目錄
前言
1 緒論 1
1.1 概述 1
1.2 燃料分配系統(tǒng)中的儲能技術(shù) 2
1.3 儲能技術(shù)的周期性 2
1.3.1 長期儲能技術(shù) 3
1.3.2 短期儲能技術(shù) 3
1.4 負載平衡問題 3
1.5 削峰填谷技術(shù) 5
1.6 短期瞬變 7
1.7 可移動設(shè)備的儲能 7
1.7.1 電子設(shè)備的儲能 8
1.7.2 汽車的儲能 8
1.8 氫動力汽車 9
1.9 建筑溫控技術(shù) 10
1.10 先進照明技術(shù) 10
1.11 本書架構(gòu) 11
參考文獻 12
2 基本概念 13
2.1 概述 13
2.2 熱功當(dāng)量 13
2.3 熱力學(xué)第一定律——能量守恒定律 14
2.4 焓 14
2.5 熵 15
2.5.1 熱熵 15
2.5.2 構(gòu)型熵 16
2.6 功 16
2.7 溫度對G,H 和S 的影響 17
2.8 不可逆和可逆的儲能模式 17
2.9 卡諾極限 18
2.10 電能質(zhì)量 18
參考文獻 19
3 熱能 21
3.1 概述 21
3.2 顯熱 22
3.3 潛熱 23
3.3.1 無機相變材料 24
3.3.2 有機相變材料 26
3.4 準潛熱 27
3.5 熱泵 27
參考文獻 27
4 可逆化學(xué)反應(yīng) 29
4.1 概述 29
4.2 非相合反應(yīng)的類型 29
4.2.1 插入反應(yīng) 30
4.2.2 化合反應(yīng) 31
4.2.3 分解反應(yīng) 32
4.2.4 置換反應(yīng) 32
4.3 相圖 33
4.3.1 吉布斯相律 33
4.3.2 二元相圖 34
4.3.3 杠桿定則 36
4.3.4 二元系中三相反應(yīng) 37
4.3.5 包晶反應(yīng) 39
4.3.6 共晶反應(yīng) 39
4.4 固液反應(yīng)的熱效應(yīng) 42
4.5 可逆氣相反應(yīng)的熱效應(yīng) 45
參考文獻 48
5 有機燃料儲能 49
5.1 概述 49
5.2 生物質(zhì)能 49
5.3 動物中的生物質(zhì)能 51
5.4 固體生物質(zhì)能 52
5.5 合成液體燃料 52
5.6 液化氣體燃料 52
5.7 燃料能量含量 53
參考文獻 54
6 機械能 55
6.1 概述 55
6.2 勢能 55
6.3 壓縮氣體的勢能 57
6.4 重力勢能 58
6.5 水力發(fā)電 60
6.6 抽水蓄能 61
6.7 水流動能 62
6.8 動能 62
6.8.1 平動動能 63
6.8.2 轉(zhuǎn)動動能 64
6.9 內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的儲能 67
參考文獻 68
7 電磁能 69
7.1 概述 69
7.2 電容器的儲能 70
7.2.1 平行板電容器的儲能 70
7.3 電荷存儲機理 71
7.3.1 雙電層靜電儲能 72
7.3.2 固體電極表面的二維吸附 73
7.3.3 三維吸附 73
7.3.4 重構(gòu)反應(yīng) 76
7.4 相對儲能 77
7.5 儲能品位的重要性 78
7.6 電容器的瞬態(tài)行為 79
7.7 含電容的機電系統(tǒng)暫態(tài)模型 81
7.7.1 概述 81
7.7.2 拉普拉斯變換 82
7.7.3 實例 83
7.8 磁場儲能 84
7.8.1 物質(zhì)在磁場中的能量 85
7.8.2 超導(dǎo)磁系統(tǒng)中的儲能 89
7.8.3 超導(dǎo)材料 90
參考文獻 92
8 氫能 95
8.1 概述 95
8.2 氫氣的生產(chǎn) 96
8.2.1 水蒸氣轉(zhuǎn)化法 96
8.2.2 水蒸氣與碳的反應(yīng) 98
8.2.3 電解水法 100
8.2.4 熱解水法 102
8.2.5 水制氫氣其他化學(xué)法 103
8.2.6 其他方法 107
8.3 政府對氫能的推廣 107
8.4 氫氣的儲存方法 109
8.4.1 高壓罐存儲氣態(tài)氫 110
8.4.2 絕緣罐存儲液態(tài)氫 110
8.4.3 金屬固態(tài)儲氫 110
8.5 其他儲氫方法 111
8.5.1 含氫負離子的材料 112
8.5.2 儲氫媒介和相關(guān)材料 113
8.5.3 可逆有機液體儲氫 114
8.6 儲氫的安全性 116
參考文獻 117
9 電化學(xué)能 119
9.1 概述 119
9.2 簡單的電化學(xué)反應(yīng) 120
9.3 電化學(xué)電池反應(yīng)的主要類型 124
9.3.1 化合反應(yīng) 125
9.3.2 位移反應(yīng) 127
9.3.3 插入反應(yīng) 127
9.4 重要的實驗參數(shù) 128
9.4.1 操作電壓和能量品位 130
9.4.2 電荷容量 132
9.4.3 最大理論比能量 132
9.4.4 充放電過程的電壓變化 133
9.4.5 循環(huán)過程 133
9.4.6 自放電 135
9.5 電化學(xué)電池的一般等效電路 136
9.5.1 阻抗對晶胞中離子和原子遷移的影響 137
9.5.2 電解質(zhì)中電子泄露的影響 138
9.5.3 粒子的遷移數(shù) 139
9.5.4 輸出電壓、離子價態(tài)與電子遷移數(shù)的關(guān)系 140
9.5.5 自放電的焦耳熱 141
9.5.6 電流來自電池的假想 141
參考文獻 143
10 電化學(xué)電池的電壓與容量規(guī)律 145
10.1 概述 145
10.2 不同電化學(xué)電池?zé)崃�學(xué)屬性 145
10.3 實例:鋰碘電池 147
10.3.1 最大理論能量的計算 149
10.3.2 溫度對電池電壓的影響 150
10.4 放電曲線與吉布斯相律 151
10.5 庫侖滴定法 157
參考文獻 160
11 均衡與近似均衡下的雙電極系統(tǒng) 161
11.1 概述 161
11.2 二元系中相圖與電動勢的關(guān)系 161
11.3 實例:鋰銻系統(tǒng) 164
11.4 穩(wěn)定相域 168
11.5 實例:鋰鉍系統(tǒng) 168
11.6 其他二元系中的庫侖滴定法 169
11.7 溫度對電位的影響 170
11.8 氧化物及類似材料的應(yīng)用 172
11.9 埃林厄姆相圖與其他相圖 174
11.1 0 液態(tài)二元系 175
11.1 1 機理和術(shù)語的進一步說明 176
11.1 2 小結(jié) 178
參考文獻 179
12 均衡與近似均衡下的三電極系統(tǒng) 181
12.1 概述 181
12.2 三相圖與相穩(wěn)定性圖 181
12.3 三元系中子三角結(jié)構(gòu) 183
12.4 實例:鈉鎳氯化物構(gòu)成的三元系 186
12.5 實例:鋰銅氯化物構(gòu)成的三元系 189
12.5.1 電壓計算 190
12.5.2 實驗設(shè)計:氯化銅電池 192
12.6 Li-CuCl電池與Li-CuCl2電池最大理論比能 193
12.7 比容量與容量密度 194
12.8 含鎂金屬氫化物系統(tǒng) 194
12.9 實例:鋰過渡金屬氧化物 200
12.10 兩種二元合金構(gòu)成的三元系 204
12.10.1 實例:常溫下Li-Cd-Sn構(gòu)成的三元系 205
12.11 附加成分的影響 205
12.12 小結(jié) 206
參考文獻 206
13 電極的插入反應(yīng) 207
13.1 概述 207
13.2 層結(jié)構(gòu)中附加元素注入的實例 209
13.3 浮式柱狀層結(jié)構(gòu) 210
13.4 固體中附加元素注入的術(shù)語 210
13.5 元素注入的不同配置方式 211
13.6 順序插入反應(yīng) 211
13.7 不同溶劑的聯(lián)合注入 215
13.8 平行線性隧道注入 216
13.9 主體結(jié)構(gòu)的改變 216
13.9.1 晶體到非晶體 217
13.9.2 電動勢對產(chǎn)物的影響 219
13.9.3 可移動元素的初步提取 219
13.10 電極成分的改變 220
13.10.1 概述 220
13.10.2 單一金屬固溶體成分的改變 221
13.10.3 客體離子的構(gòu)型熵 222
13.10.4 金屬固溶體中濃度對電子化學(xué)勢的影響 223
13.10.5 金屬固溶體中兩種相關(guān)成分對電勢的影響 223
13.10.6 金屬固溶體中組分對兩相重組反應(yīng)電勢對的影響 225
13.11 小結(jié) 227
參考文獻 227
14 偏離完全平衡的電極反應(yīng) 229
14.1 概述 229
14.2 穩(wěn)態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)平衡 229
14.3 選擇性平衡 231
14.4 非晶體結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)構(gòu)的形成 232
14.5 偏離平衡的動力學(xué)原因 234
15 鉛酸電池 237
15.1 概述 237
15.2 鉛酸系統(tǒng)的化學(xué)原理 238
15.2.1 MTSE的計算 239
15.2.2 充電狀態(tài)對電池電壓的影響 239
15.3 單個電極電勢 240
15.4 電極與電化學(xué)反應(yīng)機制的聯(lián)系 242
15.5 電極結(jié)構(gòu) 242
15.5.1 體積的變化和脫落 243
15.6 合金材料在電極網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 244
15.7 網(wǎng)絡(luò)材料的選擇與設(shè)計 246
15.8 密封鉛酸電池的發(fā)展 246
15.9 其他設(shè)計 247
15.9.1 其他改進 249
15.10 PbO2中氫的迅速擴散 250
參考文獻 250
16 水性體系中的負電極 251
16.1 概述 251
16.2 水性體系中的鋅電極 251
16.2.1 概述 251
16.2.2 H-Zn-O系統(tǒng)的熱力學(xué)關(guān)系 252
16.2.3 鋅電極的問題 253
16.3 鎘電極 253
16.3.1 概述 253
16.3.2 H-Cd-O系統(tǒng)的熱力學(xué)關(guān)系 254
16.3.3 鎘電極的運行機制 255
16.4 金屬氫化物電極 256
16.4.1 概述 256
16.4.2 金屬氫化物電池的商業(yè)化發(fā)展 257
16.4.3 氫化物材料 257
16.4.4 歧化和激活 258
16.4.5 壓力成分的關(guān)系 259
16.4.6 溫度的影響 260
16.4.7 AB2合金 261
16.4.8 兩種結(jié)構(gòu)比較 262
16.4.9 尚未商業(yè)化的電池合金 264
16.4.10 氫化物粒子微型膠囊包裝 264
16.4.11 其他黏合劑 264
16.4.12 用于負電極的固體電解質(zhì)種類 265
16.4.13 不同金屬氫化物的最大理論容量 265
參考文獻 266
17 水性體系中的正電極 267
17.1 概述 267
17.2 水性體系中的二氧化錳電極 268
17.2.1 概述 268
17.2.2 開路電動勢 269
17.2.3 放電過程電動勢的變化 270
17.3 鎳電極 270
17.3.1 概述 270
17.3.2 Ni(OH)2和NiOOH電極的結(jié)構(gòu)特征 271
17.3.3 運行機制 272
17.3.4 電化學(xué)特性和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系 274
17.3.5 自放電 276
17.3.6 過度充電 278
17.3.7 熱力學(xué)相關(guān)知識 278
17.4 鎳電極記憶的效應(yīng) 281
17.4.1 概述 281
17.4.2 鎳電極的工作特性 282
17.4.3 過度充電現(xiàn)象 285
17.4.4 小結(jié) 287
參考文獻 288
18 鋰電池的負電極 291
18.1 概述 291
18.2 鋰電極 292
18.2.1 非正常位置沉積 292
18.2.2 形狀改變 292
18.2.3 樹突 293
18.2.4 單纖維式增長 293
18.2.5 熱耗散 294
18.3 金屬鋰的其他用途 295
18.4 鋰碳合金 295
18.4.1 概述 295
18.4.2 石墨中摻雜金屬鋰的理想模型 297
18.4.3 石墨結(jié)構(gòu)的變化 298
18.4.4 鋰摻入石墨的結(jié)構(gòu)變化 299
18.4.5 石墨中鋰的電化學(xué)行為 300
18.4.6 無定形碳中鋰的電化學(xué)行為 302
18.4.7 含鋰的碳氫化合物 303
18.5 鋰合金 304
18.5.1 概述 304
18.5.2 二元鋰合金的熱力學(xué)平衡特性 305
18.5.3 室溫實驗 305
18.5.4 二元液態(tài)合金 306
18.5.5 混合導(dǎo)體的矩形電極 306
18.5.6 爆裂作用 309
18.5.7 微米和納米結(jié)構(gòu)電極 313
18.5.8 室溫下非晶形產(chǎn)物的形成 315
參考文獻 316
19 鋰電池的正電極 319
19.1 概述 319
19.2 電極的插入反應(yīng)(非重構(gòu)反應(yīng)) 320
19.2.1 多于一種間隙位置或氧化還原物質(zhì)的反應(yīng) 321
19.3 放電結(jié)束后的電池組成 321
19.4 鋰電池的固態(tài)正電極 323
19.4.1 概述 323
19.4.2 晶體環(huán)境對電勢的影響 326
19.4.3 氧負離子位于立方陣列面心的氧化物材料 327
19.4.4 氧離子位于緊湊六角形陣列的氧化物材料 335
19.4.5 含氟離子的材料 339
19.4.6 混合離子電池 340
19.4.7 無定型化 340
19.4.8 氧釋放的問題 340
19.4.9 小結(jié) 346
19.5 正電極材料中的氫和水 346
19.5.1 概述 346
19.5.2 離子交換 347
19.5.3 簡單的添加方法 347
19.5.4 鋰氫氧構(gòu)成的熱力學(xué)系統(tǒng) 348
19.5.5 鋰電極穩(wěn)定存在于水中的實例 349
19.5.6 比水有更高穩(wěn)定性的材料 350
19.5.7 大氣中水蒸氣對質(zhì)子的吸附 350
19.5.8 水性體系中鋰的提取 351
參考文獻 351
20 不可充電電池 355
20.1 概述 355
20.2 常見的Zn-MnO2堿性電池 355
20.3 室溫下的Li-FeS2電池 356
20.4 心臟起搏器中的Li-I2電池 357
20.5 震動發(fā)生器中的鋰銀釩氧化物電池 357
20.6 鋅空氣電池 359
20.7 Li-CFx電池 362
20.8 備用電池 363
20.8.1 概述 363
20.8.2 Li-SO2電池 364
20.8.3 Li-SOCl2電池 365
20.8.4 Li-FeS2高溫電池 365
參考文獻 366
21 大中型規(guī)模的儲能技術(shù) 367
21.1 概述 367
21.2 削峰填谷及瞬態(tài)問題 367
21.3 太陽能和風(fēng)能的存儲 368
21.4 專用儲能技術(shù) 368
21.4.1 用于大規(guī)模儲能的鉛酸電池 368
21.4.2 鈉硫電池 369
21.4.3 液流電池 370
21.4.4 純液體電池 374
21.5 用于交通工具中的儲能技術(shù) 376
21.5.1 概述 376
21.5.2 ZEBRA電池 379
21.5.3 混合儲能策略 380
參考文獻 381
22 展望 383
22.1 概述 383
22.2 近期發(fā)現(xiàn)的大型天然氣田 384
22.3 新興技術(shù)的發(fā)展方向 385
22.4 新興的研究方向 387
22.4.1 有機“塑料晶體暠材料 387
22.4.2 用于鋰電池的有機電極材料 387
22.4.3 新材料的制備和電池制造技術(shù) 388
22.4.4 其他電解質(zhì) 389
22.5 結(jié)論 389
參考文獻 389
索引 391