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內容簡介

化學電源又稱電池，是一種把化學能直接轉化成電能的裝置，是現代社會發展和人類生活的必需品。《現代化學電源》主要從現代應用和發展速度較快的化學電源來分類介紹電池的組成、工作原理、材料發展及應用領域等。涉及化學電源的定義、組成、基本概念、性能參數和發展簡史，並按照組成化學電源的元素分類分彆介紹瞭鋅電池、鎳氫電池、鉛酸電池、鋰電池、鋰離子電池和液流電池，還講解瞭燃料電池，包括堿性燃料電池、直接醇類燃料電池和固體氧化物燃料電池等，對各類燃料電池基本原理、關鍵部件和應用領域分彆進行瞭介紹。本書內容多取自國內外的近報道和作者研究組的新研究成果，實效性強，對於推動我國現代化學電源領域人纔的培養、開展相關領域的研究工作具有很好的指導作用。
《現代化學電源》可作為高等院校能源化學工程、化學工程與工藝、應用化學及其相關專業的教材，也可作為電化學、電池材料、新能源等領域科技人員的學習參考用書。

作者簡介

孫剋寜，1964年生，博士，北京理工大學化工與環境學院院長、教授。1996年於哈爾濱工業大學金屬材料係獲博士學位，1996-1997年赴法國巴黎居裏大學(巴黎六大)錶麵化學國傢實驗室從事博士後進修。多年從事能源材料，空間用化學電源、SOFC燃料電池(固體氧化物燃料電池)，環境與能源催化劑的交叉研究。承擔瞭多項國傢、原航天部和總裝備部科研和工程項目，兩次獲得國傢科技奬和多項省部級奬。國防科技工業有突齣貢獻中青年專傢，2006年度教育部“長江學者奬勵計劃”特聘教授

目錄

第1章現代化學電源概論1
1.1概述1
1.1.1化學電源的産生1
1.1.2化學電源的發展2
1.2化學電源組成4
1.2.1電極類型及構成5
1.2.2電解質6
1.2.3隔膜7
1.2.4外殼和集流體8
1.3化學電源類型及應用8
1.4化學電源基本概念9
1.4.1電池電動勢9
1.4.2電極電勢11
1.4.3可逆電池與實際電池13
1.4.4電極極化與過電勢14
1.4.5交換電流密度16
1.5化學電源的性能參數17
1.5.1電池內阻17
1.5.2電池電壓18
1.5.3容量和比容量19
1.5.4能量和比能量21
1.5.5功率和比功率24
1.5.6自放電24
1.5.7使用壽命25
1.6多孔電極26
1.6.1特點及基本參數26
1.6.2氣體擴散電極27
1.7小結30
思考題31
參考文獻31

第2章鋅電池32
2.1概述32
2.2鋅-錳乾電池32
2.2.1概述32
2.2.2工作原理33
2.2.3電池結構35
2.2.4電池組成36
2.2.5電池特性41
2.3鋅-錳堿性電池45
2.3.1概述45
2.3.2工作原理45
2.3.3電池結構47
2.3.4電池組成48
2.3.5電池特性50
2.4鋅-銀電池52
2.4.1概述52
2.4.2工作原理54
2.4.3電池結構56
2.4.4電池組成56
2.4.5電池特性62
2.4.6自動激活電池62
2.4.7新型結構的鋅-銀電池64
2.5鋅-空氣電池66
2.5.1概述66
2.5.2工作原理66
2.5.3電池組成67
2.5.4電池分類、結構與特性68
2.6小結74
思考題74
參考文獻74

第3章鎳-氫電池77
3.1概述77
3.2儲氫閤金材料77
3.2.1儲氫閤金的性質77
3.2.2儲氫閤金的分類78
3.2.3儲氫閤金的製備技術79
3.3鎳-氫電池80
3.3.1概述80
3.3.2工作原理80
3.3.3電池結構及特點82
3.3.4氧化鎳電極84
3.3.5儲氫閤金電極92
3.3.6電池特性96
3.3.7MH-Ni電池的製造工藝100
3.3.8MH-電池的應用107
3.4高壓鎳-氫電池108
3.4.1概述108
3.4.2工作原理108
3.4.3電池結構及類型109
3.4.4電池性能及應用111
3.5小結113
思考題114
參考文獻114

第4章鉛酸電池116
4.1概述116
4.1.1工作原理117
4.1.2組成117
4.1.3用途及分類119
4.1.4優缺點119
4.2熱力學基礎120
4.3闆柵閤金120
4.3.1鉛酸蓄電池闆柵的作用120
4.3.2對闆柵材料的要求121
4.3.3鉛酸蓄電池闆柵閤金的研究現狀122
4.3.4鉛闆柵的腐蝕125
4.4二氧化鉛正極126
4.4.1二氧化鉛的多晶現象126
4.4.2二氧化鉛顆粒的凝膠-晶體形成理論126
4.4.3正極活性物質反應機理127
4.5鉛負極128
4.5.1鉛負極的反應機理128
4.5.2鉛負極的鈍化130
4.5.3負極活性物質的收縮與添加劑131
4.6鉛酸蓄電池的電性能132
4.6.1電動勢132
4.6.2容量132
4.6.3內阻132
4.6.4能量132
4.6.5比能量132
4.6.6壽命132
4.6.7電壓與充放電特性132
4.6.8容量及其影響因素133
4.6.9失效模式和循環壽命135
4.7鉛酸蓄電池製造工藝原理137
4.7.1閤金製備137
4.7.2闆柵的製造138
4.7.3鉛粉製造138
4.7.4鉛膏的製造139
4.7.5生極闆製造139
4.7.6化成140
4.7.7電池的裝配142
4.8小結143
思考題143
參考文獻143

第5章鋰電池145
5.1概述145
5.2鋰-碘電池146
5.3鋰-二氧化錳電池147
5.3.1鋰-二氧化錳電池簡介147
5.3.2鋰-二氧化錳電池的國內外研究現狀及發展趨勢148
5.3.3電池結構148
5.4鋰-亞硫酰氯電池151
5.4.1鋰-亞硫酰氯電池簡介151
5.4.2電池結構152
5.4.3鋰-亞硫酰氯電池的應用153
5.5鋰-硫電池154
5.5.1鋰-硫二次電池簡介154
5.5.2鋰-硫二次電池的飛梭效應及容量衰減機理155
5.5.3鋰-硫二次電池研究進展157
5.6鋰-空氣電池159
5.6.1鋰-空氣電池的工作原理160
5.6.2鋰-空氣電池目前所麵臨的問題162
5.6.3鋰-空氣電池的研究進展163
5.6.4鋰-空氣電池自支撐正極166
5.7鋰基熱儲備電池169
5.8小結171
思考題172
參考文獻172

第6章鋰離子電池174
6.1鋰離子電池簡介174
6.1.1鋰離子電池的發展曆程174
6.1.2鋰離子電池的工作原理174
6.1.3鋰離子電池的特點及分類175
6.1.4新一代鋰離子電池的發展需求176
6.2鋰離子電池材料177
6.2.1正極材料177
6.2.2負極材料182
6.2.3隔膜材料189
6.2.4電解液189
6.2.5固體電解質190
6.3鋰離子電池的結構和設計191
6.3.1鋰離子電池的結構191
6.3.2鋰離子電池的設計193
6.3.3鋰離子電池的安全性197
6.4鋰離子電池的開發方嚮199
6.4.1提高鋰離子電池的均勻性199
6.4.2確保電池産品的安全性199
6.4.3降低價格200
6.4.4開發新的電極材料200
6.5本章小結200
思考題200
參考文獻200

第7章燃料電池202
7.1概述202
7.1.1工作原理202
7.1.2分類及特點203
7.1.3發展簡史204
7.2堿性燃料電池205
7.2.1工作原理205
7.2.2結構和材料206
7.2.3電池特性與應用208
7.3磷酸燃料電池209
7.3.1工作原理209
7.3.2結構和材料210
7.3.3電池特性與應用212
7.4熔融碳酸鹽燃料電池213
7.4.1工作原理213
7.4.2結構和材料214
7.4.3電池特性及應用217
7.5質子交換膜燃料電池218
7.5.1工作原理218
7.5.2結構和材料219
7.5.3應用223
7.6直接醇類燃料電池226
7.6.1工作原理227
7.6.2結構和材料227
7.6.3應用234
7.7固體氧化物燃料電池235
7.7.1工作原理235
7.7.2結構和材料236
7.7.3電池特性和應用245
7.8小結246
思考題247
參考文獻247

第8章液流電池250
8.1概述250
8.1.1液流電池的工作原理250
8.1.2液流電池的結構251
8.1.3液流電池的類型252
8.2釩液流電池的工作原理254
8.2.1全釩液流電池254
8.2.2釩-溴液流電池256
8.3全釩液流電池的結構256
8.3.1單體電池的結構257
8.3.2液體電解質的循環258
8.3.3電解液儲罐結構259
8.4全釩液流電池關鍵材料259
8.4.1液體電解質259
8.4.2質子交換膜260
8.4.3電極材料261
8.4.4雙極闆262
8.4.5電池組框架與儲罐262
8.5小結262
思考題263
參考文獻263

精彩書摘

　　《現代化學電源(孫剋寜)》：
　　鉛塑料復閤闆柵是蓄電池行業的科學傢們為提高鉛酸蓄電池比能量而不斷努力的結果，是延長電池壽命、提高質量／電學特性比很有希望的途徑，它最早由美國江森控製公司於1980年開發成功。這種闆柵將普通闆柵導電和支撐活性物質的功能分開，分彆由闆柵的兩個部分完成。其中發散形的鉛閤金條起著導電的作用，而支撐活性物質則由剩餘部分網狀質輕的塑料完成。塑料大大減輕瞭闆柵質量，發散形導電骨架的設計則降低瞭極闆內的電壓降，使電池具有高倍率放電的能力。Pierson和Weinlein的實驗錶明，這種闆柵在鉛酸電池負極中的使用，使電池質量減輕瞭16%，低溫啓動性能提高瞭32%。……。比如，在多孔的聚丙烯上鍍鉛、聚苯乙烯上鍍鉛、滲鉛塑料縴維編織墊、薄的低強度鉛導電闆柵構件上的塑料支持體等。
　　其他復閤材料有在可鑄性樹脂、玻璃縴維、碳縴維上鍍金屬作為闆柵材料，如由70.0%聚乙烯、27.3%玻璃縴維上鍍2.7%銀（或銅、鎳）組成的復閤材料，碳縴維上鍍鉛形成的復閤材料，及在玻璃縴維上鍍鉛或鉛锡、鉛銻、鉛鈣閤金等。但由於這些材料在應用於負極過程中都齣現過各種各樣的問題，故未被實用化。
　　……

前言/序言

能源化學工程（Energy Chemical Engineering）是教育部批準的2011年新增專業。北京理工大學是全國首批建立的10個能源化學工程專業的高校之一，2011年鞦季學期開始招收首屆本科生。能源化學工程專業培養目標是掌握能源化學工程、電化學工程及催化技術等方麵的基礎理論和基礎知識；掌握新能源、能量儲存與轉換的理論基礎和化石能源的清潔利用技術，以及燃料電池係統與氫能利用、電化學功能材料與能源儲存轉換技術；瞭解可再生能源（太陽能、風能、生物質能、海洋能等）利用途徑；培養齣在新能源的利用和轉化領域內專業的經營管理和科研開發的高級技術人纔。
本專業主要學習化學電源與物理電源（燃料電池、鋰電池、Ni-H電池、太陽能電池、生物電池等）的利用技術；學習能源材料與能源轉換材料（儲能材料、電極材料、光電轉換材料等）的閤成和設計；燃料化學與工程中催化劑、添加劑、高能碳氫燃料等新型燃料或能提高燃料利用效率的技術。《現代化學電源》是多傢高校開設的本專業核心課程之一。
化學電源又稱電池，是一種能將化學能直接轉變成電能的裝置，它通過化學反應，消耗某種化學物質，輸齣電能。常見的電池大多是化學電源。它在國民經濟、科學技術、軍事和日常生活方麵均獲得廣泛應用。化學電源在21世紀發展迅速，許多新技術、新方法、新成果不斷湧現，化學電源正逐漸成為推動現代社會發展重要的技術力量和手段。為瞭及時跟進化學電源的最近進展，全麵介紹現代化學電源的新技術和新成果，北京理工大學在《現代化學電源工藝學》課程講義的基礎上組織編寫瞭《現代化學電源》教材。本教材資料豐富、內容生動，配以大量圖錶和實例，形象有趣地介紹瞭電化學電源工藝學的基礎知識和應用，涵蓋瞭其基本概念、實驗技能以及應用實例。
本教材是作者團隊多年來從事現代化學電源研究工作的總結，主要從現代應用和發展速度較快的化學電源來分類介紹電池的組成、工作原理、材料發展及應用領域等。本書涉及化學電源的定義、組成、基本概念、性能參數和發展簡史，並按照組成化學電源的元素分類分彆介紹瞭鋅電池、鎳氫電池、鉛酸電池、鋰電池、鋰離子電池和液流電池，還講解瞭燃料電池，包括堿性燃料電池、直接醇類燃料電池和固體氧化物燃料電池等，對各類燃料電池基本原理、關鍵部件和應用領域分彆進行瞭介紹。本書內容多取自國內外的最近報道，實效性強，對於推動我國現代化學電源領域人纔的培養、開展相關領域的研究工作具有很好的指導作用。
本教材解決瞭以前教材要麼偏重於基礎理論，要麼偏重於工程技術的弊端，既完整地介紹電化學的發展脈絡及其重要基礎知識，同時根據電化學在實際科學研究和工業生産中的應用，把科學基礎問題和解決實際問題聯係起來，做到基礎知識和實際應用，科學研究和工程技術的緊密結閤。通過這種編寫思路上的改進，本教材可望實現對學生創新能力的提升，把基礎教育、科研實踐和工程應用集中到講堂上，提高學生的學習興趣，激發學生的學習熱情，推動學生從被動型輸入學習到主動型積極探索的轉變。同時也可供科研人員和工程技術人員參考。本書是作者多年來從事現代化學電源研究工作的總結，並對各種化學電源的基本原理、關鍵材料和最新的發展現狀及未來發展方嚮進行瞭詳細的介紹。
本教材由北京理工大學、哈爾濱工業大學聯閤編寫完成，孫剋寜、喬金碩編寫第1章，硃曉東編寫第2章，喬金碩編寫第3章，王振華編寫第4章，趙光宇編寫第5章，張乃慶編寫第6章，孫旺、樂士儒、王芳編寫第7章，樊铖編寫第8章。孫剋寜教授負責全書籌劃、編寫以及全書統稿。在本教材編寫過程中，重慶大學魏子棟教授、華中科技大學王鳴魁教授提供瞭大力幫助，在此錶示衷心感謝！
由於編者水平所限，教材中可能還存在各種疏漏，懇請讀者和同仁批評指正！

編者
2017年4月



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