本书主要介绍绿色能源材料，包括锂离子电池、太阳能电池、燃料电池、金属-空气电池、新体系电池、液流电池、混合离子电容器及其关键材料，以及新能源材料测试表征技术。本书汇集了国内外研究者的最新科技成果和相关技术，体现了绿色能源材料当今的发展和研究趋势。本书内容可为新能源材料与器件、储能科学与工程专业的学生学习后续课程及从事专业工作奠定初步的理论基础。
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序
前言
第1章 绪论 1
1.1 能源的基本概念 1
1.1.1 能源的定义和分类 1
1.1.2 能源的来源和用途 3
1.1.3 能源的主要评价标准 5
1.2 能源的发展趋势 6
1.2.1 薪柴时代 6
1.2.2 煤炭时代 6
1.2.3 石油时代 7
1.3 能源需求与结构 7
1.3.1 世界能源消费概况 7
1.3.2 能源需求与经济发展 9
1.3.3 能源结构优化与环境改善 10
1.4 绿色能源与绿色能源材料 11
1.4.1 绿色能源及其材料简介 11
1.4.2 中国绿色能源产业与材料需求 12
思考题 15
参考文献 15
第2章 锂离子电池及关键材料 17
2.1 概述 17
2.1.1 锂离子电池的构成和原理 17
2.1.2 锂离子电池的特点 19
2.2 锂离子电池正极材料 19
2.2.1 钴酸锂 20
2.2.2 镍钴锰三元材料 23
2.2.3 磷酸铁锂 28
2.2.4 锰酸锂 31
2.3 锂离子电池负极材料 34
2.3.1 石墨 35
2.3.2 硅基材料 37
2.3.3 锡基材料 39
2.3.4 钛酸锂 40
2.3.5 锂金属 41
2.4 锂离子电池电解质材料 44
2.4.1 液态电解质 44
2.4.2 固态电解质 45
思考题 51
参考文献 51
第3章 太阳能电池及关键材料 55
3.1 概述 55
3.1.1 开发太阳能电池的重要意义 55
3.1.2 太阳能电池发展简史 56
3.1.3 太阳能电池工作原理 57
3.1.4 太阳能电池电学特性及主要参数 59
3.1.5 影响太阳能电池性能的主要因素 60
3.2 硅太阳能电池 62
3.2.1 硅半导体材料的特点 62
3.2.2 硅太阳能电池技术路线 62
3.2.3 硅太阳能电池行业发展 64
3.2.4 硅太阳能电池的发展前景和挑战 65
3.3 Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳能电池 66
3.3.1 Ⅲ-Ⅴ族化合物材料的特点 66
3.3.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物材料的制备方法 66
3.3.3 高效率Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳能电池 67
3.3.4 Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳能电池的发展前景和挑战 69
3.4 CIGS太阳能电池 70
3.4.1 CIGS材料的特点 70
3.4.2 CIGS材料的制备方法 70
3.4.3 高效率CIGS太阳能电池 71
3.4.4 CIGS太阳能电池的发展前景和挑战 72
3.5 CdTe太阳能电池 73
3.5.1 CdTe材料的特点 73
3.5.2 CdTe材料的制备方法 73
3.5.3 高效率CdTe太阳能电池 74
3.5.4 CdTe太阳能电池的发展前景和挑战 75
3.6 钙钛矿太阳能电池 76
3.6.1 钙钛矿材料的特点 76
3.6.2 钙钛矿薄膜的制备工艺 77
3.6.3 高效率钙钛矿太阳能电池 77
3.6.4 钙钛矿材料的发展前景和挑战 82
思考题 84
参考文献 85
第4章 燃料电池及关键材料 90
4.1 概述 90
4.1.1 燃料电池的发展历史 90
4.1.2 燃料电池的类型和特点 93
4.1.3 燃料电池的关键材料 95
4.1.4 燃料电池的应用领域 97
4.2 燃料电池的工作原理 99
4.2.1 燃料电池的基本反应 99
4.2.2 燃料电池的热力学基础 99
4.2.3 燃料电池的动力学基础 100
4.3 质子交换膜燃料电池 102
4.3.1 PEMFC的结构和工作原理 102
4.3.2 质子交换膜 103
4.3.3 电极 105
4.3.4 双极板 107
4.3.5 研究展望 108
4.4 熔融碳酸盐燃料电池 109
4.4.1 工作原理 109
4.4.2 关键材料 110
4.4.3 研究展望 112
4.5 固体氧化物燃料电池 113
4.5.1 SOFC的结构和工作原理 113
4.5.2 SOFC的电解质材料 114
4.5.3 SOFC的阳极材料 117
4.5.4 SOFC的阴极材料 117
4.5.5 研究展望 118
4.6 微生物燃料电池 119
4.6.1 工作原理 119
4.6.2 分类 122
4.6.3 电极材料 123
4.6.4 研究展望 126
思考题 129
参考文献 129
第5章 金属-空气电池及关键材料 132
5.1 概述 132
5.1.1 金属-空气电池的简介 132
5.1.2 金属-空气电池的发展历程 132
5.1.3 金属-空气电池的应用领域 133
5.1.4 金属-空气电池的应用前景及挑战 134
5.2 锂-空气电池 135
5.2.1 锂-空气电池电化学原理及挑战 136
5.2.2 锂-空气电池正极材料 139
5.2.3 锂-空气电池负极材料 142
5.2.4 锂-空气电池电解液 143
5.3 钠-空气电池 147
5.3.1 钠-空气电池电化学原理及挑战 147
5.3.2 钠-空气电池正极材料 149
5.3.3 钠-空气电池负极材料 149
5.3.4 钠-空气电池电解液 150
5.4 锌-空气电池 151
5.4.1 锌-空气电池电化学原理与挑战 151
5.4.2 锌-空气电池正极材料 152
5.4.3 锌-空气电池负极材料 155
5.4.4 锌-空气电池电解液 158
5.4.5 锌-空气电池隔膜 160
5.5 铝-空气电池 160
5.5.1 铝-空气电池电化学原理及挑战 160
5.5.2 铝-空气电池催化剂材料 161
5.5.3 铝-空气电池负极材料 161
5.5.4 铝-空气电池电解液 162
5.6 镁-空气电池 162
5.6.1 镁-空气电池电化学原理及挑战 162
5.6.2 镁-空气电池正极材料 163
5.6.3 镁-空气电池负极材料 163
5.6.4 镁-空气电池电解液 163
思考题 166
参考文献 167
第6章 新体系电池及关键材料 171
6.1 概述 171
6.1.1 新体系电池及关键材料发展现状 172
6.1.2 新体系电池及关键材料面临的挑战 173
6.2 钠离子电池 175
6.2.1 钠离子电池正极材料 176
6.2.2 钠离子电池负极材料 181
6.2.3 钠离子电池电解质和界面 185
6.2.4 固态钠离子电池 188
6.3 钾离子电池 190
6.3.1 钾离子电池正极材料 190
6.3.2 钾离子电池负极材料 195
6.3.3 钾离子电池电解质 196
6.4 锌离子电池 197
6.4.1 锌离子电池正极材料 197
6.4.2 锌离子电池负极材料 200
6.4.3 锌离子电池电解质 201
思考题 204
参考文献 204
第7章 液流电池 209
7.1 概述 209
7.1.1 液流电池的发展历史 209
7.1.2 液流电池应用前景 213
7.2 全钒液流电池 214
7.2.1 全钒液流电池工作原理 214
7.2.2 全钒液流电池电极材料 215
7.2.3 全钒液流电池隔膜材料 218
7.3 非水系液流电池 220
7.3.1 Li/TEMPO液流电池 221
7.3.2 Li/二茂铁液流电池 222
7.3.3 Li/Br2液流电池 222
7.3.4 FL/DBMMB液流电池 223
7.3.5 新型非水系液流电池膜 224
7.4 新体系水系液流电池 226
7.4.1 甲基紫精/TEMPO 体系液流电池 226
7.4.2 醌/溴体系液流电池 227
7.4.3 醌/铁体系液流电池 228
7.4.4 锌/碘体系液流电池 228
7.4.5 其他水系液流电池 229
思考题 233
参考文献 233
第8章 混合离子电容器及关键材料 238
8.1 概述 238
8.1.1 混合离子电容器的应用背景 238
8.1.2 混合离子电容器的发展基础 240
8.1.3 混合离子电容器的内在原理 242
8.2 锂离子电容器 242
8.2.1 锂离子电容器的工作原理 242
8.2.2 锂离子电容器的构建 243
8.2.3 锂离子电容器正极材料 245
8.2.4 锂离子电容器负极材料 247
8.2.5 锂离子电容器电解液 250
8.2.6 锂离子电容器的发展与挑战 251
8.3 非锂离子混合电容器 252
8.3.1 非锂离子混合电容器的发展 253
8.3.2 先进混合离子电容器关键材料 254
8.3.3 非锂离子混合电容器的电解质 260
8.4 混合离子电容器的发展前景与挑战 261
思考题 264
参考文献 264
第9章 新能源材料测试表征技术 269
9.1 微观形貌表征 269
9.1.1 扫描电子显微镜 269
9.1.2 透射电子显微镜 270
9.1.3 扫描探针显微镜 271
9.1.4 原子探针层析技术 273
9.2 物相结构分析 274
9.2.1 衍射技术 274
9.2.2 分子振动光谱 277
9.2.3 紫外-可见光谱 279
9.2.4 X射线吸收精细结构 280
9.2.5 磁共振技术 280
9.3 成分分析 282
9.3.1 光谱法 282
9.3.2 质谱法 284
9.3.3 能谱法 286
9.3.4 色谱法 289
9.3.5 化学分析法 290
9.4 物理性能分析 291
9.4.1 孔隙/粒度测量 291
9.4.2 密度测量 293
9.4.3 万能材料试验机 294
9.4.4 硬度试验 295
9.4.5 热性能分析 296
9.5 电化学性能测试 299
9.5.1 稳态测试法 299
9.5.2 暂态测试法 300
9.5.3 伏安分析法 301
9.5.4 交流阻抗法 301
9.6 二次电池安全要求 302
9.6.1 寿命试验 302
9.6.2 气候环境试验 303
9.6.3 机械条件试验 305
9.6.4 电安全试验 306
思考题 309
参考文献 309
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