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、能源存儲與轉(zhuǎn)化原理、關(guān)鍵材料與器件、發(fā)展概況和應(yīng)用前景。在風能、太陽能發(fā)電、二次電池、超級電容器、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，還針對目前電動汽車和規(guī)模儲能應(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)嚴謹。書中有大量習題和思考題，并附有*文獻，便于深入學習。本書是大學新能源材料與器件專業(yè)教材，兼顧大學材料、能源、冶金、化學、化工專業(yè)高年級及研究生教材；同時也是從事新能源、太陽能電池、鋰電池、燃料電池、電動汽車、規(guī)模儲能等領(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，包括能源概述、能源物理化學、太陽能電池材料與器件、氫能材料與器件、電化學能源材料與器件、其他新能源技術(shù)以及能源經(jīng)濟。
新能源技術(shù)是21世紀世界經(jīng)濟發(fā)展中最具決定性影響的五個技術(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)和實現(xiàn)新能源利用的關(guān)鍵。近年來國際能源發(fā)生了重大調(diào)整，全球治理體系深刻變革，我國在十三五規(guī)劃的主要目標中明確提出：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。實現(xiàn)這一目標就是要走綠色發(fā)展道路，發(fā)展新能源被提到了前所未有的國家戰(zhàn)略高度。
國家的發(fā)展在于人才，人才培養(yǎng)在于教育，教育的根本是為國家培養(yǎng)發(fā)展所需的人才。為適應(yīng)我國大力發(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)新意識的應(yīng)用型人才。本書應(yīng)新能源材料與器件課程教學所需編寫，是大學新能源材料與器件專業(yè)教材，兼顧大學材料、能源、冶金、化學、化工專業(yè)高年級及研究生教材；同時也是從事新能源、太陽能電池、鋰電池、燃料電池、電動汽車、規(guī)模儲能等領(lǐng)域研究與應(yīng)用人員的必備基礎(chǔ)參考書。
隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，對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，其儲量有限，形成周期極其漫長，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方案，現(xiàn)已成為21世紀發(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、材料、電工電子等多學科知識，新能源材料與器件是一個多學科交叉專業(yè)，這要求理論學習必須與實際應(yīng)用并重才能應(yīng)對當前科學技術(shù)飛速發(fā)展的新形勢。
本書的編寫參考了近年來發(fā)表在國內(nèi)外重要學術(shù)刊物上的一些新能源材料及器件相關(guān)文獻。同時，考慮到學科發(fā)展的現(xiàn)狀，還結(jié)合近年來的教學實踐、科研項目及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求對內(nèi)容進行了梳理。本書在闡述基本理論的同時，還結(jié)合實例分析，啟發(fā)思路，力圖為后續(xù)課程和實際應(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，便于深入學習。全書共7章，包括能源概述、能源物理化學、太陽能電池材料與器件、氫能材料與器件、電化學能源材料與器件、其他新能源技術(shù)以及能源經(jīng)濟。由于水平有限，書中若有疏漏、不妥之處，敬請讀者批評指正。
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能量儲存技術(shù)12
2.2.1機械能的儲存12
2.2.2熱能的儲存13
2.2.3電能的儲存13
2.2.4化學能的儲存15
2.3能量的轉(zhuǎn)換過程16
2.3.1概述16
2.3.2化學能轉(zhuǎn)換為熱能17
2.3.3熱能轉(zhuǎn)換為機械能17
2.3.4機械能轉(zhuǎn)換為電能18
2.3.5光能轉(zhuǎn)換為電能18
2.3.6化學能轉(zhuǎn)換為電能19
2.3.7電能轉(zhuǎn)換為化學能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電極過程動力學導論24
2.5.1電極過程動力學的發(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)展趨勢及相關(guān)科學問題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氫的儲存與提取101
4.5.1物理儲氫102
4.5.2金屬氫化物儲氫102
4.5.3配位氫化物儲氫103
4.5.4有機物儲氫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負極材料166
5.4電化學超級電容器167
5.4.1超級電容器的特點168
5.4.2超級電容器的原理169
5.4.3超級電容器電極材料170
5.4.4超級電容器的應(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生物化學轉(zhuǎn)化188
6.1.3熱化學轉(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風能技術(shù)191
6.2.1風能的特點191
6.2.2我國的風能資源193
6.2.3風能資源的利用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海水動能201
6.4.3海水溫差能203
6.4.4海水鹽差能204
6.5地熱能技術(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212
7.1導論212
7.2能源需求213
7.3能源供給215
7.4能源市場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224
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