第1章 緒論 1
1.1 能源  1
1.2 能量存儲與轉換技術  5
1.3 新能源材料  7

第2章 電化學儲能基礎 9
2.1 電化學儲能概述  10
2.1.1 電化學簡介  10
2.1.2 電化學儲能的發展史  10
2.2 電化學儲能原理  11
2.2.1 電極電位的建立  12
2.2.2 法拉第過程與非法拉第過程  15
2.2.3 電化學儲能的分類  17
2.3 電化學儲能的應用  17

第3章鋰離子電池 19
3.1 鋰離子電池基礎  19
3.1.1 鋰離子電池的發展歷程  19
3.1.2 鋰離子電池的工作原理  22
3.1.3 鋰離子電池的結構及分類  23
3.1.4 鋰離子電池原材料及制造  25
3.2 鋰離子電池正極材料  27
3.2.1 正極材料簡介  27
3.2.2 鈷酸鋰  30
3.2.3 LiMn2O4 正極材料  34
3.2.4 LiFePO4 正極材料  35
3.2.正極材料  37
3.3 鋰離子電池負極材料  41
3.3.1 負極材料簡介  41
3.3.2 石墨材料  43
3.3.3 無定形碳  46
3.3.4 鈦氧化物材料  48
3.3.5 硅基負極材料  49
3.4 鋰離子電池電解液  51
3.4.1 有機電解液的性能要求  52
3.4.2 鋰鹽  53
3.4.3 有機溶劑  55
3.4.4 電解液的反應  57
3.4.5 電解液添加劑  59
3.5 其他材料  62
3.5.1 隔膜  62
3.5.2 導電劑  66
3.5.3 黏結劑  70
3.5.4 殼體、集流體和極耳  70

第4章 電化學電容器 72
4.1 概述  72
4.1.1 電化學電容器的發展史  72
4.1.2 電化學電容器的分類  73
4.1.3 電化學電容器的特點及應用  75
4.2 電化學雙電層電容器  77
4.2.1 電化學雙電層理論  77
4.2.2 碳材料雙電層儲能電化學  79
4.2.3 雙電層電容器用碳材料  82
4.2.4 雙電層電容器用電解液  86
4.2.5 其他關鍵材料  90
4.2.6 雙電層電容器制備工藝  93
4.3 法拉第贗電容器  96
4.3.1 贗電容反應原理  96
4.3.2 贗電容材料  98
4.3.3 碳基贗電容復合材料  100
4.4 電化學電容器新體繫  101
4.4.1 電化學電容器研發趨勢  101
4.4.2 石墨烯電容器  101
4.4.3 鋰離子電容器  110

第5章 新型化學電源 113
5.1 高能金屬鋰二次電池  113
5.1.1 鋰硫電池  113
5.1.2 鋰二氧化碳電池  116
5.1.3 金屬鋰負極的保護  118
5.2 非鋰金屬離子電池  122
5.2.1 鈉離子電池  122
5.2.2 鎂離子電池  124
5.2.3 鋅離子電池  126
5.2.4 鋁離子電池  128
5.3 金屬空氣電池  130
5.3.1 鋅空氣電池  130
5.3.2 鋁空氣電池  135
5.3.3 鋰空氣電池  141

第6章 氫能轉換材料與器件 144
6.1 氫能  144
6.1.1 概述  144
6.1.2 氫的基本性質  146
6.1.3 氫的能源特征  148
6.1.4 氫能的應用  149
6.2 氫的制備及純化  153
6.2.1 電解水制氫  153
6.2.2 光解水制氫  161
6.2.3 光電催化分解水制氫  162
6.2.4 化石能源制氫  163
6.2.5 生物質制氫  164
6.2.6 氫的分離和純化  164
6.3 氫的存儲與輸運  165
6.3.1 氫的安全性  165
6.3.2 氫的存儲  168
6.3.3 氫的輸運  170
6.4 燃料電池  171
6.4.1 燃料電池基礎  171
6.4.2 質子交換膜燃料電池  178
6.4.3 直接醇類燃料電池  204
6.4.4 高溫質子交換膜燃料電池  208
6.4.5 固體氧化物燃料電池  210
6.4.6 堿性燃料電池  216
6.4.7 磷酸型燃料電池  218
6.4.8 熔融碳酸鹽燃料電池  219

第7章固態電池 221
7.1 固態電池簡介  221
7.2 固態聚合物電解質  222
7.2.1 簡述  222
7.2.2 常見凝膠聚合物電解質  225
7.2.3 聚合物電解質的應用  226
7.3 無機固態電解質  230
7.3.1 無機固態電解質的分類  231
7.3.2 固態電解質的制備方法  233
7.3.3 無機固態電解質的界面問題  238
7.4 固態電池的發展前景  239

第8章 其他新能源技術 241
8.1 太陽能  241
8.1.1 太陽能概述  241
8.1.2 太陽能的利用  243
8.1.3 太陽能電池  249
8.1.4 晶體硅太陽能電池材料  253
8.2 生物質能  260
8.2.1 生物質概述  260
8.2.2 我國生物質總量  262
8.2.3 生物質利用技術  263
8.3 核能  265
8.3.1 核能的來源  265
8.3.2 核能的優勢及用途  266
8.3.3 核廢物處理與安全  267
8.4 風能  268
8.4.1 風能的發展歷程  268
8.4.2 風能的利用形式  269
8.5 可燃冰  271
8.5.1 可燃冰的性質  271
8.5.2 可燃冰的開采技術  271
8.5.3 我國可燃冰的現狀與發展  273

第9章 新能源材料制備及測試技術 275
9.1 材料制備技術概述  275
9.1.1 沉澱法  276
9.1.2 電化學沉積法  283
9.1.3 水熱/溶劑熱法  285
9.1.4 溶膠-凝膠法  288
9.1.5 微乳液法  291
9.1.6 固相法  294
9.1.7 化學氣相沉積法  296
9.2 鈷酸鋰的生產工藝  296
9.2.1 主要原料  297
9.2.2 計量配料與混合工序  297
9.2.3 燒結工序  298
9.2.4 後續工序  301
9.2.5 鈷酸鋰的產品標準  303
9.3 磷酸鐵鋰的生產工藝  304
9.3.1 磷酸鐵前驅體的生產  305
9.3.2 磷酸鐵鋰的生產  308
9.4 新能源材料表征與性能測試  315
9.4.1 形貌表征  315
9.4.2 結構表征  322
9.4.3 電化學性能測試  328
9.4.4 其他性能測試  335

參考文獻  341

目前，人類社會高度依賴煤炭、石油和天然氣等化石能源，由此也導致化石能源短缺與巨大的能源需求的矛盾。基於化石能源短缺及其環境影響，人類能源正在進入一個新的階段，即“新能源與可持續發展”正在發生與演變。相對於傳統能源而言，新能源具有污染小、儲量大和可再生的特點，對於解決當今世界嚴重的環境污染問題和資源枯竭問題具有重要意義。
發展新能源，實現能源轉型，降低化石能源消耗，提高能源利用率，節能減排，構建綠色低碳的能源體繫，是降低二氧化碳排放、實現碳中和的重要舉措。然而，新能源一般是間歇式可再生能源，間斷式供應，波動性大，對持續供能不利。顯然，要發展太陽能和風能等間歇式新能源發電時，就必須要大力發展儲能技術。到目前為止，人們已經探索和開發了多種形式的電能儲能方式，如機械儲能、電化學儲能、電磁儲能和熱儲能等。這些儲能技術在能量密度和功率密度方面均有不同的表現，其中電化學儲能能量和功率配置靈活、受環境影響小，易實現大規模利用，同時可制備各種小型、便攜器件，可作為能源驅動多種電力電子設備。近年來，以鋰離子電池、電化學電容器、燃料電池為代表的新型電化學儲能產業發展迅猛，在便攜式電子設備、電動汽車、航空航天和軍事國防等領域得到廣泛運用，是未來人類社會向電動化、智能化、新能源化方向發展的先導技術。因此，電化學儲能技術吸引了世界各國的廣泛關注，相關的科學研究和技術的發展日新月異。
氫能以其零污染、高效能等優勢受到全球矚目，產業發展已經走向“風口期”。在儲能領域，氫能產業鏈以可再生能源發電為起點，可以實現氫能從生產端到消費端的全生命周期零排放。全球太陽能、風能發電已進入規模應用階段，但受限於其間歇性、波動性與隨機性，在電網接入和大規模消納方面存在一定瓶頸。利用風電和光伏發電制取“綠氫”，不僅可以有效利用棄風、棄光，而且還可以降低制氫成本；既提高了電網靈活性，又促進了可再生能源消納。隨著氫能技術及產業鏈的發展和完善，氫儲能繫統的加入可以提高可再生能源發電的安全性和穩定性。此外，氫能亦可作為能源互聯網的樞紐，將可再生能源與電網、氣網、熱網、交通網連為一體，加速能源轉型進程。氫能的應用正從化工原料向交通、建築及儲能領域快速滲透，未來還將在氫冶金、綠氫化工、氫儲能、混合能源繫統、智慧能源繫統中得到全面應用。
為適應我國新能源領域的發展，增列“新能源材料與器件”專業為高等教育戰略新興專業，旨在為我國新能源、新能源汽車、節能環保等產業培養具有創新意識的專業技術人纔。本書的編寫基於近年來的教學實踐，考慮了學科發展的現狀，並結合近年來新能源領域國內外研究進展和相關產業的發展需求，對授課內容進行了全面梳理和總結。全書共9章，包括緒論、電化學儲能基礎、鋰離子電池、電化學電容器、新型化學電源、氫能轉換材料與器件、固態電池、其他新能源技術、新能源材料的制備與測試技術。
參加本書編寫工作的有鄭州輕工業大學張林森(第1、5、9章)、方華(第2、3、4章)、王利霞(第6.4小節)、曹陽(第7章，第6.1、6.2、6.3、8.2、8.3、8.4和8.5小節)和張永霞(第8.1小節)。全書由張林森主編和統稿。
由於新能源材料與器件涉及學科層面較廣，各種新能源技術的發展日新月異，知識更新較快，同時限於作者的知識、能力水平，書中難免存在不妥之處，敬請讀者批評指正。

編者
於鄭州