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 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負極材料 030 2.4.1鋅基負極的特性與發(fā)展 030 2.4.2負極材料的性能改進策略 031 2.4.3負極材料的挑戰(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外殼與整體設計 036 2.7.1外殼的設計原則與關鍵功能 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計 037 2.8.1常見形狀及其特點 037 2.8.2電池設計的關鍵因素 037 2.8.3商用水系鋅離子電池的未來趨勢 038 參考文獻 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理 051 3.3普魯士藍正極材料 054 3.4有機正極材料 055 3.4.1有機小分子正極材料 055 3.4.2共價有機框架正極材料 055 3.4.3聚合物正極材料 056 3.5金屬有機框架正極材料 056 3.6金屬有機配體衍生物正極材料 057 參考文獻 058 第4章水系鋅離子電池負極材料061 4.1水系鋅離子電池傳統(tǒng)金屬鋅負極材料 061 4.1.1金屬鋅負極的特性 061 4.1.2金屬鋅負極面臨的問題 062 4.2替代型負極材料研究 064 4.2.1碳基負極材料 064 4.2.2金屬化合物負極材料 064 4.2.3有機聚合物負極材料 065 4.3水系鋅離子電池負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負極材料的主要反應機理 067 4.4.1副反應的種類和機理 067 4.4.2鋅枝晶形成機理 067 4.4.3電化學反應機理 068 4.4.4鋅離子的溶劑化結(jié)構(gòu) 068 4.5針對金屬鋅負極問題的改進策略 070 4.5.1負極成分設計 070 4.5.2表面修飾 071 4.5.3結(jié)構(gòu)設計 071 4.5.4鋅粉末負極 072 4.5.53D打印鋅負極 073 4.5.6電解液改性 074 4.5.7其他策略 074 4.6水系鋅離子電池負極材料的研究挑戰(zhàn)與未來展望 075 參考文獻 076 第5章水系鋅離子電池電解液079 5.1水系電解液電化學基礎 079 5.1.1水系電解液熱力學和動力學基礎 079 5.1.2水系電解液的電化學穩(wěn)定窗口 081 5.2電解液類型 082 5.2.1無機鹽電解液 082 5.2.2有機鹽電解液 084 5.3水系電解液的優(yōu)化 084 5.3.1優(yōu)化目標 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 097 第6章水系鋅離子電池儲能機理099 6.1純Zn2+嵌入/脫出機理 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有機分子對Zn2+嵌入/脫出的影響 101 6.2雙離子共嵌機理 101 6.2.1連續(xù)的Zn2+和H+共插入機理 101 6.2.2兩步進行的Zn2+和H+插入機理 102 6.2.3Zn2+和其他離子共插入機理 102 6.3化學轉(zhuǎn)化反應機理 103 6.3.1陽離子和陰離子氧化還原反應機理 103 6.3.2化學反應溶解�渤练e機理 104 6.3.3反應副產(chǎn)物對儲能的影響 105 6.4有機配位機理與雜化化學機理 105 參考文獻 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生物相容性無機鹽電解質(zhì) 112 7.2.2生物相容性有機鹽電解質(zhì) 112 7.2.3生物相容性水凝膠電解質(zhì) 113 7.3生物相容性負極策略 114 7.3.1鋅負極枝晶抑制策略 114 7.3.2鋅負極穩(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用 117 參考文獻 117 第8章水系鋅離子電池器件開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應用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)化關鍵技術指標概述 120 8.2電池衡量的關鍵指標 121 8.2.1高負載量電極 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機理及技術難點 134 8.4.2關鍵材料量產(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)化技術指標 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的因素 138 8.6.2水系鋅離子電池在不同應用場景下的綜合性能 138 參考文獻 139 第9章水系鋅離子電池電化學研究方法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電化學動力學測試 145 9.2.1恒流間歇滴定法 145 9.2.2電化學阻抗測試 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費米能級計算 160 9.5電化學原位表征 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 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 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用 198 10.3.5在鋅負極研究中的應用（核心應用） 199 10.3.6在電極制備與失效分析中的應用 199 參考文獻 200