随着全球经济的持续发展以及能源需求的不断增加，清洁能源和可再生能源的研究与应用已成为不可逆转的趋势。为了加速新型储能技术的发展，国家发展和改革委员会、国家能源局联合发布了《关于加快推动新型储能发展的指导意见》，明确提出大规模储能是国家的战略重点。
为了高效、安全地实现这一目标，必须在现有技术的基础上持续进行创新。能量存储技术主要分为物理能量存储和化学能量存储。物理能量存储方式，如抽水蓄能、压缩空气蓄能和飞轮蓄能，虽然应用广泛，但普遍面临占地面积大和初期投资高等问题。相比之下，电化学储能作为一种将能量转化为化学能并加以储存的新方法，展现出更大的灵活性和环境适应性，且更易于实现大规模应用。在电化学能量存储领域，锂离子电池凭借其高能量密度、长循环寿命和良好的回收性，已成为主流选择。
锂离子电池的基本构成包括正极、负极、隔膜和电解液：电解液负责离子的传输和电流的导通，而隔膜则保护正负极，防止短路。然而，在充放电过程中，锂金属在沉积时容易形成枝晶，造成隔膜穿孔等安全隐患，因此，固态电解质体系应运而生。固态电解质不仅能够与高能量密度的正极材料相匹配，同时可替代传统石墨负极的金属锂，也有助于提升电池的整体能量密度。因此，开发具有高离子电导率、高迁移数、宽电位窗口、优良循环性能和高容量保持率的固态电解质，成为推动储能技术发展的关键所在。本书第1章详细介绍了固态锂离子电池和钠离子电池的基本工作原理、优势以及传统和新型电解质材料，特别是无机、有机聚合物和金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）等新型固体电解质的特性和应用前景。作为电池的关键组件，固态电解质的发展直接推动了固态电池技术的进步。尽管目前已有多种类型的固态电解质在实际应用中取得了一定成功，但普遍存在离子电导率和迁移数不高的问题。因此，亟须进一步研发实用且可进行商业化生产的新型固态电解质。在本书第3章至第8章详细讨论了各种电解质材料的制备、结构表征及其在固态锂离子电池中的电化学性能，包括离子电导率、离子迁移数、电化学窗口和循环稳定性。
本书由内蒙古工业大学(第一单位)张瑶和赤峰学院车海冰共同撰写。其中，张瑶负责第2~8章的撰写与全书插图和文献的整理工作;车海冰负责第1章、第9章的撰写工作。
本书在实验及出版过程中，得到国家自然科学基金项目(22165021)、内蒙古自治区教育厅一流学科科研专项项目(YLXKZX-NGD-050)、内蒙古自治区自然科学基金面上项目(2025MS02009)的资助。
著者广泛参考了国内外相关领域的权威学术资料，在此对相关学者表示由衷感谢！
由于著者水平及时间所限，书中不妥之处在所难免，欢迎广大读者批评指正。
著者
2025年1月
第1章 固态电解质基础 001
1.1 固态锂/钠离子电池 003
1.1.1 固态锂离子电池的工作原理 003
1.1.2 固态锂离子电池的优势 003
1.1.3 固态钠离子电池的工作原理 004
1.1.4 固态钠离子电池的优势 004
1.2 传统固态电解质材料 005
1.2.1 传统锂离子固态电解质 005
1.2.2 传统钠离子固态电解质 006
1.3 新型金属有机框架固态电解质 015
1.3.1 金属有机框架简介 015
1.3.2 新型金属有机框架锂离子固态电解质 018
1.3.3 新型金属有机框架钠离子固态电解质 020
1.4 新型共价有机框架固态电解质 022
1.4.1 共价有机框架简介 022
1.4.2 新型共价有机框架锂离子固态电解质 023
1.4.3 新型共价有机框架钠离子固态电解质 025
第2章 锂/钠离子电池固态电解质制备与表征测试技术 029
2.1 固态电解质的制备技术 031
2.1.1 物理混合法 031
2.1.2 化学沉积法 031
2.1.3 溶胶-凝胶法 032
2.1.4 高温固相法 032
2.1.5 其他制备方法 033
2.2 结构特性表征测试技术 034
2.2.1 X射线衍射（XRD）分析 034
2.2.2 傅里叶红外光谱（FT-IR）分析 034
2.2.3 X射线光电子能谱（XPS）分析 034
2.2.4 固态核磁碳谱（13CSSNMR）分析 034
2.2.5 扫描电子显微镜（SEM）分析 035
2.2.6 透射电子显微镜（TEM）分析 035
2.2.7 热重（TG）分析 035
2.2.8 比表面积和孔径分布（BET）分析 035
2.3 电化学性能测试技术 035
2.3.1 电化学阻抗谱（EIS）035
2.3.2 线性扫描伏安法（LSV）036
2.3.3 锂离子迁移数（tLi ）测试 036
2.3.4 循环伏安（CV）测试 036
2.3.5 锂的剥离电镀测试 036
2.3.6 锂和电解质对界面的稳定性测试 036
2.3.7 循环性能测试 037
2.3.8 倍率性能测试 037
第3章 铪基UiO-66 电解质在固态锂离子电池中的应用 039
3.1 铪基UiO-66电解质膜的制备 042
3.1.1 铪基UiO-66（HMOFs）的制备 042
3.1.2 Li/铪基UiO-66（HLMOFs）的制备 043
3.1.3 Li/铪基UiO-66电解质膜（Li/HLMOFs）的制备 043
3.2 铪基UiO-66材料的结构及形貌表征 044
3.2.1 铪基UiO-66类材料的XRD分析 044
3.2.2 铪基UiO-66类材料的FT-IR分析 045
3.2.3 铪基UiO-66类材料的SEM 分析 046
3.2.4 铪基UiO-66类材料的XPS分析 047
3.2.5 铪基UiO-66类材料的BET分析 049
3.3 铪基UiO-66型电解质膜的电化学性能分析 051
3.3.1 Li/HLMOFs电解质膜的离子电导率及其活化能分析 051
3.3.2 Li/HLMOFs电解质膜的离子迁移数及其电位窗口分析 051
3.3.3 Li/HLMOFs电解质膜的界面稳定性分析 054
3.3.4 Li/HLMOFs电解质膜的循环性能及倍率性能分析 056
第4章 MOF-808（Zr）基电解质在固态锂离子电池中的应用 059
4.1 MOF-808（Zr）基电解质膜的制备 061
4.1.1 MOF-808（Zr）的制备 061
4.1.2 MOF-808（Zr）-Li的制备 061
4.1.3 MOF-808（Zr）-Li电解质膜的制备 062
4.2 MOF-808（Zr）基材料的结构及形貌表征 062
4.2.1 MOF-808（Zr）基材料的XRD分析 062
4.2.2 MOF-808（Zr）基材料的SEM 分析 063
4.2.3 MOF-808（Zr）基材料的XPS分析 064
4.2.4 MOF-808（Zr）基材料的BET分析 065
4.3 MOF-808（Zr）基电解质膜电化学性能测试 065
4.3.1 Li/MOF-808-Li电解质膜的离子电导率、活化能、离子迁移数和电位窗口分析 065
4.3.2 Li/MOF-808-Li电解质膜的界面稳定性分析 066
4.3.3 Li/MOF-808-Li电解质膜的循环性能及倍率性能分析 067
第5章 间苯二胺COFs 基电解质在固态锂离子电池中的应用 069
5.1 TpMa类电解质膜的制备 071
5.1.1 TpMa的制备 071
5.1.2 TpDa的制备 072
5.1.3 TpDa-Li的制备 072
5.1.4 TpMa、TpDa和TpDa-Li电解质膜的制备 072
5.2 TpMa类材料的结构及形貌表征 073
5.2.1 TpMa类材料的XRD分析 073
5.2.2 TpMa类材料的FT-IR分析 074
5.2.3 TpMa类材料的XPS分析 076
5.2.4 TpMa类材料的13CSSNMR分析 078
5.2.5 TpMa类材料的SEM 分析 078
5.2.6 TpMa类材料的TG分析 078
5.2.7 TpMa类材料的BET分析 081
5.3 TpMa类电解质膜的电化学性能测试 082
5.3.1 TpMa类电解质膜的离子电导率分析 082
5.3.2 TpMa类电解质膜的迁移数和电化学窗口分析 084
5.3.3 TpMa类电解质膜的剥离电镀分析 085
5.3.4 TpMa类电解质膜的循环性能以及倍率性能分析 087
第6章 MOF-74（Mg）基电解质在固态钠离子电池中的应用 093
6.1 MOF-74（Mg）基电解质膜的制备 095
6.1.1 MOF-74（Mg）的制备 095
6.1.2 Na/MOF-74的制备 096
6.1.3 Na/MOF-74（Mg）电解质膜的制备 096
6.2 MOF-74（Mg）基材料的结构及形貌表征 096
6.2.1 MOF-74（Mg）基材料的XRD分析 096
6.2.2 MOF-74（Mg）基材料的BET分析 097
6.2.3 MOF-74（Mg）基材料的FT-IR分析 097
6.2.4 MOF-74（Mg）基材料的XPS分析 099
6.2.5 MOF-74（Mg）基材料的SEM 分析 099
6.2.6 MOF-74（Mg）基材料的TG分析 102
6.3 MOF-74（Mg）基电解质膜的电化学性能测试 102
6.3.1 Na/MOF-74（Mg）电解质膜的离子电导率分析 102
6.3.2 Na/MOF-74（Mg）电解质膜的离子迁移数分析 103
6.3.3 Na/MOF-74（Mg）电解质膜的电化学窗口分析 104
6.3.4 Na/MOF-74（Mg）电解质膜对钠稳定性分析 105
6.3.5 Na/MOF-74（Mg）电解质膜的循环稳定性及倍率性能分析 106
第7章 双配体MOF-74（Mg）基电解质在固态钠离子电池中的应用 109
7.1 双配体MOF-74（Mg）基电解质膜的制备 112
7.1.1 双配体MOF-74（Mg）的制备 112
7.1.2 Na/双配体MOF-74（Mg）的制备 112
7.1.3 Na/双配体MOF-74（Mg）电解质膜的制备 112
7.2 双配体MOF-74（Mg）材料的结构及形貌表征 113
7.2.1 双配体MOF-74（Mg）的XRD分析 113
7.2.2 双配体MOF-74（Mg）及Na/双配体MOF-74（Mg）电解质膜的FT-IR分析 113
7.2.3 双配体MOF-74（Mg）的BET分析 114
7.2.4 双配体MOF-74（Mg）的SEM 分析 116
7.2.5 双配体MOF-74（Mg）和Na/双配体MOF-74（Mg）电解质膜的XPS分析 117
7.2.6 双配体MOF-74（Mg）的TG分析 118
7.3 双配体MOF-74（Mg）基电解质膜的电化学性能测试 119
7.3.1 Na/双配体MOF-74（Mg）电解质膜的离子电导率分析 119
7.3.2 Na/双配体MOF-74（Mg）电解质膜的离子迁移数及电化学窗口分析 121
7.3.3 Na/双配体MOF-74（Mg）电解质膜的对钠稳定性分析 121
7.3.4 Na/BMOF-2电解质膜的循环稳定性及倍率性能分析 123
第8章 双金属MOF-74（Mg/Cu）基电解质在固态钠离子电池中的应用 127
8.1 双金属MOF-74（Mg/Cu）基电解质膜的制备 130
8.1.1 MOF-74（Mg/Cu）的制备 130
8.1.2 Na/MOF-74（Mg/Cu）的制备 130
8.1.3 Na/MOF-74（Mg/Cu）电解质膜的制备 131
8.2 双金属MOF-74（Mg/Cu）材料的结构及形貌表征 131
8.2.1 MOF-74（Mg/Cu）基材料的XRD分析 131
8.2.2 MOF-74（Mg/Cu）基材料的FT-IR分析 132
8.2.3 MOF-74（Mg/Cu）基材料的TG分析 133
8.2.4 MOF-74（Mg/Cu）基材料的XPS分析 134
8.2.5 MOF-74（Mg/Cu）基材料的SEM 分析 135
8.3 双金属/MOF-74（Mg/Cu）基电解质膜的电化学性能测试 137
8.3.1 Na/MOF-74（Mg/Cu）电解质膜的离子电导率分析 137
8.3.2 Na/MOF-74（Mg/Cu）电解质膜离子迁移数及电化学窗口分析 138
8.3.3 Na/CMOF-2电解质膜的对钠稳定性分析 139
8.3.4 Na/CMOF-2电解质膜的循环稳定性及倍率性能分析 141
第9章 新型固态电解质面临的挑战与未来展望 143
9.1 面临的挑战 145
9.1.1 制约材料电导率的因素 150
9.1.2 材料稳定性与界面问题 152
9.1.3 制造工艺的复杂性 155
9.1.4 材料合成与环境问题 157
9.1.5 经济性与实用性提升 158
9.2 未来发展趋势 158
9.2.1 新型材料的研发方向 158
9.2.2 制备技术的创新与优化 162
9.2.3 固态电池在电动汽车与储能领域的应用前景 164
9.3 科研与产业化结合的思考 167
参考文献 171
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