施思齊

本書重點介紹了電化學儲能中的科學與技術問題、第性原理計算、分子動力學模擬、蒙卡羅和滲流模擬、有效介質理論和空間電荷層模擬、相場類比、多尺度多物理場建模與、老化研究以及材料基因工程。同時對電化學儲能涉及的基礎理論，計算、建模與方法面臨的挑戰及展望進行了詳盡敘述。本書內容覆蓋面較廣，蘊含豐富的科學和工程技術問題，注重基本概念、基本原理的闡述及數學表述的嚴謹性。相關應用案例來自前沿的科學和技術工作者的研究成果。

本書可供電化學能量存儲和轉換材料與器件研發的科研工作者與工程技術人員參考，也可作為高等學校化學、物理、材料、新能源等業本科生和研究生的教材或教學參考書。
 

第1章 電化學儲能中的科學與技術問題 1
1.1 電化學儲能概述 1
1.2 電化學儲能中的科學問題 2
1.2.1 熱力學問題2
1.2.2 動力學問題 4
1.2.3 穩定性評6
1.3 電化學儲能中的技術問題 6
1.3.1 多物理場耦合問題6
1.3.2 器件老化和失效問題7
1.3.3 器件設計問題 8
參考文獻 9

第2章 面向電化學儲能應用的基礎理論簡介 11
2.1 電化學基本原理12
2.1.1 電化學基本概念 12
2.1.2 電化學熱力學 13
2.1.3 電化學動力學 16
2.2 配位場理論 17
2.3 缺陷化學基礎 18
2.4 輸運物理 18
2.5 擴散系數20
2.6 晶格動力學22
2.7 滲流理論24
2.8 有效介質理論25
2.9 介面雙電層26
2.9.1 固液雙電層 26
2.9.2 固固雙電層 28
2.10 相變平均場理論29
2.11 多物理場耦合理論29
參考文獻 31

第3章 電化學儲能中的第性原理計算 36
3.1 第性原理計算方法36
3.1.1 薛定諤方程 36
3.1.2 哈裡-福克自洽場方法 37
3.1.3 分子軌道能級計算方法 38
3.1.4 密度泛函理論 42
3.1.5 交換關聯泛函的修正演算法 44
3.2 熱力學函數計算指導材料理性設計與結構錨定45
3.2.1 電能存儲—從熱能、勢能、機械能到化學能 46
3.2.2 第性原理相圖計算探究相變微觀起源 47
3.2.3 介面上的物理與化學 53
3.2.4 微觀結構擾動效應 59
3.3 准粒子結構映射材料內稟性66
3.3.1 電子結構刻畫材料物性 66
3.3.2 缺陷化學理論指導設計儲能材料 73
3.4 離子輸運圖像 79
3.4.1 離子輸運機制79
3.4.2 輸運通道識別83
3.5 展望 92
參考文獻 93

第4章 電化學儲能中的分子動力學模擬 107
4.1 分子動力學模擬概述107
4.2 分子動力學模擬的基本原理 108
4.3 分子動力學模擬的基本設置109
4.3.1 分子動力學類比運行流程以及輸入、輸出資訊 109
4.3.2 初始構型、速度及邊界條件110
4.3.3 時間步長 111
4.3.4 系綜、溫度與壓強 111
4.3.5 勢函數以及力的計算方法112
4.4 分子動力學模擬的分類 112
4.4.1 粗細微性分子動力學模擬113
4.4.2 化分子動力學模擬114
4.4.3 反應分子動力學模擬114
4.4.4 第性原理分子動力學模擬115
4.4.5 基於機器學勢函數的分子動力學模擬116
4.5 分子動力學模擬在電化學儲能中的應用 116
4.5.1 晶態-非晶態轉變116
4.5.2 液態電解質中微結構表徵118
4.5.3 電/電解質介面反應118
4.5.4 離子輸運性質119
4.5.5 枝晶生長影響因素 125
4.6 分子動力學類比軟體125
4.7 展望126
參考文獻 126

第5章 電化學儲能中的蒙卡羅和滲流模擬 132
5.1 蒙卡羅模擬 132
5.1.1 蒙卡羅模擬概述 132
5.1.2 蒙卡羅類比基本步驟 137
5.1.3 蒙卡羅模擬在電化學儲能研究中的應用 142
5.2 滲流模擬 148
5.2.1 滲流理論概述 148
5.2.2 滲流類比的基本步驟 152
5.2.3 滲流模擬在電化學儲能研究中的應用 153
5.3 蒙卡羅模擬與其他方法的融合 156
5.3.1 與滲流模擬融合 156
5.3.2 與團簇展開方法融合 157
5.3.3 與鍵和計算融合 159
5.3.4 與分子動力學模擬融合 159
5.4 展望 161
參考文獻 162

第6章 電化學儲能中的有效介質理論和空間電荷層模擬 167
6.1 有效介質理論模擬 167
6.1.1 有效介質理論概述 167
6.1.2 有效介質理論方程 169
6.1.3 基於有效介質理論的離子電導率計算 170
6.2 空間電荷層模擬 171
6.2.1 空間電荷層模擬概述171
6.2.2 空間電荷層類比的基本步驟 175
6.2.3 空間電荷層模擬在電化學儲能研究中的應用 176
6.3 展望179
參考文獻179

第7章 電化學儲能中的相場模擬 182
7.1 相場模擬概述182
7.2 相場類比中的征物理量185
7.3 電化學相場模擬186
7.3.1 相場模型簡介 186
7.3.2 電化學相場類比步驟 190
7.3.3 電化學相場模擬演化方程 190
7.4 相場模擬在電化學儲能中的應用 191
7.4.1 離子電導率與相分離191
7.4.2 電材料的力學行為與應力演化 194
7.4.3 枝晶生長 195
7.5 展望198
參考文獻199

第8章 電化學儲能中的多尺度多物理場建模與 204
8.1 多尺度多物理場建模與概述 204
8.2 顆粒尺度建模與 206
8.2.1 基本模型206
8.2.2 活性材料中的電化學-力學耦合及顆粒機械損傷的控制 209
8.2.3 活性顆粒表面黏結體系及固態電解質膜的綜合調控 212
8.3 電尺度建模與 216
8.3.1 電的乾燥成型 216
8.3.2 電的擴散誘導應力 219
8.3.3 電的分層和屈曲失效222
8.4 多尺度多物理場建模與224
8.4.1 理論模型 224
8.4.2 熱場模擬 230
8.4.3 荷電狀態估計233
8.4.4 電池容量性計算233
8.4.5 電池阻抗監測技術235
8.5 基於均勻化方法的快速建模與237
8.6 展望239
參考文獻239

第9章 電化學儲能中的老化研究 245
9.1 老化概述245
9.2 老化機理簡介245
9.2.1 儲存老化245
9.2.2 迴圈老化247
9.3 老化模型簡介 251
9.3.1 機理模型 251
9.3.2 經驗/半經驗模型259
9.3.3 機器學老化模型260
9.4 展望262
參考文獻262

第10章 電化學儲能中的材料基因工程 266
10.1 材料基因工程概述 266
10.1.1 材料基因工程的由來和內涵 266
10.1.2 數據驅動的材料研發模式——第四範式 268
10.2 電化學儲能中的高通量計算與數據平臺 269
10.2.1 高通量計算概述 269
10.2.2 高通量計算與數據平臺 269
10.2.3 高通量計算助力電化學儲能材料篩選 276
10.3 電化學儲能中的機器學 277
10.3.1 機器學概述 277
10.3.2 機器學的般步驟 278
10.3.3 機器學在電化學儲能中的應用 296
10.3.4 挑戰性問題與對策 299
10.4 展望 303
參考文獻 304