本书讨论了各种主要的储能方法的基本原理，包括热能储存过程中的相变和可逆反应；储氢和有机燃料过程中的重要载体等，其中也涉及机械、电磁系统等领域的原理。还重点关注了电化学储能系统的最新发展，包括传统电池系统的进展和其他一些最新的进展，如最近发展迅速的锂电池。本书对储能的基本概念、原理和应用都进行了详细的论述，对于学生和科研人员都有很高的参考价值。
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目录
前言
1 绪论 1
1.1 概述 1
1.2 燃料分配系统中的储能技术 2
1.3 储能技术的周期性 2
1.3.1 长期储能技术 3
1.3.2 短期储能技术 3
1.4 负载平衡问题 3
1.5 削峰填谷技术 5
1.6 短期瞬变 7
1.7 可移动设备的储能 7
1.7.1 电子设备的储能 8
1.7.2 汽车的储能 8
1.8 氢动力汽车 9
1.9 建筑温控技术 10
1.10 先进照明技术 10
1.11 本书架构 11
参考文献 12
2 基本概念 13
2.1 概述 13
2.2 热功当量 13
2.3 热力学第一定律——能量守恒定律 14
2.4 焓 14
2.5 熵 15
2.5.1 热熵 15
2.5.2 构型熵 16
2.6 功 16
2.7 温度对G,H 和S 的影响 17
2.8 不可逆和可逆的储能模式 17
2.9 卡诺极限 18
2.10 电能质量 18
参考文献 19
3 热能 21
3.1 概述 21
3.2 显热 22
3.3 潜热 23
3.3.1 无机相变材料 24
3.3.2 有机相变材料 26
3.4 准潜热 27
3.5 热泵 27
参考文献 27
4 可逆化学反应 29
4.1 概述 29
4.2 非相合反应的类型 29
4.2.1 插入反应 30
4.2.2 化合反应 31
4.2.3 分解反应 32
4.2.4 置换反应 32
4.3 相图 33
4.3.1 吉布斯相律 33
4.3.2 二元相图 34
4.3.3 杠杆定则 36
4.3.4 二元系中三相反应 37
4.3.5 包晶反应 39
4.3.6 共晶反应 39
4.4 固液反应的热效应 42
4.5 可逆气相反应的热效应 45
参考文献 48
5 有机燃料储能 49
5.1 概述 49
5.2 生物质能 49
5.3 动物中的生物质能 51
5.4 固体生物质能 52
5.5 合成液体燃料 52
5.6 液化气体燃料 52
5.7 燃料能量含量 53
参考文献 54
6 机械能 55
6.1 概述 55
6.2 势能 55
6.3 压缩气体的势能 57
6.4 重力势能 58
6.5 水力发电 60
6.6 抽水蓄能 61
6.7 水流动能 62
6.8 动能 62
6.8.1 平动动能 63
6.8.2 转动动能 64
6.9 内部结构中的储能 67
参考文献 68
7 电磁能 69
7.1 概述 69
7.2 电容器的储能 70
7.2.1 平行板电容器的储能 70
7.3 电荷存储机理 71
7.3.1 双电层静电储能 72
7.3.2 固体电极表面的二维吸附 73
7.3.3 三维吸附 73
7.3.4 重构反应 76
7.4 相对储能 77
7.5 储能品位的重要性 78
7.6 电容器的瞬态行为 79
7.7 含电容的机电系统暂态模型 81
7.7.1 概述 81
7.7.2 拉普拉斯变换 82
7.7.3 实例 83
7.8 磁场储能 84
7.8.1 物质在磁场中的能量 85
7.8.2 超导磁系统中的储能 89
7.8.3 超导材料 90
参考文献 92
8 氢能 95
8.1 概述 95
8.2 氢气的生产 96
8.2.1 水蒸气转化法 96
8.2.2 水蒸气与碳的反应 98
8.2.3 电解水法 100
8.2.4 热解水法 102
8.2.5 水制氢气其他化学法 103
8.2.6 其他方法 107
8.3 政府对氢能的推广 107
8.4 氢气的储存方法 109
8.4.1 高压罐存储气态氢 110
8.4.2 绝缘罐存储液态氢 110
8.4.3 金属固态储氢 110
8.5 其他储氢方法 111
8.5.1 含氢负离子的材料 112
8.5.2 储氢媒介和相关材料 113
8.5.3 可逆有机液体储氢 114
8.6 储氢的安全性 116
参考文献 117
9 电化学能 119
9.1 概述 119
9.2 简单的电化学反应 120
9.3 电化学电池反应的主要类型 124
9.3.1 化合反应 125
9.3.2 位移反应 127
9.3.3 插入反应 127
9.4 重要的实验参数 128
9.4.1 操作电压和能量品位 130
9.4.2 电荷容量 132
9.4.3 最大理论比能量 132
9.4.4 充放电过程的电压变化 133
9.4.5 循环过程 133
9.4.6 自放电 135
9.5 电化学电池的一般等效电路 136
9.5.1 阻抗对晶胞中离子和原子迁移的影响 137
9.5.2 电解质中电子泄露的影响 138
9.5.3 粒子的迁移数 139
9.5.4 输出电压、离子价态与电子迁移数的关系 140
9.5.5 自放电的焦耳热 141
9.5.6 电流来自电池的假想 141
参考文献 143
10 电化学电池的电压与容量规律 145
10.1 概述 145
10.2 不同电化学电池热力学属性 145
10.3 实例:锂碘电池 147
10.3.1 最大理论能量的计算 149
10.3.2 温度对电池电压的影响 150
10.4 放电曲线与吉布斯相律 151
10.5 库仑滴定法 157
参考文献 160
11 均衡与近似均衡下的双电极系统 161
11.1 概述 161
11.2 二元系中相图与电动势的关系 161
11.3 实例:锂锑系统 164
11.4 稳定相域 168
11.5 实例:锂铋系统 168
11.6 其他二元系中的库仑滴定法 169
11.7 温度对电位的影响 170
11.8 氧化物及类似材料的应用 172
11.9 埃林厄姆相图与其他相图 174
11.1 0 液态二元系 175
11.1 1 机理和术语的进一步说明 176
11.1 2 小结 178
参考文献 179
12 均衡与近似均衡下的三电极系统 181
12.1 概述 181
12.2 三相图与相稳定性图 181
12.3 三元系中子三角结构 183
12.4 实例:钠镍氯化物构成的三元系 186
12.5 实例:锂铜氯化物构成的三元系 189
12.5.1 电压计算 190
12.5.2 实验设计:氯化铜电池 192
12.6 Li-CuCl电池与Li-CuCl2电池最大理论比能 193
12.7 比容量与容量密度 194
12.8 含镁金属氢化物系统 194
12.9 实例:锂过渡金属氧化物 200
12.10 两种二元合金构成的三元系 204
12.10.1 实例:常温下Li-Cd-Sn构成的三元系 205
12.11 附加成分的影响 205
12.12 小结 206
参考文献 206
13 电极的插入反应 207
13.1 概述 207
13.2 层结构中附加元素注入的实例 209
13.3 浮式柱状层结构 210
13.4 固体中附加元素注入的术语 210
13.5 元素注入的不同配置方式 211
13.6 顺序插入反应 211
13.7 不同溶剂的联合注入 215
13.8 平行线性隧道注入 216
13.9 主体结构的改变 216
13.9.1 晶体到非晶体 217
13.9.2 电动势对产物的影响 219
13.9.3 可移动元素的初步提取 219
13.10 电极成分的改变 220
13.10.1 概述 220
13.10.2 单一金属固溶体成分的改变 221
13.10.3 客体离子的构型熵 222
13.10.4 金属固溶体中浓度对电子化学势的影响 223
13.10.5 金属固溶体中两种相关成分对电势的影响 223
13.10.6 金属固溶体中组分对两相重组反应电势对的影响 225
13.11 小结 227
参考文献 227
14 偏离完全平衡的电极反应 229
14.1 概述 229
14.2 稳态和亚稳态平衡 229
14.3 选择性平衡 231
14.4 非晶体结构与晶体结构的形成 232
14.5 偏离平衡的动力学原因 234
15 铅酸电池 237
15.1 概述 237
15.2 铅酸系统的化学原理 238
15.2.1 MTSE的计算 239
15.2.2 充电状态对电池电压的影响 239
15.3 单个电极电势 240
15.4 电极与电化学反应机制的联系 242
15.5 电极结构 242
15.5.1 体积的变化和脱落 243
15.6 合金材料在电极网络的应用 244
15.7 网络材料的选择与设计 246
15.8 密封铅酸电池的发展 246
15.9 其他设计 247
15.9.1 其他改进 249
15.10 PbO2中氢的迅速扩散 250
参考文献 250
16 水性体系中的负电极 251
16.1 概述 251
16.2 水性体系中的锌电极 251
16.2.1 概述 251
16.2.2 H-Zn-O系统的热力学关系 252
16.2.3 锌电极的问题 253
16.3 镉电极 253
16.3.1 概述 253
16.3.2 H-Cd-O系统的热力学关系 254
16.3.3 镉电极的运行机制 255
16.4 金属氢化物电极 256
16.4.1 概述 256
16.4.2 金属氢化物电池的商业化发展 257
16.4.3 氢化物材料 257
16.4.4 歧化和激活 258
16.4.5 压力成分的关系 259
16.4.6 温度的影响 260
16.4.7 AB2合金 261
16.4.8 两种结构比较 262
16.4.9 尚未商业化的电池合金 264
16.4.10 氢化物粒子微型胶囊包装 264
16.4.11 其他黏合剂 264
16.4.12 用于负电极的固体电解质种类 265
16.4.13 不同金属氢化物的最大理论容量 265
参考文献 266
17 水性体系中的正电极 267
17.1 概述 267
17.2 水性体系中的二氧化锰电极 268
17.2.1 概述 268
17.2.2 开路电动势 269
17.2.3 放电过程电动势的变化 270
17.3 镍电极 270
17.3.1 概述 270
17.3.2 Ni(OH)2和NiOOH电极的结构特征 271
17.3.3 运行机制 272
17.3.4 电化学特性和结构之间的关系 274
17.3.5 自放电 276
17.3.6 过度充电 278
17.3.7 热力学相关知识 278
17.4 镍电极记忆的效应 281
17.4.1 概述 281
17.4.2 镍电极的工作特性 282
17.4.3 过度充电现象 285
17.4.4 小结 287
参考文献 288
18 锂电池的负电极 291
18.1 概述 291
18.2 锂电极 292
18.2.1 非正常位置沉积 292
18.2.2 形状改变 292
18.2.3 树突 293
18.2.4 单纤维式增长 293
18.2.5 热耗散 294
18.3 金属锂的其他用途 295
18.4 锂碳合金 295
18.4.1 概述 295
18.4.2 石墨中掺杂金属锂的理想模型 297
18.4.3 石墨结构的变化 298
18.4.4 锂掺入石墨的结构变化 299
18.4.5 石墨中锂的电化学行为 300
18.4.6 无定形碳中锂的电化学行为 302
18.4.7 含锂的碳氢化合物 303
18.5 锂合金 304
18.5.1 概述 304
18.5.2 二元锂合金的热力学平衡特性 305
18.5.3 室温实验 305
18.5.4 二元液态合金 306
18.5.5 混合导体的矩形电极 306
18.5.6 爆裂作用 309
18.5.7 微米和纳米结构电极 313
18.5.8 室温下非晶形产物的形成 315
参考文献 316
19 锂电池的正电极 319
19.1 概述 319
19.2 电极的插入反应(非重构反应) 320
19.2.1 多于一种间隙位置或氧化还原物质的反应 321
19.3 放电结束后的电池组成 321
19.4 锂电池的固态正电极 323
19.4.1 概述 323
19.4.2 晶体环境对电势的影响 326
19.4.3 氧负离子位于立方阵列面心的氧化物材料 327
19.4.4 氧离子位于紧凑六角形阵列的氧化物材料 335
19.4.5 含氟离子的材料 339
19.4.6 混合离子电池 340
19.4.7 无定型化 340
19.4.8 氧释放的问题 340
19.4.9 小结 346
19.5 正电极材料中的氢和水 346
19.5.1 概述 346
19.5.2 离子交换 347
19.5.3 简单的添加方法 347
19.5.4 锂氢氧构成的热力学系统 348
19.5.5 锂电极稳定存在于水中的实例 349
19.5.6 比水有更高稳定性的材料 350
19.5.7 大气中水蒸气对质子的吸附 350
19.5.8 水性体系中锂的提取 351
参考文献 351
20 不可充电电池 355
20.1 概述 355
20.2 常见的Zn-MnO2碱性电池 355
20.3 室温下的Li-FeS2电池 356
20.4 心脏起搏器中的Li-I2电池 357
20.5 震动发生器中的锂银钒氧化物电池 357
20.6 锌空气电池 359
20.7 Li-CFx电池 362
20.8 备用电池 363
20.8.1 概述 363
20.8.2 Li-SO2电池 364
20.8.3 Li-SOCl2电池 365
20.8.4 Li-FeS2高温电池 365
参考文献 366
21 大中型规模的储能技术 367
21.1 概述 367
21.2 削峰填谷及瞬态问题 367
21.3 太阳能和风能的存储 368
21.4 专用储能技术 368
21.4.1 用于大规模储能的铅酸电池 368
21.4.2 钠硫电池 369
21.4.3 液流电池 370
21.4.4 纯液体电池 374
21.5 用于交通工具中的储能技术 376
21.5.1 概述 376
21.5.2 ZEBRA电池 379
21.5.3 混合储能策略 380
参考文献 381
22 展望 383
22.1 概述 383
22.2 近期发现的大型天然气田 384
22.3 新兴技术的发展方向 385
22.4 新兴的研究方向 387
22.4.1 有机“塑料晶体暠材料 387
22.4.2 用于锂电池的有机电极材料 387
22.4.3 新材料的制备和电池制造技术 388
22.4.4 其他电解质 389
22.5 结论 389
参考文献 389
索引 391
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