科学出版社|张会刚：电化学储能材料与原理
能源是关系国家经济社会发展的全局性和战略性问题 ， 能源存储技术在促进能源安全生产消费 ， 推动能源革命和能源新业态发展方面发挥至关重要的作用 。 2020年 ， 教育部、国家发展改革委和国家能源局决定实施储能技术专业学科发展行动计划 ， 推动“双一流”建设高校为代表的高等学校面向能源革命战略需求 ， 培育高层次人才和高水平研究团队 ， 增设储能技术本科专业、二级学科和交叉学科 ， 健全本硕博人才培养结构和完善空间布局 。
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能源存储技术作为重要的战略性新兴领域 ， 涉及物理、化学、材料、能源动力、电力电气等多学科多领域交叉融合、协同创新 。 高校现有人才培养体系 ， 以固有的学科划分 ， 不同学科之间虽有联系 ， 但对于新能源专业学生培养 ， 专业壁垒明显 。 以电化学储能技术为例 ， 在传统化学化工专业培养计划中 ， 学生的电化学基础是在物理化学课程中建立 ， 缺乏对固体和半导体的认识；与材料和固体相关的专业培养计划中 ， 电池技术所需的溶液化学和界面化学基础不足 。
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南京大学于21世纪初 ， 在材料系的基础上成立现代工程与应用科学学院 ， 下设新能源材料与器件专业 。 作者加入南京大学后 ， 承担了二次电池技术课程的教学过程 ， 在多年教学实践过程中 ， 发现来自化学和材料两个背景的学生对于电化学储能技术的理解 ， 都有各自知识的盲点 。 例如 ， 化学化工专业学生缺少对固体材料电子结构的认识 ， 可以基于对分子HOMO和LUMO的认识讲解电池内部正负极和电解质的稳定关系（如图1） ， 但是对于正负极充放电过程中电子能级的变化和材料稳定性缺少基本概念的建立 ， 对于大多数化学相关本科生甚至研究生修读固体物理又不现实 ， 因此本书考虑到不同背景学生的需求 ， 尽可能地从简化和定性的角度（如图2）讲述学习电池正负极材料研究所需的电子结构基础 ， 从所有修过无机化学学生的认知范围 ， 建立电池材料所需的电子结构 ， 结合配位化学对于多面体场的电子结构的认识讲述电池材料充放电原理 。
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图1 化学电源中正负极和电解质之间电子能级关系对电池稳定性和电池电压的影响
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图2 MnO材料定性电子结构示意图
具有材料和固体背景的学生对于溶液化学认识不足 ， 电池技术正好是一个跨学科的领域 ， 需要固体的知识 ， 电极反应发生在界面 ， 也需要溶液化学和界面化学知识 。 本书从固体领域熟悉的费米能级和化学领域常用的化学势出发 ， 解释了电池电压产生的热力学基础 ， 对单相反应和两相反应给出了数学模型（如图3） 。 在理想的插层热力学之外 ， 还介绍了电滞回线产生的原子尺度机理 ， 方便学生理解电压曲线变化的机理 。
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图 3 吸引作用导致材料电压和自由能变化关系
(a)无因次电压与锂离子占位百分比之间关系; (b)无因次自由能和锂离子占位百分比之间关系
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图 4 电压回线产生机理讨论
(a)扩散过程导致形成能增加;(b)化学键断裂导致的形成能增加; (c)锂化和(d)脱锂过程中形成能变化;(e)锂化和(f)脱锂过程中电压曲线和平衡值关系
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