1.《固态电化学》属“十二五”国家重点图书、国家科学技术学术著作出版基金资助出版。

　　2.《固态电化学》作者在该学科领域成绩突出，硕果累累。本书首次全面系统地阐述了固态电化学原理、方法及其在化学电源体系的应用，学术价值高，指导意义强。

　　3.《固态电化学》除了介绍有关固态电化学的基础知识体系应用外，还在材料结构分析，材料的电子/离子输运过程及其材料的模拟计算分析等颇费笔墨，相信对于化学类研究生补充相关的基础理论知识定有帮助。

　　固态电化学学科是一门新兴的交叉学科，它主要关注固体中电化学反应过程及其相关材料构效关系。本书主要介绍固态电化学所涉及的物理、化学与材料相关的基础理论知识，实验研究方法，体系应用及其今后发展趋势。全书共分为12章，内容包括固态电极/电解质材料合成方法（包括相关的实验方法和技术）、固态材料结构分析、固态材料中的缺陷化学、固态电子结构与电子电导、固态离子输运过程及其特性、无机离子导体材料、聚合物电解质、离子嵌入脱出反应、氧离子导体及混合导体、材料物理与化学性质的计算机模拟、固态电化学研究方法（包括一些新型的表征技术等）。
　　本书可供相关学科科研与技术研发的科研工作者与工程技术人员参考，也可作为高校化学、物理、材料、化工、能源、环境等学科本科生或研究生的教学参考书。

　　杨勇，教授/博导，主要研究方向为能源电化学，材料物理化学与表面物理化学。近年研究工作主要侧重在研究新型锂离子电池电极材料及其表面性能、纳米半导体与纳米电极材料、复合聚合物电解质材料及其电极/电解质固/固界面性能的研究。目前主持在研承担国家973计划课题及国防973子专题等多项科研项目。

版权信息
序
前言
第1章 绪论
参考文献
第2章 固态电极/电解质材料制备方法与技术
2.1 气相制备法
2.2 液相制备法
2.3 固相制备法
2.4 球形颗粒制备方法
2.5 相关实验技术
参考文献
第3章 固态材料结构基础
3.1 晶体的对称
3.2 晶体化学
3.3 晶体结构
3.4 X射线衍射技术
3.5 结构表征
参考文献
第4章 缺陷化学基础及其应用
4.1 引言
4.2 点缺陷的分类和表示方法
4.3 点缺陷的表示方法
4.4 固溶体及补偿机制
4.5 缺陷浓度的影响因素（分压、掺杂等）
4.6 缺陷表征方法
4.7 电化学相关材料中缺陷结构的分析实例
参考文献
第5章 固态电子结构和电子电导基础
5.1 能带的概念
5.2 金属、半导体、绝缘体、半金属、half-metal
5.3 材料中原子的相互作用力、杂化轨道
5.4 电子有效质量、电子状态密度
5.5 费米能级、费米分布函数
5.6 Jahn-Teller效应
5.7 电极材料中电子电导的经典理论
5.8 玻尔兹曼方程和金属电导
5.9 纳米材料的特性、非晶体、玻璃碳
5.10 表面电子态和界面态
5.11 铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性
5.12 典型锂离子电池正极材料的电子结构
5.13 典型锂离子电池正极材料的电导
参考文献
第6章 固态离子输运过程及其特性
6.1 扩散的概念——布朗运动与扩散
6.2 描述扩散的理论模型Fick定律［1～4］
6.3 固体中原子/离子扩散过程的基本分析
6.4 固体中离子扩散的机制
6.5 扩散的类型及特点
6.6 复杂体系及界面体系的离子扩散特征
6.7 电子电导与离子电导的特性与区分
6.8 固体中原子/离子扩散的相关因子［1］

6.9 离子扩散过程的影响因素（温度及压力的影响）
6.10 外场作用下离子的扩散过程［1］

6.11 固态离子扩散特性及其应用
6.12 离子扩散系数的测定与研究方法［1～8］

6.13 固态材料中离子电化学扩散系数的测定
参考文献
第7章 无机固体电解质材料及其应用
7.1 无机固体Li+导体
7.2 钠离子导体材料
7.3 无机质子导体材料
参考文献
第8章 聚合物电解质
8.1 引言
8.2 聚合物电解质的分类及其特点
8.3 聚合物电解质的结构及离子输运机理
8.4 全固态聚合物电解质
8.5 胶体电解质体系
8.6 聚合物电解质的应用
参考文献
第9章 嵌脱反应与锂离子电池
9.1 引言
9.2 嵌入脱出反应热力学
9.3 嵌入脱出反应动力学
9.4 实用电极材料的嵌脱过程
参考文献
第10章 氧离子导体及其应用
10.1 引言
10.2 氧离子导体结构及传输特性
10.3 氧离子导体的应用
参考文献
第11章 锂离子电池电极材料的理论模拟
11.1 材料模拟计算的理论基础
11.2 密度泛函理论
11.3 经典分子动力学和Car-Parrinello方法
11.4 锂离子电池电极材料电压平台的计算
11.5 锂离子脱嵌过程中的相稳定性及结构演化
11.6 材料相变的理论描述
11.7 电极材料的稳定性分析
11.8 电极材料中的离子迁移
11.9 电极材料的结构预测方法
参考文献
第12章 固态电极/电解质材料的表征技术
12.1 电化学表征技术
12.2 光子衍射技术
12.3 高分辨扫描电镜及透射电镜技术
12.4 热分析
12.5 微分电化学质谱
12.6 固体核磁共振波谱技术
12.7 扫描微探针技术
12.8 原位红外和拉曼光谱技术
参考文献

　　前言
　　固体电极/电解质材料是电化学科学与工程研究与应用的基本构成单元，认识这些固态电极/电解质材料的合成、物理化学特性及其所发生的基础物理化学过程是深入开展相关电化学基础研究与应用研究的重要前提条件。例如化学电源 （亦称电池，含原电池、蓄电池及燃料电池等）是电化学科学与工程研究的核心内容，它主要涉及电化学的能源储存与转换过程，不仅可以是一种大规模能源的提供装置，同时也是易于携带的能源系统，因此在人们日常生活与工作中得到大规模的应用。尤其是在移动信息系统、绿色能源交通工具及其可再生能源利用（如太阳能与风能的调峰储存利用）起到关键性的作用。然而高性能电池的发展，需要建立在坚实的基础与应用基础研究工作的基础上。
　　固态电化学学科是一门新兴的学科，它主要是关注固体中电化学反应过程及其相关材料结构与性能的关系的一门学科，涉及多个学科的基础知识和研究方法，是一门典型的交叉学科。例如固态电化学就涉及材料固态物理、固态化学、材料科学与表面科学等多个学科的基础理论知识和研究方法，与物理学中固态离子学有着许多类似与相通之处。本书主要介绍固态电化学所涉及物理、化学相关的基础理论知识，实验研究方法，体系应用及其今后发展趋势。全书共分为12章，第1章介绍固态电化学的发展历史及其综合性的参考文献。第2章介绍固态电极/电解质材料合成方法（包括相关的实验方法和技术）。第3章介绍固体材料分析的基础知识，如晶体的对称、结构与X射线分析表征的基本知识。第4章介绍与固态电化学密切相关的缺陷化学知识，包括点缺陷的基本原理（形成、分类及表示方法）、缺陷浓度的影响因素、缺陷的迁移和离子扩散、缺陷表征方法。第5章介绍固态电子结构（如能带结构）与电子电导的理论基础知识。第6章介绍固态离子输运过程及其特性，主要介绍有关固态扩散的类型、特点及其机制，侧重在概念的描述、分析及其实验测量方法。第7章介绍与固态电化学应用密切相关的几种无机类阳离子（Li+，Na+，H+）与超离子导体材料。第8章介绍聚合物电解质的基础（如材料组成、结构、性质及其应用）等方面的知识。第9章介绍了离子嵌入脱出反应的基本原理和在锂离子电池方面的应用，特别是锂离子在过渡金属化合物和碳材料中嵌入脱出的热力学和动力学过程。第10章介绍高温氧离子导体及其混合导体基础与应用。第11章介绍锂离子电池电极材料的物理和电化学性质的计算机模拟知识。第12章主要介绍在固态电化学研究中常用的一些电化学方法与物理表征技术，尤其
　　近年发展较快的同步辐射吸收谱技术与核磁共振谱技术等。全书的分工如下：第1，6 章由杨勇负责撰写；第2章由李益孝、陈慧鑫负责撰写；第3章由宓锦校负责撰写；第4章由龚正良、朱昌宝负责撰写；第5，11章由朱梓忠、吴顺情负责撰写；第7，10章由龚正良负责撰写；第8章由路密负责撰写；第9章由张忠如负责撰写；第12章由杨勇组织撰写，李劼、王嗣慧、吴晓彪、冀亚娟、林忞、陈慧鑫、钟贵明、王大为、刘豪东等参与撰写。杨勇负责全书的规划、协调及大部分章节的修改统稿，其中施志聪、程琥、卞锋菊、郑时尧、吴珏、郑碧珠、张建华等参与撰写、修改或资料整理。
　　本书能够顺利出版，得益于杨裕生院士、李永舫院士与南开大学陈军教授对本书的大力推荐，感谢国家科学技术学术著作出版基金的资助，感谢化学工业出版社的支持以及相关工作人员的辛勤付出，笔者对此表示深深地致谢。借此机会，也深深感谢我的研究生导师林祖赓教授以及厦门大学电化学研究所的各位前辈老师与同事们对我的长期教导、培养与帮助，感谢许多前辈、朋友们在我教学科研的不同阶段所给予的提携、关怀、指点与帮助。感谢我课题组已经毕业的60余名博士后、博士/硕士研究生及目前在学的20余名研究生对课题组研究工作成果的贡献与付出，因而使得我能够在化学电源及其固态电化学学科开展广泛的涉猎与探索。感谢家人对我在业余时间专注于教学科研工作的支持与理解。本书部分素材取自我在厦门大学物理化学专业开设的“固态电化学导论”课程内容，同时，在过去30余年里所在课题组的研究工作得到国家自然科学基金委、科技部、总装备部以及厦门大学的大力支持和慷慨相助，使得我们能够对相关学科与科研领域有更为深刻的认识与见解，从而希望通过这本书的出版将这些粗浅的见解、积累与文献总结与广大读者分享。
　　由于固态电化学仍处于早期的发展阶段，许多理论模型与实验方法仍在不断地发展与完善阶段。尽管我们希望尽力为读者呈现这一新兴学科的基本概貌及其发展趋势，但由于学识有限，加上高校的教学科研工作繁忙，常疲惫于不同角色的转换中，书中难免有疏漏与不妥之处，还希望书籍出版后得到相关专家与读者的批评指正。
　　杨勇
　　2016.10

　　现代电化学科学的基础理论、研究方法及电化学技术的应用近年来发展非常迅速，如电化学相关技术已发展并应用拓展到许多高技术领域（如电子信息、可再生能源利用与生物医药等领域），同时在学科发展与应用的过程中，也融合了许多学科领域的知识与内涵而将电化学科学与技术研究领域进一步拓宽与加深。在这些发展中，化学电源，或者称能源电化学（即传统的电池领域，如锂离子电池和燃料电池）近二十年的发展特别引人注目，甚至在某种程度上也带动了电化学科学与技术的复兴与发展。
　　化学电源体系（如不同的原电池、蓄电池及燃料电池体系，单电池与电池组等）的发展与多个学科及工程技术（如化学、物理科学、材料科学、电子学及化学工程）的发展密切相关，其所牵涉的科学与技术问题是一类典型的学科交叉问题。但追根溯源，化学电源体系毕竟是一种电化学反应体系，是一种化学能向电能的转化或是化学能与电能之间的可逆转化过程，本质上是发生在固态电极体相内部或在电极/电解质界面的电化学过程。若能深入开展这些体系相关的材料与电化学过程研究，对新型电化学体系的开拓，促进现有化学电源体系的持续发展将具有重要的指导意义。
　　我们知道化学电源（电池）作为一个能源转化与储存装置，其性能参数包括比能量、比功率、循环寿命和安全性等等。而化学电源的这些性能除了与电化学体系特点有关外，与电池材料（含电极、电解质及隔膜材料）的发展密切相关，甚至可以认为一代新型电极材料支撑一代新型化学电源的发展。这其中包括新型材料的制备方法及其合成技术研究，电极/电解质材料的模拟设计，材料（微）结构与性能的构效关系与规律，材料结构表征方法［尤其是原位（in-situ）方法］的运用与发展研究等，同时也包括从时间、空间对相应电极过程的深入理解与表征，其中又包括了对相应电子/离子/分子传输过程的认识与理解。
　　例如在高能锂离子电池及镍金属氢化物电池体系，电极反应过程中均包含了在固态电极体相及其表/界面的离子/电子传输-交换过程及其相互耦合的过程（如Li+与H+的传输过程）。而在直接甲醇燃料电池工作时，在所使用的质子交换膜中就包括了质子与水或H2、O2及甲醇的共同传输过程。这些基本的离子、电子、分子传输过程及其传输机理对电池电化学性能（尤其是电极动力学过程）有着至关重要的影响。因此准确认识固态电极（材料）的离子/电子输运-交换过程及其耦合机理，尤其是在多尺度层次上研究与认识不同材料中离子/电子输运-交换过程及其耦合机理非常重要，理解材料的结构（尤其是微结构）对这些过程的影响或是材料结构与性能的构效关系等非常重要。而上面所述的许多问题的解析都离不开固态电化学的理论和方法。
　　固态电化学应该是关注固体中电化学反应过程及其相关材料结构与性能关系的一门学科，在物理学领域也有一个相对应的学科——固态离子学。目前这两个学科并无严格的区分，而且固态离子学在国际学术界的影响似乎更大些（每两年均有相应的国际固态离子学会议召开，有专门的刊物如《Solid State Ionics》、《Ionics》等，我国每两年也会固定召开一次全国固态离子学年会）。固态电化学学科虽然已有一份专门的刊物《J.Solid State Electrochemistry》，但影响相对较小。正如许多物理与化学学科的差别一样，如固态物理与固态化学虽然有些相似，但差别仍在。与固态离子学相比，可认为固态电化学研究应更强调固态电极材料的合成、结构分析及固态电极内部或是固态电极/电解质固-固界面的电化学反应过程，固态电极材料（微）结构及固体电解质中离子-电子输运过程对电化学反应过程的影响机制等。
　　固态电化学的起源与发展可以追溯到法拉第时代，法拉第（Faraday）最先发现最早的固体电解质PbF2、Ag2S具有很奇特的离子电导性能，如1838年法拉第在实验中将其串联进放置电灯的闭合电路［2］，加热电解质，则灯变亮，冷却电解质，则灯变暗。进一步的实验测量表明，PbF2的电导率在20℃时为10-7S/cm，400℃时为1S/cm，后者的电导率已经和普通导体相当。以后人们又陆续发现掺Y2O3的ZrO2以及AgI具有良好的离子电导率等。20世纪70年代发现室温下能够快速导通Na+的快离子导体（即NaSICON，Na super-ionic conductor），使得Na-S 电池具有商业化的价值。在固体电解质这条研究主线上，现在已经发现多种导通不同阴阳离子的导体。除了无机固体电解质以外，有机聚合物电解质的发现也为燃料电池及锂离子电池的发展奠定了重要的基础。