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出版者:Springer Verlag

作者:Srinivasan, Supramaniam

出品人:

页数:724

译者:

出版时间:2006-5

价格:$ 123.17

装帧:HRD

isbn号码:9780387251165

丛书系列:

图书标签:

• 燃料电池
• 新能源
• 能源转换
• 电化学
• 可再生能源
• 绿色能源
• 储能
• 环境科学
• 材料科学
• 化学工程

能源革命的驱动力：现代电池技术与储能系统的深入探索 本书全面聚焦于当前能源转型浪潮中最核心的驱动力——先进电池技术与大规模储能系统的设计、制造、性能优化及未来应用。 我们不再探讨燃料电池这类能源转化装置，而是深入剖析能量的直接存储与高效释放机制，为工程师、研究人员以及能源政策制定者提供一套系统、前沿且实用的知识体系。 本书旨在提供一个关于下一代电力存储解决方案的详尽蓝图，内容涵盖从基础电化学原理到尖端材料科学的广阔领域，强调工程实践与理论研究的深度融合。 第一部分：电化学储能的基石与演进 本部分奠定了理解现代电池系统的电化学基础，并追溯了从早期技术到当前主流体系的发展脉络。 第一章：电化学储能系统概述 本章首先明确了储能系统的功能定位及其在未来能源电网中的不可替代性。我们将详细区分能量存储（Energy Storage）与功率输出（Power Delivery）的需求场景，并引入关键性能指标，如能量密度（Wh/kg）、功率密度（W/kg）、循环寿命、倍率性能及内阻特性。 1.1 储能系统的分类与定位： 区分物理储能（抽水蓄能、飞轮）、电化学储能（电池、超级电容）和热能储能。重点分析电化学储能因其模块化和高能量密度带来的优势。 1.2 核心电化学理论回顾： 深入探讨法拉第定律、能斯特方程在电池体系中的应用。阐述电极反应动力学、电荷转移阻抗和扩散限制对电池充放电性能的制约。 1.3 关键性能指标的量化分析： 如何通过实验数据准确评估电池的实际表现。引入库仑效率、荣格效率（Ragone Plot）在系统级设计中的应用。 第二章：锂离子电池（LIBs）的深度解构 锂离子电池作为当前应用最广泛的储能技术，其结构、材料与挑战是本书的重点。本章侧重于超越基础知识，探讨高性能、高安全性的设计理念。 2.1 经典电极材料的深入分析： 正极材料： 详细解析层状氧化物（NMC/NCA）、橄榄石结构（LFP）和尖晶石结构的优缺点。重点讨论高镍化带来的容量提升与热稳定性挑战，以及通过表面包覆和元素掺杂进行的性能调控。 负极材料： 石墨的层间嵌入机制与缺陷控制。详细论述硅基、锡基等合金负极的体积膨胀问题及应对策略，包括纳米结构设计和固态电解质界面（SEI）的优化。 2.2 电解液与隔膜技术： 溶剂、锂盐的电化学窗口。探讨高电压稳定性的新型添加剂（如FEC, VC）在稳定SEI层中的作用。隔膜材料（PE/PP）的微孔结构控制及其对锂枝晶生长的影响。 2.3 电池设计与制造工艺： 从电极浆料制备、涂布、辊压到电芯组装的精密控制。分析叠片与卷绕工艺对电池内部结构应力和热管理的影响。 第二部分：下一代先进储能技术的前沿探索 本部分聚焦于突破当前锂离子电池限制的颠覆性技术，特别是固态电池和新兴的金属电池体系。 第三章：固态电池（ASSBs）的机遇与工程障碍 固态电池被视为下一代储能的“圣杯”，本章详述其核心优势（本质安全、高能量密度）和当前的工程化难题。 3.1 固态电解质的材料学分类： 聚合物电解质： 探讨聚环氧乙烷（PEO）体系的离子电导率与工作温度限制。 无机氧化物电解质： 重点分析硫化物（如LGPS, Argyrodites）的高离子电导率及其对湿气的敏感性。氧化物（如LLZO）的界面稳定性问题。 3.2 界面阻抗的控制： 固/固界面的接触压力、粗糙度和界面反应层形成是主要瓶颈。研究如何通过引入缓冲层或优化电极设计来降低界面阻抗。 3.3 结构设计： 从全固态到半固态的过渡方案。探讨大面积电极与固态电解质的堆叠技术。 第四章：超越锂：高能量密度金属负极电池 为实现更高的能量密度，本章转向使用高容量金属作为负极的技术路线，重点分析锂金属电池（LMBs）和钠离子电池（SIBs）。 4.1 锂金属电池（LMBs）的枝晶控制： 深入分析锂枝晶的成核机制和生长动力学。探讨保护锂金属表面的策略，包括人工SEI层、离子液体或新型固体电解质的应用。 4.2 钠离子电池（SIBs）的材料体系： 钠离子电池的低成本潜力。分析硬碳（Hard Carbon）负极的钠离子储存机制。正极方面，普鲁士蓝类似物和层状氧化物在钠体系中的性能表现。 4.3 锌基和铝基二次电池的初步展望： 简要介绍水系锌离子电池的安全优势，以及在特定应用场景（如电网侧）的潜力。 第三部分：电池系统的集成、热管理与安全工程 先进的电化学性能必须通过可靠的系统集成才能转化为商业价值。本部分关注将单个电芯提升为安全、高效的电池包（Battery Pack）所需的技术。 第五章：电池管理系统（BMS）与状态估算 BMS是现代储能系统的“大脑”，本章详细介绍其核心功能和算法。 5.1 关键状态参数的精确测量与估计： SOC (State of Charge) 估计： 比较库仑计数法、开路电压法和基于模型的扩展卡尔曼滤波（EKF）/无迹卡尔曼滤波（UKF）的优劣。 SOH (State of Health) 与 SOF (State of Function) 评估： 如何通过分析阻抗谱（EIS）和容量衰减曲线来预测电池的剩余寿命和可用功率。 5.2 电池均衡技术： 讨论被动均衡与主动均衡的效率和成本权衡。重点分析电荷转移和能量转换均衡的工程实现。 5.3 传感器融合与数据处理： 如何集成温度、电压、电流传感器数据，以建立高鲁棒性的系统模型。 第六章：热管理系统（TMS）的设计与优化 热量是影响电池寿命和安全性的最关键因素。本章专注于高效的热管理策略。 6.1 热失控（Thermal Runaway）的机理与预防： 详述正极材料脱氧、SEI分解、电解液分解等一系列连锁反应。界定“触发温度”和“传播阈值”。 6.2 冷却技术比较与应用： 间接冷却： 风冷、液冷（直接接触与间接接触）。液冷系统的流道设计（S型、并联、串联）对温差均匀性的影响。 相变材料（PCM）： 利用吸热潜热进行被动温控的集成方案。 6.3 结构集成与防火设计： 电池模组的结构刚性设计，以及在模组和箱体层级设置的隔热屏障和泄压装置。 第四部分：储能系统的应用与经济性分析 本部分将理论和工程知识应用于实际场景，探讨大规模储能（ESS）的部署策略与生命周期价值。 第七章：电网级储能系统（Grid-Scale ESS）的部署与调度 针对电网需求，本章探讨储能系统的经济价值最大化。 7.1 储能系统的商业模式： 阐述辅助服务（调频、备用）、峰谷套利、可再生能源并网消纳等多种盈利途径。 7.2 功率与能量容量的优化配置： 如何根据电网接入点的特性（如短路容量、潮流限制）确定最优的系统规模。 7.3 宏观经济性分析： 评估LCOS（Levelized Cost of Storage）的计算方法，纳入初始投资、运维成本、效率损失及回收价值。 第八章：电动汽车（EV）电池包的轻量化与寿命循环 电动汽车对电池提出了极致的功率密度和循环耐久性要求。 8.1 结构轻量化设计： 模块化与集成化（Cell-to-Pack, CTP）的趋势。铝合金、复合材料在电池箱体中的应用。 8.2 动态充放电策略对寿命的影响： 分析高倍率充电（如800V平台）对锂枝晶和SEI层的影响，提出最优的充电曲线设计。 8.3 电池梯次利用（Second Life）： 评估退役动力电池在固定储能场景中的残值。建立可靠的SOH分级标准，确保梯次利用的安全性和经济性。 本书通过严谨的工程视角，深入剖析了构成现代能源系统的核心技术——电池的电化学、材料、系统集成与应用调度，为读者提供了构建和优化下一代储能系统的全面知识工具箱。

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