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1绪论1

1.1概述1

1.2燃料分配系统中的储能技术2

1.3储能技术的周期性2

1.3.1长期储能技术3

1.3.2短期储能技术3

1.4负载平衡问题3

1.5削峰填谷技术5

1.6短期瞬变7

1.7可移动设备的储能7

1.7.1电子设备的储能8

1.7.2汽车的储能8

1.8氢动力汽车9

1.9建筑温控技术10

1.10先进照明技术10

1.11本书架构11

参考文献12

2基本概念13

2.1概述13

2.2热功当量13

2.3热力学第一定律——能量守恒定律14

2.4焓14

2.5熵15

2.5.1热熵15

2.5.2构型熵16

2.6功16

2.7温度对G，H和S的影响17

2.8不可逆和可逆的储能模式17

2.9卡诺极限18

2.10电能质量18

参考文献19

3热能21

3.1概述21

3.2显热22

3.3潜热23

3.3.1无机相变材料24

3.3.2有机相变材料26

3.4准潜热27

3.5热泵27

参考文献27

4可逆化学反应29

4.1概述29

4.2非相合反应的类型29

4.2.1插入反应30

4.2.2化合反应31

4.2.3分解反应32

4.2.4置换反应32

4.3相图33

4.3.1吉布斯相律33

4.3.2二元相图34

4.3.3杠杆定则36

4.3.4二元系中三相反应37

4.3.5包晶反应39

4.3.6共晶反应39

4.4固液反应的热效应42

4.5可逆气相反应的热效应45

参考文献48

5有机燃料储能49

5.1概述49

5.2生物质能49

5.3动物中的生物质能51

5.4固体生物质能52

5.5合成液体燃料52

5.6液化气体燃料52

5.7燃料能量含量53

参考文献54

6机械能55

6.1概述55

6.2势能55

6.3压缩气体的势能57

6.4重力势能58

6.5水力发电60

6.6抽水蓄能61

6.7水流动能62

6.8动能62

6.8.1平动动能63

6.8.2转动动能64

6.9内部结构中的储能67

参考文献68

7电磁能69

7.1概述69

7.2电容器的储能70

7.2.1平行板电容器的储能70

7.3电荷存储机理71

7.3.1双电层静电储能72

7.3.2固体电极表面的二维吸附73

7.3.3三维吸附73

7.3.4重构反应76

7.4相对储能77

7.5储能品位的重要性78

7.6电容器的瞬态行为79

7.7含电容的机电系统暂态模型81

7.7.1概述81

7.7.2拉普拉斯变换82

7.7.3实例83

7.8磁场储能84

7.8.1物质在磁场中的能量85

7.8.2超导磁系统中的储能89

7.8.3超导材料90

参考文献92

8氢能95

8.1概述95

8.2氢气的生产96

8.2.1水蒸气转化法96

8.2.2水蒸气与碳的反应98

8.2.3电解水法100

8.2.4热解水法102

8.2.5水制氢气其他化学法103

8.2.6其他方法107

8.3政府对氢能的推广107

8.4氢气的储存方法109

8.4.1高压罐存储气态氢110

8.4.2绝缘罐存储液态氢110

8.4.3金属固态储氢110

8.5其他储氢方法111

8.5.1含氢负离子的材料112

8.5.2储氢媒介和相关材料113

8.5.3可逆有机液体储氢114

8.6储氢的安全性116

参考文献117

9电化学能119

9.1概述119

9.2简单的电化学反应120

9.3电化学电池反应的主要类型124

9.3.1化合反应125

9.3.2位移反应127

9.3.3插入反应127

9.4重要的实验参数128

9.4.1操作电压和能量品位130

9.4.2电荷容量132

9.4.3最大理论比能量132

9.4.4充放电过程的电压变化133

9.4.5循环过程133

9.4.6自放电135

9.5电化学电池的一般等效电路136

9.5.1阻抗对晶胞中离子和原子迁移的影响137

9.5.2电解质中电子泄露的影响138

9.5.3粒子的迁移数139

9.5.4输出电压、离子价态与电子迁移数的关系140

9.5.5自放电的焦耳热141

9.5.6电流来自电池的假想141

参考文献143

10电化学电池的电压与容量规律145

10.1概述145

10.2不同电化学电池热力学属性145

10.3实例：锂-碘电池147

10.3.1最大理论能量的计算149

10.3.2温度对电池电压的影响150

10.4放电曲线与吉布斯相律151

10.5库仑滴定法157

参考文献160

11均衡与近似均衡下的双电极系统161

11.1概述161

11.2二元系中相图与电动势的关系161

11.3实例：锂-锑系统164

11.4稳定相域168

11.5实例：锂-铋系统168

11.6其他二元系中的库仑滴定法169

11.7温度对电位的影响170

11.8氧化物及类似材料的应用172

11.9埃林厄姆相图与其他相图174

11.10液态二元系175

11.11机理和术语的进一步说明176

11.12小结178

参考文献179

12均衡与近似均衡下的三电极系统181

12.1概述181

12.2三相图与相稳定性图181

12.3三元系中子三角结构183

12.4实例：钠-镍-氯化物构成的三元系186

12.5实例：锂-铜-氯化物构成的三元系189

12.5.1电压计算190

12.5.2实验设计：氯化铜电池192

12.6 Li-CuCl电池与Li-CuC12电池最大理论比能193

12.7比容量与容量密度194

12.8含镁金属氢化物系统194

12.9实例：锂-过渡金属氧化物200

12.10两种二元合金构成的三元系204

12.10.1实例：常温下Li-Cd-Sn构成的三元系205

12.11附加成分的影响205

12.12小结206

参考文献206

13电极的插入反应207

13.1概述207

13.2层结构中附加元素注入的实例209

13.3浮式柱状层结构210

13.4固体中附加元素注入的术语210

13.5元素注入的不同配置方式211

13.6顺序插入反应211

13.7不同溶剂的联合注入215

13.8平行线性隧道注入216

13.9主体结构的改变216

13.9.1晶体到非晶体217

13.9.2电动势对产物的影响219

13.9.3可移动元素的初步提取219

13.10电极成分的改变220

13.10.1概述220

13.10.2单一金属固溶体成分的改变221

13.10.3客体离子的构型熵222

13.10.4金属固溶体中浓度对电子化学势的影响223

13.10.5金属固溶体中两种相关成分对电势的影响223

13.10.6金属固溶体中组分对两相重组反应电势对的影响225

13.11小结227

参考文献227

14偏离完全平衡的电极反应229

14.1概述229

14.2稳态和亚稳态平衡229

14.3选择性平衡231

14.4非晶体结构与晶体结构的形成232

14.5偏离平衡的动力学原因234

15铅酸电池237

15.1概述237

15.2铅酸系统的化学原理238

15.2.1 MTSE的计算239

15.2.2充电状态对电池电压的影响239

15.3单个电极电势240

15.4电极与电化学反应机制的联系242

15.5电极结构242

15.5.1体积的变化和脱落243

15.6合金材料在电极网络的应用244

15.7网络材料的选择与设计246

15.8密封铅酸电池的发展246

15.9其他设计247

15.9.1其他改进249

15.10 PbO2中氢的迅速扩散250

参考文献250

16水性体系中的负电极251

16.1概述251

16.2水性体系中的锌电极251

16.2.1概述251

16.2.2 H-Zn-O系统的热力学关系252

16.2.3锌电极的问题253

16.3镉电极253

16.3.1概述253

16.3.2 H-Cd-O系统的热力学关系254

16.3.3镉电极的运行机制255

16.4金属氢化物电极256

16.4.1概述256

16.4.2金属氢化物电池的商业化发展257

16.4.3氢化物材料257

16.4.4歧化和激活258

16.4.5压力-成分的关系259

16.4.6温度的影响260

16.4.7 AB2合金261

16.4.8两种结构比较262

16.4.9尚未商业化的电池合金264

16.4.10氢化物粒子微型胶囊包装264

16.4.11其他黏合剂264

16.4.12用于负电极的固体电解质种类265

16.4.13不同金属氢化物的最大理论容量265

参考文献266

17水性体系中的正电极267

17.1概述267

17.2水性体系中的二氧化锰电极268

17.2.1概述268

17.2.2开路电动势269

17.2.3放电过程电动势的变化270

17.3镍电极270

17.3.1概述270

17.3.2 Ni（OH）2和NiOOH电极的结构特征271

17.3.3运行机制272

17.3.4电化学特性和结构之间的关系274

17.3.5自放电276

17.3.6过度充电278

17.3.7热力学相关知识278

17.4镍电极记忆的效应281

17.4.1概述281

17.4.2镍电极的工作特性282

17.4.3过度充电现象285

17.4.4小结287

参考文献288

18锂电池的负电极291

18.1概述291

18.2锂电极292

18.2.1非正常位置沉积292

18.2.2形状改变292

18.2.3树突293

18.2.4单纤维式增长293

18.2.5热耗散294

18.3金属锂的其他用途295

18.4锂-碳合金295

18.4.1概述295

18.4.2石墨中掺杂金属锂的理想模型297

18.4.3石墨结构的变化298

18.4.4锂掺入石墨的结构变化299

18.4.5石墨中锂的电化学行为300

18.4.6无定形碳中锂的电化学行为302

18.4.7含锂的碳氢化合物303

18.5锂合金304

18.5.1概述304

18.5.2二元锂合金的热力学平衡特性305

18.5.3室温实验305

18.5.4二元液态合金306

18.5.5混合导体的矩形电极306

18.5.6爆裂作用309

18.5.7微米和纳米结构电极313

18.5.8室温下非晶形产物的形成315

参考文献316

19锂电池的正电极319

19.1概述319

19.2电极的插入反应（非重构反应）320

19.2.1多于一种间隙位置或氧化还原物质的反应321

19.3放电结束后的电池组成321

19.4锂电池的固态正电极323

19.4.1概述323

19.4.2晶体环境对电势的影响326

19.4.3氧负离子位于立方阵列面心的氧化物材料327

19.4.4氧离子位于紧凑六角形阵列的氧化物材料335

19.4.5含氟离子的材料339

19.4.6混合离子电池340

19.4.7无定型化340

19.4.8氧释放的问题340

19.4.9小结346

19.5正电极材料中的氢和水346

19.5.1概述346

19.5.2离子交换347

19.5.3简单的添加方法347

19.5.4锂-氢-氧构成的热力学系统348

19.5.5锂电极稳定存在于水中的实例349

19.5.6比水有更高稳定性的材料350

19.5.7大气中水蒸气对质子的吸附350

19.5.8水性体系中锂的提取351

参考文献351

20不可充电电池355

20.1概述355

20.2常见的Zn-MnO2碱性电池355

20.3室温下的Li-FeS2电池356

20.4心脏起搏器中的Li-I2电池357

20.5震动发生器中的锂-银-钒-氧化物电池357

20.6锌-空气电池359

20.7 Li-CFx电池362

20.8备用电池363

20.8.1概述363

20.8.2 Li-SO2电池364

20.8.3 Li-SOCl2电池365

20.8.4 Li-FeS2高温电池365

参考文献366

21大中型规模的储能技术367

21.1概述367

21.2削峰填谷及瞬态问题367

21.3太阳能和风能的存储368

21.4专用储能技术368

21.4.1用于大规模储能的铅酸电池368

21.4.2钠硫电池369

21.4.3液流电池370

21.4.4纯液体电池374

21.5用于交通工具中的储能技术376

21.5.1概述376

21.5.2 ZEBRA电池379

21.5.3混合储能策略380

参考文献381

22展望383

22.1概述383

22.2近期发现的大型天然气田384

22.3新兴技术的发展方向385

22.4新兴的研究方向387

22.4.1有机“塑料晶体”材料387

22.4.2用于锂电池的有机电极材料387

22.4.3新材料的制备和电池制造技术388

22.4.4其他电解质389

22.5结论389

参考文献389

索引391