能源電化學

本書是《電化學叢書》分冊之一。書中全面系統地闡述了各種常用和新型化學電源，包括一次電池、二次電池、燃料電池和金屬空氣電池等，結合作者們在該領域研究的心得與成果，重點介紹這些化學電源的工作原理、發展概況、最新研究成果、套用前景和存在問題等。本書內容深入淺出，力求為廣大讀者提供比較翔實的參考，可供能源、材料和化學電源等相關領域科研人員與技術人員使用，也可作為高校相關專業高年級本科生、研究生的學習參考書。

前言

近年來，能源問題已經成為我國最重要的問題之一，能源不但關係到我國國民經濟的發展，而且也關係到國家的安全。隨著化石能源的短缺以及化石能源的利用造成環境污染和氣候異常，新能源特別是可再生能源，如太陽能、風能、生物質能及氫能的開發與利用日益受到重視。而化學電源與新能源的開發和利用有很密切的關係，許多化學電源可與這些可再生能源發電配套使用而做出很大貢獻。例如，太陽能和風能發電必須要有化學電源作為儲能的設備，燃料電池能促進氫能的大規模利用等。

目前，專門系統完整介紹能源電化學基礎及研究進展的書籍，特別是中文書籍，尚比較缺乏。基於此，筆者邀集國內在第一線從事電催化研究的中青年電化學工作者編寫了此書。書中重點介紹了一次電池、二次電池、燃料電池、金屬空氣電池等各種常用和新型化學電源的工作原理、發展概況、最新研究成果、套用前景和存在問題，並充分結合作者們在該領域研究的心得與成果。本書內容深入淺出，希望對能源、化學、材料等學科的發展起到積極的推動作用。

本書在內容的選擇上，既注重基礎知識和研究方法的介紹，同時又緊緊圍繞前沿方向。既適合能源、材料和化學電源等相關領域的科研人員和技術人員使用，也適合高校相關專業高年級本科生、研究生參考學習。本書還有助於讀者發展基礎理論和套用的創新思維，以面對電化學和能源化學未來的挑戰。

在本書出版之際，感謝化學工業出版社的支持。本書各專章的作者都在第一線從事科學研究，時間緊、任務重，他們為保證本書的質量和順利出版付出了艱辛的勞動，在此一併致謝。

陸天虹2014年6月

目錄

第1章緒論

1 1化石能源的問題1

1 2 21世紀的能源發展趨勢2

1 2 1可再生能源的開發將越來越受到重視2

1 2 2煤炭將作為過渡能源而受到重視3

1 2 3節能技術將備受重視3

1 2 4甲烷水合新化石能源的開發將得到強化3

1 3各種可再生能源的優缺點3

1 3 1太陽能3

1 3 2風能4

1 3 3生物質能5

1 3 4氫能6

1 4新能源與電化學的關係7

參考文獻9

第2章一次電池 2 1引言10

2 2鋅錳電池11

2 2 1鋅錳電池概述11

2 2 2鋅錳電池的工作原理11

2 2 3鋅錳電池的發展概況13

2 3鋅氧化銀電池19

2 3 1概述19

2 3 2鋅銀電池的工作原理19

2 3 3鋅銀電池的研發概況20

2 4鋰電池21

2 4 1概述21

2 4 2不同鋰電池的工作原理和優缺點22

參考文獻25

第3章二次電池

3 1引言28

3 1 1二次電池分類28

3 1 2二次電池對材料的基本要求29

3 1 3有效放電容量29

3 2可充鹼錳電池30

3 2 1概述30

3 2 2金屬錳電化學30

3 2 3錳氧化物物化性質31

3 2 4MnO2電化學32

3 2 5質子動力學33

3 2 6循環性能33

3 2 7“惰性”——一個只具有相對意義的概念34

3 2 8展望35

3 3鉛酸電池35

3 3 1概述35

3 3 2充放電反應36

3 3 3電解液37

3 3 4電位pH圖37

3 3 5Pb及其化合物37

3 3 6正極充放電反應38

3 3 7負極充放電反應39

3 3 8“Coup de Fouet”現象40

3 3 9自放電反應41

3 3 10性能衰減機理42

3 3 11套用舉例44

3 3 12研究進展44

3 3 13隔膜48

3 3 14早期容量損失49

3 3 15發展方向49

3 4H2Ni電池53

3 4 1概述53

3 4 2鎳及其氧化物、氫氧化物54

3 4 3電化學54

3 4 4充放電機理55

3 4 5氫電極簡述57

3 4 6套用舉例57

3 4 7研究現狀58

3 4 8前景與展望60

3 5鹼性電池61

3 5 1鋅鎳、鐵鎳、鎘鎳、超鐵和鋅銀電池61

3 5 2MH-Ni電池65

3 6鋰離子電池73

3 6 1概述73

3 6 2碳基負極材料74

3 6 3金屬鋰負極77

3 6 4合金與金屬間化合物78

3 6 5氮化物79

3 6 6尖晶石LiMn2O480

3 6 7層狀過渡金屬氧化物81

3 6 8橄欖石結構磷酸鹽84

3 6 9Li-V-P-O、VOx系列嵌鋰材料簡述89

3 6 10Li-Ti-O嵌鋰電極材料90

3 6 11電解液91

3 6 12總結100

參考文獻104

第4章燃料電池

4 1引言108

4 1 1燃料電池的定義108

4 1 2燃料電池的歷史回顧108

4 1 3燃料電池基礎111

4 2質子交換膜燃料電池113

4 2 1質子交換膜燃料電池的發展簡史113

4 2 2質子交換膜燃料電池的工作原理114

4 2 3質子交換膜燃料電池的特點115

4 2 4膜電極組件115

4 2 5質子交換膜燃料電池商業化的問題123

4 3直接甲醇燃料電池124

4 3 1直接甲醇燃料電池的研發概況125

4 3 2工作原理126

4 3 3基本結構126

4 3 4直接甲醇燃料電池的優點127

4 3 5直接甲醇燃料電池性能的改進128

4 3 6質子交換膜130

4 4直接甲酸燃料電池131

4 4 1研究甲醇替代燃料的原因131

4 4 2直接甲酸燃料電池的優缺點132

4 5直接乙醇燃料電池133

4 5 1直接乙醇燃料電池發展概況133

4 5 2直接乙醇燃料電池優缺點134

4 5 3直接乙醇燃料電池的工作原理134

4 6直接碳燃料電池134

4 6 1直接碳燃料電池的發展概況134

4 6 2直接碳燃料電池的工作原理與電池結構135

4 6 3直接碳燃料電池的特點136

4 6 4雜化型直接碳燃料電池137

4 6 5直接碳燃料電池的問題與展望138

4 7鹼性燃料電池140

4 7 1鹼性燃料電池的發展概況140

4 7 2鹼性燃料電池的優缺點140

4 7 3鹼性燃料電池的工作原理141

4 7 4鹼性燃料電池的基本結構141

4 8磷酸燃料電池145

4 8 1磷酸燃料電池發展概況145

4 8 2磷酸燃料電池的工作原理和工作條件146

4 8 3磷酸燃料電池的優缺點147

4 8 4磷酸燃料電池的基本結構147

4 8 5影響磷酸燃料電池性能的因素150

4 8 6影響壽命的因素及改進方法151

4 8 7磷酸燃料電池商業化的展望152

4 9熔融碳酸鹽燃料電池153

4 9 1熔融碳酸鹽燃料電池發展概況153

4 9 2熔融碳酸鹽燃料電池的工作原理154

4 9 3熔融碳酸鹽燃料電池電極材料155

4 9 4熔融碳酸鹽燃料電池隔膜材料156

4 9 5熔融碳酸鹽燃料電池的電解質157

4 9 6熔融碳酸鹽燃料電池的結構158

4 9 7操作條件對熔融碳酸鹽燃料電池性能的影響158

4 9 8熔融碳酸鹽燃料電池的優點160

4 9 9熔融碳酸鹽燃料電池的缺點160

4 9 10熔融碳酸鹽燃料電池商業化的問題160

4 10固體氧化物燃料電池161

4 10 1固體氧化物燃料電池的發展概況161

4 10 2固體氧化物燃料電池的工作原理163

4 10 3固體氧化物燃料電池的電解質材料164

4 10 4質子傳導電解質169

4 10 5氧氣在陰極的還原機理174

4 10 6連線材料和密封材料174

4 10 7固體氧化物燃料電池的結構與組成177

4 11生物燃料電池179

4 11 1生物燃料電池的發展概況180

4 11 2生物燃料電池的工作原理、特點和分類180

4 11 3微生物燃料電池182

參考文獻190

第5章金屬-空氣電池

5 1金屬-空氣電池的工作原理192

5 2金屬-空氣電池的特點193

5 3金屬-空氣電池的分類194

5 3 1按陰極氧化劑分類194

5 3 2按陽極所用金屬材料分類194

5 3 3按工作方式分類194

5 3 4按電解質溶液分類194

5 4金屬-空氣電池的套用195

5 4 1電動運輸工具的牽引電源195

5 4 2備用和應急電源195

5 4 3攜帶型儀器設備電源195

5 4 4水下電源195

5 5金屬-空氣電池陽極材料196

5 5 1鋅陽極196

5 5 2鋁陽極199

5 5 3鎂陽極201

5 6金屬-空氣電池結構與性能203

5 6 1金屬-空氣電池的優點203

5 6 2鹼性空氣陰極的工作原理203

5 6 3機械充電式鋅-空氣電池204

5 6 4連續供料式鋅-空氣電池204

5 6 5金屬-過氧化氫空氣電池206

參考文獻210

索引