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出版者:World Scientific Publishing Company

作者:R F Davis

出品人:

页数:300

译者:

出版时间:2004-10

价格:USD 146.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9789812388445

丛书系列:

图书标签:

• 生成对抗网络
• 材料科学
• 器件物理
• 机器学习
• 人工智能
• 材料设计
• 深度学习
• 半导体
• 纳米材料
• 计算材料学

好的，这是一本关于“下一代能源存储与转换技术”的深度综述图书的简介。 --- 书名：前沿能源系统：从基础科学到工程应用的创新路径 作者： [此处可填入多位该领域资深研究者的名字] ISBN： [待定] 出版年份： 2025年 [预估] --- 图书简介： 《前沿能源系统：从基础科学到工程应用的创新路径》 是一部面向能源科学、材料工程、化学工程以及电子电气工程领域的高级专业参考书和教材。本书旨在全面、深入地探讨当前能源技术领域最迫切的挑战——如何实现高效、可持续、高密度的能量存储与转换。全书聚焦于颠覆性的材料体系、器件结构设计、界面物理化学控制，以及面向实际应用的系统集成策略，构建起一座连接基础理论研究与产业化落地的坚实桥梁。 本书的叙事逻辑清晰，从宏观的全球能源需求与环境约束出发，逐步深入到微观的原子/分子层面控制，再扩展至宏观的系统级性能优化。它并非简单地罗列现有技术，而是侧重于分析“为什么”某些材料体系表现出优异性能，“如何”通过精确的结构调控来释放其潜能，以及“当前面临的根本性瓶颈”是什么。 --- 核心内容板块详解： 全书共分为五大部分，二十个章节，力求覆盖当前能源技术创新的热点与难点。 第一部分：能源转化的基础物理与化学驱动力 (Foundations of Energy Transformation) 本部分奠定全书的理论基础，超越了传统的热力学和动力学描述，深入探讨了与能量转换效率直接相关的量子效应、载流子传输机制以及异质界面效应。 1. 跨尺度能量传输：从电子-声子耦合到宏观热流管理： 详细分析了在纳米尺度（如量子点、二维材料）中，热量和电荷的传输模式如何偏离经典描述，特别关注了非平衡态下的载流子弛豫过程及其对光电/电化学效率的影响。 2. 界面反应动力学：催化活性与稳定性调控： 重点剖析了在电化学反应（如析氧反应、析氢反应、CO2还原）中，活性位点处的电子结构重构、中间产物吸附能的精细调控，以及如何通过引入应变工程或表面配体来优化反应能垒。 3. 高熵与缺陷工程在功能材料中的应用： 阐述了如何通过引入高比例的非化学计量成分（高熵效应）或精确设计晶格缺陷（如空位、间隙原子、位错），来稳定高能态相或构建有利于载流子分离的内建电场。 第二部分：下一代高能量密度存储系统 (Next-Generation High-Energy Density Storage) 本部分聚焦于能量存储技术的“密度革命”，特别关注了突破传统锂离子电池界面限制的新体系。 1. 固态电解质的电化学窗口与离子传导机制： 系统梳理了氧化物、硫化物和聚合物固态电解质的结构特点。深入讨论了电极/电解质固态界面（SEI/CEI）的形成机制，特别是如何抑制界面副反应和提高界面导电性，以解决“死区”问题。 2. 金属负极的形貌控制与枝晶抑制： 针对金属锂、钠、锌等高比容量负极，详细分析了沉积/剥离过程中的电化学不均匀性。着重探讨了利用三维导电网络、应力缓冲层或离子导向结构（Ion-Guiding Architecture）来诱导均匀沉积的策略。 3. 非锂离子体系的潜力与挑战（钠离子、钾离子及多价离子）： 比较了不同碱金属和多价金属（如Mg2+, Ca2+）的嵌层/去嵌层行为。重点分析了多价离子在电化学反应中的“不相干性”（Incoherent Mechanism）及其对电极材料结构稳定性的影响。 第三部分：高效能与长寿命的电化学转化器件 (High-Efficiency Electrochemical Conversion Devices) 本部分关注能量的清洁获取与转化，特别是电催化和电解技术。 1. 水分解技术：从电解槽到光电化学电池 (PEC)： 深入探讨了高效析氢催化剂（HER）和析氧催化剂（OER）的设计原理。详细比较了均相、非均相催化剂的活性排序标准，并讨论了在真实高电流密度下，气泡动力学和质量传输限制对整体效率的影响。 2. 电化学CO2还原 (CO2R) 的选择性调控： 分析了影响CO2R产物分布（CO、甲酸、乙醇、碳氢化合物）的能级匹配、表面覆盖率和反应路径竞争。重点介绍了通过单原子催化剂或分子催化剂设计，实现C1到C2+产物选择性提升的最新进展。 3. 燃料电池：质子/氧气传输的界面工程： 专注于聚合物电解质膜（PEM）燃料电池和固体氧化物燃料电池（SOFC）的反应层设计。强调了三相界面（三相边界，TFB）的有效构建与优化，以及如何利用纳米结构来克服反应物扩散的限制。 第四部分：光电子与热电转换的前沿材料 (Frontier Materials for Opto-Electronic and Thermoelectric Conversion) 本部分转向非化学反应的能量转换，关注如何更高效地捕获光能和热能。 1. 新型光捕获材料的能带结构工程： 聚焦于钙钛矿、量子点以及无机半导体的载流子动力学。阐述了如何通过卤化物工程或表面钝化技术，有效抑制非辐射复合，提高光电转换效率的上限。 2. 热电材料的“塞贝克”/“约瑟夫森”效应耦合： 深入剖析了如何通过晶格热导率的极低化（如晶格缺陷散射、准弹性散射）与电输运性能（载流子浓度、迁移率）的优化，实现高ZT值。特别关注了纳米复合材料和类弛豫晶格体系的设计。 3. 热电器件的集成与热管理： 讨论了热电器堆（TEG）的模块化设计、寄生电阻的消除以及器件封装技术，确保其在实际温差梯度下的长期稳定性和功率输出密度。 第五部分：系统集成、安全与可持续性 (System Integration, Safety, and Sustainability) 本书的收尾部分将视角拉回到实际应用层面，探讨如何将实验室成果转化为可靠、安全的商业化产品。 1. 能源系统级的热-电-力耦合仿真： 介绍了多物理场耦合（CFD, FEM, DEM）在电池热失控预测、电解槽流场优化中的应用，旨在实现更精确的工程设计。 2. 储能系统的健康监测与故障诊断 (SOH/SOD)： 探讨了基于机器学习和光谱分析（如原位拉曼、X射线吸收谱）来实时识别材料结构衰变模式和早期故障信号的技术。 3. 材料的可持续性与生命周期评估 (LCA)： 讨论了关键稀有元素（如钴、镍）的替代方案、电池的循环回收技术（湿法/火法冶金），以及开发环境友好型电解质和粘结剂的重要性。 --- 本书特点： 深度与广度的平衡： 既有对基础物理化学原理的严谨论述，又不乏对尖端器件工程细节的详尽阐述。 前沿性聚焦： 汇集了过去五年内能源科学领域最具突破性的工作，特别关注了界面调控、多级结构设计和人工智能辅助材料发现的前沿交叉点。 面向应用： 每一章节的理论探讨都紧密结合了实际的工程指标（如循环寿命、能量密度、比功率、成本可行性）。 适用读者对象： 研究生、博士后研究人员、高级工程师以及从事新能源、新材料领域的科研工作者和政策制定者。本书为读者提供了理解和推动下一代能源技术革命所需的理论工具箱和创新视角。

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