本書是“優選儲能科學技術與工業應用叢書”的一個分冊，本套叢書由中科院物理所李泓研究員牽頭組織，涉及儲能科學技術與應用的多個方面，助力於推動儲能技術的發展和應用。

●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穩定性評價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擴散繫數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界面雙電層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一性原理計算36
3.1第一性原理計算方法36
3.1.1薛定諤方程36
3.1.2哈特裡-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第一性原理相圖計算探究相變微觀起源47
3.2.3界面上的物理與化學53
3.2.4微觀結構擾動效應59
3.3準粒子結構映射材料內稟特性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分子動力學模擬運行流程以及輸入、輸出信息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繫綜、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粗粒度分子動力學模擬113
4.4.2極化分子動力學模擬114
4.4.3反應分子動力學模擬114
4.4.4第一性原理分子動力學模擬115
4.4.5基於機器學習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征118
4.5.3電極/電解質界面反應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分子動力學模擬軟件125
4.7展望126
參考文獻126
第5章電化學儲能中的蒙特卡羅和滲流模擬132
5.1蒙特卡羅模擬132
5.1.1蒙特卡羅模擬概述132
5.1.2蒙特卡羅模擬基本步驟137
5.1.3蒙特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滲流模擬的基本步驟152
5.2.3滲流模擬在電化學儲能研究中的應用153
5.3蒙特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與鍵價和計算融合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空間電荷層模擬的基本步驟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相場模擬中的特征物理量185
7.3電化學相場模擬186
7.3.1經典相場模型簡介186
7.3.2電化學相場模擬步驟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電極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仿真204
8.1多尺度多物理場建模與仿真概述204
8.2顆粒尺度建模與仿真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繫及固態電解質膜的綜合調控212
8.3電極尺度建模與仿真216
8.3.1電極的干燥成型216
8.3.2電極的擴散誘導應力219
8.3.3電極的分層和屈曲失效222
8.4多尺度多物理場建模與仿真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電池容量特性計算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仿真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循環老化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機器學習老化模型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習277
10.3.1機器學習概述277
10.3.2機器學習的一般步驟278
10.3.3機器學習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

本書重點介紹了電化學儲能中的科學與技術問題、第一性原理計算、分子動力學模擬、蒙特卡羅和滲流模擬、有效介質理論和空間電荷層模擬、相場模擬、多尺度多物理場建模與仿真、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、建模與仿真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、新能源等專業本科生和研究生的教材或教學參考書。

施思齊 等 著