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出版者:John Wiley & Sons Inc

作者:Vielstich, Wolf (EDT)/ Gasteiger, Hubert A./ Lamm, Arnold/ Lamm, Arnold (EDT)/ Gasteiger, Hubert A.

出品人:

頁數:3826

译者:

出版時間:2003-5

價格:965.00 元

裝幀:HRD

isbn號碼:9780471499268

叢書系列:

圖書標籤:

燃料電池
能源
可再生能源
電化學
材料科學
工程
環境科學
儲能
氫能
清潔能源

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具體描述

This four volume set brings together for the first time in a single reference work the fundamentals, principles and the current state-of-the-art in fuel cells. Its publication reflects the increasing importance of and the rapidly growing rate of research into alternative, clean sources of energy. With internationally renowned Editors, International Advisory Board members, and Contributors from academia and industry, it guides the reader from the foundations and fundamental principles through to the latest technology and cutting-edge applications, ensuring a logical, consistent approach to the subject.

The Handbook is divided into three main themes, covered in four volumes: Volume 1: "Fundamentals and Survey of Systems" Volume 2: "Fuel Cell Electrocatalysis" Volumes 3 and 4: "Fuel Cell Technology and Applications"Volume 1, "Fundamentals and Survey of Systems", provides the necessary backg round information on fuel cells, including the fundamental principles such as the thermodyamics and kinetics of fuel cell reactions, mass and heat transfer in fuel cells, and an overview of the key principles of the most important types of fuel cell, and their related systems and applications. Volume 2, "Fuel Cell Electrocatalysis", is concerned with the most important basic phenomenon of fuel cell electrodes, electrocatalysis. It includes an introduction to the topic, and a detailed account of the theory. A number of the key practical methods used to study this phenomenon are discussed, as are a number of the key surface reactions. Finally, a number of other related topics associated with energy conversion are discussed. Volumes 3 and 4, "Fuel Cell Technology and Applications" open with an overview of a range of sustainable energy supplies for fuel cell development. The key issue of fuel storage is considered in detail, before a detailed discussion of the most important types of fuel cells and their applications is presented. Among these, polymer electrolyte membrane fuel cell systems, alkaline fuel cell modules and systems, phosphoric acid fuel cells, direct methanol fuel cells, molten carbonate fuel cells and solid oxide fuel cells are covered in depth. The use of fuel cells in a range of systems is then considered, including portable systems, propulsion systems and electric utility systems. In addition to domestic and industrial systems, use of fuel cells in such novel environments as the space shuttle and submarines is addressed. Finally, Volume 4 closes with a discussion of the future prospects of fuel cell systems. Comprising approximately 170 articles by more than 200 contributors, "The Handbook of Fuel Cells: Fundamentals, Technology and Applications", will be an invaluable source of reference for all those working directly in this important and dynamic field, for electrochemists, and for scientists, engineers and policy-makers involved in the quest for clean and sustainable energy sources.

未來能源的基石：下一代電化學儲能係統的革新與展望本書導言：全球能源轉型背景下的關鍵技術突破在人類社會邁嚮可持續發展的宏偉藍圖中，能源係統的深刻變革是核心議題。傳統化石燃料的局限性，日益凸顯的環境壓力，以及對能源安全穩定性的迫切需求，共同推動瞭高效、清潔、可再生的電化學儲能技術進入前所未有的發展快車道。本書聚焦於超越現有成熟技術範疇，麵嚮未來十年乃至更遠期能源格局的顛覆性儲能係統——新一代電化學儲能技術，深入剖析其理論基礎、關鍵材料、係統集成挑戰以及廣闊的應用前景。我們摒棄瞭對傳統燃料電池（如質子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池）的詳盡論述，轉而將焦點投嚮那些旨在突破能量密度、循環壽命、成本效益和環境友好性極限的前沿概念和實驗性平颱。本書旨在為材料科學傢、電化學工程師、係統集成專傢以及政策製定者提供一個全麵、深入且極具前瞻性的技術路綫圖。 --- 第一部分：突破傳統界限的電化學儲能機製本部分旨在解構和闡述那些在能量存儲機製上與現有商業化技術存在根本性差異的新型電化學平颱。第一章：高比能液流電池係統的演進與極限液流電池（Flow Batteries）以其容量與功率解耦的獨特優勢，被視為電網級儲能的有力候選者。然而，傳統的釩電解液在成本和能量密度上麵臨瓶頸。本章將重點探討非貴金屬基液流電池的最新進展。有機液流電池（Organic Flow Batteries）：深入分析基於醌類、酞菁類等有機分子電解質的體係。討論其在水係和非水係溶劑中的溶解度優化、氧化還原電位的調控，以及如何通過分子工程設計提高循環穩定性和能量密度。特彆關注“搖擺酸”（Swing Acid）技術在提高循環壽命中的作用。固態電解質界麵調控：探討采用固態或半固態隔膜（如離子交換膜的改進）以減少跨膜穿梭效應（Crossover Effect）的技術，並評估其對係統整體效率的影響。新型儲能對（Coupling）：分析鋅溴、鋅碘等混閤係統在提高工作電壓和電壓效率方麵的潛力，以及當前麵臨的枝晶生長抑製難題。第二章：金屬-空氣電池的潛能與挑戰金屬-空氣電池（如鋰-空氣、鋅-空氣、鋁-空氣）因其理論上極高的能量密度（媲美汽油）而備受關注。本章將嚴格聚焦於那些旨在解決空氣電極可逆性、電解液兼容性和長壽命問題的研究。空氣電極催化劑的革新：詳細闡述非貴金屬基催化劑（如基於石墨烯、碳納米管或金屬氮化物的復閤材料）在氧還原反應（ORR）和氧析齣反應（OER）中的性能優化。討論如何通過結構設計（如多孔結構、錶麵功能化）來提高活性位點密度和穩定性。固態與準固態電解質的應用：探討使用固態電解質或高粘度離子凝膠電解質來替代傳統揮發性有機電解液，以提高安全性和抑製鋰枝晶生長。分析界麵阻抗在固態/液態界麵上的形成機理及其對電池性能的製約。水係鋅-空氣電池的界麵工程：重點分析水係體係中鋅負極的均勻沉積與剝離問題，及其與多孔碳氣體的協同設計策略。第三章：鈉離子電池及下一代堿金屬儲能盡管鋰離子電池仍是主流，但鈉、鉀等地球儲量豐富的元素在構建低成本、大規模儲能係統中的地位日益凸顯。硬碳與軟碳材料的結構解析：深入分析硬碳負極的鈉離子存儲機製，關注其孔隙結構（微孔、介孔）對嵌鈉/脫鈉動力學的影響。探討新型預鈉化技術和錶麵處理對首周效率的提升。高容量正極的開發：研究層狀氧化物、普魯士藍類似物（PBA）以及聚陰離子型鈉鹽正極的結構穩定性、倍率性能和高電壓工作窗口的拓展。全固態鈉離子電池的界麵兼容性：討論陶瓷基或聚閤物基固態電解質在鈉離子傳輸中的優勢與麵臨的電極-電解質接觸問題。 --- 第二部分：關鍵材料與界麵科學的深層洞察電化學儲能係統的性能瓶頸往往根植於材料的本徵特性和電極-電解質界麵的微觀行為。本部分著重於高通量計算、原位錶徵以及功能化界麵材料的開發。第四章：高熵與多金屬氧化物正極的設計原理本章超越傳統單一金屬離子的設計，探索通過引入多種金屬離子來提升材料的結構穩定性和電化學性能。高熵氧化物（High-Entropy Oxides, HEOs）：闡述“高熵效應”在晶格中的作用，如何通過引入復雜晶格缺陷來抑製相變、提高離子擴散率，並拓寬工作電壓窗口。分析不同價態離子在晶格中的有序/無序分布對電荷補償路徑的影響。錶麵包覆與摻雜策略：詳細介紹使用原子層沉積（ALD）技術精確控製正極錶麵鈍化層厚度和成分的工藝，以穩定高壓下的結構，並抑製與電解液的副反應。討論通過外延生長或界麵復閤引入功能性離子（如LiF、AlF3）的有效性。第五章：電解液與界麵穩定性：從分子到宏觀電解液是電化學反應的媒介，其穩定性直接決定瞭儲能器件的壽命和安全性。新型非質子溶劑與添加劑的篩選：探討離子液體、高濃度電解質（HCEs）以及超臨界流體在抑製電極材料錶麵降解方麵的應用。重點分析添加劑（如FEC、VC）在構建穩定固體電解質界麵（SEI）或錶麵鈍化膜（CEI）中的精確分子作用機製。界麵副反應的計算模擬：利用密度泛函理論（DFT）和分子動力學（MD）模擬，精確預測電解液分子在不同電位下的分解路徑和活性物質的溶劑化結構變化，從而指導下一代電解液的理性設計。電化學窗口的拓展：針對高電壓體係，分析電解液氧化分解的臨界點，並介紹通過引入高氧化還原穩定性的鹽（如LiPF6的替代品）來實現電壓提升的路徑。第六章：電極結構工程與快速離子傳輸為瞭實現更高的倍率性能，必須優化電極內部的電子和離子傳輸網絡。三維（3D）集成電極結構：深入研究基於集成導電網絡（如碳納米管/石墨烯骨架）的3D電極設計，以縮短離子擴散路徑並提升電子傳導效率。分析孔隙率梯度設計對充放電過程中體積變化的緩衝作用。微結構控製與顆粒研磨技術：探討如何通過控製活性物質顆粒的尺寸分布、形貌（球形、片狀、棒狀）來優化電極的裝填密度和界麵接觸質量。電極製造過程中的缺陷控製：關注漿料製備、塗布乾燥過程中的顆粒團聚、取嚮不均等缺陷對整體電化學性能的長期影響，並提齣相應的在綫監測和反饋控製策略。 --- 第三部分：係統集成、安全認證與經濟性評估先進的電化學係統要轉化為實際應用，必須跨越從實驗室到工廠的鴻溝，這涉及到係統級的工程優化、熱管理和經濟可行性分析。第七章：先進熱管理與係統集成設計高能量密度和高功率輸齣必然帶來嚴峻的熱挑戰。被動與主動熱管理策略：詳細對比基於相變材料（PCM）、液體冷卻迴路、以及氣冷等不同散熱方案在電芯層級、模組層級和電池包層級的適用性、效率和成本。重點分析如何通過優化熱流路徑來消除局部熱點（Hot Spots）。電池健康狀態（SOH）與熱失控預防：介紹基於先進傳感器（如光縴光柵傳感器、嵌入式溫度探針）的實時內部狀態監測技術。深入分析熱失控的觸發機製、傳播路徑，以及基於係統級聯保護的設計原則。第八章：製造工藝的放大化與成本控製大規模商業化依賴於穩定、高效且低成本的製造流程。連續製造（Roll-to-Roll）工藝的適應性：評估新型電極材料（如無粘結劑電極、漿料優化）對高速度、高精度連續塗布工藝的兼容性，以及乾燥過程中的能耗優化。壽命周期成本（LCC）分析：建立全麵的經濟模型，量化初始資本支齣（CAPEX）、運營成本（OPEX，包括維護和替換）、以及係統壽命對度電成本（LCOS）的影響。對比不同技術路綫在不同應用場景下的經濟競爭力。第九章：循環經濟與可持續性確保能源技術的環境友好性是長期發展的核心要求。關鍵元素替代與資源迴收：探討如何設計易於拆解和迴收的電池結構。重點關注從退役電池中高效迴收稀有元素（如鋰、鎳、鈷）的新型濕法和乾法冶金技術，以及如何利用低價值元素構建新的儲能平颱。環境影響評估（LCA）：采用生命周期評估方法，量化從原材料開采到係統報廢的全過程碳足跡、水資源消耗和生態毒性，為技術路綫選擇提供科學依據。 --- 結語：邁嚮萬億瓦時級儲能時代的展望本書的分析錶明，下一代電化學儲能技術正處於從理論驗證嚮工程實踐過渡的關鍵階段。成功實現大規模商業化，需要材料科學的根本性突破與係統工程的精細化結閤。本書力求以嚴謹的學術態度和前瞻性的視野，描繪齣支撐未來清潔能源生態的電化學儲能新版圖。