新能源電化學(xué)

《新能源電化學(xué)》以電化學(xué)理論為核心闡釋了各種新能源相關(guān)的電化學(xué)反應(yīng)原理和工程基礎(chǔ)，用盡量少的語言在產(chǎn)業(yè)、工程、科研和教學(xué)四者之間搭建一個(gè)橋梁。將電化學(xué)反應(yīng)方程式—電極活性材料變化過程的圖解—清晰易懂的說明文字三者貫穿起來，清楚闡述各種化學(xué)電源器件中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)的基本原理，揭示電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、電池材料的選擇等影響電池性能的基本原則。書中采用了200余幅詳細(xì)圖解來闡明電化學(xué)反應(yīng)過程中活性材料發(fā)生的變化，設(shè)置了160余道思維訓(xùn)練題培養(yǎng)讀者的創(chuàng)新思維，提供了50余幅思維導(dǎo)圖協(xié)助讀者理解鞏固書中內(nèi)容（掃碼閱讀）。
本書可作為新能源材料與器件、材料化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、材料科學(xué)與工程等專業(yè)本科和研究生教學(xué)用書，也適用于化學(xué)電源企業(yè)的工程師和科研機(jī)構(gòu)的工作者以及對(duì)能源電化學(xué)感興趣的同仁。

楊鷹，本科畢業(yè)于焊接工藝及設(shè)備專業(yè)（西安石油學(xué)院1998-2002），碩士畢業(yè)于材料學(xué)專業(yè)（研究鎳氫電池，西安交通大學(xué)2002-2005），碩士畢業(yè)后在大連新源動(dòng)力有限公司從事燃料電池研究（2005-2006），后在動(dòng)力工程及工程熱物理專業(yè)攻讀博士學(xué)位（研究質(zhì)子交換膜燃料電池和電化學(xué)腐蝕，西安交通大學(xué)2006-2011），博士畢業(yè)后入職西北大學(xué)，開始研究光電化學(xué)分解水（2011-2016）、液流電池（2015至今）、有機(jī)電化學(xué)合成（2019至今），在美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分?；瘜W(xué)系訪學(xué)1年。從事《新能源概論》、《能源電化學(xué)》、《應(yīng)用電化學(xué)》等本科生和研究生課程的教學(xué)，發(fā)表教學(xué)論文2篇，指導(dǎo)學(xué)生獲全國大學(xué)生化學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽一等獎(jiǎng)。在燃料電池、液流電池、有機(jī)電合成等方面，在《Nature Communications》《Advanced Energy Materials》等期刊發(fā)表論文30余篇。主持國家自然科學(xué)基金、陜西省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目十余項(xiàng)。

2023年9月7日，習(xí)近平總書記在主持召開新時(shí)代推動(dòng)?xùn)|北全面振興座談會(huì)時(shí)強(qiáng)調(diào)，積極培育新能源、新材料、先進(jìn)制造、電子信息等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，積極培育未來產(chǎn)業(yè)，加快形成新質(zhì)生產(chǎn)力，增強(qiáng)發(fā)展新動(dòng)能。而以動(dòng)力電池、電化學(xué)儲(chǔ)能等為代表的新能源產(chǎn)業(yè)是新質(zhì)生產(chǎn)力的重要組成部分，在電化學(xué)領(lǐng)域中進(jìn)行基礎(chǔ)科學(xué)、前沿技術(shù)和顛覆性技術(shù)的創(chuàng)新，是形成新質(zhì)生產(chǎn)力的重要一環(huán)。因此，編寫《新能源電化學(xué)》的初衷，是希望用盡量少的語言闡釋以電化學(xué)基礎(chǔ)理論為核心、緊密圍繞新能源系統(tǒng)的電化學(xué)知識(shí)，在產(chǎn)業(yè)、工程、科研和教學(xué)四者之間搭建一個(gè)橋梁。希望本書的內(nèi)容有助于企業(yè)的工程師理解測(cè)試儀表給出數(shù)據(jù)背后的原理，讓科研院所的研究人員明白所學(xué)理論在工程上如何應(yīng)用，讓高校的學(xué)生掌握行業(yè)的發(fā)展動(dòng)向。
本書的內(nèi)容分為四個(gè)部分：能源電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、傳統(tǒng)電源電化學(xué)、新型電源電化學(xué)和能源電化學(xué)研究方法。
第一篇“能源電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)”主要介紹能量的轉(zhuǎn)換方式、電化學(xué)熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)、化學(xué)電源的工作原理和基本結(jié)構(gòu)、衡量化學(xué)電源性能的參數(shù)等內(nèi)容。本部分重點(diǎn)對(duì)能源電化學(xué)相關(guān)術(shù)語的定義和來源進(jìn)行了解讀，以消除中文名詞有時(shí)引起歧義而給讀者帶來理解上的困難。本書盡量避免使用“極化”（polarization）這個(gè)概念，而使用“超電勢(shì)”（overpotential）這個(gè)術(shù)語。極化本意上表示電極流經(jīng)電流時(shí)電極電勢(shì)從平衡電極電勢(shì)的偏離，用來表示一種行為或動(dòng)作是沒有問題的，問題在于極化沒有體現(xiàn)精確的量化，這對(duì)于依托測(cè)量科學(xué)或分析科學(xué)的應(yīng)用來講非常不友好。而“超電勢(shì)”從電化學(xué)反應(yīng)阻力（產(chǎn)生電流的能力，即反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的限制）、電流流動(dòng)阻力（阻礙電荷流動(dòng)的能力）和活性材料離子的擴(kuò)散阻力（及時(shí)傳質(zhì)提供電荷的能力）這三個(gè)角度具體定義了活化超電勢(shì)（activation overpotential）、歐姆超電勢(shì)（Ohmic overpotential）和擴(kuò)散超電勢(shì)（concentration overpotential），并且能通過測(cè)量伏安曲線（極化曲線）獲得這些超電勢(shì)的數(shù)值，因而對(duì)于科研人員和工程人員都是非常友好的，從測(cè)試結(jié)果可以分析清楚影響電極或電池性能的直接原因，從而針對(duì)性地提出改進(jìn)方案。
第二篇“傳統(tǒng)電源電化學(xué)”主要介紹了在20世紀(jì)就已應(yīng)用成熟的鋅錳電池、鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋅氧化銀電池等化學(xué)電源的工作原理、材料特征和性能特點(diǎn)。第三篇“新型電源電化學(xué)”主要介紹了在21世紀(jì)突飛猛進(jìn)的鋰電池、鋰離子電池、電化學(xué)電容器、金屬空氣電池、燃料電池、液流電池、光電化學(xué)電池、核電池、熱電池等化學(xué)電源的工作原理、材料特征和性能特點(diǎn)。在這兩篇的每一章內(nèi)容中，首先揭示出核心的電化學(xué)反應(yīng)是什么，設(shè)計(jì)這樣的電化學(xué)器件的初衷是什么，繼而探討各種器件的電化學(xué)性能參數(shù)——電壓（熱力學(xué)）、是否容易充放電（動(dòng)力學(xué)）、成本（材料是否易獲得、易制造）、壽命、容量、庫侖效率等的特點(diǎn)和制造工藝、應(yīng)用場(chǎng)景等。鈉離子電池與鋰離子電池、光催化分解水與光電化學(xué)分解水的原理相似，只在相應(yīng)章節(jié)簡(jiǎn)略介紹。
第四篇“能源電化學(xué)研究方法”主要介紹了能源電化學(xué)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和表征技術(shù)。第15章“能源電化學(xué)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)”中介紹了化學(xué)電源相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以使讀者了解對(duì)于電池性能的全方位要求，重點(diǎn)介紹了鉛酸蓄電池、鋰離子電池、燃料電池和液流電池的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。第16章“能源電化學(xué)的表征技術(shù)”中對(duì)電化學(xué)測(cè)試儀器的工作原理和電池性能測(cè)試方法做了介紹，重點(diǎn)對(duì)電池容量、能量密度、功率、效率、壽命、熱失控等性能的測(cè)試原理和具體方法做了闡釋。2023年10月由德國吉森大學(xué)的賈內(nèi)克（Jürgen Janek）教授提出的表征鋰電極表面發(fā)生的電解質(zhì)副反應(yīng)的庫侖滴定時(shí)間分析（CTTA）方法也在本書中做了詳細(xì)解讀。
本書的特點(diǎn)之一是把重點(diǎn)聚焦于電化學(xué)，而不是日新月異的新材料。在各個(gè)章節(jié)中，把電化學(xué)反應(yīng)作為核心，用化學(xué)反應(yīng)方程式來突出電池放電或充電過程中發(fā)生的反應(yīng)，用200余幅詳細(xì)的圖解闡明電化學(xué)反應(yīng)過程中活性材料發(fā)生的變化。如光電化學(xué)電池的機(jī)理解釋中，傳統(tǒng)上用能帶圖來表示半導(dǎo)體/電解液界面處發(fā)生的變化【圖12.14（b）】。順著平行界面的方向（看向紙面）看過去，空間電荷層與亥姆霍茲層中實(shí)際的電場(chǎng)方向應(yīng)該垂直于界面【圖12.14（a）和（c）中的左右方向】，但在傳統(tǒng)的能帶圖中電場(chǎng)和電子能量的坐標(biāo)方向卻是上下方向【圖12.14（b）】，因而對(duì)于不熟悉物理學(xué)或電化學(xué)的讀者，較難理解采用這種表示法的電荷在半導(dǎo)體/電解液界面處的傳遞和交換行為。編者補(bǔ)充了空間電荷層與亥姆霍茲層中實(shí)際的電場(chǎng)方向與電勢(shì)的分布，并將電勢(shì)的分布在實(shí)際情形與傳統(tǒng)能帶圖中的對(duì)應(yīng)關(guān)系展示出來，相信讀者通過學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容就能夠理解傳統(tǒng)表示方法從而推動(dòng)自己的研究和學(xué)習(xí)。本書還設(shè)置了160余道思維訓(xùn)練題培養(yǎng)讀者的創(chuàng)新思維，提供了50余幅思維導(dǎo)圖協(xié)助讀者理解鞏固書中內(nèi)容。真正理解了能源電化學(xué)的機(jī)理，才能將各種材料應(yīng)用和技術(shù)創(chuàng)新推向新的高度。
本書的特點(diǎn)之二是通過電化學(xué)的發(fā)展歷史講述能源電化學(xué)中涉及的概念、定義和理論。比如為什么英文的陽極叫anode、陽離子卻叫cation，陰極叫cathode、陰離子卻叫anion（1.3.3節(jié)）。再比如鋰離子電池的充放電原理，絕大多數(shù)解釋均基于“搖椅電池”概念。如果僅從“搖椅電池”角度去理解，鋰離子電池就成了濃差電池，而濃差電池很難產(chǎn)生3～4V的電壓。鋰離子電池本質(zhì)上還是鋰金屬電池，是二維負(fù)極插層材料（intercalation material）的發(fā)現(xiàn)使得傳統(tǒng)鋰電池的枝晶生長問題被物理空間的“限域效應(yīng)”（confinement effect）克服，鋰二次電池終于得以實(shí)用化。因此各種二維插層材料的開發(fā)均是利用了“限域效應(yīng)”的機(jī)理，鎳氫電池負(fù)極材料的應(yīng)用也遵循了相似的原理。科學(xué)認(rèn)知基本都是來自對(duì)實(shí)際問題的解決過程，基礎(chǔ)理論的形成也是來自對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的剖析與思考。了解了從哪里來，才知道往何處去。通過了解能源電化學(xué)的發(fā)展歷程，可以領(lǐng)略到科學(xué)家和工程師在解決一個(gè)又一個(gè)技術(shù)難題和工程難題過程中的奇思妙想，以及這些問題的解決又如何反哺了基礎(chǔ)科學(xué)研究。
本書的特點(diǎn)之三是將電化學(xué)反應(yīng)方程式與電極的實(shí)際工作過程有機(jī)地聯(lián)系起來。電化學(xué)反應(yīng)方程式是靜態(tài)的，但是實(shí)際的電化學(xué)過程卻涉及物質(zhì)的傳遞、電荷的交換、能量的轉(zhuǎn)換、活性材料成分和結(jié)構(gòu)的變化等這些復(fù)雜的行為。比如LiNi-FeS2電池的正極放電機(jī)理，反應(yīng)方程的大多數(shù)寫法是：
式（1）和式（2）中的Li+實(shí)際上只參與電荷守恒與正極材料的結(jié)構(gòu)完善，但容易被不熟悉電化學(xué)的讀者誤以為Li+與電子結(jié)合在正極被還原。利用式（3）～式（5），讀者能輕而易舉地識(shí)別出Li+的作用以及在放電過程中哪些離子被還原和這些元素的價(jià)態(tài)變化。本書將電化學(xué)反應(yīng)方程式—電極活性材料變化過程的圖示—清晰易懂的說明文字三者貫穿起來，闡述清楚各種化學(xué)電源中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)的基本原理，揭示電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、電池材料的選擇等影響電池性能的基本原則。這些基本原理和基本原則，就是進(jìn)行新型電池設(shè)計(jì)、新型電池材料開發(fā)、新型電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心指導(dǎo)思想。
撰寫這本書，一是為了記錄自己在多年的教學(xué)、科研和服務(wù)企業(yè)過程中的思考，二是希望能為讀者提供可以吸收的正能量。本書面向的讀者是化學(xué)電源企業(yè)的工程師、高校和科研機(jī)構(gòu)的學(xué)生以及對(duì)能源電化學(xué)感興趣的同仁。編者期望這本書能夠在工程應(yīng)用和學(xué)術(shù)研究間架起一座橋梁，讓基礎(chǔ)理論給工程應(yīng)用解決實(shí)際問題帶來啟發(fā)性的指引，讓工程應(yīng)用中的實(shí)際問題給學(xué)術(shù)研究開辟新方向帶來指引性的啟發(fā)。一本書不可能給讀者帶來所有的答案，但是如果能幫助讀者走上正確的道路去尋找答案，編者的目的就達(dá)到了。由于編者水平有限，書中難免存在缺陷和疏漏，歡迎讀者批評(píng)指正。也歡迎讀者對(duì)于書中未闡釋清楚的問題和編者交流探討，以便及時(shí)更正和補(bǔ)充，煩請(qǐng)發(fā)送郵件至nwuenergy@***，謝謝！
本書由西北大學(xué)楊鷹擔(dān)任主編和負(fù)責(zé)統(tǒng)稿，西北大學(xué)李延和謝鋼、北京化工大學(xué)王楓梅擔(dān)任副主編。西北大學(xué)的劉季銓、雷琳、張?zhí)忑埖韧緟⑴c了本書中部分內(nèi)容的討論和編寫工作。研究生黃利蕓、思代強(qiáng)、楊雨晨、李瑞鑫、汪洋、李垚、劉海坤、徐藝鳳、雷甜甜、王林帥、李金龍、劉佳惠、姬輝等進(jìn)行了資料收集、插圖繪制、內(nèi)容討論等工作。感謝本書的參考文獻(xiàn)作者以及可能被遺漏的參考文獻(xiàn)作者。武漢市伏安極兮科技有限公司鄭成志和深圳市新威爾電子有限公司周吉財(cái)對(duì)本書進(jìn)行了審閱。感謝化學(xué)工業(yè)出版社對(duì)本書撰寫和出版的幫助和支持，感謝在初審、復(fù)審和終審過程中提出細(xì)致修改意見和建議的各位編輯老師，你們的辛苦工作提高了本書的科學(xué)性和可讀性。
感謝西北大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、西北大學(xué)榆林碳中和學(xué)院和陜西省碳中和技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)本書出版的支持。感謝西北大學(xué)給予我鼓勵(lì)與支持的各位同事！
感謝求學(xué)期間給予我諄諄教誨和無私幫助的各位恩師！未為師門爭(zhēng)光，不敢妄提師名，謹(jǐn)以此書獻(xiàn)給恩師。
向二百八十余年來為電化學(xué)科學(xué)和技術(shù)做出貢獻(xiàn)的前輩們致敬！
祝愿祖國的新能源事業(yè)蒸蒸日上！

楊鷹
2024年5月

第一篇　能源電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)　/　001
第0章　緒論　/　002
0.1　資源　/　002
0.2　能源　/　002
0.3　能量　/　004
0.4　新能源與電化學(xué)的關(guān)系　/　007

第1章　能源電化學(xué)基礎(chǔ)　/　009
1.1　電化學(xué)熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介　/　009
1.2　化學(xué)電源的發(fā)展過程　/　014
1.3　化學(xué)電源　/　021
1.4　化學(xué)電源的性能參數(shù)　/　026


第二篇　傳統(tǒng)電源電化學(xué)　/　037
第2章　鋅錳電池　/　038
2.1　概述　/　038
2.2　鋅錳電池電化學(xué)　/　042
2.3　電極材料　/　050
2.4　鋅錳電池性能參數(shù)　/　052
2.5　鋅錳電池的制造過程　/　054

第3章　鉛酸蓄電池　/　057
3.1　概述　/　057
3.2　鉛酸蓄電池電化學(xué)　/　061
3.3　鉛酸蓄電池的主要性能參數(shù)　/　069
3.4　鉛酸蓄電池的失效　/　072
3.5　鉛酸蓄電池的制造工藝　/　073
3.6　鉛炭電池　/　074

第4章　鎳鎘電池與鎳氫電池　/　076
4.1　概述　/　076
4.2　鎳鎘電池　/　079
4.3　鎳氫電池　/　087
4.4　鎳氫電池的制造工藝　/　091

第5章　鋅氧化銀電池　/　094
5.1　概述　/　094
5.2　鋅氧化銀電池電化學(xué)　/　099
5.3　鋅氧化銀電池的主要性能　/　104
5.4　鋅氧化銀電池的制造工藝　/　106


第三篇　新型電源電化學(xué)　/　109
第6章　鋰電池　/　110
6.1　概述　/　110
6.2　鋰電池電化學(xué)　/　114
6.3　鋰電池的主要性能　/　129
6.4　鋰電池的制造工藝　/　130

第7章　鋰離子電池　/　132
7.1　概述　/　132
7.2　鋰離子電池電化學(xué)　/　137
7.3　鋰離子電池的主要性能　/　147
7.4　鋰離子電池的制造工藝　/　148
7.5　鋰離子電池的安全性　/　149
7.6　固態(tài)鋰離子電池　/　149
7.7　鈉離子電池與鋰離子電池的區(qū)別　/　151

第8章　燃料電池　/　153
8.1　概述　/　153
8.2　質(zhì)子導(dǎo)電型燃料電池　/　160
8.3　氫氧根離子導(dǎo)電型燃料電池　/　165
8.4　氧離子導(dǎo)電型燃料電池　/　167
8.5　碳酸根離子導(dǎo)電型燃料電池　/　169

第9章　液流電池　/　173
9.1　概述　/　173
9.2　全釩液流電池　/　177
9.3　鐵鉻液流電池　/　182
9.4　鋅基液流電池　/　184
9.5　水系新型液流電池　/　186
9.6　非水系液流電池　/　190
9.7　太陽能液流電池　/　191

第10章　金屬空氣電池　/　194
10.1　概述　/　194
10.2　金屬空氣電池電化學(xué)　/　198
10.3　金屬空氣電池的主要性能　/　204

第11章　電化學(xué)電容器　/　206
11.1　概述　/　206
11.2　典型電化學(xué)電容器　/　211
11.3　電化學(xué)電容器的主要性能　/　215

第12章　光電化學(xué)電池　/　218
12.1　概述　/　218
12.2　半導(dǎo)體電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)　/　226
12.3　光電化學(xué)電池電化學(xué)　/　234
12.4　光電化學(xué)電池的主要性能　/　237

第13章　熱電池　/　239
13.1　概述　/　239
13.2　熱電池電化學(xué)　/　243
13.3　熱電池材料　/　246
13.4　熱電池的放電性能　/　247
13.5　熱電池的制作工藝　/　248

第14章　核電池　/　249
14.1　概述　/　249
14.2　核電池材料　/　254
14.3　主要性能　/　256


第四篇　能源電化學(xué)研究方法　/　257
第15章　能源電化學(xué)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)　/　258
15.1　概述　/　258
15.2　我國化學(xué)電源相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定情況　/　262
15.3　原電池型號(hào)的表示方法　/　263
15.4　鉛酸蓄電池的標(biāo)準(zhǔn) /　265
15.5　鋰離子電池的標(biāo)準(zhǔn)　/　268
15.6　燃料電池的標(biāo)準(zhǔn)　/　273
15.7　液流電池的標(biāo)準(zhǔn)　/　274

第16章　能源電化學(xué)的表征技術(shù)　/　277
16.1　電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)　/　277
16.2　電池性能測(cè)試方法　/　281
16.3　電極活性材料研究方法　/　290


參考文獻(xiàn)　/　296