- عنوان کتاب: Electrochemical Energy Storage Physics and Chemistry of Batteries
- نویسنده: Reinhart Job
- حوزه: باتری
- سال انتشار: 2025
- تعداد صفحه: 385
- زبان اصلی: انگلیسی
- نوع فایل: pdf
- حجم فایل: 7.56 مگابایت
فاجعه تغییرات اقلیمی پیش رو، چالشهای عظیمی را برای جامعه و جوامع جهانی به همراه دارد. به طور خاص، برای کاهش و توقف غلظت رو به رشد گازهای اقلیمی مانند دی اکسید کربن، متان و سایر گازهای موجود در جو و جلوگیری از افزایش کشنده میانگین دمای جهانی، تبدیل فوری عرضه انرژی و اقتصاد مبتنی بر کربن کلاسیک ما به یک اقتصاد انرژی پایدار با انرژیهای تجدیدپذیر ضروری است. در این راستا، جوامع مدرن و توسعهیافته مبتنی بر فناوری و محرک، تقاضای زیادی برای تحقق کوتاهمدت یک تحول مؤثر و پایدار در تأمین انرژی دارند، زیرا از نظر تاریخی، آنها به سادگی مسئول مشکلات جهانی هستند که ما در واقع با آن روبرو هستیم. تبدیل به یک اقتصاد انرژی جهانی پایدار نیازمند تلاشهای عظیم فناوری است. بنابراین، مهندسان و دانشمندان آینده، که باید یک عرضه و اقتصاد انرژی جهانی پایدار را تحقق بخشند، باید با فناوریهای مرتبط با انرژی بسیار مطمئن باشند – به ویژه چشماندازها و محدودیتها باید با دقت ارزیابی شوند. بنابراین، سوالات مربوط به انرژی باید در کانون توجه آموزش مهندسی علمی مدرن قرار گیرند. به دلیل بازده انرژی غیریکنواخت و گاهی ناپایدار، تأمین انرژی تجدیدپذیر در مقیاس بزرگ نیاز به افزایش و گسترش سیستمهای ذخیرهسازی انرژی متمرکز و غیرمتمرکز دارد. با توجه به این الزامات، انتظارات بالایی از باتریها در رابطه با سیستمهای مختلف ذخیره انرژی در آینده نزدیک وجود دارد. با این حال، در مهندسی – به ویژه در مهندسی برق – باتریها عمدتاً به عنوان یک جعبه سیاه در نظر گرفته میشوند، هرچند این دیدگاه برای نیازهای ذخیرهسازی انرژی در آینده نزدیک کافی و منطقی نیست. بنابراین، لازم است دانش در مورد باتریها – با توجه به مکانیسمهای اساسی فیزیکی و شیمیایی و همچنین مزایا و محدودیتهای باتریها – در چارچوب صلاحیت مهندسان مدرن به شدت افزایش یابد. نویسنده با این کتاب، این هدف را دنبال میکند و قصد دارد به پر کردن شکاف در آموزش مهندسی – به ویژه اگر آموزش مهندسی کاربردی متمرکز باشد – کمک کند. این کتاب برای دانشجویان تحصیلات تکمیلی در رشتههای فیزیک و شیمی و به ویژه در زمینههای مهندسی و مطالعات مهندسی صنایع با تمرکز بر مهندسی برق و مکانیک، مهندسی برق و مدیریت انرژی نوشته شده است. هدف این کتاب ارائه یک کتاب تخصصی برای محققان یا متخصصان برجسته در الکتروشیمی و فناوری باتری بسیار پیچیده نیست. این کتاب به پنج فصل تقسیم شده است که فصل 1 شامل توضیحات مقدماتی است. محتوای اصلی کتاب در مورد ذخیره انرژی الکتروشیمیایی در چهار فصل ۲ تا ۵ ارائه شده است. در فصل ۲، برخی از اصول ترمودینامیک با توضیح اصطلاحات و تعاریف مرتبط مانند سیستمها، متغیرهای حالت، پتانسیلهای ترمودینامیکی، توابع حالت و فرآیندهای ترمودینامیکی خلاصه شدهاند. علاوه بر این، قوانین ترمودینامیکی از جمله فرآیند کارنو مورد بحث قرار گرفتهاند، اگرچه فرآیند کارنو مستقیماً به ذخیره انرژی الکتروشیمیایی مربوط نمیشود، اما – از نظر من – نباید در خلاصه مختصر ترمودینامیک از قلم بیفتد. در نهایت، در فصل ۲، پتانسیل شیمیایی نیز توضیح داده شده است. در فصل ۳، اصول الکتروشیمی روشن شده است. ابتدا، اصطلاحات و تعاریف در زمینه الکترولیتها مورد بحث قرار گرفته است: علاوه بر تعریف و توصیف الکترولیتهای قوی و ضعیف، ویژگیهای کلی محلولها و حلالپوشی شرح داده شده است. علاوه بر این، خواص فیزیکی مانند تحرک یونی و رسانایی، رسانایی مولی و انتشار یون نیز مورد بحث قرار گرفته است. سپس الکترودهای الکتروشیمیایی به تفصیل مورد بحث قرار گرفتهاند. در این زمینه، ناحیه رابط بین الکترود و الکترولیت، یعنی به ویژه لایه موسوم به هلمهولتز و لایه دوگانه هلمهولتز، شرح داده میشود. سپس، الکترود استاندارد هیدروژن ارائه میشود که برای ایجاد سری گالوانیک و پتانسیل الکترود استاندارد بسیار مهم است. در مرحله بعدی بحثهای فصل 3، شرح سلولهای الکتروشیمیایی منجر به تعریف سلولهای گالوانیک میشود. اصول ترمودینامیکی سلولهای الکتروشیمیایی (از جمله سلولهای گالوانیک)، معادله نرنست، سری گالوانیک و پتانسیل الکترود استاندارد به تفصیل مورد بحث قرار میگیرند. در نهایت، اصول واکنشهای الکتروشیمیایی و ذخیرهسازی انرژی روشن میشوند؛ و مکانیسمهای اصلی سلولهای گالوانیک با کمک یک سلول گالوانیک مس-نقره به عنوان مثال اول مورد بحث قرار میگیرند. فصل 4 به باتریها اختصاص داده شده است. ما با تعاریف جامع پارامترهای باتری شروع میکنیم، یعنی شرح جریان اسمی، جریانهای دشارژ و شارژ، زمان دشارژ اسمی، ظرفیت و توان اسمی، نرخ C، ولتاژ اسمی، انرژی ویژه یا حجمی اسمی و چگالی توان، راندمانها،…
The upcoming climate change catastrophe stands for immense challenges for the global community and societies. In particular, to slowdown and reduce the steadily growing concentrations of climate gases like carbon dioxide, methane and others in our atmosphere and to stop the fatal increase of the global mean temperatures, an urgent transformation of our classical carbonbased energy supply and economy to a sustainable energy economy with renewable energies is imperative. In this regard, the modern well-developed technology based and driven societies are in great demand for the near-term realization of an effective and sustainable energy supply transformation, since historically, they are simply responsible for the global problems we are actually facing. The transformation to a sustainable global energy economy requires huge technological efforts. Therefore, the future engineers and scientists, who have to realize a sustainable global energy supply and economy, have to be very confident with energy related technologies – especially the prospects and limits have to be assessed carefully. Therefore, energy related questions have to in the focus of a modern scientific engineering education. Due to a nonuniform and sometimes unsteady ener gy yield, a large-scale renewable energy supply requires an increase and broadening of centralized and decentralized energy storage systems. According to these requirements, there are high expectations on batteries with regard to various energy storage systems in the near future. However, in engineering – especially in electrical engineering, the batteries are mostly regarded as a black box, though, this point of view is not sufficient and reasonable for the energy storage demands of the near future. Therefore, it is necessary that the knowledge about batteries – with regard to the basic physical and chemical mechanisms as well as the advantages and limitations of batteries – is storngly enhanced in frame of the qualification of modern engineers. By this book, the author targets this goal and intents to contribute to bridge the gap in engineering education – especially if applied engineering education is focused. The book is written for graduate students in the disciplines physics and chemistry and especially in the fields of engineering and industrial engineering studies with a focus on electrical and mechanical engineering, power engineering and energy management. It is not intended to provide a specialized book for distinguished researchers or experts in electrochemistry and highly sophisticated battery technology. The book is divided into five chapters, where Chapter 1 comprises introductory remarks. The main content of the book on electrochemical energy storage is presented in following four Chapters 2 to 5. In Chapter 2, some basics of thermodynamics are summarized starting with the explanation of relevant terms and definitions like systems, state variables, thermodynamic potentials, state functions and thermodynamic processes. Moreover, the thermodynamic laws are discussed including the Carnot process, although the Carnot process is not directly to electrochemical energy storage, but – from my point of view – should not be missed in a brief summary of thermodynamics. Finally, in Chapter 2 the chemical potential is explained, too. In Chapter 3, the basics of electrochemistry are elucidated. First, the terms and definitions in the context of electrolytes are discussed: Beside the definition and description of str ong and weak electrolytes, general characteristics of solutions and solvation are described. Moreover, the physical properties like ionic mobility and conductivity, molar conductivity and ion diffusion are discussed, too. Then electrochemical electrodes are discussed in detail. In this context, the interface region between the electrode and the electrolyte is described, i.e. in particular the so-called Helmholtz layer and the Helmholtz double layer. Then, the standard hydrogen electrode is presented that is very important for the establishment of the galvanic series and the standard electrode potential. In the next step of the discussions in Chapter 3, the description of electrochemical cells leads to the definition of galvanic cells. The thermodynamic basics of electrochemical cells (including galvanic cells), the Nernst equation, the galvanic series and the standard electrode potential are discussed in detail. Finally, the principles of electrochemical reactions and energy storage are elucidated; and the principle mechanisms of galvanic cells ar e discussed with the help of a copper-silver galvanic cell as a first example. Chapter 4 is devoted to batteries. We start with comprehensive definitions of battery parameters, i.e. the description of the nominal current, the discharging and charging currents, the nominal discharging time, the capacity and nominal capacity,C – rate, nominal voltage, nominal specific or volumetric ener gy and power densities, efficiencies, lifetime, self-discharge, etc. The Ragone diagram for the comparison of various battery types is also presented. After these detailed introductory remarks, the mechanisms and characteristics of batteries are discussed in detail starting with historical primary and secondary batteries like the voltaic pile, the Daniell cell, the Leclanché cell and the Planté cell. After this historical excursion, technically important primary batteries (zinc-carbon and zinc-chloride cells, alkaline batteries, mercury and silver-oxide batteries, zinc-air and aluminum-air batteries, lithium batteries, lithium ir on phosphate and sodium-batteries) and secondary batteries ar e discussed (lead-acid batteries, nickel-cadmium- batteries, nickel-metalhydride batteries, lithium-ion batteries, sodium-ion batteries). Moreover, overcharging and overdischarging processes are discussed for several important batteries as well as thermal runaway events in lithium-ion and sodium batteries, too. In Chapter 5, a few aspects will be discussed that are not directly related to physics and chemistry of batteries. However, those aspects have a strong relevance concerning the steady growth of battery fabrication. In particular, in Chapter 5 we want to emphasize for the example of lithium-ion batteries the exploitation and production of the important electrode materials; and we give a brief overview of the materials reserves and resources for the future demand of lithium-ion batteries. The exploitation and production of lithium is described for the two extraction process routes, i.e. the extraction from minerals and from brine, where lithium production from brine is the significant one. The peculiarities of the exploitation and production of the important materials for the positive electorde from various ores (i.e. cobalt, nickel, manganese), and the exploitation and production of graphite for the negative electrode are discussed, too. At this point, it remains for me to acknowledge the awesome support of my former student assistant: Many thanks to Anna Michel (née Fuchs) for the layout and preparation of the most of the graphs and figures. I am also very thankful to my peers at the De Gruyter Brill publishing house. In particular, I want to thank Karin Sora (Vice President STEM – Strategy and Publishing Program Development) and Nadja Schedensack (Project Editor) for their encouragement, professional support and advice. Finally, and most important, I want to say thank you very much to my wife Barbara, who – as always – strongly supported me by her encouragement and patience.
این کتاب را میتوانید از لینک زیر بصورت رایگان دانلود کنید:
Download: Electrochemical Energy Storage Physics and Chemistry of Batteries

نظرات کاربران