目錄
叢書序
前言
第0章 緒論 1
0.1 能源材料與人類文明 1
0.2 宏觀宇宙尺度與微觀世界尺度 2
0.3 能源材料、新能源材料與環(huán)境材料 3
0.4 材料基因工程 3
0.5 教材綱要 5
課后題 6
第1章 新能源材料 7
1.1 二次電池材料 8
1.1.1 鉛蓄電池 8
1.1.2 鎳鎘電池和鎳氫電池 11
1.1.3 鋰電池 12
1.1.4 鈉電池 15
1.1.5 鉀電池 17
1.1.6 鎂離子電池 18
1.1.7 鋁離子電池 19
1.1.8 全釩液流電池 20
1.2 燃料電池材料 21
1.2.1 質子交換膜燃料電池 22
1.2.2 堿性燃料電池 22
1.2.3 固體氧化物燃料電池 23
1.2.4 熔融碳酸鹽燃料電池 23
1.2.5 磷酸燃料電池 24
1.2.6 直接醇類燃料電池 24
1.2.7 金屬空氣燃料電池 25
1.3 太陽電池材料 25
1.4 儲備電池材料 27
課后題 27
參考文獻 27
第2章 環(huán)境友好材料 33
2.1 概述 34
2.2 生物質材料 34
2.2.1 概況 34
2.2.2 纖維素基材料 37
2.2.3 淀粉基材料 38
2.2.4 木質素基材料 39
2.2.5 蛋白質基材料 41
2.2.6 甲殼素基材料 44
2.3 綠色建筑材料 45
2.3.1 裝飾材料 45
2.3.2 墻體材料 47
2.3.3 隔熱材料 47
2.4 綠色包裝材料 48
2.4.1 概況 49
2.4.2 選材要素 49
2.4.3 材料分類 50
2.4.4 包裝分級 51
2.4.5 紙質包裝材料 51
2.4.6 塑料包裝材料 52
2.4.7 金屬包裝材料 53
2.4.8 玻璃包裝材料 53
2.5 環(huán)境工程材料 53
2.5.1 環(huán)境凈化材料 53
2.5.2 環(huán)境修復材料 56
2.5.3 環(huán)境替代材料 56
課后題 57
參考文獻 58
第3章 材料設計和模擬計算 60
3.1 發(fā)展歷程與現(xiàn)狀 60
3.2 分子尺度的材料計算方法 61
3.2.1 第一性原理 61
3.2.2 Hartree-Fock方法 62
3.2.3 密度泛函理論 63
3.2.4 分子動力學 66
3.2.5 蒙特卡羅方法 68
3.3 介觀和宏觀尺度的材料計算方法 70
3.3.1 CALPHAD 70
3.3.2 介觀尺度的相場模擬 72
3.4 材料環(huán)境友好性評價 73
3.4.1 材料環(huán)境友好性 73
3.4.2 生命周期評價方法 74
3.4.3 足跡家族及人體健康風險評價 76
3.4.4 材料環(huán)境友好性算例：鋰離子電池 77
3.5 材料的流動傳熱模擬與理論計算 78
3.5.1 概述 78
3.5.2 建模 78
3.5.3 求解 80
3.5.4 計算結果分析 86
3.5.5 CFD設計與計算實例 87
課后題 88
參考文獻 88
第4章 材料基因工程的發(fā)展 91
4.1 發(fā)展歷程與現(xiàn)狀 91
4.1.1 材料基因工程的提出 91
4.1.2 材料基因組計劃在國外的發(fā)展 94
4.1.3 材料基因組計劃在我國的發(fā)展 95
4.2 材料基因工程的優(yōu)勢特征和前景展望 95
4.2.1 材料基因組的特點 95
4.2.2 材料基因組計劃的工具 96
4.2.3 材料基因工程引領我國材料科技創(chuàng)新 100
4.2.4 材料基因組發(fā)展趨勢及建議 101
課后題 103
參考文獻 103
第5章 材料基因工程的理論和方法 105
5.1 高通量理論計算 105
5.1.1 概述 105
5.1.2 基于從頭算的高通量篩選進行材料的發(fā)現(xiàn)和設計 108
5.1.3 通過高通量計算和機器學習技術加速材料科學研究 110
5.1.4 機器學習在新材料中的應用 117
5.2 高通量實驗方法 118
5.2.1 高通量實驗的由來 118
5.2.2 高通量實驗技術面臨的挑戰(zhàn) 119
5.3 材料基因工程數(shù)據(jù)庫 119
5.3.1 數(shù)據(jù)庫結構和信息 119
5.3.2 材料數(shù)據(jù)庫的新功能 121
5.3.3 結構信息數(shù)據(jù)庫的應用 123
課后題 126
參考文獻 126
第6章 材料計算軟件概述 132
6.1 Materials Studio軟件 133
6.1.1 Materials Studio軟件簡介 133
6.1.2 Materials Studio軟件計算方法 134
6.1.3 Materials Studio軟件模塊 136
6.1.4 Materials Studio軟件應用實例 138
6.2 VASP軟件 141
6.2.1 VASP軟件簡介 141
6.2.2 VASP軟件計算 141
6.2.3 VASP應用案例 142
6.3 Gaussian和GaussView軟件 143
6.3.1 Gaussian軟件簡介 143
6.3.2 GaussView軟件簡介 145
6.3.3 Gaussian軟件應用實例 146
6.4 Pipeline Pilot軟件 148
6.4.1 Pipeline Pilot軟件簡介 148
6.4.2 Pipeline Pilot軟件功能 149
6.5 GeoDict軟件 150
6.5.1 GeoDict軟件簡介 150
6.5.2 GeoDict軟件應用實例 152
6.6 Q-Chem軟件 153
6.6.1 Q-Chem軟件簡介 153
6.6.2 Q-Chem軟件應用實例 154
6.7 COMSOL軟件 157
6.7.1 COMSOL軟件簡介 157
6.7.2 COMSOL軟件應用實例 158
6.8 NAMD軟件 159
6.8.1 NAMD軟件簡介 159
6.8.2 NAMD軟件應用實例 160
6.9 未來發(fā)展與展望 160
課后題 161
參考文獻 162
第7章 二次電池材料計算研究實例 164
7.1 正極材料設計和計算 165
7.1.1 鈷酸鋰 165
7.1.2 磷酸鐵鋰 165
7.1.3 錳酸鋰 166
7.1.4 富鋰錳基電極材料 167
7.1.5 三元材料 168
7.1.6 硫/氧正極 169
7.1.7 其他正極材料 175
7.1.8 其他電池體系正極 177
7.2 負極材料設計和計算 178
7.2.1 金屬負極 178
7.2.2 鋰離子電池負極 179
7.2.3 鈉離子電池負極 182
7.2.4 鉀離子電池負極 183
7.3 電解質材料設計和計算 184
7.3.1 液體電解質 184
7.3.2 氧化物固態(tài)電解質 188
7.3.3 聚合物固態(tài)電解質 193
7.3.4 其他電解質 194
7.4 其他電池體系材料設計和計算 195
課后題 197
參考文獻 197
第8章 氫能及燃料電池材料計算研究實例 204
8.1 概況 204
8.2 電解質隔膜材料設計和計算 206
8.2.1 電解質及隔膜材料 206
8.2.2 材料模擬計算實例 207
8.3 催化劑材料設計和計算 211
8.3.1 催化劑簡介 211
8.3.2 催化劑材料計算實例 212
8.4 電池結構設計和模擬計算 223
8.4.1 電池優(yōu)化 223
8.4.2 結構模擬計算實例 224
8.5 氫能與燃料電池展望 227
課后題 227
參考文獻 228
第9章 太陽電池材料計算研究實例 232
9.1 概況 232
9.2 材料計算在太陽電池中的應用 233
9.2.1 晶體硅太陽電池 233
9.2.2 薄膜太陽電池 234
9.2.3 有機太陽電池 242
9.2.4 鈣鈦礦太陽電池 248
9.2.5 其他太陽電池 255
9.3 太陽電池材料展望 259
課后題 259
參考文獻 259
第10章 生物質材料計算研究實例 262
10.1 概況 262
10.2 生物質材料計算實例 264
10.2.1 生物質功能高分子材料 264
10.2.2 合成生物基高分子材料 271
10.2.3 生物質衍生物的制備 277
10.3 生物質材料展望 278
課后題 279
參考文獻 279
縮略語 283