储能：原理、材料和应用（原书第2版）

1.国际固态离子学泰斗力作，奠基储能学术根基
本书作者Robert A.Huggins教授，是国际固态离子学领域殿堂级学者，更是电化学储能领域的先驱奠基人。作为锂离子电池技术发展的核心引路人，2019年诺贝尔化学奖得主、锂离子电池发明人之一M.Stanley Whittingham教授，曾于1968-1972年深耕Huggins教授课题组，其固体离子输运与嵌入反应的开创性学术思想，均萌芽于Huggins教授的实验室。这本著作凝聚了Huggins教授毕生学术精髓，是历经学界检验的储能领域经典之作，权威性与专业性无可替代。
2.本书跳出碎片化罗列，搭建体系化理论骨架
市面上储能类书籍多陷入两大误区：要么是前沿成果的简单堆砌，缺乏理论逻辑，初学者易陷入知识碎片；要么是浅尝辄止的流程介绍，无底层原理深度。而本书打破常规，打造“底层理论+逻辑推导+实际应用”的阶梯式知识体系，如同摩天大楼筑牢根基，以物理化学为基石，串联电化学、化学动力学、固体离子学、缺陷化学等核心理论，构建完整的储能知识闭环。
采用“手剥洋葱”式编写逻辑，从第一性原理出发，层层拆解电化学现象本质；独创引入多元相图热力学、库仑滴定法、等效电路模型、缺陷平衡图等核心思维工具，将材料学核心范式融入电池研究，用晶体结构与缺陷理论解析离子输运，用相图规律刻画电极反应演变，拒绝零散知识灌输，真正实现从“知其然”到“知其所以然”的蜕变。
译本更臻完美，译者全程深度勘校，更正原著60余处公式、图表、计算疏漏，针对重难点加注详实译者注，凝结多年教学科研心得，扫清阅读壁垒；译文兼顾科学严谨与文学韵味，摒弃枯燥晦涩，让理论阐述更易读、更易懂。

本书系统阐述了各类主要储能方法的科学原理与工程基础，涉及热能、相变、可逆化学反应、有机燃料、氢能、机械能、静电和磁系统等多种储能形式。在电化学储能系统方面，本书融入了材料与方法的最新进展，包括混合和间歇性能源系统中的快速短期储能技术，以及电动汽车和启停汽车技术中电池的优化策略。这些前沿技术的解析并不预设电化学知识背景，使得本书更具普及性和实用性。本书还详细介绍了锂电池、液流电池和液态电池等传统与新兴电池系统。

本书提供了储能领域的全面概述，对于学生和专业人士而言，都是一部不可或缺的参考著作。

Robert A.Huggins教授，毕业于阿默斯特学院，获物理学学士学位，后于麻省理工学院取得冶金学硕士和博士学位。在麻省理工学院担任讲师后，他加盟斯坦福大学，创立了材料科学系并建立了斯坦福材料研究中心。他的职业生涯辉煌多彩，曾获美国国家科学基金会奖金，担任马克斯·普朗克研究所客座讲师，以及ARPA材料科学部主任、德国乌尔姆太阳能和氢能研究中心首席科学家、固态科学委员会主席等要职。他是美国国家科学院先进储能系统委员会和电池材料技术委员会的成员，也是国际固态离子学会的首任主席。作为材料研究学会的创始人之一，他两次担任该学会的顾问。Huggins教授还被授予乌尔姆大学和基尔大学荣誉教授称号。他荣获多项殊荣，包括美国工程教育学会文森特·本迪克斯奖、电化学学会电池分部研究奖以及国际电池协会研究奖。

译者序

前言

第1章 绪论1

1.1引言1

1.2燃料分配系统中的能量存储2

1.3周期性存储2

1.3.1长期或季节性储能2

1.3.2每日和每周储能3

1.4负载均衡问题3

1.5减少能源需求波动幅度的方法4

1.6短期瞬变5

1.7可移动设备的储能6

1.7.1便携式电子设备的储能方法6

1.7.2汽车的能量存储和应用6

1.8氢能驱动汽车7

1.9房屋温度调节8

1.10改进照明技术8

1.11本书的结构9

参考文献9

第2章 基本概念10

2.1引言10

2.2热的机械当量10

2.3热力学第一定律——能量守恒10

2.4焓11

2.5熵11

2.5.1热熵11

2.5.2位形熵12

2.6用于做功的能量12

2.7G、H和S对温度的依赖性12

2.8不可逆和可逆的存储模式13

2.9卡诺循环的限制13

2.10能量品质13

参考文献14

第3章 热能存储15

3.1引言15

3.2显热15

3.3潜热16

3.3.1无机相变材料17

3.3.2有机相变材料19

3.4准潜热19

3.5热泵19

参考文献20

第4章 可逆化学反应21

4.1引言21

4.2非全等化学反应类型21

4.2.1插入反应21

4.2.2生成反应22

4.2.3分解反应23

4.2.4置换反应23

4.3相图23

4.3.1吉布斯相律24

4.3.2二元相图24

4.3.3杠杆定律26

4.3.4二元系统中的三相反应27

4.3.5包晶反应相关材料的例子28

4.3.6含有共晶反应的二元系统29

4.4液固反应的热效应30

4.5可逆气相反应的热效应32

参考文献35

第5章 有机燃料的能量存储36

5.1引言36

5.2生物质能量存储36

5.3动物的能量存储37

5.4硬生物质38

5.5合成液态燃料38

5.6以液态形式存储的气态燃料38

5.7用于燃料的各种材料的能量含量39

参考文献39

第6章 机械能存储40

6.1引言40

6.2势能存储40

6.3压缩气体储能41

6.4利用重力实现势能的存储42

6.5水力发电43

6.6抽水蓄能43

6.7流水动能的利用45

6.8机械系统的动能45

6.8.1线性动能45

6.8.2旋转动能46

6.9内部结构储能48

参考文献48

第7章 电磁能量存储49

7.1引言49

7.2电容器的储能49

7.2.1平行板电容器的能量49

7.3电化学电荷存储机理50

7.3.1在电极/电解液界面附近双电层中的静电能存储51

7.3.2固体电极表面的欠电位法拉第二维吸附52

7.3.3法拉第沉积引起电活性物种通过插入反应三维吸附到固体电极材料体相52

7.3.4法拉第反应驱动的重构反应54

7.4能量存储数量的比较54

7.5存储能量品质的重要性55

7.6电容器的暂态行为56

7.7使用拉普拉斯变换对含有电容元件的系统的电化学瞬态行为进行建模57

7.7.1概述57

7.7.2拉普拉斯变换技术的应用58

7.7.3简单的例子58

7.8磁系统中的能量存储60

7.8.1磁场中材料的能量60

7.8.2超导磁系统中的能量存储63

7.8.3超导材料64

参考文献65

第8章 储氢67

8.1引言67

8.2制氢68

8.2.1蒸汽重整过程68

8.2.2水蒸气与碳反应69

8.2.3电解制氢70

8.2.4热分解水制氢73

……