第1章緒論001 1.1能源簡介 001 1.1.1能源的定義與分類 001 1.1.2能源的重要性 002 1.1.3新能源主要類別簡介 002 1.1.4新能源儲存與轉(zhuǎn)化 008 1.2化學(xué)電源簡介 010 1.2.1一次電池 011 1.2.2二次電池 013 1.2.3金屬離子電池 014 1.2.4燃料電池 015 1.2.5太陽能電池 016 1.2.6超級電容器 017 1.2.7液流電池 018 參考文獻(xiàn) 019 第2章水系鋅離子電池概述022 2.1水系鋅離子電池的概念 022 2.1.1定義與背景 022 2.1.2發(fā)展歷程 023 2.1.3應(yīng)用場景 023 2.2水系鋅離子電池的構(gòu)成和工作原理 024 2.2.1基本構(gòu)成 024 2.2.2工作原理 025 2.3正極材料 025 2.3.1常見正極材料種類 025 2.3.2正極材料的性能優(yōu)化 029 2.3.3正極材料的挑戰(zhàn)與發(fā)展方向 029 2.4負(fù)極材料 030 2.4.1鋅基負(fù)極的特性與發(fā)展 030 2.4.2負(fù)極材料的性能改進(jìn)策略 031 2.4.3負(fù)極材料的挑戰(zhàn)與發(fā)展方向 032 2.5電解液 032 2.5.1典型電解液類型 032 2.5.2電解液的性能優(yōu)化 033 2.5.3電解液的挑戰(zhàn)與發(fā)展方向 034 2.6隔膜 034 2.6.1隔膜的功能與重要性 034 2.6.2常見隔膜材料 035 2.6.3隔膜的性能優(yōu)化 035 2.6.4隔膜的挑戰(zhàn)與發(fā)展方向 036 2.7外殼與整體設(shè)計 036 2.7.1外殼的設(shè)計原則與關(guān)鍵功能 036 2.7.2外殼材料與其性能優(yōu)化 037 2.8商用水系鋅離子電池的形狀與設(shè)計 037 2.8.1常見形狀及其特點 037 2.8.2電池設(shè)計的關(guān)鍵因素 037 2.8.3商用水系鋅離子電池的未來趨勢 038 參考文獻(xiàn) 039 第3章水系鋅離子電池正極材料041 3.1錳基正極材料 041 3.1.1材料種類 041 3.1.2錳氧化物的充放電機(jī)理 045 3.2釩基正極材料 047 3.2.1材料種類 048 3.2.2釩基正極材料儲能機(jī)理 051 3.3普魯士藍(lán)正極材料 054 3.4有機(jī)正極材料 055 3.4.1有機(jī)小分子正極材料 055 3.4.2共價有機(jī)框架正極材料 055 3.4.3聚合物正極材料 056 3.5金屬有機(jī)框架正極材料 056 3.6金屬有機(jī)配體衍生物正極材料 057 參考文獻(xiàn) 058 第4章水系鋅離子電池負(fù)極材料061 4.1水系鋅離子電池傳統(tǒng)金屬鋅負(fù)極材料 061 4.1.1金屬鋅負(fù)極的特性 061 4.1.2金屬鋅負(fù)極面臨的問題 062 4.2替代型負(fù)極材料研究 064 4.2.1碳基負(fù)極材料 064 4.2.2金屬化合物負(fù)極材料 064 4.2.3有機(jī)聚合物負(fù)極材料 065 4.3水系鋅離子電池負(fù)極材料與其他組件的協(xié)同作用 065 4.3.1與正極材料 065 4.3.2與電解質(zhì) 066 4.3.3與添加劑 066 4.4負(fù)極材料的主要反應(yīng)機(jī)理 067 4.4.1副反應(yīng)的種類和機(jī)理 067 4.4.2鋅枝晶形成機(jī)理 067 4.4.3電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理 068 4.4.4鋅離子的溶劑化結(jié)構(gòu) 068 4.5針對金屬鋅負(fù)極問題的改進(jìn)策略 070 4.5.1負(fù)極成分設(shè)計 070 4.5.2表面修飾 071 4.5.3結(jié)構(gòu)設(shè)計 071 4.5.4鋅粉末負(fù)極 072 4.5.53D打印鋅負(fù)極 073 4.5.6電解液改性 074 4.5.7其他策略 074 4.6水系鋅離子電池負(fù)極材料的研究挑戰(zhàn)與未來展望 075 參考文獻(xiàn) 076 第5章水系鋅離子電池電解液079 5.1水系電解液電化學(xué)基礎(chǔ) 079 5.1.1水系電解液熱力學(xué)和動力學(xué)基礎(chǔ) 079 5.1.2水系電解液的電化學(xué)穩(wěn)定窗口 081 5.2電解液類型 082 5.2.1無機(jī)鹽電解液 082 5.2.2有機(jī)鹽電解液 084 5.3水系電解液的優(yōu)化 084 5.3.1優(yōu)化目標(biāo) 084 5.3.2高濃度電解液 086 5.3.3功能添加劑 086 5.4電解液調(diào)控策略 088 5.4.1正極調(diào)控策略 088 5.4.2負(fù)極調(diào)控策略 091 5.5水凝膠電解質(zhì) 092 5.5.1交聯(lián)水凝膠電解質(zhì) 092 5.5.2生物相容性水凝膠電解質(zhì) 093 參考文獻(xiàn) 097 第6章水系鋅離子電池儲能機(jī)理099 6.1純Zn2+嵌入/脫出機(jī)理 099 6.1.1結(jié)構(gòu)水對Zn2+嵌入/脫出的影響 100 6.1.2金屬離子對Zn2+嵌入/脫出的影響 100 6.1.3有機(jī)分子對Zn2+嵌入/脫出的影響 101 6.2雙離子共嵌機(jī)理 101 6.2.1連續(xù)的Zn2+和H+共插入機(jī)理 101 6.2.2兩步進(jìn)行的Zn2+和H+插入機(jī)理 102 6.2.3Zn2+和其他離子共插入機(jī)理 102 6.3化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)機(jī)理 103 6.3.1陽離子和陰離子氧化還原反應(yīng)機(jī)理 103 6.3.2化學(xué)反應(yīng)溶解�渤练e機(jī)理 104 6.3.3反應(yīng)副產(chǎn)物對儲能的影響 105 6.4有機(jī)配位機(jī)理與雜化化學(xué)機(jī)理 105 參考文獻(xiàn) 106 第7章生物相容性水系鋅離子電池109 7.1生物相容性基本概念 109 7.2生物相容性電解質(zhì) 111 7.2.1生物相容性無機(jī)鹽電解質(zhì) 112 7.2.2生物相容性有機(jī)鹽電解質(zhì) 112 7.2.3生物相容性水凝膠電解質(zhì) 113 7.3生物相容性負(fù)極策略 114 7.3.1鋅負(fù)極枝晶抑制策略 114 7.3.2鋅負(fù)極穩(wěn)壓策略 115 7.4生物相容性電池包覆材料 116 7.5生物相容性水系鋅離子電池的應(yīng)用 117 參考文獻(xiàn) 117 第8章水系鋅離子電池器件開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用120 8.1水系鋅離子電池從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化 120 8.1.1從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化存在的主要問題與挑戰(zhàn) 120 8.1.2產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)概述 120 8.2電池衡量的關(guān)鍵指標(biāo) 121 8.2.1高負(fù)載量電極 121 8.2.2低的N/P比 128 8.2.3低的E/C比 131 8.3工業(yè)應(yīng)用策略探討 133 8.3.1提高商用電池的穩(wěn)定性 133 8.3.2提高商用電池的生產(chǎn)穩(wěn)定性 133 8.4水系鋅離子電池產(chǎn)業(yè)化的難點 134 8.4.1機(jī)理及技術(shù)難點 134 8.4.2關(guān)鍵材料量產(chǎn)問題 134 8.4.3電池規(guī)�；�生產(chǎn)問題 135 8.4.4成本問題 135 8.4.5市場接受度和占有量問題 135 8.5產(chǎn)業(yè)化技術(shù)指標(biāo) 135 8.5.1從紐扣電池到小軟包電池的轉(zhuǎn)變 136 8.5.2從軟包電池向工業(yè)電池的轉(zhuǎn)變 137 8.6基于市場需求的電池性能要求 138 8.6.1水系鋅離子電池成本要求相關(guān)的因素 138 8.6.2水系鋅離子電池在不同應(yīng)用場景下的綜合性能 138 參考文獻(xiàn) 139 第9章水系鋅離子電池電化學(xué)研究方法143 9.1水系鋅離子電池的制作 143 9.1.1紐扣式電池的制備 143 9.1.2軟包電池制備 143 9.2電化學(xué)動力學(xué)測試 145 9.2.1恒流間歇滴定法 145 9.2.2電化學(xué)阻抗測試 150 9.2.3循環(huán)伏安曲線 150 9.2.4塔菲爾曲線 152 9.3電化學(xué)性能測試 152 9.3.1循環(huán)伏安測試 153 9.3.2恒流充放電測試 154 9.4材料的理論計算 156 9.4.1電極材料的理論比容量計算 156 9.4.2基于DFT的差分電荷計算 157 9.4.3電荷密度和態(tài)密度計算 158 9.4.4離子吸附和遷移路徑能壘計算 159 9.4.5費(fèi)米能級計算 160 9.5電化學(xué)原位表征 161 9.5.1原位X射線粉末衍射 161 9.5.2原位傅里葉變換紅外光譜 163 9.5.3原位拉曼光譜 165 9.5.4原位X射線光電子能譜 167 9.5.5同步輻射表征 169 參考文獻(xiàn) 172 第10章水系鋅離子電池材料分析表征方法174 10.1材料的物化性能表征 174 10.1.1材料的電導(dǎo)率 174 10.1.2 材料的粒徑分析 176 10.1.3材料的密度 179 10.1.4材料的表面特性和接觸角 181 10.1.5電解液黏度測量 183 10.1.6材料的元素成分分析 185 10.2材料的結(jié)構(gòu)與組成分析 189 10.2.1傅里葉變換紅外光譜 189 10.2.2拉曼光譜分析 191 10.2.3X射線光電子能譜分析 193 10.2.4熱分析技術(shù) 195 10.3材料的形貌表征 197 10.3.1掃描電子顯微鏡 197 10.3.2投射電子顯微鏡 198 10.3.3原子力顯微鏡 198 10.3.4在正極材料研究中的應(yīng)用 198 10.3.5在鋅負(fù)極研究中的應(yīng)用（核心應(yīng)用） 199 10.3.6在電極制備與失效分析中的應(yīng)用 199 參考文獻(xiàn) 200