《新能源材料與器件制備技術》系統(tǒng)介紹光伏材料與電池、鋰離子電池材料與電池、氫能與燃料電池，以及超級電容器等的基本概念、基本原理、生產(chǎn)工藝和核心設備以及生產(chǎn)過程中的環(huán)境污染與治理的基本知識。書中以典型的、規(guī)模化的新能源材料或器件為例，將本專業(yè)所涉及的基本原理、工藝過程、關鍵設備等知識集成一體,使學生系統(tǒng)掌握新源材料與器件的核心知識,幫助學生知悉和掌握新能源材料與器件中的生產(chǎn)過程,并且能夠解決生產(chǎn)過程中遇到的基本科學與技術問題，以滿足新興產(chǎn)業(yè)對人才的需要。
本書既可作為高等院校新能源相關專業(yè)的本科生、研究生的教材，也可以供新能源相關領域的工程技術人員參考。
張云，四川大學材料科學與工程，教授，博導，張 云，男，1968年生，四川大學教授，博士生導師，四川省學術與技術帶頭人后備人選，中國化學會電化學委員會委員。1992年和1995年分獲東北大學有色冶金專業(yè)工學學士和碩士學位，2006年獲四川大學材料物理化學專業(yè)工學博士學位；1995年～2001年在成都理工大學應用化學系工作，2006年～2007年英國牛津大學化學系訪問學者。
主要從事鋰離子電池關鍵材料和儲能技術開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化、納米粉體材料的合成與應用研究等方向的教學與科研工作。參加或承擔各類科研項目20余項，包括國家“863”、國家“973”、國家自然科學基金重點、四川省科技攻關以及校企合作項目；獲國家授權(quán)發(fā)明專利6項，公開國家發(fā)明專利15項；在Advanced Functional Materials,J. Mater. Chem. A.ACS Applied Materials & Interfaces. J. Power Sources, Colliods and Surface B, J.Alloys Compd.及《化學學報》等期刊發(fā)表SCI論文40余篇。
第1章概述
1.1新能源材料與器件的基本概念 001
1.1.1新能源 001
1.1.2新能源材料 001
1.1.3新能源器件 002
1.2新能源材料與器件的發(fā)展趨勢 002
1.2.1光伏材料與器件 002
1.2.2鋰離子電池材料與器件 004
1.2.3氫能與燃料電池 004
習題 005
參考文獻 005
第2章晶體硅太陽電池材料制備技術
2.1硅太陽電池材料概述 006
2.2高純多晶硅料制備 007
2.2.1改良西門子法 008
2.2.2硅烷法 009
2.2.3流化床法 010
2.2.4冶金法 011
2.3硅棒及硅錠的制備 011
2.3.1單晶硅棒的制備 011
2.3.2多晶硅錠的制備 014
2.4硅片制備 015
2.4.1單晶硅片的制備 016
2.4.2多晶硅片的制備 017
2.4.3多線切割技術 018
2.4.4新型硅片制備技術 018
習題 019
參考文獻 019
第3章晶體硅太陽電池制備技術
3.1晶體硅太陽電池概述 020
3.2Al-BSF太陽電池 020
3.2.1清洗制絨工藝 021
3.2.2擴散制結(jié)工藝 023
3.2.3濕法刻蝕工藝 024
3.2.4減反射膜工藝 025
3.2.5電極制備工藝 026
3.2.6燒結(jié)工藝 027
3.3PERC太陽電池 027
3.3.1PERC太陽電池工藝流程 028
3.3.2鈍化技術 029
3.3.3激光開膜技術 030
3.3.4選擇性發(fā)射極技術 031
3.3.5載流子注入退火再生技術 031
3.4SHJ太陽電池 032
3.4.1SHJ太陽電池的能帶特點 032
3.4.2SHJ太陽電池的結(jié)構(gòu) 033
3.4.3SHJ太陽電池工藝 035
3.4.4SHJ太陽電池的優(yōu)點 037
3.5TOPCon太陽電池 038
3.5.1TOPCon太陽電池的結(jié)構(gòu)及原理 038
3.5.2TOPCon太陽電池工藝 039
3.5.3TOPCon太陽電池發(fā)展方向 043
3.6光伏組件技術 044
3.6.1組件工藝流程 044
3.6.2組件封裝材料 046
3.6.3高效組件技術 049
習題 050
參考文獻 050
第4章薄膜太陽電池原理與制備技術
4.1薄膜太陽電池概述 051
4.2碲化鎘薄膜太陽電池 051
4.2.1碲化鎘材料的性質(zhì) 051
4.2.2高效碲化鎘薄膜太陽電池的結(jié)構(gòu) 052
4.2.3高效碲化鎘薄膜太陽電池的制備技術 055
4.2.4限制碲化鎘薄膜太陽電池效率的因素 057
4.3CIGS太陽電池 057
4.3.1CIGS太陽電池材料性質(zhì) 057
4.3.2CIGS薄膜太陽電池的結(jié)構(gòu)及制備技術 060
4.3.3CIGS太陽電池的發(fā)展?jié)摿熬窒?064
4.4砷化鎵太陽電池 065
4.4.1砷化鎵材料的主要性質(zhì) 065
4.4.2砷化鎵太陽電池的制備技術 067
4.4.3高效砷化鎵薄膜太陽電池的結(jié)構(gòu) 069
4.4.4限制砷化鎵薄膜太陽電池轉(zhuǎn)換效率的因素 070
4.5鈣鈦礦太陽電池 072
4.5.1鉛鹵鈣鈦礦材料的主要性質(zhì) 072
4.5.2鉛鹵鈣鈦礦薄膜的制備技術 073
4.5.3限制鉛鹵鈣鈦礦薄膜太陽電池轉(zhuǎn)換效率的因素 074
4.6非晶硅薄膜太陽電池 076
4.6.1非晶硅材料的物理特性 076
4.6.2非晶硅薄膜材料的制備方法 078
4.6.3非晶硅薄膜太陽電池的結(jié)構(gòu) 079
4.6.4影響非晶硅薄膜太陽電池轉(zhuǎn)換效率的因素 080
4.6.5非晶硅薄膜電池的發(fā)展方向 080
習題 081
參考文獻 081
第5章鋰離子電池正極材料制備技術
5.1正極材料概述 082
5.1.1正極材料的發(fā)展歷程 082
5.1.2正極材料的種類 082
5.2正極材料的結(jié)構(gòu)與電化學特征 083
5.2.1層狀結(jié)構(gòu)正極材料 083
5.2.2尖晶石型正極材料 085
5.2.3橄欖石型正極材料 086
5.3三元正極材料制備技術 088
5.3.1概述 088
5.3.2三元前驅(qū)體的合成 088
5.3.3三元正極材料的高溫合成 093
5.3.4三元正極材料的改性研究 097
5.4磷酸鐵鋰正極材料制備技術 098
5.4.1概述 098
5.4.2磷酸鐵的制備工藝 099
5.4.3磷酸鐵鋰 碳正極材料的高溫合成 103
5.4.4磷酸鐵鋰正極材料的改性 105
5.5其它正極材料制備技術 106
5.5.1鈷酸鋰的生產(chǎn)工藝 106
5.5.2錳酸鋰的生產(chǎn)工藝 107
習題 109
參考文獻 110
第6章鋰離子電池負極材料制備技術
6.1負極材料概述 111
6.1.1負極材料發(fā)展歷史 111
6.1.2負極材料分類 111
6.2負極材料性能要求 111
6.3天然石墨負極材料 113
6.3.1天然石墨負極材料的定義 113
6.3.2天然石墨負極材料的脫嵌鋰原理 114
6.3.3天然石墨負極制備工藝 114
6.3.4天然石墨的表面改性 117
6.4人造石墨負極材料 119
6.4.1人造石墨負極材料的定義 119
6.4.2人造石墨負極材料的脫嵌鋰原理 119
6.4.3人造石墨材料制備工藝 120
6.5中間相炭微球 124
6.5.1中間相炭微球的形成 124
6.5.2中間相炭微球制備工藝 125
6.6硅基負極材料 127
6.6.1硅負極 127
6.6.2硅碳復合負極材料 129
6.6.3氧化亞硅負極 131
6.7鈦酸鋰負極材料 133
6.7.1概述 133
6.7.2鈦酸鋰負極材料制備工藝 134
習題 135
參考文獻 135
第7章非水電解液原理及制備技術
7.1液態(tài)電解液功能添加劑 136
7.1.1固態(tài)電解質(zhì)中間相成膜添加劑 136
7.1.2正極保護添加劑 138
7.1.3過充保護添加劑 138
7.1.4阻燃添加劑 139
7.2功能性液態(tài)電解液 140
7.2.1低溫或高溫電解液 140
7.2.2高倍率電解液 142
7.2.3安全性電解液 142
7.3凝膠電解質(zhì) 143
7.3.1凝膠電解質(zhì)的組成及特性 143
7.3.2凝膠電解質(zhì)的制備技術 144
7.3.3凝膠電解質(zhì)的電化學性質(zhì) 145
7.4固態(tài)電解質(zhì) 146
7.4.1聚合物固態(tài)電解質(zhì) 147
7.4.2無機固態(tài)電解質(zhì) 148
7.4.3固態(tài)電解質(zhì)的電化學性質(zhì) 151
7.5非水電解液關鍵材料的制備方法 152
7.5.1液態(tài)溶劑的制備技術 152
7.5.2關鍵電解質(zhì)鹽的制備技術 152
7.5.3固態(tài)電解質(zhì)的制備技術 154
習題 156
參考文獻 156
第8章鋰離子電池隔膜制備技術
8.1隔膜基本要求與分類 157
8.1.1隔膜的基本要求 157
8.1.2隔膜的分類 160
8.2隔膜的制備工藝 162
8.2.1隔膜干法制備工藝 163
8.2.2隔膜濕法制備工藝 167
8.2.3濕法隔膜和干法隔膜的對比 169
8.2.4靜電紡絲技術 169
8.3隔膜的改性 170
8.3.1涂層隔膜 170
8.3.2有機 無機復合隔膜 170
8.3.3新材料體系隔膜 170
習題 172
參考文獻 172
第9章鋰離子電磁的設計與制備技術
9.1鋰離子電池的設計基礎 173
9.1.1鋰離子電池設計的原理 173
9.1.2鋰離子電池設計的基本原則 174
9.1.3鋰離子電池的設計要求 174
9.1.4鋰離子電池的結(jié)構(gòu)和性能設計 175
9.1.5鋰離子電池保護電路的設計 177
9.2鋰離子電池制備工藝 178
9.2.1圓柱形鋰離子電池制備工藝 179
9.2.2軟包電池制備工藝 183
9.2.3方形電池制備工藝 185
習題 186
參考文獻 186
第10章超級電容器的原理及制備技術
10.1超級電容器概述 187
10.2雙電層電容器 188
10.2.1雙電層電容器的基本工作原理 188
10.2.2雙電層電容器的儲能理論 189
10.2.3雙電層電容器所用碳材料 192
10.2.4碳材料雙電層電容的影響因素 193
10.3不對稱型超級電容器 195
10.3.1贗電容電化學電容器 195
10.3.2贗電容材料 196
10.3.3不對稱型超級電容器 196
10.3.4常見的水系不對稱型超級電容器構(gòu)型 197
10.4超級電容器電解液 198
10.4.1超級電容器電解液概述 198
10.4.2超級電容器電解液的設計 198
10.4.3各種電解液中離子對電荷存儲的影響 199
10.5超級電容器器件 200
10.6鋰離子電容器 200
10.6.1鋰離子電容器電極材料 202
10.6.2鋰離子電容器的關鍵技術 204
10.6.3鋰離子電容器的構(gòu)型 206
10.7新型混合超級電容器 207
10.7.1鈉離子電容器 207
10.7.2鋅離子電容器 208
習題 208
參考文獻 209
第11章制氫工藝與儲氫材料制備技術
11.1氫經(jīng)濟與氫能 210
11.1.1氫經(jīng)濟與氫循環(huán) 210
11.1.2氫經(jīng)濟實現(xiàn)的路線 211
11.2制氫工藝與技術 211
11.2.1天然氣-水蒸氣重整制氫 212
11.2.2煤制氫技術 215
11.2.3電解水制氫技術 216
11.2.4堿性電解水制氫技術 217
11.2.5固體聚合物電解水制氫技術 219
11.3儲運氫工藝與技術 220
11.3.1高壓氣瓶儲氫 220
11.3.2氫氣壓縮 223
11.3.3液態(tài)氫儲存工藝與技術 224
11.3.4氫氣液化流程 224
11.3.5液氫儲罐 225
11.3.6儲氫合金制備工藝與技術 227
習題 230
參考文獻 231
第12章燃料電池材料與器件原理與制備技術
12.1燃料電池概述 232
12.1.1化學電源與燃料電池 232
12.1.2燃料電池分類 232
12.1.3燃料電池的工作原理及應用場景 233
12.1.4燃料電池發(fā)展簡史 237
12.2燃料電池基礎 239
12.2.1燃料電池可逆電勢及理論效率 239
12.2.2Butler-Volmer方程 240
12.2.3塔菲爾半經(jīng)驗公式 240
12.2.4燃料電池極化 241
12.2.5燃料電池實際效率 243
12.3燃料電池材料 244
12.3.1質(zhì)子交換膜燃料電池構(gòu)成及功能 244
12.3.2質(zhì)子交換膜燃料電池關鍵材料 246
12.4質(zhì)子交換膜燃料電池器件設計 257
12.4.1膜電極設計 257
12.4.2雙極板流場設計 262
習題 267
參考文獻 268
第13章環(huán)境污染與治理
13.1太陽電池與環(huán)境污染治理 269
13.1.1晶體硅和非晶硅產(chǎn)污分析 269
13.1.2氣態(tài)污染物治理 273
13.1.3液態(tài)污染物治理 274
13.2鋰離子電池與環(huán)境污染治理 275
13.2.1鋰離子電池材料生產(chǎn)過程中的產(chǎn)污分析 276
13.2.2鋰離子電池退役后的產(chǎn)污分析 276
13.2.3三元前驅(qū)體生產(chǎn)過程相關污染與治理 278
13.2.4磷酸鐵生產(chǎn)過程相關污染與治理 280
13.2.5石墨負極材料生產(chǎn)過程相關污染與治理 280
習題 282
參考文獻 282
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