简明电化学

电化学的发展从亚历山德罗·伏特（Count Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta）发明第一个化学电池开始，已经经过了两个多世纪。现在电化学已经成为国民经济与工业中不可缺少的一部分，在不同领域都发挥着重要作用。人们日常生活中有许多应用都与电化学技术密切相关：手机、手提电脑、无线耳机等移动电子设备均由电化学电池提供能量；日常使用的非贵金属首饰、五金用品等大部分金属部件都需要通过电镀来实现可靠耐用；天然气管道、运输货物的轮船通常都依据电化学的原理进行防腐。除此以外，电化学技术还在汽车工业、医疗检测与分析、生物医药、环境工程、化学品的制备与生产等领域得到了广泛应用。
近年来，出于调整能源结构以及控制大气污染等战略的考虑，国家大力支持新能源汽车、电化学能量储存与转化等行业的发展，电化学科学和技术得到了快速发展。目前，新能源汽车的产量已经超过传统汽车年产量的6%，并持续快速增长；电化学储能产业规模一直在快速增长，截至2018年底，电化学储能的累计装机规模位列储能总体装机容量的第二位。
在这种背景下，很多高校在车辆工程、机械工程、动力机械及工程、储能与新能源技术等专业下增设新能源技术、新能源汽车技术、燃料电池技术等专业方向。电化学和电化学能源转换技术是这些专业方向的学科基础。目前，上述专业学生主要在机械、能源、车辆工程等学院进行培养，学生一般没有系统学习过化学知识。同时，这些专业安排电化学知识学习的目的主要是了解电化学知识在本专业领域的应用，与化学、化工和材料等专业对电化学知识的要求不同。
2012年，同济大学汽车学院设置了车用新能源技术专业方向，在车辆工程专业背景下，对学生进行车用新能源技术及相关知识的讲授，以促进汽车行业的“新四化”进程。在车辆工程专业的学生中系统开展“电化学原理与测量技术”课程，针对车辆工程背景的学生开展电化学知识的讲授，积累了较为丰富的教学经验。然而，在此过程中也遇到了一些困难，首先就是很难找到契合这种新情况的教材。鉴于此，结合多年的教学实践，笔者编写了这本《简明电化学》。
本书面向车辆工程、机械工程、动力机械及工程、储能与新能源技术等非化学、材料类专业的学生，致力于满足车用新能源技术、储能科学与技术以及电源技术、新能源汽车动力系统等学科的要求，以便开展课程教育。主要内容包括电化学热力学、电化学动力学、电化学技术应用等。
电化学是一门极为深奥的科学，具有较为完善的学科体系，相关知识对于没有系统地学习化学的学生理解较为困难。为了解决这个问题，本书结合车辆工程、机械工程的学科背景，引入电化学的概念和内容，并经过系统地梳理整合，旨在打造最为简洁明了的电化学教程。针对非化学、材料类专业学生的化学基础，尤其是物理化学基础相对薄弱的现实，本书在保持电化学学科体系完整性的前提下，尽量地简化，减少公式推导、浅显易懂、简明扼要。
本书重点介绍电化学的基本原理，尤其是基本概念、基本规律和基本理论，包括电极/电解液界面结构与性质、电极电位与电极可逆性、电化学体系、传质过程及其对电化学反应规律的影响，以及电子转移步骤对电化学反应过程的影响等。重点突出学以致用的特点，对目前主要的化学电源技术，包括锂离子电池、超级电容器和燃料电池均进行了分析与讨论。本书适合于车辆工程、机械工程、动力机械及工程、储能与新能源技术等专业的学生使用。同时，也能为新能源相关专业的后续课程，如“车用电源技术”“新能源汽车动力系统”等，打下基础和提供必要的知识储备。
由于时间仓促，水平有限，书中难免存在疏漏或不妥之处，敬请广大读者批评指正。

编著者
2021年4月

《简明电化学》主要介绍基本电化学知识与常用化学电源技术，包括电化学热力学、电化学动力学和电化学技术应用等内容。电化学知识与原理部分主要阐述基本的电化学原理知识与理论，包括电极/电解液界面结构与性质、电极电位与电极可逆性、电化学体系、传质过程及其对电化学反应规律的影响，以及电子转移步骤对电化学反应过程的影响等；电化学技术应用主要包括目前最常用也是最重要的电源技术，包括化学电源技术基本概念、锂离子电池、超级电容器与燃料电池等。
本书可作为高等院校非电化学专业，如车辆工程、机械工程、动力机械及工程、储能与新能源技术等专业的电化学教材，也可以作为从事新能源技术、车用新能源技术与新能源汽车、化学电源技术等相关工作的科学技术人员的参考书。

第1章绪论/001
1.1电化学的发展/001
1.2电化学基本概念/004
1.2.1电化学热力学与电化学动力学/004
1.2.2电子导体与离子导体/005
1.2.3正极与负极、阴极与阳极/005
1.2.4法拉第定律/005
1.2.5原电池/006
1.2.6电解池/007
1.2.7电池反应和电极过程/007
1.2.8速率控制步骤与“准平衡态”/008
1.2.9电极的极化/009
1.3电化学的主要应用领域/010
1.3.1电化学能量转化与储存/010
1.3.2电化学反应工艺/013
1.3.3电化学反应工程/014
1.3.4生物电化学/015

第2章电极/电解液界面结构与性质/016
2.1电极/电解液界面电位/016
2.1.1电位/016
2.1.2电极/电解液界面电位的产生/016
2.1.3电极/电解液界面电位成因/017
2.1.4金属/电解液界面电位的分类/019
2.2电极电位/019
2.3金属接触电位/021
2.4液体接界电位与盐桥/021
2.5电极/电解液界面的基本性质/023
2.5.1理想极化电极与理想去极化电极/023
2.5.2电极/电解液界面结构的研究方法/025
2.5.3电极/电解液界面双电层分布与界面模型/028
2.5.4电极/电解液界面的吸附现象/032

第3章电极电位与电极可逆性/035
3.1绝对电位与相对电位/035
3.1.1电位的测量/035
3.1.2绝对电位符号的规定/036
3.1.3相对电位与参比电极/037
3.2可逆电极/039
3.2.1可逆电极的条件/039
3.2.2可逆电极电位与能斯特方程/040
3.2.3可逆电极的分类/041
3.3不可逆电极/042
3.3.1不可逆电极的形成原因/042
3.3.2不可逆电极类型/043
3.3.3可逆和不可逆电极的区分/044
3.4影响电极电位的因素/044
3.5标准电极电位和标准电化学序/045

第4章电化学体系/048
4.1原电池/048
4.1.1原电池写法/050
4.1.2原电池电动势/050
4.1.3电动势的测量/051
4.1.4温度对电动势的影响/052
4.1.5电池的可逆性/053
4.1.6电动势的热力学计算/053
4.2电解池/054
4.3腐蚀电池/056
4.4浓差电池/056
4.5电解池和原电池的对比/058
4.6电化学体系极化的基本规律/059
4.6.1原电池极化规律/059
4.6.2电解池极化规律/060

第5章传质过程及其对电化学反应规律的影响/061
5.1液相传质的三种方式/061
5.1.1对流传质/062
5.1.2扩散传质/062
5.1.3电迁移传质/062
5.2稳态扩散和非稳态扩散/064
5.3理想情况下的稳态过程/064
5.4实际情况下的稳态对流扩散过程和旋转圆盘电极/066
5.4.1实际情况下的稳态对流扩散过程/066
5.4.2旋转圆盘电极/068
5.4.3旋转圆盘电极的主要应用/069
5.5电迁移对反应过程的影响/070
5.6液相传质步骤控制时的电化学反应规律/072

第6章电子转移步骤对电化学反应规律的影响/077
6.1电极电位对电子转移步骤的影响/077
6.1.1电极电位对电子转移过程的影响/077
6.1.2电位对反应活化能的影响/079
6.1.3电化学反应基本方程/080
6.2电子转移步骤的基本动力学参数/082
6.2.1传递系数α、β/082
6.2.2交换电流密度j0/082
6.2.3反应速率常数K/085
6.3电子转移步骤电化学反应规律/086
6.3.1巴特勒福尔默方程/086
6.3.2塔菲尔公式/088
6.3.3低超电势下的电化学反应规律/091
6.3.4电子转移步骤控制时的电化学基本规律/092
6.4双电层结构对电化学反应速率的影响/092
6.4.1双电层结构对电极电位的影响/092
6.4.2双电层结构对离子浓度的影响/092
6.4.3双电层结构对反应速率的影响/093
6.5电化学极化与浓差极化共存时的动力学规律/094
6.6电化学极化和浓差极化规律比较/097
6.7多电子反应过程/098

第7章化学电源简述/100
7.1化学电源的发展历史/100
7.2化学电源的组成/101
7.2.1电极/101
7.2.2电解液/101
7.2.3隔膜/102
7.2.4外壳/102
7.3化学电源的分类/102
7.3.1一次电池/102
7.3.2二次电池/102
7.3.3燃料电池/102
7.3.4储备电池/103
7.4化学电源的主要参数/103
7.4.1电动势/103
7.4.2开路电压/103
7.4.3内阻/104
7.4.4工作电压/104
7.4.5容量和比容量/104
7.4.6能量和能量密度/105
7.4.7功率和功率密度/106
7.4.8功率密度和能量密度的关系/107
7.4.9寿命/107
7.5车用化学电源的要求/107

第8章锂离子电池/110
8.1引言/110
8.2工作原理/111
8.3锂离子电池的组成/112
8.3.1电极/112
8.3.2电解液/120
8.3.3隔膜/122
8.3.4电池壳/122
8.4先进锂二次电池体系/123
8.4.1锂金属电池/123
8.4.2锂-硫电池/125
8.4.3锂-空气电池/127
8.4.4固态锂电池/129
8.5锂离子电池的应用/130
8.5.13C及便携式电源/131
8.5.2交通动力电源/131
8.5.3移动通信电源/132
8.5.4电力储能电源/133
8.5.5航空军工电源/133
8.6总结与展望/134

第9章超级电容器/135
9.1引言/135
9.2工作原理/135
9.3超级电容器的结构与组成/137
9.3.1电极/137
9.3.2电解液/140
9.3.3隔膜/141
9.4超级电容器的分类/142
9.4.1双电层电容器/142
9.4.2赝电容器/143
9.4.3混合型电容器/144
9.5超级电容器的应用/147
9.5.1可再生能源领域/147
9.5.2工业领域/148
9.5.3轨道交通领域/149
9.5.4新能源汽车领域/150
9.6总结与展望/151

第10章燃料电池/152
10.1引言/152
10.2工作原理/153
10.2.1燃料电池能量转化过程/153
10.2.2燃料电池工作过程/154
10.2.3燃料电池效率和极化曲线/155
10.3燃料电池的分类/159
10.3.1碱性燃料电池/160
10.3.2磷酸燃料电池/161
10.3.3熔融碳酸盐燃料电池/161
10.3.4固体氧化物燃料电池/162
10.3.5质子交换膜燃料电池/163
10.4质子交换膜燃料电池的结构/163
10.4.1膜电极/163
10.4.2双极板/168
10.4.3端板和密封件/171
10.5质子交换膜燃料电池系统/172
10.5.1空气供应系统/173
10.5.2氢气供应系统/174
10.5.3控制系统/174
10.5.4水热管理系统/175
10.6燃料电池的应用/177
10.6.1便携式电源/177
10.6.2固定式电源/178
10.6.3交通运输/179
10.7总结与展望/182

符号表/183

参考文献/186