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內容簡介： 《新能源电化学》以电化学理论为核心阐释了各种新能源相关的电化学反应原理和工程基础，用尽量少的语言在产业、工程、科研和教学四者之间搭建一个桥梁。将电化学反应方程式—电极活性材料变化过程的图解—清晰易懂的说明文字三者贯穿起来，清楚阐述各种化学电源器件中发生的电化学反应的基本原理，揭示电极结构的设计、电池材料的选择等影响电池性能的基本原则。书中采用了200余幅详细图解来阐明电化学反应过程中活性材料发生的变化，设置了160余道思维训练题培养读者的创新思维，提供了50余幅思维导图协助读者理解巩固书中内容（扫码阅读）。本书可作为新能源材料与器件、材料化学、应用化学、材料科学与工程等专业本科和研究生教学用书，也适用于化学电源企业的工程师和科研机构的工作者以及对能源电化学感兴趣的同仁。 關於作者： 杨鹰，本科毕业于焊接工艺及设备专业（西安石油学院1998-2002），硕士毕业于材料学专业（研究镍氢电池，西安交通大学2002-2005），硕士毕业后在大连新源动力有限公司从事燃料电池研究（2005-2006），后在动力工程及工程热物理专业攻读博士学位（研究质子交换膜燃料电池和电化学腐蚀，西安交通大学2006-2011），博士毕业后入职西北大学，开始研究光电化学分解水（2011-2016）、液流电池（2015至今）、有机电化学合成（2019至今），在美国威斯康星大学麦迪逊分校化学系访学1年。从事《新能源概论》、《能源电化学》、《应用电化学》等本科生和研究生课程的教学，发表教学论文2篇，指导学生获全国大学生化学创新实验竞赛一等奖。在燃料电池、液流电池、有机电合成等方面，在《Nature Communications》《Advanced Energy Materials》等期刊发表论文30余篇。主持国家自然科学基金、陕西省自然科学基金等项目十余项。 目錄： 第一篇　能源电化学基础知识　/　001 第0章　绪论　/　002 0.1　资源　/　002 0.2　能源　/　002 0.3　能量　/　004 0.4　新能源与电化学的关系　/　007 第1章　能源电化学基础　/　009 1.1　电化学热力学与动力学简介　/　009 1.2　化学电源的发展过程　/　014 1.3　化学电源　/　021 1.4　化学电源的性能参数　/　026 第二篇　传统电源电化学　/　037 第2章　锌锰电池　/　038 2.1　概述　/　038 2.2　锌锰电池电化学　/　042 2.3　电极材料　/　050 2.4　锌锰电池性能参数　/　052 2.5　锌锰电池的制造过程　/　054 第3章　铅酸蓄电池　/　057 3.1　概述　/　057 3.2　铅酸蓄电池电化学　/　061 3.3　铅酸蓄电池的主要性能参数　/　069 3.4　铅酸蓄电池的失效　/　072 3.5　铅酸蓄电池的制造工艺　/　073 3.6　铅炭电池　/　074 第4章　镍镉电池与镍氢电池　/　076 4.1　概述　/　076 4.2　镍镉电池　/　079 4.3　镍氢电池　/　087 4.4　镍氢电池的制造工艺　/　091 第5章　锌氧化银电池　/　094 5.1　概述　/　094 5.2　锌氧化银电池电化学　/　099 5.3　锌氧化银电池的主要性能　/　104 5.4　锌氧化银电池的制造工艺　/　106 第三篇　新型电源电化学　/　109 第6章　锂电池　/　110 6.1　概述　/　110 6.2　锂电池电化学　/　114 6.3　锂电池的主要性能　/　129 6.4　锂电池的制造工艺　/　130 第7章　锂离子电池　/　132 7.1　概述　/　132 7.2　锂离子电池电化学　/　137 7.3　锂离子电池的主要性能　/　147 7.4　锂离子电池的制造工艺　/　148 7.5　锂离子电池的安全性　/　149 7.6　固态锂离子电池　/　149 7.7　钠离子电池与锂离子电池的区别　/　151 第8章　燃料电池　/　153 8.1　概述　/　153 8.2　质子导电型燃料电池　/　160 8.3　氢氧根离子导电型燃料电池　/　165 8.4　氧离子导电型燃料电池　/　167 8.5　碳酸根离子导电型燃料电池　/　169 第9章　液流电池　/　173 9.1　概述　/　173 9.2　全钒液流电池　/　177 9.3　铁铬液流电池　/　182 9.4　锌基液流电池　/　184 9.5　水系新型液流电池　/　186 9.6　非水系液流电池　/　190 9.7　太阳能液流电池　/　191 第10章　金属空气电池　/　194 10.1　概述　/　194 10.2　金属空气电池电化学　/　198 10.3　金属空气电池的主要性能　/　204 第11章　电化学电容器　/　206 11.1　概述　/　206 11.2　典型电化学电容器　/　211 11.3　电化学电容器的主要性能　/　215 第12章　光电化学电池　/　218 12.1　概述　/　218 12.2　半导体电化学基础知识　/　226 12.3　光电化学电池电化学　/　234 12.4　光电化学电池的主要性能　/　237 第13章　热电池　/　239 13.1　概述　/　239 13.2　热电池电化学　/　243 13.3　热电池材料　/　246 13.4　热电池的放电性能　/　247 13.5　热电池的制作工艺　/　248 第14章　核电池　/　249 14.1　概述　/　249 14.2　核电池材料　/　254 14.3　主要性能　/　256 第四篇　能源电化学研究方法　/　257 第15章　能源电化学的相关标准　/　258 15.1　概述　/　258 15.2　我国化学电源相关标准的制定情况　/　262 15.3　原电池型号的表示方法　/　263 15.4　铅酸蓄电池的标准 　/　265 15.5　锂离子电池的标准　/　268 15.6　燃料电池的标准　/　273 15.7　液流电池的标准　/　274 第16章　能源电化学的表征技术　/　277 16.1　电化学测试系统　/　277 16.2　电池性能测试方法　/　281 16.3　电极活性材料研究方法　/　290 参考文献　/　296 內容試閱： 2023年9月7日，总书记在主持召开新时代推动东北全面振兴座谈会时强调，积极培育新能源、新材料、先进制造、电子信息等战略性新兴产业，积极培育未来产业，加快形成新质生产力，增强发展新动能。而以动力电池、电化学储能等为代表的新能源产业是新质生产力的重要组成部分，在电化学领域中进行基础科学、前沿技术和颠覆性技术的创新，是形成新质生产力的重要一环。因此，编写《新能源电化学》的初衷，是希望用尽量少的语言阐释以电化学基础理论为核心、紧密围绕新能源系统的电化学知识，在产业、工程、科研和教学四者之间搭建一个桥梁。希望本书的内容有助于企业的工程师理解测试仪表给出数据背后的原理，让科研院所的研究人员明白所学理论在工程上如何应用，让高校的学生掌握行业的发展动向。 本书的内容分为四个部分：能源电化学基础知识、传统电源电化学、新型电源电化学和能源电化学研究方法。 第一篇“能源电化学基础知识”主要介绍能量的转换方式、电化学热力学与动力学、化学电源的工作原理和基本结构、衡量化学电源性能的参数等内容。本部分重点对能源电化学相关术语的定义和来源进行了解读，以消除中文名词有时引起歧义而给读者带来理解上的困难。本书尽量避免使用“极化”（polarization）这个概念，而使用“超电势”（overpotential）这个术语。极化本意上表示电极流经电流时电极电势从平衡电极电势的偏离，用来表示一种行为或动作是没有问题的，问题在于极化没有体现精确的量化，这对于依托测量科学或分析科学的应用来讲非常不友好。而“超电势”从电化学反应阻力（产生电流的能力，即反应动力学的限制）、电流流动阻力（阻碍电荷流动的能力）和活性材料离子的扩散阻力（及时传质提供电荷的能力）这三个角度具体定义了活化超电势（activation overpotential）、欧姆超电势（Ohmic overpotential）和扩散超电势（concentration overpotential），并且能通过测量伏安曲线（极化曲线）获得这些超电势的数值，因而对于科研人员和工程人员都是非常友好的，从测试结果可以分析清楚影响电极或电池性能的直接原因，从而针对性地提出改进方案。 第二篇“传统电源电化学”主要介绍了在20世纪就已应用成熟的锌锰电池、铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、锌氧化银电池等化学电源的工作原理、材料特征和性能特点。第三篇“新型电源电化学”主要介绍了在21世纪突飞猛进的锂电池、锂离子电池、电化学电容器、金属空气电池、燃料电池、液流电池、光电化学电池、核电池、热电池等化学电源的工作原理、材料特征和性能特点。在这两篇的每一章内容中，首先揭示出核心的电化学反应是什么，设计这样的电化学器件的初衷是什么，继而探讨各种器件的电化学性能参数——电压（热力学）、是否容易充放电（动力学）、成本（材料是否易获得、易制造）、寿命、容量、库仑效率等的特点和制造工艺、应用场景等。钠离子电池与锂离子电池、光催化分解水与光电化学分解水的原理相似，只在相应章节简略介绍。 第四篇“能源电化学研究方法”主要介绍了能源电化学相关的标准和表征技术。第15章“能源电化学的相关标准”中介绍了化学电源相关的国家标准和行业标准，以使读者了解对于电池性能的全方位要求，重点介绍了铅酸蓄电池、锂离子电池、燃料电池和液流电池的相关标准。第16章“能源电化学的表征技术”中对电化学测试仪器的工作原理和电池性能测试方法做了介绍，重点对电池容量、能量密度、功率、效率、寿命、热失控等性能的测试原理和具体方法做了阐释。2023年10月由德国吉森大学的贾内克（Jürgen Janek）教授提出的表征锂电极表面发生的电解质副反应的库仑滴定时间分析（CTTA）方法也在本书中做了详细解读。 本书的特点之一是把重点聚焦于电化学，而不是日新月异的新材料。在各个章节中，把电化学反应作为核心，用化学反应方程式来突出电池放电或充电过程中发生的反应，用200余幅详细的图解阐明电化学反应过程中活性材料发生的变化。如光电化学电池的机理解释中，传统上用能带图来表示半导体/电解液界面处发生的变化［图12.14（b）］。顺着平行界面的方向（看向纸面）看过去，空间电荷层与亥姆霍兹层中实际的电场方向应该垂直于界面［图12.14（a）和（c）中的左右方向］，但在传统的能带图中电场和电子能量的坐标方向却是上下方向［图12.14（b）］，因而对于不熟悉物理学或电化学的读者，较难理解采用这种表示法的电荷在半导体/电解液界面处的传递和交换行为。编者补充了空间电荷层与亥姆霍兹层中实际的电场方向与电势的分布，并将电势的分布在实际情形与传统能带图中的对应关系展示出来，相信读者通过学习这部分内容就能够理解传统表示方法从而推动自己的研究和学习。本书还设置了160余道思维训练题培养读者的创新思维，提供了50余幅思维导图协助读者理解巩固书中内容。真正理解了能源电化学的机理，才能将各种材料应用和技术创新推向新的高度。 本书的特点之二是通过电化学的发展历史讲述能源电化学中涉及的概念、定义和理论。比如为什么英文的阳极叫anode、阳离子却叫cation，阴极叫cathode、阴离子却叫anion（1.3.3节）。再比如锂离子电池的充放电原理，绝大多数解释均基于“摇椅电池”概念。如果仅从“摇椅电池”角度去理解，锂离子电池就成了浓差电池，而浓差电池很难产生3～4V的电压。锂离子电池本质上还是锂金属电池，是二维负极插层材料（intercalation material）的发现使得传统锂电池的枝晶生长问题被物理空间的“限域效应”（confinement effect）克服，锂二次电池终于得以实用化。因此各种二维插层材料的开发均是利用了“限域效应”的机理，镍氢电池负极材料的应用也遵循了相似的原理。科学认知基本都是来自对实际问题的解决过程，基础理论的形成也是来自对实验现象的剖析与思考。了解了从哪里来，才知道往何处去。通过了解能源电化学的发展历程，可以领略到科学家和工程师在解决一个又一个技术难题和工程难题过程中的奇思妙想，以及这些问题的解决又如何反哺了基础科学研究。 本书的特点之三是将电化学反应方程式与电极的实际工作过程有机地联系起来。电化学反应方程式是静态的，但是实际的电化学过程却涉及物质的传递、电荷的交换、能量的转换、活性材料成分和结构的变化等这些复杂的行为。比如LiNi-FeS2电池的正极放电机理，反应方程的大多数写法是： 式（1）和式（2）中的Li 实际上只参与电荷守恒与正极材料的结构完善，但容易被不熟悉电化学的读者误以为Li 与电子结合在正极被还原。利用式（3）～式（5），读者能轻而易举地识别出Li 的作用以及在放电过程中哪些离子被还原和这些元素的价态变化。本书将电化学反应方程式—电极活性材料变化过程的图示—清晰易懂的说明文字三者贯穿起来，阐述清楚各种化学电源中发生的电化学反应的基本原理，揭示电极结构的设计、电池材料的选择等影响电池性能的基本原则。这些基本原理和基本原则，就是进行新型电池设计、新型电池材料开发、新型电极结构设计的核心指导思想。 撰写这本书，一是为了记录自己在多年的教学、科研和服务企业过程中的思考，二是希望能为读者提供可以吸收的正能量。本书面向的读者是化学电源企业的工程师、高校和科研机构的学生以及对能源电化学感兴趣的同仁。编者期望这本书能够在工程应用和学术研究间架起一座桥梁，让基础理论给工程应用解决实际问题带来启发性的指引，让工程应用中的实际问题给学术研究开辟新方向带来指引性的启发。一本书不可能给读者带来所有的答案，但是如果能帮助读者走上正确的道路去寻找答案，编者的目的就达到了。由于编者水平有限，书中难免存在缺陷和疏漏，欢迎读者批评指正。也欢迎读者对于书中未阐释清楚的问题和编者交流探讨，以便及时更正和补充，烦请发送邮件至nwuenergy@qq.com，谢谢！ 本书由西北大学杨鹰担任主编和负责统稿，西北大学李延和谢钢、北京化工大学王枫梅担任副主编。西北大学的刘季铨、雷琳、张天龙等同志参与了本书中部分内容的讨论和编写工作。研究生黄利芸、思代强、杨雨晨、李瑞鑫、汪洋、李垚、刘海坤、徐艺凤、雷甜甜、王林帅、李金龙、刘佳惠、姬辉等进行了资料收集、插图绘制、内容讨论等工作。感谢本书的参考文献作者以及可能被遗漏的参考文献作者。武汉市伏安极兮科技有限公司郑成志和深圳市新威尔电子有限公司周吉财对本书进行了审阅。感谢化学工业出版社对本书撰写和出版的帮助和支持，感谢在初审、复审和终审过程中提出细致修改意见和建议的各位编辑老师，你们的辛苦工作提高了本书的科学性和可读性。 感谢西北大学化学与材料科学学院、西北大学榆林碳中和学院和陕西省碳中和技术重点实验室对本书出版的支持。感谢西北大学给予我鼓励与支持的各位同事！ 感谢求学期间给予我谆谆教诲和无私帮助的各位恩师！未为师门争光，不敢妄提师名，谨以此书献给恩师。 向二百八十余年来为电化学科学和技术做出贡献的前辈们致敬！ 祝愿祖国的新能源事业蒸蒸日上！ 杨鹰 2024年5月

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