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| 編輯推薦： |
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本书是全面系统介绍硫化物全固态电池技术的专业图书，作者为中科院物理研究所吴凡教授。本书是“先进储能科学技术与工业应用丛书”（丛书主编：李泓）的一个分册。★全固态电池技术特点与优势★全固态电池全球企业动态与商业化进程★固态电解质离子输运机理★硫化物固态电解质材料★硫化物固态电解质材料的物理化学性能★硫化物电解质/电池干法制备工艺★硫化物电解质/电池湿法制备工艺★硫化物固态电解质与正极材料的界面问题★硫化物固态电解质与负极材料的界面问题★硫化物全固态电池的发展趋势与展望
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| 內容簡介： |
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全固态电池因安全性高和能量密度高等优点，已成为下一代储能技术的关键发展方向。本书共分为9章，三大部分。第一部分详述固态离子导体的离子传输机理和基础理论，并系统性地总结和介绍全球范围内的固态电池研发进展，在此基础上引出本书第二部分，也即主旨内容—硫化物全固态电池体系。第二部分主要从材料（硫化物固态电解质材料、正极材料、负极材料），到界面（正极、负极材料与硫化物固态电解质之间的界面），最后到电芯（硫化物全固态电池的组装制备工艺和性能），介绍硫化物全固态电池，层层提升、循序渐进，力求对硫化物全固态电池领域的基础科学和工艺问题进行全方位的总结和展示。第三部分对硫化物全固态电池发展进行了总结与展望。本书不仅适合从事动力电池（特别是锂电池、全固态电池）的研发人员、技术人员和管理人员参考，也可供高等学校储能科学与工程、能源与环境系统工程、电力工程、新能源科学与工程、电化学等相关专业的师生参考。
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| 關於作者： |
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吴凡，男 国家特聘专家（国家海外高层次人才引进计划）； 中科院海外杰出人才引进计划； 中国科学院物理研究所：特聘研究员、博士生导师 中科院物理所长三角研究中心：科学家工作室主任 天目湖先进储能技术研究院：首席科学家 2011年获浙江大学材料学学士学位，2014年获美国北卡州立大学材料学博士学位，2014-2016年在普林斯顿大学开展博士后研究，2016-2018年在哈佛大学从事博士后及研究员工作。主要研究方向为先进能源材料（包括储能和能源转换两方面）。2019年1月正式入职中国科学院物理研究所清洁能源实验室（北京）。在中科院物理所长三角研究中心（江苏溧阳）、天目湖先进储能技术研究院（江苏溧阳）成立科学家工作室。目前主要研究方向为全固态电池及固态电解质的基础科学及产业化应用研究。至2020年9月，在国际高水平期刊发表SCI论文50篇，专著两部，申请美国科技发明专利3项，中国科技发明专利11项，国际科技发明专利2项。担任IEEE储能材料专家委员会常务理事（standingdirector），Bentham科学出版社《Nanoscience&Nanotechnology-Asia》杂志策划编辑，《物理学报》“固态电池专刊”客座编辑、《储能科学与技术》“固态离子学与储能专刊”客座编辑、PiscoMed科学出版社《CompositeMaterialsResearch》杂志和Elsevier出版社《DatainBrief》杂志编委会委员。2020年获国家军委科技委全国未来储能技术挑战赛全国优胜奖（ 高奖）。作为项目负责人主持中科院百人计划研究项目1项，江苏省重点研发计划重点项目1项，国家自然科学基金面上项目1项，北京市自然科学基金面上项目1项，天目湖先进储能技术研究院科学家工作室研究项目1项，华为战略前瞻性研发项目1项。作为课题负责人承担国家自然科学基金重点研发项目1项，江苏省新型研发机构项目1项，江苏省战略性新兴产业发展专项资金项目1项。入选/获评天目湖英才榜C类人才、常州市突出贡献人才、中科院海外杰出人才引进计划B类择优、国家特聘专家（国家海外高层次人才引进计划）等。
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| 目錄：
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第1章 全固态电池概况及研发现状 1
1.1 全固态电池定义和分类 1
1.2 全固态电池技术特点和优势 3
1.3 全固态电池的国家和地区政策规划 5
1.3.1 中国 5
1.3.2 美国 6
1.3.3 欧洲 6
1.3.4 日本和韩国 6
1.4 全固态电池技术文献计量分析 7
1.4.1 整体发展态势 7
1.4.2 主要国家和地区分析 8
1.4.3 主要内容分析 8
1.5 全球企业动态与商业化进程 11
1.5.1 中国 11
1.5.2 美国 14
1.5.3 欧洲 15
1.5.4 日本和韩国 16
参考文献 18
第2章 固态电解质离子输运机理 19
2.1 离子扩散规律 19
2.1.1 Fick定律—扩散现象的描述 20
2.1.2 Einstein-Smoluchowski等式—热运动扩散的描述 20
2.1.3 Nernst-Einstein关系—离子在外场下的运动 21
2.1.4 扩散系数及扩散系数间的关系 23
2.2 离子输运的机理 27
2.2.1 基于单原子跃迁的输运机制 28
2.2.2 多原子参与的输运机制 31
2.2.3 界面体系的离子扩散 33
2.3 离子电导率的影响因素 37
2.3.1 温度与离子电导率的关系 37
2.3.2 移动离子价态、半径和浓度与离子电导率的关系 38
2.3.3 晶体结构与离子电导率的关系 39
2.3.4 缺陷与离子电导率的关系 41
2.3.5 晶界与离子电导率的关系 41
2.3.6 玻璃网络结构与离子电导率的关系 42
2.4 离子输运的测试方法 43
2.4.1 示踪原子法 44
2.4.2 电化学方法 44
2.4.3 核磁共振法 47
2.4.4 准弹性中子散射 50
2.4.5 μ子自旋弛豫 51
参考文献 51
第3章 硫化物固态电解质材料 57
3.1 概述 57
3.2 玻璃态硫化物电解质 60
3.2.1 Li2S-P2S5体系 60
3.2.2 Li2S-SiS2体系 64
3.2.3 Li2S-GeS2体系 66
3.2.4 Li2S-B2S3体系 67
3.2.5 玻璃态电解质小结 69
3.3 玻璃陶瓷态硫化物电解质 69
3.3.1 结构和离子传导 69
3.3.2 玻璃陶瓷态电解质小结 72
3.4 晶态硫化物电解质 72
3.4.1 硫代锂超离子导体 73
3.4.2 硫银锗矿型硫化物电解质 77
3.4.3 LGPS体系 79
3.4.4 层状硫化物电解质 82
3.4.5 锂硼硫晶态电解质 83
参考文献 84
第4章 硫化物固态电解质材料的物理化学性能 93
4.1 离子电导率 93
4.1.1 晶态材料 93
4.1.2 非晶态材料 96
4.2 电子电导率 98
4.3 电化学稳定窗口 98
4.4 化学稳定性 101
4.4.1 空气稳定性 101
4.4.2 与有机溶剂的稳定性 106
4.4.3 与锂/钠金属负极的稳定性 107
4.4.4 与正极活性材料的稳定性 109
4.5 热稳定性 113
4.5.1 材料热稳定性 113
4.5.2 界面热稳定性 115
4.6 力学性能 115
参考文献 117
第5章 硫化物电解质/电池干法制备工艺 125
5.1 硫化物固态电解质的干法制备 125
5.1.1 熔融淬冷法 125
5.1.2 高能球磨法 130
5.1.3 高能球磨与固相烧结联用 135
5.1.4 固相烧结法 136
5.2 硫化物全固态电池的干法制备 138
5.2.1 粉末压片 138
5.2.2 干法制膜 139
参考文献 148
第6章 硫化物电解质/电池湿法制备工艺 156
6.1 概述 156
6.2 硫化物固态电解质液相参与的合成和加工方法 158
6.2.1 硫化物固态电解质的液相合成 159
6.2.2 硫化物固态电解质的溶液工艺 170
6.2.3 硫化物固态电解质的浆料工艺 174
6.3 液相参与的基于硫化物复合电极和固态电解质层的合成和加工 178
6.3.1 复合电极 178
6.3.2 固态电解质层 199
6.3.3 液相参与的基于硫化物全固态电池的加工 206
参考文献 211
第7章 硫化物固态电解质与正极材料的界面问题 220
7.1 正极活性材料/硫化物固态电解质界面问题 220
7.1.1 空间电荷层 220
7.1.2 界面元素互扩散 231
7.1.3 界面反应 232
7.1.4 正极活性材料体积变化 236
7.2 正极活性材料/硫化物固态电解质界面问题解决办法 237
7.2.1 硫化物固态电解质改性 238
7.2.2 正极包覆 238
7.2.3 正极层与电解质层界面优化 244
7.2.4 制备碳基纳米复合正极 247
参考文献 247
第8章 硫化物固态电解质与负极材料的界面问题 252
8.1 锂金属负极/硫化物固态电解质界面问题及解决方法 252
8.1.1 界面问题 252
8.1.2 界面问题解决方法 255
8.2 硅负极/硫化物固态电解质界面问题及解决方法 258
8.2.1 界面问题 258
8.2.2 界面问题解决方法 259
8.3 石墨负极/硫化物固态电解质界面问题及解决方法 262
8.3.1 界面问题 262
8.3.2 界面问题解决方法 265
参考文献 267
第9章 硫化物全固态电池的发展趋势与展望 270
9.1 硫化物全固态电池应用场景和市场预测 270
9.2 硫化物全固态电池发展趋势 271
9.2.1 材料体系创新 271
9.2.2 制造工艺升级 272
9.2.3 技术发展路线图 273
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| 內容試閱：
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电动汽车、电动轮船、电动飞机、轨道交通、智能建筑、智能制造、通信基站、数据中心、工业节能、国家安全、智能电网、能源互联网、可再生能源等的发展推动着我国能源革命和能源结构的转变，而支撑这一转变的共性关键技术之一便是储能技术，储能技术关系到我国的能源安全。储能技术是第三次工业革命的关键技术之一，对电力和能源系统的“发、输、变、配、用”等各环节都具有重要支撑作用：可实现常规电力削峰填谷，提高电力系统效率、安全性和经济性，具有平滑输出、调峰调频和提供备用容量的作用，可改善电能质量；有利于实现可再生能源发电大规模接入，改善能源结构，有效解决弃风、弃光问题；还将改变传统电力系统的运行和管理模式，提高能源利用效率，带动上下游产业，开拓电力系统发展的新增长点，对电力行业发展和经济社会全局具有深远影响。另外，储能还可以提高可再生能源等清洁能源发电比率，减少化石燃料消耗及污染物排放，有效推动环境治理，大规模推广应用储能技术有助于解决雾霾治理问题，可有效改善生态及人居环境。因此，储能技术已经发展成为具有强大增长动力的新兴产业，是各国竞相发展的战略性产业。选择先进储能技术作为能源领域的优先方向，对提升我国能源综合利用效率，推动环境治理，带动多个新兴产业发展，具有重大的战略性、基础性和前瞻性意义。
在交通领域储能技术方面，新能源汽车是当前我国优先发展的支柱性产业，担负着保障国家能源安全、降低环境污染和汽车行业快速发展等多重责任。动力电池是新能源汽车的“心脏”，我国高度重视动力电池产业的发展。工业和信息化部组织汽车行业、重点高校、整车和动力电池主要生产企业开展专题研究，会同国家发展改革委、科技部、财政部等有关部门联合印发《促进汽车动力电池产业发展行动方案》，明确提出加强新体系动力电池研究，2025年单体电池比能量达500瓦时每公斤，且产品安全性满足大规模使用需求。然而，目前商用动力电池仍面临两大难题：安全性差和能量密度低。这是由于液态电解质易泄漏、易燃，从而引发电池燃烧起火甚至爆炸，而且现有锂离子电池正、负极以及液态电解质体系已经达到了能量密度的瓶颈。因此，采用不燃的固态电解质替代商用电解液，一方面从根本上保证了锂离子电池的安全性，另一方面简化电池构建步骤、省去大量非活性材料，还使采用锂金属负极成为可能（抑制锂枝晶），极大地提升了电池的能量密度。所以，具有高安全性、高能量密度和高功率密度的全固态锂（离子）电池体系成为世界范围内锂电池研究方向的研究热点和前沿领域，也是车用动力电池和储能电池重要的发展方向。
目前有三条技术路线可以生产全固态电池：聚合物、氧化物、硫化物。聚合物固态电解质接触性良好、加工工艺成熟，与现有生产设备和技术兼容，是目前实现固态电池量产的有效途径，但其热稳定性差、电化学窗口窄、离子电导率低，严重限制了其发展。氧化物固态电解质稳定性良好，能与氧化物正极材料兼容，但氧化物固态电解质室温电化学性能不理想（如室温电导率低）、颗粒硬度大、机械延展性差，颗粒间接触及其与电极材料界面接触不理想。因此，低离子电导率与高界面阻抗使氧化物固态电解质不适合用于高功率器件，目前常用于固液混合体系。硫化物固态电解质在较低温度下即可合成，机械延展性优良（较软），与电极界面物理接触良好，并且室温离子电导率较高，已达到甚至超过商用锂离子电解液电导率的水平。因此，硫化物是未来实现全固态电池生产最有希望的材料体系，具有极强的战略重要性。然而，我国在硫化物全固态电池领域布局相对较晚，在基础科学研究方面相对薄弱。日本、美国、德国、韩国都大力布局硫化物全固态电池领域的基础科研和产业化研发，我国在硫化物固态电解质材料的原始创新研发、硫化物固态电解质材料与正负极材料的兼容匹配以及硫化物全固态电池的制备工艺等关键技术领域都较落后于这些国家。如果不及时布局，硫化物全固态电池的关键技术极有可能发展为“卡脖子”技术，后果十分严重。
为夯实我国在硫化物全固态电池方面的科学基础，加速我国在该领域的整体进展，在国际上占领硫化物全固态电池开发的主动权，迫切需要展开原创性基础科学研究，并需要对硫化物固态电解质及硫化物全固态电池展开全面布局，提高研发效率。基于此，为夯实我国在硫化物全固态电池方面的科学基础，加速我国在该领域中的整体研究进展，在国际上占领硫化物全固态电池开发的主动权，取得新能源汽车领域的优势地位，笔者及其团队对硫化物固态电解质及全固态电池展开了全面布局，积极推进原创性基础科学及产业化研究，并将多年来的科研成果进行系统梳理总结，以供相关人员参考。本书直面我国能源战略重大需求，对固态离子导体的离子传输机理和基础理论进行深入探讨，系统性地总结了全球范围内固态电池的研发进展和不同材料体系，从材料、界面、电芯三个层面，层层提升、循序渐进地介绍了硫化物全固态电池的关键技术，将该领域的基础科学和工艺问题进行全方位的总结和展示，为有志于研发或实际从事硫化物全固态电池应用的科研学者及产业同行提供理论指导和技术支撑。本书的出版将对增强相关科研成果转化和创新，破解共性问题和瓶颈技术具有推动作用，并能全面促进我国硫化物全固态电池的产业化进程，具有极强的战略重要性和经济价值，也有助于推动我国电池行业和新能源汽车行业的高质量发展，助力构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系，并推动“双碳”目标的实现。本书内容翔实丰富，涵盖了硫化物全固态电池的主要方面，兼顾关键科学理论与实际工程应用，深入浅出地介绍了硫化物全固态电池及关键材料的工作原理和特性，力争反映该领域的最新研究进展。本书参编者皆为硫化物全固态电池领域一线研究者，在此感谢参与编写的全体同志！
由于编者理论水平和实际经验有限，书中难免存在疏漏之处，敬请广大读者批评指正。
吴凡
2025年3月20日
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