重磅推荐 |《电化学储能中的计算、建模与仿真》新书上市！

电化学储能技术是学术与工业界响应“碳达峰”和“碳中和”号召、维护国家能源安全的着力点，其作为构建能源互联网能源收集和存储节点的关键之一，在便携电源、电动载具、大规模储能等场景不断释放潜力。推进电化学储能技术发展至关重要。

线上购书方式：

▲ 长按识别 即可优惠购买本书

< 化学工业出版社 京东旗舰店 >

▲ 长按识别 即可优惠购买本书

< 化学工业出版社 有赞旗舰店 >

电化学储能技术发展依赖于材料发现、器件设计以及生产工艺优化的协同演进。材料层面，周期达十余年的“试错法”研发模式难以满足产业界对高性能材料的迫切需求，且单一尺度/精度的计算方法难以应对当前电化学储能材料设计面临的化合物种类庞杂、数据多源异构和多目标性能评估等挑战；器件层面，材料性能无法完全发挥，以及高性能材料的成本问题，均是提出设计方案时面临的障碍；生产工艺层面，严格遵循设计方案制造电化学储能器件需优化工艺和设备。

由此，亟待厚植行业软件及相关数据共建共享的生态，有机地融合理论、数据和实验研究，开发集计算、建模与仿真、数据库和机器学习于一体的研发平台，以助力电化学储能材料与器件数字化、智能化研发，加速材料发现、器件设计与制造工艺的迭代优化。

在这样的背景下，编写一本详细介绍面向电化学储能研究的计算、建模和仿真方法及应用的工具书是非常必要的。

《电化学储能中的计算、建模与仿真》一书中涉及电化学储能研究中的科学与技术问题、相关基础理论、第一性原理计算、分子动力学模拟、蒙特卡罗和渗流模拟、有效介质理论和空间电荷层模拟、相场模拟、多尺度多物理场建模与仿真、老化研究以及材料基因工程。

这些内容既各自独立，也可通过对理论能量密度、热力学相图、缺陷形成机制、电子导电/离子输运机理、电压平台、有序/无序相结构、溶剂化结构脱溶过程、表/界面副反应、（低温/高温）充放电速率、材料相变与应力演化、本征/化学/电化学稳定性安全性、老化/失效等多尺度问题进行探究而将其相互关联。

▲ 电化学储能应用涉及的理论、参数、模型

<点击可查看大图>

本书的特色之处在于聚焦多尺度、多物理场计算仿真方法在电化学能量存储材料与器件中的应用。采用理论基础与计算方法相结合的叙述方式，帮助读者建立材料/器件结构与关键性能之间的关联，以及理解能量存储与转换过程中复杂的物理化学变化。

本书可为研究储能材料提供多尺度理论仿真技术，加快电化学储能材料设计与器件研发提供有益讨论。

▲ 电化学储能器件从材料、电极、电芯和系统

四个层面递进式设计流程

<点击可查看大图>

在中国能源结构改革高速度发展的今天，先进的基础理论和智能的科技技术如雨后春笋般生长，全球价值链的调整对我国制造业的转型升级形成重大挑战，同时又提供了重大历史机遇。

本书竭尽作者二十余载对过往电化学储能中的计算、建模与仿真的总结，真诚希望对投身新能源发展的学者起到指引和帮助，共同为新能源领域的研究与发展提供点滴支撑。

电化学储能中的计算、建模与仿真

图书信息简介

「陈立泉院士和南策文院士作序推荐」

施思齐 等 著

丛书主编：李泓（中科院物理研究所）   责任编辑：卢萌萌

书号:978-7-122-42688-8

定价：168.00元

本书可供电化学能量存储和转换材料与器件研发的科研工作者与工程技术人员在电化学储能器件的设计与制造、生产与管理、电芯制造与开发、安全使用与维护等方面提供参考；也可作为高等学校化学、物理、材料、新能源等专业本科生和研究生的教材或教学参考书。

# 作者简介 #

施思齐

教授，博士生导师，现任职于上海大学材料科学与工程学院和材料基因组工程研究院，国家优秀青年科学基金获得者(2016年)。2004年7月博士毕业于中国科学院物理研究所，师从陈立泉院士和王鼎盛院士。2004年8月至2013年5月先后在日本产业技术综合研究所、美国内布拉斯加州-林肯大学和美国布朗大学做博士后或访问学者。主要研究方向为电化学储能材料的计算与设计、材料数据库与机器学习，致力于推动人工智能赋能材料研发。

2001年率先在国内应用第一性原理计算研究锂离子电池材料。已在Nat Catal、Chem Rev、Prog Mater Sci、Natl Sci Rev、Adv Mater等期刊发表论文180余篇。创建了具有独立自主知识产权的电化学储能材料计算与数据平台。承担国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目12项。目前是中国硅酸盐学会固态离子学分会理事、中国材料研究学会计算材料学分会委员。担任《Computational Materials Science》、《Journal of Materials Informatics》、《储能科学与技术》、《硅酸盐学报》、中国物理学会“四刊”和《中国科学：技术科学》等期刊(青年)编委。

 目录预览 #

第1章 电化学储能中的科学与技术问题 1
1.1 电化学储能概述 1
1.2 电化学储能中的科学问题 2
1.2.1 热力学问题2
1.2.2 动力学问题 4
1.2.3 稳定性评价6
1.3 电化学储能中的技术问题 6
1.3.1 多物理场耦合问题6
1.3.2 器件老化和失效问题7
1.3.3 器件设计问题 8
参考文献 9

第2章 面向电化学储能应用的基础理论简介 11
2.1 电化学基本原理12
2.1.1 电化学基本概念 12
2.1.2 电化学热力学 13
2.1.3 电化学动力学 16
2.2 配位场理论 17
2.3 缺陷化学基础 18
2.4 输运物理 18
2.5 扩散系数20
2.6 晶格动力学22
2.7 渗流理论24
2.8 有效介质理论25
2.9 界面双电层26
2.9.1 固液双电层 26
2.9.2 固固双电层 28
2.10 相变平均场理论29
2.11 多物理场耦合理论29
参考文献 31

第3章 电化学储能中的第一性原理计算 36
3.1 第一性原理计算方法36
3.1.1 薛定谔方程 36
3.1.2 哈特里-福克自洽场方法 37
3.1.3 分子轨道能级计算方法 38
3.1.4 密度泛函理论 42
3.1.5 交换关联泛函的修正算法 44
3.2 热力学函数计算指导材料理性设计与结构锚定45
3.2.1 电能存储—从热能、势能、机械能到化学能 46
3.2.2 第一性原理相图计算探究相变微观起源 47
3.2.3 界面上的物理与化学 53
3.2.4 微观结构扰动效应 59
3.3 准粒子结构映射材料内禀特性66
3.3.1 电子结构刻画材料物性 66
3.3.2 缺陷化学理论指导设计储能材料 73
3.4 离子输运图像 79
3.4.1 离子输运机制79
3.4.2 输运通道识别83
3.5 展望 92
参考文献 93

第4章 电化学储能中的分子动力学模拟 107
4.1 分子动力学模拟概述107
4.2 分子动力学模拟的基本原理 108
4.3 分子动力学模拟的基本设置109
4.3.1 分子动力学模拟运行流程以及输入、输出信息 109
4.3.2 初始构型、速度及边界条件110
4.3.3 时间步长 111
4.3.4 系综、温度与压强 111
4.3.5 势函数以及力的计算方法112
4.4 分子动力学模拟的分类 112
4.4.1 粗粒度分子动力学模拟113
4.4.2 极化分子动力学模拟114
4.4.3 反应分子动力学模拟114
4.4.4 第一性原理分子动力学模拟115
4.4.5 基于机器学习势函数的分子动力学模拟116
4.5 分子动力学模拟在电化学储能中的应用 116
4.5.1 晶态-非晶态转变116
4.5.2 液态电解质中微结构表征118
4.5.3 电极/电解质界面反应118
4.5.4 离子输运性质119
4.5.5 枝晶生长影响因素 125
4.6 分子动力学模拟软件125
4.7 展望126
参考文献 126

第5章 电化学储能中的蒙特卡罗和渗流模拟 132
5.1 蒙特卡罗模拟 132
5.1.1 蒙特卡罗模拟概述 132
5.1.2 蒙特卡罗模拟基本步骤 137
5.1.3 蒙特卡罗模拟在电化学储能研究中的应用 142
5.2 渗流模拟 148
5.2.1 渗流理论概述 148
5.2.2 渗流模拟的基本步骤 152
5.2.3 渗流模拟在电化学储能研究中的应用 153
5.3 蒙特卡罗模拟与其他方法的融合 156
5.3.1 与渗流模拟融合 156
5.3.2 与团簇展开方法融合 157
5.3.3 与键价和计算融合 159
5.3.4 与分子动力学模拟融合 159
5.4 展望 161
参考文献 162

第6章 电化学储能中的有效介质理论和空间电荷层模拟 167
6.1 有效介质理论模拟 167
6.1.1 有效介质理论概述 167
6.1.2 有效介质理论方程 169
6.1.3 基于有效介质理论的离子电导率计算 170
6.2 空间电荷层模拟 171
6.2.1 空间电荷层模拟概述171
6.2.2 空间电荷层模拟的基本步骤 175
6.2.3 空间电荷层模拟在电化学储能研究中的应用 176
6.3 展望179
参考文献179

第7章 电化学储能中的相场模拟 182
7.1 相场模拟概述182
7.2 相场模拟中的特征物理量185
7.3 电化学相场模拟186
7.3.1 经典相场模型简介 186
7.3.2 电化学相场模拟步骤 190
7.3.3 电化学相场模拟演化方程 190
7.4 相场模拟在电化学储能中的应用 191
7.4.1 离子电导率与相分离191
7.4.2 电极材料的力学行为与应力演化 194
7.4.3 枝晶生长 195
7.5 展望198
参考文献199

第8章 电化学储能中的多尺度多物理场建模与仿真 204
8.1 多尺度多物理场建模与仿真概述 204
8.2 颗粒尺度建模与仿真 206
8.2.1 基本模型206
8.2.2 活性材料中的电化学-力学耦合及颗粒机械损伤的控制 209
8.2.3 活性颗粒表面黏结体系及固态电解质膜的综合调控 212
8.3 电极尺度建模与仿真 216
8.3.1 电极的干燥成型 216
8.3.2 电极的扩散诱导应力 219
8.3.3 电极的分层和屈曲失效222
8.4 多尺度多物理场建模与仿真224
8.4.1 理论模型 224
8.4.2 热场模拟 230
8.4.3 荷电状态估计233
8.4.4 电池容量特性计算233
8.4.5 电池阻抗监测技术235
8.5 基于均匀化方法的快速建模与仿真237
8.6 展望239
参考文献239

第9章 电化学储能中的老化研究 245
9.1 老化概述245
9.2 老化机理简介245
9.2.1 储存老化245
9.2.2 循环老化247
9.3 老化模型简介 251
9.3.1 机理模型 251
9.3.2 经验/半经验模型259
9.3.3 机器学习老化模型260
9.4 展望262
参考文献262

第10章 电化学储能中的材料基因工程 266
10.1 材料基因工程概述 266
10.1.1 材料基因工程的由来和内涵 266
10.1.2 数据驱动的材料研发模式——第四范式 268
10.2 电化学储能中的高通量计算与数据平台 269
10.2.1 高通量计算概述 269
10.2.2 高通量计算与数据平台 269
10.2.3 高通量计算助力电化学储能材料筛选 276
10.3 电化学储能中的机器学习 277
10.3.1 机器学习概述 277
10.3.2 机器学习的一般步骤 278
10.3.3 机器学习在电化学储能中的应用 296
10.3.4 挑战性问题与对策 299
10.4 展望 303参考文献 30

 陈立泉院士和南策文院士作序推荐 

 助力能源结构改革与“双碳”战略实施 

 推动“十四五”新型储能技术的发展与应用