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内容简介

化学电源又称电池，是一种把化学能直接转化成电能的装置，是现代社会发展和人类生活的必需品。《现代化学电源》主要从现代应用和发展速度较快的化学电源来分类介绍电池的组成、工作原理、材料发展及应用领域等。涉及化学电源的定义、组成、基本概念、性能参数和发展简史，并按照组成化学电源的元素分类分别介绍了锌电池、镍氢电池、铅酸电池、锂电池、锂离子电池和液流电池，还讲解了燃料电池，包括碱性燃料电池、直接醇类燃料电池和固体氧化物燃料电池等，对各类燃料电池基本原理、关键部件和应用领域分别进行了介绍。本书内容多取自国内外的近报道和作者研究组的新研究成果，实效性强，对于推动我国现代化学电源领域人才的培养、开展相关领域的研究工作具有很好的指导作用。
《现代化学电源》可作为高等院校能源化学工程、化学工程与工艺、应用化学及其相关专业的教材，也可作为电化学、电池材料、新能源等领域科技人员的学习参考用书。

作者简介

孙克宁，1964年生，博士，北京理工大学化工与环境学院院长、教授。1996年于哈尔滨工业大学金属材料系获博士学位，1996-1997年赴法国巴黎居里大学(巴黎六大)表面化学国家实验室从事博士后进修。多年从事能源材料，空间用化学电源、SOFC燃料电池(固体氧化物燃料电池)，环境与能源催化剂的交叉研究。承担了多项国家、原航天部和总装备部科研和工程项目，两次获得国家科技奖和多项省部级奖。国防科技工业有突出贡献中青年专家，2006年度教育部“长江学者奖励计划”特聘教授

目录

第1章现代化学电源概论1
1.1概述1
1.1.1化学电源的产生1
1.1.2化学电源的发展2
1.2化学电源组成4
1.2.1电极类型及构成5
1.2.2电解质6
1.2.3隔膜7
1.2.4外壳和集流体8
1.3化学电源类型及应用8
1.4化学电源基本概念9
1.4.1电池电动势9
1.4.2电极电势11
1.4.3可逆电池与实际电池13
1.4.4电极极化与过电势14
1.4.5交换电流密度16
1.5化学电源的性能参数17
1.5.1电池内阻17
1.5.2电池电压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自放电24
1.5.7使用寿命25
1.6多孔电极26
1.6.1特点及基本参数26
1.6.2气体扩散电极27
1.7小结30
思考题31
参考文献31

第2章锌电池32
2.1概述32
2.2锌-锰干电池32
2.2.1概述32
2.2.2工作原理33
2.2.3电池结构35
2.2.4电池组成36
2.2.5电池特性41
2.3锌-锰碱性电池45
2.3.1概述45
2.3.2工作原理45
2.3.3电池结构47
2.3.4电池组成48
2.3.5电池特性50
2.4锌-银电池52
2.4.1概述52
2.4.2工作原理54
2.4.3电池结构56
2.4.4电池组成56
2.4.5电池特性62
2.4.6自动激活电池62
2.4.7新型结构的锌-银电池64
2.5锌-空气电池66
2.5.1概述66
2.5.2工作原理66
2.5.3电池组成67
2.5.4电池分类、结构与特性68
2.6小结74
思考题74
参考文献74

第3章镍-氢电池77
3.1概述77
3.2储氢合金材料77
3.2.1储氢合金的性质77
3.2.2储氢合金的分类78
3.2.3储氢合金的制备技术79
3.3镍-氢电池80
3.3.1概述80
3.3.2工作原理80
3.3.3电池结构及特点82
3.3.4氧化镍电极84
3.3.5储氢合金电极92
3.3.6电池特性96
3.3.7MH-Ni电池的制造工艺100
3.3.8MH-电池的应用107
3.4高压镍-氢电池108
3.4.1概述108
3.4.2工作原理108
3.4.3电池结构及类型109
3.4.4电池性能及应用111
3.5小结113
思考题114
参考文献114

第4章铅酸电池116
4.1概述116
4.1.1工作原理117
4.1.2组成117
4.1.3用途及分类119
4.1.4优缺点119
4.2热力学基础120
4.3板栅合金120
4.3.1铅酸蓄电池板栅的作用120
4.3.2对板栅材料的要求121
4.3.3铅酸蓄电池板栅合金的研究现状122
4.3.4铅板栅的腐蚀125
4.4二氧化铅正极126
4.4.1二氧化铅的多晶现象126
4.4.2二氧化铅颗粒的凝胶-晶体形成理论126
4.4.3正极活性物质反应机理127
4.5铅负极128
4.5.1铅负极的反应机理128
4.5.2铅负极的钝化130
4.5.3负极活性物质的收缩与添加剂131
4.6铅酸蓄电池的电性能132
4.6.1电动势132
4.6.2容量132
4.6.3内阻132
4.6.4能量132
4.6.5比能量132
4.6.6寿命132
4.6.7电压与充放电特性132
4.6.8容量及其影响因素133
4.6.9失效模式和循环寿命135
4.7铅酸蓄电池制造工艺原理137
4.7.1合金制备137
4.7.2板栅的制造138
4.7.3铅粉制造138
4.7.4铅膏的制造139
4.7.5生极板制造139
4.7.6化成140
4.7.7电池的装配142
4.8小结143
思考题143
参考文献143

第5章锂电池145
5.1概述145
5.2锂-碘电池146
5.3锂-二氧化锰电池147
5.3.1锂-二氧化锰电池简介147
5.3.2锂-二氧化锰电池的国内外研究现状及发展趋势148
5.3.3电池结构148
5.4锂-亚硫酰氯电池151
5.4.1锂-亚硫酰氯电池简介151
5.4.2电池结构152
5.4.3锂-亚硫酰氯电池的应用153
5.5锂-硫电池154
5.5.1锂-硫二次电池简介154
5.5.2锂-硫二次电池的飞梭效应及容量衰减机理155
5.5.3锂-硫二次电池研究进展157
5.6锂-空气电池159
5.6.1锂-空气电池的工作原理160
5.6.2锂-空气电池目前所面临的问题162
5.6.3锂-空气电池的研究进展163
5.6.4锂-空气电池自支撑正极166
5.7锂基热储备电池169
5.8小结171
思考题172
参考文献172

第6章锂离子电池174
6.1锂离子电池简介174
6.1.1锂离子电池的发展历程174
6.1.2锂离子电池的工作原理174
6.1.3锂离子电池的特点及分类175
6.1.4新一代锂离子电池的发展需求176
6.2锂离子电池材料177
6.2.1正极材料177
6.2.2负极材料182
6.2.3隔膜材料189
6.2.4电解液189
6.2.5固体电解质190
6.3锂离子电池的结构和设计191
6.3.1锂离子电池的结构191
6.3.2锂离子电池的设计193
6.3.3锂离子电池的安全性197
6.4锂离子电池的开发方向199
6.4.1提高锂离子电池的均匀性199
6.4.2确保电池产品的安全性199
6.4.3降低价格200
6.4.4开发新的电极材料200
6.5本章小结200
思考题200
参考文献200

第7章燃料电池202
7.1概述202
7.1.1工作原理202
7.1.2分类及特点203
7.1.3发展简史204
7.2碱性燃料电池205
7.2.1工作原理205
7.2.2结构和材料206
7.2.3电池特性与应用208
7.3磷酸燃料电池209
7.3.1工作原理209
7.3.2结构和材料210
7.3.3电池特性与应用212
7.4熔融碳酸盐燃料电池213
7.4.1工作原理213
7.4.2结构和材料214
7.4.3电池特性及应用217
7.5质子交换膜燃料电池218
7.5.1工作原理218
7.5.2结构和材料219
7.5.3应用223
7.6直接醇类燃料电池226
7.6.1工作原理227
7.6.2结构和材料227
7.6.3应用234
7.7固体氧化物燃料电池235
7.7.1工作原理235
7.7.2结构和材料236
7.7.3电池特性和应用245
7.8小结246
思考题247
参考文献247

第8章液流电池250
8.1概述250
8.1.1液流电池的工作原理250
8.1.2液流电池的结构251
8.1.3液流电池的类型252
8.2钒液流电池的工作原理254
8.2.1全钒液流电池254
8.2.2钒-溴液流电池256
8.3全钒液流电池的结构256
8.3.1单体电池的结构257
8.3.2液体电解质的循环258
8.3.3电解液储罐结构259
8.4全钒液流电池关键材料259
8.4.1液体电解质259
8.4.2质子交换膜260
8.4.3电极材料261
8.4.4双极板262
8.4.5电池组框架与储罐262
8.5小结262
思考题263
参考文献263

精彩书摘

　　《现代化学电源(孙克宁)》：
　　铅塑料复合板栅是蓄电池行业的科学家们为提高铅酸蓄电池比能量而不断努力的结果，是延长电池寿命、提高质量／电学特性比很有希望的途径，它最早由美国江森控制公司于1980年开发成功。这种板栅将普通板栅导电和支撑活性物质的功能分开，分别由板栅的两个部分完成。其中发散形的铅合金条起着导电的作用，而支撑活性物质则由剩余部分网状质轻的塑料完成。塑料大大减轻了板栅质量，发散形导电骨架的设计则降低了极板内的电压降，使电池具有高倍率放电的能力。Pierson和Weinlein的实验表明，这种板栅在铅酸电池负极中的使用，使电池质量减轻了16%，低温启动性能提高了32%。……。比如，在多孔的聚丙烯上镀铅、聚苯乙烯上镀铅、渗铅塑料纤维编织垫、薄的低强度铅导电板栅构件上的塑料支持体等。
　　其他复合材料有在可铸性树脂、玻璃纤维、碳纤维上镀金属作为板栅材料，如由70.0%聚乙烯、27.3%玻璃纤维上镀2.7%银（或铜、镍）组成的复合材料，碳纤维上镀铅形成的复合材料，及在玻璃纤维上镀铅或铅锡、铅锑、铅钙合金等。但由于这些材料在应用于负极过程中都出现过各种各样的问题，故未被实用化。
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前言/序言

能源化学工程（Energy Chemical Engineering）是教育部批准的2011年新增专业。北京理工大学是全国首批建立的10个能源化学工程专业的高校之一，2011年秋季学期开始招收首届本科生。能源化学工程专业培养目标是掌握能源化学工程、电化学工程及催化技术等方面的基础理论和基础知识；掌握新能源、能量储存与转换的理论基础和化石能源的清洁利用技术，以及燃料电池系统与氢能利用、电化学功能材料与能源储存转换技术；了解可再生能源（太阳能、风能、生物质能、海洋能等）利用途径；培养出在新能源的利用和转化领域内专业的经营管理和科研开发的高级技术人才。
本专业主要学习化学电源与物理电源（燃料电池、锂电池、Ni-H电池、太阳能电池、生物电池等）的利用技术；学习能源材料与能源转换材料（储能材料、电极材料、光电转换材料等）的合成和设计；燃料化学与工程中催化剂、添加剂、高能碳氢燃料等新型燃料或能提高燃料利用效率的技术。《现代化学电源》是多家高校开设的本专业核心课程之一。
化学电源又称电池，是一种能将化学能直接转变成电能的装置，它通过化学反应，消耗某种化学物质，输出电能。常见的电池大多是化学电源。它在国民经济、科学技术、军事和日常生活方面均获得广泛应用。化学电源在21世纪发展迅速，许多新技术、新方法、新成果不断涌现，化学电源正逐渐成为推动现代社会发展重要的技术力量和手段。为了及时跟进化学电源的最近进展，全面介绍现代化学电源的新技术和新成果，北京理工大学在《现代化学电源工艺学》课程讲义的基础上组织编写了《现代化学电源》教材。本教材资料丰富、内容生动，配以大量图表和实例，形象有趣地介绍了电化学电源工艺学的基础知识和应用，涵盖了其基本概念、实验技能以及应用实例。
本教材是作者团队多年来从事现代化学电源研究工作的总结，主要从现代应用和发展速度较快的化学电源来分类介绍电池的组成、工作原理、材料发展及应用领域等。本书涉及化学电源的定义、组成、基本概念、性能参数和发展简史，并按照组成化学电源的元素分类分别介绍了锌电池、镍氢电池、铅酸电池、锂电池、锂离子电池和液流电池，还讲解了燃料电池，包括碱性燃料电池、直接醇类燃料电池和固体氧化物燃料电池等，对各类燃料电池基本原理、关键部件和应用领域分别进行了介绍。本书内容多取自国内外的最近报道，实效性强，对于推动我国现代化学电源领域人才的培养、开展相关领域的研究工作具有很好的指导作用。
本教材解决了以前教材要么偏重于基础理论，要么偏重于工程技术的弊端，既完整地介绍电化学的发展脉络及其重要基础知识，同时根据电化学在实际科学研究和工业生产中的应用，把科学基础问题和解决实际问题联系起来，做到基础知识和实际应用，科学研究和工程技术的紧密结合。通过这种编写思路上的改进，本教材可望实现对学生创新能力的提升，把基础教育、科研实践和工程应用集中到讲堂上，提高学生的学习兴趣，激发学生的学习热情，推动学生从被动型输入学习到主动型积极探索的转变。同时也可供科研人员和工程技术人员参考。本书是作者多年来从事现代化学电源研究工作的总结，并对各种化学电源的基本原理、关键材料和最新的发展现状及未来发展方向进行了详细的介绍。
本教材由北京理工大学、哈尔滨工业大学联合编写完成，孙克宁、乔金硕编写第1章，朱晓东编写第2章，乔金硕编写第3章，王振华编写第4章，赵光宇编写第5章，张乃庆编写第6章，孙旺、乐士儒、王芳编写第7章，樊铖编写第8章。孙克宁教授负责全书筹划、编写以及全书统稿。在本教材编写过程中，重庆大学魏子栋教授、华中科技大学王鸣魁教授提供了大力帮助，在此表示衷心感谢！
由于编者水平所限，教材中可能还存在各种疏漏，恳请读者和同仁批评指正！

编者
2017年4月



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