新能源材料基因工程与应用导论

本书主要以材料基因工程理论为核心，按照“理论→工具→应用”的逻辑顺序，对新能源材料基因工程相关知识进行介绍。全书内容包括三部分：第一部分，材料基因工程的理论基础，主要是第0～5章，包括新能源材料，环境友好材料，材料设计和模拟计算，材料基因工程的发展、理论和方法等内容；第二部分，材料基因工程的计算工具，主要是第6章，包括应用于材料科学研究与设计开发的相关计算软件等内容；第三部分，新能源材料基因工程计算实例，主要是第7～10章，包括二次电池材料计算研究实例、氢能及燃料电池材料计算研究实例、太阳电池材料计算研究实例、生物质材料计算研究实例等内容。

目录
丛书序
前言
第0章 绪论 1
0.1 能源材料与人类文明 1
0.2 宏观宇宙尺度与微观世界尺度 2
0.3 能源材料、新能源材料与环境材料 3
0.4 材料基因工程 3
0.5 教材纲要 5
课后题 6
第1章 新能源材料 7
1.1 二次电池材料 8
1.1.1 铅蓄电池 8
1.1.2 镍镉电池和镍氢电池 11
1.1.3 锂电池 12
1.1.4 钠电池 15
1.1.5 钾电池 17
1.1.6 镁离子电池 18
1.1.7 铝离子电池 19
1.1.8 全钒液流电池 20
1.2 燃料电池材料 21
1.2.1 质子交换膜燃料电池 22
1.2.2 碱性燃料电池 22
1.2.3 固体氧化物燃料电池 23
1.2.4 熔融碳酸盐燃料电池 23
1.2.5 磷酸燃料电池 24
1.2.6 直接醇类燃料电池 24
1.2.7 金属空气燃料电池 25
1.3 太阳电池材料 25
1.4 储备电池材料 27
课后题 27
参考文献 27
第2章 环境友好材料 33
2.1 概述 34
2.2 生物质材料 34
2.2.1 概况 34
2.2.2 纤维素基材料 37
2.2.3 淀粉基材料 38
2.2.4 木质素基材料 39
2.2.5 蛋白质基材料 41
2.2.6 甲壳素基材料 44
2.3 绿色建筑材料 45
2.3.1 装饰材料 45
2.3.2 墙体材料 47
2.3.3 隔热材料 47
2.4 绿色包装材料 48
2.4.1 概况 49
2.4.2 选材要素 49
2.4.3 材料分类 50
2.4.4 包装分级 51
2.4.5 纸质包装材料 51
2.4.6 塑料包装材料 52
2.4.7 金属包装材料 53
2.4.8 玻璃包装材料 53
2.5 环境工程材料 53
2.5.1 环境净化材料 53
2.5.2 环境修复材料 56
2.5.3 环境替代材料 56
课后题 57
参考文献 58
第3章 材料设计和模拟计算 60
3.1 发展历程与现状 60
3.2 分子尺度的材料计算方法 61
3.2.1 第一性原理 61
3.2.2 Hartree-Fock方法 62
3.2.3 密度泛函理论 63
3.2.4 分子动力学 66
3.2.5 蒙特卡罗方法 68
3.3 介观和宏观尺度的材料计算方法 70
3.3.1 CALPHAD 70
3.3.2 介观尺度的相场模拟 72
3.4 材料环境友好性评价 73
3.4.1 材料环境友好性 73
3.4.2 生命周期评价方法 74
3.4.3 足迹家族及人体健康风险评价 76
3.4.4 材料环境友好性算例：锂离子电池 77
3.5 材料的流动传热模拟与理论计算 78
3.5.1 概述 78
3.5.2 建模 78
3.5.3 求解 80
3.5.4 计算结果分析 86
3.5.5 CFD设计与计算实例 87
课后题 88
参考文献 88
第4章 材料基因工程的发展 91
4.1 发展历程与现状 91
4.1.1 材料基因工程的提出 91
4.1.2 材料基因组计划在国外的发展 94
4.1.3 材料基因组计划在我国的发展 95
4.2 材料基因工程的优势特征和前景展望 95
4.2.1 材料基因组的特点 95
4.2.2 材料基因组计划的工具 96
4.2.3 材料基因工程引领我国材料科技创新 100
4.2.4 材料基因组发展趋势及建议 101
课后题 103
参考文献 103
第5章 材料基因工程的理论和方法 105
5.1 高通量理论计算 105
5.1.1 概述 105
5.1.2 基于从头算的高通量筛选进行材料的发现和设计 108
5.1.3 通过高通量计算和机器学习技术加速材料科学研究 110
5.1.4 机器学习在新材料中的应用 117
5.2 高通量实验方法 118
5.2.1 高通量实验的由来 118
5.2.2 高通量实验技术面临的挑战 119
5.3 材料基因工程数据库 119
5.3.1 数据库结构和信息 119
5.3.2 材料数据库的新功能 121
5.3.3 结构信息数据库的应用 123
课后题 126
参考文献 126
第6章 材料计算软件概述 132
6.1 Materials Studio软件 133
6.1.1 Materials Studio软件简介 133
6.1.2 Materials Studio软件计算方法 134
6.1.3 Materials Studio软件模块 136
6.1.4 Materials Studio软件应用实例 138
6.2 VASP软件 141
6.2.1 VASP软件简介 141
6.2.2 VASP软件计算 141
6.2.3 VASP应用案例 142
6.3 Gaussian和GaussView软件 143
6.3.1 Gaussian软件简介 143
6.3.2 GaussView软件简介 145
6.3.3 Gaussian软件应用实例 146
6.4 Pipeline Pilot软件 148
6.4.1 Pipeline Pilot软件简介 148
6.4.2 Pipeline Pilot软件功能 149
6.5 GeoDict软件 150
6.5.1 GeoDict软件简介 150
6.5.2 GeoDict软件应用实例 152
6.6 Q-Chem软件 153
6.6.1 Q-Chem软件简介 153
6.6.2 Q-Chem软件应用实例 154
6.7 COMSOL软件 157
6.7.1 COMSOL软件简介 157
6.7.2 COMSOL软件应用实例 158
6.8 NAMD软件 159
6.8.1 NAMD软件简介 159
6.8.2 NAMD软件应用实例 160
6.9 未来发展与展望 160
课后题 161
参考文献 162
第7章 二次电池材料计算研究实例 164
7.1 正极材料设计和计算 165
7.1.1 钴酸锂 165
7.1.2 磷酸铁锂 165
7.1.3 锰酸锂 166
7.1.4 富锂锰基电极材料 167
7.1.5 三元材料 168
7.1.6 硫/氧正极 169
7.1.7 其他正极材料 175
7.1.8 其他电池体系正极 177
7.2 负极材料设计和计算 178
7.2.1 金属负极 178
7.2.2 锂离子电池负极 179
7.2.3 钠离子电池负极 182
7.2.4 钾离子电池负极 183
7.3 电解质材料设计和计算 184
7.3.1 液体电解质 184
7.3.2 氧化物固态电解质 188
7.3.3 聚合物固态电解质 193
7.3.4 其他电解质 194
7.4 其他电池体系材料设计和计算 195
课后题 197
参考文献 197
第8章 氢能及燃料电池材料计算研究实例 204
8.1 概况 204
8.2 电解质隔膜材料设计和计算 206
8.2.1 电解质及隔膜材料 206
8.2.2 材料模拟计算实例 207
8.3 催化剂材料设计和计算 211
8.3.1 催化剂简介 211
8.3.2 催化剂材料计算实例 212
8.4 电池结构设计和模拟计算 223
8.4.1 电池优化 223
8.4.2 结构模拟计算实例 224
8.5 氢能与燃料电池展望 227
课后题 227
参考文献 228
第9章 太阳电池材料计算研究实例 232
9.1 概况 232
9.2 材料计算在太阳电池中的应用 233
9.2.1 晶体硅太阳电池 233
9.2.2 薄膜太阳电池 234
9.2.3 有机太阳电池 242
9.2.4 钙钛矿太阳电池 248
9.2.5 其他太阳电池 255
9.3 太阳电池材料展望 259
课后题 259
参考文献 259
第10章 生物质材料计算研究实例 262
10.1 概况 262
10.2 生物质材料计算实例 264
10.2.1 生物质功能高分子材料 264
10.2.2 合成生物基高分子材料 271
10.2.3 生物质衍生物的制备 277
10.3 生物质材料展望 278
课后题 279
参考文献 279
缩略语 283