《新能源材料与器件制备技术》系统介绍光伏材料与电池、锂离子电池材料与电池、氢能与燃料电池，以及超级电容器等的基本概念、基本原理、生产工艺和核心设备以及生产过程中的环境污染与治理的基本知识。书中以典型的、规模化的新能源材料或器件为例，将本专业所涉及的基本原理、工艺过程、关键设备等知识集成一体使学生系统掌握新源材料与器件的核心知识帮助学生知悉和掌握新能源材料与器件中的生产过程并且能够解决生产过程中遇到的基本科学与技术问题，以满足新兴产业对人才的需要。本书既可作为高等院校新能源相关专业的本科生、研究生的教材，也可以供新能源相关领域的工程技术人员参考。

张云，四川大学材料科学与工程，教授，博导，张 云，男，1968年生，四川大学教授，博士生导师，四川省学术与技术带头人后备人选，中国化学会电化学委员会委员。1992年和1995年分获东北大学有色冶金专业工学学士和硕士学位，2006年获四川大学材料物理化学专业工学博士学位；1995年～2001年在成都理工大学应用化学系工作，2006年～2007年英国牛津大学化学系访问学者。主要从事锂离子电池关键材料和储能技术开发与产业化、纳米粉体材料的合成与应用研究等方向的教学与科研工作。参加或承担各类科研项目20余项，包括国家;863、国家;973、国家自然科学基金重点、四川省科技攻关以及校企合作项目；获国家授权发明专利6项，公开国家发明专利15项；在Advanced Functional MaterialsJ. Mater. Chem. A.ACS Applied Materials amp; Interfaces. J. Power Sources Colliods and Surface B J.Alloys Compd.及《化学学报》等期刊发表SCI论文40余篇。

第1章概述1.1新能源材料与器件的基本概念 0011.1.1新能源 0011.1.2新能源材料 0011.1.3新能源器件 0021.2新能源材料与器件的发展趋势 0021.2.1光伏材料与器件 0021.2.2锂离子电池材料与器件 0041.2.3氢能与燃料电池 004习题 005参考文献 005

第2章晶体硅太阳电池材料制备技术2.1硅太阳电池材料概述 0062.2高纯多晶硅料制备 0072.2.1改良西门子法 0082.2.2硅烷法 0092.2.3流化床法 0102.2.4冶金法 0112.3硅棒及硅锭的制备 0112.3.1单晶硅棒的制备 0112.3.2多晶硅锭的制备 0142.4硅片制备 0152.4.1单晶硅片的制备 0162.4.2多晶硅片的制备 0172.4.3多线切割技术 0182.4.4新型硅片制备技术 018习题 019参考文献 019

第3章晶体硅太阳电池制备技术3.1晶体硅太阳电池概述 0203.2Al_BSF太阳电池 0203.2.1清洗制绒工艺 0213.2.2扩散制结工艺 0233.2.3湿法刻蚀工艺 0243.2.4减反射膜工艺 0253.2.5电极制备工艺 0263.2.6烧结工艺 0273.3PERC太阳电池 0273.3.1PERC太阳电池工艺流程 0283.3.2钝化技术 0293.3.3激光开膜技术 0303.3.4选择性发射极技术 0313.3.5载流子注入退火再生技术 0313.4SHJ太阳电池 0323.4.1SHJ太阳电池的能带特点 0323.4.2SHJ太阳电池的结构 0333.4.3SHJ太阳电池工艺 0353.4.4SHJ太阳电池的优点 0373.5TOPCon太阳电池 0383.5.1TOPCon太阳电池的结构及原理 0383.5.2TOPCon太阳电池工艺 0393.5.3TOPCon太阳电池发展方向 0433.6光伏组件技术 0443.6.1组件工艺流程 0443.6.2组件封装材料 0463.6.3高效组件技术 049习题 050参考文献 050

第4章薄膜太阳电池原理与制备技术4.1薄膜太阳电池概述 0514.2碲化镉薄膜太阳电池 0514.2.1碲化镉材料的性质 0514.2.2高效碲化镉薄膜太阳电池的结构 0524.2.3高效碲化镉薄膜太阳电池的制备技术 0554.2.4限制碲化镉薄膜太阳电池效率的因素 0574.3CIGS太阳电池 0574.3.1CIGS太阳电池材料性质 0574.3.2CIGS薄膜太阳电池的结构及制备技术 0604.3.3CIGS太阳电池的发展潜力及局限 0644.4砷化镓太阳电池 0654.4.1砷化镓材料的主要性质 0654.4.2砷化镓太阳电池的制备技术 0674.4.3高效砷化镓薄膜太阳电池的结构 0694.4.4限制砷化镓薄膜太阳电池转换效率的因素 0704.5钙钛矿太阳电池 0724.5.1铅卤钙钛矿材料的主要性质 0724.5.2铅卤钙钛矿薄膜的制备技术 0734.5.3限制铅卤钙钛矿薄膜太阳电池转换效率的因素 0744.6非晶硅薄膜太阳电池 0764.6.1非晶硅材料的物理特性 0764.6.2非晶硅薄膜材料的制备方法 0784.6.3非晶硅薄膜太阳电池的结构 0794.6.4影响非晶硅薄膜太阳电池转换效率的因素 0804.6.5非晶硅薄膜电池的发展方向 080习题 081参考文献 081

第5章锂离子电池正极材料制备技术5.1正极材料概述 0825.1.1正极材料的发展历程 0825.1.2正极材料的种类 0825.2正极材料的结构与电化学特征 0835.2.1层状结构正极材料 0835.2.2尖晶石型正极材料 0855.2.3橄榄石型正极材料 0865.3三元正极材料制备技术 0885.3.1概述 0885.3.2三元前驱体的合成 0885.3.3三元正极材料的高温合成 0935.3.4三元正极材料的改性研究 0975.4磷酸铁锂正极材料制备技术 0985.4.1概述 0985.4.2磷酸铁的制备工艺 0995.4.3磷酸铁锂 碳正极材料的高温合成 1035.4.4磷酸铁锂正极材料的改性 1055.5其它正极材料制备技术 1065.5.1钴酸锂的生产工艺 1065.5.2锰酸锂的生产工艺 107习题 109参考文献 110

第6章锂离子电池负极材料制备技术6.1负极材料概述 1116.1.1负极材料发展历史 1116.1.2负极材料分类 1116.2负极材料性能要求 1116.3天然石墨负极材料 1136.3.1天然石墨负极材料的定义 1136.3.2天然石墨负极材料的脱嵌锂原理 1146.3.3天然石墨负极制备工艺 1146.3.4天然石墨的表面改性 1176.4人造石墨负极材料 1196.4.1人造石墨负极材料的定义 1196.4.2人造石墨负极材料的脱嵌锂原理 1196.4.3人造石墨材料制备工艺 1206.5中间相炭微球 1246.5.1中间相炭微球的形成 1246.5.2中间相炭微球制备工艺 1256.6硅基负极材料 1276.6.1硅负极 1276.6.2硅碳复合负极材料 1296.6.3氧化亚硅负极 1316.7钛酸锂负极材料 1336.7.1概述 1336.7.2钛酸锂负极材料制备工艺 134习题 135参考文献 135

第7章非水电解液原理及制备技术7.1液态电解液功能添加剂 1367.1.1固态电解质中间相成膜添加剂 1367.1.2正极保护添加剂 1387.1.3过充保护添加剂 1387.1.4阻燃添加剂 1397.2功能性液态电解液 1407.2.1低温或高温电解液 1407.2.2高倍率电解液 1427.2.3安全性电解液 1427.3凝胶电解质 1437.3.1凝胶电解质的组成及特性 1437.3.2凝胶电解质的制备技术 1447.3.3凝胶电解质的电化学性质 1457.4固态电解质 1467.4.1聚合物固态电解质 1477.4.2无机固态电解质 1487.4.3固态电解质的电化学性质 1517.5非水电解液关键材料的制备方法 1527.5.1液态溶剂的制备技术 1527.5.2关键电解质盐的制备技术 1527.5.3固态电解质的制备技术 154习题 156参考文献 156

第8章锂离子电池隔膜制备技术8.1隔膜基本要求与分类 1578.1.1隔膜的基本要求 1578.1.2隔膜的分类 1608.2隔膜的制备工艺 1628.2.1隔膜干法制备工艺 1638.2.2隔膜湿法制备工艺 1678.2.3湿法隔膜和干法隔膜的对比 1698.2.4静电纺丝技术 1698.3隔膜的改性 1708.3.1涂层隔膜 1708.3.2有机 无机复合隔膜 1708.3.3新材料体系隔膜 170习题 172参考文献 172

第9章锂离子电磁的设计与制备技术9.1锂离子电池的设计基础 1739.1.1锂离子电池设计的原理 1739.1.2锂离子电池设计的基本原则 1749.1.3锂离子电池的设计要求 1749.1.4锂离子电池的结构和性能设计 1759.1.5锂离子电池保护电路的设计 1779.2锂离子电池制备工艺 1789.2.1圆柱形锂离子电池制备工艺 1799.2.2软包电池制备工艺 1839.2.3方形电池制备工艺 185习题 186参考文献 186

第10章超级电容器的原理及制备技术10.1超级电容器概述 18710.2双电层电容器 18810.2.1双电层电容器的基本工作原理 18810.2.2双电层电容器的储能理论 18910.2.3双电层电容器所用碳材料 19210.2.4碳材料双电层电容的影响因素 19310.3不对称型超级电容器 19510.3.1赝电容电化学电容器 19510.3.2赝电容材料 19610.3.3不对称型超级电容器 19610.3.4常见的水系不对称型超级电容器构型 19710.4超级电容器电解液 19810.4.1超级电容器电解液概述 19810.4.2超级电容器电解液的设计 19810.4.3各种电解液中离子对电荷存储的影响 19910.5超级电容器器件 20010.6锂离子电容器 20010.6.1锂离子电容器电极材料 20210.6.2锂离子电容器的关键技术 20410.6.3锂离子电容器的构型 20610.7新型混合超级电容器 20710.7.1钠离子电容器 20710.7.2锌离子电容器 208习题 208参考文献 209

第11章制氢工艺与储氢材料制备技术11.1氢经济与氢能 21011.1.1氢经济与氢循环 21011.1.2氢经济实现的路线 21111.2制氢工艺与技术 21111.2.1天然气_水蒸气重整制氢 21211.2.2煤制氢技术 21511.2.3电解水制氢技术 21611.2.4碱性电解水制氢技术 21711.2.5固体聚合物电解水制氢技术 21911.3储运氢工艺与技术 22011.3.1高压气瓶储氢 22011.3.2氢气压缩 22311.3.3液态氢储存工艺与技术 22411.3.4氢气液化流程 22411.3.5液氢储罐 22511.3.6储氢合金制备工艺与技术 227习题 230参考文献 231

第12章燃料电池材料与器件原理与制备技术12.1燃料电池概述 23212.1.1化学电源与燃料电池 23212.1.2燃料电池分类 23212.1.3燃料电池的工作原理及应用场景 23312.1.4燃料电池发展简史 23712.2燃料电池基础 23912.2.1燃料电池可逆电势及理论效率 23912.2.2Butler_Volmer方程 24012.2.3塔菲尔半经验公式 24012.2.4燃料电池极化 24112.2.5燃料电池实际效率 24312.3燃料电池材料 24412.3.1质子交换膜燃料电池构成及功能 24412.3.2质子交换膜燃料电池关键材料 24612.4质子交换膜燃料电池器件设计 25712.4.1膜电极设计 25712.4.2双极板流场设计 262习题 267参考文献 268

第13章环境污染与治理13.1太阳电池与环境污染治理 26913.1.1晶体硅和非晶硅产污分析 26913.1.2气态污染物治理 27313.1.3液态污染物治理 27413.2锂离子电池与环境污染治理 27513.2.1锂离子电池材料生产过程中的产污分析 27613.2.2锂离子电池退役后的产污分析 27613.2.3三元前驱体生产过程相关污染与治理 27813.2.4磷酸铁生产过程相关污染与治理 28013.2.5石墨负极材料生产过程相关污染与治理 280习题 282参考文献 282

新能源技术是21世纪世界经济发展中最具有决定性影响的五大技术领域之一，新能源材料与器件是实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术的关键。2011年批准创办;新能源材料与器件专业，该专业是为适应我国新能源、新材料、新能源汽车、高端装备制造等国家战略性新兴产业发展需要而设立的战略性新兴专业。2011年，全国首批仅有15所高校设立该专业，随后设立学校和招生规模不断扩大，截至2023年底，全国有150余所高校设立该专业。由于新能源材料与器件专业为新兴的交叉学科，专业跨度大，涉及材料、物理、化学、电子、机械等多学科，这给该专业教学带来很大的难度，既缺乏核心的专业课程，也没有相匹配的核心专业教材。为了满足这一新专业的教学需求，在化学工业出版社的支持下，相关高校多次召开教材建设研讨会，于2019年在北京达成共识，共同打造《能量转化与存储原理》《新能源材料与器件制备技术》以及《新能源器件与系统》3门核心课程教材。《能量转化与存储原理》的主要内容应为能量转化与存储的共性原理，从电子、离子、分子、能级、界面等过程去阐述；《新能源材料与器件制备技术》的内容承接原理的落地，目前阶段可以综合光伏、锂电、燃电、超级电容等材料和器件的工艺和设备；《新能源器件与系统》的内容注重器件的系统优化、同种器件系统、不同能量转换或存储器件的系统集成等，是工艺的延伸。三门核心课程是总分总的关系。在三门课程学习后的基础上，继续学习光伏、锂离子电池、燃料电池和超级电容器等方向的专业特色课程。在2020年，该系列教材得到了高等学校材料类专业教学指导委员会的立项支持，并在2021年由材料教指委推荐，加入新兴领域教材研究与实践项目，进一步结合新兴领域的人才培养需要，广泛听取各高校建议，对系列教材的结构和内容安排详细研讨、组织与规划，最终形成确定的编写方案。本教材重点讲述新能源材料与器件的制备工艺和技术。教材系统介绍光伏材料与电池、锂离子电池及材料、氢能与燃料电池，以及超级电容器等的基本概念、原理、工艺和主要设备。通过本书的学习，要求学生学习和掌握已经规模化、成熟化的新能源材料与器件中核心材料与关键器件的生产过程，并且能够解决生产过程中遇到的基本科学与技术问题。同时，教材内容结合当前国际关系发展态势与国家科技发展重大需求，培养学生们对本学科专业的学习热情与科研兴趣，激发学生追求学习报国、科技强国的爱国主义精神。全书共分13章，第1章由四川大学张云编写，第2章由四川大学张静全编写，第3章华东理工大学袁晓和柳翠编写，第4章由华北电力大学李美成编写，第5章由四川大学张云和武开鹏编写，第6章由西南石油大李星编写，第7章由武汉大学曹余良编写，第8章由湘潭大学雷维新编写，第9章由合肥工业大学朱继平编写，第10章由中南大学纪效波和邹国强编写，第11章由四川大学吴朝玲编写，第12章由武汉理工大学木士春编写，第13章由北京理工大学郭兴明编写。由于我们的水平有限，本书难免有疏漏和贻误，诚望专家和读者批评指正。

编者2024年4月