Advanced Materials for Energy Conversion II pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Chandra, Dhanesh (EDT)/ Bautista, Renato G. (EDT)/ Schlapbach, Louis (EDT)

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页数:560

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价格:160

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isbn号码:9780873395748

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• 能源转换
• 先进材料
• 材料科学
• 可再生能源
• 能源存储
• 太阳能
• 燃料电池
• 电化学
• 纳米材料
• 催化

先进能源转换材料 I：基础与应用 导言 能源是驱动现代社会发展的核心动力。随着全球对可持续发展和环境保护的日益关注，开发高效、清洁、可靠的能源转换技术已成为当今科学界面临的最紧迫挑战之一。本卷《先进能源转换材料 I：基础与应用》旨在深入探讨支撑新一代能源转换器件的核心材料科学基础及其在关键技术领域的应用前景。本书侧重于对现有成熟技术体系中的基础材料进行系统梳理和深入剖析，为读者构建一个坚实的理论框架，从而理解如何通过材料设计和工程化来优化能量捕获、存储和利用的效率。 本书结构严谨，内容涵盖了热电材料、光伏材料的基础理论，以及电化学储能系统的关键电极和电解质材料。 --- 第一部分：热电转换材料的物理基础与结构设计 热电材料是能够将温差直接转化为电能（塞贝克效应），或将电能转化为温差（珀尔帖效应）的半导体材料。其性能主要由无量纲优值 $ZT$ 决定，即 $ZT = frac{sigma S^2 T}{kappa}$，其中 $sigma$ 是电导率，$S$ 是塞贝克系数， $T$ 是绝对温度， $kappa$ 是总热导率 ($kappa = kappa_L + kappa_e$，包含晶格热导率和电子热导率)。实现高效热电转换的关键在于“解耦”这三个相互制约的参数：高电学性能（高 $sigma S^2$）和低热导率（低 $kappa$）。 第一章：热电材料的基本热力学与输运理论 本章详细阐述了热电效应的微观机理。我们首先回顾了玻尔兹曼输运方程在线性响应理论下的应用，推导了电导率和塞贝克系数的玻尔兹曼关系式。重点讨论了材料的能带结构、费米能级位置对载流子浓度和有效质量的影响。随后，深入分析了晶格振动对热导率的贡献，即声子输运理论。这包括声子散射机制（如晶界散射、缺陷散射和电子-声子散射）的定量描述，为后续降低晶格热导率的材料工程策略奠定理论基础。 第二章：经典无机热电材料的性能优化 本章聚焦于已实现商业化应用或处于大规模研究阶段的经典无机热电材料体系，如碲化锗（SiGe）、碲化锑（Sb2Te3）家族以及氧化物体系。 1. 碲化物体系（如 $ ext{Bi}_2 ext{Te}_3$ 和 $ ext{PbTe}$）：详细分析了通过掺杂（如 $ ext{PbTe}$ 中的 Na 掺杂以引入空穴）和形成固溶体来调控费米能级和有效质量的策略。针对这些材料在室温附近表现出的高 $ZT$ 值，我们探讨了晶界工程（如纳米晶结构）在抑制晶格热导率方面的显著作用。 2. 笼状结构材料：着重介绍了锰硅（$ ext{LaFe}_4 ext{Sb}_{12}$ 及其衍生物）和填充化合物（如 $ ext{Skutterudites}$）。这些材料的特点是具有大的空腔，其中柔性原子（“振动者”）的低频振动有效散射声子，从而显著降低了 $kappa_L$，而其宽带隙半导体特性保证了合理的电学性能。 第三章：低维结构与纳米复合材料的热电调控 本章探讨了利用纳米结构来进一步突破传统热电材料 $ZT$ 极限的方法。通过尺寸效应，可以引入更强烈的界面和表面散射机制。 1. 量子限域效应：分析了在纳米线和薄膜结构中，由于载流子能级的分立化和有效质量的变化，可能导致的塞贝克系数增强效应。 2. 纳米复合与异质结：讨论了将半导体基体与高熵纳米颗粒或不相容相进行复合的技术。这些纳米尺度的界面和晶界在声子平均自由程尺度上起到了高效的“声子散射屏障”作用，而不显著损害电子的平均自由程，从而实现电热解耦的“声子玻璃——电子晶体”的理想状态。 --- 第二部分：光伏转换材料与器件物理 光伏（PV）技术的核心在于将光子能量转化为可用的电能，其基础材料的性能直接决定了太阳能电池的光电转换效率（PCE）。本部分集中于对主流和新兴光伏材料体系的物理机制和载流子动力学进行深入研究。 第四章：晶体硅光伏电池的效率瓶颈与钝化技术 尽管晶体硅（c-Si）占据了当前市场的主导地位，但其理论效率（Shockley-Queisser 极限的 30% 左右）仍有提升空间。 1. 载流子复合机制：本章深入分析了在不同材料质量的硅中发生的关键复合过程，包括体复合（如俄歇复合、缺陷辅助复合）和表面/界面复合。重点讨论了缺陷能级与费米能级的相互作用。 2. 先进钝化技术：详细介绍了钝化层的物理化学作用，特别是原子层沉积（ALD）的氧化铝 ($ ext{Al}_2 ext{O}_3$) 和选择性发射极（SE）技术在降低表面复合速率和提高电池开路电压 ($V_{oc}$) 方面的应用。 第五章：薄膜光伏材料：吸收层与界面工程 本章关注于硫族化合物和铜铟镓硒（CIGS）等薄膜光伏技术。 1. CIGS 吸收层的优化：讨论了如何通过精确控制 $ ext{Cu}/( ext{In} + ext{Ga})$ 和 $ ext{Ga}/( ext{In} + ext{Ga})$ 的比例来调控吸收层的带隙梯度，以实现对太阳光谱更优的吸收。此外，本章探讨了 CdS/CIGS 缓冲层界面处的带对齐和缺陷态对光生载流子分离效率的影响。 2. 光吸收层的载流子动力学：利用瞬态光吸收光谱（TAA）等先进表征手段，分析了光生电子-空穴对在吸收层中的产生、分离和传输过程中的弛豫时间尺度，以指导材料设计以抑制复合。 第六章：新兴光伏材料：钙钛矿材料的稳定化挑战 钙钛矿太阳能电池（PSC）因其优异的光吸收系数和低成本加工潜力而备受关注。本章的重点是解决当前制约其商业化的核心问题——长期稳定性。 1. 湿度和热降解机理：详细分析了水分子入侵导致的钙钛矿晶格分解（如 $ ext{MAPbI}_3$ 转化为 $ ext{PbI}_2$）的化学热力学。 2. 界面稳定性策略：探讨了使用疏水性或离子阻挡层（如聚合物或无机氧化物）来保护活性层，以及通过引入大分子阳离子或无机钝化剂来提高晶体结构整体稳定性的化学方法。 --- 第三部分：电化学储能系统中的关键材料 高效的能量储存是应对间歇性可再生能源挑战的关键环节。本部分主要关注锂离子电池（LIBs）和下一代电池体系中的正极、负极以及电解质材料的性能、结构演变与失效机制。 第七章：锂离子电池正极材料的结构稳定化 高性能正极材料是决定电池能量密度和循环寿命的核心。本章侧重于镍锰钴（NMC）和富锂锰基材料。 1. 高镍 NMC 材料的挑战：分析了当镍含量超过 80% 时，材料在深度充电过程中暴露出的表面副反应和结构不稳定性。重点讨论了通过表面包覆（如 $ ext{Al}_2 ext{O}_3$ 或含氟化合物）来抑制高电位下的电解液氧化和结构相变（如层状到尖晶石相的转变）。 2. 富锂锰基材料（LMRs）的电压衰减：阐述了 LMRs 中“析氧”机制（Oxygen Evolving）和 $ ext{Li}^+$ 扩散通道的不可逆变化导致的高电压平台下降问题，并介绍了通过阳离子掺杂稳定锰氧化物框架的策略。 第八章：负极材料的界面化学与体积膨胀控制 负极材料的选择直接影响电池的倍率性能和安全特性。本章分析了石墨和硅基负极的性能。 1. 固态电解质界面（SEI）的形成与演变：详述了 SEI 膜在首次充放电循环中形成的物理化学过程，以及 SEI 膜的离子电导率和电子绝缘性对电池长循环性能的关键影响。讨论了使用添加剂（如氟代碳酸乙烯酯 $ ext{FEC}$）来形成更稳定、更薄的 SEI 膜的方法。 2. 硅基负极的体积效应管理：硅材料具有极高的理论容量，但充放电过程中高达 300% 的体积膨胀是其应用的主要障碍。本章重点分析了采用纳米结构设计（如核壳结构、多孔硅）和先进粘结剂系统来机械缓冲体积变化的工程方法。 第九章：固体电解质与下一代全固态电池的材料筛选 全固态电池（ASSBs）有望解决传统液态电解液带来的安全隐患。本章侧重于无机氧化物和硫化物固体电解质的离子输运机制。 1. 晶体结构与离子导电性：比较了具有高锂离子迁移数的晶体结构，如基于石榴石结构（如 $ ext{LLZO}$）和硫化物（如 $ ext{LGPS}$）的离子传导机制。重点分析了晶界电阻和界面接触电阻对整体电池性能的限制。 2. 界面阻抗的化学调控：阐述了正负极与固体电解质之间的化学兼容性是构建低阻抗界面的关键。讨论了通过薄缓冲层涂层或原位界面反应来抑制析锂枝晶的生长和界面副反应的最新进展。 --- 总结 《先进能源转换材料 I：基础与应用》为读者提供了一个跨越热电、光伏和电化学储能三大领域的材料科学蓝图。本书的撰写目标是提供坚实的理论深度和清晰的工程应用思路，聚焦于理解材料的微观结构如何决定宏观的能源转换性能，从而指导下一代高效、稳定能源技术的材料创新与优化。

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我花了整整一周的时间来消化前三章的内容，坦白说，阅读体验称得上是“痛并快乐着”。这本书的理论密度非常高，几乎每一页都塞满了需要反复咀嚼的公式和推导过程。对于我这种需要将理论知识应用于实际工程设计的人来说，这种深度是急需的，但同时也意味着极高的阅读门槛。我尤其欣赏作者在引用文献时的严谨态度，每一个重要的论断后面都紧跟着最新的、往往是Nature或Science级别的研究支撑，这使得全书的权威性毋庸置疑。然而，这同时也带来了挑战——对于一些侧重于材料制备而非理论建模的读者，可能需要花费额外的精力去理解那些复杂的量子力学描述。我发现，如果跳过中间的推导直接看结论，很容易产生“知其然不知其所以然”的空泛感。因此，我不得不经常停下来，手持计算器和笔记本，对照着书中的公式进行复算和验证。这本书的价值在于它构建了一个坚实的理论框架，让你能够从微观层面理解宏观性能的来源，但这也要求读者必须具备扎实的物理和化学基础。

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这本书的真正魅力，或许在于它构建的知识体系的宏大叙事感。它不像一本散装的论文集，而是像一部精心编排的交响乐。从最基础的量子效率和载流子动力学开始，逐步过渡到热力学限制，再到具体的器件结构优化，最后以系统层面的效率提升和长期耐久性评估收尾。这种结构使得读者在阅读完最后一部分时，能够回溯到开篇，对整个“能量转换”的链条有一个完整的、闭环的认识。它不仅告诉你“A材料比B材料好”，更深刻地解释了“为什么A材料在特定条件下能比B材料做得更好，以及我们还能如何通过调控C参数来进一步提升它”。这本书提供的不是现成的答案，而是一套严谨的、可迁移的问题解决框架。对于希望从应用层面提升到理论指导工程实践的专业人士来说，这是一部不可多得的“内功心法”，读完之后，感觉自己看问题的视角都变得更高远和系统化了。

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就书籍的排版和装帧而言，我必须提出一些改进的建议。虽然内容质量无可挑剔，但作为一本高阶参考书，其易用性也同等重要。纸张的选择偏向于偏黄的哑光纸，这对长时间阅读来说确实减少了视觉疲劳，但印刷的墨迹在某些复杂的化学结构式旁边显得略微模糊，尤其是在需要分辨细微的取代基团时，偶尔会造成困扰。此外，书中大量使用到的彩色插图，虽然内容丰富，但有些关键的示意图如果能使用更高分辨率的线条或者更鲜明的对比度，将会极大地提升理解效率。尤其是一些涉及到电化学循环伏安图和电荷密度分布图的部分，当前版本的对比度稍显不足。我希望未来的再版中，出版商能在保持内容深度的同时，对这些细节进行优化，毕竟，一本经常被翻阅的专业书籍，其物理形态的清晰度也是其生命力的一部分。

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这本书的封面设计非常吸引人，那种深邃的蓝色调搭配着清晰的白色标题，立刻给人一种严谨、专业的印象。我本来对这个领域的深入研究抱持着一丝忐忑，毕竟“Advanced Materials”这个词本身就意味着高深的理论和复杂的实验数据。然而，翻开目录，我发现作者的编排逻辑非常清晰，从基础的电化学理论到前沿的纳米结构设计，再到具体的器件应用，层层递进，过渡自然得令人赞叹。尤其是在讨论催化剂方面，作者不仅仅停留在罗列各种材料的性能参数，而是深入挖掘了其背后的物理化学机制，用大量详实的图表和精妙的插图，将那些抽象的概念具象化了。我记得有一个关于界面电荷转移的章节，我之前在好几本教材上都感到晦涩难懂，但在这里，通过一系列精心绘制的能带图和反应路径示意图，我竟然茅塞顿开。这本书的深度显然是为研究生甚至科研人员量身定制的，它不会用过于简化的语言来敷衍读者，而是鼓励你带着批判性的眼光去审视现有技术，这对于推动真正的创新至关重要。它更像是一位经验丰富的导师，在你迷茫时给出精准的指引，而不是一个只会提供答案的工具书。

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这本书最让我眼前一亮的地方，在于其对“前沿”概念的把握精准而不过火。现在市面上很多声称“先进”的材料书籍，往往堆砌了大量尚未成熟的、甚至有些炒作嫌疑的研究方向。但翻阅本书中关于固态电池电解质和新型光伏吸收层的章节，我感受到的是一种脚踏实地的科学态度。作者没有鼓吹任何“革命性”的突破，而是冷静地分析了当前主流技术路线（如锂离子电池的能量密度瓶颈）的根本限制，然后系统地介绍了最有希望突破这些限制的几种替代方案，并客观地对比了它们的优缺点和面临的工程化挑战。例如，在讨论钙钛矿太阳能电池的稳定性问题时，书中没有简单地归咎于水分敏感性，而是深入分析了晶格缺陷、电荷传输层与活性层之间的能级匹配失调等多个维度的问题，并给出了针对性的钝化策略。这种全面而又审慎的分析，为科研工作者指明了下一步研究的重点和方向，避免了在死胡同里浪费时间。

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