本書全面系統(tǒng)闡述了新能源材料與器件，包括能源物理化學(xué)、能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化原理、關(guān)鍵材料與器件、發(fā)展概況和應(yīng)用前景。在風(fēng)能、太陽能發(fā)電、二次電池、超級(jí)電容器、燃料電池和金屬-空氣電池等材料制備與器件技術(shù)的基礎(chǔ)上，還針對(duì)目前電動(dòng)汽車和規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用，介紹了固態(tài)鋰電池、質(zhì)子交換膜純水電解、氫能等前沿材料與器件。本書內(nèi)容豐富，數(shù)據(jù)和理論新穎，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)。書中有大量習(xí)題和思考題，并附有*文獻(xiàn)，便于深入學(xué)習(xí)。本書是大學(xué)新能源材料與器件專業(yè)教材，兼顧大學(xué)材料、能源、冶金、化學(xué)、化工專業(yè)高年級(jí)及研究生教材；同時(shí)也是從事新能源、太陽能電池、鋰電池、燃料電池、電動(dòng)汽車、規(guī)模儲(chǔ)能等領(lǐng)域研究與應(yīng)用人員的必備基礎(chǔ)參考書。
本書內(nèi)容全面、系統(tǒng)，基礎(chǔ)性強(qiáng)，包括能源概述、能源物理化學(xué)、太陽能電池材料與器件、氫能材料與器件、電化學(xué)能源材料與器件、其他新能源技術(shù)以及能源經(jīng)濟(jì)。
新能源技術(shù)是21世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中最具決定性影響的五個(gè)技術(shù)領(lǐng)域之一，而新能源材料與器件是發(fā)展新能源技術(shù)和實(shí)現(xiàn)新能源利用的關(guān)鍵。近年來國(guó)際能源發(fā)生了重大調(diào)整，全球治理體系深刻變革，我國(guó)在十三五規(guī)劃的主要目標(biāo)中明確提出：生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體改善，生產(chǎn)方式和生活方式綠色，低碳水平提高。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)就是要走綠色發(fā)展道路，發(fā)展新能源被提到了前所未有的國(guó)家戰(zhàn)略高度。
國(guó)家的發(fā)展在于人才，人才培養(yǎng)在于教育，教育的根本是為國(guó)家培養(yǎng)發(fā)展所需的人才。為適應(yīng)我國(guó)大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，2010年教育部增列新能源材料與器件專業(yè)為戰(zhàn)略新興專業(yè)，并于2011年開始招收本科生，旨在為我國(guó)新能源、新能源汽車、節(jié)能環(huán)保等產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)的應(yīng)用型人才。本書應(yīng)新能源材料與器件課程教學(xué)所需編寫，是大學(xué)新能源材料與器件專業(yè)教材，兼顧大學(xué)材料、能源、冶金、化學(xué)、化工專業(yè)高年級(jí)及研究生教材；同時(shí)也是從事新能源、太陽能電池、鋰電池、燃料電池、電動(dòng)汽車、規(guī)模儲(chǔ)能等領(lǐng)域研究與應(yīng)用人員的必備基礎(chǔ)參考書。
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)能源的需求日益增加。傳統(tǒng)的化石能源是不可再生的一次性能源，其儲(chǔ)量有限，形成周期極其漫長(zhǎng)，已日益枯竭。新能源產(chǎn)業(yè)為解決全球環(huán)境問題提供高效能源存儲(chǔ)方案，現(xiàn)已成為21世紀(jì)發(fā)展最快的行業(yè)之一。新能源的開發(fā)利用涉及物理、化學(xué)、材料、電工電子等多學(xué)科知識(shí)，新能源材料與器件是一個(gè)多學(xué)科交叉專業(yè)，這要求理論學(xué)習(xí)必須與實(shí)際應(yīng)用并重才能應(yīng)對(duì)當(dāng)前科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的新形勢(shì)。
本書的編寫參考了近年來發(fā)表在國(guó)內(nèi)外重要學(xué)術(shù)刊物上的一些新能源材料及器件相關(guān)文獻(xiàn)。同時(shí)，考慮到學(xué)科發(fā)展的現(xiàn)狀，還結(jié)合近年來的教學(xué)實(shí)踐、科研項(xiàng)目及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求對(duì)內(nèi)容進(jìn)行了梳理。本書在闡述基本理論的同時(shí)，還結(jié)合實(shí)例分析，啟發(fā)思路，力圖為后續(xù)課程和實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。本書各章都精選一定量的思考題，以鞏固相關(guān)知識(shí)，便于深入學(xué)習(xí)。全書共7章，包括能源概述、能源物理化學(xué)、太陽能電池材料與器件、氫能材料與器件、電化學(xué)能源材料與器件、其他新能源技術(shù)以及能源經(jīng)濟(jì)。由于水平有限，書中若有疏漏、不妥之處，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。
編者
2018年10月
1能源概述1
1.1能1
1.2能量形式1
1.3能源發(fā)展史2
1.4常規(guī)能源3
1.5新能源6
1.6思考題6
2能源物理化學(xué)8
2.1能量定律8
2.1.1能量守恒定律9
2.1.2能量轉(zhuǎn)換定律10
2.1.3能量貶值原理11
2.2能量?jī)?chǔ)存技術(shù)12
2.2.1機(jī)械能的儲(chǔ)存12
2.2.2熱能的儲(chǔ)存13
2.2.3電能的儲(chǔ)存13
2.2.4化學(xué)能的儲(chǔ)存15
2.3能量的轉(zhuǎn)換過程16
2.3.1概述16
2.3.2化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能17
2.3.3熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能17
2.3.4機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能18
2.3.5光能轉(zhuǎn)換為電能18
2.3.6化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能19
2.3.7電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能19
2.4原電池與電解池20
2.4.1原電池20
2.4.2電解池21
2.4.3界面雙電層22
2.5電極過程動(dòng)力學(xué)導(dǎo)論24
2.5.1電極過程動(dòng)力學(xué)的發(fā)展24
2.5.2電池反應(yīng)與電極過程24
2.6思考題26
3太陽能電池材料與器件28
3.1光電轉(zhuǎn)換理論28
3.2太陽能電池的分類29
3.3硅太陽能電池31
3.3.1晶體硅太陽能電池31
3.3.2太陽能電池片封裝成太陽能電池組件36
3.3.3光伏系統(tǒng)38
3.3.4多晶硅太陽能電池41
3.3.5非晶硅太陽能電池45
3.4化合物半導(dǎo)體太陽能電池49
3.4.1CdTe系薄膜太陽能電池50
3.4.2CuInSe2薄膜太陽能電池50
3.4.3GaAs太陽能電池51
3.4.4InP系列太陽能電池51
3.5有機(jī)薄膜太陽能電池51
3.6染料敏化太陽能電池52
3.6.1染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)52
3.6.2染料敏化太陽能電池的工作原理58
3.7鈣鈦礦太陽能電池60
3.7.1鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展史60
3.7.2鈣鈦礦太陽能電池組成部分61
3.7.3鈣鈦礦膜的制備方法64
3.7.4鈣鈦礦太陽能電池原理和結(jié)構(gòu)類型67
3.8太陽能光熱發(fā)電70
3.8.1太陽能光熱發(fā)電技術(shù)70
3.8.2斯特林太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)72
3.8.3太陽能熱電站的發(fā)展趨勢(shì)及相關(guān)科學(xué)問題73
3.9思考題74
4氫能材料與器件75
4.1概述75
4.2電化學(xué)催化77
4.2.1催化原理78
4.2.2電催化劑材料及其制備78
4.2.3膜電極技術(shù)81
4.3氫的制取83
4.3.1化石燃料制氫84
4.3.2生物及生物質(zhì)制氫89
4.3.3太陽能光解水制氫91
4.3.4熱化學(xué)分解水制氫92
4.3.5金屬及化合物分解制氫93
4.3.6氫氣提純94
4.4電解水制氫96
4.4.1堿性電解水制氫96
4.4.2質(zhì)子交換膜電解水制氫96
4.4.3固體氧化物電解水100
4.5氫的儲(chǔ)存與提取101
4.5.1物理儲(chǔ)氫102
4.5.2金屬氫化物儲(chǔ)氫102
4.5.3配位氫化物儲(chǔ)氫103
4.5.4有機(jī)物儲(chǔ)氫103
4.5.5金屬氫化物電池104
4.6燃料電池105
4.6.1概述105
4.6.2電催化劑110
4.6.3膜電極116
4.6.4雙極板122
4.6.5質(zhì)子交換膜燃料電池126
4.6.6固體氧化物燃料電池136
4.7氫冶金139
4.8思考題140
5電化學(xué)能源材料與器件142
5.1概述142
5.2鋰離子二次電池144
5.2.1電化學(xué)原理145
5.2.2搖椅式工作原理146
5.2.3鋰離子電池的結(jié)構(gòu)146
5.2.4鋰離子電池材料147
5.3固態(tài)鋰電池162
5.3.1固態(tài)電解質(zhì)163
5.3.2正極材料166
5.3.3負(fù)極材料166
5.4電化學(xué)超級(jí)電容器167
5.4.1超級(jí)電容器的特點(diǎn)168
5.4.2超級(jí)電容器的原理169
5.4.3超級(jí)電容器電極材料170
5.4.4超級(jí)電容器的應(yīng)用174
5.5金屬-空氣電池175
5.5.1鋅-空氣電池176
5.5.2鋁-空氣電池178
5.5.3鋰-空氣電池179
5.6其他儲(chǔ)能電池184
5.6.1全釩液流電池184
5.6.2鈉硫電池185
5.7思考題186
6其他新能源技術(shù)187
6.1生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)187
6.1.1直接燃燒法188
6.1.2生物化學(xué)轉(zhuǎn)化188
6.1.3熱化學(xué)轉(zhuǎn)化188
6.1.4固體成型技術(shù)190
6.1.5生物柴油制取190
6.2風(fēng)能技術(shù)191
6.2.1風(fēng)能的特點(diǎn)191
6.2.2我國(guó)的風(fēng)能資源193
6.2.3風(fēng)能資源的利用195
6.3核能技術(shù)196
6.3.1核裂變能發(fā)電197
6.3.2核聚變能發(fā)電198
6.4海洋能技術(shù)199
6.4.1潮汐能199
6.4.2海水動(dòng)能201
6.4.3海水溫差能203
6.4.4海水鹽差能204
6.5地?zé)崮芗夹g(shù)205
6.5.1發(fā)電利用205
6.5.2直接利用208
6.6頁巖油氣技術(shù)208
6.7思考題210
7能源經(jīng)濟(jì)212
7.1導(dǎo)論212
7.2能源需求213
7.3能源供給215
7.4能源市場(chǎng)217
7.5能源效率220
7.6能源保障221
7.7思考題223
參考文獻(xiàn)224
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