【氫燃料電池：關鍵資料與科技】

編輯推薦

本書從基礎科學理論與工程技術應用兩個方面對氫燃料電池進行了系統深入的介紹，全面介紹了氫燃料電池的基礎運行原理以及各部分關鍵資料（如質子交換膜，膜電極，陰、陽極電催化劑）的作用與設計思路，此外還系統地介紹了電堆科技以及其他相關的燃料電池科技。

內容簡介

《氫燃料電池：關鍵材料與技術》是“先進電化學能源存儲與轉化科技叢書”分册之一。 本書聚焦氫燃料電池這一實現碳中和的關鍵新能源科技，依據作者團隊以及國內外研究人員的研究進展，從基礎科學理論與工程技術應用兩個方面進行了系統深入的介紹。 全面闡述了氫燃料電池的基礎運行原理以及各部分關鍵資料（如質子交換膜，膜電極，陰、陽極電催化劑）的作用與設計思路，還系統介紹了電堆科技以及其他相關的燃料電池科技。 本書從簡單的電化學原理與案例入手，深入淺出，具有較好的可讀性。 本書不僅適合從事新能源、電化學等相關領域的研究人員、工程技術人員閱讀參攷，也可供高等院校相關專業的師生作為教材使用。

目錄

第1章氫質子交換膜燃料電池原理及概述1

1.1燃料電池化學熱力學2

1.1.1燃料電池發展簡介2

1.1.2燃料電池工作原理3

1.1.3反應焓4

1.1.4做功潜能5

1.1.5燃料電池效率6

1.1.6溫度效應7

1.1.7壓力效應8

1.2電極反應9

1.2.1電極反應動力學9

1.2.2電壓損耗12

1.2.3燃料電池的電勢分佈16

1.2.4極化曲線17

1.3燃料電池電解質21

1.4催化層23

1.5多孔擴散層25

1.6雙極板27

1.6.1雙極板的功能及特徵27

1.6.2雙極板資料的分類28

1.6.3雙極板的製備31

1.7燃料電池水熱管理34

參考文獻37

第2章膜電極設計42

2.1膜電極簡介43

2.2傳統膜電極的製備44

2.2.1轉印法45

2.2.2噴塗法46

2.2.3電化學沉積法47

2.3膜電極的降解機制47

2.3.1質子交換膜衰减機理48

2.3.2催化層衰减機理49

2.3.3氣體擴散層衰减機理49

2.4膜電極的優化設計50

2.4.1催化層優化設計50

2.4.2質子交換膜優化設計54

2.4.3擴散層優化設計56

2.4.4 GDL/CL/PEM介面結構優化57

2.5有序化膜電極57

2.5.1載體資料有序化催化層58

2.5.2催化劑有序化膜電極60

2.5.3質子導體有序化膜電極62

2.5.4有序化膜電極發展前景63

參考文獻63

第3章質子交換膜69

3.1質子交換膜簡介70

3.2全氟磺酸質子交換膜72

3.2.1分子結構72

3.2.2分子合成74

3.2.3微觀結構和質子傳導效能76

3.2.4耐久性79

3.3部分氟化質子交換膜83

3.3.1磺化聚三氟苯乙烯結構84

3.3.2輻射接枝型結構84

3.4非氟化質子交換膜85

3.4.1磺化聚醚醚酮85

3.4.2磺化聚醚碸87

3.4.3磺化聚醯亞胺88

3.4.4磺化聚苯並咪唑90

3.5複合質子交換膜92

3.5.1機械增强型複合質子交換膜93

3.5.2高溫型複合質子交換膜95

3.6無機質子交換膜98

3.7質子交換膜的成膜工藝99

3.7.1擠出成型工藝99

3.7.2溶液成型工藝100

3.7.3複合成型工藝100

3.8質子交換膜的性能參數和表徵方法100

3.8.1厚度101

3.8.2離子交換容量101

3.8.3質子電導率102

3.8.4氫氣滲透率103

3.8.5機械強度104

3.8.6吸水溶脹率104

3.8.7機械穩定性105

3.8.8化學穩定性105

3.9總結與展望106

參考文獻106

第4章陰極氧氣還原反應催化劑研究進展——貴金屬催化劑116

4.1研究背景117

4.2低鉑氧還原催化劑的理論研究120

4.2.1氧還原過程的機理研究120

4.2.2 d帶重心理論122

4.3低鉑氧還原催化劑的效能評估126

4.4低鉑氧還原催化劑的研究進展128

4.4.1零維鉑基納米晶催化劑128

4.4.2鉑基核殼結構納米晶催化劑139

4.4.3鉑基空心納米框架催化劑146

4.4.4一維鉑基納米晶催化劑149

4.4.5鉑基有序結構納米晶催化劑153

4.5總結與展望159

參考文獻160

第5章陰極氧氣還原反應催化劑研究進展——非貴金屬催化劑170

5.1研究背景171

5.2氧還原催化劑的理論研究172

5.3非貴金屬氧還原催化劑的研究進展174

5.3.1非貴過渡金屬氧還原催化劑174

5.3.2非金屬催化劑187

5.4非貴金屬氧還原催化劑的穩定性問題195

5.5總結與展望198

參考文獻198

第6章質子交換膜燃料電池多尺度多場耦合過程的建模及模擬210

6.1質子交換膜燃料電池工作原理211

6.2宏觀三維兩相流全電池數值模型212

6.2.1計算域213

6.2.2守恒方程213

6.2.3邊界條件219

6.2.4典型宏觀模擬結果220

6.3擴散層孔尺度類比223

6.3.1擴散層結構重構224

6.3.2擴散層有效輸運參數預測225

6.3.3擴散層孔隙尺度兩相流動227

6.4催化層孔尺度類比230

6.4.1催化層結構重構230

6.4.2有效擴散係數231

6.4.3有效質子電導率233

6.4.4反應輸運過程及結構優化234

6.4.5催化層孔尺度兩相反應輸運過程235

6.4.6低Pt傳質阻力研究235

6.5總結與展望238

參考文獻238

第7章其他氫氧燃料電池的原理及關鍵資料研究進展243

7.1鹼性燃料電池244

7.1.1原理及概述244

7.1.2 HOR催化劑246

7.1.3 ORR催化劑249

7.1.4陰離子交換膜252

7.1.5總結與展望254

7.2磷酸燃料電池255

7.2.1 PAFC工作原理255

7.2.2磷酸電解質256

7.2.3 PAFC電極和催化劑的發展概況257

7.2.4 PAFC的效能和影響因素261

7.2.5 PAFC電站科技的發展概況264

7.2.6總結與展望265

參考文獻266

第8章燃料電池電堆科技272

8.1燃料電池單電池和電堆結構273

8.2燃料電池電堆覈心零部件275

8.2.1密封組件275

8.2.2端板與集流體278

8.3電堆組裝281

8.3.1組裝管道281

8.3.2組裝形式282

8.3.3組裝工藝流程283

8.4電堆合格條件283

8.5典型的商業化電堆284

8.5.1典型的石墨板和複合板電堆284

8.5.2典型的金屬雙極板電堆285

8.6電堆術語286

參考文獻288

索引291

----------------------------------------

【鈉離子電池：原理與科技】

內容簡介

《鈉離子電池：原理與技術》是“先進電化學能源存儲與轉化科技叢書”分册之一，主要介紹鈉離子電池發展起源、電池及電極反應相關的基礎理論知識、儲鈉正負極資料體系、電解液體系和材料理論計算方法。 全書共分9章，內容包括鈉離子電池概述及電化學、正極資料、負極資料、電解質溶液、水溶液鈉離子電池、資料的理論計算分析和鈉離子電池體系展望。 本書可供相關學科研究與技術研發的科研工作者與工程技術人員參攷，也可作為高等院校化學、物理、資料、化工、能源等學科研究生或高年級大學生的教學參考書。

目錄

第1章緒論1

1.1能量轉換與存儲概述2

1.2鈉元素的物理和化學性質4

1.2.1物理性質4

1.2.2化學性質5

1.3鈉資源概述7

1.4鈉電池9

參考文獻11

第2章鈉離子電池概述12

2.1鈉離子電池的優勢13

2.2鈉離子電池的發展簡史13

2.2.1正極資料14

2.2.2負極資料16

2.2.3應用體系探索17

2.3鈉離子電池的工作原理及特點18

2.3.1工作原理18

2.3.2主要特點19

2.4鈉離子電池的基本組成及關鍵資料20

2.4.1電極資料21

2.4.2相關組件22

2.5資料相關表徵科技及應用24

2.6資料的製備方法27

2.7鈉離子電池發展的必要性29

參考文獻30

第3章鈉離子電池電化學35

3.1鈉離子電池電極過程動力學36

3.1.1鈉離子電池電極過程36

3.1.2電極過程的數學描述37

3.1.3電極過程動力學40

3.2鈉離子電池電動勢42

3.2.1鈉離子的嵌入脫出熱力學42

3.2.2鈉離子嵌入化合物的點陣氣體模型45

3.2.3鈉離子電池的電動勢與電極資料的電極電勢47

3.3鈉離子電池開路電壓49

3.3.1開路電壓的本質49

3.3.2費米能級角度的詮釋50

3.3.3吉布斯自由能角度的詮釋52

3.4電化學反應原理54

3.4.1嵌入反應55

3.4.2合金化反應56

3.4.3轉化反應58

3.4.4其他反應類型61

3.5鈉離子電池電極及介面特性63

3.5.1多孔電極結構特徵63

3.5.2多孔電極極化理論67

3.5.3電池中的介面問題71

3.6基本電化學測試方法75

3.6.1迴圈伏安法75

3.6.2電化學阻抗譜78

3.6.3恒電流間歇滴定科技80

3.6.4電位階躍科技82

3.6.5恒電位間歇滴定科技83

3.6.6不同測試技術的比較84

參考文獻84

第4章鈉離子電池正極資料87

4.1正極資料的選擇要求88

4.2正極資料的發展與概述89

4.3正極資料的種類89

4.3.1層狀過渡金屬氧化物資料90

4.3.2聚陰離子型正極資料110

4.3.3普魯士藍類正極資料133

4.3.4其他無機正極資料139

4.3.5有機正極資料143

參考文獻156

第5章鈉離子電池負極資料176

5.1負極資料的概述177

5.2嵌入反應負極資料179

5.2.1碳基負極資料179

5.2.2非碳嵌入負極資料198

5.3轉化反應負極資料207

5.3.1金屬氧化物208

5.3.2金屬硫化物211

5.3.3金屬硒化物217

5.3.4金屬磷化物220

5.4合金化反應負極資料222

5.4.1錫負極資料225

5.4.2銻負極資料227

5.4.3磷負極資料230

5.4.4鉛負極資料232

5.4.5矽負極資料232

5.4.6鉍負極資料233

5.4.7鍺負極資料234

5.5有機負極資料及全有機電池235

5.5.1有機負極235

5.5.2全有機鈉離子電池246

參考文獻248

第6章鈉離子電池電解質溶液274

6.1電解液的要求及其影響因素275

6.1.1溶劑275

6.1.2電解質鹽278

6.2液態電解液281

6.2.1碳酸酯電解液281

6.2.2醚類電解液284

6.2.3阻燃或不燃電解液287

6.3電解液添加劑293

6.3.1添加劑的特點及作用293

6.3.2成膜添加劑294

6.4 SEI膜結構及生長機理297

6.4.1 SEI膜的結構及機制297

6.4.2不同電極表面的SEI膜301

6.4.3 SEI膜的改性305

6.5凝膠電解液307

6.6固態電解質309

6.6.1聚合物固態電解質309

6.6.2無機固態電解質312

6.7小結323

參考文獻324

第7章水溶液鈉離子電池342

7.1概述343

7.2水系鈉離子電池的基本原理343

7.3正極資料的種類345

7.3.1過渡金屬氧化物346

7.3.2聚陰離子型化合物352

7.3.3普魯士藍類化合物357

7.3.4水系有機正極資料360

7.4負極資料的種類360

7.4.1活性炭361

7.4.2磷酸鹽負極362

7.4.3釩基負極資料363

7.4.4其他無機負極資料366

7.4.5有機負極資料367

7.5水系電解液368

7.5.1低濃度電解液368

7.5.2高濃度電解液368

7.5.3“water-in-salt”型電解液369

7.6全電池體系370

7.7挑戰與展望373

參考文獻374

第8章鈉離子電池資料的理論計算研究378

8.1概述379

8.2計算方法及實例簡介379

8.2.1結構和能量380

8.2.2遷移389

8.2.3穩定性394

8.3資料基因組科技與鈉離子電池399

8.3.1資料基因工程399

8.3.2電池資料的高通量篩選400

8.3.3機器學習在電池資料探索中的應用401

8.4總結與展望403

參考文獻404

第9章鈉離子電池的發展、機遇及挑戰408

9.1鈉離子電池發展的必要性409

9.2可選電極資料體系410

9.3全電池能量密度預估413

9.4鈉離子電池的優勢416

9.5鈉離子電池的機遇和挑戰417

參考文獻419

索引421

----------------------------------------

【鋰空氣電池】

內容簡介

《鋰空氣電池》是“先進電化學能源存儲與轉化科技叢書”的分册之一。 本書系統、全面、深入地介紹了各類鋰空氣電池的工作原理、發展現狀、現時挑戰和未來方向，並對其理論類比與計算、系統設計與應用的進展情况進行了分析與討論，還對在鋰空氣電池基礎上發展起來的鋰二氧化碳電池進行了簡要的探討。

本書既可以作為從事電化學新能源和鋰空氣電池方向的科技工作者和工程技術人員重要的參考書和工具書，也可以作為高等院校的電化學及新能源資料專業師生的有益參考書。

作者簡介

麥立强，教授，博士生導師，國家傑出青年，長江學者，國家重點研發計畫首席科學家。 針對我國新能源電動汽車、智慧電網等戰略性新興產業發展的迫切與重大需求，在高性能儲能器件關鍵資料研究基礎上，1）設計組裝了國際上單根納米線全固態電化學儲能器件，創建了單納米基元電池器件原位表徵資料電化學過程的普適新模型； 2）提出金屬離子預嵌入優化策略，並進一步提出了電子傳導/離子擴散雙連續的科學原理，解决了長期制約儲能器件發展的能量密度和功率密度難以兼顧的關鍵科學問題； 3）突破了納米材料規模化製備的關鍵技術，率先實現了新一代高性能納米線電池的規模化製備和應用。 發表SCI論文350餘篇，包括Nature及子刊12篇，影響因數10.0以上的期刊發表論文100餘篇。 獲得國家發明授權專利100餘項。 在美國MRS、ACS、ECS等重要國際會議做特邀報告50餘次。 作為會議主席舉辦Nature能源資料會議、第十届中美華人納米論壇等重要學術會議。

目錄

第1章鋰空氣電池概述1

1.1鋰空氣電池簡介2

1.2鋰空氣電池的發展歷程3

1.3鋰空氣電池的分類8

1.3.1非水系電解質鋰空氣電池8

1.3.2水系電解質鋰空氣電池9

1.3.3全固態電解質體系鋰空氣電池10

1.3.4複合電解質體系鋰空氣電池10

1.4鋰空氣電池的表徵科技11

1.4.1 X射線衍射11

1.4.2拉曼光譜12

1.4.3微分電化學質譜14

1.4.4掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡14

1.4.5 X射線光電子能譜17

1.4.6紅外光譜19

1.4.7核磁共振19

1.4.8原子力顯微鏡19

1.5鋰空氣電池的機遇和挑戰21

參考文獻23

第2章非水系鋰空氣電池31

2.1非水系鋰空氣電池工作原理32

2.1.1非水系鋰空氣電池的充放電過程32

2.1.2非水系鋰空氣電池的理論比容量和能量密度33

2.2非水系鋰空氣電池正極結構及資料35

2.2.1非水系鋰空氣電池理想正極的構築35

2.2.2非水系鋰空氣電池正極催化劑37

2.3非水系鋰空氣電池負極資料90

2.3.1鋰空氣電池中鋰金屬負極面臨的問題90

2.3.2鋰空氣電池鋰負極的保護策略91

2.4非水系鋰空氣電池電解液103

2.4.1有機碳酸酯類電解液103

2.4.2醯胺類電解液105

2.4.3二甲基亞碸類電解液107

2.4.4醚類電解液108

2.4.5離子液體電解液110

2.4.6電解液添加劑111

2.5非水系鋰空氣電池隔膜111

2.5.1多孔隔膜112

2.5.2陶瓷/玻璃電解質隔膜113

2.6小結與展望116

參考文獻117

第3章水系鋰空氣電池145

3.1水系鋰空氣電池工作原理146

3.2水系鋰空氣電池正極資料147

3.2.1酸性電解液下的正極資料147

3.2.2鹼性電解液下的正極資料148

3.3水系鋰空氣電池負極資料和隔膜151

3.3.1無機固態鋰離子電解質隔膜151

3.3.2緩衝層158

3.4水系鋰空氣電池電解液160

3.4.1酸性電解液160

3.4.2鹼性電解液161

3.5小結與展望163

參考文獻164

第4章全固態鋰空氣電池168

4.1全固態鋰空氣電池結構及工作原理169

4.2全固態鋰空氣電池正極結構及資料170

4.3全固態鋰空氣電池固體電解質173

4.3.1氧化物固體電解質174

4.3.2硫化物固體電解質179

4.3.3聚合物固體電解質182

4.3.4固體電解質的化學穩定性183

4.4全固態鋰空氣電池電極反應機理及電極/電解質介面186

4.4.1全固態鋰空氣電池中的電極反應機理186

4.4.2正極與固體電解質的介面188

4.4.3負極與固體電解質的介面189

4.5小結與展望196

參考文獻196

第5章複合鋰空氣電池204

5.1複合鋰空氣電池的工作原理205

5.2複合鋰空氣電池正極結構及資料207

5.2.1有機-水系酸性電解液複合鋰空氣電池正極207

5.2.2有機-水系鹼性電解液複合鋰空氣電池正極209

5.3複合鋰空氣電池負極資料212

5.3.1緩衝層213

5.3.2合金化結構214

5.3.3電解液修飾和固液介面設計214

5.3.4鋰金屬負極的結構設計216

5.4複合鋰空氣電池電解液217

5.4.1負極有機電解液217

5.4.2正極水系鹼性電解液219

5.4.3正極水系酸性電解液221

5.5複合鋰空氣電池固體電解質隔膜224

5.5.1超離子導體型固體電解質225

5.5.2石榴石型固體電解質227

5.5.3鈣鈦礦型固體電解質230

5.6小結與展望231

參考文獻232

第6章鋰空氣電池的理論類比與計算243

6.1過氧化鋰的固有性質244

6.1.1模型結構244

6.1.2電子結構247

6.1.3生長機制251

6.2正極催化劑252

6.2.1催化劑對氧還原/析出過程的影響252

6.2.2催化劑對過氧化鋰生長過程的影響264

6.3電解液266

6.3.1溶劑266

6.3.2鹽離子278

6.3.3痕量水281

6.4負極281

6.5小結與展望283

參考文獻284

第7章鋰空氣電池的設計及應用292

7.1空氣電極294

7.1.1活性資料295

7.1.2非活性成分300

7.2鋰空氣電池的保護302

7.2.1阻水透氧膜303

7.2.2金屬鋰的保護305

7.3鋰空氣電池的結構306

7.4柔性鋰空氣電池310

7.5密閉鋰空氣電池319

7.6小結與展望321

參考文獻321

第8章鋰二氧化碳電池326

8.1鋰二氧化碳電池的工作原理328

8.1.1二氧化碳的電化學還原328

8.1.2二氧化碳的電化學析出332

8.2鋰二氧化碳電池正極資料334

8.2.1碳資料334

8.2.2催化劑資料337

8.3鋰二氧化碳電池負極資料341

8.4鋰二氧化碳電池電解液343

8.4.1有機碳酸酯類電解液343

8.4.2醚類電解液343

8.4.3碸類電解液345

8.4.4其他體系電解液346

8.5小結與展望347

參考文獻347

索引356