試中的關(guān)鍵作用。全書主要內(nèi)容為：固態(tài)鋰/鈉離子電池固體電解質(zhì)概述、固態(tài)電解質(zhì)制備與表征技術(shù)、新型電解質(zhì)材料在固態(tài)鋰離子電池中的應(yīng)用、新型固態(tài)電解質(zhì)的應(yīng)用前景和未來挑戰(zhàn)。同時，本書廣泛參考了國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的權(quán)威學(xué)術(shù)資料，全面展示了該領(lǐng)域的前沿進展與創(chuàng)新成果。本書可供電化學(xué)儲能和固態(tài)材料相關(guān)領(lǐng)域科研、工程和管理人員參考，也適合高等學(xué)校化學(xué)、材料科學(xué)、物理學(xué)等專業(yè)的師生參閱。
隨著全球經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展以及能源需求的不斷增加，清潔能源和可再生能源的研究與應(yīng)用已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。為了加速新型儲能技術(shù)的發(fā)展，國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見》，明確提出大規(guī)模儲能是國家的戰(zhàn)略重點。
為了高效、安全地實現(xiàn)這一目標(biāo)，必須在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上持續(xù)進行創(chuàng)新。能量存儲技術(shù)主要分為物理能量存儲和化學(xué)能量存儲。物理能量存儲方式，如抽水蓄能、壓縮空氣蓄能和飛輪蓄能，雖然應(yīng)用廣泛，但普遍面臨占地面積大和初期投資高等問題。相比之下，電化學(xué)儲能作為一種將能量轉(zhuǎn)化為化學(xué)能并加以儲存的新方法，展現(xiàn)出更大的靈活性和環(huán)境適應(yīng)性，且更易于實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。在電化學(xué)能量存儲領(lǐng)域，鋰離子電池憑借其高能量密度、長循環(huán)壽命和良好的回收性，已成為主流選擇。
鋰離子電池的基本構(gòu)成包括正極、負(fù)極、隔膜和電解液：電解液負(fù)責(zé)離子的傳輸和電流的導(dǎo)通，而隔膜則保護正負(fù)極，防止短路。然而，在充放電過程中，鋰金屬在沉積時容易形成枝晶，造成隔膜穿孔等安全隱患，因此，固態(tài)電解質(zhì)體系應(yīng)運而生。固態(tài)電解質(zhì)不僅能夠與高能量密度的正極材料相匹配，同時可替代傳統(tǒng)石墨負(fù)極的金屬鋰，也有助于提升電池的整體能量密度。因此，開發(fā)具有高離子電導(dǎo)率、高遷移數(shù)、寬電位窗口、優(yōu)良循環(huán)性能和高容量保持率的固態(tài)電解質(zhì)，成為推動儲能技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。本書第1章詳細(xì)介紹了固態(tài)鋰離子電池和鈉離子電池的基本工作原理、優(yōu)勢以及傳統(tǒng)和新型電解質(zhì)材料，特別是無機、有機聚合物和金屬有機框架（MOFs）、共價有機框架（COFs）等新型固體電解質(zhì)的特性和應(yīng)用前景。作為電池的關(guān)鍵組件，固態(tài)電解質(zhì)的發(fā)展直接推動了固態(tài)電池技術(shù)的進步。盡管目前已有多種類型的固態(tài)電解質(zhì)在實際應(yīng)用中取得了一定成功，但普遍存在離子電導(dǎo)率和遷移數(shù)不高的問題。因此，亟須進一步研發(fā)實用且可進行商業(yè)化生產(chǎn)的新型固態(tài)電解質(zhì)。在本書第3章至第8章詳細(xì)討論了各種電解質(zhì)材料的制備、結(jié)構(gòu)表征及其在固態(tài)鋰離子電池中的電化學(xué)性能，包括離子電導(dǎo)率、離子遷移數(shù)、電化學(xué)窗口和循環(huán)穩(wěn)定性。
本書由內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)(第一單位)張瑤和赤峰學(xué)院車海冰共同撰寫。其中，張瑤負(fù)責(zé)第2~8章的撰寫與全書插圖和文獻的整理工作;車海冰負(fù)責(zé)第1章、第9章的撰寫工作。
本書在實驗及出版過程中，得到國家自然科學(xué)基金項目(22165021)、內(nèi)蒙古自治區(qū)教育廳一流學(xué)科科研專項項目(YLXKZX-NGD-050)、內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金面上項目(2025MS02009)的資助。
著者廣泛參考了國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的權(quán)威學(xué)術(shù)資料，在此對相關(guān)學(xué)者表示由衷感謝！
由于著者水平及時間所限，書中不妥之處在所難免，歡迎廣大讀者批評指正。
著者
2025年1月
張瑤，工學(xué)博士，副教授，碩士生導(dǎo)師。2018年入選自治區(qū)新世紀(jì)321人才工程第三層次。自 2010 年以來，從事能源存儲器件正、負(fù)極材料的制備及其電化學(xué)性能的研究，并在超級電容器用第四周期過渡金屬化合物材料和碳基材料的設(shè)計與制備等方面取得了一定的成果。2018年至今，致力于高離子電導(dǎo)率固態(tài)電解質(zhì)以及高性能全固態(tài)電池鋰離子電池的研究與性能探索，尤其在有機金屬骨架、共價有機框架結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計及制備方面積累了扎實的研究基礎(chǔ)，并取得了一定的創(chuàng)新成果。
第1章 固態(tài)電解質(zhì)基礎(chǔ) 001
1.1 固態(tài)鋰/鈉離子電池 003
1.1.1 固態(tài)鋰離子電池的工作原理 003
1.1.2 固態(tài)鋰離子電池的優(yōu)勢 003
1.1.3 固態(tài)鈉離子電池的工作原理 004
1.1.4 固態(tài)鈉離子電池的優(yōu)勢 004
1.2 傳統(tǒng)固態(tài)電解質(zhì)材料 005
1.2.1 傳統(tǒng)鋰離子固態(tài)電解質(zhì) 005
1.2.2 傳統(tǒng)鈉離子固態(tài)電解質(zhì) 006
1.3 新型金屬有機框架固態(tài)電解質(zhì) 015
1.3.1 金屬有機框架簡介 015
1.3.2 新型金屬有機框架鋰離子固態(tài)電解質(zhì) 018
1.3.3 新型金屬有機框架鈉離子固態(tài)電解質(zhì) 020
1.4 新型共價有機框架固態(tài)電解質(zhì) 022
1.4.1 共價有機框架簡介 022
1.4.2 新型共價有機框架鋰離子固態(tài)電解質(zhì) 023
1.4.3 新型共價有機框架鈉離子固態(tài)電解質(zhì) 025
第2章 鋰/鈉離子電池固態(tài)電解質(zhì)制備與表征測試技術(shù) 029
2.1 固態(tài)電解質(zhì)的制備技術(shù) 031
2.1.1 物理混合法 031
2.1.2 化學(xué)沉積法 031
2.1.3 溶膠-凝膠法 032
2.1.4 高溫固相法 032
2.1.5 其他制備方法 033
2.2 結(jié)構(gòu)特性表征測試技術(shù) 034
2.2.1 X射線衍射（XRD）分析 034
2.2.2 傅里葉紅外光譜（FT-IR）分析 034
2.2.3 X射線光電子能譜（XPS）分析 034
2.2.4 固態(tài)核磁碳譜（13CSSNMR）分析 034
2.2.5 掃描電子顯微鏡（SEM）分析 035
2.2.6 透射電子顯微鏡（TEM）分析 035
2.2.7 熱重（TG）分析 035
2.2.8 比表面積和孔徑分布（BET）分析 035
2.3 電化學(xué)性能測試技術(shù) 035
2.3.1 電化學(xué)阻抗譜（EIS）035
2.3.2 線性掃描伏安法（LSV）036
2.3.3 鋰離子遷移數(shù)（tLi ）測試 036
2.3.4 循環(huán)伏安（CV）測試 036
2.3.5 鋰的剝離電鍍測試 036
2.3.6 鋰和電解質(zhì)對界面的穩(wěn)定性測試 036
2.3.7 循環(huán)性能測試 037
2.3.8 倍率性能測試 037
第3章 鉿基UiO-66 電解質(zhì)在固態(tài)鋰離子電池中的應(yīng)用 039
3.1 鉿基UiO-66電解質(zhì)膜的制備 042
3.1.1 鉿基UiO-66（HMOFs）的制備 042
3.1.2 Li/鉿基UiO-66（HLMOFs）的制備 043
3.1.3 Li/鉿基UiO-66電解質(zhì)膜（Li/HLMOFs）的制備 043
3.2 鉿基UiO-66材料的結(jié)構(gòu)及形貌表征 044
3.2.1 鉿基UiO-66類材料的XRD分析 044
3.2.2 鉿基UiO-66類材料的FT-IR分析 045
3.2.3 鉿基UiO-66類材料的SEM 分析 046
3.2.4 鉿基UiO-66類材料的XPS分析 047
3.2.5 鉿基UiO-66類材料的BET分析 049
3.3 鉿基UiO-66型電解質(zhì)膜的電化學(xué)性能分析 051
3.3.1 Li/HLMOFs電解質(zhì)膜的離子電導(dǎo)率及其活化能分析 051
3.3.2 Li/HLMOFs電解質(zhì)膜的離子遷移數(shù)及其電位窗口分析 051
3.3.3 Li/HLMOFs電解質(zhì)膜的界面穩(wěn)定性分析 054
3.3.4 Li/HLMOFs電解質(zhì)膜的循環(huán)性能及倍率性能分析 056
第4章 MOF-808（Zr）基電解質(zhì)在固態(tài)鋰離子電池中的應(yīng)用 059
4.1 MOF-808（Zr）基電解質(zhì)膜的制備 061
4.1.1 MOF-808（Zr）的制備 061
4.1.2 MOF-808（Zr）-Li的制備 061
4.1.3 MOF-808（Zr）-Li電解質(zhì)膜的制備 062
4.2 MOF-808（Zr）基材料的結(jié)構(gòu)及形貌表征 062
4.2.1 MOF-808（Zr）基材料的XRD分析 062
4.2.2 MOF-808（Zr）基材料的SEM 分析 063
4.2.3 MOF-808（Zr）基材料的XPS分析 064
4.2.4 MOF-808（Zr）基材料的BET分析 065
4.3 MOF-808（Zr）基電解質(zhì)膜電化學(xué)性能測試 065
4.3.1 Li/MOF-808-Li電解質(zhì)膜的離子電導(dǎo)率、活化能、離子遷移數(shù)和電位窗口分析 065
4.3.2 Li/MOF-808-Li電解質(zhì)膜的界面穩(wěn)定性分析 066
4.3.3 Li/MOF-808-Li電解質(zhì)膜的循環(huán)性能及倍率性能分析 067
第5章 間苯二胺COFs 基電解質(zhì)在固態(tài)鋰離子電池中的應(yīng)用 069
5.1 TpMa類電解質(zhì)膜的制備 071
5.1.1 TpMa的制備 071
5.1.2 TpDa的制備 072
5.1.3 TpDa-Li的制備 072
5.1.4 TpMa、TpDa和TpDa-Li電解質(zhì)膜的制備 072
5.2 TpMa類材料的結(jié)構(gòu)及形貌表征 073
5.2.1 TpMa類材料的XRD分析 073
5.2.2 TpMa類材料的FT-IR分析 074
5.2.3 TpMa類材料的XPS分析 076
5.2.4 TpMa類材料的13CSSNMR分析 078
5.2.5 TpMa類材料的SEM 分析 078
5.2.6 TpMa類材料的TG分析 078
5.2.7 TpMa類材料的BET分析 081
5.3 TpMa類電解質(zhì)膜的電化學(xué)性能測試 082
5.3.1 TpMa類電解質(zhì)膜的離子電導(dǎo)率分析 082
5.3.2 TpMa類電解質(zhì)膜的遷移數(shù)和電化學(xué)窗口分析 084
5.3.3 TpMa類電解質(zhì)膜的剝離電鍍分析 085
5.3.4 TpMa類電解質(zhì)膜的循環(huán)性能以及倍率性能分析 087
第6章 MOF-74（Mg）基電解質(zhì)在固態(tài)鈉離子電池中的應(yīng)用 093
6.1 MOF-74（Mg）基電解質(zhì)膜的制備 095
6.1.1 MOF-74（Mg）的制備 095
6.1.2 Na/MOF-74的制備 096
6.1.3 Na/MOF-74（Mg）電解質(zhì)膜的制備 096
6.2 MOF-74（Mg）基材料的結(jié)構(gòu)及形貌表征 096
6.2.1 MOF-74（Mg）基材料的XRD分析 096
6.2.2 MOF-74（Mg）基材料的BET分析 097
6.2.3 MOF-74（Mg）基材料的FT-IR分析 097
6.2.4 MOF-74（Mg）基材料的XPS分析 099
6.2.5 MOF-74（Mg）基材料的SEM 分析 099
6.2.6 MOF-74（Mg）基材料的TG分析 102
6.3 MOF-74（Mg）基電解質(zhì)膜的電化學(xué)性能測試 102
6.3.1 Na/MOF-74（Mg）電解質(zhì)膜的離子電導(dǎo)率分析 102
6.3.2 Na/MOF-74（Mg）電解質(zhì)膜的離子遷移數(shù)分析 103
6.3.3 Na/MOF-74（Mg）電解質(zhì)膜的電化學(xué)窗口分析 104
6.3.4 Na/MOF-74（Mg）電解質(zhì)膜對鈉穩(wěn)定性分析 105
6.3.5 Na/MOF-74（Mg）電解質(zhì)膜的循環(huán)穩(wěn)定性及倍率性能分析 106
第7章 雙配體MOF-74（Mg）基電解質(zhì)在固態(tài)鈉離子電池中的應(yīng)用 109
7.1 雙配體MOF-74（Mg）基電解質(zhì)膜的制備 112
7.1.1 雙配體MOF-74（Mg）的制備 112
7.1.2 Na/雙配體MOF-74（Mg）的制備 112
7.1.3 Na/雙配體MOF-74（Mg）電解質(zhì)膜的制備 112
7.2 雙配體MOF-74（Mg）材料的結(jié)構(gòu)及形貌表征 113
7.2.1 雙配體MOF-74（Mg）的XRD分析 113
7.2.2 雙配體MOF-74（Mg）及Na/雙配體MOF-74（Mg）電解質(zhì)膜的FT-IR分析 113
7.2.3 雙配體MOF-74（Mg）的BET分析 114
7.2.4 雙配體MOF-74（Mg）的SEM 分析 116
7.2.5 雙配體MOF-74（Mg）和Na/雙配體MOF-74（Mg）電解質(zhì)膜的XPS分析 117
7.2.6 雙配體MOF-74（Mg）的TG分析 118
7.3 雙配體MOF-74（Mg）基電解質(zhì)膜的電化學(xué)性能測試 119
7.3.1 Na/雙配體MOF-74（Mg）電解質(zhì)膜的離子電導(dǎo)率分析 119
7.3.2 Na/雙配體MOF-74（Mg）電解質(zhì)膜的離子遷移數(shù)及電化學(xué)窗口分析 121
7.3.3 Na/雙配體MOF-74（Mg）電解質(zhì)膜的對鈉穩(wěn)定性分析 121
7.3.4 Na/BMOF-2電解質(zhì)膜的循環(huán)穩(wěn)定性及倍率性能分析 123
第8章 雙金屬MOF-74（Mg/Cu）基電解質(zhì)在固態(tài)鈉離子電池中的應(yīng)用 127
8.1 雙金屬MOF-74（Mg/Cu）基電解質(zhì)膜的制備 130
8.1.1 MOF-74（Mg/Cu）的制備 130
8.1.2 Na/MOF-74（Mg/Cu）的制備 130
8.1.3 Na/MOF-74（Mg/Cu）電解質(zhì)膜的制備 131
8.2 雙金屬MOF-74（Mg/Cu）材料的結(jié)構(gòu)及形貌表征 131
8.2.1 MOF-74（Mg/Cu）基材料的XRD分析 131
8.2.2 MOF-74（Mg/Cu）基材料的FT-IR分析 132
8.2.3 MOF-74（Mg/Cu）基材料的TG分析 133
8.2.4 MOF-74（Mg/Cu）基材料的XPS分析 134
8.2.5 MOF-74（Mg/Cu）基材料的SEM 分析 135
8.3 雙金屬/MOF-74（Mg/Cu）基電解質(zhì)膜的電化學(xué)性能測試 137
8.3.1 Na/MOF-74（Mg/Cu）電解質(zhì)膜的離子電導(dǎo)率分析 137
8.3.2 Na/MOF-74（Mg/Cu）電解質(zhì)膜離子遷移數(shù)及電化學(xué)窗口分析 138
8.3.3 Na/CMOF-2電解質(zhì)膜的對鈉穩(wěn)定性分析 139
8.3.4 Na/CMOF-2電解質(zhì)膜的循環(huán)穩(wěn)定性及倍率性能分析 141
第9章 新型固態(tài)電解質(zhì)面臨的挑戰(zhàn)與未來展望 143
9.1 面臨的挑戰(zhàn) 145
9.1.1 制約材料電導(dǎo)率的因素 150
9.1.2 材料穩(wěn)定性與界面問題 152
9.1.3 制造工藝的復(fù)雜性 155
9.1.4 材料合成與環(huán)境問題 157
9.1.5 經(jīng)濟性與實用性提升 158
9.2 未來發(fā)展趨勢 158
9.2.1 新型材料的研發(fā)方向 158
9.2.2 制備技術(shù)的創(chuàng)新與優(yōu)化 162
9.2.3 固態(tài)電池在電動汽車與儲能領(lǐng)域的應(yīng)用前景 164
9.3 科研與產(chǎn)業(yè)化結(jié)合的思考 167
參考文獻 171
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