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| 內容簡介： |
《水系锌离子电池原理与关键技术》共10章，主要内容包括水系锌离子电池基础知识、正极材料、负极材料、电解液、生物相容性、表征研究方法、充放电机理、产业化应用、未来的展望与挑战等。本书兼具基础性与前沿性，既有大量实验数据和案例分析，又有对水系锌离子电池充放电机理、表征方法、工程化应用的深入剖析。
《水系锌离子电池原理与关键技术》基本涵盖了水系锌离子电池的全知识体系，可供新能源、化学、材料、环境相关领域的科技工作者参考，也可以作为高等学校相关专业高年级本科生和研究生的教学用书。
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| 目錄：
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第1章绪论001
1.1能源简介 001
1.1.1能源的定义与分类 001
1.1.2能源的重要性 002
1.1.3新能源主要类别简介 002
1.1.4新能源储存与转化 008
1.2化学电源简介 010
1.2.1一次电池 011
1.2.2二次电池 013
1.2.3金属离子电池 014
1.2.4燃料电池 015
1.2.5太阳能电池 016
1.2.6超级电容器 017
1.2.7液流电池 018
参考文献 019
第2章水系锌离子电池概述022
2.1水系锌离子电池的概念 022
2.1.1定义与背景 022
2.1.2发展历程 023
2.1.3应用场景 023
2.2水系锌离子电池的构成和工作原理 024
2.2.1基本构成 024
2.2.2工作原理 025
2.3正极材料 025
2.3.1常见正极材料种类 025
2.3.2正极材料的性能优化 029
2.3.3正极材料的挑战与发展方向 029
2.4负极材料 030
2.4.1锌基负极的特性与发展 030
2.4.2负极材料的性能改进策略 031
2.4.3负极材料的挑战与发展方向 032
2.5电解液 032
2.5.1典型电解液类型 032
2.5.2电解液的性能优化 033
2.5.3电解液的挑战与发展方向 034
2.6隔膜 034
2.6.1隔膜的功能与重要性 034
2.6.2常见隔膜材料 035
2.6.3隔膜的性能优化 035
2.6.4隔膜的挑战与发展方向 036
2.7外壳与整体设计 036
2.7.1外壳的设计原则与关键功能 036
2.7.2外壳材料与其性能优化 037
2.8商用水系锌离子电池的形状与设计 037
2.8.1常见形状及其特点 037
2.8.2电池设计的关键因素 037
2.8.3商用水系锌离子电池的未来趋势 038
参考文献 039
第3章水系锌离子电池正极材料041
3.1锰基正极材料 041
3.1.1材料种类 041
3.1.2锰氧化物的充放电机理 045
3.2钒基正极材料 047
3.2.1材料种类 048
3.2.2钒基正极材料储能机理 051
3.3普鲁士蓝正极材料 054
3.4有机正极材料 055
3.4.1有机小分子正极材料 055
3.4.2共价有机框架正极材料 055
3.4.3聚合物正极材料 056
3.5金属有机框架正极材料 056
3.6金属有机配体衍生物正极材料 057
参考文献 058
第4章水系锌离子电池负极材料061
4.1水系锌离子电池传统金属锌负极材料 061
4.1.1金属锌负极的特性 061
4.1.2金属锌负极面临的问题 062
4.2替代型负极材料研究 064
4.2.1碳基负极材料 064
4.2.2金属化合物负极材料 064
4.2.3有机聚合物负极材料 065
4.3水系锌离子电池负极材料与其他组件的协同作用 065
4.3.1与正极材料 065
4.3.2与电解质 066
4.3.3与添加剂 066
4.4负极材料的主要反应机理 067
4.4.1副反应的种类和机理 067
4.4.2锌枝晶形成机理 067
4.4.3电化学反应机理 068
4.4.4锌离子的溶剂化结构 068
4.5针对金属锌负极问题的改进策略 070
4.5.1负极成分设计 070
4.5.2表面修饰 071
4.5.3结构设计 071
4.5.4锌粉末负极 072
4.5.53D打印锌负极 073
4.5.6电解液改性 074
4.5.7其他策略 074
4.6水系锌离子电池负极材料的研究挑战与未来展望 075
参考文献 076
第5章水系锌离子电池电解液079
5.1水系电解液电化学基础 079
5.1.1水系电解液热力学和动力学基础 079
5.1.2水系电解液的电化学稳定窗口 081
5.2电解液类型 082
5.2.1无机盐电解液 082
5.2.2有机盐电解液 084
5.3水系电解液的优化 084
5.3.1优化目标 084
5.3.2高浓度电解液 086
5.3.3功能添加剂 086
5.4电解液调控策略 088
5.4.1正极调控策略 088
5.4.2负极调控策略 091
5.5水凝胶电解质 092
5.5.1交联水凝胶电解质 092
5.5.2生物相容性水凝胶电解质 093
参考文献 097
第6章水系锌离子电池储能机理099
6.1纯Zn2+嵌入/脱出机理 099
6.1.1结构水对Zn2+嵌入/脱出的影响 100
6.1.2金属离子对Zn2+嵌入/脱出的影响 100
6.1.3有机分子对Zn2+嵌入/脱出的影响 101
6.2双离子共嵌机理 101
6.2.1连续的Zn2+和H+共插入机理 101
6.2.2两步进行的Zn2+和H+插入机理 102
6.2.3Zn2+和其他离子共插入机理 102
6.3化学转化反应机理 103
6.3.1阳离子和阴离子氧化还原反应机理 103
6.3.2化学反应溶解 沉积机理 104
6.3.3反应副产物对储能的影响 105
6.4有机配位机理与杂化化学机理 105
参考文献 106
第7章生物相容性水系锌离子电池109
7.1生物相容性基本概念 109
7.2生物相容性电解质 111
7.2.1生物相容性无机盐电解质 112
7.2.2生物相容性有机盐电解质 112
7.2.3生物相容性水凝胶电解质 113
7.3生物相容性负极策略 114
7.3.1锌负极枝晶抑制策略 114
7.3.2锌负极稳压策略 115
7.4生物相容性电池包覆材料 116
7.5生物相容性水系锌离子电池的应用 117
参考文献 117
第8章水系锌离子电池器件开发与产业化应用120
8.1水系锌离子电池从实验室走向产业化 120
8.1.1从实验室走向产业化存在的主要问题与挑战 120
8.1.2产业化关键技术指标概述 120
8.2电池衡量的关键指标 121
8.2.1高负载量电极 121
8.2.2低的N/P比 128
8.2.3低的E/C比 131
8.3工业应用策略探讨 133
8.3.1提高商用电池的稳定性 133
8.3.2提高商用电池的生产稳定性 133
8.4水系锌离子电池产业化的难点 134
8.4.1机理及技术难点 134
8.4.2关键材料量产问题 134
8.4.3电池规模化生产问题 135
8.4.4成本问题 135
8.4.5市场接受度和占有量问题 135
8.5产业化技术指标 135
8.5.1从纽扣电池到小软包电池的转变 136
8.5.2从软包电池向工业电池的转变 137
8.6基于市场需求的电池性能要求 138
8.6.1水系锌离子电池成本要求相关的因素 138
8.6.2水系锌离子电池在不同应用场景下的综合性能 138
参考文献 139
第9章水系锌离子电池电化学研究方法143
9.1水系锌离子电池的制作 143
9.1.1纽扣式电池的制备 143
9.1.2软包电池制备 143
9.2电化学动力学测试 145
9.2.1恒流间歇滴定法 145
9.2.2电化学阻抗测试 150
9.2.3循环伏安曲线 150
9.2.4塔菲尔曲线 152
9.3电化学性能测试 152
9.3.1循环伏安测试 153
9.3.2恒流充放电测试 154
9.4材料的理论计算 156
9.4.1电极材料的理论比容量计算 156
9.4.2基于DFT的差分电荷计算 157
9.4.3电荷密度和态密度计算 158
9.4.4离子吸附和迁移路径能垒计算 159
9.4.5费米能级计算 160
9.5电化学原位表征 161
9.5.1原位X射线粉末衍射 161
9.5.2原位傅里叶变换红外光谱 163
9.5.3原位拉曼光谱 165
9.5.4原位X射线光电子能谱 167
9.5.5同步辐射表征 169
参考文献 172
第10章水系锌离子电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材料的电导率 174
10.1.2 材料的粒径分析 176
10.1.3材料的密度 179
10.1.4材料的表面特性和接触角 181
10.1.5电解液黏度测量 183
10.1.6材料的元素成分分析 185
10.2材料的结构与组成分析 189
10.2.1傅里叶变换红外光谱 189
10.2.2拉曼光谱分析 191
10.2.3X射线光电子能谱分析 193
10.2.4热分析技术 195
10.3材料的形貌表征 197
10.3.1扫描电子显微镜 197
10.3.2投射电子显微镜 198
10.3.3原子力显微镜 198
10.3.4在正极材料研究中的应用 198
10.3.5在锌负极研究中的应用（核心应用） 199
10.3.6在电极制备与失效分析中的应用 199
参考文献 200
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| 內容試閱：
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在全球能源结构转型和“碳达峰、碳中和”战略目标的推动下，发展高效、安全、可持续的储能技术已成为科学界和产业界的共同使命。锂离子电池因其高能量密度和成熟的商业化应用，在过去几十年中主导了储能市场。然而，锂资源的稀缺性、高成本以及有机电解液的可燃性等问题，限制了其在大型储能、可穿戴设备及生物医疗等领域的进一步应用。因此，开发新型储能体系，尤其是基于丰富资源、高安全性和环境友好特性的电池技术，成为当前研究的重点。
水系锌离子电池（aqueous zinc?ion batteries，AZIBs）因其独特的优势近年来备受关注。首先，锌金属储量丰富、成本低廉，且具有较高的理论容量（820 mA·h/g或 5855 mA·h/cm3）。其次，水系电解液不易燃、无毒，大幅提高了电池的安全性，并降低了封装和运输成本。此外，锌离子（Zn2+）的二电子转移特性使其在储能过程中展现出较高的能量密度。这些优势使水系锌离子电池在电网储能、柔性电子、可穿戴设备及生物医学等领域具有广阔的应用前景。
然而，水系锌离子电池的发展仍面临诸多挑战。在正极材料方面，锌离子嵌入/脱出过程中易导致结构坍塌，影响循环稳定性；在负极方面，锌枝晶的生长和析氢副反应会降低电池的可逆性和寿命；在电解液方面，如何拓宽电化学窗口并抑制副反应仍需深入研究。此外，电池的产业化应用仍面临成本控制、规模化制造及长期稳定性等实际问题。因此，系统梳理水系锌离子电池的基础理论、关键材料、表征方法和应用前景，对推动该领域的发展具有重要意义。为了系统总结该领域的研究进展，推动水系锌离子电池技术的进一步发展，我们撰写了这本《水系锌离子电池原理与关键技术》。
本书旨在为读者提供全面、系统的水系锌离子电池知识体系。全书首先从新能源基础知识入手，帮助读者夯实理论基础；随后详细介绍了水系锌离子电池的基本原理、关键材料（正极、负极、电解液）的设计与优化策略，以及生物相容性等特色研究方向；同时，本书对表征研究方法、充放电机理等科学问题进行了深入剖析，并结合实际案例探讨了产业化应用的现状与挑战；最后，本书对水系锌离子电池的未来发展趋势进行了展望，以期为读者提供前瞻性的视角。
本书在撰写过程中注重理论与实践的结合，既包含基础概念的清晰阐述，又融入了领域内的最新研究进展和技术突破。本书兼具基础性与前沿性，既系统介绍了电化学和水系锌离子电池的基础理论，又深入探讨了最新研究进展和关键技术。书中结合大量实验数据和案例分析，使读者能够全面了解该领域的研究现状和发展趋势。书中内容涵盖了从材料设计、机理研究到工程化应用的完整链条，力求为读者呈现一幅水系锌离子电池研究的全景图。
本书可供从事电化学储能研究的科研人员、工程技术人员参考，同时可作为新能源、化学、材料、环境等相关专业的高年级本科生和研究生的教学用书。我们希望通过本书的出版，能够促进水系锌离子电池领域的学术交流和技术创新，为推动绿色能源的发展贡献一份力量。
本书的完成要感谢多位老师及研究生的帮助与参与。全书由尹成杰和胡劲松老师负责内容的设计和定稿工作，本书第1章、第6章、第8章和第10章由尹成杰负责，第2章由李志雄负责，第3章由沈赢雪负责，第4章由侯伟朋负责，第5章由牛源萍负责，第7章由贾锐负责，第9章由李兰负责。
本书撰写过程中，我们参考了大量国内外同行的重要研究成果，在此致以诚挚的谢意。由于水系锌离子电池领域发展迅速，加之著者水平有限，书中难免存在疏漏或不妥之处，恳请广大读者批评指正。
著者
2025年9月
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