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出版者:

作者:Huggins, Robert A.

出品人:

页数:504

译者:

出版时间:2008-11

价格:$ 168.37

装帧:

isbn号码:9780387764238

丛书系列:

图书标签:

• 电池
• 储能
• 电化学
• 材料科学
• 能源技术
• 可再生能源
• 电动汽车
• 便携式电源
• 电池技术
• 纳米材料

《深邃之流：探索电化学的奇妙之旅》 这本书并非仅仅是关于电池技术的一次简单罗列，而是一次深入电化学核心的探索之旅。它旨在带领读者跨越教科书的枯燥，直抵驱动现代世界运转的能量之源。我们将一起解开那些微小粒子如何协同工作，释放出令人惊叹的能量，并思考我们如何才能更有效地驾驭这份力量。 第一部分：原子与电子的共舞——电化学的基石 我们的旅程始于最根本的层面：原子和电子。我们将从物质的基本构成入手，回顾原子结构，重点聚焦于外层电子的特性，这些电子正是电化学反应的直接参与者。你将了解到，为什么某些原子“乐于”失去电子，而另一些原子则“渴望”获得电子。我们将深入探讨氧化还原反应（redox reactions）的核心原理，这是所有电化学过程的驱动力。通过生动的类比和直观的图解，我们将揭示电子的流动如何转化为可见的电流，以及能量是如何在化学键的断裂与生成之间转移的。 原子结构与电子排布的再认识： 不仅仅是质子、中子、电子的数量，更重要的是电子在原子轨道上的分布，特别是价电子的特性，它们是参与化学反应的“先锋部队”。我们将讨论电负性（electronegativity）这一关键概念，理解它如何决定了一个原子吸引电子的能力，以及它在驱动氧化还原反应中的作用。 氧化还原反应的微观机制： 我们将不仅仅停留在“得失电子”的表面定义，而是深入分析电子转移的能量学过程。通过能量势垒（energy barrier）的概念，理解反应发生的条件和速率。例如，为何某些氧化还原反应会自发进行，而另一些则需要外界能量的驱动。 电势差的起源： 为什么会有“电压”？我们将从能量角度解释电势差（potential difference）的本质，它是两种不同物质在电子亲和力上的差异所产生的驱动力。电势差的概念将贯穿本书，它是理解各种电化学装置性能的关键。 第二部分：化学能的转化器——电池的基本构成与原理 在理解了电化学的基本原理后，我们将把目光投向那些将化学能转化为电能的奇妙装置——电池。本书将详细剖析电池的内部构造，从最基础的正极、负极、电解质到隔膜，每一个组件都扮演着至关重要的角色。我们将深入探讨不同材料组合如何影响电池的性能，以及电池内部发生的电化学反应是如何将储存的化学能转化为可用的电能。 电极材料的选择与设计： 正极和负极的材料并非随意选择，它们决定了电池的能量密度、功率密度以及循环寿命。我们将探讨不同电极材料的优缺点，例如锂、钴、镍、锰等元素在锂离子电池中的作用，以及它们如何通过复杂的晶体结构变化来实现储能和释能。我们还会简要提及一些新兴的电极材料，它们正处于研究的前沿。 电解质：离子的桥梁： 电解质是电池内部离子的“高速公路”，它确保了电荷的平衡，并促成了电化学反应的持续进行。我们将探讨不同类型电解质的特点，包括液态电解质（如碳酸酯类溶剂与锂盐的组合）、固态电解质（如聚合物电解质、陶瓷电解质）及其各自的优势与挑战。电解质的稳定性、离子导电率以及与电极材料的相容性都是关键的考量因素。 隔膜的角色：安全与性能的平衡： 隔膜的作用是隔离正负极，防止短路，同时允许离子自由通过。我们将了解聚烯烃微孔膜（如聚丙烯、聚乙烯）等传统隔膜的结构和性能，以及它们在高温下的稳定性问题。同时，我们也会关注一些新型隔膜材料，例如具有增强安全性的陶瓷涂层隔膜，或者能够提高离子传输效率的功能化隔膜。 电化学反应的动力学： 为什么电池会有内阻？我们将探讨电极/电解质界面的电荷转移电阻、离子在电解质中的扩散阻力等因素，它们共同构成了电池的内阻，影响着电池的功率输出能力。法拉第过程（Faradaic process）的速率，以及非法拉第过程（non-Faradaic process）的影响，都将得到深入的解析。 第三部分：多样化的能量仓库——深入解析各种电池体系 本书将带领读者深入了解目前主流以及一些具有潜力的电池技术。我们不会满足于泛泛的介绍，而是会聚焦于每种电池体系的核心工作原理、关键材料以及面临的技术挑战。 锂离子电池的精细解构： 作为目前最普遍的二次电池，我们将对其进行最详尽的分析。从经典的钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）、磷酸铁锂（LiFePO4）到镍钴锰（NCM）、镍钴铝（NCA）等高镍三元材料，我们将深入剖析它们的结构特点、充放电机制以及各自在能量密度、安全性、成本和寿命方面的权衡。同时，我们将探讨负极材料（如石墨、硅基材料）的进展，以及它们如何影响电池的整体性能。 超越锂离子：其他先进电池技术的前景： 我们将目光投向那些可能在未来扮演重要角色的电池技术。 钠离子电池： 钠作为一种储量丰富、成本低廉的元素，钠离子电池因其潜在的低成本和良好的安全性而备受关注。我们将分析其工作原理，比较其与锂离子电池的异同，并探讨其在能量密度和循环寿命方面的挑战。 固态电池： 固态电池被视为下一代电池技术的重要方向，其核心在于用固态电解质替代液态电解质，从而大幅提高电池的安全性，并有可能实现更高的能量密度。我们将深入探讨不同类型的固态电解质（氧化物、硫化物、聚合物），以及固态电池在界面问题、离子传输和规模化生产方面所面临的障碍。 金属-空气电池： 如锂-空气电池、锌-空气电池等，这类电池具有极高的理论能量密度，有望实现比现有电池更高的续航里程。我们将解析其工作原理，聚焦于氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）的催化剂设计，以及电解质的稳定性和电极结构的挑战。 液流电池： 液流电池以其能量与功率可独立设计、易于扩展等特点，在电网储能领域展现出巨大潜力。我们将介绍其基本工作原理，包括不同电解液体系（如钒液流电池、锌溴液流电池）的优劣，以及其在大规模储能应用中的优势与挑战。 第四部分：性能的衡量与优化——理解电池的关键指标 理解电池，就必须掌握衡量其性能的关键指标。本书将详细解释这些指标的含义、测量方法以及它们之间的相互制约关系，帮助读者全面评估电池的优劣。 能量密度：储存多少能量？ 我们将区分体积能量密度（Wh/L）和质量能量密度（Wh/kg），并分析影响它们的材料选择和结构设计。 功率密度：释放多快能量？ 功率密度决定了电池的“爆发力”，我们将探讨其与内阻、电极反应速率等因素的关系。 循环寿命：能充放电多少次？ 循环寿命是电池实用性的重要指标，我们将分析导致电池衰减的各种机制，包括电极材料的结构演变、电解质的分解、SEI膜的生长等。 安全性能：如何避免风险？ 安全是电池发展的重中之重。我们将讨论电池失效的潜在风险，如热失控、短路等，以及通过材料选择、结构设计和电池管理系统（BMS）来提高电池安全性的方法。 倍率性能：不同充放电速率下的表现： 许多应用场景需要电池在短时间内完成充放电，我们将探讨倍率性能（C-rate）的含义，以及如何通过优化电极材料和电解质来提高电池的倍率性能。 第五部分：挑战与未来——驱动进步的动力 在深入探索了电池的过去与现在之后，我们将展望电池技术的未来。我们将探讨当前面临的关键技术挑战，以及科研人员正在努力的方向。 材料创新的前沿： 新型高比能正极材料、高性能负极材料（特别是硅基和金属锂负极）、更稳定高效的固态电解质、新型催化剂材料等，都是当前材料科学研究的热点。 提升安全性的多重策略： 除了材料层面，我们还将探讨更智能的电池管理系统（BMS）、更有效的热管理技术以及更安全的电池封装技术。 可持续发展的考量： 电池的回收与再利用是实现可持续发展的关键。我们将简要探讨电池材料的回收技术和循环经济的理念。 跨学科的融合： 电池技术的进步离不开化学、物理、材料科学、工程学等多个学科的交叉融合。我们将强调这种协同效应对于推动未来技术突破的重要性。 《深邃之流》并非是一本陈列枯燥公式的书籍，它更像是一次引导性的对话，一场对能量未知领域的好奇探索。通过层层深入的剖析，我们希望读者能够超越对电池表面的认知，深刻理解其背后复杂的电化学原理，欣赏其中蕴含的精妙设计，并对驱动我们走向更清洁、更高效未来的能量技术充满信心与期待。

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