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(zhì)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(yáng)電池材料 25
1.4 儲(chǔ)備電池材料 27
課后題 27
參考文獻(xiàn) 27
第2章 環(huán)境友好材料 33
2.1 概述 34
2.2 生物質(zhì)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(zhì)素基材料 39
2.2.5 蛋白質(zhì)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(jí) 51
2.4.5 紙質(zhì)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(fù)材料 56
2.5.3 環(huán)境替代材料 56
課后題 57
參考文獻(xiàn) 58
第3章 材料設(shè)計(jì)和模擬計(jì)算 60
3.1 發(fā)展歷程與現(xiàn)狀 60
3.2 分子尺度的材料計(jì)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(dòng)力學(xué) 66
3.2.5 蒙特卡羅方法 68
3.3 介觀和宏觀尺度的材料計(jì)算方法 70
3.3.1 CALPHAD 70
3.3.2 介觀尺度的相場(chǎng)模擬 72
3.4 材料環(huán)境友好性評(píng)價(jià) 73
3.4.1 材料環(huán)境友好性 73
3.4.2 生命周期評(píng)價(jià)方法 74
3.4.3 足跡家族及人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 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(dòng)傳熱模擬與理論計(jì)算 78
3.5.1 概述 78
3.5.2 建模 78
3.5.3 求解 80
3.5.4 計(jì)算結(jié)果分析 86
3.5.5 CFD設(shè)計(jì)與計(jì)算實(shí)例 87
課后題 88
參考文獻(xiàn) 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(jì)劃在國(guó)外的發(fā)展 94
4.1.3 材料基因組計(jì)劃在我國(guó)的發(fā)展 95
4.2 材料基因工程的優(yōu)勢(shì)特征和前景展望 95
4.2.1 材料基因組的特點(diǎn) 95
4.2.2 材料基因組計(jì)劃的工具 96
4.2.3 材料基因工程引領(lǐng)我國(guó)材料科技創(chuàng)新 100
4.2.4 材料基因組發(fā)展趨勢(shì)及建議 101
課后題 103
參考文獻(xiàn) 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(jì)算 105
5.1.1 概述 105
5.1.2 基于從頭算的高通量篩選進(jìn)行材料的發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì) 108
5.1.3 通過(guò)高通量計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)加速材料科學(xué)研究 110
5.1.4 機(jī)器學(xué)習(xí)在新材料中的應(yīng)用 117
5.2 高通量實(shí)驗(yàn)方法 118
5.2.1 高通量實(shí)驗(yàn)的由來(lái) 118
5.2.2 高通量實(shí)驗(yàn)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn) 119
5.3 材料基因工程數(shù)據(jù)庫(kù) 119
5.3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)和信息 119
5.3.2 材料數(shù)據(jù)庫(kù)的新功能 121
5.3.3 結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用 123
課后題 126
參考文獻(xiàn) 126
第6章 材料計(jì)算軟件概述 132
6.1 Materials Studio軟件 133
6.1.1 Materials Studio軟件簡(jiǎn)介 133
6.1.2 Materials Studio軟件計(jì)算方法 134
6.1.3 Materials Studio軟件模塊 136
6.1.4 Materials Studio軟件應(yīng)用實(shí)例 138
6.2 VASP軟件 141
6.2.1 VASP軟件簡(jiǎn)介 141
6.2.2 VASP軟件計(jì)算 141
6.2.3 VASP應(yīng)用案例 142
6.3 Gaussian和GaussView軟件 143
6.3.1 Gaussian軟件簡(jiǎn)介 143
6.3.2 GaussView軟件簡(jiǎn)介 145
6.3.3 Gaussian軟件應(yīng)用實(shí)例 146
6.4 Pipeline Pilot軟件 148
6.4.1 Pipeline Pilot軟件簡(jiǎn)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(jiǎn)介 150
6.5.2 GeoDict軟件應(yīng)用實(shí)例 152
6.6 Q-Chem軟件 153
6.6.1 Q-Chem軟件簡(jiǎn)介 153
6.6.2 Q-Chem軟件應(yīng)用實(shí)例 154
6.7 COMSOL軟件 157
6.7.1 COMSOL軟件簡(jiǎn)介 157
6.7.2 COMSOL軟件應(yīng)用實(shí)例 158
6.8 NAMD軟件 159
6.8.1 NAMD軟件簡(jiǎn)介 159
6.8.2 NAMD軟件應(yīng)用實(shí)例 160
6.9 未來(lái)發(fā)展與展望 160
課后題 161
參考文獻(xiàn) 162
第7章 二次電池材料計(jì)算研究實(shí)例 164
7.1 正極材料設(shè)計(jì)和計(jì)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(fù)極材料設(shè)計(jì)和計(jì)算 178
7.2.1 金屬負(fù)極 178
7.2.2 鋰離子電池負(fù)極 179
7.2.3 鈉離子電池負(fù)極 182
7.2.4 鉀離子電池負(fù)極 183
7.3 電解質(zhì)材料設(shè)計(jì)和計(jì)算 184
7.3.1 液體電解質(zhì) 184
7.3.2 氧化物固態(tài)電解質(zhì) 188
7.3.3 聚合物固態(tài)電解質(zhì) 193
7.3.4 其他電解質(zhì) 194
7.4 其他電池體系材料設(shè)計(jì)和計(jì)算 195
課后題 197
參考文獻(xiàn) 197
第8章 氫能及燃料電池材料計(jì)算研究實(shí)例 204
8.1 概況 204
8.2 電解質(zhì)隔膜材料設(shè)計(jì)和計(jì)算 206
8.2.1 電解質(zhì)及隔膜材料 206
8.2.2 材料模擬計(jì)算實(shí)例 207
8.3 催化劑材料設(shè)計(jì)和計(jì)算 211
8.3.1 催化劑簡(jiǎn)介 211
8.3.2 催化劑材料計(jì)算實(shí)例 212
8.4 電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模擬計(jì)算 223
8.4.1 電池優(yōu)化 223
8.4.2 結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算實(shí)例 224
8.5 氫能與燃料電池展望 227
課后題 227
參考文獻(xiàn) 228
第9章 太陽(yáng)電池材料計(jì)算研究實(shí)例 232
9.1 概況 232
9.2 材料計(jì)算在太陽(yáng)電池中的應(yīng)用 233
9.2.1 晶體硅太陽(yáng)電池 233
9.2.2 薄膜太陽(yáng)電池 234
9.2.3 有機(jī)太陽(yáng)電池 242
9.2.4 鈣鈦礦太陽(yáng)電池 248
9.2.5 其他太陽(yáng)電池 255
9.3 太陽(yáng)電池材料展望 259
課后題 259
參考文獻(xiàn) 259
第10章 生物質(zhì)材料計(jì)算研究實(shí)例 262
10.1 概況 262
10.2 生物質(zhì)材料計(jì)算實(shí)例 264
10.2.1 生物質(zhì)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(zhì)衍生物的制備 277
10.3 生物質(zhì)材料展望 278
課后題 279
參考文獻(xiàn) 279
縮略語(yǔ) 283