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1.国际固态离子学泰斗力作，奠基储能学术根基
本书作者Robert A.Huggins教授，是国际固态离子学领域殿堂级学者，更是电化学储能领域的先驱奠基人。作为锂离子电池技术发展的核心引路人，2019年诺贝尔化学奖得主、锂离子电池发明人之一M.Stanley Whittingham教授，曾于1968-1972年深耕Huggins教授课题组，其固体离子输运与嵌入反应的开创性学术思想，均萌芽于Huggins教授的实验室。这本著作凝聚了Huggins教授毕生学术精髓，是历经学界检验的储能领域经典之作，权威性与专业性无可替代。
2.本书跳出碎片化罗列，搭建体系化理论骨架
市面上储能类书籍多陷入两大误区：要么是前沿成果的简单堆砌，缺乏理论逻辑，初学者易陷入知识碎片；要么是浅尝辄止的流程介绍，无底层原理深度。而本书打破常规，打造“底层理论+逻辑推导+实际应用”的阶梯式知识体系，如同摩天大楼筑牢根基，以物理化学为基石，串联电化学、化学动力学、固体离子学、缺陷化学等核心理论，构建完整的储能知识闭环。
采用“手剥洋葱”式编写逻辑，从第一性原理出发，层层拆解电化学现象本质；独创引入多元相图热力学、库仑滴定法、等效电路模型、缺陷平衡图等核心思维工具，将材料学核心范式融入电池研究，用晶体结构与缺陷理论解析离子输运，用相图规律刻画电极反应演变，拒绝零散知识灌输，真正实现从“知其然”到“知其所以然”的蜕变。
译本更臻完美，译者全程深度勘校，更正原著60余处公式、图表、计算疏漏，针对重难点加注详实译者注，凝结多年教学科研心得，扫清阅读壁垒；译文兼顾科学严谨与文学韵味，摒弃枯燥晦涩，让理论阐述更易读、更易懂。
本书系统阐述了各类主要储能方法的科学原理与工程基础，涉及热能、相变、可逆化学反应、有机燃料、氢能、机械能、静电和磁系统等多种储能形式。在电化学储能系统方面，本书融入了材料与方法的最新进展，包括混合和间歇性能源系统中的快速短期储能技术，以及电动汽车和启停汽车技术中电池的优化策略。这些前沿技术的解析并不预设电化学知识背景，使得本书更具普及性和实用性。本书还详细介绍了锂电池、液流电池和液态电池等传统与新兴电池系统。
本书提供了储能领域的全面概述，对于学生和专业人士而言，都是一部不可或缺的参考著作。
译者序
前言
第1章 绪论1
1.1引言1
1.2燃料分配系统中的能量存储2
1.3周期性存储2
1.3.1长期或季节性储能2
1.3.2每日和每周储能3
1.4负载均衡问题3
1.5减少能源需求波动幅度的方法4
1.6短期瞬变5
1.7可移动设备的储能6
1.7.1便携式电子设备的储能方法6
1.7.2汽车的能量存储和应用6
1.8氢能驱动汽车7
1.9房屋温度调节8
1.10改进照明技术8
1.11本书的结构9
参考文献9
第2章 基本概念10
2.1引言10
2.2热的机械当量10
2.3热力学第一定律——能量守恒10
2.4焓11
2.5熵11
2.5.1热熵11
2.5.2位形熵12
2.6用于做功的能量12
2.7G、H和S对温度的依赖性12
2.8不可逆和可逆的存储模式13
2.9卡诺循环的限制13
2.10能量品质13
参考文献14
第3章 热能存储15
3.1引言15
3.2显热15
3.3潜热16
3.3.1无机相变材料17
3.3.2有机相变材料19
3.4准潜热19
3.5热泵19
参考文献20
第4章 可逆化学反应21
4.1引言21
4.2非全等化学反应类型21
4.2.1插入反应21
4.2.2生成反应22
4.2.3分解反应23
4.2.4置换反应23
4.3相图23
4.3.1吉布斯相律24
4.3.2二元相图24
4.3.3杠杆定律26
4.3.4二元系统中的三相反应27
4.3.5包晶反应相关材料的例子28
4.3.6含有共晶反应的二元系统29
4.4液固反应的热效应30
4.5可逆气相反应的热效应32
参考文献35
第5章 有机燃料的能量存储36
5.1引言36
5.2生物质能量存储36
5.3动物的能量存储37
5.4硬生物质38
5.5合成液态燃料38
5.6以液态形式存储的气态燃料38
5.7用于燃料的各种材料的能量含量39
参考文献39
第6章 机械能存储40
6.1引言40
6.2势能存储40
6.3压缩气体储能41
6.4利用重力实现势能的存储42
6.5水力发电43
6.6抽水蓄能43
6.7流水动能的利用45
6.8机械系统的动能45
6.8.1线性动能45
6.8.2旋转动能46
6.9内部结构储能48
参考文献48
第7章 电磁能量存储49
7.1引言49
7.2电容器的储能49
7.2.1平行板电容器的能量49
7.3电化学电荷存储机理50
7.3.1在电极/电解液界面附近双电层中的静电能存储51
7.3.2固体电极表面的欠电位法拉第二维吸附52
7.3.3法拉第沉积引起电活性物种通过插入反应三维吸附到固体电极材料体相52
7.3.4法拉第反应驱动的重构反应54
7.4能量存储数量的比较54
7.5存储能量品质的重要性55
7.6电容器的暂态行为56
7.7使用拉普拉斯变换对含有电容元件的系统的电化学瞬态行为进行建模57
7.7.1概述57
7.7.2拉普拉斯变换技术的应用58
7.7.3简单的例子58
7.8磁系统中的能量存储60
7.8.1磁场中材料的能量60
7.8.2超导磁系统中的能量存储63
7.8.3超导材料64
参考文献65
第8章 储氢67
8.1引言67
8.2制氢68
8.2.1蒸汽重整过程68
8.2.2水蒸气与碳反应69
8.2.3电解制氢70
8.2.4热分解水制氢73
8.2.5化学法从水中提取氢气73
8.2.6生产氢气的其他方法76
8.3政府推广氢能利用76
8.4目前的车载储氢替代方法77
8.4.1在高压储罐中存储气态氢78
8.4.2在绝热罐中存储液氢78
8.4.3固体中以质子形式储氢：金属氢化物78
8.5其他储氢的方法79
8.5.1从含有氢阴离子的物质中分解产氢79
8.5.2氨和相关材料作为储氢介质80
8.5.3有机液体中可逆储氢81
8.6安全问题82
参考文献83
第9章 电化学储能84
9.1引言84
9.2简单的化学和电化学反应84
9.3电化学电池中的主要反应机制类型87
9.3.1生成反应88
9.3.2置换反应89
9.3.3插入反应89
9.4重要的实用参数90
9.4.1工作电压与电能品质的概念92
9.4.2电荷容量92
9.4.3最大理论比容量（MTSE）93
9.4.4电池放电和充电时的电压变化93
9.4.5循环行为94
9.4.6自放电95
9.5一种电化学电池的通用等效电路96
9.5.1阻抗对电池内部离子和原子传输的影响96
9.5.2电解液中电子泄漏的影响97
9.5.3电化学电池中单个物种的迁移数98
9.5.4输出电压与离子和电子的迁移数的关系98
9.5.5电化学电池中自放电引起的焦耳热99
9.5.6如果电池有输出电流会怎样99
参考文献100
第10章 电化学电池电压和容量的确定方法101
10.1引言101
10.2单物种的热力学性质101
10.3一个简单的案例：锂/碘电池102
10.3.1最大理论比能量的计算103
10.3.2电池电压的温度依赖性104
10.4放电曲线形状与吉布斯相律106
10.5库仑滴定技术110
参考文献112
第11章 平衡条件或近平衡条件下的二元电极113
11.1引言113
11.2二元系统中相图与电位的关系113
11.3一个真实的例子：锂锑系统115
11.4相稳定区域118
11.5另一个例子：锂铋系统118
11.6库仑滴定技术测量其他二元系统120
11.7电位对温度的依赖性120
11.8在氧化物及类似材料中的应用122
11.9埃林厄姆图和差分图123
11.10关于机制和术语的评论125
11.11总结126
参考文献127
第12章 平衡条件或近平衡条件下的三元电极128
12.1引言128
12.2三元相图和相稳定图128
12.3关于三元系统内子三角形构型的影响的讨论129
12.4举例：氯化钠/氯化镍斑马系统131
12.5第二个例子：锂铜氯三元系统133
12.5.1计算系统的电压134
12.5.2锂/氯化铜电池的实验装置136
12.6计算Li/CuCl和Li/CuCl2电池的最大理论比能量136
12.7三元系统中的比容量和容量密度137
12.8另一组例子：含镁的金属氢化物系统137
12.9进一步的三元案例：锂过渡金属氧化物141
12.10由两个二元金属合金所组成的三元系统144
12.10.1一个例子：环境温度下的LiCdSn系统144
12.11如果有额外的组分会怎么样145
12.12总结145
参考文献145
第13章 电位146
13.1引言146
13.2术语146
13.3电位的标尺147
13.4金属中的电学、化学和电化学势147
13.5与固体中电子能带模型的关联152
13.6半导体中的电位153
13.7不同材料间的相互作用154
13.8两金属连接155
13.9金属与半导体连接156
13.10选择性平衡156
13.11参比电极157
13.12非水锂系统中的参比电极157
13.12.1单质锂157
13.12.2两相锂合金的使用157
13.13高温下氧化物系统的参比电极158
13.13.1气体电极158
13.13.2多相固体参比电极159
13.14两种电位标度之间的关系159
13.15锂氢氧三元系统的电位160
13.16水性电解液锂电池161
13.17电中性物种的意义161
13.18水性电化学系统中的参比电极161
13.19水性系统中不同类型电极在历史上的分类162
13.19.1第一类电极163
13.19.2第二类电极163
13.20吉布斯相律165
13.21吉布斯相律在参比电极中的应用165
13.21.1非水性系统165
13.21.2水性系统166
13.22用于测量水性电解液pH值的系统167
13.23混合导电基质电极168
13.24参比电极的总结评论169
13.25化学反应电位170
13.25.1概述170
13.25.2插入反应材料的电位、组成和化学平衡的关系170
13.25.3其他实例171
13.25.4小结172
13.26电池组分的电位和组成分布173
13.26.1概述173
13.26.2相对能量数量173
13.26.3固体内部的差异是什么173
13.26.4内部和外部量的关系174
13.26.5相内基本通量关系174
13.26.6两个简单的极限案例175
13.26.7三种构型175
13.26.8组分随电位的变化175
13.26.9计算离子导体主导的二元固体MX中相关缺陷的浓度175
13.27缺陷平衡图177
13.27.1组成或活度处于特定范围的近似关系177
13.27.2在固体电解质两端施加电位差的情况下，利用电极阻塞离子的进出179
13.27.3使用外部传感器评价固体的内部特性180
13.27.4另一个实例：混合导体内电子传输受阻180
13.27.5含有混合导体和固体电解质串联的复合电化学电池181
13.28粒子的迁移数183
参考文献183
第14章 插入反应电极185
14.1引言185
14.2客体物种插入层状结构的实例186
14.3悬浮式支柱层状结构187
14.4固体中插入反应的术语188
14.5插入的客体物种的构型种类188
14.6顺序插入反应190
14.7溶剂物种的共插入192
14.8插入具有平行线性隧道的材料中192
14.9插入和抽出反应引发宿主结构的改变193
14.9.1晶态向非晶态转变193
14.9.2产物对电位的依赖性195
14.9.3可移动物种首次抽出过程引发的结构变化195
14.10插入反应电极电位随组成的变化196
14.10.1概述196
14.10.2简单金属固溶体中电位随组成的变化197
14.10.3客体离子的构型熵197
14.10.4金属固溶体中电子化学势的浓度依赖性198
14.10.5金属固溶体中两种组分对电位的影响198
14.10.6在涉及两相重构反应的插入反应情况下，电位的组成依赖性200
14.11本章最后的评论201
参考文献202
第15章 偏离完全平衡条件下的电极反应203
15.1引言203
15.2稳态和亚稳态平衡203
15.3选择性平衡204
15.4非晶态和晶态结构的形成205
15.5偏离平衡的动力学原因206
第16章 一次电池、不可充电电池208
16.1引言208
16.2常见的Zn/MnO2碱性电池208
16.2.1概述208
16.2.2HZnO系统的热力学关系209
16.2.3锌电极的问题209
16.2.4开路电位210
16.2.5放电过程中的电位变化211
16.3室温Li/FeS2电池212
16.4用于心脏起搏器的Li/I2电池213
16.5用于除颤器的锂/银钒氧化物电池213
16.6锌/空气电池214
16.7Li/CFx电池216
16.8贮备电池217
16.8.1概述217
16.8.2Li/SO2系统217
16.8.3Li/SOCl2系统218
16.8.4Li/FeS2高温电池218
参考文献219
第17章 铅酸电池220
17.1引言220
17.2铅酸系统的基本化学原理221
17.2.1MTSE的计算221
17.2.2电池电压随荷电状态而变化221
17.3单个电极的电位222
17.4电极与电化学反应机理的联系223
17.5电极的构造224
17.5.1电极材料体积变化和脱落224
17.6用于电极栅格的合金225
17.7可替代栅格的材料和设计227
17.8密封铅酸电池的发展227
17.9其他设计228
17.9.1其他改进策略229
17.10PbO2中氢的快速扩散230
参考文献230
第18章 其他可充电水性系统的负极231
18.1引言231
18.2镉电极231
18.2.1概述231
18.2.2HCdO系统的热力学关系231
18.2.3镉电极的工作机制232
18.3金属氢化物电极233
18.3.1概述233
18.3.2金属氢化物电池的商业化发展233
18.3.3目前正在使用的氢化物材料234
18.3.4压力与组成的关系235
18.3.5温度的影响236
18.3.6AB2型合金238
18.3.7两种结构类型的比较238
18.3.8其他尚未在商业电池中使用的合金239
18.3.9氢化物颗粒的微胶囊化239
18.3.10其他粘合剂239
18.3.11固体电解质在氢化物电池负极的应用239
18.3.12不同金属氢化物的最大理论容量240
参考文献240
第19章 其他水性系统电池的正极241
19.1引言241
19.2水性系统中的二氧化锰电极241
19.2.1概述241
19.2.2开路电位242
19.2.3放电过程中的电位变化243
19.3镍电极243
19.3.1概述243
19.3.2Ni(OH)2和NiOOH相的结构243
19.3.3工作机制245
19.3.4电化学特性与结构特征的关系245
19.3.5自放电247
19.3.6过充248
19.3.7热力学相关信息249
19.4镍电极记忆效应的原因251
19.4.1概述251
19.4.2镍电极的工作机制252
19.4.3过充电现象254
参考文献256
第20章 锂系统的负极258
20.1引言258
20.2单质锂电极258
20.2.1在不希望的位置沉积259
20.2.2形变259
20.2.3枝晶259
20.2.4丝状生长259
20.2.5热失控260
20.3单质锂的替代材料260
20.4锂碳合金261
20.4.1概述261
20.4.2锂饱和的石墨的理想结构262
20.4.3石墨结构的变化263
20.4.4嵌锂石墨的结构特性264
20.4.5锂在石墨中的电化学行为264
20.4.6锂在非晶碳中的电化学行为265
20.4.7含氢碳材料的储锂性能266
20.5金属锂合金267
20.5.1概述267
20.5.2平衡状态下二元锂合金的热力学性质268
20.5.3室温下的实验269
20.5.4液态二元合金269
20.5.5混合导体基质电极269
20.5.6爆裂现象273
20.5.7电极微结构/纳米结构的改进275
20.5.8室温下非晶态产物的形成276
20.6对水性电解液系统中的金属锂的保护277
20.6.1概述277
参考文献279
第21章 锂系统的正极281
21.1引言281
21.2电极的插入反应（非重构反应）282
21.2.1多种间隙位点或氧化还原物种282
21.3放电状态下电池的组装283
21.4锂系统的固态正极283
21.4.1概述283
21.4.2晶体环境对电位的影响286
21.4.3氧阴离子位于面心立方阵列结构的氧化物287
21.4.4材料内部氧离子呈六方紧密堆积阵列293
21.4.5含氟离子的材料295
21.4.6混合离子电池296
21.4.7电极的非晶化297
21.4.8氧析出问题297
21.4.9本节最后的评论301
21.5正极材料中的氢和水301
21.5.1概述301
21.5.2离子交换机制302
21.5.3离子添加的简单方法302
21.5.4LiHO系统的热力学303
21.5.5含锂相稳定存在于水中的实例303
21.5.6具有高于水稳定窗口电位的材料304
21.5.7从大气水蒸气中吸附质子304
21.5.8从水溶液中提取锂304
参考文献305
第22章 中大型的储能应用307
22.1引言307
22.2电力负荷平衡、峰值调节与瞬变应对307
22.3太阳能和风能的存储308
22.4近期在大型储能方面有应用价值的进展308
22.4.1混合铅酸电池：大型能量存储的新选择308
22.5使用开放骨架晶体结构电极的电池311
22.5.1概述311
22.5.2过渡金属氧化物青铜结构中的客体离子插入311
22.5.3与ReO3相关的立方结构材料312
22.5.4具有晶体学通道的氧化锰水性电池312
22.6六氰基金属酸盐电极材料314
22.6.1概述314
22.6.2普鲁士蓝的晶体结构解析315
22.6.3普鲁士蓝的电化学行为316
22.6.4可占据普鲁士蓝结构A位点的多种阳离子317
22.6.5普鲁士蓝电极在电池中的应用319
22.6.6多价普鲁士蓝电极在水性系统中的应用研究320
22.6.7普鲁士蓝电极水性电解质电池的商业化进程320
22.6.8普鲁士蓝电极在有机电解质中的探索322
22.7新型复合负极325
22.8拓展水性电解质稳定范围的一种替代方法327
22.9使用液态电极的电池329
22.10钠/硫电池329
22.11液流电池331
22.11.1概述331
22.11.2全钒系统的氧化还原反应333
22.11.3液流电池的新型化学反应335
22.12全液态电池335
参考文献337
第23章 车辆驱动储能340
23.1引言340
23.2斑马电池342
23.3混合动力系统策略概要343
参考文献344
第24章 未来展望345
24.1引言345
24.2新兴技术方向345
24.3新兴研究方向的案例347
24.3.1有机塑料晶体材料347
24.3.2锂电池用有机电极材料347
24.3.3新材料制备与电池制造方法347
24.3.4具有物理移动电极结构的电池348
24.3.5关于一些替代电解质的研究348
24.3.6一些新型高功率、长循环寿命电池的介绍349
24.4写在最后的话352
参考文献352
引言
能源的重要性是毋庸置疑的，它最基本的功能是提供食物烹饪和供暖所需的热量。这使人类获得了温饱，并能够舒适地生活和繁衍。随着能源利用技术的发展，如何有效利用能源成为全社会关注的核心问题。最初，人们是通过砍伐木材和开采碳氢化石燃料这样的简单方法来获取所需的能源。此后，人们发现通过一些易行的方法，可以把从自然界开采的能源转化成更为高效的能源形式。因此，对诸如石油之类的能源原料进行加工和转化成为一个非常庞大的产业。
木材
人类伐木取暖的历史非常悠久，他们通过拾捡枝草或砍伐树木来获取能源。当草木资源充足时，没有太大必要把这些来自大自然的能源存储起来。但是，为了能度过木材资源匮乏的寒冷冬季，许多部落会趁着气候温暖的时候收集并存储足量的木材以备不时之需。如今，仍然有一些地方采取这样的生活方式，比如阿尔卑斯山附近偏远的村落。这是最古老也是最简单的能源存储方式。很久以前，人们就发现将木材置于缺氧的环境中加热，除去其中易挥发的物质，可以得到高孔隙和高碳含量的产物，人们称之为木炭。木炭燃烧时释放更高的单位质量热值（也称比能量），约为30400 kJ/kg，而相应的木材形态的热值仅为14700 kJ/kg。因此存储和使用木炭供热会具有更高的效率。这是一个典型的将初级燃料转化为更高热值燃料后再存储的例子。
煤炭
很久以前，人们就发现了碳的天然沉积物很容易被点燃并放出热量。这种高碳含量的固体材料根据所含能量不同，被命名为不同种类的煤。含能量最低的称为泥煤，之后依次是褐煤、次烟煤和硬煤（或称无烟煤）。质地更硬的煤蕴藏大量的能量，经济高效的方式不仅仅是将这些煤存储起来，还可以将煤炭运输到更需要它们的地方。煤炭全球储量约为5.3×1024 J，是世界上最庞大的化石能源。煤炭是很多地方目前最重要的能源。在可获得煤炭的地区，相对于油和天然气，煤炭的价格最低。
其他可能的固态石油化学能源
除了煤和石油以外，在一些地区还被发现储藏有非常大量的天然碳基能源。例如，在加拿大就有大量的沥青砂和油页岩沉积物资源。对于沥青砂和油页岩的提炼和使用的追求，会引发人们强烈的甚至是带有政治色彩的情绪。这些能源的碳含量相对稀薄，将它们提取和转化成可利用的燃料的成本相对高昂。此外，在加工转化的过程中还消耗了诸如天然气和水在内的其他资源。尽管这一类固态碳氢化合物能源在许多地方的蕴藏量巨大，但是必须指出的是它们仍然是可以被耗尽的。这一类物质在天然环境中再生所需的时间极其漫长。因此，它们只能被算作不可再生能源。
原油
石油，或称为原油，虽然与煤炭一样也是一种化石燃料，但是液态的特征使石油具有显著优势，使它能在许多应用领域大展身手。典型的原油比能量可达42 kJ/kg。这比其他任何一种化石燃料都高。它已经成为一种世界性的商品，被运往全球各地。对原油的精炼加工可以得到一系列产品，包括重油、柴油、汽油和煤油等。接下来，这些大量的液态原料也可以用来制造多种不同类型的固态塑料制品。人类将基于原油的石油化工燃料用于能源并没有多久。可以说，“石油时代”在现代文明的历史中是一个很近的片段。
化石燃料枯竭的问题
如前面所述，化石燃料并非用之不竭，当某处的矿藏开采完后，该处的资源就会枯竭。世界可开采原油的产量在将来会达到峰值，即使目前还没有达到，但这一预判已经强力地促使人们去开发可替代能源。这一判断还需要结合世界人口高速增长的事实。基于中东这一传统的产油地的数据，全世界人均原油产量已经达到峰值，并开始下降。长久来看，原油的长期供给形势不容乐观。不同于木材，煤炭和石油化石燃料须经历数百万年方能形成，属于不可再生资源。想方设法保护原油资源和寻求它的替代品迫在眉睫。
天然气
天然气的主要成分是甲烷（CH4），它主要用于发电和生产石化产品。天然气往往伴生于液态化石能源和煤层中。天然气很容易通过管道运输。它也可以被液化后存储，或装入冷却罐中运输，甚至可以通过轮船漂洋过海。目前，俄罗斯是世界上最大的天然气生产国，同时也蕴藏大量的石油。这些油和气通过多条巨型管道出口到西欧。
氢气
因为获得氢气必须消耗能量，所以与其说氢气是一种能源，倒不如说它是一种能量的载体。氢气可以参与加氢裂解反应把重油大分子分解成更轻的碎片分子。氢气作为燃料电池的燃料应用于当前的交通运输领域仅仅是氢气众多用途中非常小的一部分。目前有多种方法可以得到氢气。在高温下通过裂解天然气来得到氢气的方法成本最低，这种方法获得的氢气占到95 %。氢气还可以通过其他方式获得。其中最主要的方法是电解水，目前这种方法占到氢气生产总量的4 %。
天然气水合物
还有一种有巨大潜力的能源有可能在将来大行其道。这就是深藏在海底的天然气水合物。这种材料有时也被称为甲烷水合物或可燃冰。它的分子结构可以描述成水分子包裹甲烷分子的固态晶体。一般有两种方法从可燃冰中提取甲烷：一种是加热，另一种是减压。显然后者消耗的能量更少。由于储量非常巨大，可燃冰理所当然被视为极具潜力的重要能源。人们迫切希望开发经济有效的方法从中获取能量。
化学衍生燃料
除了自然界已发现的不可再生能源，将除薪柴以外的可再生能源转化为液态燃料吸引了人们的高度关注。最近，人们发现一种天然植物油改进过后可以用作柴油燃料。这种植物在德国称作“Raps”，它在春天可以开出明黄色的漂亮花朵。另一类农作物燃料是富含糖分（例如甘蔗、甜菜、甜高粱）或淀粉（例如玉米、柳枝稷）的农作物。当化石燃料的价格很高时，人们开始利用玉米生产更经济的替代燃料。这导致大量原本作为粮食的玉米用作生产生物质燃料，从而引起相关食品涨价，进一步发展为政治问题。从动物中提取脂肪获取燃料是一种经济而且可以适当规模化的方法，这类能源越来越具有吸引力。
最近发现的大型天然气和石油资源
虽然本书的主题是能源存储而不是能源来源，但是在这里值得提一下能源领域在近期有一项非常重要的进展。近年来，钻井技术的进步使人们有可能从地下页岩层获得大量的天然气和石油。人们已经知道在很多地方距离地表超过1 mile的页岩层中蕴含天然气和石油。但是在过去很长时间里利用常规的钻井技术开采大量有用的燃料是非常困难且不经济的。一种新的钻井和开采策略称为“水力压裂法”。该方法从水平方向钻入页岩层，而不是钻透它。还有一些技巧可以显著提高油气开采的效率。通常是有针对性地加入不同的材料。
其他可替代能源
人类寻求其他可替代能源的脚步从未停止，有一些可替代能源逐渐走向舞台中央。其中起主导作用的就有太阳能和风能技术。其他方法还有利用地热、收集的雨水、潮汐和洋流来获取能量，以及从海洋波浪这种自然现象中回收能量。人们一直对利用核裂变反应提供热量和发电感兴趣。对于核裂变发电，除了成本问题外，有一个持续存在且十分严重的问题是如何处理难以避免且长半衰期的放射性核废料。在核废料问题解决前，这将一直是一项非常危险的技术。
化石能源的替代能源大多有一个很重要的特征是具有时间依赖性。例如，无论是用于水力发电还是其他用途，水资源的丰沛程度不仅随四季流转而变，亦受气象阴晴之制。朝日而升，夕阳而落；清风时来时往，潮汐循环往复，皆具周期之律。太阳能、风能和潮汐能对时间的依赖性使得这些替代能源的供给与人们对能源的需求难以同步。如何发展和使用有效的能源存储方法也是一个重要的问题。
在宏观尺度上，目前已经建成的大型输电网可以作为缓冲器来解决以上电能供给和需求不同步的问题。电网的电力供应主要来自于煤和原油等化石能源，在一些地方也使用核电和水电。在容量匹配时，间歇式能源的发电量可以并入大型电网系统中，这缓解了电网对常规供能的需求。有时电网用户用电需求会很高，这时间歇式能源发的电能够并入电网就特别有用。若为此额外发电增容就得不偿失。
电网能源之需，大抵随昼夜更迭与周日循环而异。此外，气象之变幻、岁时之迁流，亦使用电需求波动剧烈。大规模能源供应与需求匹配的问题，即负荷平准和削峰填谷，还有许多其他非稳态用途，都将在稍后讨论。
当电能用于汽车或者更小的便携式用途，如计算机和手机时，会出现完全不同的问题。在这种情况下，能量向一个方向发生转移，存储设备可能直接或间接地通过电网充电。
由此可见，需要多种解决方案以应对人们多种多样的储能需求。这些主题将在本书中展开。
传统能源面临枯竭的严峻问题使得寻求和发展可替代能源迫在眉睫。这引起了全世界政府机构的关注和行动。一个重要的例子是，2007年12月美国国会通过了《能源独立与安全法案》（EISA）并使之成为法律。该法律旨在提高能源效率和增加可再生能源的利用，包括提高汽车、电器和照明的能源利用效率，以及增加生物质能源的产量。它还呼吁加快其他能源及相应的储能方法的研究与开发。
美国在这一领域的进一步行动是在2009年通过了《美国复苏与再投资法案》。除了增加在能源效率和可再生能源方面的资金投入，以及开展能源相关领域的研发外，美国还向电化学能源存储有关的制造设备投入了一大笔资金。
显然，储能技术必将在未来能源供应与消费的宏大图景中，占据愈发举足轻重的地位。随着太阳能、风能等替代能源日益普及，鉴于其出功具有间歇之特性，储能之枢纽作用将愈发关键。
本书之主旨，绝非止步于对各类储能方式的浅显描述，而是旨在深度解析能源存储并转为后用的内在机制，以期令读者得其精髓，洞彻其理。
Robert A.Huggins
美国加利福尼亚州斯坦福大学
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