先进电池材料
课程编码：180082070301P2008H
英文名称：Advanced Battery Materials
课时：40
学分：2.00
课程属性：专业核心课
主讲教师：郭玉国等
教学目的要求
本课程是面向化学、物理、材料及交叉专业硕士和博士研究生学开设的专业普及课程。通过课程学习，理解电池内部电荷存储与输运的物理化学和固态离子学基础原理，熟悉不同电池体系内电化学储能反应的特点，以及满足电池储能应用需要的纳米材料设计原则和表界面稳定策略，了解本学科与能源、材料、化工、物理、光电等领域学科交叉的特点，掌握先进电池及材料领域内的研究前沿。
预修课程
物理化学、电化学或相关课程
大纲内容
第一章 电化学储能系统导论 5学时 郭玉国
第1节 世界能源经济和结构变化
第2节 能量转化与能量存储
第3节 能量守恒定律
第4节 能量存储技术简介
第二章 电池内部的电荷存储、输运及其相关效应 5学时 辛森
第1节 卡诺热机（Carnot Engine）
第2节 能量是如何在电池中存储和释放的？
第3节 电化学反应基本规则：电荷守恒
第4节 电化学反应基本规则：法拉第定律
第5节 能斯特方程（Nernst Equation）
第6节 电极及其分类
第7节 电极电位
第8节 电解质（Electrolyte）
第9节 一次电池中的能量存储
第10节 二次电池中的能量存储
第三章 锂离子电池用关键材料及设计原则 5学时 辛森
第1节 能量的产生、存储和利用
第2节 储能电池技术的发展
第3节 锂离子电池技术的发明史
第4节 电化学储能的应用
第5节 应用导向的锂离子电池分类
第6节 锂电池关键部件占比
第7节 锂电池制造（实验室&工业）
第8节 锂离子电池正极材料
第9节 锂离子电池负极材料
第10节 电解质
第四章 锂金属电池用关键材料及设计原则 5学时 郭玉国
第1节 锂金属电池技术简介
第2节 金属锂负极面临的挑战
第3节 金属锂负极稳定化策略
第4节 锂-硫（硒）电池：电化学、挑战及性能提升策略
第5节 锂-氧电池：电化学、挑战及性能提升策略
第五章 固态电池用关键材料及设计原则 5学时 郭玉国
第1节 从液态到固态，提升电池能量密度和安全性
第2节 锂金属电池固态化的挑战
第3节 锂金属负极与固态金属锂电池
第4节 聚合物固体电解质体系的挑战与策略
第5节 无机固体电解质体系的挑战与策略
第6节 有机/无机复合固体电解质体系
第7节 固体电解质界面问题
第8节 固态电池中正、负极侧的界面问题
第9节 纳米复合结构金属锂负极整体设计
第六章 钠电池用关键材料及设计原则 5学时 郭玉国
第1节 新型能源结构与需求
第2节 钠离子电池技术及优势
第3节 钠离子电池的储能需求与应用场景
第4节 钠离子电池的关键部件与关键材料
第5节 钠离子全电池构型及研究现状
第6节 钠离子电池产品应用与产业化布局
第七章 其他电池关键部件 5学时 辛森
第1节 集流体（Current Collector）
第2节 粘结剂（Binder）
第3节 隔膜材料（Separator）
第4节 导电添加剂（Conductive Additives）
第八章 二次电池研究的新方向 5学时 辛森
第1节 双碳目标（碳达峰、碳中和）
第2节 适应双碳目标的新能源汽车行业发展要求
第3节 新能源汽车行业快速发展与动力电池退役
第4节 锂离子电池回收技术
教材信息
1、
Nanostructures and Nanomaterials for Batteries: Principles and Applications
Yu-Guo Guo
2019年
Springer Nature
2、
锂离子电池原理与关键技术
黄可龙，王兆祥，刘素琴
2008年2月
化学工业出版社
3、
电极过程动力学导论（第三版）
查全性等
2002年6月
科学出版社
4、
锂离子电池电解质
郑洪河等
2007年1月
化学工业出版社
参考书
1、
《物理化学》（南大第五版）
傅献彩等
2011年
高等教育出版社
2、
《电化学方法原理和应用》
[美] 巴德（Bard A. J.）、福克纳（Faulkner L. R.）著，邵元华等译
2005年
化学工业出版社
3、
Linden’s Handbook of Batteries
T. B. Reddy
2010年
McGraw-Hill Education
课程教师信息
首席教师介绍：郭玉国，2007年起任中科院化学所研究员，博士生导师，课题组长。2012年获国家杰出青年基金，2016和2021年两次负责科技部和工信部国家重点研发计划固态电池项目，2017年入选WR计划领军人才。兼任中国化学会电化学专业委员会副主任、中国硅酸盐学会固态离子学分会副秘书长、中国材料研究学会青年工作委员会常务理事，担任ACS Applied Materials & Interfaces和《电化学》副主编。主要从事电化学储能研究，在高比能锂离子电池、金属锂电池、固态电池、钠离子电池等电池技术及其关键材料方面取得一些研究成果。在国际知名期刊上发表SCI论文410余篇，他引超过>57,000次，h-index为120，2014-2023连续十年入选Clarivate（科睿唯安）“高被引科学家”，出版电池方面英文专著1部。获美、日、德、英等外国发明专利授权15项，中国发明专利授权120余项，成果转化多项。曾获中国青年科技奖、国际电化学会ISE Tajima Prize、国际能量存储与创新联盟青年成就奖、国际电化学能源科学院IAOEES卓越研究奖、美国MIT全球杰出青年创新家TR35、美国国家地理新兴探索者、北京市科学技术奖杰出青年中关村奖、美团首届青山科技奖等奖励和荣誉。
主讲教师介绍：辛森，2013年博士毕业于化学所，后于德州大学奥斯汀分校John B. Goodenough教授课题组从事博士后研究，2019年获国家青年人才引进计划支持回国工作。针对高比能金属二次电池储能电化学，界面化学以及同位素化学等开展研究并取得系列成果。发表专著论文3篇，在Science、PNAS、JACS等期刊发表SCI论文170余篇，申请PCT国际专利和中国发明专利共计30余件，在中国、美国、日本等多个国家获得授权。2019-2023年连续五年入选科睿唯安“高被引科学家”。担任Energy Materials副主编，《中国科学：化学》等刊（青年）编委职务。获中国化学会青年化学奖、中国电化学青年奖、中国化学会青委会菁青化学新锐奖等学术奖项，承担项目包括国家海外青年人才项目，北京市杰青项目，国家重点研发计划课题等。